KR102206052B1 - 나노 입자층의 소결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자층 소결 방법은 기판 위에 나노 입자층을 형성하는 단계, 나노 입자층의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 임의의 지점에 집속된 레이저에 의해서 발생된 광학절연파괴 유도 플라스마로 나노 입자층의 일부분을 소결하는 단계를 포함한다.

Description

나노 입자층의 소결 방법{SINTERING METHOD OF NANOPARTICLES LAYER}

본 발명은 소결 방법에 관한 것으로, 특히 나노 입자층의 소결 방법에 관한 것이다.

기존 반도체 공정에서 회로기판은 베크라이트 또는 합성수지로 형성된 절연 기판에 회로소자를 전기적으로 연결 시키기 위한 회로 패턴이 형성되어 있는 것으로, 그 제조방식은 크게 서브트렉티브(subtractive) 방식과 에디티브(additive) 방식으로 구분된다.

서브트렉티브 방식은 기판에 전체적으로 도전성 박막을 형성한 상태에서 필요로 하는 회로 패턴 이외의 부분을 에칭 등에 의해 제거하는 방식이고, 에디티브 방식은 도금이나 프린팅 기술을 이용하여 기판에 직접 회로 패턴을 형성하는 방식이다.

현재 회로기판의 대부분은 대표적인 서브트렉티브 방식인 에칭 방식에 의해 제조되고 있는데, 에칭 방식에 따르 면, 절연기판에 동박을 입혀 형성된 적층판의 표면에 회로 패턴에 대응되는 부분에만 내산성 재료(레지스트)를 도포한 후, 에칭액을 이용하여 회로패턴 이외의 부분을 용해시켜 제거함으로써 회로패턴을 형성하게 된다.

그러나 상기와 같은 에칭 방식에 의해 회로기판을 제조하는 경우, 적층판 형성, 레지스트 도포, 레지스트 에칭 및 수세 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에, 제조 공정에 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 제조 원가가 상승한다는 문제점이 있다.

또한, 제조 공정 중 발생된 배출 액은 환경오염의 원인이 되며, 이를 방지하기 위해서는 중화 등의 처리가 필수 적으로 수반되고, 이는 또 다른 원가 상승의 요인으로 작용한다.

에디티브(additive) 방식은 에칭에 의한 회로기판 제조공정의 단점을 해결하기 위한 대안으로, 예를 들어 잉크젯 프린팅과 같은 인쇄 방법을 이용하여 기판 위에 도전성 잉크를 직접 인쇄함으로써 회로패턴을 구현하여 보다 쉽고 싸게 회로 기판을 제조하는 방법이다.

에디티브 방식은 원하는 장소에서 원하는 두께만큼의 프린팅을 할 수 있고, 제조 공정의 단순화 및 제조원 가의 절감을 달성할 수 있고, 환경오염을 유발하지 않는다는 장점으로 인해 점차 그 이용 범위가 넓어지고 있다.

에디티브(additive)방식에서 잉크의 소결은 크게 열 소결 방법과 레이저 소결 방법으로 구분할 수 있다.

하지만 이러한 상용화된 열 소결 방법 및 레이저 소결 방법은 플렉서블 전자 장치를 제조하기 위한 연성 기판과 같은 내열성이 낮은 기판에서는 열 소결 또는 레이저 소결에 의해서 내열성이 낮은 기판이 열손상되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 유연 기판과 같이 내열성이 낮은 기판에서도 기판의 열 손상 없이 레이저를 사용하여 미세 패턴을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자층 소결 방법은 기판 위에 나노 입자층을 형성하는 단계, 나노 입자층의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 임의의 지점에 집속된 레이저에 의해서 발생된 광학절연파괴 유도 플라스마로 나노 입자층의 일부분을 소결하는 단계를 포함한다.

상기 일정 거리는 나노 입자층의 표면으로부터 500㎛ 내지 700㎛ 떨어진 지점일 수 있다.

상기 나노 입자층은 50nm 내지 200nm이하의 두께로 형성할 수 있다.

상기 나노 입자층의 나노 입자는 평균 20nm의 크기를 가질 수 있다.

상기 나노 입자층은 ITO 나노 입자, ZnO 나노 입자를 포함할 수 있다.

상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.

상기 소결되지 않은 나노 입자층에 레이저 빔을 직접 조사하여 나노 입자층을 제거할 수 있다.

본 발명에서와 같이 레이저를 이용하여 소결을 진행하면, 내열성이 낮은 기판에 배선 또는 미세 패턴을 형성하더라도 기판이 열에 의해서 손상되지 않는다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자층의 소결 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 소결전 금속 나노 입자층의 FESEM 사진이다.
도 5b는 도 5a의 일부분을 확대한 사진이다.
도 6a는 본 발명에 따른 소결 후 금속 나노 입자층의 FESEM 사진이다.
도 6b는 도 6a의 일부분을 확대한 사진이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자층의 소결 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 나노 입자층의 소결 방법은 기판 위에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계, 광학절연파괴 유도플라스마로 나노 입자층을 소결하는 단계를 포함한다.

나노 입자층을 형성하는 단계는 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥코팅(dip coating)의 방법으로 나노 입자를 기판 위에 도포한 후 건조하여 나노 입자층(200)을 형성한다.

이때, 나노 입자는 금속 및 세라믹 일 수 있으며, 예를 들어 인디윰 틴 옥사이드(indium tin oxide) 또는 진크 옥사이드(zinc oxide)와 같은 투명 산화물 금속일 수 있다. 나노 입자는 평균 직경이 20nm 내지 50nm로, 나노 입자층의 두께는 50nm 내지 200nm로 형성한다.

나노 입자층을 소결하는 단계는 도 2에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(30)을 방출할 수 있는 레이저를 준비한 후, 레이저 빔(30)을 이용하여 광학절연파괴 유도 플라스마(50)를 생성시킨다.

이때, 레이저는 Nd:YAG 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, 펄스형 기체 레이저(CO₂ 레이저), 고출력 다이오드 레이저, 펄스형 고상 레이저(Er:YAG 등), 구리 증기 레이저(copper vapor laser) 등이 사용될 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참조하면, 레이저(10), 레이저로부터 발생된 레이저 빔(30)을 집속하는 볼록 렌즈(20)를 포함한다.

레이저(10)와 볼록 렌즈(20) 사이에는 거울(빔 전달 수단)(14)이 설치되어 레이저(10)로부터 방출되는 레이저 빔(30)을 반사시켜 레이저 빔(30)이 이동하는 경로를 적당히 변경시켜 볼록 렌즈(20)로 전달한다.

거울(14)과 볼록 렌즈(20) 사이의 레이저 빔(30)의 이동 경로 상에는 빔 균일화 수단(16)과 빔 확대 수단(18)이 선택적으로 추가될 수 있다.

레이저 빔(30)을 거울에서 반사되도록 한 후 경도를 적당히 변겨시킨 후 볼록 렌즈(20)로 전달하며, 레이저 빔(30)은 볼록 렌즈(20)에 의해서 집광된다. 이때, 선택적으로 볼록 렌즈 대신에 곡면 거울이 사용될 수 있다.

볼록 렌즈를 통과한 레이저 빔은 임의의 지점(A)에서 초점이 맺히도록 집속된다. 임의의 지점(A)은 소결하고자 하는 나노 입자층과 떨어진 상부의 공기 중일 수 있다.

임의의 지점(A)에 레이저 빔(30)이 집속되면, 나노 입자층(200) 상부의 공기 중에서 절연 파괴(breakdown)가 일어나 고온 고압의 플라스마(50)가 생기고 강한 충격파가 발생한다.

LIB(laser-induced breakdown)에 의해 생성된 플라스마는 1,000K 이상의 온도까지 가열될 수 있으며, 이온과 플라스마 압력이 10,000bar 내지 100,000bar까지 증가된다.

플라스마는 나노 입자층을 가열시켜 녹는점 이상으로 온도를 올려 나노 입자들이 녹아서 서로 달라붙도록 한다. 이때, 플라스마 주변으로 발생한 고압의 충격파는 나노 입자층에 압력을 가해 녹은 나노 입자들이 사방으로 튀지 않고 표면에 고르게 분포되도록 누르는 힘으로 작용한다.

따라서 도 3에 도시한 바와 같이, 플라스마의 고온과 충격파의 고압에 의해서 나노 입자층(200)의 일부(300)가 소결된다.

한편, 임의의 지점(A)은 나노 입자층(200)으로부터 500㎛ 내지 700㎛ 의 거리(H)만큼 떨어져 위치할 수 있다. 임의의 지점(A)까지의 거리가 500㎛ 미만일 경우 나노 입자층(200)이 제거될 수 있고, 700㎛초과일 경우 소결이 제대로 이루어지지 않아 입자 상태로 남겨질 수 있다.

임의의 지점(A)까지의 거리(H)를 500㎛ 내지 700㎛로 할 경우, 플라스마에 의해서 소결되는 영역의 폭(L)은 대략 800㎛일 수 있다. 따라서, 소결하고자 하는 영역의 폭(L)이 800㎛보다 작은 경우에는 마스크를 이용하여 나머지 영역을 차폐한 상태에서 소결을 진행한다. 그리고 소결하고자 하는 영역의 폭(L)이 800㎛보다 큰 경우에는 스테이지를 이용하여 순차적으로 이동하면서 소결을 진행할 수 있다.

이후, 소결되지 않는 부분은 레이저를 직접 조사하여 제거할 수 있다.

이처럼 본 발명에서 같이 절연파괴 플라스마를 이용하면, 용이하게 일부분만을 소결할 수 있다.

따라서, 고온에 약한 물질로 이루어진 기판(100) 위에서 소결을 진행하더라도 기판이 손상되지 않는다.

한편, 종래의 소결은 외부에서 열을 가해서 재료 전체에 동일한 온도가 가해지기 대문에 열에 약한 기판 위의 일부분에만 소결하고자 하는 물질이 형성되더라도, 기판 전체를 가열하여 소결을 진행하므로, 기판이 열에 의해서 손상될 수 있다.

특히, 플렉서블 표시 장치에 포함되는 기판은 열에 약한 고분자 재료로 이루어지는데, 본 발명에서와 같이 국부적으로 소결하는 방법을 이용하면 절연파괴에 의한 플라스마의 고온이 나노 입자층에 흡수된 후 상변화를 시키는 반면, 그 아래에 위치하는 기판 또는 소결하고자 하는 이외 영역의 기판에는 고온이 전달되지 않아 열에너지가 차폐되므로 기판이 열에 의해서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

따라서 플렉서블 표시 장치를 형성하기 위해서, 본 발명에 따른 소결 방법으로 플렉서블 기판 위에 배선 또는 투명 전극을 형성하면 플렉서블 기판의 손상없이 고품질의 플렉서블 표시 장치를 제공할 수 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 소결전 금속 나노 입자층의 FESEM 사진이고, 도 5b는 도 5a의 일부분을 확대한 사진이고, 도 6a는 본 발명에 따른 소결 후 금속 나노 입자층의 FESEM 사진이고, 도 6b는 도 6a의 일부분을 확대한 사진이다.

이때, 나노 입자층은 인디윰 틴 옥사이드로 형성하고, 평균 입자 크기는 20nm이며 입자층의 두께는 200nm로 형성하였다. 그리고 나노 입자층으로부터 600㎛떨어진 지점에 대략 100mJ 정도의 레이저 에너지를 집속시켜 플라스마를 발생시켰다.

도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b를 살펴보면, 소결 전 및 후의 나노 입자층은 전혀 다른 모습을 보이는데, 소결 전에는 도 5a 및 도 5b에서와 같이 나노 입자가 입자 형태를 유지하나, 소결 후에는 도 6a 및 도 6b에서와 같이 상변화에 의해서 입자가 사라지고 나노 입자가 융착되어 소결이 진행된 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

30: 레이저 빔 50: 플라스마
100: 기판 200: 나노 입자층
300: 소결 영역

Claims (7)

1. 기판 위에 나노 입자층을 형성하는 단계,
   상기 나노 입자층의 표면으로부터 일정 거리 떨어진 임의의 지점에 집속된 레이저에 의해서 발생된 광학절연파괴 유도 플라스마로 상기 나노 입자층의 일부분을 소결하는 단계
   를 포함하고
   상기 소결하는 단계에서,
   상기 레이저는 상기 나노 입자층의 상면을 향해서 조사되며, 상기 광학절연파괴 유도 플라스마에 의해 발생된 고압의 충격파가 상기 나노 입자층을 가압하는 나노 입자층의 소결 방법.
2. 제1항에서,
   상기 일정 거리는 상기 나노 입자층의 표면으로부터 500㎛ 내지 700㎛ 떨어진 지점인 나노 입자층의 소결 방법.
3. 제1항에서,
   상기 나노 입자층은 50nm 내지 200nm이하의 두께로 형성하는 나노 입자층의 소결 방법.
4. 제1항에서,
   상기 나노 입자층의 나노 입자는 평균 20nm의 크기를 가지는 나노 입자층의 소결 방법.
5. 제1항에서,
   상기 나노 입자층은 ITO 나노 입자, ZnO 나노 입자를 포함하는 나노 입자층의 소결 방법.
6. 제1항에서,
   상기 기판은 플렉서블 기판인 나노 입자층의 소결 방법.
7. 제1항에서,
   상기 소결되지 않은 상기 나노 입자층에 레이저 빔을 직접 조사하여 상기 나노 입자층을 제거하는 나노 입자층의 소결 방법.

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