KR102441518B1

KR102441518B1 - 고종횡비의 초점을 갖는 레이저를 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법

Info

Publication number: KR102441518B1
Application number: KR1020200136988A
Authority: KR
Inventors: 강봉철
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-09-07
Also published as: KR20220052721A

Abstract

본 발명은 고종횡비의 초점을 갖는 레이저를 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 가시광 레이저로도 초점심도가 z축 방향으로 매우 긴 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 형성할 수 있고, 이러한 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용함으로써 추가적인 정밀시스템의 사용 없이도 표면 거칠기가 높은 기판에 도포된 나노입자 용액을 소결시킬 수 있다. 따라서, 기판의 표면 거칠기에 관계없이 다양한 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성할 수 있다.

Description

고종횡비의 초점을 갖는 레이저를 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법{Method for Forming Micro Pattern on Substrate By Using Laser with Focus of High Aspect Ratio}

본 발명은 고종횡비의 초점을 갖는 레이저를 이용하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고종횡비의 초점을 갖는 레이저를 이용하여 기판의 표면 거칠기에 관계없이 다양한 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

전자기기의 부품에 사용되는 전극 등의 재료 형성에 있어서, 이를 패턴 형태로 형성하는 기술이 사용된다. 이러한 패턴 형성 기술은 반도체, 디스플레이, 반도체, 의료 산업, 항공 우주 산업에 이르기까지 다양한 분야에 적용되는 핵심 기술이다.

최근 전자기기의 소형화 및 성능 향상을 위하여, 패턴 형성시 나노 수준의 가공 정밀도가 요구되는 미세 패턴 형성 기술이 개발되고 있다. 종래의 미세 패턴 형성 기술로는 포토레지스트 코팅층에 포토마스크를 얹은 후, 포토레지스트를 에칭하여 패턴을 형성하고, 잔여 포토레지스트를 제거하는 포토리소그래피 기술이 주로 이용되었다. 그러나, 이러한 포토리소그래피 공정에는 고진공 및 고온의 조건이 필요하므로 제조 비용이 증가하고, 에칭 시 유해한 화학 약품이 사용되며, 각 단계를 독립적으로 수행하여야 하므로 많은 시간이 소요된다는 단점이 존재하였다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 기판 상에 직접 패턴을 형성하는 나노 임프린팅(nano imprinting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 등의 대체 기술이 개발되었다. 그러나, 나노 임프린팅 공정은 패턴 사이에 잔류하는 불필요한 수지층 제거를 위한 후속 공정이 필요하고, 새로운 형태로 패턴을 형성하기 위해서는 마스터 몰드를 제작해야 하는 단점이 있었다. 또한, 잉크젯 프린팅 방법은 잉크 분사 시 탄착위치를 정확하게 제어하기 어려우므로 정밀도 향상에 한계가 있었다.

이러한 단점들을 극복하기 위한 새로운 미세 전극 패터닝 기술로서, 레이저를 이용하여 패턴을 형성하는 이른바 레이저 패터닝 기술이 제안되었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0069788호는 기판 상부에 구리 나노입자를 포함하는 코팅층을 형성하고 레이저를 코팅층에 조사하여 나노입자를 소결시킴으로써 미세 구리배선을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 레이저 패터닝 기술은 고가의 장비, 유해한 화학약품, 및 다수의 공정이 필요하지 않으면서, 미세 패턴의 정밀도가 우수하다는 장점이 있다.

레이저 패터닝 공정에서는, 나노입자의 소결과정에서 발생하는 보이드에 의해 기판에 대한 접착력이 낮아지는 문제를 방지하기 위하여 순간적인 고에너지의 레이저가 사용된다. 상기 고에너지의 레이저로는 가시광 레이저 또는 적외선 레이저를 사용할 수 있는데, 패턴을 미세하게 형성하기 위해서는 상대적으로 파장이 짧은 가시광 레이저를 사용하는 것이 유리하다. 다만, 가시광 레이저는 굴절률이 높아 초점심도(depth of focus, DOF)가 짧으므로, 초점크기 대 초점심도의 비율이 약 1:1 수준에 그친다는 한계가 있었다. 따라서 기존의 가시광 레이저 패터닝 기술은 표면이 매끄러운 평면 기판에 제한적으로 적용이 가능하였다.

본 발명자는 종래 가시광 레이저 패터닝 기술의 한계를 극복하기 위하여, 표면의 거칠기에 무관하게 다양한 기판에 미세 패턴을 형성할 수 있는 기술을 개발하고자 하였다. 대한민국 등록특허공보 제10-2089581호는 본 발명자의 선행 특허로서, 광학계의 구성을 통해 레이저 빔을 베셀 빔(Bessel beam) 형태로 구현하여 레이저 빔의 초점심도를 길게 하는 방법을 제안한 바 있다. 그러나, 가시광 레이저로 표면에 거칠기가 존재하거나 굴곡이 있는 기판 등의 다양한 형태의 기판 상에 미세 패턴을 형성하기 위해서는 초점심도를 더 길게 형성할 수 있는 기술이 필요하였다.

이러한 상황에서, 본 발명자는 광원(source beam)으로서 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 이용하는 경우, 가시광 레이저로도 초점크기 대비 매우 긴 초점심도를 갖는 고종횡비의 베셀 빔을 형성할 수 있다는 점을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용하여 기판의 표면 거칠기에 관계없이 다양한 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용하여 다공성 전극 구조체를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용하여 디스플레이의 엣지에 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용하여 미세 전극을 리페어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고종횡비의 초점을 갖는 베셀빔의 형성 방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법은, 미세 패턴을 형성하는 단계 이후, 잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔이 굴절되는 각도를 조절함으로써, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하도록 할 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔을 파장에 따라 분리한 후 원하는 파장의 광만을 중첩시켜 광원으로 사용할 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔은 둘 이상의 단일 파장 레이저 또는 다중 파장 레이저를 중첩시켜 형성될 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 하나의 긴 초점은 2 내지 100,000의 종횡비를 가질 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔의 출력은 0.1mW 내지 100W일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔의 방출광의 파장대역은 100 내지 20,000nm일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔의 방출광은 400 내지 700nm의 가시광을 하나 이상 포함할 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔은 아르곤(Ar) 이온 레이저, 크립톤(Kr) 이온 레이저, 아르곤-크립톤(Ar-Kr) 레이저, 헬륨-카드뮴(He-Cd) 레이저 및 구리 증기 레이저로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO₂, 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 알루미늄 산화물, 철 산화물, 금 산화물, 은 산화물, 구리 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU), 대리석, 화강암, 세라믹, 점토, 시멘트 및 목재로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 기판의 표면은 평균 거칠기(average roughness, Ra)가 10nm 내지 1mm일 수 있고, 제곱평균제곱근 거칠기(root-mean-square roughness, Rrms)가 10nm 내지 1mm일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 나노입자는 1 내지 1,000nm의 평균 입경을 가질 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 나노입자는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 나노입자 용액에서 나노입자의 함량은 0.1 내지 90중량%일 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 방법에서, 상기 나노입자 용액은 10nm 내지 1mm의 두께로 코팅될 수 있다.

본 발명은 또한, 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 용매의 증발에 의해 기공을 형성시키면서 나노입자를 소결시켜 다공성 구조를 갖는 전극 구조체를 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함하는, 기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명의 다공성 전극 구조체 형성 방법에서, 상기 레이저의 출력은 0.1mW 내지 100W일 수 있다.

본 발명의 다공성 전극 구조체 형성 방법에서, 상기 레이저의 이동 속도는 1 내지 3,000mm/s일 수 있다.

본 발명은 또한, 디스플레이의 엣지(edge)에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함하는, 디스플레이의 엣지에 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 결함이 있는 전극이 형성된 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 전극의 결함 영역의 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 리페어 전극을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함하는, 전극의 리페어 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 다중 파장을 갖는 레이저 빔을 굴절시켜 상이한 파장을 갖는 다수의 광으로 분리하는 단계; 및 상기 분리된 광을 베셀 빔으로 변환시켜 다수의 초점을 갖는 베셀 빔을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 굴절의 각도를 조절하여 상기 다수의 초점이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성도록 하는 것을 특징으로 하는, 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔의 형성 방법을 제공한다.

본 발명의 베셀 빔 형성 방법에서, 상기 레이저 빔의 굴절은 엑시콘 렌즈에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 가시광 레이저로도 초점심도가 z축 방향으로 매우 길게 형성되어 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 형성할 수 있고, 이러한 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용함으로써 추가적인 정밀시스템의 사용 없이도 표면 거칠기가 높은 기판에 도포된 나노입자 용액을 소결시킬 수 있다. 따라서, 기판의 표면 거칠기에 관계없이 다양한 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성할 수 있고, 상기 방법을 다공성 전극 구조체의 형성에 적용함으로써 표면적이 넓은 다공성 전극 구조체를 형성할 수 있다. 또한, 상기 방법에 따르면 디스플레이의 엣지에 연속적으로 미세 패턴을 형성할 수 있고, 전극의 리페어 방법에 적용되어 전극의 결함을 손쉽게 리페어 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법의 공정 순서도를 나타낸다.
도 2(a)는 베셀 빔의 원리를 도시한 도면이다.
도 2(b)는 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계를 나타낸 개념도이다.
도 3(a)은 아르곤 이온 레이저의 방출 스펙트럼을 나타낸다.
도 3(b)는 아르곤 이온 레이저의 방출광 이미지를 나타낸다.
도 4는 다중 파장 레이저 빔을 사용하여 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현하기 위한, 본 발명의 예시적인 광학계의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 대물 렌즈 또는 2축 스캐너로 빛을 집속시켜 형성된 다차모드의 베셀 빔을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 사용되기 위한 엑시콘 렌즈의 단면도를 나타낸다.
도 7은 다중 파장 레이저 빔을 분리한 후 원하는 파장의 빛을 결합하는 공정의 개념도이다.
도 8은 단일 파장 레이저 빔을 결합하여 다중 파장 레이저 빔을 형성하는 공정의 개념도이다.
도 9는 거친 표면을 갖는 기판에 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용하여 미세 패턴을 형성하는 방법을 도시한 도면이다.
도 10(a)는 레이저가 고정된 상태에서 기판을 이동시키는 방식을 도시한 도면이다.
도 10(b)는 기판을 고정한 상태에서 레이저를 이동시키는 방식을 도시한 도면이다.
도 11은 레이저 조사에 의해 다공성 전극 구조체를 형성하는 과정을 도시한 것이다.
도 12는 디스플레이의 엣지 및 상기 엣지부에 형성된 미세 전극을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 디스플레이의 엣지에 미세 패턴을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극의 리페어 방법의 공정 순서도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극의 리페어 방법의 과정을 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명은 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 "하나의 긴 초점"은 다수의 초점들이 연결되어 매우 큰 종횡비를 갖는 초점심도를 형성한 것을 의미하며, 초점들이 중첩되어 연결된 형태뿐만 아니라 초점들이 연결되지 않더라도 매우 인접하여 실질적으로 하나의 긴 초점으로 인식될 수 있는 정도를 포괄하는 개념이다.

본 발명에 따르면, 다중 파장 레이저 빔을 광원으로 하여 베셀 빔을 형성함으로써, 각 파장에 따라 형성된 다수개의 초점이 연결되거나 인접하여 하나의 긴 초점심도가 형성된다. 따라서 초점심도가 매우 긴 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현할 수 있고, 이를 사용하여 나노입자를 소결시킴으로써 기판의 표면 거칠기와 무관하게 다양한 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법의 공정도를 나타낸다.

도 1의 공정도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시 형태에서, 본 발명의 방법은 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계(S100), 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 미세 패턴을 형성하는 단계(S200), 및 잔여 나노입자 용액을 세척하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.

먼저, 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계(S100)에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 기판으로는 편평한 2차원 기판, 곡면과 같은 다양한 입체 형상을 갖는 3차원 기판뿐만 아니라, 비정형 기판, 그라인딩 처리된 기판, 천연물 기판 등과 같이 거친 표면을 갖는 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판으로서 유리 기판, 실리콘 웨이퍼, 가이드 와이어, 돌, 벽돌, 타일, 나무와 같은 다양한 기판이 사용될 수 있다. 또한, 곡률이 있는 타일과 같이 상기한 특성이 2가지 이상 조합된 기판도 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 매우 긴 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용함으로써, 기판에 존재하는 단차, 굴곡, 홈, 돌기, 요철 등에 의한 높이 차이를 보상하기 위해 레이저 초점을 상하로 이동시키는 공정 없이도 미세 패턴을 균일하게 형성할 수 있다. 본 발명에서는 거친 표면을 갖는 기판을 중심으로 본 발명의 공정을 설명하지만, 이는 본 발명의 기술적 특징을 보다 적절히 설명하기 위한 것일 뿐, 편평한 표면을 갖는 기판 및 굴곡이 있는 3차원 형상의 기판이 본 발명의 범위에서 제외되는 것은 아니다.

상기 기판의 재질로는 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO₂ 등의 비금속 재료; 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 금속 또는 이들의 산화물, 예를 들어 TiO₂, ZnO; 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU), 폴리카보네이트(PC) 등의 중합체; 대리석, 화강암, 세라믹, 점토, 시멘트, 목재 등의 천연 소재; 또는 이들의 복합 재료를 사용할 수 있다.

상기 기판의 표면은 평균 거칠기(average roughness, Ra)가 10nm 내지 1mm일 수 있고, 제곱평균제곱근 거칠기(root-mean-square roughness, Rrms)가 10nm 내지 1mm일 수 있다.

상기 평균 거칠기는 측정 길이 l에 대한 표면의 거칠기 곡선에서 모든 산의 면적의 합과 모든 골의 면적이 합이 같도록 설정한 중심선을 기준으로, 산 및 골의 면적의 합을 측정 길이로 나누어 구한 산술평균 값을 의미하고, 상기 제곱평균제곱근 거칠기는 거칠기 곡선의 중심선에서 곡선까지의 편차에 대한 제곱평방근 값을 의미한다.

즉, 평균 거칠기(Ra)는 하기 수학식 1로, 제곱평균제곱근 거칠기(Rrms)는 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다. 하기 수학식 1 및 2에서, l은 측정 길이, f(x)는 중심선을 x축으로 한 거칠기 곡선의 함수를 의미한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

상기 나노입자 용액은 수 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 다양한 크기를 갖는 나노입자가 용매에 용해 또는 분산된 용액을 의미한다. 상기 나노입자의 크기는 코팅되는 물질의 종류에 따라 상이하게 적용될 수 있으나, 1 내지 1,000nm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 10 내지 500nm의 평균 입경이 더욱 바람직하고, 50 내지 100nm의 평균 입경을 갖는 것이 코팅의 균일성을 고려할 때 가장 바람직하다.

상기 나노입자는 기판 상에 미세 패턴을 형성하기 위한 물질을 입자화한 것이며, 바람직하게는 전극 물질로 주로 사용되는 금속 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 전도성 물질을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니며, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 금속 나노입자 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

또한, 상기 나노입자는 금속 나노입자로 한정되는 것은 아니며, 실리카 나노입자와 같은 비금속 나노입자를 사용하는 것도 가능하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 용매로는 증류수, 탈이온수 등의 무기용매, 또는 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 등의 유기용매를 사용할 수 있다.

상기 나노입자는 용매에 분산 또는 용해된 상태로 존재할 수 있으며, 나노입자가 용매에 용해된 경우 이온의 형태로 존재하게 된다.

상기 나노입자 용액은 금속 이온이 유기 용매에 용해되거나 혼합되어 있는 금속 유기이온 용액의 형태일 수 있다. 상기 금속 이온은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 이온일 수 있으며, 상기 유기용매는 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 등일 수 있다.

상기 나노입자 용액에서, 나노입자의 함량은 형성하고자 하는 코팅의 특성에 따라 0.1 내지 99중량%의 범위 내에서 상이하게 설정할 수 있으며, 10 내지 70중량%가 더욱 바람직하고, 5 내지 35중량%인 것이 더욱 바람직하다. 나노입자의 함량이 너무 낮은 경우 미세 패턴의 형성이 어렵고, 과량인 경우 미세 패턴의 코팅이 불균일하거나 성장 소결에 과도한 시간이 소요될 수 있다.

또한, 상기 나노입자 용액은 10 내지 200cP의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 나노입자 용액의 점도가 너무 낮은 경우 기판에 코팅이 잘 유지되지 않아 공정이 어렵게 되고, 점도가 너무 높으면 작업성이 나쁘게 된다.

상기 나노입자 용액을 기판 상에 도포(코팅)하는 방법으로는 스핀(spin) 코팅, 블레이드(blade) 코팅, 롤(roll) 코팅, 슬롯다이(slot die) 코팅, 랭뮤어-블로젯(Langmuir-blogett) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 딥(dip) 코팅 등 기존에 사용되고 있는 다양한 코팅 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

상기 코팅 과정에서, 필요에 따라 나노입자 용액을 건조시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여 나노입자 용액의 용매를 증발시킬 수 있으며, 나노입자 용액의 코팅과 건조를 수 차례 반복하는 것도 가능하다.

상기 나노입자 용액층은 형성하고자 하는 코팅층의 두께에 따라 상이하게 설정할 수 있으며, 10nm 내지 10mm, 구체적으로 0.1㎛ 내지 300㎛의 두께로 도포되는 것이 바람직하다. 상기 나노입자 용액층의 두께가 너무 두꺼운 경우 레이저 조사에 의한 소결이 잘 이루어지지 않거나 과도한 시간이 걸릴 수 있다.

본 발명의 공정에서, 기판 상에 나노입자 용액 코팅을 완료하면, 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 기판 상에 미세 패턴을 형성할 수 있다(S200).

일반적으로 레이저를 이용하여 균일하게 소결된 박막을 얻기 위해서는 기판에 정확히 초점을 맞춘 상태에서 소결 공정을 진행해야 하지만, 거친 표면을 갖는 기판을 이용하는 경우 레이저의 초점을 맞추는 것에 상당한 기술적 난이도가 요구된다. 안정적으로 소결이 가능한 레이저 빔의 길이는 초점의 수배 이내이기 때문에 기판의 소결 부위에 레이저 초점이 정확히 위치하도록 기판이나 초점 위치를 실시간으로 이동시켜야 한다. 이 경우 포지셔닝을 위한 추가적인 정밀시스템이 요구되며, 공정 난이도와 비용이 비약적으로 증가하게 된다.

본 발명에서는 나노 입자의 소결을 위한 레이저로서 베셀 빔 형태의 레이저를 사용하고, 상기 베셀 빔의 광원으로서 다중 파장(multi-wavelength) 레이저 빔을 사용하여 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 형성할 수 있다. 이러한 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔으로 나노입자를 소결시킴으로써, 추가적인 정밀시스템의 사용 없이도 쉽고 빠르게 균일한 소결 박막을 얻을 수 있고, 기판의 표면 거칠기에 무관하게 다양한 기판에 미세 패턴을 형성할 수 있다.

도 2는 베셀 빔의 원리(a) 및 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계(b)를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다. 여기서는 엑시콘 렌즈를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있다. 레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 광 파장에 가까운 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있다. 그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도를 가져 비평면 기판에 패턴 형성을 가능하게 한다.

베셀 빔 형성 과정에서, 레이저 빔은 빔 확대기(Beam expander)를 통과할 수 있다. 레이저 빔을 빔 확대기에 통과시키면 빔의 크기가 변하는데, 이때 빔의 크기는 빔 확대기의 조절에 의해 자유롭게 변화할 수 있다. 빔의 크기가 자유롭게 변화하면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 초점심도를 개선할 수 있다.

기존에는 베셀 빔의 광원으로서 일반적인 단파장 레이저 빔을 사용하였는데, 이 경우 그라인딩 처리된 기판이나 천연물 기판과 같이 표면 거칠기가 높은 기판에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있었다. 따라서, 거친 표면을 갖는 기판 상에 초점의 위치 변화 없이 나노입자를 소결시켜 균일한 미세 패턴을 얻기 위해서는, 초점크기가 작으면서 초점심도가 매우 긴 레이저, 즉, 고종횡비의 초점을 갖는 레이저 빔이 필요하다.

본 발명에서는 베셀 빔의 광원으로 다중 파장 레이저 빔을 이용함으로써, 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 z축 방향의 다른 위치에 다수개의 초점이 형성되고, 이러한 초점들이 연결되거나 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하는 베셀 빔을 형성할 수 있다. 따라서, 초점심도가 z축 방향으로 매우 길게 형성되어 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현할 수 있고, 이를 이용하여 표면이 거친 기판 상에 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성할 수 있도록 하였다.

본 발명에서 "다중 파장 레이저 빔"이란 다양한 파장의 빛을 방출하는 레이저 빔으로서, 자외선 영역, 가시광 영역, 적외선 영역 등 파장대역과 무관하게 둘 이상의 파장을 갖는 빛을 방출하는 레이저 빔을 의미한다.

상기 다중 파장 레이저 빔의 방출광의 파장대역은 약 100 내지 20,000nm, 바람직하게는 300 내지 1,100nm일 수 있다. 특히, 미세 패턴 형성을 용이하게 하는 측면에서, 상기 다중 파장 레이저 빔의 방출광은 400 내지 700nm의 가시광을 포함하는 것이 바람직하다. 가시광 영역의 빛은 초점심도가 짧다는 문제가 있으나, 본 발명에서는 다중 파장을 갖는 레이저 빔에 의해 형성된 다수개의 초점들이 연결되거나 인접하여 하나의 긴 초점심도를 형성하도록 하여, 초점심도가 짧은 가시광 레이저로도 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현할 수 있다.

대표적인 다중 파장 레이저 빔으로는 아르곤 이온 레이저를 사용할 수 있다. 도 3은 아르곤 이온 레이저의 방출 스펙트럼(a)과 방출광의 이미지(b)를 나타낸다. 도 3a에서 확인할 수 있는 바와 같이, 아르곤 이온 레이저는 자외선, 가시광선 및 적외선 영역에 걸쳐 약 334nm 내지 1092nm의 파장대역에서 빛을 방출하며, 주로 가시광 영역의 빛을 방출하고, 그 중에서도 청색 영역인 488.0nm 및 녹색 영역인 514.5nm에서 강한 출력을 나타낸다. 이에 따라, 도 3b를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 아르곤 이온 레이저로부터 방출된 빛은 청색 및 녹색을 띠게 된다.

또는, 다중 파장 레이저 빔으로서 크립톤 이온 레이저를 사용할 수 있다. 크립톤 이온 레이저는 약 337nm 내지 859nm의 파장대역에서 빛을 방출하며, 647.1nm 및 676.4nm의 적색 영역에서 강한 출력을 나타낸다.

이 외에도, 상기 아르곤 레이저 및 크립톤 레이저가 혼합된 형태의 아르곤-크립톤(Ar-Kr) 레이저, 약 325nm 및 442nm의 파장에서 빛을 방출하는 헬륨-카드뮴(He-Cd) 레이저, 및 약 510nm 및 578nm의 파장에서 빛을 방출하는 구리 증기 레이저 등을 다중 파장 레이저 빔으로 사용할 수 있다.

또는, 상기 다중 파장 레이저 빔의 광원으로서 레이저 빔 결합기를 사용할 수 있다. 상기 레이저 빔 결합기로는, 자외선 내지 적외선 대역에서 둘 이상의 파장을 갖는 빛을 방출하는 레이저 빔 결합기라면 제한하지 않고 사용할 수 있으며, 섬유 레이저(fiber laser)와 같은 고체 레이저 기반의 레이저 빔 결합기도 사용 가능하다. 예를 들어, 405nm, 445nm, 458nm, 473nm, 488nm, 514nm, 532nm, 552nm, 561nm, 590nm, 594nm 및 640 nm 중 최대 8개의 파장이 결합된 빛을 방출하는 OBIS 갤럭시 레이저 빔 결합기(Coherent Inc.), 320 내지 1,064nm의 파장 대역에서 2 내지 4개의 파장이 결합된 빛을 방출하는 멀티-라인 레이저 결합기(CNI Co., Ltd.) 등을 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것으로서, 다중 파장 레이저 빔을 이용하여 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현하는 광학계의 구성을 나타낸다.

구체적으로, 도 4를 참고하면, 다중 파장 레이저 빔인 아르곤 이온 레이저를 광확대기와 아이리스(iris)에 통과시키고, 회절광학소자(diffractive optics)를 통과시켜 베셀 빔을 형성한다. 그 후, 볼록렌즈를 통과시켜 빔이 발산되지 않게 하고, 스테이지를 통해 원하는 형상으로 제어할 수 있도록 하며, 대물렌즈(objective lens)에 통과시켜 집속된 베셀 빔을 형성한다. 이 때, 파장에 따른 레이저 빔의 굴절률 차이로 인하여 집속된 베셀 빔에 다수개의 초점이 상이한 위치에 형성되고, 이러한 초점들이 연결되거나 인접하여 하나의 긴 초점 영역을 형성하게 된다.

상기 도 4로 설명한 광학계는 예시적인 것으로서, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니며, 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 구현하기 위한 범위 내에서 다양한 광학계를 구성하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 베셀 빔을 형성하기 위한 광학소자로서 회절광학소자 뿐만 아니라 엑시콘 렌즈 등의 굴절율을 이용한 광학소자를 사용할 수 있고, 베셀 빔을 집속시키는 집속광학소자로서 대물렌즈 뿐만 아니라, F-세타(F-theta) 렌즈, 텔레센트릭(telecentric) 렌즈 등을 구비한 2축 스캐너(2D scanner) 등을 사용할 수 있다.

도 5는 집속광학소자를 통과하여 형성된 다차 모드(multiple mode)의 베셀 빔의 형태를 도시한 것이다. 구체적으로, 엑시콘 렌즈를 통과한 다중 파장 레이저 빔이 대물 렌즈 또는 2축 스캐너와 같은 집속광학소자를 통과하는 경우 다수 개의 초점이 형성된다. 이 때, 빛의 파장, 엑시콘 렌즈의 각도 등을 조절함으로써 초점들 간의 거리를 조절하여 상기 다수 개의 초점이 연결되거나 인접하도록 제어할 수 있다. 이로써, 도 5에 도시된 바와 같이 집속된 베셀 빔이 다중 초점이 연결된 다차 모드를 형성하여 z축 방향으로 매우 긴 초점심도를 갖게 된다.

구체적으로, 각 초점들 간의 거리는 예를 들어, 엑시콘 렌즈의 각도에 의해 조절될 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 엑시콘 렌즈는 한쪽 면에 원뿔면을 가지고 다른 한쪽 면에는 평면을 가진 형상의 렌즈로, 엑시콘 렌즈의 각도는 엑시콘 렌즈에서 원뿔의 일변과 평면이 이루는 각도(α)로 정의된다. 엑시콘 렌즈의 각도에 따라 각 파장의 굴절 정도가 달라지므로, 이를 조절함으로써 초점간 거리를 제어하여, z 방향으로 연속된 초점 영역을 형성할 수 있다. 엑시콘 렌즈의 각도(α)는 일반적으로 0.5 내지 40°의 범위 내에 있으며, 사용되는 레이저의 파장에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 구체적으로, 엑시콘 렌즈의 각도(α)는 1 내지 20°인 것이 바람직하고, 5 내지 10°인 것이 더 바람직하다. 베셀 빔 형성시 엑시콘 렌즈 외의 다른 광학소자를 이용하는 경우에도 빛이 굴절 또는 회절되는 각도를 조절함으로써 베셀 빔의 초점들 간의 거리를 조절할 수 있다.

또한, 각 초점들 간의 거리는 다중 파장 레이저가 방출하는 광파장의 영역, 광파장의 수에 따라서도 달라질 수 있다. 긴 초점심도를 구현하기 위한 다중 초점의 연결에 있어서, 다중 파장 레이저 빔에서 방출되는 빛의 파장이 인접할수록 유리하고, 파장의 수는 많을수록 유리하다.

본 발명의 일 실시 형태에서, 베셀 빔의 광원으로서, 다중 파장 레이저 빔 중 원하는 파장의 빛을 선택하여 결합한 레이저를 사용할 수 있다. 도 7은 다중 파장 레이저를 파장에 따라 분리한 후 원치 않는 파장은 제외하고 원하는 파장의 빛을 결합하는 공정의 개념도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 다중 파장 레이저가 프리즘, 회절 격자 등의 분광광학소자를 통과하면 파장에 따른 굴절률의 차이로 인하여 빛의 경로가 분리된다. 이 때, 원하는 파장의 레이저를 선택하여 거울 등을 이용하여 진행 경로를 하나로 일치시킴으로써 원하는 파장의 레이저를 하나로 결합할 수 있다. 예를 들어, 아르곤 이온 레이저를 분광한 후 이 중 가시광 영역의 빛만을 취합하여 베셀 빔 형성에 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 베셀 빔의 광원으로서, 둘 이상의 단일 파장(single-wavelength) 또는 다중 파장(multi-wavelength) 레이저를 결합하여 형성된 다중 파장 레이저 빔을 사용할 수 있다. 도 8은 단일 파장 레이저를 결합하여 다중 파장 레이저 빔을 형성하는 공정의 개념도를 도시한 것으로, 단일 파장을 가진 각 레이저를 거울에 반사시켜 광 경로를 일치시킴으로써 다중 파장 레이저 빔을 형성할 수 있다.

상기와 같이 다중 파장 레이저 빔에서 원하는 광만을 선택하여 결합하거나, 단일 파장 레이저를 결합하여 다중 파장 레이저 빔을 형성하는 경우, 원하는 파장으로 구성된 레이저 빔을 형성할 수 있으므로 베셀 빔의 각 초점 위치를 보다 정밀하게 제어하여 고품질의 긴 초점심도를 갖는 베셀 빔을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 베셀 빔 형성 방법에 따르면, 광파장과 비슷한 크기의 초점크기를 가지면서 10mm 이상의 매우 긴 초점심도를 갖는 베셀 빔, 즉 초점의 종횡비(aspect ratio)가 매우 높은 베셀 빔을 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 종횡비는 2 내지 100,000일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 10,000, 더욱 바람직하게는 50 내지 5,000 일 수 있다. 이러한 고종횡비의 초점 심도를 갖는 베셀 빔을 사용함으로써, 추가적인 정밀시스템의 사용 없이도 표면 거칠기가 높은 기판에 도포된 나노입자 용액을 소결시킬 수 있다.

본 명세서에서, 상기 종횡비는 초점크기에 대한 초점심도의 비율로 정의되는 것으로, 레이저의 초점심도가 깊고 초점크기가 작을수록 종횡비는 높아진다.

빔의 초점심도는, 초점 중심에서의 빔의 단면 넓이(이하, '중심 단면 넓이')와 비교했을 때, 빔의 단면 넓이가 중심 단면 넓이의 두 배가 되는 지점 간의 거리를 의미한다. 본 발명에 따르면, 파장에 따른 레이저 빔의 굴절률 차이로 형성된 다수개의 초점들이 연결되거나 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하게 되므로, 매우 긴 초점심도를 구현할 수 있다. 상기 초점심도는 2㎛ 내지 100mm일 수 있으며, 본 발명의 방법에 따르면 100㎛ 이상 100mm 이하, 바람직하게는 1mm 이상 10mm 이하의 매우 긴 초점심도를 구현할 수 있다.

빔의 초점크기는 하기 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이 광파장에 비례한다. 따라서, 적외선에 비해 파장이 짧은 가시광 레이저를 사용하는 것이 미세 패턴의 형성에 유리하다. 본 발명에 따르면, 1㎛ 이하, 바람직하게는 500nm이하의 초점크기를 가져, 광파장과 비슷한 크기를 갖는 베셀 빔을 구현할 수 있다.

[수학식 1]

r : 초점 반경, λ : 파장, n : 굴절률, α : 엑시콘 렌즈의 각도

베셀 빔이 기판 상에 코팅된 나노입자 용액층에 조사되면, 나노입자가 가열되어 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결된다.

도 9는 거친 기판의 표면에 도포된 나노입자 용액에 베셀 빔의 초점을 적용시켜 나노입자를 소결시키는 공정을 도시한 것이다. 본 발명에서는 초점심도가 z축 방향으로 매우 길게 형성되어 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔을 사용함으로써, 레이저의 초점을 상하로 이동하는 작업 없이 수평으로만 이동하여 표면 거칠기가 높은 기판에 도포된 나노입자 용액을 소결시킬 수 있다. 따라서, 간단한 공정으로 균일한 미세 패턴을 형성할 수 있다.

이때 나노입자의 소결은 빔의 초점크기를 1㎛로 조절하는 경우 약 1㎛ 수준의 분해능(resolution)으로 패턴을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면 광파장과 비슷한 크기의 초점크기를 갖는 베셀 빔을 구현할 수 있으므로, 회절한계 수준의 고분해 패터닝이 가능하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 레이저의 종류는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 펄스(pulse) 레이저, CW(continuous wave) 레이저, QCW(quasi-continuous wave) 레이저 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 레이저 조사는 빔을 하나의 장치가 아닌 병렬로 프로세싱 하거나, 어레이 렌즈 등을 사용하여 다중으로 조사함으로써 더 빠르고 넓은 면적에 미세 패턴을 형성하도록 구성할 수 있다.

또한, 레이저가 조사된 영역에만 소결된 미세 패턴이 형성되므로, 레이저 초점을 이동시키는 방법으로 자유로운 형상의 패턴 형성이 가능하다. 도 10a는 레이저의 초점을 이동시키는 방법의 일 예로서, 대물렌즈를 통과한 레이저가 고정된 상태에서 기판을 이동시키는 방법을 도시한 것이다. 이 때 기판은 이동 수단(스테이지) 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 기판을 이동시킬 수 있다.

도 10b는 초점 이동 방법의 다른 예로서, 기판을 고정한 상태에서 레이저를 이동시키는 방법을 도시한 것이다. 이 경우, 기판이 고정된 상태에서 갈바노미터(galvanometer)와 F-theta 또는 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 레이저 스팟을 이동시킬 수 있다. 또는, 이 두 가지 방법을 결합하여 사용할 수 있다.

이렇게 미세 패턴 형성 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를 들어, 대물 렌즈, 스캐너 등을 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 미세 패턴의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.

이 때, 상기 레이저 빔의 출력은 형성하고자 하는 코팅의 특성에 따라 조절 가능하며, 0.1mW 내지 100W가 바람직하고, 10mW 내지 10W가 더욱 바람직하며, 0.1 내지 5W가 가장 바람직하다. 상기 출력 범위의 레이저 빔을 조사하면 나노입자가 100 내지 2,000℃로 가열됨으로써 단시간에 성장하면서 소결될 수 있다.

본 발명의 공정은 레이저 빔을 이용하기 때문에 매우 빠른 속도로 패터닝을 하는 것이 가능하다. 구체적으로, 1mm/s 내지 10m/s의 속도로 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 약 3m/s의 속도로 미세 패턴을 형성할 수 있다.

본 발명의 미세 패턴 형성 공정은 기판의 표면에 미세 패턴이 형성될 부분에만 정밀하게 나노입자 용액층을 형성할 필요없이 더 넓은 영역 또는 기판의 전체 면에 나노입자 용액층을 코팅한 후 레이저 조사를 필요한 영역에만 조사하여 미세 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 나노입자 용액층의 코팅에 정밀한 공정이 요구되지 않고 딥 코팅, 스프레이 코팅 등의 통상적인 코팅 공정으로 충분하다.

본 발명의 방법은 또한, 기판 상에 미세 패턴을 형성한 다음, 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다(S300). 상기 나노입자 용액 제거 공정 또는 세척 공정은 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에서 사용된 레이저 패터닝 공정은 미세 전극 패턴과 같은 미세 패턴 형성뿐만 아니라, 레이저를 이용한 드릴링(drilling), 절단, 박막 제거, 용접, 솔더링(soldering), 마킹(marking) 등 다양한 공정에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성할 수 있다.

구체적으로, 상기 방법은 기판 상에 나노입자 용액을 코팅한 후, 상기 나노입자 용액 코팅에 다중 파장 레이저 빔을 광원으로 사용하는 베셀 빔을 조사하여 용매의 증발에 의해 기공을 형성시키면서 나노입자를 소결시켜 다공성 구조를 갖는 전극 구조체를 형성할 수 있다.

도 11은 레이저 조사에 의해 다공성 전극 구조체를 형성하는 과정을 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기판 상에 나노입자 분산액이 코팅되고(a), 상기 나노입자 분산액 코팅에 레이저를 조사하면 나노입자가 소결됨과 동시에 코팅 내의 잔여 용매가 증발하면서 기공을 형성하며(b), 이로써 기판 상에 다공성 전극 구조체가 형성된다(c).

구체적으로, 나노입자 분산액 코팅에 레이저가 조사되면, 나노입자가 가열되어 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결된다. 이 때, 국부적으로 발생하는 열에 의해 코팅 내에 존재하는 잔여 용매가 격렬하게 끓어올라 기화되고, 이로써 나노입자 소결과 동시에 기화된 용매가 코팅 밖으로 빠져나간다. 아울러, 상기 나노입자가 금속 산화물인 경우, 레이저에 의한 환원 소결 과정에서 열화학적으로 생성되는 잔여물이 함께 증발되어 코팅 밖으로 빠져나간다. 이러한 과정에 의해 기공이 형성되어, 다공성 구조를 가진 금속 전극 구조체가 형성된다.

또한, 나노입자 용액으로서 유기금속 이온 용액을 사용할 경우, 레이저의 스캔 속도를 빠르게 하여 나노입자의 불완전 성장 소결을 유도함으로써 성장을 제한하면 기판 상에 다공성 구조를 가진 금속 전극 구조체를 형성할 수 있다.

특히, 긴 초점심도를 갖는 베셀 빔을 조사하여 나노입자를 소결시키는 동시에 기공을 형성시키는 방법을 통해 표면 거칠기가 큰 기판의 표면에도 전도성이 높은 다공성 금속 전극을 간단하게 형성할 수 있다. 이렇게 거친 표면에 다공성 전극 구조체를 형성하게 되면, 전극 구조체의 표면적이 증가되므로 슈퍼캐패시터의 집전체로 활용되어 정전용량을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 조면 기판으로 천연물 기판을 사용할 수 있으며, 이 경우 기판의 재활용이 용이하여 친환경적인 슈퍼캐패시터를 제조할 수 있으므로 바람직하다.

기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성하기 위해서는, 상기 나노입자 용액 코팅을 10nm 내지 10㎛, 바람직하게는 50nm 내지 1㎛의 두께로 형성하는 것이 좋다. 상기 나노입자 분산액 코팅이 너무 얇은 경우 다공성 구조가 형성되기 어렵고, 두께가 너무 두꺼운 경우 레이저 조사에 의한 소결이 잘 이루어지지 않거나 과도한 시간이 걸릴 수 있다.

상기 레이저의 출력은 소결 대상, 목적하는 공극율 등에 따라 달라질 수 있으며, 일반적으로 0.1mW 내지 100W의 범위 내이고, 바람직하게는 10mW 내지 10W, 더 바람직하게는 0.1 내지 5W일 수 있다. 상기 출력 범위의 레이저를 조사하면 나노입자를 100 내지 2,000℃로 가열함으로써 나노입자가 단시간에 성장하면서 소결될 수 있다.

기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성하기 위한 상기 레이저의 이동 속도는 1 내지 3,000mm/s의 범위 내에서, 소결 대상, 목적하는 공극율 등에 따라 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저의 이동 속도는 2 내지 50mm/s일 수 있고, 바람직하게는 4 내지 12mm/s일 수 있다. 레이저의 이동 속도가 너무 낮으면 다공성 전극의 공극율이 낮아져서 표면적이 작아지고, 속도가 너무 높으면 공극율은 높아지는 반면 전극의 비저항이 높아져서 전도성이 저하되며, 소결이 제대로 이루어지지 않아 기판과 전극 구조체 간에 박리가 발생할 수 있다. 이러한 측면에서, 레이저 이동 속도가 8 내지 10mm/s일 때 전극의 표면적이 넓으면서도 전도성이 양호한 특성을 나타내므로 바람직하고, 특히 약 10mm/s일 때 가장 바람직하다.

본 발명에 있어서, 다공성 구조를 제어하기 위해서는 레이저의 출력과 스캔 속도를 조절하는 것이 중요하다. 예를 들어, 나노입자가 용매에 분산된 나노입자 분산액을 사용하는 경우 레이저의 출력 및 스캔속도를 제어하여 용매의 증발량과 증발 속도를 조절할 수 있으며, 이를 통하여 다공성 구조의 공극율을 제어할 수 있다. 또한, 나노입자 용액으로서 유기금속 이온 용액을 사용할 경우 나노입자의 불완전 성장 소결을 유도가 필요하며 이를 위해서 스캔속도를 빠르게 설정하여 나노입자의 성장을 제한하면 다공성 막이 형성될 수 있다.

상기 방법에 따르면, 다공성 전극 구조체의 공극율(porosity)을 형성될 전극 구조체의 용도나 특성에 따라 0.01 내지 90% 범위 내에서 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 공극율은 10 내지 80%일 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 70%일 수 있다. 상기 공극율은 레이저의 입사선량, 이동 속도, 및 코팅에 존재하는 용매의 양에 의해 조절될 수 있다. 본 발명의 방법에 따르면 공극율이 높아 비표면적이 넓은 다공성 전극 구조체를 제조할 수 있으므로, 전극 구조체 상에 증착되는 활물질의 표면적이 증가하고 전해질의 흡수가 용이하다. 따라서, 정전용량이 우수한 슈퍼캐패시터를 제조할 수 있다.

본 발명의 방법으로 제조된 다공성 전극 구조체는 슈퍼캐패시터 뿐만 아니라, 넓은 비표면적을 이용하는 다양한 장치에 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 리튬이온 배터리와 같은 고효율 에너지 저장 장치에 적용될 수 있고, 가스 검출 센서, 중금속 검출 센서, 또는 혈당, 땀 등을 감지하는 바이오 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 방법은 디스플레이의 엣지(edge)에 패턴을 형성하는 방법에 적용될 수 있다. 도 12는 디스플레이의 엣지 및 상기 엣지부에 형성된 미세 전극을 도시한 것으로, 상기 엣지(edge)는 디스플레이의 전면(plane)과 옆면(side)의 연결부에 위치하는 영역이다.

본 발명의 방법에 따르면 다중 파장 레이저 빔을 광원으로 사용하여 고종횡비의 초점심도를 갖는 베셀 빔을 이용함으로써, 기판의 평면과 곡면에 연속적으로 패턴의 형성이 가능하다. 따라서, 기판의 전면을 넘어 기판의 옆면에 연속적으로 미세 패턴을 형성할 수 있다.

도 13은 본 발명의 방법을 이용하여 디스플레이의 엣지에 미세 패턴을 형성하는 방법을 도시한 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용하여 디스플레이를 제작하는 경우 디스플레이 기판의 엣지에 연속적으로 미세 패턴을 형성할 수 있으므로, 디스플레이 앞면과 뒷면의 컨트롤 칩(control chip)을 직접 연결할 수 있다. 따라서, 기존 대비 베젤(화면 주위 테두리 부분) 영역이 감소하여 상대적으로 화면이 넓어지는 효과를 나타낼 수 있고, FPCB (Flexible Printed Circuit Board, 연성회로기판)와 같은 추가적인 연결회로 없이도 디스플레이의 전면부와 후면부의 전자 회로를 연결할 수 있으므로, 기존 디스플레이 대비 베젤(화면 주위 테두리 부분) 영역을 감소시킬 수 있다. 나아가, 무베젤 디스플레이를 구현할 수 있으며, 얇고 내구성이 높은 디스플레이를 제작하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 방법은 전극을 리페어하는 방법에 적용될 수 있다.

구체적으로, 상기 전극의 리페어 방법은 결함이 있는 전극이 형성된 기판 상에 나노입자 용액을 코팅한 후, 전극의 결함 영역에 다중 파장 레이저 빔을 광원으로 사용하는 베셀 빔을 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 결함 영역에 리페어 전극을 형성할 수 있다.

본 발명에서, 상기 결함은 마이크로 치핑(micro shipping), 크랙(crack), 이물질 유입 등과 같은 기계적 결함을 의미하며, 마이크로 치핑은 전극에 발생하는 미세한 박리를 의미하고, 크랙은 전극에 금이 가는 현상을 말한다.

도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전극의 리페어 방법의 공정 순서도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 상기 전극의 리페어 방법은 나노입자 용액을 도포한 다음, 결함의 위치를 확인하는 공정, 개별 결함을 파악하는 공정, 및 결함의 종류를 확인하는 공정을 수행함으로써 결함 영역을 확인하고, 획득된 정보를 바탕으로 리페어 패턴을 결정한 후, 베셀 빔을 조사하여 리페어 전극을 형성하고, 잔류하는 용액층을 제거하는 공정을 포함할 수 있다.

도 15는 상기 전극의 리페어 방법에 의해 형성되는 리페어 전극을 도시한 도면이다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 상기 리페어 전극은 리페어 방향, 즉 리페어를 위한 전극의 연장방향 (또는 길이방향)으로 연장될 수 있으며, 기존 전극의 선폭보다 작은 선폭을 가질 수 있다. 또한, 상기 리페어 전극은 하나 이상일 수 있으며, 상기 하나 이상의 리페어 전극은 스티칭 필라멘트 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 각 리페어 전극은 리페어 방향으로 연장되고, 리페어 전극들 전체는 리페어 방향과 교차되는 방향으로 형성되며, 각 리페어 전극이 기존 전극의 선폭보다 작은 간격으로 이격된 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에서, 리페어 전극 형성 시 고종횡비의 초점심도를 갖는 베셀 빔을 조사하여 나노입자를 소결시킴으로써, 표면 거칠기가 큰 기판에 형성된 전극의 결함 또는 디스플레이 기판의 엣지(옆면)에 인쇄된 전극의 결함을 손쉽게 리페어 할 수 있다. 또한 고종횡비의 베셀 빔을 이용함으로써 고분해 패터닝이 가능하여, 미세 전극에 대해서도 정밀하게 리페어 할 수 있다.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 하나의 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 동일한 축을 갖는 다수의 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 1,000 초과 및 100,000 이하의 종횡비를 갖는 하나의 긴 초점을 형성하는 단계
를 포함하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 미세 패턴을 형성하는 단계 이후,
잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔이 굴절되는 각도를 조절함으로써, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 하나의 긴 초점을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔을 파장에 따라 분리한 후 원하는 파장의 광만을 중첩시켜 광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔이 둘 이상의 단일 파장 레이저 또는 다중 파장 레이저를 중첩시켜 형성된 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔의 출력이 0.1mW 내지 100W인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔의 방출광의 파장대역이 100 내지 20,000 nm인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 파장을 갖는 레이저 빔이 아르곤(Ar) 이온 레이저, 크립톤(Kr) 이온 레이저, 아르곤-크립톤(Ar-Kr) 레이저, 헬륨-카드뮴(He-Cd) 레이저 및 구리 증기 레이저로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판이 실리콘 웨이퍼, 쿼츠, 유리, 강화유리, SiO₂, 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 알루미늄 산화물, 철 산화물, 금 산화물, 은 산화물, 구리 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리우레탄(PU), 폴리카보네이트(PC), 대리석, 화강암, 세라믹, 점토, 시멘트 및 목재로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판 표면의 평균 거칠기(average roughness, Ra)가 10nm 내지 1mm이고, 제곱평균제곱근 거칠기(root-mean-square roughness, Rrms)가 10nm 내지 1mm인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 나노입자가 1 내지 1,000nm의 평균 입경을 갖는 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 나노입자가 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 나노입자 용액이 10nm 내지 10mm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 기판 상에 미세 패턴을 형성하는 방법.
기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 하나의 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 용매의 증발에 의해 기공을 형성시키면서 나노입자를 소결시켜 다공성 구조를 갖는 전극 구조체를 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 동일한 축을 갖는 다수의 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 1,000 초과 및 100,000 이하의 종횡비를 갖는 하나의 긴 초점을 형성하는 단계
를 포함하는, 기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성하는 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 레이저의 이동 속도가 1 내지 3,000mm/s인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 다공성 전극 구조체를 형성하는 방법.
디스플레이의 엣지(edge)에 미세 패턴을 형성하는 방법으로서,
디스플레이의 엣지에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 하나의 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 동일한 축을 갖는 다수의 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 1,000 초과 및 100,000 이하의 종횡비를 갖는 하나의 긴 초점을 형성하는 단계
를 포함하는, 디스플레이의 엣지에 미세 패턴을 형성하는 방법.
미세 전극의 리페어 방법으로서,
결함이 있는 전극이 형성된 기판 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
다중 파장(multi-wavelength)을 갖는 하나의 레이저 빔을 광원으로 하는 베셀 빔(bessel beam)을 상기 전극의 결함 영역의 나노입자 용액층에 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 리페어 전극을 형성하는 단계로서, 상기 베셀 빔이 각 파장에 따라 상이한 위치에 동일한 축을 갖는 다수의 초점이 형성되고, 상기 초점들이 연결되거나 서로 인접하여 1,000 초과 및 100,000 이하의 종횡비를 갖는 하나의 긴 초점을 형성하는 단계
를 포함하는, 미세 전극의 리페어 방법.
다중 파장을 갖는 하나의 레이저 빔을 굴절시켜 상이한 파장을 갖는 다수의 광으로 분리하는 단계; 및
상기 분리된 광을 베셀 빔으로 변환시켜 동일한 축을 갖는 다수의 초점을 갖는 베셀 빔을 형성하는 단계
를 포함하되,
상기 굴절의 각도를 조절하여 상기 다수의 초점이 연결되거나 서로 인접하여 1,000 초과 및 100,000 이하의 종횡비를 갖는 하나의 긴 초점을 형성도록 하는 것을 특징으로 하는, 고종횡비의 초점을 갖는 베셀 빔의 형성 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 레이저 빔의 굴절이 엑시콘 렌즈에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 고종횡비의 초점을 갖는 베셀빔의 형성 방법.