KR20010017512A

KR20010017512A - 소자의 봉착방법

Info

Publication number: KR20010017512A
Application number: KR1019990033063A
Authority: KR
Inventors: 이윤관
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 소자의 보호 및 접합에 효과적인 정전접합(Anodic bonding)을 이용한 일반 소자 및 디스플레이 소자의 봉착방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 소자의 봉착방법은 소자의 접합면에 고체전해질막을 형성하고 정전접합 방법을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 정전접합시 안정한 고체전해질 산화물 및 불화물을 계면에 형성함으로써 높은 온도에서도 유리변형에 의한 계면에서의 균열발생을 최소화하여 매우 강한 접합특성을 얻을 수 있게 된다.

Description

소자의 봉착방법{Method of Sealing Device}

본 발명은 일반 소자 및 디스플레이 소자의 봉착방법에 관한 것으로, 특히 소자의 보호 및 접합에 효과적인 정전접합(Anodic bonding)을 이용한 일반 소자 및 디스플레이 소자의 봉착방법에 관한 것이다.

정전접합을 이용한 봉착기술은 다른 접합방법에 비하여 낮은 비용, 비교적 낮은 온도에서의 접합 특성, 소자의 형상유지, 균열발생의 감소, 기밀성 유지, 화학처리의 불필요 등과 같은 특성을 가지고 있다. 이로 인하여, 정전접합 방법은 램프, 법랑체, 박막회로, 집적회로, 반도체 방치의 보호와 접합에 효과적으로 이용되고 있다. 특히, 정전접합 방법은 음극선관(CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma display panel), 전계방출디스플레이(Field emission display) 등과 같은 차세대 디스플레이 소자의 봉착방법에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적인 유리와 금속과의 정전접합 방법은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1은 정전접합을 이용한 유리기판(10)과 금속기판(12)을 봉착방법을 나타낸다. 우선, 열판(22) 위에 절연용 제1 알루미나(Alumina) 기판(20)과 제1 카본(Carbon) 전극(16), 금속기판(12), 유리기판(10), 제2 카본전극(14), 제2 알루미나 기판(18)을 적층한다. 유리기판(10) 측의 제2 카본전극(14)에는 부극성(-)의 전압이 걸리고, 금속기판(12) 측의 제1 카본전극(16)에는 정극성(+)의 전압이 걸리도록 외부에서 전압공급단자를 연결한다. 그리고, 유리기판(10)에서의 Na+ 이온의 확산속도 증가, 유리기판(10)과 금속기판(12) 계면에서의 전하량 증대 및 강한 화학결합을 위해 열판(22)을 200∼300℃ 정도로 가열한다. 또한 유리기판(10)과 금속기판(12)이 균일하고 강한 접착력을 얻을 수 있도록 최상부의 제2 알루미나 기판(18) 위에서 가압하게 된다. 여기서, 이온이동을 위해 인가되는 외부전압으로 약 4∼6kV, 전류는 약 3∼7mA의 범위로 걸어주고 정전접합의 시간은 40∼50분 정도가 필요하다. 접합크기는 유리기판(10)에 형성된 분극층의 전하밀도와 두께에 비례하고 공기의 유전율에 반비례하며 유리기판(10)과 금속기판(12)간의 접합기구는 다음과 같다. 금속기판(12)의 정극성(+)의 직류전압을 인가하고 유리기판(10)에 부극성(-)의 직류전압을 인가하면 유리기판(10)에 존재하는 Na+ 이온이 부극성(-)의 전압이 걸린 금속기판(12) 쪽으로 이동하여 금속기판(12)과 유리기판(10)의 계면에는 디플리션 레이어(Depletion layer)가 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 이 정전기력에 의해 접합계면에는 물리적인 접합(Physical contact)이 형성되고, 경계면에서는 유리기판(10)의 산소원자(O)와 금속기판(12)의 금속원자(M) 사이에 M-O-M의 화학적 결합이 형성되어 강한 화학결합특성을 나타내게 된다.

두 장의 유리를 접합하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 두 장의 유리기판(24, 26) 사이에 판상 또는 액자형의 금속 스페이서(28)를 삽입하여 접합시키게 된다. 액자형 스페이서를 사용하는 경우 가로 및 세로는 5mm 이하, 두께는 1mm 이하가 적당하다. 스페이서(28)는 전도성 특성이 요구되므로 스페이서 자체를 전도성 금속으로 만들게 된다. 또한, 비정질유리, 유리-세라믹스, 세라믹스 재료를 이용하여 압출 또는 성형방식으로 제작한 뒤 표면조도 50Å으로 정밀 폴리싱된 스페이서의 전면에 이베퍼레이션(Eveporation), 스퍼터링(Sputtering), 기상화학증착(CVD) 방법을 이용하여 두께 5㎛ 이하의 전도성 금속박막을 도포한 뒤 사용하게 된다. 이러한 스페이서(28)를 사이에 둔 두 장의 유리기판(24, 26)은 전술한 바와 같은 정전접합 과정을 거쳐 접합되게 된다.

그런데, 종래의 정전접합을 이용한 유리와 금속간의 봉착방법에서는 유리와 금속간의 접합시 그들의 계면에서 저항열이 발생하여 유리의 전이점 이상으로 온도가 상승하게 된다. 이렇게, 유리의 전이점 이상으로 온도가 상승하는 경우 유리에 인장응력이 발생함으로써 계면에서 균열이 발생되어 접합특성이 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 고체전해질과 정전접합을 이용하여 양호한 접착특성을 얻을 수 있도록 하는 소자의 봉착방법을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 유리기판과 금속기판의 정전접합 방법을 나타내는 단면도.

도 2는 일반적인 두 장 유리기판의 정전접합 방법을 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유리기판과 금속기판의 정전접합 방법을 단계적으로 나타내는 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명〉

10, 24, 26, 30 : 유리기판 12, 32 : 금속기판

14, 16, 36, 38 : 카본전극 18, 20, 40, 42 : 알루미나 기판

22, 44 : 열판 28 : 금속 스페이서

34 : 고체전해질막

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법은 소자의 접합면에 고체전해질막을 형성하고 정전접합 방법을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

본 발명의 소자의 봉착방법에서는 고체전해질과 정전접합 방법을 이용하게 된다. 고체전해질(Solid electrolyte)은 다음 화학관계식

LixWO₃↔ WO₃+ xLi⁺+ xe^-

에서와 같이 외부전압에 의해서 결합원자(Li)가 전자를 내놓으면서 이동성이온(Li⁺)으로 변하여 상대극(음극)쪽으로 이동하는 특성을 가지고 있는 재료이다. 이러한 특성을 가지는 고체전해질로는 다음 표 1과 같은 재료들이 있다.

고체전해질	이동이온	고체전해질	이동이온
β-알루미나	Na⁺, Li⁺, H⁺	NiO	Na⁺, Li⁺, H⁺
Cr₂O₃	H⁺	IrOx	Li⁺
Cr₂O₃/V₂O₅	H⁺	MoO₃	Li⁺
HUP(Hydrogen Uranyl Phosphate)	H⁺	Nb₂O₅	Na⁺, Li⁺, H⁺
a-LiAlF₄	Na⁺, Li⁺, H⁺	TiO₂	Na⁺, Li⁺, H⁺
Li₃N	Na⁺, Li⁺, H⁺	Rh₂O	Li⁺
LiNbO₃	Na⁺, Li⁺, H⁺	WO₃	Na⁺, Li⁺, H⁺
MgF₂	H⁺	ZrO₂	H⁺
Nasicon(Sodium Silicon Conductor)	Na⁺	워터 글래스	Na⁺
PbSnF₄	F^_	Ta₂O₅	Na⁺, Li⁺, H⁺
PbF₂	F^_	Siloxane Polymer	Li⁺
PTA(Phosphotungstic acid)	H⁺	RbAgl₅	Ag⁺

상기 표 1과 같이 고체전해질의 재료에는 β-알루미나, Cr₂O₃, Cr₂O₃/V₂O₅, HUP(Hydrogen Uranyl Phosphate), a-LiAlF₄, Li₃N, LiNbo₃, MgF₂, Nasicon(Sodium Silicon Conductor), PbSnF₄, PbF₂, PTA(Phosphotungstic Acid), RbAgl₅, Siloxane polymer, Ta₂O₅, 워터 글래스(Water glass)(Semi-solid sodium silicate solution), ZrO₂, WO₃, NiO, IrOx, MoO₃, Nb₂O₅, Rh₂O, TiO₂등이 있다. 이들 고체전해질 재료들은 각각에 맞는 이동성 이온을 포함하고 있다. 특히, β-알루미나, a-LiAlF₄, Li₃N, LiNbo₃, WO₃, NiO, Nb₂O₅, TiO₂, Ta₂O₅등은 이동이온이 Na⁺, Li⁺, H⁺로서 선택의 폭이 매우 넓다. 이하, 상기 고체전해질과 정전접합 방법을 용한 소자의 봉착방법을 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유리기판과 금속기판의 봉착방법을 단계적으로 나타낸 것이다.

먼저, 유리기판(30)과 금속기판(32)을 별도로 마련한다. 그 다음, 준비된 유리기판(30) 위에 상기 표 1에서와 같은 고체전해질 중 어느 하나의 물질을 도포하게 된다. 고체전해질막(34)은 진공증착, 스핀 코팅(Spin Coating), 딥 코팅(Dip Coating), 스크린프린팅(Screen Printing) 등의 방법을 이용하여 수 ㎛의 두께로 형성하게 된다. 이 경우, 고체전해질막(34) 내부에는 일정량의 이동성 이온이 혼입되어 있어야 하는데 그 이동성 이온은 고체전해질 재료 자체에 함유되어 있거나 정전접합시 외부에서 주입하게 된다. 이러한 고체전해질막(34)을 도포할 때 진공증착 방법을 이용하는 경우 반응성 증착법을 이용하게 된다. 스핀코팅 또는 스크린프린팅 방법을 이용하는 경우에는 고체전해질의 재료를 수 ㎛의 입자크기를 가지게끔 분말화하여 이용하게 된다. 이와 같이, 유리기판(30) 위에 고체전해질막(34)을 도포한 후 열판(44) 위에 절연용 제1 알루미나(Alumina) 기판(42)과 제1 카본(Carbon) 전극(38), 금속기판(32), 고체전해질막(34)이 도포된 유리기판(30), 제2 카본전극(36), 제2 알루미나 기판(40)을 순차적으로 적층한다. 유리기판(30) 측의 제2 카본전극(36)에는 부극성(-)의 전압이 걸리고, 금속기판(32) 측의 제1 카본전극(38)에는 정극성(+)의 전압이 걸리도록 외부에서 전압공급단자를 연결한다. 그리고, 고체전해질막(34)내의 이동이온의 확산속도 증가, 계면전하량의 증대 및 계면에서의 강한 화학결합을 위해 열판(44)을 300∼400℃ 정도로 가열한다. 또한, 유리기판(30)과 금속기판(32)이 균일하고 강한 접착력을 얻을 수 있도록 최상부의 제2 알루미나 기판(40) 위에서 가압하게 된다. 그리고, 이온이동을 위해 약 4∼6kV의 외부전압과 약 3∼7mA의 범위의 전류를 걸어주고 40∼50분 정도 정전접합시키게 된다. 이 경우, 유리기판(30)과 금속기판(32)의 접합력 크기는 고체전해질막(34)에 형성된 분극층의 전하밀도와 두께에 비례하는 반면에 공기의 유전율에 반비례하며, 발생되는 접합기구는 다음과 같다. 금속기판(32)의 정극성(+)의 직류전압을 인가하고 유리기판(30)에 부극성(-)의 직류전압을 인가하면 고체전해질막(34)에 존재하는 이동성 이온이 부극성(-)의 전압이 걸린 금속기판(32) 쪽으로 이동하여 금속기판(32)과 고체전해질막(34)의 계면에는 디플리션 레이어(Depletion layer)가 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 이 정전기력에 의해 접합계면에는 물리적인 접합(Physical contact)이 형성되고, 경계면에서는 유리기판(10)의 산소원자(O)와 금속기판(12)의 금속원자(M) 사이에 M-O-M의 화학적 결합이 형성되어 강한 화학결합특성을 나타내게 된다. 특히, 고체전해질막은 일반적인 유리보다 이동성 이온의 확산이 좋음에 따라 고체전해질막(34)과 금속기판(32) 계면에서 보다 많은 공간전하들이 형성됨으로써 보다 강한 정전접합특성을 나타내게 된다. 또한, 종래의 정전접합을 이용한 유리와 금속간의 접합시에는 그들의 계면에서 저항열이 발생함으로 인하여 유리가 전이점 이상으로 온도가 상승하여 인장응력의 발생으로 계면균열이 발생하였으나 고체전해질은 안정한 단일 산화물이기 때문에 온도상승에도 균열의 발생을 최소화할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 정전접합시 안정한 고체전해질 산화물 및 불화물을 계면에 형성함으로써 높은 온도에서도 유리변형에 의한 계면에서의 균열발생을 최소화할 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 안정한 고체전해질 산화물 및 불화물을 계면에 형성함으로써 계면에서의 스파크 현상없이 이온이동의 촉진을 위한 가열온도를 보다 높여 매우 강한 정전접합 특성을 얻을 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 고체전해질의 높은 이온이동의 특성으로 계면에서의 정전기력을 증대시킬 수 있으므로 매우 강한 결합특성을 유지할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법은 램프, 법랑체, 박막회로, 집적회로, 반도체 장치의 보호와 접합뿐만 아니라 PDP, FED, PALC, CRT, LCD 등 모든 디스플레이소자의 상하판 접합시에 적용되어 원가절감, 밀봉유지, 생산성 증대 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

소자의 봉착방법에 있어서,

상기 소자의 접합면에 고체전해질막을 형성하고 정전접합 방법을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.
제 1 항에 있어서,

상기 고체전해질막의 재료로는

β-알루미나, Cr₂O₃, Cr₂O₃/V₂O₅, HUP(Hydrogen Uranyl Phosphate), a-LiAlF₄, Li₃N, LiNbo₃, MgF₂, Nasicon(Sodium Silicon Conductor), PbSnF₄, PbF₂, PTA(Phosphotungstic Acid), RbAgl₅, Siloxane polymer, Ta₂O₅, 워터 글래스(Water glass)(Semi-solid sodium silicate solution), ZrO₂, WO₃, NiO, IrOx, MoO₃, Nb₂O₅, Rh₂O, TiO₂중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.
제 2 항에 있어서,

상기 고체전해질막의 이동이온이 Na⁺, Li⁺, H⁺, F^-, Ag⁺중 어느 하나인 것을 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.
제 2 항에 있어서,

상기 고체전해질막은 그의 재료 자체에 적어도 하나 이상의 이동이온을 함유하고 있거나 상기 정전접합시 외부에서 주입되는 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.