KR20010017513A - 소자의 봉착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소자의 보호 및 접합에 효과적인 정전접합(Anodic bonding)을 이용한 일반 소자 및 디스플레이 소자의 봉착방법에 관한 것이다.
본 발명의 소자 봉착방법은 소자의 유리 접합면에 이온교환법에 의한 이온교환층을 형성하고 정전접합 방법을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 이온교환에 의한 유리기판 계면의 표면강화로 정전접합시 저항열에 의한 균열발생을 최소화하고 이동성 이온의 증대로 계면에서의 정전기력을 증대시킬 수 있으므로 매우 강한 결합특성을 유지할 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 기존의 봉착유리의 삽입이나 특수한 열 및 화학처리 등의 복잡한 과정을 거치는 다른 접합방법에 비하여 매우 간단하고 생산성이 있는 접합방법으로서 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 제2 카본전극(14) 쪽으로 이동하여 금속기판(12)과 유리기판(10)의 계면에는 디플리션 레이어(Depletion layer)가 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 이 정전기력에 의해 접합계면에는 물리적인 접촉(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. 또한, 정전접합시 유리에 존재하는 Na+ 이온이 부극성(-)의 전압이 걸린 제2 카본전극쪽으로의 이동량이 작아 계면에서 충분한 정전기력을 확보할 수 없으므로 균일하고 강한 접착력을 얻을 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이온교한 및 정전접합 방법을 이용하여 계면에서의 균열현상 방지 및 정전기력을 향상시킬 수 있는 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.
도 4는 기상이온교환장치를 나타내는 도면.
도 5는 액상이온교환장치를 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 : 이온교환층 46, 54 : 발열체
48, 56 : 반응챔버 52 : 기판홀더
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법은 소자의 유리 접합면에 이온교환법에 의한 이온교환층을 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.
이하, 본 발명의 바림직한 실시 예를 첨부도면 도 3 내지 도 5를 이용하여 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 이온교환법을 이용하여 이온교환층(34)을 형성하게 된다. 이온교환법은 기상이온교환 또는 액상이온교환 방법을 이용한다. 기상이온교환법을 이용하는 경우 도 4에 도시된 바와 같이 NaCl 증기와 같은 반응가스가 공급되는 반응 챔버(Chamber; 48) 속에 유리기판(30)을 위치시킨다. 이어서, 반응챔버(48)의 상하부에 위치하는 발열체(46)를 이용하여 약 450∼550℃ 정도의 온도로 15∼20 시간정도 가열하면 유리기판(30)의 표면에서 유리기판(30) 내부의 알칼리이온(Li+)과 반응가스의 이온(Na+)간에 다음과 같은 이온교환반응이 이루어지게 된다.
Na+↔ Li+(NaCl인 경우)
액상이온교환법을 이용하는 경우 도 5에 도시된 바와 같이 용융염(NaNO3)이 채워져 있는 반응챔버(56) 속에 기판홀더(52)를 이용하여 유리기판(30)을 용융염의 표면부위와 접촉하도록 위치시키게 된다. 이어서, 반응챔버(56)의 외곽부에 위치하는 발열체(54)를 이용하여 약 450∼550℃ 정도의 온도로 15∼20 시간정도 가열하면 유리기판(30)의 표면에서 유리기판(30) 내부의 알칼리이온(Li+)과 용융염의 Na+이온간에 다음과 같은 이온교환반응이 이루어지게 된다. 이와 같이, 기상 또는 액상 이온교환법을 이용하는 경우 반응가스 및 용융염에 존재하며 이온반경이 0.95Å 정도로 비교적 큰 Na+이온이 약 450∼550℃ 정도의 온도에서 유리의 조성으로 이온반경이 0.6Å 정도로 비교적 작은 Li+이온과 이온교환을 일으키게 된다. 이 경우, 이온반경이 큰 Na+이온이 유리기판(30)의 표면에 침입하여 그 주위에 압축응력을 발생시키게 되므로 유리기판(30) 표면의 굽힘강도는 이온교환처리 이전보다 약 2∼3배 정도 향상되게 된다. 특히, 이온교환반응이 유리기판(30)의 전이점 이상에서 이루어짐으로써 이온침입시 구조변형에 의한 기공의 축소 또는 소멸을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 유리기판(30)에 흡착된 불순원소의 제거도 가능하게 된다. 이러한 이온교환법에 의한 유리기판(30)의 기공축소 및 불순원소 제거 효과는 이후 금속기판(32)과의 정전접합시 유리기판(30)과 금속기판(32) 간의 접촉을 균일하게 해줌으로써 보다 강한 정전접합을 가능하게 한다.
이와 같이, 유리기판(30) 위에 이온교환법을 이용한 이온교환층(34)을 형성한 후 열판(44) 위에 절연용 제1 알루미나(Alumina) 기판(42)과 제1 카본(Carbon) 전극(38), 금속기판(32), 이온교환층(34)이 형성된 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, 유리기판(30)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) 및 이온교환층(34)에 이동성 이온(Na+)이 부극성(-)의 전압이 걸린 제2 카본전극(36) 쪽으로 이동하게 됨으로써 금속기판(32)과 유리기판(30)의 계면에는 디플리션 레이어(Depletion layer)가 형성됨으로써 강한 정전기력이 작용하게 된다. 특히, 유리기판(30)의 이온교환층(34)에 존재하는 충분한 량의 이동성 이온(Na+)이 부극성(-)의 전압이 걸린 제2 카본전극(36) 쪽으로 이동하게 됨으로써 유리기판(30)과 금속기판(32)간의 계면에서는 높은 전위차가 발생하게 되므로 매우 강한 정전접합 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 정전기력에 의해 접합계면에는 물리적인 접촉(Physical contact)이 형성되고, 경계면에서는 유리기판(30)의 산소원자(O)와 금속기판(32)의 금속원자(M) 사이에 M-O-M의 화학적 결합이 형성되어 강한 화학결합특성을 나타내게 된다. 또한, 전술한 이온교환법에 따른 유리기판(30)의 표면강화에 의한 압축응력의 발생은 금속기판(34)과 유리기판(30)의 계면에서 발생하는 저항열에 의한 유리기판(30) 표면의 균열발생을 방지할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 이온교환에 의한 유리기판 계면의 표면강화로 정전접합시 저항열에 의한 균열발생을 최소화할 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 이온교환에 의해 이동성 이온(Na+)의 증대로 계면에서의 정전기력을 증대시킬 수 있으므로 매우 강한 결합특성을 유지할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법에 의하면 이온교환시 유리표면의 기공 및 불순물 제거로 균일하고 강한 계면 접합력을 얻을 수 있게 된다.
나아가, 본 발명에 따른 소자의 봉착방법은 램프, 법랑체, 박막회로, 집적회로, 반도체 장치 등의 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 (2)

  1. 소자의 봉착방법에 있어서,
    상기 소자의 유리 접합면에 이온교환법에 의한 이온교환층을 형성하고 정전접합 방법을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온교환층은 액상 및 기상 이온교환법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 소자의 봉착방법.
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