KR20140021138A

KR20140021138A - 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법

Info

Publication number: KR20140021138A
Application number: KR1020120086692A
Authority: KR
Inventors: 허승헌; 김다혜; 유도형; 송철규; 박성환; 김보민
Original assignee: 한국세라믹기술원; (주)솔라세라믹
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-20
Also published as: KR101385235B1

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 기판 위에 코팅된 투명전도막을 선폭 30㎛ 이하의 도선이 형성되도록 패터닝하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 「(a) 투명전도막이 코팅된 기판을 준비하는 단계; (b) 광폭(廣幅) 레이저 빔으로 남겨져야 하는 투명전도선 부분 주위에 여유면을 두고 상기 투명전도막을 깎아내는 단계; (c) 협폭(狹幅) 레이저 빔으로 상기 여유면을 깎아내는 단계; 를 포함하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 제공한다.

Description

레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법{Fine TCO patterning method using the laser scribing}

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 기판 위에 코팅된 투명전도막을 선폭 30㎛ 이하의 도선이 형성되도록 패터닝하는 방법에 관한 것이다.

투명전도막(TCO : Transparent Conducting Oxide)은 주로 금속산화물로 구성되며 주로 n형 반도체(n-type semiconductor)를 중심으로 연구되어왔다. 통상적으로 물리, 화학적 증착 방법을 사용하여 SnO₂, ZnO, In₂O₃ 등을 소재로 하는 산화물 투명전도막이 제조되고 있으며, 최근 스퍼터 방법을 이용한 대면적 롤투롤 코팅 기술이 산업적으로 활발하게 연구되고 있다. ITO 투명전도막은 디스플레이 및 터치패널 분야에서 가장 많이 활용되고 있는 반면 차세대 박막형 실리콘(Thin-Si) 태양전지 및 염료감응형 태양전지(DSSC)에는 ITO대신 FTO가 가장 많이 이용되고 있다. 그 이유로서 FTO 박막만의 고온 내열성(약 500도℃까지 견딤), 뛰어난 내화학성 및 내부식성 때문이다. 이 밖에도 AZO, ZnO 등을 소재로한 다양한 투명 산화물 반도체 연구가 진행되고 있다.

상기 투명전도막들을 터치패널, 터치소자, 터치 스크린 등에 사용하기 위해서는 미세 패터닝 기술이 필수적이다. 현재까지 전자분야 대기업들은 ITO 투명전도막을 선폭(線幅) 30㎛로 식각하는 포토에칭기술을 보유하고 있으나, 전자기기의 소형화 및 고성능화를 위해서는 투명전도막을 30㎛ 이하의 좁은 선폭으로 패터닝할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.

① 레이저 빔을 이용하여 넓은 면적의 투명전도막을 깎아내는데 많은 시간이 소요되는 문제점 해소하기 위해 광폭 레이저 빔과 협폭 레이저 빔을 겸용하는 새로운 공정기술(Broad and Narrow Laser Scribing)을 제공한다.

② 강한 레이저 빔에 의해 상부의 투명전도막 뿐만 아니라 하부 기판까지 손상되는 현상을 극복하기 위한 수단을 제공한다.

③ 투명전도막을 깎아 형성되는 도선의 선폭이 30㎛ 이하가 되는 미세 패터닝 기술을 제공한다.

④ ITO, FTO, ZnO 등의 소재로 이루어진 투명전도막들에 대하여 공통적으로 적용할 수 있는 미세 패터닝 기술을 제공한다.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「(a) 투명전도막이 코팅된 기판을 준비하는 단계; (b) 광폭(廣幅) 레이저 빔으로 남겨져야 하는 투명전도선 부분 주위에 여유면을 두고 상기 투명전도막을 깎아내는 단계; (c) 협폭(狹幅) 레이저 빔으로 상기 여유면을 깎아내는 단계; 를 포함하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 제공한다.

또한, 본 발명은 「상기 (c)단계는 상기 여유면을 투명전도선과 교차하는 방향으로 깎아 상기 투명전도선의 테두리 주위에 2차 여유면을 남겨 둔 후 상기 투명전도선의 방향을 따라 상기 2차 여유면을 깎아내는 것을 특징으로 하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 함께 제공한다.

또한, 본 발명은 「상기 레이저 빔은 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율이 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 이상 큰 파장대에 있는 것을 특징으로 하는 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 함께 제공한다.

본 발명에 의하면, 기판 본체의 손상없이 선폭 30㎛ 이하로 투명전도막을 패터닝 하는 공정을 빠르게 실행할 수 있다.

[도 1]은 레이저 스크라이빙 기술을 이용하여 투명전도막을 깎아내는 공정에 관한 모식도이다.
[도 2]는 투명전도막을 선폭 100㎛ 가량의 광폭 레이저 빔으로 음각한 상태와 선폭 30㎛ 가량의 협폭 레이저 빔으로 음각한 상태를 촬영한 사진이다.
[도 3]은 광폭 레이저 빔과 협폭 레이저 빔을 혼용하여 투명전도막을 깎아내는 공정에 관한 모식도이다.
[도 4]는 투명전도선의 테두리 주위에 2차 여유면을 남겨 둔 후 상기 투명전도선의 방향을 따라 상기 2차 여유면을 깎아내는 공정에 관한 모식도이다.
[도 5]는 레이저 스크라이빙 기술을 이용하여 선폭 10~50㎛ 범위 내의 여러 가지 투명전도선을 형성시킨 상태를 촬영한 사진이다.
[도 6]은 레이저 빔의 파장에 따라, 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율과 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율을 비교한 그래프이다.
[도 7]은 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율이 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 이상 큰 파장대에 있는 레이저 빔을 이용하여 기판의 손상 없이 투명전도막을 깎아낸 상태를 촬영한 사진이다.

[도 1]은 레이저 스크라이빙 기술을 이용하여 투명전도막(예시로 FTO 투명전두도막)을 깎아내는 공정에 관한 모식도이다. 통상적으로 포커싱(Focusing)된 레이저 빔의 직경은 수십에서 수백 마이크로미터 정도이며 이를 이용하여 투명전도막 표면을 긁어낼 수 있다. 따라서 [도 1]의 (b)에 도시된 것처럼 원하는 부분을 레이저 빔의 선폭과 비슷하게 깎아내는 음각공정을 수행할 수 있으며, 나아가 [도 1]의 (c)에 도시된 것처럼 깎는 부분들을 겹치게 하면서 넓은 면적을 깎아 원하는 부분만을 남겨두는 양각공정을 수행할 수도 있다. 이러한 양각공정을 통해 미세한 선(즉, 투명전도선)만을 남기고 주변을 모두 깎아낼 수도 있다.

다만, 레이저 빔으로 넓은 면적을 깎아 미세한 투명전도선을 남기는 양각공정의 경우에는 공정시간이 오래 걸리는 문제가 발생하므로 이러한 공정에 레이저 스크라이빙 기술을 적용하기는 어렵다. 구체적인 예로서 파장폭이 1064nm인 레이저 빔을 이용하여 투명전도막을 미세하고 정교하게 깎아내기 위해서는 레이저 빔의 직경이 작아야 한다. 예를 들어 레이저 빔의 직경이 30㎛ 정도가 될 때 투명전도막을 30㎛ 이하의 선폭으로 깎아내는 음각공정을 수행할 수가 있다. 그러나 30㎛ 선폭을 갖는 레이저 빔을 이용하여 20×20㎝ 면적의 투명전도막을 모두 깎아낼 때 스캔 스피드 500mm/s인 경우 20×20cm 투명전도막을 모두 깎아내는데 120분 정도가 소요된다. 물론 위와 같은 공정시간의 문제는 레이저 빔의 선폭과 스캔 스피드의 변경을 통해 해결할 수 있다. 예를 들어 1064nm 파장의 레이저 빔 선폭을 100㎛(선폭은 가변시킬 수 있다)으로 하고 스캔 스피드 1500mm/s로 할 경우 20×20㎝ 면적의 투명전도막을 모두 깎아내는데 소요되는 시간은 10분의 1로 줄어들어 12분이면 투명전도막을 깎아내는 공정이 끝나게 된다(100㎛ 선폭의 레이저 빔은 30 ㎛ 선폭의 레이저 빔보다 3.3 배 더 넓고 스캔 스피드도 3배 빠름. 따라서 3.3×3 = 10배). 투명전도막을 깎아낼 수 있는 최소강도를 만족하는 범위에서 레이저 빔의 선폭 및 스캔 스피드를 고려할 때 최대 선폭-최고 스캔 스피드의 레이저 빔은 최소 선폭-최저 스캔 스피드의 레이저 빔에 비해 100배 이상 빠르게 공정을 진행할 수 있다. 그러나 넓은 폭의 레이저 빔으로 투명전도막을 깎아 투명전도선을 형성시키고자 할 때에는 남겨지는 면이 불균일하므로 작업 결과의 신뢰성이 떨어지며, 이는 미세 폭의 투명전도선을 형성시키기에 부적절하다. 이러한 문제점은 [도 2]를 통해 확인할 수 있다. [도 2]의 (a)는 폴리이미드(PI) 기판에 FTO 투명전도막이 형성된 시편을 선폭 100㎛ 가량의 광폭 레이저 빔(Nd:YAG 파이버 레이저, 파장 1064㎚, 80kHZ, 스캔스피드 1000㎜/sec, 펄스주기 10ns, 파워 10W)으로 음각한 상태를 촬영한 것으로서, 음각된 선의 양측 가장자리가 울퉁불퉁한 것을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 광폭 레이저 빔으로 투명전도막을 양각하여(즉, 음각선을 중첩시켜) 미세 폭의 투명전도선을 형성시킬 수 없는 것이다. 한편, [도 2]의 (b)는 글래스 기판에 FTO 투명전도막이 형성된 시편을 선폭 30㎛ 가량의 협폭 레이저 빔(Ytterium 파이버 레이저, 파장 1060㎚, 80kHz, 스캔스피트 1000㎜/sec, 펄스주기 10ns, 파워 1.2W)으로 음각한 상태를 촬영한 것으로서, 이 경우에는 음각된 선의 양측 가장자리가 고르게 된 것을 확인할 수 있다.

이에 본 발명은 「(a) 투명전도막이 코팅된 기판을 준비하는 단계; (b) 광폭(廣幅) 레이저 빔으로 남겨져야 하는 투명전도선 부분 주위에 여유면을 두고 상기 투명전도막을 깎아내는 단계; (c) 협폭(狹幅) 레이저 빔으로 상기 여유면을 깎아내는 단계; 를 포함하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 제공한다. 즉, 본 발명은 레이저 빔의 선폭을 조절하여 투명전도막에 대한 양각공정의 속도를 향상시키면서 미세한 폭의 투명전도선을 형성시키는 작업이 가능하도록 한 것이다. 레이저 빔의 폭은 레이저 발사 기기에 대한 소프트웨어적인 조작만으로도 손쉽게 바꿀 수 있다.

[도 3]은 광폭 레이저 빔과 협폭 레이저 빔을 혼용하여 투명전도막을 깎아내는 공정에 관한 모식도이다. 구체적으로 [도 3]은 레이저 스크라이빙을 통해 투명전도막을 양각하여 폭 10㎛의 투명전도선을 형성시키는 과정을 도시한 것으로서, [도 3]의 (a)는 남겨두어야 할 투명전도선 양쪽에 여유면을 두어 폭 50㎛ 투명전도선을 형성시키는 것처럼 광폭 레이저 빔으로 빠르게 깎아낸 상태이고, [도 3]의 (b)는 간단한 프로그램 조작을 통해 레이저 빔을 협폭으로 조정한 후 여유면을 깎아내어 폭 10㎛의 투명전도선을 형성시킨 상태를 도시하였다. 이러한 단계별 양각을 통하여 미세 폭의 투명전도선도 얻을 수 있고 양각공정 시간도 단축할 수 있다.

구체적인 예로서 20×20㎝ 면적의 ITO 투명전도막을 레이저 빔으로 깎아 가운데 부분에 길이 10cm, 폭 10㎛인 투명전도선을 형성시키는데 총 4분 가량이 소요되었다. 광폭 레이저 빔으로 남겨져야 하는 투명전도선 주위에 여유면을 두고 투명전도막을 깎아내는 공정의 시간이 4분, 협폭 레이저 빔으로 상기 여유면을 깎아내는 공정의 시간이 10초 소요된 것이다. 이러한 본 발명을 응용하면 투명전도막을 패터닝하는 목적과 형태에 따라 광폭 레이저 빔과 협폭 레이저 빔을 교대로 여러 번 활용하거나, 중간 폭의 레이저 빔을 추가로 이용하여 다양하게 활용할 수 있다.

한편, [도 4]에 도시된 바와 같이 레이저 빔의 스크라이빙 방향이 남겨지는 투명전도선과 교차하는 방향인 경우 원형 빔 스팟에 의해 투명전도선이 울퉁불퉁해질 수 있다. 이에 본 발명은 「상기 (c)단계는 상기 여유면을 투명전도선과 교차하는 방향으로 깎아, 상기 투명전도선의 테두리 주위에 2차 여유면을 남겨 둔 후 상기 투명전도선의 방향을 따라 상기 2차 여유면을 깎아내는 것을 특징으로 하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 함께 제공한다. [도 5]는 위와 같은 공정을 통해 다양한 폭의 투명전도선을 형성시킨 결과를 나타낸 것이다.

그러나, [도 5]를 보면 레이저 스크라이빙에 의해 투명전도막뿐만 아니라 기판 부분까지 과도하게 깎여 나갔음을 알 수 있다. 레이저 스크라이빙에 의해 기판까지 깎이면 그 부분에서 빛이 산란되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 기판 상층부의 투명전도막 부분만 살짝 깎아내는 기술이 매우 중요하다.

본 발명에서는 레이저 빔의 파장에 따른 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR(자외선-가시광선-근적외선) 투과율과 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율을 비교 분석함으로서 위와 같은 문제를 해결하였다. 레이저 빔의 UV-Vis-NIR 투과율이 낮을수록 레이저의 에너지가 가공 대상을 깎아내는 힘으로 집중되는데, 레이저 빔의 파장에 따라 UV-Vis-NIR 투과율이 달라지기 때문이다.

또한, 동일한 파장의 레이저 빔이라 해도 기판의 종류 및 투명전도막의 종류에 따라 UV-Vis-NIR 투과율이 달라진다. 따라서, 본 발명에 적용하기 위한 레이저 빔의 파장대를 특정할 수는 없다. 다만, 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율과 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율의 상대적 차이를 기준으로 본 발명의 목적 달성을 위해 적합한 레이저 빔의 파장대를 특정할 수 있다.

UV-Vis-NIR 투과율의 차이는 상대적인 것이므로 이론적으로는 상기 투과율 차이가 7% 미만이더라도 레이저 빔이 투명전도막만을 깎아내고 기판을 손상시키지 않는 상황이 가능하지만 실제적으로는 상기 투과율 차이가 7% 이상일 때 하층부 기판의 손상 없이 상층부의 투명전도막을 깎아낼 수 있음을 확인할 수 있었다.

이에 본 발명은 「상기 레이저 빔은 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율이 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 이상 큰 파장대에 있는 것을 특징으로 하는 투명전도막 미세 패터닝 방법」을 함께 제공한다.

이론적으로는 투과율 차이가 7 % 이하가 되더러도 가능하지만 실제적으로는 많은 어려움이 있으며, 본 발명의 결과로서 투과율 차이가 적어도 7 % 이상 나야 상층부 투명전도막을 하층부 기판 손상없이 제거될 수 있음을 확인할 수 있었다.

구체적인 예로서 [도 6]의 그래프를 보면 1060nm(Ytterium fiber laser) 파장의 레이저 빔은 유리기판 자체에 대한 UV-Vis-NIR 투과율이 FTO 투명전도막이 코팅된 유리기판에 대한 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 정도 높음을 알 수 있다. 따라서, 실험을 통하여 설정된 임계에너지 값보다 조금 더 큰 에너지를 갖는 레이저 빔을 조사할 경우 상대적으로 상층부의 FTO 투명전도막은 그 에너지를 흡수하여 제거되고, 이에 따라 하층의 유리기판에까지 도달되는 레이저 빔의 에너지는 미미하게 되고, 유리기판에까지 도달한 레이저 빔의 상당 부분은 유리기판에 흡수되지 않고 투과하므로 유리기판 표면에 영향을 주지 않는다.

[도 7]은 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율이 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 이상 큰 파장대에 있는 레이저 빔(1060nm 파장의 레이저 빔)을 이용하여 기판의 손상 없이 투명전도막을 깎아낸 상태를 촬영한 사진이다.

한편, [도 6]의 그래프를 자세히 살펴보면 700nm 이하의 단파장 레이저 빔 쪽에서도 상기 투과율 차이가 7% 이상이 되는 부분이 나타나 이 파장대 이하의 레이저 빔을 이용하면 하부 기판의 손상 없이 상층부 투명전도막을 깎아낼 수 있음을 알 수 있다. 그러나 330nm 정도 파장의 레이저 빔은 유리의 투과율이 급격히 떨어져 기판 손상이 예상된다. 실제로 355nm 파장의 레이저 빔을 이용할 경우 대부분의 유리기판이 손상되었다. 단파장의 레이저 빔은 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율이 상대적으로 낮더라도 절대적인 에너지 자체가 높기 때문에 투명전도막이 코팅된 기판에 대한 레이저 빔의 UV-Vis-NIR 투과율 하한값을 정하는 것이 바람직하며, 실험적으로 파악된 투명전도막 하부의 기판이 손상되지 않는 레이저 빔의 UV-Vis-NIR 투과율 하한값은 72%이다.

구체적인 실시예로 유리기판 위에 형성된 FTO 투명전도막을 532nm 파장 레이저 빔(Nd:YAG 레이저 second harmonic)으로 깎아내는 경우 유리기판의 손상이 없음을 확인할 수 있고, 이때 FTO 투명전도막이 형성된 유리기판에 대한 레이저 빔의 UV-Vis-NIR 투과율이 72%이다.

위와 같은 투과율 차이 등의 사항은 세라믹계, FTO, ITO, ZnO 투명전도막 등에 공통적으로 적용할 수 있다.

전술한 조건을 만족하여 본 발명에 이용될 수 있는 레이저는 Ytterbium fiber laser(1064~1550nm, second harmonic : 532nm), Erbium fiber laser (554~1550nm), Thalium fiber laser(1800~2100nm), Quantum cascade laser (2.75~250μm), HF laser(2.6~3μm), Er:YAG laser(2.94 μm), Tm:YAG laser(2.94 μm), Ho:YAG laser(2.94 μm), CO₂ laser(2.94 μm), Ar ion laser(364, 451 nm), Ti:sapphire laser(second harmonic 360~460nm), Dye laser(330~740nm), He-Ne laser(633nm), Nd:YAG laser(1064nm, 1570nm, SECOND: 532NM, THIRD HARMONIC : 355nm), XeF laser(351nm), Alexandrite laser(second harmonic: 360~430nm), Colar center laser(900~1500 nm), InGaAsP laser(1~1.7μm), Er:glass laser(1535nm), Cr:LISO laser(1160~1162nm), Cr:YAG laser(1350~1550nm), Cr-torsteinize laser(1173~1338 nm), Cunite laser(1348~1442 nm), Cr:LSGO laser(1150~1600 nm), Cr:LIGO laser(1150~1600 nm) 등이 있다.

본 발명의 원리는 전술한 내용에 한정되지는 않는다. 일예로 기판과 투명전도막 사이에 배리어 막이 있는 경우에도 본 발명의 원리를 적용시킬 수 있으며, 투명전도막 상층부에 폴리머 막, 금속막, 반도체막, 반도성 막, 나노막, 나노구조체막, 유기막, 유무기하이브리드막, 무기막, 세라믹막, 유기막 등이 형성되어 있는 경우에도 본 발명의 원리를 이용하여 상층부의 코팅막을 뚫어 하층부의 투명전도막 부분을 레이저 빔으로 깎아낼 수 있다.

없음

Claims

(a) 투명전도막이 코팅된 기판을 준비하는 단계;
(b) 광폭(廣幅) 레이저 빔으로 남겨져야 하는 투명전도선 부분 주위에 여유면을 두고 상기 투명전도막을 깎아내는 단계;
(c) 협폭(狹幅) 레이저 빔으로 상기 여유면을 깎아내는 단계; 를 포함하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법.
제1항에서,
상기 (c)단계는 상기 여유면을 투명전도선과 교차하는 방향으로 깎아 상기 투명전도선의 테두리 주위에 2차 여유면을 남겨 둔 후 상기 투명전도선의 방향을 따라 상기 2차 여유면을 깎아내는 것을 특징으로 하는 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 투명전도막 미세 패터닝 방법.
제1항 또는 제2항에서,
상기 레이저 빔은 투명전도막을 제외한 기판 자체의 UV-Vis-NIR 투과율이 투명전도막이 코팅된 기판의 UV-Vis-NIR 투과율보다 7% 이상 큰 파장대에 있는 것을 특징으로 하는 투명전도막 미세 패터닝 방법.
제3항에서,
상기 레이저 빔의 파장이 1,000nm 이하인 경우 투명전도막이 코팅된 기판에 대한 레이저 빔의 UV-Vis-NIR 투과율이 72% 이상인 것을 특징으로 하는 투명전도막 미세 패터닝 방법.