KR20150069858A

KR20150069858A - 전도성 잉크를 이용한 유연한 기판에서의 고전도도 금속 배선 형성 방법

Info

Publication number: KR20150069858A
Application number: KR1020130156505A
Authority: KR
Inventors: 김학린; 배진혁; 박지섭
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-24
Also published as: US20150173200A1

Abstract

본 발명은 유연한 기판상에 고전도도 금속 배선형성방법에 관한 것이다. 상기 금속 배선 형성 방법은, 내열성의 제1 기판상에 희생층을 형성하고, 그 위에 전도성 잉크를 인쇄하고 열소결 처리하여 고전도도 금속 배선층을 형성하는 단계; 희생층 식각 용매를 이용하여 희생층을 식각하되, 식각 시간을 제어하여 희생층의 일부가 식각되지 않도록 하여, 고전도도 금속 배선층과 제1 기판 사이에 지지대를 형성하는 단계; 스탬프를 이용하여 상기 제1 기판으로부터 상기 고전도도 금속 배선층을 픽업하는 단계; 상기 픽업된 고전도도 금속 배선층을 제2 기판상에 전사하는 단계;를 구비한다. 상기 제1 기판은 전도성 잉크의 소결 온도에서 변형이 없는 내열성 기판이며, 상기 제2 기판은 유연한 기판이다.

Description

전도성 잉크를 이용한 유연한 기판에서의 고전도도 금속 배선 형성 방법{Method for forming the metal electrode pattern with high conductivity using metal nanoparticle based-ink on a flexible substrate}

본 발명은 유연한 기판에서의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 내열성 기판에 전도성 잉크를 인쇄하여 금속 배선을 형성한 후 고온의 열소결 처리를 통해 고전도도 특성을 가지게 한 뒤 유연한 기판에 전사 프린트시키는 것을 특징으로 하는 유연한 기판에서의 고전도도 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.

최근 들어서 유연한 전자 소자(Flexible electronics)에 대한 기대 및 요구가 높아짐에 따라, 기존의 사진 식각(Photo-Lithography)을 이용한 공정보다 공정 단가가 저렴하며 유연한 필름 기판 이용에 의한 공정 제약이 적으며 공정 시간 단축을 통해 대량 양산에 적합한 인쇄 공정 기술이 주목을 받고 있다. 따라서 최근 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 그래비어 프린팅(gravure printing) 등과 같은 'direct printing' 공정이라고 일컫는 다양한 인쇄 기술을 통해 전자 소자를 제작하는 연구가 활발히 진행 중이다.

이와 관련하여, 전자 소자 제작의 기초가 되며 반드시 필요한 전도성 금속 배선을 형성시키기 위한 전도성 잉크에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 종래에는 금속 배선 형성을 위하여 증착(deposition) 또는 식각(etching) 공정이 반드시 필요하였으나, 전도성 잉크를 사용하여 금속 배선을 형성하는 경우, 직접 인쇄(direct printing)공정을 통해 형성시킬 수 있기 때문에, 공정 시간이 단축되고 공정 시 진공 상태가 필요 없으므로 공정 단가도 절감시킬 수 있으며 대면적에 적용이 가능하고 유연한 기판을 이용한 유연 전자 소자 제작 분야에 적용이 가능하게 된다.

이러한 전도성 잉크는 주로 금속 나노입자(metal nanoparticle)을 이용한다. 전술한 금속 나노입자는 'ink화'시키기 위하여 solvent에 분산이 가능하며, 배선 전극 형성 시에 고해상도 구현이 가능하고, 입자의 크기가 작아 고밀도화가 가능하여 전도성 고분자 기반 잉크를 사용한 경우 대비 우수한 전도도 특성을 기대할 수 있으며, 소결 처리시에 작은 particle size로 인한 thermodynamic size effect에 의해 상대적으로 저온에서 짧은 시간이 필요하다는 장점을 갖는다.

한편, 전도성 잉크는 금속 나노입자, 즉 나노 사이즈의 금속 입자를 용매(solvent)에 분산시켜 제작한다. 이때, 금속 나노 입자는 매우 불안정한 상태로 분산되어 있는 상태이므로, 초기에는 입자들이 용매 속에서 분산되어 있지만 짧은 시간 후에 금속 나노 입자들이 다시 응집되는 현상이 발생한다. 이러한 응집에 의해, 인쇄 공정을 통해 배선 전극 형성 시 균일성(uniformity) 및 전도도 특성이 나빠지고 낮은 공정의 재현성을 보이는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 제안된 대표적인 전도성 잉크 제작 방법은 금속 나노입자의 표면에 용매에 대한 분산도를 높여 주는 물질을 코팅하여 입자 간에 서로 응집하는 현상을 막아 분산 안정성을 높여주는 'steric stabilization법'이 있다. 또한 분산 안정성을 향상시키기 위해 계면 활성제 물질을 첨가하는 방법도 있다. 그러나, 분산도를 높여 주는 물질이나 표면 계면 활성제는 대부분 절연 특성을 가지므로, 배선 전극을 형성할 경우 금속 나노입자들의 사이에 위치한 상기 물질들의 절연 특성에 의해 전도도 특성이 매우 나쁘게 나타나게 된다. 또한 printing 공정에 의해 형성된 박막을 기판에 안정된 접착 특성을 유도하고 박막의 crack 및 변형을 방지하기 위해 혼합되는 가교 물질도 절연 특성을 가지는 물질이므로, 이로 인해 배선 전극이 나쁜 전도도 특성을 보인다는 단점을 가진다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 다양한 연구들이 진행되고 있는 가운데 가장 적합한 방법은 소결(sintering) 과정을 거치는 것이다. '소결'이란 분체가 외부로부터 강한 에너지를 받을 경우 분체 입자 간에 결합이 일어나서 응고하는 현상을 일컫는다. 금속 나노입자들로 구성된 전도성 잉크의 경우 소결 과정을 거치면 단순히 입자들이 서로 결합하여 입자 사이즈가 커져 이상적으로 공극이 존재하지 않는 박막 형태로 변할 뿐만 아니라 분산 안정성을 향상시키기 위해 금속 나노입자의 표면에 코팅된 물질이 분해되어 사라지게 되므로, 전도도 특성을 극대화시킬 수 있게 된다.

도 1은 전도성 잉크의 금속 나노 입자들의 소결 과정을 개념적으로 도시한 그림이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 소결 과정에 의해 코팅된 폴리머가 분해되어 사라지게 되고, 금속 나노 입자들간의 결합이 일어나서 응고됨에 따라, 고전도도 특성을 갖는 금속 배선을 형성할 수 있게 된다.

가장 대표적인 소결 처리 방식은 기판에 인쇄된 잉크를 oven이나 furnace를 이용하여 열처리를 하는 소결 방식이 있다. 이러한 열처리 소결의 경우 매우 기본적인 처리 방법이므로 공정이 간단하며 우수한 전도 특성을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 열처리 소결 방식의 경우 물질마다 조금씩 다르지만 보통 150℃ ~ 300℃의 고온의 열처리 과정이 필요하고, 유연한 전자소자(flexible electronics)에 적용할 경우, 기판으로 이용하게 될 필름 기판이 대부분 소결 처리 온도보다 낮은 온도에서 기판의 변형이 발생하게 된다. 대표적인 필름 기판의 변형 온도를 살펴 보면, PET은 120℃, PEN은 180℃, PI는 300℃ 으로 유연한 필름 기판에 열처리 소결법으로는 우수한 전도 특성을 갖는 금속 배선을 얻는데 기판 선정에 제약을 갖는 문제점이 있다.

이러한 열처리 소결의 단점을 해결하고 유연한 필름 기판에 고 전도도 특성의 전도성 잉크 박막을 형성하고자 다양한 연구들이 진행되고 있는데, 대표적으로, 금속 나노입자 잉크의 합성 조건 변화 및 새로운 방식의 소결 방법 제안이 있다. 먼저, 잉크 합성 조건 변화는 nanoparticle의 size를 작게 하여 nanoparticle의 melting 온도를 낮추는 방법이 있다. 또한 nanoparticle의 분산 안정성 및 박막 형성 안정성을 위해서 particle에 코팅된 분산제 및 가교 물질이 저온 분해가 가능하거나 저온 공정에 적합하게 혼합비를 최적화하여 기존의 방식보다 낮은 온도에서 소결이 가능하게 하는 방법이 있다. 그러나, 전술한 방법의 경우, nanoparticle의 size는 이미 충분이 작아진 상태 이므로 더 이상 size를 줄이는 데에는 한계가 있으며 우수한 분산 안정성을 가지는 잉크 제작을 위한 최적화된 새로운 종류의 분산제 및 가교제 물질 선정이 힘들고 고전도도 박막 형성 조건 최적화도 어렵다는 문제를 가지고 있다.

한편, 임의의 기판위에 전도성 잉크를 인쇄한 후 소결 처리하는 경우, 전도성 잉크를 구성하는 금속 나노입자들 간에 결합이 발생하고 박막과 기판 사이의 접착력을 향상시키기 위한 가교제에 의해 금속 박막의 전도도 특성이 향상됨과 동시에, 금속 박막이 기판과도 결합되어 전도성 잉크 기반 금속 박막과 기판간의 결합력도 증가된다.

따라서, 전도성 잉크를 이용하여 고온의 열소결 처리를 통해 금속 배선을 형성하는 경우, 소결 처리에 의해 전도성 잉크와 기판간의 결합력이 증대되어 일반적인 전사 인쇄법으로는 스탬프를 이용하여 전도성 잉크를 픽업하기 어려운 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제 10-1279586호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전도성 잉크를 이용하여 유연한 기판상에 고전도도의 금속 배선을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며 이를 위해 유연한 기판에서 문제되고 있는 고전도도 특성을 가진 전도성 잉크 기반 금속 박막 제작을 위한 고온의 열 소결 처리 문제를 해결하고, 박막 전사 시 금속 잉크에 첨가된 가교제에 의한 박막과 필름의 접착 특성 향상에 의한 저조한 픽업 수율 문제를 해결 하며, 박막을 유연한 기판에 printing 시 금속 박막과 필름 사이의 낮은 접착력이 의한 금속 박막의 박리 현상을 해결한다. 또한 유기물 희생층 식각에 의한 미세한 지지대 형성을 통해 금속 박막 패턴의 형상 및 위치 변화가 발생하는 문제를 해결하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법은, (a) 제1 기판상에 희생층을 형성하는 단계; (b) 상기 희생층의 표면에 전도성 잉크를 인쇄하는 단계; (c) 상기 인쇄된 전도성 잉크를 소결하여 고전도도 금속 배선층을 형성하는 단계; (d) 희생층 식각 용매를 이용하여 희생층을 식각하되, 식각 시간을 제어하여 희생층의 일부가 식각되지 않도록 하여, 고전도도 금속 배선층과 제1 기판 사이에 지지대를 형성하는 단계; (e) 지지대에 의해서 고전도도 금속 배선층의 패턴이 고정되고 정렬된 상태에서 스탬프를 이용하여 상기 제1 기판으로부터 상기 고전도도 금속 배선층을 픽업하는 단계; (f) 상기 픽업된 고전도도 금속 배선층을 제2 기판상에 전사하는 단계;를 구비하고,

상기 제1 기판은 전도성 잉크의 소결 온도에서 변형이 없는 내열성 기판이며, 상기 제2 기판은 유연한 기판인 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 고전도도 금속 배선 형성 방법에 있어서, 상기 (f) 단계는, (f1) 제2 기판의 전면에 접착 물질을 도포하여 접착층을 형성하는 단계; (f2) 상기 스탬프에 픽업된 고전도도 금속 배선층을 상기 접착층의 표면에 배치하여 상기 고전도도 금속 배선층을 제2 기판에 접착시키는 단계; (f3) 상기 고전도도 금속 배선층으로부터 상기 스탬프를 분리시키는 단계; 를 구비하거나,

(f1) 상기 고전도도 금속 배선층을 픽업한 스탬프를 접착 물질에 콘택 프린팅(Contact printing)하여, 스탬프의 고전도도 금속 배선층의 하부면에 접착층을 형성하는 단계; (f2) 상기 접착층이 형성된 스탬프를 상기 제2 기판상에 배치하는 단계; (f3) 상기 고전도도 금속 배선층으로부터 상기 스탬프를 분리시키는 단계;를 구비하여, 상기 접촉층을 매개로 하여 상기 제2 기판상에 고전도도 금속 배선층을 전사 프린팅시키는 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 고전도도 금속 배선 형성 방법에 있어서, 상기 (e) 단계는, 상기 지지대에 의해 고전도도 금속 배선층의 패턴이 정렬되고 유지된 상태에서, 스탬프로 상기 지지대가 파손될 수 있는 압력을 인가하여, 상기 지지대가 파손되고, 상기 지지대의 파손에 의해 지지대로부터 분리된 고전도도 금속 배선층들이 스탬프로 픽업되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은 내열성이 강한 기판에 전도성 잉크를 이용한 금속 배선층을 형성한 후 고온의 열 소결 처리를 하고 유연한 기판에 전사 프린팅함으로써, 전도성 잉크를 고온의 열소결 처리를 할 수 있게 되며, 그 결과 유연한 기판에 고전도도를 갖는 금속 배선을 형성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은, 희생층을 형성하고 이를 식각하여 일부만 남겨 기판과 금속 배선층의 사이에 지지대를 형성함으로써, 스탬프에 의한 픽업이 용이하고 패턴 형상 유지가 가능한 상태로 전사 프린팅 공정을 적용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은, 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프를 사용함으로써, 반복적인 전사 인쇄가 가능할 뿐만 아니라, 이러한 반복적인 전사 인쇄를 통해 메쉬(mesh) 구조의 적층된 금속 배선 형성도 가능해진다.

또한, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은, 금속 배선층과 유연한 기판 사이에 접착층을 형성함으로써, 구부림(bending) 등에 의하여 고전도도의 금속 배선층이 유연한 기판으로부터 분리되는 박막 분리 현상을 제거할 수 있게 된다.

도 1은 전도성 잉크의 금속 나노 입자들의 소결 과정을 개념적으로 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고전도도 금속 배선 형성 방법에 있어서, 열소결 처리 온도에 따른 전도성 잉크의 전도도 특성 및 지지대 형성을 위한 유기 희생층 습식 식각 공정에 따른 박막의 특성 변화를 설명하기 위하여 비저항값을 표시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 평탄한 스탬프를 이용하여 지지대 위에 형성된 고전도도 금속 전극 패턴을 픽업하는 과정을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 패터닝된 몰드가 있는 스탬프를 이용하여 지지대 위에 형성된 고전도도 금속 전극 패턴을 선택적으로 픽업하는 과정을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 스탬프를 이용하여 반복적인 전사 프린팅하되, 프린팅의 방향을 90도 변형시킴으로써 메쉬 형태의 적층 구조를 형성한 것을 도시한 단면도 및 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 접착층 형성 유무에 따른 구부림(Bending)에 대한 안정성 테스트 사진들이다.

본 발명에 따른 금속 배선 형성방법은, 내열성 기판상에 전도성 잉크를 인쇄한 후 열소결 처리하여 고전도도의 금속 배선을 형성한 후, 이를 유연한 기판상에 전사하여 고전도도의 금속 배선을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법은, 먼저 제1 기판(200)상에 희생층(210)을 coating 하여 형성한 후, 희생층의 상부에 전도성 잉크(220')를 인쇄한다.

상기 희생층(210)은 낮은 점성(viscosity)과 낮은 표면장력(surface tension)을 갖는 용액으로서, hydrofluoroether solvent에 fluorochemical acrylic polymer가 함유된 용액이 사용될 수 있다. 상기 희생층은, 일 예로서 3M^TM사의 제품명 " NOVEC^TM 1700 Electronic Grade Coating"을 사용할 수 있다.

잉크 인쇄 공정으로는 모든 direct printing이 가능하므로 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그래비어 프린팅 등이 사용 될 수 있다.

상기 제1 기판(200)은 열전도도가 우수하고 내열성있는 기판으로서, 전도성 잉크를 열처리 소결하는 온도에서도 변형되지 않는 기판인 것이 바람직하다. 상기 제1 기판으로서는, 예컨태 유리(glass), 실리콘 웨이퍼, 세라믹 등이 사용될 수 있다.

상기 희생층은 고온에서 특성이 변하지 않는 물질로 구성되며, 희생층의 식각 공정 시 사용될 희생층 식각 용액은 전도성 잉크에는 영향을 주지 않으면서 희생층을 식각시킬 수 있는 용매이어야 한다.

상기 전도성 잉크는 분산제에 의해 코팅된 금속 나노 입자들이 용매(solvent)속에 분산되어 있는 것으로서, 사전 설정된 패턴으로 희생층의 표면에 인쇄된다. 상기 금속 나노 입자들은 예컨대 Au, Ag, Cu, Ni 등이 될 수 있다.

다음, 도 2의 (b)를 참조하면, 고온의 열처리를 통해 전도성 잉크를 소결(Sintering)하여, 전도도가 향상된 고전도도 금속 배선층(220)을 형성한다. 열 소결 처리는 약 150 ℃~ 300 ℃ 의 고온에서 수행된다.

다음, 도 2의 (c)를 참조하면, 전술한 열 소결 처리후, 희생층 식각 용액에 담궈 습식 식각 방식으로 희생층을 식각한다. 이때, 식각 시간을 제어하여, 희생층의 일부가 식각되지 않도록 함으로써, 고전도도 금속 배선층(220)과 제1 기판의 사이에 지지대(212)가 형성되도록 하여 금속 배선층의 패턴 형상이 식각 공정 및 전사 공정 후에도 그대로 유지되게 하며 픽업 공정을 용이 하게 한다.

상기 희생층 식각 용액은 상기 희생층에만 반응하여 희생층만을 식각하고, 전도성 잉크에는 영향을 미치지 않는 물질이어야 하며, 또한 고온의 열 소결 처리후에도 희생층이 잘 용해되는 물질이어야 한다. 한편, 본 실시예에서는 상기 희생층으로 3M^TM사의 제품명 "NOVEC^TM 1700 Electronic Grade Coating"을 사용하는 경우, 희생층 식각 용매로는 methoxy-nonafluorobutane(C₄F₉OCH₃)를 사용할 수 있으며, 일예로서 3M^TM사의 제품명 "NOVEC^TM 7100 Engineered Fluid"를 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고전도도 금속 배선 형성 방법에 있어서, 열소결 처리 온도에 따른 전도성 잉크의 전도도 특성을 설명하기 위하여 비저항을 표시한 그래프이다. 도 3에서, -●- 는 희생층상의 전도성 잉크에 대한 열소결 처리 온도에 따른 전도도 특성을 의미하며, -○- 희생층이 식각된 후의 전도성 잉크에 대한 열소결 처리 온도에 따른 전도도 특성을 의미한다. 도 3을 참조하면, 열 소결 처리의 온도가 고온이 될수록 전도도가 향상되므로 필름 기판에 direct printing을 하여 고전도도 특성을 가지는 금속 배선을 형성하기 어렵다. 따라서 반드시 내열성이 우수한 기판에서 열 소결 처리 후 전사 공정을 통해 유연한 기판에 고전도도 급속 배선을 형성 하는 기술이 필요하다. 또한 금속 배선의 전도도 특성은 희생층 식각을 위한 습식 식각 공정에 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

다음, 도 2의 (d)를 참조하면, 평탄한 스탬프(Flat stamp)(230)를 사용하여 고전도도 금속 배선층을 픽업(pick up)한다. 스탬프를 고전도도 금속 배선층에 배치한 후 압력을 가하면, 압력에 의해 지지대가 파괴되어 고전도도 금속 배선층이 제1 기판으로부터 분리됨에 따라, 고전도도 금속 배선층이 상기 스탬프로 픽업될 수 있다. 이때 픽업 조건 최적화를 위해 점탄성을 가지는 탄성 스탬프가 필요하며 이때 스탬프의 픽업 속도를 250mm/s로 하였다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 평탄한 스탬프를 이용하여 픽업하는 과정을 개념적으로 도시한 단면도이다.

상기 스탬프는 탄성을 갖는 고분자로 구성되는 것이 바람직하며, 그 예로서, PDMS(polydimethylsiloxane), PUA(Polyurethane acrylate) 등이 사용될 수 있다.

다음, 유연한 기판인 제2 기판(250)상에 스탬프의 고전도도 금속 배선층을 전사 프린팅하는데, 도 2의 (e-1) 또는 (e-2)에 도시된 바와 같이, 2가지의 방법 중 하나를 선택적으로 실시할 수 있다.

도 2의 (e-1)에 따른 방법은, 유연한 전자 소자(Flexible Electronics)를 제작하기 위한 유연한 기판인 제2 기판(250)의 표면에 접착물질을 도포하여 접착층(260)을 형성한 후, 접착층 위에 스탬프의 고전도도 금속 배선층을 배치하여 전사 프린팅한다.

도 2의 (e-2)에 따른 방법은, 스탬프의 고전도도 금속 배선층의 하부면에 접착물질을 콘택 프린팅(contact printing)하여 접착층(260)을 형성한 후, 제2 기판(250)의 표면에 스탬프의 고전도도 금속 배선층을 전사 프린팅한다.

상기 접착물질은 접착력이 강한 고분자 물질로 구성될 수 있으며, 셀룰로스 에테르(cellulose ether)와 같이 낮은 온도에서 열경화되는 열경화 물질 또는 광경화 물질 등이 사용될 수 있다.

이와 같이, 유연한 기판과 고전도도 금속 배선층의 사이에 접착력이 강한 고분자 물질로 구성된 접착층을 형성함으로써, 유연한 기판의 구부림(bending)에 대한 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

다음, 스탬프를 고전도도 금속 배선층으로부터 분리해냄으로써, 제2 기판의 표면에 고전도도 금속 배선층을 완성한다. 도 2의 (f-1)은 도 2의 (e-1)의 방법에 의해 완성된 단면도이며, 도 2의 (f-2)는 도 2의 (e-2)의 방법에 의해 완성된 단면도이다.

상기 제2 기판(250)은 유연한 전자 소자(Flexible Electronics)를 제작하기 위한 유연한 기판으로서, 고온의 열 소결 처리를 기판에 직접적으로 진행하지 않아도 되므로, 내열성이 약한 기판을 포함하여, 종이(paper), PET(Poly-ethalene terephthlate), PEN(Poly-ethylene naphthalate), PC(Polycarbonate) 등과 같이 모든 유연성이 있는 모든 내열성이 약한 기판에 사용할 수 있다.

전술한 본 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 의하여, 내열성이 약한 유연한 기판위에 고전도도의 전도성 금속 배선을 형성하게 된다.

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성방법을 구체적으로 설명한다. 제2 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법은, 평탄한 스탬프를 사용하는 제1 실시예와는 달리, 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프를 이용하여 전사 프린팅함으로써, 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프의 형태에 따라 제1 기판상의 고전도도 금속 배선층을 선택적으로 픽업하여 전사 프린팅하는 것을 특징으로 한다.

제2 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 사용되는 스탬프는 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 사용되는 스탬프와는 그 형상이 상이하다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 패터닝된 몰드가 있는 스탬프(330)를 이용하여 픽업하는 과정을 개념적으로 도시한 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법은 스탬프의 패턴에 따라 금속 배선층을 선택적으로 픽업 및 전사 프린팅할 수 있게 된다. 즉, 본 실시예에 따른 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프(330)를 사용하는 경우, 금속 배선층과 스탬프가 접촉되는 부분에서만 픽업되어 프린팅된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 평탄한 스탬프를 사용하는 경우 스탬프의 전체 면적이 고전도도 금속 배선층과 닿아서 모두 픽업하여 프린팅하게 된다.

전술한 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은, 스탬프를 사용하여 금속 배선층을 전사 프린팅함으로써, 스탬프를 이용하여 반복적인 전사 프린팅이 가능할 뿐만 아니라, 프린팅의 방향을 제어함으로써 적층 구조 및 메쉬(mesh) 구조의 구현이 가능해진다.

도 6은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 스탬프를 이용하여 반복적인 전사 프린팅하되, 프린팅의 방향을 90도 변형시킴으로써 메시 형태의 적층 구조를 형성한 것을 도시한 단면도 및 평면도이다. 도 6의 (a)는 1회 전사 프린팅한 것을 도시한 단면도와 평면도이며, 도 6의 (b)는 1회 전사 프린팅된 기판위에 수직 방향을 따라 2회 전사 프린팅한 것을 도시한 단면도와 평면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스탬프의 방향을 달리하여 반복적으로 전사 프린팅시킴으로써, 메쉬 형태의 적층 구조의 금속 배선 형성이 가능하게 된다. 이를 통해서 낮은 면저항을 가지며 높은 투과 특성을 가지는 투명 면 전극 소자 형성이 가능하다.

일반적으로 금속 배선을 형성할 때 배선 전극의 폭이 점점 미세하게 될수록 빛의 투과도가 증가하게 된다. 특히, 메쉬 형태의 전극 구조를 형성할 경우 각 배선 간의 간극을 미세하게 제어하면 전면적에 전극이 형성된 "면전극"과 동일하게 면저항을 가지는 특성을 나타낸다. 따라서 본 발명을 토대로 미세 배선을 메쉬 형태로 형성할 경우, 투과도 특성이 우수할 뿐만 아니라, 열소결 처리에 의해 고전도도 금속 배선에 의한 우수한 면저항 특성을 가지는 투명 전극 소자 제작이 가능하게 된다.

한편, 유연한 기판에 기능성 소자 또는 박막 등을 형성할 때 가장 중요한 요소는 기판의 구부림(Bending)에 의한 안정성이다. 이때, 유연한 기판에 형성된 박막의 경우 bending 스트레스를 받게 되면 박막에 크랙(crack)이 생기거나 유연한 기판으로부터 박리되는 현상이 발생한다. 전도성 잉크는 가교제가 첨가되어 있기 때문에 금속 배선 박막과 기판 사이의 우수한 접착력에 의해 픽업 공정이 어렵다. 이를 해결하기 위해 희생층을 형성하여 픽업할 경우 가교제에 의한 접착력 특성을 사라지므로 크랙은 감소시킬 수 있으나, 박막 박리 현상은 다시 존재하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법은, 유연한 기판과 금속 배선층의 사이에 접착층을 추가함으로써, 구부림(bending)에 의한 금속 배선층의 박리 현상을 제거하여 구부림에 대한 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 금속 배선 형성 방법에 있어서, 접착층 형성 유무에 따른 구부림(Bending)에 대한 안정성 테스트 사진들이다. 도 7의 실험 조건은 Bending radius 가 2cm 이며, 구부림 횟수는 1000 회이다.

도 7의 (a)는 접착층을 형성하지 않은 경우로서, 유연한 기판을 구부리는 경우, 박막 박리 현상이 발생하는 것을 쉽게 파악할 수 있다. 한편, 도 7의 (b)는 접착층을 형성한 경우로서, 유연한 기판을 구부리더라도 박막 박리 현상이 발생되지 않음을 알 수 있다.

전술한 본 발명에 의하여, 전도성 잉크를 이용하여 유연한 기판상에 고전도도의 금속 배선층을 전사 프린팅 공정을 이용하여 형성할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 방법은 유연한 기판을 사용하는 유연한 전자 소자(Flexible Electronics)의 제조 공정에 널리 사용될 수 있다. 특히, 전도성 잉크를 이용하여 유연한 기판에 고전도도의 금속 배선을 형성하는 경우 사용될 수 있다.

200 : 제1 기판
210 : 희생층
212 : 지지대
220': 전도성 잉크
220 : 고전도도 금속 배선층
230, 330 : 스탬프
250 : 제2 기판
260 : 접착층

Claims

(a) 제1 기판상에 희생층을 형성하는 단계;
(b) 상기 희생층의 표면에 전도성 잉크를 인쇄하는 단계;
(c) 상기 인쇄된 전도성 잉크를 소결하여 고전도도 금속 배선층을 형성하는 단계;
(d) 희생층 식각 용매를 이용하여 희생층을 식각하되, 식각 시간을 제어하여 희생층의 일부가 식각되지 않도록 하여, 고전도도 금속 배선층과 제1 기판 사이에 지지대를 형성하는 단계;
(e) 지지대에 의해서 고전도도 금속 배선층의 패턴이 고정되고 정렬된 상태에서 스탬프를 이용하여 상기 제1 기판으로부터 상기 고전도도 금속 배선층을 픽업하는 단계;
(f) 상기 픽업된 고전도도 금속 배선층을 제2 기판상에 전사하는 단계;
를 구비하고, 상기 제1 기판은 전도성 잉크의 소결 온도에서 변형이 없는 내열성 기판이며, 상기 제2 기판은 유연한 기판인 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 (f) 단계는
(f1) 제2 기판의 전면에 접착 물질을 도포하여 접착층을 형성하는 단계;
(f2) 상기 스탬프에 픽업된 고전도도 금속 배선층을 상기 접착층의 표면에 배치하여 상기 고전도도 금속 배선층을 제2 기판에 접착시키는 단계;
(f3) 상기 고전도도 금속 배선층으로부터 상기 스탬프를 분리시키는 단계;
를 구비하여, 상기 접촉층을 매개로 하여 상기 제2 기판상에 고전도도 금속 배선층을 전사 프린팅시키는 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 (f) 단계는
(f1) 상기 고전도도 금속 배선층을 픽업한 스탬프를 접착 물질에 콘택 프린팅(Contact printing)하여, 스탬프의 고전도도 금속 배선층의 하부면에 접착층을 형성하는 단계;
(f2) 상기 접착층이 형성된 스탬프를 상기 제2 기판상에 배치하는 단계;
(f3) 상기 고전도도 금속 배선층으로부터 상기 스탬프를 분리시키는 단계;
를 구비하여, 상기 접촉층을 매개로 하여 상기 제2 기판상에 고전도도 금속 배선층을 전사 프린팅시키는 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계는
상기 지지대에 의해 고전도도 금속 배선층의 패턴이 정렬되고 유지된 상태에서, 스탬프로 상기 지지대가 파손될 수 있는 압력을 인가하여, 상기 지지대가 파손되고, 상기 지지대의 파손에 의해 지지대로부터 분리된 고전도도 금속 배선층들이 스탬프로 픽업되는 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 스탬프는 평탄한 스탬프로 구성되거나, 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프로 구성된 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 희생층 식각 용매는 상기 고전도도 금속 배선층에 영향을 주지 않는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 스탬프는 탄성이 있는 고분자로 구성된 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 전도성 잉크는 분산제가 표면에 코팅된 금속 나노 입자들이 용매에 분산되어 구성되고, 상기 전도성 잉크는 열 소결 처리에 의해 고전도도 특성을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 스탬프는 패터닝된 몰드를 갖는 스탬프로 구성되며,
상기 (e) 단계와 (f) 단계를 반복 수행하여 메쉬 구조의 고전도도 금속 배선층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 희생층은 제1 기판의 표면에 코팅이 가능하도록 하는 낮은 점성과 낮은 표면 장력을 갖는 유기물인 것을 특징으로 하는 유연한 기판상의 고전도도 금속 배선 형성 방법.