KR20170108612A - 빛을 이용한 박막 제조방법 - Google Patents

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박정환
박대용
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Abstract

기판 상에 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막에 빛을 조사하여 상기 박막과 기판 사이의 계면간 화학 및 물리적 결합을 형성하는 단계를 포함하는 박막 제조방법이 제공된다.

Description

빛을 이용한 박막 제조방법{Method for manufacturing thin film using light}
본 발명은 빛을 이용한 박막 제조방법에 관한 것으로, 빛 조사에 의하여 기판과 전극간 맞물림 구조를 형성하여 전극과 기판과 접착력을 향상시킨 빛을 이용한 박막 제조방법에 관한 것이다.
전극은 다양한 소자에 사용되며, 전극과 기판과의 접착력은 소자의 물리적 내구성을 결정짓는 요소 중 하나이다.
예를 들어 대한민국 공개특허 10-2002-0026555호는 반도체 기판 위에 Ti 배양층을 증착시키고, 상기 Ti 배양층 표면에 질소이온빔을 조사하고 반응성 가스를 불어넣어 TiN/Ti 경사층을 형성시키고, 상기 TiN/Ti 경사층 위에 Pt 박막을 증착하는 것으로 이루어지는 반도체 기판과 백금 전극간의 접착력 향상 방법을 제공한다.
하지만, 이온빔 조사 등과 같은 반도체 공정을 사용하여야 하므로, 공정경제적이지 않으며 특수한 물질과 성분을 사용하여야 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보다 범용적인 방식으로 전극-기판간 접착력을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 기판 상에 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막에 빛을 조사하여 상기 박막과 기판 사이의 계면간 화학 및 물리적 결합을 형성하는 단계를 포함하는 박막 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학 및 물리적 결합에 따라 상기 박막과 계면 사이에 맞물림 구조가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박막은 금, 은, 구리, 산화구리, 니켈, 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 나노입자 또는 나노와이어를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 빛은 펄스 방식으로 조사되며, 이에 따라 상기 박막의 나노입자 또는 나노와이어는 상기 펄스 방식으로 조사되는 빛에 의하여 용융되며, 상기 기판의 유리전이온도는 상기 빛이 조사됨에 따라 발생하는 상승되는 온도보다 낮다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박막은 나노입자를 포함하며, 상기 조사되는 빛에 의하여 상기 나노입자는 응집되며, 상기 응집된 나노입자 사이의 공간으로 상기 기판이 침투한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박막은 나노와이어를 포함하며, 상기 나노와이어는 상기 조사되는 빛에 의하여 가열된 기판 내로 침투한다.
본 발명은 빛 조사에 의하여 전극과 기판간 맞물림 구조를 형성한다. 특히 복잡한 반도체 공정없이 빛 조사에 의하여 기판-전극과 접착력을 향상시킬 수 있으므로, 공정 경제적이며 효율적이다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조방법의 단계도이다.
도 4 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 방법, 특히 접착력을 향상시키는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8 및 9는 각각 유리 기판 위에 CuO 나노입자 잉크를 스핀코팅 한 후의 단면 SEM 사진이고, 플래시 램프 조사 후 순간적인 높은 열로 인하여 유리 표면이 유동화 되고 기공 구조의 나노입자 사이의 공간에 침투한 후의 사진이다.
도 10 및 11은 유리가 아닌 폴리이미드(PI) 기판에서 맞물림 구조의 계면을 형성시킨 사진이다.
도 12는 유리기판과 PI기판에서의 맞물림 구조가 형성된 후의 비교사진이다.
도 13은 나노입자 대신 나노와이어를 사용하여 접착력이 향상된 박막을 제조한 사진이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 전극에 빛을 조사하여 전극과 기판 사이의 계면에 요철구조를 형성하여 전극과 기판이 서로 맞물린 구조(맞물림 구조)를 형성하여 전극-기판 간의 접착력을 향상시킨다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 제조방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, 기판(101)이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기판은 기판은 PEN, PET 기판과 같은 유연 기판뿐만 아니라 유리 등과 같은 딱딱한 기판일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(101) 상에 전극과 같은 박막(102)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서, 금, 은, 구리, 산화구리, 니켈, 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 나노입자 또는 나노와이어를 포함하며, 나노입자 잉크 또는 나노와이어 잉크 등의 모든 나노재료와 박막재료가 상기 박막(102)에 포함될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
상기 박막(102) 적층은 당업계에서 사용되는 다양한 방식에 의하여 진행될 수 있으며, 예를 들어 화학적 기상 증착, 코팅 방식 등이 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
도 3을 참조하면, 상기 박막(102)에 빛을 조사한다. 즉, 본 발명에서는 빛 조사를 통한 순간적인 기판 표면의 열처리 과정을 이용하여 표면과의 결합 및 구조적 개질을 진행하며, 상기 개질을 통하여 전극층과 기판 사이에 요철 구조에 따른 맞물림(interlocking 구조) 구조가 도 3에 도시된 바와 같이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빛의 광원은 레이저 또는 플래쉬 램프일 수 있으며, 이 외에도 빛을 조사하여 계면층을 일부 용해시킬 수 있는 수준의 복사 에너지를 인가할 수 있는 한, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
상기 빛 조사에 의한 구조적 개질에 따른 접착력 향상뿐만 아니라, 산화 물질의 환원 작용, 소결 작용, 열처리 작용, 유기물 제거 작용, 나노와이어 웰딩(welding) 작용 등의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 빛 조사에 의한 물리적/화학적 결합에 따른 맞물림 구조는 빛을 조사받은 박막 물질의 온도가 짧은 시간에 높은 온도에 도달하고 그렇게 발생된 열에 의해 순간적으로 기판 표면이 녹아서 박막 재료의 빈공간 사이를 메우면서 달라붙거나 녹은 박막 재료와 붙는 방식으로 형성된다.
예를 들어 박막으로 구리 나노입자를 사용하는 경우, 빛 (예: 플래시 램프, 에너지 밀도: 10J/cmㅂ, 수J/cmㅂ - 수십 J/cmㅂ, 펄스 폭 : 660 ㅅs, 1 ㅅs ~ 100 ms)을 받은 구리 나노입자가 순간적으로 소결온도 (대략 250 ㅀC) 또는 그 이상의 온도에 도달하여 PET 등의(참고, PET 유리천이온도 67ㅀC - 81ㅀC) 기판 표면을 유동화 시키고 이렇게 유동화된 기판 또는 박막 재료가 서로 달라붙으면서 표면 개질 변화 및 결합 효과를 일으키게 된다.
전극과 같은 박막의 조건은 빛 에너지를 받을 수 있는 물질 또는 빛 조사를 통해 열이 발생될 수 있는 층이면 가능하며, 박막의 두께가 너무 두껍지 않은 (1 nm ?? 10 mm) 두께 조건을 가질 수 있다.
또한 추가적으로 기판이 유동화 되지 않더라도 녹은 박막 재료가 붙어서 결합력이 증가할 수 도 있다.
도 4 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성 방법, 특히 접착력을 향상시키는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, CuO 나노입자 잉크를 다양한 방식으로 코팅을 하게 기공이 존재한다.
도 5를 참조하면, 빛을 조사하게 되어 열이 발생하게 되는데, 이 열 발생은 다양한 메커니즘으로 설명될 수 있는데, 1. 나노재료 등의 박막 자체가 빛 에너지를 흡수하는 경우, 2. 플라스모닉 효과에 의하여 전기장이 강해져서 열이 발생하는 경우, 3. 기판이 에너지를 흡수하는 경우가 있다. 즉, 본 발명은 펄스 방식으로 조사되는 빛에 의하여 열이 상기 1 내지 3번 메카니즘에 따라 발생하게 된다.
도 6을 참조하면, 나노 입자가 빛 에너지를 받아 온도가 높게 올라가면서 소결(sintering)되며, 이때 나노입자 잉크에 존재한 유기물은 반대로 열에 의해 분해된다.
이 과정에서 발생된 열이 기판에 전달되어 기판표면이 순간적으로 용융(melting)되고 이렇게 용융된 부분이 나노 입자 사이의 공간에 모세관 힘(capillary force)에 의해 빨려들어가 공간을 메우게 되면서 굳어진다. 즉, 본 발명에 따른 맞물림 구조(interlocking)는 소결 및 용융된 전극과 용융된 기판이 서로 합쳐지면서 형성된 것으로 설명된다.
만약, 순간적으로 온도가 올라갔다가 냉각되는 양상이 아니라면 (즉 단순 가열 등을 통한 과정이라면) 상술한 과정이 일어나지 않고 기판의 변형이 심하게 일어나거나 또는 맞물림 구조가 형성되지 않을 수 있다. 왜냐하면 이는 굳는 시간이 느려 이미 계면의 평탄화 작업이 일어난 후에 다 굳을 수 있기 때문이다.
추가적으로 CuO 나노입자가 높은 온도에서 에틸렌글리콜과 반응하여 Cu 나노입자로 변하게 되고 이 Cu 나노입자가 서로 소결되어 전극이 만들어지는 과정도 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 램프 조건은 에너지 밀도: 20J/cmㅂ, 펄스 폭: 2.3ms 이었다.
특히 상술한 맞물림 구조는 기판 자체의 유리전이온도가 나노재료의 플래시 램프 프로세싱 공정 온도보다 낮은 경우 잘 발생되는데, 반대로 유리전이온도가 플래쉬램프에 의하여 발생하는 복사열 온도보다 높은 경우, 기판의 유동화가 일어나지 않아 원하는 맞물림 구조가 형성되지 않을 수 있다.
또한 기판 자체의 열 전도도(thermal conductivity)가 너무 좋아도 박막에서 발생된 열로 기판의 온도를 높이기도 전에 금방 빠져 나가서 기판의 용융이 이루어지지 않을 수 있으며, 기판자체의 흡광도가 높은 경우 상술한 맞물림 구조가 보다 용이하게 형성될 수 있따.
펄스 폭 또한 너무 짧아도 (~1 ns) 이러한 현상이 발생되기 전에 굳어버릴 수 있고 너무 길어도 (~1000 ms) 기판 변형 등의 문제가 있다.
도 7을 참조하면, 최종적으로 기판과의 맞물림 구조를 가진 전극박막이 제공되고 이의 접착력은 화학적 결합 또는 물리적 맞물림 등에 의해 향상된다.
즉, 이를 통해 전극을 뜯어내는데 필요한 표면적이 더 넓어졌고 그에 따라 표면을 생성하기 위한 표면 에너지가 증가, 즉 접착력 증가 효과가 발생한다.
도 8 및 9는 각각 유리 기판 위에 CuO 나노입자 잉크를 스핀코팅 한 후의 단면 SEM 사진이고, 플래시 램프 조사 후 순간적인 높은 열로 인하여 유리 표면이 유동화 되고 기공 구조의 나노입자 사이의 공간에 침투한 후의 사진이다.
도 8을 참조하면, 본 실험예에서의 스핀 코팅 조건은 2000rpm(30초)이었고, CuO 나노입자 코팅 층과 유리 계면 사이에 빨간 원으로 표시된 구멍 등 (porous 한 잉크 코팅 층) 존재하는 것을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 플래시 램프 조건(에너지 밀도: 20J/cmㅂ, 펄스 폭: 2.3ms)으로 빛을 조사함에 따라 CuO 나노입자는 Cu로 변하면서 소결되고, 녹아서 유리기판과 달라붙으며, 이로써 맞물림 구조가 형성된다.
이를 통해 전극을 뜯어내는데 필요한 표면적이 더 넓어졌고 그에 따라 표면을 생성하기 위한 표면 에너지가 증가 즉 접착력 증가 효과가 발생한다.
도 10 및 11은 유리가 아닌 폴리이미드(PI) 기판에서 맞물림 구조의 계면을 형성시킨 사진이다.
도 10 및 11을 참조하면, 도 10과 같이 코팅 후, 빛을 조사함에 따라 (플래시 램프 조건, 에너지 밀도: 13J/cmㅂ, 펄스 폭: 660us), 도 9와 유사하게 CuO 나노입자는 Cu로 변하면서 소결되고, 녹아서 유리기판과 달라붙으며, 이로써 맞물림 구조가 형성된다.
도 12는 유리기판과 PI기판에서의 맞물림 구조가 형성된 후의 비교사진이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 맞물림 형성효과가 유리기판보다 PI기판에서 보다 활발히 이루어진 것을 알 수 있다. 즉, PI 에서는 공극없이 PI 기판이 구리 전극과 잘 잘 붙어 있는 반면에 유리 기판인 경우는 일부 이격된 공동 영역(void)이 존재하는 것을 알 수 있다. 이는 1. PI 기판의 유리천이 온도가 유리 보다 낮고 2. PI의 열전도가 유리 보다 낮고, 3. PI 자체가 빛을 흡수하는 등의 관점에서 유리하기 때문으로 판단된다.
도 13은 나노입자 대신 나노와이어를 사용하여 접착력이 향상된 박막을 제조한 사진이다.
도 13을 참조하면, 플래시 램프 조사 (플래시 램프 조건, 에너지 밀도: 14J/cmㅂ, 펄스 폭: 660us) 후 순간적인 높은 열로 인하여 PET 표면이 유동화 되고 은 나노와이어들이 녹아 들어가서 임베딩된 맞물림 구조가 형성된 것을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 박막에 빛을 조사하여 상기 박막과 기판 사이의 계면간 화학 및 물리적 결합을 형성하는 단계를 포함하는 박막 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 화학 및 물리적 결합에 따라 상기 박막과 계면 사이에 맞물림 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 박막은 금, 은, 구리, 산화구리, 니켈, 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 나노입자 또는 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  4. 제 5항에 있어서,
    상기 빛은 펄스 방식으로 조사되며, 이에 따라 상기 박막의 나노입자 또는 나노와이어는 상기 펄스 방식으로 조사되는 빛에 의하여 용융되며, 상기 기판의 유리전이온도는 상기 빛이 조사됨에 따라 발생하는 상승되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 박막은 나노입자를 포함하며, 상기 조사되는 빛에 의하여 상기 나노입자는 응집되며, 상기 응집된 나노입자 사이의 공간으로 상기 기판이 침투하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 박막은 나노와이어를 포함하며, 상기 나노와이어는 상기 조사되는 빛에 의하여 가열된 기판 내로 침투하는 것을 특징으로 하는 박막 제조방법.
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