KR20190091861A - 구리 전극 제작 방법 및 구리 전극 제작 시스템 - Google Patents

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Abstract

구리 전극 제작 방법 및 구리 전극 제작 시스템이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 방법은, 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정하는 단계와, 상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화하는 단계와, 상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시하는 단계, 및 상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하여, 신축 가능한 구리 전극을 제작하는 단계를 포함한다.

Description

구리 전극 제작 방법 및 구리 전극 제작 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MANUFACTURING COPPER ELECTRODE}
본 발명은 신축성 기판을 미리 늘이는(pre-stretching) 방식을 이용하여, 늘임 가능한 구리(Cu) 전극을 제작하기 위한 구리 전극 제작 방법 및 구리 전극 제작 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전자소자는 외부의 작은 변형에 의해 물리적 또는 기계적 특성을 쉽게 잃을 수 있기 때문에 이에 대비한 구조적 해결책이 필요하다.
단단한 글래스나 실리콘 기판에 제작되는 일반적인 전자소자와 달리, 유연성(flexible) 및 접이식(foldable) 전자소자의 경우, 폴리이미드와 같은 플라스틱 기판이나 유연성 기판 등을 이용하여, 외부 변형이 보통 1% 이내가 되도록 제작되는 경우가 많지만, 이보다 더 큰 수십 %의 외부 변형에도 그 특성을 잃지 않는 소자의 개발이 요구되고 있다.
한편, 신축성(stretchable) 전자소자(전자회로)의 경우에는 poly(dimethylsiloxane)과 같은 Young's modulus이 매우 낮은 기판 상에 제작되고 있어, 폴리머 재질의 특성상 다양한 오염문제가 발생될 수 있다.
또한, 신축성 전자회로에서 외부로부터 가해지는 인장력은 외부 배선에 걸리도록 설계되고 있기 때문에, 늘임 가능한 전극을 제작 시 인장력이 가해지는 외부 배선에 대한 구조의 최적화가 요구된다.
또한, 신축성 전자회로의 인장 성능에 전극의 종류와 제작 방법이 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에, 금속 중에서 은(Ag) 다음으로 높은 전도성을 보이면서도 저렴한 구리(Cu)를 유연성 기판 상에 간단히 증착할 수 있는 방법 역시 요구되고 있다.
한편, 구리(Cu)는 다른 금속에 비해 외부의 불순물(impurity)에 의해 전도성이 쉽게 떨어질 수 있으므로, 도전성을 띄면서도 인장 능력을 갖춘 구리 전극의 제작을 위한 적절한 처리 공정이 요구된다.
이에 따라, 기판을 일정 비율 미리 늘이는 방식으로 플라즈마 처리를 실시하여, 높은 외력을 견딜 수 있는 늘임 가능한 구리 전극을 손쉽게 제작하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 신축성 기판을 미리 늘인(pre-stretching) 상태에서 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시하여, 최적의 인장 성능을 가지는 구리(Cu) 전극을 제작하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구리 전극의 목표 인장율에 따라 기판을 미리 늘이는 최적의 프리스트레칭 비율을 결정하여, 원하는 인장 성능을 나타내는 구리 전극을 제작하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구리 전극의 목표로 하는 신축 정도를 고려하여 유연성 기판을 미리 늘이는 프리스트레칭 비율을 결정하고, 그에 따른 공정 조건을 최적화하여, 높은 인장율을 견딜 수 있는 구리 전극을 제작하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 방법은, 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정하는 단계와, 상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화하는 단계와, 상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시하는 단계, 및 상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하여, 신축 가능한 구리 전극을 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 구리 전극 제작 방법은, 구리 전극에 대한 목표 인장율이 설정 됨에 따라, 상기 목표 인장율을 고려하여 결정되는 프리스트레칭 비율로, 기판을 늘이는 제1 공정을 실시하는 단계와, 상기 제1 공정을 실시하는 동안, 상기 기판을 플라즈마 처리하는 제2 공정을 실시하는 단계와, 상기 제2 공정이 완료되면, 구리(Cu) 금속을 증착해 패터닝하는 제3 공정을 실시하여, 상기 구리 전극을 제작하는 단계, 및 상기 구리 전극에 대한 인장 성능 및 크랙 발생 여부에 따라 재설정되는 목표 인장율에 맞춰, 상기 프리스트레칭 비율을 조정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템은, 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정하는 비율 결정부와, 상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화하는 제1 공정 처리부와, 상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시하는 제2 공정 처리부, 및 상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하여, 신축 가능한 구리 전극을 제작하는 제3 공정 처리부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 유연성 기판의 미리 늘임(pre-stretching) 공정과 플라즈마 표면 처리 공정을 동시에 실시하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없는 늘임 가능한 구리 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 구리 전극의 목표 인장율에 따라 기판을 미리 늘이는 최적의 프리스트레칭 비율을 결정하여, 원하는 인장 성능을 나타내는 구리 전극을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신축성 기판을 미리 늘이는(pre-stretching) 방식을 이용하여, 신축성(stretchable)과 유연성(flexible)이 있는 접이식(foldable) 전자 회로나 디스플레이 회로에 적용 가능한 뛰어난 인장 성능을 가지는 구리(Cu) 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 구리 전극의 제작 과정을 도시한 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 기판을 프리스트레칭 하는 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 압력(strain)에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 처리 공정에 따른 구리 전극의 성능을 나타낸 표이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 응용프로그램 업데이트 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 신축성 있는 기판의 미리 늘임(pre-stretching) 방식을 이용하여 구리 전극을 제작하는 기술에 관한 것으로, 목표로 하는 신축성에 따라 일정 비율 미리 늘인 기판 상에 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시하여 늘임 가능한 구리 전극을 제작할 수 있다.
본 발명은 PDMS 기판을 미리 늘인 상태에서 표면을 플라즈마 처리하고, 미리 늘임을 해제한 상태에서 구리(Cu)를 증착하여, 신축성 있는 구리 전극을 제작하고, 제작하려는 구리 전극의 신축 정도를 고려하여 기판을 미리 늘인 정도를 상이하게 할 수 있다.
본 발명은 플라즈마 표면 처리와 기판의 미리 늘임(pre-stretching)을 동시에 진행하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없는 구리 전극을 제작할 수 있고, 신축성(stretchable)과 유연성(flexible)이 있는 접이식(foldable) 전자 회로와 디스플레이 회로에 바로 적용 가능한 구리 전극을 제작할 수 있다.
본 발명은 신축성 있는 기판에 소정의 처리를 가하여 높은 수준으로 신축될 수 있는 전극이나 전자회로, 반도체 제품을 제작할 수 있고, 구리 전극을 신축시키려는 정도에 맞춰 기판의 미리 늘임 정도를 조절할 수 있다.
본 발명은 고분자 물질을 베이스로 한 신축성 기판을 미리 늘이고(pre-stretching), 그 위에서 진공 상태에서 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2)와 같은 불활성 기체 및 산소(O2)를 이용하여 플라즈마 표면 처리를 실시하고, 플라즈마 표면 처리한 기판 위에 구리(Cu)를 진공 증착기(thermal evaporator), 이빔(E-beam evaporator) 등을 이용해 직접적으로 증착하여, 구리 전극이 신축성을 가질 수 있도록 제작할 수 있다.
여기서, 기판을 미리 늘이는 프리스트레칭 비율은 구리 전극의 목표로 하는 신축성과 관련되어 결정되며, 예를 들어, 10% 내지 40%로 결정될 수 있고, 100% 이상도 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 구리 전극을 신축성 있는 기판 위에 제작하여, 외력에 의한 저항 변화가 없도록 제작할 수 있으며, 특히, 기판의 플라즈마 처리와 미리 늘임을 동시에 진행하여 구리 전극이 도전성을 띄면서 늘임에 의한 저항 변화가 없고, 사이클링 스트레스(Cycling stress)에 의한 외력에도 불변(invariant)하도록 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템(100)은, 비율 결정부(110), 제1 공정 처리부(120), 제2 공정 처리부(130) 및 제3 공정 처리부(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 구리 전극 제작 시스템(100)은 측정부(150) 및 데이터베이스(미도시함)를 추가하여 구성할 수 있다.
비율 결정부(110)는 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정한다.
일례로, 비율 결정부(110)는 구리 전극을 신축시키려는 목표치(목표 인장율)에 맞춰, 프리스트레칭 비율을 결정할 수 있다.
여기서, 기판을 미리 늘이는 프리스트레칭 비율은 구리 전극의 목표로 하는 신축성과 관련되어 결정되며, 예를 들어, 10% 내지 40%로 결정될 수 있고, 100% 이상도 가능하다.
예를 들어, 비율 결정부(110)는 프리스트레칭 비율을 10%로 결정 함으로써, 목표 인장율이 10%인 구리 전극의 제작이 가능해지도록 할 수 있다.
또한, 비율 결정부(110)는 20% 이상의 높은 압력(strain)을 견디는 구리 전극의 제작이 가능해지도록, 상기 프리스트레칭 비율을 10%에서 20%로 높이는 조정을 할 수 있다.
특히, 비율 결정부(110)는, 푸아송 수축(Poisson contraction)에 따른 복원력이 프리스트레칭 비율이 40%인 기판에 크게 작용할 수 있으므로, 프리스트레칭 비율을 40%로 결정하여 높은 인장 성능을 가지는 구리 전극의 제작이 가능해지도록 할 수 있다.
이처럼, 일정 수준 미만(10% 이내)의 낮은 압력(strain) 하에서는 프리스트레칭 비율이 클수록 제작된 구리 전극의 인장 성능이 좋아지는 경향성을 나타낼 수 있으므로, 비율 결정부(110)는 구리 전극의 목표 인장율(예, '40%')에 맞춰 기판에 대한 프리스트레칭 비율(예, '40%')을 높은 값으로 결정할 수 있다.
하지만, 예컨대 18% 이상의 압력(strain) 하에서는 프리스트레칭 비율을 40%로 한 구리 전극의 저항 증가율이, 프리스트레칭 비율을 20%로 한 구리 전극의 저항 증가율 보다 크므로, 최적의 인장 성능을 나타내는 구리 전극을 제작하기 위해서는, 구리 전극에 대한 인장 시험, 평가 결과를 반영하여 프리스트레칭 비율의 최적화를 수행할 필요가 있다.
실시예에 따라, 구리 전극 제작 시스템(100)은 프리스트레칭 비율의 최적화를 위해, 측정부(150)를 더 포함할 수 있다.
측정부(150)는 상기 구리 전극에 가하는 압박(strain, 외력)을 단계적으로 증가시켜, 상기 압박에 대해 상기 구리 전극이 늘어나는 길이를 측정한다.
비율 결정부(110)는 상기 길이가, 데이터베이스에 기록된 최대 인장 길이 보다 작으면, 상기 프리스트레칭 비율을 낮추는 조정을 할 수 있다.
일례로, 상기 데이터베이스는, 구리 전극 제작 시 기판에 적용한 프리스트레칭 비율 각각으로, 해당 구리 전극의 인장 길이를 대응시켜 기록할 수 있으며, 비율 결정부(110)는 데이터베이스에 기록된 최대 인장 길이에 대응하는 제1 프리스트레칭 비율(예, '40%') 보다 높은 값(예, '50%')으로 상기 프리스트레칭 비율을 결정할 수 있다.
측정부(150)는 상기 프리스트레칭 비율(예, '50%')을 기판에 적용하여 제작한 구리 전극에 가해지는 압박에 대한 인장 길이를 측정할 수 있다.
비율 결정부(110)는 상기 인장 길이가, 상기 최대 인장 길이 보다 작다면, 구리 전극의 인장 성능이 떨어진 것으로 판단하고 상기 프리스트레칭 비율(예, '50%')을 낮추는 조정을 할 수 있다.
이때, 비율 결정부(110)는 상기 구리 전극의 표면에 크랙이 발생된 경우, 상기 프리스트레칭 비율을 낮출 수 있다.
즉, 비율 결정부(110)는 구리 전극의 표면에 크랙이 발생되었는지 표면 검사를 실시하고 크랙이 발생된 경우, 상기 프리스트레칭 비율(예, '50%')이 과한 것으로 판단하여, 상기 제1 프리스트레칭 비율('40%') 이상의 값으로 낮추는 조정을 할 수 있다.
이와 같이, 비율 결정부(110)는 목표 인장율을 고려하여 결정한 프리스트레칭 비율을 유연성 기판에 적용하여 제작한 구리 전극에 대한 인장 시험과 평가를 반복하여, 구리 전극의 표면 특성 파악을 통해, 최적의 인장 성능을 가지는 구리 전극 제작을 위한 최적의 프리스트레칭 비율을 찾을 수 있다.
실시예에 따라, 비율 결정부(110)는 복수의 기판을 이용하여 상기 신축시키려는 목표치가 동일한 복수의 구리 전극을 제작하는 경우, 결정된 프리스트레칭 비율을, 복수의 기판 각각이 갖는 기판 사양에 따라 조정할 수 있다.
예를 들어, 비율 결정부(110)는 서로 다른 제조회사에서 제작된 기판을 통해 인장 성능이 비슷한 구리 전극을 제작하려는 경우, 구리 전극의 목표 인장율('40%')을 고려하여 기판의 프리스트레칭 비율을 '40%'로 결정하되, 각 기판의 표면 거칠기, 등급, 제조 원료 또는 제조 방식 등과 같은 각 기판의 제조 사양에 따라 상기 프리스트레칭 비율을 높이거나 낮추는 조정을 할 수 있다. 이를 통해, 비율 결정부(110)는 기판의 특성에 맞는 최적의 프리스트레칭 비율을 결정할 수 있다.
제1 공정 처리부(120)는 상기 프리스트레칭 비율(예, '40%')에 따라, 기판을 늘인 상태로 활성화 한다.
다시 말해, 제1 공정 처리부(120)는 고분자 물질을 베이스로 한 신축성 기판(예, PDMS 기판)을 상기 프리스트레칭 비율(예, '40%') 만큼 미리 늘이는(pre-stretching)하는 공정을 실시할 수 있다.
예를 들어, 제1 공정 처리부(120)는 구리 전극의 목표로 하는 신축 정도(인장 성능)에 따라 예를 들어, 10% 내지 40%의 비율로 기판을 미리 늘일 수 있다.
또한, 제1 공정 처리부(120)는 복수의 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 각각 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)로 상이하게 프리스트레칭 하여, 프리스트레칭 비율에 따른 인장 성능 비교가 가능해지도록 할 수 있다.
제2 공정 처리부(130)는 상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시한다.
즉, 제2 공정 처리부(130)는 PDMS 기판의 프리스트레칭 공정과 동시에, 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 표(500)를 참조하면, 기판 상에 플라즈마 처리와 함께 프리스트레칭 처리를 동시에 실시할 경우, 제작되는 구리 전극의 초기 저항은 유한한 값을 가지면서 원하는 인장 성능을 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
이처럼, 제2 공정 처리부(130)는 원하는 인장율을 가지는 구리 전극 제작을 위해 기판을 미리 늘인 상태에서 플라즈마 표면 처리를 실시하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없고, 사이클링 스트레스(Cycling stress)에 의한 외력에도 불변한 늘임 가능한 구리 전극의 제작이 가능해지도록 할 수 있다.
일례로, 제2 공정 처리부(130)는 산소(O2) 플라즈마 및 헬륨(He) 플라즈마 중 적어도 하나를, 상기 늘인 상태의 기판의 표면에 주입하여 상기 플라즈마 처리 공정을 실시할 수 있다.
구체적으로, 제2 공정 처리부(130)는 진공 상태에서 일정 비율 프리스트레칭한 기판 상에 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 질소(N2)와 같은 불활성 기체와 산소(O2)를 이용하여 플라즈마 표면 처리를 실시할 수 있다.
예를 들어, 제2 공정 처리부(130)는 20W의 전력 및 1.4Torr 압력(pressure)의 조건 하에서 60초간 헬륨(He) 플라즈마를, 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)의 비율로 늘어난 각 PDMS 기판의 표면에 가하는 처리를 실시할 수 있다.
이때, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화한 후, 제2 공정 처리부(130)에서 상기 플라즈마 처리 공정을 실시하는 시간이, 설정된 시간격을 넘는 경우, 제1 공정 처리부(120)는 상기 늘인 상태를 비활성화하고, 비율 결정부(110)는 상기 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 재결정할 수 있다.
예를 들어, 비율 결정부(110)는 늘어난 상태의 기판의 표면적이 넓어서 설정된 시간 이내에 플라즈마 처리가 가능하지 않을 경우, 상기 프리스트레칭 비율 보다 낮은 값으로 재결정하여, 플라즈마 표면 처리가 빠르게 수행될 수 있게 할 수 있다.
제3 공정 처리부(140)는 상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하여, 신축 가능한 구리 전극을 제작한다.
일례로, 제3 공정 처리부(140)는 쉐도우 마스크(shadow mask) 기법 및 포토리소그래피(photolithography) 기법을 순차적으로 적용하여, 상기 패터닝 공정을 실시하고, 제1 공정 처리부(120)는 상기 패터닝 공정이 완료되면, 상기 늘인 상태를 비활성화 할 수 있다.
다른 일례로, 제3 공정 처리부(140)는, 제1 공정 처리부(120)를 통해 상기 기판의 늘인 상태를 비활성화하여 복원한 상태에서, 구리(Cu)를 진공 증착기(thermal evaporator), 이빔(E-beam evaporator) 등을 이용해 유연성 기판 상에 직접 증착하여, 구리 전극이 신축성을 가지도록 제작할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 구리 전극 제작 시스템(100)은 제1 공정 처리부(120), 제2 공정 처리부(130), 제3 공정 처리부(140) 및 비율 결정부(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 공정 처리부(120)는 구리 전극에 대한 목표 인장율이 설정 됨에 따라, 상기 목표 인장율을 고려하여 결정되는 프리스트레칭 비율로, 기판을 늘이는 제1 공정을 실시한다.
제2 공정 처리부(130)는 상기 제1 공정을 실시하는 동안, 상기 기판을 플라즈마 처리하는 제2 공정을 실시한다.
제3 공정 처리부(140)는 상기 제2 공정이 완료되면, 구리(Cu) 금속을 증착해 패터닝하는 제3 공정을 실시하여, 상기 구리 전극을 제작한다.
제3 공정 처리부(140)은 상기 제3 공정이 완료되면 제1 공정 처리부(120)를 통해 상기 제1 공정을 중단하여, 외부로부터 가해지는 압박(strain, 외력)에 대해, 상기 목표 인장율에 따른 최대 길이 만큼 신축 가능한 상기 구리 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
비율 결정부(110)은 상기 구리 전극에 대한 인장 성능 및 크랙 발생 여부에 따라 재설정되는 목표 인장율에 맞춰, 상기 프리스트레칭 비율을 조정한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신축성 기판을 미리 늘인(pre-stretching) 상태에서 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시하여, 최적의 인장 성능을 가지는 구리(Cu) 전극을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유연성 기판의 미리 늘임(pre-stretching) 공정과 플라즈마 표면 처리 공정을 동시에 실시하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없는 늘임 가능한 구리 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 구리 전극의 목표 인장율에 따라 기판을 미리 늘이는 최적의 프리스트레칭 비율을 결정하여, 원하는 인장 성능을 나타내는 구리 전극을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신축성 기판을 미리 늘이는(pre-stretching) 방식을 이용하여, 신축성(stretchable)과 유연성(flexible)이 있는 접이식(foldable) 전자 회로나 디스플레이 회로에 적용 가능한 뛰어난 인장 성능을 가지는 구리(Cu) 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 구리 전극의 제작 과정을 도시한 일례이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템은, 신축성 기판을 미리 늘이는(pre-stretching) 방식을 이용하여, 늘임 가능한 구리(Cu) 전극을 제작할 수 있다.
먼저, 구리 전극 제작 시스템은, 도 2의 (ⅰ)에 도시된 것처럼 유연성 기판인 PDMS(polydimethyl(siloxane)) 기판을 마련할 수 있다.
여기서, PDMS 기판은, 예컨대 다우코닝(Dow Corning) 사의 'Sylgard-184'가 사용될 수 있으며, 'Sylgard-184' 베이스와 경화제를 10:1의 무게비로 혼합하여, 표면 거칠기(surface roughness)가 기준치(예, '1 nm') 미만인 높은 등급(high grade)의 실리콘 기판에 부어 150 ℃의 온도로 10분 동안 열을 가하여 소결시킨 것일 수 있다.
다음으로, 구리 전극 제작 시스템은, 도 2의 (ⅱ)에 도시된 것처럼 PDMS 기판을 좌우 방향으로 일정 비율 인장하는 프리스트레칭(pre-stretching) 공정을 실시할 수 있다.
구리 전극 제작 시스템은, 구리 전극의 목표로 하는 신축 정도(인장 성능)에 따라 예를 들어, 10% 내지 40%의 비율로 기판을 미리 늘일 수 있으며, 복수의 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 각각 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)로 상이하게 하여 프리스트레칭 할 수 있다.
또한, 구리 전극 제작 시스템은, PDMS 기판의 프리스트레칭과 동시에, 플라즈마 표면 처리를 실시할 수 있다. 예를 들어, 구리 전극 제작 시스템은, 20W의 전력 및 1.4Torr 압력(pressure)의 조건 하에서 60초간 헬륨(He) 플라즈마를, 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)의 비율로 늘어난 각 PDMS 기판의 표면에 가하는 처리를 실시할 수 있다.
다음으로, 구리 전극 제작 시스템은, 도 2의 (ⅲ)에 도시된 것처럼 플라즈마 표면 처리 후의 PDMS 기판 상에 증발(evaporation)에 의한 구리 증착(deposition)을 실시할 수 있다.
또한, 구리 전극 제작 시스템은, 플라즈마 표면 처리가 완료되면 PDMS 기판에 쉐도우 마스크(shadow mask)를 씌우고 베이스 압력(base pressure)이 5×10-6 torr 미만인 조건 하에서 열 진공 증착(thermal evaporator) 장치를 통해 일정 두께('50 nm')의 구리 금속을 증착시킬 수 있다. 구리 전극 제작 시스템은 포토리소그래피(photolithography)를 통해 구리 금속을 증착하고 패터닝할 수 있다.
끝으로, 구리 전극 제작 시스템은, 도 2의 (ⅳ)에 도시된 것처럼 구리를 증착한 후 쉐도우 마스크를 제거하고, 프리스트레칭(pre-stretching) 상태를 천천히 해제할 수 있다. 본래의 인장 상태로 복원된 구리 전극은, PDMS 기판의 프리스트레칭 비율에 따라 각각 20%와 40%의 신축성을 가질 수 있다.
실시예에 따라, 구리 전극 제작 시스템은, 인장율이 20%와 40%인 각 구리 전극을 0.05mm/s의 속도로 변형하면서 저항을 측정하여 각 구리 전극의 인장 성능을 비교 평가하고, 인장 성능의 평가 결과를 분석하여, 구리 전극이 최적의 인장 성능을 가지기 위한 PDMS 기판을 미리 늘이는 최적의 프리스트레칭 비율을 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 기판을 프리스트레칭 하는 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템은, 구리 전극을 신축시키려는 목표 인장율('20%')에 맞춰 기판(310)을 미리 늘이는 프리스트레칭 비율('20%')을 결정하고, 기판(310)을 프리스트레칭 비율('20%') 만큼 미리 늘인 상태에서 플라즈마 처리 공정을 실시한 후 구리(Cu)를 증착시켜 신축 가능한 구리 전극을 제작할 수 있다.
이때, 구리 전극 제작 시스템은, 구리 전극에 가하는 압박(strain, 외력)을 단계적으로 증가시켜, 상기 압박에 대해 구리 전극이 늘어나는 길이를 측정하고, 상기 길이가, 데이터베이스에 기록된 구리 전극의 최대 인장 길이 보다 클 경우, 프리스트레칭 비율('20%')을 일정치 높이는 조정을 할 수 있다. 예를 들어, 구리 전극 제작 시스템은, 프리스트레칭 비율을 '40%'로 조정할 수 있다.
구리 전극 제작 시스템은, 기판(320)을, 조정된 프리스트레칭 비율('40%') 만큼 기판(320)을 더 늘인 상태에서 플라즈마 처리 공정을 실시한 후 구리(Cu)를 증착시켜, 이전 보다 인장 성능이 뛰어난 구리 전극을 새롭게 제작할 수 있다.
만일, 구리 전극 제작 시스템은, 상기 길이가, 데이터베이스에 기록된 구리 전극의 최대 인장 길이 보다 작을 경우, 구리 전극의 표면에 크랙이 발생되었는지 표면 검사를 실시하고 크랙이 발생된 경우, 상기 조정된 프리스트레칭 비율('40%')이 과한 것으로 판단하여, 프리스트레칭 비율('20%') 보다 높은 값(예, '30%')으로 낮추는 조정을 할 수 있다.
이와 같이, 기판의 프리스트레칭 비율이 높을수록 외력이 가해졌을 때 구리 전극이 인장되는 길이가 길어져 인장 성능이 향상될 수 있으나, 프리스트레칭 비율이 일정치에 도달한 후에는 프리스트레칭 비율이 높아지더라도 인장 길이가 짧아지면서 인장 성능이 낮아질 수 있다.
따라서, 구리 전극 제작 시스템은, 목표 인장율을 고려하여 결정한 프리스트레칭 비율을 유연성 기판에 적용하여 제작한 구리 전극에 대한 인장 시험과 평가를 반복하여, 최적의 인장 성능을 가지는 구리 전극 제작을 위한 최적의 프리스트레칭 비율을 찾을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 압력(strain)에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템은, 구리 전극의 목표로 하는 신축 정도(인장 성능)에 따라, 복수 기판 각각에 대한 프리스트레칭 비율을 각각 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)로 상이하게 결정하여 프리스트레칭 한 상태에서 플라즈마 표면 처리를 실시한 후, 구리 금속을 증착하고 프리스트레칭 상태를 천천히 해제하여 구리 전극을 각각 제작할 수 있다. 본래의 인장 상태로 복원된 구리 전극은, 각 기판의 프리스트레칭 비율에 따라 각각 20%와 40%의 신축성을 가질 수 있다.
구리 전극 제작 시스템은, 각 구리 전극에 가하는 압박(strain, 외력)을 단계적으로 증가시켜, 압박에 대응하여 구리 전극이 늘어나는 길이를 측정하는 방식으로 압력(strain)에 따른 저항 변화율을 산출하여, 구리 전극의 인장 성능을 평가하는 시험을 실시할 수 있다.
일례로, 구리 전극 제작 시스템은, 인장 속도는 0.05 mm/s, 초기 면 저항(as-deposited)은 Pre-20% 샘플과 Pre-40% 샘플에 대해 각각 1.17과 1.46 Ω/□로서 비슷한 수준으로 실시할 수 있다.
구리 전극 제작 시스템은, 초기의 면 저항(R0) 대비 스트레칭(stretching) 시의 면 저항(R)의 비율을 저항 변화율로서 도 4의 (a)와 (b)와 같이 그래프로 도시할 수 있다.
도 4의 (a)에는, 프리스트레칭 비율을 20%로서 제작한 구리 전극(이하, Pre-20% 샘플)을 이용한 저항 변화율에 관한 그래프가 도시되어 있고, 도 4의 (b)에는, 프리스트레칭 비율을 40%로서 제작한 구리 전극(이하, Pre-40% 샘플)을 이용한 저항 변화율에 관한 그래프가 도시되어 있다.
도 4의 (a), (b)의 그래프에 도시된 것처럼, 10% 이내의 낮은 압력(strain)에 대해서는, 저항 증가가 거의 없는 안정적인 상태를 보이면서, 일반적인 프리스트레칭의 크기에 따른 성능 특성, 즉 프리스트레칭 비율이 클수록 인장 성능이 좋아지는 경향성을 나타내는 것을 알 수 있다.
하지만, 압력(strain)이 높아질수록 도 4의 (b)에 도시된 Pre-40% 샘플의 저항 증가율이, 도 4의 (a)에 도시된 Pre-20% 샘플의 저항 증가율에 비해 큰 것을 알 수 있다.
특히, 외력(strain)이 18%일 경우의 면 저항은, 도 4의 (b)에 도시된 Pre-40% 샘플에서 대략 12배 정도까지 증가하는 반면에, 도 4의 (a)에 도시된 Pre-20% 샘플에서 대략 3.5배 이내의 증가율을 보여 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이러한 차이로부터, 구리 전극의 경우 프리스트레칭 비율이 클수록 인장에 대한 전극 저항의 성능이 반드시 개선되는 것이 아님을 알 수 있다.
따라서, 구리 전극 제작 시스템은 복수 기판에 서로 상이한 프리스트레칭 비율을 적용하여 제작한 구리 전극에 대한 인장 시험을 반복적으로 수행하여, 프리스트레칭의 크기(비율) 별 구리 전극의 표면 특성을 파악 함으로써, 뛰어난 인장 성능을 가지는 구리 전극 제작을 위한 최적의 프리스트레칭 비율을 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템에서, 처리 공정에 따른 구리 전극의 성능을 나타낸 표이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 시스템은, 구리 전극의 목표로 하는 신축 정도를 고려하여 적절한 프리스트레칭 비율을 결정하고 그에 따른 공정 조건을 최적화하여, 높은 인장율을 견딜 수 있는 구리 전극을 제작할 수 있다.
표(500)에는, 처리 공정에 따른 구리 전극의 성능(초기 저항 및 인장 성능)이 나타나 있다.
표(500)에 도시된 것처럼, 기판 상에 플라즈마 표면 처리만 실시하여 제작한 구리 전극의 경우 초기 저항은 유한한 값을 가지게 되지만 인장 성능은 가질 수 없으며, 기판 상에 프리스트레칭 처리만 실시하여 제작한 구리 전극의 경우에는 인장 성능을 가질 수는 있으나 초기 저항이 무한대(∞)의 값을 가질 수 있다.
반면, 기판 상에 플라즈마 처리와 함께 프리스트레칭 처리를 동시에 실시하여 제작한 구리 전극의 경우, 초기 저항은 유한한 값을 가지면서 원하는 인장 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 구리 전극 제작 시스템은 유연성 기판의 미리 늘임(pre-stretching) 공정과 플라즈마 표면 처리 공정을 동시에 실시하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없고, 사이클링 스트레스(Cycling stress)에 의한 외력에도 불변한 늘임 가능한 구리 전극을 손쉽게 제작할 수 있다.
이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 구리 전극 제작 시스템(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 전극 제작 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 구리 전극 제작 방법은 상술한 구리 전극 제작 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 단계(610)에서, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정한다.
여기서, 기판을 미리 늘이는 프리스트레칭 비율은 구리 전극의 목표로 하는 신축성과 관련되어 결정되며, 예를 들어, 10% 내지 40%로 결정될 수 있고, 100% 이상도 가능하다.
일례로, 구리 전극 제작 시스템(100)은 푸아송 수축(Poisson contraction)에 따른 복원력이 프리스트레칭 비율이 40%인 기판에 크게 작용할 수 있으므로, 프리스트레칭 비율을 40%로 결정하여 높은 인장 성능을 가지는 구리 전극의 제작이 가능해지도록 할 수 있다.
단계(620)에서, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화한다.
즉, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 고분자 물질을 베이스로 한 신축성 기판(예, PDMS 기판)을 상기 프리스트레칭 비율(예, '40%') 만큼 미리 늘이는(pre-stretching)하는 공정을 실시할 수 있다.
예를 들어, 구리 전극 제작 시스템(100)은 복수의 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 각각 20%(Pre-20% 샘플)와 40%(Pre-40% 샘플)로 상이하게 프리스트레칭 하여, 프리스트레칭 비율에 따른 인장 성능 비교가 가능해지도록 할 수 있다.
단계(630)에서, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시한다.
즉, 구리 전극 제작 시스템(100)은 PDMS 기판의 프리스트레칭 공정과 동시에, 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시하여, 도전성을 띄면서도 외력에 의한 저항 변화가 없는, 원하는 인장율을 가지는 구리 전극을 제작할 수 있다.
단계(640)에서, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시한다.
예를 들어, 구리 전극 제작 시스템(100)은 플라즈마 표면 처리한 기판 위에 구리(Cu)를 진공 증착기(thermal evaporator), 이빔(E-beam evaporator) 등을 이용해 유연성 기판 상에 직접 증착하여, 구리 전극이 원하는 정도의 신축성을 가지도록 제작할 수 있다.
단계(650)에서, 구리 전극 제작 시스템(100)은, 상기 패터닝 공정이 완료되면, 상기 늘인 상태를 비활성화(해제)하여, 신축 가능한 구리 전극을 제작한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리 전극 제작 방법은, 구리 전극에 대한 목표 인장율이 설정 됨에 따라, 상기 목표 인장율을 고려하여 결정되는 프리스트레칭 비율로, 기판을 늘이는 제1 공정을 실시하고, 상기 제1 공정을 실시하는 동안, 상기 기판을 플라즈마 처리하는 제2 공정을 실시하고, 상기 제2 공정이 완료되면 구리(Cu) 금속을 증착해 패터닝하는 제3 공정을 실시하고, 상기 제3 공정이 완료되면 상기 제1 공정을 중단하여 기판의 늘인 상태를 해제 함으로써 상기 구리 전극을 제작하고, 상기 구리 전극에 대한 인장 성능 및 크랙 발생 여부에 따라 재설정되는 목표 인장율에 맞춰, 상기 프리스트레칭 비율을 조정한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 신축성 기판을 미리 늘인(pre-stretching) 상태에서 플라즈마 표면 처리를 동시에 실시하여, 최적의 인장 성능을 가지는 구리(Cu) 전극을 제작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 구리 전극 제작 시스템
110: 비율 결정부
120: 제1 공정 처리부
130: 제2 공정 처리부
140: 제3 공정 처리부
150: 측정부

Claims (12)

  1. 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정하는 단계;
    상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화하는 단계;
    상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시하는 단계; 및
    상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시켜, 신축 가능한 구리 전극을 제작하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리 전극을 제작하는 단계는,
    쉐도우 마스크(shadow mask) 기법 및 포토리소그래피(photolithography) 기법 중 적어도 하나의 기법을 적용하여, 상기 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하는 단계; 및
    상기 패터닝 공정이 완료되면, 상기 늘인 상태를 비활성화하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구리 전극을 제작하는 단계는,
    상기 늘인 상태를 비활성화하여 상기 기판을 복원한 상태에서, 상기 구리(Cu)를 증착시키는 패터닝 공정을 실시하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프리스트레칭 비율을 결정하는 단계는,
    상기 구리 전극을 신축시키려는 목표치에 맞춰, 상기 프리스트레칭 비율을 결정하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 기판을 이용하여 상기 신축시키려는 목표치가 동일한 복수의 구리 전극을 제작하는 경우,
    상기 결정된 프리스트레칭 비율을, 상기 복수의 기판 각각이 갖는 기판 사양에 따라 조정하는 단계
    를 더 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 늘인 상태로 활성화한 후, 상기 플라즈마 처리 공정을 실시하는 시간이, 설정된 시간격을 넘는 경우,
    상기 늘인 상태를 비활성화하는 단계; 및
    상기 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 재결정하는 단계
    를 더 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구리 전극에 가하는 압박(strain)을 단계적으로 증가시켜, 상기 압박에 대해 상기 구리 전극이 늘어나는 길이를 측정하는 단계; 및
    상기 길이가, 데이터베이스에 기록된 최대 인장 길이 보다 작으면, 상기 프리스트레칭 비율을 낮추는 조정을 하는 단계
    를 더 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조정을 하는 단계는,
    상기 구리 전극의 표면에 크랙이 발생된 경우 상기 프리스트레칭 비율을 낮추는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 공정을 실시하는 단계는,
    산소(O2) 플라즈마 및 헬륨(He) 플라즈마 중 적어도 하나를, 상기 늘인 상태의 기판의 표면에 주입하여 상기 플라즈마 처리 공정을 실시하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  10. 구리 전극에 대한 목표 인장율이 설정 됨에 따라,
    상기 목표 인장율을 고려하여 결정되는 프리스트레칭 비율로, 기판을 늘이는 제1 공정을 실시하는 단계;
    상기 제1 공정을 실시하는 동안, 상기 기판을 플라즈마 처리하는 제2 공정을 실시하는 단계;
    상기 제2 공정이 완료되면, 구리(Cu) 금속을 증착해 패터닝하는 제3 공정을 실시하여, 상기 구리 전극을 제작하는 단계; 및
    상기 구리 전극에 대한 인장 성능 및 크랙 발생 여부에 따라 재설정되는 목표 인장율에 맞춰, 상기 프리스트레칭 비율을 조정하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구리 전극을 제작하는 단계는,
    상기 제3 공정이 완료되면 상기 제1 공정을 중단하여, 외부로부터 가해지는 압박에 대해, 상기 목표 인장율에 따른 최대 길이 만큼 신축 가능한 상기 구리 전극을 제작하는 단계
    를 포함하는 구리 전극 제작 방법.
  12. 기판에 대한 프리스트레칭 비율을 결정하는 비율 결정부;
    상기 프리스트레칭 비율에 따라, 상기 기판을 늘인 상태로 활성화하는 제1 공정 처리부;
    상기 늘인 상태의 기판 상에 플라즈마 처리 공정을 실시하는 제2 공정 처리부; 및
    상기 플라즈마 처리 공정이 완료되면, 상기 기판에 구리(Cu)를 증착시켜, 신축 가능한 구리 전극을 제작하는 제3 공정 처리부
    를 포함하는 구리 전극 제작 시스템.
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