잉크젯으로 인쇄된 Ag 전극 패턴의 잔류열응력 및 비저항에 관한 연구

Abstract

잉크젯 프린팅 기술이란 마스크를 사용한 별도의 노광 공정이 없이 원하는 위치에 미세한 Ink Drop을 분사하여 패턴을 기판 위에 형성하는 직접 인쇄 기술로서 패턴을 직접 묘사하기 때문에 노광을 포함하는 리소그라피 공정이 필요 없으며 이로 인해서 대폭적인 공정 단축이 가능하고 폐액의 유출이 없는 친환경적인 공정이라 할 수 있다. 이러한 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 나노 크기의 입자로 형성된 잉크로 전도성 라인을 형성하기 위해서는 소성 공정을 거치면서 금속을 경화하여야 전극을 형성할 수 있다. 현재 소성 공정에 대한 연구는 나노입자 잉크의 제조와 함께 소성 온도에 따른 비저항 측정에 대한 연구만 시도되었으며, 잉크와 기판 사이의 열팽창 차이에 의한 잔류열응력에 관한 연구는 전무하였다. 따라 서 소성 공정에서 발생하는 잉크와 기판과의 열팽창 차이로 발생하는 잔류열 응력이 비저항에 어떠한 영향을 미치는지에 관해서 연구하였다. 소성 온도, 전극패턴의 선폭과 두께 그리고 기판의 종류를 변수로 하여 비저항을 측정하였다. 또한 3차원 비접촉 나노형상 시스템과 주사전자현미경을 이용하여 형상과 단면을 측정하여 크랙의 유무를 관찰하였다. 비저항 측정 결과에서 두께를 증가시킨 2, 3 layer에서 비저항이 커졌으며, 이를 분석하기 위하여 유한요소 해석으로 잔류열응력을 계산하였다. 유한요소 해석을 하기에 앞서 은 잉크의 물성치를 파악하기 위해서 나노 인덴테이션 시험을 이용하여 탄성계수와 경도를 측정하였다. 여기서 얻은 탄성 계수를 사용하여 2차원으로 모델링하여 해석하였으며, 경계면과 두께 방향으 로 응력 분포를 확인하였다. 비저항 측정 결과와 유한 요소 해석을 연계하여 잔류열응력이 비저항에 미치는 영향을 분석하였다. 건조 시의 머드 크랙이 발생하지 않는 1 layer에서는 선폭의 증가에 따른 비저항의 차이는 없었으며, 이는 유한요소 해석 결과에서 일치함을 보였다. 선폭의 차이에 의한 응력의 차이는 미미하였나, 두께가 증가할수록 잔류열응력은 감소하였다. 하지만, 비저항 측정 결과에서는 두께가 증가한 2, 3 layer에서 오히려 비저항이 크게 측정되었다. 이는 건조 시에 머드 크랙이 발생하였고 소성 공정을 거치면서 크랙의 경계면을 기점으로 입자가 성장하였기 때문에 크랙의 깊이가 심해지는 것이라 분석되었다. 또한, 잔류열 응력 해석시 유리 기판에서 인장응력이 발생하였고 폴리이미드 기판에서는 압축응력이 발생하였다. 이는 유리 기판에서 더 큰 비저항이 측정된 것을 설 명해준다. 현재의 잉크 제조 기술로 1㎛ 이상의 두께를 얻기 위해서는 패턴의 중첩 은 필수적이라 할 수 있으나, 중첩의 과정에서 발생하는 머드 크랙은 소성 공정을 거치면서 더 큰 크랙으로 성장하게 되고 이는 비저항이 커지는 원인이 될 수 있다.; Inkjet Technology in which small volume of liquid ink is ejected through a nozzle and dispensed onto a substrate, is a non-contact printing method without using photomasks. This method has many advantages of low-cost, low-waste, and simple process in comparison with conventional lithography technology. Moreover, it can be easily applied to a substrate of large size. For this reason, inkjet printing is one of the attractive manufacturing alternatives in flat panel displays, printed circuit boards and bio/medical areas. In this work, we investigated the specific resistivity of inkjet-printed lines with various widths and thicknesses as well as curing temperature. We also investigated how the residual thermal stress generated from the CTE difference between ink and substrate affected the specific resistivity of lines through the finite element analysis. During the drying process, mud cracks occurred at the top surface of printed lines due to the constraint of drying shrinkage of lines by the substrate. The curing process propagated the mud cracks further, and the residual thermal stress during the curing process influenced the propagation of mud cracks. From the results of experiment and analysis, we found that the specific resistivity of printed lines is dependent on the substrate because the difference of residual thermal stress between the substrates causes the size difference of mud cracks especially when the line thickness is high.