잉크젯 프린팅 된 구리기반 유연 소자의 특성 향상을 위한 다중 광소결에 대한 연구

Abstract

웨어러블 소자(Wearable device)에 응용되기 위해 금속 기판은 강도가 높고, 부식성에 안정된 재료이다. 그러나 낮은 유연성 문제를 해결해야 하며, 도체이므로, 소자 작동 시 배선 패턴과 함께 전기가 통하는 단점이 있다. 이에 따라 금속을 대처할 수 있는 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic)들의 응용에 대한 연구가 진행되고 있다. 엔지니어링 플라스틱들은 500℃ 이하의 제작 공정으로 경제적이며, 가볍고 휨 특성이 좋다. 대표적인 재료로는 폴리에스테르설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리카보네이트(Poly carbonate, PC), 폴리이미드(Poly imide, PI) 그리고 폴레에틸린테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 가 있다. 본 연구에서는 필름(Film) 타입의 PI와 PET 기판 위에 유기 박막이 코팅된 1.5 ㎛ 두께의 구리 잉크를 1x1cm2 패턴으로 프린팅 하였다. 먼저 PI 기판 위에 형성된 프린팅 패턴은 광 자원 (Light source) 기반의 고속 소결인 광소결 조건을 예비 소결(Pre-sintering) 및 메인 소결(Main-sintering)의 단일 소결(Single step) 방식으로 진행하여 전력과 시간 조건을 최적화 시켰다. Pre-sintering은 긴 시간(mili second) 낮은 전력(Mega Watt)으로 구리 입자 표면에 코팅된 유기 박막을 제거하여 작은 네킹(Necking)을 유도한 결과를 가지며, Main sintering은 짧은 시간(mili second) 동안 높은 전력(Mega Watt)으로 네킹된 구리 입자들 사이의 치밀화 상승을 진행하여, 프린팅 진행된 패턴의 배선 성능을 향상시킨다. 먼저 PI 기판에 형성된 프린팅 패턴에 열소결(Heat treatment), Main sintering(Single step), 예비 및 메인 소결을 혼합 진행한 Two step sintering 으로 미세조직상 구리 입자들간의 기공도 변화와 180일간의 기간에 따른 초기 값 대비 비저항 값 상승률을 비교하였다. 결과적으로, PI 기판 프린팅 패턴의 경우, Main sintering(Single step)의 비저항 측정 값 : 2.65 x 10­^-7 Ω·m 와 Two step sintering 진행한 비저항 측정 값 : 0.84 x 10^-7 Ω·m 으로 확연한 차이를 보였으며, 각 소결 조건들의 180일 보관기간에 따른 비저항 값을 비교하였다. 또한 PET 기판 위에 진행된 프린팅 패턴의 경우, 타 종류의 엔지니어링 플라스틱들 대비 낮은 열전도성 및 유리 전이화 온도(Glass transition temperature, Tg)의 특성을 가지기 때문에, 광소결 진행 시, 입자의 확산(Diffusion)이 충분히 일어나지 않는다. 따라서, PET 기판의 구리 잉크젯 프린팅 진행된 패턴의 경우, 단일 펄스(Single pulse)로 높은 에너지 조사 밀도를 가해 주면, 기판 및 패턴이 손상되는 문제가 발생하였다. 따라서 다중 펄스(Multi-pulse) 조건으로부터, Pulse와 Pulse 사이 냉각 시간(Cooling time)을 조정함에 따라 기판 및 패턴의 손상이 최소화된 10^-7Ωm 규모의 비저항 값 결과를 확인하였다. 따라서, 본 연구에서는 광소결을 이용하여 소결로 인해 패턴과 기판에 손상이 없는 배선을 제작하고, 구리 입자들간의 치밀화에 따른 패턴의 전기적인 특성을 개선하고자 하였다.; In order to be applied to a wearable device, a metal substrate shows high strength and stable to corrosion. However, it is necessary to solve the problem of low flexibility, and as a conductor. Accordingly, research on the engineering plastics that can replace metal is underway. Engineering plastics are economical, lightweight, and good bending property at less than 500 ℃. Typical materials include PES(polyether sulfone), PC(Poly carbonate), PI(Polyimide), and PET(Polyethylene terephthalate). In this study, The copper nano-ink on film type PI and PET substrate, are printed 1x1cm² pattern. First, In case of inkjet printed pattern on PI substrate, Light sintering conditions are performed by two step sintering (Pre-sintering + Main sintering). Pre-sintering is a long time (millisecond) with low power (Mega Watt) to remove the organic layer on the surface of copper particles. In the case of main sintering, Densification showed among Cu nano particles as increasing the irradiation energy density ( J/cm²), And it improve to the wiring performance of the printed pattern. Difference of porosity shows compare to each sintering method (Heat treatment, Main sintering(Single step), Pre-sintering + Main sintering(Two step sintering) among the Cu particles, And the resistivity value of two step sintered pattern showed the lowest value during the 180 days compared to the initial resistivity value. As a result, In the case of the PI inkjet printed pattern, the resistivity value of Main sintering (Single step) : 2.65 x 10^-7 Ωm and the resistivity value after two step sintering is 0.84 x 10^-7Ωm. In the case of PET substrate, Diffusion among the particles does not showed sufficiently during light sintering. Because of its low thermal conductivity and glass transition temperature (Tg) properties compared to other engineering plastics, And a single step to printed pattern on the PET substrate was damaged. Therefore, the resistivity value of 10^-7Ωm was confirmed by minimized damage of the substrate and pattern by applying multi-pulse and cooling time between pulse and pulse. In this study, we improve to the electrical properties by using the flash light sintering to printed pattern on the flexible substrates without damage, Also, We reduced the porosity among the Cu particles.