A touch screen is a display which can detect the presence and location of a touch within a display area. Due to its intuitive interface, the touch screen has been widely used in mobile device applications such as personal digital assistant (PDA), satellite navigation devices, and mobile phones. Recently, due to advantages such as low cost, light weight, and shock resistance, polymer-based touch panels have been newly introduced in mobile device applications by replacing conventional glass-based touch panels.
However, in spite of its advantages, polymer-based touch panels still have several issues in interconnection processes using Anisotropic Conductive Films (ACFs). Especially, the ACFs assembly process temperature should be limited below $200\degC$ to prevent thermal deformation in the conventional thermo-compression bonding because of the low Tgs of substrate materials such as polyethylene terephthalates (PETs). And the limited bonding temperature of below $200\degC$ results in significantly slow bonding times up to 10 seconds. Therefore, there have been constant needs of alternative process methods which can eliminate thermal deformation and slow bonding time issues at the same time.
Ultrasonic bonding is an alternative ACF bonding process which utilizes spontaneous heat generation inside the ACF layer by ultrasonic vibration. According to Lee et al, ultrasonic bonding has various advantages such as less thermal deformation due to the room temperature ultrasonic horn process and significantly reduced bonding times within 3 seconds in Flex-On-Board (FOB) applications. Thus, we can expect that ultrasonic bonding method can eliminate both thermal deformation and reduce bonding times in polymer-based touch panel assemblies.
In this study, the effects of ultrasonic parameters were investigated in terms of ITO (Indium Tin Oxide) damages, PET deformation and ACF joint characteristics. To minimize ITO damages, physical properties and thickness effects of silicone tapes which must be used in ultrasonic method were investigated and optimized in terms of heat generation of ACF layers. And ACF temperatures and bonding times were optimized in terms of ITO damages, PET deformation, electrical continuity, peel adhesion strength and degree of cure of ACF joints.
The prepared silicone tapes had 40 and 80 hardness, and 200, 300, 400, and $500 \mum$ thickness. And test vehicles were capacitive touch panels which consisted of PET substrates and FPCBs. There were screen-printed Ag paste pads on the PET substrates and Cu pads existed on FPCBs. Acrylic ACFs were used as interconnection adhesives.
The ACF temperatures increased as modulus of silicone tapes increased and thickness of silicone tapes decreased. Therefore, 80 hardness and $200 \mum$ silicone tapes showed the highest ACF temperatures. With the optimized tapes, ultrasonic amplitudes could be minimized to prevent ITO damages. As the ultrasonic vibration with $10 \mum$ amplitude was applied, ACF temperature rapidly increased from room temperature to $180\degC$ within 2 seconds due to the spontaneous heat generation in the ACF itself. In terms of ITO damages, ultrasonic vibrations didn’t cause ITO damages in the temperature required for ACF bonding. At the same time, ultrasonic bonding showed no severe thermal deformation of touch panels up to $190\degC$ which is much higher than Tg of PET substrates. It is presumably due to the rapid heating rate of ultrasonic bonding. In terms of electrical continuity of the ACF joints, ultrasonic bonded touch panels showed stable electrical resistances at higher than $140\degC$ bonding temperatures and conductive balls in the ACF layer were well captured between electrodes. Moreover, ultrasonic bonded ACF joints showed higher adhesion strength than 500 gf/cm with 5 sec bonding time at $160\degC$ and 3 sec bonding time at $180\deg$. And in terms of degree of cure, the ACFs were fully cured at 5 sec bonding time at $160~180\deg$. Therefore, ultrasonic bonding parameters and silicone tapes were optimized with $8.3~10 \mum$ vibration amplitude and 5 second bonding time at room temperature in terms of ITO damage, PET deformation, electrical continuity, peel adhesion strength, and degree of cure of the ACF joints.
As a summary, the ultrasonic ACF bonding method was successfully demonstrated in touch panel assembly at room temperature without ITO damages and PET deformations.
터치스크린은 디스플레이 되는 영역 내에서의 접촉 신호의 존재와 위치를 인식하도록 하는 장치이다. 그 직관적인 사용법 때문에 터치스크린은 PDA, 네비게이션, 휴대폰 등과 같은 모바일 기기에 널리 응용되고 있다. 따라서 최근, 기존에 많이 사용되던 glass-based 터치패널은 낮은 가격, 가벼움, 내충격성 등의 장점 때문에 polymer-based 터치패널로 대체되어 사용되고 있다.
한편, 이런 장점에도 불구하고 polymer-based 터치패널은 ACF를 이용한 접합에 있어서 문제를 안고 있다. 특히 기존의 열압착 접합을 이용했을 때, PET와 같은 기판의 낮은 유리전이온도 때문에 열변형을 방지하기 위하여 접합 온도가 200도 이하로 제한된다. 이런 온도에서는 10초 이상의 긴 접합 시간이 요구된다. 그러므로, 열변형과 긴 접합 시간을 모두 극복할 수 있는 새로운 공정 방법이 요구되어 왔다.
초음파 접합은 진동을 전달하여 ACF 층에서 자발적으로 발열을 일으키는 새로운 공정이다. Lee 등에 따르면 초음파 접합을 이용했을 때 여러가지 장점이 있는데, Flex-On-Board (FOB) 에서 실험에서 3초 이내로 접합 시간이 짧고, 상온의 온도인 초음파 horn을 사용하여 빠르게 접합하기 때문에 열변형을 줄일 수 있다. 따라서 초음파 접합 공정을 이용하여 polymer-based 터치패널을 어셈블리하면, 열변형과 접합시간을 줄일 수 있을 것으로 기대하였다.
본 연구에서는 ITO (Indium Tin Oxide) 데미지, PET 변형, ACF 접합 특성을 기준으로 초음파 파라미터의 효과가 조사되었다. ITO 데미지를 줄이기 위해서 초음파 접합에 필수적으로 사용되는 실리콘 테잎의 물성 및 두께를 ACF 층의 발열 관점으로 최적화 하였다. 또, ITO 데미지, PET 열변형, 통전성, 접합력 및 ACF 경화도 측면에서 ACF 접합 온도와 시간을 최적화하였다.
실험에 사용된 실리콘 테잎은 경도 40, 80으로 모두 200, 300, 400, 500 um 두께로 준비되었다. 터치패널은 PET 기판과 FPCB를 사용한 정전용량방식이 사용되었다. PET 기판의 위에 스크린 프린트된 Ag paste 전극이 있고, FPCB위에 Cu 전극이 있다. 접합 재료로는 Acrylic ACF가 사용되었다.
실리콘 테잎의 모듈러스가 증가할수록 ACF 온도가 증가했고, 실리콘 테잎의 두께가 감소할 수록 ACF 온도가 증가했다. 그러므로 경도 80, 두께 200 um인 실리콘 테잎이 가장 높은 ACF 온도를 보였다. 이 최적화된 실리콘 테잎을 사용했을 때, ITO 데미지를 막기 위해 초음파 진폭을 최소화할 수 있었다. 10 um 진폭을 사용했을 때, ACF는 자체발열을 통해서 2초만에 상온에서 180도까지 가열되었다. ITO 데미지 측면에서, ACF 접합에 필요한 온도 범위 내에서 ITO 데미지가 발생하지 않았다. 동시에, PET 기판의 유리전이 온도보다 훨씬 높은 온도인 190도 까지 터치패널의 열변형이 발생하지 않았다. ACF 접합의 통전성 측면에서, 140도 이상의 접합 온도를 사용했을 때, 안정적인 저항을 나타내었고, 도전볼이 전극사이에 잘 끼어 있는 것을 확인할 수 있었다. 게다가, 160도에서 5초 이상, 180도에서 3초 이상 접합했을 때, 500 gf/cm 이상의 접합력을 얻을 수 있었다. 또한, 160도 이상에서 5초 이상 접합을 했을 때, ACF가 완전히 경화되었다. 그러므로 ITO 데미지, PET 변형, 통전성, 접합력 ACF 경화도 측면에서 초음파 접합 변수와 실리콘 테잎은 8.3~10 um 진폭에서 5초 접합 하는 것으로 최적화 되었다.
요약하자면, 초음파 ACF 접합 공정이 ITO 데미지와 PET 열변형 없이 성공적으로 수행되었다.
