Metallic and transparent electrode layer, either patterned or non-patterned, are inevitable components for any electronic devices. These conducting layers are fabricated by standard photolithography and vacuum deposition methods in general, however, practical limitations such as high processing temperature and the use of toxic chemicals exist in conventional IC fabrication processes. As a result, the need for alternative electrode layer fabrication method is growing continuously especially in the area of low cost, large area flexible electronics.
In this study, we present a simple approach for developing a flexible electronics fabrication without using conventional vacuum deposition and photolithography. We found that direct metal patterning based on laser-induced local melting of metal nanoparticle ink is a promising low-temperature alternative to vacuum depo-sition. and photolithography-based conventional metal patterning processes. The “digital” nature of the proposed direct metal patterning process removes the need for expensive photomask and allows easy design modification and short turnaround time. This new process can be extremely useful for current small-volume, large-variety manufacturing paradigms. Besides, simple, scalable, fast and low temperature process can lead to cost-effective fabrication methods on a large-area polymer substrate. The developed process was successfully applied to demonstrate high-quality Ag patterning (2.1 μΩcm) and high-performance metal grid transparent con-ductor (>85 % transmittance at <30 Ω/sq sheet resistance) for touch screen panel.
Transparent conductors are being extensively studied recently due to the increasing demands in large-area optoelectronic devices such as light emitting diodes and thin film solar cells. Among potential alternatives, metal nanowire transparent conductor, or metal nanowire percolation network, has been studied extensively and become a markedly mature technology, however, its patterning method has not been yet fully developed. In this study, silver nanowire percolation network is selectively ablated by nanosecond pulsed laser in order to pattern the percolation network. Various arbitrary patterns of silver nanowire transparent conductors are readily created on the percolation network without any conventional patterning processes such as photolithography or chemical etching. By a simple capacitive touch screen panel demonstration, we also verify that the patterned transparent conductor fabricated with the selective laser ablation process can be directly applied to the device fabrication.
금속 및 투명전극층은 다양한 전자소자의 기본 요소로 주로 포토레지스트의 노광 공정에 이은 진공 증착법을 통하여 형성된다. 이러한 포토리소그래피 공정으로 제작된 전극은 우수한 성능을 나타내며 포토리소그래피 공정 역시 이미 잘 정립된 기술이지만 공정 자체가 여러 단계로 이루어져 있어 제작이 복잡하고 고온, 진공환경을 필요로 하며 유독성의 화학물질이 많이 사용된다는 단점이 있어 염가의 대면적 유연전자소자 제작에는 적합하지 못하다.
본 연구에서는 나노물질과 레이저를 사용하여 포토리소그래피 공정 및 진공 증착 없이 유연기판에도 적용 가능한 전극 형성 기술을 개발하였다. 금속나노입자 기반의 금속 전극층을 형성하기 위해 집광된 레이저를 국소적 열원으로 사용하여 개별적인 나노입자를 연속적인 금속 전극층으로 소결시켰으며 갈바노 스캐너를 통해 레이저 광을 시편상에서 빠르게 주사함으로써 원하는 패턴의 금속 전극층을 빠르게 제작하였다. 이 공정은 포토리소그래피 공정에 필수적이던 노광마스크가 필요하지 않으면서도 원하는 패턴의 전극층을 바로 제작할 수 있고 제작된 전극층이 우수한 비저항값(2.1 μΩcm)을 보이며 유연기판에도 바로 적용 가능하기 때문에 차후 유연전자소자 제작에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 선택적 레이저 소결 공정을 통해 또한 금속 격자무늬 기반의 투명전극층을 제작하여 30 Ω/sq 이하의 낮은 면저항에서 85 % 이상의 높은 투과율을 갖는 것을 확인하였고 이를 다시 저항막 방식의 터치스크린에 적용하여 안정적으로 작동하는 것을 보였다.
대면적의 발광 소자 및 태양전지 등 다양한 광전자소자의 개발로 근래에는 투명전극에 대한 연구가 특히 활발히 이루어지고 있는데 금속 나노와이어의 퍼콜레이션 네트워크 기반의 투명전극은 투과도나 면저항 측면에서 성능이 우수하고 유연기판이나 신축성 소자에 적용할 수 있다는 장점이 있지만 이를 패터닝하는 방법이 아직 미흡하다. 본 연구에서는 나노세컨드 레이저를 사용하여 나노와이어 퍼콜레이션 네트워크 중 원치 않는 부분만을 제거하는 선택적 레이저 융발 공정을 통하여 기판의 손상이나 투명전극 성능의 저하 없이 간단하게 금속 나노와이어 기반의 투명전극을 패터닝하는 방법을 개발하였다. 또한 선택적 레이저 융발 공정을 통해 패터닝 된 금속 나노와이어 투명전극을 정전식 터치스크린에 적용함으로써 본 공정이 소자 제작에 바로 사용될 수 있음을 증명하였다.
