Recently, the interest in electronic industries has focused on fabricating electrodes on flexible substrates for application to flexible electronic devices such as flexible displays, solar cells, and flexible printed circuit boards (FPCB). Polyethylene terephthalate (PET) is a very feasible substrate for the flexible substrate due to its relatively low cost and high transparency in spite of its low thermal resistance. Thus far, ink-jet printing and roll-to-roll printing have been regarded as the most promising process to fabricate electrodes on low thermal resistance flexible substrates like PET as an alternative to conventional photolithography processes. However, these processes based on the liquid-state transfer have critical limitations including low resolution and low electrical conductivity when fabricating electrodes on PET film. Those are due to the nonlinear transfer mechanism and the limit of the sintering temperature. The laser direct curing (LDC) of metallic inks is an alternative process to improve the resolution but it is also associated with disadvantages of causing thermal damage to the polymer substrate. Although several researches have been attempted to overcome the challenges related to LDC, the problems of liquid-state transfer was not resolved totally.
This study suggests the new solid-state transfer based hybrid process integrating the solution process and the laser process. Solid patterns are easily created by solution coating process of metallic ink on a high thermal resistance substrate such as a glass and they are then sintered at a high temperature. Finally, the sintered solid electrode patterns are transferred to the low thermal resistance flexible substrate. This method was attempted by dividing into customized production to enhance the process flexibility and mass production for increasing productivity in order to expand applications.
For customized production, the laser direct curing method was employed to maximize the process flexibility. The laser direct patterning method based on photo-thermochemical reaction of metal compound ink was newly suggested to resolve the problems caused by conventional laser direct curing methods based on photo-thermal reaction of metal nanoparticle. In detail, we firstly present a new laser direct patterning method that selectively cures nanoparticles self-generated from organometallic complexes by proper thermal decomposition. This approach has several advantages in the curing rate, resolution and pattern quality compared with the conventional nanoparticle ink based direct laser curing method. Finally, silver electrodes with narrow width and uniform profile could be achieved on a polyimide substrate at a high curing rate of 25 mm/s. The quality of the cured patterns was as good as one prepared by the vacuum evaporation. Next, laser direct patterning via photo-thermochemical reduction of the copper oxide (CuO) nanoparticles is suggested to enable an environmentally friend and cost-effective one-step process since CuO nanoparticle inks are highly stable in air as well as cheaper compared to copper (Cu) nanoparticle inks. CuO nanoparticles dispersed in ethylene glycol were direct reduced to Cu nanoparticles by laser irradiation, and the Cu nanoparticles were simultaneously agglomerated and sintered without additional processes. Finally, Cu electrodes with about 10 μm thickness and a conductivity of 31 $μΩ\cdot cm$ were successfully fabricated on a glass and a polyimide substrate.
For mass production, the parallel self-pattering based on the surface mold applying selective wetting according to surface energy differences was newly suggested to realize the adaptive mass production. Large area fabrication method of the surface mold using Laser Induced Plasma (LIP) was developed to effectively obtain high resolution. Through the process optimization, Ag electrodes with minimum width of 5 μm were successfully fabricated on a glass substrate. Furthermore, it was found that the thickness of the electrode can be continuously adjusted from 100 nm to above 1 μm according to the dipping times and the ink’s viscosity.
To fabricate the electrodes of both high conductivity and high resolution on low thermal resistance flexible substrate such as PET film in parallel, Laser Induced Pattern Adhesion Transfer (LIPAT) method was newly suggested. The solid electrode patterns created by the LDC of the organometallic ink and thermally sintered on the glass are transferred to the PET substrate by the photo-thermally generated adhesion force of the PET substrate. The high electrical conductivity is guaranteed by the high sintering temperature. And transferring the sintered solid patterns contributes a high resolution. Therefore, we achieved electrodes with a minimum line width of 10 μm and a specific resistance of 3.6 μΩcm on the PET substrate. The patterns also showed high mechanical reliability. This transfer method was successfully applied to not only the positive type process for the high density patterning but also the case of the copper electrodes. To apply this method to mass production, it was also attempted that parallelly self-patterned electrodes on the surface mold was transferred to the PET film by LIPAT. Through optimization of the sintering condition of the self-patterned ink, high conductive and high resolution Ag electrodes with specific resistance of 2.94 $μΩ\cdotcm$ could be productively fabricated on the PET film. The thick electrode created by the repetitive dipping was also transferred at the same condition. It can be said that the quality of the transferred patterns is as good as the vacuum deposited one through measurement of the pattern profile and the surface roughness.
To transfer the pre-created electrodes on the glass to flexible substrates such as thermoset polymer or opaque polymer, paper, etc., Heat Activated Separation Transfer (HAST) based on solid-state transfer using the heat reactive layer was newly suggested. Finally, thick Ag electrodes were created on a paper and a polyimide film.
This new approaches represents an important processing technology as it can be directly applied to the manufacture of flexible electronics and exemplifies the practical usefulness of laser applied process in novel engineering applications. Henceforth, we will focus on developing the optical devices from applying this process to nanopatterning and fabricating real electronic devices such as flexible OLED and flexible solarcell through the multi-layer formation.
전자기기의 휴대성이 강조되면서 유연전자소자에 관심과 요구가 증대되고 있다. 그래서 최근 전자산업에서는 유연디스플레이, 유연태양전지, 유연인쇄회로기판 과 같은 유연전자소자에 적용하기 위한 유연기판 상에 전극 배선을 제조하는 데에 관심이 집중되고 있다. 그러한 유연전자소자의 기판으로는 내열성은 낮지만 가격이 저렴하고 광학적으로 투명한 PET와 같은 폴리머 필름이 유용하다. 지금까지는 기존의 노광공정을 대체하여 PET와 같이 내열성이 낮은 유연기판에 전극을 제조할 수 있는 공정으로 잉크젯, 롤투롤과 같은 용액공정이 가장 유망한 공정으로 여겨졌다. 그러나 액상전사를 기반으로 하는 이러한 공정들은 PET기판에 전극을 제조하는데 있어서 분해능과 전기 전도성의 극명한 한계를 갖고 있다. 이러한 원인은 액상전사기반의 공정이 갖고있는 비선형 전사기구와 소결온도의 제한 때문이다. 최근 분해능을 향상시키기 위한 방법 대체공정으로 금속잉크의 레이저 직접 경화 방식이 대두 되었지만, 내열성이 낮은 폴리머 유연기판에 열손상을 유발하기 때문에 고전도도를 얻는데 제한적이다. 비록 레이저 직접 경화 방식, 용액공정과 관련된 문제점을 극복하기 위해서 그밖에 다양한 시도가 있었지만, 그러한 문제점을 완전히 해결 되지는 않았다.
본 연구에서는 용액공정과 레이저공정을 융합한 새로운 고상전사 기반의 복합공정을 제안한다. 먼저 박막형성이 용이한 용액코팅공정을 적용하여 유리와 같이 내열성이 높고 광투과율이 높은 기판에 금속잉크를 코팅하고 패터닝하고 고온소결한다. 그런 다음, 최종적으로 소결된 고상의 전극패턴을 내열성이 낮은 유연기판으로 전사한다. 적용성을 확대하기 위해서 본연구에서는 본 방법을 공정유연성이 강조되는 다품종 소량생산공정과 반복생산성을 향상시키기 위한 대량생산 공정으로 나누어서 접근 하였다.
먼저 다품종 소량생산 공정에 대해서는 공정유연성을 극대화 하기 위해서 레이저 직접 경화 방식을 채택하였다. 그러나 금속 나노입자잉크의 광열반응을 기반으로 하는 기존의 레이저 직접경화 방식의 문제점을 해결하기 위해서 금속화합물 잉크의 광열화학 반응을 기반으로 하는 레이저 직접 패터닝 방식을 새롭게 제안하였다. 세부적으로, 우선 적절한 열처리를 통하여 유기금속화합물 잉크로부터 자가생성된 극미세 나노입자를 선택적으로 경화하는 새로운 레이저 직접 패터닝 방법을 제안하였다. 이러한 접근은 기존에 금속나노입자를 기반으로 하는 레이저 집겁 패터닝 방식과 비교하여 레이저 패터닝 속도, 분해능, 패턴 품질 측면에서 다양한 장점을 나타낸다. 결국, 유리기판과 폴리이미드 기판상에 레이저 초점보다 작고, 단면이 균일한 은 전극패턴을 25 mm/s의 빠른 패터닝 속도로 제조할 수 있었다. 그리고 형성된 전극은 진공증착에 준하는 우수한 품질을 확보할 수 있었다. 다음은, 친환경적이고 저렴하게 단일공정으로 구리전극을 제조하는 방법으로 산화구리나노입자의 광열화학 환원을 통한 레이저 직접 패턴닝 방식을 새롭게 제안하였다. 산화구리는 산화 문제가 없기 때문에 대기상에서 안정적이고 구리나노입자에 비해서 저렴하다. 에틸렌 글리콜에 분산된 산화구리 나노입자에 레이저를 조사하여 구리 나노입자로 직접 환원되고 동시에 구리 나노입자는 응집/소결된다. 결국, 유리기판과 유연기판에 비저항 31 $μΩ\cdotcm$ 의 높은 전도도를 갖는 약 10 μm 두께의 구리전극을 성공적으로 제조할 수 있었다.
대량생산공정에 대해서는 적응형 대량생산의 구현을 위해서 표면에너지 차이에 따라서 용액이 선택적으로 맺히는 특성을 응용한 표면몰드를 기반으로 하는 병렬 자가패턴닝을 새롭게 제안하였다. 효울적으로 고분해능의 패턴 형성을 위하여 레이저 유도 플라즈마를 이용한 표면몰드의 대면적 제조 방법을 개발하였다. 공정 최적화를 통하여 최소선폭 5 μm의 은 전극을 유리기판상에 성공적으로 형성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 딥토킹 횟수와 잉크의 점도를 조절함에 따라서 전극의 두께를 100 nm 이하에서부터 1 μm 이상까지 연속적으로 조잘할 수 있음을 확인 하였다.
높은 전기전도도와 고분해능의 전극패턴을 PET와 같은 내열성이 낮은 병렬적으로 유연기판에 형성하기 위한 방법으로 새로이 레이저유도접착전사 방식을 제안하였다. 유리기판상에 유기금속화합물잉크의 레이저 직접 경화 방식으로 제조되고 고온 소결된 고상의 전극 패턴을 PET 기판의 광열적으로 생성된 접착력을 이용하여 PET 기판으로 전사한다. 이때, 유리기판상에서 고온소결되기 때문에 높은 전기 전도도를 얻을 수 있으며, 소결된 고상의 전극 패턴을 전사하기 때문에 전사시 패턴 왜곡이 발생하지 않아 고분해능을 확보할 수 있다. 결국 비저항 3.6 $μΩ\cdotcm$, 최소선폭 10 μm의 고전도성/고분해능의 전극 패턴을 PET 기판상에 형성 할 수 있었다. 그리고 다양한 내구 실험을 통해서 형성된 전극은 매우 높은 기계적 신뢰성을 갖고 있음을 확인 하였다. 그밖에도, 본 방법을 높은 패턴 밀집도의 경우 효율성을 증대시키기 위한 포지티브 방식을 제안/적용 하였으며, 앞서 설명한 구리전극에도 성공적으로 적용하였다. 그리고 이러한 방법을 대량생산에 적용하기 위해서 표면 몰드 상에 병렬적으로 자가 패터닝된 전극 패턴을 동일방법으로 PET기판에 전사를 시도하였다. 자가패턴 된 잉크의 소결조건을 최적화를 통하여 비저항 2.94 $μΩ\cdotcm$의 높은 전도도의 은 전극을 고분해능으로 PET 기판에 제조할 수 있었다. 반복적인 딥코팅으로 형성된 두꺼운 전극 패턴도 동일한 조건에서 전사할 수 있었다. 그리고 전사된 패턴의 단면 형상과 표면조도 측정을 통하여, 제조된 전극 패턴은 진공증착에 준하는 높은 품질을 갖고 있음을 확인 하였다.
유리기판에 형성된 패턴을 열경화성, 불투명, 종이와 같은 기판에 고상전사하기 위한 방법으로 열반응층을 이용한 열활성이격전사를 새롭게 제안하였다. 실험결과 종이와 폴리이미드 기판에 두꺼운 은 전극 패턴을 성공적으로 형성할 수 있었다.
본 연구의 새로운 접근은 유연전자소자의 제조에 바로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 전자제조 산업에 레이저 응용 공정의 실질적으로 사용가능함을 보이기 때문에 매우 중요한 공정 기술이다. 항후, 본 방법을 나노패터닝에 적용하여 다양한 유연 광학소자를 개발할 예정이고 다층형성을 통하여 유연유기발광다이오드와 유연태양전지와 같은 실제 유연전자소자를 제작할 계획이다.
