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문제 정의
- 본 연구에서는 최대한 유리 기판에 손상없이 패터닝하는 것을 목표로 하므로 In 및 Sn 두 성분을 모두 완전히 제거하기 보다는 ITO의 주성분이 pre-etched 영역 수준 이하로 기능적으로 제거되어 전도성을 잃는 것에 초점을 두어 가공하였다. 따라서 ITO의 제거 여부는 레이저로 가공된 부위가 사전에 에칭된 영역의 인듐 및 주석의 성분비와 유사하거나 낮으면 ITO 박막이 실질적으로 완전히 제거된 것으로 간주하였다.
제안 방법
- Ablation threshold를 결정한 후에 가우시안 빔과 quasi flat-top 빔을 이용하여 각각 0.42J/cm2, 0.35J/cm2(Irradiance 1.1TW/cm2, 0.92TW/cm2)의 에너지 밀도로 유리 기판 위의 ITO 박막에 10μm급의 도선 패턴을 가공하였다.
- ITO 박막을 빔 강도 분포가 균일한 빔으로 가공하기 위해 펨토초 레이저의 빔 프로파일을 변형(shaping) 하였다. 레이저에서 출사하는 가우시안 빔의 중심부가 크기가 0.
- 본 연구에서는 펨토초 레이저에 슬릿과 plano convex 렌즈를 설치하여 가우시안 빔을 quasi flat-top 형태의 빔으로 빔 쉐이핑하였고, 쉐이핑된 빔을 이용하여 유리 기판위의 ITO 박막에 10μm급 도선패턴을 가공하였다. 가공된 시편은 광학현미경을 이용하여 1000배까지 확대하여 관찰하였으며, 가공부 형상의 정확한 파악을 위해 AFM을 이용하여 측정하였다. 그 결과, quasi flat-top빔을 이용한 가공부 주변의 crater가 훨씬 낮게 발생하였고, 가공부 바닥면이 상대적으로 평탄하였으며 debris 발생률 또한 낮은 것을 확인할 수 있었다.
- 4)를 사용하여 가공 빔을 집속하였고 100kHz의 반복률과 10mm/s의 가공 속도로 스캐닝하였다. 가공된 영역을 광학현미경을 이용하여 가공 상태를 확인하였으며, 가공부의 깊이 및 형상의 정확한 분석을 위해 AFM을 이용하여 프로파일을 측정하였다. Fig.
- 가우시안 빔과 quasi flat-top 빔의 가공 특성을 관찰하기 위하여 유리 기판위의 ITO 박막에 선폭 10μm급의 도선 패턴 가공을 수행하였다.
- 가우시안 빔과 쉐이핑된 빔을 이용하여 유리 기판위의 ITO 박막에 각각 선폭 10μm급의 도선 패턴 가공을 수행하고 빔 형태에 따른 가공 특성을 살피기 위해 가공부 형상을 광학현미경, Atomic Force Microscope(AFM)로 관찰하였다.
- 가우시안 빔과 쉐이핑된 빔을 이용하여 유리 기판위의 ITO 박막에 각각 선폭 10μm급의 도선 패턴 가공을 수행하고 빔 형태에 따른 가공 특성을 살피기 위해 가공부 형상을 광학현미경, Atomic Force Microscope(AFM)로 관찰하였다. 끝으로 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS)을 이용하여 가공 조건당 ITO 제거율을 비교하였다.
- 유리기판에는 손상을 주지 않고 ITO 박막을 패터닝하기 위해 유리의 ablation threshold이하의 조건과 ITO 박막의 ablation threshold 이상의 조건 값으로 실험을 진행하였다. 도선 패터닝에 앞서 먼저 유리와 ITO 박막의 ablation threshold를 측정하였으며 각각 5.97J/cm2와 0.19J/cm2(intensity 15.7TW/cm2, 0.5TW/cm2)으로 얻어졌다. 측정된 ablation threshold는 기존 문헌들에서 얻어진 값들과 비슷한 범위이나 가공시 사용된 레이저 펄스 및 파장, ITO 박막의 두께 및 성막 조건에 따른 변화로 인해 약간 상이한 결과를 얻었다.
- 그러나 실제로 ITO 박막의 성분이 기판에서 제거되어 기능을 상실했는지는 알 수 없다. 따라서 quasi flat-top 빔에 의한 ITO 박막 제거 정도를 정확히 측정하기 위해 가공부에 EDS를 시도하여 ITO 박막의 주성분인 인듐(In)과 주석(Sn)의 잔존하는 atomic% 성분비를 측정하였다. EDS란 전자총에서 5-30kV로 가속된 전자빔을 시료표면에 조사하고 조사된 부위에서 특성 X선이 발생하면 이를 EDS 로 검지하여 구성원소의 조성을 검출하는 방법이다.
- 또한 가공전의 ITO 박막과 Fig. 4에 보여진 대로 패널 제작시 에칭되어 높은 저항을 띠는 영역도 함께 측정하여 참고값으로 삼아 비교 및 분석하였다. Table 2는 각 조건 당 측정 부위의 구성성분비를 나타낸 표이며 Fig.
- 레이저에서 출사하는 가우시안 빔의 중심부가 크기가 0.4mm × 0.4mm 인 사각형 개구를 갖는 슬릿을 통과하도록 하여 quasi flat-top 형태로 변환하였다.
- 본 연구에서는 레이저 빔 경로에 사각형 개구(square aperture)를 갖는 슬릿(slit)을 적용하여 가우시안 빔을 사각형 quasi flat-top 모양으로 쉐이핑 하였다. 가우시안 빔과 쉐이핑된 빔을 이용하여 유리 기판위의 ITO 박막에 각각 선폭 10μm급의 도선 패턴 가공을 수행하고 빔 형태에 따른 가공 특성을 살피기 위해 가공부 형상을 광학현미경, Atomic Force Microscope(AFM)로 관찰하였다.
- 본 연구에서는 펨토초 레이저에 슬릿과 plano convex 렌즈를 설치하여 가우시안 빔을 quasi flat-top 형태의 빔으로 빔 쉐이핑하였고, 쉐이핑된 빔을 이용하여 유리 기판위의 ITO 박막에 10μm급 도선패턴을 가공하였다.
- 실험에 사용된 시편은 터치스크린패널의 유리 기판 위에 30nm 이하의 두께로 증착된 ITO 박막이다. 유리기판에는 손상을 주지 않고 ITO 박막을 패터닝하기 위해 유리의 ablation threshold이하의 조건과 ITO 박막의 ablation threshold 이상의 조건 값으로 실험을 진행하였다. 도선 패터닝에 앞서 먼저 유리와 ITO 박막의 ablation threshold를 측정하였으며 각각 5.
- 4mm 인 사각형 개구를 갖는 슬릿을 통과하도록 하여 quasi flat-top 형태로 변환하였다. 좁은 슬릿을 통과한 후 회절 현상에 의해 확산 하는 빔을 평행 빔으로 만들기 위해 20cm의 초점길이(focal length)를 갖는 plano convex 렌즈를 설치하였다. Fig.
- 펄스에너지를 정량적으로 변화시켜가며 ITO 박막을 제거한 다섯 개의 가공부를 제작하였고 ITO 박막을 완벽하게 제거한 최적 조건을 찾기 위해 각 가공부에 EDS 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- 가우시안 빔과 quasi flat-top 빔의 가공 특성을 관찰하기 위하여 유리 기판위의 ITO 박막에 선폭 10μm급의 도선 패턴 가공을 수행하였다. 실험에 사용된 시편은 터치스크린패널의 유리 기판 위에 30nm 이하의 두께로 증착된 ITO 박막이다. 유리기판에는 손상을 주지 않고 ITO 박막을 패터닝하기 위해 유리의 ablation threshold이하의 조건과 ITO 박막의 ablation threshold 이상의 조건 값으로 실험을 진행하였다.
- 실험에 사용된 펨토초 레이저는 JENOPTIK사의 JenLas-D2fs로, 1027nm의 중심 파장을 가지고 펄스폭이 380fs, 반복률 30-200kHz, 최대 평균 출력 4W이다. Table 1에 레이저의 주요 성능지표를 나타내었다.
성능/효과
- Fig. 3(a)는 본 실험에 사용된 가우시안 빔의 프로파일로서 중앙부에 에너지가 높고 반경 방향으로 갈수록 에너지가 작아지는 것을 확인하였다.
- Fig. 5(c)는 각각의 빔에 의한 ITO 제거부의 바닥 프로파일을 종단 방향으로 측정한 것으로 가우시안 빔보다 quasi flat-top빔에 의한 가공부에서 바닥 표면이 훨씬 평탄하게 패터닝 되는 것을 확인하였다.
- 6은 Table 2에서 인듐과 주석의 atomic%를 가공 에너지 밀도 및 빔 강도의 함수로 나타낸 그래프이다. ITO 박막과 유리 기판의 ablation threshold는 각각 보라색, 녹색 선으로 표시하여 모든 가공 에너지 밀도는 유리 기판과 ITO 박막의 ablation threshold의 범위 안에 설정되었음을 보였다. 그래프에서 푸른 선과 붉은 선은 각각 인듐과 주석의 참고값이다.
- 이러한 방법으로 기판에 손상을 주지 않고도 적은 에너지로 효과적으로 ITO의 주요 성분을 제거할 수 있는 공정 윈도우를 결정할 수 있었다. 가공하지 않은 부위와 가공된 부위에 잔존하는 성분비를 비교해 볼때 ITO의 주성분인 인듐은 대략 83% 이상의 제거율을 보였고, 주석은 0.46J/cm2 이상의 에너지 밀도에서는 모두 제거되는 것을 확인하였다. 에너지 밀도가 0.
- 가공된 시편은 광학현미경을 이용하여 1000배까지 확대하여 관찰하였으며, 가공부 형상의 정확한 파악을 위해 AFM을 이용하여 측정하였다. 그 결과, quasi flat-top빔을 이용한 가공부 주변의 crater가 훨씬 낮게 발생하였고, 가공부 바닥면이 상대적으로 평탄하였으며 debris 발생률 또한 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 레이저에서 방출되는 가우시안 빔을 그대로 이용한 가공보다 빔 쉐이핑된 quasi flat-top 빔을 이용한 ITO 가공이 더 효과적임을 실험적으로 입증하였다.
- 두 조건 모두 유리 기판과 사전에 에칭된 영역에 과도한 손상 없이 패터닝 된 것을 확인하였다. 다만 Fig.
- 그 결과, quasi flat-top빔을 이용한 가공부 주변의 crater가 훨씬 낮게 발생하였고, 가공부 바닥면이 상대적으로 평탄하였으며 debris 발생률 또한 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 레이저에서 방출되는 가우시안 빔을 그대로 이용한 가공보다 빔 쉐이핑된 quasi flat-top 빔을 이용한 ITO 가공이 더 효과적임을 실험적으로 입증하였다. 또한 EDS를 통해 quasi flat-top 빔에 의해 가공된 가공부의 잔존 성분을 확인한 결과, ITO 박막의 주성분인 인듐(In)은 약 83% 이상의 제거율을 보였으며, 주석(Sn)은 0.
- 따라서 레이저에서 방출되는 가우시안 빔을 그대로 이용한 가공보다 빔 쉐이핑된 quasi flat-top 빔을 이용한 ITO 가공이 더 효과적임을 실험적으로 입증하였다. 또한 EDS를 통해 quasi flat-top 빔에 의해 가공된 가공부의 잔존 성분을 확인한 결과, ITO 박막의 주성분인 인듐(In)은 약 83% 이상의 제거율을 보였으며, 주석(Sn)은 0.46J/cm2 이상의 에너지 밀도에서는 모두 제거되는 것을 확인 하였다. 본 결과는 가변 슬릿과 렌즈의 간단한 조합으로 얻을 수 있는 빔 쉐이핑 기법이 ITO 박막 패터닝시 가공 품질 향상에 효과가 있음을 실험적으로 증명함으로써 실제 현장에서 디스플레이 패널상의 ITO 박막을 레이저로 가공할 때 DOE와 같은 고가의 광학계를 사용하지 않고도 손쉽게 quasi flat-top 분포를 형성하여 가공에 적용할 수 있는 품질 개선 방안을 제시하는데 의의가 있다고 사료된다.
- 46J/cm2 이상의 에너지 밀도에서는 모두 제거되는 것을 확인 하였다. 본 결과는 가변 슬릿과 렌즈의 간단한 조합으로 얻을 수 있는 빔 쉐이핑 기법이 ITO 박막 패터닝시 가공 품질 향상에 효과가 있음을 실험적으로 증명함으로써 실제 현장에서 디스플레이 패널상의 ITO 박막을 레이저로 가공할 때 DOE와 같은 고가의 광학계를 사용하지 않고도 손쉽게 quasi flat-top 분포를 형성하여 가공에 적용할 수 있는 품질 개선 방안을 제시하는데 의의가 있다고 사료된다.
- 35J/cm2 이하에서는 인듐(In)과 주석(Sn)성분이 모두 잔존하는 것으로 보아 유리 기판위의 ITO 박막이 완전히 제거 되지 않았을 가능성이 큰 것으로 판단하였다. 이를 통해 유리 기판에 손상을 주지 않고 효과적으로 ITO 박막을 제거하는 가공 에너지 밀도의 범위는 0.46J/cm2 이상임을 결정하였다.
- 5TW/cm2)으로 얻어졌다. 측정된 ablation threshold는 기존 문헌들에서 얻어진 값들과 비슷한 범위이나 가공시 사용된 레이저 펄스 및 파장, ITO 박막의 두께 및 성막 조건에 따른 변화로 인해 약간 상이한 결과를 얻었다.3,7
후속연구
- 정보의 양과 질이 모두 중요해짐에 따라 빠른 정보 검색 및 높은 확장성 등 사용자 편의를 위한 터치스크린 기능은 모바일 기기에 있어서 필수적인 요소로 자리매김 하고 있다. 현재 모바일 정보 기기의 의존도가 높아지는 추세에 있으므로 터치스크린의 성장 잠재력은 더욱 높아질 전망이며 점차 그 적용 범위가 확대될 것으로 예상된다.1
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