비용을 이용한 유연한 기판에 구리 레이저 패터닝

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21149(2022) 이 기사 인용

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우리는 저렴한 3D 프린터에 부착된 405nm 레이저 모듈을 사용하여 얇은 폴리이미드 기판(PI 두께: 12.5~50μm)에서 구리(Cu)의 비용 효과적인 직접 레이저 패터닝을 연구했습니다. 레이저의 초점 거리는 미리 결정된 공정 조건에서 패턴화된 Cu의 결함과 PI의 표면 손상을 줄이기 위해 의도적으로 제어되었습니다. 다양한 초점 거리에서 적절한 초점 거리를 조사했습니다. 실제 초점 거리에 비해 짧은 초점 거리(SFL)와 긴 초점 거리(LFL)에서 각각 -2.4mm와 3mm의 초점 거리가 발견되었습니다. 그 결과 라인 결함 없이 깨끗한 Cu 라인 패턴을 얻을 수 있었습니다. 흥미롭게도 SFL 케이스는 LFL과 다른 Cu 성장 패턴을 갖고 있어 레이저 입사각의 작은 차이가 Cu 전구체 소결에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다. Cu 사각형 패턴은 3~4회 레이저 스캔 후 LFL의 경우 70μΩ·cm의 낮은 저항률을 보인 반면, SFL의 경우 1회 레이저 스캔의 경우 48μΩ·cm 미만의 저항률을 나타냈습니다. PI의 Cu 전구체 잔류물은 흐르는 물과 일반 계면활성제를 사용하여 쉽게 제거되었습니다. 그러나 세척 후 패턴의 저항력이 감소했습니다. 스캔 갭 중 70μm 스캔 갭에 형성된 Cu 사각형 패턴은 면저항이 가장 낮았으며 세정 후 약 4에서 4.4 Ω/ϒ로 저항 변화가 가장 적었습니다. 이러한 결과는 코팅된 Cu 전구체가 적절한 공정 조건 하에서 잘 소결되면 패턴화된 Cu의 접착력이 향상될 수 있음을 의미한다. 이 방법을 바이오센서를 비롯한 생체전자공학에 적용하기 위해 팔 피부에 부착된 PI의 Cu 패턴에 LED를 연결했고, 전원 연결 시 기판 PI가 구부러져도 잘 작동했다.

민감하고 유연한 기판의 소형 휴대용 장치에는 진공 증착, 포토레지스트 및 독성 화학 에칭이 필요한 리소그래피 공정 대신 직접 패터닝 공정이 필요합니다. 따라서 은(Ag), 금(Au)8,9,10과 같은 금속 나노입자 잉크를 이용한 직접 패터닝 공정이 광범위하게 연구되어 왔다. 고가의 귀금속 대신 구리(Cu) 기반 복합재가 우수한 열적, 전기적 특성과 비용 효율성으로 인해 주목받고 있습니다11,12,13. 그러나 귀금속(Au, 1.52V; Ag, 0.799V)에 비해 산화 전위 에너지(0.34V)가 낮기 때문에 공기 중에서 쉽게 산화되는 단점이 있습니다11. 따라서 주변 환경에서 Cu 전구체를 감소시키기 위해 열 소결을 사용할 수 없습니다. 최근 대체적인 열소결 방법으로 수많은 시도가 보고되고 있다. 효과적인 기술 중 하나는 보호 코팅을 적용하거나 코어-쉘 구조에 얇은 귀금속을 사용하여 Cu-NP를 보호하고 안정화하는 것입니다. Cu 전구체는 대규모 생산 라인18,19,20,21에 쉽게 통합될 수 있는 고전력 플래시 램프를 사용하여 소결할 수도 있습니다. 이 방법은 몇 밀리초 내에 완전 소결을 위해 Cu 전구체를 고온으로 가열할 수 있어 공기 중에서 Cu의 산화를 최소화하고 폴리머 기반 기판에 영향을 줄 수 있으므로 이 광소결은 대면적 인쇄 전자 장치에 매력적인 옵션입니다. 그럼에도 불구하고 플래시 램프는 강력하고 넓은 스펙트럼의 빛을 방출하므로 폴리머 기반 기판의 부분 변형을 일으킬 수 있습니다. 그러나 이러한 위험을 완화하기 위해 플래시 강도를 낮추면 소결 품질이 저하됩니다. 또한, 이 방법은 직접 패터닝 방식이 아니며, Cu 소결 전후에 추가적인 패터닝 공정이 필요하다.

또 다른 유망 기술은 직접 레이저 소결22,23,24,25,26,27입니다. 초점을 맞추는 동안 초점이 맞춰진 빔 에너지는 전구체에 흡수되어 국지적이고 일시적인 가열 과정을 유도하여 빠른 소결을 초래합니다. 결과적으로, 광학계와 금속 전구체에 의해 해상도가 제한될 수 있는 금속 패턴을 얻을 수 있습니다. 빠른 스캐닝으로 수 마이크로미터 너비의 고해상도 금속 패턴을 제공할 수 있습니다. 또한, 주변 조건에서는 소결 시간이 충분히 짧으면 Cu 산화가 방지됩니다. 소결되지 않은 잉크는 세척을 통해 쉽게 제거되며, 이로써 패터닝 공정이 완료됩니다. 그러나 이 공정은 에너지 밀도가 높은 집중된 레이저를 사용하기 때문에 폴리머 기반 기판을 손상시킬 수 있습니다.