빠르고 간단하게 구리 배선 만드는 원천기술 개발 - 스마트기기 터치패널 제작 성공, 모바일/웨어러블 산업에 적용 기대

빠르고 간단하게 구리 배선 만드는 원천기술 개발 - 스마트기기 터치패널 제작 성공, 모바일/웨어러블 산업에 적용 기대

 

등록일 2016-07-26

 

 

 

 
빠르고 간단하게 구리 배선 만드는 원천기술 개발 
- 스마트기기 터치패널 제작 성공, 모바일/웨어러블 산업에 적용 기대 -  
 

□ 전자제품에서 볼 수 있는 복잡한 전자 회로. 이 전자 회로를 연결하는 배선은 대부분 구리로 만든다. 현재 구리배선을 친환경적이면서 간단하고, 전자제품 소형에 따라 미세하게 개발해야 하는 난제를 안고 있다. 이를 해결할 수 있는 원천기술이 개발되었다.

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 강봉철 교수(금오공대), 양민양 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 “구리 나노입자*에 흡수율이 낮은 광원**을 사용하여 누구나 쉽게 다양하고 자유롭게 설계가 가능하고, 치밀하고 전류흐름이 매우 높은 구리 배선을 제작하는 단일 공정 기술을 개발하였다.”고 밝혔다.
      * 나노입자: 10억분의 1미터인 나노미터 단위(nm)에 근접한 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위로 구성된 입자형 물질로서 크기가 수 nm에서 수백 nm 크기의 범주에 속하는 입자
      ** 광원 : 빛을 내는 물체 또는 도구로서 태양, 달과 같이 자체적으로 빛을 생성하거나 반사하여 빛을 내는 물체가 있음. 인위적인 광원으로는 열, 전기에너지를 복사에너지로 변환하는 전구, LED, 레이저 등이 있음.

□ 연구팀은 금속 나노입자에 흡수율이 낮은 레이저 광원을 사용하는 것이 깊고 균일한 소결반응***을 일으킬 수 있고 광원도 저렴하기 때문에 보다 효과적일 것이라는 가설을 세우고 연구에 들어갔다.
      ***소결반응 : 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정을 말하며 입자덩어리를 녹는점 이하의 온도로 가열하였을 때, 입자들이 녹으면서 서로 밀착하여 고체로 결정화 현상으로 요업 제품이나 세라믹의 제조에 응용 됨.

□ 연구결과, 고순도 구리 나노입자에 저렴한 광통신용 레이저를 사용하여 원하는 부분만 순간적으로 빠르게 녹이고, 응집시켜 누구나 쉽고 자유롭게 설계가 가능하며, 습기가 많은 공기 중에서도 산화 없이 연속적인 미세 구리막을 형성할 수 있음을 실험적으로 밝혔다. 

□ 연구팀이 개발한 구리 배선은 유독한 화학공정과 높은 에너지를 요구하는 공정이 필요 없다는 면에서 친환경적이다. 현재 상용되는 구리 배선은 유독한 화합물질이 포함되어 있거나, 전류소비가 많아 에너지 소비가 높기 때문이다.

□ 연구팀은 이 공정 원리의 실제 산업적인 유용성과 가능성을 살펴보기 위해 스마트 기기용 투명 터치패널**** 제작에 적용한 결과, 단일층 구리 기반의 눈에 보이지 않을 정도로 매우 미세한 구리선을 만들어 플렉서블 터치 패널 구조를 개발하는데 성공했다. 이는 기존에 희토류*****를 이용하여 5~6겹의 복잡한 구조로 되어 있는 모바일 기기용 터치패널을 대체할 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.
     **** 터치패널: 스크린에 사용자가 손가락이나 펜 등으로 화면을 누르거나 접촉하면 그 위치를 인지하여 시스템에 전달하는 입력장치로서 최근 스마튼폰과 같은 휴대용기기의 보급에 힘입어 널리 사용되고 있는 장치 
     ***** 희토류 : 희토류계 원소는 주기율표 제3족인 스칸듐, 이트륨 및 원자번호 57에서 71일 란탄계열의 15원소를 합친 17원소의 총칭으로 대개 은백색 또는 회색 금속으로 화학적, 광학적, 자기적 등 특성이 우수하지만 지구상에 매장량이 매우 희박하고 대부분의 생산량이 중국이 차지함.

□ 강봉철 교수는“이 연구성과는 단일공정으로 고전도, 고밀도, 고집적의 구리배선을 제작하는 원천기술을 개발한 것이다. 향후 모바일/웨어러블 기기 등의 적용 가능성을 한 단계 높였다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
     ***** 웨어러블 전자 소자 : 일상생활에서 사용하기 편리하고 휴대 또는 착용 가능한 형태의 전자기기. 언제 어디서나 사용자의 요구에 응할 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 제공하고, 안경, 시계, 반지 등과 같은 액세서리, 의복, 또는 신체 이식 형태가 있음. 

□ 이 연구성과는 재료분야의 국제적 학술지인 케미스트리 오브 머터리얼즈 6월 28일자에 실렸다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용       
             2. 연구결과 개요          
             3. 연구이야기            
             4. 용어설명             
             5. 그림설명             

 

 

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Transversally Extended Laser Plasmonic Welding for Oxidation-Free Copper Fabrication toward High-Fidelity Optoelectronics, Chemistry of Materials (2016)
   - 저자 정보 : 강봉철 (교신저자, 금오공대), 박정환 (제1저자, KAIST), 정선호 (공동 제1저자, 한국화학연구언, 이은정 (공동저자, 한국화학연구원), 이선숙 (공동저자, 한국화학연구원), 석재영 (공동저자, KAIST), 양민양 (공동교신저자, KAIST), 최영민(공동교신저자, 한국화학연구원)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 구리는 전자 제품과 부품에 가장 많이 사용되는 전도성 소재이다. 하지만 이러한 전자 제품들이 소형화됨에 따라 보다 미세한 크기로 구리배선으로 만드는 공정이 필요하다. 그리고 구리는 대기상태에서 쉽게 산화되기 때문에 이를 방지할 수 있어야 한다. 기존에는 주로 구리 도금과정 또는 노광이라 불리는 반도체 제조 공정을 통하여 제작하였다. 하지만 많은 유해한 화학물질을 사용해야 했고 고가의 틀을 한번 만들고 나면 변경이 어려워 제품 수명이 점점 짧아지는 요즘 같은 시대에는 적합하지 않다. 그리고 진공상태에서 제작되고 제작과정이 매우 복잡하기에 제작비용이 매우 높다. 그러므로 간단하고 저렴한 방법으로 고전도, 고밀도의 구리 배선을 다양한 회로기판에 제작할 수 있는 공정이 필요하다.
   ○ 강화유리와 2장의 필름, 투명 전극막 2층, 절연층으로 구성되어 있는 기존의 일반적인 투명 터치패널은 투과율이 낮고 패널이 두꺼워서 소형 휴대용 전자기기에 적합하지 않고, 단단한 유리기판에 결합되어 있어서 향후 웨어러블 기기에 적용하는 것이 불가능하다. 비용 측면에서도 매장량이 매우 적은 희소 금속산화물을 전극소재로 사용하기 때문에 재료비용이 매우 높고 다수의 층으로 구성되어 있기에 매우 복잡한 제작과정이 요구되어 제작비용이 높다. 

 2. 연구 내용
   ○ 일반구리의 녹는점에 비해서 나노입자상의 구리는 낮은 온도에서도 쉽게 녹는 현상을 확인하였고, 이는 상대적으로 불안정한 표면원자의 비중이 높기 때문이다. 이에 근적외선 레이저 초점을 조사하면 구리의 녹는점 (약 1100 도) 보다 훨씬 낮은 온도(200~300도)에서 원하는 부분만 구리나노입자를 순간적으로 용융/응집 시킬 수 있고, 이러한 과정이 매우 빠른 속도로 이루어지기 때문에 대기 중 산소와의 반응을 최소화할 수 있어서 결과적으로 산화 없이 연속적인 구리막을 형성할 수 있음을 확인하였다. 전도성을 높이기 위해서는 보다 두꺼운 구리전극이 필요하기에 근적외선 레이저를 사용함으로써 순간적인 용융/응집 과정을 보다 깊고 균일하게 발생시킬 수 있어서 전기 전도성이 높은 두껍고 치밀한 구리전극을 제조할 수 있었다.     
   ○ 기존 모바일 전자기기의 입력장치로 사용되는 터치 패널은 다량의 희토류로 구성되어 있다. 희토류는 희소금속으로서 대부분이 중국에 매장되어 있고 나날이 수요가 증가함에 따라 가격이 급격히 증가하고 있다. 기존의 모바일 기기의 터치 패널은 5~6겹의 다층으로 구성되어 두껍고 복잡한 제조과정이 필요로 하다. 이를 대체하기 위해서 새로이 손가락 터치에 따른 전하량 변화를 감지할 수 있는 구리 망사형상의 정전용량 변화감지 센서를 독립적인 화소(pixel)처럼 단일층으로 구성하였다. 이러한 구조를 개발한 근적외선 레이저와 구리나노입자를 이용하여 눈에 보이지 않을 정도의 매우 미세한 구리선으로 제조하여 투명하면서 반응성이 우수한 터치 패널을 제작하였다. 결과적으로 희토류 없이 구리 단일 재료로 구성된 투명 터치패널을 단일공정으로 제조할 수 있게 된 것이다.

3. 연구 성과
   ○ 기존 공정에 버금가는 고전도성, 고집적, 고품질을 갖는 구리배선 전극을 기존 유리 기판뿐만 아니라 내열성이 낮은 플라스틱 필름기판에도 제작할 수 있었다. 새롭게 고안한 단일층 구리 기반 터치패널 구조에 이 공정을 적용하여 단일공정으로 유연한 투명터치 패널을 제작하는데 성공하였다.  
   ○ 기존 수많은 전자제품의 전극회로 제조공정의 효율성과 원가를 혁신적으로 개선 가능함을 보여준다. 특히 기존 희토류 기반의 터치 패널을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 향후 차세대 모바일 또는 웨어러블 전자제품의 제조에도 적용 가능한 기술이다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 전자 부품/제품에 가장 많이 사용되는 전도성 소재인 구리배선을 제작하는데 유독한 화학물질이 다량 사용되어 인체와 환경이 유해한 오염물질을 다량 배출한다. 그리고 산화를 방지하면서 매우 미세한 크기로 제작하는 위해서는 복잡하고 공정이 필요하고 높은 제조비용이 필요하다. 향후 웨어러블 디바이스 제작을 위해서는 내열성/내화학성이 낮은 플라스틱 기판에 제작할 수 있는 기술이 필요하다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 광통신에 사용되는 저렴한 근적외선 레이저를 초점화하여 구리나노입자에 고집적으로 조사하였다. 근적외선 빛은 구리나노입자에 대한 흡수율이 낮기 때문에 구리나노입자의 광흡수 반응의 강도를 낮추고 지연시켜 레이저 에너지의 흡수길이를 연장함으로서 구리나노입자의 균일한  순간 소결(용융/응집)반응을 유도하였다. 이러한 방법은 대기중 산소와의 화학반응을 차단함으로써 산화 반응을 최소화 할 수 있고 소결반응을 안정적화 시키기 때문에 높은 전도성의 고품질, 고집적 구리전극을 확보할 수 있다. 또한 유리와 같은 내열성이 높은 일번적인 회로기판 뿐만 아니라 플라스틱과 같은 내열성이 낮지만 매우 저렴하고 유연한 회로기판에도 적용할 수 있다. 특히 본 연구에서는 저렴하지만 100도 이하로 내열성이 현저히 낮은 페트(PET) 필름에도 높은 전도성의 구리배선을 제작할 수 있다.
  ㅇ 이에 그치지 않고, 개발한 공법의 실질적인 산업적 활용성을 입증하기 위해서 희토류가 전혀 필요 없는 새로운 개념의 터치 패널 구조를 고안하여 개발 제조 공정을 적용하였다. 새롭게 제안한 터치 패널은 투명전극으로 사용되는 다층의 희토류 전극 박막 대신에 눈에 보이지 않을 정도로 미세한 단일층의 구리 망사배선을 사용하였다. 아주 미세한 배선이기 때문에 눈으로 볼 때는 매우 투명하지만 구리자체의 높은 전도성으로 인해서 터치 센서의 민감도와 반응성은 오히려 기존보다 뛰어난 특징이 있다. 이러한 투명전극을 개발한 레이저 기반의 구리배선 제조공정을 1회만 사용하여 단일층 터치 패널을 제작하는데 성공하였다. 결과적으로 단일층, 저렴한 단일 재료(구리)로 구성된 신개념 터치 패널을 단일공정으로 제조할 수 있었다. 

3. 기대효과
  ㅇ 단기적으로는 기존 희토류 기반의 다층 터치 패널을 대체하여 저렴하고 보다 가볍고 슬림한 터치 패널로 대체하여 원가절감 및 기술경쟁력을 높이는데 기여할 것으로 기대된다. 
  ㅇ 기존 구리회로를 제조하는데 사용되었던 도금, 반도체 공정을 기반으로 하는 대량생산 제조 방식을 대체하여 친환경적이면서 제조 효율을 혁신적으로 개선할 수 있을 것으로 예상된다. 이로써 기존 다양한 전자 기기의 회로 제작이 용이해지고 과도한 초기비용 및 시설의 필요 없이 누구나 손쉽게 원하는 전자회로를 제작할 수 있을 것으로 예상된다. 더 나아가 3D 프린팅과 연계하여 제품 개발단계에서 뿐만 아니라 양산 단계에서도 전자제품 제조에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 
  ㅇ 다양한 회로기판 (유리, 플라스틱, 바이오 등)에도 적용이 가능하여 곧 도래할 것으로 예측되는 웨어러블 시대의 전자기기 및 부품과 첨단 의용공학의 핵심 제조 공법으로 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

레이저를 이용한 제조 공정을 연구해오면서 실제 산업에 적용되기 위해서는 저렴한 광원과 재료, 친환경 공정이어야 함을 알았다. 이를 위해서는 원천 공정 개발단계에서 이러한 점을 반영하여 목표를 설정하였다. 뿐만 아니라 양산적용 단계에서의 시행착오를 최소화하기 위해서 개발공법을 산전에 연구단계에서부터 실제 제품개발에 적용하는 연구를 하게 되었다.  

□ 연구 전개 과정에 대한 소개 

레이저 공정 전후의 구리의 산화정도가 전도성에 직결되기에 화학조성 변화를 관찰하는 것이 가장 중요했다. 이를 위해서 한국화학연구원과 협력하여 고순도 구리 나노입자의 레이저에 따른 단층 화학성분 측정이 가능했다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

구리나노 용액은 초기개발품으로 최적화되어 있지 않아 기판에 균일하게 코팅되지 않았다. 그러나 다양하게 용매를 바꿔서 시도하고 코팅조건도 매우 넓은 범위에서 실험하여 최적의 코팅조건을 찾을 수 있었다.  

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

일반적으로 레이저 가공에서는 대상재료에 흡수가 잘되는 레이저를 사용하는 것이 통상적이다. 그렇기에 나노입자용액의 레이저 소결에서도 흡수율이 높은 레이저를 사용했었지만 좋은 성과를 얻지 못했다. 하지만 본 연구에서는 나노입자 뿐만 아니라 유기용매에 대한 레이저 반응도 동시에 고려하여 최적의 레이저를 선정할 수 있었고, 결과적으로 기존 통념을 깨고 흡수율이 낮은 레이저가 나노입자 소결에 적합함을 실험적으로 입증하였다.   

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이 연구에서 개발한 구리기반 투명터치패널을 실제 터치패널 생산에 적용하는 것이 단기적인 목표이다. 학술적으로는 본 공정을 구리 이 외의 다른 종류의 금속배선의 제조에 적용하는 것과 무기물 또는 탄소 계열의 소재에도 적용할 예정이다. 

 

 

용 어 설 명

1. 케미스트리 오브 머터리얼즈(Chemistry of Materials) 誌
  ○ 미국화학회의 재료 및 화학분야를 다루는 과학 전문 학술지. 재료과학 및 다학제 간 분야 상위 5%인 우수 학술지(피인용지수 : 9.407)

2. 소결
  ○ 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정을 말하며 입자덩어리를 녹는점 이하의 온도로 가열하였을 때, 입자들이 녹으면서 서로 밀착하여 고체로 결정화 현상으로 요업 제품이나 세라믹의 제조에 응용된다.

3. 레이저
  ○ 광자를 걸맞은 빛으로 방출하는 광원으로 하나의 파장이나 색으로 이루어진다. 일반적으로 태양광과 달리 레이저 빔은 가늘고 퍼지지 않고 렌즈를 이용하여 파장크기까지 빛을 집속 가능하다.

4. 노광
  ○ 마스크에 빛을 통과시켜 반도체 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 공정. 흔히 카메라 셔터로 빛을 조절하는 노출(exposure)하는 것과 같은 원리로 반도체 공정에서 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 의미함.

5. 터치패널
  ○ 사용자가 스크린을 보면서 직접 위치를 지정할 수 있는 대화형 그래픽 입력 장치의 일종으로 주로 평판 디스플레이 화면에 투명한 패널을 씌워 사용자가 손가락 끝으로 접촉하면 그 위치가 컴퓨터에 입력되게 함. 주로 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기의 입력장치로 주로 사용

6. 웨어러블 기기
 ○ 일상생활에서 사용하기 편리하고 휴대 또는 착용 가능한 형태의 전자기기. 언제 어디서나 사용자의 요구에 응할 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 제공하고, 안경, 시계, 반지 등과 같은 액세서리, 의복, 또는 신체 이식 형태가 있다.

7. 도금
 ○ 금속 또는 기타 플라스틱 등의 표면에 전기적, 화학적 및 기타의 물리적 및 화학적 방법을 이용하여 금속을 모재 위에 입히는 것. 전기회로용 구리도금은 주로 전해도금 또는 무전해 도금을 이용하여 플라스틱 보드판 위에 금형을 이용하여 선택적으로 구리를 입혀서 완성 

 

 

그 림 설 명

                

       
        (그림1) 구리나노입자의 낮은 레이저 흡수 반응에 의한 광 투과깊이 확장 현상과 그에 따른 구리나노입자의 무산화 동시 소결 반응 원리 개략도
                순도 99%의 구리나노입자 용액에 파장 1,070nm의 근적외선 레이저 초점을 조사하여 순간적인 용융/응집현상을 일으켜 연속적이고 치밀한 구리 배선 형성. 이 때 레이저 강도를 조절함으로써 유기물의 증발속도와 소결속도를 최적화할 수 있고 이로써 나노입자의 대기 중 산소와의 화학반응을 차단하여 무산화 구리막 형성.
        

 

 

        (그림 2) 기존 터치 패널 구성(좌)과 일체형 터치 패널의 구성(우)도의 비교
        기존 모바일 기기에 사용되는 터치 패널은 총 5~6층으로 구성 (유리기판, 테두리 전극, 희토류 투명전극 필름, 절연층, 테두리 전극, 희토류 투명전극 필름 등)되어 두껍고, 유연하지 않으며, 제조공정이 복잡함. 이러한 문제를 해결하기 위해서 고경도 플라스틱과 구리 투명망사 센서와 테두리 전극이 일체형으로 되어 있는 구조를 고안하였음. 단일층 구성으로 슬림하며 제조공정이 간단하고 희토류 기반의 기존 터치 패널보다 투과율과 터치 반응이 우수함.
       

 

   (그림 3) 단일공정 구리배선 제조 기술을 이용한 구리 기반 단일층 터치 패널 공정 흐름도
       다양한 회로기판(유리, 플라스틱 필름, 바이오 소자 등)에 고순도 구리나노입자 용액을 박막으로 전면에 코팅함. 근적외선 레이저 초점을 단일층 터치센서 컴퓨터 설계도면에 따라서 이송시켜 투명 구리 망사 센서와 테두리 전극 배선을 동시에 제조함. 레이저 조사가 완료되고 난 후, 세척용액을 이용하여 레이저 조사 영역의 미세 구리전극만 회로 기판상에 남겨두고 나머지는 제거. 최종 터치 패널 제어모듈과 결합하여 단일층 플렉서블 터치 패널 완성