SuPR-NaP 법을 이용한 플렉시블 터치 패널 센서

연구자·개발자

쿠보 히토시
다나까귀금속공업
화학 재료 개발부

하세가와 타츠오
도쿄 대학 대학원 공학계 연구 교수
AIST 유연한 전자 연구 센터

일본의 마이크로 일렉트로닉스 분야에서는 산관학의 성공례가 앞으로 활발해질지도 모른다. 산업계의 다나까귀금속공업, 독립행정법인의 산업기술종합연구소, 그리고 문부과학성 산하의 야마가타대학과 도쿄대학, 이들이 손을 플렉시블 일렉트로닉스 기술의 실용화에 가깝게 했다.

배선 폭이 1μm를 자를 정도로 미세한 배선으로, 게다가 투명전극으로 사용할 수 있는 은 배선 기술(그림 1)을 이러한 산관학이 개발, 산업계의 다나까귀금속 2017년 1월 샘플 출하를 목표로 제품화를 진행하고 있다.

얇은 배선 플렉스는 처음

지금까지 플렉시블 일렉트로닉스라고 해도 실용화에는 멀었다. 최소의 배선폭은 최소라도 30μm 정도가 겨우 가공할 수 있는 한도였다. 이 때문에 접을 정도로 구부러지는 플렉시블 회로 기판 (FPC)에는 100μm 이상의 배선이 사용되어 왔다. 종래의 리지드 기판 끼리를 연결하는 플렉시블 기판 으로서의 용도는 있었다. 그러나 그만큼 많은 응용은 전망할 수 없었다.

게다가 iPhone8의 디스플레이용으로 유기 EL이 사용된다는 소문이 퍼져, 최근 1년 정도에 유기 EL이 갑자기 주목을 끌게 되어 왔다. 그러나, 50㎛ 정도의 배선 폭에서는, 유기 EL 디스플레이의 화소 내의 배선을 형성하기에는 너무 굵다. 수 μm 레벨까지 미세화하지 않으면 만족스러운 유기 EL 디스플레이는 형성할 수 없다.

기판이 얇은 유리라면 어느 정도는 구부러져 열처리에도 견딜 수 있기 때문에 배선을 가공하는 리소그래피 기술을 사용하여 디스플레이를 제작할 수 있었다. 한국의 LG전자가 유기 EL TV, 삼성전자는 스마트폰에 유기 EL 디스플레이를 실용화하고 있다. 모두 유리 기판에 형성되어 있기 때문에, 그렇게 크게 구부릴 수는 없다. 곡률 반경은 수cm~10cm로 크고, 접히는 형태의 스마트폰을 제조하는 것은 어렵다. 그러나, 유기 폴리머와 같은 수㎜의 곡률로 구부러지는 플라스틱 필름에 얇은 배선을 형성할 수 있게 되면, 유기 EL의 화소내 배선을 미세하게 할 수 있다.

트랜지스터 또는 배선을 플라스틱 필름 상에 형성하기 위해서는 고온에 노출하는 것이 허용되지 않는다. 따라서 80 ℃ 이하의 온도에서의 열처리 공정이 요구된다. 이 악조건으로 1μm와 미세한 배선을 플렉시블한 플라스틱 필름(PET 수지) 위에 형성할 수 있는 기술을 산관학으로 개발한 것이다.

산 총연의 플렉스와 다나카의 잉크

이 기술이 개발된 배경을 소개하면, 우선 산총연은 플렉시블한 특성을 가지는 프린티드 일렉트로닉스(인쇄 기술을 응용하는 전자 회로의 형성 기술)의 실현을 목표로 폭넓은 연구 개발을 실시하고 있다. 그 중에 플라스틱 필름 기판의 표면 개질 기술의 활용이 있었다. 산총연의 플렉시블 일렉트로닉스 연구센터의 부센터장을 맡고 있던 하세가와 카오루씨는 프린트 기술을 개발하고 있었다. 2014년 1월에 도쿄대학 대학원 공학계 연구과 물리공학 전공의 교수로 취임함으로써 대학과의 관계가 강해졌다. 한편, 야마가타대학 학술연구원의 구리하라 마사토 교수는 은 나노입자를 유기용제에 녹인 특수한 잉크를 발명·개발하고 있었다. 다나까귀금속은 야마가타대의 발명한 은 나노 입자를 녹인 잉크를 제품 개발하고 있다.

하세가와 교수가 개발한 제조 공정과 이 은 나노 잉크가 이 기술의 열쇠를 쥐게 되었다. 우선 「슈퍼 냅(Surface Photo Reactive Nanometal Pattering)법」이라고 부르는, 이 프로세스를 소개하자(그림 2). 플라스틱 필름 상에 비정질 불소계 중합체 층을 코팅하는 단계; 불소계 폴리머층은 빛이 닿으면 표면이 개질되어 활성이 높은 물질로 변한다. 따라서, 얇은 배선이어야 할 부분 만 빛을 통과하고, 그 밖에 빛을 통과시키지 않는 마스크를 준비한다. 말하자면, 포토리소그래피의 마스크 기판과 마찬가지로, 마스크 기판에 그려진 패턴만이 빛을 통과할 수 있다. 중합체 층의 표면 개질에 필요한 광은 172 nm 파장의 원 자외선이며, Xe 가스가 채워진 엑시머 램프에 의해 생성된다.

은 나노 잉크의 보호막이 열쇠

이 방법의 키모는 활성 표면에만 닿는 잉크입니다. 야마가타대의 구리하라 교수가 발명한 이 잉크를 제품화해 판매하고자 하고 있는 다나까귀금속에 의하면, 은의 나노 입자는 그 직경이 10~15 nm의 구형의 표면에 보호막을 씌운 것이라고 한다. 보호막이 없으면 은끼리가 붙어 버려 잉크에 균일하게 녹지 않게 되기 때문이다. 종래에는 이 보호막으로서 카르복실기를 갖는 막을 사용하고 있었다고 한다. 그러나, 카르복실기는은과 강하게 결합하기 때문에, 이 보호막을 떼어낼 때에는 250℃ 이상의 열을 가하지 않으면 안 되었다. 산총연의 슈퍼업법에서는, 은의 보호막을 기판에 올릴 때에는 벗겨져야 한다.

그래서, 은과의 결합이 약한 알킬아민기를 갖는 재료를 보호막에 사용하였다. 은 표면은 보호막으로 덮여 있지만, 알킬아민기의 보호막은 평형 상태에서 흡착과 탈리가 존재하고, 각각의 아민기가 교환하고 있다고, 다나까귀금속공업 공업의 기술 개발 부문 쓰쿠바 테크니컬 센터 화학 재료 개발부 매니저의 쿠보 히토시씨는 말하고 있다. 이 준안정(메타스 테이블) 상태인 채, 잉크 중의 은 나노 입자는 수개월 동안 그 상태가 유지되고 있다고 한다.

기판 표면의 폴리머 활성층에는 카르복실기가 형성되어 있고, 거기에 10~15nm로 미세한 은의 입자가 오면, 아민기가 벗겨져 은 나노 입자는 카르복실기와 붙게 된다(도 2). 폴리머 활성층의 폭은 마스크 패턴과 거의 같은 폭이므로, 1μm 폭의 경우, 직경 15nm의 은 나노 입자가 평균 66~67개 붙어 있게 된다. 은끼리도 붙기 쉽기 때문에, 배선의 벌크에는 은 나노 입자가 밀집해, 배선의 외측에 알킬아민기가 붙은 상태가 된다. 그 후 80℃ 이하의 온도에서 열처리하면, 아민기가 박리되고, 배선 저항이 열처리 전의 1/10으로 내려간다. 지금까지 0.8μm로 가장 미세한 선폭의 프린트 기판 배선을 그리는 데 성공했다 (그림 3).

배선이 너무 가늘고 투명하게 보입니다.

일반적인 프린트 기판 에서는 은이 아닌 구리의 배선 패턴이 많다. 왜 은을 사용했는가. 구리는 전기 저항이 은보다 낮다는 특성을 갖기 때문에 프린트 기판에 사용되고 있지만, 구리는 산화되기 쉽다는 단점이 있다. 구리 표면이 산화되면 전기 저항이 급격히 높아집니다. 산화물은 절연체이기 때문이다. 이 때문에 구리의 패턴이나 구리 와이어를 사용하는 경우에는 산화 방지를 위해 질소와 같은 불활성 가스 중에서 작업해야 한다. 프린트 기판 에서는, 수지 기판 일면에 구리를 붙인 후에 보호막을 덮어 산화를 방지하고 있다. 무엇보다 구리로 잉크는 할 수 없었다.

이번과 같이 미세한 배선 패턴이라면, 가시광은 회절을 일으켜 빛의 파도가 패턴의 뒤까지 돌아서 거의 투명하게 보인다. 다양한 패턴을 준비하여 그 전기 저항값을 바꾸면서 빛의 투과율을 측정한 결과, 문헌 등에서 발표된 데이터와 비교하여 거의 톱에 상당하는 투명도였다(도 4).

또한 플렉시블 일렉트로닉스에의 응용을 고려하여 굽힘 시험도 실시하고 있다(도 5). 곡률 반경 5mm에서는 1만회의 접힘 피로 시험을 실시해도 전기 저항은 거의 변화하지 않는다. 반경 2.5mm를 반복하면 20~30회 정도부터 전기 저항이 상승하지만, 이것은 기초의 PET 기판이 엉망이 되기 시작한 것에 의한다고 한다. 실용적으로는 유연한 단말로서 사용할 가능성은 높다.

그러나, 은의 배선은 은 이온의 일렉트로 마이그레이션에 의해 덴드라이트가 형성되고, 전극간이 단락하는 신뢰성의 문제가 남는다. 이 때문에 수분을 가능한 한 배제하고, 확실하게 보호막을 피하고, 대책을 칠 필요가 있다. 이에 대해 다나까귀금속 대책은 취하고 있다고 한다.

넓은 응용을 목표로

이 기술의 개발에 의해, 산총연과 동대, 야마가타대, 다나까귀금속은 Nature Communications에 투고, 2015년 12월 20일에 수리되어, 2016년 4월에 발행되었다(참고자료 1).

실용화를 위해 다나까귀금속이 기술을 이용한 유연한 터치 패널 센서를 시작하고 있으며, 그 제품화를 도모한 샘플을 2017년 1월 샘플 출하할 계획이다. 이 회사는 밝히지 않았지만 FHE(Flexible Hybrid Electronics) Alliance의 Michael Ciesinski 회장에게 인터뷰했을 때 플렉시블 일렉트로닉스는 제트 전투기의 파일럿 헬멧 내의 전자 회로 나 둥글게 되는 스마트폰 등의 아이디어는 나오고 있다고 말했다.

참고 자료

1. T.Yamada, K. Fukuhara, K. Matsuoka, H. Minemawari, J. Tatsumi, N. Fukuda, K. Aoshima, S. Arai, Y. Makita, H. Kubo, T. Enomoto, T. Togashi, M. Kurihara, and T. Hasegaverprint "Nanoparticle patterning with submicron resolution," Nature Communications, 19 April 2016.

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