KR102626873B1 - HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공챔버에서 HiPIMS를 이용하여 전극을 형성하는 증착 방법에 있어서, 진공챔버를 포함하는 HiPIMS진공장비를 통해 은증착물이 운동에너지를 갖도록 함에 있어 타겟에 강한 플라즈마를 형성하여 기존에 비해 월등히 많은 수의 은이온을 형성하고, 플라스틱피도물에 높은 전원을 인가하여 은이온의 운동에너지를 극대화하는 (a)단계와; 운동에너지의 충돌에도 불구하고 플라스틱피도물의 열적손상을 최소화하여 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 우수한 접착력을 구현하는 (b)단계를 포함하고, (a)단계에서 HiPIMS진공장비는 진공챔버와, 진공챔버 내부로 가스를 주입하는 스프터장비를 포함하여 구성되며, HiPIMS진공장비의 진공챔버 내부에 타겟에는 (-)전원이 인가되고, 진공챔버에는 (+)전원이 접지되는 구조를 가지며, HiPIMS진공장비는 단독으로 사용되지 않고 외부의 직류전원부로부터 인가된 직류 전원을 제공하는 (c)단계와; 직류전원부에서 제공되는 전압 및 직류를 조절함과 동시에 다양한 형태의 진동패턴(modulation & oscillation)을 통해 고출력의 플라즈마 발생을 조절하는 제어부에 의해 진동패턴에 따른 전압 및 전류의 세기를 제어하는 (d)단계를 포함하는 것을 특징으로 HiPIMS 증착 장비를 활용해 전자디바이스의 외부에 노출되는 전극 형성을 위한 전극 증착기술에 대한 것으로, 스마트폰, 태블릿PC, 노트북, 스마트워치 등 전자 디바이스에 있어 외부로부터 전류 및 전파를 효과적으로 받아들이기 위해 필요한 전극을 증착하기 위한 기술이다.
Description
본 발명은 플라스틱피도물에 전극을 증착하기 위한 전극 증착 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 얇고 정밀한 증착 두께로 조절 가능하고, 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 우수한 접착력으로 차세대 통신 기술 및 헬스케어 분야에서의 디바이스에 요구되는 외부 전극을 형성할 수 있는 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법에 관한 것이다.
증착기술은 반도체, 에너지, 회로, 전자통신 등 현대 전자 산업에 있어 핵심이 되는 기술로, 크게 물리적기상증착법(PVD), 화학적기상증착법(CVD)의 건식 증착공정과 도금, 스프레이, 담금 등으로 이루어진 습식 증착공정으로 이루어진다.
각각의 증착기술은 은증착물 및 플라스틱피도물에 따라 그 장단점이 달라지기 때문에 은증착물과 플라스틱피도물에 맞는 적절한 증착기술을 활용하는 것이 매우 중요하다.
기존에는 전자 디바이스의 외부에 안테나 전극을 노출시킬 필요성이 크지 않았으나, 최근 5G, 6G와 같이 전자 통신에 극단파장의 전파가 사용됨에 따라 전파 수신율을 높이기 위해 디바이스의 안테나 전극을 외부로 노출시킬 필요성이 커지고 있다.
뿐만 아니라, 헬스케어분야의 응용에 있어서는 디바이스에 외부로부터 전기적 신호를 받아 사용자 및 사용자 주변 환경의 데이터를 인식하는 기능이 요구되고 있으며, 이를 위해서는 필연적으로 디바이스의 외부의 센서 기능을 위한 전극이 필요하게 된다.
이러한 상황으로 인해 전자 디바이스의 주요 소재인 플라스틱피도물에 은증착물로 구성된 전극을 증착하는 기술의 필요성이 크게 증가하고 있다.
하지만 기존의 증착기술에 있어 플라스틱피도물은 은증착물과의 접착력이 매우 좋지 않은 문제를 가지고 있다.
또한, 습식 증착공정은 정밀한 두께의 조절이나 얇은 두께의 구현이 쉽지 않은데, 은증착물의 사용량을 줄이기 위해 뿐만 아니라 조립 단차, 다양한 색상의 구현을 위해서는 수십나노미터의 얇은 두께와 정밀한 증착이 반드시 필요한 상황이다.
이에 얇고 정밀한 증착이 가능한 건식증착공정이 외부 노출 전극 형성에 가장 효과적인 증착기술로 고려되고 있다.
하지만, Arc-PVD, CVD와 같은 고에너지, 고온이 필요한 증착기술은 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 높은 접착력을 구현할 수 있는 반면 플라스틱피도물에 데미지를 준다는 한계를 가지고 있다.
Arc-PVD는 또한, 플라스틱피도물의 형상에 따라 강한 아크 방전이 플라스틱피도물에 발생할 수 있으며 이에 플라스틱피도물이 데미지를 입게 되는 문제 역시 가지고 있다.
반면에, 스퍼터링(Sputtering), 증발 증착 등의 저에너지 증착법은 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 낮은 접착성 문제를 해결하지 못하고 있는 상황이다.
한편, 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS; High Power Impulse Magnetron Sputtering, 이하, HiPIMS로 기재함.)은 낮은 듀티 사이클에서 수십 마이크로초의 짧은 펄스(임펄스)로 kW·cm-2 정도의 매우 높은 전력 밀도를 갖는 비교적 최신의 기술이다.
HiPIMS의 두드러진 특징은 수 ~ 수백 us의 펄스(pulse)와 10㎐ ~ 10KHz의 주파수를 사용해 수Acm-2의 높은 피크전류를 만들어 결과적으로 높은 플라즈마를 형성한다는 데 있다.
이렇게 형성된 높은 플라즈마는 타겟 물질의 이온화를 가속하고, 결과적으로 높은 밀도의 박막을 증착할 수 있게 한다. 하지만 타겟 물질의 높은 이온화율은 단순히 증착된 박막의 밀도를 높일 뿐 아니라 증착 박막의 접착력을 높이는 데 주요한 역할을 할 수 있다.
이온화된 타겟 물질은 플라스틱피도물에 인가된 전원에 의해 더욱 강한 힘으로 플라스틱피도물에 이끌리게 되며, 이는 곧 타겟 물질이 강한 운동에너지를 갖고 플라스틱피도물에 충돌하는 것을 뜻한다.
하지만, HiPIMS의 이러한 특징은 상기 언급한 타겟 물질의 높은 운동에너지로 인해 플라스틱피도물에 데미지를 준다는 한계를 가지고 있다.
따라서, 상기 언급된 모든 건식증착법에 있어 플라스틱피도물과 은증착물 간의 높은 접착력을 확보함과 동시에 플라스틱피도물의 낮은 고온 저항성을 해결할 수 있는 기술의 발명이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 HiPIMS에 의한 박막 증착을 통해 얇고 정밀한 증착 두께로 조절 가능하고, 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 우수한 접착력으로 차세대 통신 기술 및 헬스케어 분야에서의 디바이스에 요구되는 외부 전극을 형성할 수 있는 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 진공챔버에서 HiPIMS를 이용하여 전극을 형성하는 증착 방법에 있어서, 진공챔버를 포함하는 HiPIMS진공장비를 통해 은증착물이 운동에너지를 갖도록 함에 있어 타겟에 강한 플라즈마를 형성하여 기존에 비해 월등히 많은 수의 은이온을 형성하고, 플라스틱피도물에 높은 전원을 인가하여 은이온의 운동에너지를 극대화하는 (a)단계와; 운동에너지의 충돌에도 불구하고 플라스틱피도물의 열적손상을 최소화하여 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 우수한 접착력을 구현하는 (b)단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법을 제공한다.
여기서, (a)단계에서 HiPIMS진공장비는 진공챔버와, 진공챔버 내부로 가스를 주입하는 스프터장비를 포함하여 구성되며, HiPIMS진공장비의 진공챔버 내부에 타겟에는 (-)전원이 인가되고, 진공챔버에는 (+)전원이 접지되는 구조를 가지며, HiPIMS진공장비는 단독으로 사용되지 않고 외부의 직류전원부로부터 인가된 직류 전원을 제공하는 (c)단계와; 직류전원부에서 제공되는 전압 및 직류를 조절함과 동시에 다양한 형태의 진동패턴(modulation & oscillation)을 통해 고출력의 플라즈마 발생을 조절하는 제어부에 의해 진동패턴에 따른 전압 및 전류의 세기를 제어하는 (d)단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 직류전원부로부터 타겟 인근에 플라즈마를 발생시키는 제어부의 제어조건은 펄스 피크 전력은 0.2 ~ 1.0㎾의 범위를 가지며, 전압은 200 ~ 400V, 전류는 1A ~ 2.5A의 범위를 가지고, 펄스의 길이는 40 ~ 200㎲, 주파수는 300 ~ 500㎐의 범위를 갖고, 증착기판에는 100 ~ 200V의 전원이 인가되는 것을 특징으로 한다.
한편, (a)단계에서 증착 중에 진공챔버 내부의 기압은 불활성 기체의 주입과 진공펌프에 의해 0.1×10-3 ~ 1.0×10-3 torr의 범위의 압력으로 진공챔버 내부에 존재하는 온도측정기의 기준으로 온도는 50 ~ 100℃의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 플라스틱피도물에 은증착물을 증착하여 전극을 형성할 수 있으며, 최적의 증착 조건 하에서 플라스틱피도물, 은증착물 사이의 우수한 접착성을 유지하면서 동시에 기존의 한계였던 플라스틱피도물에 대한 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법을 나타내는 순서도.
이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 각 단계를 통해 진공챔버에서 HiPIMS를 이용하여 전극을 형성하는 증착 방법을 제안할 수 있다.
우선적으로, 하기 언급된 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 낮은 접착력을 해결하기 위한 기존의 방법은 증착공정 중 플라스틱피도물의 열적 또는 물리적 데미지로 인하여 효과적인 결과를 얻지 못하는 상황을 파악하여 이에 따른 대안을 제안할 수 있다.
즉, 기존의 증착기술은 플라스틱피도물에 강하게 충돌하는 은증착물은 높은 접착력을 보장하지만, 그에 비례하여 약한 플라스틱피도물에 강한 데미지를 입히는 것을 방지할 수 있다.
이를 해결함에 있어 HiPIMS진공장비의 효과적인 활용 가능성을 제안함은 물론, 보다 구체적으로 과제를 해결하기 위한 최적의 증착 조건을 제시한다는 데 큰 의의가 있다.
진공챔버를 포함하는 HiPIMS진공장비를 통해 은증착물이 운동에너지를 갖도록 함에 있어 타겟에 강한 플라즈마를 형성하여 기존에 비해 월등히 많은 수의 은이온을 형성하고, 플라스틱피도물에 높은 전원을 인가하여 은이온의 운동에너지를 극대화하는 (a)단계(S100)를 제공할 수 있다.
한편, 운동에너지의 충돌에도 불구하고 플라스틱피도물의 열적손상을 최소화하여 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 우수한 접착력을 구현하는 (b)단계(S200)를 포함할 수 있다.
이때, (a)단계(S100)에서 HiPIMS진공장비는 진공챔버와, 진공챔버 내부로 가스를 주입하는 스프터장비를 포함하여 구성되며, HiPIMS진공장비의 진공챔버 내부에 타겟에는 (-)전원이 인가되고, 진공챔버에는 (+)전원이 접지되는 구조를 가지며, HiPIMS진공장비는 단독으로 사용되지 않고 외부의 직류전원부로부터 인가된 직류 전원을 제공하는 (c)단계(S300)를 포함할 수 있다.
그리고, 직류전원부에서 제공되는 전압 및 직류를 조절함과 동시에 다양한 형태의 진동패턴(modulation & oscillation)을 통해 고출력의 플라즈마 발생을 조절하는 제어부에 의해 진동패턴에 따른 전압 및 전류의 세기를 제어하는 (d)단계(S400)를 포함할 수 있다.
이때, 직류전원부로부터 타겟 인근에 플라즈마를 발생시키는 제어부의 제어조건은 펄스 피크 전력은 0.2 ~ 1.0㎾의 범위를 가지며, 전압은 200 ~ 400V, 전류는 1A ~ 2.5A의 범위를 가지고, 펄스의 길이는 40 ~ 200㎲, 주파수는 300 ~ 500㎐의 범위를 갖고, 증착기판에는 100 ~ 200V의 전원이 인가되는 것이 바람직하다.
한편, (a)단계(S100)에서 증착 중에 진공챔버 내부의 기압은 불활성 기체의 주입과 진공펌프에 의해 0.1×10-3 ~ 1.0×10-3 torr torr의 범위의 압력으로 진공챔버 내부에 존재하는 온도측정기의 기준으로 온도는 50 ~ 100℃의 범위를 갖는다.
그리고, HiPIMS진공장비에 전극으로 제공되는 플라스틱피도물은 플라스틱, 폴리머, 천연섬유 중 어느 한가지로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 HiPIMS진공장비를 사용해 은증착물을 플라스틱피도물에 증착함에 있어 외부 직류전원부를 통해 타겟에 펄스화된 전원을 제공함과 동시에 플라스틱피도물에 음(-)의 전원을 가하게 되면 전력 및 펄스 조건은 제공할 수 있다.
HiPIMS진공장비의 직류전원부를 통해 타겟에 형성된 플라즈마는 은증착물이 쉽게 이온화된 은이온의 농도를 급격히 높이게 될 수 있다.
이와 같은, 은의 높은 이온화율은 플라스틱피도물에 인가된 전원에 강하게 이끌리게 되며, 중성의 은증착물에 비해 플라스틱피도물에 매우 강한 충돌을 일으켜 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 높은 접착력을 제공하게 된다.
한편, 실험을 통해 본 발명의 증착방법에 따른 성능을 하기에 검증하였다.
플라스틱피도물로 ABS와 PC의 복합물로 이루어진 기판에, 은(Ag)을 타겟으로 은(Ag)전극을 형성하는 공정으로 플라스틱피도물을 진공챔버 내에 넣고 5.0×10-5까지 진공펌프를 통해 진공을 제공하고, 설정된 수준의 진공이 만들어지면 질소 또는 아르곤 가스를 진공챔버에 공급하며, 진공펌프는 지속적으로 아래와 같이 압력을 제공한다.
진공챔버 내의 기압이 1.0×10-3에 다다르도록 질소 가스의 플로우 레이트를 조절한다. 일단 증착 기압인 1.0×10-3에 다다르면 진공챔버 내 온도를 80℃로 유지시킨다. 이때, 온도는 진공챔버 내에 존재하는 열전쌍(thermocouple)을 사용해 측정한 기준을 제공한다.
설정된 기압과 온도에 도달하면 외부 직류전원부를 작동하여 연결된 컴퓨터의 소프트웨어를 포함하는 제어부를 통해 펄스 주파수, 펄스 길이, 펄스 피크 전력을 설정된 값으로 조절한다.
시험 A - 증착 조건은 다음 표 1과 같다.
[표 1]
설정된 펄스 주파수, 펄스 길이, 펄스 피크 전력이 안정적으로 유지되면 플라스틱피도물에 전원을 걸어주고, 타겟을 가리던 타겟가림막을 제거한다.
타겟가림막을 제거하면서 타겟은 빠르게 이온화 되고, 플라스틱피도물에 걸린 전원에 의해 운동에너지를 가지고 플라스틱피도물에 충돌하게 된다.
[그림 1]
시험 B - 증착 조건은 다음 표 2와 같다.
[표 2]
[그림 2]
[그림 3]
밀착력 테스트 결과 Cross-cut 시험에서 Classification 4B 수준임을 확인할 수 있습니다.
이상의 설명과 실험을 통해 알 수 있듯이, HiPIMS 증착기술을 활용한 전극 증착기술에 대한 것으로, 플라스틱피도물에 은증착물을 증착해 전극을 형성하는 할 수 있다.
기존의 전극 증착기술은 상기에 언급된 플라스틱피도물과 은증착물 사이의 낮은 접착성 문제를 해결하지 못하거나, 플라스틱피도물의 낮은 열저항성에 의해 그 적용에 한계가 있어왔으며, Arc-PVD와 같은 기존의 기술은 너무 높은 운동에너지로 인해 발생하는 높은 온도로 플라스틱피도물이 열화되는 문제로 플라스틱과 같은 플라스틱피도물에 적용에 어려움이 있었지만, HiPIMS 장비를 활용해 청구항에 기재된 최적의 증착 조건하에서 플라스틱피도물, 은증착물 사이의 우수한 접착성을 유지하면서 동시에 기존의 한계였던 플라스틱피도물에 대한 열화를 방지할 수 있는 증착기술을 개발하였다는 점에서 발명의 의의가 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 플라스틱피도물에 은증착물을 증착하여 전극을 형성할 수 있으며, 최적의 증착 조건 하에서 플라스틱피도물, 은증착물 사이의 우수한 접착성을 유지하면서 동시에 기존의 한계였던 플라스틱피도물에 대한 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Claims (1)
- 불활성 기체의 주입과 진공펌프에 의해 4.0×10-3 torr의 압력범위 및 내부에 존재하는 온도측정기의 기준으로 80℃의 온도범위를 갖는 진공챔버를 포함하며, 플라스틱피도물로 이루어진 전극을 갖는 HiPIMS진공장비를 통해 은(Ag)으로 이루어진 은증착물이 운동에너지를 갖도록 플라스틱피도물의 은타켓에 플라즈마를 형성하여 다수의 은이온을 형성하고, 플라스틱피도물에 전원을 인가하여 은이온의 운동에너지를 증가시키는 (a)단계(S100)와;
상기 (a)단계(S100)에서 상기 HiPIMS진공장비는 진공챔버와, 진공챔버 내부로 가스를 주입하는 스프터장비를 포함하여 구성되며, 상기 HiPIMS진공장비의 진공챔버 내부에 플라스틱피도물의 은타켓에는 (-)전원이 인가되고, 진공챔버에는 (+)전원이 접지되는 구조를 가지며, HiPIMS진공장비는 단독으로 사용되지 않고 외부의 직류전원부로부터 인가된 직류 전원을 제공하는 (c)단계(S300)와;
운동에너지의 충돌을 통해 플라스틱피도물과 은증착물 사이에 접착력을 구현하는 (b)단계(S200)와;
상기 직류전원부에서 제공되는 전압 및 직류를 조절함과 동시에 다양한 형태의 진동패턴을 통해 고출력의 플라즈마 발생을 조절하는 제어부에 의해 진동패턴에 따른 전압 및 전류의 세기를 제어하는 (d)단계(S400)를 포함하며,
상기 직류전원부로부터 플라스틱피도물의 은(Ag)타켓으로 타켓직경은 300mm, 타켓두께는 50mm, HiPIMS 펄스 주파수는 400Hz, HiPIMS 펄스 길이는 100㎲ec, 펄스 피크 전력은 1.0kW, 피도물bias는 -150V, 증착시간은 30s, 증착시 기압은 4.0×10-3 torr, 챔버내 평균 온도는 80℃의 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 HiPIMS를 이용한 전극 증착 방법.
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