구리 나노입자 & 그린 레이저 프린팅: 저렴하고 낮은 저항률의 회로 기판 솔루션

• 구리 산화물과 그린 레이저 빛을 사용하는 새로운 박막 프린팅 기술로 전자 회로 기판 인쇄
• 기존 방법보다 효율적이고 저렴
• 광소결(photonic sintering) 공정으로 낮은 저항률 달성

인쇄 회로 기판(PCB)은 도전성 패드, 트랙, 여러 구리 시트를 통해 전기 부품을 연결합니다. 이 부품들은 일반적으로 회로에 납땜되며, 트랙은 기판 재료에 의해 서로 격리된 고정 와이어 역할을 합니다.

이 기판의 주 목적은 회로에 사용되는 부품의 무게, 크기, 비용을 줄이는 것입니다. 지난 10년간 수많은 직접 인쇄 전략이 채택되었습니다. 각각 장단점이 있습니다. 금속 나노입자 잉크 프린팅은 단순하고 저렴하며 빠른 공정 중 하나입니다.

이 분야에 대한 관심은 기존 방법론보다 더 저렴하고 효율적으로 기판을 생산할 잠재력 덕분에 지속적으로 증가하고 있습니다. 최근 한국 순천향대학교 과학자들이 레이저 출력, 예비 베이킹 조건, 스캐닝 속도, 필름 두께 효과를 기반으로 박막 인쇄 기술을 연구했습니다.

전자 회로가 구리 나노입자 잉크와 그린 레이저 빛으로 더 효율적으로 인쇄될 수 있음을 발견했습니다. 이전에는 은 나노입자 잉크로 실험했으나 구리를 실현 가능한 저가 대안으로 초점을 옮겼습니다.

실험

나노입자 금속 잉크는 거대 금속보다 낮은 녹는점을 가집니다. 예를 들어 구리는 벌크 상태에서 녹는점이 1,083°C지만, 소결(sintering) 공정을 통해 구리 나노입자는 150~500°C로 녹는점을 낮출 수 있습니다. 소결은 금속을 액화점까지 녹이지 않고 압력이나 열을 가해 입자들을 합치고 결합시키는 과정입니다.

적절한(500~800nm) 파장 흡수율 변화 때문에 그린 레이저 빛을 선택했습니다. 시판되는 구리 산화물 나노입자 잉크를 두 가지 회전 속도로 유리 위에 스핀 코팅해 다른 두께를 달성했습니다.

참조: AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | AIP Publishing

소결 전 용매를 건조하기 위해 예비 베이킹을 수행했습니다. 이는 구리 산화물 층 두께를 줄이고 조사 중 용매 급작스런 끓음으로 인한 기포 폭발을 방지하는 필수 단계입니다.

완벽한 예비 베이킹 온도는 200°C 약간 미만임을 여러 테스트로 확인했습니다. 소결 중 스캐닝 속도와 레이저 출력의 최적 구성도 찾아 회로 전도도를 개선했습니다.

실험 작업 절차 | 연구진 제공

이 연구에서 최적 소결 결과는 0.3~0.5와트 레이저 출력으로 얻었으며, 원하는 전도도는 레이저 스캐닝 속도 10mm/s 이상 100mm/s 이하에서 달성되었습니다.

필름 두께 측면에서 소결은 두께를 최대 74% 감소시켰습니다(546~141나노미터). 나노소재의 밀도와 연결성은 소결 후 두께 감소에 의존: 과도한 두께 감소는 저항률을 낮춥니다. 이 경우 측정된 저항률은 9.5~20 μΩ·cm 사이였습니다.

참고: 금 나노입자, 태양 에너지 저장 향상시킬 수 있어

전반적으로 실험은 구리 산화물 필름에 약간의 용매가 남아있는 것이 레이저 소결 공정 중 최소한의 필름 손상으로 균일한 소결을 얻기 위해 필요함을 보여줍니다. 다음 연구에서 연구진은 기판이 소결에 미치는 영향을 조사할 예정입니다.