전사공정을 위한 UV 경화성 범프형 스탬프의 점착특성 평가

Evaluation for Adhesion Characteristics of UV-curable Bump Shape Stamp for Transfer Process

Abstract

Future electronics such as electronic paper and foldable cellphone are required to be flexible and transparent and should have a high performance. In order to fabricate the flexible electronics using flexibility transfer process, techniques for transferring various devices from rigid substrate onto flexible substrate by elastomeric stamp, have been developed. Adhesion between the elastomeric stamp and various devices is crucial for successful transfer process. The adhesion can be controlled by the thickness of the stamp, separation velocity, contact load, and stamp surface treatment. In this study, we fabricated the bump shape stamp consisting of a UV-curable polymer and investigated the effects of curing condition, separation velocity, and contact load on the adhesion characteristics of bumps. The bumps with hemispherical shape were fabricated using a dispensing process, which is one of the ink-jet printing techniques. Curing conditions of the bumps were controlled by the amount of UV irradiation energy. The adhesion characteristics of bumps are evaluated by adhesion test. The results show that the pull-off forces of bumps were increased and decreased as UV irradiation energy increased. For UV irradiation energies of 300 and 500 mJ/cm², the pull-off forces were increased as the separation velocity increased. The pull-off forces also increased with the increase of contact load. In the case of UV irradiation energy above 600 mJ/cm², however, the pull-off forces were not changed. Therefore, we believe that the bump shape stamp can be applied to roll-based transfer process and selective transfer process as an elastomeric stamp.

1. 서 론

미래형 전자제품으로써 전자종이, 접을 수 있는 휴대폰과 같이 휘어지는 특성을 갖는 유연 전자제품(flexible electronics)이 세계적으로 많은 주목을 받고 있으며, 이에 관련된 연구도 활발히 수행되고 있다[1-3]. 이러한 휘어지는 전자제품을 제조하기 위해서는 유연한 기판 위에 디바이스를 구성해야 한다. 그러나 유연한 기판은 주로 폴리머 소재로 이루어져 있으며, 폴리머 소재는 디바이스를 제조하는 고온 및 가혹한 환경에 적합하지 않다. 따라서 디바이스를 유연한 기판 위에 직접 제조하는 방식과는 다르게 기존 반도체 공정을 통해 단단한 기판 위에 제조된 디바이스를 유연한 기판으로 옮겨 붙이는 방식으로 제조되며, 이때 사용되는 공정을 전사공정이라 한다[4].

전사공정은 디바이스를 모재 기판으로부터 떼어내어 원하는 타겟 기판으로 이송하는 기술을 말하며, 크게 탈착(picking)과 부착(placing) 공정으로 나뉘어진다. 탈착 공정은 모재 기판으로부터 디바이스를 떼어내는 것을, 부착 공정은 떼어낸 디바이스를 타겟 기판에 옮겨 붙이는 것을 의미한다. 이때, 디바이스를 옮겨 붙이는 중간자 역할을 하는 요소를 스탬프라고 한다. 디바이스와 스탬프간의 점착력이 모재 기판과 디바이스간의 점착력 보다 크다면 디바이스가 모재 기판으로부터 분리되며, 반대로 디바이스와 스탬프간의 점착력이 타겟 기판과 디바이스간의 점착력보다 작다면 디바이스가 타겟 기판에 전사된다.

이처럼 전사공정을 수행함에 있어서 스탬프와 디바이스 간의 점착력이 중요한 요소로 작용한다. 점착력은 스탬프의 두께, 분리속도, 접촉하중 등을 변수로 하는 가역적 방식[5-8]과 UV-ozone, 플라즈마 등을 이용한 스탬프 표면 개질에 의한 비가역적 방식[9, 10]으로 제어될 수 있다. 이 외에도 스탬프와 타겟 디바이스간의 점착력을 제어하는 방법에 대해 많은 연구가 이루어 지고 있으며, 이 두 요소간의 점착력을 제어함으로써 성공적인 전사공정을 수행할 수 있다.

본 연구에서는 UV 경화성 폴리머를 이용하여 볼록렌즈 형상의 범프형 스탬프를 제조하고, 범프의 경화 정도에 따른 점착력 변화에 대해 조사하였다. 범프의 경화 정도는 UV 조사 에너지량을 통해 제어하였으며, 범프의 점착 특성은 상대 접촉 재료인 용융 실리카 블록과의 탈착 공정 중에 측정된 최대 인장력을 통해 평가하였다[11, 12]. 또한 범프의 점착력을 제어하기 위하여 각기 다른 경화조건을 갖는 범프에 대해 분리속도 및 접촉 하중을 달리하여 점착 특성의 변화를 조사하였다. 그 결과를 토대로 전사공정에 사용될 스탬프로써 범프의 응용 가능성에 대해 알아 보았다.

 

2. 연구방법 및 내용

2-1. 샘플 준비

범프는 Fig. 1(a)에서 보여지듯이 잉크젯 프린팅 기법 중 하나인 디스펜싱 공정을 이용하여 액상 상태의 UV 경화성 폴리머 일정량을 기판에 토출하는 방식으로 제조된다. 따라서 범프는 한쪽 면이 평평한 볼록렌즈와 같은 형상을 갖는다. UV 경화성 폴리머 및 기판의 소재로는 Norland Optical Adhesive 65 (NOA 65, Norland Products Inc., Cranbury, NJ 08512, USA)와 PET가 각각 사용되었다. PET의 한쪽 면에는 보호 필름이 붙어 있는데, 필름을 제거한 후 드러난 PET 표면을 사용함으로써 기판의 클리닝 과정 없이 깨끗한 표면의 PET 기판을 얻을 수 있었다. 디스펜서를 이용하여 보호 필름이 제거된 PET 표면 위에 0.65 MPa의 토출 압력으로 1.75 s동안 NOA 65를 토출하여 범프를 제조하게 되며, 이때 NOA 65의 점도는 1000 cP이다. PET 표면 위에 토출된 액상 상태의 NOA 65의 흘러내림을 방지하고 범프의 형상을 고정시키기 위하여 디스펜싱 공정 직후 범프에 300 mJ/cm2의 UV 에너지를 조사함으로써 1차 경화(soft curing)를 수행하였다. 그 후, 추가적으로 UV 에너지를 조사하여 2차 경화(hard curing)를 수행하였다. 2차 경화 시 UV 에너지를 달리하여 조사함으로써 각기 다른 경화 정도를 지니는 범프를 제조하였다. 최종적으로 제조된 범프의 직경 및 높이는 각각 약 2400±20 µm 및 100±10 µm이며, Fig. 1(b)와 같다.

Fig. 1.Schematic of dispensing process (a) and optical images of bump (b).

상대 접촉 재료로는 실린더 형태의 용융 실리카 블록이 사용되었다. 실험 전 황산과 과산화수소를 2:1의 비율로 섞은 피라냐(piranha) 용액에 담궈 15분간 세척함으로써 표면에 묻은 이물질을 제거하였다.

2-2. 점착 실험

상기와 같이 제조된 범프의 경화 조건에 따른 점착 특성을 알아보고자 마이크로 트라이보미터를 이용하여 점착 실험을 수행하였다. 점착 실험은 온도와 상대습도가 각각 20℃ 및 40%로 일정하게 유지되는 클린룸 환경 내에서 이루어졌다. 실험의 개략도는 Fig. 2와 같으며, 상대 접촉 재료인 용융 실리카 블록은 상단의 지그에, 범프가 디스펜싱 된 PET는 양면테이프를 이용하여 로드셀 위의 스테이지에 각각 고정된다. 점착 실험은 크게 접근(approach), 접촉 및 유지(contact and holding), 분리(separation)의 3단계로 나누어진다. 접근 단계에서는 범프가 부착된 스테이지가 용융 실리카 블록을 향해 1 µm/s의 속도로 접근하게 되며, 점차 범프와 용융 실리카 블록간의 거리가 줄어들게 되어 접촉이 일어나게 된다. 이때 접촉을 통해 범프에 하중이 가해지게 되고, 접촉 하중이 설정된 값에 도달할 때까지 스테이지가 이동하게 된다. 접촉하중이 설정된 값에 도달하게 되면 스테이지의 이동이 멈추고 5초간 접촉을 유지하는데 이를 접촉 및 유지 단계라고 한다. 마지막으로 5초간 접촉을 유지한 후, 설정된 분리속도로 스테이지가 아래로 이동하여 범프와 용융 실리카 블록이 멀어지게 되며, 이를 분리 단계라고 한다. 이와 같은 세 단계를 한 사이클로 정의하며, 각 실험당 3 사이클씩 수행되었다. 한 사이클이 수행된 후 범프가 충분히 복원될 수 있도록 1분간 대기 후 다음 사이클을 수행하였다(Table 1). Fig. 2에 보여지듯이 한 사이클 동안 범프와 용융 실리카 블록간에 작용한 모든 힘은 스테이지 하단에 위치하고 있는 로드셀을 통해 측정된다. 범프의 점착 특성은 범프와 용융 실리카 블록간의 점착력을 통해 평가하였으며, 점착력(pull-off force)은 한 사이클 내의 분리 단계 중 측정된 가장 큰 인장력으로 정의된다. 또한, 범프와 용융 실리카 블록간의 접촉 면적은 상부에 위치한 초고속 CCD(charged-coupled device camera) 카메라를 통해 관찰되었다. 이때 측정된 접촉 면적 중에서 가장 큰 인장력인 점착력이 측정되는 순간의 접촉 면적을 임계 접촉 면적이라고 정의하였으며, 이의 반경을 임계 접촉 반경이라고 하였다.

Fig. 2.Schematic (a) and conventional force-time graph (b) of adhesion test in one cycle.

Table 1.Experimental conditions for adhesion test

 

3. 결과 및 고찰

각기 다른 경화 정도를 갖는 범프에 대해 점착 실험을 수행한 결과는 다음과 같다. Fig. 3은 조사된 UV 에너지에 따른 범프와 용융 실리카 블록간의 점착력의 변화를 나타내고 있다. 점착 실험은 접촉하중과 분리 속도가 각각 10 mN, 10 µm/s인 조건에서 수행되었다. 범프와 용융 실리카 블록 간의 점착력을 측정한 결과, UV 조사 에너지가 증가할수록 점착력이 증가하다가 800 mJ/cm2의 UV 에너지가 조사된 경우 가장 큰 점착력을 갖는 것으로 나타났다. 800 mJ/cm2 이상의 에너지가 조사된 경우에는 점착력이 점차 감소하여 10 mN 정도의 점착력을 갖는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3.Variations of pull-off forces with different curing conditions of the bumps. Contact load and separation velocity were 10 mN and 10 µm/s respectively.

이처럼 UV가 조사됨에 따라 점착력이 변화하는 이유를 알아보기 위하여 NOA 65 표면에 대해 접촉각을 측정함으로써 UV 조사 에너지에 따른 표면에너지 변화를 조사하였다(Fig. 4). 접촉각 측정의 경우 Si 웨이퍼 위에 스핀 코팅된 NOA 65 표면에 대해 실험이 수행되었으며, NOA 65 코팅층의 두께는 범프의 높이와 같은 100 µm이다. Fig. 4에서 보여지듯이 각 조건별로 경화된 NOA 65 표면에 대한 물의 접촉각 변화는 거의 없는 것으로 나타났으며, 경화 조건에 관계없이 평균적으로 69.0±3.5°의 접촉각을 갖는 것으로 측정되었다. 이를 통해 경화 정도에 따른 NOA 65의 표면 에너지 변화가 거의 없다는 것을 간접적으로 알 수 있으며, UV 조사 에너지에 따른 범프의 점착력 변화가 경화 정도에 대한 NOA 65의 표면 에너지 변화 때문이 아님을 알 수 있었다.

Fig. 4.Variations of water contact angles with different curing conditions of the bumps.

또한, 마이크로트라이보미터를 이용한 범프의 점착 실험 시, 로드셀을 이용하여 힘을 측정함과 동시에 최상부에 위치한 CCD 카메라를 통해 범프와 용융 실리카 블록간의 접촉 형상을 실시간으로 관찰하였다. Fig. 5는 점착 실험의 분리 단계 중 각 UV 조사 조건에 대한 범프와 용융 실리카 블록간의 접촉 형상을 보여준다. 이때의 접촉하중과 분리속도 조건은 상기에 언급된 Fig. 3의 점착실험 조건과 동일한 10 mN과 10 µm/s이다. 1000 mJ/cm2보다 많은 UV 에너지가 조사된 경우(Fig. 5(f-i))에는 범프와 용융 실리카 블록간의 접촉면적이 명확한 경계를 갖는데 비해 1000 mJ/cm2이하의 UV 에너지가 조사되어 상대적으로 경화가 덜 진행된 경우(Fig. 5(a-e))에는 접촉면적이 비교적 뚜렷하지 않고 안쪽의 진한 영역과 화살표로 표시된 바깥 쪽의 옅은 영역으로 나뉘어 나타난 것을 알 수 있다. 여기서 옅은 영역의 접촉면적은 경화가 상대적으로 덜 진행된 범프가 용융 실리카 블록간의 접촉을 유지할 때 발생한 두 재료간의 젖음 현상이라고 생각된다. 젖음 현상에 의해 비교적 경화가 덜 진행된 범프가 그렇지 않은 경우보다 높은 하중에 도달할 때까지 접촉을 유지하게 되고 이후에 두 재료간의 완벽한 분리가 이루어진다고 추정된다.

Fig. 5.Optical images of contact area between the bump and fused silica lens during separation step of adhesion test with respect to UV irradiation energy of (a) 400, (b) 500, (c) 600, (d) 800, (e) 1000, (f) 1300, (g) 1500, (h) 1800 and (i) 2000 mJ/cm2. The scale bar is 300 µm.

Fig. 6의 (a)와 (b)는 각각의 분리속도 조건에서 UV 조사 에너지에 대한 범프의 점착력과 임계 접촉 반경의 변화를 보여주고 있으며, 이때의 접촉하중은 모두 10 mN으로 동일하다. Fig. 6(a)에서 보여지듯이 400~1000 mJ/cm2의 UV 에너지가 조사된 경우에는 분리 속도가 증가함에 따라 점착력도 증가하였으나, 1000 mJ/cm2 이상의 UV 에너지가 조사되어 경화가 상대적으로 많이 진행된 경우에는 분리속도가 증가하여도 점착력에 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 또한, 10 µm/s의 속도로 떼어낼 경우 800 mJ/cm2의 UV 에너 지가 조사된 범프에서 가장 큰 점착력이 측정되었으나, 50 및 100 µm/s의 속도로 떼어낼 경우에는 600 mJ/cm2의 UV 에너지가 조사된 범프에서 가장 큰 점착력이 측정되었다. Fig. 6(b)에서는 UV 조사 에너지가 증가함에 따라 임계 접촉 반경이 전체적으로 감소하는 경향을 보여주고 있다. 또한, 상기에서 언급된 바와 같이 분리속도 증가에 따라 점착력이 증가하는 경우, 분리속도가 증가하여도 임계 접촉 반경에는 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 UV 에너지가 1000 mJ/cm2 이상 조사된 경우, 분리 속도가 증가할수록 임계 접촉 반경이 감소함을 알 수 있었다.

Fig. 6.Pull-off forces (a) and radius of critical contact areas (b) of the bumps with different curing conditions with respect to separation velocity.

Fig. 7의 (a)와 (b)는 10, 25, 50 mN의 접촉하중 조건에서 UV 조사 에너지에 따른 범프의 점착력과 임계 접촉 반경의 변화를 보여주고 있으며, 이때의 분리속도는 10 µm/s로 고정되었다. Fig. 7(a)에 나타난 것처럼 1300 mJ/cm2보다 낮은 UV 에너지가 조사된 경우, 접촉 하중이 증가할수록 범프의 점착력도 증가함을 알 수 있었다. 그러나 1300 mJ/cm2 이상의 UV 에너지가 조사된 경우 접촉 하중 증가에 대한 점착력의 증가량이 점차 감소하여 접촉 하중이 증가하여도 점착력의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig. 7(b)의 그래프를 통해 각 접촉 하중 조건에서의 UV 조사 에너지에 대한 임계 접촉 반경의 변화를 알 수 있으며, Fig. 6(b)와 유사하게 UV 조사 에너지가 증가함에 따라 임계 접촉 반경이 감소하였다. 그러나 분리속도의 영향과는 다르게 각 UV 에너지 조사 조건에서 접촉하중이 증가할수록 임계 접촉 반경도 증가하는 경향이 나타났으며, 경화가 진행될수록 접촉 하중 증가에 따른 임계 접촉 반경의 변화가 점차 줄어들어 2000 mJ/cm2의 UV 에너지가 조사된 경우에는 거의 차이가 없음을 알 수 있었다.

Fig. 7.Pull-off forces (a) and radius of critical contact areas (b) of the bumps with different curing conditions with respect to contact load.

 

4. 결 론

본 연구에서는 볼록렌즈 형상을 갖는 UV 경화성 폴리머 범프에 대한 UV 조사 에너지에 따른 점착 특성 변화를 조사하였으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. UV 조사 에너지가 증가하여 범프의 경화가 진행 될수록 범프와 용융 실리카 블록간의 점착력은 증가했다가 감소한다.

2. 점착 실험의 분리 과정 중 범프와 용융 실리카 블록간의 접촉면적을 관찰한 결과, 1000 mJ/cm2 이하의 UV 에너지가 조사되어 상대적으로 경화가 덜 진행된 범프의 경우에는 접촉을 유지하고자 하는 특성이 강하여 젖음 현상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 반면, UV 에너지가 1300 mJ/cm2 이상 조사되어 상대적으로 경화가 더 진행된 경우에는 젖음 현상이 나타나지 않았다.

3. 1000 mJ/cm2 이상의 UV 에너지가 조사된 경우, 떼어내는 속도가 증가할수록 범프의 점착력도 증가하였으나, UV 에너지가 600 mJ/cm2 이상 조사되어 상대적으로 경화가 많이 진행된 범프의 경우에는 분리속도가 증가하여도 점착력의 변화는 거의 나타나지 않았다.

4. 접촉 하중이 증가할수록 범프의 점착력도 증가하였다. 그러나 경화가 많이 진행될수록 접촉 하중 증가에 대한 점착력의 증가 비율은 감소했다.

이러한 결과를 토대로, UV 경화성 폴리머 범프를 스탬프로써 롤 기반 전사장비에 부착하여 연속적 전사공정에 응용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 전사하고자 하는 타겟 디바이스의 배열에 맞추어 범프를 스탬프 기판에 제조함으로써 선택적으로 디바이스를 전사하는 선택적 전사 공정에도 응용 가능할 것으로 보인다.