FTO 코팅 유리의 후막 전도 회로의 신속한 처리를 위한 구리 광소결

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5080(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

구리는 잠재적으로 의료, 태양 에너지, IOT 장치 및 자동차 응용 분야의 다양한 응용 분야에서 인쇄 전자 회로에서 은을 비용 효율적으로 대체할 수 있습니다. 구리가 직면한 주요 과제는 소결 과정에서 쉽게 산화되어 비전도성 상태로 변한다는 것입니다. 광소결은 개별 나노-마이크로 입자에서 완전히 또는 부분적으로 소결된 제품으로 빠르게 전환되는 산화를 극복하는 수단을 제공합니다. FTO 코팅 유리에 혼합된 나노 구리와 혼합된 나노/마이크로 구리 후막 스크린 인쇄 구조의 플래시 램프 소결에 대한 실험적 연구가 수행되었습니다. 이는 유해한 구리 산화를 방지하면서 후막 구리 인쇄를 성공적으로 소결할 수 있는 여러 에너지 창이 있을 수 있음을 보여줍니다. 최적의 조건에서 1초 이내에 달성된 전도도는 환원 가스 조건 하에서 250°C에서 90분 동안 달성된 전도성과 일치하여(3.11–4.3 × 10–7 Ωm) 생산성이 크게 향상되고 에너지 수요가 감소했습니다. 또한 100N 재료의 선 저항이 14% 증가하고, 50N50M 잉크의 경우 약 10%, 20N80M의 경우 약 2% 증가하는 우수한 필름 안정성을 나타냅니다.

구리는 잠재적으로 모든 전기/전자 장치의 기본 요소인 인쇄 회로에서 은의 대안을 제공합니다1. 은은 전도성이 뛰어나고 유기 현탁액에서 안정적이며 수명이 길지만 가격이 더 비쌀 뿐만 아니라 가격 변동에도 영향을 받습니다. 구리 전구체, 구리 염, 구리 산화물 입자, 나노 구리 및 마이크로 구리 제제1,2를 포함하여 여러 가지 옵션이 연구되고 있는 잠재적인 인쇄 전도성 재료로서 구리를 사용하는 데 대한 관심이 증가하고 있습니다. 이들 중에서 구리 미립자 잉크는 은 입자 대응물과 유사한 유변학 및 인쇄 거동으로 많은 유리한 특성을 제공합니다. 한 가지 과제는 가공 중에 전기 절연성 산화구리로 신속하게 변형되지 않아 전기 전도도가 감소하는 입자를 형성하는 것입니다3. 산화를 방지하는 가장 일반적인 방법은 불활성, 진공 또는 이상적인 환원 분위기에서 재료를 열적으로 소결(150~400°C)하는 것입니다4,5,6. 그러나 전통적인 열 오븐 공정은 일반적으로 본질적으로 처리 시간이 60~120분인 배치 공정입니다. 이는 생산 속도를 제한하고 또한 고온, 긴 처리 시간과 직접적으로 연관되고 환원 분위기 가스의 생산 및 저장과 간접적으로 연관되는 본질적으로 높은 탄소 발자국을 보유합니다. 광역 플래시 램프 광소결은 은 나노 잉크7,8,9,-10, 니켈 나노 잉크11 소결뿐만 아니라 기타 복잡한 나노 재료 및 장치12,13 처리에도 널리 사용되었습니다. 광소결 기술의 주요 장점인 빠른 소결 외에도 기판에 손상을 주지 않고 잠재적으로 소결할 수 있으며 환원 분위기를 사용할 필요가 없습니다14. 이는 처리 시간을 크게 줄이고 소결 공정의 전체 에너지 수요를 줄입니다.

구리 전도성 잉크에 광소결이 사용된다는 여러 보고가 있었습니다. 광소결은 폴리머 기판에 얇은 잉크젯 인쇄 구리 나노 입자 잉크를 소결하여 보호 분위기 하에서 열 소결과 동등한 전도도를 얻을 수 있는 것으로 널리 알려져 있습니다9,15,16. 일반적으로 스크린 인쇄로 생산되는 두꺼운 필름(> 5μm)에 대한 문헌은 드물습니다. 기판의 두꺼운 필름 특성으로 인해 소결해야 하는 추가 재료의 양이 늘어나고 노출된 표면에서 벌크를 통해 필름 코어까지 에너지를 전달해야 하는 추가적인 과제가 발생합니다. PI 기판의 포름산 환원 분위기 하에서 스크린 인쇄된 구리 나노입자 잉크의 열 및 레이저 소결을 비교한 결과, 제어된 레이저 출력 및 스캔 속도 하의 레이저 소결 공정은 거의 동일한 저항률(1.41 x 10-5 Ω cm)을 달성할 수 있음을 보여주었습니다. ) 질소 분위기 하에서 열 소결(1.30 × 10−5 Ω cm)을 통해 얻은 결과입니다6. 이는 플래시 램프를 사용하여 연구가 수행되지 않고 폴리머 기판에서 수행되었지만 두꺼운 필름의 광소결 가능성을 강조합니다. 넓은 면적의 단일 노출 공정인 플래시 램프 소결은 잠재적으로 더 넓은 면적을 즉시 처리할 수 있다는 점에서 레이저 소결에 비해 장점이 있습니다.