고해상도, 고전도성, 고내구성 알루미늄 전극 제조를 위한 레이저/플래쉬램프 하이브리드 소결 공정 = Laser/Flash Lamp Hybrid Sintering Process for High-Resolution, High-Conductivity, High-Durability Aluminium Electrodes Fabrication

국문 초록 (Abstract)

최근 배터리, 전자소자 산업의 성장과 함께 금과 구리의 가격 상승 및 공급망 리스크가 확대되면서 경량, 저비용, 공급 안정성이 우수한 알루미늄이 전극 대체 소재로 주목받고 있다. 그러나 알루미늄은 높은 반사율과 공기 중에 자연산화막을 형성하고 높은 열전도율로 인해 광 기반 소결에서 에너지 흡수와 치밀화가 제한되어 단일 공정으로는 저저항과 고해상도 패터닝과 고부착력을 동시에 달성하기 어렵다. 또한 전통적 하향식 공정은 고해상도 구현이 가능하지만 공정이 다단계이고 고비용, 클린룸 의존, 유해 화학물질 사용 등의 한계를 가진다. 이에 본 연구는 알루미늄 마이크로입자 전극을 대상으로 레이저 소결과 플래시램프를 결합한 레이저-플래시-하이브리드 광소결(LFHS) 공정을 제안하고 공정 변수와 전기적, 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
알루미늄 마이크로입자를 IPA에 분산시킨 용액을 제조하여 고해상도 패터닝을 위해 objective lens 기반 광학계를 적용하여 29.4 mW 조건에서 최소 선폭 6.2 μm의 알루미늄 패턴을 안정적으로 구현하였다.
레이저 공정에서는 PRR 변화가 펄스당 에너지와 열누적에 영향을 미쳐 소결 안정성과 해상도를 좌우하였다. 20 kHz에서 낮은 비저항을 확보하였지만 해상도 저하가 동반되어, 1000 kHz 조건에서 기판 손상 없는 고해상도 전극을 얻었다. 레이저 공정만 진행하였을 때는 부착력이 매우 낮은 수준으로 얻어져 고해상도, 고전도성, 고내구성 전극구현을 위해 플래시램프 후속 소결이 필수적임을 확인하였다. 플래시램프는 펄스 길이 0.2 ms가 동일 에너지 밀도에서 가장 낮은 비저항을 보였으며 6.5 J/cm²이상에서는 기판 손상이 관찰되었다. 조사 거리(WD)는 광 균일성과 에너지 저하를 함께 고려해 10 mm를 최적 조건으로 선정하였다.
하이브리드 공정의 핵심은 레이저 단계에서 형성된 porosity 즉 초기 소결 정도가 플래시 소결 효율을 결정한다는 점이다. 레이저 스캔속도가 빠를수록 초기 porosity가 증가하여 레이저 단독 비저항은 커지지만 플래시 조사 시 광의 침투 및 scattering으로 내부 열전달이 향상되어 후속 소결에 의한 비저항 감소가 더 크게 나타났다. 소다라임 유리는 알루미늄과 열팽창계수 차이로 플래시 램프의 고에너지에서 손상이 발생하여 열적 안정성이 우수한 쿼츠 기판을 적용하여 최종적으로 8.16 μΩ·cm의 낮은 비저항을 달성하였다.
내구성 평가에서 LFHS 전극은 100회 테이프 박리 후 저항 변화가 0.05 %에 불과하였으며 부착에너지는 레이저 단독 3.256 J/m²대비 LFHS 전극은 129.092 J/m²로 약 3865 %증가하였다. SEM, EDS, XPS 분석을 통해 계면에서 Al-O-Si 계열 반응층 형성 가능성을 제시하였으며 이는 높은 부착력의 주요 원인으로 해석된다. 결론적으로 LFHS는 알루미늄의 소재적 한계를 극복하면서 고해상도, 고전도성, 고내구성을 동시에 확보할 수 있는 전극 제조 공정이며 향후 실제 소자 환경 검증을 통해 산업 적용 가능성이 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the recent growth of the battery and electronic component industries, rising prices of gold and copper, and expanding supply chain risks, aluminum—known for its lightweight, low cost, and excellent supply stability—is gaining attention as an alternative electrode material. However, aluminum's high reflectivity, natural oxidation layer formation in air, and high thermal conductivity limit energy absorption and densification during light-based sintering. This makes it difficult to simultaneously achieve low resistance, high-resolution patterning, and high adhesion in a single process. Furthermore, while traditional top-down processes can achieve high resolution, they suffer from limitations such as multi-step processes, high cost, cleanroom dependency, and the use of hazardous chemicals. Therefore, this study proposes a laser-flash-hybrid optical sintering (LFHS) process combining laser sintering and a flash lamp for aluminum microparticle electrodes and investigates the correlation between process variables and electrical/mechanical properties.
A solution dispersing aluminum microparticles in IPA was prepared. An objective lens-based optical system was applied for high-resolution patterning, enabling stable realization of aluminum patterns with a minimum line width of 6.2 μm at 29.4 mW.
In the laser process, PRR variation influenced pulse-per-second energy and heat accumulation, thereby determining sintering stability and resolution. Although low resistivity was achieved at 20 kHz, it was accompanied by reduced resolution. High-resolution electrodes without substrate damage were obtained at 1000 kHz. When only the laser process was performed, adhesion was extremely low, confirming that flash lamp post-sintering is essential for realizing high-resolution, high-conductivity, and high-durability electrodes. The flash lamp showed the lowest resistivity at a pulse width of 0.2 ms under the same energy density, while substrate damage was observed at densities exceeding 6.5 J/cm². The working distance (WD) was optimized at 10 mm, considering both light uniformity and energy reduction.
The core of the hybrid process is that the porosity formed during the laser stage, i.e., the initial sintering degree, determines the efficiency of flash sintering. Although faster laser scan speeds increase initial porosity, leading to higher resistivity during laser-only processing, improved light penetration and scattering during flash irradiation enhance internal heat transfer. This results in a greater reduction in resistivity during subsequent flash sintering. Soda-lime glass suffered damage from the high energy of the flash lamp due to its thermal expansion coefficient difference with aluminum. Therefore, quartz substrates with excellent thermal stability were applied, ultimately achieving a low resistivity of 8.16 μΩ·cm.
In durability evaluation, the LFHS electrode exhibited a resistance change of only 0.05% after 100 tape peel cycles. Its adhesion energy increased by approximately 3865% to 129.092 J/m² compared to the laser-only method (3.256 J/m²). SEM, EDS, and XPS analyses suggested the potential formation of an Al-O-Si series reaction layer at the interface, interpreted as the primary cause of the high adhesion force. In conclusion, LFHS is an electrode manufacturing process that overcomes the material limitations of aluminum while simultaneously securing high resolution, high conductivity, and high durability. Its industrial applicability is anticipated following future verification in actual device environments.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 2
• 1.1.1. 금속 전극의 적용 분야 및 한계 2
• 1.1.2. 알루미늄의 특성 및 어플리케이션 6
• 1.2. 기술동향 9
• 1.2.1. 전통적 알루미늄 미세 구조 제조 공정 9
• 1.2.2. 대체 공정 13
• 2. 마이크로입자 소결 기반 상향식 광공정 18
• 2.1. 기존 소결 공정 18
• 2.2. 마이크로입자의 소결 공정 한계 21
• 2.3. 레이저 소결 공정의 원리 22
• 2.3.1. 레이저 발진 방식 24
• 2.3.2. 연속파(Continuous Wave) 레이저 24
• 2.3.3. 펄스 레이저 26
• 2.4. 플래시램프 소결 공정의 원리 27
• 2.4.1. Xenon 플래시램프 28
• 3. 연구의 필요성 및 목표 31
• 3.1. 연구의 필요성 31
• 3.2. 연구 목표 33
• 4. 레이저-플래시램프-하이브리드 소결을 이용한 고전도성, 고내구성 알루미늄 전극 패턴 제조 공정 36
• 4.1. 공정 개요 36
• 4.2. 실험과정 39
• 4.3. 실험결과 47
• 4.3.1. 최소선폭 구현 47
• 4.3.2. 레이저 단독 공정 조건 선정 50
• 4.3.3. 플래시램프 단독 공정 조건 선정 60
• 4.3.4. 레이저 플래시램프 하이브리드 공정 조건 선정 65
• 4.4. 요약 87
• 5. 결론 89
• 참고문헌 91
• 영문초록 96