디스플레이 패키징용 미세배선의 레이저 제조 시스템 = Laser Fabrication System of Micro Electrodes for Display Packaging

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Conventional LCD and OLED displays have limitations in high resolution and high brightness and suffer from burn-in issues. To overcome these limitations and improve power efficiency, new panels such as Micro-LED displays are being developed. Due to challenges such as yield limitations in the transfer process for manufacturing large-area Micro-LED displays and increased equipment costs due to the panel size, modular displays, which involve manufacturing and attaching small displays, are being developed and applied. Modular displays utilize a method of manufacturing and attaching wires on a flexible substrate such as PI film to connect the light-emitting element on the front and the driving element on the back. However, this method creates a bezel, a dark area on the screen, due to the thickness of the film and the gap between the substrates. Laser sintering, stamping, laser etching, inkjet, and deposition processes, which directly fabricate wires to minimize the bezel, face issues such as alignment difficulties, contamination from particle scattering, and substrate damage. Furthermore, they are difficult to apply to high-resolution displays and their slow manufacturing speeds make it difficult to industrialize. Therefore, this study proposes laser sintering patterning-based side wiring manufacturing technology for leading the large-scale display market and applying it to display devices requiring bezel-free operation. This laser sintering patterning-based side wiring manufacturing technology can be divided into three steps: a patterning process that irradiates conductive ink coated on a substrate with a laser to induce agglomeration of metal particles dispersed in the conductive ink through a photo-thermal reaction to form a structure; a coating process that uniformly applies the conductive ink to the desired area of the glass substrate; and a cleaning process that removes conductive ink not irradiated by the laser during the patterning process using a spray cleaner. By integrating the coating technology that uniformly applies conductive ink, optical sintering technology with a laser speed of 2 m/s or higher to ensure productivity, and an environmentally friendly cleaning technology, the goal is to develop a new high-speed, high-resolution wiring manufacturing technology to overcome the limitations of existing wiring manufacturing and realize bezel-free displays. Secondly, this study proposes a side-width wiring manufacturing process based on laser sintering patterning. To apply this process, which has traditionally relied on individual expertise, to automated equipment, we constructed small test beds for each of the coating, patterning, and washing processes, and presented optimal process conditions based on the system. Using these test beds and optimal process conditions for each of the coating, patterning, and washing processes, we fabricated fine wiring connecting the back and front of a 20/20 μm display. Based on this, it is expected that this process will be applied to actual automated equipment, leading to the production of actual bezel-free display products.

국문 초록 (Abstract)

기존의 LCD와 OLED 디스플레이는 고해상도, 고휘도에 한계가 있고, 번인 문제가 발생하며, 한계를 극복하고, 전력 효율을 향상시키기 위해 Micro-LED 디스플레이와 같은 새로운 패널을 개발하고 있다. Micro-LED 기반의 대면적 디스플레이를 제작하기 위한 전사 공정에서 수율의 한계, 패널의 크기로 인한 설비 가격 증가 등과 같은 문제로 인해 소형의 디스플레이를 제작하고 이어 붙이는 방법의 모듈형 디스플레이를 개발하여 적용하고 있다. 모듈형 디스플레이는 앞면의 발광부와 후면의 구동부를 연결시키기 위해 PI 필름과 같은 유연기판에 배선을 제조하여 접합하는 방법을 이용하고 있으나, 이는 필름의 두께 및 기판 사이의 공간이 발생하여, 화면에 어두운 부분인 Bezel이 발생한다. Bezel을 최소화하기 위해 직접적으로 배선을 제조하는 공정인 레이저 소결, 스탬핑, 레이저 식각, 잉크젯, 증착 공정은 정렬의 어려움, 가공 입자의 비산으로 인한 오염, 기판 손상 등의 문제가 있고, 고해상도에 적용하기 어렵거나, 저속의 제조 속도로 인해 산업화하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 첫번째로 대형디스플레이 시장을 선도하고, Bezel-free를 필요로 하는 디스플레이 장치에 적용하기 위해 레이저 소결 패터닝 기반의 측면 배선의 제조 기술을 제안하였다. 레이저 소결 패터닝 기반의 측면 배선 제조 기술은 기판에 코팅 된 전도성 잉크에 레이저를 조사하여 전도성 잉크에 분산되어 있는 금속 입자를 광/열 반응을 통해 서로 간의 응집을 유도하여 구조를 형성하는 패터닝 공정과 유리 기판의 원하는 영역에 전도성 잉크를 균일하게 도포하는 코팅 공정, 세척액을 스프레이를 통한 분사로 패터닝 공정에서 레이저가 조사되지 않는 전도성 잉크를 제거하는 세척 공정까지 3가지 단계로 구분할 수 있다. 전도성 잉크를 균일하게 도포하는 코팅 기술과 생산성 확보를 위해 레이저 선속 2 "m/s" 이상의 광 소결 기술 및 친환경적인 세척 기술을 통합하여, 기존 배선 제조의 한계를 극복하고 Bezel-free디스플레이를 구현하기 위해 고속, 고해상도의 새로운 배선 제조 기술을 개발하는 것을 목적으로 한다.
두번째로 본 연구를 통해 레이저 소결 패터닝 기반의 측면 배선 제조 공정을 제안하고 기존의 개인의 노하우에 치중되어 있던 공정을 자동화 설비에 적용하기 위해서 코팅, 패터닝, 세척 각각 공정의 소형 테스트 배드 구축 및 그 시스템을 바탕으로 최적의 공정 조건을 제시하였다. 코팅, 패터닝, 세척 각각의 공정의 테스트 배드와 최적 공정 조건으로 20/20 "μm" 디스플레이의 후면과 전면을 연결하는 미세 배선을 제조하였으며, 이를 바탕으로 실제 자동화 설비에 적용하여 실제 Bezel-free 디스플레이 제품 생산까지 이루어질 것으로 예상된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 배선 제조 공정 8
• 1.2.1. 기존 배선 제조 공정 8
• 1.2.2. 대체 배선 제조 공정 9
• 1.2.3. 레이저 소결 공정의 원리 13
• 1.3. 연구의 필요성 15
• 1.4. 연구 목적 17
• 2. 전도성 잉크 코팅 공정 19
• 2.1. 전도성 잉크 코팅 공정 재료 탐색 19
• 2.1.1. 전도성 잉크 물질 종류 19
• 2.1.2. 전도성 잉크 물질 형태 22
• 2.1.3. 디스플레이 유리 기판 28
• 2.2. 전도성 잉크 코팅 방법 탐색 31
• 2.3. 전도성 잉크 코팅 테스트 배드 구축 및 조건 선정 34
• 3. 레이저 소결 공정을 이용한 미세 배선 패터닝 43
• 3.1. 기존 레이저 소결 공정 43
• 3.2. 베셀빔을 이용한 레이저 소결 공정 45
• 3.2.1. 베셀빔의 원리 및 특성 45
• 3.2.2. 베셀빔 광학계 설계 및 구성 49
• 3.2.3. 고정 및 이송 장치 설계 및 구성 54
• 3.3. 미세 배선 패터닝 조건 선정 57
• 4. 전도성 잉크 세척 공정 66
• 4.1. 세척의 원리 및 세척용 용매 66
• 4.2. 세척 방법 탐색 및 선정 68
• 4.3. 세척 테스트 배드 구축 및 조건 선정 73
• 5. 미세 배선의 전기적/물리적 특성 81
• 5.1. 미세 배선의 전기적 특성 81
• 5.2. 미세 배선의 물리적 특성 89
• 5.3. 미세 배선을 이용한 응용 디바이스 제작 93
• 6. 결론 95
• 참고문헌 99
• 영문초록 109