Optimization of edge strength in femtosecond laser cutting of ultra-thin glass

신혜성 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

Glass has outstanding properties including low surface roughness, optical transparency, high hardness, and resistance to chemicals. Ultra-thin glass of thickness ≤ 100 μm is developed for flexible devices because thin glass sheets have good bending characteristics. Accordingly, mechanical robustness of ultra-thin glass sheets has become a key factor in manufacturing of flexible devices. More specifically, the edge strength is an important criterion that depends mainly on the edge quality after a cutting process. In this regard, the process to cut ultra-thin glass should to be optimized to minimize the defect generation. This thesis reports the optimal condition to cut ultra-thin glass using femtosecond laser irradiation, maximizing the edge strength of diced samples. First, in direct ablation cutting of ultra-thin glass, the edge strength was optimized, with emphasis on the correlation between defect generation and edge strength. No damage was observed on the front surface, whereas severe chipping was generated on the back surface unless the overlap ratio was 99%. Back-surface chipping substantially decreased the back-side edge strength. Relatively smooth cut surface was achieved at low fluences and high overlap ratios. The inter-pulse distance had to be shorter than the wavelength of the laser beam to produce smooth cut surface. At the optimal condition, the front-side and back-side edge strengths were as high as 285 MPa and 230 MPa, repectively. At the optimal condition, no chipping was observed on the back surface; the back-surface ablation was minimized; smooth cut surface was obtained. Secondly, a bottom-up cutting method was proposed as a novel technique to eliminate the subsurface and back-surface damages, and thus to maximize the edge strength. Subsurface damages are generated by refraction of the laser beam at the V-shaped ablation groove into glass in typical top-down cutting processes. Furthermore, our analysis indicates that interference of the refracted beam with its reflected portion at the back surface induces back-surface damages. On the other hand, refraction of the beam does not occur in the proposed bottom-up cutting method as the ablation groves are inverted V-shaped. The concept of bottom-up cutting was verified as a means to maximize the edge strength, showing that no subsurface/back-surface damages were generated in the bottom-up cutting process. The maximum front-side and back-side edge strengths of the glass sample cut by the bottom-up cutting method were ~330 and ~380 MPa, respectively, which were substantially higher than those achieved in conventional top-down cutting. Thirdly, the femtosecond laser internal-scribing process using a Bessel beam was optimized to maximize the edge strength. The defects induced by laser internal modification and those by mechanical breaking, i.e., separation, were analyzed. Excessively high pulse energy ablated the front surface and hindered uniform modification. The size of internal modification increased with the pulse energy, being largest at the focal position where the intensity was the highest. Proper separation required internal modification without ablation and its size had to be slightly larger than the modification interval. Too sparse internal modification or too small size of internal modification lead to cutting-path deviations due to irregular crack propagation. Too dense internal modification and/or defects such as ablation, also generated cutting-path deviations, decreasing the edge strength. Once the samples were properly separated, the edge strength inversely proportional to the size of internal modification, i.e., to the defect level. Consequently, the optimal condition corresponded to relatively low pulse energy, high focal position, and moderate modification interval. The maximum front-side and back-side edge strengths were 370 MPa and 400 MPa, respectively. In this work, the edge strength of thin glass was optimized for three femtosecond laser cutting processes: direct ablation cutting, bottom-up ablation cutting, and internal scribing and breaking. Direct ablation cutting is the simplest technique, but the inevitably induced sub-surface damages lead the lowest edge strength of 230 MPa (42 % of the ideal strength) among the three processes. Bottom-up cutting eliminated the subsurface and back-surface damages, increasing the edge strength. The edge strength of the bottom-up cutting was as high as 330 MPa (60% of the ideal strength). However, the cutting speed was the lowest because a large number of scans were required. In addition, bottom-up cutting could cut the glass in any desired shaped. Internal scribing using a Bessel beam showed the highest edge strength of 370 MPa (67 % of the ideal strength). The cutting speed was also the highest, because it cut a glass sheet in a single scan. However, cutting along a the sharp-edged cut path was difficult unlike the other two methods.

Molecular Dynamics and Structural Analysis on the Chemical Strengthening Properties and Impact Resistance of Sodium Alumino-Silicate Glasses

박경대 국립공주대학교 대학원 2024 국내박사

화학 강화 유리는 유리 매트릭스 내의 Na+ 이온과 용융 염 내의 K+ 이온 간의 이온 교환을 통해 표면에 유도된 압축 응력으로 인해 파괴 강도가 향상됩니다. 나트륨 알루미노실리케이트(SAS) 유리는 전형적인 화학 강화 유리 재료로서 모바일 디스플레이 응용 분야의 시장 수요가 증가함에 따라 광범위한 연구가 수행되었습니다. 본 연구진은 이전연구를 통해 B2O3 및 P2O5와 같은 망목형성체가 도입될 때 SAS 유리의 화학 강화 특성인 압축 응력(CS)과 층의 깊이(DOL)가 변화되었습니다. 이러한 CS 및 DOL의 변화는 B2O3 및 P2O5가 치환 첨가 시 구조적 변화가 발생하며 이를 통한 화학 강화 특성 변화를 유도합니다. 그러나 B2O3 및 P2O5 함량에 따른 구조 변화 및 이에 대한 영향을 설명하는 적절한 연구가 제안되지 않았습니다. 본 연구에서는 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 B2O3 및 P2O5 치환 첨가 시 SAS 유리의 구조 변화를 시뮬레이션 하였습니다. 시뮬레이션을 위한 상호 원자 간 포텐셜은 이전 연구들을 통해 얻어진 결과를 사용하여 B2O3 및 P2O5가 포함된 SAS 유리의 유리 내 구조 변화와 화학적 결합을 이해하는 데 중요한 지표인 원자 간 결합 길이, 결합 각도 분포, 배위 수 변화 및 Na+-K+ 이온 간 상호 확산 계수를 계산했습니다. 또한, 실증적 구조 분석으로 Solid-state NMR을 추가적으로 모니터링하였으며 MD 결과와 비교하여 CS 및 DOL에 미치는 영향이 논의되었습니다. 또한, Li2O, K2O, MgO 및 CaO 와 같은 알칼리 및 알칼리 토금속 산화물의 망목변형제 치환 첨가 시 알루미노실리케이트 유리 내 구조 변화와 화학적 강화 특성에 미치는 영향을 밝힐 수 있는 종합적인 연구는 제안된 바 없습니다. 본 연구에서는 추가적으로 앞선 우수한 화학강화 특성을 보인 SiO2-Na2O-Al2O3-P2O5 유리에서 Na2O과 알칼리 및 알칼리 토금속 산화물(Li2O, K2O, MgO 및 CaO)의 다양한 함량을 치환 첨가하여 SAS 유리를 준비하고 CS와 DOL의 변화를 실제 관찰하였습니다. 이러한 조성 변화에 따른 CS 및 DOL의 변화와 구조적 변화 간 상관관계 해석을 위해 Solid-state NMR 및 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 수행된 구조 분석에 의해 설명하고자 하였습니다. 각 구성 요소의 원자 간 결합 길이, 결합 각도 분포, 배위 수 변화 및 Na+-K+ 이온 간 상호 확산 계수를 계산되고 논의되었으며, SAS 유리의 다양한 망목변형제 첨가에 따른 화학적 강화 특성에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 마지막으로, 초박형 유리(UTG)는 최근 폴더블 제품에서 핵심 구성 요소입니다. 이에 화학적 강화로 알려진 나트륨 알루미노실리케이트(SAS) 유리는 초박형, 초경량의 커버소재로서 사용되고 있습니다. 이러한 플렉서블 전자 제품에 대한 커버소재 연구는 제품의 수명을 위해 향상된 내구성 및 기계적 강도 연구가 필요합니다. UTG는 50 µm 미만일 때 펜 드롭과 같은 스트레스를 견뎌야 하며, 유리 구조 내에서 충격 시 균열 생성 전에 밀도 증가, 조정 변화 및 전단 흐름 등의 다양한 메커니즘을 통한 충격 에너지를 효과적으로 소산시켜야 합니다. 그러나, 현재까지도 기계적 강도와 구조적 변화 간 메커니즘은 아직 완전히 규명되지 않았습니다. 따라서, 본 연구진은 최근 상업적인 UTG보다 충격 저항성이 크게 향상된 새로운 나트륨 알루미노실리케이트 기반 UTG를 개발했습니다. 분자 동역학(MD) 시뮬레이션과 Solid-state NMR, Micro-Raman, XPS 등의 구조 분석을 사용하여 내충격과 구조적 변화 간 상관관계를 해석하고자 하였습니다. 이러한 UTG 조성의 원자 간 결합 길이, 결합 각도 분포 및 배위 수 변화 계산되고 논의되었으며 UTG의 내충격 메커니즘을 논의하였습니다.

Device design for the long-term reliable intraocular artificial retina

정현빈 서울대학교 대학원 2023 국내박사

지난 10년간의 인공 망막 장치들의 실패를 거친 후, 시장에는 새로운 형태의 인공 망막이 필요하게 되었다. 본 논문에서는 새로운 종류의 안구 삽입형 인공 망막의 개념을 제안하고 필요한 구성 요소들을 제작 및 검증합니다. 제안된 형태의 인공망 막에 적합한 전력 및 데이터 전송용 코일, 신경 자극기, 그리고 신경 전극의 제한 조건들을 설정하고, 설계의 첫 단계를 시작하였다. 제안된 인공 망막은 코일과 전극을 안구 내에 위치시켜 공막 손상을 최소화하고, 통신 및 자극 신호 생성용 신경 자극기만을 안구 외부에 위치시키는 것을 목표로 한다. 첫째로, 인공 망막 장치에서 부피가 가장 큰 코일을 안구 내로 삽입하기 위해, 접을 수 있는 코일 디자인과 적합한 수술 방법을 제안하였다. 삽입이 용이하도록 코일은 원형이 아닌 육각형 모양으로 제작되었다. 고주파 구조 시뮬레이터로 코일의 특성 매개변수를 시뮬레이션하였고, 자체 접착식 코일을 제작하였으며, 패키징 공정을 개발하였다. 가속화 시험과 구리 이온 용출 시험을 통해 장기간 신뢰성과 성능을 평가하였다. 마지막으로, ex-vivo 시험을 통해 제작된 코일이 의도한 대로 안구에 성공적으로 삽입될 수 있음을 입증하였다. 둘째로, 외부 장치의 부피를 최소화하기 위해 신경 자극기 설계의 전력 및 면적 효율성을 개선하기 위한 두가지 전략-고전압 공정과 액티브 방전 회로의 제거-를 제시하였다. 고전압 공정은 망막 조직의 높은 임피던스를 상쇄하기 위해 출력단의 작동 전압을 증가시키기 위해 사용된다 또한, 액티브 방전 회로는 전극을 통한 유해한 직류 전류 발생 가능성을 제거하기 위해 사용된다. 우리는 수학적으로 고전압 공정과 활성 방전 회로를 자극기에서 제거할 수 있음을 입증하였다. 또한, 우리는 tsmc 180 nm 공정을 사용하여 64채널 망막 자극기를 설계하였다. 이 자극기는 5 V 공급 전압과 ± 4 V 출력 컴플라이언스 전압을 가지며, 픽셀당 0.0425 mm2의 면적을 차지하여 동일한 기술을 사용하는 다른 망막 자극기보다 더 적은 면적을 사용한다. 또한, 벤치탑 실험을 통해 제안된 전략이 효과적으로 동작함을 검증하였다. 마지막으로, 패럴린-C 절연체를 사용하여 자극 전극의 장기간 신뢰성을 달성하기 위해 우리는 초박형 유리 기판과 패럴린-C/알루미나 이중층 절연층을 이용한 전극을 제작하였다. 다양한 이중층 절연체를 대상으로 한 신뢰성 실험을 통해 패럴린-C/알루미나 이중층 절연막이 평가된 물질 중 가장 뛰어난 성능을 가지고 있음을 입증하였다. 또한, 초박형 유리 기반 전극이 고투과성과 유연성을 갖추면서 층 간 이탈을 최소화한다는 것 역시 확인하였다. 제작된 전극은 금으로 제작된 일반적인 신경 전극과 유사한 전기적 특성을 가졌다. 본 연구는 새로운 형태의 인공 망막 개발에 기초를 제공하며, 인공 시각 장치와 관련된 다양한 분야의 진전에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. Following the failure of existing artificial retina devices, there is a need for a new type of artificial retina in the market. In this paper, I propose a concept for a novel form of the intraocular artificial retina and fabricate and verify the necessary components. I have started the first step of component design, coil, stimulator, and electrode array. The proposed artificial retina aims to minimize damage to the ocular membrane by positioning the coil and electrodes within the eye while locating the communication and stimulation signal generation circuitry outside the eye. Firstly, to insert the coil, which occupies the largest volume in the artificial retina device, into the eye, I propose a hexagonal foldable coil design and a proper surgical method to fold the coil for intraocular insertion. For easy insertion, the coil has a hexagonal shape, not the circular one. I simulate the characteristic parameters of the coil with a high-frequency structure simulator, develop a self-bonding coil fabrication and packaging process, and evaluate its performance and long-term reliability with accelerated test and elution tests. In the final step, through the ex-vivo test, I have demonstrated that the fabricated coil can be successfully inserted into the eye as intended. Secondly, to minimize the volume of external devices, I present two strategies to improve the power and area efficiency of the neural stimulator design: the elimination of a high-voltage process and the reduction of the active discharge circuit. High voltage process is usually used to increase the output compliance voltage to offset the high impedance of retinal tissue. Also, an active discharge circuit is commonly used to remove the possibility of harmful direct current through the electrode. I mathematically justify the high voltage process and the active discharge circuit can be removed from the stimulator. Plus, I have designed a 64-channel retinal stimulator with tsmc 180 nm process. It has ± 4 V output compliance voltage with 5 V supply voltage and spend 0.0425 mm2 per pixel, which are superior to other retinal stimulator which used the same technology. Also, through benchtop tests, the effectiveness of the proposed strategies was validated. Lastly, in order to achieve long-term reliability of stimulation electrodes while using parylene-C insulation, I have fabricated electrodes using an ultra-thin glass substrate and parylene-C/Al2O3 bi-layer insulation. Through reliability tests with various bi-layer insulation layers, I demonstrate that the Al2O3 and parylene-C bi-layer insulation is the most effective among the tested materials. Also, I confirm that the ultra-thin glass-based electrodes exhibit high transparency and flexibility while minimizing layer delamination. Fabricated electrodes have electrical properties which were comparable to conventional gold electrodes. The research conducted in this paper serves as a foundation for the development of a new form of artificial retina and can contribute to advancements in various fields related to artificial vision devices.

소듐 실리케이트 유리의 이온교환 유기 거시적 변형 실시간 관찰 및 수치해석적 모델링

이지인 한국항공대학교 일반대학원 2025 국내박사

이온교환에 의한 화학강화 방법과 함께 소듐 알루미노 실리케이트 유리의 등장 이후로 이온교환은 현재까지도 전자기기의 커버 윈도우 유리를 강화하기 위한 방법으로 사용되고 있다. 최근에는 자동차용 윈드쉴드, 내부 인포테인먼트, 바이알 등으로 그 활용처가 확대되고 있으며, 초박형 유리의 등장으로 유연 디스플레이 모듈의 구현이 가능하게 됨에 따라 두께가 얇은 유리에 대하여 물리 강화를 적용할 수 없어 화학강화에 대한 수요는 점차 높아지고 있는 추세이다. 이로 인해 이온교환에 의한 화학강화를 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 공정에 변화를 주어 보다 폭넓은 기능성을 부여하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 화학강화가 이루어지는 공정에는 크게 침지법과 비침지법으로 나뉘어질 수 있다. 현재까지는 이온교환이 균일하게 이루어지는 강점으로 인해 침지법이 산업적으로 활발히 활용되었으나, 유리를 염욕에 침지하여 강화하는 방식임에 따라 유리에 선택적으로 기능성을 부여하기 위해서는 치밀한 막의 형성이 요구되며 이는 곧 단가의 상승으로 이어지게 된다. 비침지 방식은 도포막과 유리 사이의 비가역적인 반응, 한정적인 염의 함량, 불균일한 강화 등으로 인해 그 사용처가 매우 제한되었으나, 최근에는 위치선택적인 강화로 인한 다양한 기능성 부여가 가능함에 따라 비침지 방식에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 한편, 이온교환을 진행하는 도중 응력의 비대칭이 기준치 이상으로 발생하게 되면 예상치 못한 변형이 야기될 수 있는 것은 매우 잘 알려져 있는 사실이다. 현재까지는 이러한 변형을 단순 반복적인 시행착오를 거쳐 변형이 발생하지 않는 조건을 찾아 적용하는 것으로 제어하여 왔으며, 유리의 전면이 이온교환되는 침지 방식을 활용함에 따라 응력을 계산하기 위한 많은 모델들이 등장하고 시뮬레이션을 진행하였으나, 모든 가정은 유리에서 전체적인 변형이 발생하지 않는 조건임에 따라 이러한 변형을 정량적으로 파악하지 못하여 왔다. 이에 따라 본 연구에서는 이온교환에 의해 발생하는 변형을 정량적으로 파악하고 이를 능동적으로 활용하고자 하였다. 따라서 비침지 방식을 활용하여 초박형 유리의 한쪽 면에 스프레이 분사를 통해 염을 포함하는 도포막을 형성시키고 이후 이온교환 열처리를 진행하여 화학강화를 진행하였다. 이때, 비대칭적인 이온교환으로 인해 한쪽 면에만 화학강화 지표인 응력과 확산깊이가 형성됨에 따라 변형을 의도적으로 발생시키고자 하였으며 변형을 보다 잘 관찰하기 위해 종횡비가 크고 두께가 얇은 초박형 유리를 채택하였다. 또한 시간에 따른 변형에 대한 분석을 위해 이온교환 열처리가 진행되고 있는 상황에서 나타나는 변형을 투명창이 달린 열처리로를 활용하여 실시간으로 관찰하였다. 저온에서부터 고온의 영역까지 시간이 지남에 따라 하나의 축으로 변형이 발생하는 것을 확인하였으며 이온교환 온도가 증가함에 따라, 유지 시간이 증가함에 따라 변형량은 점차 증가하는 거동을 보이는 것을 확인하였으며, 변형 속도는 온도와 관계없이 이온교환 극초기에 가장 큰 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 해당 데이터를 기반으로 수치해석적인 방법을 통해 이온교환에 의한 변형 모델을 도출해내고자 하였다. 유리는 점탄성적인 거동을 하는 재료로 알려져 있으나, 이온교환에 의해 유리에서 발생하는 변형에 대한 거동은 어떠한 변형 거동을 따르는 지 알려진 바가 없음에 따라 탄성, 소성, 점탄성 모두를 고려하여 모델링을 진행하였다. 이온교환 유리가 가진 물성을 그대로 활용할 수 있는 탄성 모델은 기존에 잘 알려진 스토니 관계식을 활용하여 식의 수정을 진행하였다. 식을 수정하는 과정에서, 스토니 관계식의 제한점을 고려하려 새로운 파라미터인 유효확산길이 및 유효응력을 제안하였으며, 제안된 새로운 파라미터를 활용하여 식을 수정하고 이를 실측한 변형량과 대응한 결과, 저온대역에서 잘 맞는 거동을 보임을 확인하였으며, 각각의 파라미터 또한 이온교환 상황에서 적합하게 거동함을 확인하였다. 실험을 진행한 일부 고온대역에서는 탄성 모델로 설명되지 않는 추가적인 변형이 발생하였음에 따라 이를 소성 변형으로 정의하고 이에 대한 모델링을 추가적으로 진행하였다. 이온교환 상황에서 발생하는 소성적인 거동을 파악하기 위해 응력의 완화와 함께 형상 변화를 고려할 수 있는 탄소성 변형률 모델을 새롭게 활용하였다. 탄소성 변형률 모델에 있어, 수정을 진행하지는 않았으나 기존의 모델을 활용하여 소성변형에 의한 변형을 계산하기 위한 방식은 본 논문에서 처음 시도되었다. 보다 정밀한 모델링을 진행하기 위해 초박형 유리에서 이온교환 후에 발생하는 형상 변화를 최초로 확인하였으며, 기존에 보고된 두꺼운 유리에서 국부적으로 발생하는 dog-ear 형태의 형상변화가 아닌, 이온교환층에서의 전체적인 부피 팽창이 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 형상변화와 탄소성 변형률 모델을 활용하여 초박형 유리에서 소성적으로 발생하는 곡률 변화에 대해 식을 수정하였으며, 측정 데이터와 잘 맞는 거동을 보이는 것을 확인하였다. 결과적으로 이온교환에 의해 응력과 함께 발생하는 변형은 점탄성적인 변형 거동을 보이는 것을 확인하였으며, 탄성 변형 및 소성 변형에 대해 각각 모델링을 진행하였고, 단순히 나타나는 변형을 응력과 확산깊이(또는 확산계수)의 함수로 표현할 수 있음을 확인하였다. 이는 본 논문에서 제안된 이온교환에 의한 변형 모델을 활용하면 단순히 실험조건의 선정을 통해 원하는 수준의 변형을 부여할 수 있음을 의미한다. 추가적으로 이외에 다른 종횡비를 가지는 초박형 유리, 염 함량의 변화, 위치선택적 이온교환 및 양면 비대칭 이온교환 상황에서도 제안된 모델의 적용이 가능한 것을 확인하였다.

초박판 글라스의 표면 코팅에 의한 물성 개선 효과

황인성 호서대학교 대학원 2013 국내석사

In this study, ultra-thinned glass with thickness of about 50 ㎛ was fabricated by wet etching method from the non-alkali glass with thickness of 500 ㎛, and its applicability to the base material of flexible display was investigated. Although the ultra-thinned glass with thickness below 50 ㎛ show specific flexibility, it also has a weakness of the resistance to physical impact. Therefore, the surface coating was investigated to improve the weakness of ultra-thinned glass, and then the effects of various coating agents were confirmed. Various coating agents were prepared by using organic, inorganic or organic-inorganic complex materials. The uniform coatings on the ultra-thinned glasses were performed with slit die coater, and the influences of the difference in viscosity of coating solution on the coated surface morphology and physical properties were also investigated. The bending diameter of ultra-thinned glass before coating was about 25 mm, and it decreased with an increase in flexibility by the coating. Especially, the ultra-thinned glass coated with organic-inorganic complex agent showed very high flexibility of 5 mm bending diameter. Although surface hardness and resistance to scratches measured by pencil hardness tester tended to decrease by the coating, the glass surface coated with high viscous organic-inorganic complex agent showed high resistance close to non-etched glass. Visible light transmittances of various coated ultra-thinned glasses showed similar value to the non-etched original glass or non-coated ultra-thinned glass. From those results, the effect of surface coating on the property modification of the ultra-thinned glass was confirmed, and its various applications including the flexible display material could be extended. 본 연구에서는 500 ㎛ 두께의 무알칼리 글라스를 습식 에칭하여 약 50 ㎛의 초박판 글라스로 만들었으며, 플렉시블 디스플레이용 소재로의 적용 가능성을 검토하였다. 50 ㎛ 이하의 두께를 가지는 초박판 글라스는 특이한 유연성을 나타내지만, 물리적인 충격에 약한 문제점이 있다. 따라서 글라스의 표면을 코팅하여 초박판글라스의 약점을 개선하고자 하였으며, 다양한 코팅제를 사용하여 그 효과를 확인하였다. 유기, 무기, 유․무기 복합 재료 등을 사용하여 다양한 코팅제을 조제하였다. 슬롯다이 코터기를 이용하여 일정한 두께의 코팅 글라스 시편을 만들었으며, 코팅액의 점도의 차이가 코팅 표면의 형상과 물성에 미치는 영향을 검토하였다. 코팅 전의 초박판 글라스의 굴곡직경은 약 25 mm 였으며, 코팅에 의해 유연성이 증가하여 굴곡직경이 감소하는 결과를 보였다, 특히 유․무기 복합 코팅제로 코팅 한 경우에는 굴곡직경이 5 mm로 매우 높은 유연성을 나타냈다. 연필경도계로 측정한 글라스 표면의 경도 및 내스크래치성은 코팅에 의하여 저하되는 경향이 있었지만, 점도가 높은 유․무기 복합 코팅제로 코팅한 경우에 에칭 전의 글라스에 가장 근접한 값을 얻을 수 있었다. 가시광선의 투과도는 에칭 전․후 및 코팅 전․후에 유사한 값을 나타냈다. 이상의 결과로부터 초박판 글라스의 코팅에 따른 물성 개선효과가 확인되었으며, 향후 플렉시블 디스플레이 소재로의 적용을 포함하여 다양한 응용분야가 확대될 것으로 기대된다.

모바일 디스플레이 박판 유리용 초음파적용 휠 scriber 가공 특성에 관한 연구

김규한 성균관대학교 과학기술대학원 2010 국내석사

영상디스플레이장치로 각광을 받고 있는 평판디스플레이는 상판과 하판에 투명 유리 기판을 사용하고 있다. 이 투명 유리 기판을 정밀 절단하기 위해서는 생산성 측면에서 scriber 6 - head에 균일한 정압 제어와 패널부에 헤드부가 일정한 하중을 주어야만 완전 절단 되는 조건, 정밀 스테이지 비전 측정, 휠 마모 테스트, 대응 가능 fine pitch, 초음파 진동과 scriber wheel을 사용한 절단면을 관찰하여 최적의 가공 조건을 검토하였다. 패널부에 1 kg의 하중을 가하는 UM 타입의 스프링이 성능면에서 우수한 결과를 도출하였다. 정압에 따른 패널부가 받는 하중을 측정한 결과 정압의 범위는 48 kPa ~ 117 kPa가 휠 헤드부의 적절한 정압으로 측정되었다. 스테이지 평탄도 변화량 측정에서는 최대 0.006의 편차가 발생하였으며, 모터 정밀 가공이 스테이지 평탄도에 영향을 주는 것을 확인 하였다. wheel 교체 시기는 휠 사용 거리가 120 m 이전 100 m ~110 m 적당한 것으로 평가 되었다. 시스템에서 가장 안정적인 피치는 68 mm로 측정 되었고, 기존 시스템을 보완 후 최소피치는 40 mm로 줄일 수 있었다. 초음파 휠 사용 시 주파수는 4 kHz (20 V)에서는 절단속도 200 mm/s에서 우수한 성능을 나타내었다. 따라서, 초음파가 적용된 휠에서 휠의 정압이 48 kPa ~ 117 kPa이고, 휠속도는 200 mm/s, 초음파 주파수 4 kHz(20 V), 휠 교체 시기는 100 m ~110 m 사용 후 교체가 박형 scriber 최적 가공 조건이었다. A flat panel display known as imaging display application utilizes transparent glass substrate on the top and bottom sides. As the aspect of production, put the equal static pressure to scriber with 6-head and head part has to put constant load to panel so as to saw precisely transparent glass substrate. These two conditions set forth above include the measurement of precise stage vision, the wheel abrasion test, fine pitch, ultrasonic vibrations and scriber. The cutting plane was observed by using conditions mentioned above and this inspection the best process condition showed as following below. UM type spring which is designed to put 1 kgf loading to panel is shown outstanding performance. As a result of the test to gauge a load to panel, the appropriate static pressure to wheel head is between 48 kPa and 117 kPa. The max 0.006 deviation is determined at the test of stage flatness variation and micro manufacturing technology of motor is identified to affect stage flatness. Wheel replacement life is suitable between 100 m and 110 m less than 120 m prior to used wheel range. The most stable pitch on the system is measured 68 mm and the minimum pitch was able to be lowered after improving the existing system. As using ultrasonic waves wheel, frequency and cutting speed was shown excellent performance at 4 kHz (20 V) and 200 mm/s, respectively. Therefore, the optimum process condition for of thin scriber that as using ultrasonic waves wheel, voltage, speed, frequency, and change frequency of wheel was 48 ~117 kPa, 200 mm/s, 4 kHz (20 v), and 100 ~ 110m, respectively.

Nonvolatile Memory Devices and Thin Film Transistors for Next-Generation Displays

정성욱 성균관대학교 일반대학원 2009 국내박사

For the realization of next-generation displays, fabrication and integration of nonvolatile memory devices and high mobility thin film transistor on glass substrate were absolutely requested. In this dissertation, top-gate polycrystalline silicon nonvolatile memory devices using low temperature polycrystalline silicon thin film transistor technology and bottom-gate nanocrystalline silicon nonvolatile memory devices using nanocrystalline silicon thin films with an oxide-nitride-oxynitride stack structure on glass substrate for applications of flat panel displays such as system on panel were fabricated and analyzed. Additionally, top-gate polycrystalline silicon thin film transistors with multi-stack dielectric structures for high mobility and threshold voltage stabilization of flat panel displays and bottom-gate nanocrystalline silicon thin film transistors using direct deposition method for low cost backplane of flat panel display were fabricated and demonstrated. The polycrystalline silicon thin film on glass substrate annealed using an excimer laser has a very rough surface. For the fabrication of the low temperature polycrystalline silicon nonvolatile memory devices and thin film transistors on glass substrate with very rough surface of the polycrystalline silicon, plasma-assisted oxynitridation was carried out using nitrous oxide as a reactive gas. General chemical vapor deposition cannot generate an ultra-thin tunneling layer of uniform thickness for the fabrication of nonvolatile memory devices on glass substrate, because of the roughness of the polycrystalline silicon surface caused by the melting/crystallization of the amorphous silicon during the irradiation of the laser beam. The ultra-thin oxynitride films obtained using the nitrous oxide plasma has a very uniform distribution on polycrystalline silicon and similar contents of oxygen and nitrogen in the peaks and valleys of the grains. The analysis of capacitance-voltage curves demonstrated that the ultra-thin silicon oxyntirde films of more than 2.3 nm thickness have good properties as tunneling layer for nonvolatile memory devices and initial layer for high mobility and low interface trap sites of thin film transistors. In charge trapping layer, the analysis of defect sites using photoluminescence and FT-IR were executed. As annealing temperature increase from 500 to 900 °C, the peaks of photoluminescence spectra were shifted to high wavelength region and the intensity of photoluminescence was decreased. In the photoluminescence studies, the shift of the intense visible peak was related on the variation of defect states in the silicon nitride films, where release of hydrogen atoms from the defect configuration is highly improbable. The reaction mechanism for decrease of defect sites in silicon nitride layer at high temperature annealing is demonstrated. The metal-oxide-nitride-oxynitride-silicon structures with a silicon oxynitride film as the tunneling layer of nonvolatile memory devices were fabricated. The charge storage effect of the metal-oxide-nitride-oxynitride-silicon structures with different oxide-nitride-oxynitride thicknesses was investigated. The results demonstrate that the metal-oxide-nitride-oxynitride-silicon device using the oxide-nitride-oxynitride stack structure with an ultra-thin tunneling oxynitride layer having a thickness of 2.3 nm, a charge trapping layer of silicon nitride with a thickness of 20 nm, and a blocking layer with a thickness of 12.5 nm has a relatively large flatband voltage shift in the large range voltage sweeps. The nonvolatile memory devices having a metal-oxide-nitride-oxynitride-polycrystalline silicon structure with a tunneling layer of ultra-thin silicon oxynitride on glass substrate were fabricated. The devices have remarkable switching, charge retention, and endurance characteristics, which can be applied for applications of flat panel displays. The results demonstrate that the nonvolatile memory devices fabricated using the oxide-nitride-oxynitride stack structure on glass substrate with rough silicon surface have suitable switching characteristics for data storage with a low operating voltage less than ±10V applicable to mobile flat panel display. Although the polycrystalline silicon nonvolatile memory devices were fabricated on rough surface, the memory window was found to be more than 72% of the initial window after 10 years and the initial memory window was retained after 105 cycles. The low temperature polycrystalline silicon thin film transistors with multi-stack dielectric structures have outstanding electrical properties such as low threshold voltage, high ON/OFF current ratio, low subthreshold swing, and high mobility due to superior gate composite and surface passivation effect of nitrous oxide plasma treatment. Although amorphous phased incubation layer was existed in bottom region of active nanocrystalline silicon layer, the mobility of bottom-gate nanocystalline silicon thin film transistors using nanocrystalline silicon thin film with crystalline fraction of 72.6 % was increased than that of amorphous silicon thin film transistors due to increase of partial nanocrystalline phase in channel region. The bottom-gate n-channel nanocrystalline silicon thin film transistors showed a mobility of 0.48 cm2/V-s and a low VTH of 1.97 V. The field effect mobility of bottom-gate nanocrystalline silicon thin film transistor is 2.4 times that of amorphous silicon thin film transistors. Moreover, the bottom-gate nanocystalline silicon nonvolatile memory devices with oxide-nitride-oxynitride stack structure have low operating voltage, long retention time, and endurance cycles. The low temperature polycrystalline silicon nonvolatile memory devices and nanocrystalline silicon nonvolatile memory devices with the oxide-nitride-oxynitride stack structure on glass substrate reported in this dissertation can be used for applications of various kinds of display devices. The low temperature polycrystalline silicon thin film transistors and nanocrystalline silicon thin film transistors with the multi-stack dielectric structures can be promptly applied for driving devices of flat panel displays.