1 기술강좌 유리의레이저접합 Laser-Based Glass Soldering Jeong Suh and Dongsig Shin 1. 론 최근산업계의다양한분야에유리기판들을적층하고부착하는기술을활용하고있으며, 특히디스플레이기기및염료감응형태양전지소자에활용이되기시작하였다. 디스플레이기기는통신, 정보, 가전의모든전자산업의약 10% 이상의위상을차지하고있는분야이며염료감응형태양전지는차세대태양전지로건물의창에설치가가능하여 BIPV 소재로주목을받고있다. 그러나이들소자에있어유기물기반의재료사용량이점차늘어남에따라새로운유리의접합접합에관한연구가진행되고있으며특히 Frit을이용한유리의접합공정이각광을받고있다 1-4). Frit을이용한유리의접합공정은기존의금속솔더 5,6) 를이용한공정에비해오염및부식에의한영향이적으며에폭시 7) 를이용한접합공정에비해밀봉성능이우수한장점이있다. 또한, 모재인유리와열팽창계수가비슷해접합시발생하는응력문제를해결할수있어높은밀봉성능이요구되는유리의접합공정에다양하게적용이되고있다 8). 그러나, 공정온도가 400~500 가되는전기오븐의사용은 OLED, 광통신용광도파로, 태양전지, 바이오칩등유기소재가포함된소자의패키징및광학소자의적용이불가능한단점이있어레이저를이용한 frit의국부적인가열법이최근적용되기시작하였다 9). 본기술강좌에는 Fig. 1과같이레이저빔을이용 하여글라스 frit을가열하고밀봉하는기술을다루고있으며특히열적한계 (<150 ) 로인하여오븐에의한접합이힘들었던유기재료와결합된형태의유리소자의접합에적용을위한공정을기술하고있다. 특히열응력에의한유리및 frit의크랙방지를위한공정실험을위주로설명하고자하며, 스캐너의고속조사공정, 가압 / 가열지그를이용한온도구배최소화방법을이용한결과들을소개한다. 2. 유리의접합실험 Fig. 2 는유리모재에 frit을도포하기위한한도면및적용예로, 127 127mm 의유리모재에 45 45mm 의크기로 frit을 4방향으로도포한결과이다. Frit 선폭은 1mm 이며, 사용된유리는코닝사 Eagle 2000으로 300 이내에 31.8 10-7 m/ 의열팽창계수를유지하고있으며높은광투과율및열적안정성으로인하여디스플레이용유리로각광을받는재료이다. Flit은실크스크린을통하여도포되었으며 ( 주 )Sealtech 사제품으로 PbO: 70%, ZnO: 10%, B 2 O 3 : 10%, SiO 2 : 5% 및 ZrO 2 : 5% 로구성되어있다. 또한, sealing 온도 450, transition 온도 : 320 및열팽창계수 : 89 10-7 m/ 의특성을보유하고있다. 레이 Fig. 1 Laser-based glass soldering for organic devices Fig. 2 Printed flip on the glass pattern and sample 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 345
2 2500 Temperature( ) 2000 1500 1000 500 Peak amplitude at t~1s Peak amplitude at t~2s Peak amplitude at t~3s Fig. 3 Temperature distribution along the solder glass: square and radius coners 9) 0 0 400 800 1200 1600 저를이용한 frit 의가열시온도의집중에의한재료의 파괴를막기위해는코너부를곡면처리하여야한다. Fig. 3 은사각형코너와곡면처리된코너부의레이저 가열시열해석결과로직각으로구성된코너부에열이집중된다는것을알수있다. 이를방지하기위해본실험에는반경 1mm를갖는코너부를설계하였다. 또한실험에 frit의뒷면에레이저를조사하기위하여바닥면에홈이형성된지그를사용하였으며모재로는근적외선영역에반사율이높으며가열시열전도율이우수한구리가적용되었다 [Fig. 4 참조 ]. Fig. 4 는유리접합을위한실험장면으로 Robot ( 현대 HX130-02) 과스캐너 (Scanlab 사 ) 를이용하여레이저빔을이송하였으며사용된레이저는 IPG Fiber 레이저 (YLR-1600) 이다. 한편접합에필요한레이저빔의직경은 2mm로초점거리가 460mm인 F-theta 렌즈를디포커싱 (390mm) 하여실험하였다. Fig. 5는레이저빔 ( 출력 : 150W, 초점크기 : 2.5mm) 의가공속도에따른가공부의최고온도분포로고속으로가공됨에따라최고점의 500 이하로내려온다는것을알수있다. 이에따라본기술강좌에는크게고속가공조건과저속가공조건그리고예열가공및비예열가공으로나누어실험결과를분석하였다. 열화상카메라 (Fluke Ti25) 는가공부전체의온도분포를측정하기위해사용하였다. 또한응력및실링특성은각각광탄성측정장치 (Fig. 6 참조 ) 및고압챔버를설계 / 제작하여측정할수있었다. Fig. 4 Heating/pressing jig and experimental equipment Laser beam speed(mm/s) Fig. 5 Peak temperature as an increase of laser beam speed 9) Fig. 6 Photo-elasticity test device 3. 유리의접합특성분석 Table 1은유리의접합을위한실험조건및실험결과를정리한도표로가공속도, 레이저출력, 예열온도및단위길이당주입된에너지에따른실험결과로는 Frit의벗겨짐, 응력, 크랙, 젖음성, 가공온도및실링특성을정성적으로설명하고있다. Fig. 7은 Frit의벗겨짐현상을나타내는사진으로 Frit의벗겨짐현상 (delamination) 은저속공정보다는고속공정의경우에발생하였으며일반적으로낮은출력을조사한경우발생하였다. 이유로는유리모재가충분히가열되기전 Frit에레이저빔이조사되어국부적인팽창과수축이진행되었기때문이다. 그렇지만이와같은결함은출력을높일경우유리에열이가해지며사라지는현상이발견되었다. Fig. 8은레이저출력 : 200W, 레이저빔조사속도 : 100mm/s, cycle: 25의조건에측정된온도분포로코너부위에온도가비교적집중되고있다는것을보여주고있다. 레이저를이용하여유리를접합하는경우가장중요한평가지표로응력의발생유무가있다. 이는제품의수명과직접연관이되기때문에측정방법 346 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
유리의레이저접합 3 Table 1 Experimental result Experiment variables Experiment results Power (W) Scan Speed (mm/sec) Cycle Preheating Temp( ) J/mm Delamination Stress Crack (Frit) Crack (Glass) Wetting Temp (uniformity) Sealing (1/10bar) 100 100 25 0 25 ** * *** * **/* 200 100 25 0 50 ** *** ** **/* 300 100 25 0 75 * *** ** */* 100 1000 250 0 25 *** * -/- 200 1000 250 0 50 *** ** */* 300 1000 250 0 75 * ** * ***/** 500 1000 250 0 125 ** ** *** ***/* 100 100 25 100 25 *** ** ** **/* 200 100 25 100 50 *** *** ** ***/* 100 1000 250 100 25 *** *** -/- 200 1000 250 100 50 ** *** ***/** 300 1000 250 100 75 * ** *** **/* 500 1000 250 100 125 ** * *** */- Fig. 7 Photos of delaminated specimens: laser power: 100W, velocity: 1000mm/s, cycle: 250 and laser power: 300W, velocity: 1000mm/s, cycle: 250 Fig. 8 Temperature distribution (laser power: 200W, velocity: 100mm/s, cycle: 25) 의고안이매우중요하다. 본강좌에는편광기법을이용한광탄성측정장치로가공부의응력을측정하였고 Fig. 9에밝게보이는직선은응력이존재한다는증거로응력에의해편광이변했음을보여주고있다. Fig. 9 Stress distribution (laser power: 200W, velocity: 100mm/s, cycle: 25) 반대로응력이존재하지않을경우는편광에의해빛이차단되어 Fig. 9에볼수있는밝은선을볼수없게된다. 이외에도 frit의젖음성 (wetting) 및크랙의유무도수명과연관된중요한측정변수중의하나로 darkfield 측정법 ( 오염물및크랙의측정이용이 ) 을이용하여관찰할수있다 (Fig. 10 참조 ). 전체적으로젖음성은저속공정보다고속공정의경우안정적으로가열되어우수하였으며크랙의발생은저속공정에응력의발생에의해자주발생되었다. 이와더불어기포의발생은고출력및고속공정에발생하였는데이는저융점재료인아연산화물이포함되어일어나는현상으로판단된다. Fig. 11은밀봉성능의측정을위한가압형테스트장치를나타내고있으며가공된시편을수중에 10bar 의조건으로 24시간이상가압한후 frit의내부로의수분침투여부를판단하였다. 전체적으로실험 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 347
4 Table 2 Summary for laser based glass soldering 접합성능이우수한경우 - 저속공정 (100mm/s) 에 비 해 고속공정 (1000mm/s) 인경우 - 예열 (100 ) 을통하여지그 와모재의온도구배를최소 화한경우 - 가공시 frit내에온도분포 의차가적은경우 - 가공후 wetting 이충분히 일어난경우 접합성능이낮은경우 - Frit이벗겨지는경우 - 열응력이발생한경우 - Frit 및모재에크랙이발생한경우 - 온도가지나치게높은경우 - 가공시 frit내에온도분포의차가큰경우 (c) Fig. 10 Experimental results by Darkfield method : wetting of flit (laser power: 100W, velocity: 100mm/s, cycle: 25), crack (laser power: 300W, velocity : 100mm/s, cycle: 25) and (c) pore (Power: 500W, velocity: 1000mm/s, cycle: 250) Fig. 11 Sealing test equipment experiment result 결과는고속가공의경우접합특성이뛰어나다는것을알수있었다. 4. 맺음말 본기술강좌는낮은녹는점을갖는글라스플릿 (frit) 의레이저솔더링기술을이용하여유리기판을기계적 / 화학적손상없이접합하는기술에대한내용으로공 정변수 ( 레이저출력, 레이저빔조사속도, 예열온도등 ) 와밀봉성능의상관관계를설명하였으며, 온도, 크랙, 응력, frit의젖음성등측정변수가밀봉성능에미치는영향을설명하였다. 전반적으로고속가공공정의경우열응력이낮아밀봉성능이우수하고, 동일한속도내에는예열공정 (100 ) 을거친경우가온도의균일도가향상되어밀봉성능이뛰어나게된다. 추가적인실험 / 고찰을통하여신뢰성이충분히확보된다면 OLED, 광도파로, 바이오칩및태양전지에이르기까지적용이가능게될것으로예상된다. 참고문헌 1. J. Daimer, K. Mücke (1993) Joining borosilicate 3.3 with solder glass, in proceedings of 4thinternational conference Joining Ceramics, Glass and Metal, Königswinter, Germany, 302-309 2. D. Höhne, W. Dursdorf (1993) Solder glass for joining aluminium nitride ceramics, in proceedings of 4th international conference Joining Ceramics, Glass and Metal, Königswinter, Germany, 76-84 3. R.K. Brow, D.R. Tallant (1997) Structural design of sealing glasses, Journal of Non-Crystalline Solids 222, 396-406 4. M. Brochu, B.D. Gauntt, R. Shah, G. Miyake, R.E. Leohman (2006) Comparison between barium and strontium glass composites for sealing SOFCs, Journal of the European Ceramic Society 26, 3307-3313 5. R. L. Dietz (2004) Optical fiber sealing with solder glass, in proceedings of SPIE Vol. 5578, Bellingham, USA, 642-651 6. OzOptics, Glass solder preforms documentation, http://www.ozoptics.com/allnew_pdf/dts0034. pdf (14/06/2007) 7. H.S. Daniel, D.R. Moore, V.J. Tekippe (1994), Glass soldering improves photonic component packaging, in Laser Focus World, Nov.94 8. P.E. Burrows, G.L. Graff, M.E. Gross, P.M. Martin, M. Hall, E. Mast, C. Bonham, W. Bennett, L. 348 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
유리의레이저접합 5 Michalski, M. Weaver, J.J. Brown, D. Fogarty, L.S. Sapochak (2000) Gas permeation and lifetime tests on polymer-based barrier coatings, in proceedings of SPIE Vol.4105, 75-83 9. Cédric Chaminade, Alexander Olowinsky, Heidrun Kind, (2007) LASER-BASED GLASS SOLDERING FOR MEMS PACKAGING, in proceedings of ICALEO 2007, LIA, 143-148 정 1960년생 한국기계연구원광응용생산기계연구실 레이저및전자빔응용가공기술및시스템 e-mail : jsuh@kimm.re.kr 신동식 1973년생 한국기계연구원광응용생산기계연구실 레이저응용복합가공및미세가공 e-mail : dsshin@kimm.re.kr 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 349