KR20210031908A - 전자 장치용 열전도성 및 보호성 코팅 - Google Patents

전자 장치용 열전도성 및 보호성 코팅 Download PDF

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KR20210031908A
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KR
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coating
electronic device
layer
protective coating
protective
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KR1020217001273A
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마티아스 엔. 트로콜리
티안 샤오
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넥스트 바이오메트릭스 그룹 에이에스에이
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Abstract

보호 코팅 층, 이러한 보호 코팅 층을 포함하는 전자 장치, 및 그 제조 방법이 제공된다. 이 전자 장치에는 기판, 이 기판 위에 배치된 박막 회로 층, 및 이 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층이 포함된다. 보호 코팅 층에는 제 1 코팅 및 이 제 1 코팅 위에 배치된 제 2 코팅이 포함된다. 각각의 코팅은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향으로 0.5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 상이한 나노인덴테이션 경도를 제공하도록 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 갖는다. 제 1 코팅의 경도는 제 2 코팅의 경도보다 낮다.

Description

전자 장치용 열전도성 및 보호성 코팅
우선권 주장과 상호 참조
본 출원은 2018년 7월 10일에 출원된 미국 가출원 제 62/695,969 호의 이익을 주장하며, 이 출원은 원용에 의해 그 전체가 본원에 명시적으로 포함된다.
본 개시는 일반적으로 전자 장치용 코팅에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 개시된 주제는 지문 센서, 및 기계적 보호, 환경적 보호 및 효율적인 열 방산을 필요로 하는 기타 박막 전자 장치와 같은 전자 장치용 보호 코팅 층에 관한 것이다.
"능동적 열 감지"의 원리에 기초한 지문 센서에는 픽셀의 어레이가 포함된다. 각각의 픽셀에는 마이크로 발열기, 및 박막 장치를 기반으로 한 온도 센서가 포함된다. 지문 이미지는 지문의 "고랑" 영역 및 "이랑" 영역에 대응하는 센서 표면 영역의 미세한 온도 차이에 기초하여 매핑(mapping)된다. 마이크로 발열기에 의한 센서 픽셀의 가열 시에 지문의 "고랑" 영역에 대응하는 국부적 센서 표면 영역은 지문의 "이랑" 영역에 대응하는 영역보다 온도가 높아진다. 이는 "고랑" 영역에서의 열 방산이 열 복사에 의해서만 발생할 수 있기 때문이며, 이는 열 전도와 열 복사의 둘 모두에 의해 발생할 수 있는 "이랑" 영역에서의 열 방산보다 효율이 훨씬 낮다.
본 개시는 보호 코팅 층, 이러한 보호 코팅 층을 포함하는 전자 장치, 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 양태에서, 본 개시는 전자 장치를 제공한다. 일부의 실시형태에 따르면, 이 전자 장치에는 기판, 이 기판 위에 배치된 박막 회로 층, 및 이 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층이 포함된다. 보호 코팅 층에는 제 1 코팅 및 이 제 1 코팅 위에 배치된 제 2 코팅이 포함된다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향으로 0.5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율(cross-plane thermal conductivity)을 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 나노인덴테이션(nanoindentation)을 사용하여 측정된 상이한 경도를 제공하기 위해 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 갖는다. 제 1 코팅의 경도는 제 2 코팅의 경도보다 낮다.
기판은 가요성 또는 강성일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 기판은 폴리이미드 및 폴리에스테르와 같은 폴리머 또는 플라스틱을 포함한다. 전자 장치는 가요성이다. 일부의 실시형태에서, 기판은 유리 또는 실리콘 웨이퍼를 포함하며, 전자 장치는 강성이다.
일부의 실시형태에서, 전자 장치는 손가락 터치 용도의 장치이다. 예를 들면, 박막 회로 층은 지문 센서, 박막 트랜지스터 및 기타 전자 부품을 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 열전도성인 재료로 제조된다. 적절한 재료의 예에는 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 붕소 질화물, 붕소 산질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 알루미늄 붕소 질화물, 실리콘 붕소 질화물, 실리콘 알루미늄 질화물, SiAlON, 타이타늄 알루미늄 질화물, 크로뮴 질화물, 텅스텐 질화물, 및 이들의 조합이 포함되지만, 이들에 한정되지 않는다.
제 1 코팅은 연질 재료로 지칭될 수 있고, 제 2 코팅은 경질 재료로 지칭될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅은 0.2 GPa 내지 1 GPa 범위의 경도를 가지며, 제 2 코팅은 1.1 GPa 내지 10 GPa 범위를 경도를 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 이러한 조합은 가요성 전자 장치 및 강성 전자 장치의 둘 모두에 적용될 수 있으며, 여기서 기판은 각각 플라스틱과 같은 가요성 재료 및 유리 또는 실리콘 웨이퍼와 같은 강성 재료로 제조될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅은 0.5 GPa 내지 10 GPa 범위의 경도를 가지며, 제 2 코팅은 10.1 GPa 내지 20 GPa 범위의 경도를 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 이러한 조합은 강성 기판을 갖는 강성 전자 장치에 적용될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층은 제 1 코팅 및 제 2 코팅을 포함하는 2중층 구조를 갖는다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층은 제 1 코팅 아래에 그리고 박막 회로 층 위에 배치된 추가의 제 2 코팅을 포함하는 3중층 샌드위치 구조를 갖는다. 제 1 코팅은 제 2 코팅의 2중층 사이에 배치된다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층은 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 복수의 교호 층을 포함한다. 예를 들면, 보호 코팅 층은 제 1 코팅, 제 2 코팅, 제 1 코팅 및 다음에 제 2 코팅을 포함할 수 있다. 보호 코팅 층은, 일부의 실시형태에서, 4 개, 5 개, 6 개 또는 임의 다른 수의 적절한 코팅 층을 포함할 수 있다.
제 1 코팅 및 제 2 코팅은 연질 재료 및 경질 재료의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되고, 제 2 코팅은 h-BN보다 경질인 입방정 붕소 질화물(c-BN)로 제조된다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조된다. 제 1 코팅 중의 붕소 질화물의 육방정 평면은 보호 코팅 층에 실질적으로 평행하게 배향된다. 제 2 코팅 중의 붕소 질화물의 육방정 평면은 보호 코팅 층에 실질적으로 수직으로 배향되어, 이 방향에서 더 높은 경도 및 더 높은 열전도율을 제공한다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 다이아몬드형 탄소(DLC)로 제조되고, 제 2 코팅의 sp3 대 sp2 DLC 구조의 비율은 제 1 코팅의 것보다 높다. 보다 고함량의 sp3 DLC 구조는 더 높은 경도를 제공한다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅은 비정질인 알루미늄 질화물 또는 랜덤하게 배향된 우르자이트 결정 구조인 알루미늄 질화물을 포함한다. 제 2 코팅은 보호 코팅 층에 실질적으로 수직으로 배향된 001 또는 002 결정면 방향(또는 c 축)을 갖는 우르자이트 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물을 포함한다.
일부의 실시형태에서, 알루미늄 질화물을 갖는 제 1 코팅 및 제 2 코팅 중 적어도 하나는 타이타늄 질화물을 더 포함한다. Ti/(A1+Ti)의 몰비는 0.01 내지 0.6 범위, 예를 들면, 0.05 내지 0.4 범위이다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층은 총 5 마이크론 이하의 두께, 예를 들면, 0.2 마이크론 내지 3 마이크론 범위의 두께를 갖는다. 각각의 개별 코팅 층은 4 마이크론 미만, 3 마이크론 미만 또는 2 마이크론 미만의 두께일 수 있으나 0.01 마이크론 두께를 초과한다. 제 1 코팅과 제 2 코팅 사이에는 접착제와 같은 계면층이 사용되지 않는다.
보호 코팅 층은 소유성 및/또는 소수성 상면을 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층은 보호 코팅 층의 상면에 퇴적되거나 그래프팅된 플루오로폴리머 또는 플루오로케미컬을 더 포함하여 효과적인 얼룩 방지 경질 코팅을 생성한다. 사용자의 손가락이 직접 접촉하도록 보호 코팅 상에는 다른 재료가 코팅되지 않는다.
일부의 실시형태에서, 본 개시는 기판, 이 기판 위에 배치된 박막 회로 층, 및 이 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층을 포함하는 전자 장치를 제공한다. 보호 코팅 층은 제 1 코팅 및 2중층의 제 2 코팅을 포함하는 샌드위치 구조를 가지며, 제 2 코팅 중 하나의 층은 제 1 코팅 아래에 배치되고, 제 2 코팅 중 나머지 하나는 제 1 코팅 위에 배치된다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향으로 0.5 W/(m*K) 이상, 예를 들면, 1 W/(m*K) 이상, 4 W/(m*K) 이상, 또는 5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 나노인덴테이션을 사용하여 측정된 상이한 경도를 제공하기 위해 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 갖는다. 제 1 코팅의 경도는 제 2 코팅의 경도보다 낮다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 위에서 설명한 재료로 제조될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 위에서 설명한 보호 코팅 층을 제공한다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 보호 코팅 층을 형성하는 방법 및 위에서 설명한 전자 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 일부의 실시형태에서, 이러한 방법은 기판 및 이 기판 위에 배치된 박막 회로 층을 포함하는 제조될 전자 장치를 제공하는 단계, 및 박막 회로 층 위에 보호 코팅 층을 형성하는 단계를 포함한다.
보호 코팅 층을 형성하는 단계는 제 1 코팅을 형성하는 적어도 하나의 단계; 및 제 2 코팅을 형성하는 적어도 하나의 단계를 포함한다. 코팅 프로시저는 보호 코팅 층의 구조에 의존한다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 적절한 코팅 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 적절한 코팅 프로세스의 예에는 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD), 이온 지원 퇴적(IAD), 스퍼터링, 및 이들의 조합이 포함되지만, 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, CVD 프로세스에는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)가 포함될 수 있다. PECVD 또는 스퍼터링 프로세스에는 이온 충격이 포함될 수 있다. PVD 기술은 IAD를 포함할 수 있거나, IAD와 조합될 수 있다. IAD 프로세스에는 이온 지원 전자 빔 증발이 포함될 수 있다. 스퍼터링 프로세스에는 반응성 스퍼터링이 포함될 수 있다.
본 개시는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 읽으면 가장 잘 이해된다. 일반적인 관행에 따라 도면의 다양한 특징은 반드시 축적에 따르지 않음을 강조한다. 반면에, 다양한 특징들의 치수는 명확화를 위해 임으로 확대되거나 축소되어 있다. 동일한 참조 부호는 명세서 및 도면 전체를 통해 동일한 특징을 나타낸다.
도 1은 일부의 실시형태에 따른 제 1 코팅 및 제 2 코팅을 포함하는 예시적 보호 코팅 층을 포함하는 예시적 장치를 예시하는 단면도이다.
도 2는 육방정 붕소 질화물(h-BN) 및 입방정 붕소 질화물(c-BN)의 결정 구조를 예시한다.
도 3은 일부의 실시형태에 따른 3중층 구성을 갖는 예시적 코팅 시스템을 포함하는 예시적 장치를 예시하는 단면도이다.
도 4는 일부의 실시형태에 따른 후막을 갖는 예시적 코팅 시스템을 포함하는 예시적 장치를 예시하는 단면도이다.
도 5a는 일부의 실시형태에 따른 예시적 장치를 제조하는 예시적 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5b는 일부의 실시형태에 따른 예시적 보호 코팅 층을 제조하는 예시적 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5c는 일부의 실시형태에 따른 도 3의 예시적 장치의 보호 코팅 층을 형성하는 예시적 방법을 예시하는 흐름도이다.
예시적 실시형태의 이 설명은 첨부한 도면에 관련하여 읽기 위한 것이며, 도면은 서면의 설명 전체의 일부로 간주된다. 설명에서, "하부", "상부", "수평", "수직", "위", "아래", "상방", "하방", "상면", "저면" 및 이들의 파생어(예를 들면, "수평으로", "하방으로", "상방으로" 등)와 같은 상대적 용어는 설명 중인 도면에 도시되어 있는 배향을 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 이들 상대적 용어는 설명의 편의를 위한 것이며, 장치가 특정의 방향으로 구축되거나 작동되어야 하는 것은 아니다. "연결된" 및 "상호연결된"과 같은 부착, 결합 등에 관련된 용어는, 달리 명시하지 않는 한, 구조가 중간 구조를 통해 직간접적으로 서로 고정되거나 부착되는 관계뿐만 아니라 가동식 또는 고정식 부착 또는 관계의 둘 모두를 지칭한다.
이하의 설명의 목적을 위해, 아래에 설명된 실시형태는 대안적인 변형례 및 실시형태를 취할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한 본 명세서에 기재된 특정 물품, 조성, 및/또는 프로세스는 예시적인 것이며, 제한으로서 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
본 개시에서 단수 형태인 "하나의" 및 "이것"은 복수를 포함하고, 특정의 수치에 대한 언급은, 문맥이 명확하게 다른 것을 나타내지 않는 한, 적어도 그 특정의 값을 포함한다. 값이 "약"이라는 용어를 사용하여 근사값으로 표현된 경우, 특정의 값은 다른 실시형태를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 "약 X"(여기서 X는 수치임)는 바람직하게는 기재된 값의 ±10%을 나타낸다. 예를 들면, "약 8"이라는 문구는 바람직하게는 7.2 내지 8.8의 값을 나타낸다. 존재하는 경우, 모든 범위는 포괄적이고 조합가능하다. 예를 들면, "1 내지 5"가 기재된 경우, 기재된 범위는 "1 내지 4", "1 내지 3", "1 내지 2", "1 내지 2 및 4 내지 5", "1 내지 3 및 5", "2 내지 5" 등을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 대안 목록이 적극적으로 제공된 경우, 이러한 목록은 대안 중 임의의 것이, 예를 들면, 청구범위의 부정적 제한에 의해 배제될 수 있음을 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 예를 들면, "1 내지 5"의 범위가 기재되어 있는 경우, 이 기재된 범위는 1, 2, 3, 4, 또는 5 중 임의의 것이 부정적으로 배제되는 것으로 해석될 수 있다. 따라서 "1 내지 5"의 기재가 "2"는 배제되어 "1 및 3 내지 5"로서 해석되거나, 간단히 "여기서 2는 포함되지 않는다"는 것으로 해석될 수 있다. 본 명세서에 적극적으로 기재되어 있는 임의의 구성요소, 요소, 속성, 또는 단계는 이러한 구성요소, 요소, 속성, 또는 단계가 대안으로서 기재되어 있는지 또는 독립적으로 기재되어 있는지 여부에 무관하게 청구범위로부터 명시적으로 배제될 수 있는 것으로 의도된다.
"포함하다", "포함하는", "함유하다", "함유하는" 등과 같은 개방 용어는 "포함하는(comprising)"을 의미한다. 이들 개방형 전이구(open-ended transitional phrase)는 추가의 기재되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는 요소, 방법 단계 등의 개방형 목록을 도입하는 데 사용된다. 실시형태가 "포함하는"이라는 언어로 설명되는 경우에는 "로 구성되는" 및/또는 "로 본질적으로 구성되는"이라는 용어로 설명되는 유사한 실시형태가 또한 제공되는 것이 이해된다.
"로 구성되는"이라는 이행 어구 및 이것의 변형어는, 통상적으로 관련되는 불순물을 제외하고, 기재되지 않은 임의의 요소, 단계, 또는 성분을 배제한다.
"로 본질적으로 구성되는"이라는 이행 어구 또는 변형어는, 특정된 방법, 구조 또는 조성의 기본적 특성 또는 신규의 특성을 실질적으로 변화시키지 않는 것을 제외하고, 기재되지 않은 임의의 요소, 단계, 또는 성분을 배제한다.
본 명세서에서 사용되는 "실질적인", "실질적으로"라는 용어 및 이들의 변형어는 기술된 특징이 값 또는 설명과 동일하거나 대략 동일한 것을 특기하도록 의도된 것이다. 또한, "실질적으로 유사한"은 2 개의 값이 동일하거나 대략 동일한 것을 표시하도록 의도된 것이다. 일부의 실시형태에서, "실질적으로 유사한"은 서로 약 5% 이내, 또는 서로 약 2% 이내와 같은 서로 약 10% 이내의 값을 표시할 수 있다.
다이아몬드, 입방정 또는 육방정 형태의 붕소 질화물, 실리콘 탄화물, 알루미늄 질화물 등의 벌크 재료는 예를 들면, 약 250 W/(m*K) 내지 약 2200 W/(m*K) 범위의 높은 열전도율(K) 및 10 GPa 내지 100 GPa 범위의 높은 경도를 갖는다. 그러나, 이들 재료의 바람직한 열적 특성 및 기계적 특성은 처리 온도 및 기타 기판의 제한으로 인한 박막의 결함 수준의 증가 및 결정도(crystallinity)의 결여로 인해 박막 형태에서 극적으로 열화될 수 있다. 이러한 재료 중에서 박막 형태에서의 대규모 용도의 일례는 다이아몬드형 탄소(DLC) 막이다. 예를 들면, DLC 막은 약 18 GPa 내지 약 23 GPa 범위의 경도를 가질 수 있으며, 이는 다양한 용도에서 보호용 경질 코팅으로 사용하기에 적합하다.
그러나, 높은 경도 및 기타 기계적 특성(예를 들면, 높은 파괴 인성) 및 열을 효과적으로 소멸시키기 위한 우수한 열전도율을 동시에 유지하는 이들 재료의 박막 형태, 특히 저온(예를 들면, 150 ℃ 미만)에서 제조될 수 있는 것을 실현하는 것은 매우 어렵다.
막 성장 중에 이온 충격이 도입되는 경우, 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 또는 스퍼터링 프로세스 중 하나에 의해 치밀한 경질 막을 성장시키는 데 도움이 된다. 그러나, 이온 충격 프로세스는 또한 막 내부에 압축 응력을 축적하여 특정 막 두께, 예를 들면, 2-5 μm 미만에서 막은 균열되기 시작하여 기판으로부터 박리되기 시작한다. 또한, 박막의 열전도율이 낮다는 것은 막 두께가 증가함에 따라 막 두께를 통한 열의 전달이 급격히 감소함을 의미한다.
한편, 지문 센서와 같은 박막 전자 장치의 신뢰할 수 있는 기계적 및 환경적 보호를 제공하기 위해, 스크래치와 충격 및 높은 습도와 고온에의 노출에 대한 보호를 제공하기 위해 훨씬 더 두꺼운 막 두께가 필요할 수 있다. 가요성 전자 장치 및 센서의 경우, 굽힘에 대한 적절한 저항도 요구된다.
지문의 "고랑" 영역과 "이랑" 영역 사이의 이미지 대비를 최대화하기 위해, 지문의 "이랑" 영역과 "고랑" 영역에 대응하는 센서 표면 영역으로부터 우선적인 열 제거가 필요하다. 동시에, 지문 센서에 대한 기계적 및 환경적 보호가 필요하다. "능동적 열 감지" 픽셀의 어레이 위에 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있는 상면 보호 코팅을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 상면 보호 코팅은 다음의 특성을 가져야 할 수 있다:
1. 센서 표면에 평행한 방향에 비해 센서 표면에 수직한 방향으로 더 높은 열전도율을 갖는 높은 열전도성;
2. 전기적으로 절연성이지만 축적된 전하를 방산시킬 수 있음;
3. 스크래치, 충격 및 굽힘에 대한 효과적인 센서 보호를 제공하는 고도의 기계적 신뢰성;
4. 예를 들면, 약 -20 ℃ 내지 약 + 70 ℃의 온도 범위에서 동작하는 센서에서 화학물질과 높은 습도에 대해 효과적인 센서 보호를 제공하는 밀도가 높고 매끈한, 화학적, 물리적 및 열적 안정성;
5. 지문 잔류물을 보다 적게 남기는 바람직하게는 소수성/소유성 표면을 가짐;
6. 바람직하게는 저온에서 처리가능하고 저비용으로 제작이 가능한, 높은 생산 효율 및 수율의 제조 친화성.
본 개시의 목적 중 하나는 "능동적 열 감지" 지문 센서의 성능 및 신뢰성을 향상시키기 위해 위에서 설명한 바람직한 특성을 제공할 수 있는 새로운 보호 코팅 층 또는 코팅 시스템, 뿐만 아니라 효율적인 열 방산에 더하여 기계적 및 환경적 보호를 필요로 하는 다른 박막 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 개시는 보호 코팅 층, 이러한 보호 코팅 층을 포함하는 전자 장치, 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 개시는 높은 열전도율을 갖는 보호 코팅 층, 관련된 코팅 재료, 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 개시는 또한 지문 센서와 같은 강성 및/또는 가요성 전자 장치의 신뢰할 수 있는 기계적 및 환경적 보호를 가능하게 함과 동시에 상면으로부터의 효율적인 열 방산을 제공하는 상이한 구성을 갖는 다층 코팅 층을 제공하는 것이다. 보호 코팅 층의 실시형태는 이 요건을 충족하고, 위에서 설명한 장점을 갖는다.
달리 명시하지 않는 한, 이하에서 언급되는 "터치 스크린", "터치 감지 장치" 및 "터치 패널"은 사용자가 특별한 스타일러스 또는 하나 이상의 손가락을 사용하여 스크린을 터치하는 단순한 터치 제스처 또는 다중 터치 제스처를 통해 정보 처리 시스템에 입력을 제공하거나 이를 제어할 수 있는 전자 장치를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 이러한 용어는 또한 손가락 터치 용도의 전자 장치로 지칭되기도 한다.
달리 명시하지 않는 한, 이하에서 언급되는 "박막 회로 층"은 비제한적으로 트랜지스터 및 기타 전자 부품을 포함하는 집적 회로와 같은 박막 회로 요소를 포함하는 층을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
달리 명시하지 않는 한, 이하에서 언급되는 "경도"는 "나노인덴테이션 경도"와 동일한 것으로 이해될 것이다. 이 경도는 ASTM(E2546)에 따라 나노인덴테이션을 사용하여 테스트된다. 테스트 중에 나노인덴터는 코팅 샘플의 두께의 50% 이하의 깊이에서 코팅 샘플을 표면을 압입한다. 일부의 실시형태에서, 나노인덴테이션을 위한 부하는 100 mg이다.
도 1, 도 3 및 도 4에서, 동일한 항목은 동일한 참조 번호로 표시되어 있으며, 간결성을 위해 이전의 도면을 참조하여 실시한 구조에 대한 설명을 반복하지 않는다. 도 5a 내지 도 5c에 설명된 방법은 도 1 내지 도 4에서 설명된 예시적 구조를 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 예시적 전자 장치(100)는 기판(10), 이 기판(10) 위에 배치된 박막 회로 층(20), 및 이 박막 회로 층(20) 위에 배치된 보호 코팅 층(30)을 포함한다.
기판(10)은 가요성 또는 강성, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 기판(10)은 폴리이미드 및 폴리에스테르와 같은 폴리머 또는 플라스틱을 포함한다. 전자 장치(100)는 가요성이다. 일부의 실시형태에서, 기판(10)은 유리, 실리콘 웨이퍼 또는 폴리실리콘을 포함하며, 전자 장치(100)는 강성이다. 유리 또는 실리콘으로 제조된 기판(10)은 15-20 GPa의 경도를 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 기판(10)은 폴리머 또는 플라스틱과 같은 가요성 재료와 유리, 실리콘 웨이퍼 또는 폴리실리콘과 같은 강성 재료의 조합을 포함한다. 기판(10)은 적절한 두께, 예를 들면, 10 마이크론 내지 5 mm를 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 기판(10)은 100 마이크론 이상의 두께를 갖는 유리 기판이다.
박막 회로 층(20)은 박막 트랜지스터(TFT) 및 기타 전자 부품과 같은 박막 회로 요소(24)를 포함할 수 있으며, 이것은 유전체 매트릭스(22) 내에 배치될 수 있다. 전자 장치(100)는 손가락 터치 용도의 장치일 수 있다. 예를 들면, 박막 회로 층(20)은 박막 회로 요소(24) 내에 지문 센서를 포함할 수 있다.
보호 코팅 층(30)은 제 1 코팅(32), 및 이 제 1 코팅(32) 위에 배치된 제 2 코팅(34)을 포함한다. 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 각각은 0.5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖는다.
달리 명시하지 않는 한, 여기서 제조된 제 1 코팅(32), 제 2 코팅(34) 또는 보호 코팅 층(30)의 면간 열전도율은 각각의 코팅 표면(예를 들면, 도 1에서 "x" 방향을 따르는 평면)에 수직인 방향(예를 들면, 도 1에서 "y" 방향)으로의 열전도율을 지칭한다. 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32), 제 2 코팅(34) 및 보호 코팅 층(30) 전체는 5 W/(m*K), 10 W/(m*K), 또는 20 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖는다. 각각의 코팅 및 전체 보호 코팅 층(30)의 이러한 열전도율은 최대 250 W/(m*K), 500 W/(m*K), 1,000 W/(m*K), 또는 2,000 W/(m*K)일 수 있다. 열전도율은 미분 3 ω 기술(differential 3 ω technique)을 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 기술은 공지되어 있고, 예를 들면, 원용에 의해 본원에 포함되는 Moraes 등의 "Thermal conductivity and mechanical properties of AlN-based thin films(Journal of Applied Physics, 119, 225304 (2016))"에 기술되어 있다.
제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 나노인덴테이션을 사용하여 측정된 상이한 경도를 제공하기 위해 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 갖는다. 제 1 코팅(32)은 제 2 코팅(34)의 경도보다 낮은 경도를 갖는다.
제 1 코팅(32)은 연질 재료로 지칭될 수 있고, 제 2 코팅(34)은 경질 재료로 지칭될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32)은 0.2 GPa 내지 1 GPa 범위의 경도를 가지며, 제 2 코팅(34)은 1.1 GPa 내지 10 GPa 범위의 경도를 갖는다. 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 이러한 조합은 가요성 전자 장치 및 강성 전자 장치의 둘 모두에 적용될 수 있으며, 여기서 기판(10)은 각각 플라스틱과 같은 가요성 재료 및 유리 또는 실리콘 웨이퍼와 같은 강성 재료, 또는 가요성 재료와 강성 재료의 조합으로 제조될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 10 코팅(32)은 0.5 GPa 내지 1 GPa 범위의 경도를 가지며, 제 2 코팅(34)은 10.1 GPa 내지 20 GPa 범위의 경도를 갖는다. 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 이러한 조합은 강성 기판을 갖는 강성 전자 장치에 적용될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 각각은 열전도성인 재료로 제조된다. 적절한 재료의 예에는 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 붕소 질화물, 붕소 산질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 알루미늄 붕소 질화물, 실리콘 붕소 질화물, 실리콘 알루미늄 질화물, SiAlON 타이타늄 질화물, 타이타늄 알루미늄 질화물, 크로뮴 질화물, 텅스텐 질화물, 및 이들의 조합이 포함되지만, 이들에 한정되지 않는다. SiAlON은 실리콘, 알루미늄, 산소 및 질소를 포함하는 화합물이다.
도 1을 참조하면, 일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층(30)은 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)을 포함하는 2중층 구조를 갖는다. 도 1은 지문 센서와 같은 박막 전자 장치용 이중층 보호 코팅 층을 예시하며, 여기서 제 2 코팅(34)(예를 들면, 상층)은 제 1 코팅(32)(예를 들면, 하층)보다 경질이다.
제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 연질 재료 및 경질 재료의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 상이한 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 상이한 결정 구조, 또는 동일한 결정 구조를 갖는 동일한 재료로 제조된다.
예를 들면, 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32)은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되고, 제 2 코팅(34)은 h-BN보다 경질인 입방정 붕소 질화물(c-BN)로 제조된다. 이는, 예를 들면, 육방정 붕소 질화물(h-BN)의 성장에 유리한 조건에서 제 1 코팅(32)을 퇴적시킨 다음 입방정 붕소 질화물(c-BN)의 성장에 유리한 조건으로 전환하여 제 1 코팅(32) 위에 제 2 코팅(34)을 퇴적시킴으로써 실현될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 육방정 붕소 질화물(h-BN)은, 예를 들면, 0.1 몰% 내지 3 몰% 범위의 소량의 수소를 함유할 수 있다.
일부의 실시형태에서, h-BN을 포함하는 하층으로서의 제 1 코팅(32)은, 예를 들면, 불포화 B-N 결합이 형성되도록 막 형성 중에 수소의 유리(liberation)에 유리한 막 성장면 아래에서 일어나는 화학반응을 이용함으로써 인장 응력을 갖도록 제조될 수 있다.
c-BN의 상층은, 예를 들면, 음의 기판 바이어스를 가함으로써 또는 플라즈마 강도를 증가시킴으로써, 예를 들면, 성장 중인 BN 막에 적절한 정도의 이온 충격을 통해, 압축 응력을 갖도록 제조될 수 있다. 압축 응력은 2중층 보호 막의 상층에 보다 고밀도의 보다 경질의 c-BN 막을 형성하는 데 도움이 되고, 인장 응력을 갖는 하층의 보다 연질의 h-BN 층은 2중층 시스템의 전체 응력을 완화시키는 데 도움이 된다.
도 2를 참조하면, h-BN 및 c-BN의 결정 구조를 이용하여 h-BN이 c-BN보다 연질인 이유를 설명할 수 있다. 육방정 BN은 흑연과 유사한 층상 구조를 갖는다. 도 2에 예시된 바와 같이, 예를 들면, 축 "a" 및 축 "b"의 방향을 따른 층상 구조 구조의 평면을 육방정 BN 평면 또는 기저 평면이라고 한다. 육방정 BN 평면(즉, 도 2의 a-b 평면)에 수직인 방향을 "c 축"이라고 한다. 육방정 BN 평면에서, 붕소 및 질소 원자는 각각의 층 내에서 강한 공유 결합에 의해 결합되며, c 축을 따른 층은 약한 반데르발스 힘에 의해 결합된다. 입방정 BN에서, 교호로 결합된 붕소 및 질소 원자는, 탄소 원자가 다이아몬드 내에서 하는 바와 같은, 사면체 결합 네트워크를 형성한다. 3 차원 공유결합 격자로 인해 입방정 BN은 육방정 BN보다 경질이 되며, 육방정 BN은 훨씬 약한 층간 결합력으로 인해 보다 연질이다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되지만 배향은 상이하다. 예를 들면, 제 1 코팅(32)에서 붕소 질화물의 육방정 평면은 보호 코팅 층(30)에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 제 2 코팅(34)에서 붕소 질화물의 육방정 평면은 보호 코팅 층(30)에 실질적으로 수직으로 배향되어, 이 방향에서 보다 높은 경도 및 보다 높은 열전도율을 제공할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 2중층 보호 스택은 상층 및 하층의 둘 모두에 h-BN 박막을 사용함으로써 실현될 수 있다. 예를 들면, 인장 응력을 수반하는 보다 연질의 h-BN을 포함하는 하층으로서 제 1 코팅(32)은 먼저 PECVD 시스템에서 B2H6-N2 가스를 사용하여 퇴적될 수 있고, 다음에 B2H6-H2-NH3 가스 혼합물로 전환하여 압축 응력을 수반하는 보다 경질의 h-BN이 퇴적될 수 있다. 이렇게 형성된 상부 압축 막은 막 표면에 수직인 기저 평면을 가진 조직화된 미세구조를 갖는 경향이 있다. 예를 들면, h-BN의 기저 평면 열전도율은, 일부의 실시형태에서, c-BN의 1300 Wm-1K-1에 비해 400 Wm-1K-1까지 높고, 평면외 열전도율보다 10 배 더 높을 수 있다. 따라서 이는 센서 표면에 수직인 방향(즉, 도 1에서 y 방향)으로 열 제거에 유리한 강한 이방성 열 전달을 생성한다. 이러한 조합 및 본 명세서에 기재된 기타 조합은 "능동적 열 감지" 지문 센서 용도를 위해 우수한 보호 코팅 층을 제공하며, 이는 원용에 의해 그 전체가 본원에 포함되는 미국 특허 제 6,091,837 호, 제 7,910,902 호 및 제 7,720,265 호에 기재되어 있다. 스크래치 및 충격에 대한 보다 우수한 기계적 보호는 본 명세서에 기재된 바와 같은 상층의 보다 경질의 막을 구비하는 2중층 보호 코팅에 의해 실현될 수 있고, 막의 순 응력(net film stress)은 막의 압축 응력으로 막의 인장 응력을 상쇄함으로써 최소화될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 도 1에 예시된 2중층 보호 코팅 층은 또한, 예를 들면, 저에너지 이온 충격의 조건으로 보호 코팅의 하층을 퇴적시키고, 이어서 이온 지원 퇴적(IAD)을 통해 고에너지 이온 충격의 조건으로 보호 코팅의 상층을 퇴적시킴으로써 실현될 수 있다. 고에너지 이온 충격에 보다 고함량의 입방정 BN이 생성된다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 다이아몬드형 탄소(DLC)로 제조되고, 제 2 코팅(34)의 sp3 대 sp2 DLC 구조의 비율은 제 1 코팅의 것보다 높다. sp3 DLC 구조의 함량이 높을수록 제 2 코팅(34)의 경도가 높아진다. sp2 DLC 구조의 함량이 높을수록 제 1 코팅(34)은 보다 연질이 된다. DLC 코팅은 적절한 범위, 예를 들면, 0.1 몰% 내지 5 몰% 또는 0.1 몰% 내지 2 몰%의 수소를 함유할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32)은 비정질의 또는 랜덤하게 배향된 조밀 육방 구조의 우르자이트 결정 구조인 알루미늄 질화물을 포함하고, 보다 연질이다. 제 2 코팅(34)은 보호 코팅 층(30)에 실질적으로 수직으로 배향된 (001) 또는 (002) 결정면 방향(예를 들면, 도 1에서 y 방향)을 갖는 우르자이트 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물을 포함하고, 보다 경질이다.
알루미늄 질화물의 결정 구조 및 알루미늄 질화물의 다양한 구조를 생성하기 위한 처리 조건은 원용에 의해 본원에 포함되는 Iqbal 등의 "Reactive sputtering of aluminum nitride (002) thin films for piezoelectric applications: a review(Sensors, 2018, 18, 1797)"에 기재되어 있다. 예를 들면, 코팅 프로세스에서 질소 함량을 조정하여 알루미늄 질화물의 결정 구조 및 배향을 변경할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 비정질이거나 또는 랜덤하게 배향된 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물은, 예를 들면, 60% 내지 100% 범위의 높은 질소 함량으로 제조된다. 40%와 같은 보다 낮은 질소 함량은 코팅 표면에 수직으로 배향된 (002) 결정면 방향을 갖는 우르자이트 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물을 생성한다. 결과적으로 얻어진 이러한 바람직한 (002) 배향을 갖는 알루미늄 질화물은 보다 경질이고, 이 방향을 따라, 예를 들면, 40 내지 180 W/(m*K) 범위의 높은 열전도율(즉 제 2 코팅(34)의 면간 열전도율)을 갖는다.
일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅의 각각은 알루미늄 질화물 및 타이타늄 질화물의 혼합물을 포함한다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 알루미늄 질화물을 갖는 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34) 중 적어도 하나는 타이타늄 질화물을 더 포함한다. Ti/(A1+Ti)의 몰비는 0.01 내지 0.6 범위, 예를 들면, 0.05 내지 0.4 범위일 수 있다. 알루미늄 질화물 및 타이타늄 질화물(AlTiN)의 혼합물은 타이타늄 질화물에 비해 바람직하게 사용될 수 있는데, 이는 타이타늄 질화물이 도전성일 수 있고, 이 혼합물은 도전성이 아니기 때문이다. 타이타늄 질화물 및 혼합물 AlTiN은 반응성 스퍼터링을 통해 형성될 수 있다.
제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 이러한 예시적 조합은 단지 예시만을 위한 것이다. 설명된 제 1 코팅(32)을 위한 재료 선택은 제 2 코팅(34)을 위한 임의의 재료 선택과 조합될 수 있다. 동일하거나 유사한 결정 구조를 갖는 일부의 다른 재료도 본 명세서에 기재된 바와 같이 사용될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 도 1에 예시된 2중층 보호 코팅 층은 기판이 가요성인 경우에 유용하다. 적절한 가요성 기판의 예에는 단층 또는 다층 구조를 갖는 플라스틱 기판이 포함되지만, 이것에 한정되지 않는다. 굽힘, 예를 들면, 오목 굽힘 또는 볼록 굽힘 중에, 보다 연질의 하면 보호 코팅(32)은 대량의 스트레인을 흡수하도록 도와주므로 보다 경질의 상면 보호 층(34)에서의 스트레인을 효과적으로 감소시켜 상면 보호 코팅(34)이 굽힘에 의해 균열되거나 휘어질 가능성을 줄여준다. 보다 연질의 저면 보호 코팅(32)은 박막 스택의 보다 연질의 중간층에서 대량의 스트레인이 흡수될 수 있게 함으로써 복수의 중성 평면(막의 응력이 0이 되는 곳)의 형성을 촉진하는 역할을 한다.
도 3을 참조하면, 일부의 실시형태에서, 예시적 장치(200)에는 3중층 샌드위치 구조를 갖는 보호 코팅 층(30)이 포함된다. 도 1에 예시된 구조에 비해, 도 3의 보호 코팅 층(30)은 제 1 코팅(32) 아래 및 박막 회로 층(20) 위에 배치된 추가의 제 2 코팅(34)을 포함한다. 제 1 코팅(32)은 2중층의 제 2 코팅(34) 사이에 배치되어 샌드위치되어 있다.
샌드위치 구조의 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 위에서 설명한 바와 같이 연질 재료와 경질 재료의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32)은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되고, 보다 경질의 입방정 붕소 질화물(c-BN)로 제조된 2중층의 제 2 코팅(34) 사이에 배치된다.
다른 예로서, 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 h-BN으로 제조되지만, 위에서 설명한 바와 같이 배향이 상이하다. 다른 예로서, 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은 다이아몬드형 탄소로 제조되지만, 위에서 설명한 바와 같이 sp3/sp2 구조의 비가 상이하다.
도 3을 참조하면, 중간층(제 1 코팅(32)에 대응함)은 보호 코팅 층(30)의 상층 및 하층(제 2 코팅(34)에 대응함)보다 연질이다. 이 구성에서, 압축 응력을 수반하는 보다 경질의 막, 예를 들면, 막 표면에 수직인 기저 평면을 갖는 조직화된 미세구조를 갖는 h-BN 박막을 센서 표면 바로 위에 퇴적하여 수직 방향으로의 열 제거에 유리한 이방성 열 전달의 이익을 최대화할 수 있다. 다음에 성장하는 막의 퇴적 조건을 현장에서 변경함으로써, 예를 들면, h-BN 막의 성장 중에 가스 혼합물을 B2H6-H2-NH3로부터 B2H6-N2로 전환시킴으로써 3중층 보호 코팅 시스템의 중간에 인장 응력을 수반하는 보다 연질의 막이 구현될 수 있다. 가스 혼합물을 B2H6-N2으로부터 B2H6-H2-NH3으로 다시 전환시킴으로써 상면의 보다 경질의 압축성 및 열적 이방성 막이 실현될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 도 3에 예시된 3중층 보호 코팅 시스템은 또한, 예를 들면, 이온 지원 퇴적(IAD)을 통해, 고에너지 이온 충격의 조건으로 보호 코팅의 하층을 퇴적하고, 다음에 저에너지 이온 충격의 조건으로 중간층을 퇴적하고, 다음에 고에너지 이온 충격의 조건으로 보호 코팅의 상층을 퇴적함으로써 실현될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 샌드위치 구조에서 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)은, 위에서 설명한 바와 같이, 알루미늄 질화물 또는 알루미늄 질화물과 타이타늄 질화물의 혼합물로 제조될 수 있다. 예를 들면, 제 1 코팅(32)은 비정질이거나 또는 랜덤하게 배향된 우르자이트 결정 구조인 알루미늄 질화물로 제조될 수 있다. 제 2 코팅(34)은 보호 코팅 층(30)에 실질적으로 수직으로 배향된 (001) 또는 (002) 결정면 방향(예를 들면, 도 3에서 y 방향)을 갖는 우르자이트 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물로 제조될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 각각은 알루미늄 질화물 및 타이타늄 질화물의 혼합물을 포함한다. Ti/(A1+Ti)의 몰비는 0.01 내지 0.6 범위, 예를 들면, 0.05 내지 0.4 범위일 수 있다.
샌드위치 구조를 갖는 보호 코팅 층(30)에서, 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 각각은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향(즉, 도 3에서 y 방향)으로 0.5 W/(m*K) 이상, 예를 들면, 1 W/(m*K), 4 W/(m*K) 또는 5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖는다. 각각의 코팅 및 전체 보호 코팅 층(30)의 이러한 열전도율은 최대 250 W/(m*K), 500 W/(m*K), 1,000 W/(m*K), 또는 2,000 W/(m*K)일 수 있다.
도 1 및 도 3의 구조는 예시만을 위해 사용된다. 보호 코팅 층(30)은 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 다양한 조합을 가질 수 있다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층(30)은 본 명세서에서 설명한 바와 같이 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 복수의 교호 층을 포함한다. 예를 들면, 보호 코팅 층(30)은 제 1 코팅(32), 제 2 코팅(34), 제 1 코팅(32) 및 다음에 제 2 코팅(34)을 포함할 수 있다. 보호 코팅 층(30)은 4 개, 5 개, 6 개 또는 임의 다른 수의 적절한 코팅 층을 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층(30)은 총 5 마이크론 이하의 두께, 예를 들면, 0.2 마이크론 내지 3 마이크론 범위의 두께를 갖는다. 제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)과 같은 각각의 개별 코팅 층은 4 마이크론 미만, 3 마이크론 미만, 2 마이크론 미만 또는 1 마이크론 미만일 수 있다. 제 1 코팅과 제 2 코팅 사이에는 접착제와 같은 계면층이 필요하지 않다.
스크래치 및 충격에 대한 보다 우수한 기계적 보호뿐만 아니라 보다 우수한 환경적 보호는 3중층 또는 다층 구성을 통해 실현될 수 있는 보다 두꺼운 두께에 의해 실현될 수 있고, 여기서 막의 순 응력은 상이한 층에서 막의 압축 응력으로 막의 인장 응력을 상쇄시킴으로써 최소화될 수 있다. 동시에, 특히 보호 코팅 시스템의 면간 방향으로의 높은 열전도율이 실현될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 보호 코팅 층(30)은 소유성 및/또는 소수성 상면(36)을 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 보호 코팅 층(30)은 보호 코팅 층의 상면(36)에 퇴적되거나 그래프팅된 플루오로폴리머 또는 플루오로케미컬을 더 포함하여 효과적인 얼룩 방지 경질 코팅을 생성한다. 플루오로폴리머 또는 플루오로케미컬 층을 갖는 이러한 상면은 이 상면(36)에 산소를 포함시키도록 SiO2와 같은 산소 함유 종의 전자 빔 증발 및 이어지는 PVD 또는 스프레이 프로세스에 의한 플루오로폴리머 또는 플루오로케미컬의 퇴적에 의해 제조된다. 플루오로 함유 코팅은 분자 수준이거나 또는 나노미터 수준의 두께를 가질 수 있다. 외면을 형성하고 사용자의 손가락이 직접 접촉하도록 보호 코팅 상에는 기판 커버와 같은 다른 재료가 코팅되지 않는다.
일부의 실시형태에서, 2중층 또는 3중층, 또는 다층 설계를 통해 상쇄되는 막의 잔류 응력의 도움에도 보호 막 스택의 실제의 총 두께는 여전히 5 μm 이하로 제한될 수 있다.
도 4를 참조하면, 예시적 장치(400)는 기판(10), 이 기판(10) 위에 배치된 박막 회로 층(20), 및 이 박막 회로 층(20) 위에 배치된 보호 코팅 층(40)을 포함한다. 이러한 보호 코팅 층(40)은 후막 코팅, 예를 들면, 5 μm 이상의 두께를 갖는 후막을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 후막 코팅은 10 W/(m*K)을 초과하는 열전도율을 갖는 보호 코팅에 후막 코팅을 제공하기 위해 높은 열전도율을 갖는 적어도 80 wt%의 적어도 하나의 물기 충전재를 포함한다. 적절한 무기 입자는 위에서 설명한 바와 같은 제 1 코팅(32) 또는 제 2 코팅(34)을 위한 임의의 재료일 수 있다. 무기 입자는 구형 또는 세장형 입자와 같은 임의의 적절한 형상일 수 있다.
5 μm 보다 두꺼운 보호 코팅 구조는 스크래치 및 충격(예를 들면, 펜의 낙하)에 대한 훨씬 더 큰 보호를 제공할 수 있다. 이는 스크린 인쇄와 같은 후막 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 일부의 실시형태에서, "박막" 및 "후막"은 두께에 의해 규정될 수 있다. 그러나, 대부분의 다른 실시형태에서, "박막"과 "후막" 사이의 구별은 이 둘을 분리하는 정확한 두께 값(예를 들면, 5 μm)에 의해 규정되지 않을 수 있다. "박막"은 진공 기술에 의해 퇴적될 수 있고, 반면에 "후막"은 스크린 인쇄와 같은 비진공 기술에 의해 퇴적될 수 있으므로 이 둘 사이의 구별은 퇴적 기술의 차이에 의존할 수 있다. 스크린 인쇄 전에, BN, SiC 또는 AIN과 같은 높은 열전도율 입자를 높은 Tg의 폴리머 바인더 용액(예를 들면, 폴리카보네이트) 내에 분산시켜 페이스트를 준비하고, 이것의 점도를 저비점 용매(예를 들면, 클로로포름)로 조절하였다. 용매를 적절히 선택하면 인쇄 후의 열처리를 필요로 하지 않고 강성 기판 및 가요성 기판 상에 원활하게 인쇄할 수 있다. 보호 코팅 층(40)은 무기 입자 및 유기 폴리머의 복합재를 포함할 수 있다. 높은 열전도율의 무기 입자는 80 wt%를 초과할 수 있고, 10 Wm-1K-1를 초과하는 열전도율이 실현될 수 있다. 도 1 및 도 3에 예시된 구성과 비교하여, 일부의 실시형태에서, 도 4의 후막 보호 코팅 층(40)은 보다 두껍고 열전도성이 보다 낮은 막을 통한 열 전달률 감소의 희생으로 더 큰 기계적 보호를 제공한다.
일부의 실시형태에서, 후막 코팅은 후막 페이스트 조성 중의 저비점 용매를 사용하여 매끈해진 상면을 갖는다. 이러한 용매는 후막 페이스트 조성의 실온 건조 및 기판(10) 위의 하부 박막 회로 층(20)에 대한 후막 코팅의 보다 신속한 접착을 촉진한다. 기판은 위에서 설명한 바와 같이 가요성 기판, 강성 기판, 및 이들의 조합일 수 있다.
도 1 내지 도 4에 예시된 실시례는 본 발명에서 구현된 원리를 설명하기 위한 것이다. 예시의 목적을 위해 선택된 본 명세서의 실시형태에 대한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위까지 이러한 수정 및 변형은 이하의 청구범위의 공정한 해석에 의해서만 평가되는 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
예를 들면, 붕소 질화물, DLC, 알루미늄 질화물, 및 알루미늄 타이타늄 질화물과 같은 재료가 도 1 및 도 3에 도시된 실시형태를 예시하기 위해 사용되었으나, 다른 적절한 재료는 실리콘 탄화물, 다이아몬드, 및 질화물 또는 산질화물을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다. 이러한 질화물 또는 산질화물은 단일 금속 또는 혼합 금속 또는 비금속을 포함하는 다양한 비금속, 전이금속, 및 전이후 금속(post-transition metal)일 수 있다. 기타 질화물 또는 산질화물에는 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 붕소 산질화물, 알루미늄 산질화물, 알루미늄 붕소 질화물, 실리콘 붕소 질화물, 실리콘 알루미늄 질화물, SiAlONs, 크로뮴 질화물, 텅스텐 질화물, 및 이들의 다양한 혼합물이 포함되지만, 이들에 한정되지 않는다.
본 개시는 또한 위에서 설명한 바와 같은 보호 코팅 층(30 또는40)을 제공한다. 본 개시는 위에서 설명한 보호 코팅 층(30, 40)을 형성하는 방법 및 전자 장치(100 또는 200 또는 400)를 제조하는 방법을 제공한다.
도 5a를 참조하면, 전자 장치를 제조하기 위한 예시적 방법에는 단계 510 및 520이 포함된다. 단계 510에서, 제조될 전자 장치가 제공된다. 제조될 이러한 장치는 기판(10) 및 이 기판(10) 위에 배치된 박막 회로 층(20)을 포함한다.
단계 520에서, 보호 코팅 층(30)이 박막 회로 층(20) 위에 형성된다.
도 5b를 참조하면, 보호 코팅 층(30)을 형성하는 단계는 적어도 하나의 단계 522 및 하나의 단계 524를 포함한다. 단계 522에서, 위에서 설명한 바와 같이 제 1 코팅(32)이 형성된다. 단계 524에서, 위에서 설명한 바와 같이 제 2 코팅(34)이 형성된다.
제 1 코팅(32) 및 제 2 코팅(34)의 각각은 적절한 코팅 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 적절한 코팅 프로세스의 예에는 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD), 이온 지원 퇴적(IAD), 스퍼터링, 및 이들의 조합이 포함되지만, 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, CVD 프로세스에는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)가 포함될 수 있다. PECVD 또는 스퍼터링 프로세스에는 이온 충격이 포함될 수 있다. PVD 기술은 IAD를 포함할 수 있거나, IAD와 조합될 수 있다. IAD 프로세스에는 이온 지원 전자 빔 증발이 포함될 수 있다. 스퍼터링 프로세스는, 일부의 실시형태에서, 반응성 스퍼터링일 수 있다.
예를 들면, 일부의 실시형태에서, 질화물 또는 산질화물, 또는 다이아몬드형 탄소(DLC)로 된 보다 연질의 그리고 보다 경질의 코팅이, 기판 바이어스, 스퍼터링 파워 및 펄스 폭 등의 조정을 통해, 저에너지 이온 충격 및 고에너지 이온 충격에 의한 스퍼터링에 의해 각각 퇴적될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 질화물 또는 산질화물, 또는 다이아몬드형 탄소(DLC)로 된 보다 연질의 그리고 보다 경질의 코팅이, 이온 소스 전류 및 증발 소스 파라미터 등의 조정을 통해, 저에너지 이온 충격 및 고에너지 이온 충격에 의한 이온 지원 퇴적에 의해 각각 퇴적될 수 있다.
예로서, 압축 응력 및 막 표면에 수직인 기저 평면을 갖는 조직화된 미세구조를 갖는 보다 경질의 h-BN 막은 B2H6-H2-NH3 가스 시스템을 사용하는 30-60 Pa의 가스 압력에서 0.25-0.5 W/cm2의 무선 주파수 전력으로 300 ℃에서 성장될 수 있다. 인장 응력을 수반하는 보다 연질의 h-BN 막은 B2H6-N2 가스 시스템을 사용하는 10-30 Pa의 가스 압력에서 0.5 W/cm2의 무선 주파수 전력으로 300 ℃에서 성장될 수 있다.
코팅 프로시저는 보호 코팅 층(30)의 구조에 의존한다. 둘 이상의 단계(522, 524)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 5c를 참조하면, 도 3에 예시된 바와 같은 샌드위치 구조를 갖는 보호 코팅 층(30)은 단계 524, 522, 및 524를 순차적으로 포함하는 적어도 3 개의 단계를 통해 제조될 수 있다. 먼저, 제 2 코팅(34)의 층이 박막 코팅 층(20) 위에 코팅된다. 다음에 단계 522에서 제 2 코팅(34)의 층 위에 제 1 코팅(32)이 형성된다. 제 1 코팅(32) 위에 제 2 코팅(34)의 또 하나의 층이 형성되어 샌드위치 코팅 구조를 형성한다. 주제가 예시적인 실시형태의 관점에서 설명되었으나 이에 한정되지 않는다. 오히려 첨부된 청구범위는 당업자에 의해 이루어질 수 있는 다른 변형 및 실시형태를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

Claims (25)

  1. 전자 장치로서,
    기판;
    상기 기판 위에 배치된 박막 회로 층; 및
    상기 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층을 포함하며,
    상기 보호 코팅 층은:
    제 1 코팅; 및
    상기 제 1 코팅 위에 배치된 제 2 코팅을 포함하며,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향으로 0.5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율(cross-plane thermal conductivity)을 가지며,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 나노인덴테이션(nanoindentation)을 사용하여 측정된 상이한 경도를 제공하도록 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 가지며,
    상기 제 1 코팅은 상기 제 2 코팅의 경도보다 낮은 경도를 갖는, 전자 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 다이아몬드형 탄소(DLC), 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 붕소 질화물, 붕소 산질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 알루미늄 붕소 질화물, 실리콘 붕소 질화물, 실리콘 알루미늄 질화물, SiAlON, 타이타늄 알루미늄 질화물, 크로뮴 질화물, 텅스텐 질화물, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료로 제조된, 전자 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅은 0.2 GPa 내지 1 GPa 범위의 경도를 가지며, 상기 제 2 코팅은 1.1 GPa 내지 10 GPa 범위를 경도를 갖는, 전자 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅은 0.5 GPa 내지 10 GPa 범위의 경도를 가지며, 상기 제 2 코팅은 10.1 GPa 내지 20 GPa 범위의 경도를 갖는, 전자 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층은 상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅을 포함하는 2중층 구조를 갖는, 전자 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층은 상기 제 1 코팅 아래에 그리고 상기 박막 회로 층 위에 배치된 추가의 제 2 코팅을 포함하는 3중층 샌드위치 구조를 갖는, 전자 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층은 상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 복수의 교호 층을 포함하는, 전자 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되고, 상기 제 2 코팅은 입방정 붕소 질화물(c-BN)로 제조된, 전자 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 육방정 붕소 질화물(h-BN)로 제조되고, 상기 제 1 코팅 내의 붕소 질화물의 육방정 평면은 상기 보호 코팅 층에 실질적으로 평행하게 배향되고, 상기 제 2 코팅 내의 붕소 질화물의 육방정 평면은 상기 보호 코팅 층에 실질적으로 수직으로 배향된, 전자 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 다이아몬드형 탄소(DLC)로 제조되고, 상기 제 2 코팅의 sp3 대 sp2 DLC 구조의 비율은 상기 제 1 코팅의 것보다 높은, 전자 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅은 비정질의 알루미늄 질화물 또는 랜덤하게 배향된 우르자이트 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물을 포함하고, 상기 제 2 코팅은 상기 보호 코팅 층에 실질적으로 수직으로 배향된 001 또는 002 결정면 방향을 갖는 우르자이트(Wurtzite) 결정 구조를 갖는 알루미늄 질화물을 포함하는, 전자 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅 중 적어도 하나는 타이타늄 질화물을 더 포함하고, Ti/(A1+Ti)의 몰비는 0.01 내지 0.6 범위인, 전자 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    Ti/(A1+Ti)의 몰비는 0.05 내지 0.4 범위인, 전자 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층은 5 마이크론 이하의 두께를 갖는, 전자 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱 또는 폴리머를 포함하며, 상기 전자 장치는 가요성인, 전자 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 또는 실리콘 웨이퍼를 포함하며, 상기 전자 장치는 강성인, 전자 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱 또는 폴리머와 유리 또는 실리콘 웨이퍼의 조합을 포함하는, 전자 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 회로 층은 지문 센서를 포함하는, 전자 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층은 상기 보호 코팅 층의 상면에 퇴적되거나 그래프팅된 플루오로폴리머 또는 플루오로케미컬을 더 포함하는, 전자 장치.
  20. 전자 장치로서,
    기판;
    상기 기판 위에 배치된 박막 회로 층; 및
    상기 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층을 포함하고,
    상기 보호 코팅 층은 샌드위치 구조를 갖고, 상기 샌드위치 구조는:
    제 1 코팅; 및
    2중층의 제 2 코팅을 포함하며,
    상기 제 2 코팅의 하나의 층은 상기 제 1 코팅 아래에 배치되고, 상기 제 2 코팅의 나머지 층은 상기 제 1 코팅 위에 배치되고, 상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅의 각각은 각각의 코팅 표면에 수직인 방향으로 0.5 W/(m*K) 이상의 면간 열전도율을 갖고,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 나노인덴테이션을 사용하여 측정된 상이한 경도를 제공하도록 상이한 결정 구조, 또는 상이한 결정 배향, 또는 상이한 조성, 또는 이들의 조합을 가지며,
    상기 제 1 코팅은 상기 제 2 코팅의 경도보다 낮은 경도를 갖는, 전자 장치.
  21. 제 1 항의 전자 장치를 제조하는 방법으로서,
    기판 및 상기 기판 위에 배치된 박막 회로 층을 포함하는 제조될 전자 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 박막 회로 층 위에 보호 코팅 층을 형성하는 단계를 포함하는, 전자 장치의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 보호 코팅 층을 형성하는 단계는 상기 제 1 코팅을 형성하는 적어도 하나의 단계; 및 상기 제 2 코팅을 형성하는 적어도 하나의 단계를 포함하는, 전자 장치의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD), 이온 지원 퇴적(IAD), 스퍼터링, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 코팅 프로세스를 사용하여 형성되는, 전자 장치의 제조 방법.
  24. 전자 장치로서,
    기판;
    상기 기판 위에 배치된 박막 회로 층; 및
    상기 박막 회로 층 위에 배치된 보호 코팅 층을 포함하며,
    상기 보호 코팅 층은:
    10 W/(m*K)를 초과하는 열전도율을 갖는 후막 코팅(thick film coating)을 제공하기 위해 높은 열전도율을 갖는 적어도 80 wt%의 적어도 하나의 무기 입자를 포함하는 후막 코팅을 포함하는, 전자 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 후막 코팅은 후막 페이스트 조성 중의 저비점 용매를 사용하여 매끈해진 상면을 갖는, 전자 장치.
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