KR100730296B1 - 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세박막 코팅장치 및 방법에 있어서, 주로 LCD, PDP-TV 등 가정용 초대형 광학제품의 디스플레이 유리기판의 PR 코팅공정 및 반도체 웨이퍼의 PR 코팅공정, 그리고 다양한 기능을 갖는 마이크로-나노필름 공정에 활용이 가능한 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치 및 방법에 관한 것으로,

내부에 소형슬릿으로 이루어진 용액공급라인을 형성하여 외부에서 공급되는 코팅 용액을 하부로 이송하는 판 형태의 금속슬릿 노즐과; 상기 금속슬릿 노즐의 상부 일단에 접속된 핀 형태로서 금속슬릿 노즐에 전원이 공급되도록 하여 금속슬릿 내부에 존재하는 용액에 전원을 공급하는 노즐 전극과; 상기 노즐 전극을 통해 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 1 고전압 인가장치와; 상기 금속슬릿 노즐의 하부 일단에 수평하게 연장된 금속 가드판과; 상기 금속 가드판 일단에 접속된 핀 형태로서 가드판에 전원을 인가하는 가드판 전극과; 상기 가드판 전극에 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 2 고전압 인가장치와; 상기 금속슬릿노즐의 출구 아래에 위치되는 기판과; 상기 기판을 장착하며 전기적으로 접지시키는 접지판을 포함하여 구성함이 특징이다.

슬릿노즐, 정전분사, 미소박막, 포토 레지스트 코팅

Description

슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치 및 방법{Thin Film Coating Unit by Slit Nozzle Eletrohydorstatic Injection and Method Thereof}

도 1은 일반적인 미소박막 제조장치 구성도.

도 2는 본 발명의 미소박막 제조장치 구성도.

도 3은 부전도체 기판상에 미소박막을 실시하는 제 1 실시예도.

도 4는 절연층 및 전도체 기판에 미소박막을 실시하는 제 2 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 미속박막용액 10: 금속슬릿 노즐

11: 용액공급라인 20: 노즐전극

30: 제 1 고전압 인가장치 40: 금속 가드판

50: 가드판 전극 60: 제 2 고전압 인가장치

70: 기판 80: 접지판

90: 절연홀더

본 발명은 슬릿노즐 정전분사를 이용한 미세박막 코팅장치 및 방법에 관한 것으로, 주로 LCD, PDP-TV 등 가정용 초대형 광학제품의 디스플레이 유리기판의 PR 코팅공정 및 반도체 웨이퍼의 PR 코팅공정, 그리고 다양한 기능을 갖는 마이크로-나노필름 공정에 활용이 가능한 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

기존에 사용된 PR(Photo Resist) 등 유기물질의 박막코팅 방법으로서 스핀코팅과 슬릿노즐코팅 방법이 있다.

먼저, 스핀코팅 방법은 기존에 가장 널리 사용된 방법으로서, 적정량의 PR 용액을 고속으로 회전하는 기판위에 투입하여 액체에 작용하는 관성력(원심력)과 점성력을 이용하여 기판을 코팅하는 기술이다.

그러나 이 방법은 소형 기판에 적합한 방법으로서, 300mm * 400mm 크기 이상의 기판에는 적용하기 어렵고 용액의 낭비가 심하다는 단점이 있다.

또한, 슬릿코팅 방법은 중형크기 기판의 코팅에 적용될 수 있는 기술로서 기판에 매우 가깝게 위치하는 수십 마이크론의 폭을 가진 슬릿 노즐을 통해 PR 용액을 기판에 흘려 보내면, 슬릿 노즐의 이송속도와 액체의 공급속도, 그리고 액체의 점성에 따라 코팅 특성을 결정할 수 있다.

종래의 슬릿 노즐 코팅장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 작동유체가 공급되는 유체공급라인(11)과, 슬릿노즐(10)과, 코팅대상 기판(70)과, 기판지지대(100)로 구성되어 있고, 노즐이송장치(도시하지 않음)에 의해서 노즐이 한쪽방향으로 움직이 면 작동액체(1)는 노즐을 따라 흘러 기판위에 비교적 얇은 막을 형성하게 된다.

그러나, 이 방법 또한 대형화에 따른 노즐제작의 어려움과 정열, 그리고 코팅 평탄도의 문제로 인하여 많은 개선이 필요한 실정이다.

따라서, 대면적 기판에 PR 등의 기능성 박막을 코팅시키기 위해서는 다음과 같은 것이 해결되어야 한다.

첫 번째 단계로 매우 얇은 두께의 액막을 해당 기판의 폭에 해당하는 넓이로 발생시킬 수 있어야 한다.

두번째 단계로는 발생된 미소액막을 기판위에 균일한 두께로 부착시켜야 한다.

따라서, 첫번째 단계에서 액막의 두께가 좌우되기 때문에, 액막의 두께를 최소로 할 수 있는 기술이 개발되어야 한다.

그러나, 기존의 스핀코팅 방식이나 슬릿코팅 방식은 모두 용액이 기판위에 부착된 상태에서 액체에 원심력이나 점성력을 가하여 용액을 기판위에 펴게 되는데, 코팅 목표두께가 얇을수록 매우 큰 회전력이 필요하고, 높은 희석비의 용액이 필요하게 되어 원하는 목표치의 코팅두께를 달성하기 곤란한 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 코팅에 사용될 미소액막을 미리 발생시켜 기판위에 부착시키는 방법을 사용한다.

이를 위하여 정전분무의 원리를 이용하고자 한다. 정전분무란 모세관 노즐에 순수한 전기력만을 인가하여 액적을 분열시키는 방법으로서, 전기장의 세기에 따라서 dripping mode, micro dripping mode, cone-jet mode, multi-jet mode 등 여러 가지 분무형태가 나타난다. 이 중에서 cone-jet mode는 모세관 노즐 끝에 액적이 콘 모양으로(이를 테일러 콘이라 한다) 변형되면서 콘의 끝에 모세관 직경의 1/100이하의 매우 얇은 고하전의 액주가 형성되며, 액주가 성장하면서 전기적인 불안정성에 의하여 액적으로 분열된다. 따라서 cone-jet mode에서 액적분열을 지연시키면 수 마이크론 직경의 액주를 얻을 수 있다. 본 발명에서는 위의 마이크론 직경의 액주를 얻는 방법을 응용하여 슬릿노즐에서 마이크론 두께의 액막을 얻고자 한다. 이를 위하여 코팅에 사용되는 액체가 흘러가는 슬릿노즐과 코팅대상 기판 사이에 높은 전기장을 인가시켜, 슬릿노즐 출구에 라인타입의 테일러 콘(Line Type Taylor Cone)이 형성되도록 함으로서, 콘 끝에서 슬릿간격의 1/100 이하의 매우 얇은 액막 젯트를 형성토록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 내부에 소형슬릿으로 이루어진 용액공급라인을 형성하여 외부에서 공급되는 코팅 용액을 하부로 이송하는 판 형태의 금속슬릿 노즐과; 상기 금속슬릿 노즐의 상부 일단에 접속된 핀 형태로서 금속슬릿 노즐에 전원이 공급되도록 하여 금속슬릿 내부에 존재하는 용액에 전원을 공급하는 노즐 전극과; 상기 노즐 전극을 통해 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 1 고전압 인가장치와; 상기 금속슬릿 노즐의 하부 일단에 수평하게 연장된 금속 가드판과; 상기 금속 가드판 일단에 접속된 핀 형태로서 가드판에 전원을 인가하는 가드판 전극과; 상기 가드판 전극 에 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 2 고전압 인가장치와; 상기 금속슬릿노즐의 출구 아래에 위치되는 기판과; 상기 기판을 장착하며 전기적으로 접지시키는 접지판을 포함하여 구성함이 특징이다.

또한, 상기 금속슬릿 노즐의 외주연과 금속 가드판의 상부면에는 일정두께의 절연홀더를 더 결합하여 구성하는 것이 특징이다.

또한, 코팅 용액을 금속슬릿 노즐의 용액공급라인으로 이송하는 단계와; 상기 금속노즐 슬릿을 통해 1차 고전압을 인가하여 코팅 용액에 전기력을 인가함으로써 테일 콘 형태로 용액이 출력되도록 하는 단계와; 금속가드판을 통해 기판에 도포되는 코팅 용액에 2차 고전압을 인가하여 기판에 균일한 두께로 도포되도록 하는 단계로 이루어짐이 특징이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 주요구성요소를 살펴보면, 용액공급라인(11)을 갖는 금속슬릿 노즐(10)과, 노즐전극(20)과, 제 1 고전압 인가장치(30)와, 금속 가드판(40)과, 가드판 전극(50)과, 제 2 고전압 인가장치(60)와, 기판(70)과, 접지판(80)으로 이루어진다.

전체적인 배치관계를 살펴보면, 상기 금속슬릿 노즐의 아래에 기판과 접지판이 위치하며, 상기 금속슬릿 노즐(10)의 상단부에 제 1 고전압 인가장치(30)를 연결하고 금속슬릿 노즐(10)의 하부에 제 2 고전압 인가장치(60)를 연결하여 금속슬릿 노즐(20)로부터 두께가 얇은 액이 노출되도록 하고, 상기 액을 기판(70)에 분사하여 매우 얇은 코팅 두께를 갖는 기판을 제작토록 한다.

먼저, 금속슬릿 노즐(10)은 전체적으로 원통 형태로서 내부에 소형홀 형태의 용액공급라인(11)을 형성하며, 외부에서 공급되는 코팅 용액(1)을 용액공급라인 (11)을 통해 이송하여 하부로 내려보내는 역할을 한다.

참고로, 도면번호 1, 2, 3은 동일한 코팅 용액을 나타내고 있으며, 설명의 편의상 다른 부호를 부여하였음을 미리 밝혀둔다.

그리고, 상기 노즐전극(20)은 상기 금속슬릿 노즐(10)의 상부 일단에 접속된 핀 형태로서 금속슬릿 노즐(10)에 전원이 공급되도록 하여 금속슬릿 노즐(10)의 내부에 존재하는 용액(1)에 전원을 공급토록 하여 용액이 전기에너지를 가할 수 있도록 한다.

상기와 같이 노즐전극(20)을 통해 용액에 전기를 가해줌으로써 코팅 용액이 반발하며, 이에 따라 내부로 응축됨으로써 최총 출력 단계의 용액이 테일러 콘 형태(2)를 이루게 되며 이에 따라 매우 얇은 두께의 액막이 형성되어 기판(70)에 접촉되면서 도포될 수 있다.

상기 제 1 고전압 인가장치(30)는 상기 노즐전극(20)과 연결되어 노즐전극(20)을 통해 수kV 이상의 고전압을 인가토록 함으로써 코팅 용액(1)이 전기적 성질을 갖도록 한다.

상기 가드판(40)은 상기 금속슬릿 노즐(10)의 하부 일단에 수평하게 연장되며 기판(70)과 일정한 거리를 유지한 상태로 배치된다.

상기 가드판 전극(50)은 상기 금속 가드판(40) 일단에 접속된 핀 형태로서 가드판(40)에 전원을 인가하여 기판(70)에 전기장을 투사함으로써 기판에 도포되는 코팅 액막이 반발하면서 고르게 펴지도록 하여 일정한 두께를 유지할 수 있도록 한다.

상기 제 2 고전압 인가장치(60)는 상기 가드판 전극(50)에 수kV 이상의 고전압을 인가하여 기판(70)에 도포되는 코팅 용액(1)에 전기적인 영향을 미치도록 한다.

상기 기판(70)은 상기 금속슬릿 노즐(10)의 출구 아래에 위치되며 그 아래에는 접지판(80)이 형성되어 기판을 사이에 두고 가드판 전극(50)과 전기적으로 연결되어 기판(70)에 전기적 에너지가 가해지도록 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 포토 레지스트 코팅동작을 설명하면, 본 발명에서는 초대형 박막유리 기판(70)위에 포토 레지스트를 균일한 평탄도를 유지 하면서 수마이크론 두께로 코팅하기 위하여, 포토 레지스트 용액(1)을 이송하는 공급라인(11)이 연결된 슬릿노즐(10)의 노즐전극(20)과 기판(70)이 올려진 접지판(80) 사이에 수 kV의 고전압을 제 1 고전압 인가장치(30)를 이용하여 인가하고, 적당한 전압을 금속 가드판(40)에 연결된 가드판 전극(50)에 제 2 고전압 인가장치(60)를 이용하여 인가하면, 슬릿 노즐(10)의 끝에 라인타입의 테일러 콘(2)이 형성되고 콘 끝에서 수 마이크론 두께의 PR 미소액막(3)이 발생되어 기판 위에 수마이크론 두께의 액막을 코팅시킨다.

따라서, 본 발명의 포토 레지스터 미소박막 제작과정을 살펴보면,

포토 레지스트 용액을 금속슬릿 노즐의 용액공급라인으로 이송하는 단계(S10)와;

상기 금속노즐 슬릿을 통해 1차 고전압을 인가하여 포토 레지스트 용액에 전기력을 인가함으로써 테일 콘 형태로 포토 레지스터가 출력되도록 하는 단계(S20)와;

금속가드판을 통해 기판에 도포되는 포토 레지스트 용액에 2차 고전압을 인가하여 기판에 균일한 두께로 도포되도록 하는 단계(S30)로 이루어진다.

상기와 같은 동작에 의해서 생성된 미소박막을 본 발명에 이용하게 되면 슬릿간격이 0.5mm 이하인 경우, 5㎛ 이하 두께의 액막을 형성할 수 있게 된다.

또한, 만일 용액의 농도를 20%라고 하면, 최종적인 코팅 피막의 두께는 1㎛이하가 되는 것이다.

이때 발생한 액막은 전기적으로 하전되어 있기 때문에 전기장의 방향으로 힘 을 받아 기판에 균일하게 부착될 수 있다.

한편, 미소액막의 발생속도는 유량(Q), 슬릿간격(W), 슬릿길이(L), 그리고 인가전압에 따라 결정된다. 만일 인가전압이 적절히 설정되어 미소액막의 두께가 슬릿간격의 1/100이 된다면, 액막의 발생속도는 Q/(0.01W * L)로 간단히 계산할 수 있으며, 액막의 발생속도에 따라 슬릿노즐이나 기판의 이송속도를 조절하면 겹침없이 기판을 미소액막으로 코팅할 수 있다.

도 4와 같이 부전도체 기판(70a)이나, 도 5와 같이 절연층(70b) 위에 올려진 전도체 기판(70c)의 경우 액막에 포함된 전하가 기판위에 고립되어 있기 때문에 방사능 물질을 포함한 이온중화기를 이용하여 코팅 표면위의 전하를 제거한다.

한편, 금속 슬릿노즐(10)과 금속 가드판(40)은 절연홀더(90)에 의해 절연되어 있다.

즉, 본 발명은 금속슬릿 노즐(10)의 몸체를 통해 고전압을 인가하기 때문에 적절한 절연조치가 필요한바, 이에 따라 금속 슬릿노즐(10)과 금속 가드판(40)을 절연홀더(90)로 절연하여 안전사고의 위험을 방지토록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 PDP-TV나 LCD-TV 등 영상제품 양산기술의 핵심이라 할 수 있는 초대형 디스플레이 패널의 박막유리기판 PR(PhotoResist) 코팅기술을 제공함에 있어서, 슬릿노즐을 흘러나가는 용액에 정전기적인 힘을 인가하여 수마이크로 이하의 두께를 갖는 액막을 형성하면 기판의 코팅성능을 획기적으로 개 선할 수 있다.

이렇게 형성된 액막을 적당한 온도에서 처리하면 용액에 포함된 용매가 증발하고 초기 액막의 두께보다 더 얇은 PR 필름이 기판위에 코팅되게 되며, 또한 슬릿노즐 정전 분사법을 이용하면 수mm 간격의 노즐에서도 미소박막을 형성할 수 있기 때문에 노즐의 길이가 길어져도 코팅성능에 영향이 없으며, 1초당 수 미터의 공정속도를 달성할 수 있기 때문에 기존공정과 비교하여 월등히 향상된 결과를 제공한다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (3)

1. 내부에 소형슬릿으로 이루어진 용액공급라인을 형성하여 외부에서 공급되는 포토 레지스트 용액을 하부로 이송하는 판 형태의 금속슬릿 노즐과;

   상기 금속슬릿 노즐의 상부 일단에 접속된 핀 형태로서 금속슬릿 노즐에 전원이 공급되도록 하여 금속슬릿 내부에 존재하는 용액에 전원을 공급하는 노즐 전극과;

   상기 노즐 전극을 통해 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 1 고전압 인가장치와;

   상기 금속슬릿 노즐의 하부 일단에 수평하게 연장된 금속 가드판과;

   상기 금속 가드판 일단에 접속된 핀 형태로서 가드판에 전원을 인가하는 가드판 전극과;

   상기 가드판 전극에 수kV 이상의 고전압을 인가하는 제 2 고전압 인가장치와;

   상기 금속슬릿노즐의 출구 아래에 위치되는 기판과;

   상기 기판을 장착하며 전기적으로 접지시키는 접지판을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속슬릿 노즐의 외주연과 금속 가드판의 상부면에는 일정두께의 절연홀더를 더 결합하여 구성하는 것을 특징으로 하는 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조장치.
3. 포토 레지스트 용액을 금속슬릿 노즐의 용액공급라인으로 이송하는 단계와;

   상기 금속노즐 슬릿을 통해 1차 고전압을 인가하여 포토 레지스트 용액에 전기력을 인가함으로써 테일 콘 형태로 포토 레지스터가 출력되도록 하는 단계와;

   금속가드판을 통해 기판에 도포되는 포토 레지스트 용액에 2차 고전압을 인가하여 기판에 균일한 두께로 도포되도록 하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 슬릿노즐 정전분사법을 이용한 미소박막 제조방법.

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