나노기술(NT; Nano Technology)은 정보기술(IT; Information Technology) 및 생명공학기술(BT; Bio Technology)와 더불어 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로서 주목 받고 있다.
또한, 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자공학, 및 재료공학 등 여러 과학기술 분야가 융합되어, 기존 기술의 한계를 극복하고, 다양한 산업 분야에 기술혁신을 줌으로써, 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.
주로 수 나노에서 수백 나노의 크기를 가지는 미세 패턴은 나노 메모리, 바이오 센서, 세포 성장 등을 비롯한 바이오 응용, 광결정(Photonic crystal)을 이용한 고효율 디스플레이, 태양전지를 비롯한 다양한 광전소자 등 많은 곳에 응용이 시도되고 있다.
유기박막 트랜지스터의 제작 공정에서 프린팅 미세 패턴의 소형화와 고집적 화는 시간, 비용 및 시료의 크기를 감소시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위한 중요한 요소이다.
그러나 10㎛ 이하 또는 나노 크기의 해상도를 얻기 위해서 유기박막 트랜지스터 제작 방법들을 사용하자면 초기자본 및 유지비 등의 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 소스(source)가 방사능의 누출을 유발할 수 있기 때문에 환경 친화적이지 않고, 기존의 제조기술로는 불가능한 소프트한 물질과 평평하지 않은 표면이나 특이한 물질 혹은 넓은 면적에 대한 패터닝에는 쉽게 사용할 수 없다는 한계로 인하여 새로운 방법이 모색되고 있다.
이를 위해 리소그래피나 복제기술의 대안으로 개발된 대표적인 것이 미세접촉 인쇄(microcontact printing) 방식으로서, 이 미세접촉 인쇄 방식은 단단한 무기질의 재료 보다는 유연한 유기질 재료인 탄성중합체(polydimethylsiloxane: PDMS) 스탬프(stamp)로 미세 패턴을 만들어 기판으로 전이하는 방식을 의미한다.
이러한 미세접촉 인쇄는 단순성과 편리성 외에도 많은 수의 미세 패턴을 복제할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 탄성중합체 스탬프와 기판 표면 사이의 정합 접촉이 미세 패턴 전이의 핵심기술이다. 더욱이, 미세접촉 인쇄는 2차원의 형상을 만드는데 가장 적합하지만, 금속 박막 도금과 같은 다른 공정과 결합되면 3차원 형상을 만드는데 이용할 수도 있다.
구체적으로, 미세접촉 인쇄 방식은 가공된 마스터(master)로부터 탄성중합체 스탬프에 미세 패턴을 복제하고, 이 탄성중합체 스탬프의 미세 패턴 형성면으로 도전성 잉크나 금,은, 동 등을 포함하는 페이스트를 도포한 다음, 탄성중합체 스탬프 로부터 기판의 표면에 미세 패턴을 전이한다. 이렇게 인쇄된 미세 패턴은 자외선(UV)를 조사하거나 열에 의한 방법으로 패터닝된 전극을 경화하여 고정시키게 된다.
그런데, 상기에서와 같이 탄성중합체 스탬프를 이용한 미세접촉 인쇄는 탄성중합체 스탬프와 기판이 평판 대 평판의 가압 인쇄 방식으로서 탄성중합체 스탬프로부터 기판으로 미세 패턴을 전이하는 방식이기 때문에 인쇄압력, 인쇄시간, 접촉속도 등의 불균일에 의해 탄성중합체 스탬프의 미세 패턴 형태가 변형 또는 파괴되는 현상이 있었다. 또한 대면적의 인쇄에 있어서 평탄도가 유지되거나 균일하고 결함 없는 미세 구조물을 제작하는 데에도 어려움이 있었으며, 정합접촉 및 정렬오차, SAM(자기조립 단층막: Self-Assembled Monolayer)의 균일한 전이 및 확산(diffusion) 현상의 발생에 의해 미세 패턴이 변형되는 문제점도 있었다.
본 발명에 있어서 미세 패턴이라 함은 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 크기를 갖는 미세 패턴을 말한다. 미세 패턴은 규칙적인 미세 패턴은 물론이고 불규칙적인 미세 패턴을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 미세 패턴(112)이 형성된 탄성중합체 판(110)에 금속 박판(120)를 부탁한다. 금속 박판(120)는 탄성중합체 판(110)에서 미세 패턴(112)이 형성되지 않은 부분에 부착된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 탄성중합체 판(110)과 금속 박판(120)를 원통형 드럼(130)에 부착하여 탄성중합체 스탬프 롤(100)를 형성한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 금속 박판(120)는 탄성중합체 판(110)과 드럼(130) 사이에 위치하게 되며, 탄성중합체 판(110)에 형성된 미세 패턴(112)은 탄성중합체 스탬프 롤(100)의 외주에 위치하게 된다.
도 1d에 도시한 바와 같이 홈으로 이루어진 미세 패턴(112)에 도전성 잉크(140)를 주입하는데, 도전성 잉크(140)는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu) 등을 포함하는 페이스트 등으로 이루어질 수 있다.
먼저 도전성 잉크(140)가 저장된 수조(142)를 준비하고, 탄성중합체 스탬프 롤(100)를 도전성 잉크(140)와 접촉시킨 상태에서 회전시킨다. 그리고 탄성중합체 스탬프 롤(100)의 일측에는 닥터 블레이드(145)가 접하여 설치되는데, 닥터 블레이드(145)는 탄성중합체 스탬프 롤(100)에 과다하게 뭍은 도전성 잉크(140)를 제거하며 특히 미세 패턴(112) 이외의 부분에 뭍은 도전성 잉크를 긁어서 제거한다.
도 1e에 도시한 바와 같이 도전성 잉크(140)가 공급된 탄성중합체 스탬프 롤(100)를 기판(154)과 접촉시켜 잉크(140)를 기판(154)으로 전사한다. 기판(154)의 아래에는 지지체인 베이스(152)가 설치되며 기판(154)을 베이스(152)에 움직이지 않도록 고정한다.
기판(154)은 PEN(polyethylene naphtalate), PET(polyethylene terephtalate), PC(polycarbonate), 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
상기한 미세 패턴은 유기박막구동소자(Organic Field Effect Transistor; OTFT)의 제작을 위한 제2 전극으로 이루어질 수 있으며, 제2 전극은 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어질 수 있다. 이를 위해서 상기한 기판(264)에는 제1 전극층을 형성할 수 있으며, 제1 전극은 게이트 전극으로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극층을 형성한 후에는 유기박막구동소자를 형성하기 위하여 플라즈마 처리될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 미세 패턴(215)이 형성된 평면기판(210)을 준비한다. 미세 패턴(215)은 홈으로 이루어지며, 복수개의 미세 패턴(215)이 이격 형성된다.
도 2b에 도시된 바와 같이 닥터 블레이드(235) 등을 이용하여 평면기판에 형성된 미세 패턴에 도전성 잉크(230)를 주입한다. 도전성 잉크(230)는 은(Ag) 페이스트 등으로 이루어질 수 있다.
도전성 잉크(230)의 주입방법은 닥터 블레이드(235)를 이용해서 주입하는데, 먼저 평면기판(210)에 도전성 잉크(230)를 낙하 등의 방법으로 공급한 후, 닥터 블레이드(235)를 이용하여 미세 패턴(215)에 도전성 잉크(230)를 주입한다.
닥터 블레이드(235)는 도전성 잉크(230)를 전방에 두고 하단이 평면기판(210)과 맞닿은 상태에서 평면기판(210) 상을 긁듯이 미세 패턴(215)을 향하여 전진하는데, 이 과정에서 홈으로 이루어진 미세 패턴(215)에 도전성 잉크(230)가 주입된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 평면기판(210)에 도전성 잉크(230)가 주입된 후에는 탄성중합체 롤러(240)를 평면기판(210)과 접하도록 설치하고, 탄성중합체 롤러(240)의 상부에 서브 롤러(260)를 설치한다.
탄성중합체 롤러(240)는 고무(rubber)로 이루어진 원통형 드럼(241)과 드럼(241)의 상면에 부착된 금속 박판(243)고 금속 박판(243) 위에 부착된 탄성중합체층(245)을 포함한다.
금속 박판(243)은 탄성중합체층(245)이 지나치게 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다. 탄성중합체층(245)만 드럼(241)에 부착하면 폴리머의 성질에 의하여 탄성중합체가 지나치게 변경되고 이에 따라 미세 패턴의 크기와 모양이 변형되는 문제가 발생하는데, 탄성중합체층(245)과 드럼(241) 사이에 금속 박판(243)를 부착하면 금속 박판(243)가 탄성중합체층(245)을 지지하여 탄성중합체층(245)이 지나치게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
서브 롤러(260)에는 유연성 기판(264)이 부착되는데, 유연성 기판(264)은 PEN, PET, PC 등으로 이루어질 수 있다.
탄성중합체 롤러(240)가 도전성 잉크(230)가 주입된 평면기판(210)과 접하여 회전하면서 이동하는데, 이 과정에서 미세 패턴(215)에 주입된 도전성 잉크(230)가 탄성중합체 롤러(240)로 전사되어 탄성중합체 롤러에 미세 패턴이 형성된다. 또한, 탄성중합체 롤러(240)가 회전하는 과정에서 탄성중합체 롤러(240)로 이동된 도전성 잉크(230)는 서브 롤러(260)로 이동하데, 이에 따라 서브 롤러(260)에 부착되어 있는 유연성 기판에 미세 패턴이 형성된다.
상기한 미세 패턴은 유기박박구동소자(OTFT)의 제작을 위한 제2 전극으로 이루어질 수 있으며, 제2 전극은 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어질 수 있다. 이를 위해서 상기한 기판(264)에는 제1 전극층을 형성할 수 있으며, 제1 전극은 게이트 전극으로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극층을 형성한 후에는 유기박막구동소자를 형성하기 위하여 플라즈마 처리될 수 있다.
이와 같이 롤 투 롤(roll to roll) 인쇄 공정을 통해서 OTFT를 제작하면 종래의 반도체 공정에 비하여 생산성이 향상되며 복잡한 장치 없이도 용이하게 유기박막구동소자를 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 표면에 미세 패턴(347)이 형성된 탄성중합체 스탬프 롤(340)를 준비한다. 탄성중합체 스탬프 롤(340)는 고무로 이루어진 드럼(341)과 드럼(341)의 상면에 부착된 금속 박판(343)와 금속 박판(343) 상에 형성된 탄성중합체층(345)을 포함한다. 탄성중합체층(345)에는 미세 패턴(347)이 형성되는데, 미세 패턴(347)은 복수 개의 홈으로 이루어진다.
그리고 도전성 잉크층(320)이 형성된 평판(310)을 준비하는데, 평판(310)에는 홈(315)이 형성되고 이 홈(315)에 도전성 잉크(320)가 저장된다. 도전성 잉크(320)는 은 페이스트 등으로 이루어진다.
탄성중합체 스탬프 롤(340)는 도전성 잉크층(320)과 맞닿아 회전하면서 전진하는데, 이 과정에서 도전성 잉크(320)가 탄성중합체 스탬프 롤(340)의 미세 패 턴(347)으로 주입된다. 탄성중합체 스탬프 롤(340)의 전방에는 닥터 블레이트(325)가 설치되는데, 닥터 블레이드(325)는 평판(310)에 저장된 도전성 잉크(320)의 높이가 일정한 수준을 유지하도록 하는 역할을 한다.
또한, 탄성중합체 스탬프 롤(340)에는 서브 롤러(350)가 맞닿도록 설치되는데, 서브 롤러(350)는 원통형 드럼(351)과 드럼(351)에 부착된 유연성 기판(flexible substrate)(352)을 포함한다. 유연성 기판(352)은 PEN, PET, PC 등으로 이루어질 수 있다.
탄성중합체 스탬프 롤(340)가 회전하는 과정에서 탄성중합체 스탬프 롤(340)의 미세 패턴(347)으로 주입된 도전성 잉크(320)는 서브 롤러(350)의 유연성 기판(352)으로 전사되어 유연성 기판(352)에 미세 패턴이 형성된다.
서브 롤러(350)에 부착된 유연성 기판(352)을 드럼(351)에서 분리하면 미세 패턴이 형성된 기판을 얻을 수 있다.
상기한 미세 패턴은 유기박막구동소자(OTFT)의 제작을 위한 제2 전극으로 이루어질 수 있으며, 제2 전극은 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어질 수 있다. 이를 위해서 상기한 기판(264)에는 제1 전극층을 형성할 수 있으며, 제1 전극은 게이트 전극으로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극층을 형성한 후에는 유기박막구동소자를 형성하기 위하여 플라즈마 처리될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세 미세 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 표면에 미세 패턴이 형성된 탄성중합체 스 탬프 롤(430)를 준비한다. 탄성중합체 스탬프 롤(430)는 고무로 이루어진 드럼(431)과 드럼(431)의 상면에 부착된 금속 박판(432)와 금속 박판(432) 상에 형성된 탄성중합체층(435)을 포함한다. 탄성중합체층(435)에는 미세 패턴(437)이 형성되는데, 미세 패턴(437)은 복수 개의 홈으로 이루어진다.
그리고 도전성 잉크층(420)이 형성된 평판(410)을 준비하는데, 도전성 잉크층(420)은 평판(410) 위에 위치하며 도전성 잉크층(420)는 은 페이스트 등으로 이루어진다.
탄성중합체 스탬프 롤(430)는 도전성 잉크층(420)과 맞닿아 회전하면서 전진하는데, 이 과정에서 도전성 잉크(420)가 탄성중합체 스탬프 롤(430)의 미세 패턴(437)으로 주입된다.
탄성중합체 스탬프 롤(430)에는 닥터 블레이트(425)가 접하도록 설치되는데, 닥터 블레이드(425)는 탄성중합체 스탬프 롤(430)에 과다하게 묻은 도전성 잉크를 긁어서 제거하는 역할을 하며, 특히 탄성중합체 스탬프 롤(430)에서 미세 패턴(437) 이외의 부분에 묻혀진 도전성 잉크를 제거한다.
또한, 탄성중합체 스탬프 롤(430)에는 서브 롤러(450)가 맞닿도록 설되는데, 서브 롤러(450)는 원통형 드럼(451)과 드럼(451)에 부착된 유연성 기판(flexible substrate)(452)을 포함한다. 유연성 기판(451)은 PEN, PET, PC 등으로 이루어질 수 있다.
탄성중합체 스탬프 롤(430)가 회전하는 과정에서 탄성중합체 스탬프 롤(430)의 미세 패턴(437)으로 주입된 잉크는 서브 롤러(450)의 유연성 기판(452)으로 전 사되어 유연성 기판(452)에 미세 패턴이 형성된다.
서브 롤러(450)에 부착된 유연성 기판(452)을 드럼(451)에서 분리하면 미세 패턴이 형성된 유연성 기판(452)을 얻을 수 있다.
상기한 미세 패턴은 유기구동박막소자(OTFT)의 제작을 위한 제2 전극으로 이루어질 수 있으며, 제2 전극은 소스 전극과 드레인 전극으로 이루어질 수 있다. 이를 위해서 상기한 기판(264)에는 제1 전극층을 형성할 수 있으며, 제1 전극은 게이트 전극으로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극층을 형성한 후에는 유기박막구동소자를 형성하기 위하여 플라즈마 처리될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.