KR101104923B1

KR101104923B1 - 대면적 전사용 스탬프 및 이를 이용한 대면적 전사 장비

Info

Publication number: KR101104923B1
Application number: KR1020110041887A
Authority: KR
Inventors: 김재현; 장봉균; 김광섭; 최현주; 이학주; 최병익; 김경식
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012150814A3; WO2012150814A2

Abstract

본 발명은 전사용 스탬프와 전사 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤(roll)에 의해 대면적에 형성된 박막 소자를 밀착시켜 이송한 후 롤에 의해 이송된 박막 소자를 정렬시킴으로서 연속 공정이 가능한 대면적 전사용 스탬프와, 상기 스탬프의 표면 접촉력을 균일화 하여 전사 시 박막 소자의 손상을 최소화 하게 되는 대면적 전사용 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비에 관한 것이다.

Description

대면적 전사용 스탬프 및 이를 이용한 대면적 전사 장비{Stamp for large area transfer and transfer system for large area using the same stamp}

최근 전자 제품의 기술적 발달로 인하여 마이크로/나노 기술에 대한 중요도가 증가하고 있다. 마이크로/나노 기술이 접목된 전자 제품들의 경우, 대부분 그 내부에 박막 형태의 소자가 구비된다. 이러한 박막 형태의 소자를 제작하기 위한 리소그래피 기술 등에 대한 연구도 현재 매우 활발히 이루어지고 있는 연구 분야라는 것이 잘 알려져 있다.

이 때, 반도체 공정, 유연전자제품 공정, 디스플레이 공정, MEMS 공정, LED 공정, 태양전지 공정 등에서 사용되는 생산 장비에는 이러한 박막 형태의 소자를 이송하는 장치가 필요하다. 박막 소자는 유연전자 제품에 사용되며, 유연한 밴딩을 위해서는 그 두께가 매우 얇아야 한다. 특히 단결정 실리콘 박막 소자의 경우, 파단 변형률을 1%로 가정할 때에, 0.5mm의 곡률지름으로 밴딩하기 위해서는 박막의 두께가 5micron 이하이어야 한다.

기존의 두께가 두꺼운 소자들은 진공척(vacuum chuck) 기술을 이용하여 점착(picking) 또는 이송(placing) 하는 이송 공정을 진행하였으나, 진공척 기술은 두께가 얇은 소자에 적용할 경우 진공척에서 발생하는 압력으로 인해 소자가 파손되기 때문에 5micron 이하의 박막 소자에는 적용이 불가능하다.

다른 방법으로 정전척(electrostatic chuck) 기술을 이용하여 소자를 이송하는 방법이 있지만, 두께가 얇은 소자에 적용할 경우 정전기에 의한 소자 파손이 발생되며, 소자의 표면 오염물에 의해 매우 민감하게 처킹(chucking) 능력이 저하되는 단점이 있다. 또한 매우 고가라는 것도 단점으로 작용한다.

위와 같은 이유로 두께가 매우 얇은 박막 형태의 소자는 나노스케일에서 작용하는 반데르발스 힘(van der Waals force)을 이용하여 점착 또는 이송할 수 있는 기술이 공지된 바 있으며, 이러한 반데르발스 힘을 제어할 수 있는 이송 장치를 이용하여 박막 소자를 이송할 수 있다. 이때 이송 장치의 표면이 매우 딱딱한 경우에는 소자 간의 미소한 두께 차이나 모재(substrate)에 존재하는 곡률 등에 의해 이송 장치와 소자가 서로 접촉이 잘 되지 않기 때문에 박막 소자를 점착하여 이송할 수가 없게 된다. 따라서 이러한 박막 소자의 이송을 위해서는 매우 탄성 계수가 작은 소재, 폴리머나 고무 소재를 이용한 유연 스탬프가 널리 사용되고 있다.

이와 같이 박막 소자의 이송을 위한 유연 스탬프에 관한 종래의 선행기술들이, 미국특허공개 제2006/0038182호, 미국특허공개 제2005/0238967호, 논문 "Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp(Nature materials Vol.5, 2006, pp.33-38.)" 등과 같은 문헌들에 다양하게 개시되어 있다. 도 1은 상기 논문에서 발췌된 도면으로, 상기 논문에서 구현된 유연 스탬프의 형상 및 작동 원리를 묘사하고 있다.

상기 선행기술들에 기재되어 있는 유연 스탬프의 경우 박막 소자와의 접촉 능력을 최대화하기 위하여 표면이 유연하게 형성되는 바, 중력 등에 의하여 표면이 구부러져 부분적으로 곡면이 발생하는 등, 평탄성이나 평행도 정렬이 어려워지는 문제가 있다.

도 2는 종래의 평면형 유연 스탬프의 문제점을 설명하기 위한 것으로, 도 2(A)에 도시되어 있는 바와 같이 스탬프의 표면이 유연하기 때문에 소자들이 이루고 있는 평면과 스탬프 표면의 평면 간의 수평도를 보장할 수 없게 된다. 종래와 같이 유연 스탬프의 형상이 평면형이면, 특히 대면적에서 수평도 정렬이 더욱 어려워진다. 따라서 수평도 정렬을 하는 작업에 시간이 많이 걸리게 되며, 또한 수평도가 정렬된 정도에 따라서 소자의 전사 수율이 크게 달라져 생산이 안정적으로 이루어지지 못하게 된다.

또한 대면적일 경우 수평도 정렬이 불량하여, 도 2(B)에 도시되어 있는 바와 같이 일부분은 접촉이 이루어지지 않게 되고, 또 다른 일부분은 지나치게 큰 하중이 가해지게 될 수 있다. 이 때, 접촉이 이루어지지 않은 경우에는 소자의 전사가 이루어지지 않게 되며, 또한 대면적에서 소자와 스탬프 사이의 접촉을 만들기 위해서는 큰 하중을 가해야 하는데, 소자와 스탬프 사이의 접촉 압력을 국부적으로 증가시켜서 소자의 파손을 유발할 위험성이 있게 된다. 뿐만 아니라, 도 2(C)에 도시되어 있는 바와 같이 소자를 떼어내는 경우에 있어서도 접촉 불량에 의해 소자 일부는 떼어지고 소자 일부는 유연 스탬프에 붙은 채로 그대로 남아 있게 되는 문제도 생기게 된다.

또한, 전자 제품의 기술적 발달로 인하여 각종 분야에 박막 소자가 널리 이용되고 있어 생산 속도의 증대가 크게 요구되고 있는 시점에서 상술한 바와 같이 박막 소자의 이송을 위해 사용되는 유연 스탬프의 평탄성 및 평행도가 불량해지는 경우, 다수의 박막 소자를 한꺼번에 이송할 수 있도록 유연 스탬프의 면적을 늘리는 데에 한계가 있기 때문에 생산 속도의 증대에도 한계가 발생하고 있는 실정이다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 대면적 전사용 스탬프 및 이를 이용한 전사 장비의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 정렬의 영향을 최소화하도록 유연 스탬프의 표면 형상을 곡면으로 구성함과 동시에 롤을 통해 박막 소자를 점착 또는 이송 할 수 있는 롤러 형 스탬프를 구성하여 박막 소자의 이송이 연속적으로 이루어지게 되는 대면적 스탬프를 제공함에 있다.

또한, 대면적에서도 높은 수율로 전사가 가능하도록 상기 대면적 스탬프의 표면 접촉력을 일정하게 유지시킬 수 있는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비를 제공함에 있다.

본 발명의 스탬프는, 평면상에 배치된 동일 면적 또는 서로 다른 면적을 갖는 다수 개의 박막 소자들에 접촉되어 반데르발스 힘에 의하여 상기 박막 소자가 부착되거나, 또는 일측면에 부착되어 있는 다수 개의 상기 박막 소자들을 평면상에 접촉시킨 후 점착력의 차이를 유발하여 떼어지도록, 탄성을 가지는 유연한 재질의 판형으로 형성되는 상기 박막 소자의 동시 이송을 위한 전사용 스탬프에 있어서, 상기 스탬프는, 원통형 롤러와, 상기 롤러의 외주면을 감싸도록 일정 두께를 가지고 형성되되 외면이 점착력이 큰 점탄성 폴리머 층으로 되는 스탬프층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스탬프층은, 내측에 형성되며, 강성이 작은 폴리머 층으로 되는 제1층; 중앙에 형성되며, 강성이 큰 폴리며 층 또는 금속 층으로 되는 제2층; 및 외측에 형성되며, 점착력이 큰 점탄성 폴리머 층으로 되는 제3층; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/50~1/5 이고, 상기 제2층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/2000~1/100 이고, 상기 제3층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/300 이하 인 것을 특징으로 한다.

다른 실시 예로, 상기 스탬프층은, 상기 롤러의 외주면에서 일정거리 이격 형성되며, 상기 롤러와 스탬프층 사이에는 유체(流體)가 충전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전사 장비는, 상기 롤러의 회전축 방향을 y축, y축에 수직한 어느 한 방향을 x축, y축 및 x축에 수직한 방향을 z축이라 할 때, x축 일 방향으로 구동되는 선형 스테이지; 일면에 다수의 박막 소자가 배치되며, 상기 제1 선형 스테이지에 일정 간격으로 공급되는 하드모재; 및 타면이 상기 하드모재의 일면에 대향되도록 상기 선형 스테이지의 z축 방향으로 일정거리 이격되며, x축 타방향으로 연속 공급되는 유연성 모재; 를 포함하며, 상기 스탬프는 상기 선형 스테이지와 상기 유연성 모재 사이에 구비되어 롤링(rolling)에 의해 상기 하드모재 상에 배치된 박막 소자를 점착(picking)하여 상기 유연성 모재의 타면에 이송(placing) 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 전사 장비는, 상기 스탬프와 상기 하드모재가 맞닿았을 때의 압축력이 상기 스탬프와 상기 유연성 모재가 맞닿았을 때의 압축력보다 큰 것을 특징으로 하며, 이를 위해 상기 전사 장비는, 상기 스탬프의 자중에 의해 상기 박막 소자에 일정한 하중을 가하도록, 상기 스탬프가 z축 방향으로 회동이 가능하며, x축 방향으로는 구속되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

세부 실시 예로, 상기 전사 장비는, 상기 스탬프의 양단에 형성되는 롤링 수단; x축에 평행하게 구비되며, y축을 중심으로 힌지 회동 가능하도록 중앙에 힌지결합부가 형성되며, 일단부에 상기 롤링 수단이 롤 가능하도록 연결되는 회동수단; 을 포함하고, 상기 회동수단의 타단부에는 상기 스탬프의 자중을 감소시키기 위한 무게추가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유연성 모재는 투명 재질로 되며, 상기 유연성 모재의 일면에 박막 소자가 이송 된다고 할 때, 상기 유연성 모재의 타면 외측에는 상기 박막 소자의 이송 상태를 촬영하기 위한 현미경이 상기 유연성 모재의 폭 방향으로 복수 개 구비되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시 예의 전사 장비는, 상기 스탬프의 롤링을 위해 상기 스탬프의 양단에 구비되는 롤링 수단을 포함하며, 상기 롤링 수단 각각을 z축 방향으로 구동시키기 위한 스테이지; 및 상기 롤링 수단과 스테이지 사이에 구비되며, 상기 스탬프에 가해지는 압력을 측정하기 위한 로드 셀; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스테이지는, 상기 스탬프의 일단에 구비되는 롤링 수단의 구동을 위한 제1 z축 구동기와, 상기 스탬프의 타단에 구비되는 롤링 수단의 구동을 위한 제2 z축 구동기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시 예의 스테이지는, 상기 스탬프의 양단에 구비되는 롤링 수단 각각을 연결하는 구동축과 상기 구동축의 z방향 구동을 위한 일체형 z축 구동기 및 상기 구동축의 x방향 회전을 위한 x축 회전구동기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 스테이지의 구동제어는, 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

,

(이때, F ₁ : 상기 스탬프 일단에 가해지는 하중, F ₂ : 상기 스탬프 타단에 가해지는 하중, d ₁ : 상기 스탬프의 일단에서 상기 박막 소자 타단까지의 거리, d ₂ : 상기 스탬프의 타단에서 상기 박막 소자 일단까지의 거리, L _f : 상기 박막소자의 폭, W _p : 필요 하중)

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 스탬프 및 전사 장비는 두께가 5micron 이하의 매우 얇고, 두께 편차가 비교적 큰 소자들을 종래에 비해 훨씬 대면적으로 전사할 수 있도록 함과 동시에 롤러 스탬프의 롤에 의해 공정이 연속적으로 이루어져 이송 효율을 최대화하는 효과가 있다.

특히 본 발명에 의한 전사 장비는 대면적에서 소자와 스탬프 사이의 접촉 압력이 균일하게 이루어짐으로써 소자의 전사 수율을 크게 향상시킬 수 있는 효과 또한 있다. 더불어 또한 전사에 필요한 정렬 시간을 단축함으로써 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 소자의 대량 이송에 사용될 수 있는 바, 반도체 공정, 반도체의 패키징 공정, 디스플레이 소자 공정, 태양전지 생산 공정, 유연전자 생산 공정에서 제조된 소자의 전사(이송 및 조립)에 적용될 경우 각 공정의 생산성을 극대화할 수 있는 큰 효과가 있다.

도 1은 종래의 평면형 유연 스탬프의 형상 및 작동 원리
도 2는 종래의 평면형 유연 스탬프의 문제점
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 스탬프 사시도
도 4는 본 발명의 제1 실시 예의 스탬프 종단면도
도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 스탬프 횡단면도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 스탬프 사시도
도 7은 본 발명의 제2 실시 예의 스탬프 종단면도
도 8은 본 발명의 제2 실시 예의 스탬프 횡단면도
도 9는 본 발명의 스탬프 작동 상태도
도 10은 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비 측면개략도
도 11은 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비 부분 정면개략도
도 12a는 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비 부분 측면개략도
도 12b는 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비 부분 정면개략도
도 13은 본 발명의 제2 실시 예의 전사 장비 사시도
도 14는 본 발명의 제2 실시 예의 전사 장비 하중 계산 인자

이하, 상기와 같은 본 발명의 대면적 전사용 스탬프 및 상기 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 5에는 본 발명의 제1 실시 예의 스탬프가 도시되어 있다.

본 발명의 스탬프(10)는, 탄성을 가지는 유연한 재질의 판형으로 형성되는 다수의 박막 소자의 동시 이송 수행을 위한 것이다. 더욱 상세하게는 평면상에 배치되며 동일 면적 또는 서로 다른 면적을 갖는 다수 개의 박막 소자들에 접촉되어 반데르발스 힘에 의하여 상기 박막 소자가 부착되거나, 또는 일측면에 부착되어 있는 다수 개의 상기 박막 소자들을 평면상에 접촉시킨 후 점착력의 차이를 유발하여 떼어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프(10)는 원통형의 롤러(11)와 상기 롤러(11)를 감싸는 스탬프층(12)으로 구성된다. 상기 롤러(11)는 각각의 밑면 중심을 관통하는 회전축을 따라 롤 가능하도록 구성된다. 상기 롤러(11)의 재질은 특별히 제한되지 않으며 상기 스탬프(10)가 상기 박막 소자들과 접촉되었을 때 하중을 견딜 수 있으며, 롤러(11)의 회전을 지지할 수 있을 정도의 내구성을 갖는 재질이면 어떠한 재질도 적용될 수 있음은 자명하다. 상기 스탬프층(12)은 상기 롤러(11)의 측면 외주면을 감싸도록 구성된다. 상기 스탬프층(12)은 일정 두께를 가지고 이루어지며 외면에 상기 박막 소자의 접촉면이 형성되므로 유연한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 스탬프층(12)의 재질은 폴리머 소재, 통상적으로 실리콘(silicone) 고무 계열의 소재로 될 수 있다. 특히 상기 스탬프층(12)의 외면은 점착력이 큰 점탄성 폴리머 층으로 구성될 수 있다.

상기 스탬프층(12)의 구성을 상세 설명하면, 상기 스탬프층(12)은 단면이 환형으로 형성되며, 내측에 구성되는 제1층(12a), 중앙에 구성되는 제2층(12b) 및 외측에 구성되는 제3층(12c)으로 이루어진다. 상기 제1층 내지 제3층(12a, 12b, 12c)은 적층 형태로 구성될 수 있다.

이때, 상기 제1층(12a)은 실리콘 고무 계열의 소재가 적용되며, 상기 제2층(12b)은 PET, Epoxy 등의 상기 제1층(12a) 보다 강성이 큰 폴리머 필름이나, 베릴륨구리 박판 등과 같이 강성과 탄성이 우수한 금속 필름이 적용된다. 상기 제3층(12c)은 통상의 스탬프층에 사용되는 고무, 폴리머, PDMS, 부틸 고무, 폴리우레탄을 포함하는 탄성 재질이 적용될 수 있으며, 이는 공지 공용의 기술에 해당한다.

본원 발명의 스탬프를 통해 전사되는 소자의 두께는 5micron 이하이고, 통상적으로는 100~300nm 의 두께를 많이 사용한다. 이렇게 얇은 소자를 점착하는 경우에는 소자의 표면에 잔여물(residue)이 남지 않는 건식 점착력이 필요하다. 상기 제3층(12c)은 이러한 건식 점착력을 발휘하는 역할을 한다. 점탄성 소재와 소자 사이의 점착력은 변형률 속도에 의존하며, 이러한 변형률 의존성을 제어함으로써 원하는 크기의 건식 점착력을 얻을 수 있다. 이때 점착력이 큰 점탄성 폴리머로 이루어지는 제3층(12c)은 그 탄성계수가 매우 작으며, 상기 스탬프(10)가 소자에 접촉하여 하중을 가하는 경우에 매우 크게 변형한다. 이러한 변형은 스탬프(10)의 원주 방향으로 변형을 유발하여, 매우 얇은 소자 전사 시에 주름(wrinkle)을 발생시키는 또 다른 원인이 된다. 이러한 원주 방향의 변형을 최소화하는 방법으로는 상기 제3층(12c)의 내측 원주 방향으로 매우 강성이 큰 제2층(12b)을 도입하는 것이다. 이를 위해 상기 제2층(12b)은 PET, Epoxy 등의 강성이 큰 폴리머 필름이나 베릴륨구리 박판 등과 같이 강성과 탄성이 우수한 금속 필름을 사용한다. 상기 스탬프(10)를 이용하여 전사되는 소자들은 서로 다른 두께를 가지거나, 먼지나 이물질의 두께에 의한 영향을 받을 수가 있다. 이를 위해서 상기 제2층(12b)의 내측으로 강성이 매우 작은 제1층(12a)을 도입한다. 상기 제1층(12a)은 강성이 작으므로, 서로 다른 두께를 지닌 소자가 사용되거나 이물질이 포함되는 경우에 발생하는 스탬프(10)와 소자 사이의 두께 변화를 흡수하는 역할을 한다.

또한, 상기와 같은 구성을 통한 제1층(12a), 제2층(12b) 및 제3층(12c)은 그 역할을 충실히 수행하기 위해 적절한 두께를 가져야 한다.

따라서 상기 제1층(12a)의 두께는 상기 스탬프(10)의 롤러(11)의 외경의 1/50~1/5 이고, 상기 제2층(12b)의 두께는 상기 롤러(11)의 외경의 1/2000~1/100 이고, 상기 제3층(12c)의 두께는 상기 롤러(11)의 외경의 1/300 이하로 이루어질 수 있다.

상기 제3층(12c)의 경우, 두께가 너무 두꺼울 경우에는 제3층의 원주방향 변형에 문제를 야기하여 제2층(12b)이 존재하더라도 원주방향 변형을 줄일 수 없다. 따라서 그 두께를 최소화하는 것이 바람직하다. 경험적으로 상기 스탬프(10)의 롤러(11) 외경의 1/300 이하인 것이 바람직하다.

상기 제2층(12b)의 경우, 두께가 상기 제2층에 가해지는 닙포스(Nip force)의 크기와 제2층의 소재에 따라 다르게 설정되어야 하지만, 경험적으로 상기 롤러(11)의 외경의 1/2000~1/100 이 바람직하다. 제2층의 두께가 상기 롤러(11)의 외경의 1/100 이상이 된다면, 상기 제1층(12a)이 소자의 두께 변화를 흡수하는 데에 장애를 초래할 수 있다. 또한, 제2층의 두께가 상기 롤러(11)의 외경의 1/2000 이하인 경우에는 상기 제3층(12c)의 원주 방향 변형을 줄이는 데에 기여하기가 어렵다.

상기 제1층(12a)의 경우, 제1층은 소자의 두께 변화를 흡수하는 역할을 하므로, 예상되는 두께 변화량과 소자의 탄성계수와 관련하여 그 두께를 설정하여야 한다. 소재로는 일반적으로 고무 계열의 소재나 다공성 소재를 이용하는 것이 바람직하며, 예상되는 소자의 두께 변화가 큰 경우에는 제1층의 두께를 두껍게, 소자의 두께 변화가 크지 않은 경우에는 제1층의 두께를 얇게 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 롤러(11)의 외경의 1/50~1/5 의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1층의 두께가 상기 롤러(11) 외경의 1/50 보다 작은 경우에는 상기 제2층(12b)과 제3층(12c)의 영향으로 두께 변화를 흡수하는 성능이 많이 저하되며, 제1층의 두께가 상기 롤러(11) 외경의 1/5 보다 큰 경우에는 원주 방향으로의 스탬프 변형을 유발하여 주름을 야기할 수 있다.

박막 소자의 전사를 위해 사용되었던 종래의 스탬프는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 박막 소자와 접촉되는 측면이 평면으로 이루어져 있었기 때문에, 수평도 정렬이 어렵고 접촉 압력이 불균일하게 이루어지는 경우가 잦아 전사가 효율적으로 이루어지지 못하는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에서는 상기 스탬프층(12)이 상기 박막 소자들과 접촉되는 면이 곡면으로 이루어짐으로써, 수평도 정렬 작업을 생략할 수 있음과 동시에 상기 박막 소자와의 접촉 압력을 균일하게 되도록 할 수 있어, 작업 시간의 단축 및 전사 효율의 향상을 통해 전체적인 작업 능률을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 특히 상기 스탬프(10)의 롤 회전에 의해 박막 소자의 이송 공정이 연속적으로 이루어지기 때문에 작업 능률을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

도 6 내지 도 8에는 본 발명의 제2 실시 예의 스탬프(20)가 도시되어 있다.

본 발명의 제1 실시 예의 스탬프(10)의 경우 상기 롤러(11)의 단면형상이 길이 방향을 따라 동일한 직경을 갖는 정확한 원의 형상으로 되지 않을 경우 롤 회전 시 박막 소자와의 접촉 하중을 일정하게 유지할 수 없는 문제점이 발생한다. 따라서 롤러의 형상에 관계없이 스탬프와 박막 소자와의 접촉하중을 일정하게 유지하기 위한 구성을 본 발명의 제2 실시 예를 통해 제시하고자 한다.

본 발명의 제2 실시 예의 스탬프(20)는 롤러(21)와, 스탬프층(22)과 클램핑링(clamping ring, 23)을 포함하여 이루어진다. 상기 롤러(21)는 상기 제1 실시 예의 롤러(11)와 동일한 구성을 갖는 바 이에 대한 상세 구성은 생략하기로 한다. 상기 스탬프층(22)은 일정 두께를 가지며 상기 롤러(21)의 측면 외주면을 감싸도록 구성된다. 이때 상기 스탬프층(22)은 상기 롤러(21)의 측면 외주면에서 일정거리 이격되도록 다음과 같은 구성을 갖는다. 상기 스탬프층(22)의 양단부는 상기 롤러(21)에 밀착되도록 상기 클램핑링(23)을 통해 고정된다. 또한 상기 스탬프층(22)과 롤러(21)의 측면외주면 사이에는 공기(Air)가 충전될 수 있다. 따라서 롤러(21)가 완벽한 원통의 형상을 이루지 않더라도 상기 공기(Air)의 쿠션을 통해 스탬프와 박막 소자와의 접촉하중을 일정하게 유지할 수 있다. 상기 스탬프층(22)은 제1층(22a), 제2층(22b) 및 제3층(22c)으로 구성될 수 있다. 이때 상기 제1층 내지 제3층(22a, 22b, 22c)의 재질의 세부 구성은 본 발명의 제1 실시예의 제1층 내지 제3층(12a, 12b, 12c)과 동일하므로, 이하 상세 설명은 생략한다. 다만, 본 발명의 제2 실시예의 스탬프(20)는 공기(Air)의 쿠션을 통해 본 발명의 제1 실시예의 제3층(12c)을 대체할 수 있으므로, 상기 스탬프층(22)은 제1층(22a)과 제2층(22b)만으로도 구성될 수 있다. 따라서 도 7상에는 상기 스탬프층(22)이 제1층 내지 제3층(22a, 22b, 22c)으로 구성되어 있으나, 제2층(22b)의 내면이 공기(Air)층과 맞닿을 수 있도록 제1층 및 제2층(22a, 22b) 만으로도 구성될 수 있다.

도 9에는 본 발명의 스탬프(10)를 이용한 전사 장비(100)의 박막 소자 이송 공정이 개략적으로 도시되어 있다.

이하 도면상의 전사 장비 실시 예에는 본 발명의 제1 실시 예의 스탬프(10)를 이용한 전사 장비가 도시되어 있으나, 본 발명의 제2 실시 예의 스탬프(20)가 적용될 수 있음은 자명하다.

스탬프(10)를 이용한 박막 전사 공정은 크게 박막 점착(picking)과 이송(placing)의 두 가지 단계로 나누어진다. 도 9a에 도시된 바와 같이 점착 공정에서는 통상적으로 실리콘 웨이퍼, 유리 기판, 석영(quartz) 기판 등으로 되는 하드모재(120) 일면에 배치되는 다수의 박막 소자(110)를 상기 스탬프(10)의 축방향 롤 회전에 의해 연속적으로 점착시킨다. 이때 필요한 점착력은 유연성 재질로 되는 스탬프(10)의 외면과 박막 소자(110) 사이의 반데르발스 힘에 의해서 발생한다. 도 9b에 도시된 바와 같이 이송 공정에서는 스탬프(10)에 점착된 박막 소자(110)를 또 다른 유연성 모재(130)에 상기 스탬프(10)의 축방향 롤 회전에 의해 연속적으로 이송시킨다. 이때 상기 유연성 모재(130)의 재질은 통상적으로 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 술폰(PES) 등의 폴리머로 되며, 상기 유연성 모재(130)의 이송면에는 접착제가 도포되어 박막 소자(110)의 이송을 용이하게 한다.

아울러 박막 소자는 그 두께가 5nm에서 5micron 정도로 매우 얇기 때문에 점착 또는 이송 공정을 거치면서 박막에 주름이 발생한다. 이는 점착 또는 이송 공정에서 스탬프의 외면에는 압축력이 발생하고, 상기 압축력은 푸아송 효과(Poisson's effect)에 의해 스탬프의 원주 방향으로 인장력을 발생시키기 때문이다. 점착 공정에서는 스탬프의 원주방향으로 인장력이 있는 상태어서 박막 소자가 점착되며, 스탬프에 박막 소자가 점착된 후 스탬프를 하드모재에서 떼어내면, 스탬프의 원주방향으로 작용하던 인장력이 사라지는 방향으로 변형이 일어나므로, 스탬프에 점착된(감긴) 박막 소자에는 압축력이 발생한다. 따라서 박막 소자에는 스탬프의 회전축과 평행한 주름이 발생된다.

또한, 스탬프에 가해지는 압축력이 스탬프의 회전축 방향으로 균일하지 않을 때 다른 형태의 주름이 박막 소자에 형성되는데 이는 압축력이 균일하지 않으므로 압축력이 더 큰 부분에서는 더 큰 원주방향 인장력이 발생하기 때문으로 박막 소자에 사선 모양으로 주름이 발생된다.

이하 상기와 같이 스탬프를 이용한 전사 공정에서 박막 소자의 주름을 방지하기 위한 전사 장비의 실시 예에 대하여 상세 설명하기로 한다.

도 10 내지 도 12에는 본 발명의 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비(200)의 제1 실시 예가 도시되어 있다. 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비(200)는 스탬프(10), 하드 모재(220), 선형 컨베이어(230), 유연성 모재(240), 검수 수단(250), 롤링 수단(270), 스탬프 회동수단(280) 및 무게추(290)를 포함한다.

우선 상기 스탬프(10)의 축방향을 y축, y축에 수직한 어느 한 방향을 x축, y축 및 x축에 수직한 방향을 z축이라고 할 때, 상기 선형 컨베이어(230)는 x축 일방향으로 구동되도록 구성된다. 상기 선형 컨베이어(230)는 일방향으로 물건의 운송을 위한 통상의 컨베이어 구성이 적용되는 바, 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다. 선형 컨베이어(230)의 일면에는 다수의 하드 모재(220)가 일정 간격으로 공급되도록 구성된다. 상기 하드 모재(220)의 일면에는 이송될 다수의 박막 소자(210)가 배치된다.

상기 스탬프(10)는 외면이 상기 박막 소자(210)에 맞닿도록 상기 하드 모재(220)의 일면 상측에 설치된다. 상기 스탬프(10)는 축 방향으로 롤링 가능하도록 롤링 수단(270)을 통해 고정되는 것이 바람직하다. 상기 롤링 수단(270)은 롤러를 구동시키기 위한 통상의 구성이 적용되는 바 이에 대한 상세 구성은 생략한다.

이때 상기 스탬프(10)의 롤 회전은 상기 선형 컨베이어(230)의 이동에 따라 상기 스탬프(10)의 외면과 상기 하드 모재(220)의 마찰에 의해 구동되도록 구성된다. 따라서 선형 컨베이어(230)의 이동 속도와 상기 스탬프(10)의 롤 회전 속도는 자연스럽게 일치되며, 상기 스탬프(10)의 롤 회전에 의해 선형 컨베이어(220)에서 운송되는 다수의 박막 소자(210)가 연속적으로 점착된다.

상기 스탬프(10)의 z축 일방향 외측에는 점착된 박막 소자(210)의 이송을 위한 유연성 모재(240)가 x축 타방향으로 연속적으로 공급된다. 상기 유연성 모재(240)는 타면이 상기 하드 모재(220)의 일면에 대향되도록 구성된다. 상기 유연성 모재(240)는 상기 선형 컨베이어(210)의 z축 방향으로 일정거리 이격되도록 구성된다. 상기 유연성 모재(240)는 타면이 상기 스탬프(10)의 외면에 맞닿도록 구성된다. 이때 상기 유연성 모재(240)의 공급 속도는 상기 스탬프(10)의 회전 속도와 대응되도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 스탬프(10)의 롤 회전에 의해 상기 스탬프(10)에 점착된 박막 소자(210)가 상기 유연성 모재(240)에 연속적으로 이송된다.

이때 본 발명의 제1 실시예의 전사 장비는 상기 스탬프(10)의 닙(nip) 영역 즉, 스탬프층(12)의 두께의 균일도를 확인하고 제어하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다. 상기 유연성 모재(240)는 투명 재질로 이루어지며, 상기 유연성 모재(240)의 z축 일방향 외측에는 현미경(250)이 구비된다. 상기 현미경(250)은 상기 스탬프(10)의 축방향으로 제1 현미경(251)과 제2 현미경(252)이 이격 구비된다. 상기 각각의 현미경(251, 252)은 상기 박막 소자(210)와 유연성 모재(240)의 접촉 부위를 관찰할 수 있도록 구성된다.

이하 상기 박막 소자(210)의 전사 시 주름을 방지하기 위한 구성을 상세 설명한다.

스탬프(10)에 점착된 박막 소자(210)에 스탬프(10)의 회전축과 평행한 주름이 형성된다 하더라도 상기 유연성 모재(240)에 이송하는 과정에서 다시 주름이 펴질 수 있다. 이는 이송 공정 중에 스탬프(10)의 압축력이 작용하여 스탬프(10)의 원주 방향으로 인장력을 작용시키기 때문이다.

이때 이송 공정 중에 주름이 완전히 펴지기 위해서는 점착 공정 중에 스탬프(10)에 작용하는 압축력이 이송 공정 중에 스탬프(10)에 작용하는 압축력 보다 커야 한다. 따라서 상기 스탬프(10)가 상기 하드 모재(220)에 가하는 하중 보다 상기 유연성 모재(240)에 가하는 하중이 커지도록 구성할 수 있다.

상기 박막 소자(210)의 전사 시 사선 주름을 방지하기 위한 구성을 상세 설명한다. 상기 스탬프(10)에 가해지는 하중을 일정하게 제어하기 위해 본 발명의 제1 실시 예의 전사 장비(200)는 상기 스탬프(10)의 자중에 의해 상기 박막 소자(210)에 일정한 하중을 가하도록 구성된다. 따라서 상기 스탬프(10)는 z축 방향으로 회동이 가능하며, x축 방향으로는 구속되도록 설치된다.

이하 상세 실시 예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 12를 참조하면, 상기 전사 장비(200)는 롤링 수단(270), 회동 수단(280) 및 무게추(290)를 포함한다. 상기 롤링 수단(270)은 상기 스탬프(10)의 양단 외측으로 각각 돌출 형성된다. 상기 롤링 수단(270)은 상기 스탬프(10)의 중심 회전축 선상에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 롤링 수단(270)은 원통형으로 형성될 수 있다. 상기 롤링 수단(270)은 상기 회동 수단(280)에 롤 가능하도록 연결된다. 상기 회동 수단(280)은 상기 롤링 수단(270)에 연결되도록 2개 형성되며, 바 타입으로 길이 방향이 x축 방향에 평행하도록 설치된다. 상기 회동 수단(280)의 일단부에는 상기 롤링 수단(270)과의 연결을 위한 롤홀(282)이 형성되며, 중앙부에는 상기 회동 수단(280)이 y축을 중심축으로 힌지 회동 가능하도록 힌지결합부(281)가 형성된다. 상기 회동 수단(280)을 통해 상기 스탬프(10)는 y축을 중심으로 롤 회동이 가능하다. 또한, 상기 회동 수단(280)의 x축 힌지 회동을 통해 상기 스탬프(10)는 z축 상하 회동이 가능해진다.

이때, 스탬프(10)에 가해지는 하중은 스탬프층(12)의 두께가 100mm 인 경우 10N 이하인 것이 바람직하다. 특히 상기 스탬프(10)의 무게가 무거울 경우 상기와 같은 조건을 만족시키기 위해 상기 회동 수단(280)의 타단부에는 무게추(290)가 구비될 수 있다.

상기와 같은 제1 실시 예의 전사 장비(200)는 스탬프(10)의 자중을 이용하기 때문에 장치가 단순하여 저가로 구현이 가능하다는 장점이 있지만, 박막 소자(210)와 스탬프(10)의 중심이 일치하지 않을 경우에는 적용이 불가능하다.

이하 구성은 다소 추가되지만, 박막 소자(210)와 스탬프(10)의 중심이 일치하지 않을 경우도 적용이 가능한 본 발명의 제2 실시 예의 전사 장비(300)를 상세 설명하기로 한다.

본 발명의 제2 실시 예의 전사 장비(300)는 박막 소자(310)의 전사 시 주름을 방지하기 위한 구성만 상이할 뿐 이외의 구성은 본 발명의 제1 실시 예의 구성과 동일하므로 박막 소자(310)의 전사 시 주름을 방지하기 위한 구성에 대해서만 상세 설명하기로 한다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예의 전사 장비(300)는 스탬프(10), 롤링 수단(340), 제1 및 제2 로드셀(351, 352) 및 스테이지(360)를 포함한다.

상기 스탬프(10)는 축 방향으로 롤링 가능하도록 롤링 수단(340)을 통해 고정되는 것이 바람직하다. 상기 롤링 수단(340)은 상기 스탬프(10)의 일단과 타단에 각각 연결 설치된다. 상기 롤링 수단(340)은 롤러를 구동시키기 위한 통상의 구성이 적용되는 바 이에 대한 상세 구성은 생략한다. 상기 스테이지(360)는 상기 롤링 수단(340) 각각을 z축 방향으로 구동시키도록 상기 롤링 수단(340)에 연결된다. 따라서 상기 스테이지(360)를 통해 상기 스탬프(10)에 가해지는 하중을 제어하게 된다. 이때 상기 스탬프(10)의 일단과 타단에 가해지는 하중을 측정하기 위해 상기 롤링 수단(340)과 상기 스테이지(360)의 연결부에는 로드 셀(351, 352)이 구비될 수 있다.

이때 상기 스테이지(360)는 두 가지 방법으로 구현될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이 상기 스테이지(360)는 상기 스탬프(10)의 일단에 구비되는 롤링 수단(340)의 z축 방향 구동을 위한 제1 z축 구동기(361)와, 상기 스탬프(10)의 타단에 구비되는 롤링 수단(340)의 z축 방향 구동을 위한 제2 z축 구동기(361)로 각각 구성되어 상기 스탬프(10)의 일단 과 타단에 가해지는 하중을 각각 제어하도록 구성될 수 있다.

또한 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 스테이지(360)는 상기 각각의 롤링 수단(340)을 연결하는 구동축과 상기 구동축의 z 방향 구동을 위한 일체형 z축 구동기와 상기 구동축의 x방향 회전을 위한 x축 회전 구동기로 구성되어 상기 스탬프(10)의 일단 과 타단에 가해지는 하중을 동시에 제어하도록 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 제2 실시예의 전사 장비(300)를 구동하는 방법은 다음과 같다.

a) 상기 스탬프(10)에 작용할 하중을 결정한다. 이때에는 도 14와 하기 수식을 통해 F ₁ 과 F ₂ 를 결정한다.

(이때,

F ₁ : 상기 스탬프 일단에 가해지는 하중,

F ₂ : 상기 스탬프 타단에 가해지는 하중,

d ₁ : 상기 스탬프의 일단에서 상기 박막 소자 타단까지의 거리,

d ₂ : 상기 스탬프의 타단에서 상기 박막 소자 일단까지의 거리,

L _f : 상기 박막소자의 폭,

W _p : 필요 하중)

상기 W _p 는 박막 소자의 소재, 두께, 모재와의 접착 상태에 따라 경험적으로 정해진 수치에 따라야 하며, 통상적으로 스탬프의 두께가 100nm 일 때, 10N 이하로 정하는 것이 바람직하다.

b) F ₁ 과 F ₂ 가 상기 스탬프(10)의 양단에 가해지도록 상기 스테이지(360)를 구동한다.

c) 상기 스테이지(360)가 구동된 상태에서 선형 컨베이어(330)를 이동 시키면서 스탬프(10)가 마찰에 의해 롤 회전되도록 한다.

d) 상기 로드셀(351, 352)의 신호는 스탬프(10)의 닙의 길이의 1/10에 해당하는 만큼 이동했을 때마다 체크하여 설정된 하중 값과의 차이를 보상하도록 피드백(feedback) 제어한다. 일예로 닙의 길이가 100 mm 이면, 매 10mm 만큼 이동했을 때 마다 하중 신호를 피드백 하여 스테이지(360)를 구동하는 것이 요구된다. 이는 하드모재(320)를 지지하고 있는 선형 컨베이어(330)의 속도가 100mm/s 일 때, 10Hz 로 하중 신호를 피드백 하는 것에 해당된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10, 20 : 스탬프 11, 21 : 롤러
12, 22 : 스탬프층 23 : 클램핑링
100, 200, 300 : 전사 장비 110, 210, 310 : 박막소자
120, 220, 320 : 하드 모재 230, 330 : 선형 컨베이어
130, 240 : 유연성 모재 250 : 현미경
270 : 롤링 수단 280 : 회동 수단
290 : 무게추
351, 352 : 로드셀 360 : 스테이지

Claims

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평면상에 배치된 동일 면적 또는 서로 다른 면적을 갖는 다수 개의 박막 소자들에 접촉되어 반데르발스 힘에 의하여 상기 박막 소자가 부착되거나, 또는 일측면에 부착되어 있는 다수 개의 상기 박막 소자들을 평면상에 접촉시킨 후 점착력의 차이를 유발하여 떼어지도록, 탄성을 가지는 유연한 재질의 판형으로 형성되는 상기 박막 소자의 동시 이송을 위한 전사용 스탬프에 있어서,
상기 스탬프는,
원통형 롤러; 및
상기 롤러의 외주면을 감싸도록 일정 두께를 가지고 형성되며, 내측에 형성되는 제1층과, 중앙에 형성되는 제2층과, 외측에 형성되는 제3층으로 구성되는 스탬프층; 을 포함하되,
상기 제2층은 폴리머 층 또는 금속 층으로 되며, 상기 제1층은 상기 제2층보다 강성이 작은 폴리머 층으로 되고, 상기 제3층은 점탄성 폴리머 층으로 되는 것을 특징으로 하는, 대면적 전사용 스탬프.
제 2항에 있어서,
상기 제1층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/50~1/5 이고,
상기 제2층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/2000~1/100 이고,
상기 제3층의 두께는 상기 롤러의 외경의 1/300 이하 인 것을 특징으로 하는 대면적 전사용 스탬프.
제 2항에 있어서,
상기 스탬프층은,
상기 롤러의 외주면에서 일정거리 이격 형성되며, 상기 롤러와 스탬프층 사이에는 유체(流體)가 충전되는, 대면적 전사용 스탬프.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 스탬프를 이용한 전사 장비에 있어서,
상기 롤러의 회전축 방향을 y축, y축에 수직한 어느 한 방향을 x축, y축 및 x축에 수직한 방향을 z축이라 할 때,
x축 일 방향으로 구동되는 선형 스테이지;
일면에 다수의 박막 소자가 배치되며, 상기 선형 스테이지에 일정 간격으로 공급되는 하드모재; 및
타면이 상기 하드모재의 일면에 대향되도록 상기 선형 스테이지의 z축 방향으로 일정거리 이격되며, x축 타방향으로 연속 공급되는 유연성 모재; 를 포함하며,
상기 스탬프는 상기 선형 스테이지와 상기 유연성 모재 사이에 구비되어 롤링(rolling)에 의해 상기 하드모재 상에 배치된 박막 소자를 점착(picking)하여 상기 유연성 모재의 타면에 이송(placing) 하는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 5항에 있어서,
상기 전사 장비는,
상기 스탬프와 상기 하드모재가 맞닿았을 때의 압축력이 상기 스탬프와 상기 유연성 모재가 맞닿았을 때의 압축력보다 큰 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 5항에 있어서,
상기 전사 장비는,
상기 스탬프의 자중에 의해 상기 박막 소자에 일정한 하중을 가하도록, 상기 스탬프가 z축 방향으로 회동이 가능하며, x축 방향으로는 구속되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 7항에 있어서,
상기 전사 장비는,
상기 스탬프의 양단에 형성되는 롤링 수단;
x축에 평행하게 구비되며, y축을 중심으로 힌지 회동 가능하도록 중앙에 힌지결합부가 형성되며, 일단부에 상기 롤링 수단이 롤 가능하도록 연결되는 회동수단;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 8항에 있어서,
상기 회동수단의 타단부에는 상기 스탬프의 자중을 감소시키기 위한 무게추가 구비되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 5항에 있어서,
상기 유연성 모재는 투명 재질로 되며,
상기 유연성 모재의 일면에 박막 소자가 이송 된다고 할 때, 상기 유연성 모재의 타면 외측에는 상기 박막 소자의 이송 상태를 촬영하기 위한 현미경이 상기 유연성 모재의 폭 방향으로 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 5항에 있어서,
상기 전사 장비는,
상기 스탬프의 롤링을 위해 상기 스탬프의 양단에 구비되는 롤링 수단을 포함하며, 상기 롤링 수단 각각을 z축 방향으로 구동시키기 위한 스테이지; 및
상기 롤링 수단과 스테이지 사이에 구비되며, 상기 스탬프에 가해지는 압력을 측정하기 위한 로드 셀;
을 더 포함하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 11항에 있어서,
상기 스테이지는,
상기 스탬프의 일단에 구비되는 롤링 수단의 구동을 위한 제1 z축 구동기와, 상기 스탬프의 타단에 구비되는 롤링 수단의 구동을 위한 제2 z축 구동기로 구성되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 11항에 있어서,
상기 스테이지는,
상기 스탬프의 양단에 구비되는 롤링 수단 각각을 연결하는 구동축과 상기 구동축의 z방향 구동을 위한 일체형 z축 구동기 및 상기 구동축의 x방향 회전을 위한 x축 회전구동기로 구성되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.
제 11항에 있어서,
상기 스테이지의 구동제어는,
하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 스탬프를 이용한 대면적 전사 장비.

(이때,
F ₁ : 상기 스탬프 일단에 가해지는 하중,
F ₂ : 상기 스탬프 타단에 가해지는 하중,
d ₁ : 상기 스탬프의 일단에서 상기 박막 소자 타단까지의 거리,
d ₂ : 상기 스탬프의 타단에서 상기 박막 소자 일단까지의 거리,
L _f : 상기 박막소자의 폭,
W _p : 필요 하중)