KR101379901B1 - 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법 - Google Patents

고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마스크를 통해 기능성 잉크를 도포하여 기판상에 높은 종횡비를 갖는 미세패턴을 형성할 수 있고, 미세패턴 형성과정에서 기판과 마스크 사이의 미세틈으로 기능성 잉크가 침투되는 것을 방지할 수 있는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로서, 상기 개구부로 충진용액을 주입하는 충진단계와, 상기 충진용액이 상기 기판과 상기 마스크 사이에 마련된 미세틈과, 마스크의 개구부와 미세틈의 경계면으로 스며든 후 충진용액이 증발함으로써 용해 혹은 분산되어있던 고형분에 의해 고체 필름 배리어를 형성하는 배리어 형성단계와, 상기 개구부로 기능성 잉크를 도포하는 잉크도포 단계와, 도포된 상기 기능성 잉크가 경화되어 미세패턴을 형성하도록 하는 경화단계와, 상기 기판으로부터 상기 마스크를 이탈시키는 마스크 제거단계와 고체 필름 배리어를 제거하는 배리어 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법{METHOD OF FABRICATING FINE PATTERN ON SUBSTRATE USING SOLID FILM BARRIER}
본 발명은 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마스크의 개구부를 통해 기능성 잉크를 도포하여 기판상에 미세패턴을 형성할 때, 기판과 마스크 사이의 미세틈으로 기능성 잉크가 침투되는 것을 방지할 수 있도록 고체 필름 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성방법에 관한 것이다.
20세기 후반부터 다품종 소량생산 및 주문형 제품생산 등의 영역을 포괄할 수 있는 패턴방식의 요구가 제기되면서, 기존의 포토리소그래피를 대신할 방법으로 중대형 그래픽 아트 산업에 이용되어왔던 프린팅 기술을 산업적으로 응용하려는 시도가 이루어지고 있다.
오늘날 이용되고 있는 프린팅 기술로는 플랙소그래피(flexography)와 같은 양각인쇄, 그라비어 프린팅(gravure printing)과 같은 음각인쇄, 리소그래피(lithography), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 등이 있는데, 잉크젯 프린팅을 제외한 다른 기법들은 스크린 혹은 롤 제판에 형성되어 있는 패턴주형과의 직접 접촉에 의하여 패턴을 전달, 형성한다. 반면, 잉크젯 프린팅은 제작되어진 패턴주형을 이용하지 않고 데이터화된 가상의 패턴 이미지를 이용하여 비접촉 방식으로 직접 프린팅을 함으로써 모델 변경에 유연하게 대응할 수 있으며, 복잡한 사전공정을 거치지 않고 저렴하고 신속한 방식으로 원하는 패턴을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이러한 인쇄기술은 기존의 포토리소그래피에 반해 재료의 사용효율이 높으며 장치투자비용이 저렴하여 디스플레이나 전자회로 패턴산업 등에의 적용이 적극적으로 모색되고 있다.
이러한 인쇄기술을 이용하여 전도체, 유기 또는 무기 반도체, 혹은 유기 또는 무기 발광성 물질 등의 기능성 잉크를 도포하여 경화시킴으로써 전극, 반도체, 유전체, 혹은 유기 또는 무기 발광패턴을 형성하게 된다.
인쇄기술을 통한 미세패턴의 한 예로써, 전극배선 패턴방식에서는 낮은 저항값을 달성하기 위해 전극배선의 높은 종횡비(두께/배선폭)를 달성하는 것이 중요하다. 스크린 프린팅의 경우 패턴의 두께는 스크린의 두께를 이용하여 용이하게 조절할 수 있으나, 스크린의 개구부 폭에 비해 스크린의 두께가 너무 두꺼울 경우 잉크의 불완전 전사가 일어나는 문제점이 있다. 또한, 스크린 하부와 기판간의 미세틈을 통해 잉크가 번져서 패턴의 해상도가 저해되는 문제점이 있다.
그라비아 혹은 그라비아 오프셋은 스크린에 비해서 고종횡비의 패턴을 달성하기가 어려우며, 특히 그라비아 오프셋은 블랭킷이 잉크의 솔벤트를 흡수하기 때문에 패턴선폭이 가변한다는 문제점이 있다.
잉크젯 프린팅의 경우 전극배선의 두께는 기판에서의 잉크의 접촉각에 의해 조절된다. 접촉각이 낮으면 액적이 퍼져서 전극배선의 두께도 낮아질 뿐만 아니라 전극배선의 선폭도 넓어지게 된다. 기판 표면에 소수성 코팅을 하더라도 접촉각의 상승은 한계가 있어서 충분한 전극 두께를 구현하기가 어려울 뿐만 아니라 기판 표면이 전부 소수성 처리가 될 경우 잉크액적이 서로 뭉치게 되어 연속적인 전극을 형성하기 어려운 문제가 있다.
전극배선 이외에 일반적으로 후막을 요구하지 않는 반도체, 유전체, 혹은 유기 또는 무기 발광물질의 미세패턴의 경우, 인쇄기술을 이용할 경우 잉크가 패턴이 되어야 할 영역 이외의 부분으로 침범하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 기술은 기판표면에 소수성 막으로 코팅한 후에 레이저 직접 조사 혹은 포토리소그래피를 이용하여 소수성 막에 패터닝을 하여 친수성 영역을 형성하고, 잉크를 친수성 영역에 인쇄함으로써 미세패턴을 수행하는 방법이 고안되었다. 그러나, 기판에 소수성 및 친수성 영역을 패턴하는 표면에너지패턴법은 고비용의 포토리소그래피 등의 부가적인 방법이 요구되었다.
이에 마스크 패터닝(mask patterning) 기술이 제시되었다. 도 1은 마스크 패터닝 과정을 도시한 개요도이다. 도 1을 참조하면 패턴을 이루는 개구부(21)가 형성되고 마스크(20)를 기판(10) 위에 올려놓은 후 패턴에 맞게 잉크(30)를 도포하여 잉크(30)가 개구부(21)로 침투되도록 하고, 열, 자외선, 마이크로웨이브나 전자 등의 수단을 통해 잉크(30)를 건조시킨 뒤 마스크(20)를 제거함으로써 미세패턴(31)을 형성할 수 있다. 후막 미세패턴이 요구되는 경우에는 마스크의 두께를 통해 더 많은 잉크를 개구부(21)에 도포함으로써 후막 미세패턴을 형성할 수 있다.
그러나, 이러한 마스크 패터닝 방법에 의하면 도 2에 도시된 바와 같이 기판(10)과 마스크(20) 사이에 미세틈(40)이 존재하게 된다. 결국 모세관력에 의하여 미세틈(40)으로 잉크(30)가 침투하게 되므로 잉크(30)를 건조시키고 마스크(20)를 제거한 후에도 마스크의 패턴 위치 이외의 부분에도 잉크가 잔류하게 되는 문제가 있었다.
이러한 소수성 및 친수성 영역을 패턴하기 위한 부가적인 공정을 회피하기 위하여 마스크 패터닝 방법을 이용할 경우, 상기 지적한 바와 같이, 기판(10)과 마스크(20) 사이에 미세틈(40)이 존재함으로써 전도체, 반도체, 유전체, 혹은 유기 또는 무기 발광물질이 미세틈(40) 내부로 모세관력에 의해 침투함으로써 미세패턴이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 기판과 마스크 사이의 미세틈에 기능성 잉크가 침투되는 것을 방지할 수 있는 고체 필름 배리어를 형성함으로써 패턴을 이루도록 형성된 마스크의 개구부에 기능성 잉크를 도포하였을 때 개구부 이외의 부분에 잉크 잔류물이 남지 않도록 미세패턴을 형성하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다. 아울러, 과도한 추가공정이나 추가비용을 필요로 하지 않으므로 고체 필름 배리어를 이용한 인쇄기법을 통해 미세패턴 공정의 단순화 및 저비용화를 달성하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법은 기판 상에 기능성 잉크를 도포하여 미세패턴을 형성하는 방법에 있어서, 기판 상부에 패턴을 이루는 개구부가 형성된 마스크를 위치시키는 정렬단계; 상기 기능성 잉크의 용매에 용해되지 않는 성질의 고형분이 용해 또는 분산되는 충진용액을 상기 개구부로 주입하는 충진단계; 상기 충진용액이 상기 기판과 상기 마스크 사이의 미세틈과, 상기 마스크와 상기 개구부의 경계면에 스며들고, 상기 마스크와 상기 개구부의 경계면에 잔존하는 상기 충진용액이 증발되어 상기 충진용액에 용해 또는 분산되어 있는 고형분에 의해 고체 필름이 형성되는 배리어 형성단계; 상기 개구부로 기능성 잉크를 도포하는 잉크도포 단계; 도포된 상기 기능성 잉크가 경화되어 미세패턴을 형성하도록 하는 경화단계; 상기 기판으로부터 상기 마스크를 이탈시키는 마스크 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기능성 잉크가 경화되어 기능성 패턴을 형성하기까지 고체 필름 배리어가 기능성 잉크에 용해되어 기능성 잉크가 기판과 마스크 사이의 미세틈으로 침투하지 않도록 상기 충진용액의 고형분은 상기 기능성 잉크에 용해되지 않는 것이 바람직하다.
삭제
본 발명에 따르면 마스크의 개구부로 전도성 잉크를 주입하기에 앞서 기판과 기판 상부에 위치시킨 마스크의 사이에 존재하는 미세틈에 고체 필름 배리어를 형성함으로써 도포된 기능성 잉크가 마스크의 개구부와 고체 필름 배리어로 이루어지는 공간에 안정적으로 머무르도록 할 수 있다. 이를 통해 경화시 누출없이 기능성 잉크가 기능성 패턴을 형성할 수 있도록 할 수 있고, 의도하지 않은 영역에 기능성 패턴이 형성되는 것을 방지할 수 있는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법이 제공된다.
또한, 충진용액에 분산 혹은 용해되어 있는 고형분은 기능성 잉크에 용해되지 않는 소재를 사용함으로써 열, 자외선, 마이크로웨이브나 전자 등의 수단을 이용한 기능성 잉크의 경화과정에서 고체 필름 배리어가 기능성 잉크에 용해됨으로써 미세틈에 침투하지 않도록 할 수 있다. 경화가 완료되기까지 고체 필름 배리어가 유지되어 미세틈으로 추가적인 기능성 잉크의 침투를 방지할 수 있는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법이 제공된다.
아울러, 기능성 잉크를 기판상에 국부적으로 미세하게 패턴하기 위하여 기판 상에 소수성 및 친수성 영역을 사전 패턴하여야 했던 종래의 표면에너지 패턴법에서와 같이 과도한 추가공정이나 추가비용을 필요로 하지 않으므로, 인쇄기술을 통한 미세패턴방식의 장점인 공정단순화 및 저비용화를 달성할 수 있는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 마스크를 이용한 미세 패터닝 과정을 도시한 개요도이다.
도 2는 종래 마스크를 이용한 미세 패터닝 과정의 문제점을 나타낸 개요도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성과정을 나타낸 개요도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3의 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성과정을 나타낸 개요도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법은 기판(100)상에 패턴을 이루는 개구부(210)가 형성된 마스크(200)를 위치시키는 정렬단계(S100)와, 상기 개구부(210)로 충진용액(300)을 주입하는 충진단계(S200)와, 상기 충진용액(300)이 상기 기판(100)과 상기 마스크(200) 사이에 마련된 틈으로 스며든 후 충진용액(300)에 용해 혹은 분산되어 있는 고형분이 충진용액(300)의 증발로 인해 고체 필름 배리어(310)를 형성하는 배리어 형성단계(S300)와, 상기 개구부(210)로 전도체, 반도체, 유전체, 혹은 유기 또는 무기 발광물질과 같은 기능성 잉크(400)를 도포하는 잉크도포 단계(S400)와, 도포된 상기 기능성 잉크(400)가 경화되어 미세패턴(410)을 형성하도록 하는 경화단계(S500)와, 상기 기판(100)으로부터 상기 마스크(200)를 이탈시키는 마스크 제거단계(S600), 그리고 필요한 경우 고체 필름 배리어를 제거하는 배리어 제거단계(S700)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 정렬단계(S100)에서는 기판(100) 상부에 패턴을 이루는 개구부(210)가 형성된 마스크(200)를 위치시킨다. 기판(100)상 미세패턴을 형성시키고자 하는 위치에 맞추어 마스크(200)를 정렬한다.
상기 충진단계(S200)에서는 마스크(200)의 개구부(210)로 충진용액(300)을 주입한다. 충진용액(300)의 주입은 잉크젯 방식에 의할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 디스펜서에 의한 도포도 가능하다. 또한, 스크린 프린팅과 같은 스퀴지를 통해 도포할 수도 있다.
충진용액(300)은 고형분이 용해 또는 분산되어 있으며, 고형분은 후술할 기능성 잉크(400)에 용해되지 않는 성질을 가진다.
상기 배리어 형성단계(S300)에서는 주입된 충진용액(300)의 일부가 기판(100)과 마스크(200) 사이의 미세틈(150)에 침투하며, 개구부와 마스크 경계면에 잔류한다. 잔류한 충진용액(300)이 증발하게 되면 용해 혹은 분산되어 있는 고형분이 고체 필름 배리어(310)를 형성한다.
마스크(200)는 미세패턴의 틀을 설정하기 위하여 기판(100) 상부에 올려놓아진 상태이므로 기판(100)과 마스크(200) 사이에는 간극이 존재하게 된다. 마스크(200)의 개구부(210)를 통해 충진용액(300)이 주입되면 기판(100)과 마스크(200) 사이의 미세틈(150)에 의해 발생하는 모세관력에 의하여 충진용액(300)의 일부가 미세틈(150)으로 침투한다. 이와 동시에 미세틈(150)과 개구부의 경계면에 의해 발생하는 모세관력에 의하여 경계면에도 충진용액(300)이 잔류하게 된다.
나머지 충진용액(300)은 공기와 넓은 접촉면적을 갖는 개구부(210)의 영역에 남아 증발된다. 이 과정에서 열을 가해줌으로써 개구부(210) 영역에 존재하는 충진용액(300)의 증발을 촉진할 수 있다.
기판(100)과 마스크(200) 사이의 미세틈(150)으로 침투한 충진용액(300)과, 미세틈(150)과 개구부(210)의 경계면에 잔류하는 충진용액(300)의 증발에 의해 용해 혹은 분산되어 있는 고형분이 고체 필름 배리어(310)를 형성하고, 고체 필름 배리어(310)는 개구부(210)와 함께 기능성 잉크(400)를 수용할 수 있는 수용공간을 형성한다.
상기 잉크도포 단계(S400)에서는 잉크젯 방식에 의하여 마스크(200)의 개구부(210)를 통해 기능성 잉크(400)를 도포한다. 혹은, 디스펜서가 사용되거나 스크린 프린팅에서와 같이 스퀴지가 사용될 수 있다. 혹은 바코터나 와이어코터와 같은 형태의 기구가 잉크의 도포에 사용될 수 있다. 혹은 에어나 정전기력을 이용한 분사도구가 잉크의 도포에 사용될 수 있다. 혹은 롤러와 같은 형태의 도구가 잉크의 도포에 사용될 수 있다.
기능성 잉크(400)는 금(Au), 은(Ag) 또는 구리(Cu) 등의 미세금속입자가 솔벤트에 분산되어 이루어진 전도성 잉크일 수 있다. 기능성 잉크(400)는 반도체 성질을 나타내는 유기 반도체 혹은 무기 반도체가 용해되어있거나 입자상태로 용액에 분산되어 이루어진 반도체성 잉크일 수 있다. 기능성 잉크(400)는 유전체의 성질을 나타내는 유기 유전체 혹은 무기 유전체가 용해되어있거나 입자상태로 용액에 분산되어 이루어진 유전체성 잉크일 수 있다. 기능성 잉크(400)는 전류 혹은 전계에 의해 빛을 내는 유기물 혹은 무기물이 용해되어 있거나 입자상태로 용액에 분산되어 이루어진 발광성 잉크일 수 있다.
기능성 잉크(400)에 용해되지 않는 고형분을 포함한 충진용액(300)을 사용하여 고체 필름 배리어(310)를 형성하였으므로 기판(100)과 마스크(200) 사이에 존재하는 미세틈(150)으로 기능성 잉크(400)가 누출이 일어나는 것을 막을 수 있다. 따라서 도포된 기능성 잉크(400)는 고체 필름 배리어(310)와 개구부(210)로 이루어지는 공간에 안정적으로 위치하게 된다.
상기 경화단계(S500)에서는 도포된 기능성 잉크(400)가 경화되어 미세패턴(410)을 형성하도록 열처리한다. 경화단계(S500)는 두 단계로 진행될 수 있는데, 상온 또는 미열을 가해 기능성 잉크(400)를 건조시키는 단계와, 건조 후 열처리를 통해 기능성 잉크(400)를 경화시키는 단계이다. 경화의 방법은 열처리 이외에도 자외선이나 마이크로웨이브 혹은 전자를 이용한 경화일 수 있다. 경화단계(S500)를 거치고 나면 마스크(200)에 형성된 개구부(210)를 따라 미세패턴(410)이 형성된다.
기능성 잉크(400)가 완전히 경화되어 미세패턴(410)을 형성한 후 계속하여 온도를 올려주어 고형분의 열분해 온도에 도달하게 되면 고체 필름 배리어(310)를 이루고 있는 고형분을 제거할 수 있다. 혹은 고형분의 제거는 하기 마스크 제거단계(S600) 이후에 실시할 수도 있다.
상기 마스크 제거단계(S600)에서는 경화를 통해 형성된 미세패턴(410)만을 남기고 기판(100)으로부터 마스크(200)를 이탈시킨다. 상기 경화단계(S500)에서 기능성 잉크(400)의 경화 후 추가적인 가열을 거치더라도 고체 필름 배리어(310)를 형성하고 있는 고형분이 완전히 제거되지 않을 수 있으므로 이러한 경우 고형분을 씻어내거나, 추가적인 가열을 통해 완전히 열분해시킴으로써 기판(100)에 미세패턴(410)만을 남기는 배리어 제거단계를 실시할 수도 있다.
본 발명에 따른 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법에 의하면 마스크(200)에 마련된 개구부(210)로 미세패턴(410)을 형성할 기능성 잉크(400)를 도포하기에 앞서 충진용액(300)을 주입하여 기판(100)과 기판 상부에 위치시킨 마스크(200) 사이에 존재하는 미세틈(150), 그리고 미세틈(150)과 개구부(210)의 경계면에 고체 필름 배리어(310)를 형성함으로써 도포된 기능성 잉크(400)가 상기 미세틈(150)으로 침투되지 않고 마스크(200)의 개구부(210)와 고체 필름 배리어(310)로 이루어지는 공간에 안정적으로 머무르도록 할 수 있다.
따라서 기능성 잉크(400)의 누출없이 안정적으로 경화가 이루어지도록 할 수 있으며, 기능성 잉크(400)의 농도 및 마스크의 두께를 조절함으로써 소정 패턴 영역에 국한하여 높은 종횡비를 갖는 미세패턴(410)이 형성되도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기능성 잉크(400)에 용해되지 않는 고형분을 포함한 충진용액(300)을 사용함으로써 기능성 잉크(400)의 도포 및 경화 과정에서 고체 필름 배리어(310)가 용해되지 않도록 할 수 있다. 기능성 잉크(400)의 경화완료시까지 고체 필름 배리어(310)가 미세틈(150)을 메우고 있게 되므로 미세틈(150)으로의 추가적 침투 없이 소정 패턴 영역에 미세패턴(410)을 형성할 수 있다.
아울러, 상술한 효과를 달성하기 위하여 과도한 추가공정이나 추가비용을 필요로 하지 않으므로 인쇄기법을 통한 미세패턴 방식의 장점인 공정단순화 및 저비용화를 달성할 수 있다.
10 : 기판 20 : 마스크
21 : 개구부 30 : 잉크
31 : 미세패턴 40 : 미세틈
100 : 기판 150 : 미세틈
200 : 마스크 210 : 개구부
300 : 충진용액 310 : 고체 필름 배리어
400 : 기능성 잉크 410 : 미세패턴

Claims (3)

  1. 기판 상에 기능성 잉크를 도포하여 미세패턴을 형성하는 방법에 있어서,
    기판 상부에 패턴을 이루는 개구부가 형성된 마스크를 위치시키는 정렬단계;
    상기 기능성 잉크의 용매에 용해되지 않는 성질의 고형분이 용해 또는 분산되는 충진용액을 상기 개구부로 주입하는 충진단계;
    상기 충진용액이 상기 기판과 상기 마스크 사이의 미세틈과, 상기 마스크와 상기 개구부의 경계면에 스며들고, 상기 마스크와 상기 개구부의 경계면에 잔존하는 상기 충진용액이 증발되어 상기 충진용액에 용해 또는 분산되어 있는 고형분에 의해 고체 필름이 형성되는 배리어 형성단계;
    상기 개구부로 기능성 잉크를 도포하는 잉크도포 단계;
    도포된 상기 기능성 잉크가 경화되어 미세패턴을 형성하도록 하는 경화단계;
    상기 기판으로부터 상기 마스크를 이탈시키는 마스크 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 제거단계를 수행한 후 상기 기판에 잔존하는 고체 필름 배리어를 제거하는 배리어 제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 필름 배리어를 이용한 기판상의 미세패턴 형성방법.
  3. 삭제
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