KR101482978B1 - 접촉식 패터닝 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉식 패터닝 장치에 관한 것이며, 본 발명의 접촉식 패터닝 장치는 기판; 상기 기판 측을 향하여 유체를 공급하는 유체제공부; 상기 유체제공부와 전기적으로 연결되며, 상기 유체제공부로부터 제공되는 유체의 표면에 전압을 인가함으로써 상기 기판과 상기 유체제공부 사이에 상기 유체가 연결되도록 하는 전압인가부; 상기 유체가 상기 기판에 점(dot) 형상 또는 연속적인 라인 형태로 패터닝되도록 상기 유체에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 상기 유체제공부의 단부 측에 메니스커스를 형성하는 제어부;를 포함하며, 패터닝시 상기 기판과 상기 유체제공부 사이의 이격 간격은 상기 유체제공부의 단부측에 형성되는 메니스커스의 반경 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 사용되는 유체의 점도 및 패터닝 속도에 제한없이 안정적으로 연속적인 미세 선폭의 패터닝을 수행할 수 있는 접촉식 패터닝 장치가 제공된다.

Description

접촉식 패터닝 장치{CONTACT PATTERNING APPARATUS}

본 발명은 접촉식 패터닝 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판과 유체제공부 사이의 유체에 인가되는 전압을 통해 기판과 유체의 접촉 유지력을 향상시킴으로써 사용되는 유체의 점도 및 패터닝 속도에 제한없이 안정적으로 미세 선폭의 라인 패턴을 패터닝할 수 있는 접촉식 패터닝 장치에 관한 것이다.

최근에는 엘시디, 터치스크린 패널 등에 사용되는 미세 패턴을 패터닝하기 위한 방법에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

종래에는, 이러한 미세 패턴을 패터닝하기 위한 기술로 노광과 같은 식각기술을 이용하였다. 그러나, 이러한 식각 기술은 식각이 이루어지는 공간을 진공으로 유지해야 하므로 제조 시간 및 제조 원가가 상당하다는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 최근에는 대상물에 잉크를 분사함으로써 패턴을 형성하는 잉크젯 프린팅에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

이러한, 잉크젯 프린팅 기술은 대상물에 전극물질을 포함하는 잉크를 분사하여 패턴을 형성함으로써 제조비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있으나, 고점도의 잉크를 활용하여 미세 선폭의 패턴을 형성하기 어렵다는 문제점이 발생한다.

한편, 잉크젯 프린팅 기술을 통해 미세 선폭을 구현하기 위해 노즐로부터 제공되는 잉크가 바로 대상물에 접촉하도록 구성하는 접촉식 프린팅에 대한 연구가 진행되었다.

특히, 미국등록특허 US 7,344,756가 대표적이다.

그러나, 이러한 접촉식 프린팅 방법은 패터닝 속도를 증가시킬수록 잉크가 대상물과의 접촉상태를 유지하지 못하고 끊어짐으로써 단속 구간이 생겨 연속적인 라인 패터닝을 수행하기 어려워 패터닝 속도의 조절이 어렵다는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용되는 유체의 점도 및 패터닝 속도에 제한없이 안정적으로 연속적인 미세 선폭의 패터닝을 수행할 수 있는 접촉식 패터닝 장치를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판; 상기 기판 측을 향하여 유체를 공급하는 유체제공부; 상기 유체제공부와 전기적으로 연결되며, 상기 유체제공부로부터 제공되는 유체의 표면에 전압을 인가함으로써 상기 기판과 상기 유체제공부 사이에 상기 유체가 연결되도록 하는 전압인가부; 상기 유체가 상기 기판에 점(dot) 형상 또는 연속적인 라인 형태로 패터닝되도록 상기 유체에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 상기 유체제공부의 단부 측에 메니스커스를 형성하는 제어부;를 포함하며, 패터닝시 상기 기판과 상기 유체제공부 사이의 이격 간격은 상기 유체제공부의 단부측에 형성되는 메니스커스의 반경 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 기판 또는 상기 유체제공부는 이동가능하게 마련되며, 상기 제어부는, 상기 전압인가부로부터 인가되는 전압의 크기를 제어함으로써 상기 유체가 상기 유체제공부의 단부 측에 메니스커스를 형성하고 상기 기판 또는 상기 유체제공부의 이동시 상기 유체가 상기 기판과 상기 유체제공부 사이에 연결되거나 끊어지는 것을 선택적으로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 전압인가부를 통해 인가되는 전압을 조절하여 상기 메니스커스의 표면에 발생하는 전기 응력(electric stress), 상기 메니스커스의 표면에 발생하는 표면장력 및 상기 기판과 상기 메니스커스 사이에 발생하는 점성에 의한 마찰력을 상호작용시킴으로써 점 형상 또는 연속적인 라인 형태로 패터닝되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 유체제공부를 상기 기판 측으로부터 멀어지거나 근접하는 방향 또는 상기 기판과 나란하게 이동시키는 제1 이송부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1 이송부의 이동 속도를 제어하는 제1 속도제어모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판을 이동시키는 제2 이송부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 제2 이송부의 이동 속도를 제어하는 제2 속도제어모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기판의 3차원 표면정보를 저장하는 형상획득부를 더 포함하며,상기 제어부는 상기 형상획득부로부터 상기 기판의 표면정보를 제공받아 상기 제1 이송부의 움직임을 제어하는 이송제어모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유체제공부는 전기수력학적 잉크젯 방식에 의해 유체를 분사하는 노즐인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 유체제공부는 내경이 100 ㎛ 이하로 마련되며, 상기 유체제공부와 상기 기판 사이의 거리는 50 ㎛ 이하로 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유체제공부는 플레이트와 상기 플레이트의 하단부에 설치되며 하측으로 갈수록 단면적이 감소하는 나노팁을 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 나노팁은 상면에 관통홈이 형성되며, 상기 플레이트는 상면으로부터 내측으로 함몰되며, 상기 관통홈과 연결되는 수평 유로가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노팁은 상기 플레이트의 단부에 설치되고, 상기 플레이트는 상면으로부터 내측으로 함몰되되 단부까지 연장되는 수평 유로가 형성되며, 상기 나노팁은 외면으로부터 내측으로 함몰되되, 상기 수평 유로와 연결되고 하단부까지 연장되는 수직 유로가 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기판 및 상기 유체제공부를 내부에 수용하는 케이스부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 케이스부의 내부로 질소 또는 비활성 기체 중 적어도 어느 하나를 공급하는 기체 저장부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유체제공부와 상기 기판 사이의 거리는 상기 메니스커스의 직경의 0.5배 이하로 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 점 형상 또는 연속적으로 연결된 라인 패턴을 선택적으로 패터닝할 수 있는 접촉식 패턴 장치가 제공된다.

또한, 기판 또는 유체제공부의 이송 속도에 따라 전압인가부로부터 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 점 형상 또는 연속적으로 연결된 라인 패턴을 선택적으로을 패터닝할 수 있다.

또한, 유체제공부로 제공되는 유체의 점성에 따라 전압인가부로부터 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 점 형상 또는 연속적으로 연결된 라인 패턴을 선택적으로 패터닝할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉식 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 3은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 유체제공부를 나노팁으로 제공한 경우의 변형례를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 메니스커스를 형성하는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 5는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 기판과 메니스커스의 접촉 상태를 유지하며 라인 패터닝을 수행하는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 6은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 10,000 cp의 고점도 용액을 통해 패터닝한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 7은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 10,00 cp의 저점도 용액을 통해 패터닝한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 8은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치를 통해 패터닝을 수행한 결과물에 대한 사진이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉식 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 10은 도 9에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대하여 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉식 패턴 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉식 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉식 패턴 장치(100)는 유체제공부를 통해 제공되는 유체가 기판에 접촉한 상태를 유지함으로써 연속적인 라인 형태를 패터닝할 수 있는 것으로서, 유체제공부(110)와 전압인가부(120)와 제1 이송부(130)와 제2 이송부(140)와 제어부(150)를 포함한다.

상기 유체제공부(110)는 기판(S)을 마주보는 단부(이하 '토출부(111)'라 한다)로부터 유체를 제공하는 것으로 유체는 다시 기판(S)과 접촉함으로써 유체제공부(110), 유체 및 기판(S) 순으로 연결관계를 형성한다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 유체제공부(110)는 나노팁 또는 전기수력학적 방식을 통해 유체를 분사하는 노즐 형태로 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

다만, 본 발명의 제1실시예에서는 유체제공부(110)가 노즐 형태로 마련되는 것을 전제로 설명을 한다.

한편, 유체제공부(110)가 전기수력학적 방식을 통해 유체를 분사하는 노즐 형태로 마련되면, 유체는 토출부(111) 측으로 제공되어 후술할 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압을 통해 메니스커스(M)로 형성된 상태로 기판(S)에 접촉한다.

여기서, 메니스커스(M)와 기판(S)의 접촉은 토출부(111) 측에 메니스커스(M)를 형성한 후 제1 이송부(130)를 통해 유체제공부(110)를 기판(S)과 근접하는 방향으로 이송시켜 접촉시키거나 유체제공부(1110)와 기판(S)을 근접하게 이송시킨 후 메니스커스(M)를 형성함과 동시에 기판(S)과 접촉시킬 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 유체제공부(110)와 기판(S) 사이의 이격거리는 토출부(111)의 직경, 유체의 점성 및 표면장력 등에 의해 달라질 수 있으나, 적어도 50 ㎛ 이하로 근접시켜 유체를 기판(S)에 접촉시키는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

이러한, 메니스커스(M)는 후술할 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)의 이동시 기판(S)과 유체 사이의 점성에 의한 마찰력에 의해 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)가 이동한 거리보다 적은 거리를 이동하게 되며, 이로 인해 메니스커스(M)는 길게 늘어지는 형상으로 변화하며 기판(S)과의 접촉상태를 유지한다.

이러한 메니스커스(M)의 형상 변화에 대해서는 후술한다.

한편, 본 발명의 제1실시예에서는 서로 이격된 복수개의 유체제공부(110)를 통해 복수개의 라인 패턴을 동시에 패터닝하도록 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 유체제공부를 나노팁으로 제공한 경우의 변형례를 도시한 사시도이다.

도 3을 참고하면, 유체제공부(210)는 플레이트(211)와 나노팁(213)을 포함할 수 있다.

상기 플레이트(211)는 일방향으로 연장되는 판 형상의 부재로서 상면에 플레이트(211)의 길이방향을 따라 연장되는 수평 유로(212)가 형성되어 기판(S)에 패터닝되기 위한 유체가 유동한다.

상기 나노팁(213)은 상술한 것과 같이 유체제공부(210)가 노즐로 마련되는 경우의 토출부(111)의 역할을 수행하는 것으로서, 플레이트(211)의 하단부에 설치되며, 플레이트(211)를 따라 유동하는 유체가 나노팁(213)의 하단부까지 유동함으로써 나노팁(213)의 최하단부에서 메니스커스(M)를 형성하게 된다.

여기서, 플레이트(211)로부터 나노팁(213)가 유체를 제공받기 위해서, 수평 유로(212)에 대응되는 나노팁(213)의 상면과 최하단부를 관통하는 관통홈(214)이 형성되어 수평 유로(212)로부터 유체를 제공받을 수 있다.

또한, 관통홈(214)이 형성되지 않더라도 플레이트(211)의 일단 하부에 나노팁(213)이 설치되고, 수평 유로(211)는 플레이트(211)의 일단까지 연장되며, 나노팁(213)의 전면으로부터 내측으로 함몰형성되되 수평 유로(212)와 연결되고 나노팁(213)의 최하단부와 연결되는 수직 유로(215)를 통해 유체를 나노팁(213)의 최하단부까지 유동시킬 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 구성요소 없이 나노팁(213)의 최하단부에 유체를 접촉시킨 후 기판(S) 측으로 이송시켜 패터닝할 수도 있다.

상기 전압인가부(120)는 유체제공부(110)와 전기적으로 연결되어, 유체제공부(110)에 전압을 인가하는 것이다.

여기서, 유체제공부(110)에 인가되는 전압은 유체의 표면으로 전달되어, 후술할 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)의 이동에 따라 유체의 형상이 변화할 경우에도 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이를 연결하도록 하는 전기 응력(electric stress)을 발생시킨다.

즉, 유체의 표면에 발생하는 표면장력 및 점성에 의한 기판(S)과 유체 사이의 마찰력에 의해 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에 연결된 상태를 형성할 수 있으며, 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압에 의한 전기 응력(electric stress)을 통해 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에 연결된 상태를 유지할 수 있게 된다.

상기 제1 이송부(130)는 유체제공부(110) 상측에 마련되어, 유체제공부(110)를 기판(S)으로부터 멀어지거나 근접하는 방향 또는 기판(S)과 평행한 가상의 평면을 따라 이동시키는 것이다.

즉, 유체제공부(110)가 기판(S)으로부터 멀어지거나 근접하는 방향을 z축으로 정의하고, 기판(S)과 평행한 가상의 평면 상의 움직임을 x, y축 움직임으로 정의한다면, 제1 이송부(130)는 유체제공부(110)를 x축, y축 및 z축 중에서 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 것이다.

상기 제2 이송부(140)는 기판(S) 하측에 마련되어, 기판(S)을 기판(S)과 평행한 가상의 평면을 따라 이동시키는 것이다.

즉, 기판(S)과 평행한 가상의 평면 상의 움직임을 x, y축 움직임으로 정의한다면, 제2 이송부(140)는 기판(S)를 x축 및 y축 중에서 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 것이다.

도 2는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 2를 참고하면, 상기 제어부(150)는 토출부(111)로부터 제공되는 유체가 기판(S)에 연속적인 라인 형태로 패터닝되도록 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압의 크기를 조절하는 것으로 전압제어모듈(151)을 포함한다.

즉, 상술한 것처럼 토출부(111)로부터 제공되는 유체가 기판(S)과 접촉상태를 유지하기 위해서는 전압인가부(120)에서 인가되는 전압의 크기가 큰 영향을 미치게 되며, 이를 제어부를 통해 적절히 제어하는 것이 중요하다.

한편, 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압의 크기 조절은 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도에 의존하므로 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)의 이동을 추가적으로 제어할 필요가 있으므로 본 발명의 제1실시예서는 제1 속도 제어모듈(152) 및 제2 속도 제어모듈(153)을 더 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전압제어모듈(151)은 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압의 크기를 조절하여 토출부(111) 측에 메니스커스(M)를 형성하도록 제어하고, 메니스커스(M)가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에서 끊어지지 않도록 유체제공부(110)로 인가되는 전압의 크기를 적절히 제어하는 것이다.

특히, 고점도의 유체를 사용하는 경우에는 점도 및 표면장력에 의해 유체가 토출부(111)으로부터 메니스커스(M)를 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에, 전압인가부(120)로부터 적절한 전압을 인가하여 메니스커스(M)를 형성하는 것이 중요하다.

여기서, 전압을 통해 메니스커스(M)의 크기, 형상 등을 조절하는 것은 공지의 기술이므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

한편, 전압제어모듈(151)은 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)를 통해 기판(S) 또는 유체제공부(110)의 이동시 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에 연결되도록 전압의 크기를 적절히 제어한다.

기판(S) 또는 유체제공부(110)의 이동시 유체에 작용하는 힘은 점성에 의한 마찰력, 표면장력 및 유체의 표면에 인가되는 전압에 의한 전기 응력이며, 이들의 상호작용에 의해 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에 연결되는 상태를 유지하여 연속적인 라인 패턴을 가능하게 한다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

상기 제1 속도제어모듈(152)는 제1 이송부(130)의 이동 속도, 즉 유체제공부(110)의 이동 속도를 제어하는 것이다. 상술한 바와 같이, 연속적인 라인 패턴을 유지하기 위해서는 패터닝 속도, 유체의 점성 및 유체의 표면에 가해지는 전압의 크기를 조절해야 하며, 제1 속도제어모듈(152)은 패터닝 속도 제어에 관여한다.

즉, 제1 이송부(130)를 통해 유체제공부(110)를 이동시키는 이동 속도가 본 발명의 제1실시예에서는 패터닝 속도와 거의 동일하며, 제1 속도제어도뮬(152)을 통해 제1 이송부(130)의 이동속도를 제어하는 것이 패터닝 속도를 제어하는 것이 된다.

상기 제2 속도제어모듈(153)는 제2 이송부(140)의 이동 속도, 즉 기판(S)의 이동 속도를 제어하는 것이다. 제2 이송부(130)를 통해 기판(S)를 이동시키는 이동 속도가 본 발명의 제1실시예에서는 패터닝 속도와 거의 동일하며, 제2 속도제어도뮬(153)을 통해 제2 이송부(140)의 이동속도를 제어하는 것이 패터닝 속도를 제어하는 것이 된다.

한편, 상술한 기판(S), 유체제공부(110), 제1 이송부(130) 및 제2 이송부(140)를 내부에 수용하는 케이스부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

케이스부(미도시)를 통해 패터닝시 외부로부터 작업 환경을 밀폐시켜 더 향상된 패터닝 환경을 제공할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 케이스부(미도시)에는 케이스부(미도시)의 내부로 질소 또는 비활성기체를 공급하는 기제저장부(미도시)를 더 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

지금부터는 상술한 접촉식 패터닝 장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 4는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 메니스커스를 형성하는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 5는 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 기판과 메니스커스의 접촉 상태를 유지하며 라인 패터닝을 수행하는 모습을 개략적으로 도시한 정면도이다.

도 4를 참고하면, 전압인가부(120)를 통해 유체제공부(110), 바람직하게는 유체의 표면에 전압을 인가하여 토출부(111)로부터 제공되는 유체를 볼록한 형상의 메니스커스(M)로 형성한다.

메니스커스(M)를 형성할 때, 유체제공부(110)로부터 제공되는 유체의 점도를 고려하여 전압제어모듈(151)은 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압의 적절한 크기를 채택하여 유체가 토출부(111) 측에 메니스커스(M)를 형성하도록 제어한다.

한편, 메니스커스(M)를 형성하기 위한 유체의 점도와 전압의 크기에 대한 상관관계는 공지된 기술이므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

다만, 토출부(111) 측에 형성되는 메니스커스(M)의 크기를 고려할 때, 적어도 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 이격 거리는 토출부(111) 측에 형성되는 메니스커스(M)의 크기의 1/2 이하로 마련되는 것이 연속적으로 라인 형상의 패터닝을 수행하는데 유리하다. 메니스커스의 크기의 1/2 이상으로 마련되는 경우 패터닝의 단속구간이 발생할 수 있다.

또한, 일반적으로 마이크로 패터닝에 사용되는 유체제공부(110)는 토출부(111)의 내경이 100 ㎛ 이하로 마련될 수 있으며 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 이격 거리를 50 ㎛ 이하로 마련되는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

다만, 메니스커스(M)를 형성할 시, 제1 이송부(130)를 가동하여 유체제공부(110)와 기판(S)을 근접시켜 유체제공부(110)의 토출부(111)로부터 메니스커스(M)가 형성됨과 동시에 기판(S)에 접촉하도록 하거나, 또는 유체제공부(110)의 토출부(111)에 메니스커스(M)를 형성한 후, 제1 이송부(130)를 통해 유체제공부(110)를 기판(S) 측으로 이동시켜 메니스커스(M)를 기판(S)에 접촉시킬 수 있으나 어느 하나에 제한되는 것은 아니다.

도 5를 참고하면, 메니스커스(M)가 기판(S)에 접촉된 상태에서 제1 이송부(130) 또는 제2 이송부(140)를 기판(S)과 나란한 방향으로 이동시킴으로써 라인 패터닝을 수행한다.

여기서, 패터닝에 사용되는 유체가 기설정된 상황에서 유체의 점도는 상수에 해당하므로 라인 패터닝시 라인의 연속성을 유지하는 변수는 패터닝 속도와 전압인가부로부터 인가되는 전압의 크기이며, 상술한 것과 같이 패터닝 속도는 제1 속도제어모듈(152) 또는 제2 속도 제어모듈(153)을 통해 유체제공부(110) 또는 기판(S)의 이동 속도를 제어함으로써 조절할 수 있다.

한편, 유체제공부(110) 또는 기판(S)의 이동에 따라 전압제어모듈(151)은 전압인가부(120)로부터 유체의 표면에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 유체가 기판(S)과의 접촉을 유지하되 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에서의 연결관계의 끊어짐을 방지하여 연속적인 라인 형상의 패터닝을 수행하도록 한다.

여기서, 유체가 기판(S)과 유체제공부(110) 사이에서 끊어짐이 방지되는 원리는 점성에 의한 기판(S)과 유체 사이의 마찰력, 유체의 표면장력 및 유체에 인가되는 전압에 의한 전기 응력의 평형의 3힘의 평형을 통해 설명할 수 있다.

도면 5를 참고하면, 유체제공부(110)에 전압이 인가되지 않는 경우에 메니스커스(M)에는 표면장력(Fσ) 및 점성에 의한 마찰력(Fυ)이 작용되며, 이들은 각각 하기의 수식으로 표현된다.

여기서, γ는 유체의 표면장력계수, dn은 노즐의 직경, μ는 유체의 점성도, U는 유체제공부(110)의 이동속도, D는 유체제공부(110)와 기판(S) 사이의 이격거리를 의미한다.

상술한 표면장력(Fσ) 및 점성에 의한 마찰력(Fυ)은 결국 유체의 정수압(hydrostatic pressure: △P)와 평형식을 이루며, 이는 하기와 같다.

이때, 유체제공부(110)로부터 제공되는 유체의 유량(Q)으로 표현되는 균형식은 하기와 같이 표현된다.

여기서, L은 유체제공부(110)의 길이를 의미한다.

즉, 유체제공부(110)에 전압이 가해지지 않는 경우, 상기 유량(Q)의 균형식을 만족하며 패터닝이 수행된다.

여기서, 유체제공부(110)에 전압이 인가되면 표면장력(Fσ) 및 점성에 의한 마찰력(Fυ) 외에도 전기력(Fe)이 작용하며, 이는 하기와 같다.

여기서, E는 인가되는 전압의 크기, ε는 유체의 유전상수를 의미한다.

상술한 전기력(Fe)에 의해 평형식 및 균형식은 하기와 같아진다.

즉, 접촉식 패터닝이 진행될 시, 패터닝 속도에 관여하는 중요한 요소가 유체제공부(110)에서의 유량(Q)이며, 전압이 인가되지 않으면 단순히 정수압에 의해 유량이 결정되나 전압이 인가되면 전압이 유량(Q)을 증가시키는 역할을 수행함으로써 패터닝 속도가 증가되어도 메니스커스(M)의 액면이 인장되면서 연속적인 라인 형상의 패터닝을 기대할 수 있다.

이하, 상술한 내용을 근거로 패터닝을 수행한 실험에 대하여 설명한다.

도 6은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 10,000 cp의 고점도 용액을 통해 패터닝한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 7은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 10,00 cp의 저점도 용액을 통해 패터닝한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 8은 도 1에 따른 접촉식 패터닝 장치를 통해 패터닝을 수행한 결과물에 대한 사진이다.

도 6을 참고하면, 패터닝에 사용되는 유체는 대략 10,000 cp 정도의 점도를 가지는 고점도 용액과 대략 1,000 cp 정도의 점도를 가지는 저점도의 용액을 사용한다.

고점도의 용액을 사용하는 경우, 패터닝 속도가 저속인 경우에는 전기 응력에 의해 유체가 더욱 젯팅(jetting)되어 인가되는 전압의 크기가 증가할수록 선폭이 넓어지는 결과가 나타났으며, 패터닝 속도가 증가하면 인가되는 전압의 크기가 증가할수록 선폭이 좁아지는 결과가 나타났다.

더 자세히 설명하면, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도가 1000 ㎛/s 인 경우에는 인가되는 전압의 크기가 0 kV 에서 1.8 kV로 증가할수록 패터닝되는 라인의 선폭이 200 ㎛에서 대략 270 ㎛ 까지 증가하였다.

여기서, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도를 2000 ㎛/s로 조절한 경우, 전압의 크기의 변화에 거의 무관하게 패터닝되는 라인의 선폭은 170 ~ 180 ㎛ 정도를 유지하였다.

또한, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도를 3000 ㎛/s로 조절한 경우, 전압의 크기가 증가할수록 패터닝되는 라인의 선폭이 150 ㎛ 에서 130 ㎛ 정도로 감소하는 결과가 도출되었다.

도 7을 참고하면, 저점도의 용액를 사용하는 경우 전압을 인가하지 않으면 연속적인 라인 패턴을 형성하기 어려웠으며, 전압을 인가시 대체적으로 패터닝되는 라인의 선폭이 감소하는 경향을 보였다. 또한, 일정한 속도 이상ㅇ에서는 전압 증가의 효과가 크지 않았다.

이를 자세히 설명하면, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도가 1000 ㎛/s 인 경우에는 인가되는 전압의 크기가 0 kV 에서 1.8 kV로 증가할수록 패터닝되는 라인의 선폭이 대략 210 ㎛에서 170 ㎛ 까지 증가하였다.

여기서, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도를 2000 ㎛/s로 조절한 경우, 전압의 크기의 변화에 거의 무관하게 패터닝되는 라인의 선폭은 150 ㎛에서 140 ㎛ 까지 감소하였다.

또한, 기판(S)과 유체제공부(110) 사이의 상대속도를 3000 ㎛/s로 조절한 경우, 전압의 크기가 증가할수록 패터닝되는 라인의 선폭은 120 ㎛ 정도로 유지되는 결과가 도출되었다.

도 8을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉식 패턴 장치를 통해 연속적인 라인 형상의 패턴을 안정적으로 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2 실시예에 따른 접촉식 패턴 장치에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉식 패터닝 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 10은 도 9에 따른 접촉식 패터닝 장치에서 제어부를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 9 또는 도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉식 패턴 장치(200)는 표면이 평형하지 않은 기판에 유체제공부를 통해 제공되는 유체가 기판에 접촉한 상태를 유지시키면서 연속적인 라인 형태를 패터닝할 수 있는 것으로서, 유체제공부(110)와 전압인가부(120)와 제1 이송부(130)와 제2 이송부(140)와 형상획득부(245)와 제어부(250)를 포함한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 접촉식 패턴 장치(200)를 설명하기에 앞서, 본 발명의 제2실시예에서 인쇄대상이 되는 기판(S)의 표면은 평면으로 형성되지 않으며 굴곡이 형성되어 3차원 형상을 가진다.

상기 유체제공부(110)와 전압인가부(120)와 제1 이송부(130)와 제2 이송부(140)는 본 발명의 제1실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 형상획득부(245)는 기판(S) 표면의 형상 정보를 획득하여 저장하는 것으로서, 후술할 제어부(250)와 연결되어 저장된 기판(S) 표면의 형상정보를 제어부(250)에 제공한다.

본 발명의 제2실시예에서는 패터닝과 동시에 기판(S)의 표면정보를 실시간 측정하여 저장하는 방식을 채택하나 이에 제한되는 것은 아니며, 패터닝 공정 이전에 기판(S) 표면의 형상정보를 획득하여 저장한 상태로 패터닝 공정이 수행될 수 있다.

한편, 기판(S)의 표면정보 센싱은 변위센서, 터치센서, 정전용량 센서, 적외선 센서, 인터페로미터 등 비전센서를 활용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 3차원 표면을 측정할 수 있는 기존의 센서를 모두 활용할 수 있음은 당연하다.

상기 제어부(250)는 토출부(111)로부터 제공되는 유체가 기판(S)에 연속적인 라인 형태로 패터닝되도록 전압인가부(120)로부터 인가되는 전압의 크기를 조절하고, 형상획득부(245)로부터 기판(S)의 표면 형상정보를 제공받아 제1 이송부(130)를 제어하는 것으로, 전압제어모듈(151)과 제1 속도제어모듈(152)와 제2 속도제어모듈(153)과 이송제어모듈(254)를 포함한다.

상기 전압제어모듈(151)과 제1 속도제어모듈(152)와 제2 속도제어모듈(153)는 제1실시예에서 상술한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 이송제어모듈(254)은 형상획득부(245)로부터 기판(S)의 표면정보를 제공받아 제1 이송부(130)의 움직임을 제어하는 것이다.

특히, 기판(S) 표면의 형상정보 중에서 높이 정보를 전달받아 이송제어모듈(254)를 통해 제1 이송부(130)를 제어함으로써 유체제공부(110)와 기판(S) 사이의 이격 거리를 조절하여 메니스커스(M)와 기판(S)과의 접촉 상태를 유지시킨다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 접촉식 패터닝 장치 S: 기판
110: 노즐 형태의 유체제공부 210: 나노팁 형태의 유체제공부
120: 전압인가부 130: 제1 이송부
140: 제2 이송부 150: 제어부
200: 접촉식 패터닝 장치 245: 형상획득부
250: 제어부

Claims (14)

1. 기판;
   상기 기판 측을 향하여 유체를 공급하는 유체제공부;
   상기 유체제공부와 전기적으로 연결되며, 상기 유체제공부로부터 제공되는 유체의 표면에 전압을 인가함으로써 상기 기판과 상기 유체제공부 사이에 상기 유체가 연결되도록 하는 전압인가부;
   상기 유체가 상기 기판에 점(dot) 형상 또는 연속적인 라인 형태로 패터닝되도록 상기 유체에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 상기 유체제공부의 단부 측에 메니스커스를 형성하는 제어부;를 포함하며,
   패터닝시 상기 기판과 상기 유체제공부 사이의 이격 간격은 상기 유체제공부의 단부측에 형성되는 메니스커스의 반경 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기판 또는 상기 유체제공부는 이동가능하게 마련되며,
   상기 제어부는, 상기 전압인가부로부터 인가되는 전압의 크기를 제어함으로써 상기 유체가 상기 유체제공부의 단부 측에 메니스커스를 형성하고 상기 기판 또는 상기 유체제공부의 이동시 상기 유체가 상기 기판과 상기 유체제공부 사이에 연결되거나 끊어지는 것을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 전압인가부를 통해 인가되는 전압을 조절하여 상기 메니스커스의 표면에 발생하는 전기 응력(electric stress), 상기 메니스커스의 표면에 발생하는 표면장력 및 상기 기판과 상기 메니스커스 사이에 발생하는 점성에 의한 마찰력을 상호작용시킴으로써 점 형상 또는 연속적인 라인 형태로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 유체제공부를 상기 기판 측으로부터 멀어지거나 근접하는 방향 또는 상기 기판과 나란하게 이동시키는 제1 이송부;를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 제1 이송부의 이동 속도를 제어하는 제1 속도제어모듈 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 기판의 3차원 표면정보를 저장하는 형상획득부를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 형상획득부로부터 상기 기판의 표면정보를 제공받아 상기 제1 이송부의 움직임을 제어하는 이송제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 기판을 이동시키는 제2 이송부;를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 제2 이송부의 이동 속도를 제어하는 제2 속도제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 유체제공부는 전기수력학적 잉크젯 방식에 의해 유체를 분사하는 노즐인 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 유체제공부는 내경이 100 ㎛ 이하로 마련되며,
   상기 유체제공부와 상기 기판 사이의 거리는 50 ㎛ 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
9. 제 2항에 있어서,
   상기 유체제공부는,
   플레이트와 상기 플레이트의 하단부에 설치되며 하측으로 갈수록 단면적이 감소하는 나노팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 나노팁은 상면에 관통홈이 형성되며,
    상기 플레이트는 상면으로부터 내측으로 함몰되며, 상기 관통홈과 연결되는 수평 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
11. 제 9항에 있어서,
    상기 나노팁은 상기 플레이트의 단부에 설치되며,
    상기 플레이트는 상면으로부터 내측으로 함몰되되 단부까지 연장되는 수평 유로가 형성되며,
    상기 나노팁은 외면으로부터 내측으로 함몰되되, 상기 수평 유로와 연결되고 하단부까지 연장되는 수직 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 유체제공부를 내부에 수용하는 케이스부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 케이스부의 내부로 질소 또는 비활성 기체 중 적어도 어느 하나를 공급하는 기체 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.
14. 제 2항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체제공부와 상기 기판 사이의 거리는 상기 메니스커스의 직경의 0.5배 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 접촉식 패터닝 장치.

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