KR101527632B1 - 표면처리 및 ｅｈｄ 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

표면처리 및 ｅｈｄ 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 표면 처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴형성 방법 은, 기판 상에 코팅 물질을 코팅함으로써 소수성을 갖는 기판을 형성하는, 소수성 부여 단계; 코팅 처리된 기판의 젖음성을 제어하는, 기판 젖음성 제어 단계; 및 EHD(Electrohydrodynamic) 젯(jet)을 통해 기판에 미세 패턴을 형성하는, 미세 패턴 형성 단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 액적의 분사 주파수 또는 액적의 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있다.

Description

표면처리 및 ＥＨＤ 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법{Method to form micro pattern on substrate by using EHD jet and surface treatment }
표면처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 액적의 분사 주파수(jetting frequency) 또는 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있는 EHD젯을 이용한 기판의 인쇄 방법이 개시된다.
인쇄 전자 기술은 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분된다. 여기서 비접촉식 인쇄 전자 방식은 피에조(piezo) 타입이 대표적이다. 피에조 방식은 크리스털의 진동에 따라 물질의 수축, 팽창하는 힘에 의해 잉크를 분사해주는 원리를 가지며, 이에 따라 헤드의 수명이 길고 출력물의 색상이 비교적 우수하며 휘발성이 강한 솔벤트 잉크나 오일 잉크로 사용할 수 있는 장점이 있다.
그러나 이러한 피에조 방식의 인쇄 전자 기술의 경우 노즐의 내경 크기에 따라 액적의 크기가 크게 의존함으로써 고해상도 패터닝에 한계를 나타내고 있고, 내경의 크기를 줄일 경우 노즐 막힘 현상을 야기할 수 있다. 다시 말해, 액적의 지름이 수십 마이크로미터 정도로 상대적으로 크기 때문에 미세 패턴 형성에 많은 어려움이 있다.
기판의 표면 처리 조건에 따라 기판의 젖음성(Wettability)과 기판 위의 잉크 액적의 건조 특성과 거동이 변화되므로 표면 처리가 최종적으로 형성되는 잉크젯 패턴의 형상에 미치는 영향을 정확하게 예측하기가 쉽지 않다. 따라서 원하는 미세 패턴 형상과 폭 등을 만들기 위해서는 사전에 많은 실험을 통해 최적의 조건을 찾아내어야만 한다.
아울러 노즐로부터 분사된 잉크 액적의 크기가 커질수록 큰 운동에너지를 가져 노즐로부터 분사된 액적이 기판에 떨어질 때 기판과의 충돌에 의해 액적이 퍼지게 되며, 이로 인해 원하는 미세 패턴을 형성하는 데 어려움이 있을 뿐만 아니라 미세한 선폭을 갖는 패턴을 제작하는 데 한계가 있다.
이에 고해상도 패터닝을 위해서 전기장을 이용하는 EHD(Electro hydrodynamic) 인쇄 기술이 연구되고 있다. EHD젯을 이용한 공정은 노즐의 끝단과 노즐 하부에 전극을 위치시키고 그 사이에 발생하는 전기장을 이용하여 노즐 끝단의 액면에서 제트류가 분사되는 원리를 이용한다.
EHD 공정이 적용되는 인쇄 기술의 경우, 전기장을 이용하여 용액을 분사시키게 되는데, 전기장을 변화시키는 방법으로 입력 전압의 조절, 입력 전압의 형상 조절(예: 펄스), 노즐과 기판 사이의 거리 조절 등에 집중이 되어 있다. 그러나 이러한 EHD 공정은 이러한 변수들의 작은 변화에도 매우 민감하여 분사 주파수 및 액적의 크기를 제어하는 데 어려움이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절하여, 이에 따라 노즐에서 분사되는 액적의 분사 주파수 또는 액적의 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있는, 표면처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 입력 전압, 전압의 펄스 형태 등을 고정시키고, 기판의 표면처리만으로도 미세 패턴의 형상을 제어할 수 있는 표면처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 표면처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법은, 기판 상에 코팅 물질을 코팅함으로써 소수성을 갖는 기판을 형성하는, 소수성 부여 단계; 코팅 처리된 상기 기판의 젖음성을 제어하는, 기판 젖음성 제어 단계; 및 EHD(Electrohydrodynamic) 젯(jet)을 통해 상기 기판에 미세 패턴을 형성하는, 미세 패턴 형성 단계;를 포함할 수 있으며, 이러한 단계적 구성에 의해서, 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 액적의 분사 주파수 또는 액적의 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
상기 소수성 부여 단계에서, 상기 기판은 스핀 코팅(spin coating), 플라즈마(plasma) 처리 딥 코팅(deep coating) 중 어느 하나의 코팅 방법에 의해서 코팅 처리될 수 있다.
상기 소수성 부여 단계에서 상기 기판은 상기 코팅 물질에 의해 중첩으로 복수 회 코팅될 수 있다.
상기 코팅 물질은 소수성 재질일 수 있다.
상기 기판 젖음성 제어 단계에서, 자외선 처리(UV treatment) 또는 열 처리, 플라즈마 처리 등과 같은 방법에 의해서 상기 기판의 젖음성을 제어할 수 있다.
상기 기판 젖음성 제어 단계에서, 자외선 처리 또는 플라즈마 처리 또는 열처리에 의해 상기 기판의 젖음성과, 두께 또는 유전율을 변화시킴으로써 액적의 분사 주파수 및 크기를 조절할 수 있다.
상기 기판 젖음성 제어 단계에서, 상기 자외선 처리 또는 열처리, 플라즈마 처리 시간의 증가에 따라 상기 기판의 두께 또는 유전율을 변화시킴으로써 상기 기판에 형성되는 전기장의 세기를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 EHD를 이용한 패턴 형성 시 입력 전압 및 전압의 펄스를 변화시켜 용액의 분사 조건을 제어하는 기존의 방식과 달리 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 노즐에서 분사되는 액적의 분사 주파수 또는 액적의 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, EHD인쇄 장비의 입력 전압이나 전압의 입력 형상의 변화 없이도 액적의 분사 주파수 또는 액적의 크기를 선택적으로 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법에 의해 소수성이 부여된 기판 및 친수성을 갖는 종래의 기판에서 증착된 패턴의 형상을 표현한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 다른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 코팅 횟수에 따른 증착 패턴의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 코팅 횟수에 따른 박막 두께 및 유전율 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 자외선 처리 시간에 따른 증착 패턴의 형상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 자외선 처리 시간에 따른 기판 표면의 젖음성 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 자외선 처리 시간에 따른 기판의 박막 두께 및 유전율의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법이 적용되는 인쇄 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 노즐의 잉크에 작용하는 힘을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법의 순서도이다.
이에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴 형성 방법은, 기판 상에 코팅 물질을 코팅함으로써 기판에 소수성을 갖는 기판을 형성하는 소수성 부여 단계(S100)와, 코팅 처리된 기판의 젖음성을 제어하는 기판 젖음성 제어 단계(S200)와, EHD(Electrohydrodynamic) 젯(jet)을 통해 기판에 미세 패턴을 형성하는 미세 패턴 형성 단계(S300)를 포함할 수 있다.
먼저, 기판에 코팅하기 전에 기판 표면을 세척하는 단계가 수행될 수 있다. 이러한 기판 세척 단계에 의해서 기판 표면의 파티클을 제거할 수 있으며 이후 실행되는 코팅 처리가 신뢰성 있게 이루어질 수 있다.
본 실시예의 소수성 부여 단계(S100)는, 기판에 소수성을 부여하는 단계이다. 여기서, 기판에 소수성을 부여하기 위해 소수성 재질로 마련되는 다양한 코팅 물질을 이용하여 스핀 코팅(spin coating)이나 딥 코팅(deep coating) 또는 플라즈마 처리 등이 실행될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 코팅 방법에 의해 기판에 소수성을 부여할 수 있음은 당연하다.
이와 같이, 기판에 소수성을 부여함으로써 이후 실행될 미세 패턴 형성 단계(S300) 시 원하는 선폭의 미세 패턴을 신뢰성 있게 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법에 의해 소수성이 부여된 기판 및 친수성을 갖는 종래의 기판에서 증착된 패턴의 형상을 표현한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 종래의 경우(도 2의 좌측 도면) 상대적으로 큰 액적이 생성될 뿐만 아니라 전기장에 의해서 증착된 액적이 옆으로 퍼지는 현상이 발생되는데, 본 발명의 실시예의 경우(도 2의 우측 도면) 기판에 소수성이 부여됨으로써 원하는 선폭의 미세 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예의 소수성 부여 단계(S100) 시 코팅은 중첩해서 복수 회 이루어질 수 있다. 아울러, 소수성 부여 단계(S100) 시 기판 상에 코팅에 의한 박막은 균질하게 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 다른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 코팅 횟수에 따른 증착 패턴의 형상을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 코팅 횟수에 따른 박막 두께 및 유전율 변화를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 소수성 부여 단계(S100)에서 코팅 횟수가 증가할수록 기판 상에 증착되는 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 소수성 부여 단계(S100)에서 코팅 횟수가 증가할수록 기판 상에 코팅되는 박막의 두께 및 유전율(permittivity)이 증가되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 소수성 부여 단계(S100)에서 기판에 대한 코팅 횟수를 조절함으로써 패턴의 해상도 및 박막의 두께 그리고 유전율을 선택적으로 조절할 수 있으며, 따라서 이후 실행될 미세 패턴 단계(S300)에서 우수한 인쇄 신뢰성을 얻을 수 있다.
한편, 본 실시예의 기판 젖음성 제어 단계(S200)는, 자외선 처리를 통해서 균질하게 코팅 처리된 기판에 젖음성을 부여하고 젖음성을 제어하는 단계이다. 이러한 기판 젖음성 제어 단계(S200)에 의해 기판의 박막 두께 및 유전율 등을 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 액적의 분사 주파수를 조절할 수 있다. 다만, 젖음성 제어 단계에서 기판에 젖음성을 부여하기 위한 처리 방법이 자외선 처리에만 한정되는 것이 아니며, 열처리 또는 플라즈마 처리 등의 다양한 처리 방법이 적용 될 수 있음은 당연하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 미세 패턴 형성 방법에서 자외선 처리 시간에 따른 증착 패턴의 형상을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 자외선 처리 시간에 따른 기판 표면의 젖음성 변화를 나타낸 도면이고, 도 7은 자외선 처리 시간에 따른 기판의 박막 두께 및 유전율의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 기판을 코팅 처리한 후 자외선 처리하는 경우 자외선 처리 시간이 길어짐에 따라 액적의 미세 패턴이 변화됨을 알 수 있다. 도 5의 좌측 상단의 도면을 참조하면, 코팅 처리가 안 된 기판의 경우 액적이 퍼지면서 패턴을 형성하는 데 반해, 코팅 처리가 된 본 실시예의 경우 자외선 처리 시간 및 접촉 각도 등에 따라서 증착 패턴의 형상을 변화시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 자외선 처리 시간에 따라 기판 표면의 젖음성이 변화되는 것을 알 수 있다. 이를 통해 자외선 처리 시간을 결정할 수 있으며, 따라서 액적의 분사 주파수 역시 적절하게 결정할 수 있다.
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도 7을 참조하면, 자외선 처리 시간의 증가에 따라 기판 박막의 두께 및 유전율이 감소가 이루어지는데, 이를 통해 전기장의 세기가 강해짐으로써 액적의 분사 주파수에 영향을 미칠 수 있음을 유추할 수 있다.
여기서, 자외선 처리 시간에 따른 기판의 박막 두께를 측정하기 위해 엘립소메트리(Ellipsometry, 타원편광 반사법)가 이용될 수 있고, 유전율 측정을 위해 전기화학 분석기(Dielectric spectrometer)가 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 미세 패턴 형성 단계(S300)는, EHD 젯을 통해 코팅 처리 및 표면 처리가 된 기판에 원하는 선속의 미세 패턴을 형성하는 단계이다. 전술한 소수성 부여 단계(S100) 시 기판을 설정된 횟수로 코팅 처리함으로써 기판에 소수성을 부여하고 아울러 기판 젖음성 제어 단계(S200)에서 코팅 처리된 기판에 젖음성을 부여함으로써 본 실시예의 미세 패턴 형성 단계(S300) 시 액적의 분사 주파수를 적절히 조절할 수 있으며, 이에 따라 EHD 프린팅을 이용하여 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 미세 패턴의 인쇄 시 금속 나노 잉크, 유기재료 등 다양한 재료 및 용액이 사용 될 수 있음은 당연하다.
이러한 미세 패턴 형성 단계(S300) 시, 도 8에 도시된 바와 같이, 인쇄 장치(100)가 적용될 수 있다.
인쇄 장치(100)는, 도 8에 도시된 것처럼, 잉크(111)가 분사되는 노즐(110) 및 기판(101)이 로딩되며 수평 방향으로 이동 가능한 스테이지(120) 및 잉크(111)와 스테이지(120)에 전압을 인가하는 전압 인가부(130)를 포함할 수 있다.
부연 설명하면, 도 9에 도시된 것처럼, 노즐(110)의 잉크(111)에는 다양한 힘, 즉 압력(A), 정상적인 전기 스트레스(B), 점성에 의한 힘(C), 중력에 의한 힘(D) 및 탄젠트의 전기 스트레스(E) 등이 작용할 수 있는데, 본 실시예의 경우 전술한 것처럼 코팅 처리 및 젖음성 제어에 의해 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있고 이에 따라 전기장의 세기를 강화할 수 있어 외부 조건에 영향을 받지 않고(최소로 받고) 잉크의 분사 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다시 말해, 본 실시예의 경우 기판에 소수성을 부여하고 젖음성을 조절함으로써 입력 전압, 펄스의 형태 등을 변화시키지 않고 액적의 분사 주파수 및 크기 등을 조절할 수 있고 이에 따라 원하는 패턴을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 미세한 패턴까지도 정확하게 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판을 코팅 처리함으로써 소수성을 부여하고, 아울러 기판의 젖음성을 조절함으로써 기판의 박막 두께 및 유전율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 액적의 분사 주파수 및 크기를 조절할 수 있어 기판 상에 미세한 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S100 : 소수성 부여 단계
S200 : 기판 젖음성 제어 단계
S300 : 미세 패턴 형성 단계

Claims (7)

  1. 기판 상에 코팅 물질을 코팅함으로써 소수성을 갖는 기판을 형성하는, 소수성 부여 단계;
    코팅 처리된 상기 기판의 젖음성을 제어하는, 기판 젖음성 제어 단계; 및
    EHD(Electrohydrodynamic) 젯(jet)을 통해 상기 기판에 미세 패턴을 형성하는, 미세 패턴 형성 단계;
    를 포함하며,
    상기 기판 젖음성 제어 단계에서, 자외선 처리 또는 플라즈마 처리 또는 열처리에 의해 상기 기판의 두께 및 유전율을 변화시킴으로써 액적의 분사 주파수 및 크기를 조절하고,
    상기 기판 젖음성 제어 단계에서, 상기 자외선 처리, 또는 상기 플라즈마 처리 또는 상기 열처리의 시간의 증가에 따라 상기 기판의 두께 또는 유전율을 변화시킴으로써 상기 기판에 형성되는 전기장의 세기를 제어하며,
    상기 소수성 부여 단계에서 상기 기판은 스핀 코팅(spin coating) 또는 딥 코팅(deep coating) 중 어느 하나의 코팅 방법에 의해서 코팅 처리되며,
    상기 소수성 부여 단계에서, 코팅 횟수에 비례하여 상기 기판 상에 코팅되는 박막의 두께 및 유전율이 증가되는 것을 이용하여 상기 기판의 패턴의 해상도 및 박막의 두께 그리고 유전율을 선택적으로 조절할 수 있도록, 상기 기판은 상기 코팅 물질에 의해 중첩으로 복수 회 코팅 가능한, 표면 처리 및 EHD 젯을 이용한 기판의 미세 패턴형성 방법.
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