KR101831245B1 - 패터닝 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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고정범
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김재범
김형찬
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 잉크를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 상기 패터닝 시스템은 기판이 안착되고 기판을 3축 방향으로 이동시키는 스테이지와, 기판에 전도성 잉크를 토출하도록 제공되는 전도성 잉크 토출장치와, 상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐에 전압을 인가하여 전도성 잉크를 대전시키고 상기 스테이지에는 상기 토출 노즐과 반대되는 전압을 인가하는 전원장치와, 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 토출 모니터링 장치, 그리고 상기 토출 모니터링 장치로부터 데이터를 수신하고 기 설정된 크기로 전도성 잉크가 토출되게 상기 전원장치를 제어하는 제어부를 포함한다. 이러한 구성으로, 전도성 잉크를 연속적으로 토출하여 패터닝 작업을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

패터닝 시스템 및 그 제어방법{PATTERNING SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 패터닝 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잉크를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 센서란 직접 피측정 대상에 접촉하거나 그 가까이서 데이터를 알아내어 필요한 정보를 신호로 전달하는 장치이다. 이러한 센서는 온도, 습도, 초음파, 압력, 가스, 가속도, 조도 등을 측정하여 기계 장치의 제어에 활용하거나, 사람의 맥박, 혈압, 혈당, 산소포화도 등을 측정하여 의료기기나 헬스케어 장치에 활용하는 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
최근 들어, 식품에 대한 안정성 논란이 끊임없이 제기되는 가운데, 정확하고, 간단하며, 빠른 분석 결과를 제공하는 분석법에 대한 요구가 지속되고 있고, 이와 관련하여 바이오센서를 이용하여 대표적인 식품유해균인 살모렐라균, 대장균, O-157균 등의 존재 유무 및 농도를 검출하고 분석하여 소비자 또는 연구자에게 알리는 기술의 개발이 요구되고 있고, 생물학적 검출 대상에 따라 침 이나 타액, 땀, 피부의 각질 등의 유기물과 혈액, 배설물 등을 통한 질병 및 건강상태의 진단 기술 개발이 요구되고 있다.
따라서, 생물학적인 요소들의 대상 물질을 검출함에 있어서 감도 및 선택성은 보강하면서 센서 시스템의 안정성이 보장될 수 있는 바이오 센서의 개발이 요구되고 있다.
종래에 바이오센서를 제작하기 위한 패턴 형성 과정의 대표적인 예시는 증착 공정, 식각 공정 및 이온 주입 공정 등을 포함하는 포토리소그래피 공정(photolithography process)이다. 기판 세척, 박막 도포, 포토레지스트 도포, 노광, 포토레지스트 현상, 기판 에칭, 포토레지스트 제거 등의 복잡한 과정을 축소하여 바이오센서를 제작하는 데 있어, 제조 기간 및 제조 비용 등을 절감할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
일 예로, 대한민국 공개특허공보 제2010-0043542호에 나노 패터닝 기술인 딥펜(dip-pen)을 이용하는 방식이 개시되어 있다. 하지만, 딥펜을 이용하는 방식은 팁(tip)에 전도성 잉크를 공급하여 패터닝하는 방식 때문에 연속적인 공정이 불가능하여 대량 생산에 활용하기에 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전도성 잉크를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은, 전도성 잉크를 연속적으로 토출하여 미세전극 패턴을 제작할 수 있는 패터닝 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패터닝 시스템은, 기판이 안착되고, 기판을 3축 방향으로 이동시키는 스테이지; 기판에 전도성 잉크를 토출하도록 제공되는 전도성 잉크 토출장치; 상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐에 전압을 인가하여 전도성 잉크를 대전시키고, 상기 스테이지에는 상기 토출 노즐과 반대되는 전압을 인가하는 전원장치; 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 토출 모니터링 장치; 및 상기 토출 모니터링 장치로부터 데이터를 수신하고, 기 설정된 크기로 전도성 잉크가 토출되게 상기 전원장치를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 토출 모니터링 장치로부터 수신되는 데이터를 피드백하여 기판에 토출되는 전도성 잉크의 크기가 기 설정된 크기로 토출되도록 상기 토출 노즐에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
상기 토출 모니터링 장치는, 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크의 이미지를 촬영하고, 촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 파악하도록 마련될 수 있다.
상기 전도성 잉크 토출장치는, 전도성 잉크가 저장되고, 비전도성 재질로 마련되는 잉크 챔버; 상기 잉크 챔버의 하부에 배치되고, 비전도성 재질로 마련되는 어댑터; 상기 어댑터의 하부에 배치되고, 상기 잉크 챔버에 연계되어 전도성 잉크를 외부로 토출하는 토출 노즐; 상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크가 특정 온도 범위를 만족하도록 냉각하는 냉각부; 및 상기 토출 노즐에 구비되어 토출되는 전도성 잉크가 특정 온도 범위를 만족하도록 가열하는 가열부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 잉크 챔버에 연결되어 전도성 잉크를 공급하는 잉크 공급수단;을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 수위센서로부터 데이터를 수신하여 상기 잉크 챔버에 전도성 잉크가 일정 수위를 유지하도록 상기 잉크 공급수단을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크 토출장치는, 상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크의 수위를 측정하는 수위센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 수위센서로부터 데이터를 수신하여 상기 잉크 챔버에 전도성 잉크가 일정 수위를 유지하도록 상기 잉크 공급수단을 제어할 수 있다.
나아가, 상기 잉크 챔버에 연결되어 기체를 공급하여 전도성 잉크의 토출 압력을 조절하는 기체 공급수단;을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 상기 토출 노즐의 단부까지 공급될 수 있도록 상기 잉크 챔버 내부의 압력을 조절하도록 상기 기체 공급수단을 제어할 수 있다.
상기 전도성 잉크 토출장치는, 상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크의 온도를 측정하는 챔버 온도센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 챔버 온도센서로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 냉각부를 제어할 수 있다.
그리고, 상기 전도성 잉크 토출장치는, 상기 토출 노즐에 구비되어 토출되는 전도성 잉크의 온도를 측정하는 노즐 온도센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 노즐 온도센서로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 가열부를 제어할 수도 있다.
나아가, 상기 제어부는, 기판에 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 패턴을 형성하도록 상기 전원장치와, 잉크 공급수단, 그리고 기체 공급수단을 제어할 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부는, 2.5kV의 전압차가 발생하도록 상기 전원장치를 제어하고, 상기 잉크 챔버에 10㎕/hr 유량으로 전도성 잉크가 공급되도록 상기 잉크 공급수단을 제어하며, 상기 토출 노즐에 -0.5kPa의 압력이 인가되도록 상기 기체 공급수단을 제어할 수 있다.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패터닝 시스템의 제어방법은, 전도성 잉크 토출장치를 동작시켜 전도성 잉크를 토출할 수 있도록 준비하는 토출 준비단계; 상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간의 전압차를 조절하여 기판에 전도성 잉크를 토출하는 잉크 토출단계; 토출되는 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되는지 판정하는 토출잉크 판정단계; 및 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되면, 전도성 잉크가 토출되는 기판에 특정 패턴이 형성되도록 기판이 안착된 스테이지를 특정 패턴으로 이동시키는 패턴 형성단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 토출잉크 판정단계에서 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되지 않으면, 상기 잉크 토출단계로 되돌아가 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간의 전압차를 다시 조절하여 기판에 전도성 잉크를 토출하도록 제어할 수도 있다.
상기 토출 준비단계는, 상기 전도성 잉크 토출장치의 잉크 챔버에 일정 수위를 유지하도록 전도성 잉크를 공급하는 전도성 잉크 공급단계; 상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 잉크 챔버를 냉각하는 잉크챔버 냉각단계; 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 토출 노즐을 가열하는 토출노즐 가열단계; 및 상기 잉크 챔버에 기체를 공급하여 저장된 전도성 잉크가 상기 토출 노즐의 단부까지 공급될 수 있도록 상기 잉크 챔버 내부의 압력을 조절하는 압력 조절단계;를 포함할 수도 있다.
이러한 패터닝 시스템의 제어방법을 통하여 기판에 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 패턴을 형성할 수 있다.
이를 위하여, 상기 잉크 토출단계에서 2.5kV의 전압차가 발생하도록 조절하고, 상기 전도성 잉크 공급단계에서 전도성 잉크를 10㎕/hr 유량으로 공급하며, 상기 압력 조절단계에서 상기 잉크 챔버 내부에 -0.5kPa의 압력이 인가되도록 조절할 수 있다.
토출잉크 판정단계는, 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크를 토출 모니터링 장치가 촬영하는 촬영단계; 촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 크기 측정단계; 및 측정된 토출잉크의 크기가 기 설정된 크기에 대응되는지 판단하는 크기 비교단계;를 포함할 수도 있다.
본 발명에 의한 패터닝 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 전도성 잉크를 연속적으로 토출하여 패터닝 작업을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 기판에 토출되는 전도성 잉크의 크기를 제어할 수 있어 원하는 크기로 패터닝 작업을 수행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기판에 형성되는 전극 패턴을 10㎛ 이하의 미세한 선 폭으로 제작할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명에 의하면, 토출 노즐을 통하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 실시간으로 측정하고 이를 피드백하여 기 설정된 전도성 잉크의 크기로 토출되게 제어할 수 있어 보다 정확한 패턴 형상을 제작할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템을 개략적으로 도시해 보인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템의 제어방법을 개략적으로 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템의 제어방법에서 토출 준비단계를 개략적으로 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템에서 전압 조건과 토출 노즐에 인가되는 압력 조건을 가변하여 형성된 패턴의 선 폭을 압력 조건에 대한 선 폭의 평균값으로 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템에서 인가되는 전압 조건을 가변하여 형성된 패턴의 선 폭을 전압 조건에 대한 선 폭으로 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템을 이용하여 형성한 패턴을 3차원 표면 형상 측정장치를 통하여 측정한 결과를 나타낸 것,
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템을 이용하여 형성한 패턴을 주사전자현미경을 통하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 패터닝 시스템 및 그 제어방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템을 개략적으로 도시해 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템은 기판(20)이 안착되고 기판(20)을 3축 방향으로 이동시키는 스테이지(200)와, 기판(20)에 전도성 잉크를 토출하는 전도성 잉크 토출장치(100)와, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)의 토출 노즐(130)에 전압을 인가하여 전도성 잉크를 대전시키고 상기 스테이지(200)에는 상기 토출 노즐(130)과 반대되는 전압을 인가하는 전원장치(300), 상기 토출 노즐(130)에서 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 토출 모니터링 장치(700), 그리고 상기 토출 모니터링 장치(700)로부터 데이터를 수신하고 기 설정된 크기로 전도성 잉크가 토출되게 상기 전원장치(300)를 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
여기서, 상기 기판(20)은 종이, 플라스틱, PET 등과 같은 플렉시블 소재로 마련될 수 있다. 물로, 플렉시블 소재에 한정되는 것은 아니고 PCB 등으로 마련될 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 토출 모니터링 장치(700)는 상기 토출 노즐(130)에서 토출되는 전도성 잉크의 이미지를 촬영하고, 촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 파악하도록 마련된다. 이를 위하여, 상기 토출 모니터링 장치(700)는 사용의 화상 처리장치가 적용될 수 있다.
이러한 구성으로, 상기 제어부(400)는 상기 토출 모니터링 장치(700)로부터 수신되는 데이터를 피드백하여 기판(20)에 토출되는 전도성 잉크의 크기가 기 설정된 크기로 토출되도록 상기 토출 노즐(130)에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
즉, 상기 토출 모니터링 장치(700)를 통하여 실시간으로 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하고 이를 피드백하여 기판(20)에 토출되는 전도성 잉크의 크기가 기 설정된 크기로 토출될 수 있도록 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
상기 스테이지(200)는 전도성 잉크가 패터닝 형성되는 기판(20)이 안착되고, 상기 기판(20)을 전후, 좌우 및 상하 방향으로 이동시켜 상기 기판(20)에 특정 패턴(30)이 형성되도록 마련된다.
이를 위하여, 상기 스테이지(200)는 도면에 도시하지는 않았지만, 전후 방향으로 이동하는 플레이트와, 좌우 방향으로 이동하는 플레이트, 그리고 상기 플레이트들을 상하 방향으로 이동시키는 액츄에이터로 마련될 수 있다. 물론, 상기 스테이지(200)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 기계적 이동수단이 적용될 수 있다.
따라서, 상기 스테이지(200)는 상기 전도성 잉크 토출장치(100)를 통하여 상기 기판(20)에 전도성 잉크가 토출되면, 특정 방향으로 상기 기판(20)을 이동시켜 상기 기판(20)에 선형의 패턴(30)이 형성되게 제공된다.
나아가, 상기 스테이지(200)는 상기 기판(20)에 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 형성하도록 각 축은 0.5㎛ 이하의 정밀도를 가지도록 마련된다. 또한, 각 축 방향으로의 스테이지의 이송 속도는 25mm/s 이하로 제어될 수 있도록 마련된다.
상기 전도성 잉크 토출장치(100)는 상기 기판(20)에 전도성 잉크를 토출하여 상기 기판(20)에 패터닝을 형성하도록 상기 기판(20)의 상부에 배치된다.
보다 구체적으로, 전도성 잉크 토출장치(100)는 전도성 잉크(10)가 저장되는 잉크 챔버(110)와, 상기 잉크 챔버(110)의 하부에 배치되고 비전도성 재질로 마련되는 어댑터(120), 그리고 상기 어댑터(120)의 하부에 배치되고 상기 잉크 챔버(110)에 연계되어 전도성 잉크(10)를 외부로 토출하는 토출 노즐(130)을 포함한다.
상기 잉크 챔버(110)는 내부에 전도성 잉크(10)가 저장되게 중공부(111)를 가지도록 형성되고, 잉크 공급수단(610)과 연결되어 전도성 잉크(10)를 공급받도록 잉크 주입구(112)가 상측면에 형성되고, 저장된 잉크를 배출하는 배출홀(114)이 하측면에 형성된다.
그리고, 상기 잉크 챔버(110)는 기체 공급수단(620)과 연결되어 기체를 공급받는 기체 주입구(113)가 상측면에 형성될 수 있다.
즉, 상기 잉크 챔버(110)의 중공부(111)에 기체를 주입하여 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크를 하측에 배치되는 토출 노즐(130)의 단부까지 공급되도록 압력을 제공한다. 이때, 상기 잉크 챔버(110)에 공급되는 기체는 저장된 전도성 잉크(10)와의 화학반응을 방지하기 위하여 불활성 기체가 공급되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 잉크 챔버(110)에는 저장된 전도성 잉크가 특정 온도 범위 예를 들어, 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 냉각하는 냉각부(140)가 마련될 수 있다. 전도성 잉크는 일정 온도 이상으로 가열되어 잉크 공급수단을 통하여 상기 잉크 챔버(110)에 공급되는데, 전도성 잉크에 함유된 휘발성 물질이 상기 잉크 챔버(110) 내부에 저장된 상태에서 휘발되어 전도성 잉크가 변성될 수 있어 이를 방지하기 위함이다.
이때, 상기 잉크 챔버(110)는 비전도성 재질로 마련되는 것이 바람직하다. 이는, 상기 냉각부(140)를 가동하기 위하여 전류가 인가되는 경우, 이에 의하여 상기 잉크 챔버(110) 내부에 저장된 전도성 잉크가 특정 전하로 대전되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 어댑터(120)는 상기 잉크 챔버(110)와 상기 토출 노즐(130) 사이에 배치되어, 상기 잉크 챔버(110)와 상기 토출 노즐(130)을 체결하도록 마련되고, 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크(10)가 상기 토출 노즐(130)로 공급되게 연통홀(121)이 형성된다.
그리고, 상기 어댑터(120)는 세라믹 등과 같은 비전도성 재질로 마련된다. 이는 상기 토출 노즐(130)에 인가되는 전류가 상기 잉크 챔버(110)로 흐르지 않도록 차단하기 위함이다. 즉, 상기 토출 노즐(130)은 전도성 잉크를 양(+)전압으로 대전하기 위하여 고전압이 인가되기 때문에 상기 잉크 챔버(110)에서 미리 전도성 잉크가 양(+)전압으로 대전되는 것을 방지하기 위하여 상기 어댑터(120)는 전류의 이동을 차단한다.
상기 토출 노즐(130)은 상기 어댑터(120)에 체결되고, 상기 잉크 챔버(110)에서 공급되는 전도성 잉크(10)를 공급받아 토출구(131)를 통하여 기판에 특정 크기로 전도성 잉크를 토출하여 패터닝 작업을 수행할 수 있도록 제공된다.
이를 위하여, 기판 측은 음(-)극성을 띠고 있고, 상기 토출 노즐(130)에는 고전압이 인가되어 상기 토출 노즐(130) 내부에 저장된 전도성 잉크를 양(+)극성으로 대전하여 상기 토출 노즐(130)의 토출구(131)를 통하여 전도성 잉크(10)가 기판 측으로 토출된다. 이때, 전압의 크기를 제어하여 토출되는 양을 조절할 수 있다.
상기 토출 노즐(130)에는 토출되는 전도성 잉크가 특정 온도 범위 예를 들어, 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 가열하는 가열부(150)가 구비될 수 있다. 이는, 상기 잉크 챔버(110)에서 냉각된 전도성 잉크를 20~100℃ 정도로 가열하여 전도성 잉크의 점도를 낮춰 보다 원활히 토출하기 위함이다. 이때, 전도성 잉크의 점도가 낮아지면 그에 따라 인가되는 전압을 낮출 수 있어 소비 전력을 저감할 수 있고, 전도성 잉크의 점도가 낮아지면 토출되는 양을 보다 용이하게 조절할 수도 있다.
여기서, 상기 냉각부(140) 및 상기 가열부(150)는 열전소자로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 토출 노즐(130)은 전도성 잉크 토출시 최적의 메니스커스를 형성하도록 45°의 경사면을 가지는 원뿔 형태로 마련되고, 전도성 잉크 토출부의 직경이 30~50㎛로 마련된다.
상기 전원장치(300)는 고전압 발생장치로, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)의 토출 노즐(130)에 고전압을 인가하여 전도성 잉크를 양(+)전하로 대전시키고, 상기 스테이지(200)에는 상기 토출 노즐과 반대되는 음(-)전압을 인가하여, 상기 토출 노즐(130)에서 상기 기판(20) 측으로 전도성 잉크가 토출되게 전압을 인가한다.
이때, 상기 토출 노즐(130)과 상기 스테이지(200) 간의 전압차를 제어하여 상기 기판(20)에 토출되는 전도성 잉크의 양을 조절할 수 있다.
상기 제어부(400)는 상기 전원장치(300)와 스테이지(200)를 제어하여 상기 기판(20)에 원하는 형상의 패턴(30)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제어부(400)는 상기 전원장치(300)와 스테이지(200)를 제어하여 상기 기판(20)에 형성되는 패턴(30)의 두께 및 폭을 조절할 수 있고, 또한, 상기 스테이지(200)를 이동시켜 선형의 패턴(30)을 형성할 수 있다.
나아가, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)는 상기 잉크 챔버(110)에 구비되어 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크의 온도를 측정하는 챔버 온도센서(510)를 더 구비할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(400)는 상기 챔버 온도센서(510)로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크가 특정 온도 범위 예를 들어, 3~15의 온도 범위를 만족하도록 냉각부(140)를 제어할 수 있다.
그리고, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)는 상기 토출 노즐(130)에 구비되어 상기 토출 노즐(130)을 통하여 토출되는 전도성 잉크의 온도를 측정하는 노즐 온도센서(520)를 더 구비할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(400)는 상기 노즐 온도센서(520)로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 토출 노즐(130)에서 토출되는 전도성 잉크가 특정 온도 범위 예를 들어, 20~100의 온도 범위를 만족하도록 가열부(150)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)의 잉크 챔버(110)에 구비되어 저장된 전도성 잉크의 수위를 측정하는 수위센서(530)와, 상기 잉크 챔버(110)에 연결되어 전도성 잉크를 공급하는 잉크 공급수단(610)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 잉크 공급수단(610)은, 도면에 도시하지는 않았지만, 전도성 잉크가 저장된 탱크와 상기 잉크 챔버(110)가 배관으로 연결되고, 상기 배관에 펌프가 구비되어 탱크에 저장된 전도성 잉크를 상기 잉크 챔버(110)로 공급하도록 구성될 수 있다. 물론, 상기 잉크 챔버(110)에 전도성 잉크를 공급하기 위한 방법이 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 공급 방법이 적용될 수 있다.
따라서, 상기 제어부(400)는 상기 수위센서(530)로부터 데이터를 수신하고, 상기 잉크 챔버(110)에 전도성 잉크가 일정 수위 이하로 낮아지면 상기 잉크 공급수단(610)을 동작시켜 상기 잉크 챔버(110)에 전도성 잉크를 공급하고, 상기 잉크 챔버(110)에 일정 수위로 전도성 잉크가 채워지면 상기 잉크 공급수단(610)을 정지시켜 상기 잉크 챔버(110)에 항시 일정량 이상의 전도성 잉크가 유지되게 제어할 수 있다. 이를 통하여, 연속적으로 패터닝 작업을 수행할 수 있다.
나아가, 상기 전도성 잉크 토출장치(100)의 잉크 챔버(110)에 연결되어 상기 잉크 챔버(110)의 내부로 기체를 공급하여 전도성 잉크의 토출 압력을 조절하는 기체 공급수단(620)을 더 포함한다.
따라서, 상기 제어부(400)는 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크가 상기 토출 노즐(130)의 단부까지 공급될 수 있도록 상기 잉크 챔버(110) 내부의 압력을 조절하도록 상기 기체 공급수단(620)을 제어한다.
즉, 테스트를 통하여 상기 상기 토출 노즐(130)의 단부까지 전도성 잉크가 공급되는 상기 잉크 챔버(110) 내부의 압력을 측정하여 상기 제어부(400)에 미리 저장하고, 상기 제어부(400)는 상기 잉크 챔버(110) 내부의 압력이 기 설정된 압력값을 유지할 수 있도록 상기 기체 공급수단(620)을 제어할 수 있다.
이때, 테스트를 통하여 상기 잉크 챔버(110)에 저장된 전도성 잉크의 온도와, 상기 토출 노즐(130)에 저장되어 있는 전도성 잉크의 온도에 대응하여 상기 잉크 챔버(110) 내부의 압력을 측정하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 통하여, 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템은 전도성 잉크를 연속적으로 공급하여 패터닝 공정을 연속적으로 수행할 수 있고, 토출 노즐(130)과 스테이지(200) 간의 전압차 및 전도성 잉크의 온도를 조절하여 토출되는 전도성 잉크의 양을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 상기 토출 노즐(130)을 통하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 실시간으로 측정하고 이를 피드백하여 기 설정된 전도성 잉크의 크기로 토출되게 제어할 수 있어 보다 정확한 패턴 형상을 제작할 수 있다.
도 2는 상기 패터닝 시스템의 제어방법을 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 3은 상기 패터닝 시스템의 제어방법에서 토출 준비단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템의 제어방법은 전도성 잉크 토출장치를 동작시켜 전도성 잉크를 토출할 수 있도록 준비하는 토출 준비단계(S100)와, 상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간의 전압차를 조절하여 기판에 전도성 잉크를 토출하는 잉크 토출단계(S200)와, 토출되는 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되는지 판정하는 토출잉크 판정단계(S300), 그리고 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출(S330의 예)되면, 전도성 잉크가 토출되는 기판에 특정 패턴이 형성되도록 기판이 안착된 스테이지를 특정 패턴으로 이동시키는 패턴 형성단계(S400)를 포함한다.
여기서, 상기 토출잉크 판정단계(S300)는 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크를 토출 모니터링 장치가 촬영하는 촬영단계(S310)와, 촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 크기 측정단계(S320), 그리고 측정된 토출잉크의 크기가 기 설정된 크기에 대응되는지 판단하는 크기 비교단계(S330)를 포함한다.
즉, 상기 토출잉크 판정단계(S300)에서 토출되는 전도성 잉크의 크기가 기 설정된 크기로 토출되는 경우(S330의 예)에만 스테이지를 이동시켜 기판에 선형의 패턴이 형성되도록 한다.
그리고, 상기 토출잉크 판정단계(S300)에서 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되지 않으면(S330의 아니오), 상기 잉크 토출단계(S200)로 되돌아가 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간의 전압차를 다시 조절하여 기판에 전도성 잉크를 토출하도록 제어한다.
나아가, 상기 토출 준비단계(S100)는, 도 3을 참조하면, 상기 전도성 잉크 토출장치의 잉크 챔버에 일정 수위를 유지하도록 전도성 잉크를 공급하는 전도성 잉크 공급단계(S110)와, 상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 잉크 챔버를 냉각하는 잉크챔버 냉각단계(S120)와, 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 토출 노즐을 가열하는 토출노즐 가열단계(S140), 그리고 상기 잉크 챔버에 기체를 공급하여 저장된 전도성 잉크가 상기 토출 노즐의 단부까지 공급될 수 있도록 상기 잉크 챔버 내부의 압력을 조절하는 압력 조절단계(S160)를 포함한다.
즉, 상기 잉크챔버 냉각단계(S120)에서 잉크 챔버의 전도성 잉크의 온도를 측정하여 전도성 잉크가 3~15℃의 온도 범위를 만족(S130의 예)하면 토출 노즐을 가열(S140)하고, 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족(S150의 예)하면 잉크 챔버에 기체를 공급하여 전도성 잉크가 토출 노즐의 단부까지 공급(S160)되도록 한다.
물론, 상기 잉크 챔버에 기체를 공급하는 순서가 이에 한정되는 것은 아니고, 잉크 챔버에 전도성 잉크가 공급되면 실시간으로 잉크 챔버에 기체를 공급하여 전도성 잉크가 토출 노즐의 단부까지 공급되도록 제어될 수도 있다.
이러한 구성 및 방법을 통하여, 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템의 제어방법은 토출 노즐을 통하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 실시간으로 측정하고 이를 피드백하여 기 설정된 전도성 잉크의 크기로 토출되게 제어할 수 있어 보다 정확한 패턴 형상을 제작할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템은 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 패터닝 시스템은 Ag 파티클 함량 70~90wt%와 점도 1000~5000cps를 만족하는 전도성 잉크를 사용하고, 잉크 챔버에 10㎕/hr 유량으로 전도성 잉크가 공급되고, 토출 노즐에 인가되는 압력이 -0.5kPa인 조건에서 2.5kV의 전압차를 발생시켜 전도성 잉크를 토출하여 패턴을 형성하면 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 기판에 형성할 수 있다.
여기서, 토출 노즐에 인가되는 압력과 인가되는 전압을 가변하여 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 가지는 최적의 조건을 도출하였다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압차가 2.5kV, 2.6kV, 2.7kV로 되도록 각각 설정한 상태에서 토출 노즐에 인가되는 압력을 -0.5~1.5kPa 범위에서 가변하여 형성된 패턴의 선 폭의 크기를 측정한 결과 -0.5kPa 압력 조건에서 가장 작은 선 폭을 가지는 것을 확인하였다. 여기서, 스테이지에 0V를 인가하고, 토출 노즐에 인가되는 전압을 2.5kV, 2.6kV, 2.7kV로 변경하여 전압차를 발생시킬 수 있다.
그리고, 토출 노즐에 인가되는 압력을 -0.5kPa로 설정하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 전압차를 1~5kV 범위에서 가변하여 형성된 패턴의 선 폭의 크기를 측정한 결과 2.5kV 조건에서 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 패턴이 형성되는 것을 확인하였다. 그리고, 2.5kV를 기준으로 인가되는 전압이 작아지거나 커지면 선 폭이 다시 커지는 것을 확인하였다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템을 이용하여 형성한 패턴을 3차원 표면 형상 측정장치 및 주사전자현미경을 통하여 측정한 결과를 나타낸 것이다. 보다 구체적으로, 도 6의 (a) 및 도 7은 패턴의 선 폭을 측정한 결과를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 패턴의 높이를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
여기서, 도 6 및 도 7은 Ag 파티클 함량 70~90wt%와 점도 1000~5000cps를 만족하는 전도성 잉크를 사용하고, 잉크 챔버에 10㎕/hr 유량으로 전도성 잉크가 공급되고, 토출 노즐에 인가되는 압력이 -0.5kPa인 조건에서 2.5kV의 전압차를 발생시켜 전도성 잉크를 토출하여 형성된 패턴의 선 폭을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 3차원 표면 형상 측정장치를 이용하여 측정한 결과 패턴의 평균 선 폭은 약 9㎛이고, 패턴의 평균 높이는 약 550nm로 측정되었다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 주사전자현미경(SU-70)을 통하여 측정한 결과 패턴의 평균 선 폭은 약 8.321㎛이다.
따라서, 본원발명의 실시예에 의한 패터닝 시스템 및 그 제어방법을 이용하면 패턴의 선 폭이 10㎛ 이하의 크기를 가지도록 형성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 전도성 잉크 20 : 기판
30 : 패턴 100 : 전도성 잉크 토출장치
110 : 잉크 챔버 111 : 중공부
112 : 잉크 주입구 113 : 기체 주입구
114 : 배출홀 120 : 어댑터
121 : 연통홀 130 : 토출 노즐
131 : 토출구 140 : 냉각부
150 : 가열부 200 : 스테이지
300 : 전원장치 400 : 제어부
510 : 챔버 온도센서 520 : 노즐 온도센서
530 : 수위센서 610 : 잉크 공급수단
620 : 기체 공급수단 700 : 토출 모니터링 장치

Claims (17)

  1. 기판이 안착되고, 기판을 3축 방향으로 이동시키는 스테이지;
    기판에 전도성 잉크를 토출하도록 제공되는 전도성 잉크 토출장치;
    상기 잉크 토출장치의 잉크 챔버에 연결되어 전도성 잉크를 공급하는 잉크 공급수단;
    상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐에 전압을 인가하여 전도성 잉크를 대전시키고, 상기 스테이지에는 상기 토출 노즐과 반대되는 전압을 인가하는 전원장치;
    상기 잉크 챔버에 연결되어 기체를 공급하여 전도성 잉크의 토출 압력을 조절하는 기체 공급수단;
    상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 토출 모니터링 장치; 및
    상기 토출 모니터링 장치로부터 데이터를 수신하고, 기 설정된 크기로 전도성 잉크가 토출되게 상기 전원장치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 전도성 잉크 토출장치는,
    전도성 잉크가 저장되고, 비전도성 재질로 마련되는 잉크 챔버;
    상기 잉크 챔버의 하부에 배치되고, 비전도성 재질로 마련되는 어댑터;
    상기 어댑터의 하부에 배치되고, 상기 잉크 챔버에 연계되어 전도성 잉크를 외부로 토출하는 토출 노즐;
    상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크가 휘발되어 변성되지 않도록 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 냉각하는 냉각부; 및
    상기 토출 노즐에 구비되어 토출되는 전도성 잉크가 특정 온도 범위를 만족하도록 가열하는 가열부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    기판에 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 형성하도록, 2.5kV의 전압차가 발생하도록 상기 전원장치를 제어하고, 상기 잉크 챔버에 10㎕/hr 유량으로 전도성 잉크가 공급되도록 상기 잉크 공급수단을 제어하며, 상기 토출 노즐에 -0.5kPa의 압력이 인가되도록 상기 기체 공급수단을 제어하는 패터닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 토출 모니터링 장치로부터 수신되는 데이터를 피드백하여 기판에 토출되는 전도성 잉크의 크기가 기 설정된 크기로 토출되도록 상기 토출 노즐에 인가되는 전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출 모니터링 장치는,
    상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크의 이미지를 촬영하고, 촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 파악하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 잉크 토출장치는,
    상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크의 수위를 측정하는 수위센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 수위센서로부터 데이터를 수신하여 상기 잉크 챔버에 전도성 잉크가 일정 수위를 유지하도록 상기 잉크 공급수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 상기 토출 노즐의 단부까지 공급될 수 있도록 상기 잉크 챔버 내부의 압력을 조절하도록 상기 기체 공급수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 잉크 토출장치는,
    상기 잉크 챔버에 구비되어 저장된 전도성 잉크의 온도를 측정하는 챔버 온도센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 챔버 온도센서로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 냉각부를 제어하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 잉크 토출장치는,
    상기 토출 노즐에 구비되어 토출되는 전도성 잉크의 온도를 측정하는 노즐 온도센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 노즐 온도센서로부터 온도 데이터를 수신하여 상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 가열부를 제어하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 전도성 잉크 토출장치의 잉크 챔버에 10㎕/hr 유량으로 전도성 잉크를 공급하는 전도성 잉크 공급단계;
    상기 잉크 챔버에 저장된 전도성 잉크가 휘발되어 변성되지 않도록 3~15℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 잉크 챔버를 냉각하는 잉크챔버 냉각단계;
    상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크가 20~100℃의 온도 범위를 만족하도록 상기 토출 노즐을 가열하는 토출노즐 가열단계;
    상기 잉크 챔버에 기체를 공급하여 상기 잉크 챔버 내부에 -0.5kPa의 압력이 인가되도록 압력을 조절하는 압력 조절단계;
    상기 전도성 잉크 토출장치의 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간에 2.5kV의 전압차가 발생하도록 조절하여 기판에 10㎛ 이하의 선 폭을 가지는 선형의 패턴을 형성하도록 전도성 잉크를 토출하는 잉크 토출단계;
    토출되는 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되는지 판정하는 토출잉크 판정단계; 및
    전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되면, 전도성 잉크가 토출되는 기판에 특정 패턴이 형성되도록 기판이 안착된 스테이지를 특정 패턴으로 이동시키는 패턴 형성단계;
    를 포함하는 패터닝 시스템의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 토출잉크 판정단계에서 전도성 잉크가 기 설정된 크기로 토출되지 않으면, 상기 잉크 토출단계로 되돌아가 토출 노즐과 기판이 안착되는 스테이지 간의 전압차를 다시 조절하여 기판에 전도성 잉크를 토출하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템의 제어방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    토출잉크 판정단계는,
    상기 토출 노즐에서 토출되는 전도성 잉크를 토출 모니터링 장치가 촬영하는 촬영단계;
    촬상된 이미지를 처리하여 토출되는 전도성 잉크의 크기를 측정하는 크기 측정단계; 및
    측정된 토출잉크의 크기가 기 설정된 크기에 대응되는지 판단하는 크기 비교단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 시스템의 제어방법.
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