KR102253704B1 - 고분해능의 대면적 미세 패턴 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이 - Google Patents

고분해능의 대면적 미세 패턴 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 고분해능의 대면적 미세 패턴 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 도포하여 코팅층을 형성하는 잉크 도포 단계; 상기 코팅층이 형성된 기판을 가열하여 상기 코팅층에 다수의 금속 나노 시드를 생성시켜 상기 코팅층이 소정의 열전도도를 갖는 시드 생성 단계; 및 상기 소정의 열전도도를 갖는 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서 상기 금속 나노 시드가 성장 소결되는 소결 영역은 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성된다.

Description

고분해능의 대면적 미세 패턴 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH RESOLUTION LARGE-AREA FINE PATTERN AND FLAT PANEL DISPLAY MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 패턴 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베셀 빔을 이용하여 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이에 관한 것이다.
전기, 전자 산업의 발전으로 얇고 작으며 다양한 기능이 구현 가능한 전자장치를 제조하기 위해 전자부품 또한 얇고, 작고, 가벼우면서 강하게 제조하기 위한 기술이 요구되고 있다. 디스플레이나 태양전지와 같이 높은 광 투과율이 요구되는 경우 미세 패턴 형성이 중요하며, 또한 대면적으로 제조할 시 미세 패턴의 신뢰성을 갖춰야 한다. 이러한 미세 패턴 형성 기술은 반도체 소자, 광학 소자, 바이오 소자, 디스플레이 등에 적용된다.
미세 금속 패턴을 제작하는 방법으로 나노 임프린팅(Nano Imprinting), 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing), 롤 프린팅(Roll Printing) 등의 방법이 있다. 그 일예로, 등록특허공보 제10-1787013호에는 롤투롤 인쇄전자 공정 기술을 이용한 미세패턴 형성 장치 및 제조 방법이 제안되었다.
그러나, 이러한 기존의 기술들은 유독성 및 느린 시간의 화학 에칭 공정, 고진공 및 다수의 진공 공정, 대면적으로 한계가 있으며 마스터 몰드의 제작 등의 요구에 의해 제조비용이 경제적이지 않고 장시간이 소요되는 등의 공정의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 기존의 기술들은 대면적 제조에 있어서 스테이지 또는 테이블의 평탄도에 한계가 있어 고해상도의 균일한 패턴 형성이 어려운 문제점이 있고, 잉크젯프린팅, 롤 프린팅은 50μm의 미세 패턴을 형성이 어려우며, 접착력이 좋지 못하고 해상도에 한계가 있다.
뿐만 아니라, 기존의 기술들에 사용되는 금속 나노 입자 분산액은 산화를 방지하기 위해 나노 입자 각각을 캡슐화 되어야 하는데, 이러한 캡슐화에 의해 분산액의 제조 비용이 경제적이지 않다.
따라서, 고효율이면서 고분해능의 대면적 금속 패턴 제조 방법이 필요하다.
등록특허공보 제10-1787013호, 공고일자 2017년10월19일
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 한, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 도포하여 코팅층을 형성하는 잉크 도포 단계; 상기 코팅층이 형성된 기판을 가열하여 상기 코팅층에 다수의 금속 나노 시드를 생성시켜 상기 코팅층이 소정의 열전도도를 갖는 시드 생성 단계; 및 상기 소정의 열전도도를 갖는 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서 상기 금속 나노 시드가 성장 소결되는 소결 영역은 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성된다.
또한, 상기 패턴 형성 단계는, 레이저로부터 발생된 레이저 빔을 상기 베셀 빔으로 변환시키는 베셀 빔 변환 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 베셀 빔 변환 단계는, 상기 레이저 빔을 엑시콘 렌즈, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿 중 어느 하나를 이용하여 상기 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다.
또한, 상기 패턴 형성 단계에서는, 상기 베셀 빔에 의해 가열되는 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결될 수 있다.
또한, 상기 금속 유기 이온 잉크는, 금속 이온이 용해되어 있거나 혼합되어 있는 유기 용매를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 베셀 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 유기 이온 잉크와 금속 나노 시드를 제거하는 시드 제거 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 도포하여 코팅층을 형성하는 용액 도포 단계; 및 상기 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조하는 단계; 및 상기 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 입자가 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서 상기 금속 나노 입자가 성장 소결되는 소결 영역은 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 관점에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 도포하여 코팅층을 형성하는 용액 도포 단계; 상기 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조하는 건조 단계; 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 영역에 패터닝 영역을 설정하는 설정 단계; 레이저 빔을 베셀 빔으로 변환하고, 상기 패터닝 영역으로 변환된 상기 베셀 빔을 직접 조사하는 조사 단계; 및 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 입자가 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서, 상기 금속 나노 입자가 소결되는 소결 영역은, 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 최소 레이저 파장의 크기로 형성되며, 상기 기판의 굴곡에 의한 상기 패터닝 영역의 높이 변화에 따라 상기 금속 패턴의 크기가 변화되지 않는다.
또한, 상기 금속 나노 입자 분산액은 상기 금속 나노 입자가 유기 용매나 물에 분산된 상태로 제조된 것일 수 있다.
또한, 상기 기판은 SiO2, TiO2, ZnO, 유리, 실리콘 웨이퍼, 및 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 유기 박막형 필름 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 조사 단계는, 상기 레이저 빔을 방출하는 레이저 또는 상기 기판을 이동시켜 상기 패터닝 영역에 상기 베셀 빔을 조사할 수 있다.
또한, 상기 조사 단계는, 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 상기 패터닝 영역에 상기 베셀 빔을 조사할 수 있다.
또한, 상기 조사 단계는, 상기 베셀 빔의 초점을 대물 렌즈(objective lens) 또는 스캐너(scanner)를 이용하여 조절할 수 있다.
또한, 상기 조사 단계는, 상기 레이저 빔을 엑시콘 렌즈, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿 중 어느 하나를 이용하여 상기 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다.
또한, 상기 베셀 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 나노 입자를 제거하는 제거 단계;를 더 포함할 수 있다.
이처럼 본 발명은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 함으로써, 고효율, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 캡슐화가 필요 없는 금속 유기 이온 잉크를 사용하여 경제적으로 미세 패턴을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 대면적을 위한 별도의 몰드나 마스크 제작이 필요하지 않고, 스테이지나 테이블의 거칠기 최소를 위한 별도의 공정 및 기술이 필요하지 않기 때문에, 단일 공정으로 효율적인 미세 패턴의 제조가 가능할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 단계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 베셀 빔을 이용하여 제조 가능한 미세 패턴을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판에 형성된 미세 패턴을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이를 설명한다. 특히, 본 발명에서는 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 한, 새로운 패턴 제조 방안을 제안한다.
디스플레이나 태양전지와 같이 높은 광투과율이 요구되는 장치의 경우 미세 패턴 형성이 중요한 요소이며, 또한 대면적으로 고분해능의 패턴 제조의 신뢰성이 확보되어야 한다. 레이저 빔을 엑시콘 렌즈로 변환시킨 베셀 빔은 고분해능의 대면적 패턴 제조의 효율성을 향상 시킬 수 있으며, 이러한 미세 패턴 형성 기술은 반도체 소자, 광학 소자, 바이오 소자, 디스플레이 등의 다양한 분야에 적용 가능한데, 특히, 평판 디스플레이에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 잉크 도포 단계(S100), 시드 생성 단계(S200), 패턴 형성 단계(S300), 잉크 제거 단계(S400)를 포함할 수 있다.
1)잉크 도포 단계(S100)에서는, 도 2와 같이 기판(10) 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 기판은 SiO2, TiO2, ZnO, 유리, 실리콘 웨이퍼, 및 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 유기 박막형 필름 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 금속 유기 이온 잉크는 금속 이온이 용해되어 있거나 혼합되어 있는 유기 용매를 포함할 수 있다. 이러한 금속 유기 이온의 점도는 1~100 cp일 수 있다. 여기서, 금속 이온은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 크롬(Cr), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 중 어느 하나일 수 있다. 유기 용매는 이소프로판올(Isopropanol), 부탄올(Butanol), 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), 톨루엔(Toluene) 중 어느 하나일 수 있다.
종래 미세 패턴을 형성하는 공정에 사용되던 금속 나노 입자 분산액은 산화로 인한 캡슐화로 경제적이지 않은 제조비용과 습윤성이 뛰어나지 않은 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 개선시키기 위해 본 발명에서는 금속을 유기 용매에 용해시킨 금속 유기 이온 잉크를 사용하고자 한다.
이때, 금속 유기 이온 잉크를 코팅하는 방식으로는 랭뮤어-블로젯(Langmuir-blogett), 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 블레이드(blade) 코팅, 슬롯다이(slot die) 코팅, 딥(dip) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅 등 기존에 사용되고 있는 다양한 코팅 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
2)시드 생성 단계(S200)에서는, 도 3a 내지 도 3b와 같이 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 상기 코팅층에 다수의 금속 나노 시드를 생성시킬 수 있다. 이때, 코팅층이 형성된 기판을 열처리하는 방식으로는 도 3a와 같이 코팅층이 형성된 기판의 하부에 가열부를 구비하여 가열하거나, 도 3b와 같이 코팅층이 형성된 기판의 상부에 램프 예컨대, IR(Infrared Ray) 램프를 구비하여 가열하는 방식이 이용될 수 있다.
또한, 코팅층이 형성된 기판(10)을 히팅 오븐(heating oven), 마이크로웨이브 오븐(microwave oven) 등의 열처리 챔버 내부에 배치시켜 열을 제공할 수 있다. 이외에 코팅층이 형성된 기판을 가열하는 다양한 방식이 이용될 수 있다.
이러한 열처리 방법에서 코팅층의 일부에만 열이 공급되는 등 불균일하게 열이 공급되는 경우 코팅층 내부에서 금속 나노 시드의 분포가 불균일해지는 문제가 발생될 수 있기 때문에 코팅층에 전체적으로 균일한 열이 공급되도록 한다. 이렇게 코팅층에 열이 전체적으로 균일하게 공급되면, 코팅층 내에서 서로 결합된 금속 이온과 유기물의 결합이 끊어져 환원되면서 고체상태의 미세한 금속 입자로 석출됨으로써, 금속 나노 시드가 생성될 수 있다.
도 3c와 같이, 금속 유기이온 잉크로 유기은 용액을 사용하여 실험한 결과, 열처리에 의해 유기은 용액에서 은 나노 시드가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 3d와 같이, 제안 방법에 의해 유기은 용액에 은 나노 시드가 생성되는 경우 은 나노 시드 간의 거리가 기존 방법에 의해 생성된 은 나노 시드 간의 거리보다 길어 그 만큼 열 확산 거리도 짧아지기 때문에, 열 확산 거리의 차이만큼 열전도도(thermal conductivity)가 상대적으로 낮아질 수 있다. 이러한 열전도도는 예컨대, 본 발명의 성장소결 과정에서 1 ~ 100W/mK 이내일 수 있다. 즉, 열처리 이전의 금속 유기 이온 잉크 상태에는 열전도도가 1W/mK 미만이고, 열처리에 의한 성장소결 과정에서는 열전도도가 1~100W/mK 이내로 되었다가 성장소결 과정 이후에 100W/mK보다 높아지게 된다.
도 3e와 같이, 일반적인 금속 나노 입자 분산액은 낮은 열전도도의 용액상태에서 레이저를 조사하면 유기 용매가 순간적으로 증발하여 높은 열전도를 가지는 고체상태의 나노 입자만 남아 소결 영역이 레이저 조사영역 보다 넓어져 금속 패턴의 분해능이 저하된다.
반면, 본 공정은 금속 유기 이온 잉크의 열전도도가 1W/mK 이하로 금속나노입자 분산액과 비슷하고 레이저를 조사하면 핵 생성(나노시드), 클러스터 형성, 성장과정을 일으키면서 유기물이 증발하므로 갑작스럽게 열전도도가 증가하지 않고 서서히 증가하여 소결이 이루어져 레이저 조사 영역보다 소결 영역이 넓어지는 현상이 억제되어 금속 패턴의 분해능이 향상된다.
3)패턴 형성 단계(S300)에서는, 도 4a와 같이 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장 소결되어 금속 패턴이 형성될 수 있다.
예를들어, 도 4b와 같이, 기판 상에 코팅된 금속 유기 이온 잉크에 열처리를 하여 은 나노 시드가 형성된 후 그 은 나노 시드에 베셀 빔을 조사함으로써, 베셀 빔에 의해 가열되는 은 나노 시드의 성장과 동시에 서로 간의 소결을 통해 성장 소결을 일으키게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 단계를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴을 형성하는 단계(S300)는 영역 설정 단계(S310), 레이저 조사 단계(S320), 결합 및 소결 단계(S330)를 포함할 수 있다.
3-1)영역 설정 단계(S310)에서는, 코팅층에 베셀 빔을 조사할 영역 즉, 패터닝 영역이 설정될 수 있다. 또한, 설정된 패터닝 영역으로 레이저를 이동시켜 베셀 빔의 초점이 조절될 수 있다. 예를들어, 기판을 고정한 상태에서 레이저를 이동시키거나 레이저를 고정한 상태에서 기판을 이동시킬 수 있다. 이때, 기판은 이동 수단 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 기판을 이동시킬 수 있다. 이렇게 이동 수단을 이용하여 레이저 또는 기판을 이동시키며 패터닝 영역에 레이저를 조사하는 방법 이외에 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 베셀 빔을 이동시키며 조사하는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 사용하는 방법들이 사용될 수 있다.
이렇게 패터닝 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를들어, 대물 렌즈(objective lens), 스캐너(scanner)를 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 미세 패턴의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.
3-2)레이저 조사 단계(S320)에서는, 레이저로부터 발생된 레이저 빔을 베셀 빔으로 변환시키고, 변환시킨 베셀 빔을 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 조사할 수 있다. 이러한 레이저는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 펄스 레이저, CW(Continuous Wave) 레이저, QCW(Quasicontinuous-wave) 레이저를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 기판을 통과하여 레이저 빔을 패터닝 영역에 조사하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 기판을 통과하지 않고 레이저 빔을 패터닝 영역에 조사할 수 있다. 즉, 기판을 기준으로 기판의 하부에서 레이저 빔을 조사하거나 기판의 상부에서 레이저 빔을 조사할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다. 여기서는 엑시콘 렌즈를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있다.
부연 설명하면, 레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 광 파장에 가까운 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있다. 그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점 크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도(Depth of focus)를 가져 비평면기판에 미세 패턴 형성을 가능하게 한다.
그리고 엑시콘 렌즈로 베셀 빔으로 변환 시키고 빔 확대기(Beam expander)에 통과시키면 빔의 크기가 변하는데, 이때 빔의 크기는 빔 확대기의 조절에 의해 자유롭게 변화할 수 있다. 베셀 빔의 크기가 자유롭게 변화하면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 제한된 초점심도를 극복하여 높이차가 큰 기판 또는 3차원 패터닝이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 하나의 패터닝 영역에 레이저 빔을 조사하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다수의 패터닝 영역에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 예를들어, 어레이 렌즈 등의 다중 초점 장치를 이용하여 다수의 패터닝 영역을 다중으로 초점화하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.
3-3)결합 및 소결 단계(S330)에서는, 레이저 빔에 의해 가열되는 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 베셀 빔을 이용하여 제조 가능한 미세 패턴을 보여주는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 대물 렌즈, 2D 스캐너, 3D 스캐너를 통해 렌즈 형태 또는 반구 형태의 기판이나 표면이 거친 기판 등에 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 비평면 기판에 패턴의 형성이 가능하다.
도 8b를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 기판의 엣지(edge) 등에 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 기판의 엣지에 패턴의 형성이 가능하다.
도 8c를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 긴 초점 심도를 갖기 때문에 기판 위에 미세 패턴을 형성하면서 기판의 엣지에 연속적으로 미세 패턴을 형성할 수 있어, 기판의 앞뒤 양면에 전극이 흐르는 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 기판의 평면과 곡면에 연속적으로 패턴의 형성이 가능하다.
예를들어, 디스플레이를 제작하는 경우, 기판의 벽면부를 넘어서 앞면의 디스플레이와 뒷면의 컨트롤 칩(control chip)을 직접 연결하여 기존 대비 베젤(화면 주위 테두리 부분) 영역이 감소하여 상대적으로 화면이 넓어지는 효과와 FPCB(유연성있는 절연기판을 사용한 배선판)와 같은 추가적인 연결회로가 불필요하여 얇고 내구성이 높은 디스플레이를 제작하는 것이 가능하다.
4)잉크 제거 단계(S400)에서는, 도 5와 같이 레이저 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 유기 이온 잉크와 금속 나노 시드를 제거하여 기판 상에 금속 패턴만이 존재하도록 할 수 있다. 이러한 제거 방식으로는 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판에 형성된 미세 패턴을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 결합 및 소결시킴으로서 기판 상에 미세 패턴이 형성되었음을 보여주고 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 용액 도포 단계(S1100), 패턴 형성 단계(S1200), 잉크 제거 단계(S1300)를 포함할 수 있다. 여기서는 도 1에서 설명한 금속 유기이온 잉크를 대신하여 금속 나노입자 분산액을 사용하고자 한다.
1)용액 도포 단계(S1100)에서는, 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 코팅하여 코팅층을 형성할 수 있다. 여기서, 금속 나노 입자 분산액은 금속 나노 입자가 유기 용매나 물에 분산된 상태로 제조될 수 있다.
이렇게 금속 나노 입자 분산액을 이용하여 경우에는 도 1의 제조 방법과 같이 코팅층을 가열하여 금속 나노 시드를 생성하는 과정이 필요하지 않고, 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조시킨 후 이후 과정을 진행하게 된다.
즉, 패턴 형성 단계(S1200), 잉크 제거 단계(S1300)는 도 1의 제조 방법에서 설명하는 내용과 동일하기 때문에 이하에서는 설명하지 않기로 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 기판
20: 코팅층
30: 금속 나노 시드
40: 레이저
50: 금속 패턴

Claims (9)

  1. 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 도포하여 코팅층을 형성하는 용액 도포 단계;
    상기 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조하는 건조 단계;
    상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 영역에 패터닝 영역을 설정하는 설정 단계;
    레이저 빔을 베셀 빔으로 변환하고, 상기 패터닝 영역으로 변환된 상기 베셀 빔을 직접 조사하는 조사 단계; 및
    상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 입자가 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고,
    상기 패턴 형성 단계에서, 상기 금속 나노 입자가 소결되는 소결 영역은, 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 최소 레이저 파장의 크기로 형성되며, 상기 기판의 굴곡에 의한 상기 패터닝 영역의 높이 변화에 따라 상기 금속 패턴의 크기가 변화되지 않는,
    고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자 분산액은 상기 금속 나노 입자가 유기 용매나 물에 분산된 상태로 제조된 것인, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 SiO2, TiO2, ZnO, 유리, 실리콘 웨이퍼, 및 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 유기 박막형 필름 중 어느 하나인, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사 단계는, 상기 레이저 빔을 방출하는 레이저 또는 상기 기판을 이동시켜 상기 패터닝 영역에 상기 베셀 빔을 조사하는, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서
    상기 조사 단계는, 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 상기 패터닝 영역에 상기 베셀 빔을 조사하는, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사 단계는, 상기 베셀 빔의 초점을 대물 렌즈(objective lens) 또는 스캐너(scanner)를 이용하여 조절하는, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사 단계는, 상기 레이저 빔을 엑시콘 렌즈, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿 중 어느 하나를 이용하여 상기 베셀 빔으로 변환시키는, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베셀 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 나노 입자를 제거하는 제거 단계;를 더 포함하는, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법으로 디스플레이의 앞면에 위치한 디스플레이 화소와 상기 디스플레이의 뒷면에 위치한 컨트롤 칩 사이에 상기 금속 패턴을 형성하여 상기 디스플레이 화소와 상기 컨트롤 칩을 직접 연결시키는, 디스플레이 제조 방법.
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