KR20060025796A - 기판상에서의 패터닝 방법 및 장치와, 그 방법에 의해제조된 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판에 있어서 전기-수력학적 분무 방식을 이용한 기판회로 패터닝 방법 및 장치와, 그 방법을 이용한 인쇄회로기판에 관한 것이다. 본원발명은, 입자상 물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐로부터 이격된 거리에 접지전극를 제공하는 단계; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 기판을 위치시키는 단계; 상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때, 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키는 단계; 및 상기 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 부착시키는 단계를 포함하는 방법으로 기판상에 입자상 물질을 패터닝한다. 이러한 구성으로 인하여, 잉크젯 분사에 비하여 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 또한 작은 크기의 액적을 원하는 곳에 위치 오차 없이 부착시킬 수 있으며, 표면에 전극의 형상을 원하는 패턴의 형태에 따라 다양하게 변화 시킬 수 있어 위치오차를 감소시킬 수 있으며, 하나의 노즐에서 적하모드만을 구현하는 잉크젯 방식과 달리 전극 형상 변환을 이용해 하나의 노즐에서 스프레이, 적하 모드 등을 다양하게 구현할 수 있다.

Description

기판상에서의 패터닝 방법 및 장치와, 그 방법에 의해 제조된 인쇄회로기판{PATTERNING METHOD OF MICROELECTRONIC CIRCUIT AND A FABRICATING APPARATUS THEREOF, AND A PRINTED CIRCUIT BOARD USING THE METHOD}

도 1은 일반적인 회로기판 패터닝에 대한 공정도를 나타내며,

도 2는 전기-수력학적 분무에 있어서 유량 및 인가전압에 따른 다양한 분무모드를 나타내며,

도 3은 잉크젯 분무와 전기-수력학적 분무에 있어서의 액적크기를 비교하기 위한 개략도를 나타내며,

도 4는 잉크젯 분무와 전기-수력학적 분무에 있어서의 위치오차를 비교하기 위한 개략도를 나타내며,

도 5는 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서의 미세 회로 패터닝을 위한 정전 분무 장치의 제1실시예를 나타내며,

도 6은 주어진 유량에서 공급전압을 변화시켰을 때 안정된 원뿔형 액주 모드(cone-jet mode)가 발생되는 영역을 나타내는 그래프이며,

도 7은 원뿔형 액주모드에서 발생되는 인택트 젯(intact jet)을 이용하여 기판상에 패터닝한 결과를 나타내며,

도 8은 기판에 형성된 라인 패턴의 선폭(feature size)을 나타내는 그래프이 며,

도 9은 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서의 패턴 구현을 위한 정전 분무 장치의 제2실시예를 나타내며,

도 10은 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서의 미세 회로 패터닝을 위한 정전 분무 장치의 제3실시예를 나타내며,

도 11은 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서의 패턴 구현을 위한 정전 분무 장치의 제4실시예를 나타내는 도면이다.

본 발명은 인쇄회로기판에 있어서 전기-수력학적 분무 방식을 이용한 기판회로 패터닝 방법 및 장치와, 그 방법을 이용한 인쇄회로기판에 관한 것이다.

현대산업에 있어서, 더 작고, 얇고, 가벼우면서도 그 기능은 극대화할 수 있는 제품의 구현은 첨단 전자산업의 가장 중요한 과제라 할 수 있다. 예를 들어 전자제품의 메모리, CPU와 같은 소자들이 점점 소형화, 고집적화에 따라 이들 소자의 재료가 되는 각종 전자 칩 그리고 칩들을 실장하는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)이 최근에 작고 얇아 지고 있다. 따라서 미래의 다기능 고속 정보기기를 위한 인쇄회로기판 및 전자칩들은 지금보다 훨씬 작은 최소 선폭을 요구한다. 데이터의 출력자체가 더욱 빠르고 많아지는 현대의 기기장치들은 훨씬 높은 배선밀도(interconnection density)를 요구하게 되고, 이를 충족시키기 위해서는 현재의 100 ㎛ 정도의 선폭보다 작은 50 ㎛ 이하의 최소 선폭이 필요하게 된다.

특히, 회로 밀집도의 증가와 함께 고주파 특성, 처리 속도의 향상 및 각종 화상 처리 기술의 발전에 따라 완성된 인쇄회로기판의 임피던스 값이 중요한 인자가 되었다. 종래의 일반적인 인쇄회로기판의 경우에는 임피던스에 대하여 별도의 지정이나 관리가 필요하지 않아 회로선폭의 공차 범위가 ±20% 정도이었으나, 현재 임피던스 조정이 필요한 제품은 회로선폭의 공차범위가 ±10%로 양산되고 있으며, 향후로는 ±5%까지 감소할 필요가 있다. 이와 같이, PCB의 고정밀도, 고밀도화 측면에서의 진보는 더욱 절실히 요구된다고 할 것이다.

일반적으로, 인쇄회로기판은 회로부품을 접속하는 전기배선을 회로설계에 기초하여 배선도형으로 표현하고, 이것을 패턴(pattern)인쇄 및 식각(etching) 등의 기술에 의해 기판 위에 배선도형으로서 완성시킨 것으로, 일반적인 회로 패터닝 공정은 도 1에서와 같이 다음과 같은 공정을 거치게 된다. 즉, 절연체인 에폭시 또는 베이클라이트 수지로 만든 얇은 기판에 구리박을 붙인 후에, 계속하여 구리박으로 남아 있기를 원하는 회로 배선에는 레지스트(resist)를 인쇄한다. 그리고 구리를 녹일 수 있는 에칭액에 인쇄된 기판을 담그면 레지스트가 묻지 않은 부분은 녹게되고 그 후에 레지스트를 제거하면 구리박이 원하는 패턴으로 남게 된다.

이와 같은 종래의 스크린을 이용하여 이루어지는 패턴 인쇄는 스크린을 제작하여야 하는 별도의 공정, 즉, 스크린을 프레임(Frame)에 접착시키는 제판공정을 거쳐, 노광 및 현상 공정을 수행하여 제작된다.

따라서, 스크린을 제작하기 위하여 많은 투자시설이 필요하며, 인력 및 시간 또한 많은 낭비를 가져왔고, 또한 스크린으로 인쇄를 수행함에 있어, 인쇄되는 상의 정확성이 결여되고, 또한 미세한 상의 인쇄는 어려웠다. 즉, 스크린을 기판에 밀착시켜 인쇄를 수행하는 스크린의 스퀴즈(Squeegee)의 압력으로 인해 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상이 일어나는 것인데, 최근의 인쇄회로기판의 미세화를 고려할 경우, 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상은 치명적인 불량을 초래한다. 특히 양면인쇄회로기판의 경우에는 인쇄되는 상의 앞면과 뒷면, 즉 양면에서 인쇄되는 상의 정확한 위치에 인쇄되어야하는데 스크린을 이용한 인쇄는 일면에 인쇄를 수행한 후 나머지 일면을 수행하기 때문에 양면의 인쇄상을 일치시키는 것은 많은 기술적 어려움이 따른다. 또한 스크린을 이용하여 인쇄되는 상의 두께가 두껍기 때문에 잉크를 경화시키는 공정에서는 높은 광도와 많은 시간을 필요로 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존 반도체 공정에 쓰이는 박막공정(thin film process)이 가능하지만, 이 기술은 마스크(mask) 제작, 포토 레지스트(photo resist) 도포, 노광(exposure), 현상(developing), 식각(etching) 등과 같은 여러 공정을 거치고 고가 장비를 사용해야 한다는 문제점이 존재하며 이런 공정들은 기본적으로 산화력이 높은 화학제인 에칭액을 사용하기 때문에 인체와 자연에 유해한 공정이라는 환경적인 문제점을 본질적으로 해결할 수 없다.

상술한 바와 같이, 화학적 식각에 의한 인체 유해물질 및 산업 폐기물 발생, 제한적인 정밀도의 인쇄 패턴 형성, 공정의 복잡함으로 인한 낮은 생산성 등의 문제점을 갖는 기존의 회로 패터닝 방법에 대한 대안적인 기술로서, 최근에 직접쓰기 기술(direct write technology)이 주목받고 있다. 즉, 도 1에서와 같이 기존의 기 술이 여러 공정을 거쳐 표면에 패턴 형상을 구현하는 반면, 직접쓰기기술은 노즐을 통해 분무된 입자들을 기판에 직접 부착시켜 패턴하고자 하는 형상을 구현하는 기술이다. 따라서 기존의 기술에 비해 시간과 경비를 절약할 수 있으며 표면처리를 위한 화학제를 사용하지 않으므로 친환경적이라 할 수 있으며 또한 분무를 통하여 원하는 형상을 얻기 때문에 복잡한 구조의 형상을 만드는데 매우 유리하다.

이러한 직접쓰기기술의 하나로서, 잉크젯(ink-jet)을 이용하는 기술이 개시되어 있다.

한국공개특허공보 제1998-0014807호에 개시된 발명은, 잉크를 기판상에 직접 분사시켜 상(象)의 정확성을 향상시키고 미세한 상까지도 인쇄가 가능하도록 개선시킨 인쇄회로기판의 인쇄방법에 관한 것으로서, 분사 인쇄부는 압전체를 사용하여 전기를 가하면 압력이 발생하는 현상을 이용하여 잉크를 분사구를 통해 액적형태로 기판상에 분사하며, 자외선 램프(26)를 이용하여 경화를 수행하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 미국특허공보 제5132248호에는 기능성 재료를 함유하는 액체를 잉크젯에 의해 기재(基材)에 직접 패터닝하는 방법이 검토되고 있으며, 예를 들어, 도전성 미립자를 분산시킨 액체를 잉크젯법에 의해 기판에 직접 패턴 도포하고, 그 후 열처리나 레이저 조사를 행하여 도전막 패턴으로 변환시키는 직접쓰기 잉크젯 시스템이 제안되어 있으며, 그 후 미국특허공보 제6227658호, 제6531191호, 제6599582호 등에서도 잉크젯 방식을 이용하여 패터닝하는 방법들이 제안되어 왔다.

또한, 일본특허공개 제2004-146796호(한국공개특허 제2004-0028536호)에서 는, 기존의 잉크젯법에 의한 패터닝에서, 기판 표면에 적당한 처리를 행하지 않으면 기판 위에서 액체 방울(액체)의 형상, 치수, 위치 등을 제어할 수 없어, 원하는 형상을 갖는 도전막 패턴의 제작이 곤란해짐을 인식하여, 잉크젯법에 의해 형성되는 막 패턴에 단선이나 단락 등의 결함 발생을 억제하는 막 패턴 형성 방법 및 형성 장치를 제공하기 위해서 액체 방울을 토출하기 전에 기판 위에 표면 처리를 행하는 표면 처리 공정을 구비하여 이루어지고, 이러한 표면 처리 공정에 의해, 기판 위의 액체에 대한 접촉각이 설정되는 방법을 개시하고 있다.

한편, 미국특허공보 제6706234호에서는, 타겟 표면에 소정의 형상으로 패터닝하는 직접쓰기기술이 제안되어 있는데, 여기서 노즐을 통하여 분사되어 증착된 분극화 가능한 재료에 솔벤트 제거공정동안 고전압을 인가하여 증착된 재료를 분극화시키는 것을 그 특징으로 하고 있다.

그러나, 상술된 공보 등에 기재된 잉크젯 또는 노즐관련 기술들은,

(1) 패터닝 라인의 크기 즉 배선밀도(interconnection density)와,

(2) 패터닝 라인의 추종성 즉 단선과 단락 방지, 및

(3) 원하는 위치로의 부착 즉 위치오차(position error) 방지 측면을 모두 만족시키기에는 한계가 있으며, 이러한 잉크젯 방식의 기술적 한계들을 동시에 극복하기 위하여 본원발명은 전기-수력학적 분무(electrohydrodynamic) 방식을 채택하고 있다. 본 출원인이 잉크젯 방식에 비하여 전기-수력학적 분무방식을 채택한 이유에 대하여는 일반적인 전기-수력학적 분무 원리에 대하여 간략히 살펴본 후에 서술하기로 한다.

전기-수력학적 분무는 기존의 분무 방식에 비해 미세한 액적의 분무가 가능하고 단분산으로 이루어진 입자 분무가 가능하며 표면 부착성이 우수한 분무 방식이다. 정전 분무 방식은 고전압을 전도성 모세관에 인가하여 대상 유체가 접지쪽으로 분무되는 일련의 과정을 의미한다. 즉 정전 분무란 액체의 전도성을 이용하여 단극성 대전 액체를 만들고 전위차에 의해 형성된 전기장에 의해 분무되는 원리이다.

도 2는 전위차 또는 전기장 하에서 유량의 변화에 의해 발생하는 여러가지 모드를 나타낸다. 전기장이 없는 경우(상태 ①) 노즐 출구의 궤면적에서는 정수력학적인 압력과 모세 압력의 평형이 형성되지만 전기장이 있는 경우(상태 ②)는 궤면상의 표면 전하에 의한 정전기적 압력이 추가되며 일반적인 적하모드에 의해 발생되는 액적의 크기보다 작은 액적이 발생하게 된다. 이러한 궤면 상의 안정된 압력 평형 상태를 지나 궤면 상의 전위가 임계전위 이상으로 커지게 되면 축 상에서 액주의 형태로 유체기둥이 분출되며 이 유체는 대전되어 있으므로 분출된 만큼에 해당하는 전하의 손실을 보상하기 위해서 전도 전류가 흐르게 된다. 이때 상태 ③은 상당히 안정된 상태로 원뿔형 액주 모드(cone-jet mode)라 불리며 다른 모드에 비해 액적의 크기 분포가 단분산(monodisperse)에 가까운 분무를 한다. 상태 ④는 불안정 원뿔형 액주 모드로 외부 전기장 또는 공급 유량의 불안정성으로 발생하게 된다. 상태 ⑤는 매우 높은 전압 상태에서 발생하는 모드로 노즐 부근에서 원뿔형태가 없어지고 분무 물질이 여러 개의 제트 상태로 나누어져 분무되며 액적에 가해지는 큰 자기장으로 인한 대전현상으로 액적 표면에 몰렸던 전하들간의 강한 쿨롱 반발력으로 인하여 액체가 미립화되는 스프레이 모드가 발생하게 된다.

즉, 정전 분무에 있어서는 인가되는 전압의 크기에 따라 분무되는 형태가 변화되어, 적하모드, 마이크로 적하모드, 원뿔형 액주모드, 불안정 액주모드, 스프레이모드 등과 같은 일련의 분무모드를 제어할 수 있게 된다. 이러한 분무모드는 그 용도에 따라 다양하게 응용이 가능하게 된다.

이러한 전기-수력학적 분무의 원리에서 알 수 있듯이, 잉크젯 분사에 비하여 전기-수력학적 분무방식은, 기본적으로 전압의 제어 및 접지형상의 변화에 따라 다양한 형태의 단분산 입자를 생성시키는 분무형태를 얻을 수 있으며, 특히 원뿔형 액주모드를 이용할 경우 미세하면서도 단락없이 원하는 위치에 소정의 형상 패터닝이 가능한 장점이 있다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 전기-수력학적 분무방식은 미세 패터닝 가능측면에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 즉, 기존의 잉크젯 분사의 경우 도 3 (a)에서 확인되는 바와 같이 노즐의 크기가 발생되는 액적의 크기에 미치는 영향이 절대적이며 발생되는 액적의 크기는 노즐 크기의 약 2배 정도(d=1.89D₀; d는 액적직경이며, D₀는 노즐직경을 의미함)로 형성된다. 따라서 미세한 액적을 분무하기 위해서는 노즐의 크기가 그만큼 작아져야 한다. 하지만 만약 인쇄회로기판을 제조하기 위해 금속, 폴리머, 세라믹 입자를 작은 크기의 노즐을 이용해 분무할 경우 노즐 출구에서 노즐막힘 현상이 발생할 수 있어 노즐 크기를 줄이는 것에 한계가 존재하며 따라서 발생되는 액적의 크기를 줄이는데 한계가 존재한다. 이에 비해, 전기-수력학 적 분무방식은 도 3 (b)에서 확인되는 바와 같이 전기적인 힘을 추가로 이용하기 때문에 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있다. 또한 도 3 (b)에서 확인되는 바와 같이 원뿔형 액주모드의 경우 발생되는 액적의 크기는 노즐의 크기에 의해 좌우되기 보다 액주의 직경(D_j)에 따라 좌우되며 이 액주의 직경은 분무되는 물질의 전기전도도(K)와 유량(Q)에 따라 변하므로 물질의 물성치와 유량 조절을 통해 액주의 직경을 줄일 수 있다. 즉, 노즐 출구의 크기에는 무관하게 액주의 크기를 제어할 수 있으므로, 노즐출구의 막힘현상 없이 미세한 크기의 액주를 형성하여 패터닝할 수 있게 된다.

다음, 도 4에 도시된 바와 같이 전기-수력학적 분무방식은 패터닝 라인의 추종성 즉 '단선과 단락 방지 측면'과, 원하는 위치로의 부착 즉 '위치오차 방지 측면'에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 도 4 (a)에 도시된 잉크젯 분사의 경우 작은 크기의 노즐에서 작은 액적을 발생시키더라도 발생된 액적들은 브라운 운동(Brownian motion) 등에 의한 영향으로 원하는 위치에 정확하게 부착되지 못하는 위치 오차가 발생하게 된다. 즉, 서브 마이크론 이하의 액적을 적하모드(drop-by-drop mode)로 분사할 경우 브라운 운동 등에 의하여 일단 액적의 분무궤도 중심축으로부터 벗어난 액적들은 원래의 중심위치로 다시 돌아올 수 없어 위치오차가 발생될 수 밖에 없다. 이에 비하여 도 4 (b)에 도시된 전기-수력학적 분무에 있어서의 인택트 젯(intact jet)의 경우, 액적들이 연결되어 있는 액주형태이기 때문에액주가 외부 힘의 영향으로 인해 중심축으로부터 벗어나도 액주자체가 가지고 있는 표면 장력에 의해 중심축을 따라 정렬하려는 경향을 가지게 되어 필라멘트의 변형이 방지될 수 있어, 원하는 위치에 정확하게 젯이 도달할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 근본적으로 해결할 수 있도록 고안된 것으로서, 정전 분무를 이용해 금속 등의 입자를 포함하는 용액을 기판에 직접 분사하여 회로를 패터닝함으로써, 화학적 에칭이 필요없어 인체 유해물질 및 산업 폐기물 발생을 방지하고 공정의 단순화로 인하여 높은 생산성을 달성할 수 있으며, 접지의 형상을 변화시켜 현재보다 정밀도를 향상시킨 인쇄회로기판을 구현할 수 있으며, 또한 기존의 잉크젯 분사기술과 달리 전압의 제어 및 접지 형상 변화를 이용해 다양한 형태의 단분산 입자를 생성하고 그 입자를 이용하여 다양한 처리, 즉 표면 코팅과 회로 라인 패터닝이 가능하게 함과 동시에, 특히 원뿔형 액주모드를 이용할 경우 회로 선폭을 대폭 줄이면서도 단락없이 원하는 위치에 패터닝하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본원발명은, 입자상 물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐로부터 이격된 거리에 접지전극를 제공하는 단계; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 기판을 위치시키는 단계; 상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때, 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키는 단계; 및 상기 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 부착시키는 단계를 포함하는 방법으로 기판상에 입자상 물질을 패터닝 한다.

또한, 본원발명은, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 패터닝 장치로서, 입자상 물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐; 상기 노즐로부터 이격된 거리에 위치하는 접지전극; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치를 포함하고, 상기 용액이 분무될 때 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원발명은 접지전극을 핀형상, 중공식 원형상, 다중 와이어 형상 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 또는 판형과 핀형의 두가지로 구성하여 상기 판형 및 핀형 접지전극이 서로 변환될 수 있는 구성으로 하여 본원발명의 목적을 달성할 수 있도록 하고 있다.

이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도 면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

실시예 1

도 5는 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서의 미세 회로 패터닝을 위한 정전 분무 장치를 나타낸다.

본 장치는 노즐(3)로 일정한 유량의 액체를 공급하기 위한 액체공급부, 노즐(3)에 소정의 전압을 공급하여 원하는 전기-수력학적 분무 모드를 구현시키는 전압공급부, 기판(1)을 유지하면서 입력된 형상대로 회로를 패터닝하기 위하여 기판(1)을 이동시키는 정밀이동 스테이지부, 및 정밀이동 스테이지부의 위치 및 이동속도를 제어하기 위한 제어부로 구성된다. 상기 장치는, 클래스 100(0.5mm 기준)의 청정공간(cleanbooth)의 환경내에 배치된다.

먼저 본 실시예에 사용된 기판(1)은 PCB용 기판인 FR4와 fPCB(flexible printed circuit board)용 Kepton 필름을 사용하였다.

액체공급부는, 분무하고자 하는 금속, 세라믹, 폴리머 등으로 이루어진 물질을 0.1㎕/min까지의 유량으로 자유롭게 조절할 수 있는 실린지 펌프(5)와, 상기 실린지 펌프(5)로부터 공급되며 이러한 물질이 포함된 액체를 기판상으로 분무하는 노즐(3)로 이루어진다. 정전 분무를 위한 노즐(3)은 금속 재질로서 내경이 0.92 mm, 외경이 1.28 mm의 치수를 갖는다.

전압공급부는, 노즐과 접지를 포함하는 전극 및 상기 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치(4)를 포함한다. 접지전극(6)은 상기 노즐(3)과 같은 형상 및 크기로 도 5와 같이 5 mm 아래 노즐 고정 스테이지를 이용해 고정시켰다. 즉, 접지전극 (6)의 형상은 결국 핀 대 핀(pin-to-pin) 전극타입이 된다. 이러한 핀 대 핀 전극타입은 특히 원뿔형 액주모드에서의 액주가 액적으로 분열되지 않고 액주 자체로서 기판에 부착될 수 있는, 즉 인택트 젯(intact jet)을 이용할 수 있는 최적의 전극 타입이 된다. 노즐과 접지는 15 kV 이상의 전압을 공급할 수 있는 전원공급장치(4)와 연결된다.

본 실시예에서는 은(silver) 물질을 분무하기 위해 나노은(입경: 20 nm 이하)을 물에 섞어 분산시켰으며 이때 나노은의 농도는 10 %이하이다. 그리고 이때 전기 전도도는 요오드화 나트륨(NaI)과 에탄올을 물질에 추가하여 조절하였고 혼합물의 점도는 글리세롤(glycerol)을 이용해 조절하였다. 혼합된 물질의 물성치들은 표 1에 나타나 있고, 이들은 다양한 측정 장비들을 이용해 측정할 수 있다.

밀도(㎏/㎥)	점도(m㎩ s)	표면장력(N/m)	전기전도도(S/m)	비유전률
1300	690	0.063	3.96×10-4	42.5

전도 전도계수는 전기 전도계(F-54, Horiba)를 이용해 측정하였으며 점도는 진동식 점도계(SV-10, AND)를 이용해 측정하였다. 그리고 혼합물의 밀도는 일정량의 질량과 이때 부피를 측정하여 계산하였다. 표면 장력은 듀 누이 방법(Du Novy method)을 이용해 측정하였고 유전율은 두개의 실리콘 기판에 금속을 증착시키고 그 사이에 물질을 넣어 RLC미터를 이용해 캐퍼시턴스을 측정한 후 환산하였다. 최종적으로 완성된 나노 은 혼합 물질은 실린지 펌프(kds-100, KD Scientific Inc.)를 이용해 일정한 유량으로 노즐로 공급하였다.

제어부의 명령에 따라 물질을 패터닝시키기 위한 정밀이동 스테이지부는 리니어 모터(미도시)와 x-y 두 축의 스테이지(2)로 구성되어 있다. 스테이지는 노즐핀과 접지핀 사이에서 이동될 수 있도록 위치되며, 리니어 모터와 스테이지는 최대 100 mm로 이동이 가능하며 이동 중에 발생하는 반복 이동 오차는 5 ㎛ 이하이다

제어부는 스테이지(2)를 원하는 위치에 이동시키고 속도를 제어할 수 있는 장치이다.

상기 전기-수력학적 분무장치를 이용한 인쇄회로기판에서의 미세 회로 패터닝 구현방법은 다음과 같다.

먼저 패터닝될 금속을 포함하는 혼합물질을 실린지 펌프(5)를 이용해 일정하게 노즐(3)로 분무시킨 후 그 분무형태가 원뿔형 모드가 되도록 노즐에 전압를 인가하고 이때 인택트 젯을 형성시킬 수 있는 안정적인 원뿔형 모드가 구현되는 조건을 확인하여야 한다.

일반적으로 전기-수력학적 분무에서는 원뿔형 액주 모드의 안정성에 기여하는 두 가지 중요한 변수가 있는데 공급전압과 물질의 공급 유량이다. 도 6은 주어진 유량에서 공급전압을 변화시켰을 때 안정된 원뿔형 액주 모드가 발생되는 영역을 보여주고 있다. 본 실시예에서는 10 ㎕/min ~ 60 ㎕/min 유량 범위에 한정하였다. 이 경우 핀 대 핀 사이 간격은 5mm로 고정하였다. 결과를 보면 유량을 증가시킬수록 안정된 원뿔형 모드를 얻기 위해서 더 높은 공급전압이 필요함을 알 수 있다. 이는 주어진 시간에 더 많은 물질이 실린지 펌프를 통해 공급되므로 낮은 영역에서와 같은 하전량을 만들어주기 위해 더 큰 공급 전압이 필요로 하기 때문에 발 생하는 것이다. 본 실시예에서는 유량과 공급전압을 변화시켜 안정된 원뿔형 액주 모드를 구현하였고, 도 6과 같이 10 ㎕/min의 유량에서 약 4~8 kV 영역에서 안정된 원뿔형 액주 모드가 구현되는 것을 확인하였다.

그 후, 다음으로 제어부에 미리 입력된 패턴형상에 따라 기판(1)을 유지하고 있는 정밀이동 스테이지부(2)를 이동시킨다. 결국 원뿔형 모드로부터 분무되는 인택트 젯이 전극(6) 사이에 위치하는 기판(1)에 부착되어 원하는 회로 패턴을 형성하게 되고, 신터링(sintering) 공정 등과 같은 후처리 과정은 일반적인 배선 후처리공정과 동일하게 적용될 수도 있다.

도 7은 원뿔형 액주모드에서 발생되는 인택트 젯을 이용하여 기판상에 패터닝한 결과를 나타내며, 도 8은 상기 기판(1)에 형성된 라인 패턴의 선폭(feature size)을 나타낸다. 상기 도면으로부터, 선폭이 약 35 ㎛ 미만이며 선폭의 크기 오차는 현미경(microscopy)을 이용해 측정한 결과 약 5 ㎛ 이하로 그 균일성을 확인할 수 있다.

실시예 2

제 2 실시예는 제 1 실시예의 장치 및 방법과 실질적으로 동일하며, 다만 접지의 형상에 있어서만 차이가 있으므로, 이러한 차이점에 대하여만 기재하기로 한다.

즉, 제 2 실시예에 따른 전기-수력학적 분무 방식에 있어서, 도 9과 같이 인쇄회로기판 제작에 사용되는 접지의 형상은 원형이다.

이러한 원형 접지 전극(7)은 기판(1) 위에 광범위한 부분을 한꺼번에 코팅하 고자 할 때 사용한다. 즉, 원형의 접지 전극을 사용하고 패터닝하면 표면에 전극 부근에서는 두껍고 안쪽으로는 얇은 형태의 불균일한 형태의 패턴을 얻을 수 있다. 특히 원형 형태의 코팅 패턴을 기판 위에 구현하고자 할 때 유용한 접지전극으로 사용될 수 있다.

결국, 하나의 노즐에서 적하모드만을 구현하는 잉크젯 방식과 달리, 접지 전극 형상 변환을 이용해 하나의 노즐에서 그 용도에 따라 다양한 모드를 구현하여 신속하게 소정의 형상의 패터닝 또는 코팅이 가능하게 된다.

실시예 3

제 3 실시예는 상기 실시예의 장치 및 방법과 실질적으로 동일하며, 마찬가지로 다만 접지 전극의 형상 및 배치에 있어서만 차이가 있으므로, 이러한 차이점에 대하여만 기재하기로 한다.

즉, 제 3 실시예에 따른 전기-수력학적 분무 방식에 있어서, 도 10과 같이 인쇄회로기판 제작에 사용되는 접지 전극의 형상은 다중 와이어형이다.

금속으로 만들어진 다중 와이어형 접지 전극(8)은 규칙적이고 반복적으로 구성된 라인 형태를 기판(1) 위에 구현할 때 사용한다. 이때 와이어형 접지 전극은 기판의 하부에 바로 부착시킨 상태에서 전압공급장치를 연결하여 사용한다.

결국, 복수의 라인 형상의 패턴을 구현하고자 할 경우, 신속한 공정을 구현함과 동시에 타겟 위치 오차를 줄일 수 있게 된다.

실시예 4

제 4 실시예는 상기 실시예의 장치 및 방법과 실질적으로 동일하며, 마찬가 지로 다만 접지 전극의 형상 및 배치에 있어서만 차이가 있으므로, 이러한 차이점에 대하여만 기재하기로 한다.

즉, 제 3 실시예에 따른 전기-수력학적 분무 방식에 있어서, 도 11과 같이 인쇄회로기판 제작에 사용되는 접지 전극은 변환형 접지 전극의 형상을 포함한다.

본 실시예에 사용되는 변환형 접지 전극(9)의 형상은 판형(plate type, 10)과 핀형(11)의 두가지로 구성되어 있으며, 상기 접지 전극은 기판(1)상에 여러 물질을 적층할 때 사용하는 것이다. 즉, 표면에 얇은 코팅을 하고자 할 때는 판형의 전극을 사용하고 라인을 구현하고자 할 때는 핀형 전극으로 변환시켜 사용한다. 예를 들어 기판에 캐퍼시턴스를 구현하고자 할 때 세라믹 물질을 판형의 전극을 이용해 표면에 코팅하고 전극을 핀형으로 변환시킨 후 위에 라인을 구현하고 다시 위에 세라믹 물질을 판형의 전극을 이용해 코팅함으로써 인쇄회로 기판 위에 캐퍼시턴스를 구현할 수 있다.

결국, 하나의 장치상에서 접지 전극의 형상만을 변경함으로써 다양한 전기-수력학적 분무 모드를 변화시켜 인쇄회로기판의 제조가 가능하게 된다.

금속, 세라믹, 폴리머 등의 물질을 노즐을 통해 분무하여 인쇄기판 회로를 제조할 경우 발생되는 액적의 크기를 줄이고 발생된 액적을 원하는 위치에 오차없이 부착시켜야 한다. 이는 최근 시장에서 요구되고 있는 작은 선폭과 높은 밀도의 실장 능력의 인쇄회로기판을 요구하고 있기 때문이다. 기존의 미세한 액적을 얻기 위한 노즐의 경우 수력학적인 힘만을 고려할 경우 노즐의 크기가 액적의 크기에 미 치는 영향이 절대적이며 발생되는 액적의 크기는 노즐 크기에 약 2배 정도로 형성 된다. 따라서 미세한 액적을 분무하기 위해서는 노즐의 크기가 그만큼 작아져야 한다. 하지만 너무 작은 크기를 가진 노즐을 이용할 경우 노즐 출구에서 노즐막힘 현상이 발생할 수 있어 노즐 크기를 줄이는 것에 한계가 존재한다.

또한 기존의 잉크젯 방식의 경우 표면에 선폭을 줄이기 위해 분사되는 액적의 크기를 줄여야 하는데, 이 경우 작은 액적들이 공기 중에서 브라운 운동 등에 의한 영향으로 표면에 소정의 정확한 위치에 부착되지 못하는 위치 오차가 발생되게 된다.

그러나, 본원발명과 같이 전기-수력학적 분무방식을 이용할 경우 전기적인 힘을 추가로 이용하기 때문에 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 또한 작은 크기의 액적을 원하는 곳에 위치 오차 없이 부착시킬 수 있다.

또한 본원발명과 같이 전기-수력학적 분무방식을 이용할 경우 표면에 전극의 형상을 원하고자 하는 패턴의 형태에 따라 다양하게 변화 시킬 수 있어 위치오차를 감소시킬 수 있으며, 하나의 노즐에서 적하모드만을 구현하는 잉크젯 방식과 달리 전극 형상 변환을 이용해 하나의 노즐에서 스프레이, 적하 모드 등을 다양하게 구현할 수 있다.

Claims (11)

1. 기판상에 입자상 물질을 패터닝하는 방법에 있어서,

   상기 입자상 물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐로부터 이격된 거리에 접지전극를 제공하는 단계;

   상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 상기 기판을 위치시키는 단계;

   상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때, 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키는 단계; 및

   상기 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 부착시키는 단계를 포함하는 패터닝 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 접지전극을 핀형상으로 제공하는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 접지전극을 중공식 원형상으로 제공하는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 접지전극을 다중 와이어 형상으로 제공하는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 접지전극을 판형과 핀형의 두가지로 구성하여, 상기 판형 및 핀형 접지전극은 서로 변환될 수 있는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
6. 기판상에 입자상 물질을 패터닝하는 패터닝 장치에 있어서,

   상기 입자상 물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐;

   상기 노즐로부터 이격된 거리에 위치하는 접지전극;

   상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및

   상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치를 포함하고,

   상기 용액이 분무될 때 상기 전원공급장치로부터 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 접지전극은 핀형상인 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 접지전극은 중공식 원형상인 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 접지전극은 다중 와이어 형상인 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
10. 제6항에 있어서,

    상기 접지전극은 판형 및 핀형을 포함하도록 구성되어, 상기 판형 및 핀형 접지전극은 서로 변환될 수 있는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
11. 인쇄회로기판에 있어서,

    제1항 내지 제5항에 기재된 패터닝 방법에 의하여 패터닝된 인쇄회로기판.

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