KR20070113849A - 기판 고정척 및 기판 척킹 방법, 그리고 이를 이용한평판표시장치 제조용 기판 합착기 - Google Patents

기판 고정척 및 기판 척킹 방법, 그리고 이를 이용한평판표시장치 제조용 기판 합착기 Download PDF

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KR20070113849A
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심석희
조현우
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Abstract

본 발명은 정전기력을 사용하지 않고, 나노 가공된(nanofabricated) 극미세 구조의 인공 강모에 의한 반데르발스 힘(Van der waals Force)을 응용하여 진공상태에서 글래스 기판을 척킹할 수 있는 반도체 및 평판표시장치 제조용 기판 고정척 및 기판 척킹 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 정전기력을 사용하지 않고, 나노 가공된 극미세 구조의 인공 강모에 의한 반데르발스 힘을 응용하여 진공상태에서 글래스 기판을 척킹하여 엘시디등 평판표시장치의 글래스 기판을 합착시키는데 알맞은 합착기를 제공하기 위한 것이다.
기판, 고정척, 척킹, 평판, 합착기

Description

기판 고정척 및 기판 척킹 방법, 그리고 이를 이용한 평판표시장치 제조용 기판 합착기{Substrate holding chuck and Method for chucking the same, and Apparatus for bonding substrates in fabrication of Flat Type Display}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 사시도
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 사시도
도 6은 본 발명의 기판 척킹 방법에 의한 기판 척킹 및 디척킹 순서를 보여주는 흐름도
도 7은 본 발명의 기판 척킹 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도
도 8은 본 발명의 제6실시예로서, 기판 고정척이 적용된 합착기의 구조를 나타낸 개략도
도 9는 도마뱀붙이의 발바닥에 나있는 강모(setae) 구조를 전자현미경으로 촬영한 참고 사진
도 10은 도 9의 강모 끝부분의 주걱 모양의 술에 대한 확대 사진
도 11 및 도 12는 전자현미경으로 촬영한 인공 강모 구조를 보여주는 참고 사진
도 13은 반데르발스 반지름과 분자간의 상호 작용력과의 관계를 보여주는 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1,1a,1b:고정척 2:베이스
3:강모 4:히터
210:상부챔버유닛 220:하부챔버유닛
230:제1기판 고정척 240:제2기판 고정척
본 발명은 LCD 기판 고정용 척(Chuck)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 및 LCD 제조장비의 진공챔버 내부에 설치되어 기판(Glass 또는 Wafer)을 고정시키는 척에 관한 것이다.
최근 들어 LCD 모니터, 노트북, PDA, LCD TV 등 평판 Display 시장은 급속히 성장하고 있다. 이러한 응용 분야에 TFT LCD(Thin Film Transistor LCD)가 가장 많이 이용되고 있다.
그중, 액정표시장치(LCD)는 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있다. 상기 액정패널은 일정 공간을 갖고 합착된 TFT 어레이 기판 및 칼라필터 기판, 그리고 상기 각 기판 사이 에 형성된 액정층으로 구성된다.
그리고, 종래에는 상기 TFT 어레이 기판과 칼라필터 기판을 합착시킨 다음, 그 사이의 공간에 액정을 주입하는 방식으로 액정패널을 제작하였으나, 이 방식은 액정 주입에 시간이 많이 소요되고, 대화면 추세에 따른 글래스 기판의 대형화에 적합하지 않은 문제가 있었다.
따라서, 최근에는 액정표시장치의 어느 하나의 기판에 씰런트(sealant)를 도포하고 그 내부 영역에 액정을 적하(drop)한 후, 다른 하나의 기판을 상기 액정 및 씰런트가 도포된 기판 상부에 위치시켜 진공 분위기에서 두 기판을 합착시키게 되는 액정 적하 방식이 채용되고 있다.
한편, 정전척(ESC : Electrostatic Chuck)은 상기한 글래스 기판 합착뿐만 아니라 반도체 공정에도 널리 적용되며, 반도체 및 LCD 제조 장비(Etcher, CVD, PVD, 합착기)의 진공챔버 내부에 기판(글래스 또는 웨이퍼)이 놓이는 곳에 적용되어 정전기의 힘만으로 기판을 고정시키는 소모성 핵심 부품이다.
이 정전척은 일본 TEL(Tokyo Electron)社에서 TFT-LCD 공정용 정전척을 개발해 자사의 Etcher/Asher 장비에 장착하여 국내에서는 삼성전자가 L3 라인부터 사용 중에 있으며, LG-Philips LCD(주)에서는 5세대 TFT-LCD 라인에 사용 중이다. 반도체 공정용 ESC는 국내에서 일부 회사가 개발을 시도하였으나, TFT-LCD 공정용 ESC는 사이즈(Size)의 대형화로 인한 고가의 개발비 및 신뢰성의 문제로 개발을 시도한 회사가 전무한 상황이었으나, 국내에서도 2004년 말에 5세대용 트렌치 타입(Trench Type) 정전척의 개발이 완료되었으며, 7세대용 엠보스 타입(Emboss Type) 도 최근 개발이 완료되어가는 상황이다.
5세대까지의 하부 전극의 경우 ESC의 도입이 공정 최적화에 있어 선택 조건이었으나, 6세대 7세대를 지나면서 글래스 기판의 대형화에 따라 정전척의 도입은 필수불가결한 조건이 되었다.
LCD 제조 공정 중 건식 식각 공정에 사용되는 부품은 상당 부분 국산화가 진행되어 있으나, LCD용 대형 정전척은 최근까지만 해도 일본 TEL社등 일본의 소수 기업에서 독점적으로 제조, 공급함으로써 가격이 고가여서, 국내 LCD 업계(삼성, LG필립스LCD, BOE Hydis)로의 유연한 부품 수급 등이 문제점으로 대두되었으나, 국내에서의 LCD용 대형 정전척의 잇단 개발 성공에 따라 이러한 문제점들은 머지않아 해결될 것으로 기대된다.
정전척(ESC; Electro Static Chuck)은 전술한 바와 같이 정전기를 이용하여 물체를 흡착하는 플레이트를 말하는 것으로, 정전척은 인가된 전압에 의하여 대상물에 상대 전위를 만들어 대상물을 고정시키는 것을 그 원리로 하는데, 정전척에 '+', '-'를 인가시키면 대상물에는 반대의 전위가 대전('-', '+')되며, 이렇게 대전된 전위에 의하여 서로 끌어당기는 힘이 발생하게 되는 것이다.
그리고, 정전척은 모재의 정밀 가공 기술 및 표면처리 기술, 전기적 특성과 직결되는 전극막의 설계 기술, 용사 코팅에 선행되는 전처리 기술 및 다종의 분말에 대한 안정적인 용사 코팅 기술 등이 완벽하게 베풀어져야 최종 제품이 나오게 된다.
그리고, 제품 제조 과정에는 정밀가공을 비롯해 애노다이징(Anodizing) 오트 비드 블래스팅(Auto Bead Blasting), 플라즈마 스프레이 코팅(Plasma Spray Coating)에 이르는 많은 공정 및 이에 따른 철저한 공정 관리가 필요로 한다.
정전척의 핵심 기능의 최종 판단은 건식 식각(Dry Etch) 양산공정에서 결정되는 것으로, LCD 제조용 Dry Etcher에 적용될 최상의 품질을 갖춘 정전척(ESC)의 국산화가 필수불가결한 조건으로 대두되고 있는 실정이다.
그러나, 이와 같은 정전척은 상기한 바와 같은 기술적 진보 및, 제품 개발에도 불구하고 다음과 같은 여러 가지 문제점 및 한계를 내포하고 있다.
첫째, 정전척은 직류전원을 유전체에 인가하여 정전기를 발생시키고 이 정전기의 힘으로 진공상태에서 글래스 기판을 흡착하는 것으로서, 잔류 정전기에 의해 글래스 기판에 얼룩이 발생하는 문제점이 있다.
참고로, 정전척의 사용시, 글래스 기판에 얼룩이 발생하는 것은, 잔류 정전기 때문인데, 이러한 얼룩은 밝기 등 화면 특성에 악영향을 미치게 된다.
둘째, 정전척의 제조 비용이 고가이다.
셋째, 글래스 기판이 깨지거나 하여 발생하는 파티클로 인해 정전척에 코팅된 폴리이미드 필름이 쉽게 찢어지는 등 파손이 일어나게 되며, 이 경우 전극에서 쇼트가 발생되어 전극이 손상되는등 많은 문제점이 있다.
네째, 이 정전척(ESC)을 교체할 경우, 정전척이 고가여서 교체를 위해서는 많은 비용이 소요되는 문제가 있다
따라서, LCD 화면을 구성할 글래스 기판에 얼룩이 발생하지 않으면서도 저비용으로 진공상태에서 글래스 기판을 척킹(chucking)할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기존 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 정전기력을 사용하지 않고 나노 가공된(nanofabricated) 극미세 구조의 인공 강모에 의한 반데르발스 힘(Van der waals Force)을 응용하여 진공상태에서 글래스 기판을 척킹할 수 있는 반도체 및 평판표시장치 제조용 기판 고정척 및 기판 척킹 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명은 정전기력을 사용하지 않고, 나노 가공된(nanofabricated) 극미세 구조의 인공 강모에 의한 반데르발스 힘을 응용하여 진공상태에서 글래스 기판을 척킹하여 엘시디등 평판표시장치의 글래스 기판을 합착시키는데 알맞은 합착기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 베이스와; 상기 베이스의 일면에 형성되어, 분자간 작용력인 반데르발스 힘(Van der waals Force)에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모들;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기판 고정척이 제공된다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 구름판과; 상기 구름판 상면을 따라 좌우 방향으로 구름운동 가능하도록 설치되는 복수개의 휠(wheel)과; 상기 휠에 구동력을 부여하는 모터와; 상기 휠의 구름판 상에서의 위치에 따라 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹 혹은 디척킹하도록 상 기 휠 표면의 원주방향을 따라 소정 영역에 형성되는 극미세 구조의 강모(剛毛; setae)들;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기판 고정척이 제공된다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 좌우 양측에 설치되어 직선운동하면서 서로 접근하거나 이격되는 원통형 고정휠과; 상기 양측 고정휠을 직선운동시키는 구동원과; 상기 양측 고정휠에 각 단부에 고정되는 벨트와; 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹할 수 있도록 벨트 표면에 형성되는 극미세 구조의 강모(剛毛; setae)들;을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 고정척이 제공된다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 제공된 고정척 상부에 기판을 수직방향으로 이격되게 위치시키는 단계와; 상기 기판과 고정척이 접근하도록 상대운동시켜 기판을 고정척에 접촉시키는 단계와; 상기 기판과 고정척의 강모들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의한 결합력이 발생하여 기판에 대한 척킹이 이루어지는 단계와; 상기 기판과 고정척의 위치 변위에 의해 반데르발스 힘에 의한 척킹력이 해소되도록 하는 디척킹 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 척킹 방법이 제공된다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 제공된 고정척 상부에 기판을 수직방향으로 이격되게 위치시키는 단계와; 상기 기판과 고정척이 접근하도록 상대운동시켜 기판을 고정척에 접촉시키는 단계와; 상기 기판과 베이스의 강모들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의한 결합력이 발생하여 기판에 대한 척킹이 이루어지는 단계와; 상기 기판 또는 고정척의 온도를 변화시켜 강모들과 기판 간의 반데드발스 힘에 의한 결합력이 해소되도록 하는 디척킹 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 척킹 방법이 제공된다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 진공 분위기 형성이 가능한 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 구비되며 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제1기판 고정척과; 상기 제1기판 고정척으로부터 이격 설치되며 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제2기판 고정척;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예들에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 13을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용된 용어들에 대해 정의하기로 한다.
본 명세서에 언급된 "나노 가공된" 이라는 용어는 전형적으로 마이크론 스케일 이하에서 작동하는 요소를 갖는 소재(materials)의 생산에 관련된 것으로서, 이 용어는 나노리소그래피(nanolithography), 이온 에칭(ion etching), 레이저 나노머시닝(laser nanomachining), 나노임프린팅(nanoimprinting), 분자 자기-조립(molecular self-assembly), 전자-빔 리소그래피(electron-beam lithography), 및 나노기술분야에서 이미 알려진 기타의 가공 프로세스들과 관련되어 있다.
그리고, 본 명세서에 사용된 "강모(setae; seta의 복수형으로서 bristle에 해당하는 라틴어)" 이라는 용어는 도마뱀붙이의 발바닥에서 발견되는 그런 짧은 털 또는 짧은 털 모양의 구조를 언급하는 것으로서, 모조 도마뱀붙이 털 또는 유사한 기능을 달성하는 다른 인공적으로 만든 구조물들을 뜻한다.
본 명세서에 언급된 "술(fringe)"이라는 용어는 강모의 끝에서 연장된 구조물들로서, 강모의 자루에 비해 더 미세하게 가늘어진다. 자연적인 술(fringe)의 예로서는 도마뱀붙이 발바닥의 강모로부터 연장되는 미세 주걱들을 들 수 있다. 한 가닥의 강모는 1~20개의 술 또는 그 이상의 많은 술을 가질 수 있다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고정척 구조를 나타낸 단면도로서, 본 발명의 제1실시예에 따른기판 고정척(1)은, 베이스(2)와, 상기 베이스(2)의 일면에 형성되어, 분자간 작용력인 반데르발스 힘(도 13 그래프 참조)에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)(剛毛; setae)들을 포함하여 구성된다.
이때 상기 베이스(2)는 평판형태를 이룸이 바람직하며, 승강 가능한 단일 판 형태를 이루게 된다.
한편, 상기 극미세 강모(3)는 탄성을 갖는 재질로서, 실리콘 또는 폴리머로 이루어지며, 기층을 이루는 필름(또는 시트) 표면에 형성되어, 상기 필름(또는 시트) 상태로 상기 베이스(2) 또는 휠 표면에 부착된다.
상기 강모(3)의 끝단부는 다시 여러 가닥으로 갈라져 "술(fringe)"을 가지는 형태를 이룰 수도 있다.
본 실시예의 기판 고정척(1)에는, 상기 베이스(2)와 기판을 기구적 작동에 의해 서로 분리시키는 디척킹수단(dechucking means)이 더 구비된다.
상기 디척킹 수단으로서는, 베이스(2)에 형성된 이젝터용 홀(5)을 관통하여 승강가능하도록 설치되는 이젝터(14: 도 4 참조)가 구비된다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
먼저, 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)들이 제공된 고정척 상부에 기판을 수직방향으로 이격되게 위치시킨다.
이어, 상기 기판과 고정척(1)이 접근하도록 상대운동시켜 기판을 고정척에 접촉시키게 된다.
그리고, 기판에 대해 강모(3)들이 나노미터(namometer) 단위로 근접하면, 상기 기판과 베이스(2)의 강모(3)들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의해 상호 결합력이 발생하여 기판에 대한 척킹이 이루어지게 된다.
상기 고정대상물인 기판은, 반도체 분야의 경우에는 웨이퍼나 단위 칩이 이에 해당하고, LCD등 평판표시장치 분야의 경우에는 글래스 기판등이 이에 해당한다.
한편, 상기 기판과 강모(3) 사이에 작용하는 힘은, 흡착력과 다르며 점착력과도 다르며, 이에 대한 근거는 후술한다(제4실시예의 작용설명에서 자세히 언급함).
그리고, 디척킹 시에는 이젝터(14)가 미도시된 구동수단에 의해 상승하면서 기판을 밀게 됨으로써 기판이 고정척으로부터 분리되는데, 기판이 웨이퍼(wafer)나 단위 반도체 소자(semiconductor device) 혹은 반도체패키지와 같이 그 면적이 작으면 작을수록 유리하다.
[제2실시예]
도 2면을 참조하면, 본 실시예의 고정척(1a)의 구성은 기본적으로 상기한 제1실시예의 구성을 따르되, 상기 베이스(2) 상에 상기 베이스와 기판 중 적어도 일측을 가열 또는 냉각하여 강모(3)들과 기판 간의 분자간 작용력을 조절하여 디척킹이 이루어지도록 하기 위한 온도조절수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 온도조절수단은, 상기 베이스(2) 내부를 관통하여 설치되는 히터(4)와, 상기 베이스(2) 상에 히터(4)와는 별개로 고르게 베이스(2) 내부에 고르게 분포되는 칠러(chiller: 미도시)로 구성된다.
한편, 상기 히터(4)로서는 시즈히터(sheath heater)나 석영관 히터 혹은 카트리지 타입의 히터가 적용될 수 있다.
그리고, 칠러는 냉각수 혹은 냉각가스등의 냉각유체가 흐르는 냉각관일 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
먼저, 본 실시예에 따르면, 고정척(1a)으로 부터의 기판 디척킹시 베이스(2)의 온도를 상승시켜 반데르발스 힘을 감소시킴으로써 기판의 분리가 용이하게 이루어지게 되며, 상기와는 반대로 척킹시에는 베이스(2)의 온도를 낮추어 기판에 대한 척킹이 보다 용이하게 이루어지게 된다.
한편, 본 실시예의 구성은 하기의 실시예들에서도 그대로, 혹은 수정되거나 변형되어 적용가능하며, 설명의 반복을 피하기 위해 하기의 각 실시예들을 설명함에 있어서는 그 설명을 생략한다.
[제3실시예]
도 3을 참조하면, 본 실시예의 고정척(1b) 구성은 기본적으로 상기한 제1실시예의 구성을 따르되, 고정척이 승강 가능한 복수개의 분할판(10b)으로 이루어짐을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
대면적(大面積)인 기판에 대한 디척킹시, 고정척이 분할된 형태가 아니고 단일판 형태를 이루고 있는 경우에는 대면적의 기판을 리프트 핀등 기구적인 동작에 의해 한번에 밀어올려 기판과 고정척의 강모(3) 사이의 분자간 결합력을 해소하기가 힘들 수 있다.
그러므로 본 실시예에서는, 고정척(1b)을 복수개의 분할판(10b) 형태로 구성하고, 이를 개별적으로 제어함으로써 디척킹이 보다 쉽게 이루어지도록 한다.
즉, 본 실시예에 따르면, 작은 면적의 분할판(10b)에 대해 개별적으로 제어가 이루어지게 되는데, 이같이 개별 분할판(10b) 별로 하강 작용이 이루어지게 되면 비교적 작은 기구적 힘으로도 기판으로부터 각 분할판(10b)의 강모(3)를 분리시킬 수 있게 된다.
그리고, 이와 같이 개별적으로 진행되는 분할판(10b)의 하강 작용은 순차적으로 이루어질 수 있으며, 개별 분할판(10b)의 하강 작용이 모여 기판에 대한 완전한 디척킹이 이루어지게 된다.
[제4실시예]
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 고정척은, 구름판(8)과; 상기 구름판(8) 상면을 따라 좌우 방향으로 구름운동 가능하도록 설치되는 복수개의 휠(7)(wheel)과; 상기 휠(7)에 구동력을 부여하는 모터(미도시)와; 상기 휠(7)의 구름판(8) 상에서의 위치에 따라 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹 혹은 디척킹하도록 상기 휠(7) 표면의 원주방향을 따라 소정 영역에 형성되는 극미세 구조의 강모(3)(剛毛; setae)들;을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 휠(7)은 봉상(棒狀)을 이루게 된다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
본 실시예에 따른 휠(7)의 표면에는 원주방향을 따라 소정 영역에는 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)가 형성되고, 그 외측 영역에는 강모가 형성되지 않는다.
즉, 본 실시예의 휠(7)은 강모 형성영역과 강모 비형성영역이 교대로 반복 형성되어 있다.
그리고, 본 실시예에서는 휠(7)에 강모(3)가 형성되어 있으므로, 휠(7)은 기판에 대해 소정의 접촉각을 가지므로 휠(7)의 구름운동시 강모(3)는 소정의 틸트각(β)을 가지게 된다.
이에 따라, 휠(7)의 구름판(8) 상에서의 위치가 도면상 실선 위치에 있는 경우에는 기판이 접촉하게 될 경우에는 휠(7)의 표면에 형성된 강모(3)와 기판간에 작용하는 반데르발스 힘에 의해 기판이 척킹된다.
그리고, 만약 휠(7)이 구름판(8) 상에서 굴러 도면상 점선 위치로 이동하게 되면, 휠(7)과 기판과의 접촉면 상에는 강모가 존재하지 않게 되므로 기판과 고정척 사이에 작용하는 척킹력도 해소된다.
한편, 이와 같이 하여 척킹력이 해소된 후에는, 휠(7)과 휠 사이의 공간상에 설치되는 이젝터(14)가 상승하게 될 경우, 기판은 휠(7) 표면으로부터 이격되어지며, 이 상태에서는 반송로봇이 들어와서 기판을 핸들링할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에서와 같이 휠(7)의 구름운동이 필요한 이유는, 본 발명에 적용된 원리의 모태가 되는 도마뱀붙이의 발바닥 구조에서 비롯된다.
즉, 강모를 가지고 반데르발스 힘에 의해 물체에 매달리는 도마뱀붙이들은 사람이 접착테이프를 벗겨 내듯이 각 강모를 벗겨냄으로써 걸음을 걷는 것으로 드러났기 때문이다.
이에 대한 근거 자료로서, 2003년 10월 11일자 연합뉴스에 따르면, 다음과 같은 과학적 사실이 발표되어 있다.
『최근 미국 버클리소재 캘리포니아 대학의 로버트 J. 풀 교수와 그의 동료들은 도마뱀붙이가 유리같이 반질반질한 표면에 미끄러지지 않고 서있을 수 있는것은 발에 붙어있는 극미세한 1백만-2백만개의 강모(剛毛)와 표면의 분자인력(引力) 때문이라는 연구결과를 영국의 과학잡지 `네이처'에 최근 발표했다.
도마뱀붙이는 진공상태에서뿐만 아니라 주변 공기가 전기적으로 충전됐을 때에도 표면에 달라붙을 수 있기 때문에 표면의 정전기를 이용한다고 설명할 수 없다. 또 발위에 선(線)세포들이 없어 스스로 접착제를 분비한다고도 할 수 없다. 그 래서 과학자들은 새로운 관점에서 이것을 연구하기 시작했다.
그 과정에서 연구팀은 도마뱀붙이의 발이 부드럽지 않다는 사실을 발견했다. 도마뱀붙이의 각 발은 `강모'(剛毛 : seta)로 불리는 50만개의 미세한 털로 감싸 있다. 경우에 따라서는 두 발의 털수가 2백만개에 이르는 것도 있었다. 그리고 각 강모끝에는 최고 1천개의 극미세털(주걱모양임)로 된 술이 달려있었다. 도마뱀붙이에 따라서는 수십억개의 술(fringe)이 달여있어 표면에 거칠거칠한 느낌을 만들어내는 것으로 파악됐다.
연구팀은 한 개의 강모가 표면에 부착됐을 때 파생되는 힘의 강도를 측정한 결과 각 강모위에 걸리는 힘은 미미하지만 축적된 영향은 엄청나다는 것을 발견했다. 따라서 모든 강모가 동시에 표면에 달라붙을 경우 10기압에 버금가는 힘을 갖는 것으로 분석됐다. 즉 한 개의 강모가 한 마리의 개미를 들어올릴 수 있으며 10센트 은화크기의 1백만개의 강모는 45파운드의 어린이를 쉽게 들어올릴 수 있는 것으로 나타났다.
또 도마뱀붙이들은 사람이 접착테이프를 벗겨 내듯이 각 강모를 벗겨냄으로써 걸음을 걷는 것으로 드러났다.
반데르발스의 힘은 네덜란드의 과학자인 반데르발스가 제시한 이론으로 기체, 액체에서뿐만 아니라 고체인 두 물체가 적당한 거리로 가까워지면 중성분자간에 전기적으로 끌어당기는 힘이 생겨나는 것을 말한다.
풀교수는 "분자간(分子間) 힘은 도마뱀붙이의 발의 강모가 표면에 가까워질때 발휘되기 시작했다"면서 "이번 연구결과는 반데르발스의 힘이 이런 도마뱀붙이 의 접착력을 적절히 설명해줌을 보여준다"고 말했다.』
한편, 접착테이프를 벗겨 낼 때의 작동 원리는 하기의 제5실시예에도 그래도 적용되어 있다.
[제5실시예]
도 5를 참조하면, 본 실시예는, 좌우 양측에 설치되어 직선운동하면서 서로 접근하거나 이격되는 원통형 고정휠(11)과; 상기 양측 고정휠(11)을 직선운동시키는 구동원과; 상기 양측 고정휠(11)에 각 단부에 고정되는 벨트(12)와; 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹할 수 있도록 벨트(12) 표면에 형성되는 극미세 구조의 강모(3)(剛毛; setae)들;을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 고정휠(11)은 봉상(棒狀)을 이루게 된다.
한편, 상기 강모(3)는 벨트(12) 표면의 소정 영역(예를 들어, 중간 부위)에는 형성되지 않을 수 있다.
그리고, 상기 고정휠(11)의 이동시 상기 고정휠(11)의 직선운동을 안내하는 가이드(13) 및, 상기 고정휠(11)에 대한 구동력을 부여하는 구동수단(미도시)이 구비됨은 물론이다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
먼저, 좌우측 고정휠(11)이 서로 가장 멀리 위치한 상태에서, 상기 좌우측 고정휠(11)의 원주면상에 각각 일단이 고정된 벨트(12) 상부로 반송로봇에 의해 기판(S)이 위치하게 된다.
이어, 상기 기판(S)이 벨트(12)로 접근하여 벨트(12) 상면의 강모(3)에 접촉 하게 되면, 상기 기판(S)과 고정척의 강모(3)들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의한 결합력이 발생하여 기판(S)에 대한 척킹이 이루어지게 된다.
한편, 디척킹시에는, 고정휠(11)이 접근하는 위치로 직선운동하여 이동하게 되고, 이에 따라 상기 벨트(12)와 기판(S)과의 접촉면적이 줄어들게 된다.
이와 같이 된 후에는, 고정휠(11) 외측 하부의 공간상에 설치되는 이젝터(14)가 상승하게 될 경우, 기판(S)은 휠 표면으로부터 이격되어지며, 이 상태에서는 반송로봇이 들어와서 기판(S)을 핸들링할 수 있게 된다.
특히, 벨트(12) 중앙부에 강모(3)가 형성되지 않은 경우에는, 양측 고정휠(11)이 내측으로 이동하여 최근접 거리에 위치할 경우, 강모(3)와 기판(S)과의 접촉이 없으므로 이젝터(14)에 의한 기판(S)의 분리가 곧바로 이루어질 수 있는 상태가 된다.
한편, 본 실시예에서 고정휠(11)이 이동하는 이유도, 전술한 제4실시예에서와 같이 도마뱀붙이의 발바닥을 떼는 것과 같은 원리에서 비롯된다.
즉, 상기 디척킹을 위한 고정휠(11)의 위치 변화는 상기 기판(S)의 표면에 대해 고정척을 구성하는 벨트(12)에 형성된 강모(3)가 소정 범위의 틸트각(β)을 갖도록 하기 위함이다.
[제6실시예]
도 8은 본 발명의 기판 고정척이 적용된 합착기의 구조를 나타낸 개략도로서, 도면을 참조하면, 본 발명의 기판 합착기는, 진공 분위기 형성이 가능한 진공챔버와; 상기 진공챔버 내에 구비되며 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제1기판 고정척(230)과; 상기 제1기판 고정척으로부터 이격 설치되며 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제2기판 고정척(240);을 포함하여 구성된다.
이때, 제1기판으로는 통상 칼라필터 기판이 사용되고, 제2기판으로는 통상 TFT 어레이 기판이 사용된다.
한편, 상기 진공챔버는 상부챔버유닛(210)과 하부챔버유닛(220)으로 구성되며, 상부챔버유닛에는 제1기판 고정척(230)이 구비되고, 하부챔버유닛에는 제2기판 고정척(240)이 구비된다.
상기 제1기판 고정척과 제2기판 고정척은, 판(板)모양을 이루는 베이스(2)와, 상기 베이스(2)의 일면에 제공되어, 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모(3)들을 포함하여 구성된다(도 1 참조).
그리고, 본 발명의 합착기에는 베이스(2)와 기판을 기구적 작동에 의해 서로 분리시키는 디척킹수단(dechucking means)이 더 구비된다.
그리고, 상기 베이스(2)와 기판 중 적어도 일측을 가열 또는 냉각하여 강모(3)들과 기판 간의 분자간 작용력을 조절하기 위한 온도조절수단이 더 구비된다.
상기 온도조절수단으로서는 전술한 제2실시예의 구성이 적용될 수 있다.
한편, 상기 베이스(2)는 독립적으로 승강 가능한 복수개의 분할판(10b; 도 2참조)으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기에서 극미세 강모(3)는 탄성을 갖는 재질로서, 기층을 이루는 필름 표면에 형성되어, 상기 제1기판 고정척 및 제2기판 고정척 표면에 부착됨이 바람직하다.
또한, 상기 제1기판 고정척(230) 및 제2기판 고정척(240)에는 기판을 진공 흡착하도록 진공력을 인가하기 위한 진공홀(6)이 더 구비될 수 있으며, 본 발명의 합착기에는 상기 제1기판과 제2기판의 합착 위치 정렬을 위한 위치조정수단이 더 구비된다.
한편, 상부챔버유닛를 승강시키는 수단으로서는, 상부챔버 리프트 모터(310)와, 상기 모터에 연결된 구동축(320)과, 상기 구동축에 커플링되어 맞물리는 볼스크류(330)와, 상기 볼스크류의 회전 방향에 따라 승강하는 상부 챔버 리프터(350)가 구비된다.
그리고, 상기 진공챔버에는 챔버가 닫힌 다음에 기판의 위치를 정밀하게 정렬시켜주는 스테이지(231,241)가 구비된다.
그리고, 상부챔버유닛(210) 일측에는 글래스와 글래스 사이의 갭을 조정하기 위한 리니어 액튜에이터(510)가 구비된다.
그리고, 상기에서 본 발명의 합착 장치에는 지면에 고정된 상태로 상기 합착 장치의 외관을 형성하며 여타 각 구성요소를 지지하는 베이스 프레임(100)이 구비된다.
한편, 상기 상부 챔버 유닛(210)과 하부 챔버 유닛(220)에는 각각 저진공챔버가 구비되는데, 이는 상기 상부 챔버 유닛(210)과 하부 챔버 유닛(220)이 서로 결합된 상태에서 그 내부 공간이 진공상태로 될 경우 상기한 각 챔버 유닛(210,220)의 외부가 이루는 대기압과의 기압 차이에 의해 각 스테이지(231,241)가 휠 수 있으며, 특히 그 중앙부분으로 갈수록 휨 정도가 점차 커지기 때문에 상기한 중앙부위의 처짐을 최대한 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
그리고, 광경화 수단은 적어도 어느 한 챔버 유닛(210,220)을 관통하여 장착되며, 각 스테이지(230,240)에 고정되는 기판(도시 생략됨)의 씨일재 도포 영역을 임시 경화하는 역할을 수행한다.
이러한, 광경화 수단은 UV 조사를 수행하는 UV 조사부로 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 각 챔버 유닛(210,220)간 간격 확인을 위한 간격 확인 센서(920)를 더 구비하여 각 기판간의 합착 공정이 진행되는 도중 상부 챔버 유닛(210)의 이동에 대한 오류를 미연에 확인할 수 있도록 한다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 작용은 다음과 같다.
먼저, 컬러필터 글래스 기판을 반송로봇이 반송하여 제1기판 고정척(230)에 부착시키게 되고, TFT 글래스 기판을 로봇이 반송하여 제2기판 고정척(240)에 부착시키게 된다.
즉, 글래스를 받는 장치로서 글래스 리프트 구동부에 의해 리프트 핀(710)이 움직여서 로봇이 들어오면 글래스 기판을 받치고, 로봇이 빠져나가면 이젝터(14)가 하강하여 글래스를 각 고정척(230,240) 위에 안착시키게 된다.
이때, 상기 제1기판 고정척 및 제2기판 고정척에는 각각 강모(3)가 형성되어 있어, 각 기판이 나노미터 단위로 근접시 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하게 된다.
한편, 컬러기판 글래스와 TFT 글래스가 각각 부착되고 나면, 상부챔버유닛(210)이 하강하고, 챔버가 닫혀 밀폐가 된 상태에서 챔버 내부를 진공으로 만들게 된다.
이때, 드라이 펌프(Dry Pump)와 TMP(Turbo Molecular Pump)를 이용하여 챔버 내부를 진공상태로 만들게 되는데, 진공상태가 일정 진공도(약 1Pa)에 도달하게 되면 상부챔버를 움직여서 하부쪽 구동모터가 상부챔버를 움직여서 진공상태에서 정렬을 하게 된다.
이와 같이 하여 상기 미리 도포된 씨일재에 의해 일정 공간을 갖고 두 기판이 합착된다.
그리고, 양 기판의 합착이 끝난 다음에는, 상기 상부 챔버 유닛(210)을 소정의 높이만큼 상승시킨다.
이어, 각 기판이 위치된 공간의 벤트가 수행된다. 즉, N2 가스 등을 상기 공간내에 주입시켜, 상기 공간은 대기압 상태가 된다.
이때, 상기 씨일재에 의해 두 기판이 합착되어 내부 공간이 밀폐되어 있으므로 상기 씨일재로 합착된 각 기판사이의 공간은 진공 상태이며, 각 기판 사이 및 외부와의 기압 차이에 의해 상기 각 기판은 더욱 가압되어 완전한 합착이 이루어진다.
그리고 합착된 기판은 이젝터(14)등의 기구적 작동에 의해 제2기판 고정척으 로부터 디척킹되어 챔버로부터 언로딩된다.
요컨대, 본 발명은 정전기력이 아닌 분자간 인력을 이용해서 진공중에서 글래스를 기판 고정척에 붙이고, 붙인 상태에서 정렬한 다음에, 정렬이 끝나면 공정을 진행하고, 공정 진행이 끝나면 기구적 힘이나 반발력등을 이용해서 글래스를 떨어뜨리는 것을 기술적 특징으로 한다.
한편, 도 9는 도마뱀붙이의 발바닥에 나있는 강모(setae) 구조를 전자현미경으로 촬영한 참고 사진이고, 도 10은 도 9의 강모 끝부분의 주걱 모양의 술에 대한 확대 사진이며, 도 11 및 도 12는 전자현미경으로 촬영한 인공 강모 구조를 보여주는 참고 사진이다.
외국의 스탠퍼드 대학에서 실제 도마뱀붙이 발바닥의 강모와 동일한 모양으로 제작을 해서 전자현미경으로 본 그림으로서, 실리콘으로 만들어졌으며 나노 구조의 털과 같은 역할을 하도록 한 것이다.
그리고, 도 13은 반데르발스 반지름과 분자간의 상호 작용력과의 관계를 보여주는 그래프로서, 반데르발스 힘(Van der waals Force)은 1873년 네덜란드의 과학자 반데르발스가 제시했는데 전기적으로 중성인 두 물체가 매우 가까워질 때 발생하는 인력을 말하며, 분자간의 중심거리가 너무 가까우면 분자간에 반발력이 생기고, 소정의 임계거리를 넘으면 끌어 당기는 인력(引力)이 생기게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한, 여러 가지 다양한 형태로의 변경 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명은, 정전기력을 사용하지 않고, 나노 가공된(nanofabricated) 극미세 구조의 인공 강모에 의한 반데르발스 힘을 응용하여 진공상태에서 각종 기판을 척킹할 수 있게 된다.
따라서, 종래 정전척의 사용시 잔류 정전기로 인해 글래스 기판에 발생하는 얼룩을 해소할 수 있으며, 기판 고정척의 제조 비용을 낮출 수 있다.
그리고, 종래 정전척의 사용시 발생하는 전극 파손을 방지할 수 있으며, 이경우 발생하는 교체 비용도 절감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 전술한 문제점들 없이, 진공상태에서 글래스 기판을 척킹하여 엘시디등 평판표시장치의 글래스 기판을 합착시키는데 알맞은 새로운 구조의 고정척을 갖는 합착기를 제공할 수 있게 된다.

Claims (20)

  1. 베이스와;
    상기 베이스의 일면에 형성되어, 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모(剛毛; setae)들;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스와 기판을 기구적 작동에 의해 서로 분리시키는 디척킹수단(dechucking means)이 더 구비됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스와 기판 중 적어도 일측을 가열 또는 냉각하여 강모들과 기판 간의 분자간 작용력을 조절하여 디척킹이 이루어지도록 하기 위한 온도조절수단이 더 구비됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스는 승강 가능한 복수개의 분할판으로 이루어짐을 특징으로 하는 기판 고정척.
  5. 구름판과;
    상기 구름판 상면을 따라 좌우 방향으로 구름운동 가능하도록 설치되는 복수개의 휠(wheel)과;
    상기 휠에 구동력을 부여하는 모터와;
    상기 휠의 구름판 상에서의 위치에 따라 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹 혹은 디척킹하도록 상기 휠 표면의 원주방향을 따라 소정 영역에 형성되는 극미세 구조의 강모들;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  6. 좌우 양측에 설치되어 직선운동하면서 서로 접근하거나 이격되는 원통형 고정휠과;
    상기 양측 고정휠을 직선운동시키는 구동원과;
    상기 양측 고정휠에 각 단부에 고정되는 벨트와;
    분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹할 수 있도록 벨트 표면에 형성되는 극미세 구조의 강모들;을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 휠 또는 기판 중 적어도 일측을 가열 또는 냉각하여 강모들과 기판 간의 분자간 작용력을 조절하기 위한 온도조절수단이 더 구비됨을 특징으로 하는 기판 고정척.
  8. 제 1 항, 제 5 항, 제 6 항 중 어느 한 항 있어서,
    상기 극미세 강모는 탄성을 갖는 재질로서, 기층을 이루는 필름 표면에 형성되며, 상기 필름 상태로 상기 베이스 또는 휠 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 기판 고정척.
  9. 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 제공된 고정척 상부에 기판을 수직방향으로 이격되게 위치시키는 단계와;
    상기 기판과 고정척이 접근하도록 상대운동시켜 기판을 고정척에 접촉시키는 단계와,
    상기 기판과 고정척의 강모들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의한 결합력이 발생하여 기판에 대한 척킹이 이루어지는 단계와;
    상기 기판과 고정척의 위치 변위에 의해 반데르발스 힘에 의한 척킹력이 해소되도록 하는 디척킹 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 척킹 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 디척킹 단계에서의 위치 변위는,
    상기 기판의 표면에 대해 고정척의 강모가 소정 범위의 틸트각(β)을 갖도록 위치변위가 이루어짐을 특징으로 하는 기판 척킹 방법.
  11. 나노 가공된 극미세 구조의 강모들이 제공된 고정척 상부에 기판을 수직방향으로 이격되게 위치시키는 단계와;
    상기 기판과 고정척이 접근하도록 상대운동시켜 기판을 고정척에 접촉시키는 단계와,
    상기 기판과 베이스의 강모들 사이에 작용하는 반데르발스 힘에 의한 결합력이 발생하여 기판에 대한 척킹이 이루어지는 단계와;
    상기 기판 또는 고정척의 온도를 변화시켜 강모들과 기판 간의 반데드발스 힘에 의한 결합력이 해소되도록 하는 디척킹 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 기판 척킹 방법.
  12. 진공 분위기 형성이 가능한 진공챔버와;
    상기 진공챔버 내에 구비되며 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 극미세 구조의 강모들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제1기판 고정척과;
    상기 제1기판 고정척으로부터 이격 설치되며 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 극미세 구조의 강모들이 기판과 대향하는 표면에 구비된 제2기판 고정척;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1기판 고정척과 제2기판 고정척은,
    판(板)모양을 이루는 베이스와;
    상기 베이스의 일면에 제공되어, 분자간 작용력인 반데르발스 힘에 의해 기판을 척킹하도록 나노 가공된 극미세 구조의 강모들;을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 베이스와 기판을 기구적 작동에 의해 서로 분리시키는 디척킹수단(dechucking means)이 더 구비됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 베이스와 기판 중 적어도 일측을 가열 또는 냉각하여 강모들과 기판 간의 분자간 작용력을 조절하기 위한 온도조절수단이 더 구비됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 베이스는 승강 가능한 복수개의 분할판으로 이루어짐을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 극미세 강모는 탄성을 갖는 재질로서, 기층을 이루는 필름 표면에 형성되어, 상기 제1기판 고정척 및 제2기판 고정척 표면에 부착됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1기판 고정척 및 제2기판 고정척에는 기판을 진공 흡착하도록 진공력을 인가하기 위한 진공홀이 더 구비됨을 특징으로 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1기판과 제2기판의 합착 위치 정렬을 위한 위치조정수단을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 강모는 실리콘 재질을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 합착기.
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