KR20090024771A - 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법 - Google Patents

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에드윈 히라하라
데이비드 엘. 리
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Abstract

일렉트로그래피(EP: electrography)를 이용하여, 기판으로 전자 소자를 인쇄하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 상기 방법은 일반적으로 세 개의 단계를 포함한다. 첫째로, 표면이 제공된다. 예를 들어, 상기 표면은 전자 소자가 인쇄될 기판(가령, 종이, 플라스틱 막 등)일 수 있다. 둘째로, 상기 표면(가령, 기판)은 일련의 EP 인쇄 스테이션을 통과하도록 경로가 정해진다. 각각의 EP 인쇄 스테이션은 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판과, 하나의 표면 지지 구조물(가령, 전이 롤러, 플레이튼 등)의 부분, 또는 전체로 구성되는 것이 일반적이며, 이때, 각각의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판은 대전된 입자로 구성된 양화를 형성한다. 셋째로, 일련의 EP 인쇄 스테이션의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판 상에 형성되는 양화가 표면으로 전이된다. 각각의 양화가 전자 소자를 형성하기 위한 이미지 층을 나타낸다. 따라서 기판으로의 양화의 순차적인 전이에 의해, 기판 상에 전자 소자가 형성된다.

Description

일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MAKING PRINTED ELECTRONIC CIRCUITS USING ELECTROPHOTOGRAPHY}
본 발명은 일반적으로 전자 회로를 인쇄하는 것에 관한 것이며, 더욱 세부적으로, 일렉트로포토그래피(또는, 제로그래피)를 이용하여 인쇄 전자 회로를 생성하는 것에 관한 것이다.
인쇄 전자 기술(Printed electronics)은 종래의 인쇄 회로 보드(printed circuit board) 기술의 확장으로 보여질 수 있다. 인쇄 회로 보드는 와이어링(wiring)을 위한 전도성 금속 경로를 갖는 기판(substrate)을 포함한다. 그 밖의 다른 모든 전자 부품이 개별적으로 제조되어, 인쇄 회로 보드의 기판으로 납땜되거나, 클램핑 고정된다. 최근에는, 반도체 집적 회로가 대부분의 전자 회로 기능을 수행하기 위해 생성된다. 그러나 집적 회로의 생성은, 특수 반도체 기판의 사용을 필요로 하며, 고비용이며, 저-비용 전자 장치를 생산하기에는 비실용적이다. 예를 들어, 집적 회로의 비용은 크게 낮아질 수 없고, 상기 집적 회로가 매우 큰 크기로 생산되지 않는다면 비교적 낮은 비용도 성취될 수 없다.
인쇄 전자 소자(printed electronics)는 이미지를 다층으로 인쇄함으로써, 즉, 다양한 기판, 가령 코팅되지 않은 종이, 또는 코팅된 종이, 또는 박판처리된 종이 제품, 또는 폴리에틸렌이나 폴리나프탈렌 등의 다양한 플라스틱 막 상에 하나 이상의 물질의 층을 증착시킴으로써 형성된다. 인쇄 전자 기술을 이용하여, 전자 회로의 미세-전자 부품을 생산하는 것이 가능하다. 생산될 미세-전자 부품의 예로는 트랜지스터, 커패시터, 저항기, 다이오드, 발광 다이오드가 있으며, 완전한 회로의 예로는 RFID 태그, 센서, 플렉시블 디스플레이 등이 있다. 예를 들어, 커패시터는 전도성 영역의 증착과, 그 후에 이뤄지는 더 큰 절연성 층의 증착과, 그 후에 이뤄지는 또 다른 전도성 영역의 증착에 의해 구축될 수 있다. 이러한 프로세스가 더 높은 용량을 획득하기 위해 반복될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 트랜지스터는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 전도체 층과, 반도체 층과, 유전체 층과, 게이트 전극을 형성하는 또 다른 전도체 층을 증착시킴으로써 형성될 수 있다.
특히, 낮은 비용의 전도성 및 반도성 물질, 가령 유기 폴리머가 증착될 물질로서 사용될 때, 완전한 기능성 회로(가령, RFID 태그)를 형성하는 인쇄 전자 소자가, 유사한 집적 회로를 생성하는 비용의 10분의 1 수준의 매우 낮은 비용으로 생성될 수 있다. 이러한 저-비용 인쇄 전자 소자는 실리콘-기반의 집적 회로와 직접 경쟁하도록 기대되지 않는다. 오히려, 인쇄 전자 소자는 실리콘-기반의 집적 회로와 비교하여, 더 낮은 성능(가령 더 낮은 주파수, 더 낮은 파워, 더 짧은 수명)을 훨씬 더 낮은 비용에서 제공하도록 생성될 수 있다.
인쇄 전자 부품은 물질, 가령 5 내지 7가지의 서로 다른 물질의 세트를 이용하여 만들어진다. 이는 유용성(또는 부유성) 폴리머, 폴리머 전구체, 무기 물질, 유기(또는 무기) 첨가제를 갖는 액체인 것이 일반적이며, 이들은 습식 인쇄 공정으로 증착된다. 특히, 이러한 물질은 기판 상에 요망 순서로 증착되어, 열 순환, 또는 습윤 처리에 의해 경화되거나, 활성화된다. 통상적인 습식 인쇄 방법으로는 볼록판 인쇄(letterpress printing), 스크린 인쇄, 잉크 제트식 인쇄(ink jet printing)가 있다.
본 발명은 인쇄 전자 소자를 만들기 위해, “건식(dry)” 인쇄 공정을 이용하는 시스템 및 방법을 제공하는 것에 관한 것이다. 현재, 본 발명의 발명자가 알고 있는 한, 인쇄 전자 소자를 생성하기에 적합한 어떠한 건식 인쇄 공정도 종래 기술에서 알려져 있지 않다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 일렉트로포토그래피(EP: electrophotography)를 이용하여, 기판 위로 전자 소자를 인쇄하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 일반적으로 3개의 단계를 포함한다. 첫째로, 표면이 제공된다. 예를 들어, 상기 표면은 전자 소자가 인쇄될 기판(가령, 종이, 플라스틱 막 등)일 수 있다. 둘째로, 상기 표면(가령, 기판)은 일련의 EP 인쇄 스테이션을 통과하도록 경로가 정해진다. 각각의 EP 인쇄 스테이션은 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판과, 하나의 표면 지지 구조물(가령, 전이 롤러, 플레이튼 등)의 부분, 또는 전체로 구성되는 것이 일반적이며, 이때, 각각의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판은 대전된 입자로 구성된 양화를 형성한다. 셋째로, 일련의 EP 인쇄 스테이션의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판 상에 형성되는 양화가 표면으로 전이된다. 각각의 양화가 전자 소자를 형성하기 위한 이미지 층을 나타낸다. 따라서 기판으로의 양화의 순차적인 전이에 의해, 기판 상에 전자 소자가 형성된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 상기 대전 입자는 마이크로 캡슐화된 입자, 또는 나노-캡슐화된 입자이다. 상기 캡슐화된 입자는 전도성 물질과, 반도성 물질과, 절연성 물질 중 임의의 것일 수 있으며, 추가로 폴리머 물질이거나, 비-폴리머 물질일 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라서, 일련의 EP 인쇄 스테이션으로부터 양화가 순차적으로 전이되는 표면이 중간 표면일 수 있으며, 이때 양화는 상기 중간 표면으로부터 전자 소자가 형성될 기판으로 순차적으로 전이된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판이 광전도체로 형성될 수 있다. 또는, 상기 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판이 포토리소그래피에 의해 형성된 유전체-코팅된 표면 토포그래피로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 일렉트로포토그래피(EP)를 이용하여 기판 상으로 전자 소자를 인쇄하기 위해 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 일련의 EP 인쇄 스테이션을 포함하며, 이때 각각의 EP 인쇄 스테이션은 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판과, 하나의 표면 지지 구조물의 부분, 또는 전체를 포함한다. 각각의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판은 대전된 입자로 형성된 양화를 형성하며, 각각의 양화는 전자 소자를 형성하는 이미지 층을 나타낸다. 또한 상기 시스템은 일련의 EP 인쇄 스테이션의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판에 파워를 공급하기 위한 하나 이상의 모터를 포함한다. 상기 시스템은 다수의 EP 인쇄 스테이션과 하나 이상의 모터를 제어하는 EP 인쇄 제어 시스템을 더 포함하여, 표면(가령 기판)이 일련의 EP 인쇄 스테이션을 통과하도록 할 수 있고, 상기 일련 의 EP 인쇄 스테이션의 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판 상에 형성된 양화를 상기 표면으로 전이시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 일렉트로포토그래피(EP)를 이용하여 다수의 인쇄 층을 인쇄하기 위한, 일반적으로 4 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 첫째로, 표면의 경로가 제 1 EP 인쇄 스테이션으로 설정되며, 이때, 상기 제 1 EP 인쇄 스테이션은 제 1 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판과, 하나의 표면 지지 구조물의 부분, 또는 전체를 포함하며, 상기 제 1 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판이 대전된 입자로 형성된 제 1 양화를 형성한다. 둘째, 상기 상기 제 1 EP 인쇄 스테이션의 제 1 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판 상에 형성된 상기 제 1 양화가 표면으로 전이된다. 셋째, 상기 표면의 경로가 제 2 EP 인쇄 스테이션으로 설정되며, 이때, 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션은 제 2 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판과, 하나의 표면 지지 구조물의 부분, 또는 전체를 포함하고, 상기 제 2 정전기적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판이 대전된 입자로 형성되는 제 2 양화를 형성한다. 넷째로, 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션의 제 2 양화가 상기 표면으로 전이된다.
인쇄 전자 소자(printed electronics)는 이미지를 다층으로 인쇄함으로써, 즉, 다양한 기판, 가령 코팅되지 않은 종이, 또는 코팅된 종이, 또는 박판처리된 종이 제품, 또는 폴리에틸렌이나 폴리나프탈렌 등의 다양한 플라스틱 막 상에 하나 이상의 물질의 층을 증착시킴으로써 형성된다. 인쇄 전자 기술을 이용하여, 전자 회로의 미세-전자 부품을 생산하는 것이 가능하다. 생산될 미세-전자 부품의 예로는 트랜지스터, 커패시터, 저항기, 다이오드, 발광 다이오드가 있으며, 완전한 회로의 예로는 RFID 태그, 센서, 플렉시블 디스플레이 등이 있다. 예를 들어, 커패시터는 전도성 영역의 증착과, 그 후에 이뤄지는 더 큰 절연성 층의 증착과, 그 후에 이뤄지는 또 다른 전도성 영역의 증착에 의해 구축될 수 있다. 이러한 프로세스가 더 높은 용량을 획득하기 위해 반복될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 트랜지스터는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 전도체 층과, 반도체 층과, 유전체 층과, 게이트 전극을 형성하는 또 다른 전도체 층을 증착시킴으로써 형성될 수 있다.
특히, 낮은 비용의 전도성 및 반도성 물질, 가령 유기 폴리머가 증착될 물질로서 사용될 때, 완전한 기능성 회로(가령, RFID 태그)를 형성하는 인쇄 전자 소자가, 유사한 집적 회로를 생성하는 비용의 10분의 1 수준의 매우 낮은 비용으로 생성될 수 있다. 이러한 저-비용 인쇄 전자 소자는 실리콘-기반의 집적 회로와 직접 경쟁하도록 기대되지 않는다. 오히려, 인쇄 전자 소자는 실리콘-기반의 집적 회로와 비교하여, 더 낮은 성능(가령 더 낮은 주파수, 더 낮은 파워, 더 짧은 수명)을 훨씬 더 낮은 비용에서 제공하도록 생성될 수 있다.
본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 지금부터 기술될 것이며, 이때 유사한 번호는 유사한 요소에 대응한다. 일렉트로포토그래피(EP: electrophotography), 또는 제로그래피(xerography)를 이용하여, 인쇄 전자 소자를 조립하기 위한 방법 및 시스템의 예가 다음에서 설명된다. 또한 본 발명의 방법 및 시스템은 컬러 그래픽에서 사용되기에 적합하며, 또는 다양한 기판으로, 컬러 처리, 코팅 처리, 바니시(varnish) 처리, 또는 그 밖의 다른 표면 처리를 적용하기 위해 적합할 수 있다.
EP(또는, 제로그래피)는 복사 기계, 또는 레이저 프린터에서 오랫동안 사용되어 왔으며, 그 기술적 원리가 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 요컨대, EP는 건식 포토그래픽, 또는 포토카피 공정이며, 이때 전기적으로 대전된 플레이트(또는 드럼) 상의 대전 입자로 형성된 양화(positive image)가 전기적으로 전달되며, 종이 등의 기판 상에 양화(positive image)로서 고정된다. EP가 종래 기술에서 알려져 있지만, 본 발명의 발명자의 지식에 따르면, 과거에는 EP가 인쇄 전자 소자를 생성하기 위해 사용된 적이 없다. 본 발명은 EP를 이용하여 인쇄 전자 소자를 제조하기 위한 다양한 방법 및 시스템을 제공한다.
다음에서, 우선적으로 EP 공정에서 일반적으로 요구되는 6 단계를 도 1~6을 참조하여 기술하고, 그 후 도 7~13을 참조하여 EP 공정을 이용하여 인쇄 전자 장치를 제조하기 위한 전체 시스템 및 방법을 기술한다.
EP 공정은 일반적으로 6 단계를 포함한다: (1) 광전도체를 충전하는 단계, (2) 잠상(latent image)을 형성하기 위해 대전된 광전도체를 빛에 노출시키는 단계, (3) 토너 가루를 끌어당기기 위해, 상기 잠상의 전기 전하를 이용하여 상기 잠상 상에 양화를 현상하는 단계, (4) 상기 광전도체로부터 기판으로 양화를 전이시키는 단계, (5) 상기 양화를 기판으로 융해(fusing) 및 경화(curing)시키는 단계, (6) 다음 번 사용을 위해 광전도체 세정하는 단계.
도 1A와 1B를 참조하여, EP의 첫 번째 단계는 광전도체 드럼(10)을 충전하는 단계를 포함한다. 상기 광전도체 드럼(또는 판)(10)은 광전도성(즉, 빛에 노출될 때는 전도성, 그리고 빛이 차단될 때는 절연성)의 층(가령, 코팅)(11)과, 전도성 금속 접지 층(12)으로 구성되어 있다. (도 1A의) 전기 코로나 장치(13)에 의해, 또는 (도 1B의) 충전 롤러(14)에 의해, 상기 광전도성 층(11)은 정전기적으로 대전된다. 요컨대, 상기 전기 코로나 장치(13)는 고전압원(15)과 코로나 방전 장치(16)로 구성되어 있는 것이 일반적이다. 코로나 방전 장치(16)의 코로나 와이어는 높은 전압에 종속될 때, 주변 공기 분자를 이온화시키며, 이에 따라서 광전도성 층(11)으로 (양성, 또는 음성의) 전하(17)를 보낸다. 도 1B의 충전 롤러는 DC 바이어스와 AC 소스(18)와 전하(17)를 다시 상기 광전도성 층(11)으로 이동시키도록 구성된 롤러(19)로 이뤄져 있다.
도 2를 참조하여, EP의 두 번째 단계는 정전기성의 잠상(latent image)을 현상하기 위해, 대전된 광전도성 층(11)을 빛에 노출시키는 단계를 포함한다. 특히, 이러한 광전도성 층(11)은 일부 요망 패턴으로 노출된다. 노광된 광전도성 층(11)의 부분이 중성화된다. 왜냐하면 이 부분의 전하가 광전도성 층(11)으로부터 접지 층(12)으로 배출되기 때문이다(도 1 참조). 한편, 노광되지 않은 광전도성 층(11)의 부분은 여전히 정전기적으로 대전된 채 남아 있으며, 그에 따라서 요망 패턴의 정전기성 잠상이 형성되게 된다. 광 패턴이 다양한 방식으로 광전도성 드럼으로 제공(또는, 더욱 세부적으로 광전도성 층(11)으로 제공)될 수 있으며, 그 방식은 예를 들어, 스캔된 레이저 빔, 또는 LED 광 바(light bar)를 이용하여 직접적으로 이 뤄지거나, 또는 우선 패턴 이미지를 생성한 후, 상기 패턴 이미지를 상기 광전도성 층(11)으로 투사함으로써 간접적으로 이뤄질 수 있다. 이를 위해, 도 2는 광 패턴을 광전도체 드럼(10)으로 직접 적용하기 위해 스캔된 레이저 빔을 이용하는 샘플 서브-시스템을 나타내고 있다. 레이저 소스(21)로부터의 레이저 빔이 렌즈(22)를 통해 시준(collimate)되어, 회전하는 스캐닝 폴리곤(23)에 의해 반사되어, 코사인 교정 렌즈(cosine correction lens)(24)와 거울(25)의 조합체를 통해 전파되어, 요망 패턴의 레이저-빔 노출 라인(26)이 광전도성 드럼(10)으로 투사된다. 이는 광전도성 드럼(10) 상에 전하의 요망 패턴을 생성하기 위해, 레이저 빔 강도를 변조시킴으로써 이뤄진다. 레이저 스폿의 작은 초점 직경 때문에, 높은 분해능의 이미징이 성취될 수 있다. 인쇄 전자 소자를 생성함에 있어, 인쇄가 요망되는 영역(즉, 전도성/반도성/절연성 물질이 증착될 영역)이 빛에 노출되지 않도록 남겨지며, 정전기적으로 대전된다. 다시 말하자면, 정전기성으로 대전된 영역으로 이뤄진 잠상이, 인쇄 전자 소자를 생성하기 위한 회로 레이아웃을 생성하기 위해 사용될 패턴을 형성한다.
도 3을 참조하여, EP의 세 번째 단계는 앞선 단계에서 생성된 정전기성 잠화를 기반으로 하여 양화(positive image)를 현상하는 단계를 포함한다. 도 3에서 나타난 특정한 현상 시스템은, 광전도성 드럼(10) 상의 전하(17)와 반대 부호로 대전된, 이른바“토너”, 또는 토너 입자(38)인 대전된 파우더와 조합되는 (약 100 마이크로미터, 또는 그 이상의 직경을 갖는) 자성 캐리어 비즈의 현상제 혼합물을 이용하여 사용되기에 적합하다. 이러한 토너 입자는 마찰-대전(즉, 마찰력에 의한 충 전)에 의해 충전된다. 나타난 바와 같이, 현상제 드럼(30)과, 현상제 바이어스 소스(developer bias source, 31)와, 피더 드럼(feeder drum, 32)의 조합과, 캐리어 비즈 표면과 토너 입자의 상호 작용이, 마찰-대전에 의해 토너 입자를 충전하기 위해 사용될 수 있고, 토너 입자를 캐리어 비즈 표면으로 달라붙게 만들 수 있다. 나타난 바와 같이, 현상제 드럼(30)의 표면이 회전함에 따라, 자신의 교대하는 자성 극이 동일한 위치로 유지된다. 임의의 과도한 현상제 혼합물을 제거하기 위해, 계측 스크레이퍼(metering scraper, 36)가 현상제 드럼(30)의 인접부에 제공되어, 충분히 균일한 두께의 현상제 혼합물(캐리어 비즈 표면에 붙어 있는 토너 입자(38)를 포함하며)이 상기 현상제 드럼(30)의 방사 표면 상에 제공될 수 있다. 현상제 드럼(30)과 광전도체 드럼(10)이 서로 반대 방향으로, 서로 다른 표면 속도에서 회전할 때, 인력에 의해, 대전된 토너(38)가 상기 캐리어 비즈로부터 떨어져서, 광전도성 층(11)의 정전기적으로 대전된 부분으로 이동하여, 광전도성 드럼(10)에서 요망 패턴으로 토너(38')를 형성한다. 캐리어 비즈를 필요로 하지 않는 또 다른 현상 방법은, EP 종래 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 파우더 먼지 현상(powder cloud development)과, 현상 서브-시스템에서의 토너의 정전기적 이동과, 액상 현상제를 포함한다. 액상 현상제 시스템에서, 상기 액상 현상제의 고형 입자는 기판으로 이동되는 시간에 따라서, 충분하게 건조된다(도 4 참조). 현상제 서브-시스템 구성의 세부사항은 선택된 현상 방법에 따라 좌우된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라서, 폴리머(또는 비-폴리머)이고, 액상(또는 고형)인 임의의 전도성(또는 반도성, 또는 유전성) 물질이, EP 공정에서 사용되기 에 적합한 토너 입자를 형성하기 위해, 미세-캡슐화되거나, 나노-캡슐화될 수 있다. 이러한 인쇄 전자 소자의 물질은, 금 조각, 은 조각, 나노-실버, 또는 나노-골드, 폴리사이오펜, PEDOT등의 반도성 물질, 또는 그 밖의 다른 적합한 아닐린과 피롤의 코-폴리머, 폴리비닐 페놀 등의 절연성 물질을 포함한다. 캡슐화 토너 입자의 제조는, 종래의 캡슐화 기법을 이용하여, 인쇄 전자 물질의 매우 작은 액적(droplet)을 고형 물질의 얇은 껍질(shell)로 코팅하는 것을 수반한다. 캡슐화에 의해, 인쇄 공정 동안, 인쇄 전자 소자의 물질(가령, 폴리머 물질)의 조기 건조가 방지되며, 저장이 용이해진다. 이러한 토너 입자에 대하여 바람직한 크기는 0.3 내지 10미크론의 직경이다. 껍질 물질은 EP 건식 인쇄 공정과 호환하는 속성을 갖도록 선택될 수 있다. 다시 말하자면, 캡슐화된 토너 입자의 충전을 허용하는 표면의 거침, 형태, 크기, 마찰-대전 특성이 EP 공정에서 사용되기 적합한, 임의의 물질이 껍질의 물질로서 선택될 수 있다. 적합한 껍질 물질은 코폴리카보네이트, 폴리에스테르, 스티렌 코폴리머, 메타크릴레이트, 스티렌 아크릴레이트 등을 포함할 수 있다(그러나 제한받지 않음). 이는 특수한 속성에 대한 첨가제를 가질 수 있다. 가령 양화를 기판으로 융해 및 경화하기 위해 사용되는 융해 및 경화 롤러에 붙는 것을 방지하기 위한 왁스 첨가제를 가질 수 있으며, 이는 도 5를 참조하여 후에 설명된다.
일련의 융해 및 경화 단계(후에 도 5를 참조하여 설명됨) 동안, 껍질 물질 내부로 캡슐화되는 코어 인쇄 전자 소자(가령 폴리머)의 물질의 속성을 방해하지 않도록(가령, 변경시키기 않도록), 껍질 물질이 선택된다. 이는 껍질 물질을 신중 하게 선택하거나, 또는 종래 기법을 이용하여 껍질을 가능한 얇게 제조함으로써 성취될 수 있다. 이를 성취하기 위한 가능한 방법의 또 다른 예는 융해 및 경화 단계 동안 껍질 물질이 매우 작은 입자로 분해되도록, 나노-입자의 복합 물질과 하나 이상의 접합제 물질의 껍질을 제조하는 것이다. 또한 더욱 복잡한 융해 및 경화 공정에서, 기계적 동작에 의해, 상기 껍질은 제거될 수 있다. 또한 상기 껍질은 보통의 취급으로 인해 파열되지 않아야하고, EP 공정 중의 온도 변화로 인해 파열되지 않아야 한다. 또한 코어 인쇄 전자 소자(가령 폴리머)의 물질에 의해, 용해되어서는 아니되며, 용해시킬 경우, 상기 인쇄 전자 소자 회로의 동작은 저해될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 이러한 특정을 성취하는 것은 둘 이상의 캡슐화 층, 가령 요망 EP 속성(예를 들어, 표면 거침, 형태, 크기, 마찰-대전 특성 등)을 제공하는 껍질의 외부 층과, 인쇄 전자 소자(가령 폴리머)의 물질과의 호환성과 바람직한 기계적 강도를 제공하는 껍질의 내부 층을 필요로 할 수 있다.
도 4를 참조하여, EP의 네 번째 단계는 양화를 광전도성 드럼(10)으로부터 표면, 가령 인쇄 전자 소자 회로가 형성되는 기판(40)으로 전이시키는 단계를 포함한다. 상기 기판(40)은, EP를 이용하여 인쇄 전자 회로가 적합하게 형성된 표면을 제공하는 임의의 물질일 수 있다. 이러한 기판은 코팅되지 않은 종이, 코팅된 종이, 박판 처리된 종이 제품, 골판지, 구조재, 합판, 유리, 다양한 플라스틱 막, 가령 폴리에틸렌이나 폴리나프탈렌, 셀룰로오스 막일 수 있다(그러나 이에 제한받지 않음). 각각의 경우에 따라서, 기판(40)은 뻣뻣하거나, 유연할 수 있다. 덧붙여, 다음에서 웨브(web) 형태의 기판을 설명하지만, 기판은 분리된 시트(또는 조각)의 행태이도록 그 밖의 다른 형태로 제공될 수 있다. 도 13을 참조하여 후에 더욱 상세히 설명될 본 발명의 일부 실시예에서, 광전도체 드럼(10)으로부터 양화가 전이되는 표면은 “중간(intermediate)” 드럼(또는, 판)의 표면일 수 있으며, 상기 양화는 상기 표면으로부터 인쇄 전자 회로가 형성되는 기판으로 추가로 전이된다. 광전도체 드럼(10)으로부터 표면으로의 양화의 전이는, 전이 롤러(transfer roller, 72) 상의 표면을 광전도체 드럼(10) 상의 양화(38')의 파우더 층과 접촉하도록 가져감으로써, 이뤄질 수 있다. 보통의 EP 공정에서, 상기 전이 롤러(72)는, 요망 닙 압력(nip pressure)을 제공하기 위해, 광전도성 드럼(10)에 대해 압력 받는 반도성 엘라스토머 코팅을 갖는다. 이러한 관점에서, 토너(38')를 광전도성 드럼(10)으로부터 떨어트려 표면(40)을 제공하기 위해, 인력을 띄는 전계(attractive electric field)가 제공되며, 이에 따라서 표면(40) 상에 토너(38")의 양화가 형성된다. 인력을 띄는 전계 없이, 토너의 대부분은 광전도성 드럼(10)에 남아 있을 것이다. 토너 전하의 부호와 반대 부호(즉, 본래의 광전도체 전하와 같은 부호)를 갖는 바이어스 전압 소스(44)를 이용하여, 표면(40) 뒤에 위치하는 (일부 EP 실시예에서 평평한 표면일 수 있는) 전이 롤러(72)를 충전함으로써, 상기 전계가 제공되는 것이 일반적이다.
도 5를 참조하여, EP의 다섯 번째 단계는 토너(38")의 파우더-유사 양화를 기판(40)으로 융해 및 경화시킴으로써, 기판(40)에 단단하게 부착된 융화 및 경화된 이미지(39)를 생성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 토너와 기판은 가열되어, 가열가소성 토너 입자가 기판(40)으로 융해 및 경화되도록 녹을 수 있다. 이러한 단계 전에, 토너(38")의 양화는 표면(가령, 기판(40))에 다소 느슨하게 부착되어 있고, 쉽게 흐트러지거나, 떨어질 수 있다. 또 다른 예로서, 융해 및 경화 단계는 열, 또는 압력을 이용하여 수행될 수 있다. 압력을 가하기 위해, 예를 들자면, 압축 스프링에 의해, 서로에 대해 하중이 실리는 2개의 롤러(50, 53)가 사용될 수 있다. 일반적인 EP 공정에서, 닙(nip)에서 적합한 융해 및 경화 압력이 제공되도록 탄성 층들 사이에서 기계적 충돌(mechanical interference)이 존재하도록, 롤러(50, 53)는 방열(heat resistant) 탄성 코팅을 갖는다. 그 후 기판(40)이 롤러(50)와 롤러(53) 사이를 통과한다. 추가적으로 열을 제공하기 위해, 고온의 롤 압력 융해 및 경화 롤러가 사용될 수 있으며, 이때 하나 이상의 롤러는 텅스턴 수정 램프 등의 가열 램프(51, 52)에 의해 가열된다. 종래의 EP 프린터에서의 융해 및 경화는 토너와 기판을 약 180℃까지 가열함으로써, 수행된다. 이러한 높은 온도는 인쇄 전자 회로를 형성하는 인쇄 전자 소자(가령 폴리머)의 물질과 양립할 수 없다. EP 인쇄 공정을 인쇄 전자 소자 조립에 적용할 경우, 적정한 낮은 온도를 사용하는 융해 및 경화 방법이 사용되어야 한다. 이러한 방법의 한 가지 실시예는 캡슐화 껍질을 깨기 위해, 그리고 캡슐화된 물질을 기판에 기계적으로 부착하기 위해, 압력을 가하는 것을 수반한다(압력 융해 및 경화). 이러한 방법의 또 다른 실시예는 캡슐화된 토너의 층이 표적 기판(40)으로 전이된 후, 용액, 또는 용기(solvent gas)를 공급하는 것을 수반한다. 기판(40)의 손상을 주지 않고, 추가적으로 캡슐화된 인쇄 전자 소자의 물질의 회로를 형성하는 속성에 손상을 주지 않고, 캡슐화 껍질을 용해하거나, 부드럽게 만들도록, 이러한 용매는 선택될 것이다. 인쇄 전자 소자의 성공적인 생산을 위해, 사용되는 상기 인쇄 전자 소자의 물질은, 온도 변화, 또는 온도 사이클링, 또는 습윤 처리에 의해, 경화되거나, 또는 활성화되어야 한다. 이러한 이유로, 사용되는 특정한 인쇄 전자 소자의 물질에 따라서, 경화, 또는 활성 공정을 수행하기 위해, 융해 및 경화 롤러(도 5의 50, 53)를 더욱 복잡한 경화 스테이션으로 대체할 필요가 있을 수 있다. 그러므로 본 출원의 융용 및 경화 롤러의 임의의 참조는, 각각의 경우에서 필수적인 융해 및 경화/활성 단계를 수행하도록 구성되는 넓은 범위의 “경화 스테이션”을 포함하도록 해석되어야 한다. 예를 들어, 경화 스테이션은 온도에 의해 제어되는 롤러의 둘 이상의 쌍으로 구성되어 있을 수 있으며, 또는 길이에 따라서 제어된 온도를 갖는, 그리고 제어된 증기, 또는 화학적 분위기를 갖는(또는 갖지 않는), 기판이 통과하는 챔버, 또는 터널로 구성될 수 있다. 예를 들어, 습기와 산소, 또는 이들의 부족이 제어될 수 있다.
도 6을 참조하여, EP의 여섯 번째 단계는, 다음 이미지를 인쇄하기 위해 광전도체 드럼(10)을 충전하도록 EP의 첫 번째 단계(도 1A와 1B)로 재조정되기 전에, 전이되지 않고 사용되지 않은 토너를 광전도성 드럼으로부터 제거함으로써, 광전도성 드럼(10)을 세정하는 단계를 포함한다. 과분의 토너 입자가 코로나 충전 단계를 방해하고, 또한 이미지 노출 단계를 방해하기 때문에, 제거될 필요가 있다. 이러한 목적으로, 스크레이퍼 블레이드(scraper blade, 60)(가령 엘라스토머 블레이드), 또는 회전 브러쉬와 진공 시스템(도면상 나타나지 않음)이 사용되어, 전이되지 않은 임의의 토너(61)가 광전도체 드럼(10)으로부터 제거되어, 상기 광전도체 드 럼(10)에 인접하게 위치하는 밀폐된 저장소(62)로 수집된다.
도 7을 참조하여, 종래의 EP 프린터에서와 같이, 광전도체는 회전하는 광전도체 드럼(10)의 형태로 제공될 수 있으며, 앞서 기술된 여섯 단계는 동시에 수행될 수 있고, 각각 상기 드럼 부근의 서로 다른 위치에서 발생할 수 있다. 특히, 도 7에서, 첫 번째 단계, 즉 충전과, 두 번째 단계, 즉 이미징과, 세 번째 단계, 즉 양화의 현상과, 네 번째 단계, 즉, 전이와, 여섯 번째 단계, 즉 세정이 모두 광전도체 드럼(10) 주위에서 수행될 수 있다. 덧붙여, 전이 롤러(72)가 광전도체 드럼(10)과 이웃하게 병렬로 제공되며, 이에 따라서 EP 인쇄 닙(EP printing nip, 74)이 형성되고, 적합한 경화 스테이션 롤러(50, 53)가 상기 EP 인쇄 닙(74)의 다운스트림에 제공되어, 융해 및 경화의 다섯 번째 단계가 수행될 수 있다. 따라서 EP 공정의 여섯 개의 모든 단계가 동시에 수행되며, 일반적으로 상기 광전도체 드럼(10) 주위에서 수행되어, 융해되고 경화된 이미지(39)가 EP 인쇄 닙(74)을 통과하는 기판(40) 위에 생성될 수 있다. 도 7에서, 일반적으로 참조번호(70)로 나타내어지는 EP 인쇄 스테이션은 광전도체 드럼(10)과, 전이 롤러(72)와, 경화 스테이션 롤러(50, 53)로 구성되어 있다.
상기 광전도체 드럼(10)은 종래의 구성이며, 드럼(10)의 중심 세로 방향 축을 형성하는 지지 샤프트(support shaft, 15)와, 광전도체 층(11)을 수용하도록 적응된 바깥 둘레의 지지 표면을 포함한다(도 1A 참조). 이와 마찬가지로, 전이 롤러(72)가 종래의 구성이며, 전이 롤러(72)의 중심 세로 방향 축을 형성하는 지지 샤프트(73)와, 요망 닙 압력과 닙 넓이를 이용하여, 광전도성 드럼(10)에 대하여 기판(40)에 압력을 가하기 위한 바깥 둘레의 탄성의 띄는 반도성 표면 층을 포함한다. 또한 경화 스테이션 롤러(50, 53)가 종래의 구성일 수 있으며, 이는 롤러(50, 53)의 중심 세로방향 축을 형성하는 지지 샤프트(54a, 54b)를 각각 포함한다. 상기 광전도체 드럼(10)과, 전이 롤러(72)와, 경화 스테이션 롤러(50, 53)는, 각각의 자신들의 지지 샤프트를 이용한 회전을 위해, 적합한 베어링 상에 장착되며, 적합한 전동 장치(gearing), 또는 벨트 및 도르래를 통해 하나 이상의 적합한 모터에 의해 회전 구동된다.
EP 프로세스의 다양한 단계 중 일부, 또는 전체가, 도 7에서 나타난 바와 같이 드럼의 둘레를 마주보는 평평한 표면 상에서 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일부 태양에 따라서, 인쇄 전자 소자 회로를 생성하기에 적합한 하나의 바람직한 EP 인쇄 시스템(80)을 도시한 도면이다. 일반적으로, 상기 EP 인쇄 시스템(80)은 도 7의 EP 인쇄 스테이션(70) 같은 하나 이상의 EP 인쇄 스테이션(70A, 70B, 70C)을 포함하며, 각각이 인쇄 전자 소자의 물질의 융해 및 양성된 이미지를 기판 상에 이산 층으로서 형성하기 위해 EP 프로세스를 수행한다. 상기 EP 인쇄 시스템(80)은 하나 이상의 구동 모터(82)와, 기판 웨브 전진 구조물(substrate web advancement structure, 84)과, 전체 EP 인쇄 공정을 제어하기 위한 EP 인쇄 제어 시스템(86)을 더 포함한다. 일반적으로, 상기 인쇄 제어 시스템(86)은 인간 작동자의 제어와, 온도에 대한 프로세스 센서와, 움직임에 대한 프로세스 센서와, 레이저 빔 검출기 등으로부터의 입력을 수신하고, 전체 EP 인쇄 공정에 대하여 조절 가능한 프로세스 매개변수, 가령 바이어스 전압과 가열기 전류를 제어하기 위한 명령어를 전송한다. 또한 상기 EP 인쇄 제어 시스템(86)은 각각의 EP 인쇄 스테이션(70A-70C)을 구동하기 위한 EP 제어 신호를 전송하고, 하나 이상의 모터(82)의 동작을 제어하여, EP 인쇄 스테이션(70A-70B)뿐 아니라, 기판 웨브 전진 구조물(84)에 포함된 다양한 수단(드럼, 실린더, 판 등)을 활성화(가령, 회전)시킬 수 있다.
도 9는 도 8의 EP 인쇄 시스템(80')의 한 가지 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 상기 EP 인쇄 시스템(80')은 다수의 EP 인쇄 스테이션(70)을 포함한다. 도 9에서, 3개의 EP 인쇄 스테이션(70A-70C)이 나타나며, 추가적인 EP 인쇄 스테이션, 예를 들어 점선으로 나타낸 EP 인쇄 스테이션(70D)이 각각의 경우에 따라서 추가될 수 있다. 상기 EP 인쇄 스테이션(70A-70C)은 각각 (노출, 현상, 세정 등을 위한 연계된 부품과 함께) 광전도체 드럼(10)과, 전이 롤러(72A-72C)와, 경화 스테이션 롤러(50, 53)를 포함한다.
인쇄 시스템(80')은 그 밖의 다른 부품을 포함할 수 있으며, 이러한 부품은 설명의 간결함을 위해 도시되지 않는다. 예를 들어, 인쇄 시스템은 동작하는 부품이 기능적으로 연결되어 있는 프레임(frame)을 포함한다. 상기 프레임은 다양한 부품을 고정/지지하기 위해 함께 조립되는 임의의 다수의 구조적 구성요소일 수 있으며, 일반적으로 용접되거나, 리벳(rivet) 가공되는 스틸 프레임 구성요소로 분석될 수 있다. 인쇄 시스템을 위한 그 밖의 다른 물리적 구조가 가능할 수 있고, 기판(40)에 대하여 곡선형, 또는 원형 경로를 제공하는 EP 인쇄 시스템이 바람직할 수 있다.
하나의 실시예에서, EP 인쇄 스테이션(70A-70C)은 도 10A-10C의 각각의 융해 및 경화된 이미지(110, 112, 114)를 기판(40) 상에 생성하도록 구성될 수 있다. 특히, EP 공정의 두 번째 단계 동안(도 2), 인쇄 스테이션(70A-70C)은 형태(110, 112, 114)를 갖는, 대전된 토너 입자가 부착되거나 증착되는 정전기적으로 대전된 영역을 형성한다. 그 후 순차적으로 상기 (110, 112, 114)의 형태로 증착된 대전된 입자가 전이되고, 추가적인 층으로서 기판(40)에 융해 및 경화되며, 상기 층들은 각각 EP 공정에 의해 개별적으로 형성되며, 이에 따라서 커패시터가 형성된다.
특히, 기판(40)의 웨브(web)가 인쇄 시스템(80')을 통해 제공된다, 즉 인쇄 스테이션(70A-70C)을 통해, 광전도성 드럼(10)과 전이 롤러(72) 사이로, 그 후, 각각의 인쇄 스테이션(70A-70C)에서 융해 및 경화(또는 경화 스테이션) 롤러(50, 53) 사이를 통과하여, 감기 스풀(take-up spool) 등의 기판 웨브 전진 구조물(84)로 연결된다(도 8 참조). 상기 EP 인쇄 제어 시스템(86)이 요망 인쇄 일렉트로닉 소자(가령 커패시터)를 인쇄할 준비가 되어 있을 때, 상기 EP 인쇄 제어 시스템(86)은 적정 신호를 EP 인쇄 스테이션(70A-70C)으로 전송하고, 또한 광전도체 드럼(10)과 전이 롤러(70A-70C)와 EP 인쇄 스테이션(70A-70C)의 경화 스테이션 롤러(50, 53)를 회전시키기 위한 하나 이상의 모터(82)로 전송한다. 상기 하나 이상의 모터(82)는 또한 제 1 EP 인쇄 스테이션(70A)의 제 1 EP 인쇄 닙(74A)을 통해 기판을 전진시키기 위해 기판 웨브 전진 구조물(84)로 전력을 공급하기 위해 사용된다. 상기 기판(40)이 광전도체 드럼(10)과 전이 롤러(72A) 사이의 제 1 인쇄 닙(74A)을 통과하여 전진하고, 그 후 상기 제 1 인쇄 스테이션(70A)의 경화 스테이션 롤 러(50, 53) 사이를 전지함에 따라, 도 10A의 형태(110)를 갖는 융해 및 경화된 이미지가 기판(40) 상에 형성된다. 하나의 실시예에서, 융해 및 경화된 이미지(10)는 금 등의 전도성 물질로 구성된 토너를 이용하여 형성되고, 약 50나노미터 두께를 갖는다. 따라서 제 1 EP 인쇄 스테이션(70A)은 도 11A에서 나타나는 바와 같이, 기판(40) 상에 EP 인쇄된 이미지 층(116)을 생성한다. 앞서 언급된 바와 같이, 인쇄되는 특정 인쇄 전자 소자의 물질에 따라 경화, 또는 활성 공정을 수행하기 위해, 도 5에서 도시된 융해 및 경화 롤러를 더욱 복잡한 경화 스테이션으로 대체하는 것이 필수적일 수 있다.
도 11B에서 나타나는 바와 같이, 제 1 EP 인쇄된 이미지 층(116)을 갖는 기판(40)의 섹션이 제 2 EP 인쇄 스테이션(70B)으로 전지하며, 이때, 제 2 EP 인쇄된 층(118)이 상기 제 1 EP 인쇄 층(116) 위에 형성된다. 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션(70B)이 제 1 EP 인쇄 스테이션(70A)과 충분히 동일한 방식으로 동작하여, 상기 EP 인쇄 제어 시스템(86)으로부터의 적정 신호에 따라서, 도 10B에서의 제 2 융해 및 경화된 이미지(112)가 제 1 EP 인쇄된 이미지 층(116) 위로 공급되며, 이에 따라서 상기 기판(40)이 제 2 EP 인쇄 닙(74B)을 통과할 때, 제 2 EP 인쇄된 층(118)이 형성된다. 하나의 실시예에서, 폴리비닐 페놀 등의 절연성 물질로 구성된 토너를 이용하여 제 2 융해 및 경화된 이미지(112)가 형성되며, 그 두께는 약 200나노미터이다.
도 11C에서 나타나는 바와 같이, 제 1 EP 인쇄된 이미지 층(116)과 제 2 EP 인쇄된 이미지 층(118)을 갖는 기판(40)의 섹션이 제 3 EP 인쇄 스테이션(70C)으로 전진하며, 이때, EP 공정이 도 10C의 제 3 융해 및 경화된 이미지(114)를 형성하고 위해 제공되며, 이에 따라서 제 3 EP 인쇄 이미지 층(120)이 상기 제 2 EP 인쇄 이미지 층(118) 상에 생성된다. 하나의 실시예에서, 은 등의 전도성 물질로 구성된 토너를 이용하여 제 3 융해 및 경화된 이미지(114)가 형성되며, 그 두께는 약 100나노미터이다. 도 11C에서 잘 나타나는 바와 같이, 도시된 예제에서의 최종 산물은 기판(40) 상에 형성된, 두 개의 전도성 층(116, 120) 사이에 끼워있는 절연체 층(118)을 포함하는 커패시터이다.
3개 이상의 층을 갖는 전자 소자가 조립되는 것이 요망되는 경우, 임의의 개수의 추가적인 EP 인쇄 스테이션(70)이 적정 물질과 요망 이미지를 군집 층(aggregate layer)으로 인쇄하기 위해 추가될 수 있다.
인쇄 시스템(80')은 설명에서 명시적으로 나타난 것 외의 추가적인 공정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들자면, 임의의 EP 인쇄 스테이션의 경화 스테이션이 기판 상에 형성된 하나 이상의 층을 캡슐화하기 위한 공정을 추가로 수행하여, 상기 층들을 습기, 외부 물질 등으로부터 보호할 수 있다. 일부 경우에서, 각각의 층은 선택적으로 캡슐화될 수 있으며, 이에 따라서 선택된 층의 부분은, 리드와 결합되거나, 인접 층으로 연결될 수 있는 다른 부분이 노출되어 있는 동안 캡슐화된다. 이를 대체하여, 또는 이에 추가적으로, 독립적인 캡슐화 스테이션이 모든 EP 인쇄 스테이션의 다운스트림에 제공되어, EP 인쇄 스테이션에 의해 완성됨에 따라, 인쇄 전자 소자를 위한 캡슐화 단계를 수행할 수 있다.
본원에서 커패시터의 조립이 도시되고 기술되었지만, 본원에서 기술된 방법 및 시스템을 이용하여, 그 밖의 다른 전자 소자도 조립될 수 있다. 예를 들어, 증착되는 물질을 선택하고, 각각의 EP 인쇄 스테이션에 형성되는 이미지를 선택하고, EP 인쇄 이미지 층의 순차를 선택하고, EP 인쇄 스테이션의 수를 선택함으로써, 다수의 전자 소자가 조립될 수 있다. 전자 소자, 또는 이러한 소자로 구성된 가능한 회로의 몇 가지 예로는, 저항기, 커패시터, 인덕터, 트랜지스터, 다이오드, 정류기, 발진기, 메모리, 화학적 센서, 전기적 센서, 온도 센서, 습도 센서, 압력 센서, 움직임 센서, pH 센서, 디스플레이, 스피커, I/O 패널, 시계, 전계 발광 램프, 태양 전지, 적외선 전지, 라디오 등이 있다(그러나 이에 제한받지 않음).
한 가지 실시예에서, 각각 4개의 EP 순차적 층을 형성하는 4개의 EP 인쇄 스테이션을 갖는 인쇄 시스템을 이용하여 트랜지스터가 형성될 수 있으며, 상기 각각의 층은 (1) 전도체(가령, 금), (2) 반도체(가령, PEDOT), (3) 절연체, 또는 유전체(가령, 폴리비닐 페놀), (4) 전도체(가령, 은)이다.
인쇄 전자 기술의 많은 응용예에서, EP 기반의 방법 및 시스템이 사용되어 다량의 동일한 회로를 생산할 수 있다. 이러한 응용예에서, 추가로 수정된 EP 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 12를 참조하여, 정전기적으로 대전될 수 있는 표면으로서, 광전도체 드럼(또는 판)을 대신하여, 그 위에 유전체 코팅(122)이 제공되는, 포토리소그래픽 방식으로 생산된 표면 토포그래피(121)를 포함하는 비-광전도성 드럼, 또는 판이 사용될 수 있다. 포토리소그래피에서, 종래의 1미크론 직경의 레이저 빔이 사용되어 포토레지스트 판 물질을 이미징할 수 있고, 종래의 감법 공정(substractive process)이 사용되어, 이미징되지 않은 영역이 식각되며, 이 에 따라서, 높은 정확도의 표면 토포그래피가 생산된다. 높은 섹션의 상부 표면, 또는 포토리소그래피에 의해 생성된 고표면(mesa)이 절연성 유전체 물질로 코팅된다. 이러한 상부 표면은 EP 인쇄될 이미지를 정의한다. 특히, 그 후 도 1A와 도 1B를 참조하여 앞서 언급된 EP 공정의 첫 번째 단계와 유사한 단계를 이용하여, 유전체 코팅된 영역(122)이 대전되며, 도 3-6을 참조하여 기술된 EP 공정의 세 번째부터 여섯 번째 단계가 수행되어, 유전체 코팅된 상부 표면(122)에 의해 정의된 이미지가 EP 인쇄된다. 상기 상부 표면(122)을 제외한 영역은 유전체 코팅되지 않으며, 따라서 대전되지 않는다. 이러한 실시예에서, 드럼이나 판의 유전체 코팅된 상부 표면에 의해 EP 인쇄될 이미지가 명시적으로 정의되기 때문에, 대전된 광전도체를 빛에 노출시켜서 잠상(latent image)을 형성하는 것에 관한 종래의 EP 공정의 두 번째 단계는 생략될 수 있으며, 이에 따라서, 더 간단한 인쇄 메커니즘이 제공될 수 있다. 또한 이러한 실시예는, 보통의 EP 공정보다 더 높은 정밀도를 갖는 높은 정확도의 표면 토폴로지가 인쇄되는 영역의 모서리를 결정한다는 이점을 제공한다.
또 다른 응용예에서, 유전체 코팅을 대신하여, 광전도체 코팅이 높은 섹션의 상부 표면, 또는 포토리소그래피에 의해 생성되는 고표면(mesa)으로 공급된다. 특히, 앞서 언급된 EP 공정의 첫 번째 단계를 이용하여, 상기 광전도체 코팅된 영역(122)은 대전되고, 앞서 언급된 EP 공정의 세 번째부터 여섯 번째 단계가 수행되어, 광전도체 코팅된 영역(122)에 의해 정의된 이미지를 EP 인쇄할 수 있다. 다시, 이러한 응용예에서, 잠상을 형성하기 위해 대전된 광전도체를 빛에 노출시키는 것에 관련된 종래의 EP 공정의 두 번째 단계가 생략될 수 있다.
그 밖의 다른 응용예에서, 광전도체 드럼, 또는 판의 사용과 포토리소그래픽 방식으로 생산된 (유전체, 또는 광전도체 코팅을 갖는) 토포그래피의 사용이 조합되어, 인쇄될 전자 회로 소자의 부분이 광전도체 드럼(또는 판)을 이용하여 형성되는 동안, 상기 전자 회로 소자의 또 다른 부분이 포토리소그래픽 방식으로 생성된 토포그래피를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 인쇄 전자 회로의 선택된 부분은 광전도체 노출에 대한 컴퓨터 제어 하에서 동적으로 수정되어(도 2의 EP 공정 중 두 번째 단계), 회로의 옵션이나 변형이 생성되며, 그 동안, 표면 토포그래피에 의한 높은 정확도의 모서리를 갖는 회로 패턴의 나머지 요망 부분(가령, 중심부)이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 두 방법의 이점이 조합될 수 있다, 즉, 판(plate)없이 동적인 이미징을 가능케 하는 광전도체 기반의 방법의 이점과, 높은 분해능의 높은 정확도의 이미징을 가능케하는 토포그래피 기반의 방법의 이점이 조합될 수 있다.
도 13은 정전기적으로 대전될 수 있는 표면(가령, 광전도체 드럼(10), 또는 유전체 코팅된 표면 토포그래피)과 전이 롤러(72) 사이에 배열되는, (도면상 중간 드럼(130)으로 제공되는) 중간 표면(intermediate surface, 130)을 사용하는 본 발명의 추가적인 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예에서, 우선, 현상된 EP 토너 이미지가 정전기적으로 대전될 수 있는 표면(가령, 광전도체 드럼(10))으로부터 중간 드럼, 또는 표면(130)으로 전이된다. 그 후, 이러한 전이된 토너 이미지(38"A)가 상기 중간 드럼(또는 표면)(130)에서, 도면상 전이 롤러(72)에 의해 지지되고 있는 최종 표적 기판(40)으로 다시 전이된다. 앞서 언급한 바와 같이, 그 후, 예를 들어 경화 스테이션 롤러(50, 53)를 사용하여, 기판(40) 상의 전이된 토너 이미지(38"B)가 기판(40)과 함께 융해되고 경화되며, 이에 따라서 기판(40) 상에 융해 및 경화된 이미지(39)가 생성된다. 중간 표면(130)의 사용에 의해, EP 광전도체와 최종 표적 기판(40)의 기계적 불호환성 등의 다양한 기계적인 EP 설계상 제약이 제거될 수 있거나, 또는 광전도체의 마모가 방지되거나, 또는 표적 기판 물질에 의한 EP 공정의 오염이 방지될 수 있다.
또한 상기 중간 드럼(또는 표면)(130)은 앞서 언급된 바와 같이 포토리소그래피를 이용한 유전체 코팅된 표면 토폴로지를 제공받을 수 있다. 이러한 실시예에서, 광전도체 드럼(또는 판)(10), 또는 유전체-코팅된 드럼(또는 판)이 “잉크 공급(inking)”드럼으로서 사용되며, 상기 드럼은 자신의 전체 표면에 걸쳐 캡슐화된 토너 층을 완전하게 현상한다. 그 후, 포토리소그래피를 기반으로 생성되는 중간 드럼(또는 판)(130)의 표면 토포그래피가 인쇄 패턴을 제공할 것이다. 특히, 캡슐화된 토너가 중간 표면(130)의 낮은 영역(valley area)으로 전이하지 않을 것이다. 왜냐하면, 캡슐화된 토너 층이 광전도체(또는 유전체 코팅된) 드럼으로부터 상기 중간 드럼으로 전이하는 동안, 상기 토너는 중간 드럼의 높은 영역(상승된 영역)에만 접촉할 것이기 때문이다. 이러한 실시예에서, 또한 이미지의 패턴 처리된 노출을 포함하는 EP 공정의 두 번째 단계가 필수적이지 않으며, 이에 따라서 더 간단한 인쇄 메커니즘이 제공되고, 인쇄된 패턴에 대하여 더 높은 정확도의 모서리가 제공된다.
EP 공정에 익숙한 해당 업계 전문가에게는, EP 인쇄 공정의 모든 단계가 앞 서 언급된 회전하는 드럼과 동시에 수행되는 대신, 평평한 광전도체, 또는 유전체 코팅된 표면, 또는 평면 중간 표면, 또는 최종 기판, 또는 개별 단계를 이용하여 수행될 수 있다는 것이 자명하다. EP 공정에서 이러한 평면 표면의 사용함으로써, 층간의 매우 높은 정확도의 인쇄 정합이 가능해지며, 이는 일부 인쇄 전자 회로를 생성하기에 필수적일 수 있다. 표준 기계적 방법을 이용하여, 또는 높은 정확도의 기준 마크와 활성 피드백 나노-포지셔닝(active feedback nano-positioning)을 이용하여 이러한 높은 정확도의 정합은 성취될 수 있다.
따라서 본 발명은 일렉트로포토그래피(electrophotography)를 이용하여 인쇄 전자 회로를 생성하기 위한 다양한 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 방법 및 시스템은, 아이템으로, 또는 아이템 상에 위치할 RFID 태그, 또는 그 외장재(즉, 아이템-레벨의 라벨링, 또는 태깅) 등의 낮은 전력의 전자 회로를 매우 낮은 비용으로 생산할 때(가령, 유사한 기능의 집적 회로의 10분의 1 비용 수준으로 생산할 때) 특히 적합하다. 그 밖의 다른 응용예로는 플렉시블 디스플레이(flexible display), “스마트(smart)” 문서, 의료 주입, 또는 감지용 스마트 스킨 패치, 환자 수용 모니터(patient compliance monitor), 일회용 계산기 등이 있다.
도 1A와 1B는 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 첫 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광전도체로 이루어진 정전기적으로 충전 가능한 표면을 충전하는 단계이다.
도 2는 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 두 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 첫 번째 실시예에 따라, 잠화를 형성하기 위해 상기 대전된 광전도체를 빛에 노출시키는 단계이다.
도 3은 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 세 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 잠화를 바탕으로 하여 양화를 현상하는 단계이다.
도 4는 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 네 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광전도체로부터 기판으로 양화를 전이하는 단계이다.
도 5는 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 다섯 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 상기 양화를 기판으로 융해 및 경화시키는 단계이다.
도 6은 일렉트로포토그래피를 이용하여 인쇄 전자 회로를 제조하기 위한 여섯 번째 단계를 나타내며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 나중 사용을 위해 광전도체를 세정하는 단계이다.
도 7은 회전하는 드럼의 개략적인 다이어그램이며, 이때, 상기 드럼 주위에 서 도 1-6의 모든 여섯 단계가 서로 다른 위치에서 수행되며, 이는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 시스템에서 사용되기 적합하다.
도 8은 본 발명에 따라 형성된 바람직한 일렉트로포토그래픽 인쇄 시스템의 간략화된 기능 블록 다이어그램이다.
도 9는 도 8의 인쇄 시스템의 하나의 실시예의 개략적인 도면이다.
도 10A-10C는 도 8-9B의 인쇄 시스템에 의해 생성될 수 있는 커패시터를 형성하기 적합한 샘플 층 이미지이다.
도 11A-11C는 도 8-9B의 인쇄 시스템에 의해, 층별로 조립되는 인쇄 전자 소자(가령, 커패시터)의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 정전기적으로 충전 가능한 표면을 제공하기에 적합한 포토리소그래피에 의해 형성된 유전체-코팅된 표면 토포그래피의 측면도이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예에 따라, 정전기적으로 충전 가능한 표면(가령 광전도체 드럼)과 전자 소자가 인쇄될 기판 사이에서 제공되는 중간 표면(가령, 중간 드럼)의 사용을 도시한다.

Claims (11)

  1. 일렉트로포토그래피(EP: electrophotography)를 이용하여 커패시터 층들을 인쇄하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    a) 표면을 제 1 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 1 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 1 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 1 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    b) 제 1 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판에 형성된 제 1 음화를 상기 표면에 전이하여, 표면에 인쇄된 전도층을 제공하는 단계,
    c) 상기 표면을 제 2 EP 인쇄 스테이션으로 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하며, 상기 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 2 음화를 형성하며, 대전된 입자들은 절연 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    d) 제 2 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판에 형성된 제 2 음화를 표면에 전이하여, 제 1 전도층의 일부분 위에 절연층을 제공하는 단계,
    e) 상기 표면을 제 3 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 3 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 3 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 2 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계, 그리고,
    f) 제 3 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판에 형성된 상기 제 3 음화를 표면에 전이시켜서, 상기 절연층 위에 제 2 전도층을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  2. 일렉트로포토그래피(EP: electrophotography)를 이용하여 트랜지스터 층들을 인쇄하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    a) 표면을 제 1 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 1 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 1 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 1 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    b) 제 1 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판에 형성된 제 1 음화를 상기 표면에 전이하여, 표면에 인쇄된 전도층을 제공하는 단계,
    c) 상기 표면을 제 2 EP 인쇄 스테이션으로 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판과, 한개의 표 면 지지 구조물의 일부분을 포함하며, 상기 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 2 음화를 형성하며, 대전된 입자들은 절연 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    d) 제 2 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판에 형성된 제 2 음화를 표면에 전이하여, 제 1 전도층의 일부분 위에 절연층을 제공하는 단계,
    e) 상기 표면을 제 3 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 3 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 3 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 반도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    f) 제 3 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판에 형성된 상기 제 3 음화를 표면에 전이시켜서, 상기 절연층 위에 반도성물질층을 제공하는 단계
    g) 상기 표면을 제 4 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 4 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 4 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 2 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계, 그리고,
    h) 제 4 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼 또는 판에 형 성된 상기 제 4 음화를 표면에 전이시켜서, 상기 반도성물질층 위에 제 2 전도층을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  3. 일렉트로포토그래피(EP: electrophotography)를 이용하여 트랜지스터 층들을 인쇄하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    a) 표면을 제 1 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 1 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 1 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 1 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    b) 제 1 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 1 드럼 또는 판에 형성된 제 1 음화를 상기 표면에 전이하여, 표면에 인쇄된 전도층을 제공하는 단계,
    c) 상기 표면을 제 2 EP 인쇄 스테이션으로 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 2 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하며, 상기 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 2 음화를 형성하며, 대전된 입자들은 반도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    d) 제 2 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 2 드럼 또는 판에 형성된 제 2 음화를 표면에 전이하여, 제 1 전도층의 일부분 위에 반도성 물질층을 제공하는 단계,
    e) 상기 표면을 제 3 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 3 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 3 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 절연 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계,
    f) 제 3 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 3 드럼 또는 판에 형성된 상기 제 3 음화를 표면에 전이시켜서, 상기 반도성 물질층 위에 절연층을 제공하는 단계
    g) 상기 표면을 제 4 EP 인쇄 스테이션에 전달하는 단계로서, 이때, 상기 제 4 EP 인쇄 스테이션은 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼 또는 판(plate)과, 한개의 표면 지지 구조물의 일부분을 포함하고, 상기 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼이나 판은 대전된 입자들로 형성되는 제 4 음화(negative image)를 형성하며, 대전된 입자들은 제 2 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계, 그리고,
    h) 제 4 EP 인쇄 스테이션의 정전적으로 충전가능한 제 4 드럼 또는 판에 형성된 상기 제 4 음화를 표면에 전이시켜서, 상기 절연층 위에 제 2 전도층을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대전된 입자는 마이크로- 캡슐화된 물질, 또는 나노-캡슐화된 물질임을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 마이크로-캡슐화된 물질, 또는 나노-캡슐화된 물질은 폴리머 물질임을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  6. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면은, 인쇄 전자 소자가 그 위에 형성될 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기판은 코팅되지 않은 종이, 코팅된 종이, 박판 처리된 종이(laminated paper), 골판지, 구조재(dimension lumber), 합판, 유리, 플라스틱 막, 셀룰로오스 막 중에서 선택될 수 있음을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  8. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면은 중간(intermediate) 표면을 포함하며, 각각의 양화가 상기 중간 표면으로부터 상기 인쇄 전자 소자가 형성되는 기판으로 추가로 전이되는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  9. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 정전적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판은 광전도체(photoconductor)로 형성되는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  10. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 정전적으로 충전 가능한 드럼, 또는 판은 포토리소그래피에 의해 형성된 유전체-코팅된 표면 토포그래피를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법.
  11. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항의 일렉트로포토그래피를 이용한 인쇄 방법에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
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