KR20100060226A - 근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법 - Google Patents

근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세패턴 형성방법은 패턴 제작용 소재를 유기 용매 중에 혼합하여 전기방사 용액을 준비하는 단계; 상기 전기방사 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및 분사 노즐로부터 토출된 전기방사 용액을 접지 특성을 갖는 콜렉터의 상부에 위치한 기판 표면에 부착시켜 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 분사 노즐은 테이퍼-팁 형태로 설계하여 선폭이 20㎛ 이하인 미세패턴을 형성한다.
전기방사법, 근접장, 직접인새, 인쇄회로기판, 포토레지스트

Description

근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법{Method for Forming Micro-Pattern by Near-Field Electro-Spinning Technique}
본 발명은 근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전도성 소재, 포토레지스트 및/또는 절연성 소재들을 전기방사용 용액으로 제조하여 근접방 전기방사 방식을 통해 미세패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인쇄회로기판은 회로부품을 접속하는 전기배선을 회로설계에 기초하여 배선도형으로 표현하고, 이것을 패턴 인쇄 및 에칭 등의 기술에 의해 기판 위에 배선도형으로서 완성시킨 것으로, 일반적인 회로 패턴닝 제작 공정은 다음과 같다. 절연체인 에폭시(epoxy) 또는 베이클라이트 수지로 만든 얇은 기판에 구리 박막을 붙인 후에 계속하여 구리 박막(copper film)으로 남아 있기를 원하는 회로 배선에는 레지스트(resist)를 인쇄한다. 그리고 구리를 녹일 수 있는 에칭 용액에 인쇄된 기판을 담그면 레지스트가 묻지 않은 부분은 녹게 되고 그 후에 레지스트를 제거하면 구리 박막만이 원하는 패턴으로 남게 된다.
종래의 인쇄회로기판은 스크린 프린팅 방식을 주로 사용하는데, 이는 스크린을 제작하여야 하는 별도의 공정, 즉, 스크린을 프레임(frame)에 접착시키는 제판 공정을 거쳐, 노광 및 현상 공정을 수행하여 제작되었다. 따라서 스크린을 제작하기 위하여 많은 시설 투자가 필요하며 인력 및 시간 또한 많은 낭비를 가져오고 있으며, 또한 스크린으로 인쇄를 수행함에 있어서 인쇄되는 상의 정확성이 결여되어 미세한 상(image)의 인쇄가 어려웠다.
즉 스크린을 기판에 밀착시켜 인쇄를 수행함에 따라 스크린의 스퀴즈(squeegee)의 압력으로 인해 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상이 일어나는 것인데, 최근의 인쇄회로기판의 미세화 경향을 고려할 경우 인쇄되는 상의 국부적인 변형 및 손상은 치명적인 불량을 초래한다. 특히 양면 인쇄회로기판의 경우에는 인쇄되는 상의 앞면과 뒷면, 즉 양면에서 인쇄되는 상의 정확한 위치 제어가 필요한데, 스크린을 이용한 인쇄는 일면에 인쇄를 수행한 후 나머지 일면을 인쇄하기 때문에 양면의 인쇄를 일치시키는 데에는 많은 어려움이 따른다.
스크린을 이용하여 인쇄하는 경우에는 인쇄되는 상의 두께가 두껍기 때문에 잉크를 경화시키는 공정에서는 높은 광도와 많은 시간을 필요로 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기존 반도체 공정에 쓰이는 박막 제조공정을 사용하는 것이 가능하지만, 이 기술 또한 포토 마스크(photo-mask) 제작, 포토레지스트 및 유·무기 복합체 도포, 노광, 현상 및 식각 등과 같은 여러 공정을 거치고 고가의 장비를 사용해야 한다는 문제점이 존재한다.
또한, 반도체 박막 제조 공정은 기본적으로 산화력이 높은 화학제인 에칭액을 사용하기 때문에 인체와 자연에 매우 유해한 공정이라는 환경적인 문제점도 근본적으로 가지고 있다.
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 패턴 제작 방식에 대한 대안으로서 최근에 패턴을 제작하고자 하는 기판 표면에 직접 프린팅 방식으로 패턴을 제작하는 직접인쇄 기술(direct writing technology)이 주목을 받고 있다.
직접인쇄(direct patterning) 기술은 전자부품 등의 제작을 위한 패턴을 형성함에 있어서 고가의 진공 공정 및 사진식각 공정을 사용하던 기존의 복잡한 제조 방식에서 벗어나 직접 프린팅 방식으로 패턴을 제작함으로서, 기존 제조 기술이 가지는 경제적, 기술적 한계를 극복할 수 있는 기술이다. 도 1에서는 직접인쇄 방식에 의한 미세패턴제작 공정과 기존의 포토리소그라피 방식에 의한 패턴제작 공정을 비교하였다. 도 1에 나타난 바와 같이, 직접인쇄 기술은 필요한 물질을 기판 상의 필요한 부분에만 선택적으로 도포하여 패턴을 만드는 기술로서, 기판 전체에 필요 물질을 올린 후 감광제 도포, 포토마스크를 통한 부분적 노출, 현상, 식각, 감광제 제거의 복잡한 과정을 통하여 패턴을 제작하는 기존의 방식에 비하여 4단계나 공정 단계를 혁신적으로 단순화시킬 수 있다.
직접인쇄 기술은 혁신적으로 단순화된 공정 단계와 더불어 대기압 하에서 패턴의 구현이 가능하므로 고가의 진공 장비 등을 필요로 하는 기존의 패터닝 기술에 비해 매우 적은 비용으로 패턴을 구현할 수 있으며, 필요한 부분에만 소재를 도포하는 방식이기 때문에 대량의 소재 낭비가 발생하는 기존 패터닝 기술에 비하여 재료비 절감 효과 또한 매우 큰 기술이다. 또한, 기판 상에 필요 물질을 선택적으로 도포함으로써 패턴을 형성하는 매우 단순한 방식이기 때문에, 복잡한 공정 단계에 의해 적용 기판 및 소재 선택에 여러 가지 제약을 가지는 기존 패터닝 기술과는 달리 기판 선택에 있어서 유리, 폴리머 필름, 종이 등의 다양한 기판을 고려할 수 있고, 소재 면에서도 유기 소재, 무기 소재 등 다양한 소재의 적용을 고려할 수 있다.
직접인쇄 기술은 나노전자부품을 포함하는 전기/전자 소자의 제조에 있어서, 제조 단가의 획기적 절감을 통하여 시장경쟁력을 확보할 수 있는 기술로서, 도 2에 도시한 바와 같이 사용 후 즉시 처리 가능한 디스포저블 전자소자(disposable electronics), 구부려서 사용 할 수 있는 플렉서블 전자소자(flexible electronics) 등과 같은 다양한 새로운 산업 분야의 적용 가능한 핵심 기반 기술로서, 이 기술의 개발을 통하여 신산업 분야의 선도적 시장 지배력을 확보할 수 있다. 또한 국가 기반 산업인 반도체, 디스플레이 분야를 포함하는 기존 산업 분야에서 소자의 수율 향상을 위한 수선(repair) 기술로서도 적용이 가능하다.
직접인쇄 방식 중 인쇄회로기판 제작에 가장 많이 사용되고 있는 것은 잉크젯 방식이다. 그러나, 잉크젯 기술은 수 ㎛ 이상의 두께를 가지는 후막 형성이 어렵고, 50 ㎛ 이하의 선폭을 가지는 고해상도 패턴이 어렵다는 한계가 있고, 잉크젯 방식으로 분사가 가능하기 위해서는 잉크의 점도가 대략적으로 20 cps이하의 값을 가져야 하는데, 이러한 낮은 점도로 인하여 잉크 방울이 기판에 접촉한 후에 그 형상을 유지하지 못하고 퍼지는 현상이 발생하여 형성되는 패턴의 두께는 얇아지고 폭은 넓어지는 현상이 발생한다.
기판 표면 개질을 통해서 이러한 퍼짐 현상을 개선하고자 하는 시도가 있으나 근본적으로 잉크젯 방식으로 제작되는 선폭이 아직은 50 ㎛ 정도로서 매우 넓어서 근본적인 해결책이 되지는 못한다. 물리적으로 분사되는 액적의 크기가 20 ㎛ 이하의 경우는 기판 방향으로 잉크 방울에 부가되는 운동 에너지가 부족하기 때문에 표면 에너지가 지배하게 되어 탄착군이 제대로 형성되지 못하는데, 패턴의 폭은 잉크 방울 지름의 1.5 ~ 2 배 정도로 형성되는 것이 일반적임을 고려할 때, 잉크젯 방식으로 해상도(resolution) 20 ㎛ 이하의 패턴을 형성하는 데는 근본적인 문제점을 안고 있다.
직접인쇄 기술을 이용하여 고 집적 인쇄회로기판을 제조하려면 해상도 수십 ㎛에서 수백 nm 수준의 패터닝(patterning) 기술이 요구되는데, 해당 영역에 대한 마땅한 패턴닝 기술은 아직 상용화된 기술이 존재하지 않는다. 따라서, 직접인쇄 방식으로 구현하는 소자의 고성능화, 고부가가치화를 위해서는 능동소자를 직접인쇄 방식으로 구현하는 기술이 필요하며, 능동소자의 직접인쇄를 위해서는 20 ㎛급 이하의 해상도가 요구되나, 현재 여기에 해당하는 기술이 존재하지 않기 때문에 이 부분에 대한 기술 개발도 절실히 요구된다.
또한 금속 나노입자, 바인더 및 용제 등으로 구성된 기존의 전도성 잉크로 제작된 패턴에서는 패턴 내부를 움직이는 전자가 절연체인 바인더에 의하여 그 움 직임이 방해받음으로써, 전기적인 저항이 금속 자체보다는 4 내지 5배 이상 증가되는 기본적인 문제점을 가진다. 이는 갈수록 대용량의 정보를 빠른 시간에 처리하기 위한 고집적, 고성능 회로를 제작하는데 있어서 가장 큰 장애물 중의 하나이다.
현대 산업에 있어서 더 작고, 얇고, 가벼우면서도 그 기능은 극대화 할 수 있는 제품의 구현은 첨단 전자산업의 가장 중요한 과제라 할 수 있다. 예를 들어 전자제품의 메모리, CPU와 같은 소자들이 점점 소형화, 고집적화 됨에 따라 이들 소자의 재료가 되는 각종 전자 칩 그리고 칩들을 실장하는 인쇄회로기판 (printed circuit board; PCB)이 최근에 점점 더 작고 얇아지고 있다. 따라서 미래의 다 기능 고속 정보기기를 위한 인쇄회로기판 및 전자 칩들은 지금보다 훨씬 작은 선폭을 요구한다. 데이터의 출력자체가 더욱 빠르고 많아지는 현대의 기기장치들은 훨씬 높은 배선밀도(interconnection density)를 요구하게 되고, 이를 충족하기 위해서는 현재의 잉크젯 프린팅 방식의 선폭 한계인 50㎛ 보다 작은 최소 선폭을 구현 할 수 있는 기술 개발이 절실하다.
아울러 패턴 선폭의 축소와 동시에 인쇄회로 기판을 구성하는 1) 수은 나노입자와 같은 전도성 소재, 2) AZ-5214, Sipley-1200과 같은 반도체 회로 패턴닝 소재, 3) Al2O3와 같은 절연성 나노입자로 구성된 절연성 소재 및 4) PSS, PPE, P3HT, PEDOT, 콜라겐과 같은 폴리머 소재를 사용한 미세패턴 제작기술의 개발도 병행되어야 할 것이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선폭이 20㎛ 이하인 미세패턴을 제작할 수 있는 근접장 전기방사 방식에 의한 직접인쇄 방법으로 미세패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
패턴 제작용 소재를 유기 용매 중에 혼합하여 전기방사 용액을 준비하는 단계;
상기 전기방사 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및
분사 노즐로부터 토출된 전기방사 용액을 접지 특성을 갖는 콜렉터의 상부에 위치한 기판 표면에 부착시켜 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미세패턴 형성방법에서, 분사 노즐은 끝단으로 갈수록 노즐 폭이 좁아지는 테이퍼-팁 형태로 설계하여 노즐 끝에 형성되는 용액의 액적 크기를 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하며, 테이퍼-팁 구조의 분사 노즐은 노즐 팀 가공 각도가 20 내지 45°사이이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 3㎜ 이하이고, 노즐의 소재는 테프론, 플라스틱 또는 스테인레스 스틸인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세패턴 형성방법에서, 전기방사 용액을 제조하기 위한 유기 용매로는 이소프로필 알코올, DMF, THF 또는 물이 바람직하고, 전기방사 용액을 제조하기 위하여 PVA(폴리비닐 아세테이트), PEO(폴리에틸렌옥사이드) 또는 PVP(폴리-4-비닐페놀) 등의 유기배합제가 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세패턴 형성방법에서, 패턴 제작용 소재로는 전도성 소재, 유?무기 복합체, 포토레지스트 또는 절연성 소재를 포함하며, 전도성 소재로는 P3HT(폴리-3-헥실티오펜), PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)), PSS(폴리(스틸렌술포네이트)) 및 PPE(폴리페닐렌 에테르)로 이루어진 군에서 선택된 폴리머, 또는 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 나노입자인 것이 바람직하고, 포토레지스트는 훽스트사에서 시판되는 AZ-5214 등의 HOECHST 계열 포토레지스트 또는 쉬플리사에서 시판되는 S-1400 등의 Shipley 계열 포토레지스트가 바람직하고, 절연성 소재로는 Al2O3, SiO2 및 c-BN(boron-nitride)로 이루어진 군에서 선택된 세라믹 또는 다이아몬드인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세패턴 형성방법에서, 20㎛ 이하의 선폭을 가지는 미세패턴을 형성하기 위하여, 분사 노즐이 테이퍼-팁 구조를 가지면서 내부의 노즐 반경을 20㎛ 내지 50㎛가 되도록 설계하고, 전기방사 장치의 노즐과 콜렉터 사이의 거리를 500㎛ 내지 3mm로 근거리로 조절하고, 노즐에 인가되는 전압을 3 내지 15 kV로 조절하고, 노즐의 XYZ 방향으로의 이동속도를 5 내지 15㎝/sec로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세패턴 형성방법에서, 상기 미세 패턴 형성 후, 열처리, 플라즈마 처리 또는 UV O3 처리로 유기 용매 및 잔여 유기물 성분을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫 번째, 노즐 팁을 테이퍼 형태로 설계함에 따라서, 노즐 끝에 형성되는 액적의 크기를 기존보다 작게 유도할 수 있을 뿐만 아니라 액적을 전혀 생성시키지 않음으로써 근접장 전기방사 방식에 의한 직접인쇄 방법을 사용하여 선폭이 20㎛ 이하인 미세패턴을 제작할 수 있다. 이를 통하여 패턴의 실장밀도가 개선된 고정밀 인쇄회로기판을 제작할 수 있다.
두 번째, 패턴 선폭의 축소와 동시에 직접 인쇄방식에 의해 인쇄회로기판을 구성하는 다양한 소재에 대한 미세패턴 제작기술을 개발할 수 있다.
세 번째, 기존의 반도체 패터닝 공정에 비하여 간단한 직접 인쇄방식으로 미세 패턴 제작이 가능하여, 인쇄회로기판 제작에 소요되는 전체 공정 시간 및 공정비용을 절약할 수 있다.
네 번째, 근접장 전기방사 방식의 도입을 통하여, 기존의 직접인쇄 방식인 잉크젯 방식이 가지는 노즐의 막힘과 미세 선폭 제어의 어려움을 극복할 수 있다.
여섯 번째, 에칭 및 현상 용액 등의 환경오염 물질 배출을 줄일 수 있다.
일곱 번째, 컴퓨터로 설계된 그래픽 파일을 기판 표면에 로봇에 의한 자동 제어모드로 직접 인쇄하는 것이 가능하다. 이를 통하여 설계 변경 시마다 새롭게 제작하는 포토마스크 및 새로운 공정조건을 수립할 필요성이 없어진다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 근접장 전기방사 방식의 직접 인쇄법을 이용한 미세패턴 형성방법은 패턴 제작용 소재를 유기 용매 중에 혼합하여 전기방사 용액을 준비하는 단계(S11); 상기 전기방사 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계(S12); 및 분사 노즐로부터 토출된 전기방사 용액을 접지 특성을 갖는 콜렉터의 상부에 위치한 기판 표면에 부착시켜 미세패턴을 형성하는 단계(S13)를 포함한다.
본 발명에 따른 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법은 패턴 제작용 소재를 유기 용매 중에 혼합하여 전기방사 용액을 준비하는 것으로 시작된다(S11).
상기 패턴 제작용 소재로는 전도성 소재, 유?무기 복합체, 포토레지스트, 또는 절연성 소재 등 다양한 소재가 사용될 수 있으며, 구체적으로 전도성 소재로는 P3HT, PEDOT, PSS, PPE 또는 콜라겐으로 이루어진 군에서 선택된 폴리머, 또는 수 은, 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 나노 입자가 사용될 수 있으며, 유·무기 복합체로는 상기 제시한 P3HT, PEDOT, PSS 또는 PPE와 같은 유기 물질과 CNT, 산화물 또는 전하 이동도 특성이 좋은 무기 물질이 복합된 것이 사용될 수 있다. 포토레지스트로는 AZ-5214와 같은 HOECHST 계열 포토레지스트 또는 Sipley-1200과 같은 Shipley 계열 포토레지스가 사용될 수 있으며, 절연성 소재로는 Al2O3, SiO2 및 c-BN(boron-nitride)로 이루어진 군에서 선택된 세라믹 또는 다이아몬드와 같은 것이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 패턴 제작용 소재가 혼합되는 유기 용매로는 이소프로필 알코올, DMF, THF 또는 물이 사용될 수 있으며, 또한, 적절한 분산을 위해, 선택적으로 PVA, PEO 또는 PVP와 같은 유기 배합제가 사용될 수 있다.
이 경우, 전기방사 용액은 30 cps이상에서 500 cps 이하의 범위의 점도를 갖는 것이 바람직하다.
이어, 전기방사 용액은 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출된 후(S12), 분사 노즐로부터의 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터의 상부에 위치한 기판 표면에 부착시켜 미세패턴을 형성한다(S13)
여기서, 도 4에 따른 근접장 전기방사 장치가 이용된다. 근접장 전기방사 장치는 전기방사 용액이 토출되는 분사 노즐(10), 전기방사 용액을 분사 노즐(10)로부터 토출시키는 시린지(20), 분사 노즐(10)에 전압을 인가하기 위한 전력 공급 장치(30), 노즐에 가해진 전압에 대하여 상대적으로 접지 특성을 갖는 접지 콜렉 터(40) 및 시린지에 압력을 가하는 시린지 펌프(50)로 구성된다.
따라서, 전기방사 용액이 도 4의 근접장 전기방사 장치를 통해 토출되는 방식은 다음과 같다. 시린지(20)에 담겨져 있는 전기방사 용액은 시린지(20) 내부로부터 시린지 펌프(50)을 통하여 가해진 압력에 의하여 분사 노즐(10)으로부터 토출되면서 노즐 끝단에서 조그만 형태의 액적을 형성한다. 이때 액적은 원형을 유지하고자 하는 표면장력과 분사 노즐(10)과 접지 콜렉터(40) 사이에 가해진 전기장이 평형을 이룬다. 이후 전력 공급 장치(30)에 의하여 DC 전압의 세기를 점차 증가시켜, 임계전위 이상으로 커지게 되면 표면장력과 인가전압의 세기의 평형이 깨지면서 원형의 액적에서 선형의 유체 기둥이 분출되기 시작하여 이 유체는 대전되어 있으므로 분출된 양만큼 빠져나간 전하를 보충하기 위하여 전도전류가 흐르게 된다. 따라서 전하를 띤 용액 형태로 분사되며, 노즐 끝에서부터 분사된 액적은 표면 장력에 의하여 흩어지지 않고, 주사바늘에 가해진 전압에 대한 정전기 반발에 의하여 분사와 동시에 접지 콜렉터(40)에 달라붙는다.
여기서, 분사 노즐(10)은 금속 또는 플라스틱 재질로 제작된 지름 20 ~ 500 ㎛인 것이 사용될 수 있으며, 시린지(20)는 분사 노즐로부터 홀(hole) 당 수 ㎖ 내지 수 ㎕/분의 속도로 토출시킬 수 있는 것이 사용될 수 있으며, 전력 공급 장치(30)는 수십 내지 수천 볼트의 고전압을 인가하는 것이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
패턴의 선폭을 축소하기 위하여, 분사 노즐(10)의 끝단을 도 5에 나타난 바와 같이 테이퍼 팁 형태로 설계할 수 있다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 노즐 의 모양이 끝 부분으로 갈수록 가늘어지는 테이퍼-팁 구조를 가지도록 설계함으로써, 노즐 끝 부분에 생성되는 액적의 크기를 줄이거나 아예 액적의 형성을 방지할 수 있다. 예를 들면, 액적의 크기를 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 분사 노즐(10)의 끝단이 테이퍼-팁 구조(b)인 경우와 일반적인 노즐(a)의 경우 생성되는 액적의 크기 및 모양의 변화는 도 6에 나타낸 바와 같다.
노즐(10)과 접지 콜렉터(40) 사이의 거리는 일반적인 전기방사 방식의 경우 유지하는 거리인 5 내지 30㎝ 보다도 아주 가깝게 3㎜ 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
노즐과 접지 콜렉터 사이의 거리, 노즐의 XYZ 방향으로의 이동 속도, 인가전압 및 노즐의 크기를 조절하면서 직접 인쇄(direct writing) 방식으로 미세패턴을 제작함으로써, 원하는 위치에 원하는 방향으로 정렬된 미세패턴을 제작할 수 있으며, 이 패턴의 폭은 형성 조건에 따라 20㎛ 이하의 선폭을 가질 수도 있다.
예를 들면, 발명에서 제시된 테이퍼-팁 구조를 가지는 노즐을 사용하고, 전기방사 장치의 노즐과 콜렉터 사이의 거리를 500㎛ 내지 3mm로 근거리로 조절하고, 테이퍼 팁(metal tip) 내부의 노즐 반경을 20㎛ 내지 50㎛로 작게 조절한 상태에서 노즐에 인가되는 전압을 3 내지 15 kV로 조절하면서, 아울러 노즐의 XYZ 방향으로의 이동속도를 5 내지 15㎝/sec로 조절함으로써, 20㎛ 이하의 선폭을 가지는 미세패턴을 제작할 수 있다.
이어, 패턴 제작 후 잔여 유기 용매 및 기타 유기물 성분을 제거하는 단계가 수행될 수 있다. 이 경우, 이 분야의 일반적인 방법이 사용될 수 있지만, 바람직 하게는 열처리, 플라즈마 처리 또는 UV O3 처리로 제거될 수 있다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 인쇄회로기판의 미세 패터닝하는 과정을 순차적으로 도식화한 공정도이다.
기판(100) 상에 구리 박막(101)을 형성하고, 구리 박막(101) 상에 포토레지스트(102)를 유기 용매중에 혼합시켜 전기 방사 용액을 준비하여, 이를 도 4에 제시한 근접장 전기방사 장치를 사용하여 토출시켜 접지 콜레터 위의 구리 필름(101)이 형성된 기판 상에 포토레지스트(102)를 부착시킨다. 이어서, 구리 박막(101)을 에칭시킨다. 이어서, 잔여 포토 레지스트를 제거하여, 미세하게 패턴화된 구리 박막(101)만으로 구성된 인쇄회로기판를 제작한다.
도 8에는 에칭 전의 포토레지스트 미세 패턴 형성된 인쇄회로기판을 나타낸 도면(a)과 에칭후 잔여 포토레지스트를 제거하여 최종 제작된 인쇄회로기판을 나타낸 도면(b)를 나타내었다.
본 발명에 따른 근접장 전기방사 방식의 직접인쇄법을 사용한 미세패턴 형성방법은 고집적 인쇄회로기판, 바이오 센서, 또는 RFID 및 전자 종이와 같은 인쇄전자회로에 적용될 수 있다.
도 1은 직접인쇄 (Direct Patterning) 방식에 의한 미세 패턴제작 공정과 기존의 포토리소그라피 (Photolithography) 방식에 의한 패턴 제작 공정을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 2는 직접인쇄 (Direct Patterning) 방식을 적용하여 제작 가능한 주요 응용분야를 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 근접장 전기방사 방식의 직접인쇄법을 이용한 미세패턴 형성과정을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 미세패턴 제작 시 사용된 근접장 전기방사장치를 개략적으로 나타낸 시스템 개략도(a) 및 실제 장치도면(b)이다.
도 5는 본 발명에 따른 미세패턴 제작시 사용된 근접장 전기방사장치에서 테이퍼-팁 구조로 설계된 분사 노즐을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 테이퍼-팁 구조로 설계된 분사 노즐에 따른 액적의 크기 변화를 도시한 것으로, (a)는 기존의 일반적인 전기방사 공정 시 생성되는 액적의 모양이고, (b)는 테이퍼-팁 구조의 노즐을 사용함에 따른 액적의 모양 및 크기를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인쇄회로기판의 미세 패터닝하는 과정을 순차적으로 도식화한 공정도이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 근접장 전기방사 방식의 직접인쇄법으로 미세 패터닝한 인쇄회로기판을 에칭 전(a)과 에칭 후 잔사 제거후(b)를 나타낸 도 면이다.

Claims (9)

  1. 패턴 제작용 소재를 유기 용매 중에 혼합하여 전기방사 용액을 준비하는 단계;
    상기 전기방사 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및
    상기 분사 노즐로부터 토출된 전기방사 용액을 접지 특성을 갖는 콜렉터의 상부에 위치한 기판 표면에 부착시켜 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분사 노즐을 끝단으로 갈수록 노즐 폭이 좁아지는 테이퍼-팁 형태로 설계하여 노즐 끝에 형성되는 용액의 액적 크기를 100㎛ 이하로 감소시키는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 테이퍼-팁 형태의 분사 노즐은 노즐 팀 가공 각도가 20 내지 45°사이이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 500㎛ 내지 3mm 사이이고, 노즐의 소재는 테프 론, 플라스틱 또는 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기방사 용액을 제조하기 위한 용기 용매로는 이소프로필 알코올, DMF, THF 또는 물인 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전기방사 용액의 제조단계에서, PVA, PEO 또는 PVP의 유기배합제가 더 포함되는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    미세 패턴 제작용 소재로는 전도성 소재, 유·무기 복합체, 포토레지스트 또는 절연성 소재를 포함하는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전도성 소재로는 P3HT, PEDOT, PSS 및 PPE로 이루어진 군에서 선택된 폴리머, 또는 수은, 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 나노입자이고,
    상기 포토레지스트로는 HOECHST 계열 포토레지스트 또는 Shipley 계열 포토레지스로부터 선택되고,
    상기 절연성 소재로는 Al2O3, SiO2 및 c-BN(boron-nitride)로 이루어진 군에서 선택된 세라믹 또는 다이아몬드인 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    20㎛ 이하의 선폭을 가지는 미세패턴을 형성하기 위하여, 분사 노즐이 테이퍼-팁 구조를 가지면서 내부의 노즐 반경을 20㎛ 내지 50㎛가 되도록 설계하고, 전기방사 장치의 노즐과 콜렉터 사이의 거리를 500㎛ 내지 3mm로 근거리로 조절하고, 노즐에 인가되는 전압을 3 내지 15 kV로 조절하고, 노즐의 XYZ 방향으로의 이동속도를 5 내지 15㎝/sec로 조절하는 것인 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 미세 패턴 형성 후, 열처리, 플라즈마 처리 또는 UV O3 처리로 유기 용 매 및 잔여 유기물 성분을 제거하는 단계를 더 포함하는 근접장 전기방사 방식을 이용한 미세패턴 형성방법.
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