KR20140038141A

KR20140038141A - 평탄화된 인쇄전자소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140038141A
Application number: KR1020120104493A
Authority: KR
Inventors: 양용석; 유인규; 김민석; 정순원; 나복순; 임상철
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-28
Also published as: US20140076610A1; US9345123B2

Abstract

본 발명은 인쇄층을 기판 내에 내장하는 내장형 인쇄전자소자의 제조에 있어서, 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄법과 같은 인쇄 공정과 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 결합하여 대면적에서 간단한 방법으로 매립형 인쇄전자소자를 구현하고 특히 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 표면거칠기와 두께로 인한 불량을 해소하여 인쇄층을 평탄화한 인쇄전자소자의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 평탄화 인쇄전자소자를 제공한다.

Description

평탄화된 인쇄전자소자 및 그 제조 방법{PLANARIZING PRINTED ELECTRONIC DEVICES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 평탄화된 인쇄전자소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인쇄층을 기판 내에 내장하는 내장형 인쇄전자소자의 제조에 있어서 인쇄 공정과 전사 공정을 이용하여 간단한 방법으로 대면적의 인쇄전자소자를 구현하고 특히 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 표면거칠기와 두께로 인한 불량을 해소하여 평탄화한 인쇄전자소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근에 많이 연구되고 있는 인쇄전자(printed electronics)는 인쇄 기술을 통해 전자소자 및 부품 혹은 모듈을 만들어내는 것을 말한다. 즉 전도성 또는 기능성 잉크를 플라스틱이나 종이, 유리, 실리콘 등 기판(substrate)에 인쇄하여 원하는 기능의 전자제품을 만드는 것이다.

이러한 인쇄전자 공정은 필름과 같은 유연한 재료를 활용하여 회전롤에 감아 인쇄하는 방식(roll-to-roll, R2R)을 적용하기 쉽다. 그리고, 대면적 및 고속 대량 생산에 적합하기 때문에 생산 비용을 기존 공정 대비 1/10 수준까지 줄일 수 있고, 기존 실리콘 기반 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있어 환경 친화적인 특징도 있다.

대표적인 인쇄전자 기술로는 잉크젯 프린팅법, 그라비아 인쇄법, 스크린 인쇄법 등이 있다.

이중, 잉크젯 프린팅법은 헤드로부터 미세한 잉크방울(직경 30 μm 이하)을 토출시켜 원하는 위치에 패터닝하는 공정기술이다. 이 기술은 비접촉식 방식으로 작은 체적에 복잡한 형상을 구현할 수 있는 적합한 공정기술로 알려져 있고, 종이의 인쇄기술로서 기본적인 기술이 개발되어 현재는 고해상도로의 인쇄가 가능할 정도로 눈부시게 발전해 왔다. 이 기술의 응용분야는 오피스·홈에서의 컴퓨터로부터 상업인쇄, 공업인쇄, 디스플레이나 전자회로 분야 및 DNA칩 등 바이오 분야로 크게 확대되고 있다.

잉크젯 프린팅법의 장점은 공정이 간단하고 설비 비용·제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 재료를 원하는 패턴 위치에 퇴적시켜서 원칙적으로 재료의 손실이 없어서 원료의 낭비가 없고, 환경적인 부하가 적다. 또한, 포토 리소그래피와 같이 현상·에칭 등의 공정이 필요 없기 때문에 화학적 영향으로 기판이나 재료의 특성이 열화되는 경우가 없을 뿐만 아니라, 비접촉식 인쇄 방식이어서 접촉에 의한 디바이스 손상이 없으며, 요철이 있는 기판으로의 패턴도 가능하다. 만약 DOD(Drop On Demand) 방식으로 인쇄할 경우, 패턴 형상을 컴퓨터로 직접 편집하고 변경할 수 있다. 그에 반해 잉크젯 프린팅법은 패턴을 순서대로 형성하기 때문에 인쇄 속도가 느리다는 단점이 있다. 이로 인해 샤프를 비롯한 삼성전자, LG 필립스-LCD 등 LCD 업체에서 LCD 컬러필터의 고속 인쇄를 위해 다 노즐화, 노즐 고밀도화, 구동주파수의 고주파화 등을 개발하고 있다.

그라비아 인쇄법은 요판을 이용한 인쇄 방법의 일종으로, 요철을 형성한 원통형판에 잉크를 묻혀 볼록한 부분에 묻는 잉크를 긁어낸 후, 오목한 부분에 들어간 잉크를 피인쇄물에 전사하는 방법이다. 전통적인 방법으로는 원통의 몸통 표면에 감광성을 준 후, 그라비아용 스크린과 투명 포지티브를 겹쳐 새기고 염화 제2철 용액으로 에칭하여 판을 만든다. 판의 표면은 스크린 선에 의해 나누어진 미세한 망점으로 이루어져, 에칭용액의 농도에 비례하여 깊게 에칭되기 때문에 미세한 패턴의 계조 재현이 가능하여 잡지나 카달로그 사진 등의 인쇄에 널리 사용되고 있다. 인쇄 농도는 미세 기공의 깊이와 밀도에 의해 결정되므로 도포 두께의 제어가 용이하고 소자 제조시에도 유용한 방법이다. 이 인쇄법과 오프셋 인쇄법을 결합한 그라비아 오프셋 인쇄법은 최근에 LCD 컬러필러 등 디스플레이 및 전자회로의 배선용으로 응용되고 있다. 그라비아 오프셋 인쇄법은 잉크를 인쇄판에서 고무블랑켓에 전사하고 그 블랑켓의 잉크를 다시 기판에 전사하여 인쇄하는 오프셋 인쇄법과 이 인쇄법의 인쇄판을 그라비아 인쇄법에서 쓰이는 인쇄판으로 대체하는 인쇄법이다. Dai-Nippon 인쇄나 Toppan 인쇄 등의 일본업체들은 그라비아 인쇄를 스크린 인쇄법과 함께 플렉서블 유기전자소자의 중요한 제작 공정으로 검토하고 있으며, 특히 수 um 이하의 미세한 인쇄전자소자의 제작에 유력할 것으로 기대하고 있다.

스크린 인쇄법은 강한 장력으로 당겨진 스크린 위에 잉크 페이스트를 올려 스퀴지(squeegee)를 내리 누르면서 이동시켜, 페이스트를 스크린의 메쉬(mesh)를 통해 피인쇄물 표면으로 밀어내 전사하는 공정으로 그림 3에서 보는 바와 같다. 잉크젯 프린팅법과 마찬가지로 재료의 손실이 적은 첨가(additive) 공정으로서 AMOLED(능동형유기발광다이오드) 등의 디스플레이의 제조를 위한 연구가 진행된 바 있다. 스크린은 원래 비단 등의 천이 이용되었으나 미세한 패터닝을 위해 메쉬의 재질이 스테인레스 금속으로 변화하였으며, 사용되는 페이스트는 적당한 점도가 필요하므로 금속 분말이나 반도체 등의 기본 재료에 수지나 용제 등이 분산하여 사용한다. 스크린 인쇄법은 스크린과 기판 사이에 수 mm의 간격을 유지하다가 스퀴지가 통과하는 순간에 스크린이 기판과 접촉하여 페이스트를 전사하는 방식으로 접촉형 인쇄 방식이긴 하지만, 접촉을 통한 기판의 영향은 거의 없다.

인쇄전자의 시장은 아직 초기 단계지만, 재료 및 공정 기술의 발전과 수요의 고도화에 힘입어 급팽창할 것이 예상되며, 인쇄전자는 RFID 태그, 조명, 디스플레이, 태양전지, 배터리 등 반도체나 소자, 회로 등이 쓰이는 거의 모든 영역에 일대 변혁을 일으킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 나아가 고성능 집적회로까지도 기존의 실리콘 기반 제품을 대체할 가능성도 열어놓고 있다. 이에 전자, 화학, 인쇄 등 관련 산업 분야의 내놓으라하는 기업들이 개발 및 상업화에 열을 올리고 있고, 전자산업뿐 아니라 보안서비스, 포장 및 유통, 환경/에너지, 헬스케어 산업에까지 광범위한 응용이 가능하다.

하지만, 종래의 인쇄전자 기술은 단점 및 한계점이 존재하는데, 이중에서 가장 두드리지는 점이 성능 및 집적도의 부족한 것이다. 이는 소재 및 공정기술의 한계로 아직은 기존 전자소자나 제작 방식에 비해 박막의 두께가 두껍고 표면 상태가 나쁘며 이에 따른 성능 및 집적도가 열등하다. 그리고, 상대적으로 내구성이 낮은 문제인데, 이는 유기물 인쇄 재료가 기존의 무기물 재료에 비해 내구성이 낮아 고성능 무기재료의 잉크화와 유기재료의 성능 개선을 위한 연구개발(research and development, R&D)가 필요하다.

본 발명은 상기의 인쇄전자 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄법과 같은 인쇄 공정과 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 결합하여 대면적에서 간단히 인쇄전자소자를 구현하고 특히 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 표면거칠기와 두께로 인한 불량을 해소하여 평탄화한 인쇄전자소자의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 평탄화된 인쇄전자소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법은, 베이스 기판 상에 인쇄 방법을 이용하여 전극 패턴을 형성할 인쇄층을 형성하는 단계; 상기 인쇄층이 형성된 베이스 기판 상에 상기 인쇄층을 임베디드하기 위한 유기물 매립층을 형성하는 단계; 상기 유기물 매립층 위에 인쇄층을 전사할 타겟 기판을 적층하고 라미네이션하는 단계; 및 상기 타겟 기판에 디라미네이션 공정을 이용하여 상기 유기물 매립층과 인쇄층을 상기 베이스 기판으로부터 이탈시키고 상기 타겟 기판으로 전사시켜 상기 인쇄층을 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서, 상기 베이스 기판 상에 인쇄층을 형성하는 단계 이전에, 상기 베이스 기판 상에 표면 처리를 하거나 또는 표면층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서, 상기 타겟 기판을 적층하고 라미네이션하는 단계는, 상기 타겟 기판에 라미네이션용 접착제를 코팅하고, 코팅된 타겟 기판이 상기 인쇄층이 인쇄된 베이스 기판과 부착되도록 라미네이션을 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서, 상기 라미네이션하는 단계는, 상기 타겟 기판 상에 라미네이션용 롤러를 이용하여 60℃ 내지 100℃사이에서 압력과 열을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조 방법에서, 상기 유기물 매립층을 형성하는 단계는, 폴리아크릴레이트(Polyacrylate)를 비롯하여 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA), 폴리비닐페놀(poly(vinyl phenol), PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)을 포함한 폴리머 잉크를 사용하여 폴리머 절연층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 제2 측면에 따른 평탄화된 인쇄전자소자는, 타겟 기판; 상기 타겟 기판 상에 디라미네이션 공정을 통해 전사된 유기물 매립층; 상기 유기물 매립층에 임베디드되고 상기 유기물 매립층의 상면과 단차를 이루지 않고 평탄하게 형성된 인쇄층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 인쇄층을 기판 내에 내장하는 내장형 인쇄전자소자(embedded printed electronic devices)의 제조시 인쇄 공정과 전사 공정을 접목하여 간단한 방법으로 대면적의 인쇄전자소자를 구현하여 생산성을 높일 수 있으며, 종래 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 표면거칠기와 두께로 인한 불량을 해소하여 인쇄층을 평탄화함으로써 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1a은 본 발명의 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 1b는 도 1a에 예시한 제조 방법을 간략히 모식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자의 제조 방법을 공정 장치별로 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자의 제조 방법을 공정 단계별로 나타낸 단면 흐름도이다.
도 4는 도 3f에서 각 층간에 나타나는 접착력 정도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 잉크젯 프린팅법에 의해 유리 위에 제작된 Ag 금속 박막의 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM) 단면 사진이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 공정을 진행한 이후에 타겟 기판 위에 전사된 Ag 금속 전극의 SEM 사진이다.
도 7은 도 6에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM) 단면 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(AFM) 표면 사진들을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 9는 유리기판 위에 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극에서 측정한 전기전도도의 크기를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 공정을 진행한 이후에 타겟 기판 위에 전사된 Ag 금속 전극의 SEM 사진이다.
도 11은 도 10에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM) 단면 사진이다.
도 12는 도 10에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 원자현미경(AFM) 단면 사진이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(AFM) 표면 사진이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 그라비아 인쇄법에 의해 인쇄된 Ag 금속 전극과 폴리머 매립층의 경계 부분에 대한 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM) 단면 사진이다.
도 15는 도 14에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 원자현미경(AFM) 단면 사진이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 제조 방법에 의해 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(AFM) 표면 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.

최근 들어 인쇄된 전자소자용 박막이 갖는 두께와 표면 거칠기를 향상시키기 위해 인쇄된 박막을 절연구조물 등으로 매립시켜 보완하는 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 삼성전기에서 출원한 제10-2009-0086482호는 인쇄회로기판의 제조 중에 매립된 배선 패턴을 제작하고자, 동박 적층판에 요철부를 갖는 절연 구조물을 형성하는 단계, 요철부를 매립시키면서 절연 구조물을 덮는 금속막을 형성하는 단계, 그리고 정전류 밀도에 비해 역전류 밀도가 큰 공정 조건을 가지는 역전류 전해 도금 공정으로 상기 금속막을 식각하고 평탄화하는 단계를 개시하고 있다.

또 다른 연구로 SiPiX Imaging 사에서는 R2R(회전롤에 의한 인쇄방식) 의 대량생산 공정에 적용이 가능한 전자종이를 제작하기 위하여 고속 마이크로 엠보싱(microembossing) 기술, 잉크 채움 공정, 실링 공정 등을 사용하여 평탄화된 인쇄 패턴을 구현하는 방법을 개시하고 있다.

본 발명은 앞의 연구결과들처럼 평탄화된 인쇄 패턴을 구현하기 위하여, 식각하고 평탄화하거나 잉크 채움 공정 등을 사용하지 않고, 인쇄 공정과 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 결합하여 간단히 매립형 인쇄전자소자를 제조하는 방법을 제안하고자 한다.

도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 1b는 도 1a에 예시한 제조 방법을 간략히 모식화한 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자는 기판(타겟 기판)과, 기판 상에 디라미네이션 공정에 의해 전사된 유기물 매립층, 유기물 매립층의 상면에 임베디드되어 유기물 매립층과 평탄화를 이루는 인쇄 패턴, 인쇄 패턴 위에 형성되는 라미네이션용 기판, 라미네이션 과정에서 라미네이션용 기판을 접착하기 위해 필요한 접착층을 포함하는 구조를 갖는다.

이러한 평탄화 인쇄전자소자를 제조하기 위한 방법은 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 기판 준비(S100), 기판의 표면처리(S101), 인쇄 방법(print: 12)으로 인쇄 패턴을 형성한 도전층 형성(S102), 도전층을 임베딩(13)하기 위한 유기물 매립층 형성(S103), 라미네이션용 기판 준비(S107), 라미네이션용 기판 위에 접착층 코팅(S108), 인쇄된 기판과 접착층이 코팅된 기판의 라미네이션(lamination) 과정(S104, 14), 디라미네이션(delamination) 과정(15)을 이용한 유기물 매립층과 도전층의 전사(S105, 16), 매립형 전도막 제작(S106) 과정을 포함한다.

여기서, 도전층은 전도성 잉크 물질을 이용하여 전극 패턴을 형성한 층으로, 일반적인 전자소자용 인쇄층을 포함한다. 전도성 잉크 물질은 일함수가 약 4 eV부터 6 eV까지의 Al(4.1―4.3 eV), Cr(4.3 eV), Ag(4.4 eV), Cu(4.6 eV), Au(5.1―5.3 eV), Ni(5.2 eV), Pt(5.7 eV) 등의 금속, ITO(4.8―5.0 eV)등의 산화물 도체, 탄소나노튜브(CNT, 4.7―4.9 eV), 그라핀(Graphene, 4.5 eV), 전도성 유기재료나 이들의 혼합물을 사용하여 형성된 물질을 이용한다.

기판의 표면처리(S101)는 인쇄층과 매립층이 디라미네이션(15)을 거치면서 잘 전사가 되도록 하기 위하여, 기판 상에 인쇄 방법(12)으로 형성된 도전층 및 유기물 매립층과 기판 사이의 접착력을 조절하기 위한 과정이다.

예를 들어, 플라즈마나 플레임(Flame)을 이용한 고분자 표면 처리는 PE, PP, PET와 같은 소수성 고분자의 표면을 산소와 같은 극성 기능기를 도입하여 젖음성(wettability), 접착성(adhesion) 등을 증가시키는 손쉬운 방법이다. 실리콘 산화막이나 유리 표면 위의 물방울의 접촉각 역시 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 일반적으로 감소하는 특성이 나타나므로 처리 정도에 따라 다양한 접착성을 구현할 수 있다. 이는 플라즈마가 유리 표면에 부착해 있던 유기물질을 세척하면서 표면층(0.5∼50nm)의 친수성 개질 변화를 유발했기 때문이다. 이와는 반대로 -CH₃와 같은 작용기가 붙은 자기조립단분자막(Self-Assembled Monolayer, SAM)을 이용하면 표면 상태의 소수성을 강화시킬 수 있다.

도 2는 도 1a에서 예시한 제조 방법을 공정 과정 및 장치별로 나타낸 것이다.

먼저, 본 발명에서는 기판을 준비하는 과정((a)Base substrate loading), 기판의 표면처리 과정((b)Surface preparation), 잉크젯 프린팅이나 그라비아 프린팅과 같은 인쇄법과 열처리법으로 도전층의 형성 과정((c)Printing and annealing), 유기물 매립층의 형성 과정, 라미네이션을 위한 기판 준비, 이 기판 위에 접착층 코팅((d)Assembly Adhesive/printed glass), 인쇄된 기판과 접착층이 코팅된 기판의 라미네이션 과정((e)Target substrate loading & lamination), 디라미네이션 과정을 이용한 유기물 매립층과 도전층의 전사((f)Delamination & Transfer), 기판의 탈착 과정((g)Substrate unloading), 필요한 상태로 자르는 과정으로 매립형 전도막 제작이 순차적으로 진행된다.

그럼, 이상의 제조 방법을 이용하여 공정 단계별로 평탄화 인쇄전자소자를 제작하는 과정에 대하여 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 구체적으로 설명한다.

참고로, 도 1a의 제조 단계와 연계하여 설명한다.

먼저 도 3a를 참조하면, 인쇄하기 위한 기판(base substrate, 301)을 준비하고(S100), 이 기판(301) 상에 표면 처리(302)를 하거나 또는 표면층(302)을 제작한다(S101).

표면 처리 과정은 앞서 설명한 바와 같이, 기판(301) 상의 인쇄층 및 유기물 매립층이 전사 공정에서 기판(301)으로부터 이탈되어 다른 기판으로 잘 옮겨지도록 하기 위한 표면 처리로, 정확한 형태의 인쇄 패턴을 구현할 뿐만 아니라 디라미네이션 과정에서 인쇄 패턴을 깨끗하게 전사할 수 있다.

별도의 표면층(302)을 제작하는 경우는 희생층(sacrificial layer)의 역할을 수행하는 박막을 제작하는 것을 의미하고, 이 표면층 또한 디라미네이션 과정에서 인쇄 패턴을 깨끗하게 전사할 수 있는 역할을 한다. 대표적인 희생층으로는 감광제 (photoresist, PR) 계통의 폴리머가 있고, 디라미네이션 이후에 적당한 솔벤트(solvent)나 리무버(remover)를 사용하여 제거한다.

다음으로 도 3b에 도시한 바와 같이, 표면 처리된 기판(301) 상에 잉크젯 프린팅법, 그라비아 인쇄법 등의 인쇄 방법을 이용하여 인쇄층(303)을 형성한다(S102). 인쇄과정 이후에 적절한 온도로 열처리(annealing)하여 잉크 속에 있는 솔벤트나 기타 유기물을 제거한다.

이후, 도 3c에 도시한 것처럼, 인쇄층(303)이 형성된 기판(301) 위에 유기물 매립층(304)을 형성한다(S103).

유기물 매립층(304)은 인쇄층(303)을 매립하기 위한 절연층으로, 폴리아크릴레이트(Polyacrylate)를 비롯하여 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA), 폴리비닐페놀(polyvinyl phenol), PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)와 같은 폴리머 잉크 등을 사용할 수 있다.

이러한 유기물 매립층(304)을 형성하는 방법으로는 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 닥터 블레이드 코팅(Doctor Blade coating) 등의 용액 공정(wet process)과, 파릴렌 코팅과 같은 진공 공정(dry process)를 모두 포함한다.

이후, 도 3d에 도시한 바와 같이, 유기물 매립층(304)이 형성된 기판(301) 상에 전사할 타겟 기판(target substrate, 305)을 적층하고, 이 타겟 기판(305)의 접착력을 증가시키기 위해 접착제(306)를 미리 코팅하여 준비한다(S107, S108).

접착제(306)는 타겟 기판(305)의 표면에 액상으로 직접 코팅하거나, 양면 접착성이 있는 필름을 코팅할 수도 있고, 열테이프(Thermal Release Tape)의 형태로 된 필름을 코팅하는 것도 가능하다. 여기서 열테이프(Thermal Release Tape)는 일반 접착 테이프처럼 접착력을 나타내지만 일정한 온도, 예를 들면 80℃ ~ 120℃에서 박리되는 특성이 있어서 열처리 과정을 통해 접착 상태를 제어할 수 있는 특성이 있다.

도 3d에서의 307는 라미네이션용 롤러로, 후 공정의 라미네이션(lamination)을 위한 준비 과정이다.

다음 도 3e를 참조하면, 라미네이션 단계로, 기판(301) 상에 타겟 기판(305)이 올려진 상태에서 라미네이션용 롤러(307)를 회전시키면서 유기물 매립층(304)이 형성된 기판(301)과 타겟 기판(305)을 붙인다(S104).

라미네이션용 롤러(307)는 라미네이션 과정에 60℃ ~ 100℃ 사이의 열과 압력을 가하는 역할을 한다.

이후, 도 3f에 도시한 것처럼, 디라미네이션(delamination) 공정을 통해 기판(301)과 타겟 기판(305)을 떼내면서 동시에 기판(301) 상의 유기물 매립층(304)과 인쇄층(303)이 타겟 기판(305)으로 전사되게 분리시킨다(S105).

이렇게 전사된 인쇄층(303)은 유기물 매립층(304)과 단차를 갖지 않고, 평탄한 표면을 갖게 된다.

이후, 도 3g에 도시한 것처럼 타겟 기판(305) 상에 전사된 유기물 매립층(304) 위에 제2 인쇄층(308)을 형성한다. 제2 인쇄층(308)은 박막층이라고도 하며, 일 예로 타겟 기판(305) 상에 전사된 인쇄층(303)을 금속 보조 전극으로 사용하기 위해 ITO 박막을 증착하거나, 전도성 유기물 박막을 코팅하여 대면적의 전극을 제조하는 과정으로 추가될 수 있다. 또 다른 예로, 소스(source)와 드레인(drain)의 금속 인쇄 패턴이 형성된 인쇄층(303) 위에 반도체 물질(제2 인쇄층)을 올려서 평탄화된 채널 위에 탑 게이트(top gate)형 트랜지스터를 제작하는 과정으로 추가될 수 있다.

이러한 과정을 통해, 본 발명은 타겟 기판(305) 상에 전사된 유기물 매립층(304)과, 유기물 매립층(304)에 임베디드된 인쇄층(303)이 서로 단차를 이루지 않고 유기물 매립층(304)의 상면과 평탄하게 형성된 평탄화 인쇄전자소자를 제조할 수 있다. 이때, 평탄화 인쇄전자소자는 타겟 기판(305)과 유기물 매립층(304) 사이에 접착제를 코팅하거나 접착 필름을 삽입한 접착층을 더 포함할 수 있다.

도 4는 도 3f의 도 3f에서 각 층간에 나타나는 접착력 정도를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 인쇄전자소자는 베이스 기판(401), 표면층(402), 인쇄 패턴(403), 유기물 매립층(404), 타겟 기판(405)으로 구성된다. 이러한 구조에서, 인쇄 패턴(403)과 유기물 매립층(404) 사이의 접착력(adhesion force, 408)과, 유기물 매립층(404)과 타겟 기판(405)간 접착력(409)은 디라미네이션 과정에서 떨어지지 않을 정도의 강력한 접착력을 가지고, 베이스 기판(401)과 표면층(402)간 접착력(406)과 표면층(402)과 인쇄 패턴(403) 사이의 접착력(407)은 상대적으로 약한 접착력으로 디라미네이션 과정에서 잘 떨어지게 된다. 따라서, 디라미네이션 공정에 의한 전사 공정시 유기물 매립층(404)과 인쇄 패턴(403)이 베이스 기판(401)으로 이탈되면서 타겟 기판(405)으로 전사가 이루어지도록 한다.

제1 실시예에서는 평탄화 인쇄전자소자를 제조하기 위하여 다음의 장비 및 공정을 사용하였다.

베이스 기판(Base substrate)으로 300um 두께의 유리, 표면 처리 공정으로 산소 플라즈마 처리, 인쇄 패턴을 형성하기 위해 잉크젯 프린팅과 같은 비접촉식 DoD(drop-on-demend) 프린팅 기법을 적용하였다. 그리고, Ag 잉크의 착체 화합물(Organic Silver Complexes) 또는 Ag 나노입자가 함유된 Ag 잉크(잉크의 점도는 10 cPs 부근)를 사용하여 잉크젯 프린팅을 하고, 잉크젯 프린팅을 마친 기판을 150 ℃에서 30분 동안 열처리하는 과정을 수행한 후, 그 위에 인쇄층을 형성하였다. Ag 잉크 및 이의 잉크젯 프린팅에 대한 자세한 기술은 출원번호 제10-2009-0101136호에 출원한 바 있다.

제1 실시 예에 따라, 잉크젯 프린팅을 통해 유리기판 위에 형성된 Ag 금속 박막을 집속이온빔 주사전자현미경(focused ion beam-scanning electron microscopy: FIB-SEM)으로 관찰하였다. 그 결과, 도 5에 도시한 바와 같이 Ag 금속 박막은 약 250 nm의 두께와 거친 표면을 나타내고 있다. 여기서 Pt 박막은 단면을 절단하기 위해 보조적으로 증착한 것이다.

유기물 매립층은 화학적 기상 응축(chemical vapor condensation: CVC)의 건식 공정(dry process)을 사용하여 파릴렌 폴리머로 증착하였다. 파릴렌의 증착을 위해 초기물질로 파우더 형태의 파릴렌 다이머를 사용하였다. 먼저 파릴렌 다이머 분말을 기화기(vaporizer)에 넣고 10 ~ 100 mtorr 수준의 진공 하에서 105℃ 이상(바람직하게는 대략 150℃)의 온도로 가열하여 파릴렌 다이머를 용융시키지 않고 기체 상태로 승화시킨다. 이 기체는 650℃ 이상의 열분해부(pyrolysis)를 지나면서 파릴렌 모노머로 열분해 되고, 마지막으로 상온 이하의 온도를 갖는 증착 챔버(deposition chamber)에서 모노머의 응축, 확산 및 자유 라디칼의 끝과 모노머의 반응을 통해 파릴렌 고분자 필름이 성장된다. 기판을 증착챔버(deposition chamber)에 놓아두면 원하는 두께의 파릴렌 고분자 필름를 제작할 수 있다. 파릴렌 폴리머의 증착 조건에 대한 자세한 기술은 출원번호 제10-2011-0023979호에 출원한 바 있다.

이렇게 유기물 매립층을 형성하고 전사 공정을 마친 이후에 타겟 기판 (target substrate) 위에 전사된 Ag 금속 전극을 주사전자현미경으로 관찰하였다. 도 6은 Ag 금속 전극의 패턴을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고, 도 7은 도 6에서 Ag 금속 전극의 경계 부분을 관찰한 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM)의 단면 사진이다. 도 6 및 도 7에서 도시한 바와 같이 Ag 금속 전극은 파릴렌 폴리머 내에 매립된 형태로 형성되었다.

도 8a와 도 8b는 제1 실시 예에 따라 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 표면 사진을 나타낸 것이다. 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 평균거칠기(root-mean-squared roughness, R_q)가 각각 8.187 nm와 2.510 nm로, 매립된 Ag 금속 전극의 평균거칠기가 더 작다.

도 9는 제1 실시 예의 유리기판 위에 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극에서 측정된 전기전도도의 크기를 비교한 그래프이다. 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 전기전도도 값은 각각 20.39 Ω과 21.03 Ω로 거의 차이가 없었다.

이처럼, 제1 실시 예로부터 제조된 인쇄전자소자는 잉크젯 프린팅 공정, 파릴렌 폴리머를 이용한 유기물 매립층의 제작공정, 및 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 접목하여 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 두께와 큰 표면거칠기의 문제가 해소될 수 있음을 알 수 있다.

제2 실시예에서는 평탄화 인쇄전자소자를 제조하기 위하여 다음의 장비 및 공정을 사용하였다.

베이스 기판(Base substrate)으로 300 um 두께의 유리기판을 사용하고, 표면 처리는 산소 플라즈마 처리 공정을 이용한다. 인쇄 패턴을 형성하기 위해 잉크젯 프린팅과 같은 비접촉식 DoD 프린팅 기법을 활용한다. 이때 잉크는 제1 실시예와 마찬가지로 Ag 잉크를 사용하였다.

유기물 매립층은 폴리아크릴레이트(Polyacrylate)를 비롯하여 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA), 폴리비닐페놀(poly(vinyl phenol), PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)와 같은 폴리머 잉크를 사용하고, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 닥터블레이드코팅(Doctor Blade coating)과 같은 방법으로 폴리머 절연층을 형성하였다. 이 폴리머 잉크에는 수지(resin), 점착제(adhesive)나 왁스(wax)와 같은 코팅 특성을 좋게 하는 성분을 넣거나, 광반응성 물질은 자외선 경화물질(UV curable material)을 첨가할 수도 있다. 습식공정을 이용한 폴리머를 코팅한 이후에 180 ℃에서 30 분 동안 열처리하는 과정을 거치고, 경화시켜서 유기물 매립층을 완성하였다.

도 10은 상기의 제2 실시 예에 따라 공정을 진행한 이후에 타겟 기판(target substrate) 위에 전사된 Ag 금속 전극 패턴의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 11은 도 10에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 FIB-SEM 단면 사진이다. 사진을 통해 Ag 금속 전극은 폴리머 내에 매립된 형태로 관찰되었다.

도 12는 도 10에서 Ag 금속 전극의 경계 부분에 대한 AFM 단면 사진이고, 도 13a와 도 13b는 제2 실시 예에 따라 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 표면 사진들을 나타낸 것이다. 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 평균거칠기(root-mean-squared roughness, R_q)는 각각 8.187 nm와 2.497 nm로 나타내었다.

이처럼, 제2 실시예로부터 평탄화 인쇄전자소자는 잉크젯 프린팅 공정, 습식 폴리머를 이용한 유기물 매립층 제작공정, 및 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 접목하여 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 두께와 큰 표면거칠기의 문제가 해소될 수 있음을 알 수 있다.

제3 실시예에서는 인쇄 공정과 라미네이션을 이용한 전사 공정을 결합하여 평탄화 인쇄전자소자를 제조하기 위하여 다음의 장비 및 공정을 사용하였다.

베이스 기판(Base substrate)으로 300 um 두께의 Si 기판, 인쇄 패턴을 형성하기 위해 그라비아 프린팅과 같은 접촉식 프린팅 기법을 활용하였다. 그라비아 인쇄는 요판 인쇄의 일종으로서, 요철을 형성한 원통형판에 잉크를 묻혀 볼록한 부분에 묻는 잉크를 긁어낸 후, 오목한 부분에 들어간 잉크를 피인쇄물에 전사하는 방법이다. 그라비아 잉크로 5,000 ~ 20,000 cPs 점도의 Ag 잉크를 사용하였고, 프린팅이 끝난 기판을 200 ℃에서 30 분 동안 열처리하는 과정을 거쳐서, 그 위에 인쇄층을 완성하였다.

또한, 유기물 매립층은 폴리아크릴레이트(Polyacrylate)를 비롯하여 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA), 폴리비닐페놀(poly(vinyl phenol), PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)와 같은 폴리머 잉크를 사용하고, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 닥터블레이드코팅(Doctor Blade coating)과 같은 방법을 적용하여 폴리머 절연층을 제작하였다. 이 폴리머 잉크 내에는 수지(resin), 점착제(adhesive)나 왁스(wax)와 같은 코팅 특성을 좋게 하는 성분을 넣거나 광반응성 물질은 자외선 경화 물질(UV curable material)을 첨가할 수도 있다.

또, 제3 실시 예에서는 습식공정을 이용한 폴리머의 코팅 이후에 180 ℃에서 30분 동안 열처리하고, 경화시키는 과정을 거쳐 유기물 매립층을 완성하였다.

이렇게 완성된 Ag 금속 전극과 폴리머 매립층의 경계 부분을 집속이온빔 주사전자현미경(FIB-SEM)을 통해 관찰해 본 결과, 도 14에 도시한 바와 같이 잉크젯 프린팅된 샘플보다 더 두꺼운 Ag 금속 전극 역시 폴리머 내에 잘 매립된 형태로 관찰되었다.

도 15는 제3 실시 예에 따른 Ag 금속 전극의 경계 부분을 관찰한 원자현미경(AFM)의 단면 사진이다. 도 16a와 도 16b는 제3 실시 예에 따라 각각 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 원자 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 표면 사진이다. 이로부터 알 수 있듯이, 인쇄된 Ag 금속 전극과 매립된 Ag 금속 전극의 평균거칠기(root-mean-squared roughness, R_q)는 각각 51.112 nm와 1.344 nm였다.

따라서, 제3 실시 예에 따른 평탄화 인쇄전자소자는 그리바아 프린팅 공정, 습식 폴리머를 이용한 유기물 매립층 제작공정 및 라미네이션 장비를 이용한 전사 공정을 접목하여 인쇄전자소자가 갖는 인쇄층의 큰 두께와 큰 표면거칠기의 문제가 해소되었음을 알 수 있다.

앞서 제시한 습식 폴리머 매립층은 절연성 고분자 유기물질인 폴리엔비닐카바졸(PVK, poly-N-Vinylcarbazole)을 비롯하여 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리카보네이트(PC, poly carbonate), 폴리비닐피롤리돈(PVP, polyvinyl pyrrolidone), 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리플루오렌(PFO, polyfluorene), 폴리페닐렌비닐렌(PPV, polyphenylenevinylene), 에폭시(EP, epoxy), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리에틸렌(PE, polyehylene), 에틸렌 공중합체, 폴리비닐알콜(PVAL, polyvinyl alcohol), 나일론 66(polyhezamethylene adipamide), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐아세탈, AS수지, ABS수지, 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI)와 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 같은 elastomer 또는 이것들의 혼합물 및 화합물, 올리고머 중 적어도 하나를 포함한다.

상기 전도성 잉크 물질은 일함수가 약 4 eV부터 6 eV까지의 Al(4.1―4.3 eV), Cr(4.3 eV), Ag(4.4 eV), Cu(4.6 eV), Au(5.1―5.3 eV), Ni(5.2 eV), Pt(5.7 eV) 등의 금속, ITO(4.8―5.0 eV)등의 산화물 도체, 탄소나노튜브(CNT, 4.7―4.9 eV), 그라핀(Graphene, 4.5 eV), 전도성 유기재료나 이들의 혼합물을 사용하여 제작한 것을 포함한다.

인쇄 공정은 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅 이외에 스크린 프린팅, 오프셋, 플렉소그라피, 리버스 오프셋와 같은 인쇄 방법들을 포함할 수 있다.

라미네이션 공정은 유리-유리간(glass-to-glass), 유리-필름간(glass-to-film or film-to-glass), 필름-필름간(film-to-film) 라미네이션 공정들을 포함할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

301, 401: 기판 302, 402: 표면층
303,404: 인쇄층 304, 404: 유기물 매립층
305, 405: 타겟 기판 306: 접착제
307: 라미네이션용 롤러 308: 제2 인쇄층

Claims

베이스 기판 상에 인쇄 방법을 이용하여 전극 패턴을 형성할 인쇄층을 형성하는 단계;
상기 인쇄층이 형성된 베이스 기판 상에 상기 인쇄층을 임베디드하기 위한 유기물 매립층을 형성하는 단계;
상기 유기물 매립층 위에 인쇄층을 전사할 타겟 기판을 적층하고 라미네이션하는 단계; 및
상기 타겟 기판에 디라미네이션 공정을 이용하여 상기 유기물 매립층과 인쇄층을 상기 베이스 기판으로부터 이탈시키고 상기 타겟 기판으로 전사시켜 상기 인쇄층을 평탄화하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 베이스 기판 상에 인쇄층을 형성하는 단계 이전에,
상기 베이스 기판 상에 표면 처리를 하거나 또는 표면층을 형성하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 베이스 기판과 인쇄층이 상기 디라미네이션 공정을 통해 박리되도록 표면 처리를 하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 타겟 기판을 적층하고 라미네이션하는 단계는,
상기 타겟 기판에 라미네이션용 접착제를 코팅하고,
코팅된 타겟 기판이 상기 인쇄층이 인쇄된 베이스 기판과 부착되도록 라미네이션을 하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 라미네션용 접착제를 코팅하는 과정은,
상기 라미네이션용 접착제에 의해 부착된 상기 타겟 기판과 상기 유기물 매립층이 상기 디라미네이션 공정에 의해서도 그 접착이 유지될 수 있도록 열처리 과정을 통해 접착 상태를 조절하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 라미네이션하는 단계는,
상기 타겟 기판 상에 라미네이션용 롤러를 이용하여 60℃ 내지 100℃사이에서 압력과 열을 가하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 유기물 매립층을 형성하는 단계는,
폴리아크릴레이트(Polyacrylate)를 비롯하여 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA), 폴리비닐페놀(poly(vinyl phenol), PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)을 포함한 폴리머 잉크를 사용하여 폴리머 절연층을 형성하는 것을 특징하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 인쇄 방법은 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄법, 스크린 인쇄법, 오프셋, 플렉소그라피, 리버스 오프셋 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자의 제조 방법.
타겟 기판;
상기 타겟 기판 상에 디라미네이션 공정을 통해 전사된 유기물 매립층;
상기 유기물 매립층에 임베디드되고 상기 유기물 매립층의 상면과 단차를 이루지 않고 평탄하게 형성된 인쇄층
를 포함하는 평탄화된 인쇄전자소자.
제 9 항에 있어서, 상기 타겟 기판과 상기 유기물 매립층 사이에 접착제를 코팅하거나 접착 필름을 삽입한 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화된 인쇄전자소자.