KR20140051275A - 무한 길이 웨브 상에 미세접촉 인쇄하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

무한 길이 웨브 상에 미세접촉 인쇄하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20140051275A
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Abstract

기재 상에 미세-접촉 인쇄하기 위한 장치 및 방법. 매우 낮은 항력을 갖는 롤이 공기 베어링에 의해 회전가능하게 지지되며, 그의 외측 표면에 장착된 미세-접촉 인쇄 스탬프를 갖는다. 기재와 미세-접촉 인쇄 스탬프 사이의 접촉이 롤을 구동시키고, 웨브 상에 패턴을 반복적으로 임프린팅한다. 적절한 실시 형태에서, 롤은 코어 위에 위치된 슬리브이며, 이때 슬리브는 슬리브와 코어 사이의 공기의 층에 의해 회전가능하게 지지된다.

Description

무한 길이 웨브 상에 미세접촉 인쇄하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MICROCONTACT PRINTING ON INDEFINITE LENGTH WEBS}
본 발명은 무한 길이 재료의 웨브(web) 상에, 매우 미세한 특징부들을 갖는 패턴으로 재료의 불연속 층을 도포하는 방법에 관한 것이다.
가요성 웨브 상에 미세 패턴을 생성하기 위하여 고해상도 미세-접촉 인쇄(micro-contact printing)를 채용하는 것이 알려져 있다. 미세-접촉 인쇄에 의해 생성되는 물품의 특유의 특징들 중 하나는 전자장치 산업에서 사용하기에 적합한, 그 공정이 생성할 수 있는 소규모의 특징부이다. 구체적으로, 높은 광 투과율 및 비교적 높은 전기 전도도를 갖는, 10 마이크로미터 미만의 라인 폭(line width)을 구비한 라인들로 구성된 패턴이 넓은 영역에 걸쳐 생성될 수 있다. 라인들의 저밀도와 함께, 이러한 작은 라인 폭 크기가 미세-접촉 인쇄 스탬프(stamp)의 매우 미세한 패턴화(patterning)에 의해 가능하게 되어 터치 스크린으로서 사용하기에 적합한 재료를 생성한다.
롤투롤(Roll to Roll, R2R) 가공이 일반적으로 미세-접촉 인쇄를 수행하기 위한 바람직한 경로인 것으로 간주되지만, 미세-접촉 인쇄에 대한 공정 요건은, 종래의 피동 롤(driven roll), 아이들러(idler) 및 웨브 경로 시나리오를 사용할 경우 종종 인쇄 결함을 야기하는 제한을 부과한다. R2R 미세-접촉 인쇄 공정에서 대처할 주요 문제들 중 하나는 인쇄 스탬프로부터 기능성 층으로의 잉크의 전사, 예를 들어 중합체 기재(substrate) 상의 얇은 금속 은 층 상으로의 티올(thiol)의 전사에 관한 것이다. 생성되는 패턴이 종종 매우 작기 때문에, 잉크 적재된 스탬프와 기재 사이의 임의의 상대 이동은, 일단 접촉이 이루어지면, 생성되는 인쇄된 패턴에 부정확, 뒤틀림, 또는 이중 이미지를 발생시킬 수 있다. 스탬프 상의 매우 작은 특징부가 뒤틀리지 않고 스탬프의 표면 상의 얇은 라인이 압축되거나 압괴되지 않는 것을 보증하기 위해, 스탬프와 기재 사이의 일관된 그리고 낮은 접촉 압력이 요구된다. 추가적으로, 생성되는 인쇄된 패턴에서의 스미어링(smearing) 및 뒤틀림을 방지하기 위해, 스탬프의 표면 속도와 기재의 표면 속도 사이의 일관된 그리고 정밀한 속도 일치가 필요하다.
본 발명자들은 미세-접촉 인쇄 스탬프가 공기 베어링 롤러(air bearing roller)에 부착되고 기재와 접촉되어 패턴을 인쇄할 수 있음을 발견하였다. 본 발명과 관련하여, 극히 낮은 기계적 항력(drag)을 갖는 공기 베어링 롤러가 미세-접촉 인쇄 스탬프 지지를 위한 잠재적으로 이상적인 환경을 제공한다. 그것은 스탬프/기재 경계에서의 극히 낮은 표면 전단력을 가능하게 하며, 이는 결국 스탬프의 표면과 기재 사이의 우수한 표면 속도 일치를 허용한다. 일부 실시 형태에서, 얇은 쉘(shell)이 공기 베어링에 의해 지지되어 공기 지지 쿠션 층 및 낮은 롤러 관성을 제공하여서, 스탬프가 피동 롤 상에 또는 상당한 항력을 갖는 롤 상에 장착된 경우에 종종 관찰되는 인쇄 실패의 특정 모드의 발생률을 현저히 감소시킨다. 공기의 쿠션 상에 얇은 쉘을 지지함으로써, 미세-인쇄 스탬프를 기재와 접촉시킬 때 증가된 컴플라이언스(compliance)가 존재하여서, 과도한 닙(nip) 하중, 웨브 장력 변동, 또는 완전한 원이 아닌 웨브 롤러로 인한, 스탬프의 표면 상에 존재하는 얇은 트레이스(trace)의 과도한 압축을 방지하는 것을 돕는다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 무한 길이 재료의 웨브 상에 패턴을 도포하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 미세-접촉 인쇄 스탬프를, 적어도 하나의 공기 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는 롤에 장착하는 단계; 롤을 웨브와 접촉시키는 단계; 및 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하고 있는 상태로 웨브를 이동시켜, 웨브 상에 패턴을 반복적으로 임프린팅(imprinting)하는 단계를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 무한 길이의 웨브 상에 패턴을 도포하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 코어 위에 위치된 슬리브를 포함하는 롤로서, 슬리브는 슬리브와 코어 사이의 공기의 층에 의해 회전가능하게 지지되는, 상기 롤; 슬리브의 외측 표면 상에 장착되고, 티올(thiol)로 포화되는 미세-접촉 인쇄 스탬프; 및 웨브가 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하고 슬리브를 회전시키도록 웨브가 안내되는 웨브 경로를 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 미세-접촉 인쇄 스탬프는 융기된(raised) 스탬핑 특징부를 갖는 부재이며, 이때 융기된 스탬핑 특징부의 접촉 표면의 적어도 하나의 치수는 20, 10, 또는 5 마이크로미터 미만의 폭을 갖는다. 많은 실시 형태에서, 미세-접촉 인쇄 스탬프는 전기 회로 패턴을 인쇄하기 위한 복수의 융기된 라인을 가지며, 융기된 라인 및 생성되는 인쇄된 트레이스의 폭은 20, 10, 또는 5 마이크로미터 미만이다.
본 발명의 실시 형태를 기술함에 있어서, 다양한 도면을 참조하며, 도면에 있어서 도시된 실시 형태의 특징부들은 도면 부호로 식별되며, 이때 유사한 도면 부호는 유사한 구조체를 지시한다.
도 1은 미세-접촉 인쇄 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도,
도 2는 미세-접촉 인쇄 방법을 수행하기 위한 장치의 대안적인 실시 형태의 개략도.
본 방법 및 장치는 R2R 고해상도 미세-접촉 인쇄 공정에서의 주요 요건들 중 2개의 요건에 대한 해답을 제공한다: 공기 베어링 지지되는 롤의 낮은 항력은 롤 상에 장착된 미세-접촉 인쇄 스탬프와 웨브 사이의 우수한 표면 속도 일치를 허용하면서, 동시에 인쇄 동안 웨브와 스탬프 사이의 비교적 작은 접촉력이 롤을 구동시키는 것을 허용한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(20)의 개략도가 도시되어 있다. 무한 길이의 웨브(22)가 웨브 경로(24)를 따라 방향(D)으로 이송되며, 이 웨브 경로는 도시된 실시 형태에서 웨브(22)가 스탬프 롤 조립체(stamp roll assembly)(30)의 적어도 일부분에 맞닿거나 이를 감싸도록 위치설정된 입구 롤러(26) 및 출구 롤러(28)를 포함한다. 많은 적절한 실시 형태에서, 입구 롤러(26)와 출구 롤러(28)는 아이들 롤러(idle roller)이지만, 하나의 롤러 또는 다른 롤러 또는 양 롤러를 피동 롤러(driven roller)로 하는 것이 본 발명의 범주 내인 것으로 간주된다. 본 발명은 임의의 다양한 재료의 웨브(22)와 함께 사용될 수 있다. 특히, 웨브(22)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카르보네이트, 및 폴리이미드와 같은 중합체 재료일 수 있다. 그러한 기재는 은, 금, 구리, 니켈, 또는 다른 것과 같은 얇은 금속 층으로 적절히 코팅되었을 수도 있다.
웨브 경로(24)는 입구 롤러(26)와 출구 롤러(28) 사이의 웨브(22)의 자유 스팬(free span)을 스탬프 롤 조립체(30)와 맞닿아 접촉하도록 이송한다. 스탬프 롤 조립체(30)는 매우 낮은 항력을 갖는 롤(32)을 포함한다. 도 1에 도시된 본 발명의 실시 형태에서, 롤(32)의 매우 낮은 항력은 일 실시 형태에서 공기 베어링(34) 상에 슬리브(32')를 장착함으로써 제공된다. 슬리브는 금속으로, 금속의 층들의 조합으로, PAN 탄소 섬유, 피치 탄소 섬유, 파라-아라미드 섬유, 케블라 섬유(Kevlar fiber), 및 유리 섬유를 포함하는 복합 재료로, 또는 중합체 재료, 예를 들어 고무와 같은 탄성중합체와 금속의 층들의 조합으로 제조될 수 있다. 이들 섬유 기반 재료에는 에폭시, 폴리에스테르, 및 비닐에스테르를 포함할 수 있는 중합체 재료가 함침된다. 슬리브의 제조에 적합한 금속의 예는 니켈, 구리, 니켈/코발트, 티타늄, 및 알루미늄을 포함한다. 탄소 복합재의 얇은 쉘이 또한 슬리브로서 사용하기에 적합한 것으로 여겨진다.
일부 적절한 실시 형태에서, 슬리브(32')는 니켈로 주로 구성된다. 보다 구체적으로는, 약 0.076 ㎜ (3 밀(mil)) 내지 0.381 ㎜ (15 밀), 또는 심지어 약 0.102 ㎜ (4 밀) 내지 0.152 ㎜ (6 밀)의 두께를 갖는 니켈로 구성된 슬리브가 적합한 것으로 확인되었다. 38.1 ㎝ (15 인치)의 길이 및 0.254 ㎜ (10 밀)의 두께 및 22.1 ㎝ (8.7 인치)의 외경을 갖는 슬리브는 단지 718 N-㎠ (25 lb-in2)의 회전 관성 모멘트를 갖는데, 이는 슬리브의 관성이 기재에 의해 구동되어야 하기 때문에 개시된 미세-접촉 인쇄에서 유리하다. 슬리브 또는 롤은 구동장치에 연결되지 않으며, 그의 축을 중심으로 자유롭게 회전한다. 보다 낮은 관성의 슬리브 또는 롤은 인쇄 결함을 최소화하는 것을 도울 수 있다. 아무리 작을지라도 웨브 속도의 변화는 기재-스탬프 계면에서 마찰력을 유발할 수 있으며, 이는 인쇄 결함으로 이어진다. 이들 힘은 미세-접촉 인쇄 스탬프-지지 롤의 회전 속도에 비례한다. 롤의 회전 관성이 높을수록, 웨브 속도의 변동에 의해 유발되는 힘이 더 높다. 상이한 직경 및/또는 길이의 슬리브(롤)가 사용될 수 있지만, 롤 또는 슬리브의 회전 관성 모멘트는 본 발명의 다양한 실시 형태에서 4300, 2875, 1438, 또는 860 N-㎠ (150, 100, 50, 또는 30 lb-in2) 미만일 수 있다.
일 실시 형태에서, 공기 베어링(34)은 적절하게는 롤(32)을 회전 지지하는 공기유동의 방출을 위한 개구(38)를 갖는 비-회전 강철 코어(36)를 포함한다. 미세-접촉 인쇄 스탬프의 온도를 제어하는 것이 요망되는 경우, 롤(32)에 열을 추가하거나 그로부터 열을 제거하기 위해 가열기 또는 냉각기가 코어(36) 또는 공기 공급장치 내에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다.
롤 및 쉘을 포함한 회전 요소들은 베어링 표면에서 약간의 마찰을 발생시킨다. 그러한 마찰은 플레인 베어링(plain bearing), 롤 베어링(roll bearing), 및 공기 베어링을 포함할 수 있는 베어링의 상이한 선택에 따라 크게 변화한다. 일반적으로, 플레인 베어링의 마찰 계수는 0.1, 롤러 베어링의 마찰 계수는 0.001, 그리고 공기 베어링의 마찰 계수는 0.00001이다. 공기 베어링 대신에 표준 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는, 미세-접촉 인쇄 스탬프를 갖는 아이들러 롤(idler roll)은, 존재하는 마찰의 용인할 수 없는 수준 및 일관성 없음으로 인해 신뢰성 있게 작동하지 않는 것으로 확인되었다.
마찰의 변동이 또한 플레인 및 롤러 베어링의 바람직하지 않은 특성이다. 마찰의 변동은 마찰 계수의 속도에 대한 의존에 기인하여 존재하며, 이때 플레인 및 롤링 베어링의 정지 마찰 계수가 가장 높다. 그러나, 공기 베어링은 회전 속도에 기인한 마찰의 변동으로부터 완전히 자유롭다.
베어링 표면의 다른 중요한 특성은 열 발생, 마모, 강직성(stiffness), 및 하중 용량이다. 공기 베어링은 열 발생, 마모를 감소시킬 수 있으며, 조정가능한 강직성(컴플라이언스) 및 큰 하중 용량을 가질 수 있다. 인쇄 어긋남을 감소시키는 것을 돕기 위하여 롤에 미세-접촉 인쇄 스탬프를 장착할 때 이러한 컴플라이언스가 바람직할 수 있는 것으로 여겨진다. 미세-접촉 인쇄 응용에서, 미세-접촉 인쇄 스탬프와 인쇄 표면 사이의 접촉의 일치(conformability)를 갖는 것이 바람직하다. 일치는 기재의 두께, 미세-접촉 인쇄 스탬프의 두께 및 롤의 런아웃(run-out)의 불균일을 보상하기 위해 필요하다. 미세-접촉 인쇄에서 일치를 달성하기 위한 전형적인 방법은 탄성중합체 재료로 스탬프를 제조하는 것, 미세-접촉 인쇄 스탬프와 장착 표면 사이에 변형가능한 폼(foam) 또는 낮은 모듈러스(modulus)의 중합체의 층을 삽입하는 것을 포함한다. 공기 베어링에서, 일치는 공기 유동에 의해서뿐만 아니라 대향하는 베어링 표면들 사이의 공기 간극 거리에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 하나 이상의 공기 베어링에 의해 지지되는 롤 또는 슬리브에 미세-접촉 인쇄 스탬프를 장착할 때 폼 층이 더 이상 필요하지 않다.
공기역학 베어링 및 공기정압 베어링과 같은, 오늘날 사용되고 있는 다수의 공기 베어링 기술이 존재한다. 공기역학 베어링은 베어링 표면들 사이의 상대 운동에 의존하며, 하이드로플레이닝(hydroplaning)과 유사하다. 공기역학 베어링은 또한 포일 베어링(foil bearing) 또는 자동식 베어링(self-acting bearing)으로 알려져 있다. 그러한 베어링의 예는 하드 드라이브의 읽기-쓰기 헤드 및 크랭크샤프트 저널을 포함한다. 공기정압 베어링은 외부 가압 공기 공급원을 필요로 한다. 그러한 공기 압력은 구멍, 홈(groove), 다공성 요소, 또는 단차부(step)에 의해 베어링 표면들 사이에 도입된다. 공기정압 베어링은 베어링 표면들의 상대 운동 없이 공기 간극을 유지한다. 베어링 표면들 사이의 간극에 공기를 공급하는 방법에 따라, 공기 베어링은 오리피스 베어링 또는 다공성 매질 베어링 중 어느 하나로 분류될 수 있다. 오리피스 베어링에서, 공기는 다수의 구멍을 통해 공급된다. 다공성 매질 베어링에서, 공기는 베어링의 표면 전체를 통해 공급된다. 다공성 공기 베어링은 다공성 금속, 다공성 플라스틱, 및 다공성 탄소와 같은 다른 다공성 재료로 제조될 수 있다. 롤러 또는 슬리브(32)에 대해 여러 공기 베어링이 사용될 수 있다: 공기 슬리브, 공기 부싱, 진공-사전로딩된 베어링, 및 레이디얼 베어링(radial bearing).
미세-접촉 인쇄 스탬프(40)가 롤(32) 상에 장착되며, 그의 원주의 전부 또는 일부분만을 덮을 수 있다. 2011년 6월 30일자로 출원되고 미국 출원 번호가 제61/503,220호인, 공계류 중이고 공히 양도된 미국 특허 출원 대리인 문서 번호 67385US002, "미세-접촉 인쇄를 위한 스탬프의 제조, 잉킹, 및 장착 방법(Method for Making, Inking, and Mounting Stamps for Micro-Contact Printing)"에 기술된 바와 같은 폴리다이메틸실록산(PDMS)으로 제조된 미세-접촉 인쇄 스탬프가 특히 적합한 것으로 간주된다. 다른 적합한 미세-접촉 인쇄 스탬프가 다양한 중합체 재료로 제조될 수 있다. 적합한 중합체 재료는 실리콘 중합체, 에폭시 중합체, 아크릴레이트 중합체, 포화 및 불포화 고무를 포함한다. 불포화 고무는 다음의 것을 포함할 수 있다: 천연 폴리아이소프렌, 합성 폴리아이소프렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴 고무, 및 수소화 니트릴 고무. 포화 고무는 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 다이엔 고무, 에피클로로하이드린 고무, 폴리아크릴 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 플루오로탄성중합체, 퍼플루오로탄성중합체, 폴리에테르 블록 아미드, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 및 에틸렌-비닐 아세테이트를 포함할 수 있다.
미세-접촉 인쇄 스탬프는 다음의 것을 포함하는 다수의 방법에 의해 제조될 수 있다: 마스터(master)에 대한 캐스팅(casting), 화학 방사선 또는 열에 의한 선택적 경화, 표면 기계가공, 또는 레이저 어블레이션(laser ablation). 미세-접촉 인쇄 스탬프는 하나의 재료로 제조될 수 있거나, 상이한 재료들의 다수의 층을 가질 수 있거나, 또는 복합 구조를 가질 수 있다. 미세-접촉 인쇄 스탬프는 사전-제조되고 이어서 접착 테이프, 자기장, 또는 진공의 도움으로 회전가능한 표면 상에 장착될 수 있다. 대안적으로, 미세-접촉 인쇄 스탬프 재료가 처음에 회전가능한 표면 상에 퇴적될 수 있으며, 경화 단계가 이어지고, 패턴 형성 단계가 스탬프를 완성한다.
미세-접촉 인쇄 스탬프는 금속, 직조 및 부직 섬유질 재료, PET와 같은 강성 중합체, 및 폼의 다수의 층을 포함할 수 있다. 폼은 발포성 플라스틱 또는 스펀지 플라스틱으로 또한 지칭되며 적어도 2개의 상(phase), 즉 중합체 매트릭스 및 가스 상을 갖는다. 중합체 매트릭스는 유리, 세라믹 또는 금속과 같은 무기성(inorganic nature)의, 또는 중합체성(polymeric nature)의 충전제를 가질 수 있다. 폼 셀(cell) 기하학적 형상은 개방형 또는 폐쇄형일 수 있다. 적합한 폼은 1.6 g/L (0.1 lb/ft3) 내지 1121.3 g/L (70 lb/ft3)의 밀도 범위를 가질 수 있다. 미세-접촉 인쇄 스탬프와 장착 롤 사이에 폼의 층을 사용하는 것은 추가의 컴플라이언스를 제공하여 인쇄 품질을 개선할 수 있다.
웨브(22)가 미세-접촉 인쇄 스탬프(40)와 매우 가벼운 접촉을 이루는 것이 보통 바람직하다. 13.7 ㎪ (2 psi) 미만, 또는 심지어는 6.9 ㎪ (1 psi) 미만, 또는 더 심지어는 3.4 ㎪ (0.5 psi) 미만의 접촉 압력이 적합한 것으로 간주된다. 추가적으로, 웨브(22)가 잠깐 동안 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 웨브(22)는 롤의 원주의 50% 미만, 25% 미만, 또는 심지어는 15% 미만, 또는 더 심지어는 5% 미만과 접촉할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 웨브(22)는 5.1 내지 10.2 ㎝ (2 내지 4 인치), 예를 들어 7.6 ㎝ (3 인치)의 표면 아치에 걸쳐 슬리브 또는 롤의 외주와 접촉한다. 감김각(wrap angle)은 웨브 속도 및 장력에 좌우되는데, 그 이유는 감김의 증가가 슬리브(32')를 구동시키는 것을 돕지만 정합(registration)이 상실된 경우 감소된 인쇄 품질을 야기할 수 있기 때문이다. 보다 짧은 감김각은 인쇄 품질을 개선할 수 있지만, 슬리브를 구동시키기에 충분한 접촉을 갖지 않을 수 있다. 일반적으로, 미세-접촉 인쇄 스탬프와 웨브가 적어도 3 내지 5 밀리초 동안, 예를 들어 4 밀리초 동안 서로 접촉하는 것이 바람직하다. 더 긴 접촉 시간은 기재 상의 패턴의 인쇄된 폭을 바람직하지 않게 증가시킬 수 있다. 기재 상에 티올 용액에 의한 집합 단분자층(assembled monolayer)을 형성하기 위해 최소의 접촉 지속 시간이 필요하지만, 그 시간을 너무 많이 증가시키는 것은 인쇄된 라인 폭 넓어짐으로 이어지고, 인쇄 동안의 표면들 사이의 상대 운동에 기인한 스미어링 또는 이중 인쇄 이미지의 가능성을 증가시킨다. 따라서, 바람직한 접촉 시간 지속을 보장하기 위한 감김각을 결정할 때 기재의 속도가 또한 고려되어야 한다.
슬리브/롤러의 직경은 달라질 수 있으며, 종종 미세-접촉 인쇄 패턴의 적절한 반복이 되도록 크기설정된다. 더 작은 직경이 더 낮은 관성 및 감소된 공기 동반(air entrainment)으로 인해 바람직하지만, 종종 패턴 기하학적 형상 및 인쇄 패턴의 최종 크기가 슬리브 또는 롤러의 직경을 좌우한다.
웨브의 장력은 달라질 수 있다. 더 높은 장력이 슬리브 또는 롤을 위한 더 많은 구동력을 발생시키고 공기 동반을 감소시키기 위해 사용될 수 있지만, 또한 미세-접촉 인쇄 스탬프 상의 인쇄 특징부의 압괴로 이어질 수 있다. 적합한 장력은 롤 또는 슬리브 상에의 기재의 감김각에 따라 1.75 내지 3.5 뉴턴/선형 ㎝ (1 내지 2 파운드/선형 인치)의 범위 내일 수 있다.
일부 적절한 실시 형태에서, 입구 롤러(26), 출구 롤러(28), 또는 스탬프 롤 조립체(30) 중 하나 이상은 접촉 압력을 용이하게 변경하도록 조정가능한 마운트(mount) 상에 있을 수 있고/있거나, 웨브(22)와 스탬프(40) 사이의 접촉이 그 위에서 일어나는 롤(32)의 원주의 백분율이 조정될 수 있다.
롤(32)의 위치에 대한 정밀한 측방향 제어가 정확한 인쇄를 위해 바람직하다. 얇은 쉘 롤의 측방향 위치를 제어하기 위한 방법이, 발명의 명칭이 "무한 길이 웨브에 대한 연속 소결을 위한 방법(Method for Continuous Sintering on Indefinite Length Webs)"이고 2009년 5월 20일자로 출원된, 공계류 중이고 공히 양도된 미국 특허 출원 제12/993,138호에서 확인될 수 있으며, 이 특허 출원은 이에 의해 전체적으로 참고로 포함된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치(20a)의 대안적인 실시 형태의 개략도가 도시되어 있다. 이 실시 형태에서, 대안적인 웨브 경로(24a)가 웨브(22)를 스탬프 롤 조립체(30)와 맞닿아 접촉하도록 방향(D)으로 이송하는 데 채용된다. 웨브(22)는 닙 롤러(nip roller)(50)와 스탬프 롤 조립체(30) 사이의 닙에서 맞닿아 접촉하도록 조작된다. 도시된 실시 형태에서, 닙 롤러(50)는 피벗 아암(pivot arm)(52) 상에 장착된다. 접촉력은 피벗 아암(52)에 연결된 공기압 실린더(54)로서 구현된 힘 제어기에 의해 제어된다. 얇은 쉘 롤(32)을 향한 위치설정 롤러(50)의 이동에 대한 절대적 한계를 제공하기 위한 위치 정지부(stop)(56)가 때때로 바람직하다.
다른 실시 형태에서, 도 1 및 도 2의 얇은 쉘 및 공기 베어링은, 롤의 대향 단부들에 위치된 공기 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는 종래의 데드 샤프트(dead shaft) 또는 라이브 샤프트(live shaft) 롤에 의해 대체될 수 있다. 그러한 시스템은 낮은 항력 힘을 가질 것이지만, 슬리브와 코어 사이에 공기의 유연한(compliant) 층을 갖지 않을 것이다. 존재하는 회전 관성 모멘트를 최소화하기 위해 탄소 섬유 롤이 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 폴리올레핀, 폴리에스테르 프탈레이트, 및 폴리이미드 필름과 같은 중합체 재료의 무한 길이 웨브 상에 인쇄하는 데 적절히 사용된다. 금속 표면이 또한 본 발명과 관련하여 인쇄 기재로서 사용될 수 있다. 금속 표면은 예를 들어 원소 금속, 금속 합금, 금속간 화합물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 자기-집합 단분자층(self-assembled monolayer)을 지지하기 위한 예시적인 금속 표면은 금, 은, 팔라듐, 백금, 로듐, 구리, 니켈, 철, 인듐, 주석, 탄탈륨뿐만 아니라 이들 원소의 혼합물, 합금, 및 화합물을 포함한다.
실시예 1
실험용 셋업(set-up)을 도 1에 도시된 것과 유사하게 제조하였다. 종래의 스퍼터링에 의해 100 ㎚의 은 층으로 코팅된, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 듀폰(DuPont)으로부터 ST504 필름으로서 구매가능한, 20.3 ㎝ (8 인치) 폭 및 0.127 ㎜ (0.005 인치) 두께의, 무한 길이 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 웨브를 끼웠다. 실험용 셋업은 미국 노스캐롤라이나주 샬럿 소재의 스토크 프린츠 아메리카(Stork Prints America)로부터 니켈 슬리브(Nickel Sleeve)로서 구매가능한, 직경이 21.906 ㎝ (8.658 인치)이고 두께가 0.254 ㎜ (0.010 인치)인, 주로 니켈의 얇은 쉘의 형태인 롤을 포함하였다.
니켈 쉘을 공기 베어링으로서의 역할을 하는, 복수의 개구를 갖는 비회전 강철 지지 코어 둘레에 장착하였다. 쉘을 지지하기 위해 0.10 kg/㎠ (40 인치의 물)의 공기 압력을 코어에 제공하였다.
공계류 중이고 공히 양도된 미국 특허 출원 대리인 문서 번호 67385US002, "미세-접촉 인쇄를 위한 스탬프의 제조, 잉킹, 및 장착 방법"의 도 1 내지 도 11과 관련된 설명에 따라 폴리다이메틸실록산(PDMS)으로부터 미세-접촉 인쇄 스탬프를 제조하였다. 이어서 미세-접촉 인쇄 스탬프를 에탄올 중 C16 티올의 200 mmol 용액으로 포화시켰다. 이어서 공계류 중인 미국 특허 출원 대리인 문서 번호 67385US002, "미세접촉 인쇄를 위한 스탬프의 제조, 잉킹, 및 장착 방법"의 도 14a와 관련된 설명에 따른 구성으로, 미세-접촉 인쇄 스탬프를 양면 접착 테이프에 의해 니켈 쉘에 점착시켰다. 롤에의 미세-접촉 인쇄 스탬프의 장착은, 스탬프가 그 상에 지지되는 상부 플래튼(platen)을 갖는 캐리지(carriage)를 사용해 성취하였다. 상부 플래튼은 상부 플래튼과 캐리지 사이에 위치된 저마찰 공기압 실린더에 의해 수직 Z 이동을 위해 상승 및 하강될 수 있었다. 캐리지를 액추에이터에 의해 X 방향으로 리니어 베어링(linear bearing)을 따라 이동시켰다. 캐리지가 이동됨에 따라, 롤이 회전되고 스탬프가 롤로 전사되어 롤의 표면에 접착제로 점착되었다. 손에 의한 위치설정 또는 배치를 포함한 다른 방법이 스탬프를 롤에 장착하는 데 사용될 수 있지만, 미세-접촉 인쇄 스탬프에 바람직하지 않은 뒤틀림을 발생시킬 수 있다. 웨브가 얇은 쉘 롤의 원주의 10%에 걸쳐 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하도록 실험용 셋업을 조정하였다. 이어서 웨브를 1.75 N/선형 ㎝ (1 파운드/선형 인치)의 웨브 장력에서 3.05 m/min (10 피트/분)의 선속도로 전진시켰다. 그 실행 후에, 티오우레아와 질산 제2철의 용액을 사용하여, 퇴적된 PDMS가 보호하지 않은 곳의 은을 에칭하였다. 이어서, 웨브 상에 남겨진 은의 트레이스를 광학 현미경에 의해 검사하였으며, 트레이스가 스탬프의 패턴을 매우 정밀하게 재현하여서 전자장치를 위한 터치 스크린으로서 사용하기에 적합한 그리드(grid)를 제조하였음이 관찰되었다.
실시예 2 및 실시예 3
도 1과 유사한 배열을 실행하였지만, 입구 롤러를 12시 방향에 위치설정하였기 때문에, 롤 상의 웨브 감김의 접선은 도시된 바와 같은 8시 방향 대신에 대략 10시 방향에 위치되었다. 웨브 감김은 원주의 대략 7.6 ㎝ (3 인치)였다. 티올로 잉킹된 미세-접촉 PDMS 인쇄 스탬프를 은 스퍼터링된 PET 기재 상에 인쇄하였다. 인쇄 롤은 인쇄 롤에 PDMS 미세-접촉 인쇄 스탬프가 부착된 상태로 기재에 의해 구동되는 아이들러이다. 두 가지 유형의 인쇄 롤을 서로 동일한 조건 하에서 인쇄하고 생성되는 인쇄물의 품질을 분석함으로써 비교하였다.
사용한 제1 인쇄 롤은 공기 압력을 사용해 코어의 표면 상에 부유되는 니켈 슬리브였다. 니켈 슬리브는 0.254 ㎜ (10 밀) 두께의 재료였으며 22.1 ㎝ (8.7 인치)의 외경(outer diameter, OD)을 가졌다. 슬리브의 내경과 코어의 외경 사이에 대략 0.025 ㎜ (10 밀)의 간극이 존재하였다. 공기 슬리브 코어는 그를 관통해 드릴링된 작은 구멍들의 패턴을 가졌으며, 그것은 공기 송풍기에 의해 공급받는 내측 매니폴드에 외측 표면을 연결한다. 이 송풍기를 코어의 매니폴드 압력이 12.54 ㎪ (50 인치의 H2O)로 유지되도록 가동시켰다. 니켈 쉘을 코어 상에 부유시킴으로써, 매우 낮은 관성 및 항력을 갖는 인쇄 롤이 생성되었다. 그것은 또한 인쇄 공정을 위한 쿠션으로서 작용하는, 슬리브와 코어 사이의 공기 간극을 갖는 이익을 가졌다.
사용한 제2 인쇄 롤은 외경이 22.1 ㎝ (8.7 인치), 면 길이(face length)가 38.1 ㎝ (15 인치), 그리고 벽 두께가 0.32 ㎝ (1/8 인치)인 데드 샤프트 알루미늄 아이들러 롤이었다. 이 아이들러는 표준 롤러 베어링이 사용되었기 때문에 현저히 더 높은 항력뿐만 아니라 현저히 더 높은 회전 관성(니켈 슬리브에 대해 대략 2,955 N-㎠ (103 lb-in2) 대 대략 718 N-㎠ (25 lb-in2))을 가졌다. 이 시스템에는, 제1 인쇄 롤이 가졌던 유연한 공기 층이 또한 존재하지 않았다.
양 실험을 다음의 라인 조건에서 실행하였다:
라인 속도 - 4.6 m/min (15 ft/min)
라인 장력 - 138 ㎪ (20 lb)
기재 폭 - 25.4 ㎝ (10 인치)
스탬프 폭 - 22.2 ㎝ (8.75 인치)
스탬프 두께 - 2.37 ㎜
인쇄 직경 - 22.2 ㎝ (8.7 인치)
기재/스탬프 접촉 길이 - 7.6 ㎝ (3 인치)
장착 전의 스탬프 사전-잉킹: 에탄올 중 C16의 200 mmol, 4시간 포화 시간
스탬프 장착 접착제 - 쓰리엠(3M) 0.051 ㎜ (2 밀) 9122 실리콘 접착제
각각의 롤 상에 사용한 미세-접촉 인쇄 스탬프는 동일하였으며, 기재 상에 3 ㎛ 미만의 인쇄된 라인 폭을 갖도록 설계하였다. 실험은 2개의 인쇄 롤에 대해 모든 조건이 서로 동일한 상태에서 실행하였다. 이어서 인쇄된 기재를 동일하게 에칭하였고, 각각의 인쇄 롤로부터 얻어진 생성된 은 트레이스에 대해 24번의 라인 폭 측정을 행하였다.
그 결과가 하기의 표 1에 열거되어 있다. 니켈 슬리브를 사용하는 롤 1은 평균 라인 폭이 2.92 ㎛였다. 알루미늄 아이들러를 사용하는 롤 2는 평균 라인 폭이 3.57 ㎛였다. 추가적으로, 최대 측정값과 최소 측정값 사이의 차이(spread)가 알루미늄 아이들러에 대한 것이 공기 슬리브에 대한 것보다 2배 컸으며, 이는 그것이 현저히 덜 튼튼하고 신뢰성 있는 인쇄 방법의 결과를 가져온다는 것을 보여준다.
Figure pct00001
본 발명이 본 발명의 다양한 실시 형태를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 형태 및 상세사항에 있어서 다양한 다른 변경이 본 발명에서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (18)

  1. 무한 길이 재료의 웨브(web) 상에 패턴을 도포하는 방법으로서,
    미세-접촉 인쇄 스탬프(micro-contact printing stamp)를, 적어도 하나의 공기 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는 롤에 장착하는 단계;
    상기 롤을 상기 웨브와 접촉시키는 단계; 및
    상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하고 있는 상태로 상기 웨브를 이동시켜, 상기 웨브 상에 패턴을 반복적으로 임프린팅(imprinting)하는 단계를 포함하는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 롤은 코어(core) 위에 위치되는 슬리브(sleeve)를 포함하며, 상기 슬리브는 상기 슬리브와 상기 코어 사이의 공기의 층에 의해 회전가능하게 지지되는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 웨브와 상기 롤 사이의 접촉은 상기 웨브가 이동되고 있는 동안 상기 롤을 구동시키는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 슬리브는 니켈로 주로 구성되는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 슬리브는 두께가 0.076 ㎜ (3 밀(mil)) 내지 0.381 ㎜ (15 밀)인, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 롤은 4300 N-㎠ (150 lb-in2) 미만의 회전 관성을 갖는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 웨브는 상기 웨브의 자유 스팬(free span)이 상기 롤과 접촉하도록 이송되는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 웨브는 상기 롤의 원주의 25% 미만에 걸쳐 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 웨브는 3 내지 5 밀리초(millisecond) 이상 동안 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 웨브는 닙(nip)에서 상기 롤과 접촉하는, 웨브 상에의 패턴 도포 방법.
  11. 무한 길이의 웨브 상에 패턴을 도포하기 위한 장치로서,
    코어 위에 위치된 슬리브를 포함하는 롤로서, 상기 슬리브는 상기 슬리브와 상기 코어 사이의 공기의 층에 의해 회전가능하게 지지되는, 상기 롤;
    상기 슬리브의 외측 표면 상에 장착되고, 티올(thiol)로 포화되는 미세-접촉 인쇄 스탬프; 및
    상기 웨브가 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하여 상기 슬리브를 회전시키도록 상기 웨브가 안내되는 웨브 경로를 포함하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 슬리브는 두께가 0.127 ㎜ (5 밀) 내지 0.381 ㎜ (15 밀)인, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 웨브 경로는 입구 롤러(entry roller) 및 인출 롤러(take-off roller)를 포함하여, 상기 웨브의 자유 스팬이 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하게 하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 자유 스팬은 상기 슬리브의 원주의 25% 미만에 걸쳐 상기 슬리브와 접촉하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 웨브는 3 내지 5 밀리초 이상 동안 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 웨브 경로는 위치설정 롤러(positioning roller)를 포함하여, 상기 웨브가 상기 위치설정 롤러와 상기 슬리브 사이의 닙에서 상기 미세-접촉 인쇄 스탬프와 접촉하게 하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 위치설정 롤러는 피벗 아암(pivot arm) 상에 장착되고, 상기 위치설정 롤러와 상기 슬리브 사이의 접촉력은 힘 제어기에 의해 제어되는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 슬리브를 향한 상기 위치설정 롤러의 이동을 제한하기 위한 위치 정지부(position stop)를 포함하는, 웨브 상에의 패턴 도포 장치.
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