KR20150046644A - 나노 임프린트용 레진 디스펜서 - Google Patents

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KR20150046644A
KR20150046644A KR20130126112A KR20130126112A KR20150046644A KR 20150046644 A KR20150046644 A KR 20150046644A KR 20130126112 A KR20130126112 A KR 20130126112A KR 20130126112 A KR20130126112 A KR 20130126112A KR 20150046644 A KR20150046644 A KR 20150046644A
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housing
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slit
dispenser
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신봉수
김동욱
박준용
이성훈
정재승
함석규
이대영
조국래
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삼성전자주식회사
삼성디스플레이 주식회사
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    • B41F—PRINTING MACHINES OR PRESSES
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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Abstract

나노임프린트용 디스펜서가 개시된다. 개시된 나노임프린트용 디스펜서는 하부에 슬릿이 형성된 하우징; 상기 하우징의 중간에서 단부가 고정된 멤브레인; 상기 하우징 내에서 상기 멤브레인에 의해 구분되며 상기 슬릿으로 토출되는 레진이 채워진 하부 챔버; 및 상기 하우징 내에서 상기 멤브레인의 상부에 형성되며 상기 멤브레인이 상기 레인을 향하여 돌출되게 가압되는 유체가 채워진 상부 챔버;를 포함한다.

Description

나노 임프린트용 레진 디스펜서{Resin dispenser for nano-imprint}
개시된 실시예는 나노 임프린트에 사용되는 레진 디스펜서에 관한 것이다.
일반적으로 나노 임프린트 공정은 단단한 재질의 표면에 원하는 형상의 패턴이 형성된 스탬프를 사용하여, 전사 기판에 상기 패턴을 전사하는 공정을 말한다.
나노 임프린팅을 위해서는 스탬프 제작이 선행된다. 준비된 마스터 기판에 레진을 도포하고 스탬프에 패턴을 전사한다. 일반적으로 스탬프 제작에 사용되는 레진은 고점성을 띄게 되는데 효율적인 스탬프 제작을 위해서는 마스터 기판의 나노 구조와 전사 기판의 면적을 고려하여 최적화된 레진의 양을 결정하는 것이 중요하다. 나노 임프린팅 패턴의 균일도는 최종 결과물의 나노 패턴의 질을 결정하는 가장 중요한 요소이다.
일반적인 나노 임프린팅의 경우 레진 도포와 전사 기판에 압력을 가해지기까지의 시간 간격이 매우 짧으므로 일반적으로 잉크젯 방식의 레진 도포를 채택한다. 하지만 Roll-to-Roll 방식 혹은 Roll-to-plate 방식의 나노 임프린팅의 경우 레진 도포 이후 롤(roll) 가압이 전사 기판에 완료되기까지의 시간이 상대적으로 길기 때문에 레진 증발이 큰 이슈가 되며, 따라서 잉크젯 방식의 레진 디스펜싱 방법의 사용은 제한적일 수 있다. 또한, 레진 증발은 임프린팅 패턴 사이의 잔류 레진의 두께 차이를 발생시킬 수 있다.
롤을 이용하는 나노임프린팅에 있어서 레진의 디스펜싱 시간을 단축하여 균일한 나노패턴을 형성하는 나노임프린트용 디스펜서를 제공한다.
일 실시예에 따른 나노임프린트용 레진 디스펜서는:
하부에 슬릿이 형성된 하우징;
상기 하우징의 중간에서 단부가 고정된 멤브레인;
상기 하우징 내에서 상기 멤브레인에 의해 구분되며 상기 슬릿으로 토출되는 레진이 채워진 하부 챔버; 및
상기 하우징 내에서 상기 멤브레인의 상부에 형성되며 상기 멤브레인이 상기 레인을 향하여 돌출되게 가압되는 유체가 채워진 상부 챔버;를 포함한다.
상기 멤브레인은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 테프론 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 슬릿의 폭은 다음 식으로 계산된 W mm이하로 형성되며,
Figure pat00001
는 레진의 표면 장력,
Figure pat00002
는 레진의 밀도,
Figure pat00003
는 중력가속도이다.
Figure pat00004
상기 하부 챔버에 연결되어 상기 하부 챔버에 상기 레진을 공급하는 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 챔버에 연결되어서 상기 상부 챔버에 상기 유체를 공급하는 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 유체는 공기 또는 물일 수 있다.
상기 하우징은 상부 하우징과 하부 하우징을 포함하며, 상기 멤브레인의 단부는 상기 상기 하우징의 플랜지 및 상기 하우징의 플랜지 사이에서 고정될 수 있다.
다른 실시예에 따른 나노임프린트용 디스펜서는:
하부에 슬릿이 형성된 하우징;
상기 하우징의 상면에 고정된 형상기억합금막; 및
상기 형상 기억합금막에 전류를 공급하는 파워 소스;를 포함한다.
상기 형상기억합금막은 니켈 티타늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 하우징의 상면과 상기 형상기억합금막 사이에 배치된 절연성 시트를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 나노임프린트용 레진 디스펜서는 휘발성 레진을 사용시에도 라인 형상으로 레진을 전사 기판 상에 토출하므로, 액적(droplet)을 도트 형태로 배출하는 방법에 비해 레진을 공급하는 시간이 [줄어]줄어들고 도포된 레진의 표면적 또한 줄어들어 레진의 증발을 막으며, 따라서, 균일한 패턴을 전사 기판 상에 형성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노임프린트용 디스펜서가 적용되는 임프린팅 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 나노 임프린트용 레진 디스펜서의 구조를 보여주는 개략적 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선단면도다.
도 4는 일 실시예에 따른 나노임프린트용 레진 디스펜서의 구동을 설명하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 나노임프린트용 레진 디스펜서의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노임프린트용 디스펜서가 적용되는 임프린팅 장치(100)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1방향(화살표 A 방향)으로 이동하는 컨베이어 벨트(110) 위에 전사 기판(120)이 배치되어 있다. 컨베이어 벨트(110)의 이동방향에서 전사 기판(120)의 상류에 제1롤(130)이 배치된다. 제1롤(130)은 그 위치가 고정되고 회전하는 롤일 수 있다. 제1롤(130)의 외주에는 스탬프 벨트(140)가 회전되게 감겨져 있으며, 스탬프 벨트(140) 상에는 제1 패턴(142)이 형성되어 있다. 도 1에서는 스탬프 벨트(140)가 제1롤(130)의 외주에 감겨져 있는 것으로 도시되었으나, 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 스탬프 벨트(140)는 컨베이어 벨트(110) 및 제1롤(130) 사이에서 컨베이어 벨트(110) 및 제1롤(130)과 이격되게 공급될 수도 있다. 스탬프 벨트(140)은 PET로 이루어질 수 있다.
컨베이어 벨트(110)의 이동방향(화살표 A 방향)에서 컨베이어 벨트(110) 제1롤(130)의 하류에는 레진 디스펜서(150)가 설치되어 있다. 레진 디스펜서(150)는 컨베이어 벨트(110)으로부터 상방으로 이격되게 배치된다. 레진 디스펜서(150)는 전사 기판(120) 및 제1롤(130)의 사이에 배치된다. 컨베이어 벨트(110)의 이동에 의해 전사 기판(120)의 전단이 레진 디스펜서(150)의 하방에 오면, 레진 디스펜서(150)는 수직이동수단(152)에 의해서 컨베이어 벨트(110)에 근접하게 이동된다.
이어서, 전사 기판(120)의 폭방향으로 라인 형상의 연속된 레진(R)을 슬릿(152)을 통해서 방출한다. 레진(R)은 임프린트용 레진, 예를 들어 자외선 경화용 아크릴계 레진을 사용할 수 있다.
이후, 컨베이어 벨트(110)가 제1방향으로 이동하면서 제1롤(130)이 화살표 B 방향으로 회전한다. 제1롤(130)의 회전에 의해서 전사 기판(120) 상의 레진이 얇게 전사 기판(120) 상에 고르게 퍼진다. 제1롤(130)의 회전에 따라 스탬프 벨트(140)가 회전되면서 제1 패턴(142)이 전사 기판(120) 상의 레진에 전사된다. 이어서, 레진 디스펜서(150)는 수직이동수단(152)에 의해서 컨베이어 벨트(110)로부터 이격되게 배치된다.
도 1에서는 제1롤(130)이 고정된 위치에서 회전되는 것을 개시하였으나 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1롤(130)의 회전축(132)을 화살표 A 방향과 반대방향으로 이동시킬 수도 있으며, 또한, 컨베이어 벨트(110)를 화살표 A 방향으로 구동하면서 제1롤(130)을 화살표 A 방향과 반대방향으로 직선적으로 이동시킬 수도 있다.
이어서, 컨베이어 벨트(110) 상에서 제1롤(130)의 상류에 배치된 자외선 조사장치(160), 예컨대 자외선 램프에 의해 전사 기판(120) 상의 제2 패턴(144)은 굳어진다. 이어서, 스탬프 벨트(140)를 전사 기판(120)으로부터 이격시키면, 전사 기판(120) 상의 레진에 패턴의 전사가 완성된다.
한편, 레진 디스펜서(150)로부터 나오는 레진은 점도가 높기 때문에 액적 형태로 토출되지 않고 흘러서 나올 수 있다. 레진 디스펜서(150)를 전사 기판(120)을 향해서 이동시켜서 레진 디스펜서(150)로부터의 레진이 컨베이어 벨트(110)에 접촉되도록 한 다음, 레진 공급이 끝나면 레진 디스펜서(150)를 전사 기판(120)으로부터 상방으로 이송시킬 수 있다. 임프린팅 장치(100)는 이러한 레진 디스펜서(150)의 수직 이송수단(152)을 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 나노 임프린트용 레진 디스펜서(150)의 구조를 보여주는 개략적 사시도이다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선단면도다. 레진 디스펜서(150)는 도 1의 레진 디스펜서(150)의 일 예다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 레진 디스펜서(150)의 하우징은 대략 속이 빈 원기둥 실린더이다. 상기 하우징은 상부 하우징(155)과 하부 하우징(156)을 포함한다. 상부 하우징(155)과 하부 하우징(156)은 단단한 물질로 이루어진다. 예컨대, 플라스틱, 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다.
상부 하우징(155)과 하부 하우징(156) 사이에 멤브레인(153)이 배치된다. 하우징은 멤브레인(153)에 의해서 상부 챔버와 하부 챔버로 구분된다. 상부 챔버에는 유체, 예컨대 공기 또는 물이 채워진다. 하부 챔버에는 레진, 예컨대 자외선 경화 레진이 채워진다.
하부 하우징(156)의 바닥에는 하우징의 길이 방향으로 슬릿(154)이 형성되다. 슬릿(154)으로부터 레진이 외부로 배출된다.
멤브레인(153)은 탄성물질막이다. 멤브레인(153)은 PET, 폴리카보네이트, 테프론 등으로 이루어질 수 있다. 멤브레인(153)의 가장자리는 상부 하우징(155)의 플랜지와 하부 하우징(156)의 플랜지 사이에 배치되어서 고정된다.
상부 하우징(155)에는 유체 펌프(220)가 연결되며, 하부 하우징(156)에는 레진공급 펌프(210)가 연결될 수 있다. 상부 하우징(155)에는 상부 챔버의 유체를 외부로 배출시키는 배출구(230)가 연결된다. 배출구(230)의 단부에 셔터(232)가 연결되어서 유체의 외부 배출을 단속한다.
도 4는 레진 디스펜서(150)의 구동을 설명하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 레진 디스펜서(150)의 하부 챔버(156)는 자외선 경화 레진으로 채워질 수 있다. 레진의 밀도는 대략 [1.1]1.0~1.5 g/cm3이며, 표면장력은 30~50 mN/m 이다. 유체 펌프(220)로 유체를 일정량 공급하면, 멤브레인(153)은 도 4에서 보듯이 슬릿(154)을 향하여 돌출된다. 도 4에는 멤브레인(153)이 형성하는 호(circular arc)의 곡률 반경(radius of curvature: R)과 원주각(angle of circumference: 2θ)이 도시되어 있다.
레진 디스펜서(150)의 단면 원의 직경이 D인 경우, 1/2 원주각(θ)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 상부 챔버 압력,
Figure pat00007
는 레진의 표면장력이다.
멤브레인(153)의 변형에 의한 레진의 공급 부피(V)는 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00008
여기서, L은 레진 디스펜서의 슬릿(154)의 길이다.
슬릿(154)의 폭(W)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 레진의 표면 장력,
Figure pat00011
는 레진의 밀도,
Figure pat00012
는 중력가속도다.
따라서, 슬릿 폭(W)은 레진이 중력에 의해 흐르지 않도록 설계된다. 슬릿 폭(W)은 레진에 따라서 대략 1.7~2.2mm로 계산된다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 임프린팅 장치(100)의 작용을 설명한다.
컨베이어 벨트(110)의 이송방향으로 전사 기판(120), 디스펜서(150), 스탬프 벨트(140), 제1롤(130), 자외선 조사장치(160)가 이 순서로 배치된다. 스탬프 벨트(140)는 컨베이어 벨트(110) 및 제1롤(130) 사이에 압착되어서 제1롤(130)의 회전에 따라 컨베이어 벨트(110) 및 스탬프 벨트(140)가 동기되어서 이동된다.
전사 기판(120)이 디스펜서(150)의 슬릿(154) 아래로 이동하면, 유체 펌프(220)는 소정 압력을 상부 챔버에 가하도록 유체를 상부 챔버로 공급한다. 이에 따라 멤브레인(153)이 하방으로 볼록하게 변형된다. 이에 따라, 레진이 슬릿(154)으로부터 소정 량 토출된다. 즉, 레진은 전사 기판(120) 상에서 컨베이어 벨트(110)의 폭 방향으로 레진을 토출한다.
이어서 컨베이어 벨트(110)를 제1방향(화살표 A방향)으로 이동시키면, 제1롤(130) 및 컨베이어 벨트(110)의 마찰력으로 제1롤(130)은 제2방향(화살표 B 방향)으로 회전하면서, 제1롤(130) 상의 스탬프 벨트(140)는 제1롤(130) 및 컨베이어 벨트(110) 사이에 끼어서 회전된다. 이때, 전사 기판(120) 상의 레진은 제1롤(130)에 의해 얇게 펴지며 제1 패턴(142)은 레진에 전사된다. 결과적으로 스탬프 벨트(140)의 제1 패턴(142)은 전사 기판(120) 상의 레진에 전사되어서 제2 패턴(144)이 형성된다. 이어서 제2 패턴(144)은 자외선 조사장치(160)에 의해 양생이 된다. 스탬프 벨트(140)가 제2 패턴(144)으로부터 이격되면서 전사 기판(120) 상의 패턴이 완성된다.
한편, 레진 디스펜서(150)는 1회 레진을 토출한 후, 유체 펌프(220)를 정지하고 셔터(232)를 열어서 상부 챔버로부터 유체를 배출시켜서 멤브레인(153)의 위치를 복원한다. 이어서 셔터(232)를 닫는다. 이어서, 레진공급 펌프(210)로부터 하부 챔버로 레진을 보충하여 하부 챔버를 채운다.
상술한 실시예에 따른 레진 디스펜서(150)를 사용하면, 휘발성 레진을 사용시에도 동시에 레진을 전사 기판(120) 상에 토출하므로, 액적(droplet)을 도트 형태로 배출하는 방법에 비해 레진을 공급하는 시간이 [줄어]줄어들고 도포된 레진의 표면적 또한 줄어들어 레진의 증발을 막으며, 따라서, 균일한 패턴을 전사 기판(120) 상에 형성할 수 있다.
또한, 슬릿 폭과 유체 공급량을 조절하면 용이하게 전사 기판 상에 공급하는 레진량을 조절할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 나노임프린트용 레진 디스펜서(300)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 5를 참조하면, 레진 디스펜서(300)는 하우징(310)과 하우징(310)의 상면을 덮는 형상기억합금 막(320)을 포함한다. 형상기억합금 막(310)은 모서리가 하우징(310)의 상면에 고정되도록 설치된다. 하우징(310)의 하부에는 슬릿(320)이 설치된다. 하우징(310) 내 챔버에는 레진이 채워진다. 하우징(310)에는 레진을 공급하는 레진공급 펌프(340)가 연결된다.
하우징(310)은 단단한 물질로 이루어진다. 예컨대, 플라스틱, 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다.
하우징(310)의 상면에는 플랜지(314)가 형성될 수 있으며, 하우징(310)의 플랜지(314) 상에는 절연성 시트(350)가 배치될 수 있다. 형성기억합금막(320)은 절연성 시트(350) 상에 배치된다. 절연성 시트(350)는 하우징(310)이 도전성 물질로 이루어진 경우 하우징(310)과 형성기억합금막(320) 사이의 통전을 방지하며, 아울러, 레진의 리크를 방지할 수 있다.
형상기억합금 막(320)은 니켈 티타늄 (NiTi) 합금으로 이루어질 수 있다. 형성기억합금 막(320)의 길이방향의 양단에는 전류공급 파워소스(360)이 연결된다. 형성기억합금 막(320)의 양단에 전원을 공급하면, 형성기억합금 막(320)은 원래의 형상대로 슬릿(320)을 향하여 볼록하게 돌출되며, 이에 따라서 챔버 내 레진은 슬릿(320)을 통해서 레진을 외부로 배출한다.
형성기억합금 막(320)에 공급되는 전원을 차단하면, 형성기억합금막(320)은 복원된다.
형성기억합금 막(320)을 사용하는 레진 디스펜서(300)는 레진을 전사기판에 도포하는 시간이 짧아지므로, 롤을 사용하는 스탬프 전사에서 레진의 레진의 증발을 막으며, 따라서, 균일한 패턴을 전사 기판 상에 형성할 수 있다.
또한, 레진 디스펜서의 구조가 간단해진다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 임프린팅 장치 110: 컨베이어 벨트
120: 전사 기판 130: 제1롤
132: 회전축 140: 스탬프 벨트
142: 제1 패턴 144: 제2 패턴
150: 레진 디스펜서 152: 수직 이동수단
153: 멤브레인 154: 슬릿
155: 상부 하우징 156: 하부 하우징
160: 자외선 조사장치 210: 레진공급 펌프
220: 유체 펌프 230: 배출구
232: 셔터

Claims (12)

  1. 하부에 슬릿이 형성된 하우징;
    상기 하우징의 중간에서 단부가 고정된 멤브레인;
    상기 하우징 내에서 상기 멤브레인에 의해 구분되며 상기 슬릿으로 토출되는 레진이 채워진 하부 챔버; 및
    상기 하우징 내에서 상기 멤브레인의 상부에 형성되며 상기 멤브레인이 상기 레인을 향하여 돌출되게 가압되는 유체가 채워진 상부 챔버;를 구비하는 나노임프린트용 레진 디스펜서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 테프론 중 어느 하나로 이루어진 레진 디스펜서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿의 폭은 다음 식으로 계산된 W mm이하로 형성되며,
    Figure pat00013
    는 레진의 표면 장력,
    Figure pat00014
    는 레진의 밀도,
    Figure pat00015
    는 중력가속도인 레진 디스페서.
    Figure pat00016
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 챔버에 연결되어 상기 하부 챔버에 상기 레진을 공급하는 장치를 더 포함하는 레진 디스펜서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 챔버에 연결되어서 상기 상부 챔버에 상기 유체를 공급하는 장치를 더 포함하는 레진 디스펜서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체는 공기 또는 물인 레진 디스펜서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상부 하우징과 하부 하우징을 포함하며, 상기 멤브레인의 단부는 상기 상기 하우징의 플랜지 및 상기 하우징의 플랜지 사이에서 고정되는 디스펜서.
  8. 하부에 슬릿이 형성된 하우징;
    상기 하우징의 상면에 고정된 형상기억합금막; 및
    상기 형상 기억합금막에 전류를 공급하는 파워 소스;를 구비하는 나노임프린트용 디스펜서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 형상기억합금막은 니켈 티타늄 합금으로 이루어진 디스펜서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 슬릿의 폭은 다음 식으로 계산된 W mm이하로 형성되며,
    Figure pat00017
    는 레진의 표면 장력,
    Figure pat00018
    는 레진의 밀도,
    Figure pat00019
    는 중력가속도인 레진 디스페서.
    Figure pat00020
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징에 연결된 상기 레진을 공급하는 정치룰 더 구비한 레진 디스펜서.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징의 상면과 상기 형상기억합금막 사이에 배치된 절연성 시트를 더 포함하는 레진 디스펜서.
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