KR20170033530A - 코팅 장치 - Google Patents

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김판겸
정성일
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한국전기연구원
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Abstract

본체; 상기 본체에 양 단이 단차를 갖게 결합되는 경사 회전축; 상기 경사 회전축에 회전력을 제공하는 모터부; 상기 본체의 내부 또는 외부에서 공급되는 액상 도포제를 분사하는 노즐 유닛;를 포함하는 코팅 장치를 제공한다.

Description

코팅 장치{COATING DEVICE}
본 발명은 코팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원통형 금형을 축 회전시키면서 그 외주면을 감광제로 코팅할 수 있는 포토레지스트 코팅 장치에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이에서 일반적인 노광 공정으로는 증착, 노광(마스크), 현상, 식각 등의 기본 공정을 수차례 내지 수십 차례에 걸쳐 반복해야 할 뿐만 아니라, 나노미터 단위의 초정밀 인쇄를 실현할 수 없었다.
그리고, 나노 패턴을 인쇄하기 위해서는 평판형 임프린트(Imprint) 공정을 통해 나노 패턴이 새겨진 평판 금형을 이용해 소형 기판 위에 마치 도장을 찍듯이 눌러서 인쇄를 하였다. 그러나, 평판 인쇄 공정을 대면적에 적용할 경우 패턴의 균일도 및 제작 비용이 상승하는 문제점이 발생하여 현재는 원통형 금형을 이용한 나노 인쇄 공정이 적용되고 있다.
이러한, 원통형 금형을 이용한 나노 인쇄 공정은 대면적 적용시 패턴의 균일도 확보가 용이하며, 이음매 없는 원통형 금형을 이용한 대면적화에 유리한 장점이 있다. 한편, 나노 패턴을 갖는 원통형 금형의 제작을 위해서는 가장 먼저 표면 거칠기가 수 나노미터를 갖는 원통 소재의 가공 및 포토레지스트의 도포 공정이 필수적이다.
이 때, 일반적으로 사용되는 방법 중에 스프레이 방식이 있는데, 이는 고압의 감광제를 원통형 금형의 표면으로 토출시켜 도포하는 것이다. 그러나, 이 방식은 토출 압력이나 토출량에 따라 원통형 금형의 표면에 얼룩 결함이 유발될 뿐만 아니라, 감광제의 소모량이 많고, 원통형 금형의 표면 세정도에 따라 도포 결과가 크게 달라지는 등의 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위한 다른 방식으로 원통형 금형을 액상의 감광제에 담근 후 일정 속도로 꺼내면서 감광제를 도포하는 담금 방식이 있다. 그러나, 원통형 금형의 길이 방향으로 도포되는 감광제의 두께 편차가 발생하는 문제점이 여전히 남아 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1443437호 (2014.09.16. 등록)
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 스프레이 방식과 담금 방식의 각 단점을 해결하여 코팅 공정시 원통형 금형의 외주면에 발생하는 얼룩 결함을 방지하고, 도포되는 감광제의 두께 균일도 특히 원통형 금형의 길이 방향의 두께 편차를 최소화할 수 있는 코팅 장치를 제공하고자 한다.
또한, 감광제의 소모량을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 또한, 코팅 장치의 셋팅 소요 시간을 단축시키는 것을 목적으로 한다. 또한, 이를 통해 보다 품질 경쟁력을 갖춘 원통형 금형을 최단 시간에 생산하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 본체; 상기 본체에 양 단이 단차를 갖게 결합되는 경사 회전축; 상기 경사 회전축에 회전력을 제공하는 모터부; 상기 본체의 내부 또는 외부에서 공급되는 액상 도포제를 분사하는 노즐 유닛;를 포함하는 코팅 장치를 제공한다.
상기 경사 회전축의 일 단을 승하강시켜 높낮이를 가변시키는 각도 조절부;를 더 포함할 수 있다.
상기 각도 조절부는 선형 비례적으로 상기 높낮이를 가변시키기 위해 시계 또는 반시계 방향의 회전각을 발생시키는 조절 볼트;를 포함할 수 있다.
상기 모터부는 경사 각도에 대응하여 회전 속도를 가변시킬 수 있다.
상기 노즐 유닛은 상기 경사 회전축의 상측에 배치되며, 수평 좌우 방향 또는 수직 상하 방향으로 이동 가능하다.
상기 노즐 유닛은 상기 경사 회전축의 상단에서 하단으로 미리 설정된 일정 속도 v로 이동하되, 상기 경사 회전축과의 간격 d는 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 노즐 유닛에는 적어도 하나 이상의 노즐공;이 형성될 수 있다.
상기 경사 회전축의 경사 각도를 측정하는 각도 센서; 및
소정 범위 내에서 일정 간격으로 증가하는 경사 각도에 각각 대응하여 상기 모터부의 회전 속도, 상기 노즐 유닛의 이동 속도 및 분사 속도를 한 조합으로 맵핑하여 이를 저장하는 메모리부; 및
상기 각도 센서로부터 상기 경사 각도에 대한 전기 신호를 전송받아 이에 대응되는 상기 메모리부의 맵핑된 저장 값을 사용하여 상기 모터부 및 상기 노즐 유닛을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
코팅 공정시 원통형 금형의 외주면에 발생하는 얼룩 결함을 방지하고, 도포되는 감광제의 두께 균일도 특히 원통형 금형의 길이 방향의 두께 편차를 최소화할 수 있다. 또한, 감광제의 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 코팅 장치의 셋팅 소요 시간을 단축시킬 수 있다.
그 결과, 보다 품질 경쟁력을 갖춘 원통형 금형을 최단 시간에 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 간략하게 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 측면 사시도.
도 3은 도 1의 일 실시 조건에서 측정한 원통형 금형의 길이 방향의 두께 분포도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 간략하게 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 측면 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 코팅 장치는 본체(10), 경사 회전축(20), 모터부(30), 노즐 유닛(40), 각도 조절부(50), 각도 센서(60), 메모리부(70) 및 제어부(80)를 포함할 수 있다.
먼저 본체(10)는 대개 금속 재질의 프레임이 조합되어 소정 형상을 이루는데, 특히 그 양 측면에는 경사 회전축(20)이 거치될 수 있는 거치대가 배치된다. 이 때, 거치대에는 관통 홀 등이 형성된다.
한편, 거치대 상측에는 수평 또는 소정 경사를 갖는 가이드 프레임이 거치대 배치 방향과 나란하게 배치된다. 그리고, 본체(10) 내부 또는 외부에는 액상 도포제를 저장하는 저장 용기가 더 배치된다.
여기서, 액상 도포제는 일정 비율로 희석된 감광제를 의미하거나 이를 포함한다. 감광제는 희석 농도에 따라 점도가 달라지며, 이는 코팅 두께에 영향을 주기 때문에 각 코팅 공정에 적합한 농도 값은 미리 설정된다. 이 때, 액상 도포제는 펌프의 펌핑 작용 등에 의해 노즐 유닛(40)으로 이송 공급될 수 있다.
경사 회전축(20)은 양 단이 전술한 관통 홀에 삽입되어 본체(10)에 결합될 수 있는데, 이 때 양 단은 단차를 갖는다. 즉, 경사 회전축(20)은 양 단의 높이 차이에 의해 수평면에 대하여 소정 각도로 경사지게 설치될 수 있다.
다만, 그 각도는 1도 이내의 값으로 결정된다. 왜냐하면, 1도를 초과하면서부터 원통형 금형(90)의 길이 방향으로 액상 도포제에 대한 코팅 두께에 대한 편차가 지나치게 커지기 때문이다.
한편, 경사 회전축(20)에는 원통형 금형(90)이 고정 체결된다. 이를 위해, 원통형 금형(90)은 그 중심축 방향으로 중공되어 있다. 이 때, 원통형 금형(90)은 미세 요철 등이 전혀 존재하지 않게 표면이 연마된 상태에서 초음파 및 세정액을 사용하여 세정이 이루어진 것으로 마련된다.
다음으로, 모터부(30)는 경사 회전축(20)에 회전력을 제공할 수 있는데 그 회전력 및 회전 속도는 가변적이다. 여기서, 모터부(30)는 주로 전기 공급에 의해 구동되는 전동 모터로 전기 신호의 변화에 따라 용이하게 제어 가능하다. 한편, 이 때 모터부(30)는 시계 또는 반시계 방향으로 선택적으로 회전될 수 있다.
특히, 모터부(30)는 경사 회전축(20)의 경사 각도에 따라 회전 속도를 가변시킬 수 있다. 왜냐하면, 경사 각도에 따라 일정 점도를 갖는 액상 도포제의 흐름 속도가 달라지기 때문이다. 이를 반영할 때, 모터부(30)의 회전 속도는 특히 10rpm 이내에서 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 경사 회전축(20)의 상측에 배치되는 노즐 유닛(40)은 저장 용기에서 공급되는 액상 도포제를 경사 회전축(20)을 향해 일정 압력으로 분사할 수 있다. 즉, 원통형 금형(90)이 장착 체결된 코팅 장치에서 노즐 유닛(40)은 원통형 금형(90)의 주연부 일측에 배치된다.
이러한, 노즐 유닛(40)은 수평 좌우 방향 또는 수직 상하 방향으로 이동 가능하다. 즉, 공간 상에서 X축, Y축 및 Z축으로 독립적으로 움직일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 코팅 장치가 작동되면 노즐 유닛(40)은 원통형 금형(90)의 길이 방향으로 소정의 이동 속도로 이동하게 된다.
예를 들어, 노즐 유닛(40)은 원통형 금형(90)의 중심축에서 어느 일측으로 편심되게 그의 X축 위치가 설정된다. 또한, 경사지게 체결된 원통형 금형(90)의 외주면에서 소정 간격 이격되게 Z축 위치가 설정된다. 이 때, 노즐 유닛(40)의 노즐공과 외주면 사이의 거리는 예를 들어 30mm∼40mm가 되도록 설정한다. 또한, 노즐 유닛(40)은 코팅 공정 전에 특히 경사 회전축(20)의 상단 부분 즉, 경사 회전축(20)에 체결된 원통형 금형(90)의 상단에 위치시킨다.
그 다음, 노즐 유닛(40)은 가이드 프레임 등에 결합 구속되어 공간 상에서 움직일 수 있다. 이 때, 노즐 유닛(40)은 원통형 금형(90)의 길이 방향인 Y축 방향 특히, 경사 회전축(20) 또는 경사 회전축(20)에 체결된 원통형 금형(90)의 상단에서 하단으로 미리 설정된 속도 v로 일정하게 이동하게 된다.
예컨대, 노즐 유닛(40)의 이동 속도는 0.6mm/s 이내에서 설정되는 것이 바람직하다. 통상 코팅 공정의 작업 속도는 모터부(30)의 회전 속도 및 노즐 유닛(40)의 이동 속도에 따라 좌우될 수 있다. 그렇더라도, 노즐 유닛(40)의 이동 속도는 지나치게 높이면 도포 두께의 편차가 발생하여 균일성 등 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문에 일정 속도 범위 이내에서 설정하는 것이 바람직하다.
이와 함께, 노즐 유닛(40)은 Y축 방향으로 이동하면서 경사 회전축(20)과의 간격 d를 일정하게 유지할 수 있다. 다만, 코팅 공정이 진행 중인 상황에서 노즐 유닛(40)은 원통형 금형(90)과의 간격을 일정하게 유지시킬 것이다.
한편, 경사 각도는 1도 이내로 수평면에 대해 평행에 가깝기 때문에 노즐 유닛(40)은 단지 전술한 Y축 방향으로 수평하게 이동하는 것도 가능하다.
액상 도포제는 노즐 유닛(40)을 통해 원통형 금형(90)의 외주면에 분사 도포될 수 있다. 한편, 노즐 유닛(40)은 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 노즐 유닛(40)에는 적어도 하나 이상의 노즐공이 형성될 수 있다.
이 때, 분사 속도는 액상 도포제의 희석 농도에 따라 달라질 수 있으나, 분당 1ml에서 10ml 이내로 설정되는 것이 바람직하다. 이는, 액상 도포제가 노즐공을 통해 분무가 아닌 방울 단위로 투하되는 점, 원통형 금형(90)의 외주면 면적 등을 감안할 때 최소 및 최대 용량이 된다. 여기서, 설정된 최대 용량을 초과하면 액상 도포제가 불필요하게 소모되는 양이 증가하는 단점이 발생한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치는 각도 조절부(50)를 더 포함한다. 이는, 경사 회전축(20)의 일 단을 승하강시켜 경사 회전축(20)의 일 단의 높낮이를 가변시키는 역할을 한다. 그리고, 이런 각도 조절부(50)는 예를 들어, 본체(10)의 거치대 외측면에 배치될 수 있다.
경사 각도는 1도 이내에서 조정되기 때문에 각도 조절부(50)는 미세 조정이 가능한 구조를 갖는다. 실시예로 웜 기어, 실린더 등의 구조를 채택할 수 있다. 그러면, 각도 조절부(50)는 선형 비례적으로 상기 높낮이를 가변시키기 위해 시계 또는 반시계 방향의 회전각을 발생시키는 조절 볼트를 포함할 수 있다. 그 결과, 경사 회전축(20)의 일 단은 미세하게 그 높낮이가 조정될 수 있다.
또한, 코팅 장치를 셋팅하는 작업자는 경사 회전축(20)이 소정 각도로 경사지게 되면 그 경사 각도를 측정 확인해야 한다. 이를 위해, 코팅 장치에는 각도 측정 장치, 각도 센서(60) 등을 추가 설치할 수 있다. 이 때, 측정값은 디스플레이 되는 것이 바람직하다.
한편, 일 실시예로 각도 센서(60)가 구비되면 실시간 또는 최종적인 경사 각도가 자동적으로 측정될 수 있다. 또한, 코팅 장치 내에 메모리부(70)를 더 마련하여 경사 각도에 각각 대응되는 모터부(30)의 회전 속도, 노즐 유닛(40)의 이동 속도 및 분사 속도를 한 조합으로 하여 맵핑하여 이를 저장할 수 있다.
이 때, 경사 각도는 전술한 범위 이내에서 일정 간격으로 증감하는 비연속적인 값에 한정하여 맵핑시킨 후 이를 입력 저장시키는 것으로 충분하다.
각도 센서(60)에서 측정된 경사 각도는 전기 신호의 형태로 제어부(80)로 전송된다. 그러면, 제어부(80)는 메모리부(70)에 맵핑된 저장 값 중에서 전송된 경사 각도에 대응하는 하나를 선택한 후 그 값을 사용하여 모터부(30), 노즐 유닛(40) 및 각도 조절부(50) 등을 각각 제어하게 된다. 그 결과, 작업자는 코팅 장치의 셋팅 소요 시간을 단축시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 일 실시 조건에서 측정한 원통형 금형(90)의 길이 방향의 두께 분포도이다. 본 평가를 위한 구체적인 조건은 다음과 같다. 1) 원통형 금형(90)의 길이: 300mm, 2) 액상 도포제: ZEP520A 희석액(원액 6%+ZEP-A 94%), 3) 경사 각도: 0.1도, 4) 모터부(30) 회전 속도 : 5rpm, 5) 노즐 유닛(40)의 Y축 방향 이동 속도: 0.3mm/s, 6) 액상 도포제 분사 속도: 5ml/min 단, 액상 도포제는 시중에서 구매 가능한 특정 제품을 의미한다.
그리고, 두께 측정은 380mm 원통형 금형(90)의 중앙 부분 300mm에 한정하여 이루어졌다. 도 3을 참조하면, 그 결과는 평균 211nm이고, 표준 편차가 4.1nm이며 표준 편차를 기준으로 두께 균일도는 97%로 나타났다. 즉, 원통형 금형(90)을 미세하게 경사진 상태에서 소정 조건으로 코팅 장치를 작동시키면 우수한 두께 균일도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그로 인해, 코팅이 완료된 원통형 금형(90)에는 얼룩 결합이 제거되어 그 외관 품질이 현저하게 향상될 수 있다. 또한, 불필요하게 소모되는 액상 도포제의 양이 줄어든다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 작업 순서를 설명한다. 먼저, 세정이 완료된 원통형 금형(90)을 마련하여 코팅 장치의 경사 회전축(20)에 끼워 체결한다. 그 상태에서 각도 조절부(50)를 미세 조정하여 경사 각도가 예를 들어, 0.1도가 되도록 설정한다.
그리고, 액상 도포제를 일정 비율로 희석한 후 교반기에서 30분 이상 충분히 흔들어준다. 그 다음, 교반이 종료된 액상 도포제를 이를 수용하는 저장 용기에 담아 저장시킨다. 이러면, 일단 코팅 장치를 작동시키기 위한 준비가 완료된다.
그 다음, 노즐 유닛(40)을 원통형 금형(90)의 특정 위치에 위치시킨다. 이 때, 노즐 유닛(40)은 XYZ 공간 좌표계를 이용하여 그 위치를 나타낼 수 있다. 그리고, 코팅 장치의 모터부(30)에 전원을 인가하여 경사 회전축(20)을 소정 회전 속도로 회전시킨다.
그러면, 액상 도포제는 원통형 금형(90)의 상측에서 배치되는 노즐 유닛(40)을 통해 원통형 금형(90)을 향해 소정 분사 속도로 분사된다. 이와 동시에, 노즐 유닛(40)을 원통형 금형(90)의 길이 방향 즉, Y축 방향으로 소정 속도로 이동시킨다.
노즐 유닛(40)이 원통형 금형(90)의 하단에 위치하여 마지막으로 액상 도포제를 토출시키면 액상 도포제는 원통형 금형(90)의 외주면에 스프레드된 후 코팅 장치의 작동이 종료된다.
그 다음, 코팅 장치에서 원통형 금형(90)을 분리한 후 이를 건조로 내부에 배치하여 건조 공정을 진행한다. 이 때, 원통형 금형(90)은 건조로 내에서 일정 회전 속도로 회전하게 된다. 이 때, 일 실시예에 따른 건조 공정 조건은 120℃까지 90분 동안 승온시킨 후, 120℃에 도달하면 그 상태에서 15분 유지하고, 다시 180℃까지 50분 동안 승온시킨 후, 180℃에 도달하면 그 상태에서 12시간 유지한 후 서서히 자연 냉각시킨다. 이상 일련의 건조 공정이 마무리되면 원통형 금형(90)의 코팅 작업이 최종 마무리될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
10: 본체 20: 경사 회전축
30: 모터부 40: 노즐 유닛
50: 각도 조절부 60: 각도 센서
70: 메모리부 80: 제어부
90: 원통형 금형

Claims (8)

  1. 본체;
    상기 본체에 양 단이 단차를 갖게 결합되는 경사 회전축;
    상기 경사 회전축에 회전력을 제공하는 모터부; 및
    상기 본체의 내부 또는 외부에서 공급되는 액상 도포제를 분사하는 노즐 유닛;를 포함하는 코팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 경사 회전축의 일 단을 승하강시켜 높낮이를 가변시키는 각도 조절부;를 더 포함하는 코팅 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 각도 조절부는 선형 비례적으로 상기 높낮이를 가변시키기 위해 시계 또는 반시계 방향의 회전각을 발생시키는 조절 볼트;를 포함하는 코팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 모터부는 경사 각도에 대응하여 회전 속도를 가변시키는 코팅 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐 유닛은 상기 경사 회전축의 상측에 배치되며,
    수평 좌우 방향 또는 수직 상하 방향으로 이동 가능한 코팅 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 노즐 유닛은 상기 경사 회전축의 상단에서 하단으로 미리 설정된 일정 속도 v로 이동되되,
    상기 경사 회전축과의 간격 d가 일정하게 유지되는 코팅 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐 유닛에는 적어도 하나 이상의 노즐공;이 형성되는 코팅 장치.
  8. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사 회전축의 경사 각도를 측정하는 각도 센서; 및
    소정 범위 내에서 일정 간격으로 증가하는 경사 각도에 각각 대응하여 상기 모터부의 회전 속도, 상기 노즐 유닛의 이동 속도 및 분사 속도를 한 조합으로 맵핑하여 이를 저장하는 메모리부; 및
    상기 각도 센서로부터 상기 경사 각도에 대한 전기 신호를 전송받아 이에 대응되는 상기 메모리부의 맵핑된 저장 값을 사용하여 상기 모터부 및 상기 노즐 유닛을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 코팅 장치.
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