KR20190132324A - Method for manufacturing high resolution large-area fine pattern and flat panel display manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 패턴 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베셀 빔을 이용하여 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a pattern, and more particularly, to a method for manufacturing a large resolution fine pattern of high resolution using a vessel beam and a flat panel display manufactured by the method.
전기, 전자 산업의 발전으로 얇고 작으며 다양한 기능이 구현 가능한 전자장치를 제조하기 위해 전자부품 또한 얇고, 작고, 가벼우면서 강하게 제조하기 위한 기술이 요구되고 있다. 디스플레이나 태양전지와 같이 높은 광 투과율이 요구되는 경우 미세 패턴 형성이 중요하며, 또한 대면적으로 제조할 시 미세 패턴의 신뢰성을 갖춰야 한다. 이러한 미세 패턴 형성 기술은 반도체 소자, 광학 소자, 바이오 소자, 디스플레이 등에 적용된다.With the development of the electrical and electronics industry, in order to manufacture electronic devices that can realize thin, small, and various functions, technologies for manufacturing electronic components are also thin, small, light, and strong. When high light transmittance is required such as a display or a solar cell, fine pattern formation is important, and when manufacturing a large area, it is necessary to have the reliability of the fine pattern. This fine pattern formation technique is applied to semiconductor devices, optical devices, bio devices, displays and the like.
미세 금속 패턴을 제작하는 방법으로 나노 임프린팅(Nano Imprinting), 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing), 롤 프린팅(Roll Printing) 등의 방법이 있다. 그 일예로, 등록특허공보 제10-1787013호에는 롤투롤 인쇄전자 공정 기술을 이용한 미세패턴 형성 장치 및 제조 방법이 제안되었다.As a method of manufacturing a fine metal pattern, there are methods such as nano imprinting, inkjet printing, and roll printing. As an example, Korean Patent Publication No. 10-1787013 proposes a micropattern forming apparatus and a manufacturing method using a roll-to-roll printing electronic process technology.
그러나, 이러한 기존의 기술들은 유독성 및 느린 시간의 화학 에칭 공정, 고진공 및 다수의 진공 공정, 대면적으로 한계가 있으며 마스터 몰드의 제작 등의 요구에 의해 제조비용이 경제적이지 않고 장시간이 소요되는 등의 공정의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.However, these existing technologies are limited in toxic and slow time chemical etching processes, high vacuum and many vacuum processes, large areas, and are not economical and require a long time due to the production of a master mold. There is a problem of low efficiency of the process.
또한, 기존의 기술들은 대면적 제조에 있어서 스테이지 또는 테이블의 평탄도에 한계가 있어 고해상도의 균일한 패턴 형성이 어려운 문제점이 있고, 잉크젯프린팅, 롤 프린팅은 50μm의 미세 패턴을 형성이 어려우며, 접착력이 좋지 못하고 해상도에 한계가 있다.In addition, the existing technologies have a problem that it is difficult to form a high-resolution uniform pattern because there is a limitation in the flatness of the stage or table in large-area manufacturing, inkjet printing, roll printing is difficult to form a fine pattern of 50μm, adhesion strength It is not good and there is a limit in resolution.
뿐만 아니라, 기존의 기술들에 사용되는 금속 나노 입자 분산액은 산화를 방지하기 위해 나노 입자 각각을 캡슐화 되어야 하는데, 이러한 캡슐화에 의해 분산액의 제조 비용이 경제적이지 않다.In addition, the metal nanoparticle dispersions used in existing techniques must encapsulate each of the nanoparticles to prevent oxidation, which makes the production of the dispersion inexpensive.
따라서, 고효율이면서 고분해능의 대면적 금속 패턴 제조 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method for producing a large area metal pattern with high efficiency and high resolution.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 한, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이를 제공하는데 있다.In order to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to coat a metal organic ion ink on a substrate to form a coating layer and heat-treat the substrate on which the coating layer is formed to generate a metal nano seed in the coating layer, the coating layer in advance The present invention provides a method for producing a high resolution large area fine pattern and a flat panel display manufactured by the method by irradiating a Bessel beam to a predetermined patterning region to grow and sinter the metal nano seeds in the patterning region to form a metal pattern. .
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above objects, and may be variously expanded within a range without departing from the spirit and scope of the present invention.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 도포하여 코팅층을 형성하는 잉크 도포 단계; 상기 코팅층이 형성된 기판을 가열하여 상기 코팅층에 다수의 금속 나노 시드를 생성시켜 상기 코팅층이 소정의 열전도도를 갖는 시드 생성 단계; 및 상기 소정의 열전도도를 갖는 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서 상기 금속 나노 시드가 성장 소결되는 소결 영역은 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성된다.In order to achieve the object of the present invention, a method for producing a high-resolution large-area fine pattern according to an aspect of the present invention includes an ink coating step of applying a metal organic ion ink on a substrate to form a coating layer; Heating the substrate on which the coating layer is formed to generate a plurality of metal nano seeds in the coating layer, wherein the seed layer has a predetermined thermal conductivity; And directly irradiating the vessel beam to the coating layer having the predetermined thermal conductivity, such that the focal point of the vessel beam is formed in a predetermined patterning region adjacent to the substrate in the coating layer, thereby growing and sintering the metal nanoseed in the patterning region. And a pattern forming step of forming a metal pattern, wherein the sintered region where the metal nanoseed is grown and sintered in the pattern forming step is smaller than the laser irradiation region formed in the patterning region by the vessel beam.
또한, 상기 패턴 형성 단계는, 레이저로부터 발생된 레이저 빔을 상기 베셀 빔으로 변환시키는 베셀 빔 변환 단계를 더 포함할 수 있다.The pattern forming step may further include a Bessel beam conversion step of converting a laser beam generated from a laser into the Bessel beam.
또한, 상기 베셀 빔 변환 단계는, 상기 레이저 빔을 엑시콘 렌즈, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿 중 어느 하나를 이용하여 상기 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다.In addition, the vessel beam converting step may convert the laser beam into the vessel beam using any one of an excimon lens, an annular ring, and an annular slit.
또한, 상기 패턴 형성 단계에서는, 상기 베셀 빔에 의해 가열되는 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결될 수 있다.In addition, in the pattern forming step, as the metal nanoseed in the patterning region heated by the vessel beam grows, its size increases and may be sintered while being bonded to each other.
또한, 상기 금속 유기 이온 잉크는, 금속 이온이 용해되어 있거나 혼합되어 있는 유기 용매를 포함할 수 있다.In addition, the metal organic ion ink may include an organic solvent in which metal ions are dissolved or mixed.
또한, 본 발명은 상기 베셀 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 유기 이온 잉크와 금속 나노 시드를 제거하는 시드 제거 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a seed removing step of removing the metal organic ion ink and the metal nanoseed in the region where the vessel beam is not irradiated.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 도포하여 코팅층을 형성하는 용액 도포 단계; 및 상기 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조하는 단계; 및 상기 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 입자가 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고, 상기 패턴 형성 단계에서 상기 금속 나노 입자가 성장 소결되는 소결 영역은 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern includes a solution applying step of forming a coating layer by applying a metal nanoparticle dispersion on a substrate; And drying the coating layer at room temperature for a predetermined time; And directly irradiating a vessel beam to the coating layer, such that the focal point of the vessel beam is formed in a predetermined patterning region adjacent to the substrate in the coating layer, such that the metal nanoparticles in the patterning region are sintered to form a metal pattern. And a sintered region in which the metal nanoparticles are grown and sintered in the pattern forming step may be smaller than a laser irradiation region formed in the patterning region by the vessel beam.
이처럼 본 발명은 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 함으로써, 고효율, 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조할 수 있다.As described above, the present invention forms a coating layer by coating a metal organic ion ink on a substrate, and heat-treats the substrate on which the coating layer is formed to generate metal nano seeds in the coating layer, and irradiates a Bessel beam to a predetermined patterning region of the coating layer to form a patterning region. By growing and sintering the metal nanoseed present to form a metal pattern, a large area fine pattern of high efficiency and high resolution may be manufactured.
또한, 본 발명은 캡슐화가 필요 없는 금속 유기 이온 잉크를 사용하여 경제적으로 미세 패턴을 제조할 수 있다.In addition, the present invention can economically produce fine patterns using metal organic ion inks that do not require encapsulation.
또한, 본 발명은 대면적을 위한 별도의 몰드나 마스크 제작이 필요하지 않고, 스테이지나 테이블의 거칠기 최소를 위한 별도의 공정 및 기술이 필요하지 않기 때문에, 단일 공정으로 효율적인 미세 패턴의 제조가 가능할 수 있다.In addition, since the present invention does not require a separate mold or mask for a large area and does not require a separate process and technology for minimizing the roughness of a stage or a table, it is possible to manufacture an efficient fine pattern in a single process. have.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be variously extended within a range without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 단계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 베셀 빔을 이용하여 제조 가능한 미세 패턴을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판에 형성된 미세 패턴을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a method for producing a high resolution large area fine pattern according to an embodiment of the present invention.
2 to 5 are views for explaining a fine pattern manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a pattern forming step according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining the principle of the Bessel beam generation according to an embodiment of the present invention.
8A to 8C are diagrams illustrating a micro pattern manufacturable using a vessel beam.
9 is a view showing a fine pattern formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
10 is a view showing a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern according to another embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention with respect to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is defined only by the appended claims, along with the full range of equivalents to which such claims are entitled. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the several aspects.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법 및 그 방법으로 제조된 평판 디스플레이를 설명한다. 특히, 본 발명에서는 기판 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성하고 그 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 코팅층에 금속 나노 시드를 생성시키며, 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 성장 소결시켜 금속 패턴이 형성되도록 한, 새로운 패턴 제조 방안을 제안한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a method for producing a high resolution large area fine pattern according to an exemplary embodiment of the present invention and a flat panel display manufactured by the method. Particularly, in the present invention, a metal organic ion ink is coated on a substrate to form a coating layer, and the substrate on which the coating layer is formed is heat-treated to generate metal nano seeds on the coating layer, and the patterning area is irradiated with a Bessel beam on a predetermined patterning area of the coating layer. We propose a new pattern fabrication method by growing and sintering the metal nano seeds in to form a metal pattern.
디스플레이나 태양전지와 같이 높은 광투과율이 요구되는 장치의 경우 미세 패턴 형성이 중요한 요소이며, 또한 대면적으로 고분해능의 패턴 제조의 신뢰성이 확보되어야 한다. 레이저 빔을 엑시콘 렌즈로 변환시킨 베셀 빔은 고분해능의 대면적 패턴 제조의 효율성을 향상 시킬 수 있으며, 이러한 미세 패턴 형성 기술은 반도체 소자, 광학 소자, 바이오 소자, 디스플레이 등의 다양한 분야에 적용 가능한데, 특히, 평판 디스플레이에 적용될 수 있다.In the case of devices requiring high light transmittance such as a display or a solar cell, fine pattern formation is an important factor, and large-area reliability of pattern production must be secured. The Bessel beam, which converts the laser beam into an excimon lens, can improve the efficiency of manufacturing a high resolution large area pattern. Such a fine pattern forming technology can be applied to various fields such as semiconductor devices, optical devices, bio devices, and displays. In particular, it can be applied to a flat panel display.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view showing a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern according to an embodiment of the present invention, Figures 2 to 5 are views for explaining a fine pattern manufacturing process according to an embodiment of the present invention to be.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 잉크 도포 단계(S100), 시드 생성 단계(S200), 패턴 형성 단계(S300), 잉크 제거 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern according to an exemplary embodiment of the present invention may include an ink applying step (S100), a seed generating step (S200), a pattern forming step (S300), and an ink removing step. It may include (S400).
1)잉크 도포 단계(S100)에서는, 도 2와 같이 기판(10) 상에 금속 유기 이온 잉크를 코팅하여 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 기판은 SiO2, TiO2, ZnO, 유리, 실리콘 웨이퍼, 및 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 유기 박막형 필름 중 어느 하나일 수 있다.1) In the ink coating step (S100), as shown in FIG. 2, a metal organic ion ink may be coated on the
또한, 금속 유기 이온 잉크는 금속 이온이 용해되어 있거나 혼합되어 있는 유기 용매를 포함할 수 있다. 이러한 금속 유기 이온의 점도는 1~100 cp일 수 있다. 여기서, 금속 이온은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 크롬(Cr), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 중 어느 하나일 수 있다. 유기 용매는 이소프로판올(Isopropanol), 부탄올(Butanol), 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), 톨루엔(Toluene) 중 어느 하나일 수 있다.Further, the metal organic ion ink may include an organic solvent in which metal ions are dissolved or mixed. The viscosity of these metal organic ions may be 1 to 100 cp. Here, the metal ions are gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), chromium (Cr), palladium (Pd) , Platinum (Pt), titanium (Ti), zinc (Zn) may be any one. The organic solvent may be any one of isopropanol, butanol, acetone, ethanol, and toluene.
종래 미세 패턴을 형성하는 공정에 사용되던 금속 나노 입자 분산액은 산화로 인한 캡슐화로 경제적이지 않은 제조비용과 습윤성이 뛰어나지 않은 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 개선시키기 위해 본 발명에서는 금속을 유기 용매에 용해시킨 금속 유기 이온 잉크를 사용하고자 한다.Conventional metal nanoparticle dispersions used in the process of forming a fine pattern has a problem that is not excellent in manufacturing cost and wettability due to encapsulation due to oxidation. Therefore, in order to improve this problem, the present invention intends to use a metal organic ion ink in which a metal is dissolved in an organic solvent.
이때, 금속 유기 이온 잉크를 코팅하는 방식으로는 랭뮤어-블로젯(Langmuir-blogett), 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 블레이드(blade) 코팅, 슬롯다이(slot die) 코팅, 딥(dip) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅 등 기존에 사용되고 있는 다양한 코팅 방식 중 어느 하나가 이용될 수 있다.At this time, the coating method of the metal organic ion ink is Langmuir-blogett, spin coating, roll coating, spray coating, blade coating, slot die ( Any one of various coating methods used in the art, such as slot die coating, dip coating, and inkjet coating, may be used.
2)시드 생성 단계(S200)에서는, 도 3a 내지 도 3b와 같이 코팅층이 형성된 기판을 열처리하여 상기 코팅층에 다수의 금속 나노 시드를 생성시킬 수 있다. 이때, 코팅층이 형성된 기판을 열처리하는 방식으로는 도 3a와 같이 코팅층이 형성된 기판의 하부에 가열부를 구비하여 가열하거나, 도 3b와 같이 코팅층이 형성된 기판의 상부에 램프 예컨대, IR(Infrared Ray) 램프를 구비하여 가열하는 방식이 이용될 수 있다.2) In the seed generation step (S200), a plurality of metal nano seeds may be generated in the coating layer by heat-treating the substrate on which the coating layer is formed as shown in FIGS. 3A to 3B. At this time, a method of heat-treating the substrate on which the coating layer is formed may be provided with a heating unit at a lower portion of the substrate on which the coating layer is formed as shown in FIG. 3A, or a lamp such as an infrared ray (IR) lamp on the upper portion of the substrate on which the coating layer is formed as shown in FIG. Equipped with a heating method can be used.
또한, 코팅층이 형성된 기판(10)을 히팅 오븐(heating oven), 마이크로웨이브 오븐(microwave oven) 등의 열처리 챔버 내부에 배치시켜 열을 제공할 수 있다. 이외에 코팅층이 형성된 기판을 가열하는 다양한 방식이 이용될 수 있다.In addition, the
이러한 열처리 방법에서 코팅층의 일부에만 열이 공급되는 등 불균일하게 열이 공급되는 경우 코팅층 내부에서 금속 나노 시드의 분포가 불균일해지는 문제가 발생될 수 있기 때문에 코팅층에 전체적으로 균일한 열이 공급되도록 한다. 이렇게 코팅층에 열이 전체적으로 균일하게 공급되면, 코팅층 내에서 서로 결합된 금속 이온과 유기물의 결합이 끊어져 환원되면서 고체상태의 미세한 금속 입자로 석출됨으로써, 금속 나노 시드가 생성될 수 있다.In this heat treatment method, if heat is supplied unevenly to a part of the coating layer, a problem of uneven distribution of the metal nanoseed may occur in the coating layer, so that uniform heat is supplied to the coating layer as a whole. When the heat is uniformly supplied to the coating layer as described above, the metal ions bonded to each other in the coating layer and the organic material are disconnected and reduced to precipitate as fine metal particles in a solid state, thereby producing metal nano seeds.
도 3c와 같이, 금속 유기이온 잉크로 유기은 용액을 사용하여 실험한 결과, 열처리에 의해 유기은 용액에서 은 나노 시드가 생성되는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3C, as a result of experimenting using an organic silver solution with a metal organic ion ink, it can be seen that silver nanoseed is generated from the organic silver solution by heat treatment.
도 3d와 같이, 제안 방법에 의해 유기은 용액에 은 나노 시드가 생성되는 경우 은 나노 시드 간의 거리가 기존 방법에 의해 생성된 은 나노 시드 간의 거리보다 길어 그 만큼 열 확산 거리도 짧아지기 때문에, 열 확산 거리의 차이만큼 열전도도(thermal conductivity)가 상대적으로 낮아질 수 있다. 이러한 열전도도는 예컨대, 본 발명의 성장소결 과정에서 1 ~ 100W/mK 이내일 수 있다. 즉, 열처리 이전의 금속 유기 이온 잉크 상태에는 열전도도가 1W/mK 미만이고, 열처리에 의한 성장소결 과정에서는 열전도도가 1~100W/mK 이내로 되었다가 성장소결 과정 이후에 100W/mK보다 높아지게 된다.As shown in FIG. 3D, when the silver nanoseeds are generated in the organic silver solution by the proposed method, the distance between the silver nanoseeds is longer than the distance between the silver nanoseeds produced by the conventional method, and thus the heat diffusion distance is also shortened. Thermal conductivity may be relatively low by the difference in distance. Such thermal conductivity may be, for example, within 1 ~ 100W / mK in the growth sintering process of the present invention. That is, the thermal conductivity is less than 1W / mK in the state of the metal organic ion ink before heat treatment, the thermal conductivity is within 1 ~ 100W / mK during the growth sintering process by heat treatment, and then higher than 100W / mK after the growth sintering process.
도 3e와 같이, 일반적인 금속 나노 입자 분산액은 낮은 열전도도의 용액상태에서 레이저를 조사하면 유기 용매가 순간적으로 증발하여 높은 열전도를 가지는 고체상태의 나노 입자만 남아 소결 영역이 레이저 조사영역 보다 넓어져 금속 패턴의 분해능이 저하된다.As shown in FIG. 3E, when a laser is irradiated in a solution state of low thermal conductivity, a general metal nanoparticle dispersion liquid only evaporates organic solvent instantaneously to leave solid nanoparticles having high thermal conductivity, so that the sintered area is wider than the laser irradiation area. The resolution of the pattern is reduced.
반면, 본 공정은 금속 유기 이온 잉크의 열전도도가 1W/mK 이하로 금속나노입자 분산액과 비슷하고 레이저를 조사하면 핵 생성(나노시드), 클러스터 형성, 성장과정을 일으키면서 유기물이 증발하므로 갑작스럽게 열전도도가 증가하지 않고 서서히 증가하여 소결이 이루어져 레이저 조사 영역보다 소결 영역이 넓어지는 현상이 억제되어 금속 패턴의 분해능이 향상된다.On the other hand, in this process, the thermal conductivity of the metal organic ion ink is 1W / mK or less, similar to the metal nanoparticle dispersion, and the laser irradiation causes nucleation (nanosides), cluster formation, and growth, causing the organic matter to evaporate suddenly. The thermal conductivity does not increase, but gradually increases and sintering is suppressed so that a phenomenon in which the sintering region is wider than the laser irradiation region is suppressed, thereby improving the resolution of the metal pattern.
3)패턴 형성 단계(S300)에서는, 도 4a와 같이 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장 소결되어 금속 패턴이 형성될 수 있다.3) In the pattern forming step (S300), as shown in FIG. 4A, a Bess beam is irradiated to a predetermined patterning region of the coating layer to grow and sinter the metal nanoseed in the patterning region to form a metal pattern.
예를들어, 도 4b와 같이, 기판 상에 코팅된 금속 유기 이온 잉크에 열처리를 하여 은 나노 시드가 형성된 후 그 은 나노 시드에 베셀 빔을 조사함으로써, 베셀 빔에 의해 가열되는 은 나노 시드의 성장과 동시에 서로 간의 소결을 통해 성장 소결을 일으키게 된다.For example, as shown in FIG. 4B, the growth of the silver nanoseed heated by the vessel beam is performed by heating the metal organic ion ink coated on the substrate to form the silver nanoseed, and then irradiating the silver nanoseed with the Bessel beam. At the same time, growth sintering is caused by sintering each other.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 단계를 나타내는 도면이다.6 is a view showing a pattern forming step according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 패턴을 형성하는 단계(S300)는 영역 설정 단계(S310), 레이저 조사 단계(S320), 결합 및 소결 단계(S330)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the forming of the metal pattern according to an embodiment of the present invention (S300) may include a region setting step (S310), a laser irradiation step (S320), and a bonding and sintering step (S330). .
3-1)영역 설정 단계(S310)에서는, 코팅층에 베셀 빔을 조사할 영역 즉, 패터닝 영역이 설정될 수 있다. 또한, 설정된 패터닝 영역으로 레이저를 이동시켜 베셀 빔의 초점이 조절될 수 있다. 예를들어, 기판을 고정한 상태에서 레이저를 이동시키거나 레이저를 고정한 상태에서 기판을 이동시킬 수 있다. 이때, 기판은 이동 수단 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 기판을 이동시킬 수 있다. 이렇게 이동 수단을 이용하여 레이저 또는 기판을 이동시키며 패터닝 영역에 레이저를 조사하는 방법 이외에 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 베셀 빔을 이동시키며 조사하는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 사용하는 방법들이 사용될 수 있다.3-1) In the region setting step (S310), a region to be irradiated with the Bessel beam, that is, a patterning region may be set in the coating layer. In addition, the focus of the vessel beam may be adjusted by moving the laser to the set patterning area. For example, the laser may be moved while the substrate is fixed, or the substrate may be moved while the laser is fixed. At this time, since the substrate is placed on the moving means, the substrate can be moved by moving the moving means. In addition to moving a laser or a substrate by using a moving means and irradiating a laser to a patterning area, a method of moving and irradiating a Bessel beam using a galvano scanner and a combination of the two methods are used. Methods can be used.
이렇게 패터닝 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를들어, 대물 렌즈(objective lens), 스캐너(scanner)를 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 미세 패턴의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.After the laser is moved to the patterning area, the focus of the vessel beam is adjusted. For example, the focus can be adjusted by using an objective lens and a scanner. In addition, process temperature, laser beam scan rate, laser beam output, pulse width, repetition rate, and the like, which may affect the area or thickness of the fine pattern to be formed, may be adjusted.
3-2)레이저 조사 단계(S320)에서는, 레이저로부터 발생된 레이저 빔을 베셀 빔으로 변환시키고, 변환시킨 베셀 빔을 코팅층의 미리 정해진 패터닝 영역에 조사할 수 있다. 이러한 레이저는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 펄스 레이저, CW(Continuous Wave) 레이저, QCW(Quasicontinuous-wave) 레이저를 포함할 수 있다.3-2) In the laser irradiation step (S320), the laser beam generated from the laser can be converted into a vessel beam, and the converted vessel beam can be irradiated to a predetermined patterning area of the coating layer. Such lasers may include, for example, pulse lasers from fs (femtoseconds) to ms (milliseconds), continuous wave (CW) lasers, and quasicontinuous-wave (QCW) lasers.
이때, 본 발명에서는 기판을 통과하여 레이저 빔을 패터닝 영역에 조사하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 기판을 통과하지 않고 레이저 빔을 패터닝 영역에 조사할 수 있다. 즉, 기판을 기준으로 기판의 하부에서 레이저 빔을 조사하거나 기판의 상부에서 레이저 빔을 조사할 수 있다.In this case, in the present invention, a case in which the laser beam is irradiated to the patterning region through the substrate is described as an example, but the present invention is not limited thereto, and the laser beam may be irradiated to the patterning region without passing through the substrate. That is, the laser beam may be irradiated from the lower part of the substrate or the laser beam may be irradiated from the upper part of the substrate with respect to the substrate.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 베셀 빔 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the principle of the Bessel beam generation according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다. 여기서는 엑시콘 렌즈를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있다.Referring to FIG. 7, a laser beam having a Gaussian cross-sectional profile may be converted into a Bessel beam using an Axicon lens. Herein, the case of using an excicon lens has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and an annular ring and an annular slit may be used, as well as the exicon lens.
부연 설명하면, 레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 광 파장에 가까운 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있다. 그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점 크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도(Depth of focus)를 가져 비평면기판에 미세 패턴 형성을 가능하게 한다.In detail, the Gaussian shape, which is a basic beam profile of the laser, consumes a lot of energy and has difficulty in focusing the beam close to the light wavelength, making it difficult to form a fine pattern close to the light wavelength. However, because Bessel beam focuses on a narrow area, it reduces energy consumption and increases concentration, thereby reducing the focal size of the beam. Thus, the Bessel beam can form patterns of optical wavelengths, and focuses the beam by using interference. It has a depth of focus to enable fine pattern formation on non-planar substrates.
그리고 엑시콘 렌즈로 베셀 빔으로 변환 시키고 빔 확대기(Beam expander)에 통과시키면 빔의 크기가 변하는데, 이때 빔의 크기는 빔 확대기의 조절에 의해 자유롭게 변화할 수 있다. 베셀 빔의 크기가 자유롭게 변화하면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 제한된 초점심도를 극복하여 높이차가 큰 기판 또는 3차원 패터닝이 가능할 수 있다.The size of the beam is changed by converting it into a Bessel beam with an exicon lens and passing it through a beam expander. The beam size can be freely changed by adjusting the beam expander. If the size of the vessel beam is freely changed, the focal region may be changed according to the control of the enlarger, thereby overcoming the limited depth of focus, and thus, a substrate having a large height difference or three-dimensional patterning may be possible.
또한, 본 발명에서는 하나의 패터닝 영역에 레이저 빔을 조사하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다수의 패터닝 영역에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 예를들어, 어레이 렌즈 등의 다중 초점 장치를 이용하여 다수의 패터닝 영역을 다중으로 초점화하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.In addition, in the present invention, a case in which a laser beam is irradiated to one patterning region is described as an example, but the present invention is not limited thereto, and a plurality of patterning regions may be irradiated with a laser beam. For example, multiple focusing devices such as array lenses can be used to irradiate a laser beam by multiplexing multiple patterning regions.
3-3)결합 및 소결 단계(S330)에서는, 레이저 빔에 의해 가열되는 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드가 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결될 수 있다.3-3) In the bonding and sintering step (S330), as the metal nanoseed in the patterning region heated by the laser beam grows, its size increases and may be sintered while being bonded to each other.
도 8a 내지 도 8c는 베셀 빔을 이용하여 제조 가능한 미세 패턴을 보여주는 도면이다.8A to 8C are diagrams illustrating a micro pattern manufacturable using a vessel beam.
도 8a를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 대물 렌즈, 2D 스캐너, 3D 스캐너를 통해 렌즈 형태 또는 반구 형태의 기판이나 표면이 거친 기판 등에 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 비평면 기판에 패턴의 형성이 가능하다.Referring to FIG. 8A, when the vessel beam is used, a fine pattern may be formed on a lens or hemispherical substrate or a rough surface substrate through an objective lens, a 2D scanner, or a 3D scanner. That is, the pattern can be formed on the non-planar substrate.
도 8b를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 기판의 엣지(edge) 등에 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 기판의 엣지에 패턴의 형성이 가능하다.Referring to FIG. 8B, when using a vessel beam, a fine pattern may be formed on an edge of a substrate or the like. That is, the pattern can be formed at the edge of the substrate.
도 8c를 참조하면, 베셀 빔을 이용하는 경우, 긴 초점 심도를 갖기 때문에 기판 위에 미세 패턴을 형성하면서 기판의 엣지에 연속적으로 미세 패턴을 형성할 수 있어, 기판의 앞뒤 양면에 전극이 흐르는 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 기판의 평면과 곡면에 연속적으로 패턴의 형성이 가능하다.Referring to FIG. 8C, since the Bessel beam has a long depth of focus, a fine pattern may be continuously formed at the edges of the substrate while forming a fine pattern on the substrate. Can be formed. That is, the pattern can be formed continuously on the plane and the curved surface of the substrate.
예를들어, 디스플레이를 제작하는 경우, 기판의 벽면부를 넘어서 앞면의 디스플레이와 뒷면의 컨트롤 칩(control chip)을 직접 연결하여 기존 대비 베젤(화면 주위 테두리 부분) 영역이 감소하여 상대적으로 화면이 넓어지는 효과와 FPCB(유연성있는 절연기판을 사용한 배선판)와 같은 추가적인 연결회로가 불필요하여 얇고 내구성이 높은 디스플레이를 제작하는 것이 가능하다.For example, in the case of manufacturing a display, the front display and the control chip on the back are directly connected beyond the wall of the substrate, thereby reducing the area of the bezel (a border around the screen) compared to the existing screen, thereby increasing the screen relatively. Effects and additional connection circuits such as FPCBs (wiring boards with flexible insulating boards) are unnecessary, making it possible to produce thin, durable displays.
4)잉크 제거 단계(S400)에서는, 도 5와 같이 레이저 빔이 조사되지 않은 영역에 있는 금속 유기 이온 잉크와 금속 나노 시드를 제거하여 기판 상에 금속 패턴만이 존재하도록 할 수 있다. 이러한 제거 방식으로는 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있다.4) In the ink removing step (S400), as shown in FIG. 5, the metal organic ion ink and the metal nanoseed in the region not irradiated with the laser beam may be removed so that only the metal pattern is present on the substrate. As the removal method, a method using ultrasonic waves or a spray may be used, or a method using a cleaning solution such as ethanol or acetone may be used.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판에 형성된 미세 패턴을 나타내는 도면이다.9 is a view showing a fine pattern formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 베셀 빔을 조사하여 패터닝 영역에 있는 금속 나노 시드를 결합 및 소결시킴으로서 기판 상에 미세 패턴이 형성되었음을 보여주고 있다.Referring to FIG. 9, a fine pattern was formed on the substrate by irradiating a vessel beam to bond and sinter the metal nano seeds in the patterning region.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.10 is a view showing a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern according to another embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법은 용액 도포 단계(S1100), 패턴 형성 단계(S1200), 잉크 제거 단계(S1300)를 포함할 수 있다. 여기서는 도 1에서 설명한 금속 유기이온 잉크를 대신하여 금속 나노입자 분산액을 사용하고자 한다.Referring to FIG. 10, a method for manufacturing a high resolution large area fine pattern according to an embodiment of the present invention may include a solution applying step (S1100), a pattern forming step (S1200), and an ink removing step (S1300). have. Here, instead of the metal organic ion ink described with reference to FIG. 1, a metal nanoparticle dispersion is used.
1)용액 도포 단계(S1100)에서는, 기판 상에 금속 나노 입자 분산액을 코팅하여 코팅층을 형성할 수 있다. 여기서, 금속 나노 입자 분산액은 금속 나노 입자가 유기 용매나 물에 분산된 상태로 제조될 수 있다.1) In the solution coating step (S1100), it is possible to form a coating layer by coating a metal nanoparticle dispersion on a substrate. Here, the metal nanoparticle dispersion may be prepared in a state in which the metal nanoparticles are dispersed in an organic solvent or water.
이렇게 금속 나노 입자 분산액을 이용하여 경우에는 도 1의 제조 방법과 같이 코팅층을 가열하여 금속 나노 시드를 생성하는 과정이 필요하지 않고, 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조시킨 후 이후 과정을 진행하게 된다.Thus, in the case of using the metal nanoparticle dispersion, the process of heating the coating layer to generate the metal nano seeds as in the manufacturing method of FIG. 1 is not required, and the coating layer is dried at room temperature for a predetermined time and then proceeds.
즉, 패턴 형성 단계(S1200), 잉크 제거 단계(S1300)는 도 1의 제조 방법에서 설명하는 내용과 동일하기 때문에 이하에서는 설명하지 않기로 한다.That is, since the pattern forming step S1200 and the ink removing step S1300 are the same as those described in the manufacturing method of FIG. 1, they will not be described below.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, contents related to such combinations and modifications should be construed as being included in the scope of the present invention.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the above description has been made with reference to the embodiment, which is merely an example, and is not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be illustrated as above without departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
10: 기판
20: 코팅층
30: 금속 나노 시드
40: 레이저
50: 금속 패턴10: Substrate
20: coating layer
30: metal nanoseed
40: laser
50: metal pattern
Claims (2)
상기 코팅층을 상온에서 소정 시간 건조하는 단계; 및
상기 코팅층에 베셀 빔을 직접 조사하되, 상기 베셀 빔의 초점이 상기 코팅층 내의 상기 기판에 인접한 미리 정해진 패터닝 영역에 형성되도록 하여, 상기 패터닝 영역에 있는 금속 나노 입자가 소결되어 금속 패턴이 형성되는 패턴 형성 단계;를 포함하고,
상기 패턴 형성 단계에서, 상기 금속 나노 입자가 성장 소결되는 소결 영역은, 상기 베셀 빔에 의해 상기 패터닝 영역 내에 형성되는 레이저 조사 영역보다 작게 형성되는,
고분해능의 대면적 미세 패턴을 제조하기 위한 방법.A solution applying step of forming a coating layer by applying a metal nanoparticle dispersion onto a substrate; And
Drying the coating layer at room temperature for a predetermined time; And
Irradiating a vessel beam directly to the coating layer, wherein the focal point of the vessel beam is formed in a predetermined patterning region adjacent to the substrate in the coating layer, thereby forming a pattern in which metal nanoparticles in the patterning region are sintered to form a metal pattern. Comprising;
In the pattern forming step, the sintered region in which the metal nanoparticles are grown and sintered is formed smaller than the laser irradiation region formed in the patterning region by the vessel beam.
A method for producing large area fine patterns of high resolution.
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| KR102253704B1 (en) | 2021-05-18 |
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