WO2009125921A2 - 패터닝 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2009125921A2
WO2009125921A2 PCT/KR2009/000556 KR2009000556W WO2009125921A2 WO 2009125921 A2 WO2009125921 A2 WO 2009125921A2 KR 2009000556 W KR2009000556 W KR 2009000556W WO 2009125921 A2 WO2009125921 A2 WO 2009125921A2
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unit
hollow tube
data
liquid material
high voltage
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PCT/KR2009/000556
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Inventor
이형진
양남열
정수화
김범수
차상환
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엘지전자 주식회사
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    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/10—Using electric, magnetic and electromagnetic fields; Using laser light
    • H05K2203/105—Using an electrical field; Special methods of applying an electric potential

Definitions

  • the present invention relates to a patterning apparatus and method, and more particularly, to a patterning apparatus and method for forming a desired pattern on the object through the injection of a liquid material using the electrostatic suction method.
  • piezoelectric method using piezoelectric phenomenon piezoelectric phenomenon
  • thermal method using film boiling phenomenon of ink thermal method using film boiling phenomenon of ink
  • electrostatic suction method using electrostatic phenomenon and the like are used.
  • the demand for a high-resolution inkjet method is intensifying, and in order to realize this, studies on miniaturization of the ejected ink droplets and improvement of the injection energy per unit volume of the ink droplets for this purpose are active.
  • the injection energy per unit volume of the ink droplet is related to the displacement amount and the generated pressure of the piezoelectric element to be driven.
  • the displacement amount of the piezoelectric element is closely related to the ejection amount of the ink droplets, that is, the size of the ink droplets.
  • the displacement amount of the piezoelectric element also needs to be reduced.
  • the displacement amount of the piezoelectric element is reduced, it is difficult to improve the injection energy per unit volume of the ink droplets, and thus it is difficult to reduce the ink droplets.
  • the pressure at the time of bubble formation has a physical limit, and the injection energy is almost determined by the area of the heating element. Since the area of this heating element is almost proportional to the volume of the generated bubbles, that is, the ink ejection amount, when the size of the ink droplets is reduced, the volume of the generated bubbles becomes smaller and the ejection energy becomes smaller. Accordingly, when the volume of the generated bubbles decreases, it is difficult to improve the injection energy per unit volume of the ink droplets, and thus it is also difficult to micronize the ink droplets.
  • the electrostatic suction method since the ejected droplets receive electrostatic power even during an emergency apart from the ejection energy, the ejection energy per unit volume of the ink droplets can be reduced, thereby miniaturizing the ink droplets. For this reason, the development of the micro-droplet injection technology using the electrostatic suction method is actively progress.
  • the patterning apparatus through spraying a liquid material includes a hollow tube 10 having one end opened to spray a liquid material droplet, and the hollow material through a liquid material supply line 22. It is connected to the other end of the tube 10 includes a liquid material injection unit 20 for supplying a liquid material to the hollow tube 10, and a high voltage generating unit 30 for applying a high voltage inside the hollow tube 10 It is configured by.
  • reference numeral 40 denotes an object on which a pattern is to be formed, and the object 40 is configured such that one end is grounded like the high voltage generating unit 30 described above.
  • the droplets are separated and sprayed onto the object 40 so that the predetermined amount is applied to the object 40. It is possible to form a desired pattern.
  • the object 40 or the hollow tube 10 in order to form a desired predetermined pattern, the object 40 or the hollow tube 10 must be moved in a predetermined direction, for example, in the x-axis and y-axis directions.
  • the distance between the object 40 and the hollow tube 10 may be changed, and the height of the hollow tube 10 with respect to the object 40 may not be kept constant, thus forming a precise pattern. There is a problem that this is difficult.
  • the liquid material sprayed on the object 40 to form a pattern should be quickly cured after being applied to the object 40. Otherwise, since the liquid material may spread or flow, it may not be possible to ensure uniformity and repeatability of precise pattern formation.
  • the conventional patterning device has a problem in that the liquid material injected onto the object 40 cannot be cured quickly.
  • the present invention has been made to overcome the problems of the prior art as described above, the object to be patterned can be adjusted so that the distance between the hollow tube is not changed in the process of moving horizontally to form a pattern to form a precise pattern
  • the present invention provides a patterning apparatus and method.
  • the present invention is to provide a patterning apparatus and method that can secure the uniformity and repeatability of precise pattern formation by rapidly curing the liquid material injected from the hollow tube to the object for pattern formation.
  • the present invention is to provide a patterning apparatus and method that can convert a variety of image data of the pattern to be formed to meet the needs of the user, and improve the speed and precision of pattern formation based on the converted data.
  • Patterning device for achieving the above technical problem, the main body; A driving stage on which an object to be patterned is placed, which is horizontally moved along an x-axis and a y-axis on the main body; A hollow tube unit mounted to a holder disposed above the driving stage, the hollow tube unit including at least one hollow tube disposed so that an open end thereof faces the driving stage; A hollow tube height measuring unit mounted on the holder and detecting a height from an object placed on the driving stage; Connecting the holder to one side of the main body, the hollow tube height to adjust the height of the hollow tube from the object to maintain a constant by lifting the holder based on the height information detected through the hollow tube height measuring unit Control unit; A liquid material injection unit connected to the other end of the hollow tube through a liquid material supply line to inject a liquid material into the hollow tube; A high voltage generating unit for applying a high voltage into the hollow tube; And a control unit controlling the driving stage, the liquid material injection unit, and the high voltage generation unit.
  • the hollow tube height measuring unit may be composed of an optical sensor or an ultrasonic sensor, and the hollow tube height adjusting unit may be composed of a piezo actuator, a voice coil motor, or a servo motor.
  • the curing unit may further comprise a curing unit for curing the liquid material injected from the hollow tube to the object for patterning, the curing unit may be composed of a laser beam irradiator or a UV lamp.
  • the control unit may include a data recognizing unit recognizing original image data to be patterned; A data processing unit for converting the recognized image data into a patterning data by converting the recognized image data into a user's request; And a data transmission unit for transmitting the processed data to the liquid phase material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage, wherein each of the liquid phase material injection unit, the high voltage generation unit and the driving stage receives data transmitted through the data transmission unit.
  • a processor is provided that includes a control signal generator configured to generate a control signal for controlling each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage based on the received data.
  • the control unit may further include a data compression unit for compressing the processed data to transmit the data transmission unit, and decompressing the received data in each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage.
  • the data decompression unit may be further provided.
  • the hollow tube unit may be configured to include two or more hollow tubes, in which case it may further include a tilting unit provided between the main body and the hollow tube height adjusting unit to rotate the holder in the horizontal direction.
  • the controller may include a data recognizing unit recognizing original image data to be patterned; A data processing unit for converting the recognized image data into a patterning data by converting the recognized image data into a user's request; Hollow tube-specific data separation unit for separating the processed data into the patterning region for each hollow tube; And a data transmission unit for transmitting the data separated by the hollow tube to the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage, wherein each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit and the driving stage is transmitted through the data transmission unit.
  • a processor is provided that includes a control signal generator configured to generate a control signal for controlling each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage based on the received data.
  • the control unit may further include a data compression unit configured to compress the data separated by the hollow tube to transmit the data transmission unit, and each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage may receive the received data.
  • the data decompression unit for decompressing may be further provided.
  • the patterning method according to the present invention for achieving the above technical problem comprises the steps of: (a) loading the object to be patterned in the drive stage horizontally movable along the x-axis and y-axis; (b) controlling the liquid material injection unit for injecting the liquid material into the hollow tube to inject the required amount of liquid material into the hollow tube; (c) controlling a high voltage generating unit to apply a high voltage to the inside of the hollow tube so that a predetermined potential difference is formed between the hollow tube and the object; (d) spraying the liquid material to the object through an opening of one end of the hollow tube by a potential difference formed; (e) controlling the driving stage to horizontally move the object along an x-axis and a y-axis; And (f) detecting whether the height of the hollow tube from the object is changed according to the horizontal movement of the object through the hollow tube height measuring unit, and controlling the hollow tube height adjusting unit based on the height from the object. And adjusting the height of the hollow tube to be kept constant.
  • the patterning apparatus and method according to the present invention having the configuration as described above, in the process of horizontally moving the object to be patterned for pattern formation is adjustable so as not to change the distance between the hollow tube and the pattern formation Since the liquid material injected from the hollow tube to the object can be quickly cured, there is an advantage of ensuring uniformity and repeatability of precise pattern formation.
  • liquid material injection unit high voltage generating unit to quickly recognize the various image data of the pattern to be formed, and convert it to meet the needs of the user, and to improve the speed and precision of pattern formation based on the converted data
  • driving stage can be precisely controlled.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a patterning device through the injection of a liquid material according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of a patterning device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a control system of a patterning device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a bottom view of the hollow tube unit when the hollow tube of FIG.
  • FIG. 5 is a bottom view of an embodiment in which a plurality of hollow tube units including a plurality of hollow tubes are mounted;
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a control system of a patterning device according to the present invention in the case where a plurality of hollow tubes of FIG. 2 are formed;
  • FIG. 7 is a step flowchart of a patterning method according to the present invention.
  • FIG. 8 is a flow chart for controlling each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage of FIG.
  • FIG. 10 is a view showing an embodiment of the control of the high voltage applied to the hollow tube of the patterning device according to the present invention.
  • main body 121 conductive layer
  • holder 133 hollow tube
  • hollow tube height measuring unit 145 hollow tube height adjusting unit
  • tilting unit 160 liquid material injection unit
  • liquid material supply line 161 liquid material supply line 162: processor
  • control signal generator 170 high voltage generating unit
  • processor 180 curing unit
  • control unit 191 data recognition unit
  • FIGS. 2 to 5 is a schematic configuration diagram of a patterning device according to the present invention
  • Figure 3 is a configuration diagram of a control system of the patterning device according to the present invention
  • Figure 4 is a hollow tube unit of the plurality of hollow tubes of FIG. 5 is a bottom view of an embodiment in which a plurality of hollow tube units including a plurality of hollow tubes are mounted
  • FIG. 6 is a control of a patterning device according to the present invention when the hollow tubes of FIG. System configuration diagram.
  • the patterning device 100 is largely the main body 110, the drive stage 120, hollow tube unit 130, hollow tube height measuring unit 140, Hollow tube height adjustment unit 150, the liquid material injection unit 160, high voltage generating unit 170, and comprises a control unit 190.
  • the driving stage 120 is configured to be horizontally moved along the x-axis and the y-axis on the main body 110 under the control of the controller 190 to be described later, and the object S to be patterned is connected to the driving stage 120. To be placed. That is, the object S is horizontally moved along the x and y axes through the horizontal movement of the driving stage 120.
  • a conductive layer 121 is formed on an upper surface of the driving stage 120, and a ground terminal is connected to the conductive layer 121 to form a potential difference between the object S and the hollow tube 133 described later. do.
  • the object S may be directly connected to a ground terminal.
  • the driving stage 120 is provided with a processor 122 that is connected to the control unit 190 by a communication cable or a wireless communication method.
  • the hollow tube unit 130 is composed of at least one hollow tube 133 mounted to the holder 131 disposed on the driving stage 120.
  • the hollow tube 133 is disposed so that the open end thereof faces the driving stage 120, and the object placed on the driving stage 120 is injected with the liquid material injected through the liquid material injection unit 160, which will be described later. Spray to S) to form a desired pattern on the object (S).
  • the hollow tube unit 130 is supported through a hollow tube height adjusting unit 150 which will be described later connected to the main body 110. If necessary, the opened end of the hollow tube 133 may be equipped with a shutter (not shown) for opening and closing the opening.
  • the driving stage 120 is controlled to horizontally move the object S along the x and y axes.
  • the height of the hollow tube 133 is not constant from the object S, and the fine pattern may not be precisely formed by changing the fine. Therefore, the patterning device 100 according to the present invention is provided with a hollow tube height measuring unit 140 and a hollow tube height adjusting unit 150 to solve this problem.
  • the hollow tube height measuring unit 140 is mounted on the holder 131 to measure the height of the hollow tube 133 from the object S by measuring the height from the object S placed on the driving stage 120. Detects whether is changed.
  • the hollow tube height measuring unit 140 may be configured by applying an optical sensor, an ultrasonic sensor, or other various types of sensors as necessary, and for each of them, various types of known ones are disclosed, and thus, detailed description thereof. Is omitted.
  • the hollow tube height adjusting unit 150 is connected to the holder 131 to one side of the main body 110 to be supported by the main body 110.
  • the hollow tube height adjusting unit 150 by lifting the holder 131 based on the height information detected through the hollow tube height measuring unit 140 to the hollow tube 133 from the object (S) Adjust the height so that it stays constant.
  • the hollow tube height adjustment unit 150 may be configured by applying a piezo actuator, a voice coil motor or a servo motor, as necessary.
  • Various types of known motors are disclosed for each of the motors, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • a tilting unit 150 for rotating the holder 131 in the horizontal direction may be added between the main body 110 and the hollow tube height adjusting unit 150.
  • the tilting unit 150 rotates the holder 131 by rotating the hollow tube height adjusting unit 150 connected to the holder 131 in a horizontal direction.
  • the tilting unit 150 is mainly for enhancing the patterning efficiency when the hollow tube unit 130 is composed of a plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c as shown in FIG. 4, and a detailed description thereof. Will be described later.
  • the liquid material injection unit 160 is connected to the other end of the hollow tube 133 through the liquid material supply line 161 to inject the required amount of liquid material into the hollow tube 133 under the control of the controller 190. It plays a role.
  • the liquid material injection unit 160 is provided with a tank (not shown) for storing the liquid material, and a pump (not shown) for pumping the liquid material stored in the tank.
  • the liquid material injection unit 160 is provided with a processor 162 connected to the control unit 190 by a communication cable or a method of wireless communication, and the processor 162 controls the pump in cooperation with the control unit 190. do.
  • the liquid material may be divided into various types according to the type of pattern to be formed through the patterning device 100 according to the present invention. That is, the pattern to be formed through the patterning device 100 according to the present invention may be a logo such as a letter or a pattern formed on an external case of an electronic product, for example, a mobile terminal, a TV, an air conditioner, a refrigerator, and the like.
  • the liquid material may be a non-metallic organic material such as an ink including a dye or a pigment as fine particles in addition to water and oil.
  • the pattern formed through the patterning device 100 according to the present invention may be a circuit pattern such as a semiconductor device, a flat panel display (FPD), a flexible display, a solar cell, or the like.
  • the liquid material may be a metallic particulate solution such as silver (Ag), gold (Au), copper (Cu) or nickel (Ni).
  • the pattern formed through the patterning device 100 according to the present invention may be a pixel forming the black matrix (BM) and the red (R), green (G), blue (B) color filter layer of the LCD color filter.
  • the liquid material may be a nonmetallic organic material.
  • the liquid materials should have a certain range of viscosity required to be formed into a taylor cone to be sprayed in the form of a stream or droplets at the opening of the hollow tube 133 through the control of the high voltage generating unit 170 to be described later. do.
  • the viscosity of the predetermined range may be 20 to 240 cP (centi Poise) in the case of the non-metallic organic material for forming the black matrix (BM) pattern of the LCD color filter.
  • the viscosity of the predetermined range may be 10-20 cP in the case of the non-metallic organic material for forming a pixel pattern constituting each of the color filter layers of red (R), green (G), and blue (B).
  • the viscosity range may be 1 ⁇ 100 cP.
  • the viscosity of each liquid material may vary depending on the type of pattern to be formed within the viscosity range. That is, when the thickness of the pattern to be formed is thin but the pitch is large, a liquid material having a small viscosity within the viscosity range may be used. On the other hand, when the thickness of the pattern to be formed is small instead of thick, a liquid material having a large viscosity within the viscosity range may be used.
  • the high voltage generation unit 170 applies a predetermined high voltage to the inside of the hollow tube 133 through the control of the controller 190.
  • a predetermined high voltage is applied inside the hollow tube 133, a predetermined potential difference is formed between the hollow tube 133 and the object S, and the liquid material is injected into the object S by electrostatic force.
  • one terminal of the high voltage generating unit 170 is disposed in the hollow tube 133, and the other terminal thereof is connected to a ground terminal.
  • the high voltage generating unit 170 is provided with a processor 172 connected to the controller 190 by a communication cable or a method of wireless communication.
  • the liquid material injected into the hollow tube 133 through the liquid material injection unit 160 may be formed by the surface tension of the hollow tube 133.
  • the meniscus 135 having a double shape is maintained.
  • a potential difference is generated between the inside of the hollow tube 133 and the object S.
  • the charge generated at the liquid surface of the meniscus 135 is concentrated at the center thereof, thereby forming a taylor cone 137.
  • the electrostatic force due to the amount of charge concentrated in the center of the Taylor cone 137 exceeds the surface tension of the liquid material, the droplets are separated and sprayed onto the object S to apply a predetermined desired pattern to the object S. It can be formed.
  • the patterning apparatus 100 includes a curing unit 180 that allows the liquid material sprayed on the object S to be cured quickly.
  • a laser beam irradiator or a UV lamp may be used, and in some cases, a separate heater (not shown) is mounted on the driving stage 120 on which the object S is placed, and then, through heat. The liquid material may be cured.
  • the controller 190 for controlling the liquid material injection unit 160, the high voltage generating unit 170, and the driving stage 120 is basically a data recognition unit 191 and a data processing unit ( 193 and a data transmission unit 199, and may be configured by adding a data compression unit 197 as necessary.
  • the data recognition unit 191 recognizes original image data of various forms (GDSII, Gerber, OASIS, DXF, etc.) to be patterned, and stores the data in a vector or raster form.
  • the data processing unit 193 generates data for a pattern by processing the data recognized / stored by the data recognition unit 191 to meet a user's request through position transformation, image rotation, image distortion, and the like. Play a role.
  • the data transmission unit 199 may transmit the pattern data processed through the data processing unit 193 to each of the processors 162 of the liquid material injection unit 160, the high voltage generation unit 170, and the driving stage 120. 172, 122).
  • the data compression unit 197 may compress and transmit the data.
  • Each of the processors 162, 172, and 122 provided in the liquid material injection unit 160, the high voltage generating unit 170, and the driving stage 120 is processed through the respective data receivers 163, 173, and 123. Receive data for In addition, each of the processors 162, 172, and 122 may control the liquid material injection unit 160, the high voltage generation unit 170, and the driving stage 120 through the control signal generators 165, 175, and 125, respectively. By generating and inputting a control signal for each control, driving of each of the liquid material injection unit 160, the high voltage generating unit 170, and the driving stage 120 is controlled.
  • each of the processors 162, 172, and 122 provided in the liquid material injection unit 160, the high voltage generation unit 170, and the driving stage 120 is additionally provided.
  • a data decompression unit for decompressing the processed pattern data is provided.
  • the hollow tube unit 130 may be a hollow tube unit 130 ′ composed of a plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c.
  • a liquid material injection unit (not shown) for injecting a liquid material into each of the plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c
  • a high voltage generation unit (not shown) for applying a high voltage are respectively provided in the hollow tube ( It may be configured in plurality in accordance with the number of 133a, 133b, 133c.
  • the plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c are illustrated as three, but the number is not limited thereto.
  • the hollow tube unit 130 ' is composed of a plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c, it prevents electrical interference that may occur between the hollow tubes 133a, 133b, and 133c.
  • region which each hollow tube 133a, 133b, and 133c should pattern is lengthened.
  • the driving stage 120 In order to reduce the area, the driving stage 120 must be moved in an oblique direction. In this case, the driving radius of the driving stage 120 is increased, thereby increasing the patterning device 100.
  • the holder 131 may be rotated by the required angle by rotating the hollow tube height adjusting unit 150 connected to the holder 131 in the horizontal direction through the aforementioned tilting unit 150.
  • the area to which each hollow tube 133a, 133b, and 133c should be patterned can be reduced, without making the patterning apparatus 100 large.
  • the hollow tube unit 130 ' is composed of a plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c, each of the driving stage 120 and the plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c, respectively.
  • the controller 190 ′ controlling the plurality of liquid material injection units (not shown) and the high voltage generation unit (not shown) connected to the data recognition unit 191 and the data processing unit are shown. 193, a data compressor 197, and a data transmitter 199.
  • the data processing unit 193 may further include a data separation unit 195 for each hollow tube for separating the pattern data processed by each of the hollow tube (133a, 133b, 133c).
  • Reference numerals 162a, 162b, and 162c denote processors that are provided in each of a plurality of liquid material injection units (not shown) and connected to the controller 190 ', and each of the processors 162a, 162b, and 162c denotes a processor (described above). Since it has the same configuration as 162, repeated description thereof will be omitted.
  • reference numerals 172a, 172b, and 172c indicate a processor provided in each of a plurality of high voltage generation units (not shown) and connected to the controller 190 ', and each of the processors 172a, 172b, and 172c is also the processor described above. Since it has the same configuration as 172, repeated description thereof will be omitted.
  • the hollow tube unit 130 'described above is a plurality of hollow tube units 130'a, 130'b, 130'c each composed of a plurality of hollow tubes (numbered) as shown in FIG. 130'd).
  • the hollow tube height measuring unit (140a, 140b, 140c, 140d) and the hollow tube height adjusting unit for height adjustment of each of the hollow tube unit (130'a, 130'b, 130'c, 130'd) 145a, 145b, 145c, and 145d are also configured in plural as corresponding numbers.
  • 150c, 150d) also includes a plurality of corresponding numbers. In such a case, as shown in FIG. 5, the pitch of each liquid material sprayed through the plurality of hollow tubes provided in each of the hollow tube units 130'a, 130'b, 130'c, and 130'd. Should form a predetermined predetermined interval.
  • the initial setting position is set by tilting each hollow tube unit 130'a, 130'b, 130'c, 130'd at a necessary angle through the control of the respective tilting units 150a, 150b, 150c, and 150d. Let's do it.
  • the driving stage 120 on which the object S to be patterned is placed moves downward or upward in the drawing under the control of the controller 190, and the hollow tube units 130 ′ a, 130 ′ b, 130 are moved.
  • a high voltage required for each of the plurality of hollow tubes provided at 'c, 130'd) is applied. Accordingly, the liquid material is sprayed from each hollow tube in the form of a stream or droplet to pattern a portion of a predetermined pattern to be formed.
  • the high voltage applied to each of the plurality of hollow tubes may be controlled to be applied intermittently or continuously according to a region of a predetermined pattern in which each hollow tube is to be formed, and the frequency or duty cycle of the high voltage may be It can be fine tuned.
  • the driving stage 120 shifts a predetermined interval in the left or right direction on the drawing under the control of the controller 190, and then moves in the direction opposite to the one direction. Patterning is continued in the same manner as described above. By repeating the above-described series of processes, the desired pattern can be finally completed.
  • the increased configuration may complete the final pattern to be formed only by patterning according to the above-described movement in one direction.
  • FIG. 7 is a step flowchart of a patterning method according to the present invention
  • FIG. 8 is a step flowchart for control of each of the liquid material injection unit, the high voltage generation unit, and the driving stage of FIG. 7.
  • the object S to be patterned is loaded on the driving stage 120 through a loading unit (not shown) (S110). Thereafter, the liquid material suitable for the pattern type to be formed in the hollow tube 133 is injected through the control of the liquid material injection unit 160 (S120).
  • the control of the liquid material injection unit 160 will be described in detail with reference to FIG. 8.
  • various forms of patterning through the data recognition unit 191 of the controller 190 Recognize the original image data of GDSII, Gerber, OASIS, DXF, etc.) and store it as vector or raster data (S210).
  • the data processing unit 193 performs processing such as position conversion, image rotation, image distortion, and the like, on the recognized data to generate processed pattern data in accordance with a user's request (S220).
  • the data transmission unit 199 transmits the processed pattern data to the processor 162 of the liquid material injection unit 160.
  • the data processing unit 193 may compress and transmit the data through the data compression unit 197 (S240).
  • the hollow tube 133 is composed of a plurality of hollow tube (133a, 133b, 133c)
  • the hollow pipes 133a, 133b, and 133c may be transmitted after being separated into the patterning area for each S230.
  • the data may be transmitted through the aforementioned compression process.
  • the processed pattern data or data separated into patterning areas for each hollow tube 133a, 133b, and 133c are received through the data receiving unit 163 provided in the processor 162 of the liquid material injection unit 160. do.
  • the control signal generator 165 generates / inputs a control signal of the liquid material injection unit 160 based on the received data so that the required amount of liquid material is injected into the hollow tube 133.
  • data compression provided in the processor 162 of the liquid material injection unit 160 is transmitted. Decompression of the data through the release unit 164 may be additionally performed.
  • the hollow tube 133 and the object are applied by applying a high voltage required inside the hollow tube 133 through the control of the high voltage generating unit 170.
  • a predetermined potential difference is formed between (S) (S130).
  • the high voltage may be a pulse voltage having a certain frequency.
  • the control of the high voltage generating unit 170 is also based on the processed data for the pattern generated by the process described with reference to FIG. 8 or the data divided into patterning areas for each hollow tube 133a, 133b, and 133c.
  • the control signal is generated by the processor 172 of the generating unit 170.
  • the processor 172 of the high voltage generating unit 170 is inside the hollow tube 133 based on the processed pattern data or data divided into patterning areas for each hollow tube 133a, 133b, and 133c. Adjust the frequency, duty cycle, and application time of the applied high voltage.
  • the liquid material injected into the hollow tube 133 through the liquid material injection unit 160 may be formed by the surface tension of the hollow tube 133.
  • the meniscus 135 having a double shape is maintained.
  • a potential difference is generated between the inside of the hollow tube 133 and the object S.
  • a taylor cone 137 is formed while the charge generated at the liquid surface of the meniscus 135 is concentrated at the center thereof.
  • the electrostatic force by the amount of charge concentrated in the center of the Taylor cone 137 exceeds the surface tension of the liquid material, the droplets are separated and injected into the object S (S140).
  • the liquid material sprayed onto the object S to form the pattern is quickly cured through the curing unit 180 (S150). Therefore, as in the prior art, it is possible to solve the problems that may occur due to the spreading or flowing of the liquid material, thereby ensuring the uniformity and repeatability of precise pattern formation.
  • the step S160 of horizontally moving the object S along the x-axis and the y-axis through the control of the driving stage 120 is performed.
  • the control of the driving stage 120 also generates the high voltage based on the processed pattern data generated by the process described with reference to FIG. 8 or data divided into patterning regions for each hollow tube 133a, 133b, and 133c.
  • the control signal is generated by the processor 172 of the unit 170.
  • the driving stage 120 performs acceleration driving from an initial position to a previous patterning region when driving in one direction for driving the patterning, for example, driving in the y-axis upward direction. Constant speed drive is made.
  • the driving stage 120 is controlled such that the deceleration driving is performed when the patterning in one direction is completed. Thereafter, when the driving stage 120 is stopped, the driving stage 120 is shifted by a predetermined pitch in the x-axis direction, and then controlled to be driven in the y-axis downward direction in the same manner as the above-described driving method.
  • the area for patterning may be classified into ten areas from a to j.
  • the hollow tube unit 130 ′ described with reference to FIG. 4 may be configured to include ten hollow tubes (not numbered) so as to perform patterning on each area a to j.
  • the control of the high voltage applied to the respective hollow tubes for the injection of the liquid material for the patterning as shown in FIG. 10 with respect to the time according to the driving in the y-axis upward direction of the above-described driving stage 120
  • the on / off control method for the input of the high voltage may be performed.
  • the driving stage 120 is shifted by a predetermined pitch in the right direction of the x-axis, and then moved in the hollow direction while moving in the y-axis downward direction. Control of the high voltage applied to the tube is achieved. Accordingly, patterning of the object with respect to the target pattern may be continued.
  • the height of the hollow tube 133 may be changed from the object S, and in this case, desired precise pattern formation may not be achieved.
  • the height of the hollow tube 133 from the object S is increased through the hollow tube height measuring unit 140 and the hollow tube height adjusting unit 150 in order to solve the above problems. Adjusting to be kept constant (S170).
  • the hollow tube height measuring unit 140 measures the height from the object S mounted on the holder 131 and placed on the driving stage 120, and measures the hollow tube from the object S. It is detected whether the height of 133 is changed.
  • the hollow tube height adjusting unit 150 lifts the holder 131 based on the height information detected through the hollow tube height measuring unit 140 to determine the hollow tube 133 from the object S.
  • FIG. Adjust the height to stay constant.
  • the hollow tube unit 130 ' when the hollow tube unit 130 'is composed of a plurality of hollow tube (133a, 133b, 133c), the hollow connected to the holder 131 through the tilting unit 150 Rotating the holder 131 by the required angle by rotating the tube height adjustment unit 150 in the horizontal direction may be added before the liquid material injection step (S120) or at least before the liquid material injection step (S140). Therefore, when the hollow tube unit 130 'is composed of a plurality of hollow tubes 133a, 133b, and 133c, an area to be patterned by each of the hollow tubes 133a, 133b, and 133c without making the patterning device 100 large. Can be reduced.
  • the patterning method using the patterning device 100 according to the present invention described so far can be used to directly form the finished pattern to be formed, but also in the conventional photolithography method, PR (Photo Resister) application, excluding the etching process, Soft Bake, Expose It can also be used to replace the entire series of processes leading to development, development, hard bake, and so on.
  • PR Photo Resister

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Abstract

본 발명은 정전 흡인 방식을 이용한 액상 재료의 분사를 통해 대상체에 원하는 패턴을 형성시키는 패터닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 패터닝할 대상체가 패턴 형성을 위해 수평이동하는 과정에서 중공관과의 사이 간격이 변경되지 않도록 조절가능하고, 패턴 형성을 위해 상기 중공관으로부터 대상체로 분사된 액상 재료를 신속히 경화시킴으로써 정밀한 패턴 형성의 균일성 및 반복성을 확보할 수 있고, 또한 형성하고자 하는 패턴의 다양한 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환시키고, 그 변환된 데이터를 기반으로 패턴 형성의 신속성 및 정밀성을 향상시킬 수 있도록 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지를 정밀하게 제어할 수 있는 패터닝 장치 및 방법을 제공한다.

Description

패터닝 장치 및 방법
본 발명은 패터닝 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전 흡인 방식을 이용한 액상 재료의 분사를 통해 대상체에 원하는 패턴을 형성시키는 패터닝 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 대상체에 원하는 패턴을 형성하기 위해 액상 재료를 대상체에 분사하는 여러 유형의 유체 분사 방식이 있는데, 그 중에서도 이하에서는 액상 재료로 잉크를 이용하는 잉크젯 방식에 대해 설명한다.
상기 잉크젯 방식 중에서도 압전 현상을 이용한 피에조 방식과, 잉크의 막 비등 현상을 이용한 서멀 방식과, 정전기 현상을 이용한 정전 흡입 방식 등이 사용되고 있다. 특히 최근에는 고해상도의 잉크젯 방식의 요구가 강해지고 있고, 이를 실현하기 위하여 분사된 잉크 액적의 미소화 및 이를 위한 잉크 액적의 단위 체적당 분사 에너지의 향상에 대한 연구가 활발하다.
그런데 종래 피에조 방식의 경우, 잉크 액적의 단위 체적당 분사 에너지는 구동하는 압전 소자의 변위량 및 발생 압력과 관련되어 있다. 상기 압전 소자의 변위량은 잉크 액적의 분사량, 즉 잉크 액적의 사이즈와 밀접한 관계가 있으며, 잉크 액적의 사이즈를 작게 하기 위해서는 압전 소자의 변위량도 작게 할 필요가 있다. 그러나, 압전 소자의 변위량을 작게하면 잉크 액적의 단위 체적당 분사 에너지의 향상이 곤란하기 때문에 잉크 액적의 미소화가 어렵다.
한편, 서멀 방식의 경우, 잉크의 막 비등 현상을 이용하고 있기 때문에 버블 형성시의 압력은 물리적 한계가 있어 가열 소자의 면적에 의해 분사 에너지가 거의 정해져 버린다. 이 가열 소자의 면적은 발생 버블의 체적, 즉 잉크 분사량과 거의 비례하기 때문에 잉크 액적의 사이즈를 작게 하면, 발생 버블의 체적이 작아져 분사 에너지가 작아진다. 그에 따라, 발생 버블의 체적이 작아지면 잉크 액적의 단위 체적당 분사 에너지의 향상이 곤란하므로 역시 잉크 액적의 미소화가 어렵다.
반면, 정전 흡입 방식을 이용하는 경우, 분사된 액적은 분사 에너지와는 별도로 비상 중에도 정전력을 받기 때문에 잉크 액적의 단위 체적당 분사 에너지를 경감할 수 있어 잉크 액적의 미소화가 가능해진다. 이와 같은 이유로 정전 흡인 방식을 이용한 미소 액적의 분사 기술에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
이하에서는 도 1을 참조하여 종래 정전 흡입 방식을 이용한 액상 재료의 분사를 통해 대상체에 소정 패턴을 형성시키는 기술에 대해 간략히 살펴본다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 액상 재료의 분사를 통한 패터닝 장치는 액상 재료의 액적이 분사되도록 일단이 개방된 중공관(10)과, 액상 재료 공급라인(22)을 통해 상기 중공관(10)의 타단에 연결되어 액상 재료를 상기 중공관(10)에 공급하는 액상 재료 주입유닛(20)과, 상기 중공관(10) 내부에 고전압을 인가하는 고전압 발생유닛(30)를 포함하여 구성된다. 여기서 미설명부호 40은 패턴이 형성될 대상체를 나타내며, 상기 대상체(40)는 전술한 고전압 발생유닛(30)과 마찬가지로 일단이 접지되도록 구성된다.
전술한 구성을 갖는 종래 기술에 따른 액상 재료의 분사를 통한 패터닝 장치의 작용에 대해 간략히 살펴본다.
상기 중공관(10) 내부에 고전압이 인가되지 않은 상태에서, 상기 액상 재료 주입유닛(20)을 통해 상기 중공관(10) 내부로 주입된 액상 재료는 그 표면 장력에 의해 상기 중공관(10)의 개방된 일단에 볼록한 형상의 메니스커스(meniscus, 12)가 형성된 상태를 유지한다. 이후, 상기 고전압 발생유닛(30)을 통해 상기 중공관(10) 내부에 고전압이 인가되면, 상기 중공관(10) 내부와 상기 대상체(40) 사이에 전위차가 발생하게 되고, 충분한 전기장이 형성되면 메니스커스(12)의 액표면에서 발생한 전하가 그 중심으로 집중되면서 테일러 콘(taylor cone, 14)이 형성된다. 상기 테일러 콘(14)의 중심에 집중한 전하량에 의한 정전력이 액상 재료의 표면 장력을 초과한 상태가 되면, 액적의 분리가 행해져 상기 대상체(40)로 분사됨으로써 상기 대상체(40)에 소정의 원하는 패턴을 형성할 수 있게 된다.
그런데 전술한 구성을 갖는 종래 기술의 패터닝 장치는, 원하는 소정 패턴을 형성하기 위해서는 상기 대상체(40) 또는 중공관(10)을 소정 방향, 예를 들어 x축 및 y축 방향으로 이동시켜야 한다. 그러나, 이 경우 상기 대상체(40)와 중공관(10) 사이의 간격이 변경될 수 있고, 상기 대상체(40)에 대한 상기 중공관(10)의 높이를 일정하게 유지시킬 수 없어 정밀한 패턴의 형성이 어렵다는 문제가 있다.
또한, 패턴 형성을 위해 상기 대상체(40)에 분사된 액상 재료는 상기 대상체(40)에 도포된 후, 신속히 경화되어야 한다. 그렇지 않을 경우, 액상 재료가 퍼지거나 흐를 수 있기 때문에 정밀한 패턴 형성의 균일성 및 반복성을 확보할 수 없기 때문이다. 그러나, 종래 기술의 패터닝 장치는, 상기 대상체(40)에 분사된 액상 재료를 신속히 경화시킬 수 없다는 문제가 있다.
또한, 형성하고자 하는 패턴의 다양한 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환시키고, 이 변환된 데이터를 기반으로 한 패턴 형성의 신속성 및 정밀성을 향상시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 상기 액상 재료 주입유닛(20)과 고전압 발생유닛(30) 및 상기 대상체(40)를 이동시키는 구동 스테이지를 정밀하게 제어할 수 있는 시스템이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 패터닝할 대상체가 패턴 형성을 위해 수평이동하는 과정에서 중공관과의 사이 간격이 변경되지 않도록 조절할 수 있어 정밀한 패턴을 형성할 수 있는 패터닝 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 패턴 형성을 위해 상기 중공관으로부터 대상체로 분사된 액상 재료를 신속히 경화시킴으로써 정밀한 패턴 형성의 균일성 및 반복성을 확보할 수 있는 패터닝 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 형성하고자 하는 패턴의 다양한 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환시키고, 그 변환된 데이터를 기반으로 패턴 형성의 신속성 및 정밀성을 향상시킬 수 있는 패터닝 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 패터닝 장치는, 메인 바디; 패터닝할 대상체가 놓여지며, 상기 메인 바디 상에서 x축 및 y축을 따라 수평이동하는 구동 스테이지; 상기 구동 스테이지의 상부에 배치되는 홀더에 장착되며, 개구된 일단이 상기 구동 스테이지를 향하도록 배치되는 적어도 하나의 중공관으로 구성되는 중공관 유닛; 상기 홀더에 장착되어 상기 구동 스테이지에 놓여진 대상체로부터의 높이를 검출하는 중공관 높이측정유닛; 상기 홀더를 상기 메인 바디의 일측에 연결시키며, 상기 중공관 높이측정유닛을 통해 검출된 높이 정보를 기초로 상기 홀더를 승강시켜 상기 대상체로부터의상기 중공관의 높이가 일정하게 유지되도록 조절하는 중공관 높이조절유닛; 액상 재료 공급라인을 통해 상기 중공관의 타단에 연결되어 액상 재료를 상기 중공관에 주입하는 액상 재료 주입유닛; 상기 중공관 내부에 고전압을 인가하는 고전압 발생유닛; 및 상기 구동 스테이지, 액상 재료 주입유닛, 및 고전압 발생유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 중공관 높이측정유닛은 광센서 또는 초음파센서로 구성될 수 있고, 상기 중공관 높이조절유닛은 피에조 액추에이터나 보이스 코일 모터 또는 서보 모터로 구성될 수 있다.
패터닝을 위해 상기 중공관으로부터 상기 대상체로 분사된 액상 재료를 경화시키는 경화 유닛을 더 포함할 수 있고, 상기 경화 유닛은 레이저 빔 조사기 또는 UV 램프로 구성될 수 있다.
상기 제어부는 패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 데이터 인식부; 인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 데이터 가공부; 및 가공된 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지로 전송하는 데이터 전송부를 포함하며, 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각에는 상기 데이터 전송부를 통해 전송된 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 수신된 데이터를 기초로 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 프로세서가 마련된다.
상기 제어부에는 상기 가공된 데이터를 압축하여 이를 상기 데이터 전송부가 전송하도록 하는 데이터 압축부가 더 구비될 수 있고, 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각에는 상기 수신된 데이터의 압축을 해제하는 데이터 압축해제부가 더 구비될 수 있다.
상기 중공관 유닛은 2개 이상의 중공관을 포함하여 구성될 수 있고, 그 경우 상기 메인 바디와 중공관 높이조절유닛 사이에 마련되어 상기 홀더를 수평 방향으로 회전시키는 틸팅 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 중공관 유닛이 2개 이상의 중공관을 포함하여 구성되는 경우, 상기 제어부는 패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 데이터 인식부; 인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 데이터 가공부; 가공된 데이터를 각 중공관별 패터닝 영역으로 분리하는 중공관별 데이터 분리부; 및 중공관별로 분리된 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지로 전송하는 데이터 전송부를 포함하며, 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각에는 상기 데이터 전송부를 통해 전송된 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 수신된 데이터를 기초로 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 프로세서가 마련된다.
또한, 상기 제어부에는 상기 중공관별로 분리된 데이터를 압축하여 이를 상기 데이터 전송부가 전송하도록 하는 데이터 압축부가 더 구비될 수 있고, 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각에는 상기 수신된 데이터의 압축을 해제하는 데이터 압축해제부가 더 구비될 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 패터닝 방법은 (a) x축 및 y축을 따라 수평이동가능한 구동 스테이지에 패터닝할 대상체를 로딩하는 단계; (b) 중공관에 액상 재료를 주입하는 액상 재료 주입유닛을 제어하여 필요한 양의 액상 재료를 중공관에 주입시키는 단계; (c) 상기 중공관 내부에 고전압을 인가시키는 고전압 발생유닛을 제어하여 상기 중공관과 대상체 사이에 소정의 전위차가 형성되도록 하는 단계; (d) 형성된 전위차에 의해 상기 액상 재료가 상기 중공관의 일단 개구부를 통해 상기 대상체로 분사되는 단계; (e) 상기 구동 스테이지를 제어하여 상기 대상체를 x축 및 y축을 따라 수평이동시키는 단계; 및 (f) 상기 대상체의 수평이동에 따라 상기 대상체로부터의 상기 중공관의 높이가 변경되는지 여부를 중공관 높이측정유닛을 통해 검출하고, 이를 기초로 중공관 높이조절유닛을 제어하여 상기 대상체로부터의 상기 중공관의 높이가 일정하게 유지되도록 조정하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 패터닝 장치 및 방법에 의하면, 패터닝할 대상체가 패턴 형성을 위해 수평이동하는 과정에서 중공관과의 사이 간격이 변경되지 않도록 조절가능하고, 패턴 형성을 위해 상기 중공관으로부터 대상체로 분사된 액상 재료를 신속히 경화시킬 수 있어 정밀한 패턴 형성의 균일성 및 반복성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
또한, 형성하고자 하는 패턴의 다양한 이미지 데이터를 신속히 인식하고, 이를 사용자의 요구에 맞도록 변환시키며, 그 변환된 데이터를 기반으로 패턴 형성의 신속성 및 정밀성을 향상시키도록 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지를 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 액상 재료의 분사를 통한 패터닝 장치의 개략적 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 패터닝 장치의 개략적 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 패터닝 장치의 제어 시스템 구성도,
도 4는 도 2의 중공관이 복수개로 구성되는 경우의 중공관 유닛의 저면도,
도 5는 복수개의 중공관으로 구성되는 중공관 유닛을 복수개 장착한 실시예의 저면도,
도 6은 도 2의 중공관이 복수개로 구성되는 경우의 본 발명에 따른 패터닝 장치의 제어 시스템 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 패터닝 방법의 단계 흐름도,
도 8은 도 7의 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 단계 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 패터닝 장치의 구동 스테이지의 구동속도 제어 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 패터닝 장치의 중공관에 인가되는 고전압의 제어에 대한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
**도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명**
110 : 메인 바디 121 : 도전성 레이어
122 : 프로세서 130 : 중공관 유닛
131 : 홀더 133 : 중공관
135 : 메니스커스 137 : 테일러 콘
140 : 중공관 높이측정유닛 145 : 중공관 높이조절유닛
150 : 틸팅 유닛 160 : 액상 재료 주입유닛
161 : 액상 재료 공급라인 162 : 프로세서
163 : 데이터 수신부 164 : 데이터 압축해제부
165 : 제어신호 생성부 170 : 고전압 발생유닛
172 : 프로세서 180 : 경화 유닛
190 : 제어부 191 : 데이터 인식부
193 : 데이터 가공부 195 : 중공관별 데이터 분리부
197 : 데이터 압축부 199 : 데이터 전송부
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 패터닝 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 2 내지 5를 참조하여 본 발명에 따른 패터닝 장치에 대해 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 패터닝 장치의 개략적 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 패터닝 장치의 제어 시스템 구성도이며, 도 4는 도 2의 중공관이 복수개로 구성되는 경우의 중공관 유닛의 저면도이고, 도 5는 복수개의 중공관으로 구성되는 중공관 유닛을 복수개 장착한 실시예의 저면도이며, 도 6은 도 2의 중공관이 복수개로 구성되는 경우의 본 발명에 따른 패터닝 장치의 제어 시스템 구성도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)는 크게 메인 바디(110), 구동 스테이지(120), 중공관 유닛(130), 중공관 높이측정유닛(140), 중공관 높이조절유닛(150), 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170), 제어부(190)를 포함하여 구성된다.
구동 스테이지(120)는 후술할 제어부(190)의 제어에 따라 상기 메인 바디(110) 상에서 x축 및 y축을 따라 수평이동가능하게 구성되고, 패터닝할 대상체(S)는 상기 구동 스테이지(120)에 놓여지게 된다. 즉, 상기 대상체(S)는 상기 구동 스테이지(120)의 수평이동을 통해 x축 및 y축을 따라 수평이동하게 된다. 상기 구동 스테이지(120)의 상면에 도전성 레이어(121)가 형성되어 있고, 상기 도전성 레이어(121)에 접지단이 연결되어 상기 대상체(S)와 후술할 중공관(133) 사이의 전위차를 형성하게 된다. 도면상 도시하지는 않았으나 상기 대상체(S)를 직접 접지단과 연결할 수도 있다. 상기 구동 스테이지(120)에는 상기 제어부(190)와 통신 케이블 또는 무선 통신의 방법으로 연결되는 프로세서(122)가 마련된다.
중공관 유닛(130)은 상기 구동 스테이지(120)의 상부에 배치되는 홀더(131)에 장착되는 적어도 하나의 중공관(133)으로 구성된다. 상기 중공관(133)은 그 개구된 일단이 상기 구동 스테이지(120)를 향하도록 배치되고, 후술할 액상 재료 주입유닛(160)을 통해 주입되는 액상 재료를 상기 구동 스테이지(120)에 놓여진 대상체(S)로 분사하여 원하는 소정의 패턴이 상기 대상체(S)에 형성되도록 한다. 상기 중공관 유닛(130)은 상기 메인 바디(110)에 연결되는 후술할 중공관 높이조절유닛(150)을 통해 지지된다. 필요에 따라 상기 중공관(133)의 개구된 일단에는 그 개구부를 개폐하는 셔터(미도시)가 장착될 수도 있다.
대상체(S)에 패턴을 형성하기 위해 상기 구동 스테이지(120)를 제어하여 상기 대상체(S)를 x축 및 y축을 따라 수평이동시키게 된다. 이 과정에서 상기 대상체(S)로부터 상기 중공관(133)의 높이가 일정하지 못하고, 미세하게 변경됨으로써 정밀한 패턴 형성이 이루어질 수 없다. 따라서 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)는 이러한 문제를 해소하기 위해 중공관 높이측정유닛(140) 및 중공관 높이조절유닛(150)을 구비한다.
중공관 높이측정유닛(140)은 상기 홀더(131)에 장착되어 상기 구동 스테이지(120)에 놓여진 대상체(S)로부터의 높이를 측정함으로써 상기 대상체(S)로부터의 상기 중공관(133)의 높이가 변경되는지 여부를 검출한다. 상기 중공관 높이측정유닛(140)은 광센서나 초음파센서 또는 기타 다양한 유형의 센서를 필요에 맞게 적용하여 구성할 수 있고, 이들 각각에 대해서는 이미 공지된 다양한 유형의 것들이 개시되어 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
중공관 높이조절유닛(150)은 상기 홀더(131)를 상기 메인 바디(110)의 일측에 연결시켜 상기 메인 바디(110)에 지지되도록 한다. 또한, 상기 중공관 높이조절유닛(150)은 상기 중공관 높이측정유닛(140)을 통해 검출된 높이 정보를 기초로 상기 홀더(131)를 승강시켜 상기 대상체(S)로부터 상기 중공관(133)의 높이가 일정하게 유지되도록 조절한다. 상기 중공관 높이조절유닛(150)은 피에조 액추에이터나 보이스 코일 모터 또는 서보 모터 등을 필요에 맞게 적용하여 구성할 수 있다. 상기 각각의 모터에 대해서는 이미 공지된 다양한 유형의 것들이 개시되어 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 메인 바디(110)와 중공관 높이조절유닛(150) 사이에는 상기 홀더(131)를 수평 방향으로 회전시키는 틸팅 유닛(150)이 추가될 수 있다. 상기 틸팅 유닛(150)은 상기 홀더(131)와 연결된 상기 중공관 높이조절유닛(150)을 수평 방향으로 회전시킴으로써 상기 홀더(131)를 회전시킨다. 상기 틸팅 유닛(150)은 주로 상기 중공관 유닛(130)이 도 4에 도시된 바와 같이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우의 패터닝 효율성을 높이기 위한 것이며, 그에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
액상 재료 주입유닛(160)은 액상 재료 공급라인(161)을 통해 상기 중공관(133)의 타단에 연결되어 제어부(190)의 제어에 의해 필요한 양의 액상 재료를 상기 중공관(133)에 주입하는 역할을 수행한다. 이를 위해 상기 액상 재료 주입유닛(160)에는 액상 재료를 저장하는 탱크(미도시)와, 상기 탱크에 저장된 액상 재료를 펌핑하는 펌프(미도시)가 구비된다. 상기 액상 재료 주입유닛(160)에는 상기 제어부(190)와 통신 케이블 또는 무선 통신의 방법으로 연결되는 프로세서(162)가 마련되며, 상기 프로세서(162)는 제어부(190)와 연계하여 상기 펌프를 제어한다.
상기 액상 재료는 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 통해 형성하고자 하는 패턴의 유형에 따라 여러 유형으로 나뉘어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 통해 형성하고자 하는 패턴은 전자 제품, 예를 들면 모바일 단말기, 텔레비젼, 에어컨, 냉장고 등의 외부 케이스에 형성되는 문자나 도안 등의 로고일 수 있고, 이 경우 상기 액상 재료는 물, 기름 등 외에 미립자로서 염료나 안료를 포함한 잉크와 같은 비금속성 유기물 재료일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 통해 형성되는 패턴은 반도체 소자, 평판표시장치(FPD: Flat Panel Display), 플랙시블 디스플레이(Flexible Display), 솔라셀(Solar Cell) 등의 회로 패턴일 수 있고, 이 경우 상기 액상 재료는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 등의 금속성 미립자 용액일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 통해 형성되는 패턴은 LCD 칼라 필터의 블랙매트릭스(BM) 및 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 각 칼라 필터층을 이루는 픽셀일 수 있고, 이 경우 상기 액상 재료는 비금속성 유기물 재료일 수 있다.
상기 액상 재료들은 후술할 고전압 발생유닛(170)의 제어를 통해 상기 중공관(133)의 개구부에서 스트림 형태나 액적 형태로 분사되도록 테일러 콘(taylor cone)으로 형성되기 위해 필요한 일정 범위의 점도를 가져야 한다. 예를 들어, 상기 일정 범위의 점도란 LCD 칼라 필터의 블랙매트릭스(BM) 패턴 형성을 위한 비금속성 유기물 재료의 경우 20~240 cP(centi Poise) 일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 일정 범위의 점도란 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 각 칼라 필터층을 이루는 픽셀 패턴의 형성을 위한 비금속성 유기물 재료의 경우 10~20 cP 일 수 있다. 또한, 반도체 소자, 평판표시장치(FPD: Flat Panel Display), 플랙시블 디스플레이(Flexible Display), 솔라셀(Solar Cell) 등의 회로 패턴 형성을 위한 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 등의 금속성 미립자 용액일 경우, 그 점도 범위는 1~100 cP 일 수 있다. 한편, 상기 점도 범위 내에서 형성하고자 하는 패턴의 유형에 따라 각 액상 재료의 점도는 달라질 수 있다. 즉, 형성하고자 하는 패턴의 두께는 얇은 대신 그 피치는 큰 경우, 상기 점도 범위 내에서 작은 점도를 갖는 액상 재료가 사용될 수 있다. 반면, 형성하고자 하는 패턴의 두께가 두꺼운 대신 그 피치는 작은 경우, 상기 점도 범위 내에서 큰 점도를 갖는 액상 재료가 사용될 수 있다.
고전압 발생유닛(170)은 제어부(190)의 제어를 통해 상기 중공관(133) 내부에 소정의 고전압을 인가한다. 상기 중공관(133) 내부에 소정의 고전압이 인가되면, 상기 중공관(133)과 대상체(S) 사이에 소정의 전위차가 형성되고, 정전력에 의해 액상 재료가 상기 대상체(S)로 분사된다. 이를 위해 상기 고전압 발생유닛(170)의 일측 단자는 상기 중공관(133) 내부에 배치되고, 그 타측 단자는 접지단에 연결된다. 상기 고전압 발생유닛(170)에는 상기 제어부(190)와 통신 케이블 또는 무선 통신의 방법으로 연결되는 프로세서(172)가 마련된다.
상기 중공관(133) 내부에 고전압이 인가되지 않은 경우, 상기 액상 재료 주입유닛(160)을 통해 상기 중공관(133) 내부로 주입된 액상 재료는 그 표면 장력에 의해 상기 중공관(133)의 개방된 일단에 복록한 형상의 메니스커스(meniscus, 135)가 형성된 상태를 유지한다. 이후, 상기 고전압 발생유닛(170)을 통해 상기 중공관(133) 내부에 소정의 고전압이 인가되면, 상기 중공관(133) 내부와 상기 대상체(S) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 그에 따라, 상기 중공관(133) 내부와 상기 대상체 사이에 충분한 전기장이 형성되면 메니스커스(135)의 액표면에서 발생한 전하가 그 중심으로 집중되면서 테일러 콘(taylor cone, 137)이 형성된다. 상기 테일러 콘(137)의 중심에 집중된 전하량에 의한 정전력이 액상 재료의 표면 장력을 초과하게 되면, 액적의 분리가 행해져 상기 대상체(S)로 분사됨으로써 상기 대상체(S)에 소정의 원하는 패턴을 형성할 수 있게 된다.
한편, 패턴 형성을 위해 상기 대상체(S)에 분사된 액상 재료는 상기 대상체(S)에 도포된 후, 신속히 경화되어야만 한다. 그렇지 않을 경우, 액상 재료의 특성상 퍼지거나 흐를 수 있기 때문에 정밀한 패턴 형성의 정확성 및 반복성을 확보할 수 없다. 따라서, 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)는 상기 대상체(S)에 분사된 액상 재료를 신속히 경화시킬 수 있도록 하는 경화 유닛(180)을 구비한다. 상기 경화 유닛(180)으로는 레이저 빔 조사기 또는 UV 램프가 사용될 수 있고, 경우에 따라서는 상기 대상체(S)가 놓여지는 구동 스테이지(120)에 별도의 히터(미도시)를 장착하여 열을 통해 상기 액상 재료를 경화시킬 수도 있다.
상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170), 구동 스테이지(120)를 제어하는 제어부(190)는 도 3에 도시된 바와 같이, 기본적으로 데이터 인식부(191), 데이터 가공부(193), 데이터 전송부(199)로 구성되고, 필요에 따라 데이터 압축부(197)를 추가하여 구성될 수 있다.
상기 데이터 인식부(191)는 패터닝하고자 하는 다양한 형태(GDSII, Gerber, OASIS, DXF 등)의 원본 이미지 데이터를 인식하여 vector 또는 raster 형태의 데이터로 저장하는 역할을 수행한다.
상기 데이터 가공부(193)는 상기 데이터 인식부(191)를 통해 인식/저장된 데이터를 위치 변환, 이미지 회전, 이미지 디스토션(distortion) 등을 통해 사용자의 요구에 맞도록 가공하여 패턴용 데이터를 생성하는 역할을 수행한다.
상기 데이터 전송부(199)는 상기 데이터 가공부(193)를 통해 가공된 패턴용 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170), 구동 스테이지(120) 각각의 프로세서(162, 172, 122)로 전송한다. 이때, 상기 데이터 가공부(193)를 통해 가공된 패턴용 데이터의 용량의 큰 경우, 데이터 압축부(197)를 통해 압축하여 전송할 수 있다.
상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170) 및 구동 스테이지(120)에 마련된 각각의 프로세서(162, 172, 122)는 각각의 데이터 수신부(163, 173, 123)를 통해 가공된 패턴용 데이터를 수신한다. 또한, 상기 각각의 프로세서(162, 172, 122)는 각각의 제어신호 생성부(165, 175, 125)를 통해 상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170) 및 구동 스테이지(120) 각각의 제어를 위한 제어신호를 생성하여 입력함으로써 상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170) 및 구동 스테이지(120) 각각의 구동을 제어한다. 이때, 상기 가공된 패턴용 데이터가 압축되어 전송된 경우, 상기 액상 재료 주입유닛(160), 고전압 발생유닛(170) 및 구동 스테이지(120)에 마련된 각각의 프로세서(162, 172, 122)에는 추가적으로 상기 가공된 패턴용 데이터의 압축을 해제하는 데이터 압축해제부가 구비된다.
한편, 중공관 유닛(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 중공관 유닛(130')일 수 있다. 이 경우, 상기 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c) 각각에 액상 재료를 주입하기 위한 액상 재료 주입유닛(미도시) 및 고전압을 인가하기 위한 고전압 발생유닛(미도시)은 각각 상기 중공관(133a, 133b, 133c)의 개수에 맞게 복수개로 구성될 수 있다. 도 4를 통해 설명하고 있는 실시예에서 상기 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)이 3개로 구성된 것을 예시하였으나, 반드시 그에 한정되는 것은 아니며 그 개수는 증감가능하다.
전술한 바와 같이, 상기 중공관 유닛(130')이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우, 각 중공관(133a, 133b, 133c) 사이에 발생할 수 있는 전기적 간섭 현상을 막기 위해 상기 중공관(133a, 133b, 133c) 각각은 일정한 간격을 유지해야 한다. 그에 따라, 각 중공관(133a, 133b, 133c)이 패터닝 해야할 영역이 길어진다. 상기 영역을 줄이려면 구동 스테이지(120)를 사선 방향으로 이동시켜야 하는데, 이 경우 상기 구동 스테이지(120)의 이동 반경이 커져 패터닝 장치(100)가 대형화되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명의 경우, 전술한 틸팅 유닛(150)을 통해 상기 홀더(131)와 연결된 중공관 높이조절유닛(150)을 수평 방향으로 회전시킴으로써 상기 홀더(131)를 필요한 각도만큼 회전시킬 수 있다. 그 결과 패터닝 장치(100)를 대형화시키지 않으면서 각 중공관(133a, 133b, 133c)이 패터닝 해야할 영역을 줄일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 중공관 유닛(130')이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우, 상기 구동 스테이지(120) 및 상기 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c) 각각에 연결되는 복수개의 액상 재료 주입유닛(미도시)과 고전압 발생유닛(미도시)을 제어하는 제어부(190')는 도 5에 도시된 바와 같이, 전술한 데이터 인식부(191), 데이터 가공부(193), 데이터 압축부(197), 데이터 전송부(199)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 데이터 가공부(193)를 통해 가공된 패턴용 데이터를 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리하는 중공관별 데이터 분리부(195)를 더 포함할 수 있다.
미설명 부호 162a, 162b, 162c는 복수개의 액상 재료 주입유닛(미도시) 각각에 마련되어 상기 제어부(190')와 연결되는 프로세서를 나타내고, 상기 각 프로세서(162a, 162b, 162c)는 앞서 설명한 프로세서(162)와 동일한 구성을 가지므로 그에 대한 반복된 설명은 생략한다. 또한, 미설명 부호 172a, 172b, 172c는 복수개의 고전압 발생유닛(미도시) 각각에 마련되어 상기 제어부(190')와 연결되는 프로세서를 나타내고, 상기 각 프로세서(172a, 172b, 172c) 역시 앞서 설명한 프로세서(172)와 동일한 구성을 가지므로 그에 대한 반복된 설명은 생략한다.
한편, 전술한 중공관 유닛(130')은 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 복수개의 중공관(번호 미부여)으로 구성되는 복수개의 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)의 높이 조절을 위한 중공관 높이측정유닛(140a, 140b, 140c, 140d) 및 중공관 높이조절유닛(145a, 145b, 145c, 145d) 역시 대응되는 개수 만큼 복수개로 구성된다. 또한, 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)에 마련된 복수개의 중공관에 의해 형성될 패턴의 피치 간격을 필요에 따라 조정하기 위한 틸팅 유닛(150a, 150b, 150c, 150d) 역시 대응되는 개수 만큼의 복수개로 구성된다. 그와 같은 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)에 구비된 복수개의 중공관을 통해 분사되는 각 액상 재료의 피치가 미리 정해진 소정의 설정 간격을 형성하도록 해야한다.
상기 각각의 틸팅 유닛(150a, 150b, 150c, 150d)의 제어를 통해 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)을 필요한 각도로 틸팅하여 초기 설정 위치를 세팅시킨다. 다음으로, 패터닝할 대상체(S)가 놓여진 구동 스테이지(120)가 제어부(190)의 제어로 도면상 하방향 또는 상방향으로 이동하고, 상기 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)에 구비된 복수개의 중공관 각각에 필요한 고전압이 인가된다. 그에 따라, 각 중공관으로부터 액상 재료가 스트림 형태나 액적 형태로 분사되어 형성하고자 하는 소정의 패턴 일부를 패터닝한다. 이때, 상기 복수개의 중공관 각각에 인가되는 고전압은 각 중공관이 형성하게 될 정해진 패턴의 영역에 따라 시간별로 단속적 또는 연속적으로 인가되도록 제어될 수 있고, 고전압의 주파수 또는 듀티 사이클(duty cycle)이 미세조정될 수 있다. 일 방향 스캔에 따른 패터닝이 완료되면, 상기 구동 스테이지(120)가 제어부(190)의 제어로 도면상 좌방향 또는 우방향으로 소정 간격 시프트(shift)한 후, 상기 일 방향과 반대 방향으로 이동하면서 전술한 과정과 동일한 방식으로 패터닝를 계속한다. 전술한 일련의 과정의 반복을 통해 최종적으로 원하는 패턴이 완성될 수 있다. 한편, 형성하고자 하는 패턴의 형상 및 크기에 따라 다를 수 있으나, 상기 각 중공관 유닛(130'a, 130'b, 130'c, 130'd)의 개수 및 각각에 구비된 중공관의 개수를 증가시킨 구성을 통해 전술한 일 방향의 이동에 따른 패터닝만으로 형성하고자 하는 최종 패턴을 완성시킬 수도 있을 것이다.
이하에서는 도 2 내지 도 8을 참조하여 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 이용한 패터닝 방법에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 패터닝 방법의 단계 흐름도이고, 도 8은 도 7의 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛, 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 단계 흐름도이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 도시되지 않은 로딩 유닛을 통해 패터닝할 대상체(S)를 구동 스테이지(120)에 로딩한다(S110). 이후, 액상 재료 주입유닛(160)의 제어를 통해 중공관(133)에 형성하고자 하는 패턴 유형에 맞는 액상 재료를 주입한다(S120).
이후 과정을 설명하기에 앞서, 도 8을 참조하여 상기 액상 재료 주입유닛(160)의 제어에 대해 구체적으로 설명하면, 먼저 제어부(190)의 데이터 인식부(191)를 통해 패터닝하고자 하는 다양한 형태(GDSII, Gerber, OASIS, DXF 등)의 원본 이미지 데이터를 인식하여 vector 또는 raster 형태의 데이터로 저장한다(S210). 이후, 데이터 가공부(193)는 상기 인식된 데이터를 위치 변환, 이미지 회전, 이미지 디스토션(distortion) 등의 가공을 수행하여 사용자의 요구에 맞도록 가공된 패턴용 데이터를 생성한다(S220). 이후, 데이터 전송부(199)는 상기 가공된 패턴용 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛(160)의 프로세서(162)로 전송한다.
한편, 상기 데이터 가공부(193)를 통해 가공된 패턴용 데이터의 용량의 큰 경우, 데이터 압축부(197)를 통해 압축(S240)하여 전송(S250)할 수 있다. 또한, 상기 중공관(133)이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우, 상기 데이터 가공부(193)를 통해 가공된 패턴용 데이터는 중공관별 데이터 분리부(195)를 통해 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리(S230)된 후 전송될 수 있다. 나아가 상기 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터의 용량이 큰 경우, 전술한 압축과정을 거쳐 전송할 수 있다.
이후, 상기 가공된 패턴용 데이터 또는 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터는 상기 액상 재료 주입유닛(160)의 프로세서(162)에 마련된 데이터 수신부(163)를 통해 수신된다. 제어신호 생성부(165)는 상기 수신된 데이터를 기초로 액상 재료 주입유닛(160)의 제어신호를 생성/입력하여 필요한 양의 액상 재료가 상기 중공관(133)에 주입되도록 한다. 이때, 상기 가공된 패턴용 데이터 또는 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터가 압축되어 전송된 경우, 상기 액상 재료 주입유닛(160)의 프로세서(162)에 마련된 데이터 압축해제부(164)를 통한 데이터의 압축해제가 추가적으로 수행될 수 있다.
다시 도 2 내지 도 7을 참조하여 액상 재료 주입단계(S120) 이후의 과정을 설명한다. 전술한 과정을 통해 액상 재료가 중공관(133)에 주입되면, 고전압 발생유닛(170)의 제어를 통해 상기 중공관(133) 내부에 필요로 하는 고전압을 인가하여 상기 중공관(133)과 대상체(S) 사이에 소정의 전위차가 형성되도록 한다(S130). 상기 고전압은 일정 주파수(frequency)를 갖는 펄스 전압일 수 있다. 상기 고전압 발생유닛(170)의 제어 역시, 도 8을 통해 설명한 과정에 의해 생성된 상기 가공된 패턴용 데이터 또는 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터를 기초로 상기 고전압 발생유닛(170)의 프로세서(172)를 통해 생성된 제어신호에 의해 이루어진다. 즉, 상기 고전압 발생유닛(170)의 프로세서(172)는 상기 가공된 패턴용 데이터 또는 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터를 기초로 상기 중공관(133) 내부에 인가되는 고전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle), 인가 시간 등을 조절한다.
상기 중공관(133) 내부에 고전압이 인가되지 않은 경우, 상기 액상 재료 주입유닛(160)을 통해 상기 중공관(133) 내부로 주입된 액상 재료는 그 표면 장력에 의해 상기 중공관(133)의 개방된 일단에 복록한 형상의 메니스커스(meniscus, 135)가 형성된 상태를 유지한다. 그러나 전술한 바와 같이 상기 고전압 발생유닛(170)을 통해 상기 중공관(133) 내부에 소정의 고전압이 인가되면, 상기 중공관(133) 내부와 상기 대상체(S) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 상기 중공관(133) 내부와 상기 대상체(S) 사이에 충분한 전기장이 형성되면 메니스커스(135)의 액표면에서 발생한 전하가 그 중심으로 집중되면서 테일러 콘(taylor cone, 137)이 형성된다. 상기 테일러 콘(137)의 중심에 집중된 전하량에 의한 정전력이 액상 재료의 표면 장력을 초과하게 되면, 액적의 분리가 행해져 상기 대상체(S)로 분사된다(S140).
패턴 형성을 위해 상기 대상체(S)로 분사된 액상 재료는 경화 유닛(180)을 통해 신속히 경화된다(S150). 따라서 종래 기술에서와 같이 액상 재료가 퍼지거나 흐르게 됨으로써 발생될 수 있는 문제점을 해소하여 정밀한 패턴 형성의 균일성 및 반복성을 확보할 수 있다.
전술한 액상 재료의 분사단계(S140) 및 경화단계(S150)와 동시에 또는 그 직후에 구동 스테이지(120)의 제어를 통해 대상체(S)를 x축 및 y축을 따라 수평이동시키는 단계(S160)가 진행된다. 상기 구동 스테이지(120)의 제어 역시, 도 8을 통해 설명한 과정에 의해 생성된 상기 가공된 패턴용 데이터 또는 각 중공관(133a, 133b, 133c)별 패터닝 영역으로 분리된 데이터를 기초로 상기 고전압 발생유닛(170)의 프로세서(172)를 통해 생성된 제어신호에 의해 이루어진다.
상기 구동 스테이지(120)는 도 9에 도시된 바와 같이, 패터닝을 위한 일 방향 구동, 예를 들어 y축 상방향의 구동시, 초기 위치로부터 패터닝 영역 이전까지는 가속 구동을 하다가, 패터닝 영역 전 범위에서는 정속 구동이 이루어진다. 또한, 구동 스테이지(120)는 일 방향에 대한 패터닝이 종료되는 때부터 감속 구동이 이루어지도록 제어된다. 이후, 상기 구동 스테이지(120)가 정지하면, x축 방향으로 소정 피치만큼 쉬프팅(shifting)한 후, 전술한 구동 방식과 동일한 방식으로 y축 하방향으로의 구동이 이루어지도록 제어된다.
한편, 형성하고자 하는 목표 패턴의 일 예가 도 10에 도시된 바와 같은 경우, 패터닝을 위한 영역을 ⓐ~ⓙ까지 10개의 영역으로 분류할 수 있다. 이 경우, 도 4를 통해 설명한 중공관 유닛(130')은 ⓐ~ⓙ 각 영역에 대한 패터닝을 수행하도록 10개의 중공관(번호 미부여)을 구비한 것으로 구성될 수 있다. 이때, 패터닝을 위한 액상 재료의 분사를 위해 상기 각 중공관에 인가되는 고전압의 제어는, 전술한 구동 스테이지(120)의 y축 상방향으로의 구동에 따른 시간에 대해 도 10에 도시된 바와 같은 고전압의 입력에 대한 온(on)/오프(off) 제어방식으로 이루어질 수 있다. 전술한 방식으로 구동 스테이지(120)의 일 방향 이동에 따른 패터닝이 완료된 후, 구동 스테이지(120)가 x축 우방향으로 소정 피치만큼 쉬프팅(shifting)한 후, y축 하방향으로 이동하면서 각 중공관에 인가되는 고전압의 제어가 이루어진다. 그에 따라, 목표 패턴에 대한 대상체의 패터닝을 계속하여 진행할 수 있다.
한편, 상기 구동 스테이지(120)를 통해 대상체(S)를 수평이동시키는 과정에서 상기 대상체(S)로부터 상기 중공관(133)의 높이가 변경될 수 있고, 그 경우 원하는 정밀한 패턴 형성이 이루어질 수 없다.
따라서 본 발명에 따른 패터닝 방법은 전술한 문제를 해소하기 위해 중공관 높이측정유닛(140) 및 중공관 높이조절유닛(150)를 통해 상기 대상체(S)로부터의 상기 중공관(133)의 높이가 일정하게 유지되도록 조절하는 단계(S170)를 포함한다.
상기 중공관 높이측정유닛(140)은 앞서 설명한 바와 같이, 홀더(131)에 장착되어 구동 스테이지(120)에 놓여진 대상체(S)로부터의 높이를 측정하고, 상기 대상체(S)로부터의 상기 중공관(133)의 높이가 변경되는지 여부를 검출한다. 상기 중공관 높이조절유닛(150)은 상기 중공관 높이측정유닛(140)을 통해 검출된 높이 정보를 기초로 상기 홀더(131)를 승강시켜 상기 대상체(S)로부터의 상기 중공관(133)의 높이가 일정하게 유지되도록 조절한다.
한편, 도 4를 통해 설명한 바와 같이, 상기 중공관 유닛(130')이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우, 틸팅 유닛(150)을 통해 상기 홀더(131)와 연결된 중공관 높이조절유닛(150)을 수평 방향으로 회전시킴으로써 상기 홀더(131)를 필요한 각도만큼 회전시키는 단계가 액상 재료 주입단계(S120) 이전 또는 적어도 액상 재료 분사단계(S140) 이전에 추가될 수 있다. 따라서 상기 중공관 유닛(130')이 복수개의 중공관(133a, 133b, 133c)으로 구성되는 경우, 패터닝 장치(100)를 대형화시키지 않으면서 각 중공관(133a, 133b, 133c)이 패터닝 해야할 영역을 줄일 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명에 따른 패터닝 장치(100)를 이용한 패터닝 방법은 기본적으로 형성하고자 하는 완성된 패턴을 직접 형성하는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 일반적인 포토리소그라피(Photolithography) 공법 중, 에칭 공정을 제외한 PR(Photo Resister) 도포, 저온 건조(Soft Bake), 노광(Expose), 현상(Develop), 고온 건조(Hard Bake) 등으로 이어지는 일련의 전체 공정들을 대체하는데 사용될 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 메인 바디;
    패터닝할 대상체가 놓여지며, 상기 메인 바디 상에서 x축 및 y축을 따라 수평이동하는 구동 스테이지;
    상기 구동 스테이지의 상부에 배치되는 홀더에 장착되며, 개구된 일단이 상기 구동 스테이지를 향하도록 배치되는 적어도 하나의 중공관으로 구성되는 중공관 유닛;
    상기 홀더에 장착되어 상기 구동 스테이지에 놓여진 대상체로부터의 높이를 검출하는 중공관 높이측정유닛;
    상기 홀더를 상기 메인 바디의 일측에 연결시키며, 상기 중공관 높이측정유닛을 통해 검출된 높이 정보를 기초로 상기 홀더를 승강시켜 상기 대상체로부터의 상기 중공관의 높이가 일정하게 유지되도록 조절하는 중공관 높이조절유닛;
    액상 재료 공급라인을 통해 상기 중공관의 타단에 연결되어 액상 재료를 상기 중공관에 주입하는 액상 재료 주입유닛;
    상기 중공관 내부에 고전압을 인가하는 고전압 발생유닛; 및
    상기 구동 스테이지, 액상 재료 주입유닛 및 고전압 발생유닛을 각각 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 패터닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    패터닝을 위해 상기 중공관으로부터 상기 대상체로 분사된 액상 재료를 경화시키는 경화 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 경화 유닛은 레이저 빔 조사기 또는 UV 램프로 구성되는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 데이터 인식부; 인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 데이터 가공부; 및 가공된 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지로 전송하는 데이터 전송부를 포함하고,
    상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각은,
    상기 데이터 전송부를 통해 전송된 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 및 수신된 상기 데이터를 기초로 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부;로 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가공된 데이터를 압축하여 이를 상기 데이터 전송부가 전송하도록 하는 데이터 압축부를 더 포함하고,
    상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각은,
    상기 수신된 데이터의 압축을 해제하는 데이터 압축해제부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공관 유닛은 2개 이상의 중공관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 메인 바디와 중공관 높이조절유닛 사이에 마련되어 상기 홀더를 수평 방향으로 회전시키는 틸팅 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 데이터 인식부; 인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 데이터 가공부; 가공된 데이터를 각 중공관별 패터닝 영역으로 분리하는 중공관별 데이터 분리부; 및 중공관별로 분리된 데이터를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지로 각각 전송하는 데이터 전송부를 포함하고,
    상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각은,
    상기 데이터 전송부를 통해 전송된 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 및 수신된 상기 데이터를 기초로 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부;로 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 중공관별로 분리된 데이터를 압축하여 이를 상기 데이터 전송부가 전송하도록 하는 데이터 압축부를 더 포함하고,
    상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각은,
    상기 수신된 데이터의 압축을 해제하는 데이터 압축해제부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공관 높이측정유닛은 광센서 또는 초음파센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공관 높이조절유닛은 피에조 액추에이터나 보이스 코일 모터 또는 서보 모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.
  12. (a) x축 및 y축을 따라 수평이동가능한 구동 스테이지에 패터닝할 대상체를 로딩하는 단계;
    (b) 중공관에 액상 재료를 주입하는 액상 재료 주입유닛을 제어하여 필요한 양의 액상 재료를 중공관에 주입시키는 단계;
    (c) 상기 중공관 내부에 고전압을 인가시키는 고전압 발생유닛을 제어하여 상기 중공관과 대상체 사이에 소정의 전위차가 형성되도록 하는 단계;
    (d) 형성된 전위차에 의해 상기 액상 재료가 상기 중공관의 일단 개구부를 통해 상기 대상체로 분사되는 단계;
    (e) 상기 구동 스테이지를 제어하여 상기 대상체를 x축 및 y축을 따라 수평이동시키는 단계; 및
    (f) 상기 대상체의 수평이동에 따라 상기 대상체로부터의 상기 중공관의 높이가 변경되는지 여부를 중공관 높이측정유닛을 통해 검출하고, 이를 기초로 중공관 높이조절유닛을 제어하여 상기 대상체로부터의 상기 중공관의 높이가 일정하게 유지되도록 조정하는 단계를 포함하는 패터닝 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    패터닝을 위해 상기 중공관으로부터 상기 대상체로 분사된 액상 재료를 레이저 빔 조사기 또는 UV 램프로 구성되는 경화 유닛을 이용하여 경화시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 (c), (d), (e)단계 각각은
    패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 단계;
    인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 단계; 및
    가공된 데이터를 기초로 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 제어신호를 생성하는 단계를 선행적으로 수행하여 진행되는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 패터닝용 데이터로 가공하는 단계와 상기 제어신호를 생성하는 단계 사이에 상기 가공된 데이터를 압축하여 이를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지의 각 프로세서로 전송하는 단계; 및 상기 전송된 데이터의 압축을 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 중공관이 복수개로 구성되는 경우,
    상기 (c), (d), (e)단계 각각은
    패터닝할 원본 이미지 데이터를 인식하는 단계;
    인식된 이미지 데이터를 사용자의 요구에 맞도록 변환하여 패터닝용 데이터로 가공하는 단계;
    가공된 데이터를 각 중공관별 패터닝 영역으로 분리하는 단계; 및
    각 중공관별 패터닝 영역으로 분리된 데이터를 기초로 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지 각각의 제어를 위한 제어신호를 생성하는 단계를 선행적으로 수행하여 진행되는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 가공된 데이터를 각 중공관별 패터닝 영역으로 분리하는 단계와 상기 제어신호를 생성하는 단계 사이에 상기 각 중공관별 패터닝 영역으로 분리된 데이터를 압축하여 이를 상기 액상 재료 주입유닛, 고전압 발생유닛 및 구동 스테이지의 각 프로세서로 전송하는 단계; 및 상기 전송된 데이터의 압축을 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.
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