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KR101114256B1 - 패턴 제조 방법 - Google Patents

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KR101114256B1
KR101114256B1 KR1020100068120A KR20100068120A KR101114256B1 KR 101114256 B1 KR101114256 B1 KR 101114256B1 KR 1020100068120 A KR1020100068120 A KR 1020100068120A KR 20100068120 A KR20100068120 A KR 20100068120A KR 101114256 B1 KR101114256 B1 KR 101114256B1
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compound ink
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양민양
강봉철
이성근
노지환
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 패턴 제조 방법은, 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계; 기판을 가열하는 것에 의하여, 은 이온을 환원시켜 상기 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 금속 유기 화합물 잉크층에서 유기물을 증발시키는 제2 단계; 유기물이 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 제1 단계에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계; 및 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계를 포함한다.

Description

패턴 제조 방법{METHOD OF FABRICATING PATTERN}
본 발명은 패턴 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 레이저를 이용하여 패턴을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 광산업, 디스플레이 산업, 반도체 산업, 바이오 산업에서 제품의 박막화 고성능화의 요구가 증가하고 있다. 그러한 요구에 부합하기 위해서는 각각의 부품을 구성하고 있는 배선 또는 기능성 박막층이 더욱더 작고 균일하게 패턴을 형성하고 있어야 한다. 그러므로 미세 패턴 제조 방법은 이러한 산업의 기반이 되는 기술이다.
기존에 비노광 미세 패터닝 방식으로 나노 파티클 잉크를 이용한 LDW 방식에 대한 많은 연구가 수행 되고 있다.
그러나 수십nm 크기의 나노 파티클 잉크에 레이저를 직접 조사 하여 패턴을 형성할 때, 다량의 솔벤트와 고온의 나노 파티클 녹는점(300~400˚C)으로 인해서 긴 패턴형성 시간이 필요하다. 물론, 나노 파티클 잉크에서 나노 파티클을 더욱 작게 제조 하면 되지만 제조비용이 증가하는 문제가 있다. 이러한 이유로 잉크가 소결이 잘 안 되어서 금속 전극의 저항도 증가하는 현상도 발생한다.
그리고 레이저 조사시에 열 확산 때문에 레이저 초점 크기보다 패턴의 선폭이 상대적으로 크게 되며, 10㎛이하의 패턴을 형성하기 위해서는 스캐너를 사용할 수 없고, 스캐너로는 다양한 정밀하고도 다양한 패턴을 제조하는데 한계가 발생한. 따라서, 회절한계(diffraction limit)에 가깝게 포커싱 할 수 있는 고가의 대물렌즈(objective lens)를 사용해야 하는 문제가 있다.
또한 액상의 잉크에 레이저를 조사할 때 서페이스 텐션 그레디언트(surface tension gradient)에 의해서 유발되는 마랑고니 플로우(marangony flow)가 형성되고 이로 인해서 패턴의 가장자리의 두께는 두껍게 되는 반면, 패턴의 중심부위의 두께는 얇게 되어, 패턴의 단면이 마치 화산 분화구 단면의 형상과 흡사하게 되는 현상이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 소결이 용이 하고 더 낮은 온도에서 소결되면서 전도성이 우수한 투명한 금속 유기 화합물 잉크(transparent organometallic ink)를 사용하는 것이 필요하다. 그러나 일반적으로 이러한 잉크는 나노 파티클 잉크와는 달리 내부에 금속 입자를 포함하고 있지 않고 있기 때문에 투명하고, 따라서, 레이저에 대한 흡수율이 낮아서 패터닝 하는데 많은 광 에너지가 필요하고 패턴 선폭이 증가하는 문제가 마찬가지로 발생한다.
따라서, 같은 투명한 금속 유기 화합물 잉크에서의 패터닝의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 투명한 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 것에 의하여, 금속 이온이 기존의 나노 파티클 보다 더 미세한 나노 파티클로 환원되어 광 흡수율이 증가하고, 레이저 조사시에 열확산이 감소하여 미세 패턴을 빠르고 용이하게 구현할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 패턴의 가장자리를 두껍게 하고, 패턴의 중심부위의 두께를 얇게 하는 마랑고니 플로우의 영향을 적게 받아 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 것에 의하여, 레이저의 흡수율이 향상되고, 레이저의 조사에 의한 열 확산 거리가 짧아서 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 금속 유기 화합물 잉크가 낮은 온도에서 소결이 되어 플렉서블 기판에도 적용이 가능한, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 저가의 잉크를 사용하여 제조 비용이 저렴한, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 기판 상의 잔류물을 제거하여 패턴의 전도도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법은, 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계; 기판을 가열하는 것에 의하여, 은 이온을 환원시켜 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 금속 유기 화합물 잉크층에서 유기물을 증발시키는 제2 단계; 유기물이 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 제1 단계에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계; 및 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계;를 포함한다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 의하면, 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고 있기 때문에, 광흡수율이 좋아지고, 레이저 조사시에 열확산이 감소하게 되어 미세 패턴을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 이러한 반고상 상태 경화에 의하여, 마랑고니 플로우의 영향을 적게 받고 하이드로다이나믹 플로우(Hydrodynamic flow)의 영향을 강하게 받기 때문에, 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 패턴이 두꺼워져서 전도성이 향상된다. 또한, 레이저의 조사에 의한 열 확산 거리가 짧아지게 되어 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있다.
또한, 금속 유기 화합물 잉크라서, 이는 낮은 온도에서 소결이 되므로, 플렉서블 기판에도 본 패턴 제조 방법을 적용할 수 있다. 더구나, 금속 유기 화합물 잉크는 저가이므로 저비용으로 패턴을 제조 할 수 있다.
청구항 2에 관한 발명인 패턴 제조 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 가열램프로 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 단계이다.
따라서, 따라서, 청구항 2에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 의하면, 광흡수율이 증가하고, 레이저 조사시에 열확산이 감소하게 되어 미세 패턴을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 이러한 반고상 상태 경화에 의하여, 마랑고니 플로우의 영향을 적게 받아 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 연속공정이 가능하고, 균일한 온도로 가열할 수 있다.
청구항 3에 관한 발명인 패턴 제조 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 열판(hot plate) 또는 컨벡션 오븐(convection oven)으로 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 단계이다.
따라서, 따라서, 청구항 3에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 의하면, 광흡수율이 증가하고, 레이저 조사시에 열확산이 감소하게 되어 미세 패턴을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 이러한 반고상 상태 경화에 의하여, 마랑고니 플로우의 영향을 적게 받아 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 원하는 온도를 설정하여, 그 온도를 유지한 채로 가열할 수 있다.
청구항 4에 관한 발명인 패턴 제조 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 있어서, 제4 단계는 기판을 세척액에 담그거나 초음파세척을 하거나 세척액을 분사하여 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 단계를 더 포함한다
따라서, 청구항 4에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 의하면, 레이저가 조사되지 않은 부분은 세척액에 의해 제거되지 않기 때문에, 고상상태로 경화된 패턴만을 기판 상에 남길 수 있다.
청구항 5에 관한 발명인 패턴 제조 방법은, 청구항 1에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 있어서, 제4 단계는 패턴이 형성된 기판을 가열하는 단계를 더 포함한다.
따라서, 청구항 5에 관한 발명인 패턴 제조 방법에 의하면, 패턴이 형성된 기판을 가열하고있기 때문에, 기판상의 잔류물을 제거하여 패턴의 전도도를 향상시킬 수 있고, 패턴에 침투한 유기 용매를 제거하여 패턴을 재경화 및 건조 시킬 수 있다. 결과적으로는, 패턴을 더욱 확실하게 소결시켜 패턴이 형성된 기판의 완성도를 높일 수 있다.
본 발명은, 투명한 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 것에 의하여, 금속 이온이 기존의 나노 파티클 보다 더 미세한 나노 파티클로 환원되어 광 흡수율이 증가하고, 레이저 조사시에 열확산이 감소하여 미세 패턴을 빠르고 용이하게 구현할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 패턴의 가장자리를 두껍게 하고, 패턴의 중심부위의 두께를 얇게 하는 마랑고니 플로우의 영향을 적게 받아 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 것에 의하여, 레이저의 흡수율이 향상되고, 레이저의 조사에 의한 열 확산 거리가 짧아서 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있는, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 금속 유기 화합물 잉크가 낮은 온도에서 소결이 되어 플렉서블 기판에도 적용이 가능한, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 저가의 잉크를 사용하여 제조 비용이 저렴한, 레이저를 이용한 패턴 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기판 상의 잔류물을 제거하여 패턴의 전도도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 항의 패턴 제조 방법의 순서를 나타내는 순서도.
도 2는 패턴을 제조하는 일련의 과정을 도시한 도면.
도 3은 마랑고니 플로우의 영향에 의해 패턴의 가장자리가 두껍고, 패턴의 중심부위가 얇게 형성된 상태를 나타낸 도면.
도 4는 나노 파티클 잉크를 레이저 패터닝한 패턴의 단면도.
도 5는 마랑고니 플로우를 설명하는 도면.
도 6은 하이드로다이나믹 플로우의 영향에 의해 패턴의 두께가 균일하게 형성된 상태를 나타낸 도면.
도 7은 하이드로다이나믹 플로우를 설명하는 도면.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 마랑고니 플로우 와 하이드로다이나믹 플로우는 기존의 패턴 제조 방법의 문제점과 본 발명의 효과를 설명하기 위해 필요하며, 계속 언급이 될 것이다. 다만, 마랑고니 플로우와 하이드로다이나믹 플로우는 각 청구항이 나타내는 청구항에 대한 설명을 마치고 난 후에 일괄적으로 설명하기로 한다.
도 1은 패턴 제조 방법의 순서를 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 패턴 제조방법은, 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계(S100), 기판을 가열하는 것에 의하여, 은 이온을 환원시켜 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 금속 유기 화합물 잉크층에서 유기물을 증발시키는 제2 단계(S200), 유기물이 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 제1 단계에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계(S300), 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계(S400)를 포함한다.
도 2는 패턴을 제조하는 일련의 과정을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 패턴 제조 방법을 설명하도록 한다.
제1 단계(S100)는 기판 상에 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 단계로서, 유리와 같은 경한 기판(이하, 기판이라 한다.)에 액체 상태의 금속 유기 화합물 잉크를 코팅하는 단계이다. 따라서, 도 2의 (a)에서 아랫층이 기판을 나타내고, 윗층이 기판 위에 형성된 금속 유기 화합물 잉크층을 나타낸다. 이때, 제1 단계(S100)에서 사용되는 금속 유기 화합물 잉크층 형성 방법은, 스핀 코팅(spin coating), 블레이딩 코팅(blading coating), 스프레이(spray), 잉크젯(ink jet), 롤투롤(roll to roll) 방법 등이 있다.
제2 단계(S200)는 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 단계이다. 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시킬 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 무방하다. 반고상 상태란, 완전히 경화된 고체 보다는 유동성이 높고, 경사면을 따라 흐를 수 있는 액체보다는 유동성이 훨씬 적은 상태를 말하는 것으로서, 소정 정도 이상의 힘을 가했을 때는 파열되는 것이 아니라, 다소 형상이 변형된 채로 형상을 유지하고 있는 상태를 말하며. 또한 금속 유기 화합물 잉크 내부에서 환원에 의해 고체 입자가 형성되기 시작하는 상태를 말한다. 액체 상태의 금속 유기 화합물 잉크보다 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크가 두께가 얇은데, 이는 금속 유기 화합물 잉크가 액체 상태에서 반고상 상태로 변하면서, 금속 유기 화합물 잉크의 대부분을 이루고 있는 유기물이 증발되기 때문이다. 그러나 유기 용매가 완전히 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층이 고상 상태가 되어서는 안되며, 유기 용매의 대부분이 증발되어 금속 유기 잉크층이 반고상 상태가 되어야 한다.
본 발명을 설명하기 위한 실시예에서, 금속 유기 화합물 잉크는 투명한데, 이러한 투명 금속 유기 화합물 잉크를 패터닝하기 위해서 사용하는 특정 파장대의 레이저는 투명한 금속 유기 화합물 잉크를 대부분 투과하게 된다. 따라서, 투명한 금속 유기 화합물 잉크를 투과하고 남은 적은 광에너지만 패터닝 작업에 사용 되므로, 패터닝을 하기 위해서는 고출력의 레이저를 사용해야만 했던 문제가 있었다. 또한, 기존의 패터닝 방식은 유기물을 베이스로 한 잉크가 기판 상에 두껍게 코팅 되어 있었고, 잉크가 두꺼운 상태에서 레이저를 조사했으므로, 패턴의 폭이 얇게 형성되지 못하고, 두껍게 형성되는 문제가 있었다. 반면에, 본 발명에서는 투명한 금속 유기 화합물 잉크가 기판에 도포되자마자 레이저가 조사되는 것이 아니라, 투명한 금속 유기 화합물 잉크의 대부분을 이루는 유기물이 휘발되어 잉크층이 얇아진 상태에서 레이저가 조사되는 것이므로, 패턴이 얇게 형성될 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서, 제2 단계(S200)를 수행하게 되면 투명한 금속 유기 화합물 잉크는 갈색으로 변하게 된다. 앞서 언급했듯이, 금속 유기 화합물 잉크가 투명하면 패터닝을 위해 사용되는 레이저의 대부분이 잉크를 투과하게 되지만 갈색이 되면 금속 유기 화합물 잉크가 투명했을 때보다 레이저의 흡수율이 증가하여 결과적으로 투과율이 현저하게 떨어지게 된다. 따라서, 레이저가 금속 유기 화합물 잉크를 패터닝 하는 효율이 높아지게 되는 것을 의미한다. 결국, 금속 유기 화합물 잉크의 색도 투명한 색이 아닌 갈색이고, 금속 유기 화합물 잉크의 상태도 액상이 아닌 반고상 상태이므로, 투명한 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저를 조사하게 되면, 전체적으로 금속 유기 화합물 잉크의 광흡수율이 증가하게 된다. 기판의 가열로 인하여 금속 유기 화합물 잉크 내의 다량의 유기물, 정확히는 M-C bond를 하지 않는 유기물이 제거된 상태이기 때문에, 레이저 조사시에 열 확산이 감소하여 미세한 패턴 구현이 용이하고, 패턴을 형성하기 위한 열 확산 거리가 짧기 때문에 낮은 레이저 출력에서 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있다.
앞서 언급했듯이, 본 패턴 제조 방법에서는 투명한 금속 유기 화합물 잉크가 사용되며 특히, 금속 중에서도 '은(Ag)'을 함유하고 있는 투명한 금속 유기 은 잉크(transparent organometallic Ag ink)를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 금속 유기 은 잉크는 유기 용매에 은 이온이 녹아 있는 구조를 갖고 있어서 상온에서 투명한 액체로 존재한다. 다만, 금속으로 '은'이 사용되고 있으나, 은 이외에도, 전도도가 높은 구리, 금 등 기타 다른 금속을 사용하여도 무방하다. 금속 유기 은 잉크에 관한 자세한 설명은 이하, 제2 단계(S200)에서 추가적으로 설명하도록 한다.
제2 단계(S200)에서는, 금속 유기 은 잉크에 열을 가해지고, 은 이온의 환원과 유기 용매의 증발이 동시에 일어나게 되며, 은이온은 고상의 금속으로 환원되어 석출된다. 여기서 주의할 것은, 잉크에 함유되어 있는 은이온이 고상의 금속으로 석출되는 것이지, 잉크 자체가 고상이 되는 것은 아니라는 점이다. 이미 설명한 바와 같이, 잉크 자체는 반고상 상태가 된다. 금속 유기 은 잉크는 나노 파티클 잉크와는 달리 소결 온도가 150˚C~200˚C 로 낮다.
통상적으로 플렉서블 기판은 폴리머 소재로 만들어 지며, 예컨대 PI 필름으로 만들어진다. 이러한 폴리머 소재는 350˚C 정도의 온도에서는 대부분 녹아버리게 된다. 그런데, 액체 상태의 나노 파티클 잉크를 소결시키기 위해서는 300˚C ~400˚C 의 열이 필요하게 된다. 만약, 은(Ag)을 나노 파티클 상태로 만든다고 하더라도, 나노 파티클화 되어있는 은(Ag)을 소결 시키기 위해서는 300~400˚C 의 열이 필요하게되므로 플렉서블 기판에는 통상적으로 기존의 나노 파티클 잉크를 사용한 패터닝 방법을 적용하기 어려웠다. 통상적인 나노 파티클 잉크의 입자보다 미세한 입자를 함유한 나노 파티클 잉크를 사용하면 소결온도가 낮아져서 플렉서블 기판에 적용할 수는 있으나, 잉크의 단가가 급격히 상승하므로 양산체제에 적용하기는 무리가 있고 제한적이었다. 이에 반해, 금속 유기 은 잉크는 은 이온이 나노 파티클로 환원되어서 고상의 은 입자가 되는데 이 때, 그 환원된 나노 파티클의 크기가 일반적인 나노 파티클 잉크의 입자보다 작기 때문에 광흡수율이 증가하여 낮은 온도에서 쉽게 소결이 된다. 결국, 잉크가 낮은 온도에서 소결이 되는 것으로 인해, 본 발명의 패터닝 방법은 플렉서블 기판에도 적용이 가능한 장점이 있다.
제2 단계(S200)를 거치면서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크 내에서 환원되는 금속 입자의 양이 많아지게 되어 금속 유기 화합물 잉크 내에 고체 금속 입자가 존재하기 때문에, 제3 단계(S300)에서 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광이 조사되면, 금속 유기 화합물 잉크가 레이저를 더욱 잘 흡수하게 된다. 따라서, 레이저 조사시에 열 확산이 더욱 감소하여 미세한 패턴 구현이 용이하게 되고, 레이저 조사에 의한 열 확산 거리가 더욱 짧아지기 때문에 때문에, 더욱 낮은 레이저 출력에서 더욱 빠른 속도로 패터닝을 할 수 있게 된다. 더구나, 잉크가 저가이므로 패턴 제조 방법이 저렴해지는 장점도 있다.
제3 단계(S300)는, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 단계이다. 제3 단계(S300)에서, 레이저는 전사재료와 기판의 특성에 따라서 CW 레이저(continuous wave laser) 또는 펄스 레이저(pulsed laser)를 사용할 수 있다. 레이저는 금속 유기 화합물 잉크층에서 패턴이 형성되어야 할 영역에 조사되어 그 조사된 부위를 고상 상태로 경화시키게 된다. 제3 단계(S300)에 대해서는, 도 2 (c)를 참조하여 설명한다. 도 2 (c)는 네거티브 방식을 사용하여 레이저 광이 조사된 부위가 패턴으로 형성되는 것을 나타낸다. 이때, 제2 단계(S200)까지 완료되면, 금속 유기 화합물 잉크층은 반고상 상태이고, 금속 유기 화합물 잉크층이 전부 경화되기 전에, 레이저를 이용하여 국부적으로 선택 경화시키게 된다. 이 때, 레이저 광의 출력, 이송속도, 빔의 크기 등을 통하여 경화를 조절한다.
제4 단계(S400)는 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 단계이다. 금속 유기 화합물 잉크층 중에서 고상상태로 경화되어 패턴이 형성된 소정 영역의 잉크층을 제외한 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하면 고상상태의 패턴만이 기판상에 남게 되며, 도 2 (f)는 제4 단계(S400)까지 완료되어 최종 완성된 패턴이 형성된 기판을 나타내고 있다.
지금부터는, 제2 단계(S200)를 보다 구체적으로 검토해 보기로 한다. 본 패턴 제조방법은, 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계(S100), 기판을 가열하는 것에 의하여, 은 이온을 환원시켜 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 금속 유기 화합물 잉크층에서 유기물을 증발시키는 제2 단계(S200), 유기물이 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 제1 단계(S100)에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계(S300), 및 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계(S400)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 제2 단계(S200)에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 하며, 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열 램프로 가열하게 된다. 도 2 (b)는 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하는 방식의 일례로서, 열판(hot plate)으로 가열하는 것을 나타내고 있지만, 가열 램프로 복사열을 이용하여 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하는 과정은 당업자라면 용이하게 알 수 있을 것이다. 본 패턴 제조 방법의 제2 단계(S200)에서는, 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키기 위해, 가열 램프로 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 기판상에 도포되어 있는 잉크층의 대부분의 유기물을 증발시킬 수 있다. 가열 램프로 가열하는 것은 복사열을 이용한 것이다. 이러한 방식은 원하는 온도를 설정하여 그 온도를 유지한 채로 가열하는 것은 어렵지만, 이후에 검토할 열판(hot plate) 또는 컨벡션 오븐(convection oven)으로 가열하는 방식에 비교했을 때, 연속공정이 가능하고, 균일한 온도로 가열하기에 유리하다.
지금부터는, 제2 단계(S200)를 보다 구체적으로 검토해 보기로 한다. 본 패턴 제조방법은 기판 상에 잉크층을 형성하는 제1 단계(S100), 열판 또는 컨벡션 오븐으로 금속 유기 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 금속 유기 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 제2 단계(S200), 반고상 상태의 금속 유기 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계(S300), 반고상 상태의 금속 유기 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계(S400)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 제2 단계(S200)에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 하며, 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 열판 또는 컨벡션 오븐으로 가열하게 된다. 도 2 (b)는 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하는 방식의 일례로서, 열판(hot plate)으로 가열하는 것을 나타내고 있다. 본 패턴 제조 방법의 제2 단계(S200)에서는, 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키기 위해, 열판 또는 컨벡션 오븐으로 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 기판상에 도포되어 있는 잉크층의 대부분의 유기물을 증발시킬 수 있다. 열판으로 기판을 가열하는 것은 전도(conduction)를 이용한 것이고, 컨벡션 오븐으로 기판을 가열하는 것은 대류를 이용한 것이다. 이러한 방식은 연속공정과 균일한 온도로 가열하는 것은 어렵지만, 복사열을 이용한 가열램프로 가열하는 방식에 비해 원하는 온도를 설정하여 그 온도를 유지한 채로 가열하는데는 유리하다.
지금부터는, 제4 단계(S400)에 대하여 보다 구체적으로 검토하기로 한다. 본 패턴 제조방법은 기판 상에 금속 유기 화합물 잉크층을 형성하는 제1 단계(S100), 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는 제2 단계(S200), 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계(S300), 기판을 세척액에 담그거나 초음파세척을 하거나 세척액을 분사하여 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계(S400)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하도록 한다. 도 2 (d)를 참조하면, 금속 유기화합물 잉크층의 일부는 패턴으로 경화가 되고, 일부는 반고상 상태로 된 채로 기판 상에 형성되어 있으며, 이러한 기판이 세척액이 들어있는 용기에 담겨 있는 것을 나타내고 있다. 도면상에서는 기판을 세척액에 담가서 반고상 상태의 잉크층을 제거하는 과정만이 도시되어 있다. 그러나, 본 패턴 제조 방법의 제4 단계(S400)는 이뿐만 아니라, 초음파세척을 하거나 세척액을 분사하여 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하는 것도 포함하고 있으며, 이 중 어떠한 방식을 취하더라도 본 패턴 제조 방법의 제4 단계(S400)에 해당하는 것으로 보아야 할 것이다. 그리고, 당업자는 초음파 세척 또는 세척액을 분사하여 패턴 이외의 잉크층을 제거하는 방법에 대해서는 용이하게 알 수 있을 것이다.
이때, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하기 위한 유기 용매는 예컨대, 원래 금속 유기 은 잉크의 베이스가 되었던 유기물 또는 아세톤, 헥산 또는 IPA 등이 될 수 있다. 제4 단계(S400)는 유기 용매를 이용하여 형성된 패턴 이외의 층을 씻어내게 된다. 통상적으로는 금속 유기 화합물 잉크의 베이스가 되었던 유기물 또는 아세톤, 헥산 또는 IPA 등이 담겨 있는 용기에 패턴이 형성되어 있는 기판을 통째로 넣어서 씻어내게 된다. 따라서, 고상 상태로 경화된 패턴만이 기판 상에 남게 된다. 초음파 세척은 기판을 세척액에 담근 상태에서 초음파 진동을 가해주는 방식이며, 세척액을 분사하는 방법은 세척액을 스프레이 방식으로 기판에 직접 분사하여 패턴만을 남기는 방식이다.
지금부터는, 제4 단계(S400)에 대하여 더욱, 구체적으로 검토하기로 한다. 본 패턴 제조방법은, 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계(S100), 기판을 가열하는 것에 의하여, 은 이온을 환원시켜 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 금속 유기 화합물 잉크층에서 유기물을 증발시키는 제2 단계(S200), 유기물이 증발되어 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 제1 단계(S100)에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계(S300), 및 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 제4 단계(S400)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 패턴 제조 방법을 설명하도록 한다. 도 2 (e)를 참조하면, 기판 상에 패턴만 남게된 기판을 오븐에 넣고 가열하는 것을 나타내고 있다. 이는 기판을 가열하는 방식 중에 일례를 도시한 것이며, 기판을 세척액에 담그거나 초음파세척을 하거나 세척액을 분사하여 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 패턴만을 남기는 것뿐만 아니라, 추가적으로 기판을 가열하게 된다.
이러한 추가적인 단계가 필요한 이유는, 제4 단계(S400)에서 기판을 세척하기만 하면, 세척과정 중에 경화된 패턴에 유기 용매가 침투하여 패턴이 다시 액화될 수 있기 때문에, 그 패턴에 대한 재경화 또는 건조를 수행하기 위함이며, 이를 통해, 패턴을 견고하게 소결시키기 위함이다. 추가적으로 기판을 가열하는 단계는, 기판 상에 패턴을 형성하기 위해 반드시 필요한 단계라고 할 수는 없지만, 패턴만을 남기고 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 세척액으로 씻어낸 후에, 기판 상에 잔류하는 유기 용매 등의 잔류물을 제거하고, 전도도를 향상시키는 등 패턴이 형성된 기판의 완성도를 높이기 위해서 필요한 단계이다.
도 3은 마랑고니 플로우의 영향에 의해 패턴의 가장자리가 두껍고, 패턴의 중심부위가 얇게 형성된 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 나노 파티클 잉크를 레이저 패터닝한 패턴의 단면도이고, 도 5는 마랑고니 플로우를 설명하는 도면이다.
도 3 내지 5를 참조하여, 기존의 나노 파티클 잉크를 사용한 패터닝에 있어서의 마랑고니 플로우의 영향을 설명하기로 한다. 도 3의 왼쪽 그림은 기판 위에 도포된 잉크에 작용하는 힘을 나타낸 것이고, 오른쪽 그림은 이러한 힘의 작용으로 인하여 형성된 패턴의 단면 형상을 나타낸다. 왼쪽 그림에서, 잉크의 상단에서 잉크와 멀어지는 방향을 향하도록 표시된 두 개의 화살표가 마랑고니 플로우에 의한 힘을 나타내고, 잉크의 하단에서 잉크의 중심방향을 향하도록 표시된 두 개의 화살표가 하이드로다이나믹 플로우에 의한 힘을 나타낸다. 그리고, 이 두 가지 힘의 크기는 화살표의 크기에 비례한다. 하이드로다이나믹 플로우에 대해서는 차후에 다시 설명하기로 한다.
도 3에서 도시된 기판 상의 잉크에, 위에서 아래 방향으로 레이저가 조사되는 경우를 가정하면 레이저가 잉크 위에 균일하게 조사되는 것이 아니라, 레이저의 중심부위의 온도가 더 높게 된다. 따라서 잉크의 가장 자리 보다는 중앙 부위가 더 많이 증발되게 되며, 이 때 증발되는 것은 주로 유기 용매이다. 이 경우, 레이저가 강하게 조사되는 잉크의 중앙 부위보다는 레이저가 약하게 조사되는 잉크의 가장자리 부분이 더 표면장력이 높게 된다. 따라서, 표면장력이 낮은 곳에서 높은 쪽으로 흐름이 생기게 되어, 결국 패턴화된 잉크의 단면이 마치 화산 분화구의 형상처럼 변하게 된다. 이러한 형상을 이루게 하는 것이 마랑고니 플로우에 의한 힘이다. 물론, 기판과 잉크가 만나는 부위에 하이드로다이나믹 플로우에 의한 힘이 작용하긴 하나, 마랑고니 플로우에 의한 힘보다 작기 때문에 미미한 영향만을 미치게 된다. 결국, 마랑고니 플로우에 의한 힘이 잉크에 작용하는 지배적인 힘이 되므로, 도 3의 오른쪽 그림과 같이, 패턴의 중앙 부위가 함몰된다. 이러한 형상은 추후 패턴 위에 다른 물질을 코팅할 때 코팅 불균일의 문제를 야기하고, 전도도가 저하되는 원인이 된다.
도 4에는 중앙 부위가 함몰된 패턴의 특정 수치가 표시되어 있다. 나노 파티클 잉크를 레이저 패터닝한 패턴의 중앙부위는 약 400nm의 두께가 되고, 가장자리는 약 600~800nm의 두께가 되는 것을 볼 수 있다. 다만, 이는 특정한 경우에 대한 예시일 뿐, 도 4과 유사하게 단면이 분화구 형상을 갖고 수치는 상이한 패턴이 얼마든지 존재할 수 있다.
도 5를 참조하여, 마랑고니 플로우에 대하여 더 자세히 살펴보기로 한다. 위에서 아랫방향으로 잉크에 레이저가 조사되고, 레이저의 중심부의 온도가 높기 때문에 레이저의 중심부가 조사되는 잉크의 주변으로 열이 확산되며, 이 열로 인하여 유기물의 증발이 일어난다. 도면에서 구불구불한 화살표는 유기물이 증발되는 것을 나타내고 있다. 이어서, 레이저의 중심부와 떨어져 있는 잉크는 레이저의 중심부가 조사되는 잉크에 비해서 표면장력이 높기 때문에 서페이스 텐션 그레디언트가 발생하게 되고, 따라서 레이저의 중심부가 조사되는 잉크로부터, 레이저의 중심부와 떨어져 있는 잉크쪽으로 잉크의 유동이 생기게 된다. 이러한 흐름을 마랑고니 플로우라고 하며, 이 흐름 때문에 패턴의 가장자리의 두께는 두껍고 중심부위의 두께는 얇아지는 것이다.
도 6은 하이드로다이나믹 플로우의 영향에 의해 패턴의 두께가 균일하게 형성된 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은 하이드로다이나믹 플로우를 설명하는 도면이다. 도 3과 도 6을 비교하면서 검토하면 이해가 쉬울 것이다. 도 6의 왼쪽 그림은 기판위에 도포된 잉크에 작용하는 힘을 나타낸 것이고, 오른쪽 그림은 이러한 힘의 작용으로 인하여 형성된 패턴의 단면 형상을 나타낸다. 왼쪽 그림에서, 잉크의 상단에서 잉크와 멀어지는 방향을 향하도록 표시된 두 개의 화살표가 마랑고니 플로우에 의한 힘을 나타내고, 잉크의 하단에서 잉크의 중심방향을 향하도록 표시된 두 개의 화살표가 하이드로다이나믹 플로우에 의한 힘을 나타낸다. 그리고, 이 두 가지 힘의 크기는 화살표의 크기에 비례한다. 도 6은 투명한 금속 유기 화합물 잉크를 사용한 패터닝에 의해 형성되는 패턴을 나타내고 있다. 도 4에서와는 달리 마랑고니 플로우에 의한 힘이 작용하기는 하지만, 하이드로다이나믹 플로우에 의한 힘이 잉크에 작용하는 지배적인 힘이 되므로, 패턴의 두께가 가장자리부터 중심 부위까지 균일하게 형성된다.
도 7은 하이드로다이나믹 플로우를 설명하는 도면이다. 도면에서 윗방향을 향하는 화살표는 유기물이 증발하는 것을 나타낸다. 앞서 설명한 대로, 레이저의 중심부위 레이저의 광이 더 세고, 온도가 더 높으므로, 레이저의 중심부가 조사되는 잉크에서 유기물의 휘발이 더 강하게 일어나게 된다. 도 7에서는 왼쪽편이 레이저의 중심부가 조사되는 패턴의 중심부위이고, 오른쪽편이 패턴의 가장자리가 된다. 도 7을 참조하면, 패턴의 중심부위의 유기용매의 높이가 패턴의 가장자리의 유기용매의 높이보다 더 낮기 때문에 유기용매의 높이를 맞추기 위해서 패턴의 가장자리의 유기물이 패턴의 중심부위로 이동하는 흐름이 생기게 되고, 이 흐름을 따라 환원된 상태의 고체 금속 입자가 패턴의 중심부위로 이동하게 된다. 결국 패턴이 형성되어야할 부위에 고체 금속 입자가 몰리게 되므로 얇은 패턴을 구현할 수 있다. 물론, 나노 파티클 잉크를 사용한 패터닝에서도 하이드로다이나믹 플로우는 존재하며, 도 3에서도 하이드로다이나믹 플로우가 왼쪽 그림의 두개의 작은 화살표로 표시되어 있다. 그러나, 나노 파티클이 유기용매의 흐름에 따라 움직이기에는 나노 파티클의 입자가 너무 크며, 나노 파티클 상호간의 힘 때문에 하이드로다이나믹 플로우의 영향이 극히 미미하다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 마랑고니 플로우와 하이드로다이나믹 플로우의 원리를 살펴보았으며, 이를 통하여 레이저를 이용한 패턴 제조 방법의 각 단계, 특히 제2 단계(S200) 및 제3 단계(S300)에 대하여 더욱 명확히 이해할 수 있을 것이다. 패턴 제조 방법에서, 나노 파티클 잉크에 레이저를 조사하는 경우는, 마랑고니 플로우의 효과는 강해지고, 하이드로다이나믹 플로우의 효과는 약해지는 반면에, 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크에 레이저를 조사하는 경우는, 마랑고니 플로우의 효과는 약해지고, 하이드로다이나믹 플로우의 효과는 강해지게 된다. 따라서, 균일한 두께의 패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 패턴이 두꺼워져서 전도성이 향상되는 장점이 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 기판 20 : 잉크층
21 : 패턴 23 : 고체 금속 입자
30 : 세척액

Claims (5)

  1. 기판 상에 은 이온이 유기물과 이온결합되어 투명한 상태를 유지하고 있는 금속 유기 화합물 잉크층을 박막으로 형성하는 제1 단계;
    상기 기판을 가열하는 것에 의하여, 상기 은 이온을 환원시켜 상기 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키고, 또한 상기 금속 유기 화합물 잉크층에서 상기 유기물을 증발시키는 제2 단계;
    상기 유기물이 증발되어 상기 금속 유기 화합물 잉크층의 두께가 상기 제1 단계에서 형성된 때보다 얇아진 상태에서, 상기 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층에 레이저 광을 조사하여, 조사된 부위가 고상상태로 경화되어 패턴이 형성되는 제3 단계; 및
    상기 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하여 상기 패턴만을 남기는 제4 단계
    를 포함하는 패턴 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는 가열 램프로 상기 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 상기 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는,
    패턴 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는 열판 또는 컨벡션 오븐으로 상기 금속 유기 화합물 잉크층이 형성된 기판을 가열하여 상기 금속 유기 화합물 잉크층을 반고상 상태로 경화시키는,
    패턴 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 상기 기판을 세척액에 담그거나 초음파세척을 하거나 세척액을 분사하여 상기 반고상 상태의 금속 유기 화합물 잉크층을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 패턴 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 상기 패턴이 형성된 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는,
    패턴 제조 방법.
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