잉크젯 기술을 이용한 금속 미세 라인 형성에 관한 연구

Abstract

The inkjet printing in which small volumes of liquid ink are ejected through a nozzle and dispensed onto the substrate, is a non-contact printing method without using photomasks, and it can create patterns directly in both the x and y directions. The inkjet printing method has many advantages over the conventional photolithography method in terms of investment costs and process lead time. It has also high patterning flexibility and can be easily applied to large size substrates. Additionally, the number of steps to create patterns with the required high resolution can be dramatically reduced. For these reasons, the inkjet technology has rapidly been broadening its application areas, and it turns out to be attractive manufacturing alternatives in variety of applications including flat panel displays, printed circuit boards and bio/medical areas. In this work, fine conductive metal lines were printed on glass substrates using a nanosilver conductive ink and a self-developed inkjet printer with a single-nozzle inkjet head. The various printing variables were considered such as continuous and interlacing printing, the number of printing layers, superimposed length, surface treatment of the substrate, substrate temperature and so on. The printed lines were measured using a 3D nanosurface profiler with 1 nm resolution, and the effects of such printing variables on the line profile were investigated using the statistical analysis. The results indicate that fine lines with good quality can be obtained when they are continuously printed on the substrate with hydrophobic surface and the substrate temperature is high. A more complete study of the influence of printing variables on the quality of lines requires an investigation on different inks and substrates.; 기존의 미세 패턴 형성 기술인 리소그라피(Lithography) 방법은, 에칭(Etching)공정에 의한 재료의 낭비와 화학물질 사용에 따른 환경오염문제를 유발하며, 다수의 공정으로 인한 긴 인쇄시간과 많은 공정비용을 필요로 한다. 또한 마스크의 크기에 따라 인쇄할 기판의 크기가 제한된다. 최근 수년간 이러한 리소그라피 공정의 단점을 해결하고자, 공정의 간편화 및 신속화 그리고 저비용화를 목적으로, 잉크젯 기술을 적용하려는 노력이 진행되어 왔다. 잉크젯 기술은 미세노즐을 통하여 원하는 위치에 수~수십 pl의 잉크 Drop을 분사하여, 패턴을 기판 위에 직접 형성하는 기술이다. 현재 잉크젯 기술을 이용하여 수십 μm 폭의 미세 라인을 형성시키기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다. 특히 잉크젯 기술을 이용하여 전도성 금속 라인을 형성하는 경우에는, 원하는 전기적 특성을 얻기 위하여 미세 선폭을 가지면서도 균일한 넓이와 높이를 가지는 우수한 프로파일(Profile)의 라인이 필요하다. 따라서 본 논문에서는, 잉크젯 기술을 적용하여 직접적으로 금속 라인을 패터닝하는 과정에 대한 연구 및 형성된 금속 라인을 평가하는 연구를 하였다. 이를 위하여 압전소자에 의하여 구동되는 싱글노즐헤드와 은나노잉크(Silver Nano Ink)를 사용하여, 패터닝과 관련된 공정 변수들이 금속라인 형성에 어떠한 영향을 주는지를 살펴보았다. 그리고 형성된 라인의 평가를 통하여 어떠한 공정과 조건이 미세 금속 라인의 품질 확보에 적합한지를 살펴보았다. 이를 위하여 다양한 패터닝 방법을 통하여 금속 라인을 형성시키고, 형성된 금속 라인을 3차원 비접촉 표면 측정기를 통하여 측정하였다. 실험과 측정을 통하여 얻어진 결과를 통계적으로 분석하여, 다양한 패터닝 공정 변수의 영향을 정량적으로 평가하였다. 본 실험에서의 패터닝에 관련된 공정변수들은, 잉크 Drop의 도포 순서, 잉크 Drop의 건조 상태, 잉크 Drop의 적층 수, 그리고 Drop의 간격이며, 환경 변수는 기판의 소수성 처리 유무로 정의하였다. 이를 통하여 프로파일(Profile)이 양호하면서, 미세한 금속 라인을 형성하기 위해서는 어떠한 패터닝 방법이 적합한지를 조사해 보았다. 이러한 평가들의 결과를 이용하여, 소수 처리 상태의 기판 위에서, 연속 잉크패터닝 방법과 중첩 연속 잉크패터닝 방법을 통하여, 우수한 프로파일을 지니는 미세금속 라인을 얻을 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 그리고 도포되는 실제 잉크 Drop 크기를 고려하여 Drop 간격을 변화시킴으로써, 보다 우수한 미세 금속 라인을 얻을 수 있다는 결론을 도출하였다. 본 실험을 통하여 얻어진 결과를 DOE의 기초 데이터로 사용을 하며, 좀 더 다양한 실험을 추가적으로 행한다면, 가장 양호한 미세 금속 라인을 형성할 수 있는 최적 조건을 파악하여 이를 실설계에 적용시킬 수 있을 것이다.