잉크젯 프린팅기술의 현황과 전개

잉크젯프린팅기술의현황과전개 ( 한국정보디스플레이학회지. 제 5 권 3 호,2004) 안동훈, 권효택 ( 포톤데이즈 dhahn@photondays.com) 1. 서론최근평판디스플레이산업의비약적인발전에힘입어 LCD, PDP등은반도체산업의시장규모를추월하는성장을보이고있으며유기EL, FED등도차세대디스플레이로서기대를모으고있다. 한국은대규모투자와양산기술의강점으로이미세계평판디스플레이의생산기지로서위치를확고히하고있으며최근에는신기술, 신제품의개발분야에도선진업체를선도하고있는실정이다. 그러나이러한외형적인발전에도불구하고제조장비와핵심부품, 소재기술은선진국과아직격차가존재하고있는것이사실이다. 특히장비기술중전공정분야는최근많은국내의장비업체들의노력에도불구하고대부분수입에의존하고있는실정이다. 이들장비기술중최근주목을받고있는것이기존의복잡한포토리소그라피공정을거치지않고직접원하는패턴을만들수있는잉크젯프린팅기술이다. 잉크젯프린팅기술은특히유기EL분야에서가장경쟁력있는공정기술로기대되고있으며 LCD, PDP, FED 등의응용에도활발히진행되고있다. 본기고에서는이러한잉크젯프린팅기술의기술적배경과요소기술그리고실제응용에있어서의핵심적인공정기술에대한설명을하고자한다. 잉크젯기술의응용및기초기술에대한일반적인내용은본보 2003년 2월발행제4권 ( 제1 호 ) 1) 에서다루었기때문에이번호에는공정응용가능성을중심으로설명하고자한다. 2. 잉크젯기술의배경및핵심기술잉크젯기술은 1970년 Kyzer, Zaltan등에의해 Drop on demand(dod) 방식이개발되어산업용으로사용되어오다 1980년초에 HP, Canon이 Thermal방식의잉크젯헤드를개발하고뒤이어 Epson이 Piezo방식의헤드를개발함으로서본격적인 OA용프린터응용이시작되었다. 이러한 Drop on Demand방식이 OA용에사용된것에비해, 하전제어방식에의한 continuous방식이포장재인쇄, 마킹등의산업용잉크젯프린터로서널리사용되고있다. Drop on Demand방식잉크젯헤드의대량생산의원조라할수있는 HP와 Canon은우연히도거의비슷한시기에 Thermal방식에의한잉크젯헤드를개발하였다. Thermal방식은미소히터에의해잉크가가열되어기포가생기고이기포의압력과기포가소멸될때의에너지로잉크가토출된다. 이러한기포의소멸은히터표면에수만기압이상의진공파손압력을가하게되며이때소위 Cavitation Errosion 을발생시키게되어히터의수명을단축시키게된다. 따라서잉크젯헤드의신뢰성을확보하기위해, 예로서 Si 3 N 4 /SiC/Ta박막으로

이루어지는복잡한구조의보호층이그림 1 과같이필요하게된다. 그림1 Thermal Type Inkjet Head의구조 (HP compatible) 표1에는잉크젯기술의요소기술을정리하였다. 잉크젯헤드의개발은반도체공정, MEMS 기술, 초정밀가공등복합적인기술과경험이필요한분야이다. 또한대상으로하는패턴재 료를잉크젯프린팅에적합하게물성을조절하는것과 Head와의정합성확보도중요한요 소중의하나이다. 또한실제디스플레이디바이스에의응용을위해서는대형정밀Stage등 의기구부, Drop Monitoring을위한광학 / 화상처리기술과원하는 Pattern에따라헤드또는 Stage를구동하는제어기술등이필요하다. 항 목 내용 방법 Nozzle * 수pl의잉크를균일분사하기위한 Nozzle Plate 제조 ( 수십μm의균일한 Hole형성 ) * 잉크분사측과입사측의 Hole 형상 (Aspect Ratio 설계및조정 ) * Nozzle표면처리 (Hydrophobic Treatment etc.) * MEMS공정을이용한 Ni전주법 * Laser(UV, Excimer) 를이용한폴리이미드 Nozzle Plate의직접또는 Mask 가공 Actuator * 발열체설계및제조 (Thermal Type) * 보호층설계및제조 * Barrier층 / 유로설계및제조 * 전극층설계및제조 etc. * Piezo Actuator 설계및제조 (Piezo Type) * 다이아프램설계및제조 etc. * Sputter, PECVD등의 Thin Film 및포토공정 * 라미네이션 / 접착기술 * 초정밀기계가공 * Hydrophilic or Hydrophobic Treatments Packaging * Actuator와 Nozzle조립 * Electric Connection * Hermetic Sealing * Ink Supply Path설계 * Anodic Bonding * Flexible PCB * Drive IC내장 *Cleaning Device etc. * 잉크에대한내화학특성확보 etc. 표1. 잉크젯프린팅헤드의요소기술

3. 잉크젯패터닝기술의응용 기존의 OA용프린터에사용되던잉크젯기술이본격적으로디스플레이등에사용이검토되기시작한것은 1990년대에이르러서이며, 금후수십μm의 Patterning공정에서가장경쟁력있는기술로성장이기대되고있다. 1) 잉크젯기술의장점기존의포토공정에의한패터닝공정을잉크젯으로대체할경우다음과같은많은장점이있다. (1) 대폭적인공정수절감기존의포토공정이수십단계에이르는복잡한공정이필요한반면잉크젯의경우원하는곳에필요한물질을패터닝할수있는소위 Pattern on Demand 공정이가능하므로극히단순한공정으로패터닝을완성할수있다. (2) 재료절감및친환경포토공정의 spin coating시버리는재료가 90% 이상이되어고가인재료의이용효율이극히낮다. 반면에잉크젯은필요한부분만재료를도포하므로재료효율이거의 100% 에가까우며결과적으로폐기물이없는친환경공정실현이가능하다. (3) 대형화기판대응잉크젯도포는원리적으로타공정에비해기판사이즈증가에대응이자유롭다. 멀티헤드부착으로대형기판대응과양산성확보가가능하다. (4) 클린룸면적절감기존의포토공정처럼많은장비가소요되지않으므로클린룸소요면적이감소되고러닝코스트가줄어든다. (5) 제품원가절감재료비, 장비투자비, 클린룸운영비, 인건비등의대폭감소에의한제품가격경쟁력의창출이가능하다. 2) 응용분야잉크젯기술은 OA용프린터뿐만아니라다음과같은다양한분야로의응용전개가가능하다. (1) Display분야 - LCD Color Filter - LCD배향막도포 - FED Emitter형성 - PDP재료도포응용 ( 전극재료 ) -유기EL용유기물도포

(2) 반도체패키지 (CSP/BGA) 용 Bump형성 (3) 광소자용 Waveguide, Optical Switch, Micro Lens Array (4) 치과치료, 미세투약시스템등의메디칼응용 (5) 생물 / 세포배양, DNA Chip제조, 진단시약용 Chip 등의 Bio응용 (6) CPU냉각장치 (7) 향기제어, On-line향기 Delivery, Virtual Reality Headset 3) 잉크젯기술의디스플레이응용예잉크젯기술의 LCD용 Color Filter공정응용, 배향막도포등은이미많은발표가있어왔지만최근 PDP의 BUS전극에의응용과고분자계유기EL의유기물도포가많은관심을끌고있다. (1) PDP전극응용최근 Ag나노입자를유기용제에분산시켜잉크젯공정에의해 PDP BUS전극을형성시키는시도를세이코엡슨, 알박, 후지쯔가공동으로실시하였다. 2) 세이코엡슨의 OA용 Piezo방식잉크젯헤드인 MACH시리즈를사용하였으며알박은약 3~6nm의입자크기를갖는 Ag나노파티클을증착법에의해제조하여유기용제및계면활성제를배합하여전극용잉크를개발했다. 잉크의점도는 20cps 이하, 표면장력은 20~50mN/m정도이며잉크젯헤드의노즐막힘을방지하기위해저증기압을가진유기용제를사용하였다. 최소잉크체적은 2pl, 최소직경 15μm, 분사속도최고 32kHz의헤드성능을갖고있다. 유기용제와의친유성 ( 親油性 ) 을갖는기판에도포할경우패턴폭이넓어져미세한선폭을갖는패턴형성이어려워지며발유성 ( 撥油性 ) 이높은기판에서는패턴의코너, 에지, 오염장소등에잉크가모여들어상대적으로잉크가도포가안되거나막의두께가얇아져결과적으로단선이되는문제가생긴다. 따라서패턴을형성하는기판표면과잉크는적당한상생관계가필요하게되며접촉각으로표현시 30~60도정도의발유성이적합한것으로보고하고있다. 전극폭 30μm, 두께 0.5μm의 Ag배선을직경 30μm잉크방울을 28μm피치간격으로 (2μm중첩) 도포한후 300, 30분가열후저항값이 2uΩcm이하로, PDP버스전극에의응용가능성을보고하였다. 잉크와기판과의정합성을개선하기위해 ITO기판위에 SAM(Self Assembled Monolayer) 전처리를하는등잉크젯기술을응용하기위해서는잉크, 헤드및시스템기술외에도기판처리등다양한종류의공정에대한검증이필요할것이다. 또한 PDP패널의형광체, 유전체도포등새로운공정으로의시도가각사에서활발히진행되고있다. (2) 잉크젯기술의유기EL 응용유기EL은원리적으로현재평판디스플레이의주류인 LCD에비해시야각, 응답속도, 박형화, 소비전력, 휘도등제반특성이우수한디스플레이이며자발광이므로보다우수한화질의구현이가능하다.

유기EL은발광재료의종류에따라고분자계와저분자계유기EL로나누어진다. 양산단계로들어서고있는저분자유기EL은이미멀티컬러의제품이휴대폰, 차량용등에사용되기시작하였다. 저분자계유기EL은통상투명기판상에양극전극, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공저지층, 전자수송층, 전자주입층, 음극층등을순차적으로형성시킨복잡한구조로되어있다. 발광재료로서는녹색의경우 Kodak사가발표한 Alq3, 청색의경우이데미츠사의 Distryl화합물, 적색의경우 Kodak사의 DCJTB계의재료가알려져있다. 이외에도많은물질이제안되고있으나적색발광소자의낮은발광효율이실용화큰걸림돌이되어왔으나최근에는여러가지개선된재료및공법이제안되고있다. 3) 이에비해고분자유기EL은비교적단순한구조로도좋은특성을나타내는장점을갖고있다. 최근 Toshiba, 삼성등에서 17 의유기EL 디스플레이가소개되고있으며실용화를목전에두고있다할수있다. 저분자계유기EL은제조에진공증착기술이사용되지만고분자계유기EL은인쇄나도포공정같은습식공정이사용되므로제조공정이간단해질수있는장점이있으나다층화에는오히려저분자계보다까다로울수있다. 고분자유기EL에는효율을높이기위해투명전극과발광층사이에정공주입층또는정공수송층등으로 PEDOT, PANI 등을형성해주는것이일반적이다. 유기EL의제조에는 Shadow마스크를이용한진공증착법, Screen인쇄법, 마이크로그라비아인쇄법, 확산법, Stamp인쇄법, Spray법, Paint법, Slit Coating법, Laser전사법, 잉크젯프린팅법등많은공정이제안되고있으나 4) 저분자계는진공증착법으로, 고분자계는잉크젯프린팅법이가장안정적이고적합한공정기술로자리잡아가고있다. 그림2는고분자유기EL의구조와잉크젯공정적용의개념도를나타내고있다. 그림2 AM Type PLED의구조및잉크젯공정응용 Seiko Epson의발표에의하면 5) 잉크젯헤드는 180 Nozzle 2열로구성되고분사속도는 19kHz,

잉크점도 10cps전후의조건에서 500x400mm2크기의기판을 3분미만에처리가가능하다. 이때장치의기계적정밀도, 잉크분사에러등을포함한잉크탄착군은 ±15μm이내로형성할수있었으며이정밀도는 150ppi의분해능을갖는디스플레이제조에적용이가능하다. 잉크젯프린팅방법으로제조된고분자유기EL의발광효율, 수명등은기존의 Spin Coating(Photo Lithography) 공정과비교하여동등이상의성능이보고되고있다. (3) 기타잉크젯공정의응용예잉크젯프린팅기술은 OA용프린터응용외에도많은분야에이미적용이되고있거나개발이되고있다. 6) 특히 DNA Chip제조, Polypeptide진단칩, Solder Bump, PWB용 Resistor제조, Organic Field-Effect Transistor, 미세투약시스템, Micro Lens제조, 광도파로제조등전기전자및 Bio/ 의료분야에의응용이기대되고있다. 4. 잉크젯프린팅시스템의개발잉크젯프린팅공정기술의핵심은잉크젯헤드기술로서반도체공정, MEMS공정및유로설계등다양한기술이필요하다. 잉크를가열하여분사하는 Thermal방식보다는 Piezo방식의잉크젯헤드가주로사용되고있다. Piezo방식의헤드도디바이스구조에따라여러형태의헤드가있다. Si에유로를형성하고 glass에설치된다이아프램상에 Piezo소자를접착하여 2개의판을적층시킨평면구조의잉크젯헤드 (Unimolf/Kyzer형) 는오래전부터기록계등에사용이되어왔다.( 그림3-a) 또한영국의 Xaar사의기술을이용한 Piezo타입잉크젯헤드가있다.( 그림3- b) 일본의 Brother공업등이라이센스를맺고상업화를한것으로 Piezo를이용, Chamber 측면벽을변형시켜잉크를분사하는방법이다.(Shear Mode형 ) 그리고오늘날 Piezo타입잉크젯헤드의대명사로일컬어지는 Seiko Epson의적층타입 Piezo헤드는복잡한기계가공과조립공정을거쳐제조가되고있으며최고의해상도와신뢰성을가지고있는것으로알려져있다.( 그림3-c) 이외에 Trident, Spectra 등이독자적인구조의헤드를주로산업인쇄용으로공급하고있으며최근에는 Microfab, Litrex 등이평판디스플레이응용을목표로잉크젯프린팅기술을제안하고있다. 그러나아직디스플레이디바이스의양산에적용하기는어느회사의헤드도좀더충분한신뢰성과양산성을갖추어야할것으로생각되고있다. 최근 Philips가 PLED의 Pilot 생산단계에서잉크젯공정을활용하고있음을발표한바있다. (a) (b) (c)

그림3. 잉크젯헤드의종류 1) 잉크젯헤드개발 Piezo방식의잉크젯헤드를 MEMS공정을이용하여제조하였다. Nozzle은 Electroplating공정을이용하여제조하였다. 그림4에 Nozzle plate제조 process를나타내었다. 그림 4 Nozzle Plate 제작 Process 의예 Ni plating된 nozzle에최종적으로 Au를 plating하여잉크와의반응성을개선한다. Actuator 는 Si기판에습식또는건식etching으로유로와잉크챔버를형성하고다이아프램역할을하는유리기판과 Anodic( 양극산화 ) 접합을하여패키징을한다. 그후챔버부분에 Piezo소자를접착제로접합을한다. 개발된헤드의개념도를그림5에나타내었다. 그림5에는 24채널을갖는 2단노즐구조의헤드를나타내었다.

그림 5 잉크젯헤드의개념도 사진 1 에는자체개발된헤드및 Test 를위해 outsourcing 한헤드의외관을나타내었다. 사진 1 Test Head ( 좌로부터각각 12,4,96 Nozzle) 2) 주요요소기술의개발 (1) Alignment Optics개발기판과프린트헤드간의정확한정렬을위해 Align용 CCD카메라와광학System을개발하였다. FOV가약 1.2mm, Working Distance가 20mm의 Optics로구성되어있으며광원은 LED 와 Halogen Lamp를사용하였다. Vision처리에의한자동 Align이가능하며 Manual정렬도가능하다. 사진 2 Align Optics (2) Drop Jetting Monitoring System개발각 Nozzle에서분사되는잉크방울상태를관찰할수있는모니터링광학계가 Head와연동하여실시간으로분사상황을확인할수가있다. Monitoring Unit의구성을그림6과사진3에나타내었다.

그림 6 Drop Monitoring System (Block Diagram) 사진 3 Drop Monitoring System (3) Stage구성및 Test System제작대면적기판의도포에유리한 Gantry Type 리니어모터로분사Stage를구성하였다. 반복정밀도 ±1μm를갖는 Stage로서무진동강성Frame과결합시안정된프린팅작업이가능하다. 사진4에제작된 Test용잉크젯시스템을나타내었다. (a) 사진 4 Test 용잉크젯도포시스템 (b)

사진중 (a) 는 12 nozzle 을갖는자체제작헤드를장착하였으며 (b) 는 96 nozzle(32channel) 을갖는 Outsourcing 헤드를장착하였다. (4) 제어 S/W 장비제어S/W는 C++ Builder를이용하여 Programming하였으며잉크방울의분사는주파수, 전압, 파형등을가변하여조절할수있다. 그림 7. 제어화면 ( 예 ) 5. 잉크젯프린팅실험사진5에는 CRT용 Color Filter용잉크를도포한결과를나타내었다. 비교적균일한패턴을형성할수있었으며사진6에는 LCD용 Color Filter잉크를도포한결과이다. 사진7에는여러가진요인에의해발생한 Printing error를나타내었다. 잉크젯공정에서의불량요인은주로잉크분사시 landing error에의한 pattern불량및인접 track과의혼합, 잉크점도, 기판과의정합성등에의한패턴두께의불균일, 노즐막힘, 헤드드라이빙파형에러등에의한잉크분사미스등에서기인되며헤드는소모성부품으로일정주기에따라교환을하거나 Cleaning등의보수를해야한다.

사진 5 사진 6 사진 7 또한그림8에는 Test System 에서얻어진탄착군의실험데이터로서약 ±20~25μm정도의탄착군이형성된것을알수가있다. 본 Test System 은단순히 Head 분사실험을위해설계된것으로, Stage를고강성구조화하고프린팅조건을조절하면 ±15μm이하의탄착군형성이가능할것으로보인다.. 그림 8 탄착위치정도 6. 양산용잉크젯프린팅시스템당사가특허를출원하여개발하고있는양산용잉크젯시스템의개념도를그림9에나타내었다. 장비는적용공정에따라잉크분사스테이지를모듈별로결합하게되어있어개발용에서양산용까지의대응이자유롭다. 각스테이지는당사가개발한헤드또는 TEST용헤드를 1개이상멀티로부착할수가있어양산성을쉽게확보할수가있다. 각모듈은개별적으로라미나플로우에의해 Clean도를유지할수가있다. 각스테이지하단에평면히터를설치하여잉크젯프린팅과동시의열처리를하거나예비가열에의한공정다양성을부여할수있

다. 또한프린팅이끝난후마지막스테이지에서비전에의한검사와 Laser 에의한 Repair가가능하도록하였다. 또한적절한스테이지에잉크분사상황을모니터링할수있는비전및광학유니트를부착할수있도록하였다. 그림 9 In-Line 잉크젯 System 7. 잉크젯기술의전개가능성및한계잉크젯기술은수μm의미세패턴을형성하는데에는부적합한공정이다. 현재까지는수십 ~ 수백μm의패턴을 Photo공정대신에 Direct Patterning할수있는점이잉크젯공정의장점으로인식되고있다. 잉크젯공정을적용하는데선행되어야할기술적인요인을정리해보면다음과같다. 1) 기계적인제한잉크젯도포에필요한 Stage이동은현실적으로 2~3μm이상의에러는항상포함하고있으며잉크가여러가지요인에의해탄도가변하는정도는경험상 3~5μm정도로보고있으며기타 Align공차, Bank형성오차, Nozzle크기오차등의요인에의한에러를감안하면통상 12~15 μm의 Landing Error를기본적으로갖고있다고보는것이일반적이다. 따라서 20μm이하의패터닝은실용적으로어려우며 30~60μm패터닝도상당히고도의공정, 재료, 장비관리가필요할것이다. 2) 화학적인제한잉크젯에의해원활히분사가될수있는잉크의특성을확보하는것이중요하다. 용매의증발에의한점도변화, 잉크찌꺼기에의한 Nozzle막힘, 탄도변화등은심각한 Printing Error를야기할수있다. 잉크유로와노즐등에잉크와의정합성을위해표면개질에대한연구가필요하다. 3) 물리적인제한잉크방울의크기가 10μm이하로작아지면표면에너지가커져잉크방울이비산이되어적절한탄착군이형성되기어려우며 100μm이상으로커지면운동에너지가커져기판상에서충돌에의한분산성이커진다. 또한잉크점도가 10cps이상이되면분사속도가저하되는문제가발생한다. 통상 10cps정도의점도에서는 10kHz정도분사가가능하다고보고되고있다. 5)

4) 기타기판상에잉크가안착되는부분과각 Pixel을분리하는 Bank가잉크와서로다른상생관계를필요로할때가많다. 일례로유기EL의경우 Bank재료인폴리이미드는잉크를밀어내는성질이필요하고 ITO기판은잉크를고착시키는표면특성이필요하다. 이를위해인위적으로표면에다른 Buffer층을형성해주는방법도있으며또는 Plasma에의한표면개질도유효한것으로알려져있다. 8. 결어금후잉크젯프린팅기술은 OA용프린터응용에서벗어나평판디스플레이를필두로각종전기 / 전자부품, Bio, 의료용등으로그응용범위를넓혀갈것으로보고있다. 이러한잉크젯프린팅기술의실용화를위해서는헤드기술, 잉크기술그리고 System Integration에의한공정적용에대한많은개발이이루어져야할것으로생각되며이를위해서는금후디바이스제조업체와장비개발업체간에긴밀한협력체계가이루어져야할것이다. 참고문헌 1) 안동훈, Vol4, No1, 2003 Information Display 2) Fukuda et al., SID 2003 3) 권순기, Vol4, No1, 2003, Information Display 4) Okada, FPD International Seminar 2003 5) 宮下悟, Flat panel dispay,2003 (Nikkei BP) 6) M.Grove etal, MRS 2004