한국정밀공학회지제 27 권 9 호 pp. 20-25 Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 27, No. 9, pp. 20-25 September 2010 / 20 특집 인쇄전자생산용롤프린팅기술 미세표면구조가전자인쇄에미치는영향 Effect of Micro Surface Structure on Printed Electronics 김승환 1, 강현욱 1, 이경헌 1, 성형진 1, Seung-hwan Kim 1, Hyun Wook Kang 1, Kyung Heon Lee 1 and Hyung Jin Sung 1, 1 KAIST 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, KAIST) Corresponding author: hjsung@kaist.ac.kr, Tel: 042-350-3027 Manuscript received: 2010.7.16 / Accepted: 2010.8.12 The effect of micro surface structure on printing for printed electronics has been studied experimentally. The photolithography MEMS fabricationwass used to make a SU-8 molder which has micro structures on the surface, and the PDMS micro structure was fabricated by the PDMS molding method. In the aspect of printed electronics, we used silver paste conductive ink. We measured the surface energy variation on pillar microstructure. The microstructure was used to real printing experiment by a screen printing. We printed 1cm micro lines which have 30~250µm width, and checked the conductivity to sort out opened line pattern. Printability was defined by success probability of printed patterns and we found that the present microstructures improve the printability significantly. Key Words: Printed Electronics ( 인쇄전자 ), Micro Structure ( 미세구조 ), Screen Print ( 스크린인쇄 ) 기호설명 θ = Surface contact angle Φ = Printability 1. 서론 인쇄기술은기존미디어산업에서신문, 잡지, 서적등의출판물이나글씨나그림이들어간각종인쇄물들을빠르고저렴하게제작할수있도록고도로발달되어왔다. 또한잉크젯프린터나레이저프린터등의대중화로인해사무실뿐만아니라가정집에서도손쉽게 desktop 으로문서나그림, 사진을인쇄할수있게되었다. 오늘날에는새로운생산기술로서, 기존에미디어잉크대신전자잉크를사용하여전자제품을 인쇄하는인쇄전자 (Printed Electronics) 기술이각광받고있다. 기존에반도체나회로를제작하던기술인 photolithography 를이용한 MEMS 공정은수십 nm 의정밀함을가진다는장점이있지만, etching 공정이들어가재료의낭비가많아공정비용이비싸고, 인체와환경에해로운화학물질이많이쓰인다는단점과공정과정이길고복잡하여생산성을높이는데한계를가지고있다. 인쇄전자기술은 MEMS 공정에비해정밀도는떨어지지만, lithography 공정에서발생하는비싼물질들의낭비를줄임으로써가격경쟁력을가질수있게하고, 간단한공정과정을통해서생산속도를향상시킬수있다는장점으로인해큰관심을받고있다. 현재이인쇄전자기술은여러가지방면으로응용될가능성을가지고있다. 먼저친환경차세대에너지원으로부각받고있는태양전지중유기태
한국정밀공학회지제 27 권 9 호 pp. 20-25 September 2010 / 21 양전지 (Organic photovoltaic : OPV) 는구조가간단하여인쇄방식으로생산하는것이가능하며, OLED 나 flexible display, RFID, printed batter 등많은응용분야가나타나고있다. 현재다양한인쇄방법이인쇄전자에적용되어연구되고있다. 기존미디어인쇄에쓰이던스크린인쇄, 잉크젯인쇄, 그라비아인쇄, 그라비아오프셋, 에어로졸인쇄, 플렉소인쇄, 패드인쇄등등여러인쇄공정이인쇄전자에적용되어연구되고있다. 그러나전자잉크는기존미디어잉크와달리잉크내에 silver paste 나 nano particle, binder, 유기물질, 계면활성제등이들어있어, 잉크특성이다양하고불규칙하여전자인쇄연구에걸림돌이되고있다. 또한미디어인쇄에서는가독성이가장중요하였던것과달리, 인쇄전자에서는인쇄된패턴의결함이눈에보이지않더라도그기능을수행하지못하면의미가없기때문에더정확하고완벽한인쇄성능이요구된다. 여러가지인쇄과정이있지만, 모든인쇄과정은잉크가고체표면과접촉하고, 원하는형태로놓여지는과정이라할수있다. 따라서잉크와고체가접촉할때, 잉크와고체표면의상호작용을조절하는것이가장핵심기술이며, 이상호작용은잉크와고체표면의표면에너지에의해서표현된다. 이표면에너지를조절위하여사용되는방법은고체표면에화학물질코팅, 플라즈마표면처리, 계면활성제첨가, electrowetting-on-dielectric (EWOD) 기술등이있다. 본연구에서는이외에자연에서찾을수있는표면에너지조절방법중하나인미세표면구조를이용해보고자한다. 자연의연꽃잎은그표면에수많은돌기가있어초소수성표면을가지게되었고, 게코도마뱀의발가락에는 1 제곱센티당 14000 개이상의섬모들이매우높은표면에너지를가지게하여, 어떠한벽에도달라붙을수있는발을가지고있다. 1936 년 Wenzel 1 은표면구조가있는표면에서의표면에너지는 roughness 에비례하여변화한다고주장하였다. 또한 1944 년 Cassie and Baxter 2 는공기가갇힌표면과유체가접촉할때표면에너지에대한식을정립하였다. Nosonovsky and Bhushan 3 는미세표면구조를이용하여 roughness 를조절하고이를통해표면에너지를조절하였으며, Bhushan and Jung 4 은초소수성잎사귀와초친수성잎사귀의표면을모사한미세표면구조를만드는연구를진행하였다. Extrand et al. 5 은미세표면구조가있는표 면에서기존 Wenzel 과 Cassie and Bexter 모델과다른 hemi-wicking 에의한 super wetting 현상에관하여연구하였다. 이밖에도미세표면구조를이용한표면에너지조절에관한연구는활발히진행되고있으나, 대부분순수한물에대한연구여서실제복잡한특성을가진전자잉크에적용하긴힘든상황이다. 본연구에서는미세표면구조로인한표면에너지의변화를실제전자인쇄에사용되는전자잉크를사용하여알아보고, 미세표면구조를가진 substrate 에인쇄하였을때, flat 한평면에인쇄한것과어떤차이점을보이는지에대하여알아볼것이다. photolithography MEMS 공정과 PDMS molding 방법을사용하여 PDMS 위에미세표면구조를제작하였다. 실버페이스트 (silver paste) 잉크를사용하여표면접촉각측정실험으로표면에너지변화를관찰하고, 스크린인쇄기법을사용하여실제미세라인전극을인쇄하여미세표면구조가인쇄성에어떠한영향을미치는지알아볼것이다. 그리고전자현미경을이용하여인쇄된양상을관찰해보겠다. 2. 실험설계 2.1 미세표면구조제작인쇄되는표면 (substrate) 에미세표면구조가있을시나타나는현상을알아보기위하여, 본연구에서는 Figure 1 과같이 photolithography 공정과 PDMS molding 기법을이용하였다. Fig. 1 Process of photolithography and PDMS molding; (a) Su-8 coating; (b) UV exposure; (c) developing PR; (d) PDMS coating;(e) : PDMS molding
한국정밀공학회지제 27 권 9 호 pp. 20-25 September 2010 / 22 Fig. 2 Microstructure pattern mask 먼저 Silicon wafer 위에 3000rpm 으로 Microchem 사의 Su-8 10 을 3000rpm 으로 spin coating 하여 10µm 두께를쌓는다. Soft baking 후, Fig. 2 의 pattern mask 로 masking 후 UV 노광한다. 이후 post baking 후 develop 하여, 10µm 깊이의미세한정사각형홈들이있는 Su-8 mold 를제작하였다. 여기에 dow corning 사의 PDMS 184-A 와 B 를 10:1 의무게비로혼합한용액을붓고, 65 의오븐에서 3 시간동안 curing 한후이형하여, 10µm 높이의미세한정사각형기둥이배열된미세표면구조를가진 PDMS 를제작하였다. Figure 2 는 10µm 크기의정사각형이 10, 20, 30, 40µm 간격으로무수히배열된 4 가지의 pattern mask 의모양을보여주고있다. 2.2 표면접촉각측정인쇄과정에서, 잉크는여러가지인쇄방법을통해 Substrate 에잉크가놓여지게된다. 인쇄시잉크의거동은표면에너지에의해서정해진다고알려져있다. 그리고이표면에너지는열역학적평형에의하여 (Thermodynamic equilibrium) 에의하여분석되며, 유체, 고체, 기체의세가지상의접촉점에서평형을이루게된다. 각각의계면에서의에너지는다음과같이표현하였으며, γ S (surface tension of the solid), γ L (surface tension of the liquid), γ SL (interfacial tension between the solid and the liquid), 평형관계식은다음과같이표현된다. γ cosθ = γ γ (1) L S SL Huang et al. 6 은표면접촉각의변화에따른잉크전이율의변화에대하여수치해석적으로분석하였으며, non-newtonian 유체의잉크전이에대하여수치해석적연구도진행중에있다. Kang et al. 7 은잉크전이과정가시화를통해표면접촉각변화에따른잉크전이메커니즘에대한실험적분석을하였다. 본연구에서는미세표면구조에따른표면에너 지의변화에대해알아보기위하여, 미세표면구조를가진 PDMS 위에서전도성잉크의표면접촉각을측정하기위하여 Fig. 3 과같이실험장치를구성하였다. 실험은표면가까이에주사바늘을설치하고 tube 로연결된 syringe pump 를이용해서 1µL 의잉크를 injection 해주면, 표면에서 ink 방울이자라나게된다. 잉크가거동을멈춰평형상태가되면 CMOS camera 로이를촬영하여표면접촉각을분석하였다. Fig. 3 Surface contact angle measurement setup 전도성 silver paste 잉크인 Paru 사의 PS-012 를사용하였고, 100% 상태의잉크의점도는 18951cp 이다. Table 1 는잉크의사양을보여주고있다. 본실험에서는잉크의점도를변화시키기 Paru 사에서제공한 ECA 희석제를사용하여 90%wt, 80%wt 의잉크에대해서도접촉각변화를측정하였다. Table 1 PS-012 specification Co. Pigment Solvent Density Pigment size Paru Silver flake Ethyle Carbitol 2.65g/cc 2~17µm 2.3 스크린인쇄실험및결과분석미세표면구조가인쇄에미치는영향을관찰하기위하여, 인쇄전자연구에서주로사용되는스크린인쇄방법을사용하였다. Figure 4 는스크린인쇄과정을보여주고있다. 스크린인쇄에서는 flexible 한 mesh mask 가사용된다. 먼저 (b) 도포과정 (spreading) 에서스크래퍼를이용하여잉크가 mask 위에고르게도포한다. 다음으로 (c) 인쇄과정에서는도포된잉크위로폴리머소재로만들어진 squeezer 가지나가면서잉크를 mesh 사이로밀어내면서잉크가 substrate 로전이된다. 인쇄전자의인쇄물은기존미디어인쇄와달리전도성과같은기능성을가져야한다. 따라서본연구에서는미세라인을인쇄후통전테스트를통하여, 인쇄가성공적으로되었는지여부를판단
한국정밀공학회지제 27 권 9 호 pp. 20-25 September 2010 / 23 하였고, 반복인쇄실험을통해미세라인의선폭별인쇄성공확률을분석함으로써인쇄성 (printability) 을평가하였다. 잉크는 Paru 사의 PS- 012 를사용하고 Fig. 5 모양의스크린 mesh 를사용하여 1cm 의길이를가지고미세선폭 (30~250µm) 을가진전도성라인을인쇄하였다. 인쇄후 100 에서 15 분동안소결하여실험을진행하였다. 3. 실험결과 3.1 표면접촉각변화앞서준비한실험장치를사용하여미세표면구조를가진 PDMS 위에서잉크의표면접촉각을측정하였다. 표면으로는평평한한 PDMS 표면과앞서제작한 4 가지미세구조를가진 PDMS 표면을 Fig. 5 Mesh mask pattern for screen print 사용되었다. 미세구조에의한표면접촉각변화와더불어, 잉크의특성을변화시켜가며실험하기위하여, 100wt% PS-012 잉크와 ECA 첨가제를첨가한 95wt%, 90wt% 의잉크에대해서도접촉각을측정하였다. Figure 6 은 5 가지표면에서잉크방울의사진이다. 평형상태에서잉크방울은모양은구의일부이다. 따라서잉크의가장자리위의 3 점을선택하고그에외접하는원을계산하여표면접촉각을구하였다. Fig. 6 Contact angle measurement of 90wt% ink; (a) on flat (71.6 ); (b) on D=10µm (75.1 ); (c) on D=20 µm (72.4 ); (d) on D=30 µm (69.1 ); (e) D=40 µm (67.9 ) Fig. 4 (a),(b),(c) Schematic of screen printing; (d) screen printer Figure 7 는미세표면구조에서 10µm 정사각기둥의간격즉, D 의변화에따른표면에너지의변화를나타낸그래프이다. 표면에너지를나타내기위하여 cosine 값을나타내었다. 3 가지잉크에서간격이 10µm 에서 40µm 까지증가함에따라표면에너지도같이증가하는모습을보였다. 또한 D=10µm 일때는 flat 한표면보다오히려표면에너지가적게나왔고, D=20µm 이상부터는점차미세표면구조위에서의표면에너지가
한국정밀공학회지제 27 권 9 호 pp. 20-25 September 2010 / 24 Fig. 7 cosθ vs distance 커지는모습을보였다. 이를통해미세표면구조가표면접촉각에미치는영향을크게두가지로추정하였다. 먼저첫번째는미세기둥사이로 hemiwicking 이발생하여미세표면구조에의해서표면에너지가증가하였으며, 두번째는잉크가표면에서퍼져질때미세기둥의가장자리에서잉크가고정되는 pinning 이일어나기때문에잉크가퍼지지는것을방해하게되는데, 기둥의간격이좁을수록이영향이강하기때문에 D 가작을때는표면에너지가낮아지게되었다고판단된다. 따라서, 미세표면구조를통한표면에너지제어를위해서는적절한최적조건을찾는것이중요하다. 3.2 인쇄성평가스크린프린터를이용하여미세전극패턴을인쇄하고그전도성을측정하여미세표면구조가있는 PDMS 위에서인쇄성을평가하여보았다. 인쇄시에는인쇄물에부분적으로끊어짐, 번짐현상등이발생할수있으며, 끊어짐현상같은경우회로의끊어짐을, 번짐현상은회로의합선을유발시킬수있다. 따라서이런 failure 를최대한줄이는것이중요하다. 본실험에서는반복적으로 1cm 길이의라인패턴을인쇄하고통전테스트를하여, 인쇄물의인쇄성공여부를판단하였다. 이로부터인쇄성공확률을전체인쇄횟수로부터계산하여인쇄성을평가하였다. Printability Φ 는 (2) 와같이정의된다. Φ= 성공한인쇄횟수총인쇄횟수 (2) 미세선폭 (30~250µm) 을가진스크린인쇄실험을한결과 110µm 이상의패턴은평평한 PDMS 와미세표면구조모두에인쇄가완벽히되었지만 100µm 부터는실패한패턴들이나타나기시작하였다. 평평한 PDMS 위와 4 가지미세표면구조위에선폭별라인패턴의인쇄결과를 Fig. 8 에서보여주고있다. 먼저평평한 PDMS 위에서는 100µm 선폭패턴까지는인쇄가잘되는모습을보였으나, 90µm 부터는급격히 Φ 값이줄어들었고, 더가는패턴에서는저조한인쇄성을보였다. 반면미세표면구조가있는 PDMS 의경우 4 가지모두다 80µm 선폭의패턴까지는높은인쇄성을유지하였고, 최소 50µm 까지인쇄가성공한케이스가나타나기도하여, 미세표면구조가인쇄성향상에도움을준다고판단된다. 미세표면구조끼리비교해보았을때는 D=10µm 간격과 40µm 간격의미세표면구조에서는 60µm 선폭이하패턴에서는 50% 이하의결과를나타내었으며, 50µm 선폭의패턴은인쇄되지않았다. 가장잘된경우는 D=30µm 인미세표면구조이다. 이경우 60µm 선폭까지는 70% 이상의성공률을보이고, 50µm 선폭의경우도 30% 이상인쇄가성공하였다. Fig. 8 printability vs line width 인쇄된패턴들의인쇄양상을관찰해보기위하여전자현미경으로관찰해보았다. Figure 9 는미세표면구조위와평평한 PDMS 위에서의인쇄모습의사진이다. 미세표면구조가있는경우에는라인패턴에끊김이없지만평평한면에인쇄한경우사진과같이매우불규칙하게인쇄된것을볼수있다. 미세구조위에서는미세구조가잉크와접촉하면서더많은접촉면적을가지게되는것을볼
한국정밀공학회지 제 27 권 9 호 pp. 20-25 수 있다. 이로 인해 선이 길이 방향으로 진행함에 있어 끊김이 생길 염려가 줄어들게 되어 높은 인 쇄성이 나타나게 된 것으로 판단된다. 또한 미세 구조의 간격이 멀게 되면 이러한 효과가 줄어들게 되어서 끊김이 종종 발견되는 것을 확인할 수 있 었다. 이로 인해 D=40µm 인 경우보다 D=20,30µm 에서 더 좋은 인쇄성이 나타난 것으로 판단할 수 있다. 그리고 D=10µm 에서는 미세패턴의 간격이 너무 좁아 잉크가 스며드는데 영향을 미쳐 안 좋 은 결과가 나온 것으로 추정되며, 인쇄성을 높이 는데 적합한 미세표면구조는 최적의 크기와 간격 이 존재하며, 이를 조절함으로써 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. September 2010 / 25 하였다. 그러나 현재 사용한 PDMS 와 MEMS 공정 을 사용한 미세표면구조의 제작은 실제 인쇄전자 의 공정에 적용하기에는 어려운 점이 있으므로, 실제 이용되는 PET 등의 필름에 미세표면구조를 손쉽게 제작하고 응용하는 연구가 더 필요한 상황 이다. 후 기 본 연구는 지식경제부 부품소재기술개발사업 (10µm 급 미세 Multi-Roll to Roll 연속 패터닝 기 술), 산업기술개발사업 (R2R 인쇄 전자용 Jetprinting, 메탈젯 시스템 개발)의 지원으로 연구되 었으며 이에 감사 드립니다. 참고문헌 Fig. 9 SEM pictures of printed line pattern; (a) on flat PDMS; (b),(c),(d) on microstructure 4. 결론 본 연구에서는 미세표면구조가 있는 표면에 인 쇄하였을 때 어떠한 영향을 끼치는지 알아보기 위 한 실험과정과 결과를 기술하였다. 전자인쇄에서 실제로 사용되는 전도성 실버 잉크를 사용해서 실 험하였다. 미세표면구조 위에서 전도성 실버 잉크 의 표면 접촉각을 측정 및 분석하였다. 미세표면 구조에 의하여 평평한 표면에 비해 표면에너지가 증가 혹은 감소함을 관찰하였고 그 원인에 대하여 고찰하였다. 스크린 인쇄 기법을 사용해 미세 선 폭을 가진 라인패턴 인쇄를 통해 미세표면구조가 있는 표면 위에서 인쇄성이 향상되는 것을 확인하 였으며, 전자현미경 사진으로 인쇄된 양상을 관찰 1. Wenzel, R. N., Resistance of solid surfaces to wetting by water, Ind. Eng. Chem., Vol. 28, No. 8, pp. 988-994, 1936. 2. Cassie, A. and Baxter, S., Wettability of Porous Surfaces, Trans. Faraday Soc., Vol. 40, pp. 546-551, 1944. 3. Nosonovsky, M. and Bhushan, B., Roughnessinduced superhydrophobicity: a way to design nonadhesive surfaces, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 20, No. 22, Paper No. 225009, 2008. 4. Bhushan, B. and Jung, Y. C., Wetting, adhesion and friction of superhydrophobic and hydrophilic leaves and fabricated micro/nanopatterned surfaces, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 20, No. 22, Paper No. 225010, 2008. 5. Extrand, C. W., Moon, S. I., Hall, P. and Schmidt, D., Superwetting of Structured Surfaces, Langmuir, Vol. 23, No. 17, pp. 8882-8890, 2007. 6. Huang, W.-X., Lee, S.-H., Sung, H. J., Lee, T.-M. and Kim, D.-S., Simulation of Liquid Transfer between Separating Walls for Modeling Micro-gravure-offset Printing, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 29, No. 5, pp. 1436-1446, 2008. 7. Kang, H. W., Sung, H. J., Lee, T.-M., Kim, D.-S. and Kim, C. J., Liquid Transfer between Two Separating Plates for Micro-Gravure-Offset Printing, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 19, No. 1, Paper No. 015025, 2009.