Repetitive high-aspect-ratio (HAR) microstructures of polymeric, ceramic, and metallic patterns are important for various applications such as electronic devices, biomedical engineering, sensors, optical communication, thin film optical elements, microfludic devices, fuelcells, and flat panel displays (FPD). HAR microstructures offer increased surface and cross sectional area, leading to increased sensitivity and further miniaturization, the possibility of higher assembly density of microstructure elements, higher throughput in continuous flow systems, and higher color resolution in displays compared with a system with low aspect ratio microstructures. A HAR is also important for studying the effect of three-dimensional topological influences and constraints on the function of optical, chemical, and biological applications such as optical films, microreactors, and cell encapsulation. Patterned microstructure arrays made with inorganic materials such as ceramic and metal are also necessary for better color resolution in FPDs such as a Liquid Crystal Display (LCD), Plasma Display Panel (PDP), and Field Emission Display (FED).
In the manufacturing process of PDP, development for high resolution formation process of the inorganic patterns such as the ceramic barrier ribs and the metallic electrodes has been the main topic. Up to date, diverse fabrication processes have been developed and some of them have been applied to the production of barrier ribs. Currently, the barrier ribs have been formed by the sand blasting process, chemical etching process, and the photolithographic method with photosensitive barrier rib paste; however, they still have many issues in the fabrication of HAR barrier ribs. Therefore, the new conceptive fabrication process is necessary to fabricate the ultra-slim patterns with HARs.
In this work, a new manufacturing process has been developed for the fabrication of HAR inorganic microstructures. First, X-ray lithography process was developed to fabricate HAR barrier rib and high resolution electrode. The X-ray mask was fabricated after optimization of absorber patterns. Then, X-ray sensitive paste was investigated to obtain HAR barrier rib and high resolution Ag electrode. Finally, the process parameters were optimized by controlling X-ray power and polymerization sensitivity of the paste to X-ray.
Second, a UV-assisted roll forming process was developed for mass production of the HAR barrier ribs. First of all, the glass fiber reinforced soft mold was introduced to fabricate the HAR barrier ribs without the dimensional instability. Then, the UV curable barrier rib paste was studied to increase filling efficiency of paste, that is, ability to fill into the soft mold, curing rate of the paste during UV exposure, and mechanical properties such as elongations and ultimate stress of the cured barrier rib and to reduce defects such as micro-crack and distortion in the barrier rib. Finally, the barrier rib was successfully fabricated by derivation of optimal condition of process parameters in the UV-assisted roll forming process.
Finally, the discharge characteristics of PDPs with high aspect ratio (HAR) barrier ribs fabricated by X-ray lithography and a UV-assisted roll forming process were discussed and compared them with those of a panel with barrier ribs produced by a sandblasting process.
나노기술 (NT), 정보기술 (IT), 생명공학 기술 (BT) 들은 21 세기 인류의 문명 세계를 이끌어 갈 새로운 패러다임의 기술로 주목 받고 있으며, 물리학, 화학, 생물학, 전자공학, 재료공학, 기계공학 등의 여러 과학기술 분야들이 서로 융합되어 기존에는 존재하지 않았던 새로운 기능을 가진 시스템을 구현하거나 소자의 효율을 더욱 향상시킴으로써 다양한 산업 분야의 기술혁신을 주도하여 왔다. 금속, 세라믹 등의 기능성 재료에 대한 극미세 패턴 가공기술은 전자, 화학, 바이오 등의 여러 산업 분야에서 신제품 개발의 핵심이 되는 기반 생산기술로 발달되어 왔으며, 소자의 표면적과 단면적을 증가시킬 수 있는 고종횡비 (HAR, high aspect ratio) 반복구조물을 이용함으로써 소자의 시스템 특성은 더욱 발전되어 왔다. 특히, PDP, LCD, FED 등의 평판 디스플레이의 분야에서는 고종횡비 반복구조물로 인하여 고효율, 고해상도 패널을 제작할 수 있게 되었다.
본 연구에서는 세라믹, 금속과 같은 기능성 재료에 대한 고종횡비 마이크로 반복구조물을 제작하기 위하여 감광성 페이스트를 이용한 X-선 리소그래피 공정과 자외선 부가 롤 성형 공정에 대한 신개념의 공정을 제안하여 개발하였고, 제작된 격벽과 금속전극을 PDP 패널에 적용하여 그 시스템 특성을 평가, 분석하였다. 특히, 고종횡비 반복구조물을 제작하기 위한 제안된 두 가지 공정들의 최적화를 진행함에 있어서 감광성 페이스트 재료의 설계조건과 제작조건을 서로 연계하여 아래의 내용으로 공정변수를 분석하였다.
첫째, PDP 패널의 고종횡비 격벽을 제작하기 위하여 싱크르트론 가속기에서 파생되어 나오는 X-선과 그 X-선에 감응하는 페이스트를 이용한 X-선 리소그래피 공정을 개발하였다. 고종횡비 격벽 제작을 위하여 경 (hard) X-선과 MEMS 공정으로 제작된 Si 웨이퍼를 기반으로 한 X-선 마스크를 이용하여 $180 \microm$ 의 높이와 $12 \microm$의 폭을 갖는 격벽 패턴을 구현하였다. 경 X-선 조사조건과 바인더, 모노머, 올리고머, 첨가제 등의 유기물과 유리분말 등의 파우더의 재료조건이 고종횡비 격벽 패턴의 제작 형상에 미치는 영향을 실험으로 관찰하여 감광성 페이스트를 설계하고 공정 최적화를 진행하였다.
또한 싱크르트론의 연 (soft) X-선을 이용한 X-선 리소그래피 공정으로 극미세 Ag 금속 전극을 제작하였으며, Ag 전극 페이스트의 중합감도와 X-선의 강도를 연계 제어한 공정 최적화를 통해 선폭 $15 \microm$ 를 갖는 전극 패턴을 구현하였다. 또한 제안된 X-선 리소그래피 공정을 범용으로 활용하기 위하여 X-선 발생원으로 X-선관 (X-ray tube)를 이용하여 Ag 전극 패턴 제작의 가능성을 확인하였다.
둘째, 고종횡비 반복구조물의 생산성을 증가시키기 위한 방법으로 자외선 부가 롤 성형공정을 개발하였다. 먼저, 복제된 격벽 패턴의 치수안정성 확보를 위하여 유리섬유를 보강한 소프트 몰드에 대한 FEM 해석에 의한 설계 최적화를 진행한 후에 MEMS 공정을 이용하여 고강도 소프트 몰드를 제작하였다. 또한, 자외선 부가 롤 성형공정의 충진, 경화, 이형단계와 소결 공정을 포함한 전 제작 공정 단계에서 성형 결함을 최소화하기 위한 자외선 경화 페이스트의 설계를 최적화하였다. 고강도 소프트몰드와 최적 설계된 자외선 경화 페이스트를 롤 성형공정에 적용하여 주요 공정변수인 롤 하중과 롤링 속도에 따른 최적 성형영역을 도출하고, 높이 $180 \microm$와 폭 $18 \microm$ 을 갖는 미세 격벽을 제작하였다.
셋째, X-선 리소그래피 공정과 자외선 부가 롤 성형공정으로 제작된 극미세 격벽을 적용한 PDP 테스트 패널의 방전특성을 분석하였다. 종래 격벽 제작공정인 샌드블라스팅 공정으로 제작된 격벽을 적용한 PDP 테스트 패널과 X-선 리소그래피 공정과 자외선 부가 롤 성형공정으로 제작된 고종횡비를 갖는 격벽을 적용한 패널에 대한 방전특성의 비교 결과 고종횡비 격벽으로 인한 넓은 방전공간을 갖는 패널이 약 14~19% 정도의 방전효율이 향상됨을 확인하였다.
향후 본 연구에서 제안된 기술들이 태양전지, 연료전지, MEMS 소자, 디스플레이 등의 보다 다양한 응용분야에서 적용되기 위해서는 저가의 대량생산에 적합한 고속 제작공정으로 발전하여야 할 것으로 보인다. 특히, X-선 리소그래피 공정의 범용화를 위해서는 무엇보다도 X-선 튜브와 같은 저가의 X-선 발생원을 이용한 패턴제작 기술에 연구가 더욱 필요하다. 또한, 자외선 부가 롤 성형공정의 범용화를 위해서는 복제패턴의 정렬기술, 몰드와 페이스트의 이형성 향상 기술, 소프트 몰드의 대면적 제작 및 수명 개선에 대한 연구가 더욱 필요할 것으로 사료된다.
