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KR20120112606A - 가압 롤러를 사용한 미세 접촉 인쇄 장치 및 방법 - Google Patents

가압 롤러를 사용한 미세 접촉 인쇄 장치 및 방법 Download PDF

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KR20120112606A
KR20120112606A KR1020127018974A KR20127018974A KR20120112606A KR 20120112606 A KR20120112606 A KR 20120112606A KR 1020127018974 A KR1020127018974 A KR 1020127018974A KR 20127018974 A KR20127018974 A KR 20127018974A KR 20120112606 A KR20120112606 A KR 20120112606A
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South Korea
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stamp
roller
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inflatable bladder
pressure
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트레이시 제이 베르니아르드
맷튜 에이치 프레이
랜스 이 베하이머
미하일 엘 페쿠로브스키
리차드 더블유 그레거
다니엘 피 미한
조나단 제이 오하레
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

미세 접촉 인쇄 장치 및 방법이 기술되어 있다. 미세 접촉 인쇄 장치는 평면 스탬프 및 가압 롤러를 포함한다. 가압 롤러는 유체에 의해 보이드 및 스탬프 붕괴와 같은 인쇄 결함을 감소시키는 압력으로 팽창될 수 있는 팽창가능 블래더를 포함한다. 기판이 가압 롤러와 작용기화 분자의 잉크로 코팅되어 있는 스탬프 사이에 배치되어 있다. 가압 롤러가 기판 상에서 이동할 때, 작용기화 분자의 적어도 일부분이 스탬프로부터 기판으로 원하는 패턴으로 전사된다.

Description

가압 롤러를 사용한 미세 접촉 인쇄 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MICROCONTACT PRINTING USING A PRESSURIZED ROLLER}
관련 출원과의 상호 참조
본 출원은 2008년 12월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/288,945호를 기초로 우선권을 주장하며, 이 출원의 개시 내용은 참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 개시 내용은 기판 상에 자기 조립 모노층(self assembling monolayer)을 패턴화하는 데 사용되는 미세 접촉 인쇄 공정 및 디바이스에 관한 것이다.
미세 접촉 인쇄는 패턴화된 자기 조립된 모노층(self assembled monolayer, SAM)을 형성하기 위해 화학 결합을 통해 기판 표면(예컨대, 코팅된 기판 표면)에 부착되는 작용기화 분자(functionalizing molecule)의 패턴을 생성하는 데 사용될 수 있는 인쇄 기법이다. SAM을 미세 접촉 인쇄하는 기본적인 방법은 작용기화 분자를 포함하는 잉크를 양각-패턴화된 탄성 중합체 스탬프(예를 들어, 폴리(다이메틸실록산)(PDMS) 스탬프)에 도포하고 이어서 잉크가 칠해진 스탬프를 기판 표면(보통 금속 또는 금속 산화물 표면)에 접촉시킴으로써 스탬프와 기판 사이의 접촉 영역에 SAM이 형성되도록 하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 탄성 중합체 스탬프가 평평할 수 있고(즉, 양각 패턴을 포함하지 않음), 기판 표면이 양각 패턴화될 수 있다. 미세 접촉 인쇄법을 사용하여 인쇄되는 미세 패턴화된 유기 및 무기 물질이 잠재적으로 금속을 입힌 중합체 필름과 같은 기판에 고유한 전기적, 광학적 및/또는 생물학적 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태는 미세 접촉 인쇄 방법에 관한 것이다. 미세 접촉 인쇄 방법은 작용기화 분자를 포함하는 잉크가 칠해진 평면 스탬프(planar inked stamp)를 제공하는 단계를 포함한다. 기판의 제1 표면은 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 쪽으로 배향되어 있다. 가압 롤러가 기판의 제2 표면 상을 굴러갈 때, 기판의 제1 표면과 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 사이에 접촉이 이루어진다. 가압 롤러는 유체에 의해 가압되는 팽창가능 블래더(inflatable bladder)를 포함한다. 작용기화 분자의 적어도 일부분이 잉크가 칠해진 평면 스탬프의 표면으로부터 기판의 제1 표면으로 전사된다.
본 발명의 다른 실시 형태는 미세 접촉 인쇄 장치에 관한 것이다. 이 장치는 평면 스탬프 및 유체에 의해 가압되도록 구성되어 있는 팽창가능 블래더를 포함하는 롤러를 포함한다. 작동기는, 가압 롤러가 평면 스탬프에 압력을 가하는 동안, 스탬프의 표면에 실질적으로 평행인 방향으로 가압 롤러와 스탬프 사이의 상대 이동을 제공한다.
세로축을 갖는 미세 접촉 인쇄 롤러는 유체에 의해 가압되도록 구성되어 있는 팽창가능 블래더를 포함한다. 롤러의 외측 표면은, 팽창가능 블래더가 137.9 ㎪(20 psi)(pounds per square inch) 미만으로 팽창될 때, 롤러의 세로축을 따라 적어도 5 ㎝(센티미터)의 폭에 걸쳐 1 ㎝ 폭당 1 ㎜(밀리미터) 미만의 높이 변동을 갖도록 구성되어 있다.
본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각각의 실시형태 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 보다 완전한 이해와 더불어 이점 및 효과는 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기의 상세한 설명 및 특허청구범위를 참조함으로써 명백해지고 이해될 것이다.
도 1a는 가압 미세 접촉 인쇄 롤러를 사용하는 미세 접촉 인쇄 장치를 나타낸 도면;
도 1b는 가압 미세 접촉 인쇄 롤러의 평면도;
도 2a는 내부 코어를 갖는 가압 롤러의 평면도;
도 2b는 블래더가 팽창될 때 코어로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 외부 벽을 갖는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 2c는 팽창가능 발포체를 포함하는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 2d는 발포체층 상에 배치된 탄성 중합체 벽을 포함하는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 3a는 내부 및 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더를 포함하는 가압 롤러의 평면도;
도 3b는 내부 및 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더 및 가압 유체가 들어 있는 내부 체적의 단면도;
도 3c는 내부 및 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더 및 내부 벽과 외부 벽 사이에 배치된 발포체의 단면도;
도 4a는 외부 탄성 중합체 벽 및 발포체층을 갖는 팽창가능 블래더의 단면도로서, 탄성 중합체 벽 및 발포체층은, 블래더가 팽창될 때, 롤러 코어로부터 멀어지는 쪽으로 팽창함;
도 4b는 내부 탄성 중합체 벽 및 발포체층을 갖는 팽창가능 블래더를 나타낸 단면도로서, 탄성 중합체 벽 및 발포체층은, 블래더가 팽창될 때, 롤러 코어로부터 멀어지는 쪽으로 팽창함;
도 4c는 블래더가 팽창될 때 롤러 코어로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 발포체층을 갖는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 5a는 롤러 코어 상에 배치된 발포체층 및, 블래더가 팽창될 때, 발포체층으로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 5b는 롤러 코어 상에 배치된 발포체층, 내부 탄성 중합체 벽, 및, 블래더가 팽창될 때, 발포체층 및 내부 탄성 중합체 벽으로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더의 단면도;
도 6a는 단부에 의해 지지되는 팽창가능 블래더를 갖는 코어없는 가압 롤러(coreless pressurized roller)의 평면도;
도 6b는 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더를 포함하는 코어없는 가압 롤러의 단면도;
도 6c는 팽창가능 발포체를 갖는 팽창가능 블래더를 포함하는 코어없는 가압 롤러의 단면도;
도 6d는 팽창가능 발포체 및 외부 탄성 중합체 벽을 갖는 팽창가능 블래더를 포함하는 코어없는 가압 롤러의 단면도;
도 6e는 경사 팽창가능 발포체를 갖는 팽창가능 블래더를 포함하는 코어없는 가압 롤러의 단면도;
도 7a 및 도 7b는 비원통형 코어를 갖는 가압 롤러를 나타낸 도면;
도 8은 코어를 따라 산재되어 있는 세로방향 팽창가능(longitudinal inflatable) 부분 및 비팽창가능 부분을 포함하는 가압 롤러의 일례를 나타낸 도면;
도 9는 코어 주위에 산재되어 있는 원주방향 팽창가능(circumferential inflatable) 부분 및 비팽창가능 부분을 포함하는 가압 롤러의 일례를 나타낸 도면;
도 10a는 분할된 팽창가능 블래더(segmented inflatable bladder)를 포함하는 가압 롤러의 일례를 나타낸 도면;
도 10b는 분할된 팽창가능 블래더를 포함하는 가압 롤러의 단면도;
도 11은 비분할된 팽창가능 블래더(un-segmented inflatable bladder)의 세로방향 높이 변동을 나타낸 도면;
도 12는 미세 접촉 인쇄 장치의 일부분을 나타낸 도면;
도 13은 가압 롤러가 기판 상을 지나갈 때 어떤 시점에서의 미세 접촉 인쇄 장치의 다른 뷰를 제공하는 도면;
도 14는 가압 롤러 및 가압 롤러를 회전시키도록 구성된 모터 구동식 장치를 나타낸 도면;
도 15는 미세 접촉 인쇄 공정의 흐름도;
도 16은 보이드 결함을 갖는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드);
도 17은 결함을 갖지 않는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드);
도 18은 붕괴 결함(collapse defect)을 갖는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드).
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태로 용이하게 개조될 수 있지만, 본 발명의 상세 사항은 도면에 예로서 도시되었고 상세히 기술될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 제한하고자 의도한 것이 아님을 이해하여야 한다. 반면에, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 등가물, 및 대안을 포함하고자 한다.
이하의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시 형태를 나타낸 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시 형태가 이용될 수 있고 이들 실시 형태에 구조 및 기능상의 변경이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
미세 접촉 인쇄는 작용기화 분자를 스탬프로부터 기판으로 전사시키는 것을 수반하는 인쇄 기법이다. 스탬프 또는 기판은 양각-패턴화된 표면을 포함한다. 작용기화 분자는 화학 결합을 통해 기판 표면에 부착되어, 자기 조립된 모노층(SAM)을 원하는 패턴으로 형성한다. 미세 접촉 인쇄를 사용하여 작용기화 분자를 스탬프로부터 표면으로 원하는 패턴으로 결함없이 전사할 수 있는 것은 스탬프의 접촉 영역에서 기판에 가해지는 국부 압력에 의존한다.
본 발명의 실시 형태는 미세 접촉 인쇄 장치에서 사용될 수 있는 팽창가능 블래더를 갖는 미세 접촉 인쇄용 가압 롤러를 예시하고 있다. 가압 롤러는 전방 표면이 스탬프와 접촉하고 있는 기판의 후방 표면에 비교적 낮고 실질적으로 균일한 압력을 가하는 데 사용될 수 있다. 이 방식은, 비패턴화된 영역 내로의 붕괴 없이, 충분한 양의 작용기화 분자를 원하는 패턴으로 스탬프로부터 기판의 전방 표면으로 전사하는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에 기술된 가압 롤러를 사용하는 미세 접촉 인쇄는 산재된 패턴 기하 형태를 갖는 SAM을 신뢰성있게 패턴화하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 가압 롤러는 평면 스탬프와 관련하여 특히 유용하다. "평면 스탬프"는 다른 물질(예컨대, 분자)을 그의 인쇄 표면으로부터 기판으로 전사시키는 탄성 중합체 물질이며, 여기서 인쇄 표면은 평면의 전체 형상을 가진다. 평면인 스탬프의 인쇄 표면, 따라서 평면인 스탬프는 "평평"할 수 있고, 이는 의도적인 양각 패턴을 갖지 않는다는 것을 말한다. 대안적으로, 평면인 스탬프의 인쇄 표면, 따라서 평면인 스탬프는 양각 패턴을 포함할 수 있고, 여기서 양각 패턴은, 일부 실시 형태에서, 현미경으로 볼 수 있는 것이다. 더욱 명확하게 하기 위해, 평면 스탬프가 꼭 양각 패턴을 갖지 않아야 하는 것은 아니다. 또한, 더욱 명확하게 하기 위해, 평면 스탬프가 꼭 평평해야 하는 것은 아니다.
산재된 패턴 기하 형태는 스탬프 붕괴(또는 루프(roof) 붕괴)라는 특정의 문제를 제기한다. "스탬프 붕괴"라는 것은, 스탬프가 바람직하지 않게도 스탬프의 상승된 특징부 사이의 영역에서 기판과 접촉한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 평평한 기판이 상승된 영역과 함몰된 영역을 포함하는 양각-패턴화된 스탬프 표면과 접촉하는 경우, 스탬프 붕괴란 기판 표면과 함몰된 스탬프 표면 영역에 있는 스탬프 표면 사이의 바람직하지 않은 접촉을 말한다. 다른 일례로서, 평평한 스탬프가 상승된 영역과 함몰된 영역을 포함하는 양각-패턴화된 기판 표면과 접촉하는 경우, 스탬프 붕괴란 스탬프 표면과 함몰된 기판 표면 영역에 있는 기판 표면 사이의 바람직하지 않은 접촉을 말한다.
본 명세서에 기술된 방법 및 장치가 유리한 산재된 패턴은 작은 패턴 요소의 일정 간격으로 떨어져 있는 배열(예컨대, 어레이)을 포함한다. 패턴 요소는, 예를 들어, 선, 점, 및 다각형을 포함한다. 패턴 요소는 그의 형상, 배향 및 크기로 묘사될 수 있다. 크기와 관련하여, 패턴 요소는 그의 최소 치수, 예를 들어, 선 요소의 폭으로 묘사될 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 약 10 마이크로미터 미만의 최소 치수를 갖는 작은 패턴 요소에 특히 유리하다. 방법 및 장치의 일부 실시 형태에서, 패턴 요소의 최소 치수는 약 5 마이크로미터 미만이다.
또한 본 명세서에 기술된 방식이 유리한 산재된 패턴과 관련하여, 인접한 패턴 요소 사이의 간격이 클 수 있다. 인접한 패턴 요소 사이의 간격의 일례는 평행한 선 사이의 간격, 정사각형 격자를 정의하는 선의 형태로 선형 패턴 요소에 의해 정의되는 정사각형의 폭, 및 육각형 망상구조(hexagonal network)를 정의하는 선의 형태로 패턴 요소에 의해 정의되는 육각형의 마주하는 면 사이의 간격을 포함한다. 예를 들어, 다양한 실시 형태에서, 인접한 패턴 요소 사이의 간격은 약 50 마이크로미터 초과, 또는 약 100 마이크로미터 초과, 또는 약 200 마이크로미터 초과, 또는 약 300 마이크로미터 초과, 또는 약 400 마이크로미터 초과, 또는 심지어 약 500 마이크로미터 초과일 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 제한된 양각(relief)을 갖는 스탬프를 사용하는 또는 제한된 양각을 갖는 기판을 사용하는 미세 접촉 인쇄에 특히 유리하다. 보다 구체적으로는, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 약 10 마이크로미터 이하의 양각을 갖는 스탬프 또는 기판을 사용하는 미세 접촉 인쇄에 특히 유리하다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 또한 약 5 마이크로미터 이하의 양각을 갖는 스탬프 또는 기판을 사용하는 미세 접촉 인쇄에 유리하다.
스탬프 붕괴는, 전술한 바와 같이, 미세 접촉 인쇄된 패턴에 결함을 야기할 수 있다. 보다 구체적으로는, 스탬프와 기판 사이의 바람직하지 않은 접촉은 작용기화 분자의 기판 표면으로의 바람직하지 않은 전사를 야기할 수 있다. 코팅된 기판의 경우에, 그리고 작용기화 분자의 인쇄된 패턴이 또한 코팅의 적어도 일부분을 제거하기 위해 에칭 단계에서 마스크로서 사용되는 경우, 스탬프 붕괴로 인해 바람직하지 않게도 에칭 후의 의도된 패턴에 대한 상보적인 영역에서의 기판 표면 상에 코팅 물질이 존재할 수 있다. 일반적으로, 주어진 패턴 기하 형태에 대해 스탬핑 압력이 너무 높을 때, 스탬프 붕괴 및 그 결과 얻어지는 아티팩트가 발생될 수 있다.
스탬프 붕괴와 달리, 스탬핑 압력이 너무 낮을 때 다른 결함이 발생될 수 있다. 예를 들어, 스탬핑 압력이 너무 낮은 경우, 스탬프로부터 기판으로의 작용기화 분자의 효과적인 전사를 가져오는 충분히 밀접하고 연속적이며 완전한 접촉이 일어나지 않을 수 있다. 작용기화 분자의 인쇄된 패턴이 에칭 레지스트로서 역할하도록 되어 있을 때, 스탬프와 기판 사이의 충분히 밀접하거나 연속적이거나 완전한 접촉이 없는 것, 그 결과 (예컨대, 자기 조립된 모노층의 원하는 패턴을 완벽하게 형성하기 위한) 스탬프로부터 기판으로의 작용기화 분자의 전사가 충분하지 못한 것으로 인해 에칭이 차단되기로 의도되었던 패턴의 영역에서 바람직하지 않은 에칭이 일어날 수 있다. 바람직하지 않은 에칭은 기판 상의 코팅 물질의 에칭된 패턴의 바람직하지 않은 박형화를 야기할 수 있다. 또는, 바람직하지 않은 에칭은 기판 상의 코팅 물질의 에칭된 패턴에 바람직하지 않은 보이드를 야기할 수 있다.
방금 기술한 바와 같이, 스탬프 붕괴 인쇄 결함을 피하는 것 및 스탬프와 기판 사이의 부적절한 접촉에 관련된 인쇄 결함을 피하는 것은 일반적으로 미세 접촉 인쇄 공정 파라미터(예컨대, 인쇄 압력) 및 장비 설계와 관련하여 상충되는 목적이다. 일부 패턴, 양각 레벨 및 물질(예컨대, 스탬프 및 기판)의 경우, 이들 상충되는 목적을 달성하는 것은 특히 어렵다. 중요한 것은, 점점 더 큰 영역에 걸쳐 미세 접촉 인쇄를 할 때 상기 상충되는 목적을 달성하는 것이 급격히 더 어려워진다는 것이다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는, 상업적 가치가 있는 영역에 걸쳐 미세 접촉 인쇄를 할 때, 스탬프 붕괴 결함을 피하는 것과 스탬프와 기판 사이의 부적절한 접촉에 관련된 결함을 피하는 것의 경합하는 난제를 해결하는 것으로 밝혀졌다. 방법 및 장치는, 예를 들어, 100 제곱 센티미터 초과, 200 제곱 센티미터 초과, 또는 심지어 1000 제곱 센티미터 초과의 영역에 걸쳐 미세 접촉 인쇄하는 것에 유용하다.
다른 미세 접촉 인쇄 결함은 부정확한 특징부 크기 또는 형상(즉, 패턴 충실도의 결여)이다. 인쇄에서의 이러한 충실도의 결여는 인쇄 압력 및 스탬프 또는 기판을 변형시키는 그와 연관된 효과를 비롯한 다수의 인자로부터 발생될 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 패턴 충실도를 향상시키며, 역시 기술되어 있는 패턴 기하 형태에 대해 특히 그렇다.
본 명세서에 기술된 미세 접촉 인쇄 방식은 평면 스탬프 및 롤러의 외측 표면 상에 배치된 미세 접촉 스탬프 요소를 포함하지 않는 가압 미세 접촉 인쇄 롤러의 사용을 수반한다. 본 명세서에 기술된 방식은 롤러의 외측 표면 상에 배치된 미세 접촉 스탬프 요소를 포함하는 변형가능한 스탬프 롤러를 이용하는 미세 접촉 인쇄와 구별될 수 있다.
인쇄 동안 표면 압력을 향상시키기 위해 표면 상에 배치된 미세 접촉 패턴 요소를 갖는 변형가능한 스탬프 롤러의 사용은 패턴 충실도를 유지하는 것과 관련하여 난제를 제기한다. 기술 분야의 당업자라면, 변형가능한 스탬프 롤러가 가압되는 경우, 압력으로 생기는 왜곡으로 인해 정밀한 패턴 설계를 보장하기 어렵게 된다는 것을 잘 알 것이다. 이와 달리, 본 개시 내용의 방법 및 장치는 이 난제를 극복한다. 본 개시 내용은 스탬프의 변형을 피하는 방법 및 장치를 개시하고 있다.
도 1 내지 도 11은 팽창가능 블래더를 포함하는 미세 접촉 인쇄용 가압 롤러의 다양한 일례를 나타낸 것이다. 가압 롤러는 비교적 부드러운 외측 표면을 가진다. 물질의 경도는 주어진 힘에 대한 물질의 만입부의 깊이에 의해 특징지워질 수 있다. ASTM D2240에 기술되어 있는 경도계(Alfred F Shore에 의해 정의됨)에 대한 몇가지 스케일이 있다. 경도계에 대한 각각의 스케일은 0부터 100까지의 범위에 있으며, 여기서 물질의 경도는 수치값에 따라 증가한다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치가 외측 표면의 경도와 관련하여 꼭 제한될 필요는 없지만, 본 명세서에 기술된 가압 롤러들 중 일부의 외측 표면은 약 30 내지 약 80 Shore A의 범위에 있는 경도계를 가진다.
팽창가능 블래더는 팽창가능 블래더 외부의 압력(즉, 주변 압력)을 초과하는 압력으로 유체에 의해 가압될 수 있는 임의의 구조물일 수 있다. 예를 들어, 팽창가능 블래더가 약 10.3 내지 17.2 ㎪(약 1.5 내지 2.5 psi)의 범위에서 가압될 수 있거나, 약 6.89 내지 20.7 ㎪(약 1 내지 3 psi)의 범위에서 가압될 수 있거나, 약 68.9 ㎪(약 10 psi) 미만으로 또는 약 137.9 ㎪(약 20 psi) 미만으로 가압될 수 있다.
블래더는, 각각의 단부에서 지지체, 즉 단부 캡(end cap) - 경성 중실 비침투성 물질(예컨대, 스테인레스강 디스크)로 이루어져 있을 수 있음 - 에 의해 캡핑되거나 플러깅되어 있는, 얇은 탄성 중합체 벽을 갖는 중공 실린더의 형태를 가질 수 있다. 어떤 일례에서, 블래더는 경성 원통형 코어와 같은 코어에 의해 지지될 수 있다. 팽창가능 블래더가 코어에 부착될 수 있거나, "슬리브"와 같이 코어 상에 끼워질 수 있다. 슬리브-유형 팽창가능 블래더가 코어에 영구적으로 부착되어 있지 않을 수 있고, 제거가능할 수 있다.
일부 구성에서, 팽창가능 블래더는 블래더의 내부와 외부 환경(예컨대, 가압 시에 팽창하는 내부 체적을 둘러싸고 있는 벽 또는 스킨) 사이에 압력차를 유지할 수 있는 하나 이상의 탄성 중합체 벽을 가질 수 있다. 일부 구성에서, 벽은 실질적으로 또는 완전히 가압 유체에 비침투성일 수 있다. 일부 구성에서, 팽창가능 블래더는 벽을 갖지 않을 수 있고, 적어도 얼마간의 시간 동안 가압될 수 있는 발포체(예컨대, 개방 셀 발포체)를 포함할 수 있다.
팽창가능 블래더가, 이 용어가 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 블래더의 내부와 외부 환경 사이의 압력차를 무한정 지지할 수 있을 필요는 없다. 그와 반대로, 블래더 물질이 가압될 때 얼마간의 유체를 누출시키는 것이 본 개시 내용의 범위 내에 속한다. 예를 들어, 블래더가 개방 셀 발포체를 포함하는 경우, 발포체의 외측 표면의 전부 또는 일부분을 통해 유체가 누출될 수 있다. 다른 일례로서, 블래더가, 벽의 침투성의 정도에 따라, 가압된 내부 체적을 둘러싸고 있는 탄성 중합체 벽을 포함하는 경우, 유체가 탄성 중합체 벽에 있는 밸브를 통해 누출될 수 있고 및/또는 벽을 통해 직접 누출될 수 있고 및/또는 다른 탈출 경로를 통해 누출될 수 있다.
팽창가능 블래더는 유체가 블래더에 들어가고 및/또는 그로부터 빠져나갈 수 있게 해주는 하나 이상의 유체 투입/배출 밸브를 포함할 수 있다. 팽창가능 블래더에 소정의 압력을 달성하고 및/또는 유지하기 위해, 팽창가능 블래더에 들어가거나 그로부터 빠져나가는 유체의 양이 제어될 수 있다. 예를 들어, 인쇄 동작 이전에, 팽창가능 블래더에서의 압력이 소정의 압력으로 조정될 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 인쇄 동작 동안에, 팽창가능 블래더에서의 압력이 소정의 압력을 유지하도록 조정될 수 있다. 압력의 조정은 유체를 블래더로 능동적으로 전달하는 것 또는 유체가 팽창가능 블래더로부터 누출될 수 있게 해주는 것, 또는 일부 구성에서, 소정의 압력을 유지하기 위해 팽창가능 블래더로부터 유체를 능동적으로 제거하는 것을 수반할 수 있다. 일부 구성에서, 유체가 팽창가능 블래더로부터 빠져나오면서 그와 동시에 유체가 팽창가능 블래더에 들어갈 수 있다.
일부 구성에서, 팽창가능 블래더는 팽창가능 블래더가 가압될 때 팽창하는 하나 이상의 탄성 중합체 벽을 포함한다. 블래더의 벽은, 예를 들어, 약 0.1 밀리미터 내지 약 3 밀리미터 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 구성에서, 탄성 중합체 벽 내의 팽창가능 블래더의 내부는 가압 유체 이외의 물질이 실질적으로 없다. 이들 구현예에서, 팽창가능 블래더는 팽창가능 블래더의 내부에 내부 구조 지지체(예컨대, 경성 또는 연성 지지체)를 포함하지 않는다.
일부 구성에서, 팽창가능 블래더는 가압 유체의 내부 체적을 둘러싸고 있는 얇은 탄성 중합체 벽을 포함하지 않을 수 있고, 그 대신에, 주변 압력 초과의 압력으로 팽창될 수 있는 발포체(예컨대, 개방 셀 발포체)를 포함한다. 일부 구성에서, 팽창가능 블래더는 하나 이상의 탄성 중합체 벽을 포함할 수 있으며, 이 경우 발포체가 팽창가능 블래더의 내부에서 탄성 중합체 벽의 아래에 또는 그 사이에 배치되어 있다.
미세 접촉 인쇄 동작 동안, 가압 롤러가 기판의 제2 표면 상에서 병진 및/또는 회전되어, 기판의 제1 표면을 스탬프 표면과 접촉하게 이동시킨다. 따라서, 가압 롤러는 기판을 통해 스탬프에 압력을 가한다. 팽창가능 블래더에서의 유체의 압력은 원하는 미세 접촉 인쇄 성능을 가져오는 스탬프에 대한 압력을 달성하도록 선택될 수 있다. 일부 구현에에서, 스탬프에 대한 압력은 팽창가능 블래더에서의 압력과 실질적으로 동일하다. 스탬프에 대한 압력과 팽창가능 블래더 내에서의 압력 사이의 실질적으로 동일한 압력이 팽창가능 블래더 벽 및/또는 발포체에 대한 보다 얇고 보다 부드러운 물질을 갖는 팽창가능 블래더를 사용하여 달성될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시 형태에 따른 가압 롤러(160)를 포함하는 미세 접촉 인쇄 장치(100)의 일례의 측면도이다. 도 1a는 미세 접촉 인쇄 동작 동안의 미세 접촉 인쇄 장치를 나타낸 것이다. 탄성 중합체 스탬프(140)는 스탬프(140)의 표면(141) 상의 양각 패턴(142)을 포함한다. 예를 들어, 일부 응용에서, 양각 패턴(142)은 약 100 ㎟ 초과의 스탬프(140)의 표면(141) 상의 영역을 가질 수 있다. 양각 패턴(142)의 상승된 특징부 상에 작용기화 분자가 존재한다. 스탬프(140)와 가압 롤러(160) 사이에 기판(150)이 배치되고, 이 경우 기판(150)의 제1 표면(151)은 스탬프 표면(141) 쪽으로 배향되어 있고 기판(150)의 제2 표면(152)은 가압 롤러(160) 쪽으로 배향되어 있다. 가압 롤러(160)가 기판(150)의 제2 표면(152)을 가로질러 x 방향으로 움직일 때, 가압 롤러(160)는 기판의 제2 표면(152)을 통해 스탬프 표면(141)에 압력을 가한다. 미세 접촉 인쇄 동작 동안에, 스탬프 표면(141) 상의 양각 패턴(142)으로부터의 작용기화 분자가 제1 기판 표면(151)으로 전사된다. 대안의 실시 형태에서, 양각 패턴이 기판의 제1 표면 상에 배치될 수 있고, 스탬프가 평평할 수 있다(즉, 미세 접촉 양각 패턴을 갖지 않음). 양각 패턴화된 스탬프를 사용하는 장치에 기초하여 일례가 본 명세서에 제공되어 있지만, 이들 일례가 양각-패턴화된 기판을 사용하는 것도 포괄하고 있다는 것을 잘 알 것이다.
도 1b는 가압 미세 접촉 인쇄 롤러(160)의 세로방향 높이 변동을 보여주는 가압 미세 접촉 인쇄 롤러(160)의 평면도이다. 가압될 때, 롤러(160)는 롤러(160)의 세로축(199)을 따라 적어도 5 ㎝의 폭 Δw에 걸쳐 ㎝ 폭당 약 1 ㎜ 미만의 높이 변동 Δh를 가진다.
도 2a는 미세 접촉 인쇄 장치에서 유용한 가압 롤러(200)의 일례의 평면도를 나타낸 것이다. 롤러(200)는 임의의 단면 형상(예컨대, 원, 타원, 반원 또는 1/4원 등)을 가질 수 있는 코어(220)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 코어(220)는 실질적으로 원통형인 코어를 포함한다. 코어(220)는 경성 또는 연성, 중실 또는 중공일 수 있고, 및/또는 금속, 세라믹, 플라스틱 및/또는 기타 적당한 물질로 이루어져 있을 수 있다. 코어(220)는 회전할 수 있다. 예를 들어, 코어(220)는 인쇄 기판과 접촉하고 있으면서 하나 이상의 완전 360° 회전을 할 수 있거나, 일부 구현예에서, 인쇄 기판과 접촉하고 있으면서 360° 미만의 회전을 할 수 있다. 가압 롤러(200)는 유체(예컨대, 액체 또는 기체)에 의해 주변 압력 초과의 압력으로 팽창될 수 있는 팽창가능 블래더(250)를 포함한다. 가압 유체가 공기일 수 있다. 이 실시 형태에서, 코어(220) 및 팽창가능 블래더(250)가 동축이다. 팽창가능 블래더(250)는 유체가 팽창가능 블래더(250)의 내부(260)로 들어가는 것 및/또는 그로부터 빠져나오는 것을 가능하게 해주는 하나 이상의 유체 투입/배출 밸브(299)를 포함할 수 있다(도 2b 내지 도 2d에 나타내어져 있음). 투입/배출 밸브(299)는 팽창가능 블래더를 가압하도록 구성되어 있고, 롤러 코어 상에, 팽창가능 블래더의 탄성 중합체 벽 상에 배치될 수 있고, 및/또는 블래더가 개방 셀 발포체를 포함하는 경우, 밸브가 발포체 상에 배치될 수 있다. 가압 롤러의 일부 실시 형태는, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 팽창가능 블래더(250)의 외측 표면 상에 위치된 밸브를 포함할 수 있다. 예컨대, 중공 또는 중실 코어에 끼워지는 "슬리브"로서 구성된 팽창가능 블래더를 갖는 가압 롤러, 또는 중공 코어를 갖는 가압 롤러의 실시 형태의 경우, 밸브에의 접근이 슬리브의 내부를 거쳐 및/또는 중공 코어를 통해 달성되도록 투입/배출 밸브가 위치될 수 있다.
도 2b 및 도 2d의 단면도에 예시된 바와 같이, 팽창가능 블래더(250)는 팽창가능 블래더(250)의 내부 체적(260) 내에 가압 유체를 보유하는 적어도 하나의 벽(251)을 가질 수 있다. 벽(251)은 롤러 코어(220)의 길이의 적어도 일부를 따라 배치된 탄성 중합체 물질을 포함할 수 있다. 탄성 중합체 물질은 팽창가능 블래더(250)가 원하는 압력으로 가압될 수 있게 해주는 임의의 물질일 수 있다. 일부 구성에서, 블래더 벽의 탄성 중합체 물질은 천연 또는 합성 고무(부나 고무 등)를 포함한다. 부나 고무는 단량체들 중 하나로서 부타디엔을 포함한다. 합성 고무는 아이소프렌 (2-메틸-1,3-부타디엔), 1,3-부타디엔, 클로로프렌 (2-클로로-1,3-부타디엔), 및 가교결합을 위한 소량의 아이소프렌을 갖는 아이소부틸렌 (메틸프로펜)을 비롯한 각종의 단량체의 중합화를 수반할 수 있다. 일부 구성에서, 외부 벽의 탄성 중합체 물질은 발포체(예컨대, 폐쇄 셀 발포체), 또는 기타 물질을 포함할 수 있다.
팽창가능 블래더(250)는 팽창가능 블래더(250) 내의 압력을 유지하기 위해, 예를 들어, 코어(220)(또는 기타 구조적 성분)에 대해 밀봉되어 있는 단지 하나의 탄성 중합체 벽(251)을 가질 수 있다. 가압될 때, 유체가 코어(220)와 탄성 중합체 벽 사이의 팽창가능 블래더(250)의 내부(260)에 존재한다. 일부 구현예에서, 팽창가능 블래더(250)의 내부(260)는 실질적으로 가압 유체 이외의 물질이 없다. 일부 구현예에서, 경성 또는 반경성 지지 구조물을 갖지 않는 블래더 내부 내에서 가압 유체만을 사용하는 것이 원하는 미세 접촉 인쇄 성능을 달성한다.
도 2c 및 도 2d에 예시된 일부 구현예에서, 팽창가능 블래더(250)는 팽창가능 블래더(250)의 내부(260) 내에 발포체(261)(예컨대, 팽창가능한 개방 셀 발포체)를 포함할 수 있다. 발포체(261)는 외부 벽(251)과 함께 또는 외부 벽(251) 없이 사용될 수 있다. 도 2d는 외부 벽(251)을 갖는 팽창가능 블래더(250)의 내부(260) 내에서 발포체(261)를 사용하는 것을 예시하고 있다. 도 2c는 외부 벽을 갖지 않는 팽창가능 블래더(250)의 내부(260) 내에서 발포체(261)를 사용하는 것을 예시하고 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 외부 벽을 포함하지 않는 구성에서, 발포체(261)는 주변 압력 초과의 압력으로 유체에 의해 팽창될 수 있는 개방 셀 발포체일 수 있다.
발포체용으로 사용되는 물질은 의도된 인쇄 응용 및 테이프 구조체에서 요구되는 탄력성에 따라 아주 다양할 수 있지만, 전형적으로 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 실리콘, 또는 합성 고무(에틸렌-프로필렌 디엔 등) 또는 블록 공중합체(스티렌에 기초하는 것 등)가 사용될 수 있다. 바람직하게는 가교결합되어 있는 발포체는 약 2 내지 약 50 파운드/세제곱 피트의 밀도를 가지는 폐쇄 셀 또는 개방 셀 물질일 수 있다. 팽창가능 블래더(발포체 및/또는 탄성 중합체 벽 버전)가, 예를 들어, 약 137.9 ㎪(약 20 psi) 미만 또는 약 68.9 ㎪(약 10 psi) 미만의 압력으로 가압될 수 있다. 일부 구현예에서, 팽창가능 블래더가 약 6.89 내지 20.7 ㎪(약 1 내지 3 psi), 또는 약 10.3 내지 17.2 ㎪(약 1.5 내지 2.5 psi)로 가압될 수 있다.
도 3a의 평면도 및 도 3b 및 도 3c의 단면도에 예시된 바와 같이, 가압 롤러는 2개 이상의 세로방향 탄성 중합체 벽을 가지는 팽창가능 블래더를 포함할 수 있다. 가압 롤러(300)는 코어(320) 및 팽창가능 블래더(350) - 외부 탄성 중합체 벽(351) 및 내부 탄성 중합체 벽(352)을 포함함 - 를 포함한다. 이 구성에서, 팽창가능 블래더(350)는 코어(320)에 끼워지고, 원하는 경우, 코어(320)로부터 제거될 수 있는 제거가능한 "슬리브"를 형성할 수 있다. 팽창가능 블래더(350)의 내부(360)(도 3b 및 도 3c에서 보이는 바와 같이)는 가압 유체가 들어 있다. 도 3b에 예시된 일부 실시 형태에서, 팽창가능 블래더(350)의 내부(360)는 실질적으로 가압 유체 이외의 물질이 없을 수 있다. 도 3c에 예시된 일부 실시 형태에서, 팽창가능 블래더(350)의 내부(360)는 발포체(361)를 포함할 수 있다.
일부 구성에서, 가압 롤러는, 팽창가능 블래더에 부가하여, 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 부가의 층은 팽창가능하거나 팽창가능하지 않을 수 있다. 부가의 층은 발포체 또는 고무와 같은 순응성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 부가의 층이 코어와 팽창가능 블래더 사이에 배열될 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 가압 롤러가 팽창가능 블래더의 외측 표면 상에 배열된 하나 이상의 부가의 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 부가의 층 아래의 물질의 높이 변동을 감소시키고 및/또는 어느 정도 평평하게 하는 것이 바람직한 구성에서 부가의 층이 사용될 수 있다. 부가의 층 및/또는 팽창가능 블래더의 외부 벽에 사용되는 물질은, 가압 롤러의 외측 표면이 특정의 경도계 값을 갖도록, 선택될 수 있다. 예를 들어, 가압 롤러의 외측 표면이 약 30 내지 80 Shore A 범위의 경도계를 가질 수 있다.
일부 구성에서, 팽창가능 블래더는, 도 4a 내지 도 4c의 단면도에 예시된 바와 같이, 팽창될 때 코어로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 발포체층을 포함할 수 있다. 도 4a는 외부 벽(451)에 의해 덮여 있는 발포체층(461)을 포함하는 팽창가능 블래더(450)의 단면도를 나타낸 것이다. 팽창가능 블래더(450)가 가압될 때, 발포체(461) 및 외부 벽(451)은 코어(420)로부터 멀어지는 쪽으로 팽창한다. 이 실시 형태에서, 개방 셀 발포체가 사용되는 경우, 가압 유체가 침투하여 발포체를 팽창시킬 수 있다. 가압 유체에 의해 침투가능하지 않을 수 있는 폐쇄 셀 발포체 또는 기타 물질이 대안적으로 사용될 수 있다.
도 4b는 내부 벽(452)을 덮고 있는 발포체층(461)을 포함하는 팽창가능 블래더(450)의 단면도를 나타낸 것이다. 발포체층(461)은 개방 및/또는 폐쇄 셀 발포체를 포함할 수 있다. 도 4b에 예시된 구성에서, 팽창가능 블래더가 가압될 때, 발포체(461) 및 내부 벽(452)은 코어(420)로부터 멀어지는 쪽으로 팽창한다.
도 4c는 내부 또는 외부 벽을 갖지 않는 개방 셀 발포체(461)를 포함하는 팽창가능 블래더(450)의 단면도이다. 이 경우에, 발포체(461)는 코어(420)로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하고, 가압 유체가 발포체(461)의 외측 표면으로부터 누출될 수 있다.
팽창가능 블래더의 어떤 변형은, 도 5a 및 도 5b의 단면도에 나타낸 바와 같이, 코어에 인접해 있는 팽창가능하거나 그렇지 않을 수 있는 발포체층, 및 내부 발포체층 상에 배치된 하나 이상의 블래더 벽을 포함한다. 도 5a는 블래더 코어(520)에 인접해 있는 발포체층(561)을 나타낸 것이다. 도 5a의 팽창가능 블래더(550)는, 블래더가 가압될 때, 코어 및 발포체로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 외부 벽(551)을 포함한다. 도 5b는 블래더 코어(520)에 인접해 있는 발포체층(561)을 나타낸 것이다. 팽창가능 블래더(550)는 발포체에 인접해 있는 내부 벽(552)을 포함한다. 도 5b의 팽창가능 블래더(550)는 또한, 블래더가 가압될 때, 내부 벽(552), 발포체(561) 및 코어(520)로부터 멀어지는 쪽으로 팽창하는 외부 벽(551)을 포함한다.
일부 구성에서, 가압 롤러가 코어를 포함하지 않을 수 있다. 가압 롤러의 코어없는 변형의 일례가 도 6a의 평면도 및 도 6b 내지 도 6e의 팽창가능 블래더의 단면도에 나타내어져 있다. 도 6a는 단부 캡(621, 622) 사이에 팽창가능 블래더(650)를 포함하는 코어없는 롤러(600)를 나타낸 것이다.
도 6b의 단면도에 나타낸 한 버전에서, 팽창가능 블래더(650)는 팽창가능 블래더(650)의 내부(660)에 가압 유체가 존재할 때 팽창하는 탄성 중합체 벽(651)을 가질 수 있다.
도 6c의 단면도에 나타낸 다른 버전에서, 팽창가능 블래더(650)의 내부(660)에 발포체(661)가 존재한다. 도 6c의 구성에서, 팽창가능 블래더(650)는 블래더 벽을 포함하지 않지만, 발포체(661)는 주변 압력을 초과하도록 가압될 수 있는 개방 셀 발포체이다. 가압 유체가 발포체(661)의 외측 표면으로부터 누출될 수 있다.
도 6d의 단면도에 나타낸 바와 같이, 코어없는 롤러의 일부 구현예에서, 외부 벽(651) 및 팽창가능 블래더(650)의 내부에 있는 팽창가능 발포체(661) 둘 다가 사용된다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 일부 실시 형태는 코어 근방에 개방 셀 발포체(662)를 포함하고 팽창가능 블래더(650)의 외측 표면 근방에에서 보다 고밀도의 폐쇄 셀 발포체(663)로 천이하는 경사 발포체(gradient foam)를 포함한다. 천이는 단계적 천이(step transition)일 수 있거나, 점진적 천이(gradual transition)일 수 있다. 이들 실시 형태에서, 블래더(650)의 외측 표면은 가압 유체에 의해 실질적으로 침투가능하지 않을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 환언하면, 가압 유체가 경사 발포체를 갖는 팽창가능 블래더의 외측 표면으로부터 누출될 수 있지만, 보다 고밀도의 폐쇄 셀 버전으로 천이하지 않는 개방 셀 발포체보다 더 느리게 누출될 수 있다.
일반적으로, 가압 롤러는 임의의 길이일 수 있고, 코어 및/또는 팽창가능 블래더가 임의의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 가압 롤러의 직경은 약 7.62 ㎝(3 인치) 미만이다. 코어가 사용되는 경우, 코어는 직경이 약 6.35 ㎝(2.5 인치) 미만일 수 있고, 팽창가능 블래더는 직경이 2.54 ㎝(1 인치) 미만일 수 있다.
코어 단면이 원, 타원 또는 기타 형상의 어떤 부분일 수 있다. 도 7a는 팽창가능 블래더가 존재하지 않는 비원통형 롤러 코어(720)를 예시한 것이다. 예를 들어, 롤러 코어(720)는 미세 접촉 인쇄 동작 동안 기판에 접촉해 있으면서 θ 이하의 각도로 회전하도록 설계될 수 있다. 도 7b는 팽창가능 블래더(710) 및 코어(720)를 포함하는 가압 롤러(700)를 나타낸 단면도이다. 가압 롤러(700)는, 팽창가능 블래더(710)에 부가하여, 다수의 층을 가질 수 있고, 예를 들어, 도 2 내지 도 6에 예시된 것과 비슷한 구조를 가질 수 있다. 팽창가능 블래더(710)는 하나 이상의 탄성 중합체 벽 및/또는 하나 이상의 발포체층을 포함할 수 있다. 팽창가능 블래더(710)는 임의의 적당한 수단에 의해(예컨대, 접착제 등을 사용하여) 코어(720)에 부착될 수 있다.
도 8 및 도 9에 예시된 바와 같이, 가압 롤러(810, 910)는 하나 이상의 팽창가능 부분(811, 911) 및 하나 이상의 비팽창가능 부분(819, 919)을 포함할 수 있다. 세로방향의 팽창가능 부분(811) 및 비팽창가능 부분(819)이 도 8에 예시된 바와 같이 산재되어 있을 수 있거나, 원주방향의 팽창가능 부분(911) 및 비팽창가능 부분(919)이 도 9에 예시된 바와 같이 산재되어 있을 수 있다.
도 10a에 예시된 바와 같이, 가압 롤러(1000)는 실질적으로 동일한 압력으로 또는 상이한 압력으로 팽창될 수 있는 다수의 세그먼트(1011a 내지 1011d)를 갖는 분할된 팽창가능 블래더(1011)를 포함할 수 있다. 팽창가능 세그먼트(1011a 내지 1011d) 각각을 개별적으로 가압하는 것을 가능하게 해주도록 구성된 가압 밸브(1014a 내지 1014d)가, 예를 들어, 중공 코어(1020) 내에 배치될 수 있다. 도 10a에 도시된 것과 같은 분할된 팽창가능 블래더(1011)는 팽창가능 블래더(1011)의 세로방향 변동을 감소시키는 데 사용될 수 있다.
도 11에 예시된 가압 롤러(1100)의 단면도에 예시된 바와 같이, 예시적인 비분할된 팽창가능 블래더(1111)는 가압 롤러(1100)의 중심축(1199)을 따라 Δh1의 높이 변동을 가진다. 롤러(1100)의 단부(1191, 1192)에서, 팽창가능 블래더(1111)의 외측 표면(1113)은 롤러(1100)의 중심축(1199)의 위쪽으로 및 아래쪽으로 높이 h를 가진다. 그렇지만, 롤러(1100)의 세로방향 중심(1195)에서, 팽창가능 블래더(1111)는 축(1199)의 위쪽으로 h + Δh1의 높이를 가진다. 세로방향 높이 변동은 미세 접촉 인쇄 결과에 바람직하지 않은 변동을 야기할 수 있다. 설계 및 물질의 선택에 따라, 비분할된 팽창가능 블래더에 대해 중심축을 따른 높이 변동 Δh1이 최소화될 수 있다.
분할된 팽창가능 블래더는, 어떤 비분할된 팽창가능 블래더와 비교하여, 중심축의 위쪽에서 세로방향 높이 변동을 감소시킨다. 도 10b는 축 F-F'을 따른 롤러(1000)(이전에 도 10a에서 3차원 뷰로 나타내어져 있음)의 단면도이다. 팽창가능 블래더(1011)는 다수의 팽창가능 세그먼트(1011a 내지 1011d)를 포함한다. 가압 롤러(1000)의 단부(1091, 1092)에서, 팽창가능 블래더(1011)의 외측 표면(1013)은 롤러(1000)의 축(1099)의 위쪽으로 및 아래쪽으로 높이 h를 가진다. 블래더 세그먼트(1011a 내지 1011d)의 세로방향 중심(1095a 내지 1095d)에서, 축(1099)의 위쪽으로 팽창가능 블래더(1011)의 높이는 h + Δh2의 최대 높이에 도달하고, 여기서 도 10b에서의 Δh2는 도 11에서의 Δh1 미만이다. 따라서, 분할된 블래더는, 동일한 탄성을 갖는 물질로 이루어진 비분할된 블래더를 갖는 어떤 가압 롤러와 비교할 때, 가압 롤러의 전체적인 세로방향 변동을 감소시킬 수 있다.
도 12는 미세 접촉 인쇄 장치(1200)의 일부분을 나타낸 것이다. 미세 접촉 인쇄 장치(1200)는 스탬프(1240)의 표면(1241) 상에 배치된 양각 패턴(1242)을 가지는 평면 탄성 중합체 스탬프(1240)를 포함한다. 대안적으로, 기판이 양각 패턴으로 패턴화되어 있는 실시 형태에서, 스탬프(1240)는 패턴을 포함하지 않을 수 있다.
양각 패턴(1242)은 앞서 기술된 바와 같은 최소 및 최대 간격 및 양각 높이를 가지는 패턴 요소를 가질 수 있다. 예를 들어, 양각 패턴(1242)은 약 10 마이크로미터 미만, 또는 심지어 약 5 마이크로미터 미만의 최소 치수를 갖는 상승된 특징부(상승된 패턴 요소)를 가질 수 있다. 인접한 상승된 패턴 요소 사이의 간격은 약 50 마이크로미터 초과, 또는 약 100 마이크로미터 초과, 또는 약 200 마이크로미터 초과, 또는 약 300 마이크로미터 초과, 또는 약 400 마이크로미터 초과, 또는 심지어 약 500 마이크로미터 초과일 수 있다. 양각 패턴의 양각은, 예를 들어, 약 10 마이크로미터 이하일 수 있거나, 약 5 마이크로미터 이하일 수 있다. 양각 패턴 특징부는, 예를 들어, 최저 약 5 마이크로미터의 폭을 가질 수 있거나, 5 마이크로미터 미만(예컨대, 최저 약 2 마이크로미터)일 수 있다.
스탬프(1240)가 다공성일 수 있는 경성 배킹 플레이트(1243)에 탑재된다. 배킹 플레이트(1243)가 다공성인 경우, 장치(1200)는 작용기화 분자의 "잉크"를 보유하는 잉크 저수조(1230)를 포함할 수 있다. 잉크 저수조(1230)는, 저수조(1230) 내에 저장된 작용기화 분자가 수동 또는 능동 메커니즘에 의해(예컨대, 심지(wicking), 중력, 펌핑 및/또는 기타 메커니즘에 의해) 저수조(1230)로부터 스탬프 표면(1241)으로 이동할 수 있게 해주기 위해, 스탬프(1240)에 유체적으로 결합(fluidically coupled)되어 있다. 도 12에 예시된 구성에서, 작용기화 분자가 잉크 저수조(1230)로부터 배킹 플레이트(1243)를 통해 스탬프(1240)의 패턴화된 표면(1241)으로 이송된다.
스탬프(1240)을 형성하는 데 및 다른 스탬프에 유용한 탄성 중합체는 실리콘, 폴리우레탄, 에틸렌 프로필렌 디엔 M-클래스(EPDM) 고무는 물론, 기존의 구매가능한 플렉소 인쇄 플레이트 물질(예를 들어, 미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 E. I. du Pont de Nemours and Company로부터 상표명 Cyrel™로 구매가능함)의 범위를 포함한다. 스탬프는 복합 물질(예를 들어, 직포 또는 부직포 섬유 강화제와 결합된 상기한 탄성 중합체들 중 하나)로 제조될 수 있다.
폴리다이메틸실록산(PDMS)이 스탬프 물질로서 특히 유용한데, 그 이유는 탄성 중합체이고 낮은 표면 에너지(대부분의 기판으로부터 스탬프를 제거하기 쉽게 해줌)를 갖기 때문이다. PDMS도 역시 구매가능하다. 유용한 구매가능한 제제는 Sylgard™ 184 PDMS(미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning)이다. PDMS 스탬프가, 예를 들어, 가교결합되지 않은 PDMS 중합체를 패턴화된 몰드 내에 또는 그에 대해 분산시키고 그 후에 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
탄성 중합체 스탬프를 성형하는 마스터 도구가 기술 분야에 공지된 포토리소그라피 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 탄성 중합체 스탬프는 비경화된 PDMS를 마스터 도구에 도포한 다음에 경화시킴으로써 마스터 도구에 맞대어 성형될 수 있다.
스탬프(1240)가 스탬프 지지체(1220) - 스탬프(1240)를 지지하고 x, y 및/또는 z 방향으로 조정가능할 수 있음 - 상에 배치된다. 스탬프 지지체(1220)는 또한 스탬프(1240) 및/또는 잉크 저수조(1230)를 x, y 및/또는 z 축을 중심으로 경사지게 하는 것을 가능하게 해줄 수 있다.
미세 접촉 인쇄 장치는 앞서 기술된 것과 같은 가압 롤러(1250)를 포함한다. 도 12의 예시된 실시 형태에서, 가압 롤러(1250)는 코어(1270) 및 팽창가능 블래더(1261)를 포함한다. 가압 롤러(1250)는 롤러(1250)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에서 롤러(1250)를 지지하는 하나 이상의 롤러 지지체(1210)에 의해 지지되어 있다. 롤러 지지체(1210)는 x, y 및/또는 z 방향으로의 롤러(1250)의 이동을 제공하고 및/또는 롤러(1250)가 축(1205)을 중심으로 회전할 수 있게 해준다. 롤러 지지체(1210)는 또한 롤러(1250)가 하나 이상의 축을 중심으로 경사지게 될 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.
미세 접촉 인쇄 동작은 x 축을 따라 가압 롤러(1250)와 스탬프(1240)의 상대 이동을 제공하는 것을 포함한다. 예를 들어, 한 구현예에서, 롤러(1250)가 회전하는 동안 가압 롤러는 x 축을 따라 병진된다. 스탬프(1240)의 패턴화된 표면(1241)에 수직으로 가압 롤러(1250)에 의해 가해지는 압력이 팽창가능 블래더(1261) 내의 유체 압력을 조정함으로써 및/또는 팽창된 블래더(1261)의 하부 표면과 스탬프(1240)의 패턴화된 표면(1241) 사이의 수직 오프셋 d를 조정함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 스탬프(1240)를 + 또는 - z 방향으로 이동시키기 위해 스탬프 지지체(1220)를 조정함으로써 및/또는 롤러(1250)를 + 또는 - z 방향으로 이동시키기 위해 롤러 지지체(1210)를 조정함으로써 거리 d가 조정될 수 있다.
도 13은 롤러(1250)가 스탬프(1240)의 표면(1241) 상에서 움직이고 있는 순간에 미세 접촉 인쇄 장치(1200)의 다른 뷰를 제공한다. 롤러(1250)와 스탬프 표면(1241) 사이에 기판(1310)이 배치되고, 이 경우 제1 기판 표면(1312)은 스탬프(1240) 쪽으로 배향되어 있고 제2 기판 표면 기판은 롤러(1250) 쪽으로 배향되어 있다. 예를 들어, 기판(1310)은 롤투롤(roll to roll) 방식으로 처리될 수 있는 긴 연성 기판일 수 있다.
롤러(1250)는 트랙(1320)에서 x 방향으로 움직일 수 있는 롤러 지지체(1210)에 의해 지지되어 있다. 롤러(1250)는, x 축을 따라 움직일 때, 또한 축(1205)을 중심으로 회전한다. 이 병진 및 회전 이동 동안, 롤러(1250)는 기판(1310)의 제2 표면(1311)에 압력을 가하고, 가해진 압력이 스탬프 표면(1241)에 전달된다. 가압 롤러(1250)의 병진 및 회전 동안, 기판(1312)의 제1 표면은 스탬프 표면(1241) 상의 양각 패턴의 상승된 부분과 접촉한다. 이와 관련하여 사용되는 바와 같이, "접촉"은 직접 접촉은 물론, 잉크 두께와 같은 작은 간격을 포함한다. 작용기화 분자가 스탬프 표면(1241)으로부터 제1 기판 표면(1312)으로 전사된다. 기판(1310) 및 스탬프(1240)에 압력을 가하는 롤러(1250)의 부분(1263)이, 도 12에 예시된 바와 같이, 양 d만큼 편향된다. 팽창가능 블래더(1261)에서의 압력은 원하는 미세 접촉 인쇄 성능을 가져오는 스탬프(1240)에 대한 압력을 달성하도록 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 팽창가능 블래더(1261) 내에서의 유체 압력이 가압 롤러(1250)에 의해 스탬프(1240)에 가해지는 압력과 대략 같다. 예를 들어, 팽창가능 블래더(1261) 내의 압력이 약 20.7 ㎪(약 3 psi)인 경우, 롤러(1250)에 의해 스탬프(1240)에 가해지는 압력도(간접적으로 기판(1310)을 통해) 역시 약 20.7 ㎪(약 3 psi)이다.
미세 접촉 인쇄 공정 동안, 기판(1311)의 일부분이 처음에 스탬프 표면(1241)과 접촉하지 않도록, 기판(1310)은 처음에 스탬프 표면(1241)에 대해 각도 α로 배향될 수 있다. 예를 들어, 스탬프 표면(1241)과 접촉하지 않고 스탬프 표면(1241)과 제1 기판 표면(1312) 사이의 접촉점에 인접해 있는 제1 기판 표면(1312)의 부분에 대한 접선(1315)이 스탬프 표면(1241)의 평면과 각도 α를 이루도록, 기판(1310)이 스탬프(1240)의 표면(1241) 쪽으로 배향될 수 있다. 스탬프 표면(1241)과 접촉하고 있는 기판(1310)의 부분과 스탬프 표면(1241)과 접촉하지 않는 기판(1310)의 부분 사이의 교차점은 기판(1312)의 제1 표면과 스탬프(1241)의 표면 사이의 초기 접촉면을 형성한다.
초기 접촉면은, 패턴화될 영역과 비교할 때, 비교적 작은 영역을 가진다. 롤러(1250)가 기판(1310)의 제2 표면(1311) 상을 굴러갈 때, 기판(1310)과 스탬프(1241) 사이의 접촉의 전파 영역으로서 초기 접촉 영역이 팽창한다. 비교적 작은 초기 접촉면으로부터의 접촉 영역의 전파는 보이드 결함을 감소시킨다.
스탬프 표면(1241)과 제1 기판 표면(1312) 사이의 접촉의 지속기간이, 예를 들어, 작용기화 분자의 농도 및/또는 스탬프(1240)에 가해진 압력을 비롯한 인자들에 따라, 달라질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 인쇄 시간은 약 1 분 미만이거나, 약 30 초 미만이거나, 약 10 초 미만이거나, 심지어 약 5 초 미만일 수 있다.
미세 접촉 인쇄 동작 동안에, 스탬프(1240)의 양각 패턴(1242) 상에 배치된 작용기화 분자가 기판(1310)의 제1 표면(1312)으로 전사된다. 작용기화 분자는, 기판(1310)으로 전사되면, 스탬프 패턴(1242)의 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 SAM에 조립된다. 대안의 실시 형태에서, 스탬프(1240)의 잉크가 칠해진 표면이 본질적으로 평평할 수 있고, 이 때 기판(1310)은 양각 패턴을 포함한다. 이러한 "거꾸로 된" 미세 접촉 인쇄 공정이, 예를 들어, 미국 특허 제6,518,168호(Clem 등)에 기술되어 있다.
미세 접촉 인쇄 공정의 일부 구성에서, 공정의 일부 또는 전부가 수동으로 제어된다. 일부 구성에서, 미세 접촉 인쇄 공정의 다양한 공정이 이동 제어 시스템(1390)에 의해 자동으로 제어될 수 있다. 제어 시스템(1390)은 미세 접촉 인쇄 공정의 자동 제어를 제공하기 위해, 예를 들어, 모터, 센서, 마이크로프로세서 및/또는 기타 기계적 및 전자적 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 앞서 기술한 미세 접촉 인쇄 공정이 스텝-앤-리피트(step and repeat) 공정에서 사용될 수 있고, 기판의 연속적인 부분을 상기한 미세 접촉 인쇄 공정에 노출시키기 위해 기판이 반복적으로 이동된다. 기판(1310)은 미세 접촉 인쇄 이전에 롤로부터 풀리고 및/또는 미세 접촉 인쇄 후에 롤에 감기도록 충분한 연성을 갖는 긴 기판일 수 있다. 이동 제어 시스템(1390)은 기판의 위치, 기판 이동의 속도, 기판과 스탬프 및/또는 롤러의 정렬, 접촉면에서의 각도 α, 롤러와 스탬프 사이의 거리 d, 롤러의 병진 및/또는 회전, 팽창가능 블래더에서의 압력, 및/또는 기타 미세 접촉 인쇄 공정 파라미터 중 하나 이상을 자동으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 미세 접촉 인쇄 장치는 기판, 롤러, 및/또는 스탬프 사이의 동기적인 이동을 제공하도록 및/또는 스텝-앤-리피트 공정 동안 기판을 스탬프 및/또는 롤러와 반복하여 정렬시키도록 구성된 이동 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 미세 접촉 인쇄 장치의 다양한 구성요소를 이동시키기 위해 하나 이상의 모터(예컨대, 스테퍼 모터 및/또는 서보 모터)를 사용할 수 있다. 마이크로프로세서-기반 제어 유닛은 감지된 입력에 기초하여 다양한 미세 접촉 인쇄 구성요소의 이동 속도 및/또는 위치를 제어하기 위해 피드백 신호를 제공할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 모터의 회전 움직임을 감지하기 위해, 인코더가 모터 또는 기타 회전 요소의 축 상에 배열되어 있을 수 있다. 기판의 위치[예컨대, 기판의 x-방향(다운 웨브) 위치], 스탬프의 위치, 및/또는 롤러의 회전 또는 병진 위치를 결정하기 위해 모터의 감지된 움직임이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판의 이동과 동기화될 수 있는 가압 롤러의 자동 회전을 제공하기 위해, 하나 이상의 모터가 롤러 코어(또는 롤러 단부 캡)에 부착될 수 있다. x-축(다운 웨브) 방향에서 및/또는 y-축(교차 웨브) 방향에서 기판, 스탬프 및/또는 롤러의 정렬을 제공하기 위해, 기점이 기판 및/또는 스탬프 상에 배치되어 있을 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 미세 접촉 인쇄 장치는 기판의 y-축 위치를 결정하기 위해 및/또는 기판의 y-축 위치를 다양한 미세 접촉 인쇄 구성요소와 정렬시키기 위해 기판 가장자리를 감지하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.
도 14는 가압 롤러(1400)의 각각의 단부의 회전을 동기화시키도록 구성된 동기화 장치에 결합된 가압 롤러(1400)의 평면도를 나타낸 것이다. 가압 롤러가 경성 코어를 포함하지 않고 및/또는 인쇄 공정 동안 구부러질 수 있는 경우, 가압 롤러의 단부들의 움직임을 동기화시키는 것은 특히 유용하다. 도 14는 단부 캡(1421, 1422) 사이에 배치된 팽창가능 블래더(1450)를 나타낸 것이다. 단부 캡(1421, 1422)은 베어링(1471, 1472)에 견고하게 지지되어 자유롭게 회전하는 축(1423, 1424)을 포함한다. 동기화 장치는 축을 동기하여 회전시키기 위해 수동으로 또는 모터에 의해 구동될 수 있는 메쉬 기어(meshed gear)(1481, 1491 및 1482, 1492)를 포함한다.
본 명세서에 기술된 방법 및 장치에 적당한 기판은 연성 중합체 필름을 포함한다. 경성 기판 - 예를 들어, 유리 또는 반도체 웨이퍼 기판(예컨대, 규소) - 도 사용될 수 있다. 적당한 중합체 필름의 일례는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트라이아세테이트, 및 폴리이미드를 포함한다. 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 아주 유연한 기판이 사용될 때 상기한 인쇄 결함을 피하는 데 특히 효과적이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 두께가 대략 10 마이크로미터 내지 대략 260 마이크로미터, 더욱 바람직하게는 대략 25 마이크로미터 내지 대략 185 마이크로미터, 그리고 가장 바람직하게는 대략 50 마이크로미터 내지 대략 130 마이크로미터인 기판(예를 들어, 중합체 필름 기판)에 특히 유용하다.
유용한 기판은 코팅된 기판을 포함한다. 상기한 베이스 기판 물질과 관련하여, 유용한 코팅은, 예를 들어, 금속 코팅 및 금속 산화물 코팅을 포함한다. 유용한 금속 코팅은, 예를 들어, 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐 또는 그 조합을 포함한다. 유용한 금속 산화물 코팅은, 예를 들어, 인듐 주석 산화물, 이산화규소, 및 규산염 유리를 포함한다. 코팅이 두께와 관련하여 제한되지 않는다.
앞서 기술한 바와 같이, 미세 접촉 인쇄는, 예를 들어, 화학 결합에 의해 기판 표면에 부착된 단일 분자층을 생성한다. 분자는 기판 표면에 대해, 심지어 서로에 대해 바람직한 배향을 채택할 수 있다. SAM을 형성하는 데 사용되는 작용기화 분자는 본 명세서에서 잉크라고 할 수 있거나, 잉크 용액 또는 잉크 조성물의 일부이다. 일부 구현예에서, 잉크는 전기 전도성 패턴을 형성하기 위해 금속 및 금속을 입힌 기판을 선택적으로 에칭하는 레지스트로서 역할하는 자기 조립된 모노층(SAM)을 기판 상에 형성한다.
유기 황 화합물, 오가노실란 및 유기 포스폰 산과 같은 자기 조립된 모노층(SAM)을 형성하는 다양한 분자가 공지되어 있다. 유기 황 화합물은, 예를 들어, 알킬 티올, 다이알킬 다이설파이드, 다이알킬 설파이드, 알킬 크산틴산염, 다이티오포스페이트, 및 다이알킬티오카바메이트를 포함한다. 분자는 황 원자에 부착된 테일 그룹(tail group) 또는 그룹들에 의해 특징지워지며, 여기서 테일 그룹 또는 그룹들은 그의 골격을 따라 14개 내지 20개의 원자(바람직하게는, 16개, 17개 또는 18개의 원자)를 가진다. 골격을 따라 있는 원자는 바람직하게는 탄소 원자이다.
바람직하게는, 잉크 용액은 알킬 티올(예를 들어, 선형 알킬 티올)을 포함한다:
HS(CH2)nX
여기서, n은 메틸렌 단위의 수이고, X는 알킬 사슬의 말단기(end group)(예를 들어, X = -CH3, -OH, -COOH, -NH2 등)이다. 바람직하게는, X = -CH3이고 n = 15, 16, 또는 17(각각, 16, 17, 또는 18의 사슬 길이에 대응함)이다. 다른 유용한 사슬 길이는 19 및 20을 포함한다. 금속에 부착하기 위한 황 함유 헤드 그룹(head group)을 갖는 선형 분자의 경우, 사슬 길이는 그 사이의 결합된 원자의 선형 배열을 따라 있는 원자의 수(선형 배열에서의 최종 탄소 원자 및 황 원자에 결합되어 있는 원자를 포함함)로서 결정된다. 모노층-형성 분자는, 분자가 에칭 레지스트로서 기능하는 자기 조립된 모노층을 형성하기에 적당하기만 하다면, 다른 말단기를 포함하거나 분지형(예컨대, 측면기를 가짐)일 수 있다. SAM-형성 분자는 또한, 예를 들어, 미국 가특허 출원 제61/121605호(Zu 등)에 기술된 바와 같이, 부분적으로 플루오르화되거나 과플루오르화되어 있을 수 있다.
인쇄는 SAM-형성 분자 내의 원자 또는 작용기의 제거 또는 수정[예를 들어, 모노층이 금속(M)(예를 들어, 은 또는 금) 상에 형성될 때 티올(R-SH 화합물)을 티올레이트(R-S-M) 모노층으로 변환하는 것]을 가져오는 치환 반응을 수반할 수 있다. 따라서, 얻어지는 인쇄된 패턴은 잉크 조성물의 분자와 화학적으로 상이한 화합물 또는 분자를 포함할 수 있다.
선택적으로, 잉크 조성물은 적어도 하나의 용매를 포함할 수 있다. 잉크 조성물에 사용하기에 적당한 용매는 알코올, 케톤, 방향족 화합물, 헤테로사이클릭 화합물, 플루오르화된 용매, 기타 및 그 조합을 포함한다. 다른 유용한 용매는 다이메틸폼아미드, 아세토니트릴, 다이메틸아세트아미드, 다이메틸설폭사이드, 에틸 아세테이트, 테트라하이드로푸란(THF), 메틸 t-부틸 에테르(MTBE), 기타 및 그 조합을 포함한다.
최소한의 시간 및 강제 공기 순환 적용으로 스탬프 표면으로부터 비교적 빠르게 증발하도록(이는 스탬프 상의 또는 스탬프 내의 SAM 형성 분자의 비교적 균일한 분포를 달성하는 데 도움이 됨) 잉크 조성물의 용매가 선택될 수 있다. 용매가 (예컨대, PDMS) 스탬프를 과도하게 팽윤(swell)하지 않도록 용매가 선택된다.
일부 실시 형태에서, 미세 접촉 인쇄에 적당한 잉크는 하나 이상의 용해된 유기 황 화합물 및 용매를 포함하는 용액을 포함할 수 있고, 이 용매는 (i) 약 50℃ 내지 약 100℃의 끓는점, (ii) 약 0.4 미만의 상대 극성, 및 (iii) 약 1.25 미만의 폴리(다이메틸실록산) 팽윤율(swelling ratio)을 가진다. 각각의 유기 황 화합물은 10개 이상의 탄소 원자를 가지며, 유기 황 화합물(들)이 적어도 약 3 mM의 총 농도로 존재한다. 잉크 용액은 본질적으로 유기 황 화합물의 고형물 입자 또는 유기 황 화합물로부터 유도된 고형물 입자를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 각각의 유기 황 화합물은 티올 화합물이다. 더욱 바람직하게는, 각각이 알킬 티올이다. 이 유형의 잉크에 대한 부가의 상세는 PCT 출원 공개 WO 2009/085678 A1(Zu 등)에 기술되어 있다.
퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물을 포함하는 미세 접촉 인쇄 잉크는 알킬티올로 형성된 SAM이 나타내는 내성보다 금에 대한 삼요오드화물 에칭제에 대해 비교적 더 큰 내성을 나타낸다(따라서 비교적 더 큰 에칭 선택성을 나타냄). "삼요오드화물 에칭제 상용성"이 있는 패턴화된 마스크를 생성하기 위해 금 표면 상에 비교적 높은 충실도로 미세 접촉 인쇄될 수 있는 패턴화 조성물을 형성하기 위해 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물(특히 아미드-연결되어 있는 것)이 사용될 수 있다. 삼요오드화물 에칭제와의 이러한 상용성은 패턴화된 기판의 화학적 에칭이, 종래의 SAM 및/또는 종래의 화학적 에칭제(예를 들어, 시안화물/산소-, 페로시안화물/페리시안화물-, 및 티오요소-기반 에칭제 시스템)를 사용하는 공정에 대해, 향상된 공정 속도로, 따라서 향상된 산업적 유용성으로 수행될 수 있게 해줄 수 있다.
작용기화 분자로서 유용한 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물은 적어도 하나의 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트 및 적어도 하나의 유기 황 기를 포함하는 것을 포함한다. 유용한 유기 황 기는 황-함유 부분을 포함하는 것 - 메르캅토(-SH), 다이티오(-S-S-), 옥시티오카르보닐티오(-O-C(=S)S-), 티오(-S-)(이러한 부분은, 각각, 티올, 다이설파이드, 크산틴산염, 및 설파이드(티오에테르를 포함함) 화합물의 특성을 나타냄), 기타 및 그 조합 등 - 을 포함한다.
잉크는 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물을 포함하는 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 화합물은 미국 특허 제6,923,921호(Flynn 등)에 기술된 것을 비롯하여 다양한 상이한 공지된 방법에 의해 준비될 수 있다. 퍼플루오로폴리에테르 다이설파이드 화합물을 (예를 들어, 대칭 또는 비대칭일 수 있는 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물의 다이티오-연결된 다이머의 형태로) 제공하기 위해 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물이 공지된 방법에 의해 산화될 수 있다. 퍼플루오로폴리에테르 설파이드 및 퍼플루오로폴리에테르 크산틴산염이 공지된 방법에 의해 준비될 수 있다.
적당한 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물은 단지 하나의 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트를 포함하는 그 퍼플루오로폴리에테르 티올, 크산틴산염 및 설파이드, 및 단지 2개의 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트를 포함하는 그 퍼플루오로폴리에테르 다이설파이드(바람직한 다이설파이드는, 예를 들어, 바람직한 티올의 다이머임)를 포함한다. 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트(들)는 선형, 분지형, 고리형(바람직하게는, 지방족 고리형), 또는 그 조합일 수 있다. 바람직하게는, 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트는 1가 또는 2가이고 및/또는 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트는 적어도 하나의 2가 헥사플루오로프로필렌옥시 기 (-CF(CF3)-CF2O-)를 포함한다. 바람직한 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트는 F[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)- (여기서, a는 약 4 내지 약 20의 평균값을 가짐), 및 -CF(CF3)(OCF2CF(CF3)bOCF2CF2CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)cCF(CF3)- (여기서, b+c는 약 4 내지 약 15의 평균값을 가짐)를 포함한다. 이러한 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트는 헥사플루오로프로필렌 산화물의 올리고머화를 통해 획득될 수 있고, 그의 비교적 양호한 환경적 특성으로 인해 바람직할 수 있다.
한 부류의 유용한 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물은 하기의 일반식(I)로 표현될 수 있는 것이다:
Rf - [Q-(SH)x]y (I)
여기서 Rf는 1가 또는 2가 퍼플루오로폴리에테르 기이고; Q는 2가, 3가 또는 4가 유기 연결기이며; x는 1 내지 3의 정수(바람직하게는, 1)이고; y는 1 또는 2의 정수(바람직하게는, 1)이다. Rf 및 Q에 대한 추가의 선호사항은 화학식 II 및 III을 참조하여 이하에 기술되는 것을 포함한다.
작용기화 분자로서 사용하기에 적당한 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물은 아미드-연결되어 있는 것을 포함한다. 이러한 아미드-연결된 화합물은 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트(이상에서 기술하였음), 적어도 하나의 메르캅토 기(-SH), 및 적어도 하나의 개재된 또는 삽입된 2가 카르보닐이미노 부분(-C(=O)-N(R)-, 여기서, R은 수소 또는 알킬이고, 바람직하게는 알킬 기는 1개 내지 약 4개의 탄소 원자를 가짐)를 포함하는 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물을 포함한다. 2가 카르보닐이미노 부분은 그의 탄소 원자를 통해 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트에 직접 또는 간접적으로(바람직하게는, 직접) 결합되고 그의 질소 원자를 통해 메르캅토 기에 간접적으로 결합될 수 있다. 대안적으로, 2가 카르보닐이미노 부분은 그의 탄소 원자를 통해 메르캅토 기에 간접적으로 결합되고 그의 질소 원자를 통해 퍼플루오로폴리에테르 세그먼트에 간접적으로 결합될 수 있다. 바람직하게는, 카르보닐이미노 부분은 -C(=O)-NH-(즉, R은 수소임)이다.
한 부류의 유용한 아미드-연결된 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물은 하기의 일반식(II)로 표현될 수 있는 것이다:
Rf - [C(=O)-N(R)-Q-(SH)x]y (II)
여기서 Rf는 1가 또는 2가 퍼플루오로폴리에테르 기이고; R은 수소 또는 알킬이며; Q는 2가, 3가 또는 4가 유기 연결기이며; x는 1 내지 3의 정수(바람직하게는, 1)이고; y는 1 또는 2의 정수(바람직하게는, 1)이다. 바람직하게는, R은 수소 또는 1개 내지 약 4개의 탄소 원자(더욱 바람직하게는, 수소)를 갖는 알킬 기이고; 및/또는 Q는 알킬렌, 사이클로알킬렌, 아릴렌, 헤테로알킬렌, 및 그 조합(바람직하게는, 알킬렌, 헤테로알킬렌, 및 그 조합; 더욱 바람직하게는, 알킬렌) 중에서 선택된 2가 기이고, 선택적으로 카르보닐, 카르보닐옥시, 카르보닐티오, 카르보닐이미노, 술폰아미도, 및 그 조합(바람직하게는, 카르보닐, 카르보닐옥시, 카르보닐이미노, 카르보닐티오, 및 그 조합; 더욱 바람직하게는, 카르보닐옥시, 카르보닐이미노, 및 그 조합) 중에서 선택된 적어도 하나의 2가 기를 추가로 포함하고, 선택적으로 알킬, 사이클로알킬, 아릴, 할로, 및 그 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 부분으로 치환된다.
바람직하게는, Q는 적어도 약 2개의 탄소 원자 및/또는 약 30개 이하의 탄소 원자(더욱 바람직하게는, 약 20개 이하의 탄소 원자; 더욱 더 바람직하게는, 약 10개 이하의 탄소 원자; 가장 바람직하게는, 약 6개 이하의 탄소 원자)를 가진다. 특히 바람직한 연결기 Q는 -CH2CH2-,
-CH2CH2CH2-[NH-C(=O)]-CH2CH2CH2-,
-CH2CH2CH2-[N(CH3)-C(=O)]-CH2CH2CH2-,
-CH2CH2CH2-[N(CH3)-C(=O)]-CH2CH2CH2-S-C(=O)-CH2CH2CH2-,
-CH2CH2-[NH-C(=O)]-CH2CH2CH2-, -CH2CH2-[O-C(=O)]-CH2CH2-,
-(CH2CH2O)2-[C(=O)]-CH2CH2- , 및 그 조합을 포함한다.
Rf는 선형, 분지형, 고리형 또는 그 조합일 수 있고, 포화되거나 불포화되어 있을 수 있다. 유용한 Rf 기의 대표적인 일례는 -(CpF2p)-, -(CpF2pO)-, -(CF(Z))-, -(CF(Z)O)-, -(CF(Z)CpF2pO)-, -(CpF2pCF(Z)O)-, -(CF2CF(Z)O)-, 및 그 조합 중에서 선택된 과플루오르화된 반복 단위를 가지는 것을 포함하지만, 이들로 제한되지 않으며, 여기서 p는 1 내지 10의 정수(바람직하게는, 1 내지 약 8; 더욱 바람직하게는, 1 내지 약 6; 더욱 더 바람직하게는, 1 내지 약 4; 가장 바람직하게는, 1 내지 약 3)이고; Z는 선형, 분지형, 고리형, 또는 그 조합이고 약 12 이하의 탄소 원자(바람직하게는, 약 10개 이하의 탄소 원자; 더욱 바람직하게는, 약 8개 이하의 탄소 원자; 더욱 더 바람직하게는, 약 6개 이하의 탄소 원자; 훨씬 더 바람직하게는, 약 4개 이하의 탄소 원자; 가장 바람직하게는, 약 3개 이하의 탄소 원자) 및/또는 약 4개 이하의 산소 원자(바람직하게는, 약 3개 이하의 산소 원자; 더욱 바람직하게는, 약 2개 이하의 산소 원자; 가장 바람직하게는, 0개 또는 1개의 산소 원자)를 가지는 퍼플루오로알킬, 퍼플루오로에테르, 퍼플루오로폴리에테르, 및 퍼플루오로알콕시 기 중에서 선택된다. 이들 퍼플루오로폴리에테르 구조식에서, Rf 기를 형성하기 위해 상이한 반복 단위가 블록, 교번하는, 또는 랜덤한 배열로 결합될 수 있다.
Rf가 1가일 때, 그의 말단기(terminal group)는, 예를 들어, (CpF2p +1)- 또는 (CpF2p+1O)-일 수 있고, 여기서 p는 이상에서 정의된 바와 같다. 유용한 1가 Rf 기의 대표적인 일례는 C3F7O(CF(CF3)CF2O)nCF(CF3)-, C3F7O(CF2CF2CF2O)nCF2CF2-, CF3O(C2F4O)nCF2-, CF3O(CF2O)n(C2F4O)qCF2- 및 F(CF2)3O(C4F8O)q(CF2)3- 를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다(여기서 n은 0 내지 약 50, 약 1 내지 약 50, 약 3 내지 약 30, 약 3 내지 약 15, 또는 약 3 내지 약 10의 평균값을 가지고; q는 0 내지 약 50, 약 3 내지 약 30, 약 3 내지 약 15, 또는 약 3 내지 약 10의 평균값을 가짐).
유용한 2가 Rf 기의 대표적인 일례는 --CF2O(CF2O)n(C2F4O)qCF2-, --CF2O(C2F4O)qCF2-, -(CF2)3O(C4F8O)q(CF2)3-, 및
-CF(CF3)(OCF2CF(CF3))sOCtF2tO(CF(CF3)CF2O)qCF(CF3)- 를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다(여기서 n 및 q는 이상에서 정의된 바와 같고, s는 0 내지 약 50, 약 1 내지 약 50, 약 3 내지 약 30, 약 3 내지 약 15, 또는 약 3 내지 약 10의 평균값을 가지고; q와 s의 합(즉, q+s)는 0 내지 약 50 또는 약 4 내지 약 40의 평균값을 가지며; q와 n의 합(즉, q+n)은 0 초과이고; t는 약 2 내지 약 6의 정수임).
미세 접촉 인쇄에 사용하기 위한 한 부류의 아미드-연결된 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물은 하기의 일반식(III)로 표현될 수 있는 것이다:
Rf ′- (O[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)-[C(=O)-N(R)-Q-(SH)x])y (III)
여기서 Rf은 선형 또는 분지형 퍼플루오로알킬 또는 퍼플루오로알킬렌 기(바람직하게는, 1개 내지 약 6개의 탄소 원자를 가짐)이고; a는 약 4 약 20의 평균값을 가지며; R, Q, x, 및 y는 일반식 II를 참조하여 이상에서 정의된 바와 같다.
유용한 아미드-연결된 퍼플루오로폴리에테르 티올 화합물의 대표적인 일례는 다음과 같은 것을 포함하고 여기서, a는 약 4 내지 약 20의 평균값을 가지며, b+c는 약 4 내지 약 15의 평균값을 가진다:
F[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)-C(=O)-NH-(CH2)3-N(CH3)C(=O)-(CH2)3-SH,
F[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)-C(=O)-NH-(CH2)2SH,
HS-(CH2)2-NH-C(=O)-CF(CF3)(OCF2CF(CF3)b-OCF2CF2CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)c-CF(CF3)-C(=O)-NH-(CH2)2SH,
HS-(CH2)3-C(=O)-NH-(CH2)2-NH-C(=O)-CF(CF3)(OCF2CF(CF3)b-OCF2CF2CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)c-CF(CF3)-C(=O)-NH-(CH2)2-NHC(=O)-(CH2)3-SH,
F[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)-C(=O)NH-CH2CH2-O-C(=O)-CH2CH2SH,
F[CF(CF3)CF2O]aCF(CF3)-C(=O)NH-(CH2CH2-O)2-C(=O)-CH2CH2SH,
HS-(CH2)3-C(=O)-N(CH3)-(CH2)3-NH-C(=O)-CF(CF3)(OCF2CF(CF3)b-OCF2CF2CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)c-CF(CF3)-C(=O)-NH-(CH2)3-N(CH3)C(=O)-(CH2)3-SH,
기타 및 그 조합. 퍼플루오로폴리에테르 유기 황 화합물 및 이러한 화합물을 제조하는 공정은 미국 가특허 출원 제61/121605호(Zu 등)에 더 상세히 기술되어 있다.
기판은 유리, 중합체, 접착제, 금속, 금속 합금 및/또는 기타 물질을 포함할 수 있다. 기판은 기층 및 하나 이상의 부가의 층 또는 코팅을 포함하는 계층화된 구조물일 수 있다. 일부 구현예는 기판 및/또는 기층이 실질적으로 투명할 것을 필요로 하는 반면, 다른 구현예에서는, 투명도가 중요하지 않다. 앞서 논의한 바와 같이, 기판은 롤투롤 방식으로 처리되기에 충분히 유연하고 강한 평평한 시트의 형태의 중합체 필름일 수 있다. 롤투롤 공정이란 물질이 지지체에 감기거나 그로부터 풀려나는 것은 물론 어떤 방식으로 추가적으로 처리되는 공정을 의미한다. 기판은 임의의 두께일 수 있다. 롤투롤 응용에 적당한 중합체 필름이 각종의 두께로(일반적으로 약 5 ㎛ 내지 1000 ㎛의 범위에 있음) 제조될 수 있다.
기판은 열가소성 및 열경화성 중합체를 포함할 수 있다. 열가소성 물질의 일례는 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 및 폴리에스테르를 포함한다. 열가소성 물질의 추가의 일례는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(메틸메타크릴레이트), 비스페놀 A의 폴리카보네이트, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 기판은 기층의 적어도 하나의 주 표면 상에 배치된 금속 코팅을 가지는 기층(예컨대, 중합체 기층)을 포함한다. 금속 코팅은 원소 금속, 금속 합금, 금속간 화합물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 금속은 금, 은, 팔라듐, 백금, 로듐, 구리, 니켈, 철, 인듐, 주석, 탄탈은 물론, 이들 원소의 혼합물, 합금 및 화합물을 포함한다.
금속 코팅을 포함하는 기판은 금속 코팅의 표면 상에 SAM 레지스트 패턴을 형성하는 잉크에 사용하기에 적당하다. 금속 패턴을 형성하기 위해, 잉크 패턴을 갖는 금속 영역은 기판 상에 유지되고, 비패턴화된 영역의 금속은, 예컨대, 습식 에칭에 의해 제거된다. SAM 패턴화된 기판을 습식 에칭하는 기법은 미국 가특허 출원 제61/220407호(Zu 등)에 기술되어 있다.
도 15는 작용기화 분자의 패턴을 기판으로 전사하기 위해 본 명세서에 기술된 것과 같은 가압 롤러를 사용하는 미세 접촉 인쇄 공정을 나타낸 흐름도이다. 작용기화 분자를 포함하는 잉크가 칠해진 스탬프가 제공된다(1510). 처음에, 팽창가능 블래더가 가압될 수 있고 및/또는 가압 롤러의 외측 표면과 스탬프 표면 사이의 거리 d가 조정될 수 있다(1520). 예를 들어, 롤러에 의해 스탬프에 가해지는 압력 - 팽창가능 블래더 내의 유체의 압력과 대략 동일함 - 을 달성하기 위해 이 거리가 조정될 수 있다. 기판이 스탬프 상의 위치로 이동되고, 스탬프 표면과 기판의 제1 표면 사이의 접촉면이 개시된다(1530). 롤러가 기판의 제2 표면 상에서 병진되고 이와 동시에 회전되어(1540), 기판의 제1 표면을 스탬프 표면과 접촉시킨다. 작용기화 분자가 스탬프 상의 패턴으로 스탬프로부터 제1 기판 표면으로 전사된다(1550). 기판이 스탬프로부터 분리된다(1560). 공정이 패턴을 기판으로 여러번 전사하는 데 사용되는 스텝-앤-리피트 공정인 경우, 기판의 부가의 영역을 미세 접촉 인쇄 공정에 노출시키기 위해 기판이 스탬프에 대해 반복하여 재배치될 수 있다.
실시예
잉크 용액 및 스탬프에 잉크 칠하기: 알킬 티올 화합물을 에탄올[미국 캔터키주 쉘비빌 소재의 Pharmco-Aaper의 200 프루프, 순수, 무수(200 proof, absolute, anhydrous)]에 용해시킴으로써 인쇄용 잉크 용액이 준비되었다. 잉크 용액이 목표 농도로 준비되었다. 기술 분야에 공지된 바와 같이, 티올 화합물의 분자량과 에탄올의 밀도를 고려하여 적절한 질량의 알킬 티올과 에탄올을 결합함으로써 목표 농도가 달성되었다. 사용된 알킬 티올은 10mM 옥타데실티올("ODT", 미국 오레곤주 포트랜드 소재의 TCI America의 스테릴 메르캅탄)이었다. 티올 화합물이 용해된 후에, 스탬프는 스탬프의 후방 측면으로부터 잉크 용액을 흡수할 수 있었다. 잉크 용액은, 충분한 시간 후에, 스탬프의 상부 측면에서 이용하게 될 때까지, 스탬프의 대부분을 통해 확산된다. 이 잉킹 공정은 폐쇄된 용기에서 수행된다. 이하의 실시예에서, 잉킹 시간은 전형적으로 24 시간이었다.
기판: 인쇄를 위한 기판에 은-코팅된 필름이 사용되었다. 은-코팅된 필름은 공칭 100 ㎚의 은 스퍼터(silver sputter)가 ST504 PET 필름의 비프라이밍된 측면 상에 코팅된 것으로 이루어져 있다. 은 코팅된 기판이 롤러가 계합될 때 손으로 급지되는 시트(대략 20.3 ㎝ × 25.4 ㎝(8" × 10"))로서 미세 접촉 인쇄 도구 내로 유입되었다. 이하에 기술되는 실시예에서, 기판의 두께는 0.125 ㎜였다.
스탬프 및 스탬프 지지체: 스탬프는 Sylgard™ 184 PDMS (미국 미시간주 미들랜드 소재의 Dow Corning)를 포토리소그라피 유도된 마스터(photolithography derived master) 상에 캐스팅하고 이어서 80℃에서 대략 2 시간 동안 스탬프를 열 경화시킴으로써 제조되었다. 스탬프 양각의 패턴은 2 마이크로미터 폭의 선폭 및 육각형 사이의 200 마이크로미터 간격을 가지는 상승된 육각형 특징부로 이루어져 있었다. 스탬프 양각 높이는 2 마이크로미터였다. 잉크가 칠해진 경우, 스탬프가 액체를 제거하기 위해 잠깐동안 질소로 송풍 건조된 다음에 스탬프의 경성 배킹을 위한 유리 플레이트 상에 놓여졌다. 이 유리 플레이트 - 스탬프 구조체가 이어서, 스탬프의 상부 표면과 팽창된 롤러의 하부 표면 사이의 갭(본 명세서에서 거리 d라고도 함)을 조정하기 위해, x 및 y 방향으로 기울어질 수 있고 또한 z 방향으로 이동될 수 있는 스탬프 지지체 베이스에 고정되었다. 이것은 표 1에서 언급되는 갭이다. 주목할 점은, 마이너스 갭 값이 스탬프 표면의 상부가 팽창가능 블래더의 하부보다 위쪽에 있다는 것을 의미한다는 것이다.
롤러 인쇄: 실시예에서 사용되는 가압 롤러는 양극처리된 알루미늄 코어 - 외경이 6.15 ㎝(2.42 인치)이고 길이가 30.9 ㎝(12.2 인치)임 - 로 이루어져 있었고, 0.16 ㎝(1/16 인치) 두께의 고무 블래더는 내경이 6.09 ㎝(2.4 인치)이고 경도계가 50 Shore A(미국 미네소타주 블레인 소재의 SI Industries, Inc.)였다. 롤러 코어와 고무 슬리브의 내부 표면 사이의 공간에 질소 가스를 유입시킴으로써 블래더가 팽창되었다. 블래더가 팽창된 압력은 조절기(Norgren 조절기, 모델 번호 R07-200-RGAA, 0-68.9 ㎪(10 psig)) 및 게이지[Dwyer Instruments Inc의 Magnehelic Model 2100 차압계(Differential Pressure Gage)는 0 ㎝ 내지 254 ㎝(0" 내지 100") w.c.를 측정함]에 의해 제어되었다. 가압 롤러가 이어서 스탬프의 평면을 따라 이동되어, 기판의 은-코팅된 표면과 잉크가 칠해진 스탬프의 상부 표면 사이를 접촉하게 함으로써, 작용기화 분자(이 경우에, 티올 분자)를 은 표면에 스탬프의 표면에 의해 결정되는 패턴으로 전사시켰다. 이 패턴화된 모노층 표면은 차후의 에칭 공정에 대한 레지스트 층으로서 역할하였다. 모든 실시예가 5초의 접촉 시간으로 인쇄되었다.
에칭: 인쇄된 은-코팅된 기판의 에칭이 질산 제이철 및 티오요소 에칭 수조 화학(20mM 질산 제이철, 30mM 티오요소, 및 탈이온수)을 사용하여 행해졌다. 에칭제는 필요하기 바로 전에 준비되었다. 에칭제 설비는 앞서 기술된 조성물의 에칭 수조 및 버블러(bubbler)로 이루어져 있었다. 버블러는 에칭 수조의 하부에 위치하고 질소로 버블링하였다. 인쇄된 은-코팅된 기판은 이어서 인쇄된 측면을 아래쪽으로 하여 에칭 수조 내에 놓여졌으며, 이는 기판이 에칭 수조의 표면 상에 떠있게 해줄 수 있다. 전형적인 에칭 시간은 1.5분이었으며, 그 후에 인쇄되고 에칭된 기판이 제거되고 탈이온수에서 세정되었으며, 그로써 패턴화된 은 필름이 드러나게 되었다.
실시예 1 내지 실시예 22가 이하의 단락들에서 기술된다. 모든 샘플은 상기한 기법을 사용하여 동일한 날짜에 제조되었다. 인쇄 조건 및 결과의 요약이 표 1에 제시되어 있다. 주목할 점은, 결함이 없는 것으로 표시된 샘플이 인쇄된 샘플에 붕괴, 보이드 또는 기타 결함의 증거가 없다는 것을 의미한다는 것이다. 어떤 결함을 갖는 것으로 표시된 샘플은 인쇄된 샘플의 영역이 붕괴 또는 보이드를 갖지만 총 면적의 25% 미만에 달한다는 것을 의미한다. 많은 결함을 갖는 것으로 표시된 샘플은 총 인쇄 면적의 대략 25% 초과에 대해 붕괴 또는 보이드가 보였다는 것을 의미한다. 샘플에서 보이는 결함의 유형은 인쇄 조건에 따라 달랐으며, 각각의 실시예에 대해 이하에 보고되어 있다. 그렇지만, 일반적으로, 보다 높은 인가된 압력(즉, 블래더 압력)에 대해 그리고 보다 작은 갭에 대해 붕괴가 보인다. 전형적으로, 보다 낮은 인가된 압력(즉, 블래더 압력)에 대해 그리고 보다 큰 갭에 대해 보이드가 보인다. 표 1은 다양한 갭(스탬프의 상부 표면과 팽창된 롤러의 하부 표면 사이) 및 블래더 압력 설정에 대해 인쇄 품질 결과를 제공한다.
[표 1]
Figure pct00001
실시예 1
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.4 ㎜(± 0.15 ㎜)의 갭 및 10.3 ㎪(1.5 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다. 도 16은 보이드 결함을 갖는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드)이다. 주목할 점은, 어두운 영역이 패턴화된 은이고, 밝은 영역이 에칭에 의해 은이 제거된 곳이라는 것이다.
실시예 2
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.4 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 12.4 ㎪(1.8 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 3
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.4 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 4
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.4 ㎜(± 0.15 ㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 5
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.25 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 11.0 ㎪(1.6 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 일부 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 B 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 6
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.25 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 12.4 ㎪(1.8 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 7
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.25 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 일부 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 B 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 8
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.25 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다. 도 17은 결함을 갖지 않는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드)이다. 주목할 점은, 어두운 영역이 패턴화된 은이고, 밝은 영역이 에칭에 의해 은이 제거된 곳이라는 것이다.
실시예 9
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.1 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 11.0 ㎪(1.6 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 일부 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 B 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 10
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.1 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 12.4 ㎪(1.8 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 11
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.1 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 12
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 0.1 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 13
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.03 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 11.0 ㎪(1.6 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 일부 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 B 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 14
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.03 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 12.4 ㎪(1.8 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 일부 보이드 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 B 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 16에 나타내어져 있다.
실시예 15
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.03 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 16
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.03 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 17
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.18 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 18
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.18 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 19
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.18 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 17.2 ㎪(2.5 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 결함 없음에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 A 등급을 받았다. 결함이 없는 이러한 샘플의 특성 이미지가 도 17에 나타내어져 있다.
실시예 20
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.33 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 13.8 ㎪(2.0 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 붕괴 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 18에 나타내어져 있다. 도 18은 붕괴 결함(collapse defect)을 갖는 인쇄된 샘플의 영역의 광학 현미경 사진(투과 모드). 주목할 점은, 어두운 영역이 패턴화된 은이고, 밝은 영역이 에칭에 의해 은이 제거된 곳이라는 것이다.
실시예 21
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.33 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 15.2 ㎪(2.2 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 붕괴 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 18에 나타내어져 있다.
실시예 22
패턴화된 은-코팅된 PET 필름이 앞서 기술한 기법을 사용하여 제조되었다. 사용된 인쇄 조건은 스탬프의 상부 표면과 롤러의 하부 표면 사이의 -0.33 ㎜(± 0.15㎜)의 갭 및 17.2 ㎪(2.5 psi)의 블래더에서의 압력이었다. 인쇄 시간은 5초였고, 그 후에 인쇄된 샘플이 1.5분 동안 에칭되었다. 이 결과, 많은 붕괴 결함에 의해 특징지워지는 샘플이 얻어졌고, 따라서 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 C 등급을 받았다. 이러한 결함 영역의 특성 이미지가 도 18에 나타내어져 있다.
본 발명의 다양한 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 모두 망라하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하려고 의도한 것이 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 변경예 및 변형예가 가능하다. 본 발명의 범위가 이 상세한 설명에 의해 제한되지 않고 오히려 첨부된 특허청구범위에 의해 제한되는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 미세 접촉 인쇄 방법으로서,
    작용기화 분자를 포함하는 잉크가 칠해진 평면 스탬프(planar inked stamp)를 제공하는 단계;
    기판의 제1 표면을 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 쪽으로 배향하는 단계;
    기판의 제1 표면을 잉크가 칠해진 스탬프의 표면에 접촉시키는 단계;
    기판의 제2 표면 상에서 가압 롤러를 굴리는 단계; 및
    작용기화 분자의 적어도 일부분을 잉크가 칠해진 평면 스탬프의 표면으로부터 기판의 제1 표면으로 전사하는 단계를 포함하고, 가압 롤러가 유체에 의해 가압되는 팽창가능 블래더(inflatable bladder)를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 팽창가능 블래더가 약 137.9 ㎪(20 psi) 미만으로 가압되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 팽창가능 블래더가 약 0.1 밀리미터 내지 약 3 밀리미터의 두께를 가지는 탄성 중합체 벽을 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가압 롤러의 외측 표면이 약 30 내지 약 80 Shore A 범위의 경도계(durometer)를 가지는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기판의 제2 표면 상에서 가압 롤러를 굴리는 단계가 스탬프의 표면에 137.9 ㎪(20 psi) 미만의 압력을 가하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판의 제1 표면을 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 쪽으로 배향하는 단계가 잉크가 칠해진 스탬프의 표면과 기판의 제1 표면 사이의 접촉 지점에 인접해 있는 기판의 제1 표면의 부분에 대한 접선이 스탬프의 평면과 각도를 이루도록 배향하는 단계를 포함하고,
    잉크가 칠해진 스탬프의 표면을 기판의 제1 표면에 접촉시키는 단계가 접촉 지점에 기판의 제1 표면과 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 사이의 접촉면(contact front)을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기판의 제2 표면 상에서 가압 롤러를 굴리는 단계가 굴리는 동안 기판의 제1 표면과 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 사이의 접촉면을 전파(propagate)하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가압 롤러 내의 유체의 압력을 조정하는 것 및 가압 롤러의 외측 표면과 잉크가 칠해진 스탬프의 표면 사이의 거리를 조정하는 것 중 하나 또는 둘 다에 의해, 가압 롤러에 의해 잉크가 칠해진 스탬프의 표면에 가해지는 압력을 조정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 미세 접촉 인쇄 장치로서,
    평면 스탬프;
    유체에 의해 가압되도록 구성되어 있는 팽창가능 블래더를 포함하는 롤러; 및
    가압 롤러가 평면 스탬프에 압력을 가하는 동안, 스탬프의 표면에 실질적으로 평행인 방향으로 가압 롤러와 스탬프 사이의 상대 이동을 제공하도록 구성되어 있는 작동기를 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 가압 롤러의 외측 표면과 스탬프의 표면 사이의 거리를 조정하도록 구성되어 있는 조정 메커니즘을 추가로 포함하는 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 작동기가 상대 이동을 자동으로 제공하도록 구성되어 있는 제어 시스템을 포함하는 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 가압 롤러가 상대 이동 동안 회전하고, 작동기가 롤러를 회전시키도록 구성되어 있는 모터 구동식 구동 메커니즘(motorized drive mechanism)을 포함하는 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 평면 스탬프가 스탬프의 표면 상에 양각 패턴을 포함하고 - 양각 패턴은 상승된 영역 및 함몰된 영역을 가짐 -, 상승된 영역의 최소 횡방향 치수가 약 10 마이크로미터 미만이며, 인접한 상승된 영역들 사이의 최대 횡방향 간격이 적어도 약 50 마이크로미터이고, 상승된 영역과 함몰된 영역 사이의 양각 패턴의 높이가 약 10 마이크로미터 미만인 장치.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창가능 블래더가 유체에 의해 약 137.9 ㎪(20 psi) 미만으로 가압되도록 구성되어 있는 장치.
  15. 세로축을 가지는 미세 접촉 인쇄 롤러로서,
    유체에 의해 가압되도록 구성되어 있는 팽창가능 블래더를 포함하고, 롤러의 외측 표면이, 팽창가능 블래더가 137.9 ㎪(20 psi) 미만으로 팽창될 때, 세로축을 따라 적어도 5 ㎝의 폭에 걸쳐 1 ㎝ 폭당 1 ㎜ 미만의 높이 변동을 갖도록 구성되어 있는 롤러.
  16. 제15항에 있어서, 팽창가능 블래더가 팽창가능 블래더의 내부 체적 내에 내부 지지체를 포함하지 않는 롤러.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 팽창가능 블래더가 탄성 중합체 벽 및 내부 체적을 포함하는 롤러.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창가능 블래더가 팽창가능 발포체를 포함하는 롤러.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 롤러가 팽창가능 블래더의 외측 표면 상에 배치된 하나 이상의 부가의 층을 포함하는 롤러.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 롤러의 외측 표면이 약 30 내지 약 80 Shore A의 경도계를 가지는 롤러.
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