KR101135622B1 - 접착력 제어가 가능한 이송 스탬퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 소자의 기계적 파손과 전기적 파손을 유발하지 않으면서 전자 소자에 대한 접착력을 자유롭게 조절할 수 있는 이송 스탬퍼를 제공한다. 본 발명에 따른 이송 스탬퍼는, ⅰ) 압축 공기가 제공되는 제1 채널을 형성하는 백 플레이트와, ⅱ) 백 플레이트에 밀착 고정되며, 제1 채널과 이어지는 입구 채널 및 입구 채널과 이어지는 복수의 공기 채널들을 포함하는 제2 채널을 형성하는 중간 플레이트와, ⅲ) 공기 채널들과 마주하며 중간 플레이트의 외면에 부착되고, 공기 채널들에 압축 공기 제공시 공기 채널들의 대응 부위가 외측으로 부풀어 복수의 접착 벌룬들을 형성하는 멤브레인을 포함한다.
이송, 스탬퍼, 채널, 멤브레인, 압축공기, 공기압, 전자소자, 접착력

Description

접착력 제어가 가능한 이송 스탬퍼 {ADHESION CONTROLLABLE TRANSFER STAMPER}
본 발명은 이송 스탬퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피이송물인 전자 소자에 대한 접착력 제어가 가능하도록 구성된 이송 스탬퍼에 관한 것이다.
이송 스탬퍼는 플랙서블 전자 소자의 제작에 있어서 실리콘 기판이나 유리 기판 위에 제작된 전자 소자를 플랙서블 폴리머 기판 위로 옮기는 공정에 사용되는 핵심 모듈이다. 종래의 이송 스탬퍼로는 진공 흡착력을 이용하여 전자 소자를 이송하는 진공 척(vacuum chuck)과, 전기적 힘을 이용하여 전자 소자를 이송하는 정전기 척(electrostatic chuck)이 주로 사용되고 있다.
그러나 전자 소자의 크기가 작아짐에 따라 유연성이 없는 진공 척은 전자 소자의 기계적 파손을 유발하며, 정전기 척은 전자 소자의 전기적 파손을 유발할 수 있다. 따라서 전자 소자의 기계적 파손과 전기적 파손을 유발하지 않으면서 피이송물인 전자 소자에 대한 접착력을 자유롭게 조절할 수 있는 이송 스탬퍼의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 피이송물인 전자 소자의 기계적 파손과 전기적 파손을 유발하지 않으며, 전자 소자에 대한 접착력을 자유롭게 조절할 수 있는 이송 스탬퍼를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼는, ⅰ) 압축 공기가 제공되는 제1 채널을 형성하는 백 플레이트와, ⅱ) 백 플레이트에 밀착 고정되며, 제1 채널과 이어지는 입구 채널 및 입구 채널과 이어지는 복수의 공기 채널들을 포함하는 제2 채널을 형성하는 중간 플레이트와, ⅲ) 공기 채널들과 마주하며 중간 플레이트의 외면에 부착되고, 공기 채널들에 압축 공기 제공시 공기 채널들의 대응 부위가 외측으로 부풀어 복수의 접착 벌룬들을 형성하는 멤브레인을 포함한다. 접착 벌룬들의 곡률 반경은 제2 채널에 인가되는 공기압에 반비례하고, 피이송물에 대한 접착력에 비례한다.
입구 채널은 중간 플레이트를 관통할 수 있으며, 공기 채널들은 멤브레인을 향한 중간 플레이트의 일면에 형성된 홈으로 이루어질 수 있다.
입구 채널은 제1 채널과 같은 위치에서 제1 채널과 같은 크기로 형성될 수 있다. 공기 채널들은 원형으로 형성될 수 있고, 중간 플레이트의 행 방향 및 열 방향을 따라 등간격으로 배치될 수 있다.
제2 채널은 입구 채널과 공기 채널들을 연결하는 복수의 연결 채널들을 더욱 포함할 수 있다. 연결 채널들은 입구 채널 및 입구 채널과 이웃한 어느 하나의 공 기 채널 사이와, 행 방향 및 열 방향을 따라 이웃한 공기 채널들 사이에 배치될 수 있다. 연결 채널들은 멤브레인을 향한 중간 플레이트의 일면에 형성된 홈으로 이루어질 수 있다.
백 플레이트는, 중간 플레이트를 향한 일면의 중앙에 형성되며 압축 공기가 제공되는 제3 채널이 형성된 오목부를 더욱 포함할 수 있다. 중간 플레이트와 멤브레인은 제3 채널과 오목부에 압축 공기 제공시 외측을 향해 볼록한 곡면을 형성할 수 있다.
중간 플레이트와 멤브레인은 고무 소재로 제조되고, 멤브레인이 중간 플레이트보다 작은 두께로 형성될 수 있다. 중간 플레이트와 멤브레인은 폴리디메틸실록산으로 제조될 수 있다.
공기 채널들은 1㎛ 내지 99㎛의 직경을 가질 수 있으며, 멤브레인의 최대 두께는 공기 채널들 직경의 0.1배일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기 채널들에 인가되는 공기압의 변화에 따라 접착 벌룬의 곡률 반경을 조절함으로써 접착 벌룬과 전자 소자의 접촉 면적을 제어할 수 있다. 본 발명의 이송 스탬퍼는 전자 소자의 기계적 파손과 전기적 파손을 전혀 유발하지 않으며, 공기압 조절로 전자 소자에 대한 접착력을 자유롭게 제어할 수 있다. 그 결과 다양한 크기와 다양한 무게의 전자 소자를 파손 없이 안전하게 이송할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼의 분해 사시도와 결합 상태 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예의 이송 스탬퍼(100)는 서로 적층된 상태로 결합되는 백 플레이트(10), 중간 플레이트(20), 및 멤브레인(30)을 포함한다.
백 플레이트(10)는 중간 플레이트(20)를 향한 일면에 오목부(11)와, 오목부(11)를 둘러싸는 볼록부(12)를 형성한다. 백 플레이트(10)의 볼록부(12)에는 압축 공기가 주입되는 제1 채널(13)이 형성된다. 제1 채널(13)은 원형일 수 있으며, 백 플레이트(10)의 볼록부(12)에 하나 또는 2개 이상으로 구비될 수 있다.
도 1에서는 일례로 백 플레이트(10)의 볼록부(12)에 하나의 제1 채널(13)이 형성된 경우를 도시하였다.
중간 플레이트(20)는 일정 두께를 가지며, 백 플레이트(10)와 같은 크기로 형성된다. 중간 플레이트(20)는 백 플레이트(10)의 볼록부(12)에 밀착된 상태로 백 플레이트(10)에 고정된다. 이로써 중간 플레이트(20) 중 오목부(11)에 대응하는 부위는 백 플레이트(10)와 소정의 간격(G, 도 2 참조)을 두고 위치한다.
중간 플레이트(20)에는 제1 채널(13)과 이어지는 제2 채널(21)이 형성된다. 제2 채널(21)은, 제1 채널(13)과 같은 위치에서 중간 플레이트(20)를 관통하는 입 구 채널(22)과, 행 방향 및 열 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 공기 채널들(23)과, 입구 채널(22)과 공기 채널들(23)을 연결하는 복수의 연결 채널들(24)을 포함한다.
여기서, 공기 채널들(23)과 연결 채널들(24)은 중간 플레이트(20)에 형성된 홈으로서, 중간 플레이트(20)의 두께보다 작은 깊이로 형성된다.
입구 채널(22)은 제1 채널(13)과 같은 크기를 가지며, 제1 채널(13)을 통해 압축 공기를 제공받는다. 공기 채널들(23)은 원형으로 형성될 수 있고, 입구 채널(22)보다 작은 직경을 가진다. 공기 채널들(23)은 중간 플레이트(20) 가운데 오목부(11)에 대응하는 영역에 형성되며, 행 방향 및 열 방향을 따라 등간격으로 배치된다.
연결 채널(24)은 입구 채널(22) 및 이와 이웃한 어느 하나의 공기 채널(23) 사이와, 행 방향 및 열 방향을 따라 이웃한 공기 채널들(23) 사이에 배치되어 입구 채널(22)과 공기 채널들(23)을 모두 연결시킨다. 따라서 제1 채널(13)에 제공된 압축 공기는 입구 채널(22)과 연결 채널들(24)을 거치면서 모든 공기 채널들(23)에 전달된다. 이때 연결 채널(24)의 폭은 공기 채널(23)의 직경보다 작게 형성된다.
또한, 백 플레이트(10)의 오목부(11)에는 제1 채널(13)과 별도로 압축 공기가 주입되는 제3 채널(14)이 형성된다. 제3 채널(14)은 오목부(11)의 중앙에 위치할 수 있다. 백 플레이트(10)는 금속, 플라스틱, 고무 등 다양한 소재로 제조될 수 있다. 중간 플레이트(20)는 고무 소재, 예를 들어 폴리디메틸실록산으로 제조될 수 있다.
멤브레인(30)은 중간 플레이트(20)보다 작은 일정 두께를 가지며, 중간 플레이트(20)와 같은 크기로 형성된다. 멤브레인(30)은 중간 플레이트(20)의 외면 전체, 즉 중간 플레이트(20) 중 공기 채널(23)과 연결 채널(24)을 둘러싸는 부위의 외면에 부착된다. 멤브레인(30)은 외력에 의해 탄성 변형하는 고무 소재로 제조되며, 예를 들어 중간 플레이트(20)와 동일한 폴리디메틸실록산으로 제조될 수 있다.
폴리디메틸실록산은 액체 상태로 존재하는 실리콘 합성고무에 경화제(curing agent)를 특정 비율(예를 들어 고분자:경화제=10:1)로 혼합 후 80℃ 내외에서 경화시키면, 2~3시간 후에 탄성 고무소재로 굳는 특성을 지닌다. 폴리디메틸실록산은 경화 이전, 상온에서 10시간 이상 액체 상태로 존재하므로 고속 회전 코팅에 의해 균일한 두께의 중간 플레이트(20)와 멤브레인(30)을 제작할 수 있으며, 중간 플레이트(20)와 멤브레인(30)의 탄성계수는 경화제의 비율을 조절하여 다양하게 변화시킬 수 있다.
폴리디메틸실록산으로 제조된 멤브레인(30)은 표면이 끈적이는 특성이 있으므로 작은 소자를 붙여 이동하는데 유리하다. 또한, 산소 플라즈마로 표면을 처리하는 경우 중간 플레이트(20) 위로 멤브레인(30)을 공유결합으로 접합시킬 수 있으므로, 여러층의 재료를 밀봉 접합하는데 용이하다. 본 실시예에서 멤브레인(30)은 균일한 두께 제작이 가능하고, 접착 특성을 가지며, 산소 플라즈마 처리로 밀봉 접합을 쉽게 구현할 수 있다.
전술한 이송 스탬퍼(100)가 수십 마이크로미터 크기의 패턴을 전사하기 위해서는 접착면으로 작용하는 부분의 면적이 전사시키고자 하는 패턴의 크기보다 커야 한다. 따라서 중간 플레이트(20)에 형성된 공기 채널들(23)은 1㎛ 내지 99㎛의 직경으로 형성될 수 있다. 그리고 멤브레인(30)은 공압에 의해 변형이 일어나야 하는데 두께가 너무 크면 변형이 어려우므로, 원하는 크기의 접착 벌룬(31)을 형성하기 위해서는 멤브레인(30)의 두께를 공기 채널(23) 직경의 1/10 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 일반적인 대변위 판변형 이론에 의해 검증되는 부분이다. 예를 들어 공기 채널(23)의 직경이 20㎛인 경우 멤브레인(30)은 2㎛보다 작은 두께로 형성된다.
도 3은 도 1에 도시한 이송 스탬퍼의 작동 중 상태를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 백 플레이트(10)의 후면에서 제1 채널(13)로 압축 공기를 제공하면, 중간 플레이트(20)에 형성된 공기 채널들(23) 모두에 압축 공기가 전달되고, 이 공기압이 멤브레인(30)을 가압하여 이를 확장시킨다. 즉, 멤브레인(30) 가운데 공기 채널(23)과 마주하는 부분이 공기압에 의해 외측으로 부풀면서 공기 채널(23)과 같은 개수의 접착 벌룬(31)을 형성한다.
접착 벌룬(31)은 유리 기판 또는 실리콘 기판 위에 제작된 전자 소자(도시하지 않음)와 접촉하여 전자 소자를 접착 벌룬(31)에 붙인 후 이를 폴리머 기판 위로 이송하는 역할을 한다. 이 과정에서 접착 벌룬(31)의 곡률 반경은 피이송물에 대한 접착력과 비례하며, 공기 채널(23)에 공급되는 공기압에 반비례한다.
그리고 백 플레이트(10)의 후면에서 제3 채널(14)과 오목부(11)로 압축 공기를 제공하면, 중간 플레이트(20) 중 오목부(11)와 마주하는 부위가 공기압에 의해 외측으로 부풀어 소정의 곡률을 형성한다. 즉, 멤브레인(30)에 복수의 접착 벌 룬(31)이 형성되는 것과 더불어 중간 플레이트(20)와 멤브레인(30)이 큰 곡률 반경을 가지는 하나의 볼록한 곡면을 형성한다.
중간 플레이트(20)와 멤브레인(30)의 곡면 형성은 전자 소자를 이송하는 과정에서 전자 소자와 접착 벌룬들(31) 사이로 에어 트랩(air trap)이 생기는 것을 방지하여 전자 소자의 이송 효율을 높이는 기능을 한다.
한편, 도시는 생략하였으나 입구 채널(22)에 대응하는 중간 플레이트(20)와 멤브레인(30) 사이 또는 멤브레인(30)의 바깥에는 입구 채널(22)에 인가되는 공기압에 의한 멤브레인(30)의 확장을 방지하는 막음 부재가 위치한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼의 부분 단면도와 부분 평면도로서, 공기 채널들에 P1, P2, 및 P3의 공기압이 인가된 상태를 차례로 도시하였다. 이때 공기압은 P1<P2<P3의 조건을 만족한다.
도 4를 참고하면, 공기 채널들(23)에 P1의 공기압이 인가될 때 멤브레인(30)은 R1의 곡률 반경을 가지는 접착 벌룬들(31)을 형성한다. 그리고 전자 소자(40)의 이송을 위해 접착 벌룬들(31)에 전자 소자(40)를 부착하면, 각 접착 벌룬(31)은 전자 소자(40)와 W1의 직경을 가지는 접촉 영역(S1)을 형성한다.
도 5를 참고하면, 공기 채널들(23)에 P2의 공기압이 인가될 때 멤브레인(30)은 R1보다 작은 R2의 곡률 반경을 가지는 접착 벌룬들(31)을 형성한다. 그리고 전자 소자(40)의 이송을 위해 접착 벌룬들(31)에 전자 소자(40)를 부착하면, 각 접착 벌룬(31)은 전자 소자(40)와 W1보다 작은 W2의 직경을 가지는 접촉 영역(S2)을 형성한다.
도 6을 참고하면, 공기 채널들(23)에 P3의 공기압이 인가될 때 멤브레인(30)은 R2보다 작은 R3의 곡률 반경을 가지는 접착 벌룬들(31)을 형성한다. 그리고 전자 소자(40)의 이송을 위해 접착 벌룬들(31)에 전자 소자(40)를 부착하면, 각 접착 벌룬(31)은 전자 소자(40)와 W2보다 작은 W3의 직경을 가지는 접촉 영역(S3)을 형성한다.
이와 같이 본 실시예의 이송 스탬퍼(100)는 공기 채널들(23)에 제공되는 공기압 변화에 따라 접착 벌룬(31)의 곡률 반경을 조절함으로써 접착 벌룬(31)과 전자 소자(40)의 접촉 면적을 제어할 수 있다. 접착 벌룬(31)과 전자 소자(40)의 접촉 면적은 전자 소자(피이송물)에 대한 이송 스탬퍼(100)의 접착력과 비례한다.
즉, 접착 벌룬(31)의 곡률 반경을 크게 할수록 전자 소자(40)의 접촉 면적을 늘려 접착력을 높이고, 접착 벌룬(31)의 곡률 반경을 작게 할수록 전자 소자(40)의 접촉 면적을 축소시켜 접착력을 낮출 수 있다. 도 7에 공기압 변화에 따라 다양한 곡률 반경을 가지는 접착 벌룬의 사진을 나타내었다.
전술한 이송 스탬퍼(100)에 대한 이론적 배경은 컨택 메카닉스(contact mechanics)에서 잘 알려진 접착력 측정 방법 중 디엠티(DMT; Detjaguin-Muller-Toporov) 모델과 제이케이알(JKR; Johnson-Kendall-Roberts) 모델에 의한 접착력과 곡률 반경을 상관 관계를 통해 알 수 있다.
<1> DMT 모델: 접착력 = 2π (곡률 반경) (표면 에너지)
<2> JKR 모델: 접착력 = 1.5π (곡률 반경) (표면 에너지)
이와 같이 본 실시예에 따른 이송 스탬퍼(100)는 전자 소자의 기계적 파손과 전기적 파손을 유발하지 않으며, 공기압 조절로 전자 소자에 대한 접착력을 자유롭게 제어할 수 있다. 그 결과 다양한 크기와 다양한 무게의 전자 소자를 파손 없이 안전하게 이송할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼의 결합 상태 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 이송 스탬퍼의 작동 중 상태를 나타낸 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 스탬퍼의 부분 단면도와 부분 평면도이다.
도 7은 공기압 변화에 따라 다양한 곡률 반경을 나타내는 접착 벌룬의 확대 사진이다.

Claims (11)

  1. 압축 공기가 제공되는 제1 채널을 형성하는 백 플레이트;
    상기 백 플레이트에 밀착 고정되며, 상기 제1 채널과 이어지는 입구 채널 및 상기 입구 채널과 이어지는 복수의 공기 채널들을 포함하는 제2 채널을 형성하는 중간 플레이트; 및
    상기 공기 채널들과 마주하며 상기 중간 플레이트의 외면에 부착되고, 상기 공기 채널들에 압축 공기 제공시 상기 공기 채널들의 대응 부위가 외측으로 부풀어 복수의 접착 벌룬들을 형성하는 멤브레인을 포함하며,
    상기 접착 벌룬들의 곡률 반경은 상기 제2 채널에 인가되는 공기압에 반비례하고, 피이송물에 대한 접착력에 비례하며, 상기 백 플레이트는 상기 중간 플레이트를 향한 일면의 중앙에 압축 공기가 제공되는 제3 채널이 형성된 오목부를 형성하고, 상기 중간 플레이트와 상기 멤브레인은 상기 제3 채널과 상기 오목부에 압축 공기 제공시 외측을 향해 볼록한 곡면을 형성하는 이송 스탬퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입구 채널은 상기 중간 플레이트를 관통하며, 상기 공기 채널들은 상기 멤브레인을 향한 상기 중간 플레이트의 일면에 형성된 홈으로 이루어지는 이송 스탬퍼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입구 채널은 상기 제1 채널과 같은 위치에서 상기 제1 채널과 같은 크기로 형성되는 이송 스탬퍼.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기 채널들은 원형으로 형성되고, 상기 중간 플레이트의 행 방향 및 열 방향을 따라 등간격으로 배치되는 이송 스탬퍼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 채널은 상기 입구 채널과 상기 공기 채널들을 연결하는 복수의 연결 채널들을 더욱 포함하는 이송 스탬퍼.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연결 채널들은 상기 입구 채널 및 상기 입구 채널과 이웃한 어느 하나의 공기 채널 사이와, 행 방향 및 열 방향을 따라 이웃한 상기 공기 채널들 사이에 배치되는 이송 스탬퍼.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결 채널들은 상기 멤브레인을 향한 상기 중간 플레이트의 일면에 형성된 홈으로 이루어지는 이송 스탬퍼.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중간 플레이트와 상기 멤브레인은 고무 소재로 제조되고, 상기 멤브레인이 상기 중간 플레이트보다 작은 두께로 형성되는 이송 스탬퍼.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 중간 플레이트와 상기 멤브레인은 폴리디메틸실록산으로 제조되는 이송 스탬퍼.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 공기 채널들은 1㎛ 내지 99㎛의 직경을 가지며, 상기 멤브레인의 최대 두께는 상기 공기 채널들 직경의 0.1배인 이송 스탬퍼.
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