선형주사식 진폭분할 편광계를 이용한 장력이 가해진 유연기판의 이방성 분포 측정

Abstract

최근 유연 전자소자 및 유연 디스플레이에 대한 관심이 많아지면서 인쇄 전자소자 분야가 새로운 산업으로 부상되고 있다. 인쇄 전자소자를 제작하는 미래 기술 중 하나인 롤투롤(Roll-to-Roll) 기술은 롤을 이용하여 연속적으로 기판을 흘려보내고, 흘러가는 기판에 공정을 진행하여 저비용으로 대량 생산을 가능하게 한다. 롤투롤 공정을 위해서는 유연한 기판을 필요로 하므로 일반적으로 플라스틱이나 고분자 재료가 사용되지만 때로는 얇은 형태의 유리, 금속 또는 세라믹 기판 등이 사용되기도 한다. 롤투롤 인쇄 시스템의 가장 중요한 이슈 중 하나인 레지스터 제어는 인쇄 과정에서 각 층의 중첩정밀도를 향상시키기 위한 필수 조건이다. 기판을 이송하기 위해 장력이 가해지는데 기판 이송용 모터의 속도 차이로 인해 장력의 편차가 발생하고, 발생된 장력의 편차로 인하여 인쇄체의 길이가 변한다. 공정의 완성도를 높이기 위해 사용되고 있는 장력 제어 기술은 기판을 이송하는 모터의 속도제어에 기초하고 있는데 장력을 일정하게 유지하기 위해 각 인쇄 구간에서 기판의 장력을 측정하고 장력정보를 피드백하여 모터의 속도를 제어하게 된다. 장력을 측정하는 기존의 방식은 장력측정용 롤을 추가하여 기판이 이 롤에 가하는 힘을 직접 측정하는 접촉식 방식이다. 이 방식은 매우 정교한 기계적 정밀도를 요구하여 시스템의 유지 보수가 매우 중요하고, 무엇보다 인쇄되는 영역과 다른 영역에서의 장력을 측정하므로 전자소자에서 요구되는 장력 제어에는 정밀도가 떨어진다. 또한 롤에 걸리는 장력의 평균값을 얻어내므로 기판상의 장력분포를 알 수 없다. 본 연구에서는 결상타원계를 이용하여 기판의 광학 이방성을 측정하고, 이로부터 기판의 장력을 정밀하게 결정하는 방법을 찾고 실제 유연기판의 장력측정에 이 방법을 적용할 수 있는지 여부를 타진하고자 하였다. 타원법(ellipsometry)은 빛의 편광상태가 시료의 다층막 구조 및 광학 이방성과 같은 광물성에 따라 민감하게 변화하는 성질을 이용하여 박막의 구조와 물성을 결정하는 방법이다. 타원법과 같은 광학적인 방법은 시료에 직접적으로 물리적인 힘을 가하지 않기 때문에 시료에 영향을 주지 않고, 환경에 큰 제약을 받지 않으며 실시간으로 측정이 가능하다는 장점이 있다. 타원데이터의 영상정보를 얻을 수 있게 하는 결상타원계는 시료 투과형 혹은 시료 반사형으로 구성할 수 있다. 본 연구에서는 표면이 아닌 기판 전체의 광학 이방성을 보고자 하므로 투과형으로 제작하여 기판과 기판 위에 형성된 패턴의 광학 이방성 정보를 동시에 측정하도록 하였다. 광학 이방성을 측정하는 방식으로는 진폭분할 편광계(DOAP, Division-of-Amplitude Photopolarimeter)를 이용하였다. 선형 주사식 카메라(line scan camera)를 광량측정기로 사용하여 시료에 의한 빛의 편광상태 변화를 선형의 넒은 면적으로 실시간 측정하는 선형 주사식 진폭분할 편광계(line scan DOAP)를 제작하였다. 선형 영상정보를 얻기 위해 적용된 광학계의 공간분해능은 10 μm, FOV는 10 mm이다. 이 결상타원계를 사용하여 길이가 10 mm인 띠모양의 정보를 실시간으로 얻을 수 있었고, 이를 이용하여 유연기판 시료의 광학 이방성 정보를 확인하였다. 광학 이방성 정보를 가해지는 장력에 대한 정보로 변환하기 위해서는 광탄성 계수가 주어져야 한다. 시료의 광탄성 계수로는 장력측정용 푸시풀 스탠드가 장착된 ㈜엘립소테크놀러지의 분광타원계(SE, spectroscopic ellipsometer)를 이용하여 이미 실험적으로 얻은 값들을 사용하였다. 선형 주사식 진폭분할 편광계로 시료에 의해 변한 편광상태를 측정하고, 실험적으로 얻은 광탄성 계수를 이용하여 시료에 가해진 장력에 대한 분포를 확인할 수 있었다. 또한 시료에 장력을 균일하게 주었을 때와 불균일하게 주었을 때를 비교하는 실험을 통해 시료에 가해진 장력 분포 차이를 분명하게 확인하였다. 본 연구에서 제작한 선형 주사식 진폭분할 편광계는 반복측정 실험과 진동중의 실험, 기울임 각도에서의 실험 등으로 안정성을 확인하였고, 상용장비인 분광타원계와 측정 데이터가 1:1 대응하는 것으로부터 개발한 선형 주사식 진폭분할 편광계의 정밀성을 확인하였다. 마지막으로 강조하고자 하는 바는 본 연구에서 개발한 선형 주사식 진폭분할 편광계는 빛을 이용한 비접촉 측정 방식으로 시료에 접촉변형을 가하지 않고도 시료의 정보들을 얻을 수 있다는 점과, 실시간 선형의 넓은 영역을 빠르게 측정이 가능하다는 이점을 가지고 있으므로 추후 롤투롤 공정에서 기판과 접촉하지 않으며 공정에도 간섭하지 않고 기판의 장력을 실시간으로 제어할 때 매우 유용하게 사용될 것이다.