Development of Non-Contact Universal Platform Printing Technology for Micro-Electronics Structures

Abstract

본 논문에서는 새로운 프린팅 장비 개발과 인쇄 전자 기술을 이용한 멤리스터 (Memristor) 소자 제작 기술에 대해 제안한다. 압전 소자 방식과 열 방식의 프린팅 방식과 비교하여, 전기수력학적 프린팅(EHD) 방식은 빠른 공정 속도와 프린팅 재료 및 소자의 다양성 그리고 공정의 단순성의 장점을 가지고 있다. 또한, 전기수력학적 프린팅 공정은 다른 프린팅 공정에서 나타나는 문제점인 흡착, 농도의 변화 및 냉각에 따른 안정성에 대하여 크게 구애 받지 않는다. 전기수력학적 시스템이 갖는 3가지 토출 모드인 액적토출, 연속토출 및 분무로 인하여 균일한 박막층 제어와 고 생산효율 및 고 정밀도를 제공할 수 있다. 전기수력학적 프린팅 시스템은 유무기반도체 재료, 금속 전도성 재료, 나노 재료 등이 포함된 다양한 용매기반 잉크를 사용 한다. 본 본문에서는 링 타입 카운터 전극을 포함한 EHD 패터닝 접근법과 단점들을 자세히 기술하였으며,이 단점들은 실험적 설계기술(DOE)의 적용을 통해 보완하고 새로운 전기수력학적 프린팅 헤드 기술을 개발하였다. 먼저 링 카운터 전극 헤드는 노즐 오리피스 보다 위쪽에 설치되는 형태로 안정된 전기력선 제어를 통해 젯팅 길이를 짧게 가져갈 수 있으며, 안정적인 프린팅을 가능하게 한다. 시뮬레이션 분석 기법을 도입하여 각 헤드별 전기장의 형태와 성능을 비교 및 실험 결과를 예측하였다. 또한, DOE 분석에 기반으로 금속 모세관이 내부에 삽입되어 있는 형태인 실리카 재질의 헤드를 제시하였다. 실리카 헤드는 이중구조의 전극을 가지며, 메니스커스 (meniscus) 내의 방전된 입자의 역순환 메커니즘 제어가 용이하다. 이러한 특징들은 안정된 젯팅 모드와 균일한 패터닝을 얻기 위해 필요한 전압을 낮추는데 유리하다. 이러한 연구를 통해 전기수력학적 헤드 내의 잉크 순환 메커니즘 분석의 필요성을 논의하였으며, 실험적 결과를 비교하기 위해 동일한 유리기판 상에서 전도성 패터닝과 분무 증착 실험을 진행하였다. 또한 메니스커스 모양과 인가된 전압에 의한 전기수력학적 헤드의 토출 현상을 분석하였고, 낮은 전압에서의 메니스커스 형성과 토출의 안정화 대해 논의하였다. 새로운 메모리 형태인 멤리스터를 전기수력학적 인쇄방식 사용하여 제작할 수 있는 방법을 제시하였다. 멤리스터의 제작 실험에서는 실버 나노 입자 기반의 전도성 잉크와 TiO2 잉크 및, 유리 기판으로 전기수력학적 프린팅 및 분무 메커니즘을 통해 전도성 잉크 패터닝과 TiO2 증착을 시도하였다. 본 논문에서는 전기수력학적 기법에 의해 제조된 멤리스터를 통해 보다 수명이 긴 메모리 형태를 제안하였으며, 인쇄전자분야에서 생산비용을 절감하는 기술을 제안하였다. 향후 본 논문은 유연 기판기반의 기술로 발전하는데 기여 할 것으로 기대한다.

This manuscript introduces a novel design for Electrohydrodynamics (EHD) inkjet head for Printed Electronics. The goal of the research is to study and enable the printing through cone jet mode from EHD based single nozzle integrated counter electrode head. For head analysis purpose, experiments are performed on conductive and dielectric ink. And for authentication purpose of the printing tool for Printed Electronics, Memristor are printed on glass substrate.

In the first section, the manuscript detailed different EHD patterning approaches including ring type counter electrodes and their drawbacks. And after elaborating the drawbacks, this study will introduce a new approach for EHD pattering of conductive ink supported by Design of Experiment (DOE) techniques. The counter electrode is kept above the nozzle orifice and patterning is done by maneuvering contour of electric field in such a way that even with the smaller length of jet, stable printing can be done. For better understanding and evaluation of phenomenon, simulations and comparisons are performed. For the formation and stabilization of electrohydrodynamics jet printing, a non conductive silica capillary is used inside the metallic capillary. The silica capillary is used to control electric double layer distribution and the black flow in liquid meniscus. This also allows ink circulation mechanism to be applied to uncharged particles. The above factors also helped to reduce the potential needed to obtain stable cone-jet mode and uniform patterning. Moreover, this study also discusses the need for ink circulation mechanism in EHD head and also proposed the circulation mechanism by stabilizing the jet. The head is also tested on the glass substrate. Furthermore, the meniscus shape and response on applied voltage is studied and analyzed. Manuscript also elaborates and addresses issues like the meniscus generation and ejections at low voltage with stability problems.

The second section of the book covers the Electrohydrodynamically printed Memristor. For the deposition particle based silver (Ag) based conductive ink and TiO2 is used. Ag ink is used for patterning and TiO2 deposit through electro-spray mechanism of the head. The Electrohydrodynamically developed Memristor can revolutionize the printed electronics by providing long lasting memory to printed circuits. This will also helps to transfigure discrete electronics in the world of printed electronics computationally and due to its cost effectiveness.