서울대학교 - 코팅의 건조 스트레스 측정 장비 제작

Author(s):
김선형 박사과정 - 서울대학교 화학생물공학부

Industry:
Semiconductor

Products:
LabVIEW, PCI Interfaces

The Challenge:
디스플레이가 더욱 대면적화, 박막화 되는 동시에 생산성 향상에 따른 가격 경쟁력을 강화하기 위해서는 넓은 면적을 더욱 얇고 빠르게 코팅하는 기술이 요구되고 있다.

The Solution:
Silicon Wafer 또는 Cover Glass로 제작한 Cantilever에 액상 물질을 코팅하여 건조 챔버에서 일정한 온도와 습도로 건조하여, 건조 중 발생하는 Cantilever의 휨을 레이저와 Position Sensitive Photodiode를 이용하여 실시간으로 측정하는 장비이다.

요약
본 시스템은 코팅의 건조 공정 중 발생하는 스트레스를 정량화하는 장비로서 Silicon Wafer 또는 Cover Glass로 제작한 Cantilever에 액상 물질을 코팅하여 건조 챔버에서 일정한 온도와 습도로 건조하여, 건조 중 발생하는 Cantilever의 휨을 레이저와 Position Sensitive Photodiode를 이용하여 실시간으로 측정하는 장비이다.

개발 배경
코팅은 고분자 용액 또는 현탁액 등의 코팅액을 기판 위에 도포한 후 건조 공정을 거쳐 마이크로 단위 이하의 얇은 막을 형성하는 공정으로써, 디스플레이를 중심으로 한 IT 제품의 핵심 제조 공정이다. 최근 LCD, PDP, 2차 전지를 비롯한 국내 전자 산업이 폭발적으로 발전하면서 코팅공정에 대한 관심이 증가하고 있으며, 디스플레이가 더욱 대면적화, 박막화 되는 동시에 생산성 향상에 따른 가격 경쟁력을 강화하기 위해서는 넓은 면적을 더욱 얇고 빠르게 코팅하는 기술이 요구되고 있다. 실제 생산 공정에서 가지고 있는 문제는 공정 중 발생하는 현상을 측정하고 정량화하지 못하여 최종 제품에 불량이 발생할 경우 어느 공정에서 어떤 현상에 의해 불량이 발생하는지를 알아내는 것이 어렵다는 것이다. 본 시스템은 이러한 코팅 공정을 정량적으로 평가할 수 있는 하나의 방법으로서, 건조 중 코팅 층에서 발생하는 스트레스를 측정하여 다양한 불량을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

본론
스트레스를 측정하는 방법으로 전자 산업에서 가장 일반적인 Beam Deflection Method를 적용하였다. Beam Deflection Method란 코팅이 건조되면서 스트레스에 의해 휘는 현상이 발생하는데, 이러한 휨을 측정하여 스트레스를 계산하는 방법이다. 기판의 휨을 측정하기 위해 기판의 아랫면에서 반사되어 PSD(Position Sensing Detector, Thorlabs Inc.)로 도달한 레이저 빔의 위치를 읽는 방식을 이용하였다.

그림 1. 레이저와 PSD를 이용한 코팅의 휨 측정 방법

자세한 측정 원리는 그림 1과 같다. 건조 초반, 스트레스가 발달하지 않아 평평한 Beam 아랫면에서 반사되어 PSD에 도달한 레이저의 위치를 LabVIEW와 PCI-6052를 이용하여 기록한다. 이후 건조가 진행되어 코팅 층에서 스트레스가 발달하면 기판이 휘는데, 기판이 휘기 시작하면 기판 아래에서 반사되어 PSD로 도달하는 레이저의 위치가 변하게 된다. 이러한 원리로 PSD에 도달한 레이저의 위치를 시간에 따라 측정하게 되면, 기록된 전압을 이용하여 기판이 휜 정도를 계산할 수 있다.

그림 2. 코팅 스트레스 측정 장비

그림 2는 Beam Deflection Method를 이용하여 제작한 장비이다. 왼쪽 프레임의 중앙에 위치한 박스는 코팅 샘플을 원하는 온도와 습도로 건조를 할 수 있는 건조 챔버이며, 건조 챔버에서 측정된 온도와 습도, 아래 PSD에 의해 측정된 레이저의 위치에 대한 정보는 그림 중앙의 은색 Box 내부의 터미널블럭(CB-68LP)을 이용하여 컴퓨터에 설치된 PCI-6052E에 의해 컴퓨터로 신호가 전달된다. 

 
그림 3-1. 스트레스 측정 프로그램의 프런트 패널

 
그림 3-2. 스트레스 측정 프로그램의 블록다이어그램

그림 3은 LabVIEW를 이용하여 제작한 스트레스 측정 장비의 프로그램이다. 3-1의 왼쪽 위의 그래프는 PSD에 도달하는 레이저 빔의 위치를 보여주며 오른쪽 메인 화면은 건조 중 기판의 휨을 나타내는 Y 좌표와 함께 온도와 습도를 실시간으로 나타낸다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
본 장비를 이용하여 전자재료의 가공 공정인 코팅의 건조 스트레스를 측정 및 분석할 수 있다. 코팅의 건조는 대부분의 전자 재료를 제조하고 이를 가공하여 최종 제품을 생산하는 업체에서 마치 블랙 박스와 같이 여기는 공정이다. 이러한 스트레스 측정 방법은 코팅의 건조 공정을 정량화하고, 건조 중 재료의 특성 및 건조 공정 중 발생하는 불량을 규명할 수 있는 가능성을 제시한다. 프로그래밍 언어를 접해 본 적 없는 초보자가 위와 같은 다채널의 신호를 측정하고 처리해야 하는 시스템을 개발하는 상황에서 접한 LabVIEW는 마치 게임을 하듯, 조작이 간편하고 배우기 쉬웠다. 사용하기 편리하다는 LabVIEW의 이점은 측정 상황에 따라 프로그램을 수정하거나, 차후 장비의 보완 예정인 코팅 표면의 변화를 실시간으로 관찰 할 수 있는 비전을 설치하는 등, 다양한 아이디어 적용에 있어 매우 간편하고 빠르게 시스템을 구축할 수 있을 것으로 예상된다.

NI 솔루션을 채택한 이유
프로그래밍이 쉬우며, 적용할 수 있는 많은 예제를 가지고 있다.

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김선형 박사과정
서울대학교 화학생물공학부

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