KR100885040B1 - 나노금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진과 나노임프린트 방법에 의한 기능성 패턴의 직접 모사 방법 - Google Patents

나노금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진과 나노임프린트 방법에 의한 기능성 패턴의 직접 모사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 관한 것으로서, 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서, 마스터패턴(12a)이 형성된 마스터기판(12)상에 점착방지막(9)을 증착하는 단계; 상면에 점착막(10)이 증착되며 상기 마스터기판(12)의 마스터패턴(12a)을 직접모사하기 위한 기판(13)을 준비하는 단계; 상기 마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계; 상기 레진(11)이 도포된 상기 마스터기판(12)을 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 가열시켜 상기 레진(11)의 솔벤트를 증발시키는 단계; 상기 기판(13)과 마스터기판(12)를 자외선 경화장치(50)내에 장착시키되, 상기 기판(13)의 점착막(10)은 상기 마스터기판(12)상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판(12)의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 상기 기판(13)에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계; 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 직접모사되어 점착된 기판(13)을 상기 마스터기판(12)과 분리하는 단계; 및 상기 기판(13)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진패턴(15)을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
마스터기판, 경화개시제, 나노금속입자, 레진

Description

나노금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진과 나노임프린트 방법에 의한 기능성 패턴의 직접 모사 방법{DIRECT STRUCTURING OF A FUNCTIONAL PATTERN BY MEANS OF NANO-METAL PARTICLE BASED UV-CURING COLLIDE RESIN AND NANOIMPRINT}
도 1은 종래 나노 임프린트 공정에 의한 전도성 패턴 제작 방법(전도성 박막을 기저층으로 기판 위에 증착 후 임프린트 공정 수행)을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 나노 임프린트 공정에 의한 전도성 패턴 제작 방법(임프리트 공정 후 Lift-Off 수행)을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 임프리트 공정에 의한 전도성 패턴의 직접 모사 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 금속입자 콜로이드 기반 자외선 경화성 레진 제작과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 나노금속입자 콜로이드 레진에 대해 나노임프린트 수행 결과를 나타낸 도면으로서, 50μm 선폭과 10μm 깊이의 음각마스터 패턴 사용 및 45wt% Ag 함유상태를 나타낸 도면과, 단면에서의 은나노입자들의 네트워크 형성상태를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
9 : 점착방지막
10 : 점착막
12 : 마스터기판
11 : 레진
12a :마스터패턴
13 : 기판
본 발명은 나노금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노금속입자 콜로이드와 혼합된 자외선 경화레진을 도포하여 자외선조사과정을 통해 임프린트과정을 수행함으로써 레진패턴을 형성하게 되어 전도성 레진패턴 제조공정수를 줄일 수 있게 될 뿐만 아니라, 고점성 레진의 균일한 코팅이 가능하게 되며, 마스크패턴으로부터 직접모사가 가능하게 되어 서브미크론(sub-um) 스케일패턴이 구현가능하게 되어 미세박막 증착기술을 획기적으로 개선할 수 있도록 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 관한 것이다.
나노 임프린트 공정은 1996년 미국의 Stephen Chou("mprint of Sub-25nm vias and trenches in polymers,"(1996) Applied Physics Letters, 67(21), p.3114, 참조)에 의해 열 가열 방식 공정으로 처음 발표되었다. 이 방식은 전자빔에 의해 구현된 나노패턴 마스터를 PMMA(polymethylmetharcylate) 재질의 래지스트가 코팅되어 있는 기판 표면에 고온각인과 냉각과정 후 분리하게 되면 PMMA 기판 위에 반대로 전사된 패턴을 얻게 되는 방법이다. 이는 고온에서 용융되는 고분자 레지스트를 사용해서 고온 고압으로 임프린트 하는 방식으로 가열과 냉각과정을 포함하는 긴 공정시간과 비 투명 스탬프와 열 변형에 의한 다층 정렬의 기술적 어려움이 있었다. 따라서, 새로운 형태의 나노 임프린트 공정개발이 필요하게 되었다.
2000년 텍사스 오스턴 대학의 Sreenivasan 교수팀은 Step & Flash Imprint Lithography를 발표했다("Step and Flash Imprint Lithography for sub-100nm patterning," SPIE's 25th Intl, Symp. Microlithography: Emerging lithography technologies III. 2000 참조). 이 방법은 상온에서 저압으로 나노 구조물을 제작하는 방법이다. 이 방법에서는 자외선 조사로 경화할 수 있는 레지스트를 사용하고 자외선이 투과할 수 있는 투명 스탬프 소재를 사용하는 것이 특징이다. 여기에 사용되는 레진은 기저층 식각 시 마스크로 사용되거나 lift- off 목적으로 제거되게 된다. 이는 기존의 광학 리소그래피와 비교해 볼 때 저가의 장비를 사용할 수 있다는 장점과 50nm이하의 패턴 형성이 가능하다. 그러나, 물리적 접촉방식과 1:1 마스터 패턴이 필요하다는 단점이 있었다. 이 방법을 사용하여 금속 전극 패턴을 형성하고자 한다면 공정수가 증가하고 공정비용이 증가하게 되며 수율이 저하되는 문제 점이 있다.
도 1은 종래 나노 임프린트 공정에 의한 전도성 패턴 제작 방법(전도성 박막을 기저층으로 기판 위에 증착 후 임프린트 공정 수행)을 순차적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 종래 나노 임프린트 공정에 의한 전도성 패턴 제작 방법(임프리트 공정 후 Lift-Off 수행)을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 기판(35)에 금속막(34)을 먼저 도포하고 임프린트 공정 후 식각하는 방식이며, 도 2는 임프린트 공정 후 금속층(46) 증착 및 리프트-오프(lift-off)하는 방식이다. 도 1 및 도 2에서, 임프린트용 스탬프(31,41), 레진(32,42), 기판(35,43)등이 표시되어 있으며, 도 1과 같은 방식을 적용할 경우에는, 금속에 대한 식각막으로서 잔류 레진층(37)을 사용할 수 없기 때문에 별도의 메탈 식각막(33)을 미리 금속막(34)상에 증착해야 한다.
전도성 패턴제작을 위하여, 도 1의 방식에서는, 금속층(34) 및 금속 식각막(33)의 증착과 이들 층의 식각 공정 및 스트리핑 공정등(도 1의 d,e,f,g의 과정)이 수행되어야 한다. 또한, 도 2의 Lift-off 방식에서는, 도금증착과 리프트-오프 과정(d,e)가 수행되어야 한다.
결국 도 1에서는, 기판(35)상에, 금속막(34), 메탈식각막(33),레진(32)을 순차적으로 증착시키는 증착과정(도 1(a)), 임프린트된 레진(36)을 형성하기 위하여 임프린트용 스탬프(31)를 이용한 임프린트 과정(도 1(b)), 레진패턴(37)형성과정(도 1(c)), 메탈식각막 패턴(38)을 형성하기 위한 메탈식각막 식각과정(도 1(d)), 레진패턴제거과정(도 1(e)), 금속패턴(39) 형성과정(도 1(f)), 메탈식각막 제거과 정(도 1(g))의 총 7개의 과정이 수행되어야 한다.
또한 도 2에서는, 기판(43)상에, 레진(42)을 증착시키는 증착과정(도 2(a)), 임프린트된 레진(44)을 형성하기 위하여 임프린트용 스탬프(41)를 이용한 임프린트 과정(도 2(b)), 레진패턴(45)형성과정(도 2(c)), 레진패턴상에 금속층(46)을 증착시키는 증착과정(도 2(d)), 리프트-오프과정(도 2(e))을 포함한 총 5개의 과정이 수행되어야 한다.
한편 금속입자를 첨가한 Photolithography(노광공정)용 레지스트에 관한 연구결과가 발표된 바 있다("SU8-Silver Photosensitive Nanocomposite," (2004) Advanced Engineering Materials, 6(9), p.719 참조). 스위스 로잔공대 Renaud 연구팀은 은나노입자를 에폭시사이드 계열의 Negative photoresist(네거티브 광감액)인 SU8와 혼합분산시킨 후 노광을 수행하였다. 현상과 열처리 과정을 거친 후 전기전도도가 104~106 S/m 수준인 마이크로 구조물을 제작하였다. 같은 연구진이 발표한 2006년 논문("SU8 Nanocomposite Photoresist with Low Stress Properties for Microfabrication Applications," (2006) Microelectronic Eng., 83, p.1966 참조)에서는 나노실리카입자콜로이드와 적절한 분산제를 Negative photoresist(SU8) 에 첨가하여 레지스트의 잔류 응력 및 이로 인한 파열의 위험을 최소화하고 열 저항을 개선하고자 하였다. Photo-Reduction(광 환원) 현상을 이용하여 노광시 메탈이온 결합으로 메탈패턴을 직접 형성하는 기술에 대한 연구결과가 2004년 호주 CSRIO의 David 교수 연구진에 의해 논문으로 발표되었다('Fabrication of photo-patterned microstructures in an organic-inorganic hybrid material incorporatin silver nanoparticles', (2004) J. of Non-Crystalline Solids, 347, p.93 참조). 이들은 AgNO3의 Photo Reduction 반응으로 Ag패턴형성을 시도하였다. 그러나, 이상 언급한 선행 연구들은 기술적 한계를 가지고 있는데, 즉, sub-um 스케일 패턴구현, 고점성 레진의 균일코팅 및 미세박막 증착등은 노광 공정으로 구현이 어려운 문제점이 있다. 즉, 상기 연구들은 기존의 노광 공정에 기술적 바탕을 두고 있어서 은입자 포토레지스트 박막의 상단에서 광 조사시 나노은입자의 광산란 및 흡수로 인해 불완전 경화 부분이 발생하게 되며 광강도의 두께방향 불균일로 인해 패턴 정밀도의 한계가 발생하게 된다. 또한 노광 전 포토레지스트의 균일코팅 수행이 필요한데 금속입자첨가로 인한 점성 증가 및 레올로지 특성 변화로 코팅의 어려움이 존재하는 문제점이 있다.
또한, KAIST와 삼성전자가 공동으로 출원하고 2006년 등록된 "금속나노 입자 콜로이드 잉크 및 이를 이용한 금속패턴 성형방법"(대한민국 특허등록번호 제0550089호)에 대한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 전도성 금속입자 클러스터를 잉크와 PDMS 소프트 스탬프를 사용하여 패터닝을 수행하고자 하는 것이다. 그러나, 이 기술에서 사용되는 PDMS 스탬프는 유연성 및 변형성으로 저온 저압에 적용 가능한 소재로 전도성 금속입자 콜로이드 잉크에서 금속입자의 비중이 높아져 잉크의 농도가 증가하였을 시 음각패턴 내에 충전이 용이하지 않게 된다. 이때, 패턴 정밀도에 제한이 따르게 되며 잉크의 농도를 낮추게 되면 패터닝 후 소결과정에서 무시 하기 어려운 패턴축소 (SHRINKAGE) 현상이 발생하게 되어 구현하고자 하는 패턴 크기를 제어하기 어렵게 되는 문제점이 있다. 또한 이형 시 PDMS 스탬프에 잉크의 전달 현상도 해결해야 할 문제점이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 자외선 경화방식의 나노 임프린트 공정(UV-NIL)에서 사용하는 희생층 레지스트 대신 메탈입자 콜로이드 기반 레진을 사용하여 전도성을 포함한 기능성 패턴을 직접 모사하여 패턴형성 공정 단계를 줄이고 아울러 균일한 패턴형성이 가능하도록 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서, 마스터패턴이 형성된 마스터기판상에 점착방지막을 증착하는 단계;상면에 점착막이 증착되며 상기 마스터기판의 마스터패턴을 직접모사하기 위한 기판을 준비하는 단계; 상기 마스터기판의 점착방지막상에 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진을 도포시키는 단계; 상기 레진이 도포된 상기 마스터기판을 핫플레이트를 사용하여 가열시켜 상기 레진의 솔벤트를 증발시키는 단계; 상기 기판과 마스 터기판을 자외선 경화장치내에 장착시키되, 상기 기판의 점착막은 상기 마스터기판상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판의 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진이 상기 기판에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계; 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진이 직접모사되어 점착된 기판을 상기 마스터기판과 분리하는 단계; 및 상기 기판상의 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진패턴을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서, 마스터패턴이 형성된 마스터기판상에 점착방지막을 증착하는 단계; 상면에 점착막이 증착되며 상기 마스터기판의 마스터패턴을 직접모사하기 위한 기판을 준비하는 단계; 상기 마스터기판의 점착방지막상에 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진을 도포시키는 단계; 상기 마스터기판상의 레진을 블레이드를 이용하여 바코팅하여 상기 마스터 기판의 전면에 상기 레진을 균일하게 도포하는 단계; 상기 바코팅된 레진을 포함한 마스터기판을 핫플레이트를 사용하여 가열시켜 상기 레진의 솔벤트를 증발시키는 단계; 상기 기판과 마스터기판을 자외선 경화장치내에 장착시키되, 상기 기판의 점착막은 상기 마스터기판 상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판의 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진이 상기 기판에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계; 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진이 직접모사되어 점착된 기판을 상기 마스터기판과 분리하는 단계; 및 상기 기판상의 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진패턴을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진은 나노금속입자 콜로이드에 자외선 및 열경화 단량체와 경화개시제를 첨가하여 분산시키는 방법을 제작된 것을 특징으로 하며, 상기 자외선 및 열경화단량체는 화학식 X-R-Y로 이루어지며, 여기서, R은 탄화수소 사슬로 탄소 수에 상관없는 사슬이고, X 및 Y는 자외선 경화가 가능한 아크릴레이트, 바이닐기, 알릴기, 에폭시기로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 금속입자 콜로이드는 금, 은, 구리, 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 열경화 개시제로는 열경화성(아조컴파운드 또는 페록사이드계열) 또는 자외선 경화제(IRGACURE184 또는 DMPA)를 사용하는 것을 특징으로 하며, 첨가량은 상기 열경화성 경화제나 자외선 경화제 중 하나를 상기 단량체(monomer) 대비 3 내지 5 중량비로 첨가되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 마스터기판의 점착방지막은 기상 또는 액상방법으로 증착된 FOTS(Flurooctyl -Trichloro-Silance)자기 조립막인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 기판에 형성된 점착막은 산소플라즈마 또는 피라나처리(H2SO4와 H2O2를 4:1로 혼합)한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 기판(13)에 형성된 점착막(10)은 adhesion promotor(접합 증강제)를 이용한 점착막처리에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 핫플레이트를 사용하여 솔벤트를 증발시키는 단계는 30초 이내로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 나노금속입자기반 자외선 경화성 레진을 도포시키는 단계에서 디스펜싱 량은 마스터 패턴크기 및 패턴밀도에 따라 달리하되, 지름이 1마이크로미터 이하의 드롭량을 유지하면서 드롭간격을 조절하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 자외선 조사단계에서 금속입자로 인한 자외선 산란현상을 보상하기 위해 자외선 조사시간을 금속입자 미포함의 경우에 비해 1.5배 이상으로 하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 임프린트 공정에 의한 전도성 패턴의 직접 모사 방법을 순차적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 나노 금속입자 콜로이드 기반 자외선 경화성 레진 제작과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 구성은 크게, 메탈입자 기반 전도성 레진 합성(도 4), 임프린트 공정 기반 전도성 패턴의 직접 모사 공정(도 3)으로 구분 된다. 레진 준비 단계에서는 금속입자 콜로이드와 자외선 경화성 레진의 혼합과정이 수행되며, 직접 모사 공정단계에서는 전열처리, 레진도포, 가압 및 자외선 조사 후 열처리 과정을 통한 금속 입자 간 네트워크 형성 등으로 구분된다.
도 3에서, 먼저 마스터 기판(12)의 마스터 패턴(12a)상에 점착 방지막 처리를 위해(점착방지막기능을 함) 보편적으로 FOTS(Flurooctyl -Trichloro-Silance)자기 조립막(9)을 기상 또는 액상방법으로 증착하게 된다(도 3(A)). 또한, 패턴 전 사용 기판(13)에 점착 효과를 부가하기 위해(점착막기능을 함) O₂Plasma 또는 Piranha solution(H2SO4와 H2O2를 4:1로 혼합)처리하여 상기 기판(13)상에 하이드록실기(-OH)(10)를 부착시킨다(도 3(B)참조). 이와 같이, 마스터 기판(12)과 패턴 전 사용 기판(13)을 준비한 뒤에, 상기 마스터 기판(12)상의 자기 조립막(9)상에 에 레진도포과정을 수행한다.
즉, 준비된 금속기반 자외선경화성 레진(11)을 상기 마스터 패턴(12a)의 자기 조립막(9)상에 디스펜싱 방법으로 도포시킨다(도3(a)). 준비된 레진(11)은 금속입자 분산을 위한 솔벤트를 함유하고 있으므로 공정 전에 솔벤트를 제거해야 한다. 이를 위해 사용된 단량체에 영향을 주지 않는 범위 내의 고온에서 Hot Plate를 사용하여 솔벤트를(약 30초 이내로 수행함)증발시킨다(도 3(b)). 레진(11) 도포는 전사하고자 하는 기판(13)이 아닌 마스터 패턴(12)상의 자기 조립막(9)상에 수행하였는데, 이는 솔벤트 증발시 레진(11)의 점성증가와 함께 감소하는 레진(11)의 유동성 및 충진의 효율성을 보완하기 위한 것이다. 금속입자 콜로이드 레진(11)의 솔벤 트 증발은 자외선 임프린트 공정을 가능하게 하고 공정 후 금속 입자 간의 네트워킹 형성이 가능한 범위 내에서 최소한으로 수행되어야 한다. 이때 도포 된 금속입자 콜로이드 레진(11)의 체적은 솔벤트 증발 후 다소 줄어들게 된다(도 3(c)의 솔벤트증발후 레진 '14'와 도 3(a)의 솔벤트증발전 레진 1' 비교 참조). 이후, 도 3(c)를 참조하면, 솔벤트 증발과정후의 상기 레진(14)이 도포된 상기 마스터 기판(12)상에 레진(14) 형성면에 점착막, 즉 하이드록실기(10)가 대응되도록 기판(13)을 위치시킨다. 이후 자외선경화장치(50)내에서는 상기 기판(13)의 하이드록실기(10)가 마스터기판(12)의 레진(14)과 면접되면서 가압되어 마스터기판(12)의 솔벤트 증발후의 레진(14)은 상기 마스터기판(12)상의 점착방지막(9)상에 균일하게 도포하게 된다(레진(15)의 형성). 기판(13)의 하이드록실기(10)의 전면과 상기 마스터기판(12)상의 레진(15)이 전면적으로 접촉되도록 위치된다.
한편, 자외선조사 전 레진 도포의 또 다른 방법으로는, 레진(11)의 드롭 후 블레이드(24)를 이용한 바코팅(bar coating)을 수행하는 것이다(도 3(b.1)). 이 과정은 열처리 전 레진(11)의 점성이 상대적으로 낮은 상태에서 도포를 시도하는 것으로 스탬프 패턴 내에 충진 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 레진(11)이 상기 마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 전면적으로 균일하게 도포되어(바코팅 후 레진(17)이 형성됨) 도 3(d.1)에서와 같이, 기판(13)을 마스터기판(12)상에 위치시킨 후 가압하는 과정이 불필요하게 된다. 도 3(a)에서 도 3(b)로 넘어가는 과정으로도 공정이 가능하지만, 도 3(b.1)의 바코팅 공정을 추가함으로 공정의 신뢰성을 높일 수 있다. 바코팅 과정 후 열처리 과정(도 3(c.1))은 도 3(b)와 동일하게 수행된다 (바코팅후 및 솔벤트 증발전의 레진(18)이 형성됨). 도 3(b.1)과정에서, 레진(11)은 마스터기판(12)상의 점착방지막(9)상에 균일한 막을 형성하게 되므로, 도 3(d.1)에서 점착방지막(9)상에 레진막(14)을 형성하는 별도의 과정은 생략된다.
다음 단계는 패턴을 전사하고자 하는 기판(13)과 마스터기판(12)을 자외선 임프린트 공정장치(50) 내에 위치시키는 과정이다. 자외선 임프린트 공정은 자외선 조사 방향에 따라 투명기판 또는 투명마스터패턴의 사용이 결정된다. 자외선조사가 상판에 이루어질 경우 상판인 기판(13)이 투명하여야 하고(도 3(d.1)), 반대의 경우 마스터 패턴(12a)을 가진 마스터 기판(12)이 투명하여야 한다(도 3(d.2)). 도 3(d.2)의 도면부호 19는 바코팅 및 솔벤트증발후의 레진을 나타낸다. 잉크젯 용 상용 나노은입자 콜로이드 잉크를 사용할 경우, 실리콘 대비 유리기판에 잉크의 흡착력이 상대적으로 우수하기 때문에 실리콘 마스터 패턴기판과 패턴전사 목적으로 유리기판을 사용하는 것이 유리하다(도 3 (d.1)).
자외선 임프린트 공정 적용 시(즉 자외선장치(50)내에서의 자외선 조사공정), 금속입자 미포함시에 비해 레진의 점성증가(금속입자 함류량 및 바인더 선택에 따라 달라짐)로 인해 보다 높은 공정압력이 필요하며, 금속입자들의 자외선 산란을 보상하기 위해 금속입자 미포함시에 비해 1.5배 이상의 자외선 조사시간이 필요하게 된다.
도 3(e)는 마스터 기판(12)을 패턴전사기판(13)과 분리하는 과정이다. 나노금속입자기반 자외선경화성레진(15 또는 19)은 기판(13)의 점착막으로서의 역할을 하는 하이드록실기(10)상에 점착되게된다. 이후, 잔류층 제거과정(도 3(f))이 수행 되는 데, 주변 패턴이 변화하기 않도록 가급적 이방성 식각이 이루어지도록 한다. 이를 위해 산소 분위기에서의 반응성 이온 식각이나 플라스마 식각 등 다양한 방법의 적용이 가능하고, 결과적으로 나노금속입자기반 자외선경화성 레진패턴(16)(점착막 패턴(10-1)상에 형성됨)이 얻어진다. 이후 금속입자패턴으로부터 원하는 물성을 얻기 위해서는, 일정 온도에서 일정 시간 동안 열처리 과정을 통해 금속입자 간 네트워크 형성을 유도하여야 한다.
본 발명에서 제안하는 공정을 위해 사용되는 금속입자 콜로이드로는, 전기전도성이 우수한 은 나노입자 또는 바이오 물질결합 및 센싱 목적에 적용되는 금 나노입자가 첨가된 H2O와 Ethylene Glycol 기반 콜로이드가 선택 가능하다(도 4의 21). 이때 금속입자의 크기는 10~30nm 수준이며, 자외선 경화성 레진의 단량체(monomer)(22)와 3~5 wt% 정도의 광개시제(23)를 첨가하고 vortex shaker와 초음파 진동을 통해 금속입자의 효과적인 분산 및 혼합을 가능하게 할 수 있다. 사용되는 단량체 구조는 광개시제와 결합할 수 있는 반응기와 금속입자 표면기와 결합할 수 있는 반응기를 동시에 가지는 있어야 한다. 한편, 자외선 임프린트 공정에 적용 가능한 메탈입자의 함량은, 패턴크기, 패턴밀도, 잔류층 두께, 소결에 따른 변형 등을 고려하여 결정되어야 하며 효과적인 금속입자 네트워크 형성을 위해서는 10wt% 이상이 요구된다.
도 5a 및 도 5b는 은나노입자 기반 콜로이드 레진에 대해 나노 임프린트 공정 결과(식각 수행 이전)를 나타낸 도면으로서, 50um 선폭, 높이 10um의 음각 마스 터 패턴이 전사된 모습이다. 본 결과도출을 위해 20% 은 나노입자 콜로이드를 사용하였으며, 자외선 경화성 모노머로는 HEMA (Hydroxyethyl Methacrylate), 자외선 경화 개시제로는 DMPA (Dimethoxy Phenyl Acetophenone)을 사용하였다. 기존 자외선 임프린트 공정의 한계인 수십 마이크로 크기의 패턴 전사가 본 발명에서 제안한 레진 사용 시 음각마스터 패턴의 높이 10um까지 잘 들어차 있음을 알 수 있다.
도 5(b)에서는 패턴 내부의 은 나노입자들의 결집 되어 부분적으로 네트워크 형성되어 있음을 보여주고 있으며 식각 과정 및 소결과정을 거치고 나면 전체적인 네크워크 형성이 가능하다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 의하면, 금속입자 소재와 패터닝 공정을 직접 연계하여 기존 패터닝 공정의 생산성을 획기적으로 개선하고 공정의 다변화 및 응용성, 유연성을 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 기능성 구조체 레지스트를 사용하기 때문에 희생층 레지스트를 사용하는 기존 마이크로 미세 공정에 비해 제품생산 원가 감소 효과가 획기적으로 개선되는 효과가 있으며, 이는 제품의 가격경쟁력 강화와 시장확대에 직접적으로 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
또한, 기술 응용성 측면에서는 바이오 센서, 유기 트랜지스터, 디스플레이 제품 등 다양한 응용 분야에 파급효과가 클 것으로 예상된다.

Claims (12)

  1. 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서,
    마스터패턴(12a)이 형성된 마스터기판(12)상에 점착방지막(9)을 증착하는 단계;
    상면에 점착막(10)이 증착되며 상기 마스터기판(12)의 마스터패턴(12a)을 직접모사하기 위한 기판(13)을 준비하는 단계;
    상기 마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계;
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)이 도포된 상기 마스터기판(12)을 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 가열시켜 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)의 솔벤트를 증발시키는 단계;
    상기 기판(13)과 마스터기판(12)를 자외선 경화장치(50)내에 장착시키되, 상기 기판(13)의 점착막(10)은 상기 마스터기판(12)상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판(12)의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 상기 기판(13)에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계;
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 직접모사되어 점착된 기판(13)을 상기 마스터기판(12)과 분리하는 단계; 및
    상기 기판(13)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진패턴(15)을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  2. 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서,
    마스터패턴(12a)이 형성된 마스터기판(12)상에 점착방지막(9)을 증착하는 단계;
    상면에 점착막(10)이 증착되며 상기 마스터기판(12)의 마스터패턴(12a)을 직접모사하기 위한 기판(13)을 준비하는 단계;
    상기 마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계;
    상기 마스터기판(12)상의 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 블레이드(24)를 이용하여 바코팅하여 상기 마스터 기판(12)의 전면에 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)을 균일하게 도포하는 단계;
    바코팅된 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)을 포함한 마스터기판(12)을 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 가열시켜 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)의 솔벤트를 증발시키는 단계;
    상기 기판(13)과 마스터기판(12)를 자외선 경화장치(50)내에 장착시키되, 상기 기판(13)의 점착막(10)은 상기 마스터기판(12)상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판(12)의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(18)이 상기 기판(13)에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계;
    나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(19)이 직접모사되어 점착된 기판(13)을 상기 마스터기판(12)과 분리하는 단계; 및
    상기 기판(13)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진패턴(16)을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  3. 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서,
    마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계;
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)이 도포된 상기 마스터기판(12)을 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 가열시켜 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)의 솔벤트를 증발시키는 단계;
    점착막(10)이 증착된 기판(13)과 마스터기판(12)를 자외선 경화장치(50)내에 장착시키되, 상기 기판(13)의 점착막(10)은 상기 마스터기판(12)상면에 접촉되도록 가압하여 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판(12)의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 상기 기판(13)에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계;
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(15)이 직접모사되어 점착된 기판(13)을 상기 마스터기판(12)과 분리하는 단계; 및
    상기 기판(13)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진패턴(15)을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  4. 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법에 있어서,
    마스터기판(12)의 점착방지막(9)상에 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계;
    상기 마스터기판(12)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 블레이드(24)를 이용하여 바코팅하여 상기 마스터 기판(12)의 전면에 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)을 균일하게 도포하는 단계;
    바코팅된 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)을 포함한 마스터기판(12)을 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 가열시켜 상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(17)의 솔벤트를 증발시키는 단계;
    점착막(10)이 증착된 기판(13)과 마스터기판(12)를 자외선 경화장치(50)내에 장착시키되, 상기 기판(13)의 점착막(10)은 상기 마스터기판(12)상면에 접촉되도록 위치시키고 자외선을 조사하여 상기 마스터기판(12)의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(18)이 상기 기판(13)에 직접모사되어 점착되도록 하는 단계;
    나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(19)이 직접모사되어 점착된 기판(13)을 상기 마스터기판(12)과 분리하는 단계; 및
    상기 기판(13)상의 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진패턴(16)을 식각과정을 통해 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)은 나노금속입자 콜로이드에 자외선 및 열경화 단량체와 경화개시제를 첨가하여 분산시키는 방법을 제작된 것을 특징으로 하며,
    상기 자외선 및 열경화단량체는 화학식 X-R-Y로 이루어지며, 여기서, R은 탄화수소 사슬로 탄소 수에 상관없는 사슬이고, X 및 Y는 자외선 경화가 가능한 아크릴레이트, 바이닐기, 알릴기 및 에폭시기로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 금속입자 콜로이드는 금,은,구리 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 경화개시제로는 열경화성(아조컴파운드 또는 페록사이드계열) 또는 자외선 경화제(IRGACURE184 또는 DMPA)를 사용하는 것을 특징으로 하며, 첨가량은 상기 열경화성 경화제나 자외선 경화제 중 하나를 상기 단량체(monomer) 대비 3 내지 5 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스터기판(12)의 점착방지막(9)은 기상 또는 액상방법으로 증착된 FOTS(Flurooctyl -Trichloro-Silance)자기 조립막인 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(13)에 형성된 점착막(10)은 산소플라즈마 또는 피라나처리(H2SO4와 H2O2를 4:1로 혼합)한 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(13)에 형성된 점착막(10)은 접합 증강제를 이용한 점착막처리에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핫플레이트(hot plate)를 사용하여 솔벤트를 증발시키는 단계는 30초 이내로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노금속입자기반 자외선(UV) 경화성 레진(11)을 도포시키는 단계에서 디스펜싱 량은 마스터 패턴크기 및 패턴밀도에 따라 달리하되, 지름이 1마이크로미터 이하의 드롭량을 유지하면서 드롭간격을 조절하여 이루어진 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자외선 조사단계에서 금속입자로 인한 자외선 산란현상을 보상하기 위해 자외선 조사시간을 금속입자 미포함의 경우에 비해 1.5배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 금속입자기반 자외선 경화성 콜로이드 레진을 이용한 기능성 패턴의 직접 모사 방법.
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