KR100955453B1 - 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법 - Google Patents

진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법 Download PDF

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Abstract

이 발명의 패턴제작방법은, 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료(수지)를 진동을 부가하면서 충진하는 충진단계와, 액상의 패턴 재료가 충진된 몰드를 기판과 압착하는 압착단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 경화단계, 및 경화된 고상의 패턴을 몰드와 이형시키는 이형단계를 포함한다. 이 발명은 몰드를 이용하여 패턴을 형성하는 전사법(transfer method)에서 수지에 진동을 부가하여 수지와 몰드와의 계면에서의 마찰특성을 활성화시켜 효과적으로 수지를 충진시킴으로써 고종횡비의 미세패턴을 제작할 수 있다.
전사법, 몰드, 미세패턴, 모세관, 진동, 충진

Description

진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법{Fabrication Method of High Aspect Ratio Nano/Micro Patterns by Vibration-assisted Filling Process}
이 발명은 패턴제작방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 몰드를 이용하여 패턴을 형성하는 전사법(transfer method)에서의 효과적인 수지(resin)의 충진을 위하여 진동부가 개념을 적용한 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법에 관한 것이다.
최근에 나노 크기의 패턴을 제작하기 위한 차세대 리소그래피 공정으로서 나노 임프린트 공정기술이 각광을 받고 있으며, 나노 패턴 제작공정과 그 응용에 대하여 국내외의 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 나노 임프린트 공정은 열을 이용한 핫 엠보싱(hot embossing) 공정과 자외선(Ultraviolet light)을 이용한 나노 임프린팅 공정(UV-NIL)으로 분류된다. 핫 엠보싱 공정은 그 공정이 단순하지만 가열시간과 냉각시간의 최적화 조건으로 공정시간이 길며 고압의 가압 조건이 형성되어야 한다. 자외선을 이용한 임프린팅 공정은 상온상압에서 대면적의 패턴 형성이 가능하나 몰드와 재료와의 부착특성으로 인해 이형성이 좋지 않은 단점이 있다. 석영(Quartz) 등의 경질의 스템프(stamp)를 이용하는 UV-NIL 공정에서는 서로 접촉하는 구성요소간의 표면에너지를 제어하여 이형성을 높이려는 연구가 많이 진행되고 있다.
낮은 표면에너지를 가진 탄성체(elastomer)를 사용하는 소프트 리소그래피(soft lithography) 공정에서는 구성요소간의 이형성이 좋아서 문제점들을 많이 해결할 수 있다. 이러한 소프트 리소그래피 공정에는 나노 각인 리소그래피(NIL, NanoImprint Lithography), 마이크로 접촉 인쇄(μ-CP, MicroContact Printing), 복사조형(REM, Replica Molding), 마이크로 전사조형(μ-TM, Microtransfer Molding) 등이 있다. 현재까지 폴리디메틸실록산(PDMS ; Polydimethylsiloxane)이 소프트 리소그래피 공정에서의 몰드재료로 많이 사용되고 있다.
이러한 몰드를 이용한 나노/마이크로 패턴의 제작공정에 있어서 수지(resin)를 미세패턴을 가진 몰드에 효과적으로 충진하는 것이 제품의 수율확보에 매우 중요한 이슈이다. 따라서, 효과적인 충진공정을 위하여 몰드와 수지의 접촉각 변화에 많은 연구가 진행 중에 있으며, 특히 몰드 계면의 코팅소재 및 방법과 수지의 표면에너지 제어에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
도 1은 나노/마이크로 구조물 제작을 위한 통상적인 전사법의 공정도를 나타낸 개략도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 나노/마이크로 구조물을 제작하기 위해서는, 먼저 수지를 몰드에 충진한 후, 충진된 수지를 가진 몰드를 기판에 압착한다. 이때, 압착 수단으로는 전면 가압방법 또는 롤러를 이용한 점진적 가압방법이 있다. 이런 방법으로 압착된 몰드의 패턴에는 액상의 수지가 존재하므로, 자외선을 이용하여 액상 수지의 중합과정을 통하여 고상으로 만든다. 이렇게 하여 기판과 몰드의 패턴공간에 고상의 패턴이 형성되면, 몰드를 이형시킴으로써 기판 위에 패턴을 갖는 구조물이 완성된다.
도 2는 종래의 충진공정 중에서 블레이드에 의한 충진공정(blade coating)을 나타낸 개략도이고, 도 3은 종래의 충진공정 중에서 슬릿에 의한 충진공정(slit coating)을 나타낸 개략도이다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 전사법에서는 모세관력(capillary force)에 의존한 수지의 충진공정을 적용시켜 왔다. 그런데, 이 방법은 모세관력에 의한 낮은 종횡비를 가진 몰드의 패턴 형상에 대한 수지의 충진율은 우수하지만, 패턴의 종횡비가 커질수록 수지의 충진율이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 이 방법은 고종횡비의 미세패턴을 제작하는데 한계가 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 대한민국 공개특허 제2006-0024254호에서는 가압 몰딩법에 의하여 패턴을 형성하는 방법을 제공하고 있으나, 이 방법 또한 고종횡비의 나노/마이크로 크기의 미세패턴 제작을 위한 충진율을 향상시키기에는 그 한계가 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 몰드를 이용하여 패턴을 형성하는 전사법(transfer method)에서 수지에 진동을 부가하여 수지와 몰드와의 계면에서의 마찰특성을 활성화시켜 효과적으로 수지를 충진시킴으로써, 고종횡비의 미세패턴을 제작하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법을 그 목적이 있다.
이 발명의 패턴제작방법은, 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 충진하되 몰드 상에서 점진적으로 이동하면서 충진하는 충진단계와, 액상의 패턴 재료가 충진된 몰드를 기판과 압착하는 압착단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 경화단계, 및 경화된 고상의 패턴을 몰드와 이형시키는 이형단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 충진단계에서는 상부에 진동을 부가하기 위한 진동자가 설치된 코터(coater)를 사용하여 충진할 수 있다. 이때, 코터로는 블레이드 코터(blade coater), 슬릿 코터(slit coater), 롤 코터(roll coater) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 그리고, 진동자는 그 주기가 100Hz ∼ 100,000Hz 범위를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이 발명은 충진단계를 통해 액상의 패턴 재료를 몰드 내에 충진한 후, 블레 이드 또는 슬릿 코터를 사용해 잔류층 두께를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
그리고, 이 발명의 충진단계에서는 진동자가 상부에 각각 설치된 다수개의 코터를 서로 겹치도록 배열한 상태에서, 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 몰드 내에 충진할 수도 있다. 또한, 충진단계는 롤러의 둘레면을 따라 형성된 패턴 내에 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 충진할 수도 있다.
이 발명은 몰드를 이용하여 패턴을 형성하는 전사법(transfer method)에서 수지에 진동을 부가하여 수지와 몰드와의 계면특성을 활성화시켜 효과적으로 수지를 충진시킴으로써 고종횡비의 미세패턴을 제작할 수 있다.
아래에서, 이 발명에 따른 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 발명에 따른 미세 패턴제작방법은, 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 충진하는 단계와, 액상의 패턴 재료가 충진된 몰드를 기판과 압착하는 단계와, 충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 단계, 및 경화된 고상의 패턴을 몰드와 이형시키는 단계로 구성된다.
도 4는 이 발명에 따른 진동부가 블레이드 충진공정을 나타낸 개략도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 진동부가 블레이드 충진공정에서는 통상의 블레이드 코 터(blade coater)(410)의 상부에 진동을 부가하기 위한 진동자(420)를 설치하여 사용한다. 여기서, 진동자(420)는 산업계에서 사용되는 일반적인 것으로서, 그 주기가 100Hz ∼ 100,000Hz의 범위를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 초과하게 되면 진동으로 인해 액상의 패턴 재료인 수지가 중합반응을 일으키며, 상기 범위의 이하 주기를 가진 진동이 주어지면 충진율이 저하된다. 이렇게 블레이드 코터(410)를 이용해 몰드(430)의 캐비티(431 ; 패턴 형성부위)에 수지(440)를 충진할 때에, 블레이드 코터(410)의 상부에 설치된 진동자(420)를 통해 진동을 부가함으로써, 수지(440)와 몰드(430)와의 계면특성을 활성화시켜 효과적으로 수지(440)를 캐비티(431) 내에 충진할 수 있다. 따라서, 고종횡비의 미세패턴제작이 가능하다.
도 5는 이 발명에 따른 진동부가 슬릿 충진공정을 나타낸 개략도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 진동부가 슬릿 충진공정에서는 통상의 슬릿 코터(slit coater)(510)의 상부에 진동을 부가하기 위한 진동자(520)를 설치하여 사용하되, 도 4의 진동부가 블레이드 충진공정과 동일 개념으로 수지(540)를 몰드(530)의 캐비티(531) 내에 충진할 수 있다.
도 6은 도 4와 같은 블레이드 충진공정에서의 잔류층의 두께를 균일하게 하기 위한 동작원리를 나타낸 개략도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 첫 번째 블레이드 코터(610)는 그 상부에 진동을 부가하기 위한 진동자(620)가 설치되어 있어 도 4와 같이 몰드(630)의 캐비티(631) 내부에서의 수지(640)의 충진 효율을 높이는 역할을 하고, 두 번째 블레이드 코터(650)는 수지의 잔류층 두께를 일정하게 유지 하는 역할을 한다. 이러한 충진공정에서의 잔류층의 두께를 균일하게 함에 있어서는, 슬릿 코터에 의해서도 가능하다.
도 7은 이 발명에 따른 진동부가 충진공정을 대면적으로 진행하기 위한 진동자의 배열관계를 나타낸 개념도이다. 충진공정을 대면적으로 진행함에 있어서는, 도 7의 (a)와 같이 크기가 큰 단일 진동자(710)가 설치된 코터를 사용하거나, 도 7의 (b), (c) 및 (d)와 같이 (a)에 비해 크기가 작은 진동자(720)가 각각 설치된 코터를 여러 형태로 배열하여 사용하되 서로 겹치도록 배열한 상태에서 사용할 수 있다. 이때 사용되는 진동자는 필요에 따라 그 개수를 달리할 뿐만 아니라 배열관계 또한 여러 방식으로 구현할 수 있다.
도 8은 이 발명에 따른 진동부가 충진공정을 롤링공정에서 수행하는 일례를 나타낸 개략도이다. 이 발명은 도 4 내지 도 7과 같은 평면뿐만 아니라, 도 8과 같은 롤(곡면) 상태에서도 가능하다. 즉, 롤러(810)의 둘레면을 따라 형성된 몰드(820)의 패턴 내에 수지를 충진함에 있어서, 롤 코터(830 ; roll coater)에 의해 충진이 이루어질 때, 롤 코터(830)의 전후단에 각각 배치되며 그 상부에 진동자(850)가 설치된 코터(840)를 이용해 진동을 부가하여, 전단의 코터(840)를 통해서는 수지의 충진 효율을 높이고, 후단의 코터(840)를 통해서는 수지의 잔류층 두께를 일정하게 유지할 수 있다. 여기에 사용되는 코터(840)로는 블레이드(blade) 또는 슬릿(slit) 코터 등이 있다. 여기서, 패턴은 롤러(810)의 둘레면을 따라 직접 형성될 수도 있다.
도 9는 전사법에서의 진동부가 슬릿 충진공정(발명예)과 무진동 슬릿 충진공 정(종래예)을 통해 각각 제작한 패턴사진을 비교한 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 진동부가 슬릿 충진공정을 통해 제작한 패턴(발명예)과 무진동 슬릿 충진공정을 통해 제작한 패턴(종래예)을 비교해 본 바, 종래예에 비해 발명예의 패턴이 이상적임을 확인할 수 있다. 이는 수지의 충진공정시에 진동을 부가함으로써, 몰드 내부에 수지가 효과적으로 충진되었음을 의미한다.
이상에서 이 발명의 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 나노/마이크로 구조물 제작을 위한 통상적인 전사법의 공정도를 나타낸 개략도이고,
도 2는 종래의 충진공정 중에서 블레이드에 의한 충진공정(blade coating)을 나타낸 개략도이고,
도 3은 종래의 충진공정 중에서 슬릿에 의한 충진공정(slit coating)을 나타낸 개략도이고,
도 4는 이 발명에 따른 진동부가 블레이드 충진공정을 나타낸 개략도이고,
도 5는 이 발명에 따른 진동부가 슬릿 충진공정을 나타낸 개략도이고,
도 6은 도 4와 같은 블레이드 충진공정에서의 잔류층의 두께를 균일하게 하기 위한 동작원리를 나타낸 개략도이고,
도 7은 이 발명에 따른 진동부가 충진공정을 대면적으로 진행하기 위한 진동자의 배열관계를 나타낸 개념도이고,
도 8은 이 발명에 따른 진동부가 충진공정을 롤링공정에서 수행하는 일례를 나타낸 개략도이며,
도 9는 전사법에서의 진동부가 슬릿 충진공정(발명예)과 무진동 슬릿 충진공정(종래예)을 통해 각각 제작한 패턴사진을 비교한 도면이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
410 : 블레이드 코터 420 : 진동자
430 : 몰드 440 : 수지

Claims (7)

  1. 몰드의 패턴이 형성된 부위에 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 충진하되 상기 몰드 상에서 점진적으로 이동하면서 충진하는 충진단계와,
    상기 액상의 패턴 재료가 충진된 상기 몰드를 기판과 압착하는 압착단계와,
    충진된 액상의 패턴 재료를 경화시키는 경화단계, 및
    경화된 고상의 패턴을 상기 몰드와 이형시키는 이형단계를 포함하며,
    상기 충진단계에서는 상부에 진동을 부가하기 위한 진동자가 설치된 제1 코터(coater)를 사용하여 충진하고,
    상기 충진단계를 통해 상기 액상의 패턴 재료를 상기 몰드 내에 충진한 후, 제2 코터를 사용해 잔류층 두께를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 코터는 블레이드 코터(blade coater), 슬릿 코터(slit coater), 롤 코터(roll coater) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동자는 그 주기가 100Hz ∼ 100,000Hz 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 충진단계에서는 상기 진동자가 상부에 각각 설치된 다수개의 제1 코터를 서로 겹치도록 배열한 상태에서, 상기 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 상기 몰드 내에 충진하는 것을 특징으로 하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 충진단계는 롤러의 둘레면을 따라 형성된 패턴 내에 상기 액상의 패턴 재료를 진동을 부가하면서 충진하는 것을 특징으로 하는 진동부가 충진을 통한 고종횡비 미세 패턴제작방법.
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