KR101098249B1

KR101098249B1 - 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법

Info

Publication number: KR101098249B1
Application number: KR1020090114766A
Authority: KR
Inventors: 양승만; 김신현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-12-23
Also published as: KR20110058098A

Abstract

본 발명은 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 보다 상세하게는 광중합 가능한 액적 또는 증발이 용이한 액적을 액적과 친화력이 있는 영역이 패턴된 기판에 반구를 포함하는 다양한 모양이 형성되도록 하고 이를 고형화함으로써 반구를 포함하는 다양한 모양의 미세구조의 패턴을 형성하는 방법 및 이러한 방법에 의해 형성된 미세구조의 패턴에 관한 것이다.

본 발명의 반구 및 다양한 모양의 구조체 패턴 형성 방법 및 형성된 패턴은 기존의 디스펜서 (dispenser) 혹은 잉크젯 프린팅법 (ink-jet printing)을 대체할 수 있는 폭넓은 범위의 다양한 응용성을 갖는다.

패턴, 액적, 밀착인화, 반구, 구조체, 콜로이드 광결정

Description

선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법{Forming method for pattern of microstructures using selective wetting of emulsion drops}

액적의 패턴화를 통해 반구형 구조체를 형성하는 방법으로 주로 디스펜서(dispenser) 혹은 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 기술이 사용되어져 왔다.

재료분야의 유명 저널인 Chemistry of Materials에 발표된 논문[Hwa-Young Ko, Jungho Park, Hyunjung Shin, Jooho Moon, "Rapid Self-Assembly of Monodisperse Colloidal Spheres in an Ink-Jet Printed Droplet " Chemistry of Materials, 16, 4212-4215 (2004)]에 따르면 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)을 통해 형성된 콜로이드 분산매 액적이 증발을 통해 반구 형태의 광결정을 이룬다고 보고하였다.

한편 재료분야의 유명 저널인 Advanced Materials에 발표된 논문 [Shin-Hyun Kim, Jong-Min Lim, Woong Chan Jeong, Dae-Geun Choi, Seung-Man Yang "Patterned Colloidal Photonic Domes and Balls Derived from Viscous Photocurable Suspensions," Advanced Materials, 20, 3211-3217 (2008)]에서는 콜로이드 입자가 분산된 광중합 가능한 단량체 용액을 디스펜서(dispenser) 장치를 이용하여 반구형 액적으로 패턴화 한 뒤 이를 광중합하여 반구형 구조체 패턴을 제조하였다.

그러나 상기에서 언급한 잉크젯 프린팅 및/또는 디스펜서를 이용한 방법은 액적의 패턴화를 위해 기판 및 노즐을 기계장치를 이용하여 이동시킴으로써 한번에 하나의 노즐로부터 하나의 액적을 기판에 접촉시키는 일대일 패터닝 과정을 거치게 된다. 이러한 방법은 대면적에서의 패턴 형성에 있어 오랜 공정시간을 요구하며 노즐이 막히는 문제가 빈번히 발생한다. 또한 패터닝이 가능한 액적은 특정 점도 조건 및 휘발성 조건을 만족해야 한다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 근본적으로 작은 크기의 액적을 패턴으로 만들기 때문에 계면장력에 의하여 반구형의 액적 및 반구형의 구조체만을 패턴으로 형성할 수 있다는 한계가 있다.

본 발명은 대면적에서 패턴을 제조할 수 있으며, 반구형을 포함하는 다양한 모양의 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 밀착인화법(contact printing)과 같은 방법으로 한번에 화학물질을 패터닝하여 표면특성이 다른 부분을 기판에 형성하고, 여기에 광중합 가능한 액적 혹은 내부에 콜로이드와 같은 물질이 함유된 증발이 용이한 액적을 도입하여 액적과 친화력이 있는 영역에 선택적으로 접촉시킨 뒤, 액적을 광중합 혹은 증발을 통해 고형화함으로써 반구형 구조체를 비롯한 다양한 모양의 패턴을 일대일 패턴 공정 없이 한번의 액적 도입으로 패턴화할 수 있다.

본 발명은 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 패턴화하는 단계; 상기의 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 기판 부분에 선택적으로 액적을 접촉시켜 액적을 미세구조로 패턴화하는 단계; 및 상기의 미세구조로 패턴화된 액적을 고형화하여 미세구조의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법을 나타낸다.

본 발명은 기존의 디스펜서(dispenser) 또는 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)과 같은 일대일 패턴 공정 없이 기패턴된 기판에 액적을 도입하여 한번에 액적 패턴을 형성함으로써 많은 시간이 소요되는 대면적 패턴을 매우 짧은 시간 내에 가능하게 하였고, 점도 및 휘발성에 상관없이 액적이 형성될 수 있는 모든 액상 물질에 대해서 패턴화가 가능하다.

또한 패턴의 모양 역시 액적과 친화성이 있는 기 패턴된 물질의 패턴모양을 따라 형성되기 때문에 반구형에 제한되지 않고 원하는 모양을 형성 시킬 수 있다. 특히 액적이 광중합이 가능한 물질인 경우 액적 패턴화 후 광중합을 통해 반구를 비롯한 다양한 구조체의 형성이 가능하고, 액적이 콜로이드를 함유하는 경우에는 액적 내부에 규칙적인 콜로이드 배열을 형성시킴으로써 광결정 패턴을 매우 손쉽게 제조할 수 있다.

한편 액적의 계면에만 콜로이드 입자들이 존재하는 경우에는 표면에 규칙적인 돌기가 존재하는 미세구조 패턴을 제조할 수 있다. 이러한 반구형 구조체를 포함한 다양한 패턴들은 미세렌즈 배열 및 디스플레이장치의 화소, 바이오센서를 위한 구조체 등으로 활용될 수 있다.

본 발명은 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법을 나타낸다.

본 발명은 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 패턴화하는 단계; 상기의 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 기판 부분에 선택적으로 액적을 접촉시켜 액적을 미세구조로 패턴화하는 단계; 및 상기의 미세구조로 패턴화된 액적을 고형화하여 미세구조의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법을 나타낸다.

상기에서 기판은 유리판 또는 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다.

상기에서 기판에 실란(silane)기 또는 티올(thiol)기를 포함하고 자기조립단분자막(self-assembled monolayers, SAMs)을 형성할 수 있는 물질을 처리하여 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니도록 할 수 있다.

상기에서 밀착인화법(contact printing)을 이용하여 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 패턴화 할 수 있다.

상기에서 밀착인화법(contact printing)을 이용하여 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 1㎛∼9mm 크기의 원, 사각형 또는 삼각형의 모양으로 패턴화 할 수 있다.

상기에서 액적은 광중합 가능한 단량체 용액을 사용할 수 있다.

상기에서 액적은 증발이 용이한 물질을 사용할 수 있다.

상기에서 기판에 미세구조로 패턴화된 액적의 고형화는 액적을 광중합에 의해 실시할 수 있다.

상기에서 기판에 미세구조로 패턴화된 액적의 고형화는 액적을 증발시키는 공정에 의해 실시할 수 있다.

상기에서 액적의 내부에 실리카(silica), 타이타니아(titania), 폴리스타이렌(polystyrene)의 콜로이드 입자를 포함할 수 있다. 이때 콜로이드 입자는 액적의 내부에 1∼50％(v/v)으로 포함될 수 있다.

상기에서 액적의 내부에 양자점(quantum dots)를 포함할 수 있다. 이때 양자점은 액적의 내부에 1∼50％(v/v)으로 포함될 수 있다.

상기에서 액적의 내부에 나노입자를 포함할 수 있다. 이때 나노입자의 일예로서 금나노입자를 사용할 수 있으며, 나노입자는 액적의 내부에 1∼50％(v/v)으로 포함될 수 있다.

상기에서 액적의 내부에 포함되는 콜로이드 입자가 규칙적인 구조를 형성하여 광결정으로써의 반사색을 나타낼 수 있다.

상기에서 액적의 내부에 화학 색소 물질을 포함할 수 있다.

상기에서 액적의 표면 및/또는 계면에 실리카(silica), 타이타니아(titania) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)의 콜로이드 입자가 존재하는 것을 사용할 수 있다.

상기에서 액적은 균일한 크기의 것을 사용할 수 있다.

상기에서 액적은 200∼300㎛의 크기를 지닌 균일한 크기의 액적을 사용할 수 있다.

상기에서 콜로이드 입자가 포함된 액적을 이용하여 미세구조 패턴 형성 후 미세구조 패턴 내부에 존재하는 콜로이드 입자를 선택적으로 제거하여 다공성 미세구조 패턴을 형성할 수 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 반구형 구조체를 비롯한 다양한 모양의 미세구조체 패턴 형성방법을 나타낸다.

상기에서 기판은 유리판, 실리콘웨이퍼와 같이 표면에 화학물질을 도입하여 표면 특성을 변화시킬 수 있는 기판을 사용할 수 있다.

상기에서 기판의 패턴화는 밀착인화법(contact printing)과 같은 방법을 이용하여 한번의 공정으로 대면적에 표면특성이 다른 영역을 패턴화 할 수 있다.

상기에서 기판의 패턴 크기는 수마이크로미터에서 수밀리미터 수준이고, 패턴의 모양은 원, 사각형, 삼각형 등을 포함하는 임의의 모양을 사용할 수 있다.

상기에서 액적은 광중합이 가능한 물질 혹은 증발이 용이한 물질을 사용할 수 있다.

상기에서 액적 내부에는 1∼50％(v/v)의 실리카 (silica), 타이타니아 (titania), 폴리스타이렌 (polystyrene)과 같은 콜로이드 입자 혹은 1∼50％(v/v)의 양자점 (Quantum dots), 1∼50％(v/v)의 금나노입자와 같은 나노입자를 함유할 수 있다. 또한 액적 내부에 필요에 따라서 염료 (dye molecules) 및 화학 색소 (chemical pigments)물질과 같은 화학물질을 함유할 수 있다. 액적 내부에 염료 (dye)를 첨가하게 되면 형광(fluorescence)을 띄는 미세구조를 제조할 수 있으며 사용가능한 염료로는 로다민 (rhodamine)계열, 플루레신 (fluorescein) 계열, 쿠마린 (coumarin)계열 등이 있다. 한편 액적 내부에 화학 색소 (합성착색료)를 첨가하는 경우 색깔을 띄는 미세구조를 제조할 수 있다. 사용가능한 착색료로는 많이 있으나 대표적인 것으로는 녹색1호, 적색1호 등의 식용색소가 있다. 이러한 염료 및 화학 색소물질은 액적 내부에 1∼50％(v/v)의 함량으로 포함될 수 있다.

상기에서 액적 표면 및/또는 계면에는 실리카(silica), 타이타니아(titania) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)의 콜로이드 입자를 흡착시킬 수 있다.

상기에서 액적의 고형화는 액적의 종류에 따라 광중합 또는 증발을 이용할 수 있다.

상기에서 액적의 크기는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터이고, 액적의 기판과의 접촉각은 10°∼160° 범위이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 (a)기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 패턴화하는 단계; (b)상기의 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 기판 부분에 선택적으로 액적을 접촉시켜 액적을 미세구조로 패턴화하는 단계; 및 (c)상기의 미세구조로 패턴화된 액적을 고형화하여 미세구조의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법을 나타낸다.

상기 (a)단계에서 기판으로는 유리판 또는 실리콘웨이퍼(silicon wafer) 등 화학처리를 통한 표면특성 변화가 가능한 기판이 사용될 수 있다. 유리판이나 실리콘웨이퍼(silicon wafer)가 사용되는 경우에는 옥타데실 트리클로로실란(octadecyl trichlorosilane, OTS)와 같은 실란(silane)기를 함유하는 실란커플링제(silane coupling agent)를 통해 기판의 표면특성을 변화시킬 수 있다. 또한 금속 기판이 사용되는 경우에는 티올(thiol)기를 포함하는 물질을 사용될 수 있다. 이들은 기판에 화학 결합을 통해 자기조립단분자막(self-assembled monolayers, SAMs)을 형성한다.

상기 (a)단계에서 표면 특성이 다른 영역의 패턴화를 위해서는 밀착인화법 (contact printing)을 사용할 수 있다. 밀착인화법(contact printing)이란 연성식각법(soft lithography)을 통해 제조되는 연성고분자 도장(stamp)에 화학물질 잉크를 바르고 이를 기판과 접촉시킴으로써 도장의 패턴 모양대로 기판에 화학물질을 패턴화하는 방법을 말한다. 본 발명에서 사용하는 패턴의 특성 크기는 수마이크로미터에서 수밀리미터 수준까지 가능하며, 패턴의 모양은 원, 사각형 및/또는 삼각형을 포함하는 임의의 모양이 가능하다.

상기 (b)단계의 액적은 광중합이 가능한 액적이나 증발이 용이한 액적이 사용될 수 있다.

상기 (b)단계에서 광중합이 가능한 액적은 아크릴레이트(acrylate)기를 포함하는 광중합 단량체 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하나, 자외선에 의해 경화가 가능한 단량체라면 제한 없이 사용할 수 있다. 이는 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)기 혹은 에폭시(epoxy)기를 포함하는 단량체 용액 및 우레 탄(urethane)기를 형성할 수 있는 단량체 용액을 포함될 수 있다. 본 발명에서 사용한 Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate는 아크릴레이트기를 함유하는 단량체의 일종이다.

상기 (b)단계에서 증발이 용이한 액적은 물에 분산된 톨루엔(toluene) 액적과 같이 휘발성 유기용매에서부터 오일에 분산된 물 액적과 같은 극성용매까지 사용이 가능하다. 이때 증발이 용이한 액적은 물에 분산된 톨루엔 액적 이외에 물에 분산된 헥산 (hexane) 액적, 물에 분산된 옥탄 (octane) 액적 또는 물에 분산된 데칸 (decane) 액적을 사용할 수 있으며, 오일에 분산된 물 액적에서 오일은 헥사데칸 (hexadecane), 올리브 오일 (olive oil), 실리콘 오일 (silicon oil) 및/또는 미네랄 오일(mineral oil)을 사용할 수 있다.

상기에서 증발이 용이한 액적 내부에는 1∼50％(v/v)의 실리카 (silica), 타이타니아 (titania) 또는 폴리스타이렌 (polystyrene) 콜로이드 입자; 양자점(Quantum dots); 금나노입자와 같은 나노입자; 또는 염료 및 화학색소 물질이 함유될 수 있다. 또한 액적의 계면 및/또는 표면에 선택적으로 실리카(silica), 타이타니아(titania), 폴리스타이렌(polystyrene) 콜로이드 입자가 함유될 수 있다. 이때 콜로이드 입자의 크기는 100∼10,000nm인 것을 사용할 수 있으며, 양자점 혹은 나노입자의 크기는 2∼100nm인 것을 사용할 수 있다.

상기 (c)단계의 액적의 고형화는 광중합 및 액적의 증발을 이용할 수 있다. 액적의 고형화시 광중합의 경우에는 35∼45mW/cm²의 광도에서 0.5∼15초, 바람직하 게는 40mW/cm²의 광도에서 1∼10초간 자외선을 경화를 수행하는데, 이는 단량체가 완전히 광경화 될 때 필요한 광도와 시간의 조합이면 어떤 범위에서든 이용될 수 있다. 액적의 고형화시 액적의 증발의 경우에는 액적의 휘발성 및 끊는점에 따라 증발 온도와 시간이 결정되며, 액적을 완전히 증발시킬 수 있는 온도라면 어떤 범위에서든 이용될 수 있다.

본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 형성된 미세구조의 패턴을 포함한다.

본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 반구, 돌기형 반구, 원, 사각형 또는 삼각형의 모양이 형성된 미세구조의 패턴을 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 액적을 이용하여 원하는 모양의 패턴을 일대일 패턴 공정 없이 제조하는 방법을 제시한다.

종래의 방법에서는 액적 패턴을 제조하기 위하여 디스펜서(dispenser) 혹은 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 방법을 이용하였다. 그러나 이러한 경우 일대일 패턴 공정을 이용하기 때문에 대면적 패턴을 제조하기 위한 공정 시간이 매우 길어질 뿐만 아니라 패턴화가 가능한 액적의 점도 및 휘발성에 제한이 있었다. 또한 반구형 액적만을 패턴화 할 수 있다는 단점이 있었다.

그러나 본 발명에 의한 패턴화 방법은 근본적으로 일대일 패턴 공정을 이용하지 않고, 액적이 액적과 친화력이 있는 영역에 선택적으로 젖는 현상(wetting)을 이용하여 액적과 상대적으로 친화력이 있는 영역이 패턴된 기판에 다량의 액적을 도입함으로써 액적을 패터닝하고, 이를 광중합 혹은 증발 공정을 통해 고형화시키기 때문에, 패턴 제조 시간이 매우 단축되며, 생성되는 구조체의 모양 역시 반구형을 포함한 원하는 모양으로의 제조가 가능하다. 도 1은 본 발명에서 제안하는 패턴형성 방법을 나타내는 모식도이다.

액적이 액적과 친화력이 있는 기판에 선택적으로 젖는 현상은 시스템의 계면에너지를 낮추려는 경향과 관련된다. 액적이 분산되어 있는 연속상과 기판 사이의 계면에너지가 큰 경우 액적이 기판 위에 젖음으로써 연속상과 기판 사이의 직접적인 접촉을 막아주고 그 결과 높은 에너지를 갖는 계면이 사라짐으로써 전체적인 계면 에너지를 낮춰줄 수 있다. 물론 연속상에 분산되었을 당시의 구형 액적이 기판위에 젖음으로써 액적과 연속상 사이의 계면이 넓어지고 액적과 기판 사이의 계면이 새롭게 형성되지만 액적과 연속상 사이의 계면 에너지와 액적과 기판 사이의 계면 에너지가 크지 않기 때문에 액적의 젖음 현상이 가능한 것이다.

따라서 표면특성이 다른 영역이 하나의 기판위에 존재하는 경우 연속상보다 액적과 친화력이 높은 영역에서만 액적이 젖는 현상을 일으키고 그 결과 액적이 기판의 선택적 영역만을 덮는 현상을 유도할 수 있다. 이때 액적과 친화력이 높은 영역의 모양은 원, 삼각형, 사각형 등 어떤 것이든지 가능하며 연속상에 분산되었을 당시의 구형의 액적은 친화력이 높은 영역에 젖음으로써 액적의 밑면은 원, 삼각 형, 사각형 등 높은 친화력을 갖는 영역의 모양이 되며 액적과 연속상이 만나는 계면은 곡면을 형성하게 된다. 높은 친화력을 갖는 영역의 모양이 원인 경우에는 반구형 액적이 형성 되며 액적의 부피 V_d와 액적과 기판이 이루는 접촉각 θ_d는 하기 수식(1)과 같은 관계가 있다.

......수식(1)

상기 수식(1)에서 d_c는 기판에 형성된 원의 지름이며, 액적과 친화력이 높은 영역에서의 액적과 기판의 접촉각과 액적과 친화력이 적은 영역에서의 액적과 기판과의 접촉각 사이의 접촉각을 가질 때 성립한다.

본 발명에서 사용 가능한 기판은 화학처리를 통한 표면특성 변화가 가능한 기판이 사용될 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 유리판을 사용하였으나, 표면특성을 변화시킬 수 있는 기판은 제한 없이 사용될 수 있다. 또한 기판의 표면특성 변화를 위해 본 발명에서는 octadecyl trichlorosilane(OTS)이 사용되었으나 표면특성을 변화시킬 수 있는 화학물질이면 제한 없이 사용될 수 있다. 패턴의 형성 방법 역시 본 발명에서는 밀착 인화법(contact printing)을 사용하였으나 국부적인 영역에서 화학물질의 패턴을 만들 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용 가능한 액적은 광중합이 가능한 액적 혹은 증발이 용이한 액적이다. 광중합이 가능한 액적으로는 물에 액적형태로 분산된 Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate(ETPTA, MW 428, viscosity 60cps) 단량체를 사용 하였으나, 자외선에 노출되었을 때 경화가 되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 증발이 용이한 액적 역시 물에 액적 형태로 분산된 휘발성이 강한 톨루엔 (toluene)과 같은 유기용매를 포함하여 오일에 분산된 물 등 제한 없이 사용 될 수 있다.

본 발명에서는 사용되는 액적은 균일한 크기의 액적이나 불균일한 크기의 액적 모두 사용될 수 있다. 균일한 크기의 액적은 보다 균일한 패턴을 형성하는데 사용되며, 미세유체장치(microfluidic device)를 통해 제조되는 것을 사용하였으나 균일한 크기의 액적을 형성할 수 있는 방법이면 제한 없이 사용될 수 있다. 또한 불균일한 크기의 액적은 진동기(shaker), 와류 믹서(vortex mixer) 및 균질화기(homogenizer) 등을 통해 제조하여 사용될 수 있으나 액적을 형성할 수 있는 방법이면 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명을 통해 가능한 액적 패턴 형성법을 이용하여 액적 내부에 콜로이드 입자를 함유하는 경우 입자들이 내부에서 규칙적인 구조를 갖도록 유도함으로써 광결정 패턴을 제조할 수 있다. 콜로이드 입자는 예컨대, ETPTA에 분산된 실리카(silica)를 사용할 수 있는데, 실리카 입자는 스토버-핑크-본 방법(Stober-Fink-Bohn method)을 이용하여 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 패턴화된 구조체에서 콜로이드 입자를 선택적으로 제거함으로써 다공성 구조체 패턴을 제조할 수 있는데, 이는 수산화나트륨 용액이나 불산 등과 같은 화합물에 의해 가능하다.

또한 액적의 계면에만 콜로이드 입자를 함유하는 액적을 이용하여 돌기가 존 재하는 구조체를 패턴화 할 수 있다. 이때 콜로이드 입자는 예컨대, ETPTA 액적 계면에 흡착된 폴리스타이렌(polystyrene), 실리카(silica) 혹은 타이타니아(titania)를 사용할 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히 실리카 입자가 사용되는 경우 돌출되는 영역을 조절하기 위하여 실리카 입자 표면에 octadecyltrimethoxysilane(OTMOS) 또는 dichlorodimethylsilane(DCDMS)와 같은 실란커플링제를 통해 표면 처리를 한 뒤 실리카 입자를 사용할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하지만, 다음의 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명이 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 반구형 구조체의 패턴화

반구형 사각 패턴을 형성하기 위해 도 1에 나타난 방법을 이용하였다.

ETPTA 단량체(Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate(MW 428, viscosity 60cps) 용액을 계면활성제인 Pluronic F108(Ethylene Oxide/Propylene Oxide/Ethylene Oxide Triblock Copolymer, BASF)이 1wt％ 분산된 물에 도입하고 볼텍스 혼합기(vortex mixer)를 이용하여 액적을 형성하였다.

한편 패턴화된 기판을 제조하기 위하여 밀착인화법(contact printing)을 이용하였다. 먼저 연성식각법(soft lithography)을 통해 실리콘계 고분자물질인 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 50마이크로미터(㎛) 지름 및 150마이크로미터(㎛) 간격의 원기둥 사각 패턴을 갖는 도장(stamp)으로 제조하고, 도장의 표면에 톨루엔에 분산된 옥타데실 트리클로로실란(octadecyl trichlorosilane, OTS)을 발라주고 질소를 이용하여 건조시켰다. 이를 2분간 산소 플라즈마 처리된 유리판과 접촉시켜 70℃에서 1분 동안 OTS 분자들이 유리판과 결합을 이루도록 하였고, 이후 PDMS 도장을 탈착한 뒤 기판을 아세톤으로 씻어 주었다.

앞서 만들었던 ETPTA 액적을 원 패턴이 형성된 기판에 도입하고, 5분간 기판 및 액적을 100RPM에서 흔들어 주어 액적이 OTS가 존재하는 원 패턴 위에 선택적으로 접촉하도록 유도해주었다. 그 뒤 UV에 10초간 노출시킴으로써 ETPTA가 고형화 되도록 하였다. 선택적으로 흡착되지 않은 고형물을 제거하기 위해 기판을 물로 가볍게 씻은 뒤 건조하였다. 그 결과 기판 위에 반구형 미세구조체를 사각 패턴으로 제조할 수 있었다.

도 2는 형성된 반구형 사각 패턴의 광학(도 2(a)) 사진 및 주사 전자현미경 사진(도 2(b))을 보여준다.

<실시예 2> 돌기를 갖는 반구형 구조체의 패턴화

상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 제조된 패턴화된 기판을 이용하여 돌기를 갖는 반구형 구조체를 패턴화 할 수 있다. 이를 위해 ETPTA 단량체를 1 마이크로미터 크기의 폴리스타이렌(polystyrene) 입자가 분산된 물에 도입하고, 이를 유화기(homogenizer)를 이용하여 16,000RPM에서 30초간 처리하였다. 그 결과 폴리스티렌 입자가 표면에 흡착된 ETPTA 액적을 제조하였다.

상기의 폴리스티렌 입자가 표면에 흡착된 ETPTA 액적을 상기 실시예 1과 같은 방법으로 제조된 기판에 도입하고 동일한 과정을 거쳐 패턴으로 제조하였다. 그 결과 표면에 돌기가 존재하는 반구형 구조체를 패턴화 할 수 있었다. 또한 사용하는 패턴의 크기를 변화시킴으로써 형성되는 반구형 구조체의 크기 및 패턴 간격을 조절할 수 있었다. 이를 위해 실시예 1과 같은 50 마이크로미터 크기 및 150 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴 및 30 마이크로미터 크기 및 75 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴, 20 마이크로미터 크기 및 50 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴을 사용하였다. 그 결과 돌기를 갖는 반구형 구조체의 크기 및 간격 역시 원 패턴과 유사한 수준으로 변화되었다.

도 3은 패턴된 돌기를 갖는 반구형 구조체의 대면적 사진을 보여준다.

도 4a와 4b는 50 마이크로미터 크기 및 150 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴, 도 4c와 4d는 30 마이크로미터 크기 및 75 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴, 도 4e와 4f는 20 마이크로미터 크기 및 50 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴을 이용하여 제조한 돌기를 갖는 반구형 구조체 패턴들의 주사 전자현미경 사진을 보여준다.

<실시예 3> 사각밑면을 갖는 구조체의 패턴화

상기 실시예 2와 같은 방법으로 구조체를 패턴화하되, 사용하는 패턴의 모양을 사각형으로 변화를 주었다. 그 결과 반구형 구조체가 아닌 밑면의 모양이 사각형이고 윗면은 곡면으로 이루어진 돌기를 갖는 구조체를 만들 수 있었다.

도 5(a)는 사각형 밑면을 갖는 구조체 패턴의 광학현미경 사진이고, 도 5(b)는 사각형 밑면을 갖는 구조체 패턴의 확대한 모습의 광학현미경 사진이다.

<실시예 4> 반구형 광결정의 패턴화

실시예 1과 같은 방법으로 반구형 패턴을 제조하되 액적 내부에 콜로이드 결정을 형성시킴으로써 반구형 광결정을 패턴화 할 수 있다. 이를 위해 170 나노미터의 실리카 입자가 33％(v/v) 함유된 ETPTA 단량체 용액을 미세유체장치 (microfluidic device)를 이용하여 250 마이크로미터 크기의 균일한 액적으로 제조하였다. 한편 기판은 KAIST IOFS라는 글씨를 이루고 있는 200 마이크로미터 크기 및 500 마이크로미터 간격을 갖는 원 패턴, 200 마이크로미터 크기 및 350 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴, 200 마이크로미터 크기 및 500 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴을 이용하였다.

실시예 1과 같은 방법으로 액적을 OTS가 코팅된 원 위에 선택적으로 패턴화하고 자외선에 노출시켜 광경화 하였다. 그 결과 녹색을 반사하는 반구 광결정 패턴이 형성되었다.

도 6은 특정 글씨 모양(KAIST IOFS)으로 패턴된 반구형 광결정의 사진이다.

도 7a는 200 마이크로미터 크기 및 350 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴을 이용하여 제조한 녹색 반구 광결정 패턴의 광학 현미경 사진이고, 도 7b는 200 마이크로미터 크기 및 500 마이크로미터 간격을 갖는 원 사각 패턴을 이용하여 제조한 녹색 반구 광결정 패턴의 광학 현미경 사진이며, 도 7c는 반구 광결정 및 그 표면을 보여주는 주사 전자 현미경 사진이다.

<실시예 5> 다공성 반구형 광결정의 제조

상기 실시예 4에서 제조한 반구형 광결정에서 실리카 입자를 선택적으로 제거하여 다공성 반구형 광결정을 제조하였다. 이를 위해 실시예 4에서 제조한 반구형 광결정 패턴의 빈 공간을 ETPTA를 이용하여 100 마이크로미터 두께로 코팅하였다. 이를 광경화하여 필름을 형성한 뒤 유리판에서 반구형 광결정 패턴을 포함하는 필름을 탈착시켰다.

탈착된 필름을 5％ 불산용액에 12시간 동안 담궈 놓음으로써 반구 내부에 포함된 실리카 입자를 제거하였다. 그 결과 내부에 공기 주머니가 있는 다공성 반구형 광결정을 제조할 수 있었다. 다공성 반구형 광결정은 입자가 제거되기 전의 반구형 광결정보다 유효 굴절률이 작기 때문에 반사파장이 짧은 파장으로 이동하여 파란색을 반사시켰다.

도 8a와 8b는 파란색을 반사하는 다공성 반구형 광결정 패턴의 광학 현미경 사진을, 도 8c는 다공성 반구형 광결정 및 그 표면의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 도 8d는 녹색을 반사하는 반구형 광결정 및 파란색을 반사하는 다공성 반구형 광결정의 반사 그래프를 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 구조체 패턴화 방법은 기존의 디스펜서(dispenser)나 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 공정에서 요구되는 일대일 패터닝 방법을 사용하지 않고 액적을 기 패턴된 기판에 선택적으로 접촉시킴으로써 매우 짧은 시간에 액적 및 그에 의해 제조되는 구조체를 패턴화 할 수 있다.

또한 본 발명은 액적의 점도와 휘발성에 관계없이 액적을 형성할 수 있는 액상물질이면 모두 패턴화가 가능하며 반구 뿐만 아니라 원하는 모양을 갖는 구조체의 패턴을 제조할 수 있다. 따라서 본 발명을 이용한 구조체 패턴화 방법은 기존의 산업에서 디스펜서(dispenser)나 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)을 이용하여 패터닝을 수행하는 폭넓은 범위의 패턴 공정을 대체할 수 있다.

특히 반구형 구조체의 패턴화는 다양한 광학소자에서 사용되는 미세렌즈 배열로 사용될 수 있고, 광결정 패턴을 형성함으로써 디스플레이 소자의 반사형 컬러화소로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 반구를 포함하는 다양한 모양의 구조체 패턴화 방법을 나타내는 개략도이다.

도 2는 실시예 1에 의해 제조된 반구형 구조체 패턴의 광학 및 주사전자현미경 사진이다.

도 3는 실시예 2에 의해 돌기를 갖는 반구형 구조체 패턴의 사진이다.

도 4는 실시예 2에 의해 제조된 돌기를 갖는 반구형 구조체 패턴의 주사 전자현미경 사진이다.

도 5은 실시예 3에 의해 사각형 밑면을 갖는 구조체 패턴의 광학현미경 사진이다.

도 6은 실시예 4에 의해 제조된 반구형 광결정 패턴의 사진이다.

도 7은 실시예 4에 의해 제조된 반구형 광결정의 광학현미경 및 주사 전자현미경 사진이다.

도 8은 실시예 5에 의해 제조된 다공성 반구형 광결정의 광학, 주사 전자 현미경 사진 및 반사파 그래프를 나타낸 것이다.

Claims

기판에 실란(silane)기를 포함하고 자기조립단분자막(self-assembled monolayers, SAMs)을 형성할 수 있는 물질인 옥타데실 트리클로로실란(octadecyl trichlorosilane, OTS)을 처리하여 액적과 친화성이 높은 표면특성을 형성하고, 상기 기판에 형성된 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 패턴화하는 단계;

상기의 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 기판 부분에 선택적으로 액적을 접촉시켜 액적을 미세구조로 패턴화하는 단계; 및

상기의 미세구조로 패턴화된 액적을 고형화하여 미세구조의 패턴을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 액적은 광중합 가능한 단량체 용액이거나 또는 증발이 용이한 물질인 것으로서, 상기의 광중합 가능한 단량체 용액은 아크릴레이트(acrylate)기를 포함하는 광중합 단량체 용액, 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate)기를 포함하는 단량체 용액, 에폭시(epoxy)기를 포함하는 단량체 용액 및 우레탄(urethane)기를 형성할 수 있는 단량체 용액 중에서 선택된 어느 하나 이고; 상기의 증발이 용이한 물질은 물에 분산된 톨루엔(toluene) 액적, 물에 분산된 헥산(hexane) 액적, 물에 분산된 옥탄(octane) 액적, 물에 분산된 데칸(decane) 액적, 헥사데칸(hexadecane)에 분산된 물 액적, 올리브 오일(olive oil)에 분산된 물 액적, 실리콘 오일 (silicon oil)에 분산된물 액적 및 미네랄 오일(mineral oil)에 분산된 물 액적 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선택적 액적의 젖음 현상을 이용한 미세구조의 패턴 형성방법.
청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 기판은 유리판 또는 실리콘 웨이퍼 임을 사용하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
삭제
제1항에 있어서, 밀착인화법(contact printing)을 이용하여 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 미세구조로 패턴화 하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
제1항에 있어서, 밀착인화법(contact printing)을 이용하여 기판에 액적과 친화성이 높은 표면특성을 지니는 부분을 수마이크로미터 내지 수 밀리미터 크기의 원, 사각형 또는 삼각형의 모양이 미세구조로 패턴화 하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
삭제
제1항에 있어서, 기판에 미세구조로 패턴화된 액적의 고형화는 액적을 광중합하거나 또는 증발에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
제1항에 있어서, 액적은 실리카(silica), 타이타니아(titania) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)의 콜로이드 입자; 양자점(quantum dots); 또는 금나노입자의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
제8항에 있어서, 액적에 포함되는 콜로이드 입자가 규칙적인 구조를 형성하여 광결정으로써의 반사색을 보이는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 액적은 염료 또는 화학 색소 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
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제9항에 있어서, 콜로이드 입자가 포함된 액적을 이용하여 미세구조 패턴 형성 후 미세구조 패턴 내부에 존재하는 콜로이드 입자를 선택적으로 제거하여 다공성 미세구조 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세구조의 패턴 형성방법.
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