KR101149757B1 - 반사방지 나노구조물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사방지 나노구조물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 기판; 및 기판 상에 형성된 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들을 포함한다. 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 기판 상에 나노 패터닝 기술을 이용하여 반사방지 나노구조물을 제작하고, 나노구조물을 이용하여 대면적 반사방지 나노구조층을 제작할 수 있는 PDMS 또는 니켈 나노금형을 제조한다.

반사방지, 나노 구조, 나노 패터닝, 롤투롤 임프린트

Description

반사방지 나노구조물 및 그의 제조 방법{Anti-Reflection Nano Structure and Method for Manufacting the Same}

본 발명은 반사방지 나노구조물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고분자 필름, 실리콘 또는 유리 기판 위에 나노 패터닝 기술을 이용하여 형성된 반사방지 나노구조물 및 이들을 제조하는 방법에 관한 것이고, 본 발명에 따른 나노구조물을 이용하여 대면적 반사방지층(막)을 제작할 수 있는 폴리디메틸실록산(이하, "PDMS"라 함) 금형 또는 니켈 금형을 제조할 수 있다.

기존의 반사방지 막은 굴절률이 다른 여러가지 다층 막으로 되어 있어, 각 경계면에서 발생하는 반사광이 서로 간섭하도록 설계된다.

기존 반사방지 막의 제조 방법은 무기계의 유도체 재료를 증착 또는 스퍼터링으로 적층하는 방법을 사용한다. 그러나 이러한 방법은 고진공에서 20층 이상의 다층을 적층해야 하므로 공정이 복잡하고 대형 진공 증착 장비가 필요하다.

이에 본 발명자들은 반사방지막을 생체 모방 기술 중의 하나인 나방눈(moth- eye) 타입의 나노구조로 만드는 경우, 다층으로 적층할 필요도 없이 반사방지 효과를 얻을 수 있음을 착안하여 본 발명을 완성하였다. 즉, 반사방지막을 수백 나노(나노는 10억분의 1) 미터 스케일로 규칙적인 돌기 배열을 가지는 구조로 제작하는 경우, 두께 방향의 굴절률이 연속적으로 변화하기 때문에 이 돌기 구조를 가진 표면은 빛을 거의 반사하지 않으며, 또한 이와 같은 나노구조의 반사방지막을 롤투롤 임프린팅 공정기술을 이용하면, 기존의 스탬퍼 방식의 엠보싱이나 임프린팅 기술에 비해 대면적으로 제작하는 것이 가능하며, 연속적인 공정에 의해 대량생산을 통한 저가격화가 가능함을 밝혔다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 기판 위에 나노 패터닝 기술을 이용하여 형성된 반사방지 나노구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 반사방지 나노구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판; 및 기판 상에 형성된 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들을 포함하는 반사방지 나노구조물을 제공한다.

본 발명에 따른 반사방지 나노구조물에서, 기판으로는 고분자 필름, 실리콘 또는 유리 기판인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물에서, 나노스케일의 돌기들은 타원체(nipple)인 것이 바람직하며, 나노스케일의 돌기들은 육방밀집(hexagonal close-packed)이 되도록 배열되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 나노스케일의 돌기들은 1.0 이상의 종횡비를 갖는 것이 바람직하다.

또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은

기판 상에 나노구형입자 현탄액으로 나노구형입자 막을 도포하는 단계;

상기 나노구형입자 막을 건조시키는 단계;

상기 건조된 나노구형입자 막의 나노구형입자의 크기를 감소시키는 단계; 및

크기가 감소된 나노입자를 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판 상에 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들을 형성하는 단계를 포함하는 반사방지 나노구조물의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 기판 상에 나노 구멍이 있는 양극산화알루미늄을 마스크로 사용하여 금속 박막을 증착하는 단계;

양극산화알루미늄 마스크를 제거하는 단계;

증착된 금속 박막을 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판 상에 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들을 형성하는 단계를 포함하는 반사방지 나노구조물의 제조방법을 제조한다.

본 발명에 따른 반사방지 나노구조물의 제조방법에 있어서, 상기 나노구형입자로는 입자 직경의 크기가 100 내지 500㎚인 구형의 고분자 또는 세라믹 입자가 사용되는 것이 바람직하며, 상기 양극산화알루미늄 마스크는 알루미늄을 양극산화시킨 후 나노구멍을 형성시켜 제조된다. 또한, 상기 나노구형입자막의 나노구형입자의 크기는 산소 플라즈마 에칭공정을 통해 감소되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 기판 상에 나노스케일의 돌기들이 규칙적으로 배열된 나노구조물은 빛을 반사하지 않게 하여 선명한 투과창을 형성할 수 있으며, 소자의 효율을 향상시키는 반사방지 기능을 개선시킨다.

또한, 본 발명에 따른 나노구조물은 이 자체가 반사방지층(막)을 대면적으로 대량으로 제작가능하게 하는 금형의 제조에 사용될 수 있어, 저가격으로 반사방지 막(층)을 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 디스플레이 패널에 적용되어 화면의 선명성을 확보할 수 있으며, 태양광모듈에 적용되어 태양광의 흡수효율을 향상시킬 수 있고, LED에 적용되어 LED 방출효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 또한 액정 디스플레이, 유기 EL, PDP, LCD등의 FPD, 게임기, 휴대전화 등 모바일 기기의 전면판에 적용되어 보다 선명한 화상을 얻을 수 있으며, 자동차 네비게이션 등의 자동차 용도나 조명 등 인테리어의 밝기 향상이 가능하다. 또한, 미세 돌기는 연꽃의 표면과 유사한 구조를 가지므로 발수효과가 있어 물에 젖지 않게 된다. 초발수 효과를 응용한 유리창이나 새로운 건축자재에도 적용이 가능하다. 재생 의료분야에서는 세포가 평탄하게 흡착하는 것을 억제할 수 있어 생체 세포의 증식을 위한 기자재에 적용이 가능하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1a은 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물을 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 단면도이고, 도 1c는 도 1a의 평면도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 반사방지 나노구조물(100)은 기판(110) 위에 규칙적으로 배열된 나노 스케일의 돌기들(120)을 포함한다.

상기에서 기판(110)으로는 고분자 필름, 실리콘 또는 유리와 같은 것이 사용될 수 있으며, 고분자 필름으로는 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), COC(시클로올레핀 코폴리머), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 등이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다.

상기 나노스케일의 돌기들(120)의 모양과 형태는 빛이 나노구조물로 입사할 때 공기의 굴절률(n=1)이 서서히 연속적으로 변하게 되어 기판 표면에서는 기판의 굴절률과 일치하여 빛이 굴절률의 변화를 감지하지 못하게 되어 반사가 일어나지 않게 되는 구조가 되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 돌기들(120)은 타원체(nipple) 돌기모양인 것이 바람직하며, 또한 기판 표면에, 도 1c에 나타난 바와 같이, 돌기들이 육방밀집(hexagonal close-packed)이 되도록 배열되는 것이 바람직하다. 또한, 돌기들의 종횡비는 1.0 이상이며, 바람직하게 1.5 이상일 때 반사율이 향상되어 반사율이 0.5% 이하로 제작이 가능하다.

본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 나노 입자 리소그래피(nan sphere lithography), 나노 임프린트 리소그래피(nano imprint lithography), 또는 양극산화 리소그래피(anodized aluminium oxide lithography)에 의해 제작되며, 기존의 다층 코팅에 의해 제작되는 반사방지 필름에 비해 공정이 단순하며, 롤투롤 임프린팅(roll-to-roll imprinting) 공정의 적용이 가능하여, 대면적의 반사방지 필름을 대략으로 제작될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 다음과 같이 두 가지의 방법으로 제작될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물을 제조하는 하나의 공정을 도식 화하여 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물을 제조하는 다른 공정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 기판(110) 상에 나노구형입자 현탄액으로 나노구형입자 막(111)을 도포하는 단계(S11); 상기 나노구형입자 막(111)을 건조시키는 단계(S12); 상기 건조된 나노구형입자 막(111)의 나노입자의 크기를 감소시키는 단계(S13); 및 크기가 감소된 나노입자를 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판(110) 상에 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들(120)을 형성하는 단계(S14)로 제조된다.

상기 기판(110) 상에 나노구형입자 현탁액으로 나노구형입자 막(111)을 도포하는 단계(S11)은 나노입자 배열 공정으로 언급될 수 있으며, 상기 나노구형입자로는 입자 직경의 크기가 100㎚ 내지 500㎚인 구형의 고분자(폴리스티렌) 또는 세라믹(실리카) 입자인 것이 바람직하며, 이를 용액화하여 기판 상에 스핀 코팅 또는 드롭 코팅등과 같은 방법으로 도포할 수 있다.

상기 나노구형입자 막(111)을 건조시키는 단계(S12)에서, 바람직한 건조 조건은 70 내지 90℃의 온도에서 20 내지 40분이며, 건조공정을 통해 입자상호간의 밀착력을 향상시킬 수 있으며, 입자간의 간격을 치밀하게 한다.

상기 나노입자의 크기를 감소시키는 단계(S13)에서는 산소 플라즈마 에칭 공정을 통해 나노입자의 크기를 감소시키는 것이다. 여기서, 나노입자의 감소 정도는 형성되는 돌기의 크기에 따라 선택될 수 있다.

상기 규칙적으로 배열된 돌기들(120)을 형성하는 단계(S14)는 크기가 감소된 나노입자를 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 형성시킨다. 여기서, 식각 깊이는 바람직한 반사율을 갖도록 형성된 돌기의 종횡비가 고려될 수 있다. 한편, 반응성 이온 식각 공정을 위해서 CF₄ 또는 Ar이 이용된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 반사방지 나노구조물은 기판(110) 상에 나노 구멍이 있는 양극산화알루미늄(112)을 마스크로 사용하여 금속 박막(113)을 증착하는 단계(S21); 양극산화알루미늄 마스크(112)를 제거하는 단계(S22); 및 증착된 금속 박막(113)을 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판(110) 상에 규칙적으로 배열된 나노스케일의 돌기들(120)을 형성하는 단계(S23)로 제조된다.

상기 기판(110) 상에 금속 박막(113)을 증착하는 단계(S21)에서는 기판 상에 나노 구멍이 있는 양극산화알루미늄(112)을 마스크로 사용하여 금속을 증착한다. 여기서, 나노 구멍의 크기는 형성되는 돌기의 크기에 따라 선택될 수 있으며, 바람직하게는 100 nm 내지 250 nm이다. 또한, 나노 구멍의 크기는 적용되는 대상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 디스플레이의 경우는 가시광선 영역에서 사용하므로 구멍의 크기는 < λ/2이므로 250 nm이하이어야 하지만, 태양전지나 LED 등에 적용될 경우, 근적외선 영역에서도 사용되므로 100 nm 내지 1000 nm의 범위일 수도 있다. 금속 증착은 이 분야에서 일반적인 방식이 이용될 수 있다. 또한, 상기 양극산화알루미늄은 알루미늄을 양극산화(anodization)시키고, 이어서 나노구멍을 형성시켜 제작된다.

상기 양극산화알루미늄 마스크(112)를 제거하는 단계(S22)에서는 이 분야에서 일반적인 방식으로 마스크가 제거될 수 있다.

상기 나노스케일의 돌기들(120)을 형성하는 단계(S23)는 증착된 금속 박막을 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 형성시킨다. 마찬가지로 식각 깊이는 바람직한 반사율을 갖도록 형성된 돌기의 종횡비가 고려될 수 있다. 한편, 반응성 이온 식각 공정을 위해서 CF₄ 또는 Ar이 이용된다.

상기 도 2 및 도 3을 통해 제작된 반사방지 나노구조물(100)은 이것 자체가 마스터가 되어 대면적의 반사방지층을 제작할 수 있는 금형을 제작하는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여서는 도 4 내지 도 5에 금형 제작과정을 도식화하여 나타내었다.

도 4a 및 도 4b는 도 2에 제시된 공정에 따라 제작된 반사방지 나노구조물(100)을 마스터로 사용하여 금형을 제작하는 공정을 도식화하여 나타낸 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 도 3에 제시된 공정에 따라 제작된 반사방지 나노구조물(100)을 마스터로 사용하여 금형을 제작하는 공정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 4a를 참조하면, 기판(110) 상에 나노구형입자 막(111)을 도포, 건조 및 산소 플라즈마 에칭 공정을 통해 배열시킨 후 반응성 이온 식각하여 기판(110) 상에 나노스케일의 돌기들(120)을 규칙적으로 배열시켜 형성된 나노구조물(100), 즉 양각 마스터를 제작한다. 이어서, 제작된 양각 마스터(100)로부터 PDMS 소프트 금 형(130)를 복제한 후, 마스터를 제거하여 음각 PDMS 소프트 금형(130)을 제작한다.

또한, 4b에 나타난 바와 같이, 제작된 양각 마스터(100)에 니켈을 전해도금을 통해 복제한 후, 양각 마스터를 제거하여 음각 니켈 금형(140)을 제작한다.

도 5a를 참조하면, 기판(110) 상에 나노구멍이 있는 양극산화알루미늄(112)을 마스크로 하여 금속박막(113)을 증착한 후, 반응성 이온 식각하여 기판(110) 상에 나노스케일의 돌기들(120)을 규칙적으로 배열시켜 형성된 나노구조물(100), 즉 양각 마스터를 제작한다. 이어서, 제작된 양각 마스터(100)로부터 PDMS 소프트 금형(130)을 복제한 후, 마스터를 제거하여 음각 PDMS 소프트 금형(130)을 제작한다.

또한, 도 5b에 나타난 바와 같이, 제작된 양각 마스터(100)에 니켈을 전해 도금한 후, 양각 마스터를 제거하여 음각 니켈 금형(140)을 제작한다.

반면, 양각의 PDMS 소프트 금형(150)은 도 6에 나타난 바와 같이 나노구멍이 있는 양극산화 알루미늄(112)으로부터 직접 양각형 PDMS 소프트 금형(150)을 복제한 후, 양극산화 알루미늄을 제거하여 얻어질 수도 있다. 또한 음각의 니켈 금형(140)은 상기 제작된 양각의 PDMS 소프트 금형(150)에 니켈을 전해도금을 통해 복제한 후, PDMS 소프트 금형을 제거하여 얻어질 수 있다.

도 7에 나타난 바와 같이, 도 4 내지 도 6에서 얻은 PDMS 소프트 금형 또는 니켈 금형을 원통형 롤러(220)에 적용하고, 고분자 필름, 유리와 같은 기판(210) 상에 롤투롤 임프린팅 성형공정을 통해 연속적으로 대면적의 반사방지 나노구조층(230)을 제작할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 위에 나노스케일의 돌기들이 규칙적으로 배열된 반사방지 나노구조물을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 위에 나노스케일의 돌기들이 규칙적으로 배열된 반사방지 나노구조물을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 위에 나노스케일의 돌기들이 규칙적으로 배열된 반사방지 나노구조물을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 반사방지 나노구조물을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따라 반사방지 나노구조물을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 4a는 도 2에 따라 제작된 나노구조물을 마스터로 이용하여 음각 PDMS 소프트 금형을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 4b는 도 2에 따라 제작된 나노구조물을 마스터로 이용하여 음각 니켈 금형을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 5a는 도 3에 따라 제작된 나노구조물을 마스터로 이용하여 음각 PDMS 소프트 금형을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 5b는 도 3에 따라 제작된 나노구조물을 마스터로 이용하여 음각 니켈 금형을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 6는 나노구멍이 형성된 양극산화 알루미늄으로부터 직접 양각형 PDMS 소 프트 금형을 제작하는 과정과 양각형 PDMS 소프트 금형에 니켈 전해도금을 통해 음각형 니켈 금형을 제작하는 과정을 도식화하여 나타낸 도면이다.

도 7은 도 4 내지 도 6에서 제작된 PDMS 및 니켈 금형을 원통형 롤러에 적용하여, 롤투롤 임프린팅 공정을 적용하여 연속적으로 대면적의 반사방지 나노구조 층을 제작하는 공정을 나타낸 개략도이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 기판 상에 나노구형입자 현탄액으로 나노구형입자 막을 도포하는 단계;

   상기 나노구형입자 막을 건조시키는 단계;

   상기 건조된 나노구형입자막의 나노입자크기를 산소 플라즈마 에칭으로 감소시키는 단계; 및

   크기가 감소된 나노입자를 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판 상에 육방밀집이 되도록 규칙적으로 배열된 1.0 이상의 종횡비를 갖는 타원체인 나노스케일의 돌기들을 형성하는 단계를 포함하는 반사방지 나노구조물의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 나노구형입자로는 입자 직경의 크기가 100 내지 500㎚인 구형의 고분자 또는 세라믹 입자인 반사방지 나노구조물의 제조방법.
9. 삭제
10. 기판 상에 나노 구멍이 있는 양극산화알루미늄을 마스크로 사용하여 금속을 증착하는 단계;

    양극산화알루미늄 마스크를 제거하는 단계;

    증착된 금속 박막을 마스크로 사용하여 기판을 반응성 이온 식각하여 기판 상에 육방밀집이 되도록 규칙적으로 배열된 1.0 이상의 종횡비를 갖는 타원체인 나노스케일의 돌기들을 형성하는 단계를 포함하는 반사방지 나노구조물의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 양극산화알루미늄 마스크는 알루미늄을 양극산화시킨 후 나노구멍을 형 성시켜 반사 방지 나노구조물의 제조방법.

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