KR101182412B1 - 고분자막의 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자막 패턴과 표면 에너지 차이가 큰 다른 물질이 고분자막 패턴에서 디웨팅(dewetting)되는 현상을 이용한 것으로, 표면 에너지 차이가 큰 두 고분자 물질의 도포에 의해 마이크로미터급 또는 서브 마이크로미터급의 고분자막 미세 패턴을 간단하고 용이하게 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

고분자, 유기 박막, 미세 패턴, 근접장 전기방사법

Description

고분자막의 미세 패턴 형성 방법{The method for forming fine patern of polymeric thin film}

본 발명은 고분자막의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 간단하고 용이하게 고분자막의 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.

유기 박막 트랜지스터(OTFT, organic thin film transistor)는 반도체층으로 실리콘막 대신에 유기 박막을 사용하는 것으로서, 유기 박막의 재료에 따라 올리고티오펜(oligothiophene), 펜타센(pentacene) 등과 같은 저분자 유기 박막 트랜지스터와 폴리티오펜(polythiophene) 계열 등과 같은 고분자 유기 박막 트랜지스터로 분류된다.

이와 같은 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해서는 유기 박막의 패터닝 공정이 필수적으로 요구되며, 이와 관련하여 종래에는 유기 박막의 패터닝을 위해 포토 리소그래피(photolithography) 공정을 이용하였다.

하지만, 포토 리소그래피 공정을 이용하는 경우에는 공정이 복잡할 뿐만 아 니라, 고분자 유기 박막의 경우 포토 레지스트에 포함된 유기 용제에 의해 손상될 우려가 높으며, 기판의 취약한 열안정성으로 인하여 저온에서 공정을 수행하여야 하는 문제점이 있었다.

이러한 이유로 인해 잉크젯 방식 또는 스핀코팅 방식 등을 이용하여 고분자 유기 박막의 패턴을 프린팅하는 방법이 제안되었다. 이와 같은 프린팅 방법을 이용하여 고분자 유기 박막 패턴을 형성하는 경우에는 기판과의 접착력이 중요한 요소로 작용하며, 이를 위해 종래에는 기판과의 접착력을 향상시키기 위해 플라즈마 표면처리를 수행하였다.

그러나, 종래의 플라즈마 표면처리 방법은 기판 표면에 대하여 플라즈마 표면처리 되는 부분을 미세하게 콘트롤하기 어려우므로 수 마이크로미터 이하의 미세 패턴을 형성하는 것이 매우 어려우며, 또한 고분자 유기 박막을 원하는 위치에 원하는 방향으로 형성하는 것도 매우 어렵다는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 고분자막의 미세 패턴을 간단하고 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고분자막의 미세 패턴 형성 방법은, (a) 기판 상에 제1 고분자 물질을 도포하여 제1 고분자막 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 고분자 물질과 소정의 표면 에너지 차이를 갖는 제2 고분자 물질을 상기 제1 고분자막 패턴이 형성된 기판 상에 도포하는 단계; (c) 상기 제2 고분자 물질이 상기 제1 고분자막 패턴 상에서 디웨팅(dewetting)되어 상기 제1 고분자막 패턴이 미형성된 기판 영역쪽으로 이동되는 단계; (d) 소정 시간이 경과된 후 상기 제1 고분자막 패턴이 미형성된 기판 영역에만 상기 제2 고분자 물질이 형성된 상태에서 기판을 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 열처리에 의해 상기 제2 고분자 물질에 포함된 유기 용매가 증발되어 상기 기판 상에 제2 고분자막 패턴이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a) 단계에서 상기 제1 고분자 물질의 용액을 액적 형태로 만드는 제1 단계; 및 근접장 전기방사법을 이용하여 상기 제1 단계를 통해 얻어진 액적을 상기 기판 상에 토출시켜 상기 제1 고분자막 패턴을 선형으로 형성하는 제2 단계를 더 포함하며, 이 때, 상기 제2 단계에서 상기 제1 고분자막 패턴은 상기 기판 상의 소정 위치에 소정 형태로 형성된다.

상기 제1 고분자 물질은 소수성을 갖는 폴리올레핀계 고분자(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저밀도(Low-density) 폴리에틸렌(LDPE)), 방향족계 고분자(폴리스타이렌, 폴리(다이비닐 벤젠)), 크로라이드계 고분자(폴리비닐크로라이드, 폴리비닐리덴 크로라이드, 폴리비닐벤질 크로라이드), 불소계 고분자(폴리비닐리덴프로라이드, 폴리테트라프로라이드, 폴리트리비닐프로라이드), 실리콘계 고분자(폴리실록산), 폴리부타다이엔 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 제2 고분자 물질은 친수성을 갖는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀의 절연성 물질과, 친수성을 갖는 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))의 전도성 물질 중 어느 하나인 것이 바림직하다.

상기 (b) 단계에서 잉크젯, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅, 패드 프린팅 중 어느 하나의 프린팅 방법을 이용하여 상기 제2 고분자 물질을 상기 제1 고분자막 패턴이 형성된 기판 상에 도포하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 표면 에너지 차이가 큰 두 고분자 물질의 도포에 의해 마이크로미터급 또는 서브 마이크로미터급의 고분자막 미세 패턴을 간단하고 용이하게 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 고분자막 미세 패턴을 유기 박막 트랜지스터 의 활성층으로 사용하면, 전하 이동속도가 매우 빠른 고속 트랜지스터의 제작이 가능하다.

이하, 본 발명에 따른 고분자막의 미세 패턴 형성 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에서는 패터닝 공정을 별도로 하지 않고 전기방사법(electro-spinning)을 이용하여 고분자막 미세 패턴을 형성하며, 본 발명의 이해를 돕기 위해 전기방사법에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 전기방사법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 근접장 전기방사법을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 근접장 전기방사법에 의해 형성된 고분자막 패턴을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 전기방사법은 형성하고자 하는 고분자 물질의 용액을 액적 형태로 만들어 시린지(110)에 수용시킨 다음, 고전압 전력 공급 장치(130)를 통해 분사 노즐(150)에 DC 전압(일반적으로 5 ~ 30 kV)을 인가하면, 시린지 펌프(170)에 의하여 시린지(110)에 수용된 액적이 분사 노즐(150)로부터 토출되어 기판(200) 상에 증착되도록 하는 방법이다. 이 때 토출되는 액적의 폭을 조절하여 기판(200) 상에 형성되는 제1 고분자막 패턴의 두께를 조절할 수 있다.

하지만, 종래의 전기방사법에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이 분사 노 즐(150)로부터 토출되는 액적이 임의적으로 엉키게 되어, 이로 인해 원하는 위치에 원하는 형태로 고분자막 패턴을 형성하는 것이 매우 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이 분사 노즐(150)과 기판(200)과의 거리(h)를 수 mm 정도로 가깝게 하여 기판(200)과 액적 사이에 강한 전기장이 발생되도록 하는 근접장 전기방사법을 이용한다.

즉, 분사 노즐(150)로부터 토출되는 액적 물질이 처음 수 mm까지는 직선으로 토출되다가 공기의 저항 등으로 그 궤적이 불규칙적으로 바뀌게 되는데, 이러한 현상에 착안하여 분사 노즐(150)과 기판(200)과의 거리(h)를 근접시키면 공기의 저항 등에 의해 영향을 받지 않게 되어 도 3에 도시된 바와 같이 기판(200) 상에 고분자막 패턴(210)이 선형으로 형성된다.

한편, 본 발명은 이렇게 근접장 전기방사법에 의해 형성된 고분자막 패턴(210)과 표면 에너지 차이가 큰 다른 물질이 고분자막 패턴(210)에서 디웨팅(dewetting)되는 현상을 이용하여 기판(200) 상에 미세한 고분자막 패턴을 형성하는 것에 주요한 특징이 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 고분자막의 미세 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 근접장 전기방사법으로 기판(200) 상의 원하는 위치에 제1 고분자 물질(P1)을 도포하여 제1 고분자막 패턴(210)을 형성한다.

여기에서, 상기 기판(200)은 실리콘, 유리, 플라스틱, 종이, 금속 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1 고분자 물질(P1)은 폴리올레핀계 고분자(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저밀도(Low-density) 폴리에틸렌(LDPE)), 방향족계 고분자(폴리스타이렌, 폴리(다이비닐 벤젠)), 크로라이드계 고분자(폴리비닐크로라이드, 폴리비닐리덴 크로라이드, 폴리비닐벤질 크로라이드), 불소계 고분자(폴리비닐리덴프로라이드, 폴리테트라프로라이드, 폴리트리비닐프로라이드), 실리콘계 고분자(폴리실록산), 그 외 폴리부타다이엔 등 소수성 성질을 띄는 것이 바람직하다.

상기 제1 고분자막 패턴(210)의 형성 과정에서, 기판(200) 또는 분사 노즐(150)을 이동시키면, 기판(200) 상의 원하는 위치에 원하는 형태로 제1 고분자막 패턴(210)을 형성하는 것이 가능하며, 상기 제1 고분자막 패턴(210)의 폭은 수십 나노미터에서 수백 마이크로미터까지 조절될 수 있다.

다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 제1 고분자막 패턴(210)이 형성된 기판(200) 상에 잉크젯, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅, 패드 프린팅 등의 방법으로 제2 고분자 물질(P2)을 도포한다.

이 때, 상기 제2 고분자 물질(P2)은 상기 제1 고분자 물질(P1)과 표면 에너지 차이가 큰 물질이어야 한다.

예를 들어, 상기 제1 고분자 물질(P1)이 소수성을 띄는 물질이라면, 상기 제2 고분자 물질(P2)은 상기 제1 고분자 물질(P1)과 대략 10mJ/m² 의 표면 에너지 차이를 가지면서 강한 친수성을 띄는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀 등의 절연성 물질과 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등의 전도성 물질 중 어느 하나를 사 용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 제1 고분자막 패턴(210)이 형성된 기판(200) 상에 제2 고분자 물질(P2)이 도포되면, 도 4c에 도시된 바와 같이 처음에는 제2 고분자 물질(P2)이 상기 제1 고분자막 패턴(210) 상에 전체적으로 막을 형성하지만, 시간이 지남에 따라 제2 고분자 물질(P2)이 제1 고분자막 패턴(210)이 형성되지 않은 기판(200) 영역쪽으로 서서히 이동한다. 그리고, 소정 시간이 경과한 후에는 도 4d에 도시된 바와 같이 표면 에너지 차이가 상대적으로 큰 제1 고분자막 패턴(210) 위에는 제2 고분자 물질(P2)이 형성되지 않고 표면 에너지 차이가 상대적으로 작은 기판(200) 상에만 제2 고분자 물질(P2)이 형성된다.

다음으로, 기판(200)을 열처리하면 제2 고분자 물질(P2)에 포함된 유기 용매가 증발되어 도 4e에 도시된 바와 같이 기판(200) 상에는 제1 고분자막 패턴(210)과 제2 고분자막 패턴(220)이 형성되게 된다.

즉, 근접장 전기방사법으로 기판(200) 상에 제1 고분자 물질(P1)을 도포하여 제1 고분자막 패턴(210)을 형성한 후, 그 상부에 상기 제1 고분자 물질(P1)과 표면 에너지 차이가 큰 제2 고분자 물질(P2)을 도포하면, 표면 에너지 차이 때문에 상기 제1 고분자막 패턴(210)을 제외한 영역에만 제2 고분자막 패턴(220)이 형성되며, 결과적으로 자기 정렬된 고분자막 미세 패턴(230)을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 표면 에너지 차이가 큰 두 고분자 물질(P1, P2)의 도포에 의해 마이크로미터급 또는 서브 마이크로미터급의 고분자막 미세 패턴(230)을 간단하고 용이하게 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 고분자막 미세 패턴(230)을 유기 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용하면, 검출 감도가 뛰어난 고감도 센서 및 전하 이동속도가 매우 빠른 고속 트랜지스터 등을 제작할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 전기방사법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 근접장 전기방사법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 근접장 전기방사법에 의해 형성된 고분자막 패턴을 나타낸 도면이다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 고분자막의 미세 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 시린지

130 : 고전압 전력 공급 장치

150 : 분사 노즐

170 : 시린지 펌프

200 : 기판

P1, P2 : 제1, 2 고분자 물질

210, 220 : 제1, 2 고분자막 패턴

230 : 고분자막 미세 패턴

Claims (7)

1. (a) 기판 상에 제1 고분자 물질을 도포하여 제1 고분자막 패턴을 형성하는 단계;

   (b) 상기 제1 고분자 물질과 소정의 표면 에너지 차이를 갖는 제2 고분자 물질을 상기 제1 고분자막 패턴이 형성된 기판 상에 도포하는 단계;

   (c) 상기 제2 고분자 물질이 상기 제1 고분자막 패턴 상에서 디웨팅(dewetting)되어 상기 제1 고분자막 패턴이 미형성된 기판 영역쪽으로 이동되는 단계;

   (d) 소정 시간이 경과된 후 상기 제1 고분자막 패턴이 미형성된 기판 영역에만 상기 제2 고분자 물질이 형성된 상태에서 기판을 열처리하는 단계; 및

   (e) 상기 열처리에 의해 상기 제2 고분자 물질에 포함된 유기 용매가 증발되어 상기 기판 상에 제2 고분자막 패턴이 형성되는 단계를 포함하고,

   상기 (a) 단계에서,

   상기 제1 고분자 물질의 용액을 액적 형태로 만드는 제1 단계; 및

   근접장 전기방사법을 이용하여 상기 제1 단계를 통해 얻어진 액적을 상기 기판 상에 토출시켜 상기 제1 고분자막 패턴을 선형으로 형성하는 제2 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자막의 미세 패턴 형성 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은,

   소수성을 갖는 폴리올레핀계 고분자(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저밀도(Low-density) 폴리에틸렌(LDPE)), 방향족계 고분자(폴리스타이렌, 폴리(다이비닐 벤젠)), 크로라이드계 고분자(폴리비닐크로라이드, 폴리비닐리덴 크로라이드, 폴리비닐벤질 크로라이드), 불소계 고분자(폴리비닐리덴프로라이드, 폴리테트라프로라이드, 폴리트리비닐프로라이드), 실리콘계 고분자(폴리실록산), 폴리부타다이엔 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고분자막의 미세 패턴 형성 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 제2 고분자 물질은,

   친수성을 갖는 폴리비닐알콜, 폴리비닐페놀의 절연성 물질과, 친수성을 갖는 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))의 전도성 물질 중 어느 하나인 것을 특 징으로 하는 고분자막의 미세 패턴 형성 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,

   잉크젯, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅, 패드 프린팅 중 어느 하나의 프린팅 방법을 이용하여 상기 제2 고분자 물질을 상기 제1 고분자막 패턴이 형성된 기판 상에 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자막의 미세 패턴 형성 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 실리콘, 유리, 플라스틱, 종이, 금속 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자막의 미세 패턴 형성 방법.

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