KR101434463B1 - 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조된 박막 패턴 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조된 박막 패턴을 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명은 기판에 박막을 증착하는 단계(단계 1); 상기 박막 상부로 실리콘 수지 접착제층을 형성하는 단계(단계 2); 박막을 패터닝하기 위한 실리콘 수지 스탬프를 제조하는 단계(단계 3); 상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 접착제층에 접촉하고, 탈수축합반응시키는 단계(단계 5); 및 상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 기판상에 패턴을 형성하는 단계(단계 6);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법을 제공한다. 또한 본 발명은 상기의 방법에 따라 제조되고, 기판 상부에 결정형 박막, 금속 박막, 금속산화물 박막, 비정질 박막 및 폴리머 박막으로부터 선택되는 1종의 박막이 패터닝된 것을 특징으로 하는 박막 패턴을 제공한다. 본 발명에 따르면 결정성 박막을 포함하는 모든 재료의 박막을 소프트 리소그래피공정을 통해 패터닝할 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조된 박막 패턴에 관한 것이다.
박막은 두께가 수 마이크로미터에서 수 나노미터의 얇고 균일한 막으로써 전자용 반도체 소자와 광학용 코팅 분야에서 가장 많이 쓰이고 상용화된 2차원 구조물이다. 최근에 종이처럼 얇은 디스플레이 및 투명하면서도 전기가 통하는 스마트 윈도우와 같은 분야의 산업의 발전에 의해 많은 연구가 진행되었으며, 이를 이용한 각종 소자 응용이 보고되고 있다.
이러한 박막형 재료들은 지금까지는 진공증착법, 기체 또는 액체 속의 산화법, 화합물 열분해법, 전자빔 증착법, 레이저빔 증착법 등에 의해 만들어져 왔다. 그러나 이렇게 만들어진 박막형 재료들의 구조를 보면, 결정성이 없는 비정질의 박막이거나 아주 작은 나노크기의 결정들만이 비정질 속에 존재하는 박막인 것을 알 수 있다. 이러한 비정질 박막 및 나노크기의 결정들만이 존재하는 박막의 경우는 그 재료의 성능이 산업적인 요구 및 기술의 발전에 따른 재료의 요구에 부합하지 못한다.
2004년에 영국의 Manchester 대학교의 A.K.Geim 교수와 K.S.Novoselov 교수가 결정성을 띄는 박막형 카본인 그래핀을 제조하는 기술을 발표하였다. 이후에 많은 연구진들은 이러한 박막형 결정성 재료에 대한 연구결과를 보고하기 시작하였고, 지금은 그래핀을 비롯하여 BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox 등 많은 결정성 박막 재료에 대한 연구 결과가 나오고 있다.
이러한 결정성 박막 재료들은 기존의 비정질 박막보다도 월등한 전기적, 광학적 성질을 가지고 있으며, 지금까지 발전된 박막 산업 기반을 그대로 이용할 수 있기 때문에 그 파급력은 상당히 클 것으로 예상하고 있다.
한편, 이러한 박막을 전자 소자에 응용하기 위해서는 적절한 패터닝 기술이 필요하다. 자외선을 이용한 포토 리소그라피, 전자선을 이용한 이빔(e-beam) 리소그라피 방법, 나노 임프린트, 소프트 리소그라피 등이 있다. 이러한 기술들 중에서 소프트 리소그래피는 대량 생산에 적합한 저가 공정이며 생명과학 및 플렉시블 소자 등의 응용에 적합하고, 굴곡 표면에도 쉽게 패턴을 만들 수 있는 등 효과적으로 나노패터닝을 구현할 수 있는 기술로서 최근에 가장 각광받고 있다. 따라서 이러한 값싸고 효과적인 소프트 리소그라피 기술을 이용하여 결정성 박막 재료를 패터닝하기 위한 노력이 많이 진행되고 있다.
하지만, 결정형 박막은 대개 촉매로부터 성장되는 특성이 있어 촉매 기판과 강하게 결합하고 있거나, 다른 기판에 전사한다고 해도 넓은 표면적, 기판과의 강한 반데르발스(Van der Waals) 힘 그리고 재료에 따라서는 낮은 표면에너지 등에 의해서 어떠한 물질과도 잘 붙지 않고 붙는다고 하여도 기판에서 잘 떨어지지 않는다. 따라서 일반적인 레지스트를 사용하는 나노임프린트 공정을 적용할 수는 있지만 더욱 저렴하면서도 공정이 간편하고 레지스트에 의한 표면 오염 우려가 없는 소프트 리소그래피를 직접 그래핀 등의 결정성 박막에 적용하는 데는 어려움이 있다.
이러한 성질은 소프트 리소그래피 스탬프에 박막을 찍어서 붙이고 원하는 기판에 다시 박막을 떼어내어서 떨어뜨려야 하는 과정에 부합하지 않기 때문에, 박막 재료에 상관없이 그리고 어떠한 크기 및 모양의 스탬프에도 패터닝이 가능하게 하는 새로운 방법이 필요하다.
이에 본 발명의 발명자들은 실리콘 수지를 표면 개질하여 접착제층을 형성하여 소프트 리소그래피 공정을 수행하면 결정성 박막을 포함한 모든 박막재료에 적용하여 박막을 패터닝할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조된 박막 패턴을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명은
기판에 박막을 증착하는 단계(단계 1);
상기 박막 상부로 실리콘 수지 접착제층을 형성하는 단계(단계 2);
박막을 패터닝하기 위한 실리콘 수지 스탬프를 제조하는 단계(단계 3);
상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 접착제층에 접촉하고, 탈수축합반응시키는 단계(단계 5); 및
상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 기판상에 패턴을 형성하는 단계(단계 6);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기의 방법에 따라 제조되고, 기판 상부에 결정형 박막, 금속 박막, 금속산화물 박막, 비정질 박막 및 폴리머 박막으로부터 선택되는 1종의 박막이 패터닝된 것을 특징으로 하는 박막 패턴을 제공한다.
본 발명은 실리콘 수지로 접착제층을 형성하여 박막을 패터닝하는 소프트 리소그래피로, 결정성 박막을 포함하여 모든 박막 재료에 적용될 수 있다. 특히, 실리콘수지로 기판 상부에 접착제층을 형성하고, 이를 실리콘수지 스탬프와 탈수축합을 통해 접착한 후 스탬프를 분리하여 박막을 패터닝하므로 결정성 박막의 패터닝에 유리하다는 장점이 있다. 수 나노 미터 크기의 마스터 몰드로 만든 패턴이 있는 PDMS 스탬프를 이용한다면, 수 나노 미터 크기의 얇은 박막을 만드는 기술에도 적용이 가능하다. 이는 지금까지 포토리소그래피를 필두로 하는 용액기반 리프트 오프를 건식공정인 동시에 플렉시블 기판에도 적용 가능한 소프트 리소그래피 방법으로 대체함으로써, 박막의 표면 오염을 방지하고 이에 따라 소자의 성능 개선 효과를 얻을 수 있어 고성능 디스플레이 및 반도체 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존의 레지스트 코팅/패터닝/용액 현상/에칭의 복잡한 단계를 거치는 공정을 크게 단순화함으로서 경제적인 패터닝 방법으로 널리 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 대한 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 대한 흐름도이고;
도 3은 본 발명의 실시예 1의 단계 3에서 형성된 접착제층의 원자힘현미경 이미지이고;
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 박막 패턴에 대한 원자힘현미경 이미지이고;
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 박막 패턴의 주사전자현미경 이미지이고;
도 6은 본 발명의 실시예 2 내지 실시예 3에서 제조된 박막 패턴의 주사전자현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 대한 흐름도이고;
도 3은 본 발명의 실시예 1의 단계 3에서 형성된 접착제층의 원자힘현미경 이미지이고;
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 박막 패턴에 대한 원자힘현미경 이미지이고;
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 박막 패턴의 주사전자현미경 이미지이고;
도 6은 본 발명의 실시예 2 내지 실시예 3에서 제조된 박막 패턴의 주사전자현미경 이미지이다.
본 발명의 목적은 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조된 박막 패턴을 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명은 실리콘 수지로 접착제층과 스탬프를 제조하여 박막을 패터닝하는 소프트 리소그래피 방법으로 결정성 박막을 포함한 모든 종류의 박막을 패터닝할 수 있는 박막 패턴의 제조방법을 제공한다.
본 발명은
기판에 박막을 증착하는 단계(단계 1);
상기 박막 상부로 실리콘 수지 접착제층을 형성하는 단계(단계 2);
박막을 패터닝하기 위한 실리콘 수지 스탬프를 제조하는 단계(단계 3);
상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 접착제층에 접촉하고, 탈수축합반응시키는 단계(단계 5); 및
상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 기판상에 패턴을 형성하는 단계(단계 6);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 기판(1)에 박막(2)을 증착하는 단계이다. 상기 기판은 재료의 선택에 있어서 제한이 없으며, 실리콘, 산화실리콘, 구리, 철, 알루미늄 등의 금속, 유리 등의 세라믹, PMMA, PS, PET 등의 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판에 패터닝하고자 하는 박막을 증착하고, 이후의 단계에서 형성되는 접착제층을 통해 소프트 리소그래피 방식으로 박막이 패터닝될 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1의 박막(2)은 결정형 박막, 금속 박막, 금속산화물 박막, 비정질 박막 및 폴리머 박막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다. 상기 박막 재료의 선택에 있어서 제한이 없으므로, 상기 군으로부터 선택되는 1종에 한정되는 것은 아니다.
이때, 결정형 박막의 경우 대개 촉매로부터 성장되는 특성이 있어 촉매 기판과 강하게 결합하고 있거나, 다른 기판에 전사된다 해도 넓은 표면적을 가지며 기판과 강한 반데르발스 힘으로 결합하고 있고, 재료에 따라서는 낮은 표면에너지로 인하여 어떠한 물질과도 잘 붙지 않고 기판과 붙는다고 하여도 기판에서 잘 떨어지지 않는다는 문제점이 있다. 따라서 종래의 방식에 따른 소프트 리소그래피는 일부 기판과의 결합력이 약한 금속 또는 기판에 물리적으로 얹혀있는 박막에 대해서는 단순히 실리콘 수지 스탬프를 접촉시키는 것으로 패터닝할 수 있었으나 결정성 박막에 대해서는 적용하는 데 어려움이 있었다.
그러나 본 발명에 따르면, 결정성 박막의 표면에 얇은 접착제층을 형성하고 이를 표면처리한 후 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분과 탈수축합반응을 통해 화학적으로 결합시킨 후 스탬프를 제거하여 원하는 패턴을 형성하므로, 결정성 박막을 포함하여 박막의 종류에 상관없이 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 박막 상부로 실리콘 수지 접착제층(4)을 형성하는 단계이다. 상기 실리콘 수지 접착제층(4)은 실리콘 수지(3)를 약 10분 이상 동안 박막 상부에 올려놓아 형성할 수 있다.
상기에서 접착제층이 박막 상부에 형성되는 원리는 실리콘 수지로 사용되는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 안에 있는 작은 형상의 체인들이 높은 표면에너지 때문에 표면에너지를 낮추고자 외부의 박막으로 확산되는 현상에 기인한다. 확산된 폴리디메틸실록산 체인들은 실제적으로 10분 이내에 거의 모든 물질의 표면에 확산이 되어 접착제층을 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 및 가교제를 포함하는 것이 바람직하다. 폴리디메틸실록산 및 가교제를 혼합하여 열처리하면 투명하고 유연한 재질의 실리콘 연성체가 형성되는데, 이를 통해 접착제층 및 실리콘 수지 스탬프를 제조할 수 있다.
상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산과 가교제의 배합조건, 열처리 온도 및 시간에 따라서 생성되는 실리콘 수지의 점도, 접착성질, 체인형태의 올리고머 분자가 실리콘 수지 표면으로 확산되는 정도가 조절된다. 이때, 열처리는 상온 내지 80 ℃의 온도범위에서, 30 분 내지 24 시간의 시간범위에서 선택되어 수행될 수 있다. 온도가 낮을수록 폴리디메틸실록산의 중합속도가 느리고, 시간이 짧을수록 중합된 폴리디메틸실록산의 양이 적다. 약 60 ℃의 온도에서 30 분 정도 열처리되는 경우 고체와 액체의 중간성질을 형성하고, 약 4시간을 초과하여 열처리되는 경우 액체로서의 성질을 잃고 고체 연성체가 된다.
따라서 다량의 접착제가 필요한 경우에는 저온에서 짧은 시간 동안 열처리하여 실리콘 수지를 제조하여 사용하는 것이 유리하다. 그러나 상기와 같이 제조된 실리콘 수지는 다량의 폴리머가 표면에서 묻어나고 패터닝 과정에서 충분한 힘을 받지 못한다는 문제점이 있을 수 있으므로, 실리콘 수지의 열처리는 실리콘 수지의 재료 및 배합조건에 따라 상기 온도 및 시간 범위 내에서 적절히 수행되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 박막을 패터닝하기 위한 실리콘 수지 스탬프(5)를 제조하는 단계이다. 이때, 상기 단계 3의 실리콘 수지 스탬프는 포토리소그래피 또는 이빔 리소그래피를 통하여 제조하고자 하는 패턴의 마스터몰드를 만든 후, 마스터몰드에 실리콘 수지를 주입하고 열처리하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 마스터몰드는 포토리소그래피 또는 이온빔 리소그래피와 같은 종래의 패터닝 방식을 통해 제조하고자 하는 패턴으로 제작되고, 이에 폴리디메틸실록산과 가교제를 포함하는 용액을 붓고 열처리하면 제조하고자 하는 패턴의 반대 형상의 실리콘 수지 스탬프가 제조된다. 제조하고자 하는 패턴의 반대 형상의 실리콘 수지 스탬프는 이후의 단계에서 기판상의 박막과 화학적으로 결합한 후 제거되어 제조하고자 하는 패턴의 반대 형상을 기판상의 박막에서 제거할 수 있으므로, 기판상에는 제조하고자하는 형상의 박막만이 남아 제조하고자 하는 박막이 패터닝될 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4는 상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하는 단계이다. 상기 실리콘 수지 중 대표적으로 사용되는 폴리디메틸실록산은 내부 미세구조에 있어서 다공성이면서 소수성(hydrophobic)을 가져 올리고머릭 폴리디메틸실록산(oligomeric polydimethylsiloxane)이라는 체인 형태의 고분자 물질들이 공기와 만나는 표면으로 끊임없이 확산되려는 성질이 있다. 상기 체인 형태의 고분자 물질들은 실리콘-산소 또는 실리콘-탄소 결합을 가지는 표면으로 구성되는데 이를 표면개질하면 산화되어 실리콘-산소-수소 결합으로 변환되므로 활성접착제층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4의 표면개질은 산소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 및 자외선 오존 처리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 공정을 통해 수행되는 것이 바람직하다. 상기 방식들을 통해 실리콘 수지의 표면에 형성된 체인형태의 고분자물질이 실리콘-산소 또는 실리콘-탄소 결합에서 산화되어 실리콘-산소-수소 결합으로 변환될 수 있다. 이후, 접착제층의 실리콘-산소-수소 결합은 스탬프 표면부분의 실리콘-산소-수소 결합과 탈수축합반응을 통해 화학적으로 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4의 표면개질은 5 초 내지 10 초 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 표면개질이 5 초 미만으로 수행되는 경우 실리콘 수지 표면의 체인형태의 고분자물질들이 활성접착제층으로 충분히 변환되지 못할 수 있다는 문제점이 있고, 10 초를 초과하여 수행되는 경우 필요 이상의 에너지가 전달됨으로써 박막에 손상을 줄 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 접착제층에 접촉하고, 탈수축합반응시키는 단계이다. 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분과 기판을 접촉한 후 탈수축합반응시키면, 실리콘 수지 스탬프 표면상의 실리콘-산소-수소 결합과 기판상의 실리콘-산소-수소 결합에서 물분자가 빠져나오면서 실리콘-산소-실리콘 결합이 형성되면서 기판과 스탬프가 화학적으로 결합하게 된다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 5의 탈수축합반응은 70 ℃ 내지 90 ℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 탈수축합반응이 70 ℃ 미만의 온도범위에서 수행되는 경우 탄수축합반응이 충분히 이루어지지 않아 스탬프와 기판상의 박막이 결합하지 못할 수 있다는 문제점이 있고, 90 ℃를 초과하는 온도범위에서 수행되는 경우 필요 이상의 에너지가 공급되어 고분자수지 스탬프에 변형이 일어날 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 6은 상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 기판상에 패턴을 형성하는 단계이다. 상기 단계 5에서 탈수축합반응을 통해 화학적으로 결합한 실리콘 수지 스탬프와 기판상의 활성접합제층은 기판과 박막의 물리적인 결합에 비해 보다 강하게 연결되어 있으므로, 상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하면 제조하고자 하는 패턴의 반대 형상의 박막이 제거되어 기판에는 제조하고자 하는 패턴의 박막만이 남아 원하는 형태의 박막 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 리소그래피를 통한 박막 패턴의 제조방법에 있어서, 상기 단계 6 이후에 실리콘 수지를 패터닝된 박막으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 패턴이 형성된 기판의 박막상에는 이전의 단계에서 형성된 실리콘 수지 활성접착제층이 남아있으므로 이를 박막으로부터 제거하여야 한다. 이때 초음파 세척 등의 방법을 통해 활성접착제층을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 방법에 따라 제조되고, 기판 상부에 결정성 박막, 금속 박막, 금속산화물 박막, 비정질 박막 및 폴리머 박막으로부터 선택되는 1종의 박막이 패터닝된 것을 특징으로 하는 박막 패턴을 제공한다. 상기 박막 패턴은 실리콘 수지를 이용하여 접착제층 및 스탬프를 제조하여 패터닝됨으로써 기존의 방식에 따른 소프트 리소그래피에 의한 패터닝 방법과 달리 결정성 박막을 포함하는 모든 종류의 박막에 적용되어 제조될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 이는 지금까지 포토리소그래피를 필두로 하는 용액기반의 리프트 오프를 건식공정인 동시에 플렉시블 기판에도 적용 가능한 소프트 리소그래피 방법으로 대체되어 제조됨으로써, 박막의 표면 오염을 방지하고 이에 따라 소자의 성능 개선 효과를 얻을 수 있어 고성능 디스플레이 및 반도체 산업에 적용될 수 있으며, 제조공정이 단순화되어 공정상 경제성이 우수하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기의 박막 패턴을 포함하는 전자용 투명전극을 제공한다. 전자용 투명전극은 높은 전기전도도를 얻기 위하여 낮은 저항값을 필요로 하는데, 이때 열처리 조건에 따라 투명전극의 저항값이 변화한다. 낮은 저항값을 얻기 위하여 200 ℃ 이상의 온도에서 열처리를 할 경우 플라스틱 기판이 변형을 일으킬 수 있다는 문제점이 있다. 본 발명에 따른 박막 패턴의 제조방법을 이용하여 패터닝하면 고온의 열처리 과정없이 박막을 패터닝할 수 있어 전자용 투명전극의 제조에 적용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단 하기 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
단계 1: 그래핀을 형성시킬 Cu foil을 관상로(Thermo, linch thermal furnace)에 넣고 1000 ℃에서 메탄가스와 수소가스를 2:1의 비율로 관상로 내로 주입하였다. Cu foil에 탄소원자가 녹아들었다가 석출되는 원리에 의해서 표면에 그래핀 한층이 형성되는데, 이렇게 형성된 그래핀은 Cu foil을 녹임으로써 표면장력에 의해서 물위에 그래핀을 띄울 수 있었다. 이것을 산화규소 기판에 받아 그래핀을 산화규소 기판에 증착하였다.
단계 2: 폴리디메틸실록산(PDMS, Sylgard 184)과 중합체( Sylgard 184 crosslinker )를 10 : 1의 중량비로 섞어 평평한 페트리 디시에서 80 ℃로 4 시간 동안 열처리하여 접착층으로 사용하기 위한 PDMS를 제조하였다. 상기 단계 1에서 형성된 산화규소 기판 위의 그래핀 상부에 상기 PDMS를 올려놓고 10분간 유지하여 접착제층을 형성하였다.
단계 3: 포토 얼라이너로 마이크로미터 크기의 선 구조를 가지는 패터닝을 한 2 cm x 2 cm 크기인 포토 레지스트 AZ5214E의 마스터몰드를 제작하였고, 폴리디메틸실록산(PDMS, Sylgard 184)과 중합체( Sylgard 184 crosslinker )를 10 : 1의 중량비로 섞어 마스터몰드에 붓고 80 ℃로 4 시간 동안 열처리하여 PDMS 스탬프를 제조하였다.
단계 4: 상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 PDMS 스탬프의 패턴부분을 산소플라즈마 장치( Femtoscience )에서 7초간 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하였다.
단계 5: 상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 상기 기판에 접촉하고, 80 ℃에서 2분간 열처리하여 탈수축합반응을 수행하였다.
단계 6: 상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 박막 패턴을 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1의 단계 3에서 나노미터 크기의 선 구조의 PDMS 스탬프를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 박막 패턴을 제조하였다.
<실시예 3>
실시예 1의 단계 3에서 나노미터 크기의 점 구조의 PDMS 스탬프를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 박막 패턴을 제조하였다.
<실험예 1> 원자힘현미경 분석
본 발명에 따른 실시예 1의 실리콘 수지의 미세구조를 확인하기 위하여, 실시예 1의 단계 2에서 형성된 접착제층을 원자힘현미경(Atomic force Microscope, Veeker)으로 관찰하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 실시예 1에서 제조된 박막 패턴을 원자힘현미경(Atomic force Microscope, Veeker)으로 관찰하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 3에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 2에서 형성된 접착제층이 체인형태의 고분자물질들이 표면으로 확산되어 있는 구조인 것을 확인할 수 있다.
도 4에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 박막 패턴 상의 접착제층이 체인형태의 고분자물질들이 표면으로 확산되어 있는 구조이고, 패턴을 제외하고 제거된 부분에는 체인형태의 고분자물질 또한 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 주사전자현미경 분석
본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 박막 패턴을 확인하기 위하여 이를 주사전자현미경(SEM, Tesko)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다.
도 5에 따르면, 본 발명의 실시예 1에서 제조된 박막 패턴이 10 ㎛의 폭과 2㎜의 길이의 선 패턴인 것을 확인할 수 있고, 도 6에 따르면 본 발명의 실시예 2에서 제조된 박막 패턴이 폭이 약 700 nm인 선 패턴이고, 본 발명의 실시예 3에서 제조된 박막 패턴이 지름이 약 900 nm인 점 패턴인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 박막 패턴 제조방법은 수백 나노미터 크기부터 수십 마이크로미터 크기에 이르는 다양한 크기로 박막을 패터닝할 수 있음을 알 수 있다.
1: 기판
2: 박막
3: 실리콘 수지
4: 접착제층
5: 실리콘 수지 스탬프
2: 박막
3: 실리콘 수지
4: 접착제층
5: 실리콘 수지 스탬프
Claims (10)
- 기판에 결정형 그래핀 박막을 증착하는 단계(단계 1);
상기 박막 상부로 실리콘 수지 접착제층을 형성하는 단계(단계 2);
박막을 패터닝하기 위한 실리콘 수지 스탬프를 제조하는 단계(단계 3);
상기 단계 2에서 형성된 접착제층과 상기 단계 3에서 제조된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 표면개질하여 활성접착제층으로 변환하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 활성접착제층으로 변환된 실리콘 수지 스탬프의 패턴부분을 접착제층에 접촉하고, 탈수축합반응시키는 단계(단계 5); 및
상기 실리콘 수지 스탬프를 기판으로부터 제거하여 기판상에 패턴을 형성하는 단계(단계 6);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 및 가교제를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 3의 실리콘 수지 스탬프는 포토리소그래피 또는 이온빔 리소그래피를 통하여 제조하고자 하는 패턴의 마스터몰드를 만든 후, 마스터몰드에 실리콘 수지를 주입하고 열처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 4의 표면개질은 산소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 및 자외선 오존 처리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 4의 표면개질은 5초 내지 10초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 5의 탈수축합반응은 70 ℃ 내지 90 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 단계 6 이후에 실리콘 수지를 패터닝된 박막으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 리소그래피를 통한 결정형 그래핀 박막 패턴의 제조방법.
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