KR101647975B1 - 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글라스 기판에 고분자 물질로 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 유연성 기판 위에 산화막을 형성하는 단계; 기능성 물질을 용액상태로 제조하는 단계; 상기 유연성 기판에 상기 기능성 물질을 도포하는 단계; 및 상기 유연성 기판을 건조하는 단계를 포함하는 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법에 관한 것으로 기존의 인쇄공정이 없으면서 상온 또는 대기압에서도 패턴형성이 가능하며 다양한 형태의 변형이 가능한 신축성 디바이스에 적용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조 방법 {Method to produce pattern films including functional materials for stretchable devices}

본 발명은 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기능성 물질을 상온에서 용액공정으로 제조하여, 연성 고분자 매트릭스에 선택적으로 침투시켜 제조하는 패턴 필름의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체, 전자, 광전, 자기, 표시 소자등을 제조할 때, 기능성 표현 구조가 요구될 수 있다. 특히 미세패턴을 조밀하게 형성하는 광학 필름, 소수성 표면등을 제작하기 위해서 감광성 물질의 광화학 반응을 이용하는 홀로그래픽 리소그래피방법과 반응성 이온 에칭공정 방법에 의하는 등의 다양한 방법이 있다.

특히, 신축성이 요구되는 장치에 사용되는 패턴 필름은 유연성을 갖는 연성 고분자 기반의 기판에 기능성 물질을 이용하여 패턴을 형성한다. 이때, 기능성 물질을 고분자 기판에 침투시키기 위해서, 스퍼터링등 증착공정으로 증착한 후 식각공정을 통하거나, 잉크젯 그라비아등의 프린트 방식으로 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 정합현상에 바탕을 두어 구조내에 물리적인 접촉과 서로 다른 물질의 표면 에너지 또는 계면에너지 차이를 조절하여 그 구조 재료를 분리 또는 접합시켜 복제 성형 또는 제조하는 소프트리소그래피라는 공정으로 제조할 수 있다.

그러나, 이상의 방법들은 진공 장비, 프린팅 장비등의 고가의 장비가 필요하며, 공정 비용이 높다. 또한, 유연성 기판에 패턴필름을 성형하면, 기판과의 밀착력이 부족하여 기판의 신축 운동시에 기능성 물질의 표면에 크랙이 발생하거나 기판으로부터 탈락하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기능성 물질을 상온에서 용액공정으로 제조하여, 연성 고분자 매트릭스에 침투시켜서 제조하는 패턴 필름의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법은 글라스 기판에 고분자 물질로 유연성 기판을 형성하는 단계; 상기 유연성 기판 위에 산화막을 형성하는 단계; 기능성 물질을 용액상태로 제조하는 단계; 상기 유연성 기판에 상기 기능성 물질을 도포하는 단계; 및 상기 유연성 기판을 건조하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 유연성 기판을 형성하는 단계는, 글라스 기판에 고분자 물질을 스핀 코팅을 이용하여 도포하는 단계; 및 고분자 물질을 경화하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 산화막을 형성하는 단계는, 상기 유연성 기판 위에 패턴이 형성된 쉐도우 마스크(Shadow mask)를 도포하는 단계; 및 상기 유연성 기판을 플라즈마로 표면 처리하여 상기 유연성 기판위에 산화막을 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 유연성 기판에 상기 기능성 물질을 도포하는 단계;는 상기 쉐도우 마스크를 제거하는 단계; 및 상기 용액상태의 기능성 물질을 상기 산화막이 형성된 상기 유연성 기판에 상기 기능성 물질을 도포하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 유연성 기판을 건조하는 단계는, 상기 유연성 기판을 회전시켜 상기 기능성 물질중 미반응 물질을 제거하는 단계; 및 상기 유연성 기판을 건조하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산이고, 상기 기능성 물질은 폴리디페닐아세틸렌이며, 톨루엔 또는 자일렌을 용매로 하여 용액상태로 제조하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 기존의 인쇄공정이 없으면서 상온 또는 대기압에서도 패턴형성이 가능하며 다양한 형태의 변형이 가능한 신축성 디바이스에 적용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본발명의 일 실시예에 따른 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름을 제조하는 공정의 흐름도이다.
도 2는 유연성 기판으로 PDMS를 사용하여 그 위에 산화막을 형성한 후 PDMS 기판의 표면을 광학 현미경으로 관찰한 이미지와 플라즈마로 표면 처리된 부분과 그렇지 않은 부분을 SEM을 이용하여 단면 촬영한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 신축성 테스트 사진이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본발명의 일 실시예에 따른 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름을 제조하는 공정의 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름 제조 방법은 유연성 기판을 형성하는 단계(S10), 유연성 기판위에 산화막을 형성하는 단계(S20), 기능성 물질을 용액상태로 제조하는 단계(S30), 유연성 기판에 기능성 물질을 도포하는 단계(S40) 및 유연성 기판을 건조하는 단계(S50)을 포함한다.

유연성 기판을 형성하는 단계(S10)는 신축성이 있는 기판을 제조하기 위한 고분자 물질을 이용하여, 글라스 기판에 고분자 물질을 스핀 코팅을 이용하여 도포한 후 경화하는 단계이다. 이 때, 유연성이 있는 기판을 형성하기 위한 고분자 물질로는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane:PDMS)을 사용할 수 있으며, PDMS는 고무와 같은 탄성을 나타내는 유연한 고분자로, -30℃에서 250℃의 넓은 온도범위에서 탄성를 나타내고 더 낮은온도에서 결정화가 진행되며, 광학정 특성 및 기계적 특성이 우수하여 유연성 기판의 재료로서 적합하나 신축성 디바이스에 적용가능한 신축성을 갖는 물질이면 제한되지 않는다.

또한, PDMS를 이용하여 유연성 기판을 형성하는 단계는 PDMS와 PDMS를 경화시키기 위한 경화제를 10:0.5 내지 10: 1.5의 비율로 혼합하여 스핀 코팅 방법으로 도포하고, 약 100℃의 온도에서 경화시켜 0.5mm 내지 1.0mm의 기판을 제작할 수 있다. 기판의 두께는 신축성 디바이스의 용도에 따라, 조절될 수 있다.

유연성 기판위에 산화막을 형성하는 단계(S20)는 기능성 물질의 패턴의 음각 형태의 산화막을 형성하는 단계이다. 산화막을 형성하기 위해, 유연성 기판위에 쉐도우 마스크(Shadow mask)를 씌우고 산소 또는 혼합 플라즈마 표면처리 공정으로 유연성 기판 표면에 SiO_X의 산화막 패턴을 형성한다. 이 때, 플라즈마 표면 처리 공정은 유연성 기판의 산화가 진행되어 크랙이 형성되지 않는 정도로만 진행되어야 하며, 크랙이 진행되지 않기 위한 온도와 플라즈마 처리 시간등의 공정 조건은 유연성 기판의 두께 및 종류에 따라 달라질 수 있다.

쉐도우 마스크를 유연성 기판에 도포한 후, 플라즈마 처리를 진행하였기 때문에 쉐도우마스크의 음각 부분인 유연성 기판이 노출되는 부분만 SiO_X의 산화막이 형성된다. 유연성 기판에 산화막이 형성되면, 쉐도우 마스크를 제거한다.

기능성 물질을 용액상태로 제조하는 단계(S30)는 고분자 나노입자등 디바이스 제작시에 사용되는 물질로서, 용매에 용해하여 액상 상태로 제조하는 단계이다. 따라서, 신축성 디바이스의 용도와 종류에 따라 기능성 물질을 달리하며, 이를 용액상태로 만들기 위한 용매를 달리한다. 이때 기능성 물질을 용해시키는 용매는 유연성 기판의 팽윤이 가능한 물질로 선택될 수 있다. 예를 들어, PDMS 유연성 기판에 폴리디페닐아세틸렌 형광고분자를 기능성 물질로 사용할 경우, 톨루엔 용매를 사용하는 것이 바람직하다.

유연성 기판에 기능성 물질을 도포하는 단계(S40)는 산화막이 형성된 유연성 기판에 용액상태의 기능성 물질을 도포하는 단계이다. 유연성 기판에 패턴을 갖는산화막이 형성되어 있기 때문에, 기능성 물질을 도포하면, 산화막이 형성된 부분에는 기능성 물질이 침투하지 않고, 산화막이 없는 패턴 부분을 통해 유연성 기판에 기능성 물질이 침투한다. 유연성 기판에 기능성 물질이 흡수되게 하기 위해 용액을 도포한 상태에서 약 2~3분간 방치할 수 있다.

기능성 물질이 유연성 기판에 침투하고 남은 잔량의 용액을 제거하기 위해 유연성 기판을 강하게 회전하여 원심력에 의해 잔량의 용액을 제거한다. 따라서, 기능성 물질이 산화막이 형성되지 않은 부분을 통해 유연성 기판에 흡수된 후 나머지 기능성 물질이 제거된다.

유연성 기판을 건조하는 단계(S50)는 용액상의 기능성 물질을 제조하기 위해 사용된 용매를 제거하는 단계이다. 용매를 제거하기 위하여 유연성 기판을 건조한다. 건조과정을 거치면 유연성 기판에 기능성 물질로 패턴이 형성된 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름이 완성된다.

본 발명의 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름 제조 방법은 기존의 공정과 대비하여 매우 단순하고 작업이 용이하다.

유연성 기판을 제조하기 위해, 연성 고분자 물질로 PDMS를 선택하였다. PDMS(Dow corning사, sylgard 184 kit)와 경화제를 10:1로 하여 글라스 기판위에 스핀코팅을 이용하여 도포하고 약 100℃의 온도에서 1시간 동안 경화시켜 0.5mm~1mm의 두께의 기판을 제작하였다.

이렇게 제조된 PDMS기판에 음각형태의 쉐도우 마스크를 얹은 후 산소 플라즈마를 이용하여 PDMS기판에 산화막을 형성하고 쉐도우 마스크를 제거하였다.

도 2는 유연성 기판으로 PDMS를 사용하여 그 위에 산화막을 형성한 후 PDMS 기판의 표면을 광학 현미경으로 관찰한 이미지와 플라즈마로 표면 처리된 부분과 그렇지 않은 부분을 SEM을 이용하여 단면 촬영한 도면이다.

도면에 나타난 바와 같이. 플라즈마 표면처리후에 PDMS 표면에 SiO_x형태의 산화막이 형성된 것을 알 수 있으며, 그 다음 중간층이 형성되고 PDMS가 벌크 상태로 존재하는 것을 알 수 있다. 즉, PDMS는 고유의 물성을 가지며 표면에만 산화막이 형성된 것을 알 수 있다.

산화막이 형성된 PDMS기판에 기능성 물질을 도포하기 위해 기능성 물질을 용액상으로 제조하였다. 기능성 물질로 이치환형 폴리디페닐아세틸렌 형광 고분자 기판을 만들기 위해 톨루엔에 1wt%의 농도로 용해하여 하루 동안 교반하면서 용액상태로 제조하였다.

그리고 PDMS기판에 기능성 물질 폴리디페닐아세틸렌 용액을 골고루 도포하고 산화막이 형성되지 않은 PDMS부분을 통해 기능성 물질이 침투하도록 2분간 방치한 후 기판을 강하게 회전하여 침투하지 않은 기능성 물질을 제거하였다. PDMS의 경우 톨루엔, 자일렌 같은 방향족 용매에 스웰링(swelling:팽윤 현상 부풀어 오름현상)이 잘되기 때문에 톨루엔을 용매로하여 기능성 물질을 용액상태로 만들면 벌크 내부로 기능성 물질이 잘 침투한다. 기능성 물질을 도포한 기판을 약 100℃에서 약 10분간 건조하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름이다.

도면에 나타난 바와 같이, 플라즈마 표면처리가 되지 않은 부분에 기능성 물질이 침투하여 패턴이 형성되었다. 이러한 패턴의 모양이나 사이즈는 쉐도우 마스크 사이즈의 조절을 통해 제어될 수 있다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 신축성 테스트 사진이다.

365nm 자외선을 조사하여 발광한 상태에서 유연성 기판에 힘을 가한 결과, 약 2.5로 늘어진 상태에서도 발광효과를 가지는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름은 기존의 인쇄공정이 없으면서 상온 또는 대기압에서도 패턴형성이 가능하며 다양한 형태의 변형이 가능한 신축성 디바이스에 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 글라스 기판에 고분자 물질로 유연성 기판을 형성하는 단계;
   상기 유연성 기판 위에 패턴이 형성된 쉐도우 마스크(Shadow mask)를 도포하는 단계;
   상기 유연성 기판을 플라즈마로 표면 처리하여 상기 유연성 기판 위에 산화막을 형성하는 단계;
   상기 쉐도우 마스크를 제거하는 단계;
   기능성 물질을 용액상태로 제조하는 단계;
   상기 용액상태의 기능성 물질을 상기 산화막이 형성된 상기 유연성 기판에 도포하는 단계; 및
   상기 유연성 기판을 건조하는 단계를 포함하며,
   상기 용액상태의 기능성 물질의 용매는, 상기 쉐도우 마스크로 도포된 상기 유연성 기판 부분이 스웰링되도록 하며,
   상기 기능성 물질은, 상기 산화막이 형성되지 않은 스웰링된 부분을 통해 상기 유연성 기판에 흡수되어, 상기 유연성 기판이 상기 기능성 물질을 함유한 신축성 있는 패턴을 포함하게 하는 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유연성 기판을 형성하는 단계는,
   글라스 기판에 고분자 물질을 스핀 코팅을 이용하여 도포하는 단계; 및
   고분자 물질을 경화하는 단계로 이루어진 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 유연성 기판을 건조하는 단계는,
   상기 유연성 기판을 회전시켜 상기 기능성 물질중 미반응 물질을 제거하는 단계; 및
   상기 유연성 기판을 건조하는 단계로 이루어진 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산이고,
   상기 기능성 물질은 폴리디페닐아세틸렌이며, 톨루엔 또는 자일렌을 용매로하여 용액상태로 제조하는 신축성 디바이스용 기능성 물질 패턴 필름의 제조방법.
   

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