KR101649525B1 - 이방성 고분자 패턴 형성 방법 - Google Patents

이방성 고분자 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴 형성 방법은 제1 기판 위에 원하는 패턴을 가지는 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 이방성 고분자층을 적층하는 단계, 제2 기판 위에 제2 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 대향하도록 정렬하는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압을 인가하여, 상기 이방성 고분자층에 전기장을 인가하는 단계, 그리고 상기 이방성 고분자층을 경화하는 단계를 포함한다.
이방성 고분자, 패턴, 전극, 배향막, 노광, 배향

Description

이방성 고분자 패턴 형성 방법{PATTERNING METHOD OF ANISOTROPIC POLYMER}
본 발명은 이방성 고분자 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 물질로 이루어진 패턴을 형성하기 위하여, 사진 식각 공정을 이용한다.
이 경우, 개별적인 패턴에 따른 마스크를 이용해야 하기 때문에 제조 비용이 증가하고, 식각 공정이 필요하기 때문에 제조 공정이 복잡해진다.
특히, 이방성 고분자 물질을 이용하여 패턴을 형성하여, 복굴절 특성을 가지는 패턴을 형성하거나, 위상 지연 특성을 가지는 렌즈 형태를 만들기 위해서는 사진 식각 공정으로 정확한 특성을 가지는 패턴을 형성하기 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조 비용 또는 제조 공정을 복잡하게 하지 않으면서도, 원하는 특성과 정확한 패턴 형태를 가지는 이방성 고분자 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않 으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법은 제1 기판 위에 원하는 패턴을 가지는 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 이방성 고분자층을 적층하는 단계, 제2 기판 위에 제2 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 대향하도록 정렬하는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압을 인가하여, 상기 이방성 고분자층에 전기장을 인가하는 단계, 그리고 상기 이방성 고분자층을 경화하는 단계를 포함한다.
상기 이방성 고분자층은 광중합성 모노머 또는 올리고머를 중합한 고분자를 포함할 수 있다.
상기 이방성 고분자층은 액정 고분자층을 포함할 수 있다.
상기 고분자 패턴 형성 방법은 상기 제1 기판 위에 원하는 패턴을 가지는 상기 제1 전극을 형성하기 전에, 상기 제1 기판 위에 서브 전극층을 형성하는 단계, 그리고 상기 서브 전극층 위에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절연막 형성 단계는 상기 절연막에 상기 서브 전극층을 드러내는 접촉 구멍을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극을 형성하는 단계는 상기 접촉 구멍을 통해 상기 제1 전극과 상기 서브 전극층을 서로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극에 전압을 가하는 단계는 상기 서브 전극층에 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 복수의 원형 형태의 평면 형태를 가질 수 있다.
상기 고분자 패턴 형성 방법은 상기 제1 전극 위에 제1 배향막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 배향막을 형성하는 단계는 상기 제1 배향막을 일정한 방향으로 러빙하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고분자 패턴 형성 방법은 상기 제2 전극 위에 제2 배향막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 배향막을 형성하는 단계는 상기 제2 배향막을 일정한 방향으로 러빙하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 원하는 형태를 가지는 전극 층 위에 이방성 고분자 층을 적층하고, 전극층과 전극층에 대향하는 대향 전극 층 사이에 전기장을 가하여 이방성 고분자 층이 전극층에 대응하는 위치로 이동한 후에 노광함으로써, 제조 비용이나 단계를 복잡하게 하지 않으면서도 원하는 이방성 고분자 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 전극 층과 대향 전극 층 위에 배향막을 적층하여, 이방성 고분자층 내의 이방성 고분자들이 원하는 방향으로 정렬하도록 배향한 뒤에 노광함으로써, 위상 지연 등 원하는 특성과 정확한 패턴 형태를 가지는 이방성 고분자 패턴을 쉽게 형성할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 한 실시예에 따라 이방성 고분자 패턴을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 도 1 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 이방성 고분자(LCP) 패턴을 형성하는 방법을 순서대로 도시한 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 절연 기판(110) 위에 원하는 고분자 패턴에 대응하는 패턴을 가지는 제1 전극(120)을 형성한다. 제1 전극(120)의 패턴은 고분자 패턴이 가지게 될 패턴과 거의 유사하다. 도시한 실시예에서는 제1 전극(120)은 일정 간격으로 배치된 사각 패턴을 가지지만, 이는 예시적인 것으로서, 제1 전극(120)의 패턴은 이에 한정되지 않고, 원하는 고분자 패턴에 대응하는 형태의 패턴을 이용할 수 있음은 분명하다. 제1 전극(120)은 ITO 또는 IZO와 같은 투명한 도전체로 이루어질 수 있다.
그 후, 제1 전극(120)을 가지는 제1 절연 기판(110) 위에 이방성 고분자(LCP) 층(130)을 적층한다.
이때, 이방성 고분자층은 액정 고분자(LCP) 등의 고분자(polymer)를 포함할 수 있다. 고분자는 광중합성 모노머 또는 올리고머를 광중합하여 형성할 수 있다. 광중합성 모노머 또는 올리고머로는 리액티브 메조겐(RM: Reactive Mesogen), 노어랜드(Norland)사의 NOA series 등을 포함한다. 리액티브 메조겐(RM)은 중합성 메조겐성 화합물을 의미한다. "메조겐성 화합물" 또는 "메조겐성 물질"은 하나 이상의 막대 모양, 판 모양 또는 디스크 모양 메조겐성 기, 즉 액정상 거동을 유도할 수 있는 능력을 가진 기를 포함하는 물질 또는 화합물을 포함한다. 막대 모양 또는 판모양 기를 가진 액정 화합물은 캘라미틱(calamitic) 액정으로서 당분야에 공지되어 있고, 디스크 모양 기를 가진 액정 화합물은 디스코틱 액정으로서 당분야에 공지되어 있다. 메조겐성 기를 포함하는 화합물 또는 물질은 필수적으로 그 자체로서 액정상을 나타낼 필요는 없다. 또한, 다른 화합물과의 혼합물에서만, 또는 메조겐성 화합물 또는 물질, 또는 그들의 혼합물의 중합 시 액정상 거동을 나타내는 것이 가능하다.
리액티브 메조겐은 자외선 등의 광에 의하여 중합되며, 인접한 물질의 배향 상태에 따라 배향되는 물질이다. 리액티브 메조겐의 예로는 아래의 식으로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
P1-A1-(Z1-A2)n-P2,
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이고, A1과 A2는 1,4-페닐렌(phenylen)과 나프탈렌(naphthalene)-2,6-다일(diyl) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이며, Z1은 COO-, OCO- 및 단일 결합 중의 하나이고, n은 0, 1 및 2 중의 하나이다.
좀 더 구체적으로는 아래의 식 중 하나로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
Figure 112009079842025-pat00001
Figure 112009079842025-pat00002
Figure 112009079842025-pat00003
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 독립적으로 선택되는 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제2 절연 기판(210) 위에 제2 전극(220)을 형성한다. 제2 전극(220)은 특정한 패턴을 가지지 않을 수 있고, 제1 절연 기판(110) 위에 형성되어 있는 제1 전극(120)과 동일한 평면 크기를 가질 수 있다. 제2 전극(220)은 ITO 또는 IZO와 같은 투명한 도전체로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 전극(120)과 제2 전극(220)을 서로 마주보도록 배열하고, 두 전극(120, 220)에 일정한 크기의 전압을 가하여, 두 전극(220) 사이의 이방성 고분자층(130)에 전기장이 가해지도록 한다. 두 전극(120, 220)에 전압을 가할 때, 기판(110, 210) 위에 형성되어 있는 박막 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 이용하여 전압의 인가를 제어할 수 있다. 스위칭 소자는 두 기 판(110, 210) 중 어느 하나에만 형성될 수도 있다.
이방성 고분자층(130)에 전기장이 가해지면, 도 4에 도시한 바와 같이, 이방성 고분자층(130)은 제1 전극(120)이 형성되어 있는 곳 주변으로 이동하여, 제1 전극(120) 바로 위에 이방성 고분자패턴(130a)이 배치되게 된다. 이처럼, 제1 전극(120) 바로 위에 이방성 고분자패턴(130a)이 배치된 상태에서 자외선(UV)을 가하여, 이방성 고분자패턴(130a)을 경화함으로써, 원하는 패턴을 가지는 이방성 고분자패턴(130a)을 완성할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴 형성 방법은 사진 식각 공정 없이, 이방성 고분자층에 전기장을 가한 후 경화함으로써, 원하는 형태의 이방성 고분자패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 사진 식각 공정에 의한 경우보다 낮은 제조 비용으로 간단한 방법으로 이방성 고분자패턴을 형성할 수 있다.
그러면, 도 5를 참고하여, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 다른 한 실시예에 따라 이방성 고분자(LCP) 패턴을 형성하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 5에 도시한 방법은 도 4에 도시한 방법과 거의 유사하다.
그러나, 도 4에 도시한 방법과 다르게, 제1 전극(120)과 이방성 고분자층(130) 사이에 배치되어 있는 제1 배향막(140)과 제2 전극(220) 위에 배치되어 있는 제2 배향막(240)을 형성하는 단계를 더 포함한다. 제2 배향막(240)은 생략 가능하다. 제1 배향막(140)과 제2 배향막(240)을 이용하여, 이방성 고분자층(130)의 물질은 원하는 방향으로 배향될 수 있다. 이에 의해 고분자층(130) 내의 고분자들 은 일정한 선경사(pre-tilt)를 가지도록 러빙되어 있는데, 본 명세서에서 선경사는 각도(angle)와 방향(direction)을 가질 수 있으며, 이하에서는 이를 각각 극각(polar angle, 0-180) 및 방위각(azimuthal angle, 0-360)으로 정의하도록 한다. 즉, 선경사는 방위각(azimuthal angle, 0-360) 및 극각(polar angle, 0-180)을 모두 포함하는 의미로 해석될 수 있다. 여기서, 방위각은 기판 면상으로의 고분자들의 투영이 수평면 상으로 기울어진 각도를 의미한다. 극각은 고분자들이 수평면에 대하여 수직을 이루는 선(기판 면의 법선)을 기준으로 기울어진 각도를 의미한다.
이방성 고분자층(130)이 인접한 부분에 제1 배항막(140)과 제2 배향막(240)을 형성함으로써, 이방성 고분자층(130) 내의 고분자가 일정한 방향으로 배향될 수 있다. 이방성 고분자층(130) 내의 고분자가 일정한 방향으로 배향되는 경우, 형성된 이방성 고분자 패턴은 편광 특성을 가질 수 있어, 복굴절 특성 또는 위상 지연 특성을 가지는 고분자 패턴을 형성할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법은 배향막을 형성하는 단계를 더 포함함으로써, 간단하게 편광 특성을 가지는 고분자 패턴을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고하여, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 다른 한 실시예에 따라 이방성 고분자 패턴을 형성하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 6에 도시한 방법은 도 4에 도시한 방법과 거의 유사하다.
그러나, 도 4에 도시한 방법과 다르게, 제1 기판(110)과 제1 전극(120) 사이 에 서브 전극층(150) 및 절연막(160)이 형성되어 있다. 절연막(160)에는 접촉 구멍(161)이 형성되어 있고, 제1 전극(120)의 각 패턴은 접촉 구멍(161)을 통해 서브 전극층(150)과 물리적 전기적으로 연결된다.
제1 전극(120)이 서로 분리되어 있는 패턴을 가지는 경우, 서브 전극층(150)에전압을 인가함으로서, 제1 전극(120)의 각 패턴에 원하는 크기의 전압을 인가할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법은, 서로 분리된 패턴을 형성하는 경우에도, 서브 전극층(150)과 접촉 구멍(161)을 가지는 절연막을 형성함으로써, 각 패턴에 대응하는 전극에 원하는 전압을 인가할 수 있어, 서로 분리된 패턴을 가지는 고분자 패턴을 형성할 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법에 의해 이방성 고분자패턴을 형성한 실험예에 대하여 도 7 내지 도 10을 참고로 설명한다. 도 7 내지 도 10은 본 발명의 실험예에서 이방성 고분자패턴을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.
먼저 도 7을 참고하여 설명한다. 도 7에서, (a)는 본 실험예에서 이방성 고분자패턴 형성 방법에 사용한 제1 전극(120)의 패턴을 나타내고, (b)는 본 실험예에서 형성된 이방성 고분자패턴을 편광 현미경을 통해 관찰한 결과를 나타내고, (c)는 본 실험예에서 형성된 이방성 고분자패턴의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고, (d)는 본 실험예에서 형성된 이방성 고분자패턴 중 하나의 단면과 그 주변에 대한 뎁스 프로파일(depth profile) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참고하면, 제1 전극(120)의 패턴에 따라 고분자 패턴이 일정한 패턴을 가지도록 잘 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 도 7(c) 및 도 7(d)에 도시한 바와 같이, 고분자 패턴의 단차도 구별이 명확하도록 잘 형성되었음을 알 수 있었다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법에 의할 경우, 사용되는 전극의 패턴을 조절함으로써, 원하는 위치에 원하는 형태를 가지는 이방성 고분자패턴을 정확하게 형성할 수 있음을 알 수 있었다.
다음으로, 도 8 및 도 9를 참고하여 설명한다. 도 8 및 도 9에서, (a)는 본 실험예에서 이방성 고분자패턴 형성 방법에 사용한 제1 전극(120)의 패턴을 나타내고, (b)는 본 실험예에서 형성된 이방성 고분자패턴을 편광 현미경을 통해 관찰한 결과를 나타낸다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법에 의하면, 서로 분리되어 있는 사각 형태 또는 원형 형태를 가질 경우에도, 제1 전극(120)의 패턴에 따라 이방성 고분자패턴이 일정한 패턴을 가지도록 잘 형성되었음을 알 수 있었다.
특히, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 전극(120)을 원형 형태를 가지도록 패터닝한 경우, 이방성 고분자패턴은 렌즈 형태를 가지도록 형성될 수 있음을 알 수 있었다.
그러면, 도 10을 참고하여, 도 9에 도시한 렌즈 형태의 이방성 고분자패턴의 렌즈 특성에 대하여 설명한다. 도 10의 (a) 및 (b)는 도 9에 도시한 렌즈 형태의 이방성 고분자패턴을 논포커싱(non-focused) 상태와 포커싱(focused) 상태를 각기 나타낸다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법에 의할 경우, 렌즈 형태의 이방성 고분자패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 생성된 렌즈 형태의 이방성 고분자패턴은 일반 렌즈와 같이 포커싱이 이루어져, 일반 렌즈와 같은 광학 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이방성 고분자패턴 형성 방법에 의할 경우, 렌즈 형태의 이방성 고분자패턴 내의 고분자들을 일정한 방향으로 배향할 수 있어, 편광 특성을 가지는 렌즈층을 형성할 수도 있다.
이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 이방성 고분자 패턴을 형성하는 방법을 순서대로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴을 형성 방법을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 이방성 고분자 패턴을 형성 방법을 도시한 개념도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실험예에서 이방성 고분자 패턴을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.

Claims (13)

  1. 제1 기판 위에 원하는 패턴을 가지는 제1 전극을 형성하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 이방성 고분자층을 적층하는 단계,
    제2 기판 위에 제2 전극을 형성하는 단계,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 대향하도록 정렬하는 단계,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압을 인가하여, 상기 이방성 고분자층에 전기장을 인가하는 단계, 그리고
    상기 이방성 고분자층을 경화하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 기판 위에 원하는 패턴을 가지는 상기 제1 전극을 형성하기 전에,
    상기 제1 기판 위에 서브 전극층을 형성하는 단계,
    상기 서브 전극층 위에 절연막을 형성하는 단계, 그리고
    상기 절연막에 상기 서브 전극층을 드러내는 접촉 구멍을 형성하는 단계를 더 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 이방성 고분자층은 광중합성 모노머 또는 올리고머를 중합한 고분자를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 이방성 고분자층을 액정 고분자(LCP)를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 제1 전극을 형성하는 단계는
    상기 접촉 구멍을 통해 상기 제1 전극과 상기 서브 전극층을 서로 연결하는 단계를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 전극에 전압을 인가하는 단계는
    상기 서브 전극층에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 원형의 평면 형태를 가지는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 전극 위에 제1 배향막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 배향막을 형성하는 단계는
    상기 제1 배향막을 일정한 방향으로 러빙하는 단계를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 제2 전극 위에 제2 배향막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 제2 배향막을 형성하는 단계는
    상기 제2 배향막을 일정한 방향으로 배향하는 단계를 포함하는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
  13. 제9항에서,
    상기 제1 전극은 복수의 원형의 평면 형태를 가지는 이방성 고분자 패턴 형성 방법.
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