KR101738921B1 - 패턴의 형성방법 및 이를 통해 제조된 메타물질 - Google Patents

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/18—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by liberation of internal stresses, e.g. plastic memory

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  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Abstract

본 발명은 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 패턴의 형성방법을 제공한다. 본 발명에 따른 패턴의 형성방법은 패턴을 형성하고자 하는 부분에 경도의 차이를 발생시켜 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴의 위치 조절을 가능하게 한다. 이와 같이, 패턴의 위치 조절이 가능함으로써 정밀한 얼라인이 필요한 패턴 구조 제작, 3 차원 금속 패턴 제작, 마이크로/나노 구조 제작, 자극 감응형 디바이스 제작, 유연 소자 개발 등의 분야에 활용되는 기술로 응용될 수 있다.

Description

패턴의 형성방법 및 이를 통해 제조된 메타물질{Method of forming pattern and the metamaterial thereby}
본 발명은 패턴의 형성방법 및 이를 통해 제조된 메타물질에 관한 것으로, 상세하게는 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴의 형성방법에 관한 것이다.
현대 기술사회가 발전할수록 정보저장, 디스플레이(광학), 마이크로전기기계적 시스템(MEMS, microelectromechanical system), 센서 등의 디바이스의 고기능화나 새로운 디바이스의 개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 이에 따라 미세 패턴을 만드는 새로운 방법에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
미세 패턴을 제작하는 기술로는 매크로 스케일의 재료를 기계적 또는 화학적인 방법으로 깎아서 식각 가공하는 방법을 통해 원하는 크기의 형상을 만드는 탑-다운(top-down) 방식이 일반적이지만, 패턴을 만들기 위한 재료의 낭비가 과도하고 고정밀도의 포토마스크 또는 요철구조의 임프린트용 몰드와 같은 부가적인 장치가 필요로 된다는 단점이 있다.
최근 탄성체의 표면에 박막을 형성시키고 이에 압축, 좌굴을 일으켜 표면에 주름/접힘 구조를 생성, 이를 응용한 기술들이 알려지고 있다. 종래 기술의 대부분은 표면에서 발생한 주름/접힘 구조에 특이성을 가지는 재료를 초기 박막의 형태로 이용하거나 도포하는 형태가 주로 사용되었고 대부분의 주름/접힘 구조의 형태는 단순한 형태로 제한적이었으며, 정확한 얼라인이 필요한 공정이나 새로운 구조 개발 등에는 이용하기 힘든 문제점을 가지고 있었다.
이에, 본 발명자들은 패턴의 형성방법에 대하여 연구하던 중, 패턴이 형성된 고분자 기판을 준비하고, 상기 고분자 기판의 패턴에 또 다른 고분자로 채운 후 반경화시켜 경도를 다르게 조절하여 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴을 형성하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 패턴을 구성하는 연성물질의 경도 차이를 통해 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 패턴의 형성방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
패턴을 구성하는 연성물질의 경도 차이를 통해 형성된 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 포함하는 패턴을 제공한다.
나아가, 본 발명은
패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 박막을 형성하고 상기 박막 상부에 금속 패턴을 위치시킨 후, 인장력을 해제하여 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 주름 또는 접힘 구조를 포함하는 메타물질(metamaterial)의 제조방법을 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은
패턴을 구성하는 연성물질의 경도 차이를 통해 형성된 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 포함하는 패턴을 통해 제조되고,
가역적으로 공진 주파수의 변형이 가능한 테라헤르츠 메타물질(terahertz metamaterial)을 제공한다.
본 발명에 따른 패턴의 형성방법은 패턴을 형성하고자 하는 부분에 경도의 차이를 발생시켜 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴의 위치 조절을 가능하게 한다. 이와 같이, 패턴의 위치 조절이 가능함으로써 정밀한 얼라인이 필요한 패턴 구조 제작, 3 차원 금속 패턴 제작, 마이크로/나노 구조 제작, 자극 감응형 디바이스 제작, 유연 소자 개발 등의 분야에 활용되는 기술로 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 패턴의 형상을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
본 발명은
패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 패턴의 형성방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 1은 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계이다.
상기 단계 1은 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계로써, 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하고자하는 위치에 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1의 패턴을 형성하는 방법은 포토리소그래피(photolithography), 소프트 리소그래피(soft lithography), 임프린트 리소그래피(imprint lithography) 및 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 등의 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 방법 중 포토리소그래피 방법은 광을 이용한 감광기술로서 패턴의 정확성과 일치성에 장점을 가지고 있다. 또한, 소프트 리소그래피 방법은 하나의 원판(Master)을 경화성 고분자로 복제하여 만든 말랑말랑한 틀(Stamp)을 이용하여 경제적으로 패턴을 만들 수 있다. 나아가, 임프린트 리소그래피 방법은 딱딱한 원판(Master)을 열적 변형이 가능한 고분자 층 위에 직접 각인하는 기술로서 극미세패턴이 가능하고, 원판의 패턴을 그대로 복제할 수 있는 정확성(Fidelity)을 가지고 있다. 또한, 전자빔 리소그래피 방법은 전자빔을 이용하여 직접 기판 위의 고분자 층에 그리는 기술로서 극미세패턴을 형성할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 제1 고분자 기판은 폴리디메틸실록세인(PDMS), 폴리우레탄 계열 고분자, 에폭시 계열 고분자 등의 고분자로 이루어진 기판일 수 있으며, 일례로써, 포토리소그래피 방법으로 패턴을 형성하기 위해 폴리디메틸실록세인 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계이다.
상기 단계 2는 상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 제2 고분자를 반경화시키는 단계로써, 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하고자하는 위치에 제2 고분자를 채워 반경화하고, 제1 고분자와 제2 고분자의 경도 차이를 발생시킨다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채우는 방법은, 구체적인 일례로써,
제1 고분자 기판에 플라즈마를 조사하는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a에서 플라즈마가 조사된 제1 고분자 기판의 패턴이 형성된 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면으로 제2 고분자를 도포하여 상기 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채우는 단계(단계 b);를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 제1 고분자 기판에 플라즈마를 조사하는 단계이다.
상기 단계 a에서는 제1 고분자 기판, 특히 제1 고분자 기판에 형성된 패턴 표면에 플라즈마를 조사하여, 제2 고분자를 도포하였을 경우 제2 고분자가 제1 고분자 표면에서 제거되지 않도록 표면처리를 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 a의 플라즈마는 고분자 표면에 거칠기를 향상시킬 수 있는 표면처리가 가능한 플라즈마라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 이와 같이, 플라즈마로 표면처리를 수행함으로써, 추후 제1 고분자 기판 패턴에 제2 고분자를 채웠을 경우 제1 고분자와 제2 고분자의 접촉력이 향상될 수 있다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 플라즈마가 조사된 제1 고분자 기판의 패턴이 형성된 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면부에 상기 제1 고분자 기판의 패턴과 상기 웨이퍼에 의하여 형성된 공간으로 제2 고분자를 주입하여 상기 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채우는 단계이다.
상기 제2 고분자를 제1 고분자 패턴에 채우는 방법은 다양할 수 있으나, 구체적인 일례로써, 상기 단계 b에서는 상기 단계 a에서 플라즈마가 조사되어 제2 고분자와의 접촉력이 향상된 제1 고분자 기판의 패턴 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면부, 특히 상기 제1 고분자 기판의 패턴과 상기 웨이퍼에 의하여 형성된 공간으로 제2 고분자를 주입하여 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채운다.
구체적으로, 상기 단계 b에서 제2 고분자는 모세관력(capillary force)에 의해서 제1 고분자 기판의 패턴에 채워질 수 있다.
또한, 상기 단계 b의 웨이퍼는 테플론(teflon)으로 코팅되어 고분자와의 접착력을 약하게 하는 것이 바람직하며, 추후 웨이퍼를 제거할 때 제2 고분자는 제1 고분자와의 강력한 접착력으로 인해 웨이퍼를 용이하게 제거할 수 있다.
한편, 상기 제2 고분자는 상기 제1 고분자와 동일 또는 상이할 수 있고, 열 경화성 고분자 또는 광 경화성 고분자일 수 있으며, 구체적인 일례로써, 폴리디메틸실록세인(PDMS), 폴리우레탄 계열 고분자, 에폭시 계열 고분자 등의 고분자일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 광 경화성 고분자는 사슬의 양 말단 또는 사슬의 측쇄에 광 중합이 가능한 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 아크릴레이트기, 메타크릴레이트기, 에폭시기 및 광경화가 가능한 유기 관능기 등의 관능기를 포함하는 유기 고분자일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
나아가, 상기 단계 2에서 반경화는, 상기 제2 고분자로 열 경화성 고분자를 사용하는 경우 제2 고분자의 종류에 따라 적절한 온도 및 시간 범위에서 반경화시킬 수 있으며, 구체적인 일례로써, 상기 제2 고분자로 폴리디메틸실록세인(PDMS)를 사용하는 경우에는 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 5 분 내지 60 분 동안 가열시켜 수행될 수 있다. 만약, 상기 온도 범위 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 상기 제2 고분자가 완전히 경화되거나, 경화되지 않고 흐름성을 가지는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 2에서 반경화는, 상기 제2 고분자로 광 경화성 고분자를 사용하는 경우 제2 고분자의 종류에 따라 적절한 광의 세기 및 광 조사 시간 범위에서 반경화시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 얇은 박막을 형성한 후, 각 고분자의 경도 차이를 통해 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성한다.
구체적으로, 상기 단계 3에서 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조의 형성은, 일례로써
반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면 기준 횡 방향으로 인장시키고, 표면에 박막을 형성한 후, 인장력을 해제하는 방법을 수행하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 얇은 막을 형성한 후, 인장력을 해제하면, 물성이 상이한 층 구조로 인해 주름 구조 또는 접힘 구조가 형성될 수 있다.
이때, 상기 횡 방향으로 인장되는 길이는 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 제1 고분자 기판 길이에 대하여 1.5 내지 3 배인 것이 바람직하다. 만약, 상기 횡 방향으로 인장되는 길이가 제1 고분자 기판 길이에 대하여 1.5 배 미만일 경우에는 추후 인장력을 해제하였을 때 주름 구조 또는 접힘 구조가 형성되지 않을 수 있으며, 3 배를 초과하는 경우에는 제1 고분자 기판이 파괴될 위험이 있다.
또한, 상기 단계 3에서 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조의 형성은, 또 다른 일례로써
반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 제1 고분자 기판 횡 방향에서 압축 응력을 가하는 방법을 수행하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 표면에 얇은 막을 형성한 후, 제1 고분자 기판의 횡 방향에서 압축 응력을 가하면, 물성이 상이한 층 구조로 인해 주름 구조 또는 접힘 구조가 형성될 수 있다.
이때, 상기 압축 응력의 세기는 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 제한되지 않고 결정할 수 있으며, 응력에 따른 고분자의 변형 정도에 따라 조절할 수 있다.
이때, 상기 단계 3에서 박막을 형성하는 방법은 표면 상부에 박막을 적층하는 방법을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 자외선(UV) 또는 자외선/오존(UV/Ozone, UVO)을 포함하는 광을 조사하는 방법을 사용할 수 있다.
상기 단계 3에서 박막을 형성하는 방법으로 자외선/오존을 조사하는 방법을 사용하는 경우에 상기 자외선/오존을 조사하는 세기는 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 제한되지 않고 결정할 수 있으며, 일례로써 폴리디메틸실록세인(PDMS)을 사용하는 경우에는 0.1 mW/cm2 내지 20.0 mW/cm2인 것이 바람직하다. 만약, 상기 자외선/오존의 세기가 0.1 mW/cm2 미만일 경우에는 고분자 표면에 박막을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 20.0 mW/cm2를 초과하는 경우에는 전체적으로 박막이 두껍게 형성되어 표면 구조가 고정되므로 추후 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 자외선/오존을 조사하는 시간은 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 제한되지 않고 결정할 수 있으며, 일례로써 폴리디메틸실록세인(PDMS)을 사용하는 경우에는 5 분 내지 200 분인 것이 바람직하며, 10 분 내지 120 분인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 자외선/오존의 세기가 5 분 미만일 경우에는 고분자 표면에 박막을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 200 분을 초과하는 경우에는 전체적으로 박막이 두껍게 형성되어 표면 구조가 고정되므로 추후 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하기 어려운 문제가 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법은 패턴을 형성하고자 하는 부분에 경도의 차이를 발생시켜 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴의 위치 조절을 가능하게 하며, 패턴의 위치 조절이 가능함으로써 정밀한 얼라인이 필요한 패턴 구조 제작, 3 차원 금속 패턴 제작, 마이크로/나노 구조 제작, 자극 감응형 디바이스 제작, 유연 소자 개발 등의 분야에 활용되는 기술로 응용될 수 있다.
또한, 본 발명은
패턴을 구성하는 연성물질의 경도 차이를 통해 형성된 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 포함하는 패턴을 제공한다.
본 발명에 따른 주름 구조 또는 접힘 구조를 포함하는 패턴은 형성하고자 하는 부분에 경도의 차이를 발생시켜 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성할 수 있기 때문에, 정밀한 얼라인이 필요한 패턴 구조, 3 차원 금속 패턴, 마이크로/나노 구조, 자극 감응형 디바이스, 유연 소자 등의 분야에 활용될 수 있다.
나아가, 본 발명은
패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 박막을 형성하고 상기 박막 상부에 금속 패턴을 위치시킨 후, 인장력을 해제하여 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 주름 또는 접힘 구조를 포함하는 메타물질(metamaterial)의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 1은 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계이다.
상기 단계 1은 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계로써, 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하고자하는 위치에 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1의 패턴을 형성하는 방법은 포토리소그래피(photolithography), 소프트 리소그래피(soft lithography), 임프린트 리소그래피(imprint lithography) 및 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 등의 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 방법 중 포토리소그래피 방법은 광을 이용한 감광기술로서 패턴의 정확성과 일치성에 장점을 가지고 있다. 또한, 소프트 리소그래피 방법은 하나의 원판(Master)을 경화성 고분자로 복제하여 만든 말랑말랑한 틀(Stamp)을 이용하여 경제적으로 패턴을 만들 수 있다. 나아가, 임프린트 리소그래피 방법은 딱딱한 원판(Master)을 열적 변형이 가능한 고분자 층 위에 직접 각인하는 기술로서 극미세패턴이 가능하고, 원판의 패턴을 그대로 복제할 수 있는 정확성(Fidelity)을 가지고 있다. 또한, 전자빔 리소그래피 방법은 전자빔을 이용하여 직접 기판 위의 고분자 층에 그리는 기술로서 극미세패턴을 형성할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 제1 고분자 기판은 폴리디메틸실록세인(PDMS), 폴리우레탄 계열 고분자, 에폭시 계열 고분자 등의 고분자로 이루어진 기판일 수 있으며, 일례로써, 포토리소그래피 방법으로 패턴을 형성하기 위해 폴리디메틸실록세인 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계이다.
상기 단계 2는 상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 제2 고분자를 반경화시키는 단계로써, 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하고자하는 위치에 제2 고분자를 채워 반경화하고, 제1 고분자와 제2 고분자의 경도 차이를 발생시킨다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채우는 방법은, 구체적인 일례로써,
제1 고분자 기판에 플라즈마를 조사하는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a에서 플라즈마가 조사된 제1 고분자 기판의 패턴이 형성된 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면으로 제2 고분자를 도포하여 상기 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채우는 단계(단계 b);를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 제1 고분자 기판에 플라즈마를 조사하는 단계이다.
상기 단계 a에서는 제1 고분자 기판, 특히 제1 고분자 기판에 형성된 패턴 표면에 플라즈마를 조사하여, 제2 고분자를 도포하였을 경우 제2 고분자가 제1 고분자 표면에서 제거되지 않도록 표면처리를 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 a의 플라즈마는 고분자 표면에 거칠기를 향상시킬 수 있는 표면처리가 가능한 플라즈마라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 이와 같이, 플라즈마로 표면처리를 수행함으로써, 추후 제1 고분자 기판 패턴에 제2 고분자를 채웠을 경우 제1 고분자와 제2 고분자의 접촉력이 향상될 수 있다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 플라즈마가 조사된 제1 고분자 기판의 패턴이 형성된 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면부에 상기 제1 고분자 기판의 패턴과 상기 웨이퍼에 의하여 형성된 공간으로 제2 고분자를 주입하여 상기 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채우는 단계이다.
상기 제2 고분자를 제1 고분자 패턴에 채우는 방법은 다양할 수 있으나, 구체적인 일례로써, 상기 단계 b에서는 상기 단계 a에서 플라즈마가 조사되어 제2 고분자와의 접촉력이 향상된 제1 고분자 기판의 패턴 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면부, 특히 상기 제1 고분자 기판의 패턴과 상기 웨이퍼에 의하여 형성된 공간으로 제2 고분자를 주입하여 제1 고분자 패턴을 제2 고분자로 채운다.
구체적으로, 상기 단계 b에서 제2 고분자는 모세관력(capillary force)에 의해서 제1 고분자 기판의 패턴에 채워질 수 있다.
또한, 상기 단계 b의 웨이퍼는 테플론(teflon)으로 코팅되어 고분자와의 접착력을 약하게 하는 것이 바람직하며, 추후 웨이퍼를 제거할 때 제2 고분자는 제1 고분자와의 강력한 접착력으로 인해 웨이퍼를 용이하게 제거할 수 있다.
한편, 상기 제2 고분자는 상기 제1 고분자와 동일 또는 상이할 수 있고, 열 경화성 고분자 또는 광 경화성 고분자일 수 있으며, 구체적인 일례로써, 폴리디메틸실록세인(PDMS), 폴리우레탄 계열 고분자, 에폭시 계열 고분자 등의 고분자일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 광 경화성 고분자는 사슬의 양 말단 또는 사슬의 측쇄에 광 중합이 가능한 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 아크릴레이트기, 메타크릴레이트기, 에폭시기 및 광경화가 가능한 유기 관능기 등의 관능기를 포함하는 유기 고분자일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
나아가, 상기 단계 2에서 반경화는, 상기 제2 고분자로 열 경화성 고분자를 사용하는 경우 제2 고분자의 종류에 따라 적절한 온도 및 시간 범위에서 반경화시킬 수 있으며, 구체적인 일례로써, 상기 제2 고분자로 폴리디메틸실록세인(PDMS)를 사용하는 경우에는 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 5 분 내지 60 분 동안 가열시켜 수행될 수 있다. 만약, 상기 온도 범위 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 상기 제2 고분자가 완전히 경화되거나, 경화되지 않고 흐름성을 가지는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 2에서 반경화는, 상기 제2 고분자로 광 경화성 고분자를 사용하는 경우 제2 고분자의 종류에 따라 적절한 광의 세기 및 광 조사 시간 범위에서 반경화시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 박막을 형성하고 상기 박막 상부에 금속 패턴을 위치시킨 후, 인장력을 해제하여 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 얇은 박막을 형성한 후, 각 고분자의 경도 차이를 통해 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성할 뿐만 아니라, 상기 얇은 박막 상부에 금속 패턴을 위치시켜 주름 구조 또는 접힘 구조 내부에 금속 패턴을 형성할 수 있다.
구체적으로, 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 얇은 막을 형성한 후, 인장력을 해제하면, 물성이 상이한 층 구조로 인해 주름 구조 또는 접힘 구조가 형성될 수 있다.
이때, 상기 박막 상부에 금속 패턴을 위치시킨 후 인장력을 해제하면, 형성되는 주름 구조 또는 접힘 구조 내부로 금속 패턴이 위치하게 되고, 이에 따라 손쉽게 메타물질(metamaterials)을 제조할 수 있다.
이때, 상기 횡 방향으로 인장되는 길이는 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 제1 고분자 기판 길이에 대하여 1.5 내지 3 배인 것이 바람직하다. 만약, 상기 횡 방향으로 인장되는 길이가 제1 고분자 기판 길이에 대하여 1.5 배 미만일 경우에는 추후 인장력을 해제하였을 때 주름 구조 또는 접힘 구조가 형성되지 않을 수 있으며, 3 배를 초과하는 경우에는 제1 고분자 기판이 파괴될 위험이 있다.
이때, 상기 단계 3에서 박막을 형성하는 방법은 표면 상부에 박막을 적층하는 방법을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 자외선(UV) 또는 자외선/오존(UV/Ozone, UVO)을 포함하는 광을 조사하는 방법을 사용할 수 있다.
상기 단계 3에서 박막을 형성하는 방법으로 자외선/오존을 조사하는 방법을 사용하는 경우에 상기 자외선/오존을 조사하는 세기는 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 제한되지 않고 결정할 수 있으며, 일례로써 폴리디메틸실록세인(PDMS)을 사용하는 경우에는 0.1 mW/cm2 내지 20.0 mW/cm2인 것이 바람직하다. 만약, 상기 자외선/오존의 세기가 0.1 mW/cm2 미만일 경우에는 고분자 표면에 박막을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 20.0 mW/cm2를 초과하는 경우에는 전체적으로 박막이 두껍게 형성되어 표면 구조가 고정되므로 추후 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 자외선/오존을 조사하는 시간은 제1 고분자 및 제2 고분자의 종류에 따라 제한되지 않고 결정할 수 있으며, 일례로써 폴리디메틸실록세인(PDMS)을 사용하는 경우에는 5 분 내지 200 분인 것이 바람직하며, 10 분 내지 120 분인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 자외선/오존의 세기가 5 분 미만일 경우에는 고분자 표면에 박막을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 60 분을 초과하는 경우에는 전체적으로 박막이 두껍게 형성되어 표면 구조가 고정되므로 추후 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성하기 어려운 문제가 있다.
이때, 상기 단계 3의 금속 패턴은 고분자 박막에 형성된 것일 수 있다. 금속 패턴만 상기 박막에 위치시키기 어려우므로, 고분자 박막에 금속 패턴을 형성시킨 후, 이를 상기 단계 3의 박막에 위치시켜 주름 구조 또는 접힘 구조를 형성할 수 있다.
더욱 나아가, 본 발명은
패턴을 구성하는 연성물질의 경도 차이를 통해 형성된 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 포함하는 패턴을 통해 제조되고,
가역적으로 공진 주파수의 변형이 가능한 테라헤르츠 메타물질(terahertz metamaterial)을 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 테라헤르츠 메타물질은 종래에 1 개의 공진 주파수만을 가지거나, 2 ~ 3 개 정도의 고정된 공진 주파수를 가지는 테라헤르츠 메타물질에 비해 가역적으로 원하는 공진 주파수를 설정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 큰 접힘각으로 접힘 구조를 형성하기 용이하여, 더욱 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 접힘 구조를 포함하는 패턴의 형성
단계 1: 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 마스크로 40 ㎛ 두께, 40 ㎛ 및 50 ㎛의 라인 패턴을 가지도록 위치시킨 후, 폴리디메틸실록세인과 경화제가 10 : 1의 질량비로 혼합된 물질을 붓고 70 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하여 라인 패턴이 형성된 폴리디메틸실록세인(PDMS) 기판을 준비하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 준비된 폴리디메틸실록세인 기판을 실리콘 웨이퍼 마스크로 라인 패턴을 제외한 부분을 가린 후, 플라즈마를 조사하여 라인 패턴의 표면처리를 수행하였다. 이때, 상기 플라즈마는 산소(O2) 플라즈마이고, 50 W의 세기로 30 초 동안 수행하였다.
이후, 또 다른 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 상기 실리콘 웨이퍼에 스핀코터를 이용하여 테플론(Teflon AF) 0.05 중량%를 포함하는 불소 용액을 코팅하였다. 상기 테플론이 코팅된 실리콘 웨이퍼를 상기 표면처리된 폴리디메틸실록세인 기판의 라인 패턴 표면에 접촉시킨 후, 웨이퍼와 기판의 패턴으로 형성되는 공간으로 제2 고분자로 폴리디메틸실록세인을 스포이드로 주입하였다.
단계 3: 상기 단계 2를 수행하고난 후, 상기 폴리디메틸실록세인 기판을 핫 플레이트에 놓고 70 ℃의 온도로 26 분 동안 가열하여 제2 고분자인 상기 단계 2에서 주입된 폴리디메틸실록세인을 반경화시켰다.
그후, 웨이퍼를 제거하고, 기판 표면 기준 횡방향으로 기판을 인장시켜 폴리디메틸실록세인 기판의 길이에 대하여 약 2 배 인장시킨 후, 자외선/오존(UV/O)를 728 μW/cm2의 세기로 30 분 동안 조사하고, 인장력을 해제하여 접힘 구조를 포함하는 패턴을 제조하였다.
<실시예 2> 테라헤르츠 메타물질의 제조
단계 1: 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 마스크로 40 ㎛ 두께, 40 ㎛ 및 50 ㎛의 라인 패턴을 가지도록 위치시킨 후, 폴리디메틸실록세인과 경화제가 10 : 1의 질량비로 혼합된 물질을 붓고 70 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하여 라인 패턴이 형성된 폴리디메틸실록세인(PDMS) 기판을 준비하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 준비된 폴리디메틸실록세인 기판을 실리콘 웨이퍼 마스크로 라인 패턴을 제외한 부분을 가린 후, 플라즈마를 조사하여 라인 패턴의 표면처리를 수행하였다. 이때, 상기 플라즈마는 산소(O2) 플라즈마이고, 50 W의 세기로 30 초 동안 수행하였다.
이후, 또 다른 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 상기 실리콘 웨이퍼에 스핀코터를 이용하여 테플론(Teflon AF) 0.05 중량%를 포함하는 불소 용액을 코팅하였다. 상기 테플론이 코팅된 실리콘 웨이퍼를 상기 표면처리된 폴리디메틸실록세인 기판의 라인 패턴 표면에 접촉시킨 후, 웨이퍼와 기판의 패턴으로 형성되는 공간으로 제2 고분자로 폴리디메틸실록세인을 스포이드로 주입하였다.
단계 3: 상기 단계 2를 수행하고난 후, 상기 폴리디메틸실록세인 기판을 핫 플레이트에 놓고 70 ℃의 온도로 26 분 동안 가열하여 제2 고분자인 상기 단계 2에서 주입된 폴리디메틸실록세인을 반경화시켰다.
그후, 웨이퍼를 제거하고, 기판 표면 기준 횡방향으로 기판을 인장시켜 폴리디메틸실록세인 기판의 길이에 대하여 약 2 배 인장시킨 후, 자외선/오존(UV/O)를 728 μW/cm2의 세기로 30 분 동안 조사하고, 상기 기판의 표면에 100 nm 두께의 금(gold)이 패턴화되어 있는 PMMA 기판을 위치시킨 후, 장력을 해제하여 테라헤르츠 메타물질을 제조하였다.
<실험예 1> 주사 전자 현미경 관찰
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 패턴의 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 패턴을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 패턴의 형성방법으로 제조된 패턴은 원하는 라인 패턴당 2 개의 간격이 일정한 접힘(folding) 구조를 만들 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 접힘(folding) 구조의 위치를 원하는 대로 조절할 수 있어 정밀한 얼라인(align)이 필요한 공정 등에 응용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 패턴의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제1 고분자 기판은 폴리디메틸실록세인(PDMS), 폴리우레탄 계열 고분자 및 에폭시 계열 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 고분자로 이루어진 기판인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2에서 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채우는 방법은,
    제1 고분자 기판에 플라즈마를 조사하는 단계(단계 a); 및
    상기 단계 a에서 플라즈마가 조사된 제1 고분자 기판의 패턴이 형성된 표면에 웨이퍼를 덮은 후, 상기 제1 고분자 기판 측면부에 상기 제1 고분자 기판의 패턴과 상기 웨이퍼에 의하여 형성된 공간으로 제2 고분자를 주입하여 상기 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채우는 단계(단계 b);를 포함하는 방법인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단계 b에서 제2 고분자는 모세관력(capillary force)에 의해서 제1 고분자 기판의 패턴에 채워지는 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고분자는 열 경화성 고분자 또는 광 경화성 고분자인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 경화성 고분자는 사슬의 양 말단 또는 사슬의 측쇄에 광 중합이 가능한 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 아크릴레이트기, 메타크릴레이트기, 에폭시기 및 광경화가 가능한 유기 관능기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 관능기를 포함하는 유기 고분자인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2에서 반경화는 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 5 분 내지 60 분 동안 가열시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3에서 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계는,
    반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면 기준 횡 방향으로 인장시키고, 표면에 박막을 형성한 후, 인장력을 해제하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3에서 표면에 박막을 형성한 후, 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계는,
    반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴을 가지는 표면에 박막을 형성한 후, 제1 고분자 기판 횡 방향에서 압축 응력을 가하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3에서 박막을 형성하는 방법은 자외선(UV) 또는 자외선/오존(UV/Ozone, UVO)을 포함하는 광을 조사하는 방법인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자외선/오존을 조사하는 세기는 0.1 mW/cm2 내지 20.0 mW/cm2인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 자외선/오존을 조사하는 시간은 5 분 내지 200 분인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 횡 방향으로 인장되는 길이는 제1 고분자 기판 길이에 대하여 1.5 내지 3 배인 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 압축 응력의 세기는 응력에 따른 고분자의 변형 정도에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴의 형성방법.
  15. 삭제
  16. 패턴이 형성된 제1 고분자 기판을 준비하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 준비된 제1 고분자 기판의 패턴을 제2 고분자로 채운 후, 상기 제2 고분자를 반경화시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 반경화된 제2 고분자를 포함하는 제1 고분자 기판을 패턴 표면 기준 횡 방향으로 인장시켜 표면에 박막을 형성하고 상기 박막 상부에 금속 패턴을 위치시킨 후, 인장력을 해제하여 주름(wrinkles) 또는 접힘(folding) 구조를 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 주름 또는 접힘 구조를 포함하는 메타물질(metamaterial)의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단계 3의 금속 패턴은 고분자 박막에 형성된 것을 특징으로 하는 주름 또는 접힘 구조를 포함하는 메타물질의 제조방법.
  18. 삭제
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