KR101937555B1 - 마이크로 나노 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및 마이크로 구조체 상에 나노 패턴이 형성된 복합 구조체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 광 디바이스에 관한 것이다.
한편, 본 발명에 의하여 제조된 복합 구조체 및 이를 포함하는 광 디바이스를 제공할 수 있다.

Description

마이크로 나노 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광 디바이스{MICRO-NANO COMPOSITE, MANUFACTURING METHODS THEREOF, AND OPTICAL DEVICE INCLUDING THE COMPOSITE}

본 발명은 다양한 광 디바이스에 적용될 수 있는 마이크로 나노 복합체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광 디바이스에 관한 것이다.

본 발명은 광 디바이스에 다양하게 적용될 수 있는 마이크로 나노 복합 구조체의 제조방법 및 마이크로 나노 구조체를 포함하는 광 디바이스를 제공한다. 마이크로 구조체와 나노 구조체의 계층 구조(hierarchical structure)를 제공하는 것은 광학 특성에 중요한 영향을 미친다. 특히, 나방 눈은 렌즈 형상의 마이크로 구조 상에 나노 렌즈의 계층 구조를 포함하고 있는데, 이러한 구조로 인해 우수한 시력 및 넓은 시야 확보와 움직임에 대한 민감성 등 우수한 광학 특성을 갖게 된다. 나방 눈에서 우수한 광학 특성을 발견한 발명자들은 이를 모방하여 다양한 광학 소자를 개발하려고 하였으나, 종래의 웨이퍼 기반 기술에 의존해 왔기 때문에 그 한계가 있었다. 나방 눈의 우수한 광학 특성을 착안하였음에도 불구하고 해상도, 처리율, 재생산성, 대면적과 같은 산업상 요구되는 조건을 만족시키는 광학 소자를 개발하는 것은 매우 어려운 일이다.

마이크로 구조체와 마이크로 구조체 상에 나노 패턴을 형성하는 복합 구조체를 생산하기 위한 몇 가지 공지된 방법이 있었다. 그러나, 레이저 장비를 이용하는 경우에는 광학 소자를 제조하는데 많은 비용이 소요된다는 어려움이 있고, 대면적의 디스플레이 등에 이용하는 경우, 마이크로 구조체에 나노 구조체가 안정적으로 접촉되지 못하고 나노 구조체를 탈착 하는 경우에 나노 구조체가 부서지기 쉬운 성질을 갖기 때문에 제작에 어려움이 있다.

마이크로 나노 구조체를 포함하는 복합 구조체의 제작에는 아직 해결되어야 할 과제가 존재하지만, 앞서 언급한 문제를 해결한다면 마이크로 나노 구조체를 포함하는 우수한 광학 특성을 갖는 광 디바이스를 제작할 수 있을 것이다.

KR 10-1225601 KR 10-2015-0126899

본 발명의 목적은, 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴이 형성된 복합 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체로, 마이크로 구조체를 형성하는 단계, 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴을 형성하기 위한 위상 전이 마스크를 제공하는 단계, 및 상기 마이크로 구조체 상에 상기 위상 전이 마스크를 접촉, 노광, 현상하는 포토리소그래피 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 위의 방법으로 제조된 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체 및 이를 포함하는 광 디바이스를 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴이 형성된 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이하이면서 나노 패턴의 주기가 1500nm 이하인, 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이상이면서 나노 패턴의 주기가 600nm 이하인, 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 나노 패턴은 PVA 위상 전이 마스크를 이용하여 형성되는, 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, PVA는 1 내지 10㎛의 두께를 갖는, 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 위의 어느 하나의 복합 구조체를 포함하는, 광 디바이스를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체로, 마이크로 구조체를 형성하는 단계, 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴을 형성하기 위한 위상 전이 마스크를 제공하는 단계, 및 상기 마이크로 구조체 상에 상기 위상 전이 마스크를 접촉, 노광, 현상하는 포토리소그래피 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 마이크로 구조체를 형성하는 단계는, 포토리소그래피를 이용하여 제1기판 상에 포지티브 형태의 마이크로 패턴을 형성하는 단계, 상기 제1기판을 130 내지 140℃에서 1 내지 2분간 리플로우 공정을 수행하여 반구형의 렌즈 형상을 형성하는 단계, 반구형의 렌즈 형상 위에 PDMS로 소프트 몰드를 제작하는 단계, 소프트 몰드에 포토레지스트를 도포하고 마이크로 구조체를 형성할 제2기판 상에 배치하는 단계, 상기 제2기판을 핫 플레이트에서 80℃에서 30분 및 100 내지 110℃에서 6~8 시간 동안 베이킹 하는 단계, 상기 제2기판으로부터 소프트 몰드를 분리시켜 마이크로 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일측에 따르면, 위상 전이 마스크는 투명하고 플렉서블한 PVA인 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일측에 따르면, PVA는 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 위상 전이 마스크는 마이크로 구조체 상에 컨포멀 접촉하는, 복합 구조체 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 위 어느 하나의 방법에 의해 제조된 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 위 어느 하나의 방법에 의해 제조된 복합 구조체를 포함하는 광 디바이스를 제공한다.

본 발명의 다른 일측에 따르면, 광 디바이스는 광학필터, 반사방지필름, 및 확산필름 중 어느 하나인 광 디바이스를 제공한다.

본 발명의 복합 구조체는 고가의 레이저 장비를 이용하지 않고, 노광을 이용하여 마이크로 패턴 상에 나노 패턴을 형성하여 복합 구조체를 제작하는 것이므로, 광 디바이스 제작시 비용을 절감할 수 있다.

한편, 본 발명은 대면적의 복합 구조체를 제공할 수 있기 때문에, 광 디바이스 분야에 다양하게 제공할 수 있다.

그러나, 여기에 기재된 효과에 한하지 않고, 발명의 구성에 의해서 도출될 수 있는 다양한 효과를 포함한다.

도 1에서, a는 PVA 박막 위상 마스크로 플렉서블 NFPSL을 나타내는 모식도이고, b는 a로 제작된 광 필름의 디지털 및 SEM이미지이고, c는 Alcides orontes의 나방 눈 구조의 디지털 및 SEM 이미지이다.
도 2는, 본 발명에 의한 복합 구조체의 제조 방법을 나타낸다.
도 3에서, a 내지 j는 PVA 위상 마스크의 두께 및 컨포멀 접촉과의 관계를 나타낸다.
도 4는, 입사각의 강도 분포를 나타낸다.
도 5는, PVA 위상 마스크 두께 및 컨포멀 접촉에 따른 위상 마스크의 변형량을 나타낸다.
도 6은, 복합 구조체의 높이 및 이에 따른 곡률 반경을 나타낸다.
도 7의 a 내지 d는 복합 구조체의 SEM 사진을 나타낸다.
도 8에서, a는 임프린팅의 개략적인 과정을 나타내고, b는 광 필름의 SEM 이미지, c는 PDMS 기판에 패턴이 형성된 후의 웨이퍼 스케일의 광 필름, d는 거리에 따른 입사광 통과의 회절 및 확산을 나타내고, e는 가시 파장에서 광 필름의 확산 투과도를 나타낸다.
도 9에서, a는 확산 필름 부착 전후의 조면 디지털 이미지이고, b는 기존의 확산 필름 및 본 발명에 의한 확산 필름의 부착 후의LED의 전력 효율을 나타내고, c는 본 발명의 확산 필름을 LED에 부착한 것을 나타낸다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성을 나타낸다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 형태 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 사용하는 PDMS란, 폴리 디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane))을 말한다. 그리고, PUA란, 폴리 우레탄아크릴레이트(polyurethane acrylate)을 의미한다. NFPSL이란, 근접장 위상 전이 리소그래피(near-field phase-shift lithography)를 의미하고, PVA란, 폴리 비닐 알코올(poly(vinyl alcohol))을 의미한다.

여기서 사용하는 광 디바이스는, 전기신호를 광신호로 바꾸거나, 혹은 빛과 전기신호의 중간에서 빛을 변조하거나 혼합하는 발광소자를 총칭한다.

여기서 사용하는 마이크로 구조체란 마이크로 패턴이 형성된 기판 전체를 의미하고, 나노 패턴이란 나노 크기의 패턴을 말하는데, 여기서는 마이크로 구조체 상에 형성된 패턴을 의미한다. 복합 구조체란, 마이크로 구조체상에 나노 패턴이 형성된 구조체를 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴이 형성된 복합 구조체를 제공한다. 한편, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이하이면서 나노 패턴의 주기가 1500nm 이하인, 복합 구조체를 제공한다. 상기 범위를 동시에 만족하는 복합 구조체는 저반사의 광학 성능을 나타내기 때문에 광학필터나 반사방지필름에 이용하기에 적합하다. 한편, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이상이면서 나노 패턴의 주기가 600nm 이하인, 복합 구조체를 제공한다. 상기 범위를 동시에 만족하는 복합 구조체는 고확산 광학 성능을 나타내기 때문에 확산필름에 이용하기에 적합한 것으로 나타났다. 본 발명의 일측에 따르면, 나노 패턴은 PVA 위상 전이 마스크를 이용하여 형성되는, 복합 구조체를 제공한다. 종래에는 PVA 위상 전이 마스크를 이용하여 마이크로 구조체 상에 나노 패턴을 형성한 복합 구조체가 없었으나, PVA 위상 전이 마스크를 이용을 착안하여 복합 구조체를 형성함으로써 우수한 광학 특성을 갖는 복합 구조체를 얻을 수 있었다. 1 내지 10㎛ 두께의 박막 PVA위상 마스크가 바람직하고, 특히 1 내지 3㎛ 두께의 박막 PVA위상 마스크가 바람직하다. PVA 위상 마스크의 두께가 10㎛ 보다 클 때, PVA의 상대적으로 높은 밴딩 강도는 컨포멀의 접촉을 하지 않을 뿐만 아니라 두께로 인해 패턴이 높아지기 때문에 이용에 제한적이다. 두께가 1㎛ 보다 작은 박막 PVA위상 마스크는 제조시 컨트롤 하는 것이 어려운 문제가 있다. 본 발명은 위의 어느 하나의 복합 구조체를 포함하는, 광 디바이스를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체로, 마이크로 구조체를 형성하는 단계, 상기 마이크로 구조체 상에 나노 패턴을 형성하기 위한 위상 전이 마스크를 제공하는 단계, 및 상기 마이크로 구조체 상에 상기 위상 전이 마스크를 접촉, 노광, 현상하는 포토리소그래피 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다. 마이크로 구조체를 형성하는 단계는, 포토리소그래피를 이용하여 제1기판 상에 포지티브 형태의 마이크로 패턴을 형성하는 단계, 상기 제1기판을 130 내지 140℃에서 1 내지 2분간 리플로우 공정을 수행하여 반구형의 렌즈 형상을 형성하는 단계, 반구형의 렌즈 형상 위에 PDMS로 소프트 몰드를 제작하는 단계, 소프트 몰드에 포토레지스트를 도포하고 마이크로 구조체를 형성할 제2기판 상에 배치하는 단계, 상기 제2기판을 핫 플레이트에서 80℃에서 30분 및 100 내지 110℃에서 6~8 시간 동안 베이킹 하는 단계, 상기 제2기판으로부터 소프트 몰드를 분리시켜 마이크로 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다. 위상 전이 마스크는 투명하고 플렉서블한 PVA인 복합 구조체의 제조 방법을 제공한다. PVA는 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 복합 구조체의 제조 방법을 제공하고, 위상 전이 마스크는 마이크로 구조체 상에 컨포멀 접촉하는, 복합 구조체 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 위의 방법 중 어느 하나에 의해 제조된 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체를 제공한다. 위 방법 중 어느 하나에 의해 제조된 복합 구조체를 포함하는 광 디바이스를 제공한다. 광 디바이스는 광학필터, 반사방지필름, 및 확산필름 중 어느 하나일 수 있다.

이하, 본 발명을 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 기본적인 개념 및 실험 절차를 나타낸다. 마이크로 구조체 상에, 600에서 1500nm 범위의 주기로 나노 패턴이 형성된 사각 및 육면체 홀 어레이를 포함하는 박막 위상 마스크를 복제한다. 마스크의 사이클(duty cycle)은 50%로 고정되고, 마스크의 높이는 주어진 조건에서 π 위상 전이를 만족하도록 고안된다. 위상 전이는 식(1)과 같이 표현될 수 있다.

φ= 2π /λ Δn·d

(여기서, n은 위상 마스크 및 둘레 매체 사이의 굴절률 차이, d는 격자 높이, λ 는 빛의 입사 파장이다.) 만일, 포토 폴리머 필름이 위상 마스크 아래에 위치한다면, 근접장 회절 간섭의 결과로 위상 마스크를 통하는 빛이 투과하게 되고, 위상 마스크를 통과하여 투과된 빛은 포토 폴리머 내에 특유의 광 산란을 만든다. 나노스케일 해상도를 갖는 다양한 임의의 패턴은 굴절율 주기(p) 및 입사 파장의 함수로 생성될 수 있다. 나노 패턴이 근접장 효과가 유용함에도 불구하고, 종래에는 비평면의 커브된 마이크로 패턴 상에 근접장 위상 전이 리소그래피(NFPSL)를 적용한 예가 없었다. 본 발명의 발명자는 서브마이크론 격자를 갖는 반 커버된 PVA 위상 마스크 필름과 비평면 기판으로 마이크로 렌즈 패턴의 형상 내에 임프린트된 포토 폴리머를 준비했다(도 1). 박막 PVA 필름의 낮은 밴딩 강도로 인해 필름을 플렉서블하게 만들고, 어떠한 외부 압력 없이도 비평면 기판 상에 컨포멀의 접촉을 만들었다. UV노광(365m) 및 현상 후에, 포토폴리머 필름은 PVA 위상 마스크의 가운데 경계에서 두 영역으로 나뉜다(도 1). 홀 격자 영역 아래에서, 서브 마이크론 주기를 갖는 나노 패턴은 마이크로 렌즈 패턴의 표면 상에 균일하게 형성된다. 격자가 없는 필름의 나머지 반은 매끄럽게 남는다(도 1). 이러한 결과는, 만일 플렉서블 위상 마스크와 포토 폴리머 사이에 단지 컨포멀 접촉만 있다면 근접장 효과는 마이크로 사이즈로 커브된 표면에도 동일하게 효과가 있을 것이라는 점을 증명하는 것이다. 실제로, 복합 구조체의 높이가 15㎛일 때 35㎛의 격자 반경을 갖는 마이크로 렌즈 패턴 상에 고밀도의 나노 패턴을 포함시켰다. 나노 패턴은 반구형의 마이크로 렌즈 패턴으로 인해 돌출된 마이크로 렌즈 부분과 마이크로 패턴과 패턴 사이의 좁은 영역을 완전히 커버하였다. 웨이퍼 기반의 종래 리소그래피 기술로는 달성하기 어려웠으나,나방 눈 샘플(Alcides Orontes)과 유사한 구조를 이용함으로써, 굴곡이 있는 반구형 마이크로 패턴이 형성된 구조를 완전히 커버할 수 있게 되었고, 해상도는 전 방향 반사방지 효과로 광 투과율을 극대화할 수 있었다.

박막 확산 광학 요소의 컨포멀 접촉 메커니즘

도 3은 딱딱한 PVA 위상 마스크로 러프한 표면 상에 컨포멀 접촉이 실현될 수 있는 메카니즘을 설명한다. 일반적으로, 필름과 기판 사이의 계면 메커니즘과 소프트 접촉은 컨포멀의 접촉 특성을 결정한다. 기판 특성이 다양하지 않다는 점에 기초하면, 계면 접촉을 결정하는 두 가지 중요한 요소는 필름의 두께와 탄성 계수이다. 계면 접촉과 관련된 총 에너지는 다음과 같이 나타난다.

U _interface = U _{phase mask_bending} + U _{substrate _elasticity} + U _adhesion

U _{phase mask_bending}, U _{substrate _elasticity}, U _adhesion 는 위상 마스크의 밴딩 에너지, 기판의 탄성 에너지, 접촉의 접촉 에너지이다. 접촉 에너지가 위상 마스크의 밴딩 에너지와 기판의 탄성 에너지 합계를 넘으면, 컨포멀의 접촉은 반데르발스 힘에 의해 발생한다. 이러한 형상은 전체 에너지가 포지티브라는 것을 암시한다. 분석 값은 이상적인 필름 두께를 제공하는데, 이는 임계 두께와 같이, 실험적인 조건으로 컨포멀 접촉을 생성하는 것과 관련된다. 기판의 표면 모폴로지가 사인 곡선이라고 가정하면, 기판의 탄성 에너지는 마이크로 렌즈의 거칠기와 포토 폴리머의 탄성 모듈로 결정된다 (E~2Gpa). 마스크의 밴딩 에너지는, PVA필름의 두께와 0.1N/m의 접촉 유효량을 고려하여 효과적인 밴딩 강도를 결정한다. 마이크로 렌즈 패턴의 높이가 증가함에 따라 격자 반경이 감소하는 경향이 나타났고, 전체 에너지는 급격하게 감소하고 임계 두께는 PVA위상 마스크의 두께에 따라 점차 아래로 이동하였다(도3의 (a)). 결과적으로, 더 얇고 더 플렉서블한 위상 마스크는 더 큰 거칠기를 갖는 기판 상에 컨포멀 접촉을 만족한다. 복합 구조체의 높이가 40㎛일 때, 3㎛ 이하의 PVA 위상 마스크의 두께는 컨포멀 접촉을 제공할 수 있다. 실험 결과도 이러한 계산과 일치하였다. 즉, 1 내지 10㎛ 두께의 박막 PVA위상 마스크가 바람직하고, 특히 1 내지 3㎛ 두께의 박막 PVA위상 마스크가 바람직하다. PVA 위상 마스크의 두께가 10㎛ 보다 클 때, PVA의 상대적으로 높은 밴딩 강도는 컨포멀의 접촉을 하지 않을 뿐만 아니라 두께로 인해 패턴이 높아지기 때문에 이용에 제한적이다. 두께가 1㎛ 보다 작은 박막 PVA위상 마스크는 제조시 컨트롤 하는 것이 어려운 문제가 있다. 두께가 3㎛ 인 박막 PVA위상 마스크는, 복합 구조체의 높이가 8㎛인 마이크로렌즈 어레이 포토 폴리머 기판에 상대적으로 플렉서블하고 완전하게 부착되었다. PVA 위상 마스크의 표면 홀 격자는, 위상 마스크의 형태 회복력을 부여하는 충분한 접촉 에너지를 갖기 때문에, 몇 분 후에 마이크로 렌즈의 굴곡면과 평평한 밸리 모두 완전히 컨포멀 접촉을 유지한다. 이러한 실험을 기초로, 탄성을 갖는 PVA 위상 마스크는 기계적인 압력을 가하지 않고도 반구형 마이크로 렌즈에 완전하게 컨포멀 접촉을 제공하는 방식으로 적용된 스트레인에 반응을 한다. 더 구체적으로, PVA 위상 마스크의 플라스틱 변형 상에 제한된 FEM을 사용하여 수행하였다.

비평면 기판 상의 플렉서블 근접장 위상 전이 리소그래피

도 4는 박막 플렉서블 PVA 위상 마스크에 의해 형성된 계층 구조를 보여준다. 평평한 기판에 입사광이 생성될 때, 회절빔의 경계는 근접영역에서의 깊이 방향에 따라 몇 백 마이크론까지 빛의 주기적인 분산 강도를 생성한다. 탈봇 또는 셀프 이미징 효과라고 하는 이러한 예외적인 광학 효과는 비평면 기판의 경우에도 동일하다. 그러나, 포토 폴리머 현상 후, 고체 포러스 구조는 빛에 대해 분산하는 센터로 작용하고, 빛의 투과를 현저하게 감소하는 것을 보여준다. 짧은 거리에 UV 램프로 원하지 않는 낮은 포러스 층을 제거하기 위해 고흡수 네거티브 레지스트를 이용하고, 반사 방지의 나노 패턴화된 표면만을 남겨두었다. 포토 폴리머의 흡광 계수가 365nm에서 ~0.6㎛^{- 1}일때, 입사광의 효율적인 침투 깊이는 표면으로부터 단지 500nm 이하로 제한된다. 종래에는 우수한 광학 특성을 갖는 나방의 복합 눈 구조를 모방하는 것에 한계가 있었으나, 본 발명은 나노 홀 격자를 갖는 박막 PVA필름과 임프린트된 마이크로 렌즈 패턴을 갖는 고흡수 포토 폴리머를 이용하여 근접장 리소그래피를 이용하여 나방의 복합 눈 구조를 성공적으로 모방하였다. 표면 텍스쳐에 대한 노출량 및 현상 시간은 각각 20mJ/cm² 및 120s 이다. 나노 패턴의 높이 및 패턴 모양은 현상 시간에 많은 영향을 받지 않는다. 포토 폴리머 기판 상에 나노 패턴의 밀도는, 나토 패턴의 주기를 600 ~ 1500nm으로 변화시킴으로써 정확하게 컨트롤된다. 특히, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이하이면서 나노 패턴의 주기가 1500nm 이하인 경우에는, 저반사 광학 성능이 나타났다. 따라서, 상기 범위를 동시에 만족하는 복합 구조체는 광학필터나 반사방지필름에 이용하기에 적합하다. 한편, 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이상이면서 나노 패턴의 주기가 600nm 이하인 경우에는, 고확산 광학 성능이 나타났다. 따라서, 상기 범위를 동시에 만족하는 복합 구조체는 확산필름에 이용하기에 적합한 것으로 나타났다. 모든 케이스에서, 나노 패턴은 곡면 및 깊은 밸리를 포함하는 마이크로 렌즈 패턴 상에 균일하게 생성된다. 1000nm의 주기 이상에서, 더 높은 차수의 회절이 더 복잡한 간섭을 만들기 때문에 단일 패턴에서 임의의 형상으로 표면 텍스쳐가 변형이 된다.

어플리케이션

본 발명의 복합 구조체는 다기능 광학 필름에 이용될 수 있고, 복합 구조체 계층 구조의 다양성 및 유용성을 보여준다. 계층 구조에서, 상부 나노 패턴과 하부 마이크로 렌즈의 주기적인 패턴은 광학적으로 반사방지 및 확산을 유도한다. 패턴화된 포토 폴리머 구조는, 연속적인 임프린팅 공정을 통해서 플렉서블하고 스트레쳐블한 광학 필름을 제조할 수 있고, 반투과성이고 재사용 가능한 복합체를 제공할 수 있다. 제1단계로, 음각 구조는 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)를 사용한 템플릿으로부터 반대로 복제되고, 이는 통합된 플루오린 방출제로 인해 낮은 표면 에너지를 갖는다. PDMS로 연속적인 몰딩을 하는 경우, 원래의 템플릿과 완전히 동일한 패턴화된 계층 구조를 갖는 광학 필름을 제조할 수 있다. 광학 필름의 영역은 높은 균일도로 4*4 inch까지 확장될 있고, 솔라셀의 광 트랩 유닛, 시트 방출 디스플레이의 확산시트, 무드 라이트, 및 투명 프로젝션 스크린과 같은 다양한 광 디바이스 분야에서 유용하다. 일반적으로 광 필름에 입하사는 입사레이저(~633nm)는 필름이 63㎛의 주기를 갖는 마이크로 렌즈의 육각 어레이로 이루어지기 때문에, 실제로 효율적으로 확산된다. 거리가 10cm를 초과하면, 각각 프라운호퍼 회절은 명확하게 스크린상에 포커스된다. 기존의 확산필름으로 이용된 나방 눈 형태 필름과 중요한 차이는 광학 투과도이다. 격자는 반사 방지 기능 때문에 상부의 나노 패턴층이 없는 기존의 확산필름과 비교하여 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 개선된 확산 투과도(>3%)와 감소된 반사도를 나타낸다. 이러한 값은 기존의 실제 복합 눈과 유사한 구조를 갖는 연구에 비해 매우 우수한 효율을 나타낸다. 한편 본 발명에 의한 확산 필름은 투명 확산 스크린과 같은 시트 방출로 포인트 방출을 변경하여 사용될 수 있다. 이러한 컨셉을 증명하기 위해, 도 9에서는 PDMS 슬래브로 지지되는 확산 필름은 넓은 밴드의 가시 파장을 커버하는 5가지 다른 색상을 가진 8x8 LED 매트릭스 상에 부착하였다. PDMS 슬래브와 LED 매트릭스 영역의 두께는 각각 1cm, 0.8*0.8 inch 로 고정된다. 모든 경우에, 확산 스크린 상에 포커스된 이미지는 시트 조명으로 성공적으로 변화되었다. 이는 원래의 분리된 포인트 조명과 다르다. 또한 이러한 조명은 높은 전기 전력(4%)를 나타냈고, 이는 전력 소비가 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 대면적 플렉서블 LED 어레이로부터 시트 조명은 웨이퍼 스케일로 커버되고, 나방 눈 형상의 필름은 다양한 기술 분야에 적용될 수 있음을 증명하였다.

이하에서는, 박막 위상 마스크, 마이크로 구조체, 복합 구조체, 및 광 디바이스의 제조 방법에 대하여 실시예에 기초하여 상세히 설명한다. 이하 실시예는 본 발명의 구체적인 일 예에 불과하므로 본 발명의 범위는 이하에 기재된 범위로 한정되지 않는다.

실시예 1 : 박막 위상 마스크의 제조 방법

통상적인 포토 리소그래피와 에칭 공정으로, 높이 420nm이고 다양한 서브 마이크론 직경과 주기성을 갖는 마스터를 준비한다. PUA(MINS-311RM) 모노머의 소량(20㎕)을 Si 기판 상에 떨어뜨리고, 공기가 포집되지 않도록 주의하면서 플렉서블 필름으로 덮는다. 몇 초 후에, PUA모노머는 모세관 현상으로 확산되어 완전히 홀에 채워진다. PUA 모노머는 200mJ/cm²의 에너지량의 UV노출(365nm)시 완전히 경화된다. 고체 PUA 레플리카를 Si 기판으로부터 주의하여 벗겨낸다. PVA용액(4wt% in water, Mw:89,000-98,000) 소량(3mL)을 두 번째 마스터로 이용되는 PUA레플리카 상에 떨어뜨린다. 두께는 30s 동안 500~600rpm의 스핀 속도를 적용하여 다양하게 제어될 수 있다. 10분 동안 80℃의 오븐에서 마일드 어닐링하는 동안, 에어 버블 없이 용매는 완전히 증발된다. 원래의 홀 패턴을 갖는 고체 PVA 필름을 마스터로부터 완전히 벗겨내면, 이것은 플렉서블하고 컨포멀의 위상 마스크로 제공된다.

실시예 2 : 마이크로 렌즈 구조체의 제조 방법

포토 폴리머(AZ 9245, 마이크로 케미컬)의 육각 어레이를 제공하고, Cr 코팅된 유리 기판(제1기판)은 포토 리소그래피에 의해 패턴이 형성된다. 반구형 마이크로 렌즈 패턴을 제조하기 위하여 패턴화된 샘플의 리플로우를 1분간 140℃에서 핫 플레이트 상에서 수행한다. 마이크로 렌즈 패턴의 곡률 반경은 포토 폴리머의 최초 두께에 의해 제어된다. 80g의 PDMS(Sylgard184, 다우코닝사)을 패턴화된 기판에 붓고, 12시간 동안 65℃에서 경화시킨다. 완전히 크로스 링크된 후에, 음각이 형성된 경화 PDMS는 기판으로부터 분리되어 템플릿 몰드(제2기판)로 제공된다. 소량(20mL)의 포토 폴리머(AZ nLOF 2035, 마이크로 케미컬)를 PDMS 몰드 상에 떨어뜨린다. 샘플을 30s 동안 500rpm으로 스핀코팅하고, 마이크로 버블을 제거하기 위해 챔버 내에서 1분 동안 0.1MPa의 진공 상태를 유지한다. 평평한 포토 폴리머 표면을 두꺼운 유리 기판으로 덮는다. 80℃에서 30분, 및 110℃에서 8시간 동안 두 단계로 열 어닐링을 하면 디라미네이션 없이 포토 폴리머가 경화된다. 냉각 후, PDMS 몰드를 유리 기판 상의 마이크로 렌즈 패턴 포토 폴리머로부터 제거한다.

실시예 3 : 마이크로 나노 복합체의 제조 방법(F- NFPSL )

3㎛ 두께의 PVA 위상 마스크를 임프린트된 포토 폴리머 기판(제2기판)의 상부에 위치시킨다. 몇 초 내에, 마스크는 반데르발스 힘 작용으로 인해 자발적으로 기판에 완전히 컨포멀 접촉된다. 콜리메이트된 UV(365nm)은 15 내지 40mJ/cm²의 제한된 에너지량으로 위상 마스크를 통하여 노광된다. 기판으로부터 마스크를 분리한 후, 노광된 영역의 완전한 크로스 링크는 30s 동안 110℃의 핫 플레이트에서 포스트 베이킹으로 달성된다. 비노광된 영역은 현상액(AZ 300MIF, 마이크로 케미컬)을 이용하여 선택적으로 2분간 용해된다. 큰 곡률반경이 이용되면, 현상 시간은 4분까지 증가한다. 웨트 샘플은 질소 가스를 사용하여 건조된다.

실시예 4 : 연속적인 임프린팅을 이용하여 플렉서블 기판으로 패턴 이동

소량(20mL)의 PUA 모노머를 패턴화된 포토 폴리머 상에 떨어뜨린다. 350mJ/cm²의 에너지량으로 UV 노광(365nm) 하에서, PUA는 완전히 크로스 링크되고 고체 필름으로 남는다. 음각을 갖는 PUA 레플리카는 템플릿으로부터 주의하여 벗겨낸다. 다량(80g)의 PDMS를 두번째 템플릿으로 이용되는 PUA 레플리카 상에 떨어뜨린다. 12시간 동안 65℃에서 경화 후, 원래의 표면 패턴을 갖는 PDMS필름을 템플릿으로부터 주의 깊게 분리해 낸다.

실시예 5 : 마이크로 나노 복합 구조체를 포함하는 확산 필름의 효율 평가

앞서 설명한 방법으로 제조된 복합 구조체를 확산필름을 포함하는 광 디바이스에 이용하였다. 기존의 확산 필름 대신 상기 방법으로 제조한 복합 구조체를 광 디바이스에 적당한 사이즈와 두께로 포함시켰다. 광 디바이스의 효율은 기존 확산 필름을 이용하는 경우에 비하여 4% 높은 투과도를 나타냈다.

실시예 6 : 마이크로 나노 복합 구조체를 포함하는 확산필름을 이용한 LED출력 평가

상업적으로 이용 가능한 8x8 LED 도트 매트릭스 및 플렉서블 대면적 LED 어레이는 Adrafuit 인더스트리로부터 구매한 것이다. 저항 서포트된 LED를 갖는 회로 기판은 전기적으로 전력 공급에 연결된다. 작동전류는 10 내지 50mA이다. LED의 출력은 두꺼운 PDMS 슬래브(1cm)로 지지되는 확산필름을 부착하기 전 후의 모노크로매틱 파장에서 광학 탐지기로 측정하였다. 본 발명으로 제조된 복합 구조체를 포함하는 확산필름을 이용한 LED의 경우, 기존의 LED에 비해 4% 높은 전기 전력을 나타냈다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

1. 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및
   상기 마이크로 구조체 상에 균일한 주기의 나노 패턴이 형성된 복합 구조체로서,
   상기 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이하이면서 나노 패턴의 주기가 1500nm 이하이고,
   상기 나노 패턴은 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 PVA 위상 전이 마스크를 이용하여 형성되는 것인, 복합 구조체.
   
   
2. 반구형 렌즈 형상의 마이크로 구조체, 및
   상기 마이크로 구조체 상에 균일한 주기의 나노 패턴이 형성된 복합 구조체로서,
   상기 복합 구조체의 높이가 5㎛ 이상이면서 나노 패턴의 주기가 600nm 이하이고,
   상기 나노 패턴은 1 내지 10㎛의 두께를 갖는 PVA 위상 전이 마스크를 이용하여 형성되는 것인, 복합 구조체.
   
   
3. 제1항 또는 제2항의 복합 구조체를 포함하는, 광 디바이스.
   
4. 마이크로 구조체 및 나노 패턴을 포함하는 복합 구조체의 제조 방법으로서,
   마이크로 구조체를 형성하는 단계,
   상기 마이크로 구조체 상에 균일한 나노 패턴을 형성하기 위하여 투명하고 플렉서블한 PVA 위상 전이 마스크를 제공하는 단계, 및
   상기 마이크로 구조체 상에 상기 PVA 위상 전이 마스크를 접촉, 노광, 현상하는 포토리소그래피 단계를 포함하고,
   상기 PVA 위상 전이 마스크는 상기 마이크로 구조체 상에 컨포멀 접촉하는, 복합 구조체의 제조 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 마이크로 구조체를 형성하는 단계는,
   포토리소그래피를 이용하여 제1기판 상에 포지티브 형태의 마이크로 패턴을 형성하는 단계,
   상기 제1기판을 130 내지 140℃에서 1 내지 2분간 리플로우 공정을 수행하여 반구형의 렌즈 형상을 형성하는 단계,
   상기 반구형의 렌즈 형상 위에 PDMS로 소프트 몰드를 제작하는 단계,
   상기 소프트 몰드에 포토레지스트를 도포하고 제2기판 상에 배치하는 단계,
   상기 제2기판을 핫 플레이트에서 80℃에서 30분 및 100 내지 110℃에서 6~8 시간 동안 베이킹하는 단계,
   상기 제2기판으로부터 상기 소프트 몰드를 분리시켜 마이크로 구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 복합 구조체의 제조 방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 PVA 위상 전이 마스크는 1 내지 10㎛의 두께를 갖는, 복합 구조체의 제조 방법.
   
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

Images