KR102180106B1 - 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법 - Google Patents

슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법에 관한 것으로, 베이스 원통금형의 표면에 제 1 물질층을 형성하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;제 1 물질층과 다른 제 2 물질층을 이용하여 마스터 슬리브 몰드를 제작하는 단계;마스터 슬리브 몰드를 이용하여 복제 나노금형을 제작하는 단계;제작된 복제 나노금형을 원통 베이스 금형과 결합하여 실제 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 단계;를 포함하는 것이다.

Description

슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법{Sleeve type roll mold manufacturing method for nano and micro patterning applied to roll to roll imprint lithography}
본 발명은 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 관한 것으로, 구체적으로 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법에 관한 것이다.
나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL)는 마이크로 스케일의 패턴을 갖는 고분자 소재 제품의 대량 생산에 사용되는 엠보싱/몰딩 기술을 리소그래피에 적용한 것이다.
NIL의 핵심은 전자빔 리소그래피를 이용하여 나노스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고, 스탬프를 고분자 박막에 각인하여, 나노스케일의 구조를 전사하고, 이를 반복 사용함으로써, 전자빔 리소그래피의 생산성 문제를 극복하는 것이다.
Chou 교수가 제안한 NIL에서는 나노크기의 패턴이 부조(요철) 형태로 형성된 스탬프로 PMMA 재질의 레지스트가 코팅되어 있는 기판 표면을 유리전이 온도 이상의 고온조건인 140-180℃에서 고압으로 누른 후 100℃ 이하로 냉각시켜 분리하게 된다.
이러한 공정은 고온으로의 가열, 고압으로의 가입 그리고 유리 전이 온도 이하로의 냉각 공정이 필수적이기 때문에 임프린팅 몰드의 손상이 쉽고 고분자 기판의 적용이 어려우며 공정시간이 길다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 상온에서 액상으로 존재하다가 UV를 조사하게 되면 경화되는 UV 경화 레지스트를 이용한 UV 나노임프린팅 리소그래피 기술(UV-NIL)이 개발되었다. UV-NIL은 1996년 Haisma 등에 의하여 최초로 제안되었는데, PMMA와 같은 열가소성 재질을 사용하는 가열식 NIL과 달리 저점성 광경화성 수지와 이를 경화하기 위하여 자외선을 사용하는 것이 특징이다.
따라서, UV-NIL은 상온 저압고정이 가능하여 다층화 공정 및 대량 생산에 적합하다는 장점을 갖고 있다.
그러나 이러한 모든 나노임프린트 리소그래피 기술은 평판 임프린팅 몰드를 이용하여 나노 패턴을 형성하는 기술이다.
평판 임프린팅 몰드로 이미지드럼에 도전성 페이스트를 전사하는 기술은 연속성이 없기 때문에 공정의 연속성을 가하여 나노 패턴의 생산성을 향상시키기 위해 롤투롤(roll to roll) 또는 롤투릴(roll to rell) 나노 임프린트 리소그래피 기술이 개발되었다.
롤투롤 나노임프린트 리소그래피 기술은 롤 몰드를 이용하여 롤에 감길 수 있는 기판 위에 나노임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 것이고, 롤투릴 나노임프린트 리소그래피 기술은 롤 몰드로 평판 기판 위에 나노 패턴을 형성하는 기술이다.
이러한 롤투롤 또는 롤투릴 나노임프린트 리소그래피 기술은 기존의 나노임프린트 리소그래피 기술과 같이 써멀(thermal) 방식이나 UV 방식으로 나뉜다.
써멀 방식의 롤투롤 또는 롤투릴 나노임프린트 리소그래피 기술은 금속 기반의 롤 몰드를 주로 이용하고 UV 방식의 롤투롤 또는 롤투릴 나노임프린트 리소그래피 기술은 투명한 고분자 몰드를 복제하여 이를 유리관 외벽에 부착함으로써 UV 롤 나노임프린트 리소그래피용 투명 몰드를 제작하여 사용한다.
UV 롤 나노임프린트 리소그래피용 몰드로는 주로 투명 고분자 몰드를 마스터 몰드로부터 복제하여 이를 유리관 외벽에 부착한 것을 주로 사용한다.
이러한 방식의 롤 몰드는 고분자 물질 특성상 내구성이 현저하게 떨어진다.
높은 내구성을 갖는 고분자 몰드 재료의 경우 물질의 강성(rigid)으로 인하여 변형 시 쉽게 깨지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 고분자 몰드를 핸들링 하기 위해서는 고분자 몰드가 일정 두께 이상 두꺼워야 하는데 이러한 것에 의해 고분자 몰드가 서로 이어지는 부분에서 결함이 크게 발생할 수 있다.
이와 같은 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 기술에 적용하는 롤 금형은 베이스 금형이라고 불리우는 패턴이 없는 원통형 금속 구조물에 기능을 가지는 나노 또는 마이크로 패턴을 형성하여 롤 금형으로 사용하였다.
나노 및 마이크로 패턴이 형성된 롤 금형의 경우 일정시간 공정 이후에는 패턴의 마모, 손상등으로 수명을 다하게 되면 재사용이 어렵고 새롭게 만들어서 사용해야하기에 높은 공정 비용과 시간을 소모하게 된다.
따라서, 많은 시간이 소요되는 공정을 최소화하고 원형 패턴을 형성한 이후 계속적인 복제가 가능한 새로운 기술의 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용하기 위한 롤 금형 제조 기술의 개발이 요구되고 있다.
국제공개특허번호 WO 2018/009026호 한국공개특허번호 10-2018-0009825호 (특허 문헌 3) 한국등록특허번호 10-1365211호
본 발명은 종래 기술의 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에서의 롤 금형 제조 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 롤 금형을 베이스 금형과 패턴을 가지는 슬리브금형 2부분으로 제작하고 패턴이 형성된 부분을 복제 공정을 이용하여 생산 및 사용함으로써 롤 금형을 만드는 가공 시간이나 가공비용을 줄일 수 있도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 슬리브형 금형을 사용하여 일정시간 생산공정이후 발생하는 패턴의 손상으로 소모되는 롤 금형을 복제 공정을 통해 단순한 공정과 저렴한 비용으로 제작할 수 있도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 슬리브형 금형을 제작하기 위해 패턴을 형성하는 방식으로 패턴 전사 공정을 제안하여 복제 공정을 통해 원하는 패턴을 빠른시간에 제작할 수 있도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 금형에 패턴을 형성하는 과정에서 레이저등을 이용한 직접 각인과 같이 많은 시간이 소요되는 공정을 최소화하고 원형 패턴을 형성한 이후 계속적인 복제가 가능하도록 한 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법은 베이스 원통금형을 준비하여 베이스 원통금형의 표면에 PR을 코팅하여 PR층 형성하는 단계;PR 층을 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;나노 및 마이크로 패턴이 형성된 PR 패턴층 표면에 전기도금(electroforming) 공정으로 마스터 슬리브 몰드 형성용 물질층을 형성하는 단계;아세톤이나 알콜류로 용해시켜 PR 패턴층을 제거하여 원통 형상으로 내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드를 제작하는 단계;내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드 내부에 전기도금(electroforming) 공정으로 복제 나노금형 형성용 물질층을 형성하는 단계;마스터 슬리브 몰드를 분리하여 복제 나노금형을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
여기서, 제작된 복제 나노금형이 원통 베이스 금형의 외측에 위치하도록 복제 나노금형을 원통 베이스 금형에 끼워 실제 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
그리고 복제 나노금형을 제작하는 단계에서, 마스터 슬리브 몰드를 분리하기 위하여 복제나노 금형 형성용 물질층을 형성하기 전에 마스터 슬리브 몰드의 내부 표면에 산화층(Oxide Film)을 증착하고 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계에서, 베이스 원통금형의 표면에 원통 코팅 공정으로 PR을 코팅하고, 나노 및 마이크로 패턴을 롤 투 플레이트(Roll to plate) 임프린트 공정으로 패턴 전사를 하는 것을 특징으로 한다.
삭제
그리고 마스터 슬리브 몰드를 고분자 필름 슬리브 형태로 제작하거나, 평판형 전주도금을 이용하는 형태로 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 분리된 마스터 슬리브 몰드는 복제 나노금형을 제작하는 공정에 반복적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한다.
둘째, 롤 금형을 베이스 금형과 패턴을 가지는 슬리브금형 2부분으로 제작하고 패턴이 형성된 부분을 복제 공정을 이용하여 생산 및 사용함으로써 롤 금형을 만드는 가공 시간이나 가공비용을 줄일 수 있다.
셋째, 슬리브형 금형을 사용하여 일정시간 생산공정이후 발생하는 패턴의 손상으로 소모되는 롤 금형을 복제 공정을 통해 단순한 공정과 저렴한 비용으로 제작할 수 있도록 한다.
넷째, 슬리브형 금형을 제작하기 위해 패턴을 형성하는 방식으로 패턴 전사 공정을 제안하여 복제 공정을 통해 원하는 패턴을 빠른시간에 제작할 수 있다.
다섯째, 금형에 패턴을 형성하는 과정에서 레이저등을 이용한 직접 각인과 같이 많은 시간이 소요되는 공정을 최소화하고 원형 패턴을 형성한 이후 계속적인 복제가 가능하도록 한다.
도 1a내지 도 1g는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정 단면도
도 2는 본 발명에 따른 심리스(Seamless) 원통금형 제조 방법을 나타낸 구성도
도 3a와 도 3b는 나노 및 마이크로 패턴을 형성하기 위한 패턴 전사 공정 방법의 실시 예를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정의 상세 구성도
도 5는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1a내지 도 1g는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정은 도 5에서와 같이, 크게, 베이스 원통금형의 표면에 제 1 물질층을 형성하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계, 제 1 물질층과 다른 제 2 물질층을 이용하여 마스터 슬리브 몰드를 제작하는 단계, 마스터 슬리브 몰드를 이용하여 복제 나노금형을 제작하는 단계, 제작된 복제 나노금형을 원통 베이스 금형과 결합하여 실제 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 단계로 이루어진다.
여기서, 제 1 물질층은 PR을 사용하고, 제 2 물질층은 고분자 필름 형성용 물질이 사용될 수 있다.
구체적으로, 베이스 원통금형을 준비하여 베이스 원통금형의 표면에 PR을 코팅하여 PR층 형성하는 단계(S501)와, PR 층을 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계(S502)와, 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 PR 패턴층 표면에 전기도금(electroforming) 공정으로 마스터 슬리브 몰드 형성용 물질층을 형성하는 단계(S503)와, PR 패턴층을 제거하여 원통 형상으로 내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드를 제작하는 단계(S504)와, 내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드 내부에 전기도금(electroforming) 공정으로 복제 나노금형 형성용 물질층을 형성하는 단계(S505)와, 마스터 슬리브 몰드를 분리하여 복제 나노금형을 제작하는 단계(S506)를 포함한다.
이와 같은 공정 단계를 갖는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 공정을 공정 단면도를 기준으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1a에서와 같이, 베이스 원통금형(10)을 준비하여 베이스 원통금형(10)의 표면에 PR을 코팅하여 PR층(11)을 형성한다.
이어, 도 1b에서와 같이, PR 층(11)을 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴 형성한다.
그리고 도 1c에서와 같이, 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 PR 패턴층(11a)의 표면에 전기도금(electroforming) 공정으로 마스터 슬리브 몰드 형성용 물질층(12)을 형성한다.
이어, 도 1d에서와 같이, PR 패턴층(11a)을 제거하여 도 1e에서와 같이, 원통 형상으로 내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드(12a)를 제작한다.
여기서, PR 패턴층(11a)의 제거는 아세톤이나 알콜류로 제거하는 것이 바람직하고, 이로 제한되지 않는다.
그리고 도 1f에서와 같이, 마스터 슬리브 몰드(12a)의 내부 표면에 복제나노 금형 형성용 물질층(13)을 형성하고, 도 1e에서와 같이, 마스터 슬리브 몰드(12a)를 분리하여 복제 나노금형(13a)을 제작한다.
여기서, 마스터 슬리브 몰드(12a)의 분리는 복제나노 금형 형성용 물질층(13)을 형성하기 전에 마스터 슬리브 몰드(12a)의 내부 표면에 산화층(Oxide Film)을 증착하고 공정을 진행하여 분리 공정이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 심리스(Seamless) 원통금형 제조 방법을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 심리스(Seamless) 원통금형은 도 2에서와 같이 제작되는 것으로, 평면 레이저 간섭노광 기술을 적용하여 제작한다.
그리고 베이스 원통금형의 표면에 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 공정은 다음과 같다.
도 3a와 도 3b는 나노 및 마이크로 패턴을 형성하기 위한 패턴 전사 공정 방법의 실시 예를 나타낸 구성도이다.
도 3a는 베이스 원통금형의 표면에 원통 코팅 공정으로 제 1 물질층(PR)을 코팅하고, 나노 및 마이크로 패턴을 롤 투 플레이트(Roll to plate) 임프린트 공정으로 패턴 전사를 하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3b는 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 평판층에 평판 코팅 공정으로 제 1 물질층(PR)을 코팅하고, 베이스 원통금형의 표면에 나노 및 마이크로 패턴을 롤 투 플레이트(Roll to plate) 임프린트 공정으로 패턴 전사를 하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조를 위한 공정의 상세 구성도이다.
본 발명의 실시 예에서는 마스터 슬리브 몰드를 고분자 필름 슬리브 형태로 제작하거나, 평판형 전주도금을 이용하는 형태로 제작한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법은 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여 롤 금형을 베이스 금형과 패턴을 가지는 슬리브금형 2부분으로 제작하고 패턴이 형성된 부분을 복제 공정을 이용하여 생산 및 사용할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 베이스 원통금형 11. PR층
11a. PR 패턴층 12. 마스터 슬리브 몰드 형성용 물질층
12a. 마스터 슬리브 몰드 13. 복제나노 금형 형성용 물질층
13a. 복제 나노금형

Claims (10)

  1. 베이스 원통금형을 준비하여 베이스 원통금형의 표면에 PR을 코팅하여 PR층 형성하는 단계;
    PR 층을 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;
    나노 및 마이크로 패턴이 형성된 PR 패턴층 표면에 전기도금(electroforming) 공정으로 마스터 슬리브 몰드 형성용 물질층을 형성하는 단계;
    아세톤이나 알콜류로 용해시켜 PR 패턴층을 제거하여 원통 형상으로 내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드를 제작하는 단계;
    내부 표면에 나노 및 마이크로 패턴이 형성된 마스터 슬리브 몰드 내부에 전기도금(electroforming) 공정으로 복제 나노금형 형성용 물질층을 형성하는 단계;
    마스터 슬리브 몰드를 분리하여 복제 나노금형을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 제작된 복제 나노금형이 원통 베이스 금형의 외측에 위치하도록 복제 나노금형을 원통 베이스 금형에 끼워 실제 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 복제 나노금형을 제작하는 단계에서,
    마스터 슬리브 몰드를 분리하기 위하여 복제나노 금형 형성용 물질층을 형성하기 전에 마스터 슬리브 몰드의 내부 표면에 산화층(Oxide Film)을 증착하고 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계에서,
    베이스 원통금형의 표면에 원통 코팅 공정으로 PR을 코팅하고, 나노 및 마이크로 패턴을 롤 투 플레이트(Roll to plate) 임프린트 공정으로 패턴 전사를 하는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 마스터 슬리브 몰드를 고분자 필름 슬리브 형태로 제작하거나, 평판형 전주도금을 이용하는 형태로 제작하는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 분리된 마스터 슬리브 몰드는 복제 나노금형을 제작하는 공정에 반복적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 슬리브형 나노 및 마이크로 패턴을 가지는 롤 금형 제조 방법.
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