KR102203701B1 - 나노입자 노출을 이용한 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법 및 이를 이용한 도광판의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법 및 이를 이용한 도광판의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 포함하는 노광 재료를 기판 상에 코팅한 후 레이저 간섭 노광 기술을 활용하여 수백 나노미터 수준의 미세 패턴을 형성시킴으로써 마이크로-나노 복합 패턴을 제조하는 방법 및 이를 이용한 도광판의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법 및 이를 이용한 도광판의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 포함하는 노광 재료를 기판 상에 코팅한 후 레이저 간섭 노광 기술을 활용하여 수백 나노미터 수준의 미세 패턴을 형성시킴으로써 마이크로-나노 복합 패턴을 제조하는 방법 및 이를 이용한 도광판의 제조 방법에 관한 것이다.
미세한 패턴을 형성시키는 미세패턴 가공기술은 여러 산업분야의 기반이 되는 기반기술로서 전자소자, 광학소자, MEMS, 최근에는 바이오 소자에 이르기까지 다양한 분야에 있어서 파급효과를 줄 수 있는 핵심 기술이다. 특히 1990년대 이후로 기존의 거시구조에서의 특성과는 다른 현상들이 나노구조에서 발현됨을 주목하는 연구가 속속 소개됨에 따라 이를 이용한 나노소자를 구성하기 위한 미세패턴 가공기술, 즉 패터닝 기술에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 또한 전기전자, 화학, 재료, 바이오 등의 전통적인 학문에 나노기술을 바탕으로 여러 혼합-응용기술이 발달함에 따라, 전자산업에서 주로 사용되던 미세패턴 가공기술의 응용은 점차 다양한 나노소자와 광학 소자를 비롯하여, 바이오 칩과 같은 바이오 소자에까지 그 응용성이 날로 넓어지고 있다.
종래 마이크로 패턴에 나노 크기의 복합 패턴을 제작하기 위해서는 기계적인 방법이나 반도체 리소그라피 기술 등이 활용되어 왔다. 구체적으로, 나노미터 크기의 미세 패턴 제작을 위한 공정으로는 전자빔이나 이온집속빔을 사용한 고가의 공정이 대부분이다. 이에 따라 나노 수준의 패턴과 마이크로 수준의 패턴이 복합 형성된 패턴을 제작하기 위하여는 고가의 비용이 수반되어야 한다. 또한 이러한 고가의 공정에도 불구하고 패턴의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 포함하는 노광 재료를 기판 상에 코팅한 후 레이저 간섭 노광 기술을 활용하여 수백 나노미터 수준의 미세 패턴을 형성시킴으로써 저가의 공정으로 마이크로-나노 복합 패턴을 제조할 수 있으며 상기 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴을 이용하여 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 저가의 공정으로 마이크로-나노 복합 패턴을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로-나노 복합 패턴을 이용하여 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법을 제공한다.
1) 기판의 상부에 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료를 코팅시키는 단계(단계 1);
2) 상기 노광 재료를 열처리하는 단계(단계 2); 및
3) 상기 열처리된 노광 재료 표면에 레이저 간섭 노광 방법으로 마이크로 패턴을 형성시키는 단계(단계 3).
본 발명은 수백 나노미터 수준의 미세 패턴의 표면 상에 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 자연스럽게 노출시키기 위해 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 포함하는 노광 재료를 기판 상에 코팅한 후 레이저 간섭 노광 기술을 활용하여 수백 나노미터 수준의 미세 패턴을 형성시킴으로써 도 1 및 도 2와 같이 미세 패턴의 표면에 수 나노미터 수준의 무기 입자가 노출된 마이크로-나노 복합 패턴을 제조하는 것을 특징으로 한다. 이러한 수백 나노미터 패턴 크기 안에 수 나노미터 크기의 무기 입자의 표면 노출로서 광의 산란 제어나 광 추출 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 단계 1은, 기판의 상부에 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료를 코팅시키는 단계로서, 나노 수준의 입자 크기를 갖는 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료를 기판의 상부에 코팅시키는 단계이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "기판"은 미세 패턴을 형성시킬 수 있는 재료이면 한정되지 않으며, 평면 구조를 가짐으로써 미세 패턴의 형성을 보다 용이하게 구현할 수 있다.
바람직하게 상기 기판 재료의 예로는 실리콘, 유리 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기판 재료는 유연 기판일 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 ma-N Negative PR(Microresist, 독일) 기판에 레이저 간섭 노광 방법을 이용하여 미세 패턴을 형성하였다.
본 발명에서, 상기 무기 나노입자는 실리카(SiO2) 나노입자 또는 티타니아 나노입자일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 무기 나노입자의 크기는 1 nm 내지 20 nm일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료는 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시, 및 실리카 나노입자의 유무기 복합재료일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하기로, 상기 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료는 80 내지 99 중량%의 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시, 및 1 내지 20중량%의 실리카 나노입자가 혼합된 유무기 복합재료일 수 있다.
본 발명에서, 상기 단계 1)의 코팅은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 노광 재료의 코팅 두께는 수백나노미터 내지 수백마이크로미터일 수 있다. 만일 상기 상한보다 두꺼우면 박리 및 크랙 발생의 단점이 있고, 상기 하한보다 얇으면 박리의 어려움 및 크랙 발생의 단점이 있다.
상기 단계 2는, 상기 노광 재료를 열처리하는 단계로서, 노광 재료의 물리적 안정성을 증대시키기 위하여 전처리하는 단계이다.
본 발명에서, 상기 단계 2)의 열처리는 바람직하기로 70℃ 내지 100℃, 더욱 바람직하기로 80℃ 내지 90℃, 가장 바람직하기로 85℃에서 수행될 수 있다.
상기 단계 3은, 상기 열처리된 노광 재료 표면에 레이저 간섭 노광 방법으로 마이크로 패턴을 형성시키는 단계로서, 레이저 간섭 노광 방법으로 상기 열처리된 노광 재료 표면을 식각하여 마이크로 패턴을 형성시키는 단계이다.
레이저 간섭 노광은 서로 다른 방향에서 입사된 코히런트한 복수의 레이저 광이 만났을 때 명암이 주기적으로 반복되는 간섭 패턴을 나타내는 것을 이용하여 노광공정을 진행하는 것이다. 공정을 진행하고자 하는 기판 상에 감광제를 도포하고 두 개의 확산된 레이저 빔을 다른 각도에서 기판 표면에 입사되도록 하면 기판 상에 주기적인 명암 패턴이 형성되게 되고, 밝은 무늬부분이 감광되어 감광제를 현상할 경우 패턴이 형성되게 된다. 형성되는 패턴은 명암의 주기가 입사되는 레이저 광의 파장과 직접적으로 관계 있으며, 주기는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서, λ는 입사광의 파장, θ는 두 입사광 사이의 각도이다.
본 발명에서, 레이저 간섭 노광 방법을 이용하여 미세 패턴을 형성시키는 경우 통상의 레이저 간섭 노광 장치를 사용할 수 있다.
본 발명에서, 레이저 간섭 노광 방법을 이용하여 미세 패턴을 형성시키는 경우 감광재료 및 레이저 종류의 선택에 따라 레이저 빔 확산 전 광출력을 수십 내지 수백 mW, 바람직하기로는 10 내지 900 mW를 사용하여 노광시킬 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 100 mW로 노광시켰다.
본 발명에서, 상기 단계 3)의 마이크로 패턴의 크기는 바람직하기로 100 nm 내지 800 nm, 더욱 바람직하기로 300 nm 내지 500 nm, 가장 바람직하기로 400 nm일 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판의 제조 방법을 제공한다.
a) 상기 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴 상부에 니켈 도금 층을 형성시키는 단계(단계 a); 및
b) 상기 패턴으로부터 니켈 도금 층을 분리하는 단계(단계 b).
상기 단계 a는, 상기 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴 상부에 니켈 도금 층을 형성시키는 단계로서, 마이크로-나노 복합 패턴 상부에 니켈 도금 층을 형성시켜 마이크로-나노 복합 패턴의 표면 형상을 갖는 니켈 도금 층을 얻는 단계이다.
본 발명에서, 상기 단계 a)의 니켈 도금 층의 형성은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 전기화학적인 방법, 구체적으로 전기화학증착일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 니켈 도금 층의 두께는 바람직하기로 0.5 mm 내지 20 mm, 더욱 바람직하기로 3 mm 내지 10 mm, 가장 바람직하기로 5 mm일 수 있다.
상기 단계 b는, 상기 패턴으로부터 니켈 도금 층을 분리하는 단계로서, 상기 패턴으로부터 니켈 도금 층을 분리하여 마이크로-나노 복합 패턴의 표면 형상을 갖는 니켈 도금 층을 얻는 단계이다.
본 발명에서, 상기 패턴 분리 방법으로는 기판과 이의 상부에 존재하는 노광 재료를 유기용매를 사용하여 녹이는 방법 등을 사용할 수 있다. 즉, 니켈 도금 층의 하부에 존재하는 기판과 노광 재료를 녹여냄으로써 마이크로-나노 복합 패턴의 표면 형상을 갖는 니켈 도금 층만을 남길 수 있다. 이때 사용 가능한 용매로는 KOH 수용액, 또는 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 수용액 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판의 제조 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판을 제공한다.
본 발명에서, 상기 도광판은 광 산란 기판, 광 추출 기판 또는 초소수성 기판의 제조를 위한 사출 성형용 몰드로 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 수 나노미터 수준의 무기 나노 입자를 포함하는 노광 재료를 기판 상에 코팅한 후 레이저 간섭 노광 기술을 활용하여 수백 나노미터 수준의 미세 패턴을 형성시킴으로써 저가의 공정으로 마이크로-나노 복합 패턴을 제조할 수 있으며 상기 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴을 이용하여 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판을 제조할 수 있다.
도 1은 수 나노미터 크기의 무기 입자가 표면에 노출되어 나노 수준의 패턴과 마이크로 수준의 패턴이 복합적으로 나타날 수 있는 마이크로-나노 복합 패턴의 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 실리카 무기 입자가 표면에 노출된 미세 패턴의 전자현미경 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 도광판의 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 실리카 무기 입자가 표면에 노출된 미세 패턴의 전자현미경 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 도광판의 모습을 나타낸 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 더 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일뿐 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 마이크로-나노 복합 패턴의 제조
평균 입경이 5 nm인 실리카 나노입자 5 중량%와 우레탄 아크릴레이트 95 중량%로 이루어진 노광 재료를 실리콘 기판 상에 스핀 코팅시켰다. 상기 노광 재료를 85℃의 온도로 열처리하였다. 상기 열처리된 노광 재료 표면에 405 nm 파장을 가지는 레이저간섭 빔을 입사시켜 400 nm 크기의 미세 패턴을 제작하였다. 이때 패턴 간격은 500 nm이었다.
상기와 같이 제작된 실리카 무기 입자가 표면에 노출된 미세 패턴의 전자현미경 모습을 도 2에 나타내었다.
실시예
2: 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 마이크로-나노 복합 패턴 상부에 50 nm 두께의 니켈 도금 층을 씨앗층으로 코팅한 후, 계속하여 니켈 도금 층을 두껍게 쌓아 올려 5 mm 두께의 니켈 도금 층을 형성시켰다.
상기 니켈 도금 층을 실리콘 기판으로부터 분리하여 니켈 도광판을 얻었다. 이때 상기 니켈 도금 층의 분리는 KOH 수용액을 사용하여 기판과 이의 상부에 존재하는 노광 재료를 녹여냄으로써 수행하였다.
상기 도광판의 모습을 도 3에 나타내었다.
실시예
3: 광 산란 기판의 제조
상기 실시예 2에서 제조된 도광판에 사출성형장비를 이용하여 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)를 사출시켜 광 산란 기판을 제조하였다.
Claims (14)
- 하기 단계를 포함하는 마이크로-나노 복합 패턴의 제조 방법:
1) 기판의 상부에 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료를 코팅시키는 단계(단계 1);
2) 상기 노광 재료를 열처리하는 단계(단계 2); 및
3) 상기 열처리된 노광 재료 표면에 레이저 간섭 노광 방법으로 마이크로 패턴을 형성시키는 단계(단계 3)를 포함하고,
상기 무기 나노입자의 크기는 1 nm 내지 20 nm이고,
상기 단계 3은 마이크로 패턴 표면에 상기 무기 나노입자가 노출되는 형태로 수행됨.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 재료는 실리콘 또는 유리인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자는 실리카(SiO2) 나노입자 또는 티타니아 나노입자인 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료는 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시, 및 실리카 나노입자의 노광 유무기 복합재료인 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 무기 나노입자를 함유하는 노광 재료는 80 내지 99 중량%의 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시, 및 1 내지 20중량%의 실리카 나노입자가 혼합된 노광 유무기 복합재료인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 1)의 코팅은 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 열처리는 70℃ 내지 100℃에서 수행되는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 레이저 간섭 노광은 10 내지 900 mW의 노광 조건으로 수행하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 마이크로 패턴의 크기는 100 nm 내지 800 nm인 방법.
- 하기 단계를 포함하는 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판의 제조 방법:
a) 상기 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴 상부에 니켈 도금 층을 형성시키는 단계(단계 a); 및
b) 상기 패턴으로부터 니켈 도금 층을 분리하는 단계(단계 b).
- 제11항에 있어서, 상기 니켈 도금 층의 두께는 0.5 mm 내지 20 mm인 방법.
- 상기 제11항의 방법으로 제조된 마이크로-나노 복합 패턴을 갖는 도광판.
- 제13항에 있어서, 상기 도광판은 광 산란 기판, 광 추출 기판 또는 초소수성 기판의 제조를 위한 사출 성형용 몰드로 사용되는 것을 특징으로 하는 도광판.
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