KR102253812B1 - 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법 - Google Patents

탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법 Download PDF

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Abstract

희생 기판을 준비하는 단계, 상기 희생 기판의 일 면과 직접 접촉하며, 금속 입자를 포함하는 금속 층을 코팅하는 단계, 상기 금속 층의 일 면과 직접 접촉하며, 상기 금속 층보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층을 형성하는 단계, 및 상기 탄성 중합체 층을 통과하여, 상기 금속 층에 소정의 패턴으로 레이저를 조사하는 단계를 포함하되, 상기 레이저를 조사하는 단계에 의하여, 상기 금속 층의 금속 입자가 상기 소정의 패턴을 따라 소결된 금속 패턴이 형성되고, 상기 형성된 금속 패턴이, 상기 희생 기판으로부터 분리되어 상기 탄성 중합체 층으로 전사되는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법이 제공된다

Description

탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법{Transfer method of metal pattern on elastomer}
본 발명은 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로, 친환경적이면서도 간소화된 공정을 제공하는 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법에 관련된 것이다.
종래에는 기판 상에 금속 패턴을 형성하는 방법으로 포토리소그래피(Photolithography) 공정이 이용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허공보 KR100747625B1에는, 기판층 상에 패턴을 생성하기 위한 방법에 있어서, 고정밀 리소그래피 공정에 의해 상기 기판층 상에 적어도 한 번의 제1 노광 공정을 수행하는 단계와, 저정밀 리소그래피 공정에 의해 상기 기판층 상에 적어도 한 번의 제2 노광 공정을 수행하는 단계를 포함함으로써, 상기 기판층 상에 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조시 패턴 생성 방법이 개시되어 있다.
하지만, 포토리소그래피 공정을 이용해 기판 상에 금속 패턴을 형성하는 경우, 진공 분위기를 형성하고, 고온에서 열처리가 수행되며, 화학처리를 필요로 하는 것에 의해, 고비용 및 장시간이 소요되며, 유해성 가스가 발생하는 문제가 있다.
또한, 플렉서블(flexible) 또는 스트레쳐블(stretchable) 기판의 주재료로 이용되는 탄성 중합체의 경우, 기계적 및 화학적으로 취약하므로, 포토리소그래피 방법을 적용하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 친환경적이면서도 간소화된 공정을 제공하는 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 기계적 및 화학적으로 취약한 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 간소화된 공정을 제공하는 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유해성 가스가 최소화되어 친환경적인 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법은, 희생 기판을 준비하는 단계, 상기 희생 기판의 일 면과 직접 접촉하며, 금속 입자를 포함하는 금속 층을 코팅하는 단계, 상기 금속 층의 일 면과 직접 접촉하며, 상기 금속 층보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층을 형성하는 단계, 및 상기 탄성 중합체 층을 통과하여, 상기 금속 층에 소정의 패턴으로 레이저를 조사하는 단계;를 포함하되, 상기 레이저를 조사하는 단계에 의하여, 상기 금속 층의 금속 입자가 상기 소정의 패턴을 따라 소결된 금속 패턴이 형성되고, 상기 형성된 금속 패턴이, 상기 희생 기판으로부터 분리되어 상기 탄성 중합체 층으로 전사될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저를 조사하는 단계는, 상기 레이저 조사를 개시하는 단계, 및 상기 레이저 조사를 종료하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 조사를 개시하는 단계에 의하여, 상기 금속 층 보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층은 상기 금속 층보다 많이 팽창하고, 상기 레이저 조사를 종료하는 단계에 의하여, 상기 탄성 중합체 층이, 상기 금속 패턴 보다 더 많이 수축하면서, 상기 금속 패턴에 상기 탄성 중합체 층으로의 전사력이 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 층은, 상기 레이저를 조사하는 단계 이전보다 상기 레이저를 조사하는 단계 이후에 높은 도전성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저를 조사하는 단계 이전의 상기 금속 층은, 상기 레이저를 조사하는 단계 이후의 상기 금속 층보다 액상 상태를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄성 중합체 층을 형성하는 단계는, 상기 액상 상태의 금속 층이 고상화되기 전에 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저를 조사하는 단계에서, 상기 레이저는, 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 희생 기판을 준비하는 단계, 상기 희생 기판의 일 면과 직접 접촉하며, 금속 입자를 포함하는 금속 층을 코팅하는 단계, 상기 금속 층의 일 면과 직접 접촉하며, 상기 금속 층보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층을 형성하는 단계, 및 상기 탄성 중합체 층을 통과하여, 상기 금속 층에 소정의 패턴으로 레이저를 조사하는 단계를 포함하는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법이 제공될 수 있다.
상기 레이저를 조사하는 단계는, 상기 레이저 조사를 개시하는 단계, 및 상기 레이저 조사를 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사를 개시하는 단계에 의하여, 상기 금속 층 보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층은 상기 금속 층보다 크게 열 팽창하고, 상기 금속 입자는 소결되어 상기 금속 패턴을 형성할 수 있다.
상기 레이저 조사를 종료하는 단계에 의하여, 상기 탄성 중합체 층은, 상기 소결된 금속 패턴의 일 부분을 감싸되, 상기 감싼 일 부분을 고정시킴으로써, 상기 소결된 금속 패턴이 상기 탄성 중합체 층으로 전사될 수 있다.
이에 따라, 기계적 및 화학적으로 취약한 탄성 중합체 상에, 간소화된 공정으로 금속 패턴을 전사할 수 있다.
또한, 포토리소그래피 공정과는 달리 유해성 가스가 최소화되어 친환경적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 단계 S100을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 단계 S200을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 단계 S300을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 단계 S400을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 단계 S400을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 단계 S500을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법의 실험 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 단계 S100을 설명하기 위한 도면이 고, 도 3은 본 발명의 단계 S200을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 단계 S300을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 단계 S400을 설명하기 위한 도면이고, 도 6 내지 도 9는 본 발명의 단계 S400을 설명하기 위한 도면이 고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 단계 S500을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법은, 희생 기판(100) 준비 단계(S100), 금속 층(200) 코팅 단계(S200), 탄성 중합체 층(300) 형성 단계(S300), 레이저(L) 조사 단계(S400), 및 희생 기판 분리 단계(S500)를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계가 상세히 설명된다.
단계 S100
단계 S100에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 희생 기판(100)을 준비할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 희생 기판(100)은, 후술되는 단계에서, 상기 희생 기판(100) 상에 코팅되는 금속 층(200)에 포함된 금속 입자(210)가 레이저(L) 조사에 의해 소정의 패턴을 따라 소결되는 금속 패턴(220)을, 탄성 중합체 층(300)에 제공하는 금속 패턴(220) 공여체(donor)일 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 기판(100)은, 유리 기판일 수 있다.
이를 위해, 상기 희생 기판(100)은, 후술되는 단계에서, 상기 희생 기판(100) 상에 코팅되는 금속 층(200)과 열 팽창 계수가 유사하거나, 상기 금속 층(200) 상에 형성되는 탄성 중합체 층(300)보다 열 팽창 계수가 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 기판(100), 상기 금속 층(200), 및 상기 탄성 중합체 층(300)의 열 팽창 계수는 각각, 4 X 10-6/K, 19 X 10-6/K. 및 907 X 10-6/K일 수 있다.
이에 따라, 후술되는 단계에서, 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 레이저(L)가 조사되는 경우, 상기 희생 기판(100) 및 상기 금속 층(200)보다, 상기 탄성 중합체 층(300)의 팽창 및 수축이 클 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 이러한 층 간 물질들의 상이한 열 팽창 계수에 따른 팽창 및 수축 메커니즘을 이용해, 종래의 탄성 중합체 상 금속 패턴 형성이 어려웠던 문제를 해결할 수 있다. 이에 대해서는 후술되는 단계에서 상세히 설명하기로 한다.
단계 S200
단계 S200에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 희생 기판(100) 상에 금속 층(200)을 코팅할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속 층(200)은, 상기 희생 기판(100)의 일 면과 직접 접촉하도록, 상기 희생 기판(100) 상에 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 층(200)은, 상기 희생 기판(100) 상에 금속 입자(210)를 포함하는 금속 잉크를 제공하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 금속 입자(210)는 나노 크기일 수 있고, 따라서, 상기 금속 층(200)은, 상기 희생 기판(100) 상에 금속 나노 잉크를 제공하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 층(200)은, 상기 희생 기판(100) 상에 상기 금속 나노 잉크 구체적으로, 은(Ag) 나노 잉크를 제공하고 스핀 코팅하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 금속 층(200)은, 은 나노 입자를 포함하는 금속 층일 수 있다.
상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)는, 후술되는 단계에서, 소정의 패턴을 따라 레이저가 조사되는 경우, 상기 소정의 패턴을 따라 소결되어 금속 패턴(220)을 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 희생 기판(100) 상에 코팅된 금속 층(200)은, 액상 상태일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속 층(200)은, 후술되는 단계에서 상기 금속 층(200)에 레이저(L)가 조사되기 전에, 상기 레이저(L)가 조사된 이후보다, 액상 상태를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 금속 층(200)은, 상기 레이저(L)를 조사하기 전보다, 상기 레이저(L)를 조사한 이후에 높은 도전성을 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 금속 층(200)의 열 팽창 계수는, 후술되는 단계에서, 상기 금속 층(200) 상에 형성되는 탄성 중합체 층(300)보다 열 팽창 계수가 작을 수 있다.
이에 따라, 이에 따라, 후술되는 단계에서, 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 레이저(L)가 조사되는 경우, 상기 희생 기판(100) 및 상기 금속 층(200)보다, 상기 탄성 중합체 층(300)의 팽창 및 수축이 클 수 있다.
단계 S300
단계 S300에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 금속 층(200) 상에 탄성 중합체 층(300)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 금속 층(200)의 일 면과 직접 접촉하도록, 상기 금속 층(200) 상에 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 탄성 중합체 층(300)과 상기 금속 층(200)의 일 면이 직접 접촉하는 것은, 상기 탄성 중합체 층(300)과 상기 금속 층(200) 사이에 conformal contact가 형성된 것을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 희생 기판(100) 상에 코팅된 금속 층(200)에 포함된 금속 입자(210)가 레이저 조사에 의해 소정의 패턴을 따라 소결된 금속 패턴(220)을 제공받는 금속 패턴(220) 수용체일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 희생 기판(100) 및 상기 금속 층(200)보다 열 팽창 계수가 클 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 기판(100)은 유리 기판이고, 상기 금속 층(200)은 은 나노 입자를 포함하는 금속 층인 경우, 상기 탄성 중합체 층(300)은, PDMS(polydimethylsiloxane) 층일 수 있다.
PDMS는, 재료의 특성 상 습윤성(wettability)이 취약하다. 이에 따라, 종래에는 PDMS와 같은 탄성 중합체에 금속 패턴을 형성하기 위해, 금속 나노 잉크를 제공하는 경우, PDMS와 금속 나노 잉크간의 접촉성 및 결합력이 약한 문제가 있었다.
하지만 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 희생 기판(100)과 상기 금속 층(200)이 직접 접촉하고, 상기 금속 층(200)과 상기 탄성 중합체 층(300)이 직접 접촉할 뿐만 아니라, 상술된 희생 기판(100), 금속 층(200), 및 탄성 중합체 층(300))간의 열 팽창 특성을 이용함으로써, 종래의 습윤성이 취약하여, 금속 패턴 형성이 어려운 문제를 해결할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 단계 S300은, 상술된 단계 S200의 액상 상태의 금속 층(200)이 고상화되기 전에 수행될 수 있다. 즉, 상기 액상 상태의 금속 층(200)이 고상화되기 전에, 상기 액상 상태의 금속 층(200) 상에 상기 탄성 중합체 층(300)이 형성될 수 있는 것이다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 액상 상태의 금속 층(200)이 고상화되기 위한 시간이 소요되지 않으므로, 공정 시간 단축에 의한 효율이 향상될 수 있다.
단계 S400
단계 S400에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저(L)를 조사할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 6을 참조하면, 단계 S400은, 레이저(L) 조사를 개시하는 단계(S440) 및 레이저(L) 조사를 종료하는 단계(S460)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저(L)는, 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사될 수 있다. 이와 관련해서는, 후술되는 실험 예에서 설명하기로 한다.
상기 레이저(L)는, 예를 들어, CW(continuous-wave) 레이저일 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 단계 S400는, 상기 레이저(L)가 조사되는 경로 상에 대물렌즈를 배치하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 S400에서, 2배율의 대물렌즈가 상기 레이저(L)의 경로 상에 배치될 수 있다.
이하, 단계 S440 및 단계 S460가 상세히 설명된다.
단계 S440
단계 S440에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저(L) 조사를 개시할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 레이저(L)는 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 도달하도록 조사될 수 있다.
이때, 상기 레이저(L)는 소정의 패턴으로 조사될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저(L)는 도 8에 도시된 바와 같이, 소정의 패턴을 형성하도록 LS 방향으로 조사될 수 있다.
이에 따라, 상기 레이저(L)가 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 도달하는 경우, 상기 금속 층(200)의 급속 입자(210)는 상기 소정의 패턴을 따라 광 에너지를 받아 열처리 될 수 있다.
한편, 상술된 바와 같이, 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 금속 층(200)보다 열 팽창 계수가 클 수 있다.
이에 따라, 도 9를 참조하면, 단계 S440에서 상기 희생 기판(100), 상기 금속 층(200), 및 상기 탄성 중합체 층(300)이 차례로 적층된 구조에, 상기 레이저(L)가 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여 상기 금속 층(200)에 도달하도록 조사되는 경우, 상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)가 상기 광 에너지에 의해 열처리 될 수 있다. 이에 따라 금속 입자 간의 넥킹(necking)이 이루어지게 된다. 또한, 상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)가 열처리되는 동안, 상기 탄성 중합체 층(300)은 상기 금속 층(200)으로부터 열 에너지를 전달받을 수 있다.
따라서, 상기 금속 층(200)으로부터 상기 열 에너지를 전달받은 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 금속 층(200)보다 열 팽창 계수가 큰 것에 의해, 상기 금속 층(200)보다 많이 팽창할 수 있다.
즉, 단계 S440에서, 상기 레이저(L)가 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 도달되도록 조사되는 동안, 상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)는 상기 레이저(L)의 소정 패턴을 따라 소결 될 수 있고, 상기 탄성 중합체 층(300)은 상기 금속 층(200)보다 많이 팽창할 수 있는 것이다.
단계 S460
단계 S460에서, 레이저(L) 조사를 종료할 수 있다. 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 레이저(L) 조사에 의해 열처리된 금속 입자(210)는, 상기 레이저(L) 조사 종료에 따른 열 에너지 공급 종료에 의해 냉각되어, 금속 패턴(220)을 형성할 수 있다.
본 명세서 레이저(L) 조사의 종료라 함은, 단계 S460에서 LS 방향으로 조사된 레이저(L) 조사 종료를 의미하는 것이 아니라, 상기 레이저(L)가 LS 방향으로 조사되는 경로 상에서 각 스팟(spot)의 레이저(L) 조사 종료를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
한편, 상술된 바와 같이, 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 금속 층(200)보다 열 팽창 계수가 클 수 있다.
이에 따라, 도 9를 참조하면, 단계 S460에서 상기 탄성 중합체 층(300)은, 상기 열에너지 공급 종료에 따라, 상기 금속 층(200)으로부터의 열 에너지 전달이 종료됨으로써 냉각되어, 상기 금속 패턴(220) 보다 더 많이 수축할 수 있다.
따라서, 상기 금속 패턴(220)에 상기 탄성 중합체 층(300)으로의 전사력이 제공될 수 있다.
즉, 단계 S460에서, 상기 레이저(L) 조사가 종료됨으로써, 상기 열처리 된 금속 입자(210)는 냉각되어 상기 금속 패턴(220)으로 형성될 수 있고, 단계 S440에서 팽창되었던 탄성 중합체 층(300)은 냉각되어 상기 금속 패턴(220)보다 더 많이 수축하면서, 상기 금속 패턴(220)에 상기 탄성 중합체 층(300)으로의 전사력이 제공됨에 따라, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사될 수 있는 것이다.
한편, 상술된 바와 같이, 상기 희생 기판(100)은, 상기 금속 층(200)과 열 팽창 계수가 유사하거나, 상기 탄성 중합체 층(300)보다 열 팽창 계수가 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 희생 기판(100), 상기 금속 층(200), 및 상기 탄성 중합체 층(300)의 열 팽창 계수는 각각, 4 X 10-6/K, 19 X 10-6/K. 및 907 X 10-6/K일 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 희생 기판(100), 상기 금속 층(200), 및 상기 탄성 중합체 층(300)이 차례로 적층된 구조에서, 상기 레이저(L) 조사가 종료됨으로써 형성된 상기 금속 패턴(220)에, 상기 탄성 중합체 층(300)으로의 전사력이 제공되는 반면, 상기 희생 기판(100)으로의 전사력이 제공되지 않을 수 있다.
따라서, 상기 금속 패턴이 상기 탄성 중합체 층으로 용이하게 전사될 수 있는 것이다.
단계 S500
단계 S500에서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 희생 기판(100)을 분리할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속 패턴(220)이 전사된 탄성 중합체 층(300)과, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사됨에 따라 빈 공간(220d)을 가지는 금속 층(200)이 코팅된 상기 희생 기판(100)이 분리될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 탄성 중합체 층(300)은 예를 들어, PDMS일 수 있고, PDMS는, 재료의 특성 상 습윤성이 취약해, 종래에는 PDMS와 같은 탄성 중합체에 금속 패턴을 형성하기 어려운 문제가 있었다.
하지만 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속 층(200)과 상기 탄성 중합체 층(300)이 직접 접촉할 수 있고, 이에 따라 상기 금속 층(200) 및 상기 탄성 중합체 층(300))간의 열 팽창 특성을 이용할 수 있다.
즉, 상술된 바와 같이, 단계 S440에서, 상기 레이저(L) 조사가 개시됨으로써, 상기 레이저(L)가 상기 탄성 중합체 층(300)을 통과하여, 상기 금속 층(200)에 도달되도록 조사되는 동안, 상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)는 상기 레이저(L)의 소정 패턴을 따라 열처리될 수 있고, 상기 탄성 중합체 층(300)은 상기 금속 층(200)보다 많이 팽창할 수 있다.
또한, 단계 S460에서, 상기 레이저(L) 조사가 종료됨으로써, 상기 열처리 된 금속 입자(210)는 냉각되어 상기 금속 패턴(220)으로 형성될 수 있고, 단계 S440에서 팽창되었던 탄성 중합체 층(300)은 냉각되어 상기 금속 패턴(220)보다 더 많이 수축하면서, 상기 금속 패턴(220)에 상기 탄성 중합체 층(300)으로의 전사력이 제공됨에 따라, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사될 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래에 탄성 중합체의 습윤성이 취약하여, 상기 탄성 중합체 상 금속 패턴 형성이 어려운 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법은, 종래의 포토리소그래피 공정과는 다르게, 진공 분위기 및 고온의 열처리 공정을 생략할 수 있다. 뿐만 아니라, 금속 패턴 형성을 위한 몰드(mold) 또는 마스크(mask)도 불필요하다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래의 포토리소그래피 공정보다 저비용 및 단시간이 소요되는 간소화된 공정을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법은, 종래의 포토리소그래피 공정과는 다르게, 화학처리가 불필요한 것에 의해, 유독성 가스 발생이 최소화되어 친환경적이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실험 예가 설명된다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법의 실험 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12(a) 내지 도 12(c)를 참조하면, 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사된 금속 패턴(220)을 관찰할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 12(a)와 이를 확대한 도면인 도 12(b)를 참조하면, 상기 금속 패턴(220)은, 폭 38 μm 및 길이 1.5 mm로 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 전사된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 12(c)를 참조하면, 상기 금속 패턴(220)이 전사된 탄성 중합체 층(300)에 빛을 조사함에 따라, 상기 금속 패턴(220)이 전사된 부분은 빛을 투과시키지 못하는 것을 통해, 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 상기 금속 패턴(220)이 조밀하게 형성된 것을 알 수 있다.
한편, 도 12(d) 내지 도 12(f)를 참조하면, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사됨에 따라, 상기 빈 공간(220d)을 가지는 금속 층(200)이 코팅된 희생 기판(100)을 관찰할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 12(d)와 이를 확대한 도면인 도 12(e)를 참조하면, 상기 폭 38 μm 및 길이 1.5 mm의 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 전사됨에 따라, 이에 상응하는 금속 층(200)의 빈 공간(220d)을 확인할 수 있다. 또한, 도 12(f)를 참조하면, 상기 빈 공간(220d)을 가지는 금속 층(200)이 코팅된 희생 기판(100)에 빛을 조사함에 따라, 상기 빈 공간(220d)이 형성된 부분은 빛을 투과시키는 것에 의해, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 조밀하게 전사된 것을 알 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 상기 금속 패턴(220)을 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사하기 위한 최적의 레이저(L) 조사 조건을 파악할 수 있다.
도 13(a)을 통해, 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사된 금속 패턴(220)을, 도 13(b)를 통해, 상기 빈 공간(220d)을 가지는 금속 층(200)이 코팅된 희생 기판(100)을 관찰할 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)에서, 상기 희생 기판(100), 상기 금속 층(200), 및 상기 탄성 중합체 층(300)이 차례로 적층된 구조에, 상기 레이저(L)가 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사되는 경우에, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 조밀하게 전사된 것을 알 수 있다.
반면에, 상기 레이저(L)가 0.29 W 이하의 파워로 조사되는 경우에, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 완전히 전사되지 못하고, 상기 희생 기판(100)에 잔존하는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 레이저(L)가 1.16 W 이상의 파워로 조사되는 경우에, 상기 금속 패턴(220)이 번 아웃(burn out)된 것을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실험 예에 따르면, 상술된 레이저를 조사하는 단계 (단계 S400)에서, 상기 레이저(L)는, 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사될 수 있는 것이다.
도 14(a) 및 도 14(b)를 참조하면, 상기 레이저(L)가 조사되는 속도에 따른 금속 층(200)의 온도 변화를 알 수 있다.
도 14(a) 및 도 14(b)를 통해, 상기 레이저(L) 조사 속도가 140 mm/s인 경우에, 상기 레이저(L)조사 속도가 250 mm/s인 경우보다, 시간에 따른 온도 변화가 완만한 것을 알 수 있다. 또한, 상기 레이저(L) 조사 속도가 140 mm/s인 경우에, 상기 레이저(L)조사 속도가 250 mm/s인 경우보다, 최고 온도가 높은 것을 알 수 있다.
이에 따라, 상기 레이저(L) 조사 속도가 140 mm/s인 경우, 상기 레이저(L) 조사 속도가 250 mm/s인 경우보다, 급격한 온도 변화를 유발하지 않으면서도, 고온의 열 에너지를 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
금속 나노 입자의 경우, 일정 온도에 도달하는 경우 소결되는 한편, 온도 변화에 따라 상기 소결되는 동안에 발생하는 전단 응력(shear stress)이 달라질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 레이저(L)는, 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사될 수 있고, 이에 따라, 상기 레이저(L)로부터 생성된 열 에너지를 통해 상기 금속 층(200)의 금속 입자(210)가 소결되면서 적정량의 전단 응력이 발생될 수 있다.
이에 따라, 상기 적정량의 전단 응력에 의해, 상기 소결된 금속 입자(210)로부터 형성된 금속 패턴(220)이, 상기 탄성 중합체 층(300)으로 용이하게 전사될 수 있는 것이다.
도 15(a) 내지 도 15(c)를 참조하면, 상술된 레이저 조사 조건(파워: 0.29 W 초과 및 1.16 W 미만, 속도: 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만)을 통해, 상기 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사된 후의, 탄성 중합체 층(300) 및 희생 기판(200)을 관찰할 수 있다.
도 15(a)를 통해, 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 상기 금속 패턴(220)이 조밀하게 전사된 것을 육안으로 관찰할 수 있다.
또한, 도 15(b)를 통해, 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 전사된 금속 패턴(220)의 주 성분은, 일 실험 예에 따른 은 나노 입자이며, 일 실험 예에 따라 상기 희생 기판(100)으로써 유리 기판 상에 형성된 금속 패턴(220)이 상기 탄성 중합체 층(300)으로 전사되어, 상기 유리 기판(100)이 빈 공간(220d)을 가지는 것을 알 수 있다.
한편, 도 15(c)를 통해, 상기 탄성 중합체 층(300) 상에 전사된 금속 패턴(220)은, 약 150 nm의 균일한 높이를 가지는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 희생 기판
200: 금속 층
210: 금속 입자
220: 금속 패턴
220d: 빈 공간
300: 탄성 중합체 층
L: 레이저

Claims (6)

  1. 희생 기판을 준비하는 단계;
    상기 희생 기판의 일 면과 직접 접촉하며, 금속 입자를 포함하는 금속 층을 코팅하는 단계;
    상기 금속 층의 일 면과 직접 접촉하며, 상기 금속 층보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄성 중합체 층을 통과하여, 상기 금속 층에 소정의 패턴으로 레이저를 조사하는 단계;를 포함하되,
    상기 레이저를 조사하는 단계 이전의 상기 금속 층은, 상기 레이저를 조사하는 단계 이후의 상기 금속 층보다 액상 상태를 가지고,
    상기 레이저를 조사하는 단계에 의하여, 상기 금속 층이 상기 액상 상태에서 상기 소정의 패턴을 따라 소결된 금속 패턴이 형성되고, 상기 형성된 금속 패턴이, 상기 희생 기판으로부터 분리되어 상기 탄성 중합체 층으로 전사되는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저를 조사하는 단계는,
    상기 레이저 조사를 개시하는 단계, 및 상기 레이저 조사를 종료하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 조사를 개시하는 단계에 의하여,
    상기 금속 층 보다 열 팽창 계수가 큰 탄성 중합체 층은 상기 금속 층보다 많이 팽창하고,
    상기 레이저 조사를 종료하는 단계에 의하여,
    상기 탄성 중합체 층이, 상기 금속 패턴 보다 더 많이 수축하면서, 상기 금속 패턴에 상기 탄성 중합체 층으로의 전사력이 제공되는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 층은,
    상기 레이저를 조사하는 단계 이전보다 상기 레이저를 조사하는 단계 이후에 높은 도전성을 가지는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 중합체 층을 형성하는 단계는,
    상기 액상 상태의 금속 층이 고상화되기 전에 수행되는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저를 조사하는 단계에서,
    상기 레이저는,
    0.29 W 초과 및 1.16 W 미만의 파워와, 30 mm/s 초과 및 250 mm/s 미만의 속도로 조사되는, 탄성 중합체 상 금속 패턴전사 방법.
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