KR102481993B1 - 도전입자의 미세 패터닝 방법 - Google Patents

도전입자의 미세 패터닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10); 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판에 상기 마스크 패턴 영역 이외의 영역에 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계(S30);를 포함하는 도전입자의 미세 패터닝 방법으로서, 대부분의 금속 입자가 금속 패턴 형성에 기여하도록 함으로써 재료비용을 절감하여 생산비용을 감소시킬 수 있는 도전입자의 미세 패터닝 방법을 제공한다.

Description

도전입자의 미세 패터닝 방법{Method for forming fine pattern using conductive particles}
본 발명은 도전입자의 미세 패터닝 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 금속 입자를 기판 상에 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
투명전극은 디스플레이(Display), 태양전지(Solar cell) 등의 소자에서 널리 사용되고 있으며, 가시광 영역에서 80% 이상의 높은 광투과율을 가지며, 500Ω/sq 이하의 낮은 면저항을 갖추어야 한다.
현재 ITO(Indium Tin Oxide) 필름이 투명하면서 전기전도도가 높고 생산성이 우수해 투명전극으로 가장 많이 사용되고 있지만, ITO 필름에 사용되는 인듐은 희소 금속 중 하나로 공급량이 제한적이고 고가의 단점이 있으며 유연성이 낮아, 최근 들어 저렴하고 성능이 우수한 전도성 재료로 대체하는 움직임이 계속되고 있다. 예를 들어, 금속 나노와이어(metal nanowires), 메탈 메쉬(metal mesh), 전도성 고분자, 탄소 나노튜브, 그래핀(graphene) 등 투명성과 유연성을 갖는 다양한 투명 전극에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
최근에는 메탈 메쉬 구조 제작에 대한 연구가 국내 연구원 및 대학 업체 등에서 활발히 연구가 진행 중이지만 대부분의 개발 공정이 복잡하거나 고가의 장비를 사용하고 있으며 선폭이 마이크로 사이즈에 머무르고 있어 그 응용 분야가 아직은 제한적이라는 문제가 있다.
금속 페이스트를 사용하여 메탈 메쉬를 제조하는 경우, ITO 필름보다 저렴하고, 제조공정 중 진공장치 등과 같은 고가의 설비를 필요로 하지 않으므로 제조단가가 저렴하고, 패턴 형성 시 1~3μm 정도의 선폭이면 스마트 폰에도 적용 가능하여 최근 ITO를 대체할 유력한 소재로서 대두되고 있으며, 미세 선폭 구현, 비용 절감, 전기저항 감소 등 기술적인 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 계속되고 있다.
금속 페이스트에 사용되는 금속 나노입자는 전도성 잉크의 형태로 제조되어 잉크젯 등의 공정에 의해 전극 제조에 이용된다. 이러한 금속 나노입자로 사용될 수 있는 구리, 니켈, 철, 코발트, 아연, 크롬, 망간 입자는 귀금속 나노 입자에 비하여 제조 비용이 저렴하지만, 산화 안정성이 낮다는 문제점이 있다. 또한 현재 전도성 잉크의 나노입자로서 주로 사용되는 은(Ag)은 매우 고가이고 최근 가격이 급등함에 따라 비교적 저가이면서 높은 전기전도성 확보가 가능한 대체 물질 등이 요구되고 있는 실정이다. 또한 금속 나노입자에 있어서 산화 안정성 및 전기적 물성이 개선된 금속 나노입자를 제공하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
금속 나노입자에 대하여 리간드 교환 반응 및 후속적으로 포름산과의 반응을 통해 표면 개질시킴으로써 산화 안정성을 개선시키거나(PCT/KR2013/007690), 유기물이 얇게 코팅된 금속 나노입자를 사용함으로써 우수한 전기 전도성을 갖게 하는(PCT/KR2013/009664) 등의 방법이 개시되고 있으나, 별도로 금속 나노입자를 처리하는 공정을 포함하여 여전히 공정이 복잡하고, 제조비용이 낮지 않은 문제점이 있다. 또한 금속 나노입자를 제조하는 방법으로 금속이온 용액에 환원제가 함유된 용액을 혼합하여 금속 나노입자를 제조하는 공침법 등이 개발되었으나 입자의 크기를 나노미터 범위로 제한하는데 한계가 있다.
본 발명은 금속 입자를 선택적으로 흡착시켜 금속 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적인 문제를 해결하기 위한 것으로 산화 상태의 금속 입자를 선택적으로 흡착시켜 금속 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 산화 상태로서 비전도성이거나 전도성이 거의 없는 금속 입자 패턴을 환원시켜 전도성을 갖도록 하는 금속 입자 패턴의 환원 방법을 제공하여 투명 전극, 메탈 메쉬 등으로 사용될 수 있도록 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 마스킹 영역 및 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10); 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 상기 비마스킹 영역에 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계(S30);를 포함하는 도전입자의 미세 패터닝 방법을 제공한다.
또한 상기 마스크 입자는 평균입경이 10nm 내지 2μm인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마스크 입자는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체 및 생체 물질로 구성되는 군에서 선택되는 물질의 입자인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 베이스 기판은 폴리메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)로 구성되는 군에서 선택되는 재질의 밀착성 고분자 기판인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10)는, 상기 베이스 기판 상에 상기 마스크 입자를 코팅하여 코팅막을 형성하는 단계(S101); 불투과성 영역을 포함하는 마스크를 통해 상기 베이스 기판에 빛 또는 활성기체를 조사하는 단계(S102); 및 입자 제거부재를 이용해 상기 베이스 기판으로부터 상기 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부 또는 조사되지 않은 비노광부의 코팅막을 형성하는 상기 마스크 입자를 선택적으로 제거하는 단계(S103);를 포함하여, 상기 마스크 입자가 제거되지 않은 마스킹 영역, 및 상기 마스크 입자가 제거된 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 코팅막을 형성하는 단계(S101)는 상기 마스크 입자를 상기 베이스 기판 상에 문질러서 압력을 가하여 상기 마스크 입자가 단층으로 코팅되어 코팅막을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S20)는 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판 상에 금속 입자를 도포하고 문질러서 상기 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 입자인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 입자는 평균직경이 20 내지 40nm 인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 부착된 금속 입자 전체 중량에 대한 상기 비마스킹 영역에 부착된 금속 입자의 중량은 90% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10) 이후, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이전에, 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 일 영역을 선택적으로 UV 노광 처리하는 단계(S20);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 UV 노광 처리하는 단계(S20)는 상기 베이스 기판 중 마스크 패턴이 형성된 영역만을 선택적으로 UV 노광 처리하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 부착된 금속 입자 전체 중량에 대한 상기 비마스킹 영역에 부착된 금속 입자의 중량은 95% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이후에, 상기 금속 패턴을 형성하는 상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 상기 금속 패턴이 형성된 기판을 알코올을 포함하는 증기 하에서 반응시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 상기 금속 패턴이 형성된 기판을 알코올 용액과 함께 열처리하여 알코올을 포함하는 증기 하에서 반응시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 마스킹 영역 및 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하고, 금속 입자를 도포한 후 문질러서 비마스킹 영역에 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 금속 패턴 형성방법을 제공하여 투명 전극, 메탈 메쉬 등의 패턴 형성이 가능하도록 한다.
또한 본 발명에 따른 금속 패턴 형성방법을 이용하여, 도포되는 대부분의 금속 입자가 패턴 형성에 기여하도록 함으로써 금속 입자의 손실을 최소화하여 재료비용을 절감, 생산비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 노광단계를 더 포함하여 금속 입자의 선택 부착성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 마스크 패턴을 형성하는 단계를 통하여 입자 표면 특성 및 고분자 기판의 종류에 따른 의존성을 낮추어 다양한 표면 특성의 마스크 입자를 단층으로 코팅할 수 있도록 하고, 폭넓은 환경 및 조건에서 다양한 표면 특성을 지닌 마스크 입자들을 용이하게 코팅할 수 있다.
또한 본 발명은 표면의 적어도 일 영역 이상이 산화되어 비전도성이거나 전도성이 거의 없는 금속 입자를 이용하여 금속 패턴을 형성하는 경우, 환원단계를 더 포함하여, 금속 입자를 환원시킴으로써 전도성을 갖도록 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 환원단계를 통하여 금속 입자 패턴의 균일한 환원이 가능하고, 재료비용이 절감되며, 반응 시간이 짧고, 낮은 온도에서 반응이 가능하고 별도의 세척 및 건조과정이 필요치 않아 간단한 공정으로 환원이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 마스크 입자를 이용하여 베이스 기판에 마스크 패턴을 형성한 모식도를 나타내었다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 베이스 기판 상에 마스크 입자를 코팅하여 코팅막을 형성하는 단계를 나타내었다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 마스크를 통해 빛 또는 활성기체를 조사하는 단계를 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 입자 제거부재를 이용해 마스크 입자를 선택적으로 제거하는 단계를 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 금속 입자가 마스킹 영역 및 비마스킹 영역에 부착된 모식도를 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 12μm 의 선폭의 금속 패턴을 형성한 사진을 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 금속 입자가 마스킹 영역 및 비마스킹 영역에 부착된 SEM 사진을 나타내었다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 노광단계를 거쳐 금속 입자가 비마스킹 영역에 부착된 모식도를 나타내었다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 노광단계를 거쳐 금속 입자가 비마스킹 영역에 부착된 SEM 사진을 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 노광단계를 거쳐 금속 입자가 비마스킹 영역에 부착된 모식도 및 각 부분의 SEM 사진을 나타내었다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 도전입자의 미세 패터닝 방법은 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 마스킹 영역 및 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10); 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 상기 비마스킹 영역에 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계(S30);를 포함하여 금속 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10)는 도 1에 나타낸 것과 같이 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 후술할 금속 입자의 부착성이 낮은 마스킹 영역 및 금속 입자의 부착성이 높은 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴이 형성된 기판을 제공하는 단계이다. 후술할 금속 패턴을 형성하는 단계(S30)를 통해 금속 입자가 비마스킹 영역에 선택적으로 부착될 수 있도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 기판은 밀착성 고분자 기판을 사용할 수 있다. 밀착성 고분자 기판의 표면은 매끈한 표면을 갖는 기판으로서, 특정한 패턴이나 굴곡이 형성되지 않은 상태를 가질 수 있으며, 마스크 입자의 이동을 제한하지 않는 수준의 표면 거칠기 및 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 밀착성 고분자 기판은 밀착성이 존재하는 다양한 밀착성 고분자 물질을 포함한다. 밀착성 고분자는 일반적으로 통용되는 점착성을 갖지 않으므로 점착제와는 구별된다. 적어도 밀착성 고분자는 '스카치 매직 테이프TM'의 (ASTM D 3330 평가) 점착제가 갖는 점착력 약 0.6 kg/inch 보다 낮은 수치의 부착력을 갖는다. 또한 밀착성 고분자는 별도의 지지체 없이도 상온에서 고체상태(기판 또는 필름 등)의 형상을 유지할 수 있다.
이러한 밀착성 고분자 물질로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 기반 고분자 물질이나, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC) 등을 포함하는 랩, 밀착 또는 밀봉을 목적으로 하는 고분자 물질을 포함하는 보호 필름 등이 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 베이스 기판은 베이스 기재에 밀착성 고분자 물질을 코팅하여 제조되거나, 시트 또는 필름 형태의 밀착성 고분자 물질이 부착되어 제조 가능하다.
여기에서, 밀착성 고분자 물질은 일반적으로 고체 상태의 실리콘을 포함하거나, 가소제 첨가 또는 표면 처리를 통해 부착 특성이 부여된 유기 고분자 물질을 지칭하는 것이다. 또한 밀착성 고분자 물질은 일반적으로 선형 분자구조에 의하여 형태의 변형이 용이하며 낮은 표면 장력을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 밀착성 고분자 물질의 우수한 밀착성은 미세 영역에서의 표면 변형이 용이한 부드러운(유연성) 표면 재질과 낮은 표면 장력 등에 기인한다. 밀착성 고분자 물질의 낮은 표면 장력은 부착하고자 하는 마스크 입자, 금속 입자에 넓게 활착하려는 특성을 가져오며(용액의 젖음 현상과 유사), 유연성을 지닌 표면은 부착하고자 하는 입자와 빈틈없는 접촉이 이루어지도록 한다. 이를 통해 상보적인 결합력 없이 가역적으로 고체 표면에 탈부착이 용이한 밀착성 폴리머의 특성을 지니게 된다.
대표적인 밀착성 고분자 물질인 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 20 ~ 23 dynes/cm 정도로, 가장 낮은 표면 장력 물질로 알려진Teflon(18dynes/cm)에 근접한다. 그리고 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 대부분의 유기 폴리머(35 ~ 50 dynes/cm), 천연재료인 면(綿, 73dynes/cm), 금속(일례로, 은(Ag, 890 dynes/cm)), 알루미늄(Al, 500 dynes/cm), 무기 산화물(일례로, 유리(1000 dynes/cm)), 철 산화물(1357 dynes/cm)의 표면 장력보다 상대적으로 낮은 값을 갖는다. 또한 PE, PVC 등을 포함하는 랩과 같은 경우에도 밀착성 향상을 위해 다량의 가소제가 첨가되어 낮은 표면 장력을 지니게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 베이스 기판의 부착력은 추가적인 빛 또는 활성기체를 통해 이루어지는 화학적인 결합을 이용하여 제어 가능하다. 부연하자면, 베이스 기판에 빛이 조사되는 지의 여부 또는 활성기체가 공급되는 지의 여부에 따라 부착력 제어가 가능하다. 특히, 재질이 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 기반 고분자 물질로 된 밀착성 고분자 기판을 사용하는 경우, 전술한 바와 같은 빛 또는 활성기체에 의한 부착력 제어가 더욱 용이해진다.
그러나, 이에 한정되지 않으며, 광 감응성 기능기를 밀착성 고분자 물질에 도입하거나 광 감응성 재료를 밀착성 고분자 물질과 혼합하여 밀착성 고분자 기판의 부착력을 제어하는 것도 가능하다. 이하에서는, 밀착성 고분자 기판의 부착력이 빛 또는 활성기체에 의해 제어되는 경우를 기준으로 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마스크 입자는 후술할 코팅막을 형성하기 위한 다양한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 마스크 입자는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체, 생체 물질 등을 포함할 수 있다. 또한 서로 다른 성질을 갖는 입자들이 혼합된것이 마스크 입자로 이용될 수 있다.
마스크 입자로 이용될 수 있는 고분자의 예를 들면, 폴리스티렌 (PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리바이닐클로라이드 (PVC), 폴리알파스티렌, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리페닐메타클릴레이트, 폴리다이페닐메타크릴레이트, 폴리사이클로헥실메타클릴레이트, 스틸렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스틸렌-메틸메타크릴레이트 공중합체 등이 있다.
마스크 입자로 이용될 수 있는 무기물의 예를 들면, 실리콘 산화물(일례로, SiO2), 인산은(일례로, Ag3PO4), 티타늄 산화물(일례로, TiO2), 철 산화물 (일례로, Fe2O3), 아연 산화물, 세륨 산화물, 주석 산화물, 탈륨 산화물, 바륨 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 구리산화물, 니켈 산화물 등이 있다.
마스크 입자로 이용될 수 있는 금속의 예를 들면, 금, 은, 동, 철, 백금, 알루미늄, 백금, 아연, 세륨, 탈륨, 바륨, 이트륨, 지르코늄, 주석, 티타늄, 또는 이들의 합금 등이 있다.
마스크 입자로 이용될 수 있는 반도체의 예를 들면, 실리콘, 게르마늄, 또는 화합물 반도체(일례로, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb 등) 등이 있다.
마스크 입자로 이용될 수 있는 생체 물질의 예를 들면, 단백질, 펩티드, 리보핵산(RNA), 데옥시리보핵산(DNA), 다당류, 올리고당, 지질, 세포 및 이들의 복합체 물질들의 입자 또는 표면에 코팅된 입자, 내부에 포함한 입자 등이 있다. 일례로, protein A라는 항체 결합 단백질이 코팅된 폴리머 입자 등이 있다.
바람직하게는 마스크 입자로 실리콘 산화물, 더욱 바람직하게는 이산화규소(SiO2) 입자를 이용하는 것이 좋다.
마스크 입자의 평균직경은 10nm 내지 2μm 인 것을 사용하여, 마스킹 영역을 형성하고, 비마스킹 영역에 원하는 형태의 금속 패턴이 형성될 수 있도록 한다. 10nm 미만인 경우 형성되는 금속 패턴의 두께가 얇아져 충분한 전도성을 갖기 어려운 문제점, 마스크 패턴 형성 시 마스크 입자가 밀착성 고분자 기판에 의하여 전체적으로 감싸지는 형태가 될 수 있어 마스크 입자를 단층 수준으로 코팅하는 것이 어려워질 수 있는 문제점, 또한 건조 상태에서도 입자들이 서로 응집할 수 있어, 문지르는 힘만으로는 마스크 입자가 개별적으로 이동하는 것이 어려울 수 있다. 2μm 초과인 경우 미세 선폭의 구현이 어려운 문제점, 입자의 부착이 약하게 나타날 수 있는 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 100nm 내지 500nm 인 것을 사용하는 것이 좋고, 사용되는 마스크 입자의 직경에 따라 후술할 단계에서 금속 패턴 형성 시, 형성되는 금속 패턴의 두께를 조절할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 마스크 입자의 평균 입경은 마스크 입자를 구성하는 물질이나, 베이스 기판을 구성하는 물질 등에 따라 달라질 수 있다. 여기에서, 마스크 입자가 구형인 경우에는 마스크 입자의 지름이 입경으로 사용될 수 있다. 반면, 마스크 입자가 구형이 아닐 경우에는 다양한 계측법이 사용될 수 있는데, 일례로, 장축과 단축의 평균값을 입경으로 사용할 수 있다. 마스크 패턴 이외의 영역의 선폭에 따라 형성되는 금속 패턴의 선폭이 결정될 수 있으며, 선폭은 2μm 내지 15μm로 형성될 수 있다.
마스크 입자는 대칭 형상, 비대칭 형상, 무정형, 다공성의 형상을 가질 수 있다. 일례로, 마스크 입자는 구형, 타원형, 반구형, 큐브형, 사면체, 오면체, 육면체, 팔면체, 기둥형, 뿔형 등을 가질 수 있다. 이 중에서 마스크 입자의 형태로는 구형 또는 타원형이 다른 형태에 비해 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10)는 상기 베이스 기판 상에 상기 마스크 입자를 코팅하여 코팅막을 형성하는 단계(S101); 빛 또는 활성기체가 투과하지 못하는 불투과성 영역을 포함하는 마스크를 통해 상기 베이스 기판에 빛 또는 활성기체를 조사하는 단계(S102); 및 입자 제거부재를 이용해 상기 베이스 기판으로부터 상기 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부 또는 조사되지 않은 비노광부의 코팅막을 형성하는 상기 마스크 입자를 선택적으로 제거하는 단계(S103);를 포함하여 상기 마스크 입자가 제거되지 않은 마스킹 영역, 및 상기 마스크 입자가 제거된 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 따른 코팅막을 형성하는 단계(S101)는 도 2에 나타낸 것과 같이 밀착성 고분자 기판(10)을 준비한 후, 복수의 마스크 입자(20)를 정렬하여 밀착성 고분자 기판(10) 상에 코팅막(22)을 형성한다. 더욱 구체적으로는 밀착성 고분자 기판(10) 위에 건조된 복수의 마스크 입자(20)를 올린다. 본 실시예와 달리 용액 상에 분산되어 있는 입자는 밀착성 고분자 표면과 직접적인 접촉이 이루어지기 어려워서 코팅이 잘 이루어지지 않는다. 따라서 사용하는 마스크 입자의 질량보다 적은 미량의 용액이나 휘발성 용매를 이용한 경우에만 코팅 작업 중 입자가 건조되어 코팅 작업이 가능할 수 있다.
계속해서, 도 2에 나타낸 것과 같이 복수의 마스크 입자(20) 위에서 압력을 가하여 코팅막(22)을 형성한다. 마스크 입자(20)에 압력을 가하는 방법으로는 라텍스, 스폰지, 손, 고무판, 플라스틱 판, 부드러운 표면을 가지는 재료 등을 이용 하여 문지르는(rubbing) 방법이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 마스크 입자(20)에 압력을 가할 수 있다.
본 실시예에서 밀착성 고분자 기판(10)의 표면 위에 마스크 입자들(20)을 올린 후에 압력을 가하면 압력이 가해진 부분의 마스크 입자들(20)이 밀착성 고분자 기판(10)의 변형을 통해 부착된다. 이에 의하여 해당 부분에 마스크 입자들(20)에 각기 대응하는 복수의 오목부(12)가 형성된다. 따라서 오목부(12)에 마스크 입자(20)가 감싸인 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 마스크 입자들(20)이 정렬된다.
오목부(12)는 마스크 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10) 간 상호작용에 의해 형성되는 것으로 가역적이다. 즉, 소멸될 수도 있으며, 위치가 이동될 수 있다. 일례로, 문지르는 과정에서 마스크 입자(20)가 이동하게 되면 밀착성 고분자 기판(10)의 탄성 복원력에 의해 오목부(12)가 사라지거나, 마스크 입자(20)의 이동에 따라 오목부(12)도 위치가 변경될 수 있다. 이러한 가역적 작용에 의해 마스크 입자(20)가 고르게 정렬될 수 있다(여기서 "가역적"이란 말은 코팅 시 밀착성 고분자 기판 표면의 유연성 및 탄성 복원력에 의해 발생하는 특성이므로, 밀착성 고분자 기판의 복원력이 시간이 지남에 따라 약해지거나 소멸되는 경우도 포함되는 넓은 의미이다).
밀착성 고분자 기판(10)과의 결합이 이루어지지 않은 마스크 입자들(20)은 문지르는 힘 등에 의하여 밀착성 고분자 기판(10)의 마스크 입자(20)가 코팅되지 않은 영역으로 이동하게 되고, 코팅되지 않은 부분에 전술한 바와 같이 마스크 입자(20)에 의해 오목부(12)가 형성된다. 그리고 새로 형성된 오목부(12)에 마스크 입자(20)가 감싸인 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)과 마스크 입자(20)의 결합이 이루어진다. 이러한 과정을 거쳐 밀착성 고분자 기판(10)에 높은 밀도로 단층 수준의 코팅막(22)이 형성된다.
여기에서, 오목부(12)는 마스크 입자(20)의 일부를 감싸도록 마스크 입자(20)의 외곽 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 마스크 입자(20)가 구형인 경우에는 오목부(12)도 구면(球面) 형상을 가져 오목부(12)에 마스크 입자(20)의 일부분이 밀착될 수 있다. 그리고 오목부(12)의 깊이(L1)는 밀착성 고분자 기판(10)의 경도, 마스크 입자(20)의 형태, 경도, 환경 요인(일례로, 온도) 등에 따라 달라질 수 있다. 즉, 밀착성 고분자 기판(10)의 경도가 커질수록 오목부(12)의 깊이(L1)가 작아지고, 온도가 증가할수록 오목부(12)의 깊이(L1)가 커질 수 있다.
마스크 입자(20)의 평균 입경(D)에 대한 오목부(12)의 깊이(L1)의 비율(침하율)(L1/D)은 0.02 ~ 0.98인 것이 바람직하다. 상기 비율(L1/D)이 0.02 미만인 경우에는 마스크 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력이 충분하지 않을 수 있고, 0.98을 초과하는 경우에는 마스크 입자들(20)이 단층 수준으로 코팅되기 어려울 수 있다. 결합력 및 코팅 특성 등을 좀 더 고려하면, 상기 비율(L1/D)은 0.05 ~ 0.6인 것이 바람직하고, 0.08 ~ 0.4인 것이 더욱 바람직하다.
본 실시예에서와 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 탄성 변형에 의하여 생긴 오목부(12)에 의하여 각각의 마스크 입자(20)의 일부분이 감싸지게 되면, 마스크 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)의 결합력이 보다 증대될 수 있다. 그리고 밀착성 고분자 기판(10)에 결합된 마스크 입자들(20)도 주변의 코팅되지 않은 부분으로 이동이 가능하여 새로운 마스크 입자(20)가 밀착성 고분자 기판(10)의 표면의 빈 오목부(12)에 부분적으로 수용될 수 있다. 이러한 재배열 특성에 따라 코팅막(22)이 높은 밀도로 단층 수준으로 코팅될 수 있다. 일례로, 마스크 입자들(20)은 각각의 중심이 육각형의 형상을 이루도록 배치될 수 있다.
한편, 마스크 입자(20)가 비구형일 경우(예를 들어, Ag3PO4)에는 다양한 방법에 의하여 단층 수준인지 여부를 판별할 수 있다. 일례로, 마스크 입자들(20) 중 상위 10% 입자들(즉, 입경이 10% 이내로 큰 입자들)의 평균 입경에 대한 코팅막(22) 두께의 평균값의 비율이 1.9 이하일 경우를 단층 수준으로 코팅된 것을 볼 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 빛 또는 활성기체를 조사하는 단계(S102)는 도 3에 나타낸 것과 같이 상기 코팅막이 형성된 베이스 기판에 불투과성 영역(31)을 포함하는 마스크(30)를 통해 빛 또는 활성기체를 조사하여 밀착성 고분자 기판(10) 표면의 코팅막(22)을 부분적으로 노광 또는 기체에 노출시키는 단계이다. 밀착성 고분자 기판(10)의 표면은 복수의 마스크 입자(20)로 이루어진 코팅막(22)으로 덮여있지만, 일 예로 조사되는 빛은 복수의 마스크 입자(20) 사이사이의 틈새를 통해 밀착성 고분자 기판(10)에 도달하여 밀착성 고분자 기판(10)을 노광시킬 수 있다. 그리고 마스크 입자(20)가 빛 또는 활성기체가 투과할 수 있는 물질로 이루어지는 경우에는, 조사되는 빛 또는 활성기체가 마스크 입자(20)를 투과하여 밀착성 고분자 기판(10)에 도달할 수 있다.
본 실시예에서, 일예로 밀착성 고분자 기판(10)이 PDMS 재질로 이루어진 경우 전술한 빛은 구체적으로 자외선으로 적용 가능하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 밀착성 고분자 기판(10)의 재질에 따라 가시광선 또는 적외선으로도 적용 가능함은 물론이다.
이와 같이, 마스크(30)를 밀착성 고분자 기판(10) 위에 배치한 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 빛 또는 활성기체를 조사하면, 밀착성 고분자 기판(10) 표면의 빛 또는 활성기체를 조사받은 노광부(14)의 부착력은 빛 또는 활성기체를 조사받지 못한 비노광부(15)의 부착력보다 커진다. 이는 상기 빛 또는 활성기체의 조사에 의해 가교, 광이량화 등의 반응으로 분자량이 크게 증가하면서 용해성이 떨어지고 열적 특성, 내화학성이 현저하게 좋아지기 때문이다. 또한 빛 또는 활성기체의 조사에 의해 PDMS의 경도가 변화되거나 입자표면의 작용기들과 결합이 이루어지게 된다. 따라서 노광부(14)에 위치한 마스크 입자(20)는 비노광부(15)에 위치한 마스크 입자(20)에 비해 강한 결합력으로 밀착성 고분자 기판(10)에 부착된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 마스크 입자를 선택적으로 제거하는 단계(S103)는 도 4에 나타낸 것과 같이 입자 제거부재(35)를 코팅막(22) 위에 접촉시켰다 떼어내어 상기 밀착성 고분자 기판(10)으로부터 비노광부(15)에 위치한 마스크 입자(20)를 선택적으로 제거하는 단계이다. 마스크 입자(20)가 제거되지 않은 부분은 마스킹 영역(16)을 형성하고, 마스크 입자(20)가 제거된 부분은 비마스킹 영역(17)을 형성한다.
입자 제거부재(35)로는 일면에 밀착성 및 상대적인 부착력의 차이를 가지는 폴리메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)등의 고분자 물질 및 접착력의 차이를 가지는 스카치 테이프TM와 같은 다양한 종류의 것이 이용될 수 있다. 일 예로, 입자 제거부재(35)는 제거된 입자를 활용하기 위해서 경도가 낮은 2 ~ 7% PDMS 접착 테이프로 적용 가능하다.
이와 같이, 입자 제거부재(35)를 이용하여 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)에 위치하는 마스크 입자들(20)을 제거하면, 밀착성 고분자 기판(10)에는 노광부(14)에 위치하는 마스크 입자들(20)만 남게 되어 일정 형상의 마스크 패턴이 형성된 기판(40)을 만들 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴을 형성하는 단계(S30)는 도 5에 나타낸 것과 같이 상기 코팅단계(S10)에 의해 마스크 입자를 이용한 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 적어도 일영역 이상이 산화된 금속 입자를 도포하고, 문지름으로써 금속 입자의 부착력이 높은 비마스킹 영역에 상기 산화된 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계이다. 도 6에 본 발명의 일실시예에 따라 선폭 12μm로 형성된 금속 패턴의 사진을 나타내었다.
금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 입자일 수 있으며, 바람직하게는 전기전도성이 우수한 은(Ag)을 사용하는 것이 좋다. 금속 입자의 형상은 대칭 형상, 비대칭 형상, 무정형, 다공성의 형상을 가질 수 있다. 일례로, 금속 입자는 구형, 타원형, 반구형, 큐브형, 사면체, 오면체, 육면체, 팔면체, 기둥형, 뿔형 등을 가질 수 있다. 이때, 금속 입자는 구형 또는 타원형을 가지는 것이 바람직하다.
또한 금속 입자는 평균입경이 10 내지 50nm일 수 있다. 평균입경이 10nm 미만일 경우 베이스 기판에 의하여 전체적으로 감싸지는 형태가 될 수 있어 금속 입자를 단층 수준으로 코팅하는 것이 어려워질 수 있는 문제점, 건조 상태에서도 입자들이 서로 응집하여 문지르는 힘만으로는 입자가 개별적으로 이동하는 것이 어려울 수 있는 문제점이 있으며, 50nm 초과일 경우 입자의 부착이 약하게 나타날 수 있는 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 20 내지 40nm 인 것이 좋다. 이때, 금속 입자가 구형일 경우에는 금속 입자의 지름을 입경으로 사용할 수 있다. 금속 입자가 구형이 아닐 경우에는 다양한 계측법이 사용될 수 있는데, 일례로, 장축과 단축의 평균값을 입경으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴 형성단계(S30)는, 금속 입자를 상기 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 도포한 후, 상기 금속 입자 위에서 압력을 가하는 방법이 이용될 수 있다. 압력을 가하는 방법으로는 라텍스, 스폰지, 손, 고무판, 플라스틱 판, 부드러운 표면을 가지는 재료 등을 이용하여 문지르는(rubbing) 방법을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 금속 입자를 기판에 선택적으로 부착시킬 수 있다.
금속 입자를 상기 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 문지르는 경우, 베이스 기판으로 사용되는 밀착성 고분자 기판의 마스킹 영역에 대한 금속 입자의 낮은 부착력과 비마스킹 영역에 대한 높은 부착력을 이용하여, 도포된 금속 입자 중 비코팅 영역에 90% 이상의 금속 입자가 부착될 수 있다. 마스크 패턴의 형태에 따라 원하는 형태의 금속 패턴을 형성할 수 있고, 상대적으로 금속 입자의 부착력이 높은 비코팅 영역에만 선택적으로 금속 입자가 부착하기 때문에 도포한 금속 입자의 손실을 최소화하여 재료비용이 절감되어 생산 비용을 낮출 수 있다. 도 7에 나타낸 것과 같이 대부분의 금속 입자는 비마스킹 영역에 부착되고(위쪽), 일부 금속 입자가 마스킹 영역에 부착된 것(아래쪽)을 알 수 있다.
또한 응집성이 강한 금속 입자일수록 비마스킹 영역에 부착 시 단층 형태에서 다층 형태로 부착될 수 있다.
상기와 같이 비마스킹 영역에 선택적으로 부착하는 성질을 선택 부착성이라고 할 때, 금속 입자의 선택 부착성을 높이기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴 형성방법은 도 8에 나타낸 것과 같이 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10) 이후, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이전에, 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 일 영역을 선택적으로 UV 노광 처리하는 단계(S20)를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판의 일 영역을 선택적으로 UV 노광 처리하는 방법의 일 예로, 잉크를 이용하여 비마스킹 영역을 차폐한 후 코팅 영역만을 노광시킬 수 있다. 상기 비마스킹 영역을 차폐하여 노광 처리하는 경우, 베이스 기판의 비마스킹 영역에의 금속 입자의 부착력을 유지되고, 상기 잉크에 의해 차폐되지 않은 마스킹 영역은 노광 처리 시 그대로 노출시켜 마스크 입자의 용접 효과를 통해 마스킹 영역에의 금속 입자의 부착력을 감소시켜, 상대적으로 비마스킹 영역에의 금속 입자의 부착력이 증가하는 효과를 갖는다. UV 노광 처리 단계(S20)를 더 포함하여 금속 패턴을 형성하는 경우, 도포된 금속 입자 중 비마스킹 영역에 95% 이상의 금속 입자가 부착될 수 있다.
도 9 및 도 10에 나타낸 것과 같이 노광단계를 포함하는 경우 마스킹 영역에는 금속 입자가 거의 부착되지 않은 것을 알 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴 형성방법은 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이후에, 금속 패턴을 형성하는 금속 입자를 환원하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴 형성 시 사용하는 금속 입자는 분말(powder) 상태의 나노(nano) 크기의 금속 입자를 사용하는 경우 금속 소재의 경우 분말의 크기가 작을수록 비표면적 증가에 따른 표면에너지의 증가로 분말이 불안정하게 되고, 대기 중에서 보관할 경우 표면이 계속해서 산화되어 산화안정성이 취약하다. 따라서 높은 전기 전도성을 갖는 금속이라고 하더라도 표면의 적어도 일영역 이상이 산화된 경우 비전도성이거나 매우 낮은 전도성을 나타내게 된다. 따라서 금속 패턴 형성 시 전도성을 갖기 위한 환원단계를 거칠 필요가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 상기 금속 패턴이 형성된 기판을 알코올 용액과 함께 열처리하여 알코올을 포함하는 증기 하에서 반응시킴으로써 표면의 일부가 산화된 금속 패턴을 형성하는 금속 입자를 환원시켜 전도성을 갖도록 하는 단계로서 별도의 세척 및 건조 과정이 필요치 않고, 금속 입자의 균일한 환원이 가능하며, 반응 시간이 짧고, 낮은 온도에서 반응이 가능하여 매우 간단한 환원공정을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 적어도 일영역이 산화된 금속 입자 패턴에 증기 상의 알코올을 접촉시킴으로써 실온에서도 반응이 가능하지만 높은 온도에서는 빠르게 반응이 가능한 단계로서, 빠른 반응을 위해 50℃ 내지 100℃로 열처리하여 반응시키거나 별도의 열처리 없이 상온에서 반응시킬 수 있다. 50℃ 내지 100℃로 열처리하는 경우, 1 내지 5분(min) 이내에 반응이 가능하며, 상온에서 반응하는 경우 3 내지 12시간(hour)의 반응시간이 필요하다.
바람직하게는 60℃ 내지 80℃로 열처리하여 반응시키는 것이 좋다. 100℃를 초과하여 열처리하여 반응시키는 경우, 내열성이 취약한 베이스 기판을 사용하는 경우 기판이 손상될 수 있으며, 60℃ 미만으로 열처리하여 반응시키는 경우, 반응시간이 길어 공정 시간이 길어지는 문제점이 있다.
또한 상기 알코올(alcohol)을 포함하는 증기 상에서 포함되는 알코올로는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol), 고급 알코올(higher alcohol) 등을 사용할 수 있다.
상기 금속 입자 패턴이 형성된 베이스 기판을 알코올 용액과 함께 50 내지 100℃에서 열처리하여 알코올을 포함하는 증기 상에서 반응시키는 경우, 1 내지 5분(min) 동안 반응시켜 환원이 가능하다.
상기 적어도 일영역 이상이 산화된 금속 입자가 도포된 기판을 알코올 용액과 함께 상온에서 반응시키는 경우, 3 내지 12시간(hour) 동안 반응시켜 환원이 가능하다. 예를 들어, 메탄올 용액과 함께 상온에서 반응시키는 경우, 3 내지 4시간 동안 반응시켜 환원이 가능하며, 에탄올 용액과 함께 상온에서 반응시키는 경우 11 내지 12시간 동안 반응시켜 환원이 가능하다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 환원단계는 선택적으로 알코올 이외에도 산소(O2)를 더 포함하는 증기 하에서 반응시키는 단계일 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 환원단계는 외부물질의 유입 및 내부물질의 유출이 차단되는 상태에서 반응시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속 입자 패턴이 형성된 베이스 기판을 밀폐 공간에 알코올 용액과 함께 투입 후 균일하게 열을 가하여 줌으로써 알코올을 포함하는 증기의 제공이 가능하고, 밀폐공간에서 반응시킴으로써 외부물질의 유입 및 내부물질의 유출을 차단할 수 있다. 또는 반응 공간의 압력을 일정하게 유지시켜 증기의 조성을 일정하게 하거나 조절하는 등의 제어가 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 환원단계의 경우, 금속 입자 패턴을 환원시키고 최종 기판에 전사시키는 순서는 무관하나, 환원시킨 후 최종 기판에의 전사시키는 더 바람직하다.
그리고 상술한 것과 같은 일정 패턴으로 형성된 코팅막(22)은 밀착성 고분자 기판(10)에 결합한 상태로 사용될 수도 있고, 다른 기판 등에 전사되어 사용될 수도 있다. 도시되지는 않았으나, 밀착성 고분자 기판(10)의 노광부(14)의 부착력보다 큰 부착력을 갖는 전사 기판을 코팅막(22)에 접촉시켰다 떼어내면 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅된 코팅막(22)을 새로운 전사 기판에 그대로 전사할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속 패턴 형성방법을 통해 선폭 2 내지 15μm의 메탈 매쉬를 제공할 수 있다. 또한 금속 패턴은 노광 단계(S102)에서 이용되는 마스크(30)의 불투과성 영역(31)을 다양화함으로써 다양하게 변화시킬 수 있다.
실시예
실시예 1
PDMS 기판 상에 150nm의 실리카(SiO2) 입자를 이용하여 코팅 영역을 형성하였다. 상기 실리카 입자로 코팅된 PDMS 기판 상에 표면의 일부가 산화된 평균입경 20-40nm의 Ag 입자 분말을 도포한 후, 라텍스 필름으로 감싼 스펀지를 이용하여 문질러 비코팅 영역에 부착시켜 패턴을 형성하였다. 이후 Ag 입자 패턴 형성된 PDMS 기판을 밀폐 용기 내에서 메탄올 용액과 함께 60℃로 열처리하여 2min 반응시켰다.
실시예 2
PDMS 기판 상에 150nm의 실리카(SiO2) 입자를 이용하여 코팅 영역을 형성하였다. 상기 코팅 영역이 형성된 PDMS 기판에 잉크로 비코팅 영역을 차폐한 후 UV 램프를 이용하여 UV를 조사한 후, 잉크를 제거하였다. 상기 노광된 PDMS 기판 상에 표면의 일부가 산화된 평균입경 20-40nm의 Ag 입자 분말을 도포한 후, 라텍스 필름으로 감싼 스펀지를 이용하여 문질러 비코팅 영역에 부착시켜 패턴을 형성하였다. 이후 Ag 입자 패턴 형성된 PDMS 기판을 밀폐 용기 내에서 메탄올 용액과 함께 60℃로 열처리하여 2min 반응시켰다.
　 SiO2입자크기(nm) 베이스 기판 Ag 입자 크기(nm) UV 노광 환원
실시예 1 150 PDMS 20-40 X O
실시예 2 150 PDMS 20-40 O O
실험예
(1) 열적 안정성 실험(Thermal stability)
본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 금속 패턴의 열적 안정성을 확인하기 위하여, 1.5cmㅧ1.5cm 크기로 자른 후 hot plate에 올린 후 시간과 온도에 따라 면저항의 변화량을 측정하였다. 온도는 150, 200, 250℃ 총 3 종류의 온도에서 측정을 하였다.
(2) 전도성 실험(Conductivity test)
본 발명의 실시예 및 비교예의 금속 입자 패턴이 형성된 기판에 대하여 면저항을 4단자 측정법으로 Loresta-GP(미쯔비시사, 모델명:MCP-T610)를 이용하여 5회 측정하여 평균값을 나타내었다.
(3) 밀착성 실험
본 발명의 실시예 및 비교예의 금속 입자 패턴이 형성된 기판에 1mm 간격으로 가로 세로 각각 11개의 직선을 그어 100개의 정사각형을 만든 후, 테이프를 이용하여 박리 테스트를 진행하였다. 100개의 사각형 3개를 테스트하여 평균값를 기록하였다.
밀착성 = n/100
100: 전체 사각형 개수
n: 박리되지 않는 사각형의 수를 나타낸다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 베이스 기판 상에 마스크 입자를 이용하여 마스킹 영역 및 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10);
    상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 상기 비마스킹 영역에 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계(S30);를 포함하는 도전입자의 미세 패터닝 방법으로서,
    상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이후에,
    상기 금속 패턴을 형성하는 상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)를 더 포함하고,
    상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 상기 금속 패턴이 형성된 기판을 환원제로서 알코올을 포함하는 증기를 이용하여 증기하에서 환원 반응시키는 단계이고,
    상기 금속 입자를 환원하는 단계(S40)는 50℃ 내지 100℃로 열처리하여 반응시키거나 별도의 열처리 없이 상온에서 반응시키는 단계인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 입자는 평균입경이 10nm 내지 2μm인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 입자는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체 및 생체 물질로 구성되는 군에서 선택되는 물질의 입자인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 폴리메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)로 구성되는 군에서 선택되는 재질의 밀착성 고분자 기판인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10)는,
    상기 베이스 기판 상에 상기 마스크 입자를 코팅하여 코팅막을 형성하는 단계(S101);
    불투과성 영역을 포함하는 마스크를 통해 상기 베이스 기판에 빛 또는 활성기체를 조사하는 단계(S102); 및
    입자 제거부재를 이용해 상기 베이스 기판으로부터 상기 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부 또는 조사되지 않은 비노광부의 코팅막을 형성하는 상기 마스크 입자를 선택적으로 제거하는 단계(S103);를 포함하여,
    상기 마스크 입자가 제거되지 않은 마스킹 영역, 및 상기 마스크 입자가 제거된 비마스킹 영역을 포함하는 마스크 패턴을 형성하는 단계인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅막을 형성하는 단계(S101)는 상기 마스크 입자를 상기 베이스 기판 상에 문질러서 압력을 가하여 상기 마스크 입자가 단층으로 코팅되어 코팅막을 형성하는 단계인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30)는 상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판 상에 금속 입자를 도포하고 문질러서 상기 금속 입자를 선택적으로 부착시켜 금속 패턴을 형성하는 단계인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 입자인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 입자는 평균직경이 20 내지 40nm 인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부착된 금속 입자 전체 중량에 대한 상기 비마스킹 영역에 부착된 금속 입자의 중량은 90% 이상인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 마스크 패턴을 형성하는 단계(S10) 이후, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계(S30) 이전에,
    상기 마스크 패턴이 형성된 베이스 기판의 일 영역을 선택적으로 UV 노광 처리하는 단계(S20);를 더 포함하는 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 UV 노광 처리하는 단계(S20)는 상기 베이스 기판 중 마스크 패턴이 형성된 영역만을 선택적으로 UV 노광 처리하는 단계인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부착된 금속 입자 전체 중량에 대한 상기 비마스킹 영역에 부착된 금속 입자의 중량은 95% 이상인 도전입자의 미세 패터닝 방법.
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