KR20070120390A

KR20070120390A - 초소수성 물질을 이용한 용액 타입의 패턴 형성 방법

Info

Publication number: KR20070120390A
Application number: KR1020060055095A
Authority: KR
Inventors: 박미경; 채기성
Original assignee: 엘지.필립스 엘시디 주식회사
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-24
Also published as: KR101235699B1

Abstract

본 발명에서는 알킬 케톤 다이머 또는 디알킬케톤과 같은 초소수성의 성질을 갖는 물질을 기판의 선택된 영역으로 적층한 뒤, 소자 물질이 분산되어 있는 용액 상태의 물질 사이의 표면반발력 또는 친화력에 따른 자기배열을 이용하여 직접적으로 기판 상에 금속 배선 등의 패턴을 형성하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면 초소수성을 갖는 물질의 극대화된 자기배열에 의하여 미세한 패턴을 균일하게 형성할 수 있을 뿐 아니라, 종래의 마스크 공정에 비하여 공정이 크게 단순화되어 제조비용의 절감 및 공정의 효율성을 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

Description

초소수성 물질을 이용한 용액 타입의 패턴 형성 방법{Process for Patterning Thin-film of Solution Type}

도 1a 내지 도 1f는 종래 기판 상에 패턴을 형성하는 공정을 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 기판 상에 금속 배선의 미세 패턴을 형성하는 공정을 단계별로 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 기판 상에 금속 배선의 미세 패턴을 형성하는 공정을 단계별로 도시한 도면.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 기판 상에 소수성 작용기를 갖는 단층막을 형성하는 데 사용될 수 있는 스탬프의 제조 과정을 개략적으로 도시한 도면.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라 금속 전극이 형성된 기판 상으로 유기 절연막의 미세 패턴을 형성하는 공정을 단계별로 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따라 기판의 상면에 형성된 초소수성 단층막의 표면 형태를 개략적으로 도시한 도면.

도 7a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 나노 파티클이 함유된 용매가 기판 상에 도포되어 패턴이 형상된 기판의 SEM 사진이고, 도 7b는 도 6a의 특정 영역을 확대한 SEM 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200, 300 : 기판 110, 210, 310 : 소수성 단층막

120 : 분산 용액 122 : 나노 파티클

134 : 금속 패턴 150 : 마스터

160 : 스탬프 220 : 절연체 조성물

224 : 유기 절연막

본 발명은 기판 상에 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초소수성의 물질과 소자 물질이 분산되어 있는 용액 상태의 물질 사이의 표면반발력 또는 친화력에 따른 자기-배열을 이용하여 패턴을 기판 상에 금속 배선, 유기 절연막 등의 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

반도체 소자를 비롯하여 액정 표시 소자(Liquid crystal display device) 등의 평판표시소자에 있어서 패턴 공정은 제조된 소자의 성능에 크게 영향을 미치는 중요한 공정이다. 이에 따라 최근에는 소자의 성능을 향상시킬 수 있도록 연구가 진행되고 있는데, 특히 미세금속패턴을 형성하여 소자의 성능을 향상시키고자 하는 다양한 시도가 전개되고 있다. 현재까지 가장 일반적으로 사용되는 패턴 형성 공정은 감광성물질인 포토레지스트(photoresist, PR)를 이용한 공정으로서, 도 1a 내지 도 1e는 PR을 이용하여 금속 배선의 패턴을 형성하기 위한 공정을 단계별로 개략적으로 도시한 공정도이다.

우선, 도 1a에 도시된 것과 같이 산화실리콘 등의 반도체 물질 또는 유리와 같은 절연물질로 이루어진 기판(10)의 상면으로 금속 박막층(12)을 증착한 후, 예컨대 스핀-코팅 등의 방법을 사용하여 도 1b에 도시된 것과 같이 상기 금속 박막층(12)의 상면으로 감광성 고분자인 포토레지스트층(14)을 형성한다. 이어서 도 1c에 도시된 것과 같이 상기 포토레지스트층(14)의 상면에 마스크(16)를 위치시킨 뒤 자외선(UV) 광을 조사한다. 일반적으로 포토레지스트에는 포지티브 타입과 네거티브 타입으로 구분될 수 있는데, 본 도면에서는 그 일례로서 네거티브 타입의 포토레지스트를 사용한 경우를 도시하고 있다.

UV 광이 조사되면 마스크(16)에 의하여 가리워진 영역을 제외하고 UV가 조사된 영역의 포토레지스트는 그 화학적 구조가 변하게 된다. 이에 따라 현상액을 조사하면, 도 1d에 도시된 것과 같이 자외선이 조사되지 않은 영역의 포토레지스트층(14)이 제거되고 자외선이 조사된 영역으로만 일정한 포토레지스트 패턴(14a)이 형성된다. 이와 같이 자외선이 조사된 영역으로만 형성된 포토레지스트 패턴(14a) 에 의하여 금속 박막층(12)이 블로킹 된 상태에서 식각액을 적용하면, 도 1e에 도시된 것과 같이 포토레지스트 패턴(14a)에 의하여 블로킹된 영역을 제외한 나머지 부분의 금속 박막층(12)이 제거된다. 그 후 도 1f에 도시된 것과 같이 스트리퍼를 적용하여 barrier로 작용하였던 상기 포토레지스트 패턴(14a)을 박리하면 기판(10) 상에는 소정의 금속 패턴(12a)만이 남게 되어 금속 배선이 완성된다.

그런데, 이와 같이 기존 공정을 이용하여 금속 배선을 형성하고자 하는 경우에는 금속 박막을 증착한 뒤에, 포토레지스트층의 형성 공정, UV 조사를 통한 노광 공정, UV 조사를 받은 부분을 제거하는 현상 공정, 감광 고분자가 open된 금속 박막 식각 공정 및 barrier로 기능하였던 포토레지스트층을 박리하는 공정 등을 거쳐야 하기 때문에 그 공정이 지나치게 복잡할 뿐만 아니라 복수개의 패턴이 형성된 전기 소자의 경우에는 각 패턴을 형성하기 위해서 별도로 포토레지스트 공정이 수행되어야 하기 때문에 제조비용이 상승하여 바람직하지 않다.

이와 같이 종래의 photolithography 기술을 이용한 패턴 공정의 문제점을 해결하기 위하여 예컨대 대한민국 공개특허공보 제2003-38401호에서는 잉크층을 전사하는 인쇄 방식을 통하여 대면적의 표시소자에 패턴을 형성하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 위 공개특허공보의 명세서에서도 기술되어 있듯이 잉크와 피가공층의 접착력이 약하기 때문에 잉크 패턴이 쉽게 박리되는 문제가 있고 이를 해결하기 위해서는 프라이머 도포/플라즈마 처리/UV 처리 등의 화학적 처리 및 물리적인 처 리 공정이 수반되어야 하는 문제가 있다.

이와 같은 문제점으로 인하여 용액 형태의 자기배열단층막(SAM)을 형성하여 기판 상에 특정 영역으로만 성막이 이루어지는 방법이 제안된 바 있다. 이와 같은 용액 타입을 이용한 패턴 방법의 경우, 노광 공정을 이용하면 재료의 물성이 변화되는 문제가 있고, 잉크젯 프린팅 방식을 이용하는 경우에는 접촉각의 저하 등으로 인하여 미세 패턴이 균일하게 형성되기 어렵기 때문에 별도로 격벽을 설치해야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 일 목적은 기판의 표면으로 초소수성의 성질을 갖는 물질을 형성하고, 이 물질과 소자 물질이 분산된 용매의 작용기 사이의 표면반발력을 이용하여 자기배열되는 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 초소수성 물질과 다른 작용기 사이에 작용하는 큰 표면반발력에 기인하여 미세 패턴을 정교하게 형성할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 복잡한 공정을 거치지 않음으로써 경제적이고 효율적인 공정이 가능하고 특히 반응이 신속하게 이루어질 수 있는 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 후술하는 발명의 구성 및 첨부하는 도면을 통하여 보다 분명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 갖는 본 발명에 따르면, 기판의 선택된 영역으로 초소수성(super-hydrobicity)을 갖는 물질을 형성한 뒤, 이 물질과 친화적인 소수성 작용기 또는 친수성 작용기를 포함하는 물질을 도포하여 양 물질의 작용기 사이의 표면반발력에 따라 특정하게 선택된 영역으로만 패턴이 형성되는 방법을 개시한다.

즉, 본 발명은 기판 상에 자기배열된 물질과 그 상부에 도포되는 용액 사이의 표면반발력을 이용한 패턴 형성 방법으로서, (a) 디아킬케톤, 알킬케톤다이머, 또는 이들 혼합물에서 선택되는 소수성 물질을 상기 기판의 선택된 영역으로 적용하여 소수성 단층막을 형성하는 단계; (b) 상기 소수성 단층막이 형성된 기판의 전면으로 소수성 작용기 또는 친수성 작용기를 갖는 용매에 분산된 소자 물질이 함유된 용액을 도포하는 단계; (c) 상기 소자 물질이 도포된 기판을 열처리하여 상기 기판 상으로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.

이때, 바람직하게는 상기 (a) 단계는 소수성 물질을 상기 기판 상면에 적용하는 단계와, 상기 소수성 물질을 용융시키는 단계와, 상온에서 냉각시키는 단계로 이루어질 수 있으며, 상기 (b) 단계는 기판을 용액에 침지하는 방법으로 수행될 수 있다.

바람직한 실시예에 다르면 용매는 말단에 아민기, 하이드록시기 등을 갖는 친수성 용매이고, 소자 물질과 용매의 작용기 사이의 표면장력을 감소시켜 용매의 작용기 외부로 돌출될 수 있도록 용액에 계면활성제가 더욱 포함될 수 있다.

본 발명에 따라 사용되는 소자 물질로서는 나노 크기의 금속 파티클, 유기 분자, 또는 유무기 하이브리드 분자로서, 금속 물질로는 금, 은, 알루미늄, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 알루미늄-네오디뮴 혼합물, ITO 등을 포함한다.

유기 절연막을 형성하고자 하는 경우에 상기 용액은 절연체 조성물일 수 있으며, (a) 단계에서 소수성 물질을 용융하고자 하는 단계는 약 70 ~ 150 ℃, 바람직하게는 90 ~ 110 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, (c) 단계의 열처리 공정은 100 ~ 110 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.

이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 초소수성(super-hydrophobic) 물질을 기판의 특정 영역에 형성한 뒤에 용액 타입의 용매를 도포하여 금속 패턴을 형성하는 공정을 단계별로 도시한 공정도이다. 우선, 도 2a에 도시된 것과 같이 산화실리콘, 유리, 플라스틱 등의 친수성 물질로 제조되는 기판(100)의 상면으로 소수성 단층막(110)을 형성할 수 있는 초소수성의 물질이 돌출 패턴에 부착되어 있는 스탬프(160)를 적용한다.

도 2a에 도시되어 있는 스탬프(160)는 예를 들어 바람직하게는 PDMS(polydimethtylsiloxane), 실리콘 러버(silicon rubber), 폴리우레탄, 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리이미드 등과 같은 탄성물질과 같은 '소프트 몰드' 방법에 의하여 제조되는데, 도 4a 내지 도 4f에서는 스탬프(160)의 제조하여 스탬프(160)의 돌출된 패턴으로 소수성 작용기를 갖는 물질이 접촉하기까지의 공정을 단계별로 도시한 도면이다.

우선, 도 4a에 도시된 것과 같이 평평한 몰드(mold) 또는 베이스 기판(151) 상에 무기물질인 질화실리콘(SiNx) 또는 산화실리콘(SiO₂)을 증착하거나 또는 phtolithography 기술을 통한 포토레지스트층을 도포하는 방법을 이용하여 금속 또는 금속산화물이 적층되는 형태로 원하는 크기 및 높이를 갖는 패턴(152)을 형성하여 마스터(master, 150)를 제작한다. 마스터(150)를 이루는 상기 베이스 기판(150)은 예컨대 실리콘, 석영 등의 물질이 될 수 있다.

이어서, 도 4b에 도시된 것과 같이 패턴(152)이 형성된 마스터(150)의 전면으로 바람직하게는 PDMS, 폴리우레탄아크릴레이트와 같은 elastomer가 도포되어 있는 탄성물질층(162)을 형성한 뒤, 상온 또는 적절한 온도에서 탄성물질층(162)을 놓아 두어 경화(curing)되도록 한다. 다음에 경화된 탄성물질층(162)을 마스터(150)로부터 제거하면 도 4c에 도시된 것과 같이, 마스터 상부에 형성되어 있던 패턴(152)에 상응하는 돌출 패턴(164)을 갖는 스탬프(160)가 완성된다. 이어서 도 4d에 도시된 것과 같이, 돌출 패턴(164)을 갖는 스탬프(160)를 말단에 본 발명에 따라 사용되는 초소수성의 물질(110)이 스며들어 있는 레진(resin, 170), 예컨대 PDMS로 만들어지는 레진(170)으로 가압하면, 도 4e에 도시된 것과 같이 스탬프(160)의 돌출 패턴(164) 하단으로 소수성 단층막(110)을 형성할 수 있는 물질이 부착된다.

상술한 것과 같이 초소수성 물질이 돌출 패턴에 부착된 스탬프(160)를 기판에 적용하게 되면, 기판 영역 중에서 스탬프(160)에 돌출 패턴(162)에 대응되는 선택 영역으로 초소수성 물질이 전사되어, 도 2b에 도시된 것과 같이 분자수준의 자기배열단층막(self-assembled monolayer, SAM)을 이루는 소수성 단층막(110)이 형성된다. 일반적으로 표시 소자에 사용되는 기판(100)은 플라스틱, 유리 등의 친수성 물질로 만들어지므로, 소수성 단층막(110)이 형성됨에 따라 기판(100)은 소수 영역과 친수 영역으로 구분된다.

본 발명에 따라 사용될 수 있는 초소수성의 물질로는 양 말단에 탄소수 1~20, 바람직하게는 3~20의 알킬기를 갖는 알킬케톤다이머(alkyl ketone dimer, AKD), 디알킬케톤(dialkyl ketone, DAK), 또는 이들 혼합물을 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 형성되는 알킬케톤다이머와 디알킬케톤은 하기 화학식에 의하여 제조될 수 있다.

화학식

상술한 것과 같이 본 발명에 따라 사용되는 DAK, AKD 등은 말단의 소수성 알킬기와 중앙의 역시 소수성인 케톤기를 함유하고 있어 초소수성을 가지게 되는데, 이와 같은 소수성 물질을 기판(100)의 상면으로 drop한 후에 바로 건조시켜 소수성 단층막을 형성하거나 또는 drop 후에 기판과 함께 소정의 온도로 용융(melting)한 뒤 상온에서 냉각(cooling down) 하는 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 바로 건조시키는 경우에는 도 6의 우측에 도시된 것과 같이 평평한 표면 형태를 가지는 반면에, 용융 및 냉각 단계로 형성된 단층막은 도 6의 좌측에 도시된 것과 같이 rough한 표면 형태를 이루어 그 접촉각이 최대 170ㅀ까지 가능하게 되므로 미세한 패턴을 균일하게 형성할 수 있다.

본 실시예에 따르면 탄소수 16의 알킬기를 말단에 가지는 AKD의 용융점이 67℃이고 DAK는 84℃이므로, 소수성 물질이 기판(100)의 상면으로 전사된 뒤에 용융 처리는 소수성 물질을 용융시킬 수 있는 온도 범위에서 수행되는데, 70 ~ 150 ℃, 바람직하게는 90 ~ 110 ℃에서 수행될 수 있다. 이와 같은 용융 온도는 유리 기판이 가지는 용융 온도인 약 550℃는 물론이고, 플라스틱 소재의 flexible 기판의 유리 전이 온도인 150 ~ 220℃보다 낮은 온도이므로, 본 발명에 따른 용융 처리는 실리콘, 유리 기판은 물론이고 플라스틱 기판에도 응용될 수 있다.

이어서, 도 2c에 도시된 것과 같이 친수 영역과 소수 영역으로 구분될 수 있도록 소수성 단층막(110)이 형성되어 있는 기판(100)의 전면으로, 예를 들어 유기 용매에 의하여 분산되어 있는 소자 물질이 함유되어 있는 용액(120)을 도포한다. 본 발명과 관련하여 소자 물질이 분산되어 있는 용액을 도포하는 방법으로서는 예를 들어 ink-jetting 방식으로서 노즐을 통하여 기판의 전면으로 용액을 도포하는 방법을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명과 관련하여 소수성 단층막(110)이 형성되어 있는 기판(100)의 상면으로 도포되는 용액에 함유되는 소자 물질로는 금속 전극의 원료로 사용될 수 있는 나노 금속 파티클, 나노 와이어, 유기 절연막 등의 유기 박막, 유무기 하이브리드 박막의 원료로 사용될 수 있는 유기 물질 및 무기 물질을 들 수 있다. 본 실시예에서는 이와 같이 다양한 소자 물질 중에서 TFT의 게이트 전극, 소스/드레인 전극, 데이터라인, 화소전극과 같은 전극의 금속 패턴을 형성할 수 있는 나노 파티 클이 친수성 작용기, 예를 들어 아민기(NH₂)를 갖는 유기 용매에 분산된 경우를 일례로 설명한다.

아민기를 갖는 유기 용매에 의하여 분산된 나노 파티클은 유기 용매와의 상호 작용에 따라 특정한 형태를 가지는데, 특히 도면에 도시된 것과 같이, 나노 파티클을 에워싸고 있는 유기 용매 중에서 나노 파티클과 친화력이 거의 없는 아민 작용기는 나노 파티클과 접촉하지 않기 위하여 나노 파티클의 외부로 돌출되는 형태의 미셀(micelle) 형태를 가지게 된다. 이러한 나노 파티클의 분산을 유도하기 위하여 용액 중에는 분산제가 포함될 수 있다.

본 실시예에 따라 나노 파티클로 형성될 수 있는 금속 소자 물질로는 금, 은, 알루미늄, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 알루미늄-네오디뮴 혼합물, ITO 등의 통상적인 금속 물질을 포함한다. 한편, 나노 파티클을 에워싸는 말단에 친수성 작용기를 가지는 유기 용매로는 말단에 하이드록시기를 갖는 이소프로필알코올, 부틸알코올, 2-메톡시에탄올(2-methoxy ethanol), 2-부톡시에탄올, 1-부탄올, 1-펜탄올, 이소부탄올, 에틸헥산올, 1-옥탄올, 사이클로헥산올, 옥탄올, 데칸올, 도데칸올,과 같은 알코올계 용매, 또는 피리미딘, 피롤리딘, 탄소수 1~20의 알킬아민 등과 같은 아민계 용매, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트와 같은 아세테이트계 용매 등을 들 수 있다.

한편, 나노 파티클을 에워싸고 있는 유기 용매 말단의 친수성 작용기, 예컨대 아민 작용기가 외부로 향하는 미셀 형태를 가지기 위해서는 나노 파티클과 아민기 사이의 표면 장력을 감소시키는 형태로 유도할 필요가 있는데, 이를 위하여 계면활성제(surfactant)가 유기 용매에 포함될 수 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 계면활성제로는 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제가 사용될 수 있는데, 일례로서 아민기 또는 하이드록시기와 같은 친수성 작용기를 갖는 유기 용매를 사용하는 경우에는 이와 같은 친수성 작용기와 작용하지 않는 양이온성 계면활성제를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따라 사용될 수 있는 계면활성제로는 알콕시 지방산, 알콕시 알콜, 알콕시 폴리실록산과 같은 비이온성 계면활성제를 들 수 있다. 한편, 이온성 계면활성제로는 알킬아민기로 치환되어 있는 N-(6-아미노헥실)-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-(6-aminohexyl)-3-aminopropyl trimethoxy silane), 아미노헥실아미노메틸트리에톡시실란(aminohexyl aminomethyl triethoxy silane), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl trimethoxy silane), N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl triethoxy silane), N-베타-(아미노에틸)-감마-아미노프로필메틸디메톡시실란(N-β-(aminoetyhl)-γ-aminopropyl methyl dimethoxy silane), N-[N'-(2-아미노에틸)아미노에틸]-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-[N']-(2-aminoethyl) aminoethyl]-3-aminopropyl trimethoxy silane), N-[N'-(2-아미노에틸)아미노에틸]-3-아미노프로필트리에톡시실란(N-[N']-(2-aminoethyl) aminoethyl]-3- aminopropyl triethoxy silane), N-[N'-(2-아미노에틸)아미노에틸]-3-아미노프로필메틸디메톡시실란(N-[N']-(2-aminoethyl) aminoethyl]-3-aminopropyl methyl dimethoxy silane), N-[N'-(2-아미노에틸)아미노에틸]-3-아미노프로필 메틸 디에톡시실란(N-[N']-(2-aminoethyl) aminoethyl]-3-aminopropyl methyl dimethoxy silane), 3-(N-사이클로헥실아미노)프로필트리메톡시실란(3-(N-cyclohexyl amino) propyl trimethoxy silane), 아미노프로필트리메톡시실란(aminopropyl trimethoxy silane), 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyl triethoxy silane) 등의 실란계 물질을 포함하는데, 이와 같이 아민기를 가지고 있는 실란계 물질은 자체 용매로도 사용될 수 있거나 분산제로서의 기능 또한 수행할 수 있다.

상술한 것과 같이 말단에 친수성 작용기로서 아민기를 갖는 유기 용매에 의하여 분산된 나노 파티클이 기판의 상면으로 도포되면, 친수성 아민기는 소수성 단층막(110)이 형성된 소수성 작용기(알킬기, 케톤기)에 대해서는 표면반발력이 생성되기 때문에 소수성 단층막(110)이 형성되지 않은 기판(100)에 형성된 친수성 작용기와 직접 친화적으로 배열된다. 이에 따라 도 2d에 도시된 것과 같이, 친수성 작용기의 용매(120)에 함유되어 있는 나노 파티클(132) 또한 친수 영역인 기판(100)의 상부로 집중적으로 배열되어 분산 패턴(121)을 형성하게 된다.

이와 같이 친수 영역으로만 분산 패턴(121)이 형성되어 있는 기판을 소정의 온도로 열처리하는 소성(sintering) 공정을 거치면, 분산 패턴(121) 내에 형성되어 있는 나노 파티클이 부착된 영역에서 증착하고, 액상인 유기 용매 및 소수성 단층 막(110)은 거의 대부분 제거된다. 이에 따라, 도 2e에 도시된 것과 같이, 기판(100)의 친수 영역으로만 금속 패턴(124)이 형성되어 금속 배선이 완성된다. 본 단계에서 열처리는 사용되는 유기 용매, 나노 파티클의 종류에 따라 열처리 공정 온도는 달라질 수 있으나, 바람직하게는 100 ~ 150 ℃ 범위의 온도에서 수행된다.

결국, 본 실시예에 따르면 소수성 단층막(110)을 이루는 작용기와 상반되는 극성의 친수성 아민기가 말단에 형성되는 용매에 분산되어 있는 나노 파티클을 도포함으로써, 기판(100)의 친수 영역으로 미세한 금속 패턴을 형성하여 최종적으로 금속 전극을 제조할 수 있다.

도 7a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 분산 용매를 잉크젯 프린팅 방식의 노즐을 통하여 기판에 분사함으로써 라인 패턴이 형성된 기판의 SEM 사진이고, 도 7b는 도 7a의 특정 영역을 확대한 SEM 사진이다. 도시된 것과 같이 미세한 선폭의 금속 패턴이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다.

한편, 상술한 실시예에 따르면 친수성 작용기가 말단에 형성된 유기 용매를 사용함으로써, 초소수성의 물질이 적층되지 않은 기판 영역으로 유기 용매가 자기배열되도록 하여 금속 패턴을 형성하였으나, 소수성 유기 용매를 사용함으로써, 초소수성 물질이 형성된 영역으로만 금속 패턴이 형성될 수 있는데, 도 3a 내지 도 3b는 이와 같이 소수영역으로 금속 패턴이 형성되는 공정을 단계별로 도시한 공정도로서 상술한 실시예와 중복되는 내용에 대해서는 자세한 설명은 생략하기로 한 다.

우선 AKD, DAK 및 이들 혼합물이 적용된 돌출 패턴을 갖는 스탬프(160)를 기판(100)의 상면으로 적용하면(도 3a), 소정의 영역으로 초소수성 물질의 단층막(110)이 형성되고 기판은 소수영역과 친수영역으로 구분된다(도 3b). 이어서, 기판(100)의 전면으로 소수성 작용기(도면에서는 R로 표시됨)를 갖는 소수성 용매에 분산되어 있는 나노 파티클(122)을 함유하는 용액(120)을 도포한다(도 3c).

본 실시예에서는 따른 분산 용액(120)에는 알킬기와 같이 극성을 띠지 않는 소수성 용매가 포함되어 있고, 소수성 작용기(R)는 나노 파티클(120)을 중심으로 외부로 돌출되는 미셀 형태를 띠게 된다. 이에 따라 본 실시예에 따라 사용된 용매의 소수성 작용기(R)는 초기에는 기판(100)의 전면으로 도포됨에도 불구하고, 기판(100)의 친수 영역과는 반발하지만, 소수성 단층막(110)의 말단에 형성되는 소수성 작용기와 친화적으로 상호작용하게 된다. 이에 따라, 도 3d에 도시된 것과 같이 나노 파티클(122)이 분산되어 있는 용매는 소수성 단층막(110)이 형성되어 있는 소수영역으로 집중적으로 배열됨으로써, 분산 패턴(121)을 형성한다. 이어서 분산 패턴(121)이 형성된 기판(100)을 소정의 온도에서 열처리하면 미세한 금속 패턴(124)이 형성되어 금속 전극이 완성될 수 있다.

본 실시예와 관련하여 나노 파티클(122)을 분산할 수 있는 소수성 작용기를 갖는 용매로는 헥산 등의 지방족 탄화수소 용매; 톨루엔, 자일렌, 니트로벤젠과 같은 방향족 용매; 메틸에틸케톤, 아세톤 등의 케톤계 용매; 사이클로헥산온, 테트라하이드로퓨란, 에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르와 같은 에테르계 용매 등을 들 수 있다.

한편, 본 실시예에 있어서 나노 파티클(122)과 소수성 용매 사이의 표면장력을 감소시켜 미셀 형태를 유도할 수 있는 계면활성제가 사용될 수 있다. 본 실시예와 관련하여 바람직한 계면활성제로는 비이온성 계면활성제로서 상술한 실시예에서 기술한 바 있는 비이온성 계면활성제는 물론이고, 알킬기, 알콕시기, 에폭시기 등으로 치환되어 있는 실란 계열의 물질을 포함한다. 이와 같은 실란 계열의 비이온성 계면활성제로는 글리시독시프로필트리메톡시실란(glycidoxy propyl trimethoxy silane), 글리시독시프로필트리에톡시실란(glycidoxy propyl triethoxy silane), 글리시독시프로필메틸디메톡시실란(glycidoxy propyl methyl dimethoxy silane), 글리시독시프로필메틸디에톡시실란(glycidoxy propyl methyl diethoxy silane), 메타크릴록시프로필트리메톡시실란(methacryloxy proply trimethoxy silane), 메타크릴록시프로필트리에톡시실란(methacryloxy proply triethoxy silane), 비닐트리메톡시실란(vinyl trimethoxy silane), 비닐트리에톡시실란(vinyl triethoxy silane), 옥틸트리메톡시실란(octyl trimethoxy silane), 도데실트리메톡시실란(dodecyl trimethoxy silane), 도데실메틸디메톡시실란(dodecyl methyl dimethoxy silane), 옥타데실트리메톡시실란(octadecyl trimethoxy silane), 옥타데실트리에톡시실란(octadecyl triethoxy silane) 등을 포함할 수 있다.

한편, 상술한 실시예에서는 금속 전극을 형성하기 위하여 나노 크기의 금속 파티클이 분산되어 있는 유기 용매를 사용한 경우를 일례로 설명하였으나, 나노 파티클 대신에 유기 고분자, 유기 저분자 등을 포함하는 절연체 조성물을 적절한 용매에 분산시킴으로써 유기 절연막, 유무기 하이브리드 박막, 유기 반도체층 등과 같은 유기 박막을 형성할 수 있는데, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 유기 절연막을 형성하는 공정을 단계별로 도시한 공정도이다.

도 5a에 도시된 것과 같이, AKD, DAK, 또는 이들 혼합물의 초소수성 물질이 돌출 패턴에 부착되어 있는 스탬프(160)를 금속 전극(202)이 형성된 기판(200)의 상면에 적용시킨다. 이에 따라, 도 5b에 도시된 것과 같이, 상기 스탬프(160)의 돌출 패턴에 접촉한 금속 전극(202)의 상면으로 소수성 단층막(210)이 형성되어 이 부분은 소수 영역을 이루고, 나머지 부분은 유리, 산화실리콘 부분으로서 친수 영역을 형성한다.

다음으로 금속 전극(202) 및 소수성 단층막(310)이 형성된 소수영역과 기판이 그대로 노출되어 있는 친수 영역으로 구분되는 기판(200)의 전면으로 유기 용매에 분산되어 있는 소자 물질인 절연체 조성물(220)을 도포하면, 초기에는 도 5c에 도시된 것과 같이, 소자 물질이 분산되어 있는 절연체 조성물(220)이 소수영역 및 친수영역을 모두 포함하는 기판(200)의 전면에 도포된다.

본 실시예에 따른 절연체 조성물에는 일반적인 유기 단량체 및/또는 유기 고분자와 이들을 용해 또는 분산시키는 유기 용매를 포함하며, 유무기 하이브리드계 소자로 사용되는 경우에는 유무기 금속 하이브리드 물질과 같은 하이브리드 물질이 더욱 포함될 수 있다.

이 때, 본 실시예에 따른 유기 절연체 조성물에 첨가될 수 있는 유기 고분자로서는 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌, PEDOT, 폴리카보네이트, 폴리비닐알코올, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메타크릴아마이드, PEDOT/PSS 혼합물 등의 고분자 유기 화합물을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 결코 아니다.

또한, 유기 절연에 조성물에 포함되는 유기 단량체로는 메틸메타크릴레이트(methyl methacyrlate), 메틸아크릴레이트(methyl acrylate), 메타크릴산(methacrylic acid), 아크릴산(acrylic acid), 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(ethylene glycol dimethacrylate), 에틸렌글리콜디아크릴레이트(ethylene glycol diacrylate), n-부틸메타크릴레이트(n-butyl methacrylate), n-부틸아크릴레이트(n-butyl acrylate), 스테아릴메타크릴레이트(stearyl methacrylate), 스테아릴아크릴레이트(stearyl acrylate), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(pentaerythritol triacrylate), 디에틸렌글리콜디메타크릴레이트(diethylene glycol dimethacrylate), 디에틸렌글리콜디아크릴레이트(diethylene glycol diacrylate), 비닐아세테이트 등은 물론이고, 멜로시아닌, 프탈로시아닌, 페리센, 펜타센, C60, 티오펜 올리고머 등의 유기 활성물질을 포함한다.

한편, 하이브리드 물질로서 구리 프탈로시아닌, 또는 실란계 화합물과 유기금속 화합물을 반응시켜 얻어지는 유무기 금속 하이브리드 물질을 포함한다. 한편, 유기 분자 및 유무기 하이브리드 물질의 분산을 유도하기 위하여 분산제가 포함될 수 있는데,

특히, 유기 절연막 또는 유무기 하이브리드 박막을 형성하는 경우에 사용되는 유기 분자 또는 무기 분자를 분산시키기 위해서는 적절한 작용기를 갖는 용매가 사용될 수 있다. 본 실시예와 관련하여 사용될 수 있는 용매로는 헥산, 1,2-디클로로에탄, 1,2,3-트리클로로프로판 등의 치환되거나 치환되지 않은 탄화수수류; 톨루엔, 자일렌, 3-니트로-트리플루오로벤젠, 메틸나프탈렌, 메톡시나프탈렌, 디클로로벤젠, 디클로로톨루엔, 클로로나프탈렌, 디페닐에탄, 퀴놀린 등의 방향족 용매; 메틸에틸케톤, 아세톤 등의 케톤계 용매; 사이클로헥산온, 테트라하이드로퓨란, 에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르와 같은 에테르계 용매를 포함하는 소극성 용매와, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-부톡시에탄올, 1-부탄올, 1-펜탄올, 이소부탄올, 에틸헥산올, 1-옥탄올, 사이클로헥산올, 옥탄올, 데칸올, 도데칸올과 같은 알코올계 용매; 또는 N-메닐피롤리돈, 피리미딘, 피롤리딘, 탄소수 1~20의 알킬아민 등과 같은 아민계 용매, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트와 같은 아세테이트계 용매; 디메틸 포름아미드, 디케닐설폭사이드와 같은 친수성 용매를 모두 포함할 수 있다.

상술한 절연체 조성물을 이루는 유기 화합물 또는 하이브리드 화합물을 소자 물질로 사용하는 경우에 소자 물질이 분산되어 있는 유기 용매의 극성에 따라 해당 물질은 소수성 단층막에 자기배열되거나 또는 친수성의 노출된 기판(200)의 상면에 친화적으로 자기배열되는데, 본 실시예에서는 예를 들어 친수성 유기 용매에 의하여 분산되어 있는 유무기 하이브리드 물질을 일례로 설명한다.

친수성 유기 용매에 의하여 절연체 조성물(220)이 이루어진 경우에, 절연체 조성물을 형성하는 유무기 하이브리드 물질은 친수성 유기 용매에 의하여 분산된다. 따라서 상술한 것과 같이 유무기 하이브리드 물질과 친수성 유기 용매는 그 표면장력을 감소시킬 수 있는 구조를 형성하는데, 바람직하게는 적절한 계면활성제를 용매 중에 혼합하게 되면 친수성 유기 용매와 유무기 하이브리드 물질의 주변에서 유기 용매의 친수성 작용기가 외부로 돌출된 형태의 미셀 구조를 이루게 된다. 이와 같은 유기 용매의 친수성 작용기와 유무기 하이브리드 물질 사이의 미셀 구조를 유도하기 위해서 상술한 바 있는 계면활성제, 바람직하게는 양이온성 계면활성제가 사용될 수 있다.

이와 달리 소수성의 작용기를 갖는 유기 용매에 유무기 하이브리드 물질이 분산되어 있는 경우에는 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직한데, 상술한 바 있는 비이온성 계면활성제, 예컨대 실란 계열의 계면활성제를 사용할 수 있다.

이에 따라, 유기 용매의 친수성 작용기는 친수영역인 노출된 기판의 제 2 단층막(320)의 말단에 형성된 친수성 작용기와 친화적으로 작용하여, 도 5d에 도시된 것과 같이 친수영역의 상단으로만 절연체 조성물이 친화적으로 배열된다. 이에 따라 친수성 용매를 갖는 절연체 조성물에 함유되어 있는 하이브리드 물질 역시 친수 영역인 기판(200)의 상면으로 직접 형성되어 분산 패턴(221)을 형성한다.

이어서, 분산 패턴(221)이 형성되어 있는 기판을 소정의 온도로 열처리하면 분산 패턴(221) 내에 있는 유무기 하이브리드 물질이 증착됨과 동시에 액상인 유기 용매 등이 제거된다. 따라서 도 5f에 도시된 것과 같이, 기판(200)의 친수영역의 상부, 즉 금속 전극(202)의 좌우에만 유기 절연막(224)이 완성된다.

본 실시예에서는 친수성 유기 용매에 분산된 하이브리드 물질을 도포하여 유기 절연막을 형성하는 것으로 설명하였다. AKD 등의 소수성의 물질을 금속 전극(202)의 좌우에 전사하여 기판(200)의 표면에 소수성 단층막(210)을 형성한 뒤, 소수성 유기 용매에 분산되어 있는 하이브리드 물질을 도포하면 소수성 단층막(210)이 형성된 부분으로만 유기 절연막을 형성할 수 있을 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기술하였으나, 이는 어디까지나 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 결코 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 분야의 당업자라면 상술한 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다는 점이 자명하다 할 것이다. 그러나 그와 같은 다양한 변형과 변경은 본 발명의 정신을 훼손하지 아니하는 범위 내에서 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 첨부된 청구의 범위를 통하여 보다 분명해질 것이다.

본 발명에서는 초소수성을 갖는 물질의 적절한 처리를 통하여 접촉각이 크게 향상될 수 있는 소수성의 단층막을 형성한 뒤, 소자 물질이 분산된 용매에 형성되어 있는 작용기 사이의 표면반발력 또는 친화력을 이용하여 금속 전극 등의 미세 패턴이 균일하게 형성될 수 있도록 하였다.

특히, 본 발명에 따르면 종래 photolithography 공정과 같은 복잡한 제조 공정 없이 수행될 수 있어 제조단가의 절감 및 공정의 효율성, 경제성을 개선할 수 있게 된다.

한편, 기판이 변형될 수 있는 이하의 온도에서 용융 공정을 수행할 수 있기 때문에 유리 기판은 물론이고 유리전이온도가 낮은 각종의 flexible 기판에도 무리 없이 적용될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 기술은 예컨대 나노 파티클을 이용한 금속 전극, 유기 박막 형성, 유무기 하이브리드 물질을 이용한 유기 절연막 형성 및 나노 와이어에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

기판 상에 자기배열된 물질과 그 상부에 도포되는 용액 사이의 표면반발력을 이용한 패턴 형성 방법으로서,

(a) 디아킬케톤, 알킬케톤다이머, 또는 이들 혼합물에서 선택되는 소수성 물질을 상기 기판의 선택된 영역으로 적용하여 소수성 단층막을 형성하는 단계;

(b) 상기 소수성 단층막이 형성된 기판의 전면으로 소수성 작용기 또는 친수성 작용기를 갖는 용매에 분산된 소자 물질이 함유된 용액을 도포하는 단계;

(c) 상기 소자 물질이 도포된 기판을 열처리하여 상기 기판 상으로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (a) 단계는 소수성 물질을 상기 기판 상면에 적용하는 단계와, 상기 소수성 물질을 용융시키는 단계와, 상온에서 냉각시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (b) 단계는 상기 기판을 상기 용액에 침지하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 용매는 친수성 용매인 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 용매는 말단에 아민기, 하이드록시기를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (b) 단계에서 상기 용액에 계면활성제가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 소자 물질은 나노 크기의 금속 파티클, 유기 분자, 또는 유무기 하이브 리드 분자인 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 소자 물질은 금, 은, 알루미늄, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴, 알루미늄-네오디뮴 혼합물, ITO에서 선택되는 물질인 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 용액은 절연체 조성물인 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (c) 단계는 100 ~ 150 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 기판 상에 패턴을 형성하는 방법.