KR20090001371A - 블록공중합체의 나노패터닝 방법 및 이를 이용한 편광자제조방법 - Google Patents

블록공중합체의 나노패터닝 방법 및 이를 이용한 편광자제조방법 Download PDF

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Abstract

블록공중합체 나노패터닝방법 및 이를 이용한 편광자 제조방법이 개시된다. 개시된 블록공중합체 나노패터닝방법은 하부기판 위에 블록공중합체를 소정두께로 도포하는 단계, 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계 및 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계를 포함한다.

Description

블록공중합체의 나노패터닝 방법 및 이를 이용한 편광자 제조방법{Method for nano-patterning block copolymers and method for manufacturing polarizer using the same}
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 블록공중합체의 나노 패터닝방법을 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노 패터닝시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 도시한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노 패터닝 시 블록공중합체의 두께구배를 도시한 그래프,
도 4a 내지 도 4b는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노패터닝 시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 찍은 SEM사진,
도 5는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노패터닝 시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 다른 각도에서 찍은 SEM사진,
도 6은 도 1에 도시된 일 실시예의 변형예에 따라 형성된 블록공중합체가 정렬된 모습을 찍은 SEM사진,
도 7a 및 도 7b는 나노임프린트를 이용하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법을 도시한 도면,
도 8a 내지 도 8c는 포토리소그래피를 이용하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법을 도시한 도면,
도 9는 일반적인 편광자를 도시한 사시도,
도 10a 내지 도 10d는 블록공중합체 중 어느 한 블록에 원하는 금속입자를 결합시켜 두께구배를 주어 나노패터닝하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면,
도 11a 내지 도 11g는 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노패터팅하고 한 블록을 금속으로 치환하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면,
도 12a 내지 도 12e는 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노패터팅하고 제거된 한 블록자리를 도금하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면,
도 13a 내지 도 13d는 컬러필터에 본 발명에 따른 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노 패터닝하여 형성한 편광자를 형성하는 방법을 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200,300,500,600,700...블록공중합체용액 111...볼록부
112...편평부 115...라멜라도메인
120,220,320...하부기판 130...상부기판
230...모듈 231...패턴
310...희생층 313,830...소수층
400,841...편광자
510,610,710...기판
511,611,711...블록A 512,612,712...블록B
820...블랙매트릭스 850...컬러잉크
본 발명은 블록공중합체를 원하는 방향으로 정렬시키는 블록공중합체 나노패터닝방법 및 이를 이용한 편광자 및 컬러필터 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고분자블록들이 공유결합을 통하여 연결되어 있는 블록공중합체(Block copolymers)는 대표적인 자기조립물질(self-assembling materials)이다. 블록공중합체의 단순한 분자 구조, 화학적 기능성의 다양성, 나노구조의 모양과 크기 제어의 용이함으로 인하여, 블록공중합체는 나노제작공정의 템플릿(template)으로 많은 관심을 모으고 있다. 이러한 블록공중합체가 스스로 정렬하여 형성하는 나노구조를 이용하는 버텀-업(bottom-up)제작방식은 포토리소그래피(photolithography) 등의 탑-다운(top-down)방식에 비해 제조비용이 매우 저렴하며 탑-다운(top-down)방식으로 구현하기 어려운 초미세(30 ㎚ 이하)나노구조를 만들 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 자연적으로 형성되는 자기조립된 블록공중합체는 결함(defect)구조의 밀도가 높으면서 임의의 방향으로 배향되어 무질서하기 때문에 실제 소자에 적용하기에는 많은 제한이 따른다. 따라서, 자기조립 나노구조의 실질적인 활용을 위해서는 무질서하게 배열된 나노구조의 배열과 배향을 조절하여 원하는 형태로 정렬시키는 방법을 확립하는 것이 중요하다.
종래의 블록공중합체 자기조립 나노구조를 제어하기 위한 방법들로는 외부장을 걸어주는 방법, 표면패턴을 이용한 자기조립, 방향성응고, 화학적 또는 물리적표면처리 등을 이용한 다양한 방법들이 제시되어 있다.
그렇지만, 이러한 방법들은 매우 복잡한 기하학적 세팅과 값비싼 장비들이 필요하므로, 대면적에 응용하기 위해서는 실질적으로 한계가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 블록공중합체에 두께구배를 주어 블록공중합체를 원하는 방향으로 정렬시키는 블록공중합체 나노패터닝방법과 이를 이용한 편광자 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 블록공중합체 나노패터닝방법은
(a) 하부기판 위에 블록공중합체를 소정두께로 도포하는 단계;
(b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계; 및
(c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 (b)단계는
상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 준다.
본 발명에 따르면, 상기 블록공중합체에 두께구배를 형성하는 방향으로 상기 상부기판을 이동시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 준다.
본 발명에 따르면, 상기 (b)단계에서, 종횡비는 1:200 ~ 1:1 이다.
본 발명에 따르면, 상기 (c)단계에서, 열처리는 유리전이온도 이하로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 블록공중합체 나노패터닝방법은
(a) 하부기판위에 희생층을 도포하는 단계;
(b) 포토마스크를 이용하여 상기 희생층에 다수의 격벽과 채널을 패터닝하는 단계;
(c) 상기 희생층을 식각하여 다수의 격벽과 채널을 형성하는 단계;
(d) 상기 다수의 격벽을 감싸도록 소수층을 형성하는 단계;
(e) 상기 다수의 채널에 블록공중합체를 채워 넣어 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계와;
(f) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 편광자 제조방법은
(a) 소정금속입자와 결합된 블록을 포함하는 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
(b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
(c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;와
(d) 소정금속입자와 결합된 블록을 제외하고 나머지 블록을 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 (b)단계는 상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 준다.
본 발명에 따르면, 상기 (b)단계는 상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 준다.
본 발명의 다른 특징에 따른 편광자 제조방법은
(a) 적어도 두 개의 블록이 결합된 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
(b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
(c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배 방향으로 정렬시키는 단계;
(d) 상기 블록공중합체를 이루는 소정 블록하나를 제거하는 단계;
(e) 상기 블록이 제거된 블록공중합체 위 에 금속재료층을 소정두께로 도포하는 단계;
(f) 리프트오프공정을 이용하여 상기 금속재료층을 패터닝하는 단계;와
(g) 나머지 블록을 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 편광자 제조방법은, (a) 적어도 두 개의 블록이 결합된 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
(b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
(c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배 방향으로 정렬시키는 단계;
(d) 상기 블록공중합체를 이루는 소정 블록하나를 제거하는 단계;와
(e) 상기 블록이 제거된 부분을 전기도금하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 컬러필터제조방법은 (a) 기판 위에 블랙매트릭스를 형성하는 단계;
(b) 상기 블랙매트릭스를 감싸도록 소수층을 형성하는 단계;
(c) 상기 블랙매트릭스에 의하여 구획된 다수의 공간 내에 블록공중합체를 도포하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계와;
(d) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;
(f) 상기 블록공중합체를 구성하는 블록 중 어느 하나를 제거하고 편광자를 형성하는 단계;와
(g) 상기 편광자가 형성된 다수의 공간 내에 컬러잉크를 채우는 단계;를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 블록공중합체의 나노 패터닝방법을 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노 패터닝시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노 패터닝 시 블록공중합체의 두께구배를 도시한 그래프이고, 도 4a 내지 도 4b는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노패터닝 시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 찍은 SEM사진이고, 도 5는 도 1에 도시된 블록공중합체의 나노패터닝 시 블록공중합체가 정렬되는 모습을 다른 각도에서 찍은 SEM사진이다.
본 발명에 따른 블록공중합체의 나노 패터닝방법은 블록공중합체를 원하는 방향으로 정렬시키기 위하여, 블록공중합체에 소정두께로 두께구배를 줌으로써 두께구배에서 비롯되는 블록공중합체의 결함소멸속도의 차이로 인하여 잘 정렬된 라멜라 도메인이 일정한 방향으로 성장하도록 유도하는 것이다.
이처럼 본 발명에 따른 블록공중합체의 나노 패터닝방법은 블록공중합체에 두께구배를 주는 거시적인 정렬이 블록공중합체의 자연적인 자기정렬에 의한 미시적인 정렬화를 유도하는 것이다. 거시적인 정렬은 공정변수를 조절하여 수십 마이크로미터의 넓은 범위 안에서 제어할 수 있으며, 미시적인 정렬은 블록공중합체의 화학적구조에 의해 정렬된다.
도 1a를 참조하면, 분자량(52,000kg/mol)이 같은 48nm의 주기를 갖는 PS-b-PMMA(poly(styrene-b-methyl methacrylate))인 대칭 이중블록공중합체(이하 블록공 중합체라 한다)를 톨루엔 용매를 사용하여 3.5wt%농도의 블록공중합체용액(100)으로 만든 후, 실리콘웨이퍼인 하부기판(120)과 유리 인 상부기판(130)의 사이에 블록공중합체용액(100)을 가둔다. 이때, 블록공중합체용액(100)과 접촉하는 상부기판(120)과 하부기판(130)의 접촉면은 중성처리하여 PS와 PMMA에 대하여 동일한 계면장력을 가지므로, 자기 조립된 블록공중합체의 라멜라는 두께방향(Z방향)을 따라 표면에 수직하게 배향된다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 블록공중합체용액(100)에 두께구배를 주어 거시적으로 정렬하는 방법의 일예로 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)방법을 이용한다.
즉, 상부기판(130)을 화살표방향으로 일정한 속도로 움직(depinning)였다가 멈추는 동작을 반복함으로써 블록공중합체용액(100)에 소정두께를 가지는 볼록부(111)와, 볼록부(111)보다 얇고 거의 편평한 편평부(112)가 반복된 블록공중합체박막(110)을 형성시킨다. 상부기판(130)을 움직일 때 볼록부(111)가 형성되고, 상부기판(130)을 멈출 때 편평부(112)가 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 블록공중합체(PS-b-PMMA)의 볼록부(111)의 높이 및 폭이 도시되어 있다. 블록공중합체의 최고두께는 1.4㎛이고, 높이(h)와 폭(w)의 비인 종횡비는 55정도이다.
블록공중합체는 본 실시예에 따른 PS-b-PMMA외에도 수많은 종류가 있으며, 본원과 같은 나노 패터닝방법이 적용될 수 있는 블록공중합체는 볼록부(111)의 종횡비를 1:200 ~ 1:1의 범위 내인 것이 바람직하다. 본 발명의 실시에에서 블록공 중합체박막(110)의 두께는 상부기판(130)의 속도를 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 상부기판(130)의 속도를 빠르게 하면 블록공중합체박막(110)의 볼록부(111)의 두께를 얇게 할 수 있으며, 상부기판(130)의 속도를 느리게 하면 블록공중합체박막(110)의 볼록부(111)의 두께를 두껍게 할 수 있다.
블록공중합체의 총분자량은 10,000에서 300,000의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이러한 예로는 PS-b-PB(poly(styrene-b-butadiene)), PS-b-PI(poly(styrene-b-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-b-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-b-dimethylsiloxane)), PS-b-PE(poly(styrene-b-ethylene)), PS-b-P2VP(poly(styrene-b-vinylpyridine)), PS-b-P4VP(poly(styrene-b-vinylpyridine)),PI-b-PFS(poly(isoprene-b-ferrocenyldimethylsilane)), PS-b-PEO(poly(styrene-b-ethyleneoxide))이다.
도 1d를 참조하면, 두께구배가 주어진 블록공중합체박막(110)을 열처리한다. 그러면, 블록공중합체를 구성하는 두 개의 폴리머(113)(114)가 길이방향(X방향)을 따라 길게 정렬되며, 너비방향(Y방향)을 따라 서로 교대로 배열된다.
구체적으로 설명하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)방법을 이용하여 볼록부(111) 및 평면부(112)가 번갈아 형성된 블록공중합체용액(130)은 두 개의 폴리머(113)(114)가 서로 불규칙하게 무질서한 방향으로 정렬되어 있다. 여기서, 두 개의 폴리머(113)(114)는 본 발명의 실시예에 사용된 PS(poly stylrene)와 PMMA(poly methylmethacrylate)중 어느 하나이며, 이들의 배열순서는 상관없다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 열처리가 진행되면서 볼록부(111)에서부터 잘 정렬된 라멜라도메인(115)이 길이방향(X방향)으로 점차 성장하고 있다. 열처리가 더 진행되면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 라멜라도메인(115)이 편평부(112)와의 경계부까지 성장하는 것을 볼 수 있다.
본 실시예에서 열처리온도는 190℃인 것이 바람직하다. 유리천이온도보다 높으면 진공조건에 따라 달라질수는 있으나, 산소와 결합에 의한 연소가 발생될 수 있으므로, 열처리하는 온도는 유리천이온도(Tg: glass transition temperature)이하인 것이 바람직하다.
이러한 라멜라도메인(115)이 길이방향(X방향)으로 성장하는 원리는 블록공중합체박막(110)의 두께에 따른 결함(defect)들의 소멸속도 차이에 의한 것이다. 라멜라는 블록공중합체박막(110)의 표면에 수직적으로 배향되어 있기 때문에 블록공중합체박막(110)의 표면에 나타나 있는 결합의 형태는 그 두께전체를 관통하고 있다. 따라서, 결함에너지는 블록공중합체박막(110)의 두께에 따라 증가한다. 블록공중합체박막(110)의 두께의 영향에 따른 결함에너지는 두께구배에 따른 결함 소멸속도의 구배를 강요한다. 그 결과 잘 정렬된 도메인이 블록공중합체박막(110)의 두꺼운 부분에서부터 생성되어 열처리과정에서 두께구배에 따라 전파된다.
블록공중합체박막(110)은 그 두께가 두꺼울수록 결함에너지가 높아져 결함이 빨리 소멸하고, 두께가 얇은 부분에서는 상대적으로 결함의 소멸속도가 느리다. 따라서, 블록공중합체박막(110)에 두께의 구배를 주면, 가장 두꺼운 부분에서 정렬 된 도메인이 생기고, 점차 얇은 곳으로 도메인이 자라라는 방향성 도메인 성장(directional domain growth)이 발생한다.
결함은 다른 결함과 결합을 통하여 소멸되기 때문에 잘 정렬된 라멜라도메인(115)의 안에 또는 경계에 남아있는 결함들(대부분 전위들)은 잘 정렬된 도메인 밖의 결함과 작용하기 위하여 두께구배에 따라 진행된다. 라멜라도메인(115)과 평행한 방향(climb)의 결함의 이동도는 그 수직한 방향(glide)의 결함의 이동도보다 크다. 라멜라도메인(115)과 평행한 방향의 움직임은 고분자들의 확산을 요구하는 반면, 수직한 방향의 움직임은 연속적인 파손과 인접한 라멜라와의 재결합을 동반하며 이는 높은 에너지손실이 일어난다. 이러한 결함 이동도의 이방성으로 인하여 두께구배를 따라서 움직이는 것을 선호하는 결함의 이동은 라멜라도메인(115)의 자발적인 정렬을 야기한다.
도 4a를 참조하면, 길이방향(X방향)으로 정렬된 부분은 볼록부(111)에 해당하는 부분이고, 볼록부(111)사이의 어둡게 도시된 부분은 편평부(112)에 해당한다. 도 4b를 참조하면, 볼록부(111)와 편평부(112)의 일부를 확대하여 보면, 볼록부(111)에는 라멜라도메인(115)이 길이방향(X방향)을 따라 정렬되어 있는 반면에, 편평부(112)에는 불규칙하고 방향성이 없이 정렬되어 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 길이방향(X방향)을 따라 라멜라도메인(115)이 정렬되어 있는 부분은 볼록부(111)에 해당하고, 라멜라도메인(115)이 불규칙하고 방향성이 없이 정렬된 부분은 편평부(112)에 해당하는 부분이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 본 발명에 따른 블록공합체는 멈춤 및 움직 임(Pinning & Depinning)방법을 이용하여 블록공중합체박막(110)에 두께가 두꺼운 볼록부(111)와 두께가 얇은 평편부(112)를 번갈아 형성시킨 후, 열처리를 하여 볼록부(111)에서 라멜라도메인이 길이방향으로 따라 정렬되도록 하였다. 라멜라도메인이 길이방향으로 정렬하는 것은 볼록부(111)에서 일어나며, 편평부(112)에서는 방향성이 없이 불규칙하게 배열되므로, 편평부(112)를 최소화하고 볼록부(111)만 형성시키는 것이 바람직하다.
도 6은 도 1에 도시된 일 실시예의 변형예에 따라 형성된 블록공중합체가 정렬된 모습을 찍은 SEM사진이다.
도 6을 참조하면, 도 1b에 도시된 편평부(112)를 최소한으로 줄여, 두께가 두꺼운 볼록부(111)의 끝단에서 거의 두께가 없도록 형성시킴으로써, 라멜라도메인이 정렬되지 않는 영역을 최소화하는 것이다. 이는 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)방법을 이용할 때, 상부기판(130)의 움직을 조정함으로써 이룰 수 있다.
한편, 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법으로, 도 1에서는 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)방법을 이용하였으나, 그 밖에도 나노임프린트(nanoimprint)를 이용하여 소정균일두께로 코팅된 블록공중합체필름에 두께 구배가 성형된 패턴을 찍어서 원하는 두께 구배를 주는 방식과, 포토리소그래피를 이용하여 소정높이로 격벽을 쌓고 그 격벽에 블록공중합체와 친화성이 낮은 물질(소수성이 있는 물질)을 처리하여 블록공중합체에 구배를 주는 방식 등이 이용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 나노임프린트를 이용하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법을 도시한 도면이다.
도 7a를 참조하면, 하부기판(220)위에 소정두께로 블록공중합체용액(200)을 얇은 필름형태로 도포한다. 그런 다음, 두께 구배가 성형된 패턴(231)이 형성된 모듈(230)을 블록공중합체용액(200)의 상측으로부터 누른다. 그러면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 모듈(230)의 패턴(231)에 대응하는 두께 구배가 블록공중합체용액(200)에 성형되어 블록공중합체박막(210)을 형성한다.
도 8a 내지 도 8c는 포토리소그래피를 이용하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법을 도시한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 하부기판(320)위에 소정두께로 희생층(310)을 얇은 필름형태로 도포한다. 그런 다음, 희생층(310)의 상측에 격벽이 패터닝된 포토마스크(330)를 씌운 다음 자외선(UV)을 조사하여, 희생층(310)에 다수의 격벽(311)과, 격벽(311)들로 둘러싸인 다수의 채널(312)을 패터닝한다.
도 8b를 참조하면, 다수의 채널(312)에 해당하는 부분의 희생층(310)을 식각하여 다수의 채널(312)을 형성한 다음, 다수의 격벽(311)을 각각 감싸도록 소수층(313)을 형성한다. 소수층(313)은 블록공중합체와의 친화성이 낮은 물질로 이루어진다.
도 8c를 참조하면, 다수의 채널(312)에 블록공중합체용액(300)을 채우면, 블록공중함체용액(300)은 소수층(313)과 친화성이 없으므로 서로 접촉하는 면에서 접촉각(contact angle)이 커지면서 길이방향(X방향)을 따라 두께구배가 형성된다.
여기서, 격벽(311)의 폭은 포토마스크(330)를 조정함으로써 조절할 수 있고, 블록공중합체용액(300)과 소수층(313)의 접촉면에서 발생되는 접촉각의 크기도 조절이 가능하므로, 블록공중합체의 폭 및 높이를 조절하여 결국 채널(312)에 채워지는 블록공중합체용액(300)의 종횡비를 조절할 수 있다. 특히, 격벽(311)의 폭을 최소화하면 도 6에 도시된 바와 같이 라멜라도메인이 정렬되지 않는 부분의 영역을 최소화 할 수 있다.
위와 같은 포토리소그래피를 이용하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 방법을 LCD용 컬러필터에 적용할 수 있다. 즉, 블랙매트릭스로 구획된 픽셀 내에 블록공중합체용액을 소정두께로 채워서 블록공중합체용액에 두께구배를 준 후 상기한 본 발명의 실시예와 같이 자기정렬을 시킨 후 편광자를 형성한다. 이처럼 편광자를 블랙매트릭스 내에 형성시킴으로써 편광자를 TFT 내부로 삽입한 내삽형 편광자로 구현하여 LCD구조의 슬림화 및 가격을 절감할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
도 9는 일반적인 편광자를 도시한 사시도이다.
도 9를 참조하면, 편광자(400, Wire Grid Polarizer)는 기판(410)과 상기 기판(410)위에 매우 길게 놓여져 있으며 파장보다 매우 작은 주기로 배열된 금속으로 이루어진 다수의 와이어 그리드(420)를 구비한다. 상기 와이어 그리드(420)와 나란한 방향의 편광은 금속의 성질에 의해 빛을 반사하고, 수직인 편광성분은 유효굴절매질로 인식하여 빛을 두과한다. 가시광영역에서 반사형 편광자로서 동작하기 위해서는 최소선폭이 50nm 이하가 되는 것이 적당하다. 그러나, 이러한 미세선폭을 특히 대면적화한다는 것은 현재의 기술로써는 매우 어렵다.
그러나, 본 발명에 의한 블록공중합체에 두께구배를 주어 원하는 방향으로 정렬시키는 나노패터닝방법을 편광자의 제작방법으로 적용할 경우, 기존의 진공증착과 같은 고가의 장비를 사용하지 않으면서도 손쉽게 대면적화 할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 블록공중합체에 두께구배를 주어 원하는 방향으로 정렬시키는 나노패터닝방법을 이용하여 편광자를 제작하는 방법들을 설명한다.
도 10a 내지 도 10d는 블록공중합체 중 어느 한 블록에 원하는 금속입자를 결합시켜 두께구배를 주어 나노패터닝하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
도 10a를 참조하면, 기판(510)위에 블록A(511)와 블록B(512)로 이루어진 블록공중합체(500)를 소정두께로 도포한다. 이때, 상기 블록A(511)와 상기 블록B(512)중 어느 하나는 소정금속과 결합되어 있다. 본 실시에에서는 상기 블록A(511)가 금속입자와 결합되어 있다.
금속입자를 블록에 결합시키는 방법은 In-situ 방법과 Ex- situ 방법이 있다. In-situ 방법은 합성과정에 무기성 선구물질을 블록공중합체와 같이 넣는 것이며, Ex- situ 방법은 입자에 표면조절을 따로 하고 나서 목표영역에 선택적 삽입을 할 수 있게 혼합하는 것이다. 금 속입자를 블록에 결합시키는 방법은 In-situ 방법과 Ex- situ 방법은 공지되어 있으므로 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 10b를 참조하면, 상기 블록공중합체(500)에 두께구배를 준다. 두께구배 를 주는 방법은 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)을 이용하는 방법과, 도 7에 도시된 나노임프린트를 이용하는 방법을 적용할 수 있다. 이들 방법에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명하였으므로 생략한다.
도 10c를 참조하면, 두께구배가 형성된 블록공중합체(500)를 열처리하여 상기 블록A(511)와 블록B(512)를 두께구배의 길이방향을 따라 정렬시킨다. 이에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명한 바와 같이 도 1 및 도 2에서 설명하였으므로 여기에서는 자세한 설명은 생략한다.
도 10d를 참조하면, 금속이 연결된 블록A(511)를 제외하고, 상기 블록B(512)를 식각 등을 이용하여 제거한다. 상기 블록B(512)가 제거되고, 금속이 연결된 블록A(511)만 남게 되어, 상기 블록A(511)가 도 9에 도시된 와이어그리드(420)의 역할을 한다. 결국, 상기 기판(510)위에 금속이 연결된 다수의 블록A(511)가 일정주기로 배열된 편광자가 제작된다.
다음으로, 도 11a 내지 도 11g는 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노패터팅하고 한 블록을 금속으로 치환하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 기판(610)위에 블록A(611)와 블록B(612)로 이루어진 블록공중합체(600)를 소정두께로 도포한다.
도 11b를 참조하면, 상기 블록공중합체(600)에 두께구배를 준다. 두께구배를 주는 방법은 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)을 이용하는 방법과, 도 7에 도시된 나노임프린트를 이용 하는 방법을 적용할 수 있다. 이들 방법에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명하였으므로 생략한다.
도 11c를 참조하면, 두께구배가 형성된 블록공중합체(600)를 열처리하여 상기 블록A(611)와 블록B(612)를 두께구배의 길이방향을 따라 정렬시킨다. 이에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명한 바와 같이 도 1 및 도 2에서 설명하였으므로 여기에서는 자세한 설명은 생략한다.
도 11d를 참조하면, 상기 블록B(612)를 식각 등을 이용하여 제거하고, 상기 블록A(611)만 기판 위에 남긴다.
도 11e를 참조하면, 상기 블록A(611)가 배열된 상기 기판(610)위에 금속재료층(620)을 소정두께로 도포한다. 그러면, 금속재료는 상기 블록A(611)사이의 빈공간(블록B가 제거된 자리)에 채워진다.
도 11f 및 도 11e를 참조하면, 리프트오프(lift off)공정을 이용하여 상기 금속재료층(630)을 상기 블록A(611)의 높이에 대응하도록 패터닝하고, 상기 블록A(611)를 제거한다. 그러면, 상기 기판(610)위에는 금속재료로 이루어진 와이어그리드(621)가 일정주기로 배열된 편광자가 제작된다. 리프트오프공정은 공지된 기술이므로 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
다음으로, 도 12a 내지 도 12e는 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노패터팅하고 제거된 한 블록자리를 도금하여 편광자를 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
도 12a를 참조하면, 기판(710)위에 블록A(711)와 블록B(712)로 이루어진 블 록공중합체(700)를 소정두께로 도포한다.
도 12b를 참조하면, 상기 블록공중합체(700)에 두께구배를 준다. 두께구배를 주는 방법은 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 멈춤 및 움직임(Pinning & Depinning)을 이용하는 방법과, 도 7에 도시된 나노임프린트를 이용하는 방법을 적용할 수 있다. 이들 방법에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명하였으므로 생략한다.
도 12c를 참조하면, 두께구배가 형성된 블록공중합체(700)를 열처리하여 상기 블록A(711)와 블록B(712)를 두께구배의 길이방향을 따라 정렬시킨다. 이에 대한 자세한 설명은 상기에서 설명한 바와 같이 도 1 및 도 2에서 설명하였으므로 여기에서는 자세한 설명은 생략한다.
도 12d를 참조하면, 상기 블록B(712)를 식각 등을 이용하여 제거하고, 상기 블록A(711)만 기판 위에 남긴다.
도 12e를 참조하면, 상기 블록A(711)들 사이의 빈공간(블록B(712)가 제거된 공간)에 전기도금(electroplanting)을 이용하여 금속재료를 채워서 와이어그리드(720)를 형성한다. 상기 와이어그리드(720)의 사이에 상기 블록A(711)가 존재하더라도 편광자로서의 역할에 장애가 되는 것은 아니다.
전기도금을 하기 위해서는 상기 기판(710)과 블록A(711)사이에 금(Au)과 같은 금속 등을 개재시킬 수 있다. 전기도금은 공지기술로 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 13a 내지 도 13d는 컬러필터에 본 발명에 따른 블록공중합체에 두께구배 를 주어 나노 패터닝하여 형성한 편광자를 형성하는 방법을 도시한 도면이다.
LCD는 백라이트, 액정 및 컬러필터를 구성요소로 구비하고 있으며, 액정은 그 양측에 편광자(또는 편광필름)를 구비할 수 있습니다. 편광자를 컬러필터 내에 마련하면 LCD의 구성을 보다 간편하게 설계할 수 있으므로, 본 발명에 따른 블록공중합체에 두께구배를 주어 나노패터닝하는 방법을 이용하여 편광자를 컬러필터의 블랙매트릭스 내에 마련한다.
도 13a를 참조하면, 투명기판(810)위에 포토리소그래피 공정을 이용하여 다수의 블랙매트릭스(820)를 형성한다. 상기 다수의 블랙매트릭스(820)의 사이에 마련된 공간(821)은 잉크가 채워지는 곳으로, 세 개의 공간에 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B)를 각각 채워서 하나의 픽셀이 형성된다.
도 13b를 참조하면, 상기 다수의 블랙매트릭스(820)를 감싸도록 소수층(830)을 형성할 수 있다. 상기 소수층(830)은 블록공중합체와 친하지 않아 그 접촉면에서 접촉각을 크게 하여 블록공중합체에 두께구배를 주는 역할을 한다.
도 13c를 참조하면, 상기 공간(821)에 블록공중합체(840)를 채운다. 상기 블록공중합체(840)는 상기 소수층(830)과 접촉하는 면에서 접촉각이 커지면서 두께구배가 생긴다. 이 상태에서 열을 가하면 블록공중합체(840)는 두께구배의 방향으로 정렬된다. 그럼 다음 도 10 내지 도 12 중 어느 하나에 해당하는 방법을 이용하여 편광자를 만든다. 이에 대한 자세한 설명은 도 1 및 도 2, 도 10 내지 도 12에서 설명하였으므로 여기서는 생략한다.
도 13d를 참조하면, 상기 다수의 블랙매트릭스(820)에 의하여 구획되어 마련 된 공간(821)에는 편광자(841)가 마련되어 있으며, 그 위에 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B)를 각각 채워서 컬러필터를 제조한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 블록공중합체 나노패터닝방법 및 이를 이용한 편광자 및 컬러필터 제조방법은
첫째, 블록공중합체에 두께구배를 주어 일정방향으로 정렬시킴으로써 대면적을 나노패터닝할 수 있어 경제적이며,
둘째, 블록공중합체 나노패터닝방법을 이용하여 편광자를 형성함으로써, 편광자의 주기를 작게 줄일 수 있어 편광자를 소형화할 수 있으며,
셋째, 컬러필터의 블랙매트릭스 내에 편광자를 마련함으로써 컬러필터의 두께를 줄여 소형화할 수 있는 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (32)

  1. (a) 하부기판 위에 블록공중합체를 소정두께로 도포하는 단계;
    (b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계; 및
    (c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 블록공중합체에 두께구배를 형성하는 방향으로 상기 상부기판을 이동시키는 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  7. (a) 하부기판위에 희생층을 도포하는 단계;
    (b) 포토마스크를 이용하여 상기 희생층에 다수의 격벽과 채널을 패터닝하는 단계;
    (c) 상기 희생층을 식각하여 다수의 격벽과 채널을 형성하는 단계;
    (d) 상기 다수의 격벽을 감싸도록 소수층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 다수의 채널에 블록공중합체를 채워 넣어 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계와;
    (f) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (e)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 (f)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 블록공중합체 나노패터닝방법.
  10. (a) 소정금속입자와 결합된 블록을 포함하는 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
    (b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
    (c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;와
    (d) 소정금속입자와 결합된 블록을 제외하고 나머지 블록을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  14. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 편광자 제조방법.
  15. (a) 적어도 두 개의 블록이 결합된 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
    (b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
    (c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배 방향으로 정렬시키는 단계;
    (d) 상기 블록공중합체를 이루는 소정 블록하나를 제거하는 단계;
    (e) 상기 블록이 제거된 블록공중합체 위 에 금속재료층을 소정두께로 도포하는 단계;
    (f) 리프트오프공정을 이용하여 상기 금속재료층을 패터닝하는 단계;와
    (g) 나머지 블록을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  18. 제 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  19. 제 15항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 편광자 제조방법.
  20. (a) 적어도 두 개의 블록이 결합된 블록공중합체를 기판 위에 도포하는 단계;
    (b) 상기 블록공중합체를 패터닝하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계;
    (c) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배 방향으로 정렬시키는 단계;
    (d) 상기 블록공중합체를 이루는 소정 블록하나를 제거하는 단계;와
    (e) 상기 블록이 제거된 부분을 전기도금하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  23. 제 20항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 편광자 제조방법.
  24. 제 20항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 편광자 제조방법.
  25. (a) 기판 위에 블랙매트릭스를 형성하는 단계;
    (b) 상기 블랙매트릭스를 감싸도록 소수층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 블랙매트릭스에 의하여 구획된 다수의 공간 내에 블록공중합체를 도포하여 소정 종횡비를 가지도록 두께구배를 주는 단계와;
    (d) 두께구배가 형성된 블록공중합체를 열처리하여 자기조립된 블록공중합체를 그 두께구배방향으로 정렬시키는 단계;
    (f) 상기 블록공중합체를 구성하는 블록 중 어느 하나를 제거하고 편광자를 형성하는 단계;와
    (g) 상기 편광자가 형성된 다수의 공간 내에 컬러잉크를 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 (f)단계는
    소정금속입자와 결합된 블록을 제외한 나머지 블록을 제거하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 (f)단계는
    상기 블록이 제거된 부분에 금속재료층을 채워 넣는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    전기도금을 이용하여 상기 금속재료층을 상기 블록이 제거된 부분에 채워 넣는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  29. 제 25항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체의 상측에 상부기판을 접촉시킨 다음, 상기 상부기판을 소정속도로 이동하였다가 멈춤을 반복하여 상기 블록공중합체에 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  30. 제 25항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 블록공중합체에 두께구배의 패턴들이 성형된 모듈을 나노임프린트하여 두께구배를 주는 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  31. 제 25항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    종횡비는 1:200 ~ 1:1 인 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
  32. 제 25항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서,
    열처리는 유리전이온도 이하로 하는 것을 특징을 하는 컬러필터 제조방법.
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