KR20090009050A - 금속 선 격자 디바이스 제조 방법 - Google Patents

금속 선 격자 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기판 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계; 및 자기조립 단분자막 나노 패턴이 형성된 기판에 무전해 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이에 금속 선 격자를 형성하거나 자기조립 단분자막 나노 패턴을 시드층으로 사용하여 무전해 전기 도금에 의해 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 금속 선 격자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법이 개시되어 있다.

Description

금속 선 격자 디바이스 제조 방법{Method for manufacturing metal line grid device}
본 발명은 금속 선 격자 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 와이어 그리드 편광자로 사용될 수 있는 고종횡비를 가지는 금속 선 격자 제조 방법에 관한 것이다.
최근 표시장치(display) 분야에서는 자연스러운 동영상을 포함한 대용량의 영상 정보를 표현하기 위해 고 해상도 및 고 효율, 저 소비 전력에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 표시장치의 대면적화 동향에 따라 부품 소재 측면에서도 이러한 요구를 충족할 수 있는 생산성이 높은 대면적 공정 기술이 요구되고 있다.
특히, 액정표시장치(LCD)는 발광다이오드(LED) 또는 냉음극 형광램프(CCFL:Cold Cathode Florescent Lamp)와 같은 광원으로부터 제공된 광량의 단 5~7% 만을 사용자에게 제공하는 매우 낮은 광 이용 효율의 소자로써 광 이용 효율 개선이 매우 시급한 상황이다.
이러한 저 효율의 큰 원인 중 하나는 잘 알려진 바와 같이, 액정표시장치가 액정의 편광 특성 변화를 이용하여 영상을 표시하므로, 임의 편광의 입사 광 중 한 편광의 광만이 유효광으로 사용되기 때문이다.
일반적인 액정표시장치에서는 광학 스위칭을 위해 액정과 함께 액정층 상하면에 흡수형 편광판 2장을 사용한다. 이 경우, 비편광 입사 빔에 대해 산술적으로는 50%의 광손실을 가지게 된다. 이러한 광 손실을 줄이기 위해 최근 3M사에서는 DBEF(dual brightness enhancement film) 와 같은 고효율 광학 시트 등을 이용하여 휘도를 개선하고자 노력하고 있다. 그러나, DBEF 의 경우는 완전한 편광소자라 할 수 없으며, 제작 공정에 있어서도 약 600층 이상의 박막 적층 공정을 요구함으로 인해 제작 원가를 줄이기 어려운 단점을 안고 있다.
이에 따라, 특정 편광 방향의 광은 투과시키고 이에 직교하는 다른 편광 방향의 광은 반사시켜 재활용할 수 있는 반사형 편광자의 사용이 제안되고 있다. 이러한 반사형 편광자의 대표적인 예로서 와이어 그리드 편광자(Wire Grid Polarizer : WGP)가 있다.
반사형 편광자인 와이어 그리드 편광자는 사용하고자 하는 파장 영역의 최소 파장의 절반 이하의 주기의 금속 격자 구조를 가지고 있어야 한다. 이러한 미세 선폭을 가진 와이어 그리드 편광자를 제작하는 기존 공정은 전자빔(e-beam) 또는 레이저 간섭 노광을 이용하여 나노 격자 패턴을 제작하고, 이를 폴리머 재료를 이용하여 몰드를 제작한다.
이때, 몰드를 제작하는 방법은 자외선 큐어링(UV curing) 또는 핫 엠보싱(hot embossing) 등의 나노 임프린트(nano imprint) 방법을 사용할 수 있다. 이렇게 제작된 몰드를 이용하여 금속 선 격자를 제작하기 위하여 반도체 공정의 리프 트-오프(Lift-off) 공정 또는 화상기상성장법(CVD)과 같은 방법을 이용하는 경사 증착 방법을 이용한다.
경사 증착의 경우, 와이어 그리드 편광자에서 기본 특성을 얻기 위해 필요한 2:1 또는 3:1 이상의 고종횡비(high aspect ratio)의 전형적인 직사각형 형상을 구현하기 어려우며, 텔레비전 등의 제작에 요구되는 대면적 공정으로 적합하지 않다. 또한, 경사 증착시의 금속 구조물의 경사 방향에 따른 비대칭성은 입사빔의 입사 방향에 따른 투과/반사 특성에 영향을 비칠 수 있다. 이는 편광판의 각도 의존성 및 디스플레이 소자에 있어서의 시야각 제한의 원인으로 작용할 수 있는 문제점을 내포하고 있다. Lift-off 공정의 경우 또한 상부 마스크로 사용하는 나노 임프린트용 레진의 에칭에 대한 저항력이 떨어져 high aspect ratio 의 금속(metal) 선 격자를 형성하는 것이 쉽지 않으며, 금속 증착의 공정에 비해 공정 단위 수가 많다는 단점이 있다.
본 발명은 전기 도금 공정을 이용하여 제작 면적에 제한이 없고, 저가의 습식 공정(wet process)을 이용하는 고종횡비를 가지는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 광의 파장의 반보다 작은 주기를 가지는 미세패턴을 포함하는 와이어 그리드 편광자로서 전기 도금 공정을 이용하여 사용되는 광의 파장의 반보다 작은 주기를 가지는 미세 금속 패턴을 형성함을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바 이스 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법은, (가) 기판 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계; 및 (나) 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 형성된 기판에 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이에 금속 선 격자를 형성하거나 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 시드층으로 사용하여 무전해 전기 도금에 의해 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 금속 선 격자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 (나) 단계에서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 형성된 기판에 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이에 금속 선 격자를 형성하며, (다) 자기조립 단분자막을 성장시켜 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴의 자기조립 단분자막 높이를 증가시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정을 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (가) 단계에서 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성은, 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)을 이용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴의 두께는 1-10nm 범위내일 수 있다.
상기 (가) 단계의 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성 단계는, 자기조립 단분자막(SAM)을 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴에 대응하는 나노 패턴을 가지 는 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)용 스탬프에 부착시키는 단계; 및 상기 스탬프에 부착된 자기조립 단분자막을 상기 기판 위에 마이크로 컨택 프린팅하여 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자막을 상기 스탬프에 부착시키는 단계는, 상기 스탬프를 자기조립 단분자막 용액에 담궈 자기조립 단분자막이 상기 스탬프에 부착되도록 하는 단계; 및 스탬프를 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 기판은 자기조립 단분자막 재료와 화학적 흡착이 가능한 기판이고, 상기 자기조립 단분자막은 실란계 화합물 계열의 물질을 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판은 SiO2 기판 및 산소를 제공하는 물질로 표면 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기판 상에 자기조립 단분자막 재료와의 결합력을 높이기 위한 결합력 증진층;을 더 포함하며, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴은 상기 결합력 증진층 상에 형성되며, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 물질은 alkanethiol 계열의 물질일 수 있다.
예를 들어, 상기 자기조립 단분자막은 CH3(CH2)nSH : n = 11~25 물질을 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 이외의 상기 결합력 증진층 영역을 제거하고, 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자를 형성할 수 있다.
상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 이외의 상기 결합력 증진층 영역을 그대 로 둔 채 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자를 형성하며, 상기 결합력 증진층은 무전해 전기 도금이 가능한 금속으로 이루어질 수도 있다.
상기 기판은 광학적으로 투명한 기판인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는, 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법을 사용하여 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판 상의 적어도 상기 금속 선 격자를 형성할 위치에 시드층을 더 포함하며, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는, 주석산을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는 은액과 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 시드층 상에 형성될 수 있다.
상기 시드층은 SnCl2를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 (나) 단계에서는, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 시드층으로 사용하여 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 금속 선 격자를 형성하며, (다) 상기 금속 선 격자 사이의 영역의 기판 상에 자기조립 단분자막을 흡착시켜 자기조립 단분자막 영역을 형성시 키는 단계와; (라) 자기조립 단분자막을 성장시켜 상기 자기조립 단분자막 영역의 자기조립 단분자막 높이를 증가시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정을 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (다) 단계에서의 자기조립 단분자막 영역을 형성시키는 단계는, 상기 기판에 전하를 띠게 하기 위해 전처리 물질을 흡착시키는 단계와; 상기 전처리 물질에 전처리 물질과 반대 전하를 띠는 제1자기조립 단분자막 물질을 흡착시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1자기조립 단분자막 물질과 반대 전하를 띠는 제2자기조립 단분자막 물질을 흡착시키는 단계;를 더 포함하며, 상기 (라)단계에서의 자기조립 단분자막 성장은, 상기 제1자기조립 단분자막 물질과 상기 제2자기조립 단분자막 물질을 교대로 반복적으로 흡착하여 이루어질 수 있다.
상기 전처리 물질은 3-aminopropyldimethylethoxysilane을 포함하고, 상기 제1자기조립 단분자막 물질은 PAH을 포함하고, 상기 제2자기조립 단분자막 물질은 PVS를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는데 사용되는 자기조립 단분자막은 triethoxysilylundecanal을 포함할 수 있다.
상기 기판은 SiO2 기판 및 산소를 제공하는 물질로 표면 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속선 격자 디바이스는 와이어 그리드 편광자일 수 있다.
이때, 상기 (다) 단계의 자기조립 단분자막을 성장시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정은, 금속 선 격자의 높이가 100nm 이상이 될 때까지 반복할 수 있다.
또한, 상기 금속선 격자의 주기는 사용하는 광의 파장의 반보다 작은 주기를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속선 격자는 2:1 내지 3:1 이상의 종횡비를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.
상기 금속선 격자 디바이스는, 금속선 격자 사이에 자기조립 단분자막 나노 패턴이 위치할 수 있다.
금속 선 격자 형성 완료 후 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 의하면, 저가의 습식 공정(wet process)을 이용하여 고종횡비를 가지는 금속 선 격자 디바이스를 제조할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 금속 선 격자 제조 방법을 적용하면, 고종횡비를 가지는 와이어 그리드 편광자를 제작 면적에 제한 없이 저가의 습식 공정을 이용하여 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 금속 선 격자 제조 방법 의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명하는 본 발명에 따른 금속 선 격자 제조 방법을 적용하면, 고종횡비를 가지는 와이어 그리드 편광자를 제작 면적에 제한 없이 저가의 습식 공정을 이용하여 제조할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 와이어 그리드 편광자의 개략적인 구조를 보여주는 단면도 및 평편도이고, 도 2는 반사형 와이어 그리드 편광자의 작동원리를 보여준다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 와이어 그리드 편광자(10)는 투명 기판(11) 위에 다수의 전도성 금속 선(wire:12)을 평행하게 일정한 간격으로 배치한 구조를 갖는다. 이러한 구조의 와이어 그리드 편광자(10)는, 금속 와이어(12)의 배치 주기가 입사광의 파장에 비해 길수록 회절 격자의 특성을 더 많이 갖고, 입사광의 파장에 비해 짧을수록 편광자의 특성을 더 많이 갖는 특징이 있다.
우수한 효율의 편광자로서 작용하도록, 와이어 그리드 편광자(10)는 광의 파장의 반보다 작은 주기를 가지는 미세 패턴을 포함하는 금속 선 격자 편광자로 형성된다.
편광자의 특성을 갖는 경우, 상기 와이어 그리드 편광자(10)는, 금속 선(12)과 평행한 편광 성분을 갖는 광을 반사시키고, 금속 선(12)에 수직한 편광 성분의 광을 투과시키는 특성이 있다.
가시광 전영역에서 편광 분리 특성을 만족하는 와이어 그리드 편광자(10)는 최소 선폭(W)은 대략 50nm가 되고, 금속 선을 이루는 층의 두께 즉, 금속 선(10) 격자의 높이(H)는 100nm 이상 예를 들어, 100nm ~ 140nm 범위가 되어야 한다. 또 한, 와이어 그리드 편광자(10)는 금속 선(12)의 격자 패턴 주기(P)가 사용되는 광 파장의 절반 이하 예컨대, 100nm가 되어야 한다.
본 발명에서는 이러한 고종횡비(high aspect ratio)의 금속 선 격자를 제작하기 위하여 기존의 열 또는 압력에 의한 나노 임프린트 방법 대신, 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing) 공정을 적용하여, 상대적으로 마스터 몰드(master mold)의 열 및 압력에 의한 손상을 줄이고, 미세 선폭을 가진 패턴에 대한 나노 임프린트 방식에서의 기판과 몰드의 분리 공정 시 발생할 수 있는 패턴 늘어짐 및 분리가 쉽지 않은 문제를 해결한다.
본 발명의 금속 선 격자 디바이스 제조 공정에 따르면, 예를 들어, 우선 마스터 몰드(master mold)를 스탬프(stamp)로 사용하여 자기조립 단분자막(SAM: Self-Assembled Monomer)을 이용한 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing) 공정으로 자기조립 단분자막 나노 패턴을 투명 기판에 형성한다.
이후, 무전해 전기 도금 공정을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이를 금속으로 채운다. 이러한 공정을 반복하면, 고종횡비의 금속 선 제조 공정을 손쉽게 실시할 수 있다.
일반적으로 무전해 전기 도금 공정에 있어서도 고 해상도(high resolution), 고종횡비의 패턴에 대해 채널 형태의 패턴 내부를 채우는 공정 시 패턴의 바닥부터 금속이 잘 충전되어 완벽한 형상을 만드는 것이 쉽지 않은 것으로 알려져 있다.
그러나, 본 발명의 제조 공정에 따르면, 후술하는 도 3 및 도 6에 보여지는 바와 같이, 단계적으로 자기조립 단분자막을 성장시켜 자기조립 단분자막 나노 패 턴의 높이를 증가시키면서 도금 공정을 반복적으로 실시하므로, 실제 단위 공정에 있어 패턴의 종횡비(aspect ratio)는 작은 상태를 유지할 수 있어, 도금 공정의 부담을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 고종횡비의 금속 선 격자를 손쉽게 형성할 수 있으며, 대면적이고 저가의 고종횡비를 가지는 와이드 그리드 편광자를 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 보이는 공정도이다.
먼저, 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 기판(30) 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 형성한다. 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)은 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing) 기법을 사용하여 형성할 수 있다.
자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 형성하기 위해, 도 3a 및 도 3b에서와 같이, 자기조립 단분자막(SAM:Self Assembly Monomer)(25)을 형성하고자 하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)에 대응하는 나노 패턴(20a)이 형성된 마이크로 컨택 프린팅용 스탬프(Stamp:20)에 부착한다. 그러면, 스탬프(20)에 얇은 자기조립 단분자막막(SAM film: 27)이 형성된다.
이와 같이 자기조립 단분자막을 스탬프(20)에 부착하여 얇은 자기조립 단분자막막(27)을 형성하기 위해, 스탬프(20)를 자기조립 단분자막(25) 용액에 담궈 자기조립 단분자막이 상기 스탬프(20)에 부착되도록 한 다음, 이 스탬프(20)를 건조시키면 도 3b에서와 같은 자기조립 단분자막막(27)이 얻어진다.
이 자기조립 단분자막막(27)을 가지는 스탬프(20)를 이용하여, 도 3b에서와 같이, 기판(30) 위에 마이크로 컨택 프린팅(micro-contact printing) 공정을 진행하면, 도 3c에서와 같이 기판(30) 상에 스탬프(20)의 나노 패턴(20a)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 형성된다.
즉, 도 3b에서와 같이, 자기조립 단분자막막(27)을 가지는 스탬프(20)를 기판(30) 상에 찍으면, 스탬프(20)의 나노 패턴(20a)상에 부착되어 있는 자기조립 단분자막막(27)이 기판(30)에 마이크로 컨택 프린팅된다. 이에 의해, 도 3c에서와 같이, 기판(30) 상에 스탬프(20)의 나노 패턴(20a)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 형성된다.
이 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 초기 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 두께는 1-10nm 보다 바람직하게는, 2-4nm인 것이 바람직하다.
본 실시 예에서는, 기판(30) 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 마이크로 컨택 프린팅 기법에 의해 직접적으로 형성하기 때문에, 상기 기판(30)은 자기조립 단분자막 재료와 화학적 흡착이 가능한 기판으로 준비하고, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)은 이 기판(30)과 화학적 흡착(chemical adsorption)이 가능한 자기조립 단분자막 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 기판(30)은 입사광에 대해 광학적으로 투명한 유리(SiO2) 기판)이나 산소를 제공하는 물질로 표현 처리 예컨대, O2-플라즈마(plasma) 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판일 수 있다.
또한, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 상기 기판(30)과 화학적 흡착이 가능하도록 상기 자기조립 단분자막(27)은 실란계 화합물 계열의 물질을 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자막(27)은 예를 들어, dodecylchlorosilane(CH3(CH2)11SiCl3 :이하, DTS ), 3-aminopropyltriethoxysilane(H2N(CH2)3Si(OCH2CH3)3 :이하, APTES) 및 triethoxysilylundecanal(CH3CH2O)3Si(CH2)10COH : 이하, TESUD) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자막(25) 물질로 DTS를 적용하는 경우, 예를 들면, 마이크로 컨택 프린팅용 스탬프(20)를 DTS 자기조립 단분자막 용액(5 ~ 10 * 10-3 M DTS in toluene)에 예컨대, 2시간 동안 담군다. 그런 다음, 이 스탬프(20)를 예컨대, 5 ~ 10분 정도 건조시키면, 상기 자기조립 단분자막 막(27)이 얻어진다. 그리고 이 자기조립 단분자막막(27)을 기판(30)에 마이크로 컨택 프린팅하면, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 얻어진다.
상기와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 형성한 다음, 무전해 전기 도금(electroless plating) 공정을 이용하여, 도 3d에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 사이에 금속을 채워 금속 선 격자(37)를 형성한다. 상기 금속 선 격자(37)는 은(Ag)를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
상기 금속 선 격자(37)는 예를 들어, 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 선 격자(37)는 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 기판(30) 상에 형성될 수 있다.
상기 은액은 예를 들어, 다음과 같이 얻어질 수 있다. 질산은(AgNO3) 3.5g과 탈이온수(deionized water:DI water) 60ml을 섞은 용액에 암모니아 용액(ammonia solution)을 침전이 재용해 하기까지 넣어준다. 그리고, 이 용액에 수산화 나트름(NaOH) 2.5g과 탈이온수 60ml을 섞은 용액을 넣고, 암모니아 용액을 침전이 재용해하기까지 넣어준다.
상기 포도당과 주석산을 포함하는 환원액은 예를 들어, 다음과 같이 얻어질 수 있다. 포도당(glucose) 4.5g 및 주석산(tartaric acid) 0.4g를 탈 이온수 100ml와 섞은 용액을 10분 정도 가열하여 완전히 녹인다. 그런 다음 상온에서 이 용액에 에칠알코올(ethylalcohol) 10ml를 넣는다.
예를 들어, 상기와 같이 얻어진 은액과 환원액을 약 1:1 비율로 혼합하고, 이 용액에 상기와 같이 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 형성된 기판(30)을 넣고, 대략적으로 온도 20-25℃, pH 9~13에서 반응시키면, 상기 기판(30)의 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 위치하지 않은 표면에 은(Ag)이 도금되어 금속 선 격자(37)가 형성된다.
상기와 같이 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(37)를 형성한 다음, 도 3e에서와 같이 자기조립 단분자막을 성장(SAM growth)시켜 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 자기조립 단분자막 높이를 증가시킨다. 그런 다음, 다시 상기한 무전해 전기 도금 공정을 진행하여, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 사이를 금속으로 채움으로써 금속 선 격자(37)의 높이(H)를 증가시킨다.
금속 선 격자(37)의 높이(H)가 원하는 높이 예컨대, 100nm 이상으로 될 때까지, 상기 자기조립 단분자막 성장 프로세스와 무전해 전기 도금 공정에 의한 금속 선 격자(37) 높이를 증가시키는 공정을 교대로 반복한다.
이러한 공정은 1회의 자기조립 단분자막 성장시 얻어지는 자기조립 단분자막 층의 두께에 따라 횟수가 결정되며, 통상 100nm 이상의 금속 선 격자(37)의 층을 형성하기 위해 예를 들어, 10 회 이상 반복 실시한다.
이때, 단계적으로 자기조립 단분자막을 성장시켜 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 높이를 증가시키면서 도금 공정을 반복적으로 실시하므로, 실제 단위 공정에 있어 패턴의 종횡비는 작은 상태를 유지할 수 있어, 도금 공정의 부담을 줄일 수 있다.
상기와 같이, 단계적으로 자기조립 단분자막을 성장시켜 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 높이를 증가시키면서 무전해 전기 도금 공정을 진행하면, 도 3f 및 도 4에서와 같은 원하는 높이를 가지는 고종횡비의 금속 선 격자(37) 패턴이 형성된 금속 선 격자 디바이스 예컨대, 도 1a 내지 도 2를 참조로 설명한 바와 같은 와이어 그리드 편광자가 제조된다.
원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(37) 형성 완료 후에, 경우에 따라 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)은 제거할 수도 있고, 그대로 둘 수도 있다.
도 3f는 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(37) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 제거하는 단계를 더 진행하였을 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
도 4는 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(37) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 그대로 금속 선 격자(37) 사이에 위치할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
따라서, 상기 방법에 의해 제조된 와이어 그리드 편광자는 도 3f에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 제거하여 금속 선 격자(37) 패턴만을 가지는 구조이거나, 도 4에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 그대로 금속 선 격자(37) 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 있어서, 금속 선 격자(37)를 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법을 사용하여 형성하는 경우에 대해 설명하였다.
이 대신에, 상기 금속 선 격자(37)는 예를 들어, 주석산(tartaric acid)을 이용하여 형성할 수 있다. 주석산을 이용하여 무전해 전기 도금 기법에 의해 금속 선 격자(37)를 형성하는 경우, 도 5a 및 도 5b에서와 같이 시드층을 필요로 한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 3c 및 도 3d에 대응하는 것으로, 주석산을 이용하여 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(37)를 형성할 수 있도록, 기판(30) 상의 적어도 금속 선 격자(37)를 형성할 위치에 시드층(31)을 구비한다. 상기 시드 층(31)은 SnCl2를 포함하는 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 시드층(31)은 마이크로 컨택 프린팅에 의해 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 형성하기 전에 기판(30) 상에 형성하거나, 마이크로 컨택 프린팅에 의해 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)을 형성한 후에 기판(30) 상에 형성될 수 있다.
자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 형성 전에 SnCl2를 시드층(31)으로 기판(30) 상에 올리는 경우에는, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 자기조립 단분자막과 기판(30)과의 화합적 흡착 결합에 문제가 생기지 않도록, SnCl2 시드층(31)의 표면 밀도 양을 적절하게 조절하여, 자기조립 단분자막의 마이크로 컨택 프린팅 공정이 가능하면서도 Ag 무전해 전기 도금의 시드층 기능을 할 수 있도록 조절한다.
자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 형성 후에 SnCl2를 시드층(31)으로 기판(30) 상에 올리는 경우에는, 실제로 SnCl2가 기판(30) 상의 금속 선 격자(37)를 형성할 위치뿐만 아니라, 자기조립 단분자막 나 패턴(35) 위에도 올라갈 수 있다. 이 경우에는, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)에 자기조립 단분자막 성장에 영향을 미치지 않도록 자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 위에 SnCl2가 최소한으로 올라가도록 조절하는 것이 필요하다.
도 5a 및 도 5b에서 시드층(31)의 두께는 실질적으로 과장되게 표현한 것이며, 이 시드층(31)이 자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 아래나 위에 존재하는 경우 에도, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)과 기판(30)과의 화학적 흡착이나, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)에 이루어지는 자기조립 단분자막 성장에 실질적으로 거의 영향을 미치지 않으므로 그 도시를 생략하였다.
상기와 같이 기판(30) 상의 적어도 금속 선 격자(37)를 형성할 위치에 예컨대, SnCl2를 포함하는 시드층(31)을 형성할 때, 상기 금속 선 격자(37)는 주석산을 이용하는 무전해 전기 도금 기법을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 선 격자(37)는 은액과 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 시드층(31) 상에 형성될 수 있다.
이때, 상기 은액은 예를 들어, 다음과 같이 얻어질 수 있다. 질산은(AgNO3) 8.2g, 암모니아 용액(ammonia solution) 6.4g과 탈이온수(deionized water:DI water) 100ml을 이용하여 상기 은액을 만들 수 있다.
상기 주석산을 포함하는 환원액은 예를 들어, 다음과 같이 얻어질 수 있다. 주석산(tartaric acid) 29g, 황산마그네슘(MgSO4) 2g과 탈 이온수 100ml를 이용하여 상기 주석산을 포함하는 환원액을 만들 수 있다.
예를 들어, 상기와 같이 얻어진 은액과 환원액을 약 1:1 비율로 혼합하고, 이 용액에 상기와 같이 시드층(31)이 형성된 기판(30)을 넣고, 대략적으로 온도 20-25℃, pH 9~13에서 반응시키면, 상기 기판(30)의 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)이 위치하지 않은 시드층(31) 상에 은(Ag)이 도금되어 금속 선 격자(37)가 형성된다.
상기와 같이 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(37)를 형성한 다음, 전술한 바와 같이 자기조립 단분자막 나노 패턴(35)의 자기조립 단분자막 높이를 증가시킨다. 그런 다음, 다시 상기한 무전해 전기 도금 공정을 진행하여, 자기조립 단분자막 나노 패턴(35) 사이를 금속으로 채움으로써 금속 선 격자(37)의 높이(H)를 증가시킨다.
금속 선 격자(37)의 높이(H)가 원하는 높이 예컨대, 100nm 이상으로 될 때까지, 상기 자기조립 단분자막 성장 프로세스와 무전해 전기 도금 공정에 의한 금속 선 격자(37) 높이를 증가시키는 공정을 교대로 반복한다.
상기와 같이 주석산을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(37)를 형성하는 경우, 시드층(31)을 더 필요로 하며, 무전해 전기 도금에 사용되는 용액이 달라지는 점을 제외하고는 나머지 공정은 실질적으로 도 3a 내지 도 4를 참조로 전술한 바와 거의 유사 또는 동일하므로, 여기서는 전체 공정을 별도로 설명하는 것은 생략한다.
이상에서는 마이크로 컨택 프린팅에 의해 기판에 형성되는 초기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 기판과 화학적 흡착이 가능하도록 자기조립 단분자막 물질과 기판을 선택하였을 때의 금속 선 격자 디바이스 예컨대, 와이어 그리드 편광자를 제조 공정을 예시적으로 보여준다.
마이크로 컨택 프린팅에 의해 기판에 형성되는 초기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 기판과 화학적 흡착이 제대로 이루어지지 않는 자기조립 단분자막 물질 예를 들어, alkanethiol 계열의 자기조립 단분자막 물질을 사용하는 경우에는, 상기 와 같이 유리 기판이나 산소를 포함하는 물질로 표면 처리된 투명 플라스틱 기판과 자기조립 단분자막 나노 패턴의 결합력이 약하기 때문에, 도 6a 내지 도 6f 및 도 7을 참조로 아래에 설명하는 실시 예에서와 같이 자기조립 단분자막 물질과의 결합력을 높이기 위한 결합력 증진층을 더 포함하는 기판이 필요하다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 보이는 공정도이다. 이하의 설명에서 도 3a 내지 도 4를 참조로 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 방법과 공통되는 부분은 그 설명을 간략히 하거나 생략한다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 자기조립 단분자막(45)을 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)에 대응하는 나노 패턴(20a)이 형성된 마이크로 컨택 프린팅용 스탬프(20)에 부착시켜, 자기조립 단분자막막(47)을 형성시킨다. 그런 다음, 결합력 증진층(51)이 형성된 기판(50) 상에 자기조립 단분자막을 마이크로 컨택 프린팅하여, 결합력 증진층(51) 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 형성한다.
이때, 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 초기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)의 두께는 1-10nm 보다 바람직하게는, 2-4nm인 것이 바람직하다.
본 실시 예에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 형성하는 자기조립 단분자막 물질은 thiol 계 분자를 포함하는 물질 예컨대, alkanethiol( CH3(CH2)nSH : n = 11~25 ) 계열의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 형성하는 자기조립 단분자막 물질은 　1- dodecanethiol ( CH3(CH2)11SH ), 1-hexadecanethiol ( CH3(CH2)15SH ) 및 1-octadecanethiol ( CH3(CH2)17SH ) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 결합력 증진층(51)은 기판(50) 상에 자기조립 단분자막 물질과의 결합력을 높이기 위해 형성된 것으로, Au을 포함하는 물질로 예컨대, 2 ~ 4nm 두께로 형성될 수 있다.
Au층은 thiol 계 분자의 자기조립 단분자막 재료와의 결합력을 높여준다. 따라서, 결합력 증진층(51)을 Au층으로 형성하는 경우, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 형성하는 자기조립 단분자막 재료는 예컨대, alkanethiol (CH3(CH2)nSH : n = 11~25) 계열을 사용할 수 있다.
이외에도, 상기 결합력 증진층(51)은 예컨대, thiol 계 분자의 자기조립 단분자막 재료와의 결합력을 높여주면서, 무전해 전기 도금을 가능하게 하는 다양한 금속 예를 들어, Cu, Pt, Ag, Ni, Pd, Co로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 결합력 증진층(51)은 상기한 금속들 중 적어도 하나를 포함하는 합금(예를 들어, CoNi, FePt, NiW 등등)으로 이루어진 그룹 중에서 선택적 적어도 어느 하나의 금속을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시 예에서 상기 기판(50)은 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)과 직접적으로 화학적 흡착이 이루어지지 않기 때문에, 상기 기판(50)으로는 광학적으로 투명한 기판이면 어떤 기판이든지 사용할 수 있다. 물론, 상기 기판(50)으로 전 술한 실시 예에서와 동일하게, SiO2 기판 또는 산소를 제공하는 물질로 표면 처리 예컨대, O2-플라즈마 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수도 있다.
상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)은 다음과 같이 형성될 수 있다. 예를 들어, 결합력 증진층(51)을 Au로 형성한 기판(50)을 사용한다. 마이크로 컨택 프린팅용 스탬프(20)를 1-dodecanethiol과 1-hexadecanethiol을 포함하는 자기조립 단분자막 용액(예를 들어, 에탄올(ethanol)에 1mM의 1-dodecanethiol과 1-hexadecanethiol을 포함시킨 용액)에 예컨대, 약 2시간 동안 담근다. 그런 다음, 이 스탬프(20)를 예컨대, 대략 5 ~ 10분 정도 건조시키면, 상기 자기조립 단분자막막(47)이 얻어진다. 그리고 이 자기조립 단분자막막(27)을 Au를 포함하는 결합력 증진층(51) 상에 마이크로 컨택 프린팅하면, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)이 얻어진다.
상기와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 형성한 다음, 무전해 전기 도금(electroless plating) 공정을 이용하여, 도 6d에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55) 사이에 금속을 채워 금속 선 격자(57)를 형성한다. 상기 금속 선 격자(57)는 은(Ag)을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
이때, 상기 금속 선 격자(57)는 전술한 실시 예에서와 마찬가지로, 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법 예를 들어, 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 결합력 증진층(51) 또는 기판(50) 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 선 격자(57)는 전술한 실시 예에서와 마찬가지로, 예를 들어, 주석산을 이용하는 무전해 전기 도금 기법 예를 들어, 은액과 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 결합력 증진층(51) 또는 기판(50) 상에 형성될 수 있다. 이때, 마이크로 컨택 프린팅에 의한 자기조립 단분자막 나노 패턴(55) 형성 전이나 후에 예를 들어, SnCl2를 포함하는 시드층을 결합력 증진층(51) 또는 기판(50) 상의 적어도 금속 선 격자(57)를 형성할 영역에 형성한 다음, 주석산을 이용하는 무전해 전기 도금을 진행할 수 있다.
여기서, 상기 금속 선 격자(57)는 자기조립 단분자막 나노 패턴(55) 이외 영역의 결합력 증진층(51) 예컨대, Au층을 제거하거나 그대로 둔 채 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 패턴을 형성한다.
즉, 상기 금속 선 격자(57)는 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(57) 이외의 상기 결합력 증진층(51) 영역을 제거하고, 무전해 전기 도금을 이용하여 노출된 기판(50) 상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 결합력 증진층(51)이 무전해 전기 도금이 가능한 금속으로 이루어진 경우, 상기 금속 선 격자(57)는 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(55) 이외의 상기 결합력 증진층(51) 영역을 그대로 둔 채 무전해 전기 도금을 이용하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(57)를 형성한 다음, 도 6e에서와 같이 자기조립 단분자막을 성장(SAM growth)시켜 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)의 자기조립 단분자막 높이를 증가시킨다. 그런 다음, 다시 상기한 무전해 전기 도금 공정을 진행하여, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55) 사이를 금속으로 채움으로써 금속 선 격자(57)의 높이(H)를 증가시킨다.
금속 선 격자(57)의 높이(H)가 원하는 높이 예컨대, 100nm 이상으로 될 때까지, 상기 자기조립 단분자막 성장 프로세스와 무전해 전기 도금 공정에 의한 금속 선 격자(57) 높이를 증가시키는 공정을 교대로 반복한다.
전술한 실시 예에서와 마찬가지로, 이러한 공정은 1회의 자기조립 단분자막 성장시 얻어지는 자기조립 단분자막 층의 두께에 따라 횟수가 결정되며, 통상 100nm 이상의 금속 선 격자(57)의 층을 형성하기 위해 예를 들어, 10 회 이상 반복 실시한다.
상기와 같이, 단계적으로 자기조립 단분자막을 성장시켜 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)의 높이를 증가시키면서 무전해 전기 도금 공정을 진행하면, 도 6f 및 도 7에서와 같은 원하는 높이를 가지는 고종횡비의 금속 선 격자(57) 패턴이 형성된 금속 선 격자 디바이스 예컨대, 도 1a 내지 도 2를 참조로 설명한 바와 같은 와이어 그리드 편광자가 제조된다.
원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(57) 형성 완료 후에, 경우에 따라 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)은 제거할 수도 있고, 그대로 둘 수도 있다.
도 6f는 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(57) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 제거하는 단계를 더 진행하였을 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
도 7은 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(57) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)이 그대로 금속 선 격자(57) 사이에 위치할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
따라서, 상기 방법에 의해 제조된 와이어 그리드 편광자는 도 6f에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)을 제거하여 금속 선 격자(57) 패턴만을 가지는 구조이거나, 도 7에서와 같이, 자기조립 단분자막 나노 패턴(55)이 그대로 금속 선 격자(57) 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
이상에서는, 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 자기조립 단분자막 나노 패턴이 저가의 습식 공정인 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자를 형성하는데 실질적으로 마스크 역할을 하는 경우의 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 대해 설명 및 도시하였는데, 도 8a 내지 도 8h 및 도 9를 참조로 아래에 설명하는 실시 예에서와 같이, 이 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 자기조립 단분자막 나노 패턴을 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자를 형성하기 위한 시드층(seed layer)으로 사용하여 금속 선 격자 디바이스를 제조하는 것도 가능하다. 이 경우, 금속 선 격자 사이의 영역에는 정전기적 자기조립 단분자막 성장 재료로 자기조립 단분자막 영역을 형성하는 것이 바람직하다.
도 8a 내지 도 8h는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 보이는 공정도이다. 이하의 설명에서 도 3a 내지 도 4, 도 6a 내지 도 7을 참조로 설명한 본 발명의 실시 예들에 따른 제조 방법과 공통되는 부분은 그 설명을 간략히 하거나 생략한다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 기판(70) 상에 형성하고자 하는 금속 선 격자(77)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)을 형성한다.
이러한 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)을 형성하기 위해, 먼저, 도 8a 및 도 8b에서와 같이 자기조립 단분자막(65)을 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)에 대응하는 나노 패턴(60a)이 형성된 마이크로 컨택 프린팅용 스탬프(60)에 부착시켜, 자기조립 단분자막막(67)을 형성시킨다.
그런 다음, 도 8c에서와 같이, 기판(70) 상에 자기조립 단분자막을 마이크로 컨택 프린팅하여, 형성하고자 하는 금속 선 격자(77)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)을 형성한다. 이때, 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)의 두께는 무전해 전기 도금을 위한 시드층으로서 역할이 가능한 정도이면 된다. 예를 들어, 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)은 0.5-10nm 예컨대, 약 1.2nm의 두께로 형성될 수 있다.
그런 다음, 도 8d에서와 같이 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)을 시드층(seed layer)으로 하여, 이 자기조립 단분자막 나노 패턴(73) 상에 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자(77)를 형성한다.
본 실시 예에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)이 상기 기판(70)과 화학적 흡착이 가능하도록 상기 자기조립 단분자막(65)은 실란계 화합물 계열의 물질 예컨대, TESUD을 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판(70)은 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)과 화학적 흡착이 가능하며 입사광에 대해 광학적으로 투명한 기판인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)이 실란계 화합물 계열의 자기조립 단분자막 물질을 포함하도록 형성되는 경우, 상기 기판(70)은 입사광에 대해 광학적으로 투명한 유리(SiO2) 기판이나 산소를 제공하는 물질로 표현 처리 예컨대, O2-플라즈마(plasma) 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판일 수 있다.
여기서, 자기조립 단분자막(65)을 스탬프(60)에 부착하여 얇은 자기조립 단분자막막(67)을 형성하기 위해, 예를 들어, 스탬프(60)를 자기조립 단분자막(65) 용액에 담궈 자기조립 단분자막이 상기 스탬프(60)에 부착되도록 한 다음, 이 스탬프(60)를 건조시키면 도 8b에서와 같은 자기조립 단분자막막(67)이 얻어진다. 이 자기조립 단분자막막(67)을 가지는 스탬프(60)를 이용하여, 기판(70) 위에 마이크로 컨택 프린팅(micro-contact printing) 공정을 진행하면, 도 8c에서와 같이 기판(70) 상에 스탬프(60)의 나노 패턴(60a)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)이 형성된다.
즉, 도 8b에서와 같이, 자기조립 단분자막막(67)을 가지는 스탬프(60)를 기판(70) 상에 찍으면, 스탬프(60)의 나노 패턴(60a)상에 부착되어 있는 자기조립 단분자막막(67)이 기판(70)에 프린팅된다. 이에 의해, 도 8c에서와 같이, 기판(70) 상에 스탬프(60)의 나노 패턴(60a)에 대응하는 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)이 형성된다.
이와 같이 형성된 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)을 시드층으로 하여 무전해 전기 도금 공정에 의해 자기조립 단분자막 나노 패턴(73) 상에 금속 선 격 자(77)를 형성한다.
상기 금속 선 격자(77)는 은(Ag)을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 상기 금속 선 격자(77)는 전술한 실시 예들에서와 마찬가지로, 예를 들어, 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법 즉, 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴(73)상에 형성될 수 있다.
자기조립 단분자막 나노 패턴(73) 상에 금속 선 격자(77)를 형성한 다음, 도 8e 및 도 8f에서와 같이 금속 선 격자(77) 사이 영역의 기판(70) 상에 자기조립 단분자막을 흡착시켜 자기조립 단분자막 영역(75)을 형성한다. 이때, 자기조립 단분자막 영역(75)은 정전기적인 자기조립 단분자막 성장을 이용하여 형성된다.
자기조립 단분자막 영역(75)을 형성하기 위해, 먼저, 도 8e에서와 같이, 기판(70)에 전하를 띠게 하기 위해 전처리 물질(74)을 흡착시키고, 이 전처리 물질(74) 상에 이 전처리 물질과 반대 전하를 띠는 제1자기조립 단분자막 물질(76a)을 흡착시킨다. 그런 다음 도 8f에서와 같이, 제1자기조립 단분자막 물질(76a) 상에 제2자기조립 단분자막 물질(76b)을 흡착시킨다.
자기조립 단분자막 성장은 제1자기조립 단분자막 물질(76a) 및 제2자기조립 단분자막 물질(76b)을 교대로 반복적으로 흡착하여 이루어진다.
여기서, 예를 들어, 상기 전처리 물질(74)로는 기판(70)에 음전하를 띠게 하기 위해, 3-aminopropyldimethylethoxysilane을 포함하는 물질을 사용하고, 상기 제1자기조립 단분자막 물질(76a)로는 양전하를 띠는 polyallylamine hydrochloride (PAH)를 포함하는 물질을 사용하고, 상기 제2자기조립 단분자막 물질(76b)로 음전하를 띠는 polyvinylsulfate potassium salt (PVS)를 사용할 수 있다. 이외에도, 상기 전처리 물질(74), 제1 및 제2자기조립 단분자막 물질(76a)(76b)로 정전기적 자기조립 단분자막 성장이 가능한 다양한 자기조립 단분자막 재료가 사용될 수 있다.
상기와 같이 자기조립 단분자막 영역(75)에 금속 선 격자(75)보다 돌출될 때까지 자기조립 단분자막을 성장시킨 다음, 도 8g에서와 같이, 다시 무전해 전기 도금 공정을 진행하여, 자기조립 단분자막 영역(75) 사이를 금속으로 채움으로써 금속 선 격자(77)의 높이(H)를 증가시킨다.
금속 선 격자(77)의 높이(H)가 원하는 높이 예컨대, 100nm 이상으로 될 때까지, 상기 자기조립 단분자막 성장 프로세스와 무전해 전기 도금 공정에 의한 금속 선 격자(77) 높이를 증가시키는 공정을 교대로 반복한다.
전술한 실시 예들에서와 유사하게, 이러한 공정은 금속 선 격자(75)보다 돌출되도록 자기조립 단분자막 성장을 진행하여 얻어지는 자기조립 단분자막 층의 두께에 따라 횟수가 결정되며, 통상 100nm 이상의 금속 선 격자(77)의 층을 형성하기 위해 수회 예를 들어, 10 회 이상 반복 실시할 수 있다.
상기와 같이, 자기조립 단분자막을 성장시켜 자기조립 단분자막영역(75)의 높이를 증가시키고 무전헤 도금을 이용하여 금속 선 격자(75) 높이를 증가시키는 공정을 반복하면, 도 8h 및 도 9에서와 같은 원하는 높이를 가지는 고종횡비의 금속 선 격자(77) 패턴이 형성된 금속 선 격자 디바이스 예컨대, 도 1a 내지 도 2를 참조로 설명한 바와 같은 와이어 그리드 편광자가 제조된다.
원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(77) 형성 완료 후에, 경우에 따라 자기조립 단분자막 영역(75)은 제거할 수도 있고, 그대로 둘 수도 있다.
도 8h는 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(77) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 영역(75)을 제거하는 단계를 더 진행하였을 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
도 9는 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자(77) 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 영역(75)을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 영역(75)이 그대로 금속 선 격자(77) 사이에 그대로 존재할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
따라서, 상기 방법에 의해 제조된 와이어 그리드 편광자는 도 8h에서와 같이, 자기조립 단분자막 영역(75)을 제거하여 시드층으로 사용되는 자기조립 단분자막 나노 패턴(73) 상에 금속 선 격자(77) 패턴만을 가지는 구조이거나, 도 9에서와 같이, 자기조립 단분자막 영역(75)이 그대로 금속 선 격자(77) 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 방법을 적용하여, 와이어 그리드 편광자를 형성하는 경우, 상기 금속 선 격자의 주기는 사용하고자 하는 광의 파장의 반보다 작은 주기(P)를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속 선 격자는 2:1 내지 3:1 이상의 고종횡비를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 최종적으로 형성된 금속 선 격자의 최소 선폭은 예컨대, 대략 50nm, 두께는 100nm 이상으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 선 격자는 폭(W)이 50-70nm이고, 높이(H)가 100-140nm가 되도록 형성되어, 약 2:1의 고종횡비를 갖도록 형성될 수 있다.
여기서, 도금시간, 온도, pH, 전해질내의 금속 이온, 환원제, 첨가제의 농도를 조절하면, 단위 공정에서 형성되는 도금층의 두께를 조절할 수 있어, 원하는 두께를 가지는 금속 선 격자를 형성하는데 필요한 반복 공정 횟수를 조절할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 와이어 그리드 편광자의 개략적인 구조를 보여주는 단면도 및 평편도이다.
도 2는 반사형 와이어 그리드 편광자의 작동원리를 보여준다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 보이는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 따라 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 나노 패턴이 그대로 금속 선 격자 사이에 위치할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
도 5a 및 도 5b는 기판 상의 적어도 금속 선 격자를 형성할 위치에 시드층을 구비하여, 주석산을 이용하여 무전해 전기 도금에 의해 금속 선 격자를 형성하는 경우의 도 3c 및 도 3d에 대응하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법을 보이는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 따라 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 나노 패턴을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 나노 패턴이 그대로 금속 선 격자 사이에 위치할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.
도 8a 내지 도 8h는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이 스 제조 방법을 보이는 공정도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 금속 선 격자 디바이스 제조 방법에 따라 원하는 높이를 가지는 금속 선 격자 형성 완료 후에 자기조립 단분자막 영역을 제거하지 않고 자기조립 단분자막 영역이 그대로 금속 선 격자 사이에 그대로 존재할 때 얻어지는 금속 선 격자 디바이스를 보여준다.

Claims (40)

  1. (가) 기판 상에 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계; 및
    (나) 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 형성된 기판에 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이에 금속 선 격자를 형성하거나 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 시드층으로 사용하여 무전해 전기 도금에 의해 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 금속 선 격자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (나) 단계에서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴이 형성된 기판에 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 사이에 금속 선 격자를 형성하며,
    (다) 자기조립 단분자막을 성장시켜 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴의 자기조립 단분자막 높이를 증가시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성은, 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로 컨택 프린팅에 의해 형성된 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴의 두께는 1-10nm 범위내인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 (가) 단계의 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성 단계는,
    자기조립 단분자막(SAM)을 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴에 대응하는 나노 패턴을 가지는 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)용 스탬프에 부착시키는 단계; 및
    상기 스탬프에 부착된 자기조립 단분자막을 상기 기판 위에 마이크로 컨택 프린팅하여 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막을 상기 스탬프에 부착시키는 단계는,
    상기 스탬프를 자기조립 단분자막 용액에 담궈 자기조립 단분자막이 상기 스탬프에 부착되도록 하는 단계; 및
    스탬프를 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 기판은 자기조립 단분자막 재료와 화학적 흡착이 가능한 기판이고,
    상기 자기조립 단분자막은 실란계 화합물 계열의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판은 SiO2 기판 및 산소를 제공하는 물질로 표면 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 기판 상에 자기조립 단분자막 재료와의 결합력을 높이기 위한 결합력 증진층;을 더 포함하며,
    상기 자기조립 단분자막 나노 패턴은 상기 결합력 증진층 상에 형성되며,
    상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 물질은 alkanethiol 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막은 CH3(CH2)nSH : n = 11~25 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 이외의 상기 결합력 증진층 영역을 제거하고, 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 이외의 상기 결합력 증진층 영역을 그대로 둔 채 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자를 형성하며,
    상기 결합력 증진층은 무전해 전기 도금이 가능한 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 결합력 증진층은 Cu, Pt, Au, Ag, Ni, Pd, Co 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택적 적어도 어느 하나를 포함하는 금속층인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 기판은 광학적으로 투명한 기판인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기판은 SiO2 기판 및 산소를 제공하는 물질로 표면 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  16. 제2항에 있어서, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는, 포도당을 이용하는 무전해 전기 도금 기법을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  18. 제2항에 있어서, 상기 기판 상의 적어도 상기 금속 선 격자를 형성할 위치에 시드층을 더 포함하며,
    상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는, 주석산을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는 은액과 주석산을 포함하는 환원액을 이용한 무전해 전기 도금에 의해 상기 시드층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 시드층은 SnCl2를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 나노 격자 디바이스 제조 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 (나) 단계에서는, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 시드층으로 사용하여 무전해 전기 도금을 이용하여 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 금속 선 격자를 형성하며,
    (다) 상기 금속 선 격자 사이의 영역의 기판 상에 자기조립 단분자막을 흡착시켜 자기조립 단분자막 영역을 형성시키는 단계와;
    (라) 자기조립 단분자막을 성장시켜 상기 자기조립 단분자막 영역의 자기조립 단분자막 높이를 증가시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 (다) 단계에서의 자기조립 단분자막 영역을 형성시키는 단계는,
    상기 기판에 전하를 띠게 하기 위해 전처리 물질을 흡착시키는 단계와;
    상기 전처리 물질에 전처리 물질과 반대 전하를 띠는 제1자기조립 단분자막 물질을 흡착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1자기조립 단분자막 물질과 반대 전하를 띠는 제2 자기조립 단분자막 물질을 흡착시키는 단계;를 더 포함하며,
    상기 (라)단계에서의 자기조립 단분자막 성장은, 상기 제1자기조립 단분자막 물질과 상기 제2자기조립 단분자막 물질을 교대로 반복적으로 흡착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전처리 물질은 3-aminopropyldimethylethoxysilane을 포함하고, 상기 제1자기조립 단분자막 물질은 PAH를 포함하고, 상기 제2자기조립 단분자막 물질은 PVS를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성은, 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 형성 단계는,
    자기조립 단분자막(SAM)을 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴에 대응하는 나노 패턴을 가지는 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing)용 스탬프에 부착시키는 단계; 및
    상기 스탬프에 부착된 자기조립 단분자막을 상기 기판 위에 마이크로 컨택 프린팅하여 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징 으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막을 상기 스탬프에 부착시키는 단계는,
    상기 스탬프를 자기조립 단분자막 용액에 담궈 자기조립 단분자막이 상기 스탬프에 부착되도록 하는 단계; 및
    스탬프를 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 기판은 자기조립 단분자막 재료와 화학적 흡착이 가능한 기판이고,
    상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는데 사용되는 자기조립 단분자막은 실란계 화합물 계열의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 형성하는데 사용되는 자기조립 단분자막은 triethoxysilylundecanal을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 기판은 SiO2 기판 및 산소를 제공하는 물질로 표면 처리된 광학적으로 투명한 플라스틱 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  31. 제21항에 있어서, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는, 포도당을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 (나) 단계에서의 금속 선 격자는 은액과 포도당 및 주석산을 포함하는 환원액을 이용하여 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴 상에 무전해 전기 도금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속선 격자 디바이스는 와이어 그리드 편광자인 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 (다) 단계의 자기조립 단분자막을 성장시키고 무전해 전기 도금을 이용하여 금속 선 격자의 높이를 증가시키는 공정은, 금속 선 격자의 높이가 100nm 이상이 될 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 금속선 격자의 주기는 사용하는 광의 파장의 반보다 작은 주기를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 금속선 격자는 2:1 내지 3:1 이상의 종횡비를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 금속선 격자 디바이스는, 금속선 격자 사이에 자기조립 단분자막 나노 패턴이 위치하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  38. 제33항에 있어서, 금속 선 격자 형성 완료 후 상기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
  39. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속선 격자 디바이스는, 금속선 격자 사이에 자기조립 단분자막 나노 패턴이 위치하는 것을 특징으로 하는 금속선 격자 디바이스 제조 방법.
  40. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 선 격자 형성 완료 후 상 기 자기조립 단분자막 나노 패턴을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 선 격자 디바이스 제조 방법.
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