KR20100083026A - 액체 유동층을 매개로한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

액체 유동층을 매개로한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계; 상기 패턴이 형성된 스탬프의 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료를 채우는 형성하는 단계; 피전사 기판을 준비하는 단계; 상기 피전사 기판의 표면에 용매를 뿌려 액체 유동층을 형성하는 단계; 상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시켜 상기 기능성 재료의 패턴을 상기 피전사 기판 위에 전사시키는 단계; 및 상기 피전사 기판과 접촉된 스탬프를 상기 피전사 기판으로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 액체 유동층을 매개로한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
액체 유동층, 기능성 재료, 패턴 형성 방법

Description

액체 유동층을 매개로한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법 {High Resolution Patterning Method by Using Solvent-Mediated Nano Transfer Direct Printing}
본 발명은 기능성 재료의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 기능성 재료의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
정보저장 및 디스플레이, 멤스(MEMS), 소형센서, 마이크로 유체 소자, 바이오 칩, 광결정 및 광학소자의 제작에 있어서 패터닝 기법이 실질적으로 매우 중요한 요소이다. 이러한 패터닝 기법은 전통은 광식각 공정에서부터 전자빔 식각공정 및 자기조립을 기반으로 하는 바텀업 공정까지 다양한 방법들이 시도되고 있다. 각각의 패터닝 방법들 중에서 특정한 방법을 선택하는 것은 적용기술에 따라서 달라지게 되고, 특히 요구되는 패턴의 크기 및 밀도에 따라서 용이한 방법을 선택해야 한다.
한편, 종래의 패터닝 방법들은 각각 문제점들을 갖고 있는 바 그 적용의 한계를 갖고 있다. 구체적으로, 포토 리소그라피의 경우 고가의 장비를 필요로 하 며, 복잡한 공정이 요구되는 단점이 있으며, 소프트 리소그라피의 경우 소프트 스탬프의 사용으로 대면적 및 연속 프린팅이 어려우며 불량율이 높고, 패터닝하고자 하는 물질의 직접 프린팅이 어려워 후속 공정이 추가로 필요하다는 문제점이 있다.
임프린팅 (imprinting)의 경우 대면적 패터닝이 어렵고 패터닝하고자 하는 물질의 직접 프린팅이 어려워 후속 공정이 추가로 필요하다는 문제점이 있다. 잉크 젯트 프린팅의 경우 수 십 마이크로 이하의 정밀 패터닝이 어렵다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 패터닝 방법들의 문제점을 해결하기 위하여, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 이러한 본 발명에 따른 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 의하여, 소프트 및 하드 스탬프를 모두 사용할 수 있어 쉽게 변형이 일어나는 소프트 스탬프가 가지는 문제점을 해결할 수 있으며, 유기분자, 고분자, 나노 입자 등을 포함하는 기능성 액상 재료를 이용하여 기능성 재료를 피전사 기판에 직접 패터닝하는 방법으로 후속 공정이 간단하고, 스탬프와 피전사 기판 사이에 액체 유동층을 이용함으로써 스탬프와 피전사 기판 사이에 액체 브릿지 (liquid bridge)를 형성하므로 밀접한(conformal) 접촉이 가능하다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 하기 단계를 포함하는, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법을 제공한다:
패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계;
상기 패턴이 형성된 스탬프의 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료를 채우는 형성하는 단계;
피전사 기판을 준비하는 단계;
상기 피전사 기판의 표면에 용매를 뿌려 액체 유동층을 형성하는 단계;
상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시켜 상기 기능성 재료의 패턴을 상기 피전사 기판 위에 전사시키는 단계; 및
상기 피전사 기판과 접촉된 스탬프를 상기 피전사 기판으로부터 분리시키는 단계.
본 발명의 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법은, 소프트 및 하드 스탬프를 모두 사용할 수 있어 쉽게 변형이 일어나는 소프트 스탬프가 가지는 문제점을 해결할 수 있으며, 유기분자. 고분자, 나노 입자 등을 포함하는 기능성 액상 재료를 이용하여 기능성 재료를 피전사 기판에 직접 패터닝하는 방법으로 후속 공정이 간단하고, 종래의 하드 스탬프는 유연성이 적어 피전사 기판과의 접촉(contact)에 문제가 많으나, 본 발명에서는 스탬프와 피전사 기판 사이에 액체 유동층을 이용함으로써 스탬프와 피전사 기판 사이에 액체 브릿지 (liquid bridge)를 형성하므로 밀접한(conformal) 접촉이 가능하다. 또한, 본 발명의 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법은, 연속 생산 방식으로 대면적에 기능성 재료를 직접 프린팅하는 것이 가능하기 때문에 저가격/대면적 소자 제작에 있어서 매우 유리하며, 상온에서 모든 공정이 이루어질 수 있기 때문에 기판의 종류에 관계없이 모든 소자 및 패널 제작에 쉽게 적용될 수 있으며, 특히, 미세 패터닝을 통해 소자의 집적화가 요구되는 전자 및 디스플레이 소자 제작에 응용할 수 있는 첨단 인쇄 공정 중에서 가장 주목 받을 기술이 될 수 있다.
본 발명의 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법은 하기 단계를 포함할 수 있다:
패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계;
상기 패턴이 형성된 스탬프의 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료를 채우는 형성하는 단계;
피전사 기판을 준비하는 단계;
상기 피전사 기판의 표면에 용매를 뿌려 액체 유동층을 형성하는 단계;
상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시켜 상기 기능성 재료의 패턴을 상기 피전사 기판 위에 전사시키는 단계; 및
상기 피전사 기판과 접촉된 스탬프를 상기 피전사 기판으로부터 분리시키는 단계.
본 발명의 구현예에 있어서, 상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시킴으로써, 상기 기능성 재료의 패턴을 상기 피전사 기판 위에 전사시킬 수 있으며, 예를 들어, 상기 피전사 기판과 상기 기능성 재료가 채워져 있는 스탬프 사이에 액체 브릿지(bridge)가 형성되어 상기 기능성 재료의 패턴이 상기 피전사 기판 위에 전사될 수 있다.
본 발명의 구현예에 있어서, 상기 패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계는, 패턴된 마스터 몰드에 성형층을 형성시킨 후 경화시켜 스탬프를 제작한 후 상기 마스터 몰드로부터 상기 스탬프를 분리시켜 패턴된 스탬프를 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 스탬프로서 당업계에서 사용되는 스탬프를 제한 없이 사용할 수 있으며, 특히, 소프트 스탬프 및 하드 스탬프 모두 사용할 수 있다.
상기 기능성 재료는 당업계에서 패턴을 형성하는 데 사용될 수 있는 재료라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 금속, 반도체, 절연체 등을 포함하는 기능성 재료를 사용할 수 있다.
본 발명의 구현예에 있어서, 상기 기능성 재료는 액상일 수 있으며, 이러한 액상 기능성 재료로서 당업계에서 패턴을 형성하는 데 사용될 수 있는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 기능성 액상 재료로는 금속 잉크 또는 산화물 잉크를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 잉크는 Ag, Au 또는 Cu 등을 포함하는 잉크이고, 상기 산화물 잉크는 반도체 산화물 또는 절연체 산화물을 포함하는 기능성 잉크일 수 있으며, 예를 들어, ZnO, TiO2, 또는 Al2O3 등을 포함하는 잉크일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 구현예에 있어서, 상기 액상의 기능성 재료를 사용하는 경우, 상기 기능성 재료가 용매에 용해 또는 분산된 용액을 사용할 수 있으며, 상기 용매로 는 상기 패턴된 스탬프의 음각 부분에만 상기 기능성 재료의 용액이 채워질 수 있도록 하는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예에 있어서, 상기 액상 기능성 재료가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프를 건조시켜 상기 액상 기능성 재료를 고형화하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 있어서, 상기 기능성 재료가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시킨 후 상기 기판을 건조시키는 것을 추가로 포함함으로써, 상기 피전사 기판과 상기 기능성 재료가 채워져 있는 스탬프 사이에 액체 브릿지가 형성되어 상기 기능성 재료의 패턴이 상기 피전사 기판 위에 전사되는 것을 가속화할 수 있다.
상기 피전사 기판 표면에 액체 유동층을 형성하는 용매는 할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 물, 알코올류 (메탄올, 에탄올 등), 극성 유기 용매 및 이들의 혼합물 등의 극성 용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 피전사 기판으로는 당업계에서 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 피전사 기판으로서 실리콘, 금속, 폴리머, 유리, 산화물 기판 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 피전사 기판은 적합한 용매로 세척하여 N2 가스를 퍼징(purging)하여 기판의 오염물질을 제거하여 사용한다. 예를 들어, 피전사 기판을 증류수, 아세톤 및 에탄올 순으로 각각 사용하여 세척하고, 각각의 세척 단계 사이에 N2 가스를 퍼지 (purging)하여 기판의 오염물질을 제거하여 사용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도면 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일 구현예에 따른 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법의 각 단계를 나타내는 개략도이다.
구체적으로, 도면 1a는 마스터 몰드(20)를 이용한 패턴된 스탬프(10)의 제작 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 패턴된 스탬프(10)의 제작은, 패턴된 마스터 몰드(20)에 성형층을 형성시킨 후 경화시켜 스탬프를 제작한 후 상기 마스터 몰드(20)로부터 상기 스탬프를 분리시켜 패턴된 스탬프(10)를 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 스탬프로는 소프트 스탬프 및 하드 스탬프 모두 사용할 수 있다.
도 1b는 상기와 같이 제작된 패턴된 스탬프(10)를 나타낸다.
도 1c는 액상 기능성 재료를 상기 패턴된 스탬프(10)의 음각 부분에만 선택적으로 채우는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 액상 기능성 재료로서 금속 잉크 또는 산화물 잉크를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속 잉크는 Ag, Au 또는 Cu 등을 포함하는 잉크이고, 상기 산화물 잉크는 ZnO 또는 Al2O3 등을 포함하는 잉크일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 극성 용매에 분산된 Ag, Au 또는 Cu 등을 포함하는 금속 잉크를 상기 패턴된 스탬프 위에 뿌리면 패턴된 스탬프(10)의 음각 부분에만 선택적으로 상기 금속 잉크가 채워지게 된다 (도 2).
도 1d는 상기 패턴된 스탬프(10)의 음각 부분에 선택적으로 채워진 액상 기능성 재료(30)를 건조하여 고형화하는 단계를 나타낸다. 예를 들어, 상기 액상 기능성 재료의 건조는 예열된 오븐에서 소프트 드라잉(soft drying)을 하여 상기 스탬프의 음각 부분에만 채워진 금속 잉크의 유동성을 감소시켜 고형화할 수 있다.
도 1e는 액체 유동층(50)이 형성된 피전사 기판(40) 위에 상기 고형화된 기능성 재료(30)가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프(10)를 접촉하는 단계를 나타낸다. 상기 액체 유동층을 형성하는 용매는, 예를 들어, 극성 용매일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 피전사 기판으로는 실리콘, 금속, 폴리머, 유리, 산화물 등을 사용할 수 있다. 실리콘 기판을 사용하는 경우, 실리콘 기판을 증류수, 아세톤, 에탄올의 순서로 각각 세척하고, 각각의 세척 단계 사이에는 N2 가스를 퍼지 (purging)하여 기판의 오염물질을 제거하여 사용한다. 이와 같이 준비된 피전사 기판(40) 표면에 마이크로 피펫을 사용하여 극성 용매를 뿌려서 피전사 기판(40) 표면에 극성 액체 유동층(50)을 형성한다. 이러한 피전사 기판(40) 표면에 형성된 액체 유동층(50)은, 도 1f에 대하여 후술하는 바와 같이, 피전사 기판(40)과 기능성 재료가 채워져 있는 스탬프(10)가 접촉하였을 때 이들 사이에 액체 브릿지를 형성하는 역할을 하게 된다.
도 1f는, 상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료(30)가 채워진 스탬프(10)를 상기 액체 유동층(50)이 형성된 피전사 기판(40)에 접촉시킴으로써, 상기 피전사 기판(40)과 상기 기능성 재료(30)가 채워져 있는 스탬프(10) 사이에 액체 브릿지(bridge)가 형성되는 것을 나타낸다.
도 1g는 피전사 기판(40)으로의 기능성 재료(30)의 패턴이 전사된 것을 나타낸다,
도 1h는 상기 피전사 기판(40) 위에 형성된 기능성 재료(30)의 패턴을 나타낸다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
패턴이 형성되어 있는 마스터 몰드를 준비한 후, 실리콘 탄성중합체인 실가드(sylgard) 184A(Dow Corning Inc.)와 경화제인 실가드(sylgard) 184B(Dow Corning Inc.)를 10:1 비율로 섞은 다음 두 물질이 잘 혼합되도록 충분히 섞어 혼합된 실리콘 폴리머를 패턴이 형성되어 있는 마스터 몰드에 붓고 60℃ 오븐에서 60분간 열경화시켰다. 이어서, 상기 실리콘 폴리머를 마스터 몰드로부터 분리하여 원하는 패턴이 형성된 PDMS 스탬프를 제작하였다.
그 후 패턴 된 상기 PDMS 위에 극성 용매에 분산되어 있는 Ag 입자를 포함하는 잉크 용액을 분산시키면 패턴 된 PDMS의 음각 부분에만 선택적으로 Ag 잉크가 채워지게 된다. 그 후 70℃ 오븐에서 10분간 소프트 드라잉(soft drying)을 하여 Ag 잉크의 유동성을 줄여주었다.
피전사 기판으로는 실리콘 기판을 사용하여, 실리콘 기판을 증류수, 아세톤, 에탄올 순으로 각각 세척하고, 각각의 세척 단계 사이에는 N2 가스를 퍼지 (purging)하여 기판의 오염물질을 제거하였다. 그 후 마이크로 피펫을 사용하여 상기 세척된 실리콘 기판 표면에 증류수를 뿌려서 극성 액체 유동층을 형성하였다. 그리고 나서, 음각 부분에만 Ag 입자가 이 채워져 있는 상기 스탬프를 상기 극성 액체 유동층이 형성된 피전사 실리콘 기판 위에 접촉시킴으로써, 상기 스탬프와 피전사 기판 사이에 극성 액체 브릿지가 형성되어 Ag 입자의 패턴이 피전사 실리콘 기판 표면으로 전사되었다. 결과적으로 피전사 실리콘 기판 표면에 Ag 금속 패턴이 형성되었으며, 상기 패턴의 SEM 이미지를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4의 SEM 이미지로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 의하여 균일한 금속 패턴이 형성되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 이와 같은 방법으로 형성된 기능성 재료의 멀티 패턴을 나타낸다.
이상, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
도 1은 본 발명의 구현예예 따른 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법의 개략도를 나타내는 것으로서,
도 1a은 마스터 몰드를 이용한 패턴된 스탬프의 제작 단계를 나타내고,
도 1b는 패턴된 스탬프를 나타내고,
도 1c는 기능성 액상 재료를 스탬프의 음각 부분에만 선택적으로 채우는 단계를 나타내고,
도 1d는 스탬프의 음각 부분에 선택적으로 채워진 기능성 액상 재료를 건조하는 단계를 나타내고,
도 1e는 극성 액체 유동층이 형성된 피전사 기판 위에 기능성 재료가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프를 접촉하는 단계를 나타내고,
도 1f는 극성 액체 유동층에 의한 액체 브릿지의 형성을 나타내고,
도 1g는 피전사 기판으로의 기능성 재료 패턴의 전사를 나타내고,
도 1h는 상기 피전사 기판 위에 형성된 기능성 재료의 패턴을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 있어서 패턴된 스탬프의 SEM 이미지 (a) 및 스탬프의 음각 부분에 선택적으로 채워진 기능성 재료의 SEM 이미지 (b)를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서 피전사 기판 위에 전사된 기능성 재료의 패턴의 표면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 피전사 기판 위에 전사된 기능성 재료 패턴의 단면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서 피전사 기판에 전사된 기능성 재료의 멀티 패턴의 SEM 이미지를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10 : 스탬프
20 : 마스터 몰드
30 : 기능성 재료
40 : 피전사 기판
50 : 액체 유동층

Claims (8)

  1. 하기 단계를 포함하는, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법:
    패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계;
    상기 패턴이 형성된 스탬프의 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료를 채우는 형성하는 단계;
    피전사 기판을 준비하는 단계;
    상기 피전사 기판의 표면에 용매를 뿌려 액체 유동층을 형성하는 단계;
    상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시켜 상기 기능성 재료의 패턴을 상기 피전사 기판 위에 전사시키는 단계; 및
    상기 피전사 기판과 접촉된 스탬프를 상기 피전사 기판으로부터 분리시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음각 부분에만 선택적으로 기능성 재료가 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시킴으로써, 상기 피전사 기판과 상기 기능성 재료가 채워져 있는 스탬프 사이에 액체 브릿지(bridge)가 형성되어 상기 기능성 재료의 패턴이 상기 피전사 기판 위에 전사되는 것인, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 패턴이 형성된 스탬프를 준비하는 단계는, 패턴된 마스터 몰드에 성형층을 형성시킨 후 경화시켜 스탬프를 제작한 후 상기 마스터 몰드로부터 상기 스탬프를 분리시켜 패턴된 스탬프를 형성하는 것을 포함하는 것인, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능성 재료가 액상인, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액상 기능성 재료가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프를 건조시켜 상기 액상 기능성 재료를 고형화하는 것을 추가로 포함하는, 액체 유동층을 매개로 한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기능성 액상 재료는 금속 잉크 또는 산화물 잉크인, 액체 유동층을 매개로 한 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 잉크는 Ag, Au 또는 Cu를 포함하는 잉크이고, 상기 산화물 잉크는 ZnO 또는 Al2O3를 포함하는 잉크인, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능성 재료가 음각 부분에만 선택적으로 채워진 스탬프를 상기 액체 유동층이 형성된 피전사 기판에 접촉시킨 후 상기 기판을 건조시키는 것을 추가로 포함하는, 액체 유동층을 매개로 하는 나노 전사 직접 인쇄법을 이용한 미세 패턴 형성 방법.
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