KR20110131637A

KR20110131637A - 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법

Info

Publication number: KR20110131637A
Application number: KR1020100051177A
Authority: KR
Inventors: 유필진; 이준행
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-07
Also published as: KR101206526B1

Abstract

본원은 미세액적의 주형성형법을 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 액상 물질을 포함하는 탄성체층에 압력을 가해 액적을 용출시켜 액적 패턴을 형성하고, 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 몰딩 부재에 형성하는, 액적을 이용한 미세패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법{METHOD FOR FORMING FINE PATTERNS BY MOLDING FINE DROPLETS}

본원은 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 액상 물질을 포함하는 탄성체층에 압력을 가해 미세액적을 용출시켜 형성되는 액적 패턴을 주형성형법을 이용하여 복제함으로써 미세패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

반도체, 전자, 광전, 자기, 표시 소자, 미세 전자기계 소자 등을 제조할 때 기판 상에 미세패턴을 형성하는 공정을 필연적으로 수행하게 되는 데, 이와 같이 기판 상에 미세패턴을 형성하는 대표적인 기법으로는 빛을 이용하여 미세패턴을 형성하는 포토리소그라피(Photolithography) 방법이 있다. 상기한 포토리소그라피 방법은 빛에 대한 반응성을 갖는 고분자 물질(예를 들면, 포토레지스트 등)을 패터닝하고자 하는 물질이 적층(또는 증착)된 기판 상에 도포하고, 목표로 하는 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 통해 고분자 물질 상에 빛을 투과시켜 노광하며, 현상 공정을 통해 노광된 고분자 물질을 제거함으로써, 패터닝하고자 하는 물질 위에 목표로 하는 미세패턴을 가지는 패턴 마스크(또는 식각 마스크)를 형성한다. 이후에, 패턴 마스크를 이용하는 식각 공정을 수행함으로써, 기판 상에 적층된 물질을 원하는 패턴으로 패터닝한다. 한편, 상기한 바와 같은 포토리소그라피 방법은 회로 선폭(또는 패턴 선폭)이 노광 공정에 사용되는 빛의 파장에 의해 결정된다. 따라서, 현재의 기술수준을 고려할 때 포토리소그라피 공정을 이용하여 기판 상에 초미세패턴, 예를 들면 선폭이 100 ㎚ 이하인 초미세패턴을 형성하는 것이 매우 어려운 실정이다. 또한, 종래의 포토리소그라피 방법은 기판 상에 미세패턴을 형성하기 위해서는 여러 단계의 공정, 예를 들면, 기판 세정, 기판 표면 처리, 감광성 고분자 코팅, 저온 열처리, 노광, 현상, 고온 열처리, 세정 등의 공정들을 수행해야만 하기 때문에 제조 시간이 길고 복잡하다는 문제가 있을 뿐만 아니라 고가의 장비를 사용해야 하는 문제가 있으며, 이러한 문제들은 결국 제조 원가의 상승과 생산성의 저하를 유발시키는 요인으로 작용하고 있다.

최근 들어서는, 상기와 같이 복잡하고 고비용적인 포토리소그라피 공정을 대체하기 위한 다양한 종류의 기술들이 제시되고 있으며, 이러한 대체 기술로서는 각인(Imprinting) 방법, 미세 접촉 프린팅(Micro-Contact Printing) 방법, 잉크젯 프린팅 방법 등이 있다.

상기한 종래의 다양한 대체 기술들 중 각인 방법은 원하는 형상(패턴)을 가지고 있는 경도가 큰 패턴 주형을 물리적인 힘으로 가압하여 고분자 위에 미세패턴을 형성하고, 예를 들면, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 등의 방법을 이용하여 이를 기판에 전송하는 방법이다. 그러나, 상기한 각인 방법은 가압할 때 높은 압력을 이용하기 때문에 고분자 박막 및 기판이 변형되거나 파손되는 현상이 야기된다는 치명적인 단점을 갖는다.

상기 종래의 미세 접촉 프린팅 방법은 원하는 모양의 형상을 가지고 있는 탄성체 고분자 주형(mold)을 기판 상에 접촉시켜 표면 상태를 화학적으로 변화시키고 이를 통해 원하는 부분만을 남긴 후 식각하거나 선택적으로 증착하는 방법이다. 그러나, 상술한 바와 같은 종래의 미세 접촉 프린팅 방법은 구현된 패턴의 분리도나 식각 시의 선택성이 떨어진다는 단점을 갖는다.

상기 종래의 잉크젯 프린팅 방법은 인쇄용 잉크의 미소한 액적을 기록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 방법이다.

그러나, 상기한 잉크젯 헤드를 이용하여 소정의 화상이나 패턴을 형성하는 경우, 구현할 수 있는 패턴의 해상도에 한계가 있는 단점이 있다. 구체적으로, 잉크젯 프린팅 방법에 의하면, 실험실에서조차 약 10 ㎛ 이하의 해상도를 구현하기 곤란하고, 실제의 생산 현장에서는 대략 50 ㎛ 정도의 해상도가 한계인 것으로 알려져 있다.

이에, 본원은 미세액적의 주형성형법을 이용하여 간단하고 경제성 있는 공정을 통하여 기판 상에 미세패턴을 형성하고, 이를 이용하여 일반적인 패턴형성 공정을 통해서는 제작이 어려운 형태의 구조물을 제작하거나, 나노 스케일 영역에서 발생하는 우수한 특성을 거시적인 스케일 영역의 구조물에 구현할 수 있는 계층화 구조물을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 액상 물질을 함유하는 탄성체층에 압력을 가해 상기 탄성체층의 표면으로 상기 액상 물질의 미세액적을 용출시켜 액적 패턴을 형성하고; 상기 액적 패턴에 몰딩 부재를 접촉시켜 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것:을 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법을 제공한다.

본원의 다른 측면은 상기한 바와 같은 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법에 의하여 형성되는 미세패턴 구조체를 제공한다.

본원에 의하면, 액상 물질을 포함할 수 있는 탄성체층에 상기 액상 물질을 주입하고 액적을 용출시켜 형성된 액적 패턴을 박막에 복제하여 미세패턴을 형성함으로써, 박막 또는 기판의 변형이나 파손 없이 고해상도의 미세패턴을 제공할 수 있다. 또한 탄성체층에 압력을 가하는 단순한 공정으로 미세패턴을 형성할 수 있는 바, 이는 제조 원가의 절감과 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본원의 상기 미세패턴 형성 방법을 이용하여 일반적인 패턴형성 공정을 통해서는 제작이 어려운 형태의 구조물을 제작하거나, 나노 스케일 영역에서 발생하는 우수한 특성을 거시적인 스케일 영역의 구조물에 구현할 수 있는 계층화 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 평탄한 표면을 가지는 탄성체층을 이용하여 미세패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 주름형 패턴을 가지는 탄성체층을 이용하여 미세패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 평탄한 표면을 가지는 탄성체층을 이용하여 미세패턴을 형성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 있어서 탄성체층의 일 방향을 가압하여 상기 탄성체층을 압축하는 것을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 있어서 평탄한 탄성체층 표면에 액적이 용출되어 형성된 액적 패턴의 전자현미경 사진이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 있어서 평탄한 표면을 가지는 탄성체층에 압력을 가하는 시간을 달리하여 형성된 패턴의 AFM 사진이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 있어서 주름형 패턴을 가지는 탄성체층에 압력을 가하는 시간을 달리하여 형성된 패턴의 AFM 사진이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본원의 일 측면에 있어서, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법은, 액상 물질을 함유하는 탄성체층에 압력을 가해 상기 탄성체층의 표면으로 상기 액상 물질의 미세액적을 용출시켜 액적 패턴을 형성하고; 상기 액적 패턴에 몰딩 부재를 접촉시켜 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것:을 포함할 수 있다.

본원에 사용되는 상기 탄성체층은 상기 액상 물질에 대한 흡수력을 가지는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체층은 상기 액상 물질에 대한 흡수력을 가지는 유기 고분자, 무기 고분자, 유-무기 하이브리드 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성체층은, PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리이미드(polyimides), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리우레탄-아크릴레이트(polyurethane-acrylate), 에폭시(epoxy) 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르, 폼(foam) 폴리에틸렌, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌, 아크릴로니트릴부타디엔스타디엔, 폴리우레탄 고무(Polyurethane Rubber), 아크릴 고무(Polyacrylate Rubber), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 라텍스 고무, 우레탄 폼(foam), 아크릴 폼, 실리콘 폼 및 이들의 조합으로 이루어진 군에선 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체층의 일면에 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄성체층에 형성된 패턴은 주름형 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 주름형 패턴은 규칙적 또는 불규칙적인 다양한 모양의 패턴을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 주름형 패턴은 규칙적 또는 불규칙적 파동형 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체는 상기 탄성체 고분자를 형성할 수 있는 프리폴리머(prepolymer)를 경화시켜 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 프리폴리머는 상기 탄성체 고분자를 형성할 수 있는 것으로서 당업계에 알려진 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄성체는 프리폴리머(prepolymer) 또는 이를 포함하는 용액, 또는 상기 프리폴리머와 경화제를 혼합한 용액을 적절한 기재(substrate) 상에 도포 또는 캐스팅(casting)한 후 경화시켜 제조될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 경화는 열경화 또는 UV 경화를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용어 "프리폴리머"는, 예를 들어, 중합이 완결되면 성형이 곤란한 경우, 성형을 용이하게 하기 위하여 중합 반응을 어느 정도까지만 진행시켜 얻어지는 비교적 낮은 중합도를 갖는 중합체를 말한다. 이러한 프리폴리머에 단량체, 촉매, 가교제, 및/또는 경화제 등을 가하여 적당한 조건으로 반응시키면 최종 고분자를 얻을 수 있다. 대부분의 고분자의 프리폴리머는 구입가능하며, 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane) 프리폴리머로서 Sylgard 184 (Dow Corning사 제품), RTV 615A 및 615B (General Electric사 제품) 등을 사용할 수 있으며, 그 외 폴리우레탄 프리폴리머 등 다양한 제품들이 구입가능하다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 액상 물질이 주입된 탄성체층에 압력을 가하기 전에, 상기 액상 물질이 주입된 탄성체층을 경화시킴으로써 상기 탄성체층 내에 함유되거나 흡수되는 상기 액상 물질의 양을 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체층을 그에 대응하는 프리폴리머를 경화시켜 제조하는 경우, 이러한 프리폴리머 자체가 액상 물질의 역할을 할 수 있다. 이러한 경우, 상기 프리폴리머의 경화 정도를 조절함으로써, 상기 경화에 의하여 형성되는 상기 탄성체층의 내부에 남아 있는 상기 프리폴리머의 양을 조절하여 상기 탄성체층에 함유되는 상기 액상 물질의 양을 조절할 수 있다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체층을 그에 대응하는 프리폴리머 및 경화제를 포함하는 혼합물을 경화시켜 제조하는 경우, 이러한 프리폴리머 자체가 액상 물질의 역할을 할 수 있다. 이러한 경우, 상기 프리폴리머와 혼합되는 상기 경화제의 비율을 조절하여 상기 프리폴리머의 경화 정도를 조절함으로써, 상기 경화에 의하여 형성되는 상기 탄성체층의 내부에 남아 있는 상기 프리폴리머의 양을 조절하여 상기 탄성체층에 함유되는 상기 액상 물질의 양을 조절할 수 있다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 탄성체층을 경화시킨 후에 상기 액상 물질을 추가 주입하여 상기 탄성체층 내에 흡수되는 상기 액상 물질의 양을 조절하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄성체층을 그에 대응하는 프리폴리머 또는 상기 프리폴리머와 경화제의 혼합물을 경화시켜 제조하는 경우, 이러한 프리폴리머 자체가 액상 물질의 역할을 할 수 있으며, 상기 프리폴리머를 경화시킨 후 상기 액상 물질로서 상기 프리폴리머를 추가 주입함으로써 상기 탄성체층 내에 흡수되는 상기 액상 물질의 양을 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 기재(substrate) 상에 프리폴리머와 경화제를 포함하는 혼합 용액의 층을 형성하고 상기 액상 물질로서 상기 프리폴리머를 추가 주입한 후 상기 혼합 용액의 층을 경화시켜 상기 탄성체층을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 액적 패턴에 몰딩 부재를 접촉시키기 전에 상기 액적 패턴을 기판 또는 별도의 패턴 상에 전사(transfer)하는 것을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 미세액적은 나노미터 크기 또는 마이크로미터 크기를 가지는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 액상 물질은 유기 액체, 무기 액체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 액상 물질은 상기 탄성체층에 흡수될 수 있는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 액체는 액상 지방족 탄화수소, 액상 방향족 탄화수소, 액상 케톤류, 액상 에테르류, 액상 에스테르류, 액상 알코올류, 액상 아민류 및 액상 아미드류로 이루어지는 군에서 선택되는 것이거나 상기의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또는, 상기 액상 물질은, 예를 들어, 상기한 바와 같이, 상기 탄성체층 형성에 사용될 수 있는 상기 프리폴리머(prepolymer)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기한 바와 같이, 상기 탄성체층을 그에 대응하는 프리폴리머를 경화시켜 제조하는 경우, 이러한 프리폴리머 자체가 액상 물질의 역할을 할 수 있다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 액상 물질은 무기물 나노 입자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 무기물 나노 입자는 금속 나노입자, 무기 반도체 나노 입자, 금속산화물 나노입자, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 무기물 나노 입자는 물, 알코올, 또는 유기 용매 등과 같은 적절한 용매에 분산시켜 상기 탄성체층에 주입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 액적 패턴 형성과 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것을 복수회 반복하여 복수층의 패턴을 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 몰딩 부재는 유체 상태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원에 사용되는 상기 몰딩 부재는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 그의 비제한적인 예로서, 상기 몰딩 부재는 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA), 폴리에틸렌 글리콜 디아클릴레이트(PEG-DA), 폴리에스테르 아크릴레이트 또는 과불소화폴리에테르 디메타크릴레이트(PFPE-DMA) 등의 자외선 경화성 고분자; 폴리디메틸실록산(PDMS), MINS(polyurethane계 물질), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), PVA(polyvinylalcohol), 에폭시 수지, 우레탄, 테프론(Teflon) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나 이에 제한 되는 것은 아니다. 또는, 상기 몰딩 부재는 물, 알코올 등의 액체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 다른 측면에 있어서, 상기 방법에 의하여 형성되는 미세패턴 구조체를 제공할 수 있다.

상기 본원에 따른 미세패턴 형성 방법에 의하여, 액적 패턴을 이용하여 간단하고 경제성 있는 공정을 통하여 기판 상에 미세 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 나노 스케일 영역에서 발생하는 우수한 특성을 거시적인 스케일 영역의 구조물에 구현할 수 있는 계층화 구조물을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본원의 미세패턴 형성 방법은, 편광 프리즘(Polarizer), 홀로그램, 초소수성 물질, 회절격자(Grating), 반사판, 마이크로유체 채널(Micro-Fluidic Channel) 등의 제작에 응용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본원의 미세액적의 주형성형법을 이용한 패턴 형성 방법의 일 구현예를 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 탄성체층을 형성하기 위한 프리폴리머와 경화제를 혼합한 용액을 적절한 기재(미도시)에 도포 또는 캐스팅하여 상기 프리폴리머와 경화제를 포함하는 탄성체 형성층(101)을 형성하고(도 1a), 이어서 액상 물질(104)로서 상기 프리폴리머를 주입하여 상기 탄성체 형성층 하부에 상기 액상 물질의 층을 형성한다 (도 1b). 이 때, 상기 액상 물질의 층은 밀도차에 의하여 상기 탄성체 형성층의 하부에 위치하게 된다. 이어서, 상기 프리폴리머와 경화제를 포함하는 탄성체 형성층을 열경화시키거나 또는 UV 경화시켜 탄성체층(102)을 형성할 수 있다(도 1c). 예를 들어, 상기 탄성체 형성층에 주입되는 상기 액상 물질의 비율은 5 중량% 이하, 또는, 3 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하로 유지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 통상의 지식을 갖는 자는 전술한 구체적인 범위에 속하는 다른 범위의 조성비를 알 것이며, 이는 본원의 개시 내용에 속한다는 것을 인식할 수 있다.

상기 경화제의 비율이 감소하면, 상기 탄성체 형성층의 경화되는 양이 감소하여 탄성체층 내부에 남아있는 액상 물질의 양이 증가하며, 반대로 상기 경화제의 비율을 증가시키면, 상기 탄성체 형성층의 경화되는 양이 증가하여 탄성체층 내부에 남아있는 액상 물질의 양이 감소하게 된다. 상기와 같이 상기 경화제의 비율을 조절하여, 상기 탄성체 형성층의 경화 정도를 조절함으로써 경화 후 상기 탄성체층 내부에 남아있는 액상 물질의 양을 조절할 수 있다. 상기 프리폴리머 대 상기 경화제의 비율은 5 : 1 내지 100 : 1 중량비 범위로 조절할 수 있으나, 통상의 지식을 갖는 자는 전술한 구체적인 범위에 속하는 다른 범위의 조성비를 알 것이며, 이는 본원의 개시 내용에 속한다는 것을 인식할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 프리폴리머와 경화제를 혼합한 용액을 적절한 기판에 도포 또는 캐스팅 한 후 추가로 상기 프리폴리머를 넣어서 경화 후 형성된 탄성체층 내부에 남아있는 액상 물질로서 상기 프리폴리머의 양을 조절할 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 보통 PDMS 탄성체와 같이 내부에 미반응한 프리폴리머를 지니고 있는 것으로 알려진 경우, 추가로　프리폴리머를 넣어 주지 않고 경화제의 양을 줄여주어 경화되지 않고 남아있는 액상 물질로서 상기 프리폴리머의 양을 조절하여 상기 공정을 수행할 수 있다.

상기와 같은 방법으로, 하기 압력을 가하는 단계 이전에, 탄성체층(102) 내의 액상 물질(104)의 양을 조절하여 이후 가압에 의해 용출되는 미세액적의 양 및/또는 크기를 조절 할 수 있다.

이어서, 상기 액상 물질의 층이 위로 향하도록 한 후 상기 탄성체층(102)에 압력을 가하여 상기 탄성체층 표면에 미세액적(104a)을 용출시킨다(도 1d). 상기 액상 물질이 주입된 상기 탄성체층에 압력을 가하는 방향은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 상기 탄성체층의 일 측면 또는 양 측면에서 압력을 가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 탄성체층에 압력을 가하는 세기 및 시간을 달리하여, 상기 탄성체층 표면으로 상기 액상 물질의 미세액적이 용출되는 정도를 조절하여 형성되는 미세액적의 크기 및 미세액적들 간의 간격을 조절하여 액적 패턴의 모양을 조절할 수 있다.

예를 들어, 상기 탄성체층에 압력을 가함으로써 상기 탄성체층을 약 5%이상, 또는 약 5% 내지 약 50%, 또는 약 5% 내지 약 40%, 또는 약 5% 내지 약 30%, 또는 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 또는 약 5% 내지 약 10% 압축할 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다. 당업계에서 통상의 지식을 갖는 자는 전술한 구체적인 범위에 속하는 다른 범위의 퍼센트비를 알 것이며, 이는 본원의 개시 내용에 속한다는 것을 인식할 수 있다.

예를 들어, 상기 탄성체층(102)에 순간적으로 압력을 가하거나 수 초 또는 수 분 동안 압력을 가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄성체층에 압력을 가하는 시간이 짧을수록, 용출되는 상기 미세액적의 크기가 작아지고, 반대로 상기 탄성체층에 압력을 가하는 시간이 길어질 수록, 용출되는 상기 미세액적의 크기가 커진다.

이어서, 상기와 같이 탄성체층 표면에 용출된 미세액적에 의해 형성된 액적 패턴(104a)을 몰딩 부재(106)와 접촉시켜 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성한다(도 1e). 이 때, 필요한 경우, 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴이 형성된 상기 몰딩 부재를 경화시키는 것을 추가 포함할 수 있다. 상기 경화 방법은 본원이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법이 사용될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 몰딩 부재를 열 또는 자외선에 노출시켜 경화시킬 수 있으나 이에 제한 되는 것은 아니다. 상기 몰딩 부재(106)가 유체 상태인 경우, 상기 액적 패턴 상에 유체 상태의 몰딩 부재를 도포 또는 캐스팅한 후 기판(108)을 덮어 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하도록 한다.

또한, 상기와 같은 방법을 이용함으로써, 단일층뿐만 아니라, 복수층의 음각 패턴 형성이 가능하다. 예를 들어, 상기 탄성체층 표면에 액적 패턴의 형성 및 상기 형성된 액적 패턴과 상기 몰딩 부재를 접촉시켜 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것을 복수회 반복하여 복수층의 패턴을 형성할 수 있다.

다른 구현예에 있어서, 도 2를 참조하면, 상기 탄성체층(102)은 상기 액상 물질(104)이 주입되는 면의 반대측 면에 패턴이 형성되어 있는 것(도 2a)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 액상 물질이 주입되는 면의 반대측 면에 형성된 패턴은 주름형 패턴을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 주름형 패턴을 가지는 탄성체층은 표면에 주름형 패턴을 가지는 주형을 이용하여 형성시킴으로써 구조와 형태를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 주름형 패턴을 가지는 탄성체층을 형성하는 방법으로서, 다층박막이 형성된 기판 상에 목표 형상을 가지는 고분자 주형을 밀착 접촉시키고 열처리를 통해 하부층에 유동성을 부여하여 계면간 응력 발생에 기인하는 좌굴 형상을 유도하며, 좌굴 현상을 고분자 주형의 형상에 따라 물리적으로 제어하는 간단한 공정을 통해 탄성체층 일면에 목표로 하는 다양한 형상을 가지는 패턴을 형성시키는 방법(Physical self-assembly of microstructures by anisotropic buckling, Advanced Materials 14, 1383 (2002))을 사용할 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 주름형 패턴을 가지는 주형(110)에 탄성체층을 형성하기 위한 프리폴리머와 경화제를 혼합한 용액을 도포 또는 캐스팅하여 상기 프리폴리머와 경화제를 포함하는 탄성체 형성층(101)을 형성하고(도 2a), 이어서 액상 물질(104)로서 상기 프리폴리머를 주입하여 상기 탄성체 형성층 하부에 상기 액상 물질의 층을 형성한다(도 2b). 이 때, 상기 액상 물질의 층은 밀도차에 의하여 상기 탄성체 형성층의 하부에 위치하게 된다. 이어서, 상기 프리폴리머와 경화제를 포함하는 탄성체 형성층을 열경화시키거나 또는 UV 경화시켜 탄성체층(102)을 형성할 수 있다(도 2c). 예를 들어, 상기 탄성체 형성층에 주입되는 상기 액상 물질의 비율은 5% 이하, 또는, 3% 이하, 또는 1% 이하로 유지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 통상의 지식을 갖는 자는 전술한 구체적인 범위에 속하는 다른 범위의 조성비를 알 것이며, 이는 본원의 개시 내용에 속한다는 것을 인식할 수 있다.

이어서, 도 2d를 참조하면, 주름형 패턴을 가지는 주형(110)이 위로 향하도록 한 후 상기 주형을 제거하여 주름형 패턴을 가지는 액상 물질의 층이 위로 향하여 상기 탄성체층 표면에 위치하도록 한 후 상기 탄성체층(102)에 압력을 가하여 상기 탄성체층 표면에 미세액적(104a)을 용출시킨다. 상기 주름형 패턴을 가지는 탄성체층(102a)에 압력을 가하는 단계에서, 상기 용출되는 미세액적의 위치를 조절할 수 있다. 도 2d를 참조하면, 상기 주름형 패턴을 가지는 탄성체층(102a)은 평탄한 탄성체층(102)과 달리, 압력을 가할 경우 미세액적은 상기 주름형 패턴의 각 주름의 마루 부분이 아닌 골 부분에서만 용출된다. 이는 횡방향 압력의 인가에 대해 마루 부분에서는 부피의 팽창이 일어나는 반면에 골 부분에서는 부피의 수축이 일어남으로써 미세액적의 선택적인 용출이 가능한 것이다. 이와 같이, 상기 주름형 패턴을 가지는 탄성체층(102a)의 구조적 특성을 이용하여 상기 탄성체층의 표면에 형성되는 미세액적의 위치를 조절 할 수 있다.

예를 들어, 상기 탄성체층에 압력을 가하는 세기 및 시간을 달리하여, 상기 탄성체층 표면으로 상기 액상 물질의 미세액적이 용출되는 정도를 조절하여 형성되는 미세액적의 크기 및 미세액적들 간의 간격을 조절하여 액적 패턴의 모양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성체층에 압력을 가함으로써 상기 탄성체층을 약 5% 이상, 또는 약 5% 내지 약 50%, 또는 약 5% 내지 약 40%, 또는 약 5% 내지 약 30%, 또는 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 또는 약 5% 내지 약 10% 압축할 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다. 당업계에서 통상의 지식을 갖는 자는 전술한 구체적인 범위에 속하는 다른 범위의 퍼센트비를 알 것이며, 이는 본원의 개시 내용에 속한다는 것을 인식할 수 있다.

이어서, 상기와 같이 탄성체층 표면에 용출된 미세액적에 의해 형성된 액적 패턴(104a)을 몰딩 부재(106)와 접촉시켜 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성한다. 이 때, 필요한 경우, 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴이 형성된 상기 몰딩 부재를 경화시키는 것을 추가 포함할 수 있다. 상기 경화 방법은 본원이 속하는 기술분야에서 통상적인 방법이 사용될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 몰딩 부재를 열 또는 자외선에 노출시켜 경화시킬 수 있으나 이에 제한 되는 것은 아니다. 상기 몰딩 부재(106)가 유체 상태인 경우, 상기 액적 패턴 상에 유체 상태의 몰딩 부재를 도포 또는 캐스팅한 후 기판(108)을 덮어 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하도록 한다.

이하에서는 본원에 대하여 실시예를 들어 설명하나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.

탄성체층으로서 PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용하였고, 상기 탄성체 형성을 위하여 PDMS 형성용 프리폴리머와 경화제(Sylgard 184 silicone elastomer kit, Dow corning사 제품)를 10:1의 중량비로 혼합한 용액을 패트리 접시(Petri Dish)에 접착된 실리콘 웨이퍼 상에 캐스팅한 후 액상물질로서 상기 PDMS 형성용 프리폴리머를 주입한 후 상기 PDMS 형성용 프리폴리머와 경화제 혼합 용액층을 70℃ 에서 2시간 동안 열경화시켜 PDMS 탄성체층을 형성하였다. 이 때 상기 열경화에 의하여 형성되는 PDMS 탄성체층 표면을 평탄하게 하기 위하여 실리콘 웨이퍼 위에서 탄성체층을 경화시켰다. 상기 경화 과정에서 탄성체층과 액상 물질의 밀도 차이에 의하여, 탄성체층과 하부 표면에 상기 액상 물질로서 상기 PDMS 프리폴리머의 층이 형성되었다. 이어서, 상기 액상물질의 층이 위로 향하도록 한 후 상기 탄성체층을 10% 압축하여 10분간 유지시켜 탄성체층 표면에 액상 물질로서 상기 PDMS 프리폴리머의 미세액적을 용출하였다.

상기 가압 방법은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 액상 물질 층을 포함하는 PDMS 층의 일 방향에 힘을 주어 고정시킬 수 있는 장치를 사용하여 상기 PDMS 층 전체 길이의 10%를 압축하였다.

상기 용출된 미세액적에 의하여 형성된 액적 패턴을 현미경으로 관찰하였으며 도 5에 상기 현미경 사진을 나타내었다.

마지막으로, 몰딩 부재로서 유체상태의 PUA(Polyurethane acrylate)를 사용하였다. 상기 용출된 액적 패턴과 상기 PUA 몰딩 부재를 접촉하여 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 PUA 몰딩 부재에 형성하였다. 상기와 같은 방법으로 PUA 몰딩 부재를 패턴화시키고 이를 UV경화시켜 미세패턴을 형성하였다.

탄성체층으로서 평탄한 면을 가지는 상기 실시예 1에 기재된 바와 같은 탄성체층을 사용하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 미세패턴을 형성하되, 상기 액상 물질이 주입된 평탄한 탄성체층에 압력을 가하는 단계에 있어서, 상기 실시예 1에서 기술한 바와 같이 상기 탄성체층을 10%로 압축하도록 압력을 가하되 상기 압력을 순간적으로 가한 경우와 상기 압력을 1분 동안 가한 경우 각각에 대하여 형성된 패턴의 AFM 사진(스케일10 ㎛ X　10 ㎛)을 도 6a 및 도 6b에 각각 나타내었다.

일면에 주름형 패턴을 가지는 탄성체층을 사용하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 미세패턴을 형성하되, 상기 액상 물질이 주입된 주름형 패턴을 가지는 탄성체층에 압력을 가하는 단계에 있어서, 상기 실시예 1에서 기술한 바와 같이 상기 탄성체층을 10%로 압축하도록 압력을 가하되 상기 압력을 10초, 1분, 5분 동안 각각 가한 경우에 대하여 형성된 패턴의 AFM사진(스케일 15 ㎛ X 15 ㎛)을 도 7(a: 10 초 동안 가압, b: 1분 동안 가압, c: 5분 동안 가압)에 각각 나타내었다.

이상, 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.

101: 탄성체 형성층
102: 탄성체층
102a: 주름형 패턴을 가지는 탄성체층
104: 액상 물질
104a: 미세액적(또는 액적 패턴)
106: 몰딩 부재
108: 기판
110: 주름형 패턴을 가지는 주형

Claims

액상 물질을 함유하는 탄성체층에 압력을 가해 상기 탄성체층의 표면으로 상기 액상 물질의 미세액적을 용출시켜 액적 패턴을 형성하고;
상기 액적 패턴에 몰딩 부재를 접촉시켜 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것:
을 포함하는,
미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄성체층은 상기 액상 물질에 대한 흡수력을 가지는 고분자, 무기물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄성체층을 형성할 수 있는 프리폴리머 또는 상기 프리폴리머와 경화제를 포함하는 혼합물을 경화시켜 상기 탄성체층을 형성하는 것을 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 프리폴리머 자체가 상기 액상 물질로서 작용하며,
상기 프리폴리머와 혼합되는 상기 경화제의 비율을 조절함으로써, 상기 경화에 의하여 형성되는 상기 탄성체층의 내부에 남아 있는 상기 프리폴리머의 양을 조절하여 상기 탄성체층에 함유되는 상기 액상 물질의 양을 조절하는 것을 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 프리폴리머 자체가 상기 액상 물질의 역할을 하며,
기재(substrate) 상에 상기 탄성체층 형성용 프리폴리머와 경화제를 포함하는 혼합 용액의 층을 형성하고 상기 액상 물질로서 상기 프리폴리머를 추가 주입한 후 상기 혼합 용액의 층을 경화시키는 것을 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 액적 패턴에 몰딩 부재를 접촉시키기 전에 상기 액적 패턴을 기판 또는 별도의 패턴 상에 전사(transfer)하는 것을 더 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 액상 물질은 유기 액체, 무기 액체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 액상 물질은 무기물 나노 입자를 포함하는 것인, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 액적 패턴 형성과 상기 몰딩 부재에 상기 액적 패턴에 대응하는 음각 패턴을 형성하는 것을 복수회 반복하여 복수층의 패턴을 형성하는 것을 포함하는, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 탄성체층의 일면에 패턴이 형성되어 있는 것인, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 탄성체층의 일면에 형성된 패턴은 주름형 패턴을 포함하는 것인, 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 미세액적의 주형성형법을 이용한 미세패턴 형성 방법에 의하여 형성되는 미세패턴 구조체.