KR20120055517A - 액정 결함 구조를 이용한 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정(liquid crystal)의 다양한 상(phase) 또는 결함(defect) 구조를 이용하여 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기조립 가능 액정의 상 또는 결함을 규칙적인 구조로 형성시키고, 액정 배향에 따른 굴절률 변화 또는 표면 구조를 이용하여 광학 또는 연성 리소그래피를 위한 마스크로 활용할 수 있는 패턴 형성 방법 및 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다.
본 발명에 따른, 액정분자의 상 또는 결함 구조를 이용한 패턴 형성 방법, 마이크로렌즈 어레이의 제조방법 및 연성 리소그래피 패턴 형성 방법은, 액정의 높은 유동성(mobility) 때문에 기존의 방식에 비하여 매우 빠르게 패턴을 형성하는 것이 가능하며, 제작공정이 간단하고 비용이 절감되는 장점이 있다. 한번 만들어진 액정 패턴은 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 액정의 상 또는 결함을 외부 전기장 또는 자기장이나 액정분자층의 높이 등으로 간단하게 조절할 수 있기 때문에, 새로운 형태의 패턴으로 손쉽게 변화, 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 직접적인 관찰이 매우 어려운 액정의 내부구조 및 배향에 대한 정보를 전사시킴으로써, 그 내부구조 해석에 대한 새로운 기법을 제시할 수 있다.
본 발명에 따른, 액정분자의 상 또는 결함 구조를 이용한 패턴 형성 방법, 마이크로렌즈 어레이의 제조방법 및 연성 리소그래피 패턴 형성 방법은, 액정의 높은 유동성(mobility) 때문에 기존의 방식에 비하여 매우 빠르게 패턴을 형성하는 것이 가능하며, 제작공정이 간단하고 비용이 절감되는 장점이 있다. 한번 만들어진 액정 패턴은 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 액정의 상 또는 결함을 외부 전기장 또는 자기장이나 액정분자층의 높이 등으로 간단하게 조절할 수 있기 때문에, 새로운 형태의 패턴으로 손쉽게 변화, 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 직접적인 관찰이 매우 어려운 액정의 내부구조 및 배향에 대한 정보를 전사시킴으로써, 그 내부구조 해석에 대한 새로운 기법을 제시할 수 있다.
Description
본 발명은 액정(liquid crystal)의 다양한 상(phase) 또는 결함(defect) 구조를 이용하여 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기조립 가능 액정의 상 또는 결함을 규칙적인 구조로 형성시키고, 액정 배향에 따른 굴절률 변화 또는 표면 구조를 이용하여 광학 또는 연성 리소그래피를 위한 마스크로 활용할 수 있는 패턴 형성 방법 및 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다.
미니아처 소자(miniature devices)에서 사용하기 위한 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)의 발전은 지난 과거 10년간 마이크로-광학(micro-optics) 분야에서 주요한 이슈가 되어왔다. 주요 관심사는 빛 산광기(light diffusers), 생체 모방 인공조성 눈(biomimetic artificial compound eyes) 및 아웃-커플링 디스플레이 디바이스(out-coupling display devices)와 같은 다른 광학 시스템 구성요소와의 병행의 발전을 위한 우수한 표면 특징을 가지는 고도로 규칙적인 마이크로렌즈 어레이의 제조를 위한 기술에 맞춰져 왔다. 몇몇 기술들은 포토리소그래피(photolithography), 홀로그래픽(holographic), 리소그래피(lithography), 광열 패터닝(photothermal patterning), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 및 중합성 입자 자기조립체(polymeric particle self-assembly)을 포함하여 마이크로렌즈 어레이의 제조를 위해 사용되어 왔다. 이러한 시스템들은 자세히 연구되어 왔지만, 종종 미리 패턴된 주형, 비싼 장비 및 복잡한 공정 단계를 요구하는 것과 같은 문제점을 가지고 있다.
자기조립(self-assembled) 물질을 이용한 마이크로렌즈 포토리소그래픽(microlens photolithographic) 제조는 기술이 매우 간단하고 저비용이며 넓은 영역의 패턴을 제조하는 길을 제공하기 때문에 최근에 매력적인 과제로 부각되고 있었다. 콜로이드(colloids), 히드로겔(hydrogels) 및 액정(liquid crystals)을 포함하는 몇 가지 물질들은 포토리소그래픽 용도를 위한 자기조립 마이크로렌즈 어레이에 사용되어 왔다. 3 ㎛의 직경을 가지는 콜로이드의 마이크로스피어(colliodal microspheres)는 투명한 고분자 멤브레인(polymer membrane)에 박혀져서 이미지 평면(plane)에서 센티미터 규모의 이미지를 마이크로미터 규모의 이미지로 줄이는 렌즈로써 활용되었다. 이러한 마이크로스피어는 넓은 영역에서 적절한 특징 크기로 자발적인 조립을 생성하는 간단한 방법을 제공하며, 가시광선에 최적화된 마이크로렌즈 배열로서 이용되었다. 생체모방 히드로겔(biomimetic hydrogels)은 또한 포토리소그래피를 위한 마이크로렌즈 어레이 제조에 사용되었다.
이러한 시스템은 모두 균질의 굴절률을 가지는 구형 또는 반구형의 기하학 형태를 포함하는 종래의 마이크로렌즈 시스템 형태학에 적용되었으나, 나노 규모의 정밀한 패턴을 형성하는 것에 대한 한계를 드러내고 있으며, 정밀 패턴을 위해 장시간이 소요되거나, 복잡한 공정 및 고가의 비용이라는 문제점을 획기적으로 극복하는 방안은 현재 제시되고 있지 않은 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 액정 상(phase) 또는 결함(defect) 구조를 이용하여 패턴을 형성하는 경우, 마이크로 또는 나노 크기의 정밀한 패턴을 단시간에 형성시킬 수 있고 패턴의 미세 조절이 간단하며 저비용으로 구현이 가능하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 액정분자의 상 또는 결함 구조를 이용한 마이크로 또는 나노 패턴을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 액정분자의 상 또는 결함 구조를 이용한 마이크로 또는 나노 패턴이 형성된 마이크로렌즈 어레이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 액정분자의 결함 구조의 표면 구조를 이용하여 연성리소그래피 패턴을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 상(phase) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정분자의 규칙적인 구조를 포토마스크(photomask)로 이용하여 포토레지스트(photoresist)에 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판을 표면처리 하는 단계; (b) 상기 표면처리된 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정분자층에 외부 전기장 또는 자기장이 인가된 상태에서 액정 상 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정 분자의 규칙적인 구조를 포토마스크(photomask)로 이용하여 포토레지스트(photoresist)에 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판을 표면처리 하는 단계; (b) 상기 표면처리된 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정분자층에 액정의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (c) 자외선 경화형 고분자를 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 도포하고 자외선 경화하는 단계; 및 (d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (c) 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 자외선 경화형 고분자를 도포하고 자외선 경화하는 단계; (d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계; (e) 상기 자외선 경화된 고분자층 위에 열경화형 고분자를 도포하고 열경화하는 단계; 및 (f) 상기 열경화된 고분자층을 분리하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 연성리소그래피 패턴 형성 방법으로 제조되고, 굴절률의 단계적인 변화에 따라 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 통과하는 부분을 포함하는 규칙적인 구조를 가지는 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
본 발명에 따른, 액정분자의 상 또는 결함 구조를 이용한 패턴 형성 방법, 마이크로렌즈 어레이의 제조방법 및 연성 리소그래피 패턴 형성 방법은, 액정의 높은 유동성(mobility) 때문에 기존의 방식에 비하여 매우 빠르게 패턴을 형성하는 것이 가능하며, 제작공정이 간단하고 비용이 절감되는 장점이 있다. 한번 만들어진 액정 패턴은 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 액정의 상 또는 결함을 외부 전기장 또는 자기장이나 액정분자층의 높이 등으로 간단하게 조절할 수 있기 때문에, 새로운 형태의 패턴으로 손쉽게 변화, 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 직접적인 관찰이 매우 어려운 액정의 내부구조 및 배향에 대한 정보를 전사시킴으로써, 그 내부구조 해석에 대한 새로운 기법을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 액정분자의 상을 이용한 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 구현예에 의해 규칙적인 구조로 정렬된 액정분자층, (b)는 액정 패턴의 편광현미경 결과, (c)는 포토레지스트에 전사된 선형패턴의 광학현미경(SEM) 이미지 및 (d)는 포토레지스트에 전사된 선형패턴의 원자간력 현미경(AFM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 편광 방향에 따른 포토레지스트의 패턴 형성의 차이를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 결함구조를 이용한 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 구현예에 의한 막대형 스멕틱 액정 구조 및 온도에 따른 상 변이를 나타낸 것, (b)는 TFCD 도메인의 대표적인 편광광학현미경(POM) 이미지를 나타낸 것, (c)는 TFCD 어레이의 도식적인 모델을 나타낸 것이다.
도 6은 TFCD 어레이 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정 개략도 및 형성된 TFCD의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 액정분자의 결함 구조를 이용한 연성리소그래피 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다.
도 8은 TFCD 어레이, NOA63 어레이 및 PDMS 어레이의 SEM 및 AFM 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 실험 개략도 및 포토레지스트 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 실험 셋업(setup) 개략도를 나타낸 것이다.
도 11은 TFCD 어레이, NOA63 어레이 및 PDMS 어레이에 의해 투사된 이미지의 광학현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 구현예에 의해 규칙적인 구조로 정렬된 액정분자층, (b)는 액정 패턴의 편광현미경 결과, (c)는 포토레지스트에 전사된 선형패턴의 광학현미경(SEM) 이미지 및 (d)는 포토레지스트에 전사된 선형패턴의 원자간력 현미경(AFM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 편광 방향에 따른 포토레지스트의 패턴 형성의 차이를 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 액정 결함구조를 이용한 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 구현예에 의한 막대형 스멕틱 액정 구조 및 온도에 따른 상 변이를 나타낸 것, (b)는 TFCD 도메인의 대표적인 편광광학현미경(POM) 이미지를 나타낸 것, (c)는 TFCD 어레이의 도식적인 모델을 나타낸 것이다.
도 6은 TFCD 어레이 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정 개략도 및 형성된 TFCD의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 액정분자의 결함 구조를 이용한 연성리소그래피 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다.
도 8은 TFCD 어레이, NOA63 어레이 및 PDMS 어레이의 SEM 및 AFM 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 실험 개략도 및 포토레지스트 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 실험 셋업(setup) 개략도를 나타낸 것이다.
도 11은 TFCD 어레이, NOA63 어레이 및 PDMS 어레이에 의해 투사된 이미지의 광학현미경 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명은 액정분자의 상(phase) 또는 결함(defect) 구조를 이용하여 규칙적인 구조를 형성함으로써, 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하고, 이를 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)로 적용하며, 연성 리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 상(phase) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정분자의 규칙적인 구조를 포토마스크(photomask)로 이용하여 포토레지스트(photoresist)에 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 기판 상에 액정분자의 배향을 조절하기 위한 표면처리를 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 표면처리는 액정분자의 배향 방향성을 주기 위해서, 이미드 계열 고분자, 친수성 고분자 또는 소수성 고분자를 기판에 코팅하고 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 폴리이미드(polyimide), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 친수성 또는 소수성 자기조립 단분자막 (self-assembled monolayer; SAM) 또는 테프론(Teflon)을 기판에 코팅하거나, 공기 또는 물에 기판을 노출하고, 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정 상변이온도 이상으로 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 할 수 있다. 액정 상변이온도는 등방성 온도(isotropic temperature)일 수 있으며, 액정 상변이온도 이상으로 올리면 액정분자층이 유동성을 가지고 기판 위에 균일하게 펴질 수 있다. 이후, 외부 전기장 또는 자기장을 인가하거나, 또는 인가하지 않은 상태에서 액정 상변이온도 이하로 서냉시키면 액정 분자체들이 배향성을 가지며 규칙적인 구조를 형성하게 된다. 전기장을 인가하는 경우, 전기장의 크기는 0.1 내지 50 V/㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정분자를 형성하는 액정성 분자체들의 농도를 조절하여 액정분자의 상을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 액정성 분자체란 액정분자를 형성하기 위한 재료가 되는 분자체들을 말한다. 유방성 액정의 경우, 이러한 액정성 분자체의 농도를 조절하여 액정분자의 상을 결정할 수 있으며, 농도를 조절하여 결정된 액정분자의 상은 각 상의 구조에 따라 다양한 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 액정분자의 상(phase)은 네마틱(nematic), 스멕틱(smectic), 콜레스테릭(cholesteric), 컬럼나(columnar), 페로엘렉트릭(ferroelectric), 헬리컬(helical), 마이셀(micelle), 큐빅(cubic) 또는 라멜라(lamellar) 액정 상인 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 액정분자의 상은 콜레스테릭 액정 상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계의 규칙적인 구조는 액정 상이 가지는 주기(pitch)에 의한 선형 패턴을 가지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 선형 패턴은 액정분자의 배향에 따른 굴절률의 변화로 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 투과되는 부분으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다. 콜레스테릭 액정 상에서 균일하게 서있는 나선형 구조는 편광 현미경으로 관찰이 가능하다. 수평배향을 유도하는 폴리이미드의 영향으로 콜레스테릭 액정은 등방성 온도에서 콜레스테릭 상으로 냉각을 시키면 분자체들이 기판 방향에 대해 평행하게 눕게 된다. 이때 나선형 주기와 셀의 두께에 따라 고유의 색깔이 나타나게 되며 셀 전체에서 하나의 색깔이 나오게 되면 균일하게 서있는 나선형 구조를 의미하게 된다. 전기장을 가해주면 콜레스테릭 액정들의 양의 유전상수로 인해 액정들이 전기장 방향으로 정렬하려고 한다. 이렇게 정렬된 액정들은 더 이상 기판에 수평 배향하지 않고 수직배향을 하게된다. 적정한 전기장을 가해주면 도 2의 (a)와 같이 나선의 축방향이 기판에 평행하게 되는 방향으로 배향을 하게 된다. 균일하게 배향되어 누워있는 나선형 구조들은 편광현미경 관찰 시 도 2의 (b)에서 나타낸 것과 같이 사람의 손 지문과 같은 균일한 간격의 줄무늬들이 관찰된다.
이렇게 형성된 나선형 구조를 포토리소그래피(photolithography) 공정에 포토마스크(photomask)로 이용할 수 있다. 도 2의 (c)의 광학현미경(SEM) 이미지에서 보는 바와 같이 콜레스테릭 액정 상을 이용한 포토마스크가 실질적으로 일반적인 크롬마스크와 같이 포토레지스트에 선 패턴을 형성시킬 수 있다. 일반적인 크롬마스크는 제작 공정이 복잡하고 완성하기까지 최소한 몇 일이 걸려 비용이 많이 들지만 액정 상을 이용한 마스크는 제작공정이 매우 간단하고 마스크의 패턴 형성까지 수초에서 수분밖에 걸리지 않아 매우 경제적이다. 도 2의 (d)의 원자간력 현미경(AFM) 이미지에서 보는 바와 같이 상기 방법으로 형성된 포토레지스트의 패턴은 포토레지스트의 선 패턴 간의 거리와 마스크인 콜레스테릭 액정의 선 패턴 간의 거리가 동일한 것을 볼 때 마스크의 콜레스테릭 액정 패턴이 전사된 것임을 확인할 수 있다.
패턴형성원리를 밝혀내기 위해 편광된 빛의 방향을 바꿔가면서 노광 실험을 해본 결과를 도 3에서 나타내었다. 편광된 빛의 방향은 콜레스테릭 액정의 나선형 축과 평행한 방향과 수직한 방향으로 비교될 수 있도록 조사되었다. 도 3을 보면, 콜레스테릭 액정의 나선형 축과 수직하게 편광된 빛은 포토레지스트에 패턴을 잘 형성한 반면 수평하게 편광된 빛은 포토레지스트에 패턴을 잘 형성하지 못한 것을 알 수 있다. 이는 빛의 편광성에 대해 콜레스테릭 액정 마스크가 선택성이 있다는 것을 말해준다. 콜레스테릭 액정의 나선형 축과 수직하게 편광된 빛에 패턴이 잘 형성되는 이유는 액정층의 굴절률이 나선형 축 방향으로는 주기적으로 변하기 때문이다. 즉 패턴을 따라 주기적으로 변하는 액정분자들 간의 굴절률 차이에 의해 조사되는 빛은 렌즈를 통과할 때와 마찬가지로 굴절률이 큰 쪽으로 모아지게 된다. 주기적으로 한 곳에 모아지는 빛들은 포토레지스트에 노광량을 주기적으로 차이가 나게 하며 결과적으로 선 패턴을 형성하는 것이다. 반면 나선형 축과 평행한 방향으로 편광된 빛은 빛의 굴절률이 액정을 통과하면서 나선형 축 방향으로 똑같은 값을 유지한다. 즉, 주기성이 없기 때문에 액정 분자체들간의 굴절률 차이가 없어 빛이 응집되지 않아 포토레지스트에 노광량 차이를 발생시키지 못한다.
본 발명에 따른 액정 상에 의한 규칙적인 구조는 액정분자의 배향에 따른 굴절률의 변화로 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 투과되는 부분으로 구성되기 때문에 그 자체로 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)로 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 액정 마스크는 마스크의 모양과 배향에 따라 다양한 패턴형성이 가능하다. 배선폭 조절은 액정분자의 상을 형성하기 위한 키랄첨가제의 양 또는 인가되는 전기장 또는 자기장의 세기에 따라 쉽게 조절될 수 있으며, 콜레스테릭 액정의 주기를 조절하면 배선폭을 수십 nm까지 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한, 콜레스테릭 액정 상 이외의 다른 액정상을 이용하여도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 액정 분자의 규칙적인 구조를 포토마스크(photomask)로 이용하여 포토레지스트(photoresist)에 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 기판 상에 액정분자의 배향을 조절하기 위한 표면처리를 하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 표면처리는 이미드 계열 고분자, 친수성 고분자 또는 소수성 고분자를 기판에 코팅하고 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는, 폴리이미드(polyimide), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 친수성 또는 소수성 자기조립 단분자막 (self-assembled monolayer; SAM) 또는 테프론(Teflon)을 기판에 코팅하거나, 공기 또는 물에 기판을 노출하고, 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정 상변이온도 이상으로 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 액정분자를 형성하는 액정성 분자체들의 농도를 조절하여 액정분자의 결함에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 유방성 액정의 경우, 액정성 분자체들의 농도를 조절하여 액정분자의 상이 결정되고, 이러한 농도 조절에 의하여 결정된 서로 다른 상마다 서로 다른 액정분자의 결함이 형성되므로, 액정성 분자체의 농도를 조절하여 서로 다른 규칙적인 구조를 형성하는 것이 가능하다.
본 발명에서 상기 액정분자의 결함 구조는 액정분자층의 두께를 조절하는 것으로 그 크기를 조절할 수 있으며, 본 발명의 일 구현예에서 조절 가능한 액정 결함 구조의 크기는 1 내지 100㎛ 수준이다.
본 발명에 있어서, 상기 결함 구조는 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD), 포물선형 액정 결함구조(parabolic focal conic domain; PFCD), 회위(disclination), 오일리 스트릭(oily streak) 또는 언듈레이션(undulation)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 바람직하게는 스멕틱 액정(smectic LCs)의 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD)인 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명에 따른 결함구조는 자기조립 현상을 통해 육방형(hexagonal)으로 패턴 정렬될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 스멕틱(smectic) 액정의 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD)의 주기적인 토로이드(toroid) 형상의 홀은 조사되는 빛을 응집시킬 수 있는 고유의 분자 배향에 기인하여 마이크로렌즈(microlens)로 작용할 수 있다. 토로이드 홀 사이의 평평한 부분은 투명유리와 같이 작용하고 빛을 굴절시키지 않는다. 또한, 본 발명은 주기적인 마이크로 또는 나노 크기의 어레이뿐만 아니라 액정의 단계적인 굴절률 분포의 이점을 활용한다.
규칙적인 TFCD 구조는 부착된 기판의 표면 상에 액정에 분자 배향의 조절을 통해서 발생된다. TFCD를 통과한 빛은 굴절되고 TFCD에서 고유의 액정 분자 배향에 따른 단계적인 굴절률에 의해서 TFCD의 중심으로 응집된다. 그러므로, 액정-기반 TFCD 마이크로렌즈는 포토마스크(photomask)로 사용되었을 때, 투과된 빛의 편광 방향에 따라 광학적으로 선택적이다. 따라서, 빛의 양(또는 강도), TFCD 포토마스크의 크기, 포토레지스트(photoresist)의 톤(tone) 및 조명 광원의 편광방향을 간단히 조절하여 도메인 크기, 기하학적 형상 및 대칭(symmetry)이 조절된 다양한 마이크로 규모의 패턴들을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, TFCD 구조를 발생시키기 위하여 에틸 4-하이드록시바이페닐카르복실레이트 (ethyl 4'-hydroxy-4biphenyl carboxylate)와 1H,1H,2H,2H,3H,3H,4H,4H-펄플루오로도데실 브롬(1H,1H,2H,2H,3H,3H,4H,4H-perfluorododecyl bromide)의 알킬레이션(alkylation)에 의해 준비된, 부분 불소화된 꼬리부분 작용기(semifluorinated tail group)와 리지드 바이페닐 코어(rigid biphenyl core)를 포함하는 간단한 막대형 스멕틱 액정(rodlike smectic liquid crystal) 물질을 사용할 수 있다. 도 5의 (a)에서는 상기 물질의 분자 구조 및 온도에 따른 상 변이를 나타내었다. 이 물질은 처리된 유리 기판의 표면상에 육방형으로 고도로 규칙적인(hexagonally highly ordered) 구조의 TFCD를 지속적으로 생산한다.
본 발명에서, 등방성(isotropic)으로부터 스멕틱 A 상으로의 냉각화를 통하여, 정렬된 TFCD 도메인 어레이를 넓은 영역에 거쳐 생성할 수 있다. 냉각화는 서냉을 하는 것이 바람직하며, 약 -1℃/min 속도로 서냉하는 것이 좋다. 분자량이 작은 액정 구성요소는 높은 이동도(mobility)를 가지고 스멕틱 상에서 빠르게 반응하기 때문에 TFCD 마이크로렌즈 어레이의 제조는 다른 연성 자기조립체 빌딩 블록(soft self-assembly building block)에 비하여 매우 빠르고 간단하다. 본 발명에서, 균일한 TFCD 넓은 규모 어레이를 유리 기판 위에 생성하는 것은 단지 몇 초만이 요구된다는 것을 확인하였다.
도 5의 (b)는 편평한 PEI(polyethyleneimine)가 코팅된 유리기판 상의 스멕틱 액정의 TFCD 도메인의 대표적인 편광광학현미경(polarized optical microscopy; POM) 이미지를 나타낸 것이다. 도 5의 (b)에서는, 넓은 영역에 거쳐서 고도로 정렬된 주기적인 TFCD의 형성을 볼 수 있다. 각각의 작은 원형 도메인은 하나의 TFCD에 대응된다. 액정에 의하여 형성된 필름의 편광광학현미경 이미지를 자세히 관찰하면, 각 TFCD가 그 크기에 있어서 일정하고 육방형의(hexagonal) 어레이로 존재하며, 전형적인 스메틱 A 상의 특징을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 각 원형의 모양을 가지는 TFCD의 내부구조는 액정 분자들의 배향이 TFCD의 중심을 기준으로 방사형으로 퍼져나가는 형태를 가지고 있기 때문에, 편광광학현미경으로 TFCD를 투과하여 관찰하였을 때, 특유의 몰타의 십자(Maltese cross) 패턴을 생성한다. 원형 기반(창문 부분)의 바깥에서, 분자들은 기판에 수직으로 정렬되어있고 이러한 부분들은 편광광학현미경 이미지에서 어둡게 나타났다. 도 5의 (c)는 TFCD 어레이의 도식적인 모델을 나타낸다. 유리로부터 공기-액정 계면까지 육방형으로 규칙적인 작은 붉은색 막대는 각각 액정의 메조게닉 유닛(mesogenic unit)을 가리킨다. 스멕틱 액정 TFCD의 굴절률은 TFCD 마이크로렌즈의 액정 분자 배향에 따라서 변경될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, TFCD 어레이를 포토마스크로서 사용하였다. 도 6은 리소그래픽 패턴의 발생을 도식적으로 묘사한 것이다. 포토레지스트 필름은 제조된 자기조립 유기 TFCD 포토마스크를 통하여 노광된다. 2㎛ 두께의 포토레지스트 필름은 실리콘 기판 위에 스핀-코팅(spin-coating)된다. 이 시스템에서, 각 TFCD는 빛을 응집시킬 수 있다. 유효한 굴절률은 TFCD의 중앙부분으로 증가되는 고유의 액정 분자 배향에 따라서 공간적으로(volumetrically) 변경될 수 있다. TFCD를 통과하는 입사광선은 굴절되어 TFCD의 중앙으로 응집된다. 각 TFCD 구조는 두 가지 구성요소로 이루어 질 수 있다. '창문(window)’부분은 평행한 스멕틱 층으로된 구조로 구성되며 스멕틱 액정분자는 기판에 대하여 수직 방향으로 정렬되어 있다. 따라서 액정 분자의 방향 필드는 정확하게 자외선 빛이 입사되는 방향과 일치한다. 다른 구조는 각 TFCD의 중앙부분인 “렌즈(lens)”부분이다. 스멕틱 액정분자의 배향은 TFCD 안의 스멕틱 층의 곡면에 따라 달라진다. 빛은 창분 부분을 통해서는 직선으로 통과되고 렌즈 부분에서는 특정의 초점거리(focal length)를 가지고 응집된다. 단일 TFCD 포토마스크 구조에서 창문과 렌즈 요소라는 기능적인 요소들의 조합이 포토레지스트 필름 위에 투사되는 패턴에 있어서 입사광 양(dose)의 차이에 기인하는 변형을 허용할 수 있다. TFCD 어레이에서의 두가지 광학 요소는 모두 도 6의 (c)에서 보인 것과 같이 원자간력 현미경(atomic force microscopy; AFM) 이미지에서 확인할 수 있다.
또한, 액정 결함구조는 내부가 복굴절을 가지는 액정으로 이루어져 있기 때문에, 조사하는 자외선 광원의 빛에 편광성을 부여하면, 같은 액정 결함구조 마스크를 사용하더라도 완전히 다른 형태의 구조를 얻어낼 수 있다. 단지, 광원의 편광방향을 바꿈으로써, 다양한 형태의 패턴 제작이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서 보인 TFCD 액정 결함구조뿐만 아니라, 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 액정 결함구조들 모두 액정 배향에 따른 굴절률 분포를 보이기 때문에, 새로운 개념의 포토리소그래피 마스크로 이용가능하다. 또한, 서로 다른 톤(tone)의 포토레지스트를 사용함으로써 상반된 패턴이 형성되도록 구성하는 것이 가능하다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (c) 자외선 경화형 고분자를 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 도포하고 자외선 경화하는 단계; 및 (d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, (a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; (b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; (c) 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 자외선 경화형 고분자를 도포하고 자외선 경화하는 단계; (d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계; (e) 상기 자외선 경화된 고분자층 위에 열경화형 고분자를 도포하고 열경화하는 단계; 및 (f) 상기 열경화된 고분자층을 분리하는 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 자외선 경화형 고분자는 폴리우레탄 계열 고분자인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 열경화형 고분자는 실록산 계열 고분자인 것을 특징으로 할 수 있다. 실록산 계열 고분자로서 가장 많이 사용되는 물질로 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)를 들 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 연성 리소그래피 패턴 형성 방법에 의해 제조되고, 굴절률의 단계적인 변화에 따라 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 통과하는 부분으로 구성되는 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 연성 리소그래피 패턴 형성 프로세스를 나타낸 것이다. 단단한 아로마틱 그룹과 불소화 말단을 포함하는 간단한 막대형 스메틱 A 물질을 사용하여 기판 상에 액정분자층을 형성하였다. 액정분자층은 등방성 온도 이상의 표면처리된 유리 기판 위에 도포 된다. 등방성에서 스멕틱 상으로 냉각하는 동안, 정렬된 TFCD 어레이는 넓은 영역에 거쳐서 생성된다. TFCD 어레이의 음성의 복제품(negative replica)은 자외선 경화형 프리-폴리머(pre-polymer)를 TFCD 어레이의 표면 위에 도포하여 형성할 수 있다. 모세관력은 프리-폴리머가 TFCD의 결함 구조를 가득 채울 수 있도록 이끌며, 그 결과 프리-폴리머층은 TFCD의 표면 위상학(topology)을 그대로 따르게 된다. 그 후, 프리-폴리머는 자외선 노출에 의해 경화되어 TFCD 어레이의 음성 복제를 형성한다. 자외선 경화형 고분자로는 폴리우레탄 계열 고분자인 것이 바람직하며, NOA63 고분자를 들 수 있다. 형성된 고분자 NOA63 음성 복제품 몰드는 2차 주형으로 사용될 수 있다. PDMS 프리-폴리머는 양각의 NOA63 기판 위에 도포되고 종래의 드라이 오븐에서 60℃로 8시간 동안 경화된다. 경화된 PDMS 몰드는 최초 TFCD 어레이 주형과 동일한 구조를 나타낸다. NOA63과 PDMS는 그들의 투명도, 열적 안정성, 균질의 굴절률 및 이러한 고분자들이 디자인된 몰드 형상을 채우기 용이한 점에 의해 둘 다 폴리머 마이크로렌즈 어레이에 적절한 물질이다.
도 8은 각각 TFCD 어레이(MLA-1), NOA63 어레이(MLA-2) 및 PDMS 어레이(MLA-3)의 SEM과 AFM 이미지를 나타낸다. 도 8에서는 유리 기판의 표면 위의 원형 TFCD로 구성된 넓은 영역 패턴을 확인할 수 있다. TFCDs는 유리 기판 위에서 평균 중앙-중앙 거리가 10.5㎛인 주기적인 어레이로 정렬된다. 작은 액정 분자는 높은 이동도와 스멕틱 상에 빠르게 반응하기 때문에, 스멕틱 액정 빌딩 블록 TFCD 시스템은 다른 연성 몰딩 시스템(soft molding system)이나 포토리소그래픽 방법에 비해 더욱 간단하고 빠르다. 균일한 TFCD 넓은 규모 어레이를 기판 위에 생성하는 것은 매우 빠르고, 단지 몇 초만을 필요로 한다. 중앙-중앙 거리로써 정의되는 도메인 크기는 액정 필름 두께에 강하게 의존한다. 도 8의 (b)는 AFM에 의해 나타낸 TFCD 어레이의 높이 프로파일이 대칭형 구조임을 확인할 수 있으며, 원형 결함을 함유하는 TFCD의 단면을 나타낸다. TFCD 구조의 깊이는 각 도메인의 중앙에서 2.2㎛로 나타났다. 도 8의 (c)는 TFCD 어레이 주형에 준비된 NOA63 몰드의 대표적인 SEM 이미지를 나타낸다. NOA63 프리-폴리머는 모세관력과 중력의 도움으로 TFCD 구조의 빈 공간을 뚫고 들어간다. 결과적으로, 전사된 원추형의 구조는 TFCD 어레이의 구조에 대해서 뒤집힌 것이다. TFCD 주형은 NOA63 프리-폴리머와의 몰딩 공정 하에서 물리적으로 안정하기 때문에 많은 복제품 몰드들이 마스터 TFCD 어레이 몰드로부터 제조될 수 있다. 유동적인 스멕틱 A 상 TFCD는 실온에서는 스멕틱 A 상에서 형성된 TFCD의 구조를 그대로 간직한 채, 연성 결정상으로 변화하여 고체화되기 때문에 장기간 보존될 수 있고 몰딩 공정에서 안정적일 수 있다. 주형의 TFCD 어레이 패턴과 NOA63 마이크로렌즈 어레이의 비교는 고도록 복잡한 밀도의 마이크로 또는 나노 구조가 성공적으로 TFCD어레이 주형에서 NOA63 복제품으로 전사되었음을 나타낸다. SEM 이미지에서의 흰 점은 원추형 구조를 가지는 나노-팁스(nano-tips)에 상응한다. 나노-팁 꼭대기는 250nm의 직경을 가지는 것으로 SEM과 AFM 측정장치에 의해 측정되었다. 원추형 구조 위의 나노-팁의 평균 높이는 TFCD 딤플 구조의 깊이보다 살짝 작은 1.8㎛이다. PDMS 마이크로렌즈 어레이는 첫 번째 NOA63 복제품 몰드의 복제품 몰딩에 의해서 제조되고 그들의 SEM 이미지를 도 8의 (e)에서 나타냈다. 높은 확대율 이미지는 움푹 파인 구조가 MLA-2 몰드로부터 반대로 생성되었음을 보여준다. 이러한 어레이들은 비록 움푹 파인 구조의 깊이가 두 번의 복제품 몰딩 공정을 반복한 후이기 때문에 오리지날 TFCD 어레이 주형의 그것보다 살짝 작을지라도 전체적인 형상에 있어서 TFCD 어레이로부터 일치한다. TFCD, NOA63 및 PDMS 어레이에서의 모든 도메인 간의 길이는 AFM 및 SEM 이미지에서 알 수 있듯이 동일하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
1:
콜레스테릭
액정 상 구조를 이용한 선형 패턴 형성
(a)
기판 상에
액정분자층
형성
인듐주석 산화물(ITO) 유리 기판을 물, 아세톤, 프로판을 이용하여 세척한 후, 5도 미만의 선경사각(pretilt angle)을 가지는 수평 배향 폴리이미드를 코팅하였다. 코팅은 2500rpm으로 25초 동안 스핀 코팅하였으며, 코팅 후 기판을 180℃의 핫 플레이트 위에서 90분 동안 올려놓아 용매를 증발시켰다. 코팅된 기판은 러빙머신을 이용하여 한쪽 방향으로 문질러 주었다.
자외선 경화형 고분자물질인 NOA63과 섞인 마이크로 구슬 스페이서를 이용하여 두 기판을 조립하여 하나의 셀을 만들고, 셀의 각각 기판에 전기장을 걸기 위한 전선을 인듐을 이용하여 연결하였다. 그 후, 콜레스테릭 액정을 40℃의 등방성 온도 이상에서 모세관 현상을 이용하여 셀에 주입시켰다. 콜레스테릭 액정물질로는 주 액정물질인 5CB에 키랄 첨가제 CB15를 첨가해서 얻은 복합체를 이용하였다.
(b)
액정분자층에
규칙적인 구조 형성
상기 40℃ 이상의 셀에 0.4V/㎛의 전기장을 가해주면서 콜레스테릭 액정 상이 나타나는 33℃ 까지 냉각시켜주었다. 콜레스테릭 액정상이 나타나는 온도의 2℃ 아래인 31℃에서 온도를 고정시킨 후 전기장의 세기를 0.22V/㎛까지 천천히 낮추어 균일하게 누워있는 나선형 구조의 생성을 유도하였다.
(c)
포토레지스트로
전사
포지티브 포토레지스트 AZ1505를 600nm 두께를 얻기 위해 1500rpm의 속도로 30초 동안 실리콘 기판 위에 스핀코팅하고 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼를 110℃의 핫 플레이트 위에서 2분 동안 경화시켜주었다. 0.22~0.25V/㎛의 전기장이 걸려있는 콜레스테릭 액정 셀 밑에 경화된 실리콘 웨이퍼를 밀착시키고, 나선형 축에의 수직방향으로 편광된 자외선에 셀과 밀착된 웨이퍼를 노출시켰다. 이때 노광 조건은 365nm의 파장을 쓰는 i-라인에서 100mJ/cm2의 편광된 빛의 양을 셀에 밀착된 포토레지스트에 노출시켰다.
현상 용매로는 AZ계열의 포토레지스트용 현상물질인 AZ300DIF를 1차 증류수와 3:1 비율로 섞어서 사용하였으며, 노광된 포토레지스트 필름을 현상하고, 현상된 필름을 1차 증류수를 이용하여 씻어내고 압축 공기 혹은 질소가스를 이용하여 건조시켰다.
상기 공정에 의해 형성된 패턴을 도 2에서 나타내었다. 도 2의 (b)는 액정 패턴의 POM 이미지를 나타낸 것으로, 선형 패턴이 규칙적으로 형성되어 있는 것을 확인하였다. 도 2의 (c)는 포토레지스트에 전사된 선형패턴을 SEM 이미지로 나타낸 것이다. 도 2의 (d)는 포토레지스트에 전사된 선행 패턴의 AFM 이미지로 나타낸 것으로, 액정이 가지고 있던 패턴이 그대로 전사된 것을 확인할 수 있었다.
실시예
2 :
소용돌이형
액정 결함구조를 이용한 패턴 형성
(a)
기판 상에
액정분자층
형성
평평한 유리 기판을 물, 아세톤, 프로판을 이용하여 세척하고, 대기 플라즈마를 30~60초 처리한 후, 수평 배향을 유도하는 폴리에틸렌이민 (PEI)을 ~40nm 수준으로 스핀코팅하였다. 표면처리한 기판 위에 액정물질을 도포하고, 등방성 온도이상인 200℃이상으로 온도를 올려서 기판 위에 균일한 두께로 액정분자층을 형성하였다.
(b)
액정분자층에
규칙적인 액정결함구조 형성
상기 200℃ 이상의 액정물질이 도포된 기판을 스멕틱 액정상이 나타나는 온도 (195℃)부터 연성 고체 상태를 띄는 상온까지 천천히 온도를 낮추어 소용돌이형 액정 결함구조를 형성하고, 상온에서 상기 결함 구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다.
(c)
포토레지스트로
전사
평한 실리콘 웨이퍼판 위에 포토레지스트 물질을 2㎛ 수준으로 스핀코팅하였다. 노광 공정에 앞서 코팅된 실리콘 웨이퍼를 110℃의 핫 플레이트 위에서 2분 동안 경화시켜주었다. 빛이 투과할 수 있는 투명기판 위에 형성된 액정 결함구조 층을 포토레지스트가 코팅된 기판 위에 포토마스크로서 올려놓는다. 포토레지스트를 반응시키는 345nm 파장의 자외선 광원을 액정 결함구조 층을 통해 조사하고 포토레지스트를 현상(develope)하였다. 도 9에 나타낸 것과 같이, 액정 결함구조의 고유한 패턴들이 액정 결함구조 렌즈의 초점거리, 렌즈 주변의 투과 영역의 모양들로 전사되게 된 것을 확인할 수 있었다.
자외선의 편광 방향에 따른 패턴형성의 변화를 확인하기 위하여 조사용 광원을 편광판을 놓아줌으로써 한쪽 방향으로 편광된 빛을 조사하고 현상하였다. 그 결과 도 9에서 나타난 것과 같이 빛을 투과시키는 영역에서는 차이가 없는 반면에, 빛이 모이는 중심 부분은 편광방향과 같은 방향으로만 빛이 응집되기 때문에 비등방적인 패턴이 얻어졌다. 따라서, 같은 액정 결함구조를 사용하면서 편광방향만 다르게 한 실험에서 새로운 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예
3 :
소용돌이형
액정 결함구조의 표면구조를 이용한 연성
리소그래피
패턴 형성
(a)
기판 상에
액정분자층
형성
평평한 유리 기판을 물, 아세톤, 프로판을 이용하여 세척하고, 대기 플라즈마를 30~60초 처리한 후, 수평 배향을 유도하는 폴리에틸렌이민 (PEI)을 ~40nm 수준으로 스핀코팅하였다. 표면처리한 기판 위에 액정물질을 도포하고, 등방성 온도이상인 200℃이상으로 온도를 올려서 기판 위에 균일한 두께로 액정분자층을 형성하였다.
(b)
액정분자층에
규칙적인 액정결함구조 형성
상기 200℃ 이상의 액정물질이 도포된 기판을 스멕틱 액정상이 나타나는 온도 (195℃)부터 연성 고체 상태를 띄는 상온까지 천천히 온도를 낮추어 소용돌이형 액정 결함구조를 형성하고 안정적으로 유지할 수 있었다. 형성된 액정결함구조의 표면 구조는 도 8의 (a)에서 나타낸 것과 같이 보조개와 같이 움푹 파인 구조를 가지고 있다.
(c) 액정결함구조로부터 투명 고분자 복제기판 제작
상기 제작된 액정결함구조 층 위에 자외선 경화성 고분자인 NOA63 모노머를 도포한다. 수분 후, 모노머의 유동성이 사라지면 345nm 파장의 자외선을 30분 이상 조사하여 모노머를 고분자로 완전 경화시킨다. 70℃ 이상에서 NOA63의 접착력이 현저히 떨어짐을 이용하여, 80℃에서 접착된 두 층을 서로 분리한다. 분리된 자외선 경화 고분자 층의 표면은 도 8의 (c)와 같이 움푹 패인 액정결함구조 표면층과 상반된(negative) 원추형의 나노/마이크로 구조가 생성된다.
상기 제작된 자외선 경화 고분자층 위에, 열경화성 고분자인 PDMS 모노머-경화제 혼합체를 도포하고, 혼합과정에서 발생한 기포를 제거한다. 60℃ 오븐에서 8시간 이상 충분히 열경화 과정을 거친 후, 자외선 경화성 고분자인 NOA63 층으로부터 PDMS 층을 분리한다. 도 8의 (e)에서, PDMS 층에 형성된 표면 구조는 2번의 연속적인 몰딩 과정을 거쳤기 때문에, 초기 액정결함구조 층과 동일하게 움푹 패인 표면 구조를 가짐을 확인할 수 있다.
(d) 액정 결함구조와 투명 고분자 복제기판을 이용한 마이크로렌즈 어레이 특성 평가
상기 제작된 액정결함구조 층, 자외선 경화성 고분자 층 (NOA63), 열 경화성 고분자 층(PDMS)은 각각 빛을 응집할 수 있는 표면 구조를 가지고 있다. 빛의 응집되는 렌즈 효과를 확인하기 위해, 도 10과 같이 대물렌즈와 광원 사이에 각각의 층을 배치하였다. 정확한 빛의 응집현상을 확인하기 위해, 비대칭적인 글자로 선정된 “F" 글자를 광원 앞에 놓아서 관찰에 도움을 주었다. 일반적인 백색광을 투과하여 광학현미경을 통해 관찰할 결과, 도 11에서와 같이 마이크로 수준의 ”F" 상이 정확하게 맺히는 것을 확인하였다. 도 11의 (a), (b), (c)는 각각 액정결함구조 층, 자외선 경화 고분자 층, 열경화성 고분자 층에 의해 맺힌 상에 대한 광학 이미지와 초점이 맺히는 원리를 보여주는 개념도이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (32)
- 다음의 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 방법:
(a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계;
(b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계; 및
(c) 상기 액정 분자의 규칙적인 구조를 포토마스크(photomask)로 이용하여 포토레지스트(photoresist)에 마이크로 또는 나노 크기 패턴을 형성하는 단계. - 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 기판 상에 액정분자의 배향을 조절하기 위한 표면처리를 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 표면처리는 이미드 계열 고분자, 친수성 고분자 또는 소수성 고분자를 기판에 코팅하고 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 표면처리는 폴리이미드(polyimide), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 친수성 또는 소수성 자기조립 단분자막 (self-assembled monolayer; SAM) 또는 테프론(Teflon)을 기판에 코팅하거나, 공기 또는 물에 기판을 노출하고, 한쪽 방향으로 문지르는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정 상변이온도 이상으로 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정분자를 형성하는 액정성 분자체들의 농도를 조절하여 액정분자의 결함 구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액정분자층의 두께에 따라 액정분자의 결함 구조 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결함 구조는 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD), 포물선형 액정 결함구조(parabolic focal conic domain; PFCD), 회위(disclination), 오일리 스트릭(oily streak), 레이어 언듈레이션(layer undulation) 또는 뒤틀린 영역 결함구조(twisted grain boundary)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 결함 구조는 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액정분자의 결함 구조는 육방형(hexagonal)으로 패턴 정렬된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액정분자의 결함 구조는 액정 분자의 배향에 따른 단계적인 굴절률을 가짐으로써, 결함 구조의 중앙으로 빛을 응집시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액정분자는 막대형 스멕틱 액정(rodlike smectic liquid crystal) 분자인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 막대형 스멕틱 액정(rodlike smectic liquid crystal) 분자는 부분 불소화된 꼬리부분 작용기(semifluorinated tail group)와 리지드 바이페닐 코어(rigid biphenyl core)를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 다음의 단계를 포함하는 마이크로렌즈 어레이(microlens arrays)의 제조방법:
(a) 기판을 표면처리 하는 단계;
(b) 상기 표면처리된 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계. - 제 14 항에 있어서, 상기 (c) 단계는 액정분자의 액정 상변이온도 이상으로 가열한 후 서냉하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 (c) 단계는 액정분자를 형성하는 액정성 분자체의 농도를 조절하여 액정의 결함 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 액정분자층의 두께에 따라 액정분자의 결함 구조 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 결함 구조는 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD), 포물선형 액정 결함구조(parabolic focal conic domain; PFCD), 회위(disclination), 오일리 스트릭(oily streak), 레이어 언듈레이션(layer undulation) 또는 뒤틀린 영역 결함구조(twisted grain boundary)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 규칙적인 구조는 액정 결함구조의 분자 배향에 따른 굴절률의 변화로 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 투과되는 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되고, 액정분자의 배향에 따른 굴절률의 변화로 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 투과되는 부분을 포함하는 규칙적인 구조를 가지는 마이크로렌즈 어레이.
- 제 20 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 마이크로 또는 나노 크기의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 규칙적인 구조를 가지는 마이크로렌즈 어레이.
- 다음의 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법:
(a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계;
(b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계;
(c) 자외선 경화형 고분자를 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 도포하고 자외선 경화하는 단계; 및
(d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계. - 다음의 단계를 포함하는 마이크로 또는 나노 크기 연성리소그래피(soft lithography) 패턴을 형성하는 방법:
(a) 기판 상에 액정분자층을 형성하는 단계;
(b) 상기 액정분자층에 액정분자의 결함(defect) 구조에 따른 규칙적인 구조를 형성하는 단계;
(c) 상기 결함구조를 가지는 액정분자층 위에 자외선 경화형 고분자를 도포하고 자외선 경화하는 단계;
(d) 경화된 고분자층을 액정 표면으로부터 분리하는 단계;
(e) 상기 자외선 경화된 고분자층 위에 열경화형 고분자를 도포하고 열경화하는 단계; 및
(f) 상기 열경화된 고분자층을 분리하는 단계. - 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 자외선 경화형 고분자는 폴리우레탄 계열 고분자인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 열경화형 고분자는 실록산 계열 고분자인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 기판 상에 액정분자의 배향을 조절하기 위하여 폴리이미드(polyimide), 폴리아마이드(polyamide), 나일론(nylon), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 친수성 또는 소수성 자기조립 단분자막 (self-assembled monolayer; SAM) 또는 테프론(Teflon)을 기판에 코팅하거나, 공기 또는 물에 기판을 노출하고, 한쪽 방향으로 문지르는 표면처리 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 액정 상변이온도 이상으로 올린 후에 서냉하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 액정분자층의 두께에 따라 액정분자의 결함 구조 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 결함 구조는 소용돌이형 액정 결함구조(toric focal conic domain; TFCD), 포물선형 액정 결함구조(parabolic focal conic domain; PFCD), 회위(disclination), 오일리 스트릭(oily streak), 레이어 언듈레이션(layer undulation) 또는 뒤틀린 영역 결함구조(twisted grain boundary)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 액정분자의 결함 구조는 육방형(hexagonal)으로 패턴 정렬된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항의 방법으로 제조되고, 굴절률의 단계적인 변화에 따라 빛을 응집시키는 부분과 빛이 굴절되지 않고 통과하는 부분으로 구성되는 규칙적인 구조를 가지는 마이크로렌즈 어레이.
- 제 31 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 마이크로 또는 나노 크기의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 규칙적인 구조를 가지는 마이크로렌즈 어레이.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| US9607852B2 (en) | 2013-07-08 | 2017-03-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Methods of dividing layouts and methods of manufacturing semiconductor devices using the same |
| US10017393B2 (en) | 2015-06-02 | 2018-07-10 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Method of fabricating array of nanoparticle clusters using thermal transformation of sublimable liquid crystal film |
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2012
- 2012-04-19 KR KR1020120040812A patent/KR20120055517A/ko not_active Application Discontinuation
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