KR20140131014A - 초발수성 필름 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 기판의 표면에 피라미드 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 피라미드 구조의 표면에 SAM(self assembled monolayer)을 코팅하는 단계; (c) 상기 피라미드 구조의 표면에 폴리머를 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 폴리머를 상기 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 초발수성 필름 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 RIE 에칭을 이용하여 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면을 형성하고 SAM을 이용하여 초발수성 필름을 용이하게 분리하는 것에 의해서 마스크 및 희생층을 사용하지 않고서도 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 따라서 종래 기술에 비해서 간단하고 저렴한 비용으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 또한 피라미드 표면을 이용하여 반복적으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다.

Description

초발수성 필름 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING SUPER-HYDROPHOBIC FILM}
본 발명은 초발수성 필름 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 RIE 에칭을 이용하여 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면을 형성하고 SAM(self assembled monolayer)을 이용하여 초발수성 필름을 용이하게 분리하는 것에 의해서 마스크 및 희생층을 사용하지 않고서도 초발수성 필름을 제조할 수 있는 것인 초발수성 필름 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발수 특성은 물방울 접촉각이 90ㅀ 이상의 경우 발수성(hydrophobicity), 110°와 150° 사이에서는 고발수성(high-hydrophobicity), 그리고 150° 이상일때 초발수성(super-hydrophobicity)으로 구분된다. 초발수성 표면에서는 물방울이 쉽게 구르기 때문에, 방수, 방담(防曇), 방오(防汚), 방상(防霜, 착설 방지, 부식 방지 등의 기능을 가진다. 따라서 초발수성을 가지는 재료는 건축자재, 화장품, 섬유 처리, 전자용 부재, 화학 감지 등의 산업 공정 및 일상 생활에서 응용이 가능하다.
초발수성 표면은 나노 사이즈의 표면 거칠기와 낮은 표면 에너지를 가져야 하며, 초발수성 표면을 가지는 박막을 제조하기 위해서 현재 많은 방법들이 연구되고 있다.
예컨대 본 명세서에서 선행기술문헌 1로 기재된 한국등록특허 제10-1220416호는 포토리소그라피 기술을 이용하여 초발수성 필름을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-1220416호를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 위에 희생층으로 알루미늄(Al)을 증착하고, 알루미늄(Al) 증착층 위에 포토레지스트를 코팅하고, 포토레지스트 위에 일정한 패턴 홈을 갖는 크롬(Cr) 마스크를 정렬하여 노광 및 현상하고, 현상된 포토레지스트 위에 초소수성 폴리머로서 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 코팅하고, 이후 희생층인 알루미늄(Al)을 제거하고 포토레지스트를 제거하여 초발수성 필름을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
또한 본 명세서에서 선행기술문헌 2로 기재된 한국공개특허 제10-2012-0033805호에서는 기재 표면에 섬 형태의 금속 미립자들을 형성하고, 섬 형태의 금속 미립자들을 보호마스크로 하여 기재 표면을 에칭하고, 에칭된 기재 표면에 남아있는 금속 미립자들을 제거하여 초발수성 표면을 가지는 나노 구조물을 형성하는 방법을 개시하고 있다.
또한 본 명세서에서 선행기술문헌 3으로 기재된 한국등록특허 제10-0981313호 역시 포토리소그라피 기술을 이용하여 초발수성 표면을 갖는 패턴을 형성하는 방법을 개시하고 있다.
그러나 전술한 선행기술들은 포토리소그라피 기술을 이용하여 초발수성 필름을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 따라서 마스크의 사용이 필수적이라는 단점을 가지고 있다.
또한 예컨대 선행기술문헌 1의 경우를 참조하면, PDMS 필름을 얻기 위해서 희생층을 제거하고 포토레지스트를 제거하는 단계를 필수적으로 사용하여야 하므로 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-1220416호 2. 한국공개특허 제10-2012-0033805호 3. 한국등록특허 제10-0981313호
본 발명의 목적은 RIE 에칭을 이용하여 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면을 형성하고 SAM을 이용하여 초발수성 필름을 용이하게 분리하는 것에 의해서 마스크 및 희생층을 사용하지 않고서도 초발수성 필름을 제조할 수 있는 것인 초발수성 필름 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판의 표면에 피라미드 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 피라미드 구조의 표면에 SAM(self assembled monolayer)을 코팅하는 단계; (c) 상기 피라미드 구조의 표면에 폴리머를 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 폴리머를 상기 기판으로부터 분리하는 단계;를 포함하는 초발수성 필름 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (a)는, (a-1) 상기 기판의 표면을 RIE(reative ion etching) 처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 RIE 처리는 메탈 메시를 통하여 플라즈마를 상기 기판의 표면에 인가하는 처리일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마는 O2가 추가된 SF6 플라즈마일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (a)는, (a-2) 식각 용액을 사용하여 상기 기판의 표면을 에칭하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 식각 용액은 KOH를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)는, 상기 기판을 발수성 용액에 침지하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 발수성 용액은 톨루엔을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (b)는, 상기 피라미드 구조의 표면에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 코팅하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서, 상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 RIE 에칭을 이용하여 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면을 형성하고 SAM을 이용하여 초발수성 필름을 용이하게 분리하는 것에 의해서 마스크 및 희생층을 사용하지 않고서도 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 따라서 종래 기술에 비해서 간단하고 저렴한 비용으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 또한 피라미드 표면을 이용하여 반복적으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법의 예시적인 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 피라미드 구조를 생성하기 위한 공정의 예시적인 흐름도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 기판의 표면의 SEM 이미지를 나타내는 도면.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 SAM 코팅 후의 SEM 이미지를 나타내는 도면.
도 9는 도 6 내지 도 8의 경우 각각에 대해서 접촉 각(contact angle)을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 복제 가능한 몰드의 개념을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 초발수성 필름 제조 방법의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법의 예시적인 흐름도이다.
도 1을 참조하면 우선 기판의 표면에 마이크로/나노 스케일의 피라미드 구조를 형성한다(S100).
예컨대 125×125mm2 의 면적과 200㎛의 두께를 가지며, 0.5 내지 3Ω·cm의 비저항(resistivity)을 가지는 P-형 단결정(single-crystalline) 실리콘 웨이퍼를 준비한다(이하에서는 해당 웨이퍼를 "베어 웨이퍼" 또는 "기판"이라고 지칭한다).
피라미드 구조를 형성하기 위해서 다음과 같이 2가지의 방법을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 피라미드 구조를 생성하기 위한 공정의 예시적인 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 기판, 즉 베어 웨이퍼를 식각 용액을 사용하여 에칭한다(S130).
기판의 표면을 에칭하는 것은 소 데미지(saw damage)를 제거하기 위한 것이지만 또한 베어 웨이퍼의 표면에 피라미드 구조를 생성하기 위한 목적도 있다.
식각 용액은 예컨대 KOH, IPA 및 DI 워터를 포함하는 KOH 용액을 사용할 수 있으며, 에칭은 70℃에서 10분간 수행될 수 있다.
한편 도 2를 참조하면, 기판, 즉 베어 웨이퍼의 표면을 RIE(reative ion etching) 처리한다(S160).
RIE 처리는 예컨대 메탈 메시(metal mesh)를 통하여 플라즈마를 베어 웨이퍼의 표면에 인가하는 처리이다. 즉 메탈 메시가 장착된 RIE 장치를 이용하여 베어 웨이퍼의 표면을 처리한다.
사용되는 플라즈마는 예컨대 O2가 추가된 SF6 플라즈마를 사용할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 기판의 표면의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3은 베어 웨이퍼의 SEM 이미지를 나타내며, 도 4는 베어 웨이퍼를 전술한 KOH 용액에 10분간 침지한 경우의 SEM 이미지를 나타내며, 도 5는 KOH 용액에 10분간 침지한 후에 20분 동안 전술한 RIE 처리를 수행한 경우의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 특히 RIE 처리를 수행한 경우가 KOH 용액에 침지한 경우보다 미세한 피라미드 구조가 더 많이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 다음으로, 단계 S100을 통하여 생성된 피라미드 구조의 표면에 SAM을 코팅한다(S200). SAM은 고체 표면상에서 형성되는 유기 필름(organic film)이다. SAM을 코팅하는 것에 의해서 초발수성을 장시간 유지할 수 있으며, 또한 표면 특성을 개질(modification)할 수 있다. 또한 SAM은 부동화층(passivating layer)으로서도 작용한다.
보다 구체적으로 기판, 즉 베어 웨이퍼를 발수성(소수성) 용액에 침지하여, 단계 S100을 통하여 생성된 피라미드 구조의 표면에 SAM을 코팅할 수 있다. 발수성 용액은 예컨대 톨루엔을 포함할 수 있다. 베어 웨이퍼를 발수성(소수성) 용액에 침지하면 그 표면에 모노레이어, 즉 SAM이 형성된다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 SAM 코팅 후의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다. 도 6은 베어 웨이퍼 상에 SAM 코팅한 경우의 SEM 이미지를 나타내며, 도 7는 베어 웨이퍼를 전술한 KOH 용액에 10분간 침지한 후 SAM 코팅한 경우의 SEM 이미지를 나타내며, 도 8는 KOH 용액에 10분간 침지한 후에 20분 동안 전술한 RIE 처리를 수행한 후 SAM 코팅한 경우의 SEM 이미지를 나타낸다.
또한 도 9는 도 6 내지 도 8의 경우 각각에 대해서 접촉 각(contact angle)을 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, RIE 처리를 수행한 후 SAM 코팅한 경우에 접촉각이 152°로서 150°를 넘어가는 초발수성 표면을 얻을 수 있는 것이 확인된다.
한편 단계 S200에서, 피라미드 구조의 표면에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 SAM 코팅을 통하여 피라미드 구조의 표면에 발수성을 증가시킬 수 있으며 또한 초발수성 필름을 기판으로부터 용이하게 분리할 수 있다.
한편 PTFE 코팅은 피라미드 구조의 표면에 발수성을 증가시키기 위한 목적으로 추가적으로 수행될 수 있다.
다음으로, 단계 S200을 통하여 SAM이 코팅된 피라미드 구조의 표면에 폴리머를 코팅한다(S300). 단계 S300에서 사용되는 폴리머는 PDMS를 포함할 수 있다.
다음으로, 단계 S300을 통하여 코팅된 폴리머를 기판으로부터 분리한다(S400). 따라서 초발수성 필름을 제조할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 초발수성 필름 제조 방법에 있어서 복제 가능한 몰드의 개념을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면에 SAM을 코팅한 기판("Si-웨이퍼"라 도시됨)(100) 상에 PDMS를 코팅하여 필름을 형성한 후, 필름을 베어 웨이퍼로부터 분리하는 것에 의해서 초발수성 필름(200)을 제조하는 구성이 개념적으로 도시된다.
특히 PDMS를 코팅하여 필름을 형성한 후, 필름을 베어 웨이퍼로부터 분리하는 것을 반복적으로 수행하여 반복적으로 초발수성 필름을 제조하는 것이 가능하다. 즉 기판(100)을 몰드(mold)로 사용하여 PDMS 초발수성 필름을 반복적으로 제조할 수 있다.
따라서 포토리소그라피 기술을 사용하는 종래의 경우에 비해서 마스크를 사용하지 않고 또한 희생층을 제거하거나 포토레지스트를 제거하는 구성을 사용하지 않으므로 종래 기술에 비해서 간단하면서도 반복적으로 초발수성 필름을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 RIE 에칭을 이용하여 마이크로/나노 구조의 피라미드 표면을 형성하고 SAM을 이용하여 초발수성 필름을 용이하게 분리하는 것에 의해서 마스크 및 희생층을 사용하지 않고서도 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 따라서 종래 기술에 비해서 간단하고 저렴한 비용으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다. 또한 피라미드 표면을 이용하여 반복적으로 초발수성 필름을 제조할 수 있다.
100: 기판 200: 초발수성 필름

Claims (10)

  1. (a) 기판의 표면에 피라미드 구조를 형성하는 단계;
    (b) 상기 피라미드 구조의 표면에 SAM(self assembled monolayer)을 코팅하는 단계;
    (c) 상기 피라미드 구조의 표면에 폴리머를 코팅하는 단계; 및
    (d) 상기 폴리머를 상기 기판으로부터 분리하는 단계;
    를 포함하는 초발수성 필름 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는, (a-1) 상기 기판의 표면을 RIE(reative ion etching) 처리하는 단계;
    를 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 RIE 처리는 메탈 메시를 통하여 플라즈마를 상기 기판의 표면에 인가하는 처리인 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마는 O2가 추가된 SF6 플라즈마인 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는, (a-2) 식각 용액을 사용하여 상기 기판의 표면을 에칭하는 단계;
    를 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 식각 용액은 KOH를 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 상기 기판을 발수성 용액에 침지하는 단계;
    를 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발수성 용액은 톨루엔을 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는, 상기 피라미드 구조의 표면에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 코팅하는 단계;
    를 더 포함하는 초발수성 필름 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것인 초발수성 필름 제조 방법.
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