KR20150117331A - 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판 - Google Patents

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Abstract

입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판이 개시된다. 본 발명의 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은, (a) 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 제1 입자를 코팅하여 1차 코팅막을 형성하는 단계; (b) 마스크 패턴이 형성된 마스크를 대고 상기 밀착성 고분자 기판을 향해 빛 또는 활성기체를 조사하여 상기 밀착성 고분자 기판 표면의 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부의 부착력을 변화시키는 단계; 및 (c) 상기 밀착성 고분자 기판상 상기 노광부와 빛 또는 활성기체가 조사되지 않은 비노광부의 부착력 차이에 따른 상기 복수의 제1 입자 간의 함침 정도 차이와, 상기 제1 입자를 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 제거하기 위한 입자 제거 부재를 이용하여 상기 복수의 제1 입자 중 일부를 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 용매 또는 부착 보조제를 사용하지 않고 건조 상태의 입자들을 밀착성 고분자 기판 위에서 압력을 가하는 간단한 과정을 통해 코팅막을 형성할 수 있게 된다.

Description

입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판 {Coating method using particle alignment and particle coated substrate manufactured by the same}
본 발명은 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 입자 정렬을 이용하여 높은 밀도로 복수의 미세 입자를 단층 수준으로 코팅할 수 있는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판에 관한 것이다.
나노미터 수준 또는 마이크로미터 수준의 미세 입자를 기재 위에 정렬하여 코팅하는 기술이 다양한 분야에서 요구되고 있다. 일례로, 이러한 코팅 기술은 기억 소자, 선형 및 비선형 광학 소자, 광전기 소자, 포토 마스크, 증착 마스크, 화학적 센서, 생화학적 센서, 의학적 분자 검출용 센서, 염료 감응 태양 전지, 박막 태양 전지, 세포 배양, 임플란트 표면 등에 적용될 수 있다.
미세 입자를 기재 위에서 정렬하여 코팅하는 기술로는 랭뮤어-블로드젯(Langmuir-Blodgett, LB) 방법(이하 "LB 방법")이 잘 알려져 있다. LB 방법에서는 용매 내에 미세 입자를 분산시킨 용액을 수면 위에 띄운 후에 물리적인 방법으로 압축하여 박막을 형성한다. 이러한 LB 방법을 이용한 기술은 국내공개특허 제10-2006-2146호 등에 개시되어 있다.
그런데 LB 방법에서는 용매 내에서 입자들이 자기 조립될 수 있도록 온도, 습도 등을 정밀하게 조절하여야 한다. 또한 기재 위에서 입자들의 표면 특성(예를 들어, 소수성, 전하 특성, 표면 거칠기) 등에 의하여 입자 이동에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 입자가 서로 뭉쳐서 기판 위에 고르게 도포되지 않을 수 있다. 즉, 입자가 도포되지 않은 영역이 많을 수 있고, 뭉쳐진 입자가 서로 만나는 곳에서는 결정립계(grain boundary)가 형성되어 많은 결함이 위치할 수 있다.
본 발명은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 방법에 의하여 입자를 기판 위에 고르게 도포할 수 있는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 입자 코팅 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 방법에 의하여 복수의 입자가 일정한 패턴으로 정렬된 코팅막을 형성할 수 있는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 입자 코팅 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 방법에 의하여 이종의 입자들이 각각 일정한 패턴으로 정렬된 코팅막을 형성할 수 있는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 입자 코팅 기판을 제공하는 것이다.
상기 목적은, (a) 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 제1 입자를 코팅하여 1차 코팅막을 형성하는 단계; (b) 마스크 패턴이 형성된 마스크를 대고 상기 밀착성 고분자 기판을 향해 빛 또는 활성기체를 조사하여 상기 밀착성 고분자 기판 표면의 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부의 부착력을 변화시키는 단계; 및 (c) 상기 밀착성 고분자 기판의 빛 또는 활성기체가 조사된 부분과 조사되지 않은 부분의 부착력 차이를 이용하여 상기 1차 코팅막을 형성하는 상기 복수의 제 1 입자에서 비노광부 또는 노광부에 배치된 제 1 입자들을 입자의 함침정도 및 입자 제거부재의 부착력 정도를 이용해 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 선택적으로 제거하는 단계;를 포함하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에 의해 달성된다.
상기 목적은, (a) 마스크 패턴이 형성된 마스크를 대고 밀착성 고분자 기판을 향해 빛 또는 활성 기체를 조사하여 상기 밀착성 고분자 기판의 표면을 부분적으로 노광 또는 노출함으로써, 상기 밀착성 고분자 기판 표면의 빛 또는 활성기체가 조사된 영역의 부착력을 변화시키는 단계; (b) 상기 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 제1 입자를 코팅하여 1차 코팅막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 밀착성 고분자 기판의 빛 또는 활성기체가 조사된 부분과 조사되지 않은 부분의 부착력 차이를 이용하여 상기 1차 코팅막을 형성하는 상기 복수의 제 1 입자에서 비노광부 또는 노광부에 배치된 제 1 입자들을 입자의 함침정도 및 입자 제거부재의 부착력 정도를 이용해 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 선택적으로 제거하는 단계;를 포함하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에 의해 달성된다.
상기 목적은, 표면에 빛 또는 활성기체를 조사받아 부착력이 증가한 노광부 영역과, 표면에 빛 또는 활성기체가 조사되지 않아 상기 노광부 영역에 비해 상대적으로 작은 부착력을 갖는 비노광부 영역을 포함하는 밀착성 고분자 기판; 상기 노광부 영역에 표면이 함몰되게 형성된 복수의 제1 오목부; 및 상기 복수의 제1 오목부 내에 각각 정렬되게 배치된 복수의 제1 입자로 이루어지는 1차 코팅막을 포함하여 이루어지는 입자 코팅 기판에 의해 달성된다.
본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에서는 용매 또는 부착 보조제를 사용하지 않고 건조 상태의 입자들을 밀착성 고분자 기판 위에서 압력을 가하는 과정을 통해 코팅막을 형성한다. 이 과정에서, 밀착성 고분자 기판에 입자가 접촉하면, 유연성을 지닌 밀착성 고분자 기판의 표면이 표면 장력의 영향으로 입자의 일부를 감싸는 형태로 변형이 된다. 이에 따라 밀착성 고분자 기판의 표면 상에서 입자에 대응하는 오목부가 형성되어 결합 특성이 향상된다. 밀착성 고분자 기판 표면의 형태 변형의 가역적인 특성은 기판 상에 접촉된 입자들의 이차원적인 움직임을 용이하게 하여 입자의 분포가 쉽게 재배열될 수 있도록 한다.
이러한 형태 변형을 통한 입자 밀착성의 향상은 입자 표면 특성 및 고분자 기판의 종류에 따른 의존성을 낮추어 다양한 표면 특성의 입자를 단층으로 코팅할 수 있도록 한다. 따라서 종래와 같이 코팅막 형성 시, 자기조립 및 스핀코팅 시에 요구되는 세밀한 온도, 습도, 입자농도 등의 환경 조절이 필요하지 않으며, 폭 넓은 환경 및 조건에서 다양한 표면 특성을 지닌 입자들을 용이하게 코팅할 수 있다. 입자가 전하성을 띄거나 수소결합이 용이한 물질인 경우뿐만 아니라, 비전하성 및 소수성인 물질인 경우에도 높은 밀도로 균일하게 단층 입자 코팅이 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 단순한 방법에 의하여 밀착성 고분자 기판 위에 입자들이 고르게 분포되어 높은 밀도를 가지는 단층 수준의 코팅막을 손쉽게 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 마스크를 이용하여 밀착성 고분자 기판 위에 부분적으로 빛 또는 활성기체를 조사하여 빛 또는 활성기체가 조사된 영역의 부착력을 변화시키고, 상대적으로 부착력이 약한 비노광부에 위치하는 입자를 제거함으로써, 다양한 패턴의 코팅막을 손쉽게 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 마스크를 이용하여 밀착성 고분자 기판을 노광함으로써 밀착성 고분자 기판의 부착력을 부분적으로 변화시키는 단계와, 밀착성 고분자 기판의 노광되지 않은 부분에 위치하는 입자를 부분적으로 제거하는 단계와, 새로운 입자를 코팅하는 단계 등을 반복적으로 수행함으로써, 밀착성 고분자 기판 위에 여러 종류의 입자가 각각 특정한 패턴으로 정렬된 다양한 코팅막을 손쉽게 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 단계별로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 이용하여 전사 기판에 코팅막을 형성한 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에서 부착성 고분자 기판 위에 2차 코팅막을 형성하는 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 단계별로 나타낸 것이다.
도 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f는 본 발명의 실험예 1에서 기판 위에 평균 입경이 300nm, 750nm인 SiO2로 이루어진 코팅막의 전자 현미경 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실험예 2에서 기판 위에 평균 입경이 750nm인 SiO2로 이루어진 코팅막의 전자 현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실험예 3에서 기판 위에 평균 입경이 120nm인 SiO2로 이루어진 코팅막의 전자 현미경 사진이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실험예 4에서 기판 위에 평균 입경이 120nm인 SiO2로 이루어진 코팅막의 전자 현미경 사진이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실험예 5에서 밀착성 고분자 기판에 입자 코팅시 온도 조절 및 빛 또는 활성기체의 조사 시간 조절을 통해 입자의 부착력 정도가 조절되는 것을 나타내는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실험예 6에서 기판 위에 평균 입경이 750nm, 300nm인 SiO2로 이루어진 코팅막의 전자 현미경 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법 및 이에 의해 제조된 입자 코팅 기판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 단계별로 나타낸 것으로, 도 1a 내지 도 1j를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 매끈한 표면(smooth surface)을 갖는 밀착성 고분자 기판(10)을 준비한다. 밀착성 고분자 기판(10)의 표면은 특정한 패턴이나 굴곡이 형성되지 않은 상태를 가질 수 있으며, 이 위에서 코팅막(22;도 1c 참조)(25;도 1h 참조)을 형성하는 입자(20;도 1c 참조)(24;도 1h 참조)의 이동을 제한하지 않는 수준의 표면 거칠기 및 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에서 밀착성 고분자 기판(10)은 밀착성이 존재하는 다양한 밀착성 고분자 물질을 포함한다. 밀착성 고분자는 일반적으로 통용되는 점착성을 갖지 않으므로 점착제와는 구별된다. 적어도 밀착성 고분자는 '스카치 매직TM 테이프'의 (ASTM D 3330 평가) 점착제가 갖는 점착력 약 0.6 kg/inch 보다 낮은 수치의 부착력을 갖는다. 또한 밀착성 고분자는 별도의 지지체 없이도 상온에서 고체상태(기판 또는 필름 등)의 형상을 유지할 수 있다.
이러한 밀착성 고분자 물질로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 기반 고분자 물질이나, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC) 등을 포함하는 랩, 밀착 또는 밀봉을 목적으로 하는 고분자 물질을 포함하는 보호 필름 등이 사용될 수 있다. 여기서, 밀착성 고분자 기판(10)은 베이스 기재에 밀착성 고분자 물질을 코팅하여 제조되거나, 시트 또는 필름 형태의 밀착성 고분자 물질이 부착되어 제조 가능하다.
여기에서, 밀착성 고분자 물질은 일반적으로 고체 상태의 실리콘을 포함하거나, 가소제 첨가 또는 표면 처리를 통해 부착 특성이 부여된 유기 고분자 물질을 지칭하는 것이다. 여기에서, 밀착성 고분자 물질은 일반적으로 선형 분자구조에 의하여 형태의 변형이 용이하며 낮은 표면 장력을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 밀착성 고분자 물질의 우수한 밀착성은 미세 영역에서의 표면 변형이 용이한 부드러운(유연성) 표면 재질과 낮은 표면 장력 등에 기인한다. 밀착성 고분자 물질의 낮은 표면 장력은 부착하고자 하는 입자(20,24)에 넓게 활착하려는 특성을 가져오며(용액의 젖음 현상과 유사), 유연성을 지닌 표면은 부착하고자 하는 입자(20,24)와 빈틈 없는 접촉이 이루어지도록 한다. 이를 통해 상보적인 결합력 없이 가역적으로 고체 표면에 탈부착이 용이한 밀착성 폴리머의 특성을 지니게 된다.
대표적인 밀착성 고분자 물질인 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 20 ~ 23 dynes/cm 정도로, 가장 낮은 표면 장력 물질로 알려진 Teflon(18dynes/cm)에 근접한다. 그리고 PDMS와 같은 실리콘 기반 고분자 물질의 표면 장력은 대부분의 유기 폴리머(35 ~ 50 dynes/cm), 천연재료인 면(綿, 73 dynes/cm), 금속(일례로, 은(Ag, 890 dynes/cm)), 알루미늄(Al, 500 dynes/cm), 무기 산화물(일례로, 유리(1000 dynes/cm)), 철 산화물(1357 dynes/cm)의 표면 장력보다 상대적으로 낮은 값을 갖는다. 또한 PE, PVC 등을 포함하는 랩과 같은 경우에도 밀착성 향상을 위해 다량의 가소제가 첨가되어 낮은 표면 장력을 지니게 된다.
본 실시예에서, 밀착성 고분자 기판(10)의 부착력은 추가적인 빛 또는 활성기체를 통해 이루어지는 화학적인 결합을 이용하여 제어 가능하다. 부연하자면, 밀착성 고분자 기판(10)에 빛이 조사되는 지의 여부 또는 활성기체가 공급되는 지의 여부에 따라 부착력이 제어 가능하다. 특히, 밀착성 고분자 기판(10)은 그 재질이 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 실리콘 기반 고분자 물질로 이루어지는 경우, 전술한 바와 같은 빛 또는 활성기체에 의한 부착력 제어가 더욱 용이해진다.
그러나, 이에 한정되지 않으며, 광 감응성 기능기를 밀착성 고분자 물질에 도입하거나 광 감응성 재료를 밀착성 고분자 물질과 혼합하여 밀착성 고분자 기판(10)의 부착력을 제어하는 것도 가능하다. 이하에서는, 밀착성 고분자 기판(10)의 부착력이 빛 또는 활성기체에 의해 제어되는 경우를 기준으로 설명한다.
계속해서, 앞서 설명한 것과 같이 밀착성 고분자 기판(10)을 준비한 후, 도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 복수의 제 1 입자(20)를 정렬하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 1차 코팅막(22)을 형성한다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1b에 도시한 바와 같이, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 건조된 복수의 제 1 입자(20)를 올린다. 본 실시예와 달리 용액 상에 분산되어 있는 입자는 밀착성 고분자 표면과 직접적인 접촉이 이루어지기 어려워서 코팅이 잘 이루어 지지 않는다. 따라서 사용하는 입자의 질량보다 적은 미량의 용액이나 휘발성 용매를 이용한 경우에만 코팅 작업 중 입자가 건조되어 코팅 작업이 가능할 수 있다.
본 실시예에서 제 1 입자(20)는 1차 코팅막(22)을 형성하기 위한 다양한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 입자(20)는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체, 생체 물질 등을 포함할 수 있다. 또한 서로 다른 성질을 갖는 입자들이 혼합된 것이 제 1 입자(20)로 이용될 수 있으며 제2 입자 또한 마찬가지로 적용 가능하다.
제 1 입자(20)로 이용될 수 있는 고분자로는 폴리스티렌 (PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리바이닐클로라이드 (PVC), 폴리알파스티렌, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리페닐메타클릴레이트, 폴리다이페닐메타크릴레이트, 폴리사이클로헥실메타클릴레이트, 스틸렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스틸렌-메틸메타크릴레이트 공중합체 등이 있다.
제 1 입자(20)로 이용될 수 있는 무기물로는, 실리콘 산화물(일례로, SiO2), 인산은(일례로, Ag3PO4), 티타늄 산화물(일례로, TiO2), 철 산화물 (일례로, Fe2O3), 아연 산화물, 세륨 산화물, 주석 산화물, 탈륨 산화물, 바륨 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 구리산화물, 니켈 산화물 등이 있다.
제 1 입자(20)로 이용될 수 있는 금속으로는, 금, 은, 동, 철, 백금, 알루미늄, 백금, 아연, 세륨, 탈륨, 바륨, 이트륨, 지르코늄, 주석, 티타늄, 또는 이들의 합금 등이 있다.
제 1 입자(20)로 이용될 수 있는 반도체로는, 실리콘, 게르마늄, 또는 화합물 반도체(일례로, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb 등) 등이 있다.
제 1 입자(20)로 이용될 수 있는 생체 물질로는, 단백질, 펩티드, 리보핵산(RNA), 데옥시리보핵산(DNA), 다당류, 올리고당, 지질, 세포 및 이들의 복합체 물질들의 입자 또는 표면에 코팅된 입자, 내부에 포함한 입자 등이 있다. 일례로, protein A라는 항체 결합 단백질이 코팅된 폴리머 입자가 제 1 입자(20)로 사용될 수 있다.
제 1 입자(20)는 대칭 형상, 비대칭 형상, 무정형, 다공성의 형상을 가질 수 있다. 일례로, 제 1 입자(20)는 구형, 타원형, 반구형, 큐브형, 사면체, 오면체, 육면체, 팔면체, 기둥형, 뿔형 등을 가질 수 있다. 이 중에서 제 1 입자(20)의 형태로는 구형 또는 타원형이 다른 형태에 비해 바람직하다.
이러한 제 1 입자(20)는 평균 입경이 10nm 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 평균 입경이 10nm 미만일 경우에는, 코팅 시 밀착성 고분자 기판(10)에 의하여 전체적으로 감싸지는 형태가 될 수 있어 제 1 입자(20)를 단층 수준으로 코팅하는 것이 어려워질 수 있다. 또한 제 1 입자(20)의 평균 입경이 10nm미만인 경우에는 건조 상태에서도 입자들이 서로 응집할 수 있어, 문지르는 힘만으로는 입자가 개별적으로 이동하는 것이 어려울 수 있다. 제 1 입자(20)의 평균 입경이 100㎛를 초과하는 경우에는 입자의 부착이 약하게 나타날 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제 1 입자(20)의 평균 입경은 제 1 입자(20)를 구성하는 물질이나, 밀착성 고분자 기판(10)을 구성하는 물질 등에 따라 달라질 수 있다. 여기에서, 제 1 입자(20)가 구형인 경우에는 제 1 입자(20)의 지름이 입경으로 사용될 수 있다. 반면, 제 1 입자(20)가 구형이 아닐 경우에는 다양한 계측법이 사용될 수 있는데, 일례로, 장축과 단축의 평균값을 입경으로 사용할 수 있다.
계속해서, 도 1c에 도시한 바와 같이, 복수의 제 1 입자(20) 위에서 압력을 가하여 1차 코팅막(22)을 형성한다. 제 1 입자(20)에 압력을 가하는 방법으로는 라텍스, 스폰지, 손, 고무판, 플라스틱 판, 부드러운 표면을 가지는 재료 등을 이용하여 문지르는(rubbing) 방법이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 제 1 입자(20)에 압력을 가할 수 있다.
본 실시예에서 밀착성 고분자 기판(10)의 표면 위에 제 1 입자들(20)을 올린 후에 압력을 가하면 압력이 가해진 부분의 제 1 입자들(20)이 밀착성 고분자 기판(10)의 변형을 통해 부착된다. 이에 의하여 해당 부분에 제 1 입자들(20)에 각기 대응하는 복수의 제 1 오목부(12)가 형성된다. 따라서 제 1 오목부(12)에 제 1 입자(20)가 감싸인 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 제 1 입자들(20)이 정렬된다.
제 1 오목부(12)는 제1 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10) 간 상호작용에 의해 형성되는 것으로 가역적이다. 즉, 소멸될 수도 있으며, 위치가 이동될 수 있다. 일례로, 문지르는 과정에서 입자가 이동하게 되면 밀착성 고분자 기판(10)의 탄성 복원력에 의해 제 1 오목부(12)가 사라지거나, 제 1 입자(20)의 이동에 따라 제 1 오목부(12)도 위치가 변경될 수 있다. 이러한 가역적 작용에 의해 제 1 입자(20)가 고르게 정렬될 수 있다(여기서 "가역적"이란 말은 코팅 시 밀착성 고분자 기판 표면의 유연성 및 탄성 복원력에 의해 발생하는 특성이므로, 밀착성 고분자 기판의 복원력이 시간이 지남에 따라 약해지거나 소멸되는 경우도 포함되는 넓은 의미이다).
밀착성 고분자 기판(10)과의 결합이 이루어지지 않은 제 1 입자들(20)은 문지르는 힘 등에 의하여 밀착성 고분자 기판(10)의 제 1 입자(20)가 코팅되지 않은 영역으로 이동하게 되고, 코팅되지 않은 부분에 전술한 바와 같이 제 1 입자(20)에 의해 제 1 오목부(12)가 형성된다. 그리고 새로 형성된 제 1 오목부(12)에 제 1 입자(20)가 감싸인 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)과 제 1 입자(20)의 결합이 이루어진다. 이러한 과정을 거쳐 밀착성 고분자 기판(10)에 높은 밀도로 단층 수준의 1차 코팅막(22)이 형성된다.
여기에서, 제 1 오목부(12)는 제 1 입자(20)의 일부를 감싸도록 제 1 입자(20)의 외곽 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 입자(20)가 구형인 경우에는 제 1 오목부(12)도 구면(球面) 형상을 가져 제 1 오목부(12)에 제 1 입자(20)의 일부분이 밀착될 수 있다. 그리고 제 1 오목부(12)의 깊이(L1)는 밀착성 고분자 기판(10)의 경도, 제 1 입자(20)의 형태, 경도, 환경 요인(일례로, 온도) 등에 따라 달라질 수 있다. 즉, 밀착성 고분자 기판(10)의 경도가 커질수록 제 1 오목부(12)의 깊이(L1)가 작아지고, 온도가 증가할수록 제 1 오목부(12)의 깊이(L1)가 커질 수 있다.
제1 입자(20)의 평균 입경(D)에 대한 제 1 오목부(12)의 깊이(L1)의 비율(침하율)(L1/D)은 0.02 ~ 0.98인 것이 바람직하다. 상기 비율(L1/D)이 0.02 미만인 경우에는 제 1 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력이 충분하지 않을 수 있고, 0.98을 초과하는 경우에는 제 1 입자들(20)이 단층 수준으로 코팅되기 어려울 수 있다. 결합력 및 코팅 특성 등을 좀더 고려하면, 상기 비율(L1/D)은 0.05 ~ 0.6인 것이 바람직하고, 0.08 ~ 0.4인 것이 더욱 바람직하다.
본 실시예에서와 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 탄성 변형에 의하여 생긴 제 1 오목부(12)에 의하여 각각의 제 1 입자(20)의 일부분이 감싸지게 되면, 제 1 입자(20)와 밀착성 고분자 기판(10)의 결합력이 보다 증대될 수 있다. 그리고 밀착성 고분자 기판(10)에 결합된 제 1 입자들(20)도 주변의 코팅되지 않은 부분으로 이동이 가능하여 새로운 제 1 입자(20)가 밀착성 고분자 기판(10)의 표면의 빈 제 1 오목부(12)에 부분적으로 수용될 수 있다. 이러한 재배열 특성에 따라 1차 코팅막(22)이 높은 밀도로 단층 수준으로 코팅될 수 있다. 일례로, 제 1 입자들(20)은 각각의 중심이 육각형의 형상을 이루도록 배치될 수 있다.
한편, 제 1 입자(20)가 비구형일 경우(예를 들어, Ag3PO4)에는 다양한 방법에 의하여 단층 수준인지 여부를 판별할 수 있다. 일례로, 제 1 입자들(20) 중 상위 10% 입자들(즉, 입경이 10% 이내로 큰 입자들)의 평균 입경에 대한 1차 코팅막(22) 두께의 평균값의 비율이 1.9 이하일 경우를 단층 수준으로 코팅된 것을 볼 수 있다.
계속해서, 밀착성 고분자 기판(10)에 1차 코팅막(22)을 형성한 후, 도 1d에 도시된 것과 같이, 마스크 패턴(31)이 형성된 마스크(30)를 대고 빛 또는 활성기체를 조사하여 밀착성 고분자 기판(10) 표면의 1차 코팅막(22)이 형성된 영역을 부분적으로 노광 또는 기체에 노출시킨다. 밀착성 고분자 기판(10)의 표면은 복수의 제 1 입자(20)로 이루어진 1차 코팅막(22)으로 덮여있지만, 일 예로 조사되는 빛은 복수의 제 1 입자(20) 사이사이의 틈새를 통해 밀착성 고분자 기판(10)에 도달하여 밀착성 고분자 기판(10)을 노광시킬 수 있다. 그리고 제 1 입자(20)가 빛 또는 활성기체가 투과할 수 있는 물질로 이루어지는 경우에는, 조사되는 빛 또는 활성기체가 제 1 입자(20)를 투과하여 밀착성 고분자 기판(10)에 도달할 수 있다.
본 실시예에서, 일 예로 밀착성 고분자 기판(10)이 PDMS 재질로 이루어진 경우 전술한 빛은 구체적으로 자외선으로 적용 가능하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 밀착성 고분자 기판(10)의 재질에 따라 가시광선 또는 적외선으로도 적용 가능함은 물론이다.
이와 같이, 마스크(30)를 밀착성 고분자 기판(10) 위에 배치한 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 빛 또는 활성기체를 조사하면, 도 1e에 도시된 것과 같이, 밀착성 고분자 기판(10) 표면의 빛 또는 활성기체를 조사받은 노광부(14)의 부착력은 빛 또는 활성기체를 조사받지 못한 비노광부(15)의 부착력보다 커진다. 이는 상기 빛 또는 활성기체의 조사에 의해 가교, 광이량화 등의 반응으로 분자량이 크게 증가하면서 용해성이 떨어지고 열적 특성, 내화학성이 현저하게 좋아지기 때문이다. 또한 빛 또는 활성기체의 조사에 의해 PDMS의 경도가 변화되거나 입자표면의 작용기들과 결합이 이루어지게 된다. 따라서 노광부(14)에 위치한 제 1 입자(20)는 비노광부(15)에 위치한 제 1 입자(20)에 비해 강한 결합력으로 밀착성 고분자 기판(10)에 부착된 상태를 유지할 수 있다.
계속해서, 도 1f에 도시된 것과 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)의 부착력보다 크고 노광부(14)의 부착력보다 작은 부착력을 갖는 입자 제거부재(35)를 1차 코팅막(22) 위에 접촉시켰다 떼어낸다. 이때, 도 1g에 도시된 것과 같이, 1차 코팅막(22)을 형성하는 복수의 제 1 입자(20) 중에서 비노광부(15)에 배치된 제 1 입자들(20)은 입자 제거부재(35)에 부착되어 밀착성 고분자 기판(10)으로부터 제거된다. 입자 제거부재(35)로는 일면에 밀착성 및 상대적인 부착력의 차이를 가지는 폴리메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)등의 고분자 물질 및 접착력의 차이를 가지는 스카치 테이프TM와 같은 다양한 종류의 것이 이용될 수 있다. 일 예로, 입자 제거부재(35)는 제거된 입자를 활용하기 위해서 경도가 낮은 2 ~ 7% PDMS 접착 테이프로 적용 가능하다.
이와 같이, 입자 제거부재(35)를 이용하여 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)에 위치하는 제 1 입자들(20)을 제거하면, 밀착성 고분자 기판(10)에는 노광부(14)에 위치하는 제 1 입자들(20)만 남게 되어 일정 패턴의 1차 코팅막(22)이 형성된 입자 코팅 기판(40)을 만들 수 있다.
그리고 상술한 것과 같은 일정 패턴으로 형성된 1차 코팅막(22)은 밀착성 고분자 기판(10)에 결합한 상태로 사용될 수도 있고, 다른 기판 등에 전사되어 사용될 수도 있다. 도시되지는 않았으나, 밀착성 고분자 기판(10)의 노광부(14)의 부착력보다 큰 부착력을 갖는 전사 기판을 1차 코팅막(22)에 접촉시켰다 떼어내면 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅된 1차 코팅막(22)을 새로운 전사 기판에 그대로 전사할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 상술한 것과 같은 단계(도 1a ~ 도 1g)를 통해 일정 패턴의 1차 코팅막(22)을 갖는 입자 코팅 기판(40)을 만들 수 있다. 그리고 이러한 단계 이후에 다양한 후속 단계를 추가로 수행함으로써 또 다른 패턴의 코팅막을 형성할 수도 있다.
즉, 도 1h에 도시된 것과 같이, 복수의 제 1 입자(20)가 코팅된 밀착성 고분자 기판(10)의 표면에 제 1 입자(20)와 다른 제 2 입자(24)를 코팅하여 2종의 입자(20,24)가 각각 일정 패턴으로 정렬된 새로운 코팅막을 형성할 수도 있다. 복수의 제 2 입자(24)를 코팅하는 방법은, 앞서 설명한 복수의 제 1 입자(20)를 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅하는 방법과 같은 것으로, 그 구체적인 방법은 다음과 같다.
먼저, 1차 코팅막(22)이 형성된 밀착성 고분자 기판(10) 위에 건조된 복수의 제 2 입자(24)를 올린다. 제 2 입자(24)로는 고분자, 무기물, 금속, 자성체, 반도체, 생체 물질 등이 이용될 수 있으며, 이들 각각의 구체적인 종류는 상술한 것과 같다. 그리고 복수의 제 2 입자(24) 위에서 압력을 가하여 제 2 입자(24)를 제 1 입자(20)가 배치되지 않은 비노광부(15)에 코팅한다. 제 2 입자(24)에 압력을 가하는 방법은 앞서 설명한 것과 같이 제 1 입자(20)를 코팅할 때 사용하는 방법과 같은 것으로, 라텍스, 스폰지, 손, 고무판, 플라스틱 판, 부드러운 표면을 가지는 재료 등을 이용하여 문지르는 방법이 이용될 수 있다. 복수의 제 2 입자(24)가 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅되는 메커니즘은 앞서 설명한 제 1 입자(20)가 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅되는 원리와 같다.
즉, 밀착성 고분자 기판(10)의 위에 제 2 입자들(24)을 올린 후에 압력을 가하면 압력이 가해진 부분의 제 2 입자들(24)이 밀착성 고분자 기판(10)의 변형을 통해 부착되며, 밀착성 고분자 기판(10)의 해당 부분에 제 2 입자들(24)에 각기 대응하는 복수의 제 2 오목부(17)가 형성된다. 따라서 제 2 오목부(17)에 제 2 입자(24)가 감싸인 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)에 제 2 입자들(24)이 정렬되면서, 비노광부(15)에 복수의 제 2 입자(24)로 이루어진 2차 코팅막(25)이 형성된다. 물론, 제 1 입자(20)가 빠져나간 빈 제 1 오목부(12)에 제 2 입자(24)가 부분적으로 수용되면서 제 2 입자(24)가 밀착성 고분자 기판(10)에 정렬 및 코팅될 수도 있다. 한편, 제2 입자(24)의 평균 입경(D)에 대한 제2 오목부(17)의 깊이의 비율(침하율)은 마찬가지로 0.02 ~ 0.98인 것이 바람직하다.
이렇게 밀착성 고분자 기판(10) 위에 형성된 2차 코팅막(25)은 밀착성 고분자 기판(10)에 결합한 상태 그대로 사용될 수도 있고, 다른 기판 등에 전사되어 사용될 수도 있다. 즉, 도 1i에 도시된 것과 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)의 부착력보다는 크고 노광부(14)의 부착력보다는 작은 부착력을 갖는 다른 전사 기판(42)을 2차 코팅막(25) 위에 접촉시켰다 떼어내면, 도 1j에 도시된 것과 같이 2차 코팅막(25)을 전사 기판(42)으로 전사할 수 있다.
이 경우, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 1차 코팅막(22)이 형성된 입자 코팅 기판(40)을 2차 코팅막(25)을 형성하는 몰드처럼 사용할 수 있다. 즉, 앞서 설명한 것과 같이 2차 코팅막(25)을 다른 전사 기판(42)으로 전사시킨 후, 제 2 입자(24)를 밀착성 고분자 기판(10) 위에 코팅하는 단계와, 제 2 입자(24)로 이루어진 2차 코팅막(25)을 다른 전사 기판(42)으로 전사하는 단계를 반복 수행함으로써, 하나의 입자 코팅 기판(40)으로 복수의 2차 코팅막(25)을 반복적으로 형성할 수 있다.
다른 예로, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 형성된 2차 코팅막(25)은 1차 코팅막(22)과 함께 다른 기판으로 전사되어 사용될 수도 있다. 즉, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 1차 코팅막(22)과 2차 코팅막(25)을 형성한 후에, 밀착성 고분자 기판(10)의 노광부(14)보다 큰 부착력을 갖는 다른 전사 기판(44)을 1차 코팅막(22) 및 2차 코팅막(25) 위에 접촉시켰다 떼어내면, 도 2에 도시된 것과 같이, 1차 코팅막(22)과 2차 코팅막(25)이 특정 패턴으로 조합된 코팅막을 다른 전사 기판(44)으로 전사할 수 있다.
이 밖에, 본 발명의 일실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 앞서 설명한 것과 같은 노광 단계, 부분적인 입자 제거 단계, 새로운 입자 코팅 단계, 전사 단계 등을 반복적으로 수행함으로써, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 여러 종류의 입자가 각각 특정한 패턴으로 정렬된 다양한 코팅막을 형성할 수 있다. 각 입자의 정렬 패턴은 노광 단계에서 이용되는 마스크(30)의 마스크 패턴(31)을 다양화함으로써 다양하게 변화시킬 수 있다.
한편, 도 3은 상술한 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법에 있어서, 제 2 입자(24)를 밀착성 고분자 기판(10)에 코팅하는 다른 실시예를 나타낸 것이다. 본 발명에 있어서, 탄성 변형에 의하여 밀착성 고분자 기판(10)에 오목부가 형성되므로, 오목부에 수용되었던 입자가 제거되면, 도 3의 (a)에 도시된 것과 같이 밀착성 고분자 기판(10)의 표면이 오목부가 소멸되어 매끈한면으로 복귀될 수 있다. 이렇게 제 1 입자(20)가 수용되었던 제 1 오목부(12;도 1g 참조)가 가역적으로 소멸된 상태에서, 복수의 제 2 입자(24)를 밀착성 고분자 기판(10) 위에 올리고 이에 압력을 가해 비노광부(15)에 제 2 입자(24)에 대응하는 제 2 오목부(17)를 형성하면서 제 2 입자(24)를 코팅할 수도 있다.
물론, 1차 코팅막(22)이 형성된 후 오랜 시간이 지난 후에 제 1 입자(20)가 제 1 오목부(12)에서 제거된 경우에는, 앞서 설명한 것과 같이, 제 1 오목부(12) 또는 제 1 오목부(12)의 흔적이 밀착성 고분자 기판(10)의 표면에 남아있을 수도 있다. 이 경우, 새로 코팅되는 제 2 입자(24)는 제 1 오목부(12)에 부분적으로 감싸지거나, 제 1 오목부(12)에 대응하는 위치에서 밀착성 고분자 기판(10)을 파고들어 밀착성 고분자 기판(10)에 부착될 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 용매를 사용하지 않고 건조 상태의 입자들(20,24)이 밀착성 고분자 기판(10) 위에 직접 접촉하도록 한 상태에서 압력을 가하여 코팅막(22,25)을 형성한다. 이에 따라 종래에 비해 코팅막 형성 시, 용매 내에서의 입자들의 자기 조립이 요구되지 않으므로 온도, 습도 등을 정밀하게 조절하지 않아도 되며 입자들의 표면 특성에 큰 영향을 받지 않는다. 즉, 입자가 전하성 물질인 경우뿐만 아니라, 비전하성(즉, 전하적으로 중성에 가까운) 물질인 경우에도 높은 밀도로 균일하게 코팅이 이루어질 수 있다. 또한 친수성 입자뿐만 아니라, 소수성 입자도 균일하게 코팅이 가능하다. 이와 같이 본 발명에 따르면 단순한 방법에 의하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 입자들(20,24)을 고르게 분포시켜 높은 밀도를 가지는 단층 수준의 코팅막(22,25)을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 마스크(30)를 이용하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 부분적으로 빛 또는 활성기체를 조사하여 빛 또는 활성기체가 조사된 영역(14)의 부착력을 변화시키고, 상대적으로 부착력이 약한 비노광부(15)에 위치하는 입자(20)를 제거함으로써, 다양한 패턴의 코팅막을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법은 마스크(30)를 이용하여 밀착성 고분자 기판(10)을 노광함으로써 밀착성 고분자 기판(10)의 부착력을 부분적으로 변화시키는 단계와, 밀착성 고분자 기판(10)의 노광되지 않은 부분에 위치하는 입자(20)를 부분적으로 제거하는 단계와, 새로운 입자(24)를 코팅하는 단계 등을 반복적으로 수행함으로써, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 여러 종류의 입자가 각각 특정한 패턴으로 정렬된 다양한 코팅막을 형성할 수 있다.
한편, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 단계별로 나타낸 것이다. 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 입자 정렬을 이용한 코팅 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 매끈한 표면을 갖는 밀착성 고분자 기판(10)을 준비하고, 마스크 패턴(51)이 형성된 마스크(50)를 대고 빛 또는 활성기체를 조사하여 밀착성 고분자 기판(10)의 표면을 부분적으로 노광시킨다. 밀착성 고분자 기판(10)은 상술한 것과 같다.
이와 같이, 마스크(50)를 밀착성 고분자 기판(10) 위에 배치한 상태에서 밀착성 고분자 기판(10)에 빛 또는 활성기체를 조사하면, 도 4b에 도시된 것과 같이, 밀착성 고분자 기판(10) 표면의 빛 또는 활성기체를 조사받은 노광부(14)의 부착력이 빛 또는 활성기체를 조사받지 못한 비노광부(15)의 부착력보다 커진다. 이렇게 밀착성 고분자 기판(10)에 빛 또는 활성기체를 조사하여 노광부(14)를 형성한 후, 도 4c에 도시된 것과 같이, 복수의 입자(20)를 정렬하여 밀착성 고분자 기판(10) 위에 코팅막(22)을 형성한다.
여기에서, 입자(20)의 종류나 복수의 입자(20)로 코팅막(22)을 형성하는 구체적인 방법을 상술한 것과 같다. 다만, 본 실시예에서 복수의 입자(20)를 노광부(14)가 형성된 밀착성 고분자 기판(10) 위에 올리고 이에 압력을 가하여 밀착성 고분자 기판(10)에 부착시킬 때, 노광부(14)에 위치하는 입자(20)의 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력은 비노광부(15)에 위치하는 입자(20)의 밀착성 고분자 기판(10)과의 결합력보다 커서, 노광부(14)에 위치하는 입자(20)가 비노광부(15)에 위치하는 입자(20)에 비해 밀착성 고분자 기판(10)에 더 단단히 결합된다.
계속해서, 도 4d에 도시된 것과 같이, 밀착성 고분자 기판(10)의 비노광부(15)의 부착력보다 크고 노광부(14)의 부착력보다 작은 부착력을 갖는 입자 제거부재(35;도 1f 참조)를 이용하여 코팅막(22)을 형성하는 복수의 입자(20) 중에서 비노광부(15)에 배치된 입자들(20)을 제거하면, 노광 패턴에 대응하는 패턴의 코팅막(22)을 형성할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 것과 같은 2차 코팅막 형성, 코팅막 전사 등의 단계(도 1h ~ 도 1j)를 더 수행하면, 밀착성 고분자 기판(10) 위에 여러 종류의 입자가 각각 특정한 패턴으로 정렬된 다양한 코팅막을 형성하거나, 다양한 입자로 이루어지거나 다양한 패턴으로 형성된 코팅막을 다른 기판으로 전사할 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 본 발명을 상세하게 설명하기 위하여 예시한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비하였다.
밀착성 고분자 기판 위에 300nm SiO2 입자를 올려놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성한다. 300nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 300nm SiO2 코팅막을 형성한 후 질소 가스를 불어서 단층 코팅을 위해 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거한다.
도 5a 및 도 5c에는 석영 기판에 Au를 증착시켜 마스크 패턴을 형성한 상태가 도시되어 있다. 이러한 마스크 패턴을 300nm SiO2 코팅막이 형성되어 있는 상기 밀착성 고분자 기판 위에 대고 공기분위기 하에서 185nm의 UV를 조사시킨다.
그 후, 하루 동안 안정화시킨 후, 3M스카치테이프를 접착한 다음 롤러로 압력을 가하고 3M스카치테이프를 제거하여 UV가 조사되지 않은 부착력이 약한 부분(비노광부)만 제거한다. 이때 조사시간에 따라 안정화되는 면적이 달라지며 이는 도 5d의 UV를 10분 조사한 기판과 도 5e의 UV를 20분 조사한 기판의 코팅 면적을 통해 확인할 수 있다.
이후 도 5e의 20분 조건으로 조사한 기판위에 750nm SiO2 입자를 올려 놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 입자가 제거된 부위의 밀착성 고분자 기판의 표면에 750nm SiO2 코팅막을 형성한 후 질소 가스를 불어서 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거하여 300nm와 750nm의 SiO2 입자가 단층으로 코팅되어 있는 기판을 제조하였고, 이의 측정결과를 도 5f에 도시하였다. 도 5f는 상기 기판을 confocal microscope를 통해 측정한 결과이며, 도 5f의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 경우 서로 다른 사이즈(750nm, 300nm)의 입자가 같은 기판에 단층으로 코팅될 수 있으며 코팅부위를 마스크 패턴을 통해 선택적으로 정할 수 있음을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 도 5f에서는 원형 부위에 750nm 사이즈의 입자가 코팅되어 있고, 그 주변부에는 300nm 사이즈의 입자가 코팅되어 있다.
<실험예 2>
실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비하였다.
구멍 패턴이 존재하는 알루미늄 마스크 패턴을 기판 위에 대고 공기분위기 하에서 185nm의 UV를 10분 조사시킨 뒤 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를 개질한 750nm SiO2 입자를 밀착성 고분자 기판 위에 올려놓는다. 이후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를 개질한 750nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 FITC(Fluorescein isothiocyanate)를 개질한 750nm SiO2 입자 코팅막을 형성한 후 단층 코팅을 위해 질소 가스를 불어 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거했다.
그 후 하루 동안 안정화시킨 후 3M스카치테이프를 접착한 다음 롤러로 압력을 가하고 3M스카치테이프를 제거하여 UV가 조사되지 않은 부착력이 약한 부분(비노광부)만 제거한다. 이의 사진을 도 6b에 도시하였다.
이후 기판 위에 750nm SiO2 입자를 올려놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 입자가 제거된 부위의 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성한다. 750nm SiO2 입자와 입자가 제거된 부위의 밀착성 고분자 기판을 결합하여 750nm SiO2 코팅막을 형성한 후 단층 코팅을 위해 질소 가스를 불어 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거하였고, 이의 사진을 도 6a에 나타내었다.
이의 결과로부터 본 발명은 광특이성(광민감성) 입자와 같은 빛에 민감한 입자 또한 손상시키지 않고 기판에 단층으로 코팅할 수 있으며 입자 코팅부위를 마스크 패턴을 이용한 노광을 통해 선택적으로 정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
<실험예 3>
실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 음각 렌즈 형태의 밀착성 고분자 기판을 준비하였다.
공기분위기 하에서 음각 렌즈 형태의 밀착성 고분자 기판에 254nm의 UV를 60분간 조사한 후, 기판 위에 120nm SiO2 입자를 올려놓고, 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 수차례 빈틈없이 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 120nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 120nm SiO2 코팅막을 형성하였다. 이후 질소 가스를 불어 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거한다. 이후 렌즈의 오목부에 존재하는 멀티부분을 완벽하게 제거하기 위해 에탄올을 통해 세척한 후 에탄올을 기판의 코팅된 부분에 채워놓고 Sonicator를 10분 작동시킨 다음 물로 세척 후 질소로 물기를 제거한다.
그 후 UV 경화수지를 통해 입자를 전이시켜 도 7a의 양각 미세구조를 형성한다. 전이 전에 공기분위기 하에서 UV를 30분간 조사하여 입자와 밀착성 고분자 기판 간의 부착력을 증가시킨 다음 UV 경화수지를 통해 전이시킨다면 입자가 전이되지 않아 도 7b와 같은 음각 미세구조를 형성하게 된다. 이는 PDMS 밀착성 고분자 기판이 평면 형태뿐만이 아니라 곡면형태의 렌즈 구조에서도 전이가 될 수 있는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 경우 평면이 아닌 입체적인 3차원 구조의 패턴을 이미 가지고 있는 밀착성 고분자 기판에도 입자를 코팅할 수 있음을 알 수 있다. 전술한 내용에서는 밀착성 고분자 기판이 편평한 면을 갖는 경우를 설명하였지만, 도 7a, 7b에 도시한 경우는 밀착성 고분자 기판에 3차원 구조의 패턴을 형성하기 위한 별도의 돌기 구조가 복수로 이미 마련되어 있다. 본 실험예를 통하여 본 발명은 이러한 복수의 돌기 표면에 입자를 코팅하여 코팅막을 추가적으로 형성할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 복수의 돌기는 밀착성 고분자 기판과 동일한 재질로 이루어진다.
<실험예 4>
실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 음각 피라미드 형태의 밀착성 고분자 기판을 준비하였다. 여기서 밀착성 고분자 기판은 평면이 아닌 입체적인 3차원 구조의 프리즘 필름 광학 형태를 가지고 있다.
공기분위기 하에서 상기 기판에 185nm의 UV를 60분간 조사시킨 다음, 기판 위에 120nm SiO2 입자를 올려놓고, 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 수차례 빈틈없이 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성한다. 120nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 120nm SiO2 코팅막을 형성한다. 이후 질소 가스를 불어서 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거한 후 렌즈의 오목부에 존재하는 멀티부분을 완벽하게 제거하기 위해 에탄올을 통해 세척한 후 에탄올을 기판의 코팅된 부분에 채워놓고 Sonicator를 10분 작동시킨 다음 물로 세척후 질소로 물기를 제거한다. 그 후 UV 경화수지를 통해 입자를 전이시켜 도 8의 양각 미세구조를 형성한다.
이는 PDMS 밀착성 고분자 기판이 평면 형태뿐만이 아니라 입체적인 3차원 형태의 피라미드 구조에서도 전이가 될 수 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 9를 살펴보면, 3차원 구조의 돌출부와 오목부를 갖는 프리즘 필름의 돌출부 상면, 오목부 하면 및 그 연결 부분인 경사면 등 패턴의 모든 부분에 입자가 균일하게 코팅된 상태를 확인할 수 있다.
<실험예 5>
실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비하였다.
밀착성 고분자 기판 위에 입자를 올려놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 코팅막을 형성한 후 질소 가스를 불어서 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거하였다.
이때, 입자는 도 10b, 10c의 표와 같이 각각 750nm SiO2, amine이 개질되어있는 750nm SiO2, RGD가 개질되어있는 750nm SiO2, 800nm PS를 사용했으며 밀착성 고분자 기판에 코팅하는 입자의 종류 및 비율은 750nm SiO2, amine이 개질되어 있는 750nm SiO2, RGD가 개질되어 있는 750nm SiO2 10% + amine이 개질되어 있는 750nm SiO2 90%, RGD가 개질되어 있는 750nm SiO2 50% + amine이 개질되어 있는 750nm SiO2 50%, RGD가 개질되어 있는 750nm SiO2 90% + amine이 개질되어 있는 750nm SiO2 10%, RGD가 개질되어 있는 750nm SiO2, 800nm PS 총 6가지를 사용하였다.
또한, 각각의 밀착성 고분자 기판은 도 10a, 도 10b, 10c에 도시한 바와 같이 입자를 코팅시키지 않은 PDMS를 공기분위기 하에서 UV를 5분과 10분을 조사하여 입자를 코팅한 후 55℃에서 안정화시킨 것, 입자를 코팅시키지 않은 PDMS를 공기분위기 하에서 UV를 5분과 10분을 조사하여 입자를 코팅한 후 실온 Dry 조건에서 안정화시킨 것, 입자를 코팅시키지 않은 PDMS를 공기분위기 하에서 UV를 5분과 10분을 조사하여 입자를 코팅한 후 진공 온도 조건에서 안정화시킨 것, 총 6가지 조건으로 테스트하였다. 도 10b에서는 5시간 안정화 시간을 주었고, 도 10c에서는 24시간 안정화 시간을 주었다.
이와는 별개로 도 11a 및 도 11b에 도시한 바와 같이 입자를 코팅시키지 않은 PDMS를 공기분위기 하에서 UV를 5분간 조사하고, 입자 코팅한 후 37℃의 안정화 온도로 안정화 시간을 5시간과 20시간으로 변화를 두어 실험했다.
입자 코팅 후 각각 조건에 맞는 5시간, 20시간으로 안정화시킨 다음 3M스카치테이프를 접착한 다음 롤러로 압력을 가하고 3M스카치테이프를 제거하는 행위를 통해 온도와 조건에 따른 각 조건의 입자 부착력 차이를 확인해 보았다.
도 10b, 도 10c 및 도 11b에서 숫자 1~5는 3M스카치테이프를 제거하는 행위를 행했을 때 입자가 제거되는 정도를 숫자로 표현한 것이다. 5의 경우 손상이 되지 않음을 나타내며 1의 경우 많은 입자가 제거됨을 나타낸다.
도 10b를 살펴보면 온도가 올라간 조건일수록 800nm PS를 제외한 모든 입자에서 입자 부착력이 상승했음을 알 수 있고, UV 처리가 입자 부착력 향상에 적합함을 알 수 있다. 그리고 같은 조건에 안정화 시간만 다른 도 10c와 비교해봤을 때 안정화 시간이 긴 도 10c에서는 800nm PS를 제외하고는 전체적으로 모든 조건의 입자 부착력이 상승하였으며 상대적으로 높은 온도에서의 안정화가 매우 효과적임을 알 수 있다.
즉, 밀착성 고분자 기판에 입자 코팅시 온도 조절 및 빛 또는 활성기체의 조사 시간 조절을 통해 입자의 부착력 정도를 조절할 수 있으며 입자를 여러가지 사용하고 혼합시킴으로써 다양한 표면 특성을 가지게 할 수 있다.
<실험예 6>
도 12a에서는 실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝) 제품에 20wt%, 10wt%, 5wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 3개 준비하였다.
밀착성 고분자 기판 위에 750nm SiO2 입자를 올려놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 750nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 750nm SiO2 코팅막을 형성한 후 질소 가스를 불어서 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거했다.
그 후, 각각의 입자가 코팅된 기판에 UV 경화수지를 부은 후 경화시켜 입자를 옮긴다. 도 12a를 통해 각각 PDMS 농도에 따른 UV 경화수지에 전이된 입자의 함침도가 다름을 알 수 있다.
도 12b의 경우 음각 몰드 형성시 우선 실가드(Sylgard) 184 (미국, 다우코닝)제품 기준 20wt%의 경화제를 포함하여 형성된 PDMS로 이루어진 밀착성 고분자 기판을 준비한 후, 공기분위기 하에서 UV 조사를 각각 0min, 3min, 10min, 30min 시간 하였다.
밀착성 고분자 기판 위에 300nm SiO2 입자를 올려놓은 후 라텍스 필름으로 감싼 스폰지를 이용하여 손으로 압력을 가하면서 문질러서 밀착성 고분자 기판의 표면에 오목부를 형성하면서 300nm SiO2 입자와 밀착성 고분자 기판을 결합하여 300nm SiO2 코팅막을 형성한 후 질소 가스를 불어서 멀티층이 형성되어있는 부분의 입자를 제거했다.
입자 코팅 후, 각각의 몰드에 공기분위기 하에서 UV를 10분 조사해 안정화시킨 후 각각의 입자가 코팅된 기판에 UV 경화수지를 부은 후 경화시켜 음각 몰드를 형성한다. 도 12b를 통해 초기 UV 조사 시간에 따른 UV 경화수지에 형성된 음각 몰드의 깊이가 다름을 알 수 있다.
즉, 도 12a 및 도 12b의 결과로부터 밀착성 고분자 기판 자체의 경도 조절 또는 온도 조절을 통해 입자의 함침도를 조절 가능함을 알 수 있으며, 또한 빛 또는 활성기체의 조사시간 조절을 통해 입자의 함침도 조절이 가능함을 알 수 있다.
또한 음각형태의 입자 함침도 조절 뿐만 아니라 양각형태에서도 입자 함침도 조절이 가능함을 알 수 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 밀착성 고분자 기판 12, 17 : 제 1, 2 오목부
14 : 노광부 15 : 비노광부
20, 24 : 제 1, 2 입자 22 : 1차 코팅막
25 : 2차 코팅막 30, 50 : 마스크
31, 51 : 마스크 패턴 35 : 입자 제거부재
40 : 입자 코팅 기판 42, 44 : 전사 기판

Claims (19)

  1. (a) 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 제1 입자를 코팅하여 1차 코팅막을 형성하는 단계;
    (b) 마스크 패턴이 형성된 마스크를 대고 상기 밀착성 고분자 기판을 향해 빛 또는 활성기체를 조사하여 상기 밀착성 고분자 기판 표면의 빛 또는 활성기체가 조사된 노광부의 부착력을 변화시키는 단계; 및
    (c) 상기 밀착성 고분자 기판의 빛 또는 활성기체가 조사된 부분과 조사되지 않은 부분의 부착력 차이를 이용하여 상기 1차 코팅막을 형성하는 상기 복수의 제 1 입자에서 비노광부 또는 노광부에 배치된 제 1 입자들을 입자의 함침정도 및 입자 제거부재의 부착력 정도를 이용해 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 선택적으로 제거하는 단계;를 포함하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  2. (a) 마스크 패턴이 형성된 마스크를 대고 밀착성 고분자 기판을 향해 빛 또는 활성 기체를 조사하여 상기 밀착성 고분자 기판의 표면을 부분적으로 노광 또는 노출함으로써, 상기 밀착성 고분자 기판 표면의 빛 또는 활성기체가 조사된 영역의 부착력을 변화시키는 단계;
    (b) 상기 밀착성 고분자 기판 위에 복수의 제1 입자를 코팅하여 1차 코팅막을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 밀착성 고분자 기판의 빛 또는 활성기체가 조사된 부분과 조사되지 않은 부분의 부착력 차이를 이용하여 상기 1차 코팅막을 형성하는 상기 복수의 제 1 입자에서 비노광부 또는 노광부에 배치된 제 1 입자들을 입자의 함침정도 및 입자 제거부재의 부착력 정도를 이용해 상기 밀착성 고분자 기판으로부터 선택적으로 제거하는 단계;를 포함하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (c)단계 이후,
    상기 밀착성 고분자 기판상의 상기 제1 입자가 제거된 영역에 복수의 제2 입자를 코팅하여 2차 코팅막을 형성하는 단계가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빛 또는 활성기체의 조사 시간 또는 조사 세기에 따라 상기 밀착성 고분자 기판의 부착력 및 부착력이 변화된 면적을 조절 가능한 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밀착성 고분자 기판에 상기 복수의 제1 입자를 코팅한 후 안정화시키는 온도의 변화를 통해 상기 복수의 제1 입자와 상기 밀착성 고분자 기판 간의 부착력을 조절 가능한 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 입자 및 복수의 제2 입자 중 적어도 하나를 상기 밀착성 고분자 기판상에서 문질러서 압력을 가하여 상기 밀착성 고분자 기판에 상기 복수의 제1 입자 및 복수의 제2 입자 중 적어도 하나를 코팅하는 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 2차 코팅막의 형성 이후,
    상기 밀착성 고분자 기판의 상기 비노광부 및 노광부의 부착력 차이를 이용해 다른 전사 기판에 상기 1차 코팅막 및 상기 2차 코팅막 중 적어도 하나를 전사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 1차 코팅막 및 상기 2차 코팅막은 각각, 상기 복수의 제1 입자 및 상기 복수의 제2 입자가 단층으로 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차 코팅막 형성단계에서 상기 밀착성 고분자 기판에는, 상기 밀착성 고분자 기판의 변형에 의해 상기 복수의 제1 입자에 각각 대응하도록 복수의 제1 오목부가 함몰되게 마련되며,
    상기 제1 오목부는 가역적인 상태로 마련되는 것을 특징으로 하는 입자 정렬을 이용한 코팅 방법.
  10. 표면에 빛 또는 활성기체를 조사받아 부착력이 증가한 노광부 영역과, 표면에 빛 또는 활성기체가 조사되지 않아 상기 노광부 영역에 비해 상대적으로 작은 부착력을 갖는 비노광부 영역을 포함하는 밀착성 고분자 기판;
    상기 노광부 영역에 표면이 함몰되게 형성된 복수의 제1 오목부; 및
    상기 복수의 제1 오목부 내에 각각 정렬되게 배치된 복수의 제1 입자로 이루어지는 1차 코팅막을 포함하여 이루어지는 입자 코팅 기판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비노광부 영역에 표면이 함몰되게 형성된 복수의 제2 오목부; 및
    상기 제2 오목부 내에 각각 정렬되게 배치되는 복수의 제2 입자로 이루어지는 2차 코팅막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 밀착성 고분자 기판은 실리콘 기반 고분자 물질, 랩, 표면 보호용 필름, 표면 형상의 변형이 용이한 광택을 지닌 필름 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 밀착성 고분자 기판은 폴리메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1 입자와 상기 복수의 제2 입자 중 적어도 하나는 상기 밀착성 고분자 기판에 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 1차 코팅막 및 상기 2차 코팅막은 각각, 상기 복수의 제1 입자 및 상기 복수의 제2 입자가 단층으로 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1 입자 및 상기 복수의 제2 입자가 각각 비구형일 경우, 상기 복수의 제1 입자 및 상기 복수의 제2 입자 중 입경이 상위 10% 입자의 평균 입경에 대한 상기 1차 코팅막 및 상기 2차 코팅막 두께의 평균값의 비율이 각각 1.9 이하인 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 입자 및 상기 제2 입자의 평균 입경에 대한 상기 제1 오목부 및 상기 제2 오목부의 깊이 비율이 각각 0.02 ~ 0.98인 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1 입자 및 상기 복수의 제2 입자가 각각, 전하성 물질 및 비전하성 물질, 소수성 물질 및 친수성 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 밀착성 고분자 기판의 표면에는 입체적인 3차원 구조의 패턴이 마련되는 것을 특징으로 하는 입자 코팅 기판.
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