KR20180045212A - 초정밀 아노다이징 기술을 이용한 대면적 나노금형 코어 개발 - Google Patents

초정밀 아노다이징 기술을 이용한 대면적 나노금형 코어 개발 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노임프린트용 몰드 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (1) 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하여 양극 산화 알루미늄 피막을 형성하는 1단계; (2) 상기 양극 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 2단계; (3) 에칭 처리된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 산화 열처리하여 산화 알루미늄 피막을 형성하는 3단계; (4) 상기 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 4단계; (5) 상기 3단계 및 4단계를 반복하여 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층을 형성하는 5단계; 및 (6) 상기 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하는 6단계를 포함하는 나노임프린트용 몰드 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의해, 산화 열처리 공정, 에칭 공정 및 양극산화 공정을 통해 형성한 나노 기공의 사이즈, 피치, 깊이를 조절함으로써, 균일한 나노 패턴을 갖는 나노임프린트용 몰드를 제조할 수 있다.

Description

초정밀 아노다이징 기술을 이용한 대면적 나노금형 코어 개발{Preparation Method of Mold for Nano Imprint}
본 발명은 초정밀 아노다이징 기술을 이용한 대면적 나노금형 코어 개발, 즉나노임프린트용 몰드 제조방법에 관한 것이다.
LCD, OLED 같은 디스플레이 소자가 대형화, 고급화되고 있으며, 또한 디스플레이 및 터치기능을 주로 사용하는 모바일 기기도 주력 제품으로 부상하고 있다. 이로 인해 디스플레이 윈도우에 반사방지, 내스크래치, 내지문, 초발수에 의한 이물질 부착방지 등의 기술 수요가 증가하고 있다.
현재 기능성 코팅 필름과 광학필름을 개발하는데 사용되고 있는 초정밀 기계 가공 공정은, 가공패턴 크기가 마이크로미터 급에 이르고 있으나, 나노 복합가공은 불가능한 실정이며 점차 높은 사양이 요구되는 고휘도 광학필름 또는 기능성 광학부품의 양산 시 생산성 및 생산수율을 저하하는 원인이 되고 있다.
LCD 편광판에는 보호필름, 폴리비닐알코올 편광필름, 편광필름의 지지역할과 저복굴절 역할을 하는 트리아세틸 셀룰로오스 필름을 비롯한 여러 필름이 있으나, 이들 중 맨 위층의 반사 방지 필름이나 저반사 필름도 핵심부품으로 사용되고 있다.
일반적으로 반사 방지 필름이나 저반사 필름은 디스플레이의 표면 즉 필름표면에 미세한 나노 요철을 형성시켜 외부 반사광은 들어가지 않고, 내부의 빛은 자연스럽게 나가는 방법으로 저반사 필름을 형성시킬 수 있는 방법이다.
이러한 반사방지 및 저반사 필름은 현재 적층 방식에 의한 AR(antireflection), AG(antiglare) 필름으로 생산되고 있으나 반사율이 1%를 넘고, 평균적으로도 2% 정도로 저반사 효과는 있으나, 그 효과가 그다지 크지 않다. 저반사 필름의 경우 전 가시광역에서 최소한 1% 이하의 반사율을 갖는 기술로서 현재 수많은 기술개발이 진행되고는 있으나, 아직까진 일본의 Sharp사 외엔 제품화가 진행되고 있지 않은 실정이다.
저반사용 필름을 제작하기 위해 필름 표면에 기능을 부여하기 위한 기술로는 나노 임프린트 공정, 마스트 패터닝 공정, 나노/마이크로 복합구조 기계가공, 전자빔 노광공정, 레이저 가공공정 등 매우 많은 기술이 있으나, 공정시간이 너무 길고, 양산화가 힘들기 때문에 제품화에 대응하기 매우 힘든게 현실이다.
대한민국 특허공개 제2016-0030287호(나노임프린트용 몰드의 제조방법 및 반사방지물품)
본 발명의 과제는 대면적을 갖는 롤형 알루미늄 기판에 균일한 나노 패턴을 형성하여, 이를 이용하여 반사율 0.27 % 이내, 헤이즈 0.67 % 이내의 물성을 갖는 저반사 시트를 제조할 수 있도록 한 나노임프린트용 몰드 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위해 본 발명은
(1) 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하여 양극 산화 알루미늄 피막을 형성하는 1단계;
(2) 상기 양극 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 2단계;
(3) 에칭 처리된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 산화 열처리하여 산화 알루미늄 피막을 형성하는 3단계;
(4) 상기 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 4단계;
(5) 상기 3단계 및 4단계를 반복하여 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층을 형성하는 5단계; 및
(6) 상기 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하는 6단계
를 포함하는 나노임프린트용 몰드 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의해, 산화 열처리 공정, 에칭 공정 및 양극산화 공정을 통해 형성한 나노 기공의 사이즈, 피치, 깊이를 조절함으로써, 균일한 나노 패턴을 갖는 나노임프린트용 몰드를 제조할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 산화 열처리 및 에칭 공정을 1회 내지 4회 반복시 알루미늄 기판 상에 형성된 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층 표면 이미지이다.
도 5는 산화 열처리 및 에칭 공정을 각각, 2회 내지 5회 반복하여 제조한 나노임트린트용 몰드를 이용하여 제조된 저반사 시트의 단면 이미지이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 나노임프린트용 몰드는,
(1) 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하여 양극 산화 알루미늄 피막을 형성하는 1단계;
(2) 상기 양극 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 2단계;
(3) 에칭 처리된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 산화 열처리하여 산화 알루미늄 피막을 형성하는 3단계
(4) 상기 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 4단계;
(5) 상기 3단계 및 4단계를 반복하여 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층을 형성하는 5단계; 및
(6) 상기 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하는 6단계
를 거쳐 제조된다.
이하 각 단계 별로 상세히 설명한다.
먼저, 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하여 양극 산화 알루미늄 피막을 형성한다.
상기 알루미늄이 함유된 롤형 기판은 알루미늄을 95 중량% 이상 함유한 것을 사용할 수 있다.
본 단계 처리 전 알루미늄이 함유된 롤형 기판은 황삭 가공, 경면가공, 전해연마의 전처리를 거칠 수 있다. 이러한 전처리 공정은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 단계를 통해 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 미세공 씨드(seed)가 있는 양극 산화 알루미늄 피막을 형성한다.
양극 산화 공정은 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극(positive electrode)으로 하고, 이를 전해액 용액에 침지한 후 전압을 인가하여 양극화(Anodization)가 발생하도록 한다.
또한, 상기 전해액은 상기 알루미늄 산화물에 대해 용해성이 있는 용액일 수 있으며, 구체적으로 상기 산성 전해액은 수산, 유기산 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 함유할 수 있다.
양극 산화 공정시 전압은 30 내지 100V로 인가한다. 만약 상기 전압이 상기 범위 미만이면 충분한 양극 산화가 이루어지지 않거나 장시간 동안 양극 산화 공정을 수행하여야 하고, 반대로 상기 범위를 초과하면 급작스런 산화로 인해 형성된 양극 산화 피막의 나노 기공의 정렬도가 크게 저하되고 나노 기공의 크기 분포 또한 넓어지는 문제가 발생한다.
양극 산화 공정의 온도는 20 내지 30℃에서 수행한다. 만약 온도가 상기 범위 미만이면 양극 산화 속도가 떨어지는 문제와 피팅(pitting) 문제가 발생하고, 반대로 상기 범위를 초과하면 전해액의 농도가 달라져(물의 끓는점 근처) 불균일한 양극 산화 피막이 형성되는 문제가 발생한다.
또한, 양극 산화 공정은 5분 내지 10분 동안 수행한다. 만약 시간이 상기 범위 미만이면 시간이 짧아 충분한 양극 산화를 이룰 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 과도한 양극 산화로 인해 양극 산화 피막 하부의 알루미늄 재질의 두께가 과도하게 줄어들어 제품 적용에 문제가 발생한다.
다음으로, 양극 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거한다.
본 단계를 통해 양극 산화 알루미늄 피막에 형성된 미세공의 적어도 일부를 용해하여 미세공을 확경한다.
상기 산화 알루미늄 피막이 형성된 기판을 화학적 에칭액에 침지시켜 생성된 산화 알루미늄 막을 선택적 제거하는 단계이다. 이때 에칭액을 가압 버블 방식으로 직접 롤형 기판에 가하여 실시하며, 에칭액은 8 시간 동안 15 ℃로 일정하게 유지한다. 상기 화학적 에칭액은 바람직하게는 인산 수용액을 사용할 수 있다.
이어서, 에칭 처리된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 산화 열처리하여 산화 알루미늄 피막을 형성한다.
구체적으로, 산화 열처리 단계는 200 내지 300 ℃, 산화 분위기에서 30분 내지 2시간 동안 실시된다. 산화 열처리 공정을 통해 롤형 기판 상에 60 내지 80 nm 두께의 산화 알루미늄 피막이 형성된다.
다음으로, 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거한다.
본 에칭 단계는 상기에서 언급한 바를 따른다.
상기한 산화 열처리 단계 및 에칭 단계 반복하여 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층을 형성한다.
산화 열처리에 의해 형성된 산화 알루미늄 피막은 미세공 형성이 불규칙하기 때문에 양극 산화 및 에칭 공정를 통해 비교적 규칙적인 미세공을 형성하고, 이후 산화 열처리 단계 및 에칭 단계를 반복하여 안정적으로 미세공을 확장한다.
산화 열처리 공정으로 산화 알루미늄 막을 형성하고, 에칭 단계를 통해 산화 알루미늄 층을 부분적으로 용해하는 과정을 반복함으로써, 미세공을 형성하고 또 형성된 미세공의 적어도 일부를 용해하여 미세공을 확경하는 공정이 반복되어 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된다. 이때 산화 열처리 단계 및 에칭 단계는 2 내지 5회 반복되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리 한다.
형성된 나노 기공 패턴의 내구성을 향상시키기 위해 추가적으로 양극 산화 처리를 실시한다. 구체적인 공정 조건은 상기에서 언급한 바를 따른다.
본 발명에 따르면, 산화 열처리 공정, 에칭 공정 및 양극산화 공정을 통해 형성한 나노 기공의 사이즈, 피치, 깊이를 조절함으로써, 나노 패턴의 균일도 5 % 이하의 균일한 나노 패턴을 갖는 대면적 나노임프린트용 몰드를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 나노임프린트용 몰드를 이용하여 반사율 0.27 % 이내, 헤이즈 0.67 % 이내의 저반사 시트를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
황삭 가공된 롤형 알루미늄 기판(200 Φ ×1000 mm)을 하기 표 1에 기재된 장비를 이용하여 경면 가공하였다. 가공된 롤형 알루미늄 기판의 표면조도는 0.5 ㎛ 이내였다. 경면 가공된 알루미늄 기판을 하기 표 2의 조건으로 전해연마 하였다. 전해연마된 롤형 알루미늄 기판의 표면조도는 0.3 nm 이내, 표면조도 균일도(uniformity)는 5% 이내였다.
실험내용 RPM 절삭유 feed speed 가공깊이 가공시간
Diamond tool 0.2R 1500 없음 0.7mm/min 5um 24hr
공정조건 전해액 (중량%) 전류밀도 극간거리 롤형 기판의
회전수
전해연마 인산 75% 7~10A/dm2 5mm 3cycle/min
크롬산 5%
황산 15%
계면활성제 5%
전해연마된 알루미늄 기판을 이어서 하기 표 3에 기재된 바와 조건으로 25 ℃, 40 volt에서 양극 산화(아노다이징) 공정을 수행하였다.
전해액(중량%) 전류밀도 극간거리 롤형 기판의회전수
수산 10~20% 2A/dm2 500mm 50cycle/min
유기산 1~3%
글리세린 1%이내
첨가제 1%
양극 산화 공정 이후 하기 표 4의 공정으로 에칭 공정을 실시하였다.
공정조건 전해액(중량%) 온도 에칭시간
에칭 인산 70~80% 15℃ 8hr
이어서, 250 ℃, O2 20 sccm 조건에서 1시간 동안 산화 열처리하여 60 내지 80 nm의 산화 알루미늄 피막을 형성하였다. 이후 상기 표 4의 공정으로 에칭 공정을 실시하였다. 이러한 산화 열처리 및 에칭 공정을 1회, 2회, 3회, 4회 반복시 알루미늄 기판 상에 형성된 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층 표면 이미지을 각각 도 1 내지 도 4에 나타내었다.
이후 상기 표 3에 기재된 바와 조건으로 25 ℃, 40 volt에서 양극 산화(아노다이징) 공정을 수행한 다음 탈이온수로 수세하고 상온에서 1시간 건조하였다. 제조된 나노임프린틴용 마스터 스탬프의 나노 패턴의 피치는 100 내지 200 nm, 깊이는 150 내지 250 nm이었으며, 나노 패턴의 균일도는 5% 이내였다.
실시예 2
투명기재인 PET 필름 상에 아크릴계 UV 경화 수지를 도포한 후 상기 실시예 1에서 제조된 롤형 나노임프린트용 몰드를 임프린트한 다음 UV 경화 장치로 수지를 경화시켰다. 이후 몰드를 박리하여 나노 요철이 형성된 저반사 시트를 얻었다. 제조된 저반사 시트의 헤이즈는 0.67%, 반사율은 0.27% 이었다.
도 5는 산화 열처리 및 에칭 공정을 각각, 2회 내지 5회 반복하여 제조한 나노임트린트용 몰드를 이용하여 제조된 저반사 시트의 단면 이미지이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 산화 열처리 및 에칭 공정 반복 회수가 증가할 수록 저반사 시트에 형성된 나노 요철의 크기는 커지고, 그 기공의 깊이는 깊어짐을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. (1) 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하여 양극 산화 알루미늄 피막을 형성하는 1단계;
    (2) 상기 양극 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 2단계;
    (3) 에칭 처리된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 산화 열처리하여 산화 알루미늄 피막을 형성하는 3단계;
    (4) 상기 산화 알루미늄 피막을 에칭하여 제거하는 4단계;
    (5) 상기 3단계 및 4단계를 반복하여 알루미늄이 함유된 롤형 기판 상에 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층을 형성하는 5단계; 및
    (6) 상기 나노 기공 패턴을 갖는 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄이 함유된 롤형 기판을 양극 산화 처리하는 6단계
    를 포함하는 나노임프린트용 몰드 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화 열처리 단계는 200 내지 300 ℃, 산화 분위기에서 30분 내지 2시간 동안 실시되는 것인 나노임프린트용 몰드 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 3단계 및 4단계는 2 내지 5회 반복 수행하는 것인 나노임프린트용 몰드 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극 산화 처리는 수산, 유기산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 함유하는 전해액을 사용하여 실시되는 것인 나노임프린트용 몰드 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄이 함유된 기판은 알루미늄이 95 중량% 이상 함유된 기판인 것인 나노임프린트용 몰드 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115125589A (zh) * 2022-07-21 2022-09-30 北京工业大学 一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法
CN115125589B (zh) * 2022-07-21 2024-03-08 北京工业大学 一种大面积纳米结构滚筒模具的低成本制造方法

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