KR20180066308A - 플라즈모닉 메타표면 제작방법 - Google Patents

플라즈모닉 메타표면 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능하며, 식각공정을 거치지 않고 메타표면을 구현할 수 있는 전사공정을 이용한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계; 그리고 상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공증착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계;를 포함하며, 상기 기능층이 증착된 상기 스탬프는 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.

Description

플라즈모닉 메타표면 제작방법{Manufacturing method of plasmonic meta-surface}
본 발명은 전사공정을 이용한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능하며, 식각공정을 거치지 않고 메타표면을 구현할 수 있는 전사공정을 이용한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것이다.
플라즈모닉 메타표면은 외부 광으로부터 특정 파장 만을 선택적으로 흡수하거나 투과함으로써 색깔을 나타내는 광학적 장치이다. 메타표면은 나노스케일 구조체의 규칙적인 반복으로 구성되며 일반적으로 금속과 유전 물질의 반복적인 적층으로 구성된다. 즉, 두께 방향으로는 금속, 유전물질이 교대로 적층 되어있고, 면방향으로 십자, 마름모, 원형 등의 다각형의 단면을 가지는 나노 홀 또는 나노 기둥의 주기적인 배열로 이루어진다. 나노구조체가 이와 같이 배열되어 있을 경우 구조체의 특성에 따라 플라즈모닉 공진 현상을 일으키는 흡수 또는 투과 파장의 위치가 달라지게 된다. 구조체의 특성이란 수직 방향으로는 각 구성층의 종류, 두께, 적층수 또는 이들의 조합 등이며, 수평방향으로는 구조체의 주기, 나노 홀 및 나노 기둥의 지름, 배열 방법 등이며, 특히 주기에 따라 플라즈모닉 스펙트럼 피크의 범위가 결정된다. 즉, 플라즈모닉 현상에 의한 흡수 및 투과 파장이 구조체의 주기에 의해 결정되며, 가시광 영역에서 플라즈모닉 공진 현상을 일으키는 나노구조체의 주기는 약 200-800nm이다.
종래의 플라즈모닉 메타표면 제작은 이빔 공정, 노광 공정, 나노 임프린트 공정 등을 통한 일반적인 패터닝 공정이 사용되었다. 이빔 공정과 노광 공정은 고가이거나 선폭을 줄이는데 한계가 있고 나노 임프린트 공정은 다음과 같은 기술적 난제를 갖고 있다.
기존 나노 임프린트 공정은 유기물이나 유-무기 복합소재를 기판에 도포한 후 나노구조체가 있는 스탬프로 가압한 후 경화시키는 공정으로 수십 나노 급 패터닝이 가능하나, 가압공정의 특성상 대면적 공정과 롤 연속공정에 있어 잔여층 제어가 어려워 기판 상 나노박막에 대한 식각 공정이 매우 어려운 문제점이 있다.
기존 전사공정은 스탬프의 나노구조체 표면에 액상의 기능성 물질을 도포하거나 금속소재를 진공도포(Vapor deposition)한 후 기판에 접촉시켜 전사하고 전사된 패턴을 후속 식각 공정의 마스크로써 사용하였다. 공정으로 고종횡비(High aspect ratio) 나노구조체의 전사가 매우 어렵다. 또한 금속소재는 이방성 증착이 필요하기 때문에 일반적으로 물리적 진공도포(Physical vapor deposition)를 사용하게 되는데 이는 화학적 진공도포(Chemical vapor deposition)에 의해 형성된 박막에 비하여 특성이 크게 떨어지게 되는 문제점이 있다.
상술된 식각공정을 통한 메타표면의 제작은 여러가지 공정 과정이 요구되며, 각각의 공정과정은 기판과 마스크층을 구성하는 물질에 따라 식각공정을 진행하기 위한 식각가스를 고려해야하는 문제점이 있다.
도 12는 나노 임프린트 공정을 이용한 종래 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 개략도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 나노 임프린트 기술은 금속막(310) 위에 유기물 또는 유-무기 복합물질로 이루어진 마스크층(345)을 형성하고, 나노 구조체(320)가 형성된 스탬프(330)로 상기 마스크층(345)을 가압한 후 경화시켜 식각 마스크(340)로 패터닝하고, 상기 금속막(310)을 건식 식각하여 금속선들로 패터닝하는 과정을 포함한다.
예를 들어, 기판(350)이 대형화할수록 상기 기판(350)의 표면 불균일(평탄도 저하)에 의한 상기 식각 마스크(340)에 잔여층(패터닝되지 않고 남은 부분)(346)이 생길 수 있으며, 이는 상기 금속선(315) 패턴 불량을 야기하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1638981호(발명의 명칭: 3차원 플라즈모닉 나노 구조체 및 그 제조방법, 공고일: 2016년 7월 6일)
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 대면적 제작 및 롤 스탬프를 이용한 연속 공정이 가능하며, 식각공정을 거치지 않고 메타표면을 구현할 수 있는 전사공정을 이용한 플라즈모닉 메타표면 제작방법에 관한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계; 그리고 상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공증착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계;를 포함하며, 상기 기능층이 증착된 상기 스탬프는 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.
형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계; 상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공층착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계; 그리고 상기 기능층 중 상기 나노구조체 위에 증착된 기능층을 상기 기판위로 전사하는 기능층 전사단계;를 포함하며, 상기 기능층이 상기 기판위에 전사됨에 따라 상기 기판은 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.
형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계; 상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공층착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계; 그리고 상기 기능층 중 상기 나노구조체 위에 증착된 기능층을 상기 기판위로 전사하는 기능층 전사단계;를 포함하며, 상기 스탬프는 상기 나노구조체의 구조에 의하여 오목부가 형성되며, 상기 기능층이 상기 기판위에 전사됨에 따라 상기 기판은 플라즈모닉 메타표면으로 구현되고, 상기 나노구조체 위에 위치하는 기능층을 상기 기판 위로 전사한 스탬프는 상기 오목부에 형성된 기능층에 의해 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 제공한다.
상기 나노 구조체의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가질 수 있다.
상기 기능층은 알루미늄, 은, 금, 티타늄, 주석, 백금, 텅스텐, 티타늄-텅스텐, 실리콘 산화물, 질화규소, 폴리실리콘, 알루미늄 산화물, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 불화 마그네슘 및 유기물 중 어느 하나의 물질로 구성된 단일막 또는 상술된 물질의 금속박막층과 비금속박막층을 포함하는 박막층이 적층되어 적층막으로 형성될 수 있다.
적층막으로 형성된 상기 기능층은 금속박막층과 비금속박막층이 교대로 적층될 수 있다.
상기 기능층은 상기 스탬프 표면과 접하는 이형층과, 상기 기능층 위에 형성되는 접착 강화층을 포할 수 있다.
상기 기판 상부에 금속 또는 비금속 물질르 이루어진 필름층을 형성하는 필름층 형성단계와, 상기 필름층 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층이 형성되는 접착층 형성단계를 더 포함하며, 상기 기능층은 상기 접착층의 위에 전사될 수 있다.
상기 스탬프는 가요성 물질로 형성되고, 상기 기능층이 기판을 향하도록 상기 기판 위에 정렬되며, 롤러에 의해 가압된 후 상기 기판으로부터 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 스탬프를 대형화하거나, 가요성 스탬프와 롤러의 조합을 이용하여 기능층의 전사를 연속 공정으로 수행할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 상술한 기능층 전사의 연속 공정을 통해 플라즈모닉 메타표면을 대량으로 용이하게 제작할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 기능층을 기판으로 전사함에 따라 별도의 식각 공정 없이 플라즈모닉 메타표면을 구현할 수 있는 이점이 있다.
넷째, 스탬프에 기능층을 형성함으로써 스탬프 자체가 플라즈모닉 메타표면으로 구현될 수 있는 이점이 있다.
다섯째, 스탬프에 기능층을 형성하고, 스탬프에 형성된 복수개의 나노 돌출구조체 상부 표면에 형성된 기능층을 기판으로 전사함으로써, 기능층이 전사된 기판 뿐만 아니라, 기능층 전사단계 이후의 스탬프 모두 플라즈모닉 메타표면으로 구현될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제 2 실시 예 및 제 3 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 7a 내지 도 7b는 도 3에 도시한 마스크층 전사단계의 첫번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 8은 도 3에 도시한 마스크층 전사단계의 두번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 기능층의 변형 예를 나타난 개략도이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법에 의해 제작된 플라즈모닉 메타표면의 사진이다.
도 12는 나노 임프린트 기술을 이용한 종래의 플라즈모닉 메타표면의 제작방법을 나타낸 개략도이다.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고 "~위에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법의 제 1 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법 은 스탬프 준비단계(S110) 및 기능층 형성단계(S120)를 포함한다.
상기 스탬프 준비단계(S110)에서는 기판(140)에 형성하고자 하는 기능층(130)의 패턴에 대응하도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프(120)가 준비된다.
상기 기능층 형성단계(S120)에서는 상기 일면에 액상물질을 도포하거나 또는 이방성 진공증착을 통하여 상기 나노구조체 위에 기능층(130)이 형성된다.
구체적으로, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면 제작방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프 준비단계(S110)에서 일면에 상기 나노 구조체(110)를 가지는 스탬프(120)(또는 몰드)가 준비되어 있고, 이방성 진공 증착으로 스탬프(120)의 일면에 마스크 층이 형성된다.
상기 나노 구조체(110)는 돌출부들로 구성되어 형성되며, 상기 돌출부는 제작하고자 하는 금속패턴의 크기 및 주기와 대응되도록 같은 높이를 가지며, 일정한 거리로 서로 이격되어 배치되고, 서로 평행하게 배열된다.
상기 나노 구조체(110)의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가지며, 상기 나노 구조체(110)의 주기에 따라 제작되는 플라즈모닉 메타표면에서 발생하는 빛의 색이 변화되므로, 제작하는 목적 및 사용처에 따라 나노 구조체(110)의 주기를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 스탬프(120)는 고분자, 유리, 실리콘 등 다양한 소재로 제작될 수 있으며, 전자빔, 노광, 나노 임프린트 등의 패터닝 기술로 일면이 가공됨으로써 나노 구조체(110)를 형성할 수 있다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 스탬프(120)는 전자빔, 노광, 나노 임프린트 등의 패터닝 기술로 제작된 마스터 스탬프(120)를 복제하는 방법으로 제작될 수도 있다. 상기 기능층(130)의 이형성을 높이기 위해서, 상기 스탬프(120)의 일면에는 FOTS(tridecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrooctyltrichlorosilane) 등과 같은 유기 규소화합물 소재의 자기 조립 단분자막 또는 나노 박막이 용액 공정 또는 증착 공정 등에 의해 형성될 수 있다.
상기 스탬프(120)는 진공 증착 설비에 투입되며, 상기 나노구조체가 형성된 상기 스탬프(120)의 일면에는 이방성 진공 증착을 통해 상기 기능층(130)이 형성된다. 이방성 진공 증착은 증착 방향이 특정한 하나의 방향으로 제어된 증착 기술로서, 도 2a 도시된 바와 같이, 제 1 실시 예에서 상기 기능층(130)의 증착 방향(점선 화살표 방향)은 상기 스탬프(120)의 두께방향 즉 도 2a를 기준으로 수직한 방향과 일치한다. 따라서 상기 기능층(130)은 상기 돌출부의 상부 표면과, 상기 돌출부들 사이의 오목부(도 5의 115)에 일정한 두께로 증착된다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 스탬프(120)에는 액상물질의 도포를 통하여 상기 기능층(130)이 형성될 수 있다.
상기 기능층(130)은 이방성 진공 도포가 가능하거나, 또는 액상 형태로 상기 스탬프(120)에 도포가 가능한 물질로 형성되며, 유기물, 무기물 또는 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 기능층(130)은 알루미늄, 은, 금, 티타늄, 주석, 백금, 텅스텐, 티타늄-텅스텐, 실리콘 산화물, 질화규소, 폴리실리콘, 알루미늄 산화물, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 불화 마그네슘 및 유기물 중 어느 하나의 단일막 또는 상술된 물질의 적층막으로 형성될 수 있다.
상기 기능층(130) 중 적층막으로 형성된 기능층(130)은 금속과 비금속 물질이 교대로 적층되며, 도 2b 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 기능층(130)은 제 1 금속박막층(131a), 제 1 비금속박막층(132a), 제 2 금속박막층(131b)의 순서로 상기 스탬프(120)에 적층된다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 기능층(130)은 제 1 비금속박막층(132a), 제 1 금속박막층(131a), 제 2 비금속박막층(132b)의 순서로 상기 스탬프(120)에 적층될 수 있다.
또한, 상기 기능층(130)은 상기 기능층(130)으로 발현되는 메타표면의 용도 및 목적에 따라 상기 금속박막층 및 상기 비금속박막층의 증착 순서와, 상기 금속박막층과 상기 비금속박막층을 구성하는 재질을 자유롭게 선택하여 변경할 수 있다.
상기 기능층(130)을 금속박막층과 비금속박막층을 교대로 적층하여 MIM(Metal-Innulator-Metal) 구조로 형성하는 것은 Fabry-Perot 공명으로 알려진 공명 구조체를 구현하기 위한 것으로, 비금속박막층 즉 유전체의 두께와 굴절률에 의해 나노 구조체(110) 상에서 공명하는 빛의 파장이 결정된다.
후술하겠지만 제 2 실시 예 및 제 3 실시 예에서는 상기 기능층(130)을 구성하는 금속박막층 및 비금속박막층은 상기 기판(140)에 적층되어야 할 순서의 역순으로 상기 스탬프(120)에 증착되며, 상기 기능층(130)이 상기 기판(140)에 전사됨에 따라 추가적인 공정과정 없이 메타표면으로 구동될 수 있다.
상술한 제 1 실시 예를 통하여 플라즈모닉 메타표면은 도 11에 도시된 바와 같이 제작될 수 있다.
상술된 실시 예를 이용하여 제작된 플라즈모닉 메타표면은 상기 나노 구조체(110)의 주기에 따라 외부에서 조사되는 빛과 상기 나노 구조체(110) 간의 상호 작용으로 특정한 파장 대역에서 빛의 흡수 또는 투과가 일어나는 플라즈모닉 공진 현상을 이용하여 컬러 필터 또는 RGB기판으로도 구현될 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면은 기본 삼원색을 포함한 모든 가시광 영역의 색상을 구현할 수 있게 되고, 이는 상기 나노 구조체(110)의 모양, 주기, 박막의 종류 등에 따라 빛의 흡수 또는 투과를 적절히 제어함으로써 나타난다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈모닉 메타표면은 플라즈모닉 현상을 이용하여 홀로그램을 구현할 수 있게 된다.
도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 플리즈모닉 메타표면 제작방법의 제 2 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법이 스탬프(120)에 기능층(130)을 형성하는 과정은 상술한 제 1 실시 예와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다만, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법은 기능층 형성단계(S220) 이후에 기능층 전사단계(S230)를 더 포함한다.
상기 기능층 전사단계(S230)에서의 스탬프(120)는 상기 기능층(130)이 증착된 일면이 기판(140)과 마주하도록 상기 기판(140) 위에 정렬되고, 상기 기판(140)을 향해 하강한 다음 위로 상승한다.
상기 스탬프(120)의 하강에 의해 상기 나노 구조체(110) 상부의 기능층(130)은 상기 기판(140)에 밀착되며, 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로부터 이격되어 분리됨에 따라 상기 기능층(130)은 상기 나노 구조체(110)로부터 분리되고, 이에 따라 상기 기능층(130)은 상기 기판(140) 위로 전사된다.
상기 기능층(130)을 구성하는 금속박막층 및 비금속박막층은 상기 기판(140)에 적층되어야 할 순서의 역순으로 상기 스탬프(120)에 증착되며, 이에 따라 상기 기능층(130)이 상기 기판(140)에 전사됨에 따라 추가적인 공정과정 없이 메타표면으로 구동될 수 있다.
상기 기능층 전사단계(S230)에서 상기 기능층이 형성된 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로 하강할 때, 상기 스탬프(120)는 상기 기판(140)에 대하여 전체적으로 균일한 압력을 가하여 상기 기능층(130)이 상기 기판(140) 위로 안정적으로 접촉되도록 하며, 상기 접착층의 접착성을 강화시키기 위하여 추가적인 압력 또는 열이 가해지거나 자외선 조사가 이루어질 수 있다.
상기 기판(140)은 유리, 수정, 고분자 등 다양한 소재로 제작될 수 있다.
도 12를 참조하여 설명한 종래의 나노 임프린트 기술과 대비할 때, 본 실시 예에서는 기능층 및 식각과정 없이 플라즈모닉 메타표면이 구현될 수 있다.
한편, 상기 기판(140)이 대형화할수록 기판(140)의 표면 불균일, 즉 평탄도 저하에 의해 상기 기능층(130)의 전사 품질이 다소 저하될 우려가 있으나, 고분자 필름과 같은 가요성(flexible) 물질로 스탬프(120)를 제작하게 되면 상술한 문제점을 해결할 수 있게된다.
즉, 가요성 물질로 제작된 스탬프(120)는 외압에 의해 상기 금속막의 표면 굴곡을 용이하게 변형되므로, 상기 기능층의 전사 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하여 본 발명에 따른 플리즈모닉 메타표면 제작방법의 제 3 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법이 스탬프(120)에 기능층(130)을 형성하고, 상기 기능층(130)이 상기 기판(140)에 적층되는 과정은 상술한 제 2 실시 예와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다만, 본 실시 예에 따른 플라즈모닉 메타표면의 제작방법은 기능층(130)이 전사된 기판 뿐만 아니라, 기능층 전사단계(S230) 이후의 스탬프(120)이 모두 플라즈모닉 메타표면으로 구현된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)에는 상기 나노 구조체(110) 및 상기 오목부(115)에 상기 기능층(130)이 적층된다.
상기 스탬프(120)에 적층된 상기 기능층(130)은 상기 기능층 전사단계(S230)를 통해 상기 나노 구조체(110) 상부에 위치한 기능층(130)이 상기 기판(140)에 전사된다.
상기 기능층(130)이 전사된 상기 기판(140)은 메타표면으로 동작하게 되며, 뿐만 아니라, 상기 스탬프(120) 또한 메타표면으로 동작하게 된다.
상기 스탬프(120)는 상기 오목부(115)에 증착된 기능층(130)을 통해 메타표면으로 동작할 수 있게 되며, 이에 따라 하나의 공정 과정을 통해 상기 기판(140)과 상기 스탬프(120)가 동시에 메타표면의 기능을 할 수 있게 된다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 도 6에 도시된 바와 같이 필름층 형성단계와 접착층 형성단계를 더 포함하여 플라즈모닉 메타표면을 구현할 수도 있다.
상기 필름층 형성단계는 상기 기판 상부에 금속 또는 비금속 물질로 이루어진 필름층을 형성한다.
상기 필름층(150)은 상기 기판(140)의 전면에 화학적 진공증착(CVD, chemical vapor deposition)으로 형성될 수 있다. CVD로 형성된 필름층은 물리적 진공증착(PVD, physical vapor deposition)으로 형성된 필름층보다 우수한 막 특성을 보인다.
상기 필름층(150)은 사용하고자 하는 용도 및 목적에 따라 선택적으로 구성될 수 있으며, 상기 필름층(150)은 실리콘질화물, 폴리실리콘, 실리콘산화물, 알루미늄, 구리, 금, 텅스텐, 티타늄, 티타늄-텅스텐, 및 알루미늄산화물 중 어느 하나의 단일막으로 형성될 수 있으며, 상기 필름층(150)은 MIM 구조의 하나의 층으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 기능층(130) 중 가장 마지막으로 적층된 물질이 비금속 즉 유전체인 경우에는 상기 필름층(150)은 금속으로 구성되어 MIM 구조를 형성할 수 있고, 상기 기능층(130) 중 가장 마지막으로 적층된 물질이 금속인 경우에는 상기 필름층(150)은 유전체로 구성되어 MIM 구조를 형성하거나, 광학적 장치 또는 평탄화 등에 이용될 수 있다.
상기 접착층 형성단계는 상기 필름층(150) 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층(160)이 형성된다.
상기 접착층(160)은 n-(3-(trimethoxysilyl)propyl)ethylenediamine 또는 PMMA 등과 같은 접착 프라이머로 형성될 수 있으며, 상기 접착층(160)은 상기 기능층 전사단계(S230)에서 상기 기판(140) 또는 상기 필름층(150)과 기능층(130) 간에 접착력을 높이는 기능을 한다.
도 7a와 도 7b는 도 3에 도시된 기능층 전사단계(S230)의 첫번째 변형 예를 나타난 개략 단면도이다.
도 7a와 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)는 고분자 필름과 같은 가요성 물질로 형성되며, 상기 나노 구조체(110)와 상기 기능층(130)이 상기 기판(140)을 향하도록 상기 기판(140) 위에 정렬된다. 이후 상기 스탬프(120) 위로 롤러가 이동함에 따라 상기 스탬프(120) 및 상기 기능층(130)을 눌러 상기 기능층(130)을 상기 기판(140)에 밀착시킨다.
상기 기능층(130)을 상기 기판(140)에 밀착시키고, 일정 시간이 경과된 후 상기 스탬프(120)가 상기 기판(140)으로부터 이격되어 분리되면서 상기 기능층(130)이 상기 기판(140) 위로 전사된다.
상술한 전사 과정에서는 상기 기능층(130)에 열이 가해질 수 있으며, 상기 롤러에 의한 가압 이후 시간차를 두고 스탬프(120)는 분리시키면 상기 기판(140)에 대한 상기 기능층(130)의 접착력을 높일 수 있게 된다.
도 8은 도 3에 도시된 상기 기능층 전사단계(S230)의 두번째 변형 예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 스탬프(120)는 고분자 필름과 같은 가요성 물질로 형성되며, 상기 나노 구조체(110)와 상기 기능층(130)이 외측을 향하도록 상기 롤러 표면에 로딩된다. 상기 스탬프(120)를 감은 상기 롤러는 상기 기판(140) 위에서 일정 속도로 회전하고, 상기 스탬프(120)에 증착된 상기 기능층(130)은 상기 롤러의 하단을 통과할 때 상기 롤러에 의해 눌리면서 상기 기판(140)에 밀착된 후 상기 기판(140) 위로 전사된다.
상술한 바와 같이, 휘어지는 상기 스탬프(120)와 상기 롤러를 이용하면 대형화한 상기 기판(140) 위에 상기 기능층(130)을 신속하게 형성할 수 있게 된다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 기능층의 변형 예를 나타내는 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 기능층 형성단계(S220)에서 상기 스탬프(120)의 일면에 형성된 기능층(130)은 이종 물질의 다층막으로 구성된다.
구체적으로, 상기 기능층(130)은 제 1 금속박막층(131a), 제 1 비금속박막층(132a), 제 2 금속박막층(131b)을 포함한다.
또한, 상기 기능층(130)은 상기 스탬프(120)와 상기 제 1 금속박막층(131a) 사이에 배치되는 이형층(135)과, 상기 제 2 금속 박막층 위에 형성되는 접착 강화층(137)을 포함하며, 상기 이형층(135) 및 상기 접착 강화층(137)은 이방성 진공 증착으로 형성될 수 있다.
상기 이형층(135)은 상기 기능층 전사단계(S230)에서 상기 기능층(130)을 상기 기판(140) 위로 전사할 때, 상기 스탬프(120)에 대한 상기 기능층(130)의 이형 성능을 높이는 기능을 한다.
상기 접착 강화층(137)은 상기 기판(140) 또는 상기 기판(140) 위에 형성되는 박막층에 대하여 상기 기능층(130)의 접착력을 높이는 기능을 한다.
상기 접착 강화층(137)은 상기 기판(140) 상의 상기 박막층과 같은 금속으로 형성되거나, 상기 박막층과 다른 종류의 금속들 중 상기 박막층과의 접착력이 우수한 금속으로 형성될 수 있다.
도 9b와 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 기능층 전사단계(S230)에서 상기 기능층(130)은 상기 기판(140) 위로 전사된다. 이때, 상기 이형층(135)은 전사되지 않고, 상기 스탬프(120)에 형성된 상기 나노구조체들 위에 잔류하거나(도 9b), 상기 제 1 금속박막층(131a), 상기 제 1 비금속박막층(132a), 상기 제 2 금속박막층(131b) 및 상기 접착 강화층(137)과 함께 상기 금속막 위에 전사될 수 있다(도 9c).
상술된 두 경우 모두 상기 제 1 금속박막층(131a), 상기 제 1 비금속박막층(132a) 및 상기 제 2 금속박막층(131b)은 상기 접착 강화층(137)에 의해 상기 기판(140) 위에 견고하게 고정될 수 있게 된다.
이때, 상기 기능층(130) 위에 상기 박막층이 형성돼있는 경우에, 상기 접착 강화층(137)이 상기 박막층과 동일한 금속으로 형성되는 경우, 상기 박막층과 상기 기능층(130)의 상온 접합이 가능해진다. 따라서 전사 과정에서 상기 기능층(130)의 접착력을 높이기 위한 승온 과정을 생략할 수 있다.
상기 이형층(135)을 이용하여 상기 스탬프(120)로부터 상기 제 1 금속박막층(131a), 상기 제 1 비금속박막층(132a) 및 상기 제 2 금속박막층(131b)을 포함하는 적층막의 이형을 원활하게 할 수 있으며, 그 결과 상기 적층막의 전사 품질을 높일 수 있다.
또한, 상기 접착 강화층(137)을 이용하여 상기 기판(140)에 대한 상기 적층막의 접착력을 높임으로써 플라즈모닉 메타표면의 제작과정에서 발생할 수 있는 적층막의 탈락이나 벗겨짐 등을 방지하여 메타표면의 패터닝 품질을 높일 수 있다.
도 9d는 도 9a에 도시한 기능층(130)의 변형 예를 나타낸 개략 단면도이며,
상기 기능층(130)은 제 1 비금속박막층(132a), 제 1 금속박막층(131a), 제 2 비금속박막층(132b)을 포함하며, 상술된 순서대로 상기 스탬프(120)에 적층된다.
또한, 상기 기능층(130)은 상기 스탬프(120)와 상기 제 1 비금속박막층(132a) 사이에 배치되는 이형층(135)과, 상기 제 2 비금속박막층(132b) 위에 형성되는 접착 강화층(137)을 포함하며, 상기 이형층(135) 및 상기 접착 강화층(137)은 이방성 진공 증착으로 형성될 수 있다.
본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 금속박막층과 비금속박막층의 적층 순서 및 적층 갯수는 용도 및 목적에 따라 자유롭게 변경 가능하다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
110: 나노 구조체 115: 오목부
120: 스탬프 130: 기능층
131a: 제 1 금속박막층 131b: 제 2 금속박막층
132a: 제 1 비금속박막층 132b: 제 2 비금속박막층
135: 이형층 137: 접착 강화층
140: 기판 150: 필름층
160: 접착층

Claims (9)

  1. 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계; 그리고
    상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공증착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계;를 포함하며,
    상기 기능층이 증착된 상기 스탬프는 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  2. 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계;
    상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공층착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계; 그리고
    상기 기능층 중 상기 나노구조체 위에 증착된 기능층을 상기 기판위로 전사하는 기능층 전사단계;를 포함하며,
    상기 기능층이 상기 기판위에 전사됨에 따라 상기 기판은 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  3. 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응되도록 일면에 나노구조체가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프 준비단계;
    상기 일면에 액상물질의 도포 또는 이방성 진공층착을 통해 상기 기능층을 형성하는 기능층 형성단계; 그리고
    상기 기능층 중 상기 나노구조체 위에 증착된 기능층을 상기 기판위로 전사하는 기능층 전사단계;를 포함하며,
    상기 스탬프는 상기 나노구조체의 구조에 의하여 오목부가 형성되며,
    상기 기능층이 상기 기판위에 전사됨에 따라 상기 기판은 플라즈모닉 메타표면으로 구현되고, 상기 나노구조체 위에 위치하는 기능층을 상기 기판 위로 전사한 스탬프는 상기 오목부에 형성된 기능층에 의해 플라즈모닉 메타표면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조체의 주기는 200nm 내지 800nm의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능층은 알루미늄, 은, 금, 티타늄, 주석, 백금, 텅스텐, 티타늄-텅스텐, 실리콘 산화물, 질화규소, 폴리실리콘, 알루미늄 산화물, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 불화 마그네슘 및 유기물 중 어느 하나의 물질로 구성된 단일막 또는 상술된 물질의 금속박막층과 비금속박막층을 포함하는 박막층이 적층되어 적층막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    적층막으로 형성된 상기 기능층은 금속박막층과 비금속박막층이 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 기능층은 상기 스탬프 표면과 접하는 이형층과, 상기 기능층 위에 형성되는 접착 강화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 상부에 금속 또는 비금속 물질로 이루어진 필름층을 형성하는 필름층 형성단계와,
    상기 필름층 위에 접착 프라이머를 포함하는 접착층이 형성되는 접착층 형성단계를 더 포함하며,
    상기 기능층은 상기 접착층의 위에 전사되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 스탬프는 가요성 물질로 형성되고, 상기 기능층이 기판을 향하도록 상기 기판 위에 정렬되며, 롤러에 의해 가압된 후 상기 기판으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 메타표면 제작방법.
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