KR20190042905A - 블록 공중합체 템플릿을 이용한 단일 양자 입자 해상도를 갖는 양자 나노입자 배열 자기 조립 및 제작된 배열의 나노-전사 프린팅 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법은 표면 요철 패턴이 있는 템플릿 기판 상에 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계, 템플릿 상에 제작된 양자 나노입자 배열 상에 고분자 박막을 코팅하는 단계, 접착 필름으로 고분자 박막을 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열과 템플릿을 분리하는 단계, 양자 나노입자 배열을 다양한 기판 상에 전사 하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 20 nm 이하급의 해상도를 갖는 블록공중합체를 템플릿으로 사용해 양자 나노입자에 공간적 구속 효과를 부여함으로써 대면적 양자 나노입자 배열을 제조하고, 이렇게 제조된 양자 나노입자 배열을 나노-전사 프린팅 (nanotransfer printing) 방법을 이용해 템플릿과 분리해 임의의 기판에 구현하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 1 10 nm 범위의 크기를 갖는 양자 나노입자를 단일 양자 입자 해상도로 구속시키기 위해 그에 적합한 스케일의 크기를 갖는 요철 형태의 패턴 형성이 가능한 블록공중합체를 사용하였으며, 양자 나노입자 용액을 상기 템플릿상에 스핀코팅시에, 양자 나노입자 용액의 용매가 증발하면서 템플릿과 용액 계면에 존재하는 양자 나노입자들만이 요철 내에 자기조립되는 현상을 이용하는 방법이다. 또한 정렬된 양자 나노입자와 요철 템플릿 사이에 잘 침투할 수 있는 고분자 전사 매체를 사용하여 양자 나노입자를 템플릿에서 분리시키고 다양한 기판에 전사시킬 수 있는 pick-and-print (추출 및 프린트) 나노-전사 프린팅 방법에 관한 것이다.
차세대 센서, 메모리, 레이저 등 고성능의 차세대 나노 소자는 그 뛰어난 성능과 활용도로 인해 높은 잠재성을 가지고 있다. 이러한 차세대 나노 소자에 있어 기존 벌크 소재와 다른 물리적 성질을 보이며 높은 기능성을 보이는 나노 입자는 핵심적인 구성 요소라고 할 수 있다. 이러한 나노 입자를 합성하는 연구들이 많이 진행되어 왔지만 용액상태의 나노 입자를 단순한 응집 형태나 다른 물질과 섞는 복합체 형태를 넘어서 특정 배열로 구현하는 기술은 이러한 차세대 나노 소자 제작에 있어 필수적이라 할 수 있다.
현재까지 개발되어온 나노 입자 배열은 그 해상도가 단일 입자 스케일에 미치지 못하고 정렬시키는 입자의 크기 또한 템플릿의 크기에 따라 제한적이었다. 기존의 나노 입자 배열은 입자에 정렬도를 부여하기 위해 템플릿 역할을 할 수 있는 매체로써 DNA, AAO (Anodic Aluminum Oxide), 블록공중합체 등 다양한 물질을 사용하였다. 하지만, 이러한 템플릿들은 양자 나노입자와 같은 매우 작은 크기를 갖는 나노 입자를 단일 양자 입자 해상도로 구속하기에는 비교적 큰 패턴 크기를 가지고 있다. 블록공중합체의 경우에도 기존에 사용된 물질의 패턴 크기는 100 nm 이하급 범위로, 다수의 나노 입자들을 밴드 형태로 구속시키거나 수십나노 이상의 크기를 갖는 폴리스티렌 구(Polystyrene Sphere) 입자를 단일 입자 해상도로 구속시키는 것이 한계였다. 또한, 기존에 그 제조 방법이 보고된 나노 입자 배열의 경우 정렬도를 부여하는데 사용된 템플릿을 온전히 제거하는 과정에 대한 방법은 보고하지 않고 있다. 나노 입자 배열이 템플릿과 공존할 경우 이러한 배열의 특성을 측정하거나 기능성 소자에 실제로 적용시에 소자의 구성에 불필요한 물질로 작용하여 소자 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 이유로, 수나노급의 크기를 갖는 나노 입자가 단일 입자 해상도의 배열 형태로 구현되며, 이러한 배열이 템플릿의 정렬도에 관한 정보는 보유하되 템플릿의 매체 자체가 온전히 제거된 형태의 배열 제작이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 다양한 나노 입자 중 가장 작은 크기를 갖는 양자 나노입자를 사용하여 나노 입자 배열의 최대 해상도인 단일 양자 입자 해상도를 구현하기 위해, 20 nm 이하급의 블록공중합체 미세패턴을 템플릿으로 사용하고 미세 요철 상의 침투에 용이한 고분자를 전사 매체로 사용해 나노 입자 배열을 다양한 기판에 전사 프린팅 하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 표면 요철 패턴이 있는 템플릿 기판 상에 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계; 템플릿 상에 제작된 양자 나노입자 배열 상에 고분자 박막을 코팅하는 단계; 접착 필름으로 고분자 박막을 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열과 템플릿을 분리하는 단계; 양자 나노입자 배열을 다양한 기판 상에 전사 하는 단계를 포함하는 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법을 제공한다.
상기 템플릿은, 블록 공중합체 자기 조립 기반 리소그래피 또는 E-beam 리소그래피 패터닝 공정을 이용하여 원하는 크기의 유기패턴을 형성하는 단계; 및 RIE (reactive ion etching) 공정을 이용하여 상기 유기패턴으로부터 SiO2로 이루어진 요철 형태의 표면 패턴을 가지도록 제작하는 단계를 통하여 제작될 수 있다.
상기 템플릿 표면 패턴의 너비는 1 nm ~ 1 cm, 깊이는1 nm ~ 1 cm일 수 있다.
상기 템플릿 표면은 표면 에너지가 낮은 PDMS 브러쉬 고분자 코팅 처리를 수행하는 것으로 33mN/m 이하의 표면 에너지를 가질 수 있다.
상기 표면 요철 패턴이 있는 템플릿 기판 상에 양자 나노입자를 배열하는 단계는 미리 제작된 양자 나노입자 용액의 양자 나노입자 농도, 용매의 종류 또는 스핀코팅 rpm 속도 조건을 조절하는 방법으로 템플릿의 요철 패턴 내에 양자 나노입자의 자기 조립을 유도하는 단계일 수 있다.
상기 양자 나노입자를 배열하는 단계는, 양자 나노입자 용액의 용매가 14 ~ 16 MPa1 /2의 용해 파라미터 값을 갖는 용매를 이용하는 단계일 수 있다.
상기 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계는, 양자 나노입자 용액의 양자 나노입자 크기가 정렬에 사용되는 템플릿 패턴의 선폭보다 작은 양자 나노입자를 사용하는 단계일 수 있다.
상기 템플릿 상에 제작된 양자 나노입자 배열 상에 고분자 박막을 코팅하는 단계는, 표면 에너지가 PDMS 의 표면에너지인 23 mN/m 이상의 값을 가지고, 80,000 gmol-1이하의 분자량을 가지며, 유리 전이 온도가 상온 (25℃)보다 높은 고분자를 이용하여 박막을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 고분자 박막을 코팅하는 단계는, 스핀코팅을 사용해 단층 박막으로 도포하는 단계일 수 있다.
상기 접착 필름으로 고분자 박막을 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열과 템플릿을 분리하는 단계는, 일반적인 접착 필름을 균일하게 부착하고 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열을 포함하는 고분자 박막을 접착 필름에 부착시킨 채로 제작하는 단계일 수 있다.
상기 양자 나노입자 배열을 다양한 기판 상에 전사 하는 단계는, 양자 나노입자 배열이 접착되어 있는 고분자 박막과 접착 필름을 양자 나노입자 배열과 최종 기판과 맞닿도록 접촉시킨 후 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열을 기판 상에 전사 시키는 단계일 수 있다.
상기 양자 나노입자 배열을 기판 상에 전사 시키는 과정에서 사용되는 기판의 표면 에너지는 양자 나노입자 배열과 접촉하고 있는 고분자 박막보다 높은 표면 에너지를 가지고 있는 기판을 사용하는 단계일 수 있다.
상기 기판은 금속, 산화물, 반도체 및 고분자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명은 20 nm 이하 수준의 블록 공중합체 미세패턴을 사용해 10 nm 이하 수준의 크기를 갖는 양자 나노입자의 단일 양자 입자 해상도 배열 제작이 가능하며, 고분자 박막 코팅을 통해 입자 배열을 템플릿으로부터 분리하여 다양한 기판 위에 최종적으로 전사 프린팅 가능한 기술을 제공한다.
본 발명의 나노 입자 배열 제작 방법은, 기존에 보고된 다양한 재료의 나노 입자들 중 가장 작은 크기를 갖는 양자 나노입자로 이루어진 초고해상도 배열을 구현함으로써 동일한 방법으로 템플릿의 크기만 제어하여 보다 더 큰 입자들 역시 제약 없이 단일 해상도 배열을 제작할 수 있다. 또한, 상술한 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기법은, 블록공중합체를 사용한 단일 입자 해상도 배열 이외에, 이빔 리소그래피로 제작된 다른 형태의 템플릿에 정렬된 입자 배열 역시 적용 가능하기 때문에 다양한 나노 입자 배열 전사 프린팅에 범용적으로 사용될 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 전사 기법 과정에는 목표 기판에 전사 프린팅 하는 과정에 용매를 사용하지 않기 때문에 유기 물질 박막을 소자 구성으로 사용하는Quantum Dot Light Emitting Diode와 같은 적용 사례에 용매에 취약한 유기 박막을 손상하지 않고 양자 나노입자를 전사 할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서 제시하는 기술은, 저비용, 10 nm 이하의 높은 해상도, 대면적 나노 입자 배열 구성 및 이를 다양한 기판에 전사 프린팅 하는 기술로, 프린팅 공정을 이점으로 사용할 수 있는 차세대 전자 장비 제작에 응용될 경우 장비의 성능을 향상시키거나 제작 비용을 최소화해 경제적인 효과 역시 가져올 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용된 양자 나노입자 배열 제작과 나노-전사 프린팅 방법을 공정 별로 나타낸 모식도이다.
도 2는 자기 조립된 블록 공중합체를 RIE 공정을 진행함으로써 제작된 15 nm 선폭의 선형 요철 패턴의 SEM 사진이다.
도 3은 요철 미세 패턴 위에 양자 나노입자 용액을 스핀코팅하여 단일 양자 입자 해상도로 자기조립되어 제작된 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다. 왼쪽은 요철 템플릿의 표면에 전처리를 진행하지 않고 제작한 양자 나노입자 배열이다. 오른쪽은 요철 템플릿의 표면에 PDMS (Polydimethylsiloxane) 브러쉬 처리를 진행한 후 같은 방법으로 양자 나노입자의 자기조립을 유도한 사진이다.
도 4는 상기와 같이 진행된 양자 나노입자 배열 제작 과정에 사용된 양자 나노입자 용액의 용매를 톨루엔 용매에서 헵테인 용매로 교체하여 양자 나노입자의 자기조립을 유도한 SEM 사진이다. 왼쪽부터 톨루엔:헵테인 비율을 각각 10:0, 5:5, 0:10으로 조절하였다.
도 5는 서로 다른 선폭을 갖는 템플릿을 사용하여 양자 나노입자 배열을 제작한 SEM 사진이다. 왼쪽 사진은 10 nm 선폭을 갖는 PS-b-PDMS (Poly(styrene b- dimethylsiloxane)) (분자량 16,000 gmol-1)를 사용해 제작한 양자 나노입자 배열이다. 오른쪽 사진은 PS-b-PDMS (36,000 gmol-1)를 사용해 제작한 양자 나노입자 배열이다.
도 6은 상기 방법으로 제작된 양자 나노입자 배열을 템플릿으로부터 목표 기판까지 이동시키는 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기술의 모식도이다.
도 7은 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기술을 사용하여 Si 기판 위에 제작한 템플릿이 없는 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다.
도 8은 이빔 리소그래피로 제작된 100 nm 선폭의 템플릿을 사용하여 제작한 양자 나노입자 배열과 이렇게 제작된 배열을 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기법을 사용하여 Si 기판 위에 이동시킨 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다.
도 2는 자기 조립된 블록 공중합체를 RIE 공정을 진행함으로써 제작된 15 nm 선폭의 선형 요철 패턴의 SEM 사진이다.
도 3은 요철 미세 패턴 위에 양자 나노입자 용액을 스핀코팅하여 단일 양자 입자 해상도로 자기조립되어 제작된 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다. 왼쪽은 요철 템플릿의 표면에 전처리를 진행하지 않고 제작한 양자 나노입자 배열이다. 오른쪽은 요철 템플릿의 표면에 PDMS (Polydimethylsiloxane) 브러쉬 처리를 진행한 후 같은 방법으로 양자 나노입자의 자기조립을 유도한 사진이다.
도 4는 상기와 같이 진행된 양자 나노입자 배열 제작 과정에 사용된 양자 나노입자 용액의 용매를 톨루엔 용매에서 헵테인 용매로 교체하여 양자 나노입자의 자기조립을 유도한 SEM 사진이다. 왼쪽부터 톨루엔:헵테인 비율을 각각 10:0, 5:5, 0:10으로 조절하였다.
도 5는 서로 다른 선폭을 갖는 템플릿을 사용하여 양자 나노입자 배열을 제작한 SEM 사진이다. 왼쪽 사진은 10 nm 선폭을 갖는 PS-b-PDMS (Poly(styrene b- dimethylsiloxane)) (분자량 16,000 gmol-1)를 사용해 제작한 양자 나노입자 배열이다. 오른쪽 사진은 PS-b-PDMS (36,000 gmol-1)를 사용해 제작한 양자 나노입자 배열이다.
도 6은 상기 방법으로 제작된 양자 나노입자 배열을 템플릿으로부터 목표 기판까지 이동시키는 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기술의 모식도이다.
도 7은 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기술을 사용하여 Si 기판 위에 제작한 템플릿이 없는 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다.
도 8은 이빔 리소그래피로 제작된 100 nm 선폭의 템플릿을 사용하여 제작한 양자 나노입자 배열과 이렇게 제작된 배열을 pick-and-print 나노-전사 프린팅 기법을 사용하여 Si 기판 위에 이동시킨 양자 나노입자 배열의 SEM 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 나노 입자 중 가장 작은 크기를 갖는 양자 나노입자를 사용하여 나노 입자 배열의 최대 해상도인 단일 입자 해상도를 구현하기 위해, 20 nm 이하급의 블록공중합체 미세패턴을 템플릿으로 사용하고 미세 요철 상의 침투에 용이한 고분자를 전사 매체로 사용해 나노 입자 배열을 다양한 기판에 전사 프린팅 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예는, 고분자 박막 코팅과 리소그래피 기술, 그리고 RIE 처리 등의 공정을 이용하여 템플릿 기판을 제작하는 단계, 미리 만들어진 양자 나노입자 용액을 스핀코팅을 통해 양자 나노입자의 자기조립을 유도하여 템플릿의 패턴 정보에 상응하는 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계, 고분자 박막을 코팅 한 후 접착 필름으로 박막과 박막에 접착되어 있는 양자 나노입자 배열을 떼어 내는 단계, 양자 나노입자 배열을 최종 기판 상에 전사하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자 나노입자 배열 제작과 나노-전사 프린팅 방법을 나타낸 모식도이다. 이하에서는, 도 1을 참조하여 각 단계를 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 20 nm 이하 초미세 패턴을 형성하기 위하여 실리콘 웨이퍼 상에서 블록 공중합체 자기 조립 기반 리소그래피 기술을 이용한다. 도 2는 1 m 너비의 실리콘 트렌치 기판 내에 PS-b-PDMS 블록 공중합체를 자기 조립 시켜 선형 패턴을 형성시킨 후 RIE 공정을 통해 O2플라즈마 처리를 진행함으로써 Si 을 포함하고 있는 PDMS 영역이 SiO2로 변형되어 15 nm 선폭의 요철 형태의 선형 패턴의 SEM 사진이다. 본 발명의 일 실시 예에서 보인 선형 패턴 이외에도, 점, 천공 패턴 등 다양한 패턴을 블록 공중합체의 자기 조립 현상을 제어함으로써 제작할 수 있으며 본 발명에서 선형 양자 나노입자 배열 이외에 다양한 양자 나노입자 배열 제작을 위한 템플릿으로 활용 가능하다.
상기 기술된 공정으로 제작된 템플릿 기판 상에 양자 나노입자 배열을 제작하기 위해서는 미리 제작된 양자 나노입자 용액의 양자 나노입자 농도, 용매 종류, 스핀코팅 rpm 조절 등의 조건을 최적화해 요철 패턴 상의 양자 나노입자 자기 조립을 유도한다. 본 발명에서 사용된 양자 나노입자는 Oleyamine 리간드로 안정화된 7 nm 정도의 크기를 갖는 CdSe 양자 나노입자이며 기본적으로 톨루엔 용매에 녹아있는 용액을 사용한다. 양자 나노입자 농도는 0.2 wt%를 사용하였으며 양자 나노입자 농도가 너무 높을 경우 템플릿의 요철 상부에도 양자 나노입자가 응집하여 공간적 구속효과를 얻지 못하는 점을 확인하였고 양자나노입자 농도가 너무 낮을 경우 선형 폭 안에 양자 나노입자가 밀도있게 배열을 형성하지 않고 빈 공간을 형성하는 것을 확인하였다. 적정 양자 나노입자 농도는 0.15 wt% 에서 0.3 wt% 의 구간 내에서 설정될 수 있고 배열의 최적화를 위해서 스핀코팅 rpm 조절을 통해 용매의 증발 속도를 제어하여 용액과 템플릿의 계면 상에서 요철 내에 공간적 구속효과를 받는 양자 나노입자의 농도를 최적화 할 수 있다. 본 발명에 사용된 양자 나노입자 용액과 템플릿에 최적화된 스핀코팅 rpm은 1500 rpm 이다. 양자점 리간드의 종류에 따라 사용되는 용매가 달라질 수 있고 용매의 증발 속도는 상이하기 때문에 본 발명에 기술된 조건과 다른 재료를 사용 할 경우 양자 나노입자의 농도나 스핀코팅 rpm이 다른 형태로 구체화 될 수 있다.
상기 상술된 공정으로 제작된 템플릿 기판의SiO2표면은 유기 박막에 비해 표면 에너지가 높기 때문에 기판에 대한 양자 나노입자 용액의 젖음 특성이 좋아 도면 3 왼쪽 사진과 같이 손쉽게 높은 수율의 양자 나노입자 배열을 구현할 수 있다. 하지만 본 발명의 두번째 단계에 진행되는 나노-전사 프린팅을 구현하기 위해서는 템플릿의 표면 에너지를 최소화 시켜야 양자 나노입자 배열의 분리 수율을 최대화 할 수 있기 때문에 PDMS-OH 브러시를 템플릿 기판 위에 코팅하고 150oC환경에서 열처리를 진행하여 SiO2표면과의 그래프팅을 유도하였다. 한번 처리된 소수성 표면은 반영구적으로 재처리가 필요하지 않다.
하지만 23 mN/m 정도의 낮은 표면 에너지를 갖는 PDMS로 표면처리를 진행할 경우 도면 3 오른쪽 사진과 같이 양자 나노입자 용액의 낮은 젖음 특성으로 인해 자기 조립 수율이 현저히 감소한다. 이를 개선하기 위해 PDMS와 비슷한 용해 파라미터를 갖는 헵테인 용매로 양자 나노입자 용액의 용매를 교체한 후 도 4 가장 오른쪽 사진과 같이 양자 나노입자 자기 조립 수율이 상승하는 것을 확인하였다.
상기 방법으로 선형 길이 당 평균 63 %의 자기 조립 수율을 확보하였으나 여전히 존재하는 빈공간들은 일차원 양자 나노입자 배열의 특성을 측정하거나 소자에 적용시킬 때 성능 감소가 있을 수 있기 때문에 100%에 가까운 수율을 추가적으로 확보하기 위해 도면 5와 같이 템플릿의 선형 폭을 10 nm 에서 15 nm로 증가시켰다. 템플릿의 선폭을 제어하기 위해 블록 공중합체의 분자량을 16,000 gmol-1에서 36,000 gmol-1로 조정하였다. 보편적으로 특정 템플릿 내 어떠한 물질의 공간적 구속효과를 구현시, 패턴의 폭과 입자의 크기 간 비율 조절이 핵심적이라고 할 수 있는데, 단일 입자 해상도의 공간적 구속효과를 얻기 위해서는 패턴의 선폭이 단일 입자의 크기와 인접한 두개의 입자의 크기 사이일 때 가장 효과적이라 할 수 있다. 따라서 본 발명의 초기 단계에 사용한 선폭 10 nm 의 템플릿을15 nm 선폭으로 조정하였을 때, 양자 나노입자의 자기 조립 수율이 95% 이상인 것을 확인하였다.
상기 방법으로100%에 가까운 자기 조립 수율을 갖는 단일 해상도 양자 나노입자 배열을 제작 한 후, 배열을 최종 기판에 전사하기 위해 도 6에서 모식적으로 나타낸 것과 같이 고분자 박막을 스핀코팅하고 접착 테이프로 양자 나노입자가 접착되어 있는 고분자 박막을 템플릿으로부터 분리, 그리고 최종 기판에 전사 프린팅 하는 pick-and-print 기술을 이용해 템플릿 없는 양자 나노입자 배열을 제작하였다.
본 발명에서 전사 매체로 사용한 물질은 분자량 38,000 gmol-1의 PS (Polystyrene) 고분자이다. PS 는 PDMS 보다는 높고, Si, SiO2등 다양한 유무기 기판 표면 에너지보다는 낮은 표면에너지를 갖고 있어 양자 나노입자를 템플릿으부터 제거하고 기판에 전사하는 과정에 이점이 있다. 하지만 표면에너지 엔지니어링이 가능하다 할지라도 전사 매체와 정렬된 양자 나노입자 배열간의 접촉이 충분하지 않을 경우 배열을 템플릿으로부터 분리하는 pick (추출) 공정을 할 수 없다. 이와 같은 이유로 요철의 템플릿으로 사전에 패턴된 입자 배열의 경우 전사 프린팅 공정 기술이 적용될 수 없었다. 이러한 부분을 극복하기 위해 분자량이 낮은 고분자를 사용해 박막을 코팅함으로써 고분자 사슬이 1 2 nm 범위 폭을 갖는 템플릿과 양자 나노입자 사이의 빈공간에 침투해 전사 매체와 양자 나노입자의 접촉 면적을 최대화 하는 방법을 사용하였다. 결과적으로, 양자 나노입자들이 템플릿의 PDMS 표면 에너지보다 높은 PS 전사 매체와의 접촉이 원활히 이루어져 접착 테이프로 PS를 떼어낼 때 100 %에 가까운 수율로 양자 나노입자 배열이 템플릿으로부터 분리될 수 있다. 마지막 단계로 떼어낸 전사 박막을 PS보다 높은 표면에너지를 갖는 기판에 프린팅 할 경우, 도 7에서 보이는 바와 같이 기존 블록 공중합체 기반 템플릿의 정보를 유지한 양자 나노입자 입자 배열이 전사되었음을 확인 할 수 있다.
상기 서술된 나노-전사 프린팅 기술은 블록 공중합체 기반의 템플릿상에 정렬된 나노 입자 배열 뿐만 아니라 도 8의 왼쪽 사진에서 보이는 바와 같이 100 nm 선폭을 갖는 트렌치 형태의 패턴에 정렬된 양자 나노입자 배열을 프린팅하는 과정에도 동일하게 적용할 수 있다. 도 8의 오른쪽 사진은 동일하게 적용된 방법을 통해Si 기판에 pick-and-print 전사 프린팅 기법으로 제작한 일차원 양자 나노입자 배열이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 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 (13)
- 표면 요철 패턴이 있는 템플릿 기판 상에 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계;
템플릿 상에 제작된 양자 나노입자 배열 상에 고분자 박막을 코팅하는 단계;
접착 필름으로 고분자 박막을 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열과 템플릿을 분리하는 단계;
양자 나노입자 배열을 다양한 기판 상에 전사 하는 단계를 포함하는 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제1항에 있어서
상기 템플릿은,
블록 공중합체 자기 조립 기반 리소그래피 또는 E-beam 리소그래피 패터닝 공정을 이용하여 원하는 크기의 유기패턴을 형성하는 단계; 및
RIE (reactive ion etching) 공정을 이용하여 상기 유기패턴으로부터 SiO2로 이루어진 요철 형태의 표면 패턴을 가지도록 제작하는 단계;
를 통하여 제작되는 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 템플릿 표면 패턴의 너비는 1 nm ~ 1 cm, 깊이는1 nm ~ 1 cm 인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 템플릿 표면은 표면 에너지가 낮은 PDMS 브러쉬 고분자 코팅 처리를 수행하는 것으로 33mN/m 이하의 표면 에너지를 가지는 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 표면 요철 패턴이 있는 템플릿 기판 상에 양자 나노입자를 배열하는 단계는 미리 제작된 양자 나노입자 용액의 양자 나노입자 농도, 용매의 종류 또는 스핀코팅 rpm 속도 조건을 조절하는 방법으로 템플릿의 요철 패턴 내에 양자 나노입자의 자기 조립을 유도하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 양자 나노입자를 배열하는 단계는, 양자 나노입자 용액의 용매가 14 ~ 16 MPa1/2의 용해 파라미터 값을 갖는 용매를 이용하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 양자 나노입자 배열을 제작하는 단계는, 양자 나노입자 용액의 양자 나노입자 크기가 정렬에 사용되는 템플릿 패턴의 선폭보다 작은 양자 나노입자를 사용하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 템플릿 상에 제작된 양자 나노입자 배열 상에 고분자 박막을 코팅하는 단계는, 표면 에너지가 PDMS 의 표면에너지인 23 mN/m 이상의 값을 가지고, 80,000 gmol-1이하의 분자량을 가지며, 유리 전이 온도가 상온 (25℃)보다 높은 고분자를 이용하여 박막을 형성하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 고분자 박막을 코팅하는 단계는, 스핀코팅을 사용해 단층 박막으로 도포하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 접착 필름으로 고분자 박막을 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열과 템플릿을 분리하는 단계는, 일반적인 접착 필름을 균일하게 부착하고 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열을 포함하는 고분자 박막을 접착 필름에 부착시킨 채로 제작하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 양자 나노입자 배열을 다양한 기판 상에 전사 하는 단계는, 양자 나노입자 배열이 접착되어 있는 고분자 박막과 접착 필름을 양자 나노입자 배열과 최종 기판과 맞닿도록 접촉시킨 후 떼어냄으로써 양자 나노입자 배열을 기판 상에 전사 시키는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 양자 나노입자 배열을 기판 상에 전사 시키는 과정에서 사용되는 기판의 표면 에너지는 양자 나노입자 배열과 접촉하고 있는 고분자 박막보다 높은 표면 에너지를 가지고 있는 기판을 사용하는 단계인 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 기판은 금속, 산화물, 반도체 및 고분자 중 어느 하나로 이루어진 양자 나노입자 배열 제작 및 나노-전사 프린팅 방법.
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