KR20220038493A - 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법 - Google Patents

근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법 Download PDF

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KR20220038493A
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샤오준 리
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내셔널센터 포 나노사이언스 앤 테크놀로지, 차이나
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Abstract

나노 임프린트 기술을 적용한 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법은 근안 표시 기술분야에 속하는 것으로, 종래 기술에서 회절 격자 도파로의 제조 난이도가 높고, 수율이 낮으며, 반복성이 낮고, 대규모 생산을 수행할 수 없는 문제를 해결한다. 제조 방법은, 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 제조하는 단계; 나노 임프린트 공정을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계; 및 나노 임프린트 공정을 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함한다. 제조 방법은 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조에 사용될 수 있다.

Description

근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법
본 발명은 근안 표시 기술에 관한 것으로, 특히 나노 임프린트 기술을 적용한 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에 관한 것이다.
증강 현실 기술(Augmented Reality, AR)은 시각적 체험과 인간-컴퓨터 상호 작용의 혁신이며, 진실 세계 정보와 가상 세계 정보를 "심리스(seamless)" 통합하는 새로운 기술이다.
근안 디스플레이는 증강 현실 기술의 핵심 구성 요소이며 주로 프리즘, 자유 표면, 회절 격자 도파로의 3가지 모드가 있다. 여기서, 프리즘 방식은 시야각(field of view, FOV)이 매우 작고 두께가 두꺼워 대규모 산업화의 요구를 만족시킬 수 없다. 자유 곡면 방식은 시야각이 크지만 곡면의 가공 및 설계 난이도가 높고 부피가 크므로 경량화 및 휴대화를 구현할 수 없다. 회절 격자 도파로 렌즈 표시 기술의 경우, 격자의 회절 작용을 이용하여 광선의 입사, 굴절 및 출사를 구현하고, 전반사 원리를 이용하여 광선 투과를 구현하며, 마이크로 디스플레이의 이미지를 사람의 눈에 전도하여 가상 이미지가 보이도록 하는데, 회절 격자 도파로 표시 기술은 광섬유 기술과 동일한 전반사 원리를 사용하므로, 회절 격자 도파로 표시 소자는 일반 안경 렌즈와 같이 얇고 투명하게 제조될 수 있어, 더 큰 표시 영역과 큰 시야각을 가지며, 통합과 소형화, 경량화에 편리하고, 광범위한 적용 전망을 갖는다.
기존의 격자 가공 기술에는 주로 기계적 룰링(ruling) 방법, 홀로그래피 간섭 노광 방법, 레이저 직접 묘화 방법, 집속 이온 빔 가공 방법 및 전자 빔 노광 방법이 있다. 여기서, 기계적 룰링 방법은 주로 다이아몬드 공구를 사용하여 금속 기판에 격자를 제조하는데, 제조된 격자 주기가 크고, 서브마이크론 주기의 격자를 제조하기 어려우므로, 제조된 격자의 거칠기가 상대적으로 크고, 고스트 라인이 발생하기 쉬우며, 근안 표시에 필요한 유리 기판에 제조할 수 없다. 홀로그래피 간섭 노광 방법은 유리 기판에 대면적 격자를 제조할 수 있지만, 반복성이 낮고, 효율이 낮다. 레이저 직접 묘화 방법, 집속 이온 빔 가공 방법 및 전자 빔 노광 방법은 가공 정밀도가 높으므로, 마스크가 필요없이 나노 크기의 격자를 직접 가공할 수 있지만, 대규모 및 대면적의 회절 격자 가공을 수행할 수 없어, 효율이 낮으며, 가격이 비싸다.
상술한 분석을 감안하여, 본 발명의 목적은 종래 기술에서 회절 격자 도파로의 제조 난이도가 높고, 수율이 낮으며, 반복성이 낮고, 대규모 생산을 수행할 수 없는 문제를 해결하기 위해, 나노 임프린트 공정을 통해 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 주로 하기와 같은 기술적 해결수단을 통해 구현된다.
본 발명은,
회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 제조하는 단계 1;
나노 임프린트 공정을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계 2; 및
나노 임프린트 공정을 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계 3을 포함하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법을 제공한다.
실현 가능한 설계에서, 단계 1은, 임프린트 기판을 제공하고, 임프린트 기판에 포토레지스트를 균일하게 스핀 코팅하는 단계; 베이킹하여 포토레지스트 중의 포토레지스트 용매를 제거하고, 노광 공정을 통해 포토레지스트층을 임프린트 기판 표면에 노광시키며, 현상 후 포토레지스트에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계; 식각 공정을 통해 노광된 임프린트 기판을 식각하고, 회절 격자 도파로 패턴을 포토레지스트에서 임프린트 기판으로 전사하여, 임프린트 기판에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계; 및 포토레지스트를 제거하여 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 획득하는 단계를 포함한다.
실현 가능한 설계에서, 단계 2에서, 나노 임프린트 공정은 열 임프린트 또는 자외선 임프린트이다.
실현 가능한 설계에서, 열 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는, 플렉시블 기판을 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트의 표면에 놓고, 플렉시블 기판을 유리전이온도 이상으로 가열하며, 압력을 가하여 플렉시블 기판을 연화시켜 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전(充塡)하고, 냉각 및 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함한다.
실현 가능한 설계에서, 자외선 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는, 투명 플렉시블 기판을 제공하고, 투명 플렉시블 기판의 임프린트 템플레이트를 향하는 측에 자외선 민감성 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및 투명 플렉시블 기판과 임프린트 템플레이트를 합착시키고, 압력을 가하여 자외선 민감성 접착제를 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전하며, 자외선 민감성 접착제를 경화시키고 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함한다.
실현 가능한 설계에서, 단계 3에서, 나노 임프린트 공정은 열 임프린트 또는 자외선 임프린트이다.
실현 가능한 설계에서, 자외선 임프린트를 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하는 단계는, 도파로 기판을 제공하고, 도파로 기판의 전사 템플레이트를 향하는 측에 자외선 임프린트 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및 전사 템플레이트를 자외선 임프린트 접착제가 코팅된 도파로 기판에 피복하고, 공기압력으로 균일하게 압력을 가하는 방식 또는 압연하여 압력을 가하는 방식을 통해 자외선 임프린트 접착제를 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴에 충전하며, 자외선 임프린트 접착제를 경화시키고 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함한다.
실현 가능한 설계에서, 단계 3에서, 경화 및 이형 후, 식각을 통해 자외선 임프린트 접착제에서의 회절 격자 도파로 패턴을 도파로 기판으로 전사하고 자외선 임프린트 접착제를 제거하는 단계를 더 포함한다.
실현 가능한 설계에서, 전사 템플레이트는 플렉시블 템플레이트이고, 도파로 기판은 곡면 기판이다.
실현 가능한 설계에서, 단계 3에서, 도파로 기판은 투명 폴리머 기판이고; 단계 3은, 전기 주조 방식을 통해 전사 템플레이트에서의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 금속 니켈 플레이트로 전사하는 단계; 및 전기 주조된 금속 니켈 플레이트를 투명 폴리머 기판에 놓고, 열 임프린트를 통해 투명 폴리머 기판을 금속 니켈 플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 진입시키며, 냉각 및 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함한다.
종래 기술과 비교하여 본 발명은 하기와 같은 유익한 효과 중 적어도 하나를 구현할 수 있다.
a) 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법은 나노 임프린트 공정(열 임프린트, 자외선 임프린트 또는 롤 임프린트)을 적용하는 바, 나노 임프린트 기술은 임프린트 템플레이트를 사용하여 레지스트를 갖는 기판에서 열간 프레싱 또는 자외선 임프린트 방식을 통해 패턴을 얻는 기술로, 가공 정밀도가 높고, 반복성이 높으며, 비용이 저렴하고, 대규모 생산이 가능하며, 안정성이 높은 등 장점을 가지며, 제조된 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 성능이 우수하므로, 점점 더 성숙하고 빠르게 발전하고 있는 증강 현실(AR) 분야의 근안 표시 렌즈의 요구를 만족시킬 수 있고, 군사, 경찰용, 산업, 의료, 교육, 엔터테인먼트, 여행 등 분야에 적용될 수 있으며, 시장 전망이 넓다.
b) 임프린트 템플레이트의 제조 공정이 비교적 복잡하고 가격이 높으므로, 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법은, 전사 방식을 통해 임프린트 템플레이트로부터 전사 템플레이트(대응되는 석영 템플레이트 또는 폴리머의 플렉시블 템플레이트)를 얻을 수 있음으로써, 임프린트 템플레이트를 직접 사용하여 근안 디스플레이의 임프린트를 수행하는 것을 회피하고, 동일한 임프린트 템플레이트를 사용하여 복수 개의 전사 템플레이트를 제조할 수 있으므로, 임프린트 템플레이트의 수명을 연장하고 비용을 절감한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하 명세서에서 설명되고, 또한, 일부분은 명세서에 의해 명백해지거나, 본 발명을 구현함으로써 이해될 것이다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 기재된 명세서 및 도면에서 특별히 지적된 구조를 통해 구현 및 획득될 수 있다.
도면은 구체적인 실시예를 나타내기 위한 목적으로 사용될 뿐, 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 아니되며, 전체 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 회절 격자 도파로의 격자 분포도이다.
도 2는 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 임프린트 템플레이트의 제조 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 전사 템플레이트의 제조 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 나노 임프린트를 기반으로 회절 격자 도파로를 제조하는 제조 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 나노 임프린트를 기반으로 회절 격자 도파로를 제조하는 다른 제조 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 플렉시블 템플레이트를 사용하여 곡면 기판에 회절 격자 도파로를 제조하는 제조 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 플렉시블 템플레이트를 사용하여 곡면 기판에 회절 격자 도파로를 제조하는 다른 제조 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법에서 열 임프린트를 통해 경질 폴리머 기반 회절 격자 도파로를 제조하는 제조 흐름도이다.
이하, 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면은 본 발명의 일부분을 구성하는 것으로, 본 발명의 실시예와 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 사용된다.
이하, 회절 격자 도파로를 더 잘 이해하도록, 회절 격자 도파로를 설명하며, 도 1을 참조하면, 근안 디스플레이의 회절 격자 도파로는 주로 입사 격자 및 출사 격자를 포함하고, 일부는 굴절 격자를 더 포함할 수 있다. 회절 격자 도파로 패턴이란 회절 격자 도파로의 대응되는 격자(입사 격자 및 출사 격자, 또는, 입사 격자, 출사 격자 및 굴절 격자) 구조를 갖는 패턴을 의미한다.
본 발명은 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법을 제공하고, 도 1 내지 도 8을 참조하면 하기와 같은 단계를 포함한다.
단계 1: 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 제조하되, 설명해야 할 것은, 상기 임프린트 템플레이트는 나노 크기일 수 있는데, 다시 말하면, 상기 임프린트 템플레이트는 나노 임프린트 템플레이트일 수 있다.
단계 2: 나노 임프린트 공정을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득한다.
단계 3: 나노 임프린트 공정을 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득한다.
종래 기술과 비교하여 본 발명에 따른 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법은 나노 임프린트 공정(열 임프린트, 자외선 임프린트 또는 롤 임프린트)을 적용하는 바, 나노 임프린트 기술은 임프린트 템플레이트를 사용하여 레지스트를 갖는 기판에서 열간 프레싱 또는 자외선 임프린트 방식을 통해 패턴을 얻는 기술로, 가공 정밀도가 높고, 반복성이 높으며, 비용이 저렴하고, 대규모 생산이 가능하며, 안정성이 높은 등 장점을 가지며, 제조된 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 성능이 우수하므로, 점점 더 성숙하고 빠르게 발전하고 있는 증강 현실(AR) 분야의 근안 표시 렌즈의 요구를 만족시킬 수 있고, 군사, 경찰용, 산업, 의료, 교육, 엔터테인먼트, 여행 등 분야에 적용될 수 있으며, 시장 전망이 넓다.
이 밖에, 임프린트 템플레이트의 제조 공정이 비교적 복잡하고 가격이 높으므로, 전사 방식을 통해 임프린트 템플레이트로부터 전사 템플레이트(대응되는 석영 템플레이트 또는 폴리머의 플렉시블 템플레이트)를 얻을 수 있음으로써, 임프린트 템플레이트를 직접 사용하여 근안 디스플레이의 임프린트를 수행하는 것을 회피하고, 동일한 임프린트 템플레이트를 사용하여 복수 개의 전사 템플레이트를 제조할 수 있으므로, 임프린트 템플레이트의 수명을 연장하고 비용을 절감한다.
도 2를 참조하면, 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 제조하는 단계 1은, 임프린트 기판을 제공하고, 임프린트 기판에 PMMA 포토레지스트 또는 ZEP520 포토레지스트 등과 같은 포토레지스트를 균일하게 스핀 코팅하는 단계; 베이킹하여 포토레지스트 중의 포토레지스트 용매를 제거하고, 노광 공정을 통해 포토레지스트층을 임프린트 기판 표면에 노광시키며, 현상 후 포토레지스트에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계; 식각 공정을 통해 노광된 임프린트 기판을 식각하고, 회절 격자 도파로 패턴을 포토레지스트에서 임프린트 기판으로 전사하여, 임프린트 기판에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계; 및 포토레지스트를 제거하여 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 노광 공정은 전자 빔 노광 방법, 레이저 직접 묘화 방법 또는 홀로그래피 노광 방법 등 방법을 선택하여 수행할 수 있다. 효율을 향상시키고 비용을 절감하기 위해, 이들 공정을 서로 조합하는 방식을 통해 임프린트 템플레이트를 제조할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 직접 묘화 방법 또는 홀로그래피 노광 방법은 생산 효율이 높지만 사이즈가 큰 격자의 생산에만 적합한 점을 고려하면, 주기가 500 nm 이상인 회절 격자 도파로 패턴의 경우, 레이저 직접 묘화 방법 또는 홀로그래피 노광 방법을 사용하여 임프린트 템플레이트를 제조할 수 있고; 주기가 500 nm 미만인 회절 격자 도파로 패턴의 경우, 생산 효율이 낮지만 사이즈가 작은 격자의 생산에 적합한 전자 빔 노광 방법을 선택할 수 있다.
예를 들면, 전자 빔 노광 방법을 사용하여 노광 및 현상하는 구체적인 공정은, 임프린트 기판를 제공하고, RCA 표준 세척 방법을 사용하여 실리콘 웨이퍼를 세척하며, 세척된 임프린트 기판을 100 ~ 115 ℃ 에서 1 ~ 3 min 동안 베이킹하고; 베이킹된 임프린트 기판에 포토레지스트를 스핀 코팅하며, 식각 내성 및 고해상도의 ZEP520 노광 접착제를 선택하여 145 ~ 153 nm의 두께로 스핀 코팅하고; 175 ~ 182 ℃ 에서 1 ~ 2 min 동안 베이킹하여 포토레지스트층 중의 포토레지스트 용매를 제거하며; 전자 빔 직접 묘화 노광기를 사용하여 포토레지스트층을 노광시키고, 도 1에 도시된 회절 격자 도파로 패턴을 묘화하되, 노광량은 286 ~ 310 μC/cm2이고, 전자 빔의 빔 스폿 직경은 0.8 ~ 1.2 nm이며, 빔 전류는 18 ~ 21 nA이고, 노광 완료된 기판을 부탄온의 부피 백분율이 1.5 %인 n-아밀 아세테이트 용액으로 1.3 ~ 1.8 min 동안 현상한 후, 이소프로판올로 1.4 ~ 1.7 min 동안 고정하며, 질소로 기판을 불어 건조시키고, 현상 후 포토레지스트층에 회절 격자 도파로 패턴을 형성한다. 여기서, 입사 격자 주기는 200 ~ 280 nm이고, 굴절 격자 주기는 220 ~ 246 nm이며, 출사 격자 주기는 236 ~ 260 nm이다.
상기 임프린트 템플레이트의 제조 적응성을 향상시키기 위해, 임프린트 템플레이트(즉, 임프린트 기판)의 재료로서 단결정 실리콘, 석영 또는 유리와 같은 실리콘 재료를 선택할 수 있는데, 실리콘을 임프린트 템플레이트의 기판 재료로 사용하는 것은, 실리콘 기판이 상기 여러개 임프린트 템플레이트 가공 공정에서 범용 소재이고, 적용성이 강하며, 상기 여러개 가공 공정의 조합을 통해 쉽게 가공할 수 있기 때문이다.
설명해야 할 것은, 일반적인 상황에서, 회절 격자 도파로의 입사 격자, 굴절 격자 및 출사 격자는 모두 2차원 직사각형 격자이지만, 때로는 보다 좋은 시각적 체험을 만족시키기 위해, 입사 격자는 블레이즈 격자 또는 경사 격자일 수도 있다.
예시적으로, 회절 격자 도파로 중의 입사 격자가 2차원 직사각형 격자 또는 경사 격자이고 굴절 격자 및 출사 격자가 2차원 직사각형 격자일 경우, 유도 결합 플라즈마 식각 공정을 통해 식각할 수 있되, 구체적인 식각 공정 조건은 다음과 같은 바, 기판 온도는 0 ~ 2 ℃ 이고, ICP 플라즈마의 상위 전력은 130 ~ 155 W이며, 하위 전력 RF는 18 ~ 23 W이고, 압력은 0.9 ~ 1.2 Pa이며, SF6 흐름량은 26 ~ 33 sccm이고, O2 흐름량은 4 ~ 7 sccm이며, Ar 흐름량은 6 ~ 9 sccm이고, 식각 시간은 12 ~ 17 s이다. 식각된 기판을 부탄온으로 8 ~ 10 min 동안 초음파 처리하여 ZEP520 잔류 접착제를 제거하여, 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 획득한다.
회절 격자 도파로 중의 입사 격자가 블레이즈 격자이고 굴절 격자 및 출사 격자가 2차원 직사각형 격자일 경우, 먼저 이온 빔 식각 공정을 통해 블레이즈 격자를 얻은 다음, 유도 결합 플라즈마 식각 공정을 통해 2차원 직사각형 격자 또는 경사 격자를 얻음으로써, 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 얻을 수 있다. 이온 빔 식각 공정 조건은 다음과 같은 바, 노광된 기판에 212 ~ 230 nm의 ZAP520A 노광 접착제층을 스핀 코팅하되, 베이킹 온도는 175 ~ 186 ℃ 이고, 베이킹 시간은 1.5 ~ 2 min이며, 노광 후 현상하여 주기가 220 ~ 239 nm인 블레이즈 격자 패턴을 갖는 노광 접착제층을 얻고, 이온 빔 식각을 수행하되, 이온 빔 전류는 30 ~ 35 mA이며, 아르곤 흐름량은 28 ~ 33 sccm이고, 이온 빔 에너지는 580 ~ 623 eV이며, 이온 빔 식각 경사각은 40 ~ 42°이고, 식각 시간은 2.5 ~ 3.0 h이며, 식각 종료 후 잔류 노광 접착제층을 제거하여 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 획득한다.
임프린트 템플레이트의 표면 에너지를 감소시키고 후속 임프린트 과정의 이형을 편리하게 하기 위해, 상기 단계 1에서 또한 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트에 대해 패시베이션 처리를 수행해야 하는데, 패시베이션 처리는, 임프린트 템플레이트를 세척하고, 세척된 임프린트 템플레이트를 78 ~ 85 ℃ 에서 8 ~ 11 mm 동안 가열한 다음, 실리콘 템플레이트를 진공 건조기에 넣고, 50 μL의 퍼옥틸 플루오로실란을 실리콘 템플레이트 옆에 있는 슬라이드 글라스에 떨어뜨린 다음, 30 Pa이 되도록 진공을 형성하며, 5 h 동안 압력을 유지한 후 패시베이션 완료된 실리콘 템플레이트를 꺼내는 단계를 포함한다.
예시적으로, 단계 2에서, 상기 전사 템플레이트는 석영 템플레이트 또는 플렉시블 템플레이트일 수 있고, 상이한 굴곡 곡률의 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 얻을 수 있도록, 상기 전사 템플레이트는 PET 템플레이트, PDMS 템플레이트 또는 불소수지 템플레이트와 같은 플렉시블 템플레이트일 수 있으며, 이러한 연질 템플레이트는 평평한 기판에 임프린트될 수 있을 뿐만 아니라, 굴곡된 곡면에 임프린트될 수도 있음으로써, 다양한 상이한 굴곡 곡률의 근안 디스플레이를 얻을 수 있고, 인체 공학에 부합되는 회절 격자 도파로 렌즈를 더 쉽게 얻을 수 있다.
단계 2에서, 열 임프린트 또는 자외선 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사할 수 있다.
도 3을 참조하면, 열 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는, 플렉시블 기판(예를 들어, 열가소성 폴리머 기판)을 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트의 표면에 놓고, 플렉시블 기판을 유리전이온도 이상으로 가열하며, 압력을 가하여 플렉시블 기판을 연화시켜 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전하고, 냉각 및 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적으로, 불소화 수지 기판을 임프린트 템플레이트에 놓고, 90 ~ 98 ℃ 까지 가열하며, 가해진 압력은 26 ~ 33 bar이고, 압력 유지 시간은 12 ~ 19 min이며, 그 다음 이형하여 대응되는 전사 템플레이트를 획득한다.
자외선 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는, 투명 플렉시블 기판을 제공하고, 투명 플렉시블 기판의 임프린트 템플레이트를 향하는 측에 자외선 민감성 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및 투명 플렉시블 기판과 임프린트 템플레이트를 합착시키고, 압력을 가하여 자외선 민감성 접착제를 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전하며, 자외선 조사에 의해 자외선 민감성 접착제를 경화시키고 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 단계 3에서, 열 임프린트 또는 자외선 임프린트를 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사할 수 있다. 설명해야 할 것은, 자외선 임프린트는 열 임프린트에 비해 더 작은 압력을 가할 수 있고, 복제 속도가 빠르며, 롤-플레이트(roll-plate) 임프린트 방식을 통해 회절 격자 도파로 근안 디스플레이의 대량 생산을 구현하고, 실제 격자의 면적을 빠르게 복제할 수 있다.
도 4를 참조하면, 자외선 임프린트를 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하는 단계는, 도파로 기판을 제공하고, 도파로 기판의 전사 템플레이트를 향하는 측에 자외선 임프린트 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및 전사 템플레이트를 자외선 임프린트 접착제가 코팅된 도파로 기판에 피복하고, 공기압력으로 균일하게 압력을 가하는 방식 또는 압연하여 압력을 가하는 방식을 통해 자외선 임프린트 접착제를 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴에 충전하며, 자외선 조사에 의해 자외선 임프린트 접착제 경화 및 이형을 수행하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함한다.
구체적인 임프린트 공정 및 파라미터는 다음과 같은 바, 깨끗이 씻은 도파로 기판(예를 들어, 유리판)에 자외선 임프린트 접착제를 1.2 ~ 1.6 μm의 두께로 스핀 코팅하고, 전사 템플레이트를 스핀 코팅된 도파로 기판에 피복하며, 롤 임프린트를 통해 0.6 ~ 0.9 Mpa의 압력을 가하고, 자외선 임프린트 접착제가 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴에 충전된 후, UV 조사 방식을 통해 자외선 임프린트 접착제를 경화시키되, UV 경화 시간은 22 ~ 28 s이고, 경화가 완료된 후, 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득한다.
도 5를 참조하면, 표시 효과를 더 향상시키기 위해, 경화 및 이형 후, 식각을 통해 자외선 임프린트 접착제에서의 회절 격자 도파로 패턴을 도파로 기판으로 전사하고 자외선 임프린트 접착제를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이에 따라, 표시 효과가 보다 좋은 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 얻을 수 있고, 회절 격자 도파로의 온도 범위, 시야각, 해상도 및 선명도를 더 향상시킬 수 있다. 구체적인 식각 고정 조건은 다음과 같은 바, 압력은 0.3 ~ 0.5 Pa이고, 식각 ICP 전력은 380 ~ 410 w이며, 바이어스 전력은 45 ~ 56 w이고, CFH3 흐름량은 38 ~ 44 sccm이며, Ar 흐름량은 12 ~ 16 sccm이고, O2 흐름량은 4 ~ 6 sccm이며, 식각 시간은 160 ~ 195 s이다.
넓은 시야각의 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 얻기 위해, 고굴절률(굴절률이 1.8보다 큼)의 유리 기판을 도파로 기판으로 사용하고, 고굴절률(굴절률이 1.7보다 큼)의 자외선 포토레지스트를 사용할 수 있으며, 경화된 자외선 포토레지스트는 비교적 높은 사용 환경 온도를 가지므로, 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 상이한 사용 환경을 만족시킬 수 있다.
유의해야 할 것은, 인체 공학에 더 부합되는 근안 디스플레이를 제조하기 위해, 전사 템플레이트가 플렉시블 템플레이트일 경우, 곡면 기판을 도파로 기판으로 사용하여 곡면 기판에 곡면을 갖는 근시 안경 렌즈 등과 같은 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 제조할 수 있다. 플렉시블 템플레이트를 사용하여 곡면 기판에 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 제조하는 구체적인 공정은 도 6을 참조하면 다음과 같은 바, 도파로 기판으로서 곡면 기판을 제공하고, 슬릿 블레이드 코팅 공정을 통해 곡면 기판의 전사 템플레이트를 향하는 측에 1.8 ~ 2.3 μm의 자외선 임프린트 접착제를 균일하게 피복하며, 전사 템플레이트를 자외선 임프린트 접착제가 코팅된 곡면 기판에 피복하고, 공기압력으로 균일하게 압력을 가하는 방식 또는 압연하여 압력을 가하는 방식을 통해 0.2 ~ 0.5 MPa의 압력을 가하여 자외선 임프린트 접착제를 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴에 충전하며, 자외선 조사에 의해 자외선 임프린트 접착제를 22 ~ 28 s 동안 경화시키고 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득한다. 광학 성능을 보장하기 위해, 가변 주기의 격자 구조를 설계할 수 있고, 플렉시블 템플레이트가 굴곡되어 곡면 기판과 합착되는 경우, 플렉시블 템플레이트의 굴곡을 통해 격자 주기를 변경함으로써, 광학 성능에 부합되는 곡면 회절 격자 도파로 근안 디스플레이를 획득한다.
근안 디스플레이의 사용 온도 범위, 시야각, 해상도 및 선명도와 같은 성능을 더 향상시키기 위해, 단계 3에서, 경화 및 이형 후, 식각을 통해 자외선 임프린트 접착제에서의 회절 격자 도파로 패턴을 곡면 기판으로 전사하고 자외선 임프린트 접착제를 제거하는 단계를 더 포함하고, 도 7에 도시된 바와 같이, 식각 공정 조건은 다음과 같은 바, 압력은 0.5 Pa이고, 식각 ICP 전력은 500 w이며, 바이어스 전력은 30 w이고, CFH3 흐름량은 42 sccm이며, Ar 흐름량은 15 sccm이고, O2 흐름량은 5 sccm이며, 식각 시간은 200 s이다.
경질, 내부식성 및 균열 저항성을 가진 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 얻기 위해, 단계 3에서, 고굴절률(1.75보다 큼)의 투명 폴리머 기판(예를 들어, 개질 투명 열가소성 폴리머 PMMA, PET 등)을 도파로 기판으로 사용할 수 있다.
투명 폴리머 기판을 사용하여 회절 격자 도파로를 제조하는 제조 과정은 도 8에 도시된 바와 같은 바, 도파로 기판 재료는 개질 PMMA를 사용할 수 있고, 전사 템플레이트의 패턴을 전기 주조에 의해 금속 니켈 플레이트에 전사하며, 니켈 플레이트를 이용하여 열 임프린트를 수행한다. 구체적으로, 전자 빔 증착 코팅 등 공정을 통해 전사 템플레이트에 니켈 시드층을 증착하되, 증발 물질은 3 ~ 6 N의 니켈 입자이고, 증착 챔버 압력을 4.5 ~ 5.6Х10-4 Pa로 펌핑하며, 전자 빔 전류는 38 ~ 45 mA이고, 증발 속도는 0.1 ~ 0.4 옹스트롬/초이며, 두께는 85 ~ 1.5 nm인데, 설명해야 할 것은, 원자층 증착 또는 마그네트론 스퍼터링을 통해 니켈 시드층을 증착할 수도 있다. 전기 주조에서 니켈 설파메이트를 전기 주조 용액으로 사용하고, 전기 주조 온도는 43 ~ 46 ℃이며, 전류 밀도는 3.8 ~ 4.4 A/dm2이고, 시간은 2.5 ~ 3.7 h이다. 전기 주조의 금속 니켈 플레이트를 도파로 기판에 놓고, 120 ~ 140 ℃ 까지 가열하며, 임프린트의 압력은 5.5 ~ 6.7 MPa이고, 압력 유지 시간은 8 ~ 11 min이며, 그 다음 63 ~ 69 ℃ 까지 냉각시키고, 이형하여 개질 PMMA 기반의 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득한다.
상술한 내용은 본 발명의 바람직한 구체적인 실시형태일 뿐 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 않으며, 당업자가 본 발명에 개시된 기술 범위 내에서 용이하게 생각할 수 있는 변경 또는 대체는 모두 본 발명의 보호범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (10)

  1. 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 제조하는 단계 1;
    나노 임프린트 공정을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계 2; 및
    나노 임프린트 공정을 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계 3을 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1은,
    임프린트 기판을 제공하고, 임프린트 기판에 포토레지스트를 균일하게 스핀 코팅하는 단계;
    베이킹하여 포토레지스트 중의 포토레지스트 용매를 제거하고, 노광 공정을 통해 포토레지스트층을 임프린트 기판 표면에 노광시키며, 현상 후 포토레지스트에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계;
    식각 공정을 통해 노광된 임프린트 기판을 식각하고, 회절 격자 도파로 패턴을 포토레지스트에서 임프린트 기판으로 전사하여, 임프린트 기판에 회절 격자 도파로 패턴을 형성하는 단계; 및
    포토레지스트를 제거하여 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2에서, 상기 나노 임프린트 공정은 열 임프린트 또는 자외선 임프린트인 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    열 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는,
    플렉시블 기판을 회절 격자 도파로 패턴을 갖는 임프린트 템플레이트의 표면에 놓고, 플렉시블 기판을 유리전이온도 이상으로 가열하며, 압력을 가하여 플렉시블 기판을 연화시켜 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전하고, 냉각 및 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    자외선 임프린트 방식을 통해 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴을 전사 템플레이트에 전사하는 단계는,
    투명 플렉시블 기판을 제공하고, 투명 플렉시블 기판의 임프린트 템플레이트를 향하는 측에 자외선 민감성 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및
    투명 플렉시블 기판과 임프린트 템플레이트를 합착시키고, 압력을 가하여 자외선 민감성 접착제를 임프린트 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 충전하며, 자외선 민감성 접착제를 경화시키고 이형하여 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 갖는 전사 템플레이트를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 3에서, 나노 임프린트 공정은 열 임프린트 또는 자외선 임프린트인 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    자외선 임프린트를 통해 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 도파로 기판에 전사하는 단계는,
    도파로 기판을 제공하고, 도파로 기판의 전사 템플레이트를 향하는 측에 자외선 임프린트 접착제를 스핀 코팅하는 단계; 및
    전사 템플레이트를 자외선 임프린트 접착제가 코팅된 도파로 기판에 피복하고, 공기압력으로 균일하게 압력을 가하는 방식 또는 압연하여 압력을 가하는 방식을 통해 자외선 임프린트 접착제를 전사 템플레이트의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴에 충전하며, 자외선 임프린트 접착제를 경화시키고 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단계 3에서, 경화 및 이형 후, 식각을 통해 자외선 임프린트 접착제에서의 회절 격자 도파로 패턴을 도파로 기판으로 전사하고 자외선 임프린트 접착제를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 전사 템플레이트는 플렉시블 템플레이트이고, 상기 도파로 기판은 곡면 기판인 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3에서, 상기 도파로 기판은 투명 폴리머 기판이고;
    상기 단계 3은,
    전기 주조 방식을 통해 전사 템플레이트에서의 회절 격자 도파로 패턴의 미러 패턴을 금속 니켈 플레이트로 전사하는 단계; 및
    전기 주조된 금속 니켈 플레이트를 투명 폴리머 기판에 놓고, 열 임프린트를 통해 투명 폴리머 기판을 금속 니켈 플레이트의 회절 격자 도파로 패턴에 진입시키며, 냉각 및 이형하여 근안 디스플레이 회절 격자 도파로를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근안 디스플레이 회절 격자 도파로의 제조 방법.
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