KR20230054526A - 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법 - Google Patents

미세패턴을 가지는 구조물 제작방법 Download PDF

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윤재성
유영은
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Abstract

본 발명은 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법은 기판에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자를 배열시키는 단계, 상기 미세입자가 배열된 기판에 박막을 증착시키는 단계 및 상기 박막의 증착 두께를 조절하여, 상기 미세입자를 제거하여 증착면에 음각의 미세패턴을 형성하거나 상기 미세입자 위 증착면에 양각의 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세패턴을 가지는 구조물 제작방법{METHOD FOR MANUFACTURING A STRUCTURE WITH A FINE PATTERN}
본 발명은 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자와 미세박막을 이용하여 음각 또는 양각의 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 관한 것이다.
색은 일반적으로 반사된 물질 고유의 색에 의해 나타나지만, 빛의 회절, 간섭 등에 의해서도 나타난다. 이러한 색을 구조색이라 한다. 구조색은 물질의 주기적인 미세구조에 빛(가시광선)이 회절, 간섭, 산란 현상을 일으키며 나타나는 색이다. 이러한 구조색은 보는 각도에 따라서 색깔이 변하기도 하고 외부 환경에 따라서 색깔이 다르게 나타나는 광학 특성을 가진다. 또한, 물감, 안료와 달리 시간이 지나도 변색되지 않고 환경 친화적인 장점도 있다.
이러한 구조색의 원리는 센서, 디스플레이, 태양전지, 암호(information encryption), 위조 방지 등의 다양한 분야에 응용되고 있다.
이에, 구조색의 구현 및 상기 여러 기술 분야에서 사용될 수 있는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법을 제안하고자 한다.
대한민국 등록특허 제2159085호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자와 미세박막의 증착 두께에 따라 음각 또는 양각의 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, (a) 기판에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자를 배열시키는 단계; (b) 상기 미세입자가 배열된 기판에 박막을 증착시키는 단계; 및 (c) 상기 박막의 증착 두께를 조절하여, 상기 미세입자를 제거하여 증착면에 음각의 미세패턴을 형성하거나 상기 미세입자 위 증착면에 양각의 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 의해 달성될 수 있다.
여기서, (a) 단계 이후에, 상기 미세입자의 입자 크기를 줄이는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)에 의해 상기 미세입자의 입자 크기를 줄일 수 있다.
여기서, (b) 단계에서 금속 물질을 증착시킬 수 있다.
여기서, 음각의 미세패턴을 형성하는 경우 상기 박막의 증착 두께는 상기 미세입자의 반경보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 양각의 미세패턴을 형성하는 경우 상기 박막의 증착 두께는 상기 미세입자의 반경보다 큰 것이 바람직하고, 증착층에 상기 미세입자의 형상에 따라 양각의 미세패턴이 형성될 수 있다.
여기서, 접착층이 형성된 입자 제거 필름을 상기 미세입자 위 증착면 상에 접착시키고 상기 입자 제거 필름을 제거하는 방법으로 상기 기판으로부터 상기 미세입자를 제거하여 상기 접착층에 음각의 미세패턴을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 (c) 단계에서, 상기 증착면의 위치에 따라서 증착 두께를 달리하여 음각의 미세패턴과 양각의 미세패턴을 동일면상에 형성할 수 있다.
여기서, 상기 (c) 단계에서, 음각의 미세패턴을 형성하기 위한 제1 증착층을 형성하는 단계; 및 마스크를 이용하여 상기 제1 증착증 위에 양각의 미세패턴을 형성하기 위하여 제2 증착층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 증착층의 두께는 상기 미세입자의 반경보다 작고, 상기 제1 증착층과 상기 제2 증착층을 합한 두께는 상기 미세입자의 반경보다 큰 것이 바람직하다.
여기서, 접착층이 형성된 입자 제거 필름을 상기 제1 증착층만 상기 미세입자 위 증착면 상에 접착시키고 상기 입자 제거 필름을 제거하는 방법으로 상기 기판으로부터 상기 미세입자를 제거하여 상기 제1 증착층에 음각의 미세패턴을 형성하고, 상기 제 2 증착층에 상기 미세입자의 형상에 따라 양각의 미세패턴이 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 따르면 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자 및 박막의 두께를 조절하여 볼록(convex)하거나 오목(concave)한 형상의 규칙적인 미세패턴을 가지는 구조물 제작이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 규칙적인 미세패턴을 가지는 금형을 제작할 수 있어서 규칙적인 미세패턴을 가지는 구조물의 제작 비용을 절감시킬 수 있다는 장점도 있다.
또한, 동일면에 증착 두께를 달리하여 음각 및 양각의 미세패턴이 동시에 형성된 구조물을 용이하게 제작할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 미세입자의 적층 면적에 따라서 대면적으로 균일한 미세패턴을 가지는 구조물을 제작할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 금속 박막을 최상층에 배치시킬 수 있으므로, 내구성이 높은 금형을 제작할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 단면도이다.
도 3은 이온 식각 전후의 미세입자의 확대 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 양각의 미세패턴의 확대 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 음각의 미세패턴의 확대 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 음각 및 양각의 미세패턴을 동시에 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따라 제작된 양각 및 음각의 미세패턴의 확대 사진이다.
도 8은 본 발명에 따라 제작된 미세패턴의 구조물을 이용한 구조색으로 제품/여권/지폐 등의 위조방지 패턴으로 사용되는 일 예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따라 제작된 미세패턴의 구조물을 이용하여 패턴 숨김의 예를 설명하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 단면도이고, 도 3은 이온 식각 전후의 미세입자의 확대 사진이고, 도 4는 본 발명에 따라 제작된 양각의 미세패턴의 확대 사진이고, 도 5는 본 발명에 따라 제작된 음각의 미세패턴의 확대 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법은 기판(10)에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자(20)를 배열시키는 단계(S110), 미세입자(20)가 배열된 기판(10)에 박막(30)을 증착시키는 단계(S130, S230), 박막(30)의 증착 두께를 조절하여 음각의 미세패턴을 형성하거나 양각의 미세패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다(S130, S235).
먼저, 기판(10)에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자(20)를 배열시킨다.
본 실시예에서 기판(10)은 일단면이 연마 처리된 실리콘 기판일 수 있으며, 아세톤(acetone) 및 탈염수(deionized water)가 담긴 욕조 내에서 초음파에 의해 세정 처리되고, N2 가스로 건조 처리될 수 있다.
상기 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자(20)는 기판(10) 위에 자가 배열(self-assembly)의 방법으로 배열될 수 있다.
본 실시예에서 평균 780nm의 직경을 가지는 폴리스티렌(polystyrene) 용액 (10% weight/volume, Bangs Laboratories, Inc.)에 계면활성제인 Triton과 부피비 400:1로 혼합하여 기판(10) 위에 액적을 분사하여 기판(10)을 회전시킨다. 계면활성제는 폴리스티렌 용액의 액적이 스피닝(spinning)하는 동안 증발 과정을 지연시켜 폴리스티렌 나노 입자가 단일층의 넓은 영역으로 자가 배열되는데 더 많은 시간을 제공하는 역할을 한다. 기판(10) 위에 배열되는 미세입자(20)의 종류 및 미세입자(20)를 배열시키는 방법은 전술한 방법에 한정되지 않고 공지된 다른 방법을 사용할 수도 있다.
다음, 미세입자(20)가 배열된 기판(10)에 박막(30)을 증착시키기에 앞서 미세입자(20)의 크기를 줄일 수 있다(S120). 본 실시예에서는 단일층으로 배열된 미세입자(20)에 대하여 플라즈마에 의한 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)의 방법으로 미세입자(20)의 크기를 줄일 수 있다. 도 3의 (a)와 (b)는 각각 기판(10) 상에 배열된 폴리스티렌 입자(20)의 이온 식각 전후의 모습을 확대하여 찍은 사진이다.
입자(20)의 크기를 줄이지 않으면 입자(20) 사이의 공간이 좁아서 후술하는 증착 단계에서 증착 물질이 기판(10) 위에 쉽게 증착되지 않을 수 있다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 기판(10)에 배열된 입자의 크기를 줄임으로써 입자(20) 사이가 이격 배치될 수 있어서 증착 물질이 기판(10) 위에 쉽게 증착될 수 있다.
다음, 미세입자(20)가 배열된 기판(10) 상에 마이크로 또는 나노 두께의 박막(30)을 증착시킨다(S130, S230). 본 실시예에서는 크롬(Cr)을 증착시키나 다른 금속 물질을 증착시킬 수도 있으며, 비금속 물질의 증착도 가능하다. 금속 물질을 증착시키는 경우 미세패턴을 복제하기 위한 몰드로 사용될 수 있다. 증착 방법으로 e-beam evaporator 가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 박막(30)의 증착 두께를 조절하여 음각 또는 양각의 미세패턴을 형성할 수 있다.
미세입자(20)의 반경보다 작은 두께로 박막(30)을 증착(S230)시키는 경우 음각의 미세패턴을 형성할 수 있다(S235). 이때, 미세입자(20)의 반경보다 작은 두께로 박막(30)을 증착시키면 기판(10) 위의 증착물과 미세입자(20) 위의 증착물이 서로 연결되지 않고 끊어지는 형태로 증착될 수 있다. 증착(S230) 후에 접착층이 형성된 입자 제거 필름(50)을 미세입자(20) 위 증착면 상에 접착시키고 입자 제거 필름(50)을 제거(S232)하면 기판(10) 위 증착층(30)으로부터 미세입자(20)를 제거할 수가 있고, 미세입자(20)가 제거된 자리에 미세입자(20)의 형상에 따라서 음각의 미세패턴이 형성될 수 있다(S235).
이때, 증착 두께에 따라서 음각의 미세패턴의 크기 및 간격을 제어할 수 있다. 도 5는 Cr 증착층(30)의 두께를 각각 100nm(좌측), 200nm(우측)로 제작된 음각의 미세패턴을 도시하는데, 증착층(30)의 두께가 커짐에 따라서 원형의 미세패턴의 크기가 커지고 미세패턴 사이의 간격이 줄어듦을 확인할 수 있다.
미세입자(20)의 반경보다 두꺼운 두께로 박막(30)을 증착시키는 경우 양각의 미세패턴을 형성할 수 있다(S130). 도시되어 있는 것과 같이 미세입자(20)의 반경보다 두껍게 박막(30)을 증착시키면 기판(10) 위의 증착물과 미세입자(20) 위의 증착물이 연결되는 형태로 증착될 수 있다.
이때, 증착층(30)에 입자의 형상에 대응되는 형태의 양각의 미세패턴이 형성될 수 있다. 물론, 증착층(30)의 두께가 너무 두꺼워지면 미세패턴이 나타나지 않을 수 있으므로, 미세입자(20)의 반경보다 두껍게 박막(30)을 증착시키되 너무 두껍지 않게 증착물질을 증착시키는 것이 바람직하다. 도 4는 본 발명에 따라 제작된 양각의 미세패턴을 도시하는 사진이다.
전술한 바와 같은 방법으로 제작된 금속의 증착층(30)에 형성된 음각 또는 양각의 미세패턴을 몰드로 성형을 하여 양각 또는 음각의 미세패턴을 가지는 복제물(40)을 쉽게 복제하여 제작할 수 있다(S140, S240).
이와 같이, 본 발명에서는 저렴한 비용으로 규칙적인 음각 또는 양각의 미세패턴의 구조물을 제작할 수 있다. 또한, 미세입자(20)의 적층 면적에 따라서 대면적의 미세패턴 구조물을 제작할 수 있다. 또한, 금속 박막(30)을 이용하여 내구성이 높은 금형으로 사용될 수 있다.
이하 설명하는 본 발명에 따른 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법에 따르면 동일면 상에 음각의 미세패턴과 양각의 미세패턴을 동시에 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 음각 및 양각의 미세패턴을 동시에 가지는 구조물 제작방법의 순서를 도시하는 단면도이다.
먼저, 기판(10)에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자(20)를 배열(S310)시키고, 증착에 앞서 미세입자(20)의 크기를 줄이는 것(S320)은 전술한 내용(S110, S120)과 동일하여 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 미세입자(20)가 배열된 증착면 상에 증착 두께를 달리하여 증착을 시킨다.
먼저, 음각의 미세패턴을 형성하기 위한 제1 증착층(30-1)을 증착시킨다(S330). 전술한 바와 같이 제1 증착층(30-1)은 미세입자(20)의 반경보다 작은 두께로 증착되는 것이 바람직하다.
제1 증착층(30-1) 위에 마스크(M)를 배치시키고 증착을 수행하여 제2 증착층(30-2)을 형성할 수 있다. 즉, 마스크(M)에 형성된 패턴에 따라서 추가로 증착이 되어서, 제1 증착층(30-1)만 형성된 영역과 제1 증착층(30-1) 위에 제2 증착층(30-2)이 추가로 증착된 영역이 구분될 수 있다. 이때, 제1 증착층(30-1)과 제2 증착층(30-1)을 합한 증착층은 미세입자(20)의 반경보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
제2 증착층(30-1)의 증착면에는 입자의 형상에 대응되는 형태의 양각의 미세패턴이 형성될 수 있다. 또한, 제1 증착층(30-1)만 형성된 면에는 전술한 바와 같이 입자 제거 필름(40)을 이용하여 미세입자(20)를 제거하여 음각의 미세패턴을 형성할 수 있다(S350).
이와 같이, 본 발명에서는 음각의 미세패턴과 양각의 미세패턴을 동일면상에 동시에 구현할 수가 있으며, 도 7은 본 발명에 따라 실제 제작된 패턴을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 제작된 미세패턴의 구조물을 이용한 구조색으로 제품/여권/지폐 등의 위조방지 패턴으로 사용되는 일 예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 문자 'KIMM'과 문양을 양각의 미세패턴으로 제작하여 위조방지 표면으로 사용된 예를 도시한다. 도 7의 a와 b는 배경색이 흰색인 경우를 도 7의 c와 d는 배경색이 검은색인 경우를 도 7의 a와 c는 광원이 없는 경우를 도 7의 b와 d는 광원이 있는 경우를 보여주는 데, 배경색과 광원의 유무에 따라서 미세패턴으로 발현되는 구조색이 서로 다름을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제작된 미세패턴의 구조물을 이용하여 위조방지를 위한 패턴으로 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 제작된 미세패턴의 구조물을 이용하여 패턴 숨김의 예를 설명하는 도면이다.
본 발명에 따라 PDMS로 양각의 미세패턴으로 복제된 복제물 아래에 'KIMM'과 같은 글자를 패턴화하고, 양각의 미세패턴 위에 별도의 금속층(Gold)을 증착시키는 경우, 상기와 같이 제작된 구조물을 굽힘에 따라서 글자 패턴이 숨겨지거나 나타나도록 할 수 있다.
구조색이 발현될 경우 광투과성이 낮아지므로 양각의 미세패턴 아래의 글자 패턴은 보이지 않는다. 이때, 미세패턴 표면의 반사율을 높이기 위하여 별도의 금속층이 증착될 수 있다. 이와 같이 평상시에는 구조색 및 반사성 금속층에 의해 광투과도가 낮아 아래의 글자 패턴이 보이지 않으나, 기판을 구부리는 경우 구조색이 사라져 광투과도가 높아져 미세패턴 아래의 글자 패턴이 나타날 수 있다(도 9의 b).
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 기판
20: 미세입자
30: 박막, 증착층
40: 복제물
50: 입자 제거 필름
M: 마스크

Claims (11)

  1. (a) 기판에 나노 또는 마이크로 크기의 미세입자를 배열시키는 단계;
    (b) 상기 미세입자가 배열된 기판에 박막을 증착시키는 단계; 및
    (c) 상기 박막의 증착 두께를 조절하여, 상기 미세입자를 제거하여 증착면에 음각의 미세패턴을 형성하거나 상기 미세입자 위 증착면에 양각의 미세패턴을 형성하는 단계를 포함하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 단계 이후에,
    상기 미세입자의 입자 크기를 줄이는 단계를 더 포함하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)에 의해 상기 미세입자의 입자 크기를 줄이는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    (b) 단계에서 금속 물질을 증착시키는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    음각의 미세패턴을 형성하는 경우 상기 박막의 증착 두께는 상기 미세입자의 반경보다 작은 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    양각의 미세패턴을 형성하는 경우 상기 박막의 증착 두께는 상기 미세입자의 반경보다 크고, 증착층에 상기 미세입자의 형상에 따라 양각의 미세패턴이 형성되는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    접착층이 형성된 입자 제거 필름을 상기 미세입자 위 증착면 상에 접착시키고 상기 입자 제거 필름을 제거하는 방법으로 상기 기판으로부터 상기 미세입자를 제거하여 상기 접착층에 음각의 미세패턴을 형성하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 증착면의 위치에 따라서 증착 두께를 달리하여 음각의 미세패턴과 양각의 미세패턴을 동일면상에 형성하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    음각의 미세패턴을 형성하기 위한 제1 증착층을 형성하는 단계; 및
    마스크를 이용하여 상기 제1 증착증 위에 양각의 미세패턴을 형성하기 위하여 제2 증착층을 형성하는 단계를 포함하는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 증착층의 두께는 상기 미세입자의 반경보다 작고, 상기 제1 증착층과 상기 제2 증착층을 합한 두께는 상기 미세입자의 반경보다 큰 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    접착층이 형성된 입자 제거 필름을 상기 제1 증착층만 상기 미세입자 위 증착면 상에 접착시키고 상기 입자 제거 필름을 제거하는 방법으로 상기 기판으로부터 상기 미세입자를 제거하여 상기 제1 증착층에 음각의 미세패턴을 형성하고, 상기 제 2 증착층에 상기 미세입자의 형상에 따라 양각의 미세패턴이 형성되는 미세패턴을 가지는 구조물 제작방법.
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