Fabrication of High Ordered Nano-sphere Array on Curved Substrate by Nanoimprint Lithography

(1)

331 한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.

Vol. 41, No. 6, 2008.

<연구논문>

나노임프린트 리소그래피를 이용한 곡면 기판 위에 정렬된 나노 볼 패턴 형성에 관한 연구

홍성훈â, 배병주â, 곽신웅^b, 이 헌â*

a고려대학교 신소재공학과, ^b코닉시스템㈜

Fabrication of High Ordered Nano-sphere Array on Curved Substrate by Nanoimprint Lithography

S. H. Hongâ, B. J. Baeâ, S. U. Kwak^b, H. Leeâ*

a

Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Anam-dong 5-1, Sungbuk-gu, Seoul 136-713, Korea

b

RND center, Kornic System Co, Jung-Ri 605, Dongtan-Myun, Hwasung, Kyungki-do 445-813, Korea

(Received November 30, 2008 ; revised December 21, 2008 ; accepted December 30, 2008)

Abstract

The replica of highly ordered nano-sphere array patterns were fabricated using hot embossing method. First, silica nano-sphere array on Si substrate was transferred to PVC film at 130

^o

C and 7 bar using hot embossing process. Then, silica nano-sphere array on PVC template was removed by soaking the PVC film in buffered oxide etcher. In order to form anti-stiction layer, the PVC template was coated with silicon dioxide layer and self-assembled monolayer. Through UV nanoimprint lithography with the fabricated flexible PVC template, highly ordered nano-sphere array pattern was imprinted on curved substrates with high fidelity.

Keywords: Nano-sphere, Flexible template, UV nanoimprint lithography, Curved substrate

1. 서 론

나노 볼 광결정 구조물은

diffraction devices, chemical and bio-sensors, and optical data recoding

materials

^등 ^다양한 ^분야에서 ^많은 ^관심을 ^받아왔

다^1-3)

.

^이러한 ^나노 ^볼 ^광결정은 ^주로

evaporation

^법

및

gravity sedimentation

^법 ^등을 ^통하여 ^{형성하였으}

나 이러한 방법은 시간이 오래 걸리고 넓은 면적에 적용이 어렵고 평면에만 제작이 가능하다^4,5)

.

^따라

서 이러한 나노 볼 광결정 구조물을 다양한 광학 제품에 적용하여 상용화시키기 위해서는 새로운 방 법이 필요하다

.

나노임프린트 리소그래피는 나노크기의 패턴을 저가의 간단한 공정으로 대량 생산할 수 있는 가장

유망한 차세대 리소그래피 기술 중 하나이다

.

^현재

10 nm

^크기의 ^패턴까지 ^{나노임프린트} ^{리소그래피}

기술을 통하여 성공적으로 형성되어 보고된 바 있 다⁶⁾

.

^뿐만 ^아니라 ^임프린트 ^{템플레이트가} ^유연하다

면 나노임프린트 리소그래피 기술을 이용하여 평면 기판뿐만 아니라 곡면 기판에도 패턴을 형성시킬 수 있다⁷⁾

.

^유연한 ^{나노임프린트용} ^{템플레이트로는}

polydimethly siloxane(PDMS), polyvinil alchol (PVA), polyurethane acrylate (PUA), polyvinil chloride (PVC), polycarbonate(PC)

^등이 ^사용되고 ^있다

.

^이

중

PVC

^{템플레이트는} ^{핫엠보싱을} ^통하여 ^쉽게 ^제

작할 수 있으며 수십 나노 크기의 패턴까지 전사가 가능하여 새로운 임프린트 템플레이트 소재로 주목 을 받고 있다⁸⁾

.

본 연구에서는 핫엠보싱을 통하여

PVC

^템플레이

트에 나노 볼 광결정 구조물을복제하여 이를 이용

*Corresponding author. E-mail : [email protected]

(2)

332 홍성훈 외/한국표면공학회 41 (2008) 331-334

한

UV

^{나노임프린트} ^공정을 ^통해 ^이러한 ^나노 ^볼

광결정 구조물을 빠르고 쉽게 형성시켰으며 평면뿐 만 아니라 곡면에도 콜로이달 광결정 패턴을 형성 하였다

.

2. 실험방법

전체 실험 과정은 그림

1

에서 보는 바와 같이 유 연 고분자 스탬프를 만드는 핫엠보싱 공정과 유연 고분자 스탬프를 사용하여 곡면 위에 패턴을 형성 하는

UV

^{나노임프린트}^{리소그래피로} ^나눌 ^수^있다

.

우선

Stober

^법을 ^이용하여 ^지름

400 nm

^를 ^가지는

실리카 나노볼을 형성하였다

.

^이 ^후

Evaporation

^법

을 사용하여

1 cm

^×

1 cm

^너비에 ^실리콘 ^기판 ^위에

실리카 나노 볼을 단층으로 정렬시켰다

.

^핫엠보싱

공정은 엔엔디사의 나노시스

820

^장비를 ^사용하여

진공 분위기에서 진행하였다

.

마스터 템플레이트로 는 실리콘 기판 위에 정렬된 실리카 나노 볼을 사 용하였고

,

^고분자 ^{필름으로는}

polyvinyl chloride (PVC)

^필름을 ^{사용하였다}

.

^공정 ^온도는

PVC

^필름

이 충분히 유연해지는

130

^o

C

^이상에서 ^{진행하였고}

,

압력은 약

7 bar

^로 ^가압하여 ^패턴을 ^{형성하였다}⁹⁾

.

이후 상온까지 냉각시킨 후에 압력을 상압으로 감 압한 후 마스터 템플레이트와

PVC

^필름을 ^분리하

였다

. PVC

^필름에 ^붙어있는 ^정렬된 ^실리카 ^나노

볼은

buffered oxide etcher

용액을 사용하여 제거하

였다

.

^나노 ^패턴이 ^형성된

PVC

^{템플레이트를} ^임프

린트용 템플레이트로 사용하기 위해서는 템플레이 트 표면에 임프린트패턴과 쉽게 떨어질 수 있도록

이형처리를 해주어야 한다

. PVC

^{템플레이트에} ^이

형처리를 하기 위해 우선 스퍼터링 방법으로

SiO

2

박막을 약

10 nm

^정도 ^{증착하였다}

.

^이 ^후에 ^약

30

초정도

UV ozone

^처리를 ^통하여 ^표면에

OH

^기를

형성시킨 후 헥산에

(hepta-decafluoro-1,1,2,2-tetra- hydrodecyl) trichloro-silane

^을

1000:1

^로 ^분산 ^시킨

용액에

5

^분간 ^담구어서 ^표면에 ^소수성을 ^가지는 ^자

기조립단분자막을 형성하였다

. UV

나노임프린트 리 소그래피도 나노시스

820

^장비를 ^사용하여 ^진행하

였다

. UV

^임프린트 ^{레진으로는} ^{켐옵틱스사의}

NIP-

K28

^을 ^{사용하였다}

.

^사용된^곡면 ^기판은 ^지름

4 cm,

두께

2 cm

^의 ^아크릴 ^봉을 ^반으로 ^잘라서 ^제작하였

다

.

우선 곡면 기판 위에 레진을

drop

방식으로 떨

어뜨린 후 유연한

PVC

^{템플레이트로} ^감싸고 ^등방

성 가압을 하여 레진을 패턴 사이사이에 가득 채웠 다

.

^그 ^다음에

UV light

^에 ^약

10

^분간 ^노광하여 ^레

진을 경화시켰다

.

마지막으로

PVC

템플레이트를제 거하여 곡면 위에 패턴을 형성하였다

.

3. 결과 및 고찰

그림

2

^는 ^실리콘 ^기판 ^위에 ^단층으로 ^정렬된 ^실

리카 나노볼의 전자현미경 사진이다

.

^그림에서 ^보

는 바와 같이

400 nm

^지름의 ^실리카 ^나노볼이 ^잘

정렬되어 있는 것을 알 수 있다

.

^{핫엠보싱은} ^유리

전이온도가 낮고 성형성이 우수하여 나노 임프린트

Fig. 1. Schematic diagram of overall process (a) hot

embossing, (b) UV nanoimprint process. Fig. 2. SEM image of highly ordered silica nanoshpere

monlayer array on Si substrate (a,b).

(3)

홍성훈 외/한국표면공학회 41 (2008) 331-334 333

용 고분자 템플레이트 소재로 유망한

PVC

^필름을

사용하였다

.

^그림

3

^은 ^실리콘 ^기판 ^위에 ^정렬된^실

리카 나노볼을 마스터 템플레이트로 하여

PVC

^필

름 위에 핫엠보싱한 후

4:1

^로 ^희석된

BOE

^용액에

넣어 실리카 볼을 제거한 결과이다

.

그림에서 보는 바와 같이 마스터 템플레이트의 패턴이 그대로 잘 전사된 것을 알 수 있고 형성된 패턴의 약간의 차이는 실리카 볼이 들어간 깊이에 따른 차이이다

.

^임프린트 ^{템플레이트의} ^{이형처리로}

는 템플레이트 표면에

SiO

²^층을 ^증착한 ^후에 ^소수

성을 가지는 자기조립단분자막을 형성하였다

.

^곡면

위에

PVC

^{템플레이트를} ^사용하여

UV

^{나노임프린}

트를 진행하였다

.

만들어진

PVC

템플레이트는 유 연하기 때문에충분히 곡면 기판을 감쌀수 있었다

.

그림

4(a)

^는

UV

^{나노임프린트} ^{리소그래피} ^공정을

통하여 곡면 위에 형성된 실리카 나노 볼의 카메라 사진이다

.

그림에서 보는바와 같이 넓은 면적에패 턴이잘형성된 것을알 수있다

.

^또한^그림

4(b),(c)

에서 보는 바와 같이 나노 볼이 정렬된 패턴이 그 대로 잘 형성된 것을 알 수 있었다

.

4. 결 론

본 연구에서는 나노임프린트 리소그래피 기술을 이용하여 현재 각광받고 있는 정렬된 나노 볼을 기 존의 방법에 비해빠르고 쉽게 형성시켰다

.

또한평 면뿐만 아니라 곡면에도 콜로이달 광결정 패턴을 형성하는데 성공하였다

.

^핫엠보싱 ^공정을 ^이용하여

정렬된 실리카 나노 볼 패턴이 형성된 나노임프린

트용

PVC

^{템플레이트를} ^{제작하였으며} ^이러한 ^임프

린트 템플레이트를 이용하여 곡면 기판 위에 정렬 된 나노 볼 패턴을 성공적으로 형성할 수 있었다

.

후 기

본 연구는 지식경제부와 한국산업기술재단의 전 략기술인력양성사업으로 수행된 연구결과입니다

.

참고문헌

1. J. M. Weissman, H. B. Sunkara, A. S. Tse, S. A.

Asher, Science 274 (1996) 959.

2. S. H. Park, Y. Xia, Langmuir, 15 (1999) 266.

3. S. H. Sun, C. B. Murray, D. Weller, L. Folks, A.

Moser, Science, 287 (2000) 1989.

4. N. D. Denkov, O. D. Velev, P. A. Kralchevsky, I.

B. Ivanov, H. Yoshimura, K. Nagayama, Nature, 361 (1993) 26.

Fig. 3. SEM image of hot embossed flexible PVC template (a,b).

Fig. 4. Photograph (a) and SEM image of imprinted

pattern on curved substrate (b,c).

(4)