부산대학교 인지메카트로닉스공학과, 한국기계연구원, 삼성전기(주)
A study on the Nano Wire Grid Polarizer Film by Magnetic Soft Mold
Sang-Uk Jo
1, Sunghwan Chang
2, Doo-sun Choi
2, Seok-Hwan Huh
3and Myung Yung Jeong
1,†1Department of CognoMechatronics Engineering, Pusan National University, Geumjeonggu, Busan 609735, Korea
2Korea Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM), 156 Gajeongbuk-Ro Yuseong-Gu Daejeon 305-343, Korea
3SEMCO ACI Division, 333 Noksan Sanupjoonggro, Gangseo-gu, Busan 618-819, Korea (2014년 6월 2일 접수: 2014년 6월 27일 수정: 2014년 6월 27일 게재확정)
초 록: 본 연구에서는 자기 소프트 몰드를 이용하여 피치 143.59 nm의 고 성능 NWGP(Nano Wire Grid Polarizer) 필름의 새로운 제조 방법을 제안하였다. 제작된 편광필름은 6 cm×6 cm의 PET기판위에 알루미늄 격자 구조를 가지고 있 으며, 이는 TFT-LCD(Thin Flat Transistor Liquid Crystal Display)에 응용 가능할 것으로 보인다. 자기 소프트 몰드는 너 비 70.39 nm의 규격으로 제작되었으며, 이를 이용하여 2단계의 복제과정을 거쳐 제작되어진다. 이를 통해 본 연구에서는 기판위에 75.68 nm 선폭과 64.76 nm의 높이 143.59 nm pitch를 가지는 격자구조의 NWGP 패턴을 제작하였다. 또한, 이 는 800 nm 파장 영역 대에서 75%의 최대 투과율과 10%의 최소 투과율을 가지는 것을 확인하였다. 따라서, 본 공정을 통 해 독창적인 저 비용의 나노패터닝 기술로 디스플레이 산업에서 적용되어 질 것으로 보여진다.
Abstract: We propose the new fabrication method of a 70 nm half-pitch wire grid polarizer with high performance using magnetic soft mold. The device is a form of aluminium gratings on a PET(Polyethylene phthalate) substrate whose size of 3 cm×3 cm is compatible with a TFT_LCD(Tin Flat Transistor Liquid Crystal Display) panel. A magnetic soft mold with a pitch of 70 nm is fabricated using two-step replication method. As a result, we get a NWGP pattern which has 70.39 nm line width, 64.76 nm depth, 140.78 nm pitch, on substrate. The maximum and minimum transmittances of the NWGP at 800 nm are 75% and 10%, respectively. This work demonstrates a unique cost-effective solution for nanopatterning requirements in consumer electronics components.
Keywords: Nano wire grid polarizer film, Nano imprint, Magnetic soft mold, Nano replication
1. 서 론
디스플레이의 고급화로 우수한 색 재현성을 갖는 TFT- LCD의 수요가 증가하고 있으며, 휴대형 및 대형 디스플 레이의 수요증가에 따라 고효율 디스플레이의 개발이 요 구되고 있다.
1)기존 디스플레이는 사용자가 인지하는 빛 광원 소스로 부터 출력되는 빛은 약 5% 미만에 불과 하 다. 디스플레이의 효율 감소의 원인은 다양한 원인이 존 재 할 수 있으나, 가장 큰 원인은 디스플레이의 구성요소 로써 필수적으로 요구되는 편광필름(Polarizer Film)이 투 과시키지 못하는 광원을 흡수하는 방법으로 구성되어 있 기 때문이다.
1,2)따라서 기존의 디스플레이의 효율 향상
을 위해서 기존의 흡수되는 광원을 다시 반사시켜 광원 의 소실을 막는 금속선 편광필름(Metal wire grid polarizer film)이 제안 되었으며, 효율의 극대화를 위해 피치 간격 이 매우 조밀한 나노 금속선 편광 필름의 개발 연구가 활 발히 수행되고 있다. 편광필름의 효율을 극대화를 위해 서는 가시광선 영역의 편광효과를 높여야 하며, 가시광 선 영역의 편광 효과를 얻기 위해서는 100 nm 전후의 금 속 주기로 제작 되어야 한다.
즉, 입사되는 광원의 파장보다 금속선 배열주기가 짧을 경우 편광필름으로 입사되는 광원의 편 성분에 따라 금 속선 배열주기와 평행한 편광 성분인 ‘S파’는 반사되고, 수직한 편광 성분인 ‘P파’는 투과된다.
3,6)†Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2014, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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Fig. 1과 같이 도광판에서 나오는 광원 중에 Tp + Ts = T1 는 금속선 배열주기에 투과되고, Rs + Rp = R1는 금속선 배열주기에 의해 반사된다. 반사된 R1은 디스플레이 내부 의 각종 필름을 통과하고 반사판에 의해 반사되어 다시 P 편광파와 S 편광파로 변환되어 상부로 나오게 되며, 이러 한 현상이 무한 반복하게 된다.
4)따라서 편광필름의 효율은 금속 주기의 미세화가 가장 핵심 기술이며, 이러한 금속 주기의 미세화를 위하여 고 해상도의 리소그래피(lithography) 시스템을 이용하여 나 노 패턴을 제작 하고, 제작된 나노 패턴을 이용 하여 금속 증착 또는 식각 공정을 통해 금속 주기를 제작하고 있어 공 정 비용 증가, 대면적화, 양산화에 많은 문제점이 있다.
1,5)본 연구에서는 편광필름 제작을 위해 고가의 고 해상 도 리소그래피 공정 대신 저가 대량생산 공정에 적합한 소프트 리소그래피 공정을 이용하여 초기 나노 패턴을 제 작하고 금속 주기 형성을 위한 금속을 증착함으로서 편 광 필름을 구현 하였다. 소프트 리소그래피 공정은 높은 생산성과 반복재현성 및 기존의 반도체 및 디스플레이 공 정에서 발생 되는 환경오염이 낮다.
7,8)하지만 사용되는 몰드 재료의 특성상 탄성이 존재하며, 임프린트 잔류층 제어를 위한 가압 공정 시 Sagging현상 발생으로 수평 및 수직 방향의 패턴 결함으로 나노 격자형태의 패턴제작에 어려움이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하 여 Magnetic soft mold를 이용하여 전자기력을 이용한 균 일한 가압 공정으로 나노 격자 패턴을 형성하고 금속 증 착공정을 통하여 편광특성을 분석하였다.
2. 나노 와이어 그리드 편광필름용 Magnetic soft mold
나노 와이어 그리드 편광필름의 특성은 일반적으로 금 속 격자 주기가 조밀할수록 편광 특성이 증가하며, 금속 층 두께 역시 편광 필름에 지배적인 영향을 미치는 변수 이다. 본 논문에서는 나노 와이어 그리드 편광 필름 제작 을 위해 금속 주기 격자 70 nm, 피치 140 nm, 격자 높이 80 nm로 설계를 하였으며, Fig. 2와 같이 폴리머 격자 구 조에 알루미늄 층이 증착된 구조를 제작 하였다.
나노 와이어 그리드 편광 필름의 제작을 위해 전자빔
공정 및 식각을 통해 제작된 원형 금형을 이용하여 복제 공정을 통해 Magnetic sodf mold를 제작 하고, 전자기력 임프린트 공정을 통하여 70 nm주기의 폴리머 패턴을 형 성 후 알루미늄을 증착하는 방법으로 제작 하였다.
Magnetic sodf mold 제작은 poly dimethylsiloxane (PDMS) 와 금속 입자를 이용하여 제작 하였다. PDMS를 이용한 Mold 제작은 기존에 사용되는 석영 스탬프 및 실 리콘 스탬프에 비해 가격이 저렴하며 제작 시간이 짧고, 다른 화학 물질과 반응성이 아주 작아 형상비, 기하학적 설계 등에 관계없이 복제할 수 있으며, 표면에너지 (21.6 mJ/cm2)가 낮아 계면에서 접착되지 않는 많은 이점 을 가지고 있다. 하지만 PDMS 재료의 특성상 탄성이 존 재하여 임프린트 공정시 발생되는 가압으로 패턴의 결합 을 가져 올수 있다. 따라서 본 논문에서는 재료의 장점을 이용하면서 임프린트 공정 시 균일한 가압을 위해 Fig. 3 과 같이 나노 금속 입자를 배합하여 하부의 전자기력에 의해 가압이 이루어 질수 있도록 2번의 공정을 통하여 제 작하였다. 복제 되는 Magnetic sodf mold는 원형 금형과 동일한 패턴 형상을 얻기 위해 원형 금형의 패턴과 접촉 되는 부분은 H-PDMS를 이용하였다. H-PDMS 코팅 후 금속과 PDMS가 혼합된 재료를 이용하여 패턴이 복제된 상부에 도포 후 열경화를 통해 제작 하였다.
Fig. 4는 제작된 Magnetic sodf mold의 SEM 사진으로 피치 147.8 nm, 선폭 81.65 nm, 높이 160.48 nm로 정밀한 격자 모양을 확인 하였다.
Fig. 3. Schematic of magnetic soft mold fabrication process.
3. 전자기력을 이용한 UV 나노 임프린트 공정
제작된 Magnetic sodf mold의 전자기력에 의한 임프린 트 특성을 확인하기 위하여 금속 입자 혼합 시 Aggregation 현상이 발생되지 않는 최대 혼합 비율인 5%와 전자기력 특성이 나타나는 최소 혼합 비율인 3%를 기준으로 Fig.
5와 같이 임프린트 공정을 수행 하였다. 제작된 Magnetic sodf mold를 이용한 임프린트 공정은 기존의 금형 상부 가압을 통한 성형 방법이 아닌 하단부의 전자기력에 의 해 당기는 힘이 발생 하고 성형이 되는 형태이며, 이러한 방법은 기존의 Soft mold를 이용한 임프린트 성형 시 필 수 요소인 가압 공정 및 잔류층 제어에 용이하다.
또한 재료의 특성상 발생되는 Sagging현상에 의한 패 턴의 결함을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다. Sagging 현상은 임프린트 공정 시 상부 가압에 의해 발생되며, 패 턴 격자의 선폭 및 높이 방향의 성형 결함이 발생된다. 이 러한 패턴 결함은 나노 와이어 그리드 편광필름의 선폭 및 피치 변화에 따른 성능에 직접적인 영향이 발생된다.
따라서 본 논문에서는 Magnetic sodf mold를 이용하여 전자기력에 의한 임프린트 공정을 제시하고 성형 특성을 확인 하였다. 임프린트 성형 시 사용된 Magnetic sodf
mold 의 전자기력에 의한 성형 특성 확인을 위하여 Fig 6.
에 나타난 그래프와 같이 전자기력의 압력을 변화 시키 며 패턴 높이 변화 및 잔류층 변화를 확인 하였다.
Magnetic sodf mold 패턴 높이의 성형 특성은 9 kgf/cm
2가 압 시 금속 입자 5%, 3%의 Magnetic sodf mold 모두 130 nm의 성형 특성을 확인 하였으며, 복제 공정을 통해 제작된 Magnetic sodf mold의 높이 160 nm와 전자기력 임 프린트 공정을 통해 제작된 130 nm 패턴과 20 nm의 높이 변차가 발생 되며, 이러한 오차는 Fig. 8(b) SEM 이미지 와 같이 임프린트 성형 시 폴리머 재료의 유동 및 충진 후 발생되는 잔류층의 영향 따른 것으로 판단된다. 또한 Fig. 7과 같이 Magnetic sodf mold 임프린트 공정 시 자외 선 경화 시간의 확인을 위하여 전자기력 압력 9 kgf/cm
2에서의 경화 조건을 확인 하여 40s에서 성형 높이 130 nm 의 성형이 이루어 졌으며, 경화 시간이 짧을수록 미경화 로 높이의 결함이 발생함을 알 수 있다.
Fig. 4. SEM image top view of (a) magnetic soft mold and (b)cross sectional SEM image of replicated NWGP grating with a pitch 140.78 nm and grating height of 160 nm.
Fig. 5. Schematic of magnetic soft mold imprint process.
Fig. 6. Plot of electromagnetic pressure versus imprint NWGP structure height.
Fig. 7. Plot of exposure time versus NWGP structure height.
4. 나노 와이어 그리드 금속 격자 제작 및 특성 평가
Magnetic sodf mold와 전자기력 임프린트 공정을 통해 제작된 패턴 높이 130 nm, 패턴 선폭, 70 nm, 피치140 nm 를 이용하여 Al layer를 E-beam evaporation 공정으로 증 착하여 3 cm×3 cm NWGP 필름을 구현 하였다. Fig. 9는 제작된 NWGP 필름의 SEM 사진이다. 격자 주기로 성형 된 폴리머 재료 위로 Al layer가 존재함을 알 수 있다. 격 자주기의 상부에 증착된 패턴의 폭이 하부에 성형된 폴리 머 격자구조의 폭에 비해 상당히 넓으며, 이는 상부와 하 부 금속층이 초기에는 동시에 증착되지만 두께가 증가함 에 따라 E-beam evaporation 공정에서의 Side wall deposition 현상과 상부층에 의한 Shadow 효과로 인하여 아래층은 증 착이 멈추고 위층의 폭이 증가했기 때문이다.
Fig. 9는 E-beam evaporation 공정을 통해 제작된 NWGP의 Al 금속 주기의 SEM 이미지이며, 증착 Al layer 의 Shadow 효과로 폭이 증가 하며, 두께 64.76 nm로 최 종 제작되었다.
제작된 NWGP 필름의 유효성을 평가하기 위해, 필름 의 편광 투과율을 측정 하여 T-max(Tp)와 T-min(Ts) 평가 하였다.
이를 위해 텅스텐 할라이드 광원과 광팡이버, 콜리메이 팅 렌즈, 편광판, 조리개, 분광기로 구성된 투과도 평가 시스템을 이용 하였다. Fig. 10은 제작된 금속 주기 70 nm 격자 폭 140.78 nm, 격자 높이 64.76 nm의 NWGP 필름에 대한 400 nm 파장에서부터 1000 nm의 파장까지 측정 결 과를 보여준다. 측정된 T-min(Ts)의 편광 투과도의 경우 500 nm파장에서부터 1000 nm파장에 10%로 낮은 투과도 를 보여주며, T-max(Tp)의 편광 투과도는 500 nm파장에 서부터 1000 nm파장에 대략 75%의 결과를 확인하였다.
제작된 NWGP 필름의 특성을 직관적으로 분석 하기 위 해 Fig. 11과 같이 LCD 모니터 상부에 NWGP 필름을 위 치시키고 금속 격자 방향을 LCD 편광 방향과 (a)수직으 로 위치시킨 경우와 (b)수평으로 일치시킨 경우에 대해 비교하였다. 이를 통해 NWGP 필름두과 모드 일 경우 로 고의 모습이 뚜렷하고 90
o회전했을 때는 LCD 빛이 투과 되지 않는 것을 볼 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 고효율 디스플레이 구현이 가능한 반사 형 편광필름의 저가 양산 기술로서 Magnetic soft mold와
Fig. 8. SEM image top view of (a) imprinted NWGP structure and(b)cross sectional SEM image of imprinted NWGP grating with a residual layer 22.52 nm and grating height of 137.96 nm.
Fig. 9. SEM image top view of (a) metal deposition NWGP structure and (b)cross sectional SEM image of metal deposition NWGP grating with a pitch 140.78 nm and grating height of 202.72 nm.
Fig. 10. Transmittance curves of an Al NWGP on PET substrates.
Fig. 11. Polarization effect of NWGP(6 cm×6 cm) : (a) Transmission mode, (b) extinction mode.
sodf mold의 검증을 위해 NWGP 필름을 제작하여 평가 하였다. 제작된 폴리머 나노 격자 상부에 E-beam evaporation 공정을 통하여 Al layer을 형성 하였다. 제작 된 NWGP 필름의 격자 140 nm 주기, 70 nm선폭 그리고 80 nm의 격자 높이를 가지며, 800 nm 파장에서 최고 투 과율 과 최저 투과율은 각각 80%와 10%의 특성을 확인 하였다. 이 방법은 기존의 고 해상도 성형 및 리소그래피 공정에 비하여 제작이 용이하고 다양한 기판에 적용이 가 능하며, 향후 NWGP 필름의 양산에 유효한 기법이 될 것 으로 판단한다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 연구비 지원으로 수행된 연구 결과입니다(과제 번호:
10043786).
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