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KR-20260062040-A - METHOD FOR PREPARING HIGHLY DURABLE FLEXIBLE METASURFACE MASTER STAMPS USING ELECTROPLATING, METHOD FOR MANUFACTURING METASURFACE STRUCTURES USING METASURFACE MASTER STAMPS, AND METHOD FOR MANUFACTURING ROLL-TO-ROLL MOLDS FOR FORMING METASURFACE STRUCTURES

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Abstract

본 발명은 메타표면 마스터스탬프 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 메타표면 마스터스탬프 제조방법은, 나노 구조체 패턴이 형성된 실리콘 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 상기 실리콘 마스터 스탬프를 이용하여 상기 나노 구조체 패턴이 전사된 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계; 상기 고분자 복제 몰드를 전해질 용액이 충진된 전해조에 도입하여 전기 도금 공정을 수행하고, 상기 고분자 복제 몰드를 주형으로 일면에 상기 나노 구조체 패턴이 형성된 금속 마스터 스탬프를 제조하는 단계; 및 상기 고분자 복제 몰드에서 상기 금속 마스터 스탬프를 분리하는 단계;를 포함한다.

Inventors

  • 이헌
  • 김원중
  • 박찬웅
  • 송효인
  • 이승연
  • 성한상

Assignees

  • 고려대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251015
Priority Date
20241028

Claims (11)

  1. 나노 구조체 패턴이 형성된 실리콘 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 상기 실리콘 마스터 스탬프를 이용하여 상기 나노 구조체 패턴이 전사된 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계; 상기 고분자 복제 몰드를 전해질 용액이 충진된 전해조에 도입하여 전기 도금 공정을 수행하고, 상기 고분자 복제 몰드를 주형으로 일면에 상기 나노 구조체 패턴이 형성된 금속 마스터 스탬프를 제조하는 단계; 및 상기 고분자 복제 몰드에서 상기 금속 마스터 스탬프를 분리하는 단계를 포함하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복제 몰드는, 폴리머층 및 상기 폴리머층의 일면에 형성된 폴리머 기판층을 포함하는 구조를 갖는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리머층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethyl siloxane, PDMS), 하드 폴리디메틸실록산(hard-Polydimethyl siloxane, h-PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 기판층은, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리아세탈(polyacetal, POM), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephtalate, PBT), 폴리술폰(poly sulfone, PS), 폴리에테르이미드(polyether imide, PEI), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리머를 이용해 형성한 마스터스탬프 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계는, 상기 나노 구조체 패턴이 전사된 고분자 복제 몰드를 제조한 다음, 상기 고분자 복제 몰드의 상부에 금속 시드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속 시드층을 형성하는 단계는, 스퍼터링(sputtering) 방법, 진공 증발 증착(Evaporating) 방법, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 방법, 원자층 증착(atomic layer deposition) 방법 중 어느 하나의 방법을 이용해 상기 고분자 복제 몰드의 상부에 금속 시드층을 형성하도록 하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 시드층은, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 철(Fe), 코발트(Co) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 성분을 포함하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 금속 마스터 스탬프를 제조하는 단계는, 상기 고분자 복제 몰드에 펄스 전류를 인가하여 상기 전기 도금 공정을 수행하도록 하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 마스터 스탬프는, 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 성분을 포함하는 메타표면 마스터스탬프 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 메타표면 마스터스탬프 제조방법으로 제조한 금속 마스터 스탬프를 원기둥 형상의 롤러 구조체에 부착하여 롤투롤 금형을 제작하는 단계; 및 상기 롤투롤 금형을 주형으로 활용해 롤투롤 나노 임프린트팅 공정(Roll-to-Roll nanoimprinting process)을 수행하여 표면에 나노 구조체 패턴이 형성된 메타표면 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 메타표면 구조체 제조방법.
  11. 나노 구조체 패턴이 형성된 실리콘 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 상기 실리콘 마스터 스탬프를 이용하여 상기 나노 구조체 패턴이 전사된 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계; 상기 고분자 복제 몰드를 전해질 용액에 도입하여 전기 도금 공정을 수행하고, 상기 고분자 복제 몰드를 주형으로 일면에 상기 나노 구조체 패턴이 형성된 금속 마스터 스탬프를 제조하는 단계; 상기 고분자 복제 몰드에서 상기 금속 마스터 스탬프를 분리하는 단계; 및 상기 금속 마스터 스탬프를 원기둥 형상의 롤러 구조체에 부착하여 롤투롤 금형을 제작하는 단계를 포함하는 메타표면 형성용 롤투롤 금형의 제조방법.

Description

전기 도금을 이용한 고내구성 플렉시블 메타표면 마스터 스탬프 제조방법, 메타표면 마스터 스탬프를 활용한 메타표면 구조체 제조방법 및 메타표면 구조체 형성용 롤투롤 금형의 제조방법{METHOD FOR PREPARING HIGHLY DURABLE FLEXIBLE METASURFACE MASTER STAMPS USING ELECTROPLATING, METHOD FOR MANUFACTURING METASURFACE STRUCTURES USING METASURFACE MASTER STAMPS, AND METHOD FOR MANUFACTURING ROLL-TO-ROLL MOLDS FOR FORMING METASURFACE STRUCTURES} 본 발명은 전기 도금을 이용한 고내구성 플렉시블 메타표면 마스터 스탬프 제조방법, 이에 의해 제조한 메타표면 마스터 스탬프를 활용한 메타표면 구조체 제조방법 및 메타표면 구조체 형성용 롤투롤 금형의 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 메타표면 및 상기 메타표면의 활용 분야를 모식적으로 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로, 메타표면(meta-surface)은 입사광의 파장과 유사한 크기의 인공 구조물인 나노 안테나를 박막 상에 배열하여 이루어진다. 상기 메타표면은 기존의 복잡한 렌즈 시스템 대신 단순화된 2차원 평면에서 동일한 기능을 수행할 수 있도록 설계된다. 상기 메타 표면은 상기 나노 안테나로 입사광의 진폭과 위상 등을 자유롭게 제어하여 목적하는 방식으로 빛을 변조할 수 있어 광학기기의 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있으며, 메타홀로그램, 클로킹 디바이스 등과 같은 다양한 광학소자의 역할을 수행할 수 있다. 상기 메타표면은 나노임프린트 리소그래피 기술(Nanoimprint lithography)을 통해 대량 생산할 수 있다. 상기 나노임프린트 리소그래피 기술은 고해상도의 나노 구조를 반복적이고 경제적으로 전사할 수 있는 기술로 알려져 있다. 구체적으로, 나노임프린트 리소그래피는 패턴이 새겨진 마스터 스탬프(Master stamp)를 활용하여 기판 상에 미세한 크기의 패턴을 인쇄할 수 있다. 상기 마스터 스탬프는 기판 상에 압력을 가해 패턴이 기판의 레진에 전사되도록 하거나, 상기 마스터 스탬프의 복제몰드를 사용해 패턴을 전사할 수 있다. 상기 나노임프린트 리소그래피에 사용되는 메타표면 마스터스탬프는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 진행하여 제작하며 상기 전자빔 리소그래피는 실리콘 등의 소재를 가공하여 메타표면의 복잡한 구조를 정확하게 구현해낼 수 있다. 상기 전자빔 리소그래피 공정에서는 전자빔이 감광성 물질(리소그래피 레지스트)에 직접 패턴을 기록하여 나노미터 단위의 정밀한 구조를 기판에 형성한다. 전자빔 리소그래피는 매우 높은 해상도를 제공하며 복잡한 나노 구조를 제작할 수 있지만, 공정 속도가 상대적으로 느리고, 장비 비용이 높아 대량 생산에는 제한이 있을 수 있다. 하지만, 전자빔 리소그래피를 활용하는 기존의 마스터스탬프 제작 방식은 비용이 과도하게 소모된다는 문제가 있다. 그리고, 기존의 나노 임프린트 공정에서 사용되는 마스터 스탬프는 주로 실리콘 소재로 제작되고 있으나, 제작 비용이 비싸고 반복적인 사용에 따른 내구성이 낮다는 단점이 있다. 도 1은 메타표면 및 상기 메타표면의 활용 분야를 모식적으로 나타낸 개념도이다. 도 2는 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법을 나타낸 공정도이다. 도 3은 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법의 각 단계을 나타낸 상태도이다. 도 4는 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법의 각 단계을 모식적으로 나타낸 개념도이다. 도 5는 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법으로 제조한 메타표면 금속 마스터 스탬프를 이용해 원통형 금형을 제작하고, 롤투롤 나노 임프린팅 공정을 수행하는 과정을 나타낸 상태도이다. 도 6은 실시예에 따른 방법으로 제조한 메타표면 금속 마스터 스탬프를 촬영한 이미지이다. 도 7은 실시예에 따른 방법으로 제조한 (a) 메타표면 금속 마스터 스탬프를 구부린 상태와 (b) PDMS를 이용한 고분자 복제 몰드를 촬영한 이미지이다. 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다. 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 2는 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법을 나타낸 공정도이다. 도 3은 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법의 각 단계을 나타낸 상태도이다. 도 4는 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법의 각 단계을 모식적으로 나타낸 개념도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 메타표면 마스터 스탬프의 제조방법은, 실리콘 마스터 스탬프를 준비하는 단계(S110); 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계(S120); 금속 시드층을 형성하는 단계(S130); 금속 마스터 스탬프를 제조하는 단계(S140); 및 금속 마스터 스탬프를 분리하는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 먼저, 실리콘 마스터 스탬프(110)를 준비하는 단계(S110)에서는, 메타표면의 나노 안테나 어레이를 구현할 수 있는 나노 구조체 패턴(NSP)이 형성된 실리콘 마스터 스탬프(110)를 제작하도록 한다. 참고로, 상기 메타표면은 평면 위에 나노 안테나(nano antenna) 어레이층을 형성하여 3차원 렌즈의 기능을 대신하는 2차원 평면렌즈를 만들 수 있는데 이를 메타렌즈 또는 메타표면이라 한다. 상기 메타표면은 기판 위에 입사광의 파장크기 정도의 나노안테나가 정해진 위치에 배열시켜 만드는데 일반적으로 기판 위에 나노 안테나 소재(Au, TiO2, ZrO2, GaN, Si 등)의 박막 장착, 전자빔 리소그라피, 그리고, 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching), 레지스트 애싱(resist shing) 등의 공정을 통해 기판 상에 나노 구초체 패턴을 형성하여 제조할 수 있다. 또는, 상기 메타 표면은 광경화 폴리머 또는 열경화 폴리머와 나노 안테나 소재 입자를 혼합하여 기판 상에 도포한 다음 요철 구조를 갖는 임프린트 스탬프, 즉, 실리콘 마스터 스탬프(110)로 가압하여 나노 구조물을 형성하고, 빛 또는 열을 가해 경화시켜 제조할 수 있다. 상기 실리콘 마스터 스탬프(110)는 메타표면의 구현을 위해 다양한 형상의 나노 구조체 패턴이 형성된 구조를 가질 수 있다. 상기 실리콘 마스터 스탬프(110)는 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 공정을 통해 실리콘을 가공하여 제조한 것일 수 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다. 다음, 상기 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계(S120)는 상기 실리콘 마스터 스탬프(110)를 주형(mold)으로 이용하여 상기 나노 구조체 패턴(NSP)이 전사된 고분자 복제 몰드(120)를 제조하도록 한다. 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 복제 몰드(120)는 폴리머층(121) 및 상기 폴리머층(121)의 일면에 형성된 폴리머 기판층(123)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 본 단계에서는, 상기 실리콘 마스터 스탬프(110) 상에 제1 폴리머를 도포하여 상기 폴리머층(