The Development of New Composite Mold Material and Application

Abstract

고분자 나노구조 가공이란 고분자 표면을 원하는 형상으로 제조하는 것을 의미한다. 최근 extreme UV (EUV) lithography, soft X-ray lithography, electron beam writing 기법과 같은 lithography 기술의 발전으로 해상도의 범위가 100nm이하로 내려가면서 새로운 반도체 공정 방법을 시도하게 되었다. 하지만, 위에 언급된 방법들은 초기자본 및 유지비 등의 문제뿐만 아니라, 비환경친화적이고, 평평하지 않은 표면의 패터닝에는 쉽게 사용할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 이러한 한계로 인하여 새로운 방법을 모색하게 되는데, 가장 효율적인 방법이 soft lithography 기술이다. Soft lithography 는 마이크로 또는 나노 단위의 구조물을 만들기 위해 photo lithography의 대안으로 개발된 방법으로, flexible 한 몰드를 이용하여 몰드 형상대로 고분자 소재를 가공하여 photoresist의 패턴을 형성하는 기술이다. 이 방법은 photo lithography에서 요구하는 고가의 장비를 필요로 하지 않으며, 공정이 간단한 장점을 가지고 있다. 그러나 soft lithography에서 일반적으로 사용되는 몰드 재료인 PDMS는 낮은 modulus 특성으로 인하여 나노 단위의 패턴에서 많은 어려움을 겪고 있으며, 물을 흡수하지 않는 특성이 있어 수용성 물질(polyelectrolyte, protein)에 대한 가공의 어려움을 가지고 있다. 따라서 본인의 연구에서는 PDMS의 한계를 극복하고자 새로운 mold 재료를 개발하여 나노 단위의 패턴을 획득하는 것은 물론 수용성 물질을 transfer 하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 제 2장에서는 이를 위하여 상용화된 UV 경화성 고분자인 Norland Optical Adhesive 63 (NOA 63)와 수용성 물질을 흡수 할 수 있는 Poly(ethylene glycol) diacrylate prepolymer를 혼합한 NOA 63 – PEGDA composite 몰드를 제작하였다. NOA 63 - PEGDA composite 몰드는 NOA의 hard한 특성과 PEGDA의 수용성 물질을 흡수 할 수 있는 특성을 적정비율로 혼합함으로써 혼합함량에 따라 용매의 흡수율, 접촉각 및 modulus 특성이 변화되었다. 제 3장에서는 이렇게 제작된 Composite mold를 이용하여 나노구조를 가공하였으며, 충분한 수용성 용매 흡수율을 이용하여 수용성 물질(polyelctrolyte, protein)을 전사 하였다. 즉, 기존의 micromolding 방식을 기본으로 하여 SAMIM(solvent assisted micromolding)을 이용하여 물리적 패턴을 형성하였으며, polymer transfer printing 방식을 사용하여 화학적 패턴을 쉽게 형성하였다. 제 4장에서는 선경사각 제어를 위하여 물리적 구조 위에 수직 배향성을 갖는 화학구조를 선택적으로 전사하였습니다. 그 결과 여러 패턴에서 액정의 선경사각은 증가되었으며, 다양한 선경사각을 형성함으로써 다양한 모드에 적용 가능하였습니다. 또한 이러한 선경사각은 액정 표시 장치에서 결함 방지에도 영향을 미처 액정의 우선 이동 방향을 부여함으로써 reverse twist에 의한 결함을 방지하였습니다. 제 5장에서는 이 논문의 결론으로서 새로운 composite 몰드를 이용한 결과를 종합하였다. 즉, NOA - PEGDA composite 몰드는 PDMS 보다 향상된 modulus로 나노 단위 패턴을 획득하는데 있어서 적합하였으며, 물리적인 구조뿐만 아니라 화학적인 구조의 제작에도 사용할 수 있었다. 또한 LCD 분야에도 응용 됨으로써 국부적인 수직 배향 특성 획득 및 선경사각제어에도 응용될 수 있었다. 이러한 나노구조 가공 기술은 고분자를 가공한 후 선택적 표면 처리를 통하여 protein 등을 검출하는 바이오 센서, 러빙을 대체하는 LCD 액정 배향 기술 등으로 응용이 가능하다고 생각한다.;In CHAPTER 1, we introduce the necessity of new composite mold in soft lithographic technique. Soft lithography has been interesting as an alternative lithographic technique of photolithography because of its simplicity and inexpensiveness. Conventional mold material in soft lithography is a poly(dimethyl-siloxane) (PDMS). However, its intrinsic property such as low modulus (about 1MPa) limits to apply to fabricate the nanometer-scale pattern. Also, PDMS is not appropriate to patterning of hydrophilic polymer. Therefore, the research of new mold materials is necessary. In CHAPTER 2, we fabricate the new composite mold for nanopatterning. The composite mold consists of hard structure, Norland Optical Adhesive (NOA 63), and hydrophilic polymer, poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA). The property of the composite mold was examined by modulus, Moisture/Ethanol holding capacity and contact angle measurement. As the amount of NOA 63 increases in the composite mold, the modulus increases and moisture/ethanol holding capacity decreases. In CHAPTER 3, we fabricate the physical pattern and chemical pattern using a new composite mold. We use the poly(4-vinylpyridine) (P4VP) for physical pattern and fluorescein isothiocyanate (FITC)-tagged BSA (FITC-BSA) for chemical pattern. The new composite mold is capable to fabricate the physical and chemical pattern with high fidelity. In CHAPTER 4, we apply the patterning technique using a new composite mold to liquid crystal display (LCD). The ability to control the pretilt angle is important because the pretilt angle constrains the disclination formation caused by reverse twist. We control the pretilt angle using physical and chemical patterning. When there is only a physical pattern, the pretilt angle is very low. However, when there is chemical pattern on the physical pattern, the pretilt angle increase. In CHAPTER 5, we summarize our results. We conform that the new composite mold has many applicability to several industry.