KR102253452B1

KR102253452B1 - 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법

Info

Publication number: KR102253452B1
Application number: KR1020180121014A
Authority: KR
Inventors: 박진홍; 최재웅; 박형열
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2021-05-18
Also published as: KR20200041064A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법은 (a) 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계; (b) 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 단계; (c) 고분자 기재 상에 박막 물질을 박리하는 단계; (d) 중합체층을 이용하여 고분자 기재 상에 박리된 박막 물질을 제1 기판에 전사하는 단계; 및 (e) 제1 기판에 전사된 박막 물질을 제2기판에 전사하는 단계를 포함하되, 제1 표면에너지 보다 제2 표면에너지가 큰 것이다.

Description

반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법{TRANSFER METHOD OF THIN FILMS USING VAN DER WAALS FORCE}

본 발명은 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법에 관한 것이다.

기존 박막 전사 기술은 습식 전사와 건식 전사로 구분된다. 습식 전사의 경우 박막 물질이 박리되어 올려진 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 버퍼 산화 식각 용액(Buffered Oxide Echant, BOE), 정제수(DI water) 등에 띄운 뒤 목표 기판으로 옮겨 건조하는 방법이다. 건식 전사의 경우, 물이나 용매 없이 물리적인 접합에너지를 이용하여 박막 물질을 박리가 진행된 기판으로부터 소자를 제작할 기판으로 전사하는 방법이다.

그러나, 기존의 PMMA를 이용한 습식 전사의 경우, PMMA 아래층 제거 시 박막 물질이 물 또는 용매에 노출되며 정교한 전사가 어렵다는 문제가 있다. 기존의 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용한 건식 전사의 경우, 기판의 상부가 평평하지 않은 위치에서는 물리적인 접합에너지만으로 전사가 어렵다는 문제가 있다. 또한 PPC(Poly Propylene Carbonate) 또는 PMMA 위에 붙은 hBN(Hexagonal boron nitride)을 이용하여 박막물질을 들어올린 후 목표기판으로 전사하는 기존의 PPC, PMMA를 이용한 픽업(pick up) 기술의 경우, hBN 외에는 물질과 부착력이 좋지 않아 hBN을 먼저 붙이지 않고는 공정이 불가능하고, 특정 온도 조건을 만족해야만 가능하다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, PDMS와 같은 탄성중합체 상에서 박리된 박막 물질을 물질의 표면 에너지 차이와 그로 인한 접합에너지 차이만을 이용하여 박막 물질을 전사하는 방법을 제공하고자 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법은 (a) 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계; (b) 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 단계; (c) 고분자 기재 상에 박막 물질을 박리하는 단계; (d) 중합체층을 이용하여 고분자 기재 상에 박리된 박막 물질을 제1 기판에 전사하는 단계; 및 (e) 제1 기판에 전사된 박막 물질을 제2기판에 전사하는 단계를 포함하되, 제1 표면에너지 보다 제2 표면에너지가 큰 것이다.

본 발명의 일 실시예는 반데르발스 힘(van der waals force)만을 이용하여 전사를 진행한다는 장점이 있다. 이에 따라 전사된 물질들 사이에 불필요한 잔여물이 남거나 화학 반응을 일으킬 가능성이 감소되고, 박막 소자의 전기적 특성 감소 및 이상을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 도 1의 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 고분자 기재 상에 박막 물질을 박리하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의중합체층을 이용하여 고분자 기재 상에 박리된 박막 물질을 제1 기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1의 박막 물질을 제2기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합체층 상에 n개의 박막 물질을 순차적으로 적층하여 제2기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자기재 또는 중합체층을 기존의 기판으로 대체하여 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 이황화몰리브덴(MoS₂)을 이용해 도 8의 건식 전사 방식으로 시험한 광학 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기판(PDMS)에 형성된 중합체층(PMMA)을 이용하여 박막 물질(MoS₂)을 제2기판(이산화규소 기판)으로 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도10의 전사 과정을 촬영한 광학 현미경 사진이다.
도 12는 도 7의 n개의 박막 물질을 전사하는 방법에 의해 제작된 소자를 도시한 도면이다.
도 13은 도7의 n개의 박막 물질의 적층 과정을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법은 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계(S110), 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 단계(S120), 고분자 기재 상에 박막 물질을 박리하는 단계(S130), 중합체층을 이용하여 고분자 기재 상에 박리된 박막 물질을 제1 기판에 전사하는 단계(S140) 및 제1 기판에 전사된 박막 물질을 제2기판에 전사하는 단계(S150)를 포함한다. 여기서 제1 표면에너지 보다 제2 표면에너지가 큰 것이다.

이에 따라 본 발명은 반데르발스 힘 만을 이용하여 건식 전사를 진행할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 박막 물질 간의 접합면의 오염과 전사 과정에서의 화학 반응을 감소시키는 효과가 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법을 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 도 1의 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계(S110)에서, 고분자 기재는 PDMS(polydimethylsiloxane), PBT (Polybutylene terephthalate), CTFE (Chlorotrifluoroethylene), PP (Polypropylene), PU (Polyurethane), PE (Polyethylene), PVF (Polyvinyl fluoride), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PDMS (Polydimethylsiloxane), FEP (Fluorinated ethylene propylene) 및 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 나열한 물질들은 표면 에너지가 강한 물질부터 나열한 것이다. 바람직하게, 고분자 기재는 PDMS로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상대적으로 중합체층 보다 표면 에너지가 약한 물질로 이루어질 수 있다.

S110단계에서, PDMS 탄성중합체 베이스(elastomer base)(200)와 PDMS 경화제(curing agent)(201)를 혼합하는 단계 및 혼합된 PDMS혼합액(203a)에 발생된 기포를 제거한 후 일정한 두께를 갖도록 경화시켜 PDMS를 포함하는 고분자 기재(203)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적으로, 도 2의 (a)를 참조하면, 먼지가 제거된 용기(100)를 준비하며, 준비된 용기(100)에 PDMS 탄성중합체 베이스(200)와 PDMS 경화제(201)를 무게 비율 10:1로 옮겨 담는다.

이어서 도 2의 (b)를 참조하면, 용기(100)에 담긴 PDMS 탄성중합체 베이스(200)와 PDMS 경화제(201)를 거품이 하얗게 일 때까지 약 5-10분 동안 저어서 섞어준다. 예를 들어 저을 때 쓰는 도구는 먼지가 없는 고체 막대를 이용할 수 있다.

다음으로, 도 2의 (c)를 참조하면, 충분히 섞인 PDMS 혼합액(203a)을 배양접시(101)에 부을 수 있다. 일 예로, 배양접시(101)를 저울에 올려놓고 무게를 재며, PDMS 혼합액(203a)을 부어줄 수 있다. PDMS혼합액(203a)은 두께에 따라 변형성(deformability)에 큰 차이가 있으므로 PDMS 혼합액(203a)을 붓는 배양접시(101)마다 무게를 일정하게 유지한다. 다른 예로, 평평함을 높이기 위해 배양접시(101) 안에 기판을 넣은 상태로 PDMS 혼합액(203a)을 부을 수 있다. 여기서, 기판은 평평하고 경화된 PDMS혼합액(203a)과 강하게 결합하지 않는 물질로 이루어질 수 있다.

이어서, 도 2의 (d)를 참조하면, PDMS 혼합액(203a)을 섞으면서 발생한 기포(거품)를 제거하기 위해 배양접시(101)를 데시케이터(desiccator)에 넣거나 장시간 상온에 보관할 수 있다. 여기서, 기포 제거 과정은 도 2의 (b)의 과정에서 먼저 수행할 수 있다. 이어서, 기포가 제거되면 배양접시(101)를 평형이 어긋나지 않도록 유지하며 오븐을 이용하여 경화시킬 수 있다. 여기서, 가열 온도와 시간은 PDMS의 경화가 진행될 시에 PDMS가 담긴 배양접시(101)가 열로 인해 변형되지 않는 범위 내에서 설정될 수 있다. 다음으로, 경화된 PDMS를 포함하는 고분자 기재(203)를 잘라 블록 모양으로 형성할 수 있다.

도 3은 도 1의 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제2 표면에너지를 갖는 중합체층(302)을 형성하는 단계(S120)에서, 중합체층(302)은 PMMA(polydimethylsiloxane), PES(Polyethersulfone), PPO(Polyphenylene oxide), PC(Polycarbonate), PET(Polyethlene terephthalate), PMMA(Polymethylmethacrylate), SAN(Styrene acrylonitirile), PVCr(Polyvinyl chloride), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PPS(Polyphenylene sulfide), PVA(Polyvinyl alcohol), PVCp(Polyvinyl chloride with plasticizer) 및 PS(Polystyrene) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 나열한 물질들은 표면에너지가 강한 물질부터 순서대로 나열한 것이다. 중합체층(302)은 상기 나열한 물질 외에도 상대적으로 고분자 기재(203)보다 표면에너지가 큰 물질로 이루어질 수 있다.

S120단계는 제1기판(300) 상에 구형의 물질(301)을 형성하는 단계 및 구형의 물질 상에 스핀 코팅을 이용하여 중합체층(302)을 형성하는 단계를 포함하되, 구형의 물질(301)은 제1기판(300)과 동일한 물질이거나 제1기판(300) 및 중합체층(302)과의 접합에너지가 높은 물질로 이루어질 수 있다.

예시적으로 도 3의 (a)를 참조하면, 제1기판(300)을 전사 공정 중 사용이 가능한 크기 범위 내에서 커팅 및 클리닝을 수행할 수 있다. 이때 제1기판(300)은 투명하고 위에 코팅할 물질과 접합성이 충분히 높은 물질로 이루어질 수 있다.

이어서, 도 3의 (b)를 참조하면, 박막 물질을 선택적으로 접착시키기 위해 식각(etching) 또는 추가적인 구형의 물질(301)의 부착을 통해 제1기판(300)의 기하 구조를 바꿔줄 수 있다. 예시적으로, 제1기판(300)에 구형의 물질(301)을 부착하는 경우, 구형의 물질(301)은 제1기판(300)과 동일한 물질이거나 제1기판(300) 및 중합체층(302)과 접착력이 높으며, 투명한 물질로 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 3의 (c)를 참조하면, 제1기판(300)에 부착된 구형의 물질(301) 위에 중합체층(302)을 스핀 코팅(spin coating) 공정을 이용해 코팅할 수 있다. 이때 중합체층(302)의 코팅 두께는 중합체층(302)의 전사 시에 얼라인(align)을 위한 빛 투과성을 유지할 수 있는 한도 내에서 향상시킬 수 있다. 이후, 코팅된 중합체층(302)을 건조 또는 가열시킬 수 있다.

도 4는 도 1의 고분자 기재 상에 박막 물질을 박리하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 고분자 기재(203) 상에 박막 물질(403)을 박리하는 단계(S130)는 테이프(400) 사이에 박막 물질의 결정(401)을 배치한 후 얇고 넓게 퍼지도록 테이프(400)를 탈부착하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적으로, 도 4의 (a)를 참조하면, 전사 대상인 박막 물질의 결정(401)을 박리를 통해 얇게 만들 수 있다. 예를 들어, 적정량의 박막 물질의 결정(401)을 테이프(400)의 점착면에 올리고, 박막 물질의 결정(401)의 양면에 위치한 테이프(400)를 붙였다 떼며 박막 물질의 결정(401)이 얇고 넓게 퍼져 박막 형태로 형성할 수 있다.

이어서, 도 4의 (b)를 참조하면, 고분자 기재(203)의 상부에 박막 형태로 충분히 얇아진 박막 물질(403)이 붙은 테이프(400)를 붙였다 떼며 고분자 기재(203) 상에서 박막 물질(403)을 박리할 수 있다. 이때 박막 물질(403)과 테이프(400) 간의 접합에너지는 박막 물질(403)과 고분자 기재(203) 간의 접합에너지보다 매우 큰 것일 수 있다. 즉, 박리속도가 빠를수록 접합에너지 차이로 인한 영향을 덜 받기 때문에 충분한 양의 박막 물질(403)을 고분자 기재(203)에 박리하기 위해 테이프(400)를 짧은 시간 내에 빠른 속도로 떼어낼 수 있다. 한편, 테이프(400)를 고분자 기재(203)에 붙이는 세기, 시간 및 떼어내는 속도는 박막 물질(403)의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다. 여기서, 테이프(400)가 박리를 수행하는 수단으로 한정되는 것은 아니며, 박리 공정에 사용 가능한 모든 물질을 포함할 수 있다.

도 5는 도 1의 중합체층을 이용하여 고분자 기재 상에 박리된 박막 물질을 제1 기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 중합체층(302)을 이용하여 고분자 기재(203) 상에 박리된 박막 물질(403)을 제1기판(300)으로 전사하는 단계(S140)는 중합체층(302)이 하측을 향하도록 제1기판(300)을 뒤집어서 전사용 슬릿(500)에 부착하는 단계, 고분자 기재(203)를 스테이지(501) 상부에 고정한 후, 광학 현미경(502)을 이용하여 제1기판(300)의 중합체층(302)이 고분자 기재(203)의 박막 물질(403)과 일치하도록 접합시키는 단계 및 기설정된 속도로 고분자 기재(203)로부터 제1기판(300)의 중합체층(302)을 떼어내되, 제1기판(300)의 중합체층(302)에 박막 물질(403)이 부착되는 단계를 포함할 수 있다.

예시적으로 도 5의 (a)를 참조하면, 중합체층(302)이 코팅된 제1기판(300)을 아래를 향하도록 하여 전사용 슬릿(500)에 붙일 수 있다. 슬릿(500)은 전사 시에 얼라인이 가능하도록 투명한 물질로 이루어질 수 있다.

이어서, 도 5의 (b)를 참조하면, 박막 물질(403)이 올려진 고분자 기재(203)를 스테이지(501) 위에 고정시키고 광학 현미경(502)을 통해 제1기판(300)의 원하는 위치와 박막 물질(403)의 위치를 일치시켜 중합체층(302)과 박막 물질(403)을 접합시킬 수 있다. 이때 중합체층(302)과 박막 물질(403) 간의 접합에너지가 더 강하고 고분자 기재(203)의 변형성으로 인해 접합에너지가 감소하여 박막 물질(403)은 중합체층(302)으로 더 강하게 붙게 된다. 즉, 고분자 기재(203)와 박막 물질(403)간의 제1 접합에너지보다 중합체층(302)과 박막 물질(403)간의 제2 접합에너지가 크고, 박막 물질(403)의 표면에 추가로 접합되는 박막 물질과의 접합에너지가 제2 접합에너지보다 더 강할 수 있다. 따라서 , 전사하기 이전에 원하는 박막 물질을 추가로 중합체층(302) 또는 이에 접합된 박막 물질(403)의 표면에 접합시킬 수 있다. 이후, 추가로 접합된 복수의 박막 물질을 한번에 전사시킬 수 있다. 이와 같은 복수의 박막 물질을 전사하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 7을 참조하여 후술하도록 한다. 이 경우, 접합된 박막 물질의 종류 및 개수는 제한이 없으며 물질의 표면 에너지에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

다음으로 도 5의 (c)를 참조하면, 박막 물질(403)의 전사를 수행할 부분이 모두 고분자 기재(203)에 닿을 시에 중합체층(302)을 고분자 기재(203)에서 떼어낼 수 있다. 이때, 적절한 떼어내는 속도 범위는 박막 물질(403) 및 중합체층(302)과 제1기판(300), 고분자 기재(203)의 물성에 따라 다르게 설정될 수 있다.

도 6은 도 1의 박막 물질을 제2기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 일 예로, 박막 물질(403)을 제2기판(600)에 전사하는 단계(S150)는 제1기판(300)의 중합체층(302)에 부착된 박막 물질(403)을 제2기판(600)에 접합시키는 단계, 제2기판(600)이 고정된 스테이지(501)를 가열한 후 제2기판(600)으로부터 제1기판(300)의 중합체층(302)을 떼어내어 중합체층(302)의 일부를 포함하는 박막 물질(403)을 제2기판(600) 상에 전사하는 단계 및 박막 물질(403)에 포함된 중합체층(302)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로, S150단계는 제1기판의 중합체층(302)에 부착된 박막 물질(403)을 제2기판(600)에 접합시키는 단계 및 제2기판(600)으로부터 제1기판(300)의 중합체층(302)을 떼어내어 박막 물질(403)만을 제2기판(600) 상에 전사하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 제2기판(600)은 제3 표면에너지를 가지며, 중합체층(302)이 갖는 제2 표면에너지 보다 제3표면에너지가 큰 것일 수 있다. 이에 따라, 박막 물질(403)과 제2기판(600) 간의 접합에너지가 중합체층(302)과 박막 물질(403) 간의 접합에너지 보다 큰 것일 수 있다. 예를 들어, 제2기판(600)은 이산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화하프늄(HfO₂)과 같은 절연 층이 성장 또는 증착되거나 그렇지 않은 실리콘(Si), 저마늄(Ge) 기판 또는 유리(glass) 등을 포함할 수 있다.

예시적으로, 도 6의 (a)를 참조하면, 박막 물질(403)이 붙은 중합체층(302)을 광학 현미경(502)을 통해 소자를 제작할 제2기판(600)의 원하는 위치에 부착시킬 수 있다.

다음으로, 일 예로, 도 6의 (b)를 참조하면, 전사를 진행하는 스테이지(501)의 온도를 중합체층(302)의 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)보다 높게 가열하여 중합체층(302)의 일부도 박막 물질(403)과 함께 소자를 제작할 제2기판(600) 위에 전사시킬 수 있다. 이때 전사된 중합체층(302)은 녹이는 등의 기존의 방식에 따라 제거될 수 있다.

다른 예로, 도 6의 (c)를 참조하면, 박막 물질(403)에 따라 중합체층(302)과의 접합에너지보다 제2기판(600)과의 접합에너지가 극명히 클 경우, 접합에너지만을 이용해 박막 물질(403)만 제2기판(600) 위로 전사시키고 중합체층(302)은 떼어낼 수도 있다. 여기서, 소자를 제작할 제2기판(600)과 박막 물질(403) 간의 접합에너지는 중합체층(302)과 박막 물질(403) 간의 접합에너지보다 큰 것일 수 있다. 또한, 중합체층(302)을 떼어내는 속도는 박막 물질(403) 및 제2기판(600), 중합체층(302)의 표면 에너지에 따라 다르게 설정될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합체층 상에 n개의 박막 물질을 순차적으로 적층하여 제2기판에 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법은 박막 물질을 박리하는 단계(S130) 및 박막 물질을 제1기판으로 전사하는 단계(S140)를 n회 반복하여 제1기판(300)에 형성된 중합체층(302) 상에 n개의 박막 물질(403)을 순차적으로 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적으로, 도 7의 (a)에 도시된 것처럼, 고분자 기재(203) 상에 제1박막 물질(700)이 박리될 수 있다. 이어서, 도 7의 (b)에 도시된 것처럼, 중합체층(302)을 이용하여 제1박막 물질(700)을 제1기판(300)으로 전사시킬 수 있다. 다음으로, 제1기판(300)의 중합체층(302)에 제1박막 물질(700)을 전사하는 방법과 동일한 방법으로, 각 박막 물질(700-703)에 대하여 4회 반복하여 도 7의 (c)에 도시된 것처럼, 중합체층(302) 상에 제1박막 물질(700), 제2박막 물질(701), 제3박막 물질(702) 및 제4 박막 물질(703)이 순차적으로 적층될 수 있다. 이후, 도 7의 (d)에 도시된 것처럼, 각 박막 물질(700-703)과 제2기판(600)간의 접합에너지가 중합체층(302)과 각 박막 물질(700-703) 간의 접합에너지보다 큰 것을 이용하여 제2기판(600)에 각 박막 물질(700-703)을 한번에 전사시킬 수 있다.

이하에서는 도 8 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 반데르발스 힘을 이용하여 박막 필름을 전사한 결과를 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법과 기존의 건식 전사 방식을 비교 시험하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자기재 또는 중합체층을 기존의 기판으로 대체하여 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법을 설명하기 위한 도면이다. ,

도 8을 참조하면, 상부의 제1기판(300)은 PDMS로 이루어질 수 있으며, 제1기판(300, PDMS)에 구형의 물질(301)이 형성되도록 PDMS를 한 방울을 떨어뜨린 후 경화시켜 제작하였다. 또한, 2차원의 박막 물질(403)은 이황화몰리브덴(MoS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂), 이황화레늄(ReS₂), 또는 이황화하프늄(HfS₂)으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 도 8의 (a)에 도시된 것처럼, 본 발명의 중합체층(302)이 코팅된 제1기판(300)을 사용하는 경우, 고분자 기재(PDMS)를 이산화규소 기판(203a)으로 대체하였다. 다른 예로, 도 8의 (b)에 도시된 것처럼, 본 발명의 박막 물질(403)이 박리된 고분자 기재(203)를 사용하는 경우, 중합체층(302)이 코팅되지 않은 제1기판(300)으로 대체하였다. 예를 들어, 이산화규소 기판(203a)은 P++ 실리콘 기판 위에 열산화(thermal oxidation)공정을 이용하여 90 nm 두께로 제작된 제품을 사용하였다.

도 9는 이황화몰리브덴(MoS₂)을 이용해 도 8의 건식 전사 방식으로 시험한 광학 현미경 사진이다.

도 9의 (a)는 도 8의 (a)에 도시된 중합체층(302)이 코팅된 제1기판(300)을 MoS₂(박막 물질, 403)이 박리된 이산화규소 기판(203a)에 붙였다 떼어낸 전후의 광학 현미경 사진이고, 도 9의 (b)는 도 8의 (b)에 도시된 제1기판(300)을 MoS₂이 박리된 고분자 기재(203)에 붙였다 떼어낸 전후의 광학 현미경 사진이다. 여기서, 이산화규소, PMMA, PDMS의 표면에너지는 각각 115-200mJ/m², 41mJ/m², 23mJ/m²이고 두 물질간의 접합에너지는 두 물질의 표면에너지 곱의 제곱근에 비례하므로 상술한 두 공정에서의 MoS₂(박막 물질)이 전사될 가능성이 낮다.

도 9의 (a)에 도시된 것처럼, 제1기판(PDMS)과 이산화규소 기판을 붙였다 떼어내도 MoS₂가 떨어져 나오지 않았다. 이는, 이산화규소 기판의 표면에너지가 제1기판(PDMS) 상의 중합체층(PMMA)의 표면에너지 보다 크기 때문인 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 도 9의 (b)에 도시된 것처럼, 제1기판(PDMS)과 고분자 기재(PDMS)를 붙였다 떼어내도 MoS₂가 떨어져 나오지 않았다. 이는, 고분자 기재(PDMS) 상에서 박리 후 안정된 상태에서 같은 접합 에너지를 갖는 물질(PMMA를 코팅하지 않은 PDMS)로 붙였다 떼어냈기 때문인 것으로 예상된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1기판(PDMS)에 형성된 중합체층(PMMA)을 이용하여 박막 물질(MoS₂)을 제2기판(이산화규소 기판)으로 전사하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 열처리 등 추가 공정 없이 물질들의 표면 에너지 차이만을 이용하여 전사 과정을 진행하기 위해 고분자 기재(203, PDMS) 상의 2차원 박막 물질(403)을 중합체층(302, PMMA)이 코팅된 제1기판(300, PDMS)을 이용하여 제2기판(600, 이산화규소 기판) 상으로 전사하였다. 여기서 박막 물질(403)은 MoS₂를 사용하였다.

도 11은 도10의 전사 과정을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

도 11의 (a)는 중합체층(302, PMMA)을 MoS₂(박막 물질) 조각에 붙이기 전이고, 도 11의 (b)는 붙였을 때이고, 도 11의 (c)는 중합체층(302)을 들어 올렸을 때의 광학현미경 사진이다. 여기서, 고분자 기재(203)로부터 중합체층(302)을 떼어내는 속도에 관계없이 MoS₂(박막 물질)가 제1기판(300)으로 쉽게 전사되었다.

도 12는 도 7의 n개의 박막 물질을 전사하는 방법에 의해 제작된 소자를 도시한 도면이다.

도 12는 네 개의 박막 물질(700-703)을 수직, 수평 방향으로 적층하는 구조이다. 구체적으로 여러 박막 물질들(700-703)은 정교한 얼라인을 통해 겹쳐져야 하며, 물질 사이에 이물질이 적어야 한다. 상술한 도 7에 도시된 방법으로 복수의 박막 물질(700-703)을 접합에너지를 이용하여 순차적으로 적층한 후에 제2기판(600)에 한번에 전사시킬 수 있다.

도 13은 도 7의 n개의 박막 물질의 적층 과정을 촬영한 광학 현미경 사진이다. 도 13의 (a)는 제1 및 제2 박막물질(700, 701)이 적층한 상태이고, 도 13의 (b)는 제1 내지 제3박막물질(700-702)이 적층한 상태이고, 도 13의 (c)는 제1 내지 제4박막물질(700-703)이 적층한 상태의 광학 현미경 사진이다.

기존의 공정들과 비교 시 본 발명의 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법은 다음과 같은 장점이 있다. 기존의 PMMA를 이용한 전사 방식 적용 시 박막 물질 한 개를 붙일 때마다 PMMA 제거에 2시간씩 소요되며 각 물질 사이에 PMMA잔여물이 존재할 가능성이 있다. PDMS만을 이용한 공정의 경우, PMMA 잔여물 존재할 가능성이 작지만 평평한 PDMS를 사용하기 때문에 원치 않는 다른 박막 물질들도 기판에 전사된다는 문제가 있다. 즉, 도 12에 도시된 것처럼, 기판(600)과 각 박막 물질들(700-703) 사이에 단차가 발생되는 복수의 박막 물질들(700-703)이 중첩한 형태의 경우, PDMS만을 이용한 기존의 건식 공정 방법으로, 전사가 어렵다는 문제가 있다. 또한, 기판과 평행하고 넓은 다중 전사 공정을 진행하기 불편하다는 문제가 있다.

그러나, 본 발명은 상술한 문제를 해결하며 전사된 물질들 사이에 불필요한 잔여물이 남거나 화학 반응을 일으킬 가능성이 감소되고, 박막 소자의 전기적 특성 감소 및 이상을 방지하는 효과가 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 용기
200: PDMS 탄성중합체 베이스
201:PDMS 경화제
203a: PDMS 혼합액
203: 고분자 기재
300: 제1기판
301: 구형의 물질
302: 중합체층
400: 테이프
401: 박막 물질의 결정
403: 박막 물질
500: 전사용 슬릿
501: 스테이지
502: 광학 현미경
600: 제2기판
700: 제1박막 물질
701: 제2박막 물질
702: 제3박막 물질
704: 제4박막 물질

Claims

반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법에 있어서,
(a) 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계;
(b) 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 단계;
(c) 박막 물질 결정의 양면에 테이프의 점착면이 접하도록 테이프 사이에 상기 박막 물질 결정을 배치한 후 상기 테이프를 탈부착하여 상기 테이프의 일면에 박막 물질을 형성하고, 일면에 박막 물질이 형성된 상기 테이프를 상기 고분자 기재의 상부에 탈부착하여 상기 고분자 기재 상에 박막 물질을 형성하는 단계;
(d) 상기 중합체층이 하측을 향하도록 제1기판을 뒤집어서 전사용 슬릿에 부착하여 상기 고분자 기재 상에 형성된 박막 물질을 상기 제1기판에 전사하는 단계; 및
(e) 상기 제1기판에 전사된 박막 물질을 제2기판에 전사하는 단계를 포함하되,
상기 제1 표면에너지 보다 상기 제2 표면에너지가 큰 것을 특징으로 하는,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계를 n회 반복하여 상기 중합체층 상에 n개의 박막 물질을 순차적으로 적층하는 단계를 더 포함하는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서
PDMS 탄성중합체 베이스(elastomer base)와 PDMS 경화제(curing agent)를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 PDMS혼합액에 발생된 기포를 제거한 후 일정한 두께를 갖도록 경화시켜 PDMS를 포함하는 고분자 기재를 형성하는 단계를 포함하는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 고분자 기재는
PDMS (polydimethylsiloxane), PBT (Polybutylene terephthalate), CTFE (Chlorotrifluoroethylene), PP (Polypropylene), PU (Polyurethane), PE (Polyethylene), PVF (Polyvinyl fluoride), PVDF (Polyvinylidene fluoride), PDMS (Polydimethylsiloxane), FEP (Fluorinated ethylene propylene) 및 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 중 적어도 하나로 이루어지는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법에 있어서,
(a) 제1 표면에너지를 갖는 고분자 기재를 형성하는 단계;
(b) 제2 표면에너지를 갖는 중합체층을 형성하는 단계;
(c) 박막 물질 결정의 양면에 테이프의 점착면이 접하도록 테이프 사이에 상기 박막 물질 결정을 배치한 후 상기 테이프를 탈부착하여 상기 테이프의 일면에 박막 물질을 형성하고, 일면에 박막 물질이 형성된 상기 테이프를 상기 고분자 기재의 상부에 탈부착하여 상기 고분자 기재 상에 박막 물질을 형성하는 단계;
(d) 상기 중합체층이 하측을 향하도록 제1기판을 뒤집어서 전사용 슬릿에 부착하여 상기 고분자 기재 상에 형성된 박막 물질을 상기 제1기판에 전사하는 단계; 및
(e) 상기 제1기판에 전사된 박막 물질을 제2기판에 전사하는 단계를 포함하되,
상기 제1 표면에너지 보다 상기 제2 표면에너지가 크며,
상기 (b) 단계는
상기 제1기판 상에 구형의 물질을 형성하는 단계; 및
상기 구형의 물질 상에 스핀 코팅을 이용하여 상기 중합체층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 구형의 물질은 상기 제1기판과 동일한 물질이거나 상기 제1기판 및 상기 중합체층과의 접합에너지가 높은 물질로 이루어지는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 중합체층은
PMMA (polydimethylsiloxane), PES (Polyethersulfone), PPO (Polyphenylene oxide), PC (Polycarbonate), PET (Polyethlene terephthalate), PMMA (Polymethylmethacrylate), SAN (Styrene acrylonitirile), PVCr (Polyvinyl chloride), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PPS (Polyphenylene sulfide), PVA (Polyvinyl alcohol), PVCp (Polyvinyl chloride with plasticizer) 및 PS (Polystyrene) 중 적어도 하나로 이루어지는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계는
상기 고분자 기재를 스테이지 상부에 고정한 후, 광학 현미경을 이용하여 상기 제1기판의 중합체층이 상기 고분자 기재의 박막 물질과 일치하도록 접합시키는 단계; 및
기설정된 속도로 상기 고분자 기재로부터 상기 제1기판의 중합체층을 떼어내되, 상기 중합체층에 상기 박막 물질이 부착되는 단계를 포함하는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제8항에 있어서,
상기 (e) 단계는
상기 제1기판의 중합체층에 부착된 박막 물질을 상기 제2기판에 접합시키는 단계; 및
상기 제2기판으로부터 상기 제1기판의 중합체층을 떼어내어 상기 박막 물질만을 상기 제2기판 상에 전사하는 단계를 포함하되,
상기 제2기판은 제3 표면에너지를 가지는 것이고,
상기 제2 표면에너지 보다 상기 제3 표면에너지가 큰 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.
제8항에 있어서,
상기 (e) 단계는
상기 제1기판의 중합체층에 부착된 박막 물질을 상기 제2기판에 접합시키는 단계;
상기 제2기판이 고정된 스테이지를 가열한 후 상기 제2기판으로부터 상기 제1기판의 중합체층을 떼어내어 상기 중합체층의 일부를 포함하는 박막 물질을 상기 제2기판 상에 전사하는 단계; 및
상기 박막 물질에 포함된 상기 중합체층을 제거하는 단계를 포함하는 것인,
반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법.