Advanced lithography method for laser-induced holographic surface relief grating formation of photo-sensitive materials

Abstract

아조벤젠 분자는 가시광선 및 자외선 파장 영역의 빛에 노출되었을 때 그 화학 구조가 트랜스 형 에서 시스 형으로 변하는 광 이성질화 현상을 보인다. 지속적인 광 이성질화 현상으로부터 유도된 체적 변화와 분자 운동은 아조벤젠을 포함하고 있는 고분자에 광-기계적 특성 변화를 일으키며, 때문에 물질의 유리 전이 온도 이하에서도 점성 유체와 같이 거동하는 광 유동화 현상을 보인다. 광 유동화 현상으로 인한 점성 유체 상태에서는 국소적인 분자 이동 및 빛의 편광 방향으로의 이방적인 물질 이동에 의해서 아조 고분자 필름 표면에 형태 변화를 일으킨다. 정밀하게 제어된 광 간섭 무늬를 아조벤젠 작용기를 포함하는 고분자 필름에 조사하면, 조사된 광 간섭 무늬의 전기장 세기 변화를 따르는 표면 형상 변화로 인해서 표면 요철 격자를 형성시킨다. 과거 수 십년 간의 아조 고분자의 광 유체화 현상에 대한 이해를 위해서 진행된 기초 연구로부터 광 유동화 현상과 표면 요철 격자를 형성하는 것에 있어서 몇 가지 주요 영향 변수를 밝혀 내었으나, 아직까지 아조 고분자의 광 유동화 현상에 의한 점성 유체 거동의 기저 메커니즘이 완벽하게 밝혀지지는 않았다. 본 논문에서는 아조 고분자에서 나타나는 마이크로/나노 크기의 복합적인 형태의 특이한 표면 요철 격자의 형성 원인에 대해서 연구하였다. 아직까지 연구되지 않은 변수들과 그로 인해서 발생하는 특이 표면 요철 격자의 표면 형태와의 관계를 연구할 수 있는 체계적인 실험을 설계하였다. 이를 위해서 PDR1A라는 아조고분자를 광감응 고분자로 선택하였다. 원자 힘 현미경을 사용해서 표면 요철 격자 형성중 나타나는 미세한 표면 변화 뿐만 아니라 기계적 특성 변화 또한 연구되었다. 그 결과, 아조 고분자의 광 유체화 현상에 대한 이해가 더욱 깊어졌으며, 다차원의 대면적 광 격자를 제작하였다. 또한 다중 회전 리소그래피 공정을 통해서 준결정 형태의 표면 요철 격자를 만드는 새로운 공정 또한 제시하였다. 특정 각도로 샘플을 회전 시키면서 수 차례 진행한 광 조사에 의해서, 정렬된 패턴을 가지면서 무작위적인 단면 형상을 가지는 표면 요철 격자를 얻을 수 있었다. 또한 광학적으로 특이한 이 표면 요철 격자를 광 추출 층으로 고분자 발광 다이오드 소자에 적용하여 소자의 광 추출과 효율을 향상 시켰다.; Azobenzene molecule is known to change the chemical structure from trans- to cis-form under illumination of visible of ultra-violet light, called photo-isomerization.1-3 Continuous photo-isomerization derived volumetric change and molecular motions supply sufficient photo-mechanical change in azobenzene-containing polymers, exhibiting photo-induced softening under glass transition temperature (Tg), named photo-fluidization.4-7 With a photo-fluidized viscos-fluid state, local creep motion and anisotropic mass transfer along light polarization direction result morphological change of azopolymer film surface.8-12 By irradiating precisely controlled light interference pattern (LIP) on azobenzene-modified polymer films, topographic variations in the film develop that follow the electric-field vector distribution of LIP, resulting in the formation of surface relief grating (SRG).12 From past several decades of fundamental studies for understanding the photo-fluidization phenomena of azopolymers, the most critical key factors influencing photo-fluidization and formation of SRG were found, and yet the underlying mechanism that explains the photo-triggered fluidic behavior of azopolymers has not been fully explained.4, 13-18 In my thesis, we investigated origin of formation of unusual grating in azopolymer that exhibit hierarchical micro/nano-sized complex gratings. We established a systematically organized experiments to study the correlation between not yet unexplored influencing factors (fringe visibility, light polarization modes, Bragg distance) and topography of unusual SRG. Poly (disperse red 1) acrylate (PDR1A) was accepted to fabricating light-driven hierarchical surface structures. With the help of atomic force microscope (AFM), delicate topological data as well as local mechanical change were investigated with the formation of unusual SRGs. As a result, a deeper understanding in photo-fluidic phenomena of azopolymers was achieved and multi-dimensional scalable optical grating was obtained. We also present new route for fabricating unique quasi-crystal surface pattern by using multiple-rotation light interference lithography (LIL) process. With a multiple light exposure and sample rotation with a specific angle, orderly arrayed but randomly modulated surface relief grating topology can be obtained. Furthermore, this optically unique surface relief pattern was accepted as light extraction layer in polymer-based light emitting diode (PLED) device, resulting in enhanced light extraction and increased device efficiency of PLED.