KR100407377B1 - 마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의제조 방법 - Google Patents

마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의 제조 방법에 관한 것으로, 복수의 로드들을 성형하기 위한 복수의 요홈들이 형성된 상금형과, 상기 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트가 성형되는 안착 요홈이 형성된 하금형을 가압하는 단계와; 상기 하금형에 연결된 런너를 통하여 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 주입하여 성형하는 단계와; 상기 성형된 고분자물질과 혼합된 세라믹을 상기 상, 하금형에서 이탈하는 단계와; 상기 이탈된 고분자물질이 혼합된 세라믹으로부터 고분자물질을 태우거나 녹여내서 제거하는 단계와; 상기 고분자 물질이 제거된 세라믹 성형체를 소결하는 단계와; 상기 소결된 세라믹 성형체의 복수 로드들 사이에 상기 복수 로드의 상부가 노출되도록 고분자를 충진하는 단계와; 상기 복수 로드의 하부가 노출되도록 상기 플레이트를 폴리싱하여 제거하는 단계로 구성함으로써, 마이크로 단위의 로드 어레이를 인젝션 몰드로 성형하여 대량생산을 할 수 있고, 다양한 형상을 제작하여 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터와 마이크로 트랜스듀서 등의 마이크로 소자 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.

Description

마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의 제조 방법 {Method for manufacturing micro device and method of manufacturing mold for molding the same}
본 발명은 마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 단위의 로드 어레이를 인젝션 몰드로 성형하여 대량생산을 할 수 있고, 다양한 형상을 제작하여 마이크로 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 세라믹 재료를 이용한 마이크로 기능 소자는 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터와 마이크로 트랜스듀서 등에 적용되고 있다.
이러한 마이크로 소자의 제조 방법은 도 1a 내지 1d에 도시되어 있다.
우선, 도 1a에서 800㎛ ~ 1000㎛ 범위의 두께를 갖는 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3) 소결체 플레이트(11)를 준비하고, 상기 플레이트(11)의 표면에서 하부방향으로 300㎛ ~ 600㎛ 범위의 두께를 휠(10)에 의해서 x와 y방향으로 다이싱(Dicing)하여 상기 PZT 소결체 플레이트(11)의 상부에 복수의 PZT 로드(12)들을 형성한다.(도 1b)
상기 PZT 로드(12)들의 사이에 에폭시(13)를 충진하여 상기 PZT 로드(12)들의 상부 표면이 상기 에폭시(13)에 의해 노출되도록 한다.(도 1c)
상기 각각의 PZT 로드(12)들의 하부면이 노출되도록, 상기 PZT 로드(12)들을 지지하고 있는 PZT 소결체 플레이트(11)를 폴리싱(Polishing)공정으로 제거한다.(도 1d)
이렇게 형성된 PZT 로드(12)들의 가로와 세로의 길이는 100㎛ ~ 200㎛ 정도이며, 높이는 약 300㎛ ~ 600㎛, 로드간 간격은 40㎛ ~ 100㎛ 정도이다.
따라서, PZT 소결체 플레이트를 휠로 다이싱하여 마이크로 단위의 PZT 로드들을 갖는 마이크로 소자가 완성되는 것이다.
더불어서, PZT 로드의 상, 하부 노출된 면에 전극을 형성하면, 마이크로 소자는 엑츄에이터(Actuator)나 트랜스듀서(Transducer)로 이용할 수 있게 되는 것이다.
도 2는 일반적인 마이크로 소자가 동작되는 상태를 도시한 도면으로써, 마이크로 단위의 복수의 PZT 로드들의 사이에 에폭시가 충진되어 있고, 상기 복수의 PZT 로드들의 상, 하부에 형성된 전극(14,15)에 교류 전원(16)으로 하여금 교류 전압을 인가하면, 엑츄에이터나 트랜스듀서로 동작된다.
또한, 이와 같은 마이크로 소자는 초음파를 감지하는 센서로도 사용할 수 있다.
이상 상술한 바와 같은, 종래의 마이크로 소자의 제조 방법에서는 다이싱 휠로 마이크로 단위의 로드를 만들어야 하므로, 수많은 로드들을 제작하기 위해서는 상당한 작업시간이 소요되어, 대량 생산을 할 수가 없었다.
그리고, 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터와 마이크로 트랜스듀서는 로드의 형상(Geometry)에 따라 특성이 차이 있는바, 다이싱 휠의 공정에서는 획일적인 사각기둥의 로드 형상만을 제작할 수밖에 없어 마이크로 소자의 특성을 향상시킬 수가 없었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 마이크로 단위의 로드 어레이를 인젝션 몰드로 성형하여 대량생산을 할 수 있고, 다양한 형상을 제작하여 마이크로 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 소자의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 단위의 로드를 용이하게 성형하기 위한 금형 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 복수의 로드들을 성형하기 위한 복수의 요홈들이 형성된 상금형과, 상기 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트가 성형되는 안착 요홈이 형성된 하금형을 가압하는 단계와;
상기 하금형에 연결된 런너를 통하여 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 주입하여 성형하는 단계와;
상기 성형된 고분자물질과 혼합된 세라믹 성형체를 상기 상, 하금형에서 이탈하는 단계와;
상기 이탈된 고분자물질이 혼합된 세라믹 성형체로부터 고분자물질을 태우거나 녹여내서 제거하는 단계;
상기 고분자 물질이 제거된 세라믹 성형체를 소결하는 단계;
상기 소결된 세라믹 성형체의 복수의 로드들 사이에 상기 복수의 로드의 상부가 노출되도록 고분자를 충진하는 단계와;
상기 복수의 로드의 하부가 노출되도록 상기 플레이트를 폴리싱하여 제거하는 단계로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자의 제조 방법이 제공된다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 지지부의 상부에 종자층을 형성하는 단계와;
상기 종자층의 상부에 감광제층을 형성하는 단계와;
상기 감광제층을 복수의 로드 패턴이 형성된 마스크로 마스킹하고, 노광 및 식각하여 상기 감광제로 이루어진 복수의 로드들을 상기 종자층의 상부에 형성하는단계와;
상기 종자층의 상부와 상기 복수의 로드들을 감싸도록 상기 지지부와 동일한 물질로 이루어진 도금층을 형성하는 단계와;
상기 도금층을 제외하고, 상기 지지부와 종자층과 복수의 로드들을 순차적으로 제거하여, 상기 도금층의 하부에 복수의 로드들에 대응하는 복수의 요홈들을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법이 제공된다.
도 1a 내지 1d는 종래의 세라믹을 이용한 마이크로 소자의 제조 공정 순서도이다.
도 2는 일반적인 마이크로 소자가 동작되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3e는 본 발명에 따라 마이크로 소자를 제조하기 위한 금형의 제조 공정 순서도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따라 마이크로 소자가 금형에서 성형되는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 성형된 마이크로 소자의 단면도이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따라 성형되는 마이크로 로드의 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 인젝션 몰드를 하기 위한 하금형의 기본 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 휠 11 : PZT 소결체
12 : PZT 로드 13 : 에폭시
14, 15 : 상,하부 전극 16 : 교류전원
20 : 지지부 21 : 종자층
22 : 감광제층 50, 51 : 상, 하 금형
70 : 고분자물질과 혼합된 세라믹 80 : 고분자
100 : 캐비티 110 : 런너
120 : 컬
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 인젝션 몰딩법으로 마이크로 소자를 제조하기 위해서는, 우선 마이크로 소자를 제조하기 위한 금형을 제조하여야 한다.
이에 따라, 도 3a 내지 3e는 본 발명에 따라 마이크로 소자를 제조하기 위한 금형의 제조 공정 순서도를 도시하였다.
먼저, 지지부(20)의 상부에 종자층(21)을 형성한다.(도 3a)
여기서, 상기 지지부(20)는 Ni, NiP와 NiB 중 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 종자층(seed layer)(21)은 타이타늄(Ti)층, 골드(Au)층과 크롬(Cr)/골드(Au)층 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그 다음, 상기 종자층(21)의 상부에 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA, Poly Methyl Methacrylate) 또는 포토레지스트인 감광제층(22)을 형성하는데(도 3b), 폴리 메틸 메타크릴레이트를 감광제층(22)으로 사용하는 것이 바람직하고, 이 폴리 메틸 메타크릴레이트를 사용하는 경우, 상기 종자층(21)의 상부에 폴리 메틸 메타 크릴레이트를 부착하면 된다.
그리고, 상기 감광제층(22)를 복수의 로드 패턴이 형성된 마스크(24)로 마스킹하고, X-Ray선으로 노광한다.(도 3c) 그런 후에, 상기 노광된 부분을 제외하고 상기 감광제층(22)를 식각하면, 상기 감광제로 이루어진 복수의 로드(22')들이 상기 종자층(21)의 상부에 형성된다.(도 3d)
도 3e에서는 상기 종자층(21)의 상부와 상기 복수의 로드(22')들을 감싸도록 상기 지지부(20)와 동일한 물질로 이루어진 도금층(20')을 형성한다.
그리고, 상기 도금층(20')을 제외하고, 상기 지지부(20)와 종자층(21)과 복수의 로드(22')들을 순차적으로 제거하면, 상기 도금층(20')의 하부에 복수의 로드들에 대응하는 복수의 요홈들을 형성되어, 마이크로 소자의 로드들을 성형할 수 있는 금형은 완성된다.
이러한 도금층은 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형이 되며, 상기 도금층의 복수 요홈들이 형성된 표면에는 내마모성을 증가시키기 위하여, TiN, TiC, WC 또는 다이아몬드 중 어느 하나를 증착시켜 금형이 마모되는 것을 방지시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 요홈들이 형성된 도금층의 표면에는 성형되는 마이크로소자의 성형물이 보다 용이하게 이탈시키기 위하여, TiO2를 더 증착시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 TiO2는 SAM(Self-Assembled Mono-layer) 방법으로 증착하는 것이 가장 바람직하다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따라 마이크로 소자가 금형에서 성형되는 상태를 도시한 도면으로써, 도 4a에서는 복수의 로드들을 성형하기 위한 복수의 요홈들이 형성된 상금형(50)을 도 3a 내지 3e의 방법으로 제조하여 설치하고, 상기 상금형의 복수의 요홈들에 형성되는 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트(60)를 하금형(51)의 안착 요홈에 안착시킨 다음, 상기 상금형(50)과 하금형(51)을 가압한다.
그리고, 상기 하금형(51)에 연결된 런너를 통하여 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 주입하면, 본 발명의 마이크로 소자를 성형할 수 있게 된다.
그런 다음, 상기 복수의 로드들 사이에 에폭시 레진, 우레탄(Urethane) 고무와 실리콘 고무 중 선택된 어느 하나의 고분자를 충진시킨 후에, 상기 플레이트를 제거시키면, 본 발명의 마이크로 소자가 완성되는 것이다.
도 4b에서는 상기 플레이트(60)를 설치하지 않고, 본 발명의 마이크로 소자를 제조할 수 있는데, 복수의 로드들을 성형하기 위한 복수의 요홈들이 형성된 상금형(50)과, 상기 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트가 성형되는 안착 요홈이 형성된 하금형(51)을 가압하고, 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 상기 하금형에 연결된 런너를 통하여 주입하여 몰딩함으로써, 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트를 세라믹 재료로 형성한다.
그리고, 고분자 물질을 혼합한 세라믹으로 성형된 복수의 로드들과 플레이트를 상기 상, 하금형에서 이탈시킨 후에, 고분자물질을 혼합한 세라믹으로부터 고분자물질을 태우거나 녹여내고, 그 성형체를 소결하는 단계를 거친 후에, 고분자를 상기 복수의 로드의 상부가 노출되도록 상기 복수의 로드들의 사이에 충진시키면 도 4c에 도시된 바와 같은 형상을 갖는다.
여기서, 상기 세라믹 재료는 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3, PLZT((Pb,La)(ZrxTi1-x)O3)와 BST((Ba,Sr)TiO3) 중 선택된 어느 하나를 적용하여 성형한다.
도 5는 본 발명에 따라 성형된 마이크로 소자의 단면도로써, 도 4c에 도시되어 있는 형상에서, 복수의 로드의 하부가 노출되도록 상기 로드를 지지하고 있는 플레이트 부분을 폴리싱 공정으로 완전히 제거하면, 본 발명의 마이크로 소자의 제조는 완성된다.
그리고, 상기 복수의 로드의 상부면도 폴리싱 공정을 수행하여 불순물등을 제거하는 것도 바람직하다.
이렇게 성형된 마이크로 소자의 로드의 높이는 300㎛ ~ 600㎛이고, 가로 세로의 크기는 100㎛ ~ 200㎛이며, 로드간 간격은 40㎛ ~ 100㎛인 마이크로 단위의 수많은 사각기둥 형상의 로드들을 간단한 인젝션 몰딩으로 구현할 수 있는 것이다.도 6a와 6c는 본 발명에 따라 성형되는 마이크로 로드의 형상을 도시한 도면으로써, 본 발명의 마이크로 로드의 형상은 도 6a와 같이, 원기둥 형상과, 도 6b에 도시된 바와 같이, 육각기둥의 형상 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 원뿔대의 형상으로 구현할 수 있다.
이는, 본 발명이 마이크로 소자의 로드들을 휠에 의한 다이싱 공정을 수행하여서, 구현하는 방법이 아니고, 인젝션 몰딩으로 구현하기 때문에 가능하다.
더 상세히 설명하면, 금형에 형성된 복수의 요홈의 형상을 사각기둥, 원기둥, 원뿔대와 다각기둥 중 선택 어느 하나의 형상으로 형성하면, 이 금형으로 성형된 마이크로 소자의 복수의 로드들의 형상은 사각기둥, 원기둥, 원뿔대와 다각기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성된다.
따라서, 본 발명은 마이크로 소자의 특성이 우수하도록 로드의 형상을 자유롭게 선정하여 제조할 수 있는 것이 가능한 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 인젝션 몰드를 하기 위한 하금형의 기본 구성도로써, 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트를 안착시키거나 혹은 플레이트를 성형시킬 수 있는 안착요홈의 사이즈로 구성되어 하나의 마이크로 소자를 몰딩할 수 있는 캐비티(Cavity)(100)들과, 상기 각각의 캐비티(100)에 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 주입할 수 있는 런너(Runner)(110)와, 상기 런너(110)들로 세라믹 재료를 공급하는 컬(Cull)(120)로 구성되어 있어, 컬(120)에 있는 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 각각의 캐비티(100)에 런너(110)를 통하여 주입되어 마이크로 소자는 성형되는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 마이크로 단위의 로드 어레이를 인젝션 몰드로 성형하여 대량생산을 할 수 있고, 다양한 단면 형상을 제작하여 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터와 마이크로 트랜스듀서 등의 마이크로 소자 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (16)

  1. 복수의 로드들을 성형하기 위한 복수의 요홈들이 형성된 상금형과, 상기 복수의 로드들을 지지하기 위한 플레이트가 성형되는 안착 요홈이 형성된 하금형을 가압하는 단계와;
    상기 하금형에 연결된 런너를 통하여 성형성을 갖도록 하기 위해 고분자물질과 혼합된 세라믹 재료를 주입하여 성형하는 단계와;
    상기 성형된 고분자물질과 혼합된 세라믹 성형체를 상기 상, 하금형에서 이탈하는 단계와;
    상기 이탈된 고분자물질이 혼합된 세라믹 성형체로부터 고분자물질을 태우거나 녹여내서 제거하는 단계와;
    상기 고분자 물질이 제거된 세라믹 성형체를 소결하는 단계와;
    상기 소결된 세라믹 성형체의 복수 로드들 사이에 상기 복수 로드의 상부가 노출되도록 고분자를 충진하는 단계와;
    상기 복수 로드의 하부가 노출되도록 상기 플레이트를 폴리싱하여 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3, PLZT((Pb,La)(ZrxTi1-x)O3)와BST((Ba,Sr)TiO3) 중 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진되는 고분자는 에폭시 레진, 우레탄(Urethane) 고무와 실리콘 고무 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형되는 세라믹 로드의 높이는 300㎛ ~ 600㎛, 가로 세로의 크기는 100㎛ ~ 200㎛, 로드간 간격은 40㎛ ~ 100㎛인 사각기둥인 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 요홈은 사각기둥, 원기둥, 원뿔대와 다각기둥 중 선택 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트를 폴리싱하여 제거하는 단계 후에,
    마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터와 마이크로 트랜스듀서 중 어느 하나로사용하기 위하여, 상기 복수의 로드의 상, 하부에 전극을 형성하는 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상금형과 하금형의 표면에는 성형되는 성형물의 이탈을 용이하게 하기 위한 TiO2가 더 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 TiO2는 SAM(Self-Assembled Mono-layer)방법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자 제조 방법.
  9. 지지부의 상부에 종자층을 형성하는 단계와;
    상기 종자층의 상부에 감광제층을 형성하는 단계와;
    상기 감광제층을 복수의 로드 패턴이 형성된 마스크로 마스킹하고, 노광 및 식각하여 상기 감광제로 이루어진 복수의 로드들을 상기 종자층의 상부에 형성하는 단계와;
    상기 종자층의 상부와 상기 복수의 로드들을 감싸도록 상기 지지부와 동일한 물질로 이루어진 도금층을 형성하는 단계와;
    상기 도금층을 제외하고, 상기 지지부와 종자층과 복수의 로드들을 순차적으로 제거하여, 상기 도금층의 하부에 복수의 로드들에 대응하는 복수의 요홈들을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지부는 Ni, NiP와 NiB 중 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 종자층은 타이타늄(Ti)층, 골드(Au)층과 크롬(Cr)/골드(Au)층 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 감광제는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Poly Methyl Methacrylate)와 포토레지스트 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 요홈은 사각기둥, 원기둥, 원뿔대와 다각기둥 중 선택 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 도금층의 하부에 복수의 로드들에 대응하는 복수의 요홈들을 형성하는 단계후에,
    상기 복수의 요홈들이 형성된 도금층의 표면에 내마모성을 증가시키기 위하여, TiN, TiC, WC 또는 다이아몬드 중 어느 하나를 증착하는 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 도금층의 하부에 복수의 로드들에 대응하는 복수의 요홈들을 형성하는 단계 후에,
    상기 복수의 요홈들이 형성된 도금층의 표면에 성형되는 성형물의 이탈을 용이하게 하기 위하여, TiO2를 증착하는 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 TiO2는 SAM(Self-Assembled Mono-layer)방법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 소자를 성형하기 위한 금형 제조 방법.
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