KR100466807B1 - 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 및 그 성형틀제조방법 - Google Patents

기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 및 그 성형틀제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 및 그 성형틀 제조방법에 관한 것으로, 특히 (100) 실리콘 기판 상부 및 하부에 각각 제 1 및 제 2절연막을 형성하고, 제 1절연막 상부에 삼각 산맥 구조물의 산맥 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하고, 감광막 패턴에 맞추어 제 1절연막을 식각하여 식각 마스크 패턴을 형성한 후에, 감광막 패턴을 제거하고, 식각 마스크 패턴에 의해 드러난 기판을 방향성 습식 용액을 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 기판 미세가공으로 삼각 골짜기를 형성하고, 식각 마스크 패턴 및 제 2절연막을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀을 형성한다. 이러한 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀에 성형물질을 붓고 이를 성형한 후에, 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 삼각 산맥 구조물을 제조한다. 또한, 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀로 사출 성형, 압출 성형, 또는 핫 엠보싱 공정 등을 위한 금속 형틀도 만들 수 있어 위 공정들을 통한 삼각 산맥 구조물의 대량 생산도 가능하다. 그러므로, 본 발명은 기판 미세 가공 기술을 이용하여 항력을 효율적으로 감쇠시키면서 곡면 등에도 적용할 수 있는 피크가 날카로운 유연한 미세 삼각 산맥 구조물을 대량으로 생산할 수 있다.

Description

기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 및 그 성형틀 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING TRIANGULAR RIBLET AND THE MOLD BY USING BULK MICROMACHINING}
본 발명은 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 및 그 성형틀 제조방법에 관한 것이다.
현재 미세한 골 구조물의 항력 감소에 대한 연구와 시뮬레이션은 많이 연구되고 있다. 미세한 골 구조물을 지나는 유동은 평평한 곳을 지날 때보다 전단 응력이 적어져 항력이 감소한다. 따라서 미세 골 구조물이 운송체의 표면에 있으면 연료를 절약할 수 있고 유체가 흐르는 관이나 판에 이러한 형상이 있으면 유체의 흐름이 좋아진다.
이러한 연구들은 대부분 금속을 절삭하여 mm단위의 골 구조물을 만들어 실험한 것들인데 실제 상황에 적용할 때에는 그 크기가 수십∼수백 ㎛단위이어야 한다. ㎛단위의 골 구조물 제작 기술에 대해서는 Francis J. Marentic 등에 의해 1992년 6월 28일에 허여된 미국특허 5,133,516호의 "DRAG REDUCTION ARTICLE"에 게재되어 있다. 이 특허에서는 미세한 골 구조물을 삼각 산맥형태로 제작한 기술이 언급되어 있는데, 실린더형 성형틀을 이용하여 일반적인 플라스틱 성형 방법으로 유연한 삼각 산맥 구조물을 제작하였다.
도 1은 삼각 산맥 구조물을 나타낸 도면으로서, 도 1을 참조하면 삼각 산맥의 패턴을 갖는 구조물(24)은 적어도 두개 이상의 삼각 산맥 피크(24a)와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기(24b)가 있고 이들 삼각 산맥 피크(24a)와 골짜기(24b)는 병렬로 배치되어 있다.
한편, 골 구조물의 피크 크기는 유체의 속도가 빠를수록 감소하는 경향이 있어서 비행기와 같이 빠르게 움직이는 물체에 적용하고자 할 때에는 피크의 높이를 수십 마이크론 단위로 하고 피크의 형태를 날카롭게 해야 유체의 항력이 효율적으로 감소된다고 알려져 있다.
그러나, 상술한 삼각 산맥 형태의 미세 골 구조물은 산맥 피크가 뭉뚝하기 때문에 유동의 항력을 효율적으로 줄일 수 없다. 또한 성형 틀의 제작방법에 대해서는 3M사의 특허에서는 언급되지 않았으며 통상적으로는 절삭을 통하여 제작하는 바, 이러한 절삭 방법으로는 산맥의 피크 크기를 수십 ㎛이하로 가공하는데 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 기판 미세가공(bulk micromachining) 기술을 이용하여 미세하고 삼각 산맥의 피크 끝 부분이 날카로운 성형틀을 제작하는 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 연성 물질을 이용하여 미세하고 날카로운 삼각 산맥 구조물을 성형하거나, 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀을 이용한 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정으로 미세하고 날카로운 삼각 산맥 구조물을 대량 생산할 수 있는 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법에 있어서, 실리콘 기판 상부 및 하부에 각각 제 1 및 제 2절연막을 형성하는 단계와, 제 1절연막 상부에 삼각 산맥 구조물의 산맥 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 감광막 패턴에 맞추어 제 1절연막을 식각하여 식각 마스크 패턴을 형성한 후에, 감광막 패턴을 제거하는 단계와, 식각 마스크 패턴에 의해 드러난 기판을 방향성 습식 용액으로 식각하는 기판 미세가공 기술을 이용하여 삼각 골짜기를 형성하는 단계와, 식각 마스크 패턴 및 제 2절연막을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서, 실리콘 기판에 기판 미세가공으로 삼각 골짜기를 식각하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계와, 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 성형물질을 붓고 이를 성형하는 단계와, 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서, 실리콘 기판에 기판 미세가공으로 삼각 골짜기를 식각하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계와, 삼각 산맥 구조물의 성형틀 상부에 두꺼운 금속층을 형성하고 성형틀을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀을 제조하는 단계와, 금속 형틀을 이용하여 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정으로 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
도 1은 삼각 산맥 구조물을 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 미세 가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀 및 그 구조물 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 미세 가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : (100)실리콘 기판 12 : 제 1절연막
13 : 제 2절연막 12a : 식각 마스크 패턴
16 : 마스크 패턴 18 : 성형틀의 삼각 골짜기
24 : 삼각 산맥 구조물 24a : 삼각 산맥
24b : 골짜기 30 : 실리콘 성형틀
32 : 티타늄층 34 : 금속 형틀
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하고자 한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀 및 그 구조물 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 도 2a 내지 도 2g를 참조하면 본 발명의 일 실시예는 다음과 같다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)으로서 기판의 상면이 (100)면인 실리콘 기판의 상부 및 하부에 각각 제 1 및 제 2절연막(12, 13)을 형성한다. 여기서, 본 발명은 상면이 (100)면인 단결정 실리콘 기판을 사용하는데, 이는 후속 기판 미세 가공시 실리콘 기판(10)에서 삼각 골짜기 패턴의 형상으로 기판을 식각하기 위함이다. 즉, 실리콘 기판(10)은 실리콘 단결정으로 이루어져 있기 때문에 결정면에 따라서 원자의 조밀도가 다른데, (111)면이 가장 조밀하여 식각 용액에 의한 식각 속도가 다른 결정면에 비하여 현저히 느리기 때문에 본 발명에서 사용한 제 1 및 제 2절연막(12, 13) 패턴 아래에서 오랜 시간동안 식각을 하면 (111) 결정면이 서로 만나게 되어 삼각 골짜기 패턴을 얻을 수 있다. 이렇게 두 개의 (111)면이 만나서 골 구조를 이루는 것이므로 골 부분의 폭은 nm단위가 되어후속 공정으로 만들어지는 삼각 산맥 구조물의 피크 부분이 뾰족하게 되는 것이다. 한편, 제 1 및 제 2절연막(12, 13)은 산화막 또는 질화막 등의 절연물이되, 본 실시예에서는 건식과 습식 산화를 통해 약 1㎛ 두께의 산화막을 형성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2절연막(12, 13) 상부에 각각 감광막(14, 15)을 5000rpm에서 35초간 회전도포하고 90℃에서 100초간 소프트 베이킹을 실시한다. 이때, 절연막과 감광막 사이의 접착력을 좋게 하기 위하여 그 사이에 HMDS(Hexamehyl disilazane)를 추가할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 자외선(UV) 노광을 통하여 자외선 마스크(16)의 형상을 실리콘 기판(10) 상면에 도포된 감광막(14)에 전사시키고 현상 공정으로 현상한 후에 120℃에서 120초간 하드 베이킹을 실시한다. 이로 인해, 실리콘 기판(10)의 상부쪽 감광막(14)이 패턴닝(14a)된다. 이때, 감광막 패턴(14a)의 오픈 영역은 이후 실리콘 기판에 형성될 산맥 구조물 성형틀의 삼각 골짜기 영역이고 클로우즈 영역은 성형틀의 산맥 영역을 정의한다.
이어서 도 2d에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(14a)이 형성된 결과물을 산화막 식각액인 BHF에 약 30분간 넣어 제 1절연막(12)이 감광막 패턴(14a)과 같이 식각되도록 한다. 이러한 식각 공정에 의해 잔여된 제 1절연막(12a)은 이후 실리콘 기판을 식각하기 위한 마스크로 사용된다.
그런 다음 도 2e에 도시된 바와 같이, 유기용매를 이용하여 실리콘 기판(10)의 상부 및 하부측 감광막(14a, 15)을 모두 제거한다.
그리고나서 도 2f에 도시된 바와 같이, 제 1절연막의 식각 마스크 패턴(12a)에 의해 드러난 실리콘 기판(10)을 기판 미세가공으로 식각하여 삼각 골짜기(18)를 형성한다. 여기서 삼각 골짜기(18)는 이후 형성될 성형틀에서 삼각 산맥 구조물의 피크 부분이다. 이때, 식각 공정은 방향성 습식 용액을 사용한 습식 식각 공정으로 진행하되, 본 실시예에서는 20% TMAH 용액을 사용하여 (111)면이 서로 만나 골짜기를 형성할 때까지 90℃에서 실리콘 기판(10)을 식각한다.
그리고나서 도 2g에 도시된 바와 같이, 삼각 골짜기(18)가 형성된 결과물에서 식각 가스 또는 용액으로 실리콘 기판(10) 상부 및 하부의 제 1 및 제 2절연막(12a, 13)을 모두 제거한다. 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀(22)이 완성된다. 도면 부호 20은 식각 마스크 패턴(12a)으로 사용된 제 1절연막이 있었던 부분으로 삼각 산맥 구조물에서 골짜기 영역을 정의한다.
다음은, 도 2h 내지 도 2i를 참조하여 상기와 같이 완성된 실리콘 성형틀을 이용하여 본 발명에 따른 삼각산맥 구조물을 제조하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 도 2g와 같은 성형물질을 잘 분리시키기 위하여 표면처리가 요구될 경우 삼각 산맥 구조물의 성형틀(22)에 표면처리를 해준다. 예를 들어, PDMS(Polydimethylsiloxane)를 성형물질로 이용할 경우 시레인 처리(silanization)를 해주는 것이 바람직하며 본 실시예에서는 성형틀(22)을 트리클로로사일렌(SiH4Cl3)이 약 10㎕가 있는 진공 챔버에 8시간동안 넣어 시레인처리한다.
그 다음 도 2h에 도시된 바와 같이, 삼각 산맥 구조물의 실리콘 성형틀(22)에 성형물질로서 유연한 폴리머(polymer)를 붓고 이를 성형한다. 본 실시예에서는 PDMS 모노머(monomer)와 경화제(curing agent)를 10:1로 섞어서 기포를 제거한 후에 성형틀(22)에 붓는다. 그리고 붓은 과정에서 생긴 기포를 제거하고 85℃에서 약 2시간동안 열처리하여 성형한다.
그리고나서 도 2i와 같이, 실리콘 성형틀(22)로부터 굳은 PDMS를 분리하면 유연하고 미세한 삼각 산맥 구조물(24)을 얻을 수 있다. 본 발명에 의한 삼각 산맥 구조물(24)은 피크 끝 부분이 날카로운 적어도 두 개 이상의 삼각 산맥 피크(24a)와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기(24b)가 병렬로 배치되어 있다.
그러므로, 본 발명의 실리콘 성형틀(22)에 성형 물질을 붓고 이와 같은 성형 공정을 반복하면 대량으로 삼각 산맥 구조물(24)을 얻을 수 있다. 특히 성형 물질로서 PDMS 물질을 사용할 경우 처음에 성형된 삼각 산맥 구조물을 분리하고 다시 성형할 때 상술한 시레인처리를 생략할 수 있어 삼각 산맥 구조물의 제작 시간을 줄일 수 있어 대량 생산이 가능하다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시에 따른 기판 미세 가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도로서, 이를 참조하여 실리콘 성형틀을 이용하여 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 위한 금속 형틀을 제조하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 도 2a 내지 도 2g와 같은 방법으로 실리콘 기판에 삼각 산맥 구조물의 성형틀(30)을 제작한다. 그리고 실리콘 성형틀(30)에니켈 도금을 위한 전도층으로서 티타늄층(32)을 증착시킨다.
그 다음 도 3b에 도시된 바와 같이, 술퍼민산옥니켈 용액에서 티타늄층(32)에 장시간 니켈 도금을 하여 니켈 도금층(34)을 두껍게 형성한다.
그리고 나서 도 3c에 도시된 바와 같이, 실리콘 식각액을 이용하여 실리콘 성형틀(30)을 제거하면 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 등의 공정에 사용될 금속 형틀(34)이 완성된다.
도면에 미도시되어 있지만, 상기 완성된 금속 형틀(34)을 이용하여 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 등의 공정으로 삼각 산맥 구조물을 제조한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 수 마이크로에서 수백 마이크로 단위의 형상을 구현할 수 있는 기판 미세가공을 이용하여 삼각 산맥의 피크 부분이 날카로운 미세 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 만들 수 있다.
또한 본 발명은 성형틀을 이용하여 연성의 폴리머로 삼각 산맥 구조물을 성형할 수 있기 때문에 유연한 삼각 산맥 구조물을 대량으로 생산할 수 있게 한다. 유연한 구조물 특성에 의해 평평한 부분만 아니라 곡면에도 붙일 수 있어서 삼각 산맥 구조물의 적용범위가 확대된다. 더욱이 성형 물질로서 PDMS와 같은 투명한 물질을 사용할 경우, 삼각 산맥 구조물을 적용하게 되는 물체의 표면상태를 시각적으로 관찰할 수 있는 이점도 있다.
또한 본 발명은 실리콘 성형틀을 이용하여 사출성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 등을 하기 위한 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀을 제조하여 자동화를 통한 삼각 산맥 구조물의 대량생산을 가능하게 한다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법에 있어서,
    실리콘 기판 상부 및 하부에 각각 제 1 및 제 2절연막을 형성하는 단계;
    상기 제 1절연막 상부에 상기 삼각 산맥 구조물의 산맥 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴에 맞추어 제 1절연막을 식각하여 식각 마스크 패턴을 형성한 후에, 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계;
    상기 식각 마스크 패턴에 의해 드러난 기판을 방향성 습식 용액으로 식각하는 기판 미세가공 기술을 이용하여 삼각 골짜기를 형성하는 단계;
    상기 식각 마스크 패턴 및 제 2절연막을 제거하여 상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀 상부에 두꺼운 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판으로 이루어진 성형틀을 제거하여 상기 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 미세 가공을이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조 방법.
  3. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서,
    실리콘 기판에 기판 미세가공으로 삼각 골짜기를 식각하여 상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계;
    상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 성형물질을 붓고 이를 성형하는 단계; 및
    상기 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 상기 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 성형물질은 연성의 물질인 것을 특징으로 하는 기판 미세가공을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법.
  5. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서,
    실리콘 기판에 기판 미세가공으로 삼각 골짜기를 식각하여 상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계;
    상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀 상부에 두꺼운 금속층을 형성하고 상기 성형틀을 제거하여 상기 삼각 산맥 구조물의 금속 형틀을 제조하는 단계; 및
    상기 금속 형틀을 이용하여 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정으로 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 기판 미세 가공을 이용한 삼각 산맥 구조물 제조방법.
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