KR100682031B1 - 유리 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분자 치환을 이용해 대량 생산이 가능한 유리 가공 방법에 관한 것으로, 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상을 유리 기판과 마주하는 가공 면에 형성하는 분자 치환층 가공 단계와, 유리 기판 위에 분자 치환층의 가공 면이 접하도록 밀착시키는 밀착 단계와, 상기 유리 기판의 결정 원자와 이와 접하는 분자 치환층의 결정 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계와, 유리 기판으로부터 분자 치환층을 분리하는 분자 치환층 분리 단계, 및 유리 기판에서 분자 치환된 부분을 식각하여 상기 구조물의 형상을 가공하는 가공 단계를 포함한다.

유리 기판, 분자 치환

Description

유리 가공 방법{GLASS FABRICATION METHOD}

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유리 가공 방법을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 열처리 온도에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 전압의 세기에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유리 가공 방법에 의한 가공 결과를 도시한 사진이다.

본 발명은 유리 가공 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 유리 결정 구조를 분자 치환시키기 위한 분자 치환층을 재 사용이 가능한 벌크 형태로 재작하여 대량 생산이 가능하도록 하는 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안 소형 구조물 제작에 관하여 연구 단계는 물론 산업화에도 많은 관심을 가지게 되었다.

소형 조물 제작은 크게 톱다운(top-down) 접근 방식과 바텀업 (bottom-up) 접근 방식으로 나뉜다.

톱다운(top- down) 방식은 얇은 필름이나 덩어리 물질에서 원하지 않는 부분을 없애며 소형 구조물을 만들어 가는 방식이다.

그리고 바텀업(bottom-up) 방식은 자기 조립(self-assembly)에 의하여 작은 건조 블록에서 점점 쌓아서 구조물을 만드는 방식이다.

지금까지 소형 구조물을 만드는 가장 인기 있는 방법은 리소그라피(lithography)방법이며 그 중 전자빔을 이용하는 방식이 가장 일반적이다. 이 전자빔 리소그라피는 전자빔을 이용하여 전자에 반응하는 물질을 패턴닝하는 것으로 리프트 오프(lift-off), 식각(etching), 전기증착(electro-deposition) 등과 함께 사용하여 여러 가지 소형 구조물을 만드는데 사용한다.

그러나, 전자빔 리소그라피는 시리얼 공정으로써 생산성이 낮은 단점이 있으며, 대량 생산을 목적으로 할 경우 보다 치명적인 약점을 갖는다.

따라서, 전자빔 리소그라피의 약점을 보완 할 수 있는 나노 임프린트(nano-imprint) 방법이 각광을 받고 있다. 이 나노 임프린트(nano-imprint) 방법은 하나의 스탬프로 많은 수의 나노 구조물을 보다 빠른 시간에 제작할 수 있다.

SPM(scanning probe microscopy, 주사 탐침 현미경) 시스템은 나노 스케일 이하의 정확도로 분자 사이즈의 팁 조절이 가능하다. 따라서 SPM 시스템을 이용하여 여러 방향으로 나노 구조물 제작이 시도되고 있다.

그러나, SPM 시스템도 하나의 팁으로 작업을 수행할 경우 시리얼 작업이 될 것이므로 공정 자체가 매우 늦어져 대량 생산에는 적합하지 못하다.

그리고 자기 조립(self-assembly)은 나노 입자가 화학적 또는 물리적으로 서로 뭉쳐서 구조물을 형성하는 것을 기본으로 하며, 이는 물리적 자기 조립(physical self assembly)와 화학적 자기 조립(chemical self assembly)로 나뉜다.

물리적 자기 조립은 엔트로피로 인하여 생기는 현상으로 입자들이 부딪힘으로 해서 자연적으로 일어나는 상호작용으로 안정적인 구조물이 생성되는 것을 말하며, 주형 보조 자기 조립(template-assist self-assembly)를 이용하면 원하는 패턴으로 구조물을 형성하는 것도 가능하다.

그리고 화학적 자기 조립은 분자 인식과 접함에 의하여 분자층이 형성되고 이를 바탕으로 여러 층이 형성됨으로써 복잡한 구조물 형성이 가능하다.

전술된 수형 구조물 가공 방법들은 복잡한 형상의 구조물을 만들 경우 그 제작시간이 오래 걸리는 단점이 있으며, 그 외 비교적 간단한 구조를 보다 빨리 만들 수는 있으나 어느 이상 복잡한 구조에서는 더 많은 시간을 요구하는 경우가 대부분이다.

따라서, 이러한 두 가지 단점을 모두 보완할 수 있도록 복잡한 형상의 구조물을 보다 빠르고 간단하게 제작할 수 있는 새로운 가공 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 가공 방 법은 유리 결정 구조를 분자 치환시키기 위한 분자 치환층을 재 사용이 가능한 벌크 형태로 재작하여 유리 구조물의 대량 생산이 가능하도록 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법은 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상을 유리 기판과 마주하는 가공 면에 형성하는 분자 치환층 가공 단계와, 유리 기판 위에 분자 치환층의 가공 면이 접하도록 밀착시키는 밀착 단계와, 상기 유리 기판의 결정 원자와 이와 접하는 분자 치환층의 결정 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계와, 유리 기판으로부터 분자 치환층을 분리하는 분자 치환층 분리 단계, 및 유리 기판에서 분자 치환된 부분을 식각하여 상기 구조물의 형상을 가공하는 가공 단계를 포함한다.

분자 치환층은 벌크(bulk) 형태의 기판으로 이루어질 수 있으며, 분자 치환층은

유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 금속 또는 비금속 기판으로 이루어질 수 있다. 이 기판은 식각 공정에 의해 형상 가공되는 것을 포함한다. 포함한다.

유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함하고, 금속 기판은 알루미늄기판인 것을

분자 치환 단계에서, 유리 기판과 분자 치환층에 열과 전기장을 가하여 분자 치환시킬 수 있다. 전기장을 형성하는 전압의 세기 및 열처리 온도는 각각 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례한다.

상기 열처리 온도 및 상기 전기장을 형성하는 전압의 세기의 조합에 의해 상기 유리 기판의 가공 깊이를 조절할 수 있다.

먼저, 본 발명의 유리 가공 방법에 대한 이론적 배경을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 유리 가공 방법에 대한 이론적 배경을 설명하는 도면이다.

이 도면들을 참조하여 설명하면, 본 발명의 유리 가공 방법에 대한 기본 원리는 두 물질이 열과 전기장에 노출되었을 경우 분자의 치환이 이루어지면서 생기는 분자 구조상의 약화에 의해 식각 가공이 이루어지는 것이다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 유리 기판으로 사용되는 붕규산 유리 기판 위에 알루미늄 금속의 분자 치환층을 형성한다.

도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 열과 전기장에 노출시키게 되면 분자 치환층의 알루미늄 금속 원자(Al) 원자는 붕규산 유리 기판의 결정구조 내의 붕소(B) 원자와 서로 분자 치환된다.

따라서, 도 1d에서 도시한 바와 같이, 분자 치환된 알루미늄 금속 원자(Al)는 붕소(B) 원자 보다 사이즈가 더 크기 때문에 분자 치환된 유리 기판의 분자 구조를 약화시킨다. 따라서, 분자 치환된 유리 기판을 불산(HF)등에 식각액에 넣어 식각하면 분자 구조가 약화된 부분이 식각되며 가공된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나, 이하에서 설명하는 실시예들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 2의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 일실시예에 따른 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법을 도시한 도면이다.

본 실시예에 따른 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법은 분자 치환층 가공 단계, 밀착 단계, 분자 치환 단계, 분리 단계, 및 가공 단계로 이루어진다.

도 2의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명하면, 분자 치환층 가공 단계는 유리 기판 위(1)에 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상(2a)을 분자 치환층(2)에 가공하는 단계이다.

여기서, 분자 치환층(2)은 그 결정 원자가 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 원자와 서로 분자 치환할 수 있는 금속 또는 비금속 재질로 이루어질 수 있다.

유리 기판(1)의 결정 원자와 분자 치환층(2)의 원자가 서로 분자 치환하는 것은 Goldschmidt's rule에 따라 이루어진다. 이 Goldschmidt's rule에 의하면 서로 치환되는 분자 크기의 차이가 15% 이내이어야 하고, 전하 차가 하나나 그 보다 적어야 한다. 그러나, 이 두 조건을 만족하더라도 전지 음성도(electrogrativites)나 분자 본드의 종류가 다른 경우 분자 치환은 이루어지기가 어렵다.

따라서, 분자 치환층(2)의 재질은 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 유리 결정 원자와 분자 치환이 가능하며, 분자 치환된 유리 기판(1)의 분자 구조를 약화시킬 수 있도록 유리 결정을 이루는 결정 원자보다 사이즈가 큰 원자로 이루어진 금속 또는 비금속으로 이루어진다.

또한, 분자 치환층(2)은 유리 기판(1) 위에 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상(2a)을 가공할 수 있고, 아울러 분자 치환을 통해 유리 기판(1)의 가공 후 재 사용이 가능한 벌크(bulk) 형태의 금속 또는 비금속 기판으로 이루어진다.

본 실시예에서는 유리 결정 구조에 붕소 원자가 포함된 붕규산 유리 기판을 예시하고 있다. 이 붕규산 유리 기판은 미국 코닝사에서 제조되는 파이렉스 유리 기판(pyrex glass) 사용한다.

그리고, 파이렉스 유리 기판(1) 위에 형성된 분자 치환층(2)의 재질은 파이렉스 유리 기판(1)의 결정 구조를 이루는 붕소(B) 원자와 분자 치환이 잘 이루어지며 그 원자 사이즈가 더 큰 알루미늄(Al) 금속 기판이 소정 두께 이상의 벌크 형태로 형성되는 것을 예시하고 있다.

따라서, 분자 치환층 가공 단계에서는 알루미늄 금속 기판(2)의 일면에 파이렉스 유리 기판(1) 위에 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상(2a)을 가공한다.

이 알루미늄 금속 기판(2)의 형상 가공은 파이렉스 유리 기판(1)과 접하며 분자 치환이 이루어질 수 있는 평탄도 및 표면 거칠기를 얻을 수 있는 한 식각 가공 이외에도 다양한 기계적 가공 방법들이 사용 가능하다.

도 2의 (c)를 참조하여 설명하면, 밀착 단계는 형상(2a) 가공된 알루미늄 금속 기판(2)의 가공 면이 파이렉스 유리 기판(1)의 가공면 위에 마주하도록 가압하여 밀착 고정하는 단계이다.

도 2의 (d)를 참조하여 설명하면, 분자 치환 단계는 파이렉스 유리 기판(1)과 그 위에 밀착 고정된 알루미늄 금속 기판(2)에 열 처리와 전기장을 가하여 파이 렉스 유리 기판(1)의 붕소(B) 결정 원자와 알루미늄 금속막(2)의 알루미늄(Al) 원자가 서로 치환 되도록 분자 치환시키는 단계이다.

이 때, 열 처리와 전기장 처리는 동시에 이루어져야 하나, 파이렉스 유리 기판(1)에 가해진 열 처리 온도 및 전압의 세기에 따라 서로 다른 가공 깊이를 얻을 수 있다. 따라서, 온도 및 전압의 세기는 각각 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이를 결정하는 각각의 주요 변수로 작용한다.

여기서, 파이렉스 유리 기판(1)에 전기장 처리를 할 때는 전기장을 걸어주는 전압의 극성 방향에 영향을 받는다. 따라서, 분자의 움직임을 고려했을 때 파이렉스 유리 기판(1)의 저면에는 음전압(-)을 걸어주고, 상면에 형성된 알루미늄 금속막 패턴(2a)에는 양전압(+)을 걸어 주는 것이 바람직하다.

이와 같은 분자 치환 단계를 통해 알루미늄 금속 기판(2)에 가공된 형상과 대응하는 파이렉스 유리 기판(1)면의 분자 구조가 약해지게 된다.

도 2의 (e)를 참조하여 설명하면, 분자 치환층 분리 단계는 파이렉스 유리 기판(1)으로부터 분자 치환이 이루어진 알루미늄 금속 기판(2)을 분리하는 단계이다.

도 2의 (f)를 참조하여 설명하면, 가공 단계는 파이렉스 유리 기판(1)에서 분자 치환되어 분자의 결정구조가 약해진 부분을 식각 가공하여 얻고자 하는 형상(1a)을 가공하는 단계이다.

파이렉스 유리 기판(1)을 식각하기 위한 사용되는 식각 용액은 불산(HF)용액이며, 식각되는 속도를 높이기 위하여 불산(HF)용액의 희석 농도를 높여서 사용할 수도 있다. 이때 식각액은 다른 종류 식각액을 사용할 수도 있다.

이와 같이 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법은 분자 치환 단계에서 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 조절하여 서로 다른 가공 깊이를 갖는 구조물 형상 가공이 가능해진다.

도 3은 본 발명의 열처리 온도에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 분자 치환을 이용해 유리 기판 위에 구조물의 형상 가공시 분자 치환 단계에서 열처리 온도를 높일수록 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소 원자와 알루미늄 금속 기판(2)의 알루미늄 원소가 더 많은 분자 치환이 이루어지기 때문에 이에 비례하여 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이는 깊어진다.

도 4는 본 발명의 전압의 세기에 따른 가공 깊이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 전술된 분자 치환을 이용한 유리 가공 방법에 따라 파이렉스 유리 기판(1)의 형상을 가공시 분자 치환 단계에서 전기장을 형성하기 위해 걸어주는 전압의 세기에 비례하여 파이렉스 유리 기판(1)의 붕소 원자와 알루미늄 금속 기판(2)의 알루미늄 원소가 더 많은 분자 치환이 이루어지기 때문에 파이렉스 유리 기판(1)의 가공 깊이는 깊어진다.

따라서, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기를 주요 변수로 하여 보다 다양한 가공 깊이를 얻을 수 있도록 함과 아울러 보다 복잡한 3차원 형상의 가공이 가능하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유리 가공 결과를 도시한 보이는 사진이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 파이렉스 유리 기판(1) 위에 벌크 형태의 알루미늄 금속판을 부착시킨 후 열과 전기장 처리 하여 분자 치환시킨 후, 이를 분리하고 분자 치환된 부분을 식각 가공한 결과를 현미경을 통해 촬영한 것이다. 이를 통해 알 수 있듯이 분자 치환층이 박막 형태뿐만 아니라 벌크 형태로도 분자 치환을 통해 유리 기판의 형상 가공이 가능하다는 것을 알 수 있다.

또한, 분자 치환층 분리 단계에서 분리된 알루미늄 금속판은 또 다른 유리 기판의 가공에 밀착시켜 분자 치환시킨 후 분리하는 과정을 반복하면서 각각의 유리 기판 위에 구조물의 형상을 대량으로 생산할 수 있도록 할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 유리 가공 방법은 유리 결정 원자와 금속 원자를 서로 분자 치환시킨 후 식각을 통해 구조물의 형상을 보다 쉽고 빠르게 가공할 수 있도록 한다. 또한, 열처리 온도 및 전기장을 형성하는 전압의 세기에 따라 가공되는 깊이 조절이 가능하므로 복잡한 3차원 구조물의 형상을 보다 효과적으로 가공할 수 있도록 한다. 또한, 벌크 형태로 분자 치환층을 제작하여 대량 생산 이 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 유리 기판의 결정 원자보다 결정 원자의 사이즈가 크고, 전하차가 하나 이하로 이루어지는 분자 치환층을 가공하고자 하는 구조물의 형상과 대칭되는 형상으로 상기 유리 기판과 마주하는 가공 면에 형성하는 분자 치환층 가공 단계,

   상기 유리 기판 위에 상기 분자 치환층의 가공 면이 접하도록 밀착시키는 밀착 단계,

   상기 유리 기판의 결정 원자와 이에 접하는 상기 분자 치환층의 결정 원자를 서로 치환시키는 분자 치환 단계,

   상기 유리 기판으로부터 상기 분자 치환층을 분리하는 분자 치환층 분리 단계, 및

   상기 유리 기판에서 분자 치환되어 유리 결정 구조가 약화된 부분을 식각하여 상기 구조물의 형상을 가공하는 가공 단계를 포함하는 유리 가공 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분자 치환층은,

   벌크(bulk) 형태의 기판으로 이루어지는 유리 가공 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 분자 치환층은,

   상기 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 비금속 기판으로 이루어지는 유리 가공 방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 분자 치환층은,

   상기 유리 기판의 결정 원자와 분자 치환이 가능한 금속 기판으로 이루어지는 유리 가공 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 유리 기판은 붕규산 유리 기판을 포함하는 유리 가공 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 금속 기판은 알루미늄 기판인 것을 포함하는 유리 가공 방법.
7. 제2항에 있어서,

   상기 기판은 식각 공정에 의해 형상 가공되는 것을 포함하는 유리 가공 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 분자 치환 단계는,

   상기 유리 기판과 상기 분자 치환층에 열과 전기장을 가하여 분자 치환시키는 유리 가공 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 전기장을 형성하는 전압의 세기와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례하는 유리 가공 방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 열처리 온도와 상기 유리 기판의 가공 깊이가 서로 비례하는 유리 가공 방법.
11. 제8항에 있어서,

    상기 열처리 온도 및 상기 전기장을 형성하는 전압의 세기의 조합에 의해 상기 유리 기판의 가공 깊이를 조절하는 유리 가공 방법.

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