KR100700343B1 - 복제 방법, 복제 제품 및 복제 툴 - Google Patents

Abstract

구조화 표면을 복제하기 위한 방법으로, 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 구비하는 툴(tool)을 제공하는 단계와, 복제 제품을 형성하기 위해 툴의 구조화 표면을 복제하는 단계를 포함한다. 복제 제품은 하나 이상의 복제된 표면을 포함하며, 복제된 표면은 결정화된 증착 재료의 복제물을 포함한다. 복제 툴은 툴링 표면을 포함하는 툴 본체와, 툴링 표면상의 구조적 표면을 포함하며, 구조화 표면은 결정화된 증착 재료 혹은 결정화된 증착 재료의 복제물을 포함한다.

Description

복제 방법, 복제 제품 및 복제 툴{METHODS FOR REPLICATION, REPLICATED ARTICLES, AND REPLICATION TOOLS}

복제 툴링(replication tooling)은 다양한 방법에 의해 생산되어 왔다. 이러한 방법은 예컨대, 머시닝 및 리소그래픽 프로세싱(lithographic processing)을 포함한다. 머시닝은 기재(基材)에 스타일러스(stylus)를 이용한 컷팅이나 혹은 마이크로드릴링에 의해 행해진다. 이러한 머시닝을 행하는 장치들은 수동으로, 기계적으로 아니면 전자적으로 제어된다. 상기 장치들은 표면의 질에 따라 광학 등급(optical grade)의 정밀도를 갖는 표면을 제조할 수 있다. 이러한 장치의 예로는 다이아몬드 스타일러스 및 마이크로드릴이 있다.

구조화 툴링(structured tooling)의 또 다른 제조법은 상대적으로 연질의 매체로 강제되는 핀 혹은 로드 등의 예리한 혹은 성형된 구조의 사용과 관련이 있다. 예컨대, 복제 몰딩 혹은 툴링의 제조를 위한 통상적인 다단계 기법은 상대적으로 연질의 매체로 상기 구조를 강제시킴으로써, 초기의 네거티브 몰드를 준비하는 것을 포함한다. 중간의 포지티브 마스터 몰드를 초기의 네거티브 몰드로부터 제조한 다음 서로 결합시켜 대형의 포지티브 몰드를 형성한다. 그 다음, 대형의 네거티브 몰드를 대형 포지티브 몰드로부터 제조하고, 이 네거티브 몰드를 사용하여 복제 제품을 제조한다.

많은 종류의 구조 생성(structure generation)에 있어서, 기계적 방법이 효과적이고 경제적이다. 그러나, 이 방법은 비싸며, 극소형의 구조 생성에 있어서는 시간 낭비적이다.

몰드 혹은 복제 툴링을 포함하는 몇몇 완성된 제품을 머시닝하기 위해 레이저가 사용되어 왔다. 다른 방법으로는 UV, X-레이 및 전자 빔 리소그래피 등이 있다. 통상적으로, 이러한 방법들은 고해상도의 소형 구조를 제조할 때, 비용이 많이 든다. 이들 방법들 중 일부는 작은 샘플 크기만을 생산할 수 있다는 제약이 따른다.

몇몇 복제 용례에는 비싼 제조 장치의 사용을 필요로 하는 광학적 품질 (optical quality)의 표면이 요구된다. 그러나, 정밀하게 제조된 제품의 표면이 요구되지 않기 때문에, 광학적 품질의 툴링을 필요로 하지 않는 용례의 수가 증가하는 추세이다.

본 발명은 구조화 표면(structured surface)을 복제하기 위한 방법을 제공한다. 하나의 실시예에 따른 방법은, 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 구비하는 툴을 제공하는 단계와, 복제 제품을 형성하기 위해 상기 툴의 구조화 표면을 복제하는 단계를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어, "복제 제품"은 툴로부터 분리 가능하며, 양호하게는 희망에 따라, 비록 추가로 복제될 필요는 없지만, 추가의 복제를 위한 툴이 될 수 있도록 실질적으로 손상없이 분리될 수 있다. 양호하게는, 상기 방법은 복제 제품과 툴을 분리하는 단계를 더 포함한다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 툴의 구조화 표면은 결정화된 증착 재료 자체를 포함하며, 반면에 또 다른 실시예에 따른 툴의 구조화 표면은 결정화된 증착 재료의 복제물(replica)을 포함해도 좋다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 툴은 본질적으로 결정화된 증착 재료로 구성되며, 반면에 또 다른 실시예에 따른 툴은 결정화된 증착 재료나 또는 결정화된 증착 재료의 복제물이 배치된 기재를 포함한다.

또 다른 실시예에 있어서, 툴을 제공하는 단계는 표면을 구비하는 기재를 제공하는 단계와, 증착법을 이용하여 상기 기재의 표면상에 소정의 재료를 증착하여 기재상에 결정화된 증착 재료를 구비하는 구조화 표면을 갖는 툴을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 증착법은 예컨대 화학 증착법이 바람직하지만, 물리 증착법일 수도 있다. 상기 기재는 시트재 등의 평평한 기재, 또는 원통형의 기재를 비롯한 광범위한 종류의 기재들 중 하나 일 수 있다. 상기 기재의 표면은 다른 마이크로구조 혹은 매크로구조를 포함하는 비평면일 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 툴을 제공하는 상기 단계는 표면을 포함하는 기재를 제공하는 단계와, 증착법을 이용하여 상기 기재의 표면상에 재료를 증착하여 결정화된 증착 재료를 형성하는 단계와, 상기 기재의 표면으로부터 결정화된 증착 재료를 분리하여 툴을 형성하는 단계를 포함한다. 양호하게는, 상기 증착법은 화학 증착법이라도 좋다.

본 명세서에 사용한 표현인 "결정화된 증착 재료의 표면 조직"은 구조의 형상 및 크기가 결정화 공정(즉, 구조는 증착 재료의 결정화로부터 형성된다)으로부터 직접 결정되어 마스터 툴을 형성하거나, 예컨대 마스터 툴로부터 또 다른 표면의 복제 결과를 의미한다. 이러한 조직은 통상적으로 나노구조(예컨대, 나노 스케일의 구조)와 마이크로구조(예컨대, 마이크로 스케일의 구조) 모두를 포함하도록 광범위에 걸쳐 변하는 치수를 갖는, 바람직하게는 실질적으로 연속한 분포를 갖는 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다. 일반적으로, 크기 범위는 증착 방법과 그 증착 조건(예컨대, 증착율 및 증착 시간)에 따라 좌우된다. 양호하게는, 구조화 표면은 평균 크기(즉, 구조물의 밑면이 가진 최장 치수-예컨대 밑면이 원형인 경우 그 직경 또는 피라미드 형상 구조의 경우 그 밑변-의 평균)가 적어도 약 10 나노미터(nm)이고, 인접하는 2개의 구조 사이의 평균 공간 거리가 적어도 약 10 nm인 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다. 양호하게는, 구조화 표면은 평균 크기가 약 50,000 nm 이하이고, 인접하는 2개의 구조 사이의 평균 공간 거리가 약 50,000 nm 이하인 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다. 상기 툴은 증착 이전에 매크로구조(혹은, 마이크로구조)를 갖는 기재를 사용하여 제조될 수 있다. 완성된 툴은 기재상의 구조(예컨대, 매크로구조상의 마이크로구조)를 갖는다.

상기 툴은 광범위의 다양한 방법을 이용하여 복제될 수 있다. 이러한 방법은 예컨대, 상기 툴의 구조화 표면상에 경화성 조성물을 캐스팅하고 상기 툴의 구조화 표면상에 상기 조성물을 적어도 부분적으로 경화하는 단계와, 상기 툴의 구조화 표면으로 제품을 엠보싱(embossing) 가공하는 단계와, 상기 툴의 구조화 표면상으로 중합 재료를 사출 성형하는 단계와, 상기 툴의 구조화 표면상으로 재료를 압출 성형하여 그 재료를 상기 툴상에 경화(hardening)시키는 단계와, 툴의 구조화 표면상으로 재료를 전기 주조하는 단계와, 또는 상기 툴의 구조화 표면상으로 제2의 재료를 증착하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같이, 복제 제품은 희망에 따라 추가의 복제를 위한 툴로서 사용할 수 있다. 복제 제품은 툴 표면에 대해 네거티브인 표면을 구비할 수 있거나, 또는 툴 표면에 대해 네거티브인 하나의 표면과 툴 표면에 대해 포지티브인 다른 하나의 표면을 구비할 수 있다. 상기 표면의 포지티브 혹은 네거티브 복제물은 추가로 복제 가능한 복제 제품의 표면으로서 사용할 수 있다. 상기 복제 제품은 선택적으로 추가의 복제를 위한 툴로서 사용되기 이전에 물리적으로 변형될 수 있다. 이 제품은 또한 예컨대, 추가의 복제를 위한 툴로서 사용되기 이전에 플루오로케미칼로 처리될 수 있다.

구조화 표면을 복제하는 양호한 방법에 따르면, 그 방법은 기재를 제공하는 단계와, 상기 기재에 금속을 포함하는 재료를 화학 증착시켜 이 화학 증착 재료의 결정으로부터 형성된 구조화 표면을 갖는 마스터 툴을 형성하는 단계와, 상기 마스터 툴의 구조화 표면을 복제하여 복제 제품을 형성하는 단계와, 상기 마스터 툴과 복제 제품을 분리하는 단계를 포함한다. 구조화 표면을 복제하는 또 다른 양호한 방법에 따르면, 그 방법은 기재를 제공하는 단계와, 상기 기재에 니켈을 포함하는 재료를 화학 증착시켜 이 화학 증착 재료의 결정으로부터 형성된 구조화 표면을 갖는 마스터 툴을 형성하는 단계와, 상기 마스터 툴의 구조화 표면을 복제하여 복제 제품을 형성하는 단계와, 상기 마스터 툴과 복제 제품을 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법은 유체(예컨대, 기체, 또는 물 혹은 오일 등의 극성 또는 비극성의 액체)상의 표면의 효과를 개조하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 유체상의 표면의 효과를 개조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 포함하는 툴을 제공하는 단계와, 소정의 표면을 갖는 제품을 제공하는 단계와, 상기 제품의 표면내에 툴의 구조화 표면을 복제하여 복제 제품을 형성하는 단계와, 상기 툴과 상기 복제 제품을 분리하는 단계를 포함하며, 유체 상의 상기 제품의 복제된 표면의 효과를 개조한다. 양호한 하나의 실시예에 따르면, 그 방법은 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 포함하는 툴을 제공하는 단계와, 소수성 표면을 지닌 제품을 제공하는 단계와, 소수성 표면내에 툴의 구조화 표면을 복제하여 복제 제품을 형성하는 단계와, 그리고 상기 툴과 복제 제품을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 복제 제품의 소수성 표면의 소수성은 증가된다. 양호한 또 다른 실시예에 따르면, 그 방법은 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 포함하는 툴을 제공하는 단계와, 친수성 표면을 지닌 제품을 제공하는 단계와, 친수성 표면내에 툴의 구조화 표면을 복제하여 복제 제품을 형성하는 단계와, 그리고 상기 툴과 복제 제품을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 복제 제품의 친수성 표면의 친수성은 증가된다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 복제된 표면을 포함하는 복제 제품을 제공하며, 상기 복제된 표면은 결정화된 증착 재료의 복제물을 포함한다. 상기 복제된 표면은 필름 등의 시트재의 형상일 수 있다. 양호하게는, 상기 복제된 표면은 결정화된 화학 증착 재료 또는 결정화된 물리 증착 재료의 복제물을 포함한다.

또한, 본 발명은 복제 툴을 제공하며, 이 툴은 툴링 표면을 포함하는 툴 본체와, 상기 툴링 표면상의 구조화 표면을 포함하며, 상기 구조화 표면은 결정화된 증착 재료 혹은 결정화된 증착 재료의 복제물을 포함한다. 상기 툴링 표면은 평면이거나 비평면이라도 좋다. 상기 툴 본체는 연속적인 복제 공정에 사용하기에 바람직한 실린더 등의 다양한 형상으로 될 수 있다. 상기 결정화된 증착 재료는 물리적 혹은 화학 증착 재료일 수 있다. 상기 툴 본체는 그것이 기재상에 증착될 수 있지만, 본질적으로 결정화된 증착 재료로 구성되는 것이 바람직하다.

양호한 실시예에 있어서, 상기 복제 툴은 툴링 표면을 구비하는 실린더를 포함하는 툴 본체와, 상기 툴링 표면상의 구조화 표면을 포함하며, 상기 구조화 표면은 결정화된 화학 증착 재료 또는 결정화된 화학 증착 재료의 복제물을 포함한다.

도 1은 화학 증착 공정을 사용하여 증착된 니켈 표면을 1500배 확대한 스캐닝 전자 현미경 사진이며,

도 2는 도 1에 도시된 니켈 표면을 1500배 확대한 스캐닝 전자 현미경 사진이고,

도 3은 도 1에 도시된 스캐닝 전자 현미경 사진의 26 ×25 미크론 부분으로 몇몇 분열 특성을 보여주는 도면이며,

도 4는 도 3에 도시된 스캐닝 전자 현미경 사진의 12 ×11.6 미크론 부분으로 몇몇 분열 특성을 보여주는 도면이고,

도 5는 본 발명의 구조화 표면상의 1.5 마이크로리터 물 액적을 보여주는 현미경 사진이며,

도 6은 실리콘 복제물의 네거티브 표면의 1000배 확대한 스캐닝 전자 현미경 사진이고,

도 7은 도 6에 도시된 실리콘 복제물의 포지티브 표면의 1000배 확대한 스캐닝 전자 현미경 사진이며,

도 8은 폴리프로필렌에 의해 변형되어 원래의 것과 약간 상이한 구조를 형성하도록 툴로부터 신장되어 있는 복제의 스캐닝 전자 현미경 사진이다.

본 발명은 구조화 표면을 복제하기 위한 방법, 복제 제품 및 복제 툴의 제공에 관한 것이다. 일반적으로, 본 발명에 따르면, 결정화된 증착 재료의 표면 조직을 갖는 구조화 표면을 포함하는 툴이 제공된다. 이 툴의 구조화 표면은 복제되어 툴로부터 양호하게 분리 가능한 복제 제품을 형성한다.

화학 증착 및 물리 증착 등의 증착법은 특유한 구조를 갖는 표면을 제공한다. 이러한 구조화 표면은 통상적으로 증착 재료의 결정으로부터 형성된 무작위로 위치 설정된 구조를 지닌다. 형성된 표면 조직은 통상 복합적인 형상 및 크기의 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다. 기하학적 형상은 원뿔형에서 관형으로, 환상으로, 다양한 방향으로 배향될 수 있는 각이진 형상으로 변화한다. 그 크기는 광범위에 걸쳐 변화하며, 양호하게는 실질적으로 연속한 분포를 갖는다. 또한, 기하학적 구조의 밀도는 변할 수 있다. 통상, 상기 구조의 지역적 밀도는 구조 크기에 대해 반비례하여 변한다.

일반적으로, 크기 범위는 증착 방법과 그 증착 조건(예컨대, 증착율 및 증착 시간)에 따라 좌우된다. 양호하게는, 구조화 표면은 평균 크기(즉, 구조물의 밑면이 가진 최장 치수-예컨대 밑면이 원형인 경우 그 직경 또는 피라미드 형상 구조의 경우 그 밑변-의 평균)가 적어도 약 10 nm이고, 인접하는 2개의 구조 사이의 평균 공간 거리가 적어도 약 10 nm인 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다. 양호하게는, 구조화 표면은 평균 크기가 약 50,000 nm 이하이고, 인접하는 2개의 구조 사이의 평균 공간 거리가 약 50,000 nm 이하인 무작위로 위치 설정된 구조를 포함한다.

증착된 재료의 두께는 증착 조건에 따라 또한 변할 수 있다. 통상적으로, 상기 두께는 약 0.1 미크론(마이크로미터)에서 수백 미크론 범위이다. 일반적으로, 화학 증착은 물리 증착의 경우보다 크랙을 형성할 수 있는 응력이 보다 적은 더 두꺼운 필름을 제공한다.

니켈의 화학 증착으로부터 형성된 표면 구조의 예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1에는 무작위로 위치 설정된 구조가 실질적으로 연속적인 크기 분포(예컨대, 약 20 미크론, 10 미크론, 5 미크론, 2 미크론, 1 미크론)를 지니는 것으로 도시되어 있다. 도 2는 큰 구조와 중첩하는 작은 구조(구조 상에 구조가 마련되는 구성을 형성)가 존재하는 것을 도시하고 있다. 작은 구조는 50 나노미터(nm) 미만의 크기를 갖는다. 이 구조는 선명한 면(facets)을 지닌 피라미드 형상을 하고 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 표면 조직은 몇 가지의 특징(즉, 스케일 혹은 확대의 함수로서의 물리적 특성의 반복성)을 갖는다. 도 3은 니켈 화학 증착 공정으로부터 형성된 표면 구조의 일부분을 보여준다. 도 4는 동일한 구조의 더 작은 부분인 도 3에 도시된 표면 구조의 일부분을 보여주고 있다.

표면 구조는 각종 증착법, 특히 화학 증착(CVD) 및 물리 증착(PVD)에 의해 형성될 수 있다. 마스터 툴링을 형성하기 위한 방법은 화학 증착을 수반한다. CVD 는 증기상(相) 상태의 화학 분열 혹은 화학 반응이 일어나는 환경에서 안정된 고체 반응 생성물이 기재상에서 응집 및 성장하게 되는 공정인 반면에, PVD 는 화학 분열이나 다른 화학 반응이 없는 유사한 공정이다. CVD 는 반응을 가능하게 하기 위해 열, 플라스마, 자외선광 등을 포함하는 다양한 에너지 공급원을 사용하며, 광범위한 압력 및 온도에 걸쳐 작동한다. CVD 및 PVD 는 필름, 특히 다용도의 금속 필름을 생성하기 위한 방법으로 최근에 급속히 개발되었던 방법이다. 예컨대, CVD 및 PVD 코팅은 전극, 전기 컨텍트 및 다른 구조를 형성하기 위해서뿐만 아니라, 내산화성, 내부식성, 내마모성 및 반사력을 부여하기 위해 사용된다. 현재까지, CVD 및 PVD 코팅이 복제 공정에서 표면 구조 생성을 위해 사용 가능하다는 것을 인식하지 못하여 왔다.

증착된 재료는 금속, 반금속 혹은 비금속을 포함할 수 있다. 이 재료는 실질적으로 순금속, 반금속 혹은 비금속 및 이들의 합금, 화합물 혹은 불순물(dopants)이 함유된 전술한 재료(예컨대, 합금 혹은 화합물이 통상 형성되지 않는 정도의 소량의 다른 금속, 비금속 혹은 반금속) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 양호한 실시예에 따르면, 증착된 재료는 실질적으로 순금속, 또는 금속 붕화물, 질화물, 탄화물, 규화물, 산화물 및 이들의 조합 등의 화합물을 함유하는 금속 등과 같은 금속을 포함한다. 화학 증착에 있어서, 상기 금속은 텅스텐, 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 은, 금, 백금, 팔라듐, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 망간, 테크네튬, 레늄, 철, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 아연, 카드뮴, 주석, 납 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 화학 증착에 있어서, 상기 금속은 니켈, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 코발트, 철, 망간, 티타늄 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 더 바람직하며, 상기 금속이 니켈인 것이 가장 바람직하다. 물리 증착에 있어서, 상기 금속은 알루미늄, 안티몬, 바륨, 베릴륨, 카드뮴, 칼슘, 크롬, 코발크, 구리, 게르마늄, 금, 하프늄, 인듐, 이리듐, 철, 납, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 니켈, 니오븀, 오스뮴, 팔라듐, 백금, 레늄, 루테늄, 로듐, 은, 탄탈, 테크네튬, 주석, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 아연, 지르코늄 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 구조는 금속, 폴리머, 그리고 증착 조건을 견딜 수 있는, 양호하게는 실질적인 가스 방출이 없는 다른 재료를 포함하는 광범위한 종류의 재료상에 증착을 통해 형성될 수 있으며, 이에 따라 마스터 툴을 형성하게 된다. 또한, 적절한 마스터 툴 기재는 내구성이 있고 우수한 이형 특성을 지니는 것이 바람직하다. 이러한 마스터 툴 혹은 툴링 제품은 광범위한 복제 공정에 사용될 수 있다. 양호하게는, 마스터 툴 기재는 희망하는 복제 공정의 조건에 견딜 수 있는 적절한 재료로 제조되며, 이들 조건은 예컨대, 광범위한 온도 및 압력, 유기 용매 및 다른 화학물로의 노출, 폴리머 용융물로의 노출, 방사능으로의 노출을 포함할 수 있다. 마스터 툴을 형성하기 위한 양호한 기재는 나무, 세라믹, 유리 및 금속 재료뿐만 아니라 열가소성 및 엘라스토머 재료를 포함한다. 특히 양호한 기재는 강, 알루미늄, 구리, 납, 니켈 등의 금속제이다.

마스터 툴의 기재는 복제 마스터 툴의 희망하는 용도에 따라 형상 및 크기가 변할 수 있다. 예컨대, 상기 기재는 실질적으로 평평한 판이거나 시트재(예컨대, 필름)의 형태일 수 있고, 비평면(예컨대, 파형이고 미리 홈이 형성된 표면)일 수 있고, 드럼이나 실린더 형태일 수 있고, 또는 드럼 혹은 실린더 둘레에 감긴 시트재일 수 있다. 복제 마스터 툴은 복제 마스터 몰드로서 사용하기 이전에 서로 결합할 필요가 없는 일체형의 단일편의 재료인 것이 바람직하다. 또한, 복제 마스터 툴은 단일층의 기재, 또는 각 층에 하나의 재료 혹은 이들 재료의 조합을 포함하는 다층의 기재를 포함할 수 있다. 드럼이나 실린더 형태로서 실질적으로 연속한 표면으로 되는 것이 바람직하다. 마스터 툴 기재의 표면은 마이크로 특징과, 증착 이전에 육안으로 쉽게 식별할 수 있는 매크로 특징 모두를 갖도록 기계 가공될 수 있다. 따라서, 증착 공정이 통상적으로 단지 마이크로구조를 형성하지만, 마스터 툴은 마이크로구조(예컨대, 그 구조의 형상을 결정하기 위해 어떤 시야 평면으로부터 보았을 때, 적어도 2개의 치수가 스캐닝 전자 현미경 등의 광학적 보조 수단을 필요로 할 정도로 작은 구조)와 매크로구조(예컨대, 적어도 2개의 치수가 그 구조의 형상을 결정하는 데 광학적 보조가 필요 없을 정도로 큰 구조)를 모두 지닐 수 있다. 매크로구조는 통상 밀리미터 스케일이거나 더 큰 반면에 마이크로구조는 통상 마이크로미터(혹은 더 작은) 스케일이다.

비록 상기 구조는 전술한 기재상에 형성될 수 있지만, 상기 툴은 구조가 초기에 그 위에 형성될 기재를 포함할 필요는 없다. 즉, 증착 재료는 기재로부터 제거될 수 있고, 다른 기재상에 배치되어 툴을 형성할 수 있다. 어떤 상황에서는, 증착된 재료, 특히 화학 증착된 재료는 기재 없이 툴로서 사용될 수 있다. 후자의 실시예에 따르면, 그 툴은 본질적으로 증착된 재료로 구성된다.

마스터 툴의 복제물도 또한 툴로서 사용될 수 있다. 이 복제물을 구성하는 재료는 자체적으로 지지될 수 있고, 기재 없이 사용될 수 있거나, 또는 기재상에 배치될 수 있다. 이러한 복제 툴용의 기재는 초기의 툴이나 마스터 툴을 형성하는 데 사용된 타입과 동일한 것일 수 있다.

본 발명의 복제 툴(예컨대, 마스터 툴 혹은 툴 자체로서 사용될 수 있는 마스터 툴의 복제물)은 소정 면적당 많은 수의 미세한 소정 형상의 기하학적 구조를 갖는 고밀도 제품을 고속으로 제조하는 데 특히 유리하다. 이 방법은 통상적으로 큰 크기의 제품의 제조에 경제적이고 실용적이다. 또한, 표면 구조는 복제 제품을 형성하기 위해 다양한 종류의 재료에서 생성될 수 있다. 또한, 표면 구조의 장점(즉, 원래 패턴의 완전성)에 손해를 입히지 않고 상이한 재료로 대체함으로써 많은 세대의 툴링을 사용할 수 있다.

복제 제품은 툴로부터 분리 가능한 것이 바람직하며, 양호하게는 희망에 따라, 비록 추가의 복제는 필요 없지만, 추가의 복제를 위한 툴이 될 수 있도록 실질적으로 손상없이 분리될 수 있다. 복제 제품은 양호하게 실질적으로 손상없이 제거될 수 있지만, 분리시에 복제품의 일부에서 뒤틀림이 발생하여, 툴의 정확한 복제물이 되지 않을 수 있다. 예컨대, 이 뒤틀림은 복제물을 형성하는 재료의 불완전한 경화에 의한 폴리머 재료의 신장 혹은 고착의 결과로서 일어날 수 있다. 복제 제품은 마스터 툴과 관련하여 전술한 바와 같이 다양한 기재상에 배치(예컨대, 부착)될 수 있다.

복제 대상의 제품의 표면은 선택한 재료에 따라 소수성 혹은 친수성, 혐유성 혹은 친유성일 수 있다. 복제시 이러한 특성은 증가 또는 감소할 수 있다. 다시 말해서, 유체(예컨대, 기체, 또는 물과 오일 등의 극성 혹은 비극성 액체)와 표면의 상호 작용은 본 명세서에서 설명한 복제 툴을 사용한 표면의 복제에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 복제시, 소수성 표면은 증가된 소수성을 지닐 수 있고, 친수성 표면은 증가된 친수성을 지닐 수 있다. 양호하게는, 표면의 접촉각(예컨대, 후진각 및/또는 전진각)은 적어도 약 25%, 보다 양호하게는 적어도 약 45% 만큼 변할 수 있다. 본 명세서에 기재된 예에 따르면, 복제물은 적절한 재료가 선택되는 경우 매우 높거나 매우 낮은 접촉각 중 하나를 가지는 것을 알 수 있다. 표면의 기하학적 형상이 고체 표면상의 액적의 거시적인 외관에 어떻게 영향을 미칠 수 있는가에 대해 보고되어 있다[Cassie, Disc. Faraday Soc., 3, 11(1948); Wenzel, Ind. Eng. Chem., 28, 988(1936); Neumann, J. Colloid Interface Sci., 53, 235(1975)]. 분열 특성은 표면의 소수성 혹은 친수성을 크게 향상시킬 수 있다고 공표되었다[Adamson et al., Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley & Sons, Inc, 뉴욕주, 1997; Onda et al., Langmuir, 12, 2125(1996)]. 본 발명은 이러한 표면을 생성하기 위한 특유한 방법 혹은 상기 표면 특성을 변화시키는 방법을 제공한다.

본 발명에 따라 생성된 구조의 특유한 하나의 특징은 포지티브 및 네거티브 구조 양자가 실질적으로 동일한 특성을 지니며, 추가의 복제 공정에 사용될 수 있다는 것이다. "포지티브" 구조는 화학 증착(혹은, 후속의 복제)으로부터 얻어진 구조로서, 여기서 결정의 면은 상기 표면으로부터 돌출한다. "네거티브" 구조는 포지티브 구조로부터의 복제에 의해 얻어진 구조이므로, 그 면은 상기 표면 안으로 움푹 들어가게 된다. 예 4 내지 예 6에 있어서, 포지티브 구조와 네거티브 구조 양자는 소수성의 증대에 있어서 실질적으로 동일한 기능을 갖는 것으로 도시되어 있다.

복제 공정은 캐스팅, 엠보싱, 압출, 사출 성형, 전기 주조 혹은 다른 도금, 증착 등을 포함하는 광범위한 공정을 포함할 수 있다. 캐스팅은 통상적으로 구조화 표면상에 경화성 조성물을 캐스팅(예컨대, 구멍에 유체를 주입)시키고, 그것이 적어도 부분적으로 경화를 겪게 함으로써 제품을 형성하는 것을 수반한다. 엠보싱 가공(예컨대, 압축 몰딩)은 통상적으로 유사한 패턴의 다이에 의해 블랭크 상에 구조를 융기시키는 것을 수반하며, 이들 다이 중 하나는 다른 하나에 대해 네거티브가 된다. 압출 성형은 통상적으로 툴의 구조화 표면상으로 재료(통상적으로 액체 혹은 다른 유동성 재료)를 압출 성형시키고 그 재료를 툴상에 경화시킴으로써 제품을 형성하는 것을 수반한다. 폴리머 재료의 사출 성형은 통상적으로 액체 혹은 다른 유동성 재료를 몰드 안으로 강제로 넣고 경화를 겪게 함으로써 제품을 형성하는 것을 수반한다. 툴의 구조화 표면상에 재료를 전기 주조 또는 도금하는 것은 통상적으로 전기 화학적 수단에 의해 금속층을 코팅하는 것을 수반한다. 증착을 이용할 경우, 복제 제품의 하나의 주요면은 툴의 구조화 표면의 정확한 네거티브를 형성하는 반면에, 다른 주요면은 무작위로 위치 설정된 구조의 상이한 배열을 가질 수 있다.

일례에 따르면, 몰딩 가능한 재료는, 예컨대 압출 성형 혹은 캐스팅 성형에 의해 복제 툴의 제1 표면에 도포되어, 복제 툴의 구조화 표면의 복제물을 생성한다. 양호한 실시예에 따르면, 마스터 툴에 대한 몰딩 가능한 재료의 점착력은 마스터 툴로부터 복제물의 분리시의 점착력보다 더 약하다. 미국 특허 제5,077,870호(Melbye 등의 명의)에 상세히 기재된 구체적인 예에 따르면, 열가소성 수지 등의 몰딩 가능한 재료의 공급 스트림이 압출기로 공급되며, 이 압출기로부터 가열된 수지 용융물이 다이를 통해 회전하는 원통형 복제 몰드로 급송된다. 별법으로서, 몰딩 가능한 재료의 용융물은 평평한 기재에 도포될 수 있다. 몰딩 가능한 재료는 통상적으로 몰드 캐비티 안으로 유입되며, 툴링 몰드 안으로 압입되고, 몰딩 가능한 재료를 냉각 및/또는 경화시킴으로써 경화된다. 상기 몰딩 가능한 재료는 그것이 희망하는 복제 제품에 적합한 두께로 될 때까지 마스터 툴 기재의 표면에 도포된다. 상기 재료는 균일한 두께로 혹은 예컨대, 립(rib) 혹은 다른 구조를 갖도록 상이한 두께 및 형상으로 도포될 수 있다. 별법으로서, 복제 제품은 압축 몰딩에 의해 제조될 수 있다.

실질적으로 전술한 특정의 방법, 또는 예컨대 캐스팅 및/또는 방사능 경화 등의 다른 방법을 사용하여 복제 제품을 생성하는 데, 임의의 몰딩 가능한 재료를 사용할 수 있다. 양호한 몰딩 가능한 재료는 폴리올레핀(예컨대, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌), 폴리우레탄, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에스테르 및 폴리아미드(예컨대, 나일론) 등의 열가소성 수지와 이들의 혼합물 및 코폴리머를 포함한다. 가소제, 충전재, 도료, 염료, 내산화제, 이형제 등의 첨가물은 또한 몰딩 가능한 재료 또는 복제 공정에 사용된 다른 재료에 넣어질 수 있다.

복제 제품은 몰딩 가능한 재료가 기하학적 구조의 완전성을 유지하도록 경화된 후 복제 툴로부터 분리되는 것이 바람직하다. 캐비티와 유사하거나 그것의 거울상인 기하학적 구조와 복제 툴의 기하학적 구조는 복제 제품의 표면으로부터 돌출한다. 별법으로서, 복제 제품은 희망하는 다른 형상 및 특성을 얻기 위해 몰딩 가능한 재료의 완전한 경화 이전에 복제 툴로부터 분리될 수 있다. 필요에 따라, 복제 제품의 기하학적 구조에는, 벤트 오버 후크(bent over hook), 버섯 모양의 캡 혹은 다른 형상 등의 다양한 형상을 얻기 위해 후속 공정 단계가 적용될 수 있다. 또한, 복제 제품의 표면은 표면 특성을 조정하기 위해 화학적 및/또는 물리적으로 처리될 수 있다. 예컨대, 복제 제품의 표면은 필요에 따라 추가의 복제 이전에 탄화불소로 처리될 수 있다.

복제 툴로부터의 복제 제품은 다양한 용례에 이용될 수 있다. 예컨대, 복제 제품은 비습식 표면, 액체 전달용 표면, 방빙(anti-ice) 표면, 에어러졸 배급 장치, 오손 저항성 표면 등으로 사용될 수 있다.

본 발명의 목적 및 장점은 아래의 예를 통해 추가로 예시될 것이지만, 이들 예에서 언급하는 특정의 재료 및 그 양, 그리고 다른 조건 및 세부 사항은 본 발명을 부당하게 한정하려는 의도로 적용되어서는 안된다.

예

예 1. 니켈 화학 증착

Mond 공정[L. Mond, J. Chem. Soc., 57, 749, (1890), 및 H.E. Carlton 및 J.H. Oxley, A.I.Ch.E. Journal, 13, 86,(1967)]을 이용한 Ni(CO)₄의 분해에 의해 니켈 화학 증착을 실행하였다. 온도는 적당한 증착율을 갖도록 290℉(143℃) 내지 395℉(202℃) 범위로 제어하였다. 니켈 카르보닐과 농도 희석제의 농도를 유량에 의해 제어하였다. Ni(CO)₄에 대한 희석제, 일산화탄소의 비율은 200:1 내지 1:1로 하였다. 22 인치×11 인치×0.056 인치(56 cm×28 cm×0.14 cm)의 툴 맨드릴 모체를 니켈로 제조하였다. 그 다음, 증착된 니켈을 맨드릴로부터 분리하였다. 분리된 니켈은 도 1 및 도 2에 도시된 표면 구조를 갖는다.

에틸 아세테이트에 있는 벤조트리아졸-5-카르복실산과 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로도데실 알콜(이하에서는 줄여서 R_f-BTA 라고 함) 0.1% 에스테르의 얇은 층을 구조화 표면상에 도포하였다. 용매가 증발된 후, 샘플을 오븐에 넣고 0.5시간 동안 300℉(149℃)로 가열하였다. 이러한 공정으로 소수성층을 상기 표면상에 도포하였다. 그 후, 접촉각을 측정하였다. 표 1에 기재되어 있는 바와 같이, 전진각은 171°이고, 후진각은 163°이었다. 도 5는 상기 표면 상에 있어서의 1.5 마이크로리터(㎕) 물 액적의 사진(예컨대, 전자 현미경 사진)이다.

비교를 위해, 표면 구조가 없는 전기 주조된 니켈 샘플에 전술한 공정을 동일하게 사용하여 소수성층 R_f-BTA을 코팅하였다. 전진 접촉각이 123°이고, 후진각은 39°이었다. 비록 유기 코팅이 니켈 표면을 소수성으로 만들지만, 상기 샘플은 표면을 극히 소수성으로 만드는 표면 구조가 되는 것임을 보여주었다.

표 1. 접촉각

표면	전진각 H2O	후진각 H2O
Ni(CVD)/Rf-BTA	171	163
Ni(구조 없음)/Rf-BTA	123	39
Ni(네거티브)/Rf-BTA	164	141
실리콘(네거티브)	163	138
실리콘(포지티브)	172	163
실리콘(표면 구조 없음)	113	87
PP(네거티브)	148	91
PP(표면 구조 없음)	86	64

예 2. 니켈 복제의 전기 주조

니켈 설파메이트 배스(bath)에서 니켈 전기 주조에 의해 복제물을 만들기 위해 예 1의 툴을 사용하였다. 배스의 구성을 다음과 같이 하였다. 니켈 설파메이트 600 그램/리터(g/L), 붕소산 30 g/L, 나트륨 도데실 설페이트 0.3 g/L, 용액의 pH를 4.0로 하였다. 애노드로 황-편극소거된 니켈 펠릿을 사용하였다. 전기 주조의 온도를 135℉(57℃)로 하였다. 니켈의 증착된 층을 화학 증착된 니켈로부터 분리하여 니켈 네거티브 복제물을 얻었다. 그 다음, 전기 주조된 니켈의 표면에 예 1에서 설명한 공정과 동일하게 R_f-BTA를 도포하였다. 전진각은 164°이고, 후진각은 141°이었다.

예 3. 실리콘 복제물

예 1에서 설명한 증착 니켈을 툴로서 사용하고, 미시간주 미드랜드 소재의 다우 코닝(Dow Corning)에서 시판하는 상품명 SYLGARD 184의 실리콘 엘라스토머를 사용하여 복제물을 만들었으며, A 부분과 B 부분의 비를 10:1로 하였다. 실리콘을 실리콘 고무로 만든 댐을 갖는 툴 표면 상에 주입하고, 경화되기 전에 거품을 제거하기 위해 진공을 인가한 다음, 1시간 동안 300℉(149℃)로 가열하였다. 실리콘이 경화된 후, 툴로부터 분리하여, 네거티브 패턴화된 복제물을 획득하였다. 도 6은 실리콘 복제물의 SEM 사진을 도시한 것이다. 전진각은 163°이고, 후진각은 138°이었다.

예 2에서 만든 네거티브 니켈 복제물을 툴로 하고, 포지티브 실리콘 복제물을 얻기 위해 동일한 공정을 사용하였다. 도 7은 표면 구조를 도시한 것이다. 도 6은 네거티브 표면 구조이다. 포지티브 복제물의 전진 접촉각은 172°이고, 후진각은 163°이었다.

비교를 위해, 니켈 샘플상에 표면 구조가 없는 것만 제외하고, 상기와 동일한 공정으로 실리콘 샘플을 만들었다. 전진각은 113°이고, 후진각은 87°이었다.

예 4. 폴리프로필렌 복제물

예 1에서 설명한 증착된 니켈을 툴로서 사용하여, 폴리프로필렌을 갖는 복제물을 압축/열 몰딩에 의해 만들었다. 텍사스주 어빙 소재의 엑슨 모빌 코포레이션(Exxon Mobil Corporation)에서 시판하는 상품명 EXXON 3445의 폴리프로필렌 펠릿을 사용하였다. 온도는 355℉(179℃), 압력은 1000 파운드/제곱인치(703톤/제곱미터)로 하였다. 그 다음, 폴리프로필렌을 기재로부터 분리하였다. 도 8에 도시된 바와 같이 변형된 "복제물"를 얻었다. 이러한 변형은 분리 도중에 폴리프로필렌의 신장에 기인한 것이다. 또한, 그 구조는 무작위로 위치 설정되고, 표면은 실질적으로 덮여 있는 것으로 나타나며, 그 구조는 최소 크기로부터 최대 크기 범위의 실질적으로 연속적인 크기 분포를 보여주고, 여기서 최소 크기는 최대 100 nm이고 최대 크기는 적어도 1 미크론이다. 전진 접촉각은 148°이고, 후진각은 91°이었다.

조종을 위해, 동일한 폴리프로필렌 재료를 사용하여 또 다른 압축/열 몰딩 실험을 행하였다. 복제물이 표면 구조를 갖지 않도록 폴리머 펠릿을 2장의 폴리에스테르 시트 사이에 넣었다. 압축/열 몰딩 공정에 의해 동일한 조건을 채택하였다. 전진 접촉각은 86°이고, 후진각은 64°이었다.

예 5. 물 침지 테스트

표면이 물에 젖지 않고 물에 담글 수 있다는 사실에 의해 재료의 소수성이 높다는 것을 또한 알게 된다. 다음의 방법으로 실험을 행하였다. 예 4에 설명된 바와 같은 표면 구조를 갖는 크기 1 인치×8 인치(2.54 cm×20.3 cm)의 폴리프로필렌 필름 조각을 500 ml 증류수로 채워진 600 밀리리터(ml) 비커에 담갔다. 샘플의 일부[4.5 인치(11.4 cm)]를 물에 담갔다. 폴리머를 물로부터 분리시키는 공기층이 존재하는 것이 관찰되었다. 24시간 후, 샘플을 비커에서 꺼내었다. 샘플의 표면에는 물이 묻지 않았다.

비교를 위해, 구조가 없는 예 4의 폴리프로필렌 샘플의 배면을 24시간 동안 동일한 량의 물로 침적시켰다. 그 배면에서는 물이 잔류하고 있었다.

예 6. 셀룰로오스 아세테이트 복제물

2밀 두께의 셀룰로오스 아세테이트 필름층 3개를 분해하여 예 1에서 설명한 니켈의 표면상에 캐스팅하였다. 아세톤을 용매로 사용하였다. 이 용매를 4시간 동안 실온으로 증발시킨 다음, 셀룰로오스 아세테이트 필름을 니켈로부터 분리시켰다. 후진 접촉각은 0°이었다. 다시 말해서, 물은 그것이 낙하한 영역에서 구조화 표면을 매우 양호하게 적셨다.

예 2에서 설명한 니켈 툴을 사용하는 것만 제외하고 동일한 실험을 통해 네거티브 패턴을 얻었다. 후진 접촉각은 또한 0°이었다.

비교를 위해, 동일한 절차를 이용하여 셀룰로오스 아세테이트를 구조가 없는 매끈한 니켈 표면상에 캐스팅시켰다. 후진 접촉각은 27°이었다. 이 예로부터, 표면 구조는 상대적으로 작은 접촉각을 갖는 재료에 대해서는 습윤성이 증대하는 것임을 알 수 있다.

예 7. 저밀도 폴리에틸렌 복제물

테네시주 킹스포트 소재의 이스트만 케미컬 컴패니(Eastman Chemical Company)에서 시판하는 상품명 TENITE 1550의 저밀도 폴리에틸렌 시트를 커넥티컷주 단버리 소재의 유니온 카바이드(Union Carbide)에서 시판하는 0.5 중량%의 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올 비이온성 계면활성제와 함께 예 1에서 설명한 니켈 툴상에 압축 성형하여 네거티브 패턴 구조를 얻었다. 전진각과 후진각은 모두 0°이었다.

계면활성제를 사용하지 않는 경우에 대하여, 상기 표면 구조가 없는 동일한 시트의 접촉각을 측정하였다. 전진각은 11°이었다. 후진각은 0°이었다. 이 예로부터, 표면 구조는 표면의 친수성을 증대시키는 것임을 알 수 있다.

Claims (32)

1. 구조화 표면을 복제하기 위한 방법으로서,

   50 nm 미만과 1 미크론 초과의 범위에 속하는 크기의 연속 분포를 나타내는 복수 개의 피라미드 형상의 구조를 특징으로 하는 구조화 표면(structured surface)을 갖는 툴(tool)을 제공하는 단계와;

   상기 툴의 구조화 표면을 복제한 표면을 갖는 물품을 형성하기 위해 상기 툴의 구조화 표면을 소정 재료에 복제하는 단계

   를 포함하며, 이렇게 복제된 표면은, 표면 구조가 없는 다른 유사한 툴에 의해 동일한 재료를 복제하여 형성한 물품의 표면에 비하여 친수성 또는 소수성이 향상되는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
2. 제1항에 있어서, 구조화 표면을 갖는 상기 툴을 그로부터 복제된 제품으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
3. 제1항에 있어서, 구조화 표면을 갖는 상기 툴의 구조화 표면은 결정화된 증착 재료를 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 결정화된 증착 재료는 금속을 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
5. 제1항에 있어서, 구조화 표면을 갖는 상기 툴의 구조화 표면은 결정화된 증착 재료의 복제물(replica)을 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
6. 제1항에 있어서, 구조화 표면을 갖는 툴을 제공하는 상기 단계는,

   소정 표면을 갖는 기재를 제공하는 단계와;

   구조화 표면을 갖는 툴을 형성하기 위해, 증착법을 이용하여 상기 기재의 표면 상에 소정 재료를 증착하는 단계

   를 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 증착법은 화학 증착법 또는 물리 증착법인 것인 구조화 표면의 복제 방법.
8. 제1항에 있어서, 구조화 표면을 갖는 툴을 제공하는 상기 단계는,

   소정 표면을 갖는 기재를 제공하는 단계와;

   결정화된 증착 재료를 형성하기 위해, 증착법을 이용하여 상기 기재의 표면 상에 소정 재료를 증착하는 단계; 그리고

   구조화 표면을 갖는 툴을 형성하기 위해, 상기 기재의 표면으로부터 상기 결정화된 증착 재료를 분리하는 단계

   를 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 복제 단계는,

   툴 상에 경화성 조성물을 캐스팅하고 상기 툴의 표면 상에서 상기 조성물을 적어도 부분적으로 경화하는 공정;

   상기 툴의 구조화 표면으로 제품을 엠보싱(embossing) 가공하는 공정;

   상기 툴의 구조화 표면상으로 폴리머 재료를 사출 성형하는 공정;

   소정 재료를 상기 툴의 구조화 표면상으로 압출하고 그 재료를 상기 툴 상에서 경화시키는 공정;

   툴의 구조화 표면 상에 소정 재료를 전기 주조하는 공정; 및

   상기 툴의 구조화 표면 상에 제2 재료를 증착하는 공정

   중에서 선택된 하나의 공정을 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 제품의 복제 표면을 추가 복제를 위한 툴로서 사용하는 것을 포함하는 것인 구조화 표면의 복제 방법
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제

Images