KR100726724B1 - Multi-layer mold structure for hot embossing - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 적층형 금형장치의 단면도,1 is a cross-sectional view of a laminated mold apparatus according to a preferred embodiment of the present invention,
도 2 는 도 1에 도시된 금형장치를 이용한 PMMA 시트의 가압상태를 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view showing a pressurized state of the PMMA sheet using the mold apparatus shown in FIG.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시 예1,2 및 비교 예에 의해 실험된 면압지를 촬영한 사진,3A to 3C are photographs taken of the surface pressure paper experimented by Examples 1 and 2 and Comparative Examples of the present invention;
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시 예1,2 및 비교 예의 금형장치를 이용하여 핫엠보싱 가공된 소재를 촬영한 사진,Figures 4a to 4c is a photograph of the hot-embossed material using the mold apparatus of Examples 1, 2 and Comparative Examples of the present invention,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시 예1,2 및 비교 예의 금형장치를 이용하여 핫엠보싱 가공된 소재의 채널 폭과 깊이를 X축과 Y축 방향에 대하여 영역별로 나타낸 그래프,5A to 5D are graphs showing channel widths and depths of hot-embossed materials by regions with respect to the X-axis and Y-axis directions using the mold apparatus of
도 6 은 본 발명의 실시 1,2 및 비교 예의 금형장치에 적용된 패턴 구조를 나타낸 평면도.6 is a plan view showing a pattern structure applied to the mold apparatus of the
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(100) : 금형장치 (110) : 성형층100: mold apparatus 110: forming layer
(111) : 패턴 (120) : 쿠션층111: Pattern 120: Cushion Layer
(130) : 강성유지층(130): rigid holding layer
본 발명은 핫엠보싱 공정을 이용한 고분자 소재의 성형시 사용되는 금형장치에 관한 것으로, 특히 쿠션층을 포함하는 적층형 구조로 구성되어 금형의 전체 면적에 걸쳐 고른 가압력을 제공하여 대면적 전사성을 향상시킬 수 있는 핫엠보싱용 적층형 금형장치에 관한 것이다.The present invention relates to a mold apparatus used for molding a polymer material using a hot embossing process, and in particular, is composed of a laminated structure including a cushion layer to provide even pressing force over the entire area of the mold to improve large area transferability. The present invention relates to a laminated mold apparatus for hot embossing.
일반적으로 핫엠보싱(hot embossing) 공정은 미세 패턴이 각인된 금형장치를 이용하여 유리전이온도 이상으로 가열된 고분자 소재를 가압하여 금형의 미세 패턴을 전사하는 성형 기술이다. 이러한 핫엠보싱 공정은 여러 개의 미세 패턴이나 구조물을 대면적의 소재 위에 한번의 가압 과정을 통해 전사할 수 있기 때문에 미세 광학 부품, 바이오칩 등의 대량 생산 기술로서 활용 가능하다.In general, a hot embossing process is a molding technique for transferring a fine pattern of a mold by pressing a polymer material heated above a glass transition temperature by using a mold apparatus having a fine pattern imprinted thereon. The hot embossing process can be used as a mass production technology for micro-optical parts, biochips, etc., because it can transfer several fine patterns or structures on a large-area material through a single press process.
실제 핫엠보싱 공정에서 패턴 전사성은 공정의 소요시간과 가열 및 냉각 온도에 민감한 영향을 받게 된다. 즉 원하는 수준의 패턴 전사성을 유지하기 위해서는 공정 소요시간이 길어지게 되고, 이와 반대로 공정 소요시간을 줄이게 되면 패턴 전사성이 떨어지게 되므로 아직까지 대량생산 기술로서의 활용은 어려운 실정이 다.In actual hot embossing, pattern transferability is sensitive to the process's turnaround time and to heating and cooling temperatures. In other words, in order to maintain the desired level of pattern transferability, the process required time is lengthened. On the contrary, if the process required time is reduced, the pattern transferability is reduced.
한편 상기 패턴 전사성은 단일 패턴 전사성과 대면적 전사성으로 구분될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 패턴 전사성은 온도와 소재의 가열 및 냉각속도에 따라 달라지게 되며, 단일 패턴에서 전사성을 확인한 성형 조건일지라도 대면적 소재에는 충분한 전사성을 얻지 못할 수 도 있다. 이러한 경우 단일 패턴에 적용 가능한 성형 온도를 올리거나 가열/냉각속도를 낮춤으로써 대면적 패턴 전사성을 향상시킬 수 있으나 이는 곧 양산성의 감소로 이어지는 문제점이 있었다.The pattern transferability may be classified into a single pattern transferability and a large area transferability. As described above, the pattern transferability depends on the temperature and the heating and cooling rate of the material, and even if the molding conditions confirm the transferability in a single pattern, sufficient transferability may not be obtained for the large area material. In this case, by increasing the molding temperature applicable to a single pattern or by lowering the heating / cooling rate, it is possible to improve the large area pattern transfer property, but this has a problem that leads to a decrease in mass productivity.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 대면적 패턴 전사성을 향상시킬 수 있는 핫엠보싱용 적층형 금형장치를 제공함에 있다.The present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laminated mold apparatus for hot embossing which can improve a large area pattern transferability.
본 발명의 다른 목적은 소재의 성형면에 대하여 전체적으로 고른 가압력을 제공할 수 있도록 하는 핫엠보싱용 적층형 금형장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a laminated mold apparatus for hot embossing to provide a uniform pressing force on the molding surface of a material.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 핫엠보싱 공정에 사용되는 금형장치에 있어서,
규소(Si)로 이루어진 웨이퍼의 일면에 미세 패턴이 가공된 것으로 이루어진 성형층;
상기 성형층의 타면에 그의 일면이 대면하도록 결합되어 적층된 구조를 갖으며, 상기 성형층에 의한 가공소재의 가압시 발생되는 압력에 대응하여 변형되는 쿠션층; 및
상기 쿠션층의 타면에 그의 일면이 대면하도록 결합되어 적층된 구조를 갖으며, 상기 성형층에 의해 가공소재의 가압시에도 변형없는 평탄한 기준면을 제공하는 강성유지층;으로 구성된 핫엠보싱용 적층형 금형장치를 특징으로 한다.In the mold apparatus used in the hot embossing process, the present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for removing the conventional defects,
A shaping layer comprising a fine pattern processed on one surface of a wafer made of silicon (Si);
A cushion layer having a structure in which one surface thereof is coupled to the other surface of the molding layer to face each other, and having a stacked structure, the cushion layer being deformed in response to the pressure generated when the workpiece is pressed by the molding layer; And
Stacked mold apparatus for hot embossing comprising: a rigid holding layer that is coupled to the other surface of the cushion layer so as to face each other and has a laminated structure, and provides a flat reference surface without deformation even when pressing the processing material by the molding layer. It is characterized by.
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이하, 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings as follows.
도 1은 본 발명의 금형장치의 단면구조를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 금형장치(100)는 성형층(110)과 쿠션층(120) 및 강성유지층(130)이 순차적으로 적층된 구조로 구성되어 있다. 이러한 금형장치(100)는 가공소재의 가압시 상기 성형층(110)으로부터 전달되는 압력에 대응하여 쿠션층(120)이 변형되게 함으로써 성형층(110)에 의한 대면적 상의 가압력 분포가 고르게 형성될 수 있도록 한 것이다.1 shows a cross-sectional structure of a mold apparatus of the present invention. Referring to FIG. 1, the
상기 성형층(110)은 가공소재의 성형을 위한 미세 패턴(111)이 일면에 가공되어 있으며, 규소(Si)로 이루어져 있다.The
상기 쿠션층(120)은 성형층(110)의 타면에 그의 저면이 마주하도록 성형층(110)의 상부에 결합되어 있으며, 가공소재의 가압시 전달되는 압력에 대응하여 변형될 수 있도록 부드러운 쿠션 작용을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어진다.The
상기 강성유지층(130)은 쿠션층(120)의 상면에 그의 저면이 마주하도록 쿠션 층(120)의 상부에 결합되어 있으며, 가공소재의 가압시에도 변형없는 평탄한 기준면을 제공하도록 구성된다.The
상기와 같은 성형층(110)과 쿠션층(120) 및 강성유지층(130)은 아노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 상호 접합되어 구성될 수도 있으며, 또는 각 층의 사이에 공기가 포획되지 않도록 하면서 각층을 그냥 적층하여 구성될 수도 있다. 이는 인위적으로 떼어내지만 않으면 가공장비의 특성상 문제없이 핫엠보싱 공정을 수행할 수 있기 때문이다. 바람직하게는 다양한 가공장비의 특성을 고려하여 전술한 바와 같이 아노딕 본딩을 이용해 상호 접합하는 방법을 사용하게 된다.The
도 2는 PMMA 시트를 적층형 금형장치를 이용하여 가압할 때의 상태를 나타낸 단면도를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 핫엠보싱 공정에서 대면적 상의 평면도 문제가 있는 PMMA 시트(200)를 적층형 금형장치(100)로 가압 할 경우, 쿠션층(120)의 역할로 인해 PMMA 시트(200)의 면을 따라 고르게 패턴이 전사될 수 있게 된다.FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state when the PMMA sheet is pressed by using a laminating mold apparatus. Referring to FIG. 2, when pressing the
이하, 본 발명을 실시 예에 의거하여 그 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described as follows.
실시 예 1Example 1
본 실시 예는 0.5㎜의 두께를 갖는 4인치의 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate, PMMA) 시트 위에 0.6~10㎫의 압력 범위를 갖는 면압지를 올려놓고, 다시 그 위에 상기 적층형 금형장치를 위치시킨 상태에서 실험을 수행한 것이다. 이때 상기 금형장치로서 6인치의 유리웨이퍼(glass wafer)가 강성유지층으로 사용되었고, 4인치의 규소웨이퍼(Si wafer)가 성형층으로 사용되었으며, 1.3㎜ 의 두께를 갖는 PDMS 패드가 쿠션층으로 사용되었다. 또한 본 실시 예는 상온에서 가압력의 분포만을 보기 위한 것으로 미세 패턴이 가공되지 않은 규소웨이퍼가 사용되었으며, 가열 및 냉각 공정을 생략하였다. 공정시간은 20초로 하였으며 이중 실제 가압시간은 6초로 하였다. 이때 가압력은 10kN으로 설정하였다.In this embodiment, a surface pressure paper having a pressure range of 0.6 to 10 MPa is placed on a 4-inch polymethylmethacrylate (PMMA) sheet having a thickness of 0.5 mm, and the laminated mold apparatus is placed thereon. The experiment was performed in. At this time, 6-inch glass wafer (glass wafer) was used as the mold holding device, 4-inch silicon wafer (Si wafer) was used as the molding layer, and the PDMS pad having a thickness of 1.3 mm was used as the cushion layer. Was used. In addition, the present embodiment is only to see the distribution of the pressing force at room temperature, the silicon wafer is not processed fine pattern, and the heating and cooling process is omitted. The process time was 20 seconds and the actual press time was 6 seconds. At this time, the pressing force was set to 10 kN.
실시 예 2Example 2
본 실시 예는 2.4mm의 두께를 갖는 PDMS 패드가 쿠션층으로 사용되었으며, 나머지 조건은 실시 예1과 동일하다.In this embodiment, a PDMS pad having a thickness of 2.4 mm was used as a cushion layer, and the rest of the conditions were the same as in Example 1.
비교 예Comparative example
본 실시 예는 쿠션층이 구비되지 않은 종래의 금형장치를 이용한 것으로, 쿠션층을 제외하고 실시 예1과 동일한 조건에서 수행되었다.This embodiment uses a conventional mold apparatus that is not provided with a cushion layer, and was performed under the same conditions as in Example 1 except for the cushion layer.
도 3a 내지 도 3c는 상기 실시 예1,2 및 비교 예를 통해 실험된 면압지를 촬영한 것이다. 실시 예1의 경우 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이 면압지의 영역별 압력 차이가 발생된 것을 확인 할 수 있으며, 이는 PDMS 패드의 평탄도 불량 및 PDMS 패드와 규소웨이퍼 사이에 갇혀진 공기 방울에 의한 것으로 보여진다. 실시 예2의 경우 도 3b에서 볼 수 있는 바와 면압지 전체면적에 걸쳐 균일하게 압력이 가해졌음을 확인할 수 있으며, 이는 쿠션층의 두께가 증가함으로써 상기와 같은 불량원인(PDMS 패드의 평탄도 불량, 공기 방울)등을 상쇄시킨 것으로 보여진다.3A to 3C are photographed the surface pressure paper experimented through Examples 1 and 2 and Comparative Examples. In the case of Example 1, it can be seen that the pressure difference by area of the surface pressure paper as shown in Figure 3a, which is caused by poor flatness of the PDMS pad and air bubbles trapped between the PDMS pad and the silicon wafer. It is shown. In the case of Example 2 it can be seen that the pressure is uniformly applied over the entire area of the surface of the pressure paper as shown in Figure 3b, which is caused by the increase in the thickness of the cushion layer (badness of flatness of the PDMS pad, Air bubbles).
그러나 쿠션층이 구비되지 않은 금형장치를 이용한 비교 예의 경우 도 3c에서 볼 수 있는 바와 같이 면압지의 테두리 부위에만 압력이 작용한 것으로 볼 수 있다.However, in the case of the comparative example using the mold apparatus is not provided with a cushion layer can be seen that the pressure acts only on the edge portion of the surface pressure paper as shown in Figure 3c.
다음으로 상기 실시 예1,2 및 비교 예에 사용된 금형장치의 성형층에 사각 형상의 미세 패턴을 규소웨이퍼 상의 여러 부분에 반복적으로 가공하여 동일한 조건에서 실제 핫엠보싱 공정을 수행하였다.Next, the square pattern was repeatedly processed in various parts on the silicon wafer in the molding layer of the mold apparatus used in Examples 1, 2 and Comparative Example to perform the actual hot embossing process under the same conditions.
한편, PMMA의 유리전이온도(Tg)는 106℃로 알려져 있으므로 가열 온도는 이보다 약간 높은 110℃로 설정하였다. 본 실험에서는 열변형의 영향은 배제하기 위해 2시간 정도의 충분히 긴 시간에 걸쳐 핫엠보싱 공정을 수행하였다. 이중 가열 시간은 15분, 가압 시간은 10분, 냉각 시간은 1시간 25분이었으며, 가압력은 12bar로 하였다.On the other hand, the glass transition temperature (Tg) of PMMA is known as 106 ℃, the heating temperature was set to 110 ℃ slightly higher than this. In this experiment, the hot embossing process was performed over a sufficiently long time of about 2 hours to exclude the effect of thermal deformation. The heating time was 15 minutes, the pressurization time was 10 minutes, the cooling time was 1 hour 25 minutes, and the pressing force was 12 bar.
도 4a 내지 도 4c는 각 금형장치를 이용한 핫엠보싱 공정에 의해 미세 패턴이 전사된 PMMA 시트를 촬영한 것이다. 도 4a는 실시 예1의 금형장치를 이용한 것이고, 도 4b는 실시 예2의 금형장치를 이용한 것이며, 도 4c는 비교 예의 금형장치를 이용한 것이다. 도 4a 내지 도 4c의 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 2.4㎜ 두께의 PDMS 패드가 구비된 금형장치를 이용한 도 4b의 PMMA 시트에 가장 고르게 패턴이 전사된 것을 확인할 수 있다.4A to 4C are images of PMMA sheets on which fine patterns have been transferred by hot embossing processes using respective mold apparatuses. FIG. 4A uses the mold apparatus of Example 1, FIG. 4B uses the mold apparatus of Example 2, and FIG. 4C uses the mold apparatus of Comparative Example. As can be seen in the picture of Figures 4a to 4c it can be seen that the pattern is most evenly transferred to the PMMA sheet of Figure 4b using a mold apparatus equipped with a PDMS pad of 2.4mm thickness.
도 5a 내지 도 5d는 상기와 같이 PMMA 시트에 전사된 패턴의 폭과 깊이를 PMMA 시트의 X축과 Y축 방향을 기준하여 나타낸 것이다. 이때 상기 금형장치의 성형층에 가공된 패턴은 도 6과 같은 구조를 갖으며, 각각의 사각형 영역 내에는 실 제 패턴의 형상이 구비되어 있으나, 도면상에는 미도시되었다. 도 5a 내지 도 5d에서 볼 수 있는 바와 같이 두꺼운 PDMS 패드 즉 쿠션층이 구비될수록 더 좋은 성형 결과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.5A to 5D illustrate the width and depth of the pattern transferred to the PMMA sheet with reference to the X-axis and Y-axis directions of the PMMA sheet. At this time, the pattern processed in the molding layer of the mold apparatus has a structure as shown in Figure 6, the shape of the actual pattern is provided in each rectangular area, it is not shown in the drawings. As can be seen in Figures 5a to 5d it can be seen that the thicker the PDMS pad, that is, the cushion layer is provided, the better the molding results.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
본 발명은 상술한 바와 같이 상대적으로 높은 강성을 갖는 성형층과 탄성을 갖는 쿠션층 및 높은 강성을 갖는 강성유지층이 순차적으로 적층된 구조의 금형장치를 제공함으로써, 핫엠보싱 공정의 대면적 전사성을 향상시킬 수 있게 되었다. 이에 따라 핫엠보싱 공정의 수율을 대폭 향상시킬 수 있게 되었다.The present invention provides a mold apparatus having a structure in which a molding layer having a relatively high rigidity, a cushion layer having elasticity, and a rigid holding layer having high rigidity are sequentially stacked as described above, thereby providing a large area transferability of a hot embossing process. It can be improved. Accordingly, the yield of the hot embossing process can be significantly improved.
Claims (3)
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KR1020060012635A KR100726724B1 (en) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Multi-layer mold structure for hot embossing |
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KR1020060012635A KR100726724B1 (en) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Multi-layer mold structure for hot embossing |
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KR1020060012635A KR100726724B1 (en) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Multi-layer mold structure for hot embossing |
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2006
- 2006-02-09 KR KR1020060012635A patent/KR100726724B1/en active IP Right Grant
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