KR100937203B1 - 리가 공정을 이용한 미세 구조물 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리가공정을 이용한 미세구조물 제작 방법에 관한 것으로서, 감광재를 준비하는 감광재 준비 단계와, 상기 감광재에 나노 또는 마이크로 구조물을 성형하는 성형 단계와, 상기 감광재 위에 X-선 마스크를 설치하는 마스크 설치 단계와 상기 감광재에 상기 X-선 마스크를 설치한 상태로 X-선을 조사하는 노광 단계, 및 상기 노광을 거친 상기 감광재를 현상하여 부분적으로 제거하는 현상 단계와 현상된 상기 감광재를 이용하여 인서트 몰드를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.
리가공정, 미세구조물, 감광재, 엠보싱

Description

리가 공정을 이용한 미세 구조물 제조 방법{FABRICATING METHOD OF MICROSTRUCURE USING LIGA PROCESS}
본 발명은 리가 공정을 이용한 미세 구조물 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다중 스케일을 갖는 미세 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.
방사광 가속기에서 발생하는 고 에너지 X-선을 이용하여 플라스틱 미세 구조물을 제작하는 리가(LIGA) 공정은 1980년대 독일에서 개발된 이후, 공정 개발 및 그 응용을 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 독일어 약자(Lithographie, Galvanoformung, Abformung)에서 알 수 있듯이 리가 공정은 X-선 노광(Lithographie)을 통한 플라스틱 미세 구조물을 제작하는 공정과, 인서트 몰드(mold insert)를 제작하는 공정, 및 제작된 인서트 몰드를 이용하여 성형(Abformung)하는 공정의 세가지 공정으로 이루어진다.
종래의 자외선(UV)을 이용한 노광을 바탕으로 하는 미세 구조물 제작 공정(MEMS기술 등)과는 달리 X-선 노광을 수행하는 리가 공정의 경우, 광원으로 이용되는 고 에너지 X-선의 특성으로 인하여 고종횡비(high aspect ratio) 미세 구조물의 제작이 가능하며 또한 제작된 미세 구조물의 품질이 좋다는 장점을 가지고 있 다. 그 동안 광 도파로(optical waveguide), 광 커넥터(optical connector)와 같은 광통신 분야의 미세 부품, 미세 모터(micromotor) 등과 같은 기계 부품, 열교환기(heat exchanger)와 미세 반응기(micro reactor) 등의 핵심 부품의 제작에 리가 공정이 적용되고 있다.
리가 공정의 경우, 방사광 가속기의 X-선을 광원으로 이용하기 때문에 양성 감광재(PR, Photoresist)로서 X-선에 반응하는 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 주로 이용하며, 음성 감광재로서 자외선 노광 공정에서 이용되는 SU-8을 주로 이용한다.
도 1a에 도시된 같이 감광재(116)의 선택적인 패터닝을 위하여 X-선 마스크(112)가 필요하게 되는데, X-선의 흡수가 뛰어 나면서 전기도금을 통하여 쉽게 제작할 수 있는 금(Au)을 X-선 흡수재로 주로 이용한다. X-선 마스크(112)는 X-선 마스크 기판(114) 상에 설치되는데, 감광재(116)가 PMMA로 이루어진 경우, 도 1a와 같이 노광 공정 중 X-선(113)에 노출된 노출부(116b)은 평균분자량이 감소하여 현상(Development) 공정에서 제거되고 비노출부(116a)만 남게 된다. 이와 반대로 도 1b에 도시된 바와 같이 SU-8로 이루어진 감광재(118)는 X-선(113)에 노출된 노출부(118b)가 X-선(113)의 에너지로 인하여 경화되고, 비노출부(118a)는 현상과정에서 제거된다.
이와 같은 리가 공정을 이용하여 복잡한 3차원 형상의 미세 구조물의 제작이나 나노구조물 혹은 나노 또는 마이크로 복합구조물의 제작하기에는 어려움이 있다.
이는 나노 리가 공정을 이용하여 3차원 나노 구조물을 제작하기 위해서는 종래의 X-선 노광이 아닌 경사 노광 기법을 도입해야 하는데, 경사 노광 기법으로도 정밀한 나노 구조물의 제작이 어려울 뿐만 아니라, 나노 형상의 X-선 마스크를 제작하는 것이 매우 어렵기 때문이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 나노 또는 마이크로 복합 구조물과 같은 다중스케일 미세 구조물을 용이하게 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 제작 방법은 감광재를 준비하는 감광재 준비 단계와, 상기 감광재에 나노 또는 마이크로 구조물을 성형하는 성형 단계와, 상기 감광재 위에 X-선 마스크를 설치하는 마스크 설치 단계와 상기 감광재에 상기 X-선 마스크를 설치한 상태로 X-선을 조사하는 노광 단계, 및 상기 노광을 거친 상기 감광재를 현상하여 부분적으로 제거하는 현상 단계와 현상된 상기 감광재를 이용하여 인서트 몰드를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 감광재는 상기 현상단계에서 X-선 비노출부가 제거되는 음성(negative) 감광재일 수 있으며, 상기 제작 방법은 상기 감광재를 준비된 기판 상에 스핀 코팅(spin coating)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 성형 단계는 핫 엠보싱 공정(hot embossing process)을 포함할 수 있다.
상기 감광재는 상기 현상단계에서 X-선 노출부가 제거되는 양성(positive) 감광재일 수 있으며, 상기 성형 단계는 사출 성형 공정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 인서트 몰드를 제작하는 단계는 상기 미세구조물의 표면에 전기 도금을 하여 인서트 몰드를 제작할 수 있다.
본 발명에 따르면 나도 또는 마이크로 복합 구조물 등과 같은 다중 스케일 미세 구조물을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 리가 공정에 사용되는 감광재에 마이크로 또는 나노 구조물을 미리 성형하고 성형된 감광재를 X-선에 노출시킴으로써 고종횡비를 갖는 다중스케일 미세 구조물을 구현할 수 있다.
또한, 제작된 나노 구조물을 이용하여 인서트 몰드를 제작함으로써 고종횡비를 갖는 다중스케일 미세 구조물을 대량으로 생산할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리가 공정을 이용한 미세 구조물 제작 방법 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 리가 공정을 이용한 미세 구조물 제작 방법은 감광재에 나노 또는 마이크로 구조물을 성형하는 단계(S1)와 감광재 위에 X-선 마스 크를 설치하는 단계(S2)와, X-선을 조사하여 감광재를 노광하는 단계(S3), 및 감광재를 현상하는 단계(S4)를 포함한다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 감광재(210)를 준비한다. 감광재(210)는 양성(positive) 감광재 또는 음성(negative) 감광재 어느 것이든 선택적으로 사용될 수 있다.
다만, SU-8과 같은 음성 감광재의 경우, 액체 상태이기 때문에 스핀 코팅을 통하여 원하는 두께로 기판에 도포한 후, 소프트 베이킹(soft baking) 과정을 통하여 굳은 상태가 유지되도록 한다.
감광재(210)가 준비되면 도 3b에 도시한 바와 같이, 감광재(210) 상에 극미세 구조물(212)을 형성한다(S1). 본 발명에 있어서 “극미세 구조물”이라 함은 나노 또는 마이크로 크기의 형상을 포함하는 구조물을 말하며, "미세구조물" 이라 함은 극미세 구조물을 포함하는 구조물을 말한다.
극미세 구조물(212) 성형 공정 중의 하나인 핫 엠보싱(hot embossing)을 이용하면 이러한 극미세 구조물(212)을 용이하게 형성할 수 있다. 또한 PMMA 등의 양성 감광재를 적용하는 경우, 사출 성형을 통해서 극미세 구조물(212)을 형성할 수 있다.
극미세 구조물(212)이 형성되면, 도 3c에 도시한 바와 같이, X-선 마스크 기판(232)과 X-선 마스크(233)를 감광재(210) 위에 설치한 후(S2), 감광재(210)를 향하여 X-선(235)을 조사하여 X-선 노광 공정을 수행한다(S3).
X-선 마스크(233)는 X-선의 흡수가 뛰어난 금(Au) 등이 적용될 수 있다. X- 선노광 공정에서 X-선 마스크(233)로 인하여 감광재(210)가 선택적으로 노출된다.
도 3d에 도시된 바와 같이, X-선 마스크가 설치된 부분의 아래의 감광재(210)에는 극히 소량의 X-선만 조사되어 비노출부(214)가 형성되며, 이와 달리 X-선 마스크가 설치되지 않은 부분의 아래에 있는 감광재(210)에는 고에너지 X-선에 노출되어 노출부(215)가 형성된다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 노광 공정을 종료한 이후에는 현상 공정을 통해서 노출부(215)를 식각하여 다중스케일의 미세 구조물을 얻을 수 있다(S4).
도 3e은 양성 감광재를 예로서 설명한 것인데, 양성 감광재의 경우 X-선에 노출되어 평균 분자량이 감소한 노출부(215)가 현상과정에서 제거된다. 다만, 음성 감광재의 경우 노출부(215)가 경화되어 현상 과정에서 비노출부(214)가 제거된다.
도 4는 상기한 과정에 따라 제작된 고종횡비를 갖는 미세구조물을 나타낸 사진이고 도 5는 도 4의 일부를 확대한 사진이다.
도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 표면에 마이크로 크기의 극미세 구조물(212)이 형성된 감광재를 이용하여 리가 공정을 수행함으로써 다중 스케일을 갖는 미세구조물을 형성할 수 있었다.
이와 같이 제작된 다중스케일 미세구조물을 이용하여 인서트 몰드를 제작할 수 있는데, 인서트 몰드는 성형된 미세구조물의 표면에 전기도금 공정, 소결 공정 등을 통하여 형성될 수 있다. 전기 도금은 기계적인 물성이 뛰어나 성형 공정에 유리한 니켈(Ni) 등을 이용하여 진행할 수 있으며, 목적에 따라 구리(Cu), 금(Au), 또는 니켈합금 등일 이용하여 진행할 수도 있다.
도 6은 상기한 방법으로 제작된 인서트 몰드를 나타내는 사진인데, 도 6을 살펴보면 인서트 몰드에 마이크로 스케일의 극미세구조물(312)이 명확히 형성된 것을 알 수 있다. 이와 같이 인서트 몰드를 제작하면, 다중 스케일을 갖는 미세구조물을 대량으로 복제할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 리가 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 제작 과정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 제작 방법에 따라 제작된 고종횡비를 갖는 미세구조물을 나타내는 사진이다.
도 5는 도 4의 일부를 확대한 사진이다.
도 6은 미세 구조물을 이용하여 제작한 인서트 몰드를 나타낸 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210: 감광재 212: 극미세 구조물
214: 비노출부 215: 노출부
232: 선 마스크 기판 233: X-선 마스크

Claims (7)

  1. 감광재를 준비하는 감광재 준비 단계;
    상기 감광재에 나노 또는 마이크로 구조물을 성형하는 성형 단계;
    상기 감광재 위에 X-선 마스크를 설치하는 마스크 설치 단계;
    상기 감광재에 상기 X-선 마스크를 설치한 상태로 X-선을 조사하는 노광 단계;
    상기 노광을 거친 상기 감광재를 현상하여 부분적으로 제거하는 현상 단계; 및
    현상된 상기 감광재를 이용하여 인서트 몰드를 제작하는 단계;
    를 포함하는 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감광재는 상기 현상단계에서 X-선 비노출부가 제거되는 음성(negative) 감광재인 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 감광재를 준비된 기판 상에 스핀 코팅(spin coating)하는 단계를 포함하는 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 성형 단계는 핫 엠보싱 공정(hot embossing process)을 포함하는 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감광재는 상기 현상단계에서 X-선 노출부가 제거되는 양성(positive) 감광재인 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 성형 단계는 사출 성형 공정을 포함하는 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 인서트 몰드를 제작하는 단계는 상기 감광제의 표면에 전기도금을 하여 인서트 몰드를 제작하는 리가 공정을 이용한 미세 구조물의 제작 방법.
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