KR101068844B1 - 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 센서에 사용되는 높은 고폭비를 갖는 모사(毛絲)형태의 감응소자 등에 사용할 수 있도록 높은 고폭비를 갖는 부분과 낮은 고폭비를 갖는 부분이 일체로 형성된 단일형상의 마이크로 구조물을 제조하기 위한 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치에 관한 것으로서,

진공환경하에서 몰드의 요철형상을 소재에 전사(轉寫)하여 마이크로미터(㎛) 내지 나노미터(nm) 단위의 미세구조물을 성형하는 마이크로 구조물 제조장치에 있어서,

프레임(1)에 고정 설치되는 프레스다이(press die, 4)와; 프레임에 승강 가능하게 설치되어 프레스다이의 상측에서 상하로 왕복 이동하는 몰드이송부(2)와; 프레스다이 및 몰드이송부에 내장된 가열 및 냉각유닛(8)과; 프레스다이에 장착되고 그 표면에 고폭비(aspect ratio)가 작은 원반형상의 오목형상부를 갖는 고정측 몰드(6)와; 몰드이송부에 장착되고 그 표면에 고폭비가 큰 기둥형상의 오목형상부를 갖는 가동측 몰드(5);를 포함하고, 몰드이송부에 의해 가동측 몰드가 상기 고정측 몰드와 접촉될 때 고정측 몰드의 오목형상부와 가동측 몰드의 오목형상부의 결합에 의해 주위로부터 폐쇄되는 하나의 공동(空洞, 9)을 형성하여, 고폭비가 작은 부분과 고폭비가 큰 부분이 일체로 이루어진 단일 형상의 마이크로 구조물을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 각 몰드의 접촉면끼리의 맞닿음과 이에 의한 칼날작용에 의해 마이크로미터(㎛) 내지 나노미터(nm) 단위크기의 단일형상 마이크로 구조물을 얻을 수 있다.

마이크로 구조물, 핫엠보스, 몰드 시스템, 핫프레스, 감응소자, 지지구조물, 센서, 고폭비

Description

이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치{Manufacturing Apparatus for Microstructure with Dual Aspect Ratio}

본 발명은 마이크로 구조물을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 각종 센서에 사용되는 높은 고폭비를 갖는 모사(毛絲)형태의 감응소자 등에 사용할 수 있도록 높은 고폭비를 갖는 부분과 낮은 고폭비를 갖는 부분이 일체로 형성된 단일형상의 마이크로 구조물을 제조하기 위한 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 정보통신분야나 의료분야 등에 사용되는 미세한 기계부품, 센서, 유체시스템, 바이오분석용 칩 등의 제조에 있어서는 미세하면서 정밀한 가공이 요구되며, 이러한 가공을 위한 장치로서 핫엠보스(hot emboss)장치가 있다.

도 1은 종래의 핫엠보스 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.

핫엠보스 장치는 프레싱가공방식을 이용한 미세구조물의 성형장치로서, 플라스틱, 글래스 등의 소재(10)를 가열하여 부드럽게 한 다음, 여기에 몰드(mold, 5)를 프레싱하여 몰드(5)의 요철형상을 소재(10)에 전사하는 오래되고 단순한 성형방식의 장치를 말한다.
이러한 핫엠보스 장치는, 프레임(1)에 고정된 프레스다이(4)와, 상기 프레스다이(4)의 상측에 승강 가능하게 설치된 몰드이송부(2)와, 상기 몰드이송부(2)의 하부에 설치되어 상기 프레스다이(10)의 상면에 놓인 소재(10)를 성형하는 몰드(5)와, 상기 프레스다이 및 몰드이송부에 각각 설치되는 가열 및 냉각유닛(8)을 포함하고 있다.

이러한 핫엠보스 장치에서 미세구조물을 가공하는 원리는 간단하지만, 성형구조물의 크기가 수 마이크로미터(㎛) 내지 수 나노미터(nm)에 이르기 때문에 고도의 정밀도가 요구되고, 또한 먼지 등의 미립불순물을 제거하기 위해 진공환경의 챔버 내에서 가공이 실시되는 점이 일반적인 프레싱가공과 상이한 점이다.

그러나, 종래의 핫엠보스 장치에서는 패턴이 존재하는 하나의 몰드로 엠보싱하여 마이크로 구조물을 성형하기 때문에, 독립된 단일 형상의 마이크로 구조물을 제조할 수 없는 문제점이 있다.
즉, 도 2에 도시된 종래의 마이크로 구조물을 나타내는 사시도에 도시된 바와 같이, 마이크로 구조물은 매크로 스케일의 지지구조물(ground plate)에 붙어서 성형된다. 다시 말해, 가공 도중에 생긴 폴리머 층(residual layer) 위에 마이크로 구조물이 서있는 형상이 된다.

따라서, 이러한 마이크로 구조물과 매크로 지지구조물이 일체로 형성되어야 할 경우를 제외하고는, 마이크로 구조물을 매크로 스케일의 지지구조물로 분리할 경우, 이를 위한 2차 가공이 요구되고, 이것이 마이크로 구조물의 대량 생산에 있어서 그 생산효율을 떨어뜨리고 가공의 어려움을 초래하는 문제점이 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 매크로 스케일의 지지구조물에 부착된 마이크로 구조물이 아닌, 마이크로 구조물이 독립적으로 형성된 단일형상이면서 높은 고폭비를 갖는 마이크로 구조물, 특히 높은 고폭비를 갖는 부분과 낮은 고폭비를 갖는 부분이 일체로 형성된 단일형상의 마이크로 구조물을 제조하기 위한 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하고자 안출된 본 발명은, 진공환경하에서 몰드의 요철형상을 소재에 전사(轉寫)하여 마이크로미터(㎛) 내지 나노미터(nm) 단위의 미세구조물을 성형하는 마이크로 구조물 제조장치에 있어서, 프레임에 고정 설치되는 프레스다이(press die)와; 상기 프레임에 승강 가능하게 설치되어 상기 프레스다이의 상측에서 상하로 왕복 이동하는 몰드이송부와; 상기 프레스다이 및 몰드이송부에 내장된 가열 및 냉각유닛과; 상기 프레스다이에 장착되고 그 표면에 고폭비(aspect ratio)가 작은 원반형상의 오목형상부를 갖는 고정측 몰드와; 상기 몰드이송부에 장착되고 그 표면에 고폭비가 큰 기둥형상의 오목형상부를 갖는 가동측 몰드;를 포함하고, 상기 몰드이송부에 의해 상기 가동측 몰드가 상기 고정측 몰드와 접촉될 때 상기 고정측 몰드의 오목형상부와 상기 가동측 몰드의 오목형상부의 결합에 의해 주위로부터 폐쇄되는 하나의 공동(空洞)을 형성하여, 고폭비가 작은 부분과 고폭비가 큰 부분이 일체로 이루어진 단일 형상의 마이크로 구조물을 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에서는 상기 고정측 몰드 및 상기 가동측 몰드 중 어느 하나의 몰드의 접촉면과 만나는 나머지 몰드의 오목형상부의 에지(edge)를 따라 그 몰드의 면으로부터 예리하게 돌출된 에지부가 형성된다.

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본 발명에 의한 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치를 이용하면 높은 고폭비를 갖는 부분과 낮은 고폭비를 갖는 부분이 일체로 형성된 단일형상의 마이크로 구조물의 제작이 용이해짐은 물론, 대량 생산이 가능하게 되어 이러한 미세구조물, 미세광학부품을 필요로 하는 분야에 마이크로 구조물을 저렴하게 제공할 수 있게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조로 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.

마이크로 스케일 내지 나노 스케일의 높은 고폭비의 구조물(high aspect ratio structure: HARS)에 대한 연구가 진행 중에 있다. 대표적으로 리가(LIGA)공정과 LIGA-like 공정에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며, 여러 가지 다양한 방법으로 접근하고 있다.

높은 고폭비의 구조물은 센서의 감응소자 혹은 구동구조로 사용할 경우 효율이 극대화되는 큰 이점을 갖고 있다. 이러한 이유로 제작의 어려움에도 불구하고 높은 고폭비의 구조물을 제작하기 위한 노력이 계속되고 있다.

본 발명은 높은 고폭비도 가지면서 단일형상을 가지는 마이크로 구조물(12)을 성형기반의 공정으로 제작한다. 본 발명은 매크로 스케일의 지지구조물 없이 독립적으로 형성된 단일형상의 마이크로 구조물을 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치를 제안한다.

도 3은 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따른 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치를 도시한 단면도로서, 몰드부를 제외한 나머지는 도 1에 도시된 핫엠보스 장치와 동일하므로 동일한 구성요소에 대하여 동일한 도면부호를 사용한다.

본 실시 형태에서 사용하는 핫엠보스 장치(1)는 독일 Jenoptik사의 HEX04이다.

본 실시 형태에서는 두개의 몰드를 사용한다. 그 하나가 고정측 몰드(6)이고, 다른 하나가 가동측 몰드(5)이다. 고정측 몰드(6)는, 기존의 핫엠보싱장치의 프레스다이(4)에 오목한 형태의 수납부를 형성하고 이 수납부에 탈장착이 가능한 형태로 부착된다.

그리고, 상기 가동측 몰드(5)는 몰드이송부(2)의 프레스다이(4)측 면에, 역시 탈장착 가능하게 부착된다.

상기 프레스다이(4) 및 몰드이송부(2)에는 가열 및 냉각유닛(8)이 내장되며 여기서 발생한 열이나 냉기가 가동측 몰드(5) 및 고정측 몰드(6)로 전달되어, 가공전 소재(10)를 예비가열하고, 또한 몰딩이 끝난 구조물(12)이 수축을 통해 몰드로부터 용이하게 분리될 수 있도록 냉각할 때 이용된다.

상기 가동측 몰드(5)와 고정측 몰드(6)는 각각 소정의 마이크로 구조물(12) 형상이 형성되는데, 본 실시 형태에서는 고폭비가 큰 부분(이하, '기둥형상부'라 함)와 고폭비가 작은 부분(이하, '원반형상부'라 함)이 일체로 형성된 구조물의 몰딩을 예로 하여 설명한다.

도 4는 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따른 몰드공정을 순서별로 도시한 단면 개략도이고, 도 5는 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따라 얻어진 마이크로 구조물을 나타내는 확대사진이다.

먼저, 구조물을 디자인하고 이 디자인을 기초로 몰드를 제작한다. 본 실시 형태에서는 상기 가동측 몰드(5)에 기둥형상부와 대응되는 오목형상부를 형성하는데, 이 때 몰드를 드릴 등으로 천공하는 것보다 오목형상부의 직경부분을 중심으로 두 부분으로 나눈 분할형의 몰드로 하는 것이 몰딩 후의 마이크로 구조물(12)의 표면 거칠기 측면에서 유리하다는 것을 알았다. 상기 오목형상부의 직경은 300㎛로 한다. 그리고, 상기 고정측 몰드(6)에는 원반형상부와 대응되는 오목형상부를 형성한다.

본 실시 형태에서는 마이크로구조물을 제조하기 위한 소재(10)로서 열가소성 수지인 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)나 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)의 수지시트를 사용한다.

상기 몰드가 준비되면 프레스다이(4)와 몰드이송부(2)에 각각 장착하고 그 사이에 소재(10)를 위치시킨다. 그리고, 진공펌프(도시생략)로 진공환경을 만들면서 프레스다이(4)와 몰드이송부(2)에 각각 내장된 가열 및 냉각유닛(8)을 통해 상기 각 몰드를 가열한다. 가열온도의 예로서, PC 소재의 경우는 170℃로 하고, PMMA 소재의 경우는 150℃로 하는데, 이는 기존의 단일 몰드의 경우보다 각각 20℃씩 높은 온도이다.

상기 설정온도에 도달하여 일정시간 경과후 소재(10)가 부드러워지면 상기 몰드이송부(2)를 프레스다이(4)쪽으로 이동시켜 소재(10)에 압력을 가한다. 이때의 최적의 압력은 PC나 PMMA 모두 42MPa인데, 이는 종래의 단일 몰드의 경우 91~104MPa인데 비해 절반정도의 압력이다.

부드러워진 소재(10)에 압력이 가해지면, 고정측 몰드(6)의 오목형상부와 가동측 몰드(5)의 오목형상부가 결합하여 형성된 공동(空洞)(9)이 상기 소재(10)로 차츰 채워지는데, 이때 고정측 몰드(6)의 오목형상부가 먼저 채워지고 이어서 가동측 몰드(5)의 긴 오목형상부가 차츰 채워져서 기둥형상부가 성장한다.

가동측 몰드(5)의 오목형상부가 어느 정도 채워져서 기둥형상부의 성장이 멈춰지면, 이어서 가동측 몰드(5)의 접촉면과 고정측 몰드(6)의 접촉면이 거의 만나게 되어, 수지시트로부터 마이크로 구조물(12)이 점점 분리된다.

본 실시 형태에서는 가동측 몰드(5)의 접촉면과 만나는 고정측 몰드(6)의 오목형상부의 에지를 접촉면으로부터 예리하게 돌출된 에지부로 함으로써, 수지시트로부터의 마이크로 구조물(12)의 분리를 더 용이하게 하였다.

상기 에지부가 없어도, 실제 실험에서 상기 각 몰드의 접촉면 사이에서 프레싱되어 얇아진 소재(10)의 부분은 대략 수 마이크론 두께가 되면 쉽게 분리된다.

따라서 상기 각 몰드의 접촉면의 편평도는 컷팅 역할을 하는 각 몰드의 접촉면의 면적에 따라 달리한다. 예를 들어 맞닿는 면적이 크면 편평도는 매우 좋아야 하며 그렇지 않은 경우에는 크게 문제되지 않을 수 있다. 실험에서는 컷팅영역의 내경은 1mm, 외경은 3mm정도이었다. 즉 닿는 면적이 비교적 작았다(면적=pi* (3^2-1^2) mm^2). 이와 같이 편평도, 또는 표면 거칠기(Ra)는 비교적 좋아야 하지만 매우 좋을 필요는 없다. 즉 거울면의 거칠기(수nm)까지는 필요치 않고, 보통의 기계가공에서 연삭을 통한 거칠기 정도면 충분하다.

도 1은 종래의 핫엠보스 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 2의 매크로 스케일의 지지구조물 위에 서있는 형상의 종래의 마이크로 구조물을 나타내는 확대사진 및 단면도이다.

도 3은 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따른 몰드시스템을 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따른 몰드공정을 순서별로 도시한 단면 개략도이다.

도 5는 본 발명이 적용된 바람직한 실시 형태에 따라 얻어진 마이크로 구조물을 나타내는 확대사진이다.

Claims (3)

1. 진공환경하에서 몰드의 요철형상을 소재에 전사(轉寫)하여 마이크로미터(㎛) 내지 나노미터(nm) 단위의 미세구조물을 성형하는 마이크로 구조물 제조장치에 있어서,

   프레임(1)에 고정 설치되는 프레스다이(press die, 4)와;

   상기 프레임(1)에 승강 가능하게 설치되어 상기 프레스다이(4)의 상측에서 상하로 왕복 이동하는 몰드이송부(2)와;

   상기 프레스다이(4) 및 몰드이송부(2)에 내장된 가열 및 냉각유닛(8)과;

   상기 프레스다이(4)에 장착되고 그 표면에 고폭비(aspect ratio)가 작은 원반형상의 오목형상부를 갖는 고정측 몰드(6)와;

   상기 몰드이송부(2)에 장착되고 그 표면에 고폭비가 큰 기둥형상의 오목형상부를 갖는 가동측 몰드(5);를 포함하고,

   상기 몰드이송부(2)에 의해 상기 가동측 몰드(5)가 상기 고정측 몰드(6)와 접촉될 때 상기 고정측 몰드(6)의 오목형상부와 상기 가동측 몰드(5)의 오목형상부의 결합에 의해 주위로부터 폐쇄되는 하나의 공동(空洞, 9)을 형성하여, 고폭비가 작은 부분과 고폭비가 큰 부분이 일체로 이루어진 단일 형상의 마이크로 구조물을 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정측 몰드(6) 및 상기 가동측 몰드(5) 중 어느 하나의 몰드의 접촉면과 만나는 나머지 몰드의 오목형상부의 에지(edge)를 따라 그 몰드의 면으로부터 예리하게 돌출된 에지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고폭비를 갖는 마이크로 구조물의 제조장치.
3. 삭제

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