KR101092387B1 - 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법 - Google Patents

유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법에 관한 것으로, 그 목적은 미세버섯구조 패턴의 형성을 위한 주요 공정이 상온에서 진행되도록 하여 불균일한 열팽창에 의한 문제의 발생을 예방할 수 있는 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 열가소성수지를 이용하여 미세버섯구조의 하부 구조물에 상응하는 다수개의 돌기가 표면에 형성된 프리폼을 형성하는 단계(S110); 열가소성수지를 녹이는 성질을 갖는 유기용제를 상부가 개방된 용기에 담아 상기 프리폼과 함께 밀폐용기에 넣은 후, 밀폐용기의 온도 조절을 통해 유기용제를 기화시켜 기화된 유기용제가 확산에 의해 프리폼의 표면으로 흡수되게 하여 프리폼의 표면과 내부에 농도 구배를 발생시키는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통하여 유기용제가 흡수된 프리폼을 밀폐용기로부터 꺼낸 후, 상온에서 평판형의 가압부재로써 돌기의 상단부를 가압하여 유기용제에 의하여 물러진 돌기의 상단부가 측면방향으로 넓게 퍼지도록 하여 버섯구조를 형성하는 단계(S130); 및 상기 가압부재를 분리하고, 프리폼을 건조시켜 잔여 유기용제를 제거하는 단계(S140)로 이루어진 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법{Process for fabricating the micro mushroom structure using organic solvent}
본 발명은 미세버섯구조 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 기화된 유기용제가 프리폼의 표면에 흡수되어지도록 하여 프리폼의 외곽을 무르게 한 상태에서 프리폼에 구비된 돌기를 가압하는 것으로 미세버섯구조 패턴을 형성할 수 있도록 한 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 미세버섯구조 패턴이라 함은 상단부의 폭은 넓고 하단부의 폭은 좁은 단면형상을 가짐으로써 언더컷을 구비하는 패턴을 의미하며, 이러한 미세버섯구조 패턴은 각종 반도체 소자나 필터 그리고 소수성이나 소유성 표면을 구현하는 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.
상기와 같은 미세버섯구조 패턴을 열분해공정(리소그라피(lithography)+히팅(heating))을 이용하여 형성하는 방법이 논문자료(제10회 한국멤스학술회에서 발표된 "Double exposure와 pyrolysis를 이용한 3차원 탄소 미세구조물의 제작")에 개시되어 있으며, 도 1에는 상기 열분해공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하는 공정도가 도시되어 있다.
도 1에서와 같이 열분해공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하기 위해서는 먼저 하부 구조물(11)의 형성을 위하여 기판소재(20)의 표면에 감광제(SU8)을 도포하고 베이크하여 일정두께의 감광층(30)을 형성하고, 이처럼 형성된 감광층(30)을 노광 및 베이크하여 하부 구조물(11)을 형성한 다음, 상부 구조물(12)의 형성을 위하여 하부 구조물(11) 제작시 보다 낮은 도즈량으로 노광 및 베이크한 후 현상함으로써 언더컷을 갖는 미세버섯구조의 패턴(10)을 형성하였다.
도면 중 미설명부호 40은 마스크이다.
또 도 2에는 식각공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하는 공정도가 도시되어 있다.
도 2에서와 같이 식각공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴(10)을 형성하기 위해서는 먼저 기판소재(20)의 표면에 포토레지스트(50)를 이용하여 패턴을 형성하고, 이후 패턴 외의 부분을 식각함으로써 미세버섯구조의 패턴을 형성하였다.
그러나 상기와 같은 종래의 방법들은 하부 구조물(11)에 비하여 큰 크기를 갖는 상부 구조물(12)의 형성을 위하여 여러 공정을 거쳐야만 하므로, 작업이 매우 번거로우며, 특히 대면적의 미세버섯구조 패턴(10)을 형성하기 위해서 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 고려하여 본 출원인은 새로운 방식의 미세버섯구조 패턴의 형성방법을 개발한 바 있으며, 개발된 미세버섯구조 패턴의 형성방법은 한국 등록특허 제0940846호에 개시되어 있다.
상기 등록특허에 개시된 미세버섯구조 패턴의 형성방법은 높이 방향의 온도 차이에 의한 강도 구배를 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하거나, 이종 소재의 강도 차이를 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하도록 구성되어 있다. 이러한 방법은 미세버섯구조의 패턴을 형성함에 있어 공정을 단순화함으로써 생산성을 향상시킬 수 있고, 더욱이 저가 공정을 이용하여 대면적의 미세버섯구조 패턴을 형성할 수 있는 이점을 가지고 있다.
그러나 상기와 같은 방법은 미세버섯구조 패턴을 형성하는 메커니즘이 소재의 높이방향에 대한 온도차를 이용하는 것이어서 불균일한 열팽창이 유발될 수 있고, 이로 인하여 제품의 원치 않는 변형이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 미세버섯구조 패턴의 형성을 위한 주요 공정이 상온에서 진행되도록 하여 불균일한 열팽창에 의한 문제의 발생을 예방할 수 있는 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법은 열가소성수지를 이용하여 미세버섯구조의 하부 구조물에 상응하는 다수개의 돌기가 표면에 형성된 프리폼을 형성하는 단계(S110); 열가소성수지를 녹이는 성질을 갖는 유기용제를 상부가 개방된 용기에 담아 상기 프리폼과 함께 밀폐용기에 넣은 후, 밀폐용기의 온도 조절을 통해 유기용제를 기화시켜 기화된 유기용제가 확산에 의해 프리폼의 표면으로 흡수되게 하여 프리폼의 표면과 내부에 농도 구배를 발생시키는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통하여 유기용제가 흡수된 프리폼을 밀폐용기로부터 꺼낸 후, 상온에서 평판형의 가압부재로써 돌기의 상단부를 가압하여 유기용제에 의하여 물러진 돌기의 상단부가 측면방향으로 넓게 퍼지도록 하여 버섯구조를 형성하는 단계(S130); 및 상기 가압부재를 분리하고, 프리폼을 건조시켜 잔여 유기용제를 제거하는 단계(S140)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편 상기 S110 단계는, 상기 하부 구조물의 형상에 대응하는 패턴이 각인된 스탬퍼를 소재의 유리전이온도 Tg 이상의 온도로 가열하는 단계(S110-1); 및 상기 가열된 스탬퍼로써 소재를 가압하여 소재의 표면에 하부 구조물 형상의 패턴을 전사함으로써 표면에 다수개의 돌기를 갖는 프리폼을 형성하는 단계(S110-2)로 구성될 수 있다.
한편 상기 S140 단계는 프리폼을 진공오븐에 넣은 후, 유기용제의 끓는 점 이상의 온도로 가열하여 잔여 유기용제를 제거하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 유기용제의 흡수에 의해 농도 구배가 발생된 프리폼의 돌기를 상온에서 가압부재로써 가압하여 미세버섯구조 패턴을 형성할 수 있게 되므로, 종래의 온도 구배를 이용한 방법에서 발생되는 불균일한 열팽창에 의한 패턴의 성형불량문제를 해결할 수 있게 되었다.
도 1 은 종래 열분해공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하는 공정도,
도 2 는 종래 식각공정을 이용하여 미세버섯구조 패턴을 형성하는 공정도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세버섯구조 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 상대적으로 작은 폭 또는 직경을 갖는 하부 구조물과 상대적으로 큰 폭 또는 직경을 갖는 상부 구조물로 이루어지는 미세버섯구조 패턴을 기판(Substrate)의 표면에 형성함에 있어서, 프리폼 속으로 기화 유기용제가 흡수되게 하여 프리폼의 내부에 농도 구배를 발생시키고, 이러한 상태의 프리폼을 상온에서 가압부재를 이용하여 가압함으로써 미세버섯구조 패턴을 형성할 수 있도록 한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세버섯구조 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법은 열가소성수지를 이용하여 미세버섯구조의 하부 구조물에 상응하는 다수개의 돌기(111a)가 표면에 형성된 프리폼(111)을 형성하는 단계(S110); 열가소성수지를 녹이는 성질을 갖는 유기용제를 상부가 개방된 용기(230)에 담아 상기 프리폼(111)과 함께 밀폐용기(220)에 넣은 후, 밀폐용기(220)의 온도 조절을 통해 유기용제를 기화시켜 기화된 유기용제가 확산에 의해 프리폼(111)의 표면으로 흡수되게 하여 프리폼의 표면과 내부에 농도 구배를 발생시키는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통하여 유기용제가 흡수된 프리폼(111)을 밀폐용기(220)로부터 꺼낸 후, 상온에서 평판형의 가압부재(240)로써 돌기(111a)의 상단부를 가압하여 유기용제에 의하여 물러진 돌기(111a)의 상단부가 측면방향으로 넓게 퍼지도록 하여 버섯구조를 형성하는 단계(S130); 및 상기 가압부재(240)를 분리하고, 프리폼(111)을 건조시켜 잔여 유기용제를 제거하는 단계(S140)로 이루어져 있다.
상기 S110 단계는 미세버섯구조의 하부 구조물(11)에 상응하는 다수개의 돌기(111a)가 표면에 형성된 프리폼(Preform,111)을 형성하는 단계이다.
이러한 S110 단계는 미세버섯구조의 하부 구조물(11)의 형상에 대응하는 패턴(211)이 각인된 스탬퍼(210)를 소재(110)의 유리전이온도 Tg 이상의 온도로 가열하는 단계(S110-1)와, 상기 가열된 스탬퍼(210)로써 소재(110)를 가압하여 소재(110)의 표면에 하부 구조물(11) 형상의 패턴을 전사함으로써 표면에 다수개의 돌기(111a)를 갖는 프리폼(111)을 형성하는 단계(S110-2)로 구성될 있다.
이때 상기 S110-1 단계는 스탬퍼(210)를 가공 대상 소재의 유리전이온도 Tg 이상의 온도로 가열하는 단계이다. 이러한 S1 단계는 미도시된 히팅판을 이용하여 스탬퍼(210)를 간접가열하거나 또는 유도가열수단이나 레이저 가열수단을 이용하여 직접가열하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 S110-2 단계는 Tg 온도 이상으로 가열된 스탬퍼(210)로써 소재를 가압하여 소재의 표면에 하부 구조물(11) 형상의 패턴을 전사함으로써 표면에 다수개의 돌기(111a)를 갖는 프리폼(111)을 형성하는 단계이다. 이러한 S2 단계는 가열된 스탬퍼(210)를 이용한 소재의 가압시 스탬퍼(210)의 열이 소재로 충분히 전도되어 소재의 표면에 전체적으로 균일한 형상의 패턴이 전사될 수 있도록 소재의 열전도율을 고려하여 가압시간을 충분상의 유지하는 것이 바람직하다.
상기 S120 단계는 유기용제가 저장된 용기(230)와 프리폼(111)을 밀폐용기(220)에 넣고, 밀폐용기(220)의 온도 조절을 통해 유기용제를 기화시킴으로써, 밀폐용기(220) 내에서 기화되는 유기용제가 프리폼(111)으로 흡수되어지도록 하는 단계이다.
한편 유기용제의 경우 상온에서도 증발되므로, 유기용제의 기화를 위하여 밀폐용기(220)의 온도를 유기용제의 끓는 점 이상의 온도로 조절할 필요는 없으며, 다만 유기용제의 계속적인 증발이 안정적으로 이루어질 수 있도록 밀폐용기(220)의 온도를 일정온도 이상으로 유지시키는 것이 바람직하며, 더욱이 유기용제의 증발속도는 온도에 따라 달라지게 되므로, 밀폐용기(220)의 온도는 상온에서 유기용제의 끓는 점이내의 범위에서 조절되는 것이 바람직하다.
한편 밀폐용기(220)의 온도조절을 위하여 오븐(200)이 사용될 수 있으며, 상기 용기(230)는 상단부가 개방된 구조로 이루어져 기화되는 유기용제가 밀폐용기(220)의 내부로 쉽게 확산되어지도록 구성된다.
상기 밀폐용기(220) 내에서 기화되는 유기용제는 밀폐용기(220)의 내부에서 확산되어 프리폼(111)에 흡수되어지며, 이처럼 프리폼(111)으로 흡수되는 기화 유기용제에 의하여 프리폼(111)의 표면과 내부에는 농도 구배가 발생하며, 이러한 농도 구배에 의하여 프리폼의 표면층이 내부층 보다 상대적으로 점도가 낮아져 변형 가능한 상태로 물러지게 된다.
한편 기화 유기용제가 흡수되는 두께는 오븐(200)에 의한 가열온도와 시간에 의해 결정되므로, 온도와 시간을 조절함으로써 유기용제의 흡수두께를 조절할 수 있게 된다.
상기 S130 단계는 평판형의 가압부재(240)를 이용하여 프리폼(111)의 돌기(111a) 상단부를 가압하여 미세버섯구조를 형성하는 단계로써, 기화 유기용제의 흡수로 인하여 표면과 내부에 농도 구배가 발생된 프리폼(111)을 밀폐용기(220)로부터 꺼낸 후, 상온에서 평판형의 가압부재(240)를 이용하여 돌기(111a)의 상단부를 가압하게 되면, 기화 유기용제에 의해 물러진 돌기(111a)의 상단부 표면층이 가압부재(240)에 의하여 측면방향으로 넓게 퍼지면서 변형되므로 버섯구조를 형성하게 되며, 이때 돌기(111a)의 하단부의 경우, 표면에 유기용제가 흡수되었으나 그 안쪽에는 유기용제가 흡수되지 않아 원래의 강성을 유지함에 따라 가압시 변형되지 않고 원래의 상태를 유지할 수 있게 된다.
상기와 같은 S130 단계는 적당한 버섯구조가 형성될 때까지 충분히 가압하게 된다.
한편 상기 가압부재(240)를 이용한 돌기(111a)의 가압시 프리폼(111)이 가압부재(240)에 점착되는 것을 방지하기 위하여 가압부재(240)의 표면에 점착방지막이 코팅되는 것이 바람직하다. 이러한 점착방지막으로는 무정형 불화고분자(amorphous fluoropolymer)의 일종인 Teflon AF(Dupont)이나 불소를 포함하는 fluorinated alkylchlorosilane(Trichloro-(1H,1H,2H,2Hperfluorooctyl)silane)등이 사용될 수 있다.
상기 S140 단계는 가압부재(240)를 분리하고, 프리폼(111)을 건조시켜 프리폼(111)에 남은 잔여 유기용제를 제거하는 단계이며, 이러한 S140 단계는 프리폼(111)을 상온에서 그대로 방치하는 것으로 이루어질 수도 있으나, 이 경우 건조시간이 오래걸리고 표면에 있는 유기용제만이 제거되므로, 진공오븐을 이용하여 프리폼을 유기용제의 끓는 점 이상의 온도로 가열함으로써 건조시키는 것이 바람직하다.
한편 상기 프리폼을 구성하는 소재의 종류에 따라 적절한 유기용제를 선택하게 되면, 보다 효과적인 공정의 진행이 가능하게 된다. 예를 들면 PMMA(Polymethylmethacrylate), PS(polystyrene), PC(Polycabonate)와 같은 일반 열가소성수지의 경우, 일반 유기용제(organic solvent)에 잘 녹는 특성을 가지므로, 더욱 구체적으로는 PS(polystyrene)수지를 사용할 경우 유기용제로는 TCE(trichloroethylene)를 사용하는 것이 이상적이다.
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.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(100) : 오븐 (110) : 소재
(111) : 프리폼 (111a) : 돌기
(111`) : 자외선수지층 (120) : 용기
(130) : 가압부재 (210) : 스템퍼
(211) : 프리폼 패턴

Claims (4)

  1. 열가소성수지를 이용하여 미세버섯구조의 하부 구조물에 상응하는 다수개의 돌기(111a)가 표면에 형성된 프리폼(111)을 형성하는 단계(S110);
    열가소성수지를 녹이는 성질을 갖는 유기용제를 상부가 개방된 용기(230)에 담아 상기 프리폼(111)과 함께 밀폐용기(220)에 넣은 후, 밀폐용기(220)의 온도 조절을 통해 유기용제를 기화시켜 기화된 유기용제가 확산에 의해 프리폼(111)의 표면으로 흡수되게 하여 프리폼의 표면과 내부에 농도 구배를 발생시키는 단계(S120);
    상기 S120 단계를 통하여 유기용제가 흡수된 프리폼(111)을 밀폐용기(220)로부터 꺼낸 후, 상온에서 평판형의 가압부재(240)로써 돌기(111a)의 상단부를 가압하여 유기용제에 의하여 물러진 돌기(111a)의 상단부가 측면방향으로 넓게 퍼지도록 하여 버섯구조를 형성하는 단계(S130); 및
    상기 가압부재(240)를 분리하고, 프리폼(111)을 건조시켜 잔여 유기용제를 제거하는 단계(S140)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 S110 단계는,
    상기 하부 구조물(11)의 형상에 대응하는 패턴이 각인된 스탬퍼(210)를 소재의 유리전이온도 Tg 이상의 온도로 가열하는 단계(S110-1); 및
    상기 가열된 스탬퍼(210)로써 소재를 가압하여 소재의 표면에 하부 구조물(11) 형상의 패턴을 전사함으로써 표면에 다수개의 돌기(111a)를 갖는 프리폼(111)을 형성하는 단계(S110-2)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 S140 단계는,
    상기 프리폼(111)을 진공오븐에 넣은 후, 유기용제의 끓는 점 이상의 온도로 가열하여 잔여 유기용제를 제거하는 것을 특징으로 하는 유기용제를 이용한 미세버섯구조 패턴의 형성방법.
  4. 삭제
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