KR101151220B1

KR101151220B1 - 초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101151220B1
Application number: KR1020120037170A
Authority: KR
Inventors: 박근; 정우신
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2012-06-11
Also published as: US20130264746A1

Abstract

본 발명의, 초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치는 (1) 소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판과, (2) 적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되며 상기 피가공 기판이 고정되는 몰드와, (3) 상기 몰드를 대향하는 면의 반대쪽 면에서 상기 피가공 기판에 접촉하도록 제공되며 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층과, (4) 상기 마스킹층에 초음파 진동을 전달하는 공구혼을 포함한다. 그리고 상기 공구혼이 마스킹층에 초음파 진동을 전달하면, 상기 피가공 기판은 상기 몰드에 가압되도록 되어 있다.

Description

초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치 및 방법{Device for Selective Micro-Pattern Forming Using Ultrasonic Wave and Method Performed by the Same Device}

본 발명은 초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서 좀더 자세하게는 마스킹층을 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.

전자 소자 또는 디스플레이 분야가 비약적으로 발전하고 초고정세(fine-pitch) 및 박판화됨에 따라서 미세 패턴 성형 공정에서 고집적화 및 성형성의 향상이 요구되고 있다. 미세 패턴의 성형 방법으로는 고분자 재료를 이용한 리소그래피(lithography), 나노-임프린트(nano-imprint), 핫엠보싱(Hot embossing) 및 사출성형(Injection molding) 등이 있다. 그러나 이러한 공정들은 부차적인 공정을 수반하여 공정시간, 생산비용 및 생산성 측면에서 여러 문제점을 노출하고 있다.

최근에는 초음파 진동 에너지를 이용한 성형기술로서 초음파 진동에너지를 핫엠보싱 공정에 적용하여 미세 패턴 전사성을 향상시키는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 고분자 플라스틱 제품에 초음파 가진을 인가하여 플라스틱 모재간의 마찰열을 통해 국부적으로 가소화시키는 방법이 그것이다.

이러한 기술의 일례가 2002년에 발간된 학술논문 "J. Tsujino, M. Hongoh, R. Onoguchi and T. Ueoka, 2002, Ultrasonic Plastic Welding Using Fundamental and Higher Resonance Frequencies, Ultrason., Vol. 40, No. 1~8, pp. 375~378"에 개시되어 있다.

그리고 2011년 8월 10일에 공개된 한국특허출원공개 제10-2011-0090786호에는 미세 패턴이 각인된 초음파 공구혼에 인가되는 진동에너지를 이용해 공구혼과 고분자 기판 사이에 마찰열을 유도하여 기판 표면을 국부적으로 가소화시키고, 동시에 가압함으로써 패턴을 직접 성형하는 공법이 제시되어 있다. 이때 미세패턴은 공구혼 혹은 몰드에 각인되며, 주로 마이크로 가공기나 반도체 공정을 응용한 스탬퍼를 제작하여 사용한다.

위와 같은 종래 기술에서는 피가공 기판의 소정의 영역 전체에 걸쳐서 미세 패턴을 형성하기에는 적합하지만, 소정의 영역 중 일부에만 미세 패턴을 성형하려는 경우에는 그 일부 영역의 미세 패턴에 상응하는 형상의 성형을 위해 미세가공기의 별도의 공구경로를 설정하거나 해당 영역에 맞는 스탬퍼를 제작해야 하는 등의 별도의 기술이 요구되어 저비용으로 복잡한 형상의 미세 패턴을 초음파 가공을 통해 성형하기가 쉽지 않았다.

본 발명의 목적은, 이러한 종래 기술의 단점을 극복하여 저비용으로 일부 영역에 대해 미세 패턴을 선택적으로 초음파 성형할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 선택적 미세 패턴 성형 장치는, (1) 소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판과, (2) 상기 피가공 기판이 고정되는 몰드와, (3) 상기 피가공 기판과 상기 몰드 사이에 제공되며 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층과, (4) 상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하며 적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 공구혼을 포함한다. 그리고 상기 공구혼이 상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하면, 상기 피가공 기판은 상기 마스킹층에 가압되도록 되어 있다.

본 발명의, 초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 방법은 (1) 소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판을 제공하는 제1 단계와, (2) 적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 몰드에 상기 피가공 기판을 고정시키는 제2 단계와, (3) 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층을, 상기 몰드를 대향하는 면의 반대쪽 면에서 상기 피가공 기판에 접촉하도록 제공하는 제3 단계와, (4) 상기 마스킹층에 초음파 진동을 전달하여 상기 피가공 기판을 상기 몰드에 가압하여 상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴으로 전사되도록 하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 선택적 미세 패턴 성형 방법은 (1) 소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판을 제공하는 제1 단계와, (2) 상기 피가공 기판을 몰드에 고정하는 제2 단계와, (3) 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층을 상기 피가공 기판과 상기 몰드 사이에 제공하는 제3 단계와, (4) 적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 공구혼으로 상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하여 상기 피가공 기판을 상기 마스킹층에 대해 가압하여 상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴으로 전사되도록 하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 일부 영역에만 미세 패턴을 형성하려는 경우에 전사될 패턴을 공구혼이나 몰드에 복잡하고 고비용인 가공 방법으로 어렵게 형성하지 않고 간단하게 마련할 수 있는 마스킹층을 도입함으로써 다양한 영역에 대해서 미세 패턴을 자유롭게 저비용으로 성형할 수 있는 효과가 제공된다. 또한 동일한 미세패턴을 사용하고 패턴의 영역만이 변화하는 경우 공구혼이나 몰드의 재가공없이 마스킹층만을 교체하여 사용함으로써 다양한 형태의 미세패턴 제작에 경제적으로 활용될 수 있는 효과가 제공된다.

도 1은 초음파 성형 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 선택적 미세 패턴 형성 과정을 도시한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 선택적 미세 패턴 형성 과정을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따라 선택적 미세 패턴을 성형한 결과를 측정하여 도시한 도면.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 자세하게 설명한다.

도 1에는 초음파 성형 장치의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 초음파 성형 장치(1)는 제어 유닛(6)과, 유압프레스(7)와, 압전 트랜스듀서(8)와 공구혼(40) 및 부스터(60)를 포함한다. 공구혼(40)의 단부에는 미세 패턴 성형을 위한 성형 패턴(도 1에는 도시되지 않음)이 제공되며, 성형 패턴이 대향하는 쪽에 미세 패턴이 성형될 피가공 기판(10)과, 피가공 기판(10)이 고정되어 놓이는 몰드(20)가 배치된다. 미세 패턴 성형시 몰드(20)의 온도를 일정하게 유지하기 위해 몰드(20)에 온수를 통과시키는데, 온수 공급 장치(3)로부터 온수 공급관(4)을 통해 온수를 공급받고, 온수 회수관(5)을 통해 온수가 온수 공급 장치(3)로 회수된다. 온수 공급 장치(3)는 전원(2)으로부터 전원을 공급받는다.

도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 의한 초음파 성형 과정에서 초기 단계에서의 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 제1 실시예에 의해 선택적 미세 패턴 성형이 완료된 상태의 모식도가 도시되어 있다. 본 명세서에서는 도 3의 우측 위쪽에 도시된 바와 같이 피가공 기판(10)의 직사각형 형태의 소정의 영역(15)의 일부인 제1 영역(11)에 도시된 바와 같은 패턴을 선택적으로 형성하는 경우에 대해서 설명을 하지만, 소정의 영역(15)의 형태에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되며 특정 영역 전체가 아니라 일부에 미세 패턴을 성형하는 경우에는 본 발명의 기술적 사상을 해치지 아니하고 모두 적용할 수 있다는 점이 평균적 기술자에게 이해될 수 있다. 소정의 영역(15)은 미세 패턴인 제1 패턴이 성형되는 제1 영역(11)과 미세 패턴이 성형되지 않는 제2 영역(12)을 포함한다. 피가공 기판(10)은 고분자 소재를 사용할 수 있다.

몰드(20)에는 상기 소정의 영역(15)에 대응하는 영역(21; 도 3 참조)에 제2 패턴(220)이 형성되어 있다. 본 명세서에서 제2 패턴(220)은 "피가공 기판(10)에 성형되는 제1 패턴이 전사(복제)될 수 있는 상보적인 패턴"으로 정의되며, 제1 영역(11)에 대응하는 영역에만 형성되지 않고 적어도 소정의 영역(15)에 형성되어 있다. 제2 패턴(220)이 형성되는 소정의 영역에 대응하는 영역(21)은 소정의 영역(15)보다 같거나 넓으면 된다. 제2 패턴(220)은 몰드(20)에 직접 형성될 수도 있고, 별도의 부재에 형성된 후에 몰드(220)에 부착될 수도 있다.

피가공 기판(10)은 고정 장치(50)에 의해 몰드(20)에 고정되며, 몰드(20)를 대향하는 면의 반대쪽 면에서 피가공 기판(10)에 접촉하도록 마스킹층(30)이 제공된다. 마스킹층(30)은 도 2의 오른쪽 위쪽에 도시되어 있는데, 마스킹 영역(35)과 비(非)마스킹 영역(37)으로 구성되어 있다. 마스킹 영역(35)은 제1 패턴이 성형되는 제1 영역(11)에 대응하는 영역이다. 도 2에서 마스킹 영역(35)에 표시된 사선은 패턴을 의미하지 아니하고 마스킹 영역임을 표시하기 위한 것이다. 비마스킹 영역(37)은 제거된 영역이다. 마스킹층(30)은 피가공 기판(10)보다 유리 전이 온도(Tg)가 높은 열가소성 수지로 구성하는 것이 바람직하다.

공구혼(40)은 A 방향으로 초음파 진동을 하며 그러한 진동 에너지를 마스킹층(30)을 거쳐서 피가공 기판(10)으로 전달한다. 본 실시예에서는 공구혼(40)이 종방향인 A 방향으로 초음파 진동하는 것으로 설명되지만 패턴의 형상에 따라서는 횡방향으로 초음파 진동을 하게 할 수도 있다. 이처럼 초음파 진동 에너지가 전달되면 마찰열로 인해 피가공 기판(10)의 온도가 상승하고, 고분자 소재로 이루어진 피가공 기판(10)의 온도가 유리 전이 온도(Tg)에 도달하면 몰드(20)에 형성되어 있는 제2 패턴(220)이 피가공 기판(10)에 도 3에서와 같이 전사된다. 이 때, 마스킹층(30)의 마스킹 영역(35)이 제1 영역(11)에 대응하는 영역에만 존재하기 때문에 마스킹 영역(35)과의 접촉부에 초음파 진동의 효과가 집중 전달되어 마찰열이 발생함으로써 유리 전이 온도에 도달하여 국부적으로 가소화가 발생한 제1 영역(11)에만 제2 패턴(220)이 전사되어 제1 패턴이 성형되며, 비마스킹 영역(37)에 해당하는 제2 영역(12)에는 초음파 진동이 직접 전달되지 않으므로 유리 전이 온도에 도달하지 않아서 제2 패턴(220)이 전사되지 않는다.

결국, 피가공 기판(10)에는 소정의 영역 중 일부인 제1 영역(11)에만 제1 패턴이 성형된다. 이러한 일부 영역에 대한 패턴 성형(복제)을, 마스킹층(30)을 도입하여 간단하고 저렴한 비용으로 해결할 수 있는 효과가 본 발명에 의해 제공된다.

도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 의한 초음파 성형 과정에서 초기 단계에서의 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 제2 실시예에 의해 선택적 미세 패턴 성형이 완료된 상태의 모식도가 도시되어 있다.

본 발명의 제2 실시예는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 마스킹층(30)의 위치 및 제2 패턴(220)의 제공 위치가 제1 실시예와 다르다.

제2 실시예에서는 제1 패턴을 성형하기 위한 제2 패턴(220)이 공구혼(40)에 제공된다. 제2 패턴(220)은 공구혼(40)에 직접 형성될 수도 있고, 별도의 부재에 형성된 후에 공구혼(40)에 부착될 수도 있다. 제2 실시예에서도 제1 실시예와 같은 형태의 미세 패턴(제1 패턴)을 소정의 영역(15)의 일부인 제1 영역(11)에 선택적으로 성형하는 실시예를 가정한다.

제1 패턴이 선택적으로 제1 영역(11)에 성형될 피가공 기판(10)을 고정 장치(50)를 이용하여 몰드(20)에 고정하되, 피가공 기판(10)과 몰드(20) 사이에 마스킹층(30)을 개재(介在)시킨다. 마스킹층(30)은 제1 실시예와 같은 구조이며, 배치 위치가 다르다.

이 상태에서 제2 패턴(220)이 소정의 영역에 대응하는 영역(21)에 형성된 공구혼(40)을 A 방향으로 초음파 진동시키면 제1 실시예에서와 같이 마찰열에 의해 피가공 기판(10)의 온도가 상승하고 유리 전이 온도에 도달하면 공구혼(40)측에 제공되는 제2 패턴(220)이 피가공 기판(10)에 전사된다. 이 때 마스킹층(30)의 마스킹 영역(35)에 대해서만 제2 패턴(220)이 전사되며 비마스킹 영역(37)에서는 제2 패턴(220)이 피가공 기판(10)에 전사되지 않는다. 결국 제1 실시예에서와 같이 소정의 영역(15)의 일부인 제1 영역(11)에 대해서만 선택적으로 미세 패턴인 제1 패턴을 성형할 수 있는 효과가 제공된다. 패턴의 형태에 따라서 초음파 진동은 종방향인 A 방향이 아니라 횡방향으로 가진되어도 무방하다.

한편, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 마스킹층(30)을 복수 개를 사용할 수도 있다. 발명자의 실험에 의하면, 복수 개의 마스킹층(30)을 사용하는 경우 성형시간이 단축되고 성형성이 증가하는 효과가 관찰되었는데 이는 복수 개의 마스킹층 사이에서 발생하는 마찰열에 의해서도 피가공 기판(10)의 온도가 상승하기 때문인 것으로 보인다. 복수 개의 마스킹층(30)을 중첩하여 사용하는 대신에 마스킹층(30)의 두께를 증대시키는 경우에도 성형성은 향상되었다.

도 6에는 실제로 본 발명에 의한 선택적 미세 패턴을 성형하고 그 패턴 형성의 결과를 측정한 결과가 도시되어 있다. 피가공 기판(10)은 미세 패턴이 선택적으로 성형되는 제1 영역(11)과 미세 패턴이 성형되지 않는 제2 영역(12)으로 구성되며, 도 6으로부터 제1 영역(11)과 제2 영역(12)의 경계 부분에서의 미세 패턴 성형성의 차이를 알 수 있다. 마스킹층(30)은 제1 영역(11)에 대응하도록 제공되어 성형이 수행되었다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및 수정도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.

10: 피가공 기판
20: 몰드
30: 마스킹층
40: 공구혼
50: 고정 장치

Claims

소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판과,
적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되며 상기 피가공 기판이 고정되는 몰드와,
상기 몰드를 대향하는 면의 반대쪽 면에서 상기 피가공 기판에 접촉하도록 제공되며 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층과,
상기 마스킹층에 초음파 진동을 전달하는 공구혼을 포함하며,
상기 공구혼이 마스킹층에 초음파 진동을 전달하면, 상기 피가공 기판은 상기 몰드에 가압되도록 되어 있는,
초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치.
소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판과,
상기 피가공 기판이 고정되는 몰드와,
상기 피가공 기판과 상기 몰드 사이에 제공되며 상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층과,
상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하며 적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 공구혼을 포함하며,
상기 공구혼이 상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하면, 상기 피가공 기판은 상기 마스킹층에 가압되도록 되어 있는,
초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치.
소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판을 제공하는 제1 단계와,
적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 몰드에 상기 피가공 기판을 고정시키는 제2 단계와,
상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층을, 상기 몰드를 대향하는 면의 반대쪽 면에서 상기 피가공 기판에 접촉하도록 제공하는 제3 단계와,
상기 마스킹층에 초음파 진동을 전달하여 상기 피가공 기판을 상기 몰드에 가압하여 상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴으로 전사되도록 하는 제4 단계를 포함하는,
초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 방법.
소정의 영역의 일부인 제1 영역에 제1 패턴이 형성되도록 예정되어 있는 피가공 기판을 제공하는 제1 단계와,
상기 피가공 기판을 몰드에 고정하는 제2 단계와,
상기 제1 영역에 대응하는 영역에 마스킹 영역을 포함하는 마스킹층을 상기 피가공 기판과 상기 몰드 사이에 제공하는 제3 단계와,
적어도 상기 소정의 영역에 대응하는 영역에 제2 패턴이 제공되는 공구혼으로 상기 피가공 기판에 초음파 진동을 전달하여 상기 피가공 기판을 상기 마스킹층에 대해 가압하여 상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴으로 전사되도록 하는 제4 단계를 포함하는,
초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 마스킹층은 상기 피가공 기판의 유리 전이 온도보다 높은 유리 전이 온도를 가지는 열가소성 수지인,
초음파를 이용한 선택적 미세 패턴 성형 장치.