KR101470818B1 - 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

저항 가열 방식을 이용한 고온 압축 패턴 형성 기술에서의 금형 가열 방식에 있어서, 금형의 패턴 부분만을 효과적으로 가열할 수 있고, 가열을 위해 전기를 인가 시 패턴 부분과 전극 사이의 접점에서 저항이 커지는 것을 방지하기 위한 기술을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조 방법은, 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에, 제1 몰드의 상부면에 이격되도록 하되, 일부분이 제1 몰드의 상부면에 포함되고 다른 일부분은 제1 몰드의 양단으로부터 외부에 노출되도록 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체를 위치시키는 단계; 제1 몰드 상에 열경화성 혼합물을 도포하되, 도포된 혼합물이 제1 전도체 및 제2 전도체의 일부분을 포함하도록 도포하는 단계; 도포된 혼합물을 경화하여 경화된 열경화성 수지 전구체층을 제조하는 단계; 경화된 열경화성 수지 전구체층에 탄화 공정을 수행하여 제1 전도체 및 제2 전도체의 일부분을 내부에 포함하는 유리질 탄소 몰드를 생성하는 단계; 및 생성된 유리질 탄소 몰드를 제1 몰드로부터 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 미세 패턴 형성 방법{GLASSY CARBON MOLD FOR MICROPATTERN FORMATION USING RAPID HEATING METHOD, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND METHOD FOR FORMING MICROPATTERN USING GLASSY CARBON MOLD}

본 발명은 고온 압축 방식을 통해 미세 패턴을 갖는 기판을 형성할 수 있는 몰딩 프레스를 위해 제조되는 급속 가열 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 미세 패턴을 고온 압축 방식을 이용하여 기판에 성형 시, 몰드 상의 패턴 이미지 부분에 대해 고르게 국부 가열이 되도록 하는 몰드를 제공하여, 우수한 미세 패턴 성형이 가능한 몰드 및 그 제조 방법을 제공하는 기술에 관한 것이다.

미세한 패턴의 기판을 제공하는 기능성 마이크로/나노 구조 소자의 제작은 기판의 소형화에 있어서 필수적인 기술이다. 우수한 표면의 미세 패턴을 성형하기 위해 다양한 기술이 연구되고 있다.

이러한 기능성 마이크로/나노 구조 소자의 제작에 있어서, 기존에는 제작단가가 싸고 대량생산에 적합한 폴리머 복제공정이 널리 사용되고 있으나, 낮은 내구성 및 열악한 소재특성으로 인하여 적용 분야가 제한되고 있다.

예를 들어, 집광형 태양전지 분야, 바이오 칩 분야, 휴대형 디스플레이 표면의 무반사 기능을 구현하는 분야를 포함한 다양한 분야에서 폴리머 소재의 마이크로/나노 구조에 있어서 내구성 및 광학특성이 문제가 되고 있으며, 이에 따라서 유리 소재를 이용한 가공 기술이 요구되고 있다.

그러나 기존의 유리소재를 이용한 마이크로/나노 구조 소자의 제조에 있어서, 유리소재는 난삭재로서 연마공정이나 식각공정을 통해 제품을 생산하는 것이 일반적이나 연마, 식각 방법으로는 제품의 크기 및 형태가 제한되고, 글래스 기판에 패턴을 형성하는 제 오랜 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

이에 따라서 패턴 형성을 위한 몰드를 금형으로 제조하고, 몰드를 유리 또는 금속 소재에 가압하여 패턴을 성형하는 기술이 연구되어 왔다. 그러나 기존의 고온 압축 성형 공정은, 가열해야 하는 패턴 부분이 고르게 국부 가열이 되어야 하는 문제점을 해결하지 못하였고, 이에 따라서 소재의 치수정밀도 관점에서 문제점이 지적되어 왔다.

이에 본 발명은, 고온 압축 성형을 이용하여 기판에 대한 패턴 성형 기술에 있어서, 패턴이 형성된 몰딩 프레스용 몰드 내의 캐비티 부근의 금속 소재만을 국부적으로 가열하는 기술 중, 저항 가열 방식을 사용하되, 패턴에 해당하는 몰드의 금속 부분이 고르게 국부 가열이 되도록 뛰어난 전기전도성을 갖고, 고온에서의 높은 경도를 갖는 몰드를 제공하여, 패턴 형성시 소재의 치수 정밀도를 높일 수 있는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조 방법은, 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에, 상기 제1 몰드의 상부면에 이격되도록 하되, 일부분이 상기 제1 몰드의 상부면에 포함되고 다른 일부분은 상기 제1 몰드의 양단으로부터 외부에 노출되도록 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체를 위치시키는 단계; 상기 제1 몰드 상에 열경화성 혼합물을 도포하되, 도포된 혼합물이 상기 제1 전도체 및 제2 전도체의 상기 일부분을 포함하도록 도포하는 단계; 상기 도포된 혼합물을 경화하여 경화된 열경화성 수지 전구체층을 제조하는 단계; 및 상기 경화된 열경화성 수지 전구체층이 전도성을 갖도록 하기 위한 후처리 공정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 경화된 열경화성 수지 전구체층을 제조하는 단계는, 상기 도포된 혼합물층에 상온 및 진공 분위기 하에서 제1 경화 공정을 수행하는 단계; 및 상기 도포된 혼합물 층에 상기 제1 경화 공정을 수행한 결과 생성된 열경화성 수지 전구체층에 70℃ 내지 200℃ 온도 분위기 하에서 제2 경화 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 후처리 공정을 수행하는 단계는, 상기 경화된 열경화성 수지 전구체층에 탄화 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 제1 전도체 및 제2 전도체는, 막대 형태의 전도체와 코일 형태의 전도체 중 어느 한 형태의 전도체인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법은, 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부에 열경화성 혼합물을 도포하는 단계; 상기 혼합물과 동일한 물질을 포함하고, 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체를 양단에 포함하도록 경화된 열경화성 수지 전구체층인 제1 전구체층을 상기 도포된 혼합물 위를 덮도록 위치시키는 단계; 상기 도포된 혼합물과 상기 제1 전구체층을 경화하여, 상기 도포된 혼합물과 상기 제1 전구체층이 일체로 결합된 제2 전구체층을 제조하는 단계; 및 상기 제2 전구체층이 전도성을 갖도록 하기 위한 후처리 공정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 후처리 공정을 수행하는 단계는, 상기 경화된 열경화성 수지 전구체층에 탄화 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법은, 일부는 내측에 수용되고 다른 일부는 외부로 노출되는 제1 전도체 및 제2 전도체를 포함하는 유리질 탄소 몰드 상에, 기판을 위치시키는 단계; 상기 유리질 탄소 몰드의 상기 제1 전도체 및 제2 전도체 각각에 제1 전극 및 제2 전극을 연결하여 상기 유리질 탄소 몰드에 전기가 인가되고, 인가된 전기 에너지가 상기 유리질 탄소 몰드의 저항에 의해 열 에너지로 전환되어 상기 기판의 소재의 전이 온도 이상으로 상기 기판이 상기 유리질 탄소 몰드에 접한 부분이 가열되도록 상기 유리질 탄소 몰드의 패턴 부분을 국부가열하는 단계; 상기 유리질 탄소 몰드 및 상기 기판을 가압하여 상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴을 상기 기판 상에 전사시키는 단계; 상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴이 전사된 기판을 냉각시키는 단계; 및 상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴이 전사된 기판을 상기 유리질 탄소 몰드로부터 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 전도체, 상기 제2 전도체, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동질의 전도성 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 기판은 글래스 기판 또는 금속 기판인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드는, 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에 도포된 열경화성 혼합물에 경화 처리 공정 및 전도성을 위한 후처리 공정을 수행하여 생성된 유리질 탄소 물질의 메인 바디; 및 상기 메인 바디의 양단에 위치하고, 일부는 상기 메인 바디에 포함되고 다른 일부는 상기 메인 바디로부터 외부로 노출된 전도체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전도체는, 상기 제1 몰드 상에 상기 혼합물을 도포 시, 상기 일부가 상기 혼합물에 포함되고, 상기 다른 일부가 상기 혼합물의 양단으로부터 외부에 노출되도록 위치되는 것이 바람직하다.

상기 후처리 공정은 경화 처리 공정을 수행한 상기 혼합물에 탄화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 메인 바디는, 상기 제1 몰드 상에 상기 혼합물을 도포하고, 상기 도포된 혼합물을 경화한 결과 생성된 경화된 열결화성 수지 전구체층에 상기 탄화 공정을 수행하여 생성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 마이크로/나노 구조 소자를 제작하기 위해 사용되는 몰드에 있어서, 유리질 탄소 몰드를 사용하고, 저항 가열 방식을 통해 패턴 캐비티 부분만을 국부 가열함에 있어서, 전도체가 몰드 내부에 삽입되는 형태로 몰드가 형성되기 때문에, 이후 전극을 연결 시 상기의 구조에 따라서 패턴 캐비티가 고르게 가열될 수 있고, 기존의 저항 가열 방식에 있어서 전극 연결점 부분만이 높은 온도로 가열되어 패턴 캐비티 부분이 가열되지 못하는 문제점을 해결할 수 있다. 기존의 고온가압방식에 있어서 몰드를 고온의 온도로 빠른 시간에 가열하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법의 흐름을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 구현을 위해 사용될 수 있는 전도체의 구조를 도시한 것이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법에 대한 플로우차트이다.
도 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드에 대한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법의 흐름을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법의 흐름을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 미세 패턴 형성 방법에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서 기존의 마이크로/나노 구조의 소자를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

기존의 기판 소재에 있어서 사용된 폴리머 소재를 이용한 마이크로/나노 구조는 상기 언급한 바와 같이 내구성 및 광학특정 등이 문제가 되고 있어, 유리 또는 금속 소재의 마이크로/나노 구조 가공 기술이 요구되고 있다.

유리소재는 난삭재로서 연마 또는 식각 등 일반적인 제조 공정을 사용할 경우, 생산이 가능한 제품의 크기 및 형태 등이 문제가 되며, 대면적의 마이크로/나노 구조의 제작에 오랜 시간이 소요되는 문제점을 갖고 있다.

이를 해결하기 위해 개발된 공정이 고온 압축 유리 성형 공정이다. 이는 성형 챔버 내에서 아르곤/질소 가스 분위기를 형성하고 성형용 금형 시스템과 유리/금속 소재를 전이 온도 이상으로 가열하고, 이후 금형 시스템을 이용해 유리 소재를 가압하여, 금형 내에 위치한 마이크로/나노 캐비티를 갖는 코어의 형상이 유리 소재에 복제되도록 하는 것을 통해 기판에 마이크로/나노 구조를 가공하는 공정이다.

이를 위해서는 마이크로/나노 캐비티를 완벽하게 충진해야 하는 중요한 요소가 필요하며, 이를 위해 공정온도에서 가압력을 증가시키는 기술이 제안되었으나, 과도한 가압력으로 인하여 코어 및 유리 소재의 깨짐 현상이 발생하는 문제점이 지적되었다. 한편 온도를 매우 높게 하는 경우, 소재 전체의 유동성이 증가하여 최종 제품의 두께 및 외곽 형상의 변화를 컨트롤할 수 없는 문제점이 있다.

금속의 경우에도, 소재를 가열로에서 미리 가열한 뒤 가압하여 형상을 변형시키는 열간 단조 공정이 사용되고 있으나, 가열된 소재의 이송, 코어와의 접촉 과정에서 표면부의 급속 냉각을 통해 정밀도 높은 마이크로/나노 패턴을 형성하는 데 있어서 문제점이 지적되어 왔다.

한편 일반적인 유리 및 금속 소재의 고온 압축 성형 공정에 있어서는, 금형 시스템 전체를 외부에서 가열하거나, 소재 전체를 가열하는 방법이 사용되어 왔으나, 이는 소비 에너지 증대, 냉각시간 증대, 소재의 유동성 증가로 인한 정밀도 확보의 어려움이 지적되어 왔다.

한편, 금형 시스템 전체를 가열하는 공정은, 금형 시스템 내의 온도 편차를 야기하게 되며, 특히 마이크로/나노 캐비티가 금형 시스템의 중심부에 위치함에 따라서 상대적으로 낮은 온도 분포에 의한 성형성 저하 문제가 지적되어 왔다.

또한 유리 소재의 경우, 소재 전체를 가열시보다 마이크로/나노 캐비티 부근의 유리 소재만을 국부적으로 가열하는 것이 효율적인 방법으로 지적되어 왔으며, 금속 소재의 경우에도 이는 마찬가지로 에너지 효율, 공정시간 및 소재의 정밀도 관점에서 마이크로/나노 캐비티 부근의 소재만을 가열하는 것이 효율적인 방법으로 지적되어 왔다.

이에 본 발명에서는 마이크로/나노 캐비티, 즉 복제될 패턴이 성형된 몰드 부분만을 집중적으로 급속 가열하여, 소재를 가공 시 소재에서 패턴이 복제될 부분만을 가열 및 성형함으로써, 에너지 효율, 공정시간 및 소재의 정밀도 관점에서 높은 효율을 갖는 기술을 제공하게 된다.

특히, 상기와 같이 몰드의 패턴 부분을 국부 가열 시, 패턴 부분이 고르게 가열되도록 하기 위하여, 몰드의 새로운 구조를 제시하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법의 흐름을 도시한 것이다. 이하에서는, 도 3 및 5를 도 1과 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 및 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법에서는, 유리질 탄소 몰드를 제조하기 위한 금형으로서 제1 몰드(100)를 준비하게 된다. 제1 몰드(100)의 상부에는 마이크로 나노 패턴의 돌출부가 형성되어 있다. 이는, 추후 생산될 미세 패턴이 상기의 돌출부에 대응하는 형상을 갖게 한다.

즉, 제1 몰드(100)로부터 생산되는 유리질 탄소 몰드는 제1 몰드(100)와 역상의 패턴을 가지게 되며, 유리질 탄소 몰드로부터 형성되는 기판의 미세 패턴은 유리질 탄소 몰드와 역상의 패턴이 되기 때문에, 결국 기판의 미세 패턴과 제1 몰드(100)의 패턴은 서로 대응하는 형상을 갖게 될 것이다.

제1 몰드(100)는 다음과 같은 과정을 통해 형성될 수 있다. 먼저 제1 몰드(100)를 형성하기 위해 마스터 패턴(미도시)를 준비한다. 마스터 패턴은 웨이퍼 기판, 글래스 기판, 쿼츠(Quartz)기판 등을 포함할 수 있다. 또한 전주도금공정으로 제작된 금속 패턴일 수 잇다.

마스터 패턴에 형성되는 패턴은, 생성될 기판의 미세 패턴에 따라서 다양한 패턴을 띌 수 있음은 당연할 것이다.

이후 마스터 패턴 상에 제1 몰드(100)를 형성하기 위한 혼합물을 도포한다. 제1 몰드(100)의 형성을 위해 마스터 패턴 상에 도포되는 혼합물은 폴리머 소재의 혼합물로서, 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)과 같은 고탄성 중합체 등을 포함할 수 있으며, 스핀 코팅 또는 화학적 기상증착 방식 등을 통해 마스터 패턴 상에 도포될 수 있다. 이후 혼합물을 경화시켜 제1 몰드(100)를 형성할 수 있다.

예를 들어 PDMS 전구체, 예를 들어 상품명 Sylgard 184(Dow Corning 사) 등의 물질과 DMAP(Dimethoxy phenyl acetophenone)과 같은 물질의 경화제를 약 10:1의 비율로 혼합한 혼합물을 제1 몰드(100) 상에 증착시키고, 약 섭씨 60도에서 3시간 정보 동안 경화시켜 제1 몰드(100)를 성형할 수 있다.

마스터 패턴과 제1 몰드(100)의 계면 상에는 둘의 분리성을 높이기 위해 클로로트리메틸실란(chlorotrimethulsilane)과 같은 유기분자막을 더 도포할 수 있다.

마스터 패턴으로부터 분리되어 제1 몰드(100)가 준비되면, 초기 공정으로 제1 몰드(100)의 양단에, 제1 몰드의 상부면에 이격되도록 하되, 일부분이 제1 몰드(100)의 상부면에 포함되고, 다른 일부분은 제1 몰드(100)의 외부에 노출되도록 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체(이하 전도체(120)라 함)를 위치시키는 단계(S10)를 수행한다.

전도체(120)는 각각 다른극의 전극이 연결되는 제1 전도체 및 제2 전도체로 구성되어 있다. 전도체는 예를 들어 구리 소재의 전도체가 될 수 있다. 전도체는 이후 형성될 유리질 탄소 몰드에 전기를 공급하여, 유리질 탄소 몰드의 코어부, 즉 패턴이 형성된 부분에서 저항에 의해 열이 발생하도록 한다.

이후 제1 몰드(100) 상에, 열경화성 혼합물(110), 즉 열경화성 수지, 경화제 및 점도 조절 물질을 포함하는 혼합물(110)을 도포하되, 이미 위치된 전도체(120)의 일부분, 즉 제1 몰드(100)의 상부면에 포함되는 부분이 포함되도록 혼합물(110)을 도포하는 단계(S20)가 수행된다.

도 1의 두 번째 구조를 통해 확인할 수 있듯이. 전도체는 상기 혼합물(110)에 일부가 포함되고 다른 일부는 상기 혼합물(110)의 양단에서 외부로 노출되도록 삽입되는 부분에 위치해 있다.

이때 제1 몰드(100) 상에 도포되는 열경화성 혼합물(110)은, 열경화성 수지, 경화제 및 점도 조절 물질을 포함한다. 열경화성 수지는 셀룰로오즈, 퓨란 수지, 페놀 수지, 폴리카보디이미드 수지와 같이 중합, 경화 및 탄화 공정을 통해 유리질 탄소를 형성할 수 있는 열경화성 수지를 포함한다. 예를 들어 푸리푸릴 알코올(furfuryl alcohol) 등이 될 수 있다.

경화제에는 산 촉매 또는 염기 촉매를 포함할 수 있다. 경화제는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 0.6 중량부를 포함할 수 있다. 경화 속도를 높이는 한편 경화 속도를 조절하는 것을 용이하도록 하기 위해 상기의 중량부 범위의 경화제를 포함할 수 있다.

점도 조절용 용매는, 메탄올, 에탄올과 같은 알코올류, 아세톤 등의 케톤류, 톨루엔 등의 방향족류 등의 용매를 포함할 수 있다. 점도 조절용 용매는 초기 혼합물의 점도가 지나치게 높음으로 인하여 경화 과정에서 내부 기포의 팽창 및 이탈을 완벽하게 이루어지도록 하거나, 성형 전구체의 후면에 과도한 기포를 형성한 상태로 경화되는 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 점도 조절용 용매는 경화 공정에서 발생되는 기포를 용이하게 제거하기 위해 포함시킬 수 있다.

S20 단계가 수행되면, 도 1의 두 번째 공정과 같이 제1 몰드(100) 상에 혼합물(110)이 도포되어 있되, 혼합물(110)에 전도체(120)가 포함된 상태의 레이어가 형성된다.

이후, 도포된 혼합물(110)을 경화하여 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)을 제조하고(S30), 이후 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에 탄화 공정을 수행하여 유리질 탄소 몰드(140)를 생성하는 단계(S40)가 수행된다.

이때, 도 1에 도시된 바와 같이 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)을 제1 몰드(100)로부터 분리한 뒤, 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에 전도성을 위한 후처리 공정(예를 들어 탄화 공정)을 수행하여 유리질 탄소 몰드(140)를 생성할 수 있다.

이때 도 4을 참조하면, 도포된 혼합물(110)을 경화하는 구체적인 흐름이 도시되어 있다.

도 4의 실시예에서는 2단계의 경화 공정이 제시되어 있다. 즉, 먼저 도포된 혼합물(110)에 1차 경화 공정을 수행하여 열경화성 수지 전구체층을 제작한다(S31). 1차 경화 공정은 도포된 혼합물(110)층에 상온 및 진공 분위기 하에서 경화하는 공정을 의미한다. 1차 경화 공정은, 초기 경화 공정의 진행속도가 재료 내부의 기포 이탈 속도에 비하여 과도하게 커지는 것을 방지할 수 있고, 생성된 기포의 팽창과 이탈을 용이하게 하기 위한 공정이다.

S31 단계가 수행되면, 열경화성 수지 전구체층을 섭씨 70도 내지 200도의 분위기 하에서 경화시키는 제2 경화 공정을 수행하는 단계(S32)를 수행한다.

이때, 제2 경화 공정에서는 상기의 온도 범위 내에서 기설정된 증가 속도로 온도를 증가시킬 수 있다. 급속한 온도 증가에 따른 중합 속도 상승 및 이에 따른 내부 응력 증가 및 가스 배출 통로 차단을 최소화하기 위함이다. 예를 들어 1분 마다 섭씨 0.1도씩 상승시켜 약 섭씨 100도까지 가열하되, 약 섭씨 5도 상승마다 60분씩 온도를 유지하면서 가열할 수 있다.

이를 통해, 유리질 탄소 몰드(140)의 경화성을 높이고, 고른 소자 분포를 가지도록 할 수 있는 효과가 있다.

이후, 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에 전도성을 위한 후처리 공정을 수행하게 된다.

본 발명의 실시예를 위해, 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)으로부터 최종적으로 생성되는 유리질 탄소 몰드(140)는 일정한 저항을 갖는 전도성을 띈 물질임이 바람직하다.

따라서, 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에 대하여 본 발명의 실시예에서 최종적으로 전도성을 위한 후처리 공정을 수행하게 된다.

예를 들어, 도 1의 S40 단계를 통해 탄화 공정을 수행함으로써 전도성을 띄는 유리질 탄소 몰드(140)를 생성할 수 있다.

본 발명의 상기의 실시예 이외에, 전도성을 위한 다양한 공정이 후처리 공정으로 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 그 대표적인 예로서 탄화 공정을 후처리 공정으로 수행하게 된다.

이때, 유리질 탄소 몰드(140)의 표면에 부착된 기포를 제거하고, 표면에 부착되어 있는 제거된 기포를 세정하기 위한 일련의 공정이 추가적으로 수행될 수 있다.

이를 위해 도 5를 참조하면, 제2 경화 공정을 수행하는 단계(S32)가 수행되고, 도 1의 탄화 공정(S40)를 수행하기 전, 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에 자기유변유체 연마 공정을 수행하는 단계(S33)와 이후 탄산 가스를 이용한 표면 세정 공정을 수행하는 단계(S34)를 수행할 수 있다.

2단계를 경화 공정을 통해 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에서 생성된 기포는, 표면에 주로 잔류하고, 내부의 가스는 대부분 제거되는 현상을 보인다. 이에 본 발명에서는 도 5와 같이 자기유변유체(Magneto-Rheological: MR) 연마 공정을 수행하여 표면부를 제거하고 품위가 높은 새로운 면을 노출시키는 공정을 수행하게 된다.

MR 연마 공정은 예를 들어 탄화철 파우더 85 중량%, 물 15 중량%의 혼합물을 이용하여 수행하게 된다. 또한, 상기의 혼합물을 이용하여 20 내지 50mT의 자기장, 200 내지 500rpm의 공구 회전속도 및 0.05 내지 1ms의 시편 왕복 속도 조건 하에서 수행할 수 있다.

MR 연마 공정이 진행되면, 표면에 자기유변유체 입자 및 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)에서 제거된 입자 등이 존재할 수 있다. 이때, S34 단계와 같이 탄산 가스를 이용하여 표면 세정 공정을 진행함으로써 표면의 상태를 더욱 완벽하게 할 수 있다.

이후, 도 1의 S40 단계와 같이 경화된 열경화성 수지 전구체층(130)을 제1 몰드에서 분리한 뒤에 후처리 공정(탄화 공정)을 진행함으로써, 미세 패턴 형성을 위한 몰딩 프레스용 유리질 탄소 몰드(140)가 생성된다.

이와 같은 유리질 탄소 몰드(140)는, 매우 높은 표면 경도를 가짐으로써 패턴 형성 시 에러를 줄일 수 있다. 또한 전도성 및 발열성이 좋아, 패턴 부분에서 저항 가열 방식을 통해 통전시킬 경우 패턴 부분을 국부 가열할 수 있어 이후의 미세 패턴 가공 시의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 유리질 탄소 몰드(140)는 본 발명의 실시예를 통해 미세 패턴을 형성 시, 기판이 압착되는 패턴 부분의 몰드를 의미할 수 있다. 즉, 유리질 탄소 몰드(140) 하부에는 가압을 위한 금형 시스템이 추가적으로 적용될 수 있다.

즉, 이러한 경우, 유리질 탄소 몰드(140)부분만이 저항 가열 방식을 통해 가열되어, 결과적으로 패턴 부분만이 국부 가열되는 기능을 수행하게 된다.

이때, 본 발명에서는 전도체(120)가 유리질 탄소 몰드(140)의 내부에 일부가 위치하게 된다.

저항 가열 방식을 이용하기 위해서는 유리질 탄소 몰드(140) 부분에 전기를 공급하여 유리질 탄소 몰드(140), 즉 패턴 부분이 저항에 의하여 발열되도록 해야 한다.

전기를 유리질 탄소 몰드(140)에 인가하기 위해서는 전극을 유리질 탄소 몰드(140)에 설치하여야 하며, 보통 납땜 등의 방법을 통해 전극과 유리질 탄소 몰드(140)를 전기적으로 연결하게 된다.

그러나, 이러한 경우 전극과 유리질 탄소 몰드(140)의 접점 사이에는 유리질 탄소 몰드(140)보다 높은 저항성을 띄게 된다. 이 경우, 유리질 탄소 몰드(140)보다 상대적으로 높은 발열이 접점에서 발생하게 되며, 이에 의해 유리질 탄소 몰드(140)의 발열이 효율적으로 될 수 없는 문제점이 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에서는, 전도체(120)가 유리질 탄소 몰드(140)의 형성 시 초기부터 유리질 탄소 몰드(140)에 포함되도록 상기의 공정에 의해 형성된다. 이때 전극은 전도체(120)에 연결되고, 전극과 전도체(120)가 동일한 소재의 전도성 물질이 된다면, 접점 부분의 저항이 매우 낮아져, 유리질 탄소 몰드(140)에 효과적으로 전기가 인가될 것이며, 이를 통해 저항 가열이 효율적으로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 구현을 위해 사용될 수 있는 전도체의 구조를 도시한 것이다.

도 1을 포함한 본 발명의 일 실시예에서 전도체(120)는 제1 및 제2 전도체로 구성될 수 있으며, 도 1에서는 막대 모양의 형태를 띄고 있다. 그러나 유리질 탄소 몰드(140)와 전도체 간의 결합성을 높이기 위해, 코일 형태의 전도체(121) 역시 사용될 수 있다. 코일 형태의 전도체(121)를 띄더라도, 공정은 도 1의 공정과 동일하게 수행될 수 있다.

도 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드에 대한 사시도이다.

도 1 및 2를 통해 막대 또는 코일 형태의 전도체가 사용될 수 있음은 언급한 바와 같다. 전도체(120)는 막대 모양일지라도, 도 6과 같이 넓은 판 형태의 전도체(120)가 유리질 탄소 몰드(140)와 결합되거나, 도 7과 같이 유리질 탄소 몰드(140)의 양단 방향으로 긴 형태의 전도체(120)가 사용될 수 있다. 이는, 전극의 종류, 유리질 탄소 몰드(140)와의 결합성 등에 의하여 선택될 수 있다.

어느 실시예에서나 전도체(120)의 소재는 전도체와 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극과 동질의 전도성 물질로 이루어짐이 본 발명의 목적에 비추어 볼 때 바람직할 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법의 흐름을 도시한 것이다.

도 8의 실시예는 도 1 내지 7에 대한 설명에서 언급한 공정에 따라서 생산된 유리질 탄소 몰드(140)를 이용하여 글래스(유리) 기판 또는 금속 기판에 미세 패턴을 형성하는 방법에 대한 실시예를 의미한다.

즉, 도 8에서 사용되는 유리질 탄소 몰드는, 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에 도포된 열경화성 수지, 경화제 및 점도 조절 물질을 포함하는 혼합물을 경화 처리 및 탄화 처리하여 생성된 유리질 탄소 물질의 메인 바디와 유리질 탄소 몰드의 양단에 위치하고, 일부는 유리질 탄소 몰드의 메인 바디로부터 외부로 노출된 전도체를 포함한다.

메인 바디는 도 1 내지 7의 실시예에서 언급한 유리질 탄소 몰드(140)를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 즉, 도 8에서 사용되는 유리질 탄소 몰드는, 도 1 내지 7의 실시예에서 언급한 유리질 탄소 몰드(140)와 전도체(120)를 포함하는 개념의 구조이다.

도 8을 참조하면, 먼저 메인 바디인 유리질 탄소 몰드(140)와 전도체(120)로 구성된 유리질 탄소 몰드의 상부에 기판(200)을 위치시키고, 전도체(120)에 전기를 인가하기 위해 제1 전극 및 제2 전극을 각각 연결한다. 이를 통해 전기가 인가되어 유리질 탄소 몰드(140)가 가열된다.

가열되는 온도는 기판(200)의 소재(유리 또는 금속)의 전이온도(유동성이 발생되는 온도) 이상으로 기판(200)이 유리질 탄소 몰드(140)에 접한 부분이 가열되도록 패턴 부분, 즉 유리질 탄소 몰드(140)를 가열하게 된다.

이후, 유리질 탄소 몰드(140)와 기판(200)을 가압함으로써, 유리질 탄소 몰드(140) 상의 패턴을 기판 상태 전사시켜, 패턴이 전사된 기판(210)을 생성하게 된다.

이후, 패턴이 전사된 기판(210)을 냉각시킨 후, 유리질 탄소 몰드(140)로부터 분리하여, 최종적으로 기판에 미세 패턴을 형성하게 된다.

이를 통해, 고온 압축 성형 공정을 통한 미세 패턴 형성에 있어서 저항 가열 방식을 사용하여 기판에 패턴을 전사시킬 금형 부분을 가열하되, 유리질 탄소 몰드 부분, 즉 패턴 부분만을 국부 가열할 수 있고, 전극과 유리질 탄소 몰드 부분의 접점 사이에서 발생할 수 있는 큰 저항을 제거하여, 유리질 탄소 몰드에 정상적으로 전기가 인가되어 정상적인 발명이 되도록 할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법을 설명하기로 한다. 이하의 설명에 있어서, 도 1 내지 8에 기재된 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드의 제조 방법과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 9를 참조하면 도 1의 실시예와 달리, 전도체(120)가 삽입된 상태의 경화된 열경화성 수지 전구체층인 제1 전구체층(131)이 준비된다. 제1 전구체층(131)의 경우 상기 언급한 바와 같은 혼합물에 전도체(120)를 양단에 포함하도록 한 뒤, 상기의 경화 공정과 동일한 경화 공정을 통해 형성된다.

이후, 혼합물(111)을 제1 전구체층(131)과 제1 몰드(100) 사이에 도포한 뒤, 제1 전구체층을 혼합물(111) 위에 위치시키는 과정이 수행된다.

이후 경화 공정을 통해, 혼합물(111)과 제1 전구체층(131)이 결합되어 경화된 제2 전구체층(130, 도 1의 실시예에서는 경화된 열경화성 전구체층을 의미한다.)을 생성하고, 제2 전구체층(130)을 제1 몰드(100)로부터 분리한 뒤 후처리 공정을 통해 전도체(120)를 포함하는 유리질 탄소 몰드(140)를 생성하게 된다.

상기의 공정을 통해 전도체(120)를 더욱 정확하게 유리질 탄소 몰드(140)에 결합할 수 있는 효과가 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 적어도 하나로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에, 상기 제1 몰드의 상부면에 이격되도록 하되, 일부분이 상기 제1 몰드의 상부면에 포함되고 다른 일부분은 상기 제1 몰드의 양단으로부터 외부에 노출되도록 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체를 위치시키는 단계;
   상기 제1 몰드 상에 열경화성 혼합물을 도포하되, 도포된 혼합물이 상기 제1 전도체 및 제2 전도체의 상기 일부분을 포함하도록 도포하는 단계;
   상기 도포된 혼합물을 경화시킴으로써 열경화성 수지 전구체층을 제조하는 단계; 및
   상기 경화된 열경화성 수지 전구체층이 전도성을 갖도록 하기 위한 후처리 공정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경화된 열경화성 수지 전구체층을 제조하는 단계는,
   상기 도포된 혼합물층에 상온 및 진공 분위기 하에서 제1 경화 공정을 수행하는 단계; 및
   상기 도포된 혼합물 층에 상기 제1 경화 공정을 수행한 결과 생성된 열경화성 수지 전구체층에 70℃ 내지 200℃ 온도 분위기 하에서 제2 경화 공정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 후처리 공정을 수행하는 단계는,
   상기 경화된 열경화성 수지 전구체층에 탄화 공정을 수행하는 것을 특징으로 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전도체 및 제2 전도체는,
   막대 형태의 전도체와 코일 형태의 전도체 중 어느 한 형태의 전도체인 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
5. 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부에 열경화성 혼합물을 도포하는 단계;
   상기 혼합물과 동일한 물질을 포함하고, 전도성의 제1 전도체 및 제2 전도체를 양단에 포함하도록 경화된 열경화성 수지 전구체층인 제1 전구체층을 상기 도포된 혼합물 위를 덮도록 위치시키는 단계;
   상기 도포된 혼합물과 상기 제1 전구체층을 경화하여, 상기 도포된 혼합물과 상기 제1 전구체층이 일체로 결합된 제2 전구체층을 제조하는 단계; 및
   상기 제2 전구체층이 전도성을 갖도록 하기 위한 후처리 공정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 후처리 공정을 수행하는 단계는,
   상기 경화된 열경화성 수지 전구체층에 탄화 공정을 수행하는 것을 특징으로 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드 제조방법.
7. 일부는 내측에 수용되고 다른 일부는 외부로 노출되는 제1 전도체 및 제2 전도체를 포함하는 유리질 탄소 몰드 상에, 기판을 위치시키는 단계;
   상기 유리질 탄소 몰드의 상기 제1 전도체 및 제2 전도체 각각에 제1 전극 및 제2 전극을 연결하여 상기 유리질 탄소 몰드에 전기가 인가되고, 인가된 전기 에너지가 상기 유리질 탄소 몰드의 저항에 의해 열 에너지로 전환되어 상기 기판의 소재의 전이 온도 이상으로 상기 기판이 상기 유리질 탄소 몰드에 접한 부분이 가열되도록 상기 유리질 탄소 몰드의 패턴 부분을 국부가열하는 단계
   상기 유리질 탄소 몰드 및 상기 기판을 가압하여 상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴을 상기 기판 상에 전사시키는 단계;
   상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴이 전사된 기판을 냉각시키는 단계; 및
   상기 유리질 탄소 몰드 상의 패턴이 전사된 기판을 상기 유리질 탄소 몰드로부터 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 전도체, 상기 제2 전도체, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동질의 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 기판은 글래스 기판과 금속 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유리질 탄소 몰드를 이용한 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성 방법.
10. 마이크로 나노 패턴의 돌출부를 갖도록 형성한 제1 몰드의 상부 양단에 도포된 열경화성 혼합물에 경화 처리 공정 및 전도성을 위한 후처리 공정을 수행하여 생성된 유리질 탄소 물질의 메인 바디; 및
    상기 메인 바디의 양단에 위치하고, 일부는 상기 메인 바디에 포함되고 다른 일부는 상기 메인 바디로부터 외부로 노출된 전도체;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전도체는,
    상기 제1 몰드 상에 상기 혼합물을 도포 시, 상기 일부가 상기 혼합물에 포함되고, 상기 다른 일부가 상기 혼합물의 양단으로부터 외부에 노출되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,
    상기 후처리 공정은,
    경화 처리 공정을 수행한 상기 혼합물에 탄화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하고,
    상기 메인 바디는,
    상기 제1 몰드 상에 상기 혼합물을 도포하고, 상기 도포된 혼합물을 경화한 결과 생성된 경화된 열결화성 수지 전구체층에 상기 탄화 공정을 수행하여 생성되는 것을 특징으로 하는 급속 가열 방식의 미세 패턴 형성을 위한 유리질 탄소 몰드.

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