KR101493704B1 - 분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법 - Google Patents

Abstract

미세금속분말과 바인더의 준비단계; 미세금속분말과 바인더의 혼합(Mixing)단계; 혼합체의 가열단계; 가열된 액상혼합체의 자기체인 형성단계; 대상 금속판위에 미세구조물을 이식시키는 단계 및 냉각시키는 단계를 포함한, 분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법이 제시된다.

Description

분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법{Method for manufacturing fine structure using magnetic field}

본 발명은 미세구조물을 제작하기 위하여 분말야금용 미세분말과 바인더의 혼합체를 사용하고 이 혼합체에 자기장을 가하여 미세구조물을 얻는 기술분야에 속한다.

미세 구조물 가공 기술, 즉 금속 또는 실리콘 등의 재료를 성형하여 수백 마이크로에서 수 나노 사이즈의 구조물을 만드는 기술은 반도체와 같은 초미세, 초정밀 부품의 가공에 핵심적인 역할을 하므로 정보통신 분야를 중심으로 매우 활발한 연구개발이 이루어지고 있고, 생명공학 분야 등에서도 큰 관심을 끌고 있다.

미세구조물을 제조하는 기술로는 우선 원래의 큰 형상을 기계적 혹은 물리적 가공방법을 사용하여 점점 더 작게 만들어서 궁극적으로는 나노미터 크기까지 줄여나가는 방법이 있으며 이를 탑다운(top-down) 방식이라고 한다. 이와 반대로 원래부터 작은 크기인 원자나 분자들의 적절한 공정, 주로 화학적 혹은 물리화학적 방법을 통해 나노에서 마이크로 크기의 기능성 소재로 완성해나가는 방식이 있는데 이를 바텀업(bottom-up) 방식이라고 한다.

탑다운 방식의 경우 기존의 마이크로 가공기술을 점점 개선하여 나노가공기술로 발전시켜 나가는 경우가 대부분인데 이 경우 기존 기술이 잘 발달되어 있고 처음부터 원하는 형상 및 기능을 갖춘 구조물로 가공할 수 있다는 장점이 있으나 기존 장비 및 공정을 나노크기에 맞게 새롭게 설계하고 정밀도를 확보하는데 많은 비용이 들 뿐 아니라 때로는 가공공정 자체의 원천적인 한계로 인해 어느 크기 이하로는 가공이 불가능한 경우가 발생하는 등의 단점이 있다.

바텀업 방식의 경우 처음부터 원자나 분자 크기의 소재를 사용하여 원하는 미세구조물을 제조함으로써 크기에 있어서는 상대적으로 쉽게 나노미터급의 구조를 만들 수 있으나 고가인 경우가 많으며 원하는 특별한 형상이나 기능을 갖는 구조물로 완성되도록 제어하는 것이 매우 힘든 단점이 있다.

탑다운 방식의 기술로는 포토리소그라피, 전자빔, 이온빔 및 X-선 리소그라피 등이 있다. 포토리소그라피공정에서는 레이저빔을 광원으로 사용하여 이미징 렌즈를 통해 웨이퍼상에 원하는 패턴을 생성한다. 포토리소그라피공정의 최대 장점은 속도 측면에서 대량생산이 가능하다는 점이나 회절한계 때문에 가공 가능한 최소크기가 제한된다는 단점이 있다.

이러한 포토리소그라피 공정의 가공한계를 극복할 수 있는 방법으로는 레이저 빛보다 짧은 파장의 광원을 사용하거나 전자나 원자와 같이 크기가 매우 작은 입자를 이용하여 직접 가공하는 방식이 있다.

전자를 이용한 가공의 경우 감광제가 코팅된 웨이퍼 표면에 집속된 전자를 직접 쏘면서 가공하고자 하는 형상을 따라 전자가 조사되는 위치를 연속적으로 이동시키면 원하는 패턴의 제조가 이루어지는데 이를 전자빔리소그라피라고 한다. 이는 약 10-20

정도 크기의 패턴제조를 가능하게 하나, 나노미터 크기의 매우작은 전자빔을 이용하여 수 센티미터 크기의 웨이퍼 전체에 패턴을 만들기 위해서는 상당히 오랜 시간이 걸리므로 생산성이 낮다는 단점이 있다.

이온빔 리소그라피의 경우 전자빔리소그라피와 기본적인 개념 및 가공방식은 동일하며 단지 전자대신 이온을 사용한다는 점이 다르다. X-선 리소그라피는 레이저 빔보다 훨씬 파장이 짧은(1

이하) X-선의 직진성을 이용하여 고세장비의 미세구조물을 만드는 데 유용하다. 높은 직진성으로 인해 마스크를 통과한 X-선은 별도의 이미징렌즈를 사용하지 않더라도 웨이퍼표면에 마스크 패턴과 꼭 같은 형상을 생설할 수 있게 해준다. 그러나 X-선에 적합한 광학계를 사용하여야하는 점과 기본적으로 X-선 발생장치가 고가인 점 등으로 인해 활용에 제한을 받고 있다.

이와 같이 현재의 기술수준은 수마이크로미터에서 수나노미터 가공기술들은 대량생산이 곤란하거나, 대량생산이 가능한 기술은 정밀도면에서 상대적으로 불리한 등의 장단점이 혼재된 양상을 보이고 있다.

분말야금학은 미세분말을 이용하여, 기존의 금속의 단조, 주조와 같은 방법으로 제작이 어려운 정밀하고 복잡한 형상을 만드는 데에 사용될 수 있는 기술이다. 이는, 금형을 사용하여 압출 성형이나 금속사출성형(Metal Injection Molding)과 같은 방법을 통해 제작을 한다.

한편, 리소그라피를 이용한 미세 패턴 형성방법에 관한 특허는 많이 나와 있지만, 그 중 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2008-0083818에서는 반도체 기판 상부에 레지스트 박막을 형성한 후, 원자 힘 현미경 리소그라피를 이용하여 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 원자 힘 현미경의 탐침 끝단의 모양이나 구경, 탐침과 레지스트막간에 흘려주는 전류의 세기 및 탐침의 스캔 속도를 조절함으로써 레지스트 패턴의 CD 크기 및 모양을 다양하게 하는 것을 특징으로 하는 원자 힘 현미경 리소그라피를 이용한 미세 패턴 형성 방법에 관한 기술이 제시되어 있다.

본 발명에서는 미세 분말을 사용하여 리소그라피 공법보다 간단하고 신속하면서도 저가의 생산비용으로 미세 구조물을 제조할 수 있는 기술을 제시한다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 안고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 첫째 기존의 미세구조물 제작하기 위한 리소그라피와 같은 방법을 사용하지 않고, 미세금속 분말을 사용한 새로운 방법으로 미세구조물을 제작하고, 둘째 미세금속 분말과 바인더 혼합체의 자기적 배열을 이용하여, 수 마이크로미터에서 수 나노미터의 미세구조물의 대량생산이 가능한 방법을 제공하는 데에 있다.

상기 과제는 아래의 단계를 수행함으로써 달성될 수 있다.

즉, (1단계) 미세금속분말과 바인더의 준비단계;

(2단계) 미세금속분말과 바인더의 혼합(Mixing)단계;

(3단계) 혼합체의 가열단계;

(4단계) 가열된 액상혼합체의 자기체인 형성(Magnetic Chain Formation)단계;

(5단계) 대상 금속판위에 미세구조물을 이식시키는 단계 및 냉각시키는 단계

기타 본 발명의 상세한 설명은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명하기로 한다.

본 발명은 미세 분말 혼합체의 자기장에 의한 자기적 배열을 통하여 미세구조물을 제조하는 방법으로, 이러한 기술은 종래에 채택된 바 없으며 본 발명만의 특유한 방식이며 본 발명에 의하여 미세 구조물을 보다 간단하고 신속하면서도 보다 저가의 생산비용으로 제조할 수 있다. 본 발명에 따르면, 제조 공정의 다양한 요소 예컨대, 미세분말의 크기와 종류, 바인더의 종류, 가열온도, 자기장의 세기와 방향, 이식 금속판의 크기 및 패턴를 조절하여 다양한 특성을 갖는 미세 구조물을 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세구조물 제조 순서도이다.
도 2는 본 발명에서 이용되는 자성 분말의 구조를 나타낸다.
도 3는 SUS 17-4 PH 금속분말과 WAX바인더 혼합체를 섭씨 100도로 가열하여 수직 자기장을 걸어주어 제조한 수 미이크로 단위의 미세구조물을 촬영한 것이다
도 4는 본 발명의 방법의 구체적인 다른 일 구현예를 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위와 균등수준에서 파악되어야 하며 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 의하면, 본 발명의 기본적인 공정은 5단계로 이루어지며 크게 미세금속분말과 바인더의 준비, 두 재료의 혼합, 혼합 분말의 가열, 자기장 부과, 미세구조물 이식 및 냉각의 단계로 이루어진다.

본 발명의 첫 번째 단계인 미세금속분말과 바인더의 준비단계에서는, 미세구조물을 만들고자 하는 금속의 종류(스테인레스 분말, 티타늄 분말, 페라이트 분말, 텅스텐 분말 중의 어느 하나 혹은 이들의 조합물)에 따라 자성체인 금속 분말을 준비한다. 분말의 크기는 수 마이크로 미터로부터 수 나노미터까지의 다양한 크기가 있으며, 분말의 크기가 작을수록 더 작은 단위의 미세구조물 성형이 가능하다.

또한, 미세분말은 기계적 분쇄법(Stamp Mill, Ball Mill, Eddy Mill, Cutting, Mill), 용탕분화법(Graining, Shotting, Atomizing), 물리화학적 분해법(가스환원법, 고체 환원법, 열분해법, 수소화합물 분해법, 습식 전해법, 건식 전해법, 증발 응착법, 아말감법, 결정입계 부식법)등의 공정으로 제작이 된다. 바인더는 WAX, PP, PE, SA 등의 고분자계열 폴리머가 사용 될 수 있으며, 본 연구에서 사용된 바인더는 왁스(WAX) 분말이다.

도 2에는 개스아토마이징(Gas Atomizing) 방법으로 제작된 SUS 17-4 PH 금속 미세분말의 SEM 사진을 나타내었다. 분말의 사이즈는 균질화된 단일 사이즈가 아니며, 평균 4

이되, 이러한 입경은 다양하게 변화가능하다.

본 발명의 두 번째 단계인 두 재료의 혼합은 두 재료를 수저로 섞어서 사용할 수 있고, 보다 정확한 비율로 섞기 위한 정밀한 방법으로는 배치(BATCH) 믹서나 트윈익스트루더(TWIN EXTRUDER)와 같은 장비로 균일한 혼합을 할 수 있다. 이러한 혼합방법은 주로 분말사출성형을 위해 제작하는 피드스탁의 개념과 같다.

본 발명의 세 번째 단계인 혼합 분말의 가열을 위해 100C 이상의 온도로 데워진 핫플레이트(Hot Plate)가 필요하다.

혼합 분말의 금속 미세분말은 녹는점이 섭씨 1000도 이상이지만 바인더의 녹는점은 주로 섭씨 50~200 도 사이이다.

가열을 하는 이유는 미세구조물 제작을 위해 추후 공정에서 자기장을 걸어줄 때 미세금속분말의 원활한 체인형성을 만들어 주기 위해서이다. 혼합체의 점도는 온도가 높으면 높을수록 낮아지는 경향이 있다. 점도가 낮을수록 자기장에 의한 미세구조물 성형이 쉽다.

본 발명의 네 번째 단계인 자기장의 부과 단계에서는 전자기장 또는 네오디뮴과 같은 영구자석 혹은 전자기장에 의한 외부자기장을 가해주어야 한다. 직립된 형태의 미세구조물을 제작하기 위해, 고온 액체상태의 혼합체가 담긴 용기 아래쪽에 N극 그리고 혼합체 위쪽에 S극을 걸어 주어야 한다. 이는 S극과 N극으로 바뀌어도 되나, 반대의 극이 혼합체 위,아래 쪽에 부과되어야 한다.

혼합체를 투과하는 자기장에 의해 금속 미세분말은 체인을 형성하며, 이때 자기장의 세기, 바인더의 점도에 따라 수

에서 수

의 미세구조물이 형성이 된다. 미세분말의 크기가 나노미터일 경우 수 나노미터의 미세구조물도 제작이 가능하다.

여기서, 수 나노미터의 미세구조물을 제작하기 위해서는 낮은 점도의 혼합체를 형성하여야 하며, 이를 위해 바인더의 종류 변경 또는 혼합체의 온도 상승과 같은 요소로 조건을 변화시킬 수 있다.

본 발명에서는 네 번째 공정단계에서 전자기장을 사용하였으며, 0.2 T의 자기장을 액상 혼합체 아래에 수직으로 자기장이 형성되도록 하였다.

본 발명의 마지막 공정 단계인 미세구조물 이식 및 냉각의 단계에서는 자기장으로 인하여 형성된 혼합체에 의하여, 미세구조물을 실제 설치하기 위한 이식 금속판으로 옮기는 단계이며, 이때 미세구조물은 고온상태의 혼합체를 벗어나며, 자연 냉각이 시작되고 금속 판위에서 굳어지는 단계이다.

이때, 굳어진 후에는 자기장의 영향을 벗어나도 미세구조물은 그대로 유지가 되는데 이는 액체 상태였던 바인더가 상온으로 되며 고체 상태로 고화되면서 체인으로 배열된 금속 미세분말 구조를 견고하게 지지하고 있기 때문이다.

이때, 옮겨지는 이식 금속판과 같은 대상에 따라 수 센티미터에서 수 나노미터의 미세구조물이 형성될 수 있다. 이식이 될 때의 미세구조물 형상은 금속판의 모양과 크기에 의해서 결정되며, 혼합체의 점도와 자기장의 세기, 방향에 따라 결정된다. 본 발명에서는 첨탑형태의 미세구조물 제작 예를 보여주기 위하여, 자기장을 혼합체 아래위에 수직으로 가해 제작 하였고, 스틸플레이트 위에 이식이 되도록 하였다.

도 3에는 SUS 17-4 PH 금속 분말과 WAX의 바인더 혼합체를 섭씨 100 도로 가열하여 수직 자기장을 걸어주어 제작한 수 마이크로 단위의 미세구조물을 보였다.

이상의 설명에서는 미세금속분말과 바인더의 혼합체로 이루어진 미세구조물 제작을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 바인더의 성분이 없는 순수한 금속 미세구조물 제작을 위해서는 탈지의 과정과 소결과정의 과정을 사용할 수도 있다.

실시예

먼저, 스테인레스계의 금속 미세분말의 한 종류인 SUS 17-4 PH를 분말 형태의 WAX 바인더와 함께 3:7로 용기에 넣고 섞는다. 이러한 비율은 3:7 이외에도 1:9 내지 5:5 등 사용되는 물질에 따른 가변적일 수 있다.

이때 다른 방법으로서 보다 정밀한 혼합을 위해 정밀 혼합장비인 트윈익스트루더(TWIN EXTRUDER) 나 배치믹서(BATCH MIXER)를 사용할 수도 있다. 이러한 혼합장비는 공지의 기술이므로 설명을 생략한다.

그 다음, 미세분말과 왁스의 혼합체를 핫플레이트위에 올리고 약 100 도로 가열하여 액상상태가 되도록 녹인다. 이때 걸리는 시간은 가열 조건에 따라 다르지만 5초 내지 60초 정도 사이에서 실시함이 바람직하다.

, 20분 이상 오래 동안 가열할 시 바인더인 왁스가 기체상태로 증발 할 수 있으므로, 충분한 액상 상태가 되면 그다음 단계를 진행한다.

도 1의 네 번째 단계와 같이 액상 상태의 혼합체에 수직으로 자기장을 가해준다. 본 실시 에에서는 영구자석을 사용하지 않고, 전자기장 장치를 사용하여 0.2T의 자기장을 혼합체 아래로부터 위로 지나가도록 하였다. 자기장을 가하는 즉시, 액상상태 내부의 미세금속 분말은 첨탑형태의 체인을 형성하게 되며, 이는 자기장의 세기, 방향에 따라 다르게 나타난다.

이때, 자기장으로 인하여 형성된 혼합체 위에 미세구조물을 실제 설치하기 위한 이식 금속판을 1cm 이하로 접근 시킨다.

이때 혼합체와 판 사이의 거리에 따라 미세구조물의 사이즈를 조절 할 수 있다. 마이크로 또는 나노사이즈의 미세구조물을 제작하기 위해서는 0.5cm이상 이식 금속판을 접근시키지 않도록 하여야 한다. 다만, 이러한 거리 수치는 다른 실시예 조건하에서는 변화될 수 있음은 물론이다.

도 2에서는 본 발명을 통해 제작된 수백 마이크로 크기의 미세구조물을 나타내었다. 본 실시예에서 제작된 미세구조물은 특별한 마이크로 또는 나노 패턴 등이 있는 이식 금속판을 사용하지 않고, 편평한 스틸 금속 판을 사용하여, 여러 크기의 미세구조물이 이식 금속 판위에 한꺼번에 다양하게 형성 되었다.

이상의 예에서는 하나의 이식금속판 위 다양한 사이즈의 미세구조물 제작하는 방법을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 수 마이크로 또는 수나노의 금속 판이 일정한 간격의 패턴형태로 새겨진 이식 판을 사용하여, 일정한 크기와 간격을 가진 미세구조물을 제작할 수도 있다.

Claims (11)

1. 금속분말과 바인더를 준비하는 단계(1단계);
   상기 금속분말과, 상기 금속분말의 녹는점 보다 낮은 녹는점을 가지는 바인더를 혼합하여 혼합체를 형성하는 단계(2단계);
   상기 2단계의 혼합체를 가열하여 상기 바인더 만을 유동성 있는 액상으로 형성되도록 하는 단계(3단계);
   상기 가열된 혼합체 상하부에 자기장을 가하여 첨탑 형상이 되도록 형성하는 단계(4단계);
   4단계에서 형성된 첨탑 형상의 혼합체로부터 소정의 거리만큼 이격된 곳에, 패턴이 형성되어 있는 이식 금속판을 접근하여, 미세구조물이 이식 금속판에 이식되는 단계 및 냉각시키는 단계(5단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
   
2. 삭제
3. 금속분말과 바인더를 준비하는 단계(1단계);
   상기 금속분말과, 상기 금속분말의 녹는점 보다 낮은 녹는점을 가지는 바인더를 혼합하여 혼합체를 형성하는 단계(2단계);
   상기 2단계의 혼합체를 가열하여, 상기 바인더 만을 유동성 있는 액상으로 형성되도록 하는 단계(3단계);
   상기 가열된 혼합체 상하부에 자기장을 가하여 첨탑 형상이 되도록 형성하는 단계(4단계);
   4단계에서 형성된 첨탑 형상의 혼합체로부터 소정의 거리만큼 이격된 곳에, 패턴이 형성되어 있는 이식 금속판을 접근하여, 미세구조물이 이식 금속판에 이식되는 단계 및 냉각시키는 단계(5단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는
   상기 바인더는 고분자계열 폴리머인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
   
4. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속분말은 자성체인 금속의 분말인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속분말은 스테인레스 분말, 티타늄 분말, 페라이트 분말, 텅스텐 분말 중 어느 하나 혹은 이들의 조합인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
   
6. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   바인더는 WAX, PP, PE, SA 중의 어느 하나이거나 혹은 이들의 조합인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
   
7. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 4 단계에서의 자기장은 전자기장 또는 영구자석에 의한 자기장인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
8. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 5단계의 소정의 이격거리는 0.5~ 1센티미터인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
9. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 3단계의 가열시간은 5초 내지 60초인 것을 특징으로 하는
   분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
10. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 분말과 바인더의 혼합비는 1:9 내지 5:5 인,
    분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
11. 청구항 1 및 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 5단계의 냉각은 자연 냉각 방식인, 분말야금용 미세분말의 자기적 배열을 이용한 미세구조물 제조방법.
    

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