KR101707138B1 - 광 리소그래피를 이용한 3차원 박막 샌드위치 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 리소그래피를 이용한 3차원 박막 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 구조체는, 마이크로격자 형태의 심재와 시트 형태의 면재가 상기 심재의 상하 면 쌍에 일체로 형성되며, 상기 심재는 중공격자형의 경질 박막으로 상기 면재는 단일의 경질 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하고, (a) 액상 감광성수지에 대해 면외 방향에서 소정 패턴에 따라 자외선을 조사한 후 잔여의 액상 감광성수지를 제거하여 마이크로격자 형태의 고상수지 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 고상수지 구조체의 대향되는 상하 면 쌍에 고상수지 면재를 형성하여 일체로 고상수지 샌드위치 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 고상수지 샌드위치 구조체의 표면에 경질 박막을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 경질 박막의 일부를 제거하여 내부의 고상수지를 노출시킨 후 제거하는 단계;를 통해 제조된다. 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 중공격자를 갖는 구조체의 최외면에 박막의 판이 구비되어 중량 대비 높은 강도와 강성을 가지며, 종래 마이크로격자(microlattice) 제조 방법을 개량 보완함으로써 제품 크기의 대형화 및 대량 생산성에 있어 유리하다.

Description

광 리소그래피를 이용한 3차원 박막 샌드위치 구조체 및 그 제조 방법{ THREE-DIMENSIONAL THIN-FILM SANDWICH STRUCTURE BASED ON PHOTO LITHOGRAPHY AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 광 리소그래피를 이용한 3차원 박막 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 스티로폼, 스펀지, 에어로젤, 발포 금속 등의 저밀도 물질은 내부에 존재하는 불규칙적인 셀이 결함으로 작용하여 기계적 강도(strength) 및 강성(stiffness)이 떨어지는 문제가 있다.
최근 극저밀도 소재 중 하나로 2011년 11월자 Science 지(紙) (T.A. Schaedler, et al., Science, Vol.334. pp.962-965 November 18, 2011)에는 3차원 격자 트러스 구조를 가지며 밀도가 물의 1/1000 수준의 새로운 개념의 극저밀도 금속 마이크로격자(micro-lattice)가 소개된 바 있다. 도 1은 이러한 금속 마이크로격자를 제조하는 방법을 나타낸다. 먼저 자외선에 노출되면 고체화되는 액상 감광성수지(photo monomer) 벌크에 미세한 구멍이 규칙적으로 천공된 패턴을 갖는 마스크(mask)를 상기 벌크의 특정면에 배치한 상태에서 그 위로 자외선을 조사한다. 마스크를 통과한 다수의 빔(beam) 형태의 자외선에 노출된 액상 감광성수지는 고체화된다. 고상수지는 액상 감광성수지보다 밀도가 높기 때문에, 자외선은 고상수지 내부로 전반사가 유도되어 분산되지 않고 직진하는, 소위 “self propagating” 현상이 발생한다. 자외선 조사 방향을 다르게 하여 이러한 과정을 복수의 방향으로 반복함으로써 액상 감광성수지 벌크 내부에 고상수지로 이루어진 격자를 형성하게 된다. 고상수지 마이크로격자로부터 액상 감광성수지를 제거한 후, 고상수지 마이크로격자의 표면에 니켈 합금인 NiP를 자기촉매 무전해(autocatalytic electoroless) 도금한 후, 고상수지를 화학적 에칭으로 제거함으로써 도 2와 같은 극저밀도이면서도 상대적으로 높은 강도와 강성을 갖는 마이크로격자(Microlattice)를 완성한다.
가장 최근의 또 다른 극저밀도 소재로서 2013년 Nature Materials 지(紙) (D. Jang, et al., Nat. Mater., Vol. 12, pp. 893-898, 2013)와 2014년 Science 지(紙) (L.R. Meza, et al., Science, Vol. 345, pp. 1322-1326, 2014)에는 나노 격자(Nanolattice)라고 명명된 새로운 극저밀도 구조체가 소개된 바 있고, 2014년 Science 지(紙) (X. Zheng, et al., Science, Vol. 344, pp. 1373, 2014)에는 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial)이라고 명명된 세번째 극저밀도 재료가 소개된 바 있다. 이러한 가장 최근의 나노 격자(nanolattice)와 'Mechanical Metamaterial'는 광 리소그래피로 고상수지로 구성된 3차원 격자 구조체를 만들고 표면에 고경도 물질을 코팅한 후 내부 고상수지를 식각하는 방법으로 제조된다는 점에서 상기한 마이크로격자(Microlattice)와 동일하지만, 나노 격자(nanolattice)와 'Mechanical Metamaterial'에 사용된 광 리소그래피 기술은 각각 2광자(Two Photon) 리소그래피와 프로젝션 마이크로스테레오(Projection microstereo) 리소그래피로서 일종의 3D 프린팅법이다. 따라서, 면내 격자 요소가 결여되지 않은 안정적인 팔면체(Octahedron) 또는 옥테트(Octet) 격자 구조를 가지므로 무게 대비 강도가 높다.
한편, 상기한 나노 격자(nanolattice)와 'Mechanical Metamaterial' 은 무게 대비 강도가 높은 것에 불구하고 그 제조에 사용되는 리소그래피 기술은 속도가 매우 느려 대량 생산에 적용되기에 극히 부적절하며 제품 크기 또한 수 내지 수백 마이크로미터 수준의 초소형이어서 공학적 응용에 큰 제약이 되고 있다. 반면에 마이크로격자(Microlattice)는 반도체 제조 공정으로 잘 확립된 마스크(mask) 기반으로 하고 “self propagating” 현상을 이용하기 때문에 상대적으로 대형의 제품 크기로 대량 생산이 가능하지만, 면외(out-of-plane) 방향으로만 조사되는 자외선에 의하여 격자 요소가 만들어지기 때문에 면내(in-plane) 방향으로의 격자 요소가 결여되어 구조적 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 단위 셀에 점선으로 표시된 위치에 면내(in-plane) 격자 요소가 존재하지 않기 때문에 격자 요소의 수평 방향 변형을 억제할 수가 없어 쉽게 변형되는 현상이 발생한다.
특허 제10-1341216호
- 2011년 11월자 Science 지(紙) (T.A. Schaedler, et al., Science, Vol.334. pp.962-965 November 18, 2011) - 2013년 Nature Materials 지(紙) (D. Jang, et al., Nat. Mater., Vol. 12, pp. 893-898, 2013) - 2014년 Science 지(紙) (L.R. Meza, et al., Science, Vol. 345, pp. 1322-1326, 2014) - 2014년 Science 지(紙) (X. Zheng, et al., Science, Vol. 344, pp. 1373, 2014)
본 발명은, 종래 마이크로격자(Microlattice) 구조에서 면내 격자 요소가 결여된 문제점을 보완하여, 무게 대비 강도 및 강성이 높은 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 종래 마이크로격자 구조에서 면내 격자 요소가 결여됨으로써 구조적인 안정성이 떨어지는 문제점을 보완하여 기계적 강성을 증가시킴과 동시에 밀도 증가는 최소화하는 방안을 도모하는 과정에서, 종래 마이크로격자 형태의 구조체의 상하 면에 또는 상하 면 및 측면에 별도의 면요소를 추가할 필요성이 있음을 인지하였다.
한편, 본 발명자들은 마이크로격자에 별도의 면요소를 추가하는 방안을 더욱 구체화하는 과정에서, 광 리소그래피에 의해 면외(out-of-plane) 방향 격자 요소로 구성된 고상수지 구조체를 형성한 후, 고상수지 구조체의 상하 면에 판 형태의 별도의 고상수지 면재를 일체로 형성하여 고상수지 샌드위치 구조체 템플릿을 제조한 후, 해당 템플릿의 표면에 경질 박막을 형성하고, 경질 박막의 일부를 제거하여 노출된 내부의 고상수지를 제거하는 방식으로 마이크로격자 구조체의 상하 면에 또는 상하 면 및 측면에 별도의 면요소를 추가할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 해결수단에 관한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 중공격자형의 경질 박막을 포함하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체를 제조하는 방법으로서, (a) 액상 감광성수지에 대해 면외 방향에서 소정 패턴에 따라 자외선을 조사한 후 잔여의 액상 감광성수지를 제거하여 마이크로격자 형태의 고상수지 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 고상수지 구조체의 대향되는 상하 면 쌍에 고상수지 면재를 형성하여 일체로 고상수지 샌드위치 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 고상수지 샌드위치 구조체의 표면에 경질 박막을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 경질 박막의 일부를 제거하여 내부의 고상수지를 노출시킨 후 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는 상기 고상수지 샌드위치 구조체를 템플릿으로 하여 마이크로격자 형태의 심재와 시트 형태의 면재가 일체로 형성되며, 상기 심재는 중공격자형의 경질 박막으로 상기 면재는 단일의 경질 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(2) 상기 (b)에서, 액상 감광성수지가 도포된 자외선 투과성 판을 상기 고상수지 구조체의 대향되는 면 쌍에 부착시킨 후 자외선을 조사하여 고상수지 면재를 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(3) 상기 (a)에서, 액상 감광성수지의 대향되는 면 쌍에 자외선 투과성 판을 배치한 상태에서 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(4) 상기 (b)에서, 상기 자외선 투과성 판에 액상 감광성수지를 도포한 후 자외선을 조사하여 고상수지 면재를 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(5) 상기 (d)에서, 상기 노출되는 고상수지는 고상수지 구조체의 측면인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(6) 상기 (b)에서, 상기 고상수지 구조체의 측면에 고상수지 면재를 일체로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(7) 상기 (a)에서, 상기 자외선은 마스크를 이용 조사되거나 직접 조사되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(8) 상기 (a)에서, 상기 자외선은 상기 액상 감광성수지의 벌크상에 대해 어느 하나의 면에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(9) 상기 (c)에서, 상기 경질 박막은 금속, 폴리머 또는 세라믹 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(10) 상기 (c)에서, 상기 경질 박막은 복층으로 형성되고, 층간 응력을 완화하거나 박리를 억제하기 위한 화학적, 물리적 또는 열적인 후처리 공정 중 적어도 어느 하나의 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(11) 상기 (d)에서, 상기 경질 박막 일부의 제거는 기계적 연마, 전해 연마 또는 화학적 에칭 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(12) 상기 (d)에서, 상기 고상수지의 제거는 화학적, 물리적, 열적 또는 광학적인 방법 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(13) 상기 마이크로격자는 면내 격자 요소를 포함하거나 포함하지 않은 피라미드, 사면체, 8면체, 카고메 중 어느 하나의 단위셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
(14) 마이크로격자 형태의 심재와 시트 형태의 면재가 상기 심재의 상하 면 쌍에 일체로 형성되며, 상기 심재는 중공격자형의 경질 박막으로 상기 면재는 단일의 경질 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체.
(15) 상기 심재의 측면에 일체로 형성되는 시트 형태의 면재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체.
(16) 상기 경질 박막은 금속, 폴리머 또는 세라믹 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체.
(17) 상기 경질 박막은 복층으로 형성된 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체.
(18) 상기 마이크로격자는 면내 격자 요소를 포함하거나 포함하지 않은 피라미드, 사면체, 8면체, 카고메 중 어느 하나의 단위셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체.
본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 중공격자를 갖는 구조체의 최외면에 박막의 판이 구비되어 중량 대비 높은 강도와 강성을 갖기 때문에, 종래 단순히 면외(out-of-plane) 방향으로만 자외선을 조사하여 형성되는 마이크로격자가 갖는 구조적 불안정성을 효과적으로 해결할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 중량 대비 높은 강도와 강성이 요구되는 경량 구조재로 유리하게 활용될 수 있고, 상대적으로 큰 비표면적을 요구되는 열전달 매체 또는 촉매 지지체 등의 용도로도 유리하게 활용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조 방법은, 종래 마이크로격자(microlattice) 제조 방법을 개량 보완함으로써 종래 나노 격자(nanolattice) 또는 'Mechanical Metamaterial'과 같은 다른 극저밀도 소재를 제조하는 방법과 비교하여 제품 크기의 대형화 및 대량 생산성에 있어 유리하다.
도 1은 종래 마이크로격자의 제조방법에 대한 공정 개념도.
도 2는 종래 마이크로격자의 구조도.
도 3은 압축 하중이 인가된 종래 마이크로 격자의 붕괴현상을 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법에 대한 공정 개념도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법에 대한 공정 개념도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자외선 조사 방법과 고상수지 샌드위치 구조체의 구조도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 조사 방법과 고상수지 샌드위치 구조체의 구조도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체의 구조도.
도 9는 마이크로격자의 상면 또는 하면에 부착되는 자외성 투과성 판의 두께와 연삭 두께에 따라 달라지는 마이크로격자 심재의 평면도.
도 10은 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체에 대한 구조해석에 관한 결과 도면.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법에 대한 공정 개념도이다.
먼저, 소정의 용기(20)에 수용된 액상 감광성수지(110) 벌크에 일정한 패턴으로 각각 정해진 방향을 따라 자외선을 조사한다(S10).
이러한 패턴 형태의 자외선 조사는 도면에 도시된 바와 같이 해당 패턴에 대응되는 마스크(40)를 이용하여 수행될 수 있으며, 또는 자외선을 직접 조사하거나 혹은 DLP라는 다수의 거울 소자로 구성된 반사판을 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 액상 감광성 수지(110)와 마스크(40) 사이에는 자외선 투과성 판(32)을 설치함으로써, 마스크(40)가 액상 감광성 수지(110)와 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이는 마스크(40)에 액상 감광성 수지(110)가 부착되어 재사용이 곤란해지는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이러한 자외선 조사는 실시예에서와 같이 상기 액상 감광성수지(110) 벌크의 어느 하나의 면에 대해 수행될 수 있다.
이 경우, 종래 마이크로격자 형성 과정에서와 마찬가지로, 고상수지는 액상 감광성수지보다 밀도가 높기 때문에 자외선은 먼저 경화된 고상수지 내부로 전반사되어 직진하는 소위 “self propagating” 현상에 의해 액상 감광성수지(110) 벌크 전체를 관통하여 마스크 패턴에 대응되는 면외방향의 3차원 격자 형태의 고상수지 구조체(122)가 형성된다.
다음으로, 잔류된 미경화 액상 감광성수지(110)를 부어서 제거함으로써 고상수지 구조체(122)만을 남긴다(S20). 고상수지 구조체(122)의 내부에는 액상 감광성수지(110)가 제거된 영역에 대응하여 공극(112)이 형성된다.
다음으로, 상기 고상수지 구조체(122)의 하부를 상기 자외선 투과성 판(32)과 평행하도록 평탄하게 연삭한다(S30). 자외선이 액상 감광성수지(110)를 통과하면서 감쇄되기 때문에 “self propagating”에 따른 자외선 도달 깊이에는 한계가 있고 통상적으로 수용 용기(20)의 깊이를 크게 할 경우 내부에 형성되는 고상수지 구조체(122)는 액상 감광성수지(110)에 부유된 상태로 제조되기 때문에, 이러한 고상수지 구조체(122)의 하부에 대한 연삭 과정이 수반되는 것이 바람직하다. 이에 따라 자외선 투과성 판(32)이 제거된 상태에서, 고상수지 구조체(122)의 상부와 하부 면은 평행을 이룬다.
이와 병행하여, 각 일면에 액상 감광성수지(110a)가 도포된 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)이 별도로 제공된다(S30A).
다음으로, 액상 감광성수지(110a)가 도포된 면이 상기 고상수지 구조체(122)의 상면 및 하면에 접촉하도록 상기 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)을 위치시킨 후(S40A), 자외선을 조사함으로써 액상 감광성수지(110a)를 경화시킨다(S40B). 이에 따라, 상기 고상수지 구조체(122)는 상하면에 고상수지 면재(124)가 일체로 형성 구비됨으로써 그 전체가 고상수지 샌드위치 구조체(120)로 형성된다. 한편, 액상 감광성 수지(110a)가 고상수지 면재(124)로 경화된 상태에서 상기 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)은 고상수지 면재(124)는 그대로 접착된 상태로 놓여 있으며, 후속의 고상수지 샌드위치 구조체(120)의 외면에 경질 박막(130)을 형성한 후 고상수지에 대한 식각 공정(S70)에 수반하여 자연스럽게 분리된다. 형성된 고상수지 샌드위치 구조체(120)는 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10) 제조를 위한 템플릿으로 사용된다.
다음으로, 상기 고상수지 샌드위치 구조체(120)의 외면에 경질 박막(130)을 형성한다(S50).
이러한 경질 박막(130)의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 무전해 도금(eletroless plating)이나 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식으로 박막의 경질 박막(130)을 형성할 수 있다. 또한 경질 박막(130)의 재질은 금속, 폴리머 또는 세라믹 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 것일 수 있다. 또한 경질 박막(130)은 필요에 따라 동종 또는 이종 재질이 복층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 산화가 일어날 가능성이 있는 경우 산화방지 박막, 주박막 및 산화방지막이 적층된 형태로, 또는 무반사 표면이 필요한 경우 구조적 강도를 유지하는 역할을 하는 주박막, 알루미늄 코팅 및 애노다이징 처리를 통하여 흑색 무반사 박막을 형성할 수 있다. 이 경우 층간 응력을 완화하거나 박리를 억제하기 위한 화학적, 물리적 또는 열적인 후처리 공정 중 적어도 어느 하나의 공정을 더 포함할 수 있다.
계속하여, 박막의 경질 박막(130)의 일부를 기계적 연마, 전해 연마 또는 화학적 에칭 등의 방식으로 제거하여 경질 박막(130) 내부의 고상수지의 일부를 외부로 노출시킨다(S60). 이 경우, 고상수지 샌드위치 구조체(120) 중 노출되는 고상수지의 일부는 자외선 투과성 판(34, 36)에 의해 커버된 상기 고상수지 면재(124) 측이 아닌 그 측면 부위이다.
마지막으로, 경질 박막(130) 내부의 고상수지 전체를 화학적 또는 물리적인 방법으로 제거함으로써 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)를 완성한다(S70). 경질 박막(130) 내부의 고상수지 전체를 제거하는 방법은, 예컨대 화학적, 물리적, 열적 또는 광학적 방법 중 어느 하나를 이용하여 고상수지를 녹이거나 소각시키는 방법일 수 있다. 고상수지가 제거됨에 따라 고상수지 면재(124)에 접착된 자외선 투과성 판(34, 36)은 자연스럽게 분리된다. 결과적으로, 상하에 형성된 고상수지 면재(124)의 안쪽 면, 즉 자외선 투과성 판(34, 36)이 부착되지 않은 않은 면과, 트러스 형태의 고상수지 구조체(122)의 외면에 경질 박막(130)이 일체로 형성된 구조의 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)가 얻어지게 된다.
상기 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)는, 상기 고상수지 샌드위치 구조체(120)를 템플릿으로 하여 마이크로격자 형태의 심재(12)와 시트 형태의 상하 면재(14)가 일체로 형성된 구조이며, 상기 심재(12)는 중공격자형의 경질 박막(130)으로 이루어지고 상기 면재(14)는 단일의 경질 박막(130)으로 이루어지고, 상기 단일 시트 형태의 면재(14)의 면 요소 중 중공격자형의 심재(120)와 연결되는 부분은 타공되어 있다. 이 경우, 심재(12)는 템플릿으로 작용하는 고상수지 구조체(122)의 형태에 따라 결정되며, 예컨대, 피라미드, 사면체, 8면체, 카고메 중 어느 하나의 단위셀을 갖는 마이크로격자일 수 있다. 또한 심재(12)의 마이크로격자는 면내 격자요소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체의 제조 방법에 대한 공정 개념도이다.
도 5의 실시예에서, 마이크로격자 형태의 고상수지 구조체(122)의 상하면에 고상수지 면재(124)가 구비된 고상수지 샌드위치 구조체(120)를 형성하고, 고상수지 샌드위치 구조체(120)의 표면에 경질 박막(130)을 형성한 후 샌드위치 구조체(120) 내부의 고상수지를 제거함으로써, 마이크로격자의 심재(12)와 시트 형태의 상하 면재(14)가 구비된 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)를 제조한다라는 기본 개념에서는 도 4의 실시예에서와 마찬가지로 동일하며, 자외선 조사에 따른 고상수지 구조체(122) 및 면재(124)의 형성, 경질 박막(130)의 형성, 경질 박막(130) 형성 후 고상수지의 제거 등과 관련된 공정 개념도 동일하며, 세부 공정과 관련하여 별도로 언급하지 않은 한 도 4의 실시예에서 설명한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 용기(20)에 소정의 간격으로 자외선 투과성 판(34, 36)을 평행하게 배치하고 상부 자외선 투과성 판(34) 위로 마스크(40)를 설치한 상태에서 용기(20) 내부에 액상 감광성수지(110)을 충진한 후(S100A), 상기 도 4의 실시예와 마찬가지로, 상기 마스크(40) 패턴을 따라 자외선을 액상 감광성수지(110)에 조사하여 마이크로격자 구조의 고상수지 구조체(122)를 형성한다(S100B). 이 경우, 고상수지 구조체(122)는 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36) 사이에 형성되며, 그 이격 간격은 고상수지 구조체(122)의 두께에 대응한다.
다음으로, 잔류된 미경화 액상 감광성수지(110)을 부어서 제거함으로써 고상수지 구조체(112)만을 남긴다(S200). 이에 따라 고상수지 구조체(112)의 상부 및 하부 면은 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)과 마찬가지로 평행을 이루며, 고상수지 구조체(122)의 내부에는 액상 감광성수지(110)가 제거된 영역에 대응하여 공극(112)이 형성된다.
다음으로, 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)의 내측면에 시린지와 같은 적절한 주입수단(50)을 이용하여 액상 감광성수지(110a)를 도포하고 자외선 조사를 통해 해당 액상 감광성수지(110a)를 경화시켜 고상수지 면재(124)를 형성시킨다. 구체적으로는, 도면에 도시된 바와 같이, 하부의 자외선 투과성 판(36)의 내측면에 액상 감광성수지(110a)로 도포하고 자외선 조사을 통해 경화시키고(S400A, S400B), 고상수지 구조체(122)와 한쌍의 자외선 투과성 판(34, 36)을 일체로 뒤집은 후 상부의 자외선 투과성 판(34)의 내측면에 액상 감광성수지(110a)를 도포하고 자외선 조사를 통해 경화시키는(S400C, S400D) 방식으로 순차적으로 수행될 수 있다. 다만, 도포되는 액상 감광성수지(110a)는 상하 자외선 투과성 판(34, 36)과 친화성이 높아 뒤집어도 흘러내리지 않기 때문에, 실시예에 불구하고 상하부에 대한 고상수지 면재(124)의 형성 과정은 상하 자외선 투과성 판(34, 36)에 액상 감광성 수지(110a)를 일괄 도포한 후 한번 에 경화하는 방식도 가능하다. 이렇게 형성된 고상수지 샌드위치 구조체(120)는 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10) 제조를 위한 템플릿으로 사용된다.
계속하여, 도 4의 실시예에서와 마찬가지로, 상기 샌드위치 구조체(120)의 외면에 경질 박막(130)을 형성한 후(S500), 박막의 경질 박막(130)의 일부를 연삭 등의 방식으로 제거하여 경질 박막(130) 내부의 고상수지의 일부를 외부로 노출시키고(S600), 경질 박막(130) 내부의 고상수지 전체를 화학적 또는 물리적인 방법으로 제거함으로써 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)를 완성한다(S700).
상기 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(10)는, 도 4의 실시예에서와 마찬가지로, 마이크로격자 형태의 심재(12)와 시트 형태의 상하 면재(14)가 일체로 형성된 구조이며, 상기 심재(12)는 중공격자형의 경질 박막(130)으로 이루어지고 상기 면재(14)는 단일의 경질 박막(130)으로 이루어지고, 상기 단일 시트 형태의 면재(14)의 면 요소 중 중공격자형의 심재(120)와 연결되는 부분은 타공되어 있다.
도 5의 실시예에서는, 도 4의 실시예와는 다르게, 고상수지 구조체(122)의 두께 조절 및 상하면을 평행하게 하기 위해 고상수지 구조체(122)의 하면에 대한 연삭 공정은 불필요하고, 고상수지 면재(124)의 형성은 구상수지 구조체(122) 형성과정에서 미리 제공된 한쌍의 자외선 투과성 층(34, 36)을 이용하는 점에서 상이하다. 고상수지 구조체(122)는 그 자체는 연질이고 연삭이 어렵기 때문에, 도 5에서 고상수지 구조체(122)에 대한 도 4의 S20의 공정을 생략하는 것은 실제 공정 적용시 대단히 중요한 장점일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자외선 조사 방법과 이에 따라 형성된 고상수지 샌드위치 구조체의 구조도를 나타낸다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 자외선 조사는 x-y 평면 좌표에서 x 및 y 축 방향으로 일정한 간격을 두고 배열된 복수의 구멍(aperture)(42a)이 구비된 마스크(40a)를 이용하여 수행된다. 자외선은 마스크(40a) 면과 소정의 면외(out-of-plane) 경사각을 가지고 조사되며, x 및 y축에 대해 45도를 이루는 4개의 대각선 방향에서 마스크 구멍(42a)을 통해 면내 조사된다. 도 6의 (b)는 시계방향을 따라 고상수지 샌드위치 구조체(120a)의 사시도, 평면도, 정면도 및 측면도를 나타내며, 이 경우 심재를 이루는 고상수지 구조체(122a)는 도 6의 (a)에 도시된 마스크(40a)와 자외선 조사 방향에 의해 결정된다. 이러한 도 6의 실시예에 따른 자외선 조사 방법 및 고상수지 구조체(122a) 구조은 예시적이며, 상기한 도 4 및 도 5의 실시예에 적용가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 조사 방법과 이에 따라 형성된 고상수지 샌드위치 구조체의 구조도를 나타낸다. 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 자외선 조사는 x-y 평면에서 정삼각형의 꼭지점을 이루는 복수의 구멍 (42b)이 구비된 마스크(40b)를 이용하여 수행된다. 자외선은 마스크(40b) 면과 소정의 면외(out-of-plane) 경사각을 가지고 조사되며, 상기 정삼각형의 변과 평행한 3개의 방향에서 마스크 구멍(42b)을 통해 면내 조사된다. 도 7의 (b)는 시계방향을 따라 고상수지 샌드위치 구조체(120b)의 사시도, 평면도, 정면도 및 측면도를 나타내며, 이 경우 심재를 이루는 고상수지 구조체(122b)는 도 7의 (a)에 도시된 마스크(40b)와 자외선 조사 방향에 의해 결정된다. 도 6의 실시예에서와 마찬가지로, 이러한 도 7의 실시예에 따른 자외선 조사 방법 및 고상수지 구조체(122b) 구조은 예시적이며, 상기한 도 4 및 도 5의 실시예에 적용가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체(120c)의 구조도로서, 시계방향을 따라 사시도, 평면도, 정면도 및 측면도를 나타낸다. 도 7에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체은 심재의 상하뿐만 아니라 측면에도 시트 형태의 면재(124cs)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 도 7의 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 마이크로격자 형태의 고상수지 구조체의 상하 면 쌍뿐만 아니라 전후 및/또는 좌우의 측면에도 고상수지 면재가 형성된 고상수지 샌드위치 구조체를 템플릿으로 하고, 해당 고상수지 샌드위치 구조조체 템플릿에 경질 박막의 형성, 경질 박막의 일부 제거 및 고상수지의 제거 공정을 순차적으로 수행함으로써 얻어진다. 이 경우, 템플릿 제조시 잔여의 액상 감광성 수지를 제거하는 공정, 경질 박막 형성시 박막 형성 물질을 템플릿 내부로 원활하게 투입하는 공정, 템플릿을 구성하는 고상 수지를 식각하는 공정으로 인해 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체의 모서리 부분에는 경질 박막이 결여된 형상을 갖는다.
도 9의 (a) 내지 (e)는 도 7의 마이크로격자의 상면 또는 하면에 부착되는 자외성 투과성 판의 두께와 연삭 두께에 따라 달라지는 마이크로격자 심재의 예들에 대한 평면도를 나타낸다. 도면에서, 마이크로격자의 상면에 부착되는 부분을 검은색 점으로 나타내었다. 예컨대, 도 7의 (b)에 도시된 평면도는 도 9의 (c)의 마이크로격자 심재에 면재가 형성된 경우이다. 이와 유사하게, 부착되는 자외선 투과성 판의 두께와 연삭 두께에 따른 마이크로격자 심재 및 상하 면재의 형태 변화가 도 6의 (a)에 도시된 마스크를 사용하는 경우에도 발생할 수 있다. 예를 들면, 자외선 투과성 판은 밀도가 높기 때문에 자외선이 통과시 심한 굴절이 발생하게 되며, 자외선 투과성 판의 두께가 아주 얇은 경우에는 심재 상면의 형상(도 9의 검은 점)이 마스크와 거의 같은 모양이지만 판이 두꺼워 질수록 마스크와 다른 형상이 나타나게 될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체에 대한 구조해석 결과를 나타내며, 구체적으로 외부에서 압축이나 전단하중 작용시 면재가 심재를 구속함으로써 높은 강도를 갖게 됨을 나타낸다. 도 10의 (a)은 종래 마이크로격자와 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 각각에 대한 유한요소모델 및 구체적인 형상 수치(dimensions)를 나타낸다. 도 10의 (b)는 유한요소해석 소프트웨어인 'ABAQUS'를 이용하여 상기 모델들의 상면에 압축하중을 인가할 때 발생하는 변위를 모사(simulation)한 것으로서, 탄성구간의 하중-변위 곡선의 기울기에 해당하는 강성도와 최대 강도에 있어 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체가 종래 마이크로격자보다 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 도 10의 (c)는 상기 모델들에 대한 유한요소해석을 통해 얻어진 각각의 구조체의 무게, 최대 강도 및 강성도와 함께, 무게 대비 강도와 무게 대비 강성도에 대한 구체적인 수치값을 나타낸 표이다. 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체가 상하 면에 면재가 형성됨에 따라 무게가 종래 마이크로격자보다 2배 정도 증가하지만, 강도와 강성도의 증가 정도는 무게 증가분보다 더 높기 때문에 무게 대비 강도 및 무게 대비 강성도도 종래 마이크로격자보다 월등히 높음을 확인할 수 있다.
한편, 도 10의 해석에서는 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체에서 심재에 단층의 격자가 존재하는 것을 예정하였으나, 심재의 격자 층수가 증가할수록 동일 격자 층수를 갖는 종래 마이크로격자보다 무게 대비 강도 및 무게 대비 강성도가의 증가의 정도는 더 커질 것으로 예상된다. 나아가, 더 높은 강도를 얻기 위하여 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체의 면재에 높은 강도의 면재를 추가하여 부착하는 것도 가능하며, 이 경우 추가된 면재와 구조체의 상하 면 사이에 넓은 면적을 부착면으로 사용할 수 있기 때문에 면재와 심재 사이의 접촉면적이 매우 제한적인 종래 일반적인 샌드위치 판재에 비하여 심재와 추가된 면재 사이의 분리 저항을 월등히 크게 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 중공격자를 갖는 구조체의 최외면에 박막의 판이 구비되어 중량 대비 높은 강도와 강성을 갖기 때문에, 종래 단순히 면외(out-of-plane) 방향으로만 자외선을 조사하여 형성되는 마이크로격자가 갖는 구조적 불안정성을 효과적으로 해결할 수 있다. 또한 이러한 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는, 중량 대비 높은 강도와 강성이 요구되는 경량 구조재로 유리하게 활용될 수 있고, 상대적으로 큰 비표면적을 요구되는 열전달 매체 또는 촉매 지지체 등의 용도로도 유리하게 활용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조 방법은, 종래 마이크로격자(microlattice) 제조 방법을 개량 보완함으로써 종래 나노 격자(nanolattice) 또는 'Mechanical Metamaterial'과 같은 다른 극저밀도 소재를 제조하는 방법과 비교하여 제품 크기의 대형화 및 대량 생산성에 있어 유리하다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
예컨대, 도 4 및 도 5의 실시예에서 경질 박막(130)을 형성하기 전단계에서 고상수지 면재(124)를 형성하는 과정은 별도로 제공되는 고상수지 판(도면 미도시)을 고상수지 구조체(122)의 상하면에 직접 부착하는 방식으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 4의 실시예에서는 S10 내지 S30 단계 이후에 자외선 투과성판(34, 36) 대신에 고상수지 판을 부착하는 방식으로, 도 5의 실시예에서는 S200 단계 이후 상하 자외선 투과성 판(34, 36)을 분리한 상태에서 고상수지 판을 부착하는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우 상하면에 각각 부착된 고상수지판 안쪽과 바깥쪽 모두에 경질 박막이 존재하게 되어, 도 4 및 도 5의 실시예에서 고상수지 샌드위치 구조체(120)에 대한 경질 박막(130) 형성(S50, S500) 이후에 고상수지 샌드위치 구조체(120)에 대한 노출을 위하여 구조체의 측면을 연삭하는 것도 가능하지만 고상수지판 바깥쪽 면, 즉 상부 고상수지 윗쪽이나 하부 고상수지 아래쪽 면의 경질 박막을 연삭하는 것도 가능하다.
또한, 도 5의 실시예에서 고상수지 면재(124)를 형성하는 또 다른 방법으로서, 고상수지 구조체를 형성한 후(S100A 및 S100B) 화학용제 등을 이용하지 않고 원심력을 이용하거나 고압공기로 블로잉하는 것과 같은 기계적인 방법만으로 액상수지를 제거하면 상하 자외선 투과성 판(34, 36)의 내측면에는 박층의 액상 수지가 잔존할 수 있으며, 이 상태에서 재차 자외선을 조사함으로써 고상수지 면재(124)를 형성할 수 있다. 이에 따라 도 5에서 후속의 S400A 와 S400C의 액상광수지 주입 단계는 불필요하며, 바로 경질 박막(130)을 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
110, 110a: 액상 감광성수지
122: 고상수지 구조체
124, 124cs: 고상수지 면재
120, 120a, 120b, 120c: 고상수지 샌드위치 구조체
10: 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체
12: 심재
14: 면재
112: 공극
20: 용기
32, 34, 36: 자외선 투과성 판
40, 40a, 40b: 마스크
42a, 42b: 마스크 홀
50: 시린지
130: 경질 박막

Claims (12)

  1. 중공격자형의 경질 박막을 포함하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체를 제조하는 방법으로서, (a) 액상 감광성수지에 대해 면외 방향에서 소정 패턴에 따라 자외선을 조사한 후 잔여의 액상 감광성수지를 제거하여 마이크로격자 형태의 고상수지 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 고상수지 구조체의 대향되는 상하 면 쌍에 고상수지 면재를 형성하여 일체로 고상수지 샌드위치 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 고상수지 샌드위치 구조체의 표면에 경질 박막을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 경질 박막의 일부를 제거하여 내부의 고상수지를 노출시킨 후 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체는 상기 고상수지 샌드위치 구조체를 템플릿으로 하여 마이크로격자 형태의 심재와 시트 형태의 면재가 일체로 형성되며, 상기 심재는 중공격자형의 경질 박막으로 상기 면재는 단일의 경질 박막으로 각각 이루어진 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b)에서, 액상 감광성수지가 도포된 자외선 투과성 판을 상기 고상수지 구조체의 대향되는 면 쌍에 부착시킨 후 자외선을 조사하여 고상수지 면재를 형성하는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (a)에서, 액상 감광성수지의 대향되는 면 쌍에 자외선 투과성 판을 배치한 상태에서 자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (b)에서, 상기 자외선 투과성 판에 액상 감광성수지를 도포한 후 자외선을 조사하여 고상수지 면재를 형성하는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (d)에서, 상기 노출되는 고상수지는 고상수지 구조체의 측면인 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (b)에서, 상기 고상수지 구조체의 측면에 고상수지 면재를 일체로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (d)에서, 상기 경질 박막 일부의 제거는 기계적 연마, 전해 연마 또는 화학적 에칭 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (d)에서, 상기 고상수지의 제거는 화학적, 물리적, 열적 또는 광학적인 방법 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 샌드위치 구조체 제조방법.
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