KR101827814B1

KR101827814B1 - 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법

Info

Publication number: KR101827814B1
Application number: KR1020160046280A
Authority: KR
Inventors: 정준호; 전소희; 최준혁; 최대근; 이지혜; 정주연; 이응숙
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2018-02-12
Also published as: WO2017179955A1; US10730233B2; KR20170119022A; US20190070775A1

Abstract

본 발명은 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 기능층을 다수 적층 시킴으로써, 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성할 수 있는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 요철부가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프준비단계와, 요철부를 포함한 스탬프에 이형층을 형성하는 이형층형성단계와, 이형층형성단계를 거친 요철부에 기능층을 형성하기 위해 하나 이상의 재료를 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기로 형성하는 재료형성단계와, 기판 상에 요철부에 형성된 재료를 적층하는 재료적층단계 및 재료에 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나를 가하여 재료를 하단의 재료에 접합시키는 기능층고정단계를 포함하고, 상술한 단계를 순차적으로 반복 실시하여 내부에 다수의 기공이 형성되는 3차원 구조체를 제조할 수 있다.

Description

나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF THREE DIMENSION STRUCTURE USING THE NANO IMPRINTING MEANS}

본 발명은 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 기능층을 다수 적층 시킴으로써, 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성할 수 있는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3차원 구조체를 제작하기 위해서는 3차원 구조체의 형상을 만들어 낼 수 있는 금형을 제작해야 한다. 이를 위해 목형을 제작하고, 다수의 공정을 거쳐 최종적으로 금형을 만들어 3차원 구조체를 생산하게 된다.

이때, 3차원 구조체의 금형을 만들어 내기 위해서 쾌속 조형 공정을 이용할 수 있다. 여기서, 쾌속 조형 공정이란 종이, 왁스, ABS 및 플라스틱 등의 재료를 사용하여 3차원 캐드 데이터로부터 금형없이 직접 3차원 형상의 시작품을 성형하는 것을 말한다. 이와 같은 신속성형 공정분야에서 최근에는 금속분말 및 와이어를 이용하는 공정까지 개발되고 있다.

또한, 선행기술문헌에 기재된 한국공개특허 제2000-0054896호(2000. 09. 05. 공개)와 같이 금속박판에 형상부를 제작하고, 형상부가 형성된 금속박판을 적층하여 용접롤러로 금속박판을 서로 용착시킴으로써, 원하는 형상의 시작품을 만들 수 있다.

하지만, 종래 기술과 같은 3차원 구조체의 제조방법에서는, 금속박판의 두께를 줄이는 데 한계가 있고, 금속박판을 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께로 작게 형성하는 경우, 금속박판을 롤러에 권취하기 어려웠다. 또한, 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께를 갖는 금속박판에 복잡한 형태의 형상부를 형성하기 어렵고, 3차원 구조체의 내부에 다양한 기공을 형성하여 고강도이고 초경량인 3차원 구조체를 제작할 수 없었다.

한국공개특허공보 제2000-0054896호(발명의 명칭 : 금속박판의 전기식 롤러용접을 이용한 3차원 시작품 제작방법 및 장치, 2000. 09. 05. 공개)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 기능층을 다수 적층 시킴으로써, 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성할 수 있는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응하는 요철부가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프준비단계; 상기 요철부를 포함한 상기 스탬프에 이형층을 형성하는 이형층형성단계; 상기 이형층형성단계를 거친 상기 요철부에 상기 기능층을 형성하기 위한 하나 이상의 재료를 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기로 형성하는 재료형성단계; 기판 상에 상기 요철부에 형성된 상기 재료를 적층하는 재료적층단계; 및 상기 재료에 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나를 가하여 상기 재료를 하단의 상기 재료에 접합시키는 기능층고정단계;를 포함하고, 상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 상기 스탬프준비단계와, 상기 이형층형성단계와, 상기 재료형성단계와, 상기 재료적층단계와, 상기 기능층고정단계를 순차적으로 반복한다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 패턴의 종류를 결정하고, 순차적인 반복횟수를 결정하는 반복제어단계; 및 상기 반복제어단계를 거쳐 결정된 패턴에 대응하여 상기 스탬프에 상기 요철부를 형성하는 스탬프가공단계;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 상기 기능층고정단계를 거친 다음, 상기 반복횟수의 종료 여부를 선택하는 반복마감단계;를 더 포함하고, 상기 반복마감단계를 거쳐 상기 반복횟수가 종료되지 않으면, 상기 스탬프준비단계로 복귀한다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 상기 재료형성단계에 앞서, 상기 스탬프의 표면에 이형층을 형성하는 이형층형성단계;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 상기 재료형성단계에 앞서, 최초의 상기 기능층이 탈부착 가능하도록 상기 기판을 준비하는 기판설치단계; 및 상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 상기 기능층이 모두 적층 고정된 다음, 상기 기판에서 상기 기능층을 분리하는 기판분리단계;를 더 포함한다.

여기서, 상기 스탬프는, 유기물 또는 무기물 또는 유무기 복합 물질로 이루어지고 요철부가 형성된 잔여층을 포함하고, 상기 기능층을 형성하기 위한 재료는, 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의해 하단의 기능층에 접합되는 물질로 이루어진다.

여기서, 상기 요철부는, 상기 스탬프의 표면에서 라인 형태, 아일랜드 형태, 격자 형태, 이들의 복합 형태 중 어느 하나로 돌출 형성된다.

여기서, 상기 재료형성단계는, 화학기상증착 방식, 물리기상증착 방식, 스퍼터 방식, 스프레이 방식, 잉크젯 방식, 스크린프린트 방식 중 어느 하나를 통해 상기 요철부에 상기 재료를 형성한다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법으로 완성된 3차원 구조체는, 초경량 고강도의 금속 복합 소재, 수처리 필터, 공기정화 필터, 건축 내외장재, 구조색 소재, 홀로그램 소재 중 어느 하나에 적용된다.

본 발명에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 따르면, 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 기능층을 다수 적층 시킴으로써, 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은 스탬프에 나노 스케일의 재료가 형성됨에 따라 기능층을 용이하게 패터닝하고, 기능층에서 패턴 늘어짐 현상 또는 패턴의 일그러짐 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 기능층에 형성되는 패턴의 정밀도를 향상시키고, 패턴이 형성된 기능층 간의 적층 및 접합을 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 결정되는 패턴의 종류에 따라 기능층의 적층 구조를 다양하게 변화시키고, 기능층의 구조 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 스탬프로부터 재료가 안정적으로 분리되도록 하고, 적층된 재료들을 일체화하여 안정된 기능층을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은 스탬프에 의해 재료가 오염되는 것을 방지하고, 스탬프의 반복 사용으로 스탬프가 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 기판과 기능층의 탈부착을 용이하게 함은 물론 기판으로부터 기능층이 안정적으로 분리되도록 하고, 기능층의 파손을 방지하며, 3차원 구조체의 적층 구조를 안정화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의한 재료 간의 접합으로 적층된 재료들 간의 결합도를 향상시키고, 완성되는 3차원 구조체의 강도와 전도도(전기 또는 열)를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 스탬프의 요철부에 재료를 안정되게 부착시킬 수 있고, 요철부에 부착되는 재료의 두께를 안정되게 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 적층 고정되는 기능층에 형성되는 기공을 통해 3차원 구조체를 경량화시킴은 물론 미세 필터링의 효과를 부여하고, 완성된 3차원 구조체에서 광학적 특성을 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명은 3차원 구조체를 통해 기계적 메타물질 또는 전자기적 메타물질을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 스탬프를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 이형층이 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층을 형성하는 재료가 스탬프에 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층을 형성하는 재료가 스탬프에 형성된 변형예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층이 스탬프에서 분리되어 기판에 적층된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의해 기능층 간에 접합된 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 따라 기능층이 적층된 상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 나임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 스탬프를 제조하는 과정을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 이형층이 형성된 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층을 형성하는 재료가 스탬프에 형성된 상태를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층을 형성하는 재료가 스탬프에 형성된 변형예를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 기능층이 스탬프에서 분리되어 기판에 적층된 상태를 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에서 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의해 기능층 간에 접합된 상태를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 따라 기능층이 적층된 상태를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 기능층(M)을 형성하기 위한 재료(4)를 다수 적층 고정시켜 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성하는 방법으로써, 스탬프준비단계(S1)와, 이형층형성단계(S2)와, 재료형성단계(S3)와, 재료적층단계(S4)와, 기능층고정단계(S5)를 포함한다. 이때, 상기 기능층(M)의 적층 구조에 대응하여 상기 스탬프준비단계(S1)부터 상기 기능층고정단계(S5)까지 순차적으로 반복하게 된다. 다시 말해, 상기 기능층(M)의 적층 구조에 대응하여 상기 스탬프준비단계(S1)와, 상기 이형층형성단계(S2)와, 상기 재료형성단계(S3)와, 상기 재료적층단계(S4)와, 상기 기능층고정단계(S5)를 순차적으로 반복함으로써, 원하는 크기의 3차원 구조체를 형성할 수 있다.

상기 스탬프준비단계(S1)는 형성하고자 하는 기능층(M)의 패턴에 대응하는 요철부(11)가 가공된 스탬프(1)를 준비한다. 상기 요철부(11)는 후술하는 스탬프가공단계(S7)를 거쳐 상기 스탬프(1)에 가공될 수 있다.

여기서, 상기 스탬프(1)는 유기물 또는 무기물 또는 유무기 복합 물질로 이루어지고, 상기 기능층고정단계(S5)에서 재료(4)가 안정되게 형성되도록 할 수 있다.

상기 이형층형성단계(S2)는 상기 재료형성단계(S3)에 앞서, 실시된다. 상기 이형층형성단계(S2)는 상기 요철부(11)를 포함한 상기 스탬프(1)에 이형층(3)을 형성한다. 상기 이형층형성단계(S2)는 화학기상증착 방식, 물리기상증착 방식, 스퍼터 방식, 스프레이 방식, 잉크젯 방식, 스크린프린트 방식 중 어느 하나를 통해 상기 요철부(11)를 포함한 상기 스탬프(1)의 표면에 이형층(3)을 형성할 수 있다.

상기 이형층(3)은 상기 재료(4)의 탈부착을 용이하게 할 수 있다. 상기 이형층형성단계(S2)를 거침에 따라 상기 스탬프(1)의 상기 요철부(11)에 상기 기능층(M)을 형성하기 위한 재료(4)가 안정되게 탈부착되도록 한다. 여기서, 상기 이형층(3)의 재질을 한정하는 것은 아니고, 상기 스탬프(1)의 표면에 형성되어 상기 재료(4)의 탈부착 또는 상기 기능층(M)의 탈부착을 용이하게 할 수 있다.

일예로, 상기 이형층형성단계(S2)는 상기 재료형성단계(S3)에 앞서 상기 요철부(11)가 가공된 상기 스탬프(1)의 표면에 상기 이형층(3)을 형성하고, 상기 재료형성단계(S3)를 진행함으로써, 상기 요철부(11)가 가공된 상기 스탬프(1)에 영구적으로 또는 반영구적 또는 일회성으로 상기 이형층(3)을 형성 유지시킬 수 있다.

상기 재료형성단계(S3)는 상기 이형층형성단계(S2)를 거친 상기 요철부(11)에 상기 기능층(M)을 형성하기 위한 상기 재료(4)를 형성한다. 상기 재료형성단계(S3)에 따라 형성되는 상기 재료(4)는 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기로 상기 요철부(11)에 형성될 수 있다. 일예로, 상기 재료(4)는 1 나노미터 내지 100 나노미터의 크기로 상기 요철부(11)에 형성될 수 있다.

상기 재료형성단계(S3)는 상기 이형층형성단계(S2)를 거친 상기 요철부(11)에 상기 재료(4)를 하나 이상 형성할 수 있다. 여기서, 상기 재료(4)는 제1재료(4a)와, 상기 제1재료(4a)와 다른 재질의 제2재료(4b)로 구분할 수 있다. 그러면, 상기 재료형성단계(S3)는 상기 요철부(11)에 상기 제1재료(4a)를 형성한 다음, 상기 제1재료(4a)에 상기 제2재료(4b)를 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 재료형성단계(S3)는 상기 요철부(11)에 두 가지 재료(4)를 형성하는 것으로 설명하였으나, 여기에 한정하는 것은 아니고, 상기 재료형성단계(S3)는 세 가지 이상의 재료(4)들을 상기 요철부(11)에 형성하거나, 두 가지 이상의 재료(4)들을 교대로 반복하여 형성하는 등 다양한 실시예로 구현될 수 있다.

여기서, 상기 재료(4)는 상기 이형층형성단계(S2)에 따라 상기 요철부(11)에서 탈부착이 가능하도록 하여 상기 재료(4)가 후술하는 기판(B)에 안정되게 전달 고정될 수 있다.

또한, 상기 재료(4)는 금, 은, 백금 등과 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 재료(4)는 유기물 또는 무기물로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 재료(4)의 재질에 의해 역학적 메타물질 또는 전자기적 메타물질을 구현할 수 있다.

상기 재료형성단계(S3)는 화학기상증착 방식, 물리기상증착 방식, 스퍼터 방식, 스프레이 방식, 잉크젯 방식, 스크린프린트 방식 중 어느 하나를 통해 상기 요철부(11)에 상기 재료(4)를 접합시킬 수 있다.

상기 재료적층단계(S4)는 기판(B)의 상에 상기 요철부(11)에 형성된 상기 재료(4)를 적층한다.

상기 스탬프(1)와 상기 재료(4)의 접착력은 후술하는 이형층형성단계(S2)에 따라 결정되고, 상기 기판(B)과 상기 재료(4)의 접착력은 후술하는 기판설치단계(S1-1)에 따라 결정된다. 이때, 상기 스탬프(1)와 상기 재료(4)의 접착력은 상기 기판(B)과 상기 재료(4)의 접착력보다 작도록 함으로써, 상기 재료(4)는 상기 스탬프(1)로부터 안정되게 분리될 수 있고, 상기 재료(4)는 상기 기판(B)과의 접착력을 향상시킬 수 있다.

상기 기능층고정단계(S5)는 상기 재료(4)가 상기 기능층(M)이 되도록 상기 재료(4)에 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나를 가하여 하단의 상기 재료(4)에 접합시킨다. 여기서, 압력은 상기 스탬프(1)를 이용하여 상기 재료(4)를 상기 기판(B) 쪽으로 가압할 수 있다. 일예로, 상기 기능층고정단계(S5)는 상기 재료(4)가 자외선이나 가시광선에 의한 플라즈모닉 웰딩을 통해 상기 기능층(M)을 형성하도록 할 수 있다. 또한, 상기 기능층고정단계(S5)는 상기 기판(B) 상에서 상기 재료(4)가 열과 압력에 의해 상기 기능층(M)을 형성하도록 할 수 있다.

일예로, 상기 스탬프(1)가 투명한 재질로 이루어지는 경우, 상기 기능층고정단계(S5)는 상기 스탬프(1)가 상기 재료(4)의 적층 상태를 유지하도록 상기 재료(4)를 가압한 상태에서 자외선 또는 가시광선이 상기 스탬프(1)를 투과하여 상기 재료(4)에 조사됨으로써, 상기 재료(4)를 하단의 상기 재료(4)에 접합시켜 일체화된 상기 기능층(M)을 형성할 수 있다.

다른 예로, 상기 스탬프(1)가 반투명 또는 불투명한 재질로 이루어지는 경우, 상기 기능층고정단계(S5)는 상기 스탬프(1)가 상기 재료(4)의 적층 상태를 유지하도록 상기 재료(4)를 가압한 다음, 상기 재료(4)에 열을 가함으로써, 상기 재료(4)를 하단의 상기 재료(4)에 접합시켜 일체화된 상기 기능층(M)을 형성할 수 있다.

상기 기능층고정단계(S5)를 거침에 따라 상기 재료(4)는 상기 기판(B)에 안정되게 접착될 수 있다. 또한, 상기 기능층고정단계(S5)를 거침에 따라 상호 적층되는 상기 기능층(M)을 서로 일체화시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 반복제어단계(S6)와, 스탬프가공단계(S7)를 더 포함할 수 있다.

상기 반복제어단계(S6)는 상기 기능층(M)의 적층 구조에 대응하여 패턴의 종류를 결정한다. 또한, 상기 반복제어단계(S6)는 상기 기능층(M)의 적층 구조에 대응하여 상기 기능층(M)의 적층을 위한 순차적인 반복횟수를 결정한다. 이에 따라, 상기 반복제어단계(S6)를 거침으로써, 형성하고자 하는 상기 기능층(M)의 형태 및 완성하고자 하는 상기 3차원 구조체의 적층 구조를 결정할 수 있다.

상기 스탬프가공단계(S7)는 상기 반복제어단계(S6)를 거쳐 결정된 패턴에 대응하여 상기 스탬프(1)에 상기 요철부(11)를 형성한다. 상기 스탬프가공단계(S7)는 상기 반복제어단계(S6)를 거쳐 선택된 패턴의 종류에 따라 상기 스탬프(1)는 다수 개로 구성되고, 각각의 상기 스탬프(1)에 한 종류의 패턴을 가공할 수 있다.

여기서, 상기 스탬프(1)는 기재(1a)와, 상기 요철부(11)가 형성된 상태로 상기 기재(1a)에 적층 지지되는 잔여층(1b)를 포함할 수 있다. 상기 기재(1a)와 상기 잔여층(1b)은 각각 투명 또는 반투명 또는 불투명한 유기물 또는 무기물 또는 유무기 복합 물질로 이루어질 수 있다. 상기 기재(1a)와 상기 잔여층(1b)이 각각 투명한 재질로 이루어지는 경우, 상술한 바와 같이 자외선 또는 가시광선이 투과되도록 하여 상기 기능층고정단계(S5)를 안정화시킬 수 있다.

이때, 상기 스탬프(1)에 형성되는 상기 요철부(11)도 상술한 바와 같은 나노 스케일로 형성되어, 상기 재료(4)를 미세화할 수 있다.

상기 스탬프가공단계(S7)는 상기 기능층(M)의 패턴에 대응하는 패턴 형상을 가진 마스터(2)에 액체상태의 열경화성 또는 광경화성 수지를 도포하고, 기재(1a)로 평탄화하면서 열 또는 빛으로 상기 잔여층(1b)과 요철부(11)을 경화시킨다. 그리고, 상기 스탬프(1)를 상기 마스터(2)에서 분리함으로써, 상기 기재(1a)와 상기 잔여층(1b)과 요철부(11)이 일체화된 상기 스탬프(1)를 형성한다. 상기 요철부(11)는 상기 스탬프(1)의 표면에서 라인 형태, 아일랜드 형태, 이들의 복합 형태 중 어느 하나로 돌출 형성될 수 있다.

그러면, 상기 반복제어단계(S6)를 거쳐 결정된 상기 반복횟수에 따라 상기 스탬프준비단계(S1)부터 상기 기능층고정단계(S5)까지 순차적으로 반복하여 최종적으로 상기 기능층(M)의 적층 구조 및 상기 3차원 구조체의 적층 구조를 완성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 반복마감단계(S8)를 더 포함할 수 있다.

상기 반복마감단계(S8)는 상기 기능층고정단계(S5)를 거친 다음, 실시된다. 상기 반복마감단계(S8)는 상기 반복횟수의 종료 여부를 선택한다. 상기 반복마감단계(S8)의 선택에 따라 추가로 상기 기능층(M)을 형성하기도 하고, 후술하는 기판분리단계(S9)를 거치거나 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법을 종료할 수 있다.

좀더 자세하게, 상기 반복마감단계(S8)를 거침에 따라 상기 반복횟수가 종료되지 않으면, 상기 스탬프준비단계(S1)로 복귀함으로써, 추가로 상기 기판(B)에 상기 재료(4)를 적층 고정시켜 상기 기능층(M)을 적층할 수 있다.

또한, 상기 반복마감단계(S8)를 거침에 따라 상기 반복횟수가 종료되면, 후술하는 기판분리단계(S9)를 실시할 수 있다. 또한, 상기 반복마감단계(S8)를 거쳐 상기 반복횟수가 종료됨에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법을 종료할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법은 기판설치단계(S1-1)와 기판분리단계(S9)를 더 포함할 수 있다.

상기 기판설치단계(S1-1)는 상기 재료형성단계에 앞서, 최초의 상기 기능층(M)이 탈부착 가능하도록 상기 기판(B)을 준비한다. 여기서, 상기 기판설치단계(S1-1)에서는 상기 기판(B)을 세정 또는 표면처리할 수 있다.

상기 기판설치단계(S1-1)는 최초 1회 실시되고, 상술한 설명에 따라 반복되지 않도록 한다.

상기 기판(B)을 세정 또는 표면처리함으로써, 상기 기판(B)과 상기 재료(4) 또는 상기 기판(B)과 상기 기능층(M)의 접착력을 조절할 수 있다.

또한, 상기 기판설치단계(S1-1)를 거침에 따라 상기 기판분리단계(S9)를 간소화시키고, 상기 기판(B)에서 분리되는 상기 기능층(M)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 기판처리단계(S1-1)에서는 상기 기판(B)에 접착층을 코팅할 수 있다. 상기 기판에 접착층을 코팅함으로써, 상술한 기판(B)의 세정 또는 표면처리와 실질적으로 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

상기 기판분리단계(S9)는 상기 기능층(M)의 적층 구조에 대응하여 상기 기능층(M)이 모두 적층 고정된 다음, 상기 기판(B)에서 상기 기능층(M)을 분리한다. 상기 기판분리단계(S9)는 상기 기판(B)으로부터 상기 기능층(M)을 분리하여 완성된 상기 3차원 구조체를 획득한다. 상기 기판분리단계(S9)는 상기 반복마감단계(S8)를 거쳐 상기 반복횟수가 종료됨에 따라 상기 기판(B)으로부터 적층된 상기 기능층(M)을 분리할 수 있다.

상기 기판분리단계(S9)에서는 다양한 형태의 재단수단으로 완성된 상기 3차원 구조체를 기설정된 크기로 재단할 수 있다.

상술한 방법에 의해 완성된 상기 3차원 구조체는 상기 기판(B)에 적층 고정된 상기 기능층(M)으로써, 상기 기판(B)으로부터 분리된 상기 기능층(M)으로 이루어진다. 또한, 상술한 방법에 의해 완성된 상기 3차원 구조체는 초경량 고강도의 금속 복합 소재, 수처리 필터, 공기정화 필터, 건축 내외장재, 구조색 소재, 홀로그램 소재 중 어느 하나에 적용될 수 있다.

여기서, 각각의 상기 기능층(M)은 패턴에 의해 다수의 기공(H)이 관통 형성된다. 또한, 다수의 상기 기능층(M)은 상술한 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의해 일체를 이루고, 다수의 상기 기능층(M)에는 기공(H)이 형성되어 상기 3차원 구조체를 경량화시킬 수 있다.

상술한 설명에서 세정 또는 표면처리에 대한 세부 공정을 한정하는 것은 아니고, 다양한 형태를 통해 모재로부터 적층되는 물질이 용이하게 분리될 수 있도록 한다. 일예로, 상기 스탬프(1)와 상기 재료(4)의 탈부착, 또는 상기 기판(B)과 상기 재료(4)의 탈부착, 또는 상기 기판(B)과 상기 기능층(M)의 탈부착을 용이하게 할 수 있다.

상술한 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법에 따르면, 나노임프린트 방식으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기로 패터닝된 상기 기능층(M)을 다수 적층 시킴으로써, 고강도이고, 초경량이며, 고기능성인 3차원 구조체를 쉽고 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 스탬프(1)에 나노 스케일의 상기 재료(4)가 형성됨에 따라 상기 기능층(M)을 용이하게 패터닝하고, 상기 기능층(M)에서 패턴 늘어짐 현상 또는 패턴의 일그러짐 현상을 방지할 수 있다.

또한, 상기 기능층(M)에 형성되는 패턴의 정밀도를 향상시키고, 패턴이 형성된 상기 기능층(M) 간의 적층 및 접합을 용이하게 할 수 있다. 또한, 결정되는 패턴의 종류에 따라 상기 기능층(M)의 적층 구조를 다양하게 변화시키고, 상기 기능층(M)의 구조 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 스탬프(1)로부터 상기 재료(4)가 안정적으로 분리되도록 하고, 적층된 상기 재료(4)들을 일체화하여 안정된 상기 기능층(M)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 스탬프(1)에 의해 상기 재료(4)가 오염되는 것을 방지하고, 상기 스탬프(1)의 반복 사용으로 상기 스탬프(1)가 변형 또는 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 기판(B)과 상기 기능층(M)의 탈부착을 용이하게 함은 물론 상기 기판(B)으로부터 상기 기능층(M)이 안정적으로 분리되도록 하고, 상기 기능층(M)의 파손을 방지하며, 상기 3차원 구조체의 적층 구조를 안정화시킬 수 있다. 또한, 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의한 상기 재료(4)들의 경화로 적층된 상기 재료(4)들 간의 접합도를 향상시키고, 완성되는 3차원 구조체의 강도와 전도도(전기 또는 열)를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 스탬프(1)의 상기 요철부(11)에 상기 재료(4)를 안정되게 부착시킬 수 있고, 상기 요철부(11)에 부착되는 상기 재료(4)의 두께를 안정되게 조절할 수 있다.

또한, 적층 고정되는 상기 기능층(M)에 형성되는 상기 기공(H)을 통해 상기 3차원 구조체를 경량화시킴은 물론 미세 필터링의 효과를 부여하고, 완성된 상기 3차원 구조체에서 광학적 특성을 발휘할 수 있다. 또한, 상기 3차원 구조체를 통해 기계적 메타물질 또는 전자기적 메타물질을 구현할 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

S1: 스탬프준비단계 S1-1: 기판설치단계 S2: 이형층형성단계
S3: 재료형성단계 S4: 재료측정단계 S5: 기능층고정단계
S6: 반복제어단계 S7: 스탬프가공단계 S8: 반복마감단계
S9: 기판분리단계
1: 스탬프 1a: 기재 1b: 잔여층
11: 요철부 2: 마스터 3: 이형층
4: 재료 4a: 제1재료 4b: 제2재료
M: 기능층 B: 기판 H: 기공

Claims

형성하고자 하는 기능층의 패턴에 대응하는 요철부가 가공된 스탬프를 준비하는 스탬프준비단계;
상기 요철부를 포함한 상기 스탬프에 이형층을 형성하는 이형층형성단계;
상기 이형층형성단계를 거친 상기 요철부에 상기 기능층을 형성하기 위한 하나 이상의 재료를 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기로 형성하는 재료형성단계;
기판 상에 상기 요철부에 형성된 상기 재료를 적층하는 재료적층단계;
상기 재료가 상기 기능층으로 변형되도록 상기 재료에 압력 또는 열과 압력 또는 빛과 압력을 가하여 상기 재료를 경화시키는 기능층고정단계;를 포함하고,
상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 상기 스탬프준비단계와, 상기 이형층형성단계와, 상기 재료형성단계와, 상기 재료적층단계와, 상기 기능층고정단계를 순차적으로 반복하며,
상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 패턴의 종류를 결정하고, 순차적인 반복횟수를 결정하는 반복제어단계; 및
상기 반복제어단계를 거쳐 결정된 패턴에 대응하여 상기 스탬프에 상기 요철부를 형성하는 스탬프가공단계;를 더 포함하고,
상기 기능층고정단계를 거친 다음, 상기 반복횟수의 종료 여부를 선택하는 반복마감단계;를 더 포함하며,
상기 반복마감단계를 거쳐 상기 반복횟수가 종료되지 않으면, 상기 스탬프준비단계로 복귀하고,
상기 기능층고정단계에서는 상기 스탬프가 상기 재료의 적층 상태를 유지하도록 상기 재료를 가압한 상태에서 자외선, 가시광선, 열 중 하나를 상기 재료에 가하여 상기 스탬프에 형성된 상기 재료를 상기 기판상에 적층된 상기 재료와 접합시켜 일체화된 상기 기능층을 형성하며,
상기 단계에 의하여 완성된 상기 기능층은 3차원 구조체를 가지며, 수처리 필터, 공기정화 필터, 건축 내외장재, 구조색 소재, 홀로그램 소재 중 어느 하나에 적용되고,
상기 3차원 구조체는 상기 기능층의 패턴에 의해 다수의 기공이 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 재료형성단계에 앞서, 상기 스탬프의 표면에 이형층을 형성하는 이형층형성단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 재료형성단계에 앞서, 최초의 상기 기능층이 탈부착 가능하도록 상기 기판을 준비하는 기판설치단계; 및
상기 기능층의 적층 구조에 대응하여 상기 기능층이 모두 적층 고정된 다음, 상기 기판에서 상기 기능층을 분리하는 기판분리단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 스탬프는, 유기물 또는 무기물 또는 유무기 복합 물질로 이루어지고 요철부가 형성된 잔여층을 포함하고,
상기 기능층을 형성하기 위한 재료는, 압력, 열과 압력, 빛과 압력 중 어느 하나에 의해 하단의 재료에 접합시키는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 요철부는, 상기 스탬프의 표면에서 라인 형태, 아일랜드 형태, 격자 형태 또는 이들의 복합형태 중 어느 하나로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 재료형성단계는,
화학기상증착 방식, 물리기상증착 방식, 스퍼터 방식, 스프레이 방식, 잉크젯 방식, 스크린프린트 방식 중 어느 하나를 통해 상기 요철부에 상기 재료를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 스탬프는 투명한 재질로 이루어지고,
상기 기능층고정단계는, 상기 스탬프가 상기 재료의 적층 상태를 유지하도록 상기 재료를 가압한 상태에서 자외선 또는 가시광선이 상기 스탬프를 투과하여 상기 재료에 조사되어 상기 재료를 하단의 재료에 접합시키는 것을 특징으로 하는 나노임프린트 방식을 이용한 3차원 구조체의 제조방법.
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