KR19980042570A - 마이크로기계를 위한 단층 윤활제 - Google Patents

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Abstract

마이크로기계 장치의 보호용 코팅을 위한 재료 및 방법이 개시되어 있다. 장치의 표면을 UV/O3처리 (20)을 통해 세척하여 물 및(또는) 히드록시류를 표면상에 남긴다. 이어서 클로로실란 물질 (22, 24, 28)에 장치를 노출시켜 물 또는 히드록시류와 반응하게 함으로써 강한 단층을 형성한다. 단층은 단층 내의 이웃한 분자에는 물론이고 장치의 표면에 결합한다. 액체 또는 증기 방법으로 노출시킬 수 있다. 마지막으로 장치를 경화시킨다 (26).

Description

마이크로기계를 위한 단층 윤활제
본 발명은 마이크로기계를 위한 윤활제, 더욱 구체적으로는 마이크로기계에 윤활제를 도포하는 방법에 관한 것이다.
마이크로기계 장치는 모터, 바퀴 및 기어와 같은 보통의 구조물을 포함하지만 크기에 있어서 마이크론급인 것이다. 이들은 또한 가속기 및 공간 광변조기와 같은 특수 기계 구조물도 포함한다. 기계 구조물은 크기와 상관없이 전형적으로 동작부품 사이에 마찰과 점착을 경험한다. 동작부품은 다른 동작부품 또는 비동작부품과 접촉하게 된다. 마찰과 점착에 의해 부품들이 마모될 수 있고 또한 부품들 사이에 점착이 일어나 기계의 작동을 방해할 수 있다.
마이크로기계 장치에서 일어나는 고유한 문제들이 있다. 이들의 크기가 작기 때문에 점착과 마찰의 문제를 피하도록 부품을 보호하는 것이 어렵다. 보호제는 동작부품 및 비동작부품의 표면 상에 윤활제 또는 다른 코팅이 될 수 있다. 코팅 또는 필름은 장치의 작동을 방해하지 않을만큼 지극히 얇아야 한다. 두꺼운 필름은 동작부품을 방해하거나 사이에 끼어 움직이지 못하게 하는 원인이 될 수 있다.
한편, 강하지 못한 필름은 장치 표면을 충분하게 보호하지 못하여 장치 고장을 일으키게 될 것이다. 필름은 강한 고분자량과, 접착성 감소를 위해 저표면에너지와, 보다 낮은 마찰 계수를 가져야 하며 표면에 결합하는 것이어야 한다. 따라서, 재료의 선택이 관건이 된다.
이들 장치의 표면을 안정화하거나 보호하려는 종래의 시도에서는 퍼플루오르데칸산 (PFDA)를 사용했었다. PFDA는 장치의 표면 상에 배향 (oriented) 단층을 형성한다. 단층은 하나의 분자 두께의 층이다. 이러한 접근은 1994년 7월 19일 허여된 미국특허 제5,331,454호에 개시되어 있다. 그러나, 단층을 도포한 후, 상기 언급된 특허의 실시태양에서 보인 알루미늄 표면과 배향 단층 사이에 단지 약한 화학결합만이 존재한다.
마이크로기계 장치 보호제에 있어서 또다른 어려움은 도포법이다. 동작부품의 작은 크기와 섬세함으로 인해, 도포로 인해 발생하는 압력으로 장치를 파괴할 가능성이 있는 보호제 표준 도포 기술을 사용하지 못한다.
상기의 특허에서 단층은 화학적 증착에 의해 도포되었다. 이 공정 중에서 마이크로기계 구조물이 있는 장치를 PFDA와 함께 오븐 실 (室)에 놓아두었다. 가열되면 PFDA는 증기를 형성하며 이는 마이크로기계 장치의 활성화된 표면에 침착된다. 이 방식에서 장치의 표면은 산소/불소 플라즈마에 의해 활성화되었다.
1995년 4월 4일에 허여된 미국특허 제5,403,665호에서 보인 또다른 접근 방식에서는 표면을 복잡하고 매우 정밀한 공정인 일련의 전이 조에 의해 활성화한다. 이들 접근법은 모두 표면에 결합하는 단층 보호제를 용이하게 도포시키지 못한다.
본 발명의 목적은 강한 고분자량과 접착성 감소하기 위한 저표면에너지와 보다 낮은 마찰 계수를 갖고 장치 표면에 결합하는 마이크로기계 장치의 표면 보호용 코팅 재료 및 코팅법을 제공하는 것이다.
도 1은 보호제의 한 실시태양의 분자구조.
도 2는 보호용 단층이 있는 마이크로기계 장치의 표면.
도 3은 마이크로기계 장치의 표면에 단층 보호제를 도포하는 방법의 한 실시태양.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10. 클로로실란 분자
12. 클로로실란 분자의 헤드기
14. 클로로실란 분자의 알킬쇄 테일
16, 18. 장치 표면
20. UV/O3세척
22. 담금
24, 28. 노출
26. 굽기
본 발명의 한 측면은 마이크로기계 장치의 보호용 코팅이다. 보호용 코팅은 장치의 표면과 각각의 이웃한 분자에 결합을 형성하는 분자 단층으로서 고분자량의 강하고 효과적인 보호용 코팅을 형성한다. 단층은 증기 또는 액체 침착에 의해 형성된다.
두가지 기술의 실시태양에서, 장치는 UV/O3세척 공정으로 세척되며 장치의 표면을 클로로실란 물질에 노출시켜 코팅을 형성하는 반응을 유발한다. 액체 기술의 실시태양에서는 장치를 용기의 용액에 담그고 헹구고 용기에서 꺼낸 후 굽는다. 증기 기술의 실시태양에서는 장치를 용기에 소량의 재료와 함께 넣는다. 일정한 시간 후에 장치를 꺼내어 굽는다.
본 발명은 마이크로기계 장치의 표면에 강한 보호용 코팅을 제공한다는 점에서 이점이 있다.
본 발명의 추가적 이점은 보호용 코팅이 표면과 코팅내의 이웃한 분자들에 결합한다는 것이다.
도 1은 본 발명의 한가지 실시태양에서 사용되는 클로로실란류의 분자를 보여준다. 이 분자 (10)은 부분적으로 염소화된 규소 원자로 이루어지는 헤드기 (12)와 알킬쇄 테일 (14)를 갖는다. 테일은 불소화될 수도 있고 아닐 수도 있다.
이들 분자는 물 또는 히드록시류와 장치 표면 상에서 반응하여 표면에는 물론이고 이웃한 실란 분자들 사이에 강한 결합을 형성한다. 알루미늄 표면을 가진 마이크로기계 장치에서는 도 1에서 보인 SiCl3기와 장치 표면 상의 Al2O3와 물 및(또는) 히드록시류 사이에 반응이 일어난다. 이 공정의 부산물은 HCl이다. 생겨난 결합은 도 2에 도시되어 있다.
도 2에서, 표면 (16) 및 표면 (18) 상의 알루미늄은 실란 분자와 결합했다. 또한 실란은 이웃한 실란 분자와도 결합했으며 이는 이 문제에 관한 종래 및 현행 접근법에서는 일어나지 않았던 것이다. 이 화학 반응으로 표면 (16) 및 (18)은 강하게 결합된 고분자량으로 이루어진 강한 단층 필름을 갖게 된다.
도 3은 필름을 침착시키는 방법의 한 실시태양을 보여준다. 액체 또는 증기 공정으로 침착시킬 수 있다. 사용되는 방법과 무관하게 장치 준비는 동일하며, 두가지 방법 모두 코팅 형성 재료에 장치를 노출시키는 것을 포함한다.
유일한 UV/O3세척 단계 (20)을 사용하여 세척하여 침착시키기 위해 표면을 준비했다. 이 단계에서는 어느 정도 습한 실내 공기가 사용되며, 모든 유기 오염물을 제거하는 것은 물론이고 장치 표면을 물 및(또는) 히드록시류로 피복시킨다.
액체 흐름 중의 노출 공정은 두 단계로 이루어진다. 건조 질소로 채워진 글로브 주머니에서 톨루엔 중의 1 % (v/v) 용액에 (22) 단계에서 30 초 내지 1 시간 동안 장치를 담근다. (24) 단계에서는 장치를 새로운 톨루엔으로 헹구고 글로브 주머니에서 꺼냈다. (26) 단계에서는 이들을 진공 오븐에 넣고 20 분 내지 1 시간의 시간 동안 굽는다. 실험한 결과 30 분이 가장 적합한 것으로 드러났다.
굽기 단계는 여러 결과를 낳는다. 모든 잔류 용매와 반응 생성물을 제거하며 모든 과량의 반응물을 제거하고 표면과의 반응을 완결짓고 이웃한 실란 분자들 사이에 가교결합을 완성한다.
증기 기술에서는, 노출이 (28) 단계에서 수행되며, 이 단계에서 코팅되는 장치는 질소로 씻어낸 글로브 주머니와 같은 물이 제거된 대기 상태의 용기에 놓인다. 상기 물질 중 하나의 몇 방울을 예를 들면 용기의 상단에 있는 용기 뚜껑에 놓는다. 용기를 상온에 남겨두거나 또는 공정을 가속화하기 위해 승온으로 옮길 수 있다. 일정한 시간 후에 용기로부터 부품을 꺼내어 굽는다. 부품이 용기에 남아있는 시간은 20 분 내지 2 시간으로 다양할 수 있으며, 실험상으로는 40 분이 가장 적합한 것으로 보인다. 굽기 단계 (26)은 4 내지 30 분의 범위일 수 있으나 실험상으로는 30 분이 가장 적합한 것으로 나타났다.
증착 기술은 액체에 비해 이점이 있다. 톨루엔과 같은 용매를 사용하지 않아 장치로부터 용매를 제거할 필요를 일소함은 물론이고 환경적 우려를 덜어준다. 또한, 용매가 없으면 건조할 필요도 없고 표면장력에 기인한 마이크로기계 장치의 와해도 일어나지 않는다. 필름은 1H, 1H, 2H, 2H, 퍼플루오로데실트리클로리세인; 1H, 1H, 2H, 2H, 퍼플루오로데실디클로로메틸실란; 1H, 1H, 2H, 2H, 퍼플루오로옥틸클로로디메틸실란, 옥타디실트리클로로실란, 옥틸트리클로로실란, 프로필트리클로로실란 및 도디실트리클로로실란을 사용하여 제조했다.
실험에서, 마이크로기계 장치는 증기상 기술을 이용하여 코팅했다. 사용한 장치는 어드레싱 및 랜딩 전극 위의 기둥 위에 부유된 개별 거울 부재로 이루어진 마이크로기계 공간 광변조기 어레이였다. 개별 거울이 어드레스 전극에 의해 어드레싱된 경우, 정전기력으로 인해 이들 거울이 움직여 랜딩 전극 상으로 착지하게 된다. 이들이 새로운 데이타를 받을 경우 이들은 되맞춤 펄스 전압을 제공받아 랜딩 전극으로부터 들려진다. 이런 과정을 겪는 장치에서 이들 중 90 %는 어떤 종류의 되맞춤도 할 필요없이 작동했다. PFDA가 처리된 장치는 되맞춤 펄스를 필요로 하며, 거울을 움직이기 위한 더 높은 전압을 필요로한다. 이들 장치를 사용하는 것은 이들 필름에 의해 유발된 개선점의 단지 한가지 예일 뿐이며 어떤 식으로든 이들 필름의 용도를 이런 유형의 구조로 제한하려는 의도가 아니다.
세실 드롭 (Sessile Drop) 기술로 이들 필름의 표면 에너지를 측정했다. 이 기술에서 한 방울의 액체를 평판 표면에 두고 드롭의 측면과 평판 사이의 각도를 측정했다. 단층의 질을 이들 습윤 측정치로부터 평가할 수 있다. 필름 상에서 측정된 접촉각은 디요오도메탄의 경우 88 내지 102°이고 물의 경우 115°이하였다. 또한 이들 필름은 매우 강한 것처럼 보인다. 일련의 처리를 수행하여 하기의 결과를 얻었다: 고압수 세척 후 100 ℃ 굽기 - 디요오도메탄 각을 단지 4°까지만 변화시킴; 비누 및 물 세척 - 변화 없음; 아세톤에 1 시간 담금 - 변화 없음; HOT 황산과 강산화제에서 1 시간 담금 후 15 분간 물 세척 - 변화 없음; UV/O3오븐에서 90 분 동안 둠-변화 없음; 플라스마 반응기 내에 40 초 동안 O2+ NF3재를 둠 - 물 접촉각이 단지 55°로 감소했으나 필름은 여전히 부분적으로 존재; 및 초임계 CO2세척 - 디요오도메탄 접촉각이 75°로 감소했다 (필름의 약 절반만 남음). 이런 결과는 이들 필름의 강도와 부동성을 입증한다.
이 방법은 여러 면에서 당분야의 현행 진술과 다르다. 그들 중에는 UV/O3를 사용하는 표면 준비의 이용, 몇가지 실시태양에서 불소화 전구체의 선택 및 증기 기술의 경우에 비유체 기재 도포가 있다.
따라서, 마이크로기계 장치 보호를 위한 재료 및 방법을 위한 특정한 실시태양을 이런 점에 관해 기술했으나 하기의 청구의 범위를 기재된 것을 제외하면 그러한 특정 참고 사항이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
증기 또는 액체 침착 방법으로 형성된, 마이크로기계 장치 상의 본 발명에 따른 보호용 코팅은 장치 표면과 코팅 내의 이웃한 분자들 사이에 강한 결합을 형성하는 단층으로써 마이크로기계 장치의 마찰 및 점착을 성공적으로 억제한다.

Claims (12)

  1. UV/O3로 마이크로기계 장치를 세척하여 장치 표면을 활성화시키고, 이 활성화된 표면을 재료에 노출시켜 이 재료가 상기 활성화된 표면에 침착되어 보호용 코팅을 형성하게 하고 상기 장치를 상기 보호용 코팅과 함께 굽는 단계로 이루어지는 마이크로기계 장치 표면에 보호용 코팅을 도포하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 노출 단계가 용기 내의 액체에 장치를 담그는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 노출 단계가 상기 용기에 상기 장치를 세척하는 단계와 상기 용기로부터 상기 장치를 꺼내는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 노출 단계가 상기 장치와 소량의 상기 재료를 물이 제거된 대기 상태의 용기에 넣는 것을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 재료가 부분적으로 염소화된 헤드기 및 알킬쇄 테일이 있는 분자를 갖는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 분자가 1H, 1H, 2H, 2H, 퍼플루오로데실트리클로로실란인 방법.
  7. 마이크로기계 장치의 알루미늄 표면을 세척하여, 장치 표면을 활성화시키고, 이 활성화된 표면을 클로로실란 물질을 포함하는 증기에 노출시켜 이 클로로실란 물질과 상기 알루미늄이 반응하여 상기 활성화된 표면 상에 보호용 코팅을 형성하도록 하고 이 장치를 굽는 단계로 이루어진 마이크로기계 장치의 알루미늄 표면에 보호용 코팅을 도포하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 클로로실란 물질이 1H, 1H, 2H, 2H, 퍼플루오로데실트리클로리세인인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 노출 단계가 용기 내에 상기 장치를 놓고 상기 물질을 상기 용기의 뚜껑 위에 배치시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 배치 단계가 상기 용기를 가열하여 상기 물질의 증기압을 상승시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 노출 단계가 상기 표면 상의 상기 보호용 코팅의 이웃한 분자들 사이에 결합을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  12. 다른 표면에 접하는 알루미늄 표면, 및 단층의 분자들이 상기 알루미늄 표면과 상기 단층의 이웃한 분자들에 결합된 상기 알루미늄 표면 상의 보호용 물질 단층을 포함하는 마이크로기계 장치.
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