KR20030028129A - 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LIGA 공정을 이용한 광학용 초소형 프리즘 어레이의 금형 제작 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LIGA 공정으로 X-선 마스크에 대한 정렬없이 경사노광하는 방법으로 프리즘 어레이 형태를 만들고, 상기 어레이 형태에 전기도금을 함으로써 표면조도가 우수하고 임의 형태의 가공이 탁월한 프리즘 어레이를 사출성형할 수 있게 하는 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법에 관한 것이다. 한편, 본 발명은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(Synchrontron Radiation; 이하 '방사광 또는'X-선'이라 칭한다)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 광학용 프리즘 어레이를 제조할 수 있는 초소형 프리즘 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 LIGA 공정을 이용하여, 광학용 프리즘 어레이를 사출성형하기 위한 초소형 프리즘 어레이의 금형 제조방법에 있어서, X-선 마스크를 이용하여 경사노광을 몇번 하는 경사 노광단계과; 상기 노광단계에서 노광된 시편을 현상하여 원하는 프리즘 어레이 형태의 PMMA를 제작하는 PMMA 제작단계과; 상기 제작된 PMMA 형상에 니켈 도금을 한 후 상기 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하여 해당하는 프리즘 어레이 형태의 니켈 금형을 얻는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법{Method for manufacturing mold of micro-prism array}

본 발명은 LIGA(in german, Lithographie, Galvanoformung, Abformung) 공정을 이용한 광학용 초소형 프리즘 어레이의 금형 제작 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LIGA 공정으로 X-선 마스크에 대한 정렬없이 경사노광하는 방법으로 프리즘 어레이 형태를 만들고, 상기 어레이 형태에 전기도금을 함으로써 표면조도가 우수하고 임의 형태의 가공이 탁월한 프리즘 어레이를 사출성형할 수 있게 하는 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(Synchrontron Radiation; 이하 '방사광 또는'X-선'이라 칭한다)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 광학용 프리즘 어레이를 제조할 수 있는 초소형 프리즘 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 광학용 초소형 프리즘이란 입사된 빛을 프리즘의 각 면에 반사시켜 원래의 광원방향으로 다시 보내는 구조물을 일컫는데, 이에 대한 일실시예를 도 1에 나타내 보였다.

도 1a을 참조하면, 빛이 프리즘 어레이의 프리즘 구조체에 입사되면, 사면체 프리즘 모양의 구조체에 의하여 빛이 각 면에 반사되어 광원 방향으로 다시 보내지게 된다. 이런 성질을 이용하면, 광량이 적은 곳에서도 식별이 가능한 표시들을 만들 수 있게 된다. 이것을 이용한 제품은 의류 업계나 스포츠 상품 등에 많이 이용되고 있고 있다.

상기한 바와 같은 현상을 효율적으로 일으키기 위해서 도 1a에 도시한 바와 같은 수백 ㎛ 크기의 초소형 프리즘 어레이를 제작하고자 하는 다양한 시도가 있었다. 도 1a에 도시한 바와 같은 초소형 프리즘 어레이의 제작에 있어서, 각 면에서의 표면 거칠기와 다양한 크기를 가지는 구조물의 제작이 가장 중요한데, 이러한 조건들을 충족시키는 초소형 구조물들을 제작하기 위한 기존의 방법들은 기계적인 절삭에 의한 방법을 주로 사용하였다. 예를 들면, 아주 미세한 크기를 가지는 다이아몬드 팁 등의 절삭 도구를 이용하여 구조물들을 제작하고 그것을 이용하여 금형을 만들어 핫 엠보싱 등의 방법으로 제품에 원하는 구조물들을 구현하였는데, 기계적인 절삭과 그것을 이용하여 제작한 금형의 일실시예를 도 1b에 나타내 보였다.

그런데, 기계적인 절삭방법으로 상기의 금형을 제작하는 방법은 그 표면 거칠기에 있어서 만족스러운 결과를 보여주지 못하는 문제점과, 그 크기와 모양을 설계하는데에 있어서도 많은 제약을 받고 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, LIGA(in german, Lithographie(노광), Galvanoformung(전기도금), Abformung(사출성형)) 공정으로 X-선 마스크에 대한 정렬없이 경사노광하는 방법으로 프리즘 어레이 형태를 만들고, 상기 어레이 형태에 전기도금을 함으로써 표면조도가 우수하고 임의 형태의 가공이 탁월한 프리즘 어레이를 사출성형할 수 있게 하는 초소형 프리즘 어레이 금형의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(혹은 X-선)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 광학용 프리즘 어레이를 제조할 수 있는 초소형 프리즘 어레이 금형의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b 각각은 일반적인 프리즘 어레이의 형태도.

도 2는 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 공정도,

도 3은 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법에 의해 제조된 일실시예의 금형 형태도.

도 4는 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 X-선 노광에 쓰이는 일실시예의 X-선 마스크의 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 크롬/금(Cr/Au) 금속층2 : PMMA(PolyMethylMethacrylAte)

3 : 티타늄(Ti) 금속층4 : 실리콘 기판

5 : 포토레지스트 층6 : 도금된 금 X-선 흡수층(X-선 마스크)

7 : 방사광 X-선8,9 : X-선과 PMMA가 이루는 입사각

11 : 전기도금된 니켈 금형

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법은, 광학용 프리즘 어레이를 사출성형하기 위한 프리즘 어레이의 금형 제조방법에 있어서, X-선 마스크를 이용하여 경사노광을 몇번 하는 경사 노광단계와; 상기 노광단계에서 노광된 시편을 현상하여 원하는 프리즘 어레이 형태의 PMMA(PolyMethylMethacrylAte)를 제작하는 PMMA 제작단계와; 상기 제작된 PMMA 형상에 니켈 도금을 한 후 상기 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하여 해당하는 프리즘 어레이 형태의 니켈 금형을 얻는 단계;를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 금형을 이용하여 핫 엠보싱 또는 사출성형으로 광학용 프리즘 어레이를 제작하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 노광단계에서 적어도 2번 이상의 노광을 실시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 경사노광을 위한 방사광 가속기에서 나오는 X-선의 입사각도는 상기 PMMA에 대해 45도 및 -26.6도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 PMMA 형상에 니켈 도금을 위한 전도층으로 티타늄을 소정 두께로 증착시키는 단계를 더 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 공정 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법에 의해 제조된 일실시예의 금형 형태도, 도 4는 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 X-선 노광에 쓰이는 X-선 마스크의 평면도이다.

먼저, 본 발명 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명 제조방법과 관련된 기술에 대해서 살펴보면 아래와 같다.

현재, 방사광을 이용한 첨단과학 기술의 개발연구가 괄목할만한 성과를 쌓아가고 있다. 방사광을 이용한 응용연구로서는 이미 알려져 있는 X-선 사진 기술(X-ray lithography)을 이용한 반도체 개발에의 응용을 시작으로 최근에 주목을 받고 있는 연구분야로서 LIGA공정을 이용한 마이크로머시닝(Micromachining)이 있다.

본 발명에서 사용되는 LIGA공정이란, 독일 칼수루에(Kalsruhe) 원자핵연구소에서 우라늄 동위원소를 분리하기 위해 슬롯 노즐(Slot nozzle)을 제작하는 과정에서 처음으로 개발되었던 공정으로 방사광을 이용해 상대적으로 두꺼운 X-선 감광재에 필요한 패턴을 노광, 현상한 후 도금, 몰딩을 통해 3차원 구조체를 제작할 수 있게 하는 공정이다.

본 발명에서 사용되는 싱크론트론 방사광은 강도가 기존의 광원보다 적어도 수만배 이상의 강한 펄스광원이며, 평행성이 매우 좋아 퍼짐이 아주 작고, 연속 에너지 스펙트럼을 가지고 있고, 고진공에서 방생하는 아주 깨끗함 광원이라는 탁월한 특성을 가지고 있다. 따라서 기존의 광원에 비해 노광시간을 극단적으로 줄일 수 있고, 퍼짐이 매우 작아 높은 고폭비의 구조의 실현이 가능하다. 또한, 임의의 파장역을 선택함으로써 마스크의 자유도를 증가시킬 수가 있어, LIGA공정에 최적의 X-선 광원이라고 할 수 있다.

LIGA 공정을 이용하면 고에너지와 직진성을 갖는 X-선의 성질을 이용하여 수 mu m 단위의 정밀한 구조도 구현할 수 있을 뿐더러 그 표면거칠기에 대한 문제도 해결할 수 있다. 현재 보유하고 있는 기술을 이용하면 각 변의 길이 뿐 아니라 면과 면 사이의 각도도 조절할 수도 있다.

즉, 도 4에 도시된 X-선 마스크(40)를 이용하여 도 2f에 도시한 바와 같이 2번의 경사노광을 하고 이렇게 노광된 시편에 대하여 현상 과정을 시행함으로써 원하는 초소형 프리즘 어레이를 구현할 수 있다. 여기에 도 2h에 도시한 바와 같은 니켈 금형틀(11; 도 3)을 제작하고 여기에 핫 엠보싱 공정을 통하여 원하는 제품, 즉 프리즘 어레이들을 대량생산할 수는 것이다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하면서 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명 제조방법을 설명함에 있어, 그 높이가 100㎛, 그 옆면의 기울기가 45도, 26.6도인 경우를 예로 하여 금형 제조방법을 설명한다.

도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(4)에 티타늄(3)을 약 1000Å정도 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 증착시킨다. 그 다음, 액상 PMMA를 실리콘 기판(4) 상에 2㎛정도 회전도포(spin coating; 1000rpm, 40초)한 후, 180℃에서 1시간동안 열처리한다. 열처리 후, 두께 1mm의 PMMA 판을 MMA를 이용하여 실리콘 기판(4)의 액상 PMMA와 접합시킨 후 1kg 정도의 중량을 3시간 정도 가한다. 그런 다음, 1mm의 PMMA판을 원하는 두께(100㎛)로 가공(lapping)하고 수백 Å정도의 거칠기를 갖는 경면으로 가공(polishing)한다. 그리고, PMMA(2) 표면에 전기도금을 위한 전도층(1)으로 사용될 크롬과 금을 각각 300Å정도를 열증착기로 증착시킨다.

도 2b를 참조하면, AZ 9260 포토레지스트(photoresist; 5)를 크롬/금 금속층(1)상에 10㎛정도 회전도포(1000rpm, 40초)시킨다. 그 다음, 핫 플레이트(hot plate)에서 90℃, 100초 동안 열처리한다.

도 2c를 참조하면, X-선 마스크 형상을 갖는 자외선(UV) 마스크(40; 도 4)로 16mW/cm²세기로 35초동안 자외선(UV) 노광한다. AZ 400K 현상액에서 2분 30초 동안 현상한다.

도 2d를 참조하면, 2mA/cm²전류밀도로 90분 동안 전기도금을 하면 약 8㎛두께의 금 X-선 흡수층(6)을 얻을 수 있다. 결과적으로 금 X-선 흡수층(6)이 X-선 마스크가 된다.

도 2e를 참조하면, 불필요한 포토레지스(5)를 제거하기 위해서 UV 마스크 없이 자외선에 40초간 노광시킨 후 AZ 400K에서 3분 동안 현상한다.

도 2f 및 도 4를 참조하면, 방사광 가속기에서 나오는 X-선(7)이 PMMA(2)에 입사되는 각을 각각 +45도(8)와 -도, 즉 -26.6도(9)로 노광한다. 이때 노광된 좁은 PMMA(2)가 충분히 현상될 수 있도록 PMMA(2) 바닥에 축적되는 에너지의 양이 3kJ/cm³이 되도록 충분한 시간동안 노광시킨다.

도 2g를 참조하면, 노광된 시편을 PMMA 현상액으로 상온에서 500rpm의 속도로 스터링(stirring)하면서 약 2시간 정도 현상을 하면 원하는 형상을 얻을 수가 있다.

도 2h를 참조하면, 만들어진 PMMA(2) 형상 위에 니켈(Ni) 도금을 위한 전도층으로 티타늄(10)을 약 300Å 증착시킨다. 술퍼민산옥니켈 용액(55℃, pH4)에서 장시간 도금을 한 후, 유기용매로 PMMA(2)를 녹여 실리콘 기판(4)을 제거하면 도 3에 보는 것과 같은 니켈 금형(11)을 얻을 수가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법은, LIGA 공정으로 X-선 마스크에 대한 정렬없이 경사노광하는 방법으로 프리즘 어레이 형태를 만들고, 상기 어레이 형태에 전기도금을 함으로써 표면조도가 우수하고 임의 형태의 가공이 탁월한 프리즘 어레이를 사출성형할 수 있게 하는 이점을 제공한다.

그리고, 본 발명은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(X-선)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 광학용 프리즘 어레이를 제조할 수 있는 이점을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (3)

1. LIGA 공정을 이용하여, 광학용 프리즘 어레이를 사출성형하기 위한 프리즘 어레이의 금형 제조방법에 있어서,

   X-선 마스크를 이용하여 경사노광을 몇번 하는 경사 노광단계;

   상기 노광단계에서 노광된 시편을 현상하여 원하는 프리즘 어레이 형태의 PMMA를 제작하는 PMMA 제작단계;

   상기 제작된 PMMA 형상에 니켈 도금을 한 후 상기 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하여 해당하는 프리즘 어레이 형태의 니켈 금형을 얻는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금형을 이용하여 핫 엠보싱 또는 사출성형으로 광학용 프리즘 어레이를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 노광단계에서 마스크와 감광재 시편의 정렬 과정 없이 단 2번의 노광을 실시하는 것을 특징으로 하는 초소형 프리즘 어레이 금형 제조방법.