KR20100026101A - 양극 산화 알루미늄을 이용한 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프, 그 제조 방법, 및 이를 통해제작된 구조물 - Google Patents

양극 산화 알루미늄을 이용한 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프, 그 제조 방법, 및 이를 통해제작된 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간단한 공정으로 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작이 가능한 스탬프 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 나아가 상기 스탬프를 이용하여 제작한 복합 구조물에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서, 다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄 템플릿을 형성하는 단계; 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하여 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿의 상부 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트 구멍들은 이웃하는 구멍들의 간격 및 직경 중 적어도 어느 하나가 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 스탬프는 포토레지스트를 고형화하여 이용할 수 있기 때문에, 용도에 따라서는 저렴하게 제작이 가능하다.
공정의 관점에서, 별도의 얼라인먼트 등의 공정이 불필요하기 때문에 대량 복제시 공정이 용이할 뿐만 아니라, 성형품과 쉽게 분리될 수 있는 구조적 장점이 있다. 또한, 포토레지스트를 이용하여 스탬프의 마이크로 구조를 디자인하므로, 마이크로/나노 복합구조를 유지하면서도 패턴을 다양하게 형성할 수 있는 장점이 있다.더불어, 본 발명의 스탬프는 금속으로 제작이 가능하여 내구성이 우수하고, 장기간 사용이 가능한 장점이 있다.
초소수성, 하이브리드, 스탬프, 몰드

Description

양극 산화 알루미늄을 이용한 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프, 그 제조 방법, 및 이를 통해 제작된 구조물{Stamp for superhydrophobic micro/nano hybrid surface based on anodic aluminum oxide, method of manufacturing the same, and product manufactured with the same}
본 발명은 초소수성 표면 제작용 스탬프 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양극 산화 알루미늄을 기초로 나노 및 마이크로 스케일이 복합적으로 혼재된 초소수성 표면의 제작이 가능한 스탬프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 스탬프에 의해 제작된 복합 구조물에 관한 것이다.
초소수성 표면 제조의 대표적인 방법으로, 물체 표면을 테플론과 같이 낮은 표면 에너지를 갖는 화학물질로 코팅하는 방법이 알려져 있다. 그러나 이 방법은 또한 150°이상의 접촉각(water contact angle)을 얻는데 한계가 있는 것으로 밝혀져, 초소수성 기능성 표면을 얻는데 물리적 구조의 형성이 불가피한 것으로 알려져 있다.
어느 정도의 초소수성 특성은 단순한 마이크로 구조물 또는 나노 구조물을 포함하는 표면에서도 얻을 수 있고, 'Cassie-Baxter 방정식'을 이용하여 기하학적 형상 설계도 가능하다. 예컨대, 탄소나노튜브의 수직성장, 알루미나 템플릿을 이용한 몰딩, MEMS 공정을 통한 마이크로 구조물 제조, 노광공정 및 전자빔을 통한 마이크로 구조 또는 나노 구조 제조법 등이 여기에 속한다.
최근, 자체-세정(self-cleaning) 능력을 가지는 초소수성 표면 제조를 위해서는 150°이상의 접촉각 이외에도 5°이하의 미끄러짐 각도(sliding angle) 특성을 동시에 가지고 있어야 함이 밝혀졌는데, 이를 위해서는 마이크로 구조와 나노 구조가 함께 존재하는 복합 구조가 필수적이다.
그 결과, 최근의 초소수성 표면 제조에 관한 연구는 연꽃 잎, 도마뱀붙이(gecko)의 발과 같은 자연계에 존재하는 마이크로/나노 복합 구조물을 모사 또는 모델링하는 방향으로 진행되고 있다.
연꽃 잎을 모델링한 마이크로/나노 복합구조의 제조는 주로 화학적 방식으로 이루어져 왔는데, 이러한 화학적 방식을 통한 초소수성 표면 제조 기술은 그 연구가 수년간 전 세계적으로 매우 활발하게 진행되었다. 대표적으로, 예컨대 이소탁틱 폴리프로필렌과 같은 아주 간단한 고분자를 적당한 용매하에서 조건을 맞추어 주는 상 분리(Phase separation) 방법, 미셀 뭉침(Micelle aggregation) 현상을 통해 초소수성 표면을 구현하는 방법, 실리카 나노입자의 자가-조립(self assembly) 현상을 이용하는 방법, 마이크로 스케일로 성장시킨 탄소나노튜브의 표면을 PTFE로 코 팅하는 방법 등이 있다.
이러한 화학적 방식은 공정이 용이하다는 장점이 있지만, 마이크로/나노 구조체가 화학반응에 의해 예측하기 어렵게 형성되어 일정한 형상을 의도된 크기로 제어하기가 어렵다. 또한, 이러한 형상을 원하는 위치에 선택적으로 형성시키는 것 역시 불가능하고, 표면 젖음 정도를 제어할 수 없고, 또한 대량 복제가 용이하지 않다.
최근, 이러한 단점에 따라, 화학적 방식에서 벗어나 기계적 몰딩 방식에 의하여 마이크로/나노 복합구조를 형성하는 기술이 제안되고 있다. 대표적인 것인 2단계 열성형 모세관 리소그라피 방식인데, 도1을 참조하여 그 구체적인 공정을 간략히 설명하도록 한다.
도1에 도시된 바와 같이, 먼저 기판 위에 스핀코팅을 하여 균일한 고분자 박막을 형성한다. 형성된 고분자 박막 위에 음각의 패턴을 갖는 폴리디메틸실록산(poly-dimethysiloxane, PDMS) 몰드를 접촉시킨다. 그 후 온도를 고분자의 유리전이 온도 이상으로 가하여 모세관 현상을 유발함으로써 마이크로 구조물을 형성한다. 이어, 형성된 마이크로 구조물 상에 나노 크기의 음각 패턴을 가진 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA) 몰드를 접촉시킨 후 다시 2차 가열을 통해 기 형성된 마이크로 구조물 상에 나노 구조물을 형성시킨다.
이 방법은 전술한 화학적 방식에 비해, 정밀한 가공이 가능하고 표면 젖음 정도를 제어할 수 있는 장점이 있지만, 열 성형 공정 조건이 확보되지 못할 경우 기 형성된 마이크로 구조물이 붕괴되는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 열 성형을 대신하여 최근 UV 방식에 기반을 둔 2단계 UV 성형 모세관 몰딩 공정이 개발된 바 있다.
그러나 이들 2단계 열 성형 또는 UV 성형 모세관 몰딩 공정들은 공통으로, 두 번째 나노 크기의 음각 패턴을 가진 PUA 몰드를 접촉할 때 정확한 정렬(얼라이언먼트)이 요구되며, 따라서 공정이 용이하지 않고 대량 복제에 적합하지 않다. 또한, 이 방법들은 기판 위에 고분자 박막을 도포한 후 이 박막에 패턴을 입히는 것으로, 단일 물질을 일정 형태의 벌크 형태로 제작할 때 직접적으로 이용될 수 없는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 간단한 공정으로 초소수성 표면을 대량 복제할 수 있는 스탬프 또는 그것을 포함하는 몰드를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 다양하고, 정밀한 패턴을 스탬프에 용이하게 구현할 수 있도록 하는 스탬프 또는 몰드의 제조 방법을 제공한다.
상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서, 다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄 템플릿을 형성하는 단계; 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하여 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿의 상부 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트 구멍들은 이웃하는 구멍들의 간격 및 직경 중 적어도 어느 하나가 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 다른 양태에 따른 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서, 다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄 템플릿을 형성하는 단계; 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 포토레지스트를 제거하여 상기 양극 산화 알 루미늄 템플릿의 상부 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트가 제거되어 노출된 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 상에 금속을 적층하는 단계; 및 잔존하는 상기 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트 구멍의 직경은 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
여기에서, 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 상에 금속을 적층하는 단계는 스퍼터링, 이온 빔 증착, 레이저 유도 리플로우, CVD, 전기도금 및 무전해도금법 중 하나로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 포토레지스트 구멍은 마이크로 크기의 측벽으로 구성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 일 양상에 따른, 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서, 벌크 알루미늄의 표면을 연마하여 표면을 고르게 하는 단계; 상기 알루미늄 표면을 산화시켜 상기 알루미늄 표면에 나노 딤플 구조를 형성하는 단계; 상기 알루미늄 표면 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 및 상기 포토레지스트를 제거하여 상기 알루미늄 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트 구멍들은 이웃하는 구멍들의 간격 및 직경 중 적어도 어느 하나가 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 의해서 달성될 수 있다.
상기 제조 방법들에서 있어서, 상기 포토레지스트 구멍은 마이크로 크기의 측벽으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 포토레지스트가 패턴화되어 고형화된 상태에서 전해 도금을 수행하여 음각의 원형을 제작하는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 또다른 양태에 따른 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프에 있어서, 다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄(AAO)으로 구성되는 나노 구조물 층; 및 상기 나노 구조물 층 위에 배치되고, 이웃하는 구멍과의 간격이 마이크로 크기로 형성되는 다수의 구멍들이 형성되며, 상기 다수의 구멍들에서 상기 나노 구조물 층의 상부 표면이 노출되도록 형성되는 마이크로 구조물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프에 의해서도 달성될 수 있다.
여기에서, 상기 마이크로 구조물 층에 형성된 상기 구멍의 직경 및 높이 중 적어도 하나는 마이크로 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 마이크로 구조물 층은 고형화된 포토레지스트 또는 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명은 상기 스탬프를 이용하여 제작 가능한 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면을 갖는 복합 구조물에 대해서도 특징이 있다.
본 발명의 스탬프는 포토레지스트를 고형화하여 이용할 수 있기 때문에, 용도에 따라서는 저렴하게 제작이 가능하다.
공정의 관점에서, 별도의 얼라인먼트 등의 공정이 불필요하기 때문에 대량 복제시 공정이 용이할 뿐만 아니라, 성형품과 쉽게 분리될 수 있는 구조적 장점이 있다. 또한, 포토레지스트를 이용하여 스탬프의 마이크로 구조를 디자인하므로, 마이크로/나노 복합구조를 유지하면서도 패턴을 다양하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 본 발명의 스탬프는 금속으로 제작이 가능하여 내구성이 우수하고, 장기간 사용이 가능한 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프의 제조 방법에 관한 순서도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프의 제조 공정은 먼저, 다수의 나노 구멍을 갖는 양극 산화 알루미늄(anodic aluminum oxide: AAO) 템플릿을 형성하는 것으로부터 시작한다(S1).
AAO 템플릿의 제조 공정에 대해 도3a~3d를 참조하여 더욱 구체적으로 설명하도록 한다. 도3a~3d는 본 발명의 실시예에 따른 스탬프의 일부를 구성하는 양극 산화 알루미늄 템플릿의 제작을 위한 2 단계 산화 공정을 도식적으로 보여주는 단면도로서, 도3a~3d를 참조하여 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다:
먼저, 산화 공정에 앞서 도3a와 같이, 10mm×24mm 크기에 1mm 두께를 가지는 99.999% 알루미늄 기판을 전해 연마하여 기판 표면을 고르게 한다. 알루미늄 기판 의 전해 연마는 과염소산(HClO4)과 에탄올(C2H5OH)을 1:4 부피 비로 섞은 용액 안에서, 기판을 양극으로 하고 백금을 음극으로 하여 양극과 음극 사이의 전압을 20V로 인가한 상태에서 약 3분간 수행한다. 이때, 용액의 온도는 7℃로 유지하고, 용액을 일정 속도로 교반하여 준다.
다음으로, 연마된 알루미늄 기판을 양극으로, 백금을 음극으로 하여 0.1M 인산(H3PO4) 용액 안에서 0℃의 일정한 온도로 195V의 전압을 인가하여 약 12시간 동안 1차 산화 공정을 수행한다. 1차 산화 공정에서 형성된 산화 알루미늄층은 도3b와 같이 불규칙하게 배열된 나노 구멍들을 가지게 된다.
다음으로, 산화 알루미늄층이 형성된 알루미늄 기판을 1.8wt.%의 크롬산(H2CrO4)과 6wt.%의 인산의 혼합 용액에 65℃의 일정한 온도로 5시간 가량 담궈 1차 산화 과정 동안 형성된 불규칙한 산화 알루미늄층을 식각한다. 이렇게 1차 산화 공정을 통해 형성된 산화 알루미늄층을 모두 식각하면, 도3c에 도시된 바와 같이, 알루미늄 기판 위에 규칙적으로 정렬된 나노 딤플(nano-dimple) 구조가 형성된다. 이 규칙적인 나노 딤플 구조를 기초로 2차 산화 공정을 수행하면 규칙적으로 밀집하여 정렬된 나노 구멍 구조를 얻을 수 있다.
이에, 도3c의 알루미늄 기판 위에 전술한 1차 산화 공정과 같은 방법으로 약 20분간 산화 공정을 수행하여 약 2㎛ 두께의 산화 알루미늄층을 형성한다. 그 후, 30℃의 일정 온도로 5wt.% 인산에 화학 처리하여 나노 구멍의 지름을 변화시켜 원하는 나노 구멍의 구조를 얻는다. 이 밖에도, 원한다면, 2차 산화 공정 중에 인가 전압의 크기, 전압 인가 시간, 용액 온도, 용액의 종류 등을 변화시켜 나노 구멍의 지름 및 깊이를 선택적으로 바꿀 수 있다.
지금까지의 공정을 통해 형성된 AAO 템플릿의 SEM(scanning electron microscope) 사진이 도4a 및 도4b에 도시되어 있다.
도4b보다 더 높은 배율로 찍은 AAO 템플릿의 평면도인 도4a를 참조하면, 나노 구멍들이 육각형의 꼭지점에 해당하는 위치에 규칙적으로 밀집되어 정렬되어 있음을 알 수 있다. 더욱 구체적으로는, 10mm×24mm의 알루미늄 기판 위에 제작된 AAO 나노 구멍의 지름 및 깊이는 각각 약 200nm 및 1㎛이고, 나노 구멍들간의 거리는 450nm로 형성되었다.
이제 다시 도2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프의 제조 방법 중 AAO 템플릿의 형성(S1) 이후의 공정을 순차적으로 설명하도록 한다.
먼저, 2 차례에 걸친 산화 공정을 통해 형성된 AAO 템플릿 위에 포토레지스트를 도포한다(S2).
다음, 사진식각(photolithography) 공정으로 도포된 포토레지스트를 원하는 패턴으로 식각한다(S3).
원하는 대로 다양한 패턴으로 식각하는 것이 가능하지만, 본 발명의 제1 실시예에서는 포토레지스트에 마이크로 크기의 직경을 갖는 다수의 구멍들을 형성하면서, 상기 구멍들 사이의 간격과 상기 포토레지스트 구멍의 직경 중 적어도 하나가 마이크로 크기가 되도록 식각을 수행한다.
그 결과물로서, AAO 템플릿 상부에 포토레지스트(3)가 패턴처리된 구조물의 개략적인 단면도가 도5에 도시되어 있다.
도5를 참조하면, 포토레지스트(3)가 하부의 템플릿(1) 나노 구멍으로 침투하지 않고 그 상부에 고형화되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 포토레지스트(3)의 점성에 의한 것으로서, 나노 구멍에 침투되는 경우도 있지만 대부분은 나노 구멍에 침투되지 않고 구멍의 상부를 막는 상태로 고형화된 것이다.
도5에 도시된 구조물도 마이크로/나노 복합구조의 초소수성 스탬프로서 사용가능한데, 이에 대해서는 이하에서 더욱 상세히 논의하도록 한다.
다음으로, 포토레지스트의 구멍으로 노출된 AAO 템플릿의 표면에 금속을 적층한다(S4). 이때, 금속을 적층하는데 있어 여러 가지 방법을 선택적으로 이용할 수 있는데, 예컨대 스퍼터링, 이온 빔 증착, 레이저 유도 리플로우, CVD, 전기도금 및 무전해도금법 중 어느 것을 사용해도 무방하다.
그 중에서도, 전기도금 방식으로 금속을 적층하는 경우, 종자 금속을 스퍼터링 방식으로 적층한 후 포토레지스트의 구멍이 메워질 때까지 전기도금을 수행할 수 있다. 백금 또는 탄소를 상대전극으로 하고, 황산, 인산 등의 전해 용액에 상기 종자 전극을 담근 후 두 전극에 전압을 인가하는 방식으로 진행할 수 있다. 전해질의 농도, 인가한 전압의 세기 등에 따라 적층되는 금속의 양이 조정된다. 이와 같은 일반적인 전기도금의 수행 방식은 전술한 바 있고 또한 주지의 기술이므로, 이에 대한 더 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
마지막으로, 잔존하고 있는 포토레지스트(3)를 제거함으로써 산화 알루미늄을 포함하는 금속(1,5)으로 구성된 스탬프(10)를 완성할 수 있다(S5).
완성된 스탬프(10)의 단면이 도6에 도시되어 있다. 도6에 도시된 스탬프는 도5에 도시된 즉, 단계 S3의 식각 공정 후에 완성된 스탬프와 비교할 때, 재질에 있어 차이가 있을 뿐 표면 패턴은 흡사한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 도5 및 도6에 도시된 구조물들을 각각 스탬프로 활용하는 것이 가능하다. 다만, 재질적인 면에서, 도5에 도시된 스탬프는 장시간 또는 과도한 횟수로 사용하는 것이 어렵고, 주조시 사용할 고분자에 제약이 있는 단점이 있을 뿐이다.
본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 스탬프들을 이용하여 대량 복제하는 방법에 대해 당업자라면 여러 가지 방법 중 하나를 취사선택할 수 있을 것이다.
예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 스탬프들을 직접 몰드로 하여 대량 복제하는 것이 가능하며, 혹은 이것을 프로토타입으로 사용하여 새로운 PDMS 몰드 등을 만드는 것도 가능할 것이다. 이 밖에도 사출 성형(injection molding), 핫 엠보싱(hot embossing) 기술, 나노 임프린트 기술 등이 이용되는 분야에서도 사용될 수 있을 것이다.
도7은 도5의 스탬프에 고분자를 주조하여 복제한 고분자의 단면을 도시한다.
도7을 참조하면, 돌출 부분들 각각은 크게 상/하층의 두 부분으로 나누어지는 것을 볼 수 있다. 즉, 상층은 나노 크기의 구멍과 기둥으로 구성되는 나노 구조물 층이고, 하층은 상기 나노 구조물 층을 지지하고 이웃하는 돌출 부분과 마이크로 크기의 이격 거리를 갖는 마이크로 구조물 층이다.
도8에 도시된 바와 같이, 이와 같은 구조(10)는 마이크로/나노 복합구조로서 초소수성 특성을 나타낸다. 도8에 도시된 표면 구조는 돌출 부분들이 일정한 간격으로 이격 되도록 구성된 것이지만, 포토레지스트의 식각 공정을 진행시에 임의의 패턴으로 디자인하는 것이 가능하다.
금속으로 구성된 스탬프를 제작하기 위한 방법으로, 상기 제1 실시예와 달리, 전주 도금을 이용할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 도5에 도시된 스탬프에서 니켈 전주 도금으로 동일한 형상을 갖는 음각 원형을 만들 수 있어, 금속의 증착 및 포토레지스트의 제거 등의 공정을 대체할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예는 AAO를 기반으로 포토레지스트 또는 금속으로 마이크로 구조물 층을 형성하는 것으로, 니켈 전주 도금에 의한 금속 스탬프를 제작하는 것을 포함한다는 것을 주의해야 한다.
지금까지 설명한 본 발명의 제1 실시예는 2차에 걸친 산화 공정이 수행되는 AAO를 기반으로 한 것을 중심으로 한 것이었다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따라 상이한 복합구조 표면을 갖는 스탬프의 제작 방법과, 이에 의한 스탬프 및 복합 구조물을 설명하도록 한다.
도9a 내지 도9e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스탬프의 제작 공정을 도식적으로 나타내는 단면도로서, 도9a 내지 도9e를 참조하여 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 산화 공정에 앞서 도9a에 도시된 벌크 알루미늄을 도9b와 같이 평탄화한다. 즉, 10mm×24mm 크기에 1mm 두께를 가지는 99.999% 알루미늄 기판을 전해 연마하여 도9b와 같이 기판 표면을 고르게 한다. 알루미늄 기판의 전해 연마는 과염 소산(HClO4)과 에탄올(C2H5OH)을 1:4 부피 비로 섞은 용액 안에서, 기판을 양극으로 하고 백금을 음극으로 하여 양극과 음극 사이의 전압을 20V로 인가한 상태에서 약 3분간 수행한다. 이때, 용액의 온도는 7℃로 유지하고, 용액을 일정 속도로 교반하여 준다.
다음으로, 연마된 알루미늄 기판을 양극으로, 백금을 음극으로 하여 0.1M 인산(H3PO4) 용액 안에서 0℃의 일정한 온도로 195V의 전압을 인가하여 약 12시간 동안 산화 공정을 수행한다. 산화 공정에서 형성된 산화 알루미늄층은 도9c와 같이 거친 나노 구멍들을 형성하게 된다.
다음으로, 알루미늄 기판을 1.8wt.%의 크롬산(H2CrO4)과 6wt.%의 인산의 혼합 용액에 65℃의 일정한 온도로 5시간 가량 담궈 1차 산화 과정 동안 형성된 불규칙한 산화 알루미늄층을 식각한다. 그 결과, 도9d에 도시된 바와 같이, 알루미늄 상부 표면에 규칙적인 나노 딤플(nano-dimple) 구조가 형성된다.
다음으로, 나노 딤플 구조가 형성된 상부 표면에 포토레지스트를 도포한 후,사진식각(photolithography) 공정으로 도포된 포토레지스트를 원하는 패턴으로 식각한다. 도9e는 제1 실시예에서와 같이 포토레지스트가 원형의 구멍을 갖도록 패턴처리된 후, 그 단면을 나타낸 것이다.
도9e의 스탬프를 더욱 자세히 살펴보면, 포토레지스트의 좌우 폭은 마이크로 크기로 형성되고, 포토레지스트 구멍을 통해 노출되는 알루미늄은 나노 크기의 딤플 구조의 표면을 갖는다.
이러한 스탬프를 이용하여 예컨대, 사출 성형으로 제작된 구조물의 도식적인 단면이 일 예로서 도10에 개략적으로 도시되어 있다. 제1 실시예에 따라 제작된 도7의 구조물과 비교하여, 도10에 도시된 구조물은 나노 구조물 층에 공간이 적은 단점이 있으나, 산화 공정을 한 차례 줄일 수 있다는 장점이 있어 제조 공정이 상대적으로 더욱 단순해지는 장점이 있다.
도11a는 도9e와 같은 스탬프를 이용, 사출 성형으로 제작된 구조물을 마이크로 크기로 본 SEM 사진이고, 도11b는 각각의 마이크로 구조물 상에 형성되는 나노 딤플 구조의 표면을 확대하여 본 SEM 사진이다.
도11a를 참조하면, 돌출된 원형의 섬 모양 부분들이 마이크로 크기의 단위로 이격되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도11b에서, 각각의 돌출 부분 각각의 상부 표면에 나노 크기의 딤플이 촘촘하게 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 스탬프의 단면은 도9e에 나타나 있다. 제1 실시예와 마찬가지로, 금속을 도포한 후 포토레지스트를 제거함으로써 금속으로 구성되는 스탬프를 제조할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 물론 이 경우, 전술한 바와 같이, 포토레지스트 사이의 간격이 마이크로 크기가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
지금까지 본 발명의 몇몇 실시예들에 대해서만 설명하였으나, 당업자는 이들에 대해 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 수준에서 다양한 변형, 치환 등이 가능한 것을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시예들에서 논의된 사진식각 공정은 다른 전자 빔 식각 공정 등으로 대체가능한 것이다. 또한, 포토레지스트의 패턴에 따라 포토레지스트에 형성되는 포토레지스트 구멍은 원형에 한정되지 않으며, 다양한 모양으로 형성될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 포토레지스트 구멍은 일정 방향으로 향해 개방 처리된 라인 패턴을 형성할 수 있다.
주의할 점은, 본 발명의 실시예에서 언급한 마이크로 크기는 동 기술분야에서 통상적으로 1~1000 마이크로 미터 범위의 크기를 지칭하는 것으로 쓰이는 것이고, 나노 크기는 1~1000 나노 미터 범위의 크기를 포괄적으로 지칭하는 것으로 쓰이는 용어이므로, 이러한 표현이 당업자에게 발명을 명확히 이해하는데 오해를 일으킬 염려가 없다는 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예는 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 다만 본 발명의 예시적인 양태로서 이해되는 것이 합리적이다. 본 발명의 사상 및 그 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서 정해지며, 그 범위는 균등의 범위까지 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도1은 2단계 열성형 모세관 리소그라피 방식의 공정을 개략적으로 모식화한 것이다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프의 제조 방법에 관한 순서도이다.
도3a~3d는 AAO 템플릿의 제조 공정을 개략적으로 모식화한 것이다.
도4a 및 도4b는 AAO 템플릿의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도5는 AAO 템플릿 상부에 포토레지스트가 패턴처리된 구조물의 개략적인 단면도이다.
도6은 도2의 순서도에 따른 모든 공정이 진행된 후에 완성된 스탬프의 단면이다.
도7은 도5의 스탬프에 고분자를 주조하여 복제한 고분자의 단면을 도시한다.
도8은 본 발명의 실시예에 따라 주조된 고분자의 마이크로/나노 복합구조로서 초소수성 특성을 보여주는 도면이다.
도9a~9e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스탬프의 제조 공정을 개략적으로 모식화한 것이다.
도10은 본 발명의 제2 실시예에 따라 제작된 구조물의 개략적인 모식도이다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제작된 구조물의 SEM 사진이다.

Claims (12)

  1. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서,
    다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄 템플릿을 형성하는 단계;
    상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿의 상부 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 포토레지스트 구멍들은 이웃하는 구멍들의 간격 및 직경 중 적어도 어느 하나가 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  2. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서,
    다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄 템플릿을 형성하는 단계;
    상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 위에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿의 상부 표면이 노출되도록 다수의 포토레지스트 구멍을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트가 제거되어 노출된 상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 상에 금속을 적층하는 단계; 및
    잔존하는 상기 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 포토레지스트 구멍의 직경은 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 산화 알루미늄 템플릿 상에 금속을 적층하는 단계는 스퍼터링, 이온 빔 증착, 레이저 유도 리플로우, CVD, 전기도금 및 무전해도금법 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  4. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법에 있어서,
    벌크 알루미늄의 표면을 연마하여 표면을 고르게 하는 단계;
    상기 알루미늄 표면을 산화시켜 상기 알루미늄 표면에 나노 딤플 구조를 형성하는 단계;
    상기 알루미늄 표면 위에 포토레지스트를 도포하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 알루미늄 표면이 노출되도록 다수의 포 토레지스트 구멍을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 포토레지스트 구멍들은 이웃하는 구멍들의 간격 및 직경 중 적어도 어느 하나가 마이크로 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토레지스트 구멍은 마이크로 크기의 측벽으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 포토레지스트가 패턴화되어 고형화된 상태에서 전해 도금을 수행하여 음각의 원형을 제작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프의 제조 방법.
  7. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프에 있어서,
    다수의 나노 구멍들을 갖는 양극 산화 알루미늄(AAO)으로 구성되는 나노 구조물 층; 및
    상기 나노 구조물 층 위에 배치되고, 이웃하는 구멍과의 간격이 마이크로 크기로 형성되는 다수의 구멍들이 형성되며, 상기 다수의 구멍들에서 상기 나노 구조물 층의 상부 표면이 노출되도록 형성되는 마이크로 구조물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 구조물 층에 형성된 상기 구멍의 직경 및 높이 중 적어도 하나는 마이크로 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 구조물 층은 고형화된 포토레지스트로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 구조물 층은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프.
  11. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프에 있어서,
    다수의 나노 딤플들을 갖는 나노 구조물 층; 및
    상기 나노 구조물 층 위에 배치되고, 이웃하는 구멍과의 간격이 마이크로 크기로 형성되는 다수의 구멍들이 형성되며, 상기 다수의 구멍들에서 상기 나노 구조물 층의 상부 표면이 노출되도록 형성되는 마이크로 구조물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면 제작용 스탬프.
  12. 초소수성 마이크로/나노 복합구조 표면을 갖는 복합 구조물에 있어서,
    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제작되는 스탬프와, 상기 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 스탬프 중 하나를 이용하여 형성된 것으로서, 마이크로 및 나노 크기의 구조물 층이 혼재된 표면을 갖는 복합 구조물.
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