KR20100119793A - 2차원 광자 리소그래피 및 나노임프린트를 이용한 서브마이크론 3차원 구조물 제조용 3차원 몰드 및 그의 제작방법 - Google Patents

2차원 광자 리소그래피 및 나노임프린트를 이용한 서브마이크론 3차원 구조물 제조용 3차원 몰드 및 그의 제작방법 Download PDF

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Abstract

고효율 및 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드의 제작방법을 개시한다. 이 방법은 2-광자 레이저 및 3D 기록 기술을 통합 이용하여 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 형성하며 이어서 나노임프린트 기술을 이용하여 상기 층의 3D 몰드로부터 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성한다. 고분자필름 시트의 각 층은 다시 서브마이크론 3D 구조물로 제작된다. 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드는 추가로 마스터 몰드 제작에 이용되며 이 마스터 몰드는 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성함으로써 서브마이크론 3D 구조물을 구성한다. 상기 공정의 다양한 응용분야에 대해서도 기술한다.

Description

2차원 광자 리소그래피 및 나노임프린트를 이용한 서브마이크론 3차원 구조물 제조용 3차원 몰드 및 그의 제작방법 {3D MOLD FOR MANUFACTURE OF SUB-MICRON 3D STRUCTURES USING 2-D PHOTON LITHOGRAPHY AND NANOIMPRINTING AND PROCESS THEREOF}
본 발명은 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트를 함께 조합하여 고효율 저비용의 서브마이크론 3차원 구조물을 제조하는 공정을 이용하는 서브마이크론 3차원 구조물 제조용 3차원 몰드에 관한 것이다.
2-광자 리소그래피는 현재 액상 광감성 재료를 이용하여 복잡한 3차원 ("3D") 구조물을 제조하는 매우 효율적이면서도 쉬운 기술이다. 2-광자 중합법(TPP)은 투명 매트릭스 내에서 스타터 분자와 단량체간 화학반응을 유발하는 2개의 광자를 동시 흡수하는 것에 기반한다. 광자의 흡수는 극고의 피크강도를 요구하며 따라서 고강도를 위해 초단펄스가 필요하다. 과거 가장 일반적인 2-광자 흡수법(TPA)의 응용분야로서, 염료분자가 TPA에 의해 여기된 후 이의 형광성을 관측하는 2-광자 공초점 현미경이 있다. 표준 포토리소그래피 및 스테레오-리소그래피 기술에 이용된 단일-광자 흡수법은 기본적으로 2차원식이며 자외선광이 처음 수 마이크로미터 내에서 수지에 흡수된다. 광감지 수지는 근적외선(NIR) 영역에서 투명성이므로 NIR 레이저 펄스를 수지체 속에 집속할 수 있다. 레이저 초점이 수지체를 통해 3차원적으로 이동하면 경로를 따라 중합 공정이 개시되며 이에 의해 3D 마이크로구조가 형성된다.
TPA율은 입사강도에 따라 비선형 혹은 2차식 형태이므로 중합 구조 내에서 100nm 이상의 외측 해상도를 달성할 수 있다. 3D 구조를 요구하는 다수 분야, 예컨대 수 마이크론 범위의 3D 해상도를 원하는 조직공학 스카폴드, 바이오메디칼 임플란트, 마이크로 렌즈, 마이크로 광학 및 기타 마이크로 소자(MEMS)에서, TPP 공정은 신속하고 간편하게 원하는 해상도를 달성하는 방법을 제공한다.
나노임프린트 기술
나노임프린트의 원리는 직선 정방향성이다. 최초 NIL법에서 개발된 상기 공정을 도 3에서 개략적으로 도시한다. 마이크론-나노 크기의 표면 음각성 하드 몰드를 소정 온도 및 압력하에 기판상에서 고분자 주형에 압착시켜 고분자 재질 속에 소정 두께의 콘트라스트를 형성한다. 박층의 고분자 재료 잔사는 몰드 돌출부 아래에 남아 있으며 이것이 부드러운 쿠션층 역할을 하여 기판에 가해지는 하드 몰드의 직접적인 충격을 방지하고 또한 몰드 표면에 있는 섬세한 나노 크기 특성을 효과적으로 보호한다. 대부분의 응용에서, 완전한 패턴 형성을 위해 상기의 잔사층은 이방성 O2 플라즈마-에칭 공정에 따라 제거된다.
1. 초기 셋업
Figure pct00001
2. 나노임프린트
Figure pct00002
3. 몰드 분리
Figure pct00003
나노임프린트 리소그래피 공정의 단계들
나노임프린트의 변형예도 개발되었으며 스텝 앤 플래시 임프린트 리소그래피 (SFIL) 혹은 UV 나노임프린트 리소그래피 등이 그 예이다. 이 기술에서, 패턴 형성을 위한 투명 몰드 및 UV 경화성 선구물질 용액을 사용하여 하기와 같은 공정을 실온에서 행할 수 있다.
고온 나노임프린트 리소그래프
Figure pct00004
점도 저하를 위한 열가소성 고분자 가열 및 전성 레지스트의 임프린트
Figure pct00005
냉각시 레지스트 응고
Figure pct00006
탈엠보싱 처리에 의한 음각 임프린트 형성
Figure pct00007
섬 형성. 기판 에칭시 잔사층 제거를 위해 반응성 이온 에칭(RIE)이 필요하다.
UV 나노임프린트 리소그래프
Figure pct00008
액상 레지스트 임프린트, 스탬핑에 쉬운 형태로 성형
Figure pct00009
투명한 스탬프에 UV 광 투과하여 레지스트를 중합하여 응고
Figure pct00010
UV 중합, 레지스트 응고
Figure pct00011
섬 형성. 기판 에칭시 잔사층 제거를 위해 RIE이 필요하다.
공지 기술의 검토
나노임프린트용 3D 템플레이트 / 몰드 제작시 2-광자 리소그래피의 용도
최근의 NIL 기술은 소자의 설계를 NIL 템플레이트에 기록하기 위한 전자빔 리소그래피, 레이저 라이터 및 광학 리소그래피 기술에 의존한다. 불행히도, 이들 기술은 원칙적으로 2D 기록 기술이며 다수의 NIL 응용분야에서 요구하는 3D 구조를 형성할 수 없다. 근래 연구자들은 상기 문제점을 다층 가공법으로 해결하고 있으나 저비용 3D 나노구조를 장기적으로 생산하는 효과적인 방법은 아니다. 다층 공정을 통한 그레이 규모의 제품 생산 단계나 효과 역시 다수의 응용분야에 수용되지 못한다.
나노임프린트 템플레이트 제작에서 2-광자 리소그래피를 사용하는 것은 신규의 방법이다. 3D 조건이 수월한 응용분야, 예컨대 반구형 구조의 경우 스탬핑 공정을 단일 단계로 시행할 수 있으며, 따라서 다단계 스탬핑 오버레이 공정을 생략할 수 있다.
종래의 레이저 라이터와 비교시(최대 600nm) 2-광자 리소그래피는 매우 우수한 기록해상도(최대 100nm)를 갖는다. 또한, 2-광자 리소그래피는 종래의 레이저 라이터와 마찬가지로, 전자빔 라이터보다 우수한 기록속도를 갖기 때문에 100nm 미만의 해상도를 요구하는 경우를 제외하고 대부분의 기록 응용분야에서 이상적인 기술로 이용될 수 있다.
조직공학 및 기타 분야에서의 3D 나노임프린트의 용도
3D 나노임프린트 기술을 이용하는 장기/조직 스카폴드의 개발에 관여하는 연구진은 현재 없다. 복수의 임프린트 구조층을 적층할 경우 쾌속조형 (rapid protopyting) 기술의 해상도를 최대화하고 또한 상대적으로 우수한 효율을 제공할 수 있다. 상기 공정은 기타의 쾌속조형 기술과 비교시 사용되는 재료가 크게 제한되지 않으며 이는 물리적 스탬핑 공정에 따라 그 특징이 정의되기 때문이다.
본 발명에서 개발된 기술을 응용하면 고분자막 상에 독특한 광자형 구조를 형성할 수 있으며, 이에 따라 기능성 필름이 생성된다. 이러한 필름은 예컨대 마이크로 렌즈 제작에 이용할 수 있다. 마이크로 렌즈의 제작을 위해 2-광자 리소그래피 툴 같은 고해상도 툴을 구비하는 경우 극박막을 이용하여 렌즈 곡률을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이러한 접근법은,
1) 재료비가 경감되고;
2) 매끄러운 렌즈면 덕분에 광손실이 저하되고; 또한
3) 고분자 박막을 더욱 얇게 하여 광흡수를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
NIL법은 차세대 반도체 웨이퍼 제작에 있어서 리소그래피 관련 문제의 해결책을 제공하기 위하여 고안된 것이나, 하이브리드 플라스틱 전자공학, 유기 전자공학, 신기술 실리콘 소자, 신기술 갈륨 비소 소자, 유기 레이저, 광자, 비선형 광학 고분자 구조물, 고해상도 유기 발광 다이오드(OLED 픽셀), 회절형 광학 소자, 광대역 편광기, 하드 디스크 드라이브, DNA 조작, 나노크기 단백질 패터닝 및 세포 배양 등 수많은 응용분야에 이미 수많은 과학자와 기술자가 종사하고 있다. 현재 NIL 기술은 디스크 매체의 제조에 관련한 하드 드라이브 산업에서 이용하고 있다.
NIL법 중요한 기술 공정은:
1) 몰드 제작;
2) 레지스트; 및
3) 가공 공정이다.
본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 다수의 기술을 조합한 고효율 서브-마이크론 3D 구조 기술을 이용한다:
(1) 2-광자 리소그래피,
(2) 나노임프린트, 및
(3) 롤-투-롤 나노임프린트.
각 기술의 장점을 활용하면 서브마이크론 3D 구조를 저비용으로 제조할 수 있다. 이 방법은, 실리콘 웨이퍼 집적회로의 대량 생산을 위해 다수의 고가 장비를 이용하는 한편 각 개별 부품의 비용을 경감하는 반도체 웨이퍼 제조 산업에서의 접근법과 유사하다.
본 발명의 방법에 이용되는 기술은 몰드 제작 단계에 이용되는 종래의 NIL 기술로부터 파생한 것이다. 종래의 NIL 템플레이트는 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 패턴화하며 이러한 패턴화 기술은 기본적으로 2D 계열이다. 그러나, 본 발명에서는 템플레이트 패턴화에 2-광자 리소그래피 및 3D 기록 기술을 제안하며 따라서 패턴화된 몰드는 3D형이다.
본 발명의 첫번째 목적은 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드의 제작방법으로서 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트를 조합하여 이루어진 것이며, 상기 방법은 2-광자 레이저 리소그래피 및 3D 기록 기술을 이용하여 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 형성하고 이어서 나노임프린트를 실시하여 상기 각 층의 3D 몰드로부터 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성하며, 이들 각 층을 형성하여 서브마이크론 3D 구조물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 두번째 목적은 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 제공하는 것으로서 상기 층의 3D 몰드는, 2-광자 레이저 및 3D 기록 기술을 함께 이용하여 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 형성하고 이어서 나노임프린트를 실시하여 상기 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성함으로써 상기 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 제조하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물층의 3D 몰드는 전술한 바와 같이 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트를 통합한 공정을 이용하여 제작하는 것으로서, 구체적으로 상기 구조물층의 3D 몰드는:
3D 구조물의 3D 층을 설계하고;
2-광자 리소그래피 툴을 이용하여 3D 구조물층의 3D 이미지를 형성할 기록 공정을 셋업하고;
기판 상에 상기 층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자를 현상하고;
상기 층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자의 표면에 하나 이상의 금속층을 스퍼터링하여 시드 금속층을 형성하고; 또한
상기 시드 금속층으로 피복된 3D 고분자 이미지를 전해도금 공정에 따라 전사하여 3D 금속 몰드를 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 따라 제작되며,
상기 제작된 3D 금속 몰드를 이용하여 상기 3D 구조물층의 3D 이미지를 복제한다.
바람직하게, 서브마이크론 3D 구조물의 3D 층의 몰드를 설계하는 단계는 3D CAD의 기재를 기판면에 고정하고, 고분자 수축률을 보정하고, 기계적으로 보강하여 세정 및 건조 공정시 서브마이크론 3D 구조가 붕괴되지 않도록 방지하는 것을 포함한다.
바람직하게, 3D 층의 몰드 제작을 위한 기록 공정의 셋업 단계에서 각 층의 3D 이미지는 0.01 마이크로미터 내지 150 마이크로미터 ('마이크론'이라 함) 정도의 두께를 갖는 이미지이다.
바람직하게, 3D 층의 몰드 제작을 위한 기록 공정의 셋업 단계에서 각 층의 3D 이미지는 100 마이크론 두께의 이미지가 유리하다.
바람직하게, 3D 층의 몰드 제작을 위한 기록 공정의 셋업 단계에서, 각 층의 파라미터로서 0.01 내지 100 마이크론의 두께를 이 층의 몰드 제작을 위한 입력치로 이용한다.
바람직하게, 3D 층의 몰드 제작을 위한 기록 공정의 셋업 단계에서 각 층의 파라미터로서 약 100 마이크론의 두께를 이 층의 몰드 제작을 위한 입력치로 이용한다.
바람직하게, 3D 이미지의 각 층은 0.01 내지 150 마이크론의 두께를 갖는다.
바람직하게, 기판에 구조층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자를 현상하는 단계는, 기판을 세정하고, 스핀 코트 레지스트를 기판에 도포하고, 기판 뒷면의 포토레지스트를 용매를 이용하여 제거하고, 필요시 기판을 예비건조(prebaking)하고, 이 기판을 진공 처크(chuck)에 배치하고, 감압 처리하고, 웨이퍼를 정렬하고, 정확한 공정 변수를 입력하고, 기판을 점검하여 각 소자가 제 위치에 있는지 확인하고, 또한 기판층의 이미지편에서 포토레지스트/고분자를 제거하는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 이미지의 레지스트/고분자면 상에 하나 이상의 금속층을 스퍼터링하여 시드 금속층을 형성하는 단계는, 포토레지스트 혹은 다른 물질의 잔사가 기판 상에 남아있지 않은지 검사하고, 웨이퍼를 스퍼터링 툴에 넣고, 챔버를 기저압까지 펌핑 다운하고, 단기 플라즈마 세정 처리를 시행하여 표면을 깨끗이 청소하고, 하나 이상의 금속층을 차례대로 증착하여 시드 금속층을 형성하고, 웨이퍼를 챔버로부터 분리하는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 연마하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 절단하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 천공하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 몰드 제작 단계는 포토레지스트로 기판을 코팅하고, 스탬핑 툴의 공정 변수를 셋업하고, 일련의 스탬프 및 스텝 처리 순서에 따라 3D 이미지를 금속 몰드로부터 대형 기판에 전사하고, 처리후 레지스트를 현상하고, 레지스트/고분자를 기판으로부터 탈착하고, 기판을 지그 둘레에 권취하여 원통 실린더를 형성하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 상기 실린더를 전해도금하고, 또한 이 실린더를 연마 및 다듬질하여 마무리 및 원하는 두께를 얻는 단계들을 포함한다.
바람직하게, 몰드 제작 단계는 마스터 몰드 및 2차 몰드를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 몰드 제작 단계에서 1개의 몰드는 3D 구조층의 상면부 용도이며 또다른 몰드는 동일한 3D 구조층의 저면부 용도이고 각 층은 함께 짚(zip) 정렬 및 결합하여 다층 구조체를 형성한다.
바람직하게, 나노임프린트 공정에 몰드를 이용하는 단계에서, 상기 나노임프린트 공정은 고온 NIL 혹은 UV NIL 또는 롤-투-롤 NIL을 포함한다.
바람직하게, 3D 몰드의 제작에 있어서 2-광자 리소그래피는 소정 형상의 3D 몰드 및 서로 결합시켜 복잡한 몰드를 형성할 수 있는 다양한 형상의 몰드를 제작하기 위해 독점 소프트웨어를 이용한다.
바람직하게, 3D 몰드의 제작에 있어서 초기 템플레이트는, 수직 혹은 경사형 측벽을 구비한 통상의 그레이스케일 구조물과 달리, 3D 형상 (반구형이나 기타 곡면의 측벽을 가진 형상)이다.
바람직하게, 3D 몰드 중에서 연성 고분자로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착되어 연성 고분자 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용된다.
바람직하게, 3D 몰드 중에서 금속 시트로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착되어 고분자 성질을 가진 금속시트 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용된다.
바람직하게, 3D 몰드 중에서 알루미늄 시트로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착되어 금속 성질을 가진 알루미늄 시트 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 니켈 마스터 몰드를 사용하여 스탬핑 처리한 것으로서 나노임프린트에 이용된다.
바람직하게, 3D 몰드 중에서 표면에 전해도금된 금속 성질을 가진 시트 금속으로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착되어 금속 성질을 가진 시트 금속 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용된다.
바람직하게, 3D 몰드 제작 공정은 NIL 공정 흐름에 따른 것으로 이는:
다양한 형상의 라이브러리를 이용하여 몰드 제작시 디자인을 개선함으로써, 3D 소자의 대량 생산을 위한 설계 룰을 확립하고 이들 3D 템플레이트를 이용하여 몰드를 제작하며; 또한
스탬프를 고온 NIL, UV, 스탬핑 및 롤-투-롤 기술에 이용하는 것을 포함한다.
본 발명의 세번째 목적은 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드를 제작하는 시스템을 제공하고 이 시스템은 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트 공정을 통합 이용하는 것으로서, 2-광자 레이저 리소그래피 및 3D 기록 기술을 함께 이용하여 3D 구조의 각 층의 3D 몰드를 형성하고 이어서 나노임프린트를 이용하여 상기 3D 몰드로부터 3D 구조의 각 층의 고분자필름 시트를 형성하며, 또한 3D 구조층들을 적층하여 서브마이크론 3D 구조물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물 제조용 3D 몰드의 제작 시스템은 3D 기록 기술을 이용하여 3D 몰드용 템플레이트를 패턴화한다.
바람직하게, 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물의 제조 시스템은 고온 NIL, UV NIL 혹은 롤-투-롤 나노임프린트를 이용한다.
본 발명의 네번째 목적은, 장기/조직 스카폴드 제조에 이용되는 것으로, 신장이나 간 같은 복잡한 장기의 전체 스카폴드에 관한 3D 구조물의 복수의 이미지층을 형성하기 위한 복수의 3D 몰드를 제공하는 것으로서, 상기의 스카폴드는:
a. 스카폴드의 3D CAD 디자인을 다수층으로 분할하여 제조한 것으로, 각 층은 나노임프린트를 이용하여 개별 형성하고, 형성된 모든 층을 피복 및 결합시켜 최종 스카폴드를 형성하며, 이렇게 형성된 스카폴드는 해부학적 측면에서 생체내 물리적 환경에서 발생한 것과 유사하게 되는 것인 장기/조직 스카폴드;
b. 조직공학 스카폴드; 및
c. 제작된 의료 임플란트성 소자들을 포함한다.
본 발명의 다섯번째 목적은 심플한 3D 구조, 에컨대 사인형 구조 및 반구를 단일 경로에서 형성할 3D 몰드를 제공하는 것으로서, 광자 제조, LCD 산업, 홀로그래픽 태그, 광집속용 마이크로 렌즈, 붕대 등의 제조에 단일 스탬핑 나노임프린트 공정을 이용한다.
바람직하게, 심플한 3D 구조의 형성을 위한 3D 몰드에 있어서 NIL 공정에 이용되는 재료는 합성 재료 혹은 생물학적 재료일 수 있다.
본 발명의 여섯번째 목적은 조직공학용 스카폴드의 제조를 위한 복수의 3D 몰드를 제공하는 것으로서, 이는:
a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
c. 컴퓨터 설계 프로그램(CAD)을 이용하여 구조를 설계하고;
d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고; 또한
h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실제의 자연 스카폴드에 가까운 물리적 크기를 가진 완전한 장기 스카폴드를 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조된다.
본 발명의 일곱번째 목적은 신경 및 골의 성장을 지원하도록 물리적 신호를 요구하는 신경 및 골 용도의 브리지 등과 같은 의료 기구의 제조를 위한 3D 몰드를 제공하는 것으로서, 이는:
a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
c. CAD를 이용하여 구조를 설계하고;
d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고; 또한
h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실제의 자연 스카폴드에 가까운 물리적 크기를 가진 완전한 장기 스카폴드를 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조된다.
본 발명의 여덟번째 목적은 기능성 개선된 광학 필름을 형성할 주문제작 마이크로-렌즈의 제조를 위한 3D 몰드를 제공하는 것으로서, 이는:
a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
c. CAD를 이용하여 구조를 설계하고;
d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고;
h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실질적으로 주문설계된 곡률의 마이크로-렌즈에 이용될 완전한 광학 필름을 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조되며, 상기 광학 필름은 유리 박막이나 박층의 표면에 결합되어 반사율이나 전체 내부 반사율을 감소시키고, 빛을 수집하며 수집된 광을 작동 기구 상에 집속할 수 있다.
당업계의 지식과 기술을 가진 자라면 상술한 목적 및 그 밖의 목적을 하기의 상세한 설명을 통해 충분히 이해할 것임이 명백하며 또한 본 발명의 실시예를 통해 그 내용을 습득할 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 다수 공정에 대한 실시예를 예시하며 본원의 상세한 설명과 더불어 본 발명의 원리를 구체적으로 설명한다.
2D 리소그래피와 나노임프린트 기술을 조합함으로써, 3D 구조물의 각 층의 고해상도 서브마이크론 3D 몰드를 저렴하게 제작할 수 있다. 각 층을 구축하여 3D 구조를 형성한다. 장기/조직공학 관련의 상기 응용분야 이외에, 새로운 다양한 나노임프린트 분야, 예를 들어, LCD, 모니터 산업, 콘택트 렌즈 산업, 플라스틱 제품의 표면 조직화, 반도체 산업, 하드 드라이브 산업 및 불법복제 방지 기술 등에도 본 발명의 방법을 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 공정에서 서브마이크론 3D 몰드의 제작 단계들을 나타내는 공정흐름도;
도 2는 본 발명의 공정에서 2-광자 리소그래피 단계에 입력치로 수용되는 3D CAD 디자인을 만들어내는 제1 단계의 공정흐름도;
도 3은 본 발명의 공정에서 기록 단계 용도의 2-광자 리소그래피 툴을 셋업하는 공정흐름도;
도 4는 본 발명의 공정에서 2-광자 리소그래피 스캔용 기판의 제조 공정흐름도;
도 5는 본 발명의 공정에서 포토레지스트를 현상하는 단계의 공정흐름도;
도 6은 본 발명의 공정에서 레지스트/고분자의 표면에 스퍼터링 되는 시드 금속층을 형성하는 단계를 도시하고 있는 흐름도;
도 7은 본 발명의 공정에서 금속 몰드를 형성하는 금속화 단계를 도시하며, 여기서 고분자 이미지 전사는 레지스트/고분자의 표면에 스퍼터링 되는 시드 금속층을 이용하는 전해도금 공정에 따라 수행되는 것을 도시한 흐름도;
도 8은 본 발명의 공정에서 2차 몰드를 제작하는 단계를 도시한 흐름도이고;
도 9는 본 발명의 공정에서 롤러 NIL 몰드를 제작하는 단계를 도시하고 있는 흐름도;
도 10은 연성 고분자 몰드 혹은 템플레이트를 제조하는 공정흐름도;
도 11은 알루미늄 시트의 물리적 스탬핑을 통해 금속 몰드 혹은 템플레이트를 제조하는 공정흐름도;
도 12는 표면에 전해도금된 금속 성질을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트를 제조하는 공정흐름도;
도 13은 고분자 성질을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트를 제조하는 공정흐름도; 및
도 14는 측면 발광 박막층의 제조에서 마이크로-렌즈의 나노임프린트 고분자막을 도시한 도시도.
본 발명의 공정에서 서브마이크론 3D 몰드를 제작하는 단계의 공정흐름도를 도 1에 나타낸다. 일반적인 처리 절차 및 단계는 다음과 같다:
1) 3D CAD 디자인을 본 발명의 공정 중 2-광자 리소그래피 단계에서 입력하고;
2) 툴 소프트웨어로 파일을 전처리하고 여기서 3D 디자인을 100nm 두께의 층으로 슬라이스 분할하며;
3) 각 층을 레지스트 코팅된 웨이퍼/기판 표면에 스캔하고;
4) 이 레지스트를 현상하고;
5) 이어서 금속 시드층을 레지스트 템플레이트 상에 증착하고;
6) 전해도금 공정을 실시하고;
7) 몰드를 스탬핑 용도로 준비 혹은 마스터 몰드로 이용하여 2차 몰드 혹은 롤러 임프린트 몰드를 제조하는 단계들이다.
도 2 내지 도 9는 일반적인 가공 방법의 각 단계들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 2-광자 리소그래피에 입력되는 3D CAD 디자인을 만들어내는 제1 단계의 공정흐름도이다. 3D 구조를 설계하고 다음의 방식에 따라 3D 디자인을 STL 파일 포맷으로 제공한다:
1) 기계적 3D 디자인 구조는 공지의 3D CAD 프로그램을 이용하여 그릴 수 있다.
2) 디자인의 요건은 다음과 같다.
a. 3D 디자인의 기재를 기판면에 고정한다; 이 결과, 마킹시 구조물이 떨어지지 않도록 할 수 있다.
b. 현상 공정에 이용된 용매가 미노출 고분자를 제거할 수 있는 방식으로 구조를 설계해야 한다.
c. 현상후 고분자 수축을 보상할 수 있는 방식으로 구조를 설계해야 한다.
d. 구조의 기계적 강도는 세정 및 건조 공정시 소자가 파괴되지 않도록 하는 수준이어야 한다.
이러한 3D 구조물의 설계는 후속 공정을 위한 STL 파일 포맷으로 제공된다.
도 3은 본 발명의 공정에서 기록 단계를 위한 2-광자 리소그래피 툴을 셋업하는 공정의 흐름도이다. 여기서는 일반적인 공정에 대해 설명하며 공정의 일부 단계는 요구 조건에 따라 생략 혹은 부가되기도 한다:
1) 1차로 3D CAD 디자인을 포함하는 STL 파일을 주문제작된 공지의 레이저 스캐닝 소프트웨어에 도입하고;
2) 이미지 크기를 보정하여, 주문제작된 레이저 스캐닝 소프트웨어에 입력한 이미지를 정확한 물리적 크기로 조정하며;
3) 레이저 포커스의 위치를 시스템에 입력하여 초기 웨이퍼 정렬을 제공하고;
4) 이미지를 10nm 두께의 슬라이스로 분할하고 (이의 두께는 최종 소자의 원하는 해상도에 따라 변화할 수 있다); 및
5) 공정에 이용된 고분자에 맞는 정확한 파라미터를 입력한다;
a. 레이저 동력 - 작업시 스캔 시간 및 해상도를 초기 제어한다.
b. 스캔 속도 - 스캔 속도는 해상도(스폿 크기)에 영향을 미친다.
c. 수정 파일 - 렌즈 종류 및 작업에 사용된 고분자의 종류에 따라 결정된다. 정확한 수정 파일을 선택하면 이미지 왜곡을 최소화할 수 있다.
d. 미세 요동 - 레이저를 미세 요동하여 레이저 스폿 크기를 효율적으로 증대시킬 수 있다. 이 결과 시스템의 효율이 상승하고 제작된 소자의 표면에 다양한 조직구조를 제공할 수 있다.
e. 해칭 (hatching) - 해칭은 충전에 필요한 면적을 채우기 위해 수행되는 라인 스캔 수를 결정한다. 해칭 패턴의 변화는 제작된 소자의 표면 조직에 영향을 준다.
f. 스캔된 소자에 영향을 미치는 기타의 요인 - 점프 속도 (코너부 예각성), 가속도 (소정의 선두께), 필드 크기 (스캔 필드의 확대는 소자가 필드 엣지에서 왜곡되기 쉽다는 것을 뜻한다), 레이저 도킹 위치 (도킹이 부적절할 경우 산란 레이저광이 부분적으로 레지스트를 중합시킨다), 스테핑 크기 (구조간 갭과 스트리트는 더 큰 소자의 스티칭에 영향을 미친다), 스테핑 패턴 (소자 대 소자의 정밀도에 영향을 미친다) 등.
도 4는 2-광자 리소그래피 스캔용 기판을 제조하는 공정흐름도이다. 기판 종류의 선택은 2차 몰드의 제조, 소자 제작에 이용되는 스탬핑 툴의 종류에 따라 달라진다. 고온 NIL의 경우, 표준 실리콘 기판/가공이면 충분하며 실리콘 웨이퍼가 레이저 기록에 최적의 표면 (제곱평균제곱근 조도 및 평활도가 낮은)을 가질 경우 선택되는 공정이다. SFIL의 경우, 유리 웨이퍼나 기판 등에 있어 투명한 기판이 요구된다.
기판 선택은 스캔 공정에 영향을 미치며 그 영향의 근거는 다음과 같다:
a) 접착층을 사용해야 하고;
b) 유리는 저반사율을 갖고 또한 고스캔력이 요구되며; 또한
c) 유리 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼만큼 평활하지 않으며 레이저 스캔 공정의 수율이 낮다.
도 4의 공정 흐름도에 관하여, 일반 실리콘 공정을 개시한다. 기판 종류에 따라 일부 수정이 요구된다.
1) 최종 응용분야에 따라 다양한 기판을 툴에 적재할 수 있다.
a. 고온 NIL 공정용 실리콘
b. SFIL 용도의 유리 및 기타의 투명 기판
2) 실리콘 웨이퍼 모재에서 피란하(piranha) 세정 ("VSLI Era Vol. 1의 실리콘 공정 - 처리 기술 제15장 "습식 공정: 세정 및 에칭," 에 개시된 바와 같은 고온 황산 세정 공정, Stanley Wolf & N Tauber, 1986 Lattice Press).
3) 유리 기판에서, 웨이퍼를 희석 황화수소산에 30초간 침적한 후 탈염수("DI")로 2분간 세정한다. 기판을 송풍 건조한 후 유리 기판을 준비한다.
4) 적절한 접착층을 기판에 스핀 코팅/증발 처리한다 (레지스트와 기판 종류에 따라 달라질 수 있음).
5) 적절한 레지스트를 기판에 스핀 코팅한다 (이는 응용분야에 따라 크게 의존한다).
6) 적절한 용매를 이용하여 기판 뒷면에 남은 포토레지스트를 제거한다.
7) 필요시 기판을 프리베이크한다 (과량의 용매를 제거하고 가공후의 구조 수축을 최소화하게 된다).
8) 기판을 진공 처크에 놓고 감압 처리한다.
9) 스테이지를 제자리에 놓는다.
10) 웨이퍼를 정렬하고 소정의 기판 종류 또는 포토레지스트에 대한 공정 변수를 입력한다.
11) 마킹 공정을 개시한다.
12) 처리 완료후 기판을 점검하여, 내장된 콘트라스트성 2-광자 리소그래피 툴과 함께 정확한 위치에 각 소자를 확보한다.
13) 마지막으로 레지스트 현상용 기판을 분리한다.
도 5는 본 발명의 공정에서 포토레지스트를 현상하는 공정흐름도를 도시한다. 포토레지스트 현상의 공정흐름도는 레지스트 종류에 따라 달라진다. 하기와 같은 공정흐름도는 유리나 실리콘 웨이퍼에 PMMA계 포토레지스트를 위한 것이다. 사용되는 현상액은 응용분야, 두께 및 마킹 공정 등에 따라 각종 화학약품을 이용하여 개질할 수 있다.
또다른 주의점은, 3D 소자의 건조 공정 탓에 소자가 파괴되는 일이 없도록 하고 표준 MEMS 처리 기술 예컨대 기판의 임계점 건조 등을 실행해야 한다는 점이다.
1) 웨이퍼를 웨이퍼 홀더에 배치한다.
2) 이 웨이퍼를 현상액에 침적한다. 이는 사용되는 포토레지스트에 따라 변화할 수 있다.
3) 현상액내 웨이퍼 침적 시간은 사용할 포토레지스트의 두께 및 설계상 깊은 언더컷이 있는지의 여부에 따라 달라질 수 있다.
4) 현상액에 충분한 시간 동안 웨이퍼를 침적한 후, 이 웨이퍼를 다시 새로운 현상액에 1시간 동안 침적한다.
5) 웨이퍼를 적절한 용매 혹은 탈이온수로 세정한다.
6) 마지막으로 웨이퍼를 건조한다. 스핀 건조법, 공기건조 혹은 임계점 건조 등의 방법을 이용한다.
7) 샘플을 추후 공정에 이용할 수 있게 준비한다.
몰드 응용분야에 있어서, 현 단계에서 개발된 몰드는 스탬핑 예컨대, 간단한 NIL 연구 개발 분야에 이용할 수 있다. 대부분의 응용시 니켈 같은 금속 몰드가 필요하다.
도 6는 본 발명의 공정에서 레지스트/고분자의 표면에 스퍼터링 처리되는 시드 금속층 형성 단계를 도시한다. 시드 처리 단계는 금속화 단계로 이어지며 여기서 고분자 이미지를 전해도금 공정에 따라 전사하게 된다. 금속 몰드에 대한 고분자 이미지 전사는 전해도금 공정에 따라 실행한다. 그러나 고분자 코팅된 기판 표면은 전도성이 아니므로 전해도금에 적합한 전극이 될 수 없다. 따라서, 니켈이나 시드 금속층은 스퍼터링 처리하거나 레지스트/고분자면 상에서 증발시켜야 한다.
전형적인 시드층 형성 단계를 도 6의 공정흐름도를 참조하여 설명한다.
1) 전처리 단계에서 잔사물이 나오지 않도록 한다.
2) 웨이퍼를 증발 기구 혹은 스퍼터링 툴에 넣는다.
3) 챔버를 기저압까지 펌핑 다운한다.
4) 단기 플라즈마 세정 공정을 실시하여 표면을 깨끗하게 만든다.
5) 20nm 두께의 티타늄층을 증착한다.
6) 이어서 300nm 두께의 금층을 증착한다.
7) 웨이퍼를 챔버로부터 분리한다.
제조한 기판은 전해도금 준비가 된 상태이다.
도 7은 본 발명의 공정에서 금속 몰드를 제작하기 위한 금속화 단계로서, 고분자 이미지는 레지스트/고분자면 상에 스퍼터링 처리된 시드 금속층을 이용하는 전해도금 공정을 통해 전사된다. 금속 몰드는 사실상 전해도금 공정에 의해 형성되며 이들 단계를 도 7을 참조하여 다음과 같이 기술한다:
1) 시드 금속층이 구비된 기판을 전해도금조에 넣는다.
2) 다음 전해도금 파라미터를 설정한다.
3) 원하는 두께, 통상 3 내지 5mm가 될 때까지 오버 도금(overplating)한다.
4) 웨이퍼를 홀더에서 분리한다.
5) 레지스트를 몰드로부터 분리한다. 이는 레지스트 박리제 혹은 뜨거운 아세톤을 이용하면 가능하다. 이때 실리콘/유리 기판이 분리된다.
6) 몰드를 탈이온수로 충분히 세정한다.
7) 다음 몰드의 뒷면과 모서리면을 연마하여 크기 조정한다.
8) 탈이온수에 넣어 몰드를 세정한다.
9) 몰드면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시한다.
제조한 몰드를 사용 준비한다. 통상의 몰드 크기는 약 4mm×20mm로서 고효율 응용에는 적절치 않다. 상기 응용분야에서는 몰드를 이용하여 기능성 원료 (기능성 필름)을 제조한다. 이 경우 2차 몰드가 필요하다. 2차 몰드의 제작에 대하여 하기와 같이 설명한다.
도 8은 본 발명의 공정에 있어서 2차 몰드의 제작 단계를 도시한다. 다수의 응용분야에서, 사용자가 원하는 패턴은 주기형(반복형)이다. 2-광자 리소그래피 툴은 기록 시간이 길고 비용이 많이 든다. 기록 시간을 최소화하기 위해, 마스터 몰드는 스탬핑 툴을 써서 2차 몰드의 크기를 확대 제조할 때 이용되며 이는 다음과 같은 이유에 근거한다:
1) 2-광자 리소그래피 툴을 이용해 제조한 3D 마스터 몰드를 이용 및 레지스트/고분자 코팅 기판에 스탬핑 처리하면, 훨씬 큰 몰드를 제작할 수 있다. 이는 대형 몰드를 복제하는데 필요한 기록 시간을 단축할 수 있게 도와준다.
2) 오류를 축소한다.
3) 수율을 증대한다.
4) 극대 표면적이 신속히 얻어진다.
2차 몰드 제작 단계에 관한 공정흐름도를 도 8을 참조하여 하기와 같이 기술한다:
1) 먼저 적절한 레지스트/고분자를 기판 표면에 스핀 코팅한다. 이 기판은 실리콘 웨이퍼, 대형 고분자 시트, 시트 금속, 유리 등이다 (최종 제품의 응용분야에 따름).
2) 공정에 이용되는 기판 및 레지스트의 종류에 따라, 적절한 스탬핑 공정 변수를 엠보싱/스탬핑 툴에 입력한다.
3) 마스터 몰드를 스탬핑 툴에 적재하고 전체 기판에서 패턴 스텝 처리를 시작한다.
4) 다음, 패턴화된 기판을 현상하고 시드 금속층은 패턴 기판 전체에 걸쳐 스퍼터링 한다.
5) 기판을 전해도금조에 담가 원하는 두께까지 오버 도금을 실시한다.
6) 최종 소자를 연마하여 이상적인 두께로 만든다.
7) 몰드 엣지부도 원하는 두께까지 연마한다.
마스터 몰드를 이용하여 광범위한 면적에 걸쳐 수회 스텝 오버 처리함으로써, 적정 면적 (1m2)의 몰드를 제작할 수 있다.
기능성 고분자필름의 대형 시트의 고효율 응용 및 연속 제조를 위하여, 롤러 몰드를 제작할 수 있다.
도 9는 본 발명의 공정에서 롤러 NIL 몰드를 제작하는 단계를 도시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 기능성 재료로 된 대형 시트가 다수의 응용분야에 요구되고 있다. 현재의 대면적 임프린트 방법은 롤러 임프린터를 이용하여 성취하며 이 경우 롤러는 나노미터 규모의 3D 특징을 가진 것으로서, 연속 이용으로 대형의 연속적인 고분자 시트를 성형할 수 있다.
롤러 NIL 몰드 제작 단계를 도 9를 참조하여 설명한다.
1) 먼저 적절한 기판을 포토레지스트로 코팅한다. 가능한 기판의 예를 들면 PMMA 필름, 시트 금속, 실리콘 웨이퍼, 유리 등이 있다.
2) 다음, 스탬핑 툴의 공정 변수를 설정한다.
3) 일련의 스탬프 및 단계적 처리순서를 거쳐 마스터 몰드로부터의 3D 이미지를 대형 기판에 전사한다.
4) 처리후 레지스트를 현상한다.
5) 레지스트/고분자를 기판으로부터 탈착시킨다.
6) 시드 금속층을 기판 표면에 증착한다.
7) 지그 둘레에 연성 기판을 권취하여 실린더를 형성한다.
8) 실린더를 원하는 두께까지 전해도금한다. 최소 두께가 3mm 이상이어야 한다.
9) 니켈 실린더를 연마 및 경면연마하여 소정의 최종 두께를 얻는다.
10) 제작된 롤러 몰드를 사용 준비한다.
본 발명은 또한 2개의 롤러 몰드를 이용하여 상층 및 하층 양쪽에 기능성 층을 제조하는 방법을 제공한다. 이 응용분야에서, 2개의 롤러 몰드는 각각의 상부에 배열할 수 있다. 간단한 2층 구조의 경우 2중 몰드를 1회 통과하면 된다. 다수 층을 필요로 하는 복잡한 구조의 경우 층들을 짚(zip) 정렬할 수 있다. 이러한 구조는 필름을 고정하고 다수층을 정렬하는데 이용할 수 있다. 제1층 및 제2층을 함께 짚 배열한다. 정렬된 층을 서로 적층 결합시켜 복층 구조물을 만든다.
연성 몰드의 제작
나노임프린트용 연성 롤러 임프린터 몰드를 3D 구조의 임프린트 용도로 이용할 수 있다. 표면에 패턴화될 수 있는 시트 금속 혹은 고분자로 만들어진 연성 몰드를 하기와 같은 큰 롤러 둘레에 권취할 수 있다:
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대형 롤러 몰드는 수개의 연성 몰드를 실린더 표면에 부착하여 구성할 수 있다. 이 방법은 하기와 같이 광감성 화학약품을 함유한 알루미늄 시트를 노출시켜 프린트 이미지를 평판에 전사하고 이를 평판 실린더에 부착하는 인쇄 산업에서의 오프셋 프린팅과 유사하다:
Figure pct00013
연성 몰드/평판은 슬릿 상에 부착되며, 이러한 슬릿은 롤러면 상에 설계되고 상기 연성 몰드/평판의 엣지에 있는 노치홈에 의해 대체로 제 위치에 정렬한다. 롤러 위치를 조정하여 보다 섬밀하게 정렬한 후 고분자를 공급한다. 이 정렬 정밀도를 상부 및 하부에서 최고 10 마이크론 이내로 설정함으로써 임프린팅을 달성할 수 있다.
2-광자 리소그래피에 의해 제조된 마스터 3D 몰드를 이용하여 다음과 같은 다양한 방식의 연성 몰드를 제작할 수 있다:
1) 연성 고분자 몰드;
2) 고분자 성질의 시트 금속 몰드;
3) 니켈 마스터 몰드를 이용하여 스탬핑 처리한 금속성 시트 알루미늄 (연성 금속) 몰드; 및
4) 표면이 전해도금된 금속성 시트 금속 몰드.
연성 고분자 몰드 / 템플레이트의 제작 공정흐름
연성 고분자 몰드/템플레이트 제작을 위한 공정흐름을 도 10를 참조하여 설명한다.
이 공정에 따라, 시트 금속이나 고분자 기판을 이용하여 연성 몰드를 제작한다.
1) 연성 기판의 표면에 적절한 레지스트/고분자를 1차 코팅한다. 이 기판은 고분자 혹은 시트 금속으로 된 대형 시트일 수 있다 (최종 제품의 응용분야에 따름).
2) 공정에 이용되는 레지스트 및 기판의 종류에 따라, 적절한 스탬핑 공정 변수를 스탬핑 툴에 입력한다. 스탬핑 공정은 UV 임프린팅 공정이나 고온 임프린팅 공정 혹은 이의 조합이 될 수 있다.
3) 마스터 몰드를 스탬핑 툴에 적재하고 기판 전체에 대해 패턴의 스텝 처리를 개시한다.
4) 고분자필름을 롤러에 권취하여 2차 몰드 혹은 제조 몰드로 이용할 수 있다.
알루미늄 시트의 물리적 스탬핑을 이용한 금속 몰드 혹은 템플레이트의 제작 공정흐름
금속 몰드 혹은 템플레이트 제작을 위한 공정흐름을 도 11을 참조하여 설명한다.
이 공정에서, 니켈 몰드를 이용하여 연성 금속에서 시트 금속을 물리적 스탬핑하여 연성 몰드를 제작한다.
1) 공정 변수를 설정한다.
2) 적절한 스탬핑 몰드를 설치한다 (니켈 같은 경성 금속을 이용하여 몰드를 제조해야 한다).
3) 1차로 시트 금속을 스탬핑 툴에 적재한다.
4) 샘플 공정을 실시한다.
5) 시트 금속을 롤러에 권취하여 2차 몰드 혹은 제조 몰드로 이용할 수 있다.
표면에 전해도금된 금속 특성을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트의 제작 공정흐름
표면에 전해도금된 금속 특성을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트의 제작 공정흐름을 도 12를 참조하여 다음과 같이 설명한다:
1) 포토레지스트를 시트 금속 표면에 코팅한다.
2) 적절한 공정 변수를 입력한다.
3) 3D 몰드를 스탬핑 툴에 적재한다.
4) 시트 금속을 툴에 적재한다.
5) 스탬핑 공정을 실시한다.
6) 시드 금속을 증착 또는 세정 단계를 실시하여 전해도금용 고분자 구조의 저면에서 시트 금속을 노출한다.
7) 전해도금을 실행한다.
8) 포토레지스트를 금속 시트에서 박리 제거한다.
고분자 성질을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트의 제작 공정흐름
고분자 성질을 가진 시트 금속 몰드 혹은 템플레이트를 제작하는 공정흐름을 도 13을 참조하여 다음과 같이 설명한다:
1) 포토레지스트를 시트 금속 표면에 코팅한다.
2) 적절한 공정 변수를 입력한다.
3) 3D 몰드를 스탬핑 툴에 적재한다.
4) 시트 금속을 툴에 적재한다.
5) 스탬핑 공정을 실시한다.
6) 고분자를 후처리하여 경화한다.
7) 몰드를 사용 준비한다.
본 발명에 따른 공정의 응용분야
다양한 제조 기술의 장점을 다음과 같은 매트릭스에서 비교 도시한다. 2-광자 리소그래피와 나노임프린트를 조합하면 본 발명은 종래의 경쟁적 제조기술보다 훨씬 적은 비용으로 소자를 대량 제조할 수 있다.
Figure pct00014
(상기 도면의 설명)
해상도 최고치
해상도 (nm)
해상도 최저치
나노임프린트 (분자형 임프린트, 오브듀캣사)
전자빔 (JEOL, Nu-FLARE, Mapper, Vistec 사)
레이저 (마이크로닉사)
2-광자 리소그래피 (헬로스사)
마이크로미러 (레이저 솔루션사)
3D 프린팅 (오브젯 지오메트리스사)
SLA, SLM (스트라타시스사)
생물학적 분야에 최적인 3D 서브마이크론 소자
규격 (2D, 3D)
상기의 제조기술 매트릭스로부터, 본 발명의 공정이 생물학적 분야에서 최적임을 알 수 있다. 본 발명의 공정을 이용하는 생물학적 응용분야는 대체로 장기 이식에 관련한 임상연구 및 기존의 이식기술과 유사하다. 카데바(시체)에서 분리한 생체물질을 이용하는 대신, 합성 스카폴드를 제작하여 질병 전이화, 적절한 카데바 보관 및 저비용 등에 관한 논란을 최소화한다.
먼저 2-광자 리소그래피나 기타의 쾌속조형술 (최종 소자의 해상도에 의해 결정되는)을 이용하여 3D 템플레이트를 제조한다. 다음, 몰드 종류 (연성, 경성, 크기, 표면 성질, 해상도 등)에 따라 전해성형 혹은 기타의 성형 기술을 응용하여 이미지를 몰드에 전사한다. 표준 롤-투-롤 기술 혹은 표준 NIL 이나 VU NIL 기술에 따라 단일 스탬핑 공정만 필요로 하는 제품을 제조할 수 있다.
구조는 컴퓨터 설계 프로그램(CAD)으로 설계한다. 다음 3D CAD 드로잉을 본 발명에서 사용한 독점 소프트웨어에 입력하여 자동으로 다층 분할한다. 반복 패턴을 가진 분할 층들은 제거하고 몰드 제작용 템플레이트를 형성한다. 이 템플레이트를 이용하여 각 층의 마스터 몰드를 제조함으로써 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴용 경성/연성 몰드를 제작한다.
단일 임프린트 단계가 실행되는 응용분야에서, 예를 들어, 홀로그래픽 태그, 광집속용 마이크로 렌즈, LCD, 붕대 등의 최종 제품을 포장하여 판매한다. 더욱 복잡한 3D 구조를 요구하는 기타 분야에서는 각 층들을 서로 적층 결합시켜 조직 스카폴드나 장기 스카폴드 같이 크기가 더 큰 기구로 만든다. 본 발명의 기술에 따르면 장기 스카폴드를 4개/시간의 속도로 생산할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 2-광자 리소그래피를 이용하는 나노프린트용 3D 템플레이트 기록 공정을 포함한다. 초기 템플레이트는 수직형 혹은 측벽 경사형인 일반적인 그레이스케일 구조와 달리 3D 형상 (반구형 혹은 굴곡 측벽을 가진 기타의 형상)으로 되어 있다.
NIL 공정 흐름에 근거한 나노임프린트용 3D 템플레이트 기록 공정은:
다양한 형상의 라이브러리를 이용하여 몰드 제작에서 디자인을 개선함으로써 3D 소자의 대량 생산을 위한 설계 규정을 확립하고;
상술한 3D 템플레이트를 이용하여 몰드를 제작하고; 및
고온 NIL, UV, 스탬핑법 및 롤-투-롤 기술에 스탬프를 이용하는 것을 포함한다.
장기/조직 스카폴드 제조방법은 3-광자 리소그래피를 이용하여 임의의 3D 구조를 형성하고 또한 나노임프린트를 통해 신장이나 간 등의 복잡한 장기의 전체 장기 스카폴드를 형성하는 것으로서, 상기의 장기/조직 스카폴드는:
a. 스카폴드의 3D CAD 디자인을 복수층으로 분할하여 형성한 장기/조직 스카폴드 (이때 각 층은 나노임프린트 및 오버레이에 의해 각각 형성되며 서로 결합하여 최종 스카폴드를 구성하고 이 기술에 따르면 해부학적으로 생체의 물리적 환경과 유사한 스카폴드를 제조할 수 있다);
b. 식물 조직을 포함한 조직공학 스카폴드; 및
c. 제작된 의료용 이식 기구를 포함한다.
간단한 3D 구조, 예컨대, 사인형 구조 및 반구체를 1회 처리로 제조하는 방법은 광자학, LCD 산업, 홀로그래픽 태그, 광집속용 마이크로 렌즈, 붕대 등에 이용할 수 있다.
간단한 3D 구조의 제조방법에서 NIL 공정에 이용되는 재료는 합성 혹은 생물학적 재료일 수 있다.
상기 제조기술은 장기/조직공학 스카폴드의 제작에 이용할 수 있다.
본 발명의 방법은 장기/조직공학에 유용한 기술로서 주요 개선점은 하기에 기술된 바와 같다.
3D 나노임프린트 기술에 따른 장기/조직 스카폴드의 제작
종래의 스카폴드 제조법은 용매 주조 및 입자 침출, 기체 발포, 섬유 메시 및 섬유 결합, 상분리, 용융 성형, 에멀젼 동결건조, 용액 주조 및 동결건조 등과 같은 기술을 포함한다. 이러한 처리 기술은 기공 크기의 정밀한 제어 부족, 기공 형상, 기공의 상호조합, 기공의 공간분포, 및 스카폴드의 내부 채널 구성 등에 있어서 한계점을 수반한다. 또한 이러한 대부분의 기술은 합성 고분자를 용해하기 위해 클로로포름이나 염화메틸렌 같은 유기용매를 공정의 일부로서 활용한다. 종래의 제조법은 유기용매의 잔사가 존재하며, 이처럼 잔류 용매가 남아 있을 경우 세포가 독소 및 발암물질에 노출되므로 심각한 문제를 일으킨다.
스카폴드 제조에 관한 또다른 접근방법은 첨단 제조기술/쾌속조형술(RP)을 응용하는 것으로서, 예컨대 스테레오리소그래피(SLA), 선택성 레이저 소결법(SLS), 3D 프린팅, 융착 모델링(FDA), 3D 바이오플로터 등을 들 수 있다. 일부의 연구진은 임상분야에 RP 기술을 적용하는 것에 대해 발표했다. 골조직 가공에 있어서, SLS는 폴리카프로락톤 스카폴드의 제조에 유용한 것으로 입증되었다. 또한 3D 프린팅은 폴리락티드 용액을 도입하여 열적 상변화를 일으키고 이를 분리하여 나노섬유성 스카폴드를 형성할 음각 몰드를 제조하는데 이용할 수 있다. 생물학적 연구 결과, 미세기공 및 극미세의 표면은 단백질 흡착을 위한 표면적 증대, 마이크로 환경에서의 이온 용해도 증대, 조골세포의 접착점 제공 등을 통해 스카폴드 내에서 골성장을 향상시킨다는 사실을 확인하였다. 상술한 RP 방법들은 유기적인 복합 조직의 조화로운 구성을 제공하지 못하였다. 이는 현재의 RP 기술상 인쇄 해상도가 떨어지고, 설계가 복잡하여 다양한 종류의 세포를 구현하는데 어려움이 있기 때문이다. 현재 가능한 유일한 기술은 장기의 프린팅으로서 일부 구조를 상기의 프린팅 셋업으로 프린트했다. 수종의 세포 및 생체재료를 동시에 프린트한다. 그러나 상기 셋업은 간세포처럼 깨지기 쉬운 세포 종류에 대해서는 적합치 않다. 또한, 본 발명자는 혼합물 프린트에 사용하는 생체재료가 기능유지 및 분화에 필요한 세포-세포의 상호작용에 장애가 된다는 사실을 밝혀냈다. 이러한 다양한 스카폴드 기술을 비교하는 매트릭스를 하기의 표에 나타낸다.
본 발명 나노임프린트 RP 기술 종래기술
1 최대 해상도 ~ 100nm < 100nm > 1000nm < 100nm
2 재료 범위 광범위 광범위 제한적 광범위
3 주문 형상 있음 제한적 있음 없음
4 복잡한 장기 있음 없음 없음 없음
5 3D 있음 있음 있음 없음
6 비용 저비용 저비용 고비용 저비용
7 규모 가변성 있음 있음 없음 있음
표: 각종 스카폴드 제조기술의 직접적인 비교 결과
장기/조직공학에 대한 본 발명 공정의 적용
조직공학은 재생의학 산업의 부상에 있어서 중요한 기본 기술이다. 이것은 환부의 복구를 위한 기능성 조직 및 장기의 가공이라고 정의할 수 있다. 자가 조직가공된 기구는 환자로부터 유래된 세포를 분해성 재료와 결합시켜 이 결합체를 체내에 이식하므로써 형성된다. 이 재료를 스카폴드 혹은 매트릭스라 한다. 다공성 혹은 젤라틴 형태로서 기판 표면에 단독 존재하는 것이 아니라 기판 내에 세포를 함입시킨다. 조직공학의 목적은 장기 이식물 혹은 생체재료 이식물을 사용하여 손상된 조직 혹은 장기에 대한 종래적인 임상치료의 한계점을 우회적으로 극복하는 것이다. 이러한 종래의 임상치료가 갖는 심각한 단점은 공여자의 장기가 갖는 결점, 만성 거부반응 및 세포의 건강 불량 등을 포함한다.
조직공학에 있어 널리 이용되는 방법은 체외의 관련 세포를 세포외 매트릭스의 기능을 모방하는 스카폴드 내에서 증식시키는 것이다. 3차원 지지구조가 없을 경우 세포는 임의적인 2차원 단층 세포를 주로 형성하게 된다. 따라서 스카폴드의 1차적 기능은 세포의 접착기재 역할을 하는 것이다. 또한 스카폴드는 성장 조직에 대해 임시적인 물리적 지지체 및 가이드물을 제공한다.
최근에 다수의 연구자는 카데바로부터 탈세포화된 장기, 심장 및 흉부를 이용하여 뼈대, 형상 및 세포 구성분을 제공함으로써 인공 장기를 제작하였다. 이들 스카폴드를 세포와 함께 다시 시드화하고 수주간 관류식 생물배양기에서 배양하며 이 결과로 얻은 구성물은 장기의 기능 일부 혹은 다수의 기능을 수행할 수 있다. 다른 간단한 장기 예컨대 각막, 방광, 피부 및 골 등에 있어서 장기 스카폴드 매트릭스를 전체 합성 스카폴드로 대체하였다.
전술한 바와 같이 현재 보고된 성공적인 임상 실험에 따르면, 3D 스카폴드 지지체를 제공하는 방법이 재생의학에서 가장 바람직한 접근법으로 제시되었다. 그러나, 카데바로부터 스카폴드를 수득하려면 일련의 공정이 필요하며 이 기술에 관련하여, 질병 전이, 이용가능한 카데바 수, 장기를 적출하는 숙련된 외과의, 윤리적 및 사후관리의 문제 등 논란의 여지가 많다. 본 발명의 기술에 따르면 생리학적으로 유사한 환경 및 적절한 화학 신호 등을 응용하므로써, 재생의학용 합성 장기/조직을 총괄적으로 재생산할 수 있다.
현재 조직가공된 장기의 개발이 크게 요구되고 있다. 그러나 복잡한 조직을 가공함에 있어 주요 관건은 혈관 형성, 새로운 조직에 혈액을 공급하기 위한 혈관의 성장, 그리고 새로운 조직을 성장시킬 3D 매트릭스의 개발이다.
본 발명에 따라 저렴하고 효율적이며 고해상도를 갖춘 3D 제조기술을 이용하면 혈관이 겸비된 3D 매트릭스의 개발 측면에서 종래 연구자들이 당면했던 문제들을 해결할 수 있다. 따라서 조직공학 관련 연구를 촉진하고 건강증진을 이룰 수 있다. 기타 생체의학 분야에서 스카폴드를 세포 배양에 사용하면, 약물 검사를 위한 제약사의 우수한 약물 모델을 개발하고, 임상실험 비용을 감소시키며, 또한 약물을 개발하는데 이용할 수 있다.
본 발명의 공정은 광범위한 분야에 이용되며 그 중 일부를 하기와 같이 열거한다.
응용분야/산업 해당 산업에 대한 3D 기술의 중요성 3D 기술에 의한 기술 개선 본 발명에 의한 기술 개선 산업 규모/개발 단계
1 유기/조직공학 스카폴드 있음 있음 있음 잠재성 큼, 초기 주목
2 복합 플라스틱/유기 전자공학 없음 있음 있음 큰 규모, 주목
3 실리콘/갈륨 비소 소자 없음 없음 없음 큰 규모, 완성
4 유기 레이저 없음 있음 있음 잠재성 큼, 진행중
5 광자학 있음 있음 있음 큰 규모, 진행중
6 LCD 없음 있음 있음 큰 규모, 진행중
7 미세유동학 없음 있음 있음 잠재성 큼, 진행중
8 바이오테크 있음 있음 있음 잠재성 큼, 진행중
9 하드 드라이브 없음 있음 없음 큰 규모, 완성
상술한 표는 본 발명에 따라 개발된 기술을 이용함으로써 가능한 응용분야에 대한 것이다.
본 발명은 조직공학에서 식물 및 농작물 부문에도 확대 적용할 수 있다.
마이크로 렌즈 제조시 본 발명 공정의 적용
광 제어 및 변조는 굴절, 회절, 간섭 혹은 반사 방법을 이용하는 다양한 방식으로 실행할 수 있다. 이는 마이크로 렌즈를 통과하는 빛을 조정함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명의 공정에 따라 제조한 마이크로 렌즈는 렌즈의 표면/계면을 등고선 형태로 설계하여 광집속, 가이드 및 굴곡 처리할 수 있다. 렌즈계를 소형화하면, 대부분의 렌즈 재료는 부피가 줄어들고 따라서 부피 흡수로 인한 신호 감쇠가 작기 때문에 투과성 및 효율은 개선된다. 이러한 렌즈를 필름 형태로 집적하여 기능성 광학 필름을 제조한다.
현재의 마이크로 렌즈는 1) 용융 유리/포토레지스트/액체를 함께 융해하고 표면장력을 이용하여 렌즈에 필요한 매끄러운 구체면을 형성함으로써 만들어진 몰드를 이용하여 제조한다. 혹은, 다른 기술로서 2) 패턴을 반복 에칭하여 복수의 렌즈로 된 어레이를 형성하는 방법도 포함한다. 몰드 성형 혹은 마스터 렌즈 어레이로부터 엠보싱 처리를 통해 이러한 어레이를 다수개 복제한다.
현재 생산되는 박막 PV 모듈은 패널에 대한 신뢰도가 낮다. 이는 UV광의 흡수로 인해 시간 경과시 필름이 파괴되는 탓이다. UV광은 고분자와 화학물질 내의 불포화 결합을 파괴함으로써 효율 저하를 야기한다. 본 발명의 공정에 따라 개발된 광학 필름은 UV광을 여과하는데 이용할 수 있으며 PV 패널에 빛을 전달하기 전광스펙트럼의 다른 부분은 감퇴시키지 않는다.
대부분의 서브마이크론 소자는 2D 형태이다. 마이크로 렌즈 제조시 필요한 곡면 형태의 벽은 종래의 기술로는 형성하기 어렵다. 제조 공정에 여분 차원(extra dimension)을 도입할 경우 새로운 분야를 위한 여분의 면을 제공할 수 있다.
1) 이는 주문설계된 곡률의 합성 마이크로 렌즈를 제조할 수 있음을 뜻한다.
2) 이러한 고안품으로부터, 새로운 분야 예컨대 광 수집, 전달 및 조정 등을 위한 기능성 필름을 제작할 수 있다.
본 발명의 공정에 따른 몰드는 굴곡진 측벽을 가진 소형 고안품을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 연성 재질 상에서 몰드의 스탬핑, 구형외 형상 및 마이크로 렌즈 제작에 이용되는 액체의 표면장력에 의해 제한되지 않는 다양한 곡률로 특수 설계된 렌즈 등과 같은 형상체의 성형 등을 가능하게 한다.
이러한 광학 필름은 박막 필름이나 유리의 표면에 삽입하여 반사율 혹은 내부 전반사를 감소시키고, 광을 수집하여 이를 작동 기구 상에 집속할 수 있으므로 태양광 PV 생산업체의 관심을 끈다. PV 패널에 필름을 직접 부착하여 효율 증대를 꾀할 수 있으며 또한 집광기 역할을 하기도 한다. 편평한 면에서 집광하여, 내부 전반사가 필름 내에서 일어나도록 광을 구부리고, 또한 이를 필름에 통과시켜 필름 모서리를 통해 방출함으로써 상기와 같은 역할을 달성한다. 필름 모서리를 통해 방출되는 광의 강도는 필름 표면적과 직접적인 함수관계에 있다. 필름을 도입하여 광 집속 및 이를 PV에 연결하면, PV는 종래에 가능했던 것보다 더 많은 빛에 노출된다. 상술한 필름은 편평하며 저렴하고, 또한 표면 속이나 그 위에 전개하여 빛을 수집하고 이를 PV 패널에 전달할 수 있다. 필름이 없을 경우, PV 패널은 빛을 흡수할 적절한 위치에 없을 수도 있다 (도시 지역 등).
기능성 필름을 태양광 PV 산업에 응용하는 것 외에도, 타 응용분야로서 디스플레이 기술을 포함한다.
1) 상술한 기능성 필름은 PV 패널에 태양광을 수집, 전달 및 집속하므로 태양열 발전 설비에 이용할 수 있다. PV 패널은 극단의 기후 조건에 노출되지 않으면서 태양광 에너지를 PV 필름의 표면에 제공할 수 있는 방식으로 설치할 수 있다.
2) 상기 필름은 또한 광학 필름 형태로 설계하여 LCD 스크린의 픽셀에 빛을 전달 및 집속하거나 또한 연성 전자기기에 이용할 수도 있다.
상술한 필름을 PV 모듈에 부착할 경우, 다양한 기능 예컨대 1) 반사방지막, 2) 집광, 3) 광전달, 및 4) 광의 집속/집중 등의 기능을 한다. 이는 PV에 수집 흡수된 광의 양을 최대화한다. 이는 즉, 고 PV 효율, 용이한 패널 설치 및 비용의 대폭 감소 등을 가져올 수 있음을 의미한다.
본 발명의 공정에 따라 제조된 마이크로 렌즈는 건물 외부로부터 내부로의 의 광 채널링에 이용할 수도 있다.
기타 응용분야
간단한 단일층 공정은 LCD 분야에서의 비대칭 마이크로 그레이팅 제작, 통신용 광학 기소의 소형화, 및 그린 에너지 분야에서 효과적인 집광을 위해 광전변환소자에 광을 집속하는 마이크로 렌즈 등 다수의 분야에 응용된다.

Claims (34)

  1. 고효율 저비용 서브마이크론 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드의 제작방법으로서 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트 기술을 조합하여 이루어진 것이며, 이 방법은: 2-광자 레이저 리소그래피 및 3D 기록 기술을 이용하여 3D 구조물의 각 층에 대한 3D 몰드를 형성하고, 이어서 나노임프린트를 실시하여 상기 각 층의 3D 몰드로부터 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성하며; 또한 이들 각 층을 가공하여 서브마이크론 3D 구조물을 제조하는 것을 특징으로 하는 제작방법.
  2. 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드로서, 상기 층의 3D 몰드는: 2-광자 레이저 및 3D 기록 기술을 함께 이용하여 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드를 형성하고, 이어서 나노임프린트를 실시하여 상기 3D 구조물의 각 층의 고분자필름 시트를 형성함으로써 얻어지는 것으로서, 이에 의해 상기 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드가 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  3. 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물의 각 층의 3D 몰드로서, 이는 전술한 항에 따른 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트의 조합 공정에 따라 제작되며, 상기 구조물층의 3D 몰드는:
    3D 구조물의 3D 층을 설계하고;
    2-광자 리소그래피 툴을 이용하여 3D 구조물층의 3D 이미지를 형성할 기록 공정을 셋업하고;
    기판 상에 상기 층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자를 현상하고;
    상기 층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자의 표면에 하나 이상의 금속층을 스퍼터링하여 시드 금속층을 형성하고;
    전해도금 공정에 따라 상기 시드 금속층으로 피복된 3D 고분자 이미지를 전사하여 3D 금속 몰드를 형성하고; 또한
    상기 3D 금속 몰드를 이용하여 상기 3D 구조물층의 3D 이미지를 복제하는 단계들에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
    바람직하게, 서브마이크론 3D 구조물의 3D 층의 몰드에 관한 디자인을 제작하는 단계는 3D CAD의 기재를 기판면에 고정하고, 고분자 수축률을 보정하고, 기계적으로 보강하여 세정 및 건조 공정시 서브마이크론 3D 구조가 붕괴되지 않도록 방지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 서브마이크론 3D 구조물의 3D층의 몰드의 디자인을 설계하는 것으로서, 이 설계 단계는 3D CAD의 기재를 기판면에 고정하고, 고분자 수축률을 보정하고, 또한 기계적으로 보강하여 세정 및 건조 공정시 서브마이크론 3D 구조가 붕괴되지 않도록 방지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  5. 제 3항에 있어서,
    3D층의 몰드를 제작하기 위한 기록 공정을 셋업하는 단계에서, 각 층의 3D 이미지가 0.01 마이크론 내지 150 마이크론 정도의 두께를 갖는 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  6. 제 3항에 있어서,
    3D층의 몰드를 제작하기 위한 기록 공정을 셋업하는 단계에서, 각 층의 3D 이미지가 바람직하게 100 마이크론의 두께를 갖는 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  7. 제 3항에 있어서,
    3D층의 몰드를 제작하기 위한 기록 공정을 셋업하는 단계에서, 각 층의 파라미터로서 0.01 마이크론 내지 100 마이크론의 두께를 상기 층의 몰드 제작을 위한 입력치로 이용하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  8. 제 3항에 있어서,
    3D층의 몰드를 제작하기 위한 기록 공정을 셋업하는 단계에서, 각 층의 파라미터로서 약 100 마이크론의 두께를 상기 층의 몰드 제작을 위한 입력치로 이용하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  9. 전술한 항에 있어서,
    3D 이미지의 각 층은 0.01 마이크론 내지 150 마이크론의 두께로 되어있는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  10. 제 3항에 있어서,
    기판에 구조층의 3D 이미지의 포토레지스트/고분자를 현상하는 단계는:
    기판을 청소하고, 스핀 코트 레지스트를 기판에 도포하고, 기판 뒷면의 포토레지스트를 용매를 이용하여 제거하고, 필요시 기판을 프리베이크 처리하고, 이 기판을 진공 처크(chuck)에 올려놓고, 감압 처리하고, 웨이퍼를 정렬하고, 정확한 공정 변수를 입력하고, 기판을 점검하여 각 소자가 제 위치에 있는지 확인하고, 또한 기판층의 이미지편에서 포토레지스트/고분자를 제거하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  11. 제 3항에 있어서,
    이미지의 레지스트/고분자면 상에 하나 이상의 금속층을 스퍼터링하여 시드 금속층을 형성하는 단계는, 포토레지스트 혹은 다른 물질의 잔사가 기판에 남아있지 않은지 검사하고, 웨이퍼를 스퍼터링 툴에 넣고, 챔버를 기저압까지 펌핑 다운하고, 단기 플라즈마 청정 처리를 시행하여 표면을 깨끗이 청소하고, 하나 이상의 금속층을 나란히 증착하여 시드 금속층을 형성하고, 웨이퍼를 챔버로부터 분리하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  12. 제 3항에 있어서,
    형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 연마하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 것을 포함하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  13. 제 3항에 있어서,
    형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 절단하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 것을 포함하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  14. 제 3항에 있어서,
    형성된 고분자 이미지를 전해도금법을 통해 시드 금속층으로부터 전사하여 금속 몰드를 형성하는 단계는, 시드 금속층을 구비한 기판을 전해 경로에 놓고, 전해도금 파라미터를 셋업하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 도금을 실시하고, 웨이퍼를 홀더에서 분리하고, 레지스트를 3D 몰드로부터 제거하고, 몰드를 탈염수로 깨끗이 세정하고, 3D 몰드의 뒷면 및 모서리를 천공하여 크기 조정하고, 처리된 3D 몰드를 탈염수로 세정하고, 또한 이 3D 몰드의 표면에 대해 O2 플라즈마 세정을 실시하는 것을 포함하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  15. 제 3항에 있어서,
    몰드 제작 단계는, 포토레지스트로 기판을 코팅하고, 스탬핑 툴의 공정 변수를 셋업하고, 일련의 스탬프 및 스텝 처리 순서에 따라 3D 이미지를 금속 몰드로부터 대형 기판에 전사하고, 처리후 레지스트를 현상하고, 레지스트/고분자를 기판으로부터 탈착하고, 기판을 지그 둘레에 감아 원통 실린더를 형성하고, 원하는 두께를 얻을 때까지 상기 실린더를 전해도금하고, 또한 이 실린더를 연마 및 경면 연마하여 마무리 처리 및 원하는 두께를 얻는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  16. 제 3항에 있어서,
    몰드 제작 단계에서 상기 몰드는 마스터 몰드와 2차 몰드를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  17. 제 3항에 있어서,
    몰드 제작 단계에서 2중 롤러 몰드를 제조하며, 여기서 1개의 몰드는 3D 구조층의 상면부 용도이며 또다른 몰드는 동일한 3D 구조층의 저면부 용도이고 각 층은 함께 정렬 및 짚(zip) 결합하여 다층 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  18. 제 3항에 있어서,
    몰드를 사용하여 나노임프린트 공정을 행하는 단계에서, 상기 나노임프린트 공정은 고온 NIL, UV NIL 또는 롤-투-롤 NIL을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  19. 전술한 항들 중 어느 항에 있어서,
    2-광자 리소그래피는 소정 형상의 3D 몰드 및 서로 결합시켜 복잡한 몰드를 형성할 수 있는 다양한 형상의 몰드를 제작하기 위하여 독점 소프트웨어를 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  20. 전술한 항들 중 어느 항에 있어서,
    초기 템플레이트는 수직 혹은 경사형 측벽을 구비한 통상의 그레이스케일 구조물과 달리 3D 형상 (반구형이나 기타 곡면의 측벽을 가진 형상)인 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  21. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연성 고분자로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착하여 연성 고분자 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  22. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 시트로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착하여 고분자 성질을 가진 금속시트 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  23. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 시트로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착하여 금속 성질을 가진 알루미늄 시트 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 니켈 마스터 몰드를 사용하여 스탬핑 처리한 것으로서 나노임프린트에 이용되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  24. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면에 전해도금된 것으로 금속 성질을 가진 시트 금속으로 이루어진 몰드는 실린더 표면에 부착하여 금속 성질을 가진 시트 금속 몰드 롤러를 형성하며, 이 몰드 롤러는 나노임프린트에 이용되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  25. 전술한 항들 중 어느 항에 따른 3D 몰드를 제작하는 방법으로서 NIL 공정흐름에 따르며 이 방법은:
    다양한 형상의 라이브러리를 이용하여 몰드 제작시 디자인을 개선함으로써, 3D 소자의 대량 생산을 위한 설계 룰을 확립하고 이들 3D 템플레이트를 이용하여 몰드를 제작하고; 또한
    스탬프를 고온 NIL, UV, 스탬핑 및 롤-투-롤 기술에 이용하는 것을 포함하고 있는 제작방법.
  26. 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드를 제작하는 시스템으로 이 시스템은 2-광자 리소그래피 및 나노임프린트 공정을 통합 이용하는 것으로서,
    2-광자 레이저 리소그래피 및 3D 기록 기술을 이용하여 3D 구조의 각 층의 3D 몰드를 형성하고, 이어서 나노임프린트를 이용하여 상기 3D 몰드로부터 3D 구조의 각 층의 고분자필름 시트를 형성하며, 또한 3D 구조층들을 적층하여 서브마이크론 3D 구조물을 제조하는 것을 특징으로 하는 제작 시스템.
  27. 제 22항에 따른 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드를 제작하는 시스템으로서, 3D 기록 기술을 이용하여 3D 몰드용 템플레이트를 패턴화하는 것을 특징으로 하는 제작 시스템.
  28. 제 22항에 따른 고효율 저비용 서브마이크론 3D 구조물을 제조하기 위한 3D 몰드를 제작하는 시스템으로서,
    나노임프린트는 고온 NIL, UV NIL 또는 롤-투-롤 나노임프린트인 것을 특징으로 하는 제작 시스템.
  29. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    장기/조직 스카폴드를 제조하기 위한 복수개의 3D 몰드로서, 신장이나 간 등의 복잡한 장기에 관한 장기 스카폴드 전체의 3D 구조물의 복수의 이미지층을 형성하며, 상기의 스카폴드는:
    a. 스카폴드의 3D CAD 디자인을 다수층으로 분할하여 제조한 것으로, 각 층은 나노임프린트를 이용하여 개별 형성되고, 이들 모든 층을 피복 및 결합시켜 최종 스카폴드를 형성하며, 이렇게 형성된 스카폴드는 해부학적 측면에서 생체내 물리적 환경에서 발생한 것과 유사하게 되는 것인 장기/조직 스카폴드;
    b. 조직공학 스카폴드; 및
    c. 제작된 의료 임플란트성 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  30. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    심플한 3D 구조, 에컨대 사인형 구조 및 반구를 단일 경로에서 형성할 3D 몰드로서, 단일 스탬핑 나노임프린트 공정이 광자 제조, LCD 산업, 홀로그래픽 태그, 광집속용 마이크로 렌즈, 붕대 등의 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  31. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    심플한 3D 구조의 형성을 위한 3D 몰드로서, NIL 공정에 이용되는 재료는 합성 재료 혹은 생물학적 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  32. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    조직공학용 스카폴드의 제조를 위한 복수의 3D 몰드로서, 이 몰드는:
    a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
    b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
    c. 컴퓨터 설계 프로그램(CAD)을 이용하여 구조를 설계하고;
    d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
    e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
    f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
    g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고; 또한
    h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실제의 자연 스카폴드에 가까운 물리적 크기를 가진 완전한 장기 스카폴드를 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  33. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    신경 및 골의 성장을 지원하도록 물리적 신호를 요구하는 신경 및 골 용도의 브리지 등과 같은 의료 기구의 제조를 위한 3D 몰드로서 이 몰드는:
    a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
    b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
    c. CAD를 이용하여 구조를 설계하고;
    d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
    e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
    f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
    g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고; 또는
    h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실제의 자연 스카폴드에 가까운 물리적 크기를 가진 완전한 장기 스카폴드를 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
  34. 제 1항, 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    기능성 개선된 광학 필름을 형성할 주문제작 마이크로 렌즈의 제조를 위한 3D 몰드로서, 이 몰드는:
    a. 2-광자 리소그래피를 이용하여 3D 템플레이트를 만들고;
    b. 전해도금 혹은 기타의 성형 기술, 예컨대, 가공에 요구되는 몰드의 종류에 따라 (연성, 경성, 크기, 표면특성, 해상도 등) 전자빔 리소그래피나 광학 리소그래피를 이용하여 3D 몰드 상에 3D 이미지를 전사하고;
    c. CAD를 이용하여 구조를 설계하고;
    d. 3D CAD 드로잉이 입력된 독점 소프트웨어를 이용하여 상기 구조를 복수층으로 자동 분할하고;
    e. 반복 패턴을 가진 층들을 제거하고;
    f. 몰드 제작용 템플레이트를 형성하고;
    g. 각 층의 마스터 몰드를 형성하여 스탬핑/롤-투-롤 나노임프린트 툴 용도의 경성/연성 몰드를 제조하고; 또한
    h. 제조된 각 층을 서로 겹쳐 실질적으로 주문설계된 곡률의 마이크로 렌즈에 이용될 완전한 광학 필름을 형성하는 단계들을 포함하는 방법에 의해 제조되며, 상기 광학 필름은 유리 박막이나 박층의 표면에 결합되어 반사율이나 내부 전반사율을 감소시키고, 빛을 수집하며 수집된 광을 작동 기구 상에 집속할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 몰드.
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