KR20130091846A

KR20130091846A - 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130091846A
Application number: KR1020120013106A
Authority: KR
Inventors: 정원재
Original assignee: 정원재
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-20
Also published as: KR101346063B1; WO2013119083A1; US20150004358A1

Abstract

본 발명은 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 미세한 관통홀(through-hole)을 가지면서도 별도의 기판 없이 그 자체로 형상을 유지할 수 있는 프리스탠딩(free-standing)한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인은 관통홀(through-hole)을 가지는 고분자(polymer) 멤브레인(membrane)에 있어서, 복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성 영역의 주변에 상기 관통홀 형성 영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역을 지지하는 지지영역을 포함하여 이루어져, 별도의 지지구조 없이 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는(free-standing) 것을 특징으로 한다.

Description

관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법{Free-standing polymer membrane having through-hole and method of manufacturing the same}

본 발명은 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 미세한 관통홀(through-hole)을 가지면서도 별도의 기판 없이 그 자체로 형상을 유지할 수 있는 프리스탠딩(free-standing)한 고분자 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래 섀도우 마스크의 가장 기본 마스크로 FMM(Fine Metal Mask)이라 부르는 금속 마스크가 주로 사용된다. 이 마스크는 OLED 공정에서 유기물의 선택적 증착공정에 주로 사용이 되는데 디스플레이의 픽셀 사이즈를 늘리기 위해서는 FMM의 관통홀의 크기를 줄여야 하는 문제가 있다. 그러나, 현재의 공정기술로는 수십 마이크로급 FMM이 한계이며, 수 마이크로 ~ 나노미터급 섀도우마스크를 메탈로 제작하기는 매우 어려울 뿐만 아니라 그 비용이 매우 많이 들기 때문에 새로운 재료를 이용한 마스크의 제작기술이 요구된다.

근래에는 이러한 요구에 의해 나노미터 수준의 미세한 관통홀(through-hole)을 가지는 얇은 박막(membrane)으로 정의되는 나노스텐실(nanostencil)에 대한 연구가 진행중이다. 그러나, 지금까지 알려진 이러한 나노스텐실은 실리콘 기반의 단단한 무기물 재료로서, 반도체공정의 다층 에칭 공정을 이용하여 제작되어 왔다. 특히 나노미터 수준의 관통홀을 가공하기 위해 전자빔 공정(E-BEAM)이나 집속이온빔 공정(FOCUSED ION BEAM)을 이용하여 나노미터 급 관통홀을 가공하였는데, 이러한 방식을 통해 미세한 관통홀을 넓은 면적에 제작하기에는 공정비용이 많이 드는 문제가 있다. 따라서, 고분자(polymer)로 이루어지는 나노스텐실을 고분자 제조공정에 의해 제작하려는 연구가 시도되고 있다.

도 1은 고분자를 이용하여 나노스텐실을 제작하는 일반적인 고분자 제조공정을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 고분자 나노스텐실(1)은 가공하고자 하는 관통홀(2)의 크기를 갖는 돌기(3)가 구비된 몰드(4)를 이용하여 제조하게 되는데, 이와 같이 고분자를 이용하여 나노스텐실(1)을 제작하는 경우에는 대부분의 비 전통적인 리소그래피 공정에서는 가공된 관통홀(2) 패턴 아래에 잔존층(5)이 남는다는 문제가 있으며, 따라서 임프린트 공정 및 소프트 리소그래피와 같은 반도체 공정을 사용하지 않는 비 전통적인 고분자 공정을 사용하였음에도 불구하고 잔존층(5)을 제거하기 위해서는 에칭공정과 같은 부가적인 반도체 공정이 항상 요구되기 때문에 고분자 공정만으로 스텐실을 제작하기란 매우 어렵다.

또한, 잔존층(5)을 에칭공정을 이용하여 제거하였다고 하더라도, 고분자의 낮은 강성으로 인하여 관통홀(2) 형상의 유지 및 박막의 유지가 매우 어려우며, 이러한 문제점은 멤브레인의 두께와 관통홀(2)의 크기가 작아질수록 더 심해지는 문제가 있다.

따라서, 종래의 고분자 나노스텐실(1)은 필름이나 실리콘, 글래스와 같은 별도의 기판의 도움을 받아 얇은 멤브레인 형상을 유지할 수밖에 없었으며, 기판의 도움없이 스스로 형상을 유지하기 위해서는 고분자보다 실리콘과 같은 무기물이 강성이 높기 때문에 훨씬 유리하며, 이러한 이유 때문에 지금까지 대부분의 나노스텐실은 실리콘 기반의 무기물 스텐실이 주를 이루고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세한 관통홀(through-hole)을 가지면서도 별도의 기판 없이 그 자체로 형상을 유지할 수 있는 프리스탠딩(free-standing)한 고분자 멤브레인을 제공한다.

또한, 본 발명은 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인을 부가적인 반도체 공정 없이 고분자 제조공정만으로 쉽게 제조할 수 있는 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인은 복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성 영역의 주변에 상기 관통홀 형성 영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역을 지지하는 지지영역을 포함하여 이루어져, 별도의 지지구조 없이 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는(free-standing) 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서의 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인은 일면에 형성된 마이크로미터 범위의 크기를 갖는 홈의 저면에 나노미터 크기의 범위를 갖는 미세한 관통홀이 복수개 형성되어, 별도의 지지구조 없이 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는(free-standing) 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인은 광경화성 폴리머에 임프린팅(imprinting) 공정 또는 롤프린팅(roll printing) 공정으로 일체로 형성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법은 복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성 영역의 주변에 상기 관통홀 형성 영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역을 지지하는 지지영역을 형성하기 위한 한 쌍의 몰드 중 어느 하나의 몰드에 폴리머(polymer)를 도포하는 단계; 상기 한 쌍의 몰드 중 다른 하나의 몰드를 상기 폴리머가 도포된 어느 하나의 몰드에 가압하는 단계; 상기 한 쌍의 몰드가 접촉된 상태에서 상기 폴리머를 경화시키는 단계; 및 상기 한 쌍의 몰드를 분리하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

다른 측면에서의 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법은 복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성 영역의 주변에 상기 관통홀 형성 영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역을 지지하는 지지영역을 형성하기 위한 한 쌍의 롤몰드가 서로 접촉하는 가압영역으로 폴리머를 공급하는 단계; 상기 가압영역에서 상기 폴리머를 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 폴리머가 상기 가압영역에서 배출되는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법에 있어서, 상기 폴리머는 광경화성 폴리머이고, 상기 한 쌍의 몰드 또는 상기 한 쌍의 롤몰드는 친수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 소수성 재료로 이루어지거나, 또는 상기 한 쌍의 몰드 또는 상기 한 쌍의 롤몰드는 소수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 친수성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

또 다른 측면에서의 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법은 관통홀을 형성하기 위한 돌기를 가지는 몰드에 광경화성 폴리머를 도포하는 단계; 상기 광경화성 폴리머가 도포된 몰드에 평평한 가압판을 가압하는 단계; 상기 몰드의 돌기와 상기 가압판이 접촉된 상태에서 상기 광경화성 폴리머를 경화시키는 단계; 및 상기 몰드와 가압판을 분리하는 단계;를 포함하고, 상기 몰드와 가압판은 친수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 소수성 재료로 이루어지거나, 또는 상기 몰드와 가압판은 소수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 친수성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고분자 멤브레인은 관통홀 형성영역과 두께가 두꺼운 지지영역을 포함하는 다층 구조이므로, 아주 미세한 관통홀을 형성하여 관통홀 형성영역의 두께가 매우 얇아지더라도 지지영역에 의해 지지될 수 있어서 그 자체로 프리스탠딩하기 때문에 별도의 기판 없이도 관통홀의 형상과 멤브레인의 형상을 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법은 관통홀 형성시 잔존층이 발생하지 않기 때문에 부가적인 반도체 공정 없이 고분자 제조공정인 임프린팅 공정 또는 롤프린팅 공정만으로도 미세한 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인을 일체로 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 고분자를 이용하여 나노스텐실을 제작하는 일반적인 고분자 제조공정을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고분자(polymer) 멤브레인(membrane)을 나타내는 도면이고,
도 3은 도 2의 A - A' 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고분자 멤브레인을 나타내는 도면이고,
도 5는 도 2에 따른 고분자 멤브레인의 거꾸로 뒤집은 상태를 나타내는 도면이고,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 임프린팅 공정에 의해 제조하기 위한 본 발명의 제1실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 나타내는 도면이고,
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 임프린팅 공정에 의해 제조하기 위한 본 발명의 제2실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 나타내는 도면이고,
도 12는 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 롤프린팅 공정으로 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명한다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

첨부 도면에서, 층들, 홈들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고분자(polymer) 멤브레인(membrane)을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 A - A' 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)은 관통홀(through-hole)(12)이 형성된 관통홀 형성영역(20)과, 상기 관통홀 형성영역(20)을 지지하는 지지영역(30)을 포함한다.

상기 관통홀 형성영역(20)은 복수개의 관통홀(2)이 소정간격으로 형성된 영역이며, 상기 지지영역(30)은 관통홀 형성영역(20)의 주변에 형성되어 관통홀 형성영역(20)을 지지하는 영역으로서, 상기 관통홀 형성영역(20)보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되는 영역이다.

따라서, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)은 대략 나노미터 범위의 미세한 관통홀(2)이 형성되어 관통홀 형성영역(20)의 두께가 매우 얇아지더라도 상기 관통홀 형성영역(20)이 지지영역(30)에 의해 지지될 수 있기 때문에, 별도의 지지구조(예를 들어, 필름이나 실리콘, 글래스 등의 기판) 없이도 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는 프리스탠딩(free-standing)한 구조를 가질 수 있으며, 따라서 스스로 관통홀의 형상 및 멤브레인의 형상을 유지할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)은 나노미터 범위의 미세한 관통홀(2)을 가지면서도 프리스탠딩한 구조를 가지도록 하기 위하여, 관통홀 형성영역(20)의 주변에 그 자체로 프리스탠딩할 수 있는 두께를 가지는 지지영역(30)을 일체로 형성시킨 다층 구조를 갖는다.

일반적으로, 종래 고분자 멤브레인의 경우에 그 두께는 관통홀(2)의 크기에 영향을 받기 때문에 관통홀(2)의 크기가 미세해질수록 그 두께는 그에 따라 얇아질 수밖에 없다. 이는 도 1에서 알 수 있는데, 도 1에서 보이는 바와 같이 관통홀(2)을 형성하기 위한 몰드(4)에는 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기(3)가 형성되며, 상기 돌기(3)의 폭(w)은 관통홀(2)의 크기에 대응하는 크기를 가져야 하며, 이 경우 멤브레인의 전체 두께에 해당하는 돌기(3)의 두께(t)는 돌기(3)의 형상 유지를 위해 관통홀(2)의 크기보다 매우 크게 할 수 없으므로, 관통홀(2)의 크기가 작아지면 그에 따라 멤브레인의 전체 두께도 얇아져야 하기 때문이다.

실제로, 관통홀(2)의 크기가 대략 5㎛인 경우에 멤브레인의 두께는 대략 그 4배인 20㎛ 이상의 두께를 가지도록 제조할 수는 없으며, 또한 고분자 멤브레인이 그 자체로 프리스탠딩하기 위해서는 그 두께가 대략 10㎛ 이상이어야 하며, 바람직하게는 그 두께가 대략 20㎛ 이상이어야 핸들링이 자유로울 수 있으므로, 따라서 일반적인 고분자 멤브레인의 경우에 프리스탠딩한 구조를 유지한 상태에서 가질 수 있는 관통홀(2)의 크기는 5㎛ 이상이어야 하는 한계가 있다.

반면, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)에서와 같이, 고분자 멤브레인(10)이 관통홀 형성영역(20)과 지지영역(30)을 가지는 다층 구조를 가지게 되면, 관통홀(2)의 크기가 대략 나노미터 범위의 미세한 크기로 형성되어 관통홀 형성영역(20)의 두께가 그 자체로 프리스탠딩할 수 없는 두께로 이루어진다고 하더라도, 지지영역(30)의 두께를 그 자체로 프리스탠딩할 수 있는 두께로 형성하면 되므로, 전체적으로 미세한 크기의 관통홀(2)을 가지면서도 그 자체로 프리스탠딩한 고분자 멤브레인의 제조가 가능해질 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)는 다층 구조를 가지기 때문에, 그 자체로 프리스탠딩한 구조를 가지면서도 관통홀(2)의 크기는 5㎛ 이하로 미세한 크기로 형성할 수 있게 된다. 이때, 상기 관통홀 형성영역(20)의 두께는 10㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 관통홀(2)의 크기가 5㎛인 경우 관통홀 형성영역(20)의 크기는 대략 4배인 20㎛까지 제조할 수는 있지만, 관통홀(2)을 형성하기 위한 몰드(4)의 돌기(3)의 형상 유지 및 관통홀(2)의 정밀한 제조를 고려하면 돌기(3)의 폭(w)과 두께(t)의 비가 2배를 넘지 않는 범위, 즉 상기 관통홀 형성영역(20)의 두께는 10㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하기 때문이다. 또한, 이 경우 상기 지지영역(30)의 두께는 그 자체로 프리스탱할 수 있는 두께인 10㎛ 이상으로 형성하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 프리스탠딩하면서도 핸들링이 자유로울 수 있는 두께인 20㎛ 이상으로 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)에 있어서, 상기 관통홀(2)의 형상은 원형, 다각형으로도 형성될 수 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다. 또한, 상기 관통홀 형성영역(20)에 형성되는 복수의 관통홀(2)은 그 간격이 일정하게 규칙적으로 배열될 수도 있지만, 그 간격이 불규칙하게 불규칙적으로 배열될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

바람직하게, 상기 관통홀 형성영역(20)은 소정간격으로 복수개 형성될 수 있으며, 이때 상기 지지영역(30)은 도 2에서 보이는 바와 같이, 상기 각각의 관통홀 형성영역(20)을 둘러싸도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고분자 멤브레인을 나타내는 도면인데, 도 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)은 관통홀 형성영역(20)이 일방향으로 길게 형성되고, 관통홀 형성영역(20) 사이에 지지영역(30)이 형성될 수도 있지만, 이 경우 도면상 관통홀 형성영역(20)의 상하단이 지지영역(30)에 의해 지지받지 못하게 되므로, 도 2에서 보이는 바와 같이, 상기 지지영역(30)은 각각의 관통홀 형성영역(20)을 둘러싸도록 형성되는 것이 더 바람직하다 할 것이다.

도 5는 도 2에 따른 고분자 멤브레인의 거꾸로 뒤집은 상태를 나타내는 도면이다.

도 5에서 보이는 바와 같이, 상기 관통홀 형성영역(20)은 일면(도 1에서는 하면, 도 5에서는 상면)에 형성된 홈(22)의 저면(24) 영역일 수 있으며, 상기 관통홀(2)은 상기 홈(22)의 저면(24)에 복수개 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 고분자 멤브레인(10)은 일면에 형성된 홈(22)의 저면(24)에 복수개의 미세한 관통홀(2)이 형성되어 별도의 지지구조 없이 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는 프리스탠딩(free-standing)한 구조로 이루어진 형태라고도 말할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 고분자 멤브레인(10)은 전체적인 두께가 프리스탠딩한 두께를 가지는 지지영역(30)으로 형성되며, 상기 지지영역(30)에 소정간격으로 부분적으로 관통홀 형성영역(20)을 형성하기 위한 홈(22)을 형성하고, 상기 홈(22)의 저면(24)에 복수개의 관통홀(2)을 형성시킨 형태일 수 있다. 이때 상기 홈(22)의 저면(24)의 두께는 형성하고자 하는 관통홀(2)의 크기에 적합하도록 대략 관통홀(2)의 크기의 두 배 이하로 형성됨이 바람직하다.

여기서, 상기 홈(22)은 마이크로미터 크기의 범위를 가지며, 상기 관통홀(2)은 나노미터 크기의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 상기 홈(22)의 크기는 10 ~ 1000㎛ 범위 내로 이루어지며, 상기 관통홀(2)의 크기는 5 ~ 1000nm 범위 내로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 상기 홈(22)의 크기가 대략 10㎛ 이상으로 이루어지면 멤브레인(10)의 전체 두께는 적어도 20㎛ 이상으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 관통홀(2)의 크기는 1㎛ 이하로 즉, 나노미터 크기의 미세한 크기로 형성하더라도 멤브레인(10)은 그 자체로 프리스탠딩할 수 있게 된다.

한편, 상기 관통홀 형성영역(20)과 상기 홈(22)은 멤브레인(10) 상에 소정간격으로 복수개 형성됨에 있어서, 그 간격이 일정하게 규칙적으로 배열될 수도 있지만, 그 간격이 불규칙하게 불규칙적으로 배열될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다. 또한, 상기 관통홀 형성영역(20)의 상기 홈(22)의 형상은 원형으로도 다각형으로도 형성될 수 있으며, 본 발명은 그 형상에 의해 한정하지 않는다.

바람직하게, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)은 광경화성 폴리머에 임프린팅(imprinting) 공정 또는 롤프린팅(roll printing) 공정으로 일체로 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)의 제조방법에 의하면, 고분자 제조공정인 임프린팅 공정 또는 롤프린팅 공정만으로 잔존층(5)이 형성됨이 없이 일체로 완전한 관통홀(2)을 형성시킬 수 있는데, 먼저 임프린팅 공정에 의한 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 임프린팅 공정에 의해 제조하기 위한 본 발명의 제1실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 나타내는 도면으로서, 도 6은 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 제조하기 위한 한 쌍의 몰드를 나타내는 도면이고, 도 7은 상기 한 쌍의 몰드 중 어느 하나의 몰드에 폴리머를 도포한 후 다른 하나의 몰드를 가압한 상태를 나타내는 도면이고, 도 8은 상기 한 쌍의 몰드를 분리시킨 상태의 완성된 고분자 멤브레인을 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법은 복수의 관통홀(2)이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역(20)과, 상기 관통홀 형성 영역(20)의 주변에 상기 관통홀 형성 영역(20)보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역(20)을 지지하는 지지영역(30)을 형성하기 위한 한 쌍의 몰드(40) 중 어느 하나의 몰드(42)에 폴리머(polymer)(15)를 도포하는 단계와, 상기 한 쌍의 몰드(40) 중 다른 하나의 몰드(44)를 상기 폴리머(15)가 도포된 어느 하나의 몰드(42)에 접촉될 때까지 가압하는 단계와, 상기 한 쌍의 몰드(40)가 접촉된 상태에서 상기 폴리머(15)를 경화시키는 단계와, 상기 한 쌍의 몰드(40)를 분리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 폴리머(15)는 광경화성 폴리머인 것이 바람직하며, 따라서 상기 폴리머(15)를 경화시키는 단계는 상기 한 쌍의 몰드(40)가 폴리머(15)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 자외선을 조사함으로써 이루어질 수 있다.

이와 같이, 상기 한 쌍의 몰드가 접촉된 상태에서 광경화성 폴리머(15)를 경화시키게 되면, 관통홀(2)에 잔존층(5)이 형성됨이 없이 완전한 관통홀(2)을 가지는 고분자 멤브레인(10)을 임프린팅 공정만으로 일체로 형성시킬 수 있게 된다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 몰드(40)는 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기부(46)가 상기 관통홀 형성영역(20)을 형성하기 위한 돌출부(48)의 상면에 소정간격으로 복수개 형성된 다층몰드(42)와, 평판몰드(44)로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 가압단계는 다층몰드(42)의 돌기부(46)와 평판몰드(44)가 접촉할 때까지 이루어지고, 상기 경화단계는 다층몰드(42)의 돌기부(46)와 평판몰드(44)가 접촉된 상태에서 그 사이에 개재된 광경화성 폴리머(15)를 경화시키는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는, 상기 한 쌍의 몰드(40)는 PUA(polyurethane acrylate, 또는 PMMA:polymethyl methacrylate) 등과 같은 친수성(hydrophilic property) 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머(15)는 PFPE(perfluoropolyether)과 같은 소수성(hydrophobic property) 재료로 이루어지거나, 또는 상기 한 쌍의 몰드(40)는 PFPE와 같은 소수성(hydrophobic property) 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머(15)는 PUA, NOA 등과 같은 다양한 친수성(hydrophilic property) 재료로 이루어질 수 있다. 여기서, 친수성이란 물방울과의 접촉각이 90°이하인 재료를 의미하는 것으로 정의할 수 있다.

이와 같이, 상기 한 쌍의 몰드(40)와 광경화성 폴리머(15)가 서로 성질이 다른 소수성 재료와 친수성 재료로 이루어지면 자외선 경화 재료의 DEWETTING 현상에 의하여 관통홀(2)은 잔존층 없이 더욱 완전한 관통홀의 형태로 일체로 형성될 수 있게 된다.

상세히 설명하면, DEWETTING 현상은 유체가 기판의 표면 위에서 얼마나 안정한지에 따라 영향을 받는 현상으로서, 일반적으로 표면에너지가 높은 기판에서 유체는 원형이나 구형으로 유지되지 못하고 얇게 기판 위로 펼쳐지면서 막을 만들게 되는데, 이 경우 기판의 표면 에너지가 점점 낮아질수록 유체는 스스로 구형을 이루게 되면서 물방울로 존재하게 된다. 따라서, 상기 한 쌍의 몰드(40)와 광경화성 폴리머(15)가 서로 성질이 다른 소수성 재료와 친수성 재료로 이루어지면, 상기 광경화성 폴리머(15)는 한 쌍의 몰드(40) 사이에 개재된 상태로 상기 한 쌍의 몰드(40)가 가압되면서 상기 한 쌍의 몰드(40) 사이의 불안정함으로 인하여 돌기부(46)와 돌출부(48) 사이에서 잔존층을 만들지 못하고 빠르게 밀려 나가면서 잔존층 없는 완전한 관통홀(2)을 형성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)의 다층 구조에 의하면, 상기 광경화성 폴리머(15)가 한 쌍의 몰드(40) 사이에 개재된 상태에서 상기 한 쌍의 몰드(40)가 가압되는 경우에 돌기부(46)와 돌출부(48)의 크기 차이로 인하여 더욱 빠르게 밀려나갈 수 있게 되면서 빈 공간을 채우게 되므로 보다 신속하고 정밀한 제조가 가능해지는 효과도 있다.

도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 임프린팅 공정에 의해 제조하기 위한 본 발명의 제2실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 나타내는 도면으로서, 도 9는 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 제조하기 위한 제2실시 예에 따른 한 쌍의 몰드를 나타내는 도면이고, 도 10은 상기 한 쌍의 몰드 중 어느 하나의 몰드에 폴리머를 도포한 후 다른 하나의 몰드를 가압한 상태를 나타내는 도면이고, 도 11은 상기 한 쌍의 몰드를 분리시킨 상태의 완성된 고분자 멤브레인을 나타내는 도면이다. 다만, 본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법은 상기 제1실시 예와 비교하여 한 쌍의 몰드 형상만이 상이하므로, 이하에서는 그에 대하여만 상세히 설명하기로 하며, 다른 사항에 대한 상세한 설명은 상기 제1실시 예에서의 상세한 설명을 원용한다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인을 제조하기 위한 한 쌍의 몰드(50)는 관통홀 형성영역(20)을 형성하기 위한 돌출부(58)가 형성된 제1몰드(52)와, 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기부(56)가 형성된 제2몰드(54)로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 가압단계는 제1몰드(52)의 돌출부(58)와 제2몰드(54)의 돌기부(56)가 접촉할 때까지 이루어지고, 상기 경화단계는 제1몰드(52)의 돌출부(58)와 제2몰드(54)의 돌기부(56)가 접촉된 상태에서 광경화성 폴리머(15)를 경화시키는 바람직하다.

본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법에 의하면, 도 11에서 보이는 바와 같이, 지지영역(30)의 상단에 관통홀(2)의 크기에 해당하는 홈(6)들이 형성될 수도 있으며, 따라서 제2몰드(54)의 돌기부(56)는 제1몰드(52)의 돌출부(58)에 해당하는 영역에만 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제1몰드(52)와 제2몰드(54)의 가압시에는 돌기부(56)와 돌출부(58)가 서로 대응하도록 정렬된 상태에서 이루어지도록 하는 것이 바람직하다 할 것이다.

한편, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법은 롤프린팅 공정에 의해서도 가능하며, 이하에서는 도면을 참조하여 그에 대하여 상세히 설명한다.

도 12는 본 발명에 따른 고분자 멤브레인을 롤프린팅 공정으로 제조하기 위한 롤프린팅 장치를 나타내는 개략적인 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인을 롤프린팅 공정으로 제조하기 위한 롤프린팅 장치(70)는 서로 접촉하면서 회전하는 한 쌍의 롤몰드(60), 액체상태의 광경화성 폴리머(15)가 저장된 저장부(72), 상기 저장부(72)에 저장된 액체상태의 광경화성 폴리머(15)를 가압하여 배출시키는 가압수단(미도시), 배출된 광경화성 폴리머(15)를 이송하는 이송수단(74)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이러한 롤프린팅 장치(70)를 이용한 본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법은 복수의 관통홀(2)이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역(20)과, 상기 관통홀 형성영역(20)의 주변에 상기 관통홀 형성영역(20)보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성영역(20)을 지지하는 지지영역(30)을 일체로(in a body) 형성하기 위한 한 쌍의 롤몰드(60)가 서로 접촉하는 가압영역(76)으로 광경화성 폴리머(15)를 공급하는 단계와, 상기 가압영역(76)에서 상기 광경화성 폴리머(15)를 경화시키는 단계와, 상기 경화된 폴리머가 상기 가압영역(76)에서 배출되는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 광경화성 폴리머(15)의 이송은 일반적인 롤프린팅 공정에서와 같이 별도의 이송수단(74)인 롤러에 의해 이루어질 수 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

한편, 도면에는 도시되지 않지만, 상기 제1,2 실시 예에서와 마찬가지로, 상기 한 쌍의 롤몰드(60)는 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기부가 관통홀 형성영역(20)을 형성하기 위한 돌출부의 상면에 소정간격으로 복수개 형성된 다층롤몰드와, 평판롤몰드로 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 경화단계는 다층롤몰드의 돌기부와 평판롤몰드가 접촉된 상태에서 광경화성 폴리머(15)를 경화시키는 것이 바람직하다.

또한, 다른 실시 예로 상기 한 쌍의 롤몰드(60)는 관통홀 형성영역(20)을 형성하기 위한 돌출부가 형성된 제1롤몰드와, 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기부가 형성된 제2롤몰드로 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 경화단계는 제1롤몰드의 돌출부와 상기 제2롤몰드의 돌기부가 접촉된 상태에서 상기 폴리머를 경화시키는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법에 의하면, 본 발명에 따른 고분자 멤브레인(10)과 같이 다층 구조를 가지는 고분자 멤브레인을 임프린팅 공정 또는 롤프린팅 공정만으로 잔존층(5)이 형성됨이 없이 일체로 완전한 관통홀(2)을 형성시킬 수도 있지만, 다층 구조가 아닌 일반적인 단층 구조를 가지는 고분자 멤브레인을 잔존층(5)이 형성됨이 없이 일체로 완전한 관통홀(2)을 형성시킬 수도 있다.

도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고분자 멤브레인의 제조방법을 나타내는 도면으로서, 다층 구조가 아닌 단층 구조를 가지는 고분자 멤브레인(80)을 잔존층 형성 없이 일체로 완전한 관통홀을 형성시킬 수 있는 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 13을 참조하면, 본 실시 예에 따른 고분자 멤브레인(80)의 제조방법은 관통홀(2)을 형성하기 위한 돌기(82)를 가지는 몰드(84)에 광경화성 폴리머(15)를 도포하는 단계와, 상기 광경화성 폴리머(15)가 도포된 몰드(84)에 평평한 가압판(86)을 가압하는 단계와, 상기 몰드(84)의 돌기(82)와 상기 가압판(86)이 접촉된 상태에서 상기 광경화성 폴리머(15)를 경화시키는 단계와, 상기 몰드(84)와 가압판(86)을 분리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있으며, 이와 같은 공정에 의하면 관통홀(2)을 가지는 단층 구조로 이루어진 고분자 멤브레인(80)을 고분자 공정만으로 잔존층 형성 없이 일체로 완전한 관통홀(2)을 형성시킬 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 몰드(84)와 가압판(86)은 친수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머(15)는 소수성(hydrophobic property) 재료로 이루어지거나, 또는 상기 몰드(84)와 가압판(86)은 소수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머(15)는 친수성 재료로 이루어질 수 있으며, 이와 같이 상기 몰드(84) 및 가압판(86)과 상기 광경화성 폴리머(15)가 서로 성질이 다른 소수성 재료와 친수성 재료로 이루어지면 자외선 경화 재료의 DEWETTING 현상에 의하여 관통홀(2)은 잔존층 없이 더욱 완전한 관통홀의 형태로 일체로 형성될 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인 및 제조방법은 미세한 관통홀(through-hole)을 가지면서도 별도의 기판 없이 그 자체로 형상을 유지할 수 있는 프리스탠딩(free-standing)한 고분자 멤브레인과 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인을 고분자 공정만으로 잔존층 형성 없이 일체로 완전한 관통홀을 형성시킬 수 있는 제조방법에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

2 : 관통홀 (thruogh-hole) 10 : 고분자 멤브레인 (polymer membrane)
20 : 관통홀 형성영역 30 : 지지영역
40, 50, 60 : 한 쌍의 몰드 42 : 다층 몰드
44 : 평판 몰드 52 : 제1몰드
54 : 제2몰드

Claims

관통홀을 가지는 고분자 멤브레인에 있어서,
복수의 관통홀(through-hole)이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성영역의 주변에 상기 관통홀 형성영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성영역을 지지하는 지지영역을 포함하여 이루어져, 별도의 기판없이 그 자체로 프리스탠딩(free-standing)한 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀의 크기는 5㎛ 이하이고, 상기 관통홀 형성영역의 두께는 10㎛ 미만이고, 상기 지지영역의 두께는 10㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀 형성영역은 일면에 형성된 홈의 저면 영역인 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀 형성영역은 소정간격으로 복수개 형성되고, 상기 지지영역은 상기 각각의 관통홀 형성영역을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
관통홀을 가지는 고분자 멤브레인에 있어서,
일면에 형성된 마이크로미터 범위의 크기를 갖는 홈의 저면에 나노미터 크기의 범위를 갖는 미세한 관통홀이 복수개 형성되어, 별도의 지지구조 없이 그 자체로 독립적인 지지구조를 가지는(free-standing) 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 5 항에 있어서,
상기 홈의 크기는 10 ~ 1000㎛ 이며, 상기 관통홀의 크기는 5 ~ 1000nm 인 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 5 항에 있어서,
상기 홈은 소정간격으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인은 광경화성 폴리머에 임프린팅(imprinting) 공정 또는 롤프린팅(roll printing) 공정으로 일체로(in a body) 형성된 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 프리스탠딩한 고분자 멤브레인.
관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법에 있어서,
복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성 영역의 주변에 상기 관통홀 형성 영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성 영역을 지지하는 지지영역을 일체로(in a body) 형성하기 위한 한 쌍의 몰드 중 어느 하나의 몰드에 폴리머(polymer)를 도포하는 단계;
상기 한 쌍의 몰드 중 다른 하나의 몰드를 상기 폴리머가 도포된 어느 하나의 몰드에 가압하는 단계;
상기 한 쌍의 몰드가 접촉된 상태에서 상기 폴리머를 경화시키는 단계; 및
상기 한 쌍의 몰드를 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 한 쌍의 몰드는, 상기 관통홀을 형성하기 위한 돌기부가 상기 관통홀 형성영역을 형성하기 위한 돌출부의 상면에 소정간격으로 복수개 형성된 다층몰드와, 평판몰드로 이루어지고,
상기 경화단계는 상기 다층몰드의 돌기부와 상기 평판몰드가 접촉된 상태에서 상기 폴리머를 경화시키는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 한 쌍의 몰드는, 상기 관통홀 형성영역을 형성하기 위한 돌출부가 형성된 제1몰드와, 상기 관통홀을 형성하기 위한 돌기부가 형성된 제2몰드로 이루어지고,
상기 경화단계는 상기 제1몰드의 돌출부와 상기 제2몰드의 돌기부가 접촉된 상태에서 상기 폴리머를 경화시키는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 광경화성 폴리머로 이루어지고, 상기 한 쌍의 몰드는 친수성(hydrophile property) 재료로 이루어지고, 상기 광경화성 폴리머는 소수성(hydrophobic property) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 광경화성 폴리머로 이루어지고, 상기 한 쌍의 몰드는 소수성(hydrophobic property) 재료로 이루어지고, 상기 광경화성 폴리머는 친수성(hydrophile property) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법에 있어서,
복수의 관통홀이 소정간격으로 형성된 관통홀 형성영역과, 상기 관통홀 형성영역의 주변에 상기 관통홀 형성영역보다 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어 상기 관통홀 형성영역을 지지하는 지지영역을 일체로(in a body) 형성하기 위한 한 쌍의 롤몰드가 서로 접촉하는 가압영역으로 폴리머를 공급하는 단계;
상기 가압영역에서 상기 폴리머를 경화시키는 단계; 및
상기 경화된 폴리머가 상기 가압영역에서 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.
관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법에 있어서,
관통홀을 형성하기 위한 돌기를 가지는 몰드에 광경화성 폴리머를 도포하는 단계;
상기 광경화성 폴리머가 도포된 몰드에 평평한 가압판을 가압하는 단계;
상기 몰드의 돌기와 상기 가압판이 접촉된 상태에서 상기 광경화성 폴리머를 경화시키는 단계; 및
상기 몰드와 가압판을 분리하는 단계;를 포함하고,
상기 몰드와 가압판은 친수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 소수성 재료로 이루어지거나, 또는 상기 몰드와 가압판은 소수성 재료로 이루어지고 상기 광경화성 폴리머는 친수성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관통홀을 가지는 고분자 멤브레인의 제조방법.