KR20170077869A - 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치. - Google Patents

마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치. Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치 및 이를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프레임 구조체와, 상기 프레임 구조체의 전방 일측에 설치되는 공급롤러를 포함하여, 상기 공급롤러에 귄취된 파라필름을 후방으로 공급하는 필름공급부와, 상기 필름공급부에서 공급되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지가 도포되어 코팅층이 형성되는 코팅부와, 상기 프레임 구조체에 회전가능하도록 설치되고 외주면에 미세 패턴이 형성된 PDMS 몰드가 부착되는 롤스탬프를 포함하여, 상기 롤스탬프의 외주면에 상기 파라필름의 코팅층이 가압되어 상기 미세 패턴이 상기 코팅층에 전사되고, 상기 미세 패턴이 전사된 코팅층에 자외선을 조사시켜 UV 경화성 수지를 경화시키는 임프린트부와, 상기 프레임 구조체의 후방 일측에 설치되는 회수롤러를 포함하여, 상기 임프린트된 파라필름을 상기 롤스탬프에서 디몰딩시켜 상기 회수롤러에 권취하는 필름권취부를 포함하여 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용함에 의해 연속적으로 마이크로 폴리머 스텐실을 제작할 수 있어 적은 비용으로 단기간에 제품을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, PDMS 롤스탬프와, UV 경화성 수지가 코팅되는 필름을 파라필름으로 적용하여, 임프린트 과정에서 경화된 수지 코팅층이 스탬프 쪽으로 디몰딩되지 않게 하며, 경화된 폴리머 스텐실을 파라필름에서 이형할 때에도 파라필름의 비젖음성으로 인해 이형이 용이하도록 하여 제품불량을 줄여 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 롤스탬프의 위치를 상하로 조절하거나, 롤스탬프의 하부에 설치되는 가압구동부의 압력이 임의로 조절되도록 하여, 롤스탬프가 파라필름의 코팅층에 가해지는 압력을 적절하게 조절하여 두께 및 미세 패턴이 상이한 다양한 스텐실을 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치 및 이를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법.{Roll to roll imprint apparatus for micro polymer stencil Continuous fabrication and method of micro polymer stencil continuous fabrication by using the same}
본 발명은 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치 및 이를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용하여 적은 비용으로 단기간에 연속적으로 스텐실을 제작할 수 있도록 하는 롤투롤 임프린트 장치 및 이를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법에 관한 것이다.
반도체 및 스마트폰, 디스플레이 등 정보기술 분야(IT)와 세포 배양 및 패터닝 등으로 대표되는 생물산업 분야(BT)가 발전함에 따라 마이크로 및 나노 미세 구조물 제작 방법에 대한 연구들이 다양한 분야에서 활발하게 진행되고 있다.
최근 마이크로 및 나노 구조물을 활용한 실용적인 제품들이 개발되고 사용되면서 이러한 미세 구조물들의 생산성을 높이기 위한 연속생산 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 미세 구조물들 중 마이크로 스텐실은 마이크로 스케일의 구멍을 갖는 쉐도우 마스크로써 금속이나 유기물 증착, 에칭, 세포배양 등 여러 분야에서 사용되어진다. 이러한 마이크로 스텐실은 마이크로 크기의 원이나 사각형과 같은 구멍이 규칙적으로 뚫린 얇은 박막을 의미하며, 실리콘 웨이퍼, 열경화성 수지를 이용한 스텐실 제작 방법이 개시된다.
먼저, 실리콘 웨이퍼를 이용한 마이크로 스텐실은 실리콘 웨이퍼 표면에 보호층을 씌워 노출된 부분을 식각하여 만든다. 대표적으로 실리콘 웨이퍼에 감광제를 도포한 후 스텐실 패턴 마스크를 도포된 감광제 위에 위치시키고, 자외선을 조사한 후 현상액으로 현상한다. 스텐실 패턴과 같은 형상으로 현상된 실리콘 웨이퍼 표면은 자외선으로 경화된 감광제에 의해 보호층이 존재하는 부분은 식각되지 않고, 노출되어 있는 부분은 식각되어 스텐실을 제작한다. 이러한 방법으로 제작된 스텐실은 내구성이 강한 장점이 있으나 실리콘 웨이퍼 표면에 보호층을 제작하는 공정이 필수적이기에 시간과 비용이 많이 소요되며 제작된 스텐실의 재료 특성상 곡면에는 사용될 수 없는 문제점을 가지게 된다.
그리고 열경화성 수지를 사용한 마이크로 스텐실은 소프트리소그래피를 이용하여 제작된다. 포토리소그래피로 제작한 다수개의 기둥 모양의 요철로 미세 패턴이 형성된 마스터 몰드에 대표적 열경화성 수지인 PDMS(Polydimethylsiloxane) 탄성중합체 베이스(Elastomer base)와 경화제(Curing agent)를 10:1의 비율로 혼합하여 마스터 몰드에 도포하고, 몰드 표면의 잔여층을 흡입하거나 평면으로 가압, 혹은 블로잉하여 불필요한 부분을 제거하는 방식으로 제작한다. PDMS 스텐실의 경우 생체친화적이며 곡면에서도 사용 가능한 장점이 있지만 PDMS 물질의 특성상 고온에서 장시간 열경화 과정이 존재하여 연속 생산에 적용하기 어려운 한계점이 있다.
이와 같이 상기의 방법으로는 연속적인 스텐실 제작이 어려우며, 이에, 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용하는 것이 가장 바람직하다.
도 1은 이러한 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 개략적으로 나타낸 도면으로, 일반적인 UV 임프린트리소그래피는 평평한 PDMS 몰드(1000) 위에 UV 경화성 수지(2000)를 도포시켜 코팅층을 형성한 다음, 미세 패턴이 형성된 PDMS 스탬프(3000)를 코팅층에 가압시켜 미세 패턴을 코팅층에 전사시키고, 자외선을 코팅층에 조사하여 UV 경화성 수지가 경화되도록 한다. 이렇게 코팅층을 경화시킨 다음 코팅층(2000)을 PDMS 몰드(1000)로 디몰딩시키는 방식으로, UV 경화성 수지가 스탬프의 미세 구조와 같은 모양으로 경화된 후 도면에서와 같은 잔여층(2000')이 남게 된다.
그러나 스텐실은 표면상에 다수개의 관통공이 규칙적으로 배열되어 있는 얇은 박막으로 이루어진 것으로, PDMS 몰드(1000)를 이용할 경우에는 상기와 같은 잔여층(2000')이 남아 스텐실 제작이 어려우며, PDMS 몰드를 필름과 같이 얇게 제작할 수 없으며, 연속제작을 위해 PDMS를 롤러에 감아 공급할 수 없는 문제점을 가지게 된다.
이러한 PDMS 몰드를 대신하여 PET 필름을 사용할 수 있으나, 이러한 필름은 표면에너지가 PDMS 스탬프(3000)보다 클 경우에는 미세 패턴이 필름에 복제되어 원하는 용도로 응용이 가능하지만, PDMS 스탬프(3000)의 표면에너지가 PET 필름의 표면에너지보다 커서 경화된 수지가 PDMS 스탬프(3000) 쪽으로 디몰딩되어, 패턴이 스탬프에 박히게 되어 사용하지 못하게 된다.
이에 따라, PET 필름을 사용할 경우에는 스탬프의 표면에너지를 낮추기 위해 표면처리제(대표적으로 Silane 계통의 화합물, C4F8 gas를 활용한 불소계 분자 증착)를 코팅하거나 PET 필름의 표면에너지를 높이기 위해 우레탄 처리를 통해 표면에너지 조절해야하는 번거로움이 발생된다.
더욱이, 관통공이 형성된 스텐실이 PET 필름에서 이형이 수월해야 하는데, PET 필름은 PDMS와는 달리 비젖음성이 일어나지 않아 경화된 수지를 이형하는데 매우 어려운 문제점이 발생된다.
따라서, 이러한 종래 마이크로 스텐실 제작의 불합리한 점을 극복하고 스텐실 연속제작을 위해 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용하여 적은 비용으로 단시간에 연속적으로 마이크로 스텐실을 제작할 수 있는 롤투롤 임프린트 장치 및 이를 이용한 마이크로 스텐실 제작 방법에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.
한국공개특허 제 2014-0109624호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스텐실을 연속 제작하기 위해 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용하여 적은 비용으로 단기간에 연속적으로 스텐실을 제작할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 PDMS 롤스탬프와 필름의 코팅층을 형성하는 UV 경화성 수지의 표면에너지에 적합한 파라필름을 선택하여, 임프린트 과정에서 경화된 수지 코팅층이 스탬프 쪽으로 디몰딩되지 않게 하며, 경화된 폴리머 스텐실을 필름에서 이형할 때에도 파라필름의 비젖음성으로 인해 이형이 용이하도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 롤스탬프가 파라필름의 코팅층에 가해지는 압력을 조절할 수 있도록 하여 최적의 스텐실을 제작할 수 있도록 하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 프레임 구조체와, 상기 프레임 구조체의 전방 일측에 설치되는 공급롤러를 포함하여, 상기 공급롤러에 귄취된 파라필름을 후방으로 공급하는 필름공급부와, 상기 필름공급부에서 공급되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지가 도포되어 코팅층이 형성되는 코팅부와, 상기 프레임 구조체에 회전가능하도록 설치되고 외주면에 미세 패턴이 형성된 PDMS 몰드가 부착되는 롤스탬프를 포함하여, 상기 롤스탬프의 외주면에 상기 파라필름의 코팅층이 가압되어 상기 미세 패턴이 상기 코팅층에 전사되고, 상기 미세 패턴이 전사된 코팅층에 자외선을 조사시켜 UV 경화성 수지를 경화시키는 임프린트부와, 상기 프레임 구조체의 후방 일측에 설치되는 회수롤러를 포함하여, 상기 임프린트된 파라필름을 상기 롤스탬프에서 디몰딩시켜 상기 회수롤러에 권취하는 필름권취부를 포함하여 제공된다.
여기서 상기 롤스탬프에 형성되는 미세 패턴은 다수개의 요철로 형성되어, 상기 파라필름의 상면을 가압하게 되면, 볼록한 철부의 끝부분에 상기 UV 경화성 수지가 접촉되면서, 오목한 요부로 상기 UV 경화성 수지가 밀려나가 상기 철부의 끝부분이 상기 파라필름의 상부면에 밀착되어 상기 경화된 코팅층에 관통공이 형성된다.
아울러, 상기 롤스탬프의 하부에 설치되어 상기 롤스탬프의 외주면에 밀착되는 파라필름의 하부면을 가압하는 가압구동부를 더 포함하여 제공된다.
더욱이, 상기 가압구동부는 자외선이 통과되는 투명재질로서 상기 파라필름의 하부면에 밀착되는 밀착플레이트와, 상기 밀착플레이트의 하부면에 결합되어 상기 밀착플레이트에 균일한 압력을 제공하는 댐퍼를 포함하여 제공된다.
또한, 상기 코팅부는 상기 공급롤러에서 공급되는 파라필름이 일정구간으로 수평면을 이루면서 이동되도록 상기 공급롤러의 상부 일측 프레임 구조체에 일정간격 이격되어 동일한 높이로 설치되는 제1, 제2 회전롤러와, 상기 회전롤러의 상부에 설치되어 상기 회전롤러 상부로 이송되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지를 도포하는 수지공급부를 포함하여 제공된다.
여기서 상기 롤스탬프에 부착되는 미세 패턴은 열경화성 수지 재질로 이루어진다.
또한, 상기 UV 경화성 수지는 소중합체, 단위체 및 광개시제로 합성된다.
아울러, 상기 회수롤러와 상기 롤스탬프 사이에는 텐션제공부가 더 설치되되, 상기 텐션제공부는 상기 롤스탬프에서 디몰딩된 파라필름의 하부면에 밀착되어 슬라이딩되는 텐션롤러와, 상기 텐션롤러 하부에 설치되어 상기 텐션롤러에 일정 텐션을 제공하는 댐퍼를 포함하여, 상기 파라필름이 상기 텐션롤러에 밀착되면서 일정 텐션을 가지도록 한다.
상기 롤스탬프는 상기 프레임 구조체에 상하 이동가능하게 설치되어, 상기 파라필름에 가해지는 텐션이 조절된다.
본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법은 공급롤러에 권취된 파라필름을 일측 방향으로 공급시키는 단계, 상기 일측방향으로 공급되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지를 도포하여 코팅층을 형성시키는 단계, 외주면에 미세 패턴이 형성된 롤스탬프가 회전되면서 상기 파라필름의 코팅층을 가압하여 상기 미세 패턴을 상기 코팅층에 전사시키고, 상기 코팅층에 자외선을 조사시켜 상기 미세 패턴이 전사된 코팅층을 경화시키는 단계, 상기 코팅층이 경화된 파라필름을 상기 롤스탬프에서 디몰딩시켜 회수롤러에 권취시키는 단계를 포함하여 제공된다.
여기서 상기 롤스탬프에 형성되는 미세 패턴은 다수개의 요철로 형성되어, 상기 파라필름의 상면을 가압하게 되면, 볼록한 철부의 끝부분에 상기 UV 경화성 수지가 접촉되면서, 오목한 요부로 상기 UV 경화성 수지가 밀려나가 상기 철부의 끝부분이 상기 파라필름의 상부면에 밀착되어, 상기 경화된 코팅층에 관통공이 형성되된다.
또한, 상기 UV 경화성 수지는 소중합체, 단위체 및 광개시제로 합성된다.
또한, 상기 롤스탬프에 부착되는 미세 패턴은 열경화성 수지 재질로 이루어진다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 롤투롤 장치에 적용함에 의해 연속적으로 마이크로 폴리머 스텐실을 제작할 수 있어 적은 비용으로 단기간에 제품을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, PDMS 롤스탬프와, UV 경화성 수지가 코팅되는 필름을 파라필름으로 적용하여, 임프린트 과정에서 경화된 수지 코팅층이 스탬프 쪽으로 디몰딩되지 않게 하며, 경화된 폴리머 스텐실을 파라필름에서 이형할 때에도 파라필름의 비젖음성으로 인해 이형이 용이하도록 하여 제품불량을 줄여 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 롤스탬프의 위치를 상하로 조절하거나, 롤스탬프의 하부에 설치되는 가압구동부의 압력이 임의로 조절되도록 하여, 롤스탬프가 파라필름의 코팅층에 가해지는 압력을 적절하게 조절하여 두께 및 미세 패턴이 상이한 다양한 스텐실을 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 이러한 스탬프 방식의 UV 임프린트리소그래피 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 폴리머 스텐실을 제작하기 위한 UV 임프린트리소그래피 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실험에서 사용한 UV 경화성 수지인 PUA의 경화시 반응 개략도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 순서를 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치에 파라필름이 이송되면서 스텐실이 제작되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 폴리머 스텐실을 제작하기 위한 UV 임프린트리소그래피 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 기존 단순 패터닝에 사용되던 UV 임프린트리소그래피 기법을 롤투롤 임프린트 장치에 적용하여 마이크로 폴리머 스텐실을 연속적으로 제작하게 된다.
이러한 본 발명은 도 2에서와 같이 필름(A) 위에 UV 경화성 수지(B)를 도포시켜 코팅층을 형성한 다음, 미세 패턴(31a)이 형성된 PDMS 스탬프(31)를 코팅층에 가압시켜 미세 패턴(31a)을 코팅층(B)에 전사시키게 된다. 여기서, 스탬프(31)에 형성된 미세 패턴(31a)은 다수개의 요철로 형성되는데, 요철의 볼록한 철부의 끝부분에 UV 경화성 수지(B)가 접촉되면서, 친수성인 UV 경화성 수지(B)가 비젖음성(Dewetting)으로 인해 철부의 끝부분에서 오목한 요부로 밀려서 빠져나가 UV 경화성 수지(B)의 잔여층이 남지 않고, 철부의 끝부분이 필름(A)에 밀착된다. 이 상태에서 자외선을 코팅층에 조사시켜 UV 경화성 수지(B)가 경화되면, 코팅층에 미세 패턴(31a)의 관통공(b)이 형성되는 스텐실을 제작할 수 있게 된다.
본 발명에서는 종래 PDMS 몰드 역할을 수행하고, 롤러에 권취되어 연속적으로 공급이 가능하며, 표면에너지가 PET 필름보다 낮은 파라필름(A)을 적용하여 마이크로 폴리머 스텐실을 연속제작하도록 한다.
이러한 파라필름(A)은 임프린트 공정 후 경화된 스텐실이 파라필름(A) 쪽으로 이형되어 나오는 것을 아래의 실험에 통해 확인하도록 한다.
UV 임프린트리소그래피에서 자외선(UV)에 의해 경화되는 합성 유기재료인 UV 경화성 수지는 소중합체(oligomer), 단위체(monomer), 광개시제(photoinitiator)로 구성된다. 소중합체(oligomer)는 수지의 물성을 좌우하는 성분으로 중합 반응에 의해 고분자 결합을 형성하여 경화 피막을 이루고, 골격분자의 구조에 따라 폴리에스테르계, 에폭시계, 폴리에테르계, 폴리아크릴계 등의 아크릴레이트로 분류한다. 단위체(monomer)는 반응성 올리고머의 가교제, 희석제로서의 역할을 하며, 중합하여 경화 피막을 형성하는 원재료이다. 광개시제(photoinitiator)는 UV를 흡수하여 라디칼 혹은 양이온을 생성시켜 중합을 개시시키는 역할을 하는 원재료이다.
도 3은 본 실험에서 사용한 UV 경화성 수지인 PUA의 경화시 반응 개략도를 나타낸 도면으로, UV 경화성 수지 표면에 UV가 조사되면 UV는 수지의 전 방향으로 방사되며 광개시제가 UV 에너지를 받아 여기되고, 여기된 광개시제는 단 시간 내에 소중합체를 광중합한다. 여기된 광개시제는 광중합 반응을 연속적으로 일으켜 UV 경화성 수지의 주성분인 단위체와 소중합체의 중합 반응을 완료한다.
본 실험에서는 경화 속도가 빠르고, 우수한 물성을 가지며 산업계에서 UV 경화성 임프린트용 수지로 많이 사용되는 PUA(Polyurethane acrylate) 중에서도 자가 복제가 가능하고, 수십 마이크로미터 이하의 패턴높이에서도 원활한 이형성 및 패턴 전사성을 보이는 PUA(MINS-311RM, Minuta Tech)를 사용한다.
이와 같이, 스탬프와 필름 사이 UV 경화성 수지를 도포하고, 충분한 압력을 가하면 연속적으로 비젖음성이 나타나게 된다. 비젖음성은 스탬프와 필름 사이에 존재하는 과량의 UV 경화성 수지가 압력에 의해 스탬프의 오목한 요부부분으로 밀려남으로써 몰드의 볼록한 철부의 끝부분과 필름 사이에 UV 경화성 수지가 존재하지 않는 부분이 생성된다.
이러한 비젖음성은 확장계수(Spreading coefficient)가 음의 값을 가질 때 발생하게 된다. 확장계수의 식은 아래의 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
는
Figure pat00003
와
Figure pat00004
사이에서의 계면에너지(interfacial energy)를 나타내며 S, L, M은 각각 필름(substrate), 수지(liquid), 몰드(mold)를 나타낸다. 몰드와 필름의 표면에너지
Figure pat00005
는 두 가지의 테스트 물질인 물(water)과 요오드화메틸렌(methylene iodide)의 접촉각을 사용하여 Young’s equation과 geometric mean equation(기하평균방정식)을 조합한 Owens-Wendt method [수학식 2]를 통해 구할 수 있다.
Figure pat00006
몰드와 필름 간의 표면에너지는 geometric mean equation인 [수학식 3]에 의해 계산된다.
Figure pat00007
아래의 [표 1]은 [수학식 2]를 사용하여 계산한 테스트 물질들과 PDMS 몰드(31), 파라필름(A) 그리고 경화된 PUA(B)의 표면에너지를 나타낸 것이다. 이 값들을 토대로 아래의 Harmonic mean equation(조화평균방정식) [수학식 4]를 이용하면 [표 2]와 같이 PDMS 몰드(31)와 경화된 PUA(B) 간의 계면에너지(Work of adhesion)와 경화된 PUA(B)와 파라필름(A) 간의 계면에너지(Work of adhesion)를 계산할 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
PDMS 몰드(31)와 경화된 PUA(B) 간의 계면에너지는 28.8 mJ/m2 로 나타났으며, 경화된 PUA(B) 와 파라필름(A) 간의 계면에너지는 50.9 mJ/m2 로 PDMS 몰드(31)와 경화된 PUA(B) 간의 계면에너지보다 크게 나타났다. 이는 임프린트 공정 후 제작된 PUA 스텐실(B)이 PDMS 몰드(31) 쪽이 아닌 파라필름(A)으로 이형되어 나오는 것을 증명해준다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치는 프레임 구조체(100)와, 프레임 구조체(100)에 설치되는 필름공급부(10), 코팅부(20), 임프린트부(30), 가압구동부(40) 및 필름권취부(60)를 포함하여 구성된다.
필름공급부(10)는 프레임 구조체(100)의 전방 일측에 설치되는 공급롤러(11)를 포함하여, 공급롤러(11)에 권취되는 파라필름(A)을 후방 타측으로 연속적으로 공급되도록 한다.
코팅부(20)는 파라필름(A)의 상부면에 코팅층이 형성되도록 UV 경화성 수지(B)를 도포하는 것으로서, 공급롤러(11)에서 공급되는 파라필름(A)이일정구간으로 수평면을 이루면서 이동되도록 공급롤러(11)의 상부 일측 프레임 구조체(100)에 제1, 제2 회전롤러(21, 22)가 일정간격을 두고 동일한 높이로 설치된다. 이러한 제1, 제2 회전롤러(21, 22) 사이를 이동하는 파라필름(A)의 상부면에 UV 경화성 수지(B)를 도포하는 수지공급부(23)가 설치된다. 이와 같이 제1, 제2 회전롤러(21, 22)를 이동하는 파라필름(A)이 팽팽한 상태로 수평을 이루도록 하여 UV 경화성 수지(B)가 파라필름(A) 위에 균일하게 도포되도록 한다.
임프린트부(30)는 외주면에 미세 패턴이 형성된 PDMS 몰드(31a)가 부착되는 롤스탬프(31)와, 롤스탬프(31)의 하부측에 설치되어 롤스탬프(31)측으로 자외선을 조사시키는 램프부(32)를 포함하여, 제1, 제2 회전롤러(21, 22)를 따라 공급되는 파라필름(A)의 코팅층을 롤스탬프(31)로 가압하여 회전시키면서 미세 패턴(31a)이 코팅층에 전사되도록 한다. 그리고 미세 패턴(31a)이 전사된 코팅층에 자외선을 조사시켜 UV 경화성 수지(B)가 경화되도록 한다.
여기서 롤스탬프(31)에 형성되는 미세 패턴(31a)은 다수개의 요철로 형성되어, 롤스탬프(31)로 파라필름(A)의 상면을 가압하게 되면, 미세 패턴(31a)의 볼록한 철부의 끝부분에 UV 경화성 수지(B)가 접촉되면서, 비젖음성으로 인해 오목한 요부로 UV 경화성 수지(B)가 밀려서 빠져나가 철부의 끝부분에는 잔여층이 남지 않고 파라필름(A)의 상부면에 밀착되어 경화된 후 코팅층에 관통공이 형성된다.
아울러, 프레임 구조체(100)에 회전가능하게 설치되는 롤스탬프(31)는 프레임 구조체(100)의 상하방향으로도 이동가능하게 설치되어, 제2 회전롤러(22)에서 롤스탬프(31)로 공급되는 파라필름(A)의 거리를 조절하여 파라필름(A)에 가해지는 텐션을 조절할 수 있다. 이러한 텐션조절에 의해 파라필름(A)이 롤스탬프(31)에 가해지는 적절한 압력을 설정하도록 한다.
아울러, 롤스탬프(31)에 부착되는 미세 패턴(31a)은 임프린트 과정에서 가압할 때에 요철로 이루어진 미세 패턴(31a)이 손상되지 않을 정도의 내구성과 롤스탬프(31)의 곡면에서도 부착이 가능한 유연성을 가지는 재료로 제작되어야 한다. 이에 본 발명에서는 화학적으로 안정적인 특성과 강한 내구성, 유연성을 가지는 열경화성 수지인 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용하여 소프트 몰드를 제작하도록 한다.
이러한 소프트 몰드를 제작하기 위해, 실리콘 탄성중합체 베이스(Silicon elastomer base)와 실리콘 탄성중합체 경화제(Silicon elastomer curing agent)를 10:1의 비율로 균일하게 혼합하여 미세 패턴(31a)이 형성된 마스터 몰드에 PDMS를 도포한다. 상기 PDMS를 혼합하는 과정에서 공기의 유입으로 생긴 기포는 진공챔버 내에서 30분 동안 PDMS 내부의 기포를 제거한다. 그리고 마스터 몰드에 도포된 PDMS를 오븐에서 70 ℃, 60분 열경화시킨 후 마스터 몰드로부터 이형하여 미세 패턴이 형성된 PDMS 몰드(31a)를 제작한다. 이와 같이 제작된 미세 패턴이 형성된 PDMS 몰드(31a)를 롤스탬프(31)의 외주면에 부착시킨다.
가압구동부(40)는 롤스탬프(31)의 하부에 설치되어 롤스탬프(31)의 외주면에 밀착되는 파라필름(A)의 하부면을 가압하여 임프린트시 압력이 가해지는 접촉 면적을 넓히도록 한다. 이러한 가압구동부(40)는 자외선이 통과되는 투명재질로서 파라필름(A)의 하부면에 밀착되는 밀착플레이트(41)와, 밀착플레이트(41)의 하부면에 결합되어 밀착플레이트(41)에 균일한 압력을 제공하도록 일정 스프링 계수를 가지는 스프링으로 이루어진 댐퍼(42)를 포함하여 구성된다. 본 발명에서는 스프링 계수가 0.98N/mm인 스프링으로 제작된 2개의 댐퍼(42)를 밀착플레이트(41) 하부면에 부착시킨다. 아울러, 본 발명에서 밀착플레이트(41)는 유리판으로 이루어짐이 바람직하다.
필름권취부(60)는 프레임 구조체(100)의 후방 일측에 설치되는 회수롤러(61)에 임프린트된 파라필름(A)을 권취하도록 한다. 여기서 코팅층은 PDMS 미세 패턴(31a)이 형성된 롤스탬프(31)측에서 파라필름(A)측으로 디몰딩되어 파라필름(A)과 함께 권취된다.
아울러, 회수롤러(61)와 롤스탬프(31) 사이에는 텐션제공부(50)가 더 포함되어, 파라필름(A)이 일정 텐션을 가지면서 권취되도록 한다. 이러한 텐션제공부(50)는 롤스탬프(31)에서 디몰딩된 파라필름(A)의 하부면에 밀착되어 슬라이딩되는 텐션롤러(51)와, 텐션롤러(51) 하부에 설치되어 텐션롤러(51)에 일정 텐션을 제공하는 댐퍼(52)를 포함하여 구성된다.
아래에서는 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 순서를 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치에 파라필름이 이송되면서 스텐실이 제작되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법은 필름공급 단계(S510), 코팅층형성 단계(S520), 임프린트 단계(S530), 필름권취 단계(S540)를 포함하여 구성된다.
필름공급 단계(S510)에서는 공급롤러(11)에 권취되는 파라필름(A)을 후방 일측으로 공급시키도록 한다.
코팅층형성 단계(S520)에서는 후방으로 공급되는 파라필름(A)의 상부면에 수지공급부(23)로부터 UV 경화성 수지(B)를 도포하여 코팅층이 형성되도록 한다. 여기서 UV 경화성 수지(B)는 소중합체, 단위체 및 광개시제로 합성된다.
이와 같이 코팅층이 형성된 파라필름(A)은 임프린트 단계(S530)에서 외주면에 미세 패턴(31a)이 형성된 롤스탬프(31)로 공급되어, 롤스탬프(31)가 회전되면서 파라필름(A)의 코팅층을 가압하여 미세 패턴(31a)이 코팅층에 전사되도록 하며, 코팅층에 자외선을 조사시켜 미세 패턴(31a)이 전사된 코팅층이 경화되도록 한다. 여기서 롤스탬프(31)에 형성되는 미세 패턴(31a)은 다수개의 요철로 형성되어, 파라필름(A)의 상면을 가압하게 되면, 볼록한 철부의 끝부분에 UV 경화성 수지(B)가 접촉되면서, 오목한 요부로 UV 경화성 수지(B)가 밀려나가 철부의 끝부분에는 UV 경화성 수지(B)의 잔여층이 형성되지 않고 파라필름(A)의 상부면에 밀착된다. 이러한 코팅층을 경화시키면 미세 패턴(31a)에 의한 관통공이 코팅층에 형성된다.
더욱이, 가압구동부(40)에서 파라필름(A) 하부면을 가압하여 가압플레이트에 의해 균일한 압력이 파라필름(A)에 제공되도록 하며, 롤스탬프(31)의 위치를 상하방향으로 이동되도록 하여 파라필름(A)에 가해지는 텐션을 조절할 수 있도록 한다. 이에 따라 제품제작에 가장 적합한 압력을 조절할 수 있도록 하여, 스텐실의 두께 및 제작속도에 따라 유연하게 대응될 수 있도록 한다.
필름권취 단계(S540)에서는 코팅층이 경화된 파라필름(A)을 롤스탬프(31)에서 디몰딩시켜 회수롤러(61)에 권취시킨다. 전술한 바와 같이 파라필름(A)은 PET필름과는 달리 경화된 스텐실(B)과 파라필름(A) 간의 계면에너지가 롤스탬프(31)와 경화된 스텐실(B) 간의 계면에너지보다 크게 나타나 경화된 스텐실(B)이 파라필름(A)으로 이형된다.
아울러 파라필름(A)이 비젖음성을 나타내어 경화된 마이크로 폴리머 스텐실의 이형이 PET 필름보다 매우 용이하게 된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 프레임 구조체
10 : 필름공급부 11 : 공급롤러
20 : 코팅부 21 : 제1 회전롤러
22 : 제2 회전롤러 23 : 수지공급부
30 : 임프린트부 31 : 롤스탬프
31a : 미세 패턴 32 : 램프부
40 : 가압구동부 41 : 밀착플레이트
42 : 댐퍼
50 : 텐션제공부 51 : 텐션롤러
52 : 댐퍼
60 : 필름권취부 61 : 회수롤러
A : 파라필름 B : UV 경화성 수지

Claims (13)

  1. 프레임 구조체와;
    상기 프레임 구조체의 전방 일측에 설치되는 공급롤러를 포함하여, 상기 공급롤러에 귄취된 파라필름을 후방으로 공급하는 필름공급부와;
    상기 필름공급부에서 공급되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지가 도포되어 코팅층이 형성되는 코팅부와;
    상기 프레임 구조체에 회전가능하도록 설치되고 외주면에 미세 패턴이 형성된 몰드가 부착되는 롤스탬프를 포함하여, 상기 롤스탬프의 외주면에 상기 파라필름의 코팅층이 가압되어 상기 미세 패턴이 상기 코팅층에 전사되고, 상기 미세 패턴이 전사된 코팅층에 자외선을 조사시켜 UV 경화성 수지를 경화시키는 임프린트부와;
    상기 프레임 구조체의 후방 일측에 설치되는 회수롤러를 포함하여, 상기 임프린트된 파라필름을 상기 롤스탬프에서 디몰딩시켜 상기 회수롤러에 권취하는 필름권취부를; 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 롤스탬프에 형성되는 미세 패턴은 다수개의 요철로 형성되어, 상기 파라필름의 상면을 가압하게 되면, 볼록한 철부의 끝부분에 상기 UV 경화성 수지가 접촉되면서, 오목한 요부로 상기 UV 경화성 수지가 밀려나가 상기 철부의 끝부분이 상기 파라필름의 상부면에 밀착되어 상기 경화된 코팅층에 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 롤스탬프의 하부에 설치되어 상기 롤스탬프의 외주면에 밀착되는 파라필름의 하부면을 가압하는 가압구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가압구동부는
    자외선이 통과되는 투명재질로서 상기 파라필름의 하부면에 밀착되는 밀착플레이트와,
    상기 밀착플레이트의 하부면에 결합되어 상기 밀착플레이트에 균일한 압력을 제공하는 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅부는
    상기 공급롤러에서 공급되는 파라필름이 일정구간으로 수평면을 이루면서 이동되도록 상기 공급롤러의 상부 일측 프레임 구조체에 일정간격 이격되어 동일한 높이로 설치되는 제1, 제2 회전롤러와,
    상기 회전롤러의 상부에 설치되어 상기 회전롤러 상부로 이송되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지를 도포하는 수지공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 롤스탬프에 부착되는 미세 패턴은 열경화성 수지 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 UV 경화성 수지는 소중합체, 단위체 및 광개시제로 합성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 회수롤러와 상기 롤스탬프 사이에는 텐션제공부가 더 설치되되,
    상기 텐션제공부는 상기 롤스탬프에서 디몰딩된 파라필름의 하부면에 밀착되어 슬라이딩되는 텐션롤러와, 상기 텐션롤러 하부에 설치되어 상기 텐션롤러에 일정 텐션을 제공하는 댐퍼를 포함하여,
    상기 파라필름이 상기 텐션롤러에 밀착되면서 일정 텐션을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 롤스탬프는 상기 프레임 구조체에 상하 이동가능하게 설치되어, 상기 파라필름에 가해지는 텐션이 조절되는 것을 특징으로 하는 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작을 위한 롤투롤 임프린트 장치.
  10. 공급롤러에 권취된 파라필름을 일측 방향으로 공급시키는 단계;
    상기 일측방향으로 공급되는 파라필름의 상부면에 UV 경화성 수지를 도포하여 코팅층을 형성시키는 단계;
    외주면에 미세 패턴이 형성된 롤스탬프가 회전되면서 상기 파라필름의 코팅층을 가압하여 상기 미세 패턴을 상기 코팅층에 전사시키고, 상기 코팅층에 자외선을 조사시켜 상기 미세 패턴이 전사된 코팅층을 경화시키는 단계;
    상기 코팅층이 경화된 파라필름을 상기 롤스탬프에서 디몰딩시켜 회수롤러에 권취시키는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 롤스탬프에 형성되는 미세 패턴은 다수개의 요철로 형성되어, 상기 파라필름의 상면을 가압하게 되면, 볼록한 철부의 끝부분에 상기 UV 경화성 수지가 접촉되면서, 오목한 요부로 상기 UV 경화성 수지가 밀려나가 상기 철부의 끝부분이 상기 파라필름의 상부면에 밀착되어, 상기 경화된 코팅층에 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 UV 경화성 수지는 소중합체, 단위체 및 광개시제로 합성되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 롤스탬프에 부착되는 미세 패턴은 열경화성 수지 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 롤투롤 임프린트 장치를 이용한 마이크로 폴리머 스텐실 연속제작 방법.
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