KR20170108309A - 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용한 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 다양한 미세 패턴을 구현할 수 있으나 비교적 낮은 기계적 강도로 인하여 기존에 사출 성형에 적용되기 곤란한 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용하면서도 간편하고 저렴한 비용으로 고분자 성형물을 제조할 수 있는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법이 기재된다.

Description

반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용한 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법 {Apparatus and Method for Casting or Injection Molding of Polymers Using Stamp Manufactured from Semiconductor Processes}

본 개시 내용은 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용한 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 다양한 미세 패턴을 구현할 수 있으나 비교적 낮은 기계적 강도로 인하여 기존에 사출 성형에 적용되기 곤란한 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용하면서도 간편하고 저렴한 비용으로 고분자 성형물을 제조할 수 있는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 고분자를 성형하는 방법으로서, 사출 성형(injection molding), 압축 성형(compression molding), 이송 성형(transfer molding), 열 성형(thermoforming), 블로우 성형(blow molding), 필름 블로잉(film blowing), 압출성형(profile extrusion), 카렌더링(calendering), 섬유방사(fiber spinning), 발포성형(expanding molding) 등이 알려져 있다.

전술한 고분자 성형 공정 중 사용되는 금형의 종류는 다양하며, 사출 성형 공정의 경우에는 2개의 금형 구성 요소를 조합하여 공간(cavity)을 형성하여 제작된 몰드를 금형으로 사용하고 있다. 일반적으로, 사출 성형은 열가소성 수지에 대하여 고립상 또는 펠렛 형태의 고분자 원료를 용융시켜 금형 내에 충진시킨 후에 냉각하는 과정을 거쳐 최종 성형물을 얻는 플라스틱 가공 공정으로 알려져 있다. 이러한 사출 성형 공정은 고분자를 성형하는 가장 일반적이고 널리 이용되고 있는 공정 중 하나로서, 열가소성 고분자 물질을 이용하여 실질적으로 모든 형상의 성형 구조물을 자동화된 공정을 통하여 제조할 수 있고 대량 생산이 용이한 장점을 갖는 가공 방법이다. 특히, 수 밀리미터에서 센티미터 영역의 크기를 갖는 거의 모든 형상을 제조할 수 있는 것으로 알려져 있다.

다만, 사출 성형 공정 중 고온 및 고압으로 인하여, 스틸, 알루미늄 및 베릴륨-구리 합금과 같은 내구성 재료가 몰드 재료로 사용되고 있는 바, 이러한 물질에 대한 종래의 가공 기술의 경우, 미세 패턴, 특히 나노스케일의 패턴을 형성하는데 적합하지 않다.

따라서, 사출 성형 기술을 이용하여 최근 각광받고 있는 미세유체 디바이스 등과 같이 미세 패턴의 구조물을 제조하고자 하는 연구, 사출 성형 공정에 의하여 미세 패턴의 고분자 구조물을 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 가공 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같이 사출 성형에 의한 미세 패턴 구조를 제조할 수 있는 고분자로서 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 사이클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등이 사용된 바 있으며, 특히 사출 성형에 기반한 컴팩트 디스크 제조 공정에 적용되었다.

이와 관련하여, 사출 성형 기술을 적용한 고분자 기반의 미세 패턴 구조물을 제조하기 위한 종래 기술에서는 매끈한 표면을 부여하도록 사출 금형의 표면을 별도로 미세하게 연마하는 래핑 공정을 후처리 공정으로 수행하고 있다. 또한, 실리콘계 기판 표면에 원하는 패턴을 형성하여 마스터 몰드를 제작한 다음, 상기 마스터 몰드 상에 Ni 시드 코팅 및 전해도금(전기도금) 처리를 하여 Ni 몰드를 제작하고(electroforming), 이를 금형 내에 장착하는 방식이 채택되고 있다(국내특허공개번호 제2006-93890호, 제2003-40853호 및 제2004-24341호).

그러나, 전술한 Ni계 몰드를 사용하는 기술은 Ni 스탬프(몰드)를 제조하기 위하여 성형 단계를 복수 회 거쳐야 하고, 또한 고가의 장비 및 숙련된 인원을 요하는 등의 불편함이 존재한다. 이외에도, Ni 몰드의 제작 시 수행되는 전해도금 공정의 경우, 패턴 내로 결함이 야기될 가능성이 있다. 따라서, 실리콘(Si) 웨이퍼에 미세 패턴을 형성하고, 이를 금형 내에 직접 스탬프(몰드)로 장착하여 고분자 성형물을 제작하는 기술이 개발되었다.

스탬프 제작에 사용되는 Si 웨이퍼의 경우, 선형 열 팽창 계수 및 열 전도도에 있어서 우수하고, 또한 평탄한 표면으로 인한 양호한 몰드 분리 특징 등을 나타내는 것으로 알려져 있다. 특히, 반도체 공정에서 각종 집적 회로를 형성하기 위하여 이용되는 패터닝 기술에 의하여 다양한 미세 패턴을 형성하는데 용이하다.

그러나, 실리콘 기반의 스탬프는 재질 특성 상 기계적 물성이 낮기 때문에 외부 충격에 취약한 문제점이 지적되고 있다. 구체적으로, 사출 성형 과정은 용융된 고분자에 높은 주입 압력(구체적으로, 약 3000 kgf/cm² 이상)을 가하여 금형 내부로 고분자 원료를 주입하는 과정이 필수적으로 수반되므로 스탬프 전반에 걸쳐 높은 하중(즉, 높은 사출 압력)이 가해질 뿐만 아니라, 형폐 단계에서 특정 부위에 대하여 집중적인 힘이 가해지기 때문에 파손되는 현상이 불가피하다.

본 개시 내용에 따른 구체예는 다양한 미세 패턴을 용이하게 구현할 수 있는 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용하되, 스탬프의 파손 현상 없이 고분자의 성형물을 제조할 수 있는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면,

성형용 챔버 및 온도 조절용 컨트롤러를 포함하는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치로서,

상기 성형용 챔버는,

방열 팬 부재;

상기 방열 팬 부재 상에 위치하며 상기 컨트롤러에 의하여 조절되는 성형 온도 조건을 제공하는 히터 부재;

상기 히터 부재 상에 위치하는 하판 부재;

소정의 폭 및 두께를 가지면서 상기 하판 부재의 외주를 따라 위치하는 금속 재질의 중판 부재;

상기 중판 부재의 두께에 의하여 형성된 내측 입체 공간의 하측 면 상에 장착되며, 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프; 및

상기 중판 부재와 접촉하며 배치되고, 액상의 고분자 성형 원료를 상기 내측 입체 공간 내로 도입하는 주입용 관통 영역 및 성형 중 발생되는 가스를 배출하기 위한 벤팅용 관통 영역이 각각 형성된 상판 부재;

를 포함하고,

상기 상판 부재의 주입용 관통 영역은 고분자 성형 원료 컨테이너로서 착탈식으로 부착되는 시린지(syringe)와 유체 연통 가능하도록 구성된 장치가 제공된다.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,

성형용 몰드를 포함하는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치로서,

상기 성형용 몰드는,

각각의 내측에 오목 영역이 형성되고 서로 대향하며 부착되어 입체 공간을 형성하는 상판 부재 및 하판 부재;

상기 하판 부재의 오목 영역 상에 장착되며, 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프;

상기 하판 부재의 오목 영역 아래에 위치하며 조절되는 성형 온도 조건을 제공하는 히터 부재; 및

상기 입체 공간 중 상기 스탬프 위의 공간에서 상하 이동 가능하도록 배치된 이동식 판재, 여기서 상기 이동식 판재의 하면과 상기 하판 부재 상에 장착된 스탬프 사이에 성형 영역이 형성됨;

를 포함하며,

액상의 고분자 성형 원료를 상기 성형 영역 내로 도입하도록 상기 상판 부재 및 상기 이동식 판재를 관통하여 형성된 주입용 튜브 부재 및 성형 중 발생되는 가스를 배출하기 위하여 상기 상판 부재 및 상기 이동식 판재를 관통하여 형성된 벤팅용 튜브 부재가 구비되고,

상기 성형 영역의 높이를 조절하기 위하여, 상기 상판 부재는 상기 이동식 판재와 결합된 높이 조절 부재를 구비하며, 그리고

상기 주입용 튜브 부재는 고분자 성형 원료 컨테이너로서 착탈식으로 부착되는 시린지(syringe)와 유체 연통 가능하도록 구성된 장치가 제공된다.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면,

내부에 고분자 성형을 위한 입체 공간을 제공하는 성형용 몰드를 이용하여 고분자를 캐스팅 또는 사출 성형하는 방법으로서,

성형용 몰드에 제공된 입체 공간 내에 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프를 장착하는 단계;

이와 별도로, 시린지에 액상의 고분자 성형 원료를 충진하는 단계;

상기 성형용 몰드에 착탈식으로 부착되는 시린지를 연결하고 1200 kgf/cm² 이하의 주입 압력 하에서 액상의 고분자 성형 원료를 성형용 몰드의 입체 공간에 도입하는 단계;

상기 성형용 몰드 내에서 히터 부재에 의한 온도 조절 하에 상기 도입된 고분자 성형 원료를 스탬프의 미세 패턴에 따라 성형하는 단계; 및

고분자 성형물을 상기 성형용 몰드로부터 분리하여 회수하는 단계;

를 포함하는 방법이 제공된다.

예시적 구체예에 있어서, 상기 스탬프는 Si, SiO₂ 또는 SiO₂/ Si 재질일 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 상기 스탬프는,

(i) 반도체 공정용 기판 또는 웨이퍼를 제공하는 단계; 및

(ii) 상기 기판 또는 웨이퍼에 대하여 일부 두께까지 선택적 에칭 처리함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계;

를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 미세 패턴을 형성하는 단계는,

포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 집속 이온빔 리소그래피, 나노 임프린트법, SiO₂ 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 또는 자기 응집성 금속 마스크법에 의하여 마스크를 패턴화한 다음,

반응성 이온 에칭법, 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 또는 화학적 이온 빔 에칭에 의하여 수행될 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자는 실리콘계 고분자, 구체적으로 폴리디메틸실록산(PDMS)일 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자 성형물은 미세유체 디바이스 제조에 사용될 수 있다.

본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치는 기존에 낮은 기계적 물성으로 인하여 캐스팅 또는 사출 성형 공정으로 적용하는데 한계가 있는, 반도체 제조공정으로부터 제작된 스탬프를 사용하되, 1회용으로 사용 가능한 착탈식 시린지(예를 들면, 1회용 시린지)를 사용하여 고분자 성형 원료를 주입함으로써 성형 과정에서 스탬프가 물리적으로 파손되는 문제점을 효과적으로 해결할 수 있고, 또한 성형 몰드 내 중판 부재의 두께 조절 또는 이동식 판재의 높이 조절을 통하여 다양한 두께를 갖는 고분자 성형물을 제조할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 반도체 공정에 의하여 제작되는 스탬프를 활용하기 때문에 다양한 미세패턴의 구현이 요구되는 미세유체 디바이스(예를 들면, 각종 바이오 센서를 구성하는 미세유체 디바이스)의 제작에 효과적으로 적용 가능하다. 이외에도, 시린지를 사용하여 고가의 액상 고분자 원료의 혼합 장치를 사용할 필요가 없기 때문에 성형 공정에 따른 비용을 절감할 수 있다. 따라서, 향후 광범위한 활용이 기대된다.

도 1은 본 개시 내용에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치를 이용하여 고분자 성형물을 제작하는 순서를 나타내는 도면이고;
도 2a 및 도 2b는 일 구체예에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치의 외관 및 상기 성형 장치 내 챔버 내부의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3a 내지 도 3c는 각각 다른 구체예에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치의 작동 원리를 나타내는 도면, 그리고 고분자 성형물의 최대 및 최소 높이에 도달하는 태양을 도시하는 도면이고;
도 4는 비교예 1에 따라 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 통상의 사출 성형기에 장착하여 수행된 성형 공정의 결과를 나타내는 사진이고;
도 5a 및 5b는 각각 실시예 1에서 고분자의 사출 성형을 위하여 사용된 사출 성형 몰드의 하판 및 상판 나타내는 사진이고;
도 6a 내지 도 6c는 각각 실시예 1에서 사용된 성형 장치의 조립 및 고분자 성형 원료의 주입 과정을 나타내는 사진이고; 그리고
도 7은 실시예 1에서 제조된 고분자 성형 제품의 외관을 나타내는 사진이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.

"고분자 성형 원료"는 협의로는 복수의 반복 단위에 의하여 이루어진 고분자를 의미하며, 광의로는 성형 공정 중 반응(예를 들면, 중합 반응 및/또는 경화 반응)에 의하여 고분자 성형물을 생성할 수 있는 모노머 또는 올리고머, 및/또는 첨가제(예를 들면, 경화제, 중합 촉매 등)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

"스탬프"는 표면 릴리프(relief)를 갖는 임의의 부재를 의미할 수 있으며, 이의 표면에 도포되어 접촉하는 기재 상의 특정 위치로 물질을 전사하거나, 소정 공간에 장착되어 주형으로 작용하는 용도로 사용될 수 있다.

"캐스팅"은 액상 고분자를 몰드 내에 부어 경화시킨 후에 몰드로부터 제거하여 고분자 성형물의 제조 공정을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

"오목 영역"는 편의상 상대적으로 돌출된 영역을 볼록 영역이라고 할 때, 볼록 영역과 볼록 영역 사이에 존재하는 영역을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

"미세 패턴"은 마이크로 스케일 및 나노 스케일의 치수로 형성된 임의의 패턴을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다.

"접촉한다"는 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에 있어서 임의의 구성 요소 또는 부재가 다른 구성 요소 또는 부재와 "연결된다" 또는 "연통된다"고 기재되어 있는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 상기 다른 구성 요소 또는 부재와 직접 연결 또는 연통되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 연결 또는 연통되어 있는 경우도 포함되는 것으로 이해될 수 있다.

본 개시 내용에 따른 구체예에 따르면, 종래 기술과 달리 반도체 공정으로부터 제조되는 스탬프를 사용하여 캐스팅 또는 사출 성형 방식으로 미세 패턴이 형성된 고분자 성형물을 제조한다. 미세패턴이 형성된 고분자 성형물을 제조하기 위하여는 캐스팅 또는 사출 성형용 스탬프 역시 상기 고분자 성형물의 미세 패턴에 대응되는(즉, 서로 상반된(inversed) 기하학적 형태(geometry)를 갖는) 미세 패턴이 형성되어 있어야 한다. 이를 위하여, 본 개시 내용에 따른 구체예에서는 반도체 공정, 구체적으로 반도체 공정용 웨이퍼 또는 기판 표면의 선택적 제거(에칭) 공정에 의한 미세 패터닝 공정을 이용하여 스탬프를 제조한다.

일 구체예에 따르면, 선택적 제거(에칭) 공정을 위하여, 포토리소그래피(photolithography), 전자빔 (electron-beam) 리소그래피(lithography), 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(nano-imprint), SiO2 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 자기 응집성 금속 마스크법(self-assembled metal mask) 등의 마스크 패턴화 방법이 적용 가능하다. 또한, 마스크 형성 후 에칭 방법으로는 건식 에칭법, 예를 들면 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 스탬프에 사용 가능한 웨이퍼 또는 기판으로서, 예를 들면 반도체 제조 공정에 널리 사용되고 있는 실리콘계 재질, 구체적으로 Si, SiO₂ 또는 SiO₂/Si 재질일 수 있고, 보다 구체적으로는 Si 웨이퍼를 사용할 수 있다.

이와 관련하여, SiO₂/Si 웨이퍼의 경우, Si 웨이퍼 표면으로부터 일부 두께(예를 들면, 약 2 nm 내지 3 ㎛, 구체적으로 약 50 nm 내지 1 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 내지 1000 nm, 특히 구체적으로 약 200 내지 300 nm)를 SiO₂로 산화(예를 들면, 열 산화)시킨 것이다(즉, Si 표면 상에 SiO₂ 층이 형성됨). 이때, 사용 가능한 웨이퍼 또는 기판의 두께는, 예를 들면 약 100 내지 1000 ㎛, 구체적으로 약 400 내지 900 ㎛, 보다 구체적으로 약 500 내지 800 ㎛ 범위일 수 있다. 예시적으로, 웨이퍼 또는 기판의 사이즈(직경)에 따라 두께를 조절할 수 있는 바, 이는 웨이퍼 또는 기판의 사이즈가 증가할수록 자체의 중량, 외부 힘 등에 의하여 쉽게 파손될 수 있기 때문이다. 예를 들면, 4 in 웨이퍼, 6 in 웨이퍼 및 8 in 웨이퍼 각각의 두께를 약 500 내지 550 ㎛, 약 645 내지 705 ㎛, 및 약 695 내지 755 ㎛로 정할 수 있다.

스탬프 상의 미세 패턴은 마스크 패터닝 테크닉에 따라 특정 패턴으로 한정되지 않으면서 다양하게 형성 가능하고, 깊이 역시 에칭 정도에 따라 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 미세 패턴의 깊이(높이)는, 예를 들면 약 1000 nm 이하(구체적으로 약 10 내지 700 nm, 보다 구체적으로 50 내지 300 nm) 범위일 수 있다. 이때, 형성된 미세 패턴의 종횡 비(aspect ratio)는 약 1 이상, 구체적으로 약 2 내지 50, 보다 구체적으로 약 3 내지 10의 범위일 수 있다.

또한, 보다 정밀한 스탬프를 제작하기 위하여는 적절한 에칭 조건을 설정하는 것이 유리할 수 있는데, 예를 들면 ICP-RIE를 이용하는 경우에는 선택비(selectivity), 식각률(etch rate) 등의 공정 파라미터를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

그러나, 전술한 재질의 웨이퍼 또는 기판을 사용하여 반도체 공정으로부터 제조된 스탬프는 종래의 금속(특히, 니켈) 재질의 스탬프에 비하여 기계적 물성 면에서 취약하다. 이와 관련하여, 당업계에서는 실리콘 웨이퍼가 연성 또는 취성이 약하기 때문에 스탬프 재질로서 니켈 등이 사용되고 있음을 주목할 필요가 있다.

일 구체예에 있어서, 반도체 공정으로부터 제조된 스탬프를 이용한 캐스팅 또는 사출 성형에 의하여 제조 가능한 고분자로서 성형 온도에서 유동 특성이 양호하고 비교적 낮은 성형 압력 조건 하에서도 스탬프 표면에 대응하는 미세 패턴을 용이하게 충진함으로써 고분자 성형물에 정밀한 미세 패턴을 구현할 수 있는 종류를 사용할 수 있다. 이와 관련하여, 예시적 구체예에 따르면, 성형 대상 고분자의 점도(25℃)는 약 300 내지 20,000 cSt, 구체적으로 약 1,000 내지 10,000 cSt, 보다 구체적으로 약 3,000 내지 4,000 cSt 범위일 수 있다.

또한, 예시적 구체예에 있어서, 성형 대상 고분자는 엘라스토머, 구체적으로 용융 조건 하에서 흐름성이 양호한 고분자일 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 상기 고분자는 ASTM 1238에 의하여 측정되는 용융지수가, 예를 들면 약 0.1 내지 100 g/10min, 구체적으로 약 4 내지 60 g/10min, 보다 구체적으로 10 내지 50 g/10min 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예시적인 구체예에 있어서, 성형 대상 고분자는 실리콘계 고분자일 수 있는 바, 예를 들면 폴리디메틸 실록산(PDMS 또는 h-PDMS), 폴리메틸실록산, 부분 알킬화된 폴리메틸실록산, 폴리알킬메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산, 이의 조합 등일 수 있으며, 구체적으로는 PDMS를 사용할 수 있다. 이외에도, 상술한 스탬프에 의한 캐스팅 또는 사출 성형이 가능한 다른 고분자, 예를 들면 실리콘-개질 엘라스토머, 열가소성 엘라스토머, 폴리(부티렌 테레프탈레이트; PBT) 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리올레핀(예를 들면, 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)), 폴리(에테르에테르케톤)(PEEK), 폴리(에테르이미드)(PEI), 폴리락타이드, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머, 폴리아미드(PA), 합성 고무, 폴리이소부틸렌, 이의 조합 등의 범위에서 선정할 수도 있다.

특정 구체예에 따르면, PDMS 성형물의 제조용 원료에 있어서, PDMS : 경화제의 중량 비는 당업계에서 통상적으로 사용되는 범위, 예를 들면 약 10:1 내지 약 11:1 범위일 수 있다. 대표적으로는 Dow Corning사에 의하여 시판 중인 2액형의 Sylgard 184 키트(Sylgard A : Sylgard B=10 : 1)가 바람직하게 사용될 수 있는데, 일정 온도에서 경화시켜 고분자 성형물을 제조하게 된다.

택일적으로, 실리콘 고무의 성형물을 제조할 경우, 예를 들면 Momentive Performance Materials사에서 시판 중인 사출 성형용 액상 실리콘 원료를 사용할 수 있는데, LSR 7060 및 LSR 7070의 2액형 액상 원료를 1:1로 혼합하고, 이를 성형 몰드 내에서 가열하여 경화시킨다.

도 1은 본 개시 내용에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치를 이용하여 고분자 성형물을 제작하는 순서를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 전술한 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 성형 몰드 내에 장착하는데, 통상적으로 스탬프는 몰드 하면에 배치되고, 이의 상면에는 미세 패턴이 형성되어 있다. 이와 같이, 스탬프의 장착 후에는 몰드에 구비된 주입 포트와 착탈식 시린지를 연결하여, 시린지 내에 충진된 고분자 성형 원료를 성형 몰드 내로 주입(도입)한다.

고분자 성형 원료가 몰드 내로 주입됨에 따라 성형 공정이 개시되는데, 예를 들면 PDMS 성형물을 제조하는 경우에는 전형적으로 성형 과정 중 성형 몰드 내에서 중합 반응과 함께 경화제에 의한 경화 반응이 일어나게 된다.

일 구체예에 있어서, 캐스팅 또는 사출 성형 온도는, 예를 들면 상온 내지 약 300 ℃, 구체적으로 약 30 내지 150 ℃, 보다 구체적으로 약 60 내지 100 ℃의 온도 범위에서 성형하고자 하는 고분자 원료 또는 고분자 성형물의 성상을 고려하여 적절히 선정하고 조절할 수 있다.

이와 관련하여, 종래의 사출 성형 공정, 특히 니켈 등의 금속 재질의 몰드를 이용한 사출 성형 공정과 구별되는 점은 반도체 공정으로부터 제작된 스탬프의 약한 기계적 물성에도 불구하고, 유의미한 수준으로 낮은 압력 하에서 성형이 이루어질 수 있다는 것이다. 이를 위하여, 주입 포트를 통하여 액상의 고분자 성형 원료가 충진된 시린지(구체적으로, 1회용으로 사용 가능한 착탈식 시린지)를 전술한 스탬프가 장착된 성형형 몰드와 연결하여 수동(예를 들면, 손에 의한 힘을 가하는 방식), 반자동, 또는 자동 방식으로 고분자 성형 원료를 주입할 수 있다.

시린지를 이용한 주입 방식에 있어서, 고분자 원료의 성형 몰드 내 주입 압력(또는 캐스팅 또는 사출 성형 압력)은, 수동 주입 압력일 수 있는 바, 적용 가능한 압력은, 예를 들면 최대 약 1200 kgf/cm², 구체적으로 약 500 내지 1000 kgf/cm², 보다 구체적으로 약 700 내지 800 kgf/cm² 범위일 수 있다. 즉, 시린지를 통한 주입(성형) 방식은 고압을 요구하는 종래의 사출 성형 장치에서 요구되는 수준(약 3000 kgf/cm² 이상)에 비하여 현저히 낮은 주입 압력만으로도 사출 성형할 수 있기 때문에 낮은 기계적 강도를 갖는 Si 웨이퍼로부터 이루어지는 스탬프가 사출 성형 중 파손되는 문제점을 해결할 수 있다.

시린지를 이용한 주입 방식의 또 다른 장점 중 하나는 고분자 원료 내에 함유되는 기포를 최대한 억제할 수 있다는 것이다. 사출 성형에 앞서 액상 원료는, 예를 들면 공기 중에 노출되어 있어 그 내부가 공기로 포화될 수 있으며, 그 결과 경화 과정에서 포화된 공기로 인한 수축 등의 문제점이 유발될 수도 있다. 따라서, PDMS 등의 고분자 원료를 성형하기에 앞서 탈가스화(degassing) 단계(진공을 가하여 원료 내 기포를 제거하는 단계)를 수행할 필요성이 있었으나, 본 구체예에서와 같이 시린지(구체적으로 착탈식으로 부착되는 시린지)를 사용한 주입 방식을 채택할 경우, 기존의 물리적인 교반을 수반하지 않고, 베이스 및 경화제를 별도로 주입한 후에 믹싱 팁을 이용하여 주입하기 때문에 비교적 교반에 따른 가스 발생 현상이 적다. 이처럼, 본 개시 내용의 경우, 성형 고분자 원료 내에서 기포의 형성을 효과적으로 억제할 수 있어, 보다 정밀한 미세 패턴을 갖는 성형물을 제조할 수 있게 된다.

시린지를 사용함에 따른 추가적인 장점은 고가의 액상 고분자 원료의 혼합 장치를 요하지 않는다는 점이다. 특히, PDMS의 경우, 사출 성형에 앞서 단량체 또는 이의 올리고머를 경화제와 일정 비율로 혼합하는데, 이러한 혼합 과정은 별도의 혼합 장치 내에서 수행된다. 그러나, 착탈식 시린지, 특히 1회용 시린지를 사용할 경우, 믹싱 팁을 사용하기 때문에 별도의 혼합 장치를 요하지 않는다.

더 나아가, 착탈식으로 부착되는 시린지(특히, 1회용 시린지)를 이용하여 몰드에 구비된 주입 포트와 연결하는 방식을 채택하는 태양에 있어서, 주입 확인 포트를 사용할 경우에는 성형 공간 내로 주입되는 고분자 성형 원료의 량을 확인할 수 있다.

한편, 몰드 내로 도입된 액상의 고분자 원료는 스탬프 상에 형성된 미세 패턴에 따라 성형되고, 이로부터 얻어지는 성형물을 냉각하고 몰드로부터 분리하게 된다. 예시적 구체예에 따르면, 고분자 성형 원료를 경화시켜 제조되는 성형물, 특히 PDMS 성형물의 경우, 몰드 내에서 경화 온도를 유지하면서 성형되는 바, 원료(단량체 또는 올리고머 형태)의 주입 후 경화 반응은, 예를 들면 약 40 내지 100 ℃, 전형적으로 약 45 내지 90℃, 보다 전형적으로 약 50 내지 80℃ 범위의 온도 범위에서 일어날 수 있다.

캐스팅 또는 사출 성형이 완료됨에 따라 선택적으로 냉각 단계를 거치는데, 예를 들면 냉각 쿨러를 이용하여 약 5 내지 50℃, 전형적으로 약 10 내지 40℃, 보다 전형적으로 상온으로 냉각하고, 냉각된 고분자 성형물을 성형 몰드로부터 분리하여 회수한다.

전술한 방식에 따라 제조된 고분자 성형물은, 다양한 분야, 예를 들면 DVD, 미세유체 디바이스, 고분자 몰드, 광학 디바이스 등의 제조에 사용될 수 있으며, 특히 고분자 성형물 상에 다양한 미세 패턴의 구현이 요구되는 미세유체 디바이스의 제조에 유용하다.

제1 구체예

도 2a 및 도 2b는 일 구체예에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치의 외관 및 상기 성형 장치 내 챔버 내부의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 고분자 성형 장치의 외관은, 크게 성형용 챔버(11)를 비롯하여 온도 디스플레이(12), 실행/정지 스위치(13) 및 파워 스위치(14)로 이루어져 있다. 이와 관련하여, 성형 장치(10) 내에는 컨트롤러(도시되지 않음)가 구비될 수 있는데, 이러한 컨트롤러는, 예를 들면 PID 레귤레이터(regulator) 타입, 구체적으로 서모미터(thermometer)가 구비된 듀얼-루프(dual-loop) PID 레귤레이터일 수 있다. 이러한 컨트롤러의 구성 및 조작 원리에 관한 세부사항은 당업계에 공지되어 있는 바, 상기 컨트롤러로부터 전송되는 제어 신호에 따라 성형 몰드 내 온도를 조절할 수 있다.

도 2b에 도시된 챔버(11)는 하측으로부터 팬 쿨러(15), 히터 부재(16), 하판 부재(17) 및 상판 부재(19)가 구비되며, 상기 하판 부재(17)와 상판 부재(19) 사이의 공간에서는 하판 부재(17)의 외주를 따라 소정의 폭 및 두께를 가지면서 중판 부재(18)가 배치되어 있다. 예시적 구체예에 따르면, 도시된 바와 같이, 하판 부재의 상면에는 스탬프를 안착시키기 위한 오목부 또는 홈(17')이 형성되어 있을 수 있고, 또한 중판 부재(18)의 폭은 스탬프(21)를 보다 효과적으로 안착 또는 고정하기 위하여 스탬프(21)의 모서리 영역을 덮을 수 있는 치수로 정하여질 수 있다. 이와 관련하여, 중판 부재(18)의 폭은, 예를 들면 약 10 ㎛ 내지 50 mm, 구체적으로 약 100 ㎛ 내지 10 mm, 보다 구체적으로 약 500 ㎛ 내지 1 mm 범위일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

따라서, 중판 부재(18)의 두께에 의하여 내측 입체 공간(20)이 형성될 수 있으며, 내측 입체 공간(20) 내, 구체적으로 내측 입체 공간의 하측 면 상에는 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성되도록 제작된 스탬프(21)가 위치한다. 이때, 내측 입체 공간(20) 중 스탬프(21) 위의 공간이 추후 캐스팅 또는 사출 성형에 따라 고분자가 성형되는 공간에 상당할 것이다. 이처럼, 중판 부재(18)의 두께 조절을 통하여 고분자 성형물의 두께를 조절할 수 있게 된다.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 내측 입체 공간(20) 내로 액상의 고분자 성형 원료를 주입하기 위하여, 상판 부재(19)의 상측(또는 상면)에 주입 포트(22)가 구비될 수 있고, 상기 주입 포트(22)로부터 상판 부재(19) 아래의 내측 입체 공간(20)으로 고분자 성형 원료를 도입할 수 있도록 상판 부재(19)에는 주입용 관통 영역(23)이 형성되어 있다. 예시적 구체예에 따르면, 상기 주입 포트(22)의 사이즈 및 구성(형상)은 착탈식 또는 1회용 시린지를 통하여 고분자 성형 원료를 용이하게 주입할 수 있는 한, 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 주입 포트(22)의 사이즈는, 예를 들면 약 1 내지 10 mm, 구체적으로 약 3 내지 8 mm, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 mm 범위일 수 있다.

상기 도면에서는 주입 포트(22)와 주입용 관통 영역(23)의 구별을 위하여 편의상 상이한 치수 및 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 실제 적용 시 주입 포트(22)는 주입용 관통 영역(23)과 실질적으로 동일한 치수를 가지면서 연장된 것이거나, 또는 생략될 수도 있을 것이다(즉, 주입 포트(22) 및 주입용 관통 영역(23)이 단일 구성을 형성함). 이와 관련하여, 주입용 관통 영역(23)의 사이즈(직경)는 과도한 압력을 가하지 않고도 고분자 성형 원료가 내측 입체 영역(20)으로 전달될 수 있도록 예를 들면 약 1 내지 10 mm, 구체적으로 약 3 내지 8 mm, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 mm 범위일 수 있다.

이처럼, 주입 포트(22) 또는 주입용 관통 영역(23)에 시린지가 착탈식으로 부착되어 유체 연통 구조를 형성할 수 있기 때문에 고분자 성형 원료의 컨테이너에 상당하는 시린지 내 원료가 주입용 관통 영역(23)을 통하여 입체 공간(20) 내로 도입될 수 있다.

한편, 도시된 구체예에 따르면, 입체 공간(20)은 상술한 바와 같이 성형 원료의 주입을 위한 관통 영역(23) 이외에 벤팅(venting)용 관통 영역(24)이 구비되어 성형 과정에서 발생될 수 있는 가스를 배출할 수 있다. 이때, 벤팅용 관통 영역(24)의 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 0.5 내지 5 mm, 구체적으로 약 1 내지 4 mm, 보다 구체적으로 약 2 내지 3 mm 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 벤팅용 관통 영역(24)에는 과도한 량의 고분자 성형 원료가 입체 공간(20) 내로 도입되어 이를 통하여 배출되는 것을 방지하기 위하여, 선택적으로 착탈식 개폐 부재가 구비될 수도 있다.

상술한 구체예에 있어서, 하판 부재(17) 및 중판 부재(18)는 성형 온도에 따라 고분자 재질 또는 금속 재질로 구성할 수 있으며, 서로 동일하거나 상이한 재질로 구성할 수 있다. 이와 관련하여, 고분자 성형 원료가 비교적 저온 온도 범위, 예를 들면 상온 내지 100 ℃(보다 구체적으로는 약 40 내지 80 ℃)에서 성형 가능한 경우(예를 들면, PDMS, LSR 등), 하판 부재(17) 및 중판 부재(18)로서 고분자 재질, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 이의 조합 등을 사용할 수 있다. 한편, 고분자 성형 원료가 비교적 고온 대역(예를 들면, 약 100℃ 이상)에서 성형되는 경우에는 하판 부재(17) 및 중판 부재(18)로서, 금속 재질, 예를 들면 알루미늄, 니켈, 이의 조합 등을 사용할 수 있다. 다만, 필요에 따라서는, 저온 대역에서의 성형이 가능한 경우에도 금속 재질을 채택할 수 있거나, 또는 고온 대역의 성형 공정에서도 높은 내열성을 갖는 고분자를 사용할 수 있다.

한편, 상판 부재(19)의 경우, 고분자의 주입 정도 등을 육안으로 관찰할 수 있도록 투명성을 갖고, 사출 및/또는 CNC 가공이 가능한 재질, 예를 들면 글래스, 투명한 내열성 플라스틱(예를 들면, PMMA, COC, PC(Polycabonate)), 석영(quartz) 등으로 구성할 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 하판 부재(17), 중판 부재(18) 및 상판 부재(19) 각각의 두께 범위를 하기 표 1에 나타내었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 명백하다.

	포괄적 범위	구체적 범위	보다 구체적 범위
하판 부재 (mm)	약 0.1∼200	약 0.5∼50	약 1∼20
중판 부재 (mm)	약 0.01∼50	약 0.1∼10	약 0.5∼2
상판 부재 (mm)	약 0.1∼200	약 0.5∼50	약 1∼20

한편, 도시된 장치의 챔버(11) 중 하판 부재(17)의 하측에는 성형 과정 중 고분자 특성에 따라 적절한 온도를 조절할 수 있도록 히터 부재(16)가 구비된다. 이러한 히터 부재(16)로서, 당업계에서 알려진 종류, 예를 들면 열전 소자, 봉 히터(파이프 히터), 러버 히터(예를 들면, 실리콘 러버(rubber) 히터) 등을 사용 할 수 있다.

이와 관련하여, 열전 소자는 열 에너지를 전기 에너지로, 전기 에너지를 열 에너지로 직접 변환하는데 사용되는 소자로서, 재료 내부에서 전자 및 정공의 이동에 의하여 야기되는 펠티어 효과를 이용하여 서로 다른 2개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열을, 그리고, 반대쪽 면에서는 발열을 일으키는 현상을 이용한다. 예시적 구체예에 따르면, 히터로서 열전 소자를 사용할 경우, 전술한 성형 장치(10) 내 컨트롤러에 의하여 제어된 전류에 따라 작동하도록 구성되며, 이의 재질, 작동 원리 등은 당업계에 공지되어 있다. 구체적으로, 열전 소자로서, 예를 들면 Bi-Te계(구체적으로 텔루오르화 비스무스; Bi₂Te₃) 등의 반도체로 제작된 p-n 접합을 사용할 수 있다. 열전 반도체인 n-형 소자에 (+) 전류를 흐르게 하고, p-형 소자에 (-) 전류를 흐르게 하면, 전자들이 p-형 소자 쪽에서 n-형 소자 쪽으로 이동하게 되고, 냉접점과 접하는 흡열 면에서 열을 흡수하면서 주변 온도를 낮추게 된다. 냉접점에서 흡수된 열은 펠티어 소자의 온접점과 접하는 방열 면 측으로 이동하면서 주위로 열을 방출하게 되는 것이다.

또한, 봉 히터는 금속 보호관 내 열선 및 충진물을 사용하여 가열하는 부재로서 물리적 충격에 강하고 열전도성이 매우 우수하며 다양한 형상이 가능하다.

이외에도, 러버 히터, 특히 실리콘 러버 히터는 연성 및 경량 특성을 갖는 히터로서 가열 회로 패턴에 따라 균일한 가열을 구현할 수 있고, 열 전달 역시 신속하게 이루어질 수 있다.

한편, 히터 부재(16)로부터 방출되는 열을 효과적으로 배출하도록 히터 부재(16)의 하측에 팬 쿨러(15)를 배치할 수 있다.

제2 구체예

도 3a 내지 도 3c는 각각 다른 구체예에 따른 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치의 작동 원리를 나타내는 도면, 그리고 고분자 성형물의 최대 및 최소 높이에 도달하는 태양을 도시하는 도면이다.

도시된 구체예에 따르면, 각각 내측에 오목 영역이 형성된 상판 부재(111) 및 하판 부재(112)를 별도로 제작한다. 그 결과, 상기 상판 부재(111) 및 하판 부재(112) 각각의 주연부에는 돌출 영역이 형성되는데, 이를 서로 대향하며 부착할 경우, 내측에 입체 공간을 형성하게 된다. 예시적 구체예에 따르면, 상기 상판 부재(111) 및 하판 부재(112)는 각각의 표면이 서로 상반된 형상의 입체 패턴을 갖도록 설계될 수 있다.

한편, 상기 상판 부재(111) 및 하판 부재(112)는 서로 동일하거나 상이한 재질일 수 있다. 이와 관련하여, 상온 내지 약 100 ℃(보다 구체적으로는 약 40 내지 80 ℃)의 비교적 저온 온도 범위에서 성형 가능한 고분자 성형 원료를 사용하는 경우(예를 들면, PDMS, LSR 등)에는 몰드를 구성하는 상판 부재(111) 및 하판 부재(112)의 재질로서, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 사용할 수 있다. 한편, 비교적 고온 대역(예를 들면, 약 100℃ 이상)에서 성형되는 경우에는 상판 부재(111) 및 하판 부재(112)를 금속 재질(예를 들면, 알루미늄, 니켈 등)로 구성할 수 있다. 택일적으로, 고온 성형 공정이라도 고분자 성형 원료의 주입 정도 등을 육안으로 관찰할 수 있도록 상판 부재(111)를 글래스, 투명한 내열성 플라스틱(예를 들면, PMMA, COC, PC(Polycabonate)), 석영(quartz) 등으로 구성할 수도 있다.

또한, 상판 부재(111) 및 하판 부재(112) 각각에 있어서 오목 영역의 두께는 서로 상이할 수 있다. 예를 들면 상판 부재(111)의 경우, 후술하는 바와 같이 튜브 부재(116)를 용이하게 관통시킬 수 있고 높이 조절 부재(120)를 지지할 수 있는 정도의 두께인 반면, 하판 부재(112)의 경우에는 하측에 히터 부재(125)를 장착하는데 필요한 두께로 구성할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 상판 부재(111) 및 하판 부재(112) 각각에 있어서 오목 영역의 깊이는, 예를 들면 약 10 ㎛ 내지 30 mm(구체적으로 약 100 ㎛ 내지 5 mm, 보다 구체적으로 약 500 ㎛ 내지 2 mm) 범위 내에서 선택될 수 있고, 경우에 따라서는 하판 부재(112) 내 오목 영역의 깊이가 상판 부재(111) 내 오목 영역의 깊이에 비하여 크거나 작을 수 있다.

도시된 구체예에 따르면, 상판 부재(111)와 하판 부재(112)가 상호 부착되고, 부착된 구조물 중 하판 부재(112)의 오목 영역 상에 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프(117)가 장착되는 바, 그 결과 미세 패턴이 형성된 스탬프(117) 위에는 입체 공간이 형성된다. 예시적으로, 입체 공간의 높이는, 예를 들면 약 500 ㎛ 내지 50 mm, 구체적으로 약 200 ㎛ 내지 5 mm, 보다 구체적으로 약 500 ㎛ 내지 2 mm 범위일 수 있다.

또한, 상판 부재(111)와 하판 부재(112)의 부착에 따라 형성되는 입체 공간에 주입된 고분자 성형 원료가 유출되지 않도록 선택적으로 오링(115)을 장착할 수 있는 바, 이러한 오링(115)은 전형적으로 실리콘 고무, 니트릴부타디엔 고무, 불화 고무(상품명: VITON), PTFE(상품명: TEFLON), 과불화 엘라스토머(상품명: KALREZ), EPDM 등과 같이 당업계에서 사용되고 있는 재질로 구성할 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, 오링의 직경은, 예를 들면 약 100 내지 200 mm 범위일 수 있고, 이의 전체 사이즈는 스탬프(117)의 크기 따라 적절히 결정할 수 있다.

상술한 입체 공간 중 스탬프(117) 위의 공간에는 상하 이동 가능하도록 이동식 판재(118)가 배치되어 있어 이동식 판재(118)의 하면과 스탬프(117)의 상면 사이의 공간이 성형 영역(114)을 형성하게 된다. 이때, 이동식 판재(118)는, 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등의 재질일 수 있고, 이의 두께는, 예를 들면 약 300 ㎛ 내지 45 mm, 구체적으로 약 1 내지 30 mm, 보다 구체적으로 약 10 내지 20 mm 범위일 수 있다. 예시적으로, 성형 영역(114)의 높이는, 예를 들면 약 10 ㎛ 내지 45 mm(구체적으로 약 500 ㎛ 내지 2 mm) 범위일 수 있다.

한편, 상판 부재(111)에는 고분자 성형 원료의 주입 포트(113)가 형성되며, 주입 포트(113)로부터 성형 영역(114)으로 고분자 성형 원료를 도입할 수 있도록 상판 부재(111) 및 이동식 판재(118)를 관통하는 튜브 부재(116)가 형성되어 있다. 예시적 구체예에서, 상기 튜브 부재(116)의 재질은, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등일 수 있다.

주입 포트(113)는, 전술한 바와 같이 착탈식 또는 1회용 시린지를 통하여 고분자 성형 원료를 주입할 수 있는 한, 특정 사이즈 및 형상으로 한정되는 것은 아니다. 예시적 구체예에 있어서, 주입 포트(113)의 사이즈는, 예를 들면 약 1 내지 10 mm, 구체적으로 약 3 내지 8 mm, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 mm 범위일 수 있다. 또한, 튜브 부재(116)의 사이즈(직경) 역시 과도한 압력을 가하지 않고도 고분자 성형 원료가 성형 영역(114)으로 주입될 수 있도록 예를 들면 약 1 내지 10 mm, 구체적으로 약 3 내지 8 mm, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 mm 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 제1 구체예에서 기술한 바와 같이 주입 포트(113)는 생략 가능하며, 튜브 부재(116)가 연장된 형태일 수도 있다.

이처럼, 주입 포트(113) 또는 튜브 부재(116)에 시린지가 착탈식으로 부착되어 유체 연통될 수 있기 때문에 고분자 성형 원료의 컨테이너에 상당하는 시린지 내 고분자 성형 원료가 튜브 부재(116)를 통하여 성형 영역(114) 내로 도입될 수 있다.

도시된 구체예에 따르면, 상판 부재(111), 예를 들면 상판 부재(111)의 중앙에는 이동식 판재(118)와 결합되는 높이 조절 부재(120)가 구비되어 있어 입체 공간 내에서 이동식 판재(118)의 상하 이동을 조절할 수 있다. 이때, 상판 부재(111)의 하면과 이동식 판재(118)의 상면 사이의 공간 중 주연부 근처의 영역에는 복수의 샤프트 부재(121)가 설치될 수 있는 바, 높이 조절 부재(120)에 의하여 이동식 판재(118)가 상하 이동하는 과정에서 상판 부재(111)와 일정한 간격을 유지하도록 가이드하는 역할을 하게 된다.

예시적 구체예에 따르면, 샤프트 부재(121)는 리니어 부시 타입으로서 통상적으로 중공의 원통(외통)에 이동 샤프트가 관통하여 결합되어 축 방향으로 자유로운 직선 이동을 하게 되는 바, 원통 내측의 리테이너에 다수의 볼이 마련되어 볼과 샤프트가 점 접촉을 하기 때문에 최소의 마찰 저항으로 직선 운동이 가능하다. 특정 구체예에 따르면, 2 내지 6개, 구체적으로 3 내지 5개, 특히 4개의 샤프트 부재(121)가 설치될 수 있다.

한편, 높이 조절 부재(120)는 도시된 바와 같이 상판 부재(111)를 관통하여 장착되어 있는 스크류 타입의 부재로서, 스크류의 회전 방향에 따라, 연결(체결)된 이동식 판재(118)가 상하로 이동하게 된다. 또한, 스크류의 상측에는 상하 조절용 손잡이(123)가 설치될 수 있고, 정밀한 높이 조절을 위하여 마이크로미터(124)가 구비되어 마이크로미터의 눈금을 이용하여 캐스팅 또는 사출 성형하고자 하는 성형물의 두께를 정밀하게 조절할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3b 및 3c에 도시된 바와 같이, 높이 조절 부재(120)의 회전 정도에 따라서 고분자 성형물의 최대 높이 또는 최소 높이에 도달할 수 있게 된다.

한편, 도시된 바와 같이, 하판 부재(112) 중 스탬프가 장착되는 오목 영역의 아래에는 히터 부재(125)가 내장 또는 삽입될 수 있다. 상기 히터 부재(125)는 전술한 바와 같이, 예를 들면 열전 소자, 봉 히터(파이프 히터), 러버 히터(예를 들면, 실리콘 러버(rubber) 히터) 등일 수 있다. 특정 구체예에 있어서, 하판 부재(112) 내에 봉 히터를 삽입할 수 있는 삽입 영역 또는 홈이 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 이동식 판재(118)의 높이 조절이 결정되면, 액상 고분자 성형 원료의 주입용 튜브 부재(116)에 착탈식(또는 1회용) 주사기에 충진되어 있는 고분자 성형 원료를 주입하고, 캐스팅 또는 사출 성형을 수행한다.

한편, 도시된 구체예에 따르면, 상판 부재(111) 및 이동식 판재(118)를 관통하는 형태로 벤팅용 튜브 부재(126)이 형성되어 있으며, 이는 성형 중 발생되는 가스를 배출하는 역할을 하게 된다. 이때, 벤팅용 튜브 부재(126)의 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 0.5 내지 5 mm, 구체적으로 약 1 내지 4 mm, 보다 구체적으로 약 2 내지 3 mm 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적 구체예에 따르면, 벤팅용 튜브 부재(126)의 재질은 전술한 주입용 튜브 부재(116)와 같거나 상이한 재질로 구성할 수 있으며, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등일 수 있다. 또한, 벤팅용 튜브 부재(126)는 과도한 량의 고분자 성형 원료가 성형 영역(114) 내로 도입되어 이를 통하여 배출되는 것을 방지할 목적으로, 선택적으로 착탈식 개폐 부재(도시되지 않음)가 구비될 수도 있다.

성형이 진행 과정 중 또는 성형이 완료된 후에는 선택적으로 온도를 낮추고, 결과로서 얻어진 고분자 성형물을 스탬프(116)로부터 분리하여 회수할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

비교예 1

반도체 공정으로부터 제작된 스탬프를 이용한 종래의 사출성형 공정

스탬프의 제작

스탬프는 포토리소그래피 테크닉을 이용하여 제작되었다. 스탬프 제작에 사용된 재료는 하기와 같다:

- 포토레지스트: DS-S700 감광제 (동진세미켐)

- 현상액(developer): 동진세미켐사(DS-S700용 Developer)

- Si 웨이퍼: LG 실트론사의 8인치 웨이퍼 (두께: 760 ㎛)

Si 웨이퍼를 퍼니스 (Centrotherm사의 제품명 Furnace E1200)에 넣고 300 nm 두께의 SiO₂ 층을 형성하였다. 이후, 3㎛ 두께에 상당하는 량의 포토레지스트를 Si 웨이퍼 상에 스핀코팅하였다. 그 다음, 마스크(mask)를 사용하여 포토레지스트가 도포된 Si 웨이퍼 표면에 UV 광을 조사하여 노광하였다. 이후, 현상액(developer)을 이용하여 포토레지스트를 제거하고, 그 다음 ICP(Lam Research사의 제품명 TCP9400 SE) 및 가스 혼합물(Cl₂, HBr 및 O₂)을 이용하여 에칭하여 미세패턴이 형성된 스탬프를 제작하였다. 이때, 형성된 미세패턴의 깊이는 200 nm이었으며, 종횡 비는 10이었다.

사출 성형

상술한 바와 같이 제작된 미세패턴 형성 스탬프를 사출 성형기(Boy Machines사의 제품 명 BOY35VV)의 몰드 내에 장착하였다. 그 다음, 가스가 제거된 KCC(LSR 3870 A 및 B) 혼합물(경화제와의 혼합 비는 중량 기준으로 1:1)을 상기 스탬프가 장착된 사출 성형기에 주입하였다. 상기 사출 성형 장치는 상측 코어 125 ℃, 하측 코어 128 ℃로 설정되었으며, 노즐, 조인트 및 플런저의 온도를 20 ℃로 설정하였다. 이때, 고분자 성형 원료의 주입 시 통상적인 사출 성형 압력인 3000 kgf/cm²의 압력을 가하였다. 사출 성형 종료 후 스탬프로부터 성형물을 분리하려 시도하였으나, 도 4에 나타난 바와 같이 Si 재질의 스탬프가 파손되었다.

이와 같은 결과는 Si 웨이퍼와 같이 취성(brittleness)을 나타내는 재료를 이용하여 반도체 제조 공정으로부터 제작된 스탬프를 사용할 경우, 통상의 사출 성형 장치에는 적용할 수 없음을 시사한다.

실시예 1

비교예 1에서 제작된 스탬프를 사용하여 사출 성형물을 제조하되, 착탈식(1회용)으로 부착되는 주사기를 이용하여 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning, MI, USA) 혼합물(PDMS:경화제 중량비가 10:1)을 주입하는 방식으로 고분자 성형물을 제조하였다.

이때, 사용된 사출 성형용 몰드 재료를 구성하는 하판 부재 및 상판 부재 각각의 외관은 도 5a 및 5b에 나타내었으며, 이들 각각의 재질 및 형상은 하기와 같다.

- 하판 부재: 재질 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) (직경: 140 mm; 오목 영역의 직경 및 두께(깊이) 100 mm 및 5 mm)

- 상판 부재: 재질 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) (직경: 140 mm; 오목 영역의 직경 및 두께(깊이) 100 mm 및 5 mm); 주입 포트의 사이즈: 4 mm; 벤팅용 포트의 사이즈: 3 mm)

도 6a 내지 도 6c에 나타낸 바와 같이, 하판 부재 및 상판 부재 각각의 주연부에 볼트 삽입을 위한 8개의 홀이 각각 형성되도록 하였다. 이후, 하판 부재에 스탬프를 장착하였고, 오목 영역이 하측을 향하도록 상판 부재를 덮어 조합한 다음, 볼트로 고정하였다. 그 다음, 상판 부재에 형성된 주입 포트에 PDMS 혼합물이 충진된 1회용 시린지를 연결하였으며, 손가락으로 시린지에 압력을 가하여 상판 부재와 하판 부재 사이에 형성된 공간 내로 50 ml의 PDMS 혼합물을 주입하였고, 오븐을 이용하여 65℃에서 2 시간 동안 유지하여 경화 반응이 일어나도록 하였다. 경화 반응의 종료 후에는 상온으로 냉각시켰고, 볼트를 제거하여 경화된 PDMS 성형물을 스탬프로부터 분리시켰다. 분리된 PDMS 성형물의 외관을 도 7에 나타내었다.

SEM에 의한 분석 결과, PDMS 성형물에서 스탬프와 접촉된 부분에는 200 nm의 깊이를 갖는 미세 패턴이 형성되었으며, 사출 성형 과정 중 스탬프의 물리적 파손 현상은 발견되지 않았다. 이는, 단지 시린지에 대하여 손의 힘을 가하는 간단한 조작만으로도 성형 중 파손되는 경향을 나타내는 Si 웨이퍼 기반의 스탬프를 사출 성형 공정에 효과적으로 적용할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (22)

1. 성형용 챔버 및 온도 조절용 컨트롤러를 포함하는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치로서,
   상기 성형용 챔버는,
   방열 팬 부재;
   상기 방열 팬 부재 상에 위치하며 상기 컨트롤러에 의하여 조절되는 성형 온도 조건을 제공하는 히터 부재;
   상기 히터 부재 상에 위치하는 하판 부재;
   소정의 폭 및 두께를 가지면서 상기 하판 부재의 외주를 따라 위치하는 금속 재질의 중판 부재;
   상기 중판 부재의 두께에 의하여 형성된 내측 입체 공간의 하측 면 상에 장착되며, 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프; 및
   상기 중판 부재와 접촉하며 배치되고, 액상의 고분자 성형 원료를 상기 내측 입체 공간 내로 도입하는 주입용 관통 영역 및 성형 중 발생되는 가스를 배출하기 위한 벤팅용 관통 영역이 각각 형성된 상판 부재;
   를 포함하고,
   상기 상판 부재의 주입용 관통 영역은 고분자 성형 원료 컨테이너로서 착탈식으로 부착되는 시린지(syringe)와 유체 연통 가능하도록 구성된 장치.
2. 성형용 몰드를 포함하는 고분자 캐스팅 또는 사출 성형 장치로서,
   상기 성형용 몰드는,
   각각의 내측에 오목 영역이 형성되고 서로 대향하며 부착되어 입체 공간을 형성하는 상판 부재 및 하판 부재;
   상기 하판 부재의 오목 영역 상에 장착되며, 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프;
   상기 하판 부재의 오목 영역 아래에 위치하며 조절되는 성형 온도 조건을 제공하는 히터 부재; 및
   상기 입체 공간 중 상기 스탬프 위의 공간에서 상하 이동 가능하도록 배치된 이동식 판재, 여기서 상기 이동식 판재의 하면과 상기 하판 부재 상에 장착된 스탬프 사이에 성형 영역이 형성됨;
   를 포함하며,
   액상의 고분자 성형 원료를 상기 성형 영역 내로 도입하도록 상기 상판 부재 및 상기 이동식 판재를 관통하여 형성된 주입용 튜브 부재 및 성형 중 발생되는 가스를 배출하기 위하여 상기 상판 부재 및 상기 이동식 판재를 관통하여 형성된 벤팅용 튜브 부재가 구비되고,
   상기 성형 영역의 높이를 조절하기 위하여, 상기 상판 부재는 상기 이동식 판재와 결합된 높이 조절 부재를 구비하며, 그리고
   상기 주입용 튜브 부재는 고분자 성형 원료 컨테이너로서 착탈식으로 부착되는 시린지(syringe)와 유체 연통 가능하도록 구성된 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스탬프는 Si, SiO₂ 또는 SiO₂/Si 재질인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 스탬프는,
   (i) 반도체 공정용 기판 또는 웨이퍼를 제공하는 단계; 및
   (ii) 상기 기판 또는 웨이퍼에 대하여 일부 두께까지 선택적 에칭 처리함으로써 미세 패턴을 형성하는 단계;
   를 포함하는 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 단계 (ii)는,
   상기 기판 또는 웨이퍼 상에 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 집속 이온빔 리소그래피, 나노 임프린트법, SiO₂ 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 또는 자기 응집성 금속 마스크법에 의하여 마스크를 패턴화한 다음,
   반응성 이온 에칭법, 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 또는 화학적 이온 빔 에칭에 의하여 선택적 에칭을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 반도체 공정용 기판 또는 웨이퍼의 두께는 100 내지 1000 ㎛ 범위이고, 상기 미세 패턴의 깊이는 1000 nm 이하인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 미세 패턴의 종횡 비는 1 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 주입용 관통 영역 및 벤팅용 관통 영역 각각의 직경은 1 내지 10 mm 및 0.5 내지 5 mm 범위인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 하판 부재 및 중판 부재 각각은, 성형 온도에 따라 (i) 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 고분자 재질, 또는 (ii) 알루미늄 및 니켈로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제9항에 있어서, (i)의 경우에는 성형 온도가 상온 내지 100 ℃ 범위이고, (ii)의 경우에는 성형 온도가 100 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 상판 부재는 투명성의 글래스. 투명한 내열성 플라스틱 또는 석영 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 히터 부재는 열전 소자, 봉 히터(파이프 히터) 또는 러버 히터인 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제2항에 있어서, 상기 높이 조절 부재는 상기 상판 부재를 관통하여 장착된 스크류 타입의 부재로서, 상기 스크류의 회전 방향에 따라 이에 결합된 이동식 판재를 상측 또는 하측으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 상판 부재의 하면과 상기 이동식 판재의 상면 사이의 공간 중 주연부 근처에 복수의 샤프트 부재를 더 구비하며,
    상기 샤프트 부재는 중공의 원통에 이동 샤프트가 관통하여 결합되어 축 방향으로 자유로운 직선 이동이 가능한 리니어 부시 타입인 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 스크류 타입의 부재는 상측에는 상하 조절용 손잡이가 장착되고, 또한 성형 영역에 대한 정밀한 높이 조절을 위하여 마이크로미터를 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제2항에 있어서, 상기 주입용 튜브 부재 및 상기 벤팅용 튜브 부재의 재질은 각각 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)이고, 이의 직경은 각각 1 내지 10 mm 및 0.5 내지 5 mm 범위인 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 하판 부재의 상면에는 상기 스탬프를 안착시키기 위한 오목부 또는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 중판 부재의 폭은 상기 스탬프의 모서리 영역을 덮는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 내부에 고분자 성형을 위한 입체 공간을 제공하는 성형용 몰드를 이용하여 고분자를 캐스팅 또는 사출 성형하는 방법으로서,
    성형용 몰드에 제공된 입체 공간에 반도체 제조 공정에 의하여 미세 패턴이 형성된 스탬프를 장착하는 단계;
    이와 별도로, 시린지에 액상의 고분자 성형 원료를 충진하는 단계;
    상기 성형용 몰드에 착탈식으로 부착되는 시린지를 연결하고 1200 kgf/cm² 이하의 주입 압력 하에서 액상의 고분자 성형 원료를 성형용 몰드의 입체 공간에 도입하는 단계;
    상기 성형용 몰드 내에서 히터 부재에 의한 온도 조절 하에 상기 도입된 고분자 성형 원료를 스탬프의 미세 패턴에 따라 성형하는 단계; 및
    고분자 성형물을 상기 성형용 몰드로부터 분리하여 회수하는 단계;
    를 포함하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS 또는 h-PDMS), 폴리메틸실록산, 부분 알킬화된 폴리메틸실록산, 폴리알킬메틸실록산, 폴리페닐메틸실록산 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 실리콘계 고분자인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 성형 단계는 상온 내지 300℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제19항에 있어서, 상기 고분자 성형물은 미세유체 디바이스 제조에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.

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