KR20230058100A

KR20230058100A - 에칭 마스크를 사용하여 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20230058100A
Application number: KR1020237009993A
Authority: KR
Inventors: 찰스 보에글리; 가브리엘 두미트루
Original assignee: 보에글리-그라부레스 에스.에이.
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2023-05-02
Also published as: JP2023540860A; EP4208336A2; CA3187328A1; WO2022049511A2; WO2022049511A3; US20230356454A1; CN116547119A; EP3964356A1

Abstract

엠보싱 시스템용의 구조화된 엠보싱 실린더를 제조하는 방법은, 원통형상 코어와 원통형상 코어 상에 구조 지지층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, 여기서 진공 챔버에서 제 1(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해, 구조 지지층은 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께와 100㎚ 이하의 표면 거칠기 값(Ra)을 가지며; 제 2(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해 구조 지지층 상에 100㎚ 이하의 두께를 가지는 하드 마스크층을 증착하는 단계; 하드 마스크층으로부터 재료를 제거하여 하나 이상의 개구를 형성하는 단계; 및 하드 마스크층의 하나 이상의 개구에서 에칭을 실시하여 구조 지지층으로부터 재료를 제거함으로써, 하나 이상의 개구에서 구조 지지층에 표면 공동을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 표면 공동은 구조 지지층에 구조적 엠보싱 특징부를 형성함으로써, 구조화된 엠보싱 실린더를 형성한다.

Description

에칭 마스크를 사용하여 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 시스템

본 발명은 엠보싱 롤러, 롤, 드럼, 플레이트 및 실린더 등의 엠보싱 장치 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 예를 들어, 포장 재료를 엠보싱하기 위한 엠보싱 장치와 같이, 외부면에 엠보싱 구조를 갖는 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 해당 제조 시스템 분야와, 포장 재료를 엠보싱하기 위한 이러한 엠보싱 장치의 용도에 관한 것이다.

최신 기술에는 여러 상이한 응용 분야용으로 엠보싱 롤러를 제조하는 여러 상이한 방법이 제안되었다. 예를 들어, 엠보싱 또는 구조화된 포장 포일(foil)은, 가령 담배 제품, 초콜릿, 과자, 사탕 등의 식품뿐만 아니라, 전자 부품 및 장치, 보석류, 시계류 등의 디바이스용 포장을 위한 다양한 산업 부문에서, 또는 임의 소매 부문의 선물 포장용 랩 포장 포일로서 사용되어 왔다. 예를 들어, 미관 및 보호 목적으로 담배, 시가, 초콜릿 주위를 감쌀 수 있는 특정 패턴을 갖는 소위 인너 라이너(inner liners)가 사용되어 왔다. 엠보싱 롤러는 연속적인 롤-투-롤(roll-to-roll, R2R) 제조 공정에서 사용할 수 있으며, 이 공정에서 얇은 포일은 금속, 투명 전도성, 비금속, 유전체 등의 요소를 포함할 수 있는 엠보싱 패턴으로 엠보싱된다. 또 다른 응용 분야로는, 예를 들어 R2R 또는 롤-투-플레이트(roll-to-plate, R2P) 공정에 의한 열간 엠보싱 공정, 가령 열가소성 중합체 필름의 열간 엠보싱에 의해 열가소성 필름을 사용하여 엠보싱 패턴을 생성하는 것이 있다. 예를 들어, Peng 등의 “Micro Hot Embossing of Thermoplastic Polymers (열가소성 중합체의 미세 열간 엠보싱): a Review,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 24, No. 1, p. 013001, 2013을 참조한다.

협동하는 한 쌍의 롤러용 레이저 공정에 의한 엠보싱 롤러 또는 드럼의 제조와 관련하여, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 9,579,924호에는 수형 롤러 및 암형 롤러를 갖는 엠보싱 롤러 세트를 제조하는 방법이 기재되어 있으며, 이들의 구조 요소는 선형 및 각도 치수의 자발적 편차(voluntary deviations)와 관련하여 특정한 구조적 특징부를 갖는다. 엠보싱 롤러 세트의 구조는 레이저(12) 및, 음향-광학(acoustic-optical) 또는 전기-광학(electro-optical) 변조기나 다각형 미러를 포함할 수 있는 편향부(14)를 갖는 레이저 장치(L12)에 의해 독립적으로 제조된다. 편향부(14), 집속 광학계(15) 및 편향 미러(16)는 x축에서 선형으로 변위 가능한 조각부(engraving unit)(17)를 형성한다. 공작물은 회전 각도(Φ)로 표시되는 드라이브(23)에 의해 구동된다. 조각부의 선형 변위와 롤러 회전의 조합에 의해, 균일한 기계가공을 가능케 하는 일정한 나선형 라인(SL)이 생성된다.

또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 8,435,373호에는 재료의 제거 및/또는 추가에 의해 플렉시블 기판 상에 원하는 패턴을 형성하는 상이한 R2R 공정 및 장치가 기재되어 있으며, 여기서 엠보싱 표면을 갖는 회전식 패터닝 툴에 의해 롤-투-롤 엠보싱 공정에서 엠보싱이 실행되어, 예를 들어, 중합체 3차원(3D) 릴리프 패턴을 형성하는 데 적합한 여러 상이한 재료 및 다양한 기술에 의해 인시츄 마스크층(in-situ mask layer)이 만들어질 수 있다.

또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 9,993,895호에는 엠보싱 롤러를 조각하는 레이저 가공 방법이 기재되어 있으며, 이 롤러는 예를 들어 사면체 비정질 탄소(Ta-C) 같은 매우 단단한 표면 코팅으로 코팅되어 있어, 1마이크로미터보다 작은 치수, 바람직하게는 300㎚의 깊이를 가질 수 있는 2개의 중첩된 매우 작은 엠보싱 구조를 제공한다. 이는 엠보싱 포일이 서로 다른 가시적인 다색 광학 회절 효과를 가질 수 있게 한다.

또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 공보 제 2017/0066079호에는 기판 표면 상으로 펨토초(femtosecond: 10^－15초) 또는 피코초(picosecond: 1조분의 1초) 레이저 빔(2)의 마스크 투영을 위한 장치가 기재되어 있으며, 레이저 빔(2)은 광축의 위치에서 형성되어 확장된 레이저 빔 단면을 갖는 레이저 빔 펄스 또는 감소된 레이저 빔 단면을 갖는 레이저 빔 펄스를 만드는 레이저 빔 펄스로 이루어진다. 여기서, 레이저 초점(17, 19, 22)의 위치에서 플라즈마의 형성을 피하기 위해 특정 진공 큐벳(18, 20, 23)이 사용되며, 진공 큐벳(20) 중 하나는 기판(13)의 표면(12)에서 레이저 어블레이션(laser ablation)이 이루어지는 가공물에 인접해 있는 핀홀 구멍(26)을 갖는다.

그러나, 롤러, 드럼 또는 실린더 등의 엠보싱 장치를 제조하는 공정 및 여러 상이한 응용 분야에 대한 모든 개선에도 불구하고, 구체적으로는, 실질적으로 향상된 내구성 및 수명을 갖는 롤러 또는 실린더 등의 엠보싱 장치를 제공하기 위해, 신규하고 실질적으로 개선된 방법 및 결과적인 엠보싱 장치가 여전히 요구된다. 예를 들어, 한 가지 문제는, 특히 엠보싱 구조 자체의 내부에 놓이는 표면에 대해, 예를 들어 레이저 조각 또는 어블레이션에 의한 레이저 기반 방법으로 재료를 제거하는 경우, 달리 평면 또는 곡선 내부면에 다소 높은 표면 거칠기가 존재하며, 이는 궁극적으로 엠보싱된 필름과 포일에서 높은 마모, 및 예를 들어, 광학적 흐림을 생성하고 이들 구조의 광학적 품질을 저하시키는 등의 바람직하지 않은 광학적 결과를 유발할 수 있는 것이다. 또 다른 문제로는 레이저 기반 방법으로 재료를 제거하는 경우에 과도한 열로 인해 발생하는 영향이 있으며, 이는 코팅층의 재료 특성에 변화를 초래함으로써, 표면 경도와 구조적 무결성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 구조화된 엠보싱 또는 성형 툴, 예를 들어 엠보싱 실린더, 롤러 또는 드럼을 제조하기 위해 크게 개선된 방법이 요구된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 엠보싱 시스템용의 구조화된 엠보싱 실린더를 제조하는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 이 방법은 원통형상 코어와 원통형상 코어 상에 구조 지지층(structure-bearing layer)을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, - 상기 구조 지지층은 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께를 가지며, 100㎚ 이하의 표면 거칠기 값(RA)을 가짐 -; 상기 구조 지지층 상에 하드 마스크층(hard-masking layer) 을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 하드 마스크층은 100㎚ 이하의 두께를 갖는다. 또한, 이 방법은, 바람직하게는 하드 마스크층으로부터 재료를 제거하여 하나 이상의 개구를 형성하고, 하드 마스크층의 하나 이상의 개구에서 구조 지지층으로부터 재료를 제거하여 하나 이상의 개구에 표면 공동을 형성하는 단계를 더 포함하며, 표면 공동은 구조 지지층에 구조적 엠보싱 특징부를 형성함으로써, 구조화된 엠보싱 실린더를 형성한다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 하드 마스크층으로부터 재료를 제거하는 단계는 레이저 어블레이션에 의해 실행할 수 있거나, 전자빔 구조화(e-beam structuration)에 의해 실행할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 구조화된 엠보싱 장치가 제공된다. 바람직하게는, 구조화된 엠보싱 장치는 베이스; 베이스 상의 접착층; 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께 및 100㎚ 이하의 거칠기 값(RA)을 갖는 접착층 상의 구조 지지층; 50㎚ 미만의 두께를 갖는 구조 지지층 상의 하드 마스크층; 및 구조 지지층의 표면에 배열되는 엠보싱 구조를 포함하며, 엠보싱 구조는 하드 마스크층을 가로지른다. 또한, 바람직하게는 엠보싱 구조에 의해 형성된 표면 공동의 깊이는 50㎚ 이상 내지 10㎛ 이하이고, 표면 공동의 폭은 100㎚ 이상 내지 10㎛ 이하이며, 공동의 깊이와 폭 간의 비율은 0.1 내지 2의 범위이다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 엠보싱 시스템용의 구조화된 엠보싱 실린더를 제조하는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 이 방법은 원통형상 코어와 원통형상 코어 상에 구조 지지층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, - 구조 지지층은 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께를 갖고, 100㎚ 이하의 표면 거칠기 값(RA)을 가짐 -; 구조 지지층 상에 하드 마스크층을 증착하는 단계, - 하드 마스크층은 100㎚ 이하의 두께를 가짐 -; 하드 마스크층 상부에 제공된 전자빔 레지스트층에서 전자빔 묘화(e-beam writing)를 실행하는 단계; 전자빔 레지스트층을 현상 및 제거하여 마스크층을 노출시키는 단계; 하드 코팅층에 영향을 주지 않는 식각액으로 마스크층을 에칭하는 단계; 및 구조 지지층을 에칭하여 구조 지지층에 표면 공동을 형성하는 단계를 포함하고, 표면 공동은 구조 지지층에 구조적 엠보싱 특징부를 형성한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 사출 금형이 제공된다. 바람직하게는, 사출 금형은 베이스; 베이스 상의 접착층; 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께 및 100㎚ 이하의 거칠기 값(RA)을 갖는 접착층 상의 구조 지지층; 100㎚ 이하의 두께를 갖는 구조 지지층 상의 무기물 하드 마스크층; 및 구조 지지층의 표면에 배열되는 성형 공동을 포함하고, 성형 공동은 하드 마스크층을 가로지르며, 성형 공동에 의해 형성되는 표면 개구의 깊이는 50㎚ 이상 내지 7㎛ 이하이고, 표면 공동의 폭은 100㎚ 이상 내지 10㎛ 이하이다. 본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징과 장점, 및 이들을 실현하는 방법은 본 발명의 일부 바람직한 실시예를 도시하는 첨부한 도면을 참조하여 이루어지는 다음의 상세한 설명 및 첨부한 특허청구범위를 연구함으로써 보다 명백해질 것이며, 본 발명 자체를 가장 잘 이해하게 된다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징과 장점, 및 이들을 실현하는 방법은 본 발명의 일부 바람직한 실시예를 도시하는 첨부한 도면을 참조하여 이루어지는 다음의 상세한 설명 및 첨부한 특허청구범위를 연구함으로써 보다 명백해질 것이며, 본 발명 자체를 가장 잘 이해하게 된다.

도 1a 및 1b는 엠보싱 장치(200, 200a)를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도 및 그의 양태를 도시하는 것으로, 도 1a는 본 발명의 일 양태에 따른 엠보싱 실린더, 롤러나 드럼(200) 또는 엠보싱 플레이트(200a)를 도시한 변형예에서 엠보싱 장치(200, 200a)를 제조하는 방법의 단계들에 대한 개략적인 개요를 나타내고, 도 1b는 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10) 상부에 (하드) 코팅(20, 30, 32, 34, 36, 40)의 기본적인 계층화를 나타낸다.
도 2a 내지 2c는 다층 구조로서 그 위에 증착된 복수의 층을 갖는 가공된 실린더, 드럼 또는 롤러의 베이스(10)를 도시하는 단면도로, 도 2a는 접착층(20), 경질 재료 코팅으로 제조된 제 1내부 구조 지지층(32), 제 1마스크층(42), 제 2외부 구조 지지층(36), 및 제 2마스크층(46)을 포함하는 층으로부터 임의의 재료를 제거하기 전의 다층 구조를 도시하는 단면도로, 각각 마스크층(42, 46)의 일부를 제거하는 연속적인 마스크 제거 단계와 구조 지지층(32, 36)의 재료를 제거하는 에칭 단계에 의해 엠보싱 장치에 다층 3차원 개구를 형성할 수 있게 한다. 도 2b는 연속적인 레이저 어블레이션 및 에칭 단계에 의해 그 안에 형성된 다층 구조(210)를 갖는 엠보싱 드럼, 롤러 또는 실린더(200)를 나타내며, 도 2c는 다층 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 다중 처리된 다층 하드 코팅을 갖는 가공된 베이스, 드럼 또는 롤러(10)를 보이는 예시적인 단면도로, 도 3a에서는 에칭 어택이 없으며, 도 3b는 하나(1)의 에칭된 층 및 도 3c는 세개(3)의 에칭된 층을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 플라즈마 에칭 장비(400)에 의해 건식 에칭될 베이스, 드럼 또는 롤러(10)를 배치하기 위한, 원통형상 장치를 플라즈마 에칭하는 예시적이고 개략적인 시스템을 도시하는 도면으로, 도 4a는 측면 단면도이고, 도 4b는 평면 단면도이다.

본원에서, 도면에 공통되는 동일한 요소를 가리키도록 가능한 한 동일한 참조번호를 사용한다. 또한, 도면에 있는 이미지는 설명의 목적상 단순화하였으며, 축척에 맞게 도시되지 않을 수 있다.

먼저, 엠보싱, 성형 또는 복제 공정에 사용할 수 있는 장치, 예를 들어 엠보싱 롤러, 실린더나 드럼(200), 또는 하나 이상의 성형 공동을 갖는 금형(200a)을 제조하는 방법의 여러 상이한 단계를 예시적인 실시예를 통해 설명하며, 도 1a에는 방법의 예시적인 개략도가 도시되어 있다. 엠보싱 롤러용 베이스로서 역할을 하는 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)가 제공된다. 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)의 직경은 50㎜ 이상 내지 500㎜ 이하 범위일 수 있지만, 다른 직경도 가능하다. 다음에, 매끄러운 표면과 특정 경도를 지닌 외부 원통면(12)을 갖도록 원통형상 금속 코어 또는 베이스(10)를 처리한다. 금속 코어 또는 베이스(10)는, 바람직하게는 100㎚ 이하, 보다 바람직하게는 10㎚ 이상 내지 50㎚ 이하 범위의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 지닌 표면 거칠기를 갖도록 처리하는 것이 바람직하다. 경도와 관련하여, 외부 원통면(12)이 0.3㎬ (대략 300 비커스와 동일함) 초과의 특정 경도 값을 갖도록 코어 또는 베이스(10)용 재료를 선택한다. 경도 값과 표면 거칠기 값은 모두 바람직한 특징을 가지며, 이러한 범위에 있는 이들 값은 특정 내구성을 갖는 엠보싱 롤러를 제조할 수 있게 하고, 작동 및 원하는 선압(nip pressure)을 허용하며, 아래에서 추가로 설명하는 바와 같이, 특정 레벨 입도의 엠보싱 구조를 제조할 수도 있게 한다. 예를 들어, 외부 원통면(12)의 표면 거칠기는 실질적으로 더 좋아야 하며, 다시 말해, 제조될 엠보싱 패턴보다 덜 거칠어야 한다. 본원에서 논의하는 방법의 일부 양태는 금속 또는 세라믹으로 제조된 실린더, 코어 또는 베이스(10)와 같은 원통형상 요소에 기반한 여러 처리 단계를 설명하지만, 엠보싱 플레이트, 패널 또는 스탬프, 성형 공동을 갖는 사출 금형, 또는 성형틀(200a)을 제조하기 위해, 예를 들어 금속 또는 세라믹 재료로 제조된 플레이트, 시트, 패널 또는 평탄한 기판과 유사한 방법으로 처리되는 외부면(12a)을 갖는 평면 장치(10a)를 처리하는 것도 가능하다.

변형예에서, 코어 또는 베이스(10)는 그의 회전축을 따라 길게 형성되는 보어를 갖는 중공 실린더이므로, 감소된 중량을 갖는 엠보싱 장치(200)를 제공할 수 있거나, 엠보싱 또는 다른 유형의 기계를 설치하기 위해 볼트 또는 로드에 보다 쉽게 장착하거나 설치할 수 있고, 또는 길게 형성되는 보어 내부에 회전 베어링을 설치하는 데 사용할 수 있다. 또 다른 변형예에서, 코어 또는 베이스(10)는 금속으로 제조할 필요는 없지만, 경질 금속 재료, 소결 재료 등의 복합 재료, 예를 들어 제한되지 않으나 서멧(cermet)일 수 있다.

그 후, 원통형상 금속 실린더 또는 코어(10)는 코어(10)의 외부면(12)이 탈지되고 철저히 세척되는 세척 단계(S10)에 의해 처리된다. 예를 들어, 세척 단계(S10)는 원통형상 금속 코어 또는 베이스(10)가 세척 장치에 의해 처리되는 단계를 포함할 수 있으며, 이 단계에서 실린더는 초음파 세척 사이클을 생성할 수 있는 특수 세척 기계에서 탈염수 및 세제를 넣은 수조에 완전히 침지되어 세척된다. 그 후, 표면에서 세제를 제거할 경우는, 마지막 헹굼 단계에서 산화 억제제를 사용할 수 있다. 다음에, 세척된 원통형상 금속 실린더 또는 코어(10)는 증착 시스템, 예를 들어 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 장치 또는 추가 처리를 위한 코팅 챔버를 갖는 시스템의 진공 챔버에 제공된다.

다음에, 코팅 챔버를 비우고, 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)를 회전축을 중심으로 회전시키면서 가열한다. 다음에, 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)의 표면은, 가령 아르곤 플라즈마를 사용하는 플라즈마 세척 공정에 노출되며, 코팅이 증착되기 전에 표면이 활성화되어 표면에 남아 있는 미량의 유기물이 제거된다. 다음에, 증착 단계(S20)에서, 접착층(20)은 PVD나 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 이들의 조합 형태, 예를 들어 반응성 스퍼터 증착에 의해서 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)의 외부 원통면(12) 위에 증착된다. 이 단계(S20)는 회전 장치에 의해 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)를 그의 회전축을 중심으로 회전킴과 동시에, 베이스(10)의 원통면(12)을 플라즈마 처리 챔버의 상부 전극과 하부 전극 사이의 자기장에 의해 수용 및 유지되는 고에너지 플라즈마에 노출시킴으로써 실행할 수 있다. 접착층(20)은 무기 재료, 예를 들어 TiN 또는 또 다른 종류의 질화물 또는 산화물, 예를 들어 제한되지 않으나 CrN을 비롯해, 제한되지 않으나 Cr 및 Ti등의 순수한 금속층이 바람직하며, 수십 내지 수백 나노미터, 예를 들어 바람직하게는 500㎚ 이하, 보다 바람직하게는 200㎚ 이하, 가장 바람직하게는 100㎚ 이상 내지 200㎚ 이하 범위의 두께를 가질 수 있다.

다음에, 단계(S30)에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 접착층(20)을 갖는 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)가 그의 회전축을 중심으로 회전되는 동안, 예를 들어 처리 챔버를 개방하지 않고 접착층(20)의 증착에 사용된 것과 동일한 플라즈마 처리 챔버 내에서, 하드 코팅층 또는 구조 지지층(30)이 접착층(20) 상에 증착된다. 구조 지지층(30)은 접착층(20)보다 실질적으로 두껍지만, 바람직하게는 20㎛ 이하, 예를 들어 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께를 갖는다. 이 층(30)은 나중에 재료를 제거하여 여러 상이한 유형의 구조적 특징부를 형성하기 위해 층(30)에 개구 또는 공동을 형성하도록 처리되기 때문에, 이 층(30)을 본원에서는 구조 지지층(30)이라 칭한다. 구조 지지층(30)은 경질 재료, 바람직하게는 탄소계 경질 재료, 예를 들어 다이아몬드 유사 탄소 (Diamond-Like Carbon, DLC), 보다 바람직하게는 Ta-C로 제조되는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 접착력을 제공하는 것 외에도, 접착층(20)은 비교적 연성 재료, 예를 들어 스틸로 제조될 수 있는 코어 또는 베이스(10)를 매우 경질인 층, 예를 들어 DLC 모드일 수 있는 구조 지지층(30)에 결합시키는 유해한 기계적 결과를 감소시키는 충격 흡수재 또는 전이층으로서도 작용한다. 이와 관련하여, 접착층(20)의 경도 및 모듈러스는 코어 또는 베이스(10)와 구조 지지층(30)의 경도 및 모듈러스 사이에 놓임으로써, 구조 지지층(30)의 균열을 방지할 수 있다. 단일 구조 지지층(30) 대신에, 반복할 수 있는 단계(S20, S30 및 또한 S40)를 통한 다층 구조의 증착이 있을 수 있으므로, 도 1b의 단면도에 도시된 바와 같이, 외부 구조 지지층(36) 및 이후에 마스크층(40) 역시 추가 DLC 층(32, 34)과 함께 형성된다.

예를 들어, 증착 단계(S20)는 플라즈마 강화 PVD (Plasma-enhanced PVD, PEPVD) 공정에 의해 바람직하게 수행될 수 있고, 이후 증착 단계(S30)는 플라즈마 강화 CVD (plasma-enhanced CVD, PECVD) 공정에 의해 바람직하게 수행되어 DLC를 증착할 수 있으며, 회전 장치에 의해 원통형상 금속 실린더, 코어 또는 베이스(10)를 그의 회전축을 중심으로 회전킴과 동시에 원통면(12)을 고에너지 플라즈마에 노출시킴으로써 실행될 수 있다. 이와 관련하여, DLC는 PVD 공정에 사용할 수 있는 것과 동일한 기계, 예를 들어 동일한 처리 챔버에서 CVD 공정을 이용하여 생성하는 것이 바람직하다. DLC가 금속에 직접 결합되지 않으므로, 베이스(10)에 대한 구조 지지층(30)의 결합은 접착층(20)을 통해 실행되어, 구조 지지층(30)과 베이스(10)의 금속 표면 간의 접착력을 실질적으로 증가시킨다.

단계(S20)의 접착층(20) 및 단계(S30)의 구조 지지층(30)의 코팅은 하나의 균질한 층, 화학적으로 또는 구조적으로 상이한 층들의 적층체, 또는 층 내부의 뚜렷한 상들이 규정된 상 분리 또는 이들의 조합을 통해 형성되는 내부적으로 나노구조화된 층을 포함할 수 있다. 이들 2개의 단계(S20 및 S30)는 동일한 증착 챔버를 공유하는 동일한 증착 장치 내부에서 이루어질 수 있으므로, 이들을 나중에 증착되는 단계(S40)와 함께 하나의 다층 증착 단계(S50)라고 칭할 수도 있다.

방법의 이 단계에서, 처리된 원통형상 금속 코어 또는 베이스(10)의 최외측 원통형상 노출면은 구조 지지층(30)의 외부면 또는 다층 구조의 마지막 층인 외부면, 즉 외부 구조 지지층(36)일 수 있으며, 매우 작은 표면 거칠기를 갖는 것이 바람직하고, 바람직하게는 100㎚ 이하, 보다 바람직하게는 50㎚ 이하, 훨씬 더 바람직하게는 30㎚ 이하의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 지녀 우수한 광학 표면 특성을 갖는다. 이러한 낮은 거칠기 값은 전술한 바와 같이, 훨씬 더 낮은 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 갖는 원통형상 금속 코어 또는 베이스(10)를 사용함으로써 제공된다.

다음에, 이 방법은 도 1b에 도시된 바와 같이, 하드 코팅층, 가령 구조 지지층(30), 또는 외부 구조 지지층(36) 상에 하드 마스크층(40)을 증착하는 단계(S40)를 포함하며, 하드 마스크층(40)은 100㎚ 이하의 두께, 바람직하게는 5㎚ 이상 내지 50㎚ 이하의 범위, 보다 바람직하게는 5㎚ 이상 내지 20㎚ 이하 범위의 두께를 갖는다. 하드 마스크층(40)에 사용되는 재료는 나중에 DLC 층, 예를 들어 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)에 개구 또는 공동을 에칭하는 데 사용할 여러 상이한 종류의 에칭액에 견디기에 적합한 재료이어야 한다. 예를 들어, 하드 마스크층(40)은 Cr, CrO, Ti, TiO₂또는 SiO₂의 얇은 층, 바람직하게는 무기물층, 또는 하나 이상의 이러한 층의 조합으로 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 이 단계는, 예를 들어 롤 또는 베이스(10)를 회전시키면서 하드 마스크층(40)이 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 상부에 증착되는 또 다른 PECVD 또는 PEPVD 단계를 실행함으로써, 응축물층(layer of condensed matter)을 생성한다. 또 다른 변형예에서, 하드 마스크층(40)은, 예를 들어 TiO₂또는 Al₂O₃마스크층을 증착하기 위한 원자층 증착(layer deposition, ALD)에 의해 제공될 수 있다.

이와 관련하여, 하드 마스크층(40)은 포토레지스트 또는 고분자 재료로 제조되는 전통적인 마스크층이 아니라, 구조 지지층(30)의 형성시와 유사한 증착 단계에 의해 형성된 코팅이기도 하며, 매우 얇게 만들어지고, (PE)PVD 증착을 이용하여 무기 재료로 제조된다. 따라서 바람직하게는, 하드 마스크층(40)은, 예를 들어 동일한 증착 장비를 사용함으로써, 가령 진공 챔버가 단계(S30과 S40) 사이에서 불필요하게 환기되지 않으며 온도가 불필요하게 변화되지 않는 방식으로 동일한 진공 챔버를 사용함으로써, 구조 지지층(30)의 증착 단계(S30)에 바로 이어지는 증착 단계(S40)에서 형성된다. 이는 나중에 실행되는 에칭 단계(S120)를 위한 빌트인 하드 마스크층(40)을 제공할 수 있게 하며, 구조 지지층(30)과 높은 구조적 연속성을 가지므로, 결과적인 엠보싱 장치(200)를 위해 하드 마스크층(40)을 제거할 필요가 없다.

다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이 레이저 어블레이션 단계(S90)가 실행되거나, 하드 마스크층(40)으로부터 재료를 제거함으로써, 하드 마스크층(40)의 일부를 제거하여 하나 이상의 에칭 개구(45)를 형성하는 선택적인 마스크 제거 단계(S100/S110)가 실행된다. 방법의 나중 단계에서, 구조 지지층으로부터 재료를 제거하여 에칭 개구(45)의 영역에 공동 또는 개구를 형성함으로써, 구조적 엠보싱 특징부(210, 220, 210a, 220a)가 롤 또는 베이스(10, 10a)의 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)으로 파고드는 위치에 에칭 개구(45)가 형성된다. 레이저 어블레이션 단계(S90)는 다른 유형의 레이저 어블레이션 기술에 의해서, 예를 들어 단일 가우시안 프로파일을 갖는 집속 자외선(ultraviolet, UV) 레이저 빔으로 직접 레이저 조각하거나(S60), 또는 프로파일이 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)에 의해 제어되는 레이저를 사용하여 여러 초점을 생성함으로써 (S80), 실행할 수 있다. 이 단계에서, 하드 마스크층(40)의 전체 재료는 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 표면에 영향을 주지 않으며, 또는 미약하게 단지 약간만 표면적에 영향을 주면서, 특정 표면적에서 제거되어 하나 이상의 에칭 개구(45)를 규정한다. 이것은 하드 마스크층(40)의 어블레이션 동안 발생할 수 있는 열 효과를 최소화하기 위해, 초고속 레이저 소스를 사용하거나, 파장 및 출력이 신중하게 선택되는 저전력 나노초 레이저를 사용하여 실행함으로써, 예시적으로 DLC에 의해 형성되는 구조 지지층(30, 36)의 어떤 강력한 변경을 피하기에 충분히 낮은 열 효과를 유지하면서 하드 마스크층(40)이 대부분의 열을 흡수할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

일 예로, 레이저 어블레이션 단계(S90)용의 초고속 레이저 소스는 250㎚ 이상 내지 1100㎚ 이하의 파장, 100fs 이상 내지 10ps 이하의 펄스 지속 시간, 1㎑ 이상 내지 10㎒ 이하의 주파수 및 1W 이상 내지 100 W 이하의 출력을 갖는 레이저일 수 있다. 이러한 작업에는 미국 특허 제 9,579,924호, 미국 특허 제 9,993,895호, 또는 미국 특허 제 2017/0066079호에 기술된 바와 같은 레이저 어블레이션 기계를 사용할 수 있으며, 이들 참조문헌은 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다. 하드 마스크층(40)이 매우 얇은 두께를 갖도록 증착되므로, 비교적 낮은 레이저 파워로도 통상의 3D 레이저 어블레이션과 관련하여 이를 제거하기에 충분하다. 구조적 특징부(210, 220, 210a, 220a)의 구조 지지층(30, 36) 내로의 깊이(DE1, DE2)는, 예를 들어 도 2c에 도시된 바와 같이, 플라즈마 공정에 의한 에칭 단계(S120)에 의해, 이어지는 마스크-어블레이션 단계(S60, S100/S110 또는 이들의 조합)에 의해서 달성된다.

변형예에서, 레이저 어블레이션 단계(S90)는 에칭 개구(45)에서 하드 마스크층(40)을 완전히 제거하지만, 예를 들어 더 강력한 레이저를 선택하거나 어블레이션 시간을 증가시킴으로써, 그레이징(grazing), 즉 구조 지지층(30, 36)의 상부층의 아주 작은 부분을 조금 제거하도록 구성된다. 그 후, 후속 에칭 단계(S120)를 통해, 재료가 구조 지지층(30, 36)의 나머지 부분으로부터 제거되어, 에칭 개구(45)의 위치에서, 엠보싱 장치(200)의 구조적 엠보싱 특징부의 역할을 할 수 있는 구조적 특징부(210, 220, 210a, 220a)를 형성하는 구조 지지층(30, 36)에는 표면 공동 또는 개구가 형성된다. 이 변형예의 경우, 예를 들어, DLC의 표면 상에 흑연 및 그 밖의 열 생성 아티팩트(artifact)의 형성을 피하거나 최소화하여, 단계(S120)에서 DLC 재료의 에칭 개구(45)에서 에칭이 영향을 받지 않도록 하기 위해, 구조 지지층(30, 36)이 단계(S90)의 레이저 어블레이션과 함께 가열에 의해 sp3 탄소로부터 구조적으로 가장 적게 손상되거나 변형되는 것이 바람직하다. 흑연은 DLC 재료를 제거할 수 있는 부식액에 화학적으로 견디는 반면, 열역학적으로 말해서 DLC의 불안정한 다이아몬드는 산소와 반응하여 가령 에칭 동안 CO₂또는 다른 옥시카본을 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 에칭 공정은 재료를 손상시키지 않고, 즉 제거 이외의 구조적인 상 변화를 유도하지 않고, 에칭 개구(45)에서 노출된 영역으로부터 재료를 제거한다.

변형예에서, 레이저 어블레이션 단계는, 예를 들어 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 2012/0018993호 및 2017/0066079호에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 에칭 개구(45)에서 별도의 레이저 마스크로 마스킹된 레이저 빔으로 하드 마스크층(40)을 선택적으로 어블레이션하는 마스크 투영 기술(S70)에 의해 실행할 수도 있다. 후술하는 바와 같이 다층 코팅이 사용되는 경우, 표면의 여러 상이한 위치에서 어블레이션 단계(S60, S100/S110 또는 이들의 조합) 및 에칭 단계(S120)를 여러 번 반복함으로써, 도 2a 및 도 2b에 도시되고 아래에서 추가로 논의하는 바와 같이, 계층적 다층 구조(210)를 생성할 수 있다.

변형예에서, 하드 마스크층(40) 상의 재료 제거는 레이저 어블레이션에 의해 실행하지 않고, 예를 들어 하드 마스크층(40)으로부터 재료를 제거하는 별도의 에칭 단계에 의해, 또는 집속 이온 빔에 의해서 에칭 개구(45), 예를 들어 전자빔 구조를 형성하는 또 다른 공정을 포함한다(S100).

에칭 개구(45) 자체는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 이들은 실린더 또는 롤러(10)의 중심축(center axis, CA)에 평행한 구조 지지층(30)의 표면 상에 형성된 복수의 종방향 개구를 갖는 어레이 레이아웃, 및 중심 축(CA)에 수직인 접선 방향으로 구조 지지층(30)의 표면에 형성된 복수의 가로지르는 개구를 형성할 수 있다. 이는 구조적 특징부(210, 210a)로서 구조 지지층(30)에 제 1각도로 배향된 복수의 제 1홈 및 제 1각도 배향에 실질적으로 수직인 제 2각도로 배향된 복수의 제 2홈을 포함하는 회절 구조를 형성할 수 있게 한다. 일 예로, 회절 구조를 포함하는 구조적 특징부(210, 210a)를 형성할 수 있으며, 회절 구조의 깊이는 50㎚ 이상 내지 10㎛ 이하이고, 회절 구조의 폭은 100㎚ 이상 내지 10㎛ 이하이며, 회절 구조의 주기는 0.1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위이고, 회절 구조의 깊이와 폭 간의 비는 0.25 이상 내지 1.2 이하 범위이다.

변형예에서, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 적절하게 조정된 방법 및 플라즈몬 구조로, 기판 또는 원통형 베이스(10)에 플라즈몬 구조를 형성하는 것이 가능하며, 플라즈몬 구조의 형상은 몇 나노미터까지 정확하다. 이 변형예에서, 하드 마스크층(40)은 어떤 구조화된 포토레지스트/에칭 조합을 사용하지 않고 전자빔 구조화 방법에 의해 직접 어블레이션될 수 있다. 직접 전자빔 어블레이션에 사용되는 초박형 하드 마스크층(40)은, 바람직하게는 50㎚ 이하, 보다 바람직하게는 30㎚ 이하, 훨씬 보다 바람직하게는 5㎚ 이상 내지 20㎚ 이하 범위의 두께를 갖는다.

또 다른 변형예에서, 단계(S10-S50)를 실행한 후, 전자빔 묘화 또는 구조화 단계(S100)를 실행하여, 바람직하게는 초박형의 비전도성 무기물인 하드 마스크층(40)의 상부에 전자빔 레지스트(50)의 구조화된 층을 제공한다. 제 1중간 단계에서, 하드 마스크층(40)은, 예를 들어 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 감(광)성 레지스트로 완전히 덮혀 균질한 보이드/핀홀 없는 레지스트층을 제공한다. 다음에 매우 미세하게 집속된 전자빔을 사용하여 균질한 레지스트 층에 필요한 구조를 묘화함으로써, 레지스트의 구조적 무결성을 수정한다. 레지스트 재료는 전형적으로, 액체 형태로 제공되는 유기 및/또는 고분자계 재료를 포함한다. 따라서, 노출된 전자빔 레지스트 층(50)은 다음에, 마스크 현상 단계(S105)에서 레지스트 층의 화학적 성질에 맞게 조절된 화학조를 사용하여 현상되고 선택적으로 제거되어, 하드 마스크층(40)을 노출시킨다. 하드 마스크층(40)의 직접 어블레이션을 실행하는 대신에, 사용된 하드 마스크층(40)의 유형에 따라, 예를 들어 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 단계(S110)에서 하드 마스크층(40)을 에칭한다. 단계(S110)에서의 식각액은 밑에 있는 구조 지지층(30)의 재료에 반응하지 않도록 선택되어, 노출된 하드 마스크층(40)만 제거한다. 이들 단계(S105 및 S110)는 도 1a의 점선 직사각형 박스에 도시된 본 단락에서 논의한 실시예의 선택적인 단계이다.

위에서 인용한 바와 같은 전자빔 기술에 의해 하드 마스크층(40)이 구조화되면, 이 방법은 이전에 논의한 에칭 단계(S120), 예를 들어 플라즈마 단계를 실행하여, 예를 들어, O₂또는 DLC를 에칭할 수 있는 또 다른 유형의 플라즈마를 사용하여 DLC 재료를 에칭함으로써, 구조 지지층(30)으로부터 경질 재료를 에칭하여 구조적 특징부(210, 210a)를 형성한다. 결과적인 엠보싱 롤러(200)는 다음에, 금속 종이 또는 호일 위에 플라즈몬 구조를 엠보싱하는 데 사용할 수 있다. 또한, 또 다른 예로서, 열가소성 포일 또는 플레이트의 열가소성 열간 엠보싱에 의해 마이크로유체 회로의 빠른 복제를 위한 미세구조를 제조하는 엠보싱 장치(200), 예를 들어 본원에서 설명하는 엠보싱 실린더 또는 롤러를 사용하는 것이 가능하게 되며, 이때 에칭 개구(45)는 마이크로유체 회로의 형상을 가질 수 있다. 그러한 방법의 한 가지 장점은 표면 공동을 형성하는 구조적 특징부(210) 내부에 성형되면, 엠보싱 롤러(200)는 일부 열가소성 수지의 방출을 개선할 수 있는 경질 재료, 예를 들어 DLC를 노출시키는 사실이다. 본원에서 설명하는 엠보싱 장치(200)를 사용하여 다른 응용도 가능하다. 예를 들어, 전기 회로의 아웃라인은, 도전성 재료, 예컨대 금속 재료, 가령 구조적 특징부(210)로서 사전에 롤러에 조각된 무선 주파수 식별(radio-frequency identification, RFID) 안테나에 엠보싱함으로써 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속층을 갖는 일부 특수한 적층 종이를 사용할 경우는, 롤러(200)를 이용해 라미네이트 종이를 엠보싱하여 금속층을 브레이크아웃(breakout)하여 전기 회로 또는 장치를 복제할 수 있다.

구조적 엠보싱 특징부(210)를 형성하기 위해 복수의 에칭 개구(45)에서 마스크층(40)의 재료를 제거하면, 도 2b에 도시한 바와 같이, 개구(45)의 위치에서 에칭 단계(S120), 바람직하게는 플라즈마를 사용하는 건식 에칭 단계에 의해 구조적 엠보싱 특징부(210)가 형성된다. 이 단계(S120)에서 에칭이 실행되어 하드 마스크층(40)의 하나 이상의 개구에서 재료, 구체적으로는 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 DLC 재료를 제거함으로써, 하나 이상의 개구에 표면 공동을 형성한다. 특정 깊이의 하드 마스크층(40)에 구조적 엠보싱 특징부(210)를 형성하는 표면 공동은 따라서, 구조화된 엠보싱 실린더(200)를 형성한다. 바람직하게는, 구조적 엠보싱 특징부(210)는 50㎚ 이상 및 7㎛ 이하, 보다 바람직하게는 3㎛ 이하의 깊이를 갖는다. 구조적 엠보싱 특징부(210)의 폭과 관련하여, 하나의 특징부(210)의 폭은 100㎚ 이상 내지 20㎛ 이하 범위, 보다 바람직하게는 최대 1.5㎛일 수 있다. 단계(S120) 자체의 에칭 공정은, 예를 들어 제한되지 않으나, 산소(O₂) 플라즈마, 또는 CF₄플라즈마를 사용하여 에칭 장치(400) 내부에서 반응성 이온 에칭 (reactive ion etching, RIE)에 의해 실행할 수 있으며, 베이스 또는 롤(10)을 배열하여 실행할 수도 있다. 플라즈마 챔버(410)의 중앙에 있는 열-전기 연결 인에이블러 (thermo-electrical connection enabler)(421)를 통해, 바람직하게는 냉각된 전극(420)을 플라즈마 챔버의 무선 주파수(RF) 발생기(도시 생략)에 연결한다. 이는 도 4의 단면도에 예시적으로 도시된 바와 같이, 케이지 전극(430)과 베이스 또는 롤(10) 사이에서 플라즈마가 균일하게 생성되도록 보장한다. 또한, 단계(S120)에서 에칭 마스크로 역할을 하는 하드 마스크층(40)은 부가적이고 선택적인 단계(S120)에서 제거하거나, 추가적인 처리를 회피하여 비용 및 시간을 절약하기 위해 구조 지지층(30)에 남겨 놓을 수 있다. 하드 마스크층(40)은 엠보싱 장치(200)를 사용하는 동안 소모되고 점차 연마되어 제거될 수 있다. 하드 마스크층(40)이 매우 얇게 되도록 선택할 수 있으므로, 그의 존재는 엠보싱 장치(200)의 기계적 특성에 영향을 주지 않거나 눈에 띄지 않을 정도의 영향만 줄 뿐이다.

도 2c의 단면도에 예시적으로 도시된 바와 같이, 단계(S120)에 의한 이러한 유형의 에칭은 에칭 개구(45)의 에지에서 구조적 엠보싱 특징부(210)의 가파른 측벽, 예를 들어 상부면에 대해 75° 이상 내지 90° 이하의 범위에서 90°에 가까운 각도를 갖는 측벽을 생성할 수 있게 한다. 또한, 에칭 단계(S120)는 폭에 대한 깊이의 비와 관련해 높은 종횡비를 갖는 구조적 엠보싱 특징부(210)를 제공할 수 있게, 다시 말해서, 접선 방향 또는 축 방향으로 더 작은 폭과 비교하여 반경 방향을 따라 상대적으로 깊은 0.1 이상 내지 2 이하, 보다 바람직하게는 0.25 이상 내지 1.2 이하 범위의 종횡비를 갖는 구조적 엠보싱 특징부(210)를 생성할 수 있게 하며, 예를 들어 임의의 방향으로 배열되고 그러한 종횡비를 갖는 상대적으로 깊은 종방향 홈, 채널 또는 트렌치를 구조 지지층(30)에 생성할 수 있게 한다. 그러나, 더 작은 종횡비를 갖는 구조적 엠보싱 특징부(210)도 가능하다. 또한, 단계(S120)는 상부면이 원통형 또는 아치형 형상을 갖는 것을 고려하여, 구조적 엠보싱 특징부(210)의 깊이가 구조 지지층(30)의 상부면과 실질적으로 동일한지 확인할 수 있게 한다.

추가적인 레이저 조각 또는 어블레이션 단계를 완전히 대체하거나 추가적인 레이저 제거 또는 세척 기술과 조합하여 사용할 수 있는 에칭 단계(S120)를 사용함으로써, 예를 들어, 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)이 DLC 재료로 제조되는 경우에, 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36) 상에서 레이저 어블레이션의 열에 의해 초래될 수 있는 영향을 실질적으로 감소시키거나 완전히 없앨 수 있다. 이와 관련하여, 구조적 특징부, 예를 들어 열영향 구역(heat-affected zone, HAZ)을 형성하기 위해 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)으로부터 재료를 제거하는 위치에서 레이저 어블레이션하는 동안 발생한 열은, 상당한 비율의 4면체 sp3 결합 재료를 가진 원래 단계에서 보다 부드럽고 sp2-결합-풍부 재료의 형성을 유도하는 DLC의 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, Yasumaru 등의 “Glassy carbon layer formed in diamond-like carbon films with femtosecond laser pulses (펨토초 레이저 펄스로 다이아몬드 유사 탄소 필름에 형성된 유리 탄소층)”, Applied Physics A, Vol. 79, No. 3, pp. 425-427, year 2004, 및 Miyaji 등의 “Nanostructuring with Femtosecond Laser Pulses on Patterned DLC Surface (패턴화된 DLC 표면에 펨토초 레이저 펄스에 의한 나노구조화)”, JLMN-Journals of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 3, No. 2, pp. 84-87, year 2008을 참조한다. sp3 결합 탄소는 응집력과 경도 면에서 다이아몬드와 유사한 특성을 보이지만, 그 반대로, sp2 결합 탄소 상은 주로, 높은 종횡비의 마이크로 구조, 예를 들어 본원에서 논의하는 구조적 엠보싱 특징부(210)와 같이, 경도 및 전체 구조적 무결성을 요구하는 응용에서 이들을 부적합하게 만드는 크게 감소된 경도, 및 시트와 유사한 형태를 포함하는 흑연과 유사한 특성을 보인다. 그 결과, 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 경도는 간단한 직접 레이저 조각 또는 어블레이션 후에 크게 감소될 수 있다. 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 원하는 특성은 기계적 응력 하에서의 경도 및 구조적 무결성일 수 있으며, 이들 특성은 sp3 결합에서 직접 유래할 수 있으므로, 증가된 sp2 결합의 존재와 함께 sp3 결합 부분의 감소는 높은 구조적 무결성과 경도를 요하는 구조적 엠보싱 특징부(210) 및 구조화된 엠보싱 장치 또는 실린더(200)의 임의 응용에서 바람직하지 않다.

또한, 레이저 어블레이션 단계(S90)에서 하드 마스크층(40)에 에칭 개구(45)를 형성할 경우, 증착 및 어블레이션 또는 조각 레이저에 대한 어블레이션 파라미터를 조정하는 단계(S40)를 통한 하드 마스크층(40)의 증착 및 제공은 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)에서 sp2-결합-풍부 상의 형성에 대한 최소화로 이어질 수 있으며, 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 구조적 무결성에 대한 그 밖의 유해한 영향을 감소시키거나 최소화할 수 있다. 단계(S120)에서 플라즈마 에칭 공정을 이용하여 구조적 엠보싱 특징부(210)의 특정 깊이(DE1, DE2)를 얻음으로써, 예를 들어, 제한되지 않으나 산소 플라즈마를 사용하는 반응성 에칭을 통한 재료의 제거는, 직접 레이저 조각 또는 어블레이션의 경우와 같은 열 분해를 통해서가 아닌 주로 화학 반응을 통해서 달성되기 때문에, 구조적 엠보싱 특징부(210) 주위에 구조 지지층(30, 36)의 탄소계 재료로부터 잠재적으로 흑연이 형성되는 것을 방지한다.

또한, 하드 마스크층(40)을 증착하는 단계(S40)를 통해, 하드 마스크층(40)이 가령, 종래의 중합체 또는 다른 유기 마스킹 재료와 달리, 에칭 개구(45)가 존재하지 않고 특별히 제거할 필요가 없는 영역에서 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 구조화되지 않은 부분의 표면에 남을 수 있는 장점을 보이는 하드 마스크층(40)으로서 초박형 무기 코팅을 제공하는 것이 가능하다. 에칭 단계(S120)에 의한 구조화 후에 하드 마스크층(40)을 제거하거나, 본 본원에서 설명한 하드 마스크층(40)과 다른 또 다른 유형의 마스크를 제거하기 위해, 추가적인 박리(stripping) 및/또는 세척 단계를 실행할 필요가 없으므로, 처리 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 중요한 비용 절감 요인이 될 수 있으며, 전통적인 유기 하드 마스크층을 제거하는 데 사용하는 전형적인 용매 및 박리액으로 인해 발생하는 공정의 환경적인 영향을 감소시킬 수도 있다. 하드 마스크층(40)의 매우 얇은 두께는, 하드 마스크층(40)이 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 표면에 남아 있는 경우, 엠보싱 장치(200)에 의해 형성된 결과적인 엠보싱 툴의 기계적 성능에 영향을 주지 않는 정도이다. 예를 들어, 단지 수 나노미터 범위의 매우 얇은 두께는 추가로, 하드 마스크층(40)의 마모를 통한 임의 유형의 표면에 대한 오염도 최소화되며 눈에 띄지 않을 가능성이 있음을 의미한다.

또한, 변형예에서, 단계(S30)의 여러 번의 증착, 예를 들어 구조 지지층(30)을 형성하기 위한 PECVD 증착 단계, 및 예를 들어 PEPVD에 의해 하드 마스크층(40)을 증착하기 위한 증착 단계(S40)를 실행하여, 접착층(20), 경질 재료로 제조된 제 1내부 구조 지지층(32), 제 1내부 마스크층(42), 경질 재료로 제조된 제 2외부 구조 지지층(36), 및 제 2외부 마스크층(46)을 나타내는 도 2a의 단면도에 도시된 바와 같이, 마스크층 및 구조 지지층을 교대로 갖는 다층 구조를 접착층(20) 상부에 생성할 수 있다. 이러한 다층 구조는, 각각 마스크층(46, 42)의 일부를 제거하기 위한 연속적인 마스크 제거 단계(S90, S100/S110 또는 이들의 조합) 및 구조 지지층의 재료를 제거하기 위한 에칭 단계(S120)에 의해서, 엠보싱 장치(200)에 다층 3차원 개구 또는 구조적 특징부(210)를 형성할 수 있게 한다. 다시 말해서, 이는 도 2b에 도시된 바와 같이, 마스크층(46, 42)의 마스크 부분을 제거하여 에칭 개구(45, 47)를 형성하기 위해 순차적인 레이저 제거 단계(S90), 및 구조 지지층(36, 32)의 일부를 제거하여 에칭 개구(45, 47)를 형성하기 위한 에칭 단계(S120)를 사용함으로써, 엠보싱 장치(200)에 다층 구조적 특징부(210)를 생성할 수 있게 한다. 도시된 변형예에서는 예시적으로, 두개(2개)의 마스크층(42, 46) 및 두개(2개)의 구조 지지층(32, 36)이 서로 교대로 나타나는 것으로 도시어 있지만, 보다 복잡한 다층 구조적 특징부(210), 예를 들어 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 마스킹 및 구조 지지층 쌍을 제공하기 위해, 두개보다 많은 이러한 층의 쌍이 있을 수 있다. 예를 들어, 다층 구조적 특징부(210)는 엠보싱 장치(200)의 표면에 개구 또는 공동으로서, 가령 여러 상이한 유형의 주조 공정을 위한 성형 공동을 갖는 사출 성형 장치로서, 복잡한 3차원(3D) 형상을 형성하는 데 사용할 수 있다. 다중 마스크층/DLC 적층체의 경우, 최외측 DLC 층의 최외측 층을 나타내지 않는 마스크층은 주로 질화물, 산화물 또는 탄화물 같은 비금속 특성의 재료로 제조되어 다음의 DLC 층의 접착을 보장하게 된다.

도 2b는 엠보싱 장치(200)로 형성된 다층 구조적 특징부(210)를 도시하며, 각각의 구조(210)는 외부 구조 지지층(36)과 외부 마스크층(46)의 외부 에칭 개구(45)에 형성된 더 넓은 제 1구조(210.1), 및 내부 구조 지지층(32)과 내부 마스크층(42)의 내부 에칭 개구(47)에 형성된 더 좁은 제 2내부 구조(210.2)로 만들어진다. 다층 구조적 특징부(210)를 형성하기 위해, 제1 레이저 어블레이션 단계(S90)를 실행하여 외부 마스크층(46)의 원하는 위치에서 에칭 개구(45)를 제거한다. 그 후, 내부 마스크층(42)의 상부면에 도달할 때까지, 제 1에칭 단계(S120)를 실행하여 외부 구조 지지층(36)의 재료를 제거함으로써, 더 넓은 구조(210.1)를 형성한다. 다음에, 제 2레이저 어블레이션 단계(S90)를 실행하여 내부 마스크층(42)의 원하는 위치에서 에칭 개구(47)를 제거한다. 바람직하게는, 에칭 개구(47)는 더 넓은 구조(210.1)에 의해 형성된 개구와 비교하여 표면이 더 작으며, 예를 들어 덜 넓거나 더 짧다. 그 후, 제 2에칭 단계(S120)를 실행하여 내부 구조 지지층(32)의 재료를 제거함으로써, 더 좁은 구조(210.2)를 형성한다. 이 단계는 반경 방향으로 더 좁은 구조(210.2)의 깊이 또는 두께가 도 2b에 도시된 바와 같이, 접착층(20)의 상부면에 도달하지 않도록 선택적으로 실행한다. 더 많은 마스크층 - 구조 지지층 쌍이 존재하는 경우, 더 많은 단계(S90, S100/S110 또는 이들의 조합 및 S120)를 반복함으로써, 방사상 깊이 방향으로 엠보싱 장치(200)의 추가 구조적 특징부를 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 바람직하게는 본원에서 설명하는 방법에 의해 제조된 장치가 제공되며, 이 장치는 본원에서 설명하는 장치 또는 실린더(200)에 기반한 금형 형태의 장치, 예를 들어 캐스트 해방 또는 열가소성 열간 엠보싱을 위한 사출 금형 또는 원통형 금형이다. 이 변형예에서, 구조적 엠보싱 특징부(210)에 의해 하나 이상의 성형 공동이 형성될 수 있다.

본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 엠보싱 장치(200), 예를 들어 엠보싱 실린더, 드럼 또는 롤러를 제조하는 본원에서 제시하는 방법 및 및 해당 엠보싱 장치(200)는, 예컨대 나노초 또는 초고속 레이저를 사용하여 하드층을 직접 어블레이션하여 하드 코팅에 구조적 특징부를 형성하는 최신 기술과 비교하여 몇 가지 장점을 갖는다. 효율적인 직접 레이저 가공은 항상 열영향 구역(HAZ)을 동반한다. HAZ의 확산은 나노초 레이저에서 매우 중요하다. 초고속 레이저, 피코초 및 펨토초 레이저에 의해 HAZ가 감소되지만, 여전히 존재하며 고려해야 할 요소이다. 산소와 함께 과도한 가열이 탄소 격자를 다이아몬드 유사 구조로부터 더 약한 구성으로 변화시킬 수 있기 때문에, 일부 하드층, 특히 DLC, 예를 들어 Ta-C 변형은 열에 민감하다. 따라서, DLC의 처리는, 이러한 처리가 일어나는 환경적인 조건 하에서 유도될 구조 지지층의 재료의 구조적인 상 변화에 필요한 온도까지 가열되지 않는 본질적으로 비가열 공정을 필요로 한다.

본 발명의 양태에 따르면, 단계(S90)에서 레이저 어블레이션을 실행하여, 그 아래에 있는 구조 지지층(30, 32, 36)에는 영향을 주지 않고 마스크층(40, 42, 46)에만 영향을 주는 저전력을 사용하여 에칭 개구(45, 47)를 만든다. 하나 이상의 단계(S120)에서 에칭에 의해 실행되어 구조 지지층(30, 32, 36)으로부터 실제 조각 또는 재료를 제거하여 구조적 특징부(210)를 형성할 경우, 과도한 가열이 오래 지속되지 않으며 DLC의 결정 격자의 무결성이 유지된다. 따라서, 구조 지지층(30, 32, 36)을 형성하는 하드 코팅의 물리적 특성은 변하지 않고 그대로 유지된다.

본 발명의 일부 다른 양태에 따르면, 레이저 어블레이션 단계(S90)는 단일 패스로 실행되어 마스크층(40, 42, 46)의 일부를 제거한다. 에칭 단계(S120)에 의한 깊은 조각 또는 재료의 제거는, 예를 들어 플라즈마 에칭 장비에 의해 단일 단계에서 전체 표면에 걸쳐서 병렬로 실행된다. 이는 큰 조각의 경우, 하나 이상의 에칭 단계(S120)의 지속 시간에 해당하는 조각 또는 재료 제거 시간이, 레이저 어블레이션 또는 레이저 재료 제거에 의해 조각 또는 재료 제거가 행해지는 공정과 비교하여, 획기적으로 감소될 수 있음을 의미한다. 이때, 구조 지지층(30, 32, 36)의 경질 재료로 원하는 구조의 깊이를 달성하려면, 동일한 장소를 여러 번 통과해야 한다. 또한, 단계(S120)에서 플라즈마 에칭에 의해 실행되는 구조의 조각은 하드층의 이방성 에칭 덕분에 매우 큰 종횡비 구조를 얻을 뿐만 아니라, 에칭의 깊이(DE1, DE2)에 걸쳐 매우 미세한 제어를 가능케 한다.

특정 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 개시하였지만, 첨부한 특허청구범위에 규정된 바와 같이, 본 발명의 영역 및 범위를 벗어나지 않고 설명한 실시예에 대한 많은 수정, 변경과 변화, 및 그의 등가물이 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명한 실시예에 제한되지 않고, 다음의 특허청구범위의 언어로 정의한 전체 범위를 갖도록 하였다.

Claims

엠보싱 시스템용의 구조화된 엠보싱 실린더를 제조하는 방법으로서,
원통형상 코어와 원통형상 코어 상에 구조 지지층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, 여기서 진공 챔버에서 제 1(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해, 구조 지지층은 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께와 100㎚ 이하의 표면 거칠기 값(Ra)을 가지며;
제 2(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해 구조 지지층 상에 100㎚ 이하의 두께를 가지는 하드 마스크층을 증착하는 단계;
하드 마스크층으로부터 재료를 제거하여 하나 이상의 개구를 형성하는 단계; 및
하드 마스크층의 하나 이상의 개구에서 에칭을 실시하여 구조 지지층으로부터 재료를 제거함으로써, 하나 이상의 개구에서 구조 지지층에 표면 공동을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 표면 공동은 구조 지지층에 구조적 엠보싱 특징부를 형성함으로써, 구조화된 엠보싱 실린더를 형성하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 구조 지지층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착으로 증착된 다이아몬드 유사 탄소(diamond-like carbon, DLC)를 포함하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크층의 두께는 5㎚ 이상 내지 50㎚ 이하인 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크층은 무기 재료를 포함하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크층으로부터 재료를 제거하는 단계는 레이저 어블레이션(laser ablation)에 의해 실행되는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 하드 마스크층으로부터 재료를 제거하는 단계는 전자빔 구조화(e-beam structuration)에 의해 실행되는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 5항에 있어서, 상기 하드 마스크층에서 레이저 어블레이션을 실행하는 단계는 직접 레이저 어블레이션을 사용하거나, 레이저 빔의 마스크 투영을 사용하거나, 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)를 사용하여 레이저 빔을 성형하는 단계를 포함하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 6항에 있어서, 전자빔 구조화 단계에서 상기 하드 마스크층은 50㎚ 이하의 두께를 갖는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 구조 지지층을 에칭하는 단계에서 플라즈마 보조 반응성 이온 에칭(plasma-assisted reactive-ion etching)을 포함하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 에칭 단계는 습식 에칭을 포함하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 에칭 단계에서 형성된 표면 공동은 50㎚ 이상 내지 7㎛ 이하의 깊이를 갖는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2(플라즈마 강화) 기상 증착은 진공 챔버에서 연속으로 처리되는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
엠보싱 시스템용의 구조화된 엠보싱 실린더를 제조하는 방법으로서,
원통형상 코어와 원통형상 코어 상에 구조 지지층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, 여기서 진공 챔버에서 제 1(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해, 상기 구조 지지층은 1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께와 100㎚ 이하의 표면 거칠기 값(Ra)을 가지며;
제 2(플라즈마 강화) 기상 증착에 의해 구조 지지층 상에 하드 마스크층은 100㎚ 이하의 두께를 가지는 하드 마스크층을 증착하는 단계;
하드 마스크층의 상부에 제공된 전자빔 레지스트층에서 전자빔 묘화(e-beam writing)를 실행하는 단계;
전자빔 레지스트층을 현상 및 제거하여 하드 마스크층을 노출시키는 단계;
구조 지지층에 영향을 주지 않는 식각액으로 하드 마스크층을 에칭하는 단계; 및
상기 구조 지지층을 에칭하여 구조 지지층에 표면 공동을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 표면 공동은 구조 지지층에 구조적 엠보싱 특징부를 형성하는 구조화된 엠보싱 실린더의 제조 방법.
구조화된 엠보싱 장치로서,
베이스;
상기 베이스 상의 접착층;
1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께 및 100㎚ 이하의 거칠기 값(Ra)을 갖는 접착층 상의 구조 지지층;
100㎚ 이하의 두께를 갖는 구조 지지층 상의 무기물 하드 마스크층; 및
상기 구조 지지층의 표면에 배열되는 엠보싱 구조;를 포함하며, 상기 엠보싱 구조는 하드 마스크층을 가로지르고,
상기 엠보싱 구조에 의해 형성된 표면 공동의 깊이는 50㎚ 이상 내지 7㎛ 이하이며, 표면 공동의 폭은 100㎚ 이상 내지 10㎛ 이하인 구조화된 엠보싱 장치.
제 14항에 있어서, 공동의 깊이와 폭 간의 비율은 0.1 이상 내지 2 이하의 범위인 구조화된 엠보싱 장치.
제 14항에 있어서, 상기 베이스는 금속, 세라믹 또는 복합 재료로 제조된 실린더를 포함하는 구조화된 엠보싱 장치.
제 14항에 있어서, 상기 베이스는 금속, 세라믹 또는 복합 재료로 제조된 플레이트를 포함하는 구조화된 엠보싱 장치.
제 14항에 있어서, 엠보싱 구조를 형성하고 있는 상기 표면 공동은 홈 또는 트렌치의 형태인 구조화된 엠보싱 장치.
제 14항에 있어서, 엠보싱 구조를 형성하고 있는 상기 표면 공동은 회절 격자를 포함하는 구조화된 엠보싱 장치.
사출 금형으로서,
베이스;
상기 베이스 상의 접착층;
1㎛ 이상 내지 10㎛ 이하 범위의 두께 및 100㎚ 이하의 거칠기 값(Ra)을 갖는 접착층 상의 구조 지지층;
100㎚ 이하의 두께를 갖는 상기 구조 지지층 상의 무기물 하드 마스크층; 및
상기 구조 지지층의 표면에 배열되는 성형 공동(molding cavity)을 포함하며, 상기 성형 공동은 하드 마스크층을 가로지르고,
상기 성형 공동에 의해 형성된 표면 개구의 깊이는 50㎚ 이상 내지 7㎛ 이하이며, 표면 공동의 폭은 100㎚ 이상 내지 10㎛ 이하인 사출 금형.