KR20230139418A - 3차원 미세 구조 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시는 3차원 미세 구조를 형성하기 위한 방법에 대한 것이다. 본 방법은, 기판 상에 리플로우 가능 물질을 패터닝하는 단계, 패터닝된 리플로우 가능 물질이 유동성을 가져 리플로우되도록 가열하는 단계 및 유동성을 가진 리플로우 가능 물질을 원심력에 의해 기 설정된 형상으로 성형하기 위해, 기판을 회전체에 부착시켜 회전체를 회전시키는 단계를 포함한다.

Description

3차원 미세 구조 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONAL MICROSTRUCTURES}

본 발명은 3차원 미세 구조 제조 방법에 대한 것으로, 더 상세하게는 리플로우(reflow) 방법과 함께 원심력을 이용하여 3차원 미세 구조를 제조하는 방법에 대한 것이다.

최근 전자소자의 집적화, 소형화 추세에 따라 미세 구조 및 그 제작 방법에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.

일 예로, 체내 이식 가능한 초소형 디바이스, 그 중에서도 몸의 신경계와 상호작용하기 위한, 신경 전극 어레이로 이루어진 신경 인터페이스에 대한 연구가 진행되고 있다. 신경 전극은 신경신호를 읽어내거나, 외부의 전기적 신호를 신경세포에 전달하는 것을 가능하도록 하기 위해, 수 마이크로미터에서 십 수 마이크로미터 정도 크기에 불과한 신경세포와 유사한 크기를 가져야 하며, 따라서 이러한 미세 구조를 정밀하게 제작하기 위한 물질, 방법에 대한 연구가 지속되어왔다.

또 다른 예로, 마이크로렌즈는 광학 시스템의 기본이 되는 부품으로, 광 디바이스의 소형화, 고 집적화의 추세에 따라 그 응용 분야가 급격히 증가하고 있고, 그 만큼 다양한 제작 방법들이 제안되었는데, 그 중에서 대표적인 방법은 포토레지스트 써멀 리플로우(photoresist thermal reflow) 방법이다. 이 방법은 포토레지스트의 포토리소그래피 공정 중 유리전이 온도 이상으로 열을 가하게 되면 단단했던 포토레지스트가 다시 녹게 되는데, 이 때 포토레지스트의 점도가 점차 감소하며 표면 장력으로 인하여 점차 둥글게 변하고, 마침내는 반구의 형상으로 변하는 현상을 이용하여 제작하는 방법이다.

또 다른 예로, 솔더 범프 또는 솔더볼은 완성된 반도체 칩 위에 배열되는 주로 마이크로 단위의 지름을 가지는 반구형의 용융가능한 합금으로, 플립 칩 본딩 기술에서 사용된다. 플립 칩 본딩 기술은 칩을 뒤집어서 기판이나 다른 칩에 붙이는 기술로서, 소형화와 고 집적화에 적합하기 때문에 범용적으로 사용되고 있다. 균일하고 안정적으로 솔더 범프를 형성하기 위해 솔더 써멀 리플로우 방법을 사용하기 때문에 표면장력에 의해 최종 형상이 반구형이 된다. 하지만 더 높은 형상의 솔더 범프가 바람직한데, 범프의 높이가 높을수록 열팽창계수 차이에 의한 응력이 감소하고, 언더필 충진에 용이하기 때문이다.

이러한 리플로우 방법은 접촉 표면이 둥근 신경 전극을 제작하는 데에도 이용될 수 있다. 구체적으로, 반구 형상의 포토레지스트를 몰드로 하여, 그 위에 전극이 될 금속을 증착하는 방식으로 신경 전극을 제작할 수 있었다.

그러나 종래의 리플로우 방법에서는 형상 변화에 있어 단 한 종류의 힘, 즉, 표면장력에만 의존하였기 때문에, 더 둥글둥글해지냐 덜 둥글둥글해지냐 정도와 기판과의 접촉 각 정도만 조절할 수 있을 뿐, 제작 가능한 형상에 제한이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점에 대한 해결 방안을 제시하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 리플로우 방법과 함께 원심력을 이용하여 다양한 형상의 3차원 미세 구조를 제조하는 것에 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른, 3차원 미세 구조를 형성하기 위한 방법은, 기판 상에 리플로우 가능 물질을 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 리플로우 가능 물질이 유동성을 가져 리플로우되도록 가열하는 단계 및 상기 유동성을 가진 리플로우 가능 물질을 원심력에 의해 기 설정된 형상으로 성형하기 위해, 상기 기판을 회전체에 부착시켜 상기 회전체를 회전시키는 단계를 포함한다.

이 경우, 상기 회전시키는 단계는, 상기 회전체의 중심에 대하여 상기 리플로우 가능 물질이 형성된 상기 기판의 면이 향하는 방향, 상기 회전체의 중심축에 대한 상기 기판의 부착 각도, 상기 회전체의 회전 속도 및 상기 회전체의 중심축으로부터 상기 기판의 거리 중 적어도 하나에 기초하여 상기 원심력을 조절할 수 있다.

한편, 상기 리플로우 가능 물질은, 리플로우 가능한 포토레지스트, 열가소성 플라스틱, 유리전이 온도를 갖는 비정질 고체, 또는 용융가능한 합금일 수 있다.

한편, 상기 패터닝 하는 단계는, 포토리소그래피, 소프트 리소그래피, 임프린트 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피의 방법으로 패터닝 할 수 있다.

한편, 상기 회전시키는 단계는, 상기 기판 상의 상기 리플로우 가능 물질이 반구 형상, 물방울 형상, 버섯 형상, 섬모 형상 또는 바늘 형상으로 성형되도록 상기 회전체를 회전시킬 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 방법은, 상기 회전에 의해 상기 기 설정된 형상으로의 성형 이후, 회전 없이 열을 가해 상기 리플로우 가능 물질을 2차 형상으로 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 가열하는 단계와 상기 회전시키는 단계는 함께 수행되거나 개별적으로 수행될 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 방법은, 상기 기 설정된 3차원 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 몰드로 이용하여, 신경 전극을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 방법은, 상기 기 설정된 3차원 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 몰드로 이용하여, 약물 전달 용 바늘을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 실시 예의 방법에 따라 마이크로 렌즈를 제조하는 방법은, 상기 기 설정된 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질이 비정질 고체이며, 상기 비정질 고체가 마이크로 렌즈가 될 수 있다.

한편, 본 실시 예의 방법에 따라 솔더 범프를 형성하는 방법은, 상기 기 설정된 형상으로 형성된 리플로우 가능 물질이 용융가능한 합금이며, 상기 용융가능한 합금이 솔더 범프가 될 수 있다.

상술한 3차원 구조 제조방법에 따르면, 종래의 리플로우 방법에 원심력 만을 적용하는 간단한 방법으로도 다양한 형상의 3차원 미세 구조를 제조할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 리플로우 방법과, 본 발명에 따른 리플로우에 원심력을 적용한 방법을 비교 설명하기 위한 도면,
도 2 내지 도 3은 리플로우 가능 물질의 높이를 늘리는 방향으로 원심력을 작용하는 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위한 도면,
도 4은 내지 도 5는 리플로우 가능 물질의 높이를 줄이는 방향으로 원심력을 작용하는 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위한 도면,
도 6은 리플로우 가능 물질의 높이를 늘리는 방향으로 원심력을 작용하며 각도를 달리한 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면,
도 7은 1차 성형 후 2차 성형을 하는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면,
도 8 내지 도 10은 본 발명의 방법에 따라 실제로 성형한 리플로우 가능 물질의 사진,
도 11은 신경 전극을 제조하는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면, 그리고
도 12는 약물 전달 용 바늘을 제조하는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예들에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 실시 예이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이고, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

본 명세서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.

첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조 번호 또는 부호를 사용하여 설명한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소를 모두 도시되어 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안 된다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한되어서는 안 된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 구성, 단계가 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 구성, 단계의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 기존의 리플로우 방식에 원심력을 결합하여 3차원 미세 구조를 제조하는 방법에 대한 것으로, 여기서 3차원 미세 구조란 나노미터 단위, 마이크로미터 단위를 갖는 구조로서, 본 발명은 예컨대 신체 이식을 위한 신경 전극, 마이크로렌즈, 약물전달 바늘, 솔더 범프 등의 미세 구조를 제조하는데 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 가열에 의한 리플로우(Reflow) 방법과 본 발명에 따라 리플로우와 함께 원심력이 적용된 방법을 비교 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 리플로우 방법은, 리플로우 가능 물질(110), 예컨대 포토레지스트를 포토 리소그래피를 통해 기판(100) 상에 패턴을 형성하고, 패턴을 가열하여 리플로우시키면 단단했던 패턴이 녹으면서 유동성을 갖게 되고, 이 때 표면장력으로 인하여 점차 둥글게 변해 마침내는 반구의 형상으로 변하게 되고 이를 다시 식혀서 굳히는 방식이다.

종래의 리플로우 방법에서 최종 형상을 결정하는 조건들에는 초기 패턴, 패턴의 높이, 젖음성(wettability), 온도, 압력, 공정 시간 등이 있지만, 이 조건들을 어떻게 조합하더라도 패턴의 최종 형상을 다양하게 조절하지는 못했는데, 이는 형상 변화에 있어 단 한 종류의 힘, 즉, 표면장력에만 의존하였기 때문이다. 따라서 공정 조건들을 달리하더라도 더 둥글둥글해지냐 덜 둥글둥글해지냐 정도와 기판과의 접촉 각 정도만 조절할 수 있을 뿐 제작 가능한 형상에 제한이 있었다.

본 발명은 종래의 리플로우 방법에 원심력을 추가하여 보다 다양한 형상 구현을 가능케 한다. 도 1을 참고하면, 패터닝된 리플로우 가능 물질(110)를 가열하여 유동성을 갖게 하고, 원심력을 가하면, 원심력의 방향으로 리플로우 가능 물질(110)의 높이가 늘어나거나 줄어들어 다양한 형상의 제작이 가능해진다. 여기서 원심력의 크기뿐만 아니라 방향도 조절하여 더 다양한 형상의 제작이 가능하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 리플로우 가능 물질로는, 열을 가하기 전에는 단단하나, 열을 가하면 유동성을 갖게 되는 물질이라면 어느 것이든 가능하다. 예를 들어, 리플로우 가능한 포토레지스트, 열가소성 플라스틱, 유리전이 온도를 갖는 비정질 고체, 용융가능한 합금 등이 사용될 수 있다. 참고로, 포토레지스트 중에서는 가교 결합하는 포토레지스트는 리플로우가 불가하나 대부분의 포지티브 포토레지스트는 리플로우가 가능하다. 이러한 리플로우 가능 물질을 포토리소그래피, 소프트 리소그래피, 임프린트 리소그래피, 전자빔 리소그래피 등의 방법으로 기판 상에 패터닝할 수 있다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 제조 방법의 다양한 예시들을 설명하기 위한 것으로, 도 2 내지 도 3은 리플로우 가능 물질의 높이가 늘어나도록 원심력을 가하는 예시를 설명하기 위한 도면이며, 도 4 내지 도 5는 리플로우 가능 물질의 높이가 줄어들도록 원심력을 가하는 예시이다.

도 2는 단면도를 나타낸 것으로, 먼저 도 2의 (a)를 참고하면, 기판(100) 상에 리플로우 가능 물질(110)을 패터닝한다. 예컨대, 포토리소그래피, 소프트 리소그래피, 임프린트 리소그래피, 전자빔 리소그래피 등과 같은 종래 기술을 이용하여 기판(100) 상에 리플로우 가능 물질(110)을 패터닝할 수 있다. 도 2의 (a)에선 사각 기둥 형태로 리플로우 가능 물질(110)을 패터닝한 것을 도시하였으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니고, 초기에 패터닝되는 리플로우 가능 물질(110)의 형태(높이, 너비, 평면에서 바라본 모양 등)는 목적하는 완성 형태에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

이후, 리플로우 가능 물질(110)에 열을 가하게 되면 딱딱하던 리플로우 가능 물질(110)이 부드러워 지면서 유동성을 갖게 된다. 리플로우 가능 물질(110)에 열을 가하는 장치에는 제한이 없으며, 예컨대 히트건, 오븐, 핫플레이트 등을 사용하여 열을 가할 수 있다. 유동성을 가진 리플로우 가능 물질(110)의 높이가 늘어나는 방향으로 원심력을 가하면, 도 2의 (b) 내지 (d)에 도시한 바와 같이 원심력의 방향에 따라 점차 높이가 늘어나며 윗부분이 점점 뾰족한 형상을 갖게 되고, 이후 열을 식혀 다시 굳히면 변형된 형상을 얻을 수 있다.

열과 원심력을 적용하는 순서에는 특별한 제한이 없이 없으며, 열과 원심력은 동시에 적용되거나 개별적으로 적용될 수 있다. 예컨대, 열을 가한 후에 원심력을 주거나, 원심력을 먼저 준 상태에서 열을 가하거나, 또는 열과 원심력의 적용을 동시에 시작하는 것 등 모든 것이 본 발명의 실시 예들에 속할 수 있다.

이와 같은 성형의 메커니즘에 대해 설명하자면, 꿀과 같은 특정 점도의 액체가 중력 하에서 방울로 떨어지는 것들을 관찰했을 때 본 발명으로 제작한 형상과 유사하다. 이러한 방울의 특징적인 모양은 꿀의 표면장력과 중력의 상호작용에 의해 결정된다. 꿀이 떨어지는 방울의 크기는 대게 비슷한데, 중력의 크기가 1G로 일정하기 때문이다. 중력 없이 표면장력만 있다면 구형의 방울로 정지해 있을 것이며, 중력이 표면장력을 극복할 만큼 강하다면 방울로 떨어진다. 즉, 표면장력과 중력의 상대적인 우세에 따라 방울이 떨어질지 맺혀 있을지가 결정된다. 방울의 크기가 작을 수록 표면장력이 우세 해지기 때문에, 방울이 떨어지기 위해서는 중력만으로 부족하다. 따라서 수십 마이크로미터 사이즈의 액체 상태의 리플로우 가능 물질 방울을 떨어뜨리기 위해서는 중력의 수천 배에 상응하는 원심력(중력과 마찬가지로 body force)을 인공적으로 가해주면 된다. 이 상황에서 리플로우 가능 물질 방울은 점점 늘어지다가 방울이 떨어지며 바늘 형상 또는 매우 긴 섬모 형상이 된다. 원하는 시점에 포토레지스트의 온도를 식히면 그 형상으로 굳어지게 된다.

리플로우 가능 물질(110)이 늘어나는 방향으로 원심력을 가하기 위한 방법의 일 예시를 도 3을 참고하여 설명하도록 한다. 도 3을 참고하면, 리플로우 가능 물질(110)이 패터닝된 기판(100)을 회전체(200)에 부착하고 열을 가한다.

도 3에서 도시된 리플로우 가능 물질(110)은 이해를 돕기 위해 확대 도시한 것이나 실제로는 나노미터 또는 마이크로미터 사이즈이다.

구체적으로, 리플로우 가능 물질(110)이 회전체(200)의 중심의 반대쪽을 바라보도록 기판(100)을 회전체(200)의 가장자리에 부착하고, 회전체(200)를 회전시키면 리플로우 가능 물질(110)이 늘어나는 방향으로 원심력을 줄 수 있다.

리플로우 가능 물질(110)에 가해지는 열량, 회전체(200)의 회전 속도, 회전 시간, 회전체(200)의 중심축으로부터 기판(100)의 거리 등의 조건을 달리하여 다양한 형상으로 성형할 수 있다.

회전체(200)는 제어된 속도로 회전이 가능한 장치이면 어떠한 것이든 가능하며, 예컨대 회전체(200)로는 스핀코터, 원심분리기, 자동차 바퀴, 선풍기, CNC 선반 등을 사용할 수 있다.

한편, 열을 가하는 장치와 회전 장치는 별도의 장치이거나 일체로 형성될 수도 있다.

기판(100)을 회전체(200)에 부착하는 방식에는 제한이 없으며, 예컨대 접착제를 통해 회전체(200)에 부착되거나, 기판(100)과 회전체(200) 간의 체결 구조가 마련되어 있을 수 있다.

도 2 내지 도 3은 회전체(200)의 중심에 대하여 리플로우 가능 물질(110)이 형성된 기판(100)의 면이 향하는 방향이 회전체(200)의 중심과 대향하는(opposite) 방향이었다면, 도 4 내지 도 5는 리플로우 가능 물질의 높이가 줄어들도록 원심력을 가하는 예시로서, 도 5에서 회전체(200')의 중심에 대하여 리플로우 가능 물질(110)이 형성된 기판(100)의 면이 향하는 방향이 회전체(200')의 중심을 향하는 경우이다. 도 4 내지 도 5에 대한 설명에 있어서, 도 2 내지 도 3에서의 설명과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.

도 4를 참고하면, 먼저, 도 2를 통해 설명한 것처럼 기판(100) 상에 리플로우 가능 물질(110)을 패터닝한다. 그리고 리플로우 가능 물질(110)에 열을 가하게 되면 딱딱하던 리플로우 가능 물질(110)이 부드러워 지면서 유동성을 갖게 된다.

유동성을 가진 리플로우 가능 물질(110)의 높이가 줄어드는 방향으로 원심력을 가하면, 도 4의 (b) 내지 (d)에 도시한 바와 같이 원심력의 방향에 따라 높이가 줄어들면서 옆으로 점점 퍼지게 되고, 이후 열을 식혀 다시 굳히면 변형된 형상을 얻을 수 있다.

리플로우 가능 물질(110)의 높이가 줄어드는 방향으로 원심력을 가하기 위한 방법의 일 예시를 도 5를 참고하여 설명하도록 한다.

도 5를 참고하면, 리플로우 가능 물질(110)이 패터닝된 기판(100)을 회전체(200')에 부착하고 열을 가한다.

구체적으로, 리플로우 가능 물질(110)이 회전체(200')의 중심 쪽을 바라보도록 기판(100)을 회전체(200')의 안쪽에 부착하고 회전체(200')를 회전시키면 리플로우 가능 물질(110)의 높이가 줄어드는 방향으로 원심력을 줄 수 있다. 리플로우 가능 물질(110)에 가해지는 열량, 회전체(200')의 회전 속도, 회전 시간, 회전체(200')의 중심축으로부터 기판(100)의 거리 등의 조건을 달리하여 다양한 형상으로 성형할 수 있다.

본 실시 예들에서 원심력 적용과 관련한 공식은 다음과 같다.

원심력 =

: 질량

: 각속도

: 반지름

상대 원심력 =

: 각속도(RPM)

: 반지름(mm)

도 2 내지 도 5에선 리플로우 가능 물질(110)의 높이가 수직으로 늘어나거나 줄어들도록 기판(100)을 회전 중심축과 평행하게 부착한 예들에 대해서 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이 리플로우 가능 물질(110)이 비스듬한 방향으로 늘어나거나 혹은 줄어들도록 성형하기 위해 기판(100)의 회전체(200, 200')에의 부착 각도를 다르게 조정하는 것도 가능하다.

본 개시의 또 다른 실시 예에 따르면, 가열 및 원심력 조건을 달리하여, 1차 성형 이후 2차, 3차 성형을 하는 것이 가능하다.

도 7은 1차 성형 이후 2차 성형하는 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7을 참고하면, 리플로우 가능 물질(110)에 윗방향으로 원심력을 준 상태로 열을 가해 얇은 바늘 형상으로 1차 성형하고, 식혀서 굳힌 후, 원심력 없이 다시 열을 가하면, 아랫 부분이 두꺼운 가시 형상으로 2차 성형할 수 있다. 이와 같이 여러 차례 성형 단계를 거침으로써 더 다양한 형상으로 성형이 가능하다.

한편, 본 발명자들이 실제 실험해본 실험 조건은 다음과 같다:

포토레지스트 40XT-11D 를 58 ㎛의 두께로 기판 상에 패터닝하고, 기판을 스핀코터 척(척의 반지름 50mm)의 옆면에 부착해 포토레지스트가 늘어나는 방향으로 원심력을 받도록 9000RPM으로 회전시키며 히트건으로 630℃로 5~10초동안 열을 가하였다. 이와 같은 실험 조건은 일 예에 불과할 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 8 내지 도 10는 본 발명의 방법에 따라 실제로 성형한 리플로우 가능 물질을 보여주는 사진이다. 도 8은 버섯 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 보여주며, 도 9는 바늘 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 보여주는 것이다. 한편, 도 10은 가열이 균일하지 않은 경우를 보여주는 것으로, 이처럼, 하나의 기판 내에서 영역별로 다른 온도로 가열하여 영역별로 리플로우 가능 물질을 서로 다른 형상으로 성형하는 것도 가능하다.

상술한 바와 같이 성형된 리플로우 가능 물질을 이용하여, 신경계와 상호작용하기 위한 신경 전극을 제조할 수 있다. 신경 전극 분야에서는, 신경 전극을 조직에 찔러 넣거나, 접촉시켜 타겟 세포와의 거리를 최소화하기 위한 형상 구현을 위한 연구가 진행되어 왔다. 본 발명의 방법에 따라, 예컨대, 뇌 피질에 찔러 넣기 위한 바늘 형상의 전극, 망막에 더 잘 접촉하기 위한 버섯 형상의 신경 전극을 제조할 수 있으며, 이 밖에도 적용 부위에 따라 다양한 형상 제작이 가능하다.

도 11은 버섯 형상의 신경 전극을 제조하는 일 실시 예를 설명하기 위한 도면으로, 단면도를 나타낸다.

먼저, 도 11의 (a)를 참고하면, 기판(100) 상에 희생층(120)을 마련한다. 희생층(120)은, 기판(100)과 리플로우 가능 물질(110) 및 제1 폴리머 층(130) 사이에 형성되며, 선택적으로 제거가 가능하여 리플로우 가능 물질(110) 및 제1 폴리머 층(130)으로부터 기판(100)이 분리되도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 희생층(120)으로는 물이나 아세톤, 톨루엔과 같은 유기용매에만 선택적으로 용해되는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS) 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 기판(100)은 예컨대, 실리콘 기판일 수 있고, 희생층(120)은 티타늄(Ti)이 증착된 층일 수 있으며 그 두께는 약 50nm일 수 있다.

그리고 희생층(120) 상에 리플로우 가능 물질(110)을 패터닝한다. 여기서 리플로우 가능 물질(110)은 포토레지스트일 수 있고, 마스크를 이용한 포토레지스트의 노광을 통해 패터닝될 수 있다.

다음으로, 도 11의 (b)를 참고하면, 앞서 설명한 본 발명의 방법에 따라 리플로우 가능 물질(110)을 가열하고 원심력을 적용하여 리플로우 가능 물질(110)을 기 설정된 형상, 본 예시에선 버섯 형상으로 성형할 수 있다. 본 실시 예는 리플로우 가능 물질(110)을 가열하여 유동성을 갖게 하고, 리플로우 가능 물질(110)이 늘어나는 방향으로 원심력을 작용한 경우이다.

그리고 리플로우 가능 물질(110) 위에 제1 폴리머 층(130)을 예컨대 컨포멀(conformal) 코팅 방식으로 적용할 수 있다. 컨포멀 코팅은 코팅 대상체의 윤곽을 따라 폴리머 필름을 코팅하는 방식으로서, 제1 폴리머 층(130)은 패럴린(parylene), 아크릴, 실리콘, 우레탄 등일 수 있다. 특히, 패럴린은 파라크실렌 중합으로 획득되는 플라스틱으로써 인체에 무해하여 신경 전극에의 적용에 바람직하다.

제1 폴리머 층(130)은 나노미터(nm) 두께 단위 또는 마이크로미터(㎛) 두께 단위로 증착, 고분자 코팅될 수 있다. 일 예로, 제1 폴리머 층(130)은 약 3㎛의 패럴린일 수 있다. 제1 폴리머 층(130)은 이에 한정되는 것은 아니고, 인체에 무해하며 마이크로미터(㎛) 또는 나노미터(nm) 단위의 두께로 코팅층 형성이 가능한 소재는 모두 이용될 수 있다.

그리고 제1 폴리머 층(130) 위에 금속층(140)을 형성한다. 금속층(140)은 기 설정된 패턴을 가질 수 있다(도선 및 전극 역할을 함). 금속층(140)은 금(Au), 크롬(Cr), 백금(Pt), 이리듐(Ir) 및 산화이리듐(IrOx)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 금속층(140)은 예컨대 Cr(25nm)/Au(200nm)로 구성될 수 있다. 금속층(140)은 제1 폴리머 층(130) 표면 상에 증착되어 형성될 수 있으며, 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정에 의해 증착될 수 있고, 증착 후 식각 또는 리프트 오프(Lift-off) 방식을 통해 금속층(140)의 패턴을 형성할 수 있다.

다음으로, 도 11의 (c)를 참고하면, 금속층(140)과 제1 폴리머 층(130) 상에 제2 폴리머 층(150)을 형성할 수 있다. 제2 폴리머 층(150)도 제1 폴리머 층(130)과 마찬가지의 물질로 형성될 수 있다. 제1 폴리머 층(130) 또는 제2폴리머 층(150) 중 선택되는 하나 이상의 층은 증착으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 폴리머 층(130) 또는 제2폴리머 층(150) 중 선택되는 하나 이상의 층은 화학 증착에 의해 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 폴리머 층(130)과 제2 폴리머 층(150)은 모두 패럴린일 수 있다. 각각의 층이 패럴린(parylene)으로 형성되는 경우, 패럴린 코팅(Parylene Coating) 장비를 이용하여 각각의 층을 화학 증착 시킴으로써, 각각의 층이 형성될 수 있다.

그리고 제2 폴리머 층(150) 위에 제2 폴리머 층(150)을 식각하기 위한 마스크 층(160)을 형성한다. 마스크 층(160)은 포토리소그래피를 이용하여 패턴이 형성된 포토레지스트 층일 수 있다.

다음으로 도 11의 (d)를 참고하면, 마스크 층(160)의 개구 된(opened) 영역을 식각하여 기 설정된 영역의 금속층(140)을 노출시킬 수 있다. 여기서 식각은 미세 패터닝이 가능한 건식 식각이 이용될 수 있으며, 예컨대 RIE(Reactive Ion Etching)을 이용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 습식 식각이 이용될 수도 있다.

제1 영역(141)은 전극부가 되며, 제2 영역(143)은 커넥팅 패드부가 될 수 있다. 제1 영역(141)은 대상체와 접촉하는 부분으로, 신경 신호를 읽어내거나, 외부의 전기적 신호를 신경세포에 전달하는 것을 가능하도록 한다. 제2 영역(143)은 제1 영역(141)으로부터 감지된 신경 신호를 외부 회로로 전달하거나, 외부 회로로부터의 전기 자극을 제1 영역(141)을 통해 대상체에 전달하도록, 외부 회로와 전기적으로 접속하는 기능을 한다.

다음으로 도 11의 (e)를 참고하면, 희생층(120)을 제거하여 기판(100)을 분리한다. 희생층(120)은 희생층(120)을 선택적으로 용해시키는 유기용매를 이용하여 제거할 수 있다.

다음으로 도 11의 (f)를 참고하면, 리플로우 가능 물질(110)을 제거하여 신경 전극을 완성할 수 있다. 리플로우 가능 물질(110)은 딱딱하고 잘 부서질 수 있고, 신경에 적용 시 독성이 있을 수 있기 때문에 제거가 바람직하다.

도 11에 도시되지 않았지만, 리플로우 가능 물질(110) 제거 이후, 그 빈 공간에 엘라스토머를 채워 넣어 전극의 유연성 및 기계적 안정성을 확보할 수도 있다. 한편, 적용 예에 따라서는 리플로우 가능 물질(110)의 제거가 반드시 필요하지 않을 수도 있다. 전극부(141)는 신경에 접하게 되고, 커넥팅 패드부(143)는 외부 장치(신경 자극기)에 연결될 수 있다.

상기와 같은 방법에 따라 제작된 본 개시의 일 실시 예에 따른 신경 전극의 구성을 설명하자면, 고분자 물질로 형성되고 유연하며 베이스 기능을 수행하는 제1 폴리머 층(130); 제1 폴리머 층(130) 상에 형성되는 금속층(140); 대상체와 접촉하는 전극부로 기능하는 제1 영역(141)과 커넥팅 패드부로 기능하는 제2 영역(143)에서 금속층(140)이 노출되도록 하며, 나머지 금속층(140)을 커버하는 제2 폴리머 층(150);을 포함할 수 있다. 여기서 제1 영역(141)에 대응하는 부분의 제1 폴리머 층(130), 금속층(140) 및 제2 폴리머 층(150)은 대상체에 용이하게 밀착되거나 대상체에 침습이 가능하도록, 내부 공간을 가진 돌출 형상을 가지며, 여기서 내부 공간은 비어 있거나, 엘라스토머로 채워질 수 있다.

도 11에선 단순화를 위해 하나의 전극 만을 도시하였으나, 본 방법에 의해 전극의 어레이를 제작할 수 있다. 또한, 버섯 형상의 전극을 제조하는 예를 설명하였으나, 리플로우 가능 물질의 높이를 줄이는 방향으로 원심력을 가하여 옆으로 더 평평한 전극을 제작할 수도 있고, 조직 내로 침습을 위해 바늘 형상의 전극을 제조하는 것도 가능하다.

도 12은 본 발명의 방법의 또 다른 적용 예를 설명하기 위한 것으로, 리플로우 가능 물질(110)을 바늘 형상으로 성형하여, 약물 주입 용 미세 바늘을 제작하는 예를 설명하기 위한 것이다. 도 12에선 단순화를 위해 하나의 바늘 만을 도시하였으나, 본 방법에 의해 바늘의 어레이를 제작할 수 있다.

미세 바늘은 고통 없이 환자의 복용편의성이 우수하며 약물 전달을 위해 수백 마이크로미터 길이 이내의 미세바늘들을 포함하는 경피 약물 전달 시스템이다.

먼저 도 12의 (a)를 참고하면, 리플로우 가능 물질(110)을 리플로우법 및 원심력을 적용하여 성형하고, 성형된 리플로우 가능 물질(110) 상에 바늘 물질(170)을 형성한다. 바늘 물질(170)은, 금속, 실리콘, 고분자 폴리머 등이 될 수 있다. 이후, 도 12의 (b)를 참고하면, 도 11에서 설명한 바와 같이 희생층(120)을 통해 기판(100)을 분리하고, 리플로우 가능 물질(110)을 제거한다. 그리고 도 12의 (c)에 도시된 바와 같이, 윗부분을 일부 제거하여 약물 주입 구멍(171)을 만들어 약물 주입 용 미세 바늘(170')을 완성할 수 있다.

한편, 미세 바늘의 종류에는, 상술한 실시 예에서와 같이 약물 주입 구멍(171)을 통해 약물을 전달하는 바늘이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 코팅 마이크로 니들, 용해 마이크로니들 등에도 본 발명의 제조 방법이 이용될 수 있다. 코팅 마이크로 니들은 약물이 함유된 코팅액으로 바늘을 코팅하여 바늘이 피부에 적용된 이후 코팅된 약물을 피부로 전달하는 방식이다. 용해 마이크로니들은 바늘이 수용성 매트릭스로 이루어져 있고 매트릭스 안에 약물이 봉입된 상태로 있고, 이를 피부에 적용했을 때 매트릭스 내 약물이 피부에서 방출되는 방식이다. 코팅 마이크로 니들 또는 용해 마이크로 니들의 제작은, 약물 주입 구멍(171)을 마련할 필요가 없으므로, 도 12의 (b) 단계에서 제조 과정이 종료될 수 있고, 또는 리플로우 가능 물질(110)을 제거하지 않아도 된다. 용해 마이크로니들의 경우에는 특히 매트릭스 구조를 갖는 폴리머를 바늘 물질(170)로 사용하여 제작할 수 있다.

한편, 도 11과 도 12에선 성형된 리플로우 가능 물질(110)을 몰드로 하여, 최종적으로는 리플로우 가능 물질(110)를 제거하여 미세 구조를 제조하는 예들을 설명하였으나, 리플로우 가능 물질(110) 자체가 목적하는 미세 구조가 될 수도 있다. 예컨대, 리플로우 가능 물질(110)을 본 발명의 방법에 따라 성형하여 마이크로 렌즈를 제작할 수도 있다. 마이크로렌즈 제작의 종래 방식에 따르면 정밀한 형상과 접촉 각의 제어가 힘들었으나, 본 발명을 적용하면 정밀한 형상 제어 및 접촉각의 제어가 가능해진다. 또한, 높은 종횡비를 갖는 솔더 범프를 형성할 수 있다. 종래의 플립 칩 본딩 기술에 따르면 솔더 범프의 정밀한 형상과 높이 제어가 힘들었으나, 본 발명을 적용하면 높은 솔더 범프의 형성이 가능하여 열팽창에 대한 안정성이 우수해진다.

상술한 적용 예시들 이외에도, 다양한 미세 구조 제작에 본 발명의 방법이 이용될 수 있다.

본 발명은 종래의 리플로우 방식의 장점(경제적, 간단, 표면 거칠기 우수)을 살리며, 원심력을 적용함으로써 종래의 리플로우 방식이 갖는 한계(정밀한 형상 제어 불가능)를 극복할 수 있다. 또한 기존 방식에 원심력만 더 적용하는 간단한 방법으로 다양한 형상의 미세 구조를 형성할 수 있다는 점에서도 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100: 기판
110: 리플로우 가능 물질

Claims (11)

1. 3차원 미세 구조를 형성하기 위한 방법에 있어서,
   기판 상에 리플로우 가능 물질을 패터닝하는 단계;
   상기 패터닝된 리플로우 가능 물질이 유동성을 가져 리플로우되도록 가열하는 단계; 및
   상기 유동성을 가진 리플로우 가능 물질을 원심력에 의해 기 설정된 형상으로 성형하기 위해, 상기 기판을 회전체에 부착시켜 상기 회전체를 회전시키는 단계;를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전시키는 단계는,
   상기 회전체의 중심에 대하여 상기 리플로우 가능 물질이 형성된 상기 기판의 면이 향하는 방향, 상기 회전체의 중심축에 대한 상기 기판의 부착 각도, 상기 회전체의 회전 속도 및 상기 회전체의 중심축으로부터 상기 기판의 거리 중 적어도 하나에 기초하여 상기 원심력을 조절하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 리플로우 가능 물질은,
   리플로우 가능한 포토레지스트, 열가소성 플라스틱, 유리전이 온도를 갖는 비정질 고체, 또는 용융가능한 합금인, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 패터닝 하는 단계는,
   포토리소그래피, 소프트 리소그래피, 임프린트 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피의 방법으로 패터닝 하는, 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전시키는 단계는,
   상기 기판 상의 상기 리플로우 가능 물질이 반구 형상, 물방울 형상, 버섯 형상, 섬모 형상 또는 바늘 형상으로 성형되도록 상기 회전체를 회전시키는, 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 회전에 의해 상기 기 설정된 형상으로의 성형 이후, 회전 없이 열을 가해 상기 리플로우 가능 물질을 2차 형상으로 성형하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 가열하는 단계와 상기 회전시키는 단계는 함께 수행되거나 개별적으로 수행되는, 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 기 설정된 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 몰드로 이용하여, 신경 전극을 제조하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 기 설정된 형상으로 성형된 리플로우 가능 물질을 몰드로 이용하여, 약물 전달 용 바늘을 제조하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
10. 제1항의 방법에 따라 마이크로 렌즈를 제조하는 방법으로서, 상기 기 설정된 형상으로 성형된 리플로우 가능 폴리머가 비정질 고체이며, 상기 비정질 고체가 마이크로 렌즈가 되는, 방법.
11. 제1항의 방법에 따라 솔더 범프를 형성하는 방법으로서, 상기 기 설정된 형상으로 성형된 리플로우 가능 폴리머가 용융가능한 합금이며, 상기 용융가능한 합금이 솔더 범프가 되는, 방법.

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