KR100451433B1 - 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물과 그 성형틀 제조방법 - Google Patents

리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물과 그 성형틀 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물과 그 성형틀 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판 상부에 X-선 감광제를 접합하고, X-선 투과층 상부에 삼각 산맥 구조물의 영역을 정의하는 X-선을 흡수하는 물질로 이루어진 마스크 패턴을 형성하고, X-선 감광제와 마스크 패턴을 밀착시키고 X-선 투과층에 서로 다른 입사방향의 경사진 각도로 2번 노광을 실시하고, X-선 노광을 한 뒤에 X-선 마스크와 감광제를 분리한 후 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하고, X-선 감광제 상부에 시드층을 형성하고 금속층을 두껍게 형성한 후에, 삼각 산맥 구조물 패턴 및 기판을 모두 제거하여 삼각 산맥의 피크 끝 부분이 날카로운 미세 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 제작할 수 있다. 그리고, 본 발명은 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 연성의 성형물질을 붓고 이를 성형한 후에, 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 항력을 효율적으로 감쇠시키면서 곡면 등에도 적용할 수 있는 피크가 날카로운 유연한 미세 삼각 산맥 구조물을 제조한다. 또한 금속 물질로 제조된 성형틀은 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정 등의 금형 공정에 사용할 수 있으므로 금형 공정들을 통해 미세 삼각 산맥 구조물의 대량생산도 가능하다.

Description

리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물과 그 성형틀 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING TRIANGULAR RIBLET AND THE MOLD BY USING LIGA PROCESS}
본 발명은 미세 골 구조물의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 리가(LIGA :LIthographie, Galvanoformung, Abformung) 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물과 그 성형틀 제조방법에 관한 것이다.
현재 미세한 골 구조물의 항력 감소에 대한 연구와 시뮬레이션은 많이 연구되고 있다. 미세한 골 구조물을 지나는 유동은 평평한 곳을 지날 때보다 전단 응력이 적어져 항력이 감소한다. 따라서 미세 골 구조물이 운송체의 표면에 있으면 연료를 절약할 수 있고 유체가 흐르는 관이나 판에 이러한 형상이 있으면 유체의 흐름이 좋아진다.
이러한 연구들은 대부분 금속을 절삭하여 mm단위의 골 구조물을 만들어 실험한 것들인데 실제 상황에 적용할 때에는 그 크기가 수십∼수백 ㎛단위이어야 한다. ㎛단위의 골 구조물 제작 기술에 대해서는 Francis J. Marentic 등에 의해 1992년 6월 28일에 허여된 미국특허 5,133,516호의 "DRAG REDUCTION ARTICLE"에 게재되어 있다. 이 특허에서는 미세한 골 구조물을 삼각 산맥형태로 제작한 기술이 언급되어 있는데, 실린더형 성형틀을 이용하여 일반적인 플라스틱 성형 방법으로 유연한 삼각 산맥 구조물을 제작하였다.
도 1은 삼각 산맥 구조물을 나타낸 도면으로서, 도 1을 참조하면 삼각 산맥의 패턴을 갖는 구조물(34)은 적어도 두개 이상의 삼각 산맥 피크(34a)와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기(34b)가 있고 이들 삼각 산맥 피크(34a)와 골짜기(34b)는 병렬로 배치되어 있다.
그런데, 골 구조물의 피크 크기는 유체의 속도가 빠를수록 감소하는 경향이 있어서 비행기와 같이 빠르게 움직이는 물체에 적용하고자 할 때에는 피크의 높이를 수십 마이크론 단위로 하고 피크의 형태를 날카롭게 해야 유체의 항력이 효율적으로 감소된다고 알려져 있다.
그러나, 상술한 삼각 산맥 형태의 미세 골 구조물은 산맥 피크가 뭉뚝하기 때문에 유동의 항력을 효율적으로 줄일 수 없다. 또한 성형 틀의 제작방법에 대해서 3M사의 특허에서는 언급되지 않았으며 통상적으로는 절삭을 통하여 제작하는 바, 이러한 절삭 방법으로는 산맥의 피크 크기를 수십 ㎛이하로 가공하는데 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 2번의 경사 노광을 실시하는 리가 공정을 이용하여 미세하고 삼각 산맥의 피크 끝 부분이 날카로운 성형틀을 제작하는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 연성 물질을 이용하여 미세하고 날카로운 삼각 산맥 구조물을 성형하거나, 금속 물질로 이루어진 성형틀을 금형으로 이용한 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정의 공정을 실시하여 삼각 산맥 구조물을 대량 생산할 수 있는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법에 있어서, 기판 상부에 X-선 감광제를 접합하는 단계와, X-선 투과층 상부에 삼각 산맥 구조물의 영역을 정의하기 위하여X-선을 흡수하는 물질로 마스크 패턴을 형성하는 단계와, X-선 감광제와 마스크 패턴을 밀착시키고 X-선 투과층에 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광을 실시하는 단계와, 마스크 패턴 및 X-선 투과층을 분리하고 노광된 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하는 단계와, 삼각 산맥 구조물 패턴이 형성된 기판 상부에 금속층을 두껍게 형성하는 단계와, 삼각 산맥 구조물 패턴 및 기판을 모두 제거하여 금속층으로 이루어진 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서, 기판 상부에 X-선 감광제를 접합하고 X-선 감광제와 X-선 마스크를 밀착시키고 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광 공정을 실시하고 X-선 마스크를 분리하고 노광된 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하고 그 위에 금속층을 두껍게 형성한 후에, 기판 및 삼각 산맥 구조물 패턴을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계와, 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 성형물질을 붓고 이를 성형하는 단계와, 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 방법은 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서, 기판 상부에 X-선감광제를 접합하고 X-선 감광제와 X-선 마스크를 밀착시키고 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광 공정을 실시하고 X-선 마스크를 분리하고 노광된 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하고 그 위에 금속층을 두껍게 형성한 후에, 기판 및 삼각 산맥 구조물 패턴을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계와, 성형틀을 금형으로 이용하는 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시하여 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
도 1은 삼각 산맥 구조물을 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 및 그 구조물 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : PMMA 시트 12 : 액상 PMMA
14 : 접착층 18 : 기판
20 : X-선 투과층 26 : X-선 마스크 패턴
28 : 노광된 PMMA 영역 28a, 28 : PMMA 삼각산맥
30 : 시드층 32' : 성형틀
34 : 삼각 산맥 구조물 34a : 삼각 산맥
34b : 골짜기
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 및 그 구조물 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다. 한편, 본 발명에 사용된 리가 공정(LIGA : LIthographie, Galvanoformung, Abformung)이란 독일 칼수루에(Kalsruhe) 원자핵연구소에서 우라늄 동위원소를 분리하기 위해 슬롯 노즐(Slot nozzle)을 제작하는 과정에서 처음으로 개발되었던 공정으로 방사광을 이용해 상대적으로 두꺼운 X-선 감광재에 필요한 패턴을 노광, 현상한 후 도금, 몰딩을 통해 3차원 구조체를 제작할 수 있는 기술이다.
먼저, 도 2a 내지 도 2i를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조 방법에 대해 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(18)으로서 실리콘 기판 상부에 이후 형성될성형 물질인 PMMA(Poly-Methyl MethAcrylate)의 접착력을 좋게 하기 위하여 접착층(14)을 형성한다. 이때 접착층(14)은 예를 들면, 감광 물질 중의 하나인 S1805(상품명)를 아세톤에 1:10으로 희석하여 약 3000rpm에서 40초동안 회전 도포한 후에 90℃에서 100초간 열처리해서 형성한다.
그 다음 접착층(14) 상부에 X-선 감광제로서 PMMA 시트(10)를 접합한다. 접합을 위해서 액상 PMMA(12)를 회전 도포한 후에 180℃에서 1시간동안 열처리하고 PMMA 시트(10)와 열처리된 액상 PMMA(12) 사이에 MMA(Methyl MethAcrylate)를 주입하고, PMMA 시트(10)에 약 1kg 정도의 중량을 30분 정도 가하여 PMMA 시트(10)를 기판(18)에 접합한다. 접합된 PMMA 시트(10)를 원하는 두께로 가공(lapping)하고 수백 Å정도의 거칠기를 갖는 경면으로 연마(polishing)한다.
이어서 도 2b에 도시된 바와 같이, X-선 투과층(20)인 흑연(graphite) 상부에 이후 형성할 X-선 흡수 물질, 예를 들어 금(Au)을 전기 도금하기 위한 시드층(22)을 형성한다. 예를 들면, 시드층(22)으로서 크롬/금(Cr/Au)을 열 증발기를 통하여 각각 500Å, 2000Å정도 증착한다. 그리고 시드층(22) 상부에 자외선 감광막(24)을 도금할 금(Au)의 두께보다 두껍게 형성하고 자외선 마스크를 이용하여 자외선(UV)에 감광막을 노광시키고 현상하여 삼각 산맥 구조물의 영역을 정의하는 자외선 감광막 패턴(24)을 형성한다.
그 다음 도 2c에 도시된 바와 같이, 금(Au) 전기 도금하여 감광막 패턴(24) 사이를 채워 X-선 마스크 패턴(26)을 형성한다.
그리고 도 2d에 도시된 바와 같이, 자외선 감광막 패턴(24)을 유기 용매로제거한다. 이로써 X-선 투과층(20) 상부에는 X-선 노광을 위한 마스크 패턴(26)만 남게 된다.
이어서 도 2e에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(18) 상부의 PMMA 시트(10)와 X-선 마스크 패턴(26)이 접하도록 밀착시키고 X-선 노광 공정을 진행한다. 이때 X-선 노광은 방사광 가속기에서 나오는 X-선이 입사되는 각도가 경사(예컨대 68.2°)를 갖도록 조절하고 서로 다른 반사 방향의 입사 각도(68.2°, 111.8°)로 2번의 경사 노광을 실시한다. 이에 따라, PMMA 시트(10) 및 액상 PMMA(12)는 마스크 패턴(26)과 서로 다른 방향의 경사진 X-선 입사 각도에 의해 노광되지 않은 부분(28)의 삼각 패턴(28a, 28b)영역이 형성되는데, 28a의 삼각 패턴은 현상 공정에서 제거될 부분이다. 이때, 입사 각도를 조절하여 삼각 패턴(28a, 28b) 피크의 각도를 조절할 수 있다.
그리고 도 2f에 도시된 바와 같이, 2번 노광된 PMMA 시트(10) 및 액상 PMMA(12)를 현상액으로 상온에서 현상하면, 기판 상부측의 PMMA 삼각 패턴(28b)만 남게 된다.
그 다음 도 2g에 도시된 바와 같이, PMMA의 삼각 패턴(28b)과 접착층(14) 전면에 이후 도금하기 위한 전도층(30)으로서 티타늄(Ti)을 약 500Å정도 증착시킨다. 그런 다음 도 2h에 도시된 바와 같이, 전도층(30) 상부에 두꺼운 금속층(32)을 형성하는데, 예를 들면 슬퍼민산옥니켈 용액(55℃, pH4)에서 장시간동안 니켈(Ni) 금속층(32)을 형성한다. 여기서, 니켈 금속층(32)은 이후 삼각 산맥 구조물의 성형틀로 사용될 부분이다.
이어서 도 2i에 도시된 바와 같이, KOH를 이용하여 실리콘 기판(18)을 제거하고 유기용매로 접착층(14)과 PMMA 삼각 패턴(28b)을 녹여 전도층(30)과 니켈 속층(32)만 남김으로써 금속으로 이루어진 삼각 산맥 구조물의 성형틀(32')이 완성된다. 여기서, 도면 부호 32a는 삼각 산맥 구조물의 성형틀(32')에서 골짜기 영역을 나타낸 것이고 32b는 삼각 산맥 구조물의 성형틀(32')에서 산맥 피크를 나타낸 것이다.
다음은, 도 2j 및 도 2k를 참조하여 상기와 같이 완성된 금속 성형틀(32')을 이용하여 본 발명에 따른 삼각 산맥 구조물을 제조하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 도 2j에 도시된 바와 같이, 삼각 산맥 구조물의 성형틀(32')에 성형물질로서 유연한 폴리머(34)를 붓고 이를 성형한다. 본 실시예에서는 폴리머(34)로서 PDMS(Polydimethylsiloxane) 모노머(monomer)와 경화제(curing agent)를 10:1로 섞어서 기포를 제거한 후에 성형틀(32')에 붓는다. 그리고 붓은 과정에서 생긴 기포를 제거하고 85℃에서 약 2시간동안 열처리를 실시한다.
그리고나서 도 2k와 같이, 성형틀(32')로부터 굳은 폴리머(34)인 PDMS를 분리하면 유연하고 미세한 삼각 산맥 구조물(34')을 얻을 수 있다. 본 발명에 의한 삼각 산맥 구조물(34')은 피크 끝 부분이 날카로운 적어도 두 개 이상의 삼각 산맥 피크(34a)와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기(34b)가 병렬로 배치되어 있다.
그러므로, 본 발명은 성형틀(32')에 성형 물질로서 폴리머를 붓고 성형 공정을 반복하면 대량으로 삼각 산맥 구조물(34')을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은 성형틀(32')이 금속으로 이루어져 있으므로 이를 금형으로이용하는 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 등의 금형 공정으로 미세 삼각 산맥 구조물의 대량생산도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 X-선 사진 식각 공정, 도금 공정, 사출 성형 공정을 포함하는 리가(LIGA) 기술을 이용하여 금속 성형틀을 형성하므로 피크 부분이 날카로운 미세 삼각산맥 구조물을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 피크의 각도를 조절할 수 있어 최적화된 삼각 산맥의 형상을 구현할 수 있고 대면적의 성형틀을 만들 수 있다.
게다가 본 발명은 이러한 성형틀을 이용하여 유연한 폴리머로 삼각 산맥 구조물을 성형할 수 있기 때문에 유연한 삼각 산맥 구조물을 대량으로 생산할 수 있게 한다. 유연한 구조물 특성에 의해 평평한 부분만 아니라 곡면에도 붙일 수 있어서 삼각 산맥 구조물의 적용범위가 확대된다. 더욱이 성형 물질로서 PDMS와 같이 투명한 물질을 사용할 경우, 삼각 산맥 구조물을 적용하게 되는 물체의 표면상태를 시각적으로 관찰할 수 있는 이점도 있다.
또한, 본 발명은 리가 공정을 이용하여 제작한 성형틀을 금형으로 이용하는 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시하여 미세 삼각 산맥 구조물의 대량생산도 가능하다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법에 있어서,
    기판 상부에 X-선 감광제를 접합하는 단계;
    X-선 투과층 상부에 삼각 산맥 구조물의 영역을 정의하기 위하여 X-선을 흡수하는 물질로 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 X-선 감광제와 상기 마스크 패턴을 밀착시키고 상기 X-선 투과층에 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광을 실시하는 단계;
    상기 마스크 패턴 및 X-선 투과층을 분리하고 상기 노광된 X-선 감광제를 현상하여 상기 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하는 단계;
    상기 삼각 산맥 구조물 패턴이 형성된 기판 상부에 금속층을 두껍게 형성하는 단계; 및
    상기 삼각 산맥 구조물 패턴 및 기판을 모두 제거하여 상기 금속층으로 이루어진 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 X-선 투과층 상부에 마스크 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 X-선 투과층 상부에 시드층을 형성하는 단계와, 상기 시드층 상부에 자외선 감광막을 도포하고 노광 및 현상 공정으로 상기 삼각 산맥 구조물의 영역을 정의하는 자외선 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 시드층을 전기도금해서 상기 감광막 패턴 사이를 채워 X-선 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 자외선 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 성형틀 제조방법.
  3. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서,
    기판 상부에 X-선 감광제를 접합하고 상기 X-선 감광제와 X-선 마스크를 밀착시키고 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광 공정을 실시하고 상기 X-선 마스크를 분리하고 상기 노광된 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하고 그 위에 금속층을 두껍게 형성한 후에, 기판 및 삼각 산맥 구조물 패턴을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계;
    상기 삼각 산맥 구조물의 성형틀에 성형물질을 붓고 이를 성형하는 단계; 및
    상기 성형틀에서 굳은 성형물질을 분리하여 상기 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 성형물질은 연성의 물질인 것을 특징으로 하는 리가공정을 이용한 삼각 산맥 구조물의 제조방법.
  5. 두개 이상의 삼각 산맥 피크와 그 사이에 적어도 하나 이상의 골짜기가 있으며 상기 삼각 산맥 피크 및 골짜기는 병렬로 배치된 삼각 산맥 구조물의 제조방법에 있어서,
    기판 상부에 X-선 감광제를 접합하고 상기 X-선 감광제와 X-선 마스크를 밀착시키고 서로 다른 입사 방향의 경사진 각도로 2번 노광 공정을 실시하고 상기 X-선 마스크를 분리하고 상기 노광된 X-선 감광제를 현상하여 기판 상부에 삼각 산맥 구조물 패턴을 형성하고 그 위에 금속층을 두껍게 형성한 후에, 기판 및 삼각 산맥 구조물 패턴을 제거하여 삼각 산맥 구조물의 성형틀을 형성하는 단계; 및
    상기 성형틀을 금형으로 이용하는 사출 성형, 압출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시하여 삼각 산맥 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 리가 공정을 이용한 삼각 산맥 구조물 제조방법.
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