KR101510801B1 - 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물 - Google Patents

정전흡착 장치용 미세섬모 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물에 관한 것으로, 베이스 부재; 상기 베이스 부재 상에 돌출되어 상호 이격되어 복수 개가 배치되어 있고, 선단에는 접착대상물과 밀착하여 접촉되는 접촉부가 형성된 미세섬모들; 및 전압의 인가 여부에 따라 상기 접촉부가 상기 접착대상물과 밀착 접착하거나 분리되는 힘을 생성시키는 정전기력 제어수단을 포함한다.

Description

정전흡착 장치용 미세섬모 구조물{Fine ciliary structure for electrostatic suction apparatus}
본 발명은 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접착대상물을 안전하게 이동시킬 수 있도록 접착대상물 표면에 대한 접착력을 가질 뿐 아니라, 접착대상물의 손상을 방지하면서도 접착대상물과의 분리가 용이하게 이루어질 수 있는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물에 관한 것이다.
물품을 이동시키기 위한 구조물에서 물품과 구조물을 접착시키기 위한 접착제는 일반적으로 습식 형태의 접착제와 건식 형태의 접착제로 구분할 수 있다. 예를 들면, 필름에 접착물질을 도포한 접착테이프는 대표적인 습식 접착제로서 널리 사용되고 있고 접착력도 우수하지만, 한번 사용하면 재사용이 어렵고 물품과 분리시킨다고 하여도 물품의 표면에 접착물질이 남게 되는 문제점이 있다.
최근에는 자연에서 관찰되는 형태에 착안한 여러 건식 형태의 접착제를 개발하여 이러한 문제점을 해결하기 위한 시도가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어 도마뱀붙이(gecko)의 발바닥 등에서 발견되는 마이크로 또는 나노 크기 수준의 미세섬모 구조에서 아이디어를 얻은 각종 접착구조물이 개발되고 있다. 예를 들어 대한민국 공개특허공보 제10-2009-32719호에는 나노섬모를 이용하여 기판을 척킹(chucking)하는 장치가 개시되어 있다.
그러나 현재 개발되고 있거나 개발된 접착구조물은 접착대상물에 대한 접착력은 매우 향상되었으나, 접착대상물과 접착구조물을 분리시키기가 쉽지 않은 문제점이 있다. 특히, 접착구조물과 접착대상물을 외력으로 분리시키는 과정에서 접착대상물이 손상되거나 파손될 우려가 있다. 따라서 접착대상물의 파손을 방지하면서도 접착대상물과 접착구조물을 손쉽게 분리시킬 수 있는 구조물의 개발이 요구되고 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2009-32719호
본 발명은 접착대상물을 용이하게 이동시킬 수 있도록 접착대상물 표면에 대한 접착력을 가질 뿐 아니라, 접착대상물의 손상 및 파손을 방지하면서 접착대상물과의 분리가 용이하게 이루어질 수 있는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 베이스 부재; 상기 베이스 부재 상에 돌출되어 상호 이격되어 복수 개가 배치되어 있고, 선단에는 접착대상물과 밀착하여 접촉되는 접촉부가 형성된 미세섬모들; 및 전압의 인가 여부에 따라 상기 접촉부가 상기 접착대상물과 밀착 접착하거나 분리되는 힘을 생성시키는 정전기력 제어수단을 포함하는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 정전기력 제어수단을 구비함으로써, 정전기력을 이용하여 접착대상물의 손상 및 파손을 방지하면서 안전하게 미세섬모 구조물과 접착대상물을 접착하거나 분리시키는 효과를 가질 수 있다.
둘째, 미세섬모가 전도성 물질을 포함하고, 전도성 물질은 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재 및 나노파티클 복합재 중 어느 하나를 포함하여 형성하면, 미세섬모에 직접 정전기력을 발생시킬 수 있으므로 보다 콤팩트한 구조의 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물로 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물의 측면도이다.
도 2는 도 1에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물의 작동상태가 도시된 측면도이다.
도 3은 도 1에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물의 작동과정이 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물의 측면도이다.
도 1 내지 도 5에는 본 발명에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물이 도시되어 있다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)은, 기본적으로 베이스 부재(110), 미세섬모(130) 및 정전기력 제어수단을 포함한다. 먼저 상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)은 주로 접착대상물(10)을 이동시키기 위한 목적으로 이용되며, 여기서 상기 접착대상물(10)을 예를 들어 기판, 웨이퍼 등 일 수 있다. 그러나 상기 접착대상물(10)이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 종류의 접착대상물에 적용될 수 있다.
상기 베이스 부재(110)는 사각형의 플레이트 형태로 형성되는 것이 일반적이나, 다양한 형상의 플레이트 형태로 형성되어도 무방하다. 상기 베이스 부재(110)는 고분자 수지, 실리콘(Si) 등의 세라믹 소재, 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재, 나노파티클 복합재 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 고분자 수지의 예로는, 자외선 경화성 수지, 열경화성 수지, 또는 이들이 혼합된 수지를 이용할 수 있다. 상기 광경화성 수지로는 폴리디메틸실록산(Polydimethyllsiloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethaneacrylate: PUA), 폴리우레탄 아크릴레이트 엘라스토머(PUA-elastomer), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethyleneglycol: PEG), 폴리에틸렌 글리콜 디아클릴레이트(PEG-DA), 부타디엔(butadiene), 폴리메틸메타 크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate : PMMA), 폴리스티렌(PolyStyrene : PS), 폴리스테르 아크릴레이트 (Polyesteracrylate), 과불소화폴리에테르 디메타크릴레이트(PFPE-DMA) 또는 놀랜드 프로덕츠 사(Norland Products, Inc)의 NOA(Norland Optical Adhesive) 등이 이용될 수 있다. 상기 열경화성 수지로는 에폭시수지, 우레탄수지, 아크릴수지, 불소수지 등이 있으며, 이에 한정되지 않고 사용용도 등에 따라 다양한 수지를 선택할 수도 있다. 한편, 상기 베이스 부재(110)가 전술한 바와 같이 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재, 나노파티클 복합재 중 어느 하나로 형성되면, 전기전도 및 열전도의 특징을 갖게 되어 상기 미세섬모 구조물(100)을 보다 콤팩트하게 형성할 수 있다.
상기 미세섬모(130)는 상기 베이스 부재(110) 상에 복수 개 돌출되어 형성되는데, 복수 개의 상기 미세섬모(130)들이 다수의 종 방향 및 횡 방향으로 상호 이격되어 배치된다. 본 실시예에서 상기 미세섬모(130)는 원기둥의 형태로 형성된다. 그러나 상기 미세섬모(130)는 원기둥의 형태에 한정되지 않고 삼각기둥, 사각기둥 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 미세섬모(130)의 단면의 크기는 상기 미세섬모(130) 구조물(100)의 사용 용도에 따라 다양하게 조절될 수 있다. 본 실시예에서와 같이 상기 미세섬모(130)가 원기둥의 형태로 형성될 때 상기 미세섬모(130)의 단면의 직경은 약 100㎛ 내지 1000㎛ 크기를 갖는다. 그리고 상기 미세섬모(130)의 높이는 약 500㎛ 내지 5000㎛로 형성된다.
상기 미세섬모(130)는 도면에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 부재(110)에 대하여 교차하는 방향으로 형성되는데, 상기 베이스 부재(110)에 수직인 방향일 수도 있고, 상기 베이스 부재(110)에 비스듬하게 경사진 방향일 수도 있다. 상기 미세섬모(130)가 비스듬하게 경사진 방향으로 형성되면, 상기 미세섬모(130)의 접착대상물(10)에 대한 접촉 각도를 다양하게 조절할 수 있다.
상기 미세섬모(130)는 상기 베이스부재(110)와 마찬가지로 고분자 수지, 실리콘(Si) 등의 세라믹 소재, 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재, 나노파티클 복합재 중 단일 소재 또는 두 종류 이상의 혼합된 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 특히, 상기 미세섬모(130)가 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재, 나노파티클 복합재 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질을 포함하여 형성되며 이때, 상기 베이스 부재(110)와 일체로 형성되면, 접착대상물과의 접착 및 분리를 위한 구조가 더욱 콤팩트해질 수 있는데 이에 대해서는 후술에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 각 미세섬모(130)의 선단에는 접촉부(131)가 형성된다. 상기 접촉부(131)는 상기 접착대상물(10)과 상기 미세섬모(130)가 밀착하여 접촉될 때, 보다 넓은 면적으로 접촉할 수 있도록 형성되는 것이다. 따라서 상기 접촉부(131)는 상기 미세섬모(130)의 단면보다 더 큰 넓이의 단면을 갖도록 형성되어 상기 접착대상물(10)과의 보다 넓은 접촉면적을 제공한다.
상기 정전기력 제어수단은 전압의 인가 여부에 따라 상기 미세섬모(130)의 상기 접촉부(131)와 상기 접착대상물(10)을 접착 또는 분리시키는 힘을 생성시키기 위해 구비되는 것이다. 상기 정전기력 제어수단은 상기 각 미세섬모(130)에 설치되는데, 상기 미세섬모(130)들에 전부 대응되게 설치될 수 있거나 일부의 상기 각 미세섬모(130)에 설치될 수도 있다. 상기 정전기력 제어수단(153, 155)은 전압을 인가하여 상기 미세섬모(130)의 상기 접촉부(131)를 정전기력에 의해 상기 접착대상물(10)과 밀착 접착시키거나, 전압을 차단하여 상기 정전기력에 밀착 접착된 상기 접촉부(131)를 상기 접착대상물(10)과 분리시킨다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 상기 정전기력 제어수단의 일 실시형태에서는 상기 정전기력 제어수단이 전압인가유닛(153), 유전체층(155) 및 금속층(151)을 포함한다. 상기 전압인가유닛(153)은 상기 정전기력을 발생시키거나 발생된 상기 정전기력을 제거하기 위해 전압을 인가하거나 차단하는 전원 역할을 하는 것이다. 상기 전압인가유닛(153)의 전원 역할에 의해 전압이 인가되거나 인가되었던 전압이 제거되는 것이 상기 금속층(151)이다.
상기 금속층(151)은 상기 접촉부(131)의 선단에 형성되는 것으로, 금(Au), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 및 니켈(Ni) 중 단일 금속 또는 두 종류 이상의 합금으로 형성되며, 예시적으로는 증착되어 형성될 수 있다. 상기 금속층(151)을 상기 접촉부(131)에 증착하는 방법으로는, 스퍼터링(sputtering) 또는 e-빔 증착(e-beam evaporation) 중 어느 하나의 방법을 이용한다. 상기 스퍼터링 또는 e-빔 증착에 의해 증착되는 상기 금속층(151)의 두께는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위 내에서 형성된다. 본 실시예에서는 상기 금속층(151)을 증착하여 형성하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 방법으로 상기 금속층(151)이 형성될 수 있다.
상기 유전체층(155)은 상기 금속층(151) 상에 형성되어, 상기 금속층(151)에 인가된 전압에 의하여 정전기력을 생성하도록 구비되는 것이다. 상기 유전체층(155)에는 전기편극은 생기지만 직류전류는 생기지 않아 정전기력이 발생하게 된다. 따라서 상기 유전체층(155)에서 발생되는 정전기력에 의해 상기 접착대상물(10)이 상기 각 미세섬모(130)의 상기 접촉부(131)와 밀착하여 접착되는 것이다.
상기 유전체층(155)은 세라믹, 운모, 유리, 테플론, 폴리에틸렌, 파릴렌 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하여 형성된다. 특히, 상기 세라믹은 실리카(SiO), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4), 산화하프늄(HfO2), 브롬화루비듐(RbBr), 플루오르화 리튬(LiF), 티탄산바륨(BaTiO3), 플럼범 티타늄 산화물(PbTiO3), 산화탄탈륨(TaO5), 산화텅스텐(WO3) 및 산화지르코늄(ZrO2) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 유전체층(155)은 앞서 나열된 물질들을 이용하여 증착 및 코팅 과정을 통해 형성된다.
상기 전압인가유닛(153)의 전원 역할에 의해 상기 금속층(151)에 인가된 전압에 의해 상기 유전체층(155)에 정전기력이 발생하게 된다. 이때, 상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)을 상기 접착대상물(10)에 가까이 가져가면, 상기 접착대상물(10)이 상기 정전기력에 의해 상기 미세섬모(130)의 상기 접촉부(131) 측으로 밀착하여 접착된다. (도 2 및 도 3 (a) 참조)
상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)에 접착된 상기 접착대상물(10)을 분리시키고자 할 때에는, 상기 전압인가유닛(153)의 전원 역할에 의해 상기 금속층(151)에 전압을 차단하면 상기 유전체층(155)에 발생되던 정전기력이 제거되면서 상기 접착대상물(10)이 상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)과 분리된다.(도 3 (b) 참조)
이렇게 상기 정전기력 제어수단에 의해 상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)과 상기 접착대상물(10)이 접착되거나 분리되기 때문에 상기 접착대상물(10)을 접착하거나 분리하기 위한 외력을 가할 필요가 없기 때문에 상기 접착대상물(10)이 손상 또는 파손되는 것을 미연에 방지하는 효과를 가질 수 있다.
한편, 도 4에는 상기 정전기력 제어수단의 다른 실시형태가 도시되어 있으며, 여기에서는 상기 전정기력 제어수단이 전압인가유닛(153) 및 유전체층(155)만 포함한다. 상기 전압인가유닛(153) 및 상기 유전체층(155)은 전술한 일 실시형태에서의 상기 전압인가유닛(153), 상기 유전체층(155)과 동일한 구성이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 상기 전압인가유닛(153)의 전원 역할에 의해 상기 유전체층(155)에 정전기력이 발생하는데, 이를 위해 상기 미세섬모들(130)은 전압이 인가될 수 전도성 물질이 포함된다. 즉, 상기 미세섬모(130)는 전술한 바와 같이 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재 및 나노파티클 복합재 중 어느 하나를 포함하는 전도성 물질을 포함하여 형성한다. 앞서 나열한 물질들은 전기 전도의 성질을 갖고 있기 때문에 전술한 일 실시형태에서와 같이 금속층을 형성하지 않아도 상기 미세섬모(130)에 전압이 인가되어 상기 유전체층(155)에서 정전기력을 발생시킬 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 상기 베이스 부재(110)도 전술한 바와 같은 전도성 물질을 포함하여 형성하고, 상기 베이스 부재(110)와 상기 미세섬모들(130)을 일체로 형성하여 상기 전압인가유닛(153)의 전원 역할에 의해 상기 베이스 부재(100)와 상기 미세섬모들(130) 모두에 전압이 인가될 수 있도록 할 수 있다.
본 실시예에서처럼 상기 미세섬모(130)를 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재 및 나노파티클 복합재 중 어느 하나를 포함하여 형성하면 별도의 금속층을 형성하지 않아도 되기 때문에 상기 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물(100)의 구조도 보다 콤팩트해지고 제작도 보다 용이해지는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물
110: 베이스 부재
130: 미세섬모 131: 접촉부
151: 금속층 153: 전압인가유닛
155: 유전체층

Claims (9)

  1. 베이스 부재;
    상기 베이스 부재 상에 돌출되어 상호 이격되어 복수 개가 배치되어 있고, 선단에는 접착대상물과 밀착하여 접촉되는 접촉부가 형성된 미세섬모들; 및
    전압의 인가 여부에 따라 상기 접촉부가 상기 접착대상물과 밀착 접착하거나 분리되는 힘을 생성시키는 정전기력 제어수단을 포함하며,
    상기 정전기력 제어수단은,
    전압을 인가하기 위해 구비되는 전압인가유닛;
    상기 접촉부의 단부 상에 형성되며, 상기 전압인가유닛으로부터 전압이 인가되는 금속층; 및
    상기 금속층 상에 형성되어, 상기 금속층에 인가된 전압에 의하여 정전기력을 생성하는 유전체층을 포함하는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층은 금(Au), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 및 니켈(Ni) 중 단일 금속 또는 두 종류 이상의 합금으로 형성되는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속층은 스퍼터링(sputtering) 또는 e-빔 증착(e-beam evaporation) 중 어느 하나에 의해 형성되는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  4. 베이스 부재;
    상기 베이스 부재 상에 돌출되어 상호 이격되어 복수 개가 배치되어 있고, 선단에는 접착대상물과 밀착하여 접촉되는 접촉부가 형성된 미세섬모들; 및
    전압의 인가 여부에 따라 상기 접촉부가 상기 접착대상물과 밀착 접착하거나 분리되는 힘을 생성시키는 정전기력 제어수단을 포함하며,
    상기 정전기력 제어수단은,
    상기 접촉부에 전압을 인가하기 위해 구비되는 전압인가유닛; 및
    상기 접촉부의 단부 상에 형성되며, 상기 인가된 전압에 의하여 정전기력을 생성하는 유전체층을 포함하는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 미세섬모들은 전도성 물질을 포함하는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 금속, 탄소나노튜브 복합재, 나노와이어 복합재 및 나노파티클 복합재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 미세섬모들과 상기 베이스 부재는 일체로 전도성 물질을 포함하여 형성되는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 유전체층은 세라믹, 운모, 유리, 테플론, 폴리에틸렌, 파릴렌 및 금속 산화물 중 어느 하나를 포함하여 형성되는 정전흡착 장치용 미세섬모 구조물.
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