KR100438889B1

KR100438889B1 - 변형된 ｌｉｇａ 공정을 이용한 미세 ｕ형 골 구조물제조방법

Info

Publication number: KR100438889B1
Application number: KR10-2001-0065360A
Authority: KR
Inventors: 이승섭; 한만희; 이성근
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: KR20030034425A

Abstract

본 발명은 미세 U형 골 구조물의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 방사광 X-선을 이용하여 2번의 X-선 경사노광과 현상공정으로 기본적인 골 구조물을 만든 후, 한번의 X-선 노광을 더 한 뒤, 열처리를 하여 미세 U형 골 구조물 성형틀을 만들고, 상기 미세 U형 골 구조물 성형틀위에 성형물을 굳혀서 미세 U형 골 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 미세 U형 골 구조물 제조방법은 (가) 실리콘기판(10)위에 PMMA판(40)를 접합하여 PMMA판(40)를 접합한 기판을 만드는 단계와, (나) X-선 노광시 상기 PMMA판(40)를 접합한 기판위에 밀착시킬 X-선 마스크를 만드는 단계와, (다) 상기 X-선 마스크를 상기 PMMA판(40)이 접합된 기판위에 밀착시키고 2번의 X-선 경사노광과 현상공정을 함으로써 PMMA 구조물을 만드는 단계와, (라) 상기 PMMA 구조물의 윗부분을 X-선 수직노광한 후 열처리를 함으로서, 미세 U형 골구조물 성형틀을 만드는 단계 및 (마) 상기 미세 U형 골구조물 성형틀에 성형물을 부은 후, 굳혀서 미세 U형 골 구조물을 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변형된 ＬＩＧＡ 공정을 이용한 미세 Ｕ형 골 구조물 제조방법{Manufacturing method of RIBLET using modified LIGA process}

본 발명은 미세 U형 골 구조물 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 방사광 X-선을 이용하여 2번의 경사노광과 현상공정으로 기본적인 골 구조물을 만든 후, 한번의 노광을 더 한 뒤, 열처리를 하여 미세 U형 골 구조물 성형틀을 만들고, 상기 미세 골 구조물 성형틀위에 성형물을 굳혀서 미세 U형 골 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려진 바와 같이 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술은 21세기 산업전반에 걸쳐 엄청난 신규 시장을 창출하는 최대 유망 기술산업으로 대두되었으며, 각국의 반도체 메모리 분야의 기술 경쟁이후 새로운 기술의 격전장이 되고 있다. 상기한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 또는 기타 기술에 의해 제조된 미세한 골 구조물을 지나는 유동은 평평한 곳을 지날 때보다 전단응력이 적어져 항력이 감소한다. 따라서 골구조물이 운송체의 표면에 있으면 연료를 절약할 수 있으며, 유체가 흐르는 관이나 판에 이러한 형상이 존재시는 유체의 흐름이 좋아진다. 예컨대, 보잉 747항공기의 앞부분에 걸리는 항력(drag)의 1％의 감소는 년간 20,000갤런 이상을 줄일수 있다고 한다(Automotive Engineering Feb., 1982, pp.73.) 따라서 미세 골구조물의 항력 감소에 대한 연구와 시뮬레이션이 많이 연구되고 있다.

그러나, 하기하는 바와 같이 유동의 항력을 효율적으로 줄이기 위해서는 이랑부분은 뾰족하고 골부분은 둥근 형태이어야 하나, 항력 감소에 대한 연구와 시뮬레이션을 포함하여 미세 골구조물의 제조방법은 주로 삼각산맥 형태의 V형 구조물에 대해서 이루어졌으며, 미세 골 구조물의 제조방법 역시 삼각산맥형태의 골구조물에 대해서만 보고되고 있다(US Patent No. 5133516). 상기 삼각산맥 형태의 골구조물은 실린더형 성형틀을 사용하여 일반적인 플라스틱 성형방법으로 제조되고 있으나, 성형틀의 제조방법에 대해서는 구체적인 방법이 제시되고 있지 아니하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 이랑부분은 뾰족하고 골부분은 둥근 형태의 골구조물을 제조하기 위하여 선진각국에서 사용하고 있는 방사광 (Synchrotron Radiation) X-선을 이용한 변형된 LIGA 공정을 통하여 미세 U형 골구조물의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 성형틀 제조를 포함하여 중합체(polymer) U형 골 구조물 제조과정을 나타내는 도면으로서,

도 1a는 PMMA판를 접합한 기판(5)을 만드는 단계를 보이는 단면도이며,

도 1b1 내지 도 1d는 X-선 마스크(300)를 만드는 단계를 보이는 단면도이며,

도 1e는 방사광 X-선을 이용하여 경사노광하는 단계를 보이는 단면도이며,

도 1f는 상기 도 1e의 과정후 PMMA판을 접합한 기판(5)을 현상하여 만든 PMMA구조물을 나타내는 단면도이며,

도 1g는 상기 PMMA판을 접합한 기판(5)을 방사광 X-선(120)을 이용하여 수직노광하는 단계를 나타내는 단면도이며,

도 1h는 상기 도 1a 내지 도 1g의 단계와 열처리공정을 수행하여 만들어진 미세 U형 골 구조물 성형틀을 나타내는 단면도이고,

도 1i는 도 1h에서 만들어진 성형틀에 PDMS와 같은 성형물(140)을 부어 미세 U형 골 구조물을 만드는 단계를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의해 완성된 중합체 (polymer) U형 골 구조물의 형상을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실리콘기판

20 : 접착력 향상용 감광제(S1805)

30 : 회전도포된 액상 PMMA(Polymethylmethacrylate)

40 : PMMA판(Polymethylmethacrylate plate)

50 : 흑연판(graphite plate)

60 : 크롬/금 금속층

70 : 감광제(AZ9260)

80 : 전기도금한 금

90 : 방사광 X-선

100 : 노광된 PMMA(Polymethylmethacrylate)영역

110 : 현상후 남은 PMMA(Polymethylmethacrylate) 영역

120 : 방사광 X-선

130 : 열처리후 아치형태가 된 PMMA(Polymethylmethacrylate)

140 : PDMS(Polydimethylsiloxane)

150 : 완성된 미세 U형 골 구조물의 이랑부분

160 : 완성된 미세 U형 골 구조물의 골부분

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미세 U형 골구조물 제조방법은 (가) 실리콘기판위에 PMMA판를 접합하여 PMMA판을 접합한 기판을 만드는 단계와, (나) X-선 노광시 상기 PMMA판를 접합한 기판위에 밀착시킬 X-선 마스크를 만드는 단계와, (다) 상기 X-선 마스크를 상기 PMMA판이 접합된 기판위에 밀착시키고 2번의 X-선 경사노광과 현상공정을 함으로서 PMMA 구조물을 만드는 단계와, (라) 상기 PMMA 구조물의 윗부분을 X-선 수직노광한 후 열처리를 함으로서, 미세 U형 골구조물 성형틀을 만드는 단계와, (마) 상기 미세 U형 골구조물 성형틀위에 성형물을 부어 미세 U형 골 구조물을 만드는 점에 그 특징이 있다.

바람직하기로는 상기 PMMA 구조물은 삼각형태 또는 사다리꼴형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하기로는 상기 성형물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 유연한 중합체(polymer)인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예의 미세 U형 골구조물 및 그 제조 과정을 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 미세 골 구조물은 바람직하게 그 높이가 약 300㎛이고, 면적이 약 50㎠인 경우를 예로 한다.도 1a는 PMMA를 접합한 기판(5)을 도시하고 있으며, 이러한 PMMA를 접합한 기판(5)을 만들기 위한 과정을 도 1a를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a와 같이 실리콘기판(10)과 액상 PMMA(30)의 접착력을 좋게 하기 위하여 감광제(20)인 S1805를 아세톤에 1:10으로 희석하여 상기 실리콘기판(10)위에 100㎛정도 회전도포(실시예 300rpm 15초, 3000rpm 40초)한 후 90℃에서 100초간 열처리한다.

상기의 감광제(20)가 회전 도포된 실리콘 기판(10) 위에 액상 PMMA(30)를 수 ㎛ 회전도포(실시예 300rpm 15초, 3000rpm 40초)한 후 180℃에서 1시간동안 열처리한다.상기 열처리후 실리콘 기판(10)의 액상 PMMA(30)가 도포된 면위에 PMMA(40)를 얹고, 액상 PMMA(30)와 PMMA판(40)의 계면에 주사기나 모세관 현상을 이용하여 MMA를 주입하여 액상 PMMA(30)와 PMMA판(40)을 접합시킨 후, 1kg 정도의 중량을 30분 정도 가하여 PMMA판을 기판에 접합시킨다. 이후 상기 PMMA판(40)을 원하는 두께(실시예 200㎛∼290㎛)로 가공(lapping)하고 수백 Å정도의 거칠기를 갖는 경면으로 가공(polishing)한다.도 1b1 내지 도 1d는 상기 PMMA를 접합한 기판(5)위에 사용될 X-선 마스크(300)를 만드는 과정을 도시하고 있다.

먼저 도 1b1을 참조하면, 두께가 약 1mm인 흑연판(graphite plate)(50)위에 금을 전기도금하기 위한 시드층(seed layer)으로 쓰일 크롬과 금(Cr/Au)금속층(60)을 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 각각 약 500Å, 2000Å정도 증착시킨다.

이후, 감광제(70)인 AZ9260을 회전도포(250rpm 3초, 1000rpm,60초)와 열처리(110℃ 80초) 공정을 두 번에 걸쳐하여 두께가 약 30㎛정도가 되게 한 후, 자외선 마스크(73)를 이용하여 자외선에 노광시킨 후 현상한다.도 1b는 상기한 도 1b1 및 도 1b2의 과정을 거친 후의 도면이다.

이어서 도 1c와 같이 금을 전기도금(80)하여 약 20㎛정도가 되게 한 후, 도 1d와 같이 감광제(70)를 아세톤을 이용하여 제거한다. 도 1d는 이렇게 해서 제조된 X-선 마스크(300)를 나타낸다.도 1e 내지 도 1h는 미세 U형 골구조물 성형틀을 만드는 과정을 도시한다.

도 1e에서 도시된 바와 같이, 도 1a에서 제조한 PMMA를 접합한 기판과 X-선 마스크를 적절한 간격을 두고 밀착시킨 후, 방사광 가속기에서 나오는 방사광 X-선(90)의 입사각도를 조절하여 2번의 경사노광을 한다. 도면부호 100의 빗금친 부분은 노광된 영역을 도시한다.

이후 도 1f와 같이 상기 PMMA를 접합한 기판을 PMMA 현상액으로 상온에서 현상하여 삼각형태 또는 사다리꼴 형태의 PMMA 구조물(110)을 만들고, 도 1g와 같이 방사광 가속기에서 나오는 방사광 X-선(120)을 이용하여 윗부분의 노광량이 1~20kJ/㎤인 범위 내에서 노광한다.

이어서 도 1h와 같이 상기의 노광한 PMMA기판을 60℃ ~ 150℃범위에서 오븐에서 5분 ~ 60분정도 놓아두면 노광되어 상대적으로 에너지가 많이 축척된 PMMA의 표면부분만이 녹게되며, 표면장력에 의해 아치형태의 미세 U형 골구조물 성형틀의 제조가 가능하게 된다.도 1i는 도 1h에서 만들어진 성형틀에 PDMA와 같은 성형물(140)을 부어 미세 U형 골구조물을 만드는 과정을 도시하는 도면이다. 상기한 아치형태의 미세 U형 골구조물 성형틀을 이용하여 미세 U형 골구조물의 제조을 위해서는 도 1i와 같이 PDMS와 경화제(curing agent)를 10 : 1로 섞어서 기포를 제거하고, 상기 PDMS와 경화제(curing agent)를 10 : 1로 섞은 성형물(140)을 상기한 미세 U형 골구조물 성형틀위에 붇는다. 붇는 과정에서 생긴 기포를 제거하고, 경화시킨 후에 굳어진 PDMS를 떼어내면 도 2와 같은 형상의 완성된 중합체(polymer) U형 골 구조물의 형상을 얻을 수 있다. 도면부호 160은 이렇게 해서 제조된 미세 U형 골구조물의 이랑부분을, 도면부호 160은 미세 U형 골구조물의 골부분을 도시한 것이다.

또한, 상기의 PDMS 성형물은 깨끗이 떨어지므로 별도의 공정없이 다시 경화제(curing agent)를 섞은 PDMS를 붇고 열처리를 반복하면 쉽게 대량의 미세 U형 골구조물을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명을 통해 아직까지 보고되지 않은 미세 U형 골구조물 제조방법을 제공함으로서 삼각 산맥형태보다 항력 감소효과가 더 좋다고 알려진 U형 골구조물의 제조가 가능케 되었다.

또한 본 발명의 제조과정에서 생성된 미세 U형 골구조물 성형틀을 이용하면 쉽게 대량의 미세 U형 골구조물을 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 제조과정에서 생성된 미세 U형 골구조물 성형틀에 PDMS와 같은 유연한 중합체(polymer)를 이용하여 골구조물을 만들면 평평한 부분뿐 아니라, 곡면에도 붙일 수 있어 그 적용범위가 더 넓어지게 되며, PDMS와 같은 투명한 중합체(polymer)를 재료로 사용하면 실제로 적용하였을 때 본 물체의 표면상태를 관찰할 수 있는 효과가 있다

Claims

변형된 LIGA 공정을 이용한 미세 U형 골구조물 제조방법에 있어서,

(가) 실리콘기판(10)위에 PMMA판(Polymethylmethacrylate sheet)(40)을 접합하여 PMMA(PolymethylMethacrylate)판을 접합한 기판을 만드는 단계;

(나) X-선 노광시 상기 PMMA(Polymethylmethacrylate)판(40)을 접합한 기판위에 밀착시킬 X-선 마스크를 만드는 단계;

(다) 상기 X-선 마스크를 상기 PMMA판(40)이 접합된 기판위에 밀착시키고 2번의 X-선 경사노광과 현상 공정을 함으로서 PMMA 구조물을 만드는 단계;

(라) 상기 PMMA 구조물의 윗부분을 X-선 수직노광한 후 열처리를 함으로써, 미세 U형 골구조물 성형틀을 만드는 단계; 및

(마) 상기 미세 U형 골구조물 성형틀에 성형물을 부은 후, 성형하여 미세 U형 골 구조물을 만드는 단계를 포함하고, 상기 (마)단계의 성형물은 유연한 중합체를 포함하고, 상기 (다)단계의 PMMA 구조물은 삼각형태 또는 사다리꼴 형태인 것을 특징으로 하는 미세 U형 골구조물 제조방법.
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