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KR100595515B1 - 미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의단층막 이형제 코팅 방법 - Google Patents

미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의단층막 이형제 코팅 방법 Download PDF

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KR100595515B1
KR100595515B1 KR1020030102239A KR20030102239A KR100595515B1 KR 100595515 B1 KR100595515 B1 KR 100595515B1 KR 1020030102239 A KR1020030102239 A KR 1020030102239A KR 20030102239 A KR20030102239 A KR 20030102239A KR 100595515 B1 KR100595515 B1 KR 100595515B1
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KR
South Korea
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mold
release agent
microstructure
forming
coating
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오창훈
이영주
권혁
박기원
성동묵
이근우
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엘지전자 주식회사
엘지마이크론 주식회사
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Abstract

본 발명은 미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법에 관한 것으로, 유기 용매에 싸이올(thiols) 계열의 전구체(precursor)를 사용하여 혼합 제조한 이형제를 이용하여, 구리(Cd), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 중 하나의 금속 재질의 금형 표면에 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)으로 형성된 이형성 코팅막을 포함하여 구성함으로써, 금형의 정밀도를 저해하지 않으면서 원활한 이형 성능을 가지며, 상기 이형성 코팅막을 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)의 형성 원리를 이용하여 이형제 혼합 용액에 담금(dipping) 작업으로 형성함으로써 복잡한 장비를 사용하지 않고도 균일한 두께를 유지할 수 있게 되므로 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법을 제공한다.
미세 구조물 성형용 금형, 이형성 코팅막, 이형제, 계면 활성제

Description

미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법 {MICRO-STRUCTURE PATTERNED MOLD AND A METHOD FOR COATING MONOLAYER RELEASE THEREIN}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 성형용 금형 및 이에 의해 성형되는 성형물의 사시도
도2는 도1의 미세 구조물 성형용 금형의 평면도
도3은 도2의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면도
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 미세 구조물 성형용 금형 11: 금형 기판
12: 미세 구조물 패턴 13: 이형성 코팅막
20: 성형물
본 발명은 미세 구조 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법에 관한 것으로, 상세하게는 금형을 이용한 미세 구조물 성형시에 발생하는 금형의 마모, 오염 등의 표면 손상을 최소화하기 위하여 성형물을 금형으로 부터 용이하게 이형(Release)할 수 있는 미세 구조 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 플라스틱 등과 같은 고분자 물질에 대하여 금형을 이용하여 복제하거나 성형하는 방법에는 사출 성형(injection molding), 압축 성형(press molding), 압출 성형(extrusion molding) 등의 기술이 사용되고 있다. 금형을 이용한 성형 방법은 동일한 성형물을 반복적으로 신속하게 성형할 수 있다는 장점이 있으나, 금형에 성형 물질을 주입하여 경화시킨 후 금형과 성형물을 분리하는 과정에서 금형에 성형물의 일부분이 잔존하게 됨으로써 세척 과정을 생략하고 다시 성형물을 제조하면 그 형상이 제대로 성형되지 않고, 금형의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 금형을 주기적으로 세척하는 공정이나 물리적 또는 화학적 방법으로 주기적으로 금형에 부착된 잔존물을 제거하는 공정이 사용되고 있으나, 이 공정에 많은 시간이 소요됨에 따른 생산성 저하 및 생산 비용의 상승 등의 문제점을 야기하였다.
또한, 금형 표면에 성형물과의 이형을 용이하게 해주는 이형 물질을 도포하는 방법이 사용되었다. 이형 물질을 도포하는 방법은, 구체적으로, 금형과 성형물 사이의 접촉면에 적정한 농도로 희석된 이형 물질을 분무하여 도포하는 스프레이 도포법이나, 플라즈마 공정을 이용하여 금형면에 폴리머 박막을 코팅하는 플라즈마 방법이 사용되었다. 그러나, 스프레이 도포법은 금형면의 형상에 따라 이형제의 두께가 다르게 도포되므로 복잡한 형상의 금형면을 갖는 경우에는 적용이 곤란하며, 이형제가 금형면에 소량씩 퇴적되어 금형면의 정밀도를 저해하는 문제점이 있었다. 또한, 플라즈마 방법은 그 공정이 복잡하여 생산비가 크게 상승하게 되는 문제점을 안고 있었다.
따라서, 보다 저렴한 비용으로 금형 표면에 이형제를 신뢰성을 갖고 균일한 두께로 도포하는 방법의 개발 필요성이 높게 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 금형을 이용한 미세 구조물 성형시에 발생하는 금형의 마모, 오염 등의 표면 손상을 최소화하여 금형의 내구성과 내부식성을 향상시키고, 성형물을 금형으로부터 용이하게 이형(Release)할 수 있는 미세 구조 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금형과 성형물 사이의 이형성을 향상시키기 위하여 간단한 공정으로 이형제를 단층막으로 고르게 도포함으로써 금형에 형상 변화를 유발시키지 않으면서 저렴한 비용으로 이형을 용이하게 하는 미세 구조 성형용 금형 및 미세 구조 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 미세 구조물 성형용 금형에 있어서, 금형과 성형물 사이의 이형성을 향상시키도록 금형의 표면에 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)으로 형성된 이형성 코팅막을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형을 제공한다.
이는, 금형을 이용한 미세 구조물 성형시에 발생하는 금형의 마모, 오염 등의 표면 손상을 최소화하여 금형의 내구성과 내부식성을 향상시키는 동시에 금형과 성형물 사이의 이형성을 개선하기 위함이다.
여기서, 상기 금형은 구리(Cd), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 중 하나의 금속으로 이루어지고; 상기 계면 활성제로서 싸이올(thiols) 계열의 전구체(precursor)가 사용된 것이 바람직하다.
한편, 상기 금형은 금(Au)으로 이루어지고; 상기 계면 활성제로서 썰파이드(sulfides), 다이썰파이드(disulfides), RSO2H, R3P 중 하나인 전구체가 사용될 수도 있다.
그리고, 상기 계면 활성제는 상기 유기 용매에 대하여 1mMol 내지 10mMol 농도로 혼합된 것이 효과적이다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은 미세 구조물 패턴이 형성된 금형을 세척하는 단계와; 계면 활성제와 유기 용매를 혼합하여 이형제 혼합 용액을 제조하는 단계와; 상기 이형제 혼합 용액을 상기 미세 구조물 패턴의 표면에 코팅하는 표면 코팅 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법을 제공한다.
여기서, 상기 표면 코팅 단계는 상기 이형제 혼합 용액에 소정의 시간동안 상기 금형을 담금(dipping)에 의해 이루어지는 것이 설비 비용을 절감하는 측면에서 효과적이다. 그리고, 상기 표면 코팅 단계는 상기 이형제 혼합 용액을 상기 미 세 구조물 패턴 표면에 흘려줌으로써 이루어질 수도 있다.
그리고, 상기 이형제 혼합 용액이 유기 용매로 치환되도록 상기 금형을 세정한 후, 100℃이하에서 소정의 시간동안 건조시키는 열적 안정화 단계를 상기 표면 코팅 단계 이후에 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명은, 미세 구조물 성형용 금형으로 성형물을 반복하여 제작하는 경우에 금형과 성형물의 이형 시에 성형물의 일부분이 분리되어 금형에 고착되는 현상이 금형의 사용 회수가 증가할 수록 누적됨에 따라 필수적으로 수반되는 금형을 세척하는 공정을 생략시키고, 금형 세척 공정에도 불구하고 금형의 재사용에 한계로 인하여 일정 기간 경과후 새로운 금형을 사용하여야 하는 문제점을 해결하기 위하여, 금형과 성형물의 이형을 용이하게 하는 이형제를 금형의 미세 구조물 패턴 표면에 고르게 코팅된 미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조물 성형용 금형 및 이에 의해 성형되는 성형물의 사시도, 도2는 도1의 미세 구조물 성형용 금형의 평면도, 도3은 도2의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 구조 성형용 금형(10)은 금형 기판(11)과, 성형물(20)을 성형하도록 금형(10)에 미세 가공 기술 및 MEMS(Micro Electromechanical System) 기술로 제작된 미세 구조물 패턴(12)과, 미세 구조물 패턴(12)의 표면에 단층막으로 균일하게 도포되어 형성된 이형성 코팅 막(13)을 포함하여 구성된다.
여기서, 금형(10)은 소정의 미세 패턴이 정의된 마스터 상에 전해도금이나 무전해 도금 등의 방법을 이용하여 제조되는 것이 일반적이며, 수마이크로미터 내지 1밀리미터 범위의 외경을 갖는 마이크로렌즈가 2차원 형태로 구성된 마이크로렌즈 어레이 시트의 성형을 위한 금형이 널리 사용될 수 있다. 한편, 금형(10)에 형성된 미세 구조물 패턴(12)은 기계 가공으로 제작될 수도 있으며, 음각 이나 양각으로 가공될 수도 있다.
그리고, 상기 이형성 코팅막(13)은 금형(10)의 미세 구조물 패턴(12) 표면에 고르게 도포함으로써 금형(10)과 성형물(20) 사이의 이형성을 향상시키도록 형성된 것으로, 이형성 코팅막(13)을 형성하는 이형제 코팅 용액은 특정한 작용기를 가진 전구체나 소수성 사슬 구조를 갖는 계면 활성제를 유기 용매와 희석하여 혼합시킴으로써 만들어진다.
이하, 본 발명의 일 실시예의 코팅 방법에 대해 상술한다.
미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법은 미세 구조물 패턴(12)이 형성된 금형(10)을 유기 용매로 세척하는 세척 단계와, 계면 활성제와 유기 용매를 혼합하여 이형제 혼합 용액을 제조하는 이형제 혼합 용액 제조 단계와, 이형제 혼합 용액을 미세 구조물 패턴(12)의 표면에 코팅하는 표면 코팅 단계와, 금형(10)을 건조시키는 열적 안정화 단계를 포함하여 제조된다.
상기 이형제 혼합 용액 제조 단계에서 제조되는 이형제 혼합 용액은 코팅되는 금형(10)의 재질에 따라 그 성분이 달라진다. 즉, 코팅하고자 하는 금형(10)의 면이 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au) 등의 금속으로 형성된 경우에는 싸이올(thiols) 계열의 전구체를 N,N-dimethylformamide(DMF) 등과 같은 유기 용매와 1mMol 내지 10mMol 농도로 희석 혼합하여 만들어진다. 또한, 코팅하고자 하는 금형(10)의 면이 금(Au)인 경우에는 썰파이드(sulfides), 다이썰파이드(disulfides), RSO2H, R3P 중 하나의 전구체를 사용하여 유기 용매와 1mMol 내지 10mMol 농도로 희석 혼합하여 만들 수도 있다.
상기 표면 코팅 단계는, 상기와 같이 제조된 이형제 코팅 용액 속에 금속이나 유리 등의 금형(10)을 담금으로써(dipping) 이루어지며, 이형제 코팅 용액 내의 계면 활성제가 금형 표면에서 화학적 결합을 하면서 자기 정렬 및 자기 조립을 하게 된다. 이 때, 자기 조립된 박막은 단층막(Monolayer)으로 형성되며 이를 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer;SAM)이라 한다.
여기서, 상기 자기 집합 단층막은 그 두께가 수 나노미터(nm)정도의 막을 형성하게 되므로, 금형(10)에 형성된 미세 구조물 패턴(12)의 정밀도를 저해하지 않으면서 원활한 이형 성능을 갖게 되어, 금형 기판(11)으로부터 성형물(20)을 용이하게 분리하도록 한다.
상기 열적 안정화 단계는 금형(10)에 이형제 코팅막(13)이 형성되면 이형제 혼합 용액이 아세톤, 이소프로필알콜 등과 같은 유기 용매로 완전히 치환되도록 금형(10)을 충분히 세정한 후 100℃이하의 온도에서 소정의 시간동안 건조시키는 공정이다.
한편, 상기 이형제 혼합 용액을 제조하는 단계에서, 본 발명의 일 실시예에서 예시한 금형(10)의 재질에 대하여 상술한 계면 활성제에 한하여 이형제 혼합 용액을 제조하는 것이 아니라, 다양한 금속이나 유리로 만들어진 금형(10)에 대해서도 각각의 재질에 따라 적절한 계면 활성제를 사용함으로써 동일한 효과를 얻을 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 이형제 혼합 용액에 일정 시간동안 담그는 딥핑 공정에 의하여 금형(10)의 표면을 코팅하였으나, 금형(10)의 표면에 이형제 단층막의 박막 특성을 향상시키고 공정 시간을 단축하기 위하여 이형제 혼합 용액을 유로에 흘려 코팅하는 방법으로도 금형(10) 표면을 코팅할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 이형 성분을 포함한 코팅 물질을 금형 표면에 수 나노미터(nm) 두께의 단층막으로 코팅함으로써, 금형의 정밀도를 저해하지 않으면서 원활한 이형 성능을 갖는 미세 구조물 성형용 금형 및 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 미세 구조물 성형용 금형에 형성하는 이형성 코팅막은 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)의 형성 원리를 이용하여 이형제 혼합 용액에 담금(dipping) 작업으로 형성됨으로써 플라즈마 증착 등과 같이 복잡한 장 비를 사용하지 않고도 균일한 두께를 유지할 수 있게 되므로 이형제 코팅에 필요한 설비 투자 비용을 최소화하는 등 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있게 되며, 반도체 일관 공정을 이용한 대량 생산이 가능해진다.
그리고, 본 발명의 이형성 코팅막은 공유 결합과 반데르발스 힘(van der Waal's force)에 의하여 금형 표면에 형성됨에 따라, 기존의 이형제 코팅 방법에 비하여 상대적으로 높은 결합 에너지를 갖게 되므로 높은 신뢰성을 갖고 사용될 수 있고, 아울러 내부식성을 갖는 표면 특성을 갖게 된다.
본 발명에 의한 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법은 미세 가공 기술(micromachining) 및 MEMS(Micro Electromechanical System) 기술로 제작된 마이크로렌즈 어레이 시트 등을 포함한 미세 구조물 성형용 금형에 널리 활용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 계면 활성제와 유기 용매가 혼합된 이형제를 이용하여 상기 금형의 표면에 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)으로 형성된 이형성 코팅막을 포함하는 미세 구조물 성형용 금형으로서,
    상기 금형은 구리(Cd), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 중 하나의 금속으로 이루어지고;
    상기 계면 활성제로서 싸이올(thiols) 계열의 전구체(precursor)가 사용된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형.
  3. 계면 활성제와 유기 용매가 혼합된 이형제를 이용하여 상기 금형의 표면에 자기 집합 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)으로 형성된 이형성 코팅막을 포함하는 미세 구조물 성형용 금형으로서,
    상기 금형은 금(Au)으로 이루어지고;
    상기 계면 활성제로서 썰파이드(sulfides), 다이썰파이드(disulfides), RSO2H, R3P 중 하나인 전구체가 사용된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 계면 활성제는 상기 유기 용매에 대하여 1mMol 내지 10mMol 농도로 혼합된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형.
  5. 미세 구조물 패턴이 형성된 금형을 세척하는 단계와;
    계면 활성제와 유기 용매를 혼합하여 이형제 혼합 용액을 제조하는 단계와;
    상기 이형제 혼합 용액을 상기 미세 구조물 패턴의 표면에 코팅하는 표면 코팅 단계와;
    상기 이형제 혼합 용액이 유기 용매로 치환되도록 상기 금형을 세정한 후, 100℃이하에서 건조시키는 열적 안정화 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 표면 코팅 단계는 상기 이형제 혼합 용액에 소정의 시간동안 상기 금형을 담금(dipping)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 표면 코팅 단계는 상기 이형제 혼합 용액을 상기 미세 구조물 패턴 표면에 흘려줌으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법.
  8. 삭제
  9. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금형의 코팅부는 구리(Cd), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag) 중 하나의 금속으로 제조되고,
    상기 이형제 혼합 용액은 싸이올(thiols) 계열의 전구체(precursor)를 사용하여 유기 용매와 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법.
  10. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금형의 코팅부는 금(Au)으로 제조되고,
    상기 이형제 혼합 용액은 썰파이드(sulfides), 다이썰파이드(disulfides), RSO2H, R3P 중 하나의 전구체를 사용하여 유기 용매와 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 미세 구조물 성형용 금형의 단층막 이형제 코팅 방법.
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