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KR100791364B1 - Ｘ-선을 이용한 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법 - Google Patents

Ｘ-선을 이용한 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법 Download PDF

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KR100791364B1
KR100791364B1 KR1020060069657A KR20060069657A KR100791364B1 KR 100791364 B1 KR100791364 B1 KR 100791364B1 KR 1020060069657 A KR1020060069657 A KR 1020060069657A KR 20060069657 A KR20060069657 A KR 20060069657A KR 100791364 B1 KR100791364 B1 KR 100791364B1
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KR
South Korea
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pattern
ray
cylindrical roller
roller
photosensitive material
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KR1020060069657A
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English (en)
Inventor
양동열
이승섭
류승민
전영균
Original Assignee
한국과학기술원
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Abstract

이 발명은 롤러의 축 회전방향에 대해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 실린더형 롤러의 외주면에 감광재를 부착하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러의 축과, 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체를 갖는 X-선 마스크를 서로 평행하게 정렬하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 회전시키면서 감광재를 향해 X-선을 조사해 X-선 흡수체의 패턴에 대응하는 연속적인 패턴을 실린더형 롤러의 외주면에 형성하는 단계를 포함한다. 이 발명은 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 그 축에 대해 회전시키면서 X-선을 조사해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 용이하게 제작할 수 있고, 또한 롤러에 형성된 연속적인 패턴에 전기도금을 수행해 금속 롤러를 용이하게 제작할 수 있다.

Description

Ｘ-선을 이용한 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법{A fabrication method of a roller with continuous patterns using X-ray}
도 1은 종래기술에 따른 X-선을 이용하는 LIGA공정에 대한 공정도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 개략적인 단면도(a) 및 사시도(b)이고,
도 3은 도 2에 도시된 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작공정에서 마스크의 패턴형상에 따라 감광재에 패턴이 형성되는 모양을 나타낸 개략도이고,
도 4는 도 3에 나타낸 공정을 입체적인 각도에서 도시한 개략도이고,
도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따른 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러의 제작방법을 나타낸 공정도이며,
도 6은 마스크의 일부 기능을 하는 X-선 흡수체의 패턴형상에 따라 형성되는 감광재의 패턴 종류를 나타낸 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
21 : 실린더형 롤러 22 : 감광재
23 : X-선 흡수체 24 : X-선 마스크 기판
25 : X-선 26 : 흡수체
이 발명은 롤러의 축 회전방향에 대해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 제작하는 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 그 축에 대해 회전시키면서 X-선을 조사해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 제작하는 방법에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 롤러에 형성된 연속적인 패턴에 전기도금을 수행해 금속 롤러를 제작하는 방법에 관한 것이기도 하다.
일반적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)는 최소 수 mm (1mm=10-3m) 이상의 기존 기계부품이나 시스템보다는 작고, 나노(1nm=10-9m) 영역의 분자소자나 탄소 나노튜브보다는 큰 영역에 분류된다. MEMS는 입체적인 미세구조와 회로, 센서와 액추에이터를 실리콘 기판 위에 집적화시킨 기술로서, 소형이면서도 복잡하여 고도의 동작을 하는 시스템이다. 이러한 MEMS 기술은 반도체 집적회로의 구조기술을 기본으로 하고 있으며, 시스템의 소형화 · 집적화 · 저전력 · 저가격화에 유리하며, 마이크로(1㎛=10-6m) 단위의 작은 부품과 시스템으로 설계, 제작 및 응용이 가능하다. 또한, 단일 칩 형태의 MEMS는 사진석판술(photolithography), CMOS, 그리고 기타 가공기술로 저렴하게 대량 생산할 수 있는데, 애플리케이션에 따라 액추에이터/센서 및 스마트 구조의 노드, IC와 안테나, 프로세서와 메모리, 상호접속망(통신 버스), IO(input-output)시스템 등을 통합할 수 있다.
이러한 MEMS 기술로는 표면 미세가공(surface micromachining), 벌크 미세가공(bulk micromachining), LIGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung) 등이 있다.
이중에서도 LIGA 공정기술은 일반적으로 잘 알려진 UV를 이용하는 반도체 가공기술과 달리 X-선을 이용하여 수 ㎛에서 수 mm 정도의 높이를 갖는 고종횡비(구조물의 높이 대 폭의 비)의 3차원 형상을 만들어내는 가공기술을 일컫는다. LIGA 라는 어휘 자체는 식각(Lithography, 독일어로 LIthographie), 도금(Electrofoming, 독일어로 Galvanofomung), 사출(Molding, 독일어로 Abformung)의 독일어 머리말에서 따온 것이다.
최근 정밀 가공분야에서 많은 장비의 발전 및 새로운 공정기술 등이 개발되면서 초정밀 가공기술 자체에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 또한, 이러한 가공기술을 이용하여 광학부품, 통신부품, 마이크로 금형 등 실제의 초소형 기기나 부품 등에 직접적으로 응용하기 위한 많은 연구 또한 진행 중에 있다. 이러한 많은 가공기술 중에서 특히 LIGA 가공기술은 무엇보다도 앞서 언급하였듯이 고종횡비의 초미세 구조물 제작에 가장 큰 장점을 지니고 있으며, 또한 어원에서 알 수 있듯이 도금공정을 통해 정밀 금형의 제작이 직접 가능하다는 점에서 다른 많은 정밀 가공기술과 그 차별성을 갖는다.
상술한 바와 같은 분야의 MEMS 기술에 사용되는 LIGA 공정은 도 1에서와 같이 크게 X-선 노광 공정, 전기도금 공정, 플라스틱 사출 공정의 3단계로 이루어져 있다.
이중 첫 번째 단계는 X-선 공정 단계로 패턴기판(5) 위에 부착(도포)된 수백에서 수천 ㎛ 정도의 두께를 갖는 감광성 폴리머 등의 감광재(4)를 X-선 마스크(2, 3)를 이용하여 X-선(1)으로 노광시킨 후, 특정 약품으로 현상하여 원하는 구조물의 감광재 패턴(6)을 만드는 과정이다. 이 과정에서 X-선 마스크(2, 3)는 X-선을 흡수하는 X-선 흡수체(2)와 이를 지지하는 X-선 마스크 기판(3)으로 이루어지는데, 이를 만드는 과정은 일반적으로 잘 알려진 반도체의 사진 식각 공정을 이용하여 만들어지는데, 이 과정이 제작되는 구조물의 여러 가지 치수나 표면조도 등의 특성을 결정짓게 되므로 가장 중요한 공정이라 할 수 있다. 이 때, 구조물의 치수 정밀도는 반도체 공정기술을 이용하므로 당연히 마스크 제작시의 공정 정밀도에 따라 결정된다.
두 번째 단계는 감광재 패턴(6)이 형성되지 않는 부분을 금속으로 채우기 위해 전기도금 공정을 행하는 과정이다. 이러한 전기도금 공정을 행하기 위해서는 미리 도금이 가능하도록 도금 시드층(seed layer)이 있어야 한다. 이러한 전기도금 공정을 통해 감광재 패턴(6)이 형성되지 않는 부분을 금속(7)으로 충진한다. 이렇게 전기도금이 완료되면, 패턴기판(5)과 감광성 패턴(6)으로 구성된 구조물을 제거하여 공동을 갖는 금속 금형(8)을 제작한다. 이 때, 감광성 패턴(6)은 특정 약품을 이용하여 제거한다.
마지막 세 번째 단계는 제작된 금속 금형(8)의 공동에 폴리머(9) 등을 충진하고 경화시킨 후, 금속 금형(8)과 분리하여 최종의 플라스틱 구조물(10)을 만드는 과정이다. 이 때, 금속 금형을 통해 플라스틱 구조물뿐만 아니라 세라믹 구조물 등을 제작하기도 한다.
상술한 바와 같이 LIGA 공정은 일반적으로 감광재를 부착한 패턴기판과 X-선 마스크를 정렬한 후, 패턴기판 위의 감광재에 X-선을 조사하고, 이를 현상하여 원하는 구조물을 형성한다. 이렇듯, 종래에는 LIGA 공정을 이용해 1개의 평면기판 위에서만 패턴을 형성할 수 밖에 없었다.
따라서 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 그 축에 대해 회전시키면서 X-선을 조사해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 용이하게 제작하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 롤러에 형성된 연속적인 패턴에 전기도금을 수행해 금속 롤러를 용이하게 제작하는 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이 발명의 한 특징은, 실린더형 롤러의 외주면에 감광재를 부착하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러의 축과, 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체를 갖는 X-선 마스크를 서로 평행하게 정렬하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 회전시키면서 감광재를 향해 X-선을 조사해 X-선 흡수체의 패턴에 대응하는 연속적인 패턴을 실린더형 롤러의 외주면에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 다른 특징은, 실린더형 롤러의 내주면에 감광재를 부착하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러의 축과, 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체를 갖는 X-선 마스크를 서로 평행하게 정렬하는 단계와; 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 회전시키면서 감광재를 향해 X-선을 조사해 X-선 흡수체의 패턴에 대응하는 연속적인 패턴을 실린더형 롤러의 내주면에 형성하는 단계와; 실린더형 롤러의 내주면에 형성된 연속적인 패턴 위에 금속박막을 증착하는 단계; 및 금속박막을 시드층(seed layer)으로 전기도금을 수행해 표면에 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러를 형성한 후 실린더형 롤러로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 X-선 흡수체의 형상을 달리하여 연속적인 패턴의 단면이 사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반타원 또는 반원의 형상을 갖도록 할 수 있다.
이 발명의 감광재는 필름 형태 또는 튜브 형태로 부착할 수 있고, 실린더형 롤러의 내부에는 감광재의 일측을 향해 조사된 X-선이 타측의 감광재에 조사되지 않도록 흡수하는 흡수체를 더 설치할 수도 있다.
이 발명의 금속박막은 전자빔 박막증착(E-beam evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 금속을 증발시켜 증착할 수 있다.
아래에서, 이 발명에 따른 X-선을 이용한 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 개략적인 단면도(a) 및 사시도(b)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 롤러는 일반적인 실린더형 롤러(11)의 표면에 X-선 흡수기능을 갖는 축(12)을 따라 요부(13)와 철부(14)가 교번하여 반복적으로 형성된 연속적인 패턴을 갖는다.
도 3은 도 2에 도시된 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작공정에서 마스크의 패턴형상에 따라 감광재에 패턴이 형성되는 모양을 나타낸 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 감광재에 패턴을 형성하는 전체적인 공정순서는 다음과 같다.
첫 번째 공정은 실린더형 롤러(21)의 표면에 감광재(22)를 부착하는 단계이다. 이 때, 감광재(22)는 필름 형태로 실린더형 롤러(21)의 표면에 균일하게 부착(도포)하거나, 또한 튜브 형태로 부착(도포)할 수 있다. 일반적으로 감광재(22)는 민감도가 낮은 PMMA와 민감도가 높은 SU-8이 많이 사용된다.
두 번째 공정은 감광재(22)가 부착된 실린더형 롤러(21)와 X-선 마스크(23, 24)를 정렬하여 X-선(25)을 조사하는 단계이다. X-선 마스크(23, 24)는 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체(23)와, 이를 지지하는 X-선 마스크 기판(24)으로 이루어진다. X-선 흡수체(23)는 주로 금이 사용되며, X-선(25)이 원하는 위치의 감광재(22)에 조사되도록 그 패턴을 X-선 마스크 기판(24) 위에 형성해야 한다. 이 때, X-선 흡수체(23)의 패턴의 높이가 너무 낮으면 X-선(25)이 투과하여 마스크의 역할을 할 수 없으므로 적절한 높이가 요구된다.
이렇게 X-선(25)이 조사되는 동안 실린더형 롤러(21)는 그 축을 따라서 회전운동을 한다. 이러한 회전운동은 실린더형 롤러(21)의 표면에 부착된 감광재(22) 에 연속적인 패턴을 형성하기 위해서다. 즉, X-선(25)을 조사함과 동시에 감광재(22)가 부착된 실린더형 롤러(21)가 회전운동을 함에 따라, 감광재(22)에 연속적인 패턴을 형성할 수 있다. 이 때, X-선 마스크(23, 24)와 실린더형 롤러(21)의 축은 서로 평행하게 정렬되어야 하며, 평행하지 않을 경우 X-선(25)이 원하지 않는 감광재(22) 부위에 조사되어 바람직한 패턴형상을 얻을 수가 없다.
그리고 X-선(25)이 조사되는 동안 마스크의 일부 기능을 하는 X-선 흡수체(23)의 패턴 설계에 따라 감광재(22)의 패턴이 달라진다. 즉, X-선 흡수체(23) 위에 형성된 패턴 모양에 따라 감광재(22)에 조사되는 X-선(25)의 양이 달라진다. 예를 들어, 도 3에서와 같이 X-선 흡수체(23)의 패턴이 삼각형으로 형성된 마스크를 사용할 경우에는, 삼각형의 상부 꼭지점(23a) 부분을 지나는 X-선은 삼각형의 하부 꼭지점(23b)을 지나는 X-선에 비해 빔의 강도가 약해진다. 따라서, 실린더형 롤러(21)의 표면에 부착된 감광재(22)에는 삼각형 모양의 단면을 갖는 패턴을 형성할 수 있게 된다.
상기와 같이 X-선(25)을 조사하는 동안 실린더형 롤러(21)의 내부에는 X-선을 흡수하는 별도의 흡수체(26)를 더 설치하는 것이 바람직하다. X-선은 물질에 대한 투과율이 매우 좋기 때문에 별도의 흡수체(26)를 실린더형 롤러(21)의 내부에 위치시킴으로써, 먼저 도달한 X-선이 실린더형 롤러(21) 내면의 반대면까지 진행하지 못하도록 막아준다. 만약, X-선을 흡수하는 흡수체(26)를 위치시키지 않는다면, 감광재(22)의 일측에서 조사된 X-선이 실린더형 롤러(21)의 타측에 부착된 감광재(22)에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 초기에 제작하고자 하는 패턴을 형성하는데 어려움이 있을 수 있다.
도 4는 도 3에 나타낸 공정을 입체적인 각도에서 도시한 개략도로서, 마스크의 패턴형상에 따라 빔의 강도가 달라짐에 따른 패턴의 형성과정을 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, X-선(25)은 마스크를 통과하면서 X-선 흡수체(23)의 패턴형상에 따라 빔의 강도가 달라진다. 이렇게 달라진 빔의 강도로 인해 실린더형 롤러(21)의 표면에 부착된 감광재(22)에 패턴이 형성되는데, 이 때 실린더형 롤러(21)를 회전운동시킴으로써 감광재(22)에 연속적인 패턴제작이 가능하다.
도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따른 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러의 제작방법을 나타낸 공정도이다. 이 실시예는 금속 롤러의 형성을 위한 전기도금용 금속박막을 형성하기 전까지는 앞서 설명한 실시예의 공정과 동일 유사하다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 실린더형 롤러(31)의 내주면에 감광재(32)를 부착한다. 이 때, 감광재(32)는 실린더형 롤러(31)의 내주면을 따라 연속적으로 부착되어야 하는데, 필름 형태 또는 튜브 형태의 감광재를 부착할 수 있다.
그런 다음, 감광재(32)가 부착된 실린더형 롤러(31)를 X-선 마스크(33, 34)와 정렬한 후, 실린더형 롤러(31)를 회전시킴과 동시에 X-선(35)을 조사한다. 그로 인해, 실린더형 롤러(31)의 내부에 부착된 감광재(32)에 연속적인 패턴이 형성된다. 이 때, 실린더형 롤러(31)의 내부에는 X-선을 흡수하는 별도의 흡수체(36)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 다음으로 실린더형 롤러(31)의 내부에 형성된 감광재(32)의 연속적인 패턴위에 금속박막(37)을 증착한다. 금속박막(37)은 전자빔 박막증착(E-beam evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 금 속을 증발시켜 증착한다. 이렇게 금속박막(37)을 증착하는 이유는 전기도금을 하기 위한 시드층(seed layer)을 만드는 것이며, 이러한 시드층을 이용하여 전기도금을 수행해 표면에 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러(38)를 형성한 후 실린더형 롤러(31)로부터 분리함으로써, 표면에 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러(38)가 제작된다.
도 6은 마스크의 일부 기능을 하는 X-선 흡수체의 패턴형상에 따라 형성되는 감광재의 패턴 종류를 나타낸 개략도이다. 도 5에 제작된 금속 롤러(38)는 그 외부 패턴을 도 6과 같은 X-선 흡수체의 패턴 종류에 따라 다양하게 제작할 수 있다. 즉, X-선 마스크 기판(34)에 사각형의 X-선 흡수체(33a)가 형성된 X-선 마스크를 이용할 경우, 사각형의 X-선 흡수체(33a)가 형성된 부분은 X-선이 투과되지 않고, X-선 흡수체(33a)가 형성되지 아니한 부분은 X-선이 투과된다. 따라서, X-선 조사량의 구배가 없기 때문에 직벽을 갖는 사각형 패턴(33a')을 제작할 수 있다.
이와 동일한 원리로 인해 삼각형의 X-선 흡수체(33b)의 경우, X-선 조사량은 투영되는 감광재에 구배가 생기므로 특정 경사각을 갖는 삼각형 패턴(33b')을 제작할 수 있다. 그리고 사다리꼴의 X-선 흡수체(33c)의 경우, 사다리꼴의 하부를 통과하여 투영되는 X-선 조사량은 사다리꼴의 상부를 통과하여 투영되는 X-선의 양보다 작으므로 사다리꼴과 같은 단면적을 가진 사다리꼴 패턴(33c')을 제작할 수 있다. 또한, 타원형의 X-선 흡수체(33d)의 경우에는 반타원형 곡선의 단면적을 가진 반타원형 패턴(33d')을 제작할 수 있다. 더불어, 원형의 X-선 흡수체를 이용할 경우에는 반원형 곡선의 단면적을 가진 반원형 패턴을 제작할 수 있다.
이 발명은 감광재가 부착된 실린더형 롤러를 그 축에 대해 회전시키면서 X-선을 조사해 연속적인 패턴을 갖는 롤러를 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 이 발명은 롤러에 형성된 연속적인 패턴에 전기도금을 수행해 금속 롤러를 용이하게 제작할 수 있다.
이상에서 이 발명의 X-선을 이용한 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 일측을 향해 조사된 X-선이 타측으로 조사되지 않도록 흡수하는 흡수체가 내부에 설치된 실린더형 롤러의 외주면에 감광재를 부착하는 단계와;
    상기 감광재가 부착된 상기 실린더형 롤러의 축과, 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체를 갖는 X-선 마스크를 서로 평행하게 정렬하는 단계와;
    상기 감광재가 부착된 상기 실린더형 롤러를 회전시키면서 상기 감광재를 향해 X-선을 조사해 상기 X-선 흡수체의 패턴에 대응하는 연속적인 패턴을 상기 실린더형 롤러의 외주면에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법.
  2. 일측을 향해 조사된 X-선이 타측으로 조사되지 않도록 흡수하는 흡수체가 내부에 설치된 실린더형 롤러의 내주면에 감광재를 부착하는 단계와;
    상기 감광재가 부착된 상기 실린더형 롤러의 축과, 패턴의 두께에 따라 X-선의 흡수량을 달리하는 X-선 흡수체를 갖는 X-선 마스크를 서로 평행하게 정렬하는 단계와;
    상기 감광재가 부착된 상기 실린더형 롤러를 회전시키면서 상기 감광재를 향해 X-선을 조사해 상기 X-선 흡수체의 패턴에 대응하는 연속적인 패턴을 상기 실린더형 롤러의 내주면에 형성하는 단계와;
    상기 실린더형 롤러의 내주면에 형성된 상기 연속적인 패턴 위에 금속박막을 증착하는 단계; 및
    상기 금속박막을 시드층(seed layer)으로 전기도금을 수행해 표면에 연속적인 패턴을 갖는 금속 롤러를 형성한 후 상기 실린더형 롤러로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 X-선 흡수체의 형상을 달리하여 상기 연속적인 패턴의 단면이 사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반타원 또는 반원의 형상을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 감광재는 필름 형태 또는 튜브 형태로 부착하는 것을 특징으로 하는 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속박막은 전자빔 박막증착(E-beam evaporation) 또는 스퍼터 링(sputtering) 공정을 이용하여 금속을 증발시켜 증착하는 것을 특징으로 하는 연속적인 패턴을 갖는 롤러의 제작방법.
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