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1 33 기계저널 CK 테 마 기 획 기계적인 마이크로 절삭가공기술 미세전기가공 기술 섀도 마스크 증착을 이용한 마이크로/나노 패터닝 미세박판을 이용한 마이크로 성형기술 LTCC공정의 정밀 적층 기술 폴리머 소재 마이크로 성형기술의 소개 담당위원 주종남

2 34 기계저널 CK 기계적인 마이크로 절삭가공기술 이 글에서는 디스플레이 바이오 전자 자동차 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있는 기계적인 마이크로 절삭가공기술(mechanical micro machining technology)에 대하 여 소개하고자 한다. 평판형 디스플레이 초소 형 이동기기 가전 항 공 자동차 바이오산업 등에서 핵심부품들의 저전력, 고휘도, 저 가격화를 위하여 초정밀 미세부 품들에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며 이를 생산하기 위한 기술도 눈부시게 발전하고 있다. 기존 미세 부품을 대량생산 하기 위한 가공기술은 실리콘 기 반의 화학적 식각공정인 반도체 공정에 기반을 두고 있으며 실리 콘 소재의 2차원 구조 부품에만 제한적으로 적용되었다. 그러나 첨단 IT제품에는 기능성소재의 3 차원 구조의 부품을 요구하고 있 으며 이는 기존의 반도체 공정으 로써는 불가능하여 보다 실용적 이고 고 생산성인 기계적인 미세 절삭가공기술과 미세사출성형기 술에 대한 연구가 진행 중에 있 다. 최근에는 나노급 미세가공시 스템과 미세공구 제작기술 등의 눈부신 발전으로 인하여 금속, 복 합재료, 폴리머 소재 등의 실용적 인 초정밀 미세부품들을 만들 수 있으며 미세 사출성형을 위한 3 차원 자유형상 미세금형 제작기 술에 대한 연구가 활발히 개발되 고있다. 디스플레이 바이오 IT전자 산업 등을 중심으로 마이크로 가 공기술을 기반으로 한 관련 제품 개발에 기업과 정부의 관심이 매 우 높아지고 있다. 차세대 디스플 레이 시장에 있어서는 중소형 장 치의 경우 휴대 특성이 뛰어난 고분자 필름기판을 채택한 TFT- LCD와 유기EL이 시장을 주도할 것으로 예상되며 화면의 대면적 화와 입체형상을 지원하는 3차원 디스플레이 기술의 급속한 발전 이 전망된다. IT 및 가전산업에서 는 대용량의 정보를 전달하고 기 록하는 광통신 핵심부품과 광학 부품의 수요가 확대될 것으로 기 대되며 이들 핵심부품들을 제작 [ ] 최두선/ 한국기계연구원, 책임연구원 제태진/ 한국기계연구원, 선임연구원 유영은/ 한국기계연구원, 선임연구원 이응숙/ 한국기계연구원, 책임연구원 _ choids@kimm.re.kr _ jtj@kimm.re.kr _ yeyoo@kimm.re.kr _ les648@kimm.re.kr 34 기계저널 제46권 제6호 34 기계저널 CK

3 35 기계저널 CK 하기 위한 기계요소부품의 초정 밀 형상가공과 표면가공기술 및 이에 따른 양산설비기술 확보가 시장 경쟁력을 주도하게 될 것으 로 예상된다. 현재 각종 형태의 비구면을 0.1μm의 형상정밀도로 가공할 수 있는 비구면 가공기가 상용화되었으며 기존 반도체 공 정으로 제작되는 각종 광 핵심부 품들에 적용하여 제품 응용분야 에 급격히 확산되고 있으며 향후 10년 후에는 형상정밀도를 10nm까지 낮출 수 있는 시스템 이 출시될 전망이다. 마이크로 패 턴형상에 따라 크기나 조도는 달 라지나 비철금속재료를 이용한 회전격자 어레이의 경우 5μm의 형상 크기 및 5nm 이내의 표면 조도를 기계적인 절삭가공으로 제작할 수 있으며 디스플레이, 바 이오산업 및 정보통신용으로 5~20μm 마이크로 패턴 제품을 기계적인 미세 절삭가공 기술로 고속 양산이 가능하다. 마이크로 미세부품의 크기와 정밀도, 표면 거칠기, 형상치수 재현성 등은 미 세가공시스템의 정밀도, 동적성능 및 미세공구의 특성에 따라 결정 된다. 미세 가공시스템은 스핀들 과 초정밀 스테이지 및 이를 제 어하는 통합 콘트롤러 구성되어 있으며 미세 회전공구를 사용하 는 밀링공정에 적용되는 스핀들 의 경우 회전공구의 직경이 매우 작기 때문에 칩 제거율을 높이기 위하여 고속회전을 요구되고 있 으며 이러한 고속회전 스핀들은 절삭가공에 요구되는 가공 토크 에 따라 결정되며 에어 베이링을 채택한 스핀들의 경우 최대 200,000rpm의 상용화 된 제품 이 출시되고 있다. 정밀 스테이지 의 경우 볼 스크류나 리니어모터 로 구동되며 현재 나노급 정밀도 를 가지는 제품이 가공면적의 크 기에 따라 제품으로 나오고 있다. 현재 상용화된 미세 가공시스템 들은 대부분 높은 강성과 정밀 한 센서 및 액추에이터를 이용하 여 나노급 정밀도로 가공이 가능 하나 가공면적을 대면적화하거나 가공환경을 안정화시키는 데 기 술적 노하우가 요구된다. 마이크로 구조물은 크기가 매 우 작기 때문에 많은 연구소와 대학에서는 사용 에너지와 공간 및 유지비용을 줄이기 위하여 마 이크로 부품을 제작하는 미세 가 공시스템의 크기를 줄이는 연구 를 진행해 오고 있다. 마이크로 시스템의 특징은 기존 대형 가공 시스템에 비하여 높은 고유진동 수를 가지고 채터에 의한 불안정 성이 없으며 부하에 대한 진동이 낮아 스핀들의 속도범위를 다양 하게 할 수 있다. 이러한 마이크 로 시스템을 개발하기 위해서는 정확한 센서와 액추에이터가 초소 형으로 개발되어야 하며 기계구조 적인 강성을 유지하기 위한 구조 로 제작되어야 한다. 또한 외부주 위 환경에 민감하지 않도록 방진 설비가 갖추어져야 하며 여러 가 지 마이크로 시스템들을 통합 제 어하는 기술이 개발되어야 한다. 초정밀 미세절삭공구의 크기는 미세구조물 형상의 크기와 정밀 도 한계를 결정하며 상대적으로 그림 1 FANUC, Japan 그림 2 IPT, Germany 그림 3 KIMM, Korea Journal of the KSME 기계저널 CK

4 36 기계저널 CK 그림 4 KMicro Press, Norethwestern 그림 5 Micro Factory, AIST 그림 6 Micro Forming, Japan 그림 7 R150μm Diamond Tool 그림 8 90 Diamond Too 그림 9 R355μm Diamond Tool 줄어든 열팽창과 정적강성, 높은 고유진동수에 따른 동적 안정성 을 가지고 있다. 미세절삭공구의 재료로는 천연 다이아몬드와 텅 스텐 카바이드가 주로 사용되는 데 철 종류를 가공하는 데에는 높은 화학적 친화력 때문에 다이 아몬드 대신 고온에서 높은 강도 와 경도를 가지는 텅스텐 카바이 드가 사용되고 비철금속 가공엔 다이아몬드공구가 사용된다. 현재 미세공구 제작기술이 더욱 발전 하여 마이크로 공구의 지름이 더 작아지게 되면 리소그라피에 의 해 제작된 마이크로 부품과 경쟁 력을 가질 수 있으며 가공성을 높이기 위하여 더 높은 마멸저항 특성과 더 견고함을 가진 공구들 이 개발되어야 한다. 대부분의 직 경 50μm 이하의 미세공구들은 고가장비로 제작이 가능한데 저 렴하고 양질의 마이크로 공구를 제작하기 위해서는 새로운 제작 방법이 개발되어야 한다. - 미세 평삭가공기술 공구 또는 공작물의 왕복운동 으로 이루어지는 세이핑머신이나 플레이너에 의한 평삭가공기술은 19세기 초반에 개발되어 오늘날 까지 공작물의 평면가공에 광범 위하게 적용되고 있다. 그러나 초 기의 평삭가공기는 정밀도면에서 낙후되어 광학적인 미세 구조물 을 필요로 하는 분광용 그레이팅 과 같은 광학부품을 가공하기 어 려웠다. 이에 따라 이러한 미세패 턴 그레이팅의 가공을 위해 19세 기 후반에 다이아몬드 공구와 룰 링엔진이라는 특수한 가공장치가 개발되어 오늘날까지 사용되고 있다. 그러나 이 룰링엔진을 이용 한 가공법은 다이아몬드 공구를 공작물 표면에 문지르는 가공방 식으로서 일종의 소성가공이며, 36 기계저널 제46권 제6호 36 기계저널 CK

5 37 기계저널 CK 미세절삭가공은 아니다. 실질적인 미세 평삭가공기술은 근년에 발 달된 공작기계기술의 발전과 더 불어 발전하였으며, 그레이팅의 대량생산을 위한 금형의 가공, 엔 코더용 미세 패턴가공, 야광 반사 시트용 금형의 가공 등을 거치며 수십 μm 사이즈의 미세 패턴을 가공하는 수준으로 발전하였다. 특히 최근의 PDP, LCD와 같은 디스플레이 산업의 발전과 더불 어 여기에 필요한 도광판 가공기 술, 프리즘시트, 반사시트, 렌티 큘러 필름 등 미세패턴을 가진 광학필름의 생산을 위한 금형가 공기술에서 평삭가공기술은 최적 의 제조기술로서 각광 받으며 급 속적인 발전을 거듭하고 있다. 최근의 평삭가공기술은 광학부 품의 고성능 고기능화와 생산성 향상에 맞물려 패턴의 다양화, 미 세화, 대면적화의 형태로 발전하 고 있다. 패턴의 형상은 프리즘시 트나 반사시트와 같이 V 그루브 를 기본으로 하는 프리즘 구조, 피라미드 구조, 삼각피라미드 구 조 등을 요구하고 있는 것과, 3 차원형상구현을 위한 렌티큘러 렌즈와 같이 단면이 구면인 것, 또 분광 및 홀로그램용의 사각채 널 등이 기본으로 요구되고 있으 며, 최근에는 이들 구조체가 복합 적으로 배열되거나 상하좌우 등 의 3차원형상으로 이루어지는 것 이 많다. 패턴의 크기는 100μm 의 형상 사이즈에서 점차 미세화 되어 최근에는 50μm~10μm 정 도의 패턴에 대한 요구가 많으며, 극단적으로는 100nm 정도의 미 세패턴을 요구하고 있다. 가공 면 적의 확대는 제품의 생산성을 높 이기 위한 것으로서 기존에는 2 인치 급의 휴대폰용 도광판에서 그림 10 세이핑 가공법 그림 12 도광판 금형가공 예 그림 14 미세 삼각프리즘 구조물 가공 예 지금은 17인치 급의 노트북용 도 광판을 가공하고 있으며, 향후에 는 40인치 급의 대형 TV 금형 등을 가공하는 것이 요구되고 있 다. 따라서 이와 같은 미세 평삭 가공기술은 디스플레이산업의 핵 그림 11 가공시스템 및 공구 그림 13 미세 사각 프리즘 구조 물가공예 그림 15 렌티큘러 금형가공 예 Journal of the KSME 기계저널 CK

6 38 기계저널 CK 심기반기술로서 지속적으 로 그 수요에 대응하는 첨 단가공기술 개발이 필요 하다. - 미세 선삭가공기술 18세기 후반 산업혁명 의 원동력이 된 증기기관 의 성공적인 개발은 1775 년에 윌킨슨이 개발한 보 링머신으로 직경 72인치 의 실린더 내경을 1mm 정도의 주화 두께로 가공 한 것이 결정적 역할을 하 였다. 그로부터 200여 년 이 지난 현재 나노메타 정 밀도를 갖는 첨단공작기 계의 개발로 서브미크론 수준의 형상 정밀도와 서 브나노 수준의 표면 거칠 기로 가공할 수 있는 초정 밀 선삭가공기술이 개발 되고 있다. 1966년 미국 의 Union Carbide 사에 의해 다이아몬드공구를 이용한 초정밀 경면 절삭 가공기의 개발을 시초로, 현재는 수 나노메타의 운 동정밀도를 갖는 초정밀 공작기계가 개발되었고, 서브나노메타의 인선을 갖는 천 연 단결정 다이아몬드공구의 개 발로 각종 특수 반사경, 렌즈, 마 이크로 부품 등의 가공에 적용하 고 있다. 초정밀 선삭가공기술의 발전은 기본적으로 초정밀 광학 부품의 수요에 의해서 발전되어 왔다고도 볼 수 있다. 먼 옛날의 그림 16 마이크로 채널금형가공 예 그림 18 초정밀 선삭가공기를 이용한 디스크 경면가공 그림 20 마이크로 프레넬렌즈 선산가공 표면 형상측정 예 외통 망원경으로부터 오늘날의 우주 관측용 대형 망원경에 이용 되는 망원렌즈 및 반사경, 현미경 및 카메라용 렌즈, 정보저장기기 의 발달 및 IT 산업에 요구되는 픽업렌즈, 레이저산업 등에 요구 되는 반사경 및 포커싱 렌즈, 인 간을 위한 콘텍트 렌즈에 이르기 까지 수많은 광학제품을 선삭으 그림 17 3차원 커브 미세패턴 가공 예 그림 19 초정밀 선반에 의한 마이크로 픽업렌즈 금형가공 그림 21 레이저반사경 가공 예 로 가공하고 있다. 특히 최근의 미세선삭가공 기술은 픽업용 마 이크로 비구면 대물렌즈, 프레넬 또는 홀로그램용 렌즈와 같이 비 구면에 마이크로 사이즈의 패턴 을 가진 하이브리드 구조의 렌즈, 한 평면에 복수개의 마이크로 렌 즈가 배열된 마이크로 렌즈어레 이 등의 기술개발에 활발히 적용 38 기계저널 제46권 제6호 38 기계저널 CK

7 39 기계저널 CK 그림 22 Micro-lathe 되고 있다. 한편, 이러한 미세선삭가공 기 술은 초정밀 마이크로 기계요소 부품 분야에서도 활발히 적용되 어 마이크로 팩토링용의 마이크 로 선반이 개발되고 있고, 마이크 로 모터 및 액추에이터용의 미세 형상부품에 대한 선삭가공기술 등이 개발되고 있다. 이와 같은 선삭가공기 술은 현재 수 nm 영 역에서의 절삭가공이 실용화되어 있고, 실험실적으로는 절입 1nm 에서의 절삭가공과 함께 미세한 절삭력도 측정되고 있다. 이러한 정밀도의 실현은 현 수준에서 절 삭가공의 한계에까지 도달한 것 으로 평가되고 있고, 향후의 가공 한계는 공작기계의 운동정도와 공구인선의 전사정도, 무결점 재 료, 가공프로세스의 발전 등에 따 라 진전될 것으로 전망된다. - 롤투롤(Roll-to-Roll) 가공기술 향후 인류 생활에 큰 변혁을 가지고 올 것으로 예상되고 활발 한 연구가 진행되고 있는 유비쿼 터스 제품이나 플렉서블 디스플 레이, 전자종이 혹은 이에 필요한 그림 23 마이크로 모터용 미세축 가공 예 다양한 소자들은 공통적으로 변 형이 비교적 자유롭다는 공통적 인 특성을 가지고 있다. 이와 같 이 변형이 비교적 자유로워 휴대 성이나 적용성 등이 매우 우수한 플렉서블 디바이스(flexible device)는 디스플레이 분야, 통 신 분야, 바이오 분야, 의학 분야 및 스포츠 용품 분야 등 다양한 부분에서 개발이 더욱 활성화 될 것으로 예상된다. 현재 이러한 플 렉서블 디바이스는 많은 경우 아 직 디바이스의 개발을 위한 연구 실 안의 단계에 머무르고 있어, 아직 양산을 고려한 제작이나 생 산 공정의 개발은 본격적으로 이 루어지지 않고 있는 실정으로 대 부분 기존의 리소그래피 공정이 나 MEMS 공정 등의 배치 작업 에 의존하여 시험 제작되고 있으 나, 향후 제품의 양산 및 조기의 시장 진입을 위해선 플렉서블 디 바이스의 특성을 고려한 고생산 성 공정 개발이 병행되어야 할 것으로 판단된다. 플렉서블 디바 이스의 경우 제품 및 사용 소재 의 특성으로 인해 제품 제조 공 정에서 소재, 취급성, 치수 안정 성, 균일성, 정밀도 등 몇 가지 문제점을 내포하고 있지만, 제품 의 유연한 특성을 적절히 이용하 는 경우 생산성을 획기적으로 향 상시킬 수 있는 연속 공정의 적 용이 가능할 것으로 판단된다. 최 근의 기능성 광학 필름 등은 미 세 패턴 롤 금형을 이용하여 미 세 패턴 구조물을 필름의 표면에 전사시키는 롤 포밍 공정을 통해 생산되고 있다. 그러나 플렉서블 디바이스의 경우 이러한 광학적 기능성 필름과는 달리 공정에서 단순한 구조물의 전사 이외에 패 터닝, 적층, 코팅, 포밍, 에칭, 및 솔더링 등 필요한 다양한 요소 공정이 인라인으로 구현되어 디 바이스 혹은 디바이스 부품의 제 작이 가능한 연속 생산 공정의 개발이 필요하며 특히 생산기술 의 핵심인 롤 가공기술은 반드시 개발하여야 할 핵심기술이다. 첨단 핵심 산업분야에서의 기 술개발력 확보와 관련 신제품의 조기 실용화를 통한 경쟁력 확보 는 대량 생산 기술 기반이 없이 는 불가능하다. 향후 IT 산업과 같은 첨단 핵심 산업 부분에서의 제품은 고성능 및 고기능화를 통 한 고부가가치화를 위해 대면적 화, 구조의 미세화, 고정밀화의 경향을 보이고 있다. 이와 더불어 많은 응용 제품이 좋은 광학적인 특성을 필요로 하거나 이용하고 Journal of the KSME 기계저널 CK

8 40 기계저널 CK 그림 24 Riken Seiko, Japan 그림 25 Moore Tool, USA 그림 26 Toshiba, Japan 그림 27 대면적 평삭가공시스템 및 경면 미세 패턴 가공시제품 예-KIMM 있어 유리나 플라스틱 소재 적용 기술의 정립도가 매우 낮아 첨단 에 대한 요구가 커지고 있다. 이 고기능 제품의 설계 및 생산에 중 특히 플라스틱 소재의 경우 큰 제약 요인이 되고 있어, 이에 대량 생산에 매우 적합하고 경량 대한 핵심 기술의 확보가 매우 화에 유리하여 플라스틱 소재를 시급한 실정이다. 또한 최근 이러 적용한 제품이나 공정이 크게 증 한 미세 패턴의 크기는 제품의 가하고 있으며, 이는 첨단 플라스 기능 향상을 목적으로 더욱 작아 틱 소재의 지속적인 개발과 병행 지는 경향을 보이고 있으며 그 하여 향후 그 적용 범위의 확대 형상도 기존의 단순한 형태에서 가 가속화될 것으로 판단된다. 이 벗어나 비대칭면, 곡면 등을 가지 러한 플라스틱 소재를 적용한 제 는 복잡한 형태를 보이고 있다. 품생산의 대표적인 공정인 사출 이러한 제품 설계 경향의 변화로 성형과 이를 위한 미세금형 가공 인해 기존의 반도체 공정을 응용 기술은 대표적인 공정 중의 하나 한 에칭 등의 공정을 이용한 정 이다. 더 나아가서 수십 마이크로 밀 미세 형상의 구현이 매우 어 급의 미세 패턴이 표면에 다량으 려운 실정이다. 따라서 원하는 형 로 형성되어 있는 대면적 제품을 상을 자유롭게 직접 기계 가공할 성형하기 위한 미세금형 기술이 수 있는 초미세 절삭가공 기술과 나 성형 기술은 세계적으로도 그 더불어 가공 대상 면적이 커짐에 따라 다량의 미세 패턴을 빠르 고 정확하게 가공할 수 있는 절삭가공 고속화의 필요성이 매우 크다. 이와 같은 사출성형 용 대면적 미세 금형가공 기술 은 차세대 고기능 LCD 도광 판, 경량 디스플레이, flexible 디스플레이 등의 신제품 개발 이 진행되고 있는 IT 관련 산 업에서의 수요가 클 것으로 예 상되며, 이외에도 향후 BT나 NT 분야에서의 수요가 증대될 것으 로 판단된다. 특히 2001년 LCD 세계시장에서 삼성전자가 노트북 PC용에서 세계 1위(23.4%), LG Philips LCD가 모니터용에서 세 계 1위(18.8%)를 차지(자료 : 디 스플레이 서치)하는 등 국제적인 경쟁력을 보유한 IT 관련 산업에 서의 차별화되고 확고한 경쟁력 을 갖추기 위해서는 대량생산을 위한 대면적 미세 형상 금형 가 공의 핵심 기술을 개발하여 제품 의 조기 실용화 및 정밀도 향상 과 생산성 증대를 통한 품질 및 가격 경쟁력을 확보하는 것이 반 드시 필요하다. 40 기계저널 제46권 제6호 40 기계저널 CK

9 41 기계저널 CK 미세전기가공 기술 이 글에서는 금속 재료의 미세가공 방법으로서, 기존의 방전가공과 전해가공의 정밀도를 높여 마이크로 미터 크기의 형상을 가공하는 기술을 소개하고자 한다. 마이크로 미터 크기의 미세 형상 가공은 반도체 공정 을 이용하여 만드는 것이 비교적 경제적이고 정밀도도 높다. 하지 만 기존의 반도체 공정은 소재에 제한이 있으므로 새로운 미세 가 공법이 모색되어 왔다. 특히 높은 강도가 요구되는 미세 기계 부품 이나 미세 금형가공을 위해 금속 의 미세 형상 가공 기술에 대해 많은 연구가 되어 왔다. 일반적으 로 금속 가공 기술은 선삭, 밀링 등과 같은 전통적인 절삭 가공과 방전가공, 레이저가공 등의 특수 가공 기술로 나뉠 수 있다. 이러 한 기술 중에서, 최근 방전가공과 전해가공의 정밀도를 높여 금속 의 미세 3차원 형상 가공에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 방전가공은 현재 금속의 절단 이나 금형 제작에 널리 이용되고 있는 가공 기술이다. 가공 원리는 등유나 물이 들어있는 수조 안에 서 전기가 통하는 가공물과 어떠 한 형상을 갖는 공구 전극에 전 기를 걸어주고 거리를 가깝게 해 주면, 두 물체 중에서 거리가 가 장 가까운 곳에서 방전이 일어난 다. 이 때 발생하는 열로 가공물 이 조금씩 녹아 날라가게 된다. 방전가공은 방전으로 발생하는 열 에너지로 가공하는 방법이기 때문에 전기가 통하는 재료는 경 도에 무관하게 가공할 수 있다. 금속, 합금, 절연성 세라믹, 소결 다이아몬드, 전도성 실리콘 등 일 반 절삭가공으로 가공하기 힘든 재료도 가공할 수 있다. 또한 공 구 전극의 형상을 그대로 전사하 기 때문에 복잡한 형상도 가공할 수 있는 장점이 있다. 이러한 방 전가공은 미세 형상 가공에도 유 리하기 때문에 방전 열 에너지를 작게 한 미세방전가공 기술로 발 전되었다. 범용 방전가공에서는 일반적으로 트랜지스터를 이용한 방전 회로를 사용하지만 미세방 전가공 회로에서는 방전 주파수 를 높이기 위해 저항과 콘덴서를 [ ] 주종남 서울대학교 기계항공공학부, 교수 _ cnchu@snu.ac.kr Journal of the KSME 기계저널 CK

10 42 기계저널 CK 이용한 RC회로를 많이 사용한다. 미세 공구 전극 제작 방전가공으로 미세 구멍이나 형상을 가공하려면 같은 크기의 공구 전극이 필요하다. 이러한 전 극은 압출, 연삭, 레이저 가공 등 으로 만들 수 있지만, 미세방전가 공으로도 쉽게 제작할 수 있다. 가공 방법은 와이어와 전극 재료 에 전기를 걸어 준 상태로 재료 를 아래로 이송시켜 주면 방전에 의해 재료가 가공된다. 이 때 와 이어도 가공되어 형상 오차가 발 생하므로, 이를 방지하기 위해 와 이어 가이드를 따라 계속 와이어 를 공급하여 준다. 가공 재료를 회전시키면서 가공하면 원형 전 극을 가공할 수 있으며 그 회전 하는 속도를 제어하면 밀링 공구 와 같은 형상도 가공할 수 있다. 이러한 가공 방법을 와이어 방전 연삭(wire electrical discharge grinding)이라 한다. 이러 한 방법은 가공물과의 접촉이 없 고 가공력이 작기 때문에 수 마 이크로 미터 지름의 전극도 가공 할수있다. 와이어방전연삭 외에 방전가공 을 이용한 전극 제작 방법으로 역방전가공이 있다. 역방전 가공 은 공구 전극으로 와이어를 이용 하지 않고 구멍이 가공된 판 전 극을 이용하는 방법으로서 여러 개의 구멍이 가공된 금속판으로 전극 재료를 방전가공하면 그 구 멍 크기에 해당하는 부분은 가공 되지 않고 미세 전극이 남게 된 다. 이 방법은 다수의 전극을 한 그림 1 방전가공 원리 전극 가공물 절연액 (등유, 물) 그림 3 와이어 방전 연삭으로 제작된 미세 전극(재질 : 텅스텐 카바이드) 그림 4 역방전으로 가공한 미세 전극(재질 : 텅스텐 카바이드) 꺼번에 가공할 때나 와이어방전 연삭으로 가공하기 힘든 형상의 전극을 가공할 때 이용된다. 방전가공을 이용한 미세 형상 가공 원하는 형상으로 제작된 미세 전극과 가공물 사이에 전원을 연 와이어 가이드 미세 전극 그림 2 미세 전극 제작 방법 와이어 전극 방전 회로 결한 후 미세 전극을 이송하면 전극의 형상이 그대로 가공물에 전사되어 미세 구멍이나 3차원 형상 등의 복잡한 가공을 할 수 있다. 간단한 구멍의 경우 직경 수 마이크로 미터의 구멍까지 가 공이 가능하며 방전 밀링으로 미 세 금형이나 슬릿도 가공할 수 42 기계저널 제46권 제6호 42 기계저널 CK

11 43 기계저널 CK 공구 전극 그림 5 미세방전을 이용한 구멍 가공과 밀링 가공 있다. 하지만 깊은 구멍 가공 시 가공 부스러기가 잘 배출되지 않 기 때문에 가공 깊이에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 전원 조건을 바꾸거나 초음파 진동을 인가하여 보다 더 깊은 구멍을 가공하는 등의 기술도 연구되었 다. 한편 방전가공은 가공물뿐만 아니라 공구 전극도 방전 열에 의해 녹게 되므로 조금씩 마모가 된다. 따라서 전극 마모는 가공 형상의 정밀도에 직접적으로 영 향을 미치며 이 마모량을 줄이는 것은 방전가공에서 해결해야 할 제일 큰 과제 중의 하나이다. 전해가공은 방전가공과 마찬가 지로 공구 전극과 가공물에 전기 를 걸어 가공하는 방법이지만, 방 전가공과 달리 전해액 속에서 가 공물의 이온 용출을 이용하는 가 공 방법이다. 일반적으로 전해 가 공은 난삭재 가공이나 표면의 다 듬질 공정으로 많이 사용되며 방 전가공보다 속도가 빠르지만 방 전가공처럼 가공물과 공구 전극 의 간극을 균일하고 작게 유지하 는 것이 힘들기 때문에 미세 가 공에는 적합하지 않았다. 하지만 최근 독일의 Schuster 교수팀에 의해 펄스 폭이 수 십 나노 초 (nano-second) 정도의 초단 펄스를 전원으로 사용하여 간극 을 수 마이크로 미터로 떨어뜨릴 수 있는 기술이 개발되어 전 세 계적으로 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 초단 펄스를 이용한 전해가공의 원리 전해액 속에 전극을 담그면 전 극의 표면에서 이온의 분포로 인 한 전기 이중층이 생기는데 이는 콘덴서와 같은 기능을 한다. 이 때펄스폭이매우작은전압펄 스를 인가하면, 전극과 가공물 사 이의 용액 저항이 가장 작은 곳 에서부터 전기 이중층이 충전이 되고 용액 저항이 큰 곳에서는 천천히 충전이 된다. 전극과 가공 물 사이의 거리가 가장 가까운 곳에서는 용액 저항이 가장 작기 때문에 먼저 충전이 이루어지고 이로 인해 가공물에서 화학반응 이 일어나게 된다. 하지만 거리가 먼 곳에서는 충전이 충분히 이루 어지기 전에 펄스가 끊어지도록 하면 화학반응을 억제할 수 있다. 따라서 펄스 폭을 조절하면 가공 물과 가까운 공구 전극의 끝에서 만 가공이 일어나게 할 수 있다. 전해가공을 이용한 미세 형상 가공 미세전해가공에서도 방전가공 과 마찬가지로 공구 전극을 이송 하면서 구멍이나 형상을 가공하 게 된다. 마이크로 미터 단위의 전극은 와이어방전연삭으로 제작 하며 그보다 작은 전극은 전해 에칭을 이용하여 제작한다. 또한 미세 금속 와이어를 공구 전극으 로 사용할 수도 있다. 공구 전극 은 전류를 가공 영역에 집중시키 Journal of the KSME 기계저널 CK

12 44 기계저널 CK 기 위해 절연 코팅을 하는 것이 유리하며 화학적으로 비교적 안 정한 백금, 텅스텐, 텅스텐 카바 이드를 사용한다. 공구 전극의 크 기가 수 마이크로 미터 이하로 작아지면, 전해가공 중 발생하는 기포 등으로 인해 전극이 흔들리 는 경우도 발생하기 때문에 공구 전극의 강성도 고려해야 한다. 전 해 가공은 전극의 마모가 없기 때문에 그로 인한 가공 형상의 오차가 없다. 즉 일반 드릴이나 밀링 공구와 마찬가지로 전극이 이송하는 경로를 따라 재료가 가 공된다. 전해 가공은 펄스 폭이나 펄스 전압 그리고 전해액의 농도 에 따라 가공 간극이 달라지게 된다. 펄스 폭과 전압이 작을수록 농도가 낮을수록 간극이 작아지 게 되는데, 일반적으로 0.1M 황 산 용액에서 스테인리스 강을 가 공할 때 5-6V, 50~100ns 의 펄스를 사용하면 5~10μm의 간 극을 얻게 된다. 방전가공과 비교할 때 전해 가 공은 여러가지 매력적인 장점을 지니고 있다. 방전가공에서는 가 공 정밀도가 마이크로 미터 단위 인 것에 반해, 초단 펄스를 이용 한 전해가공은 가공 정밀도를 나 노미터 단위로 떨어뜨릴 수 있어 나노 형상의 가공 기술로 이용될 수 있으며 전기화학적가공이므로 방전가공에서 나타나는 열변형층 이 없고 표면 품질이 뛰어나다. 또한 방전가공에서 큰 문제점으 로 여기던 공구 전극의 마모가 없기 때문에 정밀한 형상가공을 할 수 있어 한번 제 작한 공구 전극을 계속 사용할 수 있 다는 장점이 있다. 하지만 금속의 종류 와 전해질의 종류에 따라 그 화학 반응 이 각기 다르기 때 문에 각각의 금속마 다 적절한 전해액을 사용해야 하고 가공 속도가 아직 미세방 전가공보다 느린 단 점이 있다. 이러한 문제점이 해결 된다면 금속의 미세가공분야에서 마이크로 영역에서 방전가공이 사용되었듯이 나노 영역에서는 공구 전극 전기 이중충 그림 7 미세전해가공의 예(재질 : 스테인리스 강) 용액 저항 가공물 그림 6 초단 펄스를 이용한 전해 가공 원리 : 거리 가 가깝고 용액 저항이 작은 곳의 전기 이중층이 먼저 충전된다. 그림 8 와이어 공구를 이용한 전해가공의 예(재질 : 스테인리스 강) 전해 가공이 주목 받을 수 있을 것이다. 44 기계저널 제46권 제6호 44 기계저널 CK

13 45 기계저널 CK 섀도 마스크 증착을 이용한 마이크로/나노 패터닝 이 글에서는 섀도 마스크의 구멍을 통해 물질을 국부적으로 증착하여 마이크로/나노 스케 일 패턴을 만드는 새도 마스킹 방법을 소개하고, 섀도 마스크의 제작방법과 이로 제작된 미 세패턴의 응용에 대하여 소개한다. 마이크로 제작(microfabrication)이란 매우 작은 대상물을 제작함에 관한 기 술 및 학문을 지칭한다. 작은 물 건이 주는 신기함과 동경, 종교와 예술적, 기타 다양한 동기로 선대 의 사람들은 일상적인 물건들을 작게 만들거나, 정성을 드려 쌀알 에 불경을 적어 넣는 경우가 종 종 있었다. 실제로, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)로 지칭되는 마이크로시 스템은 소형화에 따른 관성효과 의 감소, 빠른 열전달, 높은 고유 진동수 등 기존의 시스템이 지니 지 않는 다양한 특성을 예측할 수 있어서 지난 십 수년 전부터 매우 급속한 기술발전과 응용을 경험하였다. 또한 고집적화를 추 구하는 IC 산업의 발전과 더불어 소형화 기술은 선폭 100nm 이 하의 패턴제작을 상용화할 수 있 는 수준에 이르렀고, 이러한 IC 제작 관련 장비의 고성능화는 다 시 마이크로 제작기술을 견인하 는 선순환을 이루어왔다. IC 제조나 마이크로 제작은 모 두 리소그라피(lithography)로부 터 시작된다. 리소그라피란 마스 터 패턴을 고체(예로 실리콘 웨이 퍼나 금속판)의 표면에 전사하는 기술이다. 예전에는 이러한 패턴 전사 기술과 관련하여 사용 물질 (예로, 실리콘)이나 가공공정의 대부분을 IC 제조공정에서 의존 하여 사용해왔다. 대표적인 IC 제조공정인 UV-포토 리소그라피 (photo-lithography)는 패턴 이외의 부분을 제거하는 공정원 리를 가진다. 즉, 먼저 패턴 물질 을 전 영역에 증착한 후, 포토 리 소그라피와 에칭공정을 통하여 원하는 패턴 형태로 물질을 제거 하는데, 이를 위하여 패턴물질의 증착, 포토레지스트(photo- [ ] 김규만/ 경북대학교 기계공학과, 교수 _ gyuman.kim@knu.ac.kr Journal of the KSME 기계저널 CK

14 46 기계저널 CK 네거티브 레지스트 산화실리콘 에칭 레지스트 산화실리콘층 실리콘 UV 광 마스크 그림 1 UV-포토 리소그라피를 이용한 산화실리콘(SiO 2 )막 패터 닝 공정 : (a) oxidation, (b) photoresist(pr) coating, (c) exposure, (d) development, (e) SiO 2 etching, (f) PR removing. resist)의 도포, 마스터 패턴을 지닌 크롬 마스크를 얹어 자외선 광(UV-light)을 쬐는 노출 (exposure), 노출된 포토 레지 스트의 현상(development), 패 턴물질 제거를 위한 에칭 (etching)과 마지막으로, 남은 포토 레지스트의 제거 등의 공정 이 필요하다. 만약 패터닝하고자 하는 물질이 에칭이 어렵거나 불 가능한 경우에는 리프트 어프 (lift-off)공정이 사용되는데, 우선 전술한 포토 리소그라피 공정으 로 포토 레지스트 패턴을 기판 (substrate) 위에 생성한 후에 패턴물질을 증착한다. 증착 물질 은 포토 레지스트 표면과 포토 레지스트로 가려지지 않은 기판 표면에 전체적으로 증착되는데, 이후에 포토 레지스트를 녹여 패 포지티브 레지스트 산화실리콘 에칭 관통형 패턴 기화증착 증착패턴 섀도 마스크 모재 그림 2 섀도 마스킹 공정 의원리 턴 외의 원치 않는 부분은 제거 된다. 물론 이러한 표준 리소그라피 공정이 IC 산업에서 대량 제조공 정으로서 중요한 역할을 담당해 온 것은 사실이지만 최근 다양한 재료와 표면 특성, 형상을 요구하 는 마이크로/나노 시스템 제작에 적용되는 데에는 한계를 보이고 있다. 최근에 생명공학의 중요성 이 강조되고 기술 융합의 중요성 이 강조되면서, 고기능 유기체층 (organic layer)을 표면 처리하 거나, 압력계의 멤브레인이나 필 터 멤브레인, 스케닝 프로브나 빔 변형센서의 켄티레버 등의 미세 구조물 표면 위로의 기능성 패턴 제작 등 다양한 제작이 요구되고 있다. 이러한 제작 공정들에서 일 반 포토 리소그라피의 PR 코팅 이나 에칭공정이 적용될 수 없는 특수한 상황들이 많이 발생하고 있으며, 이를 해결 하기 위한 새로운 나노 패터 닝 방법들이 최근 많이 연구 되어 왔다. 폴리머 스탬프 (polymer stamp)를 이용하 여 분자층을 패터닝하는 micro-contact printing법, 미세 금형을 제작하고 폴리머 표면에 가열 가압하여 금형패 턴을 전사하는 nanoimprint lithography법, scanning probe를 이용하 여 분자를 표면에 전이하는 dip pen lithography와 전 원을 인가하여 직접 표면의 성질을 변화시키는 scanning probe lithography 등을 예로 들 수 있는데, 이러한 새로운 특 수 패터닝법들은 범용 포토 리소 그라피를 보완하고 다양한 재료 의 사용과 공정의 유연성을 지녀 보다 다양한 마이크로/나노 시스 템의 구현을 가능하게 하고 있다. 섀도 마스크를 이용하여 원하 는 물질의 패턴을 표면 위에 직 접 증착하는 섀도 마스킹법은 특 수 마이크로/나노 패터닝법의 하 나이다. 섀도 마스크는 미리 정의 된 패턴만이 개방되어 있고 그 나머지 부분은 막혀 있는 얇은 멤브레인(membrane)을 지니고 있다. 패턴을 만들고자 하는 표면 46 기계저널 제46권 제6호 46 기계저널 CK

15 47 기계저널 CK 위에 섀도 마스크를 올려 놓으면 개방 부위의 표면만이 노출되기 때문에 그 위에 패턴 물질을 물 리적, 화학적으로 증착(deposition)하면, 섀도 마스크에 정 의된 개방 패턴을 통하여 국부적 으로 증착되어 섀도 마스크 패턴 이 표면에 일대일로 전사된 다.(그림 2) 이 방법은 포토 레지스트를 사 용하지 않고 한 번의 증착 공정 으로 원하는 물질을 표면위로 증 착하기 때문에 모재와 증착물질 선택의 폭이 넓어 고기능 바이오 /화학적 처리된 표면이나 기계적 강성이 약한 마이크로 구조물 위 로의 패터닝에 사용될 수 있다. 일반 포토리 소그라피 공정 중 포토 레지스트의 코팅(spin coating), 현상(exposure) 및 습식 인화(development), 패턴 물질 증착(deposition)과 리프트 오프(lift-off) 공정이 한 공정으 로해결될수있다. 또한패터닝 공정이 진공 내에서 이루어지기 때문에, 화학처리된 표면의 변질 이나 건조 시 표면장력으로 인한 구조물의 표면 점착, 파괴 등 습 식공정에서 나타날 수 있는 문제 점들을 예방할 수 있다. 섀도 마스크 제작 방법은 재질 에 따라 다양하다. 기존에 많이 사용되어온 금속 섀도 마스크는 일렉트로포밍(electroforming), 에칭(etching), 레이저 커팅 (laser cutting) 등 다양한 방법 으로 제작된다. 금속판의 두께가 ~100μm로 두껍기 때문에 아주 미세한 패턴 제작에는 한계를 지 닌다. 섀도 마스크를 폴리머로 제 작할 수도 있는데, 유연한 폴리머 를 사용하면 곡면으로의 패턴이 가능하다. 이 경우 멤브레인의 강 성에 한계가 있어 제한된 응용범 위에서 사용된다. 최근 들어 미세 패터닝용 섀도 마스크 제작에 MEMS공정이 자주 사용되고 있 는데, 멤브레인의 재질로는 Si, SiO 2, SiN 등이 주를 이룬다. 이 때 멤브레인은 제작 후 잔류응력 의 문제가 존재하므로 패턴 형상 과 멤브레인 두께의 선정에 유의 해야 한다. 그림 3은 MEMS공정을 이용하 여 섀도 마스크를 제작하는 대표 적인 공정을 보이고 있다. 우선 실리콘 웨이퍼상에 섀도 마스크 멤브레인 물질(500nm 두께의 질화실리콘)을 증착한다. 이 층은 최종 멤브레인이 되므로 큰 스트 레스가 발생하지 않도록 공정을 선택하여야 한다. 멤브레인에 개 방형 패턴을 만들기 위해서는 웨 이퍼 윗면에 일반 포토 리소그라 피(photo-lithography)공정을 사용하고 질화실리콘층을 에칭한 다. 질화실리콘층을 멤브레인으로 만들기 위하여 웨이퍼 아랫면에 동일한 공정(photo-lithography, etching)으로 멤브레 인 영역을 패터닝하고, 마지막으 로 KOH액 중에서 실리콘을 에 칭하여 질화실리콘 멤브레인을 완성한다. 이때 제작된 스텐실은 질화실리콘 멤브레인에 포토 리 소그라피로 제작된 개방형 패턴 을 가지고, 그 크기는 최소 수μm 이다. 만약, 1μm 이하의 패턴을 제작 하기 위해서는 고분해능(high resolution) 가공방법을 사용해 야 한다. 고분해능 방법으로는 전 자빔(e-beam) 리소그라피와 이 온집속빔(FIB : Fcused Ion Beam) 밀링이 있다. FIB 밀링은 Ga 이온을 미리 정의된 영역에 집중적으로 조사하여 물질을 제 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 실리콘 FIB 밀링 SiN PR 그림 3 나노스케일 섀도 마스크 제작 공정(a) SiN 증착, (b) 포토리소그라피, (c) SiN 에칭, (d) 후면 포토리소그라피 및 SiN 에칭, (e) Si 에칭, (f) FIB 밀링 Journal of the KSME 기계저널 CK

16 48 기계저널 CK 거하는 공정으로서, 최소 선폭 30nm 이하의 초미세 제거가공 이 가능하다. 그림 3은 섀도 마 스크 멤브레인에 FIB 밀링을 이 용한 나노 스케일 구멍패턴을 제 작하는 공정을 보이고 있다. 한 편, 가공하고자 하는 구멍의 크기 에 비하여 멤브레인의 두께가 큰 경우에는 우선 두께를 얇게 만든 후, 얇아진 멤브레인에 구멍 패턴 을 가공한다. 그림 4에 제작된 섀도 마스크의 예를 나타내었다. 섀도 마스크를 모재 표면 위에 얹고 스프링, 혹은 폴리머 테이프 를 사용하여 고정한 후 원하는 물질을 증착한다. 이때 섀도 마스 크와 모재 표면간에 간극을 되도 록 줄이도록 주의한다. 증착은 주 로 전자빔 기화증착(e-beam evaporation)을 사용하는데 이 는 진공상태에서 증착입자의 직 진성이 좋기 때문에 미세 패터닝 이 용이하기 때문이다. 그림 5에 서 증착 후 모재 위에 놓여있는 섀도 마스크의 SEM 이미지를 나 타내었다. 섀도 마스크와 표면의 거리는 약 5μm 떨어진 상태 (proximity)를 보이고 있다. 기화 증착을 수행하면 섀도 마스크 표 면과 모재 표면 모두 증착된다. 증착 후에 섀도 마스크를 표면에 서 제거하면 섀도 마스크에 정의 된 마이크로 패턴을 표면에 얻을 그림 4 제작된 섀도 마스크 Shadow mask AI AI Shadow SiN (a) (b) (c) 그림 5 증착 후 모재와 섀도 마스크(a)와 증착된 마이크로 패턴(b) 수 있다(그림 5 (b)). 동일한 방 들어 표면의 가수성(hydrophobicity)을 법으로 최소 50nm의 나노패턴 의 제작이 가능하다.(그림 5(c)) 높이기 위하여 자 기조립단분자막(SAM : Self- 섀도 마스킹은 증착물질을 직접 표면에 증착하기 때문에 표면특성 에 큰 영향을 받지 않는다. 예를 Assembled Monolayer)처리를 한 표면은 포토 레지스트가 표면 에 도포될 수 없고 또한 에칭으 로 인한 SAM이 손상될 수 있으 므로 그 위에 패턴 제작이 불가 능하다. 새도 마스킹은 이 경우 48 기계저널 제46권 제6호 48 기계저널 CK

17 49 기계저널 CK (a) SAM 표면에 증착된 나노전극(직경 300nm) (b) 나노구조물(폭 170nm) 그림 6 섀도 마스킹의 응용 예 좋은 대체공정이 될 수 있다. 그 정의 마스크로 사용되어 증착이 림 6(a)는 SAM 처리된 표면 위 어려운 물질의 패터닝에 응용될 에 나노 전극을 패턴한 예를 보 수 있다. 그림 6(b)는 증착된 패 인다. 또한 증착된 패턴은 에칭공 턴을 이용하여 여러 가지 에칭공 정을 통하여 제작된 나노 구조물 의 예를 보인다. 섀도 마스킹은 포토 리소그라피를 완전히 대체 할 수 있는 공정은 아니지만, 포 토 리소그라피를 적용할 수 없는 특수한 경우에 적용 가능한 기술 이라 하겠다. 그리고 마이크로 관 련 기술이 발전하고 여러 기술들 의 융합이 중요시 되는 요즘 시 대에는 보다 다양한 재료와 공정 유연성이 강조되기 때문에 앞으 로 더 많은 분야로 응용될 수 있 는 기술이라 하겠다. 기계용어해설 슬라이드게이트(Slide Gate) 비교적 소형의 게이트로서 수위 밸런스 조작을 하는 경우에 많이 쓰이며 조작 저항이 크지만 구조가 간단하고 설치 비용이 작은 장점을 가진 게이트로서 상하로 슬라이드하는 특징을 가지는 게이트를 말한다. 보닛(Bonnet) 고압의 슬라이드게이트에서 보닛은 고압의 수압을 견디기 위해 게이트를 감싸는 구조물로서 수평거더와 수직거터 및 스킨으로 구성되어 있다. 코너강성(Corner Stiffness) 보닛에서 수평거더는 보닛의 스킨(skin)과 함께 H빔의 구조를 하고 있으며, 수평거더의 각코너지 부분에서 강성을 코너강성이라고 명시하였다. 나노 인덴테이션(Nano-indentation) 압입자를 수um 혹은 수 nm로 박막에 압입하여 박막을 나노미터 스케일로 변형시켜서 박막의 경도와 탄성계수등 을 측정하는 방법 도금강판(Coated Steel Sheet) 자동차 내외판 재료로서 산화와 부식에 견디기 위해 냉연강판 표면에 10um 내외의 얇은 도금층을 형성시킨 강판 탄소성거동(Elasto-plastic Stress-strain Behavior) 재료의 탄소성 거동을 표현하는 방법 중 하나로 본 연구에서는 Hollman 식을 사용한다. 표준정규분포(Standard Normal Distribution) 도수분포곡선이 평균값을 중앙으로 하여 좌우대칭인 종 모양을 이루는 확률분포 Journal of the KSME 기계저널 CK

18 50 기계저널 CK 미세박판을 이용한 마이크로 성형기술 이 글에서는 수 μm 크기의 미세박판을 이용한 마이크로 성형기술인 마이크로 홀 펀칭, 마 이크로 홀-어레이 펀칭, 마이크로 채널 성형 기술과 이들 기계적 금속 성형 기술을 이용한 미세박판의 최소 성형 한계에 관한 연구를 소개하고자 한다. 최근 초소형 기계, 전자 장 비의 수요가 급격히 증 가하면서 마이크로 부품의 가공 에 더욱 많은 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 세계적으로, MST(Micro System Technology) 및 MEMS (Micro Electromechanical System) 기술 등을 이용한 마이크로 부품 가공 에 많은 연구가 이루어지고 있는 추세이다. 기존의 LIGA 공정과 같은 MEMS 기술로 생산되는 마 이크로 부품의 경우 생산 비용이 매우 높고 또한 적용 가능한 성 형 재료에 한계를 갖는 단점이 있다. 이에 반해 금속 성형 (metal forming) 기술을 이용한 마이크로 부품의 가공은 공정을 단순화시킬 수 있는 장점과 대량 생산에 큰 이점을 가지고 있어, 마이크로 부품의 가공 기술에서 매우 중요한 위치를 차지한다. 마크로 스케일의 금속 성형은 오랜 기간에 걸쳐 다양한 방법들 이 제안되었고 이와 관련 된 많 은 데이터를 축척하고 있다. 그러 나 마크로 스케일의 가공방법을 수μm 스케일의 성형에 적용하기 에는 소재의 물성과 변형 메커니 즘이 마크로 스케일과는 크게 다 르다는 어려움이 존재한다. 일례 로 성형품의 크기가 작아질수록 금속 박판의 그레인(grain) 크기 는 마이크로 부품과 유사한 크기 를 갖는다. 두께 1μm의 금속 박 판의 경우에는 두께 방향으로 단 지 1~2개의 그레인이 존재한다. 또한 마이크로 스케일에서는 미 세 금형의 강성 및 내마모성의 중요성과, 미세 금형과 소재간의 정렬 정밀도가 마크로 스케일의 성형에 비하여 매우 높다. 이에 마이크로 스케일에서의 다양한 금속 성형 기법에 대한 연구가 절실히 필요하다. 수 μm 크기의 미세 금속 박판 에 대한 마이크로 홀 펀칭, 마이 크로 홀-어레이 펀칭, 마이크로 채널 성형의 연구를 통하여 미세 박판에 대한 금속 성형 기반 기 술 및 장비를 확보하고 이를 이 [ ] 오수익I 서울대학교 기계항공공학부, 교수 _ sioh@snu.ac.kr 50 기계저널 제46권 제6호 50 기계저널 CK

19 51 기계저널 CK 마이크로 홀 펀칭은 직경 수 십에서 수 백 μm 의 마이크로 홀 을 초정밀 미세 금형을 이용하여 가공하는 기술로 생산성이 높고 우수한 홀 형상 반복 정도를 갖는다. 그림 1 구리 박판의 그레인 구조(grain structure) 용하여 최소 성형 크기의 한계까 의 미세 홀 등이 대표적인 예이 지 연구를 진행하고 있다. 또한 다. 이러한 마이크로 홀을 가공하 OTS SAM을 이용한 마이크로 는 방법은 마이크로 홀 펀칭 기 스케일의 윤활 방법과 이를 통한 술 이외에도 미세 드릴 가공, 레 성형성 향상에 대한 연구도 함께 이저 가공, 미세 방전 가공, 미세 진행되고 있다. 초음파 가공 등 여러 가공법이 있지만 생산성과 비용 절감 그리 마이크로 홀 펀칭(micro hole punching) 기술은 직경 수 십에 서수백μm의 마이크로 홀을 초 정밀 미세 금형을 이용하여 가공 하는 기술이다. 마이크로 펀칭을 이용한 홀 가공은 여러 산업 분 야에서 응용되는데 잉크젯 프린 트헤드 노즐, IC 패키징에서 필 요한 비아 홀(Via hole), 연료 분사 노즐, 각종 센서와 필터 등 고가공홀의형상반복정도등 에서 볼 때 마이크로 홀 펀칭 기 술은 큰 이점을 갖고 있다. 현재 최소 직경 15μm의 마이크 로 홀을 두께 10μm의 금속 박판 에 펀칭 가공할 수 있는 마이크 로 홀 펀칭 시스템을 개발하였다. 이는 기계적인 펀칭 방법을 이용 한직경수μm 홀 가공의 가능성 을 보여준다. 개발된 시스템을 이 용하여 10~25μm 두께의 황동과 스테인리스스틸 박판에 직경 15, 25, 50, 100μm의 마이크로 홀을 성공적으로 가공하였다. 이와 더 불어 마이크로 홀 펀칭 과정 중 에 발생하는 마이크로 균열 (micro crack)과 층밀림띠 (shear band)를 분석하여 μm 스케일에서 미세 금속 박판의 전 단 메커니즘에 대한 연구도 진행 되고 있다. 마이크로 홀 펀칭 시스템의 미 세 펀치는 초정밀 선형 가이드에 의해 서브마이크로 정밀도로 수 직 이동을 하고 다이 플레이트는 초정밀 이송장치를 이용하여 수 평 방향으로 1μm 이내의 보정이 가능하다. 이와 같은 펀치와 다이 홀의 능동적인 정렬 방법을 통해 시스템의 유연성을 극대화하였다. 또한 펀치의 정밀 가이드와 펀칭 전후 가공 소재를 고정하기 위해 서 스트리퍼 금형을 이용하였다. 마이크로미터 스케일의 펀칭에 서 미세 펀치와 다이 홀의 동심 정렬 제어는 필수적이며 서브마이 크로의 정밀도가 요구된다. 이를 위해 5 5 5mm의 큐브 타입 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 펀치 팁과 다이 홀을 동 시에 관찰할 수 있는 상하 영상 획득 시스템(two-way imaging system)이 개발되었다. 미세 펀치와 다이 플레이트는 텅스텐-카바이드 초경 합금 소재 로 제작되었다. 일반적으로 미세 금형의 재질로는 텅스텐 카바이 드 초경합금이 많이 쓰이는데, 이 는 금형이 미세화됨에 따라 금형 Journal of the KSME 기계저널 CK

20 52 기계저널 CK punch tip lighting Punch Motion driving paaart coated mirror Microscope Die Hokfer Xy stepper Beam sptmer Optical sttage lighting mirror objcctive lens die hoke 그림 2 마이크로 홀 펀칭 시스템 그림 3 다이-홀 정렬 시스템 그림 4 직경 25μm 펀치 및 SUS 마이크로 홀 펀칭 결과 그림 5 직경 15μm 펀치 및 Brass, SUS 마이크로 홀 펀칭 결과 의 강성 및 내마모성이 중요하기 때문이다. 직경 25μm 이상의 미 세 펀치는 다이아몬드 공구를 이 용한 센터리스 그라인딩 공정으 로 가공되었다. 미케니컬 그라인 딩의 가공한계보다 작은 직경 15 μm의 미세 펀치는 마이크로 방전 가공을 이용하여 서울대학교 기 계항공공학부 정밀공학실험실에 서 가공되었다. 마이크로 홀-어레이 펀칭 (micro hole array punching) 은 실리콘 폴리머 펀치를 이용하 여 여러 개의 홀을 동시에 가공 하는 방법이다. 이 방법은 일반적 인 기계적 펀칭으로 수 μm 직경 의 홀을 가공할 때 발생하는 미 세 금형의 제작, 펀치와 금형의 정렬 제어와 같은 어려움을 플렉 시블 펀치(flexible punch)를 사 용함으로써 쉽게 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 더 나아가 직경 10μm 이하의 홀을 동시에 여러 개 가공할 수 있어 생산성 52 기계저널 제46권 제6호 52 기계저널 CK

21 53 기계저널 CK 을높일수있다. 현재 직경 2μm인 초미세 홀- 어레이를 두께 3μm 구리 박판에 가공하는 데 성공하였다. 성형 공 정은 밀폐된 공간에 실리콘 웨이 퍼 금형 - 금속 박판 - 폴리머 펀치 순으로 적층한 후에 일반적 인 프레스 시스템으로 가압 하는 순으로 진행된다. 이와 같은 마이 크로 홀-어레이 펀칭 공정을 이 용하여 1.5μm의 티타늄 박판과 3 μm의 구리 박판에 직경 10μm 이 하의 다수의 홀을 각각의 위치 배열에 상관없이 한 번의 공정으 로 모두 가공할 수 있다. 또한 10μm 정도 크기의 다양한 형상에 대해서도 펀칭 가공이 가능하다. 홀-어레이 금형은 4인치 실리 콘 웨이퍼에 MEMS 공정을 이용 하여 가공하였다. 임의의 직경과 간격을 갖는 홀 배열을 구성하여 크롬 마스크를 제작한다. 이 크롬 마스크를 이용하여 스핀 코팅 (spin coating), 감광(exposure), 현상(development) 등 의 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼 위의 감광층(photo resist layer)에 패턴을 전사한 후 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 원하 는 깊이와 형상을 갖는 실리콘 웨이퍼 금형을 제작한다. 폴리머 펀치의 사용으로 인해 발생하는 문제점도 있다. 설계된 금형에 비해 작은 직경의 홀이 생성되고 홀의 형상 반복 정도가 떨어진다. 또한 가공 후에 금형의 그림 6 마이크로 홀 어레이 펀칭 시스템 그림 7 직경 5μm의 실리콘 웨이퍼 금형 그림 8 1.5μm 티타늄 박판의 마이크로 홀-어레이 펀칭 결과 Journal of the KSME 기계저널 CK

22 54 기계저널 CK 재사용을 위해 금형의 손상이 없 는 스크랩의 효율적인 제거 방법 이 필요하다. 마이크로 채널 성형(micro channel forming) 공정은 실리 콘 다이의 마이크로 형상을 CIP(Cold Isostatic Press) 장 비의 정수압을 이용하여 금속 박 판에 패턴을 전사하는 방법이다. 이 마이크로 성형 공정은 마이크 로 부품을 보다 쉽고 빠르게 제 작할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 현재 최소 폭 6μm, 최대 깊이 6μm 의 채널 패턴을 1μm의 구리 박판에 전사하는 데 성공하였다. 이와 같은 방법으로 두께 2.5μm 스테인리스 스틸 박판과 두께 1m, 3μm 구리 박판에 수 μm의 폭과 깊이를 갖는 다양한 채널 형상을 성형할 수 있다. 구리 박판의 경 우 250MPa 이하의 압력에서 표 면이 매우 평평하고 우수한 성형 이 이루어진다. 정수압을 이용한 성형을 위해 서 실리콘 다이와 금속 박판을 방수 처리된 폴리머 주머니를 사 용하여 진공 포장한다. 유체의 압 력을 금속 박판으로 균일하게 전 달하기 위해 압력 전달 매체로 플라스티신(plasticine)을 이용한 다. 진공 포장된 다이-박판-압력 전달매체 구성의 포밍스택은 250MPa의 정수압에 의해 가압 마이크로 채널 성형은 μm 스케일 패턴을 정수압을 이용하여 수 μm 두께의 금속 박판에 전사하는 방법으로 마이크로 부품 을 보다 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 그림 9 3μm 구리 박판의 마이크로 홀-어레이 펀칭 결과 성형 공정을 거친다. 마이크로 홀-어레이 펀칭에서 사용된 DRIE를 이용하여 만든 금형의 형상은 모서리가 매우 날 카롭고 패턴 내부 벽면의 물결 무늬들로 인해 박판 성형에 적합 하지 않다. 이러한 문제점은 isotropic etching과 thermal oxidation의 후처리 공정을 이용 하면 물결 무늬의 제거는 물론 실리콘 금형의 코너 반경을 서브 마이크로 스케일에서 조절이 가 능하다. 이와 더불어 소재의 성형성을 향상시키기 위해 금속 미세 박판 의 열처리에 관한 연구도 함께 진행되었다. 열처리 시간의 증가 는 재료의 연성의 변화와 함께 결정의 성장과도 관계가 된다. 결 정이 너무 크게 성장하면 소재의 성형에 나쁜 영향을 끼칠 수 있 으므로 적절한 열처리 시간을 선 택하는 것은 중요하다. 구리 박판 의 경우 385 에서 두께 3μm 는 1분, 두께 1μm는 20분이가장좋 은 성형성을 보여준다. 기존의 마이크로 채널 성형 공 정에서 두께 3μm의 구리 박판과 는 달리 두께 1μm의 구리 박판 성형의 경우 파단과 같은 결함들 이 다수 발견된다. 이는 성형 공 정에 사용된 금형의 날카로운 코 너 반경과 더불어 실리콘 웨이퍼 의 높은 표면 마찰이 주요 원인 이다. 이에 OTS(OctadecylTrichloroSilane) SAM(Self- 54 기계저널 제46권 제6호 54 기계저널 CK

23 55 기계저널 CK Sheet metal forming process Affter DRIE Isostatic pressing Piasticine Affter thermal oxidation Workpiece Vacuum state Separator film micre forming die Air and water proof bag 그림 10 마이크로 채널 성형 그림 11 실리콘 금형의 코너 반경 조절 그림 12 3μm 구리 박판의 마이크로 채널 성형 그림 13 1μm 구리 박판의 마이크로 채널 성형 Assembled Monolayers)을 마이크로 스케일의 고체 윤활제 로 도입하여 박판의 성형성을 증 가시켰다. OTS SAM의 경우 소 재와의 점성 또한 낮아 금형과 소재의 분리에도 용이한 장점을 가지고 있다. 수 μm 패턴 성형에서의 윤활 방법은 마크로 스케일과는 전혀 다른 개념으로 접근해야 할 필요 성이 있다. 마크로 스케일의 윤활 방법을 마이크로 성형에 적용할 경우 윤활층의 두께가 소재 두께 및 금형의 패턴의 크기와 비슷하 게 되는 문제점이 발생한다. 따라 서 마이크로 스케일 성형에 사용 되는 윤활제는 성형 소재와 금형 의 패턴과 비교하여 두께가 충분 히 얇고 표면에 균일하게 배열되 어야 한다. OTS SAM으로 코팅이 되어 있는 실리콘 금형을 이용한 성형 Journal of the KSME 기계저널 CK

24 56 기계저널 CK 의 경우 코팅되지 않은 경우와 비교하여 구리 박판의 두께 감소 가 패턴을 따라서 전체적으로 균 일한 분포로 성형되는 결과를 얻 을 수 있었다. 또한 두께 1μm의 구리 박판의 경우에도 결함이 없 는 매우 좋은 성형성을 보였다. R R R R R R bare coated S i S i S i S i S i S i HO O O OH OOO OOO OOO O O O bare coated SiO 2 SiO 2 Si Si Terminal group R Alkyl chain (CH 2 )n Head group SiO 2 SiO 2 Si 10~30nm Thickness strain(%) with SAM coating 80 without SAM coating Distance from center(μm) 그림 14 OTS SAM 코팅 그림 15 SAM을 윤활제로 이용한 성형성 평가 기계용어해설 빌드업 기법(Buidl-up Technique) 국가표준을 기준 계측기(유량계)를 이용하여 소급한 다음 이를 이용하여 측정범위를 확장하는 방법. 확산화염(Diffusion Flame) 연료와 공기가 물리적으로 분리된 상태에서 발생하는 화염으로 제한적 mixing process에 의해 반응이 결정되는 화염으로 반응대에는 공기와 연료과 존재하며 공기는 내부로 연료를 외부로 확산되며 화염을 형성하게 된다. 바코드(Invisible Barcode) 최근 한화종합화학에서 눈에 보이지 않는 바코드가 인쇄된 바닥재를 만들었다. 이 바닥재에 인쇄된 바코드는 몇 가 지 정보를 가지고 있고 위치인식을 하는 데 이용할 수 있다. 56 기계저널 제46권 제6호 56 기계저널 CK

25 57 기계저널 CK LTCC공정의 정밀 적층 기술 이 글에서는 LTCC제품 및 공정을 소개하고, 각 공정에 필요한 기술들을 소개하며 그 중 에서 정밀 적층에 영향을 미치는 인자들과 정밀 적층을 구현하는 기술에 대해 소개하고자 한다. 휴대용 이동통신 단말기는 지속적인 소형화, 경박 화, 고성능화, 다기능화 되어가고 있고 제품의 수명 주기도 매우 짧아지고 있다. 이러한 추세에 따 라 유럽형 단말기 제조업체에서 는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic : 저온 동시 소성 세라믹) 기술을 이용하여 모 듈화된 부품의 채용을 일반화하 고 있다. 이러한 부품으로는 듀얼 또는 트리플 밴드 주파수 송ㆍ수 신 신호의 스위치 부분과 다이플 렉서, 저역통과필터를 하나의 모 듈로 집적화한 ASM(Antenna Top side or extemal conductor Thick film dielectric or Post fired resister TOP Via Buried resistor Layer #1 Internal conductor Layer #2 Green tape dielectric layers Internal via Buried capacitor Stacked via Thermal via Layer #3 Layer #4 Layer #5 Layer #6 Back side or extrenal conductor BOTTOM 그림 1 LTCC 내부 구조 및 (주)아이엠텍의 ASM, FEM 제품들 [ ] 윤성만I (주)아이엠텍 기술연구소, 연구소장 전병희I 인덕대학, 교수 Micro Fabrication _ broadysm@im-tech.com _ bhjeon@induk.ac.kr Journal of the KSME 기계저널 CK

26 58 기계저널 CK Switch Module)이나 ASM의 수신단에 SAW(Surface Acoustic Wave) Filter를 첨가 한 FEM(Front End Module)이 있다. 따라서 SAW 필터, 다이플 렉스, 저역통과필터 등 개별적인 단독 부품의 적용률은 지속적으 로 감소될 것으로 예측되며, 인덕 터, 저항, 콘덴서의 수동 소자의 내장과 및 능동 소자 실장이 복 합된 다중 칩 모듈(multi-chip module)과, 여러 개의 회로가 하나로 통합된 형태의 복합기능 모듈(multi-funtional module) 이 지속적으로 증가할 것으로 예 측된다. LTCC는 기존 세라믹 공정에 비해 공정이 유전 손실이 적어 고주파 특성이 좋고, 수동 소자들을 내장할 수 있어 집적화 초소형화에 유리하며 신뢰성도 우수하여 부품의 모듈화에 매 우 적합한 기술이다. Glass Ceramic Powder Binder Solvent Material Preparation Ball Milling Tape Casting Sheet Cutting Punching Printing Test & Sorting Taping & Outgoing Stacking Case Assy. WIP LTCC는 유전체인 세라믹 시 트에 내부 회로 연결을 위한 지 름 100~200μm의 구멍(비아)을 뚫고, 구멍을 도체로 채운 후 시 트 윗면에 선폭 100μm 정도의 선 이나 일정 면적의 도체로 회로를 인쇄한다. 이렇게 각 층을 인쇄한 후 각 층을 정밀하게 적층하여 다층 기판을 만든다. LTCC는 기 존의 FR4나 테프론을 재료로 한 다층기판인 MLB(Multi-Layer Board)에서 재료를 세라믹으로 변경한 것과 유사하다. LTCC에서 Low Temperature는 High Temperature 를 사용하는 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic) 에 대응되는 개념으로 1,000 SMT Overglaze Plating(Ni/Au) On/Off Test Binder bum-out & Co-firing Cutting 그림 2 일반적인 LTCC 공정 흐름도 를 기준으로 그 이상인 1,550 정도에서 소성되는 알루미나 세 라믹을 사용하는 대신 850 정 도의 비교적 저온에서 소성되는 글라스 세라믹을 사용한다. Cofired Ceramic이란 기존의 기술 로는 유전체를 한층 깔고 소성하 고 그 위에 도체를 인쇄하여 소 성하는 것을 반복하여 만들던 다 층 세라믹을 새로운 기술을 사용 하여 여러 시트에 도체를 인쇄하 사용하지 못하고 텅스텐이나 몰 리브덴을 도체로 사용하기 때문 에 소성시 도체가 산화되는 것을 방지하기 위하여 수소나 질소 분 위기에서 소성하여야 한다. 그러 나 LTCC는 내부 도체로 은이나 금을 사용하기 때문에 도체의 내 부 저항이 작고, 특별한 분위기를 사용하지 않고 보통의 공기중에 서 소성이 가능하다. HTCC에서 사용하는 알루미나(Al 2 O 3 )는 유 여 적층 한 후 동시에 소성하는 전율이 9.8 정도인데 비해 기술을 의미한다. HTCC는 고온에서 동시소성을 하기 위해, 녹는점이 HTCC의 소성 온도보다 낮은 은이나 금을 LTCC의 글라스 세라믹은 유전 율이 6.0~7.8 정도로 상대적으 로 낮아 고주파를 사용하는 경우 유전손실이 적어 고주파 특성이 58 기계저널 제46권 제6호 58 기계저널 CK

27 59 기계저널 CK 좋다. 또한 콘덴서, 저항, 인덕터 의 수동 소자를 표면에 실장하는 기존의 PCB 기판과는 달리 수동 소자를 각층 사이에 인쇄하여 포 함시키고 높은 신뢰성을 얻을 수 있기 때문에 부품의 모듈화에 매 우 적합한 기술이다. LTCC 기판의 제작 공정은 다 음과 같이 이루어진다. 우선 글라 스 세라믹 분말을 바인더와 솔벤 트를 섞어 슬러리 형태로 만든 후(material preparation) 알루 미나 볼을 넣고 볼밀링을 8~24 시간 수행하여 잘 섞어준다(ball milling). 볼밀링된 슬러리를 탈 포를 거쳐 적절한 점도로 조절한 후 30~75μm 두께의 PET 필름 위에 용도에 따라 25~300μm 두께로 코팅을 한다(tape casting). 캐스팅된 시트는 롤 형태 로 감기고 이를 일정한 크기의 사각형 형태로 자르는 시트커팅 공정을 거치고(sheet cutting) 층과 층을 연결하는 지름 100 ~200μm의 비아홀과위치를고 정해주는 지름 1.5~3.0mm의 가이드 홀을 펀칭한다 (punching). 펀칭 공정에는 펀 치와 다이를 이용한 기계적인 펀 칭과 레이저 펀칭 두 가지중 하 나를 사용한다. 이렇게 펀칭된 비 아홀에 도체를 채우고 각 층별로 선폭 100μm 정도의 회로를 스크 린 프린터를 이용하여 인쇄하고 건조하여 회로 패턴을 구현한 다.(printing) 패턴인쇄가 완료되면 PET 필 름을 제거하면서 세라믹시트를 정밀하게 적층한다(Stacking). 이렇게 적층된 시트를 진공포장 하여 70~90 의 물에 넣고 약 3,000psi 정도의 압력으로 가압 하여 압착한다(WIP : Worm Isostatic Pressing). 압착된 시 트를 비전인식 마크를 보면서 제 품 크기로 절단한 후(cutting), 형상 유지에 사용되었던 고분자 성분인 바인더를 태우고(binder burn-out) 더 온도를 높여 제품 을 소성한다(co-firing). 소성된 제품은 On/Off 시험, 도금, SMT(Surface Mount Technology), 케이스 실장 후 리플로 우를 가열을 통해 제품으로 완성 되고, 최종 특성 시험과 함께 릴 형태로 포장되어 출하된다. 행되어야 할 부분이다. 펀칭공정 에서 발생하는 버는 인쇄 시 인 쇄 정밀도를 낮추고, 비아홀에 도 체를 충진할 때 도체의 충진을 방해한다. 또한 적층 시공정에서 PET 필름을 제거할 때, 비아홀에 채워진 도체를 함께 제거함으로 써 회로가 단선되는 오픈 불량을 유발하게 된다. 인쇄시 발생하는 회로의 단선 여부와 펀칭된 비아 홀과의 위치정밀도, 선폭의 균일 도 역시 최종 제품의 수율과 전 기적인 특성에 영향을 미치며, 적 층시 발생하는 변형과 위 아래 층간의 위치 정밀도도 제품의 양 산 수율에 직접적인 영향을 미친 다. LTCC 적층에는 가이드 핀으 로 위치를 고정하여 사용하는 가 이드 핀 방식의 수동적 위치제어 방식의 적층기와 카메라를 사용 하여 위치 인식 마크를 인식한 후, 위치 제어를 하는 능동적 위 고집적, 미세 LTCC 기판의 성 공적인 제작을 위하여 각 공정의 치제어 방식의 적층기가 있다. 수 동방식은 능동 방식에 비해 저렴 정밀화가 이루어져 야 하는데 특히 미 세 비아 홀 가공 공정, 정밀 회로 인쇄 공정, 여러 장의 세라믹 시트 들의 정밀 적층 공 정의 정밀화는 LTCC 기판 제작 의 전기적 성능, 양산 수율 확보 측 면에서 반드시 수 그림 3 가이드 핀을 사용한 수동적 위치 제어 적층기 Journal of the KSME 기계저널 CK

28 60 기계저널 CK 한 비용으로 제작 가능하며 능동 적 위치제어 방식에 비해 적층 위치 오차는 커진다. 수동 제어형 적층기는 먼저 아 래 필름을 깔고 그 위에 첫장을 일정 온도에서 압력을 가해 붙인 후 세라믹에 붙어있던 PET 필름 을 제거한다. 그 위에는 세라믹 면이 아래로 향하게 가이드 핀에 시트를 끼우고 일정 온도에서 압 력을 가한다. 온도와 압력으로 시 트가 아래층과 첩착되면 붙어있 던 PET 필름을 제거한다. 이와 같은 순서로 첫장부터 순서대로 적층압을 가하고 PET 필름을 제 거하고 제일 마지막장은 필름에 먼저 시트를 접착시키고 PET 필 름을 제거한 후 그 면으로 아래 와 접착시킨다. 이러한 방식은 LTCC 기판의 위, 아래면에 모두 인쇄하여 동시소성하기 위한 방 식이다. 이러한 방식에서 적층 오차는 홀과 핀의 과소 공차에 의해 발 생하는 가이드 홀의 변형오차, 홀 과 핀과의 과다 공차에 의한 공 차 오차, 아래쪽 세라믹면에 가해 지는 접착력과 위쪽 PET면에 작 용하는 접착력이 동시에 작용하 면서 생기는 시트의 변형 오차 등이 중첩되어 나타나게 된다. 이 러한 오차에 영향을 미치는 인자 (a) 압력 증가로 위치 오차가 증가된 형상 그림 4 압력 변화에 따른 위치 오차 들을 다음 같다. 적층 온도와 압력 적층 온도와, 적층 압력을 변화 시켜 가면서 최적의 적층 조건을 실험을 통하여 구할 수 있다. 온도 와 압력에 따른 접착 강도 실험을 기준으로 최적점을 찾고, 조건에 따른 단면 사진에서 층간에 떨어 지는 현상의 발생 여부와 위치 정 밀도를 확인하는 것이 필요하다. 적층 압력을 일정하게 하고 적 층 온도를 증가시키면 접착강도 가 증가하다가 일정 온도에 도달 하면 그 수준을 유지한다. 온도가 너무 낮을 경우 시트층간이 서로 분리되는 현상을 보이고 온도가 너무 높을 경우 시트의 변형 오 차가 증가하는 현상을 보인다. 적층 온도를 위에서 구한 상한 과 하한의 평균점에 고정하고 압 력을 변화시키면 압력이 너무 낮 을 경우 시트 층간 부리 현상을 보이고 압력 증가에 따라 접착 강도는 증가하나 압력이 너무 강 하면 시트의 변형에 의한 정렬 오차가 증가하는 현상을 보인다. (b) 적정 조정으로 위치 오차가 제어된 형상 또한 비아홀에 채워진 도체가 아 랫면의 도체 패턴을 눌러 변형시 킴으로써 패턴이 움푹 들어가는 현상이 발생할 수 있다. 적층 위치 정밀도는 일정 온도 이상에서 온도의 영향을 거의 받 지 않는데 비해 압력에 의해서는 많은 영향을 받는다. 지나친 압 력이 주어지면 시트의 변형이 일 어나 위치 정밀도가 어긋나고 비 아홀 주변의 패턴이 심하게 변형 된다. 적층 공정상에서 PET 필름의 분리는 실험에서 사용된 온도와 압력에서 큰 영향을 받지 않으며 PET의 코팅 및 시트의 조성에 따라서 분리도가 달라진다. 적층기 주요 부품의 설계 및 정밀 가공 국부적으로 과다한 압력이 작 용하여 불균일 변형이 일어나서 위치 오차가 증가하는 것을 방지 하기 위하여 상판과 하판이 평행 을 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 적층기 하판이 상하로 움직일 때 가이드 역할을 하는 4 60 기계저널 제46권 제6호 60 기계저널 CK

29 61 기계저널 CK 수동 제어형 정밀 적층 기술은 단순한 위치 제어뿐 아니라 시 트의 변형까지 고려해야 하므로 공정 변수인 온도 및 압력 제 어, 압력 상승 속도, 부품의 설계, 위치, 공차, 가공 정밀도가 같이 고려되어야 하며, 적층시 위치 오차의 한계를 고려하여 제품을 설계하는 것이 필요하다. 유격에 의한 오차 발생과 펀칭 위치 오차에 의한 시트 내부가 약간 들리는 현상을 제거하기 위 하여 네 개의 핀을 대각선 바깥 쪽 방향으로 약간 오프셋 되게 설계하는 것이 필요하다. 이렇게 함으로써 내부 패턴이 균일하게 고정되어 시트의 위치 오차를 줄 그림 5 하판의 핀 배치 설계 이게 된다. 적용 압력 상승 속도 제어 개의 적층기 컬럼의 정밀 가공, 적 적층 공정 시 일정 압력의 유 층기의 상 하 평판의 정밀 가공, 지는 적층 정밀도 향상에 매우 아래 평판의 핀 형상 설계 및 가 중요하다. 빠르게 하판을 상승시 이드 홀과의 공차 및 정밀 가공, 켜 가압을 하도록 하면 그린시트 핀 위치의 정렬 등이 중요하다. 와 상판의 접촉시 충격이 발생하 평판의 가공이 정확하지 않으 여 그린 시트의 위치가 옆으로 면, 가압 시에 시트가 옆으로 밀 밀리면서 100μm 이상의 위치 오 려나게 되는 현상이 발생한다. 시 차를 일으키기도 하므로, 이를 막 트의 위치 정렬은 아래 평판의 4 는 것은 매우 중요한 과제이다. 개 핀에 시트의 가이드 홀을 맞 이러한 문제점을 해결하기 위 추어 적층하는 방식으로 이루어 해 2단계 압력 제어 시스템을 사 진다. 따라서 핀은 시트가 쉽게 용하여 해결할 수 있다. 하판을 들어가도록 형상 설계 되어야 하 위쪽으로 이송할 때 초기에는 고 며, 정확히 위치 정렬이 되도록 속으로 이동하고, 상판으로부터 펀칭 홀의 크기를 다수 측정하여 15~20mm 부근에서부터 저속으 공차를 정하여야 한다. 핀과 가이 로 이송하여 느린 속도로 상판과 드 홀 사이에 약간의 유격을 가 하판 사이의 접촉이 일어나도록 지고 시트가 쉽게 핀에 들어가면 유도 할 수 있고, 가압도 느린 속 도로 원하는 수치로 진행될 수 있다. 이러한 방법으로 효과적으 로 일정 압력을 유지하면서도 충 격력에 의한 위치 오차를 발생시 키지 않으면서 정밀한 적층 공정 을 수행할 수 있게 되었다. 이러한 요소들을 고려하여 적 층 정밀도를 제어하면 제품의 양 산 공정에서는 약 100~150μm 정도의 범위에서 적층 오차의 제 어가 가능하고 오차 요인을 최소 한으로 줄이면서 적층 정밀도를 제어하면 최대 70μm 정도까지 오 차를 줄일 수 있다. 이러한 오차 는, 변형하는 시트를 가지고 핀으 로 위치를 제어하며 아래, 위의 접착력이 경쟁하는 기본 공정상 의 한계 때문에 가지는 오차의 한계로 보인다. 따라서 수동 제어 형 적층기를 사용할 경우 최대 150μm 정도의 위치 오차가 발생 하여도 제품에 영향이 최소화 될 수 있도록 제품을 설계하지 않으 면 적층 정밀도에 저하에 따라 제품의 전기적 특성이 나빠져서 수율이 낮아지고 결국 낮은 수율 때문에 양산이 불가능한 경우가 발생할수있다. 능동 제어형 적층기는 시트를 PET가 바닥쪽으로 향하게 놓고 비전 인식을 통하여 위치를 인식 한 후 PET를 자동으로 박리한 Journal of the KSME 기계저널 CK

30 62 기계저널 CK 후 위치 제어를 통해 일정 위치 에 적층하는 방법을 사용한다. 시 트 자체를 진공을 이용하여 고르 게 잘 잡고 있는 상태에서 PET 의 박리가 일어나므로 시트 변 형에 의한 위치 오차를 최소화 할 수 있다. 또한 절대적인 좌표 점을 기준으로 모든 층의 시트를 적층함으로써 적층 오차의 누적 을 피할 수 있다. 따라서 장비의 반복 정밀도 및 비전 인식 위치 정밀도가 정밀 위치 제어에 매우 중요한 부분을 차지한다. 능동 제 어형 적층기에서도 수동 제어형 적층기와 같이 최적 온도 및 압 력값을 실험을 통해 결정할 수 있고 장비의 반복 정밀도를 보장 하기 위한 이송 부품의 가공 정 밀도가 매우 중요하다. 또한 수동 제어형 적층기와 달 리 비전 인식 및 위치 제어에 의 해 적층 정밀도가 결정되므로 비 전 인식때 인식되는 좌표계의 원 점과 실제로 위치 제어에 사용되 는 좌표계의 원점 및 경사각을 일치시키기 위한 초기 보정 과정 이 필요하다. 이러한 과정이 생략 되면 인식되는 좌표계와 제어를 위해 사용되는 좌표계의 원점과 경사각이 다를 수 있으므로 초기 위치의 오차가 크게 발생한 경우 에는 초기 위치 오차가 작게 발 LTCC 공정 기술의 정밀도 향상을 위해서는 기계적인 반복 정밀도뿐 아니라 재료의 물성 변경 공정 조건 최적화를 포함 한 포괄적인 정밀 공정 기술의 개발이 필요하다. 그림 6 비전 인식을 이용한 능동적 위 치 제어 적층기 생한 경우에 비해 위치 제어 오 차가 클 가능성이 높게 된다. 능동 제어형 적층기의 경우 양 산 공정에서 약 50~80μm 정도 의 범위에서 적층 오차의 제어가 가능하고 오차 요인을 최소한으 로 줄이면서 적층 정밀도를 제어 하면 최대 30μm 정도까지 적층 오차를 줄일 수 있다. 현재 개발 되고 있는 제품들에 있어 소형화 그림 7 적층 오차가 제어된 비아홀 와 집적화의 요구가 더 심화되고 있으며 LTCC 각 공정에 더 정 밀한 오차 제어가 요구되고 있다. 이러한 요구에 대해 기계적인 반 복 정밀도뿐 아니라, 재료의 물성 변경, 공정 조건 최적화를 포함한 포괄적인 정밀 공정 기술의 개발 이 필요하다. 62 기계저널 제46권 제6호 62 기계저널 CK

31 63 기계저널 CK 폴리머 소재 마이크로 성형기술의 소개 이 글에서는 다양한 마이크로 성형기술 중 폴리머(polymer)를 소재로 하는 마이크로 나 노 단위의 성형기술의 동향과 이에 관련된 다양한 응용분야에 대하여 소개하고자 한다. 마이크로 성형기술은 수 리소그래피(NIL : Nanoimprint 마이크로 사출성형(micro μm에서 수 mm의 크기를 Lithography), 롤투롤 방식 injection molding)은 폴리머 가진 구조물의 형상으로 구성된 부품을 대량 생산하기 위한 공정 및 이에 관련된 모든 장비기술을 의미한다. 반도체, 디스플레이, 광정보저장기기의 주요 광학부품 의 제작뿐만 아니라 의료나 통신 분야까지 그 활용도가 증가하고 있다. 폴리머 재료를 이용한 미소 광 열유체 부품의 대표적인 마 이크로 성형기술은 마이 (roll-to-roll) 등이 있으나, 이 글에서는 앞의 세 가지 공정을 중심으로 마이크로 성형기술 현 황을 정리하였다. 표 1은 뒤에서 다룰 마이크로 성형기술들의 특 징을 요약하고 있다. 등의 열가소성 고분자 수지를 유 리전이 온도 이상에서 용융시켜 마이크로 구조물을 지닌 금형에 고압으로 주입하고 냉각 고화시 켜 마이크로 제품을 생산하는 기 술을 의미한다(그림 1(a)). 마이크 로 사출성형은 마이크로 성형기 술 가운데 cycle time이 가장 짧고, 저가의 공정으로 마이크로 크로 사출성형, 핫 엠보 싱 및 UV 성형으로 분 표1마이크로 성형기술 공정의 비교 경화법 성형온도 성형시간 성형비용 류할수있다. 또한관련 된 기술로는 최근 각광 받고 있는 나노임프린트 사출성형 핫 엠보싱 UV 엠보싱 열경화 열가소성 UV경화 고온 유리전이온도 근방 상온 빠름 느림 중간 고 중 고 [ ] 김병희I 강원대학교 기계 메카트로닉스공학부, 교수 강신일I 연세대학교 기계공학부, 교수 _ kbh@kangwon.ac.kr _ snlkang@yonsei.ac.kr Journal of the KSME 기계저널 CK

32 64 기계저널 CK 몰드 외부금형 냉각수 공급 및 배출 (a) 마이크로 사출성형 금형 및 공정기술 (Macintyre, Microelectronic Eng. 1998) 그림 1 마이크로 사출성형 공정 및 제작된 마이크로 제품 그림 2 광정보저장기기의 발전 흐름과 광디스크의 최소 패턴 크기 레이저 응용 초기패턴 제작 몰드 고정링 몰드 램 그림 3 나노 사출성형을 통한 BD 제작 공정의 개략도(JMI 사) 제품의 대량 생산에 가장 유리한 방법으로 알려져 있다. 마이크로 사출성형 방식은 미세패턴을 가 진 광학식 고용량 정보저장매체, 광학렌즈 등의 초정밀 광학 부품, 힘 폴리머 주입 금속 스템퍼 제작 극소형 기어 미세 핀 미세 구멍 마이크로 보빈 (b) 마이크로 사출을 통해 제작된 마이크로 제품(Sansyu Finetool 사, 독일) 나노 사출 성형 블루레이 디스크 기판 도광판(light guide panel) 등 의 디스플레이 기기, 각종 기능성 판상류 제품 등의 성형에 널리 사용된다. 그림 1(b)는 마이크로 사출성형기술을 통해 PBT, PMMA, ABS, PC, TPE 등 다 양한 폴리머 재료로 성형된 7~100μm 사이즈의 마이크로 제 품을 보여준다. Miniature Tool & Die 사는 의료장비, 전자, 센 서 등에 사용되는 마이크로 성형 부품 및 선폭 500nm, 두께 400μm의 마이크로 채널을 제작 하고 있으며, Medical Murray 사는 마이크로/나노 사출성형 장 비인 SESAME를 개발하여 상용 화하였다. 본 연구팀에서는 제이엠아이 사와 공동으로 나노 사출성형공 정 기술을 통해 150nm 급 블루 레이 디스크(BD : Blu-ray Disc) 제작에 국내 최초로 성공 하였으며, 향후 200GB 급 (75nm 급) 제작 연구개발에 착 수할 예정이며, 테라급 저장매체 에 대한 연구개발도 순차적으로 진행할 예정이다. 그림 2는 CD, DVD 및 차세대 저장매체인 BD 등 광정보저장기기의 발전에 따 른 광디스크의 사출성형된 최소 패턴의 크기 및 광시스템의 사양 을 보여주고 있다. 그림 3은 BD 제작을 위한 나노 스탬퍼 및 나 노 사출성형 공정을 보여준다. 나노 패턴을 지닌 BD를 사출 성형하기 위해서는, 기존의 CD 나 DVD 제품을 만들기 위해 사 용되었던 마이크로 사출성형 기 술을 더욱 발전시킨 나노 사출성 형 공정기술이 요구된다. 특히, 충전과정에서 발생한 고화층 (solidified layer)은 높은 점성 64 기계저널 제46권 제6호 64 기계저널 CK

33 65 기계저널 CK 과 낮은 유동성을 가지기 때문에, 용융 수지가 미세 패턴에 충전되 는 것을 방해하여 피트와 랜드- 그루부의 전사를 크게 악화시키 며, 고밀도 저장 매체성형의 경우 신호 특성에 크게 영향을 미칠 수 있다. 일본 Matsushita 사는 몰드의 절연기술을 통해 급속한 열방출을 막고 저속으로 금형을 개방하는 기술을 통해 광디스크 피트의 변형이 없는 사출성형기 술을 개발하였으며, 독일의 ZEMI 사는 Variotherm heating기법 을 이용하여 디몰딩 성능을 크게 향상시켰으며 현재 고세장비의 마이크로 사출성형에 관한 연구 를진행중에있다. 연세대에서는 능동 가열 금형 온도 제어 시스템을 적용한 나노 사출성형 시스템에 관한 연구를 수행 중에 있다. 그림 4는 능동 가열 금형 온도 제어 시스템을 적용한 나노 사출성형 시스템의 개략도를 보여준다. 이와 같은 능 동 가열 금형 온도 제어 시스템 을 통해 충전과정 동안 스탬퍼와 경면의 표면온도를 유리전이온도 이상으로 유지시킴으로써 고화층 의 발생을 지연시키고 전사 특성 을 향상시킬 수 있었다. 그림 5 는 최적화된 나노 사출성형 공정 조건에서 제작된 폴리머 나노 패 턴의 SEM 사진을 보여 주고 있 다. 성형 재료로는 폴리카보네이 트(Polycarbonate) 수지를 사 용하였고, 금형 온도 100, 충 진 압력 80~400N의 최적의 공 정 조건을 선정하여 공정을 수행 하였다. 나노 사출성형 결과 패턴 상부면의 평탄도가 우수하고, 세 장비 1 이상의 고세장비 나노 패 턴이 균일하게 성형되었음을 확 인할수있다. MEMS 히터 MEMS 센서 스탬퍼 스탬퍼 표면의 온도측정 MEMS 히터의 온도제어 그림 4 능동 가열 금형 온도 제어 시스템을 적용한 나노 사출성형 시스템(S. Kang. Japanese Journal of Applied Physics/Microsystem Technologies, 2005) (a) 직경 100nm, 피치 250nm A/D D/A 보드 (b) 직경 50nm, 피치 150nm 그림 5 나노 사출성형 공정을 통한 나노 필라 패턴 성형 결과 ; (S. Kang. Applied Physics Letters. 2006) 핫 엠보싱 공정(micro hot embossing)은 미소 부품 성형 에 매우 적합한 공정으로 유리전 이 온도 이상으로 가열된 폴리머 에 미세 패턴을 지닌 금형을 가 압하여 미세 패턴을 폴리머에 전 사시키는 공정이다. 핫 엠보싱의 경우, 마이크로 사출성형에 비해 낮은 온도와 압력 하에서 광학용 폴리머를 포함한 대부분의 열가 소성 폴리머를 사용하여 미세 패 턴을 구현할 수 있는 장점을 가 지고 있으며, 바이오-MEMS 분 야, 마이크로 유동, 마이크로 광 학 및 나노기술 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다. 마이크로 핫 엠보싱 공정은 스 탬프와 열가소성 폴리머와의 열 적 기계적 물성 차이를 이용한 Journal of the KSME 기계저널 CK

34 66 기계저널 CK 다. 그림 6(a)는 독일의 Jenoptik Mikrotechnik 사가 개발한 핫 엠보싱 시스템으로 높은 세장 비는 물론 다양한 재료의 마이크 로 복제가 가능하다. 그림 6(b)는 MIT에서 개발한 소형 핫 엠보싱 장치를 보여주고 있다. 금형의 수 랭을 통해 기존의 핫 엠보싱이 가지고 있던 공정시간이 긴 단점 을 어느 정도 극복하였다. 그림 7은 마이크로 핫 엠보싱 의 간단한 원리와 마이크로 핫 엠보싱 시험장치를 보여준다. 이 장비는 냉각수의 강제순환을 통 한 직접 냉각방식을 채택하였으 며, 질소가스를 이용한 이형 및 동시 냉각을 시도하였다. IR 카메 라를 이용하여 금형표면 온도를 정밀하게 측정함으로써 실제 성 형 시의 온도조건을 정밀하게 제 어할 수 있었다. 또한 유리전이 온도에 근접한 온도에서 성형하 는 저온 핫 엠보싱 기법과 최적 의 공정조건 제어를 통해 기존 방법에 비해 80% 이상의 공정시 간을 단축하였다. 또한, 상하금형 의 차별적인 가열과 냉각을 통하 여 하이브리드형 엠보싱 공정을 가능케 하였다. 핫 엠보싱 시험에 사용한 스탬프는 DVD와 블루레 이 니켈 스탬프를 사용하였으며, 기판 재료로는 PMMA를 사용하 였고, 성형 변수인 성형온도, 성 형압력, 성형시간, 이형온도 등의 변화에 따른 성형결과를 고찰하 였다. 그림 8은 마이크로 핫 엠보싱 공정에서 성형 파라미터의 시간 에 사용된 스탬프를 나타낸다. 엠 보싱 공정시간을 단축하기 위해 PMMA의 유리전이 온도 근처인 110, 120 의 저온성형을 위주로 (a) HEX 01(Jenoptik Mikrotechnik 사) (b) MIT의 핫 엠보싱 장치 그림 6 외국의 핫 엠보싱 시스템 가열 상판 마스터 가공재료 가열 하판 (c) 스탬퍼 변형 성형제품 (a) 핫 엠보싱 공정 (b) 하이브리드형 핫 엠보싱 장치 (d) 재료의 설치(PMMA) 그림 7 핫 엠보싱의 원리 및 시험장치(강원대) 66 기계저널 제46권 제6호 66 기계저널 CK

35 67 기계저널 CK 온도( ) 스탬퍼 온도 엠보싱 온도 T g 이형 온도 성형 압력 가열 시간 엠보싱 시간 냉각 시간 시간(초) (a) 공정조건의 제어 (b) DVD 니켈 스탬프 (c) Blu-ray Disc 니켈 스탬프 그림 8 시간에 따른 공정조건 변화와 사용된 니켈 스탬프(강원대) (a) 사각형상 (b) 원형상 (c) 트랜치형상 (d) 고애스팩트비 성형 그림 9 다양한 형상에 따른 성형시험 결과 실험하였으며, 성형압력은 40, 80, 120bar를 사용하였고, 성형 시간은 10, 30, 60, 120sec로 주었으며, 이형온도는 90 로 고 정하여 실험하였다. 성형압력의 증가는 일반적으로 폴리머의 충 진율을 향상시키지만, PMMA의 유리전이 온도 이상의 고온성형 에서는 스탬프 외곽에서 발생하 는 압력이 패턴 내부의 스퀴즈 (squeeze) 압력을 감소시켜 충 진율을 저감시키는 조건이 되며, 과다한 성형시간은 전체적인 공 정시간을 증가시킬 뿐 패턴의 전 사특성을 향상시키지는 못하였다. 그림 9는 마이크로 핫 엠보싱 공 정에 의해 수행된 다양한 결과들 을 나타내고 있다. 마이크로 UV 성형(micro UV-molding) 공정은 자외선에 경화되는 액상의 포토 폴리머 (photo polymer)를 사용하는 공정으로 그림 10과 같이, 금형 위에 재료를 코팅하고, 유리 등의 투명한 기판으로 덮은 후, 자외선 을 조사하여 재료를 경화시키고, 성형품을 이형하는 과정으로 진 행된다. UV 성형 공정은 상온 저압 공정으로 공정시간이 매우 짧고, 낮은 복굴절 및 높은 열적 안정성을 갖는 제품의 제작이 가 능하다. 또한 상온에서 액상인 포 토폴리머를 사용함으로써 재료의 유동에 대한 문제가 적어, 두께가 얇은 제품, 크기가 작은 미소 렌 즈, 높은 세장비(aspect ratio) 를 가진 미소 구조체 등 대부분 의 미소부품 성형에 유리하다. 특 히 마이크로 광전자 소자 등에서 전자 소자 기판 상에 수동 광소 자 및 미세 구조체를 성형함에 있어 UV 성형은 소자에 손상을 주지 않고 고품위의 광소자를 저 가 집적할 수 있어 이러한 광전 자 모듈용 광소자 제작에 가장 적합하다 하겠다. 마이크로 UV 성형 공정은 공 정이 갖는 다양한 장점으로 인해 국내외적으로 다양한 연구가 수 행되고 있다. Heptagon 사는 기존 4인치 크기의 UV 복제는 물론 6~8인치의 대면적 유리나 Journal of the KSME 기계저널 CK

36 68 기계저널 CK 포토 폴리머 유리/석영유리 몰드 몰드 몰드 (a) 몰드 인서트 (b) 포토폴리머 (c) 유리 인서트 성형 압력 (d) UV 조사 및 압력 인가 (e) 이형 (f) 성형제품 그림 10 마이크로 UV 성형 공정순서 (a) VCSEL의 성형(Gimkiewicz) (b) 마이크로 렌즈(Epigem 사) (c) 마이크로 회절렌즈 어레이 그림 11 마이크로 UV 성형공정을 이용한 응용 광전자 모듈용 웨이퍼 상에서의 성형시험을 수행하였으며, Gimkiewicz 등은 수직발광레이저 (VCSEL) 어레이 상에 웨이퍼 단 위의 마이크로 렌즈를 집적 성형 을 수행하였고(그림 11(a)). 영국 의 Epigem 사는 일반 마이크로 렌즈의 복제뿐만 아니라, 플렉서 블 마이크로 렌즈에 제작에도 응 용하였다.(그림 11(b)) 국내의 경우에도 다양한 기업 및 연구소에서 마이크로 UV 성 형 시스템 및 성형 공정에 대한 연구가 수행되었으며 관련 기술 의 상업화가 일부 진행되고 있는 상태이다. 한국기계연구원, NND, 연세대 등에서 다양한 크기 및 공정의 마이크로 UV 몰딩 시스 템이 개발되었으며 관련 공정 연 구 및 응용 제품이 개발되고 있 다. 특히 연세대 강신일 교수팀에 서는 광전소자상에 마이크로 광 부품의 집적이 가능한 UV 몰딩 시스템인 최대 성형 크기 8inch 의 Monolithic Lithography Integration System이 개발되 었고 이를 응용한 다양한 응용 제품이 개발되었다. 마이크로 UV 성형 공정은 매우 다양한 형상의 마이크로 부품 제작에 적용될 수 있으며 그림 12와 같이 다양한 크기 및 형상의 마이크로 렌즈 어레이, V 홈 어레이, 회절 광학 소자 등을 실리콘 기판, 유리 기 판, 폴리머 필름 상에 제작 할 수 있다. UV 성형 공정에 있어 액상의 재료를 사용함으로써 발생하는 미세 기포 결함 및 재료의 중합 (polymerization) 공정에서 발 생하는 수축은 초정밀 마이크로 광부품의 제작에 있어 성형품의 68 기계저널 제46권 제6호 68 기계저널 CK

37 69 기계저널 CK (a) 마이크로렌즈 어레이 (b) 100% 충진율 (c) V-홈 충진율 (d) 8-step 회절 광학소자 마이크로 렌즈 어레이 그림 12 다양한 마이크로 UV 성형 응용 예(연세대) 높이 (μm) (a) Pre heating 공정을 통한 미세 기포의 제거(S. Kang, Jounal of Microlith. Microfab. Microsyst., 2003) X(μm) (b) 가압력에 의한 UV 성형 렌즈의 새그 높이 변화(S. Kang, J. Phys. D Appl.Phys.,2003) 그림 13 마이크로 UV 성형공정 공정 결함 제어 결과 특성을 저하시키는 가장 큰 이슈 이다. 미세 기포 결함의 제어를 위해 진공 분위기에서 성형 공정 을 진행함으로써 미세 기포를 효 과적으로 제거할 수 있으나 이는 공정시간 증가 및 제조단가의 상 승을 야기하는 요인이 된다. 공정 시간의 증가 없이 미세기포의 제 거를 위해 재료 및 몰드의 예비 가열(pre-heating)을 수행하는 방법이 제안되었다. 예비가열을 통해 포토폴리머의 점성이 감소 되며, 미세 기포의 열역학적 운동 성이 증가하여 미세 기포가 스스 로 몰드 캐비티 내에서 빠져 나 오게 된다. 그림 13(a)는 마이크 로 렌즈 어레이의 UV 성형 공정 에서 발생한 미세 기포 결함과 예비가열 방법을 통해 이를 제거 한 결과를 보여준다. UV 성형 공 정에서 주로 발생하는 또 다른 문제인 재료의 수축에 의한 전사 성 저하를 해결하기 위해 다양한 방법이 적용될 수 있으나, 마이크 로 UV 성형 공정의 가압력을 제 어함으로써 이를 보정하는 방법 이 가장 경쟁력을 갖는 것으로 판단된다. 그림 13(b)는 가압력에 따른 UV 성형 마이크로 렌즈의 새그(sag height) 영향을 보여 주며 실제 비가압 공정에서 제작 된 성형품의 수축률 5.9%가 90kPa의 가압력에서 0.3% 이하 로 보정될 수 있음을 알 수 있다. 연세대에서는 monolithic lithography integration 기술 의 적용으로 수직발광레이저 (VCSEL) 어레이와 광파이버의 커플링을 위한 마이크로 렌즈를 설계 VCSEL 기판상에 집적하여 그 특성을 평가하였으며, 네덜란 드 Philips Research 사와 공 Journal of the KSME 기계저널 CK

38 70 기계저널 CK (a) 개구 어레이 (b) MIAA (c) 개구 어레이에 의한 (d) MIAA에 의해 생성된 광 스폿 광도 분포 광 스폿 광도 분포 그림 14 MLI 공정을 이용한 광학 카드 시스템 용 광학헤드 제작 결과(S. Kang, Appl. Phys. Lett., 2006) 동으로 차세대 휴대형 광 정보저 장기기인 광학카드시스템(optical card system)에 적용되는 광학 헤드의 제작에 있어 마이크 로 UV 성형 공정을 이용한 Microlens Illuminated Aperture Array(MIAA)를 제작함으 로써 기존의 개구 어레이에 비해 작은 빔 스폿(beam spot) 구현 및 12배 이상의 효율향상을 실현 하였다. 그림 14(a)(b)는 제작된 개구 어레이 및 MIAA를 보여주 며 그림 14(c)(d)는 기존의 개구 어레이에 의해 발생한 광 프로브 와 UV 성형 공정을 통해 마이크 로 렌즈가 집적된 MIAA에 의해 생성된 광 프로브의 광도 분포를 보여준다. 제품이 경량화 소형화되면서 마이크로 부품에 대한 요구는 급 속히 증가하고 있으나 대부분의 마이크로 부품 제조공정은 기계 적이나 화학적인 방법을 기반으 로 하는 제거가공기술에 의존하 고 있는 상황이다. 기존의 제거가 공기술은 2차원부품의 배치공정 의 경우에는 양산이 가능하지만, 2.5/3차원 부품의 제조 시에는 생산속도에 한계가 있다. 따라서 급속히 증가하는 마이크로 부품 에 대한 수요를 만족시키기 위해 서는 마이크로 성형 공정을 통한 고정밀 마이크로 부품의 양산기 술의 확보가 시급하다고 할 수 있다. Strathclyde 대학의 Yi Qin 교수는 마이크로 성형공정을 통해 전자, 자동차, 우주항공 및 자동화에 사용되는 마이크로 부 품의 제조비용과 장비의 크기를 크게 줄일 수 있으며, 마이크로 부품의 양산을 가능하게 하여 현 재의 제조비용을 약 40~80%까 지 감소시킬 수 있을 것이라고 주장하고 있다. EU는 2004년부 터 13개국 36개의 기관(18개의 기업 포함)이 참여하는 MASMI- CRO(Integration of Manufacturing Systems for Mass-manufacture of Miniature/Micro-products) 프로 젝트에 2,100만 유로를 지원 중 이다. 이 프로젝트의 목적은 마 이크로 부품의 소성가공을 통한 생산기술 확보하고 생산비용을 40~80%까지 절감하는 데 있 다. 국내의 경우에도 세계적으로 상위 경쟁력을 확보하고 있는 반 도체기술 및 MEMS 기술을 기존 의 초정밀 성형 기술과 접목함으 로써 마이크로 성형 공정에 대한 연구가 상당 수준 확보된 상태이 며 나노 성형 분야에서도 기술 선진국과 대등한 수준에서 국가 와 기업이 많은 투자를 진행하고 있다. 현재 마이크로 성형 기술에 있어 대면적 몰드 제작, 대면적 성형 기술 개발, 초미세 패턴의 성형 및 전사특성 확보, 이형기술 확보 등이 향후 풀어야 될 숙제 로 대두되고 있으며 이를 해결하 기 위한 다양한 연구가 국내외적 으로 진행되고 있다. 70 기계저널 제46권 제6호 70 기계저널 CK