[논문]사출성형을 이용한 미세 패턴 성형

이관희; 유영은; 김선경; 김태훈; 제태진; 최두선

사출성형을 이용한 미세 패턴 성형
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이관희 (서울산업대학교 나노아이티공학과) , 유영은 (한국기계연구원 나노공정장비연구센터) , 김선경 (서울산업대학교 금형설계학과) , 김태훈 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 제태진 (한국기계연구원 나노공정장비연구센터) , 최두선 (한국기계연구원 나노공정장비연구센터)

A plastic substrate with tiny rectangular pillars less than 100nm is injection molded to study pattern replication in injection molding. The size of the substrate is 50mm ${\times}$ 50mm and 1mm thick. The substrate has 9 patterned areas of which size is 2mm ${\times}$ 2mm respectively. The lengths of the pillars are 50nm, 100nm, 150nm and 200nm and the width and height are 50nm and about 100nm respectively. A pattern master is fabricated by e-beam writing using positive PR(photo resist) and then a nickel stamper replicated from the PR master by nickel electro-plating. Cr is deposited on the PR pattern master before nickel electro-plating as a conducting layer. Using this nickel stamper, several injection molding experiments are done to investigate effects of the injection molding parameters such as mold temperature, injection rate, packing pressure or pattern location on the replication of the patterns under 100nm.

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문제 정의

본 연구에서는 50mm×50mm의 크기에 2mm×2mm의 9개의 미세패턴 영역 안에 dot형상의 음각 패턴이 존재하고 있는 Ni-Stamper를 제작하여 사출성형 및 측정함으로써 캐비티 내부의 위치별 용융 수지의 흐름에 따른 패턴의 전사성을 파악하였다.
본 연구에서는 미세패턴을 가지고 있는 제품을 성형하여 제품에 존재하고 있는 미세패턴의 성형성을 알아보기 위하여 금형온도와 압력을 달리하여 실험하였으며 각 위치별 미세패턴의 성형성을 측정 하였다. 측정결과 금형의 온도는 미세 패턴의 전사성에 중요한 영향을 주었으며 고온에 의해 성형이 확인된 후 사출압력 조건이 미세패턴의 전사성에 영향을 줄 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.

제안 방법

성형에 사용한 수지는 Topas사의 COC(Cyclic olefin copolymer)를 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 사출 성형 공정 조건으로 금형온도 각 120℃, 140℃의 조건에 서로 다른 조건의 보압을 적용하였으며 사출속도는 1단 90mm/s, 2단 80mm/s로 모든 공정에 동일하게 적용하였다. 금형온도는 실측온도로써 금형 내부와 스템퍼 중앙 부에 열전대를 설치하였고 금형내부에 설치된 연전대는 히터 컨트롤러에 연결하여 금형 온도를 제어하였다.
Table 2는 실험에 사용된 사출 성형 공정 조건으로 금형온도 각 120℃, 140℃의 조건에 서로 다른 조건의 보압을 적용하였으며 사출속도는 1단 90mm/s, 2단 80mm/s로 모든 공정에 동일하게 적용하였다. 금형온도는 실측온도로써 금형 내부와 스템퍼 중앙 부에 열전대를 설치하였고 금형내부에 설치된 연전대는 히터 컨트롤러에 연결하여 금형 온도를 제어하였다. 측정결과 금형내부와 스템퍼의 온도 차이는 3℃정도로 금형내부의 온도가 낮게 측정되었다
본 연구에서는 50mm×50mm의 크기에 2mm×2mm의 9개의 미세패턴 영역 안에 dot형상의 음각 패턴이 존재하고 있는 Ni-Stamper를 제작하여 사출성형 및 측정함으로써 캐비티 내부의 위치별 용융 수지의 흐름에 따른 패턴의 전사성을 파악하였다. 또한 오일 금형온도 조절기와 열전대 히터를 이용하여 동일한 두 조건의 금형온도 내에 서 보압 조건을 달리하여 사출성형 함으로써 금형온도와 사출압력이 미세패턴의 성형성 및 전사성에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
사출 성형 금형의 온도제어를 위해 오일 금형온도 조절기와 열전대 히터를 병행하여 사용 하였으며, 금형온도는 Thermoc ouple K를 이용하여 측정하였다.
스템퍼를 이용하여 미세패턴이 존재하는 시편을 성형하기 위해 사출 성형 금형을 제작 하였다.
이를 바탕으로 본 실험에서는 다양한 크기의 미세패턴을 이용하여 미세패턴의 전사성을 분석하기 위하여 금형 온도와 사출속도 그리고 사출압력의 성형 공정 조건 등의 변수를 다르게 하여 사출성형 함으로써 주요 변수의 영향을 분석하고 패턴의 전사성을 비교 분석해 보았다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 스템퍼는 실리콘 웨이퍼에 photo resist(positive PR)를 코팅하여 e-beam 리소그라피 공정과 develope공정을 거쳐 제작된 마스터를 이용하여 Cr을 도포 한 후 니켈을 전주함으로써 제작 되었다. Fig.
사출성형을 위해 사용한 사출성형기는 Sumitomo사의 전동 사출 성형기 SE50D를 사용하였으며 제원은 클램프력 50Ton, 최대 최대 사출압력 2800kgf/㎠, 최대 사출속도 500mm/s이다.
성형에 사용한 수지는 Topas사의 COC(Cyclic olefin copolymer)를 사용하였다.

성능/효과

각 조건에 의해 사출 성형 되어 진 공정 데이터는 최고 사출 압력 평균 320Kgf/㎠정도로 미세한 차이를 보였으며 충전 시간은 0.17s로 동일하게 측정 되었다.
본 실험에 앞서 금형 온도 100℃, 보압 240Kgf/㎠의 조건으로 예비 실험을 한 결과 미세패턴의 전사가 이루어지지 않았음을 확인 할 수 있었으며 이는 금형온도가 미세패턴의 전사성에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인 할 수 있다.
또한 동일한 압력 조건에서 다른 금형온도 조건 (case(c)와 case(f))을 비교 한 결과 금형 온도가 높은 case(f)의 성형성이 더 우수한 것을 확인 할 수가 있었다. 이는 본 연구의 실험 조건에서 금형온도와 보압의 증 가가 미세패턴의 성형성을 향상시키는 것으로 관찰되었다.
측정결과 금형의 온도는 미세 패턴의 전사성에 중요한 영향을 주었으며 고온에 의해 성형이 확인된 후 사출압력 조건이 미세패턴의 전사성에 영향을 줄 수 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 토대로 미세구조를 갖는 사출공정의 금형특성은 금형표면을 순간적으로 가열하여 전사가능 온도까지 상승 시킨 후 충전 완료와 동시에 급속냉각이 가능한 구조가 되어야 된다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이와 같은 금형 특성과 공정 조건을 최적화 하는 실험을 수행할 예정이며 이를 바탕으로 최적의 조건을 데이터베이스화 할 예정이다.
금형온도는 실측온도로써 금형 내부와 스템퍼 중앙 부에 열전대를 설치하였고 금형내부에 설치된 연전대는 히터 컨트롤러에 연결하여 금형 온도를 제어하였다. 측정결과 금형내부와 스템퍼의 온도 차이는 3℃정도로 금형내부의 온도가 낮게 측정되었다
본 연구에서는 미세패턴을 가지고 있는 제품을 성형하여 제품에 존재하고 있는 미세패턴의 성형성을 알아보기 위하여 금형온도와 압력을 달리하여 실험하였으며 각 위치별 미세패턴의 성형성을 측정 하였다. 측정결과 금형의 온도는 미세 패턴의 전사성에 중요한 영향을 주었으며 고온에 의해 성형이 확인된 후 사출압력 조건이 미세패턴의 전사성에 영향을 줄 수 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 토대로 미세구조를 갖는 사출공정의 금형특성은 금형표면을 순간적으로 가열하여 전사가능 온도까지 상승 시킨 후 충전 완료와 동시에 급속냉각이 가능한 구조가 되어야 된다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이를 토대로 미세구조를 갖는 사출공정의 금형특성은 금형표면을 순간적으로 가열하여 전사가능 온도까지 상승 시킨 후 충전 완료와 동시에 급속냉각이 가능한 구조가 되어야 된다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이와 같은 금형 특성과 공정 조건을 최적화 하는 실험을 수행할 예정이며 이를 바탕으로 최적의 조건을 데이터베이스화 할 예정이다.

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