마이크로 핫엠보싱이나 나노임프린팅 공정 시에는 Fig. 1에서 보는 것처럼 금형과 대상 재료 사이에 공기가 갇히거나 대상 재료에 포함된 용제 등이 기화되어 패턴의 형상에 결함을 일으키는 경우가 많이 발생한다. 이를 해결하기 위한 방안으로써, 최근 공기 투과성 금형(Air Permeable Mold)^7-9이 제안되었다.

Fig. 1 
Pattern failure in thermal nanoimprint lithography carried out using non-gas permeable quartz mold. Reproduced under the terms of the Creative Commons Attribution (CC BY) license

Demko 등⁷은 PMP (Poly(4-Methyl-2-Pentyne))을 이용하여 수 백 나노미터 크기의 고분자와 나노입자 패턴을 구현하였다. PMP는 기체 투과성을 가지면서도 기계적 강도, 화학적 안정성 및 광학적 투과도가 높아 마이크로 핫엠보싱 및 인쇄용 금형으로 사용되고 있다. PMP의 고분자 사슬 사이의 공극을 통하여 기화된 용제를 빼냄으로써 패턴 내의 기포 갇힘 현상을 제거하고 높은 정밀도의 패턴을 형성하였다.

Nakajima 등⁸은 HPC (Hydroxylpropyl Cellulose) 기반의 바이오매스 재료를 이용하여 기체 투과성의 금형을 제작하여 1 μm의 선폭을 가지는 패턴을 구현하였다. HPC에 열 가교성의 2-Isocyanatoethyl Methacrylate를 첨가하여 실리콘 마스터 금형으로부터 열중합된 금형을 제작하였다. 제작된 금형은 경화 온도에 따라 산소 투과도(Oxygen Gas Permeability)가 감소하였는데, 이는 경화 온도가 높을 수록 중합이 많이 일어나 폴리머 사이의 공극이 작아지기 때문이다.

Takei 등⁹은 Cyclodextrin 기반의 다공성 금형과 Biodegradable Polylactide 레진을 이용하여 핫엠보싱 공정으로 150 nm의 나노 패턴을 성형하는 데 성공하였다. Fig. 2와 같이 기판 위에 접착레이어를 코팅하고 Polylactide 레진을 다공성 금형을 이용하여 열과 압력을 주게 되면 레진에 포함된 Dichloromethane이 기화되는데, 기화된 Dichloromethane은 다공성금형을 통해 배출됨으로써 Polylactide의 모서리가 둥글어지는 Round Loss 현상이나 불량없이 패턴을 제작할 수 있다.

Fig. 2 
Schematic of imprinting of polylactide and dichloromethane solution by thermal nanoimprint lithography using porous cyclodextrin-based gas-permeable mold. Reproduced under the terms of the Creative Commons Attribution (CC BY) license

일반적으로 마이크로 핫엠보싱에 사용되는 금형은 주로 리소그래피와 식각 공정으로 제작된 실리콘 마스터로부터 복제되는데, 실리콘 기판과 식각 공정의 특성상 제작 가능한 형상은 매우 제한적이다. 특히, 매우 정밀한 형상이나 높은 종횡비를 가지는 양각 패턴 은 기존의 방법으로는 제작이 어렵다.¹¹ 레이저를 이용한 LDW (Laser Direct Writing) 방법은 3차원의 형상을 자유롭게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 이 방법은 광경화성 레진에 레이저 빔을 3차원적으로 스캔하여 레이저 빔의 초점에 조사된 일정한 부피(Voxel)에서만 레지스트의 교합을 일으켜 고체화된 패턴을 형성한다. 하지만 광원 및 광학계의 한계로 인하여 구현 가능한 Laser Spot의 크기는 수 μm보다 작아질 수 없어 일반적인 LDW는 이 보다 작은 패턴의 형성이 어렵다.

반면, 2광자 중합(Two-Photon Polymerization) LDW^10,11는 실제로 UV 경화에 필요한 빛의 파장보다 더 긴 파장(낮은 에너지)의 레이저를 사용하여, 조사한 레이저의 강도가 일정 이상이 되는 초점영역에서 낮은 에너지를 가지는 2개의 광자를 동시에 흡수하여 UV 레지스트가 경화되는 현상을 이용한 것으로 일반적인 LDW보다 훨씬 높은 해상도를 달성할 수 있다.

Chidambaram과 Kirchner¹¹는 UV 경화성 PDMS (Polydimethylsiloxane)에 780 nm의 레이저를 이용하여 2광자 중합으로 50 μm 직경의 마이크로 렌즈의 오목한 금형형상을 제작하고 PMMA (Poly(Methyl Methacrylate)) 레진을 이용하여 다시 금형을 복제하여 500 nm의 날카로운 팁을 가지는 금형을 제작하였다. Cadarso 등¹⁰은 Fig. 3에서 보는 것처럼 포토 리소그래피로 형성된 마이크로구조 사이에 UV 레지스트를 드롭한 후 780 nm의 레이저 광원과 2광자 중합을 이용하여 높이 9.8 μm, 폭 350 nm의 나노구조를 형성하였다.

Fig. 3 
Schematic representation of UV photolithography (PL) and 2PP direct laser write (DWL) process for master fabrication. (a) Spin coating of OrmoComp. (b) UV-PL to form micro-sized structures. (c) Deposition of a polymer liquid drop on the region of interest. (d) DWL by 2PP to from the (e) nanostructures. (f) Wet development of the nanostructures to remove non-crosslinked material. Reproduced under the terms of the Creative Commons Attribution (CC BY) license

롤 임프린팅을 이용한 대형 소자의 제작을 위해서는 이음매가 없는 원통 실린더의 제작이 필수적인데, 이를 위해 원통 실린더 상에 직접 양각 패턴을 형성하는 기술도 많이 주목 받고 있다. 최근 레이저 간섭 기술을 이용하여 Ni 원통 금형을 직접 가공하여 2.8 μm선폭의 패턴을 형성하는 연구⁵가 발표되었다.

그 외에 3D 프린팅 기술의 발전에 따라 이를 이용한 금형 제작도 연구되고 있다. 3D 프린팅 기술의 발달로 프린팅된 금속재료의 강도와 패턴의 정밀도가 나날이 높아지고 있는 점을 고려할 때, 3D 프린팅에 의한 금형 제작은 더욱 주목 받을 것으로 기대된다. Lin¹²는 400 μm × 500 μm의 마이크로 채널의 금형을 금속 3D 프린팅을 이용하여 제작하였는데, 재료로는 0.25 wt%의 Boron Nitride 파우더가 함유된 Stainless Steel 파우더를 사용하여, 인쇄된 패턴의 밀도와 표면조도를 향상시킬 수 있었다.

롤투롤 또는 연속 마이크로 핫엠보싱 기술이 발전됨에 따라 공정 속도를 높이면서도 패턴의 형상을 유지하고 열에 의한 기판 변형을 최소화하는 노력이 이루어져 왔는데, 그 중 대표적인 방법이 Preheating 방법이다. 공정속도가 빨라질수록 가열된 엠보싱롤에 접촉하는 시간이 짧아져 패턴의 깊이가 얕아지고 각인률이 감소하게 되는데,⁵ Preheating은 엠보싱 롤에 기판이 진입하기 전에 기판의 온도를 유리전이 온도 가까이 높임으로서 높은 공정속도에서도 패턴의 깊이를 증가시키게 된다.

2013년 김동성 교수 연구팀¹³에서는 R2F 핫엠보싱 장치에 할로겐 램프를 이용한 Preheating을 적용하여 Cyclic Olefin Copolymer (COC), Polycarbonate (PC), Polymethylmethacrylate (PMMA), and Polystyrene (PS)의 기판에서 마이크로유체 소자를 제작하였다. Preheating을 적용한 경우, 각인율이 15 - 50% 향상되었으며, 200 μm 이상의 깊이를 가지는 마이크로유체 소자의 제작에도 성공하였다. 2015년 한국기계연구원 김세영 박사 연구팀¹⁴에서는 적외선 램프를 R2R 핫엠보싱 장치에 적용하여 Preheating에 따른 패턴의 형상을 분석하였다.

2017년 한국기계연구원 조정대 박사 연구팀¹⁵에서는 Fig. 4와 같이 투명기판의 Preheating을 위하여 집속된 적외선 광원을 이용하였다. 집속된 광원은 기판의 폭방향으로 균일한 세기의 적외선 라인빔의 조사가 가능하고, 짧은 시간에 기판을 예열할 수 있다. 이 연구에서는 기판의 예열에 있어 NIR(근적외선)에 비해 MIR(중적외선)이 보다 효과적인 광원이며, 가열된 롤을 사용하는 것과 동일한 효과를 가진다는 점을 확인하였다.

Fig. 4 
Schematic diagram of the roll-to-roll hot embossing system using a focused infrared light

적외선광에 의한 예열방법은 비접촉 방식으로 오염이나 유지보수면에서 우수하나 대응 가능한 기판 폭에 한계가 있다. 롤투롤 연속 공정에 있어서 가장 간단한 방법은 Preheating을 위한 별도의 가열 롤을 사용하는 방법이다. Hainan 대학의 Jian 등¹⁶은 1200 mm 폭의 기판에 롤투롤 핫엠보싱 공정을 이용하여 회절격자를 형성하였는데, Preheating 롤과 Cooling 롤을 엠보싱 롤의 전/후에 설치하여 32 m/min의 공정속도에서 1 μm의 회절격자 패턴을 얻을 수 있었다. SIMTech의 Shan 등⁶은 Seamless 벨트를 이용하여 금형과 기판의 접촉 시간을 증가시킴으로써 Preheating 성능을 좀 더 향상시키고자 하였으며, 상하이 교통대의 Peng 등⁴은 3개의 가열롤과 적외선 램프를 이용한 Preheating Unit을 사용하고, 벨트로 이루어진 형상 유지 유닛(Shape Preserving Unit)을 적용하여 공정속도가 빨라질 때에도 패턴의 형상이 유지됨을 보여주었다.

마이크로 핫엠보싱 공정에서 각인률을 향상시키기 위해서는 온도에 따라 변화하는 열가소성 기판의 점성 및 이로 인한 유동성에 대한 이해가 필수적이다. 특히 롤투롤 핫엠보싱과 같은 높은 공정속도에서 유리전이온도 이상으로 가열되어 유동성을 가지게 된 기판/레진이 마이크로/나노 패턴 내부를 빈틈없이 채우기 위한 필요한 압력, 속도, 온도 등의 공정 변수를 결정하기 위해서는 고분자 레진이 가지는 점탄성(Viscoelastic) 특성을 고려한 유동특성에 대한 연구들이 필요하다. 또한 각인 후 온도가 내려감에 따라 기판의 수축 및 복원으로 인한 형상 변화 최소화 및 이형 공정에서의 패턴 변형을 최소화 하기 위하여 표면처리, 냉각공정 등을 통한 이형공정 최적화 연구도 수행되고 있다.

Deng 등¹⁷은 Poly-Vinyl Chloride PVC 필름을 이용한 롤투롤 핫 엠보싱 공정에서의 열과 압력을 가하였을 때의 열변형 및 이형 공정에서의 수축 및 복원에 대하여 기판 재료의 점탄성을 고려한 3차원 유한요소해석(FEM)을 수행하였다. 기판의 점탄성 물성을 적용하기 위하여 Generalized Maxwell 모델에 기반한 선형 점탄성 모델을 사용하였으며 Williams-Landel-Ferry (WLF) 방정식을 통해 온도에 따른 점탄성 특성을 시간에 대한 영향으로 변환하여 적용하였다. 이를 통해 핫 엠보싱 공정에서의 온도, 응력분포 등을 수치해석을 통해 분석하고 온도에 따른 각인 깊이 등을 실험결과와 비교 분석하였다. 특히, 각인 시 기판의 변형을 일으키게 되는 Creep Strain은 온도에 민감하며 온도가 유리전이온도 이상으로 상승하더라도 최대 변형이 일어나기까지 시간지연이 발생하는 것을 보여주었다. 또한 이형공정 후에는 수축 및 복원으로 인하여 최대 각인 깊이가 감소하는 것을 확인하였는데 추가적인 냉각공정을 통하여 이러한 수축/복원되는 비율을 줄일 수 있으며 이러한 효과는 각인 온도가 높을수록 보다 효과적임을 보여주었다.

Cheng 등¹⁸ 역시 Generalized Maxwell 모델을 이용하여 PS, PMMA, PC 등의 기판의 열변형에 따른 점탄성을 고려한 3차원 수치해석을 수행하여 기판의 종류, 패턴의 형상 등에 따른 각인률 영향 등을 분석하였으며 수치해석결과가 실제 실험결과와 잘 일치하는 것을 보여주었다.

Omar 등¹⁹은 이형 공정에서 기판과 금형 간의 분리에 필요한 힘을 최소화하기 위하여 이형공정에 작용하는 다양한 접착력, 마찰력 및 변형현상에 대한 해석모델을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. 각인 공정에서 가하는 압력이 이형 공정에도 크게 영향을 끼치게 되는데, 압력이 증가할수록 접촉면적의 증가로 인하여 접착력이 증가하는 반면 열응력의 감소로 인해 마찰력은 감소함을 보여주었다. 이로 인하여 마찰력이 지배적인 저온 공정에서는 압력이 증가할수록 이형에 필요한 힘이 감소하고, 접착력이 지배적인 고온 공정에서는 압력이 증가할수록 이형에 필요한 힘이 증가하는 현상을 설명하였다.

이 절에서는 최근 마이크로 핫엠보싱 기술에 적용된 몇 가지 흥미로운 시도들에 대해 소개하고자 한다.

첫번째는 폴리이미드(Polyimide) 필름에 마이크로 핫엠보싱을 적용하기 위한 시도이다. 폴리이미드 필름은 내열성이 좋고 기계적인 물성이 좋아 유연소자의 기판으로서 많은 주목을 받고 있다. 하지만 높은 유리전이 온도를 가지고 있어 마이크로 핫엠보싱 기술로 성형이 어려운 기판 중의 하나이다. 일본 AIST 윤성원 박사 연구팀²⁰에서는 광경화제가 포함된 Soluble Block Copolymer Polyimide (SBC-PI)를 이용하여 130도의 저온에서 핫엠보싱 후 UV 경화를 통하여 118 nm 폭과 6.5의 종횡비를 가지는 패턴을 형성하는데 성공하였다.

두 번째 기술은 Oscillatory Shear Forming²¹이라고 불리는 기술로서, 유리전이 온도보다 낮은 온도에서 마이크로 핫엠보싱으로 우수한 패턴 형상을 얻기 위한 방법이다. 롤투롤 생산에서는 유리전이 온도보다 높은 공정온도는 기판의 변형을 초래해 장력이나 패턴의 결함을 일으킬 수 있어 기판의 온도 제어는 큰 이슈 중 하나이다. 이 연구에서는 금형과 기판이 압착될 때, 압착력이 가해지는 방향의 수직 방향으로 피에조 소자를 이용하여 금형을 진동시킴으로써 높은 품질의 패턴을 얻을 수 있음을 보였다. 진동의 크기는 최소 패턴 폭의 5 - 10%이며 진동 주파수는 10 kHz로 PMMA 필름에서 유리전이온도보다 35도나 낮은 온도에서도 패턴의 성형이 가능하고, 진동시간이 늘어남에 따라 깊이도 깊어져 잔류막(Residual Layer)의 두께를 크게 줄일 수 있다고 설명하였다. 이와 비슷한 기술로 Impact-Type 핫엠보싱 기술²²도 최근 소개되었는데, 도트 프린터와 같이 미세한 프로브를 가열된 기판에 타격하여 패턴을 형성하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 핫엠보싱을 위한 금형을 제작할 필요 없이 다양한 패턴을 자유롭게 형성할 수 있다는 점이 가장 큰 장점으로, 앞으로 다양한 프로브의 형상, 프로브 가열 방식 연구를 통해 더 발전될 가능성이 커 보인다.