KR100246078B1 - 마이크로시스템 제품을 금형하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로 시스템구조를 조형하기 위한 장비와 공정의 경우에 있어서 본 목적은 진공하에 수행되는 엠보싱공정에서 사용되는 금형두께와 조형재 두께의 변화량을 보정하여주며 한편 고도의 치수안정을 보장하면서 다른 조형깊이를 보장하여주는데 있다.

본 발명에 따라서 대향위치의 챔버부분들의 대우를 가지고 있는 챔버에 있어서 그 하나는 프레임에 고정이 되어 있으며 다른 하나는 조정이 가능한바 내부와 외부를 포함하는 측벽을 가지고 있다. 내부는 고정 챔버부분에 고정이 되어 있으며 외부는 밖으로 향한 다면상에 있는바 이에 조정챔버 부분은 챔버이 닫히는 동안 스프링 하중을 받게되는데 2개의 스톱 사이의 고정챔버 부분의 가이드 부재들에 따라서 변위 가능하다.

챔버내에서는 고정챔버에 작용하는 하중의 증가가 소정의 값에 도달하는 점들에서 챔버이 닫히는 때에 맞추어 분위기 조건들과 온도조건들의 설정이 행해진다.

Description

마이크로시스템 제품을 금형하기 위한 장치 및 방법

본 발명은 엠보싱 기구(embossing tool)와 금형소재를 수용하는 캐리어(carriers; 담체) 작용을 하는 개폐챔버 양쪽으로 대향되게 놓인 한쌍의 챔버부를 포함하고, 그 중 어느 한 챔버부가 프레임 작동부에 고정되고 다른 챔버부가 프레임에서 조정가능하게 안내되는 장치로 마이크로시스템 제품(微視組織製品 : microsystem structures)을 금형(moulding)하는 것에 관한 것이다.

LIGA기법(싱크로트론 복사-하전 입자 가속장치, 전기제판 및 플라스틱 금형에 대한 석판인쇄술을 표현하는 독일어의 약성어)으로 공지되어 있는 마이크로시스템 제품들을 제조하기 위한 방법에 있어서, 금형은 대량생산의 핵심이다. 진공하에서 열가소성 연화온도 이상의 온도에서 금형기구로 열가소성 소재 또는 기타 다른 소재 층을 프레스 가공하므로서, 3차원 구조의 제품이 작게는 수나노미터부터 수백마이크로미터의 높이로 생산된다.

DE 40 10 669 C1 및 DE 42 22 856 C1은 플라스틱의 마이크로시스템 제품을 생산하기 위한 방법에 관한 것으로 소위 진공 엠보싱 방법으로 일컬어지는 제조단계들이 설명되어 있다. 그러나, 대량 생산시 금형작업에 적합한 장치의 구조적 설계를 상세히 다루지 않고 있다.

이러한 장치는 적용가능성이 높은 장치이어야 하는 요건을 충족시켜야 한다. 이것은 사용될 금형기구의 여러가지 높이들과 금형소재의 여러가지 두께 및 금형깊이(구조적 깊이) 때문에 발생하는 제반 문제들의 해결을 포함한다. 이러한 융통성은 금형 기구의 대단히 정밀한 평행 안내에 관한 DE 42 22 856 C1에 포함된 요건으로 보다 더 어려워진다.

따라서, 본 발명의 목적은 고차원적으로 안정성을 보장하고 여러 가지 금형 깊이를 보장하면서 진공하에서 수행될 엠보싱 공정에서 이와같은 두께 변화를 보정하는 것에 관한 것이다.

상기 목적은 엠보싱 기구와 금형 소재를 수용하는 담체 작용을 하는 개폐챔버의 양쪽으로 대향되게 놓인 한쌍의 챔버부를 갖는 마이크로시스템 제품을 금형하는 장치에 의해 달성된다. 그리고, 그 중 어느 한 챔버부는 프레임 구조물에 고정되고 다른 챔버부는 프레임에서 조정 가능하게 안내된다. 개폐챔버는 내부부분과 외부부분을 포함하는 측벽들을 갖고, 내부부분은 고정챔버부에 고정되고, 외부부분은 외향끝면상에서 조정챔버부가 개폐챔버를 닫는 동안 스프링 하중을 받게되고, 2개의 스톱퍼 사이를 고정챔버부의 가이드 요소를 따라 이동할 수 있다. 스톱퍼의 간격은 본질적으로 챔버의 폭을 결정한다.

내부부분은 제1원통형 플랜지로 형성되며 제1플랜지의 확장부가 고정챔버에 고정된다. 상기 확장부에는 고정챔버부를 밀봉하기 위해 홈에 0-링이 수용된다.

제2원통형 플랜지 형태의 외부부분은 내측면으로 제1원통형 플랜지를 감싸고 확장부의 구멍으로 가이드요소들을 감싸고, 진공누출방지 슬라이딩 연결이 사각링에 의해 제1플랜지와 제2플랜지 사이에서 수행된다.

금형공정과 그의 선행 단계 및 다음 단계간에 필요한 조정챔버부의 이동에도 불구하고 상기 챔버는 닫힌상태를 유지하고 그 결과 설정되어 있는 공정조건들이 변경되지 않는다.

상기 챔버는 모든 측면, 적어도 특정 부분들이 단열 자켓으로 감싸여지며, 절연판들이 챔버부들의 외향면들에 끼워지고, 가로방향 열복사 손실이 파형 배열의 환형상의 열반사판에 의하여 감소되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 마이크로시스템 제품을 금형하기 위한 공정에 관한 것으로 금형소재에 합당한 대기 조건들과 금형온도가 설정된 후 고정챔버부에 대하여 이동 챔버부를 조정함으로서 금형소재가 개폐챔버내에서 소정 시간동안 금형기구의 금형 하중에 의해 프레스 가공되며, 금형된 소재는 금형분리온도에서 분리된다. 대기 조건과 공정온도의 설정은 챔버가 닫히는 시점이고 이때 고정챔버부에 작용하는 하중이 증가하여 소정 값들에 도달한다.

그러므로 대기 조건들의 설정은 측벽의 외부부분의 외향끝면을 지지하도록 이동 챔버부를 이동시키므로서 챔버가 닫히는 시점에서 하중의 1차 소정치에서 개시된다.

공정온도 설정은 금형기구와 금형 소재가 최적의 열접촉 상태에서 서로를 지지하는 시점에서 제2소정값에 좌우된다.

열팽창으로 인하여 고정챔버부에 작용하는 하중의 증가는 조정챔버부의 이동-제어 조정에 의하여 보정되는 것이 유리하다.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

제1도는 금형설비의 기본 구조를 도시한 것이다.

제2도는 금형용 진공챔버를 도시한 것이다.

제3도는 진공챔버의 높이조정수단을 도시한 확대 상세도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6,7 : 챔버부 14,15 : 절연판

18 : 가이드요소 19 : 제1플랜지

21 : 홈 23 : 제2플랜지

25 : 사각링

제1도에 있어서, 지지프레임(1)은 프레임 구조물에 고정되어 있는 고정부(2)과 조정이 가능한 조정부(3)을 지지하고, 플랜지(4, 5)가 고정부(2) 및 조정부(3)에 각각 고정된다. 플랜지(4, 5) 각각은 진공챔버의 양쪽으로 대향되게 놓인 챔버부(6, 7)를 각각 고정하고, 이것은 제2도 및 제3도에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

전동기, 스핀들과 가이드로 조합된 부하발생장치가 지지프레임(1)에 일체로 구비되고, 조정부(3)는 접촉압력의 힘에 따라 조정할 수 있도록 고정부(2)에 대하여 이동가능하고, 또한 하중계측장치(9), 제어장치(10) 및 이송을 계측하고 하중을 제어하는 도시되지 않는 장치들이 여기에 사용된다.

열성형공정 중에 그리고 그 후에 온도를 증가시키고 냉각시키기 위하여 온도 제어장치(13)가 있으며, 온도제어장치(13)는 열전달 매체인 오일로 작동된다. 플랜지(4)와 고정 챔버부(6) 사이의 절연판(14) 및 플랜지(5)와 조정 챔버부(7) 사이의 절연판(15)은 적절한 방법으로 이웃하는 장치의 부분들로 전달되는 열을 차단한다. 진공 발생 수단 및 모니터링 수단과 통풍 및 온도감지 수단 또한 도시하지 않았다.

제2도 및 제3도를 참조하면, 채널(16, 17)은 챔버부(6, 7)를 관통하여 온도제어장치(13)에 연결된다. 고정 챔버부(6)는 슬리브(18)를 통과하는 6개의 나사에 의해 플랜지(4)에 고정되고, 이동 챔버부(7)는 슬리브(18)를 따라 이동되며, 슬리브(18)는 도면에 그 중 한두개만이 도시되어 있다(전체적인 명확성을 위해 제2도에 모든 부품과 참조번호를 표시한 것은 아님). 진공챔버의 측벽들은 내부부분과 외부부분으로 분리된다. 내부부분은 제1원통형 플랜지(19) 형태이며 제1원통형 플랜지(19)의 확장부가 나사(20)에 의하여 챔버부(6)에 고정된다. 밀폐를 위하여 0-링(22)이 홈(21)에 위치된다.

외부부분은 제2원통형 플랜지(23) 형태로 내측면으로 제1플랜지(19)를 감싸고 확장부의 구멍(24)으로 슬리브(18)를 감싼다. 진공-밀폐 슬라이딩 연결은 사각링(25)에 의하여 이루어진다. 슬리브(18)상에 압착되어 제2플랜지(23)를 가이드하는 것은 압축 스프링(26)으로서, 그것은 제2플랜지(23)의 확장부를 지지하고 또한 고정 챔버부(6)에 지지된다. 나사헤드(27, 28)는 제2플랜지(23)의 이동을 제한하는 스톱퍼 작용을 하고, 진공챔버가 개방될 때 압축스프링(26)의 작용에 의해 제2플랜지(23)가 나사헤드(28)에 압착되고, 진공챔버가 닫히는 동안에는 제2플랜지(23)의 외향끝면(29)에 맞대어서 조정챔버부(7)가 압축스프링(26)의 하중을 받게 된다. 밀봉을 위해 0-링(30)이 외향끝면(29)의 홈(31)에 위치된다.

작업공간으로 제공되는 진공챔버의 내부공간은 환형상의 열반사판에 의하여 다중으로 밀봉되어 측방향의 열복사 손실이 감소된다. 제1내판(32)은 제1플랜지(19)내에 설치되고 제1플랜지와의 사이에 틈새(33)가 있다. 중판들(35, 36)은 외향측면에서 챔버부(6, 7) 옆으로 나란하게 있어 틈새(34, 37)를 남긴다. 마지막으로 외판(38, 39)들은 최종 차폐물을 형성한다.

상부와 하부에 제공되는 챔버부(6, 7)들 중 어느 하나에는 용기(도시되어 있지 않음)가 구비되고, 용기를 갖춘 금형기구 또는 엠보싱 다이가 고정장치에 지지되거나 또는 용기가 예컨대 금형기구, 금형소재, 다이 및 기술적 필요한 릴리스 필름(release film)을 포함하는 기계 외측에 조립된 층 구조물을 고정한다. 하중을 가하는 것은 구동 또는 자동으로 수행할 수 있다.

금형의 산화를 방지하거나 또는 생산될 제품이 공기에 노출되는 것을 지연하기 위하여 진공대기 뿐만 아니라 불활성 개스의 사용하는 것이 대기 조건으로 적합하다. 본 실시예에서 설명되는 진공챔버는 또한 불활성 개스 대기하에서 작업이 가능한 개폐챔버로서 본 발명에 주요부품의 변경없이도 설계 가능하다.

진공상태의 개폐챔버가 닫히는 동안 외향끝면(29)의 0-링(30)으로 조정챔버부(7)의 밀봉면(40)을 지지하는 것은 하중계측장치(9)에 의하여 측정된 압축하중의 증가를 유도한다. 1차 하중이 소정값에 도달하면 조정부분(3)의 이동이 정지되며 그 위치는 이송-제어방식으로 일정하게 유지된다. 진공챔버의 진공조절은 하중이 금형소재에 가해짐없이 행해진다.

진공조절이 행해지면 금형공정이 개시된다. 무엇보다도 먼저 진공 조절 후 진공에 의해 발생되는 챔버에 작용하는 압력이 금형에 영향을 주지 않도록 하중 측정장치(9)를 “0”으로 놓는다. 그런 다음 또한 미리 설정되고 금형기구와 금형소재가 온도조정을 위하여 서로간에 최적으로 접촉하는 2차 하중에 도달될 때까지 조정부(3)를 이동시킨다. 제2플랜지(23)가 제1플랜지(19) 위를 슬라이딩한다는 것은 이러한 목적에 필요한 챔버 높이의 감소가 진공상태를 유지하며 이루어짐을 의미한다.

금형기구와 금형소재는 하중을 조절하므로서 필요한 금형 온도와 압력을 일정하게 유지한다. 소재의 열팽창으로 인한 접촉압력 하중의 증가는 조정부(3)의 이동을 조절하므로서 보정된다. 플랜지(19)에 대한 플랜지(23)의 변위성은 진공챔버의 진공-밀폐 닫힘이 이러한 조치를 취하는 경우에 유리한 방법으로 보장되는 것을 의미한다.

나사헤드(27)상의 스톱퍼는 계측장치(9)에 의하여 측정된 하중의 상당한 증가를 초래한다. 이것에 의해, 금형내에 포함된 요소들의 최대변위 이동이 제어될 수 있다. 필요한 금형온도에 이르면 금형공정에 필요한 금형하중은 조정부분(3)을 통해 받아들여지며 금형공정은 하중제어방식으로 조정된다.

금형공정이 완료되면 조정부분(3)은 지정된 제3하중에 도달할 때까지 이동된다. 그 다음, 금형기구와 금형다이는 온도조정을 위한 챔버부(6, 7)에 의해 온도-조정영역이 전환됨으로서 금형분리 온도까지 냉각된다. 이 온도에 이르면 진공챔버는 불활성 개스로 충전되고 조정부(3)의 이동을 역전시킴으로서 개방된다. 압축스프링(26)의 작동에 의해 제2플랜지(23)가 나사헤드(28)를 가압하고 이것에 의해 최대 챔버폭의 원위치에 도달된다.

본 발명에 따른 장치 및 방법은 고차원적으로 안정성을 보장하고 여러 가지 금형 깊이를 보장하면서 진공하에서 수행될 엠보싱 공정에서 이와같은 두께 변화를 보정할 수 있으며, 3차원 크기가 작게는 수나노미터에서 수백마이크로미터에 이르는 마이크로시스템 제품들의 대량생산에 효과적으로 적용 가능하다.

Claims (9)

1. 개폐챔버가 엠보싱 기구와 금형소재를 수용하는 캐리어 역할을 하며, 어느한 챔버부가 프레임 작동부에 고정되며, 다른 챔버부가 프레임에서 조정되도록 안내되는 대향되게 놓인 한 쌍의 챔버부들을 갖춘, 마이크로시스템 제품들을 금형하기 위한 장치에 있어서, 상기 챔버는 내부부분 및 외부부분을 포함하는 측벽들을 가지며, 내부부분은 고정 챔버부(6)에 고정되며, 조정챔버부(7)가 챔버를 닫는 동안 외부부분은 외향끝면(29)상에서 스프링(26) 하중을 받게 되고, 외부부분은 2개의 스톱퍼들 사이를 고정챔버부(6)의 가이드요소(18)들을 따라 이동될 수 있으며, 그 간격이 실질적으로 챔버 폭을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 내부부분은 제1원통형 플랜지(19)로 형성되며, 그 확장부가 고정 챔버부(6)에 고정되고, 고정 챔버부(6)를 밀폐하기 위한 0-링(22)이 홈(21)에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 외부부분은 제2원통형 플랜지(23) 형태로 되어 있으며 그 내측면으로 제1플랜지(19)를 감싸고, 확장부의 구멍(24)으로 가이드요소(18)를 감싸며, 사각링(25)에 의해 제1플랜지(19)와 제2플랜지(23) 간의 진공밀폐 슬라이딩 연결이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 챔버는 모든 측면, 적어도 특정 부분이 단열 자켓에 의해 감싸여지는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 횡방향 열복사 손실을 줄이기 위해 파형 배열의 환형의 열반사판인 절연판들(14, 15)이 챔버부(6, 7)의 외향측면에 끼워지는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 금형소재에 적합한 대기 조건들과 금형온도가 설정된 후 고정챔버부에 대하여 이동챔버부를 조정함으로서 소정시간 동안 개폐 챔버내에서 금형기구의 금형 하중으로 금형소재를 프레스 가공하고, 금형분리온도에서 금형된 소재를 분리하는 마이크로시스템 제품을 금형하는 방법에 있어서, 고정챔버부(6)에 작용하는 하중이 증가하여 소정값에 도달하는, 챔버가 닫히는 시점에서 대기 조건들 및 공정온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 마이크로시스템 제품을 금형하기 위한 방법.
7. 제6항에 있어서, 챔버의 닫히기 시작하는, 하중의 최초 소정값에서 대기 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 금형과 금형소재가 서로간에 최적의 열접촉이 이루어지는 두 번째 소정값에 따라 공정온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 조정챔버부의 이동조절 조정방법으로 열팽창에 의해 발생되는, 고정챔버부에 작용하는 하중의 증가를 보정하는 것을 특징으로 하는 방법.

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