KR100372256B1 - 미세구조물의 가공방법 및 그의 미세 압축성형 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 부품 성형을 위한 것으로 특히 미세 압축성형 기술과 이를 위한 마이크로 압축성형 금형에 관한 것이다.

본 발명의 미세구조물 가공방법은, 미세 압축성형 금형을 준비하여 압축성형기에 장착하고 미리 준비된 플라스틱, 메탈, 세라믹등의 미세분말을 압축성형기에 장착된 금형의 성형품에 해당하는 공간부분인 캐비티(cavity)내에 균일 도포하는 단계와;상기 금형 캐비티안에서 미세분말의 정착이 안정되면 압축성형용 금형의 상하판을 닫고 금형 캐비티상의 재료를 가공온도대까지 빨리 도달할 수 있도록 상하판금형에 성형압력 보다 낮은 압력을 가해 분말재료가 조밀해지고 금형과 열전달이 수월해지도록 하는 단계와,상기 단계를 거쳐 금형의 상하판을 균일하게 전기저항발열체에 의해 성형품의 유리전이온도 이상으로 가열하면서 압력을 가해 압축성형 하는 단계와;금형의 상하판에 압축압력을 가한 뒤 금형 가열을 종료한뒤 몰드내의 냉각라인을 통해 냉각하고, 이 냉각과정에서 성형품의 수축에 따른 치수변화를 막기위해 압력을 풀지않고 유지하는 냉각 및 압력유지로 전환하는 단계와;상기 단계에서 성형품의 유리전이온도보다 20℃이하로 금형이 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추면서 금형면에서 커터를 방출하여 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어 금형 내에서 단일공정으로 성형품을 절단하는 단계와;성형품의 냉각이 완료되면 취출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 압축성형 금형은, 실리콘을 기반으로 식각 및 증착으로 구조적으로 강화된 몰드인서트(43)와,상기 몰드인서트(43)를 고정하는 플레이트(50)뒤에 배치하며, 상기 금형의 캐비티안에서 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어주는 커터(46)가 구비된 펀칭플레이트(47)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 미세구조물의 대량,저가,정밀 생산이 가능하다.

Description

미세구조물의 가공방법 및 그의 미세 압축성형 금형{Method of manufacturing for micro material structure and micro-compression molding therefor}

본 발명은 미세 부품 성형을 위한 것으로 특히 미세 압축성형 기술과 이를 위한 마이크로 압축성형 금형에 관한 것이다.

종래의 미세부품 가공 방법은 체계화 되어 있지 않아 인력 의존형 기술에 가까우며 주로 구조형성법(LIGA:Lithography,Galvanoforming und Abformung)이나 실리콘 마이크로머시닝 기술이 사용되고 있다.

이중 X선을 사용한 깊은 석판인쇄(Lithography)와 전기도금으로 높은 형상비의 미세구조를 만드는 LIGA 방식으로 불리우는 구조형성법은, 대체로 도 1과 같은 가공공정을 갖는다.

우선 PMMA 등의 X선용 감광제(photoresist)층을 원하는 두께(0.1~1.0mm 정도)로 기판에 형성하고(S10), 금 등의 중금속을 x선흡수재로 사용하여 패터닝하고 마스크로 사용한다(S11). 신크로트론에서 방사하는 X선(SOR광)으로 레지스트(resist)를 노광한다(S13). X선의 SOR광은 직진성, 해상도, 투과성이 우수하므로 두꺼운 레지스트에 대해서 서브마이크론(submicron)이하의 정밀도로 노광이 가능하다. 이후 현상하면 레지스트의 구조물을 얻는다(S14). 다음으로 전체를 전기도금액에 담그고 도전성 기판위에 전기도금으로 니켈,구리,금 등을 레지스트 구조의 계곡사이에 두껍게 쌓고(S15), 이 금속을 금형으로 사용해서 사출성형으로 플라스틱에 형을 찍어낸다(S16). 또 이 사출성형으로 만든 플라스틱 형을 기본으로 하여 다시 전기도금으로 금속구조물을 만든다거나 세라믹 가루를 플라스틱으로 소결하여 세라믹 구조물을 만들 수 있다(S17).

LIGA방식은 큰 종횡비를 갖는 마이크로 구조물을 여러 재료로 만들 수 있다는 점이 특징이나 X선의 SOR광을 이용하는 것은 일반 생산자에게는 어렵기 때문에 얼마나 싸게 또 얼마나 쉽게 생산자가 이용할 수 있는가의 문제가 있다.

실리콘 마이크로머시닝 기술은 도 2와 같이 실리콘 기판 위에 막을 입히고(S20), 그 표면에 마스크 패턴을 현상 및 인화과정을 통해서 마스크패턴을 복제하고(S21), 복제된 패턴을 바탕으로 하여 에칭(식각)을 실시하며(S22), 불필요한 부분을 제거하는 과정(S23) 및 열처리과정(S24)과 도핑과정(S25)을 반복하여 원하는 미세부품을 제작하는 기술로 1970년대 반도체 기억소자로 대표되는 집적회로를 고정밀도로 대량으로 생산하기 위하여 개발된 것을 마이크로 머신과 같은 입체구조물을 만들기 위한 여러 가지 기술을 추가하여 개발하게 되었다.

도 1의 구조형성법, 도 2의 마이크로머시닝 기술 등을 통해 직접 미세 구조물을 제작하기도 하지만 양산화에 들어가면 사출성형이나 핫 엠보싱(Hot Embossing)의 기술이 적용된다.

미세 사출성형은 기존의 사출성형과는 다르게 정밀한 금형의 가공 및 제어기술이 요구되며 유동거리가 길어 공정이나 재료에 제약을 많이 받게 된다.

핫 엠보싱은 미세 사출성형에 비해 그 공정이 단순하며 제어가 간단하여 쉽게 적용되고 있으나 필요한 재료를 필름상으로 예비 가공하고 필름 상으로 가공을 하므로 적용 대상에 제약을 받게된다.

또한 압축성형용 몰드를 이용하는 방법이 알려져 있으나 미세성형용 성형품을 성형하는데는 적합하지 않아 미세성형에 적합한 조건을 만들어 주는 마이크로 몰드를 제작해야 하며, 이렇게 만들어지는 미세부품은 먼지 및 미소 크랙에 민감하므로 성형 이후의 후처리 공정에 의하여 상품적 가치를 잃기 쉽다.

따라서 본 발명의 목적은 미세 부품들의 가공에 있어서 고가의 장비와 단량생산에 의존하지 않고 저가의 장비로 대량생산에 적합한 미세구조물 가공기술을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본발명의 미세구조물 가공방법은, 금형을 사용하는 미세구조물 가공방법에 있어서,미세 압축성형 금형을 준비하여 압축성형기에 장착하고 미리 준비된 플라스틱, 메탈, 세라믹등의 미세분말을 압축성형기에 장착된 금형의 성형품에 해당하는 공간부분인 캐비티내에 균일 도포하는 단계와;상기 금형 캐비티안에서 미세분말의 정착이 안정되면 압축성형용 금형의 상하판을 닫고 금형 캐비티상의 재료를 가공온도대까지 빨리 도달할 수 있도록 상하판금형에 성형압력 보다 낮은 압력을 가해 분말재료가 조밀해지고 금형과 열전달이 수월해지도록 하는 단계와,상기 단계를 거쳐 금형의 상하판을 균일하게 전기저항발열체에 의해 성형품의 유리전이온도 이상으로 가열하면서 압력을 가해 압축성형 하는 단계와;금형의 상하판에 압축압력을 가한 뒤 금형 가열을 종료한뒤 몰드내의 냉각라인을 통해 냉각하고, 이 냉각과정에서 성형품의 수축에 따른 치수변화를 막기위해 압력을 풀지않고 유지하는 냉각 및 압력유지로 전환하는 단계와;상기 단계에서 성형품의 유리전이온도보다 20℃이하로 금형이 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추면서 금형면에서 커터를 방출하여 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어 금형 내에서 단일공정으로 성형품을 절단하는 단계와;성형품의 냉각이 완료되면 취출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미세 압축성형 금형은, 실리콘을 기반으로 식각 및 증착으로 구조적으로 강화된 몰드인서트와,상기 몰드인서트를 고정하는 플레이트뒤에 배치하며, 상기 금형의 캐비티안에서 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어주는 커터가 구비된 펀칭플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 미세구조물 형성을 위한 구조형성법의 순서도

도 2는 미세구조물 형성을 위한 실리콘 마이크로머시닝 순서도

도 3은 본 발명에 따른 미세 압축성형 금형의 단면도

도 4는 본 발명에 따른 미세구조물의 가공 순서도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

40:몰드베이스 41.42:상하판

43:몰드인서트 44:에어벤트(vent)

45:이젝팅플레이트 46:커터

47:펀칭플레이트 48:성형품49:이젝팅핀 50:플레이트

이하, 본 발명을 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 미세 압축성형 금형의 개략도 이고, 도 4는 본 발명에 따른 미세구조물의 가공 흐름도를 나타낸다.

미세 압축성형 금형은 도 3과 같이 상하판(41)(42)으로 이루어지는 몰드베이스(40)와, 몰드베이스(40)의 상하판(41)(42) 경계면을 중심으로 배치되는 마이크로 몰드인서트(43)와, 상하판(41)(42)의 압축 과정에서 발생되는 개스를 내보내는 에어벤트(44)와, 사출성형이 완료된 성형품을 방출하는 이젝팅플레이트(45)로 이루어 진다.

특히, 몰드인서트(43)는 실리콘을 기반으로 식각 및 증착으로 구조적으로 강화 된 구조를 선택하여 적용하며, 캐비티(cavity)안에서 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어주는 커터(46)가 구비된 펀칭플레이트(47), 캐비티내의 분말재료의 밀도 및 균일성을 부여하기 위해 몰드베이스(40)에 진동을 전달하는 진동체를 적당한 위치에 선택적으로 갖는다.

미세 압축성형 금형을 사용하여 미세구조물로 성형가능한 소재는 플라스틱,메탈,세라믹 등의 미세분말과 필요에 의해서는 바인더의 혼합체이며, 이 성형소재를 분말형태로 준비한다.

사용되는 분말의 입자 크기는 평균이 수 마이크론에서 미크론 이하(submicron )이어야 하며 플라스틱의 경우는 용융후 성형이므로 이보다 커도 된다.

균일한 밀도를 가지기 위하여 입자의 크기는 균일하지 않고 차이를 가지고 있는 것을 사용한다. 또한 미세구조물을 압축성형하기 위한 금형을 준비한다. 미세 압축성형용 금형이므로 그 요구 정밀도에 따라 CNC가공을 통해 제작하던가 반도체 제작공정에 쓰이는 실리콘 습식, 건식 식각에 의한 실리콘 마이크로머시닝법을 통해 만들어진 실리콘 미세구조나 LIGA 공정과 같이 PR을 통해 만들어진 미세구조물을 전기주조(전기도금, electroforming,electroplating)를 하여 미세구조물의 틈을 채우고 실리콘이나 PR을 제거하여 금속 미세구조물을 형성하여 압축성형용 금형으로 사용하여 압축성형을 하게된다. 또한 본 발명에서는 실리콘 기판을 금형인서트로 사용할 수도 있으나 단순히 식각에 의해 실리콘을 제거하여 만들어진 실리콘 금형인서트를 지칭하는 것이 아니라 실리콘을 기판으로 사용하여 위에 금속구조물을 증착하여 금형인서트로 사용할 수도 있다.

기존의 핫 엠보싱 공정에서의 실리콘 금형을 사용하는 것이 연구된 바 있으나 이는 단순히 식각에 의한 실리콘 자체만을 사용한 것이다. 이 경우에는 성형과정중의 마찰 및 피로하중에 의해 실리콘의 미세구조가 손상을 받게 되어 양산에는 적합치 않다.

이에 비해 본 발명은 단순 식각이 아닌 니켈 구조물을 실리콘 기판 위에 증착을 하여 구조적 강도를 높혔다.

본 발명에 따른 미세 압축성형 금형을 사용하는 미세구조물의 가공방법은 도 과 같다.

금형이 준비되면 성형을 하고, 준비된 정량의 미세분말을 압축성형기에 장착하고(S30), 압축성형기에 장착된 금형의 캐비티내에 미세분말을 균일하게 도포한다(S31). 금형에 약간의 진동을 주어 캐비티내에서 미세분말이 균일하게 밀도있게 분포되도록 한다(S32). 여기서 진동은 주어도되고 주지않아도 된다.그 뒤 압축성형용 금형 상하판을 닫고 예압(reserre presser)을 준다(S33). 여기서의 예압은 성형을 하기 위한 압력이 아니라 재료를 가공온도까지 빨리 도달하도록 하기 위하여 가열되는 금형과 접하게 하기 위함이다. 금형은 상하판을 균일하게 전기저항발열체를 설치하여 가열하게 되며 정해진 온도(플라스틱이나 바인더의 유리전이온도 보다 30℃~300℃이상이 적당하다. 일예로 PMMA의 경우 150℃~250℃, 폴리카보에이트의 경우 170℃~300℃)까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 압축성형하게 된다(S34). 금형인서트의 미세구조체의 기계적 물성치(압축강도,파괴강도,전단강도)에 따라 압축압력 사용의 제약을 받지만 일반적으로 30MPa 이하의 압축응력으로 충분히 충분한 성형성을 가진다. 압축압력을 가한 뒤 금형의 가열은 끝나게 되고(S35), 냉각 및 보압(preservation presser) 단계로 들어간다(S36). 냉각은 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각을 하며 이 과정중에 성형품의 수축에 따른 치수변화를 막기 위하여 압력을 풀지 않고 유지하여 보압을 주게 된다.

성형품의 유리전이온도보다 20℃이하로 금형이 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추기 시작하고 이때 금형 면에서 커터가 튀어나와 성형품을 절단하고 구멍을 뚫는다(S37).

실제로 사용되어지는 성형품의 크기는 수 mm에서 수십 ㎛에 이를 것이며 이를 취출 후에 절단하기란 쉽지가 않다. 절단을 위한 지그의 설계도 용이하지 않고 절삭시에 발생한 칩이 성형품면에 달라붙어 치명적인 영향을 줄수 있기 때문에 최소한의 후가공 외에는 금형 내에서 모든 공정이 이루어져야 한다. 본 공정의 미세금형에서는 커터 및 커터홈을 미세가공하여 미세구조면 반대측 다이에 장착하는 구조가 첨가되어 있다. 이후 더욱 냉각이 진행되어(S38), 금형의 기본적인 이젝팅핀(49)방식외에 취출시 변형을 방지하기 위하여 이젝팅핀 틈으로 압축공기를 불어넣어 금형벽면과의 성형품의 분리를 유도하면서 취출한다(S39).

사용되는 미세 압축성형 금형은 마이크로 크기 이하의 구조체를 지닌 성형품을 성형하는 방식으로 재료를 금형과 접한 상태에서 가열하여 재료가 유리전이온도 이상에서 유동성을 지니게 하여 금형에 압력을 가해 재료가 미세구조를 지니게 하는 방식이다. 여기서 금형은 금형 및 금형인서트를 포함하는 넓은 의미로서 사용되며, 그 재질은 금속재료외에 실리콘 등과 같은 재료도 가능하며 몰드라는 명칭이 적합하나 반도체 제조공정에서 사용되는 몰드와 구분 짓기 위한 금형으로 정의된다.

본 발명에서 제시하는 금형은 미세 성형품의 성형에 적합하도록 설계된 금형으로 수mm이하의 성형품의 후가공이 금형 내에서 이루어진다. 미세 성형에 쓰이는 미세몰드인서트는 LIGA나 건식 또는 습식 식각에 의한 실리콘 마이크로머시닝(Silicon micro-machining)에 의해 만들어진 미세구조를 전기도금(전기주조, electroforming,electroplating)을 통해 복제하여 사용하거나, 건식, 습식 식각에 의해 제작된 미세구조를 지닌 실리콘기판을 사용하는 것이다. 미세부품의 대량생산에 적합한 미세 압축성형은 충격하중을 적고 사출성형에서보다 저압으로 성형이 가능하기 때문에 충분히 실리콘 기판을 몰드인서트로 사용할 수 있다. 또한 실리콘 기판위에 금속 구조물을 증착하여 사용할 수도 있다. 사용가능한 성형재료는 플라스틱,메탈,세라믹 등의 분말과 필요에 따라서는 바인더(binder)의 사용까지 가능하다.

본 발명의 공정에 의하면 기존의 미세부품의 생산공정에 비해 간단한 공정이며 대량생산이 가능한 장점을 가진다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 단조성형과 유사한 공정으로 예비성형된 성형품, 일정량의 분말, 또는 점성을 지닌 액체수지와 충진제의 혼합을 재료로 하여 예열된 금형 캐비티내에 재료를 놓고, 상부다이나 상하부의 몰드를 압력을 가해 성형하는 압축성형 공정을 통해 미세구조물의 가공이 가능하므로 미세성형의 정밀, 대량, 저가 생산을 가능하게 하는 효과가 있으며, 공정의 단순화와 사출성형에서 나타나는 잔류응력과 같은 물성치 저하가 적어 고품질의 미세구조물을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 금형을 사용하는 미세구조물 가공방법에 있어서,

   미세 압축성형 금형을 준비하여 압축성형기에 장착하고 미리 준비된 플라스틱, 메탈, 세라믹등의 미세분말을 압축성형기에 장착된 금형의 성형품에 해당하는 공간부분인 캐비티내에 균일 도포하는 단계와;

   상기 금형 캐비티안에서 미세분말의 정착이 안정되면 압축성형용 금형의 상하판을 닫고 금형 캐비티상의 재료를 가공온도대까지 빨리 도달할 수 있도록 상하판금형에 성형압력 보다 낮은 압력을 가해 분말재료가 조밀해지고 금형과 열전달이 수월해지도록 하는 단계와,

   상기 단계를 거쳐 금형의 상하판을 균일하게 전기저항발열체에 의해 성형품의 유리전이온도 이상으로 가열하면서 압력을 가해 압축성형 하는 단계와;

   금형의 상하판에 압축압력을 가한 뒤 금형 가열을 종료한뒤 몰드내의 냉각라인을 통해 냉각하고, 이 냉각과정에서 성형품의 수축에 따른 치수변화를 막기위해 압력을 풀지않고 유지하는 냉각 및 압력유지로 전환하는 단계와;

   상기 단계에서 성형품의 유리전이온도보다 20℃이하로 금형이 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추면서 금형면에서 커터를 방출하여 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어 금형 내에서 단일공정으로 성형품을 절단하는 단계와;

   성형품의 냉각이 완료되면 취출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세구조물 가공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 성형품 취출에 적용되는 금형의 이젝팅핀(49)방식 외에 성형품 취출시 변형을 방지하기 위하여 이젝팅핀 틈사이로 압축공기를 불어넣어 금형벽면과의 성형품 분리를 유도하는 것을 특징으로 하는 미세구조물 가공방법.
3. 상하판으로 이루어지며 캐비티 공간을 가지는 몰드베이스(40)와, 상기 몰드베이스의 상하판(41)(42) 캐비티의 한면을 이루며 미세형상을 포함하는 몰드인서트와, 상기 상하판의 압축 과정에서 발생되는 개스를 내보내는 에어벤트(44)와, 사출성형이 완료된 성형품을 방출하는 이젝팅플레이트(45)로 이루어지는 미세 압축성형 금형에 있어서,

   상기 미세 압축성형 금형은,

   실리콘을 기반으로 식각 및 증착으로 구조적으로 강화된 몰드인서트(43)와,

   상기 몰드인서트(43)를 고정하는 플레이트(50)뒤에 배치하며, 상기 금형의 캐비티안에서 성형품을 절단하고 구멍을 뚫어주는 커터(46)가 구비된 펀칭플레이트(47)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 압축성형 금형.