KR100436699B1 - 복제몰드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복제몰드(replication mold)에 관련한 것으로서, 특히 성형정밀도를 높이기 위해 보강층을 성형층에 비해 융점이 높고 열변형이 작은 소재로 한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 제 1실시예로서, 미세패턴이 형성된 성형면을 갖는 성형부와, 상기 성형면의 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서; 상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테프탈레이트로 구성된 것이다.

제 2실시예로서, 미세패턴이 형성된 성형면을 갖는 성형부와, 상기 성형면의 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서; 기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 유리강화필름으로 구성된 것이다.

제 3실시예로서, 미세패턴이 형성된 성형면을 갖는 성형부와, 상기 성형부의 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서; 상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 유리나 금속재로 구성된 것이다.

Description

복제몰드{Replication Mold}

본 발명은 격자형광소자, 홀로그램 광학소자 등과 같은 회절형광소자나 굴절, 반사를 이용한 엘씨디(LCD)의 백라이트부품, 반사용 재귀반사형시트 등 여러종류의 광학소자와 폴리머 멤스, 바이오칩등의 분야에서 미세패턴을 반복성형하는데 이용되는 복제몰드(일명 마스터)에 관련한 것으로서, 특히 경화수지를 이용한 미세구조를 가진 제품을 성형하기 위한 다층으로 구성된 복제몰드에 있어서, 성형정밀도를 높이기 위해 보강층을 성형층에 비해 융점이 높고 열변형이 작은 소재로 한것을 특징으로 한다.

일반적으로 격자형광소자, 홀로그램광학소자등과 같은 회절형광소자나 굴절,반사를 이용한 엘씨디(LCD)의 백라이트(Backlight)부품, 반사용 재귀반사형시트등의 여러종류의 광학소자와 폴리머 멤스(MEMS), 바이오칩(Biochip)등 많은 분야에서 수백 마이크로미터에서 수십나노미터까지의 미세구조를 가진 패턴이 이용되고 있다.

그러나, 이러한 미세구조를 가공하는데 있어 일반적인 가공방법으로는 불가능하기 때문에 많은 경우 반도체의 포토리소그라피(Photolithography)를 이용한 식각(glass, silica, 금속에칭)방법을 활용하거나 미세가공을 전문으로 할 수 있는 DTM(Diamond turning machine)과 같은 고가의 특수한 가공기를 활용한다.

대부분의 경우 식각을 이용할 경우 최종 제품에 직접 식각을 하여 완성제품을 만들거나 기계가공기를 활용할 경우, 금속에 미세가공을 하여 사출성형이나 엠보싱 성형방법을 많이 이용하게 되는데 식각을 위해서는 반도체 라인과 같이 고가의 설비라인을 구축할 수 밖에 없고 기계가공을 할 경우, 금형코아의 가격이 비싸고 제작하는 시간이 오래 걸리며 생산도중 사소한 문제로 금형손상이 있을 경우 다시 제작해야 하는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하고 대량생산을 할 수 있는 방법이 미세복제기술(Micro replication Technique)이다. 이 방법을 활용하여 생산하고 있는 대표적인 제품이 CD와 DVD이다. 미국특허 US5,458,985의 설명에 의하면,Photoresiste material(Photo sensitive masterial)을 이용하여 정보를 레코딩(Recording)한 후, 포토레지스트로 형성된 미세한 구조를 가진 표면을 니켈 전기도금하여 스탬퍼(Stamper)라고 하는 원래의 형상과는 반대의 네가티브 패턴(Nagative pattern)을 가진 얇은 금속판을 제작한다.

일단 스탬퍼가 만들어지면 동일한 니켈 전기도금방법을 이용하여 여러 장의 스탬퍼를 최초의 스탬퍼로부터 만들수 있으며, 이러한 스탬퍼를 사출금형에 장착하여 생산을 할 수 있다.

하지만, 이러한 니켈 스탬퍼방식의 생산은 모든 폴리머에 적용이 가능한 것은 아니다. 니켈의 경우 대부분 열가소성 수지의 열성형방식에는 손쉽게 적용을 할 수 있지만 열성형방식이 아닌 상온 성형방식, 예를 들어 에폭시와 같은 경화방식이나 UV등과 같은 광경화방식 등에는 니켈과 경화수지와의 접착력에 의해 쉽게 적용할 수 없다. 열에 의한 성형방식은 일단 온도가 높은 상태에서 성형을 시켜 냉각하기 때문에 수지의 수축에 의해 스탬퍼와 성형된 수지가 쉽게 이형되지만 경화방식일 경우 수축정도가 매우 낮고 대부분의 경화수지가 금속과의 접착력이 높아 스탬퍼와 경화된 수지를 이형시키기 어렵고 많은 경우 스탬퍼에 붙게 되어 스탬퍼에 데미지(Damage)를 주게 된다.

이러한 문제점을 해결한 것이 폴리머 스탬퍼(Polymer stemper)이다. 폴리머 스탬퍼의 장점은 경화될 수지의 성질에 따라 이형성이 우수한 재료의 선택의 폭이 넓고 포토리소그라피나 기계가공 등으로 마스터 패턴이 만들어지면 캐스팅(casting)방식이나 엠보싱(embossing)방식으로 수십에서 수백개의 스탬퍼가쉽게 만들어 질 수 있다는 것이다.

폴리머 스탬퍼에 대한 연구는 PPG(Pittsburgh Plate Glass Co.)의 CR-39라는 렌즈용 고굴절 플라스틱소재를 생성시키기 위해 본격적으로 시작됐다. 1965년 미국 PPG사의 Bowser의 특허 US 3,423,488을 보면 정확한 연마장치로 제작된 Glass렌즈에 폴리올레핀계열의 열가소성 플라스틱을 캐스팅하여 형태를 복제하는 복제몰드의 제작법에 대해 설명되어 있다. 좀 더 구체적으로 열가소성 복제몰드의 재질에 대해 미국특허 US 3,422,168는 저분자 올레핀으로 명시했고 그 올레핀계의 폴리에틸렌이 적합하다고 명시하였다.

1986년 미국 3M사의 Marten의 특허 US4,576,850의 상세설명에서 광경화방식의 불연속적인 미세패턴을 가진 Fresnel렌즈나 재귀반사형 광필름의 성형에서도 열가소성 폴리머로 제작된 몰드를 사용할 수 있다고 했고, 1998년 3M의 한국특허 특170097에서는 그 열가소성 폴리머는 올레핀계이고 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같이 표면에너지가 33dyne/cm²가 적당하다고 명시하였고, 또한 동일한 특허에서 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 대한 적층구조의 복제몰드에 대해 설명하였다.

상세 설명에서 명시했듯이 폴리프로필렌은 폴리에틸렌이 엠보싱될 때, 필요한 강도와 가요성을 부여하기 위한 것이다. 폴리프로필렌의 용융점이 폴리에틸렌의 용융점보다 30°정도 높기 때문에 엠보싱 작업온도에서 폴리프로필렌은 폴리에틸렌이 녹아 내리는 것을 방지해 주는 역할을 해주게 된다.

따라서, 이 기술로 인해 캐스팅 방식이 아닌 롤-투-롤 타입(Roll to-rolltype)의 엠보싱으로 필름형태의 복제몰드를 제작할 수 있게 된다.

그러나, 이와 같은 폴리올레핀계의 열가소성수지로 복제몰드를 만들 경우, 열팽창계수가 높기 때문에 엠보싱툴의 정밀한 미세패턴이 정확한 치수로 만들어지기 힘들어진다. 높은 온도에 의해 용융되거나 거의 용융된 수지가 엠보싱되면서 냉각될 때, 폴리프로필렌(PP)의 경우 1m당 14.5mm정도 수축이 되고, 폴리에틸렌(PE)의 경우 17mm정도 변형되게 된다. 만약 3M특허 170097호의 PP와 PE가 적층구조이면서 두 층의 두께가 동일한 경우에는 1m당 약 15.7mm의 변형을 가져올 수 있다. 복합층인 경우에는 각층의 변형값을 더하고 이를 층수로 나눈 값, 즉 평균치를 취했다.

이때의 변형율은 온도변화×열팽창계수에 의해 구해지는데, 이 계산식은 비록 정확한 수치를 나타내지는 못하지만 비교치 정도는 논할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 미세구조를 갖는 복제몰드의 제작 정밀도를 높이기 위해서 성형부는 이형성과 성형성이 우수한 열가소성수지 즉, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 사용하고, 또한 보강부는 열적 변형율이 작고 용융점이 높은 폴리머 즉, 폴리카보네이트나 폴리에틸렌타프탈레이트를 사용하거나, 또는 유리강화필름, 또는 유리나 금속재를 사용한 복제몰드를 제공하는데 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복제몰드의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 복제몰드 및 제품성형공정도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 복제몰드 20 : 성형층

21 : 성형면 30 : 보강층

상기한 본 발명의 목적은 미세패턴이 형성된 엠보면을 갖는 성형부와, 이 성형부의 엠보면 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서;상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테프탈레이트로 구성하므로써 달성되며,

또한, 미세패턴이 형성된 엠보면을 갖는 성형부와, 이 성형부의 엠보면 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서; 상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 유리강화필름으로 구성하므로써 달성되며,

또한, 미세패턴이 형성된 엠보면을 갖는 성형부와, 이 성형부의 엠보면 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서; 상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 유리나 금속재로 구성하므로써 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 복제몰드(replication mold)에 관한 것으로, 복제몰드(10)는 도 1에서와 같이 마스터에 의해 제작되어 미세패턴을 갖는 제품을 반복해서 성형하기 위한 것으로서, 미세패턴과 반대되는 네거티브(negative) 패턴이 형성되어 있는데 이를 성형면(21)이라 하며, 이 성형면을 포함한 층을 성형층(20)이라 한다. 또, 성형면(21)의 이면에는 성형층의 열적변형을 억제시키기 위한 보강층(30)이 적층되어있다.

상기 성형층(20)은 열과 가압력에 의해 제품을 계속해서 찍어내야 하기 때문에 성형성이 우수해야 하며, 또한 겔(gel) 상태의 제품을 경화시킨 뒤에 제품으로부터 성형층을 분리시킬 때 잘 분리되는, 즉 이형성이 우수한 물성(物性)을 가져야 한다. 이에 만족하는 물성을 갖는 재질이 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)이다.

PE는 중합방법에 의해 성상이 다르므로 일반적으로 저밀도(고압법)PE와, 고밀도(중저압법)PE로 구분된다. LDPE는 비중이 0.918로서 HDPE의 비중 0.95 ~ 0.965에 비해 성형성이 뛰어나다. 특히, 유연성이 크고 강성이 낮으므로 성형물로부터 이형이 용이하여 피성형물로의 활용가치가 높다.

PP는 결정성 플라스틱으로 많은 성질을 갖고 있어 PE와 거의 유사한 성질을 갖는다. 범용 플라스틱중에서도 비중이 0.90 ~ 0.91로 가볍고 유동성이 뛰어나므로 이 역시 성형성과 이형성이 PE에 비견된다 할 것이다.

상기 성형층(20)을 폴리올레핀계 수지(폴리에틸렌이나 폴리프로필렌)로 구성한 것은 3M의 특허등록 제170097호와 동일하나 보강층과 성형층을 모두 폴리올레핀계의 열가소성수지로 복제몰드를 만들 경우 열팽창계수가 높기 때문에 정밀한 미세패턴을 정확한 치수로 만들기 힘들어지는 문제점을 해결하기 위해 성형층(20)의 변형 억제용 보강층(30)을 열변형율이 작으면서 융점이 높은 폴리머, 즉 폴리카보네이트(PC)나 폴리에틸렌테프탈레이트(PET)를 적용한 것이다.

상기한 폴리카보네이트(PC)는 엔지니어링 플라스틱의 일종으로서 같은 두께의 강화유리 보다 약 150배, 판유리 보다는 250배, 아크릴 보다는 30배 정도의 강도를 가진 고강도 특성을 가지며, 또한 내구/내후성이 뛰어나서 열변형율이 작다. 즉, PC는 녹는점(융점)이 230℃이고 열변형온도가 120 ~ 140℃로서, 융점이 165 ~ 167℃이고 열변형온도가 100 ~ 115℃인 PP나 융점이 110 ~ 175℃이고 열변형온도가 85℃인 PE에 비해 융점과 열변형온도가 공히 높기 때문에 PP나 PE로 된 성형층(20)의 열변형을 억제하는 역할을 하는 것이다.

폴리에틸렌테프탈레이트(PET)는 일반 플라스틱중에서 강도 강성이 가장 크며, 내열성(열변형온도 240℃ UL규격 연속사용온도 140℃)이 양호하다. 즉, PET는 융점이 256℃이고 열변형온도가 224℃로서, 앞서 설명된 PP나 PE보다 융점 및 열변형온도가 높기 때문에 이 역시 PP나 PE로 된 성형층(30)의 열변형을 억제하는 역할을 할 수 있는 것이다.

따라서, 이러한 재질로 성형층(20)과 보강층(30)을 형성할 경우 성형층은 성형성과 이형성이 좋아 작업 정밀도를 높임과 아울러 불량율을 줄일 수 있으며, 보강층(30)은 내열성이 강하므로 상대적으로 열에 약한 성형층(20)의 열변형을 방지할 수 있으므로 최적의 조합이라 판단된다.

예컨데, 폴리에틸렌과 폴리에틸렌테프탈레이트의 다층구조를 복제몰드로 사용할 경우, 동일한 두께로 가정하면 1m당 약 11.9mm가 변형되므로 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합체와 비교할 때 약 140%정도 더 정밀한 복제몰드를 제작할 수 있다.

한편, 상기 보강층(30)은 유리강화필름이나 상기한 PC나 PET보다 내열성이우수한 유리 또는 금속을 사용할 수도 있다.

참고로, 상기한 복제몰드의 제작공정과 복제몰드에 의한 제품성형공정을 도 2를 통해 설명하기로 한다.

먼저, 복제몰드(10)를 제작하기 위해 도 2의 a)와 같이 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 된 성형층(20)과, 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테프탈레이트로 된 보강층(30)으로 이루어진 미 성형 복제몰드(10a)를 마련한다. 이때, 보강층(30)은 앞서 설명한 바 있듯이 유리강화필름이나 유리 또는 금속이 사용될 수 도 있다.

다음, 복제몰드를 성형하기 위해 b)와 같은 마스터(master)(2)를 제작한다. 마스터는 통상 포토 리소그라피(photo lithography)나 레이저 가공, 기계가공등이 이용된다. 이중 포토리소 그라피에 의한 방법은 마스터용 기판 상에 포토레지스트를 스핀 코팅등의 방법으로 도포하고, 포토 마스크를 이용하여 포토레지스트에 자외선을 조사하여 노광하고, 노광된 포토레지스트를 현상액에 넣고 자외선이 조사된 부분을 현상하므로써 비로소 패턴을 갖는 마스터가 제작되는 것이다.

다음, c)와 같이 제작된 마스터(1)에 의해 복제몰드를 성형한다. 마스터의 미세패턴을 미 성형 복제몰드(10a)에 전사시키는 방법은 캐스팅, 엠보싱 등이 있다. 이중에서 평판형 엠보싱을 예로 들면 하부 엠보싱 프레스(3)에 마스터(1)를 안착시키고, 상부 엠보싱 프레스(2)에는 상기 마스터(1)와 마주하게 미 성형 복제몰드(10a)를 설치한다.

이 상태에서 상부 엠보싱 프레스(2)를 엠보가 가능한 온도까지 히팅시킨 상태에서 하강시켜 마스터(1)와 미 성형 복제몰드(10a)를 열가압함에 따라 마스터(1)의 미세패턴이 복제몰드의 성형면(21)에 전사(복제)되는 것이다.

이때, 상기 미 성형 복제몰드(10a)의 성형층은 거의 용융점까지 온도가 상승된 상태에서 엠보싱 되고 냉각시 수축되려는 경향이 있지만 상대적으로 열변형이 적은 보강층(30)에 의해 성형층(20)의 열변형을 억제시키게 된다.

다음, 이렇게 완성된 복제몰드(10)를 이용하여 제품을 성형한다. 일예로 자외선 경화장치로서 성형하는 방법을 설명하면, d)와 같이 투명한 기재(4)위에 UV경화레진(5)을 도포하고, 제작된 복제몰드(10)를 그 위에 장치하여 가압하면서 자외선을 조사하면 UV경화레진이 경화되면서 기재(4)에 접착되고 UV경화레진이 복제몰드(10)의 형상에 상응하게 성형되면서 d)의 우측도면과 같은 제품이 완성되는 것이다.

이때, 제품성형은 상기와 같이 평판형 자외선경화장치를 이용하거나 회전되는 두 개의 롤사이로 제품을 인입시켜 열 가압 성형하는 롤투롤(roll-to-roll)장비로도 동일하게 성형할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명은 보강층을 성형층에 비해 융점이 높고 열변형율이 작은 소재로 구성함에 따라 복제몰드의 제작시 성형층의 열변형을 억제시킴으로써 기존대비 정밀한 복제몰드를 제작할 수 있다.

Claims (3)

1. 미세패턴이 형성된 성형면을 갖는 성형부와, 상기 성형면의 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서;

   상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테프탈레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 복제몰드.
2. 삭제
3. 미세패턴이 형성된 성형면을 갖는 성형부와, 상기 성형부의 이면에 형성되는 보강부로 이루어진 다층구조의 복제몰드에 있어서;

   상기 성형부는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성되고, 보강부는 유리나 금속재로 구성된 것을 특징으로 하는 복제몰드.