KR100495977B1 - 높은 광학적 특성을 갖는 정밀 미세형상의 엠보싱 벨트의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀한 기하학적인 형상을 갖고 높은 광학적 특성을 갖는 플라스틱 제품을 연속적으로 제조할 수 있는 이음매 없는 엠보싱 벨트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 마스터금형으로부터 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계, 전주금형으로부터 플라스틱 소재를 프레스 성형하여 플라스틱금형을 복제하는 단계, 플라스틱금형을 무전해 도금처리하고 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계, 및 복제된 전주금형을 레이저 용접으로 접합하는 단계를 포함하는 엠보싱 벨트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래의 전주기술에 비하여 복제효율 및 재현율이 매우 높고, 피복제물의 단계마다 표면손상을 최소화하면서 복제단계를 단축시킬 수 있으며, 최종 이음매 없는 전주벨트의 분리과정에서 손상의 우려 등을 배제하고 안정적이며 높은 광학적 효율을 얻을 수 있다.

Description

높은 광학적 특성을 갖는 정밀 미세형상의 엠보싱 벨트의 제조방법 {Method of making embossing tool of precise micro configuration having highly optical characteristics}

본 발명은 산업적으로 빛을 반사시키는 플라스틱 소재의 제조에 이용되며, 미세형상을 갖는 광학적 특성이 우수한 이음매 없는 엠보싱 벨트의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 가로 4mm, 세로 4.2mm 크기의 금속을 다이아몬드 바이트로 제작한 금형으로부터 벨트의 제작까지 매우 까다롭고 어려운 과정에 의해 제조하였던 종래기술에 비하여 다이아몬드 바이트로 제작하는 금형의 크기를 크게 제작하고 이를 통하여 정밀도와 제작효율을 개선한 이음매 없는 벨트의 제작방법에 관한 것이다.

미세한 큐브코너 형상을 갖는 이음매 없는 금속 엠보싱 벨트는 빛을 전반사 시켜 원래의 방향으로 되돌아 가게 하는 재귀반사용 플라스틱 소재의 생산에 이용된다. 이 플라스틱 제품은 도로표지판, 자동차 후방부의 반사판 및 의류 등의 안전용으로 다양하게 이용되고 있다. 이때 상기 제품의 제조용으로 사용되는 엠보싱 벨트에는 미세한 큐브코너가 음각형상을 갖고 있고 큐브코너를 이루는 3개의 이면각이 직각을 이루고 있으며 표면이 매우 높은 광학적 특성을 나타내고 있다.

상기 용도의 플라스틱 소재는 얇은 필름으로 구성되어 있어서 매우 유연하며, 옥외에서 오랫동안 사용할 수 있도록 우수한 내구성을 나타내고 있다. 이러한 소재는 이음매가 없는 음각인 금속 엠보싱 벨트를 넓은 폭으로 만들어 연속적인 엠보싱 방식으로 제조할 수 있다.

한편 엠보싱 벨트 제작에 대한 선행기술은 미국특허번호 4,478,769(Pricone et al)에서 개시되어 있는데, 상기 미국특허는 양각의 금형들을 조합하여 48인치 폭의 플라스틱 소재를 생산하기 위한 이음매 없는 대형 벨트를 제조하는 과정을 설명하고 있으나 수많은 전주(電鑄)와 조립과정을 거쳐야 하고 이에 따라 전주과정에서 정밀하고 미세한 형상의 광학적 특성이 여러 차례의 전주로 인하여 매우 저하되는 문제들을 갖고 있다.

구체적으로 상기 미국특허에 따르면, 마더금형(Mother Mold)을 한 변의 길이가 0.16인치 크기로 다이아몬드 바이트를 이용하여 미세한 광학적 형상을 갖도록 제작하고, 이렇게 제작된 금형들은 정확한 각도와 면의 평활도(Flatness)를 갖으며 정밀한 광학적 형상을 이루고 있다. 한 개의 제작된 마스터(Ruled Master)를 가지고 니켈 전주를 통하여 많은 암(Female)금형들을 복제해낸다. 이렇게 제작된 암금형들은 다시 고정틀에 조립되어 클러스터(Cluster)를 이루게 된다.

그후 이 클러스터들은 다시 얇은 니켈 전주를 통하여 복제되어 많은 수의 유연한 스티립(Strip)들이 만들어진다. 이 스트립은 또한 여러 개가 결합되어 원통형으로 조립된 후 니켈 전주로 복제되어 원통형 세그먼트(Segment)들이 만들어진다. 그리고 다시 이 세그먼트들은 엠보싱 하려는 원단의 폭에 맞게 원하는 크기의 실린더(Cylinder)로 조립된다. 이 실린더는 다시 니켈 전주로 복제되어 이음매 없는 마스터 실린더가 제작된다. 그리고 이 마스터 실린더는 또 다시 니켈 전주로 복제되어 두껍고 이음매가 없으며 금속 재료학적으로 균일한 마더 실린더가 만들어진다. 마지막으로 이 마더 실린더는 니켈 전주로 복제되어 얇고 이음매 없고 유연하고 그리고 정밀 광학적 무늬를 갖는 일반적으로 원통형의 금속 엠보싱 공구(tool)가 만들어지게 된다.

이상의 제조과정을 살펴보면 한 개의 마스터(Ruled Master)를 가지고 2~3회 밖에는 니켈도금으로 복제할 수 없는 문제점이 있으며, 더욱이 한면의 길이가 0.16인치인 작은 금형으로는 2~3개 밖에 니켈전주로 복제할 수 없으며, 따라서 클러스터를 만드는 데에 어려움이 있다.

또한 총 9단계의 전주를 통하여 마스터금형(Master Mold)에서 최종 엠보싱 공구가 만들어지는데 한번 도금할 때마다 90~95%의 복제효율이 나온다고 하면 1×(0.95)⁹=0.6302, 즉 엠보싱 공구는 최초의 마스터금형에 비해 63%의 효율만 나올 뿐이며, 적당한 플라스틱 소재로 반사시트를 성형한 후 백킹 필름(Backing Film)을 열접착할 때 전체면적의 약 40%의 큐브코너(Cube Corner)가 없어지므로 실제효율은 약 0.6302 ×(1-0.4)=0.3781, 즉 최종적으로 최초성능대비 약 38%의 반사효율만 얻을 수 있게 된다. 또한 제작공정의 마지막인 두꺼운 마더 실린더에서 원통형의 얇은 엠보싱 공구를 니켈 전주한 후 분리할 때 진공장치를 이용할 경우 진공흡입컵에 의해 엠보싱 벨트를 심하게 반대방향으로 구부려야 하는데, 이 경우 벨트의 재질인 니켈 금속은 유연성이 있지만 구부러질 때 곡율 반경이 작아 질수록 엠보싱 벨트에 있는 음각의 큐브코너가 응력(Stress)을 받고 이에 의해 변형되므로 매우 적합하지 않은 방법이라고 할 수 있다.

이에 따라, 본 발명자들은 다이아몬드로 깎은 평판금형에서부터 엠보싱 벨트까지의 전주에 의한 복제과정 및 평판금형을 손상시키지 않으면서 플라스틱 소재로 여러번 복제할 수 있는 방법을 함께 사용한 제작방법을 개발하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 전주기술 응용과 함께 피복제물의 단계마다 표면손상을 최소화하면서 복제단계를 단축시킬 수 있으며, 최종 이음매 없는 전주벨트의 분리과정에서 손상의 우려 등을 배제하고 안정적이며 높은 광학적 효율을 얻을 수 있는 엠보싱 전주벨트를 제공하는 것이다.

본 발명은 정밀한 기하학적인 형상을 갖고 높은 광학적 특성을 갖는 플라스틱 제품을 연속적으로 제조할 수 있는 이음매 없는 엠보싱 벨트의 제조방법에 관한 것으로, 상기 엠보싱 벨트의 제조방법은 a) 마스터금형으로부터 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계; b) 전주금형으로부터 플라스틱 소재를 프레스 성형하여 플라스틱금형을 복제하는 단계; c) 플라스틱금형을 무전해 도금처리하고 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계; 및 d) 복제된 전주금형을 레이저 용접으로 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 특징은 플라스틱 소재로 복제하는 방식을 도입함으로써, 여러번 성형하여도 금형에 손상이 없고 여러장의 플라스틱 복제물을 프레스 성형할 수 있으며 복제효율도 도금방식보다 높다는 것이다.

본 발명에서는 복제단계를 단축하기 위하여, 상기 a) 단계에서 다수의 마스터금형을 고정틀에 고정시키고 전기주조에 의하여 대형의 전주금형을 복제할 수 있다. 이와 같이 대형의 마스터금형을 사용할 경우 복제단계를 대폭 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 다수의 마스터금형을 제작하는 비용을 절감하기 위하여, 상기 a) 내지 d) 단계를 통하여 하나의 마스터금형으로부터 대형의 전주금형을 복제한 후 b) 내지 d)단계를 반복하여 엠보싱 벨트를 제조할 수도 있다. 이때 하나의 마스터금형으로부터 플라스틱금형을 먼저 복제한 후 대형의 전주금형을 복제할 수도 있다. 이와 같이 하나의 마스터금형으로부터 엠보싱 벨트를 제조할 경우 공정이 그 만큼 추가되나 다수의 마스터금형을 제작하는 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 플라스틱 소재는 열변형율이 적으며 충격강도가 우수한 비정형 구조의 폴리머로서, 폴리염화비닐(PVC)수지, 폴리에틸렌(PE), 아이오노머(Ionomer), 아크릴수지, 폴리카보네이트 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)수지 중에서 선택되며, 바람직하게는 아크릴수지 또는 폴리카보네이트를 사용한다. 상기 플라스틱 소재의 두께는 전주금형에 형성된 형상의 깊이보다 100 내지 500 ㎛ 두꺼운 것이 바람직하다.

상기 프레스 성형시 프레스에 존재할 수 있는 거친부분이나 요철이 전주금형 및 플라스틱 소재에 전사되는 것을 방지하기 위하여, 프레스의 상하부 플레이트 사이에 상하부 보조금형을 배치할 수 있다. 또한 플라스틱 소재를 보호하기 위하여, 내열성의 분리용 캐리어 필름을 삽입할 수 있다.

본 발명에서 레이저 용접에 사용가능한 레이저는 CO₂레이저 또는 Nd-YAG(Neodymium-Yttrium Aluminum Garnet)이며, 저출력이고 도트(Dot)방식의 용접이 가능하며 방출되는 빔의 직경이 본 발명에 적합한 Nd-YAG 레이저가 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 벨트의 엠보싱 형상이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 레이저 용접작업을 하는 작업대에 진공흡착장치를 설치하여 전주금형을 고정시킬 수 있다. 그리고 작업대에 분리식 보조기둥을 설치하여 엠보싱 벨트를 삽입 및 분리할 수 있다.

본 발명은 종래의 전주기술 응용과 함께 피복제물의 단계마다 표면손상을 최소화하면서 복제단계를 단축시킬 수 있으며, 최종 이음매 없는 전주벨트의 분리과정에서 손상의 우려 등을 배제하고 안정적이며 높은 광학적 효율을 얻을 수 있는 전주벨트를 제작하기 위한 것으로, 이때 가장 우선적으로 개선하려는 것은 니켈전주에 의한 복제 횟수를 줄이는 방법이다.

니켈전주의 횟수를 줄이고 복제를 효율적으로 하려면 먼저 마스터금형의 크기를 확대하는 것이다. 물론 마스터금형의 크기를 제품 폭인 1M까지 크게 할 수 있다면 더할 나위 없이 좋겠지만 금형 가공상 이 정도의 크기는 현실적으로 불가능한 상황이며, 또한 그 만한 크기의 금형재료를 올려놓을 만한 대형정밀 가공설비가 개발된 것이 없는 상황이므로 더더욱 어렵다고 할 수 있다. 그래서 현재까지 마스터금형을 가장 크게 할 수 있는 크기는 한 변의 길이가 150~250 mm인 정사각형이나 직사각형의 크기이다.

이 정도의 크기로 마스터금형을 만들면 1 M ×1 M 크기로 확대하기는 선행기술에서 언급한 방법에 비해 매우 간단하게 확대할 수 있다. 또한 마스터금형을 한 개만 제작할 수도 있지만 여러개를 제작할 경우 1 M ×1 M 크기로 확대하기는 더욱 원할해진다. 이는 그만큼 표면적이 넓어짐에 따라 복제 횟수를 줄일 수 있기 때문이다.

그리고 한 변의 길이가 150~250 mm 정도의 크기로 마스터금형을 제작하기 위해서 사용하는 금형의 소재와 다이아몬드 바이트의 종류와 금형가공방식의 선택 등이 대단히 중요하다. 바이트가 가공 중에 쉽게 마모되는 소재라든가 소재가 너무 유연하여 강도가 약한 소재라든가 또는 가공방식에 따라서도 소재의 가공상태나 바이트의 수명 등이 달라질 수 있으며, 또한 가공시 소재의 가공속도, 바이트의 가공속도 등도 매우 중요한 요인이 될 수 있다.

본 발명에서는 마스터금형의 가공방법에 대한 내용은 보호범위에서 제외시켰으므로 이에 대한 보다 자세한 설명은 생략하도록 하고, 이렇게 제작된 마스터금형에서 엠보싱 벨트를 제작하는 방법을 몇가지로 설명하고자 한다.

첫번째 방법은 마스터금형을 여러 개 제작한 후 이들을 고정틀에 묶어놓는 것이다. 이와 같은 경우에 필요로 하는 금형의 수량은 최종적으로 제조하려는 제품의 종류에 따라 달라지나 가로 1M ×세로 1M 정도의 고정틀에 마스터금형이 모두 채워질 수 있는 수량 만큼을 제작하도록 한다. 예를 들면 150 ×150 mm 마스터금형인 경우 6줄 ×9줄 = 54개 금형을 제작하여 고정틀에 단단하게 묶을 경우, 전체 크기는 90 ×135cm의 금형 크기가 이루어진다. 이때 고정틀은 금형간의 틈새가 전혀 없도록 튼튼한 재료로 제작되어야 하고 조임이 가능하여야 하며 4개의 모서리 부분에서 볼트에 의해 고정시켜주는 기능이 필요하다. 그리고 고정틀은 평탄한 바닥을 이루고 있어야 한다.

한편 이렇게 고정틀에 묶인 마스터금형은 니켈 도금조에 들어가 음각의 전주금형을 제작하게 된다. 이때 제작되는 니켈 전주판은 두께를 0.01~0.03 인치 정도로 얇게 하여 다음공정에서 사용이 적합하도록 유연성이 있게 제작되어야 한다. 또한 전주판의 뒷면은 매우 매끄럽게 처리되어서 다음의 복제공정에서 제품의 성형이 원할하게 이루어지도록 해야 한다. 니켈전주과정에서 발생한 피트(Pit)나 두께가 불균일하게 도금된 부위는 연마 등을 통하여 뒷면이 최대한 매끄럽고 균일한 표면을 이루도록 해야 한다. 특히 니켈 전주의 두께는 다음 공정에서 플라스틱을 성형 완료후 전주와 성형품 간의 분리가 원할하도록 유연성을 유지하고 타 소재에 대한 이형성도 확보해야 한다.

이러한 니켈전주의 제작이 완료되면 이 전주판을 가지고 적당한 플라스틱 소재를 이용하여 복제를 하게 된다. 이 과정에서 사용되는 복제 방법은 유압 프레스에 의한 플라스틱 소재의 프레스성형에 의한 방법이다. 이 때의 프레스압력은 150 ×150 mm의 금형 표면적이 균일하게 성형되도록 충분한 압력이 가해지도록 해야 한다. 만일 압력이 부족할 때는 프레스 성형시 폴리머 소재층과 니켈 전주판이 접촉하는 경계면에 기포가 발생하게 되어 제품의 외관 품질이 저하되며 기포발생 부위에서는 반사성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한 프레스 성형시에 온도는 사용되는 폴리머 소재의 유리전이온도(Tg)보다 충분히 높은 온도로 전주판과 프레스 상, 하부금형이 가열되어야 전주판에 있는 음각의 미세한 마이크로 큐브코너 내부 깊숙히까지 용융된 수지가 들어가 완전히 채워질 수 있다. 또한 폴리머의 결정 구조도 결정성, 비결정성 또는 반결정 구조의 소재가 모두 사용될 수 있으나, 가급적 비결정성 고분자가 훨씬 가공하기도 수월하며 성형상태도 양호함을 알 수 있다. 본 발명에서 복제물로서 사용할 수 있는 폴리머 소재는 폴리염화비닐(PVC)수지, 폴리에틸렌(PE), 아이오노머(Ionomer), 아크릴(Acryl)수지, 폴리카보네이트 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)수지 등이다.

성형상태를 결정짓는 요인은 전주금형과 프레스 상, 하판금형의 온도와 성형시 가해지는 압력의 두가지 요인으로 설명되어질 수 있다. 또한 프레스의 상부 플레이트와 하부 플레이트에 직접적으로 전주판과 폴리머 소재가 닿을 경우, 프레스의 상, 하부판의 접촉면이 매끄럽지 못하여 그 거칠기가 니켈 전주판으로 그대로 전사되어 큐브코너(Cube Corner)부에 울퉁불퉁한 요철 무늬가 나타나게 되며, 폴리머의 표면에도 프레스 상부 플레이트의 거칠기가 그대로 전사되어 소재의 표면을 통해 입사하는 빛을 완전히 투과시키지 못하고 표면에서 산란을 일으키는 원인이 되기도 하므로 특히 표면이 매끄러운 광택을 유지시킬 수 있도록 유의해야 한다.

본 발명에서 사용한 방법으로는 프레스의 상부와 하부 플레이트 외에 별도의 상부와 하부금형을 사용하는 것이다. 이들 금형은 높은 압력하에서도 원래의 평활도를 유지하고 변형되지 않을 정도의 재질과 두께를 가지는 소재이어야 하며, 사용하는 온도에서도 변형이 되지않는 금속 소재이어야 한다. 또한 니켈전주판과 폴리머 소재가 닿는 부위는 밀링 가공에 의하여 매우 높은 수준의 표면 광택을 나타내도록 하는 것이 특히 중요하다.

또한 사용되는 플라스틱 소재의 두께는 적용된 니켈전주판에 음각된 큐브코너의 깊이에 따라 달라질 수 있는데 일반적으로 큐브코너의 깊이보다 100~500 ㎛ 두꺼운 소재를 사용하는 것이 적합하다. 만일 너무 두꺼울 경우 소재의 유연성이 떨어져서 성형후 분리시키는 것이 문제가 될 수도 있으며, 플라스틱 소재가 열에 의해 유연해져서 쿠션역할을 하여 큐브코너의 깊이와 성형상태가 오히려 떨어질 수도 있다. 또한 너무 얇을 경우에는 니켈 전주판의 손상과 성형에 필요한 두께가 부족할 수도 있고, 성형후 분리시 성형된 시트가 훼손될 우려가 있으므로 특히 주의해야 한다.

그리고 또한 플라스틱 소재에 열이 가해질 경우 표면의 외관상의 변화가 있을 수 있으므로 보다 철저한 표면 외관관리가 요구되는데, 이의 방안으로는 플라스틱 소재와 상부금형 사이에 내열성이 있는 분리용 캐리어 필름(Carrier Film)을 삽입하는 것이다. 캐리어 필름의 선정 조건으로는 유리전이온도(Tg)가 성형용 플라스틱 소재보다 훨씬 높고 또한 결정성 폴리머로 이루어져 있어야 한다는 점이다. 그러나 캐리어 필름과 성형용 소재와의 이형성을 고려하여 캐리어 필름의 한면에 실리콘(Silicone) 도포가 되어 있는 것은 가급적 삼가는 것이 좋다. 이는 고온 및 고압에서 대부분의 실리콘층은 열분해되어 플라스틱 소재 표면의 전면에 걸쳐 기포와 같은 분화구를 만들기 때문이다.

따라서 캐리어 필름은 아무런 표면처리가 되어 있지 않은 면이 플라스틱 소재 표면에 직접 닿도록 선택하는 것이 필요하다. 프레스의 가압시간은 수십 분 정도의 오랜 시간동안을 직접 압력을 가한 상태로 유지해야 완전하게 성형시킬 수 있다. 프레스의 가압 전에 예열하는 것과 예열하지 않는 것은 가공 상태와 성형성 등에는 별다른 차이가 없지만, 단지 니켈 전주 금형판을 손상시키지 않고 오랫동안 사용하기 위해서는 어느 정도 예열한 후 가압하여 전주 금형판에 무리를 주지 않으면서 프레스성형하는 것이 적절하다.

한편 프레스 성형후에는 니켈 전주판과 성형된 플라스틱 소재를 상온까지 충분히 냉각시키는 것이 매우 중요하다. 만일 프레스 성형후 바로 니켈전주판에서 성형된 플라스틱 소재를 냉각시키지 않고 바로 떼어 낸다면, 원래의 니켈전주의 형상대로 플라스틱 소재층에 성형되지 않거나 성형된다 하더라도 반사성능이 매우 떨어지게 된다. 그 이유는 분리시킬 때 이미 성형된 큐브코너의 형상이 변형되어 반사성능을 제대로 발휘하지 못하게 되기 때문이다. 그러므로 냉각은 상온까지 충분히 실시하여 제품의 변형을 완전히 제거한 후에 니켈 전주판과 플라스틱 소재를 분리시키는 과정이 반드시 이루어져야 한다. 한편 냉각은 프레스에서 성형시와 동일한 상태에서 실시하는 것이 적합하다. 이는 어느 정도의 가압하에서 냉각하면 압력이 걸리지 않은 조건에서 냉각하는 것보다 훨씬 광학적 특성과 성형된 시료의 외관이 우수하기 때문이다.

냉각이 완료된 후 전주판에서 시료(플라스틱 금형)의 분리는 테두리를 돌려가면서 전주판을 약간씩 구부려 보면서 시료를 반대방향으로 떼어내기 시작하는데 이때 주의할 점은 전주판에 너무 무리한 힘이 가해지지 않도록 해야 한다. 앞에서도 언급하였듯이 니켈전주판은 어느 정도 유연성을 가지고 있어서 그 범위 내에서는 휘거나 구부려도 원상 회복을 충분히 할 수 있지만, 그 범위를 넘을 정도로 변형할 경우에는 전주판에 음각된 큐브코너의 변형을 일으키게 되고 결국 전주판 자체가 휘도를 감소시키는 요인이 되므로 주의가 요구된다.

그래서 분리시에는 곡면의 고무롤(Rubber Roll)을 이용하여 접촉각을 크게 주고 부드럽게 떨어지도록 여러 도구를 사용하는 것이 필요하다. 이상의 프레스 성형방법을 활용하여 여러장의 시료를 제작하여 둔다. 각각의 시료는 앞에서 언급한 성형중 기포와 외관 결함이 없는 균일한 것으로 선별하여 필요한 수량 만큼 제작하도록 한다.

이렇게 제작된 각각의 시료는 표면 전도성 처리과정을 거친후 니켈 도금을 실시한다. 표면 전도성 처리를 하는 이유는 시료가 플라스틱이라서 도금액 내에서 전기가 통하지 않기 때문에 시료 위에 니켈도금이 가능하기 위해서는 도체가 입혀 있어야 도금이 가능하므로 이를 처리해 주는 과정이다. 이를 무전해 도금이라고 하는데, 이는 명칭 그대로 전기가 통하지 않는 상태에서 도금이 이루어지는 것을 의미한다.

무전해 도금의 방법 중에서 물리적인 방법인 은경방법은 질산은 용액을 도금하고자 하는 플라스틱 표면에 입혀주는 방법이며, 이의 장점은 전도성 피복층과 플라스틱 소재간에 어느 정도의 접착력을 유지시켜 준다는 점이며, 단점으로는 균일한 피복두께를 맞추기 곤란하여 피복이 불균일하게 실시될 경우 전주후 얼룩이 발생할 수 있다는 점이다.

화학적 처리방법은 그 공정이 매우 복잡하고 사용되는 화학물질들도 다양하며, 예를 들어 플라스틱 시료의 표면에 미세한 에칭(Etching)을 통해 흠집을 내고 팔라듐(Palladium) 촉매액에 담가서 그 흠집 속에 촉매액이 들어가게 한후 술파메이트(Sulfamate) 니켈수용액에 담그면 니켈 금속이온이 팔라듐촉매와 결합하여 플라스틱 시료 표면에 매우 얇은 니켈 도금층이 입혀지게 된다. 이 화학적 방법의 장점은 균일한 니켈층을 입힐 수 있다는 점이며, 단점으로는 여러 화학물질을 사용하여 에칭할 경우 큐브코너 표면에 스크래취(Scratch)를 발생시키게 되고 그로 인해 반사성능이 떨어질 수 있으며, 또한 화학적 방법은 플라스틱 소재와 도금층간의 접착력을 저하시킬 수도 있다. 그러므로 사용되는 피도금 소재에 따라 적절한 무전해 도금방법을 선택하고 최적의 도금 조건을 확립하여 최적의 도금판을 제작하는 것이 필요하다. 이렇게 얻어진 니켈 전주판은 접합시켜야 이음매 없는 엠보싱 벨트를 완성할 수 있다.

금속을 접합시키는 방법은 여러 가지가 있으나 반사성능을 양보하지 않고 균일하고 미세한 접합이 가능하며 열변형을 최소화할 수 있는 방법은 레이저(Laser)에 의한 용접(Welding)방법이라고 할 수 있다. 레이저의 특징인 직진성과 높은 에너지 밀도를 이용하여 매우 미세한 국소부위를 집중적으로 녹여서 순간적으로 단면과 단면간의 버트(Butt)용접을 가능하게 하는 방법이 레이저 용접인 것이다. 통상의 금속용접 방식은 용접부에 가한 높은 에너지로 인해 주변까지 열이 전달되어 형상이나 구조상의 변형을 유발시키므로 정밀한 광학적 특성을 요하는 용도로는 부적합한 반면에, 본 발명에서 적용된 레이저 용접방식은 용접폭이 0.3~0.8mm에 불과할 정도로 극히 좁은 폭으로 접합하고 접합재료로 피접합체를 그대로 사용하므로 접합강도를 비접합 부위와 동일하게 조절할 수 있다.

레이저 용접에 사용되는 레이저는 사용 이온에 따라 CO₂레이저와 Nd-YAG(Neodymium-Yttrium Aluminum Garnet) 레이저로 분류된다. 이중 CO₂레이저는 연속적인 용접(Continuous Welding)방식으로 수KW 이상의 고출력용으로 사용되며, 에너지 방출량이 커서 방출되는 빔(Beam)의 직경이 수mm나 되므로 그에 맞는 용도의 선정이 필요하다. Nd-YAG 레이저는 1KW 이하에서 수백W 정도의 저출력용으로 사용되는데, 도트(Dot)방식 용접을 할 수 있고 이때 방출되는 빔의 직경은 0.3~0.8mm 정도로 본 발명의 니켈 전주판 접합에 적합한 레이저라 할 수 있다.

레이저 용접시에는 이와 같이 레이저의 종류와 출력의 선정이 매우 중요하며 이와 아울러 피접합체를 고정시킬 수 있는 지그(Jig)의 제작 또한 효과적인 접합을 위해서는 대단히 중요한 것이라 할 수 있다. 일반적인 벨트(Belt)를 연결한다면 벨트의 양면을 동시에 고정시키며 용접작업을 할 수 있으나 한쪽면에 미세 엠보 형상이 있는 경우에는 기존의 지그를 이용해서는 고정시킬 수 없고 음각의 엠보싱 형상을 그대로 보호하면서 고정시킬 수 있는 특수한 목적으로 고안된 지그의 사용이 무엇보다 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 한쪽면만을 이용하여 고정시킬 수 있는 진공 흡입형 지그를 사용하게 되었다. 니켈 전주판의 평평한 뒷면을 진공흡입 컵(Cup)으로 고정시켜서 접합하려는 전주판을 서로 맞대어 놓고 레이저로 두개의 전주판을 접합시키는 방법을 사용하면 니켈 전주판의 엠보싱면을 전혀 손상시키지 않을 수 있기 때문이다.

이때 사용되는 진공 흡입판은 또한 용접이 이루어지는 작업테이블에 적용할 수도 있다. 즉, 작업 테이블의 상부면에 구멍을 여러곳 뚫은 후 테이블의 후부면을 통하여 진공을 걸어서 고정시켜 놓은 후 레이저 용접을 실시할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 주요 공정별 세부적인 설명을 하였는데 본 발명에서 설명하고자 하는 엠보싱 벨트(Embossing Belt)의 제조방법은 3가지로 예를 들 수 있다.

첫번째 방법은 마스터금형을 여러 개 만든 후, 이를 고정시켜서 니켈 도금조를 이용하여 큰 사이즈의 전주판을 만든 다음, 프레스 성형에 의한 플라스틱 소재로 여러 장 복제한 후, 다시 전도성 처리와 니켈도금에 의하여 각각의 니켈전주판을 복제한 다음에, 마지막으로 레이저 용접에 의한 이음매 없는 엠보싱 벨트를 제작하는 방법이다.

두번째 방법은 한 개의 마스터금형을 제작한 후, 니켈도금에 의해 음각의 전주금형을 만들고, 이를 가지고 프레스성형을 통해 플라스틱 소재를 사용하여 마스터와 동일형상으로 여러 개 복제한 후, 니켈 전주를 위한 전도성 처리 및 니켈전주를 통하여 음각의 전주판을 각각 제작한 다음, 1차 레이저 용접에 의하여 큰 사이즈의 전주판으로 접합한 후, 다시 2차 프레스를 통하여 여러 장의 플라스틱 시료를 제작한 다음, 전도성 처리와 니켈전주에 의해 동일 사이즈의 전주판을 제작하고, 이를 레이저 용접에 의해 다시 벨트로 연결하는 방식이다.

세번째 방식은 제작된 한 개의 마스터금형에서 직접 플라스틱 소재로 성형한 후, 전도성 처리 및 니켈도금으로 양각의 니켈전주판을 제작한 후, 다시 니켈 도금하여 음각의 니켈전주판을 제작한 다음, 다시 프레스성형을 통하여 여러 장의 플라스틱 시료를 복제한 후, 각각의 시료들을 전도성 처리 및 니켈도금하여 음각의 전주판을 제작한 다음, 레이저 용접에 의해 이들을 접합하여 큰 사이즈의 니켈 전주판으로 제작한 후, 이를 가지고 다시 프레스 성형으로 플라스틱 소재를 여러 장 성형한 다음, 성형된 시료들을 각각 전도성 처리와 니켈도금에 의해 음각의 전주판을 여러 장 복제한 후, 레이저 용접에 의해 목표로 하는 엠보싱 벨트를 제작하는 과정이다.

한편 레이저 용접부위의 접합상태를 비교해 본 결과 접합부의 선의 굵기가 0.5 mm~0.7 mm 정도로 종래의 연결 부위에 비해 육안 식별이 가능하고 연결선이 굵어졌지만, 엠보싱 벨트에서 성형한 실제 제품을 전방 3M 앞에서 확인한 결과 쉽게 식별하기 어려워서 제품의 외관에는 문제가 되지 않는 것으로 확인되었으며, 오히려 연결부위의 접합강도와 미접합부위의 접합강도가 거의 동일한 수준으로 확보되어 엠보싱 벨트의 회전방향으로 걸리는 인장하중에 충분히 견딜 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 2, 3 및 4에 도시된 각각의 제조 과정들을 비교하면, 첫번째 방법은 종래의 선행기술에 비해 최소한의 니켈전주 횟수와 공정(Process)을 갖고 있으며 가장 최상의 반사성능을 발휘할 수 있다. 마스터금형을 여러개로 제작함에 따른 비용이 많이 들어가나 이를 자체적으로 제작하는 경우 제작비를 대폭 줄일 수 있다.

두번째 방법의 경우 첫번째 방법보다 전주의 횟수가 1번 늘어나고 프레스성형의 횟수도 1번 증가하지만, 선행기술보다는 플라스틱의 성형횟수는 1회 늘어나나 전주횟수가 4차례나 감소하여 복제효율이 비교적 우수한 편이다.

세번째 방법은 상기 첫번째와 두번째 방법과 비교시 가장 많은 4차례의 전주횟수와 3차례의 프레스성형에 의한 방법으로, 세가지 방법중 복제효율이 가장 떨어지는 편이나 선행기술보다는 전체적으로 복제과정이 1단계 줄어들어 복제 효율면에서는 다소 개선되는 것으로 확인되었다. 한편 제작 과정상의 재현성과 제작시의 안정성 면에서는 선행기술에 비해 월등히 우수한 것으로 나타나 재현성이 높은 제작방법임을 알 수 있었다.

이상의 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 선행기술인 미국특허 4,478,769에서 개시된 엠보싱 공구의 제조공정도로서, 전술한 바와 같이 마스터금형에서 총 9단계의 전주를 통하여 최종 엠보싱 공구가 만들어지므로 복제효율이 낮다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 높은 광학적 특성을 갖는 정밀 미세형상의 이음매없는 엠보싱 벨트를 제작하는 공정도이다. 여기에서 다이아몬드 바이트로 가공한 마스터금형(A)은 양각의 큐브코너 형상을 갖고 있으며 매우 우수한 가공 정밀도를 갖고 있다. 이 마스터금형들을 여러 개 제작하여 개별 크기에 따라 제작수량은 달라지지만 대략 1M ×1M 크기의 대형 고정틀(1)에 마스터금형(2)들을 모아서 (B)와 같이 고정시킨다. 이때 고정틀은 도금되지 않도록 비전도성 고분자 물질로 피복되어 있는 것을 사용한다. 그리고 도금 탱크에 들어갈 때는 수직으로 세워서 들어가게 함으로써 각각의 마스터금형들(2)이 고정틀(1)에서 떨어지거나 이탈되지 않도록 주의하여야 한다.

도금이 완료되면 음각의 니켈전주판(D)을 얻을 수 있다. 이 전주판은 크기가 1M x 1M의 대형이고 두께가 0.03~0.08 인치로 두껍다. 니켈전주에 사용되는 니켈로서 유연성이 매우 뛰어나고 광택성이 매우 우수한 설파민산 니켈을 주로 많이 사용한다. 이때 주의할 점은 큐브코너의 높이보다 충분히 두꺼운 니켈전주판이 되어야 한다는 것이다. 그리고 마스터금형의 미세한 연결틈새로 니켈 도금의 버(Burr)가 발생하는데 음각 전주판이 완성되면 연결부(3)에 발생한 미세한 돌기 등을 제거하여야 한다. 왜냐하면 발생한 버에 의해서 주변의 큐브코너들에 응력이 가해지고 이로 인해 그 주위의 반사성능이 떨어지게 되기 때문이다. 그리고 전주판(D)의 테두리도 버가 없도록 깨끗하게 연마 등으로 조심스럽게 처리한다. 음각의 니켈 전주판이 완성된 후 플라스틱 소재(7)를 사용하여 프레스성형(E)을 하게 된다.

프레스성형에 사용되는 소재는 이미 앞에서 언급한 소재들을 사용할 수 있지만, 열변형율이 적으며 충격강도가 우수한 비정형 구조의 폴리머가 적합한 것으로 나타났다. 그리고 그 중에서도 가장 적합한 소재는 아크릴수지와 폴리카보네이트 수지로 나타났다. 이 소재들은 고온에서만 가공해야 하는 단점이 있지만 성형 후에도 전주판과의 이형성이 매우 우수한 편이다. 폴리카보네이트 시트로 프레스성형시의 가공조건은 상부(4), 하부(9) 플레이트를 모두 220℃로 가열하고 그 사이에 다시 상부(5)와 하부(8) 보조금형을 배치하고 그 사이에 다시 음각의 니켈 전주판(10)과 플라스틱 소재(7) 그리고 분리용 필름(6) 등을 도면에서와 같이 삽입하는 것이다. 성형이 양호하게 나오기 위해서 소재에 가해지는 압력은 100~150 kgf/㎠이 적합하다. 물론 프레스 단면적이 커지면 커진 단면적에 해당하는 충분한 압력을 줄 수 있는 보다 큰 프레스 설비가 필요하다.

이렇게 제작된 폴리머 소재의 양각 시트(11)들로부터 다시 표면에 전도성 처리와 니켈 도금을 통하여 음각의 니켈 전주판(12)을 각각 제작하게 된다. 그 후 (I)와 같이 레이저 접합장치(13)에 의해 니켈 전주평판(14)들을 접합(15)하여 최종적으로 엠보싱 벨트를 제작하게 되는 것이다.

전주판의 접합시 마지막으로 전주판을 원통형으로 연결하는 접합을 위하여, 도 5와 같은 구조의 작업대(27)를 제작하여 사용함으로써 원통형으로 접합 작업을 할 수 있다. 또한 상기 작업대(27)는 도 6과 같은 구조로 제작함으로써 작업대(27)의 표면에 진공을 발생시켜 전주판을 고정할 수 있도록 구성되어 있다. 구체적으로 접합하려는 음각 니켈 스템퍼(23)들을 접합용 작업대(27)의 상부에 음각 형상면이 노출되도록 올려 놓고 접합부위를 맞춰 놓은 후 진공 펌프(25)를 가동시켜서 진공이 형성되면, 접합용 작업대의 상부판에 미리 뚫어 놓은 미세구멍(24)을 통해 전주판이 작업대의 표면에 밀착되어 고정된다.

한편 원통형 벨트로 연결시 제일 마지막 전주판의 연결을 위하여, 도 6-(B)와 같이 작업대(27)를 지지하는 분리식 보조기둥(26)을 설치하여 원통형으로 레이저 접합한 후 보조기둥(26)을 분리함으로써 연결된 벨트를 빼낼 수 있는 구조로 제작한다. 레이저 접합장치(13)는 로보트 암(Arm)(28)에 의해 수직으로 고정되고 자동으로 폭방향으로 이동되며, 작업대 위에 고정된 니켈전주평판(14)들을 서로 맞대어 놓은 상태에서 접합부위에 작은 일정한 직경의 레이저 빔을 발생시켜 두개의 전주판들의 접합부(15)를 녹여서 접합시킨다. 이때 접합 부위의 접합강도는 레이저 빔의 출력, 접합속도, 접합두께, 폭 및 전주판의 재질 등에 따라 결정된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엠보싱 벨트의 제조공정을 도시한 것으로, 도 2보다 다소 제작공정이 늘어난 방식인데 마스터 금형 한 개를 가지고 복제할 수 있는 방법이 특징이다. 마스터 금형에서 직접 도금된 음각의 니켈금형(17)에서 직접 프레스 성형을 하는데 이때 사용되는 금형(17)은 전주 금형과 동일한 것이며, 프레스성형에 대한 상세 설명은 도 2 (E)의 과정과 동일하다. 여기에서 제작된 양각 플라스틱 복제물(18)들로부터 다시 전도성 처리와 니켈 전주(F)를 통하여 음각의 니켈전주 평판(19)으로 제작한다. 그리고 상기 평판(19)을 1차 레이저 접합(H)을 통하여 대략 1M ×1M 크기의 음각 니켈 전주판으로 확대한다. 이때 접합부의 버(Burr)나 도금면의 피트(Pit) 등을 잘 제거한 다음, 2차 프레스 성형(J)을 통해 다시 양각의 플라스틱 복제물(K)을 제작한다. 그 후 전도성 처리와 니켈 전주(L)에 의해 음각으로 복제하고 이를 레이저 접합장치(N)로 접합하여 최종 엠보싱 벨트(O)를 완성한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엠보싱 벨트의 제조공정을 도시한 것으로, 도 3과 달리 제작된 양각의 마스터금형(20)을 가지고 프레스성형(B)을 통하여 두꺼운 플라스틱 복제물(21)을 성형하고, 다시 전도성 처리와 니켈도금(D)을 통해 양각의 니켈 금형(22)을 제작하여 이를 마스터 전주금형으로 사용하고, 다시 니켈도금을 통해 음각의 니켈전주(G)를 만들며, 이후부터는 도 3 (D) 이후의 과정과 동일하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 니켈 도금만으로 복제하였던 종래의 방식에 비해 아무리 여러 번 성형해도 아무런 금형상의 손상이 없는 플라스틱 복제방식을 사용함으로써 여러 장의 플라스틱 복제물을 프레스 성형할 수 있으며, 이렇게 성형된 플라스틱 복제물의 복제효율은 96~99%로서 도금에 의한 복제보다 훨씬 높은 복제효과를 얻을 수 있다.

또한 선행기술보다도 도금 횟수가 획기적으로 감소되어 최종 복제효율이 60~80%대로 높아서 우수한 복제 성능을 발휘하는 엠보싱 벨트를 얻을 수 있고, 이러한 높은 효율로 인해 엠보싱 벨트가 사용 수명인 6개월~1년 정도의 기간동안 균일한 성능을 유지할 수 있다.

또한 도금 공정수의 획기적인 단축으로 플라스틱 복제공정이 1~3회 추가됨에도 불구하고, 전체 제작기간 면에서도 마스터금형 가공에서부터 최종 엠보싱 벨트까지 종래에는 3개월 내지 그 이상 소요되었으나 본 발명에서는 1.5개월~2.5개월 정도로 단축시킬 수 있다.

또한 선행기술의 방법으로 제작된 엠보싱 벨트는 제작과정에서 불량 또는 실패하는 경우가 50% 가까이 되지만, 본 발명으로 제작된 벨트는 제작시 재현성이 높아서 제작중 실패할 가능성이 10% 정도의 낮은 수준인 바, 제작기간을 더욱 단축시킬 수 있다.

도 1은 종래기술로서 다이아몬드 바이트로 마스터 금형을 제작하여 최종 엠보싱 벨트까지 제작하는 과정을 나타낸 공정도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엠보싱 벨트의 제작방법으로서, 다이아몬드 바이트로 제작된 여러 개의 마스터금형들로부터 2회에 걸친 전주과정과 복제소재를 이용한 1회의 프레스 성형과정 및 1회의 레이저 접합과정에 의한 엠보싱 벨트를 제작하는 과정을 나타낸 공정도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엠보싱 벨트의 제작과정으로서, 다이아몬드 바이트로 제작된 한 개의 마스터금형으로부터 3회에 걸친 전주과정과 복제소재를 이용한 2회의 프레스 성형과정 및 2회의 레이저 접합과정에 의한 엠보싱 벨트를 제작하는 과정을 나타낸 공정도,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엠보싱 벨트의 제작과정으로서, 다이아몬드 바이트로 제작된 한 개의 마스터금형으로부터 4회에 걸친 전주과정과 복제소재를 이용한 3회의 프레스 성형과정 및 2회의 레이저 접합과정에 의한 엠보싱 벨트를 제작하는 과정을 나타낸 공정도,

도 5는 레이저 접합을 위한 작업대의 사시도,

도 6은 레이저 접합을 위한 작업대의 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 마스터금형 고정틀 2: 마스터금형

3: 마스터금형 연결틈새 4: 프레스의 상부 플레이트

5: 보조금형 상판 6: 분리용 필름

7: 플라스틱 소재 8: 보조금형 하판

9: 프레스의 하부 플레이트 10: 니켈전주 마더(Mother)금형

11: 플라스틱 복제물 12: 니켈전주평판

13: 레이저 접합장치 14: 접합용 니켈전주평판

15: 레이저 접합부 16: 완성된 이음매 없는 원통형 엠보싱 벨트

17: 음각 니켈금형 18: 양각 플라스틱 복제물

19: 음각 니켈전주평판 20: 양각 마스터금형

21: 음각 플라스틱 복제물 22: 양각 니켈금형

23: 음각 니켈스템퍼 24: 미세구멍

25: 진공펌프 26: 보조기둥

27: 작업대 28: 로보트 암

Claims (10)

1. 정밀한 기하학적인 형상을 갖고 높은 광학적 특성을 갖는 플라스틱 제품을 연속적으로 제조할 수 있는 이음매 없는 엠보싱 벨트를 제조함에 있어서,

   a) 마스터금형으로부터 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계;

   b) 전주금형으로부터 플라스틱 소재를 프레스 성형하여 플라스틱금형을 복제하는 단계;

   c) 플라스틱금형을 무전해 도금처리하고 전기주조에 의하여 전주금형을 복제하는 단계; 및

   d) 복제된 전주금형을 레이저 용접으로 접합하는 단계를 포함하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 a) 단계에서 다수의 마스터금형을 고정틀에 고정시키고 전기주조에 의하여 대형의 전주금형을 복제하는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 a) 내지 d) 단계를 통하여 하나의 마스터금형으로부터 대형의 전주금형을 복제한 후 b) 내지 d)단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 하나의 마스터금형으로부터 플라스틱금형을 먼저 복제한 후 대형의 전주금형을 복제하는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 플라스틱 소재가 폴리염화비닐수지, 폴리에틸렌, 아이오노머(Ionomer), 아크릴수지, 폴리카보네이트 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)수지 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 플라스틱 소재의 두께가 전주금형에 형성된 형상의 깊이보다 100 내지 500 ㎛ 두꺼운 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 프레스 성형시 프레스의 상하부 플레이트 사이에 상하부 보조금형 및 분리용 캐리어 필름을 배치하는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 용접에 사용되는 레이저가 Nd-YAG(Neodymium -Yttrium Aluminum Garnet) 레이저인 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서, 레이저 용접작업을 하는 작업대에 진공흡착장치를 설치하여 전주금형을 고정시키는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서, 작업대에 분리식 보조기둥을 설치하여 엠보싱 벨트를 삽입 및 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 엠보싱 벨트의 제조방법.