KR100708759B1 - 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치 - Google Patents

열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치 Download PDF

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홍석관
김흥규
허영무
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Abstract

본 발명은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치에 관한 것으로, 그 목적은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정을 수행함에 있어서, 다양한 소재에 적용이 가능하고, 대면적 전사성이 우수하며, 싸이클 타임을 단축할 수 있는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 사발형상으로 형성되어 내부에 성형물이 장착되고, 장착된 성형물을 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비된 하부 진공챔버; 상기 하부 진공챔버를 설치되는 프레임; 상기 하부 진공챔버와 결합되어 성형을 위한 챔버를 형성하도록 뒤집어 놓은 사발형상으로, 내부에 몰드가 장착되고, 장착된 몰드를 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비된 상부 진공챔버; 상기 상부 진공챔버의 상부에 설치되어 상부 진공챔버에 장착된 상기 몰드를 승하강시키는 성형용 실린더; 상기 상부 진공챔버의 상부에 위치하도록 상기 프레임에 설치되며, 상기 상부 진공챔버와 연결되어 상부 진공챔버를 승하강시키는 승하강용 실린더; 상기 하부 진공챔버와 상부 진공챔버의 결합상태를 구속하도록 상기 프레임에 설치된 다수개의 클램프들 및 상기 하부 진공챔버와 상부 진공챔버의 결합에 의해 형성된 챔버를 진공화 시키는 진공수단;을 구비하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
상부 진공챔버, 하부 진공챔버, 몰드, 성형물

Description

열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치{Thermal pressing machine for micro-patterning}
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 정면도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 측면도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 요부 구성을 나타낸 사시도,
도 4 는 본 발명의 하부 진공챔버의 사시도,
도 5 는 본 발명의 하부 진공챔버의 내부 구성을 나타낸 측면도,
도 6 은 본 발명의 하부 진공챔버의 평면도,
도 7 은 본 발명의 상부 진공챔버의 사시도,
도 8 은 본 발명의 상부 진공챔버의 저면 사시도,
도 9 는 본 발명의 상부 진공챔버의 내부 구성을 나타낸 측면도,
도 10 은 본 발명의 상부 진공챔버의 저면도,
도 11 은 본 발명의 클램프의 작동전 상태를 나타낸 측면도,
도 12 는 본 발명의 클램프의 작동후 상태를 나타낸 측면도,
도 13 은 본 발명의 진공수단이 설치된 상태를 나타낸 하부 진공챔버의 저면 사시도,
도 14 는 몰드와 성형물의 간격을 측정하는 위한 비접촉식 센서 및 타겟의 설치 구성을 나타낸 측면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 하부 진공챔버 (111) : 하부 챔버몸체
(112) : 하부 냉각판 (113) : 하부 보조냉각판
(114) : 하부 가열판 (114-1) : 흡착구
(115) : 하부 고정지그 (115-1) : 회전레버
(115-2) : 고정편 (116) : 비접촉식 센서
(120) : 프레임 (121) : 가이드레일
(130) : 상부 진공챔버 (131) : 상부 챔버몸체
(132) : 상부 냉각판 (133) : 상부 보조냉각판
(134) : 상부 가열판 (134-1) : 흡착구
(135) : 상부 고정지그 (135-1) : 회전레버
(135-2) : 고정편 (136) : 타겟
(140) : 성형용 실린더 (150) : 승하강용 실린더
(160) : 클램프 (161) : 고정용 실린더
(162) : 고정레버 (163) : 힌지브라켓
(170) : 진공수단 (171) : 질소투입구
(172) : 개방구 (173) : 공기 흡입구
(180) : 안전핀 실린더 (181) : 안전핀
(182) : 센서
본 발명은 고분자 소재로 이루어진 시트(Sheet)의 표면에 미세구조를 각인하는 패턴 성형장치에 관한 것으로, 특히 진공분위기 상태에서 고분자 소재 및 몰드를 일정 온도 이상으로 가열한 후, 고분자 소재에 몰드를 압착하여 고분자 소재의 표면에 소정의 마스트 패턴(Mask Pattern)을 형성하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치에 관한 것이다.
열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정은 일정 온도 이상으로 가열된 고분자 재료에 Photo, Deep RIE 등의 공정에 의해 제작된 금형을 압착하여 금형에 구현되어 있는 미세구조를 고분자에 그대로 각인하는 고분자 가공기술로서, 다양한 구조 및 종횡비(aspect ratio)의 마이크로 구조물을 낮은 비용으로 용이하게 대량생산할 수 있는 이점으로 인해 광부품, 의학, 생화학 및 기계공학 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
상기와 같은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정은 크게 진공화단계, 가열단계, 가압단계, 냉각단계, 이형단계로 구분될 수 있다. 상기 진공화단계는 진공챔버를 닫고 진공상태로 만드는 단계를 의미한다. 상기 가열단계는 진공챔버 내에 장착된 가공소재를 일정온도 이상으로 가열하는 단계를 의미한다. 상기 가압단계는 장착된 금형을 이용해 가공소재를 가압하는 단계를 의미한다. 상기 냉각단계는 상기 가압단계가 완료된 후 가공소재를 일정 온도 이하로 냉각하고, 금형과 가공소재를 분리함과 더불어 진공을 해제하는 단계를 의미한다. 상기 이형단계는 진공챔버를 열고 가공된 소재를 취출하는 단계를 의미한다.
상기와 같은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정을 통해 제작되는 성형물의 정밀도는 1차적으로 금형의 가공정밀도에 영향을 받게 되지만, 현재 금형 및 제반기술의 발달로 다양한 가공기술이 제공되어 정밀하게 제작된 금형의 공급이 가능함으로 실질적으로는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정을 수행함에 있어 성형장치가 공정상 주어진 조건을 어느 정도 정확하게 구현할 수 있느냐에 따라 크게 영향을 받게 된다. 또한 상기와 같은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정을 향후 각종 마이크로 스케일 부품의 본격적인 양산화에 적용되기 위해서는 다양한 소재에 적용이 가능하고, 대면적 전사성이 우수하며, 싸이클 타임의 단축할 수 있는 성형장치의 제공이 요구되고 있으나, 아직까지 적절한 성형장치가 제공되지 못하고 있는 폐단이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형공정을 수행함에 있어서, 다양한 소재에 적용이 가능하고, 대면적 전사성이 우수하며, 싸이클 타임을 단축할 수 있는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 사발형상으로 형성되어 내부에 성형물이 장착되고, 장착된 성형물을 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비되며, 하단부 외주연을 감싸도록 설치되어 성형압력에 의한 변역을 억제하는 지지링이 구비된 하부 진공챔버;
상기 하부 진공챔버가 설치되는 프레임;
상기 하부 진공챔버와 결합되어 성형을 위한 챔버를 형성하도록 뒤집어 놓은 사발형상으로, 내부에 몰드가 장착되고, 장착된 몰드를 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비된 상부 진공챔버;
상기 상부 진공챔버의 상부에 설치되어 상부 진공챔버에 장착된 상기 몰드를 승하강시키는 성형용 실린더;
상기 상부 진공챔버의 상부에 위치하도록 상기 프레임에 설치되며, 상기 상부 진공챔버와 연결되어 상부 진공챔버를 승하강시키는 승하강용 실린더;
상기 하부 진공챔버와 상부 진공챔버의 결합상태를 구속하도록 상기 프레임에 설치된 다수개의 클램프들; 및
상기 하부 진공챔버와 상부 진공챔버의 결합에 의해 형성된 챔버를 진공화시키는 진공수단;을 구비하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치로 구성되어 있다.
상기와 같은 마이크로 패턴 성형장치는 다음과 같은 특징이 있다.
첫째로, 다양한 소재에 적용이 가능하다. 이는 상부진공챔버와 하부진공챔버의 온도가 독립적으로 제어됨과 더불어 챔버내의 진공압을 최대 진공압 범위내에서 임의의 셋팅치로 자유롭게 설정이 가능하기 때문이다.
둘째로, 대면적 전사성이 우수하다. 대면적 전사성을 향상시키기 위해서는 성형시 장비의 각 부품의 변형이 적어야만 하므로, 본 발명은 하부챔버에 지지링을 장착함으로써 성형물을 가압할 때 발생되는 하부챔버의 처짐을 억제하도록 하고 있다.
셋째로, 싸이클 타임을 줄일 수 있다. 이를 위해서는 성형물의 품질에 영향을 주지 않는 범위내에서 불필요한 시간을 줄여야만 하므로, 본 발명은 가열시에는 냉각채널속을 모두 비워 냉각수에 의해 에너지의 소모를 줄이고, 냉각시에는 단계적으로 냉각되도록 함으로써 품질에 영향을 주지 않으면서도 빠르게 냉각하도록 하고 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 정면도를 도시하고 있고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 측면도를 도시하고 있으며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치의 요부 구성을 나타낸 사시도를 도시하고 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 성형장치는 하부 진공챔버(110)와, 프레임(120)과, 상부 진공챔버(130)와, 성형용 실린더(140)와, 승하강용 실린더(150)와, 클램프(160)들과, 진공수단(170)으로 구성되어 있다. 여기서 상기 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)는 상하방향으로 마주하게 배치된 구성으로 상호 결합되어 진공분위기하에서 성형물의 성형을 위한 밀폐된 챔버를 형성하며, 이때 상기 성형용 실린더(140)와 승하강용 실린더(150)는 상부 진공챔버(130)와 이에 장착되는 미도시된 몰드를 성형 공정에 따라 적절히 이동시키도록 설치되어 있다.
도 4는 상기 하부 진공챔버(110)의 사시도를 도시하고 있고, 도 5는 상기 하부 진공챔버(110)의 내부 구성을 나타낸 측면도를 도시하고 있으며, 도 6은 상기 하부 진공챔버(110)의 평면도를 도시하고 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 하부 진공챔버(110)는 성형물이 장착되는 공간을 제공함과 더불어 장착된 성형물을 가열 및 냉각하는 것으로, 하부 챔버몸체(111)와, 하부 냉각판(112)과, 하부 보조냉각판(113)과, 하부 가열판(114)과, 하부 고정지그(115)들로 구성되어 있다. 여기서 상기 하부 챔버몸체(111)는 상부가 개방된 사발형상으로 형성되어 프레임(120) 에 설치되며, 성형물의 성형시 발생되는 압력에 의해 하부진공챔버(110)의 변형을 억제하기 위한 지지링(118)이 하단부 외주연을 감싸도록 설치되어 있다. 상기 하부 냉각판(112)은 하부 챔버몸체(111)의 내측에 설치되며 외부로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 냉각채널이 내부에 구비되어 있다. 한편 상기 냉각채널은 하부 냉각판(112)의 내부에 구비되어 미도시된다. 상기 하부 보조냉각판(113)은 하부 냉각판(112)의 상부에 설치되며, 그의 내부에는 상기 하부 냉각판(112)의 냉각채널과는 또 다른 냉각채널이 구비되어 있다. 이처럼 하부 보조냉각판(113)에 구비된 냉각채널에는 냉각수 또는 공기가 필요에 따라 선택적으로 순환되도록 구성된다. 상기 하부 가열판(114)은 하부 보조냉각판(113)의 상부에 설치되며 외부로부터 인가되는 전기에 의해 열을 발산하는 니켈선이 구비되며, 미도시된 진공펌프로부터 진공압을 제공받아 성형물을 흡착 고정하는 다수개의 흡착구(114-1)가 구비되어 있다. 상기 하부 고정지그(115)들은 하부 가열판(114)의 상부 둘레에서 상호 등각도 간격을 갖도록 설치되어 하부 가열판(114)의 상부에 놓여지는 성형물을 고정하도록 구성되어 있다. 한편 상기 각각의 하부 고정지그(115)들은 수나사가 구비되며 하부 가열판(114)의 측면에서 하부 가열판(114)의 중심부를 향하도록 설치된 회전레버(115-1)와, 상기 회전레버(115-1)에 결합되어 회전레버(115-1)의 회전에 의해 하부 가열판(114)의 중심부에 근접하거나 멀어지도록 이동하는 고정편(115-2)으로 구성되어 있다. 이러한 하부 고정지그(115)들은 하부 가열판(114)에 놓여지는 성형물의 측면을 고정하여 성형물이 수평방향으로 이동하는 것을 방지하게 된다.
한편, 상기 하부 가열판(114)은 열전도성이 우수한 알루미늄으로 구성되어 성형물을 효율적으로 가열하거나 냉각할 수 있도록 구성된다. 상기 알루미늄은 주지된 바와 같이 연성 재질로서, 이를 보완하기 위해 하부 가열판(114)의 외면에는 하드-아노다이징(Hard-Anodizing) 코팅층이 형성되어 있다. 상기 하드-아노다이징 코팅은 알루미늄 금속 표면을 전기/화학적 방법을 이용하여 알루미나 세라믹으로 변화시켜 주는 방법으로, 알루미늄 금속 자체가 산화되어 알루미나 세라믹으로 변화되므로 알루미늄 표면의 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 프레임(120)은 상하부 진공챔버(130,110)를 비롯하여 성형장치를 구성하는 각종 구성요소들이 설치되는 공간을 제공하는 것으로, 상기 하부 진공챔버(110)를 비롯한 나머지 구성요소들을 지지하도록 구성되어 있다. 이러한 프레임(120)의 구조는 다양하게 변형될 수 있는 바 특별히 한정되지 아니한다.
도 7은 상기 상부 진공챔버(130)의 사시도를 도시하고 있고, 도 8은 상기 상부 진공챔버(130)의 저면 사시도를 도시하고 있으며, 도 9는 상기 상부 진공챔버(130)의 내부 구성을 나타낸 측면도를 도시하고 있고, 도 10은 상기 상부 진공챔버의 저면도를 도시하고 있다. 도 7 내지 도 10을 참조하면, 상기 상부 진공챔버(130)는 몰드가 장착되는 공간을 제공함과 더불어 장착된 몰드를 가열 및 냉각하는 것으로, 상부 챔버몸체(131)와, 상부 냉각판(132)과, 상부 보조냉각판(133)과, 상부 가열판(134)과, 상부 고정지그(135)들로 구성되어 있다. 여기서 상기 상부 챔버몸체(131)는 하부가 개방되도록 뒤집어 놓은 사발형상으로 형성되어 있다. 상기 상부 냉각판(132)은 상부 챔버몸체(131)의 내측에 설치되며 외부로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 냉각채널이 내부에 설치되어 있다. 한편 상기 냉각채널은 상부 냉각판(132)의 내부에 구비되어 미도시된다. 상기 상부 보조냉각판(133)은 상부 냉각판(132)의 하부에 설치되며, 그의 내부에는 상기 상부 냉각판(132)의 냉각채널과는 또 다른 냉각채널이 구비되어 있다. 이처럼 상부 보조냉각판(133)에 구비된 냉각채널에는 냉각수 또는 공기가 필요에 따라 선택적으로 순환되도록 구성된다. 상기 상부 가열판(134)은 상부 보조냉각판(133)의 하부에 설치되며 외부로부터 인가되는 전기에 의해 열을 발산하는 니켈선이 구비되며, 미도시된 진공펌프로부터 진공압을 제공받아 몰드를 흡착 고정하는 다수개의 흡착구(134-1)가 구비되어 있다. 상기 상부 고정지그(135)들은 상부 가열판(134)의 상부 둘레에서 상호 등각도 간격을 갖도록 설치되어 상부 가열판(134)의 흡착 고정되는 몰드를 측면에서 고정하도록 구성되어 있다. 한편 상기 각각의 상부 고정지그(135)들은 수나사가 구비되며 상부 가열판(134)의 측면에서 상부 가열판(134)의 중심부를 향하도록 설치된 회전레버(135-1)와, 상기 회전레버(135-1)에 결합되어 회전레버(135-1)의 회전에 의해 상부 가열판(134)의 중심부에 근접하거나 멀어지도록 이동하는 고정편(135-2)으로 구성되어 있다. 이러한 상부 고정지그(135)들은 상부 가열판(134)에 놓여지는 성형물의 측면을 고정하여 성형물이 수평방향으로 이동하는 것을 방지하게 된다.
한편, 상기 상부 가열판(134)은 열전도성이 우수한 알루미늄으로 구성되어 몰드를 효율적으로 가열하거나 냉각할 수 있도록 구성되며, 하부 가열판(114)과 마찬가지로 외면에는 하드-아노다이징(Hard-Anodizing) 코팅층이 형성되어 있다.
상기 성형용 실린더(140)는 상부 진공챔버(130)에 장착된 몰드를 승하강시키 는 것으로, 상기 상부 진공챔버(130)의 상부에 설치되며, 그의 실린더로드가 상부 챔버몸체(131)를 통해 상부 냉각판(132)과 연결되어 몰드를 승하강시키도록 구성되어 있다.
다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 승하강용 실린더(150)는 상부 진공챔버(130)를 승하강시키는 것으로, 상기 상부 진공챔버(130)의 상부에 위치하도록 프레임(120)에 설치되어 있다. 이러한 승하강용 실린더(150)는 2개가 제공되며, 제공된 승하강용 실린더(150)의 실린더로드는 상부 진공챔버(130)의 상단부 양측에 연결되어 상부 진공챔버(130)를 이동시키도록 구성되어 있다. 한편 승하강용 실린더(150)에 의한 상부 진공챔버(130)의 이동시 상부 진공챔버(130)가 하부 진공챔버(110)의 상부에서 흔들림 없이 이동될 수 있도록 하기 위한 가이드레일(121)이 프레임(120)에 설치되며, 이 가이드레일(121)에 상부 진공챔버(130)가 결합되어 이동하도록 구성되어 있다.
도 11은 상기 클램프(160)의 작동전 상태를 나타낸 측면도를 도시하고 있으며, 도 12는 상기 클램프(160)의 작동후 상태를 나타낸 측면도를 도시하고 있다. 도 3과 도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 클램프(160)들은 상부 진공챔버(130)와 하부 진공챔버(110)가 밀착되어 성형을 위한 챔버가 형성되면 이 상태를 유지할 수 있도록 구속하는 것으로, 하부 진공챔버(110)를 중심으로 원형 배열을 갖도록 프레임(120)에 설치되어 있다. 한편 각각의 클램프(160)는 프레임(120)에 설치된 고정용 실린더(161)와, 상기 고정용 실린더(161)의 실린더로드에 일단이 연결되고 중심부가 실린더로부터 수직하게 연장된 힌지브라켓(163)에 회동가능하게 결합되며 나 머지 타단이 하부 진공챔버(110)를 향해 연장되게 형성된 고정레버(162)로 구성되어 있다. 이와 같은 클램프(160)는 상부 진공챔버(130)와 하부 진공챔버(110)가 마주하도록 결합되어 진공분위기하에서 성형을 위한 챔버가 형성되면, 고정용 실린더(161)의 작동에 의해 고정레버(162)가 회동하여 상부 진공챔버(130)를 상부에서 눌러줌으로써 구속하게 된다.
도 13은 상기 진공수단이 설치된 상태를 나타낸 하부 진공챔버의 저면 사시도를 도시하고 있다. 도 13을 참조하면, 상기 진공수단(170)은 상부 진공챔버(130)와 하부 진공챔버(110)의 결합에 의해 형성되는 챔버를 진공화시키는 것으로, 질소투입구(171)와, 개방구(172)와, 공기 흡입구(173)로 구성되어 있다. 상기 질소투입구(171)는 미도시된 질소탱크로부터 공급되는 질소가 챔버내로 유입되도록 하부 진공챔버(110)에 설치되고 있고, 상기 개방구(172)는 질소투입시 챔버내의 공기가 자연스럽게 대기로 배출될 수 있도록 하부 진공챔버(110)에 설치되어 있으며, 상기 공기 흡입구(173)는 미도시된 진공펌프와 연결되어 진공펌프에 의해 챔버내의 질소가 흡입되어 챔버를 진공화시키도록 구성되어 있다. 한편 상기와 같은 공기 흡입구(173)를 통한 챔버의 진공화 공정은 질소투입구(171) 및 개방구(172)가 차단된 상태에서 이루어지게 되며, 이러한 질소투입구(171)와 개방구(172)의 개폐는 미도시된 공압식 컷오프 밸브(Cut-off valve)에 의해 이루어지게 된다.
도 14는 몰드와 성형물의 간격을 측정하기 위한 구성을 도시하고 있다. 도 14를 참조하면, 상부 진공챔버(130)에 장착된 몰드와 하부 진공챔버(110)에 장착된 성형물의 간격을 측정하기 위한 비접촉식 센서(116) 및 타겟(136)이 하부 진공챔 버(110)와 상부 진공챔버(130)에 각각 설치되어 있다. 상기 비접촉식 센서(116)는 하부 진공챔버(110)에 고정되게 설치되며, 상기 타겟(136)은 비접촉식 센서(116)의 수직 상부에 위치하도록 상부 진공챔버(130)에 설치되되, 몰드와 함께 이동하도록 설치되어 있다. 이에 따라 비접촉식 센서(116)는 몰드와 함께 움직이는 타겟(136)의 위치를 비접촉식 센서(116)가 검출함으로써 몰드와 성형물의 간격을 측정하게 된다.
또한 상부 진공챔버(130)에 이동하여 하부 진공챔버(110)와 결합될 때, 두 진공챔버의 결합이 정위치에서 이루어지도록 안내하는 가이드봉(117)들 및 가이드(137)가 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)에 각각 구비되어 있다. 상기 가이드봉(117)과 가이드(137)는 도 3 및 도 8에 도시되어 있으며, 상기 가이드봉(117)들은 하부 진공챔버(110)의 주위에서 하부 진공챔버(110)를 중심으로 원형 배열구조를 갖도록 설치되어 있고, 상기 가이드(137)는 가이드봉(117)이 삽입되는 원통형 구조로서 상부 진공챔버(130)를 중심으로 원형 배열구조를 갖도록 설치되어 있다. 이에 따라 상부 진공챔버(130)가 하부 진공챔버(110)에 근접하게 되면 가이드봉(117)이 가이드(137)의 내부로 삽입됨으로서 두 진공챔버(110,130)의 결합은 항상 정위치에서 이루어지게 된다.
도 15는 상기 상부 진공챔버의 추락을 방지하기 위한 안전핀 실린더의 설치상태를 도시하고 있으며, 도 16은 도 15의 'A'부 상세도를 도시하고 있다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 안전핀 실린더(180)는 상부 진공챔버(130)와 함께 이동하도록 설치되며, 제어신호에 의해 공급되는 공압 또는 유압으로 인해 출몰하는 안 전핀(181)이 구비되어 있으며, 상기 안전핀(181)의 출몰여부를 검출하는 센서(182)가 구비되어 있다. 또한 상기 상부 진공챔버가 완전히 상승되었을 때 안전핀(181)과 동축상에 정렬되는 홀(122)이 프레임(120)에 형성되어 있다. 따라서 상부 진공챔버가 완전히 상승된 후, 안전핀 실린더(180)가 작동하게 되면 안전핀(181)이 프레임(120)의 홀(122)에 삽입됨으로써 상부 진공챔버(130)의 추락을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치를 이용한 성형물의 성형과정을 설명하면 다음과 같다.
승하강용 실린더(150)를 작동하여 상부 진공챔버(130)를 상승시킨 후, 안전핀 실린더(180)를 작동하여 안전핀(181)을 프레임(120)의 홀(122)에 삽입시킴으로써, 상부 진공챔버(130)의 예기치 않은 추락을 방지한다. 이때 안전핀 실린더(180)에 설치된 센서(182)는 안전핀(181)의 출몰여부를 검출함으로써 안전핀(181)이 안전하게 고정되어 있는지를 자동으로 체크하고, 만약 고정되지 않았을 경우, 경고등 또는 소리로서 작업자에게 알리게 된다.
이후, 상부 가열판(134)에 몰드를 위치시킨 상태에서 흡착구(134-1)로 진공압에 제공되도록 하여 몰드를 고정시키고, 다시 상부 가열판(134)의 주위에 설치된 상부 고정지그(135)들을 이용하여 몰드를 고정시킨다. 이와 마찬가지로 하부 가열판(114)에 성형물을 위치시키고 하부 가열판(114)에 구비된 흡착구(114-1) 및 하부 고정지그(115)들을 이용하여 성형물을 고정시킨다.
상기와 같이 작업을 위한 준비가 완료되면, 안전핀(181)에 의해 상부 진공챔버(130)의 구속이 해제되도록 안전핀 실린더(180)를 작동한 후, 승하강용 실린더(150)를 이용해 상부 진공챔버(130)를 하강시키게 된다. 이처럼 하강하는 상부 진공챔버(130)가 하부 진공챔버(110)에 근접하게 되면 두 진공챔버(110,130)에 각각 구비된 가이드봉(117)과 가이드(137)가 결합되어 상부 진공챔버(130)의 이동을 안내함으로써 두 진공챔버(110,130)가 정확한 위치에게 결합될 수 있도록 돕게 된다.
한편 상하부 진공챔버(130,110)가 결합되면, 클램프(160)의 고정용 실린더(161)가 작동하여 고정레버(162)를 이용해 상부 진공챔버(130)를 눌러줌으로써 상하부 진공챔버(130,110)가 견고히 밀착되도록 고정하게 된다.
다음으로 성형을 위한 분위기의 조성을 위해 질소투입구(171)를 통해 질소를 투입시키게 된다. 이때 챔버 내부의 공기는 개방구(172)를 통해 대기로 배출된다. 이처럼 일정시간 질소를 투입하고 나면, 질소투입구(171)와 개방구(172)는 차단되고, 다시 공기 흡입구(173)가 개방됨과 더불어 미도시된 진공펌프가 작동하여 챔버내를 진공화 시키게 된다.
상기와 같이 성형을 위한 진공분위기가 조성되면, 상부 가열판(134)과 하부 가열판(114)의 니켈선에 전원이 인가되어 몰드와 성형물을 가열하게 되며, 이때 상부 보조냉각판(133)과 하부 보조냉각판(113)의 냉각채널로는 공기만이 순환되게 함으로써 불필요한 열의 손실을 방지하여 가열판(114,134)의 가열효율을 높이고, 상부 냉각판(132)과 하부 냉각판(112)의 냉각채널로 냉각수가 순환되어 챔버 외부로 열이 전도되는 것을 차단하게 된다.
상기 상부 가열판(134)과 하부 가열판(114)이 일정온도에 이르게 되면, 성형용 실린더(140)가 작동하여 상부 냉각판(132)의 하부에 구비된 상부 보조냉각판(133)과 상부 가열판(134) 및 몰드를 하강시키게 되며, 몰드와 성형물이 접촉하게 되면, 가장 작은 압력으로 접촉력을 유지하게 된다. 여기서 몰드와 성형물의 접촉은 성형물과 몰드가 접촉할 때 유압컨트롤러에 구비된 압력센서의 갑작스런 변화를 프로그램을 통해 검출하게 되며, 이때의 압력을 유지하게 된다. 한편 상기 유압컨트롤러 및 그에 구비된 압력센서는 공지된 기술로서 그 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 몰드와 성형물이 접촉을 유지한 상태에서 상부 가열판(134)과 하부 가열판(114)의 니켈선으로 전원이 다시 인가되어 온도를 더 높이게 되고, 설정된 온도에 이르게 되면 일정시간을 유지한 후, 성형용 실린더(140)를 작동하여 몰드를 하강시킴으로서 가압력을 높여 설정된 가압력을 일정시간 유지하게 된다.
이후, 상부 보조냉각판(133)과 하부 보조냉각판(113)의 냉각채널에 공기가 순환되도록 하여 상하부 가열판(134,114)이 서서히 냉각되도록 함으로써 성형물의 잔류응력을 감소시키고, 상하부 가열판(134,114)이 일정온도까지 냉각되면, 상부 보조냉각판(133)과 하부 보조냉각판(113)에 냉각수가 순환되도록 하여 상하부 가열판(134,114)을 빠르게 냉각되도록 한다.
이후, 성형용 실린더(140)를 작동하여 몰드를 비롯한 상부 가열판(134)등을 원위치로 복귀시키고, 진공펌프의 작동을 멈춘 다음, 개방구(172)를 개방하여 공기를 투입함과 동시에 질소투입구(171)를 통해 질소를 투입함으로서 챔버내의 대기화 속도를 높이게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 챔버내의 압력이 대기압까지 도달하면 클램프(160)를 이용한 상부 진공챔버(130)의 구속을 해제하고, 승하강용 실린더(150)를 이용하여 상부 진공챔버(130)를 상승시킨 뒤, 안전핀 실린더(180)를 이용하여 상부 진공챔버(130)를 구속하고, 성형된 제품을 취출함으로써 성형을 완료하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 상부 진공챔버와 하부 진공챔버에 의해 몰드 및 성형물의 가열과 냉각이 독립된 방식으로 구성되어 성형물의 특성에 따라 상하부 진공챔버의 온도를 달리 할 수 있게 됨에 따라 보다 다양한 소재를 성형할 수 있게 되었고, 냉각계통의 구조를 개선함으로써 가열이나 냉각시 소요되는 공정시간을 단축할 수 있게 되었으며, 성형시 발생되는 부품의 변형을 억제하여 대면적 전사성을 향상시킬 수 있게 되었다.

Claims (8)

  1. 사발형상으로 형성되어 내부에 성형물이 장착되고, 장착된 성형물을 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비되며, 하단부 외주연을 감싸도록 설치되어 성형압력에 의한 변역을 억제하는 지지링(118)이 구비된 하부 진공챔버(110);
    상기 하부 진공챔버(110)가 설치되는 프레임(120);
    상기 하부 진공챔버(110)와 결합되어 성형을 위한 챔버를 형성하도록 뒤집어 놓은 사발형상으로, 내부에 몰드가 장착되고, 장착된 몰드를 가열 및 냉각하는 니켈선 및 냉각채널이 구비된 상부 진공챔버(130);
    상기 상부 진공챔버(130)의 상부에 설치되어 상부 진공챔버(130)에 장착된 상기 몰드를 승하강시키는 성형용 실린더(140);
    상기 상부 진공챔버(130)의 상부에 위치하도록 상기 프레임(120)에 설치되며, 상기 상부 진공챔버(130)와 연결되어 상부 진공챔버(130)를 승하강시키는 승하강용 실린더(150);
    상기 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)의 결합상태를 구속하도록 상기 프레임(120)에 설치된 다수개의 클램프(160)들 및
    상기 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)의 결합에 의해 형성된 챔버를 진공화시키는 진공수단(170);을 구비하는 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 진공챔버(110)는,
    상기 프레임(120)에 설치된 사발형상의 하부 챔버몸체(111);
    상기 하부 챔버몸체(111)의 내부에 설치되며 외부로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 냉각채널이 내부에 구비된 하부 냉각판(112);
    상기 하부 냉각판(112)의 상부에 설치되고, 내부에 하부 냉각판(112)의 냉각채널과는 또 다른 냉각채널이 구비되어 냉각수 또는 공기가 선택적으로 순환되는 하부 보조냉각판(113);
    상기 하부 보조냉각판(113)의 상부에 설치되며 인가되는 전기에 의해 열을 발산하는 니켈선이 구비된 하부 가열판(114); 및
    상기 하부 가열판(114)의 상부에 놓여지는 성형물의 둘레에서 상호 등각도 간격을 갖도록 설치되어 성형물을 고정하는 다수개의 하부 고정지그(115)들;로 구성된 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 진공챔버(130)는,
    뒤집어 놓은 사발형상의 상부 챔버몸체(131);
    상기 상부 챔버몸체(131)의 내부에 설치되며 외부로부터 공급되는 냉각수가 순환되는 냉각채널이 내부에 구비된 상부 냉각판(132);
    상기 상부 냉각판(132)의 하부에 설치되고, 내부에 상부 냉각판(132)의 냉각 채널과는 또 다른 냉각채널이 구비되어 냉각수 또는 공기가 선택적으로 순환되는 상부 보조냉각판(133);
    상기 상부 보조냉각판(133)의 하부에 설치되며 인가되는 전기에 의해 열을 발산하는 니켈선이 구비된 상부 가열판(134); 및
    상기 하부 가열판(114)의 하부에 위치하는 몰드의 둘레에서 상호 등각도 간격을 갖도록 설치되어 몰드를 고정하는 다수개의 상부 고정지그(135)들;로 구성된 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 진공챔버(110)의 내측에 설치되어 상기 상부 진공챔버(130)와의 거리를 측정하는 비접촉식 센서(116); 및
    상기 비접촉신 센서의 수직 상부에 위치하도록 상기 상부 진공챔버(130)의 내측에 설치는 타겟(136);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 진공챔버(130)와 함께 승하강하도록 설치되며, 상부 진공챔버(130)가 완전히 상승되었을 때, 프레임(120)에 형성된 홀(122)에 일치하는 안전 핀(181)이 출몰가능하게 구성된 안전핀 실린더(180)를 더 포함하여 상부 진공챔버의 예기치 않은 추락을 방지하는 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 진공챔버(110)를 중심으로 원형 배열구조를 갖도록 설치된 다수개의 가이드봉(117)들;
    상기 상부 진공챔버(130)를 중심으로 원형 배열구조를 갖도록 설치되어 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)가 근접하면 상기 가이드봉(117)이 내부로 삽입되어 두 진공챔버(110,130)가 정위치에서 밀착되도록 안내하는 원통형의 가이드(137)들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 진공수단(170)은,
    상기 하부 진공챔버(110)에 구비되어 하부 진공챔버(110)와 상부 진공챔버(130)의 결합에 의해 형성되는 챔버로 질소가 투입되도록 하는 질소투입구(171);
    상기 질소투입구(171)를 통한 질소 투입시 챔버를 대기개방시키는 개방구(172); 및
    상기 질소투입구(171)를 통한 질소의 투입이 완료되어 질소투입구(171) 및 개방구(172)가 차단되면, 챔버의 진공화를 위한 진공펌프와 챔버를 연결하여 챔버를 진공화시키는 공기 흡입구(173);로 구성된 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 클램프(160)들은,
    상기 하부 진공챔버(110)의 주위에서 하부 진공챔버(110)를 중심으로 원형배열구조를 갖도록 상기 프레임(120)에 설치되며,
    각각의 클램프(160)들은, 상기 프레임(120)에 설치된 고정용 실린더(161)와, 상기 고정용 실린더(161)의 실린더로드에 일단이 연결되고 그의 중심부가 고정용 실린더(161)로부터 수직하게 연장된 힌지브라켓(163)에 회동가능하게 결합되며 나머지 타단이 하부 진공챔버(110)을 향해 연장되게 형성된 고정레버(162)로 구성된 것을 특징으로 하는 열-가압방식의 마이크로 패턴 성형장치.
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