KR100768329B1 - 미세 표면 구조물 성형 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 표면에 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하기 위한 성형 금형에 있어서, 상판과 하판으로 분리되어 내부에 플라스틱 성형재료가 주입되기 위한 캐비티 공간을 형성하는 금형 베이스와; 플라스틱 성형재료를 가열하기 위한 전원을 공급하는 전원수단; 및 금형 베이스 상판과 하판 사이에 형성된 캐비티 공간에 배치되고, 전원수단에 의해 공급되는 전원에 대하여 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열되며, 상하면에 금형 베이스와의 절연을 위한 절연층이 형성된 스탬퍼를 포함하는 미세 구조물 성형 금형이 제공된다. 개시된 미세 구조물 성형 금형에 따르면, 스탬퍼가 전원공급수단에 의해 공급되는 전원에 대하여 직접 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열되도록 함으로써 가열효율이 높은 동시에 균일한 온도분포 상태를 유지할 수 있으며, 스탬퍼의 구조가 간단하여 추가적인 내부가공 공정이 요구되지 않으므로, 제작 비용이 저렴한 동시에 내구성이 우수한 장점을 갖는다.

플라스틱, 미세 구조물, 성형, 금형, 스탬퍼, 저항

Description

미세 표면 구조물 성형 금형{Mold for molding nano／micro surface structure}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구조물 성형 금형의 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 스탬퍼의 사시도이고,

도 3은 도 1에 도시된 스탬퍼와 전원공급수단 및 가변저항의 연결관계를 개략적으로 나타낸 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...미세 구조물 성형 금형 110...금형 베이스

120...스탬퍼 130...전원수단

140...가변저항수단 150...지그

본 발명은 성형 금형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 형성하기 위한 미세 구조물 성형 금형에 관한 것이다.

표면에 수십 나노 내지 수십 마이크로미터 크기의 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물의 사출 혹은 압축 성형을 위한 금형에는, 이러한 플라스틱 구조물을 성형하기 위한 미세 패턴이 형성되어 있어야 하는데, 이를 위하여 금형 내부의 캐비티(Cavity) 공간에는 얇은 판 형태의 스탬퍼(Stamper)가 구비된다. 이와 같이 얇은 판 형태의 스탬퍼는, 그 표면에 미세 패턴을 구현하기가 매우 용이하여 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하는데 널리 적용되고 있으며, 고온 고압의 플라스틱 구조물 성형 공정에서 요구되는 내구성을 위하여 금속 재질로 제작된다.

이와 같은 스탬퍼가 구비된 금형을 이용하여 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하는 경우, 이 플라스틱 구조물의 성형을 용이하게 하기 위하여 스탬퍼를 가열하여야 하는데, 이는 플라스틱 구조물을 제조하기 위한 플라스틱 성형재료가 캐비티 공간에 균일하게 충전되도록 하고 표면에 존재하는 미세 구조물의 성형을 위한 성형 재료의 유동성을 유지하기 위함이며, 이를 위하여 금형에 가공된 채널에 고온의 오일이나 수증기를 순환시키거나 히터를 삽입하여 스탬퍼를 가열하는 방식이 일반적으로 적용된다.

그러나 이러한 가열 방식은, 열용량이 매우 큰 금형 전체 혹은 상당 부분을 가열하여야 하기 때문에 성형 공정 중 금형을 가열/냉각하여 금형 온도를 주기적으로 변화시키는 경우, 매우 오랜 가열/냉각 시간 및 가열에 따른 에너지 사용량이 과도하게 소요되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 스탬퍼 후면에 미세한 히터를 가공 부착하여 스탬퍼를 가열하는 방식이 소개되고 있으나, 이러한 방식은 내부가공에 따른 탬퍼 및 히터의 내구성 저하 문제가 발생하며, 히터 제작을 위한 추가적인 공정이 필요하므로, 스탬퍼의 제작비용이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 구조가 간단하고, 제작이 용이하며, 우수한 내구성 및 가열효율을 가지도록 스탬퍼의 구조를 개선한 미세 구조물 성형 금형을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세 구조물 성형 금형은, 표면에 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하기 위한 성형 금형에 있어서, 상판과 하판으로 분리되어 내부에 플라스틱 성형재료가 주입되기 위한 캐비티 공간을 형성하는 금형 베이스와; 상기 플라스틱 성형재료를 가열하기 위한 전원을 공급하는 전원수단; 및 상기 금형 베이스 상판과 하판 사이에 형성된 캐비티 공간에 배치되고, 상기 전원수단에 의해 공급되는 전원에 대하여 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열되며, 상하면에 상기 금형 베이스와의 절연을 위한 절연층이 형성된 스탬퍼를 포함한다.

또한, 상기 전원수단과 스탬퍼 사이에는, 상기 스탬퍼의 가열온도를 조절하기 위한 가변저항수단이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스탬퍼는, 알루미늄 재질로 형성되며, 표면에 산화알루미늄 재질로 절연층이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 스탬퍼는, 니켈 또는 스테인리스 재질로 형성된 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구조물 성형 금형의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스탬퍼의 사시도이다.

먼저, 도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 구조물 성형 금형(100)은, 표면에 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하기 위한 것으로서, 금형 베이스(110)와, 스탬퍼(120)와, 전원수단(130) 및 가변저항수단(140)을 포함한다.

먼저, 상기 금형 베이스(110)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 구조물 성형 금형(100)의 외형을 이루는 것으로서, 상판(111) 및 하판(112)으로 분리 되어 내부에 플라스틱 성형재료가 주입되기 위한 캐비티(Cavity) 공간(부호생략)이 형성된다. 이러한 상기 금형 베이스(110)는 일반적인 내용이므로, 여기서는 금형 베이스(110)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고 이와 같이 금형 베이스(100)의 상판(111)과 하판(112) 사이에 형성된 캐비티 공간에는, 캐비티 공간에 주입되어 성형된 플라스틱 제품의 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 스탬퍼(120)가 배치된다.

상기 스탬퍼(120)는, 상기한 바와 같이 금형 베이스(100)에 형성된 캐비티 공간에 배치되며, 금형 베이스(100)의 하판(112)에 안착 되어 지그(150)로 고정될 수 있다. 이러한 스탬퍼(120)는, 금형 베이스(100)의 상판(111)과 하판(112) 사이에 형성된 캐비티 공간에 플라스틱 용융물이 주입되어 성형되는 플라스틱 제품의 표면에 미세 패턴이나 미세 구조물을 형성하기 위한 성형 틀로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 상부면에 플라스틱 구조물 표면의 미세 패턴을 성형하기 위한 미세 패턴(121)이 다수 형성되어 있다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 원형 홈 형상의 미세 패턴(121)이 상기 스탬퍼(120) 상부면 표면에 다수 형성된 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 미세 패턴(121)의 형상은 성형하고자 하는 플라스틱 구조물 표면의 미세 패턴의 형상에 따라 변형되어 적용될 수 있음이 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 자명하다고 볼 것이다.

한편, 상기와 같은 스탬퍼(120)는, 금형 베이스(100)의 상판(111)과 하판(112) 사이에 형성된 캐비티 공간에 주입된 플라스틱 성형재료를 성형하고자 하 는 플라스틱 구조물로 형성함에 있어서, 플라스틱 성형재료가 캐비티 공간에 주입되기 전에 미리 신속하게 가열되고 성형이 완료된 후 신속히 냉각되도록 하는 것이 바람직한데, 스템퍼의 가열은 주입된 성형재료인 고온의 플라스틱 용융물이 캐비티나 스탬퍼에 존재하는 미세 패턴 틀을 완전히 채우기 전에 용융물이 냉각 고화되어 제품의 미성형이 발생하는 것을 방지하여 의도하는 제품을 성형할 수 있도록 하고 성형된 미세 패턴 플라스틱 제품을 냉각 고화시켜 변형됨 없이 제품을 이형할 수 있도록 하기 위함이며, 성형이 완료된 후 스탬퍼의 냉각은 성형된 미세 패턴 플라스틱 제품을 냉각 고화시켜 변형됨 없이 제품을 이형할 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 이러한 가열 및 냉각 과정의 신속함은 플라스틱 제품 생산의 생산성 향상을 위함이다. 이를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스탬퍼(120)는, 금속 재질로 형성되어 그 자체가 전기 저항체로 작용함으로써, 전원이 공급되는 동안 그 전면이 가열되며, 전원이 차단되면 가열이 중지되어 냉각되는 구조를 취하고 있다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스탬퍼(120)는, 금속 재질로 형성되어 이 스탬퍼(120)로 전원을 공급하는 전원수단(130)과 연결됨으로써, 전원공급수단(130)에 의해 공급되는 전원에 대하여 전기 저항체로 작용하는 구조를 취하고 있다. 이를 위하여, 상기 스탬퍼(120)는, 알루미늄, 니켈, 스테인리스 등의 금속재질로 형성되며, 그 상하면에는 상기 전원공급수단(130)으로부터 전원이 공급되는 스탬퍼(120)와 금형 베이스(110)와의 절연을 위한 절연층(122)이 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 스탬퍼(120)의 재질로서 나열된 알루미늄, 니켈, 스테인리스 등 의 금속 중에서, 알루미늄 재질로 스탬퍼(120)를 형성하는 것이 가장 바람직한데, 알루미늄 재질로 형성된 스탬퍼(120)는, 우수한 내구성과 열전도율을 가질 뿐 아니라, 그 표면에 절연층(122)을 형성하기가 용이하기 때문이다. 즉, 알루미늄 재질로 형성된 스탬퍼(120)는, 스탬퍼(120)와 금형 베이스(110) 사이의 절연을 위해 추가로 절연층을 가공할 필요 없이 알루미늄 재질로 형성된 스탬퍼(120)에 형성된 산화 알루미늄(Aluminum Anodized oxide;AAO) 층을 직접 절연층으로 사용할 수 있다. 이에 따라, 알루미늄 재질로 형성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스탬퍼(120)는, 그 구조가 단순화됨으로써, 저렴한 비용으로 용이하게 제작할 수 있는 동시에 내구성이 향상되는 장점이 있게 된다.

도 3은 도 1에 도시된 스탬퍼와 전원공급수단 및 가변저항의 연결관계를 개략적으로 나타낸 회로도이다.

아래에, 도 3을 참고하여 스탬퍼와 전원공급수단 및 가변저항의 연결관계를 간략히 설명한다.

도면을 참고하면, 상기 스탬퍼(120)는, 상기한 바와 같이 전원공급수단(130)과 연결되어 이 전원공급수단(130)에 의해 공급되는 전원에 대하여 전기 저항체로 작용하게 된다. 여기서, 상기 전원공급수단(130)은, 필요에 따라 직류 또는 교류가 모두 적용될 수 있다. 상기 스탬퍼(120)는, 이와 같이 전원공급수단(130)에 의해 공급되는 전원에 대하여 직접 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열됨으로써, 부가적인 가열 매체에 의한 종래 방식에 비하여 가열효율이 높은 동시에 그 자체가 발열하기 때문에 온도분포 상태가 균일할 뿐 아니라, 공급전력에 따라 초당 5℃ 이 상으로 빠르게 가열할 수 있다. 또한, 구조가 간단하여 스템퍼에 대한 추가적인 내부가공 공정이 요구되지 않음에 따라 제작 비용이 저렴한 동시에 내구성이 우수한 장점을 갖는다.

한편, 상기 스탬퍼(120)와 전원공급수단(130) 사이의 소정 위치에는, 도시된 바와 같이, 가변저항수단(140)이 더 구비될 수 있다. 이러한 가변저항수단(140)은, 전원공급수단(130)에 의해 공급되는 전원에 대하여 직접 전기 저항체로 작용하여 가열되는 스탬퍼(120)와 동시에 전기 저항체로 작용하는 것으로서, 그 저항이 가변 될 수 있도록 구비되어 스탬퍼(120)의 가열온도를 조절하는 역할을 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 스탬퍼가 전원공급수단에 의해 공급되는 전원에 대하여 직접 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열되도록 함으로써 가열효율이 높은 동시에 균일한 온도분포 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 스탬퍼의 구조가 간단하여 추가적인 내부가공 공정이 요구되지 않으므로, 제작 비용이 저렴한 동시에 내구성이 우수한 장점을 갖는다.

Claims (4)

1. 표면에 미세 패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 성형하기 위한 성형 금형에 있어서,

   상판과 하판으로 분리되어 내부에 플라스틱 성형재료가 주입되기 위한 캐비티 공간을 형성하는 금형 베이스와;

   상기 플라스틱 성형재료를 가열하기 위한 전원을 공급하는 전원수단과;

   상기 금형 베이스 상판과 하판 사이에 형성된 캐비티 공간에 배치되고, 상기 전원수단에 의해 공급되는 전원에 대하여 전기 저항체로 작용하여 그 전면이 가열되며, 상하면에 상기 금형 베이스와의 절연을 위한 절연층이 형성된 스탬퍼; 및,

   상기 전원수단과 스탬퍼 사이에 구비되어, 상기 스탬퍼의 가열온도를 조절하는 가변저항수단을 포함하는 미세 구조물 성형 금형.
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