KR101208548B1 - 사출금형장치와 사출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출금형장치 및 사출방법, 그리고, 사출금형장치용 스탬퍼의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 효율적이고 경제적으로 미세패턴이 형성될 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 캐비티가 형성되는 제1금형부와;상기 제1금형부에 결착가능하게 배치되는 제2금형부와;상기 제1금형부와 상기 제2금형부 사이에 마련되며 미세패턴이 형성되는 스탬퍼와; 상기 스탬퍼의 표면온도를 조절하기 위한 온도조절장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치 및 사출방법을 제공한다.

제1금형부, 제2금형부, 온도조절장치, 스탬퍼.

Description

사출금형장치와 사출방법{AN APPARATUS HAVING INJECTION MOLD AND A METHOD FOR INJECTION MOLDING}

본 발명은 사출금형과 사출방법 및 사출금형용 스탬퍼 제작방법에 관한 것으로서, 상세하게는 미세 패턴이 형성되는 사출품을 보다 효율적이며 경제적으로 생산할 수 있는 사출금형장치 및 그 사출금형을 이용한 사출방법, 그리고, 그 사출금형용 스탬퍼 제작방법에 관한 것이다.

사출성형은 일정한 형상을 가진 금형의 캐비티 내부로 용융된 수지를 유입시켜 충진하고, 이를 냉각함으로써 캐비티의 형상과 동일한 제품을 형성하는 방법이다.

특히 이러한 사출성형은 플라스틱 제품을 대량으로 생산하는데 일반적으로 이용되는 제작방법이며, 시대가 발전함에 따라 내구성이 강한 고강도의 중합체로 구성되는 플라스틱 제품에 대한 수요가 현저하게 증대되고 있어서, 이러한 사출성형방법도 다양한 분야에 적용되고 있는 실정이다.

최근에는 일반적인 가정용 플라스틱 제품 뿐만 아니라, 우주 항공분야나 정 밀광학기기 분야에 사용되는 플라스틱 제품을 생산하는데 있어서도 사출성형방법이 사용되고 있으며, 특히, 미세하고도 정밀한 패턴이 요구되는 제품에도 적용되고 있다.

즉, 표면에 수십 나노 내지 수십 마이크로미터 크기의 미세패턴이 존재하는 플라스틱 구조물을 생산하기 위한 방법으로 사출성형이 이용되는 것이다.

그런데, 그러한 나노 또는 마이크로 크기의 미세패턴을 구비하는 플라스틱 성형물을 제공하기 위해서는 그 미세패턴에 상응하는 별도의 스탬퍼를 이용하며, 이러한 스탬퍼는 일종의 판(plate) 형태로 제공되는 것이 일반적이다.

이러한 미세패턴을 구비하는 스탬퍼를 이용하여 빛의 보강간섭 및 소멸간섭 현상에 따른 광학적 효과를 구현할 수 있는 성형물을 제작할 수 있는데, 예를 들어서 그러한 미세패턴에 따른 나노선폭을 이용하여 고분해능분광계에 사용하거나, 빛의 산란을 촉진하는 패턴을 형성하여 LCD 부품의 백라이트 유닛(Back Light Unit)으로 사용할 수 있다.

또한, 극미세 패턴의 규칙적인 배열을 통하여 광밴드갭(Photonic Band Gap) 효과를 발생시킴으로써 그 극미세 패턴에서 특정파장의 빛만 반사하고 나머지 빛은 투과 및 흡수시키는 특징을 갖게 할 수도 있다.

일반적으로, 이러한 미세 또는 극미세 패턴을 갖는 스탬퍼를 제작하기 위해 LIGA(Lithographie, Galvanoformug, Abformung in German) 공정이 이용된다. 즉, 이 공정은 기판을 세척하는 단계, 세착한 기판위에 감광막을 도포하는 단계, 도포된 감광막을 열처리(Soft Bake)하는 단계, 소정 형태의 패턴마스크를 올리고 노광 하는 단계, 노광된 감광막을 통해 현상하는 단계, 감광막이 부분적으로 제거된 곳에 열처리(Hard Bake)를 통해 소정 형태의 형상을 만드는 단계, 제작된 형상위에 전도층(Cu, Ni 등)막을 증착하는 단계, 완성된 패턴금속(Cu, Ni 등) 면을 니켈도금을 통해 마스터 스탬퍼를 제작하는 단계, 및 상기 마스터스탬퍼를 이형시켜 재도금하여 스탬퍼를 제작하는 단계를 포함하고 있다.

그런데, 이러한 스탬퍼의 제작방법은 마이크로크기(1μm 이상)의 패턴을 가진 스탬퍼의 제작에는 시간 및 비용상 유용하나, 나노크기(1μm 미만)의 패턴을 가진 스탬퍼를 제작하는데는 시간적인 면이나 비용적인 부적절하다. 왜냐하면 노광 및 열처리하는 경우에 정밀도가 크게 요구되기 때문이다.

또한, 패턴의 피치 및 높이를 상기 LIGA방법으로 조절하는 경우에도, 공정의 정밀도가 높아야만 하고 고비용이 소요되는 문제가 있다.

또한, LIGA방법에 의해서는 대면적(지름 4 인치 이상)의 원판 형태의 스탬퍼의 제작이 어렵고 또한, 그러한 스탬퍼의 곡률화가 어렵다는 문제점이 있다.

결국 LIGA방법에 의하여 스탬퍼를 제작하고 이를 이용하여 사출성형을 하는 경우에, 사출품의 형상변경 또는 일정한 구성요소의 수치를 변경하는 경우 비용 및 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있는 것이다.

또한, 일반적인 사출금형을 이용하여 미세패턴을 갖는 사출물을 생산하는 경우에, 스탬퍼의 표면이 수지의 유리전이 온도 이하의 온도를 갖고 있어서 미세패턴이 사출물에 완전하게 전사되기도 전에 사출물이 굳어져 버림으로써 미세패턴의 생성이 불완전해진다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정밀도가 요구되는 미세패턴을 갖는 스탬퍼를 이용하여 사출성형을 하여 사출품을 생산하는 경우에, 스탬퍼의 형상 변경 및 피치 등과 같은 규격의 변경이 용이하게 이루어지게 함으로써 다양한 형태의 사출물을 생산할 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 사출과정 중에 스탬퍼의 온도를 일정 온도 이상으로 유지되도록 하여 사출물에 미세패턴이 완전하게 형성될 수 있도록 하는 발명을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 캐비티가 형성되는 제1금형부와;상기 제1금형부에 결착가능하게 배치되는 제2금형부와;상기 제1금형부와 상기 제2금형부 사이에 마련되며 미세패턴이 형성되는 스탬퍼와; 상기 스탬퍼의 표면온도를 조절하기 위한 온도조절장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치를 제공한다.

또한, 상기 온도조절장치는 상기 제2금형부에 마련되는 히터와; 상기 제2금형부와 접촉가능하도록 배치되는 냉각금형과; 상기 냉각금형을 구동시키는 냉각금형 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2금형부에 마련되어 상기 냉각금형이 수용가능하게 배치되는 수용부와; 상기 수용부 내부에 마련되어 상기 냉각금형의 이동을 안내하는 가이드 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각금형은 상기 가이드 부재를 따라서 슬라이드 이동가능하게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각금형 구동부는 상기 제2금형부에 마련되는 제1자석부와;상기 냉각금형에 마련되는 제2자석부를 더 포함하며, 상기 제1자석부와 상기 제2자석부는 상호간에 인력 또는 척력이 발생하여 상기 제2금형부와 상기 냉각금형을 이격 또는 접촉시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1자석부와 제2자석부 중 어느 하나는 전자석으로 구성되고 다른 하나는 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각금형 구동부는 상기 제2금형부 외부에 마련되는 서보모터와, 상기 수용부 내부에 마련되고 상기 냉각금형과 연결되어 상기 서보모터의 작동신호에 따라서 상기 냉각금형을 상기 제2금형부에 접촉시키거나 이격시키는 이동부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각금형 구동부는 상기 제2금형부 외부에 마련되는 유압장치와; 상기 수용부 내부에 마련되고 상기 냉각금형과 연결되어 상기 유압장치의 작동신호에 따라서 상기 냉각금형을 상기 제2금형부에 접촉시키거나 이격시키는 실린더부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스탬퍼의 미세패턴은 사출물의 표면에 성형되는 구조가 딤플구조로 형성되도록 상기 딤플구조에 대응되는 패턴으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스탬퍼는 금속물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스탬퍼는 니켈(Ni)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도조절장치은 상기 스탬퍼의 표면온도를 상기 캐비티로 유입되는 수지의 유리전이온도 이상으로 올릴 수 있도록 마련되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 제1금형부와 제2금형부 사이에 마련되는 미세패턴이 형성된 스탬퍼를 가열하는 스탬퍼 가열단계와; 상기 제1금형부와 상기 제2금형부 사이에 밀폐된 캐비티가 형성되도록 상기 제1금형부와 제2금형부를 밀착시키는 금형부 이동단계와; 상기 제1,2금형부로 용융수지를 유입시키는 수지유입단계와; 상기 수지유입단계 종료 후 제1,2금형부 및 상기 스탬퍼를 냉각시키는 냉각단계와; 사출물을 이형시킬 수 있도록 상기 제1,2금형부를 이격시키는 금형부 이격단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사출방법을 제공한다.

또한, 상기 스탬퍼 가열단계는 상기 수지유입단계 이전에 상기 스탬퍼의 표면온도를 상기 수지의 유리전이온도 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스탬퍼의 가열단계는 상기 스탬퍼가 부착된 제2금형부에 내장된 히터를 동작시켜 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스탬퍼의 냉각단계는 상기 제2금형부와 이격되어 배치되는 냉각금형을 상기 제2금형부와 접촉시켜서 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 기판에 증착된 금속층에 대하여 양극산화법을 실행하여 상기 금속층에 소정의 미세패턴이 형성되도록 하는 금속층 산화단계와;상기 산화되는 금속층에 대하여 소정의 전압을 인가하여 미세패턴의 크기를 조절하는 전압인가단 계와; 상기 금속층에 형성된 산화층을 제거하는 식각단계와; 상기 산화층을 제거한 후 형성된 미세패턴이 모사된 스탬퍼가 형성되도록 상기 패턴에 소정의 금속층을 도금하는 단계와; 상기 미세패턴이 형성된 스탬퍼를 분리하는 스탬퍼 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치용 스탬퍼 제작방법을 제공한다.

또한, 상기 전압인가단계에 인가되는 전압은 상기 스탬퍼의 미세패턴에 의하여 간섭되어 나타나는 빛이 국부적으로 달라지도록 상기 산화되는 금속층에 따라 국부적으로 다르게 인가되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하여 스탬퍼에 대한 급속한 온도조절이 가능하게 함으로써 스탬퍼의 미세패턴에 대한 전사성이 개선될 수 있다.

또한, 온도조절이 급속도로 이루어짐에 따라서 사출성형물의 생산성도 개선될 수 있다는 장점도 있다.

그리고, 다양한 형태와 색깔의 사출성형물을 용이하고 저비용으로 생산할 수 있다는 장점도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 알아보기로 하겠다.

도1에서 개시된 바와 같이, 본 발명에 의한 사출금형이 사용되는 사출장치의 구성은 다음과 같다.

우선, 본 발명에 의한 사출금형은 제1금형부(10)와, 제2금형부(20)로 구성되며, 상기 제1금형부(10) 내부에는 용융수지가 유입되는 공간을 형성하는 캐비티(11)가 형성된다.

여기서 상기 제1금형부(10)의 내부에는 사출성형시 수지가 응고되지 않도록 제 1 히터(13)와 같은 가열장치 및 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(12)가 내장되는 것이 바람직하다.

상기 제2금형부(20)는 그 내부에 상기 제2금형부(20)의 온도를 가열시킬 수 있는 제2히터(22)가 마련되어 있으며, 상기 제2히터(22)의 후방에는 상기 제2금형 부(20)을 냉각시킬 수 있는 냉각금형(30)이 마련된다.

상기 냉각금형(30)은 상기 제2금형부(20) 내부에 마련되는 별도의 수용부(25)에 이동가능하게 배치되며, 상기 수용부(25) 내부에는 상기 냉각금형(30)의 이동을 안내하는 가이드부재(40)가 마련된다.

상기 냉각금형(30)과 상기 제2금형부(20)에는 각각 전자석(35)과 영구자석(59)이 배치되는데, 이와 같이 전자석(35)과 영구자석(59)을 배치하고, 전자석(35)에 일정한 전류를 걸어주게 되면, 전자석(35)과 영구자석(59) 사이에 인력 또는 척력이 발생하게 되며, 인력이 발생하게 되면, 냉각금형(30)과 제2금형부(20)가 접하게 되며, 상기 제2금형부(20)가 냉각된다.

상기 냉각금형(30) 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 유로(33)가 마련되어, 제2금형부(20)의 냉각이 필요한 경우 상기 냉각수 유로(33)로 냉각수를 유입시키면 냉기 제2금형부(20) 및 후술할 스탬퍼(500)의 온도가 급속도로 냉각되고, 이로 인하여 상기 제1,2금형부(10,20) 내부에 충진되는 수지가 응고되어 성형물이 형성되는 것이다.

상기 제1금형부(10)의 일측에는 상기 제1금형부(10)를 지지하는 제1금형지지블록(58)이 마련되고, 상기 제1금형지지블록(58)과 일정간격 이격된 부분에는 상기 제2금형부(20)를 지지하는 제2금형지지블록(60)이 마련된다.

상기 제2금형부(30)의 후방에는 상기 제2금형지지블록(60)에서 돌출되어 상기 제2금형부(20)를 상기 제1금형부(10)로 이동시키거나 제1금형부(10)로부터 이격시키는 금형이동부(38)가 마련된다.

상기 제1금형지지블록(58)의 일측에는 용용수지를 상기 제1금형부(10)방향으로 이동시키는 수지공급장치(80)가 마련되고, 상기 수지공급장치의 상부에는 용융수지가 수용되는 호퍼(70)가 마련된다.

이때, 상기 호퍼(70)의 출구 부분에서 상기 제1금형부(10)까지 용융수지를 안내하도록 상기 수지공급장치(80)와 상기 제1금형지지블록(60) 및 상기 제1금형부(10)를 관통하는 수지유로(82)가 마련된다. 도시되지는 않았지만 상기 수지유로(82)에는 용융수지를 제1금형부(10)로 급속하게 이동시키는 별도의 이송장치가 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1,2금형지지블록(58,60) 및 상기 수지공급장치(80)의 하부에는 이들을 지지하는 베이스블록(84)이 마련된다.

한편, 상기 제2금형부(20)의 일측에는 나노 또는 마이크로 크기의 미세패턴(510)을 구비하는 스탬퍼(500)가 마련되며, 상기 제2금형부(20)의 일면에는 상기 스탬퍼가 부착되도록 하는 스탬퍼부착부(20')가 마련된다.

다만, 상기 도면에서 스탬퍼의 미세패턴(510)은 이를 명확하게 나타내기 위하여 크게 그렸으나, 실제적으로는 육안으로는 식별되지 않는다.

상기 스탬퍼 부착부(20')에는 상기 스탬퍼를 고정할 수 있는 홀더(미도시)또는 지그(미도시)등과 같은 고정장치가 마련되어 사출성형시 스탬퍼(500)와 용융수지의 접촉시 그 위치가 변화가 없도록 하는 것이 바람직하다.

상기 스탬퍼(500)는 일반적으로 니켈 등과 같은 금속재료로 구성되기 때문에 사출성형시 사용되는 용융수지보다 그 표면온도가 현저하게 낮은 것이 일반적이 다.

따라서, 상대적으로 낮은 온도의 스탬퍼(500)와 높은 온도의 용융수지가 접촉하게 되는 경우에, 미세패턴(510)이 성형물에 완전하게 패터닝 되기 전에 굳어버리는 문제점이 있기 때문에 상기 스탬퍼(500)를 수지를 구성하는 중합체의 유리전이온도(Tg)이상으로 유지해야할 필요성이 생긴다.

여기서 유리전이온도란 고분자 물질이 온도에 의하여 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점을 의미하며, 유리전이 온도 이하가 되면 고분자의 수지가 고체상태가 되고 유리전이 온도 이상이 되면 고무와 같이 유동성이 있는 물질로 변하다가 궁극적으로 액상상태가 된다.

따라서, 액상상태의 수지가 스탬퍼(500)와 접촉함으로서 그 수지에 의하여 형성되는 사출물에 스탬퍼에 형성된 미세패턴과 동일한 패턴이 정확하게 형성되기 위해서는 수지의 액상상태가 소정시간동안 유지되어야 한다. 따라서, 그 시간동안에는 상기 스탬퍼의 표면온도가 유리전이온도 상태가 되어야 하는 것이다.

상기 유리전이온도는 고분자 물질의 특성에 따라 달라지는 것이나, 본 실시예에서는 약 100℃~ 120℃로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 사출장치의 베이스블록(84) 부분에는 온도제어장치(85)가 마련된다.

특히, 상기 제2금형부(20)에 마련되는 냉각금형(30) 및 제2히터(22)는 상기 스탬퍼(500)의 급속가열 및 급속냉각을 수행하는 것이 주목적이므로, 상기 온도제어장치(85)는 상기 스탬퍼(500) 표면의 급속온도 조절을 위주로 그 역할을 수행하 게 되는 것이다.

본 발명의 제1실시예에 의하여 상기 미세패턴(510)이 형성된 스탬퍼(500)를 이용하여 사출성형하는 경우를 알아보기로 하겠다.

도1에서 개시된 바와 같이, 우선 상기 미세패턴(510)이 형성되는 스탬퍼(500)를 상기 제2금형부(20)의 스탬퍼 부착부(20')에 결합하고 고정시킨다. 그 후, 별도의 조작버튼을 입력하여 상기 스탬퍼(500)의 표면온도와 상기 제1,2금형부(10,20)가 일정온도 이상이 되도록 명령하면, 상기 제1,2 히터부(13,22)에 전류가 흘러 열저항에 의하여 상기 제1,2금형부(10,20)가 가열되고, 아울러 상기 스탬퍼(500) 또한 가열되어 일정온도 이상이 된다.

상기 스탬퍼(500)가 일정한 온도, 예를 들면 유리전이온도까지 도달하는 시간은 히터가 작동된 직후부터 1분 정도 소요되는 것이 보통이다.

이때, 상기 전자석(35)에는 일정한 전류가 흘러서 상기 영구자석(28)과 전자석 사이에 척력이 발생하기 때문에 상기 제2금형부(20)와 상기 냉각금형(30)이 이격상태를 유지하게 된다.

이와 같이 제2금형부(20)와 상기 냉각금형(30)이 이격상태를 유지하고, 상기 제1,2금형부(10,20)과 상기 스탬퍼(500)가 가열된 상태를 유지하면서, 도2에서 개시된 바와 같이, 상기 제2금형부(20)가 상기 제1금형부(10) 방향으로 이동하여 양자가 결착하게 되면, 상기 제1금형부(10)와 상기 스탬퍼(500) 사이에 사출물 형태의 밀폐된 캐비티(11)가 형성된다.

도3에서 개시된 바와 같이, 상기 제1,2금형부(10,20)가 밀착되어 밀폐 캐비 티(11)를 형성한 상태에서 상기 수지유로(82)를 통하여 용융수지(R)가 상기 캐비티(11) 내부로 유입되어 상기 캐비티(11) 내부를 충진시키고, 상기 용융수지(R)는 상기 스탬퍼(500)의 미세패턴(510)의 사이사이에 유입되어 상기 미세패턴(510)을 그대로 모사하게 된다.

이후, 상기 제1,2 히터(13,22)의 작동을 정지시키고, 상기 전자석(35)과 영구자석(59) 사이의 척력을 발생시키면, 상기 냉각금형(30)이 상기 제2금형부(20)에 접하게 되고, 동시에 상기 냉각금형(30)의 냉각수 유로부(33)와 상기 제1금형부(10)의 냉각수유로부(12)에 냉각수가 유입되면 상기 제1,2금형부(10,20) 및 상기 스탬퍼(500)가 냉각되고, 이에 따라서 상기 캐비티(11)에 충진된 수지가 고화된다.

이후, 도4에서 개시된 바와 같이, 상기 제2금형부(20)를 상기 제1금형부(10)와 이격시키면 상기 개방된 캐비티(11) 에는 상기 스탬퍼(500)의 미세패턴부(510)가 패터닝된 사출물(F)이 얻어지게 되는 것이다.

도5는 본 발명의 제2실시예에 관한 것으로서, 제1실시예와의 차이점은 상기 냉각금형이 제1실시예에서는 영구자석과 전자석의 척력과 인력에 의하여 움직였던 것이나, 제2실시예에서는 상기 냉각금형이 상기 제2금형부 외부에 있는 서보모터(90)에 의하여 움직인다는 것이다.

이를 위하여, 상기 수용부(25)내부에는 상기 냉각금형(30)을 상기 제2금형부(30) 방향으로 움직이게 하거나 이격시키기 위한 이동부재(92)가 마련된다.

여기서, 상기 이동부재(92)는 상기 서보모터(90)의 구동에 따라서 상기 냉각금형을 밀거나 잡아당길 수 있게 된다. 상기 제2실시예에서의 서보모터(90)는 외부 신호에 따라서 정확한 위치와 속도를 추종할 수 있어서, 상기 냉각금형(30)의 이동을 정확하게 제어할 수 있게 된다.

상기 서보모터(90) 및 상기 이동부재(92)를 제외한 다른 구성요소 및 이들의 작동은 제1실시예와 동일하기 때문에 그 설명을 생략하기로 하겠다.

도6은 본 발명의 제3실시예에 관한 것으로서, 여기서는 상기 냉각금형(30)을 움직이는 장치가 유압장치 또는 공압장치(95)로 구성되고 있으며, 상기 수용부(25) 내부에는 상기 냉각금형(30)과 연결되는 실린더(98)가 마련되어 있다. 따라서, 상기 유압장치 또는 공압장치의 작동에 의하여 상기 실린더(98)가 상기 냉각금형(30)을 상기 제2금형부(20) 방향으로 밀거나 당겨서 상기 냉각금형(30)과 상기 제2금형부(20)를 접촉시키거나, 또는 이들을 이격시킴으로써 상기 제2금형부(20)과 상기 스탬퍼(500)의 냉각을 조절할 수 있게 되는 것이다.

상기 제1 내지 제3실시예에서 사용되는 스탬퍼(500)는 종래의 기술과 같이 LIGA방법으로 제작된 것이 아니라, AAO(Anodized Aluminum Oxide) 방법에 의하여 제작된 것으로, 이와 같은 스탬퍼의 제작공정 및 스탬퍼의 패턴 피치 조절방법에 대하여 알아보기로 하겠다.

우선 상기 사출금형에 사용되는 금속재질의 스탬퍼를 마련하기 위한 마스터 스탬프의 제작과정을 보면, 도7a에서 개시된 바와 같이, 소정의 기판(300)위에 알루미늄(Al)과 같은 금속(400)을 5~10μm 증착시킨 후에, 도7b에서 개시된 바와 같이, 전해연마(Electropolishing) 공정을 통하여 표면조도(roughness)를 바람직하게는 3~5nm이하로 조절한다.

다음으로 도7c에서 도시된 바와 같이 제1차 양극산화단계와 도7d에서 도시한 바와 같은 식각단계 및 도7e에서 도시한 바와 같은 2차 양극산화단계를 실행하여 일정한 크기의 피치 또는 반지름을 갖는 나노크기의 패턴(410) 또는 홀이 규칙적으로 분포하는 금속산화물로 이루어지는 마스터 스탬퍼가 마련되는 것이다.

각 단계를 구체적으로 알아보면, 도7c에서 도시된 바와 같은 1차 양극산화를 진행하면 알루미늄층(400)의 일부가 전해제와 접촉하여 알루미나(Al₂O₃)(400')로 변화하고, 소정 깊이를 갖는 미세패턴(410)이 형성된다.

다음으로 도7d에서 도시된 바와 같은 식각공정을 수행하여 제1차 양극산화공정에 의하여 생성된 알루미나를 제거하면 도시된 바와 같이 기판(300)의 상면에는 알루미늄(400)만이 잔류한다.

다음으로, 도7e에서 도시된 바와 같이, 2차 양극산화단계를 실행하면 알루미늄이 알루미나(440)로 변화한다. 이 과정에서 미세패턴(420)을 기판(300)의 표면에 근접하는 깊이를 가지도록 하고, 그 폭을 넓힌다. 이 과정에서 상기 미세패턴(420)과 기판(300) 사이에는 양극산화 과정에서 형성되는 부산물로 이루어진 장벽층(430)이 형성된다.

이러한 장벽층(430)을 산용액을 이용하여 제거하면 미세패턴(420)을 갖는 마스터 스탬퍼가 제작되는 것이다.

그리고, 도7g와 같이 상기 미세패턴 위에 이들을 덮는 니켈(Ni)이나 구리(Cu)와 같은 구조물(500)을 도금(electroforming)공정을 통하여 형성하고, 이후 7h와 같이 그 도금구조물(500)을 상기 기판으로부터 떼어내면 소정의 미세패턴(510)을 가지고 내구성을 가진 금속 스탬퍼가 제작되는 것이다.

이와 같이, AAO방법은 정확하고 재현가능한 제어가 가능하며, 단순하면서도 저렴하게 원하는 패턴을 갖는 스탬퍼를 제작할 수 있게 된다.

한편, 상기 마스터 스탬퍼를 제작하는 경우, 패턴의 피치를 조절하여 마스터 스탬퍼의 색상을 조절할 수 있게 되는데, 이는 나노크기 수준의 미세패턴에 빛이 입사되는 경우 빛의 소멸간섭과 보강간섭에 의하여 특정파장의 빛은 반사되어 그 색을 띠게 되고, 다른 특정파장의 빛은 미세패턴을 지나치게 되어 보이지 않게되는 특성을 이용한 것이다.

이는 빛의 파동성을 이용한 것이다.

이와 같이, 미세패턴의 피치를 조절하면 하나의 스탬퍼의 색상을 단일색으로 할 수 있거나, 국부적으로 각각 다른 색을 가질 수 있게 된다.

즉, 도8에서 개시된 바와 같이, 마스터 패턴을 제작하기 위한 베이스판(600)에 상기 알루미늄(400)이 증착된 기판을 배치하고, 전해액을 투입 한 뒤에 상호 원형으로 복수의 전극(620)을 상호 이격되게 배치한다. 그리고, 상기 기판에는 전압을 공급하도록 하는 전선(A)를 연결한다.

한편, 상기 베이스판(600) 위에는 커버(700)가 덮혀지게 되는데, 상기 베이스판(600)에 형성된 제1설치공(610)과 커버(700)에 형성된 제2설치공(710)은 서로 대응되게 마련되고, 상기 제1,2설치공(610,710)에 소정의 고정부재를 삽입하여 상기 마스터 스탬퍼 제작공정시 상호 이탈되지 않도록 고정시킨다.

각각의 전극(620)에 소정의 전압을 인가하게 되면, 상술한 바와 같이 산화작용에 의하여 상기 기판위에 미세 패턴이 형성되게 된다.

각 전극에 동일한 전압을 인가되면, 동일한 피치의 패턴이 기판 전체에 걸쳐서 형성되지만, 도9와 같이 일부 전극에 인가되는 전압과 다른 전극에 인가되는 전압을 다르게 인가하게 되면, 각 전압이 인가된 부분마다 미세패턴의 피치가 달라지게 되고, 각 피치가 달라지게 됨에 따라서 보강간섭이 될 수 있는 파장의 영역이 달라지게 되어 결국 국부적으로 외부에서 보여지는 색상이 달라지게 되는 것이다.

인가된 전압(130V~170V)에 따라서 미세패턴의 피치가 달라져 마스터 스탬퍼의 색상이 각 독특한 색상을 갖게 되는 예시는 도10에 명확하게 나타나 있다.

이후, 도금과정을 통하여 그러한 마스터 스탬퍼를 모사한 금속 스탬퍼 또한 국부적으로 피치가 다른 미세패턴을 갖게 되고, 이러한 금속스탬퍼를 이용하여 사출성형을 하게 되면, 그 성형물 또한 그러한 미세패턴을 갖게 되어 다양한 색상을 갖는 사출성형물을 제작할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도8에서 개시된 AAO공정 장치를 이용하면, 각 기판에서 균일한 산화공정을 수행할 수 있다. 즉, 기판과 접촉하는 전극(620)을 기판 주위로 균일하게 배치하면, 전압/전류의 편차를 줄일 수 있게 되어 대면적 스탬퍼의 제작도 가능해진다.

도11a 내지 11f는 곡면형상의 마스터 스탬프 및 금속스탬퍼를 제작하는 공정으로서, AAO공정을 이용하면 곡면 형상의 알루미늄 기판위에 상기 도7a에서 7h에서 수행되었던 공정을 실행하면 곡면형태의 스탬퍼를 얻을 수 있다. 즉, LIGA에서는 감광막 도포, 열처리, 노광 등의 단계가 정밀하게 수행되어야 하는 바, 곡률을 가진 스탬퍼를 제작하기 어려웠으나, 상술한 AAO 공정을 통해서는 곡률을 가진 알루미늄기판을 이용하여 그 곡면에 상응하는 금속 스탬퍼를 제작할 수 있고, 이러한 금속스탬퍼를 이용하여 곡면을 가진 사출성형물을 제작할 수 있게 되는 것이다.

이러한 곡면스탬퍼의 제작공정은 평면상태의 스탬퍼 공정과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 하겠다.

도12와 도13은 상술한 곡면스탬퍼를 이용하여 사출성형 작업을 하는 것인데, 이러한 곡면스탬퍼를 이용하여 사출작업을 하게 되면 곡면을 가진 사출성형물을 제작할 수 있고, 스탬퍼의 곡면을 다양하게 변형하면 그에 따라서 다양한 형상의 사출성형물을 제작할 수 있게 되는 것이다.

이에 따른 사출성형 작업은 도1내지 도6에 개시된 사출장치를 이용하는 공정과 실질적으로 동일한 것으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 하겠다.

도14(a)는 스탬퍼의 미세패턴을 나타낸 것이고, 도14(b)와 도14(c)는 본 발명에 의한 사출금형 장치로 스탬퍼의 미세패턴을 사출성형하는 경우에 있어서 급속온도조절장치를 사용하지 않은 경우와, 사용한 경우의 사출성형물에 형성된 패턴을 나타낸 것이다.

즉, 도14(b)는 본 발명과 같은 급속온도조절장치를 사용하지 않은 경우에는 사출물 표면에 딤플 형태의 미세패턴이 제대로 형성되지 못하여, 미세패턴사이의 벽이 상대적으로 두껍게 형성되어 있다.

이는 수지 용융체에 스탬퍼의 미세패턴이 완벽하게 전사되기 전에 수지 용융 체가 스탬퍼의 낮은 온도에 의하여 굳어져 버렸다는 것을 의미하는 것이다.

본 발명의 경우 급속온도조절장치를 사용함으로써 도14(c)에서 개시된 바와 같이 상대적으로 얇은 벽을 갖는 딤플을 형성하였고, 그 형상 또한 14(a)에서 나타난 스탬퍼의 미세패턴과 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

즉, 이는 급속온도조절장치를 사용하게 되면, 스탬퍼에 대한 전사성이 현저하게 개선된다는 것을 의미한다.

한편, 도15(a)는 원자현미경(AFM)을 통하여 스탬퍼의 미세패턴의 깊이를 나타낸 것이고, 도15(b)와 도15(c)는 원자현미경(AFM)을 통하여 급속온도조절장치를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 사출성형물에서의 미세패턴의 깊이를 나타낸 것이다. 여기서 스탬퍼 미세패턴은 양각이고 사출성형물의 미세패턴은 음각형태를 띠고 있다.

도15(b)에서 개시된 바와 같이, 급속온도조절장치를 사용하지 않은 경우에는 딤플과 같은 미세패턴의 벽이 다소 완만하고 그 깊이는 약 100nm정도가 됨을 알 수 있다.

그러나, 15(c)에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 급속온도조절장치를 사용하는 경우에는 그 미세패턴의 벽이 날카롭고 그 깊이는 약 150nm에 근접함을 알 수 있다.

도16은 본 발명에 의한 제어블록도를 나타낸 것이다. 이를 보면, 상기 사출장치를 제어하는 제어부(800)의 입력부에는 전원을 공급하는 전원부(810)와, 사용자가 사출장치를 조작가능하도록 하는 조작부(820)가 마련된다.

한편, 상기 제어부(800)의 출력부에는 제2금형부를 구동시키는 금형이동부(38)와, 상기 상기 제2금형부(20)와 스탬퍼의 온도를 조절하기 위하여 상기 제2히터(22)와 상기 냉각금형(30)을 제어하는 온도조절장치(85)와, 캐비티 방향으로 수지를 공급하는 수지공급부(80)가 연결된다. 그리고, 상기 제1금형부(10)를 가열하는 제1히터(13)도 상기 제어부(800)의 출력부에 연결된다.

도17은 본 발명에 의한 제어흐름도로서, 본 발명에 의한 제어흐름을 보면 다음과 같다.

우선 사출성형을 위한 명령이 입력되면 상기 제1금형을 제1히터를 이용하여 가열하고(S100), 한편 스탬퍼의 온도가 올라가도록 상기 온도조절장치가 구동되는데(S102) 이때 제2히터도 작동을 하여 상기 제2금형부와 상기 스탬퍼가 가열된다.

이때, 상기 냉각금형은 상기 제2금형이 이격된 상태를 유지하고 있어서, 상기 제2히터의 열이 상기 스탬퍼로 방해받지 않고 전달될 수 있도록 한다.

그 상태에서 상기 제2금형부가 이동하여 상기 제1금형부와 결착되고(S103), 그 상태에서 상기 스탬퍼의 온도가 수지의 유리전이온도(Tg) 미만인지 확인하여 미만이라고 판단되면, 계속적으로 상기 스탬퍼로 열이 전달되도록 하고, 유리전이온도(Tg) 이상이라고 판단되면(S104), 온도조절장치를 정지시켜 상기 스탬퍼로의 열공급을 중단하고(S105) 수지를 캐비티 내부로 공급한다(S108).

이는 상기 스탬퍼로의 열공급이 중단되어 상기 스탬퍼에 남아있는 잔류열에 의하여 수지의 유동성이 확보되기 때문이고, 일반적으로 사출성형에 의하여 수지가 유입되고 고화되는 시간이 비교적 짧기 때문이다.

이후, 수지공급이 완료되었는지 여부를 판단하고(S109) 이후, 수지가 완전하게 충진되도록 공기를 추가적으로 공급하는 보압과정을 거친후(S110), 제1히터를 정지시키고(S112), 이후 상기 제1금형부와 제2금형부를 냉각한다(S114).

여기서 제1금형부의 냉각은 상기 제1금형부에 마련된 냉각수 유로로 냉각수를 공급하여 이루어지고, 제2금형부 및 스탬퍼의 냉각은 상기 냉각수 유로가 마련되는 상기 냉각금형이 상기 제2금형부와 접촉하여 이루어지게 된다.

이후, 냉각이 일정정도 이루어졌다고 판단되면, 상기 제1금형부와 제2금형부를 분리한 뒤에(S116), 사출물을 상기 제1금형부에서 인출하면 사출공정이 완료된다(S118).

도1내지 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 사출금형장치의 측면도이다.

도5는 본 발명의 제2실시예에 의한 사출금형장치의 측면도이다.

도6는 본 발명의 제3실시예에 의한 사출금형장치의 측면도이다.

도7(a) 내지 도7(h)는 본 발명의 사출금형에 사용되는 스탬퍼의 제작공정을 나타낸 측단면도이다.

도8은 본 발명의 스탬퍼의 제작공정을 수행하는 장치의 평면도이다.

도9는 본 발명에 의한 스탬퍼의 제작공정을 나타낸 측단면도이다.

도10은 인가전압 변화에 따른 스탬퍼의 색상변화를 나타낸 도면이다.

도11(a) 내지 11(f)는 본 발명의 사출금형에 사용되는 곡면스탬퍼의 제작공정을 나타낸 측단면도이다.

도12내지 도13은 곡면스탬퍼를 사용하는 사출금형장치의 측면도이다.

도14(a)는 본 발명의 스탬퍼의 미세패턴의 확대 사진이다.

도14(b)는 온도조절장치를 사용하지 않은 상태의 사출성형물의 미세패턴의 확대사진이다.

도14(c)는 온도조절장치를 사용한 상태의 사출성형물의 미세패턴의 확대사진이다.

도15(a)는 본 발명의 스탬퍼의 미세패턴을 나타낸 그래프이다.

도15(b)는 온도조절장치를 사용하지 않은 상태의 사출성형물의 미세패턴을 나타낸 그래프이다.

도15(c)는 온도조절장치를 사용한 상태의 사출성형물의 미세패턴을 나타낸 그래프이다.

*발명의 주요구성에 대한 설명*

10: 제1금형부 20: 제2금형부

25: 수용부 30: 냉각금형

35: 전자석 59: 영구자석

90: 서보모터 95: 유압장치

85: 온도조절장치 500: 스탬퍼

510: 미세패턴

Claims (18)

1. 캐비티가 형성되는 제1금형부와;

   상기 제1금형부에 결착가능하게 배치되는 제2금형부와;

   상기 제1금형부와 상기 제2금형부 사이에 마련되며 미세패턴이 형성된 스탬퍼와;

   상기 스탬퍼의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치를 구비하고,

   상기 온도조절장치는

   상기 제2금형부에 마련되는 히터와;

   상기 제2금형부와 접촉가능하도록 배치되는 냉각금형과;

   상기 냉각금형을 구동시키는 냉각금형 구동부를 포함하며,

   상기 스탬퍼는 기판에 증착된 금속층에 양극산화법을 실행하여 미세패턴을 형성하고 산화된 금속층에 복수의 전극을 배치하고 상기 복수의 전극에 각각 소정의 전압을 인가함으로써 상기 미세패턴의 피치가 조절된 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2금형부에 마련되어

   상기 냉각금형이 수용가능하게 배치되는 수용부와;

   상기 수용부 내부에 마련되어 상기 냉각금형의 이동을 안내하는 가이드 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 냉각금형은 상기 가이드 부재를 따라서 슬라이드 이동가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 냉각금형 구동부는

   상기 제2금형부에 마련되는 제1자석부와;

   상기 냉각금형에 마련되는 제2자석부를 더 포함하며,

   상기 제1자석부와 상기 제2자석부는 상호간에 인력 또는 척력이 발생하여 상기 제2금형부와 상기 냉각금형을 이격 또는 접촉시키는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1자석부와 제2자석부 중 어느 하나는 전자석으로 구성되고 다른 하나는 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
7. 제3항에 있어서,

   상기 냉각금형 구동부는 상기 제2금형부 외부에 마련되는 서보모터와, 상기 수용부 내부에 마련되고 상기 냉각금형과 연결되어 상기 서보모터의 작동신호에 따라서 상기 냉각금형을 상기 제2금형부에 접촉시키거나 이격시키는 이동부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
8. 제3항에 있어서,

   상기 냉각금형 구동부는 상기 제2금형부 외부에 마련되는 유압장치와;

   상기 수용부 내부에 마련되고 상기 냉각금형과 연결되어 상기 유압장치의 작동신호에 따라서 상기 냉각금형을 상기 제2금형부에 접촉시키거나 이격시키는 실린더부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 스탬퍼의 미세패턴은 사출물의 표면에 성형되는 구조가 딤플구조로 형성되도록 상기 딤플구조에 대응되는 패턴으로 마련되는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 스탬퍼는 금속물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 스탬퍼는 니켈(Ni)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
12. 제1항에 있어서,

    상기 온도조절장치는 상기 스탬퍼의 표면온도를 상기 캐비티로 유입되는 수지의 유리전이온도 이상으로 올릴 수 있도록 마련되는 것을 특징으로 하는 사출금형장치.
13. 제1금형부와 제2금형부 사이에 마련되는 미세패턴이 형성된 스탬퍼를 가열하는 스탬퍼 가열단계와;

    상기 제1금형부와 상기 제2금형부 사이에 밀폐된 캐비티가 형성되도록 상기 제1금형부와 제2금형부를 밀착시키는 금형부 이동단계와;

    상기 제1,2금형부로 용융수지를 유입시키는 수지유입단계와;

    상기 수지유입단계 종료 후 제1,2금형부 및 상기 스탬퍼를 냉각시키는 냉각단계와;

    사출물을 이형시킬 수 있도록 상기 제1,2금형부를 이격시키는 금형부 이격단계를 포함하고,

    상기 스탬퍼는 기판에 증착된 금속층에 양극산화법을 실행하여 미세패턴을 형성하고 산화된 금속층에 복수의 전극을 배치하고 상기 복수의 전극에 각각 소정의 전압을 인가함으로써 상기 미세패턴의 피치가 조절된 것을 특징으로 하는 사출방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 스탬퍼 가열단계는 상기 수지유입단계 이전에 상기 스탬퍼의 표면온도를 상기 수지의 유리전이온도 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 하는 사출방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 스탬퍼의 가열단계는 상기 스탬퍼가 부착된 제2금형부에 내장된 히터를 동작시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 사출방법.
16. 제13항에 있어서,

    상기 스탬퍼의 냉각단계는 상기 제2금형부와 이격되어 배치되는 냉각금형을 상기 제2금형부와 접촉시켜서 수행하는 것을 특징으로 하는 사출방법.
17. 삭제
18. 삭제

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