KR101217283B1 - 멀티-어레이 툴 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초정밀 표면 가공 및 태양전지, 반도체 등 초정밀 패턴 가공 후 표면의 형상이나 특성을 예측할 수 있는 멀티-어레이 툴의 제조가 손쉽게 이루어질 수 있도록 기존 멀티-어레이 툴의 팁 제조 공정상의 단점을 효과적으로 해소할 수 있는 새로운 가공방법에 의한 멀티-어레이 툴 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록, 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 구비한 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

멀티-어레이 툴 및 그 제조방법{method for fabricating tip of multi array tool and method for fabricating the same}

본 발명은 멀티-어레이 툴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초정밀 표면이 필요한 연삭, 연마 가공 분야 및 태양전지, 반도체 등 초정밀 패턴 가공 분야에 적용하기 위한 멀티-어레이 툴 및 그의 제조에 관한 것이다.

일반적으로 초정밀 표면 가공이나 패턴가공에는 일반적으로 경도가 높은 재질을 사용하여 툴을 제작하고 이러한 툴을 사용하여 가공을 진행한다.

이러한 가공방법은 연삭/연마에서도 동일하게 적용된다. 하지만 연삭/연마 툴의 경우 가공입자를 고정해주는 재료와의 혼합에 의하여 가공 표면의 형상이나 특성을 예측하기 어렵다는 단점이 있다.

한편, 나노/마이크로급 스케일에서 발생하는 현상에 관한 여러 가지 연구가 진행되면서 나노/마이크로 표면 및 표면 패턴에 관한 설계 및 해석 기술이 크게 발달하고 있다.

특히 로터스 효과(lotus effect)와 같이 실생활에 적용하기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있으며, 이와 같은 패턴의 적용을 위해서는 자연물에 대한 측정과 측정된 현상에 대한 해석, 그리고 실제 제작을 위한 제작 기술의 발달이 필요하다.

이에 따라, 측정과 패턴 해석에 관한 연구의 결과로 설계된 패턴을 실제 제작하기 위해서 다양한 방법이 이용되고 있다. 패턴 제작의 대표적인 방법으로 MEMS 공정을 이용한 방법이 있는데, 이는 공정의 복잡성에 의해 대량생산과 대면적 생산성에서 불리하고, 환경적인 문제가 제기되고 있어 그에 따른 대체 공정이 요구되고 있는 실정이다.

패턴 제작의 또 다른 방법으로는 MEMS 공정을 통하여 패턴의 마스터(Master)를 제작하고 임프린트(Imprint)와 핫-엠보싱(Hot-embossing)을 이용하여 제작하는 기술을 이용하고 있다.

그러나, 패턴 마스터를 사용한 임프린트(Imprint)나 핫-엠보싱(Hot-embossing) 공정은 대량생산에 적합한 반면, 다양한 재료 및 패턴의 적용이 어렵다는 단점을 가진다.

따라서, 초정밀 표면 가공시 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록 함과 아울러, 패턴 가공에 있어서 기존 공정의 문제점(예를 들어, 공정의 복잡성이나 다양한 재료 및 패턴의 적용 어려움)을 해결할 수 있는 새로운 가공 툴에 대한 기술 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초정밀 표면 가공 및 태양전지, 반도체 등 초정밀 패턴 가공 후 표면의 형상이나 특성을 예측할 수 있는 멀티-어레이 툴의 제조가 손쉽게 이루어질 수 있도록 기존 멀티-어레이 툴의 팁 제조 공정상의 단점(예를 들어, MEMS공정의 복잡성 등)을 효과적으로 해소할 수 있는 새로운 가공방법에 의한 멀티-어레이 툴 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 멀티-어레이 툴은, 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록, 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 구비하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

전술한 구성에 있어서, 상기 멀티-어레이 된 팁은, 내주면이 외측 방향으로 상향 경사진 복수개의 홀이 형성되고, 각각의 홀이 접하는 경계 부분에는 골이 형성되며, 상기 골과 이어지는 홀 주변부에는 첨탑 형태의 팁이 형성되어서, 그 형태가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

전술한 구성에 있어서, 상기 멀티-어레이 된 팁은, 다각형의 토대에 측면이 한 개의 꼭지점에서 만나는 첨탑 형태의 팁이 행렬을 이루도록 형성되어서, 그 형태가 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술사상에 의한 멀티-어레이 툴의 제조방법에 따르면, 레이저빔에 의한 가공을 통해 플레이트 표면에 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 형성하여, 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록 한 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

전술한 구성에 있어서의 멀티-어레이 툴 제조방법은, 상기 레이저빔을 플레이트 표면에 일정 각도로 경사지게 한 상태에서 조사하여 내주면이 외측방향으로 상향 경사진 홀을 형성하되,

상기 홀을 정해진 간격으로 복수개 형성하며, 각각의 홀 사이의 경계 부분에 레이저빔이 중첩되도록 하여 중첩된 부분에 골이 형성되면서 홀 주변부에 복수 개의 첨탑 형태의 멀티-어레이 된 팁이 형성되도록 한 것을 특징으로 한다.

한편, 전술한 구성에 있어서의 멀티-어레이 툴 제조방법은, 레이저빔을 플레이트 표면에 일정 각도로 경사지게 한 상태에서 조사하여 다각형의 토대에 측면이 한 개의 꼭지점에서 만나는 첨탑 형태의 팁을 형성하되,

상기 팁이 일정 간격과 패턴을 유지하면서 돌출되도록 형성하여서 된 것임을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 초정밀 표면 가공 및 태양전지, 반도체 등 초정밀 패턴 가공 후 표면의 형상이나 특성을 예측할 수 있는 멀티-어레이 툴의 제조가 손쉽게 이루어질 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 멀티-어레이 툴의 팁을 단순한 기계적 가공에 의해 제조함으로써, 기존 멀티-어레이 툴의 팁 제조 공정상의 단점,- 예를 들어, MEMS공정의 복잡성 등-을 효과적으로 해소할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티-어레이 툴의 팁을 나타낸 사시도로서, 초경합금으로 된 베이스층이 생략된 상태의 그림
도 2는 본 발명의 멀티-어레이 툴의 팁 제조 공정을 설명하기 위한 모식도
도 3은 본 발명의 멀티-어레이 툴의 팁 제조시의 골 형성을 위한 레이저빔 조사 방법을 설명하기 위한 모식도
도 4는 도 3의 본 발명의 제작 방법에 따라 제작된 멀티-어레이 팁의 실제 사진
도 5는 본 발명의 멀티-어레이 툴의 팁 제작 방법의 다른 실시 예를 나타낸 모식도
도 6은 본 발명의 멀티-어레이 툴의 다른 구조 예를 나타낸 사시도
도 7은 도 6의 본 발명 멀티-어레이 툴의 변형 예를 나타낸 평면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부 도면 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예1]

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 멀티-어레이 툴은 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록, 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 구비한다.

이때, 상기 멀티-어레이 된 팁은, 내주면이 외측 방향으로 상향 경사지게 형성되는 복수개의 홀(2)과, 상기 각각의 홀(2)이 접하는 경계 부분에는 형성되는 골(3)과, 상기 골(3)과 이어지는 홀(2) 주변부에는 형성되는 첨탑 형태의 팁(1)을 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 팁(1)은 다이아몬드 소결체(PCD ; Polycrystalline Diamond) 재질로 이루어지며, 팁(1)의 선단부에는 평탄면(1a)이 구비된다.

한편, 상기 홀(2)은 레이저빔의 조사에 의해 형성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 멀티-어레이 툴의 팁 제조 과정 및 작용은 다음과 같다.

먼저, 초경합금과 같이 고온특성이 좋고 강성이 좋은 재료로 이루어진 베이스층(5) 위에 다이아몬드 분말을 소결하여 다이아몬드 소결체층(6)을 형성함으로써 멀티-어레이 툴의 팁 제작을 위한 플레이트를 완성한다.

이어, 완성된 플레이트의 준비가 완료되면 플레이트에 레이저빔을 조사하여 홀(2)을 가공하게 되는데, 레이저빔을 일정 각도(α) 플레이트 표면에 대해 경사지게 조사하여 내주면이 외측방향으로 상향 경사진 홀(2)이 형성되도록 한다.

이때, 상기 홀(2)은 정해진 간격으로 복수 개 형성하며, 각각의 홀(2) 사이의 경계 부분에 레이저빔이 중첩되도록 한다.

이에 따라 레이저빔이 중첩된 부분에 골(3)이 형성되면서 홀(2) 주변부에 복수 개의 첨탑 형태의 멀티-어레이 된 팁(1)이 형성된다.

상기와 같이 소결된 다이아몬드에 레이저빔을 조사하여 가공할 경우, 레이저빔의 에너지로 인하여 높은 열이 발생하고 그 열로 인하여 소결입자들이 부서져 나가게 되며, 이로 인해 다이아몬드 소결체를 원하는 형상으로 제작 가능하다.

참고로, 도 1 및 도 4는 초경합금으로 된 베이스층(5)이 생략된 상태의 그림 및 사진으로서, 다이아몬드 소결체인 멀티-어레이 된 팁(1)만 도시되어 있고, 초경합금으로 된 베이스층(5)의 도시는 생략되어 있다.

한편, 레이저빔의 조사시, 레이저빔의 도달 거리의 조정에 의해 가공 깊이를 조절할 경우, 홀(2)의 형성시 홀 내부 영역의 다이아몬드 소결체층(6)뿐만 아니라 초경합금으로 된 베이스층(5)까지도 제거할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 멀티-어레이 툴은 첨탑형태로 돌출된 팁(1)이 정해진 간격과 패턴을 유지하면서 가로 및 세로 방향으로 배열되기 때문에 초정밀 표면 가공 분야 및 태양전지, 반도체 등 초정밀 패턴 가공 분야에 적용시 가공 표면의 형상이나 패턴의 가공 특성을 예측할 수 있게 된다.

[실시예2]

도 5는 본 발명의 멀티-어레이 툴의 팁 제작 방법의 다른 실시 예를 나타낸 모식도로서, 본 실시 예는 초경합금 재질의 베이스층(5) 만으로 이루어진 플레이트에 대해 소정 깊이까지 레이저빔을 조사하여 정해진 간격 이격된 복수 개의 홀(2)을 가공함으로써 멀티-어레이 된 팁(1)을 만든 경우를 나타낸다.

즉, 본 실시 예는 초경합금 위에 다이이몬드 소결체층(6)을 형성하지 않는 점에서 실시예1과 차이가 있으며, 레이저빔 조사에 의한 가공 원리는 동일하다.

이 경우는 초경합금의 멀티-어레이 된 팁(1)만으로도 충분히 초정밀 표면 가공 및 등 초정밀 패턴 가공이 가능한 경우에 효과적으로 적용될 수 있음은 물론이다.

[실시예3]

도 6은 본 발명의 멀티-어레이 툴의 다른 구조 예를 나타낸 사시도로서, 본 실시 예에 따른 멀티-어레이 툴은, 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁(1)을 구비한다.

이때, 상기 멀티-어레이 된 팁(1)은, 다각형의 토대에 측면이 한 개의 꼭지점에서 만나는 첨탑 형태의 팁이 행렬을 이루도록 형성되어서, 그 형태가 이루어지며, 레이저빔에 의해 가공된다.

그리고, 상기 팁(1)은 다이아몬드 소결체(PCD ; Polycrystalline Diamond) 재질로 이루어지며, 팁(1)의 선단부에는 평탄면(1a)이 구비된다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 멀티-어레이 툴은, 초경합금 재질의 베이스층(5) 만으로 이루어진 원통형 플레이트 표면에 레이저빔을 조사하여 다각형의 토대(즉, 밑면)에 측면이 한 개의 꼭지점에서 만나는 첨탑 형태의 팁이 행렬을 이루도록 가공된다.

즉, 상기 멀티-어레이 툴의 팁(1)은, 레이저빔에 의한 가공을 통해 플레이트 표면에 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖도록 형성된다.

한편, 본 실시 예와는 달리, 초경합금과 같이 고온특성이 좋고 강성이 좋은 재료로 이루어진 베이스층(5) 위에 다이아몬드 분말을 소결하여 다이아몬드 소결체층(미도시)을 형성함으로써 멀티-어레이 툴 제작을 위한 플레이트를 완성한 상태에서 레이저빔에 의한 가공을 통해 플레이트 표면에 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖도록 팁(1)이 형성될 수도 있음은 물론이다.

도 7은 도 6의 본 발명 멀티-어레이 툴의 변형 예를 나타낸 평면도로서, 초경합금 재질의 베이스층(5)만으로 이루어진 사각기둥 형태의 플레이트 표면에 4×4 배열로 멀티-어레이 팁(1)이 형성된 경우를 예시하고 있다.

하지만, 도 7과 달리, 멀티-어레이 팁(1)의 배열 수를 다른 배열 수(예; 6×6 )로 바꿀 수 있으며, 초경합금의 베이스층 위에 다이아몬드 소결체층을 올려서 된 사각기둥 형태의 플레이트를 구성한 다음, 그 표면상에 4×4 혹은 6×6 등 여러가지 배열로 멀티-어레이 팁을 형성할 수도 있음도 물론이다.

본 발명은 상기한 실시 예들로 한정되지 아니하며 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한, 다양한 형태로의 변경 및 수정이 가능하다.

따라서, 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명은 초정밀 표면 가공 및 등 초정밀 패턴 가공 후 가공 표면의 형상 및 특성을 예측할 수 있는 멀티-어레이 툴의 팁 제조가 기계적 가공에 의해 단순해짐에 따라 기존 MEMS공정의 복잡성 등을 효과적으로 해소할 수 있으므로, 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

1: 팁 1a: 평탄면
2: 홀 3: 골
5: 베이스층 6:다이아몬드 소결체층

Claims (13)

1. 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록, 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 구비하되,
   상기 멀티-어레이 된 팁은,
   내주면이 외측 방향으로 상향 경사진 복수개의 원형 홀(2)이 형성되고,
   각각의 홀(2)이 접하는 경계 부분에는 골(3)이 형성되며,
   상기 골(3)과 이어지는 홀(2) 주변부에는 첨탑 형태의 팁(1)이 형성되어,
   상기 각각의 홀(2)의 주변부에 원주방향을 따라 복수개의 팁(1)이 일정 간격으로 배열된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 팁(1)은 초경합금 또는 다이아몬드 소결체 재질임을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 홀(2)은 레이저빔의 조사에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 팁(1)의 선단부에 평탄면(1a)이 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴.
8. 레이저빔에 의한 가공을 통해 플레이트 표면에 일정한 배열 형태를 가짐과 아울러 반복적인 패턴을 갖는 멀티-어레이 된 팁을 형성하여, 초정밀 표면 가공 및 초정밀 패턴 가공 후에 가공 표면의 형상이나 특성이 예측될 수 있도록 하는 멀티-어레이 툴 제조방법에 있어서,
   상기 레이저빔을 플레이트 표면에 일정 각도로 경사지게 한 상태에서 조사하여 내주면이 외측방향으로 상향 경사진 홀(2)을 형성하되,
   상기 홀(2)을 정해진 간격으로 복수개 형성하며, 각각의 홀(2) 사이의 경계 부분에 레이저빔이 중첩되도록 하여 중첩된 부분에 골(3)이 형성되면서 홀(2) 주변부에 복수 개의 첨탑 형태의 멀티-어레이 된 팁(1)이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 제조방법.
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저빔을 플레이트 표면에 일정 각도로 경사지게 한 상태에서 조사하여 다각형의 토대에 측면이 한 개의 꼭지점에서 만나는 첨탑 형태의 팁(1)을 형성하되,
    상기 팁(1)이 일정 간격과 패턴을 유지하면서 돌출되도록 형성한 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 제조방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 플레이트는 초경합금 또는 다이아몬드 소결체 재질임을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 플레이트는 초경합금으로 된 베이스층 위에 다이아몬드 소결체층(6)을 형성하여서 됨을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 제조방법.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 홀(2)의 형성시, 레이저빔의 경사각(α) 및 홀(2)의 간격은 각 팁(1)의 선단부에 평탄면(1a)이 구비되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 멀티-어레이 툴 제조방법.

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