KR101295073B1

KR101295073B1 - 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 및 이에 의해 미세 패턴이 형성된 금속 판재

Info

Publication number: KR101295073B1
Application number: KR1020130013481A
Authority: KR
Inventors: 이경열; 이경욱; 김수한
Original assignee: (주)이모트
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-08-08
Also published as: KR20130032337A

Abstract

금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법이 제공된다. 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법은 폭 10㎝ 내지 120㎝ 이고, 원주길이가 10㎝ 내지 240㎝ 이하 크기로 미세패턴이 각인된 압연 몰드를 제작하는 단계와, 압연롤에 상기 압연 몰드를 장착하는 단계와, 금속 판재의 두께를 측정하여 상기 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 압연롤 간극을 설정하는 단계와, 상기 압연롤 간극 하에서 상기 압연 몰드로 금속 판재의 압연을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 및 이에 의해 미세 패턴이 형성된 금속 판재{THE METHOD OF FORMING FINE PATTERN ON THE SURFACE OF METAL SHEET AND FINE PATTERNED METAL SHEET USING THEREOF}

본 발명은 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 및 이에 의해 미세 패턴이 형성된 금속 판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압연몰드를 이용하여 금속판재에 미세패턴이나 입체 무늬를 형성하는 방법 및 이에 의해 미세 패턴이 형성된 금속 판재에 관한 것이다.

금속 판재 표면에 심미적 효과를 주어 금속판재 재료의 가치를 높이는 방법으로 금속판재 표면에 글씨, 도형, 문양, 그림 등을 요철로 형성시키는 여러 가지 방법들이 사용되어 왔다. 대표적인 방법으로 부식법, 음각법 및 인쇄방법 등이 있는데, 그 중 부식법은 부식에 의한 금속의 손실과 공해의 발생이 유발되며, 음각법의 경우 박판의 두께가 얇은 경우는 그 표면에 모양을 형성시키는 데에 있어서 어려운 점이 있고, 직접 조각을 함으로서 많은 시간이 소요되고, 다양한 문양을 표현하는 데에는 한계를 가지는 문제점이 있다. 또한, 인쇄방법에 의하여 요철을 형성시키는 방법은 인쇄가 지워지거나 벗겨지는 문제점으로 금속으로만 형성된 요철에 비해 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 엠보싱 롤을 이용하여 금속 판재 표면 상에 일정한 요철을 형성하는 방법 또는 강판을 조질압연할 때 요철 패턴이 형성된 중간매개체를 삽입하여 조질압연하여 전사된 요철을 형성하는 방법과 같은 압연법이 제시된 바 있다.

최근에 압연법을 이용하여 강판에 엠보싱을 형성하는 방법이 알려져 있다. 상기 압연법은 일정한 평탄면과 골로 이루어진 압연롤을 이용하여 압연을 하는 방법인데, 이로 인해, 동일한 크기의 골깊이와 골사이이 거리, 각도를 가지는 단순한 형태의 엠보싱 패턴만을 형성시킨다는 한계가 있다. 상기의 단순 압연법 이외에 금속 박판의 표면에 엠보스 요철 무늬가 형성된 복합피막을 점착한 상태에서 조질압연을 통하여 스테인레스 강판에 엠보싱 패턴을 형성시키는 방법이 개시된 바 있다. 그러나, 상기 압연법은 먼저 요철 무늬가 형성된 복합피막을 생산하고자 하는 스테인레스 양만큼 만들어야 함으로 비용이 증가하는 단점이 있다. 또한 압연 후 복합피막을 제거하여야 하는데 점착된 복합피막을 제거하기가 용이하지 않으며, 아울러 엠보싱을 형성시키기 위하여 수백톤의 압하력을 주어야 압연이 가능하므로 대형의 압연설비가 필요하다는 제약이 있다.

또한 자연 상태에 존재하는 문양이나 창작한 무늬를 직접 조각을 하여 패턴을 형성하는 경우 장시간이 소요되고, 원본과 똑같은 형상을 만들지 못하는 경우가 대부분이었다. 특히, 나노 사이즈나 마이크로 사이즈의 실크 패턴이나 천연물 패턴의 경우 조각 자체가 불가능하였다.

본 발명은 이러한 점들에 근거해 착안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 판재 표면에 원하는 다양한 패턴 및 입체 문양을 형성할 수 있는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 종래의 방법에 비해 간단한 공정으로 금속 판재 표면에 미세 패턴을 형성하여 비용 및 공기 단축 측면에서 유리한 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 자연 상태에 존재하는 문양이나 창작한 무늬와 동일한 형상을 반복적으로 금속 표면에 형성하며, 특히 나노 사이즈나 마이크로 사이즈의 실크 패턴이나 천연물 패턴을 금속 표면에 형성할 수 있는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법은 폭 10㎝ 내지 120㎝ 이고, 원주길이가 10㎝ 내지 240㎝ 이하 크기로 미세패턴이 각인된 압연 몰드를 제작하는 단계와, 압연롤에 상기 압연 몰드를 장착하는 단계와, 금속 판재의 두께를 측정하여 상기 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 압연롤 간극을 설정하는 단계와, 상기 압연롤 간극 하에서 상기 압연 몰드로 금속 판재의 압연을 수행하는 단계를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재는 상기한 단계를 거쳐서 제조되어 표면에 미세 패턴이 형성된다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 알루미늄, 마그네슘, 청동, 황동, 스테인리스 스틸 등의 금속 판재의 표면에 압연 공정으로 미세 패턴 또는 입체 무늬를 간단하고 반복적으로 형성할 수 있다.

또한, 일반적인 엠보싱 강판 제조에 비하여 공정이 단순하고 설비가 간단하여, 고비용의 생산설비 없이 완성도 높은 금속 판재 압연 제품을 제조할 수 있기 때문에, 제조비용이 상당히 절약되며 공정 관리가 용이하다는 장점이 있다.

또한 복잡하고 다양한 미세 패턴과 입체 무늬를 금속 판재 표면에 구현하는 것이 가능하여 심미적인 효과를 높여 제품의 부가가치를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중 압연 몰드를 제작하는 단계를 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중, 압연 몰드를 제작하는 단계에서 사용되는 원통형 지그의 결합 및 분리 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중, 압연 몰드를 제작하는 단계에서 원통형 지그에 폴리머 시트를 부착한 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법에서, 제작된 압연 몰드를 원통형 지그로부터 분리하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 가죽 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따른 실시예 2 및 비교예 1의 폴리머 시트에 대한 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 7은 섬유 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따른 실시예 3 및 비교예 2의 폴리머 시트에 대한 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 8은 목재 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따른 실시예 4 및 비교예 3의 폴리머 시트에 대한 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중 압연 조건을 설정하는 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중 압연을 수행하는 단계를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중 압연된 상기 금속 판재를 평탄화하는 단계를 도시한 도면이다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실크의 미세 패턴이 복제된 금속 판재 표면을 현미경으로 확대한 확대도이다.
도 13a 및 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가죽의 미세 패턴이 복제된 금속 판재 표면을 확대한 확대도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 완성된 금속 판재 표면을 나타내는 도면으로서, 미세 패턴의 깊이를 측정하기 위한 패턴이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

공간적으로 상대적인 용어인 아래(below), 아래(beneath), 하부(lower), 위(above), 상부(upper) 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 아래(below)또는 아래(beneath)로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 위(above)에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 아래는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 위치할 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 상대적인 위치에 따라 해석될 수 있다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 명세서 전체에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법은 압연 몰드를 제작하는 단계(S100)와, 압연 조건을 설정하는 단계(S200)와, 상기 압연 조건 하에서 상기 압연 몰드로 금속 판재의 압연을 수행하는 단계(S300)를 포함한다.

보다 구체적으로, 압연 몰드를 제작하는 단계(S100)는, 폭 10㎝ 내지 120㎝ 이고, 원주길이가 10㎝ 내지 240㎝ 이하 크기로 미세패턴이 각인된 압연 몰드를 제작하는 단계를 포함한다. 압연 조건을 설정하는 단계(S200)는, 금속 판재의 두께를 측정하여 상기 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 압연롤 간극을 설정하는 단계를 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 압연 몰드의 폭과 원주길이는 제작할 금속 판재의 폭과 길이에 대응될 수 있다. 즉, 압연 몰드의 폭이 10cm 내외이고 원주길이가 10cm 내외인 경우 이를 이용하여 압연한 금속 판재의 폭과 길이도 10cm 내외의 값을 가질 수 있으며, 이와 같은 규격의 금속 판재는 휴대폰 외장 케이스 등의 소형 전자제품 등의 용도로 사용될 수 있다. 또한, 압연 몰드의 폭이 120cm 내외이고 원주길이가 240cm 내외인 경우에는 이를 이용하여 압연한 금속 판재의 폭과 길이도 120cm 내외 및 240cm 내외의 값을 가질 수 있으며, 이와 같은 규격의 금속 판재는 건축용 내외장 패널 등의 용도로 사용될 수 있다.

상기 압연 조건 하에서 상기 압연 몰드로 금속 판재의 압연을 수행하는 단계(S300) 이후에는 압연된 상기 금속 판재를 평탄화하는 단계(S400)가 더 수행될 수도 있다.

먼저, 압연 몰드를 제작하는 단계(S100)는 구체적으로 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면 압연 몰드를 제작하는 단계(S100)는 복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)와, 상기 전처리된 복제 대상물을 폴리머 시트에 나노임프린팅하는 단계(S120)와, 상기 나노임프린팅된 폴리머 시트의 표면을 금속화하는 단계(S130)와, 상기 표면이 금속화된 폴리머 시트를 원통형 지그에 장착하고 도금하여 도금된 원시 몰드를 제조하는 단계(S140)를 포함할 수 있으며, 나아가 상기 도금된 원시몰드의 내주면을 평탄가공하여 압연 몰드를 제조하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 복제 대상물의 전처리 하는 단계(S110)는 복제 대상물의 종류에 따라 그 방법이 변경될 수 있으며, 아래 기술된 본 발명의 방법에 전처리를 진행함으로써, 복제 대상물인 금속, 목재, 가죽 또는 섬유 등을 그대로 스탬프로서 사용할 수 있게 한다. 만일 상기 복제 대상물에 대해 전처리를 진행하지 않으면, 폴리머 시트와 박리가 원활하지 않아 복제 대상물이 폴리머 시트에 붙을 수 있어서 복제 대상물의 미세 패턴이 손상될 수 있다. 이에 따라, 복제 품질이 우수한 압연 몰드를 제조할 수 없는 문제가 발생할 수도 있다.

또한 상기 나노 임프린팅하는 단계(S120)는 수백나노미터 단위의 패턴이나 문양까지 손상 없이 동일하게 복제를 할 수 있는 특징이 있다. 다음으로, 상기 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)를 진행하지 않으면 압연 몰드를 사용하여 압연시 몰드의 평탄도 차이로 인하여 위치에 따라 복제가 잘되지 않는 문제가 있다.

이하에서는 도 2를 참조하여, 상기 압연 몰드를 제작하는 단계(S100)에 대해 보다 구체적으로 설명 한다.

복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)

본 단계에서는 복제 대상물을 선정하고 전처리한다.

복제 대상물로는 인공물이나 천연물 등 미세 패턴이나 특정한 문양을 표면에 가지는 모든 사물을 특별한 제한없이 복제 대상물로 선정하여 사용할 수 있다. 다만, 패턴 복제시 일정한 열과 압력을 가하기 때문에 열이나 압력에 의하여 쉽게 변형되어 그 미세 패턴이나 특정한 문양이 훼손되기 쉬운 것보다는, 열과 압력에도 미세 패턴이나 문양이 손상되지 않는 Au, Pt, Ni, Cu, Co, Pd 등 금속이나 Si, Ge, C, Ga, Sn, In, SiGe, GaAs, AlGaP 등 반도체, 또는 천연가죽이나 인조가죽, 목재, 패턴이나 문양이 형성된 합성 섬유나 인조 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

선정된 복제 대상물에 따라 전처리 방법이 아래와 같이 달라질 수 있다.

(금속)

금속 표면에 형성된 미세 패턴이나 문양은 고온고압 하에서도 변형이 없고 임프린팅 후 박리도 용이하다. 이러한 금속을 전처리할 때에는 우선 금속 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위한 탈지 및 세척을 하고 고온 공기로 건조한다.

(가죽)

가죽 표면에 형성된 미세 패턴이나 문양은 임프린팅 후 변형은 잘 되지 않으나 박리가 용이하지 않다. 전처리 없이 임프린팅을 할 경우 열과 압력에 의하여 폴리머가 가죽의 미세한 틈으로 스며들어 가죽에서 폴리머 시트를 박리시 박리가 잘 되지 않을 수 있다. 또한 무리하게 박리를 할 경우 가죽이 뜯겨져 복제하고자 하는 미세패턴이나 문양의 손상을 가져와 다시 스탬프로 사용하지 못할 뿐만아니라 임프린팅된 폴리머 시트의 손상으로 목적하는 미세패턴 및 문양을 얻을 수 없어 임프린팅 공정을 여러 번 반복해야한다. 따라서 임프린팅 공정의 반복으로 인한 작업시간의 손실 및 제품의 손실로 제조비용의 증가로 경제성이 떨어질 우려가 있다. 그러므로 미세 패턴이나 문양을 손상하지 않고 박리가 용이하게 일어나도록 전처리를 한다. 전처리 과정은 가죽 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위해 건조 공기로 에어(air) 세척한 후에는 가죽 표면에 이형제를 골고루 분사하여 가죽의 표면 전체에 도포되도록 수행된다.

(섬유)

섬유 표면에 형성된 미세 패턴이나 문양은 임프린팅 후 변형은 잘 되지 않으나 박리가 용이하지 않다. 그러므로 미세 패턴이나 문양을 손상하지 않고 박리가 용이하게 일어나도록 전처리를 한다.

우선, 섬유 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위하여 섬유 제품을 세탁하여 건조한 후 다림질을 하여 구김을 펴준다. 구김을 펴주지 않을 경우 임프린팅 후 구김 자국이 폴리머 시트에 복제될 수도 있다. 다림질 후에는 순수를 분무하여 각 올을 원 상태로 회복시켜 준다. 다음으로, 박리가 용이하게 일어나도록 이형 처리를 한다. 섬유의 경우 이형 처리를 하지 않으면, 임프린팅 후 박리 시 각 올이 폴리머에 박혀서 박리가 되지 않을 수 있으며, 무리하게 박리를 할 경우 섬유의 올이 뜯겨져 복제하고자 하는 섬유의 미세패턴이나 문양의 손상을 가져와 다시 스탬프로 사용하지 못할 뿐만 아니라 임프린팅된 폴리머 시트에 올이 남아 있어서 금속화 처리 후 원시 몰드를 제작하기에 적합하지 않을 수도 있고, 복제된 폴리머 시트 손상으로 목적하는 미세패턴 및 문양을 얻을 수 없어 임프린팅 공정을 여러 번 반복해야 한다. 따라서, 섬유 표면에 골고루 이형제를 분사하여 전처리를 마무리한다.

(목재)

목재 표면에 형성된 미세 패턴이나 문양은 임프린팅 후 변형은 잘 되지 않으나 박리가 용이하지 않다. 전처리 없이 임프린팅을 할 경우 열과 압력에 의하여 폴리머가 목재에 눌러 붙어서 임프린팅 후 목재에서 폴리머 시트를 박리시 박리가 잘 되지 않을 수 있다. 또한 무리하게 박리를 할 경우 목재가 뜯겨져 복제하고자 하는 패턴이나 문양의 손상을 가져와 다시 스탬프로 사용하지 못할 뿐만아니라 임프린팅된 폴리머 시트의 손상으로 목적하는 패턴 및 문양을 얻을 수 없어 임프린팅 공정을 여러 번 반복해야 한다. 따라서 임프린팅 공정의 반복으로 인한 작업시간의 손실 및 제품의 손실로 제조비용의 증가로 경제성이 떨어질 우려가 있다. 그러므로 미세 패턴이나 문양을 손상하지 않고 박리가 용이하게 일어나도록 전처리를 한다. 따라서, 목재 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위해 건조 공기로 표면을 에어 세척한 후에는 목재 표면에 이형제를 골고루 분사하여 목재의 표면 전체에 도포되도록 하여 전처리를 마무리한다.

전처리된 복제 대상물을 폴리머 시트에 나노 임프린팅하는 단계(S120)

본 단계는 전처리된 복제 대상물을 폴리머 시트에 나노 임프린팅함으로써 복제 대상물의 패턴을 폴리머 시트에 복제하는 단계이다.

이때 폴리머로는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 플라스틱, 폴리아세테이트, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리비닐옥사이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌-테레프탈레이트, 셀룰로오스-아세테이트 등을 사용할 수 있으며, 형상 등은 구체적으로 한정되지 않으나, 바람직하게는 두께 2㎜ 이상 5㎜ 이하인 폴리머 시트를 이용하는 것이 좋다.

본 단계에서는 통상적인 나노 임프린팅 장치를 이용할 수 있으며 예를 들면 다음과 같은 공정을 거칠 수 있다.

우선, 나노 임프린팅 장치 하판 위에 테프론 시트를 안착 후 복제 대상물을 테프론 시트 위에 올려 놓는다. 이 복제 대상물 위에 폴리머 시트를 올려 놓은 후, 나노 임프린팅 장치의 상판을 닫고 열과 압력을 가하여 복제 대상물 표면의 미세패턴 또는 문양을 폴리머 시트에 나노 임프린팅하여, 원하는 패턴이 표면에 임프린팅된 폴리머 시트(10)를 제작한다.

나노 임프린팅 공정은 압력 5atm 이상 20atm 이하, 온도 50℃ 이상 150℃ 이하에서 실시할 수 있다.

한편, 나노 임프린팅 공정은 두 단계로 이루어질 수도 있다. 즉, 1차 임프린팅 단계에서는 초기압을 2 atm 이하로 하여 복제 대상물과 폴리머 시트가 밀리지 않게 고정한 후, 가열판의 온도를 50℃ 이하로 가열하고, 2차 임프린팅 단계는 압력을 20atm 이하로 하고 4시간 이내로 150℃ 이하로 가열하는 단계이다.

다음으로, 압력을 제거하고 냉각수를 이용하여 가열판의 온도가 25℃ 이하가 될 때까지 냉각한다. 이후 나노 임프린팅 장치 상판을 열고 복제 대상물과 복제물인 임프린팅된 폴리머 시트(10)를 꺼내어 분리한다.

나노임프린팅된 폴리머 시트의 표면을 금속화하는 단계(S130)

본 단계는 나노 임프린팅된 폴리머 시트(10)의 표면에 금속층을 형성하는 단계이다.

본 단계에서는, 나노 임프린팅 완료 후 분리된 폴리머 시트(10)의 복제면에 표면 에칭제를 사용하여 에칭한다. 이어서 표면 활성화제를 이용하여 표면 활성화한 후 은(Ag) 용액과 환원제를 분사하여 복제면 표면에 은 표면층(12)을 형성한다.

에칭 처리는 폴리머 시트의 표면에 형성되는 은 표면층과 폴리머와의 접착이 용이하도록 폴리머 표면을 조면화(roughening)하거나 화학적으로 변성시키는 공정이다. 에칭제는 플루오르화수소(HF), 질산(HNO3), 인산, 황산, 과산화수소, 크롬산, 크롬황산(chromosulfuric acid) 등의 무기산; 아세트산(CH3COOH), 옥살산 등의 유기산; 산성이나 알칼리성 과망간산염 용액; 및 이들의 혼합용액으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 에칭제를 폴리머의 복제면에 5 내지 10초간 분사한다. 에칭 후 순수를 분사하여 세척한다.

이어서 에칭된 폴리머에 대해, 콜로이드 팔라듐, 이온성 팔라듐, 은 콜로이드, 부분 용해성 황화물, 폴리황화물(polysulfide) 등 활성화제(activator)를 분사하여 폴리머 시트(10) 표면을 활성화시킨 후, 순수를 분사하여 세척한다.

표면 활성화된 폴리머에 은 용액과 환원제를 순차적으로 분사하여 폴리머 시트(10)의 복제면 표면에 은 표면층(12)을 형성시킨다.

이때 상기 은 용액으로는 질산은 5~10g/L을 용매인 초순수에 용해시켜 제조된 것을 사용할 수 있으며, 그 농도가 특별히 한정되는 것은 아니다.

상기 환원제로는 차아인산염 나트륨, 디메틸아미노 붕산염, 하이드라진, 하이드라진 수화물, 황산하이드록실암모늄, 아황산염 또는 포름산염 등을 사용할 수 있다.

은 표면층(12)이 형성된 폴리머 시트(10)에 대해 순수를 분무하여 표면을 세척한 후 건조한다.

표면이 금속화된 폴리머 시트를 도금하여 원시 몰드를 제조하는 단계(S140)

본 단계는 표면이 금속화된 폴리머 시트(10)를 도금하여 원시 몰드를 제조하는 단계이다.

이를 위해, 본 발명은 도 3 내지 도 5에 도시된 원통형 지그(20)를 이용하며, 상기 원통형 지그(20)는 폴리머 시트(10)와 결합되어 원시 몰드와 후술할 압연 몰드(200)의 제조에 사용될 수 있다. 여기서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중, 원시 몰드를 제작하는 단계(S140)에서 사용되는 원통형 지그(20)를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법 중, 원시 몰드를 제작하는 단계(S140)에서 원통형 지그(20)에 폴리머 시트(10)를 부착한 형태를 나타낸 것이다.

우선, 은 표면층(12)이 형성된 폴리머 시트(10)를 준비된 원통형 지그(20)에 부착한다. 이때, 본 발명은 통전이 잘 되도록 임프린팅된 폴리머 시트(10)의 은 표면층(12)과 원통형 지그(20)를 동테이프를 이용하여 연결할 수 있다.

또한 상기 원통형 지그(20)는 원통형으로 이루어진 통상의 몰드 제조에 사용되는 것이면 그 종류와 형태가 특별히 한정되는 것은 아니고 상기 폴리머 시트(10)의 면적을 고려하여 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

바람직하게는, 원통형 지그(20)는 외경이 170mm, 내경이 130mm, 높이가 105mm인 것을 사용할 수 있으나, 원하는 압연 몰드의 크기에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 상기 원통형 지그(20)는 두께가 20mm인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 원통형 지그(20)는 반경으로 분리 가능한 것을 사용하며(도 3(c) 참조), 이를 위해 원통형 지그(20)의 좌우측에 분리선을 따라 결합 가능하도록 하는 볼트 수단이 구비될 수 있다. 따라서, 본 발명은 원통형 지그(20)의 좌우측에서 볼트로 결합하여 상기 폴리머 시트(10)를 부착할 수 있으며, 또한 도금층(30) 형성 및 내주면 평탄가공 후에 반경으로 분리하여 도금층(30) 및 폴리머시트(10)와 쉽게 분리가 가능하게 구성되어 있다.

도 4를 참조하면, 폴리머 시트(10)의 은 표면층(12)이 형성된 부분을 제외하고는 도금할 필요가 없기 때문에 마스킹 테이프를 이용하여 동테이프, 원통형지그(20) 외부 등을 모두 마스킹한다. 폴리머 시트(10)가 부착된 원통형 지그(20)를 가성소다, 탄산소다, 규산소다, 인산소다 당의 알칼리성염 등 금속 탈지제로 탈지한 후 순수로 세척한다.

다음으로, 은 표면층(12)이 형성된 폴리머 시트(10)가 부착된 원통형 지그(20)를 전해 도금조에 넣고 전해 도금을 한다. 전해 도금은, 형성되는 금속 도금층(30)이 원시 몰드로 사용될 수 있는 두께인 500㎛ 이상 1000㎛ 이하가 될 때까지 실시할 수 있다.

전해 도금이 완료되면, 도금된 원통형 지그(20)를 도금조에서 꺼내어 순수로 세척한 후 건조함으로써 내주면에 금속 도금층(30)이 형성된 원시 몰드를 제조한다. 이때 도금욕으로는, 형성하고자 하는 도금 금속의 종류에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 구체적으로는 산성 구리욕 또는 니켈욕 등을 사용할 수 있다.

원시 몰드 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)

본 단계는 원시 몰드 내주면을 가공하여 압연 더미롤러에 삽입함으로써 압연 몰드(200)로 사용할 수 있게 평탄 가공하는, 압연 몰드(200)의 제조 단계이다.

우선, 도금층(30)이 형성된 원통형 지그(20)를 선반에 장착한다. 원통형 지그(20)의 장착은 선반의 4번척을 이용하여 장착하고 0.2 ~ 1.0R의 바이트를 바이트홀더가 있는 공구대에 장착하여 가공 준비를 한다.

원시 몰드(100) 내주면의 가공은 회전가공을 하며, 회전속도는 60~200 RPM의 저속으로 정속 가공한다. 이때 내주면의 도금층(30)을 일정한 두께로 가공하는 바이트의 이동속도는 1리드에 0.05~0.5mm/분으로 이동하며 내주면을 가공한다. 내주면의 도금층 두께가 200~500㎛가 될 때까지 가공한다. 상기 내주면 가공을 고속으로 할 경우 마찰열이 발생하여 폴리머 시트(10)의 변형이 생겨 평탄 가공이 되지 않고, 이동속도를 빠르게 하면 도금층(30)에 가공 요철을 형성시켜 압연시 목적하는 패턴과 함께 가공 요철도 함께 복제될 수 있어서 상기와 같은 조건으로 가공해야 한다.

가공이 완료 되면 폴리머 시트(10)가 있는 원통형 지그(20)를 선반에서 분리한다. 이후, 도 5의 (c)와 같이 원통형 지그(20)를 결합한 볼트를 분리하여 폴리머 시트(10)와 내주면이 가공된 도금층(30)을 원통형 지그(20)로부터 분리한다. 그런 다음, 은 표면층(12)이 형성된 폴리머 시트(10)를 도금층(30)으로부터 제거하여 압연 몰드(200)를 제작할 수 있다. 즉, 본 발명은 도 5와 같이, 상기 단계에서 도 5(a)에 도시된 바와 같이 원통형 지그(20)에 폴리머 시트(10) 결합 후, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 내주면 도금 및 가공을 거친 다음, 도 5(c)에 도시된 바와 같이 원통형 지그(20) 분리 과정을 통해 압연 몰드(200)를 제조한다.

상기와 같은 방법에 의해 미세 패턴이나 특정한 문양을 원본과 동일하게 복제할 수 있는 압연 몰드(200)를 완성도 높게 제작할 수 있다. 완성된 압연 몰드(200)는 폭 10㎝ 내지 120㎝ 이고, 원주길이가 10㎝ 내지 240㎝ 이하 크기로 제작될 수 있으며 그 표면에는 복제대상물의 미세패턴이 형성되어 있다. 압연 몰드(200)의 폭과 원주길이는 상기 압연 몰드(200)에 의해 압연된 금속 판재의 크기와 일치하는 것이 바람직하며, 구체적으로 압연 몰드(200)의 폭은 압연될 금속 판재의 폭과 일치하며, 압연 몰드(200)의 원주길이는 금속 판재의 길이와 일치하는 것이 바람직하다.

이렇게 완성된 압연 몰드(200)는 반도체, 디스플레이를 포함하는 각종 전자 디바이스 산업 공정 등 다양한 산업분야에 이용되어 필요한 미세 패턴을 안정적이고 용이하게 형성할 수 있으며, 구체적으로 폭 10cm의 휴대전화 외장 케이스부터, 폭 120cm 이상의 건축용 내외장 판재까지 제작할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법의 압연 조건을 설정하는 단계(S200)를 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 압연 조건을 설정하는 단계(S200)는 압연 몰드 폭을 금속 판재의 폭과 일치되도록 조정하는 단계(S210)와, 압연 몰드와 압연 재료의 두께를 측정하는 단계(S220, S230)와, 측정한 값을 기준으로 하여 압연롤 간극을 결정하는 단계(S240)와, 압연기 압연롤의 간극을 조정하는 단계(S250)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 금속 판재의 두께를 측정하여 상기 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 압연롤 간극을 설정할 수 있다.

이때, 상기 압연 몰드 폭과 금속 판재의 폭을 일치되도록 조정하는 단계(S210)는 압연 몰드(200)를 이용하여 금속 판재의 표면에 압연 시 압연 몰드(200)의 손상을 방지하고 금속 판재의 표면에 미세 패턴과 입체 무늬를 정확한 위치에 형성시키고 금속 판재에 잔류응력을 최소화 하여 금속 판재가 압연 후 잔류응력으로 인하여 휘는 현상을 최소화 할 수 있기 때문이다. 만일 압연 몰드(200)가 금속 판재보다 크면 압연 시 금속 판재와 닿지 않는 압연 몰드(200)의 가장자리 부분은 힘을 받지 않게 되어 힘을 받은 부분과 구분이 되게 된다. 이렇게 되면 지속적인 압연으로 인하여 압연 몰드(200)의 응력이 가장자리로 쏠리는 현상이 발생하여 잔류응력에 위한 압연 몰드(200) 파괴가 일어날 수 있다. 그리고 금속 판재가 압연 몰드(200)보다 크면 압연 시 발생되는 응력이 금속 판재 가장자리로 몰려 금속 판재를 많이 휘게 한다. 금속 판재가 많이 휘면 후공정인 평탄화 공정(S400)에서 평탄화 시 원활하게 평탄화가 되지 않을 수 있고 무리하게 평탄화 진행 시 재료에 따라 손상이 발생할 수도 있다.

또한 압연 몰드(200)와 금속 판재의 두께를 측정(S220, S230)하여 압연롤 간극을 결정하는 단계(S240)는 본 발명의 일 실시예에서 중요한 단계이다. 압연 몰드(200)와 금속 판재의 두께 측정을 정확하게 하지 않고 압연롤 간극을 설정하면 압연 후 형성된 미세패턴과 입체 무늬의 품질에 문제가 있을 수 있다. 압연롤 간극을 적절한 간극보다 크게 결정되면 압연 후 형성된 미세패턴과 입체 무늬의 표면질감이 떨어지게 되고 광택효과가 감소하게 된다. 그리고 압연롤 간극이 작게 결정되면 압연 시 압연 몰드(200) 및 금속 판재가 과도하게 힘을 받게되어 압연 몰드(200)의 수명이 감소하게 되거나 금속 판재가 과도하게 늘어나 형성된 미세패턴과 입체 무늬의 위치가 목적하는 위치와 다르게 되어 제품의 품질을 떨어뜨리는 문제가 발생 할 수 있다.

그리고 압연기 압연롤의 간극을 조정하는 단계(S250)는 압연 몰드(200)와 금속 판재의 두께를 측정하여 결정된 폭으로 압연롤 간극을 설정하는 것으로, 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 적절한 압력이 가해질 수 있는 압연롤 간극으로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 완성된 금속 판재의 미세 패턴의 피치는 도 12a 내지 도 13b에 나타나 있다. 즉, 도 12a 및 12b는 실크의 미세 패턴이 복제된 금속 판재 표면을 현미경으로 확대한 확대도이며, 미세 패턴의 피치가 5㎛ 전후로 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 한편, 도 13a 및 13b는 가죽의 미세 패턴이 복제된 금속 판재 표면을 확대한 확대도이며, 미세 패턴의 피치가 20mm 전후를 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 금속 판재의 표면에 형성되는 미세 패턴의 피치는 복제대상물의 종류에 따라 차이가 있으며, 5㎛ 내지 20mm에 반드시 한정되는 것은 아니다.

한편, 이와 같이 완성된 금속 판재의 미세 패턴의 깊이는 도 14에 도시된 바와 같이, 최대로 돌출된 위치에서의 높이와, 최저 위치에서의 높이의 차이를 계산한 결과로 계산되며, 도 14에 도시된 패턴에서는 금속 표면의 미세 패턴의 깊이가 330㎛를 나타낸다. 이와 같은 수치는 실제 측정된 값이며, 앞서 설명한 바와 같이 복제대상물의 종류에 따라 330㎛ 전후의 수치가 나올 수 있으므로, 330㎛ 이하의 범위에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들에 따른 압연 과정은 일반적으로 금속 판재를 연신시키기 위한 압연과는 목적 및 구성과 달리, 금속 판재의 두께 변화를 최소화 한 상태에서 미세 패턴을 형성하고자 하는 것이므로, 적절한 압력이 가해지도록 압연롤 간극을 설정하는 것이 필요하다. 최종적으로 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 하기 위해서는 압연 압력이 1톤 내지 10톤 사이의 값을 가지도록 하여 일반 압연 공정에 비해 낮은 압력에서 압연이 수행될 수 있다. 1톤 이하의 압력이 가해지면 금속 판재 표면에 미세 패턴 형성 효과가 감소되어 패턴 형성이 잘 이루어지지 않으며, 10톤 이상의 압력이 가해지면 미세 패턴이 손상될 우려가 있다.

이를 종합적으로 고려하여, 압연롤 간극은 압연 몰드(200)와 금속 판재 전체 두께의 10% 내지 50% 사이의 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 압연롤 간극을 50% 보다 크게 설정하면 압연 후 형성된 미세패턴과 입체 무늬의 표면질감이 떨어지게 되고 광택효과가 감소하게 된다. 그리고 압연롤 간극이 10% 보다 작게 설정되면 압연 시 압연 몰드 및 압연 재료가 과도하게 힘을 받게 되어 압연 몰드의 수명이 감소하게 되거나 금속 판재가 과도하게 늘어나 형성된 미세패턴과 입체 무늬의 위치가 목적하는 위치와 다르게 되어 제품의 품질을 떨어뜨리는 문제가 발생 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압연을 수행하는 단계(S300)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재(1)의 압연을 수행하는 단계(S300)는 압연 몰드(200)가 위치하는 상부 압연롤(310)과 금속 판재를 받쳐주는 하부 더미롤(320)로 구성된 압연롤(300)에 의해 수행되며, 금속 판재(1'')를 압연 몰드(200) 두께와 일치하게 위치 시킨 후 압연롤(300)을 구동시켜 압연 몰드(200)에 의해 표면에 미세패턴과 입체 무늬가 형성된 금속 판재(1')를 제작한다. 이때 금속 판재(1'')를 정확하게 압연 몰드(200) 폭과 일치하게 위치시켜야 하며 그렇지 않을 경우 압연 몰드(200) 손상 내지는 제품 품질의 저하를 가져올 수 있다. 금속 판재(1'')를 압연 몰드(200)와 폭과 일치하지 않게 위치시켜서 압연 시 미세패턴과 입체 무늬가 금속 판재 일부에는 형성되지 않아 제품으로서 가치를 상실할 수 있고 지속적인 압연 힘의 불균형으로 미세패턴 및 입체 무늬 형성이 되지 않은 부분이 늘어나게 되어 종래에는 금속 판재가 압연 몰드(200)를 완전히 벗어날 수도 있다. 또한 압연 몰드(200)의 일부분이 압연 힘을 받지 않게 되어 압연 힘을 받는 부분과 구분되는 선이 압연 몰드(200)에 발생하여 압연 몰드(200)로서 기능을 상실하게 될 수도 있다.

사용되는 금속 판재의 두께는 재질에 따라서 달라질 수 있으며, 판재의 두께가 10㎛ 내지 5mm 범위의 다양한 금속 판재가 사용될 수 있다. 압연 몰드(200)에 의해 금속 판재(1'')에 일정한 압력이 가해져서 압연 몰드(200) 표면의 미세 패턴이 복제될 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이 이때 가해지는 압연 압력은 1톤 내지 10톤 사이의 값을 가지는 것이 바람직하며, 압연롤 사이의 간극은 압연 몰드(200)와 금속 판재 전체 두께의 10% 내지 50%로 설정되는 것이 바람직하다.

일반적으로 금속 판재를 연신시키기 위한 압연 공정의 경우 압연 수행 후의 금속 판재의 두께 변화가 40% 이상을 나타낸다. 즉, 금속 판재를 얇게 가공함과 동시에 금속 판재의 조질변화를 일으켜 가공성이 향상된 금속판재를 제공하는 것이 일반적인 압연 공정인데 반하여, 본 발명의 실시예들에 따른 미세 패턴 형성을 위한 압연 공정은, 압연이 수행된 후의 금속 판재(1')와 압연이 수행되기 전의 금속판재(1'')의 두께 변화가 미세하다. 바람직하게는 아래 표 1과 같이 압연 전후의 금속 판재의 두께 변화가 10% 이내를 나타낸다.

알루미늄 종류			1050(H12)		3003(H12)		3003(H12)		5050(H0)
압연전 두께(㎛)			500	변화율(%)	400	변화율(%)	700	변화율(%)	800	변화율(%)
압연 후 두께 (㎛)	압연 간극(%)	50	470	6.0	390	2.5	670	4.3	770	3.8
		40	470	6.0	390	2.5	660	5.7	760	5.0
		30	460	8.0	390	2.5	660	5.7	760	5.0
		20	460	8.0	390	2.5	650	7.1	750	6.3
		10	450	10.0	390	2.5	650	7.1	750	6.3

즉, 표 1을 살펴보면, 알루미늄의 종류 별로 압연 간극의 설정에 따른 압연 전후 두께 변화가 나타나 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 일반 압연 공정과는 달리 금속 판재의 압연 전후 두께 변화가 10% 이내를 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압연된 상기 금속 판재(1')를 평탄화하는 단계(S400)를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재의 압연을 수행하는 단계(S300)로 인해 압연된 금속 판재(1')가 응력을 받아 소정의 방향으로 휘어질 수 있다. 따라서, 이와 같은 금속 판재(1')를 다시 평탄화하는 단계를 거쳐서 원하는 평면을 가지는 금속 판재(1)를 얻을 수 있다. 압연 재료 평탄화 방법(S400)은 도 8에 도시된 바와 같이, 지름의 크기가 다르고 회전하는 속도가 다른 복수의 평탄화 압연롤(400)을 지그재그 방식으로 오프셋 되도록 아래 위로 구성하여 미세패턴 및 입체 무늬가 형성된 금속 판재(1')가 통과하면서 평탄화 되어 후공정에서 작업이 용이하게 하도록 해 준다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 (금속)

복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)

복제 대상물로 표면에 미세 패턴이 있는 동(Cu)판을 선택하여 42℃에서 10분간 침적 탈지했다. 탈지 후 22℃인 순수를 사용하여 30초씩 3단 스프레이 세척을 하고 65℃인 고온 공기로 5분간 건조하였다.

나노 임프린팅 장치 하판 위에 테프론 시트를 안착 후, 복제 대상물을 테프론 시트 위에 올려 놓고, 그 위에 두께가 5㎜인 폴리머 시트를 놓았다. 폴리머 시트 안착 후 나노 임프린팅 장치 상판을 닫고 초기 압력을 1atm으로 하여 복제대상물과 폴리머 시트가 밀리지 않게 고정하고, 가열판의 온도를 50℃ 이하로 1차 가열하고 다시 압력을 20atm으로 하여 4시간 동안 2차로 압력과 열을 가하였다. 이어서 물을 이용하여 가열판의 온도가 25 ℃이하가 될 때까지 냉각한 후 나노 임프린팅 장치 상판을 열고 복제 대상물과 복제물을 꺼내어 분리하였다.

분리된 폴리머 시트의 복제면에 아세트산을 10초간 분사한 후 순수를 10초간 분사하여 세척하고, 다시 콜로이드 팔라듐을 10초간 분사하여 표면을 활성화시키고, 이어서 순수를 10초간 분사하여 세척하였다.

표면 활성화시킨 폴리머에 은 용액과 환원제액을 10초간 분사하여 복제면에 은 표면층을 형성시킨 후 순수를 10초간 분사하여 표면을 세척하고 은 표면층이 생성된 폴리머 시트를 60℃에서 15분간 건조하였다.

은 표면층이 형성된 폴리머 시트를 통전이 잘되는 원통형 지그에 부착하고, 통전이 잘 되도록 폴리머 시트의 은 표면층과 원통형 지그를 동테이프를 이용하여 연결하였다. 그런 다음, 금속층 형성을 위하여 도금이 필요 없는 부분은 마스킹테이프를 이용하여 마스킹하였다. 마스킹 후 폴리머 시트가 부착 된 원통형 지그를 금속탈지제로 탈지하고 순수로 세척하였다. 이때, 상기 원통형 지그는 도 1과 같이 외경이 170mm, 내경이 130mm, 두께가 20mm, 높이가 105mm인 것으로서, 원통형 지그는 좌우측에 볼트로 결합하여 도금층 형성 및 내주면 평탄가공 후에 반경으로 분리하여 도금층 및 폴리머시트와 쉽게 분리가 가능하게 구성되어 있는 것을 사용하였다.

은 표면층이 형성된 폴리머 시트가 부착된 원통형 지그를 전해 도금조에 넣고 전원을 연결한 후, 금속 도금층의 두께가 500㎛가 될 때까지 실시하였다.

도금된 원통형 지그를 도금조에서 꺼내어 순수로 세척하고, 건조하여 원통형 지그 내주면에 도금층이 형성된 원시몰드를 제조하였다.

원시 몰드 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)

내주면에 원시몰드가 도금된 원통형 지그를 선반에 장착하였다. 장착은 선반의 4번척을 이용하여 장착하고 0.8R의 바이트를 바이트홀더가 있는 공구대에 장착하여 가공 준비를 하였다. 회전가공을 하며 회전속도는 120RPM의 속도로 정속 가공하였다. 이때 내주면의 도금층을 일정한 두께로 가공하는 바이트의 이동속도는 1리드에 0.1mm/분으로 이동하며 내주면을 가공하였다. 내주면의 도금층 두께가 300㎛가 될 때까지 가공하였다.

가공이 완료가 되면 원통형 지그를 선반에서 분리하였다. 원통형 지그를 결합한 볼트를 분리하여 폴리머 시트와 내주면이 가공된 도금층을 원통형 지그로부터 분리하고, 폴리머 시트를 도금층으로부터 제거하여 도금층의 두께가 일정한 전주 몰드를 얻고 더미 압연롤에 열박음하여 압연 몰드를 제조하였다.

실시예 2 (가죽)

복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)

복제 대상물로 패턴이 있는 가죽을 선택하여 우선 가죽 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위해 건조 공기로 에어(air) 세척한다. 세척 후에는 실리콘 이형제를 사용하여, 가죽 표면에 이형제를 골고루 분사하여 가죽의 표면 전체에 도포되도록 하였다. 이후 실리콘 이형제가 가죽 표면에 스며들도록 5분간 대기 중에 방치하였다. 5분간 방치 후 실리콘 이형제를 다시 가죽 표면 전체에 골고루 도포하였다. 이후 5분간 대기 중에 방치하여 실리콘 이형제가 스며들도록 함으로써 전처리를 마무리하였다.

나노 임프린팅 장치 하판 위에 테프론 시트를 안착 후, 복제 대상물을 테프론 시트 위에 올려 놓고, 그 위에 두께가 5㎜인 폴리머 시트를 놓았다. 폴리머 시트 안착 후 나노 임프린팅 장치 상판을 닫고 초기 압력을 1atm으로 하여 복제대상물과 폴리머 시트가 밀리지 않게 고정하고, 가열판의 온도를 50℃ 이하로 1차 가열하고 다시 압력을 20atm으로 하여 4시간 동안 2차로 압력과 열을 가하였다. 이어서 물을 이용하여 가열판의 온도가 25 ℃이하가 될 때까지 냉각한 후 나노 임프린팅 장치 상판을 열고 복제 대상물과 복제물을 꺼내어 분리하였다. 복제 대상물의 전처리 여부에 따라 나노 임프린팅 공정에서 패턴 복제가 양호한 폴리머 시트를 얻을 수 있을 지 여부가 결정된다.

나노 임프린팅된 폴리머 시트의 표면을 금속화하는 단계(S130)

은 표면층이 형성된 폴리머 시트를 통전이 잘되는 원통형 지그에 부착하고, 통전이 잘 되도록 폴리머 시트의 은 표면층과 원통형 지그를 동테이프를 이용하여 연결하였다. 그런 다음, 금속층 형성을 위하여 도금이 필요 없은 부분은 마스킹테이프를 이용하여 마스킹하였다. 마스킹 후 폴리머 시트가 부착 된 원통형 지그를 금속탈지제로 탈지하고 순수로 세척하였다. 이때, 상기 원통형 지그는 도 1과 같이 외경이 170mm, 내경이 130mm, 두께가 20mm, 높이가 105mm인 것으로서, 원통형 지그는 좌우측에 볼트로 결합하여 도금층 형성 및 내주면 평탄가공 후에 반경으로 분리하여 도금층 및 폴리머시트와 쉽게 분리가 가능하게 구성되어 있는 것을 사용하였다.

도금된 원통형 지그를 도금조에서 꺼내어 순수로 세척하고, 건조하여 원통형지그 내주면에 도금층이 형성된 원시몰드를 제조하였다.

원시 몰드 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)

내주면에 원시몰드가 도금된 원통형 지그를 선반에 장착하였다. 장착은 선반의 4번척을 이용하여 장착하고 0.8R의 바이트를 바이트홀더가 있는 공구대에 장착하여 가공 준비를 하였다. 회전가공을 하며, 회전속도는 120RPM의 속도로 정속 가공하였다. 이때 내주면의 도금층을 일정한 두께로 가공하는 바이트의 이동속도는 1리드에 0.1mm/분으로 이동하며 내주면을 가공하였다. 내주면의 도금층 두께가 300㎛가 될 때까지 가공하였다.

비교예 1

복제 대상물인 가죽에 대하여, 전처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 압연 몰드를 제조하였다.

실시예 3 (섬유)

복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)

복제 대상물로 특정 문양이나 패턴이 있는 섬유(실크)를 선택하고, 섬유 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위하여 섬유 제품을 세탁하여 건조하였다. 섬유 제품을 건조한 후 다림질을 하여 구김을 펴주었다. 구김을 펴주지 않을 경우 임프린팅 후 구김 자국이 폴리머 시트에 복제될 수도 있다.

다림질 후에는 섬유의 각 올이 눌려서 임프린팅 시 패턴 복제가 잘 되지 않을 수 있다. 그러므로 순수를 분무하여 각 올을 원 상태로 회복시켜 주었다. 순수 분무 후 10분간 방치하면 각 올이 원상태로 회복되었다.

섬유 표면의 올이 원상태로 회복되면 실리콘 이형제를 사용하여 섬유 표면에 골고루 분사하여 이형제가 면 전체에 도포되도록 하였다. 실리콘 이형제가 섬유 표면에 스며들도록 2분간 대기 중에 방치하였다. 이후 실리콘 이형제를 다시 면 전체에 골고루 도포하였다. 이후 5분간 대기 중에 방치하여 실리콘 이형제가 스며들도록 하여 전처리를 마무리하였다.

원시 몰드 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)

가공이 완료가 되면 원통형 지그를 선반에서 분리한다. 원통형 지그를 결합한 볼트를 분리하여 폴리머 시트와 내주면이 가공된 도금층을 원통형 지그로부터 분리하고, 폴리머 시트를 도금층으로부터 제거하여 도금층의 두께가 일정한 전주 몰드를 얻고 더미 압연롤에 열박음하여 압연 몰드를 제조하였다.

비교예 2

복제 대상물인 섬유에 대하여, 전처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 압연 몰드를 제조하였다.

실시예 4 (목재)

복제 대상물을 전처리하는 단계(S110)

복제 대상물로 특정 문양이나 패턴이 있는 목재를 선택하고, 목재 표면의 먼지나 이물질을 제거하기 위해 건조 공기로 표면을 에어 세척하였다. 세척 후에는 실리콘 이형제를 사용하여, 목재 표면에 이형제를 골고루 분사하여 목재의 표면 전체에 도포되도록 하였다. 이후 실리콘 이형제가 목재 표면에 스며들도록 10분간 대기 중에 방치하였다. 10분간 방치 후 실리콘 이형제를 다시 목재 표면에 전체에 골고루 도포하였다. 이후 10분간 대기 중에 방치하여 실리콘 이형제가 스며들도록 하여 전처리를 마무리하였다.

원시 몰드 내주면을 평탄가공하는 단계(S150)

비교예 3

복제 대상물인 목재에 대하여, 전처리를 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 압연 몰드를 제조하였다.

이하에서는, 상기 실시예 1 내지 4 에서 제작한 압연 몰드를 사용하여 나머지 단계(S200 내지 S400)를 수행하는 과정을 설명한다. 상기 실시예 1 내지 4에서 제작된 압연 몰드를 모두 사용할 수 있으나 설명의 편의를 위해, 이하에서는 실시예 3 에서 제조한 실크의 패턴이 형성되어 있는 압연 몰드를 사용하여 금속 판재를 압연하여 미세 패턴을 형성하는 과정을 설명한다. 실시예 3 에서 제조한 압연 몰드의 폭은 약 150mm 정도이다. 압연 재료는 Al 5052로 폭이 100mm이고 두께가 800㎛이므로 압연 몰드를 잘라서 폭을 100mm로 한다. 그리고 압연 몰드 여러 곳의 두께를 측정하여 평균 두께를 구한다. 측정된 압연 몰드의 평균 두께는 500㎛이고 압연 재료는 Al 5052로 두께는 800㎛이다. 압연 몰드와 압연 재료 전체 두께는 1300㎛이다.

압연롤의 간극은 전체 두께의 10% 내지 50%로 설정하는 것이 바람직한데, 전체 두께의 10%에 미달되는 간극으로 설정할 경우에는 압연롤 사이에 매우 큰 하중이 걸리게 되어 압연 재료가 롤 사이에 삽입되기 어려우며, 50% 이상으로 설정할 경우에는 압연 재료에 충분한 압력이 가해지지 않기 때문에 패턴 형성 효과가 감소된다. 따라서, 압연롤 사이의 간극은 10% 내지 50% 중에서 선택하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 40%인 520㎛로 결정하고 압연롤의 스크루를 돌려서 더미롤과 압연롤의 간극이 520㎛가 되게 한다. 압연롤의 간극 설정이 완료되면 압연 재료를 압연 몰드와 더미롤 사이에 폭이 일치하도록 물려 준다. 압연롤을 동력으로 구동시키고 압연 판재가 압연되는 선속도는 일정한 범위 사이의 값을 가질 수 있다. 즉, 압연 재료의 이동 속도는 10cm/분 내지 1000cm/분 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 분당 압연 속도가 10cm 미만으로 설정되면 공정 시간이 늘어나는 단점 이외에도 압연롤에 의해 단위면적 당 가해지는 압력이 허용범위를 초과하여 압연 재료가 손상될 우려가 있으며, 1000cm/분을 초과하도록 설정되면 단위면적 당 충분한 압력이 가해지지 않기 때문에 압연에 의한 미세 패턴 형성 효과가 감소될 우려가 있다. 따라서, 10 내지 1000cm/분 사이의 값으로 적절하게 압연 판재의 선속도를 조절할 수 있다. 본 실시예에서 압연 판재의 선속도는 90㎝/분으로 조절한다. 평탄화를 위한 평탄화롤의 속도도 압연 판재의 선속도인 90㎝/분으로 설정한다. 압연롤이 구동되면서 압연 판재에 연속적으로 실크 섬유의 미세패턴 및 입체 무늬가 형성된다. 이때 걸리는 압하력은 압연롤 간극, 압연 판재 및 압연 몰드의 폭에 따라 차이가 있으나 1톤 내지 10톤 정도로 일반적인 압연 공정보다 훨씬 낮다. 이어서 평탄화롤을 통과하면서 압연 시 휘어졌던 압연 판재가 평평하게 평탄화가 된다. 평탄화가 완료되면 압연 몰드의 미세패턴 및 입체 무늬가 형성된 평탄한 압연 판재를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 미세 패턴이 형성된 압연 판재는 앞서 도 12a 내지 도 14를 참조하여 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 20mm 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛ 사이의 범위에 포함됨은 앞서 살펴본 바와 같다.

이후, 복제물의 전처리 진행여부에 따른 복제 결과를 확인하기 위해, 상기 실시예 2 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 폴리머 시트에 대한 임프린팅 결과를 도 9 내지 11에 나타내었다. 즉, 도 9는 가죽 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따라 구분된 실시예 2 및 비교예 1에 의해 제작된 임프린팅된 폴리머 시트의 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 도면이다. 또한, 도 10은 섬유 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따라 구분된 실시예 3 및 비교예 2에 의해 제작된 임프린팅된 폴리머 시트의 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 11은 목재 재질의 복제물의 전처리 진행 여부에 따라 구분된 실시예 4 및 비교예 3에 의해 제작된 임프린팅된 폴리머 시트의 임프린팅 결과를 비교하여 나타낸 것이다.

도 9를 보면, 가죽 재질의 복제물에 대한 전처리를 미진행한 비교예 1의 경우, (a) 가죽 표면 전체가 폴리머시트에 붙어서 떨어져 나왔다. 특히, 비교예 1의 (b)에서 나타난 바와 같이, 임프린팅 후 가죽 표면 일부가 박리시 찢어졌고, (c) 가죽 일부는 폴리머 시트에 눌러붙으면서 찢어졌다. 또한, 비교예 1의 (d) 좌측의 가죽 원본과 우측의 복제된 폴리머 시트를 비교한 결과, 임프린팅 후 폴리머 시트에 가죽 일부가 붙어서 떨어져 나왔다. 그 결과, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하지 않아 제품으로 사용하기에 적당하지 않을 정도의 심각한 영향을 미쳤다.

반면, 본 발명의 실시예 2의 경우, 복제물에 대해 전처리를 진행함으로써, (a) 임프린팅 후 복제물(가죽)의 패턴 손상없이 복제된 폴리머 시트를 얻을 수 있었다. 이에 따라, (b) 및 (c)와 같이, 좌측의 복제된 폴리머 시트와 우측의 가죽 원본을 비교한 결과, 가죽 원본의 패턴이 손상없이 복제되었고, 결과적으로 (d) 가죽 패턴이 잘 복제된 폴리머 시트를 얻을 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예 2의 경우, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하여 제품으로 사용하기에 적당할 수 있을 정도로 중요한 영향을 미쳤다.

또한, 도 10을 보면, 섬유 재질의 복제물에 대한 전처리를 미진행한 비교예 2의 경우, (a) 임프린팅 후 섬유 올이 폴리머시트에 붙어서 떨어져 나왔다. 특히, 비교예 2의 (b)에서 나타난 바와 같이, 임프린팅 후 섬유를 박리시 폴리머 시트의 일부가 뜯겨져 나오고 복제 상태도 불량하였다. 또한, 비교예 2의 (c) 및 (d)를 보면 임프린팅 후, 박리시 폴리머 시트 일부가 뜯겨져 나오고 섬유 올도 일부 폴리머 시트에 붙어 있었다. 그 결과, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하지 않아 제품으로 사용하기에 적당하지 않을 정도의 심각한 영향을 미쳤다.

반면, 본 발명의 실시예 3의 경우, 복제물에 대해 전처리를 진행함으로써, (a) 내지 (d)와 같이 임프린팅 후 스탬프로 사용된 복제물(섬유)의 손상없이 복제가 잘 된 폴리머 시트를 얻을 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예 4의 경우, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하여 제품으로 사용하기에 적당할 수 있을 정도로 중요한 영향을 미쳤다.

또한, 도 7을 보면, 목재 재질의 복제물에 대한 전처리를 미진행한 비교예 3의 경우, (a) 및 (b)에서와 같이 임프린팅 후 목재 분리시 분리가 잘되지 않아 목재가 뜯겨져 나왔다. 그 결과, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하지 않아 제품으로 사용하기에 적당하지 않을 정도의 심각한 영향을 미쳤다.

반면, 본 발명의 실시예 4의 경우, 복제물에 대해 전처리를 진행함으로써, (a) 및 (b)와 같이 임프린팅 후 스탬프로 사용된 목재 재질의 복제물의 손상없이 복제가 잘 된 폴리머 시트를 얻을 수 있었다. 따라서, 본 발명의 실시예 4의 경우, 최종 제조된 압연 몰드가 복제물인 가죽과 동일한 패턴 및 문양을 형성하여 제품으로 사용하기에 적당할 수 있을 정도로 중요한 영향을 미쳤다.

즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 알루미늄, 마그네슘, 청동, 황동, 스테인리스 스틸 등의 금속 판재의 표면에 압연 공정으로 미세 패턴 또는 입체 무늬를 간단하고 반복적으로 형성할 수 있으며, 또한, 일반적인 엠보싱 강판 제조에 비하여 공정이 단순하고 설비가 간단하여, 고비용의 생산설비 없이 완성도 높은 금속 판재 압연 제품을 제조할 수 있기 때문에, 제조비용이 상당히 절약되며 공정 관리가 용이하다는 장점이 있다.

1'': 금속 판재 1': 미세패턴 형성된 금속 판재
1: 평탄화되고 미세패턴 형성된 금속 판재
10: 임프린팅된 폴리머 시트 12 : 은표면층
20 : 원통형 지그 22 : 결합 볼트
30 : 도금층 100 : 원시 몰드
200 : 압연 몰드 300 : 압연롤
310 : 상부 압연롤 320 : 하부 더미롤
400 : 평탄화 압연롤

Claims

폭 10㎝ 내지 120㎝ 이고, 원주길이가 10㎝ 내지 240㎝ 이하 크기로 미세패턴이 각인된 압연 몰드를 제작하는 단계와,
압연롤에 상기 압연 몰드를 장착하는 단계와,
금속 판재의 두께를 측정하여 상기 금속 판재에 형성되는 미세 패턴의 피치가 5㎛ 내지 200㎛ 이고, 깊이가 1㎛ 내지 330㎛로 되도록 압연롤 간극을 설정하는 단계와,
상기 압연롤 간극 하에서 상기 압연 몰드로 금속 판재의 압연을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 미세 패턴은 서로 다른 복수의 피치 및 서로 다른 복수의 깊이를 가지되,
상기 압연 몰드를 제작하는 단계는,
복제 대상물을 전처리하는 단계와,
상기 복제 대상물을 폴리머 시트에 나노임프린팅하는 단계와,
상기 폴리머 시트의 표면을 금속화하여 금속화된 폴리머 시트를 형성하는 단계와,
상기 금속화된 폴리머 시트를 원통형 지그에 장착하고 도금하여 원시 몰드를 제조하는 단계와,
상기 원시몰드의 내주면을 평탄가공하여 상기 압연 몰드를 제조하는 단계를 포함하는, 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 압연롤 간극을 설정하는 단계는,
상기 압연 몰드의 폭과 상기 금속 판재의 폭이 일치하도록 하는 단계를 더 포함하는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 압연된 상기 금속 판재를 평탄화하는 단계를 더 포함하는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 압연을 수행하는 단계로 인한 금속 판재의 두께변화가 10% 이하인 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 판재의 두께는 10㎛ 내지 5mm 인 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 압연을 수행하는 단계에서 압연 압력은 1톤 내지 10톤 인 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 압연을 수행하는 단계에서 압연 속도는 0.1m/분 내지 10m/분으로 수행되는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제3항에 있어서, 상기 금속 판재를 평탄화하는 단계는,
상기 금속 판재를 다단으로 구성된 평탄화롤에 통과시키는 단계를 포함하는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제8항에 있어서,
상기 다단으로 구성된 평탄화롤은 지름의 크기가 다르고 회전하는 속도가 다른 복수의 압연롤로 구성된 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 압연 몰드는 니켈 또는 구리를 표면에 도금하여 형성되는 금속 판재 표면의 미세 패턴 형성 방법.