KR101475796B1 - 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 제조 방법 - Google Patents

표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 미세 구조에 의한 판상 공작물을 제조하는 방법을 제공한다. 프레스 성형 전에, 프리폼은 패턴을 가진 제1 몰드와 제2 몰드 사이에 배치되고 제2 몰드에 배치된다. 다음에, 제1 몰드와 제2 몰드는 프리폼의 천이 온도로 가열한 다음 프리폼에 대해 가압하고 프리폼에 패턴을 압인 성형(impress)하여 패턴화된 프리폼을 얻는다. 마지막으로, 패턴화된 프리폼을 제2 몰드와 함께 냉각시키고 수축시켜 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 얻는다. 패턴화된 프리폼이 열전도에 의해 하부에서 상부까지 균일하게 냉각되기 때문에, 온도장(temperature field)은 수평 분포에서 등온이다. 따라서, 높은 정확도의 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 획득하고, 광통신에서 복수의 광섬유를 지지하는 데 유용하다.

Description

표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING PLATE WORKPIECE WITH SURFACE MICROSTRUCTURES}
본 발명은 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물(plate workpiece)의 제조 방법, 더욱 상세하게는 광섬유 지지 공작물의 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유는 광이 광섬유 내에서 전체 내부 반사에 의해 유지될 수 있도록 하기 위하여 순차적으로 내부에서 외부로 코어, 클래드 및 보호 코팅층으로 주로 구성된 미세 섬유이며, 장거리 광통신에 유용하다. 클래드는 외경이 약 125㎛이지만, 코어의 외경은 약 10㎛ 내지 62.5㎛밖에 되지 않는다. 따라서, 이러한 마이크로 스케일에 있어서는, 광 상호 접속부에서 다중 광섬유를 통한 접속 손실을 감소시키고 그럼으로써 광을 성공적으로 전송시킬 수 있기 위해서는 높은 정확도의 정렬(alignment)이 필요하다.
다중 광섬유 접속의 효율성을 개선하기 위해 통상적으로 수동 정렬이 적용된다. 정렬 마크가 표시된 광섬유 지지 공작물(optical fiber carrying workpiece)에 지지된 광섬유 부품들을 다른 지지 공작물에 지지된 다른 광섬유나 혹은 발광 소자, 흡광 소자 또는 광 도파로 등과 같은 광학 요소에 위치시켜 정렬하는 것은 이들 간에 대응하는 마크에 의해 쉽게 이루어진다. 그러나, 광 상호 접속부에서의 광손실을 줄이기 위해 충분한 정렬 정밀도를 달성하기 위해서는 고정밀도를 가진 표면 미세 구조를 갖는 광섬유 지지 공작물이 필요하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 광섬유 지지 공작물(61, 62)은 각각 복수의 광섬유(611, 612, 621, 622)를 지지하기 위해 그 위에 형성된 복수의 V자형 홈을 가진다. 높은 정확도의 표면 미세 구조를 갖는 두 개의 광섬유 지지 공작물(61, 62)(즉, V자형 홈이 서로 평행하게 배열되고 서로 동일한 형상과 크기를 가지는 것)을 사용하면, 광섬유 지지 공작물(61)에 지지된 광섬유(611)는 광 상호 접속부에서 다른 광섬유 지지 공작물(62)에 지지된 다른 광섬유(621)와 정밀하게 정렬된다. 따라서, 광 상호 접속부에서 발생하는 접속 손실이 크게 감소된다.
그러나, 광섬유 지지 공작물(61)의 홈이 서로 평행하게 배열되지 않은 경우, 경사진 홈에 배치된 광섬유(612)는 다른 것들과 정렬되지 않는다. 정렬되지 않은 광섬유(612)는 다른 광섬유 지지 공작물(62)에 지지된 다른 광섬유(622)에 정확하게 정렬될 수 없어서, 광 상호 접속부에서 심각한 접속 손실이 발생되어 광통신의 유효 거리가 크게 감소된다.
더욱이, V자형 홈이 약간의 변위를 가지고 배치된 경우, 평행하게 정렬된 홈을 가진 두 개의 광섬유 지지 공작물에 각각 지지된 두 개의 광섬유는 여전히 정확하게 정렬될 수 없다.
도 7에 도시된 바와 같이, 광섬유 지지 공작물(71)에 지지된 광섬유(711, 712)와 다른 광섬유 지지 공작물(72)에 지지된 광섬유(721, 722)는 서로 평행하게 정렬되어 있다. 그러나, 두 개의 광섬유 지지 공작물(71, 72)이 도 7에 도시된 바와 같이 서로 다른 크기나 간격을 갖는 표면 미세 구조를 가지는 경우, 표면 미세 구조의 매 두 개의 인접한 홈들 사이의 간격들이 동일하지 않으므로, 광섬유(711)가 광섬유(721)와 정밀하게 정렬되어 있더라도, 한쪽의 광섬유(712)와 다른 쪽의 대응 광섬유(722) 간에는 약간의 변위가 있다. 이러한 광섬유(712, 722)들 사이의 광 상호 접속부에서 접속 손실이 심각하게 발생되고, 이에 의해 광통신의 유효 거리가 크게 감소된다.
따라서, 수동 정렬에 있어서 광 상호 접속부에서 접속 손실을 줄이기 위해서는 높은 정확도의 표면 미세 구조를 갖는 광섬유 지지 공작물이 필요하게 된다. 이와 같은 방식에 의하면 복수의 광섬유의 접속 효율성도 향상된다.
일반적으로, 판상 공작물을 제조하는 종래의 방법은, 몰드 및 프리폼(preform)을 가열하는 단계, 프리폼을 가압하는 단계, 상기 몰드에서 프리폼을 분리하는 단계, 그리고 프리폼의 주변부에서 프리폼을 냉각시키는 단계를 포함한다. 그러나, 프리폼을 각각 외부 표면으로부터 냉각하면, 프리폼의 온도장(temperature field)은 수평 분포에서 등온이 되지 않도록 변형된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 원형 패턴은 최외각 표면 미세 구조와 중앙의 표면 미세 구조 사이의 온도 차가 큰 것을 나타내는 상단 온도장으로 매핑된다. 따라서, 변형 및 뒤틀림(warps)이 최외각 표면 미세 구조에 심각하게 발생함으로써 판상 공작물의 표면 미세 구조의 기하학적 정확도가 악화된다.
이외에도, 판상 공작물에 형성된 홈의 갯수를 증가시키는 경우, 최외각 표면 미세 구조와 중앙 표면 미세 구조 사이의 온도의 변동은 더 심각하게 된다. 이와 같이, 이들 홈 사이의 폭과 간격의 오차 변동은 1㎛ 이상이다. 이러한 문제점들은 종래의 방법으로는 높은 정확도와 많은 수의 홈을 가진 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하지 못한다는 점을 보여주는 것이다.
본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위해 상기 문제점들을 완화하거나 피할 수 있도록 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 주요 목적은 판상 공작물에 형성된 표면 미세 구조의 정확도를 효과적으로 향상시키는 것이다. 따라서, 복수의 광섬유를 지지하는 데 적용되는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물이 광 상호 접속부에서 발생하는 접속 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
상기 전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 단계를 포함하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법을 제공한다.
(A) 제1 표면과 제1 표면에 형성된 패턴을 가진 제1 몰드와, 상기 제1 몰드의 제1 표면에 대면하는 제2 몰드를 구비한 프레스 성형 장치(press-molding apparatus)를 제공하는 단계;
(B) 제1 몰드와 제2 몰드 사이에 프리폼을 배치하는 단계;
(C) 상기 프리폼이 프레스 성형이 될 수 있는 온도까지 제1 몰드 및 제2 몰드를 가열하는 단계;
(D) 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 가압하고, 이에 의해 프리폼에 제1 몰드의 패턴을 압인 성형(impress)하고 제1 몰드와 접촉하여 패턴화된 프리폼의 표면에 형성된 복수의 표면 미세 구조를 갖는 패턴화된 프리폼을 얻는 단계; 그리고
(E) 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 얻기 위해 수축에 의해 제1 몰드로부터 분리된 패턴화된 프리폼과 제2 몰드를 냉각하는 단계.
패턴화된 프리폼이 제2 몰드에 배치되어 있기 때문에, 전술한 단계(E)에서 상기 패턴화된 프리폼의 마주보는 표면에서만 제2 몰드를 균일하게 냉각시킬 때 열전도에 의해 상기 패턴화된 프리폼을 냉각시킬 수 있다. 따라서, 냉각된 패턴화된 프리폼은 수평 분포가 등온으로 잔류하고 수직 분포가 변화되는 온도장을 갖게 되므로 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물에 형성된 표면 미세 구조의 정확도가 향상된다.
여기서 사용되는 용어 "패턴"은 복수의 3차원 표면 미세 구조를 포함한다. 패턴화된 프리폼을 얻기 위해 제1 몰드의 제1 표면에서 돌출하는 패턴이 프리폼에 압인 성형된다. 따라서, 패턴화된 프리폼의 패턴은 제1 몰드의 패턴에 대응한다. 더 구체적으로는, 패턴화된 프리폼에 형성된 3차원 표면 미세 구조는 제1 몰드에 형성된 3차원 표면 미세 구조와 상호 보완적이다.
여기에 사용되는 용어 "정확도"는 패턴화된 프리폼의 표면 미세 구조들 간의 오차 변동과는 반비례 관계를 갖는다. 부정확도는 대체로 냉각 동안 불균일 수축에 의해 발생된다. 최외각 표면 미세 구조의 수축 백분율의 오차 변동의 차이가 중앙의 표면 미세 구조보다 더 큰 경우, 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물에 형성된 표면 미세 구조의 형상, 크기 및 간격의 균일성이 악화된다. 반면에, 최외각 표면 미세 구조의 수축 백분율의 오차 변동의 차이가 중앙의 표면 미세 구조보다 작은 경우, 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물에 형성된 표면 미세 구조의 형상, 크기 및 간격의 균일성이 좋아져서 높은 정확도의 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 얻을 수 있다.
바람직하게는, 제1 몰드와 제2 몰드 사이에서 제2 몰드 위에 프리폼을 배치하는 단계는 밀폐된 챔버에 프리폼, 제1 몰드 및 제2 몰드를 배치하는 단계를 포함하고, 여기서, 밀폐된 챔버의 압력은 5 × 10-3 토르(torr) 이하이다. 상기 압력의 구성은 가열된 프리폼과 열전도, 열대류를 포함하는 가스 사이의 열 교환을 방지하고, 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 얻을 수 있는 온도장을 확보할 수 있도록 수평 분포에서 등온을 유지한다. 따라서, 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물에 형성된 표면 미세 구조의 정확도가 더욱 향상된다.
본 발명에 의한 방법에 따르면, 프리폼은 적합한 온도로 가열된 후에 프레스성형 가능한 재료로 형성된다. 상기 적합한 온도는 재료의 천이 온도(transition temperature)와 같거나 천이 온도보다 높다. 예를 들면, 재료는 유리, 광학유리, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 수지 또는 석영이 있지만 이에 국한되지는 않는다. 바람직하게는, 프리폼은 광학 유리로 이루어져 있다. 바람직하게는, 본 발명의 방법의 단계(C)에서, 제1 몰드와 제2 몰드는 350℃에서 700℃에 이르는 범위의 온도까지 램프에 의해 가열되어 프리폼도 역시 열전도에 의해 가열된다.
바람직하게는, 제1 몰드와 제2 몰드는 열전도성 재료, 예를 들면, 텅스텐 카바이드 또는 공구강(tool steel)으로 이루어진다.
바람직하게는, 제1 몰드의 제1 표면은 20㎚ 이하의 중심선 평균 거칠기(Ra)를 가진다.
바람직하게는, 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 가압하는 단계는 가열된 패턴화된 프리폼의 내부 열응력을 해제할 수 있도록 60초 내지 100초 동안 등온으로 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 가압하는 단계를 포함하여 표면 미세구조의 원하지 않는 변형을 방지한다. 여기서, 열응력은 프리폼의 가열 및 가압 단계에서 생성된다.
바람직하게는, 제2 몰드에는 제1 몰드의 제1 표면에 대향하는 제1 표면과 제2 몰드의 제1 표면의 맞은편에 제2 표면이 있으며, 제2 몰드는 그 제2 표면에서만 냉각된다.
바람직하게는, 본 발명의 방법의 단계(E)는 제2 몰드에 배치된 패턴화된 프리폼이 수축에 의해 제1 몰드와 분리될 수 있도록 0.5℃/sec 이하의 냉각속도로 제2 몰드를 냉각하는 단계를 포함하여, 우수한 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 얻는다.
더 바람직하게는, 상기 방법의 단계(E)는 수축에 의해 패턴화된 프리폼을 제1 몰드로부터 분리하는 데 도움이 되기 위해 0.5℃/sec 이하의 냉각속도로 제2 몰드의 제2 표면으로부터 제2 몰드를 냉각할 때. 0.5℃/sec 이하의 냉각속도로 제1 몰드를 냉각하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 단계(E) 후에 단계(E')를 더 포함한다. 단계(E')는 미세 표면 구조에 의한 판상 공작물을 얻기 위해 1.5℃/sec 내지 2℃/sec의 냉각속도로 제2 몰드를 2차 냉각하는 단계이다.
바람직하게는, 단계(E) 및 /또는 단계(E')는 제2 몰드를 냉각하기 위해 제2 몰드의 제2 표면에 냉각 가스를 균일하게 불어내는 단계를 포함한다. 따라서, 패턴화된 프리폼과 제2 몰드 사이의 열전도에 의해 단일의 표면에서만 패턴화된 프리폼을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 바람직하게는, 냉각 가스는 질소, 산소 또는 공기와 같은 이들의 조합을 포함한다.
바람직하게는, 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물은 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 표면에 형성된 표면과 복수의 홈을 포함하고 방향을 따라 연장되며 서로 평행하다.
바람직하게는, 각각의 홈이 V자형 홈을 예각으로 형성하는 두 개의 인접한 경사진 표면으로 구성된다.
바람직하게는, 프레스 성형 장치(press-molding apparatus)는 프리폼의 마주보는 양측에서 각각 제2 몰드에 각각 배치된 고정 부재를 더 포함한다. 각 고정 부재는 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물의 홈의 방향과 평행한 긴 축을 가진다. 따라서, 판상 공작물의 측면 근처의 표면 미세 구조의 정확도가 더욱 향상된다. 본 발명에 따르면, 어떤 고정 부재도 홈의 단부에 배치되지 않고, 이로 인해 판상 공작물의 열응력이 그 단부를 통해 해제될 수 있는 것을 보장한다.
바람직하게는, 각각의 고정 부재는 프리폼의 측면 근처에 표면과 고정 부재의 표면에 코팅된 필름을 가지고 있으며, 그 필름은 백금-이리듐 합금이나 다이아몬드 라이크 카본(DLC)으로 구성된다.
바람직하게는, 홈은 105㎛ 내지 195㎛ 범위의 평균 폭을 가지고, 0.2㎛ 내지 0.35㎛ 범위의 폭의 공차를 가진다.
바람직하게는, 홈들은 매 두 개의 인접한 홈들 사이에 127㎛ 내지 250㎛ 범위의 평균 간격을 가지고, 0.2㎛ 내지 0.5㎛ 범위의 간격 공차를 가진다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에 의해 제조된 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물은 광섬유 지지 공작물이 될 수 있다. 복수의 광섬유는 홈에 배치되고 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물에 지지된다. 상기 방법은 높은 정확도의 표면 미세 구조를 가지며 미리 결정된 각도로 배치된, 바람직하게는, 서로 평행하게 배치된 복수의 홈을 포함하는 판상 공작물을 제조할 수 있기 때문에, 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 이용함으로써 광 상호 접속부에서 발생하는 접속 손실이 효과적으로 감소될 수 있다.
따라서, 표면 미세 판상 공작물을 제조하는 방법은 다음과 같은 유익한 효과가 있다.
1. 제1 몰드를 냉각하는 단계는 가압 단계 후에 바로 수행되기 때문에, 패턴화된 프리폼이 함께 냉각될 수 있어서 수축에 의해 제1 몰드와 성공적으로 분리될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 높은 정확도의 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물이 제조되고 판상 공작물의 품질이 향상된다.
2. 제2 몰드가 제2 표면에서만 균일하게 냉각되기 때문에, 제2 몰드에 배치된 패턴화된 프리폼이 하부에서부터 상부까지 균일하게 수축된다. 판상 공작물의 표면 미세 구조의 정확도가 더 향상되도록 판상 공작물의 온도장이 수평 분포에서 등온으로 될 수 있다.
3. 밀폐된 진공 챔버에서 본 발명에 의한 방법의 가열, 가압, 냉각 및 분리 단계가 수행되면, 프리폼의 외부 표면과 상기 외부 표면과 접촉하는 가스 사이의 열전달이 크게 감소된다. 냉각된 패턴화된 프리폼의 수평 방향 온도장의 변화가 효과적으로 감소되고, 따라서 판상 공작물의 온도장(temperature field)이 수평 분포에서 등온으로 유지된다, 또한, 밀폐된 챔버에 의해 제1 몰드와 제2 몰드의 산화가 방지될 수 있다. 따라서, 판상 공작물의 표면 미세 구조의 정확도도 향상된다.
4. 두 개의 고정 부재는 제1 몰드를 패턴화된 프리폼에서 분리될 때, 상기 패턴화된 프리폼이 이동되지 않도록 패턴화된 프리폼을 고정하여 패턴화된 프리폼과 제2 몰드 사이의 마찰을 증가시키는 데 사용된다.
5. 표면 미세 구조를 갖도록 제조된 판상 공작물이면 광섬유 지지 공작물이 될 수 있다. 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물에 지지된 복수의 광섬유가 광 상호 접속부에서 고정밀도로 정렬되고 따라서 광 상호 접속부에서 발생하는 접속 손실이 크게 감소된다.
본 발명의 다른 목표, 이점과 신규의 특징은 첨부된 도면과 관련하여 주어진 이하의 상세한 설명에서 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법의 블록도이다.
도 2a는 프레스 성형 장치와 단계(C) 전에 프리폼의 횡단면의 측면도이다.
도 2b는 프레스 성형 장치와 단계(D)에서 프리폼의 횡단면의 측면도이다.
도 2c는 프레스 성형 장치와 냉각 단계 후 표면 미세 구조를 갖는 제조된 판상 공작물의 횡단면의 측면도이다.
도 3은 압력, 제1 몰드와 제2 몰드의 온도, 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 과정 동안의 시간 대 프리폼에 대해 내리눌려진 제1 몰드의 눌려진 거리와의 관계를 도시한 그래프이다,
도 4는 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물의 온도장을 도시한 그래프이다.
도 6은 두 개의 광섬유 지지 공작물을 사용하여 복수의 광섬유를 접속하는 개략도이다.
도 7은 두 개의 광섬유 지지 공작물을 사용하여 복수의 광섬유를 접속하는 또 다른 개략도이다.
도 8은 그 주변에서 냉각된 종래의 성형 방법에 의해 제조된 광섬유 지지 공작물의 온도장을 도시한 그래프이다.
당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이하의 여러 실시예를 통하여 본 발명에 따른 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법의 장점과 효과를 쉽게 실현할 수 있다. 여기에 제시된 설명은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아닌 예시만을 위한 실시예들이다. 본 발명을 실시하거나 적용하기 위한 다양한 수정 및 변형을 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않으면서 할 수 있다.
실시예 1
표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 제조하는 방법이 도 1에 도시된 바와 같은 블록 다이어그램에 기재된 세부 사항에 설명된 바와 같이 구현된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 프레스 성형 장치(1)가 단계(A)에서 제공된다. 프레스 성형 장치는 제1 몰드(11), 제2 몰드(12) 및 두 개의 고정 부재(13)가 포함된다.
제1 몰드는 제1 표면(111)과 상기 제1 표면의 맞은편에 제2 표면(112)을 가진다. 제1 몰드(11)의 제1 표면(111)에 패턴(14)이 형성되어 있다. 제2 몰드(12)는 패턴(14)을 가진 제1 몰드(11)의 제1 표면(111)과 대면하도록 배치된다. 두 개의 고정 부재(13)가 제2 몰드(12)에 배치되고 각각 제1 몰드(11)의 양쪽 맞은편에 배치된다.
단계(B)에서 프리폼(preform)(21)이 제공된다. 프리폼(21)은 제1 몰드(11)와 제2 몰드(12) 사이에 뿐만 아니라 두 개의 고정 부재(13) 사이의 제2 몰드(12) 사이에서 제2 몰드(12) 위에 배치된다. 프리폼(21)은 광학 유리로 이루어졌고, 이 광학 유리에 의해 상기 프리폼(21)이 제1 몰드 (11)의 패턴(14)에 해당하는 패턴으로 프레스 성형된다.
본 실시예에서, 제1 몰드(11), 제2 몰드(12) 및 프리폼(21)은 밀폐된 챔버(도면에 도시되지 않음)에 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단계(B')는 가열 단계, 가압 단계, 냉각 단계 및 분리 단계가 수행되기 전에 단계(C), 단계(D), 단계(E) 및 단계(E') 의 순서로 수행된다. 단계(B')에서 밀폐된 챔버의 압력이 5×10-3 토르 이하로 감소된다. 따라서, 밀폐된 챔버의 가스와 제1 몰드(11)와 제2 몰드(12)의 산화에 의한 열 이동이 방지된다. 하나의 단일 표면만이 냉각된 프리폼의 안정성은 개선된다.
그 후, 제1 몰드(11)가 5℃/sec의 가열 속도로 약 540℃까지 가열되고, 약 100초 동안 그 온도가 유지된다. 한편, 제2 몰드(12)가 3.86℃/sec의 가열 속도로 약 540℃까지 가열되고, 약 80초 동안 그 온도에서 유지된다. 따라서, 제2 몰드 (12)에 배치된 프리폼 (21)이 프레스 성형될 수 있도록 함께 가열된다.
본 실시예에서, 제1 몰드(11)와 제2 몰드(12)는 열전도성 재료, 텅스텐카바이드로 이루어져 있다. 제1 몰드(11)의 제1 표면(111)은 20㎚ 이하의 중심선 평균 거칠기를 가진다.
그 다음에, 단계(D)에서 1.5㎛/sec의 가압 속도로 약 86.4㎛까지 가열된 프리폼(21)에 대해 제1 몰드(11)를 내리누르기 위해 150N의 하중이 인가된다. 도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시된 바와 같이, 패턴화된 프리폼(21A)을 얻기 위해 제1 몰드(11)의 제1 표면(111)에 형성된 패턴(14)이 프리폼(21)의 상부 표면에 압인 성형되도록 제1 몰드(11)와 제2 몰드(12)에 대하여 프리폼(12)이 가압 된다.
패턴화된 프리폼(21A)은 패턴화된 프리폼(21A)의 상부 표면에 형성된 복수의 홈(211)으로 이루어져 있다. 각 홈(211)은 약 105.8㎛의 폭을 가지고, 매 두 개의 인접한 홈들 사이의 간격이 약 128㎛이다.
단계(D')에서, 패턴화된 프리폼(21A)이 연속적으로 가압 되고 제1 몰드(11)는 가열 단계와 가압 단계에서 생성된 패턴화된 프리폼(21A)의 열응력이 해제될 수 있도록, 100초 동안 동일한 위치에서 지지된다.
그 후, 공기는 0.5℃/sec의 냉각 속도로 제1 몰드(11)의 제2 표면(112)에서만 제1 몰드를 냉각시킬 수 있고, 제2 몰드(12)의 제2 표면(122)에서만 제2 몰드(12)를 냉각시킬 수 있도록 단계(E)에서 제1 몰드(11)의 제2 표면(112)과 제2 몰드의 제2 표면(122)을 균일하게 불어내기 위한 냉각 가스로서 이용된다. 본 실시예에서, 제1 몰드(11)와 제2 몰드(12)는 약 460℃까지 냉각된다.
따라서, 패턴화된 프리폼(21A)이 제2 몰드(12)의 제2 표면(122)에 공기를 불어낸 후 열전도에 의해 제2 몰드(12)와 함께 하부에서 상부까지 균일하게 냉각된다. 또한, 제1 몰드(11)가 490℃까지 냉각된 후, 패턴화된 프리폼(21A)과 제1 몰드(11) 사이의 접촉력이 제로로 감소된다. 상기 패턴화된 프리폼(21A)은 수축되고 수축 이전보다 더 작은 체적을 가진다. 따라서, 패턴화된 프리폼(21A)이 제1 몰드 (11)의 제1 표면(111)으로부터 분리될 수 있고 상기 패턴화된 프리폼(21A)의 양측의 부근에 배치된 고정 부재(13)에서도 분리될 수 있다.
다음에, 단계(E')에서, 제2 몰드(12)는 1.5℃/sec의 냉각 속도로 제2 표면(122)에서 2차 냉각되고 제1 몰드(11)도 5℃/sec미만의 냉각 속도로 실온까지 냉각된다. 동시에, 제1 몰드(11)가 원래 위치로 상승된다.
제1 몰드(11)와 제2 몰드(12)의 냉각이 수행된 후, 밀폐된 챔버의 진공이 해제된다. 마지막으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 표면 미세 구조(4)를 가진 판상 공작물이 획득된다. 여기서, 표면 미세 구조(4)를 가진 상기 판상 공작물이 냉각 후 패턴화된 프리폼(21A)이 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 표면 미세 구조(4)를 가진 판상 공작물(4)은 판상 공작물의 상부 표면에 형성된 복수의 홈(41)을 가진다. 상기 홈(41)은 방향 D를 따라 연장되고 서로 평행하다. 본 실시예에서, 홈(41)이 V자형으로 형성되었지만, 이에 국한되지 않는다.
본 실시예에서, 판상 공작물(4)의 홈(41)은 105㎛의 평균 폭과 0.1㎛의 폭의 공차를 가진다. 상기 홈들(41)도 매 두 개의 인접한 홈들(41)의 사이에 127㎛의 평균 간격이 있고 0.3㎛ 미만의 간격 공차를 가진다. 이 방법은 높은 정확도와 많은 홈의 수를 구비한 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 제조에 성공하는 것을 보여 준다.
도 2b와 도 4를 더 참조하면, 가열된 프리폼(21)이 수직 방향으로 압축되고 제1 몰드(11)에 대해 가압 된 후 수평 방향으로 확장된다. 두 개의 고정 부재(13)는 패턴화된 프리폼(21A)의 양쪽 맞은 편에 배치되고, 각 고정 부재(13)는 패턴화된 프리폼(21A)의 홈(211)의 방향 D에 평행한 긴 축을 가진다. 따라서, 이들 위치에 배치된 두 개의 고정 부재에 의해 패턴화된 프리폼(21A)의 전체 크기를 제어하고 판상 공작물(4)의 표면 미세 구조의 정확도를 향상시키는, 즉 폭과 간격 공차의 오차 변동을 최소로 감소시키는 목적이 달성된다.
본 실시예에서, 두 개의 고정 부재(13)는 열 절연재로 제조된다. 접착성이 없는 고정 부재를 제공할 수 있도록, 100㎚ 두께의 백금-이리듐 합금 필름(131)을 고정 부재(13) 부근의 패턴화된 프리폼(21A)의 표면에 코팅한다. 판상 공작물의 열응력이 그 단부를 통하여 해제되는 것을 보장하도록 하기 위하여 고정 부재는 홈(211)의 단부에 배치되지 않게 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉각된 패턴화된 프리폼의 온도장(temperature field)이, 단계(E)와 단계(E')에서 각 몰드의 단일 표면에서만 제1 몰드와 제2 몰드가 냉각된 후, 수평 분포에서는 등온으로 유지되고 수직 분포에서는 변화된다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 냉각된 패턴화된 프리폼의 수평 온도장에서의 변화가 효과적으로 감소됨으로써, 높은 정확도의 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물이 획득된다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 설명한 바와 같이 본 실시예를 구현한다. 실시예 1과 실시예 2 사이의 차이점은 프리폼에 압인 성형되는 패턴이다.
단계(D)에서 프리폼은 제1 몰드와 제2 몰드 사이에 배치된다. 2.5㎛/sec의 가압 속도로 약 170㎛까지 가열된 프리폼에 대해 제1 몰드를 내리누르기 위해 280N의 하중을 인가하여 프리폼에 제1 몰드의 패턴을 압인 성형(impress)하여 패턴화된 프리폼을 얻는다. 성형에서 각 홈의 폭은 약 198㎛이고, 매 두 개의 인접한 홈들 사이의 간격은 약 252㎛이다.
실시예 1에서 설명된 유사한 냉각 단계를 수행 한 후, 판상 공작물의 홈은 평균 폭이 196㎛이고 폭의 공차가 0.1㎛이다. 홈들(41)도 매 두 개의 인접한 홈들 사이의 평균 간격이 250㎛이고 간격 공차가 0.35㎛ 미만이다. 이 방법은 높은 정확도로 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물의 제조에 성공하는 것을 보여 준다.
요약하면, 가압 후에 제2 몰드를 그 제2 표면에서만 직접 냉각시키면, 패턴화된 프리폼이 수축에 의해 제2 몰드를 제1 몰드와 성공적으로 분리시킬 수 있다. 그 결과, 표면 미세 구조를 갖는 제조된 판상 공작물의 품질을 효과적으로 향상시키고, 따라서, 높은 정확도의 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 성공적으로 얻는다.
이상의 설명에서는, 본 발명의 여러 특징들과 이점들이 본 발명의 구조 요소들에 대한 세부 사항과 함께 설명되어 있지만, 그러한 개시는 예시일 뿐이다. 세부 사항에 대한 변경, 특히 본 발명의 원리 내에서 부품의 형상, 크기, 배열과 관련된 변경은 첨부된 청구범위에서 표현되는 용어의 광의의 일반적 의미로 나타내진 전체 범위까지 걸쳐 이루질 수 있다.
1: 프레스 성형 장치 11: 제1 몰드
12: 제2 몰드 13: 고정 부재
14: 패턴 21: 프리폼
41: 홈

Claims (11)

  1. 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법으로서,
    (A) 제1 표면과 제1 표면에 형성된 패턴을 가진 제1 몰드와,
    제1 몰드의 제1 표면에 대면하는 제2 몰드를 가진 프레스 성형 장치를 제공하는 단계;
    (B) 제1 몰드와 제2 몰드 사이에서 제2 몰드 위에 배치되는 프리폼(preform)을 제공하는 단계;
    (C) 제1 몰드와 제2 몰드를 상기 프리폼이 프레스 성형 될 수 있는 온도까지 가열하는 단계;
    (D) 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 가압하고, 이에 의해 프리폼에 제1 몰드의 패턴을 압인 성형(impress)하여 패턴화된 프리폼을 얻는 단계; 및
    (E) 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 얻기 위해 제1 몰드로부터 분리된 패턴화된 프리폼과 제2 몰드를 냉각하는 단계를 포함하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 몰드에는 제1 몰드의 제1 표면에 대면하는 제1 표면과 제2 몰드의 제1 표면의 맞은편의 제2 표면을 가지고, 제2 몰드를 냉각하는 단계는 0.5℃/sec 이하의 냉각 속도로 제2 표면으로부터 제2 몰드를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    제2 몰드를 냉각하는 단계는 0.5 ℃/sec 이하의 냉각 속도로 제2 몰드의 제2 표면으로부터 제2 몰드를 냉각하는 단계와, 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물을 얻기 위해 1.5 ℃/sec에서 2 ℃/sec까지 범위의 냉각 속도로 제2 몰드를 2차 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    제2 몰드를 냉각하는 단계는 0.5 ℃/sec 이하의 냉각 속도로 제1 몰드를 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    프리폼은 광학 유리로 이루어지고, 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼이 프레스 몰드 될 수 있는 온도까지 가열하는 단계는 제1 몰드와 제2 몰드를 350℃ 내지 700℃의 온도 범위까지 가열하는 단계를 포함하고, 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 가압하는 단계는 제1 몰드와 제2 몰드를 프리폼에 대해 등온으로 60초 내지 100초 동안 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 몰드와 제2 몰드 사이에서 제2 몰드 위에 프리폼을 배치하는 단계는, 압력이 5×10-3 토르인 밀폐된 챔버에 프리폼, 제1 몰드 및 제2 몰드를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 몰드의 제1 표면은 중심선 평균 거칠기가 20㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    판상 공작물의 표면 미세 구조는 판상 공작물의 표면에 형성되고 한 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 각 홈은 예각으로 두 개의 인접한 경사진 표면으로 이루어지고, 상기 홈들은 105㎛ 내지 195㎛의 범위의 평균 폭과 0.2㎛ 내지 0.35㎛의 범위의 폭 공차를 가지는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홈들이 매 두 개의 인접한 홈들 사이에 127㎛ 내지 250㎛의 범위의 평균 간격과 0.2㎛ 내지 0.5㎛의 범위의 간격 공차를 가지는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    프레스 성형 장치는 프리폼의 두 개의 마주보는 측에서 제2 몰드에 각각 배치된 두 개의 고정 부재를 더 포함하고, 각 고정 부재는 표면 미세 구조를 가진 판상 공작물의 홈의 방향에 평행한 긴 축을 가지고, 각 고정 부재는 프리폼의 측면 부근의 표면과 고정 부재의 표면에 코팅된 필름을 가지며, 필름은 백금-이리듐 합금 또는 다이아몬드 라이크 카본으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제2 몰드를 냉각하는 단계는 제2 몰드를 냉각할 수 있도록 제2 몰드의 제2 표면에 냉각 가스를 불어 넣는 단계를 더 포함하고, 냉각 가스는 질소, 산소 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 미세 구조를 갖는 판상 공작물을 제조하는 방법.
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