KR102642114B1 - 열포밍 성형용 입체시트 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 열포밍 성형용 입체시트는 제1기재층, 상기 제1기재층의 일면에 형성되는 볼록 렌즈어레이, 및 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이를 포함하는 제1광학요소; 제2기재층, 상기 제2기재층의 일면과 타면에 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및 제3기재층, 상기 제3기재층의 일면에 형성되는 요철 식각층, 및 상기 요철 식각층에 형성된 요철 음각부에 배치되는 잉크를 포함하는 제3광학요소를 포함하고, 상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층된다.

Description

열포밍 성형용 입체시트{Three-dimensional sheet for thermal forming}
본 발명은 다중으로 적층된 입체시트로써 자동차 또는 전자제품의 표면디자인 소재로 사용되며, 두꺼운 시트형태로써 인몰드 사출 또는 포밍 굴곡성형에 적용 할 수 있는 '열포밍 성형용 입체시트'에 관한 것이다.
본 발명은 입체표면소재로서 광학적 요소의 적층방법 과 입체표면소재의 사출 또는 포밍 성형에 있어서 내구성 향상을 위한 구조적 특징과 그 해결 방법에 관한 것이다.
1. 출원번호 10-2019-0047315 복합광학시트 및 이를 포함하는 차량용 램프모듈 2. 출원번호 10-2019-0047316 차량 램프모듈용 입체광학시트 3. 출원번호 10-2006-0138521 광속차를 이용한 인쇄용 평면렌즈시트
자동차 또는 전자제품은 사출(또는 인서트사출)을 기반으로 대량생산체제가 아니면 경쟁력이 없기 때문에 아무리 아름다운 표면소재라 할지라도 사출적용이 되지 않으면 사용상의 많은 제약을 받고, 경쟁력이 저하된다.
따라서 '입체시트'는 사출적용 제품으로는 사용이 불가능함이 일반적 견해이다. 그 이유는 '광학적 굴절요소'를 지니고 있는 입체시트를 굴곡지게 휘거나, 곡면 형태로 만들 수 없기 때문이고, 특정형태로 휘어지게 만들게 되면 시각적으로 심한 왜곡현상이 발생하고, 다층구조로 이루어진 제품 특성상 '열충격'따위의 신뢰성테스트에서 층간 박리 등의 불량요인이 발생하기 때문이다.
또한 입체시트를 사출에 적용하기 위해서는 인서트사출(IML 또는 IMD)에 적합하도록 가공해야 한다. 자동차 또는 전자제품은 디자인 및 설계된 외형에 따라 금형을 제작하고, 그 금형에서 맞춰 사출제품이 찍어져 나오게 하는데, 그 금형내부에 곡면 형태로 삽입되도록 입체시트를 먼저 포밍(Forming) 가공하고 금형내부에 삽입시켜 '인서트 사출' 또는 '인몰드 사출'을 해야 하는 것이다. 즉 사출에 적용하기 위한 입체시트를 적정형태로 휘거나 꺾는 포밍(Forming)가공이 먼저 선행되어야 하는 것이다.
그러나 종래의 기술은 이러한 입체시트가 가지는 광학적문제점 및 공정과정을 전혀 고려되지 않았기 때문에 사출적용이 전혀 불가능했던 것이다.
따라서 본 발명은 포밍 또는 사출과정에서 다음과 문제점을 해결하기 위한 것으로써,
첫째, 렌즈어레이가 포함된 입체 시트의 경우에는 사출 또는 포밍 과정에서 고열과 압력에 의하여 렌즈어레이의 형태가 무너지게 되고, 그로인해 입체감이 무너지거나 투시되는 모양이 심하게 왜곡되는 현상이 발생되는 문제점.
둘째, 특정형태로 성형하는 포밍 과정에서 성형이 끝난 뒤에도, 시트가 원래상태로 다시 펴지려는 스프링백 현상이 발생하여 사출적용의 어려운 문제점,
셋째, 입체시트는 광학요소로써 광학적 특성을 그대로 유지되어야 함이 중요한데 이러한 과정에서 입체디자인 패턴의 변형 또는 왜곡되는 문제점,
넷째, 산업용 신뢰성테스트에 적합한 물성구조와 역학관계 등의 물리적인 문제점이 있고, 상기 문제점들을 해결해야 하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 실시예에 따른 열포밍 성형용 입체시트는 제1기재층, 상기 제1기재층의 일면에 형성되는 볼록 렌즈어레이, 및 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이를 포함하는 제1광학요소; 제2기재층, 상기 제2기재층의 일면과 타면에 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및 제3기재층, 상기 제3기재층의 일면에 형성되는 요철 식각층, 및 상기 요철 식각층에 형성된 요철 음각부에 배치되는 잉크를 포함하는 제3광학요소를 포함하고, 상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열포밍 성형용 입체시트는 일면에 볼록 렌즈어레이가 형성되는 제1기재층, 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이를 포함하는 제1광학요소; 제2기재층, 상기 제2기재층의 일면과 타면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및 일면에 요철 식각층이 형성되는 제3기재층을 포함하는 제3광학요소를 포함하고, 상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열포밍 성형용 입체시트는 제1기재층, 상기 제1기재층의 일면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제1광학요소; 일면에 볼록 렌즈어레이가 형성되는 제2기재층, 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이, 및 상기 제2기재층의 타면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및 제3기재층, 상기 제3기재층의 일면에 형성되는 요철 식각층, 및 상기 요철 식각층에 형성된 요철 음각부에 배치되는 잉크를 포함하는 제3광학요소를 포함하고, 상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층된다.
상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률은 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 클 수 있다.
상기 접착용 수지의 굴절률은 상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률보다 작고, 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 클 수 있다.
상기 제1 내지 제3기재층 각각은 PET, PC, PVC, PE, PMMA, PS 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 제1기재층 및 상기 제3기재층은 동일 소재로 이루어질 수 있다.
상기 볼록 렌즈어레이의 배열구조는 렌티큘라 패턴 또는 볼록 렌즈들의 배열 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 요철 식각층에 형성되는 보강 인쇄층을 포함할 수 있다.
상기 제1기재층 및 상기 볼록 렌즈어레이 사이에 프라이머 수지가 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층되어 일체화되고, 포밍공정을 통해 굴곡이 있는 형태로 성형될 수 있다.
입체시트에 있어서 포밍성형 공정과정에서 시트의 뒤틀림 또는 스프링백 현상을 제거하고, 렌즈를 통해 투시되는 이미지의 왜곡현상을 제거하며, 고정밀 대량생산에서 발생되는 제품불량을 최소화하여 소재단가 및 공정비용을 획기적으로 줄여 경제성과 내구성이 매우 우수한 제품을 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)를 3단으로 구성된 광학요소별로 분리하여 적층됨을 예시한 단면도 이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)가 한 장으로 적층되어 구성됨을 예시한 단면도 이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)가 전방 투시될 때 전반사되는 경로를 예시한 단면도.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)가 금형틀에 의하여 포밍되는 과정을 예시한 단면도.
도 5 는 일반적인 입체시트의 포밍과정에서 시트 내부에 발생하는 항력 차이를 예시한 단면도.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)가 포밍과정에서 시트 내부에 발생하는 항력 차이를 예시한 단면도.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 의한 입체시트(1)가 포밍과정에서 시트의 끝단이 계단식으로 형성됨을 예시한 단면도.
도 8 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의해 입체시트(1)의 렌즈어레이가 압출성형된 기재층으로 적용됨을 예시한 단면도.
도 9 는 본 발명의 다른 일 실시예에 의해 입체시트(1)의 렌즈어레이 및 요철식각층이 압출성형된 기재층으로 적용됨을 예시한 단면도.
도 10 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의해 입체시트(1)의 렌즈어레이가 압출성형된 기재층으로써, 렌즈의 곡률면이 상향으로 형성되어 적용됨을 예시한 단면도.
도 11 은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 입체시트에 있어서, 제2기재층 표면에 렌즈어레이가 압출성형된 기재층으로 적용됨을 예시한 단면도.
본 발명은 3개의 층으로 구성된 광학요소로써, 3장의 기재층으로 이루어지며, 각각 다른 광학적 요소가 한 장의 시트로 접착되어 입체이미지를 투시할 수 있도록 구성된 것이다. 또한 포밍 성형공정 이후에도 왜곡 변형됨이 최소화할 수 있도록 제작된다.
따라서 3개로 구분된 광학요소의 '제1광학요소'는 광학굴절요소로서 렌즈의 역할을 하고, '제2광학요소'는 초점거리를 형성하는 시트의 두께조절 및 전반사 또는 난반사를 줄이고, '제3광학요소'는 식각된 부분에 의해 시각적 입체디자인을 투시할 수 있도록 제작된다.
그런데 종래기술은 한 장의 기재층에 3가지의 광학요소가 형성되는 것이 일반적인 구성방식인데, 굳이 복잡하게 3장의 기재층을 사용함은 다른 이유가 있다. 즉, 비교적 두꺼운(약 0.5mm 이상) 두께를 가지는 입체시트에 있어서, '포밍성형'에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다.
특히 전자제품이나 자동차에 적용될 광학플라스틱 제품에 있어서, 열대사막 및 북극의 혹한에서도 10년 이상을 견뎌야 하는 제품신뢰성을 위한 것이다.
또한 입체시트를 1mm이상의 두께로 제작해야 할 경우에는, 생산성을 높이기 위해서는 롤 생산 공정으로 제작됨이 바람직한데, 공정을 분리하여 '롤'생산 및 '시트'생산이 가능하도록 구성하기 위한 것이다. (일반적으로 0.3mm 이상 두께의 시트는 롤 생산가공이 거의 불가능하다. 이유는 두께와 부피 때문에 비교적 짧은 길이밖에 롤에 감을 수 없는 문제 때문이다.)
도1은 본 발명의 입체시트(1)를 구성하는 적층 단면도를 예시하고 있다.
3개의 층으로 적층된 3개의 광학요소(10,20,30)들은 각각 적용되는 광학적 특성 과 물리적 특성을 고려된 것으로써, 각각의 광학요소들은 3개의 기재층 시트(또는 필름 )표면에 각각 굴절요소가 도포, 형성된 것이다.
각각의 기재층은 PET 또는 PC 등의 합성수지를 사용하지만 신뢰성테스트에 따른 열 변형을 고려한다면 용융점이 높은 PC(폴리카보네이트)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 볼록렌즈와 같은 굴절요소 및 정밀한 식각패턴 성형을 위해서 성형제작이 용이한 'UV경화 수지(레진)'를 이용하여 임프린팅 하는 방식으로 성형되도록 제작하는 것이 바람직할 것이다.
따라서 제1광학요소(10)는 상측부터 제1기재층(11)이 구성되고, 그 일면에 접착 프라이머 수지(12)층이 UV경화되어 형성 되며, 프라이머 수지(12)층 표면에 렌즈의 형태를 이루는 렌즈어레이( or 렌티큘러)가 고굴절 레진(13)층으로 경화되어 성형되며, 이어서 고굴절 레진(13)층의 성형된 볼록렌즈 표면에 저굴절 레진(14)층이 도포되고 경화되어 성형된다.
본 발명에서 고굴절 수지(13)는 n1.57 ~n1.61정도의 굴절률을 가진 소재를 말한다. 고굴절 UV경화수지(13)는 대체로 기재층(12)표면에 직접 경화되어 접착되면 수지물성 자체만으로는 접착강도가 낮기 때문에 제1기재층(11)과 고굴절수지(13) 사이에 접착강도를 높이기 위해 제1기재층(11)에 프라이머수지(12)층을 미리 도포하여 제작하는 것이 바람직한 것이다.
따라서 생산성을 고려한다면 제1광학요소의 제1기재층(11)은 두께가 250um이하의 필름을 사용하고, 그 일면에 각각 UV경화 및 성형공정을 롤 방식에 의해 순차적으로 적층하여 생산하는 것이 효율적일 것이다.
또한 도1에서 입체시트(1)의 하단부를 예시한 제3광학요소(30)는 도면에서 보는바와 같이 입체시트(1)를 관찰할 때 투시되어 보이는 디자인 요소이다. 제3광학요소(30)를 구성하는 제3기재층(31)은 상기 제1기재층과 마찬가지로 250um이하의 동일한 두께 및 동일한 소재의 필름으로 사용하는 것이 바람직하다.
따라서 제3기재층(31)의 일면에는 요철식각층(32)이 UV경화수지에 의해 형성되는데, 육안으로 투시되어 보이는 디자인무늬가 인쇄 또는 식각되어 성형된다. 물론 이 요철 식각무늬는 제1광학요소에 의해 입체적으로 인지되도록 광학적으로 설계된 것이다. (입체표현방법은 이미 공개된 기술이므로 자세히 설명하지 않는다.) 그리고 이렇게 정교한 식각패턴의 성형을 위해서는 리소그래피 기술의 '임프린팅 방식'이 주로 사용되지만 그 방법이 제한된 것은 아니다.
디자인 식각층(32)의 표면에 형성된 각각의 '음각 요철부(33)'에는 잉크(34) 또는 반사물질을 삽입시켜 색의 차이 또는 반사의 차이를 식별할 수 있도록 하는데, 제1광학 요소를 통해 투시되어 보이도록 제작되는 것이다. 잉크삽입 방법으로는 정밀 인쇄품질로 제작하기 위한 방법으로써 닥터블레이드로 긁어내거나 '융'같은 패브릭 원단으로 잉크를 문질러 깨끗하게 음각부(33) 홈에 잉크를 삽입시킬 수 있도록 제작된다.
이어서, 잉크(34)가 삽입된 디자인식각 층(32) 표면에는 주로 보강인쇄를 추가로 진행하는데, 사용자의 목적에 따라 잉크 또는 접착제, 광 확산제 등 다양한 소재를 보강 인쇄층(35)에 적용할 수 있는 것이다.
따라서 제3광학요소(30)의 제3기재층(31)은 제1기재층(11)과 동일소재, 동일한 두께로 적용해야 함이 바람직하고 이것은 스프링백(Spring Back) 현상 또는 왜곡 투시됨을 최소화 할 수 있는 방법이 되는 것이다. 그 이유는 열에 의한 포밍 성형공정을 진행할 때, 양쪽 기재층(11, 31) 저항 값이 동일하게 적용되고, 포밍금형 내부의 형태대로 식으면서 각 기재층(11, 21, 31)및 접착제가 서로를 붙잡고 있는 원리로써 굳기 때문인데, 도4 내지 도7에서 다시 설명하기로 한다.
또한 상기 제1광학요소와 제3광학요소 사이에는 제 2광학요소가 형성되는데, 제2광학요소(20)의 기재층(21)은 상기 두 기재층(11, 31)과 동일한 소재로 사용됨이 바람직하고, 주로 250um이상 두께의 시트로 사용된다.
도 1 내지 도3의 단면도에서 보는바와 같이, 렌즈어레이(or 렌티큘라)의 '초점거리'는 렌즈의 곡률반경 표면으로부터 음각요철부(33)까지의 거리가 된다. 따라서 렌즈의 입사광에 의한 초점거리(f)는 입체시트(1)의 두께를 결정하는 것이므로, 도면 2. 에서 보는 바와 같이 렌즈어레이(or 렌티큘라)를 형성하는 고굴절수지(13)렌즈 표면부터 그 이하에 형성된 각각 레이어와 모든 굴절관계가 적용된 초점거리(f)가 입체시트의 필수두께인 것이다. 따라서 초점거리(f) 에는 제2광학요소의 두께와 제3기재층의 두께가 이미 포함되어 있음은 당연한 것이다. 따라서 제2광학(20) 요소의 기재층(21)두께는 제1광학요소에 의한 형성되는 초점거리(f) 변화에 따라 그 두께가 조절되는 것이다.
또한 제2기재층(21)의 상면과 하면에는 각각 프라이머 수지(12)가 형성되어 있음을 볼 수 있는데, 특히 저굴절수지(14)와 맞닿은 제2 기재(21)층의 상측부에는 프라이머 수지가 중굴절 수지(22)로 이루어져야 함을 예시하고 있다. 그 이유는 도 3.에 예시한 바와 같이 전방에서 투시하여 관찰되는 과정에서 발생되는 문제로써, 일정각도 이상의 측면에서 투시할 경우에는 '전반사(y)'에 의하여 음각요철부의 식각된 문양이 보이지 않기 때문이다. 즉 전방투시 화각이 줄어들게 되는 것이다.
이것은 본 발명의 각 기재층이 PC(폴리카보네이트)일 경우, 그 굴절률이 약 1.59 이므로 굴절률이 높은 제2기재층이 제1광학요소의 저굴절수지(14)와 맞닿아 접착되면 굴절차이에 의한 전반사가 발생되어 전방 투시화각을 줄이는 폐단을 일으키는 것이다.
따라서 도 3은 입체시트(1)의 식각층(32) 투시 또는 백라이트에 의해 식각층(32)이 투시되는 과정을 예시하고 있다. 예컨대 제2기재층(21)이 PC소재일 경우 굴절률 1.59 이고, 저굴절 수지의 굴절률이 약1.35 일 때, 전반사가 발생하는 '전반사임계각'은 약 58도 이므로 전방시야각은 약 116도이다. 즉 전방투시 유효화각 180도 중, 측면각 64도는 모두 전반사 되어 디자인 식각층(32)을 투시하여도 볼 수 없는 것이다.
따라서 자동차 또는 전자제품의 외관을 장식한다고 가정한다면 최대한 넓은 전방투시화각이 확보됨이 필요하므로 서로 맞닿은 면의 굴절차이 때문에 발생된 전반사현상을 해결해야만 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 중굴절 수지(22)레진을 별도로 제작하여 중간정도의 굴절률을 가질 수 있도록 하면서 '프라이머'로써 저굴절 수지(14)와의 접착력을 유지할 수 있도록 함이 바람직한 것이다.
본 발명에 있어서, 제1광학요소의 저굴절 수지(14)로 사용되는 굴절률이 주로 1.34 ~ 1.43 정도이므로 이와 달리 1.47~1.53사이의 굴절률을 유지하는 중굴절 레진(22)을 제작하여 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 굴절률 차이에 의한 전반사 및 불필요한 반사현상을 제거하기 위하여 맞닿은 면의 굴절차이가 약 0.12 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.
구분 고굴절수지굴절률(PC) UV경화수지 굴절률 전반사 임계각 전방투시 시야각 전반사 손실화각
(좌,우측 합)
굴절차 1 1.59 1.35 -58.1092082 116.2184164 63.7815836
굴절차 2 1.47 -67.5973341 135.1946682 44.8053318
굴절차 3 1.53 -74.20971579 148.4194316 31.5805684
굴절차 4 1.59 -90 180 0
따라서 상기 표1에서 보는 바와 같이 중굴절의 굴절률에 따른 비교를 참조하면, PC의 굴절률이 약 1.59 이고 저굴절 UV경화수지가 약1.35일 때, 전반사 임계각이 약 58.1도이고 전방투시 시야각이 약116도 가 된다.
또한 표 1에서 UV경화수지 굴절률 이 1.53 으로써 중굴절 수지일 때, 전반사 임계각이 약 74.2도 이므로 전방투시 각도는 약 148도 가 되는 것이다. 따라서 중굴절 수지(22)가 없을 때와 중굴절 수지(22)를 적용했을 때를 비교하여 입체인지 투시화각을 비교하면 전반사에 의한 손실각도는 최대 약 32도 까지 차이가 있음을 확인할 수 있다.
물론 제2기재층 하부에 형성된 프라이머 수지(12)는 제2기재층의 상부에 형성된 중굴절 수지(22)를 사용해도 무방함은 당연한 것이다.
도 4는 본 발명에 있어서, 시트의 포밍(Forming)하는 과정을 예시한 도면이다. 포밍하는 방식은 주로 '열 프레스방식' 또는 '진공 포밍방식' 등이 있으나 열 프레스 방식을 중심으로 예시하여 설명한다.
본 발명에 있어서 '열 프레스방식'에 따른 시트의 포밍방식은 도면4에서 보는바와 같이, 포밍을 위한 금형(50,60)내부에 입체시트(1)를 안착시키게 되는데, 1단계로 금형내부의 적당한 '열'과 금형을 가압하면서 입체시트(플라스틱수지)를 연화시키게 되며, 2단계로 가압된 금형(50,60)내부에서 냉각되면서 연화된 입체시트(1)가 형태를 갖추게 되는데, 금형의 굴곡 모양대로 굳어지면서 성형되는 방식이다.
또한 다른 방법으로 1단계에서 비접촉식의 열로 입체시트의 연화작업을 먼저하고 2단계로 연화된 입체시트를 냉각금형 내부에 삽입시켜 금형 형태대로 식히면서 성형제작하기도 한다.
그런데 이런 성형제작과정에는 '스프링백 현상'과 '투시 왜곡현상' 문제점이 발생하는데, 이것을 해결하기위한 방법으로 응력(Stress)차이로 발생하는 문제점을 먼저 해결해야만 한다.
따라서 도5 내지 도7은 포밍과정에서 응력(Stress)차이에 의해 변화되는 구조적현상을 예시하여 설명하고 있다.
따라서 상기에서 언급하였듯이 입체시트를 형성하게 하는 기재층은 도5에서 보는 바와 같이 한 장의 시트로 된 기재층의 각각 상면과 하면에 광학요소를 형성하게 함이 공정상 가장 유리함에도 불구하고, 기재층을 3층으로 분리하여 제작함은 그 이유가 있는데 도5내지 도7의 도면과 함께 설명하면 다음과 같다.
따라서 도5는 한 개의 기재층으로 이루어진 일반적인 입체시트에 있어서, 이 입체시트가 '열포밍 방식'으로 성형되어짐을 예시한 도면이다.
도면에서 보는바와 같이 두께가 약 2mm 이상으로써 PC(폴리카보네이트), 또는 PET 로 이루어진 기재층(210)을 중심으로 그 상면에는 광학요소인 볼록렌즈 어레이(130)가 성형되어있고 그 하면에는 디자인 식각층(320)이 형성되어 있다. 또한 시트의 연화온도를 약 147도 이상으로 가합하여 성형된 형태를 예시하고 있다.
따라서 입체시트(1)의 두께가 두껍기 때문에 휘어지는 저항 값이 높을 수밖에 없고, 또한 시트 내부에 저항하는 항력(STRESS)은 반경이 큰 바깥부분(A)과 시트의 중앙부(B)와 반경이 작은 내측부(C)로 구분하여 그 항력의 차이가 A>B>C 순서로 차이가 날 수밖에 없고, 따라서 스프링백 현상 및 투시왜곡현상도 자연스럽게 발생할 수밖에 없는 구조임을 알 수 있다.
즉, 휘어지는 바깥부분(A)의 늘어나는 인장강도가 제일 세게 적용되고, 내측부(C)가 가장 약하게 적용될 수밖에 없는 것이다. 또한 적용되는 광학요소에 있어서 볼록렌즈 어레이(130), 기재층(210), 디자인 식각층(320)을 형성하는 소재마다 열에 의하여 반응하는 연화온도 또한 다르기 때문에, 포밍 과정에서 연화되고 다시 냉각되어 굳어지는 정도 차이에 따라 스프링백 또는 왜곡투시 되는 문제점이 발생되는 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예를 예시한 도면으로서 3장의 기재층으로 이루어지고, 총 두께가 약 2mm이상으로 합지되어, 연화온도 약 147도 이상으로 가합하여 포밍 성형제작 된 PC(폴리카보네이트) 또는 PET 시트를 예시하고 있다.
연화온도는 PETG 81도, PC 147도 이상으로써, 소재에 맞는 온도로 성형이 이루어져야 할 것이다. 또한 열포밍 공정에서 너무 과도하게 고열 또는 장시간 성형하게 되면 기재층 및 광학요소들의 수지가 연화됨 이상으로 녹아 변형되면서 렌즈형상 및 디자인패턴의 형상이 찌그러지는 문제점이 발생하게 된다. 따라서 렌즈층(13) 및 디자인 패턴층(32)의 연화 및 압착에 따른 변화까지고 고려하여 짧은 시간 내에 플라스틱의 연화온도 및 냉각온도를 조절하여 제작되어야 한다.
따라서 도 6에서 보는바와 같이, 3장의 '기재층'시트로 이루어진 입체시트(1)가 포밍과정 이후 성형된 형태를 예시하고 있는데, 성형을 위해 휘어지는 부분의 항복강도에 있어서 상기 도 5에 예시된 일반적인 입체시트의 항력비교(A>B>C)와 다소 차이가 있음을 알 수 있다.
예컨대 휘어지는 반경의 바깥쪽에 위치한 바깥시트(10)의 항력(A)과 중앙시트(20)의 항력(B), 작게 휘어지는 내측시트(30)의 항력(C)으로 구분하고, 휘어지는 항복강도를 비교하면 A B C 로 유지되는 것이며, 이것은 합지된 시트의 복원하려는 스트레스 차이가 안정적으로 변화된 것임을 알 수 있다.
따라서 이러한 현상은 포밍 과정에서 각각 기재층들이 휘어지며 늘어나는 길이차이가 작을 수밖에 없는 구조로써 물리적인 결과인 것이다. 따라서 이러한 결과로 각각의 광학요소의 왜곡변화를 최소화 할 수 있게 하는 것이며, 결국 열포밍 과정 이후에 금형내부에서 시트가 냉각되면서 각 기재층 소재자체의 성형변형 이외에, 기재층들사이의 접착제(12)가 서로 붙잡고 있는 구조가 유지되기 때문이다.
따라서 도 7은 본 발명의 성형된 입체시트(1)의 더욱 구조적 특징을 설명한 것으로써, 각 기재층(11, 21, 31)들이 본 발명의 성형과정에서 양 끝단이 계단식으로 적층된 형태로 성형됨을 알 수 있다. 즉, 3장의 기재층으로 적층된 입체시트에 있어서, 포밍 과정에서 각각 기재층의 늘어남이 최소화 되고 금형 내부에 휘어진 형태대로 굳어져 계단식으로 형성된 것이다.
따라서 이것은 기재층(11,21,31)의 연화온도와 접착용 수지(12)의 연화온도와 다르기 때문에 층간사이가 슬립 되면서 휘어진 형태로 재결합되어 굳어진 현상이다.
즉, 기재층의 항력(stress)이 층별로 각각 분산 적용되어 만들어진 것이다.
기재층의 연화온도에 비해 접착용수지(12)의 연화 온도는 일반적으로 50~60도 정도의 낮은 온도이므로, 결국 응력을 분산시키기 위한 항복강도 낮은 접착수지가 굳으면서 스프링백 현상 및 왜곡 투시되는 현상을 최소화시킬 수 있는 것이다. 물론 성형된 입체시트의 끝단 부분이 계단식으로 형성되나 제품의 완성도를 위하여 CNC 또는 다이컷 작업 등으로 끝단이 깨끗하게 마감처리 되어야함은 당연할 것이다.
따라서 본 발명의 3단 적층구조 '포밍성형용 입체시트(1)'는 포밍 과정에서 늘어나는 문제점 때문에 왜곡되어 투시되는 문제점을 방지할 수 있는 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예를 나타내고 예시한다.
본 발명의 제1광학요소(10)를 형성하는 제1기재층(101)에 있어서, 고굴절 소재로 이루어지고, 표면에 렌즈어레이가 성형된 압출시트로 사용될 수 있다. 이 경우에는 상기 도 1내지 도3에서 설명한 제1광학요소를 제작하는 것 보다 다소 공정이 단순해짐이 장점인데, 압출공정 특성상 UV경화레진을 이용한 '임프린팅 방식'보다는 정교함과 균일성이 떨어지는 단점이 있지만, 사용자의 의도에 따라 사용될 수 있는 것이다.
따라서 압출방식으로 고굴절 렌즈(101)를 성형하기 위한 레진으로는 PC(폴리카보메니트 n 1.59) 또는 PET(n 1.475)를 사용함이 바람직하고, 이렇게 제작된 렌즈어레이 시트(101)는 그 렌즈 표면에 저굴절 수지(14)를 도포하여 경화시킴으로써, 본 발명의 제 1광학요소를 완성할 수 있다. 그런데 상기에서 언급하였듯이 포밍 과정의 문제점을 해결하기 위하여, 제3기재층의 항력이 제1기재층(101)과 비슷하게 유지되어야 하므로 동일한 소재로써 그 두께 역시 비슷하게 제작됨이 바람직한 것이다.
그런데 사용자의 의도에 따라, 상기에서 PC로 형성된 고굴절 렌즈(101)표면에 도포된 저굴절 수지(14)의 접착력이 약할 경우에는 렌즈어레이(101) 표면에 접착용 프라이머 수지를 먼저 얇게 도포하고 다시 그 표면에 저굴절 수지(14)로 도포 경화시켜 제1광학요소(10)를 완성시킬 수 있는 것이다. 물론 프라이머수지는 최대한 얇게 도포되어 렌즈의 곡률반경 및 굴절관계에 영향이 미치지 않도록 주의해야 한다.
도9는 본 발명의 또 다른 일실시예를 설명하고 있는데, 압출방식으로 제작된 제1기재층 외에 제3기재층(301)도 압출방식으로 제작되어 그 일면에 디자인 식각문양으로써 요철음각부(33)가 패턴을 이루어 형성되어 있다. 물론 각각의 요철음각부(33)에 침전잉크(34)가 삽입되거나 증착 또는 반사잉크를 도포시켜 완성시킬 수 있고, 추가로 보강인쇄(35)로 제 3광학 요소를 완성시킬 수 있다.
따라서 압출성형에 의한 제3기재층은 앞에서 언급하였듯이 UV경화레진에 의한 '임프린팅 방식'보다는 역시 정교하지 못하지만 제작공정을 단순화 할 수 있는 장점이 있고, 음각요철부(33) 표면에 롤 증착 또는 롤 인쇄 방식 등을 연결하여 대량생산 방식으로 제3광학요소(30)를 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일실시예를 설명하고 있는데, 도 8 내지 도9에 예시된 제1 기재층(101)과는 달리, 사용자의 의도에 따라 압출로 제작된 제1 기재층의 렌즈어레이(101)의 방향을 상향으로 형성되도록 구성하여도 무방하다. 물론 제1기재층과 제3기재층의 소재가 동일하게 이루어지며 비슷한 두께로 이루어져야 함은 당연한 것이다. 단, 대체로 저굴절 수지(14)가 표면이 외부에 노출될 경우에는 레진경도가 약하므로 바람직하지 못하다. 따라서 저굴절 수지(14) 표면에 하드코팅 또는 보호필름 등을 사용자의 의도에 따라 추가 구성하여도 무방하다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일실시예로써 3중 적층구조로 형성됨을 예시한다.
상기 도8내지 도10에서 압출방식에 의해 형성된 제1기재층의 볼록렌즈어레이를 대신하여 제2기재층에 압출방식으로 두께를 맞추어 그 일면에 볼록렌즈 어레이가 형성되도록 제작된 것이다. 따라서 제 1기재층은 제3기재층의 물리적 대칭구조로써 제2기재층을 중심으로 구성되며, 제3기재층과 동일한 소재로써 비슷한 두께로 형성됨이 당연한 것이다.
따라서 PC 또는 PET로 압출 성형된 제2기재층의 일면에 고굴절 렌즈어레이(201)가 형성되고, 렌즈어레이(201)의 표면에 저굴절수지(14)가 도포되어 형성된다. 또한 제2기재층의 다른 일면에는 접착수지(12, 22)가 도포되어 제3기재층과 접착될 수 있도록 구성됨으로서 제2광학요소가 완성된다.
따라서 제2기재층(201)의 상단에 볼록렌즈어레이 및 저굴절 수지 형성됨에 따라 다시 고굴절 소재인 제1기재층(11)에 저굴절 수지(14)가 접촉됨을 방지하기 위하여, 상기에서 언급하였듯이 제1기재층(11)이 맞닫는 그 일면에 반드시 전반사를 방지할 수 있는 중굴절 수지(22, 122)가 도포되어야 한다. 물론 단순히 접착을 위한 수지가 아니라 전면 투시화각을 최대로 확보하기 위한 중굴절 수지(122)로써 구성되는 것이고, 이로써 제1광학요소(10)의 굴절조건이 완성 된다.
또한 이에 적용되는 제3 광학요소(30)는 상기에서 설명한 제3광학 요소와 동일한 구조로서 압출 또는 임프린팅 방식으로 제작된 음각요철부가 형성된 제3기재층(301,31)이 구성되어도 무방하다 할 것이다.
따라서 제1기재층 및 제2기재층, 제3기재층이 동일한 소재로 이루어져야하고, 제1기재층과 제3기재층은 비슷하거나 동일 두께로써 제2기재층을 중심으로 대칭구조를 이루어 구성됨이 바람직한 것이다.
이상으로 지금까지 설명한 본 발명은 상기에서 서술한 방식에 의하여 문제점을 해결하고, 열포밍 성형이 가능한 제품을 제작할 수 있는 것이며, 따라서 포밍된 제품을 활용한 인몰드사출 또는 인서트사출을 적용하여 제품의 완성도를 높일 수 있는 것이다.
본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 시술 사상의 범위에 포함된다.
1. 입체시트
10. 제1광학요소
11. 제1기재층
12. 접착 수지층
13. 고굴절 수지층
14. 저굴절 수지층
20. 제2광학요소
21. 제2기재층
22. 중굴절 수지층
30. 제3광학요소
31. 제3기재층
32. 요철 식각층
33. 요철 음각부
34. 잉크(침전용)
35. 보강 인쇄층
50. 금형(하판)
60. 금형(상판)
101. 렌즈성형 제1기재층
122. 중굴절 수지층(제1기재층)
130. 일반 볼록렌즈층
201. 렌즈성형 제2기재층
210. 일반 기재층
301. 패턴성형 제3기재층
320. 일반 요철식각층
x. 입체 투시경로
y. 전반사 경로

Claims (11)

  1. 제1기재층, 상기 제1기재층의 일면에 형성되는 볼록 렌즈어레이, 및 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이를 포함하는 제1광학요소;
    제2기재층, 상기 제2기재층의 일면과 타면에 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및
    제3기재층, 상기 제3기재층의 일면에 형성되는 요철 식각층, 및 상기 요철 식각층에 형성된 요철 음각부에 배치되는 잉크를 포함하는 제3광학요소를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층되고,
    상기 접착용 수지의 굴절률은 상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률보다 작고, 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 큰 열포밍 성형용 입체시트.
  2. 일면에 볼록 렌즈어레이가 형성되는 제1기재층, 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이를 포함하는 제1광학요소;
    제2기재층, 상기 제2기재층의 일면과 타면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및
    일면에 요철 식각층이 형성되는 제3기재층을 포함하는 제3광학요소를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층되고,
    상기 접착용 수지의 굴절률은 상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률보다 작고, 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 큰 열포밍 성형용 입체시트.
  3. 제1기재층, 상기 제1기재층의 일면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제1광학요소;
    일면에 볼록 렌즈어레이가 형성되는 제2기재층, 상기 볼록 렌즈어레이의 표면에 형성되는 오목 렌즈어레이, 및 상기 제2기재층의 타면에 배치되는 접착용 수지를 포함하는 제2광학요소; 및
    제3기재층, 상기 제3기재층의 일면에 형성되는 요철 식각층, 및 상기 요철 식각층에 형성된 요철 음각부에 배치되는 잉크를 포함하는 제3광학요소를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층되고,
    상기 접착용 수지의 굴절률은 상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률보다 작고, 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 큰 열포밍 성형용 입체시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈어레이의 굴절률은 상기 오목 렌즈어레이의 굴절률보다 큰 열포밍 성형용 입체시트.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3기재층 각각은 PET, PC, PVC, PE, PMMA, PS 중 적어도 하나의 소재로 이루어지는 열포밍 성형용 입체시트.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기재층 및 상기 제3기재층은 동일 소재로 이루어지는 열포밍 성형용 입체시트.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈어레이의 배열구조는 렌티큘라 패턴 또는 볼록 렌즈들의 배열 패턴으로 형성되는 열포밍 성형용 입체시트.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요철 식각층에 형성되는 보강 인쇄층을 포함하는 열포밍 성형용 입체시트.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기재층 및 상기 볼록 렌즈어레이 사이에 프라이머 수지가 배치되는 열포밍 성형용 입체시트.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3광학요소가 차례로 적층되어 일체화되고, 포밍공정을 통해 굴곡이 있는 형태로 성형되는 열포밍 성형용 입체시트.
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