KR20040051879A - 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 및 그 제조방법 - Google Patents

유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정밀도 미세 광부품의 양산을 가능하게 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은, 고온 고압의 유리 성형기에서 유리 성형을 통해 만들어질 광부품과 대응되는 형상을 지니는 마스터패턴(3)을 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 제작하는 마스터패턴 제작단계와, 이 마스터패턴(3)을 초경합금에 전사하여 몰드인서트(10)를 제작하는 몰드인서트 제작단계를 포함하는 미세 유리 광부품 성형용 초경합금제 몰드인서트 제조방법을 제공한다. 이렇게 제조된 초경합금제 마이크로 몰드인서트를 이용하여 유리 미세 광부품, 예컨대, 굴절 및 회절 유리 마이크로 렌즈, 유리 미세 프리즘, 유리 광도파로 등을 제조한다.

Description

유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 및 그 제조 방법{CEMENTED CARBIDE MICROMOLD INSERT AND FABRICATION METHOD OF CEMENTED CARBIDE MICROMOLD INSERT FOR GLASS MOLDING}
본 발명은 몰드인서트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정밀도 미세 광부품의 양산을 가능하게 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
패턴의 크기가 수백 마이크로 미터 이하의 유리 광부품은 일반적인 대형 유리 광부품의 가공 방식인 절삭 및 폴리싱을 적용하여 생산하기 곤란하다.
따라서, 종래의 유리 소재의 마이크로 광부품의 경우, 대부분이 마이크로-리소그래피(micro-lithography) 공정 및 에칭 공정에 의하여 제작되어졌다. 마이크로-리소그래피 공정 및 에칭 공정은 도 6과 같이 실리콘 또는 유리 기판 위에 포토레지스트(Photoresist) 막을 입히고(S60), 마이크로-리소그래피 공정에 의하여 그 표면에 마스크 패턴을 현상 및 인화과정을 통해서 마스크패턴을
복제하고(S61), 복제된 패턴을 바탕으로 하여 유리기판의 에칭(식각)을 실시하며(S62), 불필요한 부분을 제거하는 과정(S63) 및 열처리과정(S64)과 도핑과정(S65)을 반복하여 원하는 미세부품을 제작하는 기술로 1970년대 반도체 기억소자로 대표되는 집적회로를 고정밀도로 대량으로 생산하기 위하여 개발된 것을 마이크로 머신과 같은 입체구조물을 만들기 위한 여러 가지 기술을 추가하여 개발하게 되었다. 그러나 이 기술들은 쉽게 원하는 형상을 얻을 수 없고 고가의 소량생산을 목표로 적용되는 방식이어서 경제성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
유리 미세 광부품의 대량생산을 위한 방법은 원하는 형상정도와 표면조도를 가지는 비구면의 형상 또는 회절 광학계의 형상의 금형 위에 광학 유리를 고온 고압의 환경에서 가열 성형함으로써 이후의 추가 연마공정 없이 광학소자를 만드는 방법이 가장 적합하다. 유리성형은 최소 300℃에서부터 1400℃까지의 가공온도에서 제작되어지므로 이를 위하여 유리 성형용 몰드인서트는 유리성형시의 가공온도를 견디며 대단히 높은 고온 경도(hot hardness)를 가질 것이 요구된다. 이에 유리 성형용 몰드인서트의 재질은 주로 초경합금이 이용된다. 초경합금(cemented carbide)은 금속의 탄화물 및 산화물 분말로 소결하여 만들게 되며 경도가 대단히 높다. 초경합금의 조성은 WC, TiC, Tac, Mo2C, Al2O3, Co 등이다. 각 물질의 조성에 따라 조직 및 경도가 다르며 이에 따라 용도가 바뀐다. 현재 소형 유리 렌즈를 제작하는데 사용되는 금형은 초경합금 소재를 단결정 다이아몬드 공구를 이용한 기계 가공을 통해서 만들고 있다. 그러나 단결정 다이아몬드 공구로는 마이크로 렌즈의 경우,곡률 반경이 200 마이크로 미터 이하는 가공이 어려우며, 초경합금 면위에 수 마이크로 이하의 홈가공 또한 많은 어려움이 있어, 고굴절률과 고광효율을 지닌 광부품용 초경합금제 마이크로 몰드인서트의 제작에 한계가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 미세 광부품의 양산을 가능하게 하는 몰드인서트를 제공하는데 목적이 있다. 즉, 양산성은 부족하지만 고정밀도 미세 패턴의 제작이 가능한 마이크로-리소그래피 공정에 의하여 마스터패턴을 제작한 뒤, 마스터패턴의 미세 패턴을 전사하여 초경합금제 몰드인서트를 제작하고, 제작된 몰드인서트를 이용하여 미세 광부품을 양산할 수 있도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 유리 광부품 제조 방법의 공정 순서를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 마스터패턴 및 몰드인서트 제작 공정을 도식화한 도면이다.
도 3은 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 마스터패턴 및 몰드인서트 제작공정을 도식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 마스터패턴 및 몰드인서트 제작공정을 도식화한 도면이다.
도 5는 종래의 유리 광부품 제조 방법으로서, 실리콘 마이크로 머시닝법의 공정 순서를 개략적으로 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 감광제2: 기판
3: 마스터패턴4: 실리콘 또는 유리 소재의 중간체
5: 금속 소재의 중간체7a, 7b: 몰드 상하판
8a: 초경합금 분말과 접합물질의 혼합물
8b: 초경합금 분말과 응고제의 혼합물
8c: 초경합금 분말
9: 그릇10: 몰드인서트
11: 세라믹막틀13: 고온고압로
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고온 고압의 유리 성형기에서 유리 성형을 통해 만들어질 광부품과 대응되는 형상을 지니는 마스터패턴을 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 제작하는 마스터패턴 제작단계와, 이 마스터패턴을 초경합금에 전사하여 몰드인서트를 제작하는 몰드인서트 제작단계를 포함하는 미세 유리 광부품 성형용 초경합금제 몰드인서트 제조방법을 제공한다. 이에 의하여, 본 발명은 마이크로 또는 서브마이크로 단위의 유리 미세 광부품의 유리 성형(glass molding)이 가능한 미세 패턴을 지니는 초경합금제 몰드인서트를 제공할 수 있게
된다.
상기 몰드인서트 제작단계는, 상기 마스터패턴의 패턴이 전사된 몰드인서트에 내마모 코팅을 하는 코팅단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 코팅단계에서는 몰드인서트에 Cr203, TiN, TiC, TiCN로 이루어지는 군으로부터 선택되어지는 어느 하나를 코팅하여, 몰드인서트의 내마모성 및 표면거칠기를 개선하게 된다.
또한, 상기 마스터패턴 제작단계는, 감광제를 소정의 두께로 기판 상에 형성하는 단계; 및 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 감광제 패터닝을 하여 마스터패턴을 만드는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 몰드인서트 제작단계는, 실리콘 또는 유리 소재의 상기 기판을 식각하여 상기 마스터패턴의 패턴을 상기 기판에 복사하여 실리콘 또는 유리 소재의 중간체를 만드는 단계; 상기 중간체를 압축 성형기에 장착하고 초경합금 분말과 접합물질의 혼합물을 주입한 뒤 압축 성형하여 초경합금 성형체를 만드는 단계; 및 상기 초경합금 성형체를 가열로에서 소결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 몰드인서트 제작단계는, 실리콘 또는 유리 소재의 상기 기판을 식각하여 상기 마스터패턴의 패턴을 상기 기판에 복사하여 실리콘 또는 유리 소재의 중간체를 만드는 단계; 상기 중간체 상에 초경합금 분말과 응고제의 혼합물을 붓고 응고시켜 초경합금 성형체를 만드는 단계; 및 상기 초경합금 성형체를 가열로에서 소결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 몰드인서트 제작단계는, 상기 마스터패턴 상에 전기주조를 통하여 금속 소재의 중간체를 만드는 단계; 상기 중간체에 졸겔법을 이용하여 세라믹막을 입혀 세라믹막틀을 만드는 단계; 및 상기 중간체를 제거한 뒤 형성되는 세라믹막틀의 캐비티에 초경합금 분말을 채운 후 열간 정수압 성형 방식을 이용하여 소결하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 패터닝된 마스터패턴의 패턴이 전사된 미세 패턴을 가지는 소결 초경합금으로 이루어지는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트를 제공한다.
이렇게 제조된 초경합금제 마이크로 몰드인서트를 이용하여 유리 미세 광부품, 예컨대, 굴절 및 회절 유리 마이크로 렌즈, 유리 미세 프리즘, 유리 광도파로 등을 제조한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 유리 광부품 제조 방법의 공정 순서를 개략적으로 보여주는 도면이다.
먼저, 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 유리 성형을 통해 만들어질 구조물과 대응되는 형상을 지니는 마스터패턴(3)을 제작한다(S10). 다음으로, 마스터패턴(3)의 미세 패턴을 초경합금에 전사하여 몰드인서트(10)를 제작한다(S11). 다음으로, 소결과정에서 발생한 치수변화에 따른 후가공을 하고, 미세 패턴이 전사된 몰드인서트(10)에 Cr2O3, TiN, TiC, TiCN 등을 코팅하여 소결중 접합물질 또는 응고제가 빠져나감으로써 발생한 표면거칠기 저하를 개선하고 내마모성을 향상시킨다(S12). 다음으로, 제작된 몰드인서트(10)를 고온고압 유리 성형에 이용하여 유리 미세 광부품을 제조한다(S13).
도 2는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 마스터패턴(3) 및 몰드인서트(10) 제작 공정(도 1의 S10 ~ S11)을 도식화한 도면이다.
실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판(2) 위에 감광제(1)를 도포하고 원하는 패턴이 만들어질 수 있게 마스크를 덮고 마이크로-리소그래피 방식으로 마스터패턴(3)을 만든다. 그러나, 이렇게 만들어진 마스터패턴(3)은 열, 온도, 습도에 변형이 되기 쉬우므로 식각 공정을 통해 실리콘 또는 유리 소재의 중간체(4)를 제작한다. 그리고나서, 준비된 정량의 마이크로/나노 입자 크기의 초경합금 분말과 파라핀, 폴리머 혹은 저융점 금속 등과 같은 접합물질의 분말 혼합물(8a)을 중간체(4)가 장착된 저온 저압 압축 성형기에 주입한다. 혼합물(8a)을 압축 성형기에 주입한 뒤 열을 가해주는데, 가열을 통해 혼합물(8a) 내의 접합물질은 용융되고, 이 용융 물질은 초경합금 분말의 입자를 덮고 서로 접합하게 된다. 정해진 온도(조성에 따라 50℃~300℃)까지 상승하면 몰드 상하판(7a, 7b)에 압력을 가해 압축 성형하게 된다. 몰드인서트(10)의 미세 구조의 기계적 물성치 (압축강도, 파괴강도, 전단강도)에 따라 압축압력 사용의 제약을 받지만 일반적으로 30MPa 이하의 압축응력으로 충분한 성형성을 가진다. 압축압력을 가한 뒤 가열을 종료하고, 냉각 및 보압단계로 들어간다. 냉각이 끝난 뒤 취출하여 이 초경합금 성형체의 버(burr) 부분을 제거하는 후처리를 한다. 이후 500℃~1000℃ 정도로 가열하여 접합물질을 제거하는 예비소결 단계를 거치고, 이후 본소결은 14000℃이상에서 진행한다. 이 과정에서 금속 물질이 확산되어 강한 고용체가 되며 서로의 입자가 결합되어 조직이 형성된다. 이 방법은 중간체(4)를 계속 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이상의 과정을 통하여 몰드인서트(10)를 제작한다.
초경합금분말은 마이크로 및 서브 마이크로 패턴을 형성할 수 있도록 하기 위하여 수 마이크로 또는 그 이하의 입자 크기로 준비하여야 한다. 또한 중간체(4)는 초경합금이 소결하면서 생기는 부피변화를 감안하여 제작된다. 저온 저압 압축성형에서는 접합물질이 녹아서 분말상의 초경합금을 결합시키는 것이므로 저온 저압 성형이 가능하고, 따라서, 중간체(4)가 고강성. 고경도일 필요가 없이 실리콘 또는 유리 재질이면 적합하다.
도 3은 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 마스터패턴(3) 및 몰드인서트(10) 제작공정(도 1의 S10 ~ S11)을 도식화한 도면이다.
실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판(2) 위에 감광제(1)를 도포하고 원하는 패턴이 만들어질 수 있게 마스크를 덮고 마이크로-리소그래피 방식으로 마스터패턴(3)을 만든다. 다음으로, 식각 공정을 통해 실리콘 또는 유리 소재의 중간체(4)를 제작한다. 그리고나서, 준비된 정량의 마이크로/나노 입자 크기의 초경합금 분말과 액상 응고제의 혼합물(슬러리)(8b)을 중간체(4) 위에 부어 형을 뜨고 건조후 소결하여 제작한다. 도 2의 방식과는 달리, 결합물질이 액상이라 중간체(4)의 미세 패턴을 전사함에 있어 압축압력과 가열이 필요하지 않다. 즉, 중간체(4)를 그릇(9)에 놓고 초경합금 분말과 액상 응고제의 혼합물(슬러리)(8b)을 준비하여 그릇(9)에 부은 뒤응고시킨다. 이 경우 응고제의 특성에 따라 100℃까지 가열시켜 응고시킬 수 있다. 이후 500℃~1000℃ 정도로 가열하여 응고제를 제거하는 예비소결 단계를 거친 후, 본소결은 14000℃이상에서 진행한다. 이 과정에서 금속 물질이 확산되어 강한 고용체가 되며 서로의 입자가 결합되어 조직이 형성된다. 이상의 과정을 통해 몰드인서트(10)를 제작한다.
도 4는 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 마스터패턴(3) 및 몰드인서트(10) 제작공정(도 1의 S10 ~ S11)을 도식화한 도면이다.
실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판(2) 위에 감광제(1)를 도포하고 원하는 패턴이 만들어질 수 있게 마스크를 덮고 마이크로-리소그래피 방식으로 마스터패턴(3)을 만든다. 그러나, 이렇게 만들어진 마스터패턴(3)은 열, 온도, 습도에 변형이 되기 쉬우므로 전기 주조법에 의하여 금속 소재의 중간체(5)를 제작한다. 그리고나서, 세라믹 슬러리 용액에 담가 중간체(5)의 겉면에 졸겔법을 통하여 세라믹막을 입혀 중간체(5)를 캐비티로 가지는 세라믹막틀(11)을 제작한다. 세라믹막틀(11)은 평형압력이 깨어지지 않는 범위에서 유연성이 충분한 금형을 사용하는 것인데 유연성이 좋게 얇게 만든다. 이후 중간체(5)를 세라믹막틀(11)과 분리한뒤, 이 세라믹막틀(11) 내의 캐비티에 나노입자의 초경합금 분말(8c)을 채워 넣고 가스를 제거한다. 이 경우, 초경합금 분말(8c)이 형을 완성한 뒤에도 세라믹 틀(8c)에서 취출되지 않으며, 그대로 열간 정수압 성형 방식(Hot Isostatic Pressing, HIP)을 이용하여 고온고압로(13)에서 소결하게 된다. 이 방법은 소결 과정중의 초경합금의 변형을 세라믹막틀(11)이 억제해 주기때문에 후가공이 적다는 장점이 있다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 미세 광부품의 양산을 가능하게 하는 몰드인서트를 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 양산성은 부족하지만 고정밀도 미세 패턴의 제작이 가능한 마이크로-리소그래피 공정에 의하여 마스터패턴을 제작한 뒤, 마스터패턴의 미세 패턴을 전사하여 초경합금제 몰드인서트를 제작하고, 이렇게 제작된 몰드인서트를 이용하여 유리 미세 광부품을 양산할 수 있게 됨으로써, 공정시간의 단축, 정밀도의 향상, 단가의 절감, 양산성의 이점을 얻을 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 유리 성형을 통해 만들어질 광부품과 대응되는 형상을 지니는 마스터패턴을 제작하는 마스터패턴 제작단계; 및
    상기 마스터패턴의 패턴을 초경합금에 전사하여 몰드인서트를 제작하는 몰드인서트 제작단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰드인서트 제작단계는, 상기 마스터패턴의 패턴이 전사된 상기 몰드인서트에 내마모 코팅을 하는 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마스터패턴 제작단계는,
    감광제를 소정의 두께로 기판 상에 형성하는 단계; 및
    마이크로-리소그래피 방법에 의하여 감광제 패터닝을 하여 상기 마스터패턴을 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 몰드인서트 제작단계는,
    실리콘 또는 유리 소재의 상기 기판을 식각하여 상기 마스터패턴의 패턴을 상기 기판에 복사하여 실리콘 또는 유리 소재의 중간체를 만드는 단계;
    상기 중간체를 압축 성형기에 장착하고 초경합금 분말과 접합물질의 혼합물을 주입한 뒤 압축 성형하여 초경합금 성형체를 만드는 단계; 및
    상기 초경합금 성형체를 가열로에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 몰드인서트 제작단계는,
    실리콘 또는 유리 소재의 상기 기판을 식각하여 상기 마스터패턴의 패턴을 상기 기판에 복사하여 실리콘 또는 유리 소재의 중간체를 만드는 단계;
    상기 중간체 상에 초경합금 분말과 응고제의 혼합물을 붓고 응고시켜 초경합금 성형체를 만드는 단계; 및
    상기 초경합금 성형체를 가열로에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 몰드인서트 제작단계는,
    상기 마스터패턴 상에 전기주조를 통하여 금속 소재의 중간체를 만드는 단계;
    상기 중간체에 졸겔법을 이용하여 세라믹막을 입혀 세라믹막틀을 만드는 단계; 및
    상기 중간체를 제거한 뒤 형성되는 세라믹막틀의 캐비티에 초경합금 분말을 채운 후 열간 정수압 성형 방식을 이용하여 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트 제조방법.
  7. 마이크로-리소그래피 방법에 의하여 패터닝된 마스터패턴의 패턴이 전사된 미세 패턴을 가지는 소결 초경합금으로 이루어지는 유리 성형용 초경합금제 마이크로 몰드인서트.
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CN104985118A (zh) * 2015-06-18 2015-10-21 河北安迪模具有限公司 V法造型工艺铸造生产玻璃模具毛坯的方法

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