KR20040083443A - 미세 전기주조용 금형과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

구조가 간단하고 제조가 용이한 동시에, 금속박막으로 이루어지는 금속제품의 생산성을 향상시키기 위하여, 전기주조시에 음극으로서 기능시키는 전극부의 더한층, 고밀도인 배치가 가능한 데다, 전극부위에 형성한 금속박막의 박리가 용이하고 내구성이 뛰어나 복수회의 전기주조에 사용 가능한 미세 전기주조용 금형과, 이러한 미세 전기주조용 금형을 보다 고정밀도로, 더구나 더욱 간단하게 제조하기 위한 제조방법을 제공하는 것으로써, 미세 전기주조용 금형 M는, 전기주조시에 음극으로서 기능시키는 도전성기체(1)의 표면에, 금속제품 P의 평면형상에 대응하는, 도전성기체(1)에 이르는 개구부(21)를 구비한, 두께(T₂)나 10nm이상이고, 또한 금속제품 P의 두께(T₁)의 1/2미만인, 무기의 절연재료로 이루어지는 절연층(2)을 형성해서, 개구부(21)의 부분에서 노출한 도전성기체(1)의 표면을 전극부로 했다. 제조방법은, 도전성기체(1)의 표면의, 레지스트막 R를 패턴 형성한 이외의 영역에, 기상 성장법에 의해서, 절연층(2)의 토대가 되는 단층 또는 적층 구조의 무기박막(2')을 형성한 후, 레지스트막 R를 제거해서, 무기박막(2')에, 금속제품 P의 형상에 대응한 평면형상을 가진, 도전성기체(1)에 이르는 개구부(21)을 형성한다.

Description

미세 전기주조용 금형과 그 제조방법{FINE ELECTROFORMING MOLD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

전기주조는, (1)초정밀가공을 할 수 있는, (2)기재와 일체화한 금속제품을 제조할 수 있는, (3)원형의 정밀한 복제를 제조할 수 있는, 등의 이점이 있으며, 예를 들면 프린트기판용의 구리박, 전기 면도기의 외부날, 정밀 스크린, 손목시계의 문자판, 컴팩트 디스크 성형용의 금형 등의, 여러 가지 금속제품의 제조에 이용되고 있다.

특히 최근, 전자기기류의 소형화에 수반하는 부품의 미소화에 대표되도록, 전체의 크기가 미크론오더인 것 같은 미세한 금속제품에 대한 요구가 증가하는 경향이 있으며, 그 제조에, 전기주조를 적용하는 것이 검토되고 있다.

전기주조에 의해 제조하는 미세한 금속제품에는, 전기주조에 의해서 기재위에 형성한 금속박막을, 기재와 함께 일체화한 상태로 이용하는 것과 형성한 금속박막을 기재로부터 박리해서, 독립적인 제품으로서 이용하는 것이 있다.

현재는, 이들 중 전자의 것이 미세한 금속제품의 대부분을 차지하고 있지만, 향후, 후자의 금속제품의 용도나 수요가 증가하는 것이 기대되고 있다.

후자의 금속제품은, 그 평면형상에 대응한 미세한 평면형상을 가진 전극부를 구비한 미세 전기주조용 금형을 준비해, 이 금형의 전극부를 음극으로서 기능시키고, 전기주조에 의해, 그 표면에 선택적으로 금속박막을 성장시킨 후, 성장한 금속박막을 전극부로부터 박리해서 회수함으로써 제조된다.

이러한 방법에 사용하는 미세 전기주조용 금형으로서는, 예를 들면 금속판 등의 도전성기체의 표면에, 석판인쇄 등에 의해, 제조하는 금속제품의 평면형상에 대응하는, 도전성기체에 이르는 다수의 개구부를 구비한 절연성의 레지스트막을 형성해서, 이러한 레지스트막의 개구부를 통해 노출한 도전성기체의 표면을 전극부로서 이용하는 것 등을 고려할 수 있다.

그러나 상기의 금형에 있어서는, 주로 수지 등의 유기물로 이루어진 레지스트막이 약하고, 파손하기 쉬운데다, 그 두께가, 전기주조에 의해 형성하는 금속박막의 두께보다도 꽤 크기 때문에, 형성한 금속박막을, 레지스트막을 손상하는 일 없이, 도전성기체의 표면으로부터 박리하는 것은 곤란하다.

이 때문에 상기의 금형에 있어서는,금속박막을 전극부로부터 박리해서 회수할 때의 회수율을 향상시키는 것 등을 고려해, 레지스트막을, 전기주조를 1회, 실시할 때 마다, 금속박막과 함께 박리해 버리는 것이 고려되고 있다.

그러나 이러한 회수방법을 실시했을 경우에는 전기주조를 1회, 실시할 때 마다 금형이 사용 불능으로 되어, 다시 새롭게 만들지 않으면 안되기 때문에, 금형의, 그리고 이러한 금형을 이용해서 제조하는 금속제품의 생산성이 나쁘고, 생산 코스트가 현저하게 비싸게 든다고 하는 문제가 있다.

그래서 발명자는, 도 4에 표시하는 구조를 가진 미세 전기주조용 금형(9)을 제안했다(일본국 공개 특허 공보 JP2002-97591A).

이 미세 전기주조용 금형(9)은, 금속판으로 이루어지는 도전성기체(90)의 표면에, 석판인쇄 등에 의해, 금속제품의 평면형상에 대응한 첨단면(91a)을 가진 미소한 돌기(91)를 다수, 형성하고, 그 다음에 그 위에 액상의 수지를 흐르게 해서 경화시키는 등 해, 레지스트막 보다도 충분히 두껍고, 또한 강한 절연층(92)을 형성한 후, 이 절연층(92)의 표면을 연마해서 돌기(91)의 첨단면(91a)를 노출 시켜 전극부로 한 것이다.

이러한 미세 전기주조용 금형(9)에 있어서는, 상기와 같이 절연층(92)이, 레지스트막 보다도 충분히 두껍고 강한데다, 돌기(91)의 첨단면(91a)과 절연층(92)의표면이 거의 동일면으로 되어 있으며, 금속박막은, 이 동일면보다도 위로 돌출한 형태로 형성되기 때문에, 해당 금속박막을, 절연층(92)을 거의 파손하는 일 없이 박리해서, 회수할 수 있다. 따라서 1개의 미세 전기주조용 금형(9)을, 전기주조에 몇 번이라도 재사용할 수 있다.

그러나 상기 금형(9)을 이용했을 경우는, 금속박막의 박리가 용이하지 않은 경우가 있다. 그 원인은, 금형(9)의 표면과 금속박막과의 사이에, 이른바 엥커(투묘)효과를 일으키는 것에 있다.

즉 상기의 금형(9)에서는, 금속과 수지와의, 연마시의 마모되기 쉬움의 차이나, 혹은 경화성의 수지의 경우는 경화시의 수축 등에 의해, 돌기(91)의 첨단면이 절연층(92)의 표면보다도 아주 약간, 돌출한 상태로 되는 경향이 있다.

또, 양자의 팽창 수축률의 차이나, 혹은 상술한 경화성의 수지의, 경화시의 수축 등에 의해, 돌기(91)의 측면과 절연층(92)과의 사이에 아주 미세한 틈새가 생기는 일도 있다.

그리고 전기주조시에, 이들의 돌출이나 틈새에 의해 노출한 돌기(91)의 측면에, 첨단면(91a)으로부터 돌아 들어가는 형태로 금속박막이 성장하고, 이 돌아 들어간 금속박막이 엥커효과를 일으켜, 첨단면(91a)측에 성장한, 금속제품이 되는 금속박막의 박리가 용이하지 않게 되는 것이다.

또 금속박막은 미소 구조를 가지기 때문에, 상기와 같이 박리가 용이하지 않은 사태를 일으키면, 박라시의 응력에 의해서 변형하거나 파손하거나하기 쉬워져, 해당 금속박막으로 이루어지는 미세한 금속제품의, 제조의 수율이 현저하게 저하한다고 하는 문제도 생긴다.

또, 금속박막을 강한 힘으로 무리하게 박리 하려고 하면, 금형(9)에도 무리한 힘이 가해지게 되기 때문에, 해당금형(9)의 열악화도 빨라진다.

특히 절연층(92)은, 비록 에폭시수지 등의 경화성의 수지로 형성했다고 해도, 금속제의 돌기(91)에 비해, 금속박막을 박리할 때의 응력 등에 의해서 마모하기 쉽고, 마모가 진행하면 돌기(91)의 측면인 더욱 크게 노출하게 되기 때문에, 상술한 엥커 효과가 증대해서 금속박막의 박리가 더욱 곤란하게 될 우려가 있다. 뿐만 아니라, 돌기(91)의 측면으로 돌아 들어간 금속박막이 너무 켜져서, 올바른 형상을 가진 금속제품을 얻을 수 없게 된다고 하는 문제를 일으킬 우려도 있다.

또 절연층(92)이, 상기 응력 등에 의해서, 넓은 면적에 걸쳐서 도전성기체 (90)로부터 박리하여 버려서, 금형이 전혀 사용할 수 없게 된다고 하는 문제를 일으킬 우려도 있다.

또, 금속제품의 생산성을 향상시키기 위해서는, 1개의 금형을 이용해, 1회의 전기주조로 제조할 수 있는 금속제품의 수를 가능한 한 많이 하는 것이 바람직하다.

그 때문에 상기의 금형(9)에서는, 돌기(91)의 수를 가능한 한 많이 하는 것이 요구되지만, 절연층(92)의 두께를 충분히 확보하기 위해서는 돌기(91)의 애스펙트비, 즉 돌기(91)의 직경에 대한 높이의 비를 1보다도 큰 폭으로 높게 할 필요가 있으며, 이러한 애스펙트비가 높은 돌기(91)을 다수, 고밀도로, 도전성기체(90)의 표면에 형성하는 것은, 석판인쇄 등의 현재의 정밀 가공기술을 가지고 해도 결코 용이하지 않다.

이 때문에 상기의 금형 9에서는, 금속제품의 생산성의 향상에 한계가 있다고 하는 문제도 있다.

본 발명은, 금속박막으로 이루어지고, 소정의 평면형상과 일정한 두께를 가진 미세한 금속제품을, 전기주조에 의해 제조할 때에 이용하는 신규인 미세 전기주조용 금형과 해당 미세 전기주조용 금형을 제조하기 위한 제조방법에 관한 것이다.

도 1A는, 본 발명의 미세 전기주조용 금형의, 실시의 형태의 일례를 확대해 서 표시하는 일부 노치사시도, 도 1B는, 상기 예의 미세 전기주조용 금형의, 다시 일부를 확대해서 표시하는 확대 단면도

도 2A, 도 2B는 각각 별개로, 본 발명의 미세 전기주조용 금형의 변형예를 표시하는 확대 단면도

도 3A ~ 도 3E는 각각, 도 1A의 예의 미세 전기주조용 금형을, 본 발명의 제조방법에 의해서 제조하는 공정의 일례를 표시하는 단면도

도 4는, 종래의 미세 전기주조용 금형의 일례의, 일부를 확대해서 표시하는 확대 단면도

본 발명의 목적은, 종래의, 레지스트막의 개구부에 의해서 전극부를 형성한 금형과 동일한 정도로 구조가 간단하고 제조가 용이하며, 게다가 때문에, 금속제품의 생산성을 향상시키기 위하여, 전극부의 더한층, 고밀도인 배치가 가능한 데다, 금속제의 돌기와 절연층을 조합한 금형보다도 금속박막의 박리가 용이한 동시에,해당 금형과 동일한 정도 또는 그 이상의 내구성을 가지기 때문에 복수회의 전기주조에 사용 가능한, 신규인 미세 전기주조용 금형을 제공하는 것에 있다.

또 본 발명의 다른 목적은, 이러한 미세 전기주조용 금형을 보다 고정밀도로, 더구나 보다 간단하게 제조하기 위한 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 미세 전기주조용 금형은, 금속박막으로 이루어지고, 소정의 평면형상과 일정한 두께를 가진 미세한 금속제품을, 전기주조에 의해서 제조하기 위한 미세 전기주조용 금형으로써, 전기주조시에 음극으로서 기능 시키는 도전성기체와 이 도전성기체의 표면에 형성한, 금속제품의 평면형상에 대응하는, 도전성기체에 이르는 개구부를 구비하여 이 개구부에서 노출시킨 도전성기체의 표면에, 전기주조에 의해 선택적으로 금속박막을 성장시킴으로써 금속제품을 제조하기 위한, 두께가 10nm이상이고, 또한 금속제품의 두께의 1/2미만인, 무기의 절연재료로 이루어지는 절연층을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 본 발명의 금형은, 무기의 절연재료로 절연층을 형성한 것 이외는 종래의, 레지스트막을 이용한 금형과 거의 동일한 구조를 가지고 있으며, 구조가 간단하고 제조가 용이하다.

특히 절연층은, 예를 들면 석판인쇄 등에 의해서, 도전성기체의 표면에, 금속제품의 평면형상에 대응한 평면형상을 가진 레지스트막을 패턴 형성하고, 그 다음에 기상 성장법 등에 의해, 도전성기체의 표면에, 절연층의 토대가 되는 무기박막을 형성한 후, 레지스트막을 제거해 개구부를 형성하는 것 등에 의해서 제조할 수 있다.

이들의 가공기술에 의하면, 예를 들면 전자기기류 등의 분야에서 이미 확립된 기술레벨의 범위에서, 고정밀도화 및 고정밀화가 가능하다.

따라서 본 발명에 의하면, 상술한 금속제의 돌기를 가진 금형에 비해 전극부 (절연층의 개구부)의 더한층, 고밀도인 배치가 가능하며, 지금까지보다 금속제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

또 절연층은, 무기의 절연재료로 이루어지고, 게다가 그 두께가 1Onm 이상으로 규정되기 때문에, 종래의, 절연성의 레지스트막에 비해서 고경도이고 또한 고강도이며, 금속박막을 박리할 때의 응력 등에 의해서 간단하게 파손하지 않는 내구성을 가지고 있다.

더구나 절연층의 두께는, 제조하는 금속제품의 두께의 1/2미만으로 규정되어 전기주조 후는, 절연층보다도 금속박막이 돌출한 상태로 되기 때문에, 절연층을 박리시키거나 파손시키거나 하는 일 없이, 금속박막만을 박리할 수 있다. 게다가 금속박막의 박리에 즈음해서는, 절연층의 개구둘레 가장자리부의 단차면에서 강한 엥커효과를 일으키는 일없이, 보다 작은 응력으로 박리할 수도 있다.

따라서 본 발명에 의하면, 박리시에 절연층이 파손하는 것을 방지해, 금형을, 종래의, 금속제의 돌기를 가진 금형과 동일한 정도 또는 그 이상의 내구성을 가진 것으로서 복수회의 전기주조에 사용하는 것도 가능해진다. 또 박리시의 응력에 의해 금속제품이 변형하거나 파손하거나 하는 것을 방지해서, 상기 종래의 금형보다 금속제품의 수율을 향상 시킬수 도 있다.

또한 금속박막의 박리을 더 한층, 용이하게 실시하는 것을 고려하면, 절연층의 두께는, 상기의 범위 내에서도 특히, 제조하는 금속제품의 두께의 1/3이하인 것이 바람직하다.

또 절연층으로서는, 박막화가 가능한 여러 가지의 무기재료로 이루어지고, 게다가 절연성인 박막이, 어느 것도 채용 가능하다. 그러나, 보다 고강도이고 또한 고경도의 절연층을 형성하는 것을 고려하면, 적어도 그 표면을, 다이아몬드에 유사한 카본 박막, 이른바 다이아몬드 라이크 카본 박막(이하「DLC 박막」이라고 한다)중, 절연성을 가진 것으로 형성하는 것이 바람직하다.

절연층은, 그 전체를, 상술한 절연성의 DLC 박막에 의해서 형성해도 되지만, 해당 DLC 박막의, 도전성기체에 대한 밀착성을 향상시키고, 절연층의 내구성을 더욱 향상시키기 위해서는, 도전성기체의 표면에, 우선 규소(Si) 또는 탄화규소(SiC)의 박막으로 이루어진 중간층을 형성하고, 그 다음에 이 중간층 위에, 절연성의 DLC 박막으로 이루어진 표층을 적층한 2층 구조로 하는 것이 바람직하다.

상기 규소 또는 탄화규소의 박막은, 예를 들면 스테인레스강철 등의 금속과의 밀착성이 뛰어난데다, 그 위에 적층하는 절연성의 DLC 박막과의 계면에 있어서 SiC를 형성해서, 해당 DLC 박막의 밀착성을 향상시키는 효과도 가지고 있다.

절연층의 내구성을 좌우하는 다른 요인으로, 밑바탕인 도전성기체의, 전기주조에 대한 내식성을 들수 있다. 즉 도전성기체가 전기주조시에 부식하면, 그 위의 절연층이 박리해서 없어지거나 혹은 떠올라서, 금속박막을 박리할 때의 응력 등에 의해서 박리하거나 파손하거나하기 쉬워진다. 또, 전극부의 표면이 부식에 의해 망쳐지면, 그 위에 말끔한 금속박막을 형성할 수 없거나, 혹은 형성한 금속박막을 전극부로부터 박리할 수 없게 되거나 할 우려도 있다. 따라서 도전성기체는, 도전성을 가지고, 게다가 내식성에도 뛰어난 재료로 형성하는 것이 바람직하고, 특히 SUS316계의 스테인레스강철로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 상기 SUS316계의 스테인레스강철로 이루어진 도전성기체의 표면의 내식성을 더욱 향상시키기 위해서는, 해당 도전성기체 중, 적어도 절연층의 개구부를 통해서 노출시킨 표면에, 내식성을 가진 도전층을 형성해, 도전성기체를 보호하는 것이 바람직하다.

내식성을 가진 도전층의 구체적인 예로서는, 박막화가 가능한 여러 가지의 무기재료로 이루어지고, 내식성이고, 게다가 도전성인 박막이 어느 것도 채용 가능하지만, 보다 고강도이고 또한 고경도의, 내식성의 도전층을 형성하는 것을 고려하면 티탄박막이 바람직하다.

또 도전성기체의 전체를, 도전성을 가짐과 동시에, 상기 도전층과 동일한 정도의 내식성을 가진 티탄, 또는 니켈계내식합금으로 형성해도 된다.

본 발명의 미세 전기주조용 금형의 제조방법은, 상기 본 발명의 미세 전기주조용 금형을 제조하는 방법으로써, 도전성기체의 표면에, 금속제품의 평면형상에 대응하는 레지스트막을 패턴 형성하는 공정과,

도전성기체의 표면의, 레지스트막을 패턴 형성한 이외의 영역에, 기상 성장법에 의해서, 절연층의 토대가 되는 단층 또는 적층구조의 무기박막을 형성하는 공정과,

레지스트막을 제거해서, 무기박막에, 금속제품의 형상에 대응한 평면형상을가진, 도전성기체에 이르는 개구부를 형성하는 공정,

을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 먼저 설명한 바와 같이 레지스트막을 석판인쇄 등에 의해서 형성함으로써, 종래의, 절연성의 레지스트막을 이용한 금형과 동일한 정도의, 전자기기류등의 분야에서 이미 확립된 기술 레벨의 범위에서의, 고정밀도화 및 고정밀화가 가능해진다.

게다가 상기의 제조방법에 의하면, 석판인쇄 등에 의한 고정밀도의 위치맞춤을 필요로 하는 공정은, 레지스트막을 패턴 형성할 때의 1회뿐이기 때문에, 상술한 고정밀도의 금형을, 보다 간단하게 제조할 수도 있다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태 )

이하에, 본 발명을 설명한다.

(미세 전기주조용 금형)

상기와 같이 도 1A는, 본 발명의 미세 전기주조용 금형의, 실시의 형태의 일례를 확대해서 표시하는 일부 노치 사시도, 도 1B는, 상기 예의 미세 전기주조용 금형의, 다시 일부를 확대해서 표시하는 확대 단면도이다.

도면의 예의 미세 전기주조용 금형 M는, 금속제품으로서 그 평면형상이 원형인 평판형상, 즉 원판형상의 금속분말 P를 제조하기 위한 것으로써, 도전성기체 (1)의 표면에, 무기의 절연재료로 이루어지고, 상기 금속분말 P의 평면형상에 대응한 원형의, 다수의 개구부(21)를 구비한 절연층(2)을 형성하고, 또한 절연층(2)의 개구부(21)을 통해서 노출한 도전성기체(1)의 표면(11)을 전극부로 한 것이다.

상기중 도전성기체(1)는, 그 적어도 표면이 도전성을 가지고 있으면 되지만, 구조를 간략화하기 위해서는 전체를 금속판 등에 의해서 일체로 형성하는 것이 바람직하고, 특히 내식성 등을 고려하면, 상기와 같이 SUS316계의 스테인레스 강철 제의 판재 등에 의해서 일체로 형성하는 것이 바람직하다. 또 SUS316계의 스테인레스강철로서는, 특히 내식성이 뛰어난 SUS316L가 가장 바람직하다.

또 도전성기체(1)는, 상기와 같이 그 전체를, 티탄이나, 혹은 하스테로이 (Ni-Cr-Mo합금) 등의 니켈계내식합금 등으로 형성할 수도 있고, 그 경우에는 내식성을 더욱 향상시킬 수 있다.

절연층(2)으로서는, 먼저 설명한 바와 같이, 박막화가 가능한 여러 가지의무기재료로 이루어지고, 게다가 절연성인 박막이, 어느 것도 채용 가능하다. 이러한 박막으로서는, 예를 들면 산화규소(SiO₂)박막, 산화알류미늄(A1₂O₃)박막, 절연성의 DLC 박막 등을 들수있고, 특히 상술한 바와같이 고경도이고 또한 고강도의 절연층(2)을 형성하는 것을 고려하면, 절연성의 DLC 박막이 바람직하다.

절연성의 DLC 박막의 경도는, 금속박막을 박리할 때의 응력등에 의해서 간단하게 마모하거나 손상하거나 하지 않는 경도와 강도를 절연층(2)에 부여하는 것을 고려하면, 비커스 경도 Hv로 나타내서 1000이상인 것이 바람직하다. 또 DLC 박막의 비저항은, 금형 M의 표면의, 전극부 이외의 영역을 충분히 절연하는 것을 고려하면, 1O¹¹Ωㆍcm이상인 것이 바람직하다.

절연성의 DLC 박막은, 예를 들면 이온플레이팅법, 스패터링법, 플라즈마 CVD법 등에 의해서 형성할 수 있고, 특히 플라즈마 CVD법에 의해서 형성하는 것이 바람직하다.

플라즈마 CVD법으로 형성하는 DLC 박막을 절연성으로 하려면, 원료 가스로서 메탄가스 등의 탄화수소가스를 사용하면 된다.

절연층(2)은, 도면의 예와 같이 단층구조 이어도 되지만, 예를 들면 도 2A에 표시한 바와 같이 도전성기체(1)의 표면에 형성한, 규소 또는 탄화규소의 박막으로이루어진 중간층(2b)과 그 위에 적층한, 절연성의 DLC 박막으로 이루어진 표층(2a)의 2층 구조로 하는 것이 바람직하다. 이 이유는 상술한 대로이다. 또한 전기주조용의 도금액으로서 알칼리욕을 이용하는 경우는, 중간층(2b)을, 상기 중에서도 내알칼리성이 뛰어난 탄화규소의 박막으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.

규소의 박막은, 예를 들면 이온 플레이팅법, 스패터링법, 플라즈마 CVD법 등에 의해서 형성할 수 있다. 또 탄화규소의 박막은, 예를 들면 반응성 이온플레이팅법, 반응성스패터링법, 플라즈마 CVD법 등에 의해서 형성할 수 있다.

도(1B)를 참조해, 절연층(2)의 두께(T₂₎는, 제조하는 금속제품의 두께 T₁의 1/2미만이고, 또한 1Onm이상일 필요가 있다. 이 이유는 상술한 대로이다.

즉 절연층(2)의 두께(T₂)가 10nm미만에서는, 해당절연층(2)의 경도 및 강도가 저하해, 금속박막을 발리할 때의 응력 등에 의해 파손되기 쉬워져서, 금형 M의 내구성이 저하한다. 또, 절연층(2)의 재질에 따라서는 충분한 절연성을 확보할 수 없다.

또 반대로, 절연층(2)의 두께(T₂)가, 제조하는 금속제품의 두께(T₁)의 1/2이상에서는, 해당 절연층(2)의 개구둘레 가장자리부 단차면에서 강한 엥커 효과를 일으켜, 금속박막의 박리가 용이하지 않게 되어, 보다 큰 응력에 의해 박리할 필요가 생긴다. 이 때문에, 박리시의 응력에 의해 금속제품이 변형하거나 파손하거나 하는 경우가 증가해서, 금속제품의 수율이 저하하거나 혹은 박리시에 절연층(2)이 파손되기 쉬워져, 금형 M의 내구성이 저하하거나 한다.

또한 절연층(2)의 두께(T₂)는, 상기의 범위내에서도 특히, 제조하는 금속제품의 두께(T₁)의 1/3이하이고, 또한 10nm이상인 것이 바람직하다.

예를 들면 후술하는 실시예와 같이, 그 두께(T₁)가 1㎛의 금속분말을 금속제품으로서 제조하는 경우, 절연층(2)의 두께(T₂)는, 상기의 규정에 따르면, 10nm이상, 500nm미만일 필요가 있으며, 10nm ~ 333nm인 것이 바람직하게 된다.

이와 같이 절연층(2)의 두께(T₂)의 상한치는, 금속제품의 두께(T₁)와의 관계에 의해서만 규정되고, 그 구체적인 수치범위는 특히 한정되지 않는다. 다만, 절연층(2)의 두께(T₂)가 너무나 지나치게 두꺼울 경우에는, 막중의 잔류 응력이 커져서, 절연층(2)이, 전기주조시나, 혹은 전기주조 후의, 금속박막의 박리시의 응력 등에 의해 도전성기체(1)로부터 박리하기 쉬워져서, 금형 M의 내구성이 저하할 우려가 있다.

따라서 절연층(2)의 두께(T₂)는, 금속제품의 두께에 관계없이, 5㎛이하인 것이 바람직하고, 1㎛이하인 것이 더욱 바람직하다.

또한 이상으로 설명한 절연층(2)의 두께(T₂)는, 도 1A의 예와 같이 절연층 (2)이 단층구조인 경우는, 그 자체의 두께이다. 또 도 2A의 예와 같이, 절연층(2)이 표층(2a)과 중간층(2b)의 2층구조인 경우는, 양층의 합계의 두께이다.

2층 구조의 절연층(2)에 있어서의, 절연성의 DLC 박막으로 이루어진 표층 (2a)의 두께(T_2a)와 규소 또는 탄화규소의 박막으로 이루어진 중간층(2b)의 두께 (T_2b)와는, 양자의비 T_2a/T_2b로 나타내어 2/8 ~ 8/2인 것이 바람직하고, 3/7 ~ 7/3인 것이 더욱 바람직하다.

이 범위보다 표층(2a)의 두께(T_2a)가 작은 경우에는, 해당 표층(2a)에 의한, 절연층(2)을 고강도화, 고경도화하는 효과가 불충분하게 되고, 또 반대로, 이 범위보다 중간층(2b)의 두께(T_2b)가 작은 경우에는, 해당 중간층(2b)에 의한, 표층(2a)의, 도전성기체(1)에의 밀착성을 향상시키는 효과가 저하하기 때문에, 이 어느 경우에도, 절연층(2)의 내구성이 저하할 우려가 있다.

특히 스테인레스강철로 이루어진 도전성기체(1)의, 적어도 절연층(2)의 개구부(21)를 통해서 노출시킨 표면, 보다 바람직하게는, 도 2B에 표시한 바와 같이 도전성기체(1)의 표면의 전체면에는, 내식성을 가진 도전층(3)을 형성해도 된다.

이러한 구성에서는, 내식성을 가진 도전층(3)의, 절연층(2)의 개구부(21)를 통해서 노출한 표면(3a)이 전극부로 된다.

내식성의 도전층(3)으로서는, 전술한 바와 같이 티탄박막이 바람직하다.

티탄박막은, 예를 들면 이온 플레이팅법, 스패터링법, 플라즈마 CVD법 등에 의해서 형성할 수 있고, 그 중에서도 스패터링법으로 형성한 티탄박막은 내식성이 뛰어난 데다, 스테인레스강철과의 밀착성에도 뛰어나 고강도이고 또한 고경도이기 때문에 특히 바람직하다.

티탄박막 등의, 내식성을 가진 도전층(3)의 두께는 10nm ~ 10㎛인 것이 바람직하고, 50 ~ 2㎛인 것이 더욱 바람직하다.

도전층(3)의 두께가 10nm미만에서는, 도전성기체(1)에 내식성을 부여하는 효과를 충분히 얻을 수 없는 우려가 있다. 또 두께가 1O㎛를 초과해도 그 이상의 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 막중의 잔류응력이 크게 되어서, 도전층(3)이, 전기주조시나, 혹은 전기주조 후의, 금속박의 박리시 등의 응력에 의해서 도전성기체(1)로부터 박리하기 쉬워지기 때문에, 금형 M의 내구성이 저하할 우려가 있다.

(미세 전기주조용 금형의 제조방법)

도 3A~도 3E는, 상기 도 1A의 예의 미세 전기주조용 금형 M를, 본 발명의 제조방법에 의해서 제조하는 공정의 일례를 표시하는 단면도이다.

본 발명의 제조방법에 있어서는, 우선 도 3A에 표시한 바와 같이, 도전성기체 (1)의 표면에 레지스트제를 도포해, 건조시켜서 레지스트막 R'를 형성한다.

또한, 도전성기체(1)의 표면에 내식성의 도전층을 적층하는 경우는, 이 공정 이전에, 미리 그 적층공정을 실시해 둔다.

다음에 도 3B에 표시한 바와 같이, 레지스트막R'의 위에, 제조하는 금속제품의 형상에 대응한 평면형상이 패턴 형성된 마스크 M를 표갠 상태에서, 도면 중에 실선의 화살표로 표시한 바와 같이 프린팅한 후, 소정의 현상액으로 현상해서, 도 3C에 표시한 바와 같이, 상기 평면형상을 가진 레지스트막 R를 패턴 형성한다.

다음에 도 3D에 표시한 바와 같이, 상술한 이온도금법, 스패터링법 등의 기상 성장법에 의해서, 도전성기체(1)의 표면에, 절연층(2)의 토대가 되는 무기박막(2') , (2'')을 형성한다. 또한 절연층(2)이 상기와 같이 2층 구조인 경우는, 이 도 3D의 성막공정을, 각각의 층에 대해서 반복 실시한다.

그리고, 레지스트막 R와 그 위의 무기박막(2'')을 제거하면, 도 3E에 표시한 바와같이, 금속제품의 형상에 대응한 평면형상을 가진 개구부(21)를 구비한 절연층(2)이 형성되고, 미세 전기주조용 금형 M이 제조된다.

이하에 본 발명을, 실시예, 비교예에 의거해서 설명한다.

실시예 1

(미세 전기주조용 금형의 제조)

도 3A~도 3E에 표시하는 순서로, 세로 200mm ×가로 300mm의 스테인레스(SUS 316L) 제강판(도전성기체)(1)의 한 쪽면에, 우선 포토리소그래피법에 의해서, 원판형상의 금속분말(니켈분말) P의 평면형상에 대응한 직경 30㎛의 레지스트막 R이 다수, 분포한 레지스트 패턴을 형성했다. 레지스트막 R의 두께는 20㎛였다.

다음에 상기 강판(1)의, 레지스트 패턴을 형성한 쪽의 표면에, 스패터링법에 의해서, 절연층(2)의 토대가 되는 두께 O.2㎛의 산화규소(SiO₂) 박막(무기박막) (2'), (2'')을 형성했다.

다음에, 상기 강판(1)을 5%의 수산화 나트륨 수용액에 침지하여 레지스트막 R을 용해함으로써, 그 위의 산화규소박막(2'')과 함께 제거한 후 수세해서 건조시켰다.

그리고 그것에 의해, 레지스트막 R을 제거한 자리에, 금속분말 P의 형상에 대응한 원형의, 직경 30㎛의 개구부(21)을 다수, 가진, 두께(T₂)가 0.2㎛(=200nm)의 절연층(2)을 형성하고, 또한 절연층(2)의 개구부(21)를 통해서 노출한 강판(1)의 표면(11)을 전극부로서 도 1A, 도 1B에 표시하는 적층구조를 가진 미세전기주조용 금형 M를 제조했다. 절연층(2)의 두께 T₂는, 후술하는 금속제품으로서의 니켈분말의두께(T₁=1㎛)의 1/5이었다.

(금속제품의 제조)

다음에, 상기 금형 M와 하기 조성의 니켈도금액(pH=3)을 사용해서, 에어 버블링중, 액온 60℃의 조건에서 니켈의 전기주조를 실시했다.

(성분) (농도)

황산 니켈 6 수화물 200g/리터

염화 니켈 6 수화물 40g/리터

붕산 30g/리터

사카린 4g/리터

전기주조는, 금형 M를 음극으로 하고, 또한 양극에 니켈판을 사용해서, 직류 10A/dm²로 30초간의 통전을 함으로써 실시하고, 그것에 의해서 금형 M의 전극부에 선택적으로, 니켈박막을 성장시켰다.

그리고 전기주조 후의 금형 M에 폴리프로필렌제의 부직포를 꽉 눌러 비비므로써, 전극부위에 형성된 니켈박막을 박리해서 니켈분말을 제조했다.

얻어진 니켈분말을, 주사형 전자현미경을 이용해서 관찰했던 바, 어느 분말도 결함이나 변형이 없는, 직경 30㎛, 두께 1㎛의 원판형상 분말인 것이 확인되었다.또 금형 M의 표면에의, 니켈박막의 잔류도 전혀 볼 수 없었다.

그래서 다음에, 동일한 금형 M를 이용해, 상기와 마찬가지의 전기주조 및 박리조작을 반복 실시했던 바, 9회째까지는, 금속제품인 니켈분말의 형상에 변화는볼 수 없는 데다, 금형 M의 표면에의 니켈박막의 잔류도 전혀 볼 수 없고, 게다가 금형 M의 손상도 확인되지 않았다. 그러나 10회째의 박리조작할 때에, 절연층(2)에 박리와 균열이 발생하고 있는 것이 발견되고, 11회째의 전기주조시에는, 이 박리와 균열이 발생한 부분에서, 니켈분말의 형상에 이상이 확인되었다.

실시예 2

절연층(2)을, 플라즈마 CVD법에 의한, 두께 T₂가 0.2㎛〔=200nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/5〕의 절연성의 DLC 박막(비커스 경도 Hv: 110O, 비저항: 10¹²Ωㆍcm)으로 형성한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 도 1A, 도 1B에 표시한 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 반복 실시했던 바, 19회째까지는, 금속제품인 니켈분말의 형상에 변화는 볼 수 없는 데다, 금형 M의 표면에의 니켈박막의 잔류도 전혀 볼 수 없고, 게다가 금형 M의 손상도 확인되지 않았다. 그러나 20회째의 박리조작할 때에, 절연층(2)에 박리와 균열이 발생하고 있는 것이 발견되고, 21회째의 전기주조시에는, 이 박리와 균열이 발생한 부분에서, 니켈분말의 형상에 이상이 확인되었다.

실시예 3

절연층(2)을, 스패터링법에 의한, 규소의 박막으로 이루어진 중간층(2b)과 플라즈마 CVD법에 의한, 절연성의 DLC 박막(비커스 경도 Hv: 1100, 비저항: 10¹²Ωㆍcm)으로 이루어진 표층(2a)의, 양층의 합계의 두께가 0.2㎛〔=200nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/5〕의 2층 구조로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 도 2A에 표시한 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다.

또한 표층(2a)의 두께 T_2a와 중간층(2b)의 두께 T_2b와의 비T_2a/T_2b는1/3로 했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 반복 실시했던 바, 49회째까지는, 금속제품인 니켈분말의 형상에 변화는 볼 수 없는 데다, 금형 M의 표면에의 니켈박막의 잔류도 전혀 보이지 않고, 게다가 금형 M의 손상도 확인되지 않았다. 그러나 50회째의 박리조작할 때에, 절연층(2)에 박리와 균열이 발생하고 있는 것이 발견되고 51회째의 전기주조시에는, 박리와 균열이 발생한 부분에서, 니켈분말의 형상에 이상이 확인되었다.

실시예 4

도전성기체(1)로서의, 세로 300mm 가로 200mm의 스테인레스(SUS316L)제강판의 한쪽면에, 스패터링법에 의해서, 티탄의 박막으로 이루어진 내식성의 도전층 (3)(두께 100nm)을 형성했다.

다음에 이 도전층(3)위에, 실시예 3과 마찬가지로해서, 규소의 박막으로 이루어진 중간층(2b)와 절연성의 DLC 박막(비커스 경도 Hv:11O0, 비저항: 10¹²Ω·c m)으로 이루어진 표층(2a)의, 2층 구조를 가진 절연층(2)을 형성하고, 도 2B에 표시한 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다. 양층의 합계의 두께는 0.2㎛〔=200nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/5〕, 표층(2a)의 두께 T_2a와 중간층(2b)의 두께 T_2b와의 비T_2a/T_2b는 1/3로 했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조및 박리조작을 반복 실시했던 바 100회째까지, 금속제품인 니켈분말의 형상에 변화는 볼 수 없는 데다, 금형 M의 표면에의 니켈박막의 잔류도 전혀 볼 수 없고, 게다가 금형 M의 손상도 확인되지 않았다.

실시예 5

도전성기체(1)로서 세로 300mm ×가로 200mm의 티탄판을 이용한 것 이외는 실시예 3과 마찬가지로해서, 그 표면에 규소의 박막으로 이루어진 중간층(2b)과 절연성의 DLC 박막(비커스 경도 Hv: 1100, 비저항: 1O¹²Ωㆍcm)으로 이루어진 표층 (2a)의, 2층 구조를 가진 절연층(2)을 형성해서, 도 2A에 표시하는 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다. 양층의 합계의 두께는 0ㆍ2㎛〔=200nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/5〕, 표층(2a)의 두께 T_2a와 중간층 (2b)의 두께 T_2b와의 비T_2a/T_2b는 1/3로 했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 반복 실시 했던바, 100화째까지, 금속제품인 니켈분말의 형상에 변화는 볼 수 없는 데다, 금형 M의 표면에의 니켈박막의 잔류도 전혀 볼 수 없고,게다가 금형 M의 손상도 확인되지 않았다.

실시예 6

절연성의 DLC 박막으로 이루어진 절연층(2)의 두께를 0.35㎛〔=350nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/2.9〕로 한 것 이외는 실시예 2와 마찬가지로해서, 도 1A, 도 1B에 표시하는 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 실시했던 바, 니켈박막의 80%는, 결함이나 변형 등을 일으키는 일 없이 박리할 수 있었다. 그러나 나머지 20%는 전혀 박리 할 수 없거나, 박리할 수 있었다고 해도 결함이나 변형 등을 볼 수 있거나 했다. 그리고 이 일로해서 절연층 (2)의 두께는, 금속제품의 두께의 1/3이하인 것이 더욱 바람직한 것이 확인되었다.

비교예 1

절연성의 DLC 박막으로 이루어진 절연층(2)의 두께를 0.5㎛〔=500nm, 금속제품으로서의 니켈분말의 두께(T₁=1㎛)의 1/2〕로 한 것 이외는 실시예 2와 마찬가지로해서, 도 1A, 도 1B에 표시하는 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 실시했던 바, 니켈박막을 전혀 박리할 수 없었다.

그리고 이 일로해서 절연층(2)의 두께는, 금속제품의 두께의 1/2미만일 필요가 있는 것이 확인되었다.

비교예 2

산화규소 박막으로 이루어진 절연층(2)의 두께를 8nm로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 도 1A, 도 1B에 표시한 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형 M를 제조했다.

그리고 이 금형 M를 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서 전기주조를 실시했던 바, 절연층(2)의 절연이 불충분하기 때문인지, 특히 개구부(21)의 주위 등에도 니켈박막이 비어져 나와서 성장하고 있는 것이 확인되었다. 또 박리조작을 실시했던 바, 상기와 같이 니켈박막이 비어져 나와서 성장하고 있던 장소 등에서, 절연층(2)이 박리하고 있는 것이 확인되었다. 또 박리된 금속제품은, 상기의 비어져 나옴으로써 변형하고 있는 것이 볼 수 있었다.

그리고 이 일로해서 절연층(2)의 두께는, 10nm이상일 필요가 있는 것이 확인되었다.

비교예 3

세로 200mm ×가로 300mm의 스테인레스(SUS316L) 제강판(도전성기체)(90)의 한쪽면에, 석판 인쇄를 이용한 에칭을 실시해, 직경 30㎛, 높이 7㎛의 원기둥형상의 돌기(91)를 다수, 형성했다.

다음에 이 기체(90)의, 돌기(91)를 형성한 쪽의 면에 액상의 에폭시 수지를 흘려 넣어, 경화시켜서 두께 7㎛의 절연층(92)을 형성한 후, 그 표면을, 번수 2000번의 연마지로 연마해서 돌기(91)의 첨단면(91a)을 노출시켜 전극부로 함으로써,도 4에 표시하는 적층구조를 가진 미세 전기주조용 금형(9)을 제조했다.

그리고 이 금형(9)을 사용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로해서, 전기주조 및 박리조작을 실시했던 바, 니켈박막의 박리는 곤란했다. 그래서, 금속제의 주걱을 이용해 니켈박막을 무리하게 박리했던바, 박리된 니켈분말에는 어느것이나 모두 결함이나 변형을 볼 수 있었다. 또 니켈박막을 무리하게 박리한 뒤의 금형(9)에도, 절연층(92)의 깎여짐이나 첨단면(91a)의 표면의 흠 등을 볼 수 있었다.

또한, 전기주조전의 금형(9)의 표면을 현미경으로 관찰했던바, 돌기(91)의 첨단면(91a)이 절연층(92)의 표면보다 2㎛이상이나 돌출한 곳이나, 돌기(91)의 측면과 절연층(92)과의 사이에 틈새가 생긴 곳 등이 다수, 확인되었다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 미세 전기주조용 금형은, 종래의, 레지스트막의 개구부에 의해 전극부를 형성한 금형과 동일한 정도로 구조가 간단하고 제조가 용이하며, 더구나 그 때문에, 금속제품의 생산성을 향상 시키기 위하여, 전극부의 더 한층, 고밀도인 배치가 가능하다. 또, 금속제의 돌기와 절연층을 조합한 금형보다도 금속박막의 박리가 용이함과 동시에, 해당 금형과 동일한 정도 또는 그 이상의 내구성을 가지고 있으며, 복수회의 전기주조에 사용 가능하다.

또 본 발명의 제조방법에 의하면, 이러한 본 발명의 미세 전기주조용 금형을 보다 고정밀도로, 게다가 보다 간단하게 제조하는 것이 가능하다.

Claims (9)

1. 금속박막으로 이루어지고, 소정의 평면형상과 일정한 두께를 가진 미세한 금속제품을, 전기주조에 의해 제조하기 위한 미세 전기주조용 금형이며, 전기주조시에 음극으로서 기능시키는 도전성기체와 이 도전성기체의 표면에 형성한, 금속제품의 평면형상에 대응하는, 도전성기체에 이르는 개구부를 구비하고, 이 개구부에서 노출시킨 도전성기체의 표면에, 전기주조에 의해 선택적으로 금속박막을 성장시킴으로써 금속제품을 제조하기 위한 , 두께가 1Onm 이상이고, 또한 금속제품의 두께의 1/2미만인, 무기의 절연재료로 이루어진 절연층을 구비한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
2. 제 1항에 있어서, 절연층의 두께를, 금속제품의 두께의 1/3이하로한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
3. 제 1항에 있어서, 절연층의 적어도 표면을, 절연성의 다이아몬드 라이크 카본 박막으로 형성한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
4. 제 3항에 있어서, 절연층을, 도전성기체의 표면에 형성한, 규소 또는 탄화규소의 박막으로 이루어진 중간층과 해당 중간층 위에 적층한, 절연성의 다이아몬드 라이크 카본 박막으로 이루어진 표층의 2층 구조로한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
5. 제 1항에 있어서, 도전성기체를, SUS316계의 스테인레스강철로 형성한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
6. 제 5항에 있어서, 도전성기체중, 적어도 절연층의 개구부를 통해서 노출시킨 표면에, 내식성을 가진 도전층을 형성한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
7. 제 6항에 있어서, 내식성의 도전층을, 티탄박막으로 형성한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
8. 제 1항에 있어서, 도전성기체를 티탄, 또는 니켈계의 내식합금으로 형성한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형.
9. 제 1항 내지 제 8항의 어느 한 항에 기재된 미세 전기주조용 금형을 제조하는 방법으로써,

   도전성기체의 표면에, 금속제품의 평면형상에 대응하는 레지스트막을 패턴 형성하는 공정과,

   도전성기체의 표면의, 레지스트막을 패턴 형성한 이외의 영역에, 기상성장법에 의해서, 절연층의 토대가 되는 단층 또는 적층구조의 무기박막을 형성하는 공정과,

   레지스트막을 제거해서, 무기박막에, 금속제품의 형상에 대응한 평면형상을 가진, 도전성기체에 이르는 개구부를 형성하는 공정,

   을 포함한 것을 특징으로 하는 미세 전기주조용 금형의 제조방법.