KR20050038721A - 초고휘도 금형 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 TFT-LCD용 프리즘 시트, 재귀(再歸)반사 시트 등의 광학용 성형사출품을 생산하기 위한 금형의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 인위적인 정제공정을 반복해서 얻은 고순도의 금속소재를 초정밀절삭가공한 후 도전성 박막처리, 도금 및 전주(電鑄)과정을 거치게 함으로써 공구의 손상을 방지하고 별도의 경면(鏡面)연마가공이 필요없으며 표면부식을 막아서 그 가공면이 나노미터 단위의 조도를 갖도록 하여 특수한 광학신소재 등에 응용할 수 있는 초고휘도 금형의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 인위적인 정제공정을 반복해서 고순도의 금속소재(10)를 얻는 단계(S1); 상기 고순도의 금속소재(10)를 단결정 다이아몬드공구에 의해 초정밀절삭가공을 하는 단계(S2); 금형의 분리를 용이하게 하고 경면(鏡面)을 온전히 복제하기 위해 상기 절삭가공된 금속표면에 5㎚ 정도의 두께로 도전성 박막(20)처리를 하는 단계(S3); 부식을 막고 경면을 유지하기 위해 상기 박막처리된 금속표면에 귀금속으로 10㎛ 정도의 두께로 도금(30)을 하는 단계(S4); 상기 도금된 금속표면 위에 금속으로 전주(電鑄)(40)를 하는 단계(S5); 표면이 도금되어 있는 상기 전주를 통해 복제된 금형을 분리하는 단계(S6)로 구성되어 있다.

Description

초고휘도 금형 제조방법{Manufacturing Method for Superbright Mold}

본 발명은 TFT-LCD용 프리즘 시트, 재귀(再歸)반사 시트 등의 광학용 성형사출품을 생산하기 위한 금형의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인위적인 정제공정을 반복해서 얻은 고순도의 금속소재를 초정밀절삭가공한 후 도전성 박막처리, 도금 및 전주(電鑄)과정을 거치게 함으로써 공구의 손상을 방지하고 별도의 경면(鏡面)연마가공이 필요없으며 표면부식을 막아서 그 가공면이 나노미터 단위의 조도를 갖도록 하여 특수한 광학신소재 등에 응용할 수 있는 초고휘도 금형의 제조방법에 관한 것이다.

전자분야 IT산업의 발달로 인하여 광학 시트가 다양한 분야에서 활용되고 있는데 이러한 광학 시트의 용도로는 TFT-LCD용의 프리즘시트, 신체안전보호용 재귀반사시트, 초정밀 비구면렌즈, 광회절격자 등 전자산업분야 뿐만 아니라 기타 관련분야에서 필수 불가결한 소재로서 중요성을 더해가고 있다.

이러한 광학신소재 제품은 초정밀 마이크로가공기술과 금속재료, 정밀성형, 광학, 전자기술 등을 복합적으로 이용해야만 개발이 가능한 최첨단기술의 하나로서 아직까지 세계선진 1,2개국 정도가 독점적으로 생산, 그 이익을 향유하고 있으며, 우리나라도 휴대전화, 디스플레이 장치, 광디바이스 등 전자 IT산업 분야에서 이들 부품의 자급화를 달성하지 못하면 선진국의 영향권 내에서 조립생산국의 위치를 벗어나지 못함은 물론 중국의 거센 도전이라는 환경변화에도 잘 대응하지 못할 것으로 우려된다.

한편 광학신소재 제품을 생산하기 위해서는 정밀한 제품을 얻기 위해 일반적으로 성형사출가공을 행하게 되는데 그 용도가 광학적 효과를 달성하기 위한 것이므로 사출가공에 사용되는 금형이 고휘도 내지 초고휘도일 것이 요구된다.

여기서 초고휘도 금형이란 기계가공을 해서 그 가공면이 나노미터(1nm = 10^-9m) 단위의 조도를 갖는 금형을 말하는데, 가공면의 거칠기가 100nm 미만(0.1㎛ 미만)의 정밀도가 되어야만 특수한 광학신소재 등에 응용이 가능하며 이러한 금형이 있어야만 TFT-LCD용 프리즘시트나 기타의 광학용 성형사출품의 제작이 가능하지만 우리나라나 일본 등은 이러한 원천기술이 없어 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.

그런데 상기 초고휘도 금형을 제조하기 위해 종래에는 경면절삭용 재료로서 SK-5와 같은 금형강이나 무전해 니켈도금층, 황동과 같은 동합금, 알루미늄이나 그 합금 같은 재료로 경면절삭을 시행했으나 이들은 순도가 낮고 합금특유의 결정성 등으로 인해 정밀한 경면절삭이 불가능했고 기계적 경도 또한 맞지 않아 극심한 공구마멸로 가공제품의 변형이 일어나고 버(burr)의 생성으로 안정된 절삭이 불가능했다.

또한 금속재료속에 포함되어 있는 미량의 탄화물이나 규소화합물 등은 다이아몬드 팁의 극심한 마멸을 유발시켜 공구의 손상을 가져와서 정밀한 경면절삭이 불가능했기 때문에 이를 해결하려면 먼저 적당한 가공금속재료를 개발하지 않으면 안되었다.

따라서, 다이아몬드 공구를 마멸시키지 않고 버(burr)가 생기지 않는 적당한 경도를 지닌 금속재료의 제작 및 여기에 초정밀절삭가공 등을 시행하여, 다이아몬드 공구의 손상을 방지하고 표면에 별도의 경면(鏡面)연마가공을 필요로 하지 않는 등의 효율적인 방법으로 그 가공면이 나노미터 단위의 조도를 갖는 초고휘도 금형의 제조방법이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 인위적인 정제공정을 반복해서 얻은 고순도의 금속소재를 초정밀절삭가공한 후 도전성 박막처리, 도금 및 전주(電鑄)과정을 거치게 함으로써, 공구의 손상을 방지하고 별도의 경면(鏡面)연마가공이 필요없으며 표면부식을 막아서 그 가공면이 나노미터 단위의 조도를 갖도록 하여 특수한 광학신소재 등에 응용할 수 있는 초고휘도 금형의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고휘도 금형의 제조방법은 인위적인 정제공정을 반복해서 고순도의 금속소재를 얻는 단계; 상기 고순도의 금속소재를 단결정 다이아몬드공구에 의해 초정밀절삭가공을 하는 단계; 금형의 분리를 용이하게 하고 경면(鏡面)을 온전히 복제하기 위해 상기 절삭가공된 금속표면에 5㎚ 정도의 두께로 도전성 박막처리를 하는 단계; 부식을 막고 경면을 유지하기 위해 상기 박막처리된 금속표면에 귀금속으로 10㎛ 정도의 두께로 도금을 하는 단계; 상기 도금된 금속표면 위에 금속으로 전주(電鑄)를 하는 단계; 표면이 도금되어 있는 상기 전주를 통해 복제된 금형을 분리하는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고순도의 금속소재는 황동 등의 동합금, 알미늄 또는 스테인레스로 구성된 것, 상기 도금용 귀금속은 백금, 오스뮴 또는 로듐으로 구성된 것, 상기 전주용 금속은 니켈과 코발트 합금으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1b는 본 발명에 따른 제조방법의 도전성 박막처리단계를 나타내는 단면도이고, 도 2a는 본 발명에 따른 제조방법의 귀금속 도금단계를 나타내는 단면도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 제조방법의 전주단계를 나타내는 단면도이고, 도 3a는 본 발명에 따른 제조방법의 초고휘도 금형의 분리단계를 나타내는 단면도이며, 도 3b는 본 발명에 따른 제조방법의 완성된 초고휘도 금형을 나타내는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초고휘도 금형의 제조방법은 인위적인 정제공정을 반복해서 고순도의 금속소재(10)를 얻는 단계(S1); 상기 고순도의 금속소재(10)를 단결정 다이아몬드공구에 의해 초정밀절삭가공을 하는 단계(S2); 금형의 분리를 용이하게 하고 경면(鏡面)을 온전히 복제하기 위해 상기 절삭가공된 금속표면에 5㎚ 정도의 두께로 도전성 박막(20)처리를 하는 단계(S3); 부식을 막고 경면을 유지하기 위해 상기 박막처리된 금속표면에 귀금속으로 10㎛ 정도의 두께로 도금(30)을 하는 단계(S4); 상기 도금된 금속표면 위에 금속으로 전주(電鑄)(40)를 하는 단계(S5); 표면이 도금되어 있는 상기 전주를 통해 복제된 금형을 분리하는 단계(S6)로 구성되어 있다.

또한, 상기 고순도의 금속소재(10)는 황동 등의 동합금, 알미늄 또는 스테인레스로 구성되어 있고, 상기 도금용 귀금속(30)은 백금, 오스뮴 또는 로듐으로 구성되어 있으며, 상기 전주용 금속(40)은 니켈과 코발트 합금으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 초고휘도 금형의 제조공정은 우선 인위적인 정제공정을 반복해서 고순도의 금속소재(10)를 얻는 단계(S1)를 거치게 되는데, 먼저 이 단계에서 초고휘도 금형을 제작하기 위해 기계절삭을 하려는 재료가 선정되어야만 하기 때문이다.

절삭면은 0.1μ 이하의 조도가 필요한 광학적 경면이 얻어져야 하는데 일반 시중의 금속재료는 그 자체의 불순물로 인해서 가공시 버(burr)가 발생하고 다이아몬드 공구의 손상이 일어나며 금속고유의 결정이 있어서 절삭가동된 면의 조도가 거칠게 된다. 그것은 흡사 콘크리트면을 아무리 절삭을 잘해도 거울과 같은 경면이 나오지 않는 것과 같은 이치이다.

또한 그러한 순도높은 금속재료가 있다해도 가공하려는 공구인 다이아몬드 팁이 금속재료와 성질이 맞지 않으면 공구의 손상이 와서 원하는 조도가 나오지 않는다. 그리고 버(burr)가 생긴다면 제대로 가공이 안되므로 가공하려는 금속재료는 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다.

금속의 순도가 99.9999% 이상이어야 하고, 다이아몬드 공구를 마멸시키지 않아야 하며, 버(burr)가 생기지 않는 적당한 경도가 필요하고, 금속조직이 결정이 없는 비정질 조직이어야 하는데, 이러한 금속재료는 시중에 존재하지 않기 때문에 황동 등의 동합금, 알미늄 또는 스테인레스와 같은 금속을 일반적인 전해정련 및 정제를 반복해서 순도를 높이고 담금질 등의 경화과정을 거침으로써 공구를 손상시키지 않는 적당한 경도를 부여해서 가공하려는 금속재료를 만든다.

다음에 상기 고순도의 금속소재(10)를 단결정 다이아몬드공구에 의해 초정밀절삭가공을 하는 단계(S2)를 거치게 되는데, 이 단계에서는 단결정 다이아몬드공구에 의한 절삭가공으로 마이크로 구조의 가공을 행하고 그 가공면의 표면정도는 나노레벨을 실현함으로써 종래 형상정도를 저해하는 요인이던 경면연마가공을 생략할 수 있게 된다.

그리고 전주(電鑄)된 금형의 분리를 용이하게 하고 경면(鏡面)을 온전히 복제하기 위해 상기 절삭가공된 금속표면에 5㎚ 정도의 두께로 도전성 박막(20)처리를 하는 단계(S3)를 거치게 된다.

이 단계에서는 우수한 경도성과 전도성을 갖추면서 균일한 표면을 얻을 수 있는 규소산화물, 안티모니-주석 산화물(ATO) 또는 인듐-주석 산화물(ITO) 등을 이용하여 일반적인 담금법, 회전코팅법 또는 스프레이법 등으로 5㎚(5×10^-9m) 두께의 도전성 박막을 입히게 되는데, 이는 가공된 금속에 그냥 도금을 하여 복제를 하면 금속끼리의 접착이 일어나서 쉽게 금형을 이형(離形)할 수 없고 다른 일반적인 것으로 코팅하면 경면의 복사가 잘 되지 않기 때문이다.

다음에 대기중의 부식을 막고 성형중에 경면을 유지하기 위해 상기 박막처리된 금속표면에 귀금속(20)으로 10㎛ 정도의 두께로 도금을 하는 단계(S4)를 거치게 된다.

가공된 금속재료(10)는 내식성이 그다지 좋지 않은 황동 등의 동합금, 알미늄 등의 소재이거나 스테인레스강과 같이 내식성이 우수하더라도 사용중에 표면이 부동태층과 같이 조도가 나빠질 수 있으므로 이를 도금기술과 전주기술을 이용해서 복제한다.

이 단계에서는 표면에 극히 미세한 산화층이 존재해도 광학적 경면이 잠시밖에 유지되지 않으므로 초기 표면전착층을 일반적인 전해공정을 통해 백금, 오스뮴, 로듐 등의 귀금속으로 10㎛ 정도의 두께로 도금을 한다.

그리고 상기 도금된 금속표면 위에 니켈과 코발트의 합금으로 이루어진 금속으로 전주(40)하는 단계(S5)를 거치게 되는데, 이 단계에서는 상기 도금을 한 상태에서 그 나머지 층을 전해액 속에서 2~10mm 두께의 니켈과 코발트 합금으로 채우는 전기주조를 행한다.

마지막으로 표면이 귀금속으로 도금되어 있는 상기 전주를 통해 복제된 금형을 분리하는 단계(S6)를 거치게 되는데, 이 단계에서는 경계면에 이미 도전성 박막처리가 되어 있으므로 분리가 용이하여 완성된 초고휘도 금형을 손쉽게 얻을 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 초고휘도 금형의 제조방법은 다음과 같이 작용한다.

인위적인 정제공정을 반복해서 얻은 고순도의 금속소재(10)를 단결정 다이아몬드 공구에 의해 초정밀절삭가공하므로 버(burr)의 발생이나 공구의 손상이 방지되고, 별도의 경면(鏡面)연마가공이 필요없게 되는 것이다.

또한 가공금속 표면에 도전성 박막(20)을 입힌 후 전주(電鑄)를 행하기 때문에 금속끼리의 접착이 일어나지 않아 완성된 금형의 분리가 용이하고 경면의 복제가 자연스럽게 이루어지는 것이다.

그리고 표면전착층을 백금 등의 귀금속(30)으로 매우 얇게 도금한 후에 나머지 층을 니켈과 코발트합금으로 전주를 하므로 표면부식을 막고 그 가공면이 나노미터 단위의 우수한 조도를 갖게 되는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 방법으로 제조된 초고휘도 금형은 TFT-LCD용 프리즘시트, 재귀(再歸)반사 시트, 자동차용 백라이트, 자전거 도로반사등, 프리즘일체형 도광판, PDP(벽걸이 TV) 브라운관 대용품, 광회절격자(DVD용 광 PICK-UP 렌즈 등) 등의 제조에 광범위하게 활용될 수 있는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 초고휘도 금형의 제조방법은 공구의 손상을 방지하고 별도의 경면(鏡面)연마가공이 필요없으며 표면부식을 막아서 그 가공면이 나노미터 단위의 조도를 갖도록 하여 특수한 광학신소재 등에 응용할 수 있도록 하는 유용한 효과를 발휘한다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 자명한 것이며, 따라서 그러한 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 초고휘도 금형 제조방법의 초정밀절삭가공된 금속소재를 나타내는 단면도,

도 1b는 본 발명에 따른 제조방법의 도전성 박막처리단계를 나타내는 단면도,

도 2a는 본 발명에 따른 제조방법의 귀금속 도금단계를 나타내는 단면도,

도 2b는 본 발명에 따른 제조방법의 전주단계를 나타내는 단면도,

도 3a는 본 발명에 따른 제조방법의 초고휘도 금형의 분리단계를 나타내는 단면도,

도 3b는 본 발명에 따른 제조방법의 완성된 초고휘도 금형을 나타내는 단면도이다.

<도면 각 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 고순도 금속소재 20: 도전성 박막

30: 도금용 귀금속 40: 전주용 금속

Claims (4)

1. 인위적인 정제공정을 반복해서 고순도의 금속소재(10)를 얻는 단계(S1);

   상기 고순도의 금속소재(10)를 단결정 다이아몬드공구에 의해 초정밀절삭가공을 하는 단계(S2);

   금형의 분리를 용이하게 하고 경면(鏡面)을 온전히 복제하기 위해 상기 절삭가공된 금속표면에 5㎚ 정도의 두께로 도전성 박막(20)처리를 하는 단계(S3);

   부식을 막고 경면을 유지하기 위해 상기 박막처리된 금속표면에 귀금속으로 10㎛ 정도의 두께로 도금(30)을 하는 단계(S4);

   상기 도금된 금속표면 위에 금속으로 전주(電鑄)(40)를 하는 단계(S5);

   표면이 도금되어 있으며 상기 전주를 통해 복제된 금형을 분리하는 단계(S6)로 구성된 초고휘도 금형의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고순도의 금속소재(10)는 황동 등의 동합금, 알미늄 또는 스테인레스로 구성된 것을 특징으로 하는 초고휘도 금형의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 도금용 귀금속(30)은 백금, 오스뮴 또는 로듐으로 구성된 것을 특징으로 하는 초고휘도 금형의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전주용 금속(40)은 니켈과 코발트 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 초고휘도 금형의 제조방법.