KR20090046811A - 복합형 표면의 미세복제 - Google Patents

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KR20090046811A
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KR1020097001950A
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제니퍼 엘. 트라이스
찰스 엔. 데보어
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

전기 방전 가공의 플런지 모드로 작동하는 가공된 공구를 이용하여 복합형 표면을 갖는 공작물 내에 미세복제된 특징부를 형성하는 절삭 공구 조립체가 개시된다. 미세복제된 특징부는 인접하지 않을 수 있고, 공구 내의 미세구조화된 특징부에 의해서 결정되는 바와 같이, 임의의 기하학적 구성 및 마이크로미터 단위의 치수를 가질 수 있다. 가공된 공작물은, 광학 필름, 마찰 제어 필름, 플라즈마 표시 패널 몰드, 또는 마이크로 패스너와 같은 미세복제된 용품을 제조하기 위해, 마스터 공구로서 이용될 수 있다.
전기 방전 가공, 플런지, 공구, 복합형 표면, 미세복제, 절삭 공구

Description

복합형 표면의 미세복제 {MICROREPLICATION ON A COMPLEX SURFACE}
다이아몬드 선삭(turning) 및 플런지 전기 방전 가공과 같은 가공 기술이 미세복제 공구와 같은 다양한 공작물(work piece)을 생성하는 데 이용될 수 있다. 미세복제 공구는 미세복제된 구조체의 생성을 위해 압출 공정, 사출 성형 공정, 엠보싱 공정, 주조 공정 등에 일반적으로 사용된다. 미세복제된 구조체는 광학 필름, 연마 필름, 접착 필름, 자기 정합 특성(self-mating profile)을 갖는 기계식 패스너, 또는 대략 1000 마이크로미터 미만의 치수와 같은 비교적 작은 치수의 미세복제된 특징부를 갖는 임의의 성형 또는 압출 부품을 포함할 수 있다.
미세구조화된 특징부(microstructured feature)는 또한 다른 여러 가지 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 마스터 공구(master tool)의 구조체가 마스터 공구로부터 주조 및 경화 공정에 의해서 중합체 재료의 벨트 또는 웨브와 같은 다른 매체에 전사되어 제작 공구를 형성할 수 있으며, 이어서 이러한 제작 공구는 미세 복제 구조체를 형성하는 데 사용된다. 전기 주조(electroforming)와 같은 다른 방법들이 마스터 공구를 복제하는 데 사용될 수 있다. 다른 기술로는 화학적 에칭, 비드 블래스팅(bead blasting) 또는 다른 확률적 표면 개질(stochastic surface modification) 기술이 있다.
본 발명에 따르는 절삭 공구 조립체는 플런지 전기 방전 가공(plunge electrical discharge machining; plunge EDM) 작업을 위해 구성된 전기 방전 가공(EDM) 유닛, 미세구조화된 특징부를 갖는 표면을 구비하는 공구, 그리고 미세구조화된 특징부를 갖는 공구의 표면에 인접하게 위치되는 복합형(complex) 표면을 갖는 공작물을 포함한다. 이러한 공구는 EDM 유닛에 작동식으로 결합되고, 공작물은 플런지 EDM 작업에서 공구에 의해 가공되도록 구성된다.
본 발명에 따른 공작물 절삭 방법은 플런지 EDM 작업을 위해 구성된 EDM 유닛을 제공하는 단계와, 미세구조화된 특징부를 갖는 표면을 구비하는 공구를 EDM 유닛에 작동식으로 결합시키는 단계, 그리고 복합형 표면을 갖는 공작물을 미세구조화된 특징부를 갖는 공구의 표면에 인접하게 위치시키는 단계를 포함한다. 공작물은 플런지 EDM 작업에서 공구에 의해 가공되도록 구성된다.
소정 실시예에서, 조립체 및 방법은 인접하지 않은 많은 미세구조화된 특징부를 동시에 형성하는 데 사용될 수 있어, 금속 복합형 공작물 내에 미세복제된 패턴을 형성한다. 본질적으로 전도되어 있으나 실질적으로 동일한 미세복제된 패턴을 갖는 다른 용품 또는 필름을 제조하기 위해서 마스터 공구로서 공작물이 이용될 수 있다. 그러한 필름은, 예를 들어, 인접하지 않은 렌즈렛(lenslet)을 갖는 광학 필름 또는 다른 미세구조화된 광학 필름을 포함할 수 있다. 그러한 용품은, 예를 들어, 플라즈마 표시 패널용 기판, LED용 열적 히트 싱크, 히트 싱크 형성용 몰드, 또는 미세구조화된 3차원 특징부를 갖는 다른 용품을 포함할 수 있다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하며, 상세한 설명과 더불어 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다.
도 1은 플런지 EDM 기술을 이용하여 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 형성하기 위한 시스템의 다이어그램이다.
도 2A는, 플런지 EDM 기술을 이용하여, 가공된 공구를 제조하고 복합형 공작물 상에 미세복제를 위해서 그러한 공구를 이용하는 것을 도시한 다이어그램이다.
도 2B는 비복합형(non-complex) 공작물 상에 복합형 공구와 함께 플런지 EDM 기술을 이용한 미세복제를 설명하는 다이어그램이다.
도 2C는 복합형 공작물 상에 복합형 공구와 함께 플런지 EDM 기술을 이용한 미세복제를 설명하는 다이어그램이다.
도 3A는 가공된 공구 및 플런지 EDM 기술을 이용하여 형성된 예시적인 미세구조체의 형상을 도시한 다이어그램이다.
도 3B는 공구의 규칙적인 궤도선회를 이용한 플런지 EDM 기술 및 가공된 공구를 사용하여 형성된 예시적인 미세구조체의 형상을 도시한 다이어그램이다.
도 3C는 공구의 불규칙적인 궤도선회를 이용한 플런지 EDM 기술 및 가공된 공구를 사용하여 형성된 예시적인 미세구조체의 형상을 도시한 다이어그램이다.
도 4는 EDM 기술을 이용하여 형성된 예시적인 미세구조화된 특징부의 이미지이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 미세구조화된 특징부를 갖는 3차원적인 표면을 생성하는 방법을 포함한다. 기판 또는 공작물 상에 3차원적 표면을 가공하기 위하여 플런지 전기 방전 가공(EDM) 유닛이 마이크로미터 단위의 구조체(micron-scale structures)("미세구조화된 특징부"라 지칭됨)를 적용하는 데 사용될 수 있다. 결과적으로 얻어지는 공구는 미세복제된 3차원적 부분을 성형하는데 이용될 수 있고 또 미세복제된 표면을 형성하기 위한 마스터 공구로서 이용될 수 있다. EDM 기술의 이용에 의해서, 미세구조화된 특징부가 복합형 표면으로 인가될 수 있게 된다. 플런지 EDM은 또한 싱커(sinker) EDM으로 지칭되고 단일 EDM 작업에서 공작물 내에 많은 미세구조화된 특징부를 형성할 수 있는 하나의 방법을 제공한다. 플런지 EDM의 특성으로 인해서, 공작물은 예를 들어 강철로 구현될 수 있다. 강철 공작물은 구리와 같은 다른 재료보다 내구성이 우수하다.
EDM은 예를 들어 이하의 참조 문헌에 기재된 바와 같이 본 기술 분야에서 공지되어 있고, 이들 문헌의 둘 모두는 마치 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함되어 있다: 문헌[A. Descoeudres et al., "Optical Emission Spectroscopy of Electrical Discharge Machining Plasma," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 37, pp. 875-882 (2004)], 그리고 문헌[A Yahya et al., "Determination of Material Removal Rate of an Electro-Discharge Machine Using Dimensional Analysis," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 37, pp. 1467-1471 (2004)].
EDM 시스템
도 1은 플런지 EDM 기술을 이용하여 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 형 성하기 위한 시스템(10)의 다이어그램이다. 미세구조화된 특징부는 용품의 표면 상에 형성되거나 또는 그 표면 내로 만입된 임의의 유형, 개수, 형상 및 치수의 미세구조체를 포함할 수 있다. 시스템(10)은 컴퓨터(12)에 의해 제어된다. 컴퓨터(12)는 예를 들어 하기의 구성요소들을 갖는다. 하나 이상의 어플리케이션(16)을 저장하는 메모리(14), 정보의 비휘발성 저장을 제공하는 보조 저장 장치(22), 정보 또는 명령을 수신하는 입력 장치(18), 메모리(16) 또는 보조 저장 장치(22)에 저장되거나 다른 소스로부터 수신된 어플리케이션을 실행하는 프로세서(24), 정보의 시각적 표시를 출력하는 표시 장치(20), 그리고 음성 정보용 스피커 또는 정보의 하드카피용 프린터와 같이 정보를 다른 형태로 출력하는 출력 장치(26).
다축 스테이지(34) 상에서 공작물(32)을 절삭하는 것은 EDM 유닛(28)에 의해 제어되는 공구(30)에 의해서 수행된다. 전원 장치(29)가 공구(30)에 전원을 공급하는 한편, 전도성 유체 공급부(31)는 플런지 EDM 작업을 위해서 공작물(32)과 공구(30) 사이에 전도성 유체를 제공한다. 작동 시에, 공구(30)가 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 형성함에 따라, 컴퓨터(12)는 스테이지 제어 유닛(36)을 통해서 다축 스테이지(34) 및 공작물(32)의 이동을 제어한다. 또한, 다축 스테이지(34)가 공작물(32)을 아래쪽에서 이동시킬 때, 컴퓨터(12)는 EDM 유닛(28)을 통해서 플런지 EDM 작업 중에 공구(30)를 제어할 수 있다.
다축 스테이지가 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 공구에 대한 다수의 병진 이동 방향으로, 공구에 대한 다수의 회전 방향으로, 또는 공구에 대한 다수의 병진 이동 방향 및 다수의 회전 방향의 모든 방향으로 공작물을 이동시키기 위한 다수의 축을 갖는 임의의 장치를 포함한다. 공구에 대한 3개의 병진 이동 방향과 3개의 회전 방향으로 공작물을 이동시키기 위해 6-축 스테이지도 가능하다. 5-축 스테이지가 보다 일반적으로 이용되며, 5-축 스테이지는 공구에 대한 3개의 병진 이동 방향으로 그리고 2개의 회전 방향으로 공작물을 이동시킨다. 5-축 스테이지를 포함하는 다축 스테이지의 예는 다음의 회사, 오나 아메리카 인크.(ONA America, Inc.)(미국), 에이지 차밀즈(Agie Charmilles)(영국), 소디(Sodie)(프랑스)), 그리고 미츠비시(Mitsubishi)(일본)로부터 현재 구매가능하다.
가공은 스테이지를 통해서 공작물을 이동시키는 것, 공구를 이동시키는 것, 또는 양자 모두를 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 이는 또한 가능한 중첩 패스(pass) 및 상이한 공구를 이용하여 공구의 다중 패스도 포함할 수 있다. EDM을 이용하여 가공하기 위한 이러한 제어는 예를 들어 컴퓨터(12)에서 소프트웨어, 펌웨어 또는 조합으로 구현된 수치 제어기(numerical controller: NC) 또는 수치 제어 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 특히, 컴퓨터(12)는 EDM 유닛(28)을 통해서 공구(30)의 이동을 그리고 스테이지 제어 유닛(36)을 통해서 공작물(32)의 이동을 제어할 수 있다. 컴퓨터(12)로부터 신호를 수신함으로써, EDM 유닛(28)은 공구(30)의 활성화를 제어하여 공작물(32)의 일부분을 부식시켜 그 내부에 미세구조화된 특징부를 형성할 수 있다. 이러한 활성화는, 예를 들어, 본 기술 분야에 공지된 플런지 EDM 모드에서 공구(30)를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. EDM 유닛(28)은 플런지 EDM 작업에서 전기 (또는 전기판) 방전 가공을 할 수 있고 가능하다면 해당 공구를 공작물의 표면을 가로질러 이동시킬 수 있는 임의의 장치로 구현 될 수 있다.
공작물(32)은 전기 방전 가공될 수 있는 임의의 전기 전도성 재료로 구현될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 강철, 흑연, 텅스텐 카바이드 또는 이들 재료의 합금이나 혼합물을 포함한다. 사용되는 특정 재료는 예를 들어 가공된 공작물을 사용하여 제조된 다양한 필름들과 같은 특정의 요구되는 응용에 좌우될 수 있다.
가공된 후에, 공작물(32)은 다양한 응용에 사용되는 해당 미세구조화된 특징부를 구비한 필름을 제조하는 데 사용될 수 있다. 그러한 필름의 예를 들면, 광학 필름, 마찰 제어 필름, 플라즈마 표시 패널을 제조하기 위한 몰드, 사출 성형을 위한 몰드 그리고 마이크로 패스너 또는 기타 미세구조화된 구성 요소를 포함한다. 필름은 전형적으로 점성 상태의 재료를 공작물에 도포하여 적어도 부분적으로 경화시키고 나서 제거하는 코팅 공정을 이용하여 제조된다. 경화된 재료로 구성된 필름은 실질적으로 공작물의 구조체라기보다는 상반되는 구조체를 구비할 것이다. 예를 들어, 공작물 내의 만입부(음각 특징부)는 결과적인 필름 내의 돌출부(양각 특징부)가 된다.
플런지 EDM을 이용한 미세복제
도 2A는, 플런지 EDM 기술을 이용하여, 가공된 공구(40)를 제조하고 공작물(80)의 복합형 표면 상에 미세복제를 위해서 그러한 공구를 이용하는 것을 도시한 다이어그램이다. 가공된 공구(40)는 공구(30)에 대응하고, 공작물(80)은 공작물(32)에 대응한다. 공작물(80)은 도 1에 도시된 EDM 시스템을 이용하여 가공될 수 있다. 용어 "복합형 표면"은 평탄하지 않은 (평면이 아닌) 표면 또는 그의 적어도 일부를 의미한다. 용어 "복합형 공작물"은 가공될 수 있는 복합형 표면을 갖는 공작물을 의미한다.
본 예시적인 실시예에서, 좌표계는 x-방향(48), y-방향(46) 및 z-방향(50)을 포함한다. z-방향(50)은 공작물(80) 또는 공구(40)에 실질적으로 수직한 방향으로의 이동을 지칭한다. x-방향 및 y-방향은 z-방향에 실질적으로 수직이며, x-방향(48) 및 y-방향(46)은 공작물(80) 또는 공구(40)의 표면과 실질적으로 평행한 상호 직교하는 방향으로의 이동을 의미한다. 예를 들어, x-방향 및 y-방향은 공구(40)의 측부(44, 42)를 각각 따르는 방향으로의 이동을 의미하며, z-방향은 공구(40)의 표면에 실질적으로 수직이고 그 표면 내외로의 이동을 의미한다. 공작물을 가공할 때, 다축 스테이지(34)가 x-방향(48) 및 y-방향(46)에 상응하는 방향으로 공작물을 이동시킬 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 평면 형태의 공작물에 대한 대안으로서, 공작물이 다른 비평면 형태의 재료 또는 롤(roll)로 구현될 수 있다.
가공에 앞서서, 공구(40)는 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 흑연, 텅스텐 카바이드 또는 강철 및 이들 재료의 합금과 같은 블랭크 전기 전도성 재료로 구현되는 것이 전형적이다. 플런지 EDM을 위한 가공된 공구를 제조하기 위해서 공구(40)를 위한 재료가 가공된다. 와이어 EDM 기술을 이용하여, 예를 들어, 라인(52, 54)으로 표시된 바와 같이 공구(40)를 가로질러 다중 패스가 이루어진다. 와이어 EDM은 공구(40)로부터 금속 재료를 가공하여 제거함으로써, 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66)로 표시된 바와 같은 미세구조화된 돌출부를 생성하게 한다. 영역(68)은 패스(54)들 중 하나에 의해서 가공되어 제거된 영역들 중 하나를 나타내고, 영역(70)은 패스(52)들 중 하나에 의해서 가공되어 제거된 영역들 중 하나를 나타낸다. 단지 설명의 목적으로 4회의 와이어 EDM 패스(52, 54) 및 4개의 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66) 만을 도시하였으며, 통상적으로는, 가공된 공구(40)를 생성하기 위해서 EDM에서 와이어 전극의 많은 패스가 이루어진다. 또한, 단지 설명을 위해서 패스(52, 54)가 선형 패스로서 도시되어 있으나, 공구(40) 상에서 x-방향 및 y-방향으로 곡선형 또는 비선형 측부를 갖는 미세구조화된 특징부를 형성하기 위해서, 와이어 EDM이 비선형 패스를 실시하는 데 이용될 수도 있다.
또한, 공구(40)는, 예를 들어 다이아몬드 선삭, 플라이컷팅(flycutting), 또는 밀링, 연마, 포토리소그래피, 에칭 또는 주조를 이용함으로써, 미세구조화된 특징부를 갖는 가공된 공구를 생성하기 위한 다른 방법으로 제조될 수 있다. 이들 제조 기술의 조합이 또한 사용될 수 있다. 가공의 결과로서, 공구(40)는 공작물을 가공하기 위한 많은 미세구조화된 특징부를 가질 수 있다. 예를 들어, 공구(40)는 10개의 미세구조화된 특징부, 100개의 미세구조화된 특징부, 500개의 미세구조화된 특징부, 또는 더 바람직하게는 (예를 들어, 공구(40) 상에서 두 개의 상호 직교하는 방향의 각각으로 100회의 와이어 EDM 패스를 이용하여 형성되는) 1000개 이상의 미세구조화된 특징부를 가질 수 있다. 또한, 다른 개수의 미세구조화된 특징부가 공구(40) 상에 있을 수 있다.
일단 가공된 공구(40)가 생성되면, 공구(30)로서 이용하기 위해서 EDM 유 닛(28) 및 컴퓨터(12)의 제어 하에서 본질적으로 전도된다. 공구를 전도시키는 것은, 그 위의 미세구조화된 특징부가 피가공 공작물을 향하여 대면하는 것을 의미하며, 예를 들어 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66)가 공작물(80) 상부의 복합형 표면(81)을 향하여 대면하는 것을 의미한다. 공작물(80)의 바닥 표면(83)이 x- 및 y-방향으로 공작물(80)을 이동시키기 위한 다축 스테이지(34) 상에 위치된다. 이러한 특정 실시예에서, 공구는 미세구조화된 특징부로서 정사각형 또는 직사각형 핀들의 어레이를 본질적으로 포함한다.
그 후, 공작물(80)을 가공하기 위해서 공구(40)가 플런지 EDM 작업에 이용된다. 재료를 가공하여 제거함으로써 공작물(80) 내에 미세구조화된 특징부를 형성하기 위해서, 화살표(82)로 표시된 바와 같이, 그리고 도 1의 시스템에서, 공구(40)의 미세구조화된 특징부가 공작물(80)의 표면(81) 내로 그리고 그 표면에 대해서 "플런지 가공"된다. 가공 완료 시에, 공작물(80)은 공구(40) 상의 미세구조화된 특징부에 실질적으로 상응하여 복합형 표면 상에 음각의 미세구조화된 특징부를 갖는다. 예를 들어, 공작물(80)은 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66)에 실질적으로 대응하는 미세구조화된(만입된) 특징부(72, 74, 76, 78)를 각각 갖는다. 도시된 바와 같이, 미세구조화된 특징부(72, 74, 76, 78)는 인접하지 않으며, 이는 실질적으로 가공되지 않은 영역들이 그들을 분리하고 있다는 것을 의미한다. 미세구조화된 특징부는 치수가 가변적인 피치(pitch)를 가질 수 있고, 그러한 피치는 인접하는 미세구조화된 특징부들 사이의 거리를 나타낸다.
또한, 플런지 EDM 작업 중에, EDM 유닛(28)의 제어 하에 공구(40)가 궤도선 회를 할 수 있으며, 이는 공구(40)가 x-방향, y-방향, 또는 양방향으로 이동하여 재료를 추가적으로 가공하여 제거하고 공작물(80)의 미세구조화된 특징부의 다양한 형상을 형성한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 공구(40)는 경로(84)를 따라 이동함으로써 표시된 바와 같이 규칙적인 패턴으로, 또는 경로(86)를 따라 이동함으로써 표시된 바와 같이 불규칙적인 패턴으로 궤도선회를 할 수 있다. 이들의 경우에, 공작물 내의 미세구조화된 특징부는 공구 상의 미세구조화된 특징부의 형상 및 궤도선회 중의 이동 모두에 실질적으로 대응하는 형상을 가질 것이다.
공구(40)의 미세구조화된 특징부는 상이한 위치에서 공작물(80)의 표면(81)에 대해서 그리고 그 표면 내로 반복적으로 플런지 가공되어 공작물(80) 내에 많은 미세구조화된 특징부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 플런지 EDM 작업을 충분한 횟수로 반복하여 공작물 내에 1000 내지 6백만 개의 미세구조화된 특징부를 생성할 수 있다. 예를 들어, 공작물이 플라즈마 표시 패널용 기판인 경우에, 공구의 플런지 EDM 작업은 수백만 개의 인접하지 않은 미세구조화된 특징부를 기판에 생성하도록 사용될 수 있고, 그러한 미세구조화된 특징부의 각각은 플라즈마 표시 패널의 픽셀을 위한 플라즈마 재료를 수용하기 위한 "포켓"을 생성한다.
도 2A에 도시된 플런지 EDM에 대한 대안으로서, 플런지 EDM이 복합형 공구와 함께 이용될 수 있다. 용어 "복합형 공구"는 복합형 표면을 갖는 가공된 미세구조체를 갖는 공구를 말한다. 도 2B는, 화살표(79)로 도시된 바와 같이 복합형 표면 미세구조체(73)를 갖는 복합형 공구(71)를 비복합형(non-complex) 표면(77)을 갖는 비복합형 공작물(75) 위에 위치시키는 플런지 EDM 기술을 이용하는 미세복제를 도 시한 다이어그램이다. 도 2C는, 화살표(93)로 도시된 바와 같이 복합형 표면 미세구조체(87)를 갖는 복합형 공구(85)를 복합형 표면(91)을 갖는 복합형 공작물(89) 위에 위치시키는 플런지 EDM 기술을 이용하는 미세복제를 도시한 다이어그램이다. 복합형 공구를 이용한 후에, 제1 공구와 약간 상이한 기하학적 형상을 갖는 하나 또는 그 이상의 후속 공구가 특징부 형상을 생성하도록 선택적으로 이용될 수 있다.
도 3A 내지 도 3C는 전술한 바와 같이 플런지 EDM를 이용하여 공작물 내에 형성될 수 있는 예시적인 개개의 미세구조화된 특징부를 도시한 다이어그램이다. 도 3A는 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66) 중 하나에 실질적으로 상응하고 길이(94), 폭(96) 및 깊이(98)를 갖는 미세구조체(72)의 형상을 도시한 다이어그램이다. 미세구조체(72)는 공작물(80)의 상부 표면(81)에 상응하는 상부(90)와, 바닥 표면(83)과 상부 표면(81) 사이에 위치되는 바닥부(92)를 갖는다.
도 3B는, 공구의 규칙적인 궤도선회와 함께 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66) 중 하나에 실질적으로 상응하고, 유효 길이(106), 유효 폭(108) 및 깊이(110)를 갖는 미세구조체(100)의 형상을 도시한 다이어그램이다. 미세구조체(100)는 공작물(80)의 상부 표면(81)에 상응하는 상부(102)와, 바닥 표면(83)과 상부 표면(81) 사이에 위치되는 바닥부(104)를 갖는다.
도 3C는, 공구의 불규칙적인 궤도선회와 함께 미세구조화된 특징부(60, 62, 64, 66) 중 하나에 실질적으로 상응하고, 유효 길이(126), 유효 폭(128) 및 깊이(130)를 갖는 미세구조체(120)의 형상을 도시한 다이어그램이다. 공구의 궤도선 회에 대한 대안으로서, 이러한 형상 및 다른 형상이 에칭, 포토리소그래피, 또는 다른 기술에 의해서 생성될 수 있어서 원하는 특징부의 형상을 직접 생성할 수 있다. 미세구조체(120)는 공작물(80)의 상부 표면(81)에 상응하는 상부(122)와, 바닥 표면(83)과 상부 표면(81) 사이에 위치되는 바닥부(102)를 갖는다. 도 3B에 도시된 특징부(100)와 같은 둥근 미세구조화된 특징부는, 예를 들어 의료 분야에서 유용한 미세복제된 원형 벽을 형성하는 데 이용될 수 있다. 미세구조체(72, 100, 120)는, 그가 가공되는 공작물의 복합형 표면에 따라서, 복합형 표면을 가질 수 있다. 공작물은 5 밀리미터(㎜) × 5 ㎜에서 최대 2 미터 × 2 미터일 수 있고, 이들 두 치수 사이의 임의의 크기일 수 있다.
공구 내의 미세구조화된 특징부와 공구로 가공된 공작물은 각각 임의의 특정 치수의 다양한 길이, 폭 및 깊이를 가질 수 있다. 전술한 시스템을 이용하여 형성된 미세구조화된 특징부는 각각 길이, 폭 및 깊이를 가질 수 있으며, 그리고 동시에 예를 들어 1000 마이크로미터, 100 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터의 값들 중 하나와 같은 임의의 마이크로미터 단위의 값을 갖는 피치를 가질 수 있다. 약 200 나노미터(㎚) 정도의 광학적 범위 이하(sub-optical range)로 표면 조도(RA) 또는 구조체가 EDM에 의해서 또한 제공될 수 있다. 길이, 폭, 깊이 및 피치의 각각이 동일한 또는 상이한 마이크로미터 단위의 값이 될 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 미세구조화된 특징부의 길이, 폭, 깊이 및 피치가 1000 마이크로미터보다 클 수 있거나, 또는 공작물의 실질적으로 전체 길이나 폭을 연장시키는 임의의 치수일 수 있다. 이들 치수는 단지 설명을 위해서 제공된 것이며, 전술한 시 스템을 이용하여 형성된 미세구조화된 특징부는 시스템을 이용하여 공구 작업이 가능한 범위 내의 임의의 치수를 가질 수 있다. 또한, 도 3A 내지 도 3C에 도시된 바와 같이, 공작물 내에 가공된 미세구조화된 특징부는 공작물의 상부 표면에 대해 실질적으로 수직이 되는 측부(sides)를 가질 수 있으며, 전형적으로 이는 다른 가공 기술로 가능하지 않다. 대안적으로, 측부는 공작물을 플런지 EDM하기 위해서 이용되는 공구 상의 미세구조화된 특징부의 원래 형상에 따라서 경사질 수 있다.
이들 다수의 미세구조화된 특징부가 미세복제된 패턴을 형성할 수 있어, 공작물 내에 미세구조화된 특징부의 규칙적인 또는 불규칙적인 반복 구성을 의미한다. 미세복제된 패턴에서, 미세구조화된 특징부는 인접할 수 있고, 불연속적일 (인접하지 않을) 수 있고, 또는 그들의 조합일 수 있다. 인접하지 않은 미세구조화된 특징부는 특정 간격만큼 분리되며, 그 예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 미세복제된 특징부는 때때로 "벽돌" 패턴이라고 지칭된다.
본 발명을 예시적인 실시예와 관련하여 설명하였지만, 여러 가지 변경은 본 기술 분야의 숙련자에게 용이하게 자명할 것이고 본 출원은 임의의 개조 또는 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 다양한 유형의 공구 및 이를 이용한 가공은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 이용될 수 있다. 본 발명은 청구의 범위와 그 균등물에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (22)

  1. 플런지 전기 방전 가공(EDM) 작업을 위해 구성된 전기 방전 가공(EDM) 유닛과,
    미세구조화된 특징부를 갖는 표면을 구비하고, EDM 유닛에 작동식으로 결합된 공구와,
    복합형 표면을 갖고 미세구조화된 특징부를 갖는 공구의 표면에 인접하게 위치되고 플런지 EDM 작업에서 공구에 의해서 가공되도록 구성되는 공작물을 포함하는 절삭 공구 조립체.
  2. 제1항에 있어서, EDM 유닛의 제어 하에서, 공구는 미세복제된 패턴을 공작물 내에 형성하는 절삭 공구 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 공작물은 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 강철, 텅스텐 카바이드, 흑연 또는 이들의 합금 중 하나로 이루어지는 절삭 공구 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 공구에 대한 다수의 병진 이동 방향 또는 다수의 회전 방향으로 공작물을 이동시키도록 구성되는 다축 스테이지를 더 포함하는 절삭 공구 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 다축 스테이지는 공구에 대한 3개의 병진 이동 방향 및 2개의 회전 방향으로 공작물을 이동시키기 위해 제공된 5축 스테이지를 포함하는 절삭 공구 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 공구 상의 미세구조화된 특징부는 복합형 표면을 갖는 절삭 공구 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 미세구조화된 특징부는 인접하지 않은 절삭 공구 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 공작물은 5 밀리미터 × 5 밀리미터와 2 미터 × 2 미터 사이의 길이 및 폭 치수를 갖는 절삭 공구 조립체.
  9. 플런지 전기 방전 가공(EDM) 작업을 위해 구성된 전기 방전 가공(EDM) 유닛을 제공하는 단계와,
    미세구조화된 특징부를 갖는 표면을 구비하는 공구를 EDM 유닛에 작동식으로 결합시키는 단계와;
    복합형 표면을 갖는 공작물을 미세구조화된 특징부를 갖는 공구의 표면에 인접하게 위치시키는 단계를 포함하며, 공작물은 플런지 EDM 작업에서 공구에 의해서 가공되도록 구성되는 공작물의 절삭 방법.
  10. 제9항에 있어서, 공작물 내에 미세복제된 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 강철, 텅스텐 카바이드, 흑연 또는 이들의 합금 중 하나로 이루어지는 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 공구에 대한 다수의 병진 이동 방향 또는 다수의 회전 방향으로 공작물을 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 1 내지 1000 개의 미세구조화된 특징부를 공작물의 복합형 표면 상에 형성하기 위해서 공구의 플런지 EDM 작업을 공작물에 대해서 반복적으로 실시하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 인접하지 않은 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 공구의 재료를 가공하여 공구의 표면 상에 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 포함하는 공구를 제조하는 단계와;
    플런지 전기 방전 가공(EDM) 작업을 위해 구성된 전기 방전 가공(EDM) 유닛 을 제공하는 단계와,
    미세구조화된 특징부를 갖는 표면을 구비하는 공구를 EDM 유닛에 작동식으로 결합시키는 단계와;
    복합형 표면을 갖는 공작물을 미세구조화된 특징부를 갖는 공구의 표면에 인접하게 위치시키는 단계를 포함하며, 공작물은 플런지 EDM 작업에서 공구에 의해서 가공되도록 구성되는 공작물의 절삭 방법.
  16. 제15항에 있어서, 공작물 내에 미세복제된 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 미세복제된 패턴을 형성하기 위해서 인접하지 않은 열을 형성하는 단계를 더 포함하고, 각각의 열은 인접하지 않은 미세구조화된 특징부를 갖고, 각각의 미세구조화된 특징부는 3차원적이고 실질적으로 직사각형인 형상을 갖는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 알루미늄, 니켈, 구리, 황동, 강철, 텅스텐 카바이드, 흑연 또는 이들의 합금 중 하나로 이루어지는 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 공구에 대한 다수의 병진 이동 방향 또는 다수의 회전 방 향으로 공작물을 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제15항에 있어서, 공작물 내에 미세구조화된 특징부를 인접하지 않게 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제15항에 있어서, 알루미늄, 니켈, 구리, 황동 또는 강철 중 하나로 이루어진 공구 내에 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제15항에 있어서, 공구를 제조하는 단계는 와이어 EDM, 다이아몬드 선삭 가공, 플라이컷팅, 밀링, 연마, 포토리소그래피, 에칭 또는 주조 기술 중 하나 이상을 이용하여 공구의 표면에 미세구조화된 특징부를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
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