KR20100089626A - 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법 및 제작장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법 및 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치에 관한 것으로서, 곡면을 갖는 스탬퍼 제작시 미세패턴의 손상을 방지함은 물론, 복잡한 미세패턴이 형성된 스탬퍼를 얻을 수 있는 방법을 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스탬퍼에 소정의 미세패턴을 형성하는 단계와;미세패턴이 형성된 평면을 갖는 스탬퍼를 압축하여 중간단계 곡면을 갖는 스탬퍼를 형성하는 제1차 성형단계와; 상기 제1차 성형단계에서 형성된 스탬퍼가 최종단계 곡면을 갖도록 상기 스탬퍼에 압력을 가하는 제2차 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법을 제공하고 있다.

스탬퍼, 미세패턴, 중간단계곡면, 최종단계곡면, 프레스금형, 사출금형

Description

곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법 및 제작장치{ A production method and a manufacturing appartus for a stamper having a curved surface}

본 발명은 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법 및 제작장치에 관한 것으로서, 상세하게는 평면을 갖는 스탬퍼에 소정의 압력을 가하여 곡면을 갖는 스탬퍼로 변형시키되, 그 변형이 신속하고도 용이하게 수행될 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

현대의 정밀 가공기술, 예를 들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System)와 같은 기술의 발달과 더불어 미세패턴이 형성된 스탬퍼를 이용하여 다양한 형태의 미세사출물이 제작되고 있으며, 이러한 미세사출물들은 우주항공기술이나 정밀의료기기등에 널리 적용되고 있다.

소정의 제품에 원하는 미세패턴을 형성시키기 위해서는 그러한 패턴을 구비하는 스탬퍼를 이용하여 제작하는 것이 일반적이다.

보통 그런데 보통 이러한 스탬퍼를 제작하기 위한 마스터 패턴이 형성되는 기판은 평면인 경우가 대부분이므로, 이러한 기판위에서 제작되는 스탬퍼의 면도 평면일 수 밖에 없다.

그러나, 최근에 들어서 초정밀 가공기술에 있어서, 곡면에 미세패턴을 갖는 사출물에 대한 수요가 증대되는 경향이 있는데, 상술한 평면 스탬퍼로서는 그러한 곡면에 배치된 미세패턴을 구현하는데 어려움이 있었다.

또한, 평면을 갖는 스탬퍼를 변형시켜 곡면을 갖는 스탬퍼를 구현한다고 하더라도, 스탬퍼에 형성된 미세패턴의 손상이 발생할 수 있다는 문제점이 있으며, 곡면을 갖는 스탬퍼의 곡면부분의 곡률이 불균일하게 된다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로서, 스탬퍼의 패턴을 손상시키지 않으면서도 용이하고도 신속하게 곡면을 갖는 스탬퍼를 생산할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스탬퍼에 소정의 미세패턴을 형성하는 단계와; 미세패턴이 형성된 평면을 갖는 스탬퍼를 압축하여 중간단계 곡면을 갖는 스탬퍼를 형성하는 제1차 성형단계와; 상기 제1차 성형단계에서 형성된 스탬퍼가 최종단계 곡면을 갖도록 상기 스탬퍼에 압력을 가하는 제2차 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법을 제공한다.

또한, 제1차 성형단계는 상기 스탬퍼의 미세패턴의 손상을 방지하기 위하여 상기 미세패턴이 수용되는 소정의 캐비티를 포함하는 프레스금형의 압축작용에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1차 성형단계에 사용되는 프레스금형은 상기 중간단계 곡면형태의 제1 캐비티를 구비하며 상기 평면을 갖는 스탬퍼가 안착되는 제1프레스금형과;

상기 제1프레스금형과 이격되어 배치되며 상기 제1캐비티로 삽입되는 돌출부 및 상기 돌출부에 형성되어 제1차 성형시 상기 스탬퍼의 미세패턴이 수용되어 보호되는 제2캐비티를 포함하는 제2프레스금형을 포함하되,

상기 제1차 성형단계는 상기 제2프레스금형을 상기 제1프레스금형방향으로 이동시킴으로써 상기 미세패턴이 형성되는 스탬퍼부분이 상기 제1차 캐비티에 대응되는 중간단계곡면형태로 변형되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1차 성형단계는 상기 제2프레스금형의 돌출부가 상기 제1프레스 금형의 제1캐비티에 삽입된 후 상기 돌출부와 상기 제1캐비티의 내벽면 사이의 거리가 상기 곡면을 갖는 스탬퍼의 두께에 대응되는 상태가 되면 완료되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2차 성형단계는 상기 최종단계곡면에 대응되는 형상이 형성된 금형에 제1차 성형단계를 거친 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼를 장착하는 단계와;

상기 최종단계곡면이 형성된 금형에 소정의 유체를 사출시켜 상기 중간단계곡면이 상기 최종단계곡면으로 변형되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제2차 성형단계에 사용되는 금형은 상기 최종단계곡면에 대응되는 형상이 형성되는 제1사출캐비티를 구비하는 제1사출금형과;

상기 제1사출금형의 제1사출캐비티과 함께 상기 유체의 이동을 안내하는 유체유동통로를 형성하는 제2사출캐비티를 구비하는 제2사출금형을 포함하되,

상기 제2차 성형단계는 상기 제1사출금형에 상기 제1차 성형단계에서 형성된 곡면을 갖는 스탬퍼를 장착하는 단계와;

상기 제1사출금형과 상기 제2사출금형을 밀착시켜 제1사출캐비티와 제2사출캐비티에 의하여 유체유동통로를 형성하는 단계와;

상기 유체유동통로 방향으로 유체를 분사하여 상기 중간단계곡면을 갖는 스 탬퍼가 상기 제1사출캐비티에 밀착되게 함으로서 최종단계곡면을 갖도록 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유체는 압축공기인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 소정의 미세패턴을 구비하며 평면형태로 형성된 스탬퍼에 기계적인 힘을 가하여 중간단계 곡면을 갖는 스탬퍼로 변환하는 제1차 성형단계를 수행하는 프레스금형과;

상기 프레스 금형에 의하여 변형되어 상기 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼가 소정의 유체압력에 의하여 최종단계곡면을 갖도록 변형되는 제2차 성형단계를 수행하기 위한 압축공기가 주입되는 사출금형을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치를 제공한다.

상기 프레스 금형은 상기 중간단계곡면에 대응되는 형상을 갖는 제1캐비티를 구비하며 상기 평면형태로 형성된 스탬퍼가 안착되는 제1프레스금형과;

상기 제1프레스금형과 이격되어 배치되며 상기 제1캐비티로 삽입되는 돌출부 및 상기 돌출부 사이에 형성되어 제1차 성형시 상기 스탬퍼의 미세패턴이 수용되어 보호되는 제2캐비티를 포함하는 제2프레스금형을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 돌출부는 상기 제2캐비티를 둘러싸는 형태로 마련되어, 상기 제1차 성형단계 수행시 상기 미세패턴이 형성되지 않은 스탬퍼의 면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

상기 사출금형은 최종단계곡면에 대응되는 형상이 형성되는 제1사출캐비티를 구비하는 제1사출 금형과;

상기 제1사출금형의 제1사출캐비티과 함께 상기 유체의 이동을 안내하는 유체유동통로를 형성하는 제2사출캐비티를 구비하는 제2사출금형을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 사출금형에 사용되는 유체는 압축공기인 것을 특징으로 한다.

상기 제1사출금형은 상기 유체유동통로와 연결되어 상기 유체가 유입되는 유체유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하여 곡면을 갖는 스탬퍼가 신속하고도 용이하게 생산될 수 있으므로 곡면을 갖는 스탬퍼에 대한 생산성이 제고될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 곡면을 갖는 스탬퍼 형성시 미세패턴을 보호하기 위한 별도의 캐비티를 형성함으로써 패턴부분의 변형을 방지하여 패턴의 정밀도가 보존할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 알아보기로 하겠다.

도1에서는 미세패턴을 구비하는 스탬퍼를 제작하는 공정에 대하여 알아보기로 하겠다.

도1(a)에서 개시된 바와 같이, 우선 원하는 패턴을 형성하기 위하여 소정의 평면기판(120)위에 감광액(130)을 도포한다. 그리고, 도1(b)에서 개시된 바와 같 이, 소정의 패턴이 그려진 마스크(140)를 상기 평면기판(120)위에 배치하고, 상기 마스크(140)의 상면 부분에서 노광을 시킨다.

그렇게 되면, 도1(c)에서 도시한 것처럼, 상기 평면기판(120)의 상면에는 상기 마스크(140)에 프린트된 패턴에 대응되는 패턴(160)이 형성된다.

여기서 패턴(160)은 나노크기 또는 마이크로 크기의 미세패턴으로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 도2(a)에서 개시된 바와 같이, 스탬퍼 제작을 위해 필요한 도금을 위하여 기판(120)과 패턴(160) 위에 일정 두께의 금속 씨앗층(Seed layer)(170)를 도포한다.

그리고, 도2(b)에서 개시된 바와 같이, 금속씨앗층(170)이 도포된 패턴 위에 미세패턴 위에 이들을 덮는 니켈(Ni)이나 구리(Cu)와 같은 사출물을 도금(electroforming)공정을 통하여 형성한다.

이후 도2(c)와 같이 그 도금사출물을 상기 기판으로부터 떼어내면 소정의 패턴을 스탬퍼(190)가 제작되는 것이다.

여기서 상기 스탬퍼(190)는 그 몸체를 구성하는 스탬퍼몸체부(190a)와, 그 스탬퍼 몸체부(190a)의 표면에 마련되어 상기 기판(120)의 패턴(160)이 모사되는 형태의 미세패턴(190b)과, 상기 미세패턴들 사이에 형성되는 소정의 공간부(190c)를 포함하고 있다.

이와 같은 공정을 LIGA(Lithographie, Galvanoformug, Abformung in German) 공정이라고 한다.

이와 같을 공정에 의하여 얻어진 스탬퍼에 곡면을 형성하는 과정에 대하여 알아보기로 하겠다.

여기서 곡면형성과정은 중간단계의 곡면을 형성하는 제1차 성형단계와, 최종단계 곡면을 형성하는 제2차 성형단계로 이루어진다.

이와 같이 두번의 성형단계로 나누어서 제작하는 이유는 다음과 같다. 즉, 한번의 과정으로 최종단계의 곡면을 형성하는 경우에는 외부의 물리적인 힘이 평면을 갖는 스탬퍼에 급격하게 가해짐으로써 스탬퍼의 파단이 발생하게 될 뿐더러 미세패턴이 형성된 부분이 손상될 가능성도 있다.

따라서, 스탬퍼 형상의 순차적인 변형을 위하여, 중간단계곡면상태와 최종단계곡면상태로 나누어서 변형부분의 파단과 미세패턴의 손상을 방지하는 것이다.

우선 최종단계의 곡면을 얻기 이전에 중간단계의 곡면을 갖는 곡면을 갖는 스탬퍼를 제작하기 위하여 도3에서 도시한 바와 같이 소정의 미세패턴(190b)이 형성되는 상기 스탬퍼(190)를 소정의 프레스 금형(200)에 안착시킨다.

여기서, 상기 프레스금형(200)은 중간단계곡면의 형상을 갖는 제1캐비티(213)를 구비하며 상기 평면을 갖는 스탬퍼가 안착이 되는 제1프레스 금형(210)과, 상기 제1프레스 금형(210)과 이격되어 배치되는 제2프레스 금형(230)을 포함한다.

여기서, 상기 제2프레스금형(230)은 상기 제1캐비티(213)로 삽입되는 돌출부(233)와, 상기 돌출부(233) 사이에 형성되어 제1차 성형시 상기 스탬퍼(190)의 미세패턴(190b)이 수용되어 보호되는 제2캐비티(236)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 돌출부(233)의 테두리부는 제2캐비티(236)를 둘러싸는 형태로 마련된다. 그리고, 상기 돌출부(233)의 테두리부는 제1차 성형단계 수행시 상기 미세패턴(190b)이 형성되지 않은 스탬퍼(190)의 면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.

상기 돌출부(233)의 테두리부는 상기 제2캐비티(236)에 비하여 하방으로 더 돌출되는 형태를 취하고 있다.

제1차 성형단계 수행시 상기 돌출부(233) 및 상기 제2캐비티(236)가 상기 제1캐비티(213) 내에 들어갈 수 있도록, 상기 돌출부(233)의 폭은 상기 제1캐비티(213)의 폭보다 작게 형성되어야 한다.

그리고, 상기 돌출부(233)의 테두리부 사이에 형성되는 제2캐비티(236)의 폭은 상기 스탬퍼(190)에 형성된 미세패턴(190b)의 폭보다 넓어야 하고, 상기 제2캐비티(236)의 높이 또한 상기 미세패턴(190b)의 높이보다 높게 형성되어야 한다.

이는 상기 제2캐비티(236)에 상기 미세패턴(190b)이 수용되게 함으로서 상기 제1성형단계 수행시 상기 미세패턴(190b)이 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

한편, 상기 제1캐비티(213)의 하면은 상기 평면을 갖는 스탬퍼(190)에 성형되어야 할 중간단계 곡면에 대응되는 형상을 띠고 있다.

따라서, 도4에서 도시한 바와 같이, 상기 제2프레스금형(230)이 하방으로 이동하고, 이에 따라 상기 제2프레스금형(230)의 돌출부(233)의 테두리부가 상기 평면을 갖는 스탬퍼(190)를 누르게 되면, 상기 미세패턴(190b)이 형성된 평면을 갖는 스탬퍼(190) 부분과 그 주위 부분이 상기 돌출부(233)와 함께 상기 제1캐비티(213) 내부로 들어간다.

이에 따라 상기 스탬퍼(190)에서는 소성변형이 일어나고, 상기 스탬퍼(190)는 상기 제1캐비티(213)에 형성된 곡면과 동일한 중간단계 곡면을 갖는 곡면을 갖는 스탬퍼가 된다.

여기서, 상기 스탬퍼(190)의 테두리부는 실질적인 수직상태로 절곡이 되고, 상기 미세패턴(190b)이 형성되어 있는 스탬퍼(190)의 중앙부는 상기 제1캐비티(213)에 형성된 곡면에 대응되는 중간단계곡면형태로 변형된다.

상기 제1차 성형단계는 상기 제2프레스금형(230)의 돌출부(233)가 상기 제1캐비티(213)에 삽입된 후 상기 돌출부(233)의 테두리부의 단부와 상기 제1캐비티(213)의 내벽면 사이의 거리가 상기 스탬퍼(190)의 두께에 대응되는 상태가 되면 완료되는 것이 특징이다.

이는 제1차 성형단계 수행 중 스탬퍼(190)가 파손되거나 상기 스탬퍼(190)에 천공이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같이 제1차 성형단계가 완료되고 상기 프레스 금형(200)으로부터 상기 스탬퍼(190b)를 꺼내면 도5에서 도시한 바와 같이 중간단계곡면을 구비한 스탬퍼가 형성되는 것이다.

상술한 바와 같이 제1차 성형단계가 완료되면 상기 스탬퍼(190)에는 테두리부에 소정의 절곡부(P)가 형성되고, 그 중앙부에는 중간단계곡면(C1)이 형성된다.

그리고, 상기 중간단계곡면(C1) 부분에 상기 미세패턴(190b)이 위치한다.

이하에서는 스탬퍼(190)를 변형하여 상기 중간단계곡면(C1) 형태가 최종단계곡면(C2)로 소성변형되는 제2차 성형단계과정에 대하여 알아보기로 하겠다.

상기 제2차 성형단계에서는 소정의 유체를 이용하여 상기 스탬퍼(190)를 변형하는 과정을 거친다.

이를 위하여, 도6에서 도시한 바와 같이, 유체가 투입될 수 있는 사출금형(300)이 사용된다.

상기 사출금형(300)의 구성을 보면 최종단계곡면(C2)이 형성되는 제1사출캐비티(313)를 구비하는 제1사출금형(310)과, 상기 제1사출캐비티(313)와 함께 상기 유체의 이동을 안내하는 유체유동통로(316)를 형성하는 제2사출캐비티(333)를 구비하는 제2사출금형(330)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1사출금형(310)에는 상기 유체가 유입될 수 있는 유체유입구(318)가 형성되어 있다.

상기 유체유입구(318)는 상기 제1사출금형(310)과 제2사출금형(330)이 상호 부착되어 상기 제1,2사출캐비티(313,333)에 의하여 밀폐된 유체유동통로(316)가 형성되는 경우, 상기 유체유동통로(316)와 연통되어 상기 유체유동통로(316) 방향으로 상기 스탬퍼(190)를 변형시키기 위한 유체를 안내하는 역할을 한다.

상기 제1사출금형(310)과 상기 제2사출금형(330)이 이격된 상태에서 상기 제1사출금형(310)의 최종단계곡면(C2)이 형성되는 제1사출캐비티(313)에 상기 스탬퍼(190)를 안착시킨다.

그리고, 도7에서 도시한 바와 같이, 상기 제1사출금형(310)과 상기 제2사출금형(330)을 밀착시키면, 상기 제1사출캐비티(310)와 상기 제2사출캐비티(330)가 밀폐된 유체유동통로(316)를 형성하고, 상기 유체유동통로(316)는 상기 유체유입 구(318)와 연통된다.

이 상태에서 상기 유체유입구(318) 방향으로 유체(F)를 고압으로 분사하게 되면, 상기 유체(F)는 상기 유체유입구(316)와 상기 유체유동통로(316)로 이동하여 순식간에 상기 스탬퍼(190)에 압력을 가하여 이를 변형시키게 된다.

이에 따라서 상기 스탬퍼(190)는 상기 제1사출캐비티(313)에 형성된 최종단계곡면(C2)을 갖도록 변형이 되는 것이다.

상기 제2성형단계에서 사용되는 유체(F)는 압축공기인 것이 바람직하다.

이후, 상기 유체(F)에 의한 상기 최종단계곡면(C2)을 갖는 스탬퍼(190)의 변형이 완료되면, 도8에서 도시한 바와 같이 상기 제1사출금형(310)과 상기 제2사출금형(330)을 이격시킨다.

이후, 상기 제1사출금형(310)에서 상기 스탬퍼(190)를 떼어내면 도9에서와 같은 최종단계곡면(C2)을 갖는 스탬퍼(190)가 얻어지게 된다.

상기 스탬퍼(190)의 구성을 보면 그 테두리부에 형성되는 절곡부(P)와, 상기 절곡부 사이에 형성된 최종단계곡면(C2)을 포함하고 있다. 그리고, 상기 최종단계곡면에는 상기 미세패턴(190b)이 형성되어 있다.

이하에서는 이러한 곡면을 갖는 스탬퍼(190)를 이용하여 소정의 사출물을 제작하는 과정에 대하여 알아보기로 하겠다.

도10에서 개시된 바와 같이, 본 발명에 의한 최종단계곡면을 갖는 스탬퍼를 사용하는 사출장치(1)의 구성은 다음과 같다.

우선 상기 사출장치에는 제1금형부(10)와, 제2금형부(20)를 포함하며, 상기 제1금형부(10) 내부에는 용융수지가 유입되는 공간을 형성하는 캐비티(11)가 형성된다.

여기서 상기 제1금형부(10)의 내부에는 사출성형시 수지가 응고되지 않도록 제 1 히터(13)와 같은 가열장치 및 냉각수가 유동하는 냉각수 유로(12)가 내장되는 것이 바람직하다.

상기 제2금형부(20)는 그 내부에 상기 제2금형부(20)의 온도를 가열시킬 수 있는 제2히터(22)가 마련되어 있으며, 상기 제2히터(22)의 후방에는 상기 제2금형부(20)을 냉각시킬 수 있는 냉각금형(30)이 마련된다.

상기 냉각금형(30)은 상기 제2금형부(20) 내부에 마련되는 별도의 수용부(25)에 이동가능하게 배치되며, 상기 수용부(25) 내부에는 상기 냉각금형(30)의 이동을 안내하는 가이드부재(40)가 마련된다.

상기 냉각금형(30)과 상기 제2금형부(20)에는 각각 전자석(35)과 영구자석(59)이 배치되는데, 이와 같이 전자석(35)과 영구자석(59)을 배치하고, 전자석(35)에 일정한 전류를 걸어주게 되면, 전자석(35)과 영구자석(59) 사이에 인력 또는 척력이 발생하게 되며, 인력이 발생하게 되면, 냉각금형(30)과 제2금형부(20)가 접하게 되며, 상기 제2금형부(20)가 냉각된다.

상기 냉각금형(30) 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 유로(33)가 마련되어, 제2금형부(20)의 냉각이 필요한 경우 상기 냉각수 유로(33)로 냉각수를 유입시키면 제2금형부(20) 및 상기 제2금형부(20)에 장착되는 상기 스탬퍼(190)의 온도가 급속도로 냉각된다.

이로 인하여 상기 제1,2금형부(10,20) 내부에 충진되는 수지가 응고되어 성형물이 형성되는 것이다.

상기 제1금형부(10)의 일측에는 상기 제1금형부(10)를 지지하는 제1금형지지블록(58)이 마련되고, 상기 제1금형지지블록(58)과 일정간격 이격된 부분에는 상기 제2금형부(20)를 지지하는 제2금형지지블록(60)이 마련된다.

상기 제2금형부(30)의 후방에는 상기 제2금형지지블록(60)에서 돌출되어 상기 제2금형부(20)를 상기 제1금형부(10)로 이동시키거나 제1금형부(10)로부터 이격시키는 금형이동부(38)가 마련된다.

상기 제1금형지지블록(58)의 일측에는 용용수지를 상기 제1금형부(10)방향으로 이동시키는 수지공급장치(80)가 마련되고, 상기 수지공급장치의 상부에는 용융수지가 수용되는 호퍼(70)가 마련된다.

이때, 상기 호퍼(70)의 출구 부분에서 상기 제1금형부(10)까지 용융수지를 안내하도록 상기 수지공급장치(80)와 상기 제1금형지지블록(60) 및 상기 제1금형부(10)를 관통하는 수지유로(82)가 마련되며 수지유로(82)에는 용융수지를 제1금형부(10)로 급속하게 이동시키는 스크류(83)가 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1,2금형지지블록(58,60) 및 상기 수지공급장치(80)의 하부에는 이들을 지지하는 베이스블록(84)이 마련된다.

한편, 상기 제2금형부(20)의 일측에는 상기 스탬퍼(190)가 장착될 수 있는 스탬퍼장착부(23)가 마련되며, 상기 스탬퍼장착부(23)의 후방에는 스탬퍼(190)를 진공흡착방법으로 흡착할 수 있도록 흡착공간(24)이 마련된다.

그리고, 상기 흡착공간(24)의 일측에는 상기 진공이 형성되도록 소정의 컴프레셔(미도시)와 연결되는 진공유로(24a)가 마련된다.

한편, 상기 스탬퍼 부착부(23)의 근처에는 상기 곡면을 갖는 스탬퍼(190)를 고정시킬 수 있는 고정클램프(26)가 마련되어 있다.

본 도면에서 스탬퍼의 미세패턴(190b)은 이를 명확하게 나타내기 위하여 크게 그렸으나, 실제적으로는 육안으로는 식별되지 않는다.

상기 스탬퍼(190)는 일반적으로 니켈 등과 같은 금속재료로 구성되기 때문에 사출성형시 사용되는 용융수지보다 그 표면온도가 현저하게 낮은 것이 일반적이다.

따라서, 상대적으로 낮은 온도의 스탬퍼(190)와 높은 온도의 용융수지가 접촉하게 되는 경우에, 미세패턴(190b)이 성형물에 완전하게 패터닝 되기 전에 굳어버리는 문제점이 있기 때문에 상기 스탬퍼(190)를 수지를 구성하는 중합체의 유리전이온도이상으로 유지해야할 필요성이 생긴다.

여기서 유리전이온도란 고분자 물질이 온도에 의하여 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점을 의미하며, 유리전이 온도 이하가 되면 고분자의 수지가 고체상태가 되고 유리전이 온도 이상이 되면 고무와 같이 유동성이 있는 물질로 변하다가 궁극적으로 액상상태가 된다.

따라서, 액상상태의 수지가 상기 스탬퍼(190)와 접촉함으로서 그 수지에 의하여 형성되는 사출물에 스탬퍼에 형성된 미세패턴과 동일한 패턴이 정확하게 형성되기 위해서는 수지의 액상상태가 소정시간동안 유지되어야 한다.

따라서, 그 시간동안에는 상기 스탬퍼의 표면온도가 유리전이온도 상태가 되어야 하는 것이다.

한편, 상기 사출장치의 베이스블록(84) 부분에는 온도제어장치(85)가 마련된다.

특히, 상기 제2금형부(20)에 마련되는 냉각금형(30) 및 제2히터(22)는 상기 스탬퍼(9)의 급속가열 및 급속냉각을 수행하는 것이 주목적이므로, 상기 온도제어장치(85)는 상기 스탬퍼(190) 표면의 급속온도 조절을 위주로 그 역할을 수행하게 되는 것이다.

이하에서는 상기 스탬퍼(190)를 이용하여 그러한 미세패턴이 전사되어야 하는 사출물을 사출성형하는 경우에 대하여 알아보기로 하겠다.

도10에서 개시된 바와 같이, 우선 상기 미세패턴(190b)이 형성되는 스탬퍼(190)를 상기 제2금형부(20)의 스탬퍼 부착부(23)에 장착한다.

그리고, 상기 컴프레셔(미도시)를 구동시키면, 상기 진공공간(24)에 진공상태가 형성되어 상기 스탬퍼(190)가 상기 제2금형부(20)에 고정된다.

그리고 상기 고정클램프(26)을 움직여 상기 스탬퍼(190)의 단부를 고정시켜 상기 스탬퍼(190)의 위치가 변경되지 않도록 방지한다.

그 후, 별도의 조작버튼을 입력하여 상기 스탬퍼(190)의 표면온도와 상기 제1,2금형부(10,20)가 일정온도 이상이 되도록 명령하면, 상기 제1,2 히터부(13,22)에 전류가 흘러 열저항에 의하여 상기 제1,2금형부(10,20)가 가열되고, 아울러 상기 스탬퍼(190) 또한 가열되어 일정온도 이상이 된다.

상기 스탬퍼(190)가 일정한 온도, 예를 들면 유리전이온도까지 도달하는 시간은 히터가 작동된 직후부터 1분 정도 소요되는 것이 보통이다.

이때, 상기 전자석(35)에는 일정한 전류가 흘러서 상기 영구자석(28)과 전자석 사이에 척력이 발생하기 때문에 상기 제2금형부(20)와 상기 냉각금형(30)이 이격상태를 유지하게 된다.

이와 같이 제2금형부(20)와 상기 냉각금형(30)이 이격상태를 유지하고, 상기 제1,2금형부(10,20)과 상기 스탬퍼(9)가 가열된 상태를 유지하면서, 도10에서 개시된 바와 같이, 상기 제2금형부(20)가 상기 제1금형부(10) 방향으로 이동하여 양자가 결착하게 되면, 상기 제1금형부(10)와 상기 스탬퍼(190) 사이에 사출물 형태의 밀폐된 캐비티(11)가 형성된다.

도11에서 개시된 바와 같이, 상기 제1,2금형부(10,20)가 밀착되어 밀폐 캐비티(11)를 형성한 상태에서 상기 수지유로(82) 내의 상기 스크류(83)의 작동을 통하여 용융수지(R)가 상기 캐비티(11) 내부로 유입되어 상기 캐비티(11) 내부를 충진시키고, 상기 용융수지(R)는 상기 스탬퍼(190)의 미세패턴(190b)의 사이사이에 유입되어 상기 미세패턴(190b)을 그대로 모사하게 된다.

이후, 상기 제1,2 히터(13,22)의 작동을 정지시키고, 상기 전자석(35)과 영구자석(59) 사이의 척력을 발생시키면, 상기 냉각금형(30)이 상기 제2금형부(20)에 접하게 된다.

동시에 상기 냉각금형(30)의 냉각수 유로부(33)와 상기 제1금형부(10)의 냉각수유로부(12)에 냉각수가 유입되면 상기 제1,2금형부(10,20) 및 상기 스탬 퍼(190)가 냉각되고, 이에 따라서 상기 캐비티(11)에 충진된 수지가 고화된다.

이후, 도12에서 개시된 바와 같이, 상기 제2금형부(20)를 상기 제1금형부(10)와 이격시키면 상기 개방된 캐비티(11)에는 상기 스탬퍼(190)의 미세패턴부(190b)가 패터닝된 고정의 사출물(700)이 얻어지게 되는 것이다.

여기서, 상기 사출물(700)은 몸체부(700a)와, 상기 몸체부(700a)로부터 돌출되어 상호 이격되어 형성되는 미세패턴(700b)을 구비한다.

이와 같이 상기 사출물(700)에 상기 미세패턴(700b)을 형성하는 이유는 상기 사출물(700)의 전방측에서 상기 사출물(700)방향으로 향하는 빛의 굴절 및 간섭현상을 일으킴으로써 상기 사출물(700)의 외면상에서 홀로그램효과를 구현하기 위함이다.

여기서, 상술한 빛의 간섭 및 굴절효과를 구현하기 위하여 상기 스탬퍼(190)의 미세패턴(190b)과 상기 사출물(700)의 미세패턴(700b) 간의 간격은 200nm~2μm 정도로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 스탬퍼(190) 미세패턴(190b)의 간격을 조절하여 상기 사출물(700)에 형성되는 미세패턴(700b)의 간격을 넓히거나 좁히면 빛의 경로가 바뀌게 된다.

이에 따라 상기 사출물(700)의 미세패턴(700b)상에서 굴절 및 간섭되는 빛의 파장도 바뀌어 색상이 변하게 되는 것이다.

상술한 과정에 의한 사출물의 제작방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 즉, 도13에서 도시한 바와 같이, 우선 사출성형을 위한 명령이 입력되면 제2금형부 에 마련된 진공공간에 진공상태가 형성되어 스탬퍼가 진공압착이 되는 동시에 고정클램프의 고정작용에 의하여 스탬퍼가 제2금형부에 고정된다(S100).

상기 제1금형을 제1히터를 이용하여 가열하고(S101), 한편 스탬퍼의 온도가 올라가도록 상기 온도조절장치가 구동되는데(S102) 이때 제2히터도 작동을 하여 상기 제2금형부와 상기 스탬퍼가 가열된다.

이때, 상기 냉각금형은 상기 제2금형이 이격된 상태를 유지하고 있어서, 상기 제2히터의 열이 상기 스탬퍼로 방해받지 않고 전달될 수 있도록 한다.

그 상태에서 상기 제2금형부가 이동하여 상기 제1금형부와 결착되고(S103), 그 상태에서 상기 스탬퍼의 온도가 수지의 유리전이온도(Tg) 미만인지 확인하여 미만이라고 판단되면, 계속적으로 상기 스탬퍼로 열이 전달되도록 하고, 유리전이온도(Tg) 이상이라고 판단되면(S104), 온도조절장치를 정지시켜 상기 스탬퍼로의 열공급을 중단하고(S105) 수지를 캐비티 내부로 공급한다(S108).

이는 상기 스탬퍼로의 열공급이 중단되어 상기 스탬퍼에 남아있는 잔류열에 의하여 수지의 유동성이 확보되기 때문이고, 일반적으로 사출성형에 의하여 수지가 유입되고 고화되는 시간이 비교적 짧기 때문이다.

이후, 수지공급이 완료되었는지 여부를 판단하고(S109) 이후, 수지가 완전하게 충진되도록 공기를 추가적으로 공급하는 보압과정을 거친후(S110), 제1히터를 정지시키고(S112), 이후 상기 제1금형부와 제2금형부를 냉각한다(S114).

여기서 제1금형부의 냉각은 상기 제1금형부에 마련된 냉각수 유로로 냉각수를 공급하여 이루어지고, 제2금형부 및 스탬퍼의 냉각은 상기 냉각수 유로가 마련 되는 상기 냉각금형이 상기 제2금형부와 접촉하여 이루어지게 된다.

이후, 냉각이 일정정도 이루어졌다고 판단되면, 상기 제1금형부와 제2금형부를 분리한 뒤에(S116), 상기 미세패턴이 전사된 구조물을 상기 제1금형부에서 인출하면 사출공정이 완료된다(S118).

도1과 도2는 본 발명에 사용되기 위한 평면을 갖는 스탬퍼를 제작하는 공정을 도시한 것이다.

도3와 도4는 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼를 제작하는 공정을 도시한 것이다.

도5는 중간단계곡면을 구비한 스탬퍼의 단면도이다.

도6내지 도8은 최종단계곡면을 갖는 스탬퍼를 제작하는 공정을 도시한 것이다.

도9는 최종단계곡면을 갖는 스탬퍼의 단면도이다.

도10내지 도13은 상기 최종단계곡면을 갖는 스탬퍼 및 사출장치를 이용하여 소정의 사출물을 제작하는 과정을 도시한 것이다.

도14는 소정의 사출물을 제작하는 제작흐름도를 도시한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 설명>

190: 스탬퍼 190b: 미세패턴

210: 제1프레스금형 230: 제2프레스금형

213: 제1캐비티 236: 제2캐비티

310: 제2사출금형 330: 제2사출금형

Claims (13)

1. 스탬퍼에 소정의 미세패턴을 형성하는 단계와;

   미세패턴이 형성된 평면을 갖는 스탬퍼를 압축하여 중간단계 곡면을 갖는 스탬퍼를 형성하는 제1차 성형단계와;

   상기 제1차 성형단계에서 형성된 스탬퍼가 최종단계 곡면을 갖도록 상기 스탬퍼에 압력을 가하는 제2차 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
2. 제1항에 있어서,

   제1차 성형단계는 상기 스탬퍼의 미세패턴의 손상을 방지하기 위하여 상기 미세패턴이 수용되는 소정의 캐비티를 포함하는 프레스금형의 압축작용에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1차 성형단계에 사용되는 프레스금형은 상기 중간단계 곡면형태의 제1 캐비티를 구비하며 상기 평면을 갖는 스탬퍼가 안착되는 제1프레스금형과;

   상기 제1프레스금형과 이격되어 배치되며 상기 제1캐비티로 삽입되는 돌출부 및 상기 돌출부에 형성되어 제1차 성형시 상기 스탬퍼의 미세패턴이 수용되어 보호되는 제2캐비티를 포함하는 제2프레스금형을 포함하되,

   상기 제1차 성형단계는 상기 제2프레스금형을 상기 제1프레스금형방향으로 이동시킴으로써 상기 미세패턴이 형성되는 스탬퍼부분이 상기 제1차 캐비티에 대응되는 중간단계곡면형태로 변형되도록 하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1차 성형단계는 상기 제2프레스금형의 돌출부가 상기 제1프레스 금형의 제1캐비티에 삽입된 후 상기 돌출부와 상기 제1캐비티의 내벽면 사이의 거리가 상기 곡면을 갖는 스탬퍼의 두께에 대응되는 상태가 되면 완료되는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제2차 성형단계는 상기 최종단계곡면에 대응되는 형상이 형성된 금형에 제1차 성형단계를 거친 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼를 장착하는 단계와;

   상기 최종단계곡면이 형성된 금형에 소정의 유체를 사출시켜 상기 중간단계곡면이 상기 최종단계곡면으로 변형되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2차 성형단계에 사용되는 금형은 상기 최종단계곡면에 대응되는 형상 이 형성되는 제1사출캐비티를 구비하는 제1사출금형과;

   상기 제1사출금형의 제1사출캐비티과 함께 상기 유체의 이동을 안내하는 유체유동통로를 형성하는 제2사출캐비티를 구비하는 제2사출금형을 포함하되,

   상기 제2차 성형단계는 상기 제1사출금형에 상기 제1차 성형단계에서 형성된 곡면을 갖는 스탬퍼를 장착하는 단계와;

   상기 제1사출금형과 상기 제2사출금형을 밀착시켜 제1사출캐비티와 제2사출캐비티에 의하여 유체유동통로를 형성하는 단계와;

   상기 유체유동통로 방향으로 유체를 분사하여 상기 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼가 상기 제1사출캐비티에 밀착되게 함으로서 최종단계곡면을 갖도록 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 유체는 압축공기인 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작방법.
8. 소정의 미세패턴을 구비하며 평면형태로 형성된 스탬퍼에 기계적인 힘을 가하여 중간단계 곡면을 갖는 스탬퍼로 변환하는 제1차 성형단계를 수행하는 프레스금형과;

   상기 프레스 금형에 의하여 변형되어 상기 중간단계곡면을 갖는 스탬퍼가 소정의 유체압력에 의하여 최종단계곡면을 갖도록 변형되는 제2차 성형단계를 수행하 기 위한 압축공기가 주입되는 사출금형을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 프레스 금형은 상기 중간단계곡면에 대응되는 형상을 갖는 제1캐비티를 구비하며 상기 평면형태로 형성된 스탬퍼가 안착되는 제1프레스금형과;

   상기 제1프레스금형과 이격되어 배치되며 상기 제1캐비티로 삽입되는 돌출부 및 상기 돌출부 사이에 형성되어 제1차 성형시 상기 스탬퍼의 미세패턴이 수용되어 보호되는 제2캐비티를 포함하는 제2프레스금형을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 돌출부는 상기 제2캐비티를 둘러싸는 형태로 마련되어, 상기 제1차 성형단계 수행시 상기 미세패턴이 형성되지 않은 스탬퍼의 면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.
11. 제8항에 있어서,

    상기 사출금형은 최종단계곡면에 대응되는 형상이 형성되는 제1사출캐비티를 구비하는 제1사출 금형과;

    상기 제1사출금형의 제1사출캐비티과 함께 상기 유체의 이동을 안내하는 유 체유동통로를 형성하는 제2사출캐비티를 구비하는 제2사출금형을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 사출금형에 사용되는 유체는 압축공기인 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 제1사출금형은 상기 유체유동통로와 연결되어 상기 유체가 유입되는 유체유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면을 갖는 스탬퍼의 제작장치.

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