KR20110104889A

KR20110104889A - 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110104889A
Application number: KR1020110021099A
Authority: KR
Inventors: 히데히사 무라세; 요시나리 사사끼; 스께 마쯔이; 고세이 아소
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-09-23
Also published as: JP2011194413A; CN102189879A; US20110227255A1

Abstract

본 명세서에서는, 1 숏마다 레이저 조사 영역을 가공 대상물의 가공면에 대하여 연속적으로 이동시키면서 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공면 상에 반복적으로 조사하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법을 개시하며, 이 제조 방법은, 상기 가공 대상물의 상기 가공면에 대하여 소정의 깊이의 가공을 행하기 위한 상기 레이저 빔의 에너지 밀도를 설정하는 단계와, 상기 에너지 밀도의 레이저 빔을 상기 가공면 상에 반복적으로 조사할 때 상기 가공면 상에 원하는 미세 형상이 형성되게 하는 숏 수를 설정하는 단계와, 상기 설정된 숏 수의 레이저 빔을 상기 가공면 상에 조사하도록 상기 가공면에서의 상기 레이저 조사 영역의 이동 속도를 계산하는 단계와, 상기 계산된 이동 속도로 상기 레이저 조사 영역에 대하여 상기 가공면을 이동시키면서 상기 설정된 에너지 밀도의 레이저 빔을 조사하여, 상기 미세 형상이 형성되는 상기 가공면 상에 상기 레이저 빔의 조사에 의해 가공 마크로 형성되는 초미세 요철 구조를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR A SHAPED ARTICLE HAVING A VERY FINE UNEVEN SURFACE STRUCTURE}

본 발명은, 예를 들어, 가정용 전기 제품의 외장 및 하우징에 사용하는 장식 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 레이저 빔을 사용하여 3차원 표면 초미세 가공 형상을 외장 또는 하우징에 부가하여 장식성이 높은 외장 또는 하우징을 공급하는 기술에 관한 것이다.

최근, 전기 및 전자 기기의 차별화에 있어서 장식 기술의 역할이 매우 커지고 있다. 예를 들어, 휴대 전화 기기 분야에서는, 크로스컷(cross cut) 기법을 사용해서 시각에 호소하는 반짝이는 휴대 단말기, 드로잉 가공을 실시함으로써 가죽과 같은 감촉을 갖도록 촉각에 호소하는 휴대 단말기, 미세 형상을 부가함으로써 오염물이나 물방울이 붙지 않도록 기능에 호소하는 휴대 단말기를 시판하고 있다. 또한, 노트북 PC 분야에서는, 금속 톤의 컬러풀한 모델의 PC들을 다양한 제조사들에 의해 라인업하고 있으며, 오너 메이드(owner-made)와 같은 오리지널 디자인들이 주목받고 있다.

여기서 중요한 것은 수지 성형품의 표면 상에 미세 요철 구조를 형성하는 것이다. 미세 요철 구조를 갖는 수지 성형품에서는 그 미세 형상 효과에 의해 광 투과 특성이나 광 반사 특성이 변화한다. 따라서, 이 특성을 적극적으로 이용하여 수지 성형품을 광범위한 공업 분야에서 사용하고 있다. 특히, 수지 성형품은 광학 분야에서의 확산판이나 도광판과 같은 광학 기능성 필름 또는 각종 장식 구조 부재 분야에서의 소광(deluster) 톤이나 헤어라인(hairline) 톤의 금속 외관을 갖는 플라스틱 부재로서 사용되고 있다.

예를 들어, 수지 성형품의 표면에 금속 톤의 외관을 적용하는 방법에서는, 수지 성형품을, 고급감을 감하지 않고 의장성이 높은 종래의 금속 재료로 된 제품으로 대체할 수 있다. 동시에, 경량화, 저 비용화, 형상 자유도의 확대와 같은 이점들을 달성할 수 있다. 따라서, 전술한 방법은 공업적으로 매우 유익하다.

금속 톤 외관을 적용하는 다양한 방법들이 가능하다. 구체적으로, 일례로, 일본 특허공보 제3127398호, 제2943800호 및 일본 특허공개공보 제2004-142439호에는, 성형 동시 전사법이라 칭하는 제1 방법이 알려져 개시되어 있다.

제1 방법에서는, 증착이나 도장에 의해 표면 상에 미세 요철 구조를 갖고 그 위에 형성된 금속층을 갖는 박리성 시트를 성형 금형들 사이에 배치하고, 수지를 사출하여 성형 금형들의 캐비티를 충만시켜 수지 성형품을 얻음과 동시에 수지 성형품의 표면에 전사 시트를 접착한 후, 이형 시트를 박리하여 금속층을 수지 성형품의 표면 상에 형성한다.

다른 방법으로, 일본 특허공보 제4195236호, 제3851523호, 제3986789호에는 인서트법이라 칭하는 제2 방법이 알려져 개시되어 있다.

제2 방법에서는, 표면에 미세 요철 구조를 갖는 기재 시트 상에 금속층 등이 형성된 인서트 시트를 성형 금형 내에 삽입하고, 사출 성형과 동시에 수지 성형품의 표면에 인서트 시트를 일체화한다.

또 다른 방법으로, 일본 공개특허공보 제2007-237457호에는 광 경화성 수지를 사용해서 미세 요철을 형성하는 제3 방법이 알려져 있으며 개시되어 있고, 일본 특허공보 제4054569호에는 복수의 착색층을 적층한 전사재를 수지 성형품에 전사하고, 착색층들 중 임의의 착색층을 레이저 에칭에 의해 제거하는 제4 방법이 알려져 있으며 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공보 제3127398호 특허문헌 2: 일본 특허공보 제2943800호 특허문헌 3: 일본 특허공개공보 제2004-142439호 특허문헌 4: 일본 특허공보 제4195236호 특허문헌 5: 일본 특허공보 제3851523호 특허문헌 6: 일본 특허공보 제3986789호 특허문헌 7: 일본 특허공개공보 제2007-237457호 특허문헌 8: 일본 특허공보 제4054569호

그러나, 전술한 제1 방법 내지 제4 방법에는, 미세 요철 구조인 자유로운 곡면 형상을 부가하여 시각적 변화를 주는 사상이 없다. 예를 들어, 제1 방법에서, 미세 요철 구조는 물리적으로 흠집을 내는 굴착법에 의해 형성된다. 한편, 제2 방법에서는, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 스크린 인쇄와 같은 인쇄 방법이 사용된다. 또한, 제3 방법에서는, 광 경화성 수지를 사용한 헤어라인 가공을 이용한다. 또한, 제4 방법에서는, 착색층에 가공을 실시하는 다색 성형을 이용하지만, 미세 요철 형상은 형성되지 않는다.

또한, 종래의 헤어라인 가공 기술은 샌드블라스트 또는 샌드매트를 사용한다. 따라서, 종래의 헤어라인 가공 기술은 마감이 불균일하고, 단지 평균 거칠기를 제어할 수 있으며, 형상을 설계 형상으로 정확하게 제어할 수 없다.

본 발명은 레이저 미세 가공 기술을 응용함으로써 자유로운 곡면 형상을 시각에 적용할 수 있고 새로운 시각적 효과를 만들 수 있는 기술을 제안한다. 또한, 본 발명은, 레이저 가공 특유의 가공 마크 즉 쉘 마크를 제어하면서 적극적으로 부가함으로써, 반사나 확산에 있어서 새로운 시각을 제공하는 기술을 제안한다.

본 발명에 따르면, 1 숏마다 레이저 조사 영역을 가공 대상물의 가공면에 대하여 이동시키면서 레이저를 가공면 상에 반복적으로 조사하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법을 제공한다. 이 제조 방법은, 가공 대상물의 가공면에 대하여 소정의 깊이의 가공을 행하도록 레이저 빔의 에너지 밀도를 설정하는 단계와, 그 에너지 밀도의 레이저 빔을 가공면 상에 반복적으로 조사할 때 가공면 상에 원하는 미세 형상이 형성되게 하는 숏 수를 설정하는 단계와, 설정된 숏 수의 레이저 빔을 가공면 상에 조사하도록 가공면에서의 레이저 조사 영역의 이동 속도를 계산하는 단계와, 계산된 이동 속도로 레이저 조사 영역에 대하여 가공면을 이동시키면서 그 설정된 에너지 밀도의 레이저 빔을 조사하여, 미세 형상이 형성되는 가공면 표면 상에 레이저 빔 조사에 의해 가공 마크로 형성되는 초미세 요철 구조를 형성하는 단계를 포함한다.

표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법에서는, 레이저 빔의 에너지 밀도 및 가공면에 대한 레이저 조사 영역의 이동 속도를 적절하게 설정함으로써, 자유로운 미세 형상을 자유롭게 형성할 수 있다. 또한, 레이저 빔 조사에 의한 가공 마크를 이용해서 미세 형상의 표면 상에 초미세 형상을 형성할 수 있다.

표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법을 이용하면, 레이저 미세 가공 기술을 응용함으로써, 자유로운 곡면 형상을 시각에 적용할 수 있고 새로운 시각적 효과를 만들어 낼 수 있다. 또한, 레이저 가공 특유의 가공 마크 즉 쉘 마크를 제어하면서 적극적으로 부가함으로써, 반사나 확산에 있어서 새로운 시각적 효과를 낳는 표면 초미세 요철 구조를 얻을 수 있다.

본 발명의 전술한 특징과 이점 및 다른 특징과 이점은 유사한 부품들이나 요소들이 유사한 참조 부호들로 표시되어 있는 첨부 도면과 함께 이하의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.

도 1은 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법이 적용되는 레이저 가공 장치의 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 2는 OG법의 가공 예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 마스크와 가공 대상물인 기판의 상대적 위치를 도시하는 개략적 사시도이다.
도 4는 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법에서 사용되는 마스크의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 5는 3차원 형상을 형성하기 위한 다차원 다항식의 곡선을 도시하는 도이다.
도 6은 원하는 볼록 형상을 얻기 위한 에칭 단면적을 도시하는 개략도이다.
도 7은 원하는 볼록 형상을 얻기 위한 마스크 형상을 도시하는 개략도이다.
도 8은 원하는 오목 형상을 얻기 위한 에칭 단면적을 도시하는 도이다.
도 9는 원하는 오목 형상을 얻기 위한 마스크 형상을 도시하는 개략도이다.
도 10은 레이저 빔의 조사 에너지와 에칭 깊이 간의 관계를 도시하는 도이다.
도 11은 테이블 이송 속도와 에칭 깊이와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 12a와 도 12b는 마스크의 종횡비를 도시하는 개략도이다.
도 13은 마스크의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 14는 도 13에 도시한 마스크를 이용한 중첩을 도시하는 개략도이다.
도 15a와 도 15b는 제1 가공 형태에 따라 직선 또는 삼각형을 갖는 마스크를 각각 도시하는 개략도이다.
도 16은 도 15a에 도시한 마스크를 사용해서 얻어지는 가공 형상을 도시하는 사시도이다.
도 17은 도 15에 도시한 마스크를 사용해서 얻어지는 표면 미세 요철 구조를 도시하는 사시도이다.
도 18은 도 17에 도시한 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품을 사용하는 제품의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 19a와 도 19b는 제2 가공 형태에 따라 타원형 호를 갖는 마스크를 각각 도시하는 개략도이다.
도 20은 도 19a에 도시한 마스크를 사용해서 얻어지는 가공 형상을 도시하는 사시도이다.
도 21은 도 20에 도시한 볼록형 가공 형상으로 이루어지는 표면 미세 요철 구조의 후방 반사 효과를 도시하는 개략도이다.
도 22a와 도 22b는 제3 가공 형태에 따라 타원형의 호를 갖는 마스크와 직선을 갖는 다른 마스크의 동일 주사 방향으로의 중첩 조사를 도시하는 도이다.
도 23은 직선을 갖는 마스크와 타원형의 호를 갖는 다른 마스크의 동일 주사 방향으로의 중첩 조사로 얻어지는 가공 형상을 도시하는 사시도이다.
도 24는 직선을 갖는 마스크와 타원형의 호를 갖는 다른 마스크의 동일 주사 방향으로의 중첩 조사로 얻어지는 표면 미세 요철 구조를 도시하는 사시도이다.
도 25는 제4 가공 형태에 따라 직선을 갖는 마스크와 타원형의 호를 갖는 다른 마스크의 수직 주사 방향으로의 중첩 조사에서 얻어지는 표면 미세 요철 구조를 도시하는 사시도이다.
도 26은 도 25에 도시한 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 27의 (a) 내지 (g)는 도 25에 도시한 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 28과 도 29는 엑시머 레이저를 사용한 경우의 가공 마크 즉 쉘 마크의 서로 다른 예들을 도시하는 개략도이다.
도 30은 고체 레이저를 사용한 경우의 가공 마크를 도시하는 사시도이다.
도 31의 (a)와 (b)는 가공 마크를 이용한 초미세 형상의 형성을 도시하는 개략도이다.
도 32는 고체 레이저를 이용한 가공 마크의 형성을 도시하는 개략도이다.
도 33은 구조 색 효과가 강하게 얻어지는 경우의 가공 마크의 단면 형상의 측정 예를 도시하는 도이다.
도 34는 유사하지만 구조 색 효과가 약한 경우의 가공 마크의 단면 형상의 측정 예를 도시하는 도이다.
도 35a 내지 도 35c는 삼각형의 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시하는 개략도이다.
도 36a 내지 도 36c는 오목 곡면을 포함하는 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시하는 개략도이다.
도 37a 내지 도 37c는 볼록 곡면을 포함하는 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시하는 개략도이다.
도 38a 내지 도 38c는 원형의 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시하는 개략도이다.
도 39는 원형 가공 마크의 구체 예를 도시하는 개략도이다.
도 40은 선형 가공 마크의 구체 예를 도시하는 개략도이다.
도 41은 시각 평가 데이터의 측정 방법을 도시하는 개략도이다.
도 42는 시각 평가 결과를 도시하는 도이다.
도 43은 시각 평가의 정리를 도시하는 도이다.
도 44는 나비의 날개의 표면의 미세 구조를 도시하는 개략도이다.
도 45a와 도 45b는 곡선 형상의 유무에 따른 시각적 효과를 도시하는 개략도이다.
도 46a와 도 46b는 가공 마크의 유무에 따른 시각적 효과를 도시하는 개략도이다.
도 47은 수직 가시 광에 대한 반사 강도 분포를 도시하는 도이다.
도 48은 도 47과 유사하지만 성형품을 5도 기울게 했을 때의 가시 광에 대한 반사 강도 분포를 도시하는 도이다.
도 49a 내지 도 49c는 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품을 포함하는 제품의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 50은 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품을 포함하는 제품의 다른 일례를 도시하는 개략적 분해 사시도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시 형태들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 설명은 하기 순서대로 행한다.

1. 레이저 가공 장치 및 OG법

2. 제1 가공 형태 (직선(삼각형)을 갖는 마스크를 사용한 예)

3. 제2 가공 형태 (타원형의 호를 갖는 마스크를 사용한 예)

4. 제3 가공 형태 (직선(삼각형)을 갖는 마스크와 타원형의 호를 갖는 다른 마스크를 동일 주사 방향으로 중첩한 예)

5. 제4 가공 형태 (직선(삼각형)을 갖는 마스크와 타원형의 호를 갖는 다른 마스크를 수직 주사 방향으로 중첩한 예)

6. 초미세 요철 구조

7. 시각적 효과

8. 제품 예 (표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품이 적용된 제품 예)

이하에서 설명하는 실시 형태들은 본 발명을 구체화하는 데 바람직한 형태들이라는 점에 주목해야 한다. 따라서, 실시 형태들에 기술적으로 다양하고 바람직한 한정이 가해져 있다. 그러나, 본 발명은, 이하의 설명에서 특별히 언급하지 않는 한, 이하의 실시 형태들로 한정되지 않는다. 예를 들어, 사용 재료와 그 사용량, 처리 시간, 처리 순서 및 각 파라미터의 수치적 조건에 관하여 이하의 설명에서 특정한 상세는 적합하다고 고려되는 예들일 뿐이며, 또한, 설명에 사용한 도면에서의 치수, 형상 및 배치 관계도 예시를 위한 것이다.

<1. 레이저 가공 장치 및 OG법>

레이저 가공 장치의 구성

본 실시 형태에 따른 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법에서는, 광 에너지를 이용해서 가공 대상물 상에 원하는 3차원 형상을 형성한다. 또한, 3차원 형상을 형성하면서, 레이저 가공 특유의 가공 마크 즉 쉘 마크를 제어해서 가공면의 표면 상에 초미세 요철 형상을 형성한다. 본 발명의 실시 형태에서 사용되는 레이저 가공 장치는, 수지에 의해 흡수되기 쉬운 자외선 파장 영역의 파장을 갖는 레이저 광원과, 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 빔을 가공 대상물 즉 기판의 가공면 상에 소정 패턴으로 광학적으로 투영하는 광학계를 포함한다.

자외선 파장 영역의 파장을 갖는 레이저 빔은, 예를 들어, 폴리이미드와 같은 수지 재료에 의해 흡수되기 쉽다. 그 결과, 높은 광자 에너지에 의해 분자간 결합을 절단하는 애블레이션(ablation)이라 칭하는 방법에 의해 언급한 바와 같이 이러한 수지 재료에 대하여 에칭을 실시할 수 있다. 애블레이션 가공에서는, 열 발생이 적기 때문에, 열 늘어짐(thermal sagging), 드로스(dross)나 돌출 등이 발생하지 않고, 가공면에 마스크 패턴을 정확하게 전사 가능하다. 따라서, 애블레이션 가공은 미세 형상의 가공에 매우 유리하다. 또한, 단위 시간 당 레이저 빔의 에너지의 적분값에 의해 미세 형상의 에칭 깊이 방향을 제어할 수 있어서, 자유로운 곡면을 생성할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시 형태에서 공통되는 레이저 가공 장치의 기본 구성을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품을 제조하기 위한 레이저 가공 장치의 일반적 구성의 일례를 도시한다. 도 1을 참조해 보면, 도시한 레이저 가공 장치는, 레이저 광원(1), 빔 정형기(3), 마스크 스테이지(4), 마스크 M, 축소 투영 렌즈(5), 미러(6) 및 스테이지(7)를 포함한다. 참조 부호(2)로 나타낸 이점 쇄선은 레이저 광로이다.

레이저 광원(1)은 제어부(8)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 광 강도의 빔을 출사한다. 이하로 설명하는 실시 형태에서는, 예를 들어 엑시머 레이저를 사용한다. 엑시머 레이저는, 레이저 매질의 상이한 복수의 종류가 존재하고, 내림 차순으로 XeF(351nm), XeCl(308nm), KrF(248nm), ArF(193nm), F₂(157nm)를 이용하여 형성된다. 이러한 엑시머 레이저는 200 내지 500Hz의 펄스를 조사한다.

그러나, 레이저는 이러한 엑시머 레이저로 한정되지 않으며, 고체 레이저의 제2 내지 제4 고조파를 포함하는 레이저 등이어도 된다. 고체 레이저는 수십 kHz의 펄스 형태로 빔을 조사하고, 일필 쓰기로 그리는 그림과 같은 주사로 미세 가공을 실시한다. 빔 정형기(3)는 레이저 광원(1)으로부터의 레이저 빔의 정형 및 빔 강도의 균일화를 실시하여 그 결과 빔을 출력한다.

마스크 M은 가공 형상에 따라 레이저 광이 투과하는 장소 및 투과하지 못하는 장소가 설정된 소정 패턴의 개구부를 갖고, 빔 정형기(3)에 의해 정형된 레이저 빔을 통과시킨다. 이 마스크 M으로는, 예를 들어, 금속 재료로 형성된 유공(perforated) 마스크, 투명한 유리 재료나 금속 박막으로 형성된 포토마스크, 유전체 재료로 형성된 유전체 마스크 등이 사용된다. 또한, 마스크 M 대신에 가변 애퍼처를 적용할 수도 있다. 마스크 스테이지(4)는, 마스크 M을 마스크 스테이지 상에 적재하고 제어부(8)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 빔의 광축에 수직하는 평면을 따라 위치 결정될 수 있는 메카니즘을 포함한다.

축소 투영 렌즈(5)는 마스크 M의 패턴을 통과한 레이저 빔을 집광하고, 집광된 레이저 빔을 소정 배율로 스테이지(7) 상의 가공 대상물인 기판 S의 가공면 상에 투영한다. 스테이지(7)는 축소 투영 렌즈(5)로부터 투영되는 레이저 빔이 기판 S의 가공면 상에 포커싱되도록 축소 투영 렌즈(5)에 대하여 배치된다.

이 스테이지(7)는, 가공 대상물인 기판 S를 진공 흡착 등에 의해 유지함과 함께, 레이저 빔이 기판 S의 가공면 상에 주사될 수 있도록 제어부(8)로부터의 제어 신호에 따라 레이저 빔의 광축에 수직인 평면 즉 XY 평면을 따라 이 평면 상에 위치 결정될 수 있는 메카니즘을 포함한다. 또한, 스테이지(7)는 필요에 따라 기판 S로부터의 높이 방향(Z 방향)을 따라 이동할 수 있다.

이러한 레이저 가공 장치에서는, 소정 형상의 개구부를 갖는 마스크 M을 통해 엑시머 레이저 빔을 기판 S의 표면 상에 조사하면서 스테이지(7)를 이동시켜 엑시머 레이저 빔의 조사 영역을 주사하며, 즉, 레이저 빔의 조사 영역을 가공면 상에서 이동시켜 마스크 M의 개구부 형상에 기초한 기판 가공을 실시한다. 이러한 가공은 후술하는 가공 원리에 기초한다.

OG법의 가공 원리

도 2는 OG법(즉, orthogonal method)의 가공 원리를 도시한다. 구체적으로, OG법에 따르면, 원하는 개구부를 구비한 마스크 M을 통해 레이저 빔을 가공 대상물인 기판 S 상에 조사하면서, 조사 영역을 주사함으로써 기판 S 상에 3차원 형상을 얻는다.

마스크 M에는, 레이저 빔이 투과하는 소정 형상의 개구부 m1과, 레이저 빔이투과하지 않는 차광부 m2가 설치되어 있다. 여기서, 마스크 M의 개구부 m1은, 광이 투과하는 부분이며, 개구부 홀 또는 투광 창의 형태로 되어도 된다. 마스크 M을 통해 레이저 빔을 조사하면, 기판 S 상에는 마스크 M의 개구부 m1의 형상에 대응하는 형상을 갖는 레이저 빔이 조사된다.

기판 S 상에 개구부 m1의 형상에 대응하는 형상의 레이저 빔이 조사되면, 레이저 빔에 의한 광자 에너지에 의해 야기되는 애블레이션이라 칭하는 광화학 반응이 발생한다. 결국, 열적 영향을 억제하면서 기판 S를 가공할 수 있다.

가공 형상은, 마스크 M의 개구부 m1을 통한 레이저 광의 조사량의 적분값에 의존하며, 이 적분값에 따라 레이저 광에 의한 가공 깊이가 결정된다. 구체적으로, 마스크 M의 개구부 면적이 작을수록, 조사량이 감소되고 결국 가공 깊이가 감소된다.

여기서, 마스크 M을 통해 조사되는 레이저 광의 조사 영역을 기판 S상에서 주사하면, 조사량은 주사 방향을 따른 적분값으로 된다. 즉, 마스크 M의 개구부 m1의 형상에 대해서, 주사 방향에 직교하는 방향을 x축으로 하고 주사 방향을 y축으로 하는 경우에, y축 방향을 따른 개구부 m1의 길이에 의해 가공 깊이가 상이하다.

구체적으로, y축 방향을 따라 개구부 m1의 길이가 감소할수록, 주사 방향을 따른 조사량의 적분값이 감소하고 가공 깊이가 감소한다. 반면, y축 방향을 따라 개구부 m1의 길이가 증가할수록, 주사 방향을 따른 조사량의 적분값이 증가하고 가공 깊이가 증가한다. 조사 영역을 주사함으로써, 이 가공 깊이를 단면으로 한 형상이 주사 방향으로 연속되고, 주사 방향으로 연장되는 3차원 형상이 형성된다.

예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이 주사 방향을 따라 정점이 배치되어 있는 삼각형의 개구부 m1을 갖는 마스크 M에서는, 삼각형의 정점에 대응하는 기판 S의 부분이 가장 깊게 형성되고, x축을 따른 단면에서 볼 때 삼각형인 오목 형상이 주사 방향, 즉, y축 방향으로 연속해서 형성된다.

또한, 레이저 광원(1)으로부터 출사되는 레이저 광의 에너지가 고정되어 있는 경우, 레이저 광 조사에 의한 가공 깊이는 조사 영역의 주사 속도에도 관련된다. 구체적으로, 주사 속도가 감속할수록, 단위 시간 및 단위 면적당의 조사량이 증가하고 가공 깊이가 증가한다. 따라서, 마스크 M의 개구부 m1의 형상 및 조사 영역의 주사 속도를 설정함으로써 기판 S 상에 형성되는 3차원 형상을 제어할 수 있다.

OG법을 사용한 가공 방법

도 3은 마스크와 가공 대상물인 기판의 상대적 위치를 도시한다. 도 3을 참조해 보면, 마스크 M에는 소정 형상의 개구부 m1이 설치되어 있고, 이 마스크 M을 통해 레이저 광이 축소 투영 렌즈(5)에 전달된다.

축소 투영 렌즈(5)는, 마스크 M의 개구부 m1의 형상에 대응하는 조사 영역의 크기를, 예를 들어, 몇 분의 일로 축소하여 조사 에너지의 집중에 의해 고 에너지 밀도를 얻는 것을 가능하게 한다.

레이저 광을 조사한 상태에서, 기판 S 혹은 마스크 M 또는 기판 S와 마스크 M 모두를 주사 방향의 반대 방향으로 상대적으로 이동시킨다. 그 결과, 레이저 광의 조사 영역이 소정 방향으로 주사되어, 이 주사 방향을 따라 연속 가공이 실시된다.

또한, 일단(one stage)분의 주사가 종료되면, 조사 영역을 주사 방향과 직교하는 방향으로 일단분 이동시킨 후, 마찬가지로 레이저 광의 조사 및 주사를 실시한다. 이러한 동작들을 반복함으로써, 기판의 광범위에 걸친 가동이 실시된다. 레이저 광의 조사 영역의 일 방향을 따른 주사를 도 3에 도시한 바와 같이 복수의 단으로 실시하면, 주사 방향으로 연속하는 3차원 형상을 형성할 수 있다.

또한, 주사 방향으로 연속하는 3차원 형상을 형성한 후, 레이저 광의 주사 방향을 이전 주사 방향에 직교하는 방향으로 변경하여 마찬가지의 주사를 실시하면, 직교하는 두 방향의 가공이 중첩 실시되어 격자 형상의 3차원 형상을 형성할 수 있다. 구체적으로, 마스크 M을 통한 레이저 광의 조사 영역을 일 방향을 따라 주사하고, 주사 방향을 따른 기판 S의 가공을 실시한 후, 그 주사 방향을 이전 주사 방향에 직교하는 방향으로 변경하여, 가공된 기판 S 상에 레이저 광 조사를 실시한다. 이에 의해, 일 방향의 주사에 의해 가공된 형상이 직교 방향으로 더 가공되어, 격자 형상의 3차원 형상을 얻을 수 있다.

예를 들어, 레이저 광의 주사 방향을 따라 연장되는 반원 형상의 단면을 갖는 3차원 형상이 형성되는 경우, 이 가공을 직교하는 두 방향으로 실시하면, 예를 들어, 격자 패턴으로 배열된 렌즈 형상과 같은 복수의 반원 형상을 얻을 수 있다. 이 직교하는 두 방향의 가공에 대해서는 후술한다.

두 방향의 레이저 광의 주사에 있어서 두 주사 방향 간의 각도를 직교 이외의 소정의 기타 각도로 설정해도 된다는 점에 주목해야 한다. 두 주사 방향 간의 각도가 직각과 다르게 되는 경우에, 종횡비를 갖는 3차원 형상을 격자 형상으로 형성할 수 있다. 또한, 조사 방향의 수는 둘로 한정되지 않으며 세 방향이나 네 방향도 가능하다. 예를 들어, 세 방향으로 주사를 행하는 경우에, 기판 S를 연속 회전시켜 주사 방향을 120도씩 연속적으로 변경한다. 이러한 세 방향의 주사를 전술한 조건에서 실시하면, 가공면을 상방으로부터 볼 경우의 세 방향 주사에 의해 형성되는 부분의 가공 형상이 육각형이라는 점에 주목해야 한다. 직경이 서로 다른 원주 방향으로의 주사, 소용돌이 형상의 주사, 원주 방향으로의 주사와 원주의 중심으로부터 방사 방향으로의 주사를 조합하는 등의 다양한 주사 방법이 가능하다.

마스크의 구성

도 4는 본 실시 형태에 따른 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법에서 사용되는 마스크의 일례를 도시한다. 도 4를 참조해 보면, 도시한 마스크 M은 복수의 개구부 m1이 종횡으로 병치된 개구부 형성 영역을 포함하고 있다. 마스크 M의 폭 방향이 도 4에서의 가로 방향이고, 마스크 M을 통한 레이저 빔의 조사 영역의 주사 방향 즉 이동 방향이 도 4에서의 세로 방향이다. 이 마스크 M의 개구부 형성 영역에는, 마스크 M의 폭 방향을 따라 복수의 개구부 m1의 열이 설치되어 있다. 또한, 이러한 복수의 개구부 m1의 열이 마스크 M의 폭 방향과 직교하는 방향으로 복수 설치되어 있다. 도 4에서는, 1열당 수 개의 개구부 m1이 주사 방향을 따라 4열에 걸쳐 형성된 마스크가 예시되어 있다. 그러나, 개구부의 수는 적절히 설계가능하다. 예를 들어, 150cm(약 5인치) 제곱의 마스크에 1개의 개구부의 크기를 약 22mm 제곱으로 형성한 경우, 5×5(=25)개의 개구부를 형성할 수 있다. 개구부 m1의 크기는, 원하는 가공면의 미세 요철 형상과 축소 투영 렌즈(5)의 축소율 등에 따라 최종적으로 결정된다.

마스크의 기본 개념

이 마스크를 사용한 OG법에 의해 원하는 가공 형상을 얻기 위해서는, 레이저 빔의 조사 에너지, 기판의 이송 속도 및 마스크의 개구율 등의 많은 파라미터들을 이용하고, 이러한 파라미터들을 적절히 설정함으로써, 개별적인 가공 형상에 맞는 마스크를 설계할 수 있다.

도 5는 함수 F(x)로 표현되는 소정의 곡선을 도시하는 그래프이다. 여기서는, 도 5에 도시되고 함수 F(x)로 표현되는 곡선을 반영한 오목형 가공 형상을 얻기 위한 마스크를 고려한다. 가공면의 가공 형상에 있어서, 마스크 내에서 레이저 빔이 투과하는 개구부의 에지의 형상에 따른 적분값에 의해 레이저 빔의 가공 깊이가 결정된다. 따라서, 도 6에 도시한 기판 S 상에 원하는 오목 형상을 얻기 위해, 기판 S의 표면으로부터 에칭되는 단면적 S(x)는, 도 6에서 사선으로 나타낸 부분으로부터 알 수 있듯이, 다음과 같은 식으로 표현된다.

이러한 가공 형상을 얻기 위해, 도 7에 도시한 바와 같이 도 5의 함수 F(x)를 포함하는 대략 반원 형상의 개구부 m1의 마스크 M을 사용해도 된다.

볼록 형상을 얻도록 기판의 에칭 단면적 S'(x)를 도시하는 개략도가 도 8에 일례로서 도시되어 있다. 이 볼록 형상을 얻기 위한 마스크 형상을 도시하는 개략도가 도 9에 도시되어 있다.

이어서, 레이저 빔의 조사 에너지 및 테이블의 이송 속도와 에칭 깊이와의 관계를 설명한다.

도 10은 횡축이 레이저 빔의 조사 에너지이고 종축이 에칭 깊이인, 레이저 빔의 조사 에너지와 에칭 깊이 간의 관계를 도시하는 도이다. 또한, 도 11은 횡축이 기판의 테이블의 이송 속도이고 종축이 에칭 깊이인, 기판에 대한 테이블의 이송 속도와 에칭 깊이 간의 관계를 도시하는 도이다. 도 10과 도 11로부터, 레이저 빔의 조사 에너지가 증가할수록 에칭 깊이가 증가하고 기판에 대한 테이블의 이송 속도가 증가할수록 에칭 깊이가 감소한다는 것을 인식할 수 있다.

도 12a와 도 12b는 마스크 및 이 마스크를 이용하여 얻은 가공 형상의 단면을 도시하는 개략도이다. 도 12a에 도시한 마스크 M의 하나의 개구부 m1에서의 종횡비 h/w와, 도 12b에 도시한 실제로 얻은 가공된 제품의 종횡비 H/W를 a 배로 증가시킨다고 가정한다. 그때의 관계 식은 다음과 같이 표현된다.

상기 계수 a는 레이저 빔의 조사 에너지 및 기판에 대한 테이블의 이송 속도에 따라 변화한다. 따라서, 이 마스크의 함수 f(x)에 대응하는 계수 a를 실험에서 미리 얻어 둔다.

레이저 빔의 중첩

이어서, 레이저 빔의 중첩에 대해서 설명한다.

일례로, 도 8에 도시된 바와 같은 가공 형상의 일부가 F(x) = -X²로 표현되는 함수의 곡면을 갖는 볼록 형상으로 가공되는 경우를 설명한다. 이 경우, 도 9에 도시한 마스크 M을 사용해 기판 표면으로부터 레이저 가공되거나 에칭되는 양의 단면적 S'(x)는 도 8의 사선으로 나타낸 부분이다. 이 단면적 S'(x)는 다음 식으로 표현된다.

이러한 가공 형상을 얻기 위해, 도 13에 도시한 함수 f(x)=-1/2X²에 대응하는 곡면을 갖는 마스크 M을 사용하고, 동일한 마스크 M을 이용하여 동일한 조사 영역 상에 두번 중첩시켜 조사를 실시해도 된다. 이러한 동작에 의해, F(x) = -X²로 표현되는 볼록형의 가공 형상을 얻을 수 있다. 구체적으로, 도 13에 도시한 바와 같이, 함수 f(x)로 표현되는 마스크를 사용해서 레이저 빔을 2회 중첩 조사하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이는

을 의미한다.

이것은, F(x) = -X²의 함수로 표현되는 가공 형상을, f(x) = -1/2X²의 마스크를 이용하여 레이저 빔을 2회 중첩 조사함으로써 실현할 수 있음을 나타낸다.

마찬가지로, 예를 들어, F(x) = -2X²의 프로파일에 대응한 볼록 형상을 가공하기 위해서는, 상기 f(x) = -1/2X²에 대응하는 마스크를 이용하여 레이저 빔을 4회 중첩 조사한다.

구체적으로, 원하는 함수에 대응하는 가공 형상을 얻기 위해서는, 개별 함수로 표현되는 개구부를 갖는 마스크를 사용하고, 이러한 마스크들을 동일 위치에서 중첩시켜 레이저 광을 조사한다. 가공 형상은, 레이저 광이 조사된 개구부의 적분값에 의존하므로, 다차원 다항식의 경우에 원하는 함수에 대응하는 가공 형상을 얻을 수 있다.

<2. 제1 가공 형태>

제1 가공 형태는 도 15a와 도 15b에 도시한 바와 같은 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크를 사용하여 기판 표면 상에 평면적인 미세 형상을 부가하는 예이다.

우선, 도 15a에 도시한 바와 같이 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크 M(1)을 사용하여 소정의 광 에너지 및 가공 대상물인 기판 S의 이송 속도를 설정하고, 그 조건으로 얻어진 가공 형상을 미리 측정해 둔다.

도 15b는 마스크 M(1)을 사용해서 실제로 가공한 형상으로부터 얻어진 프로파일을 수학적으로 근사한 그래프를 도시한다. 여기에서는, 가공되는 기판 표면 상의 가공 부분의 도 15b의 좌측 단부를 원점으로 한 XY축을 설정하고 있다. 이 경우의 구체적인 가공 형상은, 단면에서 볼 때 역 삼각형이며, 깊이, 즉, 에칭량은 40이고, 폭은 160이다. 또한, 수치의 단위는 ㎛라는 점에 주목해야 한다. 이 그래프로부터 얻어지는 근사식 Y1은 다음 식으로 표현된다.

전술한 바와 같이 삼각형에 형성된 마스크 M의 개구부 형상을 전사하면서 스테이지(7)를 주사 방향으로 이동시킴으로써, 삼각형의 개구부 형상에 대응하는 2차원 에너지 분포를 시간 적분해서 깊이 방향의 에칭량으로 변환한다. 이어서, 근사식 Y1에 따라 얻어지는 XY 평면을 따르는 단면의 가공 형상은 도 16에 도시한 바와 같이 삼각 가공 형상(11)이다. 삼각 가공 형상(11)은, 폭이 160㎛이고 높이가 40㎛인 베이스를 갖는 전체적으로 삼각 형상의 하면을 갖는 삼각 기둥을 그 삼각 기둥의 높이 방향이 도 16의 화살표로 표시된 주사 방향을 따르도록 배치한 형상이다. 근사식 Y1의 기울기는 삼각 가공 형상(11)의 경사면(10)의 기울기에 대응한다.

도 17은 도 15a의 마스크를 사용해서 성형한 3차원 형상을 도시한다. 도 17에 도시한 성형품에서는, 단면 형상이 삼각 가공 형상(11)인 삼각 기둥이 주사 방향에 직교하는 방향, 즉, x축 방향으로 복수 병치된다. 따라서, 성형품은 예각인 피크를 갖는 복수의 산을 갖는 미세 톱니 형상을 갖는다. 도 17에 도시한 예에서는, 하나의 산이 삼각 기둥의 형상을 갖고 있지만, 반사면, 즉, 경사면(10)이 평면이라면, 어떤 형상이어도 된다.

도 18은 도 17에 도시한 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품을 사용한 제품을 하우징으로서 도시하고 있다. 도 18을 참조해 보면, 이 예에서는, 삼각 가공 형상(11)의 표면 미세 요철 구조를 갖는 기판 S의 가공면 상에 색층(12)이 성막되어 있고, 그 위에 보호층(13)이 성막되어 있다.

이러한 톱니 삼각 가공 형상(11)의 미세 형상을 갖는 성형품에서는, 미세 형상이 없는 다른 성형품의 시야각에 비해 약 40도의 시야각 확대가 관찰되었다. 한편, 반사면, 즉, 경사면(10)이 평면 형상이므로, 임계각을 초과하면, 반사가 전혀 일어나지 않고 시각적 변화도 볼 수 없다. 시각 평가에 대해서는 다른 미세 가공 형상과 함께 상세히 후술한다.

본 실시 형태에서는, 기판 S는 폴리카르보네이트 재료를 사용하고 있지만, 금속 재료를 포함해서 아크릴 재료, 폴리에틸렌 재료, 폴리이미드 재료 등의 레이저 파장의 레이저 광을 흡수하는 재료이면 고 품위의 가공이 가능하다. 또한, 직접 미세 형상 대신에, 성형된 부품을 원판으로서 이용하여 금형을 제조하여 형상을 전사하거나 필름을 생성하여 부착하는 방법도 가능하다. 미세 형상을 갖는 원판이 얻어지므로, 필름 적층이나 인쇄에 비해 양산성이 향상되어, 제조 비용을 억제하게 된다. 또한, 본 예에서는, 색층(12)을 통해 표면 미세 요철 구조를 보는 경우를 상정하고 있지만, 대안으로, 기판 S에 투명한 재료를 사용하고 색층(12)으로부터 떨어진 측으로부터 투명한 기판 S를 통해 표면 미세 요철 구조를 보도록 해도 된다. 이 경우, 보호층(13)은, 제품 표면에 나타나지 않으므로, 생략해도 좋다.

<3. 제2 가공 형태>

제2 가공 형태는 도 19a와 도 19b에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형 호를 갖는 마스크를 사용하여 기판 표면에 곡면과 같은 미세 형상을 부가하는 예다.

우선, 도 19a에 도시한 바와 같이, 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크 M(2)를 사용하여 소정의 광 에너지와 가공 대상물인 기판 S의 이송 속도를 설정하고, 그 결과 얻어진 가공 형상을 미리 측정해 둔다.

도 19b는 마스크 M(2)를 사용해서 실제로 가공한 형상으로부터 얻어진 프로파일을 수학적으로 근사한 그래프를 도시한다. 여기에서는, 볼록형의 가공 형상에서의 저부의 도 19b의 좌측 단부를 원점으로 하여 XY축을 설정하고 있다. 이 경우의 구체적인 가공 형상에 있어서는, 단면에서 볼 때 볼록형의 높이가 16이고, 저부의 폭이 160이다. 또한, 수치의 단위는 ㎛라는 점에 주목해야 한다.

이 그래프로부터, 0 < X < 80일 때,

이 타원의 근사식으로서 얻어진다.

한편, 80 < X < 160일 때,

이 타원의 근사식으로서 얻어진다.

이러한 타원형의 호에 형성된 마스크 M의 개구부 형상을 전사하면서 스테이지(7)를 주사 방향으로 이동시킴으로써, 타원형의 호를 포함하는 개구부 형상에 대응하는 2차원 에너지 분포를 시간 적분해서 깊이 방향의 에칭량으로 변환한다. 이어서, 근사식 Y2에 따라 얻어지는 XY 평면에 따르는 단면의 가공 형상은 도 20에 도시한 바와 같이 볼록형 가공 형상(21)으로 된다. 볼록형 가공 형상(21)은, 폭이 160㎛이고 높이가 16㎛인 베이스(직선 부분)를 갖는 전체적으로 타원 형상의 하면을 갖는 원기둥을 그 원기둥의 높이 방향이 도 20에 도시한 화살표로 표시되는 주사 방향을 따르도록 배치한 형상이다. 근사식 Y2의 타원형의 호는 볼록형 가공 형상(21)의 곡면(20)에 대응한다.

볼록형 가공 형상(21)의 경우에는, 단면 형상이 볼록형 가공 형상(21)인 반원 기둥을 주사 방향에 직교하는 방향, 즉, x축 방향으로 복수 형성하고, 정상부에서 곡면인 복수의 산을 갖는 미세 형상을 갖는다. 즉, 도 17에서는, 삼각 가공 형상(11)의 정상부를 볼록형 가공 형상(21)으로 치환한 것처럼 둥글게 한 성형품이 된다.

볼록형 가공 형상(21)의 미세 형상을 갖는 성형품에서는, 미세 형상이 없는 다른 성형품에 비해, 제1 가공 형태에 따라 삼각 가공 형상(11)의 미세 형상을 갖는 성형품의 시야각보다 큰 시야각의 확대(약 40도의 시야각 확대)가 관찰되었다. 그 성형품에서, 가공 형상은 직선을 갖지 않는다. 구체적으로, 가공 형상의 정상부가 삼각형의 정점이 아니라 타원형의 호이므로, 반사 방향이 고정되지 않고 시야각이 상당히 넓어졌다고 파악된다.

또한, 본 실시 형태에 따른 미세 형상을 갖는 성형품에서는, 후방 반사 효과에 의해 색 깊이가 관찰되었다. 도 21은 도 20에 도시한 볼록형 가공 형상(21)으로 이루어지는 표면 미세 요철 구조의 후방 반사 효과를 도시한다. 도 21의 예에서는, 2개의 볼록형 가공 형상(21-1, 21-2)을 제공하고, 볼록형 가공 형상(21-1, 21-2)의 정상부에 입사하는 레이저 빔 A와 B가 입사 방향의 반대 방향으로 각각 반사되고 있다. 또한, 한쪽의 볼록형 가공 형상(21-1)의 곡면에 대한 접선이 경사져 있는 경사진 부분에 입사하는 레이저 빔 C는 인접하는 다른 쪽의 볼록형 가공 형상(21-2)의 곡면을 향하여 반사된다. 이어서, 볼록형 가공 형상(21-2)의 곡면을 향하여 반사된 레이저 빔 C는 볼록형 가공 형상(21-2)의 곡면의 경사진 부분에 의해 반사되어, 평행하게 또한 볼록형 가공 형상(21-2)의 입사 방향의 역방향으로 향한다. 결국, 레이저 빔 C는 볼록형 가공 형상(21-2)의 정상부에 의해 반사된 레이저 빔 B와 간섭한다. 이러한 레이저 빔의 간섭에 의해, 정반사에 의해서만 광을 반사하는 미세 형상이 없는 성형품의 색 깊이와 비교할 때, 색 깊이가 증가한다.

본 가공 형태에서는, 가공 형상의 정상부의 곡면이 삼각 가공 형상(11)의 경우에서와 같은 직선이 아니라 반원 등의 소정의 다른 곡선이면, 타원형의 호를 갖는 볼록형 가공 형상(21)에 의해 얻는 효과와 마찬가지의 효과를 얻는다. 이하, 시각 평가를 다른 미세 가공 형상과 함께 상세히 설명한다.

또한, 본 가공 형태에서는, 제1 가공 형태와 마찬가지로, 기판 S의 재료로서 레이저 파장을 흡수하는 다양한 재료를 적용할 수 있다. 또한, 미세 형상을 직접 가공하지 않고, 성형품을 원판으로서 이용하여 금형을 제조하여 형상을 전사하거나 필름을 생성해서 부착하는 방법도 가능하다.

<4. 제3 가공 형태>

제3 가공 형태는, 도 15a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크 및 도 19a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크를 사용하여 기판 표면 상에 곡면과 같은 미세 형상을 부가하는 예이다.

전술한 식 (1)과 (2)로부터, 근사식 Y2를, 0 < X < 80일 때에는 식 (3)과 같이 표현하고, 80 < X < 160일 때에는 때는 식 (4)와 같이 표현된다. 이어서, 실제의 에칭량은 식(5)와 같이 된다.

따라서, 도 15a에 도시한 직선의 마스크 M(1)과 도 19a에 도시한 타원형의 호를 갖는 마스크 M(2)를 사용하여 서로 중첩하게 하고 마스크 M(1)과 M(2) 상에 레이저 빔을 조사하면, 도 22a와 도 22b에 도시한 바와 같은 합성 프로파일을 가공 형상으로서 얻을 수 있다.

도 22a는 식 (6)에 대응하는 근사식 Y1 및 수학적으로 근사된 식 (3)과 식 (4)에 대응하는 근사식 Y2를 도시한다. 한편, 도 22b는 실제로 얻어지는 형상을 도시한 것으로서, 근사식 Y1과 Y2 및 중첩되어 있는 마스크 M(1)과 M(2) 상에 레이저 빔을 조사했을 때 얻어지는 에칭량 Y를 도시하고 있다.

도 22b와 같은 설계를 행한 경우, 도 23에 도시한 바와 같은 단면 형상이 비대칭이며 곡면(30)을 갖는 볼록형 가공 형상(31)이 형성된다. 이 볼록형 가공 형상(31)은 삼각 가공 형상(11)의 각을 둥글게 한 것 같은 형상이다.

도 24는 도 22b의 설계에 기초해서 형성된 3차원 형상을 도시한다. 도 24에 도시한 성형품은, 단면 형상이 볼록형 가공 형상(31)인 기둥 형상 형상이, 주사 방향과 수직인 방향, 즉, x축 방향으로 복수 형성되고, 정상부가 곡면의 복수의 산을 갖는 미세 형상을 구비한다.

볼록형 가공 형상(31)의 미세 형상을 갖는 성형품에서는, 곡면(30)을 부가한 것에 의해 반사 각도가 증가하고, 제1 실시 형태의 삼각 가공 형상(11)을 갖는 미세 형상의 반사 시야각보다 20도 넓은 반사 시야각의 증가를 확인할 수 있었다. 시각 평가에 대해서는 다른 미세 가공 형상과 함께 이하에서 상세하게 설명한다.

이러한 방식으로, 도 15a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크를 사용한 후 도 19a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크를 사용함으로써, 삼각 기둥의 형상인 삼각 가공 형상(11) 상에 곡면을 갖는 볼록형 가공 형상(21) 즉 원통 형상의 요소를 부가할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 레이저 가공 기술에 따르면, 복수의 형상을 조합한 복합 형상의 가공이 가능하고, 기판 S의 가공면 상에 광학 특성을 고려한 자유로운 미세 형상을 형성할 수 있다.

또한, 본 가공 형태에 있어서도, 제1 및 제2 가공 형태와 마찬가지로, 기판 S의 재료로서 레이저 파장을 흡수하는 다양한 재료를 적용할 수 있다. 또한, 미세 형상을 직접 가공하지 않고, 성형품을 원판으로서 이용하여 금형을 제조하여 형상을 전사하거나 필름을 생성해서 부착하는 방법도 가능하다.

상술한 제1 내지 제3 가공 형태에 따른 마스크 구성에 의하면, 복잡한 프로파일의 가공 형상을 얻기 위한 마스크라도 마스크 설정의 시간이나 작성 비용을 절약할 수 있다. 또한, 작은 함수(다차원 단항식)에 의해 제공되는 마스크에서도, 조합에 따라 다양한 함수들(다차원 다항식)에 대응하는 프로파일의 가공 형상을 얻을 수 있다.

또한, 마스크 패턴의 종횡비와 가공 형상의 종횡비를 배수로 관리함으로써, 마스크의 개구율 등에 의해 영향을 받지 않고 2차원 마스크로부터 3차원 가공 형상으로의 전사를 정확하게 실시할 수 있다.

또한, 다차원 다항식의 곡선을 CAD(컴퓨터 보조 설계)에 의해 설계할 필요가 없으므로, 변환용 소프트가 불필요하다. 또한, 변환시의 에러도 방지할 수 있다.

또한, 레이저를 사용한 3차원 미세 가공 형상을 외장 또는 하우징에 부가함으로써, 내구성이 높은 고 품위의 외장 또는 하우징을 제공할 수 있다.

<5. 제4 가공 형태>

제4 가공 형태는, 레이저 가공에 의해 곡면을 갖는 자유로운 표면 미세 형상을 생성할 수 있는 예로서, 구체적으로는, 나비 또는 나방의 날개에서 보이는 기와(roof tile) 구조를 모방한 복합 기와 형상을 작성했을 경우의 예이다.

도 25는 기와 구조를 모방한 복합 기와 형상의 예를 나타내는 도이다. 도 25를 참조해 보면, 기판 S 상에 형성된 미세 형상의 산들 중 하나의 산인 가공 형상(41)은, 일 방향으로부터 보면 삼각 가공 형상(42)의 평면 형상이지만, 그 직교 방향으로부터 보면 볼록형 가공 형상(43)의 곡면 형상이다. 이 곡면 형상은, 전술한 OG법을 사용하는 경우, 마스크를 변경하고 또한 주사 방향을 수직인 방향으로 변경하기만 하면, 용이하게 생성될 수 있다. 예를 들어, 곡면 형상은, 도 15a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크와 도 19a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크의 주사 방향을 서로 직교시켜 형성될 수 있다. 삼각 가공 형상(42)측의 폭은 160㎛이고, 볼록형 가공 형상(43)측의 폭도 160㎛이다.

이하, 도 26에 도시한 흐름도를 참조하면서, 도 25에 도시한 표면 미세 형상을 갖는 제품의 제조 방법을 설명한다.

먼저, 투명 수지 부품인 기판 S를 준비하고, 기판 내측 Si(도 27의 (a))이 가공면이 되도록 스테이지(7) 상에 적재한다(스텝 S1). 이어서, 도 15a의 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크를 사용해서 레이저 가공을 행하여, 기판 내측 Si 상에 삼각 가공 형상(11)(도 27의 (b)의 삼각 기둥 패턴)을 형성한다(스텝 S2).

이어서, 스테이지(7)를 사용해서 기판 S를 주사 방향에 대하여 90도 회전시키고, 도 19a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크를 사용해서 레이저 가공을 행하여, 기판 내측 Si 상에 볼록형 가공 형상(21)(도 27의 (c): 반원 기둥 패턴)을 형성한다(스텝 S3). 이 처리가 종료된 후, 기판 S는, 일 방향으로부터 보면 삼각 가공 형상(42)의 평면 형상을 갖고 그 직각 방향으로부터 보면 볼록형 가공 형상(43)을 갖고 형성된 가공 형상(41)(도 27의 (d))을 갖는다.

이어서, 증착 등의 방법에 의해, 다수의 가공 형상(41)이 형성된 가공면 상에 반사막(44)(도 27의 (e))을 성막한다(스텝 S4). 또한, 반사막(44)의 반사 작용을 보조할 목적으로 라이닝(lining)을 위한 흑색의 색막(45)(도 27의 (f))을 부가한다(스텝 S5).

이어서, 삼각 가공 형상(11)을 갖는 기판 S의 가공면측을 제품에 맞춰 기판 S를 제품에 설치한다. 이어서, 기판 S의 외측, 즉, 가공면과 반대측 상에 보호막(46)을 성막하고(도 27의 (g)), 외측으로부터 시각 효과를 확인한다(스텝 S6). 보호막(46)은 가공 형상(41)이 형성되는 가공면측 상에 없으므로, 보호막(46)을 성막할지 여부를 임의로 결정해도 된다는 점에 주목해야 한다.

이와 같이 형성되는 미세 형상(도 25)으로부터, 후방 반사 효과에 의한 색의 깊이가 관찰되었다. 본 실시 형태에 따른 미세 형상은, 제1 내지 제3 실시 형태의 미세 형상에 비해 곡면의 형상이 복잡하기 때문에, 복잡한 간섭을 일으켜 보다 깊은 색을 제공한다. 따라서, 지금까지 없었던 시각 효과를 갖는 외장 또는 하우징을 제공할 수 있다. 예를 들어, 광의 반사 영역을 확장하는 것처럼 색이 복잡한 그러데이션을 생성할 수 있다.

<6. 초미세 요철 구조>

초미세 요철 구조를 갖는 가공 형태의 예는 레이저를 사용한 미세 가공 특유의 가공 마크를 의도적으로 생성하는 것이다. 여기에서 말하는 가공 마크는, 마스크를 통해 레이저 빔을 가공면 상에 조사하고, 1 숏(shot)마다 마스크 또는 스테이지를 미소 이송하여 레이저 조사 영역을 가공면에 대하여 이동시키면서 레이저 빔을 조사함으로써 생성되는, 마스크 에지에 의한 불연속적 가공의 마크를 말한다. 또한, 그 가공 마크에 의해 형성되는 패턴은 특히 쉘 마크(shell mark)라고도 칭한다.

이하의 예에서는, 특히, 엑시머 레이저와 마스크를 사용하여, 가공면 상에 깊이 방향으로 수백 나노미터 정도의 가공 마크를 붙여 초미세 요철 형상을 형성하도록 하고 있다. 수십 나노미터 정도의 깊이에서는, 인간이 회절 효과를 인식할 수 있다고 여겨지며, 또한, 그 크기가 회절 한계인 파장 레벨보다 작기 때문에, 확산 효과가 극단적으로 작다. 기판 이동시, 마스크의 개구부와 차단부 간의 경계선, 즉, 마스크 에지의 형상이 가공면 상에 다수의 조사 마크로서 전사된다.

도 28은 도 15a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크를 사용해서 가공 마크를 발생시키는 예를 도시한다. 삼각형의 마스크 패턴을 사용하고 있기 때문에, 도 28에 도시한 바와 같이, 삼각 가공 형상(11)의 특히 경사면(10)에 복수의 직선 가공 마크(51)가 부가되어 있다.

이러한 가공 마크(51)를 생성하는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 레이저 가공에 의해 삼각 가공 형상(11)을 형성하면서 동시에 가공 마크(51)를 생성한다. 두 번째 방법은 삼각 가공 형상(11)을 형성한 후에, 다시 동일한 장소를 주사해서 삼각 가공 형상(11) 상에 가공 마크(51)를 생성한다. 이 경우, 삼각 가공 형상(11)을 형성한 후에 동일 장소 상에 레이저 빔이 다시 조사되기 때문에, 가공면 상에 보다 많은 가공 마크가 형성되어, 확산 효과가 높아진다. 또한, 기판 S 상에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도는, 삼각 가공 형상(11)의 형상이 현저하게 변형하지 않으면서 적당한 깊이의 가공 마크가 생성되는 범위 내에 속하도록 제어부(8)에 의해 조정된다.

가공 마크(51)는, 마스크 개구부 형상, 에너지 밀도, 스테이지 이송 속도, 포커스 위치 등을 적절히 설계함으로써, 그 에칭 깊이나 폭, 형상 등에 있어서 자유롭게 제어될 수 있다. 이 가공 마크의 에칭 깊이나 폭, 형상 등을 자유롭게 제어하는 방법에 대해서는 후술한다. 도 28에서는, 설명의 편의상, 가공 마크의 피치를 실제보다 크게 도시하고 있다는 점에 주목해야 한다.

도 29는 도 15a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 직선을 갖는 마스크와 도 19a에 도시한 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호를 갖는 마스크를 사용하여 이러한 두 개의 마스크를 중첩해서 가공 마크(52)를 생성하는 예를 도시한다. 이 경우, 차후 조사를 위해 사용되는 마스크의 개구부에 의존하는 가공 마크가 남는다. 도 29는 도 15a의 마스크와 도 19a의 마스크가 순서대로 중첩된 경우의 일례를 도시한다. 도 15a에 도시한 개구부 m1에 의해 형성된 사선, 즉, 도 28의 가공 마크(51)는 상쇄되지만, 도 19a에 도시한 개구부 m1에 의존하는 형상은 남는다. 도 19a에 도시한 마스크 M은, 개구부 m1의 에지 상에 타원형의 호와 직선을 갖지만, 도 29에 도시한 마스크 M의 경우에는, 마스크 M의 상대적 진행 방향의 후방 형상에 대응하는 직선 형상이 가공 마크(52)로서 부가된다. 마스크 M을 180도 회전시켜 타원 형상이 상대적 진행 방향의 후방 형상이 되면, 가공 마크(52)는 이제 레이저 조사 방향으로부터 볼 때 거의 반원 형상의 곡선형 형상으로 된다.

고체 레이저에 의한 가공 마크

다음에 설명하는 가공 형태에서는, 빔 직경이 작고 마스크를 사용하지 않고 직접 드로잉을 행하는 타입의 고체 레이저를 사용한 경우의 가공 마크를 설명한다. 고체 레이저의 빔 직경은 약 Φ10 내지 50㎛이므로, 빔 직경에 동기한, 즉, 빔 직경에 대응하는 형상을 갖는 가공 마크가 가공면에 부가된다.

도 30은 고체 레이저를 사용한 경우의 가공 마크를 도시한다. 고체 레이저를 사용한 경우, 가공 마크(53)는 빔 직경의 둥근 형상들을 주사 방향으로 중첩한 것 같은 형상이 된다. 예를 들어, 제4 고조파(266nm)의 고체 레이저를 사용한 경우, 빔 직경은 일반적으로 Φ10 내지 50㎛이므로, 그 빔 에지에 의해 수백 나노미터 정도의 깊이를 갖는 가공 마크가 가공 표면에 부가된다.

이러한 가공 마크 즉 쉘 마크를 이용하는 초미세 요철 구조는, 에칭 깊이 수십 nm인 경우에, 파장 레벨보다 회절 크기가 작기 때문에, 장식의 효과가 작다. 그러나, 수백 nm의 서브마이크로미터 정도의 에칭 깊이의 경우에는, 초미세 요철 구조를 이용한 효과가 나타난다. 즉, 가공 마크의 깊이가 파장 레벨이면, 가공 마크에 의한 확산 효과가 발생하고, 색의 광택과 깊이가 증가하는 시각 효과, 즉, 구조 색 효과(structure color effect)가 나타난다. 또한, 가공 마크의 확산 효과에 의해 비간섭성(incoherence)이 생기고, 반사 시야각이 넓어진다. 이 초미세 요철 구조의 시각 효과는, 에칭 깊이가 수십 nm 레벨에서는 발생하지 않고 또는 시각 효과가 약한 것이 실험에 의해 관측되었다.

이하, 가공 마크를 이용한 초미세 형상의 형성을 더욱 상세하게 설명한다.

도 31의 (a)와 (b)는 가공 마크를 이용한 초미세 형상의 형성을 도시하며, 도 31의 (a)는 삼각 가공 형상의 제1 가공 형태의 단면도이며, 도 31의 (b)는 마스크 패턴, 즉, 레이저 조사 영역의 중첩을 도시하는 상면도이다. 도 32는 가공 마크의 연속 패턴을 도시하는 상면도이다. 도 32에 도시한 X-X 선은 도 31의 (a)의 제1 가공 형태의 단면 형상의 단면을 그려야 할 방향을 나타낸다는 점에 주목해야 한다.

도 31의 (a)의 단면도에 도시한 단면 형상(60)의 예는 폭이 약 160㎛이고 높이가 약 3㎛인 삼각 가공 형상(제1 가공 형태에 상당)이다. 높이 3㎛의 단면 형상(60)을 형성하기 위해서는, 가공 전의 가공면 표면으로부터 3㎛만큼 에칭할 필요가 있다. 그러나, 레이저 빔의 1숏당의 에칭량, 즉, 에칭 레이트는, 가공 대상인 기판의 재료가 동일하면, 조사하는 레이저 빔의 에너지 밀도에 의존한다. 예를 들어, 본 실시 형태에서 사용한 수지 재료에서는, 이하와 같은 데이터를 얻었다.

에너지 밀도(mJ/cm²) 에칭 레이트(nm/숏)

(a) 100 약 46

(b) 200 약 93

(c) 300 약 142

높이 3㎛의 미세 형상을 얻기 위해서는, 도 31의 (b)에 도시한 바와 같이, 마스크와 기판 간의 이동량을 제어하고, 레이저 조사 영역을 진행 방향으로 W㎛씩 연속적으로 이동시키면서, 마스크 패턴들, 즉, 레이저 조사 영역들이 부분적으로 중첩되도록 레이저 조사 영역들(61, 62, 63)에 의해 표시된 바와 같이 가공면 상에 레이저 빔을 복수 조사한다. 그 결과, 도 32에 도시한 바와 같이 W㎛ 피치의 가공 마크가 연속해서 형성된다. 전술한 약 3㎛의 높이에 대한 데이터의 경우, 에너지 밀도가 100mJ/cm²일 때 64개의 숏이 필요하고, 에너지 밀도가 200mJ/cm²일 때 32개의 숏이 필요하고, 에너지 밀도가 300mJ/cm²일 때 21개 숏이 필요하다. 마스크의 개구부의 에지에 의해 형성되는 초미세 형상에 의한 시각 효과는, 에칭 깊이가 100nm 정도일 때 강하게 발생하므로, 초미세 형상의 깊이는 상기 (a) 내지(c)의 에너지 밀도 중에서 (c)의 약 142nm가 바람직하다. 따라서, (c)의 에너지 밀도 300mJ/cm²의 레이저를 사용해서 미세 가공을 행하면, 시각 효과를 얻을 수 있는 초미세 형상을 생성할 수 있다. 동일한 미세 형상을 얻을 수 있는 (a)의 경우에는, 미세 형상 생성시 얻어지는 초미세 형상의 깊이가 얕아서 시각에 영향을 주는 확산 효과를 얻을 수 없다.

(b)의 에너지 밀도 200mJ/cm²의 레이저를 사용해서 미세 가공을 행하는 경우에는, 충분한 시각 효과를 때때로 얻을 수 있다.

여기서, 인접하는 가공 마크들 간의 거리 또는 피치는, 레이저 조사 영역의 가공면 상의 이동 속도, 즉, 스테이지 상에 적재된 기판에 대한 마스크가 상대적 이송 속도, 및 레이저 조사의 주파수를 제어함으로써, 조절된다. 예를 들어, 피치를 증가시키려면, 레이저 조사 영역의 이동 속도를 증가시키거나 레이저 조사의 주파수를 감소시키고, 또는 이들 모두의 제어를 행한다. 반면에, 피치를 감소시키려면, 레이저 조사 영역의 이동 속도를 감소시키거나 레이저 조사의 주파수를 증가시키고, 또는 이들 모두의 제어를 행한다.

이러한 식으로, 가공 대상물의 재료, 레이저 빔의 파장, 레이저 빔의 에너지 밀도에 따라 초미세 가공 형상의 에칭 레이트가 결정된다. 반면에, 필요 형상, 즉, 형성하고자 하는 미세 형상에 따라 마스크의 개구부 형상 및 에너지 밀도가 결정된다. 사용 가능한 에너지 밀도들 중에서 초미세 형상의 깊이 방향에 주목하여 최적 에너지 밀도를 선택함으로써, 초미세 형상에 의한 시각 효과, 즉, 구조 색 효과를 얻을 수 있다. 반대로 말하면, 레이저 가공 시, 전술한 프로시저에 이어서 초미세 형상에 주목하여 종합적인 조건 설정을 실시하지 않으면, 장식에 사용할 수 있는 시각 효과를 얻을 수 없다.

도 33은 초미세 형상에 의한 시각 효과, 즉, 구조 색 효과가 강하게 얻어지는 경우의 가공 마크의 단면 형상의 측정의 일례를 도시한다. 한편, 도 34는 구조 색 효과가 약할 경우의 가공 마크의 단면 형상의 측정의 일례를 도시한다. 도 33과 도 34 모두는 제1 가공 형태의 경우, 즉, 단면 형상이 삼각 가공 형상인 경우의 예이다.

도 33의 경우에, 삼각 가공 형상의 폭은 약 160㎛이고 높이는 약 3㎛이며, 경사면 부분 상의 초미세 형상의 가공 마크의 피치는 약 7.1㎛이고 깊이는 약 0.2㎛이다. 이렇게 초미세 형상 깊이가 수백 nm 정도인 경우에, 강한 구조 색 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 34의 경우에, 삼각 가공 형상의 폭은 약 160㎛이고 높이는 약 0.6㎛이며, 경사면 부분 상의 초미세 형상의 가공 마크의 피치는 약 7.1㎛이고 깊이는 0.05㎛이다. 이러한 초미세 형상 깊이가 수십 nm 정도인 경우에는, 구조 색 효과가 약하다.

가공면 상에 형성되는 가공 마크의 패턴

전술한 가공 마크는 가공면 상에서의 레이저 조사 영역의 이동 방향에 따라 변화하고, 그 결과, 가공면을 동일한 방향으로부터 볼 때의 구조 색 효과도 상이하다는 점에 주목해야 한다. 이하, 가공면 상에 형성되는 가공 마크의 패턴 혹은 방향을 설명한다.

서로 다른 레이저 조사 영역들 간에 중첩되는 부분에서는, 이전에 레이저 빔이 조사된 영역 상에 레이저 빔이 다시 조사되어, 선행하는 레이저 조사 영역의 가공 마크가 사라지거나 드물게 된다. 즉, 서로 다른 레이저 조사 영역들이 중첩되는 장소에서는, 레이저 빔 조사 순서로 뒤인 레이저 조사 영역에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다. 이러한 사실을 이용하여 레이저 조사에 의해 생성되는 가공 마크의 패턴을 제어할 수 있다.

도 35a 내지 도 35c는 삼각형의 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시한다.

직각 삼각형의 개구부 m1과 차광부 m2를 갖는 도 35a에 도시한 마스크 M을 이용하여, 도 35b에 도시한 바와 같이 레이저 조사 영역(71, 72, 73)으로서 표현되는 위치로, 빗변이 아닌 직각 삼각형의 한 변에 수직하는 방향으로 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시킨다. 이 경우, 도 35c의 좌측 도면의 화살표로 표시된 바와 같이 직각 삼각형의 빗변에서 서로 중첩되도록 레이저 조사 영역(71, 72, 73)을 연속적으로 이동시키면, 그 이동 방향에 수직하는 변에 의해 형성되는 가공 마크들이 지배적으로 된다. 한편, 도 35c의 우측 도면의 화살표로 표시된 바와 같이 직각 삼각형의 빗변에서 서로 중첩되지 않도록 레이저 조사 영역(71, 72, 73)을 이동시키면, 직각 삼각형의 빗변에 의해 형성되는 가공 마크들이 지배적으로 된다.

도 36a 내지 도 36c는 오목 곡면을 포함하는 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시한다.

오목 곡면을 포함하는 개구부 m1과 차광부 m2를 갖는 도 36a에 도시한 마스크 M을 이용하여, 도 36b에 도시한 바와 같이 레이저 조사 영역(81, 82, 83)으로서 표현되는 위치로, 오목 곡면에 대향하는 개구부의 한 변에 수직하는 방향으로 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시킨다. 이 경우에, 도 36c의 좌측 도면의 화살표로 표시한 바와 같이 개구부의 오목 곡면에서 레이저 조사 영역(81, 82, 83)이 중첩되도록 레이저 조사 영역(81, 82, 83)을 연속적으로 이동시키면, 그 이동 방향에 수직하는 개구부의 변에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다. 한편, 도 36c의 우측 도면의 화살표로 표시한 바와 같이 개구부의 오목 곡면에서 레이저 조사 영역(81, 82, 83)이 중첩되지 않도록 레이저 조사 영역(81, 82, 83)을 연속적으로 이동시킨 경우, 오목 곡면에 의해 형성되는 가공 마크들이 지배적으로 된다.

도 37a 내지 도 37c는 볼록 곡면을 포함하는 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크의 설명에 제공하는 도이다.

볼록 곡면을 포함하는 개구부 m1과 차광부 m2를 갖는 도 37a에 도시한 마스크 M을 사용하여, 도 37b에 도시한 바와 같이 레이저 조사 영역(91, 92, 93)으로서 표현된 위치로, 볼록 곡면에 대향하는 개구부의 일 변에 수직하는 방향으로 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시킨다. 이 경우, 도 37c의 좌측 도면의 화살표로 표시된 바와 같이 개구부의 볼록 곡면에서 레이저 조사 영역(91, 92, 93)이 서로 중첩되도록 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시키면, 그 이동 방향에 수직하는 변에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다. 한편, 도 37c의 우측 도면의 화살표로 표시한 바와 같이 개구부의 볼록 곡면에서 레이저 조사 영역(91, 92, 93)이 서로 중첩되지 않도록 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시키면, 볼록 곡면에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다.

도 38a 내지 도 38c는 원형의 개구부를 갖는 마스크를 사용한 경우에 형성되는 가공 마크를 도시한다.

원형의 개구부 m1과 차광부 m2를 갖는 도 38a에 도시한 마스크 M을 사용하여, 도 38b에 도시한 바와 같이 레이저 조사 영역(101, 102, 103)으로서 표현되는 위치로, 원의 중심을 통과하는 직선을 따라 수직 방향으로 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시킨다. 이 경우, 도 38c의 좌측 도면의 화살표로 표시한 바와 같이 원의 도 38b에서의 하측의 호에서 레이저 조사 영역(101, 102, 103)이 서로 중첩되도록 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시키면, 그 이동 방향의 후단측의 원의 호, 즉, 도 38c에 도시한 상측의 원의 호에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다. 한편, 도 38c의 우측 도면의 화살표로 표시한 바와 같이 원의 도 38b에서의 상측의 호에서 레이저 조사 영역(101, 102, 103)이 서로 중첩되도록 레이저 조사 영역을 연속적으로 이동시키면, 그 이동 방향으로 후단측의 원의 호, 즉, 도 38c의 하측의 원의 호에 의해 형성되는 가공 마크가 지배적으로 된다.

마스크의 개구부 형상과 레이저 조사 영역의 이동 방향에 의해, 가공면 상에 형성하는 가공 마크의 초미세 형상의 패턴을 제어할 수 있으므로, 유저의 시각에 호소하는 효과에 변화를 초래할 수 있다. 예를 들어, 미세 형상이 동일하더라도, 유저에게 보여지는 외장 또는 하우징의 면에 따라 가공 마크의 패턴을 변경하면, 동일 제품의 면마다 구조 색 효과에 변화를 초래할 수 있다.

도 39 및 도 40은 가공 마크 즉 쉘 마크의 구체적인 예를 도시한다. 도 39의 예는, 큰 곡면을 갖는 원 형상의 가공 마크의 일례를 도시하며, 이해가 용이하도록, 세로 방향으로 한 개의 가공 마크(111V) 및 가로 방향으로 한 개의 가공 마크(111H)를 강조해서 표현하고 있다. 또한, 도 40의 예는, 라인 형상의 가공 마크의 일례를 도시하며, 세로 방향으로 한 개의 가공 마크(112V) 및 가로 방향으로 한 개의 가공 마크(112H)를 강조해서 표현하고 있다.

도 39의 예에서는, 가공 마크의 상태로부터 가공 마크(111V)가 가공 마크(111H) 후에 형성되었음을 인식할 수 있다. 한편, 도 40의 예에서는, 가공 마크(112H)가 가공 마크(112V) 후에 형성되었음을 인식할 수 있다.

상술한 가공 형태에서의 가공 마크에 의하면, 가공 마크가 의도적으로 형성된 초미세 형상을 갖는 성형품의 각도를 변경할 때, 반사각이 넓어질 뿐만 아니라 품위가 개선되고 색조도 마찬가지로 넓은 각도로 얻을 수 있는 효과를 확인하였다.

<7. 시각적 효과>

복수의 미세 형상에 의한 비교

이하, 미세 형상이 부가된 성형품의 시각 평가를 설명한다.

도 41은 시각 평가 데이터의 측정 방법을 도시한다. 도 41을 참조해 보면, 책상 위에 둔 각도계(121)의 패널면(120) 상에 측정 대상인 샘플(122)을 두고 있다. 이어서, 샘플(122)에 대하여 상방으로부터 형광등(124)의 광을 조사하고, 책상에 대한 가공면(122a, 122b)의 각도를 변경하면서 가공면(122a, 122b)을 카메라(123)로 촬영한다. 이어서, 가공면 상에 형성된 미세 형상을 시각면에서 평가한다.

도 42는 다양한 미세 형상들을 샘플의 각도를 변경하며 카메라(123)로 촬영했을 때의 시각 평가 결과를 도시한다.

촬영한 샘플들은, 미세 가공이 없는 샘플, 제1 가공 형태에 따라 높이가 0.5㎛인 삼각 가공 형상을 갖는 샘플, 제1 가공 형태에 따라 높이가 3.0㎛인 삼각 가공 형상을 갖는 샘플, 제3 가공 형태에 따라 높이가 0.5㎛인 가공 형상을 갖는 샘플, 제3 가공 형태에 따라 높이가 3.0㎛인 가공 형상을 갖는 샘플을 포함한다.

샘플의 각도가 0도일 때, 샘플은 책상 위에 놓여진 상태에 있으며, 이 상태에서는, 어떠한 샘플에서도 반사는 없다. 이어서, 샘플을 30도 기울이면, 제3 가공 형태에 따라 높이가 0.5㎛인 가공 형상 및 제3 가공 형태에 따라 높이가 3.0㎛인 가공 형상에서 반사가 시작되었다. 또한, 샘플을 최대 50도까지 기울이면, 제1 가공 형태에 따라 높이가 3.0㎛인 삼각 가공 형상에서 반사가 시작되었다. 한편, 제3 가공 형태에 따라 높이가 0.5㎛인 가공 형상 및 제3 가공 형태에 따라 높이가 3.0㎛인 가공 형상에서는, 반사량이 정반사의 반사량에 가까웠다.

전술한 측정으로부터, 제3 가공 형태에 따른 가공 형상의 반사 시야각이 제1 가공 형태에 따른 가공 형상의 반사 시야각보다 30도만큼 넓다는 것을 알게 되었다. 또한, 에칭 깊이가 0.5㎛인 제1 가공 형태의 샘플만이 에칭 깊이가 3.0㎛인 동일한 제1 가공 형태의 샘플에 비해 시야각 특성 저하를 나타내었으며, 그 이유는 초미세 형상이 수십 nm 정도이기 때문임을 알게 되었다.

도 43은 도 42의 시각 평가 결과를 특히 반사 개시 각도와 반사 상태에 대하여 정리한 테이블이다. 여기서 h는 에칭 깊이라는 점에 주목해야 한다.

도 43으로부터 인식할 수 있듯이, 제1 가공 형태의 경우에는, 에칭 깊이 0.5㎛에서 반사가 발생하지 않지만, 제3 가공 형태의 경우에는, 에칭 깊이 0.5㎛에서 반사가 30도에서 개시된다. 또한, 제1 가공 형태의 경우에, 에칭 깊이 3.0㎛에서 반사가 50도에서 개시된다. 이에 대해, 제3 가공 형태의 경우에는, 에칭 깊이 0.5㎛와 3.0㎛에서 반사가 30도에서 개시된다. 이러한 식으로, 제3 가공 형태의 경우에는, 에칭 깊이에 상관없이 반사 개시 각도가 작고 반사 상태가 양호한 결과가 얻어졌다.

나비 날개의 표면의 미세 구조

여기서는, 본 발명에 따른 미세 형상 및 초미세 형상과 유사한 효과를 갖는 나비 날개의 표면의 미세 구조에 대해서 설명한다. 나비 날개의 표면의 미세 구조는 URL "http://mph.fbs.osaka-u.ac.jp/~ssc/scvol1pdf/yoshioka.pdf"에 설명되어 있다. 도 44는 몰포(Morpho) 나비의 날개의 표면의 미세 구조를 도시하는 개략도이다. 나비의 날개의 표면을 전자 현미경으로 보면, 도 44에 도시한 바와 같은 규칙적 구조와 불규칙 구조 모두를 겸비하고 있다. 하층 비늘이라고 불리는 부분에서는, 7단 정도의 선반(shelf; 131a 내지 131f)을 갖는 마이크로 구조체들이 서로 가깝게 서있다. 상하 선반들의 간격은, 광이 선반들 간에 왕복할 때의 광학 거리가 특정 색, 예를 들어, 청색의 광의 파장에 대응하도록 소정의 거리에 의해 서로 이격되어 있다. 따라서, 각 선반에서의 반사광이 다층막 간섭의 경우와 같이 서로 강화되어, 청색이 강하게 반사된다(구조의 규칙성). 전술한 바와 같은 나비 날개의 표면 상에서의 다층 간섭은, 도 44의 하층 비늘(131)의 경우와 같은 구조를 재현함으로써 또는 실제의 제품에 있어서 일반적인 증착막을 가공면 또는 그 반대면에 대하여 사용함으로써 구현되고, 본 발명의 본질에는 관련되지 않는다.

한편, 하층 비늘들(131 내지 133) 중 좌우로 인접하는 것들은 선반 하나분의 높이만큼 높이에 있어서 확산을 나타낸다. 이러한 높이 방향의 난잡성 즉 불규칙성은 인접하는 선반 구조들로부터 반사된 광이 실질적으로 규칙적인 간섭을 하지 않음을 의미한다. 불규칙성에 의한 비간섭을 발생시키는 구조는 본 발명의 미세 형상에 대응한다. 또한, 각각의 선반 구조로부터의 반사광은 넓은 범위의 각도에 걸쳐 회절되어 난반사와 같은 작용을 한다. 이러한 회절을 발생시키는 구조가 초미세 형상 또는 가공 마크에 대응한다. 이러한 이유 때문에, 몰포 나비의 날개는 어떤 각도로부터 보더라도 청색으로 보인다.

도 45a와 도 45b는 곡선 형상의 유무에 의한 시각 평가의 고찰을 설명한다. 구체적으로, 도 45a는 제1 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 기판 S를 도시하고, 도 45b는 제3 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 다른 기판 S를 도시한다. 제1 가공 형태에 따른 미세 구조에서는, 가공 형상이 직선에 따라 평면적인 가공 형상이기 때문에 반사 시야각이 약 50도 내지 90도이다. 한편, 제3 가공 형태에 따른 미세 구조에서는, 가공 형상의 둥근 부분에 의해 광 간섭 면적이 확장되기 때문에 반사 시야각이 약 30도 내지 90도이다.

확산 효과

이어서, 가공 마크를 이용한 초미세 형상에 의한 확산 효과를 고찰한다.

도 46a와 도 46b는 가공 마크의 유무에 의한 시각 평가의 고찰을 설명한다. 구체적으로, 도 46a는 제1 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 기판 S를 도시하고, 도 46b는 가공 마크에 의한 초미세 형상을 갖는 다른 기판 S를 도시한다. 제1 가공 형태에 따른 미세 형상에서는, 입사 광은 평면적인 가공 형상의 직선 부분, 즉, 경사면에 의해 반사될 뿐이다. 한편, 가공 마크(51)가 형성된 초미세 형상의 경우에는, 원래 평면적인 가공 형상의 직선 부분, 즉, 경사면인 부분 상에 형성된 가공 마크(51)에 의해 광이 산란된다. 그 결과, 광이 확산되므로, 색에 깊이가 제공된다. 이는 도 44에 도시한 나비의 날개에 의한 회절에 상응한다.

이어서, 샘플에 의한 가시광의 반사 강도를 분석한 결과를 설명한다.

도 47은 수직 가시광에 대한 반사 강도 분포를 도시한다(반사각은 90도). 또한, 도 48은 성형품을 5도 기울게 했을 때의 가시광에 대한 반사 강도 분포를 도시한다(반사각은 85도). 측정기로는 시마즈 세이사꾸쇼제(Shimadzu Corp.)의 UV2400을 사용하였고, 샘플로는 미세 형상이 없는 샘플(Pt 없음), 제1 가공 형태에 따른 깊이 0.5㎛의 미세 구조를 갖는 다른 샘플, 제3 가공 형태에 따른 깊이 0.5㎛의 미세 구조를 갖는 또 다른 샘플을 사용하였다. 측정시, 측정기 비품들 중 하나이며 반사율이 100%인 Al 경면을 기준으로 사용하였다.

도 47에 도시한 바와 같이, 수직 광에서는 미세 형상이 없는 샘플이 높은 가장 반사율을 나타낸 한편, 제1 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플과 제3 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플에서는 반사율이 약간 낮았다. 반사율이 약간 낮다는 사실은 산란 광이 증가하였음을 의미한다고 고려된다. 반면, 도 48에 도시한 바와 같이 샘플들이 불과 5도 정도만큼 기울어지면, 반사율은 역전되어, 제3 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플, 제1 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플, 미세 형상이 없는 샘플의 순서로대로 반사율이 낮아진다. 이것은, 제3 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플 및 제1 가공 형태에 따른 미세 형상을 갖는 샘플의 순서로 보다 많은 산란광이 발생하고 있음을 가리킨다. 이것은 불규칙성에 의한 비간섭(noninterference) 및 회절에 의한 효과라고 고려된다.

<8. 제품예>

전자 기기에 적용한 예

이어서, 본 발명의 일 실시 형태에 따라 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품을 포함하는 제품의 예를 설명한다.

도 49a 내지 도 49c는 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품이 설치된 제1 제품예를 도시한다. 도 49a에 도시한 바와 같이, 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 형태로 된 전자 기기(140)의 하우징에, 본 발명의 실시 형태에 따른 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품이 적용된다. 예를 들어, 도 49c는 도 49b에 도시한 전기 기기(140)의 하우징 상부 덮개(140T)의 X-X 선을 따라 절취한 단면도이다. 이 예에서는, 하우징 상부 덮개(140T)의 투명 외장 내측(141) 상에 3차원 미세 형상이 형성되어 있다.

헤드폰에 적용한 예

도 50은 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품이 설치된 제2 제품예를 도시하는 도면이다. 이 예에서는, 헤드폰(150)의 헤드폰 유닛(151)에 표면 미세 요철 구조를 갖는 성형품이 적용되어 있다. 투명 수지 부품(152)의 이면(153)에, 미세 가공 및 성막이 실시되어, 이면(153)의 가공면과 헤드폰 유닛(151)의 커버 부분이 접합되어 있다.

전술한 실시 형태와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 레이저 가공 기술은 자유로운 곡면 형상을 생성할 수 있으므로, 가공면에 의해 복잡한 광학 특성을 일으킬 수 있다. 따라서, 광 반사 영역을 확대하거나 색이 복잡한 그러데이션을 생성할 수 있다. 또한, 레이저 가공 특유의 가공 마크 즉 쉘 마크를 이용한 초미세 형상에 의해, 반사 각을 향상시킬 수 있고, 인쇄 등에 의한 단순한 색조가 아니라 색의 광택 및 깊이를 제공할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서는, 두 개의 마스크를 사용해서 미세 가공을 행하는 예를 설명했지만, 세 개 이상의 마스크를 사용해서 미세 가공을 행해도 된다는 점에 주목해야 한다.

본 명세서에 있어서, 프로그램에 기초하여 실행되는 단계들은, 전술한 바와 같은 순서로 시계열로 실행되는 처리들뿐만 아니라, 반드시 시계열적으로 처리되지 않고도, 병렬적 혹은 개별적으로 실행될 수 있는 프로세스들도 포함한다는 점에 주목해야 한다. 또한, 단계들의 순서는 전술한 순서와 달라도 된다.

본 출원은 2010년 3월 17일자로 일본 특허청에 출원한 일본 특허출원 제2010-061391호에 개시된 요지에 관련된 요지를 포함하며, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 원용된다.

다양한 수정, 조합, 부조합 및 변경이 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 한 그러한 다양한 수정, 조합, 부조합 및 변경이 설계 요건 및 기타 인자에 따라 가능하다는 것을 당업자라면 이해해야 한다.

1: 레이저 광원
3: 빔 정형기
4: 마스크 스테이지
5: 축소 투영 렌즈

Claims

1 숏(shot)마다 레이저 조사 영역을 가공 대상물의 가공면에 대하여 연속적으로 이동시키면서 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공면 상에 반복적으로 조사하는, 표면 초미세 요철 구조(very fine uneven surface structure)를 갖는 성형품의 제조 방법으로서,
상기 가공 대상물의 상기 가공면에 대하여 소정의 깊이의 가공을 행하기 위한 상기 레이저 빔의 에너지 밀도를 설정하는 단계와,
상기 에너지 밀도의 레이저 빔을 상기 가공면 상에 반복적으로 조사할 때 상기 가공면 상에 원하는 미세 형상이 형성되게 하는 숏 수를 설정하는 단계와,
상기 설정된 숏 수의 레이저 빔을 상기 가공면 상에 조사하도록 상기 가공면에서의 상기 레이저 조사 영역의 이동 속도를 계산하는 단계와,
상기 계산된 이동 속도로 상기 레이저 조사 영역에 대하여 상기 가공면을 이동시키면서 상기 설정된 에너지 밀도의 레이저 빔을 조사하여, 상기 미세 형상이 형성되는 상기 가공면 상에 상기 레이저 빔의 조사에 의해 가공 마크(working marks)로 형성되는 초미세 요철 구조를 형성하는 단계
를 포함하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제1항에 있어서,
상기 가공 마크는 상기 레이저 조사 영역을 결정하는 마스크에 배치된 개구부의 에지의 형상에 기초하여 형성되는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제2항에 있어서,
상기 마스크의 개구부를 통과한 상기 레이저 빔에 의해 형성되는 상기 레이저 조사 영역의 상기 가공면에 대한 이동 방향에 의해 상기 가공 마크의 패턴을 제어하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제3항에 있어서,
복수의 개구부가 폭 방향으로 병치되고 상기 복수의 개구부의 피치는 동일하고 형상은 서로 다른 제1 및 제2 마스크를 이용하여, 상기 제1 및 제2 마스크를 통해 상기 가공 대상물 상에 상기 레이저 빔을 조사하면서 상기 레이저 빔의 상기 레이저 조사 영역을 상기 폭 방향에 직교하는 방향으로 이동시켜, 상기 제1 및 제2 마스크로 상기 레이저 빔의 조사 및 상기 레이저 조사 영역의 이동을 상기 가공 대상물에 대하여 동일한 위치에서 실시하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마스크를 이용하여 상기 레이저 조사 영역의 이동을 상기 가공 대상물 상에서 서로 직교하는 두 방향으로 실시하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마스크를 이용하여 상기 레이저 조사 영역의 이동을 상기 가공 대상물 상에서 동일한 방향으로 실시하는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제4항에 있어서,
상기 가공면 상의 상기 가공 마크의 에칭 깊이는 수백 나노미터인, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.

제1항에 있어서,
상기 가공 마크는 조사되는 상기 레이저 빔의 빔 직경에 대응하는 형상에 기초하여 형성되는, 표면 초미세 요철 구조를 갖는 성형품의 제조 방법.