KR20140097639A - 유리 표면 성형 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20140097639A KR1020130009199A KR20130009199A KR20140097639A KR 20140097639 A KR20140097639 A KR 20140097639A KR 1020130009199 A KR1020130009199 A KR 1020130009199A KR 20130009199 A KR20130009199 A KR 20130009199A KR 20140097639 A KR20140097639 A KR 20140097639A
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강신일
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Abstract

본 발명은 기능성 유리 표면을 제작하기 위한 유리 표면 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 상온에서 유리 표면 성형 공정이 가능하고 별도의 후처리 공정 없이 간단한 시스템만으로 유리 전면적에 연속적으로 기능성 미세 패턴 전사가 가능한 유리 표면 성형 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 유리판과; 상기 유리판 표면에 접촉된 상태에서 구름운동을 수행하며 상기 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하는 롤 몰드(roll mold)와; 상기 유리판의 상부에 배치되며, 상기 롤 몰드가 유리판과 접촉하기 바로 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 선(line) 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도(glass transition temperature; Tg) 이상으로 국부적으로 가열시키는 열원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유리 표면 성형 장치 및 방법{Glass surface forming device and manufacturing method thereof}
본 발명은 기능성 유리 표면을 제작하기 위한 유리 표면 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온에서 유리 표면 성형 공정이 가능하고 별도의 후처리 공정 없이 간단한 시스템만으로 유리 전면적에 연속적으로 기능성 미세 패턴 전사가 가능한 유리 표면 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 광학 모듈 부품의 광학적 성능을 향상하기 위해 기존 폴리머 계열의 소재에서 유리 소재로 그 대상 소재가 변해가고 있다. 즉, 이전에는 폴리머 소재를 이용한 부품이 광학 모듈 부품 등에 널리 사용되어 왔지만, 특수한 화학적 환경과 더 높은 온도 환경에서 폴리머 소재보다 우수한 특성을 보이는 유리 소재가 최근 들어 많이 사용되고 있다. 또한 유리의 표면에 다양한 마이크로 및 나노 패턴을 부과함으로써 소수성(hydrophobicity), 항력 저감, 광학적 특성의 부과와 같은 관심이 증대되고 있다.
한편, 이전에는 유리 소재의 부품을 생산하기 위해 주로 연마법이 이용되었으나 연마법으로는 생산할 수 있는 유리 부품의 크기, 형태 등에 제약이 따를 뿐만 아니라 양산성이 크게 떨어지기 때문에 근래에는 GMP(Glass Molding Press)방식의 직접 프레스 성형법이 개발되어 많이 이용되고 있다.
이러한 GMP 방식의 유리 성형은 크게 3단계로 이루어지는데, 첫 번째 단계에서는 성형 챔버(Chamber) 내에 질소가스를 흘려준 후, 성형용 몰드(mold)와 유리 소재를 성형온도까지 가열한다. 그리고, 두 번째 단계는 정밀성형 및 서냉 과정으로서, 최적의 고온고압 조건에서 성형 후 서냉 과정을 거친다. 이러한 서냉 과정은 GMP 공정에서 잔류 응력을 최소화하기 위한 필수적인 단계이다. 또한 유리의 형상왜곡을 억제하고 전사성을 높이기 위해 가압이 동시에 이루어져야 한다. 마지막으로 세 번째 단계에서는 유리의 냉각이 이루어진 후 성형된 유리를 취출하게 된다.
한편, 종래의 유리 성형 방법에 있어서, 유리의 표면에 기능성 미세 구조를 형성하기 위한 하나의 방법이 한국 특허공개 제1999-015475호에 개시된 바 있다. 이 방법은 성형 대상물인 유리의 표면에 포토레지스트(Photo resist)를 도포한 후, 포토레지스트 위에 원하는 패턴이 형성된 마스크를 위치시킨 다음에, 자외선을 이용하여 상기 포토레지스트를 선택적으로 경화시키고 상기 자외선 노광공정에서 경화되지 않은 잔여 포토레지스트를 제거한 후에 에칭액(식각액)으로 유리 표면을 원하는 형상으로 성형하는 것이다.
그러나, 상기와 같은 유리 표면 성형 방법은 유리 위에 포토레지스트를 도포하고 마스크를 통해 포토레지스트 위에 패턴을 형성한 후 노광공정을 거쳐 경화시킨 후 다시 에칭하는 등의 여러 단계의 공정과 긴 공정시간이 요구되고, 노광공정 후 유리 표면을 식각하기 위한 별도의 에칭 공정이 필요하기 때문에 제품 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 한국 공개특허 제1998-080774호에 개시된 '평판유리 정밀구조 고온성형 방법 및 장치'에서는 유리 표면에 기능성 미세 구조 성형을 위하여, 성형용 몰드가 유리 표면과 접촉하기 직전에 패턴이 형성된 몰드의 표면에 레이저를 조사하여 국부적으로 가열한 상태에서 상기 국부적으로 가열된 몰드의 표면을 유리에 가압하여 유리 표면에 미세 구조를 형성하였다. 즉, 유리를 유리전이온도(glass transition temperature; Tg) 미만으로 예열하고 몰드의 표면을 국부적으로 고온으로 가열한 후 몰드를 유리 표면에 압착하여 미세 패턴을 전사하는 방식이었다.
그러나, 상기한 유리 표면 성형 방법은 유리판 표면 성형 시 유리판의 형상이 변형되는 것을 억제하기 위해 유리판의 온도를 유리전이온도(Tg) 미만의 온도로 가열하는 한편 성형용 몰드를 높은 온도로 가열하여 패턴을 전사하는 방식으로 되어 있었기 때문에, 성형용 몰드를 높은 온도로 가열하기 위해 많은 에너지가 투입될 수밖에 없는 단점이 있고, 성형용 몰드 자체를 높은 온도로 가열해야 함으로써 성형용 몰드의 내구성 저하를 초래하게 되는 단점이 있었다.
이 밖에, 한국 특허등록 제975785호에 개시된 '레이저 보조 임프린팅 리소그래피'에서는, 투명한 재질의 성형용 몰드 표면을 임프린트(imprint)될 고형기판 표면에 인접하게 배치한 후, 외부에서 상기 투명한 성형용 몰드를 투과하여 기판 표면에 레이저를 조사하여 기판 표면을 연화시킨 상태에서 연화된 표면을 몰드로 압착시켜 패턴을 임프린트하는 방법이 사용되었다.
그러나, 상기와 같은 레이저 보조 임프린팅 리소그래피 방법은 레이저를 통해 기판 전체를 고온으로 만든 상태에서 높은 압력을 가하여 몰드의 패턴을 전사하는 방식으로서, 이는 기판 전체가 높은 온도로 올라가야 하므로 많은 에너지가 필요하고, 몰드의 패턴을 유리 표면에 전사하기 위해 높은 압력이 가해져야 하기 때문에 고가의 성형 비용이 요구되고, 몰드의 패턴 전사 압력에 의해 기판이 깨지거나 휨 현상이 발생하는 단점이 있었다. 또한, 레이저가 성형용 몰드를 투과하여 기판 표면에 조사되는 구조로 되어 있었기 때문에 몰드의 소재가 레이저를 투과시킬 수 있는 투명 소재로 한정될 수밖에 없는 단점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 미세 패턴이 형성된 롤 몰드를 유리판 표면에 접촉시켜 패턴을 전사하는 과정에서, 상기 롤 몰드가 유리판 표면에 접촉하기 바로 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 선 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도 이상으로 국부적으로 가열하여 유연한 상태의 성형 가능 영역을 만든 후, 이 성형 가능 영역을 롤 몰드로 찍어내어 유리판 표면에 미세 패턴이 전사되도록 함으로써, 유리판과 롤 몰드와의 선접촉 구조를 통해 유리판에 가해지는 압력을 최소화할 수 있고, 유리판 표면 부분에만 국부적으로 열에너지를 가하여 유리판 전면적에 걸친 열적 손상이 발생하지 않으며, 상온에서 유리 표면 성형이 가능하고, 별도의 후처리 공정이 없이 간단한 시스템만으로 유리 표면에 미세 패턴 성형이 가능하여 저비용으로 대면적의 제품을 신속하게 제조할 수 있는 유리 표면 성형 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유리 표면 성형 장치는, 유리판과; 상기 유리판 표면에 접촉된 상태에서 구름운동을 수행하며 상기 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하는 롤 몰드(roll mold)와; 상기 유리판의 상부에 배치되며, 상기 롤 몰드가 유리판과 접촉하기 바로 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 선(line) 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도(glass transition temperature; Tg) 이상으로 국부적으로 가열시키는 열원장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열원장치는, 레이저광원과; 상기 레이저광원에서 발생된 레이저광의 경로를 변경하기 위한 적어도 하나 이상의 미러와; 상기 미러를 통해 입사된 레이저광을 선 형태의 레이저 집속광으로 생성하여 상기 유리판 표면에 조사하는 광쉐이퍼(beam shaper);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 광쉐이퍼로는 미러면에 반구형으로 돌출된 복수의 렌즈가 어레이(Array) 형태로 배열된 렌티큘라 미러(lenticular mirror)가 적용될 수 있다.
이때, 상기 렌즈의 피치(pitch)는 10 ~1000㎛ 범위 내에 존재하고, 이 범위 내에서 반지름에 대판 피치의 비율을 나타내는 상기 렌즈의 듀티비(duty ratio)는 0.1 ~ 1.0 사이 값을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에는 상기 유리판을 일정한 속도로 직선 이송시키기 위한 이송수단이 더 설치될 수 있다.
그리고, 상기 유리판은 레이저광이 투과될 수 없는 불투명 재질로 구성될 수 있다.
또는, 상기 레이저광을 유리판 투과가 불가능한 적외선 파장을 갖는 비투과성 레이저광으로 사용할 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유리 표면 성형 방법은, 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 유리 표면 성형 방법에 있어서, (a)외주면상에 유리판 표면에 형성할 미세 패턴이 형성된 롤 몰드(roll mold)를 준비하는 단계와; (b)상기 롤 몰드를 유리판 표면에 접촉시킨 상태에서 일정 속도로 구름운동을 수행하도록 하는 단계와; (c)상기 롤 몰드가 유리판과 접촉하기 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 선 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도 이상으로 국부적으로 가열하는 단계와; (d)상기 국부적으로 가열된 유리판 표면을 롤 몰드를 통해 압착하여 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 유리 표면 일부분에 레이저를 통해 국부적으로 높은 에너지를 가하여 유리전이온도와 녹는 온도 사이의 온도를 갖는 성형 가능한 일정 폭을 갖는 선 형태의 국부 가열 영역을 형성하고, 이렇게 형성된 국부 가열 영역에 구름운동을 수행하는 롤 몰드를 접촉시켜 유리 표면에 미세 패턴이 전사되도록 하는 간단한 공정을 통해 유리판 전면적에 걸쳐 연속적으로 패턴 전사가 가능하고, 높은 에너지를 투입하지 않고서도 효율적으로 유리판 표면에 패턴 전사가 가능한 효과가 있다.
또한, 상기 롤 몰드의 접촉에 따른 패턴 형성 과정에서, 롤 몰드와 유리판 표면과의 접촉면적을 최소화함으로써 롤 몰드로부터 유리판에 가해지는 압력을 최소화시킬 수 있기 때문에 기존과 같이 몰드로부터 작용되는 과도한 압력에 의해 유리판이 깨지거나 휘는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 레이저장치에 구비된 광쉐이퍼를 통해 유리판의 표면 일부분에만 수백 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 깊이로 국부적으로 열을 가하도록 구성되기 때문에, 기존과 같이 유리판 가열 과정에서 유리판 전면적에 걸친 열적 손상이 발생될 우려가 없고, 상온에서도 유리 표면 성형이 가능한 효과가 있다.
또한, 기존 리소그래피 방식에 의한 유리 성형 방법에 비해 식각 공정 등의 별도 후처리 공정이 필요 없이 간단한 공정으로 유리 표면 성형이 가능하고, 유리판에 선 형태의 열에너지를 인가할 수 있는 간단한 레이저 시스템만을 채용하여 유리판 전면적에 걸쳐 연속적으로 패턴 전사가 가능한 효과가 있다.
또한, 기존의 유리 성형공정과 같이 유리 전체를 고온으로 만들기 위해 높은 에너지가 투입될 필요가 없으며, 롤 몰드의 패턴을 유리 표면에 전사하기 때문에 평판형 몰드를 사용하는 경우보다 적은 압력으로도 성형이 가능하여 투입되는 에너지 양을 대폭 절감시킬 수 있어서 제품의 생산단가를 크게 낮출 수 있는 효과가 있다.
이와 같은 여러 가지 장점들로 인해 본 발명은 현재 많은 수요가 있는 유리를 사용하는 디스플레이 분야뿐만 아니라 바이오, 건축용 유리, 자동차 유리 등에 바로 적용이 가능하며 유리의 표면에 다양한 나노/마이크로 패턴을 전사함으로써 무반사 나노패턴(모스 아이 패턴), 연꽃잎 패턴(hydrophobicity), 상어지느러미 패턴(riblet) 등과 같은 패턴을 유리에 일체로 성형할 수 있어 다른 부착물 없이 유리 자체의 광학적 성능을 포함한 다양한 기능의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다
도 1은 본 발명에 따른 유리 표면 성형 장치의 구성을 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 A-A' 부분을 확대 도시한 확대도.
도 3은 도 1의 A-A' 부분의 온도 분포를 나타낸 그래프
도 4는 유리판 표면에 선 형태의 국부 가열 영역을 생성하기 위한 레이저장치의 구성을 도시한 구성도.
도 5는 도 4의 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 유리 표면 성형 공정을 순차적으로 도시한 공정도
도 7은 레이저장치의 광쉐이퍼에 의해 형성된 집속광(국부 가열 영역)의 모양 및 온도 분포를 해석을 통해 나타낸 그래프
도 8은 3W 출력의 열원 조사 시간에 따른 유리의 표면으로부터의 깊이 방향에 대한 온도 분포를 해석을 통해 나타낸 그래프
도 9는 서로 다른 출력으로 유리 표면에 레이저를 조사한 이후 유리판 표면의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프
도 10은 유리 표면에 패턴 전사를 위한 롤 몰드의 하나의 예로서, 상어지느러미 표면(riblet) 형상을 갖는 롤 몰드 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진
도 11은 도 10과 같은 상어지느러미 표면 형상을 가진 롤 몰드에 의해 유리 표면에 패턴이 전사된 모습을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 유리 표면 성형 장치의 전체 구성을 보여주는 구성도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 부분을 확대 도시한 상세도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 유리 표면 성형 장치(100)는 성형 대상물인 유리판(110), 상기 유리판(110) 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 성형 기구인 롤 몰드(roll mold)(120), 유리판(110) 표면에 성형 가능한 국부 가열 영역(S)을 형성할 수 있는 열원 수단인 레이저장치(130)를 포함하여 구성된다.
상기 롤 몰드(120)는 유리판(110) 위에서 구름운동을 수행할 수 있도록 원통 구조로 이루어지며 그 외주면에는 유리판(110) 표면에 미세 구조(micro/nano structure)를 형성하기 위한 미세 패턴(122)이 형성된다. 이러한 롤 몰드(120)는 직선이동하는 유리판(110)의 표면에 접촉된 상태에서 구름운동을 수행하게 된다.
이때, 상기 유리판(110)은 이송판(102) 위에 안착되고, 상기 이송판(102)은 하부에 배치된 다수의 이송 롤러(104)를 통해 지지된 상태에서 도시되지 않은 이송수단을 통해 일정한 속도로 이송됨으로써 유리판(110)의 직선운동이 이루어지게 된다.
한편, 레이저장치(130)는 유리판(110) 표면을 국부적으로 가열하는 열원 수단으로서, 롤 몰드(120)와 유리판(110)이 접촉되는 부분의 전방측(도면의 좌측) 상부에서 상기 유리판(110) 표면에 비스듬한 형태로 레이저광을 조사하여 유리판(110) 표면을 성형에 적합한 유리전이온도(glass transition temperature; Tg) 이상으로 국부적으로 가열한다.
이때, 상기 레이저장치(130)에 의한 유리판(110) 가열은 유리판(110)의 전면적에 걸친 가열이 아니라 유리판(110) 표면의 일부 국한된 영역의 가열로 제한된다. 즉, 유리판(110) 위에서 롤 몰드(120)의 구름운동시 상기 롤 몰드(120)와 유리판(110)이 접촉되기 바로 직전의 유리판(110) 표면에 상기 레이저장치(130)를 통해 롤 몰드(120)와 평행한 선 형태의 레이저광을 조사하여 국부적으로 높은 에너지를 가함으로써 유리판(110) 표면을 유리전이온도(Tg)와 녹는 온도 사이의 온도로 만들어 표면 성형이 적합한 변형이 용이한 상태로 유지시키도록 한다. 이때, 상기 레이저장치(130)를 통해 국부적으로 가열되는 국부 가열 영역(S)은 유리판(110) 표면으로부터 수백 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 깊이(D)로 가열된다.
도 3은 레이저장치(130)를 통해 레이저광이 유리판(110)에 최초 조사된 이후 유리판(110)이 일정거리 이동된 시점(도 1의 A-A'부분)에서의 온도 분포의 예시를 보여주고 있다.
여기서, A는 레이저광이 유리판(110)에 최초 조사되는 시점을 나타내고, A'은 레이저광이 조사된 후 유리판(110)이 일정거리 이동된 시점으로서 롤 몰드(120)의 접촉에 의해 유리판(110) 표면에 미세 패턴 형성이 완료된 시점이다. 또한, Tg 는 유리전이온도(glass transition temperature)를 나타내고, Tk 는 유리가 몰드에 고착되는 고착온도(sticking temperature)를 나타낸다.
도 3에 도시된 A-A' 부분의 온도 선도(profile)에서 볼 수 있듯이, 유리판(110) 표면에 레이저광이 조사될 경우, 레이저광이 조사된 부분의 유리판(110) 표면은 유리전이온도(Tg) 이상으로 온도가 상승하여 유리 고착온도(Tk ) 이상까지 온도가 급격히 상승하였다가 다시 유리전이온도(Tg ) 이하로 서서히 하강하는 온도 분포를 보인다. 여기서, 롤 몰드(120)의 접촉에 의한 유리판(110) 표면의 성형작업은 유리 고착온도(Tk ) 이하로 내려가는 시점부터 이루어지게 된다. 이는 유리 고착온도(Tk ) 이상에서 성형할 경우 유리가 몰드의 표면에 달라붙게 되어 실질적인 성형작업이 용이하지 않기 때문이다. 또한, 레이저광의 초기 조사시 유리판(110)의 표면 온도를 고착온도(Tk) 이상으로 끌어올리는 이유는 롤 몰드(120)에 의한 유리판(110)의 표면 성형과정에서 온도 지속시간을 길게 유지하도록 하기 위함이다.
한편, 도 4는 유리판(110) 표면에 선 형태의 국부 가열 영역(S)을 생성하기 위한 레이저장치(130)의 구성을 보여주는 구성도이고, 도 5는 도 4의 정면 모습을 나타낸 정면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저장치(130)는, 레이저광을 발생시키는 레이저 광원(131)과, 상기 레이저 광원(131)에서 발생된 레이저광을 반사시켜 광의 경로를 변경하도록 설치되는 2개의 미러(mirror)(132)(133)와, 상기 미러(132)(133)를 통해 반사된 레이저광을 회절 및 반사시켜 유리판(110) 표면에 선(line) 형태의 레이저 집속광으로 만들어주는 광쉐이퍼(beam shaper)(134)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 광원(131)으로부터 조사되는 레이저광은 유리에 흡수될 수 있는 영역의 파장을 갖는다. 즉, 상기 레이저광은 유리판(110)에 쉽게 흡수되어 유리판(110) 투과가 불가능한 1㎛ 이상의 적외선 파장을 갖는 비투과성 레이저광이 사용될 수 있다.
한편, 레이저장치(130)에 구비되는 광쉐이퍼(134)는 광이 반사되는 미러(135)의 일측면에 원호 형상을 이루며 볼록하게 돌출된 복수의 렌즈(136)가 어레이(Array) 형태로 배열된 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 미러는 일명 '렌티큘라 미러(lenticular mirror)'라고도 말한다. 이와 같은 렌티큘라 미러를 레이저장치(130)의 광쉐이퍼(134)로 사용하여 상기 렌티큘라 미러 표면에 배열된 복수의 렌즈(136)를 통해 레이저광을 회절 및 반사시켜 유리판(110) 표면에 선(line) 모양의 집속광 형태로 조사함으로써 유리판(110) 표면을 성형에 적합한 온도로 국부적으로 가열시킬 수 있다.
여기서, 상기 광쉐이퍼(134)를 통해 유리판(110) 표면에 선 형태로 조사되는 레이저 집속광의 선 길이(length) 및 선 폭(width)은 상기 광쉐이퍼(134)의 미러면에 형성된 렌즈(136)의 반지름(radius) 및 피치(pitch) 값을 변화시켜 조절할 수 있다. 이 경우, 상기 렌즈(136)의 피치는 10 ~1000㎛ 범위 내의 값으로 설정하고, 이러한 피치 범위 내에서 반지름에 대한 피치의 비율을 나타내는 듀티비(duty ratio)는 0.1 ~ 1.0 사이 값을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 레이저장치(130)에 구비된 광쉐이퍼(134)를 통해 롤 몰드(120)와 유리판(110)이 접촉되기 바로 직전의 유리판(110) 표면에 롤 몰드(120)와 평행한 선 형태의 레이저 집속광을 조사하여 유리판(110) 표면의 일부 두께만을 유리전이온도에서 녹는 온도(녹는점) 사이의 온도로 국부적으로 가열시킬 수 있고, 이렇게 가열되어 유연해진 유리판(110) 표면을 롤 몰드(120)로 접촉시켜 유리판(110) 표면에 미세 패턴을 찍어낼 수 있다.
이하, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 유리 표면 성형 장치(100)를 이용한 유리 표면 성형 방법을 첨부된 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 처음 단계로서, 외주면에 유리판(110) 표면에 형성할 미세 패턴(122) 구조가 형성된 롤 몰드(roll mold)를 준비한다.(S210)
그런 다음, 상기 롤 몰드(120)를 유리판(110) 표면에 맞닿도록 접촉시킨 상태에서 이송판(102) 위에 안착된 유리판(110)을 일정 속도로 직선이동시켜 상기 롤 몰드(120)가 유리판(110) 위에서 구름운동을 수행하도록 한다.(S220)
이와 같은 롤 몰드(120)의 구름운동 과정에서, 상기 롤 몰드(120)가 유리판(110) 표면에 접촉하기 바로 직전 위치의 유리판(110) 표면에 레이저장치(130)를 통해 상기 롤 몰드(120)와 평행한 선(line) 형태의 레이저 집속광을 조사하여 유리판(110) 표면의 일부를 유리전이온도 이상의 온도로 일정시간 동안 가열함으로써 유리판(110) 표면을 성형에 적합한 유연한 상태로 만들게 된다.(S230)
이때, 상기 레이저광의 조사에 의해 가열된 유리판(110) 표면은 롤 몰드(120)의 외주면에 형성된 미세 패턴(122)을 전사할 수 있는 일정 깊이(두께)까지만 국부적으로 가열되도록 하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 레이저광의 조사에 따른 유리판(110)의 표면온도 상승시간은 유리판(110)의 이송속도 또는 레이저광의 출력에 따라 달라지기 때문에, 이러한 유리판(110)의 이송속도나 레이저광의 출력을 조절하여 유리판(110)의 표면온도 상승시간과 가열 깊이를 조절할 수 있다.
이렇게 상기 롤 몰드(120)가 접촉되기 전 단계에서 선 형태의 레이저 집속광에 의해 가열된 유리판(110) 표면의 온도가 성형에 적합한 온도로 충분히 상승된 후에는, 최종적으로, 상기 국부 가열된 유리판(110) 표면을 구름운동을 수행하는 롤 몰드(120)를 통해 접촉시켜서 유리판(110) 표면에 미세 패턴(112) 형상을 형성하게 되는 것이다.(S240)
도 7에 나타낸 시뮬레이션 결과는 상기 본 발명의 유리 표면 성형 공정 시 광쉐이퍼(134)에 의해 유리판(110) 표면에 형성되는 레이저 집속광의 형태 및 온도 분포를 보여주는 것으로서, 광쉐이퍼(134)의 미러면에 형성된 렌즈(136)의 반경(radius)이 300㎛, 피치(pitch)가 180㎛, 높이가 13.82㎛일 경우에 유리판(110) 표면에 형성되는 레이저 집속광의 형태 및 온도 분포를 나타낸다. 여기서 상기 렌즈(136)의 피치 값은 반경 값의 60%로서 이러한 경우 듀티비(duty ratio)는 0.6이 된다.
또한, 도 8은 본 발명의 레이저장치(130)를 통해 3W의 출력이 인가되었을 경우, 레이저 조사 시간에 따른 유리판(110) 표면으로부터의 깊이 방향에 대한 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 8의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 유리 표면 성형은 유리 성형에 적합한 유리전이온도(그래프에서 500℃ 전후) 이상의 온도로 가열되는 경우 유리 표면으로부터 일정 깊이 부분에만 온도에 의한 영향을 받기 때문에 유리 표면의 일정 깊이만을 국부적으로 가열하여 미세 패턴을 형성할 수 있다. 이는 유리 전체를 고온으로 가열하여 성형하는 기존의 일반적인 유리 성형 방식에 비하여 유리 전체에 깨짐이나 휨 현상을 방지하고 변형되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 도 9는 서로 다른 출력으로 유리판(110) 표면에 레이저를 조사한 이후 시간 경과에 따른 유리판(110) 표면의 온도 변화를 나타낸 것이다. 도 9의 그래프에 나타낸 바와 같이, 레이저광 조사 후 시간의 경과에 따라 유리 표면온도가 서서히 감소되는 것을 볼 수 있으며, 이를 바탕으로 높은 출력의 레이저광 조사 후 유리 표면 온도가 유리전이온도(그래프에서 500℃ 전후)와 고착온도(그래프에서 약 570℃) 사이의 안정적인 온도로 유지되는 약 2초 정도의 시간이 지난 시점을 유리 성형 시점으로 설정하여 롤 몰드의 구름운동 속도를 제어할 수 있고, 이를 통해 레이저광 조사 후 약 2초 후의 시점에 유리 표면을 롤 몰드와 접촉하게 하여 유리 표면에 패턴을 전사할 수 있다.
한편, 도 10은 상술한 바와 같은 유리 표면 성형 공정 시 유리 표면에 패턴 전사를 위해 사용되는 롤 몰드에 대한 하나의 예로서, 상어지느러미 형상(riblet)을 갖는 롤 몰드 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 11은 도 10과 같은 상어지느러미 모양의 표면 형상을 갖는 롤 몰드를 통해 유리 표면에 패턴을 전사한 결과를 나타낸 주사현미경(SEM) 사진이다. 도 10 및 도 11에 나타낸 주사현미경(SEM) 사진으로부터 확인할 수 있듯이, 유리 표면 일부분에 레이저를 통해 국부적으로 높은 에너지를 조사하여 가열한 후 상기 국부 가열된 영역에 롤 몰드를 접촉시켜 낮은 압력으로 유리 표면에 패턴이 전사됨을 확인할 수 있었으며, 또한, 유리 전 영역에 걸쳐 깨지거나 휘는 현상이 발생하지 않았다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 유리판(110)의 표면 일부분에 레이저를 통해 국부적으로 높은 에너지를 가하여 유리전이온도(Tg) 이상으로 가열된 선 형태의 국부 가열 영역(S)을 형성한 후, 이렇게 가열된 선 형태의 국부 가열 영역(S)에 롤 몰드(120)를 선접촉시켜 유리판(110) 표면에 패턴이 전사되도록 하는 간단한 공정을 통해 유리판(110) 전면적에 걸쳐 연속적으로 패턴 전사가 가능하고, 높은 에너지를 투입하지 않고서도 효율적으로 유리판 표면에 패턴 전사가 가능하다.
또한, 상기 롤 몰드(120)의 접촉에 따른 패턴 형성 과정에서 롤 몰드(120)와 유리판(110) 표면과의 접촉면적을 최소화하여 상기 롤 몰드(120)로부터 유리판(110)에 가해지는 압력을 최소화시킬 수 있기 때문에, 기존과 같이 몰드로부터 작용되는 과도한 압력에 의해 유리판이 깨지거나 휘는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저장치(130)의 광쉐이퍼(134)를 통해 유리판(110) 표면 일부분에만 수백 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 깊이로 국부적으로 열을 가하도록 되어 있기 때문에, 기존과 같이 유리판 가열 과정에서 유리판 전면적에 걸친 열적 손상이 발생될 우려가 없고, 상온에서도 유리 표면 성형이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존 리소그래피 방식에 의한 유리 성형 방법에 비해 식각 공정 등의 별도 후처리 공정이 필요 없이 간단한 공정으로 유리 표면 성형이 가능한 장점이 있고, 유리판에 선 형태의 열에너지를 인가할 수 있는 간단한 레이저 시스템만을 채용함으로써 유리판 전면적에 걸쳐 연속적으로 패턴 전사가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 유리 성형공정과 같이 유리 전체를 고온으로 만들기 위해 높은 에너지가 투입될 필요가 없으며, 몰드의 패턴을 유리 표면에 전사하기 위해 몰드에 높은 압력을 가해줄 필요가 없기 때문에 투입되는 에너지 양을 대폭 절감시킬 수 있어서 제품의 생산단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 유리 표면 성형 장치 102 : 이송판
104 : 이송 롤러 110 : 유리판
112 : (전사된)미세 패턴 120 : 롤 몰드(roll mold)
122 : (롤 몰드의) 미세 패턴 130 : 레이저장치
131 : 레이저 광원 132,133,135 : 미러(mirror)
134 : 광쉐이퍼(beam shaper) 136 : 렌즈

Claims (12)

  1. 유리판과;
    상기 유리판 표면에 접촉된 상태에서 구름운동을 수행하며 상기 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하는 롤 몰드(roll mold)와;
    상기 유리판의 상부에 배치되며, 상기 롤 몰드가 유리판과 접촉하기 바로 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 선(line) 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도(glass transition temperature; Tg) 이상으로 국부적으로 가열시키는 열원장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  2. 제1항에 있어서, 상기 열원장치는,
    레이저광원과;
    상기 레이저광원에서 발생된 레이저광의 경로를 변경하기 위한 적어도 하나 이상의 미러와;
    상기 미러를 통해 입사된 레이저광을 선 형태의 레이저 집속광으로 생성하여 상기 유리판 표면에 조사하는 광쉐이퍼(beam shaper);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  3. 제2항에 있어서, 상기 광쉐이퍼는 미러면에 반구형으로 돌출된 복수의 렌즈가 어레이(Array) 형태로 배열된 렌티큘라 미러(lenticular mirror)인 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  4. 제3항에 있어서, 상기 렌즈의 피치(pitch)는 10 ~1000㎛ 범위 내에 존재하고, 이 범위 내에서 상기 렌즈의 듀티비(duty ratio)는 0.1 ~ 1.0 사이 값을 갖는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  5. 제1항에 있어서, 상기 유리판을 일정한 속도로 직선 이송시키기 위한 이송수단이 더 설치된 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  6. 제1항에 있어서, 상기 유리판은 레이저광이 투과될 수 없는 불투명 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  7. 제1항에 있어서, 상기 열원장치로부터 조사되는 레이저광은 유리판 투과가 불가능한 비투과성 레이저광인 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  8. 제7항에 있어서, 상기 비투과성 레이저광은 적외선 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 장치
  9. 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하기 위한 유리 표면 성형 방법에 있어서,
    (a) 외주면상에 유리판 표면에 형성할 미세 패턴이 형성된 롤 몰드(roll mold)를 준비하는 단계와;
    (b) 상기 롤 몰드를 유리판 표면에 접촉시킨 상태에서 일정 속도로 구름운동을 수행하도록 하는 단계와;
    (c) 상기 롤 몰드가 유리판과 접촉하기 바로 직전의 유리판 표면에 상기 롤 몰드와 평행한 일정 폭을 갖는 선 형태의 집속광을 조사하여 유리판 표면의 일부 두께만을 유리전이온도 이상으로 국부적으로 가열하는 단계와;
    (d) 상기 국부적으로 가열된 유리판 표면을 롤 몰드를 통해 압착하여 유리판 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 방법
  10. 제9항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 유리판 표면에 조사되는 집속광은 레이저광인 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 방법
  11. 제10항에 있어서, 상기 레이저광은 유리판 투과가 불가능한 비투과성 레이저광인 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 방법
  12. 제11항에 있어서, 상기 비투과성 레이저광은 적외선 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 유리 표면 성형 방법
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