KR20230058079A - 엠보싱 장치 및 해당 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 시스템 - Google Patents

엠보싱 장치 및 해당 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 시스템 Download PDF

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찰스 보에글리
가브리엘 두미트루
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보에글리-그라부레스 에스.에이.
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Abstract

엠보싱 장치 또는 사출 금형을 제조하는 방법은 원통형상 코어와 하드 코팅층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, - 하드 코팅층은 30㎛ 이하의 두께를 가짐 -; 및 하드 코팅 실린더에 레이저 어블레이션을 실행하여 하드 코팅층으로부터 재료를 제거함으로써, 하드 코팅층에 개구와, 구조적 특징부를 형성하는 개구의 표면을 형성하여, 구조화된 하드 코팅 실린더를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

엠보싱 장치 및 해당 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 시스템
본 발명은 엠보싱 롤러, 롤, 드럼, 실린더 및 플레이트 등의 엠보싱을 위한 장치 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 예를 들어, 포장 재료를 엠보싱하기 위한 엠보싱 장치와 같이, 외부면에 엠보싱 구조를 갖는 엠보싱 장치를 제조하는 방법 및 해당 제조 시스템 분야와, 포장 재료를 엠보싱하기 위한 이러한 엠보싱 장치의 용도에 관한 것이다.
최신 기술에는 여러 상이한 응용 분야용으로 엠보싱 롤러를 제조하는 여러 상이한 방법이 제안되었다. 예를 들어, 엠보싱 또는 구조화된 포장용 포일(foil)은, 가령 담배 제품, 초콜릿, 과자, 사탕 등의 식품뿐만 아니라, 전자 부품 및 장치, 보석류, 시계류 등의 디바이스용 포장을 위한 다양한 산업 부문에서, 또는 임의 소매 부문의 선물 포장을 위한 랩 포장 포일로서 사용되어 왔다. 예를 들어, 미관 및 보호 목적으로 담배, 시가, 초콜릿 주위를 감쌀 수 있는 특정 패턴을 갖는 소위 인너 라이너(inner liners)가 사용되어 왔다. 엠보싱 롤러는 연속적인 롤-투-롤(roll-to-roll, R2R:얇은 필름을 롤에 그대로 감아 가공하는 방식) 제조 공정에서 사용할 수 있으며, 이 공정에서 얇은 포일은 금속, 투명 전도성, 비금속, 유전체 등의 요소를 포함할 수 있는 엠보싱 패턴으로 엠보싱된다. 또 다른 응용 분야로는, 예를 들어 R2R 또는 롤-투-플레이트(roll-to-plate, R2P) 공정에 의한 열간 엠보싱 공정, 가령 열가소성 중합체 필름의 열간 엠보싱에 의해 열가소성 필름을 사용하여 엠보싱 패턴을 생성하는 것이 있다. 예를 들어, Peng 등의 “Micro Hot Embossing of Thermoplastic Polymers (열가소성 중합체의 미세 열간 엠보싱): a Review,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 24, No. 1, p. 013001, 2013을 참조한다.
협동하는 한 쌍의 롤러용 레이저 공정에 의한 엠보싱 롤러 또는 드럼의 제조와 관련하여, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 9,579,924호에는 수형 롤러 및 암형 롤러를 갖는 엠보싱 롤러 세트를 제조하는 방법이 기재되어 있으며, 이들의 구조 요소는 선형 및 각도 치수의 자발적 편차(voluntary deviations)와 관련하여 특정한 구조적 특징부를 갖는다. 엠보싱 롤러 세트의 구조는 레이저(12) 및, 음향-광학(acoustic-optical) 또는 전기-광학(electro-optical) 변조기나 다각형 미러를 포함할 수 있는 편향부(14)를 갖는 레이저 장치(L12)에 의해 독립적으로 제조된다. 편향부(14), 집속 광학계(15) 및 편향 미러(16)는 x축에서 선형으로 변위 가능한 조각부(engraving unit)(17)를 형성한다. 공작물은 회전 각도(Φ)로 표시되는 드라이브(23)에 의해 구동된다. 조각부의 선형 변위와 롤러 회전의 조합에 의해, 균일한 기계가공을 가능케 하는 일정한 나선형 라인(SL)이 생성된다.
또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 8,435,373호에는 재료의 제거 및/또는 추가에 의해 플렉시블 기판 상에 원하는 패턴을 형성하는 상이한 R2R 공정 및 장치가 기재되어 있으며, 여기서 엠보싱 표면을 갖는 회전식 패터닝 툴에 의해 롤-투-롤(R2R) 엠보싱 공정에서 엠보싱이 실행되어, 예를 들어, 중합체 3차원(3D) 릴리프 패턴을 형성하는 데 적합한 여러 상이한 재료 및 다양한 기술에 의해 인시츄 마스크층(In-Situ Mask Layer)이 만들어질 수 있다.
또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 9,993,895호에는 엠보싱 롤러를 조각하는 레이저 가공 방법이 기재되어 있으며, 이 롤러는 예를 들어 사면체 비정질 탄소(Ta-C) 같은 매우 단단한 표면 코팅으로 코팅되어 있어, 1마이크로미터보다 작은 치수, 바람직하게는 300㎚의 깊이를 가질 수 있는 2개의 중첩된 매우 작은 엠보싱 구조를 제공한다. 이는 엠보싱 포일이 서로 다른 가시적인 다색 광학 회절 효과를 가질 수 있게 한다.
또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 제 10,183,318호에는 스틸 엠보싱 롤러의 표면을 구조화하는 방법, 및 이종의 고합금 철 기재(high-alloyed iron base material)로 제조된 엠보싱 롤러가 기재되어 있으며, 이 방법은 최대 100m/s 이상의 편향 속도가 가능한 높은 레이저 편향 속도를 위해 특정 레이저 가공 파라미터를 사용하는 레이저를 갖는 레이저 가공 시스템을 사용하여 60㎛ 내지 200㎛ 깊이의 구조를 형성한다.
또한, 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 미국 특허 공보 제 2017/0066079호에는 기판 표면 상으로 펨토초(femtosecond: 10－15초) 또는 피코초(picosecond: 1조분의 1초) 레이저 빔(2)의 마스크 투영을 위한 장치가 기재되어 있으며, 레이저 빔(2)은 광축의 위치에서 형성되어 확장된 레이저 빔 단면을 갖는 레이저 빔 펄스 또는 감소된 레이저 빔 단면을 갖는 레이저 빔 펄스를 만드는 레이저 빔 펄스로 이루어진다. 여기서, 레이저 초점(17, 19, 22)의 위치에서 플라즈마의 형성을 피하기 위해 특정 진공 큐벳(18, 20, 23)이 사용되며, 진공 큐벳(20) 중 하나는 기판(13)의 표면(12)에서 레이저 어블레이션(laser ablation)이 이루어지는 가공물에 인접해 있는 핀홀 구멍(26)을 갖는다.
그러나, 롤러, 드럼 또는 플레이트 등의 엠보싱 장치를 제조하는 공정 및 여러 상이한 응용 분야에 대한 모든 개선에도 불구하고, 구체적으로 여러 상이한 유형의 기판을 엠보싱하여 외부면에 보다 여러 상이한 엠보싱 구조를 만들고, 실질적으로 향상된 내구성 및 수명을 갖는 롤러 등의 엠보싱 장치를 제공하기 위해, 신규하고 실질적으로 개선된 방법 및 결과적인 엠보싱 장치가 여전히 요구된다. 예를 들어, 확인된 한 가지 문제는, 특히 엠보싱 구조 자체의 내부에 놓이는 표면의 경우, 달리 평면 또는 곡선 내부면에 다소 높은 표면 거칠기가 존재하며, 이는 궁극적으로 엠보싱된 필름과 포일에서 높은 마모, 및 예를 들어, 광학적 흐림을 생성하고 이들 구조의 광학적 품질을 저하시키는 등의 바람직하지 않은 광학적 결과를 유발할 수 있는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 엠보싱 시스템용 엠보싱 장치의 제조 방법이 제공된다. 바람직하게는, 이 방법은 원통형상 코어와 30㎛ 미만의 두께를 가진 하드 코팅층을 갖는 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계, 및 하드 코팅 실린더에 레이저 어블레이션을 실행하여 하드 코팅층으로부터 재료를 제거함으로써, 하드 코팅층에 개구와, 구조적 특징부를 형성하는 개구의 표면을 형성하여, 구조화된 하드 코팅 실린더를 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은, 바람직하게는 구조화된 하드 코팅 실린더의 표면을 연마하여 구조적 특징부의 내부면을 매끄럽게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 엠보싱 장치가 제공된다. 바람직하게는, 상기 엠보싱 장치는 베이스; 베이스 상에 배열되는 접착층; 접착층 상에 배열되고 30㎛ 이하의 두께를 갖는 하드 코팅층; 및 하드 코팅층의 표면에 배열되는 엠보싱 구조를 포함한다. 또한, 바람직하게는, 엠보싱 구조는 복수의 각도로 배향된 격자용 홈 등의 주기적인 구조, 또는 도트나 정사각형(squares)의 매트릭스를 포함한다. 바람직하게는, 구조의 깊이는 1㎛ 내지 10㎛이다. 격자의 주기는 1㎛ 내지 10㎛의 범위이다. 도트 또는 정사각형의 매트릭스는 직사각형 또는 육각형 그리드 또는 격자에 따라 배열되며, 주기는 1㎛ 내지 10㎛의 범위이다. 바람직하게는, 구조의 깊이와 폭 간의 비율은 0.25 내지 1.2의 범위이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 사출 금형이 제공된다. 바람직하게는, 사출 금형은 베이스; 베이스 상에 배열되는 접착층; 접착층 상에 배열되고 1㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 하드 코팅층; 및 하드 코팅층의 표면에 배열되는 표면 구조를 포함하고, 표면 구조는 금형 구조로서 활용된다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징과 장점, 및 이들을 실현하는 방법은 본 발명의 일부 바람직한 실시예를 도시하는 첨부한 도면을 참조하여 이루어지는 다음의 상세한 설명 및 첨부한 특허청구범위를 연구함으로써 보다 명백해질 것이며, 본 발명 자체를 가장 잘 이해하게 된다.
본원에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 현재 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내며, 위에서 제공한 일반적인 설명 및 아래에서 제공하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 본 발명의 일 양태에 따라, 엠보싱 롤러나 드럼(100) 또는 플레이트(200)를 도시한 변형예에서 엠보싱 장치(100, 200)를 제조하는 방법의 단계를 보이는 개략도이고, 도 1b는 하드 코팅 구조 지지층(30)(hard-coating structuration-bearing layer)으로부터 하드 코팅 재료의 층별 또는 쉘별 제거를 위해 레이저 어블레이션 단계에 의해 가공되어 구조(110, 110a)의 3차원 구조를 형성한 후에 코어(10)나 플레이트 또는 베이스(10a)를 도시하는 단면 예시도이다.
도 2a 내지 2b는 원통형상 금속 실린더 또는 코어(10)를 도시하는 단면도로, 도 2a는 접착층(20)으로 코팅된 코어(10) 및 하드 코팅 구조 지지층(30)의 단면을 나타내고, 도 2b는 하드 코팅 구조 지지층(30)에 형성된 구형 싱크(120)를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3f는 연마 단계(S90) 전후에 엠보싱 장치(100)의 노출면(102)을 도시하는 여러 상이한 예시적인 도면으로, 도 3a 및 도 3b는 구조(110, 120) 내부의 표면 거칠기가 크게 개선되는 연마 단계(S90) 전후에 엠보싱 롤러 또는 드럼(100)의 노출면(102)을 나타내는 2개의 단면도이고, 도 3c 및 3d는 연마 단계(S90) 전후에 현미경 이미지에 기반한 표면 재구성을 나타내는 평면 사시도이며, 도 3e 및 3f는 구형 싱크(120)의 주사 전자 현미경(scanning-electron microscope, SEM) 이미지를 나타낸다.
도 4는 구형 싱크(120)를 하드 코팅 표면에 조각하는 방법을 도시하는 개략도이다.
본원에서, 도면에 공통되는 동일한 요소를 가리키도록 가능한 한 동일한 참조번호를 사용한다. 또한, 도면에 있는 이미지는 설명의 목적상 단순화하였으며, 축척에 맞게 도시되지 않을 수 있다.
먼저, 엠보싱 롤러 또는 드럼(100)을 제조하는 방법의 여러 상이한 단계를 설명하며, 방법의 예시적인 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 엠보싱 롤러용 베이스로서 역할을 하는 원통형상 금속 실린더 또는 코어(10)가 제공된다. 금속 실린더 또는 코어(10)의 직경은 50㎜ 내지 500㎜ 범위일 수 있지만, 다른 직경도 가능하다. 다음에, 매끄러운 표면과 특정 경도를 지닌 외부 원통면(12)을 갖도록 원통형상 금속 실린더 또는 코어를 처리한다. 금속 실린더 또는 코어는, 바람직하게는 150㎚ 미만, 보다 바람직하게는 50㎚ 미만, 가장 바람직하게는 10㎚ 내지 30㎚ 범위의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(roughness parameter, RA)를 지닌 표면 거칠기를 갖도록 처리하는 것이 바람직하다. 경도와 관련하여, 외부 원통면(12)은, 바람직하게는 0.5㎬ 초과의 특정 경도를 가질 수 있다. 경도 값과 표면 거칠기 값은 모두 용도에 맞게 규정되며, 이러한 범위에 있는 이들 값은 특정 내구성을 갖는 엠보싱 롤러를 제공할 수 있게 하고, 작동 및 원하는 선압(nip pressure)을 허용하며, 아래에서 추가로 설명하는 바와 같이, 특정 레벨 입도의 엠보싱 구조를 제조할 수도 있게 한다. 예를 들어, 외부 원통면(12)의 표면 거칠기는 실질적으로 더 좋아야 하며, 다시 말해, 제조될 엠보싱 패턴보다 덜 거칠어야 한다.
변형예에서, 코어(10)는 그의 회전축을 따라 길게 형성되는 보어를 갖는 중공 실린더이므로, 감소된 중량을 갖는 엠보싱 장치(100)를 제공할 수 있거나, 엠보싱 또는 다른 유형의 기계를 설치하기 위해 볼트 또는 로드에 보다 쉽게 장착하거나 설치할 수 있고, 또는 길게 형성되는 보어 내부에 회전 베어링을 설치하는 데 사용할 수 있다. 또 다른 변형예에서, 코어(10)는 금속으로 제조할 필요는 없지만, 경질 금속 재료, 소결 재료 등의 복합 재료, 예를 들어 제한되지 않으나 서멧(cermet)일 수 있다.
그 후, 금속 실린더 또는 코어(10)는 코어(10)의 외부면(12)이 탈지되고 철저히 세척되는 세척 단계(S10)에 의해 처리된다. 예를 들어, 세척 단계(S10)는 금속 실린더 또는 코어(10)가 세척 장치에 의해 처리되는 단계를 포함할 수 있으며, 이 단계에서 실린더는 초음파 세척 사이클을 생성할 수 있는 특수 세척 기계에서 탈염수 및 세제를 넣은 수조에 완전히 침지되어 세척된다. 그 후, 표면에서 세제를 제거할 경우는, 마지막 헹굼 단계에서 산화 억제제를 사용할 수 있다. 다음에, 세척된 금속 실린더 또는 코어(10)는 증착 시스템, 예를 들어 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 장치 또는 추가 처리를 위한 코팅 챔버를 갖는 시스템의 진공 챔버에 제공된다.
다음에, 코팅 챔버를 비우고, 금속 실린더 또는 코어(10)를 회전축을 중심으로 회전시키면서 가열한다. 다음에, 금속 실린더 또는 코어(10)의 표면은, 가령 아르곤 플라즈마를 사용하는 플라즈마 세척 공정에 노출되며, 코팅이 증착되기 전에 표면이 활성화되어 표면에 남아 있는 미량의 유기물이 제거된다. 다음에, 단계(S20)에서, 접착층(20)은 PVD나 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 이들의 조합 형태, 예를 들어 반응성 스퍼터 증착 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해서 금속 실린더 또는 코어(10)의 외부 원통면(12) 위에 증착된다. 접착층(20)은 수십 내지 수백 나노미터의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
다음에, 단계(S30)에서, 접착층(20)을 갖는 금속 실린더 또는 코어(10)가 그의 회전축을 중심으로 회전되는 동안, 바람직하게는 처리 챔버를 개방하지 않고 접착층과 동일한 처리 챔버 내에서 접착층(20) 상에 하드 코팅 구조 지지층(30)( hard-coating structuration-bearing layer)이 증착된다. 하드 코팅 구조 지지층(30)은 접착층(20)보다 실질적으로 두꺼우며, 예를 들어 30㎛ 이하, 바람직하게는 1㎛ 내지 30㎛ 범위, 보다 바람직하게는, 예를 들어 5㎛ 내지 20㎛ 범위, 가령 약 10㎛의 두께를 갖는다. 하드 코팅 구조 지지층(30)은, 바람직하게는 경질 재료, 바람직하게는 비금속성 무기 경질 재료, 보다 바람직하게는 경질-세라믹 재료, 예를 들어 질화티타늄(TiN) 또는 질화크롬(CrN)으로 제조된다. 보다 일반적인 방식으로, 경질-세라믹 재료는 B, Al, Si, Cr, Ti의 원소 또는 다층 구조에서 이들 단일층의 임의의 조합 중 하나의 질화물, 탄화물, 탄질화물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, PEPVD 또는 CVD 공정에 의해 수행되는 증착 단계(S20 및 S30)는 회전 장치에 의해 금속 실린더 또는 코어(10)를 그의 회전축을 중심으로 회전킴과 동시에, 원통면(12)을 스퍼터링 타겟을 나타내는 음극과 함께 플라즈마 처리 챔버의 상부 전극과 하부 전극 사이의 자기장에 의해 수용 및 유지되는 고에너지 플라즈마에 노출시킴으로써 실행된다.
단계(S20)의 접착층(20) 및 단계(S30)의 하드 코팅 구조 지지층(30)의 하드 코팅은 하나의 균질한 층, 화학적으로 또는 구조적으로 상이한 층들의 적층체, 또는 층 내부의 뚜렷한 상들이 규정된 상 분리 또는 이들의 조합을 통해 형성되는 내부적으로 나노구조화된 층을 포함할 수 있다.
또한, 변형예에서, 하드 코팅 구조 지지층(30)을 형성하기 위한 단계(S30)의 PEPVD 증착은 다중 증착을 포함함으로써, 다층 구조, 예를 들어 도 2a의 단면도에 도시된 바와 같이, TiN/AlCrN/TiN 층(32, 34, 36)을 생성할 수 있다. 이 변형예에서, 하드 코팅 구조 지지층(30)은, 바람직하게는 복수의 비금속 무기 코팅, 예를 들어 경질 세라믹 코팅에 의해, 복수의 층, 예컨대 여러 층(32, 34, 36), 가령, TiN으로 제조된 접착층(20)과 접촉하는 제 1층(32), 바람직하게는 알루미늄 크롬 질화물 (Aluminum Chromium Nitride, AlCrN) 또는 알루미늄 티탄 질화물 (Aluminum Titanium Nitride, AlTiN)로 제조된 기계적 인터페이스 층을 목적으로 하며 제 1층(32)과 접촉하는 제 2층(34), 및 TiN 또는 변종 AlCrTiN으로 제조된 제 3층(36)으로 만들어질 수 있다. 개별적으로 식별할 수 있는 층의 두께는 수십 나노미터에서 수 미크론에 이를 수 있다.
방법의 이 단계에서, 처리된 금속 실린더 또는 코어(10)의 최외측 원통형상 노출면은 하드 코팅 구조 지지층(30)의 외부면 또는 다층 구조의 마지막 층인 외부면, 즉 외부 구조 지지층(36)일 수 있으며, 두 경우 모두 사전에 증착된 하드 층이고, 매우 작은 표면 거칠기를 가져야 하며, 바람직하게는 300㎚ 미만, 바람직하게는 50㎚ 내지 150㎚의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 갖는다. 이러한 낮은 거칠기 값은 전술한 바와 같이, 훨씬 더 낮은 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 갖는 금속 실린더 또는 코어(10)를 사용함으로써 제공된다.
다음에, 단계(S80)에서 하드 코팅 구조 지지층(30)의 일부 또는 외부 구조 지지층(36)인 다층 구조의 마지막 층의 외부면에서 구조에 대한 레이저 어블레이션이 실행된다. 레이저 어블레이션 단계(S80)를 통해, PEPVD-증착된 경질 재료의 제거에 의해서 외부 원통면에는 엠보싱 패턴의 구조적 특징부(110, 120)가 형성된다. 이 레이저 가공 단계(S80) 동안, 일 변형예에서 실린더 또는 코어(10)는 그의 회전축(RX)을 중심으로 회전하는 것이 가능하며, 펄스형 레이저 어블레이션 빔을 사용하여 회전축(RX)에 평행한 원통면의 라인을 따라, 본원에서 선형 레이저 어블레이션(S50)이라고 부르는 선형 어블레이션 사이클을 실행함으로써, 어블레이션 깊이에 대응하는 깊이를 갖는 원통형 쉘인 실린더 표면의 일부가 제거되며, 회전축(RX) 방향으로 더 깊은 깊이를 갖는 경우는, 이들 어블레이션 사이클이 반복된다. 이와 관련하여, 원통형 쉘의 일부인 재료의 제 1층은, 예를 들어 어블레이션 깊이에 따라 약 300㎚ 내지 1㎛의 두께를 갖는 레이저 어블레이션에 의해 제거되며, 그 후, 레이저 초점이 회전축(RX) 방향으로 300㎚ 내지 1㎛만큼 접근해서 재료의 제 2층이 제거됨으로써, 제 1층에 비해 300㎚ 내지 1㎛ 더 작은 반경을 갖는 원통형 쉘의 일부를 형성할 수 있다. 이들 층별(layer-by-layer) 재료 어블레이션 단계를 반복해서 층별로 제거함으로써, 3D 형상을 갖는 엠보싱 구조를 생성하며, 여전히 하드 코팅 구조 지지층(30) 내부에 남아 있으면서, 가공된 금속 실린더 또는 코어(10)의 외부면으로부터, 바람직하게는 1㎛ 내지 20㎛의 범위에서, 예를 들어 10㎛ 이상의 깊이, 최대 20㎛의 깊이에 도달할 수 있다.
어블레이션 두께, 펄스-대-펄스 중첩, 선형 스캐닝 속도, 레이저 출력, 레이저 펄스당 에너지 등의 개별 어블레이션 층에 대한 가공 파라미터는, 구조적 특징부의 최소 크기, 측벽 각도와 기타 구조적 사양, 및 하드 코팅 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 구조적 특징부(110)의 정확한 층 및 미세 구조, 즉 하위 층의 수, 결정 구조, 기계 가공성 등에 대해, 단계(S50)에서 구조적 특징부(110)에 따라 조절하여, 레이저 어블레이션에 의해 하드 코팅 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)으로 형성됨으로써, 3D 구조를 형성한다. 이는 최종 3D 마이크로-구조화된 하드 코팅면의 높은 표면 품질과 쌍을 이루는 산업적으로 활용 가능한 높은 처리량을 달성할 수 있게 한다.
3D 구조를 형성하는 구조적 특징부(110)의 형상과 관련하여, 경질 재료로 제조되는 하드 코팅 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)의 상대적으로 두꺼운 두께, 바람직하게는 최대 30㎛임을 고려하면, 단계(S80)에 의해 층(30, 36)으로부터 재료의 다층 제거를 통해, 재료가 제거되어 3D 구조를 형성함으로써, 실질적인 특정 깊이를 가지면서도, 각 층(30, 36)의 두께를 초과하지 않는 구조적 특징부(110)를 남긴다. 3D 구조는, 예를 들어 단계(S80)에서 일련의 레이저 어블레이션 사이클에 의해 재료의 세(3)개 이상의 층, 예를 들어 층(38A 내지 38D)을 제거함으로써, 그 형상이 얻어질 수 있다. 각각의 새로 어블레이션된 층 또는 쉘은 마지막 층보다 더 작은 표면적을 가져, 어블레이션이 하드 코팅 구조 지지층(30)에서 더 깊이 파고듦에 따라, 각 층의 표면적은 줄어들 수 있다. 또 다른 예로서, 단계(S80)에서 재료를 제거함으로써, 제거된 재료의 네(4)개의 쉘 또는 층을 도시하는 실시예에서, 도 1b의 단면도에 도시된 바와 같이, 구조적 특징부(110)의 표면 공동 또는 오목부에 의해 형성되는 개구 내에는 섬(islands, IS) 또는 구조가 형성되도록 한다. 표면 레이저 어블레이션에 의해 제거된 재료의 각 원통형 쉘(38A 내지 38D)은 코어(10)의 중심축(CA)에 보다 근접하며, 하나 이상의 섬(IS)이 각각의 층(30, 36)으로부터 어떻게 형성될 수 있는지 알 수 있다. 반면, 제거된 재료의 각 쉘 또는 층(38A 내지 38D)에서는 재료가 더 적게 제거되었으며, 이는 원통형 코어(10)의 중심축에 대한 근접도의 함수로서 감소된 표면적으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이 변형예에서, 제거된 각각의 층(38A 내지 38D)은 반경 방향으로 800㎚의 두께를 가질 수 있으며, 전체 구조는 최대 3.2㎛의 깊이를 갖는다. 또한, 구조적 특징부(110)에 의해 형성되는 형상의 깊이 방향의 반경 방향 치수는, 예를 들어 1㎛ 미만, 심지어 300㎚ 미만으로 매우 작을 수 있으며, 이는 미세한 규모로 3D 구조를 생성할 수 있게 한다.
단계(S50)의 레이저 가공은 (피코초 또는 펨토초 유형)의 초고속 펄스 레이저로 실행할 수 있다. 예를 들어, 250㎚ 내지 1100㎚ 범위의 파장, 0.5W 내지 2W 범위의 평균 출력, 100fs 내지 1ps 범위의 펄스 지속 시간 및 100㎑ 내지 20 ㎒ 범위의 펄스 반복 주파수를 갖는 레이저를 사용한다. F-세타 렌즈는 레이저를 집속시켜 2㎛ 내지 30㎛의 직경을 갖는 초점(focusing point, FP)을 생성하며, 여기서 빔의 강도 프로파일은 가우시안 분포를 나타낸다. 하드 코팅 재료의 어블레이션에 의해 구조를 조각하는 경우, 재료의 어블레이션 임계값을 초과하는 레이저 플루언스를 선택해야 하며, TiN을 갖는 경우는 0.7 J/㎠의 플루언스를 선택할 수 있다. 변형예에서, 사용된 레이저는 더욱 강력하여 10 J/㎠ 내지 20 J/㎠의 플루언스에 도달할 수 있다. 이는 증가된 재료 제거율로 특정 길이와 깊이를 지닌 홈을 형성할 수 있게 한다. 어블레이션 라인을 따르는 레이저 초점(FP)은 연속적으로 이동할 수 있어, 예를 들어 레이저 스캐너를 사용하거나 금속 실린더 또는 코어(10)에 대해 레이저를 선형으로 이동시킴으로써, 회전축(RX)을 따르는 위치에 대해 레이저 초점(FP)은 항상 직선 운동을 하게 된다. 금속 실린더 또는 코어(10)의 어블레이션 위치에서 레이저 스캐닝 속도는 0.1m/s 내지 20m/s 범위, 예를 들어 약 5m/s일 수 있다. 스캐닝 속도는 제한되지 않으나, 레이저 출력, 초점 거리, 레이저 주파수, 조각된 구조의 해상도를 포함할 수 있는 그 밖의 많은 레이저 가공 파라미터에 따라 달라진다.
이 단계의 결과로, 외부 원통면에 조각된 표면 구조를 가지며, 하드 코팅 구조 지지층(30) 또는 다층 구조의 마지막 층인 외부 구조 지지층(36)의 내부에만 형성되는 구조(110)인 엠보싱 롤러 또는 드럼(100)이 만들어진다. 단계(S50)에서는 반경 방향으로 최대 20㎛, 예를 들어 약 10㎛의 깊이를 갖는 비교적 복잡한 3D 엠보싱 구조를 구조 지지층에 생성하는 것이 가능하다.
레이저 조각되어 구조적 특징부(110)로서 형성된 홈을 가공하여 표면의 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 이들 홈은 난류에서 유체 드래그를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, Lang 등의 “Shark Skin Drag Reduction (샤크 피부 드래그 감소), Encyclopedia of Nanotechnology, Vol 19, pp. 2394-2400, 2012년” 을 참조한다. 또 다른 예에서, 이들 홈은 채널, 유동 저항기, 펌프, 밸브, 유입구 및 기타 모세관 같은 구조를 생성하도록 배열될 수 있으며, 예를 들어 Olanrewaju 등의 “Capillary Microfluidics in Microchannels: From Microfluidic Networks to Capillary Circuits (마이크로채널 내의 모세관 마이크로유체: 마이크로유체 네트워크에서 모세관 회로까지)” Lab on a Chip, Vol. 18, No. 16, pp. 2323-2347, 2018년을 참조한다. 이들 마이크로유체 채널은 1㎛ 내지 500㎛의 측면 치수와 1㎛ 내지 200㎛의 여러 상이한 높이를 갖는다.
구조 지지층(30, 36)의 두께를 비교하면, 방사상 깊이 방향으로 구조적 특징부(110)의 최대 깊이는, 바람직하게는 구조 지지층(30, 36)의 두께 깊이의 절반을 초과하므로, 상대적으로 깊게 조각된 공동 또는 개구를 형성한다. 예를 들어, 하나의 구조적 특징부(110)의 반경 방향 최대 깊이는 구조 지지층(30, 36) 두께의 최대 95% 범위, 보다 바람직하게는 55% 내지 90% 범위일 수 있다. 예를 들어, 구조 지지층(30, 36)의 두께가 10㎛일 수 있음을 고려하면, 구조적 특징부(110)의 반경 방향 최대 깊이는 최대 9㎛일 수 있다. 일반적으로, 선형 레이저 어블레이션 단계(S50)에 의해 구조(110)로서 형성되는 홈, 싱크 또는 오목면은, 구조가 구조 지지층(30, 36) 내부에 완전히 들어가도록 하는 깊이를 갖되, 구조 지지층(30, 36)의 두께를 초과하지는 않는다. 변형예에서, 구조적 특징부(110)의 공동의 최대 깊이 역시 구조 지지층(30, 36)의 두께를 초과하여, 접착층(20)에 도달할 수 있으며, 심지어 접착층(20)을 횡단하여 롤, 코어 또는 베이스(10)에 도달할 수 있다. 일반적으로, 구조적 특징부(110)에 의해 형성되는 상대적으로 깊은 공동을 통해, 구조 지지층(30, 36)의 내부 응력 및 장력을 실질적으로 감소시켜, 기계적으로 더욱 탄력적인 거동을 제공하는 것이 가능하다.
게다가, 엠보싱 롤러 또는 드럼(100)의 표면 구조는 특정 응용에 적합한 치수의 관점에서 특정한 특성을 갖도록 형성된다. 예를 들어, 열가소성 중합체의 열간 엠보싱을 위해, 롤러 또는 드럼(100)은 열가소성 엠보싱 구조(110)를 갖는 열간 엠보싱 툴로서 사용할 수 있으며, 이 구조는 홈 또는 싱크의 위치에서 접선 평면 내에서 임의의 방향으로 그의 폭과 관련하여 롤러(100)의 원통형 형상에 대해 반경 방향인 방향으로 상대적으로 깊은 홈, 싱크, 또는 둘 모두의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 예를 들어, 홈의 깊이는 1㎛ 내지 10㎛의 범위일 수 있고, 동일한 홈의 폭은 1㎛ 내지 20㎛의 범위일 수 있는 반면, 홈의 깊이와 폭 간의 비율은, 바람직하게는 0.25 내지 2, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.2 범위이다. 깊이가 폭보다 클 수도 있는데, 이는 깊이/폭의 비율이 1을 초과하는 것을 의미한다. 또한, 반복적인 패턴, 예를 들어 실질적으로 서로 평행하게 배열되는 일련의 라인, 또는 직사각형이나 육각형 그리드 또는 격자, 예를 들어 주기적인 홈, 싱크, 램프, 톱니 패턴에 따라 배열되는 구조(110)를 형성하는 점 또는 사각형의 매트릭스가 1㎛ 내지 10㎛ 범위의 주기를 갖고 형성될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 구형 싱크(120)를 조각하기 위한 단계(S60)가 실행된다. 단일 구형 싱크(120)를 조각하기 위해, 어블레이션 레이저 빔에 의한 반복 펄스 어블레이션이 실행된다. 또한, 단계(S60)에서 어블레이션에 사용되는 레이저 초점(FP)의 크기는 어블레이션에 의해 조각되는 구형 싱크의 측면 치수보다 작은 것이 바람직하다. 레이저 초점(FP)의 에너지는 가우시안 분포를 나타내므로, 각 반복 펄스에 대한 어블레이션 위치를 조절하여 결과로 생기는 싱크가 가능한 한 완전한 구형에 가까워지도록 할 필요가 있다. 도 4는 가우시안 레이저 빔을 사용하여 구형 싱크를 조각하는 이러한 방법의 단계(S60)를 도시하는 개략적이고 예시적인 도면이다. 싱크(120, 201)의 구형 형상에 최대한 근접하도록, 초점(204)은 원하는 구형 싱크(202)의 반경보다 작은 반경(205)을 갖는다. 예를 들어, 초점은 12.5㎛의 원하는 싱크 반경에 대해 8㎛의 반경을 가질 수 있다. 초점(203)의 중심은 반경(207)의 원(206)을 따라 싱크(200)의 중심 주위로 이동한다. 원(206)의 반경은 사용된 플루언스에 따라 3㎛ 내지 6㎛이다. 예를 들어, 단계(S60)에서 하나의 구형 싱크를 만들기 위해, 레이저는 원(206)의 열여섯(16)개의 서로 다른 등거리 위치에서 트리거된다. 이들 16개의 서로 다른 위치에서 레이저를 트리거하는 것은 원하는 깊이, 예를 들어, 10㎛의 깊이에 도달할 때까지 여러 번 반복할 수 있다.
구형 싱크(120)를 형성하는 단계(S60)에서는, (i) 적절한 어블레이션률(ablation rate)을 결정하고, (ii) 층별 전략을 규정하기 위한 일부 선택적인 준비 단계가 선행될 수 있다. 어블레이션률은 레이저 빔의 단일 패스 및/또는 펄스에 의해 조각된 층인 하드 코팅 구조 지지층(30) 또는 외부 구조 지지층(36)으로부터 제거되는 재료의 두께로 규정할 수 있다. 예를 들어, 각각의 층(30, 36)과 동일한 하드 코팅을 갖는 별도의 재료 조각을 사용하여 예비 테스트를 통해 적절한 어블레이션률을 결정할 수 있으며, 이 테스트에서는 어블레이션 레이저 빔의 규정된 파라미터, 가령 펄스 에너지, 반복률을 변화시켜 가면서, 결과적으로 생성된 구형 싱크(120)의 조각 깊이를 측정한다. 이들 테스트를 실행함으로써, 레이저 어블레이션된 구형 싱크(120)의 어블레이션률과 싱크 거칠기 간의 역상관 관계를 찾을 수 있다. 가장 좋기로는 최고의 어블레이션률, 즉 최고의 처리량을 선택하고 그러면서도 여전히 목표로 하는 바닥 거칠기를 가져오는 것이다. 바람직하게는, 전술한 거칠기 값을 얻기 위한 레이저 펄스당 어블레이션률은 층당 0.05㎛ 내지 1㎛로 다양하다. 어블레이션률 h, 즉 레이저 빔의 단일 패스 또는 펄스에 대응하는 기본 깊이가 결정되면, 조각될 구형 싱크(120)의 원하는 깊이 H와 어블레이션률 h 간의 비율에 의해 펄스 또는 패스의 수 n을 산출하게 되며, 이는 다음과 같이 근사화할 수 있다.
n = H / h
n개의 펄스, n개의 패스, 또는 어블레이션 레이저에 의한 n번의 사이클에 의한 반복적인 어블레이션은 깊이 h를 갖는 재료 층을 제거할 때마다 깊이 H를 갖는 구형 싱크(120)가 만들어지게 된다.
도 2b는 하드 코팅 실린더 또는 코어(10)의 하드 코팅 구조 지지층(30)에 있는 이러한 구형 싱크(120) 중 하나를 도시하는 예시적인 단면도이다. 레이저 펄스의 지속 시간이 짧고 반복 주파수가 높은 것을 고려하면, 레이저 초점(FP)의 위치와 관련한 실린더 또는 코어(10)의 일부 상대 각 회전이 있을 수 있다. 한편,
이러한 상대 이동은 설명의 목적상 무시할 수 있으며, 동일한 특정 위치의 반복적인 어블레이션에 주목할 만한 영향을 주지는 않는다. 이 변형예에서, 반복적인 맥동에 의해 구조 지지층(30, 36)의 외부 원통면에 구형 싱크 또는 홀(120)이 어블레이션되며, 외경(DI)을 갖는 구형 싱크 또는 홀의 직경은 실질적으로 구형의 직경에 대응하며, 5㎛ 내지 50㎛ 범위, 바람직하게는 약 25㎛이고, 2㎛ 내지 20㎛ 범위, 바람직하게는 약 10㎛의 깊이(DE)를 갖는다.
또 다른 변형예에서, S50 또는 S60에서 사용된 것과 유사한 초단파 펄스 레이저 빔에 적용되는 공간 광 변조(spatial-light modulation, SLM) 기술을 사용하여, 예를 들어 피드백 구동 제어 기구에 의해 제어되는 SLM용 실리콘(LCOS) 장치의 액정을 사용하여, 단계(S70)에 의해 레이저 어블레이션을 구현할 수도 있다. 이 접근법의 장점은 가공 처리량을 크게 향상시킴과 동시에, 따라서 더 많은 표면이 노출되어 어블레이션될 수 있는 사실이다. 이는 산업 생산 환경에서 특히 흥미롭다. 단계(S70)의 두 번째 장점은 입사 레이저 빔 프로파일의 비이상성(non-idealities)을 수정하고 나오는 프로파일을 임의의 패턴이나 형태로 성형할 수 있는 것이다. 전술한 SLM 절차 후에 레이저 빔의 플루언스를 유지하기 위해, 레이저의 유효 출력은 여전히 변조 장치, 가령 LCOS 장치의 파괴 한계 미만인 한편, 여전히 조각되는 재료에 대한 플루언스 어블레이션 임계값을 초과하면서, S50 또는 S60에서 사용되는 단일 빔보다 훨씬 클 수 있다. 본원에서 설명하는 레이저 가공 단계의 경우, 2019년 9월 6일에 국제 출원된 국제 특허 공개 제 WO2020/049519호에 기재된 바와 같이, SLM을 사용하는 레이저 기반 마이크로 구조화 장치를 사용할 수 있으며, 이 참조문헌은 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
어블레이션(S80)에 의한 레이저 조각 단계들 중 어느 하나의 단계 후에, 구조(110) 내부의 표면 거칠기는 150㎚ 이상, 일반적으로 150㎚ 내지 300㎚ 범위의 표면 프로파일 거칠기(RA)를 갖는다. 표면 거칠기는 도 3a에 도시된 개략적인 단면도로 시각화되어 있으며, 도 3c에 도시된 현미경 또는 SEM 이미지에 기반한 표면(112, 114, 118)의 평면 사시도에 예시적인 재구성으로 도시되어 있다. 도 3c는 펄스 레이저로부터의 레이저 어블레이션 단계(S80)의 잔유물로서 여러 울퉁불퉁한 피크, 스파이크 및 함몰부와 파편을 도시하며, 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 상이한 분화구를 갖는 구조(110, 120)의 어블레이션된 표면 내부에는 거친면이 남게 된다.
이 표면의 거칠기를 줄이기 위해, 선택적으로 연마 단계(S90)를 실행할 수 있다. 본원에서 설명하는 레이저 어블레이션 단계(S80)로 인해, 이들 3D 특징부의 결과로 생기는 표면 구조는 경질 표면 코팅의 용융 및 증발에 기반하여 비교적 거칠다. 구체적으로, 어블레이션 레이저의 상대적으로 작은 초점으로 인해, 도 3a, 및 현미경 이미지의 재구성을 보여주는 도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 거친 에지 및 리지가 형성된다. 이 단계에서는 레이저를 사용하여, 가령 구조화된 하드 코팅 엠보싱 롤러(100)의 표면을 처리한다. 롤러(100)의 구조(110, 120)의 표면은 150㎚ 초과의 표면 거칠기 파라미터(RA)로 표현되는 표면 거칠기를 갖는다. 연마 단계는 노출면(112, 114, 118) 상의 표면층의 파편을 용융시키기에 충분한 에너지를 방출할 수 있는 나노초 펄스 엑시머 레이저를 사용하는 레이저 가공 시스템에 의해, 제한된 어블레이션으로 제 1실시예에서 실행되며, 여기서는 레이저 어블레이션 단계(S80)에 의해 파편이 생성된다. 레이저 에너지는 표면에 흡수되어, 약 1㎛의 깊이까지 용락되며, 수백 나노초(ns) 내에 응고된다. 상부층 부분이 용융되면, 노출면(112, 114, 118)의 거칠기를 감소시키는 재료의 작은 재분포가 있게 된다. 이는 일반적으로 동일한 기하학적 지점에서 몇가지 요인에 따라 1 내지 10회 펄싱함으로써, 여러 단계로 실행된다. 연마 단계(S90)는 엠보싱 롤러(100)의 완전히 노출된 외부면을 덮도록 중첩 영역을 갖는 표면에 순차적으로 슈팅(shooting)하여 실행한다.
이 엑시머 연마 단계(S90)동안, 예를 들어 100㎛ 내지 300㎛에 포함되는 큰 레이저 초점이 사용된다. 일반적으로, 연마 단계(S90)에서 사용되는 레이저 초점의 직경은 레이저 어블레이션 단계(S80)의 레이저 초점의 직경보다 실질적으로, 예를 들어 적어도 10배, 바람직하게는 20 내지 100배만큼 크다. 다르게 정의하면, 레이저 어블레이션 단계(S80)에서 레이저 초점에 의한 구조화된 하드 코팅 엠보싱 롤러(100) 상의 레이저 조명의 표면적은 레이저 연마 단계에서 레이저 초점에 의한 레이저 조명의 표면적보다 적어도 100배 작다. 변형예에서, 큰 초점을 갖는 집속 레이저 빔을 사용하는 대신, 예를 들어 직경 또는 길이가 약 200㎛인 측면을 갖는 원형 또는 사각형 모양의 조명 구역과 함께, 마스크 기반 투영을 허용하는 마스크를 갖는 여러 상이한 광학 장치를 사용할 수 있다. 이 변형예에서, 조명 구역의 직경은 다시 레이저 어블레이션 단계(S80)의 레이저 초점의 직경보다 적어도 50배 더 크다. 예를 들어, 연마 단계의 경우 레이저 파장은 128㎚ 내지 360㎚에서 선택할 수 있고, 레이저 반복 주파수는 10㎐ 내지 100㎐의 범위일 수 있으며, 레이저의 펄스 에너지는 펄스 당 100mJ 내지 1J의 범위일 수 있다. 어떤 경우에도, 플루언스는 하드 코팅 재료의 어블레이션 한계를 초과해서는 안 된다.
연마 단계(S90)를 통해, 최신 기술과 비교하여 우수한 표면 품질의 하드 코팅 엠보싱 롤러(100)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 약 10㎛ 이상의 엠보싱 롤러(100)의 상부면(102)으로부터의 최대 깊이를 갖는 비교적 큰 엠보싱 구조를 제공함에도 불구하고, 표면 거칠기는 십(10)으로 나눈 380㎚ 내지 740㎚ 범위의 광파장(λ)에 대해 광학적 범위 이하로 제공된다. 이는 도 3b의 단면도에 개략적으로 도시되고, 도 3d 에 도시된 SEM 이미지에 기반한 표면(112, 114, 118)의 평면 사시도에 예시적인 재구성으로 도시된 바와 같이, 최신 기술에 비해 상당히 개선된 것이다.
이와 관련하여, 표면-프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 갖는 표면 거칠기는, 바람직하게는 60㎚, 보다 바람직하게는 40㎚ 내지 60㎚ 범위에 도달한다. 일반적으로, 피코초 또는 펨토초 범위의 레이저 어블레이션으로 경질 표면, 예를 들어 스테인리스 스틸 또는 기타 경질 금속 표면을 처리할 경우, 예를 들어 특정 광학 품질을 갖는 엠보싱 또는 표면 구조, 가령 마이크로 렌즈 같은 많은 여러 상이한 응용을 위해서는 불충분한, 잔여 소규모 레이저 어블레이션을 형성하는 여러 상이한 파편을 통해, 약 600㎚ 내지 850㎚ 범위의 표면 프로필 거칠기 파라미터(RA)로 표현되는 표면 거칠기가 달성된다. 엠보싱 롤러의 하드 코팅층이 구조 지지층(30)으로서 비금속 무기 코팅, 예를 들어 경질 세라믹 코팅으로 제조되면, 더 우수하지만, 광학적 품질을 갖는 조각용으로의 표면 품질은 여전히 불충분한 약 150㎚ 내지 180㎚ 범위의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)로 표현되는 표면 거칠기를 달성할 수 있다. 그러나, 본원에서 설명하는 방법 및 단계(S90)를 통해, 60㎚ 미만, 바람직하게는 60㎚ 내지 40㎚ 이하 범위의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 갖는 구조(110)를 규정하는 조각 홈, 공동, 또는 개구 내부면의 표면 거칠기를 달성할 수 있다.
단계(S50, S70)에서 어블레이션에 의해 구조 지지층(30, 36) 내부에 형성되는 홈(115)과 관련하여, 구조로서, 연마 단계(S90)가 실행된 후, 홈(115)의 측벽(112, 114)과 바닥(118)이 형성될 수 있다. 이들은, 구체적으로, 60㎚ 미만, 바람직하게는 60㎚ 내지 50㎚ 이하 범위의 표면 프로파일 거칠기 파라미터(RA)를 제공하여, 롤러(100)의 외부 노출면(102)뿐만 아니라, 엠보싱 구조(110) 자체의 내부에 있는 표면도 연마되도록, 본원에서 설명하는 우수한 표면 평활도를 갖는다. 이는 도 3b의 단면도에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 차례로, 엠보싱 롤러(100)로 엠보싱된 필름 또는 포일인 구조에서 우수한 표면 품질을 보장할 수 있게 한다.
이상의 설명을 통해, 구조화된 엠보싱 롤러(100)를 형성하는 방법을 설명하였다. 변형예에서, 엠보싱 장치, 예를 들어 플레이트(100a), 기판이나 스탬프, 또는 다른 평면 장치를, 여러 상이한 유형의 엠보싱, 가령 카운터-플레이트, -기판, -스탬프를 갖는 열가소성 열간 엠보싱, 패트릭스/매트릭스 엠보싱, 냉간 스탬핑 및 엠보싱을 위해 사용할 수 있다. 어블레이션된 표면이 원통형이 아니라 평탄하거나 평면이므로, 어블레이션 레이저는 어블레이션 단계(S80)에서 플레이트, 기판 또는 스탬프에 대해 xyz-스테이지에 의해 이동되거나, 레이저 빔을 샘플 표면에 투사하는 스캐닝 장치를 사용하여 이동될 수 있다. 바람직하게는, 이 평면형 엠보싱 장치(100a)는 제 1베이스층 및 그 위에 하드 코팅층을 포함하며, 이 층은 단일층 또는 다층 구조로, 구조 지지층(30, 36)이며, 그에 형성된 구조적 특징부(110a, 120a)를 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본원에서 설명하는 엠보싱 장치(100)를 제조하는 방법에 기반하여, 구조화된 특징부를 경질 재료 코팅으로 제조하는 여러 상이한 방법이 제공된다. 예를 들어, 원통형 또는 평면형의 형상을 갖거나 다른 유형의 형상을 갖는 엠보싱 장치(100) 대신에, 엠보싱 이외의 다른 용도로 사용할 수 있는 또 다른 유형의 표면 구조화된 장치를 본 발명에 의해 형성할 수 있다. 나노미터 범위의 치수를 갖는 구조적 특징부와 함께 최대 20㎛의 외부 또는 상부면으로부터의 깊이를 갖는 3D 구조적 특징부(110)가 달성되므로, 이 방법을 사용하여 다양한 용도로 하드 코팅 표면에 표면 텍스처 및 형상을 생성할 수 있으며, 예를 들어, 항균성 표면 구조 등의 기능적 표면을 제공하고, 소수성 또는 친수성 표면을 제공함으로써, 3차원 기능적 특징부를 갖는 하드 코팅층에 기능적 구조적인 특징부를 제공하는 방법을 실행한다. 본 발명의 또 다른 양태로서, 예를 들어 본원에서 설명하는 바와 같은 장치로부터 캐스트를 제조하는 방법을 실행하여, 예를 들면 사출 성형을 위해 사용할 수 있는 마이크로스케일 또는 나노스케일의 3D 표면 특징부를 갖는 캐스트, 또는 다른 유형의 성형을 위한 캐스트를 제공할 수 있다. 또 다른 예로서, 레이저 어블레이션 단계에 의해 기판에 유체 마이크로채널을 형성하는 단계를 실행하여, TiN 또는 CrN 등의 매우 경질인 재료 층에 매우 매끄러운 마이크로유체 채널 및 도관을 제공함으로써, 금형의 공동 역할을 하는 구조(110)에 의해 형성되는 매끄러운 노출 및 패터닝된 하드 코팅 표면에 의해 제공되는 낮은 접착력 덕분에, 마이크로유체 금형에서 열가소성 필름의 주조 및 해방이 가속화됨과 동시에, 툴링(tooling)의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 위에서 논의한 바와 같이, 예를 들어 어블레이션 단계(S80)에서 적층된 3D 구조를 사용함으로써, 구조 지지층(30, 36)으로 광학 구조를 제조하고, 그 후 연마 단계(S90)에 의해 연마되어, 마이크로 렌즈 어레이, 원통형 마이크로 렌즈, 프레넬 렌즈, 블레이즈 격자를 생성할 수 있다. 예를 들어, 반복되는 톱니 모양의 단면을 갖는 구조적 특징부(110), 3차원 반복 경사 구조, 곡선 구조 또는 단차식 미세 구조가 생성될 수 있으며, 단계(S50, S70)의 층별 어블레이션에 의해 형성되는 에지를 연마 단계(S90)에 의해 둥글게 만들 수 있다. 또한, 구조적 특징부(110, 120)가 여러 상이한 유형의 주조 방법을 위한 사출 툴의 성형 공동으로서 사용되는 경우, 라인을 생성하여 플라스틱 사출 툴의 심(seam)을 감출 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 예를 들어 광학 렌즈를 제조하기 위한 나노 구조의 구성요소를 형성하도록 자외선(UV) 복제에 사용할 수 있는 3차원 구조의 성형 공동을 갖는 마스터 금형을 제조하는 것이 가능하다. 전술한 바와 같이, 레이저 어블레이션 및 엑시머-레이저 연마를 통해 본 방법에 의해 제조된 마스터 금형은, 그 후 마스터 금형을 기판에 접촉시킬 수 있으며, 3차원 구조의 성형 공동을 UV 경화 수지로 채워서 나노임프린트 장치를 형성할 수 있다. 공동 내부에는 모세관력, 또는 제한되지 않으나, 예를 들어 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 인쇄에 의해 수지를 분포시키는 것이 가능하다. 이들 방법은 성형 공동을 지닌 마스터 롤러와 구조화되지 않은 카운터 롤러, 롤-투-플레이트 또는 플레이트-투-플레이트의 어플리케이션을 사용하는 롤-투-롤 UV 복제를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본원에서 제시하는 방법으로, 예를 들어 플라스틱, 세라믹 또는 금속 사출 성형에 사용할 수 있는 사출 금형을 제조할 수 있다. 사출 성형 공정의 높은 공정 온도 (가령, 100℃ 내지 1000℃) 및 사출 압력 (가령, 200bar 내지 800bar)으로 인해, 금형 표면, 예를 들어 층(30, 36)의 내부면(112, 114, 118)은 증가된 마모 및 열 응력에 노출될 수 있으나, 하드 코팅의 사용으로 이러한 금형의 수명을 연장할 수 있다. 게다가, 구조적 특징부(110, 120)에 의해 3D 구조를 갖는 금형 표면을 제공하여, 금형은 새로운 기능, 예를 들어 제한되지 않으나, 촉각, 광학, 친수성 어플리케이션을 만들 수 있으며, 나노미터 스케일의 매우 작은 구조적 특징으로서 금형으로부터 결과적인 사출품을 생산할 수 있다. 일 예로서, 본원에서 설명하는 방법에 의해 제조된 사출 금형은 원통형일 수 있거나 원통형이 아닐 수도 있는 코어(10), 접착층(20), 및 노출면(112, 114 및 118)과 함께 성형 공동을 형성하는 구조(110)를 가지며, 노출면(112, 114 및 118)은 주입된 재료와 직접 접촉하는 하드 코팅 구조 지지층(30)을 가질 수 있다.
특정 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 개시하였지만, 첨부한 특허청구범위에 규정된 바와 같이, 본 발명의 영역 및 범위를 벗어나지 않고 설명한 실시예에 대한 많은 수정, 변경과 변화, 및 그의 등가물이 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명한 실시예에 제한되지 않고, 다음의 특허청구범위의 언어로 정의한 전체 범위를 갖도록 하였다.

Claims (14)

  1. 엠보싱 시스템용 엠보싱 장치를 제조하는 방법으로서,
    원통형상 코어와, 5㎛ 초과 30㎛ 이하 범위의 두께를 가지는 하드 코팅 구조 지지층을 구비한 하드 코팅 엠보싱 롤러를 제공하는 단계; 및
    하드 코팅 엠보싱 롤러에 레이저 어블레이션을 실행하여 하드 코팅 구조 지지층으로부터 재료를 제거함으로써, 하드 코팅 구조 지지층에 개구와, 구조적 특징부를 형성하는 개구의 표면을 형성하여, 구조화된 하드 코팅 엠보싱 롤러를 형성하는 단계;를 포함하는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    레이저 가공에 의해 구조화된 하드 코팅 엠보싱 롤러의 표면을 연마하여 구조적 특징부의 표면을 매끄럽게 하는 단계를 더 포함하는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 레이저 어블레이션을 실행하는 단계에서, 개구는 1㎛ 초과 20㎛ 미만의 깊이를 갖는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 개구의 표면은 3차원 구조를 규정하는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 연마 단계에서, 구조적 특징부의 표면 거칠기(Ra)는 100㎚ 미만인 엠보싱 장치의 제조 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 연마 단계용 레이저의 레이저 초점의 직경은 레이저 어블레이션 단계용 레이저 초점의 직경보다 10배 이상 큰 엠보싱 장치의 제조 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하드 코팅 구조 지지층을 다층 구조로서 제공하는 단계를 더 포함하는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구는 1㎛ 내지 100㎛ 범위의 측면 치수를 갖는 엠보싱 장치의 제조 방법.
  9. 엠보싱 장치로서,
    베이스;
    상기 베이스 상에 배열되는 접착층;
    상기 접착층 상에 배열되고, 5㎛ 초과 30㎛ 미만의 두께를 갖는 하드 코팅 구조 지지층; 및
    상기 하드 코팅 구조 지지층의 표면에 배열되는 엠보싱 구조를 포함하고,
    상기 엠보싱 구조는 복수의 각도로 배향된 격자, 또는 도트나 정사각형의 매트릭스를 포함하는 주기적인 구조를 포함하고,
    상기 격자, 도트 및 정사각형의 깊이는 1㎛ 내지 10㎛이고, 격자, 도트 및 정사각형의 폭은 1㎛ 내지 20㎛이며,
    상기 도트 또는 정사각형의 매트릭스의 주기는 1㎛ 내지 10㎛의 범위인 엠보싱 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 주기적인 구조의 깊이와 폭의 비율은 0.25 내지 2의 범위인 엠보싱 장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 베이스는 금속 또는 복합재료로 제조되는 실린더를 포함하는 엠보싱 장치.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 베이스는 금속 또는 복합재료로 제조되는 플레이트를 포함하는 엠보싱 장치.
  13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하드 코팅 구조 지지층은 다층 구조를 포함하는 엠보싱 장치.
  14. 사출 금형으로서
    베이스;
    상기 베이스 상에 배열되는 접착층;
    상기 접착층 상에 배열되고, 5㎛ 내지 30㎛ 범위의 두께를 갖는 하드 코팅 구조 지지층; 및
    상기 하드 코팅 구조 지지층의 표면에 배열되는 엠보싱 구조를 포함하고,
    상기 엠보싱 구조는 금형 구조를 포함하는 사출 금형.
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