KR20230162648A - 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형의 제조 - Google Patents

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글래소메르 게엠베하
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Abstract

본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형의 제조 방법에 관한 것으로, 그 제조 방법은 다음을 포함한다: (a) 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하여 유리 기반 금형을 제조하는 단계 - 유리 기반 금형은 미리 결정된 3차원 형상을 가짐 -; 및 (b) 유리 기반 금형 내부에서 금속을 용융하거나 유리 기반 금형 외부에서 금속을 용융하여 유리 기반 금형 위에 또는 유리 기반 금형 내부에 부은 후 냉각하거나 유리 기반 금형을 가단성 있는 금속 기판에 압축하여 (a) 단계에서 얻은 유리 기반 금형을 복제함으로써 부품을 복제하기 위한 금속 금형을 얻는 단계 - 금속 금형은 반전된 미리 결정된 3차원 형상을 가짐 -;. 또한 본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하는 방법에 관한 것으로, 부품을 복제하기 위해 상기 제조 방법에 의해 얻어진 금속 금형이 사용되며, 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 5nm 내지 500nm 범위의 직경을 갖는 제1 유형의 유리 입자를 포함한다.

Description

미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형의 제조
본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하는 방법에 관한 것이다.
고분자 부품, 즉 고분자 재료로 만들어진 부품은 복제 공정을 통해 산업 규모로 제조될 수 있다. 제거(subtractive) 또는 적층(additive) 제조 공정과 달리, 예를 들어 사출 성형과 같은 복제 공정은 제조 과정에서 형상 정의 단계가 필요하지 않으므로 고분자 부품을 빠르고 확장 가능하게 제조할 수 있다. 즉, 이러한 복제 공정에서는 열가소성 플라스틱 또는 수지를 성형 도구에 주입한 후 경화시키며, 성형 도구는 이미 고분자 부품의 최종 3차원 형상을 정의하고 있다. 열가소성 플라스틱과 달리 수지는 경화 시 가교 구조가 형성될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 고분자 부품을 얻기 위해서는 성형 도구에 주입되었을 때 성형 가능한 상태인 열가소성 플라스틱 또는 수지는 경화될 필요가 있다. 열가소성 플라스틱의 경우 냉각 시 경화가 이루어지며, 이를 통해 연화된 열가소성 플라스틱은 최종 3차원 형상을 갖는 고분자 부품으로 변한다. 수지의 경우 열 또는 조사와 같은 외부 자극에 의해 시작되는 경화 또는 중합을 통해 경화가 이루어지며, 이를 통해 수지의 액체 성분이 최종 3차원 형상을 갖는 고분자 부품으로 변한다. 고분자 부품의 최종 3차원 형상은 성형 도구의 형상에 의해 미리 결정되기 때문에 일반적으로 미리 결정된 3차원 형상이라 한다. 당연히 성형 도구의 형상은 고분자 부품의 최종 3차원 형상의 반대이다. 즉, 성형 도구는 미리 결정된 3차원 형상이 반전되어 있다.
예를 들어 사출 성형과 같은 복제 공정은 성형 도구의 표면 특성에 의해서만 제한되는 매우 복잡한 구조의 형상을 만들 수 있다. 이러한 맥락에서 금속 금형은 동일한 성형 도구를 사용하여 수천 개의 고분자 부품을 제조하는 데 장기간 사용할 수 있을 정도로 충분한 내구성을 갖추고 있어 성형 도구로 특히 적합하다는 것이 입증되었다.
성형 도구 당 10,000 유로에서 수백만 유로 이상의 비용이 드는 금속 금형 제조는 복제 공정을 통한 고분자 부품 제조에 있어서 비용과 관련된 단계이다. 현재 산업에서 사용되는 대부분의 금속 금형은 제거 제조, 특히 밀링, 드릴링 또는 연삭과 같은 CNC 가공 기술을 통해 얻어진다. 적층 가공은 일반적으로 빠른 툴링(rapid tooling)이라고 하는 고속 금형 제조 공정에서 인기를 얻고 있다. 그러나 금속의 적층 가공으로 인해 발생하는 높은 거칠기 및 결함 존재와 같은 부적절한 표면 특성을 고려할 때, 빠른 툴링은 아직 산업 규모에 널리 적용되지 않고 있다.
이러한 맥락에서, 리히터(C Richter) 외, Progress in Biomedical Optics and Imaging, 2017, vol. 10061에서는 고분자 복제를 위한 성형 도구의 제조 공정을 설명한다.: 리소그래피를 통해 포토레지스트 내에 미세 구조 생성; 금속 성형 도구를 만들기 위한 원래 주형 역할을 하는 고온 실리콘에 미세 구조 주조; 및 오븐 내에서 실리콘 내부에 직접 가벼운 압력으로 Sn, Ag 및 Cu의 공정 합금(eutectic alloy)을 녹여 실온으로 냉각한 후 금속 성형 도구를 얻는 과정을 포함한다.
또한, Argentine Chemical Society, 2003, vol 91, 143-152 페이지에는 금속 스탬프를 사용한 마이크로 트랜스퍼 성형에 대한 설명이 있다.
또한, F 코츠(F Kotz) 외, Progress in Biomedical Optics and Imaging, 2019, vol. 10875에는 투명 용융 실리카 유리의 높은 처리량(high-throughput)의 열 복제에 대한 설명이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 목적은 당업자에게 공지된 금속 금형의 제조와 관련된 상기와 같은 단점을 극복하기 위한 것이다. 특히, 본 발명의 기본이 되는 기술적 과제는 산업적 규모로 확장할 수 있도록 효율적 비용 방식으로 금속 금형을 제공할 수 있고, 동시에 낮은 거칠기 및 결함 부재와 같은 적절한 표면 특성을 갖는 금속 금형을 제공할 수 있는 금속 금형 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기본이 되는 전술된 기술적 문제는 첨부된 청구범위에 특징으로 하는 실시예를 제공함으로써 해결된다.
특히, 일측면에서는, 본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형의 제조 방법을 제공하며, 본 발명에 따른 제조 방법은 다음을 포함한다:
(a) 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하여 유리 기반 금형을 제조하는 단계로서, 유리 기반 금형은 미리 결정된 3차원 형상을 가지며 다음과 같이 얻어진다:
(i) 유기 결합제의 경화 전, 경화 중 및/또는 경화 후에 성형 가능한 나노 복합체를 미리 결정된 3차원 형상으로 성형하여 1차 구조를 얻는 단계;
(ii) 유기 결합제를 제거함으로써 (i) 단계에서 얻어진 1차 구조를 디바인딩(debinding)하여 2차 구조를 얻는 단계 - 2차 구조는 그 안에 형성된 캐비티(cavities)를 가짐 -;
(iii) 선택적으로, (ii) 단계에서 얻어진 2차 구조의 캐비티를 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채우는 단계; 및
(iv) 선택적으로 (iii) 단계에서 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워진 (ii) 단계에서 얻어진 2차 구조를 소결하여, 유리 기반 금형을 얻는 단계; 및
(b) 유리 기반 금형 내부에서 금속을 녹이거나 유리 기반 금형 외부에서 금속을 녹여 유리 기반 금형 위 또는 유리 기반 금형 내부에 부은 후 냉각하거나 유리 기반 금형을 가단성 있는(malleable) 금속 기판에 압착하여 (a) 단계에서 얻은 유리 기반 금형을 복제함으로써 부품을 복제하기 위한 금속 금형을 얻는 단계 - 금속 금형은 반전된 미리 결정된 3차원 형상을 가짐-; 여기서, 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 5nm 내지 500nm 범위의 직경을 갖는 제1 유형의 유리 입자를 포함한다.
유리하게는, 위에서 정의된 공정 단계를 특징으로 하는 본 발명에 따른 제조 방법은 산업 규모로 확장할 수 있도록 효율적 비용 방식으로 금속 금형을 제공할 수 있다. 그 이유는 (a) 단계에서 얻어진 유리 기반 금형이 (b) 단계에서 금속 금형으로 복제되기 때문이다. 즉, 본 발명에 따르면, 금속 금형 자체의 제조는 복제 공정, 즉 (b) 단계를 필요에 따라 여러 번 반복하여 동일하거나 다른 유리 기반 금형을 사용하여 하나 이상의 금속 금형을 얻을 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 제조 방법은 낮은 처리량과 같은 CNC 가공 기술에서 특히 알려진 단점을 겪지 않는다.
유리하게는, 위에서 정의된 공정 단계를 특징으로 하는 본 발명에 따른 제조 방법은 또한 적절한 표면 특성, 예를 들어 낮은 거칠기 및 결함 부재를 갖는 금속 금형을 제공할 수 있다. 따라서 유리 기반 금형을 제조하기 위해 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하는 것이 그 이유이다. 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 용융되지 않기 때문에, 즉 성형 가능한 나노 복합체의 유기 결합제만 성형 가능한 상태에 있을 필요가 있기 때문에, 유리 기반 금형은 비교적 낮은 온도에서 (a) 단계에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 고분자 재료로 만들어진 템플릿을 사용하여 복제 공정을 통해 유리 기반 금형을 제작할 때 템플릿이 저하되지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 템플릿은 용융된 유리에 노출되거나 용융된 금속에 노출되지 않는다. 한편, (a) 단계에서 얻은 유리 기반 금형은 고온에 대한 내성을 가지므로 (b) 단계에서 용융된 금속과 접촉 할 수 있다. 금속 금형은 유리 기반 금형의 직접 복제품으로, 금속 금형은 유리 기반 금형의 모양이 반전되어 있기 때문에 금속 금형의 표면 특성은 실질적으로 유리 기반 금형의 표면 특성에 의해서만 영향을 받는다. 그 결과, 본 발명에 따른 제조 방법은 낮은 해상도 및 열등한 표면 품질과 같은 빠른 툴링에서 특히 알려진 단점을 겪지 않는다.
이하, 위에서 정의한 구체적인 공정 단계를 갖는 본 발명에 따른 제조 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제조 방법의 (a) 단계에서, 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하여 유리 기반 금형을 제조한다. (a) 단계에서 얻어진 유리 기반 금형은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는다. 본 발명에 따르면, 유리 기반 금형을 제조하는 데 사용되는 나노 복합체는 성형 가능하며, 이는 유기 결합제가 성형 가능한 상태에 있음을 의미한다. 유기 결합제가 성형 가능한 상태이고, 성형 가능한 나노 복합체는 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 유리 기반 금형을 제조하기 위해 성형될 수 있다.
본 발명에 따르면, 유리 기반 금형은 위에서 정의된 (i) 내지 (iv) 단계에 의해 (a) 단계에서 얻어진다. (i) 내지 (iv) 단계를 보다 상세히 설명하기 전에, 먼저 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 필수 부품으로 하는 성형 가능한 나노 복합체의 조성에 대해 설명한다:
성형 가능한 나노 복합체의 유기 결합제는 성형 가능한 상태에 있는 한, 즉 성형 가능한 상태로 전이될 수 있는 한 더 이상 제한되지 않으므로, 성형 가능한 나노 복합체는 유리 기반 금형을 제조하기 위해 형상화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 성형 가능한 나노 복합체의 유기 결합제는 냉각 시 경화될 수 있는 열가소성 플라스틱이다. 따라서, 냉각은 연화된 열가소성 플라스틱을 고체로 바꾸어 유기 결합제가 더 이상 성형 가능한 상태가 되지 않도록 한다. 유기 결합제로 사용된 열가소성 플라스틱을 경화시킨 결과, 아래에서 더 자세히 설명하는 (i) 단계에서 얻은 1차 구조는 그 형태를 유지한다.
유기 결합제가 열가소성 플라스틱인 경우, 방향족(aromatic) 또는 지방족(aliphatic) 디카르복실산(dicarboxylic acids) 및 디올(diols) 및/또는 하이드록시카르복실산(hydroxycarboxylic acids)을 기반으로 하는 폴리에스테르(polyesters), 지방족 또는 방향족 디올을 기반으로 하는 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부텐(polybutene), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene), 폴리이소부텐(polyisobutene), 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트)(poly(ethylene-vinyl acetate)), 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber; EPR), 폴리(에틸렌 프로필렌 디엔)(poly(ethylene propylene diene)), 폴리(비닐 부티랄)(poly(vinyl butyral); PVB), 폴리 아크릴레이트(polyacrylates) 및 폴리 메타크릴레이트(polymethacrylate)와 같은 폴리올레핀(polyolefins), 사이클로올레핀 폴리머(cycloolefin polymers), 폴리아미드(polyamides), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene)과 같은 폴리 아세탈(polyacetals), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol; PEG)과 같은 폴리에테르, 비스페놀(bisphenols)을 기반으로 하는 방향족 폴리 에테르(polyethers)를 포함하며, 또는 폴리우레탄(polyurethanes) 또는 이들의 조합체, 그러나 이에 한정되지 않는 제품 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 성형 가능한 나노 복합체의 유기 결합제는 외부 자극에 의해 개시된 경화 또는 중합에 의해 경화될 수 있는 수지이다. 이러한 맥락에서, 외부 자극으로서, 열 또는 조사, 특히 자외선 조사가 언급될 수 있다. 수지의 액체 성분이 서로에 대해 충분한 반응성을 나타내는 두 개 부분의 수지와 같은 일부 경우 혼합만으로도 외부 자극으로 충분할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 외부 자극은 유기 결합제의 경화 또는 중합을 용이하게 하기 위해 유기 결합제에 첨가되는 개시제(initiator)를 포함할 수 있다. 적절한 개시제는 당업자에게 아세토페논(acetophenones)(예: 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPAP)), 아조 화합물(azo compounds)(예: 아조비스소부티로니트릴(AIBN)), 벤조페논 유도체(benzophenone derivatives), 플루오레세인(fluorescein) 및 그 유도체(예: 로즈 벵갈(rose bengal)), 퀴논(quinones)(예: 캄포퀴논(camphorquinone)), 포스핀 유도체(phosphine derivatives)(예: 디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 옥사이드(diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide))와 같이 알려져 있으나 이에 국한되지 않는다. 따라서, 외부 자극에 의해 개시된 경화 또는 중합은 수지의 액체 성분을 고체로 변화시켜 유기 결합제가 더 이상 성형 가능한 상태가 되지 않도록 한다. 외부 자극에 노출되면 사용되는 수지에 따라 수지가 경화되어 가교 구조가 되거나 중합되어 비가교 구조가 된다. 즉, 본 명세서에서 사용되는 "수지"라는 용어는 열경화성 수지뿐만 아니라 열가소성 플라스틱 수지도 포함한다. 즉, 수지로서, 임의의 단량체(monomeric) 및/또는 올리고체(oligomeric) 및/또는 중합체(polymeric) 조성물이 본 명세서에서 제한 없이 언급될 수 있다. 유기 결합제로 사용되는 수지를 경화시킨 결과, 아래에 더 자세히 설명된 바와 같이 (i) 단계에서 얻어진 1차 구조는 그 형상을 유지한다.
유기결합제가 수지 인 경우, 아크릴레이트 수지(acrylate resins) 및 메타크릴레이트 수지(methacrylate resins), 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resins), 비닐 에스테르 수지(vinyl ester resins), 에폭시 수지(epoxy resins), 티올-엔 수지(thiol-ene resins) 또는 폴리우레탄 수지(polyurethane resins) 중에서 선택할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 특히, 유기 결합제가 수지인 경우, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate; HEMA) 또는 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트와 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate and tetraethylene glycol diacrylate; TEGDA)의 혼합물을 유기 결합제로서 언급될 수 있다.
성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제 외에도 유리 입자를 필수 부분으로 포함한다. 유리 입자는 유기 결합제에 분산되어 있습니다. 유리 입자의 분산은 사용되는 유기 결합제에 따라 당업자에게 알려진 임의의 수단을 통해 달성될 수 있다. 열가소성 플라스틱이 유기 결합제로 사용되는 경우, 열가소성 플라스틱은 연화되거나 유리 입자를 첨가하기 전에 적절한 유기 용매 또는 기체 상에 용해될 수 있다. 수지를 유기 결합제로 사용하는 경우, 유리 입자는 수지의 액체 성분에 직접 첨가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 용융 실리카 유리 입자이다. 용융 실리카 유리는 고순도 비정질 이산화 규소로 구성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 용융 실리카 유리는 유리의 총 질량을 기준으로 이산화 규소의 질량 분율이 적어도 99% 이고, Al, Ca, Cu, Fe, Na, K, Li 및 Mg와 같은 일반적인 불순물이 각각 15ppm 미만인 유리로 이해되어야 한다. 즉, 용융 실리카 유리에는 일반적으로 녹는점을 낮추기 위해 다른 종류의 유리에 첨가되는 성분이 실질적으로 포함되어 있지 않다. 따라서 용융 실리카 유리는 높은 열 안정성을 나타내므로 아래에서 자세히 설명하는 (b) 단계에서 용융된 금속과 접촉할 때 온도를 견딜 수 있다.
본 발명에 따르면, 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 5nm 내지 500nm 범위의 직경, 바람직하게는 7nm 내지 400nm 범위의 직경을 갖는 유리 입자를 포함한다. 이러한 유리 입자는 제1 유형의 유리 입자라고도 한다. 나노미터 범위의 직경을 갖는 제1 유형의 유리 입자는 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 복합체를 성형 가능한 나노 복합체로 만든다.
5nm 내지 500nm 범위, 바람직하게는 7nm 내지 400nm 범위의 직경을 갖는 유리 입자에 더하여, 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 2μm 내지 50μm, 바람직하게는 2μm 내지 40μm 범위의 직경을 갖는 유리 입자를 포함할 수 있다. 이러한 유리 입자는 본 명세서에서 제2 유형의 유리 입자로도 지칭된다. 유리 입자가 제1 유형의 유리 입자와 제2 유형의 유리 입자를 포함하는 경우, 즉 유리 입자의 두 개 모드 혼합물을 포함하는 경우, 직경이 더 작은 유리 입자는 직경이 더 큰 유리 입자 사이의 간극을 채울 수 있다. 이에 따라, 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 보다 조밀한 패킹이 달성되고, 이는 아래에서 더 설명하는 바와 같이 (iv) 단계에서의 소결 동안 더 작은 수축으로 이어진다. 원칙적으로, 유리 입자는 제 1 유형의 유리 입자의 직경과 상이하고 제2 유형의 유리 입자의 직경과 상이한 임의의 다른 유형의 유리 입자를 더 포함할 수 있다. 이러한 유리 입자의 다중 모드 혼합물도 본 발명의 범위 내에 있다.
여기서, 제1, 제2 및 임의의 다른 유형의 유리 입자의 직경은 ISO 9276-2에 따라 측정된 평균 직경으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따르면, 유리 입자가 (완벽하게) 구형일 필요는 없다. 즉, 유리 입자는 구형일 수도 있고, 구형과 같은 것일 수도 있다. 예를 들어, 5nm 내지 500nm 범위, 바람직하게는 7nm 내지 400nm 범위의 직경을 갖는 제1 유형의 유리 입자와 관련하여, 이는 이들 유리 입자가 실질적으로 직경이 5nm보다 작은 치수가 없고, 바람직하게는 직경이 7nm보다 작은 치수가 없고, 실질적으로 직경이 500nm보다 큰 치수가 없고, 바람직하게는 직경이 400nm보다 큰 치수가 없을 수 있음을 의미한다.
이에 제한되지 않고, 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 함량은 유기 결합제의 부피당 100 부분을 기준으로 적어도 부피당 5 부분, 바람직하게는 적어도 부피당 30 부분, 더 바람직하게는 적어도 부피당 50 부분이다. 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 함량이 높을수록, 후술하는 바와 같이 (b) 단계에서 얻어진 유리 기반 금형 내의 유리 입자의 패킹이 더 조밀해진다. 본 발명자들이 놀랍게도 발견한 바와 같이, 유기 결합제에 대한 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 함량이 다소 높더라도, 예를 들어 유기 결합제의 부피당 100 부분을 기준으로 부피당 55 부분 이상이더라도, 유리 기반 금형을 제조하기 위해 성형 가능한 나노 복합체를 성형하는 것이 여전히 가능하다.
유기 결합제 및 그 안에 분산된 유리 입자 이외에, 성형 가능한 나노 복합체는 필요에 따라 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있으며, 이는 유리 기반 금형의 제조 및 금속 금형으로의 복제를 용이하게 한다. 본 발명에 따르면, 성형 가능한 나노 복합체에서 전체적으로 취해진 임의의 첨가제의 함량은 20 질량-% 이하, 더욱 바람직하게는 15 질량-% 이하, 더욱 바람직하게는 10 질량-% 이하, 더욱 바람직하게는 5 질량-% 이하이고, 성형 가능한 나노 복합체의 총 질량은 100 질량-% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 성형 가능한 나노 복합체는 본질적으로 유기 결합제에 첨가된 임의의 개시제를 포함하여 유기 결합제 및 그 안에 분산된 유리 입자로 구성된다. 여기서, "본질적으로 구성된다"는 용어는 유기 결합제에 첨가된 임의의 개시제를 포함하여 유기 결합제 및 그 안에 분산된 유리 입자의 함량이 적어도 80 질량-%, 더 바람직하게는 적어도 85 질량-%, 더욱 바람직하게는 적어도 90 질량-%, 더욱 바람직하게는 적어도 95 질량-%이며, 성형 가능한 나노 복합체의 총 질량은 100 질량-%임을 의미한다.
예를 들어, 유기 결합제에서 유리 입자의 분산을 용이하게 하기 위해 분산제가 첨가될 수 있다. 분산제로서, 알코올, 비이온성 계면활성제(예: 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 또는 폴리옥시메틸렌(polyoxyethylene alkyl ether or polyoxymethylene)) 및 음이온성 계면활성제(예: 지방산 및 그 염 또는 지방족 카르복실산(aliphatic carboxylic acids) 및 그 염(예를 들어 스테아르산(stearic acid) 및 그 염 또는 올레산(oleic acid) 및 그 염과 같은)이 제한 없이 본 명세서에 언급될 수 있다. 본 발명에 적합하게 사용될 수 있는 분산제의 또 다른 예는 2-[2-(2-메톡시 에톡시)에톡시]아세트산(2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]acetic acid)이다. 본 발명에 따르면, 분산제가 존재할 필요는 없다. 즉, 본 발명은 또한 성형 가능한 나노 복합체가 분산제를 포함하지 않는 실시예를 포함한다.
아래에서 더 설명하는 바와 같이 (ii) 단계에서 1차 구조의 디바인딩을 용이하게 하기 위해, 성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제 내에 분산된 상 형성제(phase-forming agent)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상 형성제는 상온(본 명세서에서 25oC의 온도로 이해됨)에서 고체 또는 점성이며, 상 형성제는 유기 결합제 내에서 내부 상을 형성한다. 상 형성제의 예로는 알코올, 에테르 및 실리콘 오일 및 이들의 조합이 포함되며, 이러한 물질은 충분히 높은 분자량을 가짐 및/또는 상온에서 고체 또는 점성이 될 수 있도록 적절한 기능성을 갖는다. 여기서 "점성"이라는 용어는 DIN 53019에 따라 측정된 상온에서 적어도 1mPa.s의 점도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 상 형성제는, 예를 들어 상 형성제의 증발 또는 승화를 유도하거나 분해를 유도하는 열처리를 통해, 아래에 더 설명된 바와 같이 (ii) 단계에서 1차 구조의 디바인딩 전 또는 도중에 유기 결합제로부터 제거될 수 있다. 또한, 상 형성제는 용매 또는 기체상 추출에 의해 제거될 수 있다.
구체적인 예로서, 페녹시 에탄올(phenoxyethanol; POE)이 상 형성제로 언급될 수 있다. POE는 상온에서 점도가 약 30mPa.s이므로 점성이 있는 물질이다. 대기압 하에서 242oC의 온도에서 증발될 수 있다. 그러나 증기압이 높기 때문에 더 낮은 온도에서는 이미 상당량이 제거된다. 또한 위에서 언급한 PEG 및 2-[2-(2-10 메톡시에톡시)에톡시]아세트산(2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]acetic acid)도 상 형성제로서 작용할 수 있다.
특히, 1차 구조가 형성되면 유기 결합제는 액체, 겔 또는 페이스트(paste)와 같은 상태가 아닌 고체 상태가 된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 고체는 점도를 결정할 수 없다는 특징이 있다. 여기서, 성형 가능한 나노 복합체는 증점제(thickening agent)를 포함하지 않으며 물과 같은 용매를 포함하지도 않는다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 성형 가능한 나노 복합체는 트리글리세리드(triglycerides), 왁스 및 파라핀(paraffin)을 포함하지 않으며 프탈레이트(phthalates) 및 그 유도체와 같은 가소제(plasticizer)를 포함하지 않는다.
(a) 단계에서 얻어진 유리 기반 금형의 기계적 안정성을 향상시키기 위해, 성형 가능한 나노 복합체는 세라믹 재료의 분말 또는 유기 결합제에 분산된 세라믹 재료의 전구체를 더 포함할 수 있다. 여기서, "세라믹 재료의 분말"이라는 용어는 분말에 포함된 입자가 세라믹 재료로 만들어진 것을 의미한다. 성형 가능한 나노 복합체가 세라믹 재료의 분말을 포함하는 경우, 분말에 포함된 입자는 유리 입자에 대해 위에서 설명한 것에서 더 나아가 적절한 직경, 즉 적절한 크기를 가져야 한다. 또한, "세라믹 재료의 전구체"라는 용어는 세라믹 재료가 아래에 더 설명된 바와 같이 (iv) 단계에서의 소결 동안 전구체로부터 형성되는 것을 의미한다. 성형 가능한 나노 복합체가 세라믹 재료의 전구체를 포함하는 경우, 전구체는 유기 금속 화합물, 금속 착물 및 금속 염으로 구성된 그룹 또는 이들 둘 이상의 조합으로부터 선택될 수 있는 적어도 하나의 금속 함유 화합물이다. 즉, 세라믹 재료의 전구체는 세라믹 재료의 금속 소스 역할을 한다. 유기 결합제에 세라믹 재료의 분말 및/또는 전구체를 분산시키기 위해, 위에서 설명한 유기 결합제에 유리 입자를 분산시키기 위한 수단이 여기에도 동일하게 적용된다.
(i) 단계에서, 상술한 성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제의 경화 전, 경화 중 및/또는 경화 후에 미리 결정된 3차원 형상으로 성형된다. 이에 따라 녹색 몸체라고도하는 1차 구조가 얻어진다. 사용되는 유기 결합제에 따라 경화는 냉각 시 또는 외부 자극에 의해 시작된 경화 또는 중합 시 이루어진다. (i) 단계에서 얻은 1차 구조의 모양은 아래에 자세히 설명된 대로 (iv) 단계에서 얻은 유리 기반 금형의 형상을 이미 반영한다.
성형 가능한 나노 복합체를 미리 결정된 3차원 형상으로 성형하는 것은 당업자에게 공지된 임의의 적절한 수단에 의해 수행될 수 있다. 특히, 성형 가능한 나노 복합체는 제거 제조 공정(subtractive manufacturing process), 적층 제조 공정(additive manufacturing process), 복제 공정 또는 이들의 조합에 의해 (i) 단계에서 성형될 수 있다. 적용되는 공정(들)에 따라, 그 안에 유리 입자가 분산되어 있는 유기 결합제는 성형 가능한 나노 복합체의 성형 전, 성형 중 및/또는 성형 후에 경화된다.
제거 제조 공정의 경우, 그 안에 유리 입자가 분산된 유기 결합제는 성형 가능한 나노 복합체를 성형하기 전에 경화된다. 즉, 성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제의 경화 후에 미리 결정된 3차원 형상으로 성형된다. 적합한 제거 제조 공정에는 레이저 기반 구조화 기술과 밀링, 드릴링, 연삭, 톱질, 래싱(lathing) 및 연마와 같은 CNC 가공 기술이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.
적층 제조 공정의 경우, 그 안에 유리 입자가 분산된 유기 결합제는 성형 가능한 나노 복합체를 성형하는 동안 경화된다. 즉, 성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제가 경화되는 동안 미리 결정된 3차원 형상으로 성형된다. 적합한 적층 제조 공정에는 선택적 레이저 소결 및 선택적 레이저 용융, 용융 증착 모델링이라고도 하는 용융 필라멘트 제조, 광조형, 2 광자 중합, 잉크젯 프린팅 및 체적 프린팅 기술이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.
복제 공정의 경우, 그 안에 유리 입자가 분산된 유기 결합제는 성형 가능한 나노 복합체를 성형한 후 경화된다. 즉, 성형 가능한 나노 복합체는 유기 결합제가 경화되기 전에 미리 결정된 3차원 형상으로 성형된다. 적합한 복제 공정은 주조, 사출 성형, (사출) 압축 성형, 압출, 열성형, 냉간 또는 열간 드로잉, 핫 엠보싱, 나노 임프린팅 및 블로우 성형을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 성형 가능한 나노 복합체는 (i) 단계에서 성형 가능한 나노 복합체를 템플릿에 대해 주조한 후 경화시킴으로써 성형된다. 템플릿은 미리 결정된 3차원 형상이 반전되어 있다. 즉, 템플릿의 모양은 복제할 부품의 최종 3차원 형상과 반대의 형상이다. 따라서 템플릿은 부품을 복제하기 위한 성형 도구의 형상을 갖는다. 따라서, 본 실시예에서, 성형 가능한 나노 복합체는 복제 공정을 통해 (i) 단계에서 성형된다.
템플릿의 재료에 관한 한, 본 발명은 더 이상 제한되지 않는다. 템플릿이 용융된 유리에 노출되거나 용융된 금속에 노출되지 않기 때문에, 위에서 언급한 바와 같이, 템플릿이 (i) 단계에서 유리 기반 금형에 복제될 수 있는 한, 재료의 온도 저항성과 관련하여 특별한 제한은 없다.
예를 들어, 템플릿은 고분자 재료로 만들어지지만 이에 국한되지 않는다. 고분자 재료는 열가소성 플라스틱으로부터 유래되거나 수지로부터 유래될 수 있다. 여기서, 고분자 재료는 탄소 기반 고분자만을 포함하는 것은 아니라고 이해되어야 한다. 예를 들어, 고분자 재료는 실리콘 기반 고분자, 예를 들어 실리콘이라고도 하는 폴리실록산도 포함한다. 필요에 따라, 템플릿에 충분한 기계적 안정성을 부여하기 위해, 고분자 재료는 적어도 부분적으로 가교될 수 있다. 부분적인 가교는 열경화성 수지, 예를 들어 분자당 적어도 어느 정도 3 개 이상의 반응성 작용기를 갖는 적합한 실리콘 수지를 사용하여 달성될 수 있다.
필요에 따라, 템플릿은 제거 제조 공정, 적층 제조 공정, 복제 공정 또는 이들의 조합을 통해 미리 얻을 수 있다. 이러한 맥락에서, 성형 가능한 나노 복합체의 성형에 대해 위에서 설명한 수단은 여기에도 동일하게 적용 가능하다.
예를 들어, 이에 국한되지 않고 마이크로 리소그래피를 통해 템플릿을 미리 얻을 수 있다. 마이크로리소그래피에서 마스크로 덮인 기판 위에 포토레지스트가 조사된다. 포토레지스트는 포지티브 타입 또는 네거티브 타입일 수 있다. 네거티브 타입 포토레지스트는 이전에 조사된 경우 현상액에 녹지 않으며, 즉 마스크를 통해 조사된 포토레지스트의 영역이 기판에 남아 템플릿을 형성한다. 포지티브 타입 포토레지스트는 이전에 조사되지 않은 경우 현상액에 녹지 않으며, 즉 마스크를 통해 조사되지 않은 포토레지스트 영역이 기판에 남아 템플릿을 형성한다. 적합한 제거 제조 공정에는 위에서 언급한 CNC 가공 기술, 레이저 절단 및 워터젯 절단이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 적합한 적층 제조 공정에는 위에서 언급한 바와 같이 선택적 레이저 소결 및 용융 필라멘트 제조, 2 광자 중합, 직접 레이저 라이팅, 리소그래피, 특히 광조형 기술이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.
복제 공정을 통해 템플릿을 미리 얻는 경우, 템플릿은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 기존 부품으로부터 복제된다. 여기서, 기존 부품은 복제될 부품과 동일할 수 있다. 템플릿의 경우와 마찬가지로, 기존 부품은 고분자 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 템플릿의 경우와 마찬가지로, 기존 부품은 제거 제조 공정, 적층 제조 공정, 복제 공정 또는 이들의 조합을 통해 미리 얻을 수 있다. 이러한 맥락에서 템플릿에 대해 위에서 설명한 고려 사항은 기존 부품에도 동일하게 적용된다. 기존 부품은 열가소성 플라스틱 또는 수지를 사용하여 템플릿으로 복제될 수 있다. 이를 위해 연화된 열가소성 플라스틱 또는 수지의 액체 성분을 기존 부품에 대해 주조한다. 그런 다음 경화하면 고분자 재료로 만들어진 템플릿이 생성된다. 위에서 언급한 바와 같이 고분자 재료에는 탄소 기반 고분자뿐만 아니라 실리콘 기반 고분자도 포함된다.
전술한 바와 같이, 성형 가능한 나노 복합체를 미리 결정된 3차원 형상으로 성형하기 위해, 하나 이상의 제거 제조 공정, 적층 제조 공정 및 복제 공정이 결합될 수 있다. 예를 들어, 성형 가능한 나노 복합체가 복제 공정을 통해 성형되고, 1차 구조에 상기 복제 공정으로 인한 가시적인 아티팩트(artifacts)가 있는 경우, 후처리로서 제거 또는 적층 제조 공정이 1차 구조에 적용될 수 있다. 특히, 성형 가능한 나노 복합체를 템플릿에 대해 주조하여 1차 구조를 얻는 경우, 이러한 후처리가 용이하게 적용될 수 있다. 후처리를 위한 적절한 수단은 전술한 CNC 가공 기술을 포함하여 당업자에게 공지되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 고려 사항은 템플릿 및 기존 부품에 동일하게 적용된다.
(ii) 단계에서, (i) 단계에서 얻은 1차 구조가 유기 결합제를 제거하여 디바인딩된다. 이에 따라 갈색 몸체라고도 하는 2차 구조가 얻어진다. 디바인딩, 즉 유기 결합제를 제거한 결과, 2차 구조는 그 안에 형성된 캐비티를 갖는다.
사용되는 유기 결합제에 따라, (i) 단계에서 얻은 1차 구조는 열처리, 화학 반응, 감압, 용매 또는 기체상 추출 또는 이들의 조합을 통해 (ii) 단계에서 디바인딩될 수 있다. 예를 들어 1차 구조는 열처리되기 전에 먼저 용매 추출을 수행하기 위해 용매에 침지된다. 원칙적으로, 유리 입자 및, 존재하는 경우, 2차 구조를 형성하는 세라믹 재료의 분말 및/또는 전구체에 악영향을 미치지 않고 유기 결합제를 제거할 수 있는 임의의 수단이 적용될 수 있다. 이러한 맥락에서, 당업자는 (ii) 단계에서 유기 결합제를 제거하기 위해 적용될 적절한 조건을 일상적으로 선택한다.
예를 들어, 열처리를 통해 디바인딩이 이루어지는 경우, 디바인딩 중에 적용되는 온도는 일반적으로 100oC~600oC 범위, 예를 들어 150oC~550oC 범위, 가열 속도는 일반적으로 0.1oC/min~5oC/min 범위, 예를 들어 0.5oC/min~1oC/min 범위, 유지 시간은 일반적으로 2분~12시간 범위이며, 이는 얻어지는 유리 기반 금형의 크기에 따라 달라질 수 있다. 크기가 다소 작은 경우, (ii) 단계에서 1차 구조를 디바인딩하는데 몇 초면 충분할 수 있다. 열처리는 또한 단계적으로 수행될 수 있다. 위의 고려 사항에 따라, 열처리를 통한 디바인딩은 유기 결합제의 휘발성을 높이는 감압(즉, 대기압 이하)을 통해 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.
유기 결합제를 제거한 후 유리 입자와 세라믹 재료의 분말 및/또는 전구체가 존재할 경우 수소 결합으로 인해 서로 접착한다. 따라서 2차 구조에 기계적 안정성이 부여된다. 직경이 나노미터 범위인 유리 입자의 크기를 고려할 때 유리 입자는 2차 구조가 기계적으로 안정적으로 유지될 수 있도록 충분한 상호 작용을 할 수 있도록 하는 높은 표면적을 갖는다.
(ii) 단계에서 유기 결합제를 제거하기 전 또는 유기 결합제를 제거하는 동안, 상 형성제가, 존재하는 경우, 증발 또는 승화 또는 분해에 의해 1차 구조에서 제거된다. 상 형성제가, 존재하는 경우, 용매 또는 기체상 추출을 통해 제거될 수도 있다. 원칙적으로 유기 결합제의 제거와 관련하여 위에서 설명한 것과 동일한 수단이 적용될 수 있다.
상 형성제를 제거한 결과, 상 형성제가, 존재하는 경우, (ii) 단계에서 1차 구조의 디바인딩이 용이해진다. 그 이유는 유기 결합제 내에서 상 형성제에 의해 형성된 내부 상이 제거될 때 1차 구조에 기공(pores)을 생성하기 때문이다. 이 기공을 통해 남아있는 유기 결합제를 보다 제어된 방식으로 제거할 수 있다. 따라서 특히 두꺼운 구조를 채택할 때 2차 구조가 손상되는 것을 더 쉽게 방지할 수 있다. 여러 단계에 걸쳐 유기 결합제를 제거할 때도 동일하게 적용된다. 예를 들어, 유기 결합제가 서로 다른 열분해 거동을 나타내는 두 개 이상의 결합제 성분의 조합인 경우, 디바인딩은 순차적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 첫 번째 결합제 성분, 즉 분해 온도가 가장 낮은 결합제 성분,을 제거한 후, 추가 결합제 성분의 제거는 첫 번째 결합제 성분을 제거한 후 1차 구조에 생성된 기공으로 인해 용이해진다.
선택 사항인 (iii) 단계에서, (ii) 단계에서 얻어진 2차 구조의 캐비티는 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워질 수 있다. 필러(filler)라고도 하는 적어도 하나의 유리 형성 전구체는 반드시 2차 구조에 형성된 캐비티에 도입될 수 있도록 적절한 크기를 가져야 한다. 2차 구조의 캐비티를 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채움으로써, 후술하는 바와 같이 (iv) 단계에서 소결하는 동안 2차 구조의 수축은 감소될 수 있다. 또한, 적합한 유리 형성 전구체를 선택함으로써, 결과로 형성된 유리 기반 금형의 경도가 증가될 수 있고/또는 열팽창 계수가 수정될 수 있으며, 예를 들어, 최소화될 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 유리 형성 전구체는 더 이상 제한되지 않으며, 의도된 목적에 따라 적절한 방식으로 선택될 수 있다.
이에 국한되지 않고, 예를 들어, 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate)(Si(OC2 H5)4)와 같은 실리콘 기반 유리 형성 전구체(TEOS라고도 함)가 사용될 수 있다. 특히, 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 유리와 구별할 수 없는 유리를 형성하는 유리 형성 전구체가 사용될 수 있다. 그러나 성형 가능한 나노 복합체 내의 유리 입자의 유리와 구별할 수 있는 유리를 형성하는 유리 형성 전구체를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 성형 가능한 나노 복합체가 유리 입자로서 용융 실리카 유리 입자를 포함하는 경우, 테트라에틸 오르토티타네이트(tetraethyl orthotitanate)(Ti(OC2 H5)4)와 같은 티타늄 기반 유리 형성 전구체를 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 금속 알콕사이드(alkoxides)는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide), 지르코늄 에톡사이드(zirconium ethoxide), 알루미늄 이소프로폭사이드(aluminium isopropoxide), 바나딜 이소프로폭사이드(vanadyl isopropoxide), 니오븀 에톡사이드(niobium ethoxide), 탄탈륨 에톡사이드(tantalum ethoxide) 및 포타슘 테르트-부톡사이드(potassium tert-butoxide)를 포함한다. 더 적합한 유리 형성 전구체는 당업자에게 공지되어 있다. 이들 역시 본 명세서에서 사용될 수 있다.
성형 가능한 나노복합체 내의 유리 입자가 용융 실리카 유리 입자이고 2차 구조의 캐비티가 TEOS와 같은 실리콘 기반 유리 형성 전구체로 채워진 경우, 통상적으로 가공된 용융 실리카 유리와 유사한 밀도를 갖는 고순도 용융 실리카 유리로 만들어진 유리 기반 금형이 얻어질 수 있다. 그 결과, (a) 단계에서 얻은 유리 기반 금형은 특히 고온에 대한 내성이 있다. (iii) 단계에서 유리 형성 전구체로 2차 구조를 채우지 않더라도, (iv) 단계에서 소결한 후 얻은 유리 기반 금형의 비커스(Vickers) 경도는 통상적으로 가공된 용융 실리카 유리와 유사하다.
2차 구조의 캐비티는 적어도 하나의 유리 형성 전구체를 포함하는 용액에 2차 구조를 담그거나, 적어도 하나의 유리 형성 전구체를 포함하거나 생성하는 분위기에서 2차 구조를 물리적 또는 화학적 기상 증착에 노출시키거나, 또는 이들의 조합에 의해 (iii) 단계에서 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워질 수 있다. 그러나 원칙적으로 다른 충진 공정(filling process)도 이러한 점에서 적용될 수 있다. 예를 들어, 솔-겔 공정을 적용하는 것도 가능하다. (iii) 단계에서 2차 구조의 캐비티가 선택적으로 채워지는 적어도 하나의 첨가제에 따라, 2차 구조는 먼저 유리 형성 전구체 중 하나를 포함하는 용액에 담궈질 수 있고, 그 다음 유리 형성 전구체 중 다른 하나를 포함하거나 생성하는 물리적 또는 화학적 기상 증착에 노출될 수 있다. 적절하게, 2차 구조의 캐비티는 1차 구조의 디바인딩이 완료되기 전에도 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워질 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워지는 것은 부분적으로 디바인딩된 1차 구조이다.
(iv) 단계에서, (ii) 단계에서 얻어진 2차 구조는 선택적으로 (iii) 단계에서 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채워져 소결된다. 이로써, 유리 기반 금형이 얻어진다.
적절한 소결 조건은 당업자에게 알려져 있으며 일상적으로 적절하게 선택된다. 제한 없이, 소결 중에 가해지는 온도는 전형적으로 700oC 내지 1600oC 범위이고, 가열 속도는 전형적으로 1oC/min 내지 10oC/min 범위, 예를 들어 5oC/min 범위이며, 유지 시간은 전형적으로 얻으려는 유리 기반 금형의 크기에 따라 0.5시간 내지 8시간 범위, 예를 들어 4시간 범위 내에 있다. 성형 가능한 나노 복합체가 유기 결합제 내에 분산된 세라믹 재료의 전구체를 포함하는 경우 및/또는 (iii) 단계에서 2차 구조의 캐비티가 유리 형성 전구체로 채워지는 경우, 2차 구조는 세라믹 재료의 전구체를 세라믹 재료로 변환하기 위해 및/또는 유리 형성 전구체를 유리로 변환하기 위해 중간 온도에서 사전 소결될 수 있다. 예를 들어, 사전 소결은 400oC 내지 700oC 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
성형 가능한 나노 복합체 내에 분산된 유리 입자가 용융 실리카 유리 입자인 경우, 낮은 열팽창 계수를 고려하고 용융 실리카 유리의 높은 열충격 저항성을 고려하여 비교적 높은 가열 속도뿐만 아니라 비교적 높은 냉각 속도를 모두 선택할 수 있다.
본 발명에 따르면, 소결은 압력의 적용을 필요로 하지 않는다. 반대로, (iv) 단계에서의 소결은 대기압 이하의 압력, 예를 들어, 최대 0.1 mbar, 바람직하게는 최대 0.01 mbar, 특히 바람직하게는 최대 0.001 mbar의 압력에서 적합하게 수행될 수 있다. 소결은 대기압 또는 그 이하에서 수행될 수 있기 때문에, 소결로와 관련하여 본 발명에서 준수해야 할 특별한 요구사항은 없다.
소결 후, 얻어진 유리 기반 금형은 상온으로 냉각된 다음 아래에 자세히 설명된 대로 (b) 단계에서 금속 금형으로 복제될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 방법의 (b) 단계에서, (i) 내지 (iv) 단계를 수행하여 (a) 단계에서 얻어진 유리 기반 금형은 유리 기반 금형 내부에서 금속을 용융하거나 유리 기반 금형 외부에서 금속을 용융하여 유리 기반 금형에 부은 후 냉각하거나, 유리 기반 금형을 가단성 있는 금속 기판에 압착함으로써 복제된다. 이로써 부품을 복제하기 위한 금속 금형이 얻어진다. 금속 금형은 반전된 복제할 부품의 미리 결정된 3차원 형상을 갖는다. 본 발명에 따라 유리 기반 금형에 용융 금속을 부어 얻은 금속 금형은 도 1에 도시되어 있다.
금속에 관한한 본 발명은, 더 이상 제한되지 않는다. 예를 들어, 금속은 니켈, 알루미늄, 구리, 아연 및 주석으로 구성된 그룹에서 선택되거나, 황동, 청동 또는 다성분 합금인 AlMg7Si3Mn과 같은 이들의 합금 또는 다른 금속일 수 있다.
복제할 부품의 형상에 해당하는 유리 기반 금형의 형상에 따라 금속은 유리 기반 금형 내부에서 용융하거나 유리 기반 금형 외부에서 용융하여 유리 기반 금형 위 또는 내부에 부어질 수 있다. 그 완료 후 금속은 냉각에 의해 응고된다. 한편, 적절하게, 유리 기반 금형은 금속 기판에 압착될 수 있다. 이를 위해서는 금속 기판이 상온 또는 고온에서 가단성이 있어야 한다. 적절하게 압착할 수 있는 금속은 알루미늄과 구리를 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 금속 금형은 획득한 그대로 사용될 수 있으며 후처리를 필요로 하지 않는다. 그러나 금속 금형은 템플릿에 존재하는 특성을 제거하거나 유리 기반 금형 제작에 사용되는 템플릿에 존재하지 않는 특성을 추가하기 위해 예를 들어, 제거 또는 적층 제조 공정에 의해 후처리를 받을 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 복제 방법에서는, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 얻어진 금속 금형이 부품을 복제하는 데 사용된다. 도 2에는 복제된 부품이 부품 복제에 사용되는 금속 금형과 함께 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 부품은 본 발명에 따라 얻어진 금속 금형을 사용하여 당업자에게 알려진 임의의 복제 공정에 의해 복제될 수 있다. 예를 들어, 부품은 사출 성형, 블로우 성형, 핫 엠보싱, 열성형 또는 사출 압축 성형을 통해 복제될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
복제될 부품의 재료에 관한 한, 본 발명은 더 이상 제한되지 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 복제된 부품은 고분자 재료로 만들어진다. 고분자 재료는 템플릿에 대해 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 열가소성 플라스틱으로부터 유래되거나 수지로부터 유래될 수 있다.
상술한 제조 방법에 따른 본 발명은 산업 규모로 확장할 수 있도록 효율적인 비용 방식으로 금속 금형을 제공을 가능하게 하며, 동시에 낮은 거칠기 및 결함 부재와 같은 적절한 표면 특성을 갖는 금속 금형의 제공을 가능하게 한다. 당업자에게 알려진 제조 방법과 달리, 복제할 부품의 미리 결정된 3차원 형상은 제거 또는 적층 제조에서 요구되는 형상 정의 단계 없이 금속 금형에 전사된다. 놀랍게도, 미리 결정된 3차원 형상의 전사는 제조 과정에서 얻어진 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 유리 기반 금형을 기반으로 수행될 수 있다. 유리 기반 금형이 획득되면, 유리 기반 금형을 금속 금형으로 복제하는 단계는 필요에 따라 동일하거나 다른 유리 기반 금형을 사용하여 여러 번 반복될 수 있습니다.
또한, 상술한 복제 방법에 따른 본 발명은 다양한 기술분야에서 적합하게 사용될 수 있는 복제된 부품의 제공을 가능하게 한다. 특히, 복제된 부품으로 전사되는 금속 금형의 적절한 표면 특성으로 인해, 복제된 부품은 특히 높은 정밀도가 필수적인 광학 분야(예: 렌즈)에 적합하다.
도면에서 확인할 수 있다:
도 1은 (a) 유리 기반 금형 및 (b) 본 발명에 따라 유리 기반 금형에 용융 금속을 부어 얻은 금속 금형을 도시한다.
도 2는 복제된 부품과 부품 복제에 사용되는 금속 금형을 도시한다. 복제된 부품은 폴리(메틸 메타크릴레이트)로 만들어진다.
도 3은 아래에 설명된 실시예에서 얻은 금속 금형의 제조 과정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 아래에 설명된 실시예에서 얻은 금속 금형의 평가를 도시한다: (a) 금속 금형의 백색광 간섭 측정; 및 (b) 금속 금형의 현미경 이미지.
실시예
본 발명은 다음의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명될 수 있으며, 그러나 이에 제한되지 않는다.
먼저, 마이크로리소그래피를 통해 복제할 부품인 마이크로플루이딕 채널(microfluidic channel)을 얻는다. 마이크로플루이딕 채널을 템플릿으로 복제하기 위해 폴리디메틸실록산 기반의 두 개 부분의 수지가 마이크로플루이딕 채널에 주조된 후 경화 과정, 즉 외부 자극으로 혼합을 시작하여 가교 구조를 유도하는 경화 과정을 겪는다.
그 후, 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하여 템플릿이 복제된다. 성형 가능한 나노 복합체로는 상용 판매되는 제품("글래소머 L50", 자외선 조사로 경화할 수 있는 상온 액상 용융 실리카 나노 복합체)이 사용된다. 템플릿을 유리 기반 금형으로 복제하기 위해 몰딩 가능한 나노 복합체가 템플릿에 주조된 후 경화, 즉 자외선 조사로 경화된다. 열처리를 통해 디바인딩하고 소결한 후 고순도 용융 실리카 유리로 만든 유리 기반 금형이 얻어진다. 여기에 사용된 성형 가능한 나노 복합체는 템플릿을 온도 안정성이 높은 유리 기반 금형으로 쉽게 복제되는 것을 가능하게 한다.
다음으로, 니켈은 유리 기반 금형을 금속 금형으로 복제하기 위해 920oC의 온도에서 용융되어 유리 기반 금형에 부어진다. 상온으로 냉각한 후, 고품질의 금속 금형이 얻어지며, 이는 마이크로플루이딕 채널을 복제할 부품으로 복제하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 금속 금형의 제조 방법은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
(a) 백색광 간섭 측정과 (b) 현미경 이미지를 보여주는 도 4의 평가로부터 알 수 있는 바와 같이, 여기서 얻은 금속 금형은 충실하게 복제된 마이크로플루이딕 채널의 형상을 갖는다.

Claims (15)

  1. 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품을 복제하기 위한 금속 금형의 제조 방법에 있어서,
    (a) 유기 결합제와 그 안에 분산된 유리 입자를 포함하는 성형 가능한 나노 복합체를 사용하여 유리 기반 금형을 제조하는 단계 - 유리 기반 금형은 미리 결정된 3차원 형상을 가지며,
    상기 유리 기반 금형을 제조하는 단계는
    (i) 상기 유기 결합제의 경화 전, 경화 중 및/또는 경화 후에 상기 성형 가능한 나노 복합체를 미리 결정된 3차원 형상으로 성형하여 1차 구조를 얻는 단계;
    (ii) 상기 유기 결합제를 제거함으로써 (i) 단계에서 얻어진 상기 1차 구조를 디바인딩(debinding)하여 2차 구조를 얻는 단계 - 상기 2차 구조는 그 안에 형성된 캐비티(cavities)를 가짐 -;
    (iii) 선택적으로, (ii) 단계에서 얻어진 상기 2차 구조의 상기 캐비티를 적어도 하나의 유리 형성 전구체로 채우는 단계; 및
    (iv) 선택적으로 (iii) 단계에서 적어도 하나의 상기 유리 형성 전구체로 채워진 (ii) 단계에서 얻어진 상기 2차 구조를 소결하여, 유리 기반 금형을 얻는 단계;를 포함함 -; 및
    (b) 상기 유리 기반 금형 내부에서 금속을 녹이거나 상기 유리 기반 금형 외부에서 금속을 녹여 상기 유리 기반 금형 위 또는 상기 유리 기반 금형 내부에 부은 후 냉각하거나, 상기 유리 기반 금형을 가단성 있는(malleable) 금속 기판에 압착하여 상기 (a) 단계에서 얻은 상기 유리 기반 금형을 복제함으로써 부품을 복제하기 위한 금속 금형을 얻는 단계 - 상기 금속 금형은 반전된 미리 결정된 3차원 형상을 가짐-;를 포함하고,
    상기 성형 가능한 나노 복합체의 상기 유리 입자는 5nm 내지 500nm 범위의 직경을 갖는 제1 유형의 유리 입자를 포함하는 금속 금형의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체의 상기 유기 결합제는 냉각에 의해 경화될 수 있는 열가소성 플라스틱인 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체의 상기 유기 결합제는 외부 자극에 의해 시작되는 경화 또는 중합에 의해 경화되는 수지인 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체의 유리 입자는 용융된 실리카 유리 입자인 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 유형의 유리 입자의 직경은 7nm 내지 400nm 범위인 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체의 상기 유리 입자는 상기 제1 유형의 유리 입자에 더하여 2μm 내지 50μm 범위의 직경을 갖는 제2 유형의 유리 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체는 상기 유기 결합제 내에 분산된 상 형성제를 더 포함하며,
    상기 상 형성제는 상온에서 고체 또는 점성이며, 상기 유기 결합제 내에서 내부 상을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체는 (i) 단계에서 제거 제조 공정, 적층 제조 공정, 복제 공정, 또는 이들의 조합에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 가능한 나노 복합체는 (i) 단계에서 상기 성형 가능한 나노 복합체를 템플릿에 대해 주조한 후 경화시킴으로써 성형되며,
    상기 템플릿은 반전된 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 템플릿은 고분자 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  11. 청구항 9 또는 10에 있어서,
    상기 템플릿은 제거 제조 공정, 적층 제조 공정, 복제 공정, 또는 이들의 조합에 의해 미리 얻어지는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (i) 단계에서 얻어진 제1 구조는 상기 (ii) 단계에서 열처리, 화학 반응, 감압, 용매 또는 기체상 추출 또는 이들의 조합을 통해 디바인딩되는 것을 특징으로 하는 금속 금형의 제조 방법.
  13. 미리 결정된 3차원 형상을 갖는 부품의 복제 방법에 있어서,
    상기 부품의 복제를 위해 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항의 금속 금형의 제조 방법에 의해 얻어진 상기 금속 금형이 사용되는 부품의 복제 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 부품은 사출 성형, 블로우 성형, 핫 엠보싱, 열성형, 또는 사출 압축 성형을 통해 복제되는 것을 특징으로 하는 부품의 복제 방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    복제된 상기 부품은 고분자 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 부품의 복제 방법.
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