WO2015133695A1 - 무염료 색 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

무염료 색 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2015133695A1
WO2015133695A1 PCT/KR2014/009280 KR2014009280W WO2015133695A1 WO 2015133695 A1 WO2015133695 A1 WO 2015133695A1 KR 2014009280 W KR2014009280 W KR 2014009280W WO 2015133695 A1 WO2015133695 A1 WO 2015133695A1
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master substrate
dye
region
free color
photonic crystal
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PCT/KR2014/009280
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전은채
김한희
유영은
김정환
제태진
최두선
최대희
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한국기계연구원
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength

Definitions

  • the present invention relates to a dye-free color device, and more particularly, to a color device for implementing a structural color without dyes or pigments and a method for manufacturing the same.
  • Structural color is a color that realizes color by using interference and diffraction of light due to a fine photonic crystal structure without using a dye or a dye.
  • the blue wings of a morpho butterfly Representative can be used as an anti-counterfeiting security element attached to a genuine product.
  • the photonic crystal structure of the dye-free color device has a unit size of nanometers, the technical difficulty is high, and the anti-counterfeiting effect is excellent. However, the technical difficulty is high, and the manufacturing cost is high.
  • a lithography process is performed on the surface of a silicon wafer to produce a fine pattern, and a method of making a photonic crystal structure by transferring the fine pattern to a body of a dye-free color device using a silicon wafer as a master is proposed.
  • this method has a low transferability when replicating the fine pattern from the master to the body of the dye-free color device, and may cause a problem that the master is easily broken due to the nature of the silicon material.
  • the present invention is to provide a dye-free color device and a method for manufacturing the same in the dye-free color device to implement the structure color, to reduce the process cost, increase the transfer capacity, and increase the service life of the master.
  • a method of manufacturing a dye-free color device includes the steps of forming a plurality of micro grooves by processing a first region of a master substrate, and anodizing the master substrate to form a first region and a first region. Forming a plurality of nanogrooves in an outer second region, and transferring a fine pattern of the master substrate to a body of the dye-free color device by using the master substrate as a mold core to include a plurality of micro-projections and a plurality of nano-projections. Forming a photonic crystal structure.
  • the master substrate may be made of a metal capable of anodizing including aluminum.
  • the first region may be set in various shapes related to a specific logo, name, or product, and may be made of left and right reversed phases of the original shape.
  • the plurality of micro grooves may be formed by any one method of indentation processing, laser processing, and end milling processing.
  • the plurality of micro grooves may be formed of any one of hemispherical, square pyramid, triangular pyramid, and cylindrical shapes, and the size of each of the plurality of micro grooves and the spacing between the plurality of micro grooves range from 1 ⁇ m to less than 1,000 ⁇ m. Can belong to.
  • the indentation process may be performed by pressing a master substrate while moving a stage or a tool supporting the master substrate using a tool having one indenter fixed thereto.
  • the method of manufacturing a dye-free color device may further include heat treating the master substrate and cooling the heat-treated master substrate before the indentation process.
  • the heat treatment of the master substrate may be performed at the annealing temperature of the master substrate material, and the cooling of the master substrate may proceed to furnace cooling.
  • a plurality of nano grooves may be formed on the oxide film while the oxide film is formed on the entire surface of the master substrate including the surfaces of the micro grooves.
  • the size of each of the plurality of nano grooves and the interval between the plurality of nano grooves may be in a range of 1 nm or more and less than 1,000 nm.
  • the forming of the photonic crystal structure may be performed by one of injection molding and hot embossing.
  • a dye-free color device is manufactured by the above-described method, a third region formed with a first photonic crystal structure including a plurality of micro-projections and a plurality of nano-projections and corresponding to the first region, A second photonic crystal structure consisting of a plurality of nanoprojections is formed and includes a fourth region corresponding to the second region.
  • the third region and the fourth region implement different structure colors.
  • a dye-free color device has a dual-scale projection pattern in which a plurality of micro-projections and a plurality of nano-projections are combined, and has a first photonic crystal structure for implementing a first structural color, and a plurality of nano-projections. And a second photonic crystal structure that implements a second structure color.
  • the first photonic crystal structure may be located in an area set to various shapes related to a specific logo, name, or product, and the second photonic crystal structure may be located outside the area in which the first photonic crystal structure is formed.
  • the master substrate has a long service life, is not easily broken during the transfer process, and can increase the pattern quality of the photonic crystal structure by increasing the transferability.
  • FIG. 1 is a process flowchart showing a method of manufacturing a dye-free color device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a master substrate of the first step shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the microgrooves using the press-in machining technique.
  • FIG. 4 is a process flowchart showing the detailed process of the first step shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a master substrate of the second step shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an anodization apparatus used in the second step shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a dye-free color device of a third stage illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the first region and the second region of the dye-free color element shown in FIG. 7.
  • anodizing device 31 circulating water tank
  • FIG. 1 is a process flowchart showing a method of manufacturing a dye-free color device according to an embodiment of the present invention.
  • a first step (S10) of forming a plurality of micro grooves by processing a first region of a master substrate, and an entire surface of the master substrate is an anode.
  • the dye-free color device can be used as a security device to replace the hologram method.
  • the processing of the first step S10 may be machining, and any one method of indentation processing, laser processing, and end milling processing may be applied.
  • the microgroove and the nanogroove are a transfer pattern for making the photonic crystal structure of the dye-free color device.
  • a plurality of micro-projections and a plurality of nano-projections are formed on the body of the dye-free color device through injection molding or hot embossing. A photonic crystal structure consisting of protrusions is formed.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a master substrate of the first step shown in FIG. 1.
  • the master substrate 10 may be made of a metal capable of anodizing, for example, aluminum.
  • the master substrate 10 may include magnesium, zinc, titanium, tantalum, hafnium, or niobium in addition to aluminum.
  • the master substrate 10 having a predetermined thickness is prepared, and a first region A10 to be processed on the surface of the master substrate 10 is set.
  • the first area A10 may be set in various shapes related to a company's logo, name, or product. In this case, the first area A10 is formed to be inverted left and right of the original shape.
  • FIG. 2 illustrates an example in which the first region A10 having a KIMM shape, which is the English initials of the Korea Institute of Machinery and Materials, is set to the left and right reverse phases on the master substrate 10.
  • any one of a press-in process, a laser process, and an end milling process is performed to 1st area
  • Indentation technology is a technique used to measure the hardness of the original material, the hardness is measured by measuring the size of the indentation generated in the material when the load is applied to the material using a specific shape of the indenter. Since the shape of the indentation by the indenter is the same as the shape of the indenter, various shapes such as hemispherical, square pyramidal, triangular pyramid, or cylindrical shapes are formed in the first area A10 of the master substrate 10 using various indenters. Micro groove 21 can be formed.
  • Laser processing is a method of locally processing a workpiece by thermal energy of a laser to perform fine processing.
  • a laser is collected at a point using a condenser lens and shined on the master substrate 10
  • the master substrate 10 is locally heated and While melting, the microgroove 21 is formed.
  • End milling is a method of cutting the surface of the master substrate 10 using the end milling cutter, and may form microgrooves 21 having various shapes according to the shape and cutting method of the end milling cutter.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the microgrooves using the press-in machining technique.
  • indentation machining is performed by moving a tool 36 or a stage 37 supporting a master substrate 10 by using a tool 36 on which one indenter 35 is fixed. 10) may be made of a process of pressing sequentially.
  • the tool 36 continuously strikes the master substrate 10, and when the tool 36 is away from the master substrate 10, either one of the tool 36 and the stage 37 is directed to a controller (not shown).
  • the plurality of micro grooves 21 are formed by moving along the set trajectory.
  • the press-in process may be performed by pressing the master substrate 10 with a press plate (not shown) to which a plurality of indenters are fixed.
  • the plurality of microgrooves 21 may be simultaneously processed in the first region A10 of the master substrate 10 by one press process.
  • the size of the indenter may be appropriately selected to easily form the microgroove 21 having a desired size and pattern.
  • the size of the indenter and the distance between the indenters may be in the range of 1 ⁇ m or more and less than 1,000 ⁇ m. Therefore, the size of the microgrooves 21 formed on the master substrate 10 and the distance between the microgrooves 21 may also belong to the micrometer scale.
  • a pile-up phenomenon may occur around the indentation during the indentation process.
  • This phenomenon is the phenomenon that the material accumulates around the indentation due to plastic deformation while the indenter digs into the material during plastic deformation of the material. If the anodic oxidation of the second step (S20) and the injection molding of the third step (S30) are performed while the pileup phenomenon occurs, the pileup shape is transferred to the body of the dye-free color element, so the pileup phenomenon must be suppressed. do.
  • FIG. 4 is a process flowchart showing the detailed process of the first step shown in FIG. 1.
  • the first step S10 includes a step S11 of heat treating the master substrate 10, a step S12 of cooling the heat-treated master substrate 10, and a cooled master substrate. It may include the step (S13) of performing a press-in process in the first region (A10) of (10).
  • annealing is widely used as a method of increasing the ductility of a metal material.
  • forging, casting, or machining a metal material may result in roughness of the structure and work hardening or internal stress, which may be removed by annealing treatment which is gradually cooled to a suitable temperature above the transformation point.
  • the heat treatment is performed at the annealing temperature of the metal material constituting the master substrate 10.
  • the annealing temperature is approximately 400 ° C to 450 ° C.
  • step S12 the cooling may proceed to furnace cooling.
  • the furnace cooling is to gradually cool in the heating furnace in which the heat treatment is performed, and it is possible to prevent the ductility of the master substrate 10 from decreasing.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a master substrate of the second step shown in FIG. 1.
  • FIG. 5A illustrates a first region A10 in which the microgrooves 21 are formed
  • FIG. 5B illustrates a second region A20 outside the first region A10.
  • Anodizing is a process in which an oxide film having a great adhesion with a metal part is formed by oxygen generated from the anode when metal parts are fastened to the anode and electrolyzed in a dilute acid solution.
  • a plurality of nano groove portions 22 may be formed on the entire surface of the master substrate 10.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an anodization apparatus used in the second step shown in FIG.
  • the anodizing device 30 may include a circulating water tank 31 through which cooling water is circulated, and a magnetic stirrer 32 for stirring the electrolyte solution inside the water tank 31 at a constant speed.
  • the master substrate 10 and the counter electrode 33 are positioned in the electrolyte in the water tank 31, and positive and negative powers are applied to the master substrate 10 and the counter electrode 33, respectively. Proceed with the anodization process.
  • the electrolyte may include phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), and the counter electrode 33 may include platinum.
  • an oxide film 11 (alumina in the case of an aluminum master substrate) is formed on the entire surface of the master substrate 10, and a plurality of nano grooves ( 22) is formed.
  • the size of the nano grooves 22 and the interval between the nano grooves 22 are in the range of 1 nm or more and less than 1,000 nm, and the size of the nano grooves 22 is adjusted by adjusting the concentration of the electrolyte and the intensity or process time of the applied voltage. And density can be controlled.
  • the oxide film is formed along the surface of the microgroove 21 in the first region A10 in which the microgrooves 21 are formed. Therefore, the plurality of micro grooves 21 and the plurality of nano grooves 22 are mixed in the first region A10 of the master substrate 10 to form a dual scale fine pattern in which the micro scale and the nano scale are combined.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the dye-free color device of the third stage shown in FIG. 1, and FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the first and second regions of the dye-free color device shown in FIG. 7.
  • the dye-free color device 40 is manufactured by injection molding or hot embossing using the master substrate 10 as a mold core.
  • the hot embossing process is a kind of imprint process in which a mold and a transfer target material are heated, and the transfer target material is pressed by the mold to transfer the fine pattern of the mold to the transfer target material.
  • the fine patterns of the master substrate 10 are transferred to the body 41 of the completed dye-free color device 40 to form photonic crystal structures 51 and 52.
  • the dye-free color element 40 may be formed of a polymer resin, or the like, and an adhesive layer may be provided on the back side to be attached to the surface of the product.
  • the body 41 of the dye-free color element 40 corresponds to the third region A30 corresponding to the first region A10 of the master substrate 10 and the second region A20 of the master substrate 10.
  • the fourth region A40 is included.
  • the third region A30 is formed to be inverted left and right of the first region A10.
  • a plurality of micro protrusions 23 and a plurality of nano protrusions 24 are formed in the third region A30 of the dye-free color element 40.
  • the plurality of nano protrusions 24 are formed along the surface of the micro protrusions and the body surface between the micro protrusions.
  • the photonic crystal structure (the first photonic crystal structure 51) has a dual scale in which a plurality of micro protrusions 23 and a plurality of nano protrusions 24 are combined. It is made of fine projections, and by this photonic crystal structure 51, the third region A30 exhibits an intrinsic structural color.
  • the fourth region A40 of the dye-free color element 40 has a flat surface without micro protrusions, and a plurality of nano protrusions 24 are formed therein.
  • the photonic crystal structure (second photonic crystal structure 52) is composed of a plurality of nano-projections 24, which are formed by the photonic crystal structure 52.
  • the four areas A40 represent intrinsic structural colors.
  • the dye-free color element 40 of the present embodiment exhibits a unique structure color in each of the third area A30 and the fourth area A40, and implements two structure colors as a whole.
  • the third area A30 corresponding to the company logo or name may have a different structure color from that of the fourth area A40 as the background.
  • the structure color of the third region A30 may be changed by the size and density of the micro protrusions 23 and the size and density of the nano protrusions 24, and the structure color of the fourth region A40 may be the nano protrusions 24. ), And the size and density of the
  • the dye-free color device 40 of the present embodiment can reduce the process cost for structural color expression by forming the nanometer-scale projections 24 by applying an anodization technique, which is not expensive.
  • anodization technique which is not expensive.
  • as a combination of the indentation process and anodization technology to implement the two structural colors compared to the dye-free color device that implements a single structural color, forgery and modulation is difficult, it can increase the functionality as a security device.
  • the master substrate 10 of the metal material has a long service life because of excellent processability and ductility compared to the conventional silicon material, and since the oxide film 11 having excellent rigidity is formed on the surface thereof, it is not easily damaged during the transfer process.
  • transferability can be improved, thereby improving the pattern accuracy of the photonic crystal structures 51 and 52, thereby improving the quality of the dye-free color element 40.

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Abstract

구조색을 구현하는 무염료 색 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다. 무염료 색 소자의 제조 방법은 마스터 기판의 제1 영역을 가공하여 복수의 마이크로 홈부를 형성하는 단계와, 마스터 기판을 양극산화 처리하여 제1 영역 및 제1 영역 외측의 제2 영역에 복수의 나노 홈부를 형성하는 단계와, 마스터 기판을 금형 코어로 사용하여 무염료 색 소자의 몸체에 마스터 기판의 미세 패턴을 전사시켜 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기를 포함하는 광 결정 구조를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

무염료 색 소자 및 이의 제조 방법
본 발명은 무염료 색 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염료나 색소 없이 구조색을 구현하는 색 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
구조색(structure color)은 염료나 색소를 이용하지 않고 미세한 광 결정(photonic crystal) 구조에 의한 빛의 간섭과 회절을 이용하여 색을 구현하는 것으로서, 자연계에서 모르포(morpho) 나비의 푸른 날개가 대표적이다. 무염료 색 소자는 정품 제품에 부착되는 위조 방지용 보안 소자로 사용될 수 있다.
그런데 무염료 색 소자의 광 결정 구조는 그 크기가 나노미터 단위이므로 기술 난이도가 높아 위조 방지 효과가 뛰어난 반면, 기술 난이도가 높은 만큼 제조 공정이 복잡하고, 제조 비용이 높다.
이를 해결하기 위해 실리콘 웨이퍼 표면에 리소그래피 공정을 진행하여 미세 패턴을 만들고, 실리콘 웨이퍼를 마스터로 사용하여 무염료 색 소자의 몸체에 미세 패턴을 전사시켜 광 결정 구조를 만드는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법의 경우 마스터에서 무염료 색 소자의 몸체로 미세 패턴을 복제할 때 전사성이 낮으며, 실리콘 소재의 특성상 마스터가 쉽게 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 구조색을 구현하는 무염료 색 소자에 있어서, 공정 비용을 줄이고, 전사 능력을 높이며, 마스터의 사용 수명을 늘릴 수 있는 무염료 색 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무염료 색 소자의 제조 방법은, 마스터 기판의 제1 영역을 가공하여 복수의 마이크로 홈부를 형성하는 단계와, 마스터 기판을 양극산화 처리하여 제1 영역 및 제1 영역 외측의 제2 영역에 복수의 나노 홈부를 형성하는 단계와, 마스터 기판을 금형 코어로 사용하여 무염료 색 소자의 몸체에 마스터 기판의 미세 패턴을 전사시켜 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기를 포함하는 광 결정 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
마스터 기판은 알루미늄을 포함하는 양극산화 처리가 가능한 금속으로 제조될 수 있다. 제1 영역은 특정 로고나 이름 또는 제품과 관련된 다양한 모양으로 설정될 수 있으며, 원래 형상의 좌우 역상으로 이루어질 수 있다.
복수의 마이크로 홈부는 압입 가공, 레이저 가공, 및 엔드밀링 가공 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 복수의 마이크로 홈부는 반구형, 사각 피라미드형, 삼각 피라미드형, 및 원기둥 모양 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 복수의 마이크로 홈부 각각의 크기와 복수의 마이크로 홈부 사이의 간격은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속할 수 있다.
압입 가공은 하나의 압입자가 고정된 공구를 이용하여 마스터 기판을 지지하는 스테이지 또는 공구를 움직이면서 마스터 기판을 가압하는 과정으로 이루어질 수 있다.
무염료 색 소자의 제조 방법은, 압입 가공 이전에 마스터 기판을 열처리하는 단계와, 열처리된 마스터 기판을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마스터 기판의 열처리는 마스터 기판 소재의 풀림 온도에서 수행될 수 있고, 마스터 기판의 냉각은 노냉(furnace cooling)으로 진행될 수 있다.
마스터 기판을 양극산화 처리할 때, 복수의 마이크로 홈부의 표면을 포함하는 마스터 기판의 표면 전체에 산화피막이 형성되면서 산화피막에 복수의 나노 홈부가 형성될 수 있다. 복수의 나노 홈부 각각의 크기와 복수의 나노 홈부 사이의 간격은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속할 수 있다.
광 결정 구조를 형성하는 단계는 사출 성형과 핫 엠보싱 중 어느 하나의 공정으로 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무염료 색 소자는 전술한 방법으로 제조되며, 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기를 포함하는 제1 광 결정 구조가 형성되고 제1 영역에 대응하는 제3 영역과, 복수의 나노 돌기로 이루어진 제2 광 결정 구조가 형성되고 제2 영역에 대응하는 제4 영역을 포함한다. 제3 영역과 상기 제4 영역은 서로 다른 구조색을 구현한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무염료 색 소자는 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기가 조합된 듀얼 스케일의 돌기 패턴을 가지며 제1 구조색을 구현하는 제1 광 결정 구조와, 복수의 나노 돌기로 구성되며 제2 구조색을 구현하는 제2 광 결정 구조를 포함한다.
제1 광 결정 구조는 특정 로고나 이름 또는 제품과 관련된 다양한 모양으로 설정된 영역 내에 위치할 수 있고, 제2 광 결정 구조는 제1 광 결정 구조가 형성된 영역의 외측에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 구조색 발현을 위한 공정 비용을 낮출 수 있고, 두 개의 구조색을 구현함으로써 단일 구조색을 구현하는 무염료 색 소자 대비 위조 및 변조가 어려워 보안 소자로서의 기능성을 높일 수 있다. 또한, 마스터 기판은 사용 수명이 길고, 전사 과정에서 쉽게 파손되지 않으며, 전사성을 높여 광 결정 구조의 패턴 품질을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무염료 색 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 단계의 마스터 기판을 나타낸 개략도이다.
도 3은 압입 가공 기술을 이용한 마이크로 홈부의 제작 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시한 제1 단계의 세부 공정을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시한 제2 단계의 마스터 기판을 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 1에 도시한 제2 단계에서 사용되는 양극산화 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 도 1에 도시한 제3 단계의 무염료 색 소자를 나타낸 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시한 무염료 색 소자의 제1 영역과 제2 영역의 확대 단면도이다.
<부호의 설명>
10: 마스터 기판 11: 산화피막
21: 마이크로 홈부 22: 나노 홈부
23: 마이크로 돌기 24: 나노 돌기
30: 양극산화 장치 31: 순환식 수조
32: 자석 교반기 33: 상대 전극
40: 무염료 색 소자 41: 몸체
51: 제1 광 결정 구조 52: 제2 광 결정 구조
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무염료 색 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 무염료 색 소자의 제조 방법은 마스터 기판의 제1 영역을 가공하여 복수의 마이크로 홈부를 형성하는 제1 단계(S10)와, 마스터 기판의 표면 전체를 양극산화 처리하여 복수의 나노 홈부를 형성하는 제2 단계(S20)와, 마스터 기판을 금형 코어로 사용하여 무염료 색 소자의 몸체에 마스터 기판의 미세 패턴을 전사시키는 제3 단계(S30)를 포함한다.
무염료 색 소자는 홀로그램 방식을 대체하는 보안 소자로 이용될 수 있다.
제1 단계(S10)의 가공은 기계 가공일 수 있으며, 압입 가공, 레이저 가공, 및 엔드 밀링 가공 중 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다. 마이크로 홈부와 나노 홈부는 무염료 색 소자의 광 결정 구조를 만들기 위한 전사 패턴으로서, 제3 단계(S30)에서 사출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 통해 무염료 색 소자의 몸체에 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기로 이루어진 광 결정 구조가 형성된다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 단계의 마스터 기판을 나타낸 개략도이다.
도 2를 참고하면, 마스터 기판(10)은 양극산화(anodizing)가 가능한 금속, 예를 들어 알루미늄으로 제작될 수 있다. 마스터 기판(10)은 알루미늄 이외에 마그네슘, 아연, 티타늄, 탄탈륨, 하프늄, 또는 니오븀을 포함할 수도 있다.
일정 두께의 마스터 기판(10)이 준비되고, 마스터 기판(10)의 표면에 가공이 이루어질 제1 영역(A10)이 설정된다. 제1 영역(A10)은 회사의 로고나 이름 또는 제품과 관련된 다양한 모양으로 설정될 수 있다. 이때 제1 영역(A10)은 원래 형상의 좌우 역상으로 이루어진다. 도 2에서는 마스터 기판(10) 위에 한국기계연구원의 영문 이니셜인 KIMM 모양의 제1 영역(A10)이 좌우 역상으로 설정된 경우를 예로 들어 도시하였다.
이어서 제1 영역(A10)에 압입 가공, 레이저 가공, 및 엔드 밀링 가공 중 어느 하나를 실시하여 제1 영역(A10)에 복수의 마이크로 홈부(21)를 형성한다.
압입 가공 기술은 원래 소재의 경도를 측정하기 위해 사용되는 기술로서, 특정 형상의 압입자를 사용하여 소재에 하중을 가하였다가 제거할 때 소재에 발생되는 압흔의 크기를 측정함으로써 경도를 측정하게 된다. 압입자에 의한 압흔의 형상은 압입자의 모양과 동일하므로 다양한 모양의 압입자를 이용하여 마스터 기판(10)의 제1 영역(A10)에 반구형, 사각 피라미드형, 삼각 피라미드형, 또는 원기둥 모양 등 다양한 모양의 마이크로 홈부(21)를 형성할 수 있다.
레이저 가공은 레이저의 열 에너지로 공작물을 국부적으로 가열하여 미세한 가공을 행하는 방법으로서, 집광 렌즈를 이용하여 레이저를 한 점으로 모아 마스터 기판(10)에 비추면 마스터 기판(10)이 국부적으로 가열 및 용융되면서 마이크로 홈부(21)가 형성된다. 엔드 밀링 가공은 엔드 밀링 커터를 이용하여 마스터 기판(10)의 표면을 절삭 가공하는 공법으로서, 엔드 밀링 커터의 형상과 절삭 방법에 따라 다양한 모양의 마이크로 홈부(21)를 형성할 수 있다.
도 2의 확대원에서는 제1 영역(A10)에 반구형 마이크로 홈부(21)를 형성한 경우를 예로 들어 도시하였으나, 마이크로 홈부(21)의 단면 형상은 도시한 예로 한정되지 않는다.
도 3은 압입 가공 기술을 이용한 마이크로 홈부의 제작 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 압입 가공은 하나의 압입자(35)가 고정된 공구(36)를 이용하여 공구(36)를 움직이거나 마스터 기판(10)을 지지하는 스테이지(37)를 움직이면서 마스터 기판(10)을 순차적으로 가압하는 과정으로 이루어질 수 있다. 공구(36)는 마스터 기판(10)을 지속적으로 타격하며, 공구(36)가 마스터 기판(10)과 멀어질 때 공구(36)와 스테이지(37) 중 어느 하나가 제어부(도시하지 않음)에 설정된 궤적을 따라 움직여 복수의 마이크로 홈부(21)가 형성되도록 한다.
다른 한편으로, 압입 가공은 복수의 압입자가 고정된 프레스판(도시하지 않음)으로 마스터 기판(10)을 가압하는 과정으로 이루어질 수도 있다. 이 경우 한번의 프레스 공정으로 마스터 기판(10)의 제1 영역(A10)에 복수의 마이크로 홈부(21)를 동시에 가공할 수 있다. 전술한 두가지 방법 모두에서 압입자의 크기를 적절하게 선택하여 원하는 크기와 패턴의 마이크로 홈부(21)를 용이하게 형성할 수 있다.
압입자의 크기와 압입자들 사이의 거리는 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속할 수 있다. 따라서 마스터 기판(10)에 형성된 마이크로 홈부(21)의 크기와 마이크로 홈부들(21) 사이의 거리 또한 마이크로미터 스케일에 속할 수 있다.
한편, 압입 가공 시 압흔 주변에 파일업(pile-up) 현상이 발생할 수 있다. 이 현상은 소재의 소성 변형 시 압입자가 소재를 파고들면서 소성 변형으로 인해 소재가 압흔 주변에 쌓이는 현상이다. 파일업 현상이 발생한 상태에서 제2 단계(S20)의 양극산화와 제3 단계(S30)의 사출성형을 실시하면 무염료 색 소자의 몸체에 파일업된 모양이 그대로 전사되므로 파일업 현상을 억제해야 한다.
도 4는 도 1에 도시한 제1 단계의 세부 공정을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2와 도 4를 참고하면, 제1 단계(S10)는 마스터 기판(10)을 열처리하는 단계(S11)와, 열처리된 마스터 기판(10)을 냉각하는 단계(S12)와, 냉각된 마스터 기판(10)의 제1 영역(A10)에 압입 가공을 실시하는 단계(S13)를 포함할 수 있다.
파일업 현상은 소재의 연성이 좋을수록 적게 발생하며, 금속 소재의 연성을 높이는 방법으로 널리 사용되는 것이 풀림(annealing) 처리이다. 일반적으로 금속 소재를 단조, 주조, 또는 기계 가공을 하면 조직이 거칠어지고 가공경화나 내부 응력이 생기게 되는데, 변태점 이상의 적당한 온도로 가열하여 서서히 냉각시키는 풀림(annealing) 처리를 하면 이를 제거할 수 있다.
S11 단계에서 열처리는 마스터 기판(10)을 구성하는 금속 소재의 풀림 온도에서 수행된다. 알루미늄으로 제작된 마스터 기판(10)의 경우 풀림 온도는 대략 400℃내지 450℃이다. 이러한 풀림 온도에서 열처리하면 소재 내부에 엉켜있던 전위들이 풀리면서 마스터 기판(10)의 연성이 높아지고, 이를 통해 파일업 현상을 억제할 수 있다.
S12 단계에서 냉각은 노냉(furnace cooling)으로 진행될 수 있다. 노냉은 열처리가 이루어진 가열로 내에서 서서히 냉각을 수행하는 것으로서, 마스터 기판(10)의 연성이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시한 제2 단계의 마스터 기판을 나타낸 개략도이다.
도 5를 참고하면, 제2 단계(S20)에서 마스터 기판(10)의 표면 전체는 양극산화 처리되어 표면 전체에 복수의 나노 홈부(22)가 형성된다. 도 5의 (a)는 마이크로 홈부(21)가 형성된 제1 영역(A10)을 나타내고, 도 5의 (b)는 제1 영역(A10) 외측의 제2 영역(A20)을 나타낸다.
양극산화는 금속 부품을 양극에 걸고 희석 산 용액에서 전해하면 양극에서 발생하는 산소에 의해 금속 부품과 대단한 밀착력을 가진 산화피막이 형성되는 공정이다. 이때 산화피막(11)의 표면에는 나노미터 스케일의 극히 미세한 홈들이 형성되므로, 마스터 기판(10)의 표면 전체에 복수의 나노 홈부(22)를 형성할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시한 제2 단계에서 사용되는 양극산화 장치를 나타낸 개략도이다.
도 6을 참고하면, 양극산화 장치(30)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조(31)와, 수조(31) 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기(32)를 포함할 수 다. 수조(31) 내부의 전해액에는 마스터 기판(10)과 상대 전극(33)이 위치하며, 마스터 기판(10)과 상대 전극(33)에 양극 전원과 음극 전원을 각각 인가하여 마스터 기판(10)의 양극산화 공정을 진행한다. 전해액은 인산(H3PO4) 또는 옥살산(C2H2O4)을 포함할 수 있고, 상대 전극(33)은 백금을 포함할 수 있다.
다시 도 5를 참고하면, 양극산화 공정이 진행되면서 마스터 기판(10)의 표면 전체에 산화피막(11)(알루미늄 마스터 기판의 경우 알루미나)이 형성되고, 산화피막(11)에 복수의 나노 홈부(22)가 형성된다. 나노 홈부(22)의 크기와 나노 홈부들(22) 사이의 간격은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하며, 전해액의 농도와 인가 전압의 세기 또는 공정 시간 등을 조절하여 나노 홈부(22)의 크기와 밀도를 제어할 수 있다.
특히 복수의 마이크로 홈부(21)가 형성된 제1 영역(A10)에서 산화피막은 마이크로 홈부(21)의 표면을 따라서 형성된다. 따라서 마스터 기판(10)의 제1 영역(A10)에는 복수의 마이크로 홈부(21)와 복수의 나노 홈부(22)가 혼재되어 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 미세 패턴이 형성된다.
도 7은 도 1에 도시한 제3 단계의 무염료 색 소자를 나타낸 개략도이고, 도 8은 도 7에 도시한 무염료 색 소자의 제1 영역과 제2 영역의 확대 단면도이다.
도 7과 도 8을 참고하면, 제3 단계(S30)에서 마스터 기판(10)을 금형 코어로 사용하여 사출 성형 또는 핫 엠보싱 공정으로 무염료 색 소자(40)를 제작한다. 핫 엠보싱 공정은 금형과 전사 대상 물질을 가열시키고, 금형으로 전사 대상 물질을 가압하여 금형의 미세 패턴을 전사 대상 물질로 전사시키는 임프린트 공정의 일종이다.
완성된 무염료 색 소자(40)의 몸체(41)에는 마스터 기판(10)의 미세 패턴이 전사되어 광 결정 구조(51, 52)가 형성된다. 무염료 색 소자(40)는 고분자 수지 등으로 형성될 수 있으며, 뒷면에 접착층이 제공되어 제품의 표면에 부착될 수 있다.
무염료 색 소자(40)의 몸체(41)는 마스터 기판(10)의 제1 영역(A10)에 대응하는 제3 영역(A30)과, 마스터 기판(10)의 제2 영역(A20)에 대응하는 제4 영역(A40)을 포함한다. 제3 영역(A30)은 제1 영역(A10)의 좌우 역상으로 이루어진다.
무염료 색 소자(40)의 제3 영역(A30)에는 복수의 마이크로 돌기(23)와 복수의 나노 돌기(24)가 형성된다. 복수의 나노 돌기(24)는 마이크로 돌기의 표면과 마이크로 돌기들 사이의 몸체 표면을 따라 형성된다. 무염료 색 소자(40)의 제3 영역(A30)에서 광 결정 구조(제1 광 결정 구조(51))는 복수의 마이크로 돌기(23)와 복수의 나노 돌기(24)가 조합된 듀얼 스케일의 미세 돌기로 이루어지며, 이러한 광 결정 구조(51)에 의해 제3 영역(A30)은 고유의 구조색을 나타낸다.
무염료 색 소자(40)의 제4 영역(A40)은 마이크로 돌기가 없는 평평한 표면을 가지며, 여기에 복수의 나노 돌기(24)가 형성된다. 무염료 색 소자(40)의 제4 영역(A40)에서 광 결정 구조(제2 광 결정 구조(52))는 복수의 나노 돌기(24)로 이루어지고, 이러한 광 결정 구조(52)에 의해 제4 영역(A40)은 고유의 구조색을 나타낸다.
본 실시예의 무염료 색 소자(40)는 제3 영역(A30)과 제4 영역(A40) 각각에서 고유의 구조색을 나타내며, 전체적으로 두 개의 구조색을 구현한다. 즉 회사 로고 또는 이름 등에 대응하는 제3 영역(A30)은 배경이 되는 제4 영역(A40)과 다른 구조색을 나타낸다. 제3 영역(A30)의 구조색은 마이크로 돌기(23)의 크기와 밀도, 나노 돌기(24)의 크기와 밀도에 의해 변화될 수 있으며, 제4 영역(A40)의 구조색은 나노 돌기(24)의 크기와 밀도에 의해 변화될 수 있다.
본 실시예의 무염료 색 소자(40)는 공정 비용이 높지 않은 양극산화 기술을 적용하여 나노미터 스케일의 돌기(24)를 형성함으로써 구조색 발현을 위한 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 압입 가공과 양극산화 기술을 조합하여 두 개의 구조색을 구현함에 따라, 단일 구조색을 구현하는 무염료 색 소자 대비 위조 및 변조가 어려우므로 보안 소자로서의 기능성을 높일 수 있다.
또한, 금속 소재의 마스터 기판(10)은 종래의 실리콘 소재 대비 가공성과 연성이 우수하기 때문에 사용 수명이 길며, 그 표면에 강성이 우수한 산화피막(11)이 형성되므로 전사 과정에서 쉽게 파손되지 않는다. 또한, 금속 소재의 마스터 기판(10)을 이용하면 전사성을 높일 수 있으므로 광 결정 구조(51, 52)의 패턴 정확성을 높여 무염료 색 소자(40)의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (14)

  1. 마스터 기판의 제1 영역을 가공하여 복수의 마이크로 홈부를 형성하는 단계
    상기 마스터 기판을 양극산화 처리하여 상기 제1 영역 및 상기 제1 영역 외측의 제2 영역에 복수의 나노 홈부를 형성하는 단계 및
    상기 마스터 기판을 금형 코어로 사용하여 무염료 색 소자의 몸체에 상기 마스터 기판의 미세 패턴을 전사시켜 복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기를 포함하는 광 결정 구조를 형성하는 단계
    를 포함하는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 기판은 알루미늄을 포함하는 양극산화 처리가 가능한 금속으로 제조되는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은 특정 로고나 이름 또는 제품과 관련된 다양한 모양으로 설정되며, 원래 형상의 좌우 역상으로 이루어지는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 홈부는 압입 가공, 레이저 가공, 및 엔드 밀링 가공 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 홈부는 반구형, 사각 피라미드형, 삼각 피라미드형, 및 원기둥 모양 중 어느 하나로 형성되며,
    상기 복수의 마이크로 홈부 각각의 크기와 상기 복수의 마이크로 홈부 사이의 간격은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압입 가공은 하나의 압입자가 고정된 공구를 이용하여 상기 마스터 기판을 지지하는 스테이지 또는 상기 공구를 움직이면서 상기 마스터 기판을 가압하는 과정으로 이루어지는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압입 가공 이전에,
    상기 마스터 기판을 열처리하는 단계 및
    상기 열처리된 마스터 기판을 냉각하는 단계
    를 더 포함하는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마스터 기판의 열처리는 상기 마스터 기판 소재의 풀림 온도에서 수행되며,
    상기 마스터 기판의 냉각은 노냉(furnace cooling)으로 진행되는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 기판을 양극산화 처리할 때, 상기 복수의 마이크로 홈부의 표면을 포함하는 상기 마스터 기판의 표면 전체에 산화피막이 형성되면서 상기 산화피막에 복수의 나노 홈부가 형성되는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홈부 각각의 크기와 상기 복수의 나노 홈부 사이의 간격은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 결정 구조를 형성하는 단계는 사출 성형과 핫 엠보싱 중 어느 하나의 공정으로 진행되는 무염료 색 소자의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며,
    복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기를 포함하는 제1 광 결정 구조가 형성되고 상기 제1 영역에 대응하는 제3 영역 및
    복수의 나노 돌기로 이루어진 제2 광 결정 구조가 형성되고 상기 제2 영역에 대응하는 제4 영역을 포함하며,
    상기 제3 영역과 상기 제4 영역은 서로 다른 구조색을 구현하는 무염료 색 소자.
  13. 구조색을 구현하는 무염료 색 소자에 있어서,
    복수의 마이크로 돌기와 복수의 나노 돌기가 조합된 듀얼 스케일의 돌기 패턴을 가지며, 제1 구조색을 구현하는 제1 광 결정 구조 및
    복수의 나노 돌기로 구성되며 제2 구조색을 구현하는 제2 광 결정 구조
    를 포함하는 무염료 색 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광 결정 구조는 특정 로고나 이름 또는 제품과 관련된 다양한 모양으로 설정된 영역 내에 위치하며,
    상기 제2 광 결정 구조는 상기 제1 광 결정 구조가 형성된 영역의 외측에 위치하는 무염료 색 소자.
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