KR101507107B1 - 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법 - Google Patents

곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관의 실린더 블록의 실린더 보어면, 실린더 라이너의 내부, 압축기의 실린더 내부, 커넥팅 로드의 빅엔드, 빅엔드 베어링, 로커암의 축 삽입 홀 등과 같은 마찰곡면의 내주면 상에 포토리소그래피법을 적용하여 미세한 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING OIL POCKET OF MINUTE CONFIGURATION ON A CURVED INNER SURFACE}
본 발명은 마찰곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관의 실린더 블록의 실린더 보어면, 실린더 라이너의 내부, 압축기의 실린더 내부, 커넥팅 로드의 빅엔드, 빅엔드 베어링, 로커암의 축 삽입 홀 등과 같은 곡면의 내주면 상에 포토리소그래피법을 적용하여 미세한 형상의 오일 포켓을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
각종 압축기와 내연기관들은 실린더 라이너 또는 실린더 보어 내부에서 이루어지는 피스톤의 왕복동 운동, 피스톤과 연결된 커넥팅 로드를 통한 크랭크축의 회전운동의 조합으로 구성되는 기관들이다. 이러한 압축기 또는 내연기관에서는 피스톤 링과 실린더 보어면 내지는 피스톤 링과 실린더 라이너 사이, 커텍팅 로드와 크랭크 축 사이, 또는 로커암의 축 삽입 홀과 그 내부에서 로커암 샤프트 사이에 상당한 마찰이 발생되어 마모가 일어나므로, 이러한 마찰, 마모를 줄이기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.
이러한 마찰을 저감하기 위하여 실린더 보어 내지는 실린더 라이너, 피스톤 링, 피스톤 스커트, 커넥팅 로드의 빅엔드, 빅엔드 베어링의 표면에 대하여 다양한 표면처리 또는 개질을 행하는 기술들이 개발되고 있다. 일례로 마찰표면에 내부에 윤활유가 함유되는 오일 포켓을 설치하여 마찰 표면에 유막을 형성함으로써 윤활성능을 개선하고 마찰 및 마모를 감소시켜 내구성을 향상시키는 기술이 시도되고 있다.
마찰표면에 오일포켓을 형성하는 방법은 다양한 방법이 알려져 있는데, 예를 들어 국내 등록실용신안 제20-0409695호는 초경도 또는 열처리한 가공공구를 이용하여 절삭하는 방법으로 오일포켓을 형성하는 방법을 제안하고 있고, 일본 특허공개 제2006-255813호 또는 일본 특허공개 제2008-144937호와 같이 레이저를 실린더 보어면에 직접 조사하여 오일포켓을 형성하는 방법, 그리고 국내 등록특허 제10-1050777호와 같이 포토리소그래피를 이용한 방법 등이 알려져 있다.
상기 방법 중 기계적 가공법이나 레이저를 이용한 방법은 공통적으로 형성해야 하는 오일포켓의 수에 비례하여 가공시간이 증가한다는 문제가 있어, 실제 적용에 있어서는 엔진블록의 경우 피스톤의 상사점 부근에만 제한적으로 오일포켓을 형성하는 실정이다.
포토리소그래피를 이용한 방법의 경우 실린더 보어 내에 형성하는 오일포켓의 수나 면적에 관계없이 한 번에 형성할 한다는 장점이 있으나, 아직까지 여러 개의 실린더 보어를 가진 실린더 블록을 한꺼번에 가공할 수 있는 기술은 개발되지 않고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 포토리소그래피법을 이용하여 마찰곡면의 내주면 상에 설계 형상대로, 재현성 있게 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 실린더 보어를 가진 실린더 블록과 같이 복수 개의 곡면을 갖는 내주면에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
곡면의 내주면을 세척하는 수단;
세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 수단;
상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단;
상기 포토레지스트층을 노광하는 수단;
노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 수단;
현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 수단; 및
원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은
곡면의 내주면을 세척하는 단계;
세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단;
상기 포토레지스트층을 노광하는 단계;
노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계;
현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 단계; 및
원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상기 오일포켓 형성 방법 및 장치에 의하면 실린더 라이너 내지는 실린더 블록의 실린더 보어면 기타 다양한 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 설계된 형상대로 균일하게, 그리고 재현성 있게 형성할 수 있게 된다. 또한 그러한 방법 내지 장치를 이용하여 미세 형상의 오일 포켓을 형성한 곡면의 내주면을 가지는 마찰곡면을 포함하는 물건, 즉 실린더 라이너와 실린더 블록의 실린더 보어, 커넥팅로드의 빅엔드 또는 빅엔드 베어링, 로커암샤프트 삽입 홀 등의 윤활특성이 개선되어 마찰 및 마모를 감소시켜 내연기관 또는 압축기의 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 복수의 실린더 보어를 포함하는 실린더 블록과 같은 복수 개의 곡면을 갖는 물품에 대하여 모든 곡면의 내주면에 원하는 형상의 오일포켓을 단 1회의 연속적인 공정으로 동시에 형성할 수 있어, 많은 시간과 비용을 절약하고 제품의 가격경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 실린더 블록의 사시도이고, 도 1b는 도 1의 실린더 블록을 반전시킨 사시도이며, 도 1c는 도 1의 실린더 블록의 절단면도이다.
도 2a는 습식 실린더 라이너의 단면도이고, 도 2b는 습식 실린더라이너 (미드스톱)의 단면도이며, 도 2c는 건식 실린더 라이너의 단면도이고, 도 2d는 커넥팅로드의 사시도이고, 도 2e는 로커암의 단면도이다,
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 오일 포켓 형성장치의 포토레지스트층 형성 수단을 설명하기 위한 개략사시도이고, 도 3b는 상기 포토레지스트층 형성 수단에 의한 감광성 물질 도포 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3c 및 3d는 본 발명의 일 구현예에 따른 오일 포켓 형성장치의 포토레지스트층 형성 수단의 도포컵 장치를 도시한 개략사시도이다.
도 4a-4d는 본 발명의 일 구현예에 따른 오일 포켓 형성장치의 노광수단 및 이러한 장치에 의한 노광 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5a-5e는 본 발명의 일 구현예에 따른 노광 수단을 설명하는 도면이다.
도 6a-6c는 본 발명의 일 구현예에 따른 습식분무장치를 설명하는 도면이다.
도 7a-7d는 본 발명의 일 구현예에 따른 습식순환장치를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 오일 포켓 형성 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9a는 본 발명에 의해서 오일포켓이 형성된 곡면의 현미경사진이고, 도 9b는 실시예에서 형성된 오일포켓의 사양을 설명한 모식도이고, 도 9c는 실시예에서 사용된 토크센서의 블록도이다.
도 10a는 본 발명의 장치에 의해서 오일포켓이 형성된 장치의 마찰토크 측정 결과를 도시한 표이고, 도 10b는 RPM별 마찰토크를 도시한 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예들에 관하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
본 발명의 일 실시예의 오일 포켓 형성 장치는 도 1a 내지 1c에 도시된 실린더 블록, 도 2a 내지 2c에 도시된 실린더 라이너, 도 2d의 커넥팅로드, 또는 도 2e에 도시된 로커암의 축 삽입 홀과 같이 원형 형상과 유시한 곡면을 갖는 물품의 내주면에 포토리소그래피법으로 미세 형상의 오일포켓을 설계된 대로, 재현성 있게 형성하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치는 곡면의 내주면을 세척하는 수단; 세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 수단; 상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단; 상기 포토레지스트층을 노광하는 수단; 노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 수단; 현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 수단; 및 원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 수단이 차례로 연결되어 구성되는 시스템이다.
본 발명에서 미세 형상의 오일포켓은 실린더 블록의 실린더 보어, 실린더 라이너의 내주면, 커넥팅로드의 빅엔드, 로커암의 축 삽입 홀과 같은 곡면의 내주면(100)에 설치하는 것으로, 그 표면은 전 단계의 가공 공정 내지 이송과정에서 유래된 먼지, 금속조각, 절삭유 및 방청유 등으로 오염되어 있다. 금속의 표면에 감광물질(포토레지스트 조성물)을 균일하게 도포하기 위해서는 금속표면의 청정이 매우 중요하기 때문에 세척수단에 의해서 세척하여야 한다. 오염물질은 아세톤 등의 유기용제, 알칼리 탈지제, 산성탈지제 등 공지의 탈지액 중에서 금속의 종류, 오염의 정도에 따라서 1 이상의 방법을 선정하여 실린더 블록, 실린더 라이너, 커넥팅로드 내지는 로커암 전체 또는 실린더 보어 등 곡면의 내주면(100)의 표면에 상기의 약액을 침적시키거나 분무하는 방식으로 곡면의 내주면(100)을 세정하여야 한다. 실린더 보어 등 곡면의 내주면(100)에만 약액을 접촉하고자 하는 경우에는
도 6 내지 7에 도시된 것과 같은 습식분무장치 또는 습식순환장치를 사용할 수 있다. 한편, 세척시 내주면의 오염성분 중의 하나인 유지의 비누화된 성분들이 금속표면에 잔존할 수 있으므로, 상기 세척 수단은 브러쉬, 또는 초음파 세척 수단과 같은 보조적인 기계적 수단을 추가로 포함할 수 있다. 세척수단에 의해서 세정이 완료된 대상물의 내주면(100)은 다음 공정인 감광성 포토레지스트 도포 단계 전에 열풍장치 기타의 수단으로 완전히 건조되어야 한다.
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 오일 포켓 형성장치의 포토레지스트층 형성 수단의 개략사시도이고, 도 3b는 상기 포토레지스트층 형성 수단에 의한 감광성 물질 도포 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명에서 포토레지스트층 형성 수단은 곡면의 내주면을 따라서 소정의 속도로 승하강 이동하면서 감광물질을 도포하는 도포컵(101); 상기 도포컵에 액상의 감광물질을 정량 공급하는 정량주입수단(105); 상기 도포컵을 승하강 구동하는 구동수단(106); 및 상기 도포컵을 상기 구동수단에 연결하는 연장수단(103)을 포함한다.
도 3a를 참조하면, 포토레지스트층 형성 시에는 우선 세정, 건조된 대상물의 곡면의 내주면 안으로 도포컵(101)이 삽입되어 곡면의 내주면의 위쪽 끝부분에 자리한다. 도포컵(101)은 예를 들어 접시와 같은 형상의 가지는 것으로 도포컵의 외경은 원통의 내경보다 일정 정도 크게 제작하되, 그 재질은 유연성, 탄성, 복원력을 가지는 재질로 제작하여 원통 내부로 삽입시 변형되어 원통의 내주면에 밀착하게 된다. 도 3b를 참조하면, 원통 내부로 삽입된 도포컵(101)에는 액상의 감광물질(포토레지스트 조성물)(102)이 공급되며 공급이 완료되어지면 도포컵(101)은 설정된 속도로 하강하여 실린더 보어 내주면에 감광물질이 도포된다.
도포컵(101)은 전술한 기계적 물성 외에 감광성 포토레지스트와 접촉하는 부분이므로 포토레지스트의 일성분인 알콜, 케톤 등에 의해 용해, 변형되지 않는 내용제성을 가져야 한다. 이와 같은 물성을 만족하는 재질로는 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 실리콘수지, 테플론 수지 등이 있다. 도포컵(101) 전체를 상기의 소재로 제작할 수 있으나 경우에 따라서는 원통의 내주면과 직접 접촉하게 되는 일정 부분만을 상기 소재로 제작할 수도 있다.
그리고 도포컵(101)은 실린더 보어나 실린더 라이너와 같은 원통형 물체의 내부를 관통하여 승강하므로 도포컵의 상부 또는 하부에는 에어액츄에이터 실린더나 전동액추에이터 실린더, 서보 모터 등과 같은 도포컵(101)을 승강시킬 수 있는 기계적 구동수단(106)이 연결된다. 도포컵(101)은 연장수단(103)을 통해서 구동수단에 연결된다.
도 3c는 본 발명의 일 구현예로서 승강 수단이 도포컵(101)의 상부 측에 연장되어 있는 도포컵이 본 발명의 일 실시예인 습식 실린더 라이너의 내부에 자리 잡고 있는 형태를 보여주는 사시도이다.
또한 본 발명의 도포컵은 포토레지스트를 도포해야 할 대상물이 복수 개인 경우, 즉 예를 들어 여러 개의 실린더 보어를 가지는 실린더 블록의 경우나, 여러 개의 실린더 라이너, 커넥팅로드, 로커암 등의 곡면의 내주면을 동시에 또는 순차적으로 도포하고자 하는 경우에는 여러 개의 도포컵을 사용하는 방식으로 구성할 수 있다. 도 3a는 본 발명의 일 구현예로서 승강 수단이 도포컵(101)의 하부 측에 연장되어 있는 다수개의 도포컵이 본 발명의 일 실시예인 4-실린더 실린더 블록의 내부에 자리 잡고 있는 형태를 보여주는 사시도이다.
이러한 복수의 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치는 복수의 도포컵, 정량주입수단, 구동수단, 및 연장수단이 병렬로 연결되어, 다수 개의 곡면의 내주면 상에 감광물질을 일괄하여 한 번에 도포할 수 있도록 구성될 수수 있다.
미세 형상의 오일포켓을 원통형 물체의 내주면에 설계된 형상대로 그리고 재현성 있게 형성하는 것을 목적으로 하는 본 발명을 구현하기 위해서는 포토레지스트막의 두께를 일정하게 도포하는 것이 중요하다. 실린더 보어나 실린더 라이너와 같은 곡면의 내주면 상에 도포된 포토레지스트막의 두께가 부위에 따라 차이가 있거나 대상물에 따라 차이가 있는 경우 얇게 도포된 곳의 오일포켓은 설계된 것 보다 크게, 두껍게 도포된 곳의 오일포켓은 설계된 것보다 작게 형성된다.
본 발명에서는 원통형 물체의 내주면(100)에 도포되는 감광성 포토레지스트막의 두께는 주로는 사용하는 액상 포토레지스트의 점도 및 도포컵의 승강 이송속도, 부차적으로는 도포컵에 담기는 액상 포토레지스트의 양에 따라 달라진다. 즉, 액상포토레지스트의 점도가 높을수록 도포된 포토레지스트의 막이 두꺼워지게 되며, 이송속도는 느릴수록 포토레지스트막의 두께가 두꺼워지며 도포컵에 담긴 액상포토레지스트의 양이 많을수록 도포된 포토레지스트막의 두께가 얇아지는 경향이 있다. 따라서 이러한 공정 변수들을 적절히 조절할 필요가 있다. 액상 포토레지스트의 점도는 공지의 점도계를 사용하여 주기적 또는 연속적으로 모니터링 및 조정되어야 하며, 도포컵의 하강속도는 에어액츄에이터 실린더나 전동액추에이터 실린더, 서보 모터 등을 사용하되 정밀 레귤레이터, RPM 게이지 등으로 이송속도를 조절하여야 한다.
한편, 정량주입수단(105)은 도포컵에 공급되는 액상 포토레지스트의 양을 조절하기 위한 수단으로서 마이크로펌프 또는 시린지 펌프일 수 있고, 이러한 정량주입수단(105)에 의해 매번 일정한 양이 공급되어야 한며, 공급된 액상 포토레지스트를 도포컵 내에 균일하게 분배해주어야 한다. 이를 위하여 도 3d에 도시된 바와 같이 도포컵의 중심부(104)는 원통의 내주면과 접촉하게 되는 도포컵의 가장자리보다 위로 돌출되도록 구성할 수 있다. 도 3d는 본 발명의 일 구현예로서 본 발명의 일 실시예인 도 3a와 같은 4-실린더 실린더 블록의 내부에 그 중심부 (104)가 돌출된 도포컵이 자리 잡고 있으며 그 상부에는 액상 포토레지스트의 정량주입수단(105)이 구성된 형태를 보여주는 사시도이다.
감광성 포토레지스트 도포가 완료된 후에는 포토레지스트의 종류에 따라 필요한 경우 열풍 기타 가열수단을 이용하여 포토레지스트막을 건조시키거나 경화시킨다.
다음으로는 실린더 블록의 보어 면이나 실린더 라이너와 같은 원통형 물체의 내주면(100)에 형성하고자 하는 오일 포켓의 형상(111)이 인쇄된 필름(110)을 원형으로 말아 넣거나, 오일포켓의 형상에 대응되는 형상으로 천공된 포토마스크를 원형으로 말아 내주면(100)으로 삽입한다. 도 4a은 본 발명의 일 구현예로서 본 발명의 일 실시예인 습식 실린더 라이너의 내부로 필름형태의 포토마스크를 삽입하는 형태를 보여주는 사시도이며 도 4b-4d는 본 발명의 또 다른 구현예로서 본 발명의 일 실시예인 4-실린더 실린더 블록의 실린더 보어 내부로 필름형태의 포토마스크를 삽입하는 형태를 보여주는 사시도다.
필름 형태의 포토마스크의 종류는 도포된 감광성 포토레지스트의 종류에 따라 달라진다. 포토레지스트가 빛을 받아 경화되는 네거티브방식인 경우 투명한 필름에 형성하고자 하는 오일포켓이 검게 인쇄된 형태여야 하며, 이미 열에 의해 경화된 포토레지스트의 고분자간 결합이 빛에 의해 느슨해지는 포지티브 방식인 경우 형성하고자 하는 오일포켓을 투명하게 하고 나머지 부위를 검게 인쇄하여 빛이 필름의 투명한 부분만 통과하도록 하거나 오일포켓의 형상에 대응되는 형상으로 천공된 포토마스크를 적용하여 천공된 부위로만 빛이 통과하도록 하여야 한다.
필름 형태의 포토마스크와 내주면 사이에 기포 등의 존재로 말미암아 필름-내주면간 밀착이 이루어지지 않아 필름-포토레지스트표면 간에 간격이 있는 경우 빛의 산란에 의해 그 부위에는 후에 오일포켓이 설계된 대로 형성되기 어렵기 때문에, 삽입된 필름(포토마스크)과 감광성 포토레지스트가 도포된 내주면 간의 밀착이 충분히 이루어져야 한다.
본 발명에서 포토마스크 밀착 수단은 상기 포토레지스트층과 포토마스크 사이에 액상 파라핀과 이소파라핀 중에서 선택하는 1종 이상의 밀착액을 도포하는 수단을 포함할 수 있다. 액상의 파라핀, 또는 이소파라핀은 필름과 포토레지스트막을 밀착시킬 정도로 점성이 있되 금속표면은 물론 감광성 포토레지스트막, 필름에도 손상을 주지 않으면서, 광투과성이 우수하여 후공정인 노광공정을 방해하거나 노광시간을 지나치게 지연시키지 않으며, 그 다음 공정을 위하여 세척이 용이하며, 또한 굳이 세척하지 않더라도 후공정에 무해한 액체이다. 따라서 실린더 보어 또는 실린더 라이너와 같은 원통형 대상물의 내주면에 이러한 액체를 도포한 후 마스크를 삽입할 수 있다.
상기 포토마스크 밀착 수단이 감광물질이 도포되고 포토마스크가 삽입관 곡면의 내주면을 밀폐하고 진공압을 가하는 수단을 추가로 포함할 수 있다. 오일 포켓의 형상이 인쇄된 PET 필름 등을 실린더 보어 또는 실린더 라이너 등과 같은 곡면의 내주면으로 삽입한 후 그 상단과 하단을 밀폐한 후 이 밀폐용 기구의 상단 또는 하단에 설치한 진공홀(124)을 통하여 내부 공간에 들어있던 공기를 흡입 배출하여 내부공간에 진공압을 가하여 필름-내주면 사이의 공기를 완전히 배출, 필름- 내주면 간 밀착이 이루어지도록 한다. 여기서 진공을 형성하기 위해 진공펌프나 진공 이젝터 등을 이용할 수 있다. 한편 이와 같이 원통형 대상물의 내부를 진공으로 하는 것은 노광 공정 동안에도 유지되는 것이 바람직하므로 기구적으로는 노광장치와 일체로 구성하는 것이 바람직하며, 이에 관해서는 후술한다.
본 발명에서는 PET 필름 등의 포토마스크와 포토레지스트가 도포된 내주면 사이의 공기를 빼내어 마스크- 내주면 간의 밀착을 증진하기 위한 일 수단으로서 두 가지 방법 중 하나의 방법을 선택하거나 두 방법을 병행하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 노광수단은 곡면의 내주면 안으로 삽입되는 발광수단(120); 상기 발광수단의 내부 또는 외부에 설치되는 광원 램프(130); 상기 광원 램프를 승하강 수단에 연결하는 연장수단(133); 및 상기 발광 수단을 곡면의 내주면 안에 넣어다가 빼기 위해서 발광수단의 승하강시키는 승하강수단(126)을 포함한다. 곡면의 내주면 상에 포토마스크 필름 등을 밀착시킨 이후에는 노광공정을 수행하기 위하여 도 5a에 도시된 바와 같은 발광수단(120)을 원통의 내주면 안으로 삽입하여 감광성 포토레지스트를 노광한다.
발광수단(120)은 석영, 유리, 아크릴, 폴리메타크릴레이트, 씨클로 올레핀 폴리머 (COP), 씨클로 올레핀 코폴리머 (COC), 폴리카보네이트 중에서 선택된 투명한 재질로 하되 원통의 내주면 전체에 빛 에너지를 균일하게 조사할 수 있는 위치와 형상으로 하여야 한다. 위치는 원통 내주면의 중심에 위치하는 것이 바람직하며 형상은 원통형인 것이 바람직하다. 또한 발광수단(120)은 적절한 상승 하강 장치와 연장될 수 있는 구조로 하여 원통의 내주면 안으로 삽입, 배출할 수 있어야 한다. 승강 장치로는 전술한 도포컵을 승강시키는데 사용한 것과 유사한 방식, 즉 예를 들어 에어액츄에이터 실린더나 전동액추에이터 실린더, 서보 모터 등을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 노광수단은 곡면의 내주면 상에 일정한 진공압을 가한 상태에서 노광을 실시하고 노광종료 후 진공을 해제하는 진공노광장치일 수 있다. 이러한 진공노광장치는 진공을 이용하여 마스크-내주면 간의 밀착을 향상시킬 수 있다T키는 경우에는 도 5a에 도시된 바와 같이 상부 및 하부에 밀폐기구(121, 122)를 배치하고 상단 또는 하단에 설치한 진공홀(124)을 통하여 내부 공간에 들어있던 공기를 흡입 배출하여 내부를 진공으로 유지한다. 이 경우 내주면에 도포된 감광성 포토레지스트에 빛을 조사하기 전에 진공을 가하여 마스크-내주면간을 밀착시킨 뒤, 빛을 조사한다. 이와 같이 노광 단계에서도 일정한 진공상태를 유지하는 것이 바람직한데, 이는 내부 압력에 변동이 있게 되면, 이로 인해 마스크의 떨림, 변위가 발생하기 때문이다.
도 5b은 본 발명의 일 실시예인 습식 실린더 라이너의 내부로 발광수단을 삽입하는 형태를 보여주는 사시도이다. 하부 밀폐기구(122)에는 이에 바로 접촉하는 부위의 라이너의 아랫끝 부위에 닿아 기밀을 유지시키는 밀폐용 실링(123)이 장치되어 있으며 또 하나의 밀폐용 실링(123)은 발광수단(120)의 하단부와 닿아 하부 측을 기밀한다. 본 실시예에서 상부 밀폐기구(121)는 발광수단(120)과 일체화되어 발광수단이 승강 장치(126)에 의해 하강하여 실린더 라이너 내부로 삽입될 때 실린더 라이너의 윗끝 부분과 상부 밀폐기구 내의 밀폐용 실링이 접촉하여 실린더 라이너 내부가 외부와 차단 밀폐된다.
본 발명에서는 상단에 설치된 진공 홀(124)을 통해 실린더라이너 내부에 진공이 가해진다. 일정한 진공압이 유지되는 가운데 발광수단을 통해 빛이 가해져 포토마스크를 통과하여 실린더라이너의 내주면에 도포되어 있던 감광성 포토레지스트로 빛이 조사되면 포토레지스트내 고분자의 물성에 변화가 생기고 다음 공정인 현상공정으로 진행할 준비가 된다.
노광수단은 감광성 포토레지스트에 가하는 빛의 양을 적절히 조절해야 한다. 예를 들어 네거티브 포토레지스트의 경우 노광량이 많은 경우 포토레지스트의 경화가 지나치게 진행되며, 노광량이 부족할 경우 포토레지스트가 경화되지 않으므로 두 경우 모두 현상 공정이 제대로 진행되지 않기 때문이다. 일반적으로 사용하는 감광성 포토레지스트 마다의 적절한 노광량이 mJ 단위로 제공된다. 그리고 광원의 출력은 와트(Watt) 단위로 제공되므로 단위면적의 포토레지스트에 가해지는 일의 양은 광원의 출력을 광원이 조사되는 전체 면적으로 미분하고 시간으로 적분하여야 한다. 즉, 광원의 출력이 일정하고 광원이 조사되는 면적이 동일하다면 시간의 조정으로 노광량 조절이 가능하다. 이는 달리 말하면 광원의 출력이 일정하지 아니하면 시간 조정만으로는 노광량 조절이 불가능함을 의미한다.
한편 발광수단(120)은 그 안에 직접 광원램프를 설치할 수 있으며, 외부에 광원을 설치하고 거울, 렌즈, 프리즘, 광섬유, 도광봉 등을 이용하여 발광수단으로 빛을 유도할 수 있다. 광원램프는 채택한 감광성 포토레지스트의 종류에 맞게 선정하되 UV 램프가 바람직하다. 일반적으로 UV 램프로부터는 고열이 발생하므로 발생된 열을 제거하기 위한 냉각장치를 갖추는 것이 필요하며, UV 광의 누설 및 손실을 방지하기 위하여 반사판(미러)을 설치하는 것이 필요하다. 반사판으로는 스테인레스나 알루미늄과 같은 일반적인 미러를 채택하여 사용할 수 있으나, UV만 반사하고 가시광선과 적외선은 통과하는 콜드미러를 채택하는 것이 바람직하다.
또한 광원인 램프와 포토레지스트면 사이, 즉 발광수단(120) 내에 광원인 광원 램프가 위치하는 경우에는 광원램프와 발광수단 사이 또는 발광수단의 외부에, 광원램프가 외부에 설치되고 발광수단까지 거울 기타의 도광수단으로 빛이 유도되는 경우에는 램프와 도광수단 사이 또는 발광수단(120)의 내부 또는 외부에 빛을 차단할 수 있는 셔터(132)를 장치하여 광의 누설을 방지하는 것이 필요하다. 발광수단을 삽입한 후 광원램프를 점등하고 노광한 후 램프를 소등한 후 발광수단을 배출하는 경우와 같이 셔터가 필요 없는 경우도 있으나 광원램프가 점등된 채로 발광수단을 삽입 및 배출할 때는 셔터를 배치하여 광의 누설로 인한 위험을 방지하여야 한다.
도 5c은 본 발명의 일 구현예로서 본 발명의 일 실시예인 4-실린더 실린더 블록의 실린더 보어 내부로 발광수단을 삽입하는 형태를 보여주는 사시도이다. 본 발명에서 상기 발광수단, 연장수단, 구동수단은 복수 개가 병렬로 구성되어 다수 개의 곡면의 내주면을 동시에 노광할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우에 광원 램프는 하나만을 공동으로 사용할 수 있다.
실린더 블록의 각 실린더 보어에는 감광성 포토레지스트가 도포되어 있으며 그 내부에 오일 포켓의 형상이 인쇄된 필름(110)이 위치한다. 그 상부에는 밀폐기구 (121)이 위치하며 블록의 하부에는 발광수단(120)을 포함하는 광원기구가 위치하며 이 광원기구가 실린더 블록과 접촉하는 부분은 탄성이 있는 소재로 제작하여 이 부분이 하부 밀폐기구(122)로 기능하도록 하였다. 도 5d와 같이 실린더 블록과 상부의 밀폐기구 및 하부의 광원장치가 결합하면 각 실린더 보어 내부의 공간은 외부와 밀폐되며 상부 밀폐기구 또는 하부 밀폐기구에 설치된 진공홀(미도시)을 통해 실린더 보어 내의 공기를 배출하여 실린더 보어 내를 진공상태로 만든다. 이후 발광수단 (120)을 통해 빛을 실린더 보어 면으로 조사하여 감광성 포토레지스트를 빛에 노출시킨다.
다음으로 상기 구현 례에 적용한 광원기구에 대해 설명한다. 도 5e에서와 같이 광원기구의 내부에는 램프(130)가 설치되어 있으며, 램프 외부의 일 측면에는 반사경이 설치되어 램프(130)로부터 사방으로 퍼져나오는 빛을 일 방향으로 보내 광 효율을 높인다. 광원기구의 외부에는 발광수단(120)이 위치하고 이 발광수단이 본 발명의 실시예 중의 하나인 실린더 불럭의 실린더 보어 또는 실린더 라이너 내부로 삽입된다. 광원기구 안에서 램프와 발광기구의 사이에 셔터를 장치하였다. 셔터의 한쪽에는 구동장치(미도시)와 연결할 수 있는 연장수단(133)이 설치되어 빛을 통과 또는 차단할 수 있게 하였다. 도 5e에서의 셔터는 위치상으로 어태칭 셔터, 방법상으로 일종의 길로틴셔터이나 본 발명은 이에 한정되지 않고 위치상으로 어태칭 셔터, 렌즈 셔터, 포컬플레인 셔터 그리고 방법상으로 길로틴 셔터, 롤러블라인드 셔터, 섹터 셔터, 회전 셔터 등의 적용도 가능하다.
감광성 포토레지스트에 요구되는 적정한 노광시간이 경과한 후 램프를 소등하거나 혹은 셔터(132)를 닫고 곡면의 내주면 내부의 진공상태를 해제된 후 밀폐수단과 발광수단과의 결합을 해제한다. 인쇄된 필름이나 천공된 마스크 형태의 포토마스크는 곡면의 내주면의 밖으로 제거한다.
본 발명에서 노광 이후의 현상, 에칭, 박리 등의 공정은 각 공정에 요구되는 기능을 수행하는 화학물질들의 수용액을 이용하여 진행되므로, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 습식공정이라 통칭한다. 본 발명에서 에칭은 전해에칭 수단에 의해 행할 수 있다.
본 발명에서 현상수단, 에칭수단, 및 박리수단은 습식공정을 위해 습식분무장치 또는 습식순환장치로 구성될 수 있다. 도 6b는 약액공급관을 회전시켜는 방식의 습식문무장치를 도시한 것이다. 습식분무장치는 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 습식분무장치는 약액이 곡면의 내주면 이외의 부분으로 접촉하지 못하도록 상부 밀폐기구와 하부 밀폐 기구를 구비하고, 곡면의 내주면의 표면으로 약액을 접촉시키기 위한 분무용 노즐이 부착된 고정식 약액공급관(140-1): 곡면의 내주면의 표면으로 약액을 접촉시키는 약액공급구(154); 모터의 회전을 기어를 통해 전달받아 회전할 수 있도록 구성된 회전식 약액공급관(140-2); 상기 고정식 약액공급관과 회전식 약액공급관을 연결하는 배관연결부(146); 및 처리후 약액을 배출시키는 약액배출구(155)를 포함한다.
곡면의 내주면(100) 내부로 약액공급관(140)이 삽입되는 방식으로 구성하되 용액공급관의 측면에는 약액 분사용 노즐(141)이 설치된다. 약액이 분무되는 동안 약액이 흘러넘치거나 하는 식으로 내주면 이외의 부분으로 흐르는 것을 막기 위하여 하부의 받침(145)과 상부의 덮개(142)로서 약액이 타부분으로 흘러가는 것을 막아야 한다. 기밀을 위하여 상부덮개(142)에는 밀폐용 실링(143)으로 액이 기구물의 틈 사이로 흐르는 것을 방지하였으며, 도면에는 도시하지 않았으나 하부의 받침(145)에도 대상물과 접촉하는 부위에는 밀폐용 실링을 설치하는 것이 바람직하다.
이러한 습식분무장치의 약액공급관(140)은 우선 펌프와 연결되어 있는 고정식 약액공급관(140-1), 곡면의 내주면 안에서 회전하도록 되어 있는 회전식 약액공급관(140-2) 및 이 두 배관이 연결되는 배관연결부(146)로 구성된다. 액 누설을 방지하기 위하여 고정부 액약공급배관의 말단에는 2개 이상의 실링(148)이 설치된다. 회전식 약액공급관에는 기어(147)가 부착되며, 이 기어는 RPM 조절 기능을 부가한 모터와 연결된 회전축(149)과 결합된 기어와 맞물려 회전하게 되므로 회전부의 약액공급관(140-2)이 회전하게 된다. 도시하지는 아니하지만 이러한 방식을 이용, 다수 개의 기어들을 조합함으로써 여러 개의 약액공급관을 회전시킬 수 있고, 실린더 보어가 여러 개 형성되어 있는 실린더 블록에 대해서나 실린더 라이너 여러 개에 대해 한번에 작업하고자 할 때는 이와 같은 방식을 적용할 수 있다.
각 노즐은 도 6c에 도시된 바와 같이, 노즐 끝에서 곡면의 내주면의 표면까지의 간격을 d, 적용 분무압력에서의 노즐의 분사각도를 θ라고 할 때 노즐간 간격 p는 dtan(θ/2)인 것이 바람직하며 필요에 의해 간격 P를 넓히고자 할 때도 2dtan(θ/2)를 넘어서는 안 된다.
한편, 예를 들어 실린더 블록의 경우 점차 소형화 경량화 되어가는 추세 및 소형의 엔진 등을 고려하면 실린더 보어의 직경이 작아서 상기의 약액 분사용 노즐(141)이 결합된 약액공급관(140)을 곡면의 내주면의 안으로 삽입하는 것이 불가능하거나 바람직하지 아니한 경우를 상정해볼 수 있다. 이러한 경우에는 본 발명자들에 의해서 발명된 습식 순환장치를 이용할 수 있다. 도 7a에서 예시하는 것과 같이 연장수단(151)이 부착되어 미도시의 기계적 수단에 의해 상승 하강할 수 있는 상부덮개(150)가 대상물의 상부로 하강하고 밀폐용 실링(152)과 대상물이 밀착하도록 하고, 역시 밀폐용 실링(152)이 부착된 하부 밀폐기구가 대상물의 하부에서 밀착하여 곡면의 내주면을 외부와 차단 한 후 하부받침 내에 설치된 약액공급구(154)를 통해 각 공정에 필요한 약액을 주입, 곡면의 내주면으로 약액을 공급하고 여액은 약액 배출구(155)를 통해 회수할 수 있다.
도 7b는 본 발명의 일 구현예로서 본 발명의 일 실시예인 4-실린더 실린더 블록의 실린더 보어 내부로 습식공정에 필요한 약액을 공급하고 배출하는 형태의 습식순환장치를 보여주는 사시도이다. 약액공급구와 약액 배출구는 그 개수와 위치를 달리할 수 있다.
다음으로 각 습식공정에 관해 설명한다. 노광공정까지 완료한 후에는 곡면의 내주면에 대하여는 현상 공정을 수행한다. 감광성 포토레지스트의 종류에 따라 네거티브 포토레지스트는 노광공정에서 노광 부위는 경화되고 비노광 부위는 경화되지 않은 상태이며, 포지티브 포토레지스트는 노광공정에 열등의 방법으로 미리 경화되어서 빛을 받지 않은 부위는 경화된 채로, 빛을 받은 부위는 다시 경화되지 않은 상태로 변한다.
현상 공정에서는 포토레지스트막 중에서 경화되지 않은 부위만을 녹여내어 곡면의 내주면 상에서 포토레지스트가 용해된 부분의 금속 표면을 노출시킨다. 현상 공정은 탄산나트륨이나 탄산칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼륨 중에서 1 이상을 선택하여 이를 0.1~1%의 수용액으로 용해한 후 이 용액을 노광이 완료된 감광성 포토레지스트막과 접촉하게 하는 것으로, 도 6a에서 예시하는 것과 같이 습식분무장치를 이용하여 분사하거나 도 7a 내지 7b에서 예시하는 것과 같이 습식순환장치를 이용하여 접촉시킬 수 있다. 분무하는 경우에는 분무 압력과 분무시간, 순환시켜 접촉시키는 경우에는 순환속도와 접촉시간, 그리고 공통적으로 약액의 온도와 농도에 따라 미경화된 포토레지스트의 용해량이 달라지므로 미세 형상의 오일포켓을 원통형 물체의 내주면에 설계된 형상대로 그리고 재현성 있게 형성하고자 하는 본 발명의 목적 달성을 위해서는 상기와 같은 파라미터들을 관리하여야 한다.
소정시간이 경과 후 약액공급을 중단하고 완전히 약액을 배출한 후 물을 분무 또는 공급하는 방식으로 곡면의 내주면의 표면에 남은 약액을 세척, 제거한다. 한편, 현상액과 접촉하고 남은 포토레지스트막은 종류에 따라 팽윤되는 정도가 다르고 금속표면과의 밀착력에 차이가 생기므로 필요한 경우 열풍, 고온 등의 방법으로 경화시켜야 하는 경우가 있다.
현상공정이 완료된 대상물에 대하여는 에칭 공정을 수행한다. 에칭공정에서는 현상 공정을 통해 노출된 금속면에 부식성 액체를 접촉시킴으로써 해당 부위의 금속이 액체 중으로 용해되어 오일포켓을 형성한다. 이때 아세트산, 황산, 질산, 염산, 불산, 붕불산, 옥살산, 아스코르브산, 구연산, 시안산 등과 같은 부식성 물질 중에서 금속의 종류와 감광성 포토레지스트의 종류에 알맞은 것으로 1 이상을 선택하여 이를 물이나 알콜로 용해, 희석하여 사용할 수 있다. 도 6a에서 예시하는 것과 같이 습식분무장치를 이용하여 분사하거나 도 7a내지 7b에서 예시하는 것과 같이 습식순환장치를 이용하여 접촉시킬 수 있다. 형성되는 오일 포켓의 깊이는 도 6a과 같이 분무하는 경우에는 분무압력, 분무시간, 도 7a과 같이 접촉시키는 경우에는 액의 순환속도, 순환시간, 그리고 공통적으로 약액의 온도와 농도에 따라 금속의 용해속도가 달라지므로 미세 형상의 오일포켓을 원통형 물체의 내주면에 설계된 형상대로 그리고 재현성 있게 형성하고자 하는 본 발명의 목적 달성을 위해서는 상기와 같은 파라미터들을 관리하여야 한다.
금속의 부식과정에서 금속의 표면에 금속산화물들이 생겨나고 이들이 액중으로 용해되어 나가 그 아래층의 금속이 부식액에 노출되어 다시 부식되는 부식공정의 메커니즘 상 단지 약액을 접촉시키거나 분무하는 것만으로는 필요한 깊이의 오일 포켓을 형성하는 데에 많은 시간이 걸린다. 따라서 본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위해서 도 7c과 같이 상부덮개와 하부 밀폐기구로 곡면의 내주면을 기밀하고 상부덮개를 통하여 전극봉(156)을 곡면의 내주면 안으로 삽입한다. 상부 밀폐기구와 하부 밀폐기구에는 전극봉 홀더(158)를 형성하여 전극봉(156)이 곡면의 내주면의 중앙에 위치하여 고정될 수 있도록 하고 대상물에 전류를 흘려줄 수 있도록 또 다른 전극(157)을 부가한다. 약액공급구(154)를 통해 금속 전해에 필요한 약액을 주입한 후 전극봉(156)은 음극으로 또 다른 전극(157)은 양극으로 하여 전류를 흘려주면 양극인 곡면의 내주면의 금속 표면은 금속이온이 되어 액중으로 용해되어 나오는 전해에칭 반응이 이루어진다.
물론 포토레지스트막에 의해 보호되지 않은 부분만 용해되어 나오므로 이와 같이 용해되어 나온 부분에 오일포켓이 형성되는 것이다. 전해에칭에 이용할 수 있는 전해액으로는 염화나트륨, 염화칼륨과 같은 각종 염류의 수용액은 물론, 전술한 아세트산, 황산, 질산, 염산, 불산, 붕불산, 옥살산, 아스코르브산, 구연산, 시안산 등의 금속염의 수용액 중에서 1 이상을 사용할 수 있다. 또한 금속이온의 용해력을 높이기 위하여 EDTA, 티오우레아, 티오시아네이트와 같이 금속이온과 착화합물을 형성할 수 있는 물질들을 첨가하여 사용할 수 있으며 액의 침투를 돕기 위해 계면활성제를 첨가하여 사용할 수도 있다.
전해에칭이 진행될수록 전해액 중의 금속이온 농도가 높아지므로 연속적으로 사용한 전해액을 배출, 새로운 전해액을 공급하는 방식으로 각 실린더 보어 내에서 액 순환이 이루어지게 하여야 한다. 도 7c 및 도 7d에서는 전해액의 공급 배출을 모두 하부에서 하는 방법을 예시하였으나 공급, 배출배관의 위치와 수량은 달리할 수 있다. 전해에칭의 속도를 증가시키기 위해서는 전극봉 또는 대상물에 초음파 진동자를 연결하여 진동을 가함으로써 전해에칭의 속도를 증가 시킬 수 있다.
곡면의 내주면 전체에 골고루 전류를 흘려주기 위해서는 곡면의 내주면의 중앙에 위치하는 전극봉(156)은 전극봉의 표면에서 곡면의 내주면의 표면까지의 거리가 전체적으로 동일하도록 원통형으로 구성되어야 하며, 재질은 스테인레스, 티타늄, 은 백금, 금 등 전해액에 불용성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
도 7d는 본 발명의 일 실시예인 4-실린더 실린더 블록과 같은 여러 개의 실린더 보어 내부로 한 번에 또는 순차적으로 전극봉을 삽입, 약액을 주입, 배출할 수 있으며 실린더 전체를 음극으로 하고 각 실린더 보어 내로 삽입된 전극봉을 양극으로 하여 여러 개의 실린더 보어에 대해 동시에 전해에칭을 실시하는 형태를 보여주는 사시도이다. 각 실린더 보어 내에 삽입된 전극봉(156)은 전극봉용 부스바(156-1)과 연결되어 종시에 통전되며, 또 다른 전극용 부스바 (157-1)을 설치하여 실린더 블록 전체가 통전되도록 하였다. 상부 밀폐기구와 하부 밀폐기구는 네 개의 실린더 보어 모두를 커버할 수 있도록 일체로 구성하였으며, 상부 밀폐기구 및 하부 밀폐기구에 형성된 전극봉 홀더는 전극봉이 각 실린더 보어의 정 중앙에 위치할 수 있도록 하였다.
전해에칭법을 적용하는 경우 그 속도는 전류밀도, 전극봉-원통의 내주면간의 거리, 전해액의 온도, 전해액의 농도, 전해액 중의 금속이온농도, 전해액 순환속도 등에 따라 달라지며, 초음파를 병행하여 사용하는 경우에는 그 진동수에 따라서 달라지므로 미세 형상의 오일포켓을 원통형 물체의 내주면에 설계된 형상대로 그리고 재현성 있게 형성하고자 하는 본 발명의 목적 달성을 위해서는 상기와 같은 파라미터들을 관리하여야 한다.
소정시간이 경과 후 약액공급을 중단, 전해에칭 방법을 적용한 경우에는 약액공급과 전류공급을 중단하도, 완전히 약액을 배출한 후 물을 분무 또는 공급하는 방식으로 곡면의 내주면의 표면에 남은 약액을 세척, 제거하여야 한다.
에칭공정이 완료된 대상물에 대하여는 박리 공정을 수행한다. 에칭공정은 앞의 에칭공정을 통해 오일포켓을 형성한 후 곡면의 내주면의 표면에 남은 감광성 포토레지스트의 막을 곡면의 내주면으로부터 제거하는 공정이다. 수산화나트륨, 수산화칼륨, 에틸렌디아민 등과 같은 알칼리성 물질의 수용액 중에서 선택된 1이상의 약액을 감광성 포토레지스트에 접촉시키면 감광성 포토레지스트내의 고분자간 결합이 깨지거나, 감광성 포토레지스트와 곡면의 내주면의 금속간의 접착이 약해져 감광성 포토레지스트의 막은 곡면의 내주면의 금속 면으로부터 이탈하게 된다. 또 달리 박리공정에 적용할 수 있는 것으로는 아세톤, 이소프로필 알콜 등의 용제이다. 이는 말 그대로 감광성 포토레지스트를 용해시키는 것인데, 포토레지스트와 금속면 접착부위에 형성된 유기금속층은 제거하기 어려운 경우가 있으므로 사용에 주의를 요한다.
또한 박리 공정에 사용되는 약액은 금속면 전체에 작용을 하게 되며, 금속면을 산화시킬 수 있으므로 이러한 산화 방지를 위하여 벤조트리아졸, 톨릴트리아졸 등과 같은 아졸계 화합물을 부가하여 사용할 수 있으며 곡면의 내주면의 금속과 감광성 포토레지스트막 사이의 침투를 용이하게 하기 위하여 계면활성제를 첨가하여 사용할 수 있다.
약액은 도 6a에서 예시하는 것과 같이 습식분무장치를 이용하여 분사하거나 도 7a내지 7b에서 예시하는 것과 같이 습식순환장치를 이용하여 접촉시킬 수 있으며, 분무하는 경우에는 분무 압력과 분무시간, 순환시켜 접촉시키는 경우에는 순환속도와 접촉시간, 그리고 공통적으로 약액의 온도와 농도에 따라 달라지므로 미세 형상의 오일포켓을 원통형 물체의 내주면에 설계된 형상대로 그리고 재현성 있게 형성하고자 하는 본 발명의 목적 달성을 위해서는 상기와 같은 파라미터들을 관리하여야 한다.
소정시간 경과 후 약액을 완전히 배출하고 물을 분무 또는 순환시킴으로 남아있는 약액을 세척, 제거한 후에는 곡면의 내주면 위에 남은 수분을 완전히 제거한다. 와이퍼나 에어블로어, 열풍 등을 이용하여 곡면의 내주면을 건조시킨 뒤 다시 도 6a에서 예시하는 것과 같이 습식분무장치를 이용하여 분사하거나 도 7a내지 7b에서 예시하는 것과 같이 습식순환장치를 이용하여 접촉시켜 이후의 공정으로까지 이송, 보관 되는 동안 곡면의 내주면이 산화 부식되는 것을 방지한다.
본 발명의 다른 실시예는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해서 오일 포켓을 형성하는 경우에는 곡면의 내주면을 세척하는 단계; 세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단; 상기 포토레지스트층을 노광하는 단계; 노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계; 현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 단계; 및 원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 단계를 차례로 실시한다.
도 8은 이러한 본 발명의 미세 형상의 오일 포켓 형성 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 도 8을 참조하면, 깨끗하게 세정된 곡면의 내주면 위에 감광성 포토레지스트를 도포한다. 형성하고자 하는 오일포켓의 형상에 상응하게 인쇄 또는 천공된 필름 또는 마스크를 감광성 포토레지스트막 위에 밀착시킨 채 노광공정을 진행하면 감광성 포토레지스트막 중 미경화된 부분이 생기며 이를 현상공정의 약액과 접촉시키면 미경화된 포토레지스트부분이 용해되어 곡면의 내주면의 금속이 노출된다. 이 부분에 부식액을 접촉시키면 노출된 금속이 용해되어 나와 오일포켓이 형성된다. 곡면의 내주면 상에 부착되어 있는 포토레지스트를 박리공정을 통해 제거한 후 세척, 건조, 방청처리를 거치면 본 발명이 형성하고자 하는 미세 형상의 오일포켓이 곡면의 내주면 상에 만들어진다. 각 단계의 세부 사항은 위에서 설명한 바와 같다.
도 9a은 본 발명이 제시한 방법 및 장치를 통하여 실제 주철제 실린더 라이너의 내주면 상에 오일포켓을 형성한 하나의 실시예이다. 원형의 오일포켓의 지름은 각 100마이크로미터였다.
상기 실시예의 실린더 라이너 또는 실린더 보어의 내주면에 오일 포켓을 설치하는 것의 효과를 시험해 보았다. 기아자동차 JT엔진용 실린더 라이너 상에 도 9b와 같은 원형의 오일포켓을 형성하되, 오일포켓의 반지름 R은 모두 50으로 하되, 오일포켓의 중심간 거리 P (Pitch) 를 각 200, 300, 400마이크로미터로 하고, 각 조건마다 오일포켓의 깊이를 10, 20, 30 마이크로미터로 변화를 주어 가면서 제작한 후, 도 9c에서 도시하고 있는 바와 같이 일측에는 단동엔진을 제작하고 그 엔진의 크랭크축의 말단에 전동기를 연결, 그 중간에 베어링과 토크센서를 부착하여 전동기의 회전시 단동엔진의 실린더 라이너-피스톤 링 간의 마찰에 의해 발생하는 마찰토크를 토크센서를 통해 측정하여 도 10a에 나타내었다.
측정결과 오일 포켓이 없는 일반적인 실린더 라이너에 비해 모든 경우에 있어 마찰토크가 감소하는 결과를 얻었다. 특히 오일 포켓 간의 피치가 작고 오일 포켓의 깊이가 깊을수록 마찰토크의 저감효과는 더욱 우수하였다. 이에 대하여는 도 10b를 참조할 수 있다. 이와 같은 마찰저감 효과는 미세한 크기 및 깊이로 형성된 오일 포켓 내부에 윤활유가 함유되어 피스톤 링-실린더 보어 또는 피스톤 링- 라이너의 표면 간의 유막이 더 두껍게 형성되어 윤활특성이 개선되는 것으로 이해할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 구현예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술적 범위의 당업자에 의하여 다양한 변형이 가능함은 자명할 것이다. 예를 들어 본 발명의 구현예에서는 가장 일반적인 실린더 라이너 및 4-실린더 실린더 블록을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 단실린더, 2-실린더, 6-실린더, 8-실린더 등 다양하게 적용될 수 있다.
100: 내주면 101: 도포컵
102: 포토레지스트층
102-1: 포토레지스트의 경화된 부분
102-2: 포토레지스트의 미경화된 부분
103: 연장수단 104: 도포컵의 중심부
110: 오일 포켓의 형상이 인쇄된 필름 또는 천공된 마스크
111: 오일 포켓의 형상 예시 120: 발광수단
121: 상부 밀폐기구 122: 하부 밀폐기구
123: 밀폐용 실링 124: 진공 홀
125: 승강 장치의 ROD 126: 승강 장치 (실린더)
130: 광원램프 131: 반사경
132: 셔터 133: 연장수단
140: 약액공급관
140-1: 고정식 약액공급관
140-2: 회전식 약액공급관
141: 분무노즐 142: 상부덮개
143: 실링부 145: 하부 밀폐기구
146: 배관연결부 147: 기어
148: 실링부 149: 회전축
150: 상부 덮개 151: 연장수단
152: 밀폐용 실링 153: 하부 밀폐기구
154: 약액공급구 155: 약액배출구
156: 전극봉 156-1: 전극봉 부스바
157: 전극 157-1: 전극 부스바
158: 전극봉 홀더 200: 오일포켓

Claims (35)

  1. 곡면의 내주면을 세척하는 수단; 세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 수단; 상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단; 상기 포토레지스트층을 노광하는 수단; 노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 수단; 현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 수단; 및 원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 수단을 포함하고, 상기 포토레지스트층을 형성하는 수단은
    상기 곡면의 내주면을 따라서 소정의 속도로 승하강 이동하면서 감광물질을 도포하는 도포컵;
    상기 도포컵에 액상의 감광물질을 정량 공급하는 정량주입수단;
    상기 도포컵을 승하강 구동하는 구동수단; 및
    상기 도포컵을 상기 구동수단에 연결하는 연장수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 세척 수단은 탈지액 또는 용제를 곡면의 내주면 상에 분무하거나 접촉시키는 습식분무장치 또는 습식순환장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세척 수단은 상기 내주면을 세척하는 브러쉬; 또는 초음파 세척 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 도포컵은 그 전부 또는 일부의 재질이 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 실리콘수지, 또는 테플론 수지로 구성되고, 그 외경이 감광물질을 도포할 원통의 내경보다 약간 크고, 그 중심부가 가장자리 보다 상하로 돌출된 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동수단은 에어액츄에이터 실린더, 전동액추에이터 실린더, 또는 서보 모터인 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 정량주입수단은 마이크로펌프 또는 시린지 펌프인 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 구동수단에 상기 정량주입수단이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치는 복수의 도포컵, 정량주입수단, 구동수단, 및 연장수단이 병렬로 연결되어, 다수 개의 곡면의 내주면 상에 감광물질을 도포할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 포토마스크 밀착 수단이 상기 포토레지스트층과 포토마스크 사이에 액상 파라핀과 이소파라핀 중에서 선택하는 1종 이상의 밀착액을 도포하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 포토마스크 밀착 수단이 감광물질이 도포되고 포토마스크가 삽입된 곡면의 내주면을 밀폐하고 진공압을 가하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 진공압을 가하는 수단은 곡면의 내주면의 상부와 하부를 밀폐하고 상부 또는 하부의 어느 일측 또는 양측에 진공홀을 형성하며, 이러한 진공홀을 통해 곡면의 내주면 내부의 공기를 배출하여 진공압을 가하는 수단인 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 노광수단은
    곡면의 내주면 안으로 삽입되는 발광수단;
    상기 발광수단의 내부 또는 외부에 설치되는 광원 램프;
    상기 광원 램프를 승하강 수단에 연결하는 연장수단; 및
    상기 발광 수단을 곡면의 내주면 안에 넣어다가 빼기 위해서 발광수단을 승하강시키는 승하강수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 노광 수단은
    상기 광원 램프에서 발생하는 빛을 차폐하는 셔터;
    상기 광원 램프에서 발생된 열을 제거하는 냉각장치; 및
    상기 광원 램프에서 발생된 광의 누설을 방지하는 반사판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 노광 수단은 곡면의 내주면 상에 일정한 진공압을 가한 상태에서 노광을 실시하고 노광종료 후 진공을 해제하는 진공노광장치인 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 진공노광장치는
    상부 밀폐기구;
    하부 밀폐기구;
    상기 상부 밀폐기구와 상기 하부 밀폐기구 중 어느 일측 또는 양측에 현성된 진공 홀;
    상기 진공홀로부터 공기를 배출하는 진공펌프 또는 진공 이젝터를 포함하고,
    상기 발광 수단이 상기 상부 밀폐기구 또는 상기 하부 밀폐기구 중 어느 하나에 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  17. 제 13항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 발광수단, 연장수단, 구동수단은 복수 개가 병렬로 구성되어 다수 개의 곡면의 내주면을 동시에 노광할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 광원 램프는 하나만을 사용하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 현상수단, 에칭수단 및 박리수단은 습식분무장치 또는 습식순환장치인 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 습식분무장치는
    약액이 곡면의 내주면 이외의 부분으로 접촉하지 못하도록 상부 덮개와 하부 밀폐 기구를 구비하고,
    곡면의 내주면의 표면으로 약액을 접촉시키기 위한 분무용 노즐이 부착된 고정식 약액공급관:
    곡면의 내주면의 표면으로 약액을 접촉시키는 약액공급구;
    모터의 회전을 기어를 통해 전달받아 회전할 수 있도록 구성된 회전식 약액공급관;
    상기 고정식 약액공급관과 회전식 약액공급관을 연결하는 배관연결부; 및
    처리 후 약액을 배출시키는 약액배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 고정식 약액공급관이 다수로 분기되고 그 개수만큼 배관연결부 및 기어가 연결된 회전식 약액공급관이 다수 설치되며, 상기 회전식 약액공급관은 각각의 모터를 이용하여 회전되거나 하나의 모터를 사용하되 여러 개의 기어의 조합으로 회전력을 전달하도록 구성되어 다수의 곡면의 내주면 상에 대하여 동시에 약액을 분무하도록 구성된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 회전식 약액공급관에 부착된 노즐들의 상하 간격을 P라고 하고, 노즐 끝에서 곡면의 내주면의 표면까지의 간격을 d, 적용분무압력에서의 노즐의 분사각도를 θ라고 할 때 노즐간 간격 p는 dtan(θ/2) 보다는 크고 2dtan(θ/2) 보다는 작은 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 습식분무장치는 여러 개의 곡면의 내주면을 동시에 처리할 수 있도록 복수로 설치된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  24. 제19항에 있어서, 상기 습식순환장치는
    약액이 곡면의 내주면 이외의 부분으로 접촉하지 못하도록 상부 덮개와 하부 밀폐 기구를 구비하고;
    곡면의 내주면 안으로 삽입되고, 전극봉을 음극으로 하고 곡면의 내주면을 양극으로 하여 곡면의 내주면을 전해에칭하기 위한 전극봉;
    전해액을 연속적으로 공급하기 위한 약액공급구; 및
    전해액을 연속적으로 배출하기 위한 약액배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 전극봉은 원통형 형상이며, 재질은 스테인레스, 티타늄, 은 백금, 및 금중에서 선택되는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 습식순환장치는 여러 개의 곡면의 내주면을 동시에 처리할 수 있도록 복수로 설치된 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 장치.
  27. 곡면의 내주면을 세척하는 단계; 세척된 상기 곡면의 내주면에 감광물질을 도포하여 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층에 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 수단; 상기 포토레지스트층을 노광하는 단계; 노광된 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계; 현상된 상기 포토레지스트층을 에칭하는 단계; 및 원통형상의 내주면에 잔류하는 포토레지스트층을 분리제거하는 박리 단계를 포함하고, 상기 포토레지스트층 형성 단계는
    세척된 곡면의 내주면 안으로 도포컵을 삽입하는 단계,
    삽입된 도포컵을 원통형 내주면의 위쪽 끝부분에 위치시키는 단계,
    도포컵에 액상의 감광물질을 공급하는 단계,
    도포컵이 설정된 속도로 하강하면서 원통형 내주면에 감광물질을 도포하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  28. 삭제
  29. 제27항에 있어서, 상기 포토레지스트층이 형성된 곡면의 내주면과 오일포켓의 형상이 인쇄되거나 천공된 포토마스크를 밀착시키는 단계에 있어서 곡면의 내주면으로 포토마스크를 원형으로 말아서 삽입하고, 내주면과 포토마스크 사이에 액상의 파라핀과 이소파라핀 가운데 선택되는 하나 이상의 밀착액을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 노광단계는 곡면의 내주면 안으로 발광수단을 삽입한 후 광원 램프를 점등하고 소정 시간 동안 노광한 후에 광원 램프를 소등한 후 발광수단을 배출하는 단계임을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 노광단계에 있어서 광원 램프는 계속 점등한 채로 셔터를 닫은 채 곡면의 내주면 안으로 발광수단을 삽입한 후 셔터를 개방하여 노광을 시작한 후 소정 시간 경과 후 셔터를 폐쇄한 후 발광수단을 배출하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  32. 제 27항의 노광은 원통형 내주면에 일정한 진공압을 가한 상태에서 노광을 실시하고 노광종료 후 진공을 해제하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  33. 제27항에 있어서, 상기 전해에칭 단계에서는 전해액으로 염화나트륨, 염화칼륨과 같은 각종 염류의 수용액, 아세트산, 황산, 질산, 염산, 불산, 붕불산, 옥살산, 아스코르브산, 구연산, 시안산 및 이들의 금속염의 수용액 중에서 1 이상 선택되는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  34. 제27항에 있어서, 상기 방법이 전해에칭단계에서 전해액에 EDTA, 티오우레아, 티오시아네이트, 및 계면활성제로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 추가하여 에칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
  35. 제27항에 있어서, 상기 박리단계에 있어서 약액은 박리액에 더하여 벤조트리아졸, 톨릴트리아졸과 같은 아졸계 화합물을 부가하여 금속면의 산화를 방지하는 것을 특징으로 하는 곡면의 내주면 상에 미세 형상의 오일포켓을 형성하는 방법.
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