KR102045138B1 - 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유리질 탄소 롤몰드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법은, 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로, 상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유리질 탄소 롤몰드{Glassycarbon roll-type mold manufacturing method for micro and nano pattern formation and Glassycarbon roll-type mold manufactured by the method}

본 발명은 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법 및 이에 의해 제작된 유리질 탄소 롤몰드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 연속적으로 정밀하게 형성시킬 수 있게 하고, 고온 및 고압 분위기 하에서도 변형이나 손상이 적으며 유리 또는 금속과 이형성이 높아, 미세 패턴 형성의 효율을 높일 수 있게 하는 유리질 탄소 패턴롤몰드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

디스플레이, 광통신, 정보저장, 진단 및 치료, 신약개발, 수송, 에너지 등의 분야에서 다양한 형태의 마이크로 및/또는 나노 패턴을 갖는 소재의 제작이 요구되고 있으며, 소재의 제작에 있어 양산공정에 적합한 저가 생산을 위해 플라스틱 복제공정을 통한 플라스틱 마이크로 및/또는 나노 패턴의 사용이 주를 이루고 있다.

그러나, 플라스틱 제품은 재료가 갖는 낮은 내열성 및 내화학성, 내투습성, 전기화학적 특성, 광학 소재의 종류 부족 등 다양한 이유로 일부 응용 분야에 적용이 용이하지 않은 실정이며, 플라스틱 소재가 적용되기 어려운 분야에서 유리 또는 금속 마이크로 및/또는 나노패턴의 적용이 요구되고 있다.

유리 또는 금속 마이크로 및/또는 나노 패턴의 제작에 있어 다양한 가공 방법 중 몰딩 프레스 공정을 이용한 복제 공정이 양산공정에 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 그런데, 일반적으로 폴리머 복제 공정에서 사용되는 몰드와 달리 글래스 몰딩 프레스 또는 금속 성형 공정에 이용되는 몰드는 고온(300℃ 이상) 및 고압(2.5 내지 3.0MPa) 분위기 하에서 형상 안성성 및 경도, 내식성을 유지하는 것이 매우 중요하며, 이로 인해 텅스텐 카바이드(WC), 질화 알루미늄(AlN), 질화 타이타늄(TiN), 산화 알루미늄(Al2O3), 스테인리스 스틸 등이 몰드 재료로 이용되고 있다.

상기 몰드 재료는 대표적인 난삭재로서 마이크로 및/또는 나노패턴의 음각형상을 갖는 몰드를 형성하기 위해서는 연마(grinding) 공정을 기반으로 한 기계가공이 일반적으로 사용되며, 상기 기계가공은 가공 팁의 최소 반경(일반적으로 10㎛ ~ 100㎛) 이하의 형상 가공이 불가능한 단점을 갖는다. 또한, 기계가공의 특성상 가공량에 따라 가공비용이 기하급수적으로 증가하므로 어레이 형태의 마이크로 및/또는 나노 패턴의 형성에는 한계가 있다.

반도체 식각 공정을 기반으로 한 미세 패턴 가공기술 역시 난삭재 몰드소재의 마이크로 및/또는 나노 패턴 가공공정으로 사용될 수 있으나 낮은 식각률로 인해 가공비용이 증가하는 문제를 갖는다. 따라서, 유리 또는 금속 마이크로 및/또는 나노패턴의 저가 양산 제작 기술을 제공하기 위해 고온 고압 환경 하에서 안정성을 갖는 재료의 마이크로 및/또는 나노 패턴의 신개념 저가 구현기술의 개발이 요구되고 있다.

이에 대한민국 특허 출원 10-2010-0128786 의 선행발명에서는 열결화성 수지의 탄화공정으로 제작되며, 높은 고온 경도 및 내 부식성 등의 특성으로 글래스 몰딩 프레스 공정의 몰드 재료로 사용이 가능한 유리질 탄소 몰드 재료를 이용하여 마이크로/나노 구조를 갖는 유리 구조물을 형성하기 위해 복제공정을 기반으로 마이크로/나노구조물을 갖는 열경화성 수지를 성형하고 이의 탄화공정을 통해 글래스 몰딩 프레스 공정용 마이크로/나노 몰드 제작 방법을 제안하였다.

그러나, 이러한 종래기술에 의하면, 유리 또는 금속 마이크로 및/또는 나노패턴의 복제공정을 위한 저가이면서 내열성 및 내환경성이 우수한 몰드의 제작은 가능하기는 하나, 제작된 몰드는 기판에 대해 상하 방향으로 승강하면서 미세 패턴을 형성시키기 때문에 그 몰드의 프레스 동작 구현을 위한 구조 설계가 요구되고, 미세 패턴 형성 효율을 향상시키는 데에 있어서 한계가 있는 문제점이 있었다. 또한 몰드 크기 이상의 대면적 제품을 성형할 수 없어 대면적화 및 생산성을 향상시키는 데에 있어서 한계가 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유리 또는 금속과 같은 기판에 대면적의 마이크로 나노 구조의 미세 패턴을 효율적으로 형성시킬 수 있게 하는 롤몰드를, 고온 고압에서도 변형되거나 손상되지 않게 하고 우수한 표면 특성을 갖도록 제작할 수 있게 하는 미세패턴 형성을 위한 롤몰드 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세 패턴 형성 효율을 높일 수 있게 하고, 대면적의 패턴을 효율적으로 형성할 수 있게 하며, 열경화시 수축에 의한 크랙이나 손상이 발생하는 것을 억제시킬 수 있는 미세패턴 형성을 위한 롤몰드를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로, 상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 롤전구체는, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 내주면을 가지는 원통형 몰드를 준비하는 단계; 상기 원통형 몰드와의 사이에 환형의 공간을 형성시킬 수 있도록, 상기 원통형 몰드의 중심에 코어 몰드를 배치하는 단계; 및 상기 환형의 공간에 고탄소 고분자 소재를 주입하고 열경화시킨 후 그 원통형 몰드로부터 이형시키는 단계;를 거쳐 제작되는 것이 바람직하다.

상기 열경화 공정은, 그 열경화 과정에서 발생하는 수축 때문에 상기 롤전구체가 손상되는 것을 억제시킬 수 있도록, 상기 고탄소 고분자 소재를 상기 원통형 몰드 내에서 제1온도로 일차적으로 불완전 경화시키고, 그 원통형 몰드로부터 분리하여 상기 제1온도보다 높은 온도로 이차적으로 완전 경화시키는 과정을 거쳐 수행되는 것이 바람직하다.

상기 불완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체의 쇼어경도 (shore D)는 10 이상 60 이하이고, 상기 완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체의 쇼어경도 (shore D)는 80 이상인 것이 바람직하다

상기 롤전구체의 두께는, 탄화 공정에서 발생하는 변형 및 내부 결함을 최소화하기 위해 2mm 이상 8mm 이하인 것이 바람직하다.

상기 롤전구체는, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 내주면을 가지는 원통형 몰드의 내측 공간에, 고탄소 고분자 소재를 주입하고 열경화시킨 후 그 원통형 몰드로부터 이형시킴으로써 제작되는 것도 가능하다.

상기 롤전구체는, 외면에 패턴이 없이 매끈한 외주면을 가지고 중심부가 채워진 중실형 코어전구체를 준비하는 단계; 상기 코어전구체의 외면에 액상의 고분자 고탄소 소재를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층에, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드를 감싼 후 열경화시키는 단계;를 거쳐 제작될 수도 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법은, 유리질 탄소 재질과 같은 열경화성 수지를 이용하여 마스터패턴(성형하고자 하는 미세패턴과 대응되는 형상)을 가진 롤전구체를 롤 형태로 준비하고, 그 준비된 롤전구체를 탄화 공정에 의해 탄화시켜 줌으로써, 고온 고압에서도 변형되거나 손상되지 않게 하고 우수한 표면 특성을 갖는 롤몰드(유리 또는 금속과 같은 기판에 미세 패턴을 형성시킬 수 있게 함)의 제작을 가능하게 함은 물론, 그 롤몰드가 마스터패턴을 가지는 롤 형태의 롤전구체를 탄화시키는 것에 의해 형성되도록 함으로써, 기판에 대면적의 패턴을 정밀하고 효율적으로 형성시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법에 의해 제작된 롤몰드의 사용예를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명 일실시예에 채용된 경화 공정에 의한 장점을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 원통형 몰드 성형 공정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 미세패턴 형성 공정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 롤몰드와 이 롤몰드 내부에 보강부재를 배치한 다른 실시예에 따른 롤몰드를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법에 의해 제작된 롤몰드의 사용예를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 공정 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 롤몰드 제조 방법에 의해 제작된 롤몰드(102;Roll-type mold)는, 일방향 축선을 따라 이송되는 기판(101;유리 또는 금속)에 대해 회전 하면서, 그 기판(101)에 마이크로-나노 사이즈의 미세패턴을 형성시켜 주기 위한 것으로, 기판(101)에 미세패턴(101a)을 연속적으로 성형시켜 줄 수 있게 됨에 따라, 기판(101)을 요구되는 크기로 절단하는 것에 의해 다양한 사이즈의 미세패턴(101a) 형성을 가능하게 함은 물론, 대면적의 미세패턴(101a)을 원활하게 구현할 수 있게 한다.

여기서, 마이크로-나노 사이즈는, 마이크로 사이즈와 나노 사이즈를 모두 포함하는 의미로 사용되었고, 상기 롤몰드(102)에 의해 미세패턴(101a)이 형성된 기판(101)은, 무반사 기능 구현을 위한 태양전지용 커버유리, 휴대형 전자기기용 커버유리, 심미성 향상을 위한 판유리, 광학특성 향상을 위한 광학소자, 항력저감 기능 구현을 위한 금속판, 열전단 효율 향상을 위한 금속판, 방오(Anti-fouling) 또는 결빙방지 (Anti-icing) 기능 구현을 위한 금속판 등의 용도로 활용되어진다.

이러한 용도로 활용되는 기판(101)에 미세패턴(101a)을 형성시키기 위한 롤몰드(102)는, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 롤전구체를 제작하는 단계 및 탄화 공정을 수행하는 단계를 거쳐 제작된다.

상기 롤전구체(10)는, 상기 미세패턴(101a)에 대응되는 형상의 음각 패턴(102a)이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 고탄소 고분자 수지 재질로 이루어져서 탄화 공정을 통해 유리질 탄소 롤몰드 (102)의 구현이 가능하다.

여기서, 상기 고탄소 고분자 수지는, 셀룰로오즈, 퓨란 수지, 페놀 수지, 폴리카보디이미드 수지와 같이 중합, 경화, 탄화 공정으로 유리질 탄소를 형성할 수 있는 열경화성 수지를 포함한다. 본 발명에서는 열경화성 수지를 기본으로 발명의 내용을 서술하고 있으나 본 발명의 내용은 열경화성 수지에 국한되지 않으며 광경화성 고탄소 고분자 수지에도 적용될 수 있다. 또한 본 발명에서 고탄소 고분자 롤 전구체의 제작을 위해 사용되는 원소재는 고탄소 고분자 수지에 유동성 증대를 위해 솔벤트를 혼합한 형태일수도 있으며, 고탄소고분자 전구체의 탄화과정에서 발생하는 수축 저감을 위해 유리질탄소 파우더혹은 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브 등의 다양한 탄소소재 입자를 혼합한 형태일 수 있다.

상기 유리질 탄소(Glassy Carbon 또는 Vitreous Carbon; VC)는 퓨란 수지, 페놀 수지, 폴리카보디이미드 수지와 같은 고탄소 고분자 전구체의 열분해 과정으로 얻어지는 탄소구조로 흑연화가 되지 않는 (non-graphitizable) 탄소 재료이다. 이러한 유리질 탄소는, 흑연의 원자 배열로 전이할 충분한 에너지가 없어 초고온 (3000℃)에서 열처리 하여도 이방성을 나타내지 않고 전기적, 기계적, 광학적으로 등방성을 나타내며, 내화학성이 매우 뛰어나고 기계적 특성이 우수하여 고온 고압 하에서 높은 형상 안정성을 가지므로 글래스 몰딩 프레스 또는 금속 소재의 열간 소성 가공 공정용 몰드 재료로 적용될 수 있다.

본 실시예는, 고탄소 고분자 전구체를, 원주면을 가지는 롤형태(10)로 준비하되, 상기 원주면에 미세패턴과 대응되는 형상의 음각패턴(102a)이 형성되도록 하고, 이와 같이 준비된 롤전구체(10)를 탄화시키는 과정을 거쳐, 미세패턴(102a)이 형성된 유리질 탄소 롤몰드(102)의 제작을 가능하게 한다.

상기 탄화 공정 수행시에는 열분해 과정에 의해 발생하는 많은 양의 가스가 상기 롤전구체(10)로부터 안정적으로 빠져나갈 수 있도록 활발한 열분해가 발생하는 온도까지는 퍼니스의 승온 속도를 느리게 유지한다. 예를 들어, 대부분의 열분해 공정이 발생하는 상온에서 600℃까지는 약 1℃/분의 승온 속도로 승온 하면서 매 60℃ 승온 시 마다 약 60분씩 유지하여 충분히 느리게 탄화과정을 진행하고, 이후 최종 탄화공정 온도인 약 1000℃까지 5℃/분의 승온속도로 승온 한 후 1시간 ~ 2시간을 유지하는 형태로 탄화 과정이 수행될 수 있다. 상기 탄화 공정 수행시에 상기 롤전구체(10)의 산화를 방지하기 위해 상기 퍼니스 내에 500cc/분의 속도로 질소(N2)와 같은 비활성 기체를 흘려줌으로써 상기 탄화 공정을 불활성화 분위기에서 수행할 수 있으며, 또한 상기 탄화 공정은 진공 분위기에서 수행할 수 있다.

본발명의 유리질 탄소 미세패턴 롤몰드 제조 방법은, 고탄소 고분자 수지를 이용하여 음각패턴(102a;성형하고자 하는 미세패턴(101a)과 대응되는 형상)을 가진 롤전구체(10)를 제작하고, 그 제작된 롤전구체(10)를 탄화 공정에 의해 탄화시켜 줌으로써, 고온 고압에서도 변형되거나 손상되지 않고 우수한 표면 특성을 갖는 유리질 탄소 롤몰드(102;유리 또는 금속과 같은 기판에 미세 패턴을 형성시킬 수 있게 함)의 제작을 가능하게 한다. 이러한 유리질 탄소 롤몰드를 사용하여 유리 혹은 금속 기판 (101) 에 대면적의 미세패턴 (101a) 를 정밀하고 효율적으로 형성시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 롤전구체 제작 단계는, 원통형 몰드(21) 준비 단계와 코어 몰드(22) 배치 단계, 고탄소 고분자 수지의 열경화 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 원통형 몰드(21) 준비 단계에서는, 상기 마스터 패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 내주면을 가지는 원통형 몰드(21)를 준비하고, 상기 코어 몰드(22) 배치 단계에서는, 상기 원통형 몰드(21)의 중심에 코어 몰드(22)를 배치시킴으로써 상기 원통형 몰드(21)와의 사이에 환형의 공간을 형성시키며, 상기 열경화 단계에서는 상기 환형의 공간에 고탄소 고분자 소재(23)를 주입하고 열경화시킨다.

이러한 롤전구체 준비 단계가 채용된 본 실시예는, 비교적 제작이 용이한 원통형 형상의 원통형 몰드(21)와 원기둥 형상의 코어 몰드(22)를 이용하여 중공형 롤몰드 제작을 가능하게 한다. 이러한 중공형 롤 몰드는 중실형 롤몰드와 비교하여 비정질 탄소 롤몰드 구현을 위한 탄화과정에서 발생하는 크랙 및 변형 등의 결함을 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

상기 열경화 공정에서 중합과정에 의한 상기 고탄소 고분자 소재(23)의 등방성 수축이 발생하며 롤전구체 (10) 의 내경과 외경이 감소하는 현상이 발생한다. 원통형 몰드(21)과 코어 몰드(22)로 구성된 환형의 공간에 주입된 고탄소 고분자 소재(23)의 열경화 공정에서 중합에 의한 수축이 발생하는 경우 내경의 감소는 코어몰드(22)에 의해 제약을 받게 되어 응력이 발생하며 일정 수준이상의 경화가 완료된 시점 이후에 지속적인 응력이 작용하게 되면 내부에 크랙이 발생하는 문제가 생긴다. 도4의 1 step 경화공정으로 제작된 고탄소 고분자 패턴롤의 경우 상기 환형의 공간에 주입된 고탄소 고분자 소재(23)를 충분히 열경화 시킨 후 이형한 것으로 코어몰드(22)에 의한 내경 수축의 제약으로 인해 롤몰드 전구체 내부에 미세 크랙이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

이러한 미세 크랙 문제의 해결을 위해 상기 열경화 공정은, 상기 고탄소 고분자 소재(23)를 상기 원통형 몰드(21) 내에서 제1온도로 일차적으로 불완전 경화시키고, 그 원통형 몰드(21)로부터 분리하여 상기 제1온도보다 높은 온도로 이차적으로 완전 경화시키는 과정을 거쳐 수행되게 하여, 그 열경화 과정에서 발생하는 수축 때문에 상기 롤전구체(10)가 손상되는 것을 억제시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, '불완전' 은 경화가 진행되는 과정에 있음을 의미하고, '완전'은 경화가 종료된 상태를 의미한다.

예컨대, 상기 불완전 경화 공정(1차 열경화 공정)은 70도 이하의 온도에서 5시간 이내의 공정으로 수행되는 것이 바람직하고, 상기 완전 경화 공정(2차 열경화 공정)은 소정의 속도로 경화 온도를 약 70℃ 내지 200℃ 범위 까지 증가시키면서 1차 경화된 열경화성 수지 전구체층에 2차 경화 공정으로 최종 완전경화된 롤전구체(10)를 형성한다. 이때, 소정의 속도로 경화 온도를 증가시키는 것은 급속한 온도 증가에 따른 중합 속도 상승 및 이에 따른 내부 응력 증가 및 가스 배출 통로 차단을 최소화시키기 위해서이다. 예를 들어, 2차 경화 공정 시 약 0.1℃/분의 속도로 약100℃까지 가열할 수 있으며, 이때 매 약 5℃ 상승마다 약 60분씩 온도를 유지하며 2차 경화 공정을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예는 두 번의 경화 공정을 거쳐 롤전구체(10)를 형성시킴으로써, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 한 번의 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체(10)가 수축에 의한 크랙이나 변형이 발생되는 것과는 달리, 표면 특성 및 내구성이 우수한 롤전구체(10) 및 롤몰드의 제작을 가능하게 하는 장점을 도출한다.

상기 불완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체(10)의 쇼어경도 (shore D)는 10 이상 60 이하이고, 상기 완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체의 쇼어경도 (shore D)는 80 이상인 것이 바람직하다. 쇼어경도 10 미만의 조건에서 불완전 경화를 완료하고 원동형 몰드(21)로부터 이형 하는 경우, 원통형 몰드(21)의 내주면에 형성된 패턴으로부터 롤전구체 상의 패턴(102a)이 이형되는 과정에서 롤전구체 상의 패턴(102a)이 손상되는 문제가 발생하며, 쇼어경도 60초과의 조건까지 불완전 경화를 수행하는 경우 롤전구체의 열경화 과정에서 발생하는 수축이 코어 몰드(22)로 인해 제한되어 내부 크랙이 형성되는 문제가 발생한다.

상기 롤전구체(10)의 두께는 탄화 공정에서 발생하는 변형 및 내부 결함을 최소화하기 위해 2mm 이상 8mm 이하인 것이 바람직하다. 2mm 미만의 경우에는 열경화 및 탄화과정에서 강성의 부족으로 변형이 쉽게 발생하는 문제가 있으며, 8 mm 이상의 롤 전구체의 경우 탄화과정에서 불균일한 탄화에 의한 크랙, 깨짐, 변형이 발생한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 롤전구체 제조 단계는, 음각 패턴(기판에 미세패턴을 형성시키기 위한 패턴, 102a)과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 내주면을 가지는 원통형 몰드(31)의 내측 공간에, 고탄소 고분자 소재(32)를 주입하고 열경화시킨 후 그 원통형 몰드(31)로부터 이형시키는 과정을 거쳐 수행된다. 이러한 공정을 거쳐 제작된 롤전구체(30)는, 앞에서 설명한 실시예에서의 롤전체(10)의 중심부가 비어 있는 것과는 달리, 중심부가 채워져 있는 형상으로 이루어진다. 이러한 구성을 가지는 본 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 롤몰드 제조 방법은, 앞에서 설명한 중공형 롤몰드 제작 실시예와는 달리, 내부가 채워진 중실형 비정질 탄소 롤몰드의 제작이 가능하고 후속 유리 혹은 금속 소재의 롤성형 공정시 보다 높은 롤몰드의 기계적 강성을 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 롤전구체 제조 단계는, 중실형 코어전구체 준비 단계와 코팅층 형성 단계, 열경화 단계를 포함하여 이루어진다.상기 중실형 코어전구체 준비 단계에서는 외면에 패턴이 없이 매끈한 외주면을 가지고 중심부가 채워진 중실형 코어전구체(41)를 준비하는 과정이 수행되고, 상기 코팅층 형성 단계에서는 상기 코어전구체(41)의 외면에 액상의 고분자 고탄소 소재(42)를 코팅하여 코팅층을 형성하는 과정이 수행되며, 상기 열경화 단계에서는 상기 코팅층에, 상기 미세패턴(102a)과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드(43)를 감쌈으로써 코팅층 상에 미세패턴(102a)을 형성시키고, 이후 상기 코팅된 소재를 열경화시키는 과정이 수행된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 롤몰드 제조 방법은, 도 3 및 도 5에 따른 롤전구체 제작 공정에서 내주면에 미세패턴이 형성된 원통형 몰드로부터 롤 전구체를 이형하는 과정에서 발생할 수 있는 미세패턴의 손상을 방지 할 수 있는 장점을 가진다. 도 6에 따른 롤전구체 제작공정에서 중실형 코어 전구체(41)는 내주면에 미세패턴이 형성되지 않은 원통형 몰드로부터 성형되며, 이후 유연 패턴 몰드(43)를 이용한 복제공정을 통해 중실형 코어 전구체 외면에 미세패턴을 형성하므로 이형과정에서 미세패턴의 손상을 방지할 수 있다. 이때 중실형 코어 전구체와 패턴부를 구성하는 고분자 고탄소 소재는 동일 소재 혹은 유사한 탄소 함유량을 갖는 소재로 구성되어 후속 탄화공정에서 발생하는 열분해에 의한 수축이 균일하게 발생하도록 하여 서로다른 수축량에 의한 박리 및 크랙을 방지하여야 한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면이다.

. 본 실시예에 채용된 롤전구체 준비 단계는, 중공형 코어전구체 준비 단계와 코팅층 형성 단계, 열경화 단계를 포함하여 이루어진다. 본 실시예는, 도 6에 도시된 실시예에서의 코어전구체가 중심이 채워져 있는 중실형인 것과는 대조적으로, 코어전구체(51)의 중심이 비어 있는 중공형인 점에서 차이가 있을 뿐, 나머지 구성은 도 6에 도시된 실시예와 동일하다. 중공형 롤전구체의 경우 탄화과정에서 전영역의 균일한 탄화 공정이 가능하여 중실형 롤 전구체 대비 크랙 및 변형 결함의 발생 가능성이 낮은 특징이 있다.

상기 중공형 코어전구체의 제작공정은 내주면에 패턴이 형성되어 있지 않은 원통형 몰드 중심에 열경화용 코어몰드를 위치시켜 환형 공간을 구성하고, 환형공간에 고탄소 고분자 소재를 주입하고 열 경화하는 공정으로 수행된다.이때 주입된 고탄소 고분자 소재를 제1온도로 일차적으로 불완전 경화시킨후, 몰드로부터 상기 중공형 코어전구체를 분리하여 상기 제1온도보다 높은 온도로 이차적으로 완전 경화시키는 과정을 거쳐 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 두 번의 단계적 경화 공정으로 롤전구체를 형성시킴으로써, 경화 과정에서 발생하는 수축 때문에 상기 롤전구체가 손상되는 것을 억제시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법의 구현을 위해 채용된 롤전구체 준비 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 채용된 롤전구체 제조 단계는, 원형 구조물 준비 단계와 유연패턴몰드 결합 단계, 코팅 단계와 열경화 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 유연패턴몰드 결합 단계에서는 원통형 구조물(61) 내면에 상기 미세패턴(102a)에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드(62)를 결합시키되, 그 패턴면이 중심측을 향하게 결합시키는 공정이 수행되고, 상기 코팅 단계에서는 상기 패턴면에 액상의 고탄소 고분자 소재(63)를 코팅하되, 상기 원통형 구조물(61)을 회전시키면서 코팅시키는 공정이 수행되며, 상기 열경화 단계에서는 상기 코팅된 고탄소 고분자 소재(63)를 경화시킨 후, 상기 유연 패턴 몰드(62)로부터 이형시키는 공정이 수행된다. 이때 고탄소 고분자 소재의 코팅 및 열경화 단계는 1회의 공정으로 완료될 수 있으며, 순차적인 코팅 및 열경화 과정을 반복하여 완료될 수도 있다. 이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 도 3 내지 도 7 의 롤전구체 제작공정이 원통형 몰드상에 고탄소 고분자를 주입하고 경화하는 과정에서 생성 가스의 배출 통로의 제한으로 내부 기공이 형성될 가능성이 있는 반면, 본 실시예에 따른 롤전구체 경화공정의 경우 롤전구체 내주면이 외부에 노출되어 경화과정에서 발생하는 가스의 외부 배출이 용이하여 내부 기공 결함을 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

한편, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 원통형 몰드 성형 공정을 설명하기 위한 도면이다.

롤전구체 제작을 위한 기초틀을 제공하는 원통형 몰드는, 다양한 재료와 공정으로 제작할 수 있으나, 이 도면에서는 경화된 고탄소 고분자의 이형을 용이하게 하는 실리콘 러버와 같은 열경화성 탄성체 (대표적으로 Dow coring 사의 Polydimethylsiloxane, PDMS)를 이용한 원통형 몰드 제조법을 설명한다. 원통형 구조물(71) 외면에 미세패턴(기판에 성형이 요구되는 형상)과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연패턴몰드(72)를 감싸는 형태로 결합시키고, 액상의 열경화성 탄성체 모재와 경화제의 혼합물을 위치 시킨 뒤 열경화 공정을 통해 경화시킨다. 이후 경화된 열경화성 탄성체 (73)을 이형하여 원통형 몰드로 사용할 수 있다.

한편 원통형 몰드를 금속, 폴리머 및 세라믹 소재의 원형 구조물의 내면에 기계가공 혹은 유연 패턴 몰드를 결합하는 형태로 구현될 수 있으며, 이 경우 내부에서 경화된 롤 전구체의 원활한 이형을 위해 조립형태로 구성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 미세패턴 형성 공정을 설명하기 위한 도면이다.

. 본 실시예에서는, 중공형 코어 전구체 상에 기계가공 공정을 통해 미세 패턴(81a)을 형성하도록 구성되었다. 본 실시예에서는 중공형 코어 전구체로 예시하였으나 중실형 코어 전구체에도 기계가공 공정을 통해 미세패턴을 형성할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 롤몰드와 이 롤몰드 내부에 보강부재를 배치한 다른 실시예에 따른 롤몰드를 설명하기 위한 도면이다.

앞에서 설명한 제조방법에 의해 제작된 고탄소 고분자 롤전구체의 탄화 공정으로 제작된 유리질 탄소 롤몰드(90)는, 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세 패턴을 연속적으로 형성하는 롤성형 공정의 고온 고압 환경하에서 롤몰드 패턴의 변형 및 손상 없이 안정적으로 미세패턴을 형성할 수 있는 장점을 기대할 수 있다. 이러한 유리질 탄소 롤몰드(90)가 도 11의 좌측에 도시된 바와 같이, 중심이 비어 있는 중공형으로 제작된 경우, 기계적 강성을 보완하기 위해 그 내부에 보강부재(91)를 배치시킨 후 롤몰드(90)와 본딩(접착층;92) 등의 방식으로 결합시켜 줌으로써, 강도 보강을 가능하게 할 수 있다. 이러한 강도 보강은 보강부재를 사용하여 수행될수도 있으나 보강부재 없이 중공형 롤몰드 내부에 보강재를 충진하여 구현될 수도 있다.

이상 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

101:기판 101a:미세패턴
102:롤몰드 102a:음각패턴
10:롤전구체

Claims (14)

1. 삭제
2. 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 유리질 탄소 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로,
   상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지고,
   상기 롤전구체는, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 내주면을 가지는 원통형 몰드를 준비하는 단계; 상기 원통형 몰드와의 사이에 환형의 공간을 형성시킬 수 있도록, 상기 원통형 몰드의 중심에 코어 몰드를 배치하는 단계; 및 상기 환형의 공간에 고탄소 고분자 소재를 주입하고 열경화시킨 후 그 원통형 몰드로부터 이형시키는 단계;를 거쳐 제작되는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 열경화 공정은, 그 열경화 과정에서 발생하는 수축 때문에 상기 롤전구체가 손상되는 것을 억제시킬 수 있도록, 상기 고탄소 고분자 소재를 상기 원통형 몰드 내에서 제1온도로 일차적으로 불완전 경화시키고, 그 원통형 몰드로부터 분리하여 상기 제1온도보다 높은 온도로 이차적으로 완전 경화시키는 과정을 거쳐 수행되는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 불완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체의 쇼어(shore D) 경도는 10 이상 60이하이고, 상기 완전 경화 공정에 의해 제작된 롤전구체의 쇼어 경도는 80 이상인 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 롤전구체의 두께는, 탄화 공정에서 발생하는 변형 및 내부 결함을 최소화하기 위해 2mm 이상 8mm이하인 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
6. 삭제
7. 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 유리질 탄소 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로,
   상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어어지고,
   상기 롤전구체는, 외면에 패턴이 없이 매끈한 외주면을 가지고 중심부가 채워진 중실형 코어전구체를 준비하는 단계; 상기 코어전구체의 외면에 액상의 고분자 고탄소 소재를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층에, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드를 감싼 후 열경화시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
8. 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 유리질 탄소 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로,
   상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지고,
   상기 롤전구체는, 외면에 패턴이 없이 매끈한 외주면을 가지고 중심부가 비어 있는 중공형 코어전구체를 준비하는 단계; 상기 코어전구체의 외면에 액상의 고분자 고탄소 소재를 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층에, 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드를 감싼 후 열경화시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 롤전구체의 열경화 공정은, 그 열경화 과정에서 발생하는 수축 때문에 상기 롤전구체가 손상되는 것을 억제시킬 수 있도록, 상기 중공형 코어전구체의 중심에 열경화용 코어몰드를 삽입시킨 이후 제1온도로 일차적으로 불완전 경화시키고, 그 열경화용 코어몰드로부터 상기 중공형 코어전구체를 분리하여 상기 제1온도보다 높은 온도로 이차적으로 완전 경화시키는 과정을 거쳐 수행되는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
10. 유리 또는 금속과 같은 기판에 마이크로 나노 구조의 미세패턴을 형성시킬 수 있는 유리질 탄소 롤몰드의 제조방법에 관한 것으로,
    상기 기판에 대해 회전되면서 그 기판을 가압할 수 있도록, 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 원주면을 가지는 롤형태로 이루어지고, 열경화성 수지 재질로 이루어지는 롤전구체를 준비하는 단계; 및 상기 롤전구체를 탄화시키는 탄화 공정을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지고,
    상기 롤전구체는, 원통형 구조물 내면에 상기 미세패턴에 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연 패턴 몰드를 결합시키되, 그 패턴면이 중심측을 향하게 결합시키는 단계; 상기 패턴면에 액상의 고탄소 고분자 소재를 코팅하되, 상기 원통형 구조물을 회전시키면서 코팅시키는 단계; 및 상기 코팅된 고탄소 고분자 소재를 경화시킨 후, 상기 유연 패턴 몰드로부터 이형시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
11. 제2항에 있어서,
    상기 원통형 몰드는, 원통형 구조물 외면에 상기 미세패턴과 대응되는 형상의 패턴이 형성되어 있는 유연패턴몰드를 감싸는 형태로 결합시키고, 열경화성 탄성체의 복제공정으로 제작되는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성을 위한 유리질 탄소 롤몰드 제조 방법.
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