KR102311665B1 - 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법 - Google Patents

탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형으로 각각 제작 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 효율성을 높일 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법에 관한 것으로, 원통형 맨드릴 외주면에 균일한 두께로 제 1 물질층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;제 2 물질층을 이용한 전주도금 공정을 진행하여 나노 및 마이크로 패턴상에 마스터 금형 물질층을 형성하고, 내부의 원통형 맨드릴을 제거하여 마스터 금형을 형성하는 단계;마스터 금형의 내부에 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층을 형성하고 마스터 금형을 분리하여 금속 슬리브 금형을 제작하는 단계;를 포함하는 것이다.

Description

탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법{Method for Fabricating ＣＦＲＰ based Etch free nano cylindrical mold}
본 발명은 롤투롤 나노 임프린트 공정에 관한 것으로, 구체적으로 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형을 각각 제작한 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 재현성 및 효율성을 높일 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법에 관한 것이다.
나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL)는 나노/마이크로 스케일의 구조를 갖는 금형을 제작하여 이를 기판과의 접촉으로 금형의 미세 패턴을 전사하는 것으로, 공정 속도 및 수율 향상을 위해 원통형 금형을 적용한 롤투롤 임프린트 리소그래피가 개발되었다.
롤투롤 나노 임프린트 리소그래피 공정에 적용되는 마스터 롤은 금형으로써의 기능을 위해 강도, 경도 등과 같은 기계적 특성이 우수한 Steel이나 Al을 주원료로 사용하였다.
하지만, 공정 속도, 생산성 향상 등을 위해 롤 금형의 폭을 증가시키기에는 기존의 Steel이나 Al의 경우 자중에 의한 처짐으로 전사되는 패턴의 균일성을 확보하기 어렵다.
도 1은 종래 기술의 탄소섬유강화 플라스틱 롤러의 제작 방법을 나타낸 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 롤 금형 제조를 위한 공정 단면도이다.
Steel이나 Al을 주원료로 사용하는 마스터 롤을 사용하는 공정에서의 자중의 처짐을 완화하고자 종래 기술의 롤러의 경우 탄소섬유강화 플라스틱을 이용하여 롤러를 제작하였다. 이후 필름의 표면에 결함을 방지하고자 롤러의 표면에 니켈, 크롬 등의 전기 도금을 실시한다.
하지만, 탄소섬유강화 플라스틱 재료는 도전성이 없기 때문에 CFRP 롤러(10) 외주면에 스테인레스 스틸 파이프(11)를 조립 후 전기 도금을 실시하여 도금층(12)을 형성하여 롤 금형(13)을 제작한다.
이와 같은 도전성 부여를 위한 스테인레스 스틸 파이프의 조립은 롤러의 전체 중량을 증가시키며, 롤러와의 밀착 정도에 따라 진원도의 변화 등 여러 문제들이 발생할 수 있다.
이와 같이 종래 기술의 탄소섬유강화 플라스틱 롤러는 롤러의 무게를 감소시키기 위해 사용하고 있으나, 필름의 표면 결함을 방지하고자 롤러 표면에 전기 도금을 실시해야 한다.
즉, 탄소섬유강화 플라스틱 재료는 도전성이 없으므로 롤러 외주면에 스테인레스 스틸 파이프를 조립 후 도금 공정을 실시해야 한다. 스테인레스 스틸 파이프의 조립은 경량화 목적의 CFRP 롤러의 전체 중량을 증가시키는 문제가 발생한다.
종래 기술의 탄소섬유강화 플라스틱 롤러 표면에 나노 또는 마이크로 패턴을 직접 성형하기 어려워 롤투롤 공정의 마스터 롤로 사용하기 어렵다. 따라서, 종래 기술에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소섬유강화 플라스틱 롤 표면에 도금 공정을 수행하고, 도금 면에 추가적인 연마, 경면 가공 등을 통해 베이스 롤러로 사용하고 있기에 고가의 추가 공정비용이 발생한다.
또한, 종래 기술의 롤투롤 공정에 사용되는 롤 금형은 도 2에서와 같이, 원통의 외주면에 직접 각인 후 에칭 공정을 통해 원통 표면을 깎아 원하는 패턴을 형성하였다. 하지만 원형 표면을 균일하게 패터닝하는 것은 평판을 패터닝하는 것보다 어려운 공정이므로 고가의 공정비용이 소요된다.
이와 같이 종래 기술의 베이스 롤을 롤투롤 공정의 마스터 롤로 사용하기 위해서는 외주면에 패터닝 공정을 실시해야 한다. 패터닝 공정은 포토레지스트나 레진을 도포 후, 레이저와 같은 직접 각인을 통해 표면에 나노 또는 마이크로 패턴을 제작하여 이를 습식 또는 건식 에칭(Etching) 공정을 통해 원하는 패턴으로 깎아낸다.
이러한 에칭 공정은 필수적이기 때문에 원통 형상에 대한 에칭 장비의 부재와 고가의 비용에 대한 해결이 필요하다.
도 3은 롤 금형 제조시의 습식 식각 및 건식 식각 특성을 비교한 비교표이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 종래 기술에서 롤투롤 나노임프린트 리소그래피 기술에 적용하는 롤 금형은 베이스 금형이라고 불리우는 패턴이 없는 원통형 금속 구조물에 기능을 가지는 나노 또는 마이크로 패턴을 형성하여 롤 금형으로 사용하였다.
나노 및 마이크로 패턴이 형성된 롤 금형의 경우 일정시간 공정 이후에는 패턴의 마모, 손상등으로 수명을 다하게 되면 재사용이 어렵고 새롭게 만들어서 사용해야하기에 높은 공정 비용과 시간을 소모하게 된다.
따라서, 많은 시간이 소요되는 공정을 최소화하고 원형 패턴을 형성한 이후 계속적인 복제가 가능한 새로운 기술의 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용하기 위한 롤 금형 제조 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0107694호 대한민국 등록특허 제10-10860083호 대한민국 등록특허 제10-1365211호
본 발명은 종래 기술의 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형을 각각 제작한 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 재현성 및 효율성을 높일 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 원통형 베이스 롤 제작시에 자중에 의한 처짐을 완화시킬 수 있는 경량화 재료로 대체하고, 금속 슬리브 금형을 적용하는 것에 의해 나노/마이크로 패턴 제작비용 및 시간을 절감할 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 베이스 롤을 경량화 재료인 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작하여 취급이 용이하고 우수한 기계적 특성을 이용하여 얇은 CFRP 적층 두께에서 원하는 강도를 얻을 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 베이스 롤을 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작하는 것에 의해 폭을 증가시켜도 처짐량을 완화할 수 있어 롤투롤 공정에서의 공정 속도, 생산성 향상이 가능하도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 원통 표면에 패턴을 형성 후 에칭 공정을 하지 않고 전주도금을 실시하여 슬리브 금형을 제작하는 것에 의해 탄소섬유강화 플라스틱 롤 표면에 고가의 경면 가공, 노광 공정, 식각 공정들을 생략할 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 형성된 패턴에 전주도금을 통해 마스터 금형을 제작하고 마스터 금형을 이용하여 슬리브 금형을 제조하고, 슬리브 금형을 복제 및 제작하기 위한 공정에 마스터 금형을 반복적으로 사용할 수 있도록 한 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법은 원통형 맨드릴 외주면에 균일한 두께로 제 1 물질층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;제 2 물질층을 이용한 전주도금 공정을 진행하여 나노 및 마이크로 패턴상에 마스터 금형 물질층을 형성하고, 내부의 원통형 맨드릴을 제거하여 마스터 금형을 형성하는 단계;마스터 금형의 내부에 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층을 형성하고 마스터 금형을 분리하여 금속 슬리브 금형을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법은 원통형 맨드릴 외주면에 균일한 두께로 제 1 물질층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;제 2 물질층을 이용한 전주도금 공정을 진행하여 나노 및 마이크로 패턴상에 마스터 금형 물질층을 형성하고, 내부의 원통형 맨드릴을 제거하여 마스터 금형을 형성하는 단계;마스터 금형의 내부에 다시 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층을 형성하고 마스터 금형을 분리하여 금속 슬리브 금형을 제작하는 단계;롤투롤 임프린트 리소그래피 공정시에 베이스 롤로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 베이스 롤과 슬리브 금형을 결합하여 CFRP 원통 금형을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1 물질층은 감광제이고, 제 2 물질층은 금속인 것을 특징으로 한다.
그리고 전주도금을 하기전에 소재 표면에 이형처리를 하여 소재와 도금층을 분리하기가 용이하도록 하고, 전주도금 이후에 진행하는 분리 시에 발생하는 나노 패턴들의 손상을 막기 위하여 산화층 형성을 하거나, 분리시에 지그들이 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 CFRP 베이스 롤과 결합된 슬리브 금형의 수명이 다한 경우에는 마스터 금형을 이용하여 슬리브 금형을 복제하여 다시 CFRP 베이스 롤과 결합시켜 CFRP 원통 금형을 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 CFRP 베이스 롤은 탄소섬유강화 플라스틱 프리프레그(prepreg)를 0°및 90°방향으로 교대 적층하여 제작하며, 원하는 롤의 직경 및 두께에 따라 적층 수를 변경하여 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형의 결합은 공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창 또는 액체 질소를 이용한 베이스 롤의 수축 또는 접착제를 이용하는 방법이 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창 방법은, 슬리브 금형의 외경을 CFRP 베이스 롤의 외경보다 소량 작게 제작하여 압축 공기를 이용하여 순간적으로 슬리브 금형을 외경방향으로 팽창시킨 후 CFRP 베이스 롤에 결합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 액체 질소를 이용한 CFRP 베이스 롤의 수축 방법은, 액체 질소관을 CFRP 베이스 롤의 외주면에 부착하여 CFRP 베이스 롤의 외경을 수축시킨 후 슬리브 금형과 결합하여 온도를 상승시켜 수축된 CFRP 베이스 롤이 다시 원형으로 돌아오면서 결합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 접착제를 이용하는 방법은, CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 후 발생하는 틈 사이에 에폭시 접착제와 같은 구조용 접착제를 도포하여 경화시켜 결합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 공정시에, 원통 부분이 진원에 대한 어긋남의 크기에 관한 진원도, 직선 부분이 이상 직선으로부터 어긋남의 크기에 관한 전직도, 원통 부분의 두 곳 이상 지름의 불균일의 크기에 관한 원통도, 외력에 의해 재료가 파괴되기까지의 변형 저항에 관한 강도에 관한 허용 범위가 정해지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정에 적용이 가능한 롤 금형을 공정 비용 및 시간을 감소시켜 반복적으로 제작이 가능하도록 한다.
둘째, 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과, 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형을 각각 제작한 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 금형 제작의 재현성 및 효율성을 높일 수 있도록 한다.
셋째, 원통형 베이스 롤 제작시에 자중에 의한 처짐을 완화시킬 수 있는 경량화 재료로 대체하고, 금속 슬리브 금형을 적용하는 것에 의해 나노/마이크로 패턴 제작비용 및 시간을 절감할 수 있도록 한다.
넷째, 베이스 롤을 경량화 재료인 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작하여 취급이 용이하고 우수한 기계적 특성을 이용하여 얇은 CFRP 적층 두께에서 원하는 강도를 얻을 수 있도록 한다.
다섯째, 베이스 롤을 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작하는 것에 의해 폭을 증가시켜도 처짐량을 완화할 수 있어 롤투롤 공정에서의 공정 속도, 생산성 향상이 가능하도록 한다.
여섯째, 원통 표면에 패턴을 형성 후 에칭 공정을 하지 않고 전주도금을 실시하여 슬리브 금형을 제작하는 것에 의해 탄소섬유강화 플라스틱 롤 표면에 고가의 경면 가공, 노광 공정, 식각 공정들을 생략할 수 있도록 한다.
일곱째, 형성된 패턴에 전주도금을 통해 마스터 금형을 제작하고 마스터 금형을 이용하여 슬리브 금형을 제조하고, 슬리브 금형을 복제 및 제작하기 위한 공정에 마스터 금형을 반복적으로 사용할 수 있도록 한다.
도 1은 종래 기술의 탄소섬유강화 플라스틱 롤러의 제작 방법을 나타낸 구성도
도 2는 종래 기술의 롤 금형 제조를 위한 공정 단면도
도 3은 롤 금형 제조시의 습식 식각 및 건식 식각 특성을 비교한 비교표
도 4는 스틸 롤과 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작된 베이스 롤의 특성 비교표
도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형을 이용한 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정 구성도
도 6은 본 발명에 따른 마스터 금형 및 금속 슬리브 금형 제조를 위한 공정 단면도
도 7은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조를 위한 공정 단면도
도 8은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조를 위한 전체 공정 단면도
이하, 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 4는 스틸 롤과 탄소섬유강화 플라스틱으로 제작된 베이스 롤의 특성 비교표이고, 도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형을 이용한 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정 구성도이다.
본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법은 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형으로 각각 제작 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 효율성을 높일 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 원통형 베이스 롤 제작시에 자중에 의한 처짐을 완화시킬 수 있는 경량화 재료로 대체하고, 금속 슬리브 금형을 적용하는 것에 의해 나노/마이크로 패턴 제작비용 및 시간을 절감할 수 있도록 한 것이다.
도 4에서와 같이, 폭 1,200mm Steel 롤 금형은 중량을 감소시키기 위해 중공의 형상으로 제작하였으나 금형 자체의 무게는 388kg에 달하며, 이로 인해 중심부 최대 처짐량은 9.8㎛이다.
이에 비하여, 1,200mm Steel 롤 금형과 동일 형상으로 CFRP로 제작했을 시 무게는 123kg이며, 중심부 최대 처짐량은 4.29㎛로 무게와 처짐량을 약 50%이상 감소시킬 수 있다.
롤 금형의 무게가 무거울수록 중심부의 최대 처짐량은 증가하며, 이로 인해 공정 시 전사되는 나노 또는 마이크로 패턴의 균일성을 확보하기 어렵다. 또한, 고중량의 금형을 구동해야하기 때문에 장비와 구동 모터 등에 걸리는 부하가 증가하여 장비의 수명을 단축시킬 수 있다.
이에 비하여, 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법에서는 패턴이 형성되는 부분을 따로 제작하기에 탄소섬유강화 플라스틱 롤러를 마스터 금형으로 이용하기 위한 고가의 추가 공정비용이 발생하지 않고, 탄소섬유강화 플라스틱 재료의 경량화와 강도 증가 등의 특징을 이점으로 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형을 이용한 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정을 나타낸 것으로, 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형을 각각 제작 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정을 진행하는 것을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 마스터 금형 및 금속 슬리브 금형 제조를 위한 공정 단면도이다.
먼저, 원통형 맨드릴(61) 외주면에 균일한 두께로 감광제를 도포하여 감광막(62)층을 형성한다.
그리고 감광막(62)층을 선택적으로 노광하여 나노 및 마이크로 패턴(63)을 형성하고, 전주도금을 하여 마스터 금형 물질층(64)을 형성하고, 내부의 원통형 맨드릴(61)을 제거하여 원통 분리를 한다.
이어, 원통 분리에 의해 제작된 마스터 금형(65)의 내부에 다시 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층(66)을 형성하고 마스터 금형(65)을 분리하여 금속 슬리브 금형(66a)을 제작한다.
여기서, 전주도금에 의해 형성되는 슬리브 금형 물질층은 Ni 일 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
이와 같이 본 발명은 원통에 감광제를 균일 도포 후 나노 및 마이크로 패턴을 형성하며, 형성된 패턴에 전주도금을 통해 마스터 금형을 제작한다.
마스터 금형을 이용하여 슬리브 금형을 제조하는 것에 의해 고가의 공정비용이 소요되는 식각 공정을 생략할 수 있다.
본 발명에 적용되는 전주도금은 소재 표면에 금속을 석출하기 때문에 소재 표면의 변화는 일어나지 않아 표면 거칠기가 유지되는 특성을 갖는다.
또한 전주도금 전 소재 표면에 이형처리를 하기 때문에 소재와 도금층을 분리하기가 용이하고, 예를 들어, 산화층 형성을 통해서 분리 시에 발생하는 스크래치 등의 나노 패턴들의 보호가 가능하고, 분리시에는 지그들이 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조를 위한 공정 단면도이다.
제작된 마스터 금형(65)의 내부에 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층(66)을 형성하고 마스터 금형(65)을 분리하여 금속 슬리브 금형(66a)을 제작한다.
그리고 롤투롤 임프린트 리소그래피 공정시에 베이스 롤로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 베이스 롤(71)과 슬리브 금형(66a)을 결합하여 CFRP 원통 금형(72)을 제작한다.
여기서, CFRP 베이스 롤(71)과 슬리브 금형(66a)의 결합은 공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창, 액체 질소를 이용한 베이스 롤의 수축, 접착제를 이용하는 방법들이 사용될 수 있다.
공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창 방법은 슬리브 금형의 외경을 CFRP 베이스 롤의 외경보다 소량 작게 제작하여 압축 공기를 이용하여 순간적으로 슬리브 금형을 외경방향으로 팽창시킨 후 CFRP 베이스 롤에 결합하는 방법이다.
그리고 액체 질소를 이용한 CFRP 베이스 롤의 수축 방법은 액체 질소관을 CFRP 베이스 롤의 외주면에 부착하여 CFRP 베이스 롤의 외경을 수축시킨 후 슬리브 금형과 결합하여 온도를 상승시키면 수축된 CFRP 베이스 롤이 다시 원형으로 돌아오면서 결합되는 방법이다.
그리고 접착제를 이용하는 방법은 CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 후 발생하는 틈 사이에 에폭시 접착제와 같은 구조용 접착제를 도포하여 경화시켜 결합하는 방법이이다.
이와 같은 CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 공정시에는 다음과 같은 사항이 고려된다.
원통 부분이 진원에 대한 어긋남의 크기에 관한 진원도, 직선 부분이 이상 직선으로부터 어긋남의 크기에 관한 전직도, 원통 부분의 두 곳 이상 지름의 불균일의 크기에 관한 원통도, 외력에 의해 재료가 파괴되기까지의 변형 저항에 관한 강도에 관한 허용 범위가 정해질 수 있다.
Figure 112019087474037-pat00001
이와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조를 위한 공정은 에칭 공정을 생략할 수 있으며, 마스터 금형 1회 제작으로 전주도금 시 슬리브 금형의 계속적인 복제 및 생산이 가능하도록 한다.
경량화 재료인 CFRP를 이용한 롤의 적용으로 취급 용이, 롤의 변형 감소, 공정 생산성 향상이 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조를 위한 전체 공정 단면도이다.
이와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법에서 적용되는 금속 슬리브 금형은 전주 도금 공정을 통해서 제작하기 때문에 나노 또는 마이크로 구조물 형성 시 필요한 에칭 공정을 생략할 수 있다.
또한, 마스터 금형을 이용하면 계속적인 복제 공정을 통하여 슬리브 금형을 제작할 수 있기 때문에 금형을 제작하는 비용 및 기간을 단축시킬 수 있다.
마스터 금형은 금속 슬리브 금형을 제작할 수 있는 금형이기 때문에 슬리브 금형의 수명이 다할 시 마스터 금형을 이용하여 금속 슬리브를 계속적으로 생산 가능하다. 또한, 마스터 금형을 제작하기 위한 감광제 도포와 노광 공정 등은 한 번만 진행하면 되며 추가적인 감광제 도포, 노광 공정 등을 할 필요가 없다.
그리고 베이스 롤은 탄소섬유강화 플라스틱 프리프레그(prepreg)를 [0/90] 방향으로 적층하여 제작하며, 원하는 롤의 직경 및 두께에 따라 적층 수를 변경할 수 있다. 베이스 롤의 외주면에 금속 슬리브 금형을 장착하기 때문에 고가의 외주면 경면 가공도 생략할 수 있다.
탄소섬유강화 플라스틱으로 제작한 베이스 롤은 금속 슬리브 금형과 체결하여 롤투롤 나노 임프린트 공정을 통해 원하는 나노 패턴을 필름에 전사할 수 있다.
금속 슬리브 금형은 롤투롤 나노 임프린트 공정 압력 50MPa에 견뎌야 하기 때문에 경도는 88Hv 이상을 만족해야 된다. 전주 도금 시 400~500Hv도 가능하나, 이 이상의 경도값을 가질 때는 외부 압력에 의해 금형의 파단이 일어날 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법은 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP) 베이스 롤과 패턴이 형성된 금속 슬리브 금형을 각각 제작한 후 결합하여 마스터 원통금형을 제작하여 재현성 및 효율성을 높일 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
61. 원통형 맨드릴 62. 감광막
63. 나노 및 마이크로 패턴 64. 마스터 금형 물질층
65. 마스터 금형 66. 슬리브 금형 물질층
66a. 슬리브 금형 71. CFRP 베이스 롤
72. CFRP 원통 금형

Claims (11)

  1. 원통형 맨드릴 외주면에 균일한 두께로 제 1 물질층을 형성하고 선택적으로 패터닝하여 나노 및 마이크로 패턴을 형성하는 단계;
    제 2 물질층을 이용한 전주도금 공정을 진행하여 나노 및 마이크로 패턴상에 마스터 금형 물질층을 형성하고, 내부의 원통형 맨드릴을 제거하여 마스터 금형을 형성하는 단계;
    마스터 금형의 내부에 전주도금을 실시하여 슬리브 금형 물질층을 형성하고 마스터 금형을 분리하여 금속 슬리브 금형을 제작하는 단계;
    롤투롤 임프린트 리소그래피 공정시에 베이스 롤로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 베이스 롤과 슬리브 금형을 결합하여 CFRP 원통 금형을 제작하는 단계;를 포함하고,
    CFRP 베이스 롤과 결합된 슬리브 금형의 수명이 다한 경우에는 마스터 금형을 이용하여 슬리브 금형을 복제하여 다시 CFRP 베이스 롤과 결합시켜 CFRP 원통 금형을 제작하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 물질층은 감광제이고, 제 2 물질층은 금속인 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 전주도금을 하기전에 소재 표면에 이형처리를 하여 소재와 도금층을 분리하기가 용이하도록 하고,
    전주도금 이후에 진행하는 분리 시에 발생하는 나노 패턴들의 손상을 막기 위하여 산화층 형성을 하거나, 분리시에 지그들이 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, CFRP 베이스 롤은 탄소섬유강화 플라스틱 프리프레그(prepreg)를 0°및 90°방향으로 교대 적층하여 제작하며, 원하는 롤의 직경 및 두께에 따라 적층 수를 변경하여 제작하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형의 결합은 공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창 또는 액체 질소를 이용한 베이스 롤의 수축 또는 접착제를 이용하는 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 공압을 이용한 슬리브 금형의 팽창 방법은,
    슬리브 금형의 외경을 CFRP 베이스 롤의 외경보다 소량 작게 제작하여 압축 공기를 이용하여 순간적으로 슬리브 금형을 외경방향으로 팽창시킨 후 CFRP 베이스 롤에 결합하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 액체 질소를 이용한 CFRP 베이스 롤의 수축 방법은,
    액체 질소관을 CFRP 베이스 롤의 외주면에 부착하여 CFRP 베이스 롤의 외경을 수축시킨 후 슬리브 금형과 결합하여 온도를 상승시켜 수축된 CFRP 베이스 롤이 다시 원형으로 돌아오면서 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 접착제를 이용하는 방법은,
    CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 후 발생하는 틈 사이에 에폭시 접착제와 같은 구조용 접착제를 도포하여 경화시켜 결합하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, CFRP 베이스 롤과 슬리브 금형 결합 공정시에,
    원통 부분이 진원에 대한 어긋남의 크기에 관한 진원도, 직선 부분이 이상 직선으로부터 어긋남의 크기에 관한 전직도, 원통 부분의 두 곳 이상 지름의 불균일의 크기에 관한 원통도, 외력에 의해 재료가 파괴되기까지의 변형 저항에 관한 강도에 관한 허용 범위가 정해지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱 기반 나노 원통 금형 제조 방법.
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