KR20180026779A - 폴리머 래핑 재료, 매질, 폴리머 래핑 재료를 포함하는 시스템, 및 이들을 사용하고 형성하는 방법 - Google Patents

폴리머 래핑 재료, 매질, 폴리머 래핑 재료를 포함하는 시스템, 및 이들을 사용하고 형성하는 방법 Download PDF

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브렌트 먼키
스콧 다스키비치
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제이에이치 로드스 컴퍼니, 인크
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Abstract

본 발명은, 래핑 공정을 사용하기 위한 폴리머 재료, 상기 폴리머 재료를 포함하는 매질, 매질을 포함하는 시스템, 및 폴리머 재료를 사용하고 형성하는 방법에 관한 것이다. 폴리머 재료는 경질 표면, 가령, 사파이어 표면을 래핑하도록 사용될 수 있다. 래핑 공정은 연마 공정 후와 폴리싱 공정 전에 수행될 수 있다.

Description

폴리머 래핑 재료, 매질, 폴리머 래핑 재료를 포함하는 시스템, 및 이들을 사용하고 형성하는 방법
본 발명은, 래핑 공정을 사용하기 위한 폴리머 재료, 래핑 매질, 및 상기 폴리머 재료를 포함하는 시스템, 및 폴리머 래핑 재료, 매질 및 시스템을 사용하고 형성하는 방법에 관한 것이다.
기판의 표면을 마감하는 방법(finishing)은 종종 다음과 같이 세 가지 단계 즉 연마 단계, 래핑 단계 및 폴리싱 단계를 포함한다. 연마 공정은, 기판의 대략적인 형태(rough form)를 생성하고, 기판을 원하는 크기로 줄이거나, 및/또는 기판 표면의 큰 결함(defect)을 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 연마 공정은 일반적으로 상대적으로 높은 재료 연삭능률(material removal rate)을 가지며, 종종 기판에 하위-표면 손상(sub-surface damage)을 야기시켜, 기판에 상대적으로 거친 표면 마감(rough surface finish)을 남길 수도 있다. 래핑 단계는 연마 단계보다 더 낮은 재료 연삭능률을 가지며 일반적으로 하위-표면 손상을 덜 야기하는 중간 마감 단계(intermediate finishing step)이다. 래핑 공정은 일반적으로 상대적으로 부드러운 표면을 생성한다. 마지막으로, 폴리싱 공정은 가장 낮은 재료 연삭능률을 가지며, 일반적으로, 종종 육안으로는 일반적으로 보이지 않는 약 4 마이크론 미만의 결함 크기를 가진 부드러운 기판 표면을 제공하기 위해 사용된다.
경질 표면, 가령, 사파이어 표면을 래핑할 때, 래핑 공정은 종종 캐리어(carrier)에 기판을 배열하는 단계와 슬러리가 있을 때 래핑 매질에 대해 기판 표면(들)을 이동시키는 단계를 포함한다. 래핑 매질은 종종 플레이트의 표면에 형성된 홈 패턴(groove pattern)을 가진 연성 금속 플레이트, 가령, 구리 플레이트를 포함한다. 슬러리는 연마 입자, 가령, 캐리어 액체 내의 다이아몬드를 포함한다. 래핑 플레이트는 기판 표면이 래핑 매질에 대해 이동될 때 연마 입자가 표면을 따라 구를 수 있는(roll) 경질 표면을 제공한다. 재료는 연마 입자가 구르게 하거나 또는 움직이게 하는 기판과 매질의 상대 운동을 이용하여 기판 표면으로부터 제거된다. 연마 입자가 이동될 때, 입자들을 기판의 부분을 스크래치(scratch) 하거나 및/또는 천공하여(puncture) 기판 표면의 작은 단편들이 떨어져 나가게 한다.
일반적인 금속 플레이트는 상대적으로 크며(예컨대, 약 40 인치의 직경을 가짐) 상대적으로 두꺼워서(예컨대, 약 1 인치의 두께를 가짐), 플레이트를 무겁게(예컨대, 약 150 파운드) 만든다. 래핑 매질로서, 커다랗고, 무거운 플레이트를 사용하는 것은 바람직할 수 있는데, 그 이유는 커다란 표면 또는 복수의 표면을 래핑하기 위해 커다란 금속 플레이트가 사용될 수 있으며, 금속 플레이트의 두께는 플레이트가 평평하고 평행한 상태로 유지하는 데, 가령, 예컨대, 또 다른 플레이트 또는 플래턴에 대해 평행하게 유지하는 데 도움이 되기 때문이다.
사용 동안, 금속 래핑 플레이트는 슬러리 내에서 연마 입자로부터의 마찰로 인해 마모되려 한다. 이러한 마모로 인해, 금속 플레이트의 평평도(flatness) 및/또는 평행도(parallelism)가 감소될 수 있으며, 그에 따라 기판 표면에 걸친 재료 연삭능률의 균일성이 낮아지거나 또는 기판이 캐리어로부터 빠져 나오는 상황까지 야기될 수 있다. 그 외에도 또는 대안으로, 사용 동안에, 금속 플레이트 내의 홈이 마모된다(깊이가 줄어든다). 그에 따라, 금속 플레이트는 원하는 평평도, 평행도, 및/또는 홈 깊이를 복원하기 위하여 주기적으로 기계가공된다(periodically machined). 플레이트가 홈을 재형성하기에(reform) 충분히 두껍지 못하면, 플레이트는 원하는 깊이를 가진 홈을 포함하는 더 두꺼운 플레이트로 교체될 수 있다.
기계가공 공정(machining process)은 상대적으로 값비싸며 시간이 많이 소요된다. 기계가공 공정 동안, 플레이트는 래핑 시스템으로부터 제거되며, 플레이트는 원하는 평평도 및/또는 평행도로 연마되거나(ground) 및/또는 홈들이 플레이트에 형성되며, 그러면 플레이트는 래핑 시스템에 다시 결부된다(reattached). 상기 단계들은 모두 시간과 노력이 상당히 소요되는데, 이에 따라 기판의 표면을 래핑하거나 마감하는 비용에 추가된다.
그에 따라, 개선된 래핑 재료, 매질, 장치, 및 상기 개선된 래핑 재료를 포함하는 시스템, 뿐만 아니라 이러한 재료, 매질, 장치, 및 시스템을 사용하고 형성하는 개선된 방법들이 필요하다.
본 발명의 다양한 실시예들은, 기판(substrate)의 표면을 래핑(lapping)하기 위한 개선된 재료, 매질(media), 시스템, 및 방법들에 관한 것이다. 종래 기술의 래핑 재료, 매질, 시스템, 및 방법들의 단점을 해결하기 위하여, 본 발명의 다양한 실시예들이 하기에서 보다 상세하게 논의되는데, 일반적으로, 본 발명의 다양한 실시예들은 폴리머 재료, 가령, 폴리머 발포 재료(polymeric foam material), 및 상기 폴리머 재료를 포함하며 기판 표면(substrate surface)으로부터 상대적으로 높은 래핑 재료 연삭능률(removal rate) 및 연삭능률 균일성(uniformity)을 가능하게 해 주는 매질을 제공한다. 폴리머 매질(폴리머 재료를 포함하는 매질)은 쉽게 교체되거나 및/또는 재작업될 수 있어서(reworked), 래핑 장치의 작동중지 시간(downtime)이 적게 되고 래핑 공정과 관련된 비용이 작다. 추가적인 대표적인 실시예들은 래핑 매질과 래핑 재료를 사용하고 형성하는 방법들을 제공한다. 밑에서 보다 상세하게 기술되는 것과 같이, 놀랍게도 그리고 예상치 못하게, 상대적으로 경질의 재료, 가령, 밑에서 기술되는 재료를 비용-효율적이면서도 시간-효율적으로 래핑하기 위하여, 본 명세서에 기술된 폴리머 재료가 사용될 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 특히, 폴리머 재료 및 매질은 기대했던 연삭능률보다 더 큰 연삭능률을 보여주었으며, 기대했던 것보다 더 오래 지속되었으며, 래핑된 표면이 상대적으로 적은 결함을 가진 상태로 생성되었다.
본 발명의 대표적인 실시예들에 따르면, 래핑 시스템(lapping system)은 플래턴(platen), 상기 플래턴에 결부된(attached) 폴리머 재료, 및 연마 입자(abrasive particle)를 포함하는 슬러리(slurry)를 포함한다. 또한, 대표적인 시스템들은 래핑 공정 동안 하나 또는 그 이상의 기판을 보유하기(retain) 위한 캐리어(carrier)를 포함할 수 있다. 폴리머 재료는 열경화성 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료들의 조합, 열가소성 재료들의 조합, 또는 하나 또는 그 이상의 열가소성 재료 및/또는 열경화성 재료의 조합일 수 있다. 추가로, 폴리머 재료는 발포체(foam) 또는 비-발포체(non-foam)일 수 있다. 예로서, 폴리머 재료는 하나 또는 그 이상의 열경화성 재료, 가령, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리우레탄-폴리우레아 하이브리드(hybrid), 폴리이미드, 폴리아리미드, 에폭시, 및/또는 이러한 재료들의 그 밖의 하이브리드를 포함할 수 있다. 대표적인 폴리머(예컨대, 발포) 재료는 약 0.85 g/cm3 내지 약 3.0 g/cm3, 또는 약 0.9 g/cm3 내지 약 1.3 g/cm3, 또는 약 1.0 g/cm3 내지 약 1.25 g/cm3 사이의 밀도를 가진다. 그 외에도 또는 대안으로, 폴리머 재료(예컨대, 열경화성 재료)는 약 1.0% 내지 약 15%, 또는 약 1.0% 내지 약 10%, 또는 약 1.0% 내지 약 8% 사이의 압축률(compressibility)(예컨대, 일본 산업 표준(Japanese industrial standard: JIS) 1096 압축률)을 가진다. 그 외에도 또는 대안으로, 폴리머 재료(예컨대, 열경화성 재료)의 동적 기계 분석(dynamic mechanical analysis: DMA) 저장 탄성률(storage modulus)(실온(약 21℃)에서 5Hz)은 약 100 MPa 또는 400 MPA 내지 약 3000 MPa, 또는 약 200 MPA 내지 약 2750 MPa, 또는 약 400 MPa 내지 약 2300 MPa 사이일 수 있다. JIS 1096 탄성 반발률(elastic rebound)은 약 80% 내지 약 100%, 또는 약 85% 내지 약 100%, 또는 약 90% 내지 약 100% 사이일 수 있다. 폴리머 재료의 쇼어 D 경도는 약 62 내지 약 100, 또는 약 62 내지 약 84, 또는 약 62 내지 약 75 사이일 수 있다. 상기 실시예들의 다양한 양태들에 따르면, 폴리머 재료는 크기가 0 μm보다 더 크거나, 10 μm 내지 약 1000 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 400 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 300 μm 사이의 공극(pore)을 포함하는 폴리머 발포 재료이다. 공극은 미세풍선(microballoon) 없이도, 가령, 발포제 및/또는 혼합 기술을 사용함으로써 형성될 수 있는데, 이는 밑에서 보다 상세하게 기술될 것이다. 슬러리 내의 연마 입자는 약 2 μm 내지 약 100 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 12 μm 내지 약 40 μm의 평균 크기를 가진, 다면 또는 그 밖의 입자를 포함할 수 있다. 다이아몬드 슬러리가 폴리머 재료와 함께 사용될 때, 경질 기판 표면, 가령, (예컨대, A-평면) 사파이어 및/또는 본 명세서에 기술된 그 밖의 경질 재료 표면으로부터, 상대적으로 높고 균일한 재료 연삭능률(MRR)이 구현될 수 있다. 놀랍게도, 폴리머 재료가 연마 재료(abrasive material)를 포함하지 않았을 때, 매질을 사용하면 원하는 연삭능률을 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 하지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 폴리머 재료는 연마 재료를 포함한다. 폴리머 재료를 포함하는 대표적인 매질은 재작업하거나 또는 교체되어야 하는 래핑 플래턴으로부터 쉽게 제거될 수 있다.
본 발명의 추가로 대표적인 실시예들에 따르면, 기판의 표면을 래핑하는 방법은, 플래턴 및 상기 플래턴에 결부된 폴리머(예컨대, 발포) 재료를 포함하는 래핑 시스템을 제공하는 단계, 기판을 제공하는 단계, 기판과 폴리머 재료를 접촉시키는 단계, 및 폴리머 재료를 기판에 대해 이동시켜 기판의 표면을 래핑하는 단계를 포함한다. 폴리머 재료는 본 명세서에 기술된 것과 같은 재료일 수 있다. 또한, 상기 방법은, 예를 들어, 다면 다이아몬드, 가령, 본 발명에 기술된 다이아몬드를 포함할 수 있는 슬러리를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 그 외에도 또는 대안으로, 방법은 래핑 단계 동안 하나 또는 그 이상의 기판을 보유하기 위해 캐리어를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 기술된 대표적인 방법들은, 재료를 경질 표면(예컨대, 종래의 융합된 실리카 유리의 경도, 또는 약 1550 HB 브리넬 경도 또는 7 모스 경도보다 더 큰 경도를 가진 표면), 가령, 사파이어(예컨대, 사파이어의 A, C, 또는 R 평면), 그 밖의 원석, 가령, 에메랄드 및 루비, 세라믹, 금속, 가령, 티타늄, 본 명세서에 기술된 것과 같은 그 밖의 재료, 및 이와 유사한 재료로부터 제거하도록 사용될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예들에 따르면, 기판의 표면을 래핑하기 위한 폴리머(예컨대, 발포) 재료는 하나 또는 그 이상의 열경화성 재료 또는 열가소성 재료, 가령, 폴리우레탄, 폴리우레아, 하이브리드 폴리우레탄-폴리우레아, 폴리이미드, 폴리아리미드, 에폭시, 및 이들의 그 밖의 폴리머 하이브리드로 구성된 군(group)으로부터 선택된 가령, 하나 또는 그 이상의 열경화성 재료를 포함하며, 약 0.85 g/cm3 내지 약 3.0 g/cm3 또는 0.9 g/cm3 내지 약 1.3 g/cm3 사이의 밀도 및/또는 약 1.0% 내지 약 8.0% 사이의 JIS 1096 압축률 및/또는 약 62 내지 약 100, 또는 약 62 내지 약 84, 또는 약 62 내지 약 75 사이의 쇼어 D 경로를 가진다. 폴리머 발포 재료는, 선택적으로, 연마 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 대표적인 실시예들에 따르면, 래핑 장치는 플래턴(예컨대, 스테인리스 스틸 플래턴) 및 상기 플래턴에 결부된 폴리머(예컨대, 발포) 재료를 포함한다.
본 발명의 또 다른 대표적인 실시예들에 따르면, 폴리머(예컨대, 발포) 재료를 형성하는 방법은, 하나 또는 그 이상의 제1 화합물(예컨대, 서로 결합된 하나 또는 그 이상의 반응성 수소(reactive hydrogen)를 가진)을 혼합하는 단계, 하나 또는 그 이상의 제2 화합물(예컨대, 폴리우레아, 폴리우레탄, 및 폴리우레아-폴리우레탄 하이브리드, 하나 또는 그 이상의 폴리이소시아네이트, 이들의 유도체, 또는 이들의 생성물의 경우)을 하나 또는 그 이상의 제1 화합물과 반응시켜 조성물을 형성하는 단계, 및 이 조성물을 몰드(mold)에 붓는 단계를 포함한다. 대표적인 방법들은, 그 밖의 화합물, 가령, 필러(filler), 연마재(abrasive), 촉매제(catalyst), 계면활성제(surfactant) 등에서, 제1 화합물, 제2 화합물 및/또는 조성물과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 실시예들의 추가로 대표적인 양태들에 따르면, 폴리머 재료는 에폭시 재료를 포함한다. 이 경우에서, 에폭시 수지가 개방(open) 또는 밀폐(closed) 혼합 환경(mixing environment)에서 경질화제(hardener)와 혼합되어 고-밀도의 발포 엘라스토머 또는 고체(비-발포된) 엘라스토머를 생성한다. 대표적인 에폭시 수지는 비스페놀 A, F, 및 S의 에폭시드 말단(terminated) 디글리시딜 에스테르, 에폭시 페놀 노볼락, 지방족, 또는 지환족(cycloaliphatic)으로 구성된다. 대표적인 경질화제는 활성 수소 화합물(active hydrogen compound), 가령, 아민(일차 및 이차), 무수물, 페놀, 및 티올을 포함한다. 본 발명의 추가 양태들에 따르면, 폴리머 재료는 하나 또는 그 이상의 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 적절한 열가소성 재료의 예들은 폴리카보네이트이거나 또는 폴리카보네이트를 포함한다. 이 경우, 비스페놀 A 유도 폴리카보네이트 시트(예컨대, 베이어사의 Makrolon 명칭으로 사용가능한)가 래핑 패드(lapping pad)의 형태로 절단될 수 있다. 래핑을 위한 그 밖의 대표적인 열가소성 재료는 아로마 함유 폴리머, 가령, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아로마 폴리이미드, 및 아로마 폴리아미드(아라미드)를 포함한다. 이러한 화합물들은 쉽게 시트(sheet) 형태로 사용할 수 있으며 래핑 패드로 절단되고 기계가공될 수 있다. 본 발명의 상기 실시예들의 다양한 양태들에 따르면, 폴리머 재료는 한 면(side)에 접착제(예컨대, 압력 감응(pressure sensitive) 접착제)로 라미네이팅된다(laminated). 그 외에도 또는 대안으로, 대표적인 방법들은 폴리머 재료의 표면(예컨대, 래핑 표면)에 홈(groove)들이 형성되는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들을 보다 잘 이해하기 위해, 첨부도면들을 참조하여 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위를 참고할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 다양한 대표적인 실시예들에 따른 래핑 시스템.
도 2는 본 발명의 대표적인 실시예들에 따른 래핑 장치.
도 3은 본 발명의 추가적인 대표적인 실시예들에 따른 폴리머 래핑 재료를 형성하는 방법.
도면에서, 여러 요소들은 단순하고 명확하게 나타내기 위하여 예시되었으며 반드시 실측으로 도시되지 않았다는 것을 이해해야 한다. 도면에 도시된 요소들 중 일부 요소들의 수치는 본 발명의 예시된 실시예들의 이해를 돕기 위하여 다른 요소들에 비해 다소 과장될 수도 있다.
하기에 제공된, 폴리머 래핑 재료, 매질, 시스템, 장치, 및 폴리머 래핑 재료, 매질, 장치, 및 시스템을 사용하고 형성하는 방법들의 대표적인 실시예를 기술한 설명은 단지 대표적이며 예시적인 목적으로만 사용하는 것이며 본 발명의 설명 또는 청구항들의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 게다가, 본 명세서에 기술된 특징, 조성물, 또는 성질을 가진 다수의 실시예들은, 추가적인 특징, 조성물, 또는 성질을 가진 그 밖의 실시예, 또는 상기 특징, 조성물, 또는 성질들의 상이한 조합들을 포함하는 또 다른 실시예들을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "래핑(lapping)" 또는 "랩(lap)"은 중간의 표면 마감 단계(surface finishing step)를 지칭하는 것으로서, 상기 중간의 표면 마감 단계는 통상 연마(grinding) 및/또는 절단 단계(cutting step)가 수행되고 난 뒤 및 폴리싱 단계(polishing step)가 수행되기 전에 수행된다. 래핑 공정(lapping process)은 초기에 1 마이크론보다 더 큰 평균 거칠기를 가지거나 또는 가시적인 스크래치(scratch) 혹은 톱니 자국(saw mark)을 가진 표면을 마감하도록 사용될 수 있다. 그 외에도 또는 대안으로, 래핑되어야 하는 표면은 길이가 약 1 mm 내지 약 3 mm보다 더 큰 가시적 결함(visible defect) 크기를 가질 수 있으며, 한 표면은, 표면이 래핑되고 난 뒤에, 육안으로는 탐지될 수 없는 결함 크기를 가진다.
본 명세서에 기술된 대표적인 폴리머 재료, 매질, 장치 및/또는 시스템은 기판(substrate)의 경질 표면(hard surface)을 래핑하도록 사용될 수 있다. 예로서, 본 명세서에 기술된 것과 같은 폴리머 재료, 매질, 장치, 시스템, 및 방법은 경질-표면 재료, 가령, 사파이어(예컨대, 사파이어의 A, C, 또는 R 평면), 그 밖의 원석, 가령, 에메랄드 및 루비, 세라믹, 금속, 가령, 티타늄, 및 이와 유사한 재료를 래핑하도록 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "경질 표면" 또는 "경질-표면 재료"는 종래의 단단한 실리카 유리의 경도보다 더 큰 경도(예컨대, 약 1550 HB 브리넬 경도 또는 약 7 모스 경도보다 더 큰 경도)를 가진 재료를 의미한다. 이러한 재료들을 래핑한 후에, 경질-표면 재료는 재료의 표면을 추가로 마감하기 위하여 종종 폴리싱된다. 예로서, 폴리싱된 표면은, 통상, 약 0.01 마이크론 미만의 평균 거칠기를 가지며 4 마이크론 또는 그 미만의 크기의 결함을 가진다. 폴리싱된 경질-표면 재료는 전자 장치 디스플레이, 전자 장치 케이스, 전바 백 플레이트, 시계 크리스털, 및 다양한 그 밖의 분야에 사용하기에 적합하다.
본 명세서에 기술된 대표적인 폴리머 재료, 매질, 장치, 시스템, 및 방법은 동일하거나 유사한 적용 분야에 사용되는 종래의 매질, 예컨대, 래핑 경질-표면 재료에 비해, 상대적으로 높은 연삭능률(removal rate), 재료 제거(removal)의 균일성, 및/또는 높은 공정 수율을 보여준다. 추가로, 래핑 표면(lapping surface)으로서 금속 플레이트가 아니라, 폴리머 재료를 사용하여 기판의 표면을 래핑하는 대표적인 방법들은, 래핑 표면으로서 금속 표면을 사용하는 기술에 비해, 상대적으로 높은 처리율(throughput) 및/또는 상대적으로 낮은 비용을 가진다.
도 1은 본 발명의 대표적인 실시예들에 따른 래핑 시스템(100)을 예시한다. 래핑 시스템(100)은 래핑 장치(102), 캐리어(108), 및 슬러리(110)를 포함하는데, 상기 슬러리(110)는 선택적인 슬러리 디스펜서(116)로부터 분배될 수 있다. 또한, 래핑 시스템(100)은 추(120) 및/또는 회전 암(122)을 포함할 수 있다.
도 2에 보다 상세하게 예시된 래핑 장치(102)는 플래턴(104)과 상기 플래턴(104)에 탈착 가능하게 결부된(removably attached) 폴리머 재료(106)를 포함한다. 래핑 장치(102)는 예시된 것과 같이 축(118) 주위로 회전될 수 있거나, 및/또는 기판(112) 표면에 대해 그 밖의 상대 운동(relative movement)을 수행할 수 있다.
플래턴(104)은 상대적으로 강성 재료(rigid material), 가령, 스테인리스 스틸 등으로 형성될 수 있다. 래핑 동안, 플래턴(104)이 기판(112)과 직접 접촉되지 않기 때문에, 플래턴(104)은 상대적으로 연성 재료(soft material), 가령, 구리로 형성될 필요가 없다. 또한, 래핑 장치(102)의 작업 표면(working surface)이 탈착가능한 폴리머 재료를 포함하기 때문에, 플래턴(104)은 재작업(reworking) 또는 마감가공(예컨대, 재작업하여 평평하게 하거나, 유사성(parallelism)을 복원하거나 및/또는 금속 플래턴에 홈을 형성하는)을 필요로 하지 않지만, 종종, 금속 플레이트를 포함하는 래핑 표면은 필요로 한다.
폴리머 재료(106)는 열경화성 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료들의 조합, 열가소성 재료들의 조합, 또는 하나 또는 그 이상의 열가소성 및/또는 열경화성 재료들의 조합일 수 있다. 추가로, 그 외에 달리 기술되지 않는 한, 재료는 발포체 또는 비-발포체일 수도 있다. 예로서, 폴리머 재료는 하나 또는 그 이상의 열경화성 재료, 가령, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리우레탄-폴리우레아 하이브리드, 폴리이미드, 폴리아리미드, 에폭시, 및/또는 이러한 재료들의 그 밖의 하이브리드를 포함할 수 있다. 특정 예로서, 폴리머 재료(106)는 폴리우레아, 폴리우레탄, 또는 폴리우레아-폴리우레탄 하이브리드를 포함한다. 본 발명의 대표적인 실시예들에 따른 폴리머 발포 재료 및 비-발포 재료의 대표적인 성질들이 하기 표 1에 제공된다. 하나 또는 그 이상의 폴리머 재료 성질, 가령, 밑에 기술된 성질들로 인해, 원하는 연삭능률을 구현하기 위하여 슬러리 내의 연마 입자(연마재 입자)가 폴리머 재료에 부분적으로 내장될 수 있게 하는 것으로 믿어진다.
폴리머 래핑 패드 비교 차트 조성물 제작 방법 MRR
(마이크론/시간)		 밀도
(g/cm3)		 JIS 조성물
(%)		 JIS 탄성 반발률
(%)		 경도
(쇼어 D)		 DMA 저장 탄성률
(MPa, 5Hz @ RT)		 세포 크기
(μm)
종래 공정
(금속 래핑 플레이트)		 구리,
주철		 용융 금속 주물 60-90
50-100		 9.0 NA NA NA 160000 0
실시예 1 폴리우레탄-우레아 하이브리드 주조 엘라스토머 90
80-100
70-110		 1.17 5.50% 97% 69 919 0-300
실시예 2 에폭시 주조 엘라스토머 90
80-100
70-110		 1.09 5.30% 99% 79 2339 0-300
실시예 3 폴리카보네이트 열가소성 압출 136
120-150
110-160		 1.18 5.50% 93% 72 1754 0
실시예 4 폴리스티렌 열가소성 압출 73
60-80
50-90		 1.02 5.40% 88% 72 1000 0
실시예 5 폴리프로필렌 열가소성 압출 13
8-15
7-117		 0.9 4.80% 102% 67 1457 0
실시예 6 HDPE 열가소성 압출 3
2-5
3-7		 0.95 4.60% 90% 65 1534 0
제1 범위 0.7-3.0
0.85-3.0		 1.0%-15.0% 80%-100% 30-100 또는 62-100 100-3000 0-1000
제2 범위 0.9-1.3 1.0%-10.0% 85%-100% 62-85 300-2500 0-400
제3 범위 1.0-1.25 1.0%-8.0% 90%-100% 62-80 400-2400 0-300
폴리머 재료(106)의 두께(t)는 다양한 요인들, 가령, 재료가 재작업될 것인지(예컨대, 폴리머 재료의 표면에 새로운 홈이 형성되는지) 또는 다수의 래핑 수행 후에는 폐기될지에 따라 변경될 수 있다. 예로서, 두께는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm 사이, 또는 약 0.75 mm 내지 약 5 mm 사이, 또는 약 1 mm 내지 약 3 mm 사이, 약 1 mm 내지 약 20 mm 사이일 수 있거나, 또는 약 1.3 mm일 수 있다. 폴리머 재료의 발달(development) 동안, 놀랍게도 그리고 예상치 못하게, 폴리머 재료(예컨대, 4-6 mm 또는 5 mm 두께의)는 종래의 금속 플레이트에 비해 똑같거나 더 우수한 재료 연삭능률 및/또는 균일성을 가지며 일반적인 금속 플레이트만큼 오래 지속된다(재작업 또는 교체 단계 간에)는 사실이 밝혀졌다.
슬러리(110)는 캐리어 액체에서 다이아몬드 또는 그 밖의(예컨대, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 보론 카바이드 등) 입자(예컨대, 약 1 내지 약 100 마이크론, 약 5 내지 약 40 마이크론, 또는 약 20　μm의 평균 크기를 가진)를 포함할 수 있다. 대표적인 슬러리로는, Sandvik사의 DI900-C1 명칭의 슬러리가 사용 가능하다.
캐리어(108)는, 래핑 공정 동안, 하나 또는 그 이상의 기판(112)을 보유하도록(retain) 구성될 수 있다. 캐리어(108)는 예컨대, 래핑 시스템의 플래턴과 맞물리는(engage) 치형부(teeth)를 포함할 수 있다. 추(120)는 원하는 중량을 가질 수 있으며, 캐리어(108)와 개별적으로 구성되거나 혹은 일체형으로 구성될 수도 있다. 캐리어(108)는 축(114) 주위로 회전하거나, 축(118) 주위로 회전하거나, 또는 그 밖의 적절하게 움직일 수 있다.
캐리어(108)는 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 예로서, 캐리어(108)는 스테인리스 스틸 및/또는 유리섬유로 형성될 수 있다. 캐리어(108)의 두께는, 일반적으로, 래핑 공정 후에는, 기판의 원하는 최종 두께보다 더 두꺼울 수가 없다.
위에서 기술된 것과 같이, 래핑 시스템(100) 및 래핑 시스템(100)을 사용하는 방법은 경질 표면(예컨대, 종래의 융합된 실리카 유리, 또는 약 1550 HB 브리넬 경도 또는 7 모스 경도보다 더 큰 경도를 가진 표면)으로부터 재료를 제거할 수 있다. 실제로, 본 발명의 발명자들은, 놀랍게도 그리고 예상치 못하게, 상기 래핑 시스템(100)이 약 36 μm/hr 내지 약 96 μm/hr의 A-평면 사파이어 연삭능률을 보여준다는 사실을 밝혀냈다. 위에 기술된 표 1은 본 발명의 예들에 따라 폴리머 재료를 사용하여 얻어진 연삭능률을 예시한다.
래핑 장치(102)를 사용하면, 종래의 연성 금속(예컨대, 구리) 플레이트를 사용하는 방법에 비해, 몇몇 이점을 가진다. 위에서 기술된 것과 같이, 폴리머 재료는 쉽게 재작업되거나/홈을 낼 수 있거나(일반적으로, 금속 래핑 플레이트보다 훨씬 더 쉽게 제거할 수 있으며 경량임) 및/또는 쉽게 교체될 수 있어서, 래핑 시스템(100)이 기판(112)의 표면을 래핑하도록 사용하는 데 쉽고 비용이 덜 들 수 있다.
이제, 도 3을 보면, 기판의 표면을 래핑하는 방법(300)이 예시된다. 래핑 방법(300)은 래핑 시스템을 제공하는 단계(단계 302), 기판을 제공하는 단계(단계 304), 기판 표면과 폴리머 재료를 접촉시키는 단계(단계 306), 및 기판의 표면을 래핑시키는 단계(단계 308)를 포함한다.
단계 302 동안, 폴리머 재료 래핑 표면을 포함하는 래핑 시스템(예컨대, 래핑 시스템(100))이 제공된다. 상기 시스템의 일부분으로서 사용하기에 적합한 래핑 기계로는, SpeedFAM사의 9B-5L-III이 사용가능하다.
단계 304 동안, 하나 또는 그 이상의 기판이 래핑 시스템에 장착된다(예컨대, 캐리어(108)에 장착된다). 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 기판은 이미 하나 또는 그 이상의 절단 또는 연마 공정을 거쳤거나 및/또는 그 후에는 하나 또는 그 이상의 폴리싱 공정을 거치게 될 것이다. 대표적인 기판들은 경질 표면, 예컨대, 종래의 융합된 실리카 유리의 경도, 또는 약 1550 HB 브리넬 경도 또는 7 모스 경도의 경도보다 더 큰 경도를 가진 표면, 가령, 사파이어(예컨대, 사파이어의 A, C, 또는 R 평면), 그 밖의 원석, 가령, 에메랄드 및 루비, 세라믹, 금속, 가령, 티타늄, 및 이와 유사한 재료를 포함한다. 특정 예로서, 기판은 사파이어이거나 또는 사파이어를 포함하며 사파이어의 A-평면은 방법(300)을 사용하여 래핑된다. 상기 단계 동안 래핑될 수 있는 그 밖의 표면은 반도체, 가령, 실리콘 및 게르마늄 비소화물(예컨대, 슬라이싱(slicing) 바로 직후) 및 그 밖의 세라믹 재료를 포함한다.
단계 306 동안, 기판 표면은 폴리머 재료(예컨대, 도 1 및 2에 예시된 폴리머 재료(106))와 접촉한 채로 위치된다. 단계 304 및 306은 동시에 수행될 수 있다. 도 1에 예시된 것과 같이, 하부방향 압력(downward pressure)이 추(120)를 사용하여 캐리어(예컨대, 캐리어(108))에 제공될 수 있다.
단계 308 동안, 기판 및 폴리머 재료는 기판 표면으로부터 재료를 제거하기 위하여 서로에 대해 이동된다. 도 1에 예시된 예에서, 캐리어(108)는 래핑 공정 동안 기판(112)을 보유한다. 위에서 기술된 것과 같이, 캐리어(108)는 기판이 캐리어(108)의 축(114) 및/또는 래핑 장치(102)의 축(118) 주위로 회전될 수 있게 한다. 그 외에도 또는 대안으로, 래핑 시스템(100)은 궤도(orbital) 또는 그 밖의 상대적 회전 운동에 의해 기판(112) 표면이 래핑 장치(102)에 대해 이동되게 하도록 구성될 수 있다. 원하는 재료 연삭능률 및/또는 균일성을 용이하게 구현하기 위하여 단계 308 동안 하부방향 힘(downward force)이 캐리어(108)에 제공될 수 있다.
단계 308 동안, 슬러리(예컨대, 슬러리(110))가 폴리머 재료의 표면에 제공될 수 있다. 슬러리는 용액에 현탁된 연마 입자(예컨대, 다면(multifaceted) 다이아몬드 입자, 또한, 다이아몬드로도 지칭되는 입자, 또는 그 밖의 연마재, 가령, 본 명세서에 기술된 연마재)를 포함할 수 있다. 대표적인 슬러리로는, Sandvik사의 DI900-C1 명칭의 슬러리가 사용 가능하다.
상기 방법(300) 및/또는 시스템(100) 및/또는 장치(102)을 사용하는 대표적인 래핑 연삭능률은 20 μm/hr보다 더 크며, 고-밀도 폴리우레탄 발포 재료를 사용하거나 또는 A-평면 사파이어 표면을 고체 열가소성 래핑(solid thermoplastic lapping)하여, 약 20 μm/hr 내지 약 60 μm/hr, 20 μm/hr 내지 약 120 μm/hr, 35 μm/hr 내지 약 90 μm/hr, 60 μm/hr 내지 약 140 μm/hr, 약 35 μm/hr 내지 약 90 μm/hr, 또는 약 60 μm/hr 내지 약 140 μm/hr 사이일 수 있다.
매질 및 폴리머 재료를 형성하는 방법
본 명세서에 기술된 폴리머 재료는, 특정 폴리머 재료에 따라, 다양한 방법들로 형성될 수 있다. 상기 다양한 방법들은, 하나 또는 그 이상의 제1 화합물(예컨대, 서로 결합된 하나 또는 그 이상의 반응성 수소(reactive hydrogen)를 가진)을 혼합하는 단계, 하나 또는 그 이상의 제2 화합물을 하나 또는 그 이상의 제1 화합물과 반응시켜 조성물을 형성하는 단계, 및 상기 조성물을 몰드(mold)에 붓는 단계를 포함한다. 대표적인 방법들은, 그 밖의 화합물, 가령, 필러(filler), 착색제(colorant), 연마재, 촉매제, 기포제 또는 발포제(폴리머 발포 재료의 경우), 계면활성제 또는 기포 안정화제(cell stabilizer), 소포제(defoamer) 등에서, 제1 화합물, 제2 화합물 및/또는 조성물과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
폴리우레아, 폴리우레탄, 및 폴리우레아-폴리우레탄 하이브리드 재료의 경우, 폴리머 재료는, 하나 또는 그 이상의 폴리아민 또는 폴리올(하나 또는 그 이상의 제1 화합물)을 폴리이소시아네이트, 폴리이소시아네이트 유도체, 및 폴리이소시아네이트 생성물(하나 또는 그 이상의 제2 화합물) 중 하나 또는 그 이상과 혼합시켜 폴리우레탄, 폴리우레탄/폴리우레아 하이브리드 또는 폴리우레아-계 조성물을 형성하고, 상기 조성물을 몰드에 부음으로써 형성될 수 있다. 본 대표적인 방법들은 본 명세서에 기술된 것과 같이 또는 그 외에 달리 종래 기술에 공지인 것과 같이 추가적인 재료를 첨가하고(adding) 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 것과 같이, 다양한 폴리우레탄 래핑 재료가 촉매제와 함께 준비될 수 있다. 그 밖의 다른 래핑 재료들은 촉매제 없이도 형성될 수 있다. 적합한 촉매제의 군(class)들은, 이들에만 제한되지 않지만, 삼차 아민, 가령, 트리에틸아민, 및 유기금속 화합물, 가령, 디브틸주석 디라우레이트(dibutyltin dilaurate)를 포함한다. 또한, 래핑 공정에서 연마 슬러리를 보조하기 위해 폴리머에 고정 연마재를 제공함으로써, 필러 또는 연마재가 첨가될 수도 있다. 대표적인 필러/연마재는 유기 및/또는 무기 필러를 포함한다. 대표적인 무기 필러는, 이들에만 제한되지 않지만, 예를 들어, 세륨 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코니아, 아이언 옥사이드, 이산화망간, 카올린 클레이, 몬모릴로나이트 클레이, 티타늄 옥사이드, 실리콘 카바이드, 보론 카바이드, 및 다이아몬드의 입자를 포함하는 대표적인 마모 입자들을 포함할 수 있다. 무기 입자들의 크기는 약 0.001 마이크론 내지 약 1000 마이크론, 또는 약 0.5 마이크론 내지 약 3.0 마이크론 평균 직경 사이일 수 있다. 대표적인 유기 필러는 폴리우레탄 발포체, 에폭시, 폴리스티렌, 폴리아크릴릭, 폴리이미드, 또는 그 밖의 열가소성 또는 열경화성 재료를 포함한다. 폴리머 재료는 0 내지 약 80 중량% 필러를 포함할 수 있다. 대표적인 필러의 중량은 약 15 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 20 중량% 내지 약 25 중량% 사이이다.
추가예들에 따르면, 공극(pore)의 크기를 조절하기 위해, 소포제가 제1 화합물, 제2 화합물, 또는 조성물에 첨가될 수 있다. 대표적인 소포제는 다우코닝사의 DC 시리즈 실리콘 유체를 포함한다.
폴리우레아, 폴리우레탄, 및/또는 폴리우레탄-폴리우레아 재료를 발포체로 쉽게 만들기 위하여, 기포제로도 지칭되는 대표적인 발포제들이 사용될 수 있다. 대표적인 발포제는, 하나 또는 그 이상의 하이드로플루오로카본(HFC) 또는 2개 또는 그 이상의 하이드로카본(HFCs), 가령, 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄(HFC-365); 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 메톡시-노나플루오로부탄(HFE-7100)의 공비혼합물 및 니트릴을 포함하는 자유 라디칼 개시제, 가령, 2,4-디메틸, 2,2'-아조비스 펜탄니트릴을 포함한다. 특정 발포제는 HFC Solkane® 365mfc 및 134a(솔베이, 하노버, 독일), 및 자유 라디칼 개시제 Vazo 52(듀퐁, 윌밍턴, 델라웨어, 미국)를 포함한다. 그 외에도 또는 대안으로, 폴리머 재료를 제작하는 동안 공극을 형성하기 위한 대표적인 열분해제(thermal decomposition agent)로서 아조디카본아미드가 사용될 수 있다. 이산화탄소를 생성하는 이소시아네이트와 물 사이의 반응에 의해 폴리우레탄/폴리우레아 시스템을 발포시키기 위하여, 물이 일반적으로 사용된다. 재료 또는 재료를 포함하는 매질을 형성하기 위하여, 발포제, 가령, 본 명세서에 기술된 발포제를 포함하지만 이들에만 제한되지는 않는 발포제의 다양한 조합들이 사용되며 이들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 원하는 성질을 가진 폴리머 발포 재료를 형성하기 위하여 발포제/기포제의 양이 중요한 요인인 것으로 고려된다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 폴리머 발포 재료는 조성물에서 약 5 중량% 미만 발포제, 또는 약 0 중량% 내지 약 3 중량% 발포제, 또는 약 0 중량% 내지 약 1 중량% 발포제로 형성된다. 그 외에도 또는 대안으로, 폴리머 재료를 제작하는 동안, 기체 기포(기체 bubble)를 재료에 혼입(entraining)시킴으로써, 다공도(porosity)가 추가될 수 있는데, 이는 밑에서 보다 상세하게 기술될 것이다.
기포 안정화제로도 지칭되는, 대표적인 계면활성제는 Momentive 브랜드 L-6100 및 다우코닝 DC-193을 포함한다. 일반적인 예는, 점성(0.65 내지 60,000 센티스토크 사이에서 변할 수 있음)으로 표시된 것과 같이 상이한 분자량에서 제공된 폴리디메틸실록산 실로콘 유체가 포함되는데, 대표적인 재료는 저-점성 유체 또는 실록산-폴리에테르 코폴리머이다. 실록산 부분()은 가수분해성 또는 비-가수분해성일 수 있다. 몇몇 예들은 비-가수분해성이다. 코폴리머의 폴리에테르 부분은 일반적으로 전체 분자량 및 가변적인 상대 비율의 프로필렌 옥사이드와 에틸렌 옥사이드의 랜덤(random) 또는 블록(block) 코폴리머이다.
재료 또는 화합물은, 예를 들어, 매트릭스(matrix)에 공기 및/또는 입자를 일체로 구성하기 위해(incorporate) 고-전단 혼합(high-shear blending)을 사용하여 함께 혼합될 수 있다. 그 외에도 또는 대안으로, 혼합 또는 장착 공정(settling process) 동안에, 기체, 가령, 질소가 첨가될 수 있다. 폴리머 래핑 재료는 개방 또는 밀폐 몰드에서 고체(solid) 엘라스토머 또는 고-밀도 발포체로서 형성될 수 있다.
폴리머 재료를 형성하는 대표적인 방법들은 단일 믹서(mixer)에서 수행될 수 있다. 다양한 대표적인 방법들에 따르면, 하나 또는 그 이상의 열경화성 또는 이들의 빌딩 블록(building block)들이 예를 들어, 고-전단 임펠러를 사용하여, 개방-공기 용기(open-air container)에서 혼합된다. 혼합 공정 동안, 회전력에 의해 발생된 와류(vortex) 안에 공기를 끌어당기는 임펠러의 작용에 의해 혼합물(mix)에 대기(atmospheric air)가 혼입될 수 있다. 혼입된 기체 기포는 발포 공정 동안 핵 생성처(nucleationsite)로서 작용할 수 있다. 기체, 가령, CO2를 발생하는 반응을 야기하여 세포 성장을 촉진하기 위해 발포제, 가령, 물이 혼합물에 첨가될 수 있다. 상기 개방-공기 혼합 동안, 그리고, 액체 상태(liquid phase)에 있는 동안, 그 밖의 선택적인 첨가제, 가령, 계면활성제 또는 추가 발포제가 혼합물에 첨가될 수 있다. 반대로, 열경화성 또는 이들의 빌딩 블록이 고-진공 하에서 열경화성 반응 동안 탈기될 수 있으며 공기 혼입 없이 혼합될 수 있다. 이 경우, 계면활성제, 발포제, 및 거품제(frothing agent)가 필요없을 수 있거나 필요없다. 그에 따른 폴리머 래핑 패드는 고체 열경화성 플라스틱, 가령, 예컨대, 본 명세서에 기술된 성질을 가진 플라스틱이다.
몇몇 예시된 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 폴리이소시아네이트 또는 이들의 유도체 또는 생성물을 첨가한 후에, 약 1-2분의 짧은 시간 창(time window)이 있는데, 그동안 혼합물의 점성은 낮은 상태로 유지되며, 이는 "저-점성 창(low-viscosity window)"로 지칭된다. 혼합물은 상기 창 동안 몰드에 부어질 수 있다. 한 실시예에서, 붓고 난 바로 직후에, 상기 창은 통과되며 기존의 공극들은 제자리에서 효율적으로 냉각된다. 이렇게 붓는 과정(pore motion)이 실질적으로 끝난다 할지라도, 공극 성장(pore growth)은 지속될 수 있는데, 예를 들어, CO2가 중합 반응(polymerization reaction)으로부터 지속적으로 생성된다. 한 실시예에서, 몰드는, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 130℃ 또는 약 115℃에서 약 6 내지 약 12 시간 동안 오븐에서 경화되어(oven cured) 중합 반응이 실질적으로 종료된다.
오븐 경화 후에는, 몰드는 오븐으로부터 제거되어 냉각될 수 있다. 몰딩된 폴리머 재료는 빼내어져(skived) 폴리머 재료의 슬라이스(slice)를 생성하는데, 상기 폴리머 재료의 슬라이스는 원형 패드(circular pad) 또는 직사각형-형태의 패드 또는 임의의 그 밖의 원하는 형태의 패드로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 슬라이스들은 펀치(punch) 또는 절단 공구(cutting tool) 또는 임의의 그 밖의 적합한 도구들로 특정 형태로 절단하여 형성될 수 있다. 몇몇 예시된 실시예들에서, 접착제(예컨대, 압력 감응 접착제)가 패드의 한 면에 제공된다(applied). 그 외에도 또는 대안으로, 폴리머 재료 표면은, 원할 시에, 예를 들어, 래핑 표면에 일정 패턴(pattern), 가령, 십자-방격(cross-hatched) 패턴(또는 임의의 그 밖의 적절한 패턴)으로 홈이 파질 수 있다(grooved). 추가적인 예들로서, 이러한 홈의 형태 또는 기하학적 형태(geometry)는 정사각형 골(trough), 둥근 골, 및 삼각형 골 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 특정 실시예들 외에도, 본 발명에서는 래핑 표면에 다양한 기하학적 형상 및 물리적 형태가 고려된다. 홈들은 본 명세서에 기술된 것과 같이 폴리머 재료에 홈을 형성할 수 있는 임의의 기계적 방법에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 홈들은 원형의 톱니 블레이드, 펀치, 니들(needle), 드릴, 레이저, 에어-제트, 워터 제트, 또는 패드에 홈을 생성할 수 있는 임의의 그 밖의 도구로 형성될 수 있다. 게다가, 홈들은 복수의 갱쏘 지그(gang-saw jig), 다중-드릴 비트 지그, 다중-펀치 지그, 다중-니들 지그 등으로 동시에 형성될 수 있다.
위에서 기술된 것과 같이, 폴리머 재료를 형성하는 방법은 폐-루프 인라인 혼합(closed-loop incline mixing)을 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 폴리머 재료는 폐-루프 인라인 믹서(closed-loop inline mixer)에서 생성될 수 있다. 예로서, 폐-루프 인라인 혼합을 이용하여, NCO 말단(terminated) 프리폴리머 및 폴리아민 경화제(curing agent)로 구성된 폴리우레탄/폴리우레아 하이브리드가 형성될 수 있다. 원하는 성질을 가진, 가령, 상기 표 1에 표시된 성질을 가진 고-밀도 폴리머 필름이 형성될 수 있도록 하기 위하여, 기포 조핵제(bubble nucleating agent), 가령, 용해된 공기/질소 및 잔류 물(residual water)을 제거하기 위해, NCO 말단 프리폴리머 및/또는 폴리-아민 경화제에, 30분보다 더 긴 시간 동안 29 수은주 인치(in. Hg)보다 더 길게 진공(vacuum)이 제공된다. 탈기가 종료되고 난 뒤, NCO 프리폴리머 및 폴리-아민 경화제는 폐 혼합 헤드(closed mixing head)에 지속적으로 주입되어(injected), 이들은 상기 폐 혼합 헤드에서 고-전단 및/또는 고압 함침(impingement) 하에서 함께 혼합되고, 그 후에, 몰드로 배출된다. 몰드는 개방되거나 또는 밀폐될 수 있으며 진공에 의해 추가로 탈기되며, 밀폐 몰드에 혼합 공정에 의해 혼입된 기포를 제거하기 위하여, 진공이 사용될 수 있다.
본 발명의 대안의 실시예들에 따르면, 폴리머 재료는 에폭시를 포함한다. 이 경우에서, 에폭시 수지가 개방 또는 밀폐 혼합 환경에서 경질화제(hardener)와 혼합되어 고-밀도 폴리머 재료, 가령, 예컨대, 엘라스토머 또는 고체 엘라스토머를 생성한다. 에폭시 수지는 일반적으로 비스페놀 A, F, 및 S의 에폭시드 말단 디글리시딜 에스테르, 에폭시 페놀 노볼락, 지방족, 또는 지환족으로 구성된다. 경질화제는 활성 수소 화합물(active hydrogen compound), 가령, 아민(일차 및 이차), 무수물, 페놀, 및 티올을 포함한다.
본 발명의 실시예들의 그 밖의 양태들에 따르면, 폴리머 재료는 폴리카보네이트를 포함한다. 비스페놀 A 유도 폴리카보네이트 시트(예컨대, 베이어사의 Makrolon 명칭으로 사용가능한)가 래핑 패드의 형태로 절단될 수 있으며 재료의 표면에 홈들이 형성될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 대표적인 실시예들에 따르면, 폴리머 재료는 하나 또는 그 이상의 열가소성 재료를 포함한다. 대표적인 열가소성 재료는 아로마 함유 폴리머, 가령, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아로마 폴리이미드, 및 아로마 폴리아미드(아라미드)를 포함한다. 대표적인 열가소성 재료는 시트 형태로 사용할 수 있으며 래핑 패드로 절단되고 기계가공될 수 있다. 열가소성 재료는 일반적으로 시트 형태로 압출되고, 그 뒤, 래핑 패드 형태로 절단된다. 재료의 표면에 홈들이 형성될 수 있다.
래핑 매질(Lapping Media)
래핑 매질은 본 명세서에 기술된 것과 같은 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 래핑 매질은 표면에 홈들을 포함할 수 있다. 그 외에도 또는 대안으로, 래핑 매질은 표면에 접착제 재료를 포함할 수 있다. 추가로, 래핑 매질은 본 명세서에 기술된 것과 같은 폴리머 재료의 하나 또는 그 이상의 층(layer) 또는 시트를 단독으로 포함할 수 있거나, 또는 그 밖의 폴리머 재료의 층들과 조합될 수도 있다.
특정 실시예
종래 공정(금속 래핑 플레이트): 구리 플레이트. 알루미늄 기판 상에 0.5 인치 두께의 구리 디스크(disc)가 100 파운드 이상의 전체 무게(total weight)를 가진다. 워크피스(workpiece)와 접촉하는 구리 디스크는 0.25 mm의 깊이를 가진 홈들을 갖는다. 구리 디스크가 마모됨에 따라, 홈들은 사라져서 다시 표면에 형성할 필요가 있다. 구리 디스크를 재표면처리하는 과정(resurfacing)은 원래 홈들을 래핑하고 디스크를 평평하게 하며 다시-홈을 형성하는(re-grooving) 단계로 구성되며 일반적으로 유효 작동 수명 동안 플레이트를 물리적으로 수회 재배치해야 하는 또 다른 기계에서 수행된다. 2중-면 폴리싱 및 다이아몬드 슬러리를 이용하여 60 μm/hr의 연삭능률을 구현하였다.
실시예 1: 발포된 폴리머 재료. 폴리우레탄/폴리우레아 하이브리드. 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMEG) 디올, 디에틸렌 글리콜(DEG), 및 톨루엔 디이소시아네이트로 준비된 프리폴리머의 100 부분들과 9.5 중량%-10.5 중량%의 함량을 가진 이소시아네이트(NCO)를, 개방 반응기 탱크(open reactor tank)에서 카울스(Cowles) 타입의 고-전단 블레이드로 교반시켰다(stirred). 50-100 cSt 실리콘 유체의 1.2 부분들을 프리폴리머에 첨가하고 공기가 혼합물 내로 혼입되도록 고-전단 상태 하에서 혼합시켰다. 그 뒤, 메틸렌 비스-올소클롤로아날린의 30.2 부분들을 혼합물에 첨가하고, 고-전단 하에서 완전히 혼합시킨 뒤, 개방 몰드에 부었다. 이 혼합물을 실온에서 약 15분 동안 초록 경화(green cure)시킨 뒤, 120℃에서 6 시간 동안 후-경화시켰다(post-cured). 그 뒤에, 고-밀도 폴리우레탄/폴리우레아 하이브리드 발포체를 시트와 홈 패턴으로 절단하고 압력 감응 접착제(PSA)를 제공하였다. SpeedFAM 9B을 이용하여, 압력: 4.03 psi; 상부 플레이트 속도: -15 rpm; 바닥 플레이트 속도: 45 rpm; 슬러리 타입: DI 900-C1(12-25 μm 다이아몬드 입자 크기); 슬러리 흐름: 8 mL/분 상태에서, 워크피스를 래핑하였다. A-평면 사파이어 워크피스의 표면으로부터 90 μm/hr의 연삭능률을 구현하였다.
실시예 2: 발포된 폴리머 재료. 에폭시. 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 및 프로폭실레이트 트리에틸렌테트라아민으로 구성된 아민 블렌드의 20 부분들과 비스-페놀 A 타입 에폭시 수지의 100 부분들을 40-50℃에서 가열하고 최소 29.5 수은주 인치에서 최소 30분 동안 탈기시켰다. 그 뒤, 저-전단(low-shear) 디스펜서 헤드로 두 성분을 밀폐 루프 믹서 내에서 혼합시켰다. 상기 에폭시 블렌드를 개방 몰드에 배출시켜 경화될 때까지 점성이 형성되게 하였다. 주물(casting)을 20-25℃에서 24-48 시간 동안 경화되게 하였다. 그 뒤, 주물을 래핑 패드 시트 내로 기계가공한 뒤, 홈 패턴(groove pattern)을 절단하고, PSA를 제공하였다. SpeedFAM 9B을 이용하여, 압력: 4.03 psi; 상부 플레이트 속도: -15 rpm; 바닥 플레이트 속도: 45 rpm; 슬러리 타입: DI 900-C1(12-25 μm 다이아몬드 입자 크기); 슬러리 흐름: 8 mL/분 상태에서, 워크피스를 래핑하였다. A-평면 사파이어 워크피스의 표면으로부터 90 μm/hr의 연삭능률을 구현하였다.
실시예 3: 비-발포된 폴리머 재료. 폴리카보네이트. 베이어사의 Makrolon 상표의 폴리카보네이트의 시트 스톡(sheet stock)을 래핑 패드에 적합한 시트로 변환시켰다(converted). 그 뒤, 상기 패드를 래핑 패드 시트로 기계가공하고 홈 패턴을 절단하여 PSA를 제공하였다. SpeedFAM 9B을 이용하여, 압력: 4.03 psi; 상부 플레이트 속도: -15 rpm; 바닥 플레이트 속도: 45 rpm; 슬러리 타입: DI 900-C1(12-25 μm 다이아몬드 입자 크기); 슬러리 흐름: 8 mL/분 상태에서, 워크피스를 래핑하였다. A-평면 사파이어 워크피스의 표면으로부터 136 μm/hr의 연삭능률을 구현하였다.
본 명세서에는 본 발명의 대표적인 실시예들만이 기술되어 있지만, 본 발명이 이들에만 제한되는 것이 아니라는 사실을 이해해야 한다. 예를 들어, 재료, 매질, 장치, 시스템, 및 방법들이 경질-표면 재료를 래핑하는 방법과 연관되어 기술되어 있지만, 그 외에 달리 기술되지 않는 한, 본 발명은 이들에만 제한되는 것이 아니다. 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도, 본 명세서에 기술된 재료, 방법, 및 매질의 다양한 변형예 및, 개선예들이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 래핑 시스템에 있어서, 상기 래핑 시스템은:
    플래턴;
    상기 플래턴에 결부된 폴리머 재료를 포함하되, 상기 폴리머 재료의 밀도는 약 0.7 g/cm3 내지 약 3.0 g/cm3 사이이며;
    연마 입자를 포함하는 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 크기가 약 10 μm 내지 약 1000 μm 사이인 공극을 포함하는 폴리머 발포 재료인 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 폴리머 재료의 밀도는 0.9 g/cm3보다 더 큰 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 열경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리이미드, 폴리아리미드, 폴리카보네이트 및 에폭시로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 연마 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 래핑 시스템은 20 μm/hr 이상의 A-평면 사파이어의 재료 연삭능률을 구현하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 폴리머 재료의 압축률은 약 1% 내지 약 15% 사이인 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 홈(groove)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 폴리머 재료는 0 내지 약 80 중량% 사이의 무기 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 폴리머 재료의 저장 탄성률은 약 100 MPa 내지 약 3000 MPa 사이인 것을 특징으로 하는 래핑 시스템.
  12. 기판의 표면을 래핑하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    플래턴 및 상기 플래턴에 결부된 폴리머 재료를 포함하는 래핑 시스템을 제공하는 단계를 포함하되, 상기 폴리머 재료는 약 0.85 g/cm3 내지 약 3.0 g/cm3 사이의 밀도를 가지며;
    기판을 제공하는 단계;
    기판과 폴리머 재료를 접촉시키는 단계; 및
    폴리머 재료를 기판에 대해 이동시켜 기판의 표면을 래핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 기판은 1550 HB 브리넬 경도보다 더 큰 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 이동 단계 동안, 기판 표면으로부터의 재료의 연삭능률은 20 μm/hr 이상인 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 폴리머 재료는 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리이미드, 폴리아리미드, 폴리카보네이트 및 에폭시로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 방법은 슬러리를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 슬러리는 다면 다이아몬드를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하는 방법.
  18. 기판의 표면을 래핑하기 위한 폴리머 재료에 있어서,
    상기 폴리머 재료는 약 0.7 g/cm3 내지 약 3.0 g/cm3 사이의 밀도를 가지며 하나 또는 그 이상의 열경화성 재료로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하기 위한 폴리머 재료.
  19. 제18항에 있어서, 폴리머 재료는 0.9 g/cm3보다 더 큰 밀도를 가진 폴리머 발포 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하기 위한 폴리머 재료.
  20. 제18항에 있어서, 폴리머 재료의 압축률은 약 1% 내지 약 15% 사이인 것을 특징으로 하는 기판의 표면을 래핑하기 위한 폴리머 재료.
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