플라스틱 부품 표면 구조색을 위한 나노입자 기반 강건한 나노/마이크로 패턴 몰드 제작과 사출성형 응용 Fabrication of durable nano/micro-patterned mold and its application into injection molding for structural color on plastic part surface
표면 및 계면의 나노/마이크로 패턴화는 현대 정밀 기술의 핵심 분야로 등장하 며 디스플레이, 광학, 바이오, 에너지 및 환경 등 다양한 분야에서 널리 응용되 고 있다. 이를 실용화하기 위해서는 나노/마이크로패턴 제작 비용, 대면적화, 고속화, 그리고 강도와 내구성 등 다양한 요소를 고려해야 하며 대량생산화를 목적으로 한 몰드 제작과 평가가 필수적이다. 본 연구에서는 플라스틱 표면 구조색을 위한 사출성형용 나노/마이크로 패턴 몰드를 제작하였다. 고온/고압의 환경에서도 견고함을 유지할 수 있는 ...
표면 및 계면의 나노/마이크로 패턴화는 현대 정밀 기술의 핵심 분야로 등장하 며 디스플레이, 광학, 바이오, 에너지 및 환경 등 다양한 분야에서 널리 응용되 고 있다. 이를 실용화하기 위해서는 나노/마이크로패턴 제작 비용, 대면적화, 고속화, 그리고 강도와 내구성 등 다양한 요소를 고려해야 하며 대량생산화를 목적으로 한 몰드 제작과 평가가 필수적이다. 본 연구에서는 플라스틱 표면 구조색을 위한 사출성형용 나노/마이크로 패턴 몰드를 제작하였다. 고온/고압의 환경에서도 견고함을 유지할 수 있는 Steel 기 판 위에 패턴을 전사하고 대량생산에 적합한지 평가하였으며, 그 방법은 구체 적으로 아래와 같다. 첫 번째, 나노복합재를 통해 기계적 물성을 높여 저비용 고강도 나노패턴 몰 드를 제작하고 화학적, 기계적 물성 분석을 진행하였다. XRD와 EDS 측정을 통 하여 나노복합재의 고온 열처리 후, 폴리머가 열분해 되고 지르코니아 결정성 이 증가하는 것을 확인하였다. 고온 열처리에서의 지르코니아 나노입자의 결합 이 기계적 물성에도 영향을 주어 800°C에서 최대 5,000MPa, 200GPa의 경도와 탄성계수를 확보하였다. 직접적인 마모를 주었을 때에도, 고온 열처리 이후 나 노입자 박막 층의 내마모성 및 탈락이 개선되는 것을 확인하였다. 두 번째, 나노복합재 기반 나노/마이크로 패턴은 고온 열처리 단계에서 뚜렷한 수축이 발생한다. 나노패턴의 경우 200nm 높이의 마스터에서 PDMS를 제작하 고 Soft-NIL 방식으로 몰드를 제작한다. UV 경화와 고온 열처리 이후 40%의 높이 수축이 발생하였고 최종적으로 100nm 수준의 높이를 가지는 나노패턴 몰 드가 제작된다. 5um 사이즈의 패턴도 같은 방식으로 제작 후, 열처리 하면 최 대 50%의 수축이 발생하는 것을 확인하였다. 세 번째, 나노입자 기반 나노/마이크로 패턴 몰드를 사출성형용 코어에 제작 후, 사출성형을 응용하여 표면에 구조색을 가진 플라스틱 부품을 제작하고, 그 복제율을 평가하였다. PC 소재를 사용하여 표면 구조색 플라스틱 부품을 성형 하였으며, 구조색이 잘 전사된 것을 확인할 수 있었고 그 복제율은 패턴 몰드 에서 80% 이상의 패턴 형상을 구현하는 것을 확인하였다. 600샷 사출 후 패턴 의 변형을 비교하였을 때, 변형없이 사출성형과 같은 고온/고압의 환경에서도 버틸 수 있는 견고한 패턴 몰드임을 확인하였다.
표면 및 계면의 나노/마이크로 패턴화는 현대 정밀 기술의 핵심 분야로 등장하 며 디스플레이, 광학, 바이오, 에너지 및 환경 등 다양한 분야에서 널리 응용되 고 있다. 이를 실용화하기 위해서는 나노/마이크로패턴 제작 비용, 대면적화, 고속화, 그리고 강도와 내구성 등 다양한 요소를 고려해야 하며 대량생산화를 목적으로 한 몰드 제작과 평가가 필수적이다. 본 연구에서는 플라스틱 표면 구조색을 위한 사출성형용 나노/마이크로 패턴 몰드를 제작하였다. 고온/고압의 환경에서도 견고함을 유지할 수 있는 Steel 기 판 위에 패턴을 전사하고 대량생산에 적합한지 평가하였으며, 그 방법은 구체 적으로 아래와 같다. 첫 번째, 나노복합재를 통해 기계적 물성을 높여 저비용 고강도 나노패턴 몰 드를 제작하고 화학적, 기계적 물성 분석을 진행하였다. XRD와 EDS 측정을 통 하여 나노복합재의 고온 열처리 후, 폴리머가 열분해 되고 지르코니아 결정성 이 증가하는 것을 확인하였다. 고온 열처리에서의 지르코니아 나노입자의 결합 이 기계적 물성에도 영향을 주어 800°C에서 최대 5,000MPa, 200GPa의 경도와 탄성계수를 확보하였다. 직접적인 마모를 주었을 때에도, 고온 열처리 이후 나 노입자 박막 층의 내마모성 및 탈락이 개선되는 것을 확인하였다. 두 번째, 나노복합재 기반 나노/마이크로 패턴은 고온 열처리 단계에서 뚜렷한 수축이 발생한다. 나노패턴의 경우 200nm 높이의 마스터에서 PDMS를 제작하 고 Soft-NIL 방식으로 몰드를 제작한다. UV 경화와 고온 열처리 이후 40%의 높이 수축이 발생하였고 최종적으로 100nm 수준의 높이를 가지는 나노패턴 몰 드가 제작된다. 5um 사이즈의 패턴도 같은 방식으로 제작 후, 열처리 하면 최 대 50%의 수축이 발생하는 것을 확인하였다. 세 번째, 나노입자 기반 나노/마이크로 패턴 몰드를 사출성형용 코어에 제작 후, 사출성형을 응용하여 표면에 구조색을 가진 플라스틱 부품을 제작하고, 그 복제율을 평가하였다. PC 소재를 사용하여 표면 구조색 플라스틱 부품을 성형 하였으며, 구조색이 잘 전사된 것을 확인할 수 있었고 그 복제율은 패턴 몰드 에서 80% 이상의 패턴 형상을 구현하는 것을 확인하였다. 600샷 사출 후 패턴 의 변형을 비교하였을 때, 변형없이 사출성형과 같은 고온/고압의 환경에서도 버틸 수 있는 견고한 패턴 몰드임을 확인하였다.
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