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제안 방법
- 6(c)). 간단한 실험결과를 바탕으로 본 연구에서 사용된펠티어 소자를 이용한 금형의 온도 제어에 대한 타당성을 검증하였다. 향후, 보다 다양한 온도 조건의 실험을 통하여 금형의 온도변화에 따른 구조물의 특성을 연구할 예정이다.
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4는 금형코어와 펠티어 소자 및 고정판을 조립한 그림이다. 금형 표면에 설치된 열전대 (thermo couple, ptlOO)를 통해 표면온도가 검줄되 며검출된 온도 데이터는 PID 제어를 통하여 펠티어소자의 온도를 조절하였다.
- 금형의 온도 제어를 위해 사용된펠티어 소자의 효과와 성능을 확인하기 위하여, Table 1과 같이 간단한 세가지 조건에서 실험을 수행하였다. PMMA 의 유리 전이온도 범위의 100℃ 까지 상승하는데 소요 시간은 약 40 초이며, 성형을 위해 유지하는 시간은 3 초로 유지한 후, 냉각을 위해 설정된 값으로 온도를 변화시켰다.
- 펠티어 소자의 열효율을 높이고, 금형 마스터의 교체가 용이하게 몰드가 쉽게 분리되는 코어형으로 제작하였다. 또한, 금형 내의 온도보상은 열화상 카메라를 이용하여 최적 온도조건을 도출하였다. 제작된 마이크로 사출성형 시스템은 마이크로-나노 패턴을 몰드 스탬퍼로 이용하여 간단한 온도조건으로 PMMA 상에 성형실험을 수행하였다.
- 제어기에서 발생하는 동작 신호를 직접적으로 펠티어 소자가 작동하는 최적 전류와 전압의 환경으로 전달하기 위해서 L298 칩을 이용하여 브릿지 회로를 구성하였다. 또한, 컨트롤러에서 발생하는 전력 손실과 발열반응을 저하시키기 위해서 트랜지스터의 일종인 MOSFET 드라이브를 구성하였다. 외부에서 신호를 빠르고 편리하게 입력하기 위해서 터치패널 방식으로 제작하였다.
- 20mmx20mm 실 리 콘 상에 사각, 원, 트랜치 (trench)와 격자(grating) 및 방사형 원 형상 등 다양하게 제작하였다. 또한, 패턴의 크기는 마이크로 선폭(width=2-5卜im), 깊이(depth==4~7μm)로 동일한 형상에 크기별로 제작하여 치수효과에 대한 성형 특성을 고려하였다. 성형된 패턴은 FE-SEM 을 이용하여 형상을 측정.
- 테프론의 삽입 유무에 따라 스탬퍼 캐피티의 설정온도까지 도달하는 시간차는 약 10초가 발생하여 테프론이 몰드 코어와 고정판 사이의 열전달을 차단함을 확인하였다. 또한, 펠티어 소자에서 발생하는 열을 스탬퍼 캐비티 내로 빠르게 전달하기 위하여 펠티어 소자와 몰드 코어에 써멀 그리스(thermal grease)를 도포하여 열 전달을 향상시켰다.
- 본 연구에서는 금형 온도를 기존 열히터와 냉각수에 의해 조절하는 방법 대신에 펠티어 소자를 이용하여 국부적으로 금형의 온도를 빠르게 상승과 하강이 가능하도록 제어하였다. 펠티어 소자의 설정 온도를 효율적으로 유지하기 위해 PID 제어를 하였다.
- 본 연구에서는 빠른 가열과 냉각이 가능한 폘티어 소자(Peltier devices)를 이용하여 사줄 금형의 온도를 능동적으로 제어하였다- 펠티어 소자의 열효율을 높이고 금형 마스터의 교체를 용이하게 하기 위해서, 몰드가 쉽게 분리되는 코어형으로 설계되었으며, 금형 내의 온도보상은 열화상 카메라를 이용하여 최적 온도조건을 도출하였다. 제작된 마이크로 사출성형 시스템은 마이크로-나노 패턴을 몰드 스탬퍼로 이용하여 PMMA 상에 인위 적인 조건하에서 성형실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 펠티어 소자를 이용하여 금형 온도를 빠르고 효율적으로 제어하였다. 펠티어 소자의 열효율을 높이고, 금형 마스터의 교체가 용이하게 몰드가 쉽게 분리되는 코어형으로 제작하였다.
- 사용되었다. 사용된 펠티어 소자가 금형 온도를 효율적으로 제어가 가능한가에 대한 타당성을 검토하기 위하여, 사용된 PMMA 의 유리전이온도를 기준으로 2(VC 또는 40℃ 의 온도편차를 가지고 가열과 냉각을 조절하는 실험을 간단히 수행하였다.
- 유동해석 프로그램은 Flow 3D를 이용하였다. 성형해석의 변수로는 러너의 형상(직석/디퓨져)에 따라 해석하였으며, 폴리머의 온도 조건 및 러너표면과의 접촉각 및 표면장력을 적용하여 동일 시간대에서 주어진 레진 충진량의 차이로 결과를 판단하였다. Fig.
- 스탬퍼 캐비티의 온도를 빠르게 가열하고 냉각하기 위하여 캐비티 하단에 200#1의 간격으로 펠티어 소자가 삽입할 수 있는 홈을 가공하였다. 스탬퍼와 펠티어 소자를 직접 연결하면 열 손실이 최소화되지만, 사출 시 강한 압력에 의해 펠티어소자가 파손되기 때문에 200pm의 간격을 두고 설치하였다.
- 또한, 컨트롤러에서 발생하는 전력 손실과 발열반응을 저하시키기 위해서 트랜지스터의 일종인 MOSFET 드라이브를 구성하였다. 외부에서 신호를 빠르고 편리하게 입력하기 위해서 터치패널 방식으로 제작하였다. 제어기의 초기 설정은 금형 표면에 내장된 열전대를 통하여 측정된 금형의 온도는 AD 변환 후, 미리 저장된 표준 온도값과 비교하여 초기 금형 온도를 설정한다.
- 펠티어 소자의 설정 온도를 효율적으로 유지하기 위해 PID 제어를 하였다. 제어기에서 발생하는 동작 신호를 직접적으로 펠티어 소자가 작동하는 최적 전류와 전압의 환경으로 전달하기 위해서 L298 칩을 이용하여 브릿지 회로를 구성하였다. 또한, 컨트롤러에서 발생하는 전력 손실과 발열반응을 저하시키기 위해서 트랜지스터의 일종인 MOSFET 드라이브를 구성하였다.
- 제작된 마이크로 사출성형 시스템은 마이크로-나노 패턴을 몰드 스탬퍼로 이용하여 PMMA 상에 인위 적인 조건하에서 성형실험을 수행하였다. 사출된 패턴은 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)을 이용하여 최종적인 결과물을 검증하였다.
- 또한, 금형 내의 온도보상은 열화상 카메라를 이용하여 최적 온도조건을 도출하였다. 제작된 마이크로 사출성형 시스템은 마이크로-나노 패턴을 몰드 스탬퍼로 이용하여 간단한 온도조건으로 PMMA 상에 성형실험을 수행하였다. 사출된 패턴 결과를 바탕으로, 펠티어 소자를 이용한 금형의 온도 제어에 대한 타당성을 검증하였다.
- 제작된 몰드의 온도분포를 측정하기 위하여 전자 온도계와 열화상 카메라를 이용하였다. 하단에펠티어 소자가 부착된 상태에서 온도를 측정한 결과 예상보다 느린 응답속도를 보였다.
- 또한, 펠티어 소자에서 발생한 열은 몰드코어를 연결하는 고정판으로 전달되어 열 손실이 발생하였으며 느린 응답속도의 원인이 되었다. 펠티어 소자에서 발생한 열이 고정판으로 전달되는 것을 방지하기 위하여 몰드코어와 고정판 사이에 뛰어난 단열 성능을 지닌 테프론(열전도도: 0.22W/mk) 단열재를 삽입하였다. 테프론의용융온도는 300#이상이기 때문에 폴리머 사출성형 시 온도에 의한 변형이 없다.
- 하강이 가능하도록 제어하였다. 펠티어 소자의 설정 온도를 효율적으로 유지하기 위해 PID 제어를 하였다. 제어기에서 발생하는 동작 신호를 직접적으로 펠티어 소자가 작동하는 최적 전류와 전압의 환경으로 전달하기 위해서 L298 칩을 이용하여 브릿지 회로를 구성하였다.
- 빠르고 효율적으로 제어하였다. 펠티어 소자의 열효율을 높이고, 금형 마스터의 교체가 용이하게 몰드가 쉽게 분리되는 코어형으로 제작하였다. 또한, 금형 내의 온도보상은 열화상 카메라를 이용하여 최적 온도조건을 도출하였다.
- 폴리머 레진(polymer resin)을 캐비티로 전달하는 역할을 하는 러너(runner)는 FDM 해석을 통하여 접근하였다. 유동해석 프로그램은 Flow 3D를 이용하였다.
대상 데이터
- 사용된 금형 스탬프는 Deep RIE 공정과 열 산화 공정(thermal oxidation)으로 제작된 실리콘 마스터 이다. 20mmx20mm 실 리 콘 상에 사각, 원, 트랜치 (trench)와 격자(grating) 및 방사형 원 형상 등 다양하게 제작하였다. 또한, 패턴의 크기는 마이크로 선폭(width=2-5卜im), 깊이(depth==4~7μm)로 동일한 형상에 크기별로 제작하여 치수효과에 대한 성형 특성을 고려하였다.
- 본 연구는 과학기술부가 주관하는 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환인 나노메카트로닉스기술개발사업단의 연구비 지원(06K1401-00511). 에 의해 수행되었습니다.
- 본 연구에서 사용된 폴리머 재료는 PMMA (Tg=10VC)이다. 금형의 온도 제어를 위해 사용된펠티어 소자의 효과와 성능을 확인하기 위하여, Table 1과 같이 간단한 세가지 조건에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 금형의 온도를 효율적으로 빠르게 조절하기 위하여, 펠티어 소자가 사용되었다. 사용된 펠티어 소자가 금형 온도를 효율적으로 제어가 가능한가에 대한 타당성을 검토하기 위하여, 사용된 PMMA 의 유리전이온도를 기준으로 2(VC 또는 40℃ 의 온도편차를 가지고 가열과 냉각을 조절하는 실험을 간단히 수행하였다.
- PID 제어를 통하여 냉각-유지 시 온도 변화는 약 ±2℃ 이 다. 사용된 금형 스탬프는 Deep RIE 공정과 열 산화 공정(thermal oxidation)으로 제작된 실리콘 마스터 이다. 20mmx20mm 실 리 콘 상에 사각, 원, 트랜치 (trench)와 격자(grating) 및 방사형 원 형상 등 다양하게 제작하였다.
- 스탬퍼와 펠티어 소자를 직접 연결하면 열 손실이 최소화되지만, 사출 시 강한 압력에 의해 펠티어소자가 파손되기 때문에 200pm의 간격을 두고 설치하였다. 사용된 펠티어 소자는 30x30mm의 크기이며, 용량은 35.4W, 상판과 하판의 온도차이(AT) 는 68℃이다. 펠티어 소자는 세라믹 절연층을 사이에 두고 P형 반도체와 N형 반도체 전체가 직렬로 연결된 단일 소자로, 펠티어 내의 PN 커플이 많을수록 용량이 비례적으로 증가한다.
데이터처리
- 제작된 마이크로 사출성형 시스템은 마이크로-나노 패턴을 몰드 스탬퍼로 이용하여 PMMA 상에 인위 적인 조건하에서 성형실험을 수행하였다. 사출된 패턴은 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)을 이용하여 최종적인 결과물을 검증하였다.
- 유동해석 프로그램은 Flow 3D를 이용하였다. 성형해석의 변수로는 러너의 형상(직석/디퓨져)에 따라 해석하였으며, 폴리머의 온도 조건 및 러너표면과의 접촉각 및 표면장력을 적용하여 동일 시간대에서 주어진 레진 충진량의 차이로 결과를 판단하였다.
이론/모형
- 국부적으로 금형을 가열과 냉각이 빠르며, 조립과 분해가 용이한 금형을 제작하기 위해서, 열적- 독립형 (thermal independence) 코어 방식 을 선택했다. Fig.
- 또한, 패턴의 크기는 마이크로 선폭(width=2-5卜im), 깊이(depth==4~7μm)로 동일한 형상에 크기별로 제작하여 치수효과에 대한 성형 특성을 고려하였다. 성형된 패턴은 FE-SEM 을 이용하여 형상을 측정.비교하였다.
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