[논문]폴리머 원형 튜브 대상 미세 패턴 정수압 성형

임성한

doi:10.5228/kstp.2014.23.8.507

폴리머 원형 튜브 대상 미세 패턴 정수압 성형
Micro Pattern Forming on Polymeric Circular Tubes by Hydrostatic Pressing 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.8, 2014년, pp.507 - 512

임성한 (한국기술교육대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of the current investigation is to establish techniques in micro pattern forming operations of polymeric circular tubes by using hydrostatic pressing. This method was developed and successfully applied to the micro pattern forming on polymeric plates. The key idea of the new technique is to pressurize multiple vacuum-packed substrate-mold stacks above the glass transition temperature of the polymeric substrates. The new process is thought to be a promising micro-pattern fabrication technique for two reasons; first, (hydro-) isostatic pressing ensures a uniform micro-pattern replicating condition regardless of the substrate area and thickness. Second, multiple curved substrates can be patterned at the same time. With the prototype forming machine for the new process, micro prismatic array patterns, 25um in height and 90 degrees in apex angle, were successfully made on the PMMA circular tubes with diameters of 5~40mm. These results show that this process can be also used in the micro pattern forming process on curved plates such as circular tube.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 정수압 성형법을 활용하여, 평판형태가 아닌 곡면 형태의 폴리머 소재에도 미세 패턴을 전사할 수 있는 연구를 수행하였으며, 그 결과 원형 튜브 폴리머 소재를 대상으로 튜브 한쪽 면과양쪽 면(안쪽과 바깥쪽)에 패턴을 성형할 수 있는 방법을 제안하게 되었다.

가설 설정

성형 후 상온의 유체를 공급하여 압력용기내의 온도를 유리전이온도 이하로 감온 하여 소재를 경화시켜 제품을 얻어낸다. 제안된 성형 공정은 핫 엠보싱공정과는 다르게 기계적 프레스로 가압하지 않고 정수압(hydrostatic pressure)을 이용하여 소재를 성형한다. 이는 기존의 핫 엠보싱 공정이 공정 싸이클 당단일 기판만을 생산할 수 있다는 점에서 볼 때, 제안된 공정은 한번에 여러 개의 기판을 생산 할 수 있는 장점을 갖는다.

제안 방법

본 논문에서는 정수압 성형 법을 활용하여, 기존평판 형태의 폴리머 소재 대상이 아닌 곡면 형태의 폴리머 소재에 미세 패턴을 전사할 수 있는 연구를 수행하였으며, 그 결과 원형 튜브 폴리머 소재를 대상으로 튜브 한쪽 면과 양쪽 면(안쪽과 바깥쪽)에 패턴을 성형할 수 있는 개념을 제안하였다.
원형튜브에 미세패턴을 성공적으로 전사하기 위해서는 정수압이 작용하는 진공성형팩(VFU) 바깥쪽에 대응할 수 있는 내부압력 발생이 필요하며, 이를 위해 인서트 다이 소재가 적절하게 선택되어야 한다. 인서트 다이 소재의 탄성계수(Young’s modulus)가 성형성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 인서트다이의 소재를 플라스티신(plasticine), 고형 실리콘고무(HCR), SUS(stainless steel)로 달리 적용하여 성형평가를 수행하였다. 이 때 사용된 소재의 탄성계수는 각각 70MPa, 1.

대상 데이터

고온 유체탱크와 저온 유체탱크의 직경은 330mm, 높이는 1,500mm로 압력용기와 내부 부피는 같아지도록 고안되었다. 두 유체탱크의 소재는 515MPa 정도의 인장응력을 가지는 ASTM A53 B를 선택하였고, 두께는 21.4mm로 제작되었다. 성형 이후 압력용기의 냉각 시에는 저온 유체탱크의 저온(상온)유체를 이용하여 승온시와 같은 방법으로 순환펌프를 통해 감온을 시키게 된다.
성형소재(피성형재)는 PMMA로 압출가공 된 직경40mm, 길이 50mm, 두께 2mm의 원형튜브를 사용하였다. 몰드는 LCD 백라이트에 널리 사용되는 프리즘 시트(BEF, 3M社)를 사용하였다.
압력탱크는 물과 압축공기를 이용하여 승온, 승압되며 압력탱크의 직경은 560mm, 깊이는 530mm로 제작되었다. 압력용기 소재는 600MPa급의 ASTM A266 Grade 4 소재가 사용되었으며, 두께는 성형압력을 고려하여 30mm 두께로 제작되었다. 압력 용기는 유체탱크로부터 물을 순환시킬 수 있게 주입구(inlet)과 유출구(oulet)를 통하여 각각의 유체탱크와 연결되어 있다.
인서트 다이 소재의 탄성계수(Young’s modulus)가 성형성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 인서트다이의 소재를 플라스티신(plasticine), 고형 실리콘고무(HCR), SUS(stainless steel)로 달리 적용하여 성형평가를 수행하였다. 이 때 사용된 소재의 탄성계수는 각각 70MPa, 1.8GPa, 200GPa이다.
정수압 성형 시스템은 1개의 압력탱크(pressure vessel)와 2개의 유체탱크(본 연구에서는 물을 압력 및 온도 제어용 유체로 사용함)로 구성되었다(Fig.3~4). 압력탱크는 물과 압축공기를 이용하여 승온, 승압되며 압력탱크의 직경은 560mm, 깊이는 530mm로 제작되었다.
프리즘 시트의 피치(pitch) 간격은 50um이고 높이(혹은 깊이)는 25um이다. 진공성형 포장팩은 본 공정에서 계획한 성형온도인 120℃에서 연화가 발생하지 않는 나일론(nylon)소재를 사용하였다. 일반적으로 나일론의 연화온도는 176℃로 알려져 있다.

성능/효과

(1) 곡면 형태의 폴리머 소재를 정수압 성형할 수 있는 진공포장 팩(VFU)의 개념을 제안하였으며, 이를 활용하여 폴리머 튜브 한쪽 면(외부 표면)에 패턴을 성형할 수 있었다.
(2) 진공포장 팩(VFU)에 사용되는 인서트 다이의 소재 물성(탄성계수)에 따른 패턴 성형 성을 평가하였고, 탄성계수가 증가함에 따라 패턴 성형성이 향상됨을 확인하였다.
(3) 제작된 피성형재 형상과 치수 및 진공포장팩 구성에 따른 정수압 성형 공정 조건을 도출하였으며, 총 성형시간 25분에 수십 개의 팩을 동시 성형할 수 있었다. 성형시스템의 개선에 따라 수백~수천 개의 제품을 1시간 이내의 공정 시간에 동시 성형할 수 있을 것으로 기대된다.
(4) 다른 직경을 갖는 폴리머 튜브를 대상으로 패턴성형을 수행했으며, 실험 결과 직경이 작을수록 곡률의 증가로 인해 패턴 형상 치수 오차가 커짐을 확인하였다. 그러나, 직경이 40mm인 경우, 정점각은 몰드(90◦) 대비 89.

후속연구

새로 제안된 기술의 적용한계(패턴 형상 등)에 대한 추가 연구와 이를 개선할 수 있는 진공포장팩 기술 및 공정변수 최적화 연구를 통해 튜브형태의 도광판을 제작하여 디스플레이 분야에 적용하거나, 임의 형상을 갖는 곡면 구조체(scaffold) 내부와 외부에 원하는 패턴을 성형할 수 있을 것으로 기대된다.
(3) 제작된 피성형재 형상과 치수 및 진공포장팩 구성에 따른 정수압 성형 공정 조건을 도출하였으며, 총 성형시간 25분에 수십 개의 팩을 동시 성형할 수 있었다. 성형시스템의 개선에 따라 수백~수천 개의 제품을 1시간 이내의 공정 시간에 동시 성형할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫엠보싱 기술의 장점은 무엇인가?	1)[2~4]. 핫엠보싱 기술은 공정 구현이 단순하면서도뛰어난 패턴 형상 전사성을 보인다. 지금까지 진행되었던 많은 연구에서 수십 미크론(micron)에서 서브 미크론(sub-micron) 크기의 형상까지 성공적인 패턴 전사 결과들이 보고되고 있다[3].
	핫엠보싱 기술의 개선이 요구되는 이유는 무엇인가?	지금까지 진행되었던 많은 연구에서 수십 미크론(micron)에서 서브 미크론(sub-micron) 크기의 형상까지 성공적인 패턴 전사 결과들이 보고되고 있다[3]. 그러나 대상부품이 대면적화되고, 표면에 전사되는 패턴이 미세·복잡화되면서 핫엠보싱 공정에서 요구되는 프레스 압력 및 온도에 대한 균일도가 증가하여 기술 구현이 어려워지고[4], 공정 비용이 급격히 상승하고 있다. 이를 개선하기 위하여 핫엠보싱이 아닌 UV임프린트 공정인 roll-to-flat 방식이나 roll-to-roll 방식[5]이 제안되어 유용하게 사용되고 있으나, 피성형재가 두꺼울 경우 적용하기 어려운 단점이 있다.
	핫 엠보싱(hot embossing) 기술이란 무엇인가?	미세 패턴을 고분자 소재 표면에 성형하기 위한 여러 공정 방법 중 핫 엠보싱(hot embossing) 기술은 피성형재인 폴리머를 성형이 가능한 유리전이온도(Tg, transition temperature) 이상으로 가열한 상태에서 프레스로 압착하여 패턴을 전사하고 성형압력을 유지한 채 냉각하여 피성형재를 경화시킨 후, 압력을 제거하고 몰드를 분리하여 제품에 성형한다(Fig. 1)[2~4].

참고문헌 (5)

B. Y. Joo, S. H. Rhim, S. I. Oh,, 2010, Micropattern Forming of Polymeric Plate by Hydrostatic Pressing, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 31, No. 2, pp. 87-92.
S. Y. Chou, P. R. Krauss, P. J. Renstrom, 1995, Imprint of Sub-25nm Vias and Trenches in Polymers, Appl. Phys. Lett., Vol. 67, No. 21, pp. 3114-3116.

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S. C. Oh, B. J. Bae, K. Y. Yang, M. H. Kwon, H. Lee, 2011, Fabrication of Aluminum Nano-Scale Structures using Direct-embossing with a Nickel Template, Met. Mater. Int., Vol. 17, No. 5, pp. 771-775.

상세보기
J. H. Chang, S. Y. Yang, 2003, Gas Pressurized Hot Embossing for Transcription of Micro-features, Microsyst. Technol. Vol. 10, No. 1, pp. 76-80.

상세보기
J. J. Lee, H. H. Park, K. B. Choi, G. H. Kim, H. J. Lim, 2014, Fabrication of Hybrid Structures Using UV Rolltyped Liquid Transfer Imprint Lithography for Large Areas, Micronelec. Eng., Vol. 127, pp. 72-76.

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