[논문]국부 가열 금형을 이용한 플라스틱 나노 구조표면 사출성형 연구

라문우; 박장민; 김동언

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.4.008

국부 가열 금형을 이용한 플라스틱 나노 구조표면 사출성형 연구
A Study on Plastic Injection Molding of NanosStructured Surface with a Local Mold Heating System 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.4, 2015년, pp.8 - 13

라문우 (한국생산기술연구원 금형기술그룹) , 박장민 (영남대학교 기계공학부) , 김동언 (한국생산기술연구원 금형기술그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated and characterized a nanostructured surface based on a plastic injection molding with a local mold heating (LMH) system. A metal mold core with a closed packed nano convex array (CVA) was achieved by integrated engineering procedures: (1) master template fabrication by anodic aluminum oxidation (AAO), (2) nickel electroforming (NE) process, and (3) post-processing by precision machining. The nickel mold core was utilized to replicate a surface with a closed packed nano concave-array (CCA) based on injection molding using cyclic olefin copolymer (COC) as a plastic material. In particular, an LMH system was introduced to enhance transcription quality of the nano structures by delaying solidification of molten polymer near the surface of the mold core.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 플라스틱 사출성형을 통해 나노 구조표면을 대량생산하는 기술을 소개하고자 한다. 사출성형 과정에서 나노 구조에 대한 전사도를 향상시키기 위하여 국부 금형가열(LMH) 시스템을 도입 하였다^[14].
알루미늄양극산화(AAO) 니켈 전주도금 (NE), 정밀 후가공 공정을 통해 나노 convex-array(CVA) 구조를 가지는 금형코어를 제작하였다. 이를 사출성형에 이용하여 공정 조건 최적화를 통해 나노 CCA 구조를 가지는 플라스틱 제품을 생산하는 기반기술을 소개하고자 한다.

제안 방법

나노 CCA 구조를 가지는 마스터 템플릿을 제작 하기 위해 사각 판형 알루미늄 시편 상에서 , Fig. 1(a)과 같이 전해연마(electro-polishing), 양극산화(anodic oxidation), 알루미나 에칭(alumina etching)의 순서로 AAO 공정을 수행하였다^[15]. 50 mm × 40 mm의 사각 판형 알루미늄 시편(Good fellow, 99.
이 과정에서 나노 구조에 대한 전사도를 향상시키기 위하여 LMH 시스템을 도입함으로써 금형 코어의 표면을 국부적으로 T_g까지 가열되도록 설정하였다. LMH system을 적용하여 수지의 경화를 지연시킴으로써 나노 구조가 온전히 전사될 수 있도록 하였고 보압 조절을 통해 전사도를 보정할 수 있었다. 결과적으로 나노 CCA 구조가 뚜렷이 관찰되고 단위concave 간의 벽이 날카롭게 형성된 고분자 나노 구조표면을 성형하였고 이 구조는 AAO를 통해 제작한 마스터 템플릿의 나노 CCA 구조와 매우 유사함을 확인하였다.
양극산화 과정은 전해연마와 동일한 장치연결로 진행되었다. 다만, 0℃, 0.1M의 인산(phosphoric acid)을 전해질 용액으로 하여 185V의 전압을 공급해 주면서 16시간 동안 반응을 진행하였다. 양극산화가 끝난 시편은 65℃의 산화크롬(chromium oxide) 9g 인산 20.
마스터 템플릿을 도금용 지그에 고정한 후 전주도금기(Sungwon Forming, Plating system)에 장착하여 니켈 전주도금을 진행하였다. 도금을 진행하는 과정에서 나노구조 부분이 잘 도금될 수 있도록 초기에는 성장률(growth rate)을 낮게 설정하고 나노 구조 부분이 도금된 이후에는 도금층 성장율을 빠르게 하여 목표한 두께에 도달하도록 하였다^[13] (Table 1). 도금이 완료된 후 마스터 템플릿과 니켈도금 부분을 분리하고 정밀 후가공을 통해 Fig.
2(a)와 같은 NE 공정 및 정밀 후가공을 수행하였다. 마스터 템플릿을 도금용 지그에 고정한 후 전주도금기(Sungwon Forming, Plating system)에 장착하여 니켈 전주도금을 진행하였다. 도금을 진행하는 과정에서 나노구조 부분이 잘 도금될 수 있도록 초기에는 성장률(growth rate)을 낮게 설정하고 나노 구조 부분이 도금된 이후에는 도금층 성장율을 빠르게 하여 목표한 두께에 도달하도록 하였다^[13] (Table 1).
본 연구에서는 AAO공정을 통하여 나노 CCA 구조를 마스터 템플릿을 제작하고 NE 공정 및 정밀 가공을 통해 사출성형을 위한 금형 코어를 완성하였다. 제작한 금형 코어를 금형에 장착하고 COC 수지를 이용한 사출 성형을 수행하였다.
제작한 금형 코어를 금형에 장착하고 COC 수지를 이용한 사출 성형을 수행하였다. 이 과정에서 나노 구조에 대한 전사도를 향상시키기 위하여 LMH 시스템을 도입함으로써 금형 코어의 표면을 국부적으로 T_g까지 가열되도록 설정하였다. LMH system을 적용하여 수지의 경화를 지연시킴으로써 나노 구조가 온전히 전사될 수 있도록 하였고 보압 조절을 통해 전사도를 보정할 수 있었다.
목표 온도에 도달한 시점에서 금형을 닫고 사출성형을 시작하였다. 이를 통해 금형 코어의 표면에서 용융된 수지의 고형화를 지연시켜 나노 구조물을 온전히 전사할 수 있도록 유도하였다. 마지막 준비 작업으로 수지를 선정하였다 유동 흐름이 우수하고 광학적 성질이 좋으며 강도가 높은 것으로 평가되는 COC(Topas^® 5013L-10)를 사용하였다^[16].
전반적인 사출성형 실험은 금형온도 120℃ ,수지 온도 240℃, 수지사출량 2.76 cc, 냉각시간 40s 의 조건하에서 수행되었고 충진압력 및 보압 수준, 그리고 LMH 시스템 적용 여부에 따라서 Table 2 와 같이 6가지 경우에 대한 실험을 진행하였다.
정밀한 사출 성형 정도를 판단하기 위하여 각 결과 시편들을 SEM으로 관찰해 보았다. Fig.
제작한 금형 코어를 금형에 장착하고 COC 수지를 이용한 사출 성형을 수행하였다.
준비된 시편을 (+)전극에, 백금 시편을 (-)전극에 연결하고 이들을 perchloric acid와 ethyl alcohol의 혼합액(부피비 ( 1:4, 7 ℃ 항온 유지)에 담근 후 약 5분간 20 V의 전압을 가하여 반응을 진행하였다.

대상 데이터

50 mm × 40 mm의 사각 판형 알루미늄 시편(Good fellow, 99.999% 1mm thickness)을 준비하고 아세톤 에탄올 증류수에서 각각 1시간씩 초음파 세척을 한 다음 건조하여 물기를 제거하였다.
마지막 준비 작업으로 수지를 선정하였다 유동 흐름이 우수하고 광학적 성질이 좋으며 강도가 높은 것으로 평가되는 COC(Topas® 5013L-10)를 사용하였다[16].
사출성형 과정에서 나노 구조에 대한 전사도를 향상시키기 위하여 국부 금형가열(LMH) 시스템을 도입 하였다^[14]. 알루미늄양극산화(AAO) 니켈 전주도금 (NE), 정밀 후가공 공정을 통해 나노 convex-array(CVA) 구조를 가지는 금형코어를 제작하였다. 이를 사출성형에 이용하여 공정 조건 최적화를 통해 나노 CCA 구조를 가지는 플라스틱 제품을 생산하는 기반기술을 소개하고자 한다.

성능/효과

결과적으로 나노 CCA 구조가 뚜렷이 관찰되고 단위concave 간의 벽이 날카롭게 형성된 고분자 나노 구조표면을 성형하였고 이 구조는 AAO를 통해 제작한 마스터 템플릿의 나노 CCA 구조와 매우 유사함을 확인하였다.
금형 코어를 고정측에 연결한 이유는 LMH 시스템을 금형에 안정적으로 연결하는 측면을 고려하였기 때문이다. 반복적으로 움직이는 운동측에 비하여 고정측에 카트리지 히터 및 서모커플로 구성된 LMH 시스템을 장착하였을 때, 안정적인 가열 및 온도조절이 가능하였다(Fig. 3(b)).
결과적으로 나노 CCA 구조가 뚜렷이 관찰되고 단위concave 간의 벽이 날카롭게 형성된 고분자 나노 구조표면을 성형하였고 이 구조는 AAO를 통해 제작한 마스터 템플릿의 나노 CCA 구조와 매우 유사함을 확인하였다. 본 연구를 통해 AAO-NE-정밀가공을 통한 나노 구조표면의 니켈 금형 코어를 성공적으로 제작하였고, LMH 시스템을 도입한 COC 사출성형을 통해 나노 구조표면의 대량생산 가능성을 확인할 수 있었다.
최종적으로 LMH 시스템을 이용한 150℃의 금형온도 충진압력 108 MPa (0.5 s) 보압 140 MPa (2s), 수지온도 240℃, 냉각시간 40s의 공정조건에서 최적의 나노 CCA 구조 COC 사출성형 결과를 획득할 수 있었다.

후속연구

보압 시점에도 수지의 유동성이 확보되어 전사도 보정이 이루어졌음을 알 수 있고 본 실험의 경우 대략 140 MPa 수준에서 보압 조건 최적화가 될 것이라 예상할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 구조표면의 사출성형을 시도한 연구의 단점은?	나노 구조표면에 대한 폭넓은 수요에 대응하기 위하여 나노 구조표면의 생산기반기술을 개발하려는 노력이 계속되고 있다 기본적으로 자연의 나노 구조를 모사하거나 각종 리소그래피와 화학공정과정을 통해 나노 구조표면을 가지는 마스터 템플릿을 제작하고 이를 복제하는 방식이 통용되고 있다 나아가 마스터 템플릿을 이용한 전주도금을 통해 금속성의 금형코어를 제작하고 프레싱 사출 성형 등에 적용하여 나노 구조표면을 대량생산 하는 연구가 보고되고 있다[12,13] . 최근 마스터 템플릿을 직접 금형코어로 이용하거나 금속성의 금형 , 코어 표면을 화학적으로 처리하는 등의 방법을 통해 나노 구조표면의 사출성형을 시도한 연구가 소개된바 있다 하지만 이러한 방법은 기본적으로 오랜 시간의 작동주기를 보장할 수 없는 단점이 있다 성형측면에서도 사출성형을 통한 나노 구조 표면의 대량생산을 달성하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 과제들이 남아있다 성형과정에서 용융된 수지는 나노 구조 캐비티를 채우기 전에 빠르게 경화되는 문제가 종종 발생한다 또한 높은 고폭비를 가지는 나노 구조를 성형하는 경우에는 전사에 성공하더라도 증가된 표면적에 의하여 제품과 금형코어 간의 전단응력이 강하게 형성되어 제품 이형에 실패하는 문제가 종종 발생한다 상기와 같은 문제들을 해결하기 위해서는 적절한 나노 구조표면을 설계 제작하고 최적의 공정조건을 /도출하는 연구들이 집중적으로 수행되어야 한다
	높은 고폭비를 가지는 나노 구조를 성형하는 경우 발생할 수 있는 문제는?	나노 구조표면에 대한 폭넓은 수요에 대응하기 위하여 나노 구조표면의 생산기반기술을 개발하려는 노력이 계속되고 있다 기본적으로 자연의 나노 구조를 모사하거나 각종 리소그래피와 화학공정과정을 통해 나노 구조표면을 가지는 마스터 템플릿을 제작하고 이를 복제하는 방식이 통용되고 있다 나아가 마스터 템플릿을 이용한 전주도금을 통해 금속성의 금형코어를 제작하고 프레싱 사출 성형 등에 적용하여 나노 구조표면을 대량생산 하는 연구가 보고되고 있다[12,13] . 최근 마스터 템플릿을 직접 금형코어로 이용하거나 금속성의 금형 , 코어 표면을 화학적으로 처리하는 등의 방법을 통해 나노 구조표면의 사출성형을 시도한 연구가 소개된바 있다 하지만 이러한 방법은 기본적으로 오랜 시간의 작동주기를 보장할 수 없는 단점이 있다 성형측면에서도 사출성형을 통한 나노 구조 표면의 대량생산을 달성하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 과제들이 남아있다 성형과정에서 용융된 수지는 나노 구조 캐비티를 채우기 전에 빠르게 경화되는 문제가 종종 발생한다 또한 높은 고폭비를 가지는 나노 구조를 성형하는 경우에는 전사에 성공하더라도 증가된 표면적에 의하여 제품과 금형코어 간의 전단응력이 강하게 형성되어 제품 이형에 실패하는 문제가 종종 발생한다 상기와 같은 문제들을 해결하기 위해서는 적절한 나노 구조표면을 설계 제작하고 최적의 공정조건을 /도출하는 연구들이 집중적으로 수행되어야 한다
	나노 구조를 가지는 구조적인 특징을 활용한 기술의 사례는 어떠한 것이 있는가?	최근까지 나노 구조표면은 다양한 분야에 활용 되어 여러 기술들이 개발된 바 있다 기본적으로 한정된 표면 위에 수많은 나노 구조를 가지는 구조적인 특징을 활용한 기술들이 있다 나노 기공을 가지는 표면을 통해 나노 스케일의 이물질을 걸러 주는 나노 필터 제작기술 나노 구조를 통해 단위 투사면적 대비 넓은 표면적을 형성하여 열전달 화학반응 등의 효율을 높이는 기술이 대표적인 예이다[1,2]최근 바이오 분야에서는 나노 구조표면에 의한 물리적 자극이 세포배양에 미치는 영향을 확인하는 세포역학전이 연구가 활발히 이루어지고 있다[3-5]나노 구조표면은 나노 구조의 소재 배열 크기에 따라서 초발수성[6,7]광결정 구조색[8]과 같은 특수성을 가진다 표면의 나노구조는 물방울을 접촉각을 최대화함으로써 표면이 젖는 것을 최소화하고 때로는 작은 물방울조차 맺히지 않도록 한다 이러한 성질을 활용하여 물에 젖지 않고 물방울에 의해 표면이 스스로 깨끗해지는 자가세정 나노 구조표면이 개발된바 있다[9] 가시광선 파장 (400~700 nm)과 유사한 크기의 나노 구조를 가지는 표면은 광결정 효과에 의하여 염료 없이 색깔을 띠는 구조색을 보인다 특정 곤충들은 몸체에 이러한 구조색을 갖고 자연에 적응하는 사실이 보고된바 있으며[10] 최근 이러한 구조색을 이용하여 바이오센서 등에 활용하는 연구가 보고되고 있다.[11]

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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