[논문]<tex> $50{\\mu}m$</tex> Microlens 패턴 금형의 미세사출성형 전사성과 전광특성 기초연구

황철진; 고영배; 허영무

$50{\\mu}m$ Microlens 패턴 금형의 미세사출성형 전사성과 전광특성 기초연구
A Basic Study of replication and brightness for micro injection molding with ${\\sim}50{\\mu}m$ micro-lens pattern mold 원문보기

황철진 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 고영배 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 허영무 (한국생산기술연구원 정밀금형팀)

Micro-lens patterned micro-mold fabrication method for Light Guiding Plate(LGP), kernel part of LCD-BLU(Back Light Unit), was presented. Instead of erosion dot pattern for LGP optical design, micro-lens pattern, fabricated by LIGA-reflow process, was applied. Optical pattern design method was also developed not only for negative pattern LGP, but also positive pattern LGP. During injection molding process, experimental study was conducted to improve replication quality and brightness of ${\sim}50um$ micro-lens pattern mold. The effect of mold temperature for the replication quality of micro-lens array was studied.

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문제 정의

본 연구는 현재 인쇄법(Printing) 또는 무인쇄 (Printless)법으로 지름 200~ 400um 의 무수히 많은 dot 를 반사면에 형성하여 제작하고 있는 LCD- BLU(Back Light Unit)의 고효율 광특성을 유도하기 위한 도광판(Light Guiding Plate)에서 제작공정의 특성상 극복할 수 없는 한계를 뛰어넘기 위하여 LIGA-reflow 공정을 응용해서 가공한 30~50um 급 의 Micro-lens 패턴 금형을 가공하여 미세사출성형을 통한 전사성과 전광특성에 파악하고자 하는 것이다..

제안 방법

LCD 용 도광판용 금형을 설계하기 위한에 대한 각각의 광학패턴 설계기술 개발 및 적용하였다.
LIGA-reflow 를 응용한 30~50um 급 Micro-lens Pattern 가공기 술을 LCD-BLU 에 적용하여 마이크로 금형을 제작하였다.
하지만 제품의 성형성을 평가하기에는 시간 상으로 정량적 평가라는 관점에서 SEM image 의 활용은 적합하지 않다. 그래서 본 연구에서는 마 이크로 패턴을 O.Olum 정밀도까지 용이하게 관찰할 수 있는 비접촉 3차원 측정기인 Mitaka Kohki 사의 NH-3N 를 활용하여 실험결과를 정량적 평가 를 시도하였다.
85 초로, 사출속도를 다단으로 조절하였다. 미세패턴의 성형성에 가장 크게 영향을 미칠 것으로 예상한 금형온도를 60° C, 65° C, 70° C 로 달리해서 실험했으며, 금 형 온도의 미세패턴 성형에 대한 영향을 연구하였다. 미세사출 성형된 마이크로 렌즈의 성형성을 평가하기 위해서 SEM image 를 촬영해서 Fig.
본 연구에서 응용된 금형 가공방법은 응용 LIGA 공정을 변형한 공정으로 자세한 공정을 Fig. 1에 나타내었다.
노광을 위해서 빛(UV or X-ray) 을 잘 투과시키는 부분과 잘 흡수하는 부분으로 되어 있는 mask 를 활용한다. 본 연구에서는 1단계에서는 film mask 르 2 단계 에서는 Cr-mask 를 활용해서 土 lum 정밀도를 가지는 mask 를 활용했다. 이렇게 빛에 조사된 부분과 mask 에 의해 조사되 지 않은 부분의 차이에 의해 분자구조가 변한 PR 부분이 특정 화학약품에 쉽게 용해되는 특성을 이용해 현상하는 공정을 통해 원하는 PR 구조물을 얻는다.
LCD 용 도광판용 금형을 설계하기 위한<음각 및 양각 금형/양각 및 음각 도광판>에 대한 각각의 광학패턴 설계기술 개발 및 적용하였다. 사출 성형 공정 시 금형온도에 따른 전사성 및 휘도의 금형온도에 의한 영향을 실험 및 측정을 통해 고찰했다. 양각 도광판 사출성형 시에는 금형온도 증가에 따라 전사성 및 휘도가 증가했으나, 음각 도광판 사출성형 시에는 금형온도변화에 따라 비 선형적인 실험결과를 보여주었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 사출성형기는 전사성이 우수한 사출압축성형공정이 수행되는 스미토모사의 IS 450 GSW 를 활용하였으며, 미세사출성형 실험 은 Class 1000 의 클린룸에서 진행되었다. 미세사출 성형을 위한 성형조건으로는 2.

성능/효과

사출 성형 공정 시 금형온도에 따른 전사성 및 휘도의 금형온도에 의한 영향을 실험 및 측정을 통해 고찰했다. 양각 도광판 사출성형 시에는 금형온도 증가에 따라 전사성 및 휘도가 증가했으나, 음각 도광판 사출성형 시에는 금형온도변화에 따라 비 선형적인 실험결과를 보여주었다.
따라서 도광판의 패턴 으로서 LIGA-reflow 공정에 의한 micro-lens array pattern 의 충분한 가능성을 보여준다고 사료된다. 양각 도광판(positive pattern LGP)에서의 휘도 즉 정결과는 금형온도가 증가할수록 전사성이 증가 하면서, 휘도도 함께 증가함을 알 수 있었다. 음 각 도광판(negative pattern LGP)에서는 양각의 도 광판의 실험결과와는 달리 70° C, 60° C, 65° C 순으로 휘도 측정결과를 보여, 전사성으로 본 결과와 같이 금형온도와 비선형적 관계를 보임을 알 수 있었다.

후속연구

이미 시장에서는 전자, 정보, 통신 및 의료 분야 등 모든 분야에서 기술진보가 혁신적으로 이루어진 상품들이 나오고 있으며, 그 진보의 방향은 이후에도 급격히 고정도화, 기능화 및 경량화의 방향으로 갈 것으로 예측되고 있다. 따라서 이러한 복잡하고 다양한 기능 요구에 적극 대응할 수 있는 초정밀 미세제품의 대량생산을 위한 생산기술로 미세사줄성형기술의 발전은 필수적이고 향후 핵심 요소기술이 되리라 생각된다.
본 연구에 이어 전사성 향상을 위한 좀 더 높은 온도의 금형온도 범위에서의 실험과 함께 사출/압축 성형공정, 형체압축성형공정 (금형체결 력 변화를 통한) 등의 도입을 통해 성형공정에 따른 전사성 및 휘도 변화를 실험적으로 연구할 계획이다. 또한 변형된 LIGA 공정을 적용한 micro-lens 패턴 뿐만 아니라 다양한 패턴에 대해 LCD-BLU 용 도광판 개발을 위한 광학설계, 금형 가공 및 미세사출성형 연구를 진행할 예정이다.
본 연구에 이어 전사성 향상을 위한 좀 더 높은 온도의 금형온도 범위에서의 실험과 함께 사출/압축 성형공정, 형체압축성형공정 (금형체결 력 변화를 통한) 등의 도입을 통해 성형공정에 따른 전사성 및 휘도 변화를 실험적으로 연구할 계획이다. 또한 변형된 LIGA 공정을 적용한 micro-lens 패턴 뿐만 아니라 다양한 패턴에 대해 LCD-BLU 용 도광판 개발을 위한 광학설계, 금형 가공 및 미세사출성형 연구를 진행할 예정이다.

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