[논문]사출 도광판의 프리즘 패턴 전사성에 관한 실험적 연구

김창완; 유영은; 김태훈; 제태진; 최두선

사출 도광판의 프리즘 패턴 전사성에 관한 실험적 연구
A study on the prizm pattern replication in injection molding 원문보기

김창완 (서울산업대학교 금형설계학과) , 유영은 (한국기계연구원 나노공정 장비연구센터) , 김태훈 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 제태진 (한국기계연구원 나노공정 장비연구센터) , 최두선 (한국기계연구원 나노공정 장비연구센터)

We injection molded a wedge type of plate with micro prizm patterns on its surface and investigated the fidelity of replication of the micro pattern depending on the process parameter such as mold temperature, melt temperature, injection rate or packing pressure. The size of the size of the $90^{\circ}$ prizm pattern is $50{\mu}m$ and the size of the plate is about 300㎜${\times}$200㎜. The thicknesses are 2.6㎜. and 0.7mm at each edge of the wedge type of plate. The fidelity of the replication turned out quite different according to the process parameters and location of the patterns on the plate. We measured the cavity pressure and temperature in real-time during the molding to analyze the effect of the local melt pressure and temperature on the micro pattern replication.

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문제 정의

본 연구에서는 300㎜×200㎜의 제품 표면에 존재하는 미세패턴의 전사성을 가지고 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 미세패턴이 존재하고 있는 300㎜×200㎜ 면적과 두께 2.6㎜에서 0.7㎜를 가지는 제품을 사출 성형하고, 성형된 제품의 상단부와 하단부에 존재하는 미세패턴의 성형성을 비교하였다.

제안 방법

이러한 고화 현상은 제품의 위치마다 차이를 나타내게 되며, 유동수지의 흐름과 사출 성형 중 발생하는 압력과 온도 등에 영향을 받아 미세패턴의 전사성에 큰 영향을 미치게 된다. Table 2와 같이 저속저압, 저속고압, 고속저압, 고속고압의 4가지 공정조건을 실험하였다. 이런 4가지 공정조건을 통해서 제품 상단부과 하단부에 있는 미세패턴 영역에 가해지는 압력, 온도 등을 측정하여 이런 성형 요소들이 미세패턴의 전사성에 어떤 영향을 미치며, 또 위치에 따라 얼마나 차이가 있는지 그 결과와 원인을 분석 할 수 있다.
그 원인을 데이터 분석을 통해 알아보았고, 시점을 유동수지의 고화가 시작되는 사출시작 후 0.5sec 전의 온도 그래프를 확인하였다. 그 결과 고속사출이 저속사출 보다 압력이 더 빠르게 증가 하였으며, 고압사출이 저압사출 보다 높은 압력이 계속 유지 또는 증가하였다.
저속은 사출성형기에 최대 속도의 50% 로 설정하였으며, 고속은 100%로 설정하였다. 또 압력은 보압 영역으로 제어 하였으며, 저압은 peak press의 20%로 설정하였으며, 고압은 70%로 4가지 공정 모두 확연히 다른 성형조건을 갖도록 설정하였다. 그 밖에 금형온도는 70℃로 동일 한 조건을 주었으며, 보압, 시간 및 스크루의 위치 그리고 수지 가소화 온도 역시 같은 조건을 주었다.
또한 사출 성형시 발생하는 압력과 온도를 실시간 측정하고, 비교·분석하여 미세패턴의 위치별 전사성의 상관관계에 대한 차이를 분석하였다.
본 연구에서 진행하게 될 300㎜×200㎜ 크기와 2.6㎜에서 0.7㎜의 불균일한 두께를 가지며, 크기 50㎛, 90 ˚ 각을 이루는 Prism pattern이 표면에 분포되어 있는 쇄기형 도광판을 사출 성형 하기 위하여 사출성형 금형을 제작 하였다.
사출 성형을 진행할 때 금형 Cavity 상단과 하단 부분에서 일어나는 수지 유동의 온도 및 압력을 실시간으로 측정하기 위하여 압력센서와 온도 센서를 각각 이동측(Moving part)과 고정측(Fixing part)에 장착 하였다. 압력 센서는 Strain gage 타입의 사출용 센서를 설치하였으며, 온도 센서는 Thermocouple K 타입을 사용 하였다.
그 밖에 금형온도는 70℃로 동일 한 조건을 주었으며, 보압, 시간 및 스크루의 위치 그리고 수지 가소화 온도 역시 같은 조건을 주었다. 성형품은 각각의 공정 당 10회를 성형 한 후 11번째에서 15번째의 제품까지의 Peak pressure와 Filling time을 체크 하였으며, 제품의 상단부과 하단부의 미세패턴 측정 비교 하였다.
3에서 보듯이 Fixing part는 16개의 Core Block으로 이루어져 있으며, 각 Core Block의 중앙부에는 온도센서를 설치하였다. 온도를 측정한 Core Block은 미세패턴이 가공 되어져 있는 우측 상단부(Upper corner)와 하단부(Bottom corner)을 측정하였다. 또한 압력 센서의 위치는 Moving part의 Cavity에 좌측 상단부과 하단부에 설치하였으며, 이는 미세패턴이 존재하고 있는 Core Block과 같은 위치에서 압력을 측정할 수 있기 때문이다.
본 연구에서는 300㎜×200㎜의 제품 표면에 존재하는 미세패턴의 전사성을 가지고 연구를 진행하였다. 이 제품 내에서도 특히 Upper corner와 Bottom corner에 존재하는 미세패턴의 전사성을 확인하기 위하여 4가지 공정 조건을 가지고 실험해 보았다. 그 결과 저속사출 보다는 고속사출, 저압사출 보다는 고압사출의 전사성이 향상되는 것을 알 수가 있다.

대상 데이터

7㎜의 불균일한 두께를 가지며, 크기 50㎛, 90 ˚ 각을 이루는 Prism pattern이 표면에 분포되어 있는 쇄기형 도광판을 사출 성형 하기 위하여 사출성형 금형을 제작 하였다. 실험에 사용한 수지는 Asahi사의 PMMA Grade 80NH를 사용하였으며, 사출 성형을 위해 사용된 사출성형기는 Sumitomo사의 SE550D를 사용하였다. Table 1은 사출성형기의 사양을 나타낸 것이며, Fig 1은 제품의 형상과 미세패턴이 분포되어 있는 위치, 그리고 미세패턴의 형상을 나타낸 것이고, Fig 2는 사출 성형품의 형상을 나타낸 것이다.

이론/모형

사출 성형을 진행할 때 금형 Cavity 상단과 하단 부분에서 일어나는 수지 유동의 온도 및 압력을 실시간으로 측정하기 위하여 압력센서와 온도 센서를 각각 이동측(Moving part)과 고정측(Fixing part)에 장착 하였다. 압력 센서는 Strain gage 타입의 사출용 센서를 설치하였으며, 온도 센서는 Thermocouple K 타입을 사용 하였다. Fig.

성능/효과

5sec 전의 온도 그래프를 확인하였다. 그 결과 고속사출이 저속사출 보다 압력이 더 빠르게 증가 하였으며, 고압사출이 저압사출 보다 높은 압력이 계속 유지 또는 증가하였다. 고속고압의 조건에서 미세패턴의 전사가 더 향상된 것은 높은 온도를 유지하는 유동수지가 금형의 Cavity안으로 빠르게 유입이 되면서 고화가 덜 진행된 상태의 유동수지에 충분한 압력이 제품 표면으로 가해져 미세패턴의 전사성 향상에 영향을 미쳤다고 판단되어 진다.
이 제품 내에서도 특히 Upper corner와 Bottom corner에 존재하는 미세패턴의 전사성을 확인하기 위하여 4가지 공정 조건을 가지고 실험해 보았다. 그 결과 저속사출 보다는 고속사출, 저압사출 보다는 고압사출의 전사성이 향상되는 것을 알 수가 있다. 그리고 Upper corner 보다는 Bottom corner의 미세패턴의 형상이 더 잘 전사된 것을 알 수 있었다.
6는 Bottom corner의 압력 그래프 나타낸 것이다. 사출 완료 시간인 0.5sec안에서의 압력의 변화를 나타내며, 사출이 시작되고 0.2sec까지 고속으로 사출 한 공정의 압력이 저속으로 사출한 공정의 압력 보다 높게 나타나는 것을 알 수가 있다. 고속고압과 고속저압에서 0.

후속연구

본 연구에서 진행한 실험적 데이터를 바탕으로 보다 다양한 사출 성형 공정 조건과 사출 성형시 발생하는 압력과 온도의 데이터를 수집하고 분석하여 데이터 베이스를 구축한다면, 최적화된 공정조건으로 미세패턴의 제품을 사출 성형 할 수 있는 기반을 구축 할 수 있을 것이라 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

평판디스플레이의 장점은?

정보화기술 (IT : Information Technology), 디지털산업의 발전은 영상정보의 효율적 전달을 위한 기반의 디스플레이 장치에서 휴대화, 대형화, 저소비 전략화, 경량 및 박형화 등의 장점을 지닌 평판디스플레이(FPD : Flat Panel Display)로 급속 하게 대체 되고 있다.

LCD의 발전양상은?

LCD는 점차 대형화, 고휘도화 되고 있으며, 이 크기는 커지고 두께는 감소되고 있으며, 표면에 미세패턴의 적용이 점차 증가하고 있다.

대면적 미세패턴 성형품을 사출 제작할 때 필요한 것은?

또한 급격하게 저하된 유동성으로 구조물의 전사를 어렵게 하는 문제점 등이 나타나게 된다.(1) 따라서 대면적 미세 패턴 성형품을 사출 제작하는 경우 금형 내부에서 발생하는 용융수지의 유동, 온도변화, 압력변화 등의 다양한 현상을 측정하고 그 영향을 규명하여 사출 성형공정을 최적화 하는 것이 필요하다.

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