한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 1, pp. 186-193, 2009 전열가열방식을이용한휴대전화용복합기능도광판제작및전사성평가 김영균 1, 정재엽 1, 김동학 2* Fabrication and transcription estimation of prismless LGP for cellular phone using E-Mold technology Young-Kyun Kim 1, Jae-Youp Chung 1 and Dong-Hak Kim 2* 요약본논문에서는전열 ( 마이크로히터, 센서 ) 을이용해금형의표면을가열하는 E-MOLD 특허기술을적용하여휴대전화용복합기능도광판 (Prismless LGP) 을제작하고, 전사성을평가하였다. 이를위하여 MEMS 공정을이용하여복합기능도광판용니켈스탬퍼를제작하였고, E-MOLD 기술의핵심인이동가열코어 (movable heated core) 가설치된금형을설계, 제작하였다. 이를이용하여성형조건중금형온도를변화시키면서복합기능도광판을사출성형으로제조하였고, 금형온도가성형품의전사성에미치는영향에대하여알아보았다. 또한, 전산모사프로그램 (CAE) 을이용하여금형온도와사출시간에따른수지의유동성을해석하였다. 금형온도에따른도광판의전사성은 100 (25.0nm ), 140 (48.4nm ), 180 (52.1nm ) 로나타났고, 스탬퍼 (52.1nm) 와비교했을때 180 에서전사성이가장우수했다. 전산모사해석결과에따르면, 수지의유동성은금형온도 (50~180 ) 가증가할수록향상되었다. 사출시간 (1~2sec) 이길수록유동성이감소하는경향을 160 에서확인하였다. 따라서수지의전사성과유동성은금형온도에따라증가하고, 특히유리전이온도 (140 ) 이상에서크게상승하였다. Abstract In this paper, we adopted E-MOLD patent technology in order to fabricate Prismless LGP(Light Guide Panel) for cellular phone and estimate the transcription of injection-molded parts. Then, we manufactured the Ni stamper for Prismless LGP using MEMS process. And the stamper was installed in the movable heated core which is the key part of a patented mold. Using this mold, we manufactured injection-molded plastic LGP parts with different mold temperatures so that we investigate effect of the temperature on the transcription of the parts. The CAE analysis was also conducted in order to compare with the experimental results. The transcription of LGP parts with various mold temperature displayed 100 (25.0 nm ), 140 (48.4 nm ), 180 (52.1 nm ) and when compared with stamper(52.1 nm ), transcription was superior at 180. According to the CAE results, moldability was improved as mold temperature (50 ~180 ) increased, but when filling time(1~2sec) increases, it decreased at 160. And transcription and moldability were improved markedly at glass transition temperature(140 ). Key Words : prismless light guide panel, moving core type, electrically heated mold, transcription, flow analysis 1. 서론 LCD용백라이트유닛 (Back Light Unit) 은액정화면의뒤에서빛을방출해주는광원장치로기본적으로광원램 프, 도광판 (Light Guide Panel), 반사시트 (Reflector Sheet), 확산시트 (Diffuser Sheet), 프리즘시트 (Prism Sheet) 로구성된다. 도광판은액정디스플레이내에빛을액정에유도하여 본연구는교육과학기술부와한국산업기술재단의지역혁신인력양성사업으로수행되었습니다. 본연구는중소기업청의산학공동기술개발지원사업으로수행되었습니다. 1 순천향대학교나노화학공학과 ( 석사과정 ) 2 순천향대학교나노화학공학과교수 * 교신저자 : 김동학 (dhkim@sch.ac.kr) 접수일 08년 10월 10일수정일 (1차 08년 12월 02일, 2차 09년 01월 06일 ) 게재확정일 09년 01월 16일 186
전열가열방식을이용한휴대전화용복합기능도광판제작및전사성평가 균일하게전면으로전사시키는역할을하는백라이트유닛의내부에사용되고있는가장핵심이되는부품으로휘도분포를균일하게하면서냉음극관 (CCFL : Cold Cathode Fluorescent Lamp), 발광다이오드 (LED : Light Emitting Diode) 등의램프로부터입사된선광원 (CCFL) 과점광원 (LED) 을균일한평면광으로변환시켜주는구성요소이다. 도광판은그자체만으로는광원에서방출된광선이도광판전체면에균일한분포를이룰수없어도광판표면을백색잉크로인쇄하거나홈을주어광의경로를변경시키며출사된광선의균일한휘도분포및증대를위해프리즘시트, 확산시트, 반사시트의광학기능필름이사용된다. 도광판제조방식으로는 Screen Printing, V-cutting, Printless 등의기술이사용된다 [1,2]. 최근들어평판디스플레이 (TFT-LCD) 가휴대폰, 노트북, 모니터, TV 등그응용분야가확대되면서점차고휘도, 경량화되는추세이다. 이에디스플레이세트업체의부품수를줄여제조비용을낮추려는노력이가시화되면서기존의도광판양쪽표면에부착하던프리즘시트를제거하고도광판에직접미세프리즘패턴을형상화하려는연구가활발하다. 이처럼일체화된미세구조물을가진복합기능도광판을저비용으로대량생산하는가공방법으로는사출성형공정기술이유망하다. 그러나백라이트유닛용복합기능도광판의양산공정에서사출성형불량으로제품의양산 ( 평균불량률 40% 이상 ) 에문제점이있다. 따라서사출성형의특성상수지와금형의온도차로인하여성형품표면의물성및전사성결함은형상이미세하고정밀해질수록더욱그경향이나타나일반사출성형만으로는구현이불가능하다 [3,4]. 이와같이높은종횡비와나노패턴을갖는플라스틱부품의고품위외관품질을구현할수있는사출성형신가공기술이절대적으로필요하다. 나노패턴을갖는플라스틱부품을제작하는데있어요구되는필수적인사출성형기술은금형을가열하여금형온도를용융된수지온도와동일한수준까지가열하여성형시킨후급속히냉각하여사이클타임의지연이없어야한다. 지금까지일반사출성형의웰드라인 (Weld line), 싱크마크 (Sink mark), 플로우마크 (Flow mark), 게이트마크 (Gate mark) 와같은불량요인을해결하기위해기체화염 (MmSH), 전자기유도, 적외선등을이용한다양한금형가열방식이개발되어사용되고있다 [5,6,7,8]. 이와같은금형가열방식은일반사출성형의불량요인을해결할수있는장점이있는반면에, MEMS 공정및반도체공정등청정환경을요구하는제조공정에제약이따르거나에너지소모비용증가및사이클타임지연등의단점을 가지고있다. 본연구에서는이중코어로만들어진금형에전열장치 ( 마이크로히터, 센서 ) 를이용하여금형의표면만을가열하여금형의온도를수지의용융점인 200 이상으로가열하여성형하는전열가열방식 (E-MOLD) 을사용하였다. E-MOLD는일반사출성형시발생하는표면결함을해결할수있는정밀성형기술이며열선을이용한금형가열방식으로청정환경을요구하는제조공정에도적용이가능할뿐만아니라가열시간과냉각시간을효율적으로제어할수있어사이클타임의지연을최소화할수있다. 또한금형을지속적으로가열하여온도를유지하는것이아니라필요시간만금형을가열하기때문에에너지소모비용도적다. 본연구에서는원기둥형나노패턴스탬퍼 (Stamper) 와전열가열방식 (E-MOLD) 을이용하여휴대전화용복합기능도광판 (Prismless LGP) 을제작하였다. 제작된도광판은표면특성평가를통해사출성형품품질에영향을주는인자중금형온도가패턴의전사성에미치는영향에대하여알아보았다. 2. 실험 2.1 금형설계및제작 성형에사용된금형은 E-MOLD 방식으로전열을이용하여가열이용이하도록설계되었고, 제작된금형의캐비티 (cavity) 는 one cavity 형태로서그림 1과같다. 미세구조를갖는 BLU용복합기능도광판제작금형의요구특성은다음과같다. [ 그림 1] 금형개략도. 187
한국산학기술학회논문지제 10 권제 1 호, 2009 첫째로, 표면을순간적으로가열하여금형표면온도를수지온도수준까지상승시킨후충전이완료되면급속냉각이가능한구조가되어야한다. 둘째로일반성형에비해사이클타임이길어지지않아야한다. 셋째로반복공정의가열, 냉각사이클에견딜수있는금형재질이어야한다. 마지막으로스탬퍼의장착및탈착이가능한스탬퍼금형구조이어야한다. 이러한특성에적합하도록제작된금형은분리형이동가열코어방식의금형으로그림 2와같다. 이동가열코어프레임과성형면가공판을고정할수있도록진공 / 볼팅체결로되어있다. [ 그림 4] 홀로그램패턴을갖는스탬퍼제조공정도. [ 그림 2] 이동가열코어를갖는 E-MOLD 구조. 2.2 스탬퍼 (Stamper) 설계및제작스탬퍼 (Stamper) 는금형에장착이가능한 4인치크기로설계되었고, 패턴의위치는사출성형시성형되는성형품의크기및위치에적합하도록배치하였다. 스탬퍼의패턴형상은원기둥을갖는홀로그램 (Hologram) 패턴으로형상화하였다. 그림 3은스탬퍼의개략도를나타낸것이고, 그림 4는홀로그램패턴을갖는스탬퍼의제작공정도이다. 실리콘웨이퍼의상부에 BARC(bottomed anti-reflective coating) 를도포하여노광시정재파 (standing wave) 를감소시킨후스피너를이용하여 PR(photoresist) 를도포하였다. KrF 스캐너 (NikonS203-B) 를이용한 Photo-lithography 공정으로 PR의나노패턴을얻었다. RIE(Lam Research TCP 9600DFM) 를이용한건식식각법으로나노패턴을갖는실리콘몰드를제작하였고 Breakthrough(BT) 공정과 Main Etching(ME) 공정으로식각공정을하였다. 도금기 (Digital Matrix SA/2MEM) 를이용하여형성된실리콘몰드위에 Ti 10nm, Ni 80nm의두께로무전해전기도금공정을이용하여스탬퍼를제작하였다. 실리콘몰드와니켈스탬퍼분리를위해 Ti/Au층을습식식각하였고완성된스탬퍼는그림 2의전열가열방식 (E-MOLD) 이가능하도록제작된분리형이동가열코어금형에장착하였다. 2.3 전열가열방식 (E-MOLD) 을이용한사출성형실험에사용한사출성형기는토글타입의고속정밀사출기 ( 동신유압, PRO-25WD) 이다. 사용수지는휴대전화용도광판에주로사용되는폴리카보네이트 (PC) 수지를사용하였다. 표 1은 PC 수지의물성을나타낸것이다. [ 표 1] 폴리카보네이트 (PC) 수지의물성. (a) (b) [ 그림 3] 스탬퍼개략도. (a) 스탬퍼사이즈 (b) 성형품사이즈 구분 성형수축률 신장률 탄성률 ( kg / cm2 ) 유리전이온도 ( ) 흡수율 광투과율 굴절률 PC 0.5~0.7 110 24,000 140 0.15 90 1.59 188
전열가열방식을이용한휴대전화용복합기능도광판제작및전사성평가 휴대전화용도에서는내열성 / 내충격성의요구가높기때문에고온으로유동성이높고휴대전화용도광판에필요한복잡한미세가공에 PC 수지가적합하다. 표 2는성형조건으로금형온도를제외한다른공정변수인사출압력, 보압, 속도, 위치, 시간 ( 가열및냉각 ), 냉각수온도는일정하게하였다. [ 표 2] 사출성형조건 시간 (sec) 온도 ( ) Stroke 압력속도보압 ( mm ) ( kg / cm2 ) ( kg / cm2 ) 성형냉각실린냉각더수 46.2 90 30 100 4 30 290 20 사출성형에사용된금형은단면가열방식으로스탬퍼가장착되는고정측만가열되며, 이동측은일반금형과동일한구조로되어있다. 금형온도는이동측은금형온도조절기와칠러 (chiller) 를사용하여가공된냉각수로를통하여냉각수를순환시켜금형온도를 80 로설정하였고, 고정측은일반사출방식과 E-MOLD 방식으로성형되는복합기능도광판의나노패턴전사성을비교하기위해금형온도를 80~180 로설정했다. 고정측의가열면은가열코어, 냉각판, 금형원판구조로되어있다. 가열코어는 E-MOLD에서가장중요한부품으로급속가열이이루어지는판이며앞면은제품이성형되는면이고, 뒷면은마이크로히터와온도센서로구성된전열장치가장착되어있다. 그림 5는일반사출방식과 E-MOLD 방식으로금형을가열할때온도센서로측정되는금형의온도프로파일 ( 허용오차 : ±10 ) 을비교한것이며, 그림 6은가열에사용된 E-MOLD 시스템의개략도를나타낸것이다. [ 그림 6] E-MOLD 제어기를이용한사출성형공정개략도. E-MOLD 사출성형사이클 (cycle) 은충전후금형이열리면이동가열코어 (core) 가분리되고, 전기가공급되어전열장치에서발생하는열로금형표면 ( 가열코어 ) 을가열하여금형온도를수지온도수준까지가열한다. 금형이닫히면수지를충전시키고냉각공정에서이동가열코어가분리되고냉각수를이용하여급속하게냉각이이루어진다. 냉각이완료되면성형품을취출하는것으로하나의사이클이완성된다. 그림 7은 E-MOLD 방식에의한공정도를나타내었다. (a) 일반사출 [ 그림 7] E-MOLD 공정도. (b) E-MOLD 사출 [ 그림 5] 사출성형 (1 사이클 ) 의온도프로파일. (a) 일반사출 (b) E-MOLD 사출 2.4 성형품표면특성평가 E-MOLD로성형된성형품은금형온도별로취출하였다. 성형품의표면특성은 NC-AFM 방식의원자현미경 189
한국산학기술학회논문지제 10 권제 1 호, 2009 인 SPM(PSIA, XE-100) 으로나노패턴전사성을평가하였다. 전사성평가는금형에장착되어사출성형에사용된니켈스탬퍼의패턴사이즈와 100, 140, 180 에서성형된도광판의패턴사이즈를비교하는것으로평가된다. 스캔사이즈는 3 3μm이며, 프로파일분석은스캐닝된패턴의깊이와폭을측정하여스탬퍼의프로파일과비교했다. 그림 8은도광판을 SPM으로스캐닝하여분석한위치이다. 구분 1 2 [ 표 3] CAE 분석조건. 금형온도 ( ) 3 4 5 수지용융온도 ( ) 시간 (sec) 성형냉각보압 PC 50 80 140 160 180 317.5 1~2 30 2 3. 결과및토론 3.1 금형온도에따른성형품의패턴전사성평가그림 10은원기둥을갖는홀로그램패턴전사를위해사용된스탬퍼의표면을 SPM으로관찰한결과이다. 전사된패턴의깊이는 52.1nm이고, 패턴의폭은 316.4nm로측정되었다. [ 그림 8] 성형품의측정위치. 2.5 시뮬레이션 (CAE) 을이용한수지유동해석유변학적특성상수지의충전형상은점도에따라서달라진다. 일반적으로금형온도가높을수록수지의점도가낮아져흐름성이좋아진다. 이는금형온도가높아질수록용융된수지와금형온도의차이를최소화시킴으로써고화되는시간이느려지고, 고화층이얇게형성되어흐름성이좋아지게된다. 따라서 PC 수지의유동해석을위해사출성형시뮬레이션 (CAE) 해석프로그램인 MAPS 3D를이용하여금형온도가수지유동성에미치는영향에대하여알아보았다. 그림 9는충전과정을시뮬레이션하기위해설계된모델을나타내었다. (a) 2D 이미지 (b) 3D 이미지 [ 그림 9] 금형특성조사를위한박판두께의미세기둥을갖는부분의모델링. 표 3은해석조건으로금형온도와사출시간을제외한다른인자인수지용융온도, 냉각및보압시간은일정하게하였다. (c) 패턴의높이, 폭에대한분석프로파일 [ 그림 10] 스탬퍼 SPM 이미지. 그림 11은 PC 수지를사용하여 E-MOLD 방식을통해 100 에서성형된도광판의표면을 SPM으로관찰한결과이다. 전사된패턴의깊이는 25.0nm, 패턴과의폭은 316.4nm로측정되었다. 190
전열가열방식을 이용한 휴대전화용 복합기능 도광판 제작 및 전사성 평가 그림 13은 180 에서 성형된 도광판을 SPM으로 관찰 한 결과이다. 패턴의 깊이는 52.1 이고, 패턴의 폭은 316.4 로 측정되었다. 140 일 때 보다 패턴의 깊이가 3.7 향상되었고, 스탬퍼와 동일한 패턴의 깊이와 폭을 나타냈다. (a) 2D 이미지 (b) 3D 이미지 (a) 2D 이미지 (b) 3D 이미지 (c) 패턴의 높이, 폭에 대한 분석 프로파일 [그림 11] 도광판 SPM 이미지(100 ). PC의 유리전이 온도와 동일한 온도인 140 에서 성형 된 도광판을 SPM으로 관찰한 결과는 그림 12에 나타내 었다. 전사된 패턴의 깊이는 48.4, 패턴과의 폭은 316.4 이었다. 100 에서 성형된 성형품보다 패턴의 깊이가 (c) 패턴의 높이, 폭에 대한 분석 프로파일 23.4 향상되었다. [그림 13] 도광판 SPM 이미지(180 ). 표 4는 원기둥을 갖는 홀로그램 패턴 스탬퍼와 금형온 도 변화에 따른 휴대전화용 복합기능 도광판의 패턴의 높이와 폭에 대한 측정값을 도시하였다. [표 4] 전사성 vs. 금형 온도. (a) 2D 이미지 (b) 3D 이미지 Division Height (nm) Width(nm) Stamper 52.1 316.4 100 25.0 316.4 140 48.4 316.4 180 52.1 316.4 3.2 금형온도와 사출시간에 따른 수지 유동성 평가 그림 9와 같이 설계된 모델을 이용하여 금형온도와 사 출시간을 공정변수로 하여 시뮬레이션(CAE)을 통해 수 지의 유동성을 비교하였다. 그림 14와 15는 사출시간을 (c) 패턴의 높이, 폭에 대한 분석 프로파일 [그림 12] 도광판 SPM 이미지(140 ). 각각 1sec와 2sec로 하였을 때 금형온도에 따른 수지의 충전과정을 시뮬레이션 한 것이다. 191
한국산학기술학회논문지제 10 권제 1 호, 2009 (a) 금형온도 : 50 (b) 금형온도 : 80 (e) 금형온도 : 180 [ 그림 15] CAE 프로그램을이용한유동시뮬레이션 ( 사출시간 : 2sec). (c) 금형온도 : 140 (d) 금형온도 : 160 그림 14는사출시간이 1sec 일때 50, 80, 140 에서는미성형이되었고, 160 180 에서는패턴내에수지가충전되어성형이됨으로써금형온도가증가할수록수지의유동성이향상됨을나타냈다. 그림 15에서는사출시간이 2sec일때 1sec 일때와달리금형온도를 5 0 160 로증가시켜도미성형이되었고, 180 에서성형이됨으로써금형온도뿐만아니라사출속도및압력도유동성에영향을미치는것으로나타났다. 표 5는시뮬레이션을통해해석된금형온도와사출시간에따른수지의유동해석결과를나타내었다. (e) 금형온도 : 180 [ 그림 14] CAE 프로그램을이용한유동시뮬레이션 ( 사출시간 : 1sec). [ 표 5] 폴리카보네이트 (PC) 수지를이용한유동해석결과. 금형온도 ( ) 사출시간 (sec) 유동해석결과 1 미성형 50 2 미성형 1 미성형 80 2 미성형 1 미성형 140 2 미성형 1 성형 160 2 미성형 1 성형 180 2 성형 (a) 금형온도 : 50 (b) 금형온도 : 80 4. 결론 (c) 금형온도 : 140 (d) 금형온도 : 160 본연구에서는전열가열방식을이용한휴대전화용복합기능도광판제작을통해다음과같은결론을얻었다. 1) 스탬퍼와금형온도 (100~180 ) 에따른도광판의패턴전사성을비교한결과, 100 (25.0nm ), 140 (48.4nm), 180 (52.1nm ) 로금형온도가증가할수록패턴의전사성이향상되었고, 180 에서패턴이완벽하게전사되어스탬퍼 (52.1nm) 와동일한패턴의 192
전열가열방식을이용한휴대전화용복합기능도광판제작및전사성평가 높이를구현하였다. 2) 시뮬레이션을이용한금형온도및사출시간에따른수지의유동해석결과에의하면금형온도가증가하여도사출시간 (1~2sec) 에따라성형또는미성형됨으로써, 금형온도뿐만아니라사출속도및압력에따라서도수지의유동성에영향을미치는것을알수있었다. 3) PC 수지의전사성및유동성은금형온도가증가할수록용융된수지와금형사이의열전달을최소화시켜캐비티내에서수지의유동성이향상됨으로써증가하고특히, 유리전이온도 (140 ) 이상에서크게향상되었다. 김동학 (Dong-Hak Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 고분자가공, 유변학및이동현상 1986 년 : 서울대학교화학공학과 ( 공학사 ) 1988 년 : KAIST 화학공학과 ( 공학석사 ) 1993 년 : KAIST 화학공학과 ( 공학박사 ) 참고문헌 [1] 특허청, 2000년신기술동향조사보고서 ( 백라이트부분의저소비전력화 ), 2000. [2] 황철진, 김종덕, 허영무, 하수용, 이규현, LIGA-reflow 마이크로렌즈패턴금형가공및 LCD BLU 개발, 기계기술 ( 신기술동향 / 기술리포트 ), pp. 164-168, 2004. [3] R. A. Malloy, Plastic Part Design for Injection molding, Hanser Publisher, Munich Vienna, New York, 1994. [4] S. Fellahi, A. Meddad., B. Fisa, and B. D. Favis, Weldlines in Injcection Molded Parts:A Review, Adv. Poly. Tech., vol. 14, 169, 1995 [5] D. H. Kim, M. H. Kang and Y. H. Chun, Development of a notebook PC housing by using MmSH process", ANTEC2001, 2001. [6] J. A. Chang, S. C. Chen and J. C. Cin, Rapid mold temperature control on micro injection molded parts with high aspect ratio micro-features, ANTEC2006, 2006 [7] M. C. Yu, W. B. Young, P. M. Hsu, Micro-injection molding with the infrared assisted mold heating system, ANTEC2007, 2007 [8] D. H. Kim, H. J. Yoo, T. W. Kim, Effects of the mold surface heating methods for the DVD stamper with nano pattern on the transcription of the injection molded parts using COC and PMMA plastics, Journal of the Korean Academic Industrial Society, Vol. 5, No. 3, pp. 218-222, 2004 김영균 (Young-Kyun Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 고분자가공, 사출성형 2005 년 : 순천향대학교환경공학과 ( 공학사 ) 정재엽 (Jae-Youp Chung) [ 정회원 ] < 관심분야 > 고분자가공, CAE 2007 년 : 순천향대학교화학공학과 ( 공학사 ) 193