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고부가가치 제품을 실현하는 초박육·초미세 전사 사출성형 기술

입력 : 2018.09.11 10:24

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[첨단 헬로티]

 

동사는 30년 이상에 걸쳐 세계의 광디스크 메이커에 사출성형용 금형을 제공하고 있다(그림 1). 그 수는 누계 6,000형 이상으로, 세계 톱 셰어의 광디스크 금형 메이커로서 고정도·고품질 금형을 제공하기 위해 여러 가지 특징적인 금형 기술, 성형 기술을 구사, 개발을 추진함으로써 고객 요구에 대응해 현재에 이르고 있다. 


▲ 그림 1. 광디스크 성형


광디스크는 성형품 기판 두께 0.3mm라는 박육 성형이 요구되며, 영상이나 음악 정보를 패턴화한 수십~수백 nm 레벨의 미세한 요철 형상으로 해 성형품 기판에 정확하게 전사시킬 필요가 있다. 이러한 박육 성형이나 미세 전사를 실현하기 위해 ‘사출 압출성형’, ‘단열 금형’ 등으로 항상 최첨단 기술을 개발해 왔다.


현재 동사에서는 광디스크 금형으로 축적한 기술을 활용, 특수한 도광판이나 렌즈 등의 광학 성형품, 세포 배양 용기나 바이오칩 등의 의료·바이오 성형품 등 차세대를 위한 여러 가지 요구에 대응함으로써 금형 메이커에서 금형·성형까지의 통합 메이커로 변혁하고 있다. 이 글에서는 동사가 축적한 기술과 그 전개를 소개한다.


광디스크 금형의 주된 기술


1. 사출 압축성형 기술

박육 성형을 달성하기 위해 동사에서는 사출 압축성형 대응의 금형 기술을 개발해 왔다. 사출 압축성형은 기존의 사출성형에 비해 싱크·휨의 저감을 도모, 미세한 전사나 박육 성형·고정도의 성형품 등에 적합한 특수한 사출성형 기술이다.


그림 2에 나타냈듯이 사출 압축성형은 금형 파팅면을 일시적으로 오픈한 상태로 사출을 함으로써 무리 없이 캐비티 내로 수지를 충전시킨다. 그 후 수지가 냉각고화되기 전에 형체결을 함으로써 기존의 사출성형으로는 곤란했던 전사나 박육 성형품의 실현을 가능하게 한다.


▲ 그림 2. 광디스크의 사출 압축성형


사출 압축성형용 금형을 설계·제작하기 위해서는 금형의 스커핑이나 성형품의 버를 발생시키지 않도록 외주의 섭동부를 어떻게 컨트롤할지 하는 금형 구조의 고안, 그리고 고정도의 금형가공 기술이 중요하다.


2. 단열 금형 기술

일반적으로 열가소성 수지의 사출성형에서는 수지를 금형 내에 사출하면 수지 표면에 스킨층이 형성되고 고화가 시작된다. 고화가 빠르면, 미세한 전사나 박육부에 대한 수지의 유동이 이루어지지 않는다. 미세한 전사를 중시해 고화를 늦추기 위해 금형 온도를 높이면, 이번에는 냉각에 시간이 걸려 성형 사이클이 늦어짐으로써 생산 효율이 저하한다.


이 상반되는 상태를 타파하기 위해 열전도율이 낮은 층을 금형 캐비티 표면 부근에 이용함으로써 보통보다 낮은 금형 온도나 수지 온도에서도 그 금형 내에 사출된 수지의 고화를 한순간 늦출 수 있게 된다. 그 결과, 수지가 캐비티 내를 왕래, 미세한 전사나 박육부의 형성이 가능하다. 그리고 금형이나 수지 온도를 내릴 수 있음으로써 성형 사이클도 단축할 수 있다. 이 기술을 실제로 블루레이 디스크용 금형에 채용한 결과, 당초의 금형 온도보다 10~20℃ 정도 내릴 수 있게 되어 대폭적인 성형 사이클 단축을 실현했다. 


성형에서 금형 온도나 수지 온도를 낮게 할 수 있는 것은 이외에도 여러 가지 메리트가 있다. 예를 들면, 수지의 가스 발생량 저감에 의해 금형 메인티넌스 빈도를 줄일 수 있다. 또한 성형품의 버 저감이나 성형품 외관 품질 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 


광학 성형품에 대한 전개


1. 도광판

광디스크 이외의 제품이라도 박육화를 위해 사출 압축성형이 이용되는 예는 증가하고 있다. 대표적인 것은 도광판이다(그림 3). 스마트폰이나 태블릿 등의 박육화와 LED의 소형화가 진전, 수년 전까지는 스마트폰 사이즈로 판두께 0.5mm 정도의 요구였던 것이 0.3mm 이하라는 제품 요구로 변화하고 있다.


▲ 그림 3. 도광판 성형품


도광판의 박육화는 10년 이상 전부터 금형, 성형기 메이커 등에서 시행착오하면서 개발하고 있었다. 당초에는 고속 사출성형으로 수지를 한번에 충전, 박육화를 실현하는 수법이 주류였다. 그러나 이 방법으로는 성형품의 게이트 측에 높은 응력이 걸리고, 휨의 컨트롤도 어려워 액정의 확대화와 박육화의 양립에는 한계가 있었다.


그 후 성형 방법은 고속 사출+사출 압축성형으로 시프트, 동사도 도광판용 사출 압축성형 금형의 개발을 추진했다. 러너 게이트부의 사출 압력을 유지하면서 원활하게 코어를 섭동시키고 성형품을 압축시켜야 한다. 개발 초기에는 게이트의 버, 섭동부의 스커핑 등의 문제를 안고 있었는데, 러너 게이트 디자인의 적정화, 새로운 섭동 방법의 확립에 의해 5.5인치 도광판에서는 0.25mm의 박육화까지 달성했다. 그 후에도 개량을 추진, 10인치 사이즈 이상의 더욱 큰 성형품이나 살두께 차이가 있는 특수한 도광판에도 적용할 수 있는 금형으로서 기술을 확립해 동사에서는 금형 제작뿐만 아니라 양산 성형 라인으로서 생산까지 하고 있다(그림 4).


▲ 그림 4. 클린룸에서 도광판 생산


2. 그 외의 광학 제품

광디스크 성형 기술은 그 외의 광학 성형품에서도 활용할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이에서는 금형의 렌즈 형상을 수지에 정확하게 전사시킬 필요가 있는데, 기존의 사출성형에서는 미세한 렌즈 형상의 전사에는 과제가 있었다. 동사는 사출 압축성형 기술이나 단열 금형 기술을 이용함으로써 미세한 렌즈 형상을 기존에 비해 얼룩 없이 정확히 전사시킬 수 있었다(그림 5). 또한 광학 센서 부품의 복잡한 미세 패턴도 동일한 기술로 성형할 수 있다(그림 6).


▲ 그림 5. 마이크로 렌즈 어레이 (성형품)


▲ 그림 6. 광학 센서 부품 (성형품)


의료·바이오 성형품(세포 배양 용기)에 대한 전개


동사의 기술 이용할 수 있는 제품은 의료·바이오 분야에서도 많이 존재한다. 이전부터 나노테크놀로지+바이오 제품의 조합으로 ‘나노바이오’라는 용어가 사용되고 있다. 미세 유로를 형성한 바이오칩이나 마이크로 니들 어레이 등에서는 정말로 광디스크와 동일하게 성형품의 패턴을 정확하게 전사시킬 필요가 있다. 


또한 세포 배양 용기에서는 피관찰물을 관찰하기 위해 박육부를 형성할 필요가 있으며, 더구나 커버글라스 수준의 광학특성을 필요로 한다. 이와 같은 제품 요구를 달성하기 위해서는 사출 압축성형 기술이나 단열 금형 기술이 필수가 된다. 


1. 박육 세포 배양 용기

디시 형상의 세포 배양 용기의 기존 제품에는 구멍이 뚫린 용기에 커버글라스나 수지필름을 붙인 것이 있다. 이것은 피관찰물을 안쪽면에서 도립 현미경으로 관찰하기 때문에 고배율 렌즈로 관찰하기 위해서는 박육부의 두께는 0.17mm 정도의 사양이 된다.


기존 제품은 2부품 구성으로, 접착 공정이 존재한다. 접착제로 고정하는 것은 세포에 독성의 영향을 줄 위험이 있다. 동사는 사출 압축성형 기술을 이용, 이것을 단일 부품으로 성형하는 것에 성공했다(그림 7). 


▲ 그림 7. 박육 세포 배양 용기 (중앙 ?14mm, 박육부 두께 0.17mm)


또한 그림 8에 나타냈듯이 유리를 붙인 기존 제품과 비교해도 편광특성에서 손색은 없다. 단일 부품이기 때문에 접착재에 의한 세포 독성도 없고, 세포 접착성이 우수하다는 것도 동사 용기의 이점이다.


▲ 그림 8. 편광특성


2. 미세 구조의 세포 배양 용기

세포 배양 분야에서는 미세 구조를 가진 세포 배양 용기가 개발되어 연구 등에 사용되고 있다. 미세 구조에 의해 세포의 발판을 형성함으로써 평탄한 세포 배양 용기로는 불가능했던, 세포의 3차원적인 배양이나 세포 덩어리의 크기, 형상의 컨트롤이 가능하게 되고 기존에는 없었던 연구가 가능해지고 있다.


기존에는 임프린트 방식의 생산이 주류였는데, 동사는 보다 생산 효율이 좋은 사출성형 방법의 기술을 개발해 왔다. 미세 구조를 정확하게 전사시키기 위해 사출 압축성형+단열 금형 기술로 대응했는데, 애스펙트비가 높은 패턴을 형성하는 경우에는 자사에서 개발한 히트&쿨 기술도 이용하고 있다.


실제로 제작한 나노 구조를 가지는 세포 배양 용기(그림 9)를 이용해 연구기관이나 대학 등에서 세포를 배양, 특수한 배양 효과로서 그림 10과 같이 세포 덩어리의 형성이나 세포 정렬이 일어난다는 것이 확인됐다.


▲ 그림 9. 나노 구조를 가지는 세포 배양 용기


▲ 그림 10. 특수한 배양 효과 (왼쪽 : 세포 덩어리, 오른쪽 : 세포 정렬)


앞으로의 전개


초박육·초미세 전사 사출성형 기술은 앞으로도 여러 가지 제품의 실현에 필요해진다. 앞에서 소개한 광학 부품 분야에서는 자동차의 내외장부에 앞으로 여러 가지 광학 기능이 탑재될 것으로 생각되고 있다. 액정 부품, 스위치 부품, 조명 부품 등에서도 미세 구조를 가지는 복잡한 수지성형품이 필요하다. 또한 정보통신이나 로봇 분야에서도 센서 부품 등으로 동일한 기술을 활용할 수 있을 것으로 생각하고 있다.


의료·바이오 분야에서는 iPS 세포의 개발이 기대되는 가운데, 미세 구조를 가지는 세포 배양 용기는 앞으로의 개발이나 양산에는 없어서는 안 되는 제품이 될 것으로 생각된다. 


또한 바이오칩도 예방의료 분야에서 표준화가 추진, 앞으로도 큰 시장을 형성해 갈 것이다.


동사는 이러한 차세대 요구에 맞춰 기술 발전을 해, 초박육·초미세 전사 사출성형 기술의 리딩 컴퍼니로서 항상 성장을 계속해 나갈 것이다.


카키누마 노리히로 (?沼 憲宏)   ㈜精工技硏


본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.

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