대면적 미세 구조물의 사출성형에 관한 수치적 및 실험적 연구

Abstract

Experimental and numerical studies have been carried out in order to investigate the transcriptability of injection molding of micro structures on large surface. For this purpose, a mold insert having micro pole patterns on a relatively thick ground part has been designed. Mold insert has a ground plate of 1.5mm thickness, and micro structure arrays on that ground plate. The shape of micro structure is square pole and the characteristic lengths of the micro poles are varied(50, 100um). Numerical simulation is accomplished using domain decomposition method. Ground plate part and micro structure part are numerically simulated with 2.5-dimensional and 3-dimensional system, respectively. The 3D analysis is attempted in two different schemes. The effect of processing conditions, such as flow rate, wall temperature and melt temperature, on the transcriptability has been extensively investigated. Transcriptability according to the relative location of micro poles and thickness of ground plate are also investigated.

본 연구에서는 대면적에 존재하는 미세형상구조물의 사출성형 전사성에 대한 실험과 해석을 수행하였다. 이를 위해서 50um, 100um의 크기를 가지는 사각 기둥(square pole)형상의 미세구조물 형상을 가지는 금형 인서트 (mold insert)를 제작하였다. 그리고 제작된 금형 인서트와 두께를 바꿀 수 있는 금형 시스템도 제작하였다. Domain decomposition method에 기초한 수치해석방법도 도입되었다. 그라운드 플레이트와 마이크로 구조물은 각각 2.5D, 3D 수치해석 시스템에 의해 해석되었다. 3D해석은 마이크로 구조물 자체만 해석하는 방법과 마이크로 구조물과 그에 해당하는 그라운드 플레이트를 포함해서 해석하는 방법 두 가지가 시도 되었다. 사출 속도, 수지 온도, 금형 온도와 같은 성형 공정 조건의 변화에 따른 미세구조물의 사출성형성의 영향도 연구되었다. 구조물의 상대적인 위치와 그라운드 플레이트 (gound plate)의 두께차이에 에 따른 전사성의 차이에 대한 연구도 진행되었다.금형 인서트를 제작하기 위하여, MicroChem사의 SU-8 공정을 이용하였다. 실리콘 웨이퍼에 SU-8을 이용하여 미세 구조물을 제작한 후, 전주도금 공정을 이용하여 니켈 금형 인서트를 제작하였다. 제작된 금형 시스템에 장착될 수 있도록 후가공공정을 통하여 금형 인서트로 완성되었다. 금형 인서트에 잔존하는 SU-8을 제거하기 위하여 포토리지스트 제거 공정을 수행하였다.제작된 50um, 100um 금형 인서트와 금형을 이용하여 사출성형 실험을 수행하였다. 사출속도, 수지온도, 금형온도를 변화시켜가며 실험을 수행하였으며, 그라운드 플레이트의 두께를 변화시켜가며 그 영향도 확인하였다. 주어진 성형공정 조건에 있어서 사출속도가 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 수지온도가 금형온도에 비해 큰 영향이 있는 것으로 나타났지만 수지온도는 변화시킬 수 있는 범위가 제한적이므로 큰 영향을 끼친다고 보기는 어려울 것이다. 금형온도의 경우 유리전이온도만큼 증가된다면 미세구조물의 전사성에 큰 영향을 끼칠 것이다. 그라운드 플레이트의 두께를 변화시켜가며 충전시간이 같게 되도록 사출 속도를 바꾸어주었다. 그 결과 제품이 얇을 수록 미세구조물의 충전이 더욱 잘 되는 것을 확인하였다. 이는 제품이 얇을 수록 압력이 증가하고, 그에 따른 점성가열 역시 증가하여 나타나는 결과로 보인다.2.5D 해석은 잘 알려진 Hele-Shaw 가정을 도입하여 수행하였다. 3D 해석은 입구에서의 경계조건에 2.5D 해석 결과를 도입하고 비압축성 스토크스 유동을 예측하도록 수행되었다. 미세 구조물의 위치에 따른 전사성의 경향은 확인할 수 있었으나 실험에서는 가장 큰 영향을 끼쳤던 사출속도의 영향이 크게 나타나지 않았다. 이는 미세 구조물에서의 열전달이 너무 빠르게 일어나 높은 사출속도에 의해 나타나는 높은 압력의 영향이 작게 나타났기 때문으로 추측된다.