KR100495230B1 - 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LCD용 도광판의 제작에 있어서 표면에 미세 프리즘 요철을 형성하는 도광판 제조용 금형의 제조방법에 관한 것으로, 그 방법은 금형 코어부의 상부면을 연마하는 연마공정과; 상기 연마평면에 프리즘 요철의 깊이 이상으로 무전해 전기도금층을 만드는 도금공정과; 도금층의 조직을 치밀화시키는 열처리 공정과; 프리즘 요철을 형성하기 위한 바이트의 절삭공정과; 상기 완성된 코어를 금형내부에 조립하는 조립공정으로 이루어지되, 상기 무전해 도금층을 만드는 도금공정에서 니켈-인 합금이나 니켈-구리 합금, 또는 구리를 이용하는 것과, 절삭공정에서 천연 다이어몬드 재질의 바이트에 의한 무회전 왕복운동에 의한 절삭으로 프리즘 요철의 길이를 5 ㎛ 에서 50 ㎛ 정도 형성하는 것을 특징으로 하는, 프리즘 패턴을 표면에 갖는 도광판의 제조를 위한 금형 제조방법으로서, 이렇게 제조되는 금형으로 도광판을 제조할 경우 도광판의 내부를 흐르는 광선들이 외부로 나갈 때 도광판 상부표면에 새겨진 프리즘 요철에 의하여 그 경로가 정면방향으로 굴절되어 모아지게 되고, 이로 인하여 정면방향의 휘도가 크게 향상되며, 그 결과 별도의 프리즘 시트를 얹지 않아도 엘씨디용 백라이트의 기능을 하게 된다.

Description

프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법{Manufacturing method of a core of a die for light guide pannel with a prism pattern}

LCD는 널리 알려진 평판 디스플레이 장치 중의 하나이다. 도1은 도광판이 결합된 일반적인 LCD의 백라이트장치로서, LCD에서 도광판은 측면에 부착된 형광램프로부터 입사된 광선을 표면을 통하여 외부로 고르게 출사시켜서 상부의 액정환경을 밝게 만들에 주는 백라이트(backlight) 역할을 한다. 즉, 측면의 또는 배면의 램프에 의한 점광원 또는 선광원을 면광원 형태로 전환시켜주는 역할을 하는 부품이다. 도광판(2)의 재질은 투명한 광학용 수지, 특히 아크릴이라고 부르는 PMMA 수지를 많이 사용하며, 이를 주로 사출성형에 의해 제조하며, 도광판 내에 입사 임계각으로 인하여 내부에서 갇혀 흐르는 광선을 외부로 출사하기 위하여 그 표면에 빛의 산란 및 반사를 위한 여러 가지 패턴이 부착되거나 새겨진다.

도2에 도시된 것과 같이 기존의 이러한 도광판에서 패턴에 의해 산란된 광선은 일정한 방향성을 갖지 못하고 여러 각도로 난반사되어 외부로 출사된다. 기존의 백라이트 장치에서는 패턴부위에서 산란된 빛을 면 전체에 고르게 확산시키기 위하여 확산시트(5)를 도광판 위에 장착하고, 또한 여러각도로 분산되어 나오는 광선을 면에 수직한 정면방향으로 모아주기 위하여 프리즘시트(6, 7)를 도광판 위에 장착함으로써 정면에서 바라보는 면휘도를 향상시킨다.

그러나, 프리즘시트들의 가격이 고가이어서 LCD용 백라이트 장치의 원가를 상승시키는 주 요인이 되어왔고, 따라서 도3과 같이 도광판 상부표면에 직접 미세 프리즘요철을 형성하여 프리즘시트의 역할을 하기 위한 노력이 경주되어 왔다. 이러한 프리즘도광판용 금형 코어를 제작하려면 코어 전체 표면에 걸쳐 깊이 50 ㎛ 이하의 프리즘 요철이 새겨지고 그 가공면이 경면이 되도록 제작되어야 한다.

본 발명은 이와 같이 LCD용 도광판의 제작에 있어서 표면에 미세 프리즘 요철을 형성할 수 있도록 하는 도광판 제조용 금형의 코어 제조방법에 관한 것으로 가공부의 재질을 무전해 도금층으로 형성하고 여기에 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 깊이의 요철을 절삭가공함으로써 프리즘 요철이 표면에 새겨진 도광판을 제조할 수 있는 금형 코어제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 사출용 금형 코어의 재료로 강(Steel)괴류가 많이 사용하고 있는 바, 기존의 제조공정을 보면 용융 상태의 철을 냉각시키면서 주조, 단조 및 압연 등의 과정을 거치는데, 이러한 과정에서 조직 내부에 기포발생과 결정의 이방성 배열 등으로 금속조직 결정의 균일성이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 재료에 대해 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 정도의 미소 깊이 절삭가공을 할 경우 프리즘요철에서 필요한 평균표면조도(Ra) 10 nm 이하의 경면 수준을 얻기 어려우며, 또한 절삭 가공후에도 래핑공정을 진행하기 어려운 점 때문에 기존의 재료 및 공정으로는 경면의 미세 프리즘 요철을 갖는 금형 코어를 제조하기가 곤란하다. 비철재료를 사용하는 경우도 있지만 낮은 경도로 인한 내마모성의 문제나, 상기의 강괴류와 같은 이유로 사용되지 못하고 있다.

또한, 미소 요철부위의 경면가공에는 연마석을 고속회전시키는 방법이 일반적이나 프리즘 요철부의 꼭지점 모서리부위를 날카롭게 세울 정도로 연마석의 정밀도를 유지하기는 어렵다.

이 때문에 별도의 일체형 프리즘 도광판은 기대되는 많은 장점과 노력에도 불구하고 금형 제조의 어려움 때문에 현재까지 상업적인 규모의 양산이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 강괴류의 경도를 지니면서도 조직이 치밀하고 균일한 새로운 재질을 전기도금(electroplating)을 통하여 코어부의 표피층에 형성시키고, 내마모성이 뛰어나고 절삭날의 거칠기가 우수한 단결정 천연 다이어몬드 바이트에 의한 무회전 직선운동 방식의 절삭가공으로 도광판 표면에 프리즘요철을 형성하는 프리즘도광판 제조용 금형을 제조하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 요철이 새겨질 코어의 표피부를 무전해 도금층으로 100㎛ 이상 형성시키되, 도금재료로는 니켈-인 합금이나, 니켈-구리 합금, 또는 구리를 사용하며, 내마모성이 뛰어난 천연 다이어몬드 바이트에 의한 무회전 직선운동 방식의 절삭가공으로 이 도금층을 가공함으로써 그 목적을 달성한다.

이하에서 본 발명의 실시 방법을 설명한다.

본 발명의 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법은 도 4 에서 도시된 바와 같이,

금형 코어의 상부면을 연마하는 연마단계(S100)와;

상기 연마면에 두께 100 ㎛ 이상으로 무전해 전기도금층을 형성하는 도금단계(S110)와;

상기 형성된 도금층의 조직을 치밀화하고 내마모성을 증가시키는 열처리단계(S120)와;

상기 형성된 도금층에 바이트의 절삭공정에 의해 미세 프리즘 요철면을 형성하는 단계(S130)와;

상기 요철면이 형성된 코어를 금형 내부에 조립하는 조립단계(S140)로 구성된다.

상기의 연마단계에서는 금형코어의 상부 표면에 도금층이 균일한 높이로 형성되도록 입도 180-320 수준의 연마석으로 금형코어의 상부면을 연마한다. 또한 상기 도금단계(S110)에서는 도금층의 두께가 100마이크로미터 이상이 되도록 하는것이 바람직하다.

상기 무전해 전기도금단계에서는 니켈-인의 합금일 경우 인의 비율이 9%-13% 내외가 되도록 하거나 혹은 니켈-구리의 합금일 경우 구리의 비율이 6% 내외, 가령 4∼8%가 되도록 하거나 혹은 구리도금의 경우는 구리함량 99.9%이상의 순수 구리를 사용한다.

상기 열처리단계에서는 니켈합금일 경우 300-600 ℃ 에서 열처리 시간 1-4 시간 정도를 유지해 줌으로써 비커스 경도 550-750 내외까지, 구리 도금일 경우 비커스 경도 220-250 내외까지 도금 조직의 경도를 만들어 준다. 금형의 수명이 문제가 되지 않을 경우 니켈합금 도금층의 경우 열처리공정을 생략할 수도 있다.

상기의 절삭단계에서는 단결정의 천연 다이어몬드 재질의 바이트 날을 회전시키지 않고 도금층에 일정한 깊이로 진입하여 공구를 직선이송시켜 절삭을 행하고, 이에 따라 바이트의 윤곽이 프리즘 요철로 코어부에 형성된다. 이때 공구의 이송방향은 광원에서 나오는 수평광선들과 평행하게 하게 한다.

상기의 단계에 의해 형성된 프리즘 요철면은 평균표면조도(Ra)가 10 nm 이하수준이 되며, 이렇게 완성된 코어를 조립한 금형으로 조립한 뒤 사출 등에 의해 도광판 표면에 경면수준의 프리즘요철이 형성된 제품을 얻게 된다.

이하에서는 LCD용 프리즘도광판의 제작을 위해 바람직한 사양 중 하나인 표면에 깊이 37.5 ㎛, 내부각 90° 의 연속 프리즘 요철이 형성되는 도광판 제조용 사출 금형의 제조를 위한 2가지 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

먼저 니켈-구리합금을 이용하는 제1실시예를 설명한다.

첫 번째 단계인 연마공정에서는 탄소공구강계열의 stavax(상표명)를 코어 소재로 하여 상면부를 연마하되, 입도 300의 연마석을 사용한다. 상부표면 도금층의 부착력을 강화시키기 위하여 상부표면에 인접한 측면부에도 도금층이 형성될 수 있도록 시편을 준비한다. 도금층의 상부표면이 넓을 경우 형성되는 도금층의 부착력 향상을 위해 시편표면에 미세요철이나 작은 홈을 일정간격으로 새길 수도 있다.

두 번째 단계인 무전해 도금공정에서는 니켈-구리 합금에서 구리의 비율을 5% 정도로 하여 150 ㎛ 정도의 두께가 되도록 시편상부에 적층한다. 이 경우 열처리 공정없이 도금만으로도 재질은 비커스경도 620 정도를 나타내게된다.

세 번째 단계인 절삭공정에서는 단결정의 천연 다이어몬드 재질의 공구를 사용하고, 바이트 끝단의 내부각을 90° 로 형성하여 도금층을 가공한다. 최종 가공깊이는 37.5 ㎛ 로 연속 프리즘요철을 형성하도록 한다. 가공면의 평균표면조도는 공구의 상태 및 절삭유, 공작기계에 따라 조금의 차이가 발생하나 평균표면조도(Ra) 3-6 nm 수준의 경면을 얻을 수 있다.

네 번째단계인 조립공정에서는 제작된 코어를 금형에 조립함으로써 사출을 위한 준비를 완료하며, 이때 사출 재료는 PMMA 아크릴 계통의 복합수지를 사용하는 것이 바람직하다.

다음은 니켈-인 합금을 이용하는 제2실시예를 설명한다.

제2실시예에서는 제1실시예와 동일한 단계를 진행하되, 두 번째단계인 무전해 도금공정에서 니켈-인 합금 도금층 형성에 있어서 인의 비율을 10%내외로 하여 150 ㎛ 정도 두께로 시편상부에 적층한다. 세 번째의 절삭가공후 가공면의 평균표면조도는 공구의 상태 및 절삭유, 공작기계에 따라 조금의 차이가 발생하나 표면평균거칠기(Ra) 5-8 nm 수준의 경면을 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 얻어진 미세 프리즘 요철면을 갖는 코어를 조립한 금형에서 사출공정을 거쳐 제조되는 도광판은 표면에 프리즘 요철이 새겨지게 되고, 이는 도광판의 내부를 흐르는 광선들이 외부로 나갈 때 그 경로가 정면방향으로 굴절되어 모아지도록 하여 정면방향의 휘도가 크게 향상되며, 별도의 프리즘 시트를 얹지 않아도 엘씨디용 백라이트의 기능을 하게 된다.

본 발명의 프리즘 요철 코어의 제작공정은 반사판지용 시트나 프리즘 시트류의 성형제작에도 활용될 수 있으며, 사출성형용 금형으로뿐 아니라 프레스용 금형으로도 응용될 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 무전해 도금층을 형성하고 이를 단결정 다이어몬드 바이트로 절삭함으로써 평균표면조도 10 nm 이하의 값을 갖는 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 깊이의 연속 프리즘 요철면을 용이하게 경면처리할 수 있어, 연속프리즘 요철면이 도광판의 표면에 새겨진 일체형 도광판 제조용 금형을 제작 할 수 있게 된다. 이와 같이 만들어진 금형의 코어를 기존의 도광판 사출성형공정이나 프레스공정 등에 적용할 경우 표면에 경면프리즘요철이 새겨진 도광판을 제작할 수 있어서 면전체의 평균휘도를 향상시키고 백라이트 장치에서 시트류의 사용을 절감 또는 제거할 수 있게 하는 효과가 있는 것이다.

도 1은 도광판이 결합된 일반적인 LCD용 백라이트 장치

도 2는 일반적인 프리즘시트와 도광판

도 3은 프리즘 패턴을 표면에 갖는 도광판

도 4은 프리즘 패턴을 표면에 갖는 도광판 제조용 금형의 제조 공정도

1 : 반사판(reflective sheet)

2 : 도광판(light guide panel)

3 : 램프 광원

4 : 램프 반사판

5 : 확산시트(diffuser sheet)

6 : 프리즘시트 하

7 : 프리즘시트 상

8 : 보호용 시트

9 : 광선(光線)

Claims (9)

1. 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법에 있어서,

   금형 코어의 상부면을 연마하는 연마단계와;

   상기 연마면에 무전해 전기도금층을 형성하는 도금단계와;

   상기 형성된 도금층의 조직을 치밀화하고 내마모성을 증가시키는 열처리단계와;

   상기 형성된 도금층에 바이트의 절삭공정에 의해 미세 프리즘 요철면을 형성하는 단계와;

   상기 요철면이 형성된 코어를 금형 내부에 조립하는 조립단계

   를 갖는 것을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
2. 청구항 1에서, 상기 연마단계는 금형코어의 상부 표면에 도금층이 균일한 높이로 형성되도록 입도 180-320 수준의 연마석으로 금형코어의 상부면을 연마하는 것을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
3. 청구항 2에서, 상기 연마단계에 의해 연마를 마친 금형 코어의 상부표면에 도금층의 부착력 향상을 위해 시편표면에 미세요철이나 작은 홈을 일정간격으로 새기는 단계를 추가한 것을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
4. 청구항 1에서, 상기 도금단계에서는 도금층의 두께가 100 ㎛ 이상이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
5. 청구항 1에서, 상기 도금단계에서는 도금 재질로 니켈-인 합금을 사용하되, 인의 비율이 9%-13% 내외가 되도록 하는 것

   을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
6. 청구항 1에서, 상기 도금단계에서는 도금 재질로 니켈-구리의 합금을 사용하되, 구리의 비율이 4-8%가 되도록 하는 것

   을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
7. 청구항 1에서, 상기 도금단계에서는 도금 재질로 구리함량 99.9%이상의 순수 구리를 사용하는 것

   을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
8. 청구항 1 내지 청구항7중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭단계에서는

   천연 다이어몬드 재질의 바이트 날을 도금층에 일정한 깊이로 진입하여 공구를 직선이송시켜 절삭을 행하는 것

   을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
9. 청구항 8에서, 상기 절삭단계에서는

   도금층을 5 ∼ 50 ㎛ 깊이로 요철을 절삭하는 것

   을 특징으로 하는 프리즘 패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법