KR102069914B1 - 재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구 - Google Patents

Abstract

재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구는 (a) 미세구조화된 재귀반사성 요소들의 어레이를 포함하는 패턴화된 표면을 포함하는 기재 및 (b) 어레이의 적어도 일부분을 통한 용접 시임을 포함한다. 패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역이 약 400 ㎛ 이하의 폭을 갖는다.

Description

재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구{TOOLS FOR MAKING RETROREFLECTIVE ARTICLES}

본 발명은 재귀반사성 물품(retroreflective article)을 제조하기 위한 용접된 공구(tool), 공구를 제조하기 위한 방법, 및 공구로부터 복제된 재귀반사성 물품에 관한 것이다.

재귀반사성 시트는 예를 들어 도로 표지(road sign), 도로 표지병(pavement marker), 번호판(license plate) 및 의류를 포함한 다양한 응용에 사용된다. 이들 응용 중 많은 것은 시트가 눈을 즐겁게 하거나 심미적인 외관을 가질 것을 요구한다.

재귀반사성 시트의 하나의 유용한 유형은 큐브 코너 재귀반사성 시트(cube corner retroreflective sheeting)이다. 큐브 코너 재귀반사성 시트는 전형적으로 대체로 평면인 전면 및 배면으로부터 돌출하는 큐브 코너 반사 요소들의 어레이를 갖는 시트를 포함한다. 사용 시, 재귀반사기는 전면이 대체로 의도되는 관찰자의 예상되는 위치를 향해 배치되는 상태로 배열된다. 이러한 배향에서, 전면에 입사하는 광은 시트에 들어가고, 시트의 본체 전체에 걸쳐 통과하여 큐브 코너 반사 요소의 면(face)에 의해 내부 반사되어서, 실질적으로 광원을 향하는 방향으로 전면으로부터 출사하는데, 즉 재귀반사된다.

재귀반사성 큐브 코너 요소 어레이의 제조는 전형적으로 마스터 공구(master tool)의 다세대 복제물일 수 있는 주형(mold) 또는 공구를 채용함으로써 성취된다. 마스터 공구는 주로 핀 번들링(pin bundling), 래미너 조립(laminae assembly) 및 직접 기계가공과 같은 공지 기술에 의해 제조된다. 핀 번들링에 의해 제조되는 공구는 큐브 코너 반사성 요소의 피처(feature)를 갖도록 형상화된 단부 부분을 각각 갖는 개별 핀들을 함께 조립함으로써 제조된다. 래미너 조립에 의해 제조되는 공구는 큐브 코너 반사성 요소의 피처를 갖도록 형상화된 측부 부분을 각각 갖는 개별 래미너 또는 블레이드들을 함께 조립함으로써 제조된다. 직접 기계가공 기술은 큐브 코너 요소를 포함하는 구조물을 형성하기 위해 교차하는 홈들의 패턴을 생성하도록 기재(substrate)의 부분들을 커팅하여 제거하는 것을 수반한다. 이러한 홈 형성된 기재는 전형적으로 마스터로서 사용되는데, 이 마스터로부터 일련의 임프레션(impression), 복제물 또는 주형이 형성될 수 있다. 이어서 이들은 전형적으로 재귀반사성 시트를 위한 주형으로서 사용된다.

일단 주형 또는 공구가 제조되면, 이어서 예를 들어 성형된 표면을 형성하도록 공구 기재로 플라스틱 시트를 열적으로 엠보싱하는 것에 의해, 또는 미세복제될 주형 상에 가교결합성의 부분 중합된 수지(이는 이어서 전형적으로, 예를 들어 화학 광 또는 열과 같은 방사선에 노출되어 수지를 고화시킴)를 후속적으로 침착시키는 것에 의해를 포함한 임의의 적합한 방법에 의해 재귀반사성 시트가 제조될 수 있다.

그러한 제조 공정은 전형적으로 연속 공정이다. 재귀반사성 시트의 연속 제조를 위해, 공구는 전형적으로 분리된 공구 요소(tooling element)들(이들은 본래 대체로 평평함)로부터 그들의 폭을 가로지르는 하나 이상의 용접 라인으로 그들을 함께 결합함으로써 형성된다. 제1 분리된 공구 요소(마스터)는 보통 상기에 기술된 바와 같이 생성되고 이어서 다세대 복제물을 포함한 다수의 복제물이 전기도금을 통해 제조된다. 이어서 이들 복제물은 실린더, 벨트 또는 슬리브(sleeve)의 형태로, 실린더, 벨트 또는 슬리브의 폭을 가로지르는 하나 이상의 용접 라인으로 함께 용접된다.

재귀반사성 시트가 공구 상에 제조된 때, 수지가 용접 라인 내로 유동하여 시임 라인(seam line)이 결과적인 시트 내에 복제되게 한다. 시임 라인은 전형적으로 재귀반사성 시트의 폭을 가로질러 관찰될 수 있다. 이들 시임 라인은 시트의 심미감을 감소시키기 때문에, 이들을 좁게 하거나 이들을 제거하려는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, (둘 모두 버나드(Bernard) 등의) 미국 특허 제5,643,400호 및 제5,558,740호는 각각의 어레이의 전방 에지 및/또는 후방 에지에서 중첩되는 2개의 프리즘 어레이를 생성하는 데 적어도 2개의 주형 표면이 사용되는, 재귀반사성 시트를 제조하기 위한 장치 및 방법을 기술한다. 미국 특허 제6,709,258호(폴슨(Paulson) 등)는 실질적으로 평면인 공구의 배면의 대향 단부들을 함께 용접하여 원통형 형상을 형성함으로써 제조되는, 재귀반사성 시트를 위한 주형을 기술한다.

상기 내용을 고려하여, 재귀반사성 시트와 같은 재귀반사성 물품 상에 좁은 시임 라인을 생성할 수 있는 충분히 강한 용접부를 갖는 재귀반사성 물품을 위한 공구를 제조하기 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 아직 존재한다는 것을 인식한다.

더욱이, 용접 공정으로부터의 열에 의해 영향을 받는 용접부에 인접한 공구 상의 영역을 최소화하는 것이 또한 임의의 그러한 방법에서 매우 중요하다는 것을 인식한다. 이러한 영역에서의 가열 및 후속 재-냉각은 공구 재료의 미세구조물(microstructure)을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 영역 내의 큐브 코너 요소는 변형되어 감소되거나 열화된 재귀반사성을 나타낼 수 있다.

간략하게, 일 태양에서, 본 발명은 (a) 미세구조화된(microstructured) 재귀반사성 요소들의 어레이를 포함하는 패턴화된(patterned) 표면을 포함하는 기재, (b) 어레이의 적어도 일부분을 통한 용접 시임(welding seam)을 포함하는, 재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구를 제공한다. 패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역(optically degraded area)이 약 400 ㎛ 이하의 폭을 갖는다.

다른 태양에서, 본 발명은 미세구조화된 재귀반사성 요소들의 3차원 어레이를 포함하는 패턴화된 표면 및 어레이의 적어도 일부분을 통한 용접 시임을 포함하는 재귀반사성 시트를 제공한다. 패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역은 약 400 ㎛ 이하의 폭을 갖는다.

또 다른 태양에서, 본 발명은 재귀반사성 물품을 위한 공구를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 용접된 시임을 형성하도록 연속파 모드 작동 중에 있는 단일 모드 레이저(single mode laser)를 이용하여 2개의 실질적으로 평면인 공구 요소의 단부들을 함께 용접하는 단계를 포함한다. 각각의 공구 요소는 미세구조화된 재귀반사성 요소들의 어레이를 포함하는 패턴화된 면(side) 및 패턴화된 면 반대편의 평평한 배면을 포함한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "공구"(tooling 또는 tool)는 원형 템플릿(original template)(이로부터 주형과 같은 다른 물품 또는 재귀반사성 시트와 같은 재귀반사성 물품이 복제될 수 있음)을 형성하는 적어도 하나의 패턴화된 표면을 갖는 기재를 말한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "주형"은 공구에 의해 형성되는 구조물을 말한다. 재귀반사성 시트와 같은 물품을 제조함에 있어서 추가의 복제 공정에 전형적으로 이용되는 것이 주형이다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "미세구조화된"은 약 300 ㎛ 미만의 측방향 치수(예를 들어, 큐브 코너 구조물의 홈 정점들 사이의 거리)를 갖는 재귀반사성 요소를 갖는 적어도 하나의 주 표면(major surface)을 말한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "용접 시임" 또는 "용접된 시임" 또는 "용접 라인"은 재귀반사성 시트를 제조하기 위한 공구 내의 실제 용접부, 또는 공구의 복제물(그의 다세대 복제물을 포함함) 내로의 실제 용접부의 복제를 말한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "광학적으로 열화된 영역"은 재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구의 패턴화된 표면 상의, 또는 그로부터 복제된 재귀반사성 물품의 패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 영역을 말하며, 여기서 재귀반사성 요소는 변형으로 인해 실질적으로 감소된 재귀반사 성능을 나타낸다. 변형은 용접 공정 동안 발생된 열에 기인할 수 있다. 광학적으로 열화된 영역을 정의하기 위한 하나의 유용한 방법은 개별 큐브 코너 요소들에 대한 피크-투-밸리 광학 경로차(peak-to-valley optical path difference)를 측정하여 변형된 큐브 코너 요소와 비-변형된 큐브 코너 요소 사이의 전이부가 위치하는 곳을 결정하기 위해 적합한 대물 렌즈를 갖는 이상 간섭계(phase shifting interferometer)를 사용한다. 적합한 대물 렌즈는, 예를 들어 약 0.5 mm보다 작은, 그리고 바람직하게는 0.25 mm보다 작은 재귀반사성 요소가 이용되는 경우 빔 컴프레서(beam compressor)를 포함할 수 있다. 용접 시임의 각각의 측부 상의 변형된 큐브 코너 요소와 비-변형된 큐브 코너 요소의 전이부들 사이의 거리(용접 시임에 수직인 그리고 재귀반사성 큐브 코너 요소의 대체로 평평한 표면에 평행한 방향에서 측정됨)는 광학적으로 열화된 영역의 폭을 정의한다. 이러한 측정은 전형적으로 재귀반사성 공구 또는 물품의 사용가능한 영역 내에 있는 광학적으로 열화된 영역의 가장 넓은 지점에서 취해진다.

본 발명의 공구 및 재귀반사성 물품은 매우 좁은 용접 시임 및 용접 시임에 인접한 재귀반사성 요소에서의 최소의 물리적 변형 영역을 갖는다. 또한, 본 발명의 방법을 이용해 제조되는 공구 내의 용접부는 그의 의도된 응용에 대해 충분히 강하다.

<도 1>
도 1은 재귀반사성 시트의 샘플 및 그의 광학적으로 열화된 영역의 폭의 측정의 개략도.
<도 2>
도 2는 실험적 레이저 셋업(setup).
<도 3>
도 3은 비교예 A의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 4>
도 4는 비교예 B의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 5>
도 5는 비교예 C의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 6>
도 6은 비교예 D의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 7>
도 7은 비교예 E의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 8>
도 8은 비교예 F의 용접 시임의 디지털 사진.
<도 9>
도 9는 예 1 내지 예 3에 기술된 바와 같이 재귀반사성 시트를 제조하는 데 사용되는 공정의 개략도.
<도 10>
도 10은 예 1의 용접부의 디지털 사진.
<도 11>
도 11은 예 2의 용접부의 디지털 사진.
<도 12>
도 12는 예 3의 용접부의 디지털 사진.
<도 13>
도 13은 예 1의 광학적으로 열화된 영역의 계산을 위한 대표적인 데이터 세트.
<도 14>
도 14는 성형 공구 4의 용접부의 디지털 사진.
<도 15>
도 15는 성형 공구 5의 용접부의 디지털 사진.
<도 16>
도 16은 성형 공구 6의 용접부의 디지털 사진.
<도 17>
도 17은 성형 공구 7의 용접부의 디지털 사진.
<도 18>
도 18은 예 4의 용접부의 디지털 사진.
<도 19>
도 19는 예 5의 용접부의 디지털 사진.
<도 20>
도 20은 예 6의 용접부의 디지털 사진.
<도 21>
도 21은 예 7의 용접부의 디지털 사진.
<도 22>
도 22는 성형 공구 5의 광학적으로 열화된 영역의 계산을 위한 대표적인 데이터 세트.
<도 23>
도 23은 예 5의 광학적으로 열화된 영역의 계산을 위한 대표적인 데이터 세트.

본 발명은 예를 들어 재귀반사성 시트와 같은 재귀반사성 물품을 제조하기 위한 공구를 제공한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "재귀반사성"은 비스듬히 입사하는 광선을, 광선이 광원 또는 광원 바로 부근으로 복귀하도록, 광선의 입사 방향에 역평행한 방향으로 또는 거의 그렇게 반사시키는 속성을 말한다. 공구는, 전형적으로 복수의 만입부(indentation)를 갖는 패턴화된 표면인 성형 표면을 갖는다. 공구의 패턴화된 표면은 그 자체가 재귀반사성이다.

패턴화된 표면은 미세구조화된 재귀반사성 요소들의 3차원 어레이를 포함한다. 적합한 재귀반사성 요소는 큐브 코너 요소일 수 있다. 각각의 큐브 코너 요소는 대략 상호 수직인 3개의 광학 면을 포함한다. 예를 들어, 재귀반사성 요소는 삼각형 베이스 및 각각 하나의 큐브 코너를 갖는 3면 피라미드일 수 있다. 다른 예에서, 재귀반사성 요소는 오각형 베이스와 2개의 사변형 면, 하나의 오각형 면, 및 2개의 삼각형 면을 가질 수 있다. 이들 또는 다른 큐브 코너 요소의 예시적인 예가, 예를 들어 미국 특허 제1,591,572호(스팀슨(Stimson)); 제4,588,258호(후프만(Hoopman)); 제4,775,219호(애플돈(Appledorn) 등); 제4,938,563호(넬슨(Nelson) 등); 제5,138,488호(스츠제크(Szczech)); 제5,557,836호(스미스(Smith) 등); 및 제7,156,527호(스미스); 및 미국 특허 출원 공개 제2009/0255817호(루(Lu))에 기술되어 있다.

공구 내의 각각의 만입부는 결과적인 재귀반사성 요소 높이에 대응하는 깊이를 갖는다. 예로서, 각각의 만입부는 0.06 mm, 0.09 mm 및 0.18 mm의 깊이를 가질 수 있다(그리고 이에 따라 그 높이의 반사성 요소를 산출한다). 그러나, 당업자는 공구 내의 만입부가 임의의 형상을 가질 수 있고 주어진 공구가 다양한 만입부 형상 및 크기를 포함할 수 있음을 용이하게 이해할 것이다. 당업자는 또한 만입부 대신에 또는 만입부에 추가해 돌출부가 사용될 수 있음을 용이하게 이해할 것이다.

반사성 요소의 복제를 위한 공구는 전형적으로 직접 기계가공 기술에 적합한 기재 재료로부터 실질적으로 평평한 평면 상에 형성된다. 바람직한 재료는 버르(burr) 형성 없이 깔끔하게 기계가공되고, 낮은 연성 및 낮은 입자성을 나타내고, 표면 형성 후에 치수 정확도를 유지하는 것들이다. 금속은 유용한 기재 재료인데, 그 이유는 그것이 원하는 형상으로 형성될 수 있고 주어진 반사성 요소 구성의 재귀반사 성능을 최대화하는 탁월한 광학 표면을 제공할 수 있기 때문이다. 적합한 금속은 예를 들어 알루미늄, 황동, 구리, 니켈 등을 포함한다.

본 발명의 공구는 전형적으로 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 범위의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 공구는 두께가 약 400 ㎛이다.

재귀반사성 요소들의 어레이는 당업계에 공지된 기술을 사용해 제조될 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 "룰링(ruling)"으로 또한 공지된 직접 기계가공 기술이 이용될 수 있다. 직접 기계가공은 큐브 코너 요소를 포함한 결과적인 반사성 요소를 형성하는 구조물을 형성하도록 교차하는 만입부들 또는 홈들의 패턴을 생성하기 위해 기재(예를 들어, 금속 플레이트)의 부분들을 커팅하여 제거하는 것을 포함한다. 하나의 주지된 기술에서, 3세트의 평행 홈들이 60도 끼인각으로 서로 교차하여, 등변 베이스 삼각형을 각각 갖는 큐브 코너 요소들의 어레이를 형성한다(예를 들어, 미국 특허 제3,712,706호(스탬(Stamm)) 참조). 다른 기술에서, 2세트의 홈들이 60도 초과의 각도로 서로 교차하고 제3 세트의 홈들은 60도 미만의 각도로 다른 2세트 각각과 교차하여, 경사진 큐브 코너 요소 정합 쌍들의 어레이를 형성한다(예를 들어, 미국 특허 제4,588,258호(후프만) 참조).

래미너 조립이 또한 사용될 수 있다. 래미너 조립에 의해 제조되는 공구는 큐브 코너 반사성 요소의 피처를 갖도록 형상화된 측부 부분을 각각 갖는 개별 래미너 또는 블레이드들을 함께 조립함으로써 제조된다(예를 들어, 미국 특허 제7,156,527호(스미스) 참조).

재귀반사성 요소들의 어레이는 또한 핀 번들링 기술을 사용해 제조될 수 있는데, 여기서 일 단부 상에 큐브 코너 요소와 같은 기하학적 형상을 각각 갖는 복수의 핀이 함께 조립되어 마스터 주형을 형성한다. 핀 번들링은 예를 들어 미국 특허 제1,591,572호(스팀슨) 및 제3,926,402호(히난(Heenan)), 및 미국 특허 출원 공개 제2009/0255817호(루)에 기술되어 있다.

전형적으로, 공구는 함께 결합된 다수의 패턴화된 타일 또는 공구 요소를 포함하지만, 일부 응용에서 단일 공구 요소의 대향 단부들이 합쳐지고 결합되어 실질적으로 원통형인 형상을 형성한다. 다수의 공구 요소가 이용되는 경우, 제1 공구 요소(마스터)가 보통 직접 기계가공에 의해 상기에 기술된 바와 같이 생성되고 이어서 당업계에 공지된 기술을 사용해, 예를 들어 전기도금을 통해 다수의 복제물이 제조된다. 전기도금은 예를 들어 미국 특허 제4,478,769호(프리콘(Pricone)), 제5,156,863호(프리콘) 및 제6,159,407호(크린케(Krinke))에 기술되어 있다. 이어서 분리된 요소들인 결과적인 복제물들이 함께 결합될 수 있다. 복합 공구가 원하는 크기를 갖는 경우, 그것은 전형적으로 실린더, 벨트 또는 슬리브의 형태로 코일링된다.

공구 요소들이 함께 용접될 때, 공구의 패턴화된 표면 상에 형성된 결과적인 용접 라인 또는 시임은 그로부터 복제된, 재귀반사성 시트와 같은, 결과적인 주형 또는 물품 내에 용접 시임을 생성한다. 그러한 공구에 의해 제조되는 재귀반사성 시트에서, 시임은 일광 및 재귀반사된 광에서 요망되는 것보다 더 가시적일 수 있다. 시임의 텍스처화된(textured) 표면은 반사된 광의 산란을 야기하고 시임을 가시적으로 만든다. 이는 특히 그 상에 금속 코팅을 갖는 공구로부터 제조되는 재귀반사성 시트에서 그럴 수 있다. 더욱이, 유동성 수지는 용접 라인에 점착되어 완성된 재귀반사성 시트 내에 결함을 형성하는 경향이 있다. 부가적으로, 용접 시임에 인접한 재귀반사성 요소에서의 (가열 및 재-냉각에 의해 유발되는) 물리적 변형은 그의 재귀반사 성능을 열화시킬 수 있다.

본 발명에서, 공구 요소들(또는 단일 공구 요소의 대향 단부들)은 단일 공간 모드 연속파 레이저 용접 공정(single spatial mode continuous wave laser welding process)을 사용해 결합된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "단일 모드" 또는 "단일 공간 모드"는 가우시안 단면 강도 프로파일(Gaussian cross sectional intensity profile)을 생성하는, 실질적으로 단일인 공간 모드 작동을 의미한다. 단일 모드 작동은 가우시안 단면 강도 프로파일로부터의 약간의 편차를 허용한다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "연속파" 또는 "CW"는 (펄스식 레이저에 비해) 광을 연속적으로 발생시키고 준-연속파 작동 모드를 포함하도록 의도되는 레이저를 말한다.

본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 레이저는, 예를 들어 파이버 레이저(fiber laser) 및 디스크 레이저(disk laser)를 포함한다.

파이버 레이저는 능동 이득 매체가 예를 들어 이테르븀, 에르븀, 네오디뮴, 디스프로슘, 프라세오디뮴, 또는 툴륨과 같은 희토류 원소로 도핑된 광섬유인 레이저이다. 파이버 레이저는 탁월한 집속 특성을 제공하는 거의 이론상의 빔 품질을 갖는 매우 강렬한 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 고도로 강렬하고 강하게 집속된 파이버 레이저 빔은 기재 재료의 매우 작은 영역을 용융시키고, 높은 처리 속도로 깊은 용입 용접부(deep penetration weld)를 발생시킬 수 있다. 높은 처리 속도 및 제한된 용융 스폿 직경은 용접 지점에서 그리고 인접 영역들에서 종래의 레이저보다 더 적은 열을 생성한다. 따라서, 연속파 및 높은 빔 품질 (단일 모드) 파이버 레이저 용접은 극히 좁은 용접 시임을 제공할 수 있고, 또한 용접 시임에 인접한 재귀반사성 요소에서의 물리적 변형을 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명의 공구로부터 복제된 재귀반사성 물품 상의 용접 시임에 인접한 감소된 광학적 성능의 구역은 종래 기술의 공구로부터 복제된 재귀반사성 물품에서보다 훨씬 더 작다. 따라서, 본 발명의 공구로부터 복제된 재귀반사성 물품 상의 용접 시임이 또한 덜 뚜렷하다.

본 발명의 일부 실시예에서, 공구의 패턴화된 표면 상의 용접 시임, 또는 공구로부터 복제된 재귀반사성 물품의 패턴화된 표면 상으로 복제된 대응하는 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역은 약 400 ㎛ 이하, 약 300 ㎛ 이하, 약 200 ㎛ 이하, 약 100 ㎛ 이하, 약 70 ㎛ 이하, 또는 약 50 ㎛ 이하의 폭을 갖는다. 다른 실시예에서, 공구 또는 복제된 물품의 패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역은 약 50 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 또는 약 70 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 폭을 갖는다. 본 발명의 일부 실시예에서, 40 mm/s 이상, 100 mm/s 이상, 또는 심지어 150 mm/s 이상의 용접 속도가 이용될 수 있다. 전형적으로, 예를 들어 본 발명의 방법을 위한 용접 속도는 약 40 mm/s와 약 150 mm/s 사이에서 변한다.

본 발명의 방법을 사용해 생성되는 용접 시임의 좁음에도 불구하고, 제공되는 용접부는 그의 의도된 응용에 대해 충분히 강하다(예를 들어, 인장 강도가 약 50 kpsi 초과임). 일부 실시예에서, 용접부는 종래의 용접부만큼 강하거나 그보다 훨씬 더 강하다. 재료의 강도는 보통 인가된 응력을 견디는 그의 능력으로서 정의된다. 상이한 유형의 응력이 재료에 인가될 수 있고 응력은 소정 변형을 유발한다. 재료의 강도를 특성화하는 하나의 방법은 재료가 파손 없이 취급될 수 있는, 연신 동안의 최대 인가 응력인 그의 인장 강도를 결정하는 것에 의하는 것이다. 이러한 유형의 강도 시험은 보통 용접된 시임의 강도를 특성화하는 데 사용된다. 본 발명의 공구의 용접된 시임은, 일부 실시예에서, 종래의 용접 공정을 사용해 용접된 종래 기술의 공구보다 15% 이상 더 높은 인장 강도를 가질 수 있다. 이는 결과적인 상 및 입자 크기에 영향을 미치는, 파이버 레이저 용접 공정으로부터의 융합 구역의 신속한 냉각의 영향으로 인한 것일 수 있는데, 이때 더 작은 입자는 강화된 계면을 생성한다.

예를 들어 대략 1 ㎛의 파장에서 작동하는 구매가능한 파이버 레이저가 본 발명의 방법에 이용될 수 있다. 바람직한 파이버 레이저는 이테르븀으로 도핑되고 1.07 ㎛의 파장에서 작동한다. 하나의 적합한 구매가능한 파이버 레이저는 영국 소재의 에스피아이 레이저스(SPI Lasers)로부터의 SP-400C 모델이다. 다른 적합한 파이버 레이저는 아이피지 포토닉스(IPG Photonics) 및 지에스아이 그룹(GSI Group)으로부터의 단일 모드 파이버 레이저를 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 그러한 적합한 레이저는 빔 전달 광학체(optic)로 종결되는 통합된 단일 모드 외부 광섬유를 이용하여 광 에너지를 전달한다. 빔 전달 광학체로부터의 레이저 빔은 미러를 갖는 용접 헤드로 지향될 수 있다. 적합한 구매가능한 용접 헤드는, 예를 들어 미국 미시간주 노바이 소재의 레이저 메커니즘스(Laser Mechanisms)로부터 얻어질 수 있다. 이색성 미러에 의해 용접될 재료를 향해 반사된 후에, 레이저 빔은 집속 렌즈에 의해 집속될 수 있다. 조작자가 공구의 에지 주위에서 정밀하게 운행하는 것을 허용하기 위해 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 카메라가 사용될 수 있다.

용접 공정에서의 핵심적인 변수는 빔 크기, 초점 거리, 용접 속도 및 파워를 포함한다. 이들 변수는 집속된 레이저 빔의 스폿 크기 및 용접부의 %용입을 결정하는 데 사용될 수 있다. 종래의 고체 상태 레이저 용접 시스템은 전형적으로 1:1 이상 배율의 이미징 광학체를 갖는 대형 코어 다중 모드 외부 빔 전달 섬유를 사용하는데, 이는 보통 초점 스폿 크기를 수백 마이크로미터로 제한한다. 큰 초점 스폿을 갖는 용접은 전형적으로 펄스식 레이저를 이용하여 수행되어 대체로 전도 모드 용접부를 생성한다. 이러한 유형의 용접은 처리되고 있는 재료의 전도성에 의존하고, 상당한 열 영향을 받은 영역을 갖는 얕은 용접된 결합부를 야기한다. 따라서, 제한된 열 영향을 받은 영역을 갖는 좁은 시임 및 깊은 용입 용접부를 위해, 단일 모드 또는 저차(low-order) 모드 CW 레이저가 본 발명의 방법에 사용된다. 레이저 빔 파워는, 예를 들어 약 40 W 내지 약 200 W의 범위로 설정될 수 있다.

예를 들어 디스크 레이저와 같은 다른 유형의 레이저가 또한 좁은 시임 크기 용접을 제공하기 위해 본 발명의 방법에 사용될 수 있지만, 파이버 레이저는 높은 파워, 탁월한 파워 안정성, 높은 빔 품질, 높은 콘센트 효율 및 상대적으로 낮은 가격과 같은 이점을 제공할 수 있다.

CW 단일 모드 레이저를 이용하여 달성가능한 제한된 용접된 시임 크기, 낮은 용융 체적 및 높은 처리 속도는 전통적인 용접 기술에 비해 열의 양을 크게 감소시키고 이에 따라 열 영향을 받은 영역을 제한한다. 이는 전술된 기술을 재귀반사성 미세구조화된 공구들을 결합하는 데 특히 적합하게 만든다. 따라서 본 발명의 공구(및 그의 복제물)는 깊은 용입을 갖는 좁은 시임 라인을 갖는다.

전형적으로, 본 발명의 공구는 배면으로부터 용접된다. 일부 실시예에서, 용접 변수는 배면으로부터 용접할 때 공구 두께의 100% 용입을 달성하지 않도록 설정된다. 100% 용입은 용접 라인에서 또는 그 부근에서 공구의 패턴화된 면으로부터 나오거나 분출하는 용융된 재료의 블리스터(blister) 또는 버블(bubble)로서 보인다. 일부 실시예에서, 최대 용입은 약 85%, 약 90% 또는 약 95%이다. 배면으로부터의 100% 미만의 용입이 존재하는 경우, 전면(즉, 패턴화된 면)은 간극(gap)을 밀봉하기 위해 용접될 수 있다. 이는 전형적으로 더 낮은 파워 설정에서 행해진다.

본 발명의 공구는 재귀반사성 시트와 같은 재귀반사성 물품을 제조하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "시트"는 미세구조화된 재귀반사성 요소가 그 상에 형성된 중합체 재료의 얇은 피스를 말한다. 시트는 임의의 폭 및 길이를 가질 수 있으며, 그러한 치수는 시트가 그로부터 제조된 장비(예를 들어, 롤의 폭, 슬롯 다이 오리피스의 폭 등)에 의해서만 제한된다.

시트의 제조는 전형적으로 유체 수지 조성물을 공구 상으로 캐스팅하고 조성물을 경화되게 하여 시트를 형성함으로써 달성된다. 유체 수지를 공구 상으로 캐스팅하기 위한 하나의 방법은, 예를 들어 미국 특허 제7,410,604호(에릭슨(Erickson) 등)에 기술되어 있다. 그러나, 선택적으로, 공구는 미국 특허 제4,601,861호(프리콘)에 기술된 바와 같은 재귀반사성 물품을 형성하도록 엠보싱 공구로서 채용될 수 있다.

재귀반사성 시트에 적합한 수지 조성물은 치수적으로 안정하고, 내구성이 있고, 내후성이고, 원하는 구성으로 용이하게 형성가능한 바람직하게는 투명한 재료이다. 적합한 재료의 예는 롬 앤 하스 컴퍼니(Rohm and Haas Company)에 의해 제조된 플렉시글라스(Plexiglas)™ 수지와 같은 약 1.5의 굴절률을 갖는 아크릴; 약 1.59의 굴절률을 갖는 폴리카르보네이트; 열경화성 아크릴레이트 및 에폭시 아크릴레이트와 같은 반응성 재료; 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니, 인크.(E.I. Dupont de Nemours and Co., Inc.)에 의해 명칭 설린(SURLYN)으로 판매되는 것과 같은 폴리에틸렌계 이오노머; (폴리)에틸렌-코-아크릴산; 폴리에스테르; 폴리우레탄; 및 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트를 포함한다. 폴리카르보네이트는 그의 인성 및 비교적 더 높은 굴절률 때문에 특히 적합한데, 이는 일반적으로 더 넓은 범위의 입사각에 걸친 개선된 재귀반사 성능에 기여한다. 이들 재료는 또한 염료, 착색제, 안료, UV 안정제 또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다.

금속 코팅과 같은 정반사성 코팅(specular reflective coating)이 재귀반사성 요소의 배면 상에 배치될 수 있다. 금속 코팅에 추가해 또는 그 대신에, 시일 필름이 재귀반사성 요소의 배면에 적용될 수 있다. 시일 필름은 내부 전반사를 가능하게 하는 배면에서의 공기 계면을 유지하고, 고형물 및/또는 습기와 같은 오염물의 진입을 억제한다. 더욱이, 개선된 내구성을 위해 또는 이미지 수용 표면을 제공하기 위해 별개의 오버레이 필름(overlay film)이 시트의 관찰 표면 상에 이용될 수 있다.

시트가 기재에 고정되는 것을 가능하게 하기 위해 접착제 층이 또한 재귀반사성 요소 뒤에 배치될 수 있다. 적합한 기재는 목재, 알루미늄 시트, 아연도금 강, 중합체 재료, 및 이들 및 다른 재료로부터 제조된 라미네이트를 포함한다.

예

본 발명의 목적 및 이점이 하기의 예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 예에 언급된 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 모든 부 및 백분율은 달리 지시되지 않는 한 중량 기준이다. 예에서, N/M은 측정되지 않았던 특성을 보고하는 데 사용될 수 있다.

시험 방법

인장 강도: 하기에서 성형 공구 1, 성형 공구 2 및 성형공구 3에 전반적으로 기술된 바와 같이 제조한 3개의 성형 공구 샘플의 용접부의 인장 강도를, 인스트론 시험기(Instron testing machine)(미국 매사추세츠주 노우드 소재의 인스트론(Instron)으로부터 입수한 모델 "1123")를 사용해 측정하였다. 시험기를 0.1 in/min(0.25 cm/min)의 크로스헤드 속도로 용접부 시험을 위해 설정하였다. 0.5 in(1.27 cm) 폭 및 5 in(12.7 cm) 길이 및 400 ㎛ 두께의 시험 샘플들을 절단하고 그들의 폭을 따라 용접하였다. 성형 공구 1 샘플의 배면(평평한 주 표면)을 먼저 약 108 W의 파워 설정을 사용해 용접하고 그 후에 약 53 W의 파워 설정에서 전면을 용접하였다. 각각 100 mm/s 및 80 mm/s의 용접 속도를 채용하였다. 성형 공구 샘플 2 및 성형 공구 샘플 3을 100 mm/s의 속도에서만 배면 용접하였다. 각각 126 W 및 144 W의 파워 설정을 사용하였다. 폭, 두께 및 길이를 각각의 샘플에 대해 측정하고, 기록하고, 이어서 인장 강도를 결정하는 데 사용하였다. 각각의 샘플을 그의 파단점(breaking point)까지 시험하였고, 파단이 발생한 하중을 최대 하중으로서 기록하였다. 이어서 최대 하중값을 용접부의 단면적으로 나누어 인장 강도를 결정하였다. 최대 하중에서의 3개의 샘플에 대한 인장 강도의 평균값을 기록한다.

광학적으로 열화된 영역의 폭: 비교예 A 내지 비교예 F 및 예 1 내지 예 3의 광학적으로 열화된 영역의 폭을 하기의 기술을 이용해 간섭계(메트로프로(Metropro) 9.0.10 소프트웨어로 구동되는 20X 대물렌즈를 갖는 632.8 nm에서 작동하는 자이고(ZYGO)(등록상표) 마이크로 지피아이(Micro GPI)™)를 사용해 측정하였다: 재귀반사성 필름 샘플을 구조화된 표면이 간섭계로부터 멀어지는 쪽을 향하는 상태로 샘플 홀더에 부착하였다. 샘플 홀더는 샘플의 위치의 조정을 허용하도록 몇 개의 병진 및 회전 축들을 가졌다. 샘플을 간섭계의 광학 축이 재귀반사성 필름의 대체로 평평한 표면에 대략 수직이 되도록 간섭계의 초점 평면 내에 위치시켰다. 큐브 코너 어레이 중의 하나의 절두된(truncated) 큐브 코너가 간섭계 측정 윈도우(window)의 대부분을 차지하도록 줌을 조정하였다. 간섭계 광학 축에 대한 샘플의 경사를, 최소 수의 프린지(fringe)가 샘플에 걸쳐 보이도록 조정하였다. 간섭계에 의해 행해진 측정의 측방향 공간 치수를, 이 배율에서의 큐브 코너 어레이 상의 피처들 사이의 알려진 거리를 참조하여 보정하였다. 소프트웨어 마스크를, 이 분석에서 큐브 코너의 광학적-활성 개구 내에 포착된 데이터만을 포함하도록 구성하고; 소프트웨어 마스크 밖의 모든 데이터를 이 분석으로부터 배제하였다. 큐브 코너 어레이 재료의 굴절률을 소프트웨어에 입력하였다.

큐브 코너의 활성 개구를 그것이 앞서-정의된 소프트웨어 마스크와 정렬되도록 위치시키기 위해, 재귀반사성 필름을 간섭계의 초점 평면 내에서 이동시켰다. 이어서 간섭계 소프트웨어는 원하는 측정 위치(간섭계에 대한 큐브 코너 샘플의 임의의 경사를 고려하기 위해 평면의 이동을 포함함)에서 큐브 코너 요소 내외로 통과한 평면파와 기준 평면파 사이의 광학 경로차(OPD - 약 632.8 nm의 파에서 측정함)를 계산하였다.

제1 측정을 용접부에 바로 인접한 제1 가시 큐브 코너 요소에서 행하였다. 일부 경우에, 이 큐브 코너 요소는 용접부의 용융된 구역 내에 위치해 있었고, 이 경우에 그 큐브 코너 요소는 파괴되었고(또는 완전히 변형되었고) 재귀반사를 나타내지 않았다. 이 경우에, 간섭계 측정은 필요하지 않았고, 이 큐브 코너 요소를 여전히 재귀반사성인 다른 큐브 코너 요소와 구별하기 위해 이 큐브 코너 요소에 임의적으로 높은 OPD 값을 수동으로 할당하였다. 간섭계는 3번의 별개의 측정을 수행하였고 결과적인 상 프로파일들을 평균하여 큐브 코너에 대한 OPD를 결정하였다. 피크-투-밸리(P-V) OPD를 이 큐브 코너에 대해 기록하였다. 용접부의 중심과 큐브 코너 피크 사이의 수직 거리를 또한, 보정된 현미경을 사용해, 측정하고 기록하였다.

앞서 측정된 것에 인접한 큐브 코너가 간섭계 측정 윈도우 내에 중심설정되도록, 재귀반사성 필름 샘플을 용접부에 수직인 방향으로 간섭계의 초점 평면 내에서 병진시켰다. 일부 경우에, 큐브 코너 요소를 경사지게 하였고, 인접 큐브 코너 요소들의 피크들은 직선을 따라 위치해 있지 않았다. 이러한 경우에, 인접 큐브 코너를 측정 윈도우의 중심으로 위치시키기 위해 재귀반사성 필름 샘플을 용접부에 평행한 방향으로 이동시켰다. 이러한 측정 공정을, 측정된 P-V OPD 값이 큐브 코너 요소 간에 크게 변하지 않고, P-V OPD 값이 또한 용접부로부터 멀리 이동된 기준 큐브 코너 요소에서 측정된 P-V OPD 값과 유사할 때까지, 몇 개의 수평으로 인접한 큐브 코너 요소들에 대해 반복하였으며, 이때 각각의 후속 측정 위치는 이전의 측정 위치보다 용접부로부터 더 멀리 떨어져 있다. 이 시점에서, 재귀반사성 필름 샘플을 다시 시작 위치로 병진시켰고, 제1 측정이 행해진 곳으로부터 용접부의 반대측에서 측정 공정을 반복하였다.

상기에 기술된 절차로부터 유래하는 데이터 세트를 분석하여 용접부의 일측에서의 비-변형된 큐브 코너 요소의 측정된 P-V OPD의 평균 및 표준 편차를 결정하였다. 용접부의 각 측에서의 제1 비-변형된 큐브 코너 요소를 하기에 의해 정의된 P-V OPD를 갖는 코너 큐브인 것으로 정의하였으며:

[식 1]

(P-V OPD)_good

(P-V OPD)_avg + 3*σ

여기서, (P-V OPD)_avg는 평균 P-V OPD이고 σ는 표준 편차이다.

광학적으로 열화된 영역은, 이들 예에 사용된 바와 같이, 측정된 P-V OPD가 식 1에서 산출된 값보다 큰 재귀반사성 시트의 영역을 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상향을 향하는 화살표(L4, L3,... R3, R4로서 표기됨)는 측정 위치를 나타내고, W는 광학적으로 열화된 영역의 계산된 폭이고, U는 비-변형된 큐브 코너 요소를 나타내고, D는 변형된 큐브 코너 요소를 나타낸다. 광학적으로 열화된 영역의 폭은 용접부의 양측에서의 광학적으로 열화된 영역과 광학적으로-기능적인 영역의 전이부들 사이의 거리(용접부에 수직으로 측정됨)인 것으로 정의된다. 재귀반사성 필름의 광학적으로 열화된 영역과 광학적-기능적인 영역 사이의 전이부를 첫 번째 비-변형된 큐브 코너 요소(U)와 마지막 변형 큐브 코너 요소(D) 사이의 중간에 있는 위치로서 정의하였다. 예를 들어, 도 1에서, 좌측의 전이부는 L2와 L1 사이에 있고, 우측의 전이부는 R1과 R2 사이에 있다.

레이저 셋업

실험적 셋업이 도 2에 제공된다. 1070 nm의 파장에서 작동하는 400 W 연속파 파이버 레이저(26)(영국 소재의 에스피아이 레이저스로부터 입수한 모델 "SP-400C")를 사용하였다. 약 1.05의 "M 제곱"(M²) 파라미터를 갖는 강렬하고 고 품질의 빔을 레이저에 의해 발생시켰다. 전달 빔 파이버의 단부에 장착된 패러데이 절연체(Faraday isolator)(14)를 이용하여 파이버 레이저를 후방 반사로부터 보호하였다. 출력 빔 직경은 대략 5.2 mm였다.

빔을, 유전체 미러(16)를 갖는 구매가능한 용접 헤드(10)(미국 미시간주 노바이 소재의 레이저 메커니즘스 인크.(Laser Mechanisms Inc.)로부터 입수한 모델 "YAG DEL HEAD BASE UNIT" 및 "YAG DEL HEAD WELDER")로 지향시켰다. 이색성 미러(18)에 의해 하방으로 반사된 후에, 빔(12)을 f = 100 mm의 초점 거리를 갖는 집속 렌즈(20)에 의해 집속시켰다. 초점 스폿 위치를 용접된 재료의 상부 표면 상에 유지하였다. 질소 또는 아르곤을 용접 보조 가스로서 사용하였다.

니켈 샘플들을 강한 자석의 상부에 장착하였으며, 이는 용접 공정 동안 그들을 함께 유지시켰다. 실험에 사용되는 파워 범위 내에서 자석의 표면이 용융되지 않도록 자석을 보호하기 위해, 용접된 결합부들이 형성된 곳인 자석(28)의 중심 내로 구리 스트립을 영구적으로 삽입하였다. 이 스트립은 또한 용접된 피스들을 차갑게 유지하는 것을 도왔다.

샘플을 동일 균일 두께로 평평하게 연삭하였다. 이어서 에지를 정밀 다이아몬드 기계가공하였다. 평행한 기계가공된 에지들을 자석 상에 함께 맞대어 두고, 그들을 평평하게 유지하도록 스틸 바아(steel bar)를 샘플들의 상부에 배치하였다.

하나는 헤드(22)의 전면 상에 장착되고 두 번째 것(24)은 이색성 미러(18) 위에 장착된, 2개의 CCD 카메라는 조작자가 정밀한 방식으로 공구의 에지 주위에서 운행하는 것을 허용하였다. 용접 시스템(즉, 용접 헤드, 카메라 및 패러데이 절연체)을 XYZ 정밀 갠트리 스테이지(precision gantry stage) 상에 장착하였으며, 이는 용접 공정 동안 정밀한 움직임을 가능하게 하였다.

비교 성형 공구 및 성형 공구 1 내지 성형 공구 7의 제조

마스터를 본질적으로 미국 특허 제6,843,571호(슈얼(Sewall))에 기술된 바와 같이 제조하였다. 대략 50 마이크로미터(1.95 밀(mil))의 높이를 갖는 절두된 큐브-코너 구조물을 형성한 3개의 홈 세트를, 미국 뉴욕주 소재의 무어스(Mooers)에 의해 제조 및 판매되는 "케이 앤드 와이 다이아몬드(K&Y Diamond)"와 같은 고정밀 다이아몬드 공구를 사용해 기계가공 가능한 금속 상으로 커팅하였다. 결과적인 큐브-코너 구조물은 4 밀(102 마이크로미터)의 피치를 갖는 3세트의 교차하는 홈들을 가졌다. 교차하는 홈들은 미국 특허 제5,138,488호(스츠제크)에 전반적으로 기술된 것과 같은, 58°의 끼인각을 갖는 큐브-코너 베이스 삼각형을 형성하였다.

마스터를 홈-형성 기계로부터 제거하였다. 제1 세대 네거티브 공구를, 미국 특허 제4,478,769호(프리콘) 및 제5,156,863호(프리콘)에 전반적으로 기술된 바와 같이 설파민산 니켈 조(bath) 내에서 마스터를 니켈 전기주조함으로써 마스터로부터 제조하였다. 추가의 다세대 포지티브 및 네거티브 복제물을, 공구가 마스터와 실질적으로 동일한 정밀 큐브 형성도를 갖도록 형성하였다. 각각의 공구는 대체로 평평한 주 표면(즉, 배면), 및 평평한 주 표면 반대편의 구조화된 주 표면(즉, 전면)을 가졌다. 구조화된 표면은 큐브-코너 돌출부 또는 큐브-코너 리세스(recess)(공동(cavity))를 포함하였다.

큐브-코너 리세스를 포함하는 다수의 제2 세대 네거티브 공구를 그 후에 미국 특허 제7,410,604호(에릭슨)에 전반적으로 기술된 바와 같이 무단 벨트로 변하게 하였다.

미국 특허 제6,322,652호(폴슨)에 전반적으로 기술된 바와 같이 종래의 레이저(미국 매사추세츠주 베드포드 소재의 지에스아이 루모닉스(GSI Lumonics)로부터 입수한 모델 "JK702H")를 사용해 비교 성형 공구를 배면 용접하였다.

성형 공구 1 내지 성형 공구 7을 상기에 기술된 레이저 셋업 및 파이버 레이저를 사용해, 상이한 공정 파라미터를 사용해, 그리고 용접부의 위치를 변경하면서 용접하였다. 성형 공구 2 내지 성형 공구 6에서, 배면 용접부(즉, 공구를 그들의 대체로 평평한 주 표면으로부터 용접함)를 제공하였다. 성형 공구 1 및 성형 공구 7에서, 배면 및 전면 용접부를 제공하였다. 성형 공구 1 및 성형 공구 7에서, 기계적 강도를 제공하기 위해 대략 85% 용입을 배면으로부터 발생시켰으며, 간극을 밀봉하기 위해 전면을 대략 53 W로 용접하였다.

비교 성형 공구 및 성형 공구 1 내지 성형 공구 7의 제조에 사용한 용접부의 위치 및 공정 조건이 하기의 표 1에 나타나 있다.

비교 성형 공구 및 성형 공구 1 내지 성형 공구 3 상에 제공된 용접부의 인장 강도를 상기에 기술된 바와 같이 측정하였다. 그 결과가 하기 표 2에 기록되어 있다.

예

비교예 A 내지 비교예 F

하기의 표 3에 나타내어진 바와 같은 구매가능한 재귀반사성 시트를 입수하였으며 이하에서 비교예 A 내지 비교예 F로 지칭된다.

비교예 A 내지 비교예 F의 용접부의 디지털 사진을 10X 대물 렌즈를 갖는 니콘(Nikon) MM-11C 복합 현미경을 사용해 촬영하였고, 도 3 내지 도 8에 각각 나타나 있다.

예 1 내지 예 3

예 1 내지 예 3의 제조를 위한 하기의 설명은 도 9에 개괄적으로 도시된 바와 같은 장치(600)를 참조한다. 코로나 처리된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 캐리어 필름(628) 상으로 0.01 cm(4 밀)의 두께로 EAA 필름을 압출함으로써 오버레이 필름(621)을 제조하였다. EAA의 펠릿(pellet)을, 온도가 구역 1에 대해 140℃(284℉)로 설정되고 압출기 출구 및 다이에서 175℃(347℉)까지 상승되어 약 175℃(347℉)의 용융물 온도를 야기하는 1.9 cm(0.75 in) 단축 압출기(미국 뉴저지주 사우스 해컨색 소재의 씨.더블유. 브라벤더 인스트루먼츠 인크.(C.W. Brabender Instruments Inc.)로부터 입수함) 내로 공급하였다. 용융된 수지가 압출기를 빠져나오면, 이것을 종래의 수평 필름 다이(미국 위스콘신주 치페와 폴스 소재의 익스트루전 다이스 인더스트리즈 엘엘씨(Extrusion Dies Industries LLC)로부터 상표명 "울트라플렉스-40(ULTRAFLEX-40)"으로 입수함)를 통과시키고 PET 캐리어 필름(628) 상으로 캐스팅하였다. PET 캐리어 필름(628)은 약 36 m/min(120 ft/min)으로 이동하고 있었다. PET 캐리어 필름(628) 상의 결과적인 용융된 오버레이 필름(621)을 고무 롤/냉각된 스틸 롤 닙(nip) 사이로 진행시켜 용융된 수지를 층으로 고화시켰다. EAA 표면을 약 1.0 J/㎠의 에너지 레벨에서 코로나 처리하였다.

25 중량%의 BAED, 12 중량%의 DMAEA, 38 중량%의 TMPTA, 25 중량%의 HDDA, 및 0.5 pph(parts per hundred)의 TPO를 배합함으로써 방사선-경화성 수지를 제조하였다. 수지(630)의 제1 부분을 제1 다이(650)를 통해 압출 및 통과시켰으며, 이를 제1 고무 롤(624)에 매우 근접하게 하였다. 고무 롤(624)은 시계방향 운동으로 움직였으며, 복수의 큐브-코너 공동(627)을 포함하는 180℉(82℃)로 가열된 성형 공구(625)에 대항하여 니핑되었다(nipped). 성형 공구(625)를 약 75 fpm(22.8 m/min)으로 반시계방향 운동으로 회전하는 맨드릴 상에 장착하였다. 방사선-경화성 수지(630)로 큐브-코너를 부분적으로 충전하였다. 오버레이 필름(621)을 EAA 면이 상향을 향하는 상태로 공급 롤(622)로부터 앞으로 끌어당겼다. 방사선-경화성 수지(632)의 제2 부분을 제2 다이(652)를 통해 제2 고무 롤(624) 상으로 동시에 캐스팅하였다. 제2 고무 롤(624)을 오버레이 필름(621)의 EAA 면과 접촉시켜, 방사선-경화성 수지(632)의 제2 부분을 오버레이 필름 상으로 전달하였다. 코팅된 오버레이 필름을, 제3 실리콘-코팅된 고무 롤(623)을 통해, 부분적으로 충전된 사전-경화된 큐브-코너 구조물(631)을 포함하는 성형 공구(625)와 접촉하게 하였다. 오버레이 필름 상에 코팅된 수지는 큐브-코너 공동의 비-충전된 부분을 완전히 충전하였으며, 이 복합 구조물을 600 W/in로 설정된 2개의 퓨전(Fusion) "D" 램프(641)(퓨전 시스템스(Fusion Systems))를 사용해, 그리고 또한 UV 램프의 전방에서 이색성 필터(도시되지 않음)를 사용해, 오버레이 필름(621)을 통해 경화시켜 재귀반사성 필름 물품(634)을 형성하였다. 재귀반사성 필름(634)을 성형 공구(625)로부터 분리하였고, 이어서 100%로 작동하는 퓨전 "D" UV 램프(642)로 조사하여 복합 큐브-코너 구조물(635)을 통해 사후-UV 조사 경화를 제공하였다. 이어서 재귀반사성 필름(634)을 127℃(260℉)로 설정된 오븐을 통과시켰다.

성형 공구 1 내지 성형 공구 3을 예 1 내지 예 3의 재귀반사성 필름의 제조에 각각 사용하였다. 결과적인 큐브-코너 구조물을 4 밀(102 마이크로미터)의 피치를 갖는 3세트의 교차하는 홈들을 가졌다. 교차하는 홈들은 58°의 끼인각을 갖는 큐브-코너 베이스 삼각형 및 1.95 밀(50 마이크로미터)의 큐브-코너 요소 높이를 형성하였다. 주요 홈 간격은 베이스 삼각형의 2개의 58° 베이스각을 형성하는 홈들 사이의 홈 간격으로 정의된다.

예 1 내지 예 3의 용접부의 디지털 사진을 10X 대물 렌즈를 갖는 니콘 MM-11C 복합 현미경을 사용해 촬영하였고, 도 10 내지 도 12에 각각 나타나 있다.

비교예 A 내지 비교예 F 및 예 1 내지 예 3의 광학적으로 열화된 영역의 폭(마이크로미터 단위)을 상기에 기술된 바와 같이 측정하였다. 그 결과가 하기 표 4에 기록되어 있다. 예 1의 광학적으로 열화된 영역의 계산을 위한 대표적인 데이터 세트가 도 13에 도시된다.

예 4 내지 예 7

열 프레싱 공정(1420 PSI, 1분 동안 420℉)을 사용해 미세구조화된 공구를 폴리카르보네이트(독일 바이엘 머티리얼 사이언스 아게(Bayer Material Science AG)에 의해 제조된 0.012 in(0.30 mm) 두께의 마크로론(Makrolon)(등록상표) 2407) 내로 전사함으로써, 성형 공구 4 내지 성형 공구 7을 예 4 내지 예 7의 재귀반사성 필름의 제조에 각각 사용하였다. 결과적인 큐브-코너 구조물을 4 밀(102 마이크로미터)의 피치를 갖는 3세트의 교차하는 홈들을 가졌다. 교차하는 홈들은 58°의 끼인각을 갖는 큐브-코너 베이스 삼각형 및 1.95 밀(50 마이크로미터)의 큐브-코너 요소 높이를 형성하였다. 주요 홈 간격은 베이스 삼각형의 2개의 58° 베이스각을 형성하는 홈들 사이의 홈 간격으로 정의된다.

성형 공구 4 내지 성형 공구 7 및 예 4 내지 예 7의 용접부의 디지털 사진을 10X 대물 렌즈를 갖는 니콘 MM-11C 복합 현미경을 사용해 촬영하였고, 도 14 내지 도 21에 각각 나타나 있다.

성형 공구 4 내지 성형 공구 7 및 예 4 내지 예 7의 광학적으로 열화된 영역의 폭(마이크로미터 단위)을 상기에 기술된 바와 같이 측정하였다. 그 결과가 하기 표 5에 기록되어 있다.

성형 공구 5 및 예 5의 광학적으로 열화된 영역의 폭의 계산을 위한 데이터 세트가 도 22 및 도 23에 각각 나타나 있다. 도 22 및 도 23은 (상기에 기술된 P-V OPD 측정 방법에 의해 정의된 바와 같은) 광학적으로 열화된 영역의 전반적인 형상이 성형 공구 5와 예 5 사이에서 변하지 않았음을 보여준다. 대신에, 복제 공정은 재귀반사성 큐브 요소 내로 추가의 변형을 도입하였다. 이러한 추가의 변형은 원래의 용접-유도 변형의 영향을 감소시켰다. 비-변형된 큐브 코너 요소를 식별하기 위한 식 1의 사용은 용접부(이는 성형 공구 5에서 변형된 큐브 코너 요소로서 식별되었음)에 바로 인접한 큐브 코너 요소가 예 5에서 비-변형된 큐브 코너 요소로서 식별되는 결과를 나타냈다. 이는 예 5의 광학적으로 열화된 영역의 폭(74 마이크로미터)이 성형 공구 5의 것(201 마이크로미터)보다 작게 하였다. 광학적으로 열화된 영역의 폭의 변화는, 특히, 공구 용접 조건, 복제 공정의 충실도, 및 공구 내의 재귀반사성 큐브 코너 요소들 각각에 존재하는 P-V OPD 변형의 범위에 좌우된다.

본 명세서에 인용된 간행물의 개시내용들 전부는 각각이 개별적으로 포함된 것처럼 전체적으로 참고로 포함된다. 본 발명에 대한 다양한 변형 및 변경이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예 및 예에 의해 부당하게 제한되는 것으로 의도되지 않고, 그러한 예 및 실시예는 단지 예로서 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 다음과 같은 본 명세서에 기재된 특허청구범위에 의해서만 제한되도록 의도됨을 이해하여야 한다.

Claims (30)

1. 재귀반사성 물품(retroreflective article)을 제조하기 위한 공구(tool)로서,
   (a) 미세구조화된(microstructured) 재귀반사성 요소들의 어레이를 포함하는 패턴화된(patterned) 표면을 포함하는 기재(substrate); 및
   (b) 어레이의 적어도 일부분을 통한 용접 시임(welding seam)을 포함하며,
   패턴화된 표면 상의 용접 시임에 인접한 광학적으로 열화된 영역(optically degraded area)이 400 ㎛ 이하의 폭을 갖는 공구.
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