[논문]순차이송형 유리렌즈 성형공정에서 비구면 유리렌즈의 최적 성형조건 연구

정태성; 박규섭; 윤길상

doi:10.5762/kais.2011.12.3.1051

초록
AI-Helper

최근 개발된 GMP공정의 활용으로 디지털 카메라, 광저장기기, 각종 전자기기 등의 광응용 기기에서 비구면 유리렌즈가 폭넓게 활용되고 있다. GMP공정은 복잡한 형상의 유리렌즈를 정밀하면서도 경제적으로 생산할 수 있다. 본 연구에서는 다구치 실험계획법을 이용하여 순차이송형 GMP공정에서 비구면 유리렌즈의 성형 조건을 최적화 하였다. 냉각 1단계에서의 압력과 온도, 시간을 3가지 주요 공정변수로 정하였으며, 3캐비티 금형을 이용하여 실험한 결과 순차이송형 유리렌즈 성형공정에서 냉각시간이 비구면 유리렌즈의 형상정밀도(PV)에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

By the recently developed GMP(Glass Molding Press) process, aspheric glass lenses are widely used in many optical applications such as digital cameras, optical data storages and electrical devices etc. The GMP process can economically produce complex shaped glass lenses with high precision and good ...

By the recently developed GMP(Glass Molding Press) process, aspheric glass lenses are widely used in many optical applications such as digital cameras, optical data storages and electrical devices etc. The GMP process can economically produce complex shaped glass lenses with high precision and good repeatability. This study deals the optimization of molding conditions for aspheric glass lenses in progressive GMP process through Design Of Experiment(Taguchi method). Tree main factors for molding conditions were selected based on pressure, temperature and cooling time at 1st cooling stage. From the analysis of experiments which were preformed with 3-cavity glass mold, it was revealed that the cooling time was the most sensitive parameter for form accuracy(PV) in progressive GMP process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

7개의 세부공정으로 구성된 순차이송형 GMP 공정에서 공정조건을 최적화하기 위해서는 각 공정별 온도, 압력 및 공정간 이동시간(cycle time)이 유리렌즈의 성형성에 미치는 영향을 분석해야 하지만 현실적으로 모든 요인을 고려하는 것은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실험계획법을 적용하여 GMP공정의 성형 품질에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단되는 냉각 1단계의 압력과 온도, 시간을 최적화하였다.
본 연구에서는 다구치 실험계획법을 통하여 순차이송형 GMP공정에서 냉각1의 공정변수가 비구면 렌즈의 성형성에 미치는 영향을 살펴보았다. KAIST 산업공학과에서 개발된 다구치 해석용 KAISTAT version 1.
특히, 근래 저융점 유리소재의 개발과 초정밀 금형가공 기술을 바탕으로 유리렌즈의 대량생산이 가능한 고온압축성형법 (GMP; Glass Molding Press)이 보급됨에 따라 재료적, 형상학적으로 광학 성능이 우수한 비구면 유리렌즈 수요가 꾸준히 증가되고 있으며[1,2], 이를 위한 초정밀 유리렌즈 금형 정밀가공 및 성형기술, 전산해석기술, 유리 금형 소재 등에 관한 연구가 지속되고 있다[1-9]. 본 연구에서는 순차이송형 GMP 공정에서 정밀도 높은 디지털 카메라용 비구면 유리렌즈를 생산하기 위한 최적 성형조건을 알아보았다.
본 연구에서는 순차이송형 GMP공정에서 실험계획법을 적용하여 직경 8 mm 정도의 디지털 카메라용 유리 렌즈의 최적 성형조건을 알아보았으며, 본 논문을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 다구치 실험계획법을 이용하여 GMP공정 7개의 단계 중 유리렌즈의 형상정밀도에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 냉각1 단계의 공정 조건을 최적화하였다.
본 연구에서는 비구면 형상오차를 최소화하는 성형 조건에 대하여 분석하였지만 유리렌즈의 안정적인 생산을 위해서는 단순한 이론적 최적 공정조건이 아닌 품질관리한도 내에서 금형의 수명과 유지보수 주기, 생산성 등을 동시에 고려한 최적의 양산조건을 적용하여 한다. 즉, 실제 양산 공정조건을 선정함에 있어 실험적으로 알아낸 최적성형 조건에서 생산된 렌즈가 형상적 측면에서 설계규격에 가장 근접한다 하더라도 금형의 수명 감소나 냉각시간 증가로 인한 생산성 감소가 발생할 시 형상오차가 품질관리 규격을 만족하는 범위 내에서 양산성을 고려한 차상위 성형 조건을 선택하는 것이 바람직하다고 사료된다.
본 연구에서의 순차이송방식 GMP 성형기는 그림 2에서 보는 바와 같이 온도와 압력이 개별로 제어되는 7개의 스테이지를 가지고 있으며, 각 스테이지는 크게 예열구간, 성형구간, 냉각구간의 3개 공정구간으로 구분된다. 그림 2(a)는 본연구의 순차이송방식 GMP 공정 개략도이며, 그림 2(b)는 각 공정별 온도와 압력 변화 패턴을 나타낸다.
실험계획법(Design of Experiments; DOE)을 이용하여 냉각압력, 냉각온도와 냉각시간을 3가지 주요 공정변수로 선택하고 L₉ 직교표에 배치하여 3캐비티 금형으로 성형시험을 수행하였으며, 렌즈의 형상정밀도를 측정함으로써 공정조건이 형상오차(PV)에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 비구면 유리렌즈 성형에 있어 냉각 시간이 형상오차에 가장 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
유리렌즈의 품질 특성치에는 형상정밀도, 투명도, 간섭무늬 등 여러 가지가 있으나 본 연구에서는 비구면 형상정도(PV)값으로 정하고, 냉각1 온도(A), 냉각 1 압력(B), 공정 시간(C)을 주 제어인자로 선정하였다. 각 인자에 대한 수준은 성형 한계 내에서 다음과 같이 각각 3수준으로 결정하였다.

대상 데이터

금형 코어는 내식성, 내마모성, 경도 등 기계적 특성이 우수하여 고온 성형 환경에서 장시간 사용이 가능한 초경합금 (WC/ Co 0.5%, 일본, 도시바탕가로이사, AE-60) 재질로 만들어졌으며, 5축 초정밀 연삭가공기(일본,Nachi-Fujikoshi사,ASP01)를 이용하여 형상정밀도 0.3㎛ 이하, 표면 거칠기 Rt 0.05㎛, Ra 0.007㎛ 이하가 되도록 가공한 후 표면조도 Ra 0.005㎛ 이하가 되도록 폴리싱하여 이형성 향상을 위한 Re-Ir 코팅박막을 증착(sputtering)으로 형성하였다.
본 실험에서 유리렌즈 성형용 금형은 3개의 캐비티를 가지고 있으므로 총 27 개의 시편을 얻을 수 있었으며, 표5는 형상측정기로 측정한 비구면 형상오차(PV)값을 보여준다. 또한 그림 8은 1번 캐비티에서 실험9 조건으로 성형된 렌즈와 2번 캐비티에서 실험8 조건으로 제작된 렌즈의 형상정밀도 측정 결과로서, 그래프의 세로축 값은 비구면 렌즈의 이론적 설계값과 제작된 렌즈와의 형상오차를 나타낸다.
018mm의 구면 형상으로 이루어져 있다. 소재는 무색투명하고 광학적 균질성, 등방성의 특징을 지닌 일본 Sumita 사의 K-CSK-120으로 유리전이 온도와 항복온도는 각각 498℃, 536℃이다.

데이터처리

본 연구에서는 다구치 실험계획법을 통하여 순차이송형 GMP공정에서 냉각1의 공정변수가 비구면 렌즈의 성형성에 미치는 영향을 살펴보았다. KAIST 산업공학과에서 개발된 다구치 해석용 KAISTAT version 1.3을 사용하였으며, 망소 특성으로 분석하였다.

이론/모형

제어 인자를 배치하기 위한 직교표는 L₉(3⁴) 표를 사용하였고, 교호작용은 없는 것으로 설정하였으며 반복수는 3회를 실시하였다. 표 3과 같이 1열, 2열,4열에 각각 제어인자를 배치하여 3열은 오차항으로 선정하였다.

성능/효과

1. 비구면 형상오차를 측정한 결과 공정시간이 렌즈의 형상정도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 냉각온도, 냉각압력의 순으로 기여도가 있었다.
2. 본 연구에서 Sumita 사의 K-CSK-120의 경우 냉각 1단계에서 가압하지 않고, 온도 545℃에서 70초간 냉각하였을 때 가장 좋은 형상정밀도를 나타내었다.
직교표에 배치하여 3캐비티 금형으로 성형시험을 수행하였으며, 렌즈의 형상정밀도를 측정함으로써 공정조건이 형상오차(PV)에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 비구면 유리렌즈 성형에 있어 냉각 시간이 형상오차에 가장 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
그림 3은 냉각 1의 공정조건에 따른 GMP 공정의 성형성을 평가하기 위하여 단일 캐비티 금형과 일본 Sumita 사의 K-PBK40 소재를 이용해 구면과 비구면의 조합으로 이루어진 양면 볼록 형상의 렌즈를 가압 성형한 결과를 보여준다. 그림 3에서 보여준 다양한 성형 조건에서 각각 10개의 시편을 분석하였을 때, 특정 성형 조건에서만 품질 규격을 만족하는 렌즈가 생산됨을 알 수 있으며, 공정 조건이 적절하지 못할 때 깨짐, 간섭 무늬이상, 국부적 수축 등의 불량이 발생되어 불량품이 증가하였다. 예비 실험의 경우 냉각1의 온도가 515℃이고, 냉각 1의 압력이 0.
비구면 유리렌즈의 형상정밀도에 미치는 주 인자별 영향력을 표 6의 분산분석(ANOVA)을 통해 확인할 수 있으며, 가장 큰 영향을 미치는 요인은 냉각시간으로 분석되었고, 냉각온도, 냉각압력의 순으로 기여도가 있었다. 그림 8은 신호 대 잡음비의 분석결과를 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온압축성형법의 특징은?	최근 IT분야에서 소형화, 지능화, 자동화, 다기능화, 고성능화의 경쟁이 전산업적으로 대두됨에 따라 각종 화상처리장치, 광학저장장치, 자동화기기 및 초고속 통신시스템 등의 핵심부품으로 초정밀 광학 렌즈의 사용이 확대되고 있다[1,2]. 특히, 근래 저융점 유리소재의 개발과 초정밀 금형가공 기술을 바탕으로 유리렌즈의 대량생산이 가능한 고온압축성형법 (GMP; Glass Molding Press)이 보급됨에 따라 재료적, 형상학적으로 광학 성능이 우수한 비구면 유리렌즈 수요가 꾸준히 증가되고 있으며[1,2], 이를 위한 초정밀 유리렌즈 금형 정밀가공 및 성형기술, 전산해석기술, 유리 금형 소재 등에 관한 연구가 지속되고 있다[1-9]. 본 연구에서는 순차이송형 GMP 공정에서 정밀도 높은 디지털 카메라용 비구면 유리렌즈를 생산하기 위한 최적 성형조건을 알아보았다.
	GMP 공정의 장점은?	GMP 공정은 유리전이온도 이상으로 유리 소재(preform; gob)를 가열한 뒤 정밀하게 가공된 금형으로 가압 성형하는 방식으로 경제적으로 복잡한 비구면 형상의 렌즈를 제조할 수 있는 장점이 있다[5].
	순차이송형 GMP공정에서 실험계획법을 적용하여 직경 8mm 정도의 디지털카메라용 유리 렌즈의 최적 성형조건을 알아본 본 연구의 결론은?	1. 비구면 형상오차를 측정한 결과 공정시간이 렌즈의 형상정도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 냉각온도, 냉각압력의 순으로 기여도가 있었다. 2. 본 연구에서 Sumita 사의 K-CSK-120의 경우 냉각 1단계에서 가압하지 않고, 온도 545℃에서 70초간 냉각하였을 때 가장 좋은 형상정밀도를 나타내었다.

참고문헌 (9)

M.Umetani, "Manufacturing of optical Glass Lens by Press-Molding Method", New Glass, Vol. 13, pp. 32-37, 1998.
김혜정, 차두환, 김정호, "카메라폰 모듈용 비구면 Glass렌즈의 성형 및 광학 특성평가", 한국산학기술학회 논문지, 제12권, 제3호, pp. 124-131, 2007.

원문보기 상세보기
김혜정, 차두환, 이준기, 김상석, 김정호, "DOE를 적용한 카메라폰 모듈용 비구면 Glass렌즈의 가압성형조건 연구", 전기전자재료학회 논문지, 제20권, 제8 호, pp. 720-725, 2007.

원문보기 상세보기
S. H. Chang, et al., "An Experimental Study on 4low Characteristics of PBK-40 for Glass Molding Press Simulation", Key Engineering Materials, Vols. 364-366, pp. 476-681, 2008.

상세보기
백승엽, 이은상, "휴대폰 카메라용 비구면 마이크로 렌즈 최적 연삭가공 평가", 한국공작기계학회 논문지, 제15권, 제2호, pp. 1-9, 1월, 2006.

원문보기 상세보기
김상석, 이용철, 이동길, 김혜정, 김정호, "실험계획법과 보정가공을 이용한 비구면 유리렌즈 성형용 코어의 초정밀 연삭가공 최적화", 한국정밀공학회 논문집, 제24권, 제6호, pp. 45-50, 2007.

원문보기 상세보기
이영민, 장성호, 허영무, 신광호, 윤길상, 정태성, "비구면 유리렌즈 금형의 열응력 해석", 한국정밀공학회 논문지, 제25권, 제12호, pp. 125-131, 2008.

원문보기 상세보기
정태성, 박규섭, 김동식, "순차이송방식 GMP 공정에서 공정변수가 유리렌즈 성형성에 미치는 영향", 한국소성공학회 논문지, 제18권, 제8호, pp. 633- 639, 2009.

원문보기 상세보기
장태석, 임태환, "유리 금형용 다공질 소결재의 제조에 관한 연구", 한국산학기술학회 논문지, 제6권, 제6호, pp. 468-472, 2005.

원문보기 상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

순차이송형 유리렌즈 성형공정에서 비구면 유리렌즈의 최적 성형조건 연구
A Study on the Optimal Molding Conditions for Aspheric Glass Lenses in Progressive GMP 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

순차이송형 유리렌즈 성형공정에서 비구면 유리렌즈의 최적 성형조건 연구 A Study on the Optimal Molding Conditions for Aspheric Glass Lenses in Progressive GMP 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

정태성 (13) 윤길상 (48)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

순차이송형 유리렌즈 성형공정에서 비구면 유리렌즈의 최적 성형조건 연구
A Study on the Optimal Molding Conditions for Aspheric Glass Lenses in Progressive GMP 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper