[논문]사출압축성형을 적용한 고해상도 폰 카메라용 플라스틱 렌즈 개발

이호상; 전원택; 김성우

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.1.039

사출압축성형을 적용한 고해상도 폰 카메라용 플라스틱 렌즈 개발
Development of Plastic Lenses for High-Resolution Phone Camera by Injection-Compression Molding 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.1, 2013년, pp.39 - 46

이호상 (한국교통대학교 항공기계설계학과) , 전원택 ((주)엔투에이) , 김성우 ((주)엔투에이)

초록
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본 논문의 목적은 사출압축성형을 적용하여 13 메가 픽셀을 갖는 휴대폰 카메라용 플라스틱 비구면 렌즈를 개발하는데 있다. 사출압축성형 실험을 위하여 이동 가능한 상부 형판과 4 개의 스프링을 사용하여 금형이 제작되었다. 두께비 2를 갖는 비구면 렌즈를 대상으로 캐비티 충전 실험을 수행한 결과, 일반 사출성형에서는 웰드라인이 발생하였으나, 0.3mm의 압축스트로크가 적용된 사출압축성형에서는 웰드라인이 발생하지 않았다. 또한 미성형 실험을 통하여 얻은 충전패턴은 해석결과와 잘 일치하였다. 복굴절은 압축스트로크가 증가함에 따라 감소하였으며, 사출압축성형에서 발생한 복굴절은 일반 사출성형에 의한 값에 비하여 매우 낮고 균일한 분포를 나타냈다. 그리고 4 장의 플라스틱 렌즈로 구성된 조립체의 평균 복굴절은 장착되는 렌즈의 방향에 의하여 크게 영향을 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop a plastic aspheric lens for a 13-megapixel mobile phone camera by injection-compression molding. A mold for injection-compression molding experiments was fabricated with a movable upper plate and four springs. During cavity filling for an aspheric lens with a thickness ratio of 2, a weldline was formed under conventional injection molding, whereas no weldline was formed under injection-compression molding with a compression stroke of 0.3 mm. The flow patterns were in good agreement with the simulation results. The birefringence decreased as the compression stroke increased, and the birefringence produced by injection-compression molding was very low and more uniform compared with that produced by injection molding. In addition, the bulk birefringence of an assembly composed of four plastic lenses was significantly affected by the orientation of the lenses to be mounted.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 중심부와 외주부의 두께차이가 매우 큰 L4 렌즈에 대한 사출성형은 웰드라인 발생, 심한 수축차이에 의한 형상오차 등 해결하여야 할 많은 기술적인 문제를 안고 있다. 따라서 본 논문에서는 L4 렌즈를 성형하기 위한 사출압축금형 개발 및 성형조건 도출에 중점을 두었다.
6mm 인 소형이면서 중심부와 외주부의 두께 차이가 2배인 렌즈를 대상으로 하였으며, 사출압축성형을 적용하여 웰드라인 문제를 해결하고자 하였다. 또한 사출압축성형 공정조건이 렌즈의 복굴절에 미치는 영향, 그리고 렌즈를 조립하는 방법이 전체 복굴절에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
본 논문에서는 13 메가 화소를 갖는 폰 카메라용 비구면 렌즈를 개발하기 위하여 사출압축성형 공법을 적용한 금형 및 성형조건에 대하여 연구하였다. 특히, 지름이 5.
본 논문에서는 사출압축성형에서 압축스트로크가 렌즈의 복굴절에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. Photonic Lattice 사 에서 상용화한 WPA100을 사용하였으며, 성형된 렌즈의 전체면에 대하여 복굴절에 의한 위상차를 측정하였다.
본 연구에서는 13 메가 화소를 갖는 스마트 폰 카메라용 광학모듈을 연구대상으로 설정하고, 중량을 최소화하면서 가격 경쟁력을 높이기 위하여 플라스틱 소재로만 구성된 비구면 렌즈 및 금형을 개발하고자 하였다. 크기가 매우 작으면서 10 메가 이상의 고해상도를 구현하기 위한 카메라용 렌즈는 중심부와 외주부 사이의 두께 차이가 매우 클 수 밖에 없다.

제안 방법

13 메가 화소를 갖는 폰 카메라용 비구면 렌즈를 개발하기 위하여 사출압축성형을 적용하여 유동패턴, 복굴절, 형상오차 등에 대하여 고찰하였다. 이로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
4 장의 플라스틱 렌즈를 경통에 조립할 때 각각의 렌즈방향이 전체 복굴절에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. Fig.
FANUC 50 톤 전동식 사출기를 사용하여 사출성형 및 사출압축성형 실험을 수행하였으며, 이때 노즐온도 295℃, 금형온도 123℃를 유지하였다.
Fig. 12 와 같이 L1~L4 까지의 렌즈 방향을 각각 0°- 0°- 0°- 0°로 조립하는 경우와 0°- 90°- 180°- 270°로 조립하는 경우에 대하여 각각 복굴절에 의한 전체 위상차를 측정하였다.
L4 렌즈의 사출성형에서 발생할 것으로 예측되는 웰드라인을 해결하기 위한 방안으로 사출압축성형에 대한 유동해석을 수행하였다. 압축시간을 0.
본 논문에서는 사출압축성형에서 압축스트로크가 렌즈의 복굴절에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. Photonic Lattice 사 에서 상용화한 WPA100을 사용하였으며, 성형된 렌즈의 전체면에 대하여 복굴절에 의한 위상차를 측정하였다. Fig.
그리고 색수 차는 1.74µm, 조리개의 중심을 지난 광선이 마지막 렌즈를 통과하여 센서로 입사될 때의 각도인 주광선입사각(Chief ray angle)은 30.89°, 중심대비 주변의 광량인 상대조도(Relative illumination)는 44.3%로 설계하였다.
6 에서 보여진 바와 같이 사출압축금형을 설계하였다. 금형을 미세하게 개방한 상태에서 사출하기 위하여 4개의 스프링에 의해 상측에 배치된 캐비티판이 몰드베이스 파팅면에 비해 최대 0.4mm 까지 돌출 가능하도록 설계하였다. 이때 몰드베이스 취부판에 고정되어 있는 상부의 렌즈 코어 핀이 Fig.
5 초로 설정하였다. 또한 압축단계에서 수지의 역류를 방지하기 위하여 사출성형과 동일한 보압조건을 적용하였다.
렌즈 코어가공을 위하여 입방정질화붕소(Cubic boron nitride) 공구를 사용한 형상 기초가공을 한 후, 도금 공정을 통해 형성된 도금층 위에 초정밀가공을 수행하였다. 초정밀가공기(Diamond turning machine)는 Precitech 사의 Nanoform-250 을 활용하였다.
본 논문에서는 기하광학에 기반을 둔 광선추적(Ray tracing)기법을 적용하였으며, 광학설계 소프트웨어인 Code V 를 활용하였다. 렌즈의 형상 및 재질, 입사되는 광의 특성에 따른 빛의 결상 특성을 예측하여 설계된 광학계의 수차(Aberration), 변조전달함수 등을 평가하고, 이를 최적화할 수 있도록 4장의 플라스틱 렌즈 형상을 설계하였다. 13 메가 폰 카메라에 적용하기 위하여 설계한 렌즈 설계의 유효 초점거리는 4.
사출성형조건으로서 사출시간 0.55초, 보압 40MPa, 보압유지시간 3초, 그리고 냉각시간을 포함한 사이클시간은 42초를 적용하였다.
사출압축성형을 위하여 압축스트로크에 해당하는 거리만큼 금형을 개방한 상태에서 20mm/sec 의 사출속도로 캐비티 전체 체적의 95%만큼 수지를 주입하였다. 이후 형폐 압축으로 전환하여 압축유동과 함께 나머지 수지는 Fig.
사출성형 해석을 수행하기 위하여 Moldex3d 를 활용하였으며, 렌즈소재로서 COP 계열 Arton F4520 을 사용하였다. 사출온도 290℃, 금형온도 130℃를 적용하였으며, 사출시간 0.1초인 경우에 대하여 사출성형해석을 수행하였다.
L4 렌즈의 사출성형에서 발생할 것으로 예측되는 웰드라인을 해결하기 위한 방안으로 사출압축성형에 대한 유동해석을 수행하였다. 압축시간을 0.1초로 설정하였으며, 압축 스트로크는 0.3mm 와 0.1mm 인 각각의 경우에 대하여 유동패턴을 비교하였다.
중심부와 외주부의 두께 차이가 매우 큰 L4 렌즈에서 웰드라인을 방지하기 위하여, 사출압축성형 해석결과를 기초로 Fig. 6 에서 보여진 바와 같이 사출압축금형을 설계하였다. 금형을 미세하게 개방한 상태에서 사출하기 위하여 4개의 스프링에 의해 상측에 배치된 캐비티판이 몰드베이스 파팅면에 비해 최대 0.
본 논문에서는 13 메가 화소를 갖는 폰 카메라용 비구면 렌즈를 개발하기 위하여 사출압축성형 공법을 적용한 금형 및 성형조건에 대하여 연구하였다. 특히, 지름이 5.6mm 인 소형이면서 중심부와 외주부의 두께 차이가 2배인 렌즈를 대상으로 하였으며, 사출압축성형을 적용하여 웰드라인 문제를 해결하고자 하였다. 또한 사출압축성형 공정조건이 렌즈의 복굴절에 미치는 영향, 그리고 렌즈를 조립하는 방법이 전체 복굴절에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
표면조도측정기를 활용하여 사출압축성형을 적용한 L4 렌즈의 형상정밀도를 측정하였다. Fig.
6 의 상세도 A에서 점선으로 표시된 위치로 이동하게 되어 압축 스트로크에 해당하는 거리를 확보할 수 있도록 하였다. 한편, 사출이 완료된 이후 압축단계에서는 금형이 닫히면서 하부 코어판의 미는 힘에 의해 상부 캐비티판이 가이드핀을 따라 이동하게 되고, 결국 상부의 렌즈 코어핀이 수지를 압축할 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

렌즈의 형상 및 재질, 입사되는 광의 특성에 따른 빛의 결상 특성을 예측하여 설계된 광학계의 수차(Aberration), 변조전달함수 등을 평가하고, 이를 최적화할 수 있도록 4장의 플라스틱 렌즈 형상을 설계하였다. 13 메가 폰 카메라에 적용하기 위하여 설계한 렌즈 설계의 유효 초점거리는 4.2mm 이며, 마지막 렌즈의 중심에서 센서까지의 거리에 해당하는 후 초점거리(Back focal length)는 1.51mm 이다. 그리고 색수 차는 1.
가공에 사용한 공구반경은 R0.1 이며, 스핀들 회전속도 1,700rpm, 절입량 3µm 의 가공조건을 적용하였다.
2 에서 도시된 바와 같이 L4 렌즈에 대한 주입기구를 설계하였다. 사출성형 해석을 수행하기 위하여 Moldex3d 를 활용하였으며, 렌즈소재로서 COP 계열 Arton F4520 을 사용하였다. 사출온도 290℃, 금형온도 130℃를 적용하였으며, 사출시간 0.
렌즈 코어가공을 위하여 입방정질화붕소(Cubic boron nitride) 공구를 사용한 형상 기초가공을 한 후, 도금 공정을 통해 형성된 도금층 위에 초정밀가공을 수행하였다. 초정밀가공기(Diamond turning machine)는 Precitech 사의 Nanoform-250 을 활용하였다. 가공에 사용한 공구반경은 R0.

이론/모형

본 논문에서는 기하광학에 기반을 둔 광선추적(Ray tracing)기법을 적용하였으며, 광학설계 소프트웨어인 Code V 를 활용하였다. 렌즈의 형상 및 재질, 입사되는 광의 특성에 따른 빛의 결상 특성을 예측하여 설계된 광학계의 수차(Aberration), 변조전달함수 등을 평가하고, 이를 최적화할 수 있도록 4장의 플라스틱 렌즈 형상을 설계하였다.

성능/효과

(1) 지름 5.6mm, 중심부와 외주부의 두께 차이가 2배인 렌즈 성형을 위하여 사출압축성형 금형을 개발하였으며, 초정밀 가공에 의한 렌즈 코어의 형상정밀도 및 표면조도는 각각 0.23µm, 20.2nm로 나타났다.
(2) 일반 사출성형에서 웰드라인이 심하게 발생하였으나, 압축스트로크 0.3mm 조건을 갖는 사출압축성형을 적용한 결과 웰드라인 발생을 방지할 수 있었고, 실험결과는 해석과 잘 일치하였다.
(3) 압축스트로크가 증가할수록 복굴절에 의한 위상차가 감소하였으며, 사출압축 성형을 적용한 결과 일반 사출성형을 적용한 렌즈에 비하여 위상차를 크게 줄일 수 있었으며, 매우 균일한 위상차 분포를 구현할 수 있었다.
(4) 4 장의 플라스틱 렌즈 방향을 각각 0°- 90°-180°-270°로 조립할 때 각각 0°-0°-0°-0°로 조립하는 경우에 비하여 위상차를 1/3 로 줄일 수 있었다.
(5) 사출압축성형을 적용한 렌즈의 형상오차 및 표면거칠기는 각각 1.0µm, 0.24µm 으로 나타났다.
3mm 개방한 상태에서 용융된 수지를 주입하기 때문에 두께가 얇은 중심부에서 수지의 유동성이 크게 향상되었기 때문이다. 결과적으로 사출압축성형을 적용할 경우 기존 사출성형에서 발생하게 되는 레이스 트랙킹 현상이 발생하지 않으며, 웰드라인 불량을 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 압축스트로크가 0.
별도의 후처리 공정 없이 가공기에서 선삭가공으로 경면을 구현하였으며, 표면조도측정기로서 Form Taly Surf PGI840 을 활용하여 코어의 가공정밀도를 측정한 결과 형상정밀도 0.23µm, 표면조도 20.2nm 를 확인하였다.
이를 통하여 렌즈를 경통에 조립할 때 게이트 방향이 서로 동일한 방향이 되지 않도록 하며, 렌즈를 서로 90°씩 회전시켜 조립하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
한편, 압축스트로크를 0.32mm 이상으로 증가시켰을 경우에는 게이트 근처에서 플로우마크가 발생하였으며, 반면에 압축스트로크 를 0.28mm 이하로 설정한 경우에는 웰드라인이 발생하기 시작함을 확인할 수 있었다.
3 과 매우 유사한 경향을 보이고 있다. 해석결과에서 살펴본 바와 같이 두께가 매우 얇은 중앙부에서 수지가 제대로 진전하지 못하고 있으며, 반면에 외주부는 두께가 크기 때문에 수지가 빠른 속도로 진전하여 레이스 트랙킹 현상이 나타나고, 이로 인하여 웰드라인이 심하게 발생하고 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폰 카메라 렌즈모듈의 하드웨어 성능 향상이 매우 중요해지고 있는 이유는 무엇인가?	최근 스마트 폰 시장이 크게 성장함에 따라 다양하고 차별화된 기능을 구현하고, 원가 절감을 통해 가격 경쟁력을 확보하기 위한 기술개발 경쟁이 치열해지고 있다. 특히, 증강현실, 지문인식, 명함인식 등 다양한 기능을 스마트 폰에서 구현하는 추세에 있기 때문에 폰 카메라 렌즈모듈의 하드웨어 성능 향상이 매우 중요해지고 있다. 아울러 무선 인터넷을 기반으로 하는 스마트 폰이 디지털 카메라를 대체하는 수요가 증가하면서 더욱 고화질의 사진이 요구하고 있다.
	기존 사출성형 공정에서 주로 발생하는 문제는 무엇이었는가?	그동안 사출성형 공정에서 주로 발생하는 불균일한 수축, 잔류응력, 복굴절 등의 문제를 해결하기 위하여 사출압축성형 공법이 널리 사용되어 왔다. 금형을 닫은 상태에서 사출성형하는 기존 방식과 달리, 사출압축성형은 금형을 일정 거리만큼 개방한 상태에서 용융된 수지를 사출한 후, 개방된 금형을 닫으면서 수지를 압축 성형하는 공법이다.
	크기가 매우 작으면서 10 메가 이상의 고해상도를 구현하기 위한 카메라용 렌즈의 문제점은 무엇인가?	크기가 매우 작으면서 10 메가 이상의 고해상도를 구현하기 위한 카메라용 렌즈는 중심부와 외주부 사이의 두께 차이가 매우 클 수 밖에 없다. 이로 인하여 사출성형에 의한 웰드라인이 심하게 발생하고, 수축차이에 의한 형상오차 발생, 그리고 분자배향에 따른 복굴절이 광학 성능을 저하시키는 문제 등 해결하여야 할 많은 기술적인 과제를 안고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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