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문제 정의
- 2 에 냉각라인을 포함한 16 캐비티 메가픽셀급 카메라 폰 렌즈금형의 사출성형 해석 모델을 도시하였다. 렌즈모듈을 구성하는 렌즈 중 가장 높은 굴절률을 가지고 있으며 복굴절 현상이 빈번하게 발생하며, 또한, 수지 가격이 다른 렌즈보다 약 3 배이상인 P2 렌즈를 선정하여 이에 대한 해석을 행하였다.
- 본 논문에는 언급하지 않았으나 조합시스템과 같이 개발된 양산형 렌즈 조립시스템과 서로 동일한 유닛구조로 설계∙제작하여 픽커 및 가이드 등을 호환해서 사용 가능하며 양 시스템간의 조립결과의 상관관계의 확보가 가능하도록 하였다.
- 본 논문에서는 렌즈모듈의 방향성을 고려한 조립을 위해 개발한 폰 카메라용 렌즈모듈 자동 조합시스템에 대하여 논하였다. 먼저 각 렌즈의 조립 방향성이 렌즈모듈의 양불 및 수율에 미치는 영향을 알아보았다.
- 본 논문에서는 유동해석을 통하여 보압 및 냉각온도와 같은 렌즈의 사출조건에 따른 광학적 특성의 상관관계를 조사하였다. 또한, 사출렌즈의 방향성을 제고하고 최적의 조합성을 탐색하여 이를 반영한 렌즈모듈 조립이 가능한 렌즈 조합 시스템을 설계∙제작하였다.
- 양산조립 장비의 경우, 최적의 조립조건을 도출한 이후 그 조건을 기준으로 안정된 양산품의 생산을 목적으로 한다. 이에 비해 렌즈 조합시스템은 렌즈의 방향성 조합을 어떻게 정하느냐에 따라 제품의 수율이 결정되므로 어떤 조건에 따른 조립시 양품생산이 가능하며, 어떤 금형의 어떤 캐비티와의 조합에서 최대의 수율확보가 가능한지 등의 테스트를 수행하게 된다.
제안 방법
- 각 단렌즈를 이용하여 각 조립조건당 100 개의 렌즈모듈 샘플을 제조하여 MTF(Modular Transfer Function) 평가를 통하여 수율과의 상관성을 조사 하였다. MTF 는 정현파 차트의 콘트라스트 (contrast) 의 변화를 공간주파수의 함수로서 나타내는 광학계의 객관적인 해상력 평가방법으로 현재 렌즈검사에 일반적으로 사용되고 있다.
- 개발한 렌즈모듈 자동조합 시스템은 렌즈 및 스페이서를 동일 유닛에서 조립 가능하도록 하여 장비 사이즈의 최소화 및 장비제작 경비의 절감을 이루었으며, 렌즈 센터링 기구 및 배럴 가이드를 이용하여 추가적인 비전의 설치 없이 미세 위치조정이 가능하도록 하였다. 제작된 렌즈모듈 조합시스템은 기존 양산형 조립시스템 대비 25%로 장비 크기를 축소할 수 있었으며 모듈러 설계를 통한 모델 변경 대응성의 확보가 가능 하였다.
- 12에 렌즈방향 검출 알고리즘을 도시하였다. 개발한 알고리즘은 다방향 각도측정 방법으로 렌즈각도를 산출하는 패턴 매칭 알고리즘이다. 먼저 카메라를 통해 획득한 렌즈 이미지의 최외곽에서 안쪽 방향으로 추적하며 렌즈의 원형 에지를 검출하여 렌즈의 중심좌표를 추출한다.
- 이를 위하여 총 4개의 유닛을 설계하였다. 기존의 장비가 렌즈 및 스페이서의 각 부품의 조립을 서로 다른 유닛에서 수행하는 것에 비해 본 시스템에서는 각 유닛에서 1 매의 렌즈와 1 개의 스페이서의 페어(Pair)를 조립 할 수 있도록 설계하여 장비크기를 최소화하였다. 또한, P1 렌즈와 P2 렌즈, P3 렌즈와 P4 렌즈 조립 유닛을 각각 동일한 Y 방향 구동축의 전후에 배치하도록 설계하여 구동축수를 줄여 조립시간의 늘어남 없이 장비크기의 최소화 및 비용 절감을 달성하였다.
- 다음으로 렌즈의 절단 라인의 검출을 위해 45°간격으로 외각 8 개의 방향에서 렌즈 중심방향으로 직선 에지를 추출한다.
- 배럴가이드가 하강하여 배럴 내부에 삽입되면서 1 차적으로 위치를 정렬하게 된다. 또한, 배럴 가이드는 배럴과 렌즈 픽커와의 위치오차를 기계적인 방법으로 보정하는 역할도 하도록 설계하였다. 배럴내부에 배럴 가이드가 안착된 상태에서 배럴 가이드 내부에 동일한 방법으로 렌즈 픽커가 하강하여 배럴가 이드 내부로 들어가 렌즈를 장착하게 된다.
- 본 논문에서는 유동해석을 통하여 보압 및 냉각온도와 같은 렌즈의 사출조건에 따른 광학적 특성의 상관관계를 조사하였다. 또한, 사출렌즈의 방향성을 제고하고 최적의 조합성을 탐색하여 이를 반영한 렌즈모듈 조립이 가능한 렌즈 조합 시스템을 설계∙제작하였다.
- 제작된 렌즈모듈 조합시스템은 기존 양산형 조립시스템 대비 25%로 장비 크기를 축소할 수 있었으며 모듈러 설계를 통한 모델 변경 대응성의 확보가 가능 하였다. 또한, 양산형 시스템과 조립유닛의 공용화를 통하여 최적 조합 결과 도출 후 양산 장비와의 상관성 확보가 용이하도록 제작하였다. 향후 렌즈조합을 최소화하는 알고리즘을 개발 탑재시키고 복굴절 해석 결과 및 복굴절 평가시스템과의 연계를 통해 보다 효율적인 렌즈조합의 탐색이 가능한 시스템의 개발을 진행할 예정이다.
- 또한, 유동해석을 통하여 렌즈의 조립방향성에 영향을 미치는 인자인 복굴절과 사출성형 조건과의 상관관계를 도출하였다. 보압과 냉각온도가 복굴절 발생에 큰 영향을 미치며 실제 사출성형 결과와 유사한 경향을 확인할 수가 있었다.
- 본 논문에서는 렌즈모듈의 방향성을 고려한 조립을 위해 개발한 폰 카메라용 렌즈모듈 자동 조합시스템에 대하여 논하였다. 먼저 각 렌즈의 조립 방향성이 렌즈모듈의 양불 및 수율에 미치는 영향을 알아보았다.
- 개발한 알고리즘은 다방향 각도측정 방법으로 렌즈각도를 산출하는 패턴 매칭 알고리즘이다. 먼저 카메라를 통해 획득한 렌즈 이미지의 최외곽에서 안쪽 방향으로 추적하며 렌즈의 원형 에지를 검출하여 렌즈의 중심좌표를 추출한다.
- 렌즈조립 시 각 렌즈에 해당하는 배럴가이드를 이용하여 배럴 안착부의 유격에서 오는 위치오차를 보정하게 된다. 배럴 가이드는 원통형으로 설계되어 있으며 각 렌즈가 안착되는 배럴의 내경에 맞도록 배럴가이드 외경을 설계하였다. 배럴가이드가 하강하여 배럴 내부에 삽입되면서 1 차적으로 위치를 정렬하게 된다.
- 보압과 더불어 냉각온도의 변화에 대한 영향도 조사하였다. 마찬가지로 냉각온도를 기준 값인 134℃로 두고 각각 기준치의 90%, 80% 수준인 120.
- 본 연구에서 주요하게 고려한 방향성 고려 조립을 위하여 각 렌즈 픽커에 회전기능을 부가하였다. 상부 비전을 이용하여 게이트 부분을 확인하고 다방향 각도측정 방법을 이용한 알고리즘을 소정의 조립각도 조합에 따라 조립을 행하게 된다.
- 비례제어 밸브를 사용하여 렌즈의 조립 압력의 조정이 가능하도록 하였으며 조립대상 모델이 변경될 경우, 렌즈/스페이서의 픽커헤드 부분과 가이드 부분의 교체만으로 모델 변경에 대응 가능하도록 모듈러(Modular) 설계를 적용하였다.
- 2 와 같이 금형에서 사출된 사출물로부터 렌즈는 게이트(Gate) 절단을 통하여 단렌즈로 분리된다. 이 게이트 절단면을 렌즈의 방향성 선정의 기준으로 정하여 렌즈의 방향성에 따른 광학특성의 영향을 검증하였다.
- 배럴내부에 배럴 가이드가 안착된 상태에서 배럴 가이드 내부에 동일한 방법으로 렌즈 픽커가 하강하여 배럴가 이드 내부로 들어가 렌즈를 장착하게 된다. 이때 배럴가이드의 하부 직경은 조립되는 렌즈의 직경과 동일하게 설계하였으며 상부 직경을 이보다 미소하게 크게 가공하여 경사진 면을 만들어 렌즈 조립 시 자연적으로 렌즈 가이드 축과 렌즈 픽커 (Picker) 축이 일치하도록 설계하였다. 이와 같은 기구적 설계를 통하여 조립위치 보정을 위한 추가적인 비전시스템 없이 고속의 조립이 가능하게 된다.
- 해석조건은 실제 현장에서 채용되고 있는 사출 조건을 기준으로 기본조건을 충진시간 5 sec, 사출 온도 265℃, 냉각온도 134℃, 냉각시간 20 sec, 보압 54 Mpa / 3 sec, 34 Mpa / 2 sec 로 설정하였다. 이를 기준으로 렌즈의 광학적 특성에 영향을 미치는 가장 큰 성형조건 인자 중의 하나인 보압 및 냉각 온도 변화에 따른 위상차 해석결과를 비교하였다. 보압을 기존 값 대비 90%, 80% 로 설정하였을 때의 수축량과 복굴절 정도를 나타내는 위상차 결과를 Fig.
- 조립방향성의 영향인자인 복굴절의 발생과 사출 성형 조건과의 상관관계를 규명하기 위한 유동해석을 행하였다. Fig.
- 해석조건은 실제 현장에서 채용되고 있는 사출 조건을 기준으로 기본조건을 충진시간 5 sec, 사출 온도 265℃, 냉각온도 134℃, 냉각시간 20 sec, 보압 54 Mpa / 3 sec, 34 Mpa / 2 sec 로 설정하였다. 이를 기준으로 렌즈의 광학적 특성에 영향을 미치는 가장 큰 성형조건 인자 중의 하나인 보압 및 냉각 온도 변화에 따른 위상차 해석결과를 비교하였다.
대상 데이터
- 5 m / sec 를 확보하였다. 가이드 회전 터렛은 초당 360 도 회전, 가이드의 Z 축 상하 이동은 80 mm/s, 배럴은 초당 1,080 도 회전이 가능한 모델을 채용하였다.
- 다음으로 렌즈의 절단 라인의 검출을 위해 45°간격으로 외각 8 개의 방향에서 렌즈 중심방향으로 직선 에지를 추출한다. 렌즈 중심좌표로부터 8 개의 방향에서 추출된 직선 에지 중 최단거리인 직선 에지를 찾는다. 이 직선 에지(Edge)에 수직선을 생성하여 이 수직선을 이용하여 렌즈 각도를 산출하게 된다.
- 6은 방향성 조정형 렌즈모듈 조합시스템의 렌더링 도면을 나타낸다. 본 렌즈모듈 조합 시스템에서는 현재 시장에서 가장 일반적으로 채용되고 있는 렌즈 4 매, 스페이서 및 쉴드 4 매, 배럴 1 개로 구성된 렌즈모듈 모델을 대상으로 설계하였다. Fig.
- 예를 들어 실험 조건 1 의 경우, 최하부의 P1 렌즈의 절단면은 0°위치로 맞추어 조립한 다음 P2 렌즈의 절단면을 오른쪽으로 90°회전시켜 조립시켰음을 의미한다. 이때 사용된 렌즈는 렌즈에 따른 편차를 최소화하기 위하여 동일한 금형의 동일한 캐비티에서 생산된 렌즈를 사용하였다.
- 1에 나타낸 바와 같이 각 렌즈 사이에는 스페이서가 위치하여 지정된 렌즈간 간격을 유지하게 되며, 최하부부터 렌즈와 스페이서가 각각 번갈아가며 순차적으로 조립되어지게 된다. 이를 위하여 총 4개의 유닛을 설계하였다. 기존의 장비가 렌즈 및 스페이서의 각 부품의 조립을 서로 다른 유닛에서 수행하는 것에 비해 본 시스템에서는 각 유닛에서 1 매의 렌즈와 1 개의 스페이서의 페어(Pair)를 조립 할 수 있도록 설계하여 장비크기를 최소화하였다.
데이터처리
- 각 해석결과의 좌측 그림에는 사출물의 수축률 분포를, 우측그림에서는 특징적인 캐비티를 선정 하여 그 위상 차 결과를 예시하였다. 위상차 값은 사출렌즈 부위 중 이미지 획득에 사용되는 유효경 부분의 값을 비교하였다. 보압 기준값 54 Mpa 대비 90%, 80%로 보압을 설정하였을 때 수축, 웰드라인 등의 사출 성형품의 주요 관리 인자의 큰 변화는 발견되지 않았다.
성능/효과
- 그러나, 유효경 내부의 위상차, 즉 복굴절 값이 보압의 감소에 따라 75 nm 에서 66 nm 로 감소함을 확인할 수 있었다. 또한, 캐비티 위치에 따른 편차가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 기존의 장비가 렌즈 및 스페이서의 각 부품의 조립을 서로 다른 유닛에서 수행하는 것에 비해 본 시스템에서는 각 유닛에서 1 매의 렌즈와 1 개의 스페이서의 페어(Pair)를 조립 할 수 있도록 설계하여 장비크기를 최소화하였다. 또한, P1 렌즈와 P2 렌즈, P3 렌즈와 P4 렌즈 조립 유닛을 각각 동일한 Y 방향 구동축의 전후에 배치하도록 설계하여 구동축수를 줄여 조립시간의 늘어남 없이 장비크기의 최소화 및 비용 절감을 달성하였다.
- 보압과 냉각온도가 복굴절 발생에 큰 영향을 미치며 실제 사출성형 결과와 유사한 경향을 확인할 수가 있었다. 렌즈의 조립방향 조합 실험을 통하여 동일 금형의 동일 캐비티에서 생산된 렌즈임에도 방향성 조합에 따라 수율이 53% 의 차이를 보여 방향성 고려한 조립을 중요성을 확인하였다.
- 기존 양산장비가 각각의 렌즈 및 스페이서를 조립하는 독립모듈(980 (W) × 750 (D) ×1750 (H) [mm]) 6 대로 구성되어있는 것에 비하여 개발장비는 1600 (W) × 1000 (D) ×1835 (H) [mm] 한대로 소형화가 가능하였다. 배치공간을 고려하여 용적율 기준으로 기존 양산장비 대비 25% 수준으로 축소가 가능하였다. X 축은 정도 20µm, 속도 800 mm/s 의 볼스크류 타입의 스테이지를 사용하였으며, Y 축은 정도 1 µm, 속도 600 mm/sec 의 리니어 서보를 사용하였다.
- 조립조건 2 로 조립된 렌즈 모듈과 조립조건 3 으로 조립된 렌즈모듈은 53%나 되는 수율차를 나타내었다. 이와 같이 동일 금형의 동일 캐비티에서 동일한 사출조건으로 생산된 렌즈들의 조합임에도 불구하고 각 단렌즈의 조립방향성에 따라 최종 조립된 렌즈모듈의 광학적 성능에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
- 개발한 렌즈모듈 자동조합 시스템은 렌즈 및 스페이서를 동일 유닛에서 조립 가능하도록 하여 장비 사이즈의 최소화 및 장비제작 경비의 절감을 이루었으며, 렌즈 센터링 기구 및 배럴 가이드를 이용하여 추가적인 비전의 설치 없이 미세 위치조정이 가능하도록 하였다. 제작된 렌즈모듈 조합시스템은 기존 양산형 조립시스템 대비 25%로 장비 크기를 축소할 수 있었으며 모듈러 설계를 통한 모델 변경 대응성의 확보가 가능 하였다. 또한, 양산형 시스템과 조립유닛의 공용화를 통하여 최적 조합 결과 도출 후 양산 장비와의 상관성 확보가 용이하도록 제작하였다.
- 조립조건 2 의 경우 수율이 약 70% 로 가장 높았으며, 조립조건 3 의 경우의 특히 외곽부분에서의 MTF 성능이 떨어지는 것을 알 수 있으며 수율은 17% 로 나타났다.
- 해석결과로부터 냉각온도의 경우는 온도가 낮아짐에 따라 75 nm 에서 81 nm 로 복굴절이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 실제 현장에서 수행한 실험결과와 유사한 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 양산형 시스템과 조립유닛의 공용화를 통하여 최적 조합 결과 도출 후 양산 장비와의 상관성 확보가 용이하도록 제작하였다. 향후 렌즈조합을 최소화하는 알고리즘을 개발 탑재시키고 복굴절 해석 결과 및 복굴절 평가시스템과의 연계를 통해 보다 효율적인 렌즈조합의 탐색이 가능한 시스템의 개발을 진행할 예정이다.
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