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문제 정의
- 본 논문에서는 초정밀 사출렌즈 생산을 위한 금형기술을 확보하기 위하여 고해상도 렌즈 생산에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 인자인 금형 편심을 최소화 시키는 금형구조 개선을 통하여 하드웨어적으로 사출렌즈 정도를 확보하는 방법과 금형 캐비티 내에서의 압력 및 온도 정보의 획득 가능한 BIS (Built-In Sensor) 센서를 내장한 금형을 개발하고 이를 통한 센서신호 분석을 통하여 제품정도 확보를 추구하는 두 가지 방법의 초정밀 사출 렌즈 금형기술을 제시하였다.
제안 방법
- 1에 도시하였다. 개발된 센서 및 기타 사양에 의해 렌즈 광학설계를 진행하고, CAE를 통해 렌즈 흐름이나 금형 제작상의 문제점을 확인 하고 런너, 게이트, 냉각채널 등의 최적화를 거친 후 렌즈 도면을 기준으로 금형 제작을 진행하게 된다.9,10 이렇게 제작된 금형으로부터 생산되는 렌즈는 요구 성능을 맞추기 위해 수 차례의 보정작업을 진행하고 최종적인 제품인 렌즈모듈 형태로 최종적인 영상평가를 하게 된다.
- 단렌즈는 경통에 순차적으로 억지 끼워 맞춤 방식으로 조립되게 된다. 그림에서 보는 바와 같이 렌즈외경의 수직영역이 경통 내면과 접하여 조립이 되는데 이 수직구간의 축소, 곡면구간의 형성 및 게이트 (gate) 보강을 통하여 직접 렌즈 코어 부에서의 취출이 아닌 런너에서의 취출에도 휨 및 응력발생을 억제하도록 하였다.
- 사출렌즈는 광학제품이기 때문에 렌즈의 형상 면에 직접적으로 압력측정 센서 및 온도센서를 위치시킬 수 없는 제약이 있다. 따라서, 각 렌즈 코어핀 하부에 압력센서를 장착하여 캐비티 내부의 압력 변화를 검출하도록 하였다. 온도센서는 K-type의 열전대를 직경 1.
- 기존의 이젝터 핀 취출방식은 렌즈의 플렌지부에 이젝터 핀이 위치하여 플랜지 구간이 짧은 경우 적용이 곤란하다. 따라서, 이젝터 핀의 위치를 런너 (runner) 부로 이동시켜 기존의 멀티 캐비티 제품의 번호를 각인하는 넘버링 및 취출 핀의 역할을 동시에 하도록 설계하였다. 이젝터 핀이 플랜지 부에 위치할 때와 런너 부에 위치에 할 경우 렌즈가 가동 측 쪽으로 휨을 발생시킬 수 있다.
- 이를 해소시키기 위하여 런너 부의 이젝터 핀을 캐비티 쪽으로 근접시켜 휨 발생을 최소화하였다. 또한, 경통에 조립되는 렌즈의 외경을 형성하는 금형구조를 개선을 통해 취출 시 응력발생을 감소시켰다.
- 본 논문에서는 초정밀 사출렌즈 생산을 위한 금형기술에 있어서 금형구조 개선을 통하여 하드웨어적으로 정도를 확보하는 방법과 센서를 내장한 금형을 개발하여 센서신호를 분석하여 최적의 사출조건의 도출이 가능한 스마트 금형을 통하여 제품정도 확보를 추구하는 두 가지 방법으로 초정밀 사출렌즈 금형 개발을 진행하였다. 사출조건은 제품의 형상은 물론 광학적 특성 및 표면 거칠기까지 영향을 미치는 것으로 보고되고 되어 있어 단시간에 최상의 사출조건을 도출하는 것이 핵심이 된다.
- 각 금형에서의 편심량과 시사출된 사출렌즈의 편심량과의 상관성을 파악하기 위하여 시제작한 금형에 대하여 상ㆍ하측 메인 카세트 및 캐비티의 편심량을 측정하여 Table 3에 나타내었다. 삼차원 측정기(Video-Check HA 3D CNC, Werth사)를 이용한 접촉식 측정을 통하여 측정하였으며, 카세트의 중심에서 위치를 측정한 후 상ㆍ하측 메인 카세트 각각의 중심에서 위치가 틀어진 정도를 좌표로 나타내었다. 측정결과 틀어짐이 최대 0.
- 따라서, 각 렌즈 코어핀 하부에 압력센서를 장착하여 캐비티 내부의 압력 변화를 검출하도록 하였다. 온도센서는 K-type의 열전대를 직경 1.5 mm의 이젝터 핀에 삽입 제작하여 각 게이트 부근에 장착하는 구조로 제작하였다.
- 7에 나타내었다. 크게 센서를 내장한 BIS 금형과 임베디드 디바이스 (embedded device)로 나누어지는데 그림과 같이 금형 내 각 캐비티로의 압력 및 온도 센서신호를 임베디드 디바이스에서 증폭, 샘플링, 분석 및 모니터링 작업을 하게 된다.
- 특히 고해상도 렌즈 생산에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 인자인 금형편심 발생 원인을 분석하고 편심발생 최소화 취출방식을 제안하고 그 성능을 실험적으로 확인하였다. 또한, 지금까지 블랙박스처럼 실제 현상 파악이 곤란하였던 금형 캐비티 내에서의 압력 및 온도 정보의 획득 가능한 BIS(Built-In Sensor) 기반 스마트 금형을 제안하여 그 유용성을 나타내었다.
- 초기에는 이젝터 핀 취출방식이 많았으나 흐름성 및 비용 등의 이유로 코어 핀 취출 방식의 정도를 높이는 데 중점을 두고 개발이 진행되어 제작한 금형의 경우도 코어 핀 취출방식의 금형이었다. 하지만, 코어 핀 취출 방식의 경우 구조상 코어 핀과 하측 메인 카세트 홀 사이의 간극이 존재하여 편심 발생 요인이 됨으로 이젝터 취출 방식을 도입하되 기존의 이젝터 핀의 위치 및 형상개선을 통한 취출법을 시도하였다.
성능/효과
- 금형수정 및 조건설정을 통하여 최종적으로 전 캐비티에서 요구 형상오차, 공차의 확보 및 1μm 이하의 디센터 값을 확보할 수 있었다.
- 금형편심 발생 원인을 분석하여 편심발생 요소를 가지고 있는 코어 핀 취출방식에서 런너 핀 취출 방식의 도입 및 이로 인해서 발생하는 휨 및 응력 집중 등의 문제를 반영한 금형설계를 통하여 코어 핀 이젝터 방식이 최대 9.2 μm, 평균 5.3 μm의 디센터 값을 가지고 있던 것에 비해 시사출 제품의 결과 최대 2.9 μm, 평균 1.6 μm로 디센터 값이 대폭 감소하였으며, 최종적으로 형상정도 만족은 물론 전 캐비티에서 1 μm 이하의 디센터 값을 확보할 수 있었다.
- 특히 고해상도 렌즈 생산에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 인자인 금형편심 발생 원인을 분석하고 편심발생 최소화 취출방식을 제안하고 그 성능을 실험적으로 확인하였다. 또한, 지금까지 블랙박스처럼 실제 현상 파악이 곤란하였던 금형 캐비티 내에서의 압력 및 온도 정보의 획득 가능한 BIS(Built-In Sensor) 기반 스마트 금형을 제안하여 그 유용성을 나타내었다.
- 또한, 지금까지 사출 성형기에서 성형조건의 변경해 가면서 실제 생산된 사출렌즈의 측정을 반복하여 시행 착오법을 통해 사출조건을 도출하던 방법에서 금형 캐비티 내에서의 압력 및 온도 정보의 획득 가능한 BIS 기반 스마트 금형을 제안하여 각 캐비티로부터의 신호 프로파일을 고정도도 획득 가능함을 확인하였다. BIS 기반 스마트 금형을 통하여 지금까지 블랙박스처럼 현상 파악이 곤란하였던 금형내부에서의 실제 현상의 진단이 가능하여 단기간에 최적 사출성형 조건의 도출은 물론 보다 높은 정밀도를 가지는 사출렌즈 생산을 가능하게 할 것으로 판단된다.
- 런너 이젝터 핀 타입의 금형을 제작하여 상ㆍ하측 메인 카세트 및 캐비티의 편심량을 측정한 결과 전술한 금형과 유사하게 최대 1 μm 이내의 양호한 편심을 확인하였다.
- 이와 같이 안정적인 팽창ㆍ복원 오차, 상하측 메인 카세트 자체의 편심량, 캐비티의 편심량 등을 억제할 수 있었으나, Table 4에서 보는 바와 같이 사출을 통해 사출되는 실제 렌즈에서 발생하는 편심은 최대 9 μm을 초과하는 결과를 나타내었다.
- 측정결과 틀어짐이 최대 0.5 μm 이내로 거의 카세트의 틀어짐은 무시할 수 있음을 알 수 있었다.
- 04 μm 이내임을 확인하였다. 측정오차 값을 감안하더라도 정밀금형 가공을 통하여 낮은 편심오차를 가지는 금형제작이 가능함을 확인하였다. 이와 같이 안정적인 팽창ㆍ복원 오차, 상하측 메인 카세트 자체의 편심량, 캐비티의 편심량 등을 억제할 수 있었으나, Table 4에서 보는 바와 같이 사출을 통해 사출되는 실제 렌즈에서 발생하는 편심은 최대 9 μm을 초과하는 결과를 나타내었다.
후속연구
- 또한, 지금까지 사출 성형기에서 성형조건의 변경해 가면서 실제 생산된 사출렌즈의 측정을 반복하여 시행 착오법을 통해 사출조건을 도출하던 방법에서 금형 캐비티 내에서의 압력 및 온도 정보의 획득 가능한 BIS 기반 스마트 금형을 제안하여 각 캐비티로부터의 신호 프로파일을 고정도도 획득 가능함을 확인하였다. BIS 기반 스마트 금형을 통하여 지금까지 블랙박스처럼 현상 파악이 곤란하였던 금형내부에서의 실제 현상의 진단이 가능하여 단기간에 최적 사출성형 조건의 도출은 물론 보다 높은 정밀도를 가지는 사출렌즈 생산을 가능하게 할 것으로 판단된다.
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