[논문]첨단 헤드업 디스플레이 장치용 비구면 자유형상 금형의 초정밀 가공에 관한 연구

박영덕; 장태석

doi:10.5762/kais.2019.20.1.290

첨단 헤드업 디스플레이 장치용 비구면 자유형상 금형의 초정밀 가공에 관한 연구
A study on the ultra precision machining of free-form molds for advanced head-up display device 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.1, 2019년, pp.290 - 296

박영덕 (충남테크노파크 디스플레이센터) , 장태석 (선문대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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차량용 HUD는 자동차 전면 유리창에 안전 운전과 편의 운전 관련 다양한 정보를 표시해 주는 장치로 중요한 역할을 수행한다. 본 논문에서는 증강현실 기술에 적용이 가능한 대면적 비구면 자유형상 미러를 가공하기 위해 초정밀 가공기를 이용하여 가공을 실시하였고 그 결과를 측정하였다. 초정밀 다이아몬드 절삭은 정밀도가 높을 뿐만 아니라 표면 거칠기와 잔류 응력을 낮게 할 수 있어서 우수한 표면 무결성을 갖는 고급 부품의 생산에 유리하다. 또한 비구면 자유 형상의 몰드를 사용함으로써 광학 전달 함수의 개선, 왜곡 경로의 감소 및 특수 이미지 필드 곡률의 실현과 같은 장점을 얻을 수 있다. 이와 같은 비구면 자유형상 금형을 가공하기 위한 방법으로는 초정밀가공기를 이용한 다이아몬드 절삭 방법을 사용하였으며, 제작된 비구면 자유형상 미러 금형의 평가는 비구면 형상 측정기를 이용하여 실시하였다. 이러한 방법에 의해 $1{\mu}m$ 이하의 형상 정밀도(PV)와 $0.02{\mu}m$ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 갖는 비구면 자유형상 금형을 제작할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Head-up displays for vehicles play an important role in displaying various information about the safety and convenience of driving on the windshield of the vehicle. In this study, ultra-precision machining was performed and evaluated as a method for machining a large-area aspheric free-form mirror that is applicable to augmented reality technology. Precision diamond cutting is highly accurate and suitable for the production of advanced parts with excellent surface integrity, low surface roughness, and low residual stress. By using an aspheric free-form mold, it is possible to improve the optical transfer function, reduce the distortion path, and realize a special image field curvature. To make such a mold, the diamond cutting method was used, and the result was evaluated using an aspherical shape-measuring machine. As a result, it was possible to the mold with shape accuracy (PV) below $1{\mu}m$ and surface roughness (Ra) below $0.02{\mu}m$.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. AR-HUD system and optical system structure [2].
그림 Fig. 2. PV (Peak to Valley) of machined surface.
그림 Fig. 3. FG350, Diamond turning machine & capacity.
그림 Fig. 4. System of data aquisition and analysis: (a) Form Talysurf Series, (b) Surface measurement system NewView NY6300.
그림 Fig. 5. Flow chart for design of experiment.
그림 Fig. 6. Freeform surface & aspheric shape.
그림 Fig. 7. The free-form shape and the mechanical origin of the Jig.
그림 Fig. 8. Nano-Cam Software (Surface generated from CAD file).
그림 Fig. 9. S3 (slow slide servo) turning machining.
표 Table 1. Cutting condition for free-form concave mirror.
그림 Fig. 10. Measurement results obtained with a Form Talysurf.
그림 Fig. 11. Measurement results obtained with a NewView NY6300 system.
그림 Fig. 12. Free-form shape mold (Concave Mirror) for HUD.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 증강현실 헤드업 디스플레이 (ARHUD) 장치에 적용하기 위한 대면적 비구면 자유 형상 거울 제작에 초정밀 가공기술의 적용을 시도하였다. 실험을 위해 초정밀가공 장비와 측정 장비를 사용하였으며, 형상 정밀도와 표면 거칠기를 측정한 후 보정 가공을 통해 가공정밀도를 향상함으로써 최적의 가공 방법 및 가공조건을 수립하고자 하였다.
표면측정은 표면을 구성하고 있는 미세한 조직의 3차 원 형상을 측정하는 것을 목적으로 한다. 가공된 표면이 광학적 기능을 수행하는 미러나 렌즈일 경우, 표면의 거 칠기는 빛의 반사율과 투과율에 직접적인 영향을 미친다.

제안 방법

HUD 광학 계용 비구면 자유 형상 금형을 제작하기 위해 Concave Mirror 기구설계와 초정밀 자유곡면 가공기 (DTM, FG350, Moore Nanotech 사)를 사용하여 비구면 자유 형상 거울을 가공하였으며, 가공 면은 비구면 형상 측정기 (Form Talysurf Series, RTH사)와 비접촉 표면조도 측정기 (NY 6300 system, Zygo사)를 이용하여 형상 정밀도(PV)와 표면 거칠기(Ra)를 측정하였다.
또한, 다이아몬드 회전(Turning) 가공을 위해 생성된 Free-form 형상의 중심과 기구적 원점을 배합하기 위해, Fig. 7에 나타난 것과 같이 Free-form 형상을 X축으로 33mm, Y축으로 35mm 이동시키고 Z축 방향으로 40°를 회전하여, 제작된 Jig의 기구적 원점(중심점)과 Free-form 형상을 일치시켰다.
본 연구에서는 비구면 가공을 위해 알루미늄 소재를 사용하여 범용 공작기계 (고속가공기)로 외형 형상을 가공하고, 가공성 향상을 위해 가공 면에 니켈 전해도금을 하였다. 회전(Turning) 가공을 위해 천연 다이아몬드공구 (NCD-Tool)'을 DTM 공구 축에 장착하여 Tool setting을 한 후 S3 가공 방법을 사용하여 광학 면의 비구면 자유형 상을 가공하였다.
가장 중요한 것은 가공된 가공품을 정확하게 측정하고 보정 가공하는 것이 필수적으로 수행돼야 한다는 점이다. 본 연구에서는 비구면 자유 형상 금형의 측정을 접촉식 프로브 시스템 방식과 비접촉 간섭계 방식을 이용하여 실시하였으며, 그 측정 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 비구면 자유형상 미러의 목표규격을 형상정밀도 1 ㎛ 이하, 표면조도 0.02 ㎛ 이하로 설정 하였으며, 이를 만족시키기 위해 다이아몬드 터닝머신에 최적의 가공조건을 적용하여 AR-HUD 광학계용 대면적 비구면 자유형상 미러를 제작하였다. 제작된 비구면 자유형상 미러를 접촉식 비구면 형상 측정기 (Form Talysurf Series, RTH사)로 측정한 결과, 형상정밀도 (PV)는 0.
비구면 자유 형상 Concave mirror는 가공 면의 절삭 가 공성 향상과 표면 거칠기를 개선하기 위해서, 전술한바 와 같이 알루미늄 소재 가공 면에 니켈을 전해도금 후 가공하였다. 이때 초정밀 가공기 (FG 350)'을 이용하여 가공한 비구면 Concave 거울 가공 면의 형상정밀도 및 표면 조도 규격 사양은 각각 형상정밀도 (PV) 1.
본 논문에서는 증강현실 헤드업 디스플레이 (ARHUD) 장치에 적용하기 위한 대면적 비구면 자유 형상 거울 제작에 초정밀 가공기술의 적용을 시도하였다. 실험을 위해 초정밀가공 장비와 측정 장비를 사용하였으며, 형상 정밀도와 표면 거칠기를 측정한 후 보정 가공을 통해 가공정밀도를 향상함으로써 최적의 가공 방법 및 가공조건을 수립하고자 하였다.
회전(Turning) 가공을 위해 천연 다이아몬드공구 (NCD-Tool)'을 DTM 공구 축에 장착하여 Tool setting을 한 후 S3 가공 방법을 사용하여 광학 면의 비구면 자유형 상을 가공하였다. 이때 S3 가공 방법을 위해 Nano-CAMS/W를 이용하여 NC Data를 생성하였으며, 추출된 가공 프로그램을 이용해서 황색 (Rough Cut) - 중삭 (Semi-Finish Cut) - 정석 (Finish Cut) 과정을 통해 비구 면 형상을 가공을 완료하였다.
회전(Turning) 가공을 위해 천연 다이아몬드공구 (NCD-Tool)'을 DTM 공구 축에 장착하여 Tool setting을 한 후 S3 가공 방법을 사용하여 광학 면의 비구면 자유형 상을 가공하였다.

이론/모형

이러한 초정밀 절삭가공에 있어 절삭유의 급유 방식은 압축공기와 방전 유를 혼합하여 분사하는 Mist 방식을 사용하였다. Table.

성능/효과

8은 Nano-Cam software (CAM software)를 보여주는 것으로, 그동안 광학계 디자인에서 가장 난제 중의 하나였던 CAD, STEP, IGES 등의 전문 Program과 Image file 등 다양한 설계 Data를 결합하여 Simulation 및 가공 Program 화하는 것을 현실화한 것이다. 이를 사용함으로써 초정밀 장비의 가축제어 및 가공 방식 선정 등 CAM program을 이용한 가공 및 분석이 가능하였다.
02 ㎛ 이하로 설정 하였으며, 이를 만족시키기 위해 다이아몬드 터닝머신에 최적의 가공조건을 적용하여 AR-HUD 광학계용 대면적 비구면 자유형상 미러를 제작하였다. 제작된 비구면 자유형상 미러를 접촉식 비구면 형상 측정기 (Form Talysurf Series, RTH사)로 측정한 결과, 형상정밀도 (PV)는 0.3648 ～ 0.2695 ㎛, 표면거칠기 (Ra)는 0.0173 ～ 0.0162 ㎛로 나타났으며, 비접촉식 간섭계 측정기 (NewView NY6300 system, Zygo사)로 측정한 결과, 0.010 ～ 0.006 ㎛ 범위의 표면거칠기를 얻음으로써 설정된 목표규격 이하의 결과를 얻었음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 대면적 초정밀 광 응용부품의 개발이 한층 수월해 졌음을 의미한다.
10은 가공된 Concave mirror의 비구면 형상 정밀 도를 비구면 형상 측정기 (Form Talysurf Series, RTH 사)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다. 측정 결과, PV는 0.3126㎛, Ra는 0.0162㎛로, AR-HUD 용 자유형 상 거울의 목표 규격 대비 만족한 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

이러한 결과는 대면적 초정밀 광 응용부품의 개발이 한층 수월해 졌음을 의미한다. 또한 본 연구를 통하여 수립된 초정밀 다이아몬드 터닝머신 (DTM)을 이용한 대면적 비구면 자유형상 미러의 초정밀 가공기술은 향후 다양한 광학부품 및 렌즈금형의 제작에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량용 HUD란?	차량용 HUD는 자동차 전면 유리창에 안전 운전과 편의 운전 관련 다양한 정보를 표시해 주는 장치로 중요한 역할을 수행한다. 본 논문에서는 증강현실 기술에 적용이 가능한 대면적 비구면 자유형상 미러를 가공하기 위해 초정밀 가공기를 이용하여 가공을 실시하였고 그 결과를 측정하였다.
	초정밀 다이아몬드 절삭의 장점은?	본 논문에서는 증강현실 기술에 적용이 가능한 대면적 비구면 자유형상 미러를 가공하기 위해 초정밀 가공기를 이용하여 가공을 실시하였고 그 결과를 측정하였다. 초정밀 다이아몬드 절삭은 정밀도가 높을 뿐만 아니라 표면 거칠기와 잔류 응력을 낮게 할 수 있어서 우수한 표면 무결성을 갖는 고급 부품의 생산에 유리하다. 또한 비구면 자유 형상의 몰드를 사용함으로써 광학 전달 함수의 개선, 왜곡 경로의 감소 및 특수 이미지 필드 곡률의 실현과 같은 장점을 얻을 수 있다.
	초밀도 가공에서 측정 평가가 필수로 수행되어야하는 이유?	초정밀 가공에서 측정 평가는 필수로 수행되어야 한다. 가공품에 대한 체계적인 측정과 분석을 통해 최적의 가공 방법을 찾을 수 있으며, 초정밀 가공에서 가공 정밀 도를 향상하기 위해 이를 검증할 수 있는 측정기술 및 검사 방법이 확보되어야 한다. 일반적으로 가공한 부품의 표면 검사 방법에는 미세한 초침 (프로브)'로 표면을 긁어서 알아내는 방법과 반사광과 산란광의 광량에 대한 비율을 정량적으로 측정하여 알아내는 방법이 있다 [6].

참고문헌 (7)

D. J Han, H. H. Kim " Optical System Design of Compact Head-Up Display(HUD) using Micro Display". J. of the Academia-Industrial Society. Vol 16, No. 9 pp. 6227-6235, 2015.
Continental "Augmented Reality Head-up Display" http://holistic-human-machine-interface.com/home-en-2-0/
W. B. Lee, C. F. Cheung, W. M. Chiu, and T. P. Leung, "An investigation of residual form error compensation in the ultra-precision machine g of aspheric surfaces", J. of materials Processing Technology 99, pp 129-134, 2000.

상세보기
S. C. Park and Y. S. Kim, "Compact Optical System Design of a Digital Camera Using Lens Modules", J. of the Korean Physical. Sci., Vol. 41, pp205-211, 2002.
Tusty, J., Smith, S. and Zamudia, C., "Operation Planning Based on Cutting Process Model," Annals of the CIRP, 39, 517-521, 1990.

상세보기
R.J.P. Schrama, J. Franse., "The precision cutting process as a non-linear closed loop system" PE, Vol 10, pp. 199-207, 1988.
Dumas, P., Golini, D., & Tricard, M., "Improvement of figure and finish of diamond turned surfaces with magneto-rheological finishing (MRF)", In Window and Dome Technologies and Materials X, Vol. 5786, pp. 296-305, 2005.

저자의 다른 논문 :

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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