[논문]순차이송 GMP 공정에서의 비구면 유리렌즈 성형 해석에 관한 연구

장성호; 강정진; 신광호; 정우철; 허영무; 정태성

순차이송 GMP 공정에서의 비구면 유리렌즈 성형 해석에 관한 연구
Study on the Aspheric Glass Lens Forming Simulation in the Progressive GMP process 원문보기

장성호 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 강정진 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 신광호 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 정우철 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 허영무 (한국생산기술연구원 정밀금형팀) , 정태성 ((주)재영솔루텍)

Recently, GMP(Glass Molding Press) process is mainly used to produce aspheric glass lenses. Because glass lens is heated at high temperature above Ty (yielding point) for forming glass, the quality of aspheric glass lens is deteriorated by residual stresses which are generated in a aspheric glass lens after forming. Before this study, as a fundamental study to develop forming conditions for progressive GMP process, compression, strain relaxation and thermal conductivity tests were carried out to obtain the visco-rigid plastic, the visco-elastic and thermal properties of K-PBK40 which is newly developed and applied for precision molding glass material, In this study, using the experimental results we obtained, a glass lens forming simulation in progressive GMP process was carried out and we could forecast the shape of deformed glass lenses and residual stresses contribution in the structure of deformed glass lenses after forming.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 순차이송 방식의 GMP 공정에서의 유효경 6 mm 급 디지털 카메라용 비구면 유리 렌즈 성형 해석을 통해 그 수축 정도를 예측하고 실제 현장에서의 수축 량과의 비교를 통해 유리 렌즈 성형 해석의 활용성을 평가하고 보고한다.
본 연구에서 순차이송방식 GMP 성형 공정에 이용되는 1 캐비티 (cavity) 금형을 이용한 유리 렌즈 성형에 대한 해석을 수행하였으며, 이에 대한 결론은 다음과 같다.

제안 방법

또한, strain relaxation 시험으로부터 구해진 점탄성 계수의 Master curve 를 Fig. 4에 나타내었고, 이 결과로부터 다음 프로니 급수식을 사용하여 적용된 유리소재 (K-PBK40)의 종탄성 계수를 표현하는데 활용하였다. 결국, 냉각 공정 해석에 적용된 물성 데이터는 Table 1에 나타내었다.
이러한 수죽현상을 압죽성형 단계와 냉각 공정단계 별 변화를 고찰하기 위해 성형 냉각 과정 중 렌즈의 두께 변화를 검토하였다. 그 결과를 Fig.
이러한 유동응력식의 계수 값을 결정하기 위해 원통형 유리 시험편을 사용하여 고온 압축 시험을 수행하였으며, 그 결과는 아래 Fig. 2에서와 같이 온도에 따른 응력계수(k)와 변형률민감도지수 (m)의 변화를 구할 수 있었다(2).
이러한 잔류응력 예측을 위한 점 탄성 (viscoelasticity) 해석에 필요한 주요 물성치는 크리프 (creep) 실험으로 구해지며 본 연구에서는 실제 strain relaxation 시험을 통한 전이온도 부근에서의 실험결과를 확보하였다. 냉각 공정 해석에 사용된 점탄성 거동 모델은 Maxwell model 을 사용하였다.

이론/모형

냉각 공정 해석에 사용된 점탄성 거동 모델은 Maxwell model 을 사용하였다. Master curve 를 구하가 위해 Thermorheologically simple material 로 가정한 시간- 온도 중첩의 원리 (time-temperature superposition principle) 를 적용하였고, 이때 이동함수 (shift function) 로 W.L.F. 방정식 (William-Landel Ferry equation)을 적용하였다. 아래의 W.
5에 나타내었다. 그리고 성형 중 요소크기가 변하는 Adaptive mesh 법을 적용하였다. 또한 압축시험에 대한 해석 적용을 통해 유리소재와 금형 간 마찰계수를 1.
relaxation 시험을 통한 전이온도 부근에서의 실험결과를 확보하였다. 냉각 공정 해석에 사용된 점탄성 거동 모델은 Maxwell model 을 사용하였다. Master curve 를 구하가 위해 Thermorheologically simple material 로 가정한 시간- 온도 중첩의 원리 (time-temperature superposition principle) 를 적용하였고, 이때 이동함수 (shift function) 로 W.
따라서, 압축성형 공정 해석에 사용된 점 소성 거동 모델은 큰 변형에 일반적으로 적용되고 있는 Power law model 을 적용하였다[5].
렌즈 성형 해석은 상용 FEM code 인 MSC MARC를 사용하였다. 그리고 2D 해석모델과 순차이송방식의 GMP 공정 조건을 Fig.

성능/효과

해석 결과 형상이 렌즈 가장자리 쪽에 실제 렌즈 제품 형상보다 크게 성형이 되었고, 이는 실제 현장에서 성형 취출 된 유리 렌즈를 연마 후공정에 의해 처리되는 부분이다. 또한, 아래의 구면과 위의 비구면 형상을 보면 실제 렌즈 형상보다 냉각공정으로 인한 수축으로 인해 전체 형상이 Shift 되어 두께 면에서 감소한 것을 확인할 수 있었다.
실험을 통한 재료 물성 특성을 확보하여 유리 렌즈 성형 해석을 수행한 결과 렌즈 두께 방향수축량이 약 20 ㎛ 정도였고, 이 결과는 실제 유리 렌즈 순차이송방식 GMP 공정에서 성형하여 취출 후 측정된 렌즈 두께 방향 수축량보다 과대하게 예측된 결과이다. 실제 성형 결과와 보다 근사한 예즉 결과를 얻기 위해서는 유리 렌즈 해석 기법에 대한 보다 심도 있는 연구가 필요하다고 판단된다.
7에서는 실제 획득해야 할 최종 비구면 유리 렌즈의 단면 형상과 본 연구에서 수행한 렌즈 성형 해석 결과 형상을 비교하여 나타내었다. 해석 결과 형상이 렌즈 가장자리 쪽에 실제 렌즈 제품 형상보다 크게 성형이 되었고, 이는 실제 현장에서 성형 취출 된 유리 렌즈를 연마 후공정에 의해 처리되는 부분이다. 또한, 아래의 구면과 위의 비구면 형상을 보면 실제 렌즈 형상보다 냉각공정으로 인한 수축으로 인해 전체 형상이 Shift 되어 두께 면에서 감소한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

예측된 결과이다. 실제 성형 결과와 보다 근사한 예즉 결과를 얻기 위해서는 유리 렌즈 해석 기법에 대한 보다 심도 있는 연구가 필요하다고 판단된다.

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