보고서 정보
주관연구기관 |
한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology |
연구책임자 |
최영재
|
참여연구자 |
장만석
,
박종성
,
조창래
,
진명규
,
한준세
,
백승엽
,
김영식
,
이찬기
,
박재효
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2020-11 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200006090 |
과제고유번호 |
1415164343 |
사업명 |
기계산업핵심기술개발사업(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-07-30
|
키워드 |
초정밀 가공기.마이크로 렌즈.그루빙 가공.재귀반사.렌티큘러.
|
초록
▼
3. 개발결과 요약
최종목표
ㅇ 旣 개발한 초정밀 5축 가공시스템을 이용한 자유곡면 광학부품 Application의 제조 및 시스템 실증
ㅇ 800×700㎜ 면적에 피치 20㎛의 2차원 자유곡면 형태의 미세패턴 가공이 가능한 초정밀 Grooving 머신의 상품화 및 가공공정기술 개발
ㅇ 2m급 Roll에 피치 10㎛의 미세패턴 가공이 가능한 초정밀 롤 가공기의 상품화 및 가공공정기술 개발
개발내용 및 결과
ㅇ 국내 개발 초정밀 5축 가공시스템을 이용한 광학부품 Application 제조
3. 개발결과 요약
최종목표
ㅇ 旣 개발한 초정밀 5축 가공시스템을 이용한 자유곡면 광학부품 Application의 제조 및 시스템 실증
ㅇ 800×700㎜ 면적에 피치 20㎛의 2차원 자유곡면 형태의 미세패턴 가공이 가능한 초정밀 Grooving 머신의 상품화 및 가공공정기술 개발
ㅇ 2m급 Roll에 피치 10㎛의 미세패턴 가공이 가능한 초정밀 롤 가공기의 상품화 및 가공공정기술 개발
개발내용 및 결과
ㅇ 국내 개발 초정밀 5축 가공시스템을 이용한 광학부품 Application 제조
- 자동차용 소형 렌즈 금형 코어 가공 및 참여기업과의 협력을 통해 시험 사출 진행
- 프로젝터용 렌즈 금형 코어 가공 및 참여기업과의 협력을 통해 시험 사출 진행
- 비구면 상의 미세패턴 렌즈 금형 코어 가공
ㅇ 초정밀 5축 가공시스템 실증
- 동일 형상 코어에 대한 과제 초반 가공 결과와 과제 후반 가공 결과 비교를 통해 과제 수행을 통한 초정밀 5축 가공시스템의 개선 정도 실증
- 해외 선진장비와의 비교를 통한 국산 개발 장비 실증 수행
- 공인기관의 시험 평가를 통한 소형 렌즈 금형 코어의 형상 정밀도(PV) 97.2nm, 표면 조도(Ra) 3.6nm 달성
ㅇ 개발된 5축 초정밀 가공장비 안정화에 필요한 환경 운영 및 장비 실증
- 항온/항습 설비 개선을 통한 온도 관리 환경 안정화
- NC 소프트웨어 및 컨트롤러 CPU의 개선을 통한 가공 공정 안정성 향상
- 기구적인 정밀도 보완을 통한 제품 형상 오차 문제 개선
ㅇ Tool Pre-setter를 이용한 공구 셋팅 방법 보완
- KEYENCE의 LT-9010M 모델(분해능 : 0.3㎛, Spot Size : 2.0 ㎛)을 설치하여 공구 셋팅 작업 간소화
- Spot Size 0.9㎛ 모델을 사용하여 위치를 검출한 결과 Spot Size 2.0㎛ 모델보다 검출되는 좌표 위치 값의 오차가 크게 발생해 Spot Size 2.0㎛ 모델을 선택
- 툴프리세터의 Spot이 미세툴을 인식하게 되면 검출화면에 수직으로 선이 나타나는데 이 위치를 장비 운영프로그램과 공유하여 좌표를 검출
- MPG를 이용하여 미세툴을 X축으로 이동시키며 XR, XL의 위치를 검출한 뒤, 평균값을 내어 평균값으로 X축을 이동시키고 Z축을 위아래로 움직여 공구 끝단의 위치를 검출
- Tool Pre-setter를 사용하여 공구를 셋팅하게 되면 C축 회전중심에 공구 위치를 셋팅하는 작업이 간소화되며, 공구를 교체하게 되어도 기록해놓은 좌표를 이용하여 쉽게 C축 중심을 찾을 수 있음
ㅇ 자동차용 카메라 렌즈 모듈 실증 및 Pico 프로젝터 성능 평가
- 차량용 모듈 제품수율확인 결과 93%로 정략적 목표 달성
ㅇ 초정밀 Grooving 머신의 구조물을 용접구조물에서 주물 소재로 변경하는 등 가공기의 구조적 안정화를 이루었으며, 수요업체의 요구를 반영하여 장비 크기를 조정하였음.
ㅇ 수요업체에서 요구한 스마트폰 백커버, 보안용 초정밀 미세패턴 등을 본 과제에서 개발한 가공용 CAM 소프트웨어 및 초정밀 Grooving 머신으로 가공하여 샘플을 납품하였음.
ㅇ 초정밀 롤가공기의 Bed, Column 등에 Granite 소재를 적용하고, 제진대 등을 신규 적용하여 진동절연, 열변형 억제 등을 실현하였음.
ㅇ 초정밀 롤가공기 가공영역의 온도관리가 ±0.05℃로 가능한 항온부스를 적용하여 장시간 가공에도 가공정밀도를 유지할 수 있게 하였음.
ㅇ Roll 미세패턴 가공 공정기술 개발 및 실증을 위해서 고객사의 패턴(피치 20㎛ 이하) 대응을 위한 가공 테스트를 완료하였고 주변 온도 변화에 따른 가공 영향 분석과 장기 가공(15일 이상)시 다이아몬드 바이트 마모 영향에 대한 분석을 완료하였으며 roll grooving 가공 미세 피치 간 가공 공차 20㎛±0.5를 달성하였음.
ㅇ 패턴 Roll 금형용 동도금 및 크롬도금 기술개발을 위해서 동도금 조건에 따른 미세 패턴 가공 결과 비교를 완료하였고 이에 따른 최적의 미세패턴 가공을 위한 도금 기술 개발을 완료하였고 롤의 보호를 위한 크롬 도금 기술 개발을 완료하였으며 roll grooving 가공 미세패턴의 균일도 90% 이상 달성하였음.
ㅇ 해외 선진사 장비를 활용한 형상정밀도 100nm, 표면조도 5nm 수준의 초정밀 비구면 렌즈 가공 공정 최적 프로세스 확립
ㅇ 절삭 시그널을 이용한 초정밀 공구/소재 접촉지점 분석기술개발 및 초미세 절삭공구를 활용한 절입깊이 100nm급 가공
기술 개발
ㅇ 미세 가공을 고려한 다이아몬드공구를 설계하였으며, 설계된 다이아몬드공구에 FIB-milling 공정을 적용하여 초정밀 미세패턴 가공용의 공구를 개발함. FIB-milling 공정의 효율을 높이고 다이아몬드공구 품질의 균일성을 확보하고자, 장비의 파라미터인 FIB-milling Beam current에 따른 가공 특성을 연구하였으며, 다이아몬드공구의 Included Angle 및 Clearance Angle 에 따른 FIB-milling 가공 효율에 대해서 연구를 수행하였음.
그리고 FIB-milling 공정을 적용하여 500nm급의 Cutting edge width를 만족하는 다이아몬드공구를 개발하였으며, 가공공정을 확립하여 균일한 품질의 다이아몬드공구 생산을 실증 완료하였음. 초정밀 다이아몬드공구를 이용하여 미세패턴 가공을 진행하였으며, 가공조건에 따른 최적의 가공품질을 확립하였음.
ㅇ 초정밀 미세패턴 가공 기술 및 장비의 실증을 위한 설계 기술, 비구면 및 자유곡면 렌즈 형상 및 성능 평가를 위한 측정기술, 회절 소자의 미세패턴 분석을 위한 초고분해능 이미징 분석기술 등을 포함한 초정밀 광학부품 평가기술 고도화 및 측정 시스템 실증
기술개발 배경
ㅇ 일본의 초정밀 장비가 수출규제 되면, 국내에서 사용하고 있는 대부분의 핸드폰 렌즈 생산장비, 자동차 적외선 센서, LCD 도광판 등과 같은 국내 양산 기술이 앞서있는 산업의 발전에 막대한 영향이 있음
ㅇ 장비 자체의 시장은 작으나 파급효과가 큰 기술로 해외에서도 개발 초기에 국가 지원을 통한 연구가 추진됨
ㅇ 개발 대상기술은 초정밀 장비 및 초정밀 공정, 그 기술을 이용한 상용화까지를 포함하는 기술 및 제품으로 현재 세계 제 1의 부품생산(모바일용 렌즈모듈)의 유지 및 향후 지속적인 생산토대를 마련하는데 가장 기본이 되는 기술임
ㅇ 회절광학소자(DOE: Diffractive Optical Element)는 고부가가치 광학부품으로 최근 그 수요가 급증하고 있으며, 서브마이크로 미세패턴은 항공우주분야의 초정밀 광학부품에 반드시 필요한 분야임
ㅇ 또한 자유곡면 광학소자는 기존의 복잡한 광학계를 부품 하나로 대체할 수 있기에, 독일, 일본, 미국 등 선진국에서는 이를 LED 조명광학계, 콘택트렌즈, 디스플레이 등의 여러 분야에 적용하기 위해 연구 중임
ㅇ 특히, 자유 곡면 위에 존재하는 미세패턴의 경우 장비 및 가공기술의 부족으로 아직 상용화되지 못하고 있으나, 향후 수요에 대응하기 위해서는 조기개발 필요
ㅇ 우리나라의 경우 반도체, 디스플레이 등 수요산업은 풍부하나, 원천기술을 보유한 부품업체는 미약한 실정임
ㅇ 초정밀 광학 부품은 군사, 우주항공 등에 사용되는 고부가가치 광학부품으로 최근 그 수요가 급증하고 있으며, 서브마이크로 미세패턴은 항공우주분야의 초정밀 광학부품에 반드시 필요한 분야임
핵심개발 기술의 의의
ㅇ 초정밀 Grooving 머신의 경우 일본 업체가 독점적으로 지배하던 시장에 진입할 수 있는 가공기를 국내 기술로 생산, 가공기술 등을 독자적으로 개발할 수 있는 원천기술을 확보함.
ㅇ 초정밀 롤가공기의 경우 진동절연, 온도변형 등을 관리할 수 있는 기술을 접목시켜 해외 선진업체와 경쟁할 수 있게 되었음.
ㅇ 기존의 미세 피치를 가지는 패턴의 경우 공정 및 환경에 따라서 미세패턴 가공오차가 많이 발생하고 있기 때문에 수요처의 요구 스펙에 따라서 최적의 공구형상과 가공 조건 선정을 통해서 수요처 요구사항을 달성하였고, 장시간 가공을 진행하기 때문에 공구 마모에 대한 영향 최소화를 위해서 동 도금 용액을 염료에서 비염료 용액을 개발하여 최종 목표를 달성하였음.
ㅇ 고정밀 광학부품렌즈 개발을 위해서 초미세 다이아몬드공구개발은 필수적이며 HUD, VR렌즈, 회절광학소자 렌즈 등 피치 1㎛ 이하의 패턴 가공을 위해서는 기존의 기계적 가공법인 연삭으로는 sub-micro급의 cutting edge width를 가지는 다이아몬드공구를 제작할 수 없기 때문에 FIB milling 공정 확립을 통해서 균일한 생산성을 가질 수 있는 0.5㎛급 다이아몬드 절삭공구를 개발하였으며 이러한 초미세 패턴 공구는 국내뿐만 아니라 국외에서도 제작할 수 있는 독보적인 기술을 가지고 있음.
ㅇ 비접촉식 3D 측정기술의 개발은 초정밀 광학부품 개발에 있어 핵심 기반 장비 기술로 널리 활용될 뿐만 아니라 상대적으로 열약한 국내의 장비 산업에 신성장동력으로 국가 기술 경쟁력을 높이는데 일조할 것으로 기대됨
적용 분야
ㅇ 각종 초정밀 미세 패턴을 필요로 하는 광학, 전자업체가 수요산업군으로, 스마트폰 백커버, LCD 패널 등 전자업체, 신분증, 신용카드 등 보안 패턴이 필수적인 신용사업 등에 적용 가능함.
ㅇ QLED, 모바일 패턴, 프라이버시 패턴
ㅇ HUD, HMD, VR렌즈, AR렌즈, Laser printer용 f-theta lens, contact lens용 Toric lens
ㅇ 구면/비구면/자유곡면 렌즈 및 복잡 형상을 갖는 초정밀 광학부품용 3D 형상 측정 및 검사
(출처 : 초록 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 16
- 목차 ... 20
- 제1장 서론 ... 21
- 제1절 과제의 개요 ... 21
- 제2장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 29
- 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 29
- 제2절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 35
- 제3절 수행 결과의 보안등급 ... 49
- 제4절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 49
- 제3장 결과 ... 51
- 제1절 연구개발 최종 결과 ... 51
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 51
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 52
- 3. 기술 개발 결과 ... 106
- 제2절 연구개발 추진 체계 ... 107
- 제3절 고용 창출 효과 ... 109
- 제4절 자체보안관리진단표 ... 109
- 제5절 안전 관리 이행 현황 ... 110
- 제4장 사업화 계획 ... 113
- 제1절 시장 현황 및 전망 ... 113
- 제2절 사업화 계획 ... 121
- 제3절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 124
- [부록1] 정량적 목표 항목에 대한 성적서 ... 130
- 부 록 2 고정밀 광학부품용 가공기 및 초정밀 Grooving 머신실증 ... 155
- 끝페이지 ... 415
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