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1 Tele-centric F-theta Lens 광학설계및초정밀가공기술지원 한국기초과학지원연구원그린광학 ( 주 ) 산업자원부

2 제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 Tele-centric F-theta Lens 광학설계및초정밀가공에관한기술지 원 ( 지원기간 : ~ ) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다 지원기관 : 한국기초과학지원연구원 ( 대표자 ) 강신원 지원기업 : 그린광학 ( 주 ) ( 대표자 ) 조현일 지원책임자 : 김건희 참여연구원 : 양순철 : 이인재 - 2 -

3 기술지원성과요약서 과제고번호연구기간 ~ 연구사업명 부품소재종합기술지원사업 지원과제명 Tele-centric F-theta Lens 광학설계및초정밀가공기술지원 지원책임자김건희지원연구원수 총 내부 외부 : 9 : 7 : 2 명 명 명 총 사업비 정부 : 기업 : 계 : 90,000 90, ,000 천원 천원 천원 지원기관명한국기초과학지원연구원소속부서명연구장비개발부초정밀가공팀 참여기업기업명 : 그린광학( 주) 기술책임자 : 김동균 요약( 연구결과를중심으로개조식 500 자이내) 보고서 면수 F-theta lens 는전량수입에의존하고있으며, 사용후에는 100% 회수의조건으로사 용하고있기에제품에대한설계자료가전무한상태이다. F-theta lens의설계값을찾기위하여접촉식측정기인 Form Talysurf Series2를이용 하여비구면의최적곡률(best R) 을찾아내고, 이를다시 IDL(Interactive Data Language) 아내었다. 프로그램과오리진프로그램을이용하여비구면수식설계치의변수들을찾 비구면설계변수값들의정확성을검증하기위하여시편측정결과에비구면계수를 적용하여검증 검증된비구면설계값으로초정밀가공기 실제 F-theta lens F-theta lens 측정데이터와비교 가공을위해 IDL 5.6 program을사용 Nanoform 600을이용하여정밀가공한후 Ge과 ZnSe소재의렌즈를가공하는데요구되는형상공차는 N10( λ=10.4~10.9 μm) Form Talysurf Series2를이용하여측정한결과비구면 Rt 값이 μm이며평면 Pt 값이 μm Ge과 ZnSe 에요구되는가공정밀도에벗어나지않음을알수있음. 색인어 ( 각 5 개이상) 한글초정밀가공, 비구면렌즈, F-theta lens, 최적곡률, 형상곡차 영어 Ultra-precision machining, Aspherical, F-theta lens, Best R, Tolerance unit of shape - 3 -

4 기술지원성과요약문 1. 사업목표 Tele-centric F-theta Lens 광학설계및초정밀가공을완료하고, Tele-centric 광학계및고출력 Laser용의 F-theta lens 를국산화하여, 국가경쟁력확보를 목표로한다. 2. 기술지원내용및범위 1. Tele-centric F-theta lens의기하광학적광학설계 2. CO2 Laser (infra red) 용광학초자의초정밀가공 3. Infra red spectrum 투과의극대화를위한광학설계 4. Tele-centric F-theta lens의광학경통설계및개발 5. F-theta lens용광부품의비구면초정밀측정및분석 3. 지원실적 지원내용 지원항목 기술지원前 기술지원後 비고 Tele-centric F-theta lens 의 기하광학적광학설계 외국회사로부터의광학설계에 대한데이터제공되지않음 각측정기를이용하여측정 후데이터화완성 역설계 CO2 Laser (infra-red) 용광 학초자의초정밀가공 구면으로만작업가능비구면으로렌즈초정밀가공정밀도향상 Infra red spectrum 투과의극대화를위한광학설계 Tele centric F-theta lens의광학경통설계및개발 F-theta lens용광부품의비구면정밀측정및분석 외국회사로부터의증착설계에대한데이터제공되지않음외국회사로부터의경통설계에대한데이터제공되지않음외국회사로부터의비구면정밀측정에대한데이터제공되지않음 코팅분석( 스펙트로포터미터) 후물질분석하여증착 샘플을분석하여도면화완성 구면분석( 간섭계), 비구면분 석, 샘플성능평가(LG 화학) - 4 -

5 4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품 o 적용제품명 : SUMITOMO LASER o 모델명 : 1000TW 가공기 2) 품질및가격 구분경쟁제품 해당기술적용제품 지원전 지원후 경쟁제품대비품질 100% 60% 96% 이상 경쟁제품대비가격 비 고 일본제품과거의 동일한수준 3,000 만원/set 1,800 만원/set 원가절감 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감 인건비절감 계 600 백만원/ 년(60%) 200 백만원/ 년(67%) 800 백만원/ 년 4) 적용제품시장전망 ( 매출성과 ) 구분당해연도매출차년도예상매출 전년대비 증가비율 비고 내수 36 백만원/ 년 900 백만원/ 년 400% 수출천달러/ 년 54 천달러/ 년 540% 계 백만원/ 년 954 백만원/ 년 940% 참고 ) 1. 적용제품주요수출국 : 대만, 중국 2. 작성당시환율기준 : 1$ 당 1000원 - 5 -

6 5) 수입대체효과 모델명당해연도수입액차년도수입액수입대체금액비고 1000TW 24 천달러/ 년 954 천달러/ 년 600 천달러/ 년 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 계 24 천달러/ 년 954 천달러/ 년 600 천달러/ 년 6) 해당기술의기술력향상효과 기존에는외국의장비업체로부터고가에수입되던광학부품이었으나개발완 료후국내의시장에상당히대체효과를나타내고있으며, 금범의기술을개선 시켜차세대대구경사이즈( 구경 200 mm) 의 F-theta lens 렌즈의개발이가능할 것으로기대된다. 현재핸드폰및각종전자기기의배터리용접을 LASER로하 고있으며효율성과가격경쟁력이있는광학부품들이국산화되면서타업체와 대만등으로의수출을진행할수있을것으로파악된다. 7) 기술적파급효과 1. CO2 Laser용 Drilling, Cutting, Marking, Welding Machine의 다양한기종의 광학부품국산화가능 2. 저렴한가격의광학부품구매로관련산업종사자의 부품구입비용대폭절 감 3. 외국에서수입하던부품의국산화로 단납기, 신속한서비스가능 4. 수입의대체효과를통한국가경쟁력증가 5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 지적재산권 종류명칭번호 발명자 ( 고안자) 권리자실시권자비고 ( 출원) 특허출원 광학렌즈설계를통한컴펙트형텔레비전기능을갖는프로젝터 기초연 ( 주) 그린광학 ( 주) 그린광학 ( 주) 그린광학출원 특허출원 렌즈표면정밀도향상을위한자동정압폴리싱장치 기초연 ( 주) 그린광학 ( 주) 그린광학 ( 주) 그린광학출원 - 6 -

7 6. 세부지원실적 항 목 지원 건수 지원성과 기술정보제공 10건 Tele-centric F-theta lens를초정밀가공하기위한광학설계및박막설계등의정보제공 시제품제작 15건 Tele-centric F-theta lens의대한최적알고리즘개발및초정밀가공지원 공정개선 품질향상 1건투과율극대화를위한 Infra red spectrum 광학설계 1건 F-theta lens의초정밀최적알고리즘개발 시험분석 17건 요구정밀도에준하는 의형상비교 F-theta lens의형상측정및박막전후 교육훈련 20건교육훈련을통한 F-theta lens의초정밀가공인력양성 기술마케팅/ 경영자문 2건 초정밀가공워크샵및중소기업기술혁신대전을통한기술마 케팅지원 논문게재및학술발표사업관리시스템지원실적업로드회수지원기업방문회수 1건 2007년한국기계가공학회논문게재예정 7건광학설계및초정밀최적알고리즘을통한양산화기틀마련 16건 Tele-centric F-theta lens의최적알고리즘개발 7. 종합의견 Tele-centric F-theta Lens 개발에있어 ( 주) 그린광학의광학설계기술및박막 설계기술과기초과학지원연구원의초정밀가공기술및측정기술을합하여빠 른시간내에국산화를완료하고실장 Test 를하여, 국내의핸드폰기판제조 회사의전량수입에의존하던 하리라판단된다. Tele-centric F-theta Lens를저가에공급확대 - 7 -

8 연구과제 ( 세부과제 ) 성과 1. 과학기술연구개발성과 논문게재성과 논문게재세부사항 (9) 게재년도 (10) 논문명 (11) 저자주저자교신저자공동저자 (12) 학술지명 (13) Vol. (No.) (14) 국내외구분 (15) SCI 구분 2007 Tele-centric F-theta lens의초정밀절삭특성 김건희양순철김동균 한국기계가공학회게재예정 국내 비 SCI 2. 사업화성과 특허성과 출원된특허의경우 세부사항 (9) (10) (11) (12) (13) 출원년도 특허명 출원인 출원국 출원번호 광학렌즈설계를 통한컴팩트형텔레비전기능을 한국기초과학지원연구원, ( 주) 그린광학 대한민국 갖는프로젝터 렌즈표면정밀도 향상을위한자동정압 한국기초과학지원연구원, ( 주) 그린광학 대한민국 폴리싱장치 - 8 -

9 세부지원실적증빙내용 1. 지원기업현장방문 : 16 건 No. 일자구체적내용증빙무 ~ 레이저가공용광학설계자료조사 Tele-centric F-theta lens 기하학적광학설계관련공청회 초정밀측정및분석 ~ F-theta lens 코팅및협의 ~ F-theta lens 박막전후형상비교 초정밀렌즈지그제작 코팅막측정 광구조물제작협의 시제품성능평가협의 F-theta lens 비구면형상측정 ~ 초정밀워크샵참가 광학계코팅협의 ~ F-theta lens 적외선광학계초정밀가공특성에관한결과발표 F-theta lens 시제품코팅및데이터협의 정밀광학기기산업로드맵수집발표회참가 연구과제종료에따른제품최종평가협의 2. 기술정보제공 : 11 건 NO. 일자 구체적내용 증빙무 사업계획수립을위한관련기술정보협의 ~ 광학설계및최적화하기위한 Z-MAX Programming 기술정보제공 ~ 광학부품도설계및 3D Modeling에관한기술정보제공 ~ Ge, Znse의가공성 Test를위한절삭특성파악 ~ 주요평가방법에따른성능평가기술제공 ~ ( 주) 그린광학의최적광학박막설계를위한기술정보제공 ~ F-theta lens의최적가공알고리즘기술정보제공 ~ 시제품가공을위한초정밀최적절삭특성을파악 ~ 최적절삭조건으로가공된시제품을비교측정 ~ CAD/CAM을이용한광학경통설계에관한기술정보제공 ~ 완성된경통과 F-theta lens의시스템성능평가에관련된기술정보제공 - 9 -

10 3. 시제품제작 : 15 건 NO. 일자구체적내용증빙무 ~ F-theta lens를초정밀가공하기위한 Jig 설계 ~ F-theta lens를초정밀가공하기위한 Jig 제작 ~ F-theta lens의최적알고리즘개발을위한시편가공 ~ Ge First lens AR #1의초정밀가공 ~ Ge First lens AR #2의초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR74.43 #1 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR74.43 #2 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR #1 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR #2 초정밀가공 ~ Ge First lens AR Φ90 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR #1 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR #2 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR 74.43#1 초정밀가공 ~ ZnSe Third lens AR 74.43#2 초정밀가공 ~ Ge First lens AR Φ90 초정밀가공 ~ 조립및시스템구성을위한경통제작 4. 시험분석 : 17 건 NO. 일자구체적내용증빙무 ~ 초정밀측정및분석 ~ 시편표면거칠기및형상측정 ~ Ge First lens AR #1의표면거칠기및형상측정 ~ Ge First lens AR #2표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR74.43 #1 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR74.43 #2 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR #1 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR #2 표면거칠기및형상측정 ~ Ge First lens AR Φ90 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR #1 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR #2 표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR 74.43#1표면거칠기및형상측정 ~ ZnSe Third lens AR 74.43#2 표면거칠기및형상측정 ~ Ge First lens AR Φ90 표면거칠기및형상측정 ~ F-theta lens 박막전후형상비교 ~ 코팅막측정 ~ F-theta lens비구면형상측정

11 5. 기술지원실적업로드 : 7 건 NO. 일자구체적내용증빙무 ~ 국내일한 Tele-centric F-theta lens의기하학적광학설계 개발 ~ 투과율극대화를위한광학설계개발 ~ 광학박막설계기술개발 ~ Tele-centric F-theta lens의초정밀최적가공알고리즘개발 ~ Tele-centric F-theta lens의최적비구면수치해석 ~ 일본 SUMITOMO社와형상정밀도가대등한 Ge, ZnSe의초정밀가공

12 목 차 제 1 장사업의개요제 1 절기술지원필요성제 2 절기술지원목표제 3 절기술지원내용 제 2 장국내외기술현황제 1 절국내외초정밀가공기술현황제 2 절국내 PCB 시장제 3 절세계 PCB 시장제 4 절 PCB 관련표준화활동 제 3 장기술지원수행내용및결과제 1 절기술지원수행제 2 절기술지원성과 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도제 1 절연구개발목표달성도제 2 절연구개발대외기여도 제 5 장기술지원결과의활용계획 제 1 절추가지원필요성 제 2 절활용계획및향후계획 제 6 장참고문헌 부록 [IDL Program] [ 설계 Data] [ 해외과학기술정보 ] [ 특허출원자료 ]

13 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 21세기의우리나라의국가경쟁력을볼때 F-theta lens의초정밀가공기술은현재 선진국에서는그중요성과부가가치가매우높은전략산업으로부상하고있지만, 우리나라의경우는아직까지그렇게많이알려진기술이아니다. 현재국가기술지 도비전(NIS) 에따르면, F-theta lens의초정밀가공기술의고부가가치는상상을초 월하고있다. 특히, F-theta lens 는국가안보는물론, 일상생활에필요한각종기상 정보, 지구관측, 대기원격측정, 우주감사등의다양한정보를생산할수있다는점 에서기술선진국을중심으로이미많은발전과기술개발이이루어지고있는분야이 기도하다. Microvia Co2 laser Drilling Machine용 Tele-Centric F-Theta lens는핸드폰기판 의천공을내는장비의핵심부품으로현재국내의핸드폰제작 3사는모두본부품 을수입에의존하고있다. 고에너지의적외선이기판을빠른속도로스캔하며, 기 판에천공을함으로 Clear Aperture가 mm로크다. 또한, Life Time이짧아 수입을많이하고있다. 외국의경우는 IR 용광부품을많이설계, 사용하고있으나 우리나라에는아직방산에적용되어지는부품을제외하고는초정밀가공및박막 코팅을히는곳이없어수요자는당연히수입에의존하고있다. 본사업에서는한국기초과학지원연구원의초정밀가공및측정시스템을활용하여레 이저용광학계의형상을측정하여리버스엔지니어링공학을적용한비구면계수를 찾아내고이를이용하여 ( 주) 그린광학에서광학계에대한설계와박막설계및코팅 기술개발을통한핸드폰기판의천공을내는고출력레이저가공기의핵심부품인 Microvia Co2 laser Drilling Machine용 Tele-Centric F-Theta lens를개발하여기 업체의매출증대와핵심부품의국산화를통한수입대체효과를내고자한다. 제 2 절기술지원목표

14 제 3 절기술지원내용 (1) 초정밀가공및폴리싱가공장비 본기술지원에서는 Tele-centric F-Theta Lens의초정밀가공을위하여한국기초 과학연구원(KBSI) 에있는영국 Taylor Hobson의계열사인미국 Precitec co. 에서 개발한 Nanoform 600 다이아몬드터닝머신을사용하였다고, Fig. 1. 1에실제사 진이있다. 본장치는두개의정압안내면과공작물을고정시키는공기정압베 어링스핀들로구성되어있다. 두안내면은각각 X축과 Z축으로 T 형태의직교를 이루며구동한다. X축의중심부에해당하는안내면에주축스핀들이고정되어회전 하며, 안내면의구동방향과평행을이루며회전한다. Z축구동안내면위에는공구 대가고정되어다이아몬드바이트를설치할수있으며, 스핀들구동방향과수직 방향으로구동한다. 폴리싱장비는일본 KURODA의 KFR2200F 모델로 Fig 에실제사진이있다. Fig Ultra procession grinding and polishing machine (2) 표면측정장치 측정장치는크게접촉식과비접촉식으로구분할수있다. 본실험에서는접촉식 측정장치로서 Form Talysurf Series2, 비첩촉식측정장치로서 NT 2000, Camscope, WYKO 6000 등을사용하였다. 1 접촉식측정장치 Form Talysurf Series2 는접촉식측정장치이며 Rank Taylor Hobson 사의모델 번호 , 일련번호 0626 이다. 팁이측정하고자하는대상물의표면을 직접접촉한상태에서선형으로이동하면서측정한값을컴퓨터로전송하는장치이 다. 실제사진과측정화면이다음 Fig 에있다

15 측정범위는최대 120 mm이며, 팁은 1.5 ~ 2.5 μm크기가사용되고있다. Fig Form Talysurf Series2 2 비접촉식측정장치 (NT 2000) NT 2000은 Veeco사제품으로모델번호 PZ-06-SC-SF, 일련번호 이다. 광 간섭을이용한비접촉식측정장치로서대상물의국부영역 ( 최대 100 mm 100 mm ) 에대한 Ra 값을측정할수있는장치이다. 빛의간섭을이용한장치로서기준면 을조사한빛과공작물을조사한빛과의경로차를통하여대상물을분석한다. 측정 장치의전경화면을 Fig 에나타내었다. 수직방향측정폭 0.1 nm ~ 150 μm, 반 복정확도 0.1 nm이다. Fig NT

16 3 WYKO 6000 WYKO 6000은 Veeco사제품으로모델번호 6000 PC, 일련번호 0076 이다. NT 2000 과통일하게광간섭을이용한비접촉식측정장치로서광학가공부품의형상 정밀도를측정할수있는장치이다. 광원의파장은 nm이며, 분해능은 λ / 1,024 이다. 측정대상물의위치를선형으로움직이며기준면을반사한빛과공작물 에반사되어측정장치에들어간빛과의간섭현상을이용하여형상정밀도(PV) 표면거칠기(Ra) 를측정하는장비이다. 및 Fig WYKO

17 제 2 장국내외기술현황 제 1 절국내외초정밀가공기술현황 가. 세계시장규모및전망 - 최근에와서급속도로증가하고있으며, DVD, 디지털카메라, 카메라폰, 프로젝터 TV, 프린터등의물량확대로, 이루고있다. 비구면렌즈의시장은매년괄목할만한성장세를 년카메라폰용렌즈의세계시장은 2,138 억원규모로추정되며, 그중카메라 폰용비구면플라스틱렌즈세계시장은전년대비약 220% 증가한약 1억 5천만대 이다. - 디지털카메라용비구면렌즈의세계시장은 2003년에 5천 6백만매로전년대비 22.3% 증가하였고 2004년에는약 10.7% 증가한 6천2 백만매로추정하며, 금액규 모에서는 2003년 760억원에서전년대비 7.9% 향상된 820 억원을추정된다. - 캠코더용비구면렌즈는 2003년에 2,120만매로전년대비 7.6% 증가하였고 2004년에는약 7.1% 증가한 2,250 만매로추정되며, 금액규모에서는 2003년 209 억원에서전년대비 7.9% 향상된 310 억원으로추정된다. Table 2. 1 비구면렌즈의세계시장전망

18 - 광픽업용레즈의세계시장은 2003년에 8억 7천여만대로전년대비 27% 증가 하였고, 2004년에는액 7.3% 증가한 9억 3 천여만대로추정되며, 금액규모에서는 2003년 2,630 억원으로최고치를기록한후점차조금씩감소될것으로보인다. 수 량이나금액규모로보면시장이정체된상황으로볼수있다. - 프로젝터용렌즈의세계시장은 2003년에 250만매로전년대비 36.4% 증가하였 고 2004년에는약 24% 증가한 311 만대로추정되며, 금액규모에서는 2004년 2,830억원규모로전년대비 22.5% 증가하였다. - 광통신용비구면렌즈시장은 2003년에 6백만대로전년대비 11.1% 증가하였으 며, 2004년에는약 33.3% 증가한 8 백만대로추정된다. 나. 국내시장규모및전망 - 국내비구면렌즈시장은최근급속도로성장하고있으며, 수출주력품목으로자 리잡고있는카메라폰, 프로젝션 TV, DVD, Camera, 프로젝터등의물량확대에힘 입어매년주목할만한성장세를이루고있다. - 국내에서비구면글라스렌즈는휴대폰및디지털카메라용줌렌즈, HMD(Head Mount Display), 용되고있다. 레이저프린터의 LSU(Laser Scanning Unit) Collimator용으로사 - 국내비구면렌즈의시장규모는전세계비구면렌즈시장규모에서국내시장이 차지하는비중을고려하여추정하였으며, 카메라폰용렌즈는 50%, 광픽업용렌즈 는 15%, 프로젝터용렌즈는 25%, Digital Camera용렌즈는 25%, 캠코더용렌즈는 25%, 광통신부품은 7%, 프리즘및반사경은각각 15% 로추정된다. - 카메라폰의급격한시장확대에따라세코닉스, 코웰월드옵텍, 코렌등광픽업렌 즈및광학렌즈를생산하던렌즈업체들이카메라폰용비구면렌즈생산으로전환 하고있으며, 업체들의생산능력확장으로생산규모도급격히증가하는추세이다

19 Table 2. 2 비구면렌즈의국내시장규모 ( 단위 : 백만원 )

20 제 2 절국내 PCB 시장 PCB(Printed Circuit Board) 는전기절연성재료( 절연기판) 의표면에도체회로를형 성시킨것으로전자부품을탑재하기직전의인쇄기판으로정보의디지털화, 네트워 크화에따른모바일화로고집적화, 패키지화의주요핵심부품이다. PCB에서 Microvia Co2 laser Drilling Machine용 Tele-Centric F-theta lens는핸드폰기판 의천공을내는장비의주요부품으로서현재국내의핸드폰제작 3사는모두본부 품을수입에의존하고있다. 고에너지의적외선이기판을빠른속도로스캔하며, 기판에천공을함으로 Clear Aperture가 mm로크다. 또한, LIFE TIME이짧 아수입을많이하고있다. 외국의경우는 IR 용광부품을많이설계, 사용하고있 으나우리나라에는아직방산에적용되어지는부품을제외하고는초정밀가공및박 막코팅을하는곳이없어수요자는당연히수입에의존하고있다. 이번부품소재 기술지원사업으로인하여핸드폰기판의천공을내는장비의주요부품인 Microvia Co2 laser Drilling Machine용 Tele-centric F-theta lens의국산화로인해보다저 렴한값으로공급받을수있으며, 여러선진국과도어깨를나란히할수있는기틀 이마련되었다. 또한동남아시아등에수출하여국가경쟁력에도큰효과가있을것 으로판단된다. PCB는 TV, VTR 등전통전자제품뿐만아니라컴퓨터, 휴대폰, 디스플레이, 통신네 트워크, FDA 등 IT 제품의필수부품이고, 이동통신단말기나반도체패기지분야의활 용도가증가함에따라다층 PCB 를중심으로소형화, 고접적화를위해 Built-up 공 법개발되었다. PCB(printed Circuit Board) 는전자부품을전기적으로연결시켜주고 전자부품을고정시켜주는기판으로전자제품의설계과정에서가장나중에설계되지 만, 제품의조립단계에서는가장먼저사용되는전자부품이다. PCB에중요한자리 매김을하고있는 Tele-centric F-theta lens는 PCB산업에서가장중요한포인트 를차지하고있다. 우리나라는 02년 PCB 산업은전년대비 18% 증가한 2조 4,524 억원을기록하였다. 우리나라의 PCB산업은고부가가치제품은일본업체와저가격품은중국에진출 하고있는일본계업체및대만업체와경쟁을하고있다. Table 2. 1 우리나라업체별생산실적

21 기존 MLB 제품에비해배선밀도를향상시킨고밀도배선기판으로휴대용기기의경박단소를위해채용되었으나, 전기적특성및신뢰성이높아현재네트워크기기에채용이확대되었다. 전자제품의경박단소화와고밀도, 직접화의요구에의해지금까지대부분은이 동전화단말기에채용되었으나, 디지털카메라, 캠코더, 휴대용PC, DVD, CD-ROM 등에서도그사용범위가확대되어가격의일부하락에도불구하고초다층 더불어 PCB 산업의부가가치를이끌어갈전망이다. PCB와 Build-up기판시장은연평균 11% 의고성장시장으로전세계 PCB 산업성장을 주도하고있으며국내 Build-up 시장은연평균 15% 의성장률로 2006년 5억7천만 불의시장형성이전망된다. 현재개인휴대용기기인휴대폰의마더보드에 90% 이상이 Build-up 기판을채용하고있으며, PDA, 노트PC, 네트워크장비등에도채 용율이급속도로증가하고있다. 국내수요처로는삼성전자, LG 전자등휴대폰, PDA, 디지털비디오카메라(DVC), 디지털카메라(DSC) 등개인휴대용기기, 네트워 크기기, 노트북PC 등생산업체이다. FPC 국내업체는인터플렉스, SI 플렉스, 영풍전자를비롯하여총 20여개업체가 있으나상기 3개업체가 FPC 전체사장의 70% 를점하고있다. FPC 산업의성 장으로대덕GDS가공식적으로사업참여를추진 2003년부터는양산매출에기여 를하고있으며, 삼성전기와이수페타시스는휴대전화용 Rigid-Flexible 사업에 참여본격적인양산을계획하고있다

22 제 3 절세계 PCB 시장 PCB 산업에대한장기전망으로는 2002년부터 2006년까지년간판매량증가율은 평균 7.3% 가될것으로예상한다. 그러나이러한성장의원동력은아사아에서부터 출발할것으로기대하고있다. Table 2. 2에는 PCB 의성장률을나타내었다. Table 2. 2 세계 PCB 전망 Table 2. 3 국가별점율 종류별로는다층기판(Build Up 기판포함) 이전체시장의 60% 대점를지속지 하며 Flexible 기판도현재의 9.5% 로부터 11% 정도까지점율이늘어나나단편 기판과양면기판은감소할것으로예상한다, 일본의산업정보조사회의예측에의 하면다층기판의수요는 2002년25,144억엔에서 2006년에는 5,365억엔으로 21.3% 증가하며 Flexible 기판은 4,052억엔에서 32.4% 증가할것으로예측된다

23 Table 2. 4 세계 PCB 생산예측

24 제 4 절 PCB 관련표준화활동 미국 지난 2000년부터인쇄회로기판협회인 IPC와 NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative) 가주도적으로 PCB 표준화를위한시험기준, 광접속기술 등에대한표준안들을추진하고있다. NEMI에서는 PCB 를위한기획, 과제개발, 표 준화에 IPC는 BGA를포함한 PCB 관련기술의표준화시험기준을수립하고있다. 럽 (European Community) 럽도미국과같은시기에 분과 EC산하의 Information Society Technologies Program IO(Interconnection by Optics) 에서광접속기술에대한연구동향분석보고및 표준화를제안해놓고있다. O 캐나다 CIIRDF(Canada Israel Industrial Research and Development Foundation) 에서는 광전자패키징에관한조사보고활동과 PCB 관련표준화제안을하고있다. 일본 일본 EIAJ(Electronics Industries Association of Japan) 는지난 1999년에 Japan Jissio Technology Roadmap을수립하였으며 PCB 기술인광PCB 표준화를시도하고있다. 관련기술중의일부로서차세대 한국 한국전자회로산업협회(KPCA), 전자부품연구원(KETI), 생산기술연구원(KITECH) 등은 산업자원부와긴밀한협력관계를구축하고선진국의광PCB표준화대열에가세하는 것을추진하고있으며삼성전기, SKC등의주요업체로구성된광PCB컨소시엄을 2004 년초에발족, 정부지원을받아 5년이내에광PCB양산을목표로하고있으며 일본과소재, 신속히대응할계획이다. 공정등에대한표준및기술정보교류를통하여세계표준화움직임에 광PCB 기술은세계적으로연구개발초기단계에있기때문에광PCB 표준주도 권을확보하게되면핵심기술을선도하여광도파로재질, 광접속소자, 광원및광검 출기, 광모듈등새로운수요를산점할것으로각국은전망하고있다

25 제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 Tele centric F-theta Lens 개발에있어 Iens의설계를제외한모든업무는고가의 장비가필요로하며, 초정밀가공기술과초정밀측정기술및 know how가필요 하다. 이러한기술은세계선진국만이보하고있으며, 고도의정밀가공기술이 필요하다. ( 주) 그린광학은현재 Tele centric F-theta lens 를설계할수있고, 박막 설계및박막증착을수행할수있으나 Tele centric F-theta Lens 개발에필요한 초정밀렌즈의정밀가공기술및정밀측정기술은이미한국기초과학지원연구원 의연구장비개발부가보하고있기때문에 ( 주) 그린광학과한국기초과학지원연 구원의공동개발을통하여고출력 CO2 Laser 용광학 Part 의다양한부품의국산 화가가능하다고본다. 현재한국기초과학지원연구원에서는 Tele-centric F-theta lens 의초정밀가공을위한폴리싱공구에대한특허출원이되어있고, 현재심사중 에있다

26 제 2 절기술지원성과 1. 기술지원추진일정 2. 역할분담및성과정도

27 3. F-theta lens 의개발공정기술개발결과 가. 개발목표 초정밀가공기 Nanoform 600을이용하여레이저홀가공기에사용되는광학소자 인게르마늄의연성절삭에대한최적의초정밀가공조건을찾아내고, Tele-centric F-theta lens 의가공에적용하고자한다. 그리고취성재료의초정밀광학요소들 을제조하는데다이아몬드선삭기술을적용함으로서수입의존도가매우큰적외선 영역에사용되는렌즈의국산화및수입대체에목표를두고있다. 나. 개발필요성 1 Tele-centric F-theta lens 의개발필요성 Microvia Laser Drilling을위한 되어지며, 100% 수입에의존하고있다. F-theta lens는현재핸드폰의기판천공등에사용 고정밀, 고성능의천공을위한 CO 2 Laser용 Driller에는 F-theta lens가필수적으로 장착되며, 국내의산업용 Laser driller 를사용하는기업이나, laser driller를제조판 매하는회사에반드시국산화및수입대체가이루어져야할부품이다. 2 Tele-centric F-theta lens 의초기 order 기확보 현재 ( 주) 그린광학은 L.G. 전자에 CO 2 Laser Driller에들어가는 Banding mirror 및 F-theta cover glass 를국산화완료하여납품하고있다. 3 산업용 CO 2 Laser 용광학부품의개발필요성 산업용 CO 2 Laser는국내에이미 drilling, cutting, marking, welding, 의료용등의 목적으로많이보급화되어있으며, laser 부품의대부분은수입에의존하고있다. 다. 개발내용및방법 1 비구면제품의형상측정및분석을통한광학설계데이터추 2 광학설계프로그램에의한광학렌즈시스템의설계및최적화작업 3 CO2 Laser 용광학초자 (ZnSe, Ge 등) 의초정밀가공데이터및가공특성분 석 4 F-theta lens 시스템의초정밀가공및측정 5 박막설계프로그램에의한박막설계및증착기술개발 6 개발된박막증착기술적용및평가 7 F-theta lens의 housing 설계및제작

28 라. 개발공정 Fig Tele-centric F-theta lens 의개발공정 바. 개발결과 ( 특허, 인증현황등포함 ) 천연다이아몬드공구 (R 0.8 mm, 윗면경사각 -50 ) 를이용한 Ge의초정밀최적절 삭조건 : Cutting speed : 180m/min, Feed rate : 2 mm/min, Depth of cut : 0.5 μm, 표면거칠기 0.49 nm Ra F-theta lens의 Ge 렌즈초정밀가공 : 요구형상정밀도 Rt 1.0 μm이하, 비구면 μm Rt, 평면 μm Pt Fig 3. 2 초정밀가공사진 Fig 3. 3 Ge lens 비구면형상측정

29 Fig Ge material 투과데이터 (un-coated) Fig Ge material 데이터 (coated) 투과 Fig Hole 확대후 Test 결과 마. 개발효과 1 국내산업용 CO2 Laser 보중소기업및대기업의부품국산화본격화예상 2 Infra Red 용가능 3 파장의부품가공및광학박막형성이방위산업의야식장비에도응 수입의존도가매우크던 IR 부품의국사화로수입대체효과극대화. 4 CO2 Laser 용비구면광학계를설계하고, 정밀가공함으로국내광학기술의발 전을기대할수있으며, 역수출도가능할것으로예상됨

30 4. F-theta lens 의역설계 가. 개요 비구면광학소자의생산기술과측정기술은현대의첨단기술로부각되고있다. 비구 면으로구성된광학계는넓은시야와고성능, 양질의상을얻을수있고, 또한소 형, 경량화시킬수있는등많은장점을가지고있다. 이러한배경에따라초정밀 비구면소자에대한필요성이증대하고있으며, 이러한요구에부응하가위하여비 구면초정밀가공기술과측정기술에대한연구가활발하게이루어지고있다. 초정 밀비구면에대한새로운생산기술이많이소개되어있으나대부분의핵심기술은 개발자의비밀로지되고있는반면측정기술은업계에널리반영되어있다. 비구면에관한연구는 Rene Decartes가 1638 년에구면수차(spherical aberration) 를완전히제거한렌즈의기하학적조립방법을발표하였으며, 1663년에 James Gregory 는원추곡면(conic sections) 이구면수차를보정할수있다는것을발표하 였다. 1671년에 Newton 은렌즈의색수차(chromatic aberration) 문제를제거하기 위하여반사경을이용한망원경을제작발표하였고, 1732년에 Short가포물면거울 을손으로만들어타원면거울과합하여반사형망원경을제작하여이망원경의이 름을상술한 Gregory 의이름을따서 Gregory Telescope 라칭하였다. 1990년대 를전후하여 Carl Zeiss는비구면시스템에대한많은발명을하였고생산방법에 대한연구도많이하였다 년도에가능하게되었다. 정밀도가높은카메라렌즈의제작이가능한기계는 최근에는새로운광원으로레이저가개발되고광학기술과전자공학, 정밀기계공학 과의결합이이루어짐에따라서비구면렌즈의가공기술도크게발전하고있다. 또한, 전자계산기의개발과더불어복잡한광학시스템의계산이가능해졌을뿐 아니라초정밀가공기술이나초정밀측정기술등의핵심기술이급속히진보되어 고정밀비구면렌즈가대량으로생산되고제품화되는상황이일어나고있어종래 의구면렌즈만을주로사용하였던많은단점과불편함이점차해소되어가고있 다. 최근 Kodak사는 1982 년디스크, 카메라에비구면사출렌즈를사용한것을기점으 로 1984년에는 CD 픽업용렌즈가비구면으로사용되고, 1985년 12월의생산량을 CD용렌즈만월 60만개에이르게되는등비구면렌즈의단가가구면렌즈의 3 ~ 4 배가되는시점에가면구면렌즈의광학계는거의비구면으로대치될것으로예 상된다. Fig 은구면과비구면의특성을나타낸다. Fig. 3. 7(a) 는구면과비구 면의형상을비교하여나타낸개념도이며, Fig. 3. 7(b) 는구면렌즈에서초점의위 치를나타내며, Fig. 3. 7(c) 는비구면렌즈에서초점의위치를나타낸다. 그리고 Fig. 3. 7(d) 는일정간격의정사각형격자용지를구면렌즈를통하여나타나는이미 지를나타내며, Fig. 3. 7(e) 는비구면렌즈를통하여나타나는이미지의예를나타 낸다

31 Fig Characteristics of spherical and aspherical lens 비구면렌즈를사용하면구면렌즈에비하여다음과같은많은장점이있다. 첫째 구면으로는해결하기어려운상의질을저해하는근본적인구면수차 (spherical aberration), 비점수차(astigmatism), 왜곡수차(distortion) 등을극소화내지는보다 쉽게제거하여선명하고넓은시야의영상을얻을수있다. 예를들면, 상의일그러 짐을완전히제거한대단히넓은시야의대물렌즈, Flat-field를갖는넓은시야의 대안렌즈, 고도수의안경렌즈등의광학계제작에비구면을사용할수있다. 둘째 광학계를소형화, 경량화시킬수있다. 즉, 구면렌즈와거의동일한수준의성능 을지한다면비구면 1면을사용할경우통상구면렌즈 4 ~ 5면정도의효과를 가질수있다. 예를들면, 미놀타사에서는카메라용교환렌즈에비구면 1매를사용 함으로써렌즈의매수를 14매에서 12 매로줄이고, 길이를 87 mm에서 59.5 mm로, 무 게를 495 g에서 290 g 등으로대폭감소되었음을보여주었다. 셋째결과적으로생 산단가인하에도중요한요인으로부각되고있다. 넷째설계자도의증가로광학 계설계를위한설계변수가많아져서고성능을실현할수있게된다

32 나. 비구면보정프로그램개발비구면보정프로그램개발에있어서일반적으로작업자가간단히다룰수있는 Matlab 프로그램을사용하였다. 실험모델로서위성용카메라에사용되는비구면반사경올축소한모델이다. 비구면반사경에대한상세내역은다음과갚다. 여기서 k = c = 비구면계수 정점의곡률 A 1,A 2,A 3.A 20 : 비구면( 변형) 계수

33 (1) 비구면수식에대한 Tool Path Program을이용하여 Data를생성후초정밀가 공을한다. Fig Tool Path 의메인메뉴 Fig 비구면수식값입력

34 Fig 비구면수식에의한초기 Data Fig 초정밀가공기에의한비구면 1 차가공

35 (2) Form Talysurf Series2 를이용하여측정 Form Talysurf Series2를이용하여비구면수식대입하고측정한초기상태의 Data 를 Fig 에나타내고있다. 이그림에서발생하는노이즈는보정가공시형상오 차를발생할수있으므로급격한노이즈를제거해야한다. Fig 은 Fig 의 Data 애서급격한노이즈를제거한상태를나타내고있다. 측정시간동안선형적 으로변화되는일정기울기에대한보정을위해 초기의 Data 와비교하였다(Fig. 3. i5). linear fitting (Fig ) 을한후 Fig 비구면수식대입하고측정한초기상태의 Data Fig 급격한노이즈를제거한 Data

36 Fig 성형보간에필요한수식을도출 Fig Curve fitting 을한후초기의 Data 와비교

37 (3) 초기수식에의한 Data에서 Form Talysurf Series2를이용하여측정한가공오 차의 Data 를빼고비구면수식을찾는다. Fig 초기수식에의한 Data 를측정한가공오차의 Data 뺀비구면수식 (4) 새로운비구면수석값에대하여 Tool Path Program을이용하여 Data를생성 후초정밀보정가공을한다

38 (5) Form Talysurf Series2 를이용하여측정후검증을행한다. Fig Form Talysurf Series2 를이용한측정후결과 Fig 비구면수식을이용한가공시편 (Ge)

39 5. F-thetal lens 용광확소자의초정밀가공특성에관한실험결과 본실험은공구의노우즈반경, 절삭속도, 절삭깊이, 이송속도, 윗면경사각을주요 변수로하여, 표면거칠기측정, 초정밀절삭특성을고찰함으로서 F-theta lens의 소재인게르마늄의최적절삭조건을찾아내기위한것이다. 또한게르마늄의초정 밀절삭특성을파악하여미세홀레이저가공기의주요부품인 적인제작특성을알기위함이다. F-theta lens의성공 가. 실험방법 (1) 천연다이아몬드공구 본실험에서사용된공구는천연다이아몬드바이트로서바이트날끝모양이원통 형이며노우즈환경 R0.8 mm와 R0.4 mm를사용하여비교실험하였다. Fig (a) 는실험에사용된천연다이아몬드바이트형상을보여주며, 공구의기 하학적형상및크기는윗면경사각 -5, -15, -25 로변화를주어실험을하였으 며국내참피온다이아몬드공구제작사에의뢰하여제작하였다. Fig (b) 와 (c) 는각각노이즈반경 0.8, 0.4 mm다이아몬드바이트를실험전에 Form Talysurf 를이용하여정확한반경을측정한것이다. 측정결과노이즈반경 R0.8 mm는 mm이였고노이즈반경 R0.4 mm는 mm이였다. 또한각각의 Pv값은 mm와 mm이였다. 이에요구되는 Pv값 0.1 μm이하이므로공구를사 용하기에적합한것으로판단되었다

40 Fig Diamond tool (2) 실험방법 광학소자게르마늄의초정밀최적가공조건을찾기위해 Fig 과같이시편을 제작하였다. 초정밀가공실험대상부위는 Ø30 mm부분의끝단으로단면절삭실 험을하였으며, 가공표면의거칠기측정은 Fig 에서보여주듯이네지점을 중심으로동일한부위를반복측정한결과의평균값으로표면거칠기를산출하였 다. 동일한부위를측정하기위하여지그의측면에표시를하여항상같은부위를 측정하였다

41 Fig Test workpiece 시작품재료인게르마늄의초정밀최적가공조건을찾기위하여 Ø 38 mm, 두께 15 mm의시편을제작하여절삭속도와절삭깊이, 이송속도에대하여표면거칠기를측 정하였다. 실험을수행하기전에게르마늄시편지그를주축의진공척에 -20 in.hg 로고정하여회전시켰으며, 이때사용되는절삭의급방식은압축공기와절삭 인방전를혼합하여분사하는극미량(MQL) 분사방식을사용하였다. 또한절삭후 측정방법은시편의 Ø 30 mm되는부분을선정하여항상같은위치에서 4번을측정 하여매번총 16~20회측정을통하여오차범위가큰값을제외하고나머지 8개의 값을평균산출하여측정값의오차를줄이고자했다. 본실험을통하여게르마늄의 최적초정밀가공조건을찾아내었으며, 그가공조건을이용하여미세홀레이저가 공의중요부분인 F-theta lens 를제작하였다. Fig 는게르마늄최적절삭조건 을찾기위해실제가공하고있는모습이다. F-theta lens 제작은연삭기를이용하여일차외각을가공후지그를이용하여제 품을고정하고, 비구면계수수식을적용하여비구면가공경로의프로그램을작성 한후정밀가공하였다. 사용된공구는실린더형천연다이아몬드공구로써 1차황 삭가공에는공구형상정도(form accuracy) 2 μm인공구를사용하였으며, 정삭가 공시에는노우즈반경이 R0.8 mm인천연다이아몬드바이트를사용하여최종가공하 였다. 다음 Table 3. 1 은실험조건을나타낸다. 본연구는공구의노우즈반경, 절 삭속도, 절삭깊이, 이송속도, 윗면경사각을주요변수로하여, 표면거칠기측정, 초정밀절삭특성을고찰함으로서 건을찾아내기위한것이다. 저가공기의주요부품인 F-theta lens의소재인게르마늄의최적절삭조 또한게르마늄의절삭특성을파악하여미세홀레이 F-theta lens 의성공적인제작특성을알기위함이다

42 Fig Workpiece of cutting Sample(Ge) Table 3. 1 Experimental conditions 나. 실험결과및고찰 (1) 절삭속도변화에따른표면거칠기 본실험에서절삭깊이 0.5 μm, 이송속도 2 mm/min로하여각각의노우즈반경 0.4 mm와 0.8 mm 에대한절삭속도에따른표면거칠기를측정한결과이다. Fig (a) 는노우즈반경 R0.8 mm인공구를사용하여절삭속도를단계적으로 140~240 m/min 까지의변화에대한측정결과이다. Fig (b) 는노우즈반경 R0.4mm를 이용하여 140~260 m/min 까지의절삭속도변화에대한측정결과를나타낸다

43 그결과노우즈반경 R0.8 mm 다이아몬드바이트를사용한실험에서는대체적으로 절삭속도가 140 m/min에서부터표면거칠기가양호해지며 180 m/min 이후에는 표면거칠기가악화되는것을알수있다. 하지만노우즈반경 R0.4 mm다이아몬 드바이트를사용한실험에서는 240 m/min에서가장양호한표면거칠기를얻을 수있었다. 일반적인미소절삭에서노우즈반경이커짐에따라이론적인표면거 칠기가양호하게나타나는것처럼본실험결과에서도노우즈반경이큰 R0.8 mm이 R0.4 mm보다양호한표면거칠기를나타냈다. 윗면경사각(rake angle) 에대한표 면거칠기의변화는두공구에서사한경향을나타냈으며경사각이적을수록보 다양호한표면거칠기값을얻을수있었다. 이는경사각이커질수록공작물과접 촉되는절삭면적이커지므로표면거칠기가좋지않는결과를낳는것으로사료된 다. 또한게르마늄시편을가공후측정시표면에뿌옇게마치성애가있는것처럼 나타난다. 이는가공칩이절삭표면에부착되어나타남으로가공후렌즈세척용으 로쓰이는더스트웨이퍼에알코올을이용하여가공표면을세척후측정한다. 게르 마늄은경도가높기때문에알루미늄과같이세척시큰주위를요하지않는다. 실험결과로게르마늄의미소절삭에서절삭속도는 180 m/min 이상으로공작물을 가공하는것이제품의정밀도향상에도움을주며, Fig 에서보여지듯이노 우즈반경 R0.8 mm, 절삭속도 180 m/min, 이송속도 2 mm/min, 절삭깊이 0.5 μm, 경사각 -5 일때 0.49 nm Ra 로가장양호한결과를얻을수있었다. 절삭공구의 선정에있어서가공물의형상에따라적용하는공구의형상과노우즈반경은차이 가있으나, 얻을수있었다. 본실험결과에서는노우즈반경이큰공구에서양호한표면거칠기를

44 Fig Surface roughness versus cutting speed Fig Surface 3D measurement of Ge sample by NT 2000 (2) 이송속도변화에따른표면거칠기 이송속도변화에따른실험은 Fig (a) 와같이노우즈반경 R0.8 mm, 주축회전 속도 180 m/min, 절삭깊이 0.5 μm에서, Fig (b) 는노우즈반경 R0.4 mm, 절 삭속도 240 m/min, 절삭깊이 0.5 μm에서각각이송속도에따른표면거칠기를측 정한결과이다. 이송속도가증가하면서표면거칠기가나빠지는경향을볼수있으며, 이러한실험 결과는이송방향의표면거칠기는인선반경과공작물의 1분당이송량의관계에의 하여기하학적으로결정되는이론적표면거칠기와사한경향을나타내고있다

45 가장양호한표면거칠기를나타내는공구는노우즈반경 R 0.8 mm의공구이며, 실험결과는일반적으로노우즈반경이커짐에따라표면거칠기는양호하게나타나 는이론적인거칠기와비슷한경향의측정결과를나타내었다. 정량적인실제가공면의거칠기는불확정인자인진동이나처짐등의동적현상, 공 구형상에따른러빙특성등에의하여영향을받으므로실제의표면거칠기는예 측치보다크게된다. 공작기계의진동과외부환경변수들이절삭과정에미치는영향은이송이작은범 위에서크게작용하게되며 4 mm/min을초과하면서부터이러한영향보다이송의 영향이가공면의표면거칠기에더크게작용하고있음을볼수있다. 따라서게르 마늄의경우, 노우즈반경 R0.8 mm, 이송속도 2 mm/min 정도로가공을할경우양호 한표면거칠기를얻을수있을수있다. Fig 은노우즈반경 R0.8 mm, 이송속도 12 mm/min, 절삭속도 180 m/min, 절 삭깊이 0.5 μm의절삭조건에서실험한 2차원적인형상을보여주는것으로공구의 형상이가공표면에그대로전사됨을볼수있다

46 Fig Surface roughness versus feed rate Fig dimensional shape of the surface roughness for machined surface of Ge (3) 절삭깊삭깊이변화에따른표면거칠기 절삭깊이변화에따른실험은 Fig (a) 와같이노이즈반경 R0.8 mm, 절삭속도 180 m/min, 이송속도 2 mm/min 에서, Fig (b) 는노이즈반경 R0.4 mm, 절삭 속도 240 m/min, 이송속도 2 mm/min에서각각의절삭깊이 0.1~4 μm에따른표면 거칠기를측정한결과이다. 일반적인절삭가공에있어서이론적표면거칠기값은절삭깊이에영향을받지않 는다. 그러나실제미소절삭에서는 Fig 의결과로볼패절삭깊이가작을때 표면거칠기가떨어지는경향을볼수있다

47 이러한것은절삭깊이가아주작을경우의칩배출과정은주로러빙(rubbing) 이나 버니싱(burnsing) 같은소성변형에의해원활하게이루어지지못하며, 소성변형을일 으킨표면에서는큰잔류응력이형성되어표면의질에악영향을끼치기때문이다. 절삭날은완전하게날카롭지못하므로절삭날날끝부분을확대하여모델화하면실 린더형으로가정할수있다. 이때실린더부분에작용하는힘을플로잉힘 (plowing force) 이라고한다. 일반적인절삭가공에있어서는절삭깊이가절삭날끝 반경에비하여상당히크기때문에플로잉힘이전체절삭력에미치는영향은거의 없어무시할수있지만, 절삭깊이가감소할수록플로잉힘은비례적으로커져무 시될수없게된다. 이러한힘의존재로절삭깊이가감소할수록비절삭에너지 (specific cutting energy) 가증가하는치수효과가나타난다. 초정밀가공에서는이 러한치수효과를잘보여준다. 이러한결과로부터미소절삭시표면거칠기는절삭깊이의증가와관련이있다고 할수있다. 또한, 공구의노우즈반경에따른표면거칠기는이론적인표면거칠기에따라노 우즈반경 R0.8 mm공구가 R0.4 mm에비해보다양호한표면거칠기를나타내고 있다. 그림에서보여지듯이공구경사각이 -25 이고절삭깊이 0.5 μm이상일때 표면거칠기가현저히낮게나타난다. 이런현상은경사각이심하여다이아몬드바 이트의마모가심하게되고이로인하여절삭면적이커져서표면에스크래치가많 이생기게되므로표면거칠기가낮은결과를낳는것으로사료된다. Fig (a) 와(b) 같이경사각 -25 를사용하여가공전과가공한후의다이아몬드바이트모양 이많이마모가된것을알수있다. Fig (c) 와(d) 는비접촉형상측정기 NT 2000 으로측정한결과이다. 여러가지실험결과최적의절삭조건은가공효율성을고려할때노우즈반경 R0.8 mm, 절삭속도는 180 m/min, 이송속도는 2 mm/min, 절삭깊이는 0.5 μm, 공구 경사각 -5 일때가장양호한표면거칠기를얻을수있었다. 또한다이아몬드공 구의노우즈반경에따른고찰에서는노우즈반경이큰공구가우수한가공표면을 형성하는데효과적임을알수있었다

48 Fig Surface roughness versus depth of cut

49 Fig Diamond tool after turning Ge

50 6. 비구면광학계설계기술지원성과 F-theta lens 는전량수입에의존하고있으며, 사용후에는 100% 회수의조건으로 사용하고있기에제품에대한설계자료가전혀없다. 그러므로 F-theta lens의설 계값을찾기위하여접촉식측정기인 Form Talysurf Series2를이용하여비구면의 최적곡률(best R) 을찾아내고, 이를다시 IDL(Interactive Data Language) 프로그램 과오리진프로그램을이용하여비구면수식설계치의변수들을찾아내었다. 이렇 게얻은비구면설계변수값들의정확성을검증하기위하여시편측정결과에비구 면계수를적용하여검증하였다. 마지막으로검증된비구면설계값으로초정밀가 공기 Nanoform 600을이용하여정밀가공한후실제 F-theta lens 측정데이터와 비교분석하였다. Fig 와 Fig 은비구면수식을이용한광학설계와 오슬로레이아웃을나타낸그림이다. Fig 비구면수식을이용한광학설계 Fig 오슬로레이아이아웃

51 F-theta lens 가공을위해 IDL 5.6 program 을사용하는데이프로그램은과학, 공 학분야에서의데이터분석, 가시화와같은응용프로그램개발을용이하게해주며, 수학과통계를비롯한수많은과학기술용명령들과다양한가시화기능 (2D/3D Plotting, Surface Plotting, Contouring, 3D Graphics, Volume Rendering, Mapping, Animation, Simulation, etc.) 은데이터를빠른시간내에가장적합한형 태로나타내줌으로써, 데이터의진정한의미를쉽게파악할수있게해준다. 또한 종합적인 DXF, PNG HDF-EOS Data Processing, Analysis, Visualization 등과같이널리알려진이미지파일들을비롯하여 소프트웨어로서 JPEG, GIF, HDF, CDF, netcdf, 등과같은과학기술용데이터파일들뿐만아니라잘알려지지않은 파일형태나 1GB 이상의방대한데이터, Multi-dimensional Data 등어떠한형태 의데이터라도쉽게읽고처리할수있다. 그리고 IDL 5.3 부터는 GZIP 파일을압 축또는비압축기능을통해압축된데이터파일을읽고쓸수있어서디스크의용 량을절약할수있으며, 장점으로 IDL 은데이터정렬전문언어로써, 강력한 Matrix Operation 기능, Object Oriented Programming, Object Graphics, OpenGL 등을 지원하며, Windows/Unix/Linux/Mac/VMS 등의거의모든 Operating system을지 원한다. Fig 은 IDL 5.6 program 이용한가공순서도를나타낸그림이다. Fig IDL 5.6 program 이용한가공순서도

52 Fig 는초정밀가공기를이용하여가공하고있는사진이고, Fig 은실 제렌즈를접촉식측정기 Form Talysurf Series2를이용하여렌즈의표면형상을측 정하는그림이며, Fig 는평면과비구면측정결과를나타낸다. 측정값으로 최적곡률은 mm이였으며, 이는시편중심을기점으로 8번측정을하여 그결과중 Pt 값이가장양호한값으로선택하였다. 이를 IDL 프로그램을이용하 여측정값의각도오차보정(Tilting) 을하고그래프의중심선을기점으로측정에러 값이높은데이터를제거하여에러율을최소로한다. Fig 는 IDL 프로그램에 서보정된결과그래프이며, 이데이터를다시오리진프로그램을이용하여비구면 수식의변수를산출하여내고보다세밀하게높은차수의파라메타의계수값을산 출하여낸다. Fig Cutting of F-theta lens

53 Fig Measuring surface of F-theta lens

54 Fig Result of Measure surface of F-theta lens Fig View of data by IDL program Fig Graph of substitution result

55 이렇게얻은변수들을비구면수식에넣고이변수값들을검증하기위해실제 F-theta lens 측정한결과에변수값들을넣어검증하였다. 그결과로 Fig 에 서와같이큰오차를제외한다면 Rt값이 1.0 μm이내라는것을알수있다. 마지막 으로얻은비구면수식으로나온가공위치데이터를초정밀가공기프로그램에맞 는파일형식으로출력해낸다. 최종적으로 Ge과 ZnSe 소재의렌즈를가공하는데요구되는형상공차는 λ/10( λ =10.4~10.9 μm) 로전체가공면에대하여가장높은지점에서가장낮은지점간의 오차인 Rt값은약 1 μm이하를요구한다. Fig 은최종적으로가공한 Ge과 ZnSe 렌즈의모습이다. 렌즈가공후 Form Talysurf Series2를이용하여측정한 결과비구면 Rt 값이 μm이며평면 Pt 값이 μm으로나왔다. 이로써 Ge과 ZnSe 에요구되는가공정밀도에벗어나지않음을알수있다. Fig 은 각각의비구면과평면의측정결과이고, Fig 는 Housing에조립된최종완성 품을나타낸다. Fig F-theta lens after machining(ge, ZnSe)

56 Fig Measure surface of F-theta lens Fig 최종종조립된 F-theta lens

57 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 1 절연구개발목표달성도 Table 4. 1 에연구계획서에기재하였던연구개발목표및내용을보인다. 연구개발 목표는 Tele-centric F-theta lens의광학설계및박막설계와초정밀가공최적공정 알고리즘개발하여 ( 주) 그린광학에기술지원을수행하였다. 본연구에서는 Tele-centric F-theta lens 의초정밀최적알고리즘을개발하기위해 ( 주) 그린광학 에서이에필요한광학설계및박막설계를하고, 한국기초과학지원연구원에서는 Ge과 ZnSe 의비구면초정밀선삭을수행하였으며, 취성재요인 Ge과 ZnSe의초정 밀가공시급격히발생되는공구마모에대한공구수명연장을위한초정밀가공공정 상의방법개선을위하여마모된공구를사용하여가공된표면의미세스크레치제거 를위하여폴리싱용패드장치를개발하여적용하였으며, 특허출원을통하여현재 심사중에있다. 그리고접촉식측정기인 Form Talysurf Series2를이용하여평면과 비구면을비교측정하였다. 그결과최종적으로 Ge과 ZnSe소재의렌즈를가공하는 데요구되는형상공차는 λ/10( λ=10.4~10.9 μm) 로전체가공면에대하여가장높 은지점에서가장낮은지점간의오차인 Rt값은약 1 μm이하를요구한다. 가공후 Form Talysurf Series2를이용하여측정한결과비구면 Rt 값이 μm이며, 평 면 Pt 값이 μm으로나왔다. 이로써 Ge과 ZnSe에요구되는가공정밀도에 벗어나지않음을알수있었다. Table 4. 1 연구개발목표및결과

58 제 2 절연구개발대외기여도 Tele-centric F-theta lens 의초정밀가공기술지원을통해서초정밀가공기를이 용한 Ge과 ZnSe의비구면광학계의초정밀선삭기술을위한요소기술을확립할 수있었다. 이와같은 Tele-centric F-theta lens 초정밀가공기술지원은그동안 외국에서의완성시스템으로구입하던 Tele-centric F-theta lens의국산화할수 있으며, 국내에서반도체산업및 IT산업에서활용할수있는기반이마련되었다고 할수있다. 최근핸드폰기판에사용되는 Tele-centric F-theta lens는초정밀선삭기술이매 우어려우므로현재일본, 미국등의선진국에서도기술이전을회피하는첨단기술 이다. 그러므로독자적인 Tele-centric F-theta lens는초정밀선삭기술획득및 관리를위해서는 Tele-centric F-theta lens 의자체개발이필수적이며광학설계, 제 작및평가기술의확보로자체개발에필요한기술의개발을한기반기술을확보했 다고할수있다. Fig 4. 1은현재일본 SUMITIMO 社에서개발되었던회절/ 굴절형 F-theta lens 를보여주고있다. Fig. 4. I 일본 SUMITO ITOMO O 社에서개발된 F-theta lens

59 제 5 장기술지원결과의활용계획 제 1 절추가지원의필요성 Tele-centric F-theta Lens 개발에있어현재의시장에서개발되어진 F-theta lens 의대부분은 1064 nm용이며, 10.6μm대역의 F-theta lens는 3매이상의렌즈가설계 되어야하며, 3 매가모두비구면으로설계되어야한다. 현재초정밀비구면의가공 기술은한국기초과학지원연구원에서보하고있으며, 광학설계의능력은 ( 주) 그린 광학이확보하고있는상태임으로같이협력하여본과제를수행하였다. CO2 LASER용 F-theta lens는현재핸드폰의기판제작업체에서는모두일본의 SUMITOMO 社에서수입하여사용하고있으며, 매우고가이며장시간의수입기간으 로제2의 VENDER를필요로하고있기때문에영세한중소기업에서는한국기초과 학지원연구원과같은작업환경및장비의지원이뒤따라주지않아박막설계기 술및광학설계기술이있어도가공을해볼수가없다. 본 ITEM을설계개발하여 품질의검증을받고는싶지만, 본과제내용의개발을중소기업자체적으로수행하 기에는막대한예산이들어가기때문에중소기업자체의자금으로는본과제를수 행하기매우힘이든다. 이번 Tele-centric F-theta Lens의초정밀기술지원을통 하여 100% 수입에의존한 Tele-centric F-theta Lens의초정밀선삭기술을개발하 였지만, 국산화양산을하기위해서는상품화를위한후속지원과초정밀렌즈생 산을위한초정밀연구개발구축, 또한한국기초과학지원연구원을중심으로한 관업체들네트워크구축이필요하다고판단된다. 제 2 절활용계획및향후계획 이번에 Tele-centric F-theta Lens의초정밀기술지원을통하여 Tele-centric F-theta Lens 의초정밀가공기술을개발하고, 고출력 CO2 Laser용광학 Part의다 양한부품의국산화및 인한국제적기술력확보하여 IR용광학부품의정밀가공및코팅박막의형성국산화로 F-theta Lens와같은고부가가치제품및고성능을 가진부품은일부선진국에서만생산이가능하기때문에국가경쟁력확보에활용될 예정이다. 또한수입의존도가매우크던 IR 부품의국산화로수입대체효과극대화 하고, 본과제제품의국산화완료로인한수입대체의효과는상당히크다고할수 있다. 따라서 CO2 Laser 관련산업종사자들의부품국산화로인한국제적인경쟁 력확보와, 방위산업및산업체핵심광학계의기초기반기술로적용하고자한다

60 본기술지원을이용하여향후반도체및 하는 IT분야의핵심기반기술로써절실히필요로 F-theta Lens의국산화를통한세계적수준의선도기관이될수있는기술을 확보하고자한다. Fig 향후계획

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