Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 20, No. 1 pp. 290-296, 2019 https://doi.org/10.5762/kais.2019.20.1.290 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 박영덕 1,2, 장태석 2* 1 충남테크노파크디스플레이센터, 2 선문대학교공과대학신소재공학과 A study on the ultra precision machining of free-form molds for advanced head-up display device Young-Durk Park 1,2, Taesuk Jang 2* 1 Display Center, Chungnam Techno Park 2 Department of Advanced Materials Engineering, SunMoon University 요약차량용 HUD는자동차전면유리창에안전운전과편의운전관련다양한정보를표시해주는장치로중요한역할을수행한다. 본논문에서는증강현실기술에적용이가능한대면적비구면자유형상미러를가공하기위해초정밀가공기를이용하여가공을실시하였고그결과를측정하였다. 초정밀다이아몬드절삭은정밀도가높을뿐만아니라표면거칠기와잔류응력을낮게할수있어서우수한표면무결성을갖는고급부품의생산에유리하다. 또한비구면자유형상의몰드를사용함으로써광학전달함수의개선, 왜곡경로의감소및특수이미지필드곡률의실현과같은장점을얻을수있다. 이와같은비구면자유형상금형을가공하기위한방법으로는초정밀가공기를이용한다이아몬드절삭방법을사용하였으며, 제작된비구면자유형상미러금형의평가는비구면형상측정기를이용하여실시하였다. 이러한방법에의해 1 μm이하의형상정밀도 (PV) 와 0.02 μm이하의표면거칠기 (Ra) 를갖는비구면자유형상금형을제작할수있었다. Abstract 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 μm and surface roughness (Ra) below 0.02 μm. Keywords : Augmented-Reality, Aspheric lens, Free-form mold, Head-Up Display (HUD), Peak to Valley (PV), Surface roughness (Ra) 1. 서론 하는추세로빠르게성장하고있다. 또한차량용디스플레이시장의활성화와자동차의전장화가빠르게확산되최근자동차시장은자동차고유의성능향상뿐만아면서 IT 기술과무선통신기술이접목되어운전자의안니라첨단 IT, 편리기능이장착된지능형자동차를선호전성과편의성을지원하는기능들이빠르게증가하고있본논문은충남테크노파크디스플레이센터연구과제로수행되었음. * Corresponding Author : Taesuk Jang(SunMoon Univ.) Tel: +82-41-530-2341 email: tsjang@sunmoon.ac.kr Received October 31, 2018 Revised December 20, 2018 Accepted January 4, 2019 Published January 31, 2019 290
으며, 차량용헤드업디스플레이가다양한제품군으로점점더주목받고있다. 차량용헤드업디스플레이기술은크게디스플레이표시기술과차량정보제어기술, 유저인터페이스기술, 광학설계및가공기술, 영상보정기술, HUD 모듈의구조및배치기술로분류할수있으며, AR- HUD (Augmented Reality Head Up Display) 는운전자의시선이위치하는전면유리에다양한주행정보를제공함으로서보다안전한정보를제공한다 [1]. 기존의내비게이션장치는도로로부터운전자의시선을빼앗고, 2D 맵은사람의뇌가정보를해석하고적용하는데시간지연 (lag) 이발생하는등의문제점이있다. 그러나 Fig. 1. 의광학계구조에나타난바와같이, 증강현실 (Augmented Reality, AR) 헤드업디스플레이는운전자의시선위치 ( 운전석부터전방 7.5M에서약 50인치화면 ) 를도로상에위치한상태로현실의이미지나배경에 3차원가상이미지및영상을겹쳐보여줌으로써주행안전성을높일수있다 [2]. 또한, 운전자에게제공되는정보량이증가하는추세에맞춰차량용디스플레이의증가와함께운전자편의및안전성을높이기위해차량용디스플레이역시대형화, 고해상도, 고시인성을갖출수있도록 HUD용고정밀비구면자유형상미러금형에대한가공기술을필요로하고있다. 따라서이를위한자유곡면미러에대한광학설계, Distortion 보정기술, AR-HUD 기구설계, 정밀측정평가등초정밀가공기술을활용한 Aspherical Free-form mirror 가공기술에대한다양한연구및개발이지속적으로증대되고있다. 이러한비구면자유형상광학부품의생산및측정기술이첨단기술로부각되고있으며, 요구되는광학성능이고사양화됨에따라초정밀가공을통한고정밀부품이광학부품산업에서중요한역할을하고있다. 초정밀가공기술에서는고정밀도의형상가공을위해터닝 (Turning), 절삭 (Cutting), 연삭 (Grinding), 밀링 (Milling) 등다양한가공방식이적용된다 [4]. 비구면자유형상의가공정밀도에따라광성능이달라질수있으므로광학설계에따른금형제작및가공방법선정이매우중요한인자이다. 또한, 가공후에는 Fig. 2. 에나타난바와같이가공면목표대비실제가공제품의형상정도측정을통해제품의형상편차를최소화하여야한다. Fig. 2. PV (Peak to Valley) of machined surface. 초정밀가공기술을활용하면 Sub-micron의형상정밀도 (P-V) 와수 nm의표면조도 (Ra) 를갖는가공면의제조가가능하여초정밀성이요구되는정밀광학부품제작에사용된다 [5]. 본논문에서는증강현실헤드업디스플레이 (AR- HUD) 장치에적용하기위한대면적비구면자유형상미러제작에초정밀가공기술의적용을시도하였다. 실험을위해초정밀가공장비와측정장비를사용하였으며, 형상정밀도와표면거칠기를측정한후보정가공을통해가공정밀도를향상시킴으로써최적의가공방법및가공조건을수립하고자하였다. 2. 실험장치및방법 Fig. 1. AR-HUD system and optical system structure [2]. 일반적인결상광학계나조명광학계의경우물체면과화상면이결정되어있어서이에대한일반적설계를해야하나, 자동차는운전자가운전중사용하는것으로특히 HUD와같은투사광학계에있어서는운전자의자세및관측위치에따라수차없는광학계가필요하다 [3]. HUD 광학계용비구면자유형상금형을제작하기위해 Concave Mirror 기구설계와초정밀자유곡면가공기 (DTM, FG350, Moore Nanotech사 ) 를사용하여비구면자유형상미러를가공하였으며, 가공면은비구면형상측정기 (Form Talysurf Series, RTH사 ) 와비접촉표면조도측정기 (NY 6300 system, Zygo사 ) 를이용하여형상정밀도 (PV) 와표면거칠기 (Ra) 를측정하였다. 291
한국산학기술학회논문지제 20 권제 1 호, 2019 2.1 초정밀가공기초정밀가공기는최첨단유정압이송슬라이드및제어기술, 초정밀스핀들제어기술을바탕으로가공시발생하는열과진동의간섭요인을최소화하기때문에나노단위의가공결과를얻을수있다. 실험에사용한초정밀프리폼가공기 (DTM) 는 5축자동제어가가능한가공장비로, Turning, Grinding, Milling, Raster Fly-cutting, S3 (Slow Slide Servo), FTS (Fast Tool Servo) 등의가공방법을이용하여비철금속및폴리머광학소재에다양한구면, 비구면, 자유곡면형상을가공할수있다. Fig. 3은본연구의비구면자유형상미러금형제작에사용된초정밀프리폼가공기 (Moore Nanotech 사, 모델명 FG350) 를나타낸다. 이가공장비는 5축으로구성되어있으며, 이송축 3개 (X, Y, Z) 와회전축 2개 (C, B) 로구성되어있다. 이송축의분해능은 1nm 이며, 수평직진도는 0.3 um 이하, 회전축 (C axis) 의 Spindle 회전속도는 1,500 rpm으로고정밀도의 Turning, Grinding이가능하다. 또한, FTS와마이크로 Milling의부가장치가장착되어있어자유곡면, 패턴가공, 회절렌즈등다양한광학부품의제작이가능하다. Fig. 4(a) 는비구면의산과골사이값 (Peak to Valley) 을측정하고자할때사용되는비구면형상측정기 (Form Talysurf Series, RTH사 ) 를보여주고있으며, Fig. 4(b) 는비접촉식백색광간섭계인비접촉표면조도측정기 (NY 6300 system, Zygo사 ) 로, 초정밀가공부품의미세한표면형상을비접촉식광간섭원리를이용, 측정시료를확대하여표면의거칠기및국부현상을측정하는계측장비이다 [7]. (a) (b) Fig. 4. System of data aquisition and analysis: (a) Form Talysurf Series, (b) Surface measurement system NewView NY6300. Fig. 3. FG350, Diamond turning machine & capacity. 2.2 측정장비초정밀가공에서측정평가는필수로수행되어야한다. 가공품에대한체계적인측정과분석을통해최적의가공방법을찾을수있으며, 초정밀가공에서가공정밀도를향상시키기위해이를검증할수있는측정기술및검사방법이확보되어야한다. 일반적으로가공한부품의표면검사방법에는미세한촉침 ( 프로브 ) 으로표면을긁어서알아내는방법과반사광과산란광의광량에대한비율을정량적으로측정하여알아내는방법이있다 [6]. Fig. 5. Flow chart for design of experiment. 292
Fig. 5는초정밀프리폼가공기를이용하여 Aspheric free-form mirror를가공하기위한 Flow chart를보여주고있다. 가장중요한것은가공된가공품을정확하게측정하고보정가공하는것이필수적으로수행되어져야한다는점이다. 본연구에서는비구면자유형상금형의측정을접촉식프로브시스템방식과비접촉간섭계방식을이용하여실시하였으며, 그측정결과를분석하였다. Fig. 7에나타난것과같이 Free-form 형상을 X축으로 33 mm, Y축으로 35 mm 이동시키고 Z축방향으로 40 를회전하여, 제작된 Jig의기구적원점 ( 중심점 ) 과 Free-form 형상을일치시켰다. 2.3 대면적 Aspheric free-form mirror 설계 HUD는차량내의앞유리창윈드쉴드 (Win shield) 를광학계의일부로사용하고있는데, 일반적으로광학계는회전대칭구조를사용하나, 자동차의앞유리창이회전대칭구조가아니기때문에 Fig. 6에나타난것처럼회전대칭이아닌비축 (Off-axis) 광학계가 AR-HUD에서는사용된다. Aspherical free-form mirror 광학설계를위해서는통상적인비구면계수를사용하여설계할수없어서, X, Y Polynomial과같은자유곡면식을사용하여 Free-form 형상을생성하였다. z = f(x, y, z) Fig. 7. The free-form shape and the mechanical origin of the Jig. 2.4 Aspheric free-form DTM 가공초정밀가공기술중하나인단결정다이아몬드터닝선삭기술은일반적으로회전대칭인경우에사용된다. 그러나최근의광학및광학부품산업에서는비구면, 회전비대칭, 자유곡면등의표면가공을요구하고있으며, 가공기술또한다이아몬드터닝선삭기술의발전으로가능해져해당산업에큰변화를일으키고있다. Fig. 6. Freeform surface & aspheric shape. 또한, 다이아몬드터닝 (Turning) 가공을위해생성된 Free-form 형상의중심과기구적원점을매칭하기위해, Fig. 8. Nano-Cam Software (Surface generated from CAD file). 또한, Fig. 8 은 Nano-Cam software (CAM software) 를보여주는것으로, 그동안광학계디자인에서가장난제중의하나였던 CAD, STEP, IGES 등의전문 Program 293
한국산학기술학회논문지제 20 권제 1 호, 2019 과 Image file 등다양한설계 Data를결합하여 Simulation 및가공 Program화하는것을현실화한것이다. 이를사용함으로써초정밀장비의다축제어및가공방식선정등 CAM program을이용한가공및분석이가능하였다. DTM 절삭가공에서회전비대칭면을가공하기위한가공방법은 S3 (slow slide servo) 와 FTS (fast tool servo) 2가지로분류할수있다. S3는초정밀프리폼가공기스핀들 C축의제어와 Z 축이동을동시에제어하여가공하는기술이고, FTS는압전소자엑츄에이터 (piezo electric actuator) 를이용하거나리니어모터를이용하는방법으로, 공구대를구동시킴으로써공구끝단의 Z축위치를빠르게제어하여높은정밀도의회전비대칭가공물을얻을수있다. 본연구에서는비구면가공을위해알루미늄소재를사용하여범용공작기계 ( 고속가공기 ) 로외형형상을가공하고, 가공성향상을위해가공면에니켈전해도금을하였다. 터닝 (Turning) 가공을위해천연다이아몬드공구 (NCD-Tool) 를 DTM 공구축에장착하여 Tool setting을한후 S3 가공방법을사용하여광학면의비구면자유형상을가공하였다. 이때 S3 가공방법을위해 Nano-CAM S/W를이용하여 NC Data를생성하였으며, 추출된가공프로그램을이용해서황삭 (Rough Cut) - 중삭 (Semi-Finish Cut) - 정삭 (Finish Cut) 과정을통해비구면형상을가공을완료하였다. 비구면자유형상미러를제작하기위해서는기존의일반적인가공물고정방식만으로는부족하므로가공물전용 Jig를제작하여가공을실시해야한다. 특히회전대칭구조가아니기때문에 Jig 제작시무게중심을원점에일치시키는 Jig 제작이필요하며, 사각형형상의금형을만들어제작하기때문에연속회전가공에한계가있다. 또한중심부와외곽부의가공속도조절이필요하며, 가공면의형상정밀도와표면조도를향상시키기위해서는가공조건과가공방법을달리해야만한다. Fig. 9는 C축 Spindle 제어 Turning 가공을위한주축 (C-axis) 회전 Spindle 방식을보여주는것으로, 스핀들축의이동과 Z축이동을동시에제어하며가공하는 S3 가공방식을사용하였다. 대면적비구면자유형상미러를가공할때에는주축회전속도와이송속도의관계에따라표면조도와형상정밀도에차이가나게되므로많은주의가요구가된다. 또한, 터닝가공시보통주축회전속도 는 500 rpm 이하로설정하여야하며, 이송속도는 10 mm/min을넘지않아야한다. Fig. 9. S3 (slow slide servo) turning machining. 이러한초정밀절삭가공에있어절삭유의급유방식은압축공기와방전유를혼합하여분사하는 Mist 방식을사용하였다. Table. 1은 Al 소재에 Ni이전해도금된 Free-form concave mirror의터닝가공조건및다이아몬드공구 (NCD Tool) 의사양을나타낸다. Table 1. Cutting condition for free-form concave mirror. Processing conditions Rough Cut Semi-Finish Cut Finish Cut Depth of cut 10 μm 5 μm 2 μm Cutting times 4 times 3 times 2 times NCD Tool Spindle Speed Included angle "A2" Radius : 0.5 mm, Rake Angle : 0 Radius "R1" Height Clearance angle "H6" Clearance angle "C1" 10~500 rpm Rake angle "R" Clearance angle "C2" Clearance angle "C3" Feed rate 10 mm/min 5 mm/min 1 mm/min 3. 실험결과및고찰 비구면자유형상 Concave mirror는가공면의절삭가공성향상과표면거칠기를개선하기위해서, 전술한바와같이알루미늄소재가공면에니켈을전해도금후가공하였다. 이때초정밀가공기 (FG 350) 를이용하여가공한비구면 Concave 미러가공면의형상정밀도및표 294
면조도규격사양은각각형상정밀도 (PV) 1.0 μm이하, 표면조도 (Ra) 0.020 μm이하를목표로하였다. Fig. 10은가공된 Concave mirror의비구면형상정밀도를비구면형상측정기 (Form Talysurf Series, RTH 사 ) 를이용하여측정한결과를나타낸것이다. 측정결과, PV는 0.3126 μm, Ra는 0.0162 μm로, AR-HUD용자유형상미러의목표규격대비만족한결과를얻을수있었다. Equipment Surface measurement system 1. Ra : 0.006 μm, 2. Ra : 0.009 μm Measurement 3. Ra : 0.010 μm, 4. Ra : 0.009 μm result 5. Ra : 0.007 μm, 6. Ra : 0.009 μm 1 2 Equipment Target specification Form Talysurf Series - Peak to Valley : < 1.0 μm - Surface roughness : < 0.020 μm 3 4 Measurement result 1. PV : 0.3126 μm, Ra : 0.0162 μm 2. PV : 0.3648 μm, Ra : 0.0172 μm 3. PV : 0.2695 μm, Ra : 0.0173 μm 1 5 6 2 Fig. 11. Measurement results obtained with a NewView NY6300 system. 3 Fig. 10. Measurement results obtained with a Form Talysurf. 표면측정은표면을구성하고있는미세한조직의 3차원형상을측정하는것을목적으로한다. 가공된표면이광학적기능을수행하는미러나렌즈일경우, 표면의거칠기는빛의반사율과투과율에직접적인영향을미친다. Fig. 11은비접촉식광위상간섭법을이용하여표면조도를측정한것을나타낸것이다. 측정결과표면조도 Ra는모두 0.010 μm이하의값을얻었음을알수있었다. Fig. 12. Free-form shape mold (Concave Mirror) for HUD. 295
한국산학기술학회논문지 제20권 제1호, 2019 4. 결론 박 영 덕(Young-Durk Park) [정회원] 본 연구에서는 비구면 자유형상 미러의 목표규격을 2001년 2월 : 선문대학교 산업공학 과 (학사) 2005년 2월 : 선문대학교 일반대학 원 전자통신공학과 (석사) 2019년 2월 : 선문대학교 일반대학 원 신소재공학과 (박사) 2005년 5월 ~ 현재 : (재)충남테크 노파크 디스플레이센터 수석연구원 형상정밀도 1 이하, 표면조도 0.02 이하로 설정 하 였으며, 이를 만족시키기 위해 다이아몬드 터닝머신에 최적의 가공조건을 적용하여 AR-HUD 광학계용 대면적 비구면 자유형상 미러를 제작하였다. 제작된 비구면 자 유형상 미러를 접촉식 비구면 형상 측정기 (Form Talysurf Series, RTH사)로 측정한 결과, 형상정밀도 (PV)는 0.3648 0.2695, 표면거칠기 (Ra)는 0.0173 <관심분야> 디스플레이 광학부품, 초정밀가공, 금속재료 0.0162 로 나타났으며, 비접촉식 간섭계 측정기 (NewView NY6300 system, Zygo사)로 측정한 결과, 0.010 0.006 범위의 표면거칠기를 얻음으로써 설 정된 목표규격 이하의 결과를 얻었음을 알 수 있었다. 이 장 태 석(Taesuk Jang) 러한 결과는 대면적 초정밀 광 응용부품의 개발이 한층 수월해 졌음을 의미한다. 또한 본 연구를 통하여 수립된 [종신회원] 1981년 2월 : 한양대학교 공과대학 금속공학과 (학사) 1983년 2월 : 한양대학교 대학원 금속공학과 (석사) 1991년 12월 : North Carolina 주 립대 재료공학과 (박사) 1992년 3월 ~ 현재 : 선문대학교 교수 초정밀 다이아몬드 터닝머신 (DTM)을 이용한 대면적 비구면 자유형상 미러의 초정밀 가공기술은 향후 다양한 광학부품 및 렌즈금형의 제작에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. References <관심분야> 자성재료, 금속재료, 전자재료 [1] 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. [2] Continental Augmented Reality Head-up Display http://holistic-human-machine-interface.com/home-en-2-0/ [3] 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. [4] 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. [5] Tusty, J., Smith, S. and Zamudia, C., "Operation Planning Based on Cutting Process Model," Annals of the CIRP, 39, 517-521, 1990. [6] R.J.P. Schrama, J. Franse., The precision cutting process as a non-linear closed loop system PE, Vol 10, pp. 199-207, 1988. [7] 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. 296