비구면 Glass 렌즈금형가공기술개발에관한연구 2003. 01 주관기관 : 삼성테크윈 ( 주 ) 산업자원부
제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 비구면 Glass 렌즈금형가공기술에관한개발 ( 개발기간 : 2000. 12. ~ 2002. 11) 과제의최종보고서로제출합니다. 2003. 01. 개발사업주관기관명 : 삼성테크윈 ( 주 ) 개발사업총괄책임자 : 김용관 연 구 원 ː 양윤근 ː 허병조 ː 권경확 ː 김수봉 ː 정영수 - 2 -
관리번호 산업기술개발사업보고서초록 R00-A05-1105-02-1-3 사업명비구면 Glass렌즈금형가공기술개발 키워드 1. 최종개발목표 금형/ 표면거칠기/ 형상정밀도/ 코아수명/ 성형기술 초정밀고경면가공기술로서비구면 개발목표및내용 GLASS렌즈금형가공기술확보 GLASS재질과금형재질과의 Matching으로금형수명기술확보 Bunderless 초경의비구면코아가공기술확보 2. 개발내용및결과 가. 1 차년도 - 가공공구의선정및형상(Diamond Wheel 드레싱) 기술확보 - 초정밀금형코아가공기술확보( 황삭, 정삭, 금형코아보정).JIG 제작방법및최적가공조건설정확보( 절입량, 회전수, 이송속도). 표면거칠기:0.015 μm, 형상정밀도:0.18 μm, 가공시간:6HR, 불량율 : 3%, 코아수명 : 2,500Shot. - 정밀금형제작가공기술확보( 금형코아외금형 BASE) - GMP(GLASS MOLDING PRESS) 성형기술확보 - GLASS LENS 소재개발및측정/ 성능평가기술확보 나. 2 차년도 - 초정밀금형코아가공정도확보및금형 BASE 가공기술확보 - Glass렌즈양산품질확보로양산제품의수급안정화및원가경쟁력이향상됨 - Binderless 초경의정밀도향상에따른가공효율향상. 표면거칠기:0.0096 μm, 형상정밀도:0.1484 μm, 가공시간:6HR, 불량율 : 0%, 코아 수명 4,500Shot. 3. 기대효과 독자금형가공기술에의한自體수요인비구면 Glass렌즈금형을국산화대체 하여대일무역수지를개선및국제경쟁력확보 고정밀금형가공기술을이용한비구면 Glass렌즈관련사업화를추진 4. 적용분야 광학관련산업인복사기, 카메라, 레이저응용부분, 광계측이나의료광학등첨단 장비개발을위한핵심기술로활용추진 - 3 -
목 차 제 1 장비구면렌즈 제 1 절서론 제제 2 3 절비구면렌즈의개요절비구면렌즈제조공정 제 2 장금형제작 제 1 절금형설계및 BASE 가공제 2 절금형 MAIN CORE 가공제 3 절경면 CORE 가공 제 3 장후처리및성형 제 1 절후처리 ( 경면 CORE COATING) 제 2 절 GLASS LENS 제조 PROCESS 제 4 장결론 - 4 -
제 1 장비구면렌즈 제 1 절서론 최근 DIGITAL MULTIMEDIA 광학제품에서 KEY DEVICE희자리잡은비구면 LENS 는선진MAKER에서는관련기술을보유함에따라기술이전을회피하고있는상태로 제품의 COMPACT 화와성능확보를위한필수불가결한부품으로리잡고있다. 이에따라당사에서는 DSC, 광모듈등차기주력사업육성을위해렌즈중심의광 학기술차별차추구하고, 시황급변의미래 IT 환경에대응함은물론향후광통신, BIO산업등신규사업진출을위한교두보를확보하고자비구면 기술을개발하게되었다. GLASS 금형가공 비구면 LENS는다양한제조방법중에서재료의특성이나 COST 등의관점에서요 구성능을만족하는것이선정되어제품에적용되고있으며, PLASTIC LENS에비하 여온, 습도등의환경변화에대한경시변화가없고, GLASS의종류가다양하여넓 은광학함수를선정할수있다는잇점으로 GLASS LENS의선택범위가점점확대 되고있는추세이다. GLASS LENS도 1개의 LENS로여러개의구면렌즈조합의효 과를내는비구면 GLASS LENS 가개발되고있다. 비구면 GLASS LENS 는광범위한관련기술확보가관건이되고있으며금형가공, 금형재질, GLASS 재질, 표면처리, 성형, 평가방법등이유기적으로결합되어야만실 용화가되는제품이라할수있다. 따라서당사에서는비구면 GLASS렌즈금형가공기술을개발하기위한필요관련기 술들을정리소개하고, 당사에서개발한기술을서술, 국내기업에서활용이가능토 록일조를하고자한다. - 5 -
제 2 절비구면렌즈의개요 1 비구면 LENS 의원리 가. 정의 렌즈중심에서주변까지곡율이연속적으로변화하는렌즈로서이상적인결상으로 구면렌즈대비선명한상( 像 ) 을구현하고, 부품수감소로콤팩트한광학계설계가 가능하다. 나. 원리 구면수차를보정하기위해굴절율이다른여러매수의구면렌즈를중첩하여설계 / 제작함. 다. 비구면렌즈의활용 비구면렌즈는 35mm 일반카메라, DSC 카메라, 광PICK-UP, VIDEO CAMERA, LASER PRINT, PROJECT10N TV, DVD 등광응용기기에활용이되고있으며, 채용 이유는 - 6 -
(1) 고( 高 ) 품질화 : 구면수차보정으로고선명성이고, 경시및온도변화가적고, 기 즈, 내열성, 내약품성에우수함. (2) COST-DOWN : 렌즈매수및조립공수삭감가능함. (3) 고배율 COMPACT화 라. 선진업체의동향 일본의경우약 15 여년전부터松下, OLYMPUS, NIKON, CANON, MTNOLTA, KYOSERA등카메라 Maker 는물론이고, TAMRON, SIGMA등의교환렌즈전문업체 에서도비구면렌즈를자체개발하여양산중이며, 비구면렌즈의급격한수요증가 로인해 HOYA, 松島등의렌즈판매전문업체들도호황을누리고있다. 2. 비구면렌즈관련기술 가. 국내보유기술 삼성전자생기센터가 93년도부터켐코더사업을위한비구면렌즈개발에착수하 여, 현재중급STZE, 볼록렌즈에대한상용화기술은보유하고있으나, 볼록오목 TYPE 은미개발상태이며, Glass 재료대응기술등모든형상, Size 및재료에대응 할수있는기술은미보유한상태이다. 당사에서는 IP5X G7 렌즈(SPEC: 雨볼록형상/12mmSIZE/L-BAL35/ 비구면변동율 (20% 이내) 는개발성공및 3M3X G4 렌즈용금형개발을완료함에따라전반적인 기반기술을확보한상태이며, 현재는高難易렌즈개발(DSC, CAMCORDER에채용 렌즈) 및양산을위한기술을확보추진중에있다. - 7 -
나. 비구면렌즈핵심기술 3. 비구면 LENS 의종류. - 8 -
제 3 절비구면렌즈제조공정 1. GLASS 의소재 가. GLASS 소재의특성 현재시판중인광학 CLASS 소재는 200 종이넘고, 기계적, 화학적, 광학적특성이 CATALOG 에표시되어있으나, CLASS성형을할때는그치에유의해야할특성이 많으며, 특히열적특성과성분은성형에영향을미친다. 나. 열적특성 CLASS 성형은비용적, 열팽창계수, 열용량등이액체와같은특성을표시하는 Tg점 (GLASS 의전이온도: 종류별로많은차이를보인다) 보다 50 이상의온도에서이루 어지므로, Tg 점이낮은것은금형과부재등의내구성측면에서상당히유리하다. - 9 -
그러므로 GLASS의성형용으로써일반광학 CLASS 소재보다저온화한저융점소 재의개발과시판이활발히이루어지고있다. 특히고굴절율이면서연화온도가높 은 La계열의 GLASS 의저융점화요구가많다. 다. 소재의성분휘발과반응 성형시고온에서 Na2O,PbO,B2O3,K2O등의성분이휘발함으로써광학적특성이변 하고, 휘발성분이금형에부착되면열화( 劣化 ) 라는불량이생긴다. 이를방지하기 위해 GLASS 소재의온도나금형표면처리등의대응이필요하다. 라. 기타특성 점성이크게되면성형시표면장력이강도이상으로되어 LENS 내부에미세 CRACK, 깨짐등이발생하여금형을손상시키고 LENS 자체의결함을보유하고있 어품질에영향을미치므로 GLASS 의소재와금형재질을조화시켜야한다. 그외에 도내후성( 내후성), 화학안정성, 양산성과 COST도중요요소이지만최근에는무공 해의관점에서 되고있다. Pb,As등의유해물질을함유하지않은소재의대응도필요하여연구 2. 광학 GLASS 의제조공정 가. 원료혼합 원료는약 40 여종( 고순도의천연연료나화학약품) 으로균질도가우수한원료혼합 물을만들기위해백금 TANK 등의특수혼합기로혼합한다.( 철분의혼입을방지) - 10 -
나. 용해 용융로내의용기에원료혼합물을투입하여용융한후 GAS를제거하고원료혼합 물을교반하여불균질부분을확산시켜균질화한다. 교반은광학 GLASS 의독특한공정이다. 다. 거친성형 용해한 GLASS를적당한점도가될때까지냉각하여용기와함께꺼내냉각시키거 나, 융기로부터 GLASS 만꺼내주형에넣어냉각시킨후, 상온까지서서히냉각시 켜내부검사후소재로된다. 라. 성형 LENS 에적합한중량으로잘라소괴를만든다. 이것을연화로에서가열, 연화후 LENS 의형상에가까운금형에넣어가압. 성형하여 PRESS 품을만든다. PRESS품 은서냉후연마공정을거쳐차차 LENS 로된다. 3. GLASS 소재의형태 GLASS 성형시표면이용융되어광학적경면이될때까지온도를유지하는것은 부재등의내구성측면에서곤란하기때문에 야한다. CLASS의표면은결함이없는경면이어 LENS 의두께정도, 성형안정성, 심취의공정을위해서체적의편차가적어야한 다. 단시간에금형의형상을 GLASS에전사시키기위해 GLASS의유동이적은형상 이어야한다. - 11 -
GLASS 소재를다양하게제조할수있는형상이어야한다. 공기및 GAS 가밀폐되지않도록금형의둥글기보다작은형상이어야한다. 상/ 하형상이동일하거나, 틀릴경우는눈으로판별이쉬워야소재를금형중앙 에위치시키기가쉽다. 가격이싸야한다. 4. 금형의특성 비구면 GLASS LENS의감형은연화 GLASS에접촉하여표면이초정밀하게만들어 진 LENS형상을열교환에의해 GLASS 소재에전사시키는기능을가진다. 이를위해 정도, 성분조직등의안정성을장기유지하는금형재료를선택함과실용화하는기 술은불가결하다. 성형온도가 500 이상의가혹한조건에서사용하기때문에내열성이우수하고, 장시간의성형압력이나열충격에견딜수있는고온강도를갖고있어야한다. 성형에서양호한전사성을얻기위해열전도율, 열팽창율등의특성이나내열 내산화성이우수하고, 형상및표면조도를만족할수있는조직이어야한다. 연화 GLASS와의반응으로융착이생기지않고성형 LENS와는이형성이우수 해야한다. 가공성. 경면성이우수해야하고, 얇은코팅막과의밀착성이우수해야한다. 가격이싸고용이하게입수할수있는재료여야한다. - 12 -
이상과같이상당히까다로운조건들을만족시켜야하므로분말소결합금인초경 (WC) 이나내열성이우수한 CERAMIC 등이사용되고있으며, 여기에 GLASS와의융 착을방지하기위해열적으로안정된재질(Pt,Ir,C) 의특수한표면처리가많다. 따라 서 BINDERLESS 초경코아를가공하여금형개발을진행하였고, 성형 TEST를통 해발전가능성을확인하였다. 가. BINDERLESS 초경 일반초경의성분은 WC,TiC,TaC + BINDER(Co,Ni) 로이루어져있는데, 여기서 BINDER 의성분은입자크기가크고용융점이낮고, 경면가공성이떨어지므로이들 을제외시킨금속이코아의재질로써많이사용된다. 이 BINDERLESS초경의특징 은 고경도, 고강도이며, 내식성, 내산화성에서우수하다. 경면가공성(Rmax 0.01 μm) 이좋다. 취성이상당히강하며, 가공이어렵다. 나. CERAMIC CERAMIC은소재 MAKER에따라서종류도다양하고특성이다르지만 CERAMIC의 특성은 내식성, 내열성, 내산화성이우수하다. 경면가공성(Rmax 0.01 μm이하) 이좋다. 대기중에서고온가열/ 냉각을반복해도산화되지않는다. 취성이강하다. 가공이초경보다도어렵다. - 13 -
다. 코아코팅 금형코아에서렌즈형상부는내열성, 내식성, 경면성등을높이고, GLASS소재와의 이형성을높이기위해 BINDERLESS 초경코아는 PT-Ir코팅과 NEW코팅등박막코 팅을하고, 세라믹은 DLC 코팅을한다. 코팅방법으로는화학증착방법인 CVD방법과물리적증착방법인 PVD 방법이있다. CVD 방법은고온(1000 이상) 에서반응하며결정성이좋은피막을얻을수있고, 피막의부착강도와상태가양호하다. PVD 방법은저온(150 ~500 ) 에서반응하 며, 처리전후치수변화가적다. 또한 CVD방법과 PVD방법의특성을고려한 PCVD 방법이있다. 5. 금형제작개요 ( 경면 Lens 가공 ) 가. 비구면가공기 카메라렌즈용금형의표면정도는 0.2μm이상의정밀도를요구하므로현재광학비 구면가공을대상으로한절삭, 연삭가공기는세계에서가장정밀한공작기계중의 하나이다. 광학비구면가공기 MAKER는 - RANK-TAYLOR HOBSON( 영국) - TOSHIBA 기계( 일본) - TOYOTA 공기( 일본) - NACHI( 일본)-현재보유가공기 MAKER - MOORE 사( 미국) 등이있으며비추면가공기의주요특징은다음과같다. - 14 -
회전축에정압BEARING이나초정밀 ROLLER BEARING 을채용한다. 가공물을 SETTING하는축은 AIR BEARING 을주로사용하며, 회전정도는 TIR 0.03~0.05 μm정도이다. X-Y SLIDE는 OIL 정압 BEARING이나초정 ROLLERBEARING 을사용하고, OIL 정압베어링인경우는 ROLLER에비해정밀도와진동등에서우수하나 OIL의관리 가필요하다. X-Y SLIDE의초정밀이송은 BALL SCREW나정압 SCREW 가사용되고, LASER 측거의 FEED BACK CONTROL 이나초정밀위치제어(CLOSED LOOP SYSTEM) 방 식을채용한다. SOFT 면에서는비구면수식에따라금형을가공하고금형의비구면형상을측정 하여 ERROR가생긴경우는측정 DATA에서가공기의구동 PROGRAM을자동수정 하는 ERROR COMPENSATOR PROGRAM 을채용한다. 나. 비구면 POLISHING 기 연마ㆍ철삭가공으로서요구하는면정도를낼수없으므로금형의마무리가공으로 POLISHING 을실시하는데그방법으로서다음과같은것이있다. MECHANICAL POLISHING 가장일반적인방법으로써 POLISHING용 TOOL을연마제와함께가공물의표면에 닿게하여회전또는요동으로써연마하는방법으로黑田 ( 일본) 의 SUPER-POLISHING MACHINE 이이에해당되며, 당사를비롯삼성전자, 삼성전관 등이사용하고있는방법이다. - 15 -
MECHA-CHEMICAL POLISHING 가공액과가공물의사이에화학반응물적극적으로이용하여가공결함이적은경면 을얻기위한것으로반도체소재의연마등에이용되고있다. 다. 렌즈성형 성형방법은기본적으로성형가압시금형온도와 PREFORM온도의차이유무로구 분된다. 실질적으로각각의결점을보완하기위해기술적으로개량하기도하고, 多 數 CAVITY에의해 TACT TIME 단축, 질소분위기에서산화방지에의한부재의장수 명화나성형온도, 압력조건의최적화들의 KNOWHOW 에의해양산에이르고있다. 성형기는양호한전사정도를내기위해온도나압력관리에 高정도의제어가요구되 는것은물론이고상하금형간의위치정도에따라 2면간의편심이결정되기때문에 성형중의고온에서도금형지지부나슬리브의측수가 μm대의정도를확보하지않으 면안된다. 열변형의 IMULATION 을반복하여사용부재, 단열재, 냉각기구의검토 를계속하여성형장치, 소재공급장치, 성형렌즈의취출장치등으로구성되는성형 SYSTEM 을무인가동할필요가있다. 성형조건표의사례 - 16 -
라. 측정및평가 비구면 GLASS 성형렌즈의측정항목에는비구면형상정도, 표면조도, 편심, 외경, LENS 두께, 굴절율, 아베수등의광학적함수와외관등다양한항목이있다. 그중에 서도특히 LENS 의성능을좌우하는비구면형상정도, 편심, 굴절율의측정에대하 여기술하기로한다. (1) 비구면형상측정 비구면형상측정기는 STYLUS 를사용하는촉침식측정기, PROBE를사용하는 3차 원측정기, 간섭무늬로판단하는간섭계, HOLOGRAPHY 법등이있다. 금형측정이 나상세한해석이필요한경우에는 3 차원측정기가많이사용되고, 렌즈의양산현 장에는촉침식이많이사용된다. - 17 -
< 용어의정의> - 설계치: 이론계산상의설계형상 ( 제품도면상의형상) - 성형품측정형상: 설계치를기본으로제작( 성형) 된 CORE(LENS) 를측정한형상. - 성형품측정평균: 성형품(CORE) 을 FORM-TALYSURF로측정했을때 BEST FIT-R. - FIGURE : 설계치 - 성형품측정평균 - ACCURACY : 성형품측정평균의 P-V 치(Peak-Valley 치) - ROUGHNESS : 표면거칠기 Rmax 촉침식의특징 (FORM TALYSURF) - 구면렌즈와동등하게단시간에비구면렌즈의평가가능 - PC화면에서직접 LENS들의평가가가능 - PC화면의 GRAPH에서수차량등의정량적인해석가능 - 비구면단면의 1회측정으로전체오차및부분적표면조도등의해석이가능 (2) 편심측정 구면렌즈의편심을측정할경우에는렌즈치경을기준으로곡률중심이이탈된양을측정하면되지만비구면렌즈의경우에는비구면축의기울기와축의이탈량도측정해야한다. 이것은편심측정기로측정할수있는데특징은다음과같다. - 18 -
비구면편심측정기의특징(ASDM-02 제) - 근축편심측정부에시고정도로근축구면의편심량을측정함으로써기준축을 AIR SPINDLE 의회전축에정확하게일치시킬수있다. - 전기마이크로에의해 SUB-MICRON의정도까지비구면의흔들림량을측정하여 비구면축의기울기를산출할수있다. - 비구면렌즈의외경의흔들림량을비접촉으로측정할수있다. 편심측정기 - MAKER : OLYMPUS( 일본) - 설비사양 : ASDM-02 - 용도 : 비구면렌즈의편심측정( 구면렌즈별도보유) - 측정범위 : Ф6 ~ Ф60 (3) 굴절율측정 성형렌즈의경우성형시냉각속도에따라성형전후의굴절율변화가생기기때문 에굴절율의측정은중요한요소이다. 굴절율측정의원리 - 19 -
굴절율측정기의특징 (KPR-200) - 자동측정으로계산이필요없다. - 고정도로재현성이뛰어나다. - 단시간측정및복굴절성의측정이가능하다. 굴절율측정기 - MAKER : KALNEW 광학 ( 일본) - 설비사양 : KPR-200 - 용도 : GLASS 굴절율측정 - 측정범위 : 굴절율 1.25 ~ 2.0 - 측정精度 : ±0.00005-20 -
제 2 장금형제작 제 1 절금형설계및 BASE 가공 1. 금형제작 PROCESS 2. 금형설계 가. 금형구조설계시주요검토항목 (1) 상, 하코아의동심도 - 상, 하BASE의동시가공 - 동시가공을위한맞춤핀및 BOLT의설치 - 상, 하코아와 BASE 간의공차최소화 - 21 -
(2) 금령가동시상, 하코아위치정밀도유지 - GUIDE PIN 의설치 - GUIDE PIN 의상하위치정도를고려하여동시가공 - 상, 하 BASE 및 BACKING의평행도 (3) 냉각회로의설치 - 상, 하코아의동일냉각조건 - CAVITY 별동일냉각조건 (4) 로아별높이편차의보정 - 하측코아에 SPACER 설치 - 22 -
나. 금형재질의선정 (1) 상, 하코아 : BINDERLESS 초경 - 고경도(HRA92 이상) - 초경중에서도 BINDER의미세첨가로고경면성 - 내식성등이우수함 - 고밀도(14.6g/ cm3) 로열팽창율이낮음 (2) 상, 하측 MOLD DIE 및 GUIDE PIN: 초경KD20 - BINDERLESS 초경과유사한비중및열팽창율 - 고경도(HRA90 이상) - 고항절력(285kgf/ mm2) (3) 상, 하측 BACKING 및 BOLT: ANVILOY 1150 - 가공성이용이( 경도 HRC34) - 고온에서열팽창율이낮을것(800 까지 5.25 10-6 ) 다. 성형및양산성의고려 (1) 냉각회로의적정크기및위치 - 질소냉각용회로는폭3 mm, 깊이0.3mm이상의크기로앞뒷면에 8개소설치 - CMP 성형기의질소배관과위치관계를확인 - 상, 하코아에직접질소가닿지않도록고려 (2) 성형및냉각온도의 CHECK - 상, 하MOLD BASE에온도센스 HOLE의설치 - 질소냉각용회로에근접하지않도록고려 - 23 -
라. 기타 로보트작동을고려하여 GUIDE PIN은상측에설치 성형조건설정에따른 LENS 의두께조정을위해상, 하 MOLD DIE 사이에높이 조정량설치 (0.1 mm) 코팅후박리를피하기위해코팅영역부 2단가공 성형중온도변화에대응하고자 BOLT도 ANVILOY 1150로제작 GOB 의실치시위치를고려하여상하위치설정 3. BASE 가공 가. 상, 하코아 HOLE 동시가공으로정도유지필요 HOLE 의진원도 : 1~2μm HOLE 의직각도 : 2~3μm 나. 상, 하코아 HOLE 의뒷면턱부자리파기가공 자리파기면의평행도 : 3~5μm자리파기면의모서리R : 0.3~0.5μm 자리파기면의깊이편차: 0.02mm수준 다. MOLD DIE 및 BACKING 의나사가공 BOLT 체결후직각도(30 mm기준) : 0.5~1mm - 24 -
제 2 절금형 MAIN CORE 가공 1. CORE 가공 가. 금형 Core 공정 Process 가공재료에따른공구선정( 공구의재질, 형상정밀도, 곡률반경등) 가공조건설정(RPM, 이송속도, 절입량) 공구 Setting 비구면가공 Program 을활용한황삭/ 중삭/ 정삭가공및평가 비구면형상측정및평가 보정 나. Core 개발목적 고해상도광학계에필수적인부품으로선진국에서도기술이전을기피하며부품수 급화적인측면뿐만아니라원가경쟁력면에서국산화가시급함. 다. CORE 가공기술개발내역 (1) 공구선정 - DIA WHEEL 선정및 DRESSING - 사양 ㆍ황삭 SD800N100BW12 ( 선단 R 0.5, 각도 60 ) ㆍ정삭 SD1500N100BW12-25 -
선단 R의결정및공구 R의결정은제품SPEC 에따라결정되며, 가공물의곡률반 경에따라공구의외경을결정하고, 선단 R은가공의면조도및공구마모의최적화 상태를고려한공구선단 R 결정이중요함. 선단형상 EDGE : 면조도가나쁘고공구의마모가빠르다. 선단형상 R0.5~0.3 : 면조도가우수하고, 공구의마모가적다. (2) DRESSING - 1 차적으로공구의진원도를맞추어떨림을잡는다. (15μm 이내) - 본드만제거하여 Dia 입자만남게하여가공함. * 공구가맞지않을경우에는가공면이깊이패이거나, Wave등외관상태가거칠게가공됨. - 26 -
* 공구의마모상태를지속적으로확인하여가공함. - 27 -
(3) 가공물 Setting Workpiece( 가공물: 금형Core) 를 JIG 를활용, Setting 한다. * 금형 Core를 JIG에체결시 Tilt량을최소화하여가공시편심이발 생하지않도록해야함. - 28 -
(4) 황삭가공 - 가공전공구현미경에서요구Spec에근접한 R 을가공한다. - Setting후비구면해석 Program을활용하여공구현미경에서가공된협상을해 석하여절삭량을확인한다. - 가공조건 ㆍWork축 RPM : 450rev/min ㆍ공구 RPM : 20,000 ~ 25,000 rev/min ㆍ절입량 : 1μm Feed : 1mm/min * Data해석에따라비구면보정해석 Program을활용하여황삭가공형상을결정한다. (5) 정삭가공 ( 가) 비구면형상가공 1회시 - 황삭가공후비구면해석에의한공구 R수정 - 가공조건변경 ㆍ이송속도변경 :0.5 mm/min ㆍ가공물 rpm : 150 rev/min 0.4mm ㆍ공구 rpm : 20,000 rev/min ㆍ절입량 : 0.3μm - 29 -
- 가공격과 : P-V치 0.6991μm * 배꼽이있지만폭과깊이가적다. CORE 의실제변화 * 주변이평면형상으로설계치에근접하게가공되어공구R는제대로보정되었다고 판단함. * 보정의형태를비구면형상보정에서변경하여가공함. - 30 -
( 나) 비구면형상가공 2회시 - 1 회형상에대한중심부개선보정실행 ㆍ가공조건변경및공구 R 변경 CORE 의실제변화 * 보정결과: 전체적으로 P-V치값은비슷한상황이나보정방법및가공조건개선비구면현상에대해완만함. - 31 -
( 다) 비구면형상가공 3회시 - 1 회형상에대한중심부개선보정실행 ㆍ가공조건변경및공구r 변경 ( 라) 비구면형상가공 4회시 - 1 회형상에대한중심부개선보정실행 ㆍ가공조건변경및공구r 변경 - 32 -
제 3 절경면 CORE 가공 1. POLISHING 가공 가. Polishing 목적 형상정밀도의오차보정이나, 가공 TOOL MARK 를보완하기위함. - 33 -
나. POLISHING 가공의예 POLISHING 가공시중요한것은연마재및 PAD 의선정, 가공조건의평가방법이라 하루수있다. - 34 -
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제 3 장후처리및성형 제 1 절후처리 ( 경면 CORE COATING) 현재당사가진행중인코팅은 NEW COATING으의 5,000SHOT 생산진행중이며, 코팅은금형코아재질과의상호친화성의관계가무엇보다도중요하므로 GLASS 재 질에대한성형경험이중요하다. NEW COATING외에 PCVD( 플라즈마화학증착 법) 방식의 TIALN COATING을 TEST 진행중에있으며, 향후성형을통한 GLASS 와의 MATCHING 으로금형수명을연장하는것이중요한과제이다. - 36 -
초경+ 경면 COATING의예 - TARGET 재질 : 1) Ni 2) Pt -Ir - 두께 : 1) 0.1μm 2) 0.3μm - 기반재료 : WC (BINDERLESS 초경) - 도달압력 : 3 * 10 E-3 Pa 이하 - 기반가열 : 300 상기에서언급한금형 COATING은 GLASS 소재의특성에맞는 COATING 사양을 선정하여야만제품의이형성등 CORE 수명연장이가능하다. 이는지속적인경험으로기술축적을쌓아가고있다. 제 2 절 GLASS LENS 제조 PROCESS 1. 성형 PROCESS - 37 -
2. GOB 설계 성형시 600 의고온에서성형되므로 GOB소재의적정체적및중량이상당히중요 하므로 GOB와금형구조와의적합한체적계산및형상가공이전제가되지않으면 비구면형상의전이성이어렵게된다. 따라서제품SPEC에적합한 GOB 설계로최적성형이될수있도록 R면의치수결정 이중요하다. 예) 금형체적및제품체적 금형체적 V=225.126+2.87 제품체적 V=200.134-38 -
3. 성 형 GLASS LENS 의성형에있어서균일한형상을얻을수있는최적의성형조건을구 축하는것과 CORE 의내구성을지속유지할수있는조건을설정하는것이다. GLASS LENS 의경우고온성형에따른금형의내구성향상및성형시간(1 회:15 분) 을단축할수있는최적성형조건을설정하는것이무엇보다도중요한과제이다. 이 외에도성형에따른제품의특성변화를분석하여이에대한대책을수립하는것도 중요한과제중의하나이다. 본내용에있어서는성형 PROCESS 및성형방법, 성형 시주의사항, 제품의특성변화등최적조건설정을위해행한사례들에대하여논하 고져한다. 가. GLASS LENS 성형 PROCESS - 39 -
나. GLASS MOLD 가압성형 GOB를 GLASS 전이온도이상으로가열한후, PRESS로가압하여금형 CORE의형 상과동일한형상을얻는작업으로별도의연마공정을필요로하지않고렌즈등의 고정도부품을생산할수있음. 비구면 GLASS 성형기 ㆍ명칭 : GMP - 211 ㆍ최대압력 : 2000 kgf ㆍ최대금형크기 : ф 110 ㆍMAKER : 東芝機械 ( 株 ) ㆍ최대온도 : 805 ㆍ가열방식 : 적외선 LAMP ㆍ냉각방식 : 질소(N2) 가스 상기와같이 GLASS LENS 는고온, 고압하에서성형하므로금형의수명및고온에 따른성형수축율, 정밀도등전반적인사항을고려하여야만제품으로서의기능을 만족할수있다. 또한고온성형에따른성형 CYCLE TIME이긴관계로제조경쟁력 을고려하여성형 CYCLE TIME 을단축하기위한방안도고려하여야한다. 다. 성형 EYE ㄴ I TIM 단축을위한고려사항 - 금형의두께가두껍게되면, 금형전체의열용량이크게되어냉각시간에크게영 향을미친다. 따라서강도에영향이없는한도내에서두께를얇게만드는것이가 열, 냉각에유리하다. - MOLD DIE 가 64 이상인경우는 DIE PLATE의냉각홈을유효하게응용하면냉 각효율을높일수있다. - 예열위치가너무낮으면 PRESS 시간을길게하지않으면안된다. - 형온도가낮으면큰압력이필요하고, PRESS 시간을길게해야한다 - 가열시, 냉각시의질소유량의최적화 - 徐冷온도의최적화 - 성형품의취출온도를낮게하면냉각시간이길어진다 - 40 -
라. 성형시주의사항 - 질소를성형시한상일정하게흐를수있도록유량, 유압계를설치하여성형시간 과냉각시간을항상일정하게유지함. - 비구면 DATA 관리는 BEST FIT R 값의 P-V 값으로관리함. - 비구면 P-V값은 1 μm이하로관리함. - 성형기내의습도는 20~30% 이내로관리함. - 냉각구간을좀더세밀하게세분화할필요가있음. 마. 성형에따른제품의특성변화 ( 굴절율편차 ) 고온하에서성형되므로성형후냉각은질소가스주입으로급하강함에따라 GLASS 의매질의특성이변한다. 특성의변화에있어서가장중요한부분이굴절율이다. 굴절율의편차는 2년간성형 TEST 를통한경험치이다. - BaCD5는 HOYA 규격이므로규격에만족. - L-BAL 35 의경우는성형후굴절율이 -300 정도로된다. - SUMITA LENS는 HOYA GOB를사용하는데굴절율이성형후 -300정도로변한 다. - L-BAL 35 성형후어닐링을하지않는다면 CSK12 로사유하는것이유리하다. - 41 -
- OHARA COB 의경우휘발성때문에성형후굴절율이떨어지고구모리현상이 발생하므로주의를필요하다. 바. 성형 TEST 사례 - 성형온도 : 595 - 냉각시간 : 09 00 성형시압력, 온도, 냉각시간등여러가지인자를고려한최적의제품을생산하는것 이중요하므로제품에영향을가장크게미치는인자를돌출하는실험계획법에의 한조건으로접근하는것이유리하다. - 별첨 : t 변화 DATA - 냉각시간과압력과의관계 - 42 -
- 성형온도에따른비구면형상치의변화 - 성형압력에따른비구면형상치의변화 - 43 -
사. 재현성 TEST 일반플라스틱금형의성형과는달리 GLASS LENS의성형은고온가압성형으로 각CAVITY 별위치편차, 내부 CORE 온도, 냉각량등에따라동일한비구면형상치를 지속적으로구현할수있는성형조건설정및금형정밀도를유지하는것이중요하 다. - 44 -
제 4 장결론 GLASS LENS 제품개발의핵심은소재, 금형개발, 성형등 3개부분으로나눌수있 지만, 현국내여건으로기초산업의육성부족으로인하여소재부분은전량해외에 의존할수밖에없는상황이다. 이에따라당사는국내여건및당사의인프라를고려하여금형개발및성형기술 확보에주력하였다. 핵심부품의경우선진사의기술이전회피로 2년간의지속적인 노력의결과 GLASS LENS 제품개발의핵심공정인금형 CORE개발에성공함으로써 부품수급안정화및제품제조경쟁력향상에기여한바가크다고볼수있다. 2003년이후고정도 GLASS LENS 개발및수명향상에많은노력을기울여야할 것이다. 끝. - 45 -
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