Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 10 pp. 7071-7077, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.10.7071 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 다물체동역학해석을이용한커버글라스 Edge 연마용 Abrasive Film Polishing 시스템개발 하석재 1, 조용규 1, 김병찬 1, 강동성 1, 조명우 1*, 이정우 2 1 인하대학교기계공학과, 2 ( 주 ) 위시스 Development of Abrasive Film Polishing System for Cover-Glass Edge using Multi-Body Dynamics Analysis Seok-Jae Ha 1, Yong-Gyu Cho 1, Byung-Chan Kim 1, Dong-Seong Kang 1, Myeong-Woo Cho 1*, Woo-Jung Lee 2 1 Department of Mechanical Engineering, Inha University 2 WISYS 요약최근스마트폰, 태블릿 PC 및전자기기등의사용이증가함에따라커버글라스의수요가증가하고있는추세이다. 모바일기기의디스플레이가대형화되면서접촉이나낙하등과같이외부에서힘을받게되는환경에서높은강도를유지하는것이요구되고있다. 커버글라스제작공정에서연마공정은커버글라스의표면거칠기및충분한강도를제공하는중요한공정이다. 기존연삭숫돌에의한가공방법은커버글라스가공표면에스크레치, 칩핑, 노칭및마이크로크랙등의가공문제점이발생한다. 따라서본연구에서는모바일커버글라스의연마를위해연마필름을이용한폴리싱시스템을개발하였다. 구조적안정성을평가하기위해연마필름폴리싱시스템에대한유한요소모델을생성하였고다물체동역학해석을수행하였다. 연마필름폴리싱시스템에대한응력및변위해석을통해특성을분석하였고레이저변위센서를이용해제작된시스템에대한변위를측정하여구조적안정성에대해확인하였다. Abstract In recently, the demand of cover-glass is increased because smart phone, tablet pc, and electrical device has become widely used. The display of mobile device is enlarged, so it is necessary to have a high strength against the external force such as contact or falling. In fabrication process of cover-glass, a grinding process is very important process to obtain high strength of glass. Conventional grinding process using a grinding wheel is caused such as a scratch, chipping, notch, and micro-crack on a surface. In this paper, polishing system using a abrasive film was developed for a grinding of mobile cover-glass. To evaluate structural stability of the designed system, finite element model of the polishing system is generated, and multi-body dynamic analysis of abrasive film polishing machine is proposed. As a result of the analysis, stress and displacement analysis of abrasive film polishing system are performed, and using laser displacement sensor, structural stability of abrasive film polishing system is confirmed by measuring displacement. Keywords : Abrasive film, Cover-Glass, Multi-Body Dynamics, Oscillation module 본논문은중소기업청혁신기업기술개발사업의일환으로수행중인 두께 500μm이하디스플레이용커버글라스의 Edge chipping 최소화를위한 Film Type Polishing 시스템개발 (S2166577) 과제연구비지원으로수행되었음. * Corresponding Author : Myeong-Woo Cho (Inha University) Tel: +82-32-860-7306 email: chomwnet@inha.ac.kr Received August 31, 2015 Revised October 7, 2015 Accepted October 8, 2015 Published October 31, 2015 7071
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 1. 서론 행하였다. 커버글라스는커버렌즈의일종으로본래 LCD를보호하는역할을수행하지만, 최근스마트모바일및태블릿 PC의슬림화, 경량화, 제로베젤 (zero bezel) 등시장의요구를해결하기위해터치패널과더불어화학강화를거친커버글라스시장이급성장하고있다. 또한, 디스플레이패널의경박단소화를위해글라스슬리밍 (glass slimming) 공정기술이요구되고있으며, 글라스슬리밍은디스플레이패널을케미컬로양면식각하여패널의두께와무게를 40% 이상감소시킬수있고, 패널두께의감소로화면굴절율이감소되고투과율이향상되어디스플레이패널의품질향상에크게기여하고있다 [1]. 일반적인커버글라스제조공정은절삭, 연마등과같은물리적가공과화학강화, 베젤인쇄, 그리고기능성코팅 (functional coating) 등총 4단계로구분된다 [2]. 기존커버글라스가공에적용되고있는연삭숫돌에의한가공의문제점은글라스가공중발생하는장비의진동에의해절단면에수직한방향으로응력이발생되어가공표면에스크레치 (scratch), 칩핑 (chipping), 노칭 (notch), 크랙 (crack) 이발생되며이로인한불량과글라스의강도를저하시키는원인이된다 [3]. 따라서기존커버글라스가공시연삭숫돌및레이저방식이아닌새로운연마가공법및시스템이필요하다. 본연구에서는기존연삭숫돌이아닌폴리싱이가능한미립자연마필름을이용한폴리싱시스템에대한제작및평가를수행하였다. 연마필름의형태는기존에는시트 (sheet) 및벨트 (belt) 형태에서테이프 (tape) 형상으로다양화되어기존연마벨트를이용한연마방법의한계를극복할수있는기반을마련하였다 [4]. 최근개발되고있는연마필름은연마입자를고분자수지접착제와혼합하여폴리에스테르, PET 등의기재상에균일하게도포한것으로롤형태의연마필름으로제조되어, 기존연삭숫돌에비해연삭숫돌의밸런싱, 드레싱, 트루잉공정등이필요하지않고연마시스템의운영및설치가비교적간단하다는것이장점으로부각되면서다양한산업분야에서초정밀연마및최종마무리공정에적용되고있다 [5]. 따라서본연구에서는커버글라스엣지가공을위해연마필름을이용한폴리싱시스템설계와다물체동역학해석을통한폴리싱시스템의구조적안정성평가를수 2. Abrasive Film Polishing 시스템제작본연구에서는기존벨트연마형태와유사한메커니즘을가지고연마벨트대신롤형태의연마필름을사용하는 Abrasive film polishing 시스템을설계및제작하였다. Fig. 1은연마필름을이용한 Abrasive film polishing 시스템을나타내고, 기본구성은새로운연마필름을공급하기위한공급롤러 (supply roller) 와사용된연마필름을회수하기위한연마필름회수롤러 (withdrawl roller) 로구성되고, 공작물과연마필름을접촉하여연마하기위한접촉롤러 (contact roller) 와접촉롤러를전 / 후진시키고연마공정시균일한접촉압력을유지하기위한에어실린더 (air cylinder) 로구성되고, 접촉롤러에좌 / 우진동을인가하기위해 Fig. 2와같이모터의회전운동을직선운동으로변환시켜줄수있는크랭크 (crank) 와캠 (cam) 으로구성된오실레이션 (oscillation) 모듈로구성되어있다. Fig. 1. The structure of abrasive film polishing system Fig. 2. The structure of the oscillation module 7072
다물체동역학해석을이용한커버글라스 Edge 연마용 Abrasive Film Polishing 시스템개발 본연구에서제작한 Abrasive film polishing 시스템의구동은연마필름이공급롤러와회수롤러에의해연마필름이이송되며, 롤러앞단에설치되어있는장력조정장치에의해일정한장력을유지하며연마필름이이송된다. 또한, 접촉롤러는오실레이션모듈에의해연마공정시일정한주기를가지고축방향으로가진시켜연마공정을수행한다. 오실레이션모듈에서설계초기의스프링직경은 2.5mm을선정하여장착하였고, 디스크의편심길이는 2.0mm을사용하였다. 제작한 Abrasive film polishing 시스템의구동테스트결과에서 Fig. 3과같이디스크와캠샤프트를연결하는구동베어링의파손을확인하였다. 따라서본연구에서는디스크와캠샤프트를연결하는베어링에대하여스프링직경에따른응력분석및캠샤프트의상대속도를다물체동역학해석을이용하여분석하였다. Abrasive film polishing 시스템에서오실레이션 (oscillation) 모듈에대하여동적하중에대한동역학해석을수행하였다. 동역학해석에사용된소프트웨어는 Recurdyn V8R2(FunctionBay) 을사용하였다. 동역학해석을위해 Fig. 4와같이동적모델을구성하여가진축과가이드홀더사이에스프링을장착하였고, 하중이집중되는베어링부품을유한요소모델로설정하여디스크와스프링하중에의해발생되는베어링의응력분포를분석하였다. 이때스프링권선직경변화에따라스프링하중의크기가변화하게되는데아래와같은수식으로계산하였다. 여기에서 P는스프링에작용하는하중, K는스프링상수, δ는스프링의처짐량을의미한다. 이때스프링상수는다음과같이표시된다. 여기에서 G는스프링재질의전단계수, d는스프링의권선직경, Na는스프링의유효권수, D는스프링의중심경을나타낸다. Table 1. Specification of spring for dynamic analysis Fig. 3. Failure of bearing in the oscillation module 3. 오실레이션모듈의동역학해석 Item Specification Shear modulus of material (G) 8,000 GPa Mean diameter (D) 19.5 mm Number of active coil (Na) 4 Free length of spring 30 mm Compressed length 18 mm Table 2. Condition of FEM model for bearing Material Property (Steel) Item Specification Mesh type Sweep mesh Mesh size 0.2 mm Nodes 6,769 Elements 5,617 Young s Modulus 200 GPa Density 7.85 kg/m 3 Shear Modulus 77.8 GPa Fig. 4. Dynamic model of the oscillation module 따라서본연구에서는 Table 1 과같이동일한재질 7073
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 및스프링유효권수, 중심경을가지는스프링에대하여권선직경을 2.5mm, 2.0mm, 1.5mm으로변화시켰을때작용하는동적하중을하중조건으로설정하였다. 앞선스프링하중은수식에의해스프링선경 2.5mm일때 154.9N, 2.0mm일때 68.6N, 1.5mm일때 23.5N이작용하게된다. 이러한스프링하중조건을설정하여베어링에작용하는응력을분석하기위해베어링에대한유한요소모델을생성하였고, 해석에사용한경계조건은 Table 2에나타내었다. (b) Contact force Fig. 6. Result of dynamic analysis case of d=2.0mm (a) Distribution of stress (a) Distribution of stress (b) Contact force Fig. 5. Result of dynamic analysis case of d=2.5mm (b) Contact force Fig. 7. Result of dynamic analysis case of d=1.5mm (a) Distribution of stress Fig. 5는스프링권선직경이 2.5mm일때의해석결과로베어링의이송방향이변화하는순간에원형디스크의모서리부분에서약 368MPa로응력값이최대로나타났으며, 이는베어링의항복강도 317MPa보다높은응력이작용하는것을확인하였다. 이때베어링과원형디스크의접촉반력은최대 163.2N이작용하는것을확인할수있었다. Fig. 4와 Fig. 5는스프링권선직경이각각 2.0mm, 1.5mm일때의해석결과로원형디스크의두께가최대인지점을지날때응력이최대가나오는경 7074
다물체동역학해석을이용한커버글라스 Edge 연마용 Abrasive Film Polishing 시스템개발 향은동일하나작용하는응력은스프링권선직경 2.0mm일때 161.9MPa, 1.5mm일때 141.6MPa로나타났고, 베어링과원형디스크의접촉반력은권선직경 2.0mm일때최대 64.6N, 1.5mm일때최대 44.8N이작용하는것을확인할수있었다. 따라서스프링권선직경이감소함에따라스프링상수와스프링하중이감소하여베어링에작용하는응력이감소하는것을확인하였다. Fig. 6에서 Fig. 8은스프링권선직경의크기에따른가진축의상대속도변화를나타낸것으로스프링직경이감소함에따라오실레이션 (oscillation) 모듈의상대속도변화폭이감소함을알수있다. 이는스프링권선직경이증가할수록스프링이복원되는힘과복원되는속도가증가함에따른것으로판단된다. Fig. 10. Result of relative velocity case of d=1.5mm 가진축의상대속도는연마시에어실린더가이송되는속도로작용하며, 상대속도가감소하게되면 Preston law[6] 에의하여연마지점의선속도가감소하게되며, 이는재료제거율을감소시키게되는원인으로작용한다. 따라서응력및상대속도분석결과를바탕으로시스템의안정성과연마효율증대를고려하여선경이 2.0mm인스프링을진동모듈에사용하였다. 4. 시스템평가 Fig. 8. Result of relative velocity case of d=2.5mm Fig. 11. Photograph of experiment set-up for measurement of displacement Fig. 9. Result of relative velocity case of d=2.0mm Fig. 12. Displacement of the oscillation module according to time 7075
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 앞선다물체동역학해석결과를바탕으로 Abrasive film polishing 시스템의오실레이션 (oscillation) 모듈에대한변위측정을수행하였다. Fig. 10은오실레이션 (oscillation) 모듈의변위측정을위해레이저변위센서를이용한측정시스템을나타낸다. 오실레이션모듈의구동조건은다물체동역학해석결과를기반으로구동속도를 1Hz로설정하여측정하였다. Fig. 11은오실레이션 (oscillation) 모듈에서디스크의회전에따른가진축의위치변화를다물체동역학해석결과와레이저변위센서를이용한결과를나타낸것으로변위측정결과전체적으로사인 (sine) 함수형태로나타나며, 해석결과에서는변위가 4.0mm로확인되었으며, 실험결과는약 3.8mm이며, 오실레이션모듈의구동속도는 0.8Hz로확인되었다. References [1] Yang, S. J., Jumped into the High-Tech Material Competition, LG Enocnomic Research Institute, 2012 [2] Displaybank, Korea, "Capacitive Touch Panel Cover Glass Processing Technology", Manufacturing Process, and Market Forecast, 2012. [3] Mohajerani, A., Spelt, J. K., Edge Chipping of Borosilicate Glass by Blunt Indentation, Mechanics of Materials, 42(26), pp.1064-1080, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.mechmat.2010.10.002 [4] Vereinigte Schmirgel-und Maschine-Fabriken, VSM High Tech Series, Version 1104/E05-HiTech 01, 2005. [5] 3M Korea Co., Ltd, Superabrasive and Microfinishing System Product Guide, 2005. [6] F. W. Preston, The theory and design of plate glass polishing machines, J. Soc. Glass Tehcnol.,Vol. 11, pp.214-256, 1927. [7] FuctionBay Inc., RecurDyn User Manual, http://www.functionbay.co.kr. 5. 결론 본연구에서는모바일커버글라스 Edge 가공을위한 Abrasive film polishing 시스템을제작하였으며, 이에대한구조적안정성평가를위해다물체동역학해석을수행하였으며, 그결과는다음과같다. (1) 제작된 Abrasive film polishing 시스템의오실레이션모듈에서디스크와캠샤프트의동력전달을위한베어링이파손되어, 동적하중에의한구조적안정성평가를위해스프링권선직경변화에따른베어링의응력분포를다물체동역학해석을수행하였다. (2) 해석결과스프링직경이 2.5mm에서응력은베어링의항복강도보다높은응력이작용하는것을확인하였으며, 다물체동역학해석결과로최종선정한스프링권선직경 2.0mm 이며, 이때작용하는응력은 161.9MPa, 접촉반력은 64.6N로확인되었다. (3) 오실레이션모듈의변위를동적해석결과와레이저변위센서를이용하여제작된시스템에대한변위를분석하였으며, 해석결과변위는 4.0mm, 레이저변위센서측정결과는약 3.8mm로확인하였으며, 이를기반으로모바일커버글라스 Edge 가공을위한 Abrasive film polishing 시스템에대한구조적특성을확인할수있었다. 하석재 (Seok-Jae Ha) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 서울산업대학교금형설계학과 ( 공학사 ) 2010 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 2015 년 8 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 2015 년 9 월 ~ 현재 : 인하대학교기계기술공동연구소연구원 마이크로절삭모니터링, 마이크로생산시스템 조용규 (Yong-Kyu Cho) [ 정회원 ] Maskless Lithography 2010 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2012 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 2012 년 3 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과대학원박사과정 7076
다물체동역학해석을이용한커버글라스 Edge 연마용 Abrasive Film Polishing 시스템개발 김병찬 (Byung-Chan Kim) [ 준회원 ] 이정우 (Jung-Woo Lee) [ 정회원 ] 2014 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2014 년 3 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과석사과정 2007 년 8 월 : 숭실사이버대학교벤처경영학과 ( 학사 ) 2004 년 7 월 ~ 현재 : ( 주 ) 위시스대표이사 초정밀연마 자동화생산설비, 머신비전검사시스템 강동성 (Dong-Seong Kang) [ 정회원 ] 2015 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2015 년 3 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과대학원박사과정 반도체, LED 정량토출시스템, 마이크로생산시스템 조명우 (Myeong-Woo Cho) [ 정회원 ] 1983년 2월 : 서울대학교기계설계과 ( 공학사 ) 1985년 2월 : 서울대학교기계설계과대학원 ( 공학석사 ) 1985년 ~ 1989년 : 한국생산성본부자동화사업부전문위원 1992년 2월 : University of Illinois ( 공학박사 ) 1993년 1월 ~ 1997년 1월 : 대우전자시스템사업부부장 1997년 2월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과교수 CAD/CAM/CAI, 마이크로생산시스템, 머신비전 7077