카메라폰용 초정밀 메가픽셀급

광학부품의 성형 및 금형기술에 관한

기술지원

2001. 07

지원기관 한국생산기술연구원

지원기업 주 포엠( )

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 카메라용 초정밀 메가픽셀급 광학부품의 성형 및 금형기술에 관한 기“

술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다”( : 2003. 7.~2004. 6.) .

2004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 312004. 7. 31

지원기관 : 한국생산기술연구원

대표자( ) 주덕영

지원기업 : 주 포엠( )

대표자( ) 문재호

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 이근안이근안이근안이근안

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 이근안이근안이근안이근안

〃〃〃〃 :::: 최석우최석우최석우최석우

〃〃〃〃 :::: 정하국정하국정하국정하국

- 3 -

종합기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

본 기술지원의 목표는 현재 메가픽셀급 카메라폰용 비구면 렌즈의 양산을 위한

기반기술을 확보하기 위하여 렌즈 제조기술과 관련된 유리 성형기술 금형 설계,

기술 및 이를 최적화할 수 있는 해석기술을 확보하기 위한 연구 지원

기술지원애용 및 범위기술지원애용 및 범위기술지원애용 및 범위기술지원애용 및 범위2.2.2.2.

본 기술지원사업의 범위는 카메라용 비구면 유리렌즈 제조를 위한 성형기술 및

금형기술을 지원하여 최적의 공정을 개발하는 연구로 다음과 같다.

장비를 이용한 성형용 금형의 설계 및 제작기술 지원o GMP

유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술 지원o

의 재질 특성 조사 및 분석기술 지원- Gob

최종형상의 렌즈 성형을 위한 예비형상 최적화 기술 지원-

초소형 렌즈 성형성 연구-

유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원o

상하형 금형의 위치 등의 공정 조건 최적화 기술지원- Profile

금형 내 최적 수 및 설계 기술 지원o Cavity Layout

금형 수명 연장을 위한 설계 기술 지원o

공정설계와 금형해석을 통한 최적의 금형 설계기술 지원-

- 4 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

성형용 금형 설계

기술

비구면 렌즈 성형 금형가

공 및 수명 에 연구 미흡

렌즈 성형용 금형 구조 설

계 및 수명 기술 지원으로

금형기술 확보

기술지원

완료

렌즈 성형공정

최적화 기술

렌즈 성형 공정 미흡으로

많은 시행착오 발생

성형 해석을 통한 성형 공

정 최적화 기술 확보

기술지원

완료

의 재질 특성Gob

조사 및 분석기술

유리 소재의 특성에 대한

분석 미흡

열간압축시험을 통한 유리

소재의 열간 특성 확보

기술지원

완료

초소형 렌즈 성형성

연구

초소형 렌즈의 성형에 대

한 유동특성 및 성형 특

성 미흡

렌즈 성형을 위한 해석기술

의 개발로 양산전 성형기술

확보

기술지원

완료

예비형상 최적화

기술

최종 형상을 결정하는 예

비형상 설계 기술 미흡

유한 요소 해석기술로 예비

형상의 최적화 기술 확보

기술지원

완료

금형 수명 연장을

위한 설계 기술

열간 성형 시 금형 수명

에 대한 기술 미흡

열간 성형 시 수명인자에

대한 연구와 코팅에 대한

기술 확보

기술지원

완료

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 메가픽셀급 카메라폰용 비구면 렌즈o :

모 델 명o :

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질비구면 플라스틱

렌즈미개발

메가픽셀급 카메라용

비구면유리렌즈

경쟁제품 대비 가격 일본수입렌즈원2,500 /

개원 개 예상1500 /

유리렌즈

기준

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

- 5 -

원가절감 효과 년 만개 생산기준 전체시장원가절감 효과 년 만개 생산기준 전체시장원가절감 효과 년 만개 생산기준 전체시장원가절감 효과 년 만개 생산기준 전체시장3) (‘05 200 / 10%)3) (‘05 200 / 10%)3) (‘05 200 / 10%)3) (‘05 200 / 10%)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년2,000 / ( 40 %) 렌즈 원가 절감

인건비 절감 백만원 년/ ( %)

계 백만원 년2,000 / ( 40 %)

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분당해연도

매출차년도 예상매출

전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년150 / 백만원 년2,250 / 1500%

수 출 천달러 년/ 천달러 년652 / %

계 백만원 년150 / 백만원 년3,000 / 2000%

참고 적용제품 주요수출국 일본) 1. :

작성당시 환율 기준 원2. :1,150 /$

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명당해연도

수입액차년도수입액 수입대체금액 비고

메가급 렌즈 천달러 년130 / 천달러 년1,956 / 천달러 년2,086 /

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년130 / 천달러 년1,956 / 천달러 년2,086 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

신제품 개발 적용 휴대폼용 초소형 비구면 유리렌즈 부품- :

공정개선 초소형 유리렌즈의 성형 및 금형설계 가공기술 확보- : /

상용화개발 메가픽셀급 휴대폼용 초소형 비구면 유리렌즈 개발- :

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기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

휴대폰 및 카메라용 초소형 비구면 렌즈 제조기반 확보-

국내외 휴대폰용 비구면 렌즈의 개발 기술 확보로 수입 대체-

휴대폰용 초소형 렌즈의 안정화된 개발로 품질확보 및 수출 기대-

사업화를 위한 부품개발의 다향화가 가능-

국내외 휴대폼용 초소형 유리 렌즈 부품 관련 전문기술 확보-

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

- 7 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건48 월 회이상의 기술정보 제공 및 협의3-4

시제품제작 건5 금형관련 시제품 제작

양산화개발 건1 비구면 유리 렌즈 양산 기반 확보

공정개선 건5 장치 안정성 및 공정 개발

품질향상 건10 부품 설계 변경 및 최적 설계 도출

시험분석 건10유리 소재 특성 분석 및 설계 해석을 통한 분석

과 시작품 시험

수출 및 해외바이어발굴 건0

교육훈련 건5 열간단조 공정 및 가광과 설계도면 분석 교육

기술마케팅 경영지원/ 건0

정책자금알선 건0

논문게재 및 학술발표 건0

기 타 건

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

본 연구는 향후 개발될 메가픽셀급 카메라폰용 유리 렌즈의 개발을 위한 기술지

원을 수행하였다 본 기술은 주 포엠과 한국생산기술연구원의 기술적 능력을 가. ( )

지고 연계되어 현재 시작품 제작에 들어갔고 양산을 위한 기반을 확보하고 있,

는 상태로 향후 전개될 카메라 및 휴대폰용 렌즈가 플라스틱에서 유리소재로 대

체되는 시점에서 국내외 시장을 확보할 수 있는 기반을 마련하였고 성공적인 기

술개발이 이루어 졌다.

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성1

제 절 기술지원 목표2

제 절 기술지원 내용3

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과1

비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석 기술지원 성과1.

유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원 성과2.

렌즈 성형용 금형 개발 지원 성과3.

비구면 유리 렌즈 성형 시스템 개발 지원 성과4.

제 절 기술지원 수행2

기술지원 추진일정1.

유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술2.

유리렌즈용 소재의 특성분석2-1

성형시 성형조건 및 해석 모델링2-2

유리 성형공정 해석 및 공정 최적화 기술 지원2-3

렌즈 성형용 금형 개발 지원3.

금형수명에 대한 기술 지원4.

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부록부록부록부록

- 9 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

- 10 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

휴대폰용 메가 픽셀급 렌즈 모듈은 어둡고 협소한 장소에서도 화상이 밝고 화질의,

선명도를 향상시킨 백만화소 이상급 의 와 렌즈 유닛을Mega( ) CCD/CMOD Sensor

결합하여 만드는 휴대폰용 카메라 렌즈 모듈이다 보통 휴대폰용 카메라 렌즈는 고.

화질 렌즈가 요구되고 고화질 렌즈의 경우 초점조정을 위하여 자동 초점조정, ,

가 필요한데 이 의 작동으로 도까지 발열(Auto focusing) actuator , actuator 70~80

되며 이로 인해 기존의 플라스틱 렌즈는 광학 성능이 저하되어 그 대책으로 초소, ,

형 비구면 유리렌즈를 채용하게된다 이때 유리렌즈를 성형하기 위해서는 프레스를.

이용한 메가픽셀급 초소형 유리렌즈의 양산화 개발이 필요하고 이에 따른 초정밀,

금형가공기술 및 금형설계 기술 를 이용한 성형 공정조건의 최적화 그리고, GMP ,

의 및 적정 수를 최적 설계하는 기술을 필요로 한다cavity layout cavity .

현재 핸드폰용 렌즈는 만화소급이 주종을 이루며 이는 대부분 플라스틱 렌즈30 2

매를 이용하여 구현하고 있다 최근 일본 도시바에서 시제품이 개발되었고 년. , ‘03

말 혹은 년 초에 시판 될 것으로 예상되는 백만 화소급이 플라스틱 매렌즈 혹’04 3

은 비구면 유리 매렌즈로 구현된다2 .

- 11 -

이후 해상력이 더욱 높은 이백만 화소급 카메라부터는 비구면 유리렌즈가 필수적으

로 사용되어야 하며 아직은 비구면 유리를 이용한 핸드폰용 렌즈는 상용화되지 않,

고 있으나 현재 억개의 시장규모를 갖는 휴대폰에 매의 유리렌즈를 장착하게5 2~3

되는 시점에서의 잠재수요에 대비 저가 대량생산을 위한 기술개발이 지속되고 있,

다 현재 비구면 유리렌즈의 생산기술은 일본만이 경쟁력을 갖추고 있는 실정이다. .

코어가공을 위한 초정밀 가공기술 코어 코팅기술 유리 정밀 가압성형기술등은 일, ,

본의 도시바 호야 알프스 등의 소수 전문회사에서만 경쟁력을 갖추고 있다, , .

그림 휴대폰용 카메라 렌즈 모듈 및 렌즈그림 휴대폰용 카메라 렌즈 모듈 및 렌즈그림 휴대폰용 카메라 렌즈 모듈 및 렌즈그림 휴대폰용 카메라 렌즈 모듈 및 렌즈1111

휴대폰의 국내 생산 점유율은 세계 생산량의 를 점하고 있어 세계 위를 고수25% 1

하고 있으며 비율은 그 이상을 점할 것으로 예상하고 있다 향후 줌 기능 및 백만, .

화소급이 개발되면 그 수요가 늘어나 현재의 디지털 카메라 시장을 잠식하여 전체

휴대폰의 이상이 카메라폰으로 대체될 것으로 예상하고 있다505 .

- 12 -

본 과제와 관련하여 주 포엠에서는 유리렌즈 개발의 핵심이 되는 복잡한 형상의( )

유리렌즈 제조기술을 개발하려고 시도하고 있는 업체로 초정밀 금형 개발 및 코어

가공 및 공정 설계기술을 이용하여 국내에 카메라용 유리렌즈를 적용 보급시키고자

하고 있으나 렌즈 개발시 제조원가의 절감 및 시행착오를 최소화 시키면서 고품질,

의 렌즈를 개발하기 위한 금형설계 및 해석기술에 대한 부족으로 개발에 어려움을

겪고 있어 기술적 지원이 필요한 실정이다 이러한 기술의 확보는 향후 전개될 휴.

대폰 시장에서 수입대체 뿐만아니라 이를 기반으로 하는 관련산업의 국제 경쟁력을

향상시킬 수 있어 국내 고부가가치 기반기술을 선점할 수 있는 계기가 될 것이다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 기술지원의 목표는 현재 메가픽셀급 카메라폰용 비구면 렌즈의 양산을 위한 기

반기술을 확보하기 위하여 렌즈 제조기술과 관련된 유리 성형기술 금형 설계기술,

및 이를 최적화할 수 있는 해석기술을 확보하기 위한 연구를 하는 것이 목표로 기

술을 지원

장비를 이용한 초정밀 비구면 유리렌즈 제조를 위한 초정밀 금형 가공기술o GMP

및 최적의 유리 성형공정 기술 지원

금형 가공 및 기술에 의한 렌즈 형상 정밀도 향상- Core Molding

- 13 -

유리 성형용 금형의 설계 및 제작기술 지원-

유리 성형 공정 해석을 통한 최적 공정 선정 지원-

의 재질특성 분석 및 예비형상 설계기술Gob•

성형온도 압력 상하형 위치 등의 공정조건 최적화, , Profile•

개발된 초정밀 금형 코어 가공기술의 양산 성형공정 작용 및 사용화 지원o ( )

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 기술지원사업의 범위는 카메라용 비구면 유리렌즈 제조를 위한 성형기술 및 금

형기술을 지원하여 최적의 공정을 개발하는 연구로 다음과 같다.

장비를 이용한 성형용 금형의 설계 및 제작기술 지원o GMP

유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술 지원o

의 재질 특성 조사 및 분석기술 지원- Gob

최종형상의 렌즈 성형을 위한 예비형상 최적화 기술 지원-

초소형 렌즈 성형성 연구-

유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원o

유리 성형시 온도조건 압력조건 등의 메카니즘 기술 지원- ,

상하형 금형의 위치 등의 공정 조건 최적화 기술지원- Profile

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금형 내 최적 수 및 설계 기술 지원(o Cavity Layout

프레스 금형의 최적화 기술 지원- Cavity Layout

유한 요소법을 통한 금형내의 수 최적화 기술 지원- Cavity

금형 수명 연장을 위한 설계 기술 지원o

유한 요소법을 통한 금형 구조 해석 지원-

공정설계와 금형해석을 통한 최적의 금형 설계 기술 지원-

- 15 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

- 16 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

본 기술지원 사업에서 계획된 기술지원의 전체 추진일정과 달성 정도는 다음과 같

다.

본 사업에는 렌즈용 유리 소재의 특성을 분석하기 위하여 기존의 자료와 문헌을 정

리 분석하여 계획을 수립하였으며 이를 바탕으로 렌즈용 유리 소재의 고온 특성을,

검토하기 위하여 열간압축시험을 수행하였다 이로부터 구한 고온에서의 특성 데이.

터를 이용하여 성형해석을 수행하여 성형공정 조건 및 성형성 등에 대한 검토를 수

행하였으며 이로부터 최적의 공정 조건을 연구할 수 있었다 도한 금형내의, . Core

의 최적화를 위한 금형 구조해석 및 설계를 통하여 금형을 설계할 수 있었다 이러.

한 기술지원을 통하여 비구면 유리렌즈를 성형할 수 있는 성형시스템 개발 지원을

수행하였다.

- 17 -

비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석 기술지원 성과비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석 기술지원 성과비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석 기술지원 성과비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석 기술지원 성과1.1.1.1.

메가픽셀급 카메라폰용 렌즈는 내부의 유리렌즈를 실린더 형상의 금속이 둘러싸고

있는 형상으로 열변형에 견디어 내기 위하여 기존의 플라스틱을 유리로 대체하려고

하는 렌즈이다 이 렌즈의 개발을 위해서는 유리 소재의 특성 분석을 통하여 광학.

적 성질 성형성 및 제품 품질을 고려하여 선택되어야 한다, .

유리 렌즈의 재질로는 일본 광학의 로 선정하였다 이 소재는 프OHARA L-LAH53 .

레스 성형 전용의 유리 소재로써 전이저모가 연화점이 상대적으로 낮아 성형 시간

의 단축과 저온 성형으로 인한 금형 수명의 연자의 장점을 지니고 있다 또한 굴절.

률이 으로 고굴절 유리소재인 데 비 해 환경적 문제를 야기시키는 와1.806 PbO

As2O3는 함유하고 있지 않다 의 밀도는 이며 기본적인 물성치. L-LAH53 2.2g/cm3

로는 광학적 특성과 열변형에 관한 특성 등이 있으며 보다 구체적인 특성이 표, 1

에 나타나 있다.

- 18 -

표표표표1 Material data of L-LAH531 Material data of L-LAH531 Material data of L-LAH531 Material data of L-LAH53

Glass Specification L-LAH53

Optical

properties

Reflective Index nd 1.80610

Abbe Number vd 40.9

Thermal

Properties

Photoelastic Constant ( / /MPa)β 1.96

Thermal Expansion100~300 (-

06/ )7.2

Strain Point StP( ) 534

Annealing Point AP( ) 558

Mechanical

Properties

Transformation Temp. Tg( ) 574

Yield Point At( ) 607

chemical

Properties

Softening Point Sp( ) 646

Thermal

Conductivityk(W/m K)ㆍ 0.862

Heat Capacity Cp(J/ K)ㆍ 840

Knoop Hardness Hk(Class) 660(7)

Young's Modulus E(Gpa) 115.1

Modulus of Rigidity G(Gpa) 44.3

Poisson ratio σ 0.298

Water Resistance RW(Class) 1

Acid Resistance RA(Class) 4

Weather Resistance DW(Class) 1

- 19 -

또한 이러한 성질을 가지고 있는 유리 소재의 고온에서의 유리 물성을 측정하기 위

하여 고온 압축시험을 실시하였다 압측 시험은 재료의 물성을 파악하고 이를 활용.

하여 성형해석 시의 성형 공정 설계를 위한 기본 데이터를 활용하기 위함이다 실.

제로 압축 시험은 시편 내분의 응력분포가 복잡해 지므로 실험 자료의 처리가 어려

워진다는 단점이 있지만 실제 성형공정을 잘 모사한다는 장점을 지니고 있다.

고온 압축실험은 한국과학기술원 교육 지원동에서 가열로를 갖춘 모INSTRON4206

델을 사용하여 실시하였다 실험에 사용된 만능 재료 시험기의 구조는 그림 와 같. 2

다.

시험기 정면시험기 정면시험기 정면시험기 정면(a) INSTRON(a) INSTRON(a) INSTRON(a) INSTRON

- 20 -

에 장착된 가열로에 장착된 가열로에 장착된 가열로에 장착된 가열로(b) INSTRON(b) INSTRON(b) INSTRON(b) INSTRON

그림 고온 압축 실험에 사용한 시험기그림 고온 압축 실험에 사용한 시험기그림 고온 압축 실험에 사용한 시험기그림 고온 압축 실험에 사용한 시험기2 INSTRON42062 INSTRON42062 INSTRON42062 INSTRON4206

시편은 사에서 생산되는 광학용 유리인 의 원통형 시편이고 그림OHARA L-BAL35

과 같다 수행된 시험 조건과 결과는 표 와 같다3 . 2 .

그림 고온 압축 실험에 사용한 유리 시편그림 고온 압축 실험에 사용한 유리 시편그림 고온 압축 실험에 사용한 유리 시편그림 고온 압축 실험에 사용한 유리 시편3 (D×H:9.21×9.15 )3 (D×H:9.21×9.15 )3 (D×H:9.21×9.15 )3 (D×H:9.21×9.15 )

- 21 -

표 고온 압축 실험 조건표 고온 압축 실험 조건표 고온 압축 실험 조건표 고온 압축 실험 조건2222

그림 와 그림 는 초기 시편의 크기 높이 지름이 인 경우 온도 약4 5 : 9.15: 9.22

와 에서 번과 번의 고온 압축 실험에 대해 일정한 속도로 펀치를 하565 600 2 3

강시켰을 경우 으로부터 얻은 힘 변위 그래프이다 이 그래프를 보면 작, INSTRON - . ,

용 힘은 소재가 압축이 일어나면서 단면적이 커지게 되고 이에 따라 하중이 증가하

고 있음을 알 수 있었다.

그림 과 그림 는 번 번 실험의 시편의 압축된 후의 형상을 나타내고 있다 시6 7 1 , 3 .

편의 형상을 보면 금형과 소재사이의 마찰로 인하여 벌징이 일어나고 있음을 볼 수

있으며 유리 소재의 변형이 고온에서 적절하게 이루어 졌음을 알 수 있었다, .

- 22 -

그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프4 9.15×9.22 567 -4 9.15×9.22 567 -4 9.15×9.22 567 -4 9.15×9.22 567 -

그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프그림 시편 로 온도 실험시 힘 변위 그래프5 9.15×9.22 602 -5 9.15×9.22 602 -5 9.15×9.22 602 -5 9.15×9.22 602 -

- 23 -

그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상6 16 16 16 1

그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상그림 시험조건 의 고온압축실험후 시편의 형상7 37 37 37 3

- 24 -

실험 의 경우 그림 으로부터 시편의 위 아랫면이 균일하게 변형한 것을 알 수 있1 6

다 그러나 실험 의 경우 성형 도중 시편이 파괴되어 성형된 시편을 얻을 수 없었. 2

는데 성형 온도가 유리의 전이점에 비해 낮아 성형되지 못하고 파괴된 것으로 사료

된다.

그림 의 경우는 실험 의 경우로 금형의 위 아랫면의 온도차이로 인해 비대칭적으7 3

로 성형된 모습을 보여주고 있다 이는 장비에 부착된 가열로의 온도조절. INSTRON

장치가 있지만 소재의 크기가 작고 금형이 오부 환경에 의하여 온도 손실이 발생,

하고 있기에 정확하게 상하 금형의 온도를 일정하게 유지하기가 매우 어려웠다.

을 이용한 유리의 단순 압축 실험의 경우 실험장치가 환경의 영향을 많이INSTRON

받고 금형의 균일한 가열이 이루어지지 않아 만족스러운 결과를 얻지 못하였다 필.

요한 물성치를 얻기 위한 압축실험의 개선을 위채 보다 더 정밀한 기기를 이용하여

측정을 하거나 유리에 대해 주어진 기본적인 물성치만 가지고도 성형 해석을 수행

할 수 있는 성형 해석 기법에 관한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다 본.

연구에서는 위와 같은 문제를 해결하고자 다음과 같은 유리 성형용 고온 압축실험

을 위한 장비를 이용하여 보다 정확한 유리의 물성치를 얻고자 하였다.

비구면 유리렌즈용 소재의 특성 분석을 위하여 생기원이 보유하고 있는 마이크로

인장시험기를 압축용으로 개조하여 고온 압축시험을 수행하였다 다음의 그림 은. 8

고온 압축을 위한 장비를 보여 주고 있으며 이는 표 에 나타나 있는 구성품으로, 3

이루어져 있다 고온 압축용 장비는 가열로와 속도를 조절할 수 있는 장치 및 온도.

조절기 등으로 이루어져 있으며 가열로는 까지 온도를 가열시킬 수 있으며, 800 ,

속도는 까지 조절이 가능하다1~125 /min .

- 25 -

하중을 구하기 위한 로드셀은 10kN으로 고온의 유리를 압축 실험하는데 사용하였

다 그림 에는 고온 압축용 장비를 여러 각도에 본 그림을 나타내고 있으며 그림. 8 ,

는 가열로 상하 평금형 등 각 구성 장치의 상세 그림이 나타나 있다9 , .

그림 유리소재를 위한 고온 압축용 시험기그림 유리소재를 위한 고온 압축용 시험기그림 유리소재를 위한 고온 압축용 시험기그림 유리소재를 위한 고온 압축용 시험기8888

고온 압축용 장비 상세도고온 압축용 장비 상세도고온 압축용 장비 상세도고온 압축용 장비 상세도(a)(a)(a)(a)

- 26 -

고온압축용 장비에 부착된 가열로고온압축용 장비에 부착된 가열로고온압축용 장비에 부착된 가열로고온압축용 장비에 부착된 가열로(b)(b)(b)(b)

그림 고온 압축용 장비그림 고온 압축용 장비그림 고온 압축용 장비그림 고온 압축용 장비8888

다음의 그림 는 위와 같은 장비를 제작하기 위한 설계도면으로 각 세부 부품에 대9

한 상세도가 나타나 있다 본 연구에서는 고온 압축용 실험을 위하여 도면으로 기.

준으로 제작된 압축용 장비를 이용하여 실험을 수행하였다.

이러한 장비를 이용하여 온도 에서의 고온 특성 실험을 수행하였으며570~590 ,

고온에서의 유리의 유동응력식을 온도와 변형율 속도 등의 함수로 구하였으며 이,

를 이용하여 성형해석 시 사용하였다.

- 27 -

그림 고온 압축용 시험기 설계 도면그림 고온 압축용 시험기 설계 도면그림 고온 압축용 시험기 설계 도면그림 고온 압축용 시험기 설계 도면9999

- 28 -

표 고온압축용 장비 구성요소 사양표 고온압축용 장비 구성요소 사양표 고온압축용 장비 구성요소 사양표 고온압축용 장비 구성요소 사양3333

No Item Specification Data

1 Dimension I.D 10 ×O.D50 ×70H( )Φ Φ

2 Operating temperature 800

3 Maximum temperature 900

4 Heating element Ni-Cr Sheathed wire

5 Insulation Casted ceramic fiber

6 Furnace case Duralumin

7 Resistance 3Ω

8 Power 200W

9 Transformer Input 220V / Output 30V

유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원 성과유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원 성과유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원 성과유리 성형공정 최적화를 위한 공정개발 지원 성과2.2.2.2.

비구면 유리를 성형하기 위해서는 금형과 성형장비를 이용하여 원하는 성형온도,

가열조건 등을 설정하고 렌즈를 제조하게 된다 본 연구에서는 유리성형 최적화를.

위한 성형 조건에 대한 연구를 수행하였으며 이를 위해 해석적 기법과 실험을 이,

용한 비교 연구를 통하여 공정을 개발하였다 다음은 이를 위한 설과를 나태내고.

있다 그림 에는 비구면 유리렌즈 형상을 나타내고 있으며 그림 에는 최종형. 10 , 11

상의 비구면 렌즈 도면과 이를 위한 예비형상 도면이 나타나 있다.

- 29 -

그림 비구면 유리렌즈 형상그림 비구면 유리렌즈 형상그림 비구면 유리렌즈 형상그림 비구면 유리렌즈 형상10101010

비구면 렌즈의 최종형상 도면비구면 렌즈의 최종형상 도면비구면 렌즈의 최종형상 도면비구면 렌즈의 최종형상 도면(a)(a)(a)(a)

- 30 -

비구면 렌즈 예비형상 도면비구면 렌즈 예비형상 도면비구면 렌즈 예비형상 도면비구면 렌즈 예비형상 도면(b)(b)(b)(b)

그림 비구면 렌즈 형상 도면그림 비구면 렌즈 형상 도면그림 비구면 렌즈 형상 도면그림 비구면 렌즈 형상 도면11111111

그림 에는 비구면 렌즈 성형을 위한 최종형상을 나타내고 있으며 축대칭 형상을12 ,

이루고 있다 이를 성형하기 위해서는 여러 종류의 예비형상에 따라 최종형상의 성.

형에 영향을 끼치게 된다.

본 연구에서는 그림 에 나타나 있는 예비형상에 대하여 해석을 수행하고자 하였13

으며 이를 통하여 예비형상을 최적화하고자 하였다 또한 향후 생산성을 고려하여, .

가능한한 에비형상을 선택하고자 가지 경우에 대한 해석 수행후 최종형상을 비교3

분석하여 보았다.

- 31 -

그림 에는 예비형상 에 대한 해석 모델링을 보여 주고 있다 이 그림에서 보14 (a) .

면 열간에서의 해석을 위하여 소재와 상하금형을 유한 요소로 구성하였다.

그림 카메라용 비구면 렌즈 형상그림 카메라용 비구면 렌즈 형상그림 카메라용 비구면 렌즈 형상그림 카메라용 비구면 렌즈 형상12121212

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 카메라용 비구면 유리렌즈 성형을 위한 예비 형상그림 카메라용 비구면 유리렌즈 성형을 위한 예비 형상그림 카메라용 비구면 유리렌즈 성형을 위한 예비 형상그림 카메라용 비구면 유리렌즈 성형을 위한 예비 형상13131313

- 32 -

그림 비구면 유리렌즈 성형을 위한 해석 모델링그림 비구면 유리렌즈 성형을 위한 해석 모델링그림 비구면 유리렌즈 성형을 위한 해석 모델링그림 비구면 유리렌즈 성형을 위한 해석 모델링14141414

그림 에는 장비를 이용하여 비구면 렌즈 성형실15 GMP(Glass Molding Pressure)

험 후의 렌즈 형상을 보여 주고 있다 현재 성형조건이 안정화되어 있지 않아.

양품이 생산되고 있지는 않으나 장비의 조건과 성형 조건이 안정화되100% GMP

면 양산 수율이 향상될 것이다 그림 는 양품의 비구면렌즈를 보여주고 있고. 15 (a) ,

의 경우는 불량의 비구면 렌즈로서 렌즈 표면이 검게 그을린 양상이 나타나고(b)

있다.

양품렌즈양품렌즈양품렌즈양품렌즈(a)(a)(a)(a) 불량렌즈불량렌즈불량렌즈불량렌즈(b)(b)(b)(b)

그림 비구면 렌즈 성형실험 후의 렌즈의 형상그림 비구면 렌즈 성형실험 후의 렌즈의 형상그림 비구면 렌즈 성형실험 후의 렌즈의 형상그림 비구면 렌즈 성형실험 후의 렌즈의 형상15151515

- 33 -

렌즈 성형용 금형 개발 지원 성과렌즈 성형용 금형 개발 지원 성과렌즈 성형용 금형 개발 지원 성과렌즈 성형용 금형 개발 지원 성과3.3.3.3.

그림 에서 그림 까지는 렌즈 성형용 금형을 구성하기위한 구성품을 나타내고16 20

있다 그림에서 보면 렌즈성형형 금형은 코어금형 코어금형 베이스 상하금형의. , ,

플레이트 등을 이루어져 있다 특히 그림 에는 코어 금형의 베이스 위에Back . 16

코어 금형들이 을 이루어 배치되어 있음을 볼 수 있다 금형 베이스 위의Cavity .

의 개수는 생산성과 직결되어 있기 때문에 개수를 결정하고 위치를 배치시키Cavity ,

는 것은 매우 중요하다.

그림 몰드 베이스위의 코어 금형의 배치그림 몰드 베이스위의 코어 금형의 배치그림 몰드 베이스위의 코어 금형의 배치그림 몰드 베이스위의 코어 금형의 배치16161616

- 34 -

그림 상하측코어와 몰드베이스그림 상하측코어와 몰드베이스그림 상하측코어와 몰드베이스그림 상하측코어와 몰드베이스17171717

그림 코어 금형의 상하측 몰드 베이스그림 코어 금형의 상하측 몰드 베이스그림 코어 금형의 상하측 몰드 베이스그림 코어 금형의 상하측 몰드 베이스18181818

그림 상하측 플레이드그림 상하측 플레이드그림 상하측 플레이드그림 상하측 플레이드19 back19 back19 back19 back

- 35 -

그림 상하측 금형그림 상하측 금형그림 상하측 금형그림 상하측 금형20 Core20 Core20 Core20 Core

그림 에서 에는 비구면 렌즈 성형을 위한 상하금형의 도면이 나타나 있다 렌21 24 .

즈가 정밀도가 매우 높기 때문에 코어 금형을 정밀하게 가공하는 것이 매우 중요하

다.

초소형 비구면 렌즈의 고정밀도 형상 오차 와 표면 거칠기(P-V) (Surface

향상을 위한 연삭 가공 기술에 있어서 비구면 연산Roughness) CNC (Aspheric

가공은 총 개의 자유도를 가지는 제어 연삭기에 의해 가공이 되고Grinding) 4 CNC ,

연삭숫돌의 운동은 축 제어에 의해 이루어진다 연삭 숫돌 축이 로 경사져x, y 2 . 45

있는 페러럴 방식 인 비구면 연삭기(Parallel method) CNC (ULG-100A(T) Toshiba

를 사용하여 연삭 가공을 수행하기 위하여 우선 연삭 가공 기술을 확보하Co., Ltd)

기 위한 예비 단계인 트루잉 과 드레싱 공정세서는 컵형 트루어(Truing) (Dressing)

방식을 사용하였다 컵형 트루어 방식은 가(Cup type truer) . CG(Curve generator)

공의 원리를 이용한 방법 으로서 기존의 토러스 형 연(Turing method) (torus type)

삭 숫돌이 아닌 반구면 형상의 연삭 숫돌을 가공하여 숫돌의 정밀한 값을 생성하, R

기 위한 방법이다 이에 따라 트루잉과 드레싱 공정을 걸쳐 얻어진 구면 숫돌의 반.

경 값을 통하여 공구 운동 궤적을 얻었고 구면 숫돌에 의한 비구면 가공을 시도하,

였다.

- 36 -

한편 비구면 형상의 정밀도 측정은 접촉식 표면 조도 측정기(Form-Talysurf 402L,

를 사용하였다 비구면 가공 실험에 사용된 렌즈 코어의Taylor Hobson Co., Ltd) .

금형 소재는 초경합금이고 광학 설계식에 의한 초소형 비구면 렌즈 모델을 이용하,

여 연삭 가공을 하였다 이와 같이 가공된 비구면 렌즈용 금형을 이용하여 렌즈 성.

형 실험을 시도하고자 하였다.

그림 비구면 렌즈 성형용 하코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하코어 금형 도면21212121

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그림 비구면 렌즈 성형용 상코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상코어 금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상코어 금형 도면22222222

그림 비구면 렌즈 성형용 하금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 하금형 도면23232323

- 38 -

그림 비구면 렌즈 성형용 상금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상금형 도면그림 비구면 렌즈 성형용 상금형 도면24242424

비구면 유리 렌즈 성형 시스템 개발 지원 성과비구면 유리 렌즈 성형 시스템 개발 지원 성과비구면 유리 렌즈 성형 시스템 개발 지원 성과비구면 유리 렌즈 성형 시스템 개발 지원 성과4.4.4.4.

그림 에서 에는 비구면 렌즈 성형을 위한 금형시스템과 이를 장비에 설25 28 GMP

치한 그림들을 나타내고 있다 이와 같이 구성된 비구면 유리렌즈 성형 시스템을.

이용하여 렌즈를 성형하였다.

- 39 -

그림 비구면 렌즈 성형용 금형 시스템그림 비구면 렌즈 성형용 금형 시스템그림 비구면 렌즈 성형용 금형 시스템그림 비구면 렌즈 성형용 금형 시스템25252525

그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기26 GMP26 GMP26 GMP26 GMP

- 40 -

그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기그림 비구면 렌즈 성형용 금형과 성형기27 GMP27 GMP27 GMP27 GMP

그림 장비그림 장비그림 장비그림 장비28 GMP(Glass Molding Pressure)28 GMP(Glass Molding Pressure)28 GMP(Glass Molding Pressure)28 GMP(Glass Molding Pressure)

- 41 -

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

세부 기술 지원 추진일정과 연구 지원 내용 및 성과 정도를 표로 도시하면 다음과

같다.

기술지원은 계획된 추진일정에 따라 모두 수행되었다 이 중 이근안 연구원은 비구.

면 유리렌즈의 성형기술과 금형기술을 확보하기 위한 해석기술을 지원하였으며 최,

석우 연구원은 비구면 유리렌즈의 제품화를 위한 생산기술에 대하여 기술지원을 수

- 42 -

행하였다 도한 정하국 연구원은 비구면 유리렌즈의 재질 특성을 분석하기 위한 물.

성특성에 관한 기술을 지원하였다 각각의 지원 기술에 대한 상세한 설명은 다음.

절에서 설명하고자 한다.

유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술유리 성형공정 해석을 통한 공정 최적화 기술2.2.2.2.

유리렌즈용 소재의 특성분석유리렌즈용 소재의 특성분석유리렌즈용 소재의 특성분석유리렌즈용 소재의 특성분석2-12-12-12-1

본 연구에서는 비구면 렌즈용 유리의 성형해석을 위해서는 유리의 물성치가 필요하

다 일반적으로 유리의 거동은 점도에 의존하게 되는데 유리는 보통 약 근방. 570

에서 용융되는 전이점을 갖게 되는데 전이점 이하의 온도에서는 고체의 성질을 가,

지고 있는 물질이므로 유리의 거동을 정의하기가 어렵다 보통 유리상태는 과냉각.

책체가 결정화함이 없이 동결고화된 상태이며 원자의 배열을 막고 있는 것은 융점,

근방에서 점성이 크기 때문이다.

일반적으로 고온에서 성형과정을 거치는 소재의 유동응력은 온도와 변형율 변형율,

속도의 함수로 나타낼 수 있고 다음의 식과 같다.

유리소재에 있어서는 위식을 다음과 같이 변형율항과 변형율 속도항으로 나타낼 수

있다.

- 43 -

프레스를 이용한 유리성형은 연화점 근방의 높은 온도에서 성형하기 때문에 전이점

이상의 고온에서 유리의 거동은 변형 이력이 포함되지 않으므로 초기 변형의 효과

를 무시할 수 있다 또한 유리의 형상 과정을 등온 과정이라 가정을 하여 위식을.

다음과 같은 식으로 표현하고자 하였다.

위의 식에서 는 응력계수이고 은 변형율 속도 계수이다 본 연구에서는 위의 유k m .

동응력식을 구하기 위하여 압축실험을 수행하였다 실험 조건은 원소재의 크기는.

지름 높이가 이고 압축온도는 압축속도는 변형율 속도를: 1.45:1.98 , 570~580 ,

일정하게 유지하기 위하여 원소재의 압축변위에 따라 속도의 변화를 주었다 사용.

된 시편과 압축후의 시편의 형상이 그림 에 나타나 있다29 .

그림 유리 소재의 압축 전후의 시편 형상그림 유리 소재의 압축 전후의 시편 형상그림 유리 소재의 압축 전후의 시편 형상그림 유리 소재의 압축 전후의 시편 형상29292929

- 44 -

이와 같은 조건에서 하중 변위 선도를 다음 그림 에서 로 얻을 수 있었고 이- 30 34 ,

로부터 유리렌즈의 성형온도인 에서의 응력 변형율 선도 및 응력 변형율 속570 - -

도 선도를 그림 에서 상이에서 얻을 수 있었다 또한 이와 같이 얻은 선도로부35 37 .

터 유동응력식을 얻을 수 있었다 얻은 결과는 다음의 식으로 나타낼 수 있었고 본.

연구에서는 위식을 이용하여 성형해석을 수행하였다.

그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도30 1 570, 580 -30 1 570, 580 -30 1 570, 580 -30 1 570, 580 -

- 45 -

그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도31 3 570, 580 -31 3 570, 580 -31 3 570, 580 -31 3 570, 580 -

그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도32 5 570, 580 -32 5 570, 580 -32 5 570, 580 -32 5 570, 580 -

- 46 -

그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도그림 변형율 속도 에서의 온도 에서의 하중 변위 선도33 10 570, 580 -33 10 570, 580 -33 10 570, 580 -33 10 570, 580 -

그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 하중 변위 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 하중 변위 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 하중 변위 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 하중 변위 선도34 570 -34 570 -34 570 -34 570 -

- 47 -

그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 선도35 570 -35 570 -35 570 -35 570 -

그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 보간선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 보간선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 보간선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 보간선도36 570 -36 570 -36 570 -36 570 -

- 48 -

위와 같은 얻은 응력 변형률 속도 함수는 그림 에서 각 변형률에서 로그 변형률37

속도 및 응력 선도를 그려서 각 점들을 보간하여 얻을 수 있었다.

그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 로그선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 로그선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 로그선도그림 온도 에서의 변형율 속도에 따른 진응력 진변형율 로그선도37 570 -37 570 -37 570 -37 570 -

성형시 성형조건 및 해석 모델링성형시 성형조건 및 해석 모델링성형시 성형조건 및 해석 모델링성형시 성형조건 및 해석 모델링2-22-22-22-2

성형 방식으로 유리 렌즈를 성형하기 위해서는 시간에 따라 온도와 가압력을GMP

적절하게 결정해 주어서 전체 공정을 거쳐 성형된 최종의 유리렌즈가 형상저오도,

및 광학적 성능 요구치를 만족시키도록 해야 한다 유리렌즈가 성형되기 위해서는.

가열 성형 냉각 등의 공정을 거치데 되는데 본 연구에서는 유한요소해석기법을 적, ,

용하여 성형고정 과정을 해석하는 기법을 개발하였다.

- 49 -

성형 해석은 고온 압측 실험에서 얻은 유리의 물성치를 이용하였으며 금형을 모델,

링하여 해석을 수행하였고 해석 결과의 타탕성을 검증하기 위하여 시제품 성형실,

험한 시편 형상과 비교 분석하여 보았다.

보통 유리 렌즈는 성형되는 온도구간에서 점탄성으로 인해 응력 이완 현상을 보인

다 가열된 상태의 유리에서 점탄성 구성관계식과 열전달 해석을 이용하여 가압과.

냉각과정에서 발생하게 되는 응력분포를 시간과 온도의 변화에 따라 계산함으로서

성형 후 남게 되는 잔류응력 분포를 예측할 수 있다 또한 이를 광탄성 이론을 통.

해 복굴절 분포로 변환할 수 있다 렌즈에서 복굴절 발생은 요구되는 수준으로 억.

제되어야 한다 성형공정에서 이러한 목표를 이루기 위해 시간 온도 가압량 등의. , ,

조절을 시뮬레이션을 통해 실시하고 최종 제품이 갖게 될 복굴절 분포를 예측하여,

이를 바탕으로 최적의 성형공정을 설계를 가능하도록 하는 것이 일반적으로 중요하

다.

성형실험에서는 성형 방식으로 유리 렌즈를 성형할 대 일반적으로 그림 에GMP 38

서와 같이 가열 유리 내부의 항온 유지 가압 서냉 재가압 급냉의 과정을 거치게, , , , ,

된다 일반적으로 유리는 굴복점 온도 근처가지 가열되어 내부가 항. (Yielding point)

온 상태가 되었을 때 프레스력이 가해져 렌즈 형상으로 변형된다 이후 유리 전이.

온도 이하로 서서히 냉각되고 이로 인해 발생하(glass transformation temperature)

는 수축분을 보상하여 최종의 렌즈 형상을 나타내도록 재 가압이 이루어진다 그.

이후의 온도범위에서 유리는 고체와 같은 상태가 되기 때문에 냉각속도를 빠르게

하여 상온까지 냉각시켜 최종 제품으로 완성된다 따라서 그림 과 같은 성형 공. 38

정을 결정하기 위하여 각 과정에서 일어나는 현상을 해석할 필요가 있다.

- 50 -

그림 성형에서의 전형적인 시간 온도 압력 선도그림 성형에서의 전형적인 시간 온도 압력 선도그림 성형에서의 전형적인 시간 온도 압력 선도그림 성형에서의 전형적인 시간 온도 압력 선도38 GMP - -38 GMP - -38 GMP - -38 GMP - -

유리를 프레스 성형하기 위해서는 프레스력에 의해 파괴가 일어나지 않고 충분히

변형할 수 있는 온도까지 가열하는 것이 필요하다 이 온도는 통상 굴복점. (Yielding

이라 불리는 온도 근방이 되는데 이때 유리는 자중에 의해 즉각적인 변형을point) ,

일으키지 않고 외력에 의해 쉽게 변형을 일으키는 상태가 된다 가열 과정에서 렌.

즈 프리폼과 다이의 열전달 현상을 고려하여 렌즈의 열팽창을 계산하여 이를 가압

과정의 초기치로 사용하도록 한다 가압이 시작되면 프레스력에 의해 렌즈 프리폼.

은 변형을 하게 되고 응력이 발생하게 된다 이때 통해 얻어진 유리렌즈가 요. GMP

구되는 광학적 성질을 나타내려면 형상 정도는 물론이고 내부의 잔류응력가지 적절

하게 제어될 수 있어야 한다.

- 51 -

유리 성형 과정 중 발생하는 잔류응력은 유리 구조의 이방성을 야기함으로써 복굴

절을 일으키는 원인이 된다 따라서 적절한 성형조건을 선정해 주어 잔류응력을 억.

제할 필요가 있는 것이다 현재로서 성형 조건의 선정은 과거 양호하게 성형이 된.

유사품의 조건에서 선정하여 시행 착오적으로 결정하고 있다 성형공정을 제어하면.

서 최종제품의 형상 및 복굴절량을 예측할 수 있다면 요구되는 광학적 성능을 나타

내면서 생산 속도를 상승시킬 수 있는 최적의 성형 조건을 결정할 수 있다.

본 연구에서는 성형 조건 및 해석 모델링을 이용하여 해석을 수행하고자 하였으며,

성형조건은 다음의 표 과 같고 해석모델링은 그림에 나타나 있다3 .

표 비구면 렌즈 성형을 위한 온도 조건 및 물성치표 비구면 렌즈 성형을 위한 온도 조건 및 물성치표 비구면 렌즈 성형을 위한 온도 조건 및 물성치표 비구면 렌즈 성형을 위한 온도 조건 및 물성치3333

성형 인자 조건

유리 소재의 온도 570

금형의 온도 580

소재 물성치 = 0.17σ έ0.75

예비 형상 그림 13

- 52 -

그림 유리렌즈 성형을 위한 초기 소재 금형형상그림 유리렌즈 성형을 위한 초기 소재 금형형상그림 유리렌즈 성형을 위한 초기 소재 금형형상그림 유리렌즈 성형을 위한 초기 소재 금형형상39 , Modeling39 , Modeling39 , Modeling39 , Modeling

유리 성형공정 해석 및 공정 최적화 기술 지원유리 성형공정 해석 및 공정 최적화 기술 지원유리 성형공정 해석 및 공정 최적화 기술 지원유리 성형공정 해석 및 공정 최적화 기술 지원2-32-32-32-3

비구면 유리렌즈의 성형공정 해석비구면 유리렌즈의 성형공정 해석비구면 유리렌즈의 성형공정 해석비구면 유리렌즈의 성형공정 해석2-3-12-3-12-3-12-3-1

본 연구에 있어서 비구면 유리렌즈 성형을 위하여 해석을 수행하였다 해석은 강열.

점소성 유한요소법을 이용하였으며 해석 프로그램으로는 범용 소프트웨어인,

를 이용하여 해석을 수행하였다DEFORM2D .

고바야시 등에 의해 제안된 강점소성유한요소법은 보통 성형해석시 널리 사용되는

접근 방법으로 평형 방석식과 에너지 방정식을 연계하여 문제를 해결할 수 있다.

강점소성 유한요소법을 위한 구성방정식 및 지배 방정식은 다음과 같다.

Equilibrium equation:Equilibrium equation:Equilibrium equation:Equilibrium equation:

Energy equation:Energy equation:Energy equation:Energy equation:

- 53 -

Constitutive equation:Constitutive equation:Constitutive equation:Constitutive equation:

Compatibility equation:Compatibility equation:Compatibility equation:Compatibility equation:

Yield criteria:Yield criteria:Yield criteria:Yield criteria:

Boundary conditions:Boundary conditions:Boundary conditions:Boundary conditions:

위의 식들을 이용하여 이산화시키고 뉴턴 랩슨방법에 의해 비선형 방정식을 풀어서-

해를 얻어낼 수 있다.

비구면 유리 렌즈 성형을 위하여 앞절에서 설명한 성형조건을 이용하였으며 이를,

위하여 격자구조로 이루어진 을 하였다 앞절의 그림 에서 보는 바와Modeling . 39

같은 모델을 이용하였으며 각각의 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며 그 결과, ,

를 분석하여 보았다 또한 이로부터 비구면 유리 렌즈 성형을 위한 마찰조건에 따.

른 변화 성형 조건과 예비형상 금형 형상에 따른 변화를 검토하였다, , .

- 54 -

가 비구면 유리 렌즈의 성형 해석 마찰계수가 비구면 유리 렌즈의 성형 해석 마찰계수가 비구면 유리 렌즈의 성형 해석 마찰계수가 비구면 유리 렌즈의 성형 해석 마찰계수) ( : 0.02)) ( : 0.02)) ( : 0.02)) ( : 0.02)

이 경우에 있어서의 성형 조건은 마찰계수 일 경우 상하금형의 형상에 다라0.02 ,

예비형상을 이용하여 해석을 수행하였다 그림 에는 성형 시의 소재의 변형 양상. 40

을 보여주고 있다 이 그림에서 보면 소재는 상금형에 접촉하여 소재가 성형되는.

과정 중에 상금형의 코너 부분에서 완전히 이 안된고 성형이 되는 것을 볼Filling

수 있었다 결국 최종 형상에 도달하게 되면 소재의 형상은 비구면 렌즈의 최종형.

상으로 성형되지 않음을 볼 수 있었다 도한 소재와 금형 사이의 마찰에 의하여 소.

재의 최종형상으 자유표면에서 벌징이 일어나고 있음을 알 수 있다 그리고 소재의.

자유 표면에서는 금형 형상에 의한 구속에 의하여 소재가 부풀어 있음을 알 수 있

었다.

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

- 55 -

(c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 비구면 렌즈 성형 시 소재의 변형 양상그림 비구면 렌즈 성형 시 소재의 변형 양상그림 비구면 렌즈 성형 시 소재의 변형 양상그림 비구면 렌즈 성형 시 소재의 변형 양상40404040

이 때 그림 에 나타나 있는 것과 같이 마지막 단계에서의 유효 변형율과 응력 그41

리고 온도 분포를 검토하여 보면 유효 변형률과 응력은 상하금형의 코너 부위에서

집중되어 있음을 확인할 수 있었다 또한 그림 에는 소재의 온도분포가 나타나. 42

있는데 금혈과 소재의 온도차이가 로 소재의 온도 분포가 작은 구배로 변하고10

있음을 볼 수 있다.

- 56 -

유효 변형율 분포유효 변형율 분포유효 변형율 분포유효 변형율 분포(a)(a)(a)(a)

유효응력분포유효응력분포유효응력분포유효응력분포(b)(b)(b)(b)

그림 최종형상의 소재에서의 유효응력과 변형율 분포그림 최종형상의 소재에서의 유효응력과 변형율 분포그림 최종형상의 소재에서의 유효응력과 변형율 분포그림 최종형상의 소재에서의 유효응력과 변형율 분포41414141

- 57 -

그림 최종형상의 소재에서의 온도 분포그림 최종형상의 소재에서의 온도 분포그림 최종형상의 소재에서의 온도 분포그림 최종형상의 소재에서의 온도 분포42424242

나 상금형 형상 변경에 따른 성형해석 마찰계수나 상금형 형상 변경에 따른 성형해석 마찰계수나 상금형 형상 변경에 따른 성형해석 마찰계수나 상금형 형상 변경에 따른 성형해석 마찰계수) ( : 0.02)) ( : 0.02)) ( : 0.02)) ( : 0.02)

이 경우에 있어서는 상금형의 코너 부분의 도출 부위인 영역을 가능한 한 소재가A

부드럽게 유동될 수 있도록 변경하여 해석을 수행하였다 그림 의 는 초기 모. 43 (a)

델을 보여 주고 있다 그림에서 소재의 변형 과정을 검토하여 보면 소재가 상금형.

과는 원활히 유동하고 있으나 하금형에서는 코너 부위에서 소재의 유동이 구속이

일어나 최종 형상을 보면 표면에서의 소재가 상하부분에서 일정한 높이로 유지되지

못함을 알 수 있었다.

- 58 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 상금형 변경시 소재 변형 양상 초기 모델그림 상금형 변경시 소재 변형 양상 초기 모델그림 상금형 변경시 소재 변형 양상 초기 모델그림 상금형 변경시 소재 변형 양상 초기 모델43 : (a) , (b) Step 50,43 : (a) , (b) Step 50,43 : (a) , (b) Step 50,43 : (a) , (b) Step 50,

에서의 변형 양상에서의 변형 양상에서의 변형 양상에서의 변형 양상(c) Step 100(c) Step 100(c) Step 100(c) Step 100

그림 에 나타나 바와 같이 유효 변형율과 응력을 보면 앞절의 가 의 경우와 비44 ( )

교하였을 때 응력과 변형율이 집중되는 위치가 상금형 부분에서 이 경우에는 하금,

형의 코너 부근에서 일어나고 있음을 알 수 있으며 크기가 조금 증가하고 있음을,

알 수 있다.

그림 에서의 소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의 소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의 소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의 소재의 유효 변형률과 응력 분포44 Step 10044 Step 10044 Step 10044 Step 100

- 59 -

그림 에서의소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의소재의 유효 변형률과 응력 분포그림 에서의소재의 유효 변형률과 응력 분포45 Step 10045 Step 10045 Step 10045 Step 100

다 변경괸 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석다 변경괸 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석다 변경괸 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석다 변경괸 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석) 0.005) 0.005) 0.005) 0.005

이 경우는 소재와 금형사이의 마찰계수를 변화시켜 소재의 변형 형상을 비교하고자

하였다.

나 의 경우보다 마찰이 보다 작은 일 때의 소재의 변형 형상이 그림 에 나( ) 0.005 46

타나 있다 이 경우에 있어서도 소재의 유동 양상은 나 의 경우와 같다 또한 그림. ( ) .

에 보는 바와 같이 마찰계수의 변화에 따른 소재의 변형 형상을 비교하여 보았으47

나 마찰계수가 배가 줄었음에도 소재의 표면에서의 배부름 현상은 거의 비슷함을4

볼 수 있었다 이는 고온에서의 유리 특성이 소재와 금형 사이의 마찰력에는 거의.

영향을 보이지 않음을 알 수 있었다 이는 다음 절에서 소재와 금형사이의 마찰을.

제로로 두었을 경우와도 비교하여 볼 것이다.

- 60 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 양상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 양상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 양상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 양상46 0.005 :46 0.005 :46 0.005 :46 0.005 :

초기 모델초기 모델초기 모델초기 모델(a) , (b) Step 80, (c) Step 171(a) , (b) Step 80, (c) Step 171(a) , (b) Step 80, (c) Step 171(a) , (b) Step 80, (c) Step 171

마찰계수마찰계수마찰계수마찰계수(a) : 0.02(a) : 0.02(a) : 0.02(a) : 0.02 마찰계수마찰계수마찰계수마찰계수(b) : 0.005(b) : 0.005(b) : 0.005(b) : 0.005

그림 마찰계수 와 에 따른 소재의 변형 양상그림 마찰계수 와 에 따른 소재의 변형 양상그림 마찰계수 와 에 따른 소재의 변형 양상그림 마찰계수 와 에 따른 소재의 변형 양상47 0.02 0.00547 0.02 0.00547 0.02 0.00547 0.02 0.005

- 61 -

그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포48 0.0548 0.0548 0.0548 0.05

그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포49 0.00549 0.00549 0.00549 0.005

- 62 -

라 변경된 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석라 변경된 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석라 변경된 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석라 변경된 상금형과 마찰계수 일 때의 성형해석) 0.0) 0.0) 0.0) 0.0

이 경우는 소재와 금형사이의 마찰계수를 으로 하였을때의 소재의 변형형상과0.0

변형율 및 응력분포를 검토하여 보았다 그림 에서는 마찰계수 일때의 소재의. 50 0.0

변형 형상을 보여 주고 있으며 소재와 금형의 마찰이 있었을때와 비교한 것이 그,

림 에 나타나 있다 그림 에서 보면 마찰계수 및 일 때의 소재51 . 51 0.02, 0.005 0.0

의 변형 형상을 비교하여 보면 영역 에서 벌징된 형상이 차이가 있음을 알A,B,C

수 있다 즉 마찰이 적을수록 영역 의 자유표면에서의 벌질 정도. A, B, C (bulging)

가 작아지고 있음을 볼 수 있었다.

초기 모델초기 모델초기 모델초기 모델(a)(a)(a)(a) (b) step 80(b) step 80(b) step 80(b) step 80 (c) step 171(c) step 171(c) step 171(c) step 171

그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 인 경우의 소재의 변형 형상50 0.00550 0.00550 0.00550 0.005

(a) 0.02(a) 0.02(a) 0.02(a) 0.02 (b) 0.005(b) 0.005(b) 0.005(b) 0.005 (c) 0.0(c) 0.0(c) 0.0(c) 0.0

그림 마찰계수 와 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 와 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 와 인 경우의 소재의 변형 형상그림 마찰계수 와 인 경우의 소재의 변형 형상51 0.02 0.005, 0.051 0.02 0.005, 0.051 0.02 0.005, 0.051 0.02 0.005, 0.0

- 63 -

그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포그림 마찰계수 일 경우의 유효변형율과 유효응력 분포52 0.052 0.052 0.052 0.0

그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포그림 마찰계수 일 경우의 소재의 온도 분포53 0.053 0.053 0.053 0.0

- 64 -

마 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석마 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석마 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석마 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석) ( r=0.15) 0.0) ( r=0.15) 0.0) ( r=0.15) 0.0) ( r=0.15) 0.0

이 경우에 있어서는 하부 금형의 코너부위에서의 소재의 유동이 원활하지 않아 이

를 해소하기 위하여 코너 부위에 반경 을 주었다 이와 같이 변경된 하부금형을 가r .

지고 비구면 렌즈 성형해석을 수행하였으며 그 결과가 그림 에 나타나 있다, 54 .

이 그림을 보면 하금형 코너에서의 유동은 반경 이 없을 경우 보다는 약간은 원활r

하게 유동이 일어나고 있음을 볼 수 있으나 소재의 최종형상을 보면 상하부분의,

소재 표면에 유동의 차이가 발생하여 배부름 현상이 나타나고 있음을 볼 수 있었

다.

이때의 그림 에 나타나 바와 같이 소재의 응력과 변형률 분포를 보면 하금형의55

코너 부위에서 변형율과 응력이 최대값을 가지고 있음을 알 수 있었다.

그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형 형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형 형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형 형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형 형상54 0.0, r=0.1554 0.0, r=0.1554 0.0, r=0.1554 0.0, r=0.15

- 65 -

그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우55 0.0, r=0.1555 0.0, r=0.1555 0.0, r=0.1555 0.0, r=0.15

유효변형율과 유효응력 분포유효변형율과 유효응력 분포유효변형율과 유효응력 분포유효변형율과 유효응력 분포

그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우 온도분포그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우 온도분포그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우 온도분포그림 마찰계수 하금형의 코너 인 경우 온도분포56 0.0, r=0.1556 0.0, r=0.1556 0.0, r=0.1556 0.0, r=0.15

- 66 -

바 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석바 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석바 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석바 하금형의 변경 코너 과 마찰계수 일 때의 성형해석) ( r=0.3) 0.0) ( r=0.3) 0.0) ( r=0.3) 0.0) ( r=0.3) 0.0

이 경우에 있어서는 소재와 금형사이의 마찰계수를 을로하여 하금형 코너반경을0.0

에서 으로 변경하여 소재와 하부 금형의 마찰을 최소화하려고 하였다0.15 0.3 .

이로부터 소재의 변형후 최종형상에서 유동의 차에 의하여 발생하고 있는 상하부분

의 배부름 현상을 최소화하려고 해석을 수행하여 보았다.

그림 에 성형하는 동안 소재의 변형형상을 보여 주고 있는데 코너 반경 일57 , 0.15

때 보다는 배부름 현상이 약간을 줄었지만 여전히 소재 표면에서 유동의 차가 발생

하고 있음을 알 수 있었다 또한 그미 에 나타나 있는 바와 같이 소재 내의 최대. 58

변형율과 응력이 하금형의 코너 부위에서 일어나고 있음을 볼 수 있었다.

그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형형상그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우 변형형상57 0.0, r=0.357 0.0, r=0.357 0.0, r=0.357 0.0, r=0.3

- 67 -

유효변형율 분포유효변형율 분포유효변형율 분포유효변형율 분포(a)(a)(a)(a)

유효 응력 분포유효 응력 분포유효 응력 분포유효 응력 분포(b)(b)(b)(b)

그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우그림 마찰계수 하금형 코너 인 경우58 0.0, r=0.358 0.0, r=0.358 0.0, r=0.358 0.0, r=0.3

유효변형율관 유효응력 분포유효변형율관 유효응력 분포유효변형율관 유효응력 분포유효변형율관 유효응력 분포

- 68 -

사 구형의 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석사 구형의 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석사 구형의 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석사 구형의 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석) 0.0) 0.0) 0.0) 0.0

본 절에서는 구형의 예비 형상을 가지고 비구면 유리 렌즈 성형을 수행하여 보았

다 그림 에는 초기 구형의 예비 형상을 이용한 성형 시 변형 형상을 나타내고. 59

있다 소재의 변형 양상을 보면 소재의 자유 표면은 배부름 현상은 일어나고 있으.

나 자유 표면이 앞절들의 변형과는 달리 일정하게 배부름이 일어나고 있음을 볼,

수 있었다 또한 그림 에는 소재의 유효 변형율과 응력분포를 나타내고 있는데. 60 ,

그 값은 앞의 경우와 비교하여 약 배의 변형율을 나타내고 있으며 응력은 다른2 ,

경우와 비슷하게 나타나고 있음을 알 수 있다.

그림 구형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 구형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 구형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 구형의 예비형상을 이용한 소재의 변형59595959

- 69 -

유효 변형율 분포유효 변형율 분포유효 변형율 분포유효 변형율 분포(a)(a)(a)(a)

유효 응력 분포유효 응력 분포유효 응력 분포유효 응력 분포(b)(b)(b)(b)

그림 구형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 구형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 구형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 구형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포60606060

- 70 -

아 실린더 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석아 실린더 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석아 실린더 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석아 실린더 예비형상과 마찰계수 일 때의 성형해석) 0.0) 0.0) 0.0) 0.0

본 절에서는 실린더의 예비형상을 이용하여 비구면 유리렌즈 성형 해석을 수행하여

보았다 소재는 상금형의 하강에 따라 처음에서 하금형과 상금형의 곡률이 있는 부.

분으로 채워지다가 소재는 밖으로 유동이 이루어지면서 성형이 된다 이 경우에 있.

어서는 상금형과 하금형 사이에서의 소재가 상금형에 먼저 채워지면서 밖으로 유동

이 일어나고 있는 상화에서도 하금형의 소재는 유동의 방향이 하금형의 아래쪽으로

유동이 일어나고 있음을 볼 수 있으며 이와 같은 원인에 의하여 최종 변형형상을,

보면 상금형 쪽의 소재가 유동이 더 많이 밖으로 일어 나면서 상하의 소재가 그림

과 같이 나타나고 있으며 이 때의 소재의 유효 변형율과 응력을 보면 예비형상61 ,

이 구일 경우보다는 작은 값이나 그 외의 경우보다는 높은 변형을 그림 와 같이62

나타내고 있음을 알 수 있었다.

초기 모델초기 모델초기 모델초기 모델(a)(a)(a)(a) 의 변형형상의 변형형상의 변형형상의 변형형상(b) step 60(b) step 60(b) step 60(b) step 60

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최종 형상 변형최종 형상 변형최종 형상 변형최종 형상 변형(c)(c)(c)(c)

그림 실린더형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 실린더형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 실린더형의 예비형상을 이용한 소재의 변형그림 실린더형의 예비형상을 이용한 소재의 변형61616161

그림 실린더형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 실린더형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 실린더형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포그림 실린더형의 예비형상 변형시 유효변형율과 유효응력 분포62626262

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비구면 유리렌즈 예비형상의 최적화비구면 유리렌즈 예비형상의 최적화비구면 유리렌즈 예비형상의 최적화비구면 유리렌즈 예비형상의 최적화2-3-22-3-22-3-22-3-2

이 절에서는 비구면 유리렌즈 성형을 위한 최적의 예비 형상을 선택하기 위하여 3

가지 경우의 예비 형상을 가지고 가공성과 렌즈의 최종형상도 등을 고려하여 최적

의 예비 형상을 선택하고자 하였다 이를 위하여 그림 에 나타나 있는 최종 형상. 63

을 성형하기 위하여 그림 에 나타나 있는 세가지 경우 가공성을 고려한64, 66, 68 ,

예비형상 구형 실린더형을 이용하여 비교하여 보았다, , .

예비 형상의 체적은 최종 형상의 체적 보다 약간 큰 으로 하였다 이9.06 11.06 .

는 최종 형상 성형후 비구면 렌즈는 가공을 통하여 최종 제품을 만들게 된다 이때.

예비 형상 구의 반지름은 였고 실린더 예비형상의 경우는 반지름은1.373 , 1.45

높이 로 하여 해석을 수행하였다, 1.441 .

그림 비구면 유리렌즈의 최종 형상그림 비구면 유리렌즈의 최종 형상그림 비구면 유리렌즈의 최종 형상그림 비구면 유리렌즈의 최종 형상63636363

이와 같은 예비 형상 세가지 경우를 가지고 해석을 수행한 결과를 검토하여 보면

예비형상 구형의 경우가 소재의 변형이 균일하면서 최종형상이 나중에 가공이 이루

어졌을 경우를 고려하여 보면 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었으며 다음으로 그림,

와 같은 형상의 경우에는 소재 상하 부분에서 약간의 유동차가 발생하였지만 실64

린더로 해석을 수행한 최종형상과 비교하여 보면 보다 양호하게 성형이 이루어 졌

음을 알 수 있었다.

- 73 -

또한 최종형상에 대한 응력분포를 검토하여 보면 예비형상원의 경우가 가장 많은

응력을 받고 있음을 알 수 있었고 또한 실린더의 경우에도 거의 비슷한 수준임을,

알 수 있었다 그러나 그림 의 경우에 있어서는 응력이 거의 반 수준으로 적게. 64

나타남을 볼 수 있었다.

이상과 같은 결과는 비구면 렌즈 성형후의 내부 응력이 높은 경우 렌즈 성형후의

냉각이 이루어 졌을 때 열변형에 의한 렌즈의 형상이 심하게 변하여 원하는 렌즈

형상을 얻을 수 없게 됨을 판단할 수 있었다 이러한 결과로부터 본 연구에서는 그.

림 의 예비 형상을 이용하여 실험을 수행하였으며 그결과 대체적으로 양호한 결64 ,

과를 얻을 수 있었다 그러나 온도 조건 및 압력 조건 냉각 등에 의한 변화에 대한. ,

부분을 예측하기 어려워 실험을 통한 성형 조건에 대한 안정화가 필요하다.

그림 예비형상과 이를 이용한 소재의 최종형상그림 예비형상과 이를 이용한 소재의 최종형상그림 예비형상과 이를 이용한 소재의 최종형상그림 예비형상과 이를 이용한 소재의 최종형상64646464

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그림 소재의 최종형상에서의 유효 응력 분포그림 소재의 최종형상에서의 유효 응력 분포그림 소재의 최종형상에서의 유효 응력 분포그림 소재의 최종형상에서의 유효 응력 분포65656565

그림 구형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 구형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 구형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 구형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상66666666

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그림 구향의 예비형상을 이용한 최종형사의 유효응력분포그림 구향의 예비형상을 이용한 최종형사의 유효응력분포그림 구향의 예비형상을 이용한 최종형사의 유효응력분포그림 구향의 예비형상을 이용한 최종형사의 유효응력분포67676767

그림 실린더형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 실린더형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 실린더형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상그림 실린더형의 예비형상과 이를 이용한 최종형상68686868

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그림 실린더형의 예비형상을 이용한 최종형상의 유효응력분포그림 실린더형의 예비형상을 이용한 최종형상의 유효응력분포그림 실린더형의 예비형상을 이용한 최종형상의 유효응력분포그림 실린더형의 예비형상을 이용한 최종형상의 유효응력분포69696969

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렌즈 성형용 금형 개발 지원렌즈 성형용 금형 개발 지원렌즈 성형용 금형 개발 지원렌즈 성형용 금형 개발 지원3.3.3.3.

비구면 렌즈 성형용 금형은 렌즈의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다 즉 성형.

이 열간에서 이루어지지 대문에 금형 수명과 정밀도를 고려하여 금형의 형상과 가

공을 하여야만 원하는 비구면 렌즈를 성형할 수 있기 때문이다.

그림 과 은 비구면 렌즈용 상하금형을 나타내고 있으며 각 부분에 정밀도가70 71 ,

표시되어 있다 그림 과 에서 보면 렌즈가 성형되는 부분에서의 정밀도가 매우. 70 71

높게 나타나고 있으며 이부분은 특수 연마 가공에 의하여 정밀도를 확보하고 있다, .

그림 비구면 렌즈용 상금형그림 비구면 렌즈용 상금형그림 비구면 렌즈용 상금형그림 비구면 렌즈용 상금형70707070

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그림 비구면 렌즈용 하금형그림 비구면 렌즈용 하금형그림 비구면 렌즈용 하금형그림 비구면 렌즈용 하금형71717171

이러한 금형의 가공기술에 있어서 연삭 기술은 가공의 형상이 기존의 평면에서 구

면 비구면으로까지 확대되고 있다 현재의 연삭 가공은 축 제어 기술을, . 2 (X,Z) CNC

접목한 연삭 가공기의 개발과 함께 그에 따른 정밀 연삭 가공에 대한 연구가 수행

되고 있다.

한편 우리가 주위에서 흔히 보는 광학 렌즈 들은 거의가 구면렌즈, (optical lens)

인데 구면 렌즈의 경우 연마나 가공이 용이하고 가격면에서도 저(aspheric lens) , ,

렴한 편이므로 일반적으로 많이 사용되지만 그 구조상 구명수차(Spherical

가 발생한다 이러한 구면수차는 렌즈 주변부로 갈수록 더욱 커지게 되Aberration) .

고 최근 수요가 급증하는 카메라 핸드폰 등에 사용되는 초소형이면서 고 정밀한, ,

렌즈를 기대할 수 없다 이러한 구면수차를 해결하기 위하여 기존의 구면이던 렌즈.

를 비구면으로 대체하게 되었으며 현재까지 플라스틱 사출 성형으로 비구면 렌즈,

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를 만들어왔다 하지만 렌즈의 여러 가지 고 기능성이 요구됨에 따라 현재는 비구. ,

면 유리 렌즈를 선호하는 추세이고 그에 따른 유리 또는 유리 성형용 코어의 가공,

기술이 발전하고 있다 물론 현재로서는 구면 수차를 완전히 없애는 것은 어렵지. ,

만 렌즈의 형상을 비구면으로 할 경우 구면수차는 획기적으로 줄어든다, .

지금까지 굴절률이 다른 여러 장의 렌즈를 조합하여 구면 수차를 해소하거나 다층

막 코팅 등을 통한 성능 향상으로 각종 광학 기기에 사용되는 단점을 비구면 렌즈

의 개발로 초점 집광 성능을 향상시켜 구면 수차를 제거하고 복잡한 렌즈 조합을

필요로 하지 않으면서 높은 투과율이 얻는다 이러한 비구면 렌즈를 각종 광학기기.

에 탑재하면 여러 장의 렌즈를 하나로 줄일 수 있어 소형경량화 고 성능화가 가능, ,

해진다 그러나 이러한 비구면 렌즈를 사용하는 것이 많은 장점이 있지만 설계 및.

제조 상의 어려움 있다 하지만 현재 새로운 연산 가공법과 제어 기술을 접목. CNC

한 초정밀 비구면 연삭 가공기의 개발에 의해 비구면 렌즈의 제조자 가능하게 되었

으며 초소형 비구면 렌즈의 경우 형상 정밀도의 향상을 위하여 연삭 숫돌 축,

의 기울임으로 보다 정밀한 가공을 할 수 있게 되었다(Grinding Wheel axis) .

구면 연삭 숫돌과 가공 면의 접촉 점이 수직 형인 크로스 연삭 방(Cross Grinding)

식은 연삭 가공 점이 한 곳에 집중되어 있어 숫돌 마모에 따른 비구면 형상 오차,

의 발생이 크고 형상이 큰 비구면의 가공할 때 용이한 것이지만 초소형 비구면 형,

상을 가공할 경우 형상오차나 표면 거칠기 등 고정밀도에는 한계가 있다 이러한, .

문제점들을 해결하기 위해 구면 연삭 숫돌과 가공 면을 평행하게 유지하는 페러럴

연삭 방식을 도입하였다(Parallel Grinding) .

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하지만 아직까지는 마이크로 비구면 연삭 가공에 적합한 연삭 숫돌의 개발 및 트루

잉 과 드레싱 기술의 확보 연삭 가공에 의한 비구면의 높은 형상(Truing) (Dressing) ,

정밀도와 표면 거칠기의 등의 실현에 관한 문제점들에 대한 명확한 해석은 아직 충

분하지 않다 따라서 본 연구에서는 우선적으로 비구면 형상 오차에 가장 큰 영향. ,

을 미치는 연삭 숫돌의 메쉬 종류에 따른 형상 오차와 표면 거칠기의 변화를 실험

하였고 또한 비구면 연삭 가공시 발생하는 여러 가지 형상 오차에 따른 보정 가공,

을 시동하여 각각의 형상 오차를 줄일 수 있음을 확인해 보았다.

이와 같이 가공된 금형이 그림 과 에 나타나 있으며 금형 베이스에 토어72, 73 74 ,

금형들이 배치되어 있음을 볼 수 있다.

그림 비구면렌즈 성형용 코어금형 및그림 비구면렌즈 성형용 코어금형 및그림 비구면렌즈 성형용 코어금형 및그림 비구면렌즈 성형용 코어금형 및72 Holder72 Holder72 Holder72 Holder

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그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수73737373

그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수그림 비구면 렌즈용 금형 베이스에서의 코어금형 배치 및 개수73737373

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금형 수명에 대한 기술 지원금형 수명에 대한 기술 지원금형 수명에 대한 기술 지원금형 수명에 대한 기술 지원4.4.4.4.

제품 성형에 있어서 결함이 없는 제품을 만들고 부수적인 기계 가공을 없애기 위한

금형 설계를 위해서는 생산 공정에 대한 폭 넓은 이해가 필요하게 되는 데 일반적,

으로 금속 성형은 가공 하중이 크기 때문에 금형에는 국부적으로 매우 큰 응력이

작용함으로 금형의 마모 한도나 피로 한도보다 더 적은 가공 횟수로 파손되는 경우

가 많다 이러한 파손은 소재와 금형의 기계적 성질 금형에서의 사소한 결함 열처. , ,

리 조건 그리고 제작공정 시의 부주의 등에 의해 금형의 강도 저하될 뿐 아니라,

수명에도 영향을 끼치게 된다 따라서 초기 금형 설계의 최적화를 통해 금형의 수.

명을 향상시키기 위해서는 수명에 지배적으로 영향을 끼치는 인자들에 대한 연구가

이루어져야 한다.

보통 금형의 수명이라 함은 원하는 제품의 질을 유지하면서 생산할 수 있는 가공

횟수를 말하는 데 수명을 결정하는 주 요인으로는 마모와 피로파괴 그리고 과도한,

하중에 의한 파괴를 들 수 있다 이와 같은 예가 에 전방 압출 공정에 있어. Fig. 6.1

서의 금형에 발생하는 파괴의 형태가 나타나 있다 이 때 마모는 성형 시 작용하는.

압력과 접촉 부분에서의 상대 속도 그리고 온도 상승과 같은 요인의 발생과 함께,

소재와 금형의 접촉 부분에서 일어남으로서 제품 불량의 원인이 되어 금형의 교체

가 필요하게 된다 또한 금형에서의 국부적인 응력 집중이 일어나는 취약한 부분에.

서는 반복적인 하중에 의해 피로가 발생하여 파괴가 일어남으로써 수명에 직접적인

영향을 끼치는 요인으로 작용한다.

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이와 같이 수명을 결정하는 마모나 피로파괴에 대한 연구는 CAE(Computer Aided

의 발전과 더불어 많은 연구가 진행되어 왔고 현재에도 계속되어 왔지Engineering)

만 금형의 마모와 응력 집중에 의한 취약한 부분에서의 피로파괴에 영향을 끼치는,

요인들이 상호 영향을 끼치고 있어 금형의 수명을 정확히 예측하기는 어려운 실정

이다 이러한 상황에도 불구하고 그 동안 실험적 혹은 해석적 방법으로 마모와 피.

로 파괴에 관한 연구가 진행되어 왔다 그 연구들을 보면 금형의 수명은 열처리에.

의한 금형 재질의 특성 금형의 기하학적 형상 그리고 보강 링 등에 의해 영향을, ,

받고 특히 금형과 소재사이의 접촉에 의해 발생하는 마모와 피로파괴가 주 요인으,

로 영향을 끼친다.

마모와 관련된 연구들을 보면 미끄럼 접촉에 의해 표면에서 일어나는 현상을 알아,

보기 위해서 단순한 마모실험을 통하여 마모율과 하중과의 관계를 연구하였고 마,

찰에 의한 금형의 마모에 관련된 공정 변수의 영향을 검토하기 위한 연구로써 업세

팅 시 냉간 온간 그리고 열간 단조에서의 마모량을 검토하기 위해 실험(upsetting) , ,

으로 구한 마모량과 비교하여 마모 분포와 인자들 사이의 관계에 대한 연구와 함께

발생하는 접촉 응력과 미끄러진 길이를 유한요소법의 해석 과정에서 소재에서 금형

으로 전달하여 마모 모델을 근거로 금형의 마모를 검토하는 연구가 있었다 또한, .

금형을 마모에 대한 저항력을 향상시키기 위한 표면처리에 대한 방법들인 나PVD

들에 대한 연구가 수행되었다CVD .

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그 외에 설계 단계에서 금형의 수명과 관계되는 파손 상태를 검토하기 위해 금형에

발생하는 하중에 대한 연구와 접촉시의 마찰과 윤활 조건이 금형의 온도 상승을 유

발시켜 금형에 영향을 끼칠 수 있음을 연구하였다.

프레스 작업의 종류에는 밴딩 드로잉 펀칭 단조 프레스 등이 있으며 이러한 작업, , , , ,

들은 각종 펀치 및 금형을 사용하여 소재를 소성변형시키는 가공방법이다.

현재까지 가장 널리 사용되고 있는 금형 및 펀치의 소재로는 과 종SKD11 SKD61

소재로 완성된 공구의 표면에 질화처리 및 처리와 같은 표면처리를 실시하여TD

사용하고 있으며 작업영역에 따라 를 이용한 코팅을, PVD TiN, TiCN, CrN, TiAlN

적용하여 수명 향상 및 생산성 향상을 도모하고 있다 이와 같이 모든 산업 분야에.

서 적용되는 공구나 금형들은 특별한 기계적 성질에 대한 요구를 받게 되고 이러한

요구는 적절한 가격에 맞는 소재 선택으로 이어질 수 있다 반면에 표면에 대한 요.

구는 상당히 고품질이 요구되므로 가격 상승의 요인이 된다 여기에 코팅의. PVD

적용은 경제적 기술적 해결책을 제시하고 있다 보편적이고 가격이 저렴한 모재에.

고품질의 코팅을 적용시켜 제품의 수명 연장을 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.

최근의 코팅 공정은 나 와는 달리 미세 마모 및 저온 내부식 코팅용으PVD TD CVD

로 증착량을 조절할 수 있어서 모재의 치수에 영향을 미치지 않는다 또한 재. , SKD

종과 같은 금형강에 코팅을 적용하기 위해서는 이상의 온도에서 고온PVD 500

템퍼링이 회 이상 실시하여야 한다 이러한 열처리 조건을 만족하지 않는 금형의2 .

경우에는 코팅 후에 소재의 경도 저하나 치수의 변형과 같은 문제가 야기될PVD

수 있으므로 주의하여야 한다, .

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가 코팅가 코팅가 코팅가 코팅) PVD) PVD) PVD) PVD

소성가공 분야에서 코팅된 공구 및 금형의 성능은 상당한 수준에 이르렀다PVD .

특히 코팅은 와 처리와 비교하여 비교적 저온에서 이루어져 공정중 열PVD CVD TD

에 의한 뒤틀림으로 인한 치수변형이 적으며 코팅두께 역시 수 단위로 조절할,

수 있어 치수 정밀성이 요구되는 정밀 부품과 금형에 적용이 유리하다 뿐만아니라.

기존의 다른 표면 처리법과 비교하여 환경 오염물의 생성이 적어 환경친화적인 표

면처리법으로 최근에 가장 각광받고 있는 표면처리 기술 중의 하나로 알려져 있다.

이러한 코팅 장비는 코팅공정 온도가 정도이므로 이Arc-type PVD 450 , 500

상의 온도에서 고온 템퍼링이 실시된 제품은 아무런 문제없이 코팅의 적용이PVD

가능하다.

나나나나) Ti-based coating) Ti-based coating) Ti-based coating) Ti-based coating

가장 보편화된 코팅의 종류로 과 코팅을 들 수있다 코팅은 폭넓은 작TiN TiCN . TiN

업영역에 적용할 수 있는 기본적인 내마모 코팅으로 고경도와 낮은 마찰계수로 인

하여 소재의 침식과 마멸에 대한 저항성이 우수하고 사용 중 코팅층의 박리나 크,

랙 발생이 적으며 냉간 용착을 효과적으로 방지할 수 있어 낮은 하중을 받는 금형,

의 표준코팅이라고 할 수 있다 특히 최근에 코팅의 표면조건을 개선하여 플. , TiN

라스틱 사출금형 및 산업용 금형에의 적용이 증가하고 있다 이에 비해IT . , TiCN

코팅은 코팅이 업그레이드 된 코팅으로 보다 고경도 특성으로 인해 보다 고하TiN

중을 받는 금형에 적용되어 냉간용착을 방지하고 내마모성을 향상시켜 준다.

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이러한 코팅은 주로 피어싱 펀치 및 노칭 펀치와 밴딩 금형류에 적용되어 공TiCN

구의 성능향상과 제품의 품질 향상을 도모하고 있다.

다다다다) Cr-based coating) Cr-based coating) Cr-based coating) Cr-based coating

은 부식성 분위기에서 내마모성을 필요로 하는 공구류에 적용되Cr-based coating

기 위해 개발된 코팅으로 코팅 등이 있다 코팅은PVD CrN, CrC, X.CELL . CrN 10

이상의 두꺼운 코팅이 가능하여 우수한 인성과 내마모성을 가지고 부식성 분위

기에서 내식성이 탁월하다 또한 경질 크롬도금 처리된 제품에도 코팅이 가능하다.

는 장점이 있다 이러한 코팅은 경질 크롬도금보다 배 이상의 경도를 가지며. CrN 2 ,

주로 고무 금형이나 프레스 금형에 적용되고 있다 이러한 코팅이 한층 더 업. CrN

그레이드된 멀티코팅이 바로 코팅으로 기존의 코팅에 도 다른 금속원X.CELL CrN

자가 첨가되어 내마모성과 내식성이 향상되었다 특히 코팅은 금형의 뒤. X.CELL

틀림 문제없이 코팅이 가능하며 작업시 발생하는 열응력이 공구로 전파되는 것을,

방지하여 준다 이러한 장점들을 바탕으로 최근 고장력 강판과 같은 가공이 어려운.

제품이나 높은 하중을 받는 밴딩이나 드로잉 작업에 적용되어 생산성 향상을 도모

하고 있다 코팅은 년대 초기에 미국시장에 소개되었던 라. CrC 1990 BALINITE(CrC)

고 불리우는 으로 고온 내산화성과 우수한 내마모성 용융알루미Cr-basedcoating ,

늄과 반응성이 작고 다양한 금형강과 열팽창계수가 유사하다는 특징이 있다, .

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이러한 코팅은 실리콘 함량이 높은 알루미늄 합금 주조시나 알루미늄 다이캐CrC

스팅용 코팅으로 가장 적합한 것으로 판명되었다 알루미늄 다이케스팅에 있어서.

용율 알루미늄은 철 뿐 아니라 질소와 강한 친화성을 가지므로 과 같은 질화물TiN

코팅은 원하는 수명을 지속할 수 없으며 작업시 높은 온도는 보다 우수한 고온 내,

산화성을 가지는 코팅을 요구한다 이러한 코팅이 바로 코팅이다. CrC .

코팅은 다이케스팅시에 금형이 연속적으로 받게 되는 열피로에 의한 히트체킹CrC

을 지연시켜 금형의 수명을 연장하고장기간 동안 고품질의 제품을(Heat checking)

생산할 수 있도록 해준다.

라라라라) TiAl-based coating) TiAl-based coating) TiAl-based coating) TiAl-based coating

코팅으로는 초기 상용화되었던 다층 구조를 가지는 와 이후TiAlN Balinit FUTURA

코팅층의 조성 변화와 더불어 성능이 보다 업그레이드된 단층 구종의 Balinit

코팅이 있다 이러한 코팅은 기존 코팅구조에서 면심에FUTURA NANO . TiAlN TiN

위치한 원자가 크기가 더욱 작은 원자로 대체 되었는데 이것은 배열전 면심Ti Al ,

입방구조에는 변호를 주지는 않으며 고용강화 효과로 인한 보다 높은 경도 이외에,

원자 대체로 인한내마모성이 증가하며 화학적 안정성이 더욱 높아져 약Al 900

까지도 안정된 내산화성을 가진다 이러한 고경도와 우수한 열적 안정성으로 인해.

다이케스팅용 금형 코어 코어 핀 뿐만 아니라 다양한 열간 및 냉간 단조금형 등에, ,

적용하여 우수한 성능향상을 보이고 있다.

또한 코팅은 우수한 열적 안정성으로 인해 작업시 발생하는 열이 공구로 확, TiAlN

산되는 것을 방지하여 주는 역할을 함으로써 다이캐스팅 금형에Thermal barrier ,

적용시 열적 피로에 의한 금형표면의 히트체킹을 방지하여 준다.

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특히 다층 코팅 의 경우에는 크랙의 직선적인 전파를 방지하여 금(Balinit FUTURA)

형의 수명을 더욱 연장할 수 있다는 특징이 있다.

코팅 적용을 위한 조건으로는 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다PVD .

재는 이상의 온도에서 고온 템퍼링이 회 이상 실시되어야 한다- SKD 500 2 .

공구의 표면에 열적 산화 및 연마시 발생한 버 가 없어야 한다- (Burr) .

표면에 산화물층이나 미세한 크랙이 없어야 한다- .

질화 처리 및 방전가공 처리면은 거친 질화층이나 백색층을 제거하야야 한- EDM( )

다.

경면 처리 래핑처리 된 제품은 연마 잔류물이 없어야 한다- ( ) .

이러한 조건을 만족한다고 할지라고 보다 성공적인 코팅의 적용을 위해서는PVD

소재의 선정은 물론 공구의 디자인 및 작업 조건이 원하는 작업에 적합하여야 하

며 이러한 조건이 갖추어졌을 때 내마모 코팅은 금형 및 각종 포밍 틀의 수, PVD

명을 배 이상 향상시켜줄 수 있다 다시 말해 최적의 형상과 재질로 디자인5~10 . ,

된 공구에 코팅을 적용하면 생산성이나 품질의 향상이 월등하다 이에 비해PVD .

공구의 디자인이나 소재의 개발 없이 작업상의 문제점을 코팅 만으로 해결하PVD

려는 것은 어렵다는 것을 보여준다 최근에는 복잡하고 정밀한 부품들의 소성가공.

시 사용되는 포밍공구나 금형류에서 다양한 문제점이 동시에 발견되기 시작하면서

이러한 각각의 코팅을 멀티로 적용하는 등 생산성과 품질을 향상시키고 있다PVD .

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이러한 시점에서 다양한 프레스 작업영역에 코팅을 성공적으로 적용하기 위해PVD

서는 코팅 전 다음 사항들을 올바르게 파악한 후에 코팅을 선정하는 것이 바PVD

람직하다 첫째 작업상 공구에 나타나는 문제점들 가운데 가장 심각한 문제점을 파. ,

악하여야 한다 하지만 대부분의 금형류는 복합적인 문제점을 안고 있으므로 이러. , ,

한 경우에는 최적의 코팅을 선정하고 부득이한 경우에는 멀티 코팅도 선정할 수 있

다 둘째 사용되는 피삭재의 재질도 고려하여야한다 단순히 밴딩이라고 할지라고. , .

고장력 강판과 같은 재질의 경우에는 보다 고경도의 내마모성 코팅을 실시하는 것

이 바람직하기 때문에 피삭재의 물성도 코팅의 선정에 고려되어야 한다 마지, PVD .

막으로 코팅업체에서는 코팅 전반에 걸친 프로세스를 확립하여야 한다 다양한 작.

업에 사용된 공구들은 코팅 정 상태를 체크하여 코팅 정 후처리를 통해 보다 우수

한 성능의 코팅 서비스를 받을 수 있기 때문이다.

각종 금형 및 포밍 공구류에 코팅을 적용함으로써 생산성 향상과 더불어 공구PVD

의 수명 연장 및 제품의 품질을 향상시킬 수 있다 현재까지. Fine blanking,

등의 다양한 분야의 금형과Bending, Piercing, hot & cold forging, Die casting

포밍 공구류에 다양한 코팅이 적용되어 다음과 같은 장점들을 얻을 수 있었PVD

다.

공구 수명 증대로 인한 생산성 향상-

제조원가 절감으로 인한 생산비용의-

제품의 품질 향상-

- 90 -

최근에는 고속화되고 있는 극한 작업 조건에서의 작업 요구가 증가함에 따라 기존

의 열처리나 질화처리 및 처리로는 이러한 요구들을 완전히 충족시킬 수 없다TD .

따라서 다양한 프레스 작업에 사용되는 금형이나 포밍 공구류의 표면에 코팅을 실

시하는 것은 생산성 향상과 품질향상을 위한 필수 요건이며 앞으로도 지속적인 개,

발과 응용이 필요하다.

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구에서는 메가픽셀급 카메라폰용 비구면 렌즈 개발하는 과정에서 발생할 수

있는 기반기술인 성형기술 및 금형기술에 관한 기술지원에 대하여 연구를 수행하였

다 본 연구를 통하여 비구면 유리렌즈를 개발하는 데 있어서의 소재특성 분석기술. ,

성형공정 해석 기술 지원을 통한 성형기술의 최적화 기술 심 금형 설계 기술 등을

확보할 수 있었고 이로부터 비구면 렌즈를 제조하여 양산할 수 있는 기반을 확보,

할 수 있었다 또한 생기원이 보유하고 해석적 기술의 지원과 주 포엠의 생산기술. ( )

이 유기적으로 연계되어 기술적 확보를 할 수 있었다 향후 이러한 기술기반을 가.

지고 비구면 유리렌즈를 제조할 수 있었다.

본 연구로부터 얻을 수 있었던 기술적 지원은 다음과 같았다 첫 번째로 카메라폰.

용 유리 소재의 특성을 분석하기 위하여 고온 압축시험을 수행하여 보았으며 이로,

부터 유리소재의 유동 특성을 검토할 수 있었다 두 번째로 비구면 렌즈 성형에 있.

어서 해석적 기법과 설계기술의 연계를 통하여 성형조건과 예비성형 형상을 최적화

할 수 있었다 또한 금형 설계를 위하여 소재 유동특성을 분석하여 고 금형을 정. UT ,

밀하게 가공하기 위한 가공기술에 대하여도 연구하였다 그리고 마지막으로 금형의.

수명을 결정짓는 인자들에 대하여 검토하여 보았고 수명확보를 위한 코팅기술에,

대한 연구를 수행하였다 이러한 기술적 지원과 주 포엠의 설계 및 제작 기술을 연. ( )

계하여 비구면 렌즈 제조에 기반을 확보할 수 있었다.