비구면 렌즈 금형 가공기술개발에 관한 연구비구면 렌즈 금형 가공기술개발에 관한 연구비구면 렌즈 금형 가공기술개발에 관한 연구비구면 렌즈 금형 가공기술개발에 관한 연구GlassGlassGlassGlass

2003. 012003. 012003. 012003. 01

주관기관 삼성테크윈 주주관기관 삼성테크윈 주주관기관 삼성테크윈 주주관기관 삼성테크윈 주: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

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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 비구면 렌즈 금형 가공기술에 관한 개발 개발기간“ Glass ”( : 2000. 12.

과제의 최종보고서로 제출합니다~ 2002. 11) .

2003. 01.2003. 01.2003. 01.2003. 01.

개발사업주관기관명 삼성테크윈 주개발사업주관기관명 삼성테크윈 주개발사업주관기관명 삼성테크윈 주개발사업주관기관명 삼성테크윈 주: ( ): ( ): ( ): ( )

개발사업총괄책임자 김 용 관개발사업총괄책임자 김 용 관개발사업총괄책임자 김 용 관개발사업총괄책임자 김 용 관::::

연 구 원 양 윤 근연 구 원 양 윤 근연 구 원 양 윤 근연 구 원 양 윤 근ːːːː

허 병 조허 병 조허 병 조허 병 조〃〃〃〃 ːːːː

권 경 확권 경 확권 경 확권 경 확〃〃〃〃 ːːːː

김 수 봉김 수 봉김 수 봉김 수 봉〃〃〃〃 ːːːː

정 영 수정 영 수정 영 수정 영 수〃〃〃〃 ːːːː

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산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호관리번호관리번호관리번호 R00-A05-1105-02-1-3

사 업 명사 업 명사 업 명사 업 명 비구면 렌즈 금형 가공기술 개발Glass

키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 금형 표면거칠기 형상정밀도 코아수명 성형기술/ / / /

개발목표 및 내용개발목표 및 내용개발목표 및 내용개발목표 및 내용

최종 개발목표최종 개발목표최종 개발목표최종 개발목표1.1.1.1.

초정밀 고경면 가공기술로서 비구면 렌즈 금형 가공기술 확보GLASS○

재질과 금형재질과의 으로 금형수명 기술확보GLASS Matching○

초경의 비구면 코아 가공기술 확보Bunderless○

개발내용 및 결과개발내용 및 결과개발내용 및 결과개발내용 및 결과2.2.2.2.

가 차년도가 차년도가 차년도가 차년도. 1. 1. 1. 1

가공공구의 선정 및 형상 드레싱 기술확보- (Diamond Wheel )

초정밀 금형코아 가공기술 확보 황삭 정삭 금형코아 보정- ( , , )

제작방법 및 최적가공조건 설정확보 절입량 회전수 이송속도.JIG ( , , )

표면거칠기 형상정밀도 가공시간 불량율 코아수명. :0.015 , :0.18 , :6HR, : 3%,㎛ ㎛

: 2,500Shot.

정밀금형 제작 가공기술 확보 금형코아외 금형- ( BASE)

성형기술 확보- GMP(GLASS MOLDING PRESS)

소재개발 및 측정 성능평가 기술확보- GLASS LENS /

나 차년도나 차년도나 차년도나 차년도. 2. 2. 2. 2

초정밀 금형코아 가공정도 확보 및 금형 가공기술 확보- BASE

렌즈 양산 품질확보로 양산제품의 수급안정화 및 원가경쟁력이 향상됨- Glass

초경의 정밀도 향상에 따른 가공효율 향상- Binderless

표면거칠기 형상정밀도 가공시간 불량율 코아. :0.0096 , :0.1484 , :6HR, : 0%,㎛ ㎛

수명 4,500Shot.

기대효과기대효과기대효과기대효과3.3.3.3.

독자 금형가공기술에 의한 수요인 비구면 렌즈금형을 국산화 대체Glass自體○

하여 대일 무역수지를 개선 및 국제 경쟁력 확보

고정밀 금형가공기술을 이용한 비구면 렌즈관련 사업화를 추진Glass○

적용분야적용분야적용분야적용분야4.4.4.4.

광학관련 산업인 복사기 카메라 레이저 응용부분 광계측이나 의료광학등 첨단, , ,

장비개발을 위한 핵심기술로 활용 추진

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목 차목 차목 차목 차

제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈1111

제 절 서 론제 절 서 론제 절 서 론제 절 서 론1111

제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요2222

제 절 비구면 렌즈 제조 공정제 절 비구면 렌즈 제조 공정제 절 비구면 렌즈 제조 공정제 절 비구면 렌즈 제조 공정3333

제 장 금형제작제 장 금형제작제 장 금형제작제 장 금형제작2222

제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공1 BASE1 BASE1 BASE1 BASE

제 절 금형 가공제 절 금형 가공제 절 금형 가공제 절 금형 가공2 MAIN CORE2 MAIN CORE2 MAIN CORE2 MAIN CORE

제 절 경면 가공제 절 경면 가공제 절 경면 가공제 절 경면 가공3 CORE3 CORE3 CORE3 CORE

제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형3333

제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)

제 절 제조제 절 제조제 절 제조제 절 제조2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론4444

- 5 -

제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈제 장 비구면 렌즈1111

제 절 서 론제 절 서 론제 절 서 론제 절 서 론1111

최근 광학제품에서 희 자리잡은 비구면DIGITAL MULTIMEDIA KEY DEVICE LENS

는 선진 에서는 관련기술을 보유함에 따라 기술이전을 회피하고 있는 상태로MAKER

제품의 화와 성능확보를 위한 필수 불가결한 부품으로 리잡고 있다COMPACT .

이에 따라 당사에서는 광모듈 등 차기 주력사업 육성을 위해 렌즈 중심의 광DSC,

학기술 차별차 추구하고 시황급변의 미래 환경에 대응함은 물론 향후 광통신, IT ,

산업 등 신규사업 진출을 위한 교두보를 확보하고자 비구면 금형가공BIO GLASS

기술을 개발하게 되었다.

비구면 는 다양한 제조방법 중에서 재료의 특성이나 등의 관점에서 요LENS COST

구성능을 만족하는 것이 선정되어 제품에 적용되고 있으며 에 비하, PLASTIC LENS

여 온 습도등의 환경변화에 대한 경시변화가 없고 의 종류가 다양하여 넓, , GLASS

은 광학함수를 선정할 수 있다는 잇점으로 의 선택범위가 점점 확대GLASS LENS

되고 있는 추세이다 도 개의 로 여러개의 구면렌즈 조합의 효. GLASS LENS 1 LENS

과를 내는 비구면 가 개발되고 있다GLASS LENS .

비구면 는 광범위한 관련기술 확보가 관건이 되고 있으며 금형가공GLASS LENS ,

금형재질 재질 표면처리 성형 평가방법 등이 유기적으로 결합되어야만 실, GLASS , , ,

용화가 되는 제품이라 할 수 있다.

따라서 당사에서는 비구면 렌즈 금형가공기술을 개발하기 위한 필요 관련기GLASS

술들을 정리 소개하고 당사에서 개발한 기술을 서술 국내 기업에서 활용이 가능토, ,

록 일조를 하고자 한다.

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제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요제 절 비구면 렌즈의 개요2222

비구면 의 원리비구면 의 원리비구면 의 원리비구면 의 원리1 LENS1 LENS1 LENS1 LENS

가 정의가 정의가 정의가 정의....

렌즈 중심에서 주변까지 곡율이 연속적으로 변화하는 렌즈로서 이상적인 결상으로

구면렌즈 대비 선명한 상 을 구현하고 부품수 감소로 콤팩트한 광학계 설계가( ) ,像

가능하다.

나 원리나 원리나 원리나 원리....

구면수차를 보정하기위해 굴절율이 다른 여러매수의 구면렌즈를 중첩하여 설계/※

제작함.

다 비구면 렌즈의 활용다 비구면 렌즈의 활용다 비구면 렌즈의 활용다 비구면 렌즈의 활용....

비구면 렌즈는 일반 카메라 카메라 광35mm , DSC , PICK-UP, VIDEO CAMERA,

등 광응용기기에 활용이 되고 있으며 채용LASER PRINT, PROJECT10N TV, DVD ,

이유는

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고 품질화 구면수차 보정으로 고선명성이고 경시 및 온도 변화가 적고 기(1) ( ) : , ,高

즈 내열성 내약품성에 우수함, , .

렌즈 매수 및 조립공수 삭감 가능함(2) COST-DOWN : .

고배율 화(3) COMPACT

라 선진업체의 동향라 선진업체의 동향라 선진업체의 동향라 선진업체의 동향....

일본의 경우 약 여년 전부터15 , OLYMPUS, NIKON, CANON, MTNOLTA,松下

등 카메라 는 물론이고 등의 교환렌즈 전문 업체KYOSERA Maker , TAMRON, SIGMA

에서도 비구면 렌즈를 자체 개발하여 양산중이며 비구면 렌즈의 급격한 수요 증가,

로 인해 등의 렌즈판매 전문업체들도 호황을 누리고 있다HOYA, .松島

비구면 렌즈 관련 기술비구면 렌즈 관련 기술비구면 렌즈 관련 기술비구면 렌즈 관련 기술2.2.2.2.

가 국내 보유 기술가 국내 보유 기술가 국내 보유 기술가 국내 보유 기술....

삼성전자 생기센터가 년도부터 켐코더 사업을 위한 비구면 렌즈 개발에 착수하93′

여 현재 중급 볼록 렌즈에 대한 상용화 기술은 보유하고 있으나 볼록오목, STZE, ,

은 미개발 상태이며 재료 대응기술 등 모든 형상 및 재료에 대응TYPE , Glass , Size

할 수 있는 기술은 미보유한 상태이다.

당사에서는 렌즈 볼록형상 비구면 변동율IP5X G7 (SPEC: /12mmSIZE/L-BAL35/雨

이내 는 개발성공 및 렌즈용 금형개발을 완료함에 따라 전반적인(20% ) 3M3X G4

기반기술을 확보한 상태이며 현재는 렌즈개발 에 채용, (DSC, CAMCORDER高難易

렌즈 및 양산을 위한 기술을 확보 추진중에 있다) .

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나 비구면 렌즈 핵심기술나 비구면 렌즈 핵심기술나 비구면 렌즈 핵심기술나 비구면 렌즈 핵심기술....

비구면 의 종류비구면 의 종류비구면 의 종류비구면 의 종류3. LENS .3. LENS .3. LENS .3. LENS .

- 9 -

제 절 비구면렌즈 제조 공정제 절 비구면렌즈 제조 공정제 절 비구면렌즈 제조 공정제 절 비구면렌즈 제조 공정3333

의 소재의 소재의 소재의 소재1. GLASS1. GLASS1. GLASS1. GLASS

가 소재의 특성가 소재의 특성가 소재의 특성가 소재의 특성. GLASS. GLASS. GLASS. GLASS

현재 시판중인 광학 소재는 종이 넘고 기계적 화학적 광학적 특성이CLASS 200 , , ,

에 표시되어 있으나 성형을 할 때는 그치에 유의해야 할 특성이CATALOG , CLASS

많으며 특히 열적특성과 성분은 성형에 영향을 미친다, .

나 열적 특성나 열적 특성나 열적 특성나 열적 특성....

성형은 비용적 열팽창계수 열용량등이 액체와 같은 특성을 표시하는 점CLASS , , Tg

의 전이온도 종류별로 많은 차이를 보인다 보다 이상의 온도에서 이루(GLASS : ) 50℃

어지므로 점이 낮은것은 금형과 부재등의 내구성 측면에서 상당히 유리하다, Tg .

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그러므로 의 성형용으로써 일반 광학 소재보다 저온화한 저융점 소GLASS CLASS

재의 개발과 시판이 활발히 이루어지고 있다 특히 고굴절율이면서 연화 온도가 높.

은 계열의 의 저융점화 요구가 많다La GLASS .

다 소재의 성분휘발과 반응다 소재의 성분휘발과 반응다 소재의 성분휘발과 반응다 소재의 성분휘발과 반응....

성형시 고온에서 등의 성분이 휘발함으로써 광학적특성이 변Na2O,PbO,B2O3,K2O

하고 휘발성분이 금형에 부착되면 열화 라는 불량이 생긴다 이를 방지하기, ( ) .劣化

위해 소재의 온도나 금형표면 처리등의 대응이 필요하다GLASS .

라 기타 특성라 기타 특성라 기타 특성라 기타 특성....

점성이 크게되면 성형시 표면장력이 강도 이상으로 되어 내부에 미세LENS

깨짐등이 발생하여 금형을 손상시키고 자체의 결함을 보유하고 있CRACK, LENS

어 품질에 영향을 미치므로 의 소재와 금형재질을 조화시켜야 한다 그외에GLASS .

도 내후성 내후성 화학안정성 양산성과 도 중요 요소이지만 최근에는 무공( ), , COST

해의 관점에서 등의 유해물질을 함유하지 않은 소재의 대응도 필요하여 연구Pb,As

되고 있다.

광학 의 제조공정광학 의 제조공정광학 의 제조공정광학 의 제조공정2. GLASS2. GLASS2. GLASS2. GLASS

가 원료혼합가 원료혼합가 원료혼합가 원료혼합....

원료는 약 여종 고순도의 천연 연료나 화학약품 으로 균질도가 우수한 원료혼합40 ( )

물을 만들기 위해 백금 등의 특수 혼합기로 혼합한다 철분의 혼입을 방지TANK .( )

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나 용 해나 용 해나 용 해나 용 해....

용융로내의 용기에 원료 혼합물을 투입하여 용융한 후 를 제거하고 원료 혼합GAS

물을 교반하여 불균질 부분을 확산시켜 균질화 한다.

교반은 광학 의 독특한 공정이다GLASS .

다 거친성형다 거친성형다 거친성형다 거친성형....

용해한 를 적당한 점도가 될때까지 냉각하여 용기와 함께 꺼내 냉각시키거GLASS

나 융기로부터 만 꺼내 주형에 넣어 냉각시킨 후 상온까지 서서히 냉각시, GLASS ,

켜 내부검사 후 소재로 된다.

라 성 형라 성 형라 성 형라 성 형....

에 적합한 중량으로 잘라 소괴를 만든다 이것을 연화로에서 가열 연화 후LENS . ,

의 형상에 가까운 금형에 넣어 가압 성형하여 품을 만든다 품LENS . PRESS . PRESS

은 서냉 후 연마공정을 거쳐 차차 로 된다LENS .

소재의 형태소재의 형태소재의 형태소재의 형태3. GLASS3. GLASS3. GLASS3. GLASS

성형시 표면이 용융되어 광학적 경면이 될때까지 온도를 유지하는 것은GLASS○

부재등의 내구성 측면에서 곤란하기 때문에 의 표면은 결함이 없는 경면이어CLASS

야 한다.

의 두께정도 성형안정성 심취의 공정을 위해서 체적의 편차가 적어야한LENS , ,○

다.

단시간에 금형의 형상을 에 전사시키기 위해 의 유동이 적은 형상GLASS GLASS○

이어야 한다.

- 12 -

소재를 다양하게 제조할 수 있는 형상이어야 한다GLASS .○

공기 및 가 밀폐되지 않도록 금형의 둥글기보다 작은 형상이어야 한다GAS .○

상 하 형상이 동일하거나 틀릴 경우는 눈으로 판별이 쉬워야 소재를 금형 중앙/ ,○

에 위치시키기가 쉽다.

가격이 싸야한다.○

금형의 특성금형의 특성금형의 특성금형의 특성4.4.4.4.

비구면 의 감형은 연화 에 접촉하여 표면이 초정밀하게 만들어GLASS LENS GLASS

진 형상을 열교환에 의해 소재에 전사시키는 기능을 가진다 이를 위해LENS GLASS .

정도 성분조직 등의 안정성을 장기 유지하는 금형재료를 선택함과 실용화하는 기,

술은 불가결하다.

성형온도가 이상의 가혹한 조건에서 사용하기 때문에 내열성이 우수하고500 ,○ ℃

장시간의 성형압력이나 열충격에 견딜 수 있는 고온강도를 갖고 있어야한다.

성형에서 양호한 전사성을 얻기 위해 열전도율 열팽창율 등의 특성이나 내열,○

내산화성이 우수하고 형상 및 표면조도를 만족할 수 있는 조직이어야 한다, .

연화 와의 반응으로 융착이 생기지 않고 성형 와는 이형성이 우수GLASS LENS○

해야 한다.

가공성 경면성이 우수해야 하고 얇은 코팅막과의 밀착성이 우수해야 한다. , .○

가격이 싸고 용이하게 입수할 수 있는 재료여야 한다.○

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이상과 같이 상당히 까다로운 조건들을 만족시켜야 하므로 분말 소결합금인 초경

이나 내열성이 우수한 등이 사용되고 있으며 여기에 와의 융(WC) CERAMIC , GLASS

착을 방지하기 위해 열적으로 안정된 재질 의 특수한 표면처리가 많다 따라(Pt,Ir,C) .

서 초경 코아를 가공하여 금형 개발을 진행하였고 성형 를 통BINDERLESS , TEST

해 발전 가능성을 확인하였다.

가 초경가 초경가 초경가 초경. BINDERLESS. BINDERLESS. BINDERLESS. BINDERLESS

일반 초경의 성분은 로 이루어져 있는데 여기서WC,TiC,TaC + BINDER(Co,Ni) ,

의 성분은 입자크기가 크고 용융점이 낮고 경면 가공성이 떨어지므로 이들BINDER ,

을 제외시킨 금속이 코아의 재질로써 많이 사용된다 이 초경의 특징. BINDERLESS

은

고경도 고강도이며, ,○

내식성 내산화성에서 우수하다, .○

경면 가공성 이 좋다(Rmax 0.01 ) .○ ㎛

취성이 상당히 강하며 가공이 어렵다, .○

나나나나. CERAMIC. CERAMIC. CERAMIC. CERAMIC

은 소재 에 따라서 종류도 다양하고 특성이 다르지만 의CERAMIC MAKER CERAMIC

특성은

내식성 내열성 내산화성이 우수하다, , .○

경면 가공성 이하 이 좋다(Rmax 0.01 ) .○ ㎛

대기중에서 고온가열 냉각을 반복해도 산화되지 않는다/ .○

취성이 강하다.○

가공이 초경보다도 어렵다.○

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다 코아 코팅다 코아 코팅다 코아 코팅다 코아 코팅....

금형코아에서 렌즈형상부는 내열성 내식성 경면성 등을 높이고 소재와의, , , GLASS

이형성을 높이기 위해 초경코아는 코팅과 코팅 등 박막코BINDERLESS PT-Ir NEW

팅을 하고 세라믹은 코팅을 한다, DLC .

코팅방법으로는 화학증착방법인 방법과 물리적 증착 방법인 방법이 있다CVD PVD .

방법은 고온 이상 에서 반응하며 결정성이 좋은 피막을 얻을 수 있고CVD (1000 ) ,℃

피막의 부착강도와 상태가 양호하다 방법은 저온 에서 반응하. PVD (150 ~500 )℃ ℃

며 처리 전후 치수변화가 적다 또한 방법과 방법의 특성을 고려한, . CVD PVD PCVD

방법이 있다.

금형 제작 개요 경면 가공금형 제작 개요 경면 가공금형 제작 개요 경면 가공금형 제작 개요 경면 가공5. ( Lens )5. ( Lens )5. ( Lens )5. ( Lens )

가 비구면 가공기가 비구면 가공기가 비구면 가공기가 비구면 가공기....

카메라 렌즈용 금형의 표면정도는 이상의 정밀도를 요구하므로 현재 광학 비0.2㎛

구면 가공을 대상으로한 절삭 연삭 가공기는 세계에서 가장 정밀한 공작기계 중의,

하나이다.

광학 비구면 가공기 는MAKER

영국- RANK-TAYLOR HOBSON( )

기계 일본- TOSHIBA ( )

공기 일본- TOYOTA ( )

일본 현재 보유 가공기- NACHI( )- MAKER

사 미국- MOORE ( )

등이 있으며 비추면 가공기의 주요특징은 다음과 같다.

- 15 -

회전축에 정압 이나 초정밀 을 채용한다BEARING ROLLER BEARING .○

가공물을 하는 축은 을 주로 사용하며 회전정도는SETTING AIR BEARING , TIR○

정도이다0.03~0.05 .㎛

는 정압 이나 초정 을 사용하고X-Y SLIDE OIL BEARING ROLLERBEARING , OIL○

정압 베어링인 경우는 에 비해 정밀도와 진동등에서 우수하나 의 관리ROLLER OIL

가 필요하다.

의 초정밀 이송은 나 정압 가 사용되고X-Y SLIDE BALL SCREW SCREW , LASER○

측거의 이나 초정밀 위치제어 방FEED BACK CONTROL (CLOSED LOOP SYSTEM)

식을 채용한다.

면에서는 비구면 수식에 따라 금형을 가공하고 금형의 비구면 형상을 측정SOFT○

하여 가 생긴 경우는 측정 에서 가공기의 구동 을 자동수정ERROR DATA PROGRAM

하는 을 채용한다ERROR COMPENSATOR PROGRAM .

나 비구면 기나 비구면 기나 비구면 기나 비구면 기. POLISHING. POLISHING. POLISHING. POLISHING

연마 철삭가공으로서 요구하는 면정도를 낼 수 없으므로 금형의 마무리 가공으로ㆍ

을 실시하는데 그 방법으로서 다음과 같은 것이 있다POLISHING .

MECHANICAL POLISHING○

가장 일반적인 방법으로써 용 을 연마제와 함께 가공물의 표면에POLISHING TOOL

닿게하여 회전 또는 요동으로써 연마하는 방법으로 일본 의( )黑田

이 이에 해당되며 당사를 비롯 삼성전자 삼성전관SUPER-POLISHING MACHINE , ,

등이 사용하고 있는 방법이다.

- 16 -

MECHA-CHEMICAL POLISHING○

가공액과 가공물의 사이에 화학반응물 적극적으로 이용하여 가공결함이 적은 경면

을 얻기 위한 것으로 반도체 소재의 연마등에 이용되고 있다.

다 렌즈 성형다 렌즈 성형다 렌즈 성형다 렌즈 성형....

성형방법은 기본적으로 성형 가압시 금형온도와 온도의 차이 유무로 구PREFORM

분된다 실질적으로 각각의 결점을 보완하기 위해 기술적으로 개량하기도 하고. , 多

에 의해 단축 질소 분위기에서 산화방지에 의한 부재의 장수CAVITY TACT TIME ,數

명화나 성형온도 압력 조건의 최적화들의 에 의해 양산에 이르고 있다, KNOWHOW .

성형기는 양호한 전사정도를 내기위해 온도나 압력관리에 정도의 제어가 요구되高

는 것은 물론이고 상하금형간의 위치정도에 따라 면간의 편심이 결정되기 때문에2

성형중의 고온에서도 금형 지지부나 슬리브의 측수가 대의 정도를 확보하지 않으㎛

면 안된다 열변형의 을 반복하여 사용 부재 단열재 냉각기구의 검토. IMULATION , ,

를 계속하여 성형장치 소재 공급장치 성형렌즈의 취출장치 등으로 구성되는 성형, ,

을 무인가동할 필요가 있다SYSTEM .

성형조건표의 사례■

- 17 -

라 측정 및 평가라 측정 및 평가라 측정 및 평가라 측정 및 평가....

비구면 성형렌즈의 측정 항목에는 비구면 형상정도 표면 조도 편심 외경GLASS , , , ,

두께 굴절율 아베수등의 광학적 함수와 외관등 다양한 항목이 있다 그중에LENS , , .

서도 특히 의 성능을 좌우하는 비구면 형상정도 편심 굴절율의 측정에 대하LENS , ,

여 기술 하기로 한다.

비구면 형상측정(1)

비구면 형상측정기는 를 사용하는 촉침식 측정기 를 사용하는 차STYLUS , PROBE 3

원측정기 간섭무늬로 판단하는 간섭계 법 등이 있다 금형 측정이, , HOLOGRAPHY .

나 상세한 해석이 필요한 경우에는 차원 측정기가 많이 사용되고 렌즈의 양산 현3 ,

장에는 촉침식이 많이 사용된다.

- 18 -

용어의 정의< >

설계치 이론 계산상의 설계 형상 제품 도면상의 형상- : ( )

성형품 측정형상 설계치를 기본으로 제작 성형 된 를 측정한 형상- : ( ) CORE(LENS) .

성형품 측정평균 성형품 을 로 측정 했을때- : (CORE) FORM-TALYSURF BEST

FIT-R.

설계치 성형품 측정 평균- FIGURE : -∣ ∣ ∣ ∣

성형품 측정 평균의 치 치- ACCURACY : P-V (Peak-Valley )

표면거칠기- ROUGHNESS : Rmax

촉침식의 특징(FORM TALYSURF)※

구면렌즈와 동등하게 단시간에 비구면 렌즈의 평가 가능-

화면에서 직접 들의 평가가 가능- PC LENS

화면의 에서 수차량등의 정량적인 해석 가능- PC GRAPH

비구면 단면의 회측정으로 전체오차 및 부분적 표면조도등의 해석이 가능- 1

편심측정(2)

구면렌즈의 편심을 측정할 경우에는 렌즈치경을 기준으로 곡률중심이 이탈된 양을

측정하면 되지만 비구면 렌즈의 경우에는 비구면축의 기울기와 축의 이탈량도 측정

해야 한다 이것은 편심측정기로 측정 할 수 있는데 특징은 다음과 같다. .

- 19 -

비구면 편심 측정기의 특징 제(ASDM-02 )※

근축편심 측정부에시 고정도로 근축구면의 편심량을 측정함으로써 기준축을- AIR

의 회전축에 정확하게 일치시킬 수 있다SPINDLE .

전기 마이크로에 의해 의 정도까지 비구면의 흔들림량을 측정하여- SUB-MICRON

비구면축의 기울기를 산출할 수 있다.

비구면 렌즈의 외경의 흔들림량을 비접촉으로 측정할 수 있다- .

편심 측정기※

일본- MAKER : OLYMPUS( )

설비사양- : ASDM-02

용 도 비구면 렌즈의 편심측정 구면렌즈 별도보유- : ( )

측정범위- : Ф6 ~ Ф60

굴절율 측정(3)

성형렌즈의 경우 성형시 냉각속도에 따라 성형 전후의 굴절율 변화가 생기기 때문

에 굴절율의 측정은 중요한 요소이다.

굴절율 측정의 원리※

- 20 -

굴절율 측정기의 특징 (KPR-200)※

자동측정으로 계산이 필요없다- .

고정도로 재현성이 뛰어나다- .

단시간 측정 및 복굴절성의 측정이 가능하다- .

굴절율 측정기※

광학 일본- MAKER : KALNEW ( )

설비 사양- : KPR-200

용도 굴절율 측정- : GLASS

측정범위 굴절율- : 1.25 ~ 2.0

측정- : ±0.00005精度

- 21 -

제 장 금형제작제 장 금형제작제 장 금형제작제 장 금형제작2222

제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공제 절 금형설계 및 가공1 BASE1 BASE1 BASE1 BASE

금형제작금형제작금형제작금형제작1. PROCESS1. PROCESS1. PROCESS1. PROCESS

금형설계금형설계금형설계금형설계2.2.2.2.

가 금형구조설계시 주요 검토 항목가 금형구조설계시 주요 검토 항목가 금형구조설계시 주요 검토 항목가 금형구조설계시 주요 검토 항목....

상 하코아의 동심도(1) ,

상 하 의 동시가공- , BASE

동시가공을 위한 맞춤핀 및 의 설치- BOLT

상 하코아와 간의 공차 최소화- , BASE

- 22 -

금령 가동시 상 하 코아 위치정밀도 유지(2) ,

의 설치- GUIDE PIN

의 상하위치정도를 고려하여 동시가공- GUIDE PIN

상 하 및 의 평행도- , BASE BACKING

냉각회로의 설치(3)

상 하 코아의 동일 냉각 조건- ,

별 동일 냉각 조건- CAVITY

로아별 높이 편차의 보정(4)

하측 코아에 설치- SPACER

- 23 -

나 금형재질의 선정나 금형재질의 선정나 금형재질의 선정나 금형재질의 선정....

상 하코아 초경(1) , : BINDERLESS

고경도 이상- (HRA92 )

초경중에서도 의 미세 첨가로 고경면성- BINDER

내식성등이 우수함-

고밀도 로 열팽창율이 낮음- (14.6g/ )㎤

상 하측 및 초경(2) , MOLD DIE GUIDE PIN: KD20

초경과 유사한 비중 및 열팽창율- BINDERLESS

고경도 이상- (HRA90 )

고항절력- (285kgf/ )㎟

상 하측 및(3) , BACKING BOLT: ANVILOY 1150

가공성이 용이 경도- ( HRC34)

고온에서 열팽창율이 낮을것 까지- (800 5.25×10℃-6)

다 성형 및 양산성의 고려다 성형 및 양산성의 고려다 성형 및 양산성의 고려다 성형 및 양산성의 고려....

냉각회로의 적정크기 및 위치(1)

질소 냉각용 회로는 폭 깊이 이상의 크기로 앞뒷면에 개소 설치- 3 , 0.3 8㎜ ㎜

성형기의 질소 배관과 위치관계를 확인- CMP

상 하코아에 직접 질소가 닿지 않도록 고려- ,

성형 및 냉각온도의(2) CHECK

상 하 에 온도 센스 의 설치- , MOLD BASE HOLE

질소 냉각용 회로에 근접하지 않도록 고려-

- 24 -

라 기 타라 기 타라 기 타라 기 타....

로보트 작동을 고려하여 은 상측에 설치GUIDE PIN○

성형조건 설정에 따른 의 두께조정을 위해 상 하 사이에 높이LENS , MOLD DIE○

조정량 설치(0.1 )㎜

코팅후 박리를 피하기 위해 코팅 영역부 단 가공2○

성형중 온도변화에 대응 하고자 도 로 제작BOLT ANVILOY 1150○

의 실치시 위치를 고려하여 상하위치 설정GOB○

가공가공가공가공3. BASE3. BASE3. BASE3. BASE

가 상 하코아가 상 하코아가 상 하코아가 상 하코아. , HOLE. , HOLE. , HOLE. , HOLE

동시 가공으로 정도 유지 필요○

의 진원도HOLE : 1~2○ ㎛

의 직각도HOLE : 2~3○ ㎛

나 상 하코아 의 뒷면 턱부자리파기 가공나 상 하코아 의 뒷면 턱부자리파기 가공나 상 하코아 의 뒷면 턱부자리파기 가공나 상 하코아 의 뒷면 턱부자리파기 가공. , HOLE. , HOLE. , HOLE. , HOLE

자리파기 면의 평행도 : 3~5○ ㎛

자리파기 면의 모서리R : 0.3~0.5○ ㎛

자리파기 면의 깊이편차 수준: 0.02○ ㎜

다 및 의 나사가공다 및 의 나사가공다 및 의 나사가공다 및 의 나사가공. MOLD DIE BACKING. MOLD DIE BACKING. MOLD DIE BACKING. MOLD DIE BACKING

체결후 직각도 기준BOLT (30 ) : 0.5~1○ ㎜ ㎜

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제 절 금형 가공제 절 금형 가공제 절 금형 가공제 절 금형 가공2 MAIN CORE2 MAIN CORE2 MAIN CORE2 MAIN CORE

가공가공가공가공1. CORE1. CORE1. CORE1. CORE

가 금형 공정가 금형 공정가 금형 공정가 금형 공정. Core Process. Core Process. Core Process. Core Process

가공재료에 따른 공구선정 공구의 재질 형상정밀도 곡률반경 등( , , )○

가공조건 설정 이송속도 절입량(RPM, , )○

공구 Setting○

비구면 가공 을 활용한 황삭 중삭 정삭 가공 및 평가Program / /○

비구면 형상측정 및 평가○

보정○

나 개발 목적나 개발 목적나 개발 목적나 개발 목적. Core. Core. Core. Core

고해상도 광학계에 필수적인 부품으로 선진국에서도 기술이전을 기피하며 부품 수

급화적인 측면 뿐만 아니라 원가 경쟁력면에서 국산화가 시급함.

다 가공기술 개발내역다 가공기술 개발내역다 가공기술 개발내역다 가공기술 개발내역. CORE. CORE. CORE. CORE

공구선정(1)

선정 및- DIA WHEEL DRESSING

사양-

황삭 선단 각도SD800N100BW12 ( R 0.5, 60°)ㆍ

정삭 SD1500N100BW12ㆍ

- 26 -

선단 의 결정 및 공구 의 결정은 제품 에 따라 결정되며 가공물의 곡률반R R SPEC ,

경에 따라 공구의 외경을 결정하고 선단 은 가공의 면조도 및 공구마모의 최적화, R

상태를 고려한 공구선단 결정이 중요함R .

선단형상 면조도가 나쁘고 공구의 마모가 빠르다EDGE : .○

선단형상 면조도가 우수하고 공구의 마모가 적다R0.5~0.3 : , .○

(2) DRESSING

차적으로 공구의 진원도를 맞추어 떨림을 잡는다- 1 . (15μ 이내m )

본드만 제거하여 입자만 남게하여 가공함- Dia .

공구가 맞지않을 경우에는 가공면이 깊이 패이거나 등 외관상태가 거칠* , Wave

게 가공됨.

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공구의 마모상태를 지속적으로 확인하여 가공함* .

- 28 -

가공물(3) Setting

가공물 금형 를 를 활용 한다Workpiece( : Core) JIG , Setting .

금형 를 에 체결시 량을 최소화하여 가공시 편심이 발* Core JIG Tilt

생하지 않도록 해야함.

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황삭가공(4)

가공전 공구 현미경에서 요구 에 근접한 을 가공한다- Spec R .

후 비구면 해석 을 활용하여 공구 현미경에서 가공된 협상을 해- Setting Program

석하여 절삭량을 확인한다.

가공조건-

축Work RPM : 450rev/minㆍ

공구 RPM : 20,000 ~ 25,000 rev/minㆍ

절입량 : 1ㆍ μm · Feed : 1mm/min

해석에 따라 비구면 보정해석 을 활용하여 황삭가공 형상을 결정* Data Program

한다.

정삭가공(5)

가 비구면 형상가공 회시( ) 1

황삭가공후 비구면해석에 의한 공구 수정- R

가공조건 변경-

이송속도 변경:0.5 mm/min 0.4mmㆍ ⇒

가공물 rpm : 150 rev/minㆍ

공구 절입량rpm : 20,000 rev/min : 0.3ㆍ ㆍ ㎛

- 30 -

가공격과 치- : P-V 0.6991㎛

배꼽이 있지만 폭과 깊이가 적다* .

의 실제변화의 실제변화의 실제변화의 실제변화CORECORECORECORE

주변이 평면형상으로 설계치에 근접하게 가공되어 공구 는 제대로 보정되었다고* R

판단함.

보정의 형태를 비구면형상 보정에서 변경하여 가공함* .

- 31 -

나 비구면 형상가공 회시( ) 2

회 형상에 대한 중심부 개선 보정 실행- 1

가공조건 변경 및 공구 변경Rㆍ

의 실제 변화의 실제 변화의 실제 변화의 실제 변화CORECORECORECORE

보정결과 전체적으로 치 값은 비슷한 상황이나 보정방법 및 가공조건 개선* : P-V

비구면현상에 대해 완만함.

- 32 -

다 비구면 형상가공 회시( ) 3

회 형상에 대한 중심부 개선 보정 실행- 1

가공조건 변경 및 공구 변경rㆍ

라 비구면 형상가공 회시( ) 4

회 형상에 대한 중심부 개선 보정 실행- 1

가공조건 변경 및 공구 변경rㆍ

- 33 -

제 절 경면 가공제 절 경면 가공제 절 경면 가공제 절 경면 가공3 CORE3 CORE3 CORE3 CORE

가공가공가공가공1. POLISHING1. POLISHING1. POLISHING1. POLISHING

가 목적가 목적가 목적가 목적. Polishing. Polishing. Polishing. Polishing

형상정밀도의 오차 보정이나 가공 를 보완하기 위함, TOOL MARK .

- 34 -

나 가공의 예나 가공의 예나 가공의 예나 가공의 예. POLISHING. POLISHING. POLISHING. POLISHING

가공시 중요한 것은 연마재 및 의 선정 가공조건의 평가방법이라POLISHING PAD ,

하루 수 있다.

- 35 -

- 36 -

제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형제 장 후처리 및 성형3333

제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면제 절 후처리 경면1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)1 ( CORE COATING)

현재 당사가 진행중인 코팅은 으의 생산 진행중이며NEW COATING 5,000SHOT ,

코팅은 금형코아 재질과의 상호친화성의 관계가 무엇보다도 중요하므로 재GLASS

질에 대한 성형 경험이 중요하다 외에 플라즈마 화학 증착. NEW COATING PCVD(

법 방식의 을 진행중에 있으며 향후 성형을 통한) TIALN COATING TEST , GLASS

와의 으로 금형수명을 연장하는 것이 중요한 과제이다MATCHING .

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초경 경면 의 예+ COATING○

재질- TARGET : 1) Ni 2) Pt -Ir

두께- : 1) 0.1 2) 0.3㎛ ㎛

기반 재료 초경- : WC (BINDERLESS )

도달 압력 이하- : 3 * 10 E-3 Pa

기반 가열- : 300℃

상기에서 언급한 금형 은 소재의 특성에 맞는 사양을COATING GLASS COATING

선정하여야만 제품의 이형성등 수명연장이 가능하다CORE .

이는 지속적인 경험으로 기술축적을 쌓아가고 있다.

제 절 제조제 절 제조제 절 제조제 절 제조2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS2 GLASS LENS PROCESS

성형성형성형성형1. PROCESS1. PROCESS1. PROCESS1. PROCESS

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설계설계설계설계2. GOB2. GOB2. GOB2. GOB

성형시 의 고온에서 성형되므로 소재의 적정체적 및 중량이 상당히 중요600 GOB℃

하므로 와 금형구조와의 적합한 체적계산 및 형상가공이 전제가 되지 않으면GOB

비구면 형상의 전이성이 어렵게 된다.

따라서 제품 에 적합한 설계로 최적성형이 될 수 있도록 면의 치수결정SPEC GOB R

이 중요하다.

예 금형체적 및 제품체적)

금형체적 V=225.126+2.87

제품체적 V=200.134

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성 형성 형성 형성 형3.3.3.3.

의 성형에 있어서 균일한 형상을 얻을 수 있는 최적의 성형조건을 구GLASS LENS

축하는 것과 의 내구성을 지속 유지 할 수 있는 조건을 설정하는 것이다CORE .

의 경우 고온성형에 따른 금형의 내구성 향상 및 성형시간 회 분GLASS LENS (1 :15 )

을 단축할수 있는 최적성형조건을 설정하는 것이 무엇보다도 중요한 과제이다 이.

외에도 성형에 따른 제품의 특성변화를 분석하여 이에 대한 대책을 수립하는 것도

중요한 과제중의 하나이다 본 내용에 있어서는 성형 및 성형방법 성형. PROCESS ,

시 주의사항 제품의 특성변화등 최적조건 설정을 위해 행한 사례들에 대하여 논하,

고져 한다.

가 성형가 성형가 성형가 성형. GLASS LENS PROCESS. GLASS LENS PROCESS. GLASS LENS PROCESS. GLASS LENS PROCESS

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나 가압성형나 가압성형나 가압성형나 가압성형. GLASS MOLD. GLASS MOLD. GLASS MOLD. GLASS MOLD

를 전이온도 이상으로 가열한후 로 가압하여 금형 의 형GOB GLASS , PRESS CORE

상과 동일한 형상을 얻는 작업으로 별도의 연마공정을 필요로 하지않고 렌즈등의

고정도 부품을 생산 할 수 있음.

비구면 성형기GLASS●

명 칭 : GMP - 211ㆍ

최대압력 : 2000 kgfㆍ

최대금형크기 :ㆍ 110ф

냉각방식 질소: (Nㆍ 2 가스)

MAKER : ( )東芝機械 株ㆍ

최대온도 : 805ㆍ ℃

가열방식 적외선: LAMPㆍ

상기와 같이 는 고온 고압하에서 성형하므로 금형의 수명 및 고온에GLASS LENS ,

따른 성형 수축율 정밀도등 전반적인 사항을 고려하여야만 제품으로서의 기능을,

만족할수 있다 또한 고온성형에 따른 성형 이 긴 관계로 제조 경쟁력. CYCLE TIME

을 고려하여 성형 을 단축하기 위한 방안도 고려하여야 한다CYCLE TIME .

다 성형 단축을 위한 고려사항다 성형 단축을 위한 고려사항다 성형 단축을 위한 고려사항다 성형 단축을 위한 고려사항. EYE I TIM. EYE I TIM. EYE I TIM. EYE I TIMㄴㄴㄴㄴ

금형의 두께가 두껍게 되면 금형전체의 열용량이 크게되어 냉각시간에 크게 영- ,

향을 미친다 따라서 강도에 영향이 없는 한도내에서 두께를 얇게 만드는 것이 가.

열 냉각에 유리하다, .

가 이상인 경우는 의 냉각홈을 유효하게 응용하면 냉- MOLD DIE 64 DIE PLATE

각 효율을 높일수 있다.

예열위치가 너무 낮으면 시간을 길게하지 않으면 안된다- PRESS .

형온도가 낮으면 큰 압력이 필요하고 시간을 길게해야한다- , PRESS

가열시 냉각시의 질소 유량의 최적화- ,

온도의 최적화- 徐冷

성형품의 취출온도를 낮게하면 냉각시간이 길어진다-

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라 성형시 주의 사항라 성형시 주의 사항라 성형시 주의 사항라 성형시 주의 사항....

질소를 성형시 한상 일정하게 흐를수 있도록 유량 유압계를 설치하여 성형시간- ,

과 냉각시간을 항상 일정하게 유지함.

비구면 관리는 값의 값으로 관리함- DATA BEST FIT R P-V .

비구면 값은 이하로 관리함- P-V 1 .㎛

성형기 내의 습도는 이내로 관리함- 20~30% .

냉각구간을 좀더 세밀하게 세분화할 필요가 있음- .

마 성형에 따른 제품의 특성변화 굴절율 편차마 성형에 따른 제품의 특성변화 굴절율 편차마 성형에 따른 제품의 특성변화 굴절율 편차마 성형에 따른 제품의 특성변화 굴절율 편차. ( ). ( ). ( ). ( )

고온하에서 성형되므로 성형후 냉각은 질소가스 주입으로 급하강함에 따라 GLASS

의 매질의 특성이 변한다 특성의 변화에 있어서 가장 중요한 부분이 굴절율이다. .

굴절율의 편차는 년간 성형 를 통한 경험치이다2 TEST .

는 규격이므로 규격에 만족- BaCD5 HOYA .

의 경우는 성형후 굴절율이 정도로 된다- L-BAL 35 -300 .

는 를 사용하는데 굴절율이 성형후 정도로 변한- SUMITA LENS HOYA GOB -300

다.

성형후 어닐링을 하지 않는다면 로 사유하는 것이 유리하다- L-BAL 35 CSK12 .

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의 경우 휘발성 때문에 성형후 굴절율이 떨어지고 구모리 현상이- OHARA COB

발생하므로 주의를 필요하다.

바 성형 사례바 성형 사례바 성형 사례바 성형 사례. TEST. TEST. TEST. TEST

성형온도- : 595 ℃ 냉각시간- : 09 00′ ″

성형시 압력 온도 냉각시간등 여러 가지 인자를 고려한 최적의 제품을 생산하는 것, ,

이 중요하므로 제품에 영향을 가장 크게 미치는 인자를 돌출하는 실험계획법에 의

한 조건으로 접근하는 것이 유리하다.

별첨 변화- : t DATA

냉각시간과 압력과의 관계-

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성형온도에 따른 비구면 형상치의 변화-

성형압력에 따른 비구면 형상치의 변화-

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사 재현성사 재현성사 재현성사 재현성. TEST. TEST. TEST. TEST

일반 플라스틱 금형의 성형과는 달리 의 성형은 고온가압 성형으로GLASS LENS

각 별 위치편차 내부 온도 냉각량 등에 따라 동일한 비구면 형상치를CAVITY , CORE ,

지속적으로 구현할수 있는 성형조건 설정 및 금형정밀도를 유지하는 것이 중요하

다.

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론4444

제품개발의 핵심은 소재 금형개발 성형 등 개부분으로 나눌 수 있GLASS LENS , , 3

지만 현 국내여건으로 기초산업의 육성부족으로 인하여 소재부분은 전량 해외에,

의존할 수 밖에 없는 상황이다.

이에 따라 당사는 국내여건 및 당사의 인프라를 고려하여 금형 개발 및 성형기술

확보에 주력하였다 핵심부품의 경우 선진사의 기술이전 회피로 년간의 지속적인. 2

노력의 결과 제품개발의 핵심공정인 금형 개발에 성공함으로써GLASS LENS CORE

부품수급 안정화 및 제품제조 경쟁력 향상에 기여한 바가 크다고 볼수 있다.

년 이후 고정도 개발 및 수명향상에 많은 노력을 기울여야 할2003 GLASS LENS

것이다.

끝.

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