정밀 사출 성형 및 금형 기술

정밀사출금형기술(렌즈 금형)

 

1. 정의 및 필요성

- 렌즈 금형은 유리 및 플라스틱 등의 소재를 기반으로 만들어진 광통신장치, 광저장장치, 결상기기, 광 계측/제어기기, 의료광학기기등 각종 광학기기를 구성하는 핵심 광학 소자 및 부품으로 렌즈, 프리즘, 반사경, 회절격자 등으로 구성

렌즈금형 및 비구면 렌즈

▪ 렌즈에는 보통 유리가 주로 사용되고 있으나 최근에는 유리의 가공성 제약으로 구면렌즈로 한정되어 몇 매의 렌즈가 조합되어 구면수차에 의해 결상점의 오차를 보정하고 있었으나 이러한 렌즈는 경량화 및 소형화에 한계

 

▪ 최근에는 PMMA(poly methyl meth acrylate), PC, 환상 폴리올레핀(COP, COC) 등 투명수지를 사용한 비구면 렌즈를 사출 성형하는 기술이 부각

 

▪ 최근 IT 기술의 발달과 광학제품의 보급 확대로 스마트폰, 프로젝터용, 광통신용, 의료기기용, Pick-up용, 레이저프린터용 렌즈뿐만 아니라 유리 Case 부품, 적외선 카메라용 렌즈 등 차세대 광학부품 시장의 수요 증가

 

▪ 렌즈 수요에 대응하기 위하서는 렌즈의 정밀도 확보가 광학 기능을 좌우하는데 매우 중요하며, 고정밀도 비구면 렌즈를 성형하기 위해서는 구경 10㎜ 전후의 렌즈에서는 1㎛ 이하의 정밀도가 요구되는 기술 등 초정밀 성형기술 및 초정밀 금형 가공 기술, 소재기술 등이 반드시 필요

 

2.  기술 범위 (제품 분류 관점)

- 렌즈 부품의 성형을 위한 금형 기술은 초정밀 금형설계 및 가공, 코팅, 소재기술과 고정밀 광학부품의 최적 성형공정 개발을 위한 초정밀 성형기술을 포함

 

▪ 초정밀 금형설계 및 가공의 세부 기술로는 광학부품용 금형 설계기술, 초정밀 금형가공 기술, 초정밀 금형 코팅 기술 등 일반 금형보다 고경도, 고내열성을 요구하는 금형 필요

 

▪ 렌즈 부품 제조공정 중 고온압축성형 방식에 사용되는 기술로서 초기 Preform에 해당하는 유리 Gob(고순도 유리 Preform 기술)과 부품 성형에 필요한 초정밀 프레스 금형 (초정밀 금형설계, 가공,코팅, 소재 기술), 고정밀 광학부품 제조를 위한 성형기술 (고온 유 리소재 거동, 공정조건설정 등 최적 공정 설계 기술), 고정도 유리 성형기로 구성

 

▪ 광학 사출성형 기술의 세부 기술은 사출구 온도에 따른 압출 성형 제어 기술, 고분자 합성 사출 성형, 온도 측정용 극소형 센서 기술, 성형 재료 유변특성 평가 기술, 응력 저감 성형기술, 표면 처리기술 등으로 구성

3.  기술 범위 (공급망 분류 관점)

- 렌즈 부품의 성형을 위한 금형 기술은 금형을 제조하기 위한 기초부품, 금형을 제조하는 중간 가공(품),그리고 렌즈용

금형 완제품으로 구분

 

▪ 금형을 제조하기 위한 기초부품으로 소재는 주로 탄소강, 공구강, 합금강, 기계용 구조강 등이 사용되며, 금형부품으로는 몰드베이스, 다이세트, 금형핀, 스프링 등의 부품이 적요되며, 금형의 성형을 위해서는 주조, 석고형 목형, 수지형 쾌속조형 등의 기술이 적용

 

▪ 중간 가공(품)은 렌즈 금형을 설계하기 위한 CAD/CAM, 프로그래밍, 시뮬레이션 등의 기술이 포함되며, 이 같은 설계를 기반으로 선반, 밀링, 드릴링 등을 통해 기초 부품을 가공한 후 열처리, 표면처리 등을 통해 금형을 제조

 

▪ 렌즈 금형은 유리렌즈용 초정밀 프레스 금형과 렌즈용 플라스틱 사출금형 등 소재에 따라 구분할 수 있으며, 렌즈금형은 1㎛ 이상의 정밀성을 갖는 제품의 제작이 가능하도록 초정밀해야 함

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4. 비구면 렌즈 성형기술의 발전

- 새로운 광원으로 LASER가 개발되고 광학기술과 전자공학, 정밀기계공학과의 결합이 불가결하게 됨에 따라서 비구면 렌즈의 가공 기술도 크게 발전

 

▪ 전자계산기의 개발과 더불어 복잡한 광학 system의 계산이 가능해졌을 뿐 아니라 초정밀 가공기술이나 초정밀 측정 기술 등의 핵심기술이 급속히 진보되어 고정밀 비구면 렌즈가 대량으로 생산되고 제품화되는 상황이 일어나고 있어 종래의 구면 렌즈만을 주로 사용하였던 많은 단점과 불편함이 점차 해소

 

▪  비구면 렌즈는 구형이 아닌 곡면으로 만들어진 렌즈로 포물선면과 다항식으로 표현되는 면을 지닌 것으로 타원체, 쌍곡면, 4차 곡면 등의 렌즈가 포함

 

▪ 비구면 렌즈를 사용하면 구면렌즈에 비하여

① 구면으로는 해결하기 어려운 상의 질을 저해하는 고질적인 요인

 (구면수차, Astigmatism, Distortion 등)을 극소화 내지는 보다 쉽게 제거하여 선명하고 넓은 시야의 영상을 얻는 것이 가능,

② 광학계를 소형화, 경량화가능,

③ 생산단가 인하 요인 부각,

④ 설계 자유도의 증가 등의 장점 보유

 

▪ 반면 비구면 렌즈 사용 시 저해요인으로는

① 비구면 가공기술 미숙,

② 평가가 어려워 가공 정밀도 낮음,

③ 작업시간이 오래 걸림,

④ 고정밀 비구면은 고가의 생산 및 측정장비를 사용하여야 하므로 생산 가격 높음,

⑤특정 목적에만 사용 가능 등의 문제가 있음

 

▪ 기존의 비구면 렌즈 제작 방법은 변형 가공법, 부가 가공법, 제거 가공법(연마 법),모방 연 마법 등이 있으며 기존 비구면 렌즈 제작방법은 가공이 어렵고 대량생산이 불가능하여 수요가 높아지는 현시점에 대응하기는 어려움

 

▪ 최근에는 광 정보기기의 발달에 따라 비구면 광학소자의 필요성이 증대함과 더불어 가공, 계측, 제어 등 제반 기술의 발달에 따른 공작기계의 정밀도가 향상되어 비구면 가공 방법도 많은 변화 발생

 

▪ 제작 방법은 크게 연마 법, 등으로 구분되며 Diamond Turning 법으로법으로 의하여 금형을 정밀하게 가공하고 이것을 사용하여 Plastic 및 유리를 사출 성형하여 비구면을 제작하는 방법이 널리 활용

 

▪ 최근에는 사용 가능한 Plastic 및 유리의 재질의 수가 상당히 증가하고 있으며 이러한 기술의 확립에 의하여 그다지 높은 정밀도를 요하지 않는 Projector 렌즈나 CD나 VD의 Pick-up Lens에 사용되는 비구면 소자는 제작이 용이

 

▪ 비교적 구경이 크면서 상당히 고정밀도가 요구되는 천체 망원경이나 우주로부터의 Romote Sensing용 촬상계에 사용되는 비구면 광학소자 등은 연마 Pad의 크기 및 위치, 회전 속도를 컴퓨터로 제어하여 엄격하게simulation 하여 제어하여 고정밀의 비구면을 얻는 방법을 사용

 

▪ 이외에 유리를 구면으로 연마한 후 자외선 경화 수지를 입혀서 비구면을 만드는 방법으로 제작된 렌즈는 1984년 이후 일부의 카메라 교환 렌즈에 사용

 

▪ 비구면 렌즈는 정밀도에 따라 다양한 용도로 사용이 가능하며, 비구면 렌즈의 필요성이 증대함에 따라 비구면 기술의 발달과 더불어 새로이 해결해야 할 과제가 끊임없이 제기

비구면 렌즈의 용도

5. 국내 시장 환경 분석

▪  국내 비구면 렌즈 시장은 2000년대 접어들면서 휴대폰에 카메라가 적용되면서 급속히 시장이 증가하였으며, 2015년 기준 1조5,643억 원 규모의 시장을 형성하였으며 2020년에는2조 7,692억 원 규모의 사장으로 성장할 것으로 전망.

 

▪ 이러한 성장세는 현재 수출 주력품목으로 자리 잡고 있는 스마트폰, 프로젝션 TV, DVD, Camera, 프로젝터 등의 물량 확대로 비구면 렌즈의 시장은 매년 주목할 만한 성장세를 보임

 

▪ 세계 최고 수준인 스마트폰용 카메라 렌즈 기술을 기반으로 향후에는 자동차에 적용되는 렌즈가 증가할 것으로 예상되며, 국내 주력산업의ICT 융합화에 따라 적용분야는 더욱 증가할 것으로 기대돼 국내 비구면 렌즈 시장의 성장은 더욱 확대될 것으로 기대

국내 비구면 렌즈 시장 규모 및 전망

▪ 렌즈금형 중 최근 다수 사용되는 광학 사출 성형 분야의 국내시장규모는 2015년 2,726억원 규모이며, 지난 3년간 연평균

성장률 7.9%씩 성장한 것으로 나타남

 

▪ 지난 3년간의 연평균 성장률을 기반으로 향후 시장을 전망하면 2020년에는3,968억 원 규모의 시장으로 성장할 것으로 기대되며, 이 같은 전망치는 세계시장과 동일하게 현재까지의 추세를 반영한 것으로 향후 렌즈의 수요 증가와 광학 사출 기술개발에 따른 적용이 확대되면 시장은 더욱 성장할 것으로 기대

 

광학사출성형분야의 국내 시장규모 및 전망