◆ 특집 ◆ 최신 플라스틱-금속 성형 해석 기술
다공성 박판형 러너를 사용한 초소형 렌즈 사출금형 개발
Development of Injection Mold for Subminiature Lenses Using Shell Runners Containing Multiple Holes
윤승탁1, 박근1,
Seung Tak Yoon1 and Keun Park1,
1 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-970-6358 Manuscript received: 2015.8.31. / Revised: 2015.9.12. / Accepted: 2015.9.15.
This study aims to develop an efficient mold structure for the injection molding of a subminiature lens, using shell-type runners instead of traditional cylindrical runners. While the shell runner has the advantage of shorter cooling time due to its thinner geometry, this smaller thickness causes an increase in injection pressure. In this study, the design of the shell runner was modified to contain multiple holes for the purpose of reducing injection pressure. Numerical analyses were performed for shell runners of various hole-shapes, and the resulting filling and cooling characteristics were discussed; the rhombic hole showed the best result for both filling and cooling characteristics. Subsequently, injection molding experiments were performed using an injection mold fabricated based on the rhombic design. The lens parts were successfully molded with highly-reduced cycle time and without degradation of part quality.
KEYWORDS: Injection molding (사출성형), Subminiature lens (초소형 렌즈), Shell runner (박판형 러너), Multiple hole runner (다공성 러너), Numerical analysis (수치해석)
1. 서론
최근 휴대폰의 비약적인 발전과 더불어 휴대폰 용 카메라의 해상도도 점차적으로 높아지며 기존 의 디지털카메라를 대체해나가고 있다. 고해상도 카메라 모듈의 제작을 위해 통상적으로 다수개의 얇은 비구면 렌즈를 사용하고 있는데,1 휴대폰의 슬림화 추세에 더불어 직경 5 mm, 두께 0.5 mm 이 하의 초소형 렌즈가 사용되고 있다.2
초소형 렌즈는 일반적으로 사출성형 공정을 통 해 제작되는데, 제품의 두께가 얇은 경우 수지의 유동성이 저하되어 성형불량이 발생할 소지가 높 다. 두께가 얇은 제품의 사출성형시 유동성의 저 하로 인해 웰드라인(Weld line),3 흐름자국(Flow mark)4 등의 표면불량이 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이를 해소하기 위해 압력을 과도하게 설 정하면 렌즈의 후변형이 발생하여 설계된 비구면 형상의 오류가 발생할 가능성이 높다.5,6 또한 사출 __________
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성형의 영향으로 인해 렌즈의 결상특성 및 복굴절 특성이 저하되어 결과적으로 광학적 성능이 저하 될 우려도 있다.7,8
초소형 렌즈 사출성형시 통상적으로 생산성 향 상을 위해 다개취수(Multi-cavity) 성형을 실시한다.
다개취수 성형시 캐비티별 균형충전을 위해 H-분 기형 러너구조가 널리 사용되며,9 10 캐비티 이상 의 다개취수 성형시 유동균형 및 러너소재 절감 등을 목적으로 방사형(Radial) 러너구조도 사용되 고 있다.10 사출금형의 러너는 고분자 수지의 유동 측면에서는 단면적을 크게 설계해야 하는 반면 냉 각 측면에서는 단면적을 줄여야 하는 상반되는 특 성을 갖고 있는데,11 초소형 렌즈의 경우 유동특성 과 냉각특성을 동시에 향상시킬 수 있는 러너설계 가 필요하다.12
이를 위해 본 연구자의 선행연구로서 기존의 원통형 러너(Cylindrical runner)에서 탈피한 박판형 러너(Shell runner)를 제안하였고, CAE 해석을 통해 러너부의 냉각시간을 1/2 이하로 감소시킬 수 있 음을 확인하였다.13 상기 연구에서 박판형 러너가 기존의 원통형 러너에 비해 냉각성능을 대폭 향상 시킬 수 있는 것으로 확인된 반면, 유로의 감소로 인해 유동특성이 저하되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 박판형 러너에 다수개의 관통 구멍(Multi-hole)을 추가하도록 설계하여 러너부의 재료사용량을 절감하고 유동특성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 다양한 형상의 구 멍을 설계하고, 사출성형의 CAE 해석을 통해 최 적의 유동특성과 냉각특성 획득을 위한 설계안을 결정하고자 한다. 또한 해당 설계안을 적용하여 사출금형을 제작하고 성형실험을 수행하여 성형품 의 품질과 생산성 변화를 고찰하고자 한다.
2. 다공성 박판형 러너의 성형특성 2.1 다공성 박판형 러너의 개요
초소형 렌즈 사출성형의 경우 일반 사출성형과 다르게 유동안내부(Delivery system)의 부피가 제품 부피에 비해 지나치게 크다. 유동안내부는 일반적 인 사출성형에서는 전체 성형부의 20-30% 정도이 나 다개취수로 성형되는 초소형 렌즈의 경우 90%
이상에 해당하는 것으로 알려져 있다. 특히 유동 안내부에서 가장 큰 비중을 차지하는 러너(Runner) 부의 냉각에 소요되는 시간이 길어 상대적으로 생 산성을 저하시키는 요인이 된다.13
Fig. 1 Dimensional configuration of a subminiature lens for a mobile phone camera (unit: mm)
(a) Cylindrical runner (Type 1)
(b) Shell runner without a hole (Type 2)
11.4
(c) Shell runner with circular holes (Type 3) Fig. 2 Runner types for 12-cavity lens molding
Fig. 1에 본 연구에서 개발하고자 하는 초소형 렌즈의 단면형상 및 치수를 도시하였으며, 외경 3.6 mm, 두께 0.4 mm로 설계되었다. 크기로 입사면 은 볼록하고(곡률반경: 1.1 mm) 출사면은 오목한 형상(곡률반경: 0.8 mm)으로 설계되었다. 입사면과 출사면간 곡률반경의 차이로 인해 렌즈의 중심쪽 으로 갈수록 두께가 점차적으로 감소하는 형상으 로 표현되며, 중심부에서의 최소두께는 0.3 mm에 해당한다.
Fig. 2에 상기 렌즈를 성형하기 위한 3가지 형 태의 사출금형 유동안내부의 형상을 도시하였다.
유동안내부는 12개취수 금형을 기준으로 설계하였 으며, 스프루와 게이트는 공통 사양을 적용하고 러너부 설계만 차별화하였다. 게이트는 4각 단면 의 측면 게이트(Side gate)를 사용하였고, 게이트의 폭과 두께는 각각 0.9, 0.35 mm로 설계하였다. 스프
루 직경은 2.5 mm, 길이는 45 mm로 설계하였다.
Fig. 2(a)에 기존의 원통형 러너(Type 1)를 도시 하였다. 원통형 러너는 스프루 끝단에서 6개의 주 러너(직경 2.3 mm)를 통해 6개의 방향으로 유동이 분기되며, 이후 각 주러너에서 2개의 보조러너(직 경 2.1 mm)로 분기되는 구조로 설계되었다. Fig.
2(b)에 박판형 러너(Type 2)를 도시하였으며, 스프 루 끝단에서부터 일정한 두께(1.3 mm)로 방사형으 로 퍼져나가며 분기되는 구조로 설계하였다.13 Fig.
2(c)에 본 연구에서 제안한 다공성 박판형 러너 (Type 3)를 도시하였다. 다공성 박판형 러너는 기존 박판형 러너에 개취수만큼 원형 구멍을 추가하여 러너부의 체적을 감소시킨 형태로, 박판형 러너의 유동특성을 개선하기 위한 목적으로 시도되었다.
원형 구멍은 중심부로부터 11.4 mm의 위치에 4.3 mm의 직경으로 설계하였으며, 러너의 체적이 15%
정도 절감되는 효과가 있다. 또한 구멍 주변부에 서 유속이 증가될 것으로 예상되어 결과적으로 유 동특성을 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
2.2 충전해석을 통한 유동특성 비교
상기 3가지 러너구조에 대한 유동특성을 비교 하기 위해 충전해석(Filling analysis)을 수행하였다.
해석은 Moldex3D®를 사용하였으며, 러너의 대칭성 을 고려하여 1/12영역(원통형 러너의 경우 1/6 영 역)을 대상으로 수행하였다. 해석시 고분자수지는 Mitsui Chemical社의 APELTM APL5514ML(Cyclo Olefin Copolymer; COC)의 물성을 사용하였다. Table 1에 사출성형 조건을 요약하였다.
Fig. 3(a)에 수지 충전시간에 따른 렌즈 내부의 유동패턴을 도시하였다. 유동패턴을 살펴보면 렌 즈 하단에 위치한 게이트를 통과한 후 볼록한 형 태로 퍼져나가다 점차적으로 완만해지며, 렌즈 중 심부에서 수평에 가까운 형태로 바뀌고 이후 유동 이 정체되면서 오목한 형태로 진전됨을 알 수 있 다. 이러한 정체현상은 중심부의 두께 감소로 인 해 유동저항이 증가하였기 때문으로 판단되며, 결 과적으로 웰드라인, 흐름자국 등의 표면결함을 유 발할 수 있어 렌즈의 광학적 특성에 악영향을 미 치는 것으로 알려져 있다.14 이러한 경향은 러너의 구조에 관계 없이 전체적으로 유사하게 나타난 것 으로 확인된다.
Fig. 4에 시간대별 사출압 변화를 도시하였다.
그래프를 보면 3가지 러너(Type i) 모두 게이트를 통과한 이후 사출압이 급증함을 알 수 있으며, 특
히 모든 경우의 게이트 통과시점(Bi)부터 렌즈면 종료시점(Ai) 사이의 압력구배(Pressure difference)가 전체 사출압의 1/3 이상임을 확인할 수 있다. 따라 서 렌즈면에 발생되는 표면결함을 해소하기 위해 서는 Ai - Bi 구간에서의 압력구배(ΔPi)를 감소시켜 야 한다. 한편 다공성 박판형 러너(Type 3)의 경우 게이트 통과시의 압력(14.9 MPa)이 구멍이 없는 경 우(13.6 MPa)에 비해 높게 나타남을 알 수 있는데, 이는 구멍 사이의 좁은 부분(C3) 통과시 유로의 감 소로 인해 압력이 증가하기 때문으로 분석된다.
Table 2에 러너구조에 따른 충전해석 결과를 정 량적으로 비교하였다. 3가지 러너의 체적 차이로 인해 충진 완료시간이 비례하여 변화함을 알 수 있으며, 이는 3가지 경우에 대해 동일한 충전율 (Injection rate)를 부여했기 때문이다. 최대사출압의 크기는 Type 3의 경우 23.78 MPa로 나타나 Type 2(22.86 MPa)에 비해 0.92 MPa(4.0% 해당) 증가한
Table 1 Injection molding conditions Molding condition Value
Melt temperature (oC) 260 Mold temperature (oC) 130 Injection rate (cm3/s) 3.3
Packing time (s) 4.0 Cooling time (s) 15
(a) Type 1 (b) Type 2 (c) Type 3 Fig. 3 Filling patterns for three runner types (unit: s)
Fig. 4 Comparison of the injection pressure profiles
반면, 압력구배는 0.49 MPa(6.1% 해당) 만큼 감소 됨을 알 수 있다. 이러한 상반되는 결과는 다음과 같이 설명될 수 있는데, 우선 최대사출압의 증가 는 러너부의 구멍으로 인해 해당 위치에서의 유로 가 좁아져 압력강하가 발생하기 때문으로 판단된 다. 반면 압력구배의 감소는 러너부 유로감소로 인해 유속이 증가하여 결과적으로 게이트 통과 이 후의 압력강하가 감소되기 때문으로 분석된다. 실 제 렌즈면의 표면불량이 게이트 통과 이후 렌즈 부위 성형단계의 압력구배에 영향을 받는 점을 감 안할 때,15 러너부의 구멍이 최대사출압은 소폭 증 가시킬 수 있으나 렌즈 성형부에서의 압력강하를 감소시켜 유동특성을 개선하는 것으로 판단된다.
2.3 냉각해석을 통한 냉각특성 비교
3가지 러너구조의 냉각특성을 비교하기 위해 냉각해석을 실시하였다. 해석은 Moldex3D®를 사용 하였다. Fig. 5에 냉각회로의 기본 구조를 도시하였 으며, 고정측과 가동측의 회로에 온도 130 oC의 냉 각유가 120 cm3/s의 유속으로 공급되는 것으로 설 정하였다. Fig. 6에 보압 종료 시점에서의 러너 단 면부 온도분포를 도시하였다. 원통형 러너의 경우 분기점에서 200 oC 이상의 고온부가 발생되는 반면 (Fig. 6(a) 참조) 박판형 러너의 경우 모두 170 oC 이하의 분포를 보여 냉각효과가 우수함을 알 수 있다. 구멍의 유무에 따른 박판형 러너의 온도분 포를 비교하면 구멍이 있는 경우(Type 3) 구멍부에 서 금형과의 접촉면적이 증가하는 관계로 일반 박 판형 러너(Type 2)에 비해 냉각효과가 더 크게 나 타남을 알 수 있다.
Fig. 7에 각 러너부의 최고온도 발생지점에서의 냉각시간에 따른 온도변화를 비교하였다. 원통형 러너(Type 1)의 경우 보압종료 이후 취출온도(145
oC)에 도달하는데 걸리는 순수 냉각시간이 10.15 s 로 예측된 반면 Type 2 경우 각각 3.25 s로 나타나 1/3 수준으로 감소됨을 확인하였다. Type 3의 경우 는 3.15 s로 나타나 추가적인 감소를 보였는데, 이 는 러너부에 구멍이 있는 경우 금형과의 열전달
효과가 증대되어 냉각특성도 소폭 향상되기 때문 으로 분석된다.
3. 러너부 구멍형상에 따른 성형특성 고찰 3.1 구멍형상에 따른 유동특성 비교
2장의 결과에서 박판형 러너에 구멍을 추가한 경우 유동특성과 냉각특성 모두 개선효과가 있는 Table 2 Filling simulation results for three runners
Runner type Type 1 Type 2 Type 3 Runner volume (mm3) 1166 1561 1333
Injection time (s) 0.392 0.529 0.458 Injection pressure (MPa) 20.31 22.86 23.78 Pressure difference (MPa) 6.71 8.05 7.56
Fig. 5 Configuration of the cooling channels
(a) Type 1 (b) Type 2 (c) Type 3 Fig. 6 Sectional temperature distributions at the end of
packing for three different runner types (unit: oC)
Fig. 7 Comparison of the maximum temperature changes
것으로 분석되었다. 특히 구멍부에서의 유속 증가 로 인해 유동특성이 개선되는 점에 착안하여 본 연구에서는 구멍의 형상을 변화시켜가며 성형해석 을 수행하였다. Fig. 8에 기존의 원형 구멍을 변형 한 3가지 구멍 형태(직사각형, 삼각형, 마름모)를 도시하였다. 각각의 경우 구멍의 위치와 면적은 원형 구멍의 경우와 동일하도록 설계하였고, 결과 적으로 러너부의 체적이 동일하도록 설계하였다.
상기 3가지 구멍의 박판형 러너에 대한 충전해 석을 실시하였다. 해석은 Moldex3D®를 사용하였으 며, 해석조건은 원형 구멍의 경우와 동일하게 설 정하였다. Fig. 9에 원형 구멍을 포함한 4가지 러너 단면에서의 속도 분포를 비교하였다. 속도 분포를 보면 구멍 초입부에서 유동이 분기되어 측부에서 유속이 증가하다 이후 합쳐지면서 진전되는 특성 을 보임을 알 수 있다. 또한 구멍 하측/상측에서
유속이 1 cm/s 이하인 정체영역이 형성됨을 알 수 있는데, 이러한 정체영역은 마름모형 구멍의 경우 에서 가장 적게 발생됨을 알 수 있다.
Table 3에 구멍의 형상에 따른 유동해석 결과를 비교하였다. 4가지 설계안중 마름모 형상의 경우가 최대사출압이 가장 낮게 나타났고(23.65 MPa) 압력 구배 역시 7.64 MPa로 낮은 수준으로 나타나 종합 적으로 가장 좋은 유통특성을 보임을 알 수 있으 며, 이러한 결과를 토대로 마름모 형상으로 다공 성 박판형 러너를 설계하였다.
3.2 구멍형상에 따른 냉각특성 비교
마름모형 다공성 러너에 대해 냉각해석을 실시 하였다. Figs. 10(a)와 10(b)에 일반 박판형 러너와 마름모형 다공성 박판형 러너의 냉각시간 경과에 따른 온도분포를 도시하였다. 결과를 비교하면 마름 모형 구멍부에서 금형과의 접촉을 통한 열전도에 의해 온도저하가 더 빨리 진행됨을 알 수 있으며, 결과적으로 3초 냉각 후에는 러너부 온도가 취출 온도 이하로 떨어져 취출이 가능함을 알 수 있다.
4. 실험적 검증
4.1 다공성 러너 사출금형 제작 및 성형실험 상기 해석결과를 종합하여 마름모형 다공성 박 판형 러너를 최종 설계안으로 확정하고, 이를 토
Circle Rectangle Triangle Rhombus
Fig. 8 Various hole shapes for the shell runner
80 60 40 20
1 Circle Rectangle Triangle Rhombus
Fig. 9 Vector plots for velocity distributions around various runner holes (unit: cm/s)
Table 3 Comparison of simulation results for the shell runner with various hole shapes
Hole shape Pmax (MPa) ΔP (MPa)
Circle 23.78 7.56
Rectangle 23.83 7.62
Triangle 24.08 8.01
Rhombus 23.65 7.64
1.0 s 2.0 s 3.0 s 4.0 s 5.0 s
(a) Shell runner without a hole
1.0 s 2.0 s 3.0 s 4.0 s 5.0 s
(b) Shell runner with rhombic holes
Fig. 10 Temperature changes for various runner (unit: oC)
대로 사출금형을 제작하였다. 사출금형 제작시 비 구면 렌즈용 핀코어(Pin core)는 비구면 가공기 (Diamond turning machine; DTM)를 사용하여 별도로 제작하고 금형에 삽입하여 조립하였다. 제작된 금 형을 사출성형기(Sumitomo SE50DU, 50 ton)에 장착 하여 사출성형 실험을 수행하였다(Fig. 11 참조).
성형조건은 Table 1의 조건과 동일하게 설정하였다.
Fig. 12(a)에 실험을 통해 얻어진 성형단계별 유
동패턴을 충전해석 결과와 비교하였다. 유동패턴 은 마름모형 구멍 하단에서 분기된 유동이 상단에 모여 웰드라인을 형성하고, 이후 게이트를 통과하 여 캐비티 내부를 채워나가는 형상으로 나타났고, 이는 해석결과와 유사하게 나타났음을 알 수 있다.
Fig. 12(b)에 냉각시간 3초 적용 시 최종적으로 성 형된 러너부 및 렌즈 사출성형품 형상을 도시하였 으며, 러너부가 충분히 고화되어 후변형 없이 취 출됨을 확인할 수 있었다.
4.2 냉각시간에 따른 렌즈면 형상정밀도 비교 냉각시간 3초 적용시 렌즈의 형상정밀도 고찰 을 위해 성형된 렌즈의 표면형상을 측정하였다.
측정은 접촉식 표면측정장비인 Form Talysurf PGI 840(Taylor Hobson社)를 사용하여 수행하였고, 렌즈 의 입사면에 대해 수지 흐름방향(0o)과 수직방향 (90o)에 대해 측정을 실시하였다.
Fig. 13에 측정결과로부터 얻어진 형상오차(설 계된 비구면 형상정보와의 차이)를 그래프로 도시 하였다. 우선 흐름방향의 렌즈면 오차(Fig. 13(a) 참 조)를 보면 ‘m’자 형태의 분포를 보이며 최대 편 차는 0.423 µm로 측정되었다. 수직방향의 렌즈면 오차(Fig. 13(b) 참조) 역시 유사한 형태를 보이며 최대 편차는 0.524 µm로 0.1 µm 정도의 차이를 보 Fig. 11 Experimental setup for the injection molding
80% 95% 97%
(a) Comparison of the intermediate filling patterns
10 mm
90°
0°
(b) Molded products with a multi-hole runner Fig. 12 Results of injection molding experiments
(a) Flow direction (0o)
(b) Transverse direction (90o)
Fig. 13 Form accuracy profiles for the lens surfaces molded under the 3 s cooling condition (unit: µm)
였다. 이러한 오차는 실제 산업현장에서 허용되는 오차범위(1 µm) 이하로 적정한 수준이며,5 특히 유 동방향과 수직방향의 표면형태가 유사하여 보정가 공이 용이하게 수행될 수 있을 것으로 판단된다.
냉각시간이 렌즈면 형상정밀도에 미치는 영향 을 고찰하기 위해 냉각시간을 1, 3, 5, 7초로 변화시 켜가며 추가적인 성형실험을 실시하였다. Fig. 14에 냉각시간에 따른, 렌즈면 형상오차의 최대치를 비 교하였다. 냉각시간 7초의 경우가 최대 편차는 0.4 µm 이하로 가장 좋은 결과를 보였으며, 타 경우에 도 0.6 µm 이내의 오차 및 0.1 µm 이내의 방향별 편차를 보여 만족스러운 수준으로 평가되었다. 다 만 냉각시간 1초의 경우는 스프루 부분이 충분히 냉각되지 않아 금형 이형후 휨이 발생하여 로봇을 이용한 자동취출이 불가한 문제점이 발견되었다.
상기 결과로부터 본 금형의 경우에는 최소 냉각시 간을 3초로 설정하였다.
5. 결론
본 연구에서는 초소형 렌즈 사출성형시 냉각성 능을 향상시키면서도 유동특성을 저하를 방지하기 위해 다공성 박판형 러너를 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 직경 3.6 mm, 두께 0.4 mm(중심두께 0.3 mm) 의 초소형 렌즈 성형을 위한 다공성 박판형 러너를 제안하였고, 충전해석을 실시한 결과 다공성 박판형 러너가 일반 박판형 러너에 비해 캐비티 내 압력강 하를 6% 정도 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 다공성 박판형 러너의 냉각해석을 실시한 결과 냉각시간 3초 경과시 러너부 전체의 온도가 고화온도 이하로 냉각되는 점을 확인하였고, 결과
적으로 기존의 원통형 러너(10초 이상)에 비해 냉 각시간을 1/3 이하로 절감할 수 있었다.
(3) 다공성 러너에서 다양한 구멍 형상에 대해 유동해석을 실시한 결과 마름모 형상의 구멍을 적 용한 경우가 가장 좋은 유동특성을 보였고, 적정 냉각시간도 3.04초로 예측되어 최종 설계안으로 확정하였다.
(4) 최종 설계안을 적용하여 금형을 제작하고 성형실험을 수행한 결과 3초 냉각만으로 원활하게 취출이 가능함을 확인하였다. 또한 성형품 측정 결과 렌즈면 형상오차가 0.6 µm 이하로 나타나 품 질 측면에서도 문제가 없는 것으로 확인되었으며, 결과적으로 양질의 제품을 높은 생산성으로 제작 할 수 있을 것으로 기대된다.
상기 연구결과를 토대로 향후 카메라용 초소형 비구면 렌즈의 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 전망되며, 성형된 렌즈의 복굴절 저감 등의 광학 적 특성평가에 대한 연구도 추가적으로 필요한 것 으로 사료된다.
후 기
본 연구는 서울과학기술대학교 교내학술연구비 의 지원으로 수행되었으며, 렌즈금형 제작에 도움을 주신 ㈜프로이노텍의 김경문 대표님께 감사드립니다.
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