Study on Ultra-Precision Grinding Processing for Aspheric Glass Array Lens WC Core

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비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 초경합금 코어 초정밀 연삭 가공에 관한 연구

고명진¹, 박순섭^1,

Myeong Jin Ko¹ and Soon Sub Park^1,

1 한국생산기술연구원 서남지역본부 (Department Seonam Regional Division, Korea Institute of Industrial Technology)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-62-600-6250 Manuscript received: 2016.9.12. / Revised: 2016.10.18. / Accepted: 2016.10.21.

Plastic array lens are cheap to manufacture; however, plastic is not resistant to high temperatures and moisture. Optical glass represents a better solution but is a more-expensive alternative.

Glass array lens can be produced using lithography or precision-molding techniques. The lithography process is commonly used, for instance, in the semiconductor industry; however, the manufacturing costs are high, the processing time is quite long, and spherical aberration is a problem. To obtain high-order aspherical shapes, mold-core manufacturing is conducted through ultra-precision grinding machining. In this paper, a 4 X 1 mold core was manufactured using an ultra-precision machine with a jig for the injection molding of an aspherical array lens. The machined mold core was measured using the Form TalySurf PGI 2+ contact-stylus profilometer.

The measurement data of the mold core are suitable for the design criterion of below 0.5 um.

KEYWORDS: Aspheric glass array lens (비구면 유리 어레이 렌즈), Ultra-Precision grinding (초정밀 연삭), WC core (초경합금 코어), Surface roughness (표면 거칠기), Form accuracy (형상 정밀도)

1. 서론

과거 음성 중심의 서비스에서 데이터 중심의 서비스 욕구가 급격히 증가하면서 대용량 통신망 의 필요성이 급증하고 있다. Sever Network와 IP를 기반으로 하는 근거리 통신망은 초고속 인터넷 서 비스의 확대, 멀티미디어 서비스가 가능한 3세대 이동 통신 서비스의 개시 및 디지털 TV 보급, IP 전화 등을 배경으로 그 중요성이 증가되고 있다.

최근에는 UCC, 트위터 등 멀티미디어 콘텐츠 증가, 유틸리티 컴퓨팅과 같은 다양한 신규 서비 스의 급증 등 높은 대역폭을 요구하는 애플리케이 션의 증가, 가상화 데이터 센터의 등장과 함께 40 G / 100 G Ethernet 기술이 차세대 광대역 서비스 대 역폭 요구에 대한 장기적 해결방안의 하나로 제시 되고 있는 가운데 세계적으로 40 G / 100 G Ethernet 으로의 네트워크의 진화가 시작 되고 있다. 특히 Ethernet은 빠른 속도, 대용량의 DATA 전송을 목적 __________

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으로 경량화, 일체화 등을 목표로 많은 관련 기술 및 부품의 개발이 진행되고 있으며 그 수요와 시 장 잠재능력이 크다.

Fig. 1과 Filter를 사용하는 40 G / 100 G 광전송 모듈의 경우 광학 부품은 파이버에서 나오는 빔을 Collimation 시켜주는 Collimation Lens, 입사된 빔을 파장별로 분리 해주는 Optical DEMUX, 파장별로 분리된 빔을 PD (Photo Diode)에 입사 시키는 Micro Lens Array로 나눌 수 있다. 비구면 유리 어레이 렌 즈는 고도화된 광 전송 모듈에 사용되는 광학 핵 심부품이다. 40 G / 100 G Ethernet과 같이 대용량 광 정보 전송 분야에서 사용되는 비구면 유리 어레이 렌즈는 우수한 광학 특성, 낮은 열 팽창률 및 내 환경성이 요구되므로 유리 재료의 어레이 렌즈 제 작 기술이 필수적으로 요구된다.^1-4

현재 비구면 어레이 렌즈 제작방법은 F. T. S (Fast Tool Servo)를 적용한 선삭공정을 통하여 제작 된 코어를 이용하여 사출 또는 성형을 통한 제작으 로 크게 두 가지로 나누어 진다.^5,6 우선 Lithography 공정의 경우 Lithography, Etching, Thermal Reflow가 혼합된 방법이 일반적이며 복잡하고 까다로우며 고차항 비구면 구현이 어렵다는 단점이 있다. 또

한 상기와 같이 제조하는 기술은 많은 시설 투자 및 특화된 전문 기술을 요하며, 높은 제조 단가를 형성하고 있어 일본, 미국, 독일 선진 사에서 전량 수입에 의존하는 실정이다.

다음으로 F. T. S.를 적용한 선삭 가공 가공기술 은 장비 가격이 고가이므로 금형 코어 제작비가 높을 뿐만 아니라 플라스틱 어레이 렌즈 금형 코 어만 제작 가능하며 렌즈의 Sag 값 및 금형 크기 제어가 어려우며 연삭공정에서 F. T. S.를 사용 할 수 없어 광학제품 응용에 제약이 있다.

반면 비구면 유리 어레이 렌즈 성형 공정은 고 정밀도로 제작된 성형 코어를 이용한 복제 공정으 로 높은 생산성 및 재현성을 갖는 고정도 유리 광 부품의 제작에 매우 적합하다. 따라서 비구면 유 리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어의 제작기술 개 발이 시급한 실정이다.

본 논문에서는 다중편심지그를 이용하여 비구 면 유리 어레이 렌즈 성형용 초경합금 코어 초정 밀 경사축 연삭 가공기술을 개발하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법 2.1 실험장치

2.1.1 초정밀 마이크로 연삭기

본 연구에 사용된 초정밀 가공기는 Fig. 2의 사 진처럼 도시바사의 ULG-100 C (H³)로 초정밀 마이 크로 가공기이다. 초정밀 가공기는 V-V 롤러가이 드와 리니어 모터 구동 (X, Z축)과 공작물을 고정 시키는 공기 정압 베어링 스핀들과 고속 고정도 공기 정압 베어링 스핀들로 구성되어 있다. 두 안 내면은 각각 X축과 Z축의 직교형태를 이루며 구 동한다. Z축의 중심부에 해당하는 안내면에 워크스 (a) CFP block diagram

(b) Schematic for micro lens array

Fig. 1 CFP block diagram and schematic for micro lens array

Fig. 2 Ultra-Precision machine (ULG-100C (H³))

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핀들이 고정되어 회전하며, 안내면의 구동방향과 평행을 이루며 회전한다. X축 구동안내면 위에는 고속 고정도 공구 스핀들이 고정되어 연삭 숫돌을 설치할 수 있으며, 스핀들 구동방향과 수직방향으 로 구동한다.

비구면 유리 어레이 렌즈 금형 코어는 고온/고 압 (약 600 ℃, 약 1 MPa) 성형 공정으로 제작 가 능하므로 성형용 금형 코어의 재질 선택 시 고온 에서 경도가 높은 무코발트 텅스텐 카바이드 재료 가 주로 이용되며 제품의 형상 정밀도가 광 효율 에 미치는 영향이 크므로 금형 코어의 경우 초정 밀 연삭 가공 (Ultra-Precision Grinding Machining)을 통해 형상 정밀도 P-V 0.5 ㎛ 이내로 가공하고 있 다. 본 논문에서는 4 X 1 비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 초경합금 코어 제작을 위해 초정밀 경사축 연삭 가공기를 사용하였다.

2.1.2 초정밀 측정기

Fig. 3은 비구면 형상 측정 장비로는 Talyer Hobson 사의 Form Talysurf Series 2+ 를 사용하였다.

다이아몬드 팁 접촉식 형상 측정기로 측정범위는 120 ㎜이며, 분해능은 0.86 ㎚이다.

2.1.3 가이드 캡 및 초경합금 코어

기존 비구면 플라스틱 어레이 렌즈 사출용 금 형 코어 가공 방법인 F. T. S를 사용하지 않고 비구 면 홀 간의 Pitch 정밀도를 유지 하면서4 X 1 비구 면 유리 어레이 렌즈 성형용 초경합금 코어 제작 을 위해 Fig. 4와 같이 설계된 가이드 캡 종류에 따라 다수의 가공중심을 가질 수 있는 가이드 캡 을 설계 및 제작 하였다. 4개의 상이한 가공중심을 갖는 다수의 비구면 어레이 홀을 가공 할 때 각각

Fig. 3 Measuring instrument (Form talysurf series 2+)

(a) Guide Cap 1

(b) Guide Cap 2

(c) Guide Cap 3

(d) Guide Cap 4

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의 가이드 캡 종류에 따라 성형용 금형 코어의 가 공중심이 일정한 간격으로 변화된다.

각 비구면 홀 간의 Pitch 간격은 990 ㎛ 이며, 비구면 홀 간 위치 정밀도 오차를 최소화 하기 위

해 가이드 캡과 금형 코어 간의 조립 공차를 ± 1

㎛로 제작하였다. 실제 초정밀 연삭 가공시 가이드 캡 1번을 금형 코어와 조립하면 Fig. 5(b) 도면의 좌 측 상단 홀이 가공되며 다음으로 2번부터 4번까지 캡을 교체하여 가공하면 좌측 1열의 4 X 1 비구면 어레이 홀 가공이 완료된다. 다음으로 금형 코어를 180° 회전시킨 후 다시 상기 공정을 반복하면 Fig.

4(c) 그림과 같이 4 X 1 비구면 어레이 홀이 좌우로 총 2개가 제작 되는 것을 알 수 있다. 금형 코어 중 심에 있는 구면 홀은 고온/고압 성형시 유리소재를 금형 코어 중심에 정렬 시키기 위해 가공하였다.

3. 실험 결과

3.1 경사축 연삭 가공법을 이용한 금형 코어 초정밀 연삭 가공

비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어의 개 별 비구면 홀 간의 간격 (Pitch)과 비구면 홀 간의 센 터를 정밀하게 조절하기 위해서 상기 제작된 다중편 심지그와 금형 코어를 결합한 후 초정밀 가공기를 이용하여 경사축 연삭 가공법 (Slanted Grinding Method)으로 연삭 하였다. 비구면 유리 어레이 성 (a) Guide Cap 1 with WC core

(b) 4 X 1 array lens mold core

(c) 4 X 1 array lens mold core

Fig. 5 Fabrication of 4 X 1 aspherical array lens mold core

(a) Schematic diagram for slanted grinding method

(b) Grinding of aspherical array lens mold core Fig. 6 Slanted grinding method

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형용 금형코어 홀 직경이 Ø1 ㎜ 미만이며 설계된 비구면 Radius 값에 따라 최대 허용되는 다이아몬드 숫돌의 직경은 Ø0.75 ㎜ 이하이다. 다이아몬드 숫돌 과 공작물간의 연삭 경로 (Grinding Pass)를 지나는 동 안 간섭을 피하기 위해 Fig. 6과 같이 경사축 연삭 가 공법을 선택하였다. 정삭용 레진본드 다이아몬드 숫 돌의 mesh는 # 2500이며, 집중도 125, 워크스핀들 회 전수 140 rpm, 연삭 숫돌 회전수 68,000 rpm, 공구 이 송속도 0.5 ㎜/min, 절입 깊이 0.2 ㎛ 조건으로 형상 정밀도 P-V 0.5 ㎛ 이하로 가공하였다. 8개의 비구면 홀의 Sag를 설계 값 150 ㎛ ± 2 ㎛ 이내의 공차로 맞 추기 위해 황삭 (Rough Machining)과 중삭 (Re-Rough Machining) 공정을 거친 후 최종적으로 Table 1과 같 이 정삭 공정을 진행하였다. 비구면 유리 어레이 렌 즈의 경우 각 비구면 홀간의 형상 정밀도와 위치 정밀도 및 표면 거칠기도 중요하지만 광 효율 손실 방지를 위해 8개의 비구면 홀의 Sag 값을 설계 오차 범위 내에서 일정하게 가공 되어야만 한다.

초정밀 연삭 가공된 금형 코어는 접촉식 비구 면 형상 측정기 (Form Talysurf Series 2+)를 이용하 여 형상 정밀도, 표면 거칠기 (Rmax) 및 Sag를 측 정한 결과 Table 2와 같이 4 X 1 어레이 금형 코어 의 8개에 대한 형상 정밀도는 P-V 0.2388 - 0.3476

㎛로 가공허용 오차범위로 가공되었으며, 표면 거 칠기 Rmax 41.4 - 47.7 ㎚, 각 홀의 Sag값은 설계 값 인 0.150 ㎜의 허용 오차인 ± 2 ㎛ 이내로 측정되 었다. 공구현미경을 이용하여 비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어의 위치 정밀도 (Pitch) 측정 Turbine speed 68,000 rpm

Feed rate 0.5 ㎜/min Depth of cut 0.2 ㎛

Table 2 WC core measurement data Number

of sample

Form accuracy

[㎛]

Surface roughness (Rmax)[㎚]

Pitch [㎛]

Sag [㎜]

#1 0.2380 41.5 990.5 0.149

#2 0.3476 47.7 990.6 0.150

#3 0.2388 47.5 990.3 0.150

#4 0.2546 41.4 990.0 0.149

#5 0.2743 44.1 990.5 0.150

#6 0.3084 41.6 990.4 0.150

#7 0.2970 45.4 990.5 0.151

#8 0.2790 43.2 990.8 0.152

(a) Form accuracy of WC mold core

(b) Surface roughness of WC mold core

Fig. 7 Form accuracy and surface roughness of WC mold core

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밀도 990 + 0.8 ㎛를 보였다.

4. 결론

본 논문에서는 40 G / 100 G Ethernet용 대용량 광 정보 전송 분야에 적용 가능한 비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어를 제작하였다. 생산단가가 높고 비구면 형상 재현이 불가능한 Lithography 공 정과 F. T. S.를 이용한 선삭 공정 대신 성형 공정 에 적용 가능한 비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어를 제작하였다. 고온/고압 성형을 위한 무코발트 텅스텐 카바이드 재질의 금형 코어와 다 수의 가공중심을 갖는 가이드 캡을 설계 및 제작 하였다. 초정밀 연삭 가공기를 이용하여 비구면 어레이 형상의 성형 코어 제작을 통해 수차 제어 가 가능한 유리 어레이 렌즈를 제작 가능 할 것으 로 사료된다. 또한 비구면 형상 제어를 통해 기존 어레이 렌즈 보다 광학 효율을 증대 시킬 수 있으 며 복제 공정을 통한 높은 생산성 및 낮은 단가 구현이 가능하리라 생각된다. 최종적으로 제작된 비구면 유리 어레이 렌즈 성형용 금형 코어의 형 상 정밀도, 표면 거칠기, 위치 정밀도 및 Sag 특성 을 분석함으로써 비구면 유리 어레이 렌즈 제작에 있어 성형 공정의 가능성을 평가하였다.

후 기

이 논문은 한국생산기술연구원의 타켓형 히든 챔피언 육성 시범 사업의 지원을 받아 수행된 연 구임을 밝히며, 관계자 여러분께 감사 드립니다.

REFERENCES

1. Park, S. S., Hwang, Y., Lee, K. Y., Kim, G. H., and Won, J. H., “Design and Development of Asymmetry Glass Array Lens,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol.

25, No. 12, pp. 39-46, 2008.

Spherical Aberration,” Optical Engineering, Vol. 38, No. 1, pp. 146-150, 1999.

4. Park, S. S., Lee, K. Y., Hwang, Y., and Kim, H. M.,

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5. Park, S. S. and Lee, H. J., “Research on Ultra- Precision Grinding Method,” J. Korean Soc. Precis.

Eng., Vol. 23, No. 6, pp. 14-21, 2006.

6. Suzuki, H., Kodera, S., Maekawa, S., Morita, N., Sakuri, E., et al., “Study on Precision Grinding of Micro Aspherical Surface Feasibility Study of Micro Aspherical Surface by Inclined Rotational Grinding,”

Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 64, pp. 619-623, 1998.