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마이크로 렌즈 어레이 성형 기술의 획기적 발전

기술지원처 엔지니어 덩융신(鄧詠心)



 

고객 소개

 

국립 타이완대학교(NTU)의 전신은 일본 식민정부가 1928년에 설립한 타이베이제국대학입니다. 1945년 11월 15일 타이베이제국대학은 국립 타이완대학교로 교명을 정식 변경하였고, 초대 총장은 뤄종뤄 박사였습니다. 현재 국립 타이완대학교는 11개 단과대학, 54개 학과 및 108개 대학원 과정을 갖추고, 50여개의 국가 및 대학급 연구센터을 보유하고 있습니다. 현재 재학생 수는 전문평생교육대학을 포함하여 총 32,000명 이상에 달하는데, 그중 대학생이 17,000여명, 대학원생은 15,000여명 입니다. 대학원생 수가 대학생 수와 거의 비슷한데, 이는 NTU가 이미 연구중심대학으로의 전환에 성공했음을 의미합니다.

 

개요


기존 다중 렌즈로 인한 두께 문제를 해결하기 위해 경량·박형 다기능 어레이 특성을 갖고 있는 마이크로 렌즈가 개발되었습니다. 팬 게이트를 이용하여 제작하는 기존의 마이크로 렌즈 어레이와 달리 이 사례에서는 빠르고 균일하며 우수한 광학 특성을 갖는 마이크로 렌즈 어레이 성형 공정을 개발했습니다. Moldex3D 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 다양한 러너 시스템의 장단점을 분석하여 기존 러너 시스템의 콜드 러너 플라스틱 손실을 개선하고 디스크 성형의 타당성을 검증하였으며, 시뮬레이션 결과를 분석하여 제품 설계를 최적화 하였습니다. 최종적으로 실제 성형 실험에서 4인치 디스크에 품질이 우수한 양면 마이크로 렌즈 어레이를 제작하는 데 성공하였습니다.


도전


  • 러너 설계 개선, 재료 절약 및 단일 몰드당 완제품 수량 증가

  • Moldex3D를 이용해 공정의 타당성 검증, 반복적인 몰드 테스트 시간 및 비용 절감

  • 제품 변형 및 광학 특성을 최적화하여 잔류 응력이 낮고 정밀도가 높으며 우수한 광학 특성을 갖는 마이크로 렌즈 어레이 제작.


솔루션


국립 타이완 대학팀은 반복적인 몰드 테스트 수정 시간 및 비용을 절감하기 위해 Moldex3D를 이용해 몰드 설계의 타당성을 분석하였습니다. 그후 성형 상태, 잔류 응력 및 변형 정도에 따라 변형 및 광학 특성에 큰 영향을 미치는 대표적인 요인을 찾고, 다구치(Taguchi) 방법을 사용해 최적화 매개변수를 얻었습니다. 또한 인몰드 성형의 각도로 사출 성형(IM) 및 사출 압축 성형(ICM)의 차이를 해석하여 4인치 디스크에 양면 마이크로 렌즈 어레이를 성공적으로 제작했습니다.


효과


  • 기존의 팬 게이트가 아닌 다이렉트 게이트를 사용해 재료 이용률을 18.8%에서 66.3%로 크게 향상

  • 사출 압축 성형 후 수축률이 1.5~2% 감소, 다구치 방법을 통해 최적화한 후 1.5% 미만으로 더욱 감소.

  • Moldex3D를 이용해 IM과 ICM의 차이 및 장단점 검증

  • 제품의 복굴절률 차이 개선, 광학 성능 향상


사례 연구


가상 현실과 웨어러블 기기가 하루가 다르게 발전하는 현재, 기존의 다중 렌즈로 구성되는 렌즈는 너무 두꺼운 문제가 발생하기 쉽기 때문에 경량·박형 다기능 어레이 마이크로 렌즈의 개발이 필요했습니다. 본 사례에서는 팬 게이트로 생산되는 마이크로 렌즈 어레이(그림 1)와 달리 다이렉트 게이트를 이용해 빠르고 균일하며 우수한 광학 특성을 갖는 마이크로 렌즈 어레이 성형 공정을 개발하였습니다.


그림 1 원래 러너 설계


다이렉트 게이트를 사용해 48개의 마이크로 렌즈 어레이를 생성하면(그림 2) 생산 효율성이 크게 향상되고 동시에 재료의 낭비를 줄일 수 있습니다(표 1).


그림 2 다이렉트 게이트 및 최종 성형 제품 개략도


표 1 콜드 러너 중 팬 게이트와 다이렉트 게이트를 사용한 비교


타이완대학교 팀은 다구치 방법을 이용해 사출 성형(IM) 및 사출 압축 성형(ICM)의 최적화 매개변수를 찾아내어 잔류 응력 및 변형을 줄였습니다. 용융 온도, 사출 속도, 보압 압력 및 냉각 시간 등이 사출 성형에서 상대적으로 중요한 요인인 반면, 사출 압축 성형에서는 용융 시간, 압축 간격, 압축 시간 및 압축 요소가 보압 및 광학 특성에 더 분명한 영향을 미칩니다. 그림 3과 그림 4는 IM과 ICM의 변형 및 전체 프린지 패턴의 비교입니다. 결과에 따르면 ICM이 전체 변위와 수축을 줄이고, IM에 비해서도 더 우수한 광학 성능을 갖는 것으로 나타났습니다.


그림 3 IM과 ICM의 전체 변위 비교


그림 4 IM과 ICM의 전체 프린지 패턴 비교


마지막으로 시뮬레이션 결과는 실제 성형 실험을 통해 검증되었으며, 4인치 디스크에서 유사한 플로우 패턴과 광학 특성을 갖는 양면 마이크로 렌즈 어레이가 성공적으로 제작되었습니다(그림 5). OKP4를 재료로 사용한 경우 사출 성형은 게이트에 근접한 영역에서만 프린지 패턴이 관찰되었으나, 사출 압축 성형에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았습니다. 그림 6과 같이 성형된 마이크로 렌즈 어레이는 초점 기능과 선명한 이미지를 보여줍니다. Moldex3D 시뮬레이션 분석 소프트웨어의 도움으로 양면 마이크로 렌즈 어레이 성형 기술과 효율이 크게 향상되어 현재 광학 산업의 고성능, 초소형 및 경량·박형의 요구사항을 충족하고 있습니다.


그림 5 시뮬레이션과 실제 성형의 프린지 패턴


그림 6 성형된 마이크로 렌즈를 통해 관찰된 화면


결과


이 사례는 Moldex3D를 통해 다양한 러너 설계 및 성형 매개변수의 장단점을 분석하고, 원래의 팬 게이트 대신 다이렉트 게이트를 사용해 설계함으로써, 재료 이용률을 66.3%로 높여 마이크로 렌즈 어레이를 성공적으로 생산하였으며, 재료 이용률은 팬 게이트의 3배에 달하였습니다. 사출 성형과 사출 압축 성형 매개변수는 최적화를 거쳐 변형과 수축 정도 역시 크게 개선되었습니다. 결론적으로, 실제 성형 실험을 통해 양면 렌즈 어레이의 제작을 완료하였으며, 그 결과는 Moldex3D 시뮬레이션과 매우 일치하는 것으로 나타났습니다.


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