[첨단 헬로티]

 

스마트폰을 비롯해 모바일 단말에 탑재되어 있는 카메라의 성능은 해마다 진화를 거듭해, 쉽고 간단하게 더구나 아름답게 사진을 촬영할 수 있게 됐다. 스마트폰에 사용되는 렌즈는 직경 5mm, 두께 0.5mm 정도의 매우 작은 부품으로, 여러 개의 플라스틱 렌즈를 경통이라고 불리는 흑색의 원통 부품에 넣고 바닥면에 화상 센서를 배치한 모듈 구조로 되어 있다.

렌즈 금형의 구조는 2플레이트 금형의 방사상 러너로, 사이드 게이트 12개 떼기 혹은 16개 떼기가 주류이다. 렌즈의 재료는 투명성, 저복굴절, 고굴절률, 내열·내후성 및 가공성을 부여한 광학용 폴리카보네이트나 비정질 올레핀계 수지라고 불리는 고기능 플라스틱이 사용되고 있다. 또한 구면 렌즈에 비해 적은 개수로 결상 성능 저하의 원인인 수차를 보정할 수 있기 때문에 모두 비구면이 채용되고 있으며, 카메라의 성능 향상도 함께 렌즈의 개수는 증가하는 경향이다.

스마트폰의 두께가 대개 7mm 정도이기 때문에 기존 카메라 모듈의 높이를 유지한 채로 성능을 향상시키고 렌즈 수를 증가시키기 위해서는 렌즈 1개마다의 두께를 얇게 하고, 또한 비구면의 곡률을 증대시켜 박육부와 살두께부의 편차가 큰 렌즈 설계로 할 필요가 있다. 이러한 것으로부터 성능 향상에 대응하는 광학 설계는 가능하지만, 양산 현장의 성형가공이 매우 어렵다. 여기에서는 고성능화가 진행되는 소형 렌즈에 대응한 플라스틱 사출성형기 ‘GL30-LP’(그림 1)의 렌즈 성형 기술과 사례를 소개한다.

▲ 그림 1. 플라스틱 사출성형기 ‘GL30-LP’

V-LINE®의 특징

GL30-LP는 앞에서 말한 소형 렌즈의 성형에 대응한 V-LINE 하이브리드 사출성형기이다. V-LINE이란 스크류 프리플라 방식으로, 플라스틱을 가소화시키는 가소화부와 가소화한 플라스틱을 금형에 사출하는 사출부를 분리한 구조이다.

과거의 스크류 프리플라 방식은 플라스틱을 사출할 때의 역류 방지기구에 역지 밸브라고 불리는 플라스틱 유로를 차단하는 기구가 채용되고 있으며, 이 부분이나 그 주위에 체류하는 플라스틱을 완전히 치환, 세정하는 것이 어렵다. 그렇기 때문에 스크류 프리플라 방식은 성형안정성에 정평이 있는데, 재료 교체에 시간이 걸리는 결점이 지적되고 있었다.

V-LINE은 자사에서 개발한 스크류 끝단부가 약간 전진하는 것에 의한 스크류 터치 역지기구를 도입, 플라스틱이 체류하는 부위를 없애고 기존의 스크류 프리플라 방식의 결점을 완전히 불식시키고 있다. 또한 기계 동작의 구동원이 유압과 전동을 병용하는 하이브리드에서는 사출, 가소화, 노즐 터치, 형체결 등의 순발력이나 고압을 장시간 필요로 하는 동작에 유압을 채용, 위치 정도가 중요한 형개폐, 이젝터에는 전동을 채용하는 적재적소의 설계로 하고 있다.

웰드라인 대책과 성형안정성의 양립

렌즈의 고성능화에 동반하는 외관 불량에 웰드라인(이하 웰드)의 문제를 들 수 있다. 웰드란 플라스틱이 캐비티를 유동할 때, 유로가 다른 경로를 찾아간 후에 합류하는 위치에서 이음매가 줄무늬 모양으로 외관 전사되는 것을 말한다. 웰드가 렌즈의 성능을 좌우하는 유효 지름에 발생한 경우에는 불량이 되기 때문에 웰드가 발생해도 유효 지름 외부로 이동시킬 수 있는지가 요점이 된다. 

렌즈는 원 형상이므로 웰드가 발생하지 않을 것 같지만, 비구면 렌즈이기 때문에 렌즈의 두께가 각 부위마다 다르다. 그렇기 때문에 빛을 통과시키는 중심부와 그 외주부 혹은 렌즈를 경통에 위치결정하기 위한 플랜지의 두께 차이에 따라 게이트를 통과한 플라스틱의 유동이 분기, 회합부에서 웰드가 발생하는 현상이 된다. 형상에 따라서는 웰드가 발생하지 않는 렌즈도 있는데, 한번 웰드가 발생하면 쉽게는 해결할 수 없는 문제가 된다.

동사는 이 소형 렌즈에 발생하는 웰드의 문제에 대해, 고속 사출함으로써 해소시키는 성형 방법을 제안해 왔다.

고속 사출은 사출률(cc/s)이라고 하는 단위시간당 사출 체적으로 조건을 설정하고, 높은 사출률로 금형에 사출하기 위해서는 사출 성능의 하나, 최대 사출 속도에 몇 초로 실제 속도가 도달할 수 있는지를 중력 가속도 G의 배수로 나타내는 사출 가속도가 높은 성형기가 필요하게 된다(아래 식).

높은 사출 가속도를 가능하게 하고 있는 V-LINE의 사출 구조는 유압 어큐물레이터에 축적시킨 고압 대용량 작동유를 서보밸브로 순간적으로 유량과 압력을 제어해 플런저를 구동시킴으로써 업계 최고 레벨이 되는 최대 사출 속도 800mm/s, 응답 시간 6.4m/s, 사출 가속도는 12.7G를 실현하고 있다(※GL30-LP 플런저 지름 16mm 사양).

사출성형에서 가소화된 플라스틱의 유체는 비뉴턴 유체 중의 의소성 유체로 분류되고, 속도에 따라 점도가 저하하는 성질이 있다. 따라서 고속 사출하면 점도가 저하하기 때문에 예를 들면 박육의 렌즈 형상이라도 좁은 공간을 유동해 플라스틱이 고화하기 전에 사출이 완료, 웰드가 발생하는 위치를 변화시키는 것이나 외관 표면을 보다 양호한 상태로 할 수 있다.

높은 사출 가속도와 함께 중요한 점이 반복 성형안정성이다. 소형 렌즈 성형에서는 금형의 구면에 대해 플라스틱 성형품이 충실하게 전사되어 있는지를 평가하는 구면 정도가 대략 0.4µm이기 때문에 어떠한 성형 편차도 정도에 영향을 미칠 가능성이 있다. 

구면 정도는 그 정도의 최대 높이와 최대 깊이의 합(Peak to Valley)으로부터 PV값으로 표현, 주로 성형 조건에서 최적의 조건 조정을 한다. 이 성형 조정이 매우 난해하며, 신규로 금형을 완성되게 되면 장시간의 검토가 필요하다. 그 후 성형 조정으로 성능을 만족시킬 수 없다고 판단한 경우에는 금형을 보정하게 되는데, 여기에서 PV값이 반복 안정되어 있는지가 중요하다. 이하에 V-LINE이 안정되는 요인을 든다.

① 가소화 스크류는 위치를 바꾸지 않고 설정된 회전수로 플라스틱을 가소화하기 때문에 스크류 내의 가소화 개시 위치가 항상 동일하며, 계량되는 플라스틱의 열이력, 밀도가 일정해진다.

② 가소화 개시 위치가 동일하기 때문에 펠릿과 펠릿의 빈 틈새에 존재하는 공기나 산소가 스크류 전방으로 끼어들어올 위험이 없고 호퍼측으로 배기되기 때문에 성형품 외관이나 금형을 오염시키는 가스나 버닝, 실버스트리크의 발생이 적다.

③ 사출 공정에서 체크링이 없는 플런저는 사출 초기의 스크류측으로 역류가 없어 충전량이 일정하고, 플런저의 거동과 플라스틱의 거동이 일치하기 때문에 안정된 재현성을 얻을 수 있다.

이상의 점에서 V-LINE에서는 가소화로부터 사출까지의 플라스틱 밀도, 실제 충전량을 제어함으로써 고속 사출에서도 안정된 성형을 실현할 수 있다.

편심 정도와 직압 형체결

또한 렌즈 성형에서는 플라스틱의 내부에 빛을 통과시켜 사용하는 성형품이기 때문에 구면 정도 외에 광축의 어긋남을 평가하는 편심 정도가 있다. 렌즈 성능 향상과 함께 요구 정도는 1µm 이하가 되며, 측정 오차가 허용값을 넘는 영역까지 정도가 엄격해지고 있다.

편심이란 금형의 심어긋남으로, 금형을 닫았을 때의 정도가 성형품에 반영되기 때문에 성형기 및 금형의 진직 정도가 영향을 미친다. V-LINE의 형체결기구는 롱스팬 로킹 직압 형체결을 채용하고 있다. 롱스팬 로킹 직압이란 형체결 실린더에서 가동 플라텐까지를 긴 형체결 램이라고 불리는 단일 부품으로 구성, 가동 플라텐 및 금형 가동측 중량을 타이바가 아니라 고강성 진직 LM 가이드를 통해 베트 칼럼에 의해 지탱하고 있다. 이 형체결 실린더와 가동 플라텐 좌우를 삼각형으로 연결한 긴 이등변 삼각형의 3점 지지에 의해 직진성이 안정된다.

또한 형개페는 위치 제어에 우수한 서보모터로 하고, 형체결은 힘을 유지하는 것에 우수한 유압으로 하는 방법을 취하고 있다. 이 형체결기구에 의해 고정 플라텐과 가동 플라텐 간의 평행 정도, 가동 플라텐 직진 이동 정도, 직압 형체결에 의한 형체결력의 균일한 분석 및 타이바 홀드리스기구에 의한 형체결 시의 타이바 휨의 영향을 받지 않음으로써 반복 재현성이 높은 진직성과 평행도를 유지하는 고정도 형체결을 얻을 수 있다.

성형 사례

1. 사례 1

동사는 박육 소형 렌즈의 성형안정성을 검증하기 위해 속도에 의존해 웰드가 발생하는 금형을 제작, 고속 사출해 웰드를 해소시킬 수 있었을 때의 캐비티 내압 안정성을 검증했다.

▲ 표. 캐비티 내압

외경 ?4.0mm, 중심부 두께 0.15mm의 렌즈로 본 박육 경면의 시험편 8개 떼기(쇼트 용량 2.15g)을 제작했다(그림 2). 플랜지 두께를 0.32mm로 설계하고 있기 때문에 사출된 플라스틱은 우선 살두께부인 플랜지를 유동, 중심부가 늦어지는 유동 상태가 됐다. 캐비티 내압의 측정은 코어핀의 뿌리 부근에 접촉시킨 로드셀을 고정측 장착판과 형판 사이에 설치, 코어핀이 플라스틱을 통해 사출 압력을 받으면 간접적으로 캐비티 내압을 측정할 수 있는 구조이다. 현재 양산되고 있는 얇은 렌즈의 두께가 약 0.2mm이기 때문에 앞으로 더욱 박육화된 경우에도 검토할 수 있도록 렌즈 두께를 0.15mm로 제작했다. 플라스틱은 소형 렌즈에 사용되는 환상 올레핀코폴리머를 사용했다.

▲ 그림 2. 시험편의 개요(왼쪽)와 실제 시험편(오른쪽)

사출률 17cc/s의 고속 사출을 하여 웰드가 해소된 상태를 그림 3에 나타냈다. 고속 사출에 의해 플랜지를 먼저 유동시키지 않고 박육의 렌즈 중앙부도 동시 진행하면서 유동했기 때문에 웰드를 렌즈면보다 외곽으로 이동시킬 수 있었다. 

▲ 그림 3. 웰드가 해소된 예

이 조건으로 연속 50쇼트의 캐비티 내압을 측정한 결과를 표에 나타냈다. 검증 결과, 표준편차가 0.2 미만의 안정된 성형이 됐다. 한편 사출률이 낮은 5.7cc/s의 조건에서는 최종 충전부가 렌즈 중앙부가 되고, 웰드와 동일한 형태가 됐다(그림 4).

▲ 그림 4. 최종 충전부가 중앙이 된 예

2. 사례 2

그림 5의 렌즈는 편심 정도 1μm 이하, A 치수 약 5mm, 중심부 B가 박육으로 살두께부 C와의 편차가 큰 설계이다. 그렇기 때문에 게이트를 통과한 플라스틱은 살두께부 C를 먼저 유동하고, 중심부 B의 유동이 늦어짐으로써 게이트의 흐름 방향에 대해 좌우의 분류가 발생했다. 그 후 서로 만나는 최종 충전부인 게이트의 반대측에서 웰드가 1부위 발생했다(그림 5 오른쪽의 하얀 선). 이 웰드는 사출률 76cc/s로 해소시킬 수 있었다.

▲ 그림 5. 렌즈 개요(왼쪽)와 실제 렌즈(오른쪽)

3. 사례 3

그림 6의 렌즈는 편심 정도 1μm 이하, A 치수 약 5mm, 렌즈의 중심부 B와 외주의 플랜지가 두껍고, 그 중간부 C가 얇은 형상이다. 

▲ 그림 6. 렌즈 개요(왼쪽)와 실제 렌즈(오른쪽)

이 렌즈의 유동은 박육부 C에 의해 좌우로 분류하고, 동시에 게이트에 대해 흐름 방향으로 직진하는 3방향으로 분기했다. 머지않아 중앙부를 유동한 플라스틱은 반게이트측 부근에서 좌우로 확산, 3방향 유동이 2부위에서 만나기 시작해 원호 모양의 곡선으로 들어갔다. 그렇기 때문에 최종적으로 그림 6 오른쪽의 하얀 선으로 나타낸 약간 만곡된 웰드가 2부위 발생했다. 이 웰드는 사출률 120cc/s로 해소시킬 수 있었다.

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렌즈 형상이 다르면 웰드의 생성 과정, 발생 위치 및 형상이 다르고, 대책하기 위한 사출률도 크게 다른 사례를 소개했다. 앞으로도 소형 렌즈의 고성능화는 계속되는 동시에 코스트 절감의 관점에서 러너의 소형화가 예상된다. 러너를 소형으로 함으로써 냉각 시간이 단축되고, 하이사이클 성형이 가능해진다. 이를 위해 소계량, 또한 하이사이클로도 안정된 성형을 할 수 있도록 기계 성능을 추구해 갈 것이다. 

쿠보 요시카즈 (久保 義和)   ㈜소딕

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.