[첨단 헬로티]

아마노 아키라 (天野 啓)   東芝기계(주)

비구면 렌즈를 비롯한 광학 부품의 양산 기술은 디지털카메라, 스마트폰, 액정 디스플레이 등 민생용 기기의 수요 확대에 힘입어, 시대의 요구에 대응하는 형태로 발전해 왔다. 양산 기술의 핵이 되는 금형 제작도 절삭이나 연삭 등 고전적인 기계가공법이 제품 요구에 대응해 고도화 되고, 초정밀 절삭이나 초정밀 연삭이라고 불리는 기계가공 기술에 의해 진보해왔다.

이 기술은 1960년대에 미국을 중심으로 이루어진 고정도 가공기와 다이아몬드 공구에 의한 경면 절삭가공 기술의 개발을 원류로 하고 있다. 일본에서는 회전축에 공기정압 베어링을 탑재한 가공기의 개발을 계기로 1980년쯤부터 상용화됐다.

공기정압 베어링이란 공기압을 이용해 회전축을 비접촉으로 지지하는 방식의 베어링으로, 비접촉 구조이기 때문에 마찰계수가 매우 작고 고속 회전 시에도 진동을 발생시키지 않는 요소 기술이다.

초정밀 절삭 기술은 개발 당초에는 금형 용도가 아니라, 레이저 발진기용 금속 미러 등의 기본 형상 경면 다듬질에 적용됐는데, 1980년대 중반의 광디스크 출현과 함께 등장한 플라스틱제 비구면 렌즈가 계기가 되어 이후 금형 제작에 필요한 가공기, 공구, 정도 계측의 3가지 요소 기술이 급속한 발전을 이루었다.

가공기에서는 운동 시의 진동 저감이나 이송 제어의 고분해능화 등 형상 정도나 표면조도의 추구를 최중시한 스탠스로 발전하고 있다. 이 글에서는 오늘날의 광학 부품에 적용되고 있는 여러 가지 성형용 금형가공 기술에 대해, 가공 사례와 함께 해설한다.

카메라 모듈용 비구면 렌즈

디지털카메라나 스마트폰 등의 촬상계 광학기기의 주요 부품인 플라스틱제 비구면 렌즈의 성형용 금형 제작에서는 렌즈 곡면부를 절삭가공만으로 고정도 다듬질하는 기술이 확립되어 있다. 플라스틱제 비구면 렌즈는 앞에서 말했듯이 광디스크 판독기기용으로서 스타트했는데, 휴대전화에 카메라 모듈을 탑재함으로써 촬상 성능의 향상 요구가 해마다 커졌다.

이 시장 요구에 호응하는 형태로, 금형가공의 형상 정도나 표면조도는 비약적인 향상을 이루었다. 가공기에서는 기존의 나사 구동에서 운동변환기구를 필요로 하지 않는 리니어모터 구동으로 전환되고, 테이블 제어의 지령단위도 1nm가 됐다.

 

동사에서는 초정밀 비구면․자유곡면 가공기 ULC/ULG 시리즈로서 여러 가지 광학 부품 금형가공을 주 용도로 하는 가공기를 라인업하고 있다. 그림 1은 플라스틱제 비구면 렌즈 금형의 절삭다듬질을 주 용도로 하는 최신 기종 ‘ULC-100F(S)’의 외관을 나타낸 것으로, 공기정압 베어링 주축과 직선 2축(X축, Z축) 구성의 선삭가공을 주로 하는 가공기이다.

 

지령단위를 0.1nm으로 고정세화한 기종으로, 최신 스마트폰 탑재 카메라 모듈용 렌즈 금형의 제작에 적용되고 있다. 그림 2는 이 가공기에 의한 비구면 렌즈 금형의 가공 사례를 나타낸 것으로, 형상 정도 0.05μm, 표면조도는 Ra 0.3nm이다.

그런데 초정밀 절삭의 공구측 특징은 단결정 다이아몬드 공구를 사용하는 것에 있는데, 강재에 대한 적용에 대해서는 철과 다이아몬드의 친화성이라는 물성면이나 강재의 결정립 특성 등에 기인하는 기술 과제가 있다. 플라스틱 렌즈 등의 성형용 금형에서는 이 과제를 회피하는 방법으로서 무전해 Ni-P 도금을 금형 표층에 실시해 선삭다듬질하는 제작법이 주로 채용되고 있다.

무전해 Ni-P 도금은 경도나 이형성 등 플라스틱 성형 금형으로서 필요한 여러 특성을 만족시키는 동시에, 단결정 다이아몬드 공구의 고정도 절삭이 가능하고 경면가공성이 우수한 소재이다. 이 제작법은 플라스틱제 비구면 렌즈의 개발 초기부터 35년 가까이 경과한 현재에도 표준적인 금형 제작법으로서 널리 적용되고 있으며, 그림 2의 사례도 이 제작법에 의한 것이다.

한편, 촬상계 광학기기에서는 일안 리플렉스 카메라를 중심으로 유리제 비구면 렌즈의 수요도 강하다. 유리는 내환경성이나 굴절률 등 플라스틱에 비해 우수한 부분도 많고, 오늘날에는 차재 광학기기나 스마트폰 탑재 카메라 모듈에 대한 수요도 확대되고 있다.

렌즈의 양산법으로서 플라스틱 렌즈의 경우에는 사출성형법이 적용되고 있는데, 유리 렌즈의 경우에는 가열 프레스법이 채용되고 있다. 가열 프레스 성형의 경우, 성형 온도가 대개 500℃ 이상이 되기 때문에 금형의 소재에는 초경합금이나 세라믹스 등 내열성이 우수한 소성 소재가 이용된다.

단결정 다이아몬드 공구로 초경합금이나 세라믹스 등의 고경도이고 고취성인 소재를 절삭다듬질하는 기술에 대해서는 절삭 시의 최대 절삭 두께를 몇 십 nm로 안정 유지함으로써 가능해지는 것이 밝혀져 있다.

그러나 현재는 공구 절삭날의 수명 등 양산 필드에서 전개하기에는 과제가 많기 때문에 초미립 다이아몬드 숫돌로 연삭가공하는 방법이 적용되고 있으며, 가공기로서는 앞에서 말한 ULG 시리즈로 대응하고 있다. 또한 동사에서는 가열 프레스법으로 양산 성형이 가능한 고정도 광학유리소자 성형장치도 시리즈 전개하고 있다.

조명용 광학 부품

앞에서 말했듯이 촬상계 광학기기에서는 회전축 대칭 형상의 비구면 렌즈가 주인데, 조명 용도에서는 광학 설계 기술의 진척에 의해 광학 부품의 고기능화 요구가 높아지는 동시에, LED의 보급에 의해 적용 분야도 확대되고 있다.

금형 제작법도 절삭, 연삭 혹은 방전가공에 연마를 병용하는 기존의 범용 방법에서 초정밀 절삭이나 초정밀 연삭에 의해 고정도화와 생력화, 공정 단축 등 변혁을 도모하는 움직임이 증가하고 있다.

 

초정밀 연삭에 의한 조명 광원용 유리제 렌즈 어레이의 금형가공 사례에 대해서 소개한다. 그림 3은 금형가공에 이용한 초정밀 가공기 ‘ULG-100D(5A)’의 외관을 나타낸 것으로, 지령단위 1nm의 직선 3축(X, Y, Z)과 회전분할축 2축(B, C)의 합계 5축 구성이며, 비구면의 선삭, 연삭에 더해 플라이컷, 셰이퍼(세톱), 고속 밀링, 고속 연삭 등 여러 가지 가공 방법을 선택할 수 있다.

더구나 B축 및 C축의 회전 2축은 분할 기능과 주축 기능의 쌍방을 구비하고 있으며, 가로축 선삭만이 아니라 세로축 선삭도 가능하게 하고 있다. 또한 고정도 가공에 악영향을 미치는 주위 온도 변동의 영향을 억제하기 위해 항온 부스 기능을 갖춘 가공기 본체 커버를 구비, 장시간의 정도 안정성을 확보하고 있다.

 

그림 4는 이 가공기에 의한 렌즈 어레이 금형의 가공 사례를 나타낸 것이다. 가열 프레스법으로 유리제 소자를 성형하는 초경합금제 금형으로, 직교 단면의 곡률 반경이 다른 원환체 형상의 곡면이 4×2열로 배치된 형상이다. ULG-100D(5A)에서 직교 3축에 회전축(C축)을 더한 4축 동기 제어에 의한 곡면창성법을 적용, 축붙이 형의 다이아몬드 숫돌(ø5mm 레지노이드, ＃3000)을 이용한 연삭가공에 의해 렌즈 어레이 형상을 형성한 사례로, 형상 정도 0.3μm, 표면조도 Ra 4nm이다.

다음으로 오늘날 광원의 LED화로 고기능화 요구가 현저한 자동차 조명용 광학 부품의 금형가공 사례에 대해, 광학 곡면에 미세한 확산용 렌즈 어레이 패턴이 실시된 헤드램프용 후육 렌즈 성형용 금형과 미세한 톱날 모양의 홈 줄로 구성된 클리어런스 램프 도광체 성형용 금형의 2가지 사례를 소개한다.

모두 최고 회전 속도 60,000min-1의 공기정압 베어링 주축을 탑재한 밀링기, 초정밀 수직형 가공기 UVM 시리즈를 적용한 사례이다. 그림 5는 후육 렌즈 성형용 금형가공에 이용한 ‘UVM-450C(H)’의 외관을, 그림 6은 가공 사례를 각각 나타낸 것이다.

UVM-450C(H)는 직선 3축(X, Y, Z) 사양의 시리즈 중핵 기종으로, 지령단위는 10nm이다. 그림 6 (a)는 52HRC로 담금질 처리된 금형용 스테인리스강 블록을 시판의 초경 코팅 엔드밀로 거친가공한 상태를 나타낸 것으로, 축방향 절입량과 지름방향 절입량 모두 공구 메이커 권장값의 2배(즉 제거효율 4배)의 절삭 조건 설정으로 가공한 것이다.

 

그림 6 (b)는 거친가공 후에 무전해 Ni-P 도금을 실시, 엔드밀 타입의 단결정 다이아몬드 공구를 사용해 경면다듬질을 한 결과를 나타낸 것으로 표면조도는 Ra 10nm이다. 고효율의 거친가공에서 연마다듬질이 불필요한 경면다듬질까지 1대의 가공기로 처리할 수 있고, 연마에 의한 형상 무너짐도 없는 고품질의 금형을 잘 재현해 제작할 수 있는 것을 나타내고 있다.

마지막으로 클리어런스 램프 도광체 성형용 금형의 가공 사례를 소개한다. 그림 7은 이 금형가공에 이용한 ‘UVM-700E(5AD)’의 외관을, 그림 8은 가공 사례를 각각 나타낸 것이다. UVM-700E(5AD)는 지령단위 10nm의 직선 3축(X, Y, Z)과 회전분할축 2축(A, C)을 주축머리 테이블 선회형으로 구성한 5축 제어 밀링기이다.

 

직경 500mm, 워크 적재질량 200kg의 대형․고정도 공기정압 베어링 선회 테이블을 C축으로서 구비하고 있으며, 대형․복잡 형상의 고속․고품위 가공, 미세 가공을 가능하게 하고 있다.

 

그림 8의 도광체 성형용 금형(재질은 석출경화형 프리하든강)은 만곡된 능면이 미세한 톱날 모양 홈 줄로 구성된 형상으로, 홈면 전체를 균일하게 연마다듬질하는 것은 사실 상 곤란하다. 그렇기 때문에 절삭가공만으로 출광량 손실이 보다 적은 표면조도로 홈 줄 전체를 균일하게 다듬질하는 것이 필요하다.

이 사례는 홈 줄 부분의 절삭다듬질에 공구 반경 0.1mm의 cBN 볼 엔드밀을 적용한 것으로, 홈면의 표면조도는 Ra 19nm다. 톱날 모양 홈의 배열 방향의 각도 범위가 크고, 전체의 고저차도 비교적 큰 금형에 대해 연마리스 다듬질을 실현한 사례로 볼 수 있다.

이를 통해 금형 분할구의 일체화에 의한 형가공의 효율화나 형조립의 생력화, 광학면의 이음매리스화, 연마리스화에 의한 출사광량 편차의 억제 등 여러 가지 과제를 해결할 수 있다. 이들 사례로부터 자동차 조명용 광학 부품의 금형 제작에 초정밀 가공 요구는 앞으로 증대할 것으로 예측된다.

오늘날의 광학 부품에 적용되고 있는 여러 가지 금형가공 기술에 대해, 가공 사례와 함께 소개했다. 자동차 조명 광학 부품으로 볼 수 있듯이 미세하고 고품위의 금형 제작 요구는 확대 방향에 있고, 앞으로 업종을 넘어 의장 금형 등으로도 확대되어 갈 것으로 예상된다. 각 업계의 금형가공 현장뿐만 아니라, 제품 설계 측의 의견도 폭넓게 받아들여 금형가공의 기반인 가공기 개발을 위해 노력해 가고 싶다.