광학 소자용 금형 가공 방법에 따른 금속의 연성과 변형특성 간 상관관계 분석

Abstract

광학 분야에서는 광학적 특성을 제품에 부여하기 위해 다양한 크기 및 형상의 패턴을 활용하고 있으며, 이러한 패턴을 금형에 새기고 사출 성형 등의 방식을 통해 패턴이 복제된 제품을 생산하고 있다. 광학 소자용 금형은 정밀 기계 가공, 소성 가공, 방전 가공, 레이저 가공, 식각 등의 방법을 통해 제작할 수 있으며, 금형을 통해 제작된 광학 소자는 금형의 패턴이 동일하게 복제되기 때문에 정확한 규격의 패턴을 제작하는 것이 중요하다. 이때 금형 가공 방법에 따라, 금형의 기계적 특성에 따라 변형특성이 달라지기 때문에 금형용 소재, 가공 방법 등이 개발될 때마다 변형특성 분석을 새로 해야 하는 번거로움이 있다. 따라서 변형특성과 상관관계가 있는 인자를 찾아 분석하고 금형을 제작하기 위한 새로운 가공 방법에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 드릴 가공을 통한 금형 제작 시 소재의 연성 및 가공 조건에 따른 변형특성을 분석하는 새로운 방법을 개발하고자 하였으며, 압입 가공을 통한 금형 제작 시 변형특성과 금형을 통해 제작한 광학 소자의 광학적 특성을 분석하는 연구를 진행하고자 하였다. 드릴 가공을 통한 금형 제작 시에는 소재를 제거하여 패턴을 제작하는 기계 가공 특성상 패턴의 치수성과 표면 거칠기가 중요할 것으로 생각되므로, 드릴 가공을 통해 제작된 홀의 입/출구부의 직경과 표면 거칠기를 분석하였다. 입/출구부의 직경은 소재 제거 시 파괴 거동, 가공 중 발생하는 진동 등에 의해 설계한 가공 직경과 차이가 발생할 수 있으므로 가공 직경 대비 입/출구부의 증감율을 통해 치수성을 분석하였다. 표면 거칠기는 공구 이송 거리와 공구 반지름을 통해 이론적으로 계산할 수 있지만, 실제 표면 거칠기는 소재의 기계적 특성, 절삭 속도 등의 영향을 받아 변화한다. 따라서 공구 이송 거리와 공구 반지름의 영향을 배제하기 위해 측정값을 이론값으로 나눈 표면 거칠기 비율을 도입하여 변형특성을 분석하였다. 입/출구부의 직경은 모든 소재 및 가공 조건에서 가공 직경과 1% 미만의 차이로 나타나 치수성이 우수함을 검증할 수 있었다. 표면 거칠기 비율은 소재의 연신율에 영향을 받는 것으로 나타났으며 이는 연신율이 소재 제거 시 필요한 파괴인성과 관련이 있으며, 소재가 제거될 때까지 발생하는 소성 변형 정도를 의미하기 때문으로 판단하였다. 또한 절삭 속도는 공구의 마모 진전 속도에 영향을 주어 표면 거칠기에 영향을 주는 것으로 나타났다. 이를 통해 금형의 기계 가공 시 소재의 연신율과 가공 조건을 통해 표면 거칠기를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 압입 가공은 비교적 최근 개발된 기술으로, 압입자로 소재를 눌러 발생하는 소성 변형을 점형 패턴으로 활용하는 공정이다. 점형 패턴은 단면 형상 및 크기에 따라 광학적 특성이 달라지는 것으로 알려져 있다. 따라서 conical tip 압입자와 Vickers tip 압입자를 통해 3가지 형상의 패턴을 제작하였으며, 각 형상별로 3가지 크기 조건을 선정하여 총 9개 의 패턴 어레이를 제작하였다. 압입 가공 시 압입부 주변에 발생하는 pile-up 현상을 억제하기 위해 금형으로 사용할 소재에 열처리를 진행하였으며, 초정밀 가공 장비를 통해 평삭가공을 실시하여 금형 표 면을 경면으로 만들었다. Conical tip 압입자와 Vickers tip 압입자를 통해 압입 가공을 수행하여 단면 형상이 원형, 사각형, 마름모 형상인 점형 패턴을 제작하였다. 제작된 금형에 PDMS를 주입하고 경화시켜 광학 소자를 제작한 결과 사각형 및 마름모 형상 점형 패턴은 크기와 관계없이 일정한 광학적 특성을 나타냈으며, 원형의 점형 패턴은 크기가 클수록 빛의 확산 면적 및 반치폭이 증가하였다. 본 연구에서는 이러한 결과를 통해 패턴의 형상 및 크기와 소재의 굴절률을 통해 빛의 굴절각을 계산함으로써 임의의 광학적 특성을 가지는 광학 소자 제작을 위한 금형을 제작할 수 있을 것으로 기대된다.