비접촉식 센서를 이용한 광학 렌즈의 공정 모니터링 : 광학 제품의 표면에는 어떠한 자국도 허용되지 않기 때문에, 광학 렌즈의 사출 성형에서 센서를 이용하여 직접 측정을 하는 데는 한계가 있다. 하지만 특별한 측정 기구(dowel)를 이용한 비접촉 방식에 의해서, 품질 모니터링에 가장 중요한 캐비티 내압을 측정할 수 있도록 하였다. 새로운 공정 모니터링 기술을 개발하기 위하여 용융 수지의 유동 경로(flow path)를 압력-체적-온도 선도(pvT diagram)와 연결시켰다.
고품질 광학 부품의 경우에서 품질과 관련된 사항은 타협의 여지가 없다. 다시 말하면, 광학 제품은 매우 높은 품질 수준에서만 생산될 수밖에 없다. 렌즈의 경우, 렌즈의 형상과 표면 상태가 중요한 역할을 하지만, 또한 잔류 응력이나 분자 배향(molecular orientation)과 같이 제품 내부에 형성된 물성은 품질 균일성에 큰 영향을 준다. 결과적으로 사출 현장에서 사출성형품의 치수를 측정하거나 육안으로 제품 표면을 관찰하는 것과 같은 방법은 광학적 품질을 평가하기에는 충분하지 않다. 이보다는 예를 들면 Shack-hartmann 센서를 이용하여 렌즈의 광학 파면(wave front)이 변형된 정도를 측정하는 것과 같은 광학적 평가를 수행하는 것이 훨씬 더 중요하다. 하지만 앞서 설명한 광학적 평가법들은 사출성형과 같은 연속 생산 공정에는 적용하기가 쉽지 않다. 매우 민감한 측정 장비가 외부에 설치되어야 한다는 사실을 차치하더라도 많은 시간을 소용하는 작업이다. 측정 결과를 얻기까지는 매우 긴 시간을 기다려야 하고, 전체 공정 시간이 길어져서, 결론적으로 생산성 관점에서 채택하기 어려운 측정법이다.
광학 제품의 사출 성형에서, 성형 공정은 제품의 형상뿐 아니라 내부에 형성된 물성에도 큰 영향을 미친다. 사출 성형과 사출 압축 성형(injection compression molding)의 비교 연구에 따르면 사출성형에서 사출 압축 성형으로 변경하게 되면, 제품 치수의 정확도는 약간 증가하는 정도이다. 하지만 광학적 특성은 7배 정도로 크게 향상된다. 따라서 제품 치수를 측정하는 평가법은 광학 특성을 평가하기에는 충분하지 못하다는 결론이다. 결국, 사출 압축 성형은 광학 제품을 성형하기에는 더 적합한 성형법이다. 용융 수지를 압력을 가할 때, 압축 과정에 이어 보압 과정이 진행되는데, 제품 성형에는 통상적인 사출 압축 공정과 개방 압축 공정(expansion-compression molding) 등이 있다.
사출 성형과 비교할 때, 사출 압축 성형에서는 제품 두께 대비 500배 정도의 유동 거리를 얻을 수 있다. 또 중요한 사실은 제품 표면에 공정 변화(change over)로 인한 흔적이 발생하지 않는다는 것이다. 한 사이클 동안, 공정의 각 단계들은 순차적으로 진행된다. 충진 과정 동안 금형은 약간 열려 있다. 금형이 벌어진 거리는 압축 행정에 해당된다. 용웅 수지가 사출 되기 시작하면 동시에 정해진 스크루 위치에 따라 압축 과정이 시작된다. 금형이 개방되어 있기 때문에 충진 과정 동안 내부 응력은 감소하거나 제거될 수 있다. 압축 과정은 조정 가능한 스크루 위치를 통해 시작된다. 캐비티가 완전히 닫히기 전에 용융 수지는 제품의 말단을 향해 흘러간 후, 수축을 보상하기 위하여 좀 더 압축된다. 만약 충진 과정이 끝나면서 용융 수지가 이미 캐비티를 채웠다면 압축 과정은 바로 시작된다. 이 과정 동안, 기계적인 설정을 통하면 스크루에서 보압이 가해지는 상황에서도 일부의 용융 수지가 계량부가 역류하게 할 수도 있다. 이런 방법을 이용하면 웰드 혹은 주름(seam)이 없는 렌즈를 성형할 수 있다.
형체부를 이용한 개방 압축 성형은 균일한 두께를 갖는 제품에 매우 적합한 성형법이다. 이 공법의 장점은 충진 과정 이후에 제품에 내부 응력을 발생시키지 않는다는 점이며, 왜냐하면 보압은 사출성형과 같이 스크루의 위치에 의해서 가해지는 것이 아니라 금형의 위치에 의하여 가해지기 때문이다. 캐비티 내압은 균일하게 되고 용융 수지는 실질적으로 응력이 없이 냉각되어 균일한 내부 조직을 갖는 제품을 성형하게 된다. 일반적인 사출 공정처럼 충진 과정은 금형이 닫힌 상태에서 시작된다. 개방 과정에서는 가능한 한 형체력을 낮추면서, 매우 정밀하게 설정된 위치에서 스크루에 의해서 금형을 열게 된다. 스크루 위치의 정밀도는 제품 균일성을 얻는 가장 중요한 요소이다. 개방 과정을 통해 금형 코어를 압축 시작 위치까지 이동시키게 된다. 압축 시작점에 금형 코어가 도달하면 압축 과정이 시작되고 충진 과정은 중단된다. 압축/보압 과정은 다단계의 형체력/압축력 프로파일 (clamping force/compression force profile)로 구성된다.
광학 부품의 생산에서 3차원 상의 문제 영역이 관리되어야 한다. 요구되는 생산 품질은 형상, 표현 및 광학 특성이다. 이러한 요구 조건들은 매우 정밀한 제어를 필요로 하며, 이것은 현재 금형 내부의 상태와 어떤 과정이 진행되고 있는 지를 정확히 아는 것을 의미한다. 이러한 사항들을 이해한다는 것은 캐비티 내압에 대한 과정을 자세하게 설명해주기 때문이며, 이러한 정보들은 공정 최적화를 진행할 때 공정과 품질 모니터링에 커다란 도움을 준다. 이상적인, 보압이 가해지지 않은 사출성형의 경우, 금형은 등온으로 충진 되고 용융 수지는 동시에 균일하게 냉각되고, 이 과정 동안 비체적은 변하지 않는다. 그러나 이와 같은 충진 과정은 극단적으로 높은 압력을 필요로 하며, 이로 인하여 금형과 기계에 큰 응력을 발생시키기 때문에 실질적으로는 불가능하지 않다. 압력-체적-온도 선도를 이용하여 보압 과정을 포함하는 일반적인 사출 공정 프로파일을 보여주고 있다. 1) 사출 과정 동안 압력은 거의 등온 상태에서 증가된다. 2) 최대 압력에 도달하면 보압 과정이 시작된다. 용융 수지는 제품 형태를 재현할 정도까지 압축된다. 3) 최대 압력에 도달하면 보압 과정이 시작된다. 이 과정은 여분의 수지를 주입함으로써 용융 수지의 열에 의한 수축을 보상하게 된다. 4) 게이트 부근에서부터 용융 수지의 고화가 시작되어 점진적으로 열에 의한 수축이 진행되면 금형 캐비티 내부의 압력은 감소되어 대기압 수준으로 떨어진다. 이 과정(4-5) 동안 비체적은 유지된다. 5) 대기압에 도달하면 수축이 시작된다. 6) 사출품의 온도가 대기 온도에 도달할 때까지 체적 변화 즉 수축이 진행된다.
댓글