Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.8 pp.60-66
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.08.0060

Optimization of Heating Conditions for Compression Molding of Chalcogenide Glass Lenses Based on Surface Defects

Byeong-Rea Son*, Jun-Hyung Ahn**, Young-Hwan Lee***, Young-Kug Hwang**#
*Department of Automotive Engineering, Honam University
**Department of Automatic System, Chosun College of Science & Technology
***Department of Automobile, Chunnam Techno University
#Corresponding Author : hyk@cst.ac.kr Tel: +82-62-230-8294, Fax: +82-62-230-8291
31/05/2021 10/06/2021 17/06/2021

Abstract


This study aimed at identifying and optimizing the heating-condition parameters that cause surface defects during the compression molding of chalcogenide glass (GeSbSe) lenses through thermal analysis. We derived the optimal heating conditions for molding chalcogenide glass lenses through thermal analysis and analyzed the surface defects. As a result, we observed a significant reduction in surface defects, which verified the analysis process.



칼코겐유리렌즈 압축성형 시 표면결함을 고려한 가열조건 최적화

손 병래*, 안 준형**, 이 영환***, 황 영국**#
*호남대학교 미래자동차공학부
**조선이공대학교 자동화시스템과
***전남과학대학교 자동차과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    열화상카메라에 사용되고 있는 적외선광학렌즈는 주로 원적외선 파장(8~12㎛)이 투과되는 특수 광학 소재(Ge, ZnSe, Chalcogenide glass 등)를 생산성이 낮은 SPDT(single-point diamond turning) 공법으로 직 가공하여 개별 제작해 왔기 때문에 매우 고가에 거래되고 있다. 이러한 가격문제를 해결하기 위해 최근 칼코겐유리를 사용한 압축성형방식 적외선광 학렌즈가 연구되고 있다[1-3].

    칼코겐유리는 기존 결정질재료에 비해 가격이 저 렴하고, 압축성형방식으로 대량생산 시 렌즈 생산 단가를 크게 낮출 수 있다. 따라서 칼코겐유리를 활용한 압축성형은 저가 보급형 적외선광학렌즈의 대량생산에 적합한 렌즈 생산기술로 기대되고 있 다. 그러나 칼코겐유리는 산화물유리에 비해 낮은 열전도도 및 경도, 높은 열팽창계수 값을 갖고 있 기 때문에 물성적으로 압축성형이 매우 어려운 광 학 유리 소재이다. 또한 칼코겐유리의 주성분은 불 안정한 휘발성 물질이기 때문에 렌즈 압축성형 시 고온에서 다량의 성분가스가 발생되어 다양한 문제 를 발생시킨다. 따라서 칼코겐유리렌즈 압축성형공 정 시 온도, 압력, 시간 등 다양한 파라메터의 최적 화를 위한 많은 연구가 필요하다. 일반적으로 압축 성형 공정 파라메터 최적화를 위해서 실험계획법 (DOE)과 컴퓨터응용해석(CAE)이 활용되고 있다.

    본 연구는 칼코겐유리렌즈 압축성형 시 렌즈표면 에 발생되는 결함발생에 미치는 가열조건 파라메터 를 확인하고, 열해석을 통해 해당 파라메터를 최적 화하기 위한 것이다. 열해석을 통해 칼코겐유리렌 즈를 성형할 수 있는 최적 가열조건을 도출하여 실 제 렌즈성형에 적용하고 현미경을 통한 표면 관찰 을 통해 해석과정 및 결과의 유효성을 확인 하였 다.

    2. 실험방법

    2.1 칼코겐유리렌즈 설계

    본 연구에 사용된 칼코겐유리렌즈는 그림 1에 나 타낸 바와 같이 직경 25 mm의 메니스커스형 양면 비구면 형상이다.

    비구면 형상은 식 (1)에 나타낸 바와 같이 원추 항과 다항식항의 합으로 표현된다.

    Z = C x 2 1 + ( 1 ( 1 + K ) C 2 x 2 ) + i = 1 n A i x i
    (1)

    여기서, x는 광축으로 부터의 높이, Z는 x축에 수직 한 면의 Sag값, C는 비구면의 곡률반경의 역수, K 와 Ai는 각각 Conic 상수와 비구면 계수이다. 압축 성형에 사용한 칼코겐유리의 조성은 Ge28Sb12Se60 (IRG25, SCHOTT Co., Germany)로서 물성을 표 1에 나타냈다[4].

    2.2 금형코어제작 및 압축성형

    칼코겐유리 성형용 금형코어소재로서 코발트(Co) 함량 1.0 wt.%의 초경합금 (FB01, DIJET Industrial Co., Japan)을 사용하였다. 초경합금을 초정밀 연삭 가공하여 비구면을 가공한 후 이형성 및 금형수명 향상을 위해 120 nm 두께의 DLC(diamond like carbon)코팅을 적용하여 금형코어를 제작하였다.

    칼코겐유리 압축성형장비로 그림 2에 나타낸 금 형이송(Progressive)방식 유리렌즈 성형기 (GMP-54-5S, Toshiba Machine Co., Japan)를 사용하 였다. 본 성형장비는 5축으로 구성되어 있으며 적 외선램프에 의해 2단계 가열이 이루어지고, 압축과 서냉 단계에서는 상·하 플레이트에 의해 개별적으 로 가열과 냉각이 수행된다. 렌즈의 압축은 서보모 터 방식으로 수행되기 때문에 압축속도 및 위치제 어가 가능하다.

    2.3 열해석

    본 연구에서는 금형이송방식 성형기를 이용한 칼 코겐유리렌즈 성형공정 중 가열단계에서 일어나는 열전달 현상을 유한요소법(FEM)에 기초한 상용 소 프트웨어(DeformTM-2D)를 사용하여 해석하였다. 가 열부에서 칼코겐유리의 온도를 상승시키는 열전달 기작을 그림 3에 나타냈다.

    일반적으로 고온압축성형 시 외부에서 유리까 지의 열전달 기작은 금형과 유리의 접촉부에서 나 타나는 전도(Conduction), 주위 분위기(N2 Gas)에 의한 대류(Convection) 및 적외선램프에 의한 복사 (Radiation)의 영향이 고려되지만, 기존 연구에 의 하면 복사의 영향은 상대적으로 미비한 것으로 보 고되고 있다[5]. 또한, 본 실험에서 사용된 성형시 스템은 적외선램프에 의해 전달되는 복사열이 금 형홀더에 의해 차단되므로 열해석 시 복사에 의한 열전달을 배제시키고 대류와 전도의 영향만을 고 려하였다. 따라서, 유리의 열전달 지배방정식은 식 (2)와 같이 두 가지 항으로 정의된다.

    k T n = h M ( T T M ) by Conduction k T n = h N ( T T N ) by Convection
    (2)

    여기서 k는 열전도도, hM은 금형코어와 칼코겐 유리 사이의 전도 열전달계수, hN은 질소가스와 칼코겐유리 사이의 대류 열전달계수, T는 칼코겐 유리의 온도, TM은 금형코어의 온도, TN은 분위기 (N2)의 온도, 그리고 n은 경계면에 수직한 단위벡 터를 나타낸다. 경계면에서 열전달 속도는 온도차 와 열전달계수의 함수로 표현된다.

    본 연구에서 가열단계 열해석을 위한 hM과 hN 값은 기존 선행 연구보고를 기초로 하여 각각 2,800 W/m2·K와 20 W/m2·K를 적용하였다[6]. 외부 에서 유리에 전달된 열은 유리의 열전도도에 의존 하여 표면부에서 중심부로 전달되는데, 이때 열전 도도는 고온복사의 영향으로 인해 온도에 의존하 여 복잡한 양상으로 변화한다. 유리내부에서 열전 달문제를 다룬 기존의 많은 연구에서는 고온복사 의 영향을 등가열전도도(Equivalent thermal conductivity) 문제로 단순화시켰다. 본 연구에서는 표 1의 칼코겐유리소재 열전도도 값을 사용하여 열해석을 수행하였다.

    열해석 결과가 신뢰성을 갖기 위해서는 해석결 과에 크게 영향을 미치는 중요변수에 대해서는 실 제실험 환경과 가능한 유사한 값을 적용해야 한 다. 본 연구에 사용된 렌즈성형장비의 가열단계는 그림 4에 나타낸바와 같이 적외선램프 가열방식으 로 장비에서는 바닥플레이트의 온도만을 제어하기 때문에 가열단계 설정온도와 금형내부의 분위기 온도는 동일하지 않을 것으로 판단하였다. 실제 렌즈성형 시 가열단계 온도를 확인하기 위해 열전 대를 부착한 더미금형을 렌즈금형과 동일한 크기 로 제작하여 성형장비의 가열단계에 투입하여 금 형 내부와 외부 분위기온도를 측정하였다. 온도측 정 결과 분위기온도가 설정온도 보다 높게 측정되 었고 이러한 편차는 설정온도가 높은 수록 크게 나타났다 따라서 성형장비의 설정온도를 바닥플 레이트 온도로 사용하고 표 2의 측정된 온도 데이 터를 분위기 온도로 사용하여 열해석을 수행하였 다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 칼코겐유리의 열특성을 고려한 렌즈 성형

    일반적으로 CAE를 활용하지 않고 유리렌즈 성 형조건을 경험적으로 설정하는 경우 유리소재의 열특성(전이점, 연화점), 렌즈의 형상 및 부피를 고려하여 결정한다. 본 연구에서도 초기 성형조건 을 표 1의 칼코겐유리 열특성 및 렌즈외형을 고려 하고, 칼코겐유리렌즈 성형성에 미치는 온도의 영 향에 대한 기존 연구를 참고하여 표 3과 같이 결 정하였다[7]. 압축성형 시 칼코겐유리의 깨짐 현상 을 방지하기 위해 가열과 압축단계 온도는 연화온 도(310 °C) 보다 높게 설정하였다.

    그림 5는 초기 성형조건으로 성형된 칼코겐유 리렌즈 표면의 현미경 사진(x46배)를 보여준다. 렌 즈표면에 심각한 표면결함이 발생된 것을 확인 할 수 있으며, 이러한 표면결함은 적외선 투과율 저 하를 일으켜 렌즈불량의 원인이 된다.

    3.2 칼코겐유리렌즈 표면결함에 미치는 조건 파라메터

    칼코겐유리렌즈의 표면결함에 미치는 가열조건의 중요 파라메터인 온도 및 가열시간의 영향을 확인 하기 위해 표 4와 같이 성형조건을 결정하였다.

    가열 및 압축단계 온도와 단위공정시간을 변수 로 설정하여 성형조건 A~C를 결정하고, 이외의 조건들은 모두 고정변수로 설정하여 칼코겐유리렌 즈를 성형하였다. 조건별로 성형된 칼코겐유리렌 즈 표면을 현미경(x46배)으로 관찰한 결과 그림 6 과 같이 온도 및 단위공정시간에 따라 표면결함 발생이 크게 달라짐을 확인 할 수 있었고, 온도 및 시간이 가장 낮게 설정된 A조건으로 성형된 렌즈의 표면결함 발생이 상대적으로 가장 적은 것 을 알 수 있었다. 이러한 실험결과를 통해 칼코겐 유리렌즈 표면의 결함은 고온에서 소재 구성 성분 이 휘발하여 표면에 고립됨에 따라 발생되는 현상 으로 추정하였다.

    3.3 열해석을 활용한 칼코겐유리렌즈 성형

    칼코겐유리렌즈 성형 시 가스발생을 줄여 표면 결함을 최소화하기 위해서는 성형온도와 단위공정 시간을 가능한 낮춰야 함을 확인하였다. 기존 연 구에 의하면 칼코겐유리렌즈 성형에 적합한 온도 범위는 렌즈깨짐과 소재융착을 고려하여 소재 연 화점부터 연화점 보다 약 20 °C 정도 높은 온도 로 보고되었다[7].

    본 연구에 사용된 칼코겐유리소재(Ge28Sb12Se60)의 연화점(310 °C)을 고려할 때 성형에 적합한 온도는 310~340 °C 정도로 보여 진다. 따라서, 렌즈성형용 칼코겐유리 원소재를 성형에 적합한 온도분포를 갖도록 가열하기 위한 최적의 가열 온도와 시간을 도출하기 위해 가열단계 열해석을 수행하였다.

    그림 7은 열해석 결과를 나타낸 것으로 바닥플 레이트 온도를 300 °C, 가열챔버 내 분위기 온도 를 450 °C로 설정하고, 1,500초 가열 후에 칼코겐 유리소재의 온도분포가 315~345 °C를 나타내어 성형에 적합한 것으로 나타났다. 이러한 열해석 결과를 바탕으로 표 5와 같이 칼코겐유리렌즈 성 형조건을 수정하여 렌즈를 성형하였다.

    그림 8은 열해석 결과를 바탕으로 결정된 조건 으로 성형된 칼코겐유리렌즈 표면의 현미경 사진 (x46배)이다. 소재의 열특성을 고려하여 설정된 표 3의 초기조건으로 성형된 렌즈 대비 표면결함이 크게 줄어들었음을 확인하였다.

    4. 결 론

    본 연구는 칼코겐유리렌즈 압축성형 시 렌즈표 면에 발생되는 결함발생에 미치는 관련 가열조건 파라메터를 확인하고, 열해석을 통해 해당 파라메 터를 최적화하기 위한 것이다. 열해석을 통해 칼 코겐유리렌즈 성형조건 최적화 전·후 각각 성형된 칼코겐유리렌즈 표면을 비교분석 함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1. 칼코겐유리렌즈 압축성형 시 렌즈표면에 발생 되는 표면결함은 성형온도가 높고 가열시간이 길수록 증가하는 것으로 확인 되었다. 이를 통 해 칼코겐유리렌즈 성형 시 가열조건과 표면결 함 발생의 연관성을 확인 하였으며 표면결함이 칼코겐유리를 구성하고 있는 성분이 고온에서 휘발하여 렌즈표면에 고립되어 발생되는 것으 로 추정할 수 있었다.

    • 2. 성형온도 및 가열시간 파라메터를 최적화하기 위해 열해석을 수행하고, 성형조건을 수정하였다. 수정된 조건으로 성형한 렌즈의 표면을 관찰한 결과 소재의 열특성을 고려하여 설정된 초기조 건 대비 표면결함이 크게 줄어들었음을 확인하 였다. 이를 통해 열해석을 위해 적용한 경계조 건 및 해석과정이 유효함을 확인 하였다.

    • 3. 칼코겐유리렌즈 압축성형 시 열해석을 통해 가 열조건을 결정함으로써 렌즈표면의 결함을 최 소화 할 수 있음을 확인하였다.

    Figure

    KSMPE-20-8-60_F1.gif
    Schematic design of the target lens
    KSMPE-20-8-60_F2.gif
    Schematic of the molding part in GMP-54-5S
    KSMPE-20-8-60_F3.gif
    Schematic modeling of heat transfer mechanism during heating process
    KSMPE-20-8-60_F4.gif
    Atmospheric temperature measurement of mold interior and exterior in heating step of GMP-54-5S
    KSMPE-20-8-60_F5.gif
    Surface images of chalcogenide glass lens molded under the initial molding conditions
    KSMPE-20-8-60_F6.gif
    Surface images of chalcogenide glass lens molded under the conditions A~C of Table 3
    KSMPE-20-8-60_F7.gif
    Thermal-analysis results using Deform-2D
    KSMPE-20-8-60_F8.gif
    Surface images of chalcogenide glass lens molded under the modified molding conditions

    Table

    Thermal and mechanical properties of chalcogenide glass(IRG 25)
    Temperature of mold interior and exterior measured using dummy mold
    Initial molding conditions based on thermal properties of chalcogenide glass(IRG 25)
    Molding conditions to verify the effect of parameters on surface defects
    Modified molding conditions based on thermal-analysis results

    Reference

    1. Cha, D. H., Kim, J. H., and Kim, H. J., “Experimental study of the fabrication of chalcogenide glass lenses by using precision glass molding,” Journal of the Korean Physical Society, Vol. 65, pp. 1675-1681, 2014.
    2. Cha, D. H., Kim, H. J., Hwang, Y., and Kim, J. H., “Fabrication of molded chalcogenide-glass for thermal imaging applications,” Applied Optics, Vol. 51, pp. 5649-5712, 2012.
    3. Curatu, G., “Design and fabrication of low-cost thermal imaging optics using precision chalcogenide glass molding,” Proc. of SPIE 7060, 2008.
    4. https://www.schott.com, IRG 25
    5. Yan, J., Zhou, T., and Kuriyagawa, T., “Modeling high-temperature glass molding process by coupling heat transfer and viscous deformation analysis,” Precision Engineering, Vol. 51, pp. 150-159, 2009.
    6. Jain, A., & Yi, A. Y., “Numerical modeling of viscoelastic stress relaxation during glass lens forming process,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88, pp. 530-535, 2005.
    7. Cha, D. H., Kim, H. J., Park, H. S., Hwang, Y., Kim, J. H., Hong, J. H., and Lee. K. S., “Effect of temperature on the molding of chalcogenide glass lenses for infrared imaging applications,” Applied Optics, Vol. 49, pp. 1607-1613, 2010.