편집: 코어테크 기술지원처 엔지니어 신디 덩(鄧詠心)

개요

프레넬 렌즈의 한쪽 표면은 매끄러운 면이고 다른 표면에는 크고 작은 동심원 즉, 렌즈의 한쪽에 등거리의 톱니 모양이 새겨져 있습니다. 이러한 톱니 모양을 통해 특정 스펙트럼 범위의 광학 대역 통과(반사 또는 굴절)의 효과를 얻을 수 있습니다. 기존의 연마된 광학장치의 대역 통과 광학 필터는 매우 고가이지만, 프레넬 렌즈는 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 동관이공대학은 Moldex3D 소프트웨어를 사용해 프레넬 렌즈의 냉각 채널 설계를 최적화하여 등각 냉각 채널 설계에 성공함으로써 제품이 냉각된 후 온도 분포가 균일해지고, 직교 실험을 결합시킨 최적화 성형 공정을 통해 제품 성형 주기를 최적화하고 제품의 응력을 줄였습니다. 결과적으로 기업의 생산 비용 절감 및 생산 효율 향상에 도움이 되었습니다.

도전

• 웰드라인 및 플로우 마크 등의 제품 외관 결함 방지
• 표면 거칠기에 대한 요구사항이 높은 제품을 위해 표면 거칠기를 20nm 미만으로 제어
• 제품 냉각 후 온도의 균일한 분포, 성형 주기 단축
• 제품 내부 잔류응력 감소

솔루션

천레이 박사와 그의 팀은 Moldex3D Conformal Cooling 및 Stress 등의 모듈을 사용해 일반 냉각 채널 및 등각 냉각 채널 설계를 여러 차례 검증하고, 토폴로지 최적화를 지속적으로 진행해 제품이 냉각된 후 균일한 온도 분포라는 목적을 달성하였습니다. 그 후, 다시 Moldex3D를 통해 광학 및 잔류응력을 예측하여 개선 공정을 더욱 최적화하고, 최상의 성형 공정 방안 및 냉각 채널 방안을 빠르게 찾아내어 제품의 개발 주기를 크게 단축하고 산학연의 협력 목표를 달성했습니다.

효과

• 최적화 등각 냉각 채널 배치 방안을 찾아내어 제품 냉각 후 균일하지 않은 온도 분포 문제 해결
• 제품 냉각 시간을 15초에서 13초로 단축
• 웰드라인의 온도를 효과적으로 제어하여 제품 외관에 미치는 영향 감소
• 제품 치수의 정밀도 요구사항 충족
• 제품의 잔류응력 감소 및 균일

사례 연구

빛의 이용 효율과 발광 효율을 높이기 위해 LED과 연결되는 LED렌즈는 외관 품질에 대한 요구사항이 높습니다. 그래서 웰드라인, 플로우 마크 또는 기타 표면 결함을 피해야 하고, 표면 거칠기도 20nm 미만이어야 합니다. 본 연구에서 원래 냉각 채널 설계는 (그림 1) 냉각 후 온도 분포가 불균일해져 더 큰 왜곡 및 더 높은 열 잔류 응력을 초래하고 냉각 시간을 지연시킵니다.

그림 1. 원래 냉각 채널 설계

기존 냉각 시스템의 온도와 잔류응력 분포를 나타내는 그림 2 및 그림 3을 보면, 열량이 구체 중심에 축적되어 있기 때문에 온도와 잔류응력 변화가 매우 큰 것을 알 수 있는데, 이는 광학소자의 결함으로 간주됩니다.

그림 2. 원래 냉각 시스템의 온도 분포

그림 3. 원래 냉각 시스템의 잔류응력

연구팀은 3D프린팅의 등각 냉각 채널을 사용해 냉각 효과를 최적화하고, 그림 4(a), (b)와 같은 두 가지 종류의 등각 냉각 채널을 개발했습니다. 그림 4(a)의 설계는 배플을 등각 냉각 채널로 대체했고, 그림 4(b)의 설계는 웰드라인 근처에 냉각 채널을 추가하였습니다.

그림 4. 등각 냉각 채널 설계

기존 설계에 비해 최적화 설계는 냉각 후 온도가 낮고 더 균일하게 분포되었습니다 (그림 5). 예상 냉각 시간은 15초에서 13초로 단축되어 총 13%가 단축되었습니다. 등각 냉각 채널은 (그림 6) 동시에 제품의 잔류응력도 개선하여 더 나은 광학 성능을 달성하였습니다.

그림 5. 등각 냉각 채널 설계를 사용한 온도 분포

그림 6. 등각 냉각 채널 설계를 사용한 잔류응력

본 연구에서 제품의 광학적 특성을 결정하기 위해 편광판을 사용한 실제 성형 실험을 수행하였으며, 그 결과는 그림 7과 같습니다. 러너와 게이트에서만 발생한 광탄성 프린지 패턴은 프레넬 렌즈의 광학적 품질이 우수하다는 의미이며, Moldex3D시뮬레이션 결과를 통하여 실현 가능성을 검증하였습니다.

그림 7. 제품의 광학적 특성을 결정하기 위해 편광판을 이용한 실제 성형 실험

결과

동관이공대학은 Moldex3D 분석을 통해 등각 냉각 채널 설계를 최적화하여 열 축적 문제를 해결하였고, 냉각 시간을 15초에서 13초로 단축하였습니다. 동시에 제품의 잔류응력과 굴절률 또한 개선하여 더 나은 광학 품질을 얻었습니다.