첨단 헤드업 디스플레이 장치용 비구면 자유형상 금형의 초정밀 가공에 관한 연구 = A study on the ultra precision machining of free-form shaped molds for advanced head-up display device

국문 초록 (Abstract)

최근 자동차 시장은 자동차 고유의 성능 향상뿐만 아니라 첨단 IT, 편리기능이 장착된 지능형 자동차를 선호하는 추세로 빠르게 성장하고 있다. 또한, 차량용 디스플레이 시장의 활성화와 자동차의 전장화가 빠르게 확산되면서 IT기술과 무선통신 기술이 접목되어 운전자의 안전성과 편의성을 지원하는 기능들이 빠르게 증가하고 있으며, 차량용 헤드업 디스플레이가 다양한 제품군으로 점점 더 주목받고 있다.
차량용 헤드업 디스플레이는 운전자의 시선이 위치하는 전면 유리에 다양한 주행정보를 제공함으로써 보다 안전한 정보를 제공한다. 기존 헤드업 디스플레이는 반사필름을 자동차 앞 유리 일부에 설치하여 하단에서 조사되는 영상을 반사하여 주행 속도, 방향 지시 등 간단한 주행 정보를 제공하는 방식이 주를 이루고 있으나, 최근에는 자동차 앞 유리에 투영 디스플레이를 설치하고, 전방 카메라, GPS 및 각종 센서와 연동하여 주행정보를 직접 표시하는 방식이 도입되고 있다.
본 연구에서는 증강현실 헤드업 디스플레이 장치의 핵심 광학부품인 비구면 자유형상 미러를 대면적으로 제작하기 위한 광학설계와 기구설계를 하였고, 초정밀 가공장비를 이용한 가공방법 및 최적의 가공조건을 수립하여 첨단산업에서 요구하는 고정밀 비구면 자유형상 미러의 미래수요에 대응하기 위한 초정밀 가공기술을 확립하는 것을 목표로 하였다.
초정밀가공 실험을 위해 자동차용 헤드업 디스플레이의 구조 해석과 비구면 자유형상 미러의 광학설계, 공구제작, 가공물 고정 Jig 및 기구설계를 진행하였고, 초정밀가공기를 이용하여 비구면 자유형상 미러를 가공하였다.
다이아몬드공구를 이용한 터닝 가공과 컵 휠 공구를 이용한 연삭 가공 방법을 통해 비구면 자유형상 미러를 가공하고, 비접촉 3차원 측정기를 이용하여 측정과 분석을 하였다. 또한, 정도보정을 통해 광학적 성능이 우수한 비구면 자유형상 미러를 제작하였으며, 구체적인 연구내용 및 결과는 다음과 같다.

1) 비구면 자유형상 미러의 터닝(Turning) 가공 특성연구를 위해 사용한 니켈전해 도금은 가공면의 경도와 절삭성이 우수하기 때문에 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 다이아몬드 터닝 가공방법을 이용한 최적의 가공 조건을 제시하기 위한 목적으로 터닝 가공의 핵심기술인 S3(Slow Slide Servo) 가공모드와 주요 파라메터인 절삭 깊이 및 이송 속도를 변경하여 가공면의 형상정밀도와 표면거칠기를 개선하기 위한 연구를 하였다.
다이아몬드 터닝 가공을 위한 절삭 단개별 최적의 가공조건으로 비구면 자유형상 미러를 제작하였고, 이를 측정한 결과, 비구면 자유형상 금형의 형상정밀도(PV)는 1㎛ 이하, 표면거칠기(Ra)는 0.010 ㎛ 이하의 값을 나타내 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

2) 초정밀 비구면 연삭(Grinding) 가공은 다이아몬드 터닝가공 시 가공면의 면조도 개선을 위해 진행했던 니켈 도금 공정 없이 스타박스 소재에 직접 연삭(Grinding) 및 폴리싱(Polishing) 공정이 가능하며, 초정밀 연삭 가공을 통해 비구면 자유형상 금형제작에 필요한 비용 및 시간을 최소화 할 수 있다. 또한, 비구면 연삭가공을 통해서 달성할 수 있는 가공조건 제시를 목적으로 가공모드 및 공구를 선정하였으며, 주요 파라메터인 절삭 깊이 및 트랙 간격(Track Spacing)을 변경하여 가공면의 형상정밀도와 표면거칠기를 개선하기 위한 연구를 하였다.

초정밀 연삭 가공시간 단축을 위해 트랙 간격을 0.2 ㎜로 가공하였으며, 이때 전면적 가공에 소요된 시간은 약 3.0 시간, 다이아몬드 터닝가공 시 중삭(Semi-Finish Cut) 가공에 소요된 시간은 약 15.0 시간으로, 가공시간이 1/5로 단축되었다. 또한, 연삭가공 실험결과 트랙 간격을 0.5㎜에서 0.2㎜로 변경하여 가공한 결과 표면거칠기가 50～60 ㎚에서 5～6 ㎚로 개선되었다. 향후 트랙 간격을 줄여서 가공할 경우 가공면 형상정밀도 및 표면거칠기를 더욱 개선할 수 있을 것으로 예상된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1장. 서론
• 1.1절 연구배경
• 1.2절 연구동향
• 1.3절 연구목적 및 내용
• 제 2장. 이론적 배경 및 실험장비
• 2.1절 헤드업 디스플레이 개요
• 1) 헤드업 디스플레이 기술개발 트렌드
• 2) AR-HUD용 비구면 자유형상 미러 광학설계
• 2.2절 초정밀 절삭가공 기술
• 1) 초정밀 가공장비 기술동향
• 2) 초정밀 가공기의 핵심기술
• 3) 초정밀 다이아몬드공구(바이트)
• 2.3절 실험장비
• 1) 초정밀 자유곡면 가공기(DTM)
• 2) 초정밀 비구면 연삭 & 폴리싱 멀티 가공시스템
• 3) 비접촉 3차원 표면거칠기 측정장비
• 4) 비커스 경도측정기
• 5) 공구현미경
• 제 3장. 실험결과 및 고찰
• 3.1절 초정밀 자유곡면 DTM 가공 실험방법
• 1) 비구면 자유형상 가공용 니켈도금 소재특성
• 2) DTM 가공용 Jig 설계 및 샘플 제작
• 3) 비구면 자유형상 미러 가공 Data Programming
• 3.2절 초정밀 자유곡면 형상가공
• 1) 초정밀 자유곡면 터닝(Turning)가공
• 2) 비구면 자유형상 미러의 터닝가공 특성
• 3) 초정밀 자유곡면 연삭(Grinding)가공 특성
• 제 4장. 결론
• 참고문헌
• 영문초록

참고문헌 (Reference)

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