세계 최고의 삼성전자 스마트폰! 옵티스트럭트 기술로 만듭니다

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SRI-B는 어떤 곳인가요?

  인도 방갈로르에 위치한 삼성 R&D 연구소(Samsung R&D Institute India – Bangalore: SRI-B)는, 한국을 제외한 삼성전자 연구소 중 가장 큰 규모의 R&D 센터입니다. 이곳에서는 3000명 이상의 엔지니어들이 다양한 영역, 프로젝트, 제품 등에 대해 일하고 있으며, 새로운 기술 영역에서 끊임없는 연구를 수행합니다. 그리고 이 중 모바일 부문은 SRI-B에서 가장 오래된 연구 및 개발 부문 중 하나입니다.

효과적인 스마트폰 설계… 삼성은 어떻게 할까?

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▲ 그림 1 : 일반적인 삼성 스마트폰의 분해도

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▲ 그림 2 : 최적화를 통한 시뮬레이션
프로세스 흐름

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▲ 그림 3 : 최적화 문제에 대한 준정적 테스트 사례

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▲ 그림 4 : (a) 위상최적화를 위한 후면 하우징 지오메트리 / (b) 형상최적화 변수가 있는 전면
하우징 지오메트리

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▲ 그림 5 : (a) 옵티스트럭트의 후방 하우징 기본 설계와 최적화 된 설계의 비교 / (b) 형상이 z 방향으로 변화하는 최적화 된 전면 하우징 디자인

  스마트폰 장비 업계는 현재 치열한 경쟁을 벌이고 있는 분야 중 하나이며, 기업들은 끊임없는 연구를 통해 계속해서 하드웨어 설계의 한계를 뛰어넘고 있습니다. 이러한 개발 단계에서 설계주기를 단축하고 비용 마진을 줄이기 위한 방법으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 가상 테스트가 더욱 각광을 받고 있습니다.

  일반적으로 해석자들은 유한 요소 해석(Finite Element Analysis: FEA) 방법을 사용하여, 최적의 설계 솔루션에 도달할 때 까지 설계를 반복합니다. 그러나 전체 설계 공간을 직접 탐색하는 데에는 한계가 있기 때문에, 해석의 결과가 항상 최적의 결과일 수는 없습니다.

삼성도 선택한 옵티스트럭트

  알테어 하이퍼웍스(Altair HyperWorks)의 옵티스트럭트(OptiStruct®)를 사용해서, 스마트폰 전면 및 후면 하우징에 대해 형상 및 위상최적화 작업을 수행했습니다.

  최적화 방법을 확인하기 위해, 그림 1과 같은 일반적인 삼성의 스마트폰이 사용되었습니다. 스마트폰에는 변형된 마그네슘 다이 캐스트의 전면 하우징과 폴리 카보네이트의 후면 하우징이 있습니다. 렌즈 디스플레이 모듈은 전면 하우징에 부착되었으며, PCB와 배터리는 전면 하우징에 나사로 고정되어 있는 후면 하우징에 부착되었습니다.

옵티스트럭트 결과,
얼마나 정확할까?

  스마트폰의 안정성을 결정하는 중요한 테스트 중 하나는 바로 낙하 테스트입니다. 표면 부분의 디스플레이 유리 변형과 PCB 변형은 이러한 안전성에서 매우 중요하게 고려해야 하는 부분입니다. 하우징 설계는 일반적으로 이러한 구성 요소들의 성능을 저하시키는 단점이 있습니다. 이 연구의 목적은 최적화 기법을 사용하여 이러한 단점을 해결하는 것이었습니다. 스마트폰이 여러 방향으로 떨어지고 내부 구성 요소가 변형되는 것을 시뮬레이션을 통해 테스트하고 관찰했습니다. 시뮬레이션을 통해, 스마트폰의 낙하 신뢰성은 강성과 깊은 관련이 있고, 강성이 높을수록 신뢰도가 높아지는 것을 확인할 수 있었습니다.

준정적 3-포인트 굴곡 및 비틀림 하중을 받는 전방과 후방 하우징

테스트 타입 적용 하중 목표
3-포인트 굽힘 테스트 30N의 힘이 하우징 중앙에 가해짐, 상부 및 하부 나사 양끝 구속 적용된 하중에 대한 파트 컴플라이언스(또는 전체 변형 에너지) 최소화. 중량 컴플라이언스 공식을 통해 단일 목적 함수에서 두 로드케이스 결합
비틀림 테스트 상단 나사 보스를 연결하는 레퍼런스 노드에서 500Nm 모멘트 적용, 하부 나사 양끝 구속

위상 및 형상최적화를 위한 설계 공간

위상최적화 설계 공간 구속 조건
그림 4 (a) 후방 하우징 청색 부분 리브의 최소 및 최대 두께
베이스 라인 설계와 동일한 하우징 질량
형상최적화 변수 목표
그림 4 (b) 전면 하우징 17 설계 변수
– 리브의 x, y 위치, 리브 두께, 하우징 바닥
하우징 강성 극대화


낙하 시뮬레이션? 30분이면 OK!

  일반적으로 실행하는데 7시간이 소요되는 단일 낙하 시뮬레이션과 비교하여, 준정적의 하중 기반 최적화는 단 30분의 시간만이 소요되었습니다.

위상최적화 결과
그림 5 (a) 베이스라인 설계를 포함한 후면 하우징의 위상최적화 설계 비교 최적화 된 설계는 매우 다른 립 배열을 가지며 강성은 상당히 높은 것 확인 (굽힘 시 40%, 비틀림 시 74%)
형상최적화
그림 5 (b) 형상최적화 된 전면 하우징에 대한 z 차원의 변화 최적화 된 설계는 베이스 라인 디자인보다 1.6gm (10%) 크며, 굽힘 및 비틀림이 각각 65% 및 85% 더 강함. 추가적인 무게가 없으면 최적화 된 설계가 약 30% 더 강한 것을 확인.
낙하 시뮬레이션에서 디스플레이 변형률 45% 감소


  “위상최적화는 건축 설계 초기 단계에서 사용하면 보다 견고한 설계가 가능하도록 도와줍니다. 알테어의 옵티스트럭트는 특정 설계와 제조 제약 조건을 정의할 수는 있지만, 리브 정렬과 같이 작업할 수 없는 몇 가지도 분명 존재합니다. 이러한 경우 최적화 된 초기 디자인을 참조하여, 디자이너들은 보다 견고한 설계를 완성할 수 있습니다. 이 프로젝트에 대해 광범위하게 지원해 준 인도 알테어에 진심으로 감사를 드립니다.”

고라브 굽타(Gaurav Gupta),
삼성 방갈로르, 수석 엔지니어


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