KR0124654B1 - 정밀 가압 성형용 광학유리 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 렌즈, 프리즘등의 광학유리소재로써 특히 유리성형온도를 낮게 함으로서 저렴한 금속금형 사용이 가능하고 금형과 유리소재간의 내융착성이 향상됨과 함께 사용금형의 수명을 증대시키는데 적합한 광유 유리소재에 관한 것으로, 중량 %로서, P₂O₅70.0~85.0%, ZnO 6.7~8.5%, BaO 1.3~8.0%, SrO₂0.9~3.0%, MgO 0.8~1.5%, Li₂O 4.5~7.0%, K₂O 0.2~0.3%, Al₂O₃0.4~1.5%, Sb₂O₃0.2~0.3%로 조성된 정밀가압성형용 광학유리조성물에 관한 기술이다.

Description

정밀 가압 성형용 광학유리 조성물

본 발명은 렌즈, 프리즘등의 광학유리 소재에 관한 것으로, 특히 유리 성형온도를 낮게 함으로서 저렴한 금속금형사용이 가능하고 금형과 유리소재간의 내융착성이 향상됨과 함께 사용금형의 수명을 증대시키는데 적합한 광학유리 소재에 관한 것이다.

종래 렌즈, 프리즘, 필터 등 대부분의 정밀광학소자는 복잡한 연삭-연마공정에 의해 제작되어졌다.

그러나 비구면렌즈와 같이 형성이 복잡하여 가공이 매우 어려운 광학소자는 고도의 연마기술이 요구되어 종래의 연삭-연마법에 의해 제작할 경우 생산성이 낮을 뿐만 아니라 가격이 매우 높아진다.

따라서 최근 이러한 문제점을 해결하기 위해 광학유리 소재를 금형내에 투입하고 이를 정밀가압성형하여 렌즈 등의 정밀광학소자를 제작하는 방법이 개발되었다.

유리는 100~200℃ 사이의 성형온도를 갖는 플라스틱과는 달리 성형온도가 높다. 현재 사용되고 있는 대부분의 광학유리는 규산염계의 유리이며, 규산염계의 광학유리는 그 전이온도(Tg)가 가장 낮은 편에 속하는 SF11이 435℃로써, 실제 성형온도는 500℃를 넘는다.

가압성형에 의한 광학소자 제조기술의 개발초기에는 규산염계 광학유리를 사용하였기 때문에 유리를 정밀하게 성형하기 위한 금형의 재질은 많지 않았으며, 스테인레스강(Stainless Steel)과 같은 금속재질의 금형을 사용할 수 있는 경우는 최고 성형온도는 약 400℃이다.

그러나 종래의 규산염계 유리나 인산염계 유리(Phosphate glass)는 성형온도가 400℃ 이상 이므로 상기와 같은 금속 재질의 금형을 사용하게 되면 금형이 쉽게 열화되어 내구성이 급격히 악화된다.

이를 방지하기 위해 초경합금(WC-Co Alloy)이나 Al₂O₃, Si₃N₄와 같은 고온구조용 세라믹 재질로서 금형을 제작하여 사용하는 정도이다.

그러나, 이와같이 초경합금등과 같은 금형재질을 사용하여 금형을 제작할 경우 그 제작비는 금속재질의 금형제작비에 비해 수 배가 소요되어 최종 광학소자의 가격을 크게 상승시키는 요인이다.

따라서 광학소자 및 광학기기 제조업체에서는 낮은 온도에서 성형가능한 저연화점 광학유리를 개발하고자 노력해 왔다.

저연화점을 갖는 광학유리를 제조하기 위해 근접한 방법은 가장 일반적으로 사용되고 있는 규산염계 광학유리의 연화점을 낮추는 것이었다.

기존의 규산염 광학유리에서 융점이 높은 SiO₂의 함량을 줄이는 대신 알칼리 금속 산화물(RO)이나 알칼리토류 금속산화물(R₂O)의 함량을 증가시키는 방법이다.

그러나 기본적으로 가장 함량이 많은 주성분인 SiO₂의 융점이 1700℃로써 높기 때문에 이 계의 유리의 연화점을 400℃ 이하로 낮추기는 어려우며, 또한 연화점을 지나치게 낮추게 되면 화학적 내구성이 악화되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 피성형 되는 유리소재가 성형온도 400℃ 이하의 값을 갖도록 함으로써, 값비싼 금형이 아닌 일반 금속재질의 금형을 사용하더라도 광학소자를 가압 성형하는데 있어 금형의 열을 방지할 수 있는 유리조성물을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은 중량%로서, P₂O₅70~85%, ZnO 6.7~8.5%, BaO 1.3~8.0%, SrO 0.9~3.0%, MgO 0.8~1.5%, Li₂O 4.5~7.0%, K₁2O 0.2~0.3%, Al₂O₃0.4~1.5%, Sb₂O₃0.2~0.3%로 조성된 정밀 가압성형용 광학유리 조성물로 이루어진다.

상기한 조성에 P₂O₅는 유리 형성 산화물로서 기(基)로 하며, 그 외의 많은 량의 주성분으로는 Li₂O와 BaO이다.

다음은 각 성분의 수치한정 범위에 대해서 설명한다.

P₂O₅는 유리형성산화물(NWF : Glass Network Former)로써, 유리를 구성하기 위한 필수성분이다.

본 발명에서의 인산염 유리는 P₂O₅의 함량이 최소 70%로써 매우 높다.

P₂O₅의 함량이 이 정도로 높으면 유리용융시 P₂O₅의 휘발이 심해서 맥리결함(Cord)이 생기기 쉬우며, 제조된 유리의 화학적 내구성도 극히 나빠져서 유리의 표면이 끈적거릴 정도이다.

따라서 본 발명에서는 상기 유리의 휘발과 도가니의 침식을 방지하기 위해서 재용융(Remelting)방법을 사용하였으며, 화학적 내구성을 향상시키기 위하여 RO 성분(R : Mg,Ba,Sr)을 적당량 첨가시킴과 동시에 Al₂O₃를 첨가하였다.

Li₂O는 유리화를 용이하게 하고 성형온도를 저하시키기 위해 첨가하였으며, 그 양이 너무 많으면 실투경향이 증가하고 내화학성이 감소한다.

ZnO는 내실투성, 내화학성을 좋게하며, 그 양이 너무 많으면 내실투성이 나빠져서 실투(Devitrification : 의도하지 않은 결정화)되기 쉽다.

SrO는 굴절률(nd)과 아베수(Abbe Number,vd)의 조절에 유용한 성분이다.

MgO, BaO는 알칼리토류 금속산화물로써 필수성분이며 유리의 안정성을 향상시키고 내화학성을 증가시킨다.

그 양의 일부 또는 전부를 CaO, BaO와 치환할 수 있다.

Al₂O₃는 유리의 안정성을 향상시키고 내화학성을 향상시키지만 너무 많이 첨가하면 유리의 융용이 어려워지며, 유리전이온도(Tg)를 급격히 상승시킨다.

Sb₂O₃는 필수성분으로서 유리의 용융온도를 낮추는 역할과 함께 백금 콜로이드 석출을 억제시키는 효과가 있다.

Sb₂O₃는 KNO₃와 함께 사용되어 고온에서 많은 산소기포를 발생시켜 유리내의 기포를 제거시키는 청정제(Refinign Agent)로써 첨가하였으며 그 양은 0.1% 정도만 되어도 청정제의 효과가 있으며, 과량이 첨가되면 유리의 내화학성을 저하시킨다.

본 발명의 유리에서 사용한 원료는 인산암모늄(NH₄H₂PO₄), 인산리튬(Li₃PO₄), 질산칼슘(KNO₃), 수화인산아연(Zn₃PO₄·4H₂O), 인산 마그네슘(Mg₃PO₄), 인산바륨(Ba₃(PO₄)₂), 스트론튬산화물(SrO), 알루미나(Al₂O₃), 산화안티몬(Sb₂O₃)등이다. 이러한 원료들을 균질히 혼합하여 백금도가니에서 용융하며 예열된 금형에 부어 성형한다.

이것을 서냉하여 안정된 성질을 갖는 광학유리를 얻는다.

이와 같이 제조하여서 된 본 발명에서의 정밀가압성형용 유리소재는 하기 표1과 같이 유리전이온도(Tg) 범위가 263~335℃이고, 굴복점(At)은 273~323℃로써 성형온도는 약 350℃정도이다.

종래의 가압성형시의 온도가 450℃ 이상이었던 것에 비해 성형온도가 100℃ 정도 낮아짐으로써 얻은 효과로써는 첫째, 금형재질로써 초경합금이나 고온구조용 세라믹 대신 금속재질을 사용함으로써 금형제작이 용이해지고 금형제작비의 절감이 가능하며, 둘째, 성형온도가 낮은 만큼 전체 공정시간을 감소시킬 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 광학유리 재료는 성형온도가 낮음에 따라 이를 가압성형시, 사용되는 금형재질인 초경합금이나 세라믹을 사용하지 않고서도 일반적인 금속금형을 사용할 수 있는 금형제조원가를 절감할 수 있으며, 금형과 유리 소재간의 내용착성이 향상되고, 금형열화가 작아 금형의 사용 수명을 연장할 수 있음과 함께 전체공정시간도 감소시킬 수 있는 등의 이점이 있다.

Claims (1)

1. 중량%로서, P₂O₅70.0~85.0%, ZnO 6.7~8.5%, BaO 1.3~8.0%, SrO 0.9~3.0%, MgO 0.8~1.5%, Li₂O 4.5~7.0%, K₂O 0.2~0.3%, Al₂O₃0.4~1.5%, Sb₂O₃0.2~0.3%로 조성된 정밀가압 성형용 광학유리 조성물.