KR101290125B1 - 비구면 렌즈용 유리조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 비구면 렌즈용 유리조성물에 대한 것으로서, 본 발명에 의하면, SiO2, B2O3, Li2O 및 BaO의 적절한 배합으로 1.58 이상의 높은 굴절률을 가지면서도 높은 아베수를 갖는 비구면 렌즈용 광학유리의 제공이 가능하다.

Description

비구면 렌즈용 유리조성물{Glass composite for aspheric lens}
본 발명은 비구면 렌즈용 유리조성물에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 SiO2-B2O3-BaO-Li2O계를 주성분으로 하고 높은 굴절률과 아베수를 가질 수 있는 비구면 렌즈용 유리조성물에 관한 것이다.
2005년 이후 휴대폰의 연평균 성장률이 8% 수준으로 점진적 성장이 기대되고 있다. 이와 함께 모바일 기기의 융합으로 인하여 카메라 시장의 성장으로 인한 비구면 렌즈 시장이 동반 성장하고 있다. 모바일 기기를 위한 카메라의 자동 초점 기능(auto focusing)과 박형화로 인해 요구되는 렌즈의 수가 감소하고 있으며, 기존의 플라스틱 재질의 구면 렌즈로는 박형 제품의 요구를 감당하기 곤란하다.
이러한 현상에 대한 이유는 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 구조의 차이에 기인한다. 도 1은 구면 렌즈(a)와 비구면 렌즈(b)로 촬영하였을 때 평행 광선의 굴절과 수렴을 보여주는 사진이다.
도 1을 참조하면, 구면 렌즈(a)의 경우에는 평행광의 입사지점에 따라 굴절률에서 차이가 있기 때문에 평행광들이 한점에 수렴하는 것이 어렵다. 하지만 비구면 렌즈(b)의 경우에는 평행광의 입사지점이 다르더라도 빛의 굴절에 대한 조절로 평행광들이 한 지점에서 모이도록 구성되어 있다.
이 결과 도 1에서 보이는 바와 같이, 비구면 렌즈(b)의 경우에는 구면 렌즈(a)에 비하여 상이 선명하게 보인다.
또한, 구면 렌즈(a)의 경우에는 여러 개의 구면 렌즈(a)를 조합하여 렌즈를 구성할 수 밖에 없다. 이에 따라 렌즈 배열의 정확성이 요구된다. 게다가 구면 렌즈(a)의 조합은 상대적으로 큰 부피와 큰 무게를 차지한다. 그리고 높은 광학적 성능을 제공하는 것이 어렵다.
반면, 비구면 렌즈(b)는 평행광을 한 점에 모일 수 있게 만들 수 있으므로 빛의 색수차에 따른 오차를 최소화할 수 있다. 그리고 구면 렌즈(a)에 비해서 렌즈의 수량이 크게 감소된다. 그리고 높은 광학적 성능의 제공이 가능하다.
특히 고해상도/고기능 카메라폰 등장과 레이저 프린트 시장에서의 글로벌 경쟁력 상승에 따른 비구면 유리 렌즈 수요가 급상승하고 있다. 현재 카메라폰의 2메가 줌 렌즈는 2G(유리)+2P(플라스틱) 또는 1G+3P 형태를 사용 중이나, 카메라의 경우 크기로 인해 비구면 유리 렌즈 사용이 필수적일 수 밖에 없다.
비구면 렌즈의 사용 목적은 색수차를 줄임으로써 화질의 개선과 전장의 길이를 짧게 하여 좀더 슬림한 제품이 가능토록 하기 위함이다.
그러나, 이와 같이 비구면 유리 렌즈의 수요는 증가하고 있음에도 불구하고, 기초 소재는 대부분 수입에 의존하고 있다. 국내 카메라, 프린터 및 각종 비구면 유리 렌즈의 필요성은 점차 증가하나 기초 소재인 비구면 렌즈용 유리 모재는 전량 수입되고 있으며, 대표적인 공급원으로는 오하라, 호야, 수미타, NEG 등이 있다. 최근에는 자동차 후방 감지용 카메라 모듈 시장이 확대되어 비구면 유리 렌즈의 수요가 폭발적으로 상승 중에 있다.
이러한 성향에 발맞추어 비구면 렌즈에 대한 연구개발을 계속하고 있지만, 높은 굴절률과 높은 아베수를 갖는 비구면 렌즈의 개발은 이루어지지 않고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 SiO2-B2O3-BaO-Li2O계를 기본 조성으로 하고 높은 굴절률과 아베수를 가질 수 있는 비구면 렌즈용 유리조성물을 제공함에 있다.
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본 발명은, 평행광들이 한점에서 모이는 비구면 렌즈를 위한 유리조성물로서, SiO2 45~57몰%, Na2O 1~5몰%. B2O3 3~12몰%, Li2O 21~32몰%, BaO 5~15몰%, Al2O3 0.5~5몰%를 포함하는 광학유리로 이루어진 비구면 렌즈용 유리조성물을 제공한다.
상기 유리조성물은 K2O 0.01~2몰%를 더 함유할 수 있다.
상기 유리조성물은 굴절률이 1.565~1.610인 것이 바람직하다.
상기 유리조성물은 아베수(V)가 57~60인 것이 바람직하다.
상기 유리조성물은 유리전이온도(Tg)가 400~470℃인 것이 바람직하다.
상기 유리조성물은 팽창연화점(Tdsp)이 470~510℃인 것이 바람직하다.
상기 유리조성물은 열팽창계수(CTE)가 90~110×10-7/℃인 것이 바람직하다.
(a) SiO2 45~57몰%, Na2O 1~5몰%. B2O3 3~12몰%, Li2O 21~32몰%, BaO 5~15몰%, Al2O3 0.5~5몰%를 칭량하고 혼합하는 단계와, (b) 혼합된 원료분말을 용융하고 균질화하는 단계와, (c) 상기 용융되어 균질화된 유리에 대하여 성형하고 냉각하는 단계 및 (d) 냉각되어 형성된 유리조성물에 대하여 절단하고, 코어링하며, 랩핑하는 단계를 포함하는 비구면 렌즈용 광학유리의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 단계에서 K2O 0.01~2몰%를 더 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서 상기 혼합된 원료분말을 용융하고 균질화하는 단계는 청징하고 스터링하는 단계를 더 포함하며, 상기 용융은 1350∼1500℃의 온도에서 이루질 수 있다.
본 발명에 의한 비구면 렌즈용 유리조성물 및 이를 이용한 비구면 렌즈용 광학유리의 제조방법에 의하면, SiO2, B2O3, BaO 및 Li2O의 적절한 배합으로 굴절률을 높게 유지하면서도 높은 아베수를 갖는 비구면 렌즈용 광학유리의 제공이 가능하다.
도 1은 구면 렌즈(a)와 비구면 렌즈(b)로 촬영하였을 때 평행광선의 굴절과 수렴을 보여주는 사진이다.
도 2a 내지 도 2c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 아베수에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nD에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nF에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nC에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 유리전이온도(Tg)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 팽창연화점(Tdsp)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 유리전이온도(Tg)에 대한 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 주요효과와 교호작용들을 정리한 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 열팽창계수에 대한 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 주요효과와 교호작용들을 정리한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
비구면 렌즈용 유리조성물을 형성하기 위하여 원료들을 칭량하고 혼합한다. 본 발명에 따른 비구면 렌즈용 유리조성물의 경우에는 SiO2, B2O3, BaO, Li2O, Na2O 및 Al2O3를 원료 분말로 사용할 수 있다. 또한, 원료 분말로서 K2O를 더 포함할 수 있다. 유리조성물의 원료인 SiO2, B2O3, B2O3, BaO, Li2O, Na2O, Al2O3 및 K2O에 대한 배치에 맞추어 원료 분말을 섞는다.
SiO2는 유리를 형성하는 산화물이며, 유리의 골격을 형성하기 위한 필수성분이다. 또한 SiO2는 그 함량을 조절하여 유리의 점도를 조절하기가 쉽고, 내실투성(resistance to devitrification)을 향상시키기 위해서 유효한 성분이다. SiO2의 함량이 너무 작으면, 내실투성이 나빠질 수 있고, 굴절률이 낮아질 수 있다. 따라서 SiO2의 함량은 45몰% 이상인 것이 바람직하다. 또한, SiO2의 함량은 57몰% 이하인 것이 바람직하며, SiO2의 함량이 너무 많으면, 유리전이온도(Tg)나 유리의 점도가 높아지기 쉽고, 미용해물이 발생하기 쉽다.
B2O3는 유리 형성 산화물 성분이다. B2O3의 함량이 충분하지 않으면 높은 굴절률을 갖는 유리가 형성되기 힘들다. B2O3의 함량이 과잉이면 유리전이온도(Tg)를 470℃ 이하로 유지하기 어렵다. 이를 고려하여 B2O3의 양은 3~12몰%인 것이 바람직하다.
BaO는 유리의 굴절률을 높이는 한편 용융성을 향상시키는 역할을 한다. BaO의 함량이 너무 많으면 내실투성이 약화되기 쉬우므로 BaO의 함량은 15몰% 이하인 것이 바람직하다. 또한 유리의 굴절률을 확보하기 위해서 BaO의 함량은 5몰% 이상인 것이 바람직하다.
Li2O는 실투(devitrification) 온도와 유리전이온도를 낮추는데 아주 효과적인 성분이다. 또한 Li2O는 SiO2 및 B2O3와 함께 비중을 낮추는 데 효과적이다. Li2O의 함량이 충분하지 않으면, 실투 온도와 유리전이온도를 낮추는 효과가 불충분하며, Li2O의 양이 과잉이면 실투 온도가 낮아지지 않고 유리전이온도(Tg)가 상승할 수 있다. 따라서 Li2O의 함량은 21~32몰% 범위인 것이 바람직하다.
Na2O는 유리전이온도(Tg)를 낮추고, 용융성 향상에 효과적인 성분이다. Na2O의 함량이 너무 많으면 내실투성, 화학적 내구성이 나빠질 수 있으며, Na2O는 1~5몰% 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 유리 원료의 용융을 위해서 분말상태의 원료에 대하여 유리화 공정을 수행한다. 이때 Li2O는 유리전이온도(Tg)를 낮추는 한편 유리 원료의 용융을 촉진하는 효과가 있다. 하지만 이러한 Li2O의 성분이 너무 많으면, 유리의 안정성을 저하시키고, 기계적 강도를 저하시킬 수 있다.
Al2O3은 유리의 내실투성, 화학적 내구성을 향상시키는 역할을 한다. Al2O3의 함량이 너무 많으면 유리화(vitrification)가 곤란해지기 쉽고, 유리전이온도(Tg)가 상승할 수 있다. 따라서 Al2O3의 함량은 0.5~5몰%인 것이 바람직하다.
K2O는 유리전이온도를 낮추고 용융성을 향상시키는 역할을 한다. K2O의 함량이 너무 많으면, 내실투성, 화학적 내구성이 나빠질 수 있다. 따라서 K2O의 함량은 0.01~2몰%의 범위인 것이 바람직하다.
이러한 각각의 성분에 대한 중량비와 유리의 굴절률과 아베수에 미치는 영향 등에 대해서는 후술한다.
유리의 원료 분말을 설계된 배합비에 맞추어 칭량한다. 그리고, 칭량된 유리의 원료 분말을 유리 성분에 대한 분산성을 높이기 위해 혼합한다. 비구면 렌즈용 유리조성물의 경우에는 균일하게 혼합되지 않으면, 굴절률과 아베수와 같은 광학 상수가 부분적으로 차이가 나게 되고, 이는 물성의 저하로 나타난다.
이러한 균질화를 위해서는 유리의 점도와 유리의 점도에 알맞는 교반장치를 사용하는 것이 필요하다. 따라서 용융 시 1350~1500℃의 유리가 나타내는 점도를 고려하여 교반기(stirrer)를 20rpm과 50rpm으로 하여 교반 실험을 하였다. 그 결과 20rpm의 경우에는 교반되어서 고르게 섞이는 정도가 적게 나타났지만, 50rpm의 경우에는 고루 섞인다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 비구면 렌즈용 유리조성물의 성형과 용융 후 균질성을 확보하기 위해서 본 발명에서는 3차원 터뷸런트 믹서를 사용한다. 3차원 터뷸런트 믹서는 3축방향으로 용기가 움직여 단순 수평밀보다도 원료 분말의 혼합상태를 극대화할 수 있는 장치이다. 따라서 본 발명에서는 3차원 터뷸런트 믹서와 같은 장치를 사용해서 30분에서 24시간 동안 10~50rpm으로 혼합하여 유리 내부의 불균일성을 극복하는 것이 바람직하다.
특히 미량 첨가되는 성분이 고르게 섞이지 않을 경우 광학 유리의 물성발현에 끼치는 영향은 막대하다. 이렇게 원료 분말들을 혼합한 후, 유리조성물을 얻기 위하여 용융 및 균질화 작업이 필요하다. 이러한 용융작업은 백금(Pt) 재질의 용융로 또는 도가니에서 진행하는 것이 바람직하다. 상기 용융은 1350~1500℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 용융 공정에서 불완전 용융시 불균일 물질이 잔류하게 되고 이러한 불균일 물질의 잔류는 비구면 렌즈용 유리조성물의 성능 발현에 장애가 된다. 이러한 장애를 방지하기 위해서 청징(refining) 공정을 수행한다. 이러한 청징 공정은 유리 원료의 용융시 발생한 기포를 제거하기 위한 공정이다. 그리고 나서 유리조성물을 균질화하기 위한 공정으로 스터링 작업을 수행한다. 유리 원료의 비중차에 의한 비구면 렌즈의 내부에 맥리(striae)가 발생하게 되는데, 유리조성물을 균일하게 함으로써 맥리가 발생하는 현상을 억제할 수 있다.
그리고 이렇게 용융되고 균질화된 결과물을 몰드에 부어 성형하고 냉각시키는 공정을 진행한다. 서냉으로 과정을 진행하는 이유는 잔류 응력제거로 복굴절 현상을 회피하고, 냉각 과정 중 원자구조의 안정적 위치를 확보하기 위한 것이다.
이렇게 성형과 서냉 과정을 마치면, 유리조성물이 유리 덩어리 상태가 되는데, 이러한 유리 덩어리에 대하여 가공을 하여 광학유리를 제조한다. 상기 가공 공정은 코어링(coring)과 래핑(lapping)으로 이루어질 수 있다. 코어링 과정은 서냉된 덩어리 상태의 유리에 대하여 자르고 원하는 형태의 유리를 제조하는 공정이다. 볼렌즈 형태와 막대 형태 등으로 가공이 가능하다. 이렇게 코어링을 마치면, 이러한 유리에 대하여 정밀 가공작업인 래핑을 수행한다.
이하에서, 본 발명에 따른 비구면 렌즈용 유리조성물의 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
SiO2 51몰%, B2O3 8몰%, BaO 10.5몰%, Li2O 25몰%, Na2O 3몰% 및 Al2O3 2.5몰%가 되도록 칭량하였다. 이렇게 칭량된 각각의 성분에 대하여 3차원 터뷸런트 믹서를 이용하여 50rpm으로 20분 동안 혼합하였다.
본 발명의 경우에는 함유되는 원료 분말의 혼합과정이 유리 액상에 끼치는 영향이 중요하기 때문에 미량의 산화물 원료가 첨가되는 부분이 골고루 섞여 들어갈 수 있도록 3차원 터뷸런트 믹서를 사용하였다.
3차원 터뷸런트 믹서를 사용함으로써 이후에 계속되는 유리 용융 공정에서 부분적인 용융현상을 억제할 수 있고 고른 분포를 갖는 비구면 렌즈용 유리조성물을 얻을 수 있다.
이렇게 혼합된 원료 분말에 대해서 용융작업을 수행하였다. 상기 용융은 백금(Pt) 도가니 안에 혼합된 원료 분말을 놓고, 1450℃에서 3시간 동안 수행하였다. 이런 용융공정을 거쳐 형성된 유리에 대해서 청징 공정(refining)을 수행하였다. 청징이 완료된 후, 균질화하기 위해서 스터링(stirring) 작업을 수행하였다. 이러한 스터링 작업은 비구면 렌즈용 광학유리 안에서 맥리의 발생을 억제하기 위함이라는 것은 앞에서 상술한 바와 같다. 그리고 스터링을 거친 결과물에 대해서는 서냉과정을 거쳤다.
이렇게 형성된 유리조성물에 대하여 딜라토미터 측정용 시편을 만들었고, 굴절률 측정용 시편을 제조하였다.
딜라토미터 측정을 위해서는 길이가 20㎜이고 직경이 5㎜인 성형체를 제조하였고, 굴절률 측정을 위해서는 15mm의 가로와 세로를 갖는 직육면체가 필요하였다.
이렇게 규격에 맞추어지도록 만들어진 유리조성물에 대해서 각각의 물성을 측정하고 이를 실험계획법(DOE)에 따른 설계에 반영하였다.
<실시예 2>
SiO2 51몰%, B2O3 8몰%, BaO 10.5몰%, Li2O 25몰%, Na2O 3몰%, Al2O3 2.0몰% 및 K2O 0.5몰%가 되도록 칭량하였다. 이렇게 칭량된 각각의 성분에 대하여 3차원 터뷸런트 믹서를 이용하여 50rpm에서 1시간 동안 혼합하였다.
이하의 공정은 실시예 1에서 기재되진 내용과 동일한 과정으로 수행하여 유리조성물을 제조하였다.
이렇게 제조된 유리조성물에 대하여 광학적 특성과 물성적 특성을 관찰하기 위하여 열팽창계수와 굴절률의 측정을 위한 준비를 하였다.
딜라토미터를 가지고 열팽창계수를 측정하기 위해 20mm의 길이와 5mm의 직경을 갖는 샘플을 준비하였다. 굴절률의 측정을 위해 15mm의 가로와 15mm의 세로의 길이를 갖는 직육면체의 샘플을 준비하였다.
상기와 같이 준비된 샘플에 대해서 각종의 물성, 굴절률, 아베수, 팽창연화점(Tdsp), 열팽창계수(CTE), 잔류 응력(복굴절)을 측정하였다.
굴절률에 대한 측정은 nD, nF, nC를 별도로 측정한다. nD는 587.6nm에서의 굴절률이고, nF는 486.3nm에서의 굴절률, nC는 656.3nm에서의 굴절률을 나타낸다.
본 발명에 따른 유리조성물의 평가지표로는 아베수, 굴절률, 팽창연화점(Tdsp), 유리전이온도(Tg), 열팽창계수(coefficient of thermal expansion:CTE)를 사용하였다.
아베수란, 광학 유리 소재의 굴절율의 분산 정도를 나타내는 것이며, 수학식 1에 의해서 나타난 바와 같이, 파장별 굴절율을 서로 비교하여 그 값이 크면 분산이 적고, 그 값이 작으면 분산이 크다. 분산이 크다는 것은 유리가 파장에 따라 굴절율의 변화가 크고, 색수차의 영향이 큰 소재라는 것을 의미한다.
태양의 빛에서 나오는 빛깔이 7가지 이외에 많은 검은 선들이 있다는 것을 프라운 호퍼가 발견하였고, 프라운 호퍼는 태양의 스펙트럼을 자세히 조사하여 324개의 검은 선을 발견하였는데 이것을 프라운 호퍼선 또는 흡수선이라고 한다.
프라운 호퍼선은 빛의 일부가 어떤 물질에 흡수되어 생기는 것이다. 원자, 이온, 분자는 저마다 특유한 파장의 빛만 흡수하므로 흡수선을 조사하면, 존재하는 원소의 종류와 존재량, 이들 원소가 놓인 환경의 온도, 밀도, 운동 및 자기장의 강도에 대한 정보를 얻을 수 있다. 현재까지 알려진 프라운 호퍼선의 수는 3만개가 넘는데, 태양 스펙트럼 속에 있는 이들 프라운 호퍼선은 지구와 태양 사이에 빛을 흡수하는 물질이 있다는 증거로 볼 수가 있다. 또한 스펙트럼의 세기나 폭은 그 빛을 내거나 흡수하는 원자수와 운동상태를 알아내는 실마리가 된다.
이러한 프라운 호퍼선의 F,C선에 대한 굴절률을 nF,nC라 하고, D선의 굴절률을 nD라고 하면, 아베수 v는 수학식 1로 표현된다.
Figure 112011019845227-pat00001
분산이 큰 소재의 특성은 프리즘에 의한 색의 분산 크기가 크다는 것을 의미한다. 빨간색에서 보라색까지 펼쳐지는 스펙트럼의 길이가 길다는 것이다.
표 1은 1차 실험계획법에 따라 수행된 실험결과를 요약한 표이다.
조성 SiO2
(몰%)		 BaO
(몰%)		 Li2O
(몰 %)		 아베수(v) nF nD nC CTE
(10-7/℃)		 Tg(℃) Tdsp(℃)
1 48 8 22 58.76 1.5900 1.5752 1.5724 129 458.90 494.25
2 54 8 22 59.78 1.5898 1.5696 1.5667 122 469.90 508.20
3 48 12 22 55.82 1.5945 1.5873 1.5840 119 456.00 486.95
4 54 12 22 57.67 1.5963 1.5893 1.5861 116 471.40 508.86
5 48 8 28 58.81 1.5843 1.5777 1.5745 125 441.50 471.38
6 54 8 28 59.37 1.5885 1.5817 1.5787 123 453.50 487.10
7 48 12 28 57.37 1.5890 1.5822 1.5789 127 436.10 468.73
8 54 12 28 58.94 1.5918 1.5850 1.5819 126 447.49 479.99
9 51 10 25 57.10 1.5879 1.5808 1.5777 120 451.50 488.62
표 1을 참조하면, 실험계획법에 따른 예상치와 측정된 광학적 특성은 매우 유사하였고, 유리전이온도(Tg)도 유사하였으나, 열팽창계수(CTE)와 팽창연화점(Tdsp)은 다른 결과를 나타냈다. 팽창연화점(Tdsp)은 기계적 오차에 의해 영향을 받는 결과로 알려져 있는 값이므로 무시한다고 하더라도 열팽창계수(CTE) 값은 제법 많은 차이가 존재하였다.
조성 6에서는 본 발명에서 목표로 하는 물성치에 가까운 값을 보여주었다. 특히 유리전이온도(Tg)와 팽창연화점(Tdsp)은 본 발명에서 목표로 하는 물성치보다 50℃보다 낮은 값을 보였다. 이로부터 낮은 온도에서의 성형작업에 매우 유리할 것이라고 판단하였다. 그러나 열팽창계수는 전체적으로 본 발명에서 목표로 하는 물성치보다 다소 높은 값을 나타내었다. 만일 위 표 1의 조성대로 제품화할 경우, 낮은 온도에서 작업하는 경우 우수한 특성을 보여주는 재료를 개발하기는 하였지만, 냉각과정 중에 균열이 발생할 수도 있다.
본 발명에서는 열팽창계수(CTE)를 감소시키기 위해서 추가적인 실험을 하였다.
도 2a 내지 도 2c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 아베수에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 도 2a는 표준화된 효과의 파레토(pareto) 차트이다. 도 2b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 아베수의 변화 폭을 보여주고, 도 2c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, SiO2와 BaO가 아베수에 영향을 끼친다고 판단된다. 물론 도 2b의 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 분석에 의하면, Li2O도 영향을 주는 것으로 관측되었으나, 유효 수준 0.1로 여유롭게 부여한 상황에서도 효과의 파레토에서는 Li2O는 유의한 수준에서 벗어난다. 도 2c의 성분간 상호작용에서도 거의 유의하지 못한 수준이므로 주효과 만으로 관측해 보면, SiO2 양이 증가할수록 아베수는 높아지는 것으로 BaO는 반대효과가 있는 것으로 관측되었다.
도 3a 내지 도 3c, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 각각 nD, nF, nC에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nD에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 도 3a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 3b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 nD의 변화 폭을 보여주고, 도 3c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다. nD는 587.6nm에서의 굴절률을 나타낸다.
도 3b를 참조하면, nD에 대한 도 3b의 주성분에 대한 분석에서 BaO가 유효수준 10%의 범위에서 영향력이 있는 것으로 판단되었다. BaO가 증가할수록 nD의 값은 증가하였다.
도 3c의 성분간 상호작용에 있어서도 BaO와 Li2O가 상호작용을 하여서 nD가 증가하는 것으로 나타났다.
도 4a 내지 도 4c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nF에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 도 4a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 4b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 nF의 변화 폭을 보여주고, 도 4c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다. nF는 486.1nm 파장에서의 굴절률을 나타낸다.
도 4b를 참조하면, nF에 대한 도 4b의 주성분에 대한 분석에서 BaO가 유효수준 10%의 범위에서 영향력이 있는 것으로 판단되었다. BaO가 증가할수록 nF가 증가하는 것으로 나타났다.
도 4c의 성분간 상호작용에 있어서도 BaO와 Li2O가 상호작용을 하여서 nF가 증가하는 것으로 나타났다.
도 5a 내지 도 5c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 nC에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 도 5a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 5b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 nC의 변화 폭을 보여주고, 도 5c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다. nC는 656.3nm 파장에서의 굴절률을 나타낸다.
도 5b를 참조하면, nC에 대한 도 5b의 주성분에 대한 분석에서 BaO가 유효수준 10%의 범위에서 영향력이 있는 것으로 나타났다. BaO가 증가할수록 nC가 증가하는 것으로 나타났다.
도 5c의 성분간 상호작용에 있어서도 BaO와 Li2O가 상호작용을 하여서 nC가 증가하는 것으로 나타났다.
열특성에 미치는 영향에 있어서, 공정조건 설정에 가장 영향을 줄 수 있는 것이 유리전이온도(Tg)와 팽창연화점(Tdsp)이다. 유리전이온도(Tg)의 경우 네트워크 포머(Network Former)인 SiO2의 함량이 증가할수록 그 값이 증가하고, 반면 네트워크 모디파이어(Network Modifier)인 Li2O나 BaO가 증가할수록 감소한다. 그 효과의 정도에 있어서는 BaO는 현격하게 낮은 영향도로 인해 유의하지 못한 것으로 확인되었다.
유리전이온도(Tg)에 영향이 큰 것은 Li2O임이 확실하다. 굴절률과의 관계에서 보면, Li2O는 큰 효과가 없는 것으로 확인되었다. 아베수를 증가시키는 효과가 있는 것으로 관측되었기 때문에 적절하게 Li2O의 양을 증가시키면, 작업온도의 감소를 충분히 가져오면서도 목표로 하는 광학적 물성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다.
도 6a 내지 도 6c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 유리전이온도(Tg)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다. 도 6a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 6b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 유리전이온도(Tg)의 변화 폭을 보여주고, 도 6c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
도 6a를 참조하면, Li2O가 영향력이 가장 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 도 6b의 각 성분별 영향력을 보면 Li2O가 증가할수록 유리전이온도(Tg)가 하락하였고, SiO2가 증가하면 유리전이온도(Tg)가 증가하였다.
도 6c의 성분간 상호작용에 있어서도 BaO와 Li2O가 상호작용을 하여서 유리전이온도(Tg)가 감소하는 것으로 나타났다.
도 7a 내지 도 7c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 팽창연화점(dilatometric softening point; Tdsp)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다. 도 7a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 7b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 팽창연화점(Tdsp)의 변화 폭을 보여주고, 도 6c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
도 7a를 참조하면, Li2O가 영향력이 가장 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 도 7b의 각 성분별 영향력을 보면 Li2O가 증가할수록 팽창연화점(Tdsp)이 하락하였고, SiO2가 증가하면 팽창연화점(Tdsp)이 증가하였다.
도 7c의 성분간 상호작용에 있어서도 BaO와 Li2O가 상호작용을 하여서 팽창연화점(Tdsp)이 감소하는 것으로 나타났다.
도 8a 내지 도 8c는 SiO2, BaO 및 Li2O가 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다. 도 8a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 8b는 주요성분인 SiO2, BaO 및 Li2O에 따른 열팽창계수의 변화 폭을 보여주고, 도 8c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
열팽창계수에서 유효한 수준의 성분은 없었다. 그러나 주 효과상 Li2O의 양의 증가는 열팽창계수를 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 Li2O와 BaO간의 상호 교호 작용이 가장 효과가 높은 것으로 나타났다. 특히 BaO가 많을 때 Li2O의 증가는 열팽창계수를 동반 상승시킨다.
네트워크 모디파이어가 증가하면, 열팽창계수는 증가한다. 그러나 BaO가 적은 경우 Li2O는 이온장 세기로 인한 영향으로 다소간의 구조를 견고하게 하는 효과가 있는 것으로 보였다. 그러나 BaO가 많아지면, Li2O의 이온장 세기 효과는 없는 것으로 보였다.
표 2는 2차 실험계획법에 따라 수행된 결과를 보여주는 표이다.
조성 BaO
(몰%)		 SiO2
(몰%) 		Al2O3
(몰%)		 Li2O
(몰%)		 CTE
(10-7/℃)		 Tg
(℃) 		Tdsp
(℃)		 아베수(v) nF nD nC
1 5 48 0 10 88 513 551 * * * *
2 15 48 0 10 94 530 578 * * 1.6089 *
3 5 58 0 10 77 512 549 * * * *
4 15 58 0 10 95 537 577 * * 1.60969 *
5 5 48 5 10 81 522 561 * * 1.57945 *
6 15 48 5 10 94 525 572 * * 1.60955 *
7 5 58 5 10 71 524 568 * * 1.6099 *
8 15 58 5 10 97 574 535 * * 1.60073 *
9 5 48 0 20 108 472 508 * * 1.58235 *
10 15 48 0 20 115 469 503 78.22 1.61454 1.60868 1.60676
11 5 58 0 20 101 482 521 * * 1.56136 *
12 15 58 0 20 108 489 522 * * 1.60162 *
13 5 48 5 20 96 478 510 58.96 1.57144 1.5649 1.56186
14 15 48 5 20 101 473 507 59.38 1.61087 1.60386 1.6007
15 5 58 5 20 88 483 530 * * 1.5964 *
16 15 58 5 20 102 487 526 * * 1.5888 *
17 10 53 2.5 15 103 505 554 59.16 1.588 1.5811 1.5782
표 2에서 17번 조성은 화학 성분 분석한 결과에 가장 유사한 조성을 선정하여 실험한 것이다. 실험범위를 다소 넓게 잡았기 때문에 일부는 유리화 범위를 벗어나서 실투가 발생하였기 때문에 굴절률 데이터가 없는 경우가 발생하였다. 이에 따라서 광학적 특성치인 굴절률에 대한 실험결과는 확보할 수 없었다. 하지만, 열팽창계수의 문제는 해결되었다고 판단된다.
특히 14번 조성은 매우 가능성이 높아 보이는 조성으로 BaO의 함량을 다소 낮추면 우수한 광학 특성과 열적 특성을 가지고 있는 광학 유리에 적용가능할 것이라고 보인다.
이렇게 실험계획법에 따라 제조된 1차 실험계획법의 결과와 2차 실험계획법의 결과를 바탕으로 투과율 측정실험을 하였다. 투과율측정은 바리안 캐리 100(Varian Cary 100) 모델을 사용하였다. 측정 결과 유리는 매우 맑고 투명하여 투과율이 90% 수준이었다.
또한 시약급의 원료를 사용하였기 때문에 UV-cut의 파장도 300nm 정도의 값을 나타내었다.
도 9a 내지 도 9c는 유리전이온도(Tg)에 대한 SiO2, BaO, Li2O 및 Al2O3에 따른 주요효과와 교호작용들을 정리한 그래프이다. 도 9a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 9b는 주요성분인 SiO2, BaO, Li2O 및 Al2O3에 따른 유리전이온도의 변화 폭을 보여주고, 도 9c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
도 9a를 참조하면, Li2O를 제외하고는 SiO2, BaO, Li2O 및 Al2O3는 유리전이온도에 미치는 영향이 작은 것으로 판단되었다. 다만 Li2O의 경우, Li2O가 증가하면 유리전이온도(Tg)가 낮아지고, Li2O가 감소하면 유리전이온도(Tg)가 높아졌다.
도 9b를 참조하면, SiO2, Al2O3, BaO는 모두 유리전이온도(Tg)를 높이는 효과가 있었다.
도 9c를 참조하면, BaO와 Li2O가 교호작용을 하여 유리전이온도(Tg)에 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다. 팽창연화점(Tdsp)은 유리전이온도와 유사한 경향을 보였다.
도 10a 내지 도 10c는 열팽창계수(CTE)에 대한 SiO2, BaO, Li2O 및 Al2O3에 따른 주요 효과와 교호작용들을 정리한 그래프이다. 도 10a는 표준화된 효과의 파레토 차트이다. 도 10b는 주요성분인 SiO2, BaO, Li2O 및 Al2O3에 따른 유리전이온도(Tg)의 변화 폭을 보여주고, 도 10c는 각각의 성분의 상호작용에 대한 효과를 보여준다.
도 10a를 참조하면, 열팽창계수에 영향이 있는 인자는 SiO2, BaO, Li2O, Al2O3를 주성분으로 한 실험에서도 Li2O가 주요한 인자임을 확인할 수 있었다.
도 10b에서 보면 네트워크 포머와 네트워크 모디파이어에 따라 서로 반대의 성향으로 기여한다는 것이 확인되었다. SiO2와 Al2O3는 포머(former)로, BaO와 Li2O는 모디파이어로서의 역할이 눈에 띤다. Li2O와 BaO가 유의수준 10%에서 영향이 있었다. SiO2와 Al2O3가 늘어나면 열팽창계수는 감소하였고, Li2O와 BaO가 증가하면 열팽창계수는 증가하였다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. 평행광들이 한 점에서 모이는 비구면 렌즈를 위한 유리조성물로서,
    SiO2 45~57몰%, B2O3 3~12몰%, BaO 5~15몰%, Li2O 21~32몰%, Na2O 1~5몰%, Al2O3 0.5~5몰% 및 K2O 0.01~2몰%를 포함하며,
    상기 유리조성물은,
    유리전이온도(Tg)가 400~470℃ 이고,
    팽창연화점(Tdsp)이 유리전이온도(Tg)보다 높은 470~510℃ 이며,
    열팽창계수(CTE)가 90~110×10-7/℃인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈용 유리조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 유리조성물은 굴절률이 1.565~1.610인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈용 유리조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리조성물은 아베수(V)가 57~60인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈용 유리조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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