KR101347619B1 - 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원하는 조성비의 유리 분말을 준비하는 단계와, 상기 유리 분말을 유리몰딩프레스 장치의 하부 금형에 안착시키고, 상부 금형을 상기 하부 금형 상부에 위치시키는 단계와, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 내장되는 성형실 내의 가스를 배기하여 진공 상태로 형성하는 단계와, 상기 유리 분말을 팽창연화점(Tdsp) 보다 높은 온도로 가열하는 단계와, 상기 상부 금형 및 하부 금형을 가압하여 원하는 형태로 성형하는 단계 및 상기 성형실 내로 비활성 가스를 주입하여 냉각시키는 단계를 포함하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 볼 렌즈나 프리폼 고브가 아닌 유리 분말을 사용하여 제조함으로써 절삭이나 연마 가공 과정이 필요없어 제조 공정이 단순화될 수 있으며, 유리 분말에 대하여 진공 상태에서 가압하는 방법으로 기포가 없으면서 높은 광학 상수를 갖는 비구면 렌즈를 제조할 수 있다.

Description

유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법{Manufacturing method of aspheric lens using glass powder}
본 발명은 비구면 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리 분말에 대하여 진공 상태에서 가압하는 방법으로 기포가 없으면서 높은 광학 상수를 갖는 비구면 렌즈를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 광학 렌즈의 성능 향상과 경량화로 인해 렌즈의 형상은 비구면화 되고 있으며, 굴절률, 색수차, 투과율, 열변형 등의 문제로 유리 소재로 대체되고 있다.
플라스틱 렌즈 금형 개발에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있으나, 향후 광학 시장에서 상당한 시장 점유율을 보일 유리 비구면 렌즈에 대한 연구는 미미한 실정이다.
유리 광학 렌즈의 주요 용도로는 소형 디지털 카메라가 달린 휴대폰의 렌즈, 기타 광학 소자 부품으로서 광통신용, 픽업(pick-up)용, 레이저 프린터용 렌즈, 센서(sensor) 렌즈, 디스플레이용 렌즈 등이 있다.
유리 광학 렌즈의 생산에 주로 연마법이 이용되어 왔으나, 연마법으로 생산할 수 있는 렌즈는 그 크기, 형태 등이 제한될 뿐만 아니라, 양산성이 크게 떨어지기 때문에 근래에는 유리몰딩프레스(glass molding press; 이하 'GMP'라 함) 방식의 직접 프레스 성형법을 이용하려는 연구가 이루어지고 있다.
구면 렌즈는 원리적으로 수차를 포함하고 있으며, 수차를 제거하기 위하여 렌즈의 조합수를 늘리고, 다층막 코팅 등을 통하여 성능 향상을 실현시켜 왔다. 비구면 렌즈는 초점 집광 성능을 향상시켜 구면 수차를 제거하고, 복잡한 렌즈 조합을 필요로 하지 않으며, 높은 투과율이 얻어지는 등 많은 장점이 있다. 따라서 비구면 렌즈의 채용은 광학 소자의 소형화, 경량화 그리고 고성능화를 위하여 필수적이다. 이와 같이 비구면 렌즈의 장점은 이전부터 알려져 있는 사실이지만, 제조상의 어려움 때문에 오랜 기간의 경험에 따른 근사해를 갖는 구면 렌즈를 사용하여 왔다.
그러나, 절삭, 연삭에 의한 비구면 가공법과 초정밀 비구면 가공기의 개발에 따라 기계 가공에 의하여 비구면 렌즈의 제조가 가능하게 되었다. 비구면 렌즈의 경우 가공 기술의 발달로 기존의 범용 가공기로는 불가능하다고 여겼던 형상 정밀도 0.1㎛ 이하로도 가공할 수 있게 되었다.
상기와 같은 가공 기술의 발달에도 불구하고 볼 렌즈나 프리폼 고브(preform gob)를 제조하고, 프리폼 고브를 성형하는 방법으로 비구면 렌즈를 제조하는 방식을 채용하고 있다. 그러나, 이러한 방식은 볼 렌즈나 프리폼 고브 형성을 위한 절삭, 연마, 열처리와 같은 전처리 과정이 사전에 수반되어서 공정상의 불편을 초래하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 볼 렌즈나 프리폼 고브가 아닌 유리 분말을 사용하여 제조함으로써 절삭이나 연마 가공 과정이 필요없어 제조 공정이 단순화될 수 있으며, 유리 분말에 대하여 진공 상태에서 가압하는 방법으로 기포가 없으면서 높은 광학 상수를 갖는 비구면 렌즈를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 원하는 조성비의 유리 분말을 준비하는 단계와, (b) 상기 유리 분말을 유리몰딩프레스 장치의 하부 금형에 안착시키고, 상부 금형을 상기 하부 금형 상부에 위치시키는 단계와, (c) 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 내장되는 성형실 내의 가스를 배기하여 진공 상태로 형성하는 단계와, (d) 상기 유리 분말을 팽창연화점(Tdsp) 보다 높은 온도로 가열하는 단계와, (e) 상기 상부 금형 및 하부 금형을 가압하여 원하는 형태로 성형하는 단계 및 (f) 상기 성형실 내로 비활성 가스를 주입하여 냉각시키는 단계를 포함하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법을 제공한다.
상기 (c) 단계에서 상기 성형실 내의 압력은 10-7~10-3Torr인 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계에서 팽창연화점(Tdsp)보다 높은 온도는 팽창연화점(Tdsp)보다 10~20℃ 높은 온도인 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 평균 입경이 50~100㎛인 것이 바람직하다.
상기 가압은 0.2~10MPa의 압력으로 인가되는 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 SiO2 45~57몰%, B2O3 3~12몰%, BaO 5~15몰%, Li2O 18~32몰%, Na2O 1~5몰% 및 Al2O3 0.5~5몰%를 포함하는 조성비로 이루어질 수 있다.
상기 유리 분말은 K2O 0.01~2몰%를 더 포함할 수 있다.
상기 유리 분말은 유리전이온도(Tg)가 400~470℃인 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 팽창연화점(Tdsp)이 470~510℃인 것이 바람직하다.
상기 가열은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 둘레에 원주 방향으로 배열되는 복수의 튜브 형태로 이루어진 적외선 램프를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 볼 렌즈나 프리폼 고브가 아닌 유리 분말을 사용하여 제조함으로써 볼 렌즈나 프리폼 고브 형성을 위한 절삭이나 연마 가공 과정 등이 필요없어 제조 공정이 단순화될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유리 분말에 대하여 진공 상태에서 가압하는 방법으로 가압 성형의 장점을 살려 치밀하고 기포가 없으며 광학 상수가 큰 비구면 렌즈를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 절차도이다.
도 2는 일 예에 따른 GMP 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 GMP 과정에서 온도 분포를 보여주는 예열, 프레스(가압) 및 냉각의 온도 구배도이다.
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.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법은, (a) 원하는 조성비의 유리 분말을 준비하는 단계와, (b) 상기 유리 분말을 유리몰딩프레스 장치의 하부 금형에 안착시키고, 상부 금형을 상기 하부 금형 상부에 위치시키는 단계와, (c) 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 내장되는 성형실 내의 가스를 배기하여 진공 상태로 형성하는 단계와, (d) 상기 유리 분말을 팽창연화점(Tdsp) 보다 높은 온도로 가열하는 단계와, (e) 상기 상부 금형 및 하부 금형을 가압하여 원하는 형태로 성형하는 단계 및 (f) 상기 성형실 내로 비활성 가스를 주입하여 냉각시키는 단계를 포함한다.
상기 (c) 단계에서 상기 성형실 내의 압력은 10-7~10-3Torr인 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계에서 팽창연화점(Tdsp)보다 높은 온도는 팽창연화점(Tdsp)보다 10~20℃ 높은 온도인 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 평균 입경이 50~100㎛인 것이 바람직하다.
상기 가압은 0.2~10MPa의 압력으로 인가되는 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 SiO2 45~57몰%, B2O3 3~12몰%, BaO 5~15몰%, Li2O 18~32몰%, Na2O 1~5몰% 및 Al2O3 0.5~5몰%를 포함하는 조성비로 이루어질 수 있다.
상기 유리 분말은 K2O 0.01~2몰%를 더 포함할 수 있다.
상기 유리 분말은 유리전이온도(Tg)가 400~470℃인 것이 바람직하다.
상기 유리 분말은 팽창연화점(Tdsp)이 470~510℃인 것이 바람직하다.
상기 가열은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 둘레에 원주 방향으로 배열되는 복수의 튜브 형태로 이루어진 적외선 램프를 이용하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
비구면 렌즈 제조를 위한 GMP 방식은 배치(batch) 방식과 순차이송(progressive) 방식으로 구분할 수 있다. 배치 방식은 하나의 플랫폼(platform)에서 유리 성형 공정을 진행하는 방법이며, 순차이송 방식은 각기 다른 플랫폼에서 예열, 성형, 냉각 단계별로 분리하여 진행하는 방식이다. 배치 방식에서는 제품 생산을 위한 사이클 타임이 예열, 성형, 냉각 시간을 모두 포함한 시간인 반면에 순차이송 방식에서는 예열, 성형, 냉각에 소비되는 시간 중 가장 긴 시간이 소요될 수 있는 특정 공정에 의해 사이클 타임이 결정된다. 순차이송 방식은 각각의 공정에서 발생하는 문제점 파악이 용이하여 금형에 문제가 발생하였을 경우 수정 및 보수가 상대적으로 쉽다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 절차도이다. 도 2는 일 예에 따른 GMP 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 GMP 과정에서 온도 분포를 보여주는 예열, 프레스(가압) 및 냉각의 온도 구배도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 출발원료인 유리 분말에 대하여 원하는 조성비를 이루도록 설정한다(S110). 유리 분말은 SiO2 45~57몰%, B2O3 3~12몰%, BaO 5~15몰%, Li2O 18~32몰%, Na2O 1~5몰% 및 Al2O3 0.5~5몰%를 포함하는 조성비로 이루어질 수 있다. 상기 유리 분말은 K2O 0.01~2몰%를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 유리 분말은 유리전이온도(Tg)가 400~470℃인 것이 바람직하다. 또한, 상기 유리 분말은 팽창연화점(Tdsp)이 470~510℃인 것이 바람직하다.
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 18~32몰% 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.
Li2O는 유리전이온도(Tg)를 낮추는 한편 용융성을 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 유리 분말의 조성 성분은 유리전이온도, 아베수, 굴절률 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 종래에는 볼 렌즈나 프리폼 고브(preform gob)을 사용하였으나, 본 발명에서는 출발원료로 유리 분말을 사용한다.
유리 분말은 볼밀링(ball milling), 제트밀(jet mill) 등을 이용하여 균일한 입자 크기로 분쇄한다. 분쇄 공정의 구체적인 예로서 볼밀링 공정을 설명하면, 유리 분말을 볼밀링기(ball milling machine)에 장입하고, 볼밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 분쇄한다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼밀링기의 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 밀링 시간이 증가함에 따라 유리 분말의 입도가 점차 감소하고, 이에 따라 비표면적이 증가하게 된다. 볼밀링에 사용되는 볼은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2)와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하는데, 예를 들면, 볼의 크기는 1~30㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼밀링기의 회전속도는 50~500rpm 정도의 범위로 설정하며, 볼밀링은 1~50 시간 동안 실시할 수 있다.
이렇게 분쇄가 완료된 유리 분말은 평균 입경이 20~200㎛의 범위, 바람직하게는 50~100㎛의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 유리 분말의 입도가 10㎛ 이하가 되면 후속의 GMP 공정에서 다수의 기포가 생성되기 쉽다.
유리 렌즈 내의 기포는 일부 분야에서는 거의 문제를 야기하지 않는다. 예를 들면, 확산성 렌즈나 램프용 렌즈의 경우에는 기포가 어느 정도 존재하더라도 사용이나 유지에 있어서 문제를 일으키지 않는다. 또한 특정 조건하에서는 미적인 가치를 발휘하기도 한다. 하지만 광학 소자에 사용하기 위한 비구면 렌즈에서 기포 형성은 광학 렌즈를 쓸모없게 만든다. 따라서 기포의 발생을 억제할 필요하다.
유리 분말에 대한 GMP 공정시 발생하는 기포의 생성은 다음과 같은 원인이 알려져 있다.
유리 분말에 대하여 가열된 온도에서 수소가 유리 분말들 내에 존재하게 되고, 유리 분말 내의 수소가 GMP 장치의 외부로 빠르게 빠져나가게 된다. GMP 장치 내로부터 외부로 수소가 빠져나가는 것은 자유 산소를 증가시킨다. 물의 분해에서 2몰의 수소 당 1몰의 산소는 유리 분말 입자 사이에서 남게 된다. 수소가 유리 분말을 떠날 때 산소(또는 산소의 분압)는 증가하고 유리 분말 내에 기포 또는 기공의 생성을 유도하게 된다. 또한, 기포의 생성을 유도할 수 있는 할로겐(Cl, F, Br)과 같이, 유리 분말에서 다른 종들의 촉매화 또는 산화를 수반하는 다른 반응들이 있을 수 있다.
상기와 같은 원인 등에 의해 발생하는 기포를 억제하기 위하여 본 발명에서는 GMP 장치의 압력을 10-7∼10-1Torr, 바람직하게는 10-7∼10-3Torr로 진공 상태로 만들어 기공의 발생을 억제하도록 한다. 이에 의해 비구면 렌즈를 형성하는 과정에서 기포의 발생을 최소화할 수 있다.
유리 분말을 사용하는 경우에 기포의 형성을 억제하는 방법으로 청징제(fining agent)를 사용하는 방안이 검토될 수 있다.
비소(As)는 청징제 중 하나이며, 용융 유리의 배치 물질에 첨가될 때, 높은 용융 온도(예를 들면, 1450℃ 이상)에서 유리로부터 O2의 배출을 가능하게 한다. 유리 제조의 용융 및 청징(refining) 단계 동안, 기포의 제거를 돕는 작용을 하고, 높은 온도에서 O2 방출을 도우며, 이러한 O2 방출을 통해 내부에 기포가 포함되지 않는 렌즈를 얻을 수 있게 한다. 하지만, 불행하게도 환경적인 관점에서 볼 때, 비소는 위험 물질로서 고려되며, 따라서 청징제로서는 바람직하지 못하다.
다른 청징제로서 비소(As)보다 덜 효과적이지만 안티몬(Sb)과 주석(Sn)을 들 수 있다. 하지만 안티몬(Sb)도 환경적으로 바람직하지 않고, 주석(Sn)은 비소(As) 및 안티몬(Sb)보다 청징의 면에서 덜 효과적이다.
이러한 이유로 유리 분말에 대한 GMP 공정 중에 기포가 생성되는 것을 막기 위해 비소(As)와 안티몬(Sb)이 효과적이지만 친환경적이지 않은 물질을 배제시켜야 할 필요가 있다.
평균 입경이 20~200㎛의 범위, 바람직하게는 50~100㎛의 범위를 갖는 유리 분말을 도 2에 도시된 GMP 장치의 하부 금형(30b) 위에 안착시킨다(S120).
비구면 렌즈를 형성하기 위한 GMP 장치에서 유리 분말과 접촉하는 금형(30a, 30b)은 비구면 렌즈의 높은 제조 온도를 구조적 결함 없이 견딜 수 있어야 하고, 금형의 산화와 같은 것으로 인해 비구면 렌즈로 오염물질을 방출하는 것을 최소화해야 한다. 이러한 측면에서 본 발명에 따른 GMP 장치의 금형(30a, 30b)은 초경 합금, TiC, Si3N4, TiN 등으로 구성될 수 있기 때문에 유리 분말과의 반응을 유도하지 않는다.
유리 분말을 GMP 장치의 하부 금형(30b) 위에 안착시킨 후, 이동축(120)을 이용해서 고정축(90)의 아래 쪽에 배치되도록 이동시켜 하부 금형(30b) 상부에 상부 금형(30a)을 위치되게 한다.
성형실(50) 내의 공기를 배기하여 진공 상태로 만든다(S130). 진공 상태로 만들기 위하여 먼저 로터리 펌프(160)를 작동시켜 성형실(50) 내의 압력이 10-3∼10-1Torr 정도가 되도록 한다. 로터리 펌프(160)를 가동시켜서 성형실(50) 내의 압력이 10-3∼10-1Torr가 되면, 확산 펌프(80)를 가동시킨다.
확산 펌프를 사용해서 성형실(50) 내의 압력이 10-7∼10-3Torr이 되면 도 3에 도시된 바와 같이 천천히 GMP 장치를 가열한다(S140). 그리고 유리 분말(40)의 팽창연화점(Tdsp) 온도 이상이 되면, 상부 금형(30a)을 이용하여 가압을 시작한다(S150). 이때 가하는 프레스 압력은 0.2~10MPa 정도인 것이 바람직하다. 가압하는 과정 동안 10-7~10-3Torr의 압력 상태는 유지하는 것이 바람직하다.
가열하는 과정과 가압하는 과정을 이용하여 원하는 형태의 비구면 렌즈로 성형되면, 유입관(10)을 통해서 비활성 가스를 유입시켜서 냉각시킨다(S160).
이때 아르곤(Ar), 헬륨(He), 질소(N2) 등의 비활성 가스를 사용해서 냉각시키면, GMP 장치에 의해 형성된 비구면 렌즈가 산화되지 않을 수 있고, 동시에 기포가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 무기포 비구면 렌즈의 제조가 가능하다. GMP 장치로부터 탈착된 비구면 렌즈에 대해서는 센터링 작업을 수행하고, 센터링이 완료되고, 필요에 따라 코팅 작업을 거치면, 실제 사용되는 비구면 렌즈가 완성될 수 있다.
이하에서, GMP 장치를 이용하여 비구면 렌즈를 제조하는 방법을 더욱 상세하게 설명한다. 도 2는 일 예에 따른 GMP 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 유리 분말을 GMP 장치의 하부 금형(30b) 위에 안착시킨 후, 이동축(120)을 이용해서 고정축(90)의 아래 쪽에 배치되도록 이동시켜 하부 금형(30b) 상부에 상부 금형(30a)을 위치되게 한다. GMP 장치는 상하 한 쌍의 금형(30a,30b)과 금형(30a, 30b) 주위에 배치된 적외선 램프(20)를 구비한다. GMP 장치는 성형하고자 하는 유리 분말(40)을 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b) 사이에 놓고 가열하면서 가압할 수 있게 구비된다. 적외선 램프(20)는 세로 방향의 축을 가지며, 금형(30a, 30b) 둘레에 원주 방향으로 배열되는 복수의 튜브 형태로 이루어져 있을 수 있다.
적외선 램프(20)가 복수의 튜브 형태로 구성되기 때문에 세로축 방향에 대한 수직면의 원주 상에 놓여져서 균등하게 가열할 수가 있다. 따라서 가열되는 금형(30a, 30b)의 원주 방향으로 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다. 균일한 온도 분포를 가지게 되면, 제조되는 비구면 렌즈 역시 동일한 온도 구배를 가지게 되고, 이러한 동일 온도 구배로부터 비구면 렌즈는 높은 형상 정밀도를 갖게 된다.
또한, GMP 장치는 유리 분말(40)과 금형(30a, 30b)을 고온에서 냉각하기 위해서 비활성 가스 유입관(10)이 성형실(50) 쪽으로 연결되도록 구비되어 있다.
고정축(90)은 장치 프레임(100)의 천정부 빔(110)에 고정되어 있고 아래 방향으로 연장되어 있다. 이동축(120)은 베이스 플레이트(130) 안에 들어 있는 서브모터(70)의 위에 위치하며 서브모터(70)에 의해 작동되도록 구비된다. 이동측(120)은 베이스 플레이트(130)를 관통하여 구성되어 있으면서 고정축(90)에 대향하여 위 방향으로 연장되어 있다.
고정축(90)의 하단에는 단열통(150)이 위치되고, 단열통(150) 하단에는 상부 금형(30a)이 구비되어 있다. 상부 금형(30a)은 상부 금형 플레이트, 상부 고정 금형 및 상부 공동 금형을 포함한다. 상기 상부 금형 플레이트는 단열통(150)의 하단에 부착되고, 상기 상부 공동 금형은 상부 금형 플레이트의 하면에 부착되며, 상기 상부 고정 금형은 그 외주를 둘러싸는 상부 공동 금형에 의해 상부 금형 플레이트의 하면에 고정되어 있다.
이동축(120)의 상단에는 단열통(150)이 위치되고, 단열통(150) 상단에는 하부 금형(30b)이 구비되어 있다. 하부 금형(30b)은 하부 금형 플레이트, 하부 고정 금형 및 하부 공동 금형을 포함한다. 상기 하부 금형 플레이트는 단열통(150)의 상단에 부착되고, 상기 하부 공동 금형은 하부 금형 플레이트의 상면에 고정되어 있으며, 상기 하부 고정 금형은 그 외주를 둘러싸는 하부 공동 금형에 의해 하부 금형 플레이트의 하면에 고정되어 있다.
단열통(150)은 세라믹(주성분이 Si3N4인 소결체)으로, 상부 고정 금형 또는 하부 고정 금형은 텅스텐 합금으로, 상부 공동 금형 또는 하부 공동 금형은 초경합금으로, 고정 금형 플레이트 또는 하부 금형 플레이트는 초경합금으로 만들어질 수 있다.
또한, 상부 공동 금형 또는 하부 공동 금형은 초경합금 외에 TiC, Si3N4, TiN 등의 세라믹, 또는 이들 세라믹의 표면에 다시 다른 세라믹이나 귀금속 등을 코팅한 것을 사용할 수 있다. 마찬가지로 상부 금형 플레이트 또는 하부 금형 플레이트에도 상기 세라믹을 사용할 수 있다.
상부 금형(30a), 하부 금형(30b) 및 상하의 단열통(150)은 석영관(140)에 내장되어 있다.
고정축(90)의 상단부 주위에는 상부 플레이트(170)가 부착되고, 이동축(120)의 하단부 주위에는 하부 플레이트(180)가 부착되어 있다. 하부 플레이트(180)는 베이스 플레이트(130)의 위에 고정되어 있기 때문에 베이스 플레이트(130)를 통한 지지가 가능하다.
유리 분말을 이용하여 비구면 렌즈를 제조하는 경우에 진공 상태를 유지하는 것이 필요하다. 진공 상태의 유지를 위하여 석영관(140)의 상단면과 상부 플레이트(170)의 접촉면에는 오링이 장착되고 이 오링에 의하여 접촉면이 밀봉되도록 구성되어 있다.
마찬가지로, 석영관(140)의 하단면과 하부 플레이트(180)와의 접촉면에 오링이 장착되고, 이 오링에 의해 접촉면이 밀봉되어 있다.
이에 따라 성형실(50)을 진공 상태로 만들 수 있다.
성형실(50) 내의 공기를 배기하여 진공 상태로 만든다. 진공 상태로 만들기 위하여 먼저 로터리 펌프(160)를 작동시켜 성형실(50) 내의 압력이 10-3∼10-1Torr 정도가 되도록 한다. 로터리 펌프(160)를 가동시켜서 성형실(50) 내의 압력이 10-3∼10-1Torr가 되면, 확산 펌프(80)를 가동시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이동축(120)의 하단에 진공펌프인 확산 펌프(80)와 그 하단에 로터리 펌프(160)가 장착되어 있다. 로터리 펌프(160)를 사용해서 10-3∼10-1~torr까지 성형실(50)의 압력이 되도록 한 후 확산 펌프(80)을 이용해서 10-7~10-3Torr까지 압력을 조절한다.
확산 펌프(80)를 사용해서 성형실(50) 내의 압력이 10-7∼10-3Torr이 되면 도 3에 도시된 바와 같이 천천히 GMP 장치를 가열한다. 적외선 램프(20)를 이용하여 상부 금형(30a) 및 하부 금형(30b)을 가열하며, 이를 통해 유리 분말을 소정의 성형 온도까지 가열한다.
석영관(140)의 주변에는 적외선 램프(20)가 배치되어 있다. 적외선 램프(20)는 세로 방향의 축을 갖는 복수의 튜브 형태로 구비되고, 각 적외선 램프(20)의 후방에 각각 반사경(미도시)이 배치되도록 구성되어 있을 수 있다. 세로 방향의 축은 고정축(90)과 이동축(120)의 중심 축선 방향을 말한다.
적외선 램프(20)는 적외선이 가지는 열효과를 이용하는 것으로 전원 인가시 열선을 통하여 발열하고, 발열시 적외선이 발생한다. 예컨대, GMP 장치의 적외선 램프(20)는 1.2~1.8㎛의 파장 범위에서 적외선을 방사하는 할로겐 램프일 수 있다.
유리 분말(40)의 팽창연화점(Tdsp) 온도 이상이 되면, 유리 분말(40)을 가압하기 시작한다. 유리 분말(40)을 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b)을 누르는 방식으로 가압 성형한다. 이때 가하는 프레스 압력은 0.2~10MPa 정도인 것이 바람직하다. 가압하는 과정 동안 10-7~10-3Torr의 압력 상태는 유지하는 것이 바람직하다.
가열하는 과정과 가압하는 과정을 이용하여 원하는 형태의 비구면 렌즈로 성형되면, 유입관(10)을 통해서 비활성 가스를 유입시켜서 냉각시킨다. 가압 성형한 후 냉각 과정을 진행하는데, 성형품을 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b) 사이에 그대로 둔 상태에서 유입관(10)을 통해서 비활성 가스를 주입하는 방식으로 냉각하는 것이 바람직하다.
비활성 가스는 성형실(50) 내의 분위기 조절에 사용된다. 비활성 가스는 고정축(90), 단열통(150) 및 상부 금형 플레이트의 내부를 통해 성형실(50) 내로 도입될 수 있다. 또한, 비활성 가스는 이동축(120), 단열통(150) 및 하부 금형 플레이트의 내부를 통해 성형실(50) 내로 도입될 수도 있다. 또한, 비활성 가스의 공급은 성형실(50) 내로 유입되기 위한 구성으로 별도의 공급 포트(미도시)가 구비될 수도 있다.
비활성 가스는 고정축(90)의 냉각과 상부 금형(30a) 냉각에 사용된다. 또한, 비활성 가스는 이동축(120)과 하부 금형 플레이트의 냉각에도 사용될 수 있다.
도 3은 일 예로서 GMP 과정에서 온도 분포를 보여주는 예열, 프레스(가압) 및 냉각의 온도 구배도이다.
도 3을 참조하면, t1 단계, t2 단계 및 t3 단계는 예열 단계라고 할 수 있다. 예열 단계는 유리 분말(40)을 적정한 온도로 가열하여 프레스 단계(t4)에서 형상을 성형할 수 있도록 하는 예비공정이다. 프레스 단계(t4)는 비구면 렌즈의 형상을 결정하는 메인 공정으로서 고압으로 예열 단계를 거친 유리 분말을 가압하는 공정이다. 냉각은 프레스에서 성형된 비구면 렌즈를 안정한 상태로 고착시켜 주는 역할을 한다.
t1 단계는 상온 상태에 있던 상부 금형(30a)과 하부 금형(30b) 사이에 유리 분말(40)이 처음 투입되고 가열되는 공정으로 유리 분말(40)과 금형(30a, 30b) 형상에 따라 다르나 200℃ 전후로 설정한다.
t2 단계는 가열된 상부 및 하부 금형(30a, 30b)을 추가적으로 가열하면서 유리 분말(40)을 눌러주는 역할을 한다. t2 단계의 온도는 유리 분말(40)의 조성에 따라 유리전이온도(Tg)에 의해 결정된다. 이때 유리 분말을 누르는 압력과 시간을 줄여주어야 한다. 시간과 압력을 높게 설정하였을 때 렌즈 중앙이 녹아 버리는 일이 발생하고, 다량으로 발생한 가스 때문에 금형(30a, 30b)을 손상시키는 일이 발생할 수 있다.
t3 단계는 유리 분말(40)을 충분히 가열하는 단게로서 프레스 단계(t4)와 거의 같은 온도에서 진행되며, 이때 상부 및 하부 금형(30a, 30b)을 이용해서 가압하지는 않는다.
t4 단계는 가열하면서 가압하는 단계이다. 이때 가압을 너무 강하게 하거나 온도가 너무 높을 경우 찍힘 불량 등과 같은 외관 불량이 발생하게 된다. 반대로 유리 분말에 열을 충분히 전달하지 못할 경우 프레스 단계에서 압절 불량이 발생할 수 있다.
t4 단계에서는 유리 분말의 팽창연화점(Tdsp)보다 높은 온도(예컨대, 팽창연화점보다 5~50℃, 바람직하게는 10~20℃ 높은 온도)에서 가열하는 것이 바람직하다. 팽창연화점은 열에 의해서 유리 분말(40)이 연화되기 시작하는 온도를 말하며, 일반적으로 유리전이온도(Tg)보다 50~100℃ 정도 높다. 유리전이온도(Tg)는 물질의 고유 상수값으로 조성비에 따라 다르게 나타난다.
이와 같이, 가열 및 가압 단계를 거쳐 성형된 성형품에 대하여 유입관(10)을 통해서 질소(N2)와 같은 비활성 가스를 유입하여 냉각한다. 이때 질소와 같은 비활성 가스를 사용하는 것은 상부 및 하부 금형(30a, 30b)의 산화를 막고, 상부 및 하부 금형(30a, 30b)의 탈착을 용이하게 하기 위함이다.
t5 단계, t6 단계 및 t7 단계는 이러한 순차적인 냉각 공정을 나타낸 것으로서 비활성 가스 분위기에서 진행시키는 것이 바람직하다.
GMP 장치로부터 탈착된 비구면 렌즈에 대해서는 센터링 작업을 수행하고, 센터링이 완료되고, 필요에 따라 코팅 작업을 거치면, 실제 사용되는 비구면 렌즈가 완성될 수 있다.
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.
10: 유입관 20: 적외선 램프
30a: 상부 금형 30b: 하부 금형
40: 유리 분말 50: 성형실
60: 로드 셀 70: 서브 모터
80: 확산 펌프 90: 고정축
100: 장치 프레임 110: 천정부 빔
120: 이동축 130: 베이스 플레이트
160: 로터리 펌프 170: 상부 플레이트
180: 하부 플레이트

Claims (10)

  1. (a) 원하는 조성비의 유리 분말을 준비하는 단계;
    (b) 상기 유리 분말을 유리몰딩프레스 장치의 하부 금형에 안착시키고, 상부 금형을 상기 하부 금형 상부에 위치시키는 단계;
    (c) 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형이 내장되는 성형실 내의 가스를 배기하여 진공 상태로 형성하는 단계;
    (d) 상기 유리 분말을 팽창연화점(Tdsp) 보다 높은 온도로 가열하는 단계;
    (e) 상기 상부 금형 및 하부 금형을 가압하여 원하는 형태로 성형하는 단계; 및
    (f) 상기 성형실 내로 비활성 가스를 주입하여 냉각시키는 단계를 포함하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 성형실 내의 압력은 10-7~10-3Torr인 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 팽창연화점(Tdsp)보다 높은 온도는 팽창연화점(Tdsp)보다 10~20℃ 높은 온도인 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리 분말은 평균 입경이 50~100㎛인 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가압은 0.2~10MPa의 압력으로 인가되는 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유리 분말은 SiO2 45~57몰%, B2O3 3~12몰%, BaO 5~15몰%, Li2O 18~32몰%, Na2O 1~5몰% 및 Al2O3 0.5~5몰%를 포함하는 조성비로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유리 분말은 K2O 0.01~2몰%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유리 분말은 유리전이온도(Tg)가 400~470℃인 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유리 분말은 팽창연화점(Tdsp)이 470~510℃인 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가열은 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 둘레에 원주 방향으로 배열되는 복수의 튜브 형태로 이루어진 적외선 램프를 이용하는 것을 특징으로 하는 유리 분말을 이용한 비구면 렌즈의 제조방법.
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