KR101633874B1 - 비구면 렌즈의 성형금형 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비구면 렌즈의 성형금형에 관한 것으로서, 하부금형과, 하부금형의 상부에 결합되는 상부금형과, 하부금형에 형성되며, 유리상 탄소로 형성된 하부코어와, 상부금형에 형성되며, 상부금형과 하부금형의 형합시 하부코어와 함께 제작대상 비구면 렌즈의 형상에 대응하는 캐비티를 형성하고, 유리상 탄소로 형성된 상부코어를 구비한다.
본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형은 상부코어 및 하부코어가 성형성이 우수한 유리상 탄소 소재로 형성되므로 금형의 제작시 연삭용 공구의 마모를 방지하여 불량율을 감소시키고, 상기 연삭용 공구의 사용수명을 증가시키는 장점이 있다.

Description

비구면 렌즈의 성형금형{Mold for aspheric lens}
본 발명은 비구면 렌즈의 성형금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상부코어 및 하부코어가 성형성이 우수한 유리상 탄소로 형성된 비구면 렌즈의 성형금형에 관한 것이다.
렌즈는 현미경, 확대 망원경(magnifier telescope), 디지털 카메라 및 비디오 카메라와 같은 광학 기구의 핵심요소이고 렌즈 표면이 컴퓨터 수치 제어 연삭 기계로 절삭되어 성형되는 몰드에서 제조되는 고정밀 렌즈이다.
종래의 대부분의 가열 압착 성형 렌즈들은 선명하고 뚜렷한 영상을 제공하며 유리로 만들어지고 원형이며, 이들 각각의 가열 압착 성형 렌즈는 중심 렌즈, 장착 플랜지 및 환상의 전사 영역을 구비하고 있다. 영상을 확대하는 것이 가장 중요한 기능인 망원경 및 현미경에서는 렌즈의 품질이 확대 성능 및 초점 거리의 정밀도에 큰 영향을 미친다.
종래의 렌즈 가공기술은 정밀한 연마방법을 이용하거나, 정밀한 금형을 만든 후 압축성형, 사출 등의 다양한 성형방법을 적용하여 원하는 형태의 구면 또는 메니스커스 렌즈를 구현하는 방식에 기초하고 있다.
이때, 비구면 성형용 금형코어는 회전하는광학 박막의 밀착성을 개선시키고 신뢰도 높은 렌즈의 대량 생산이 가능하도록 탄화텅스텐(Tungsten Carbide: WC)계 경질소결체 소재로 제조된다.
그러나, 상기 탄화텅스텐 소재의 금형코어는 경도가 높아 연삭용 공구가 쉽게 마모되므로 연삭용 공구의 사용수명이 짧고, 금형코어의 불량율이 높아지는 단점이 있다.
등록특허공보 제10-1350768호 : 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 성형성이 우수한 유리상 탄소 소재로 형성된 상부코어 및 하부코어가 마련된 비구면 렌즈의 성형금형을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 비구면 렌즈의 성형금형은 하부금형과, 상기 하부금형의 상부에 결합되는 상부금형과, 상기 하부금형에 형성되며, 유리상 탄소로 형성된 하부코어와, 상기 상부금형에 형성되며, 상기 상부금형과 하부금형의 형합시 상기 하부코어와 함께 제작대상 비구면 렌즈의 형상에 대응하는 캐비티를 형성하고, 유리상 탄소로 형성된 상부코어를 구비한다.
한편, 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형은 상기 하부코어 및 상부코어의 강도를 보강할 수 있도록 상기 하부코어 및 상부코어의 외주면에 보강코팅층을 더 구비한다.
상기 보강코팅층은 상기 캐비티에 대응되는 상기 하부코어 및 상기 상부코어의 외주면을 감싸도록 형성되되, 다이아몬드 라이크 카본으로 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형은 상부코어 및 하부코어가 성형성이 우수한 유리상 탄소 소재로 형성되므로 금형의 제작시 연삭용 공구의 마모를 방지하여 불량율을 감소시키고, 상기 연삭용 공구의 사용수명을 증가시키는 장점이 있다.
도 1은 비구면 렌즈에 대한 부분 절개 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형에 대한 분리 사시도이고,
도 3은 도 2의 비구면 렌즈의 성형금형에 대한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형을 통해 가동되는 비구면 렌즈가 도시되어 있다.
일반적으로 비구면 렌즈(20)란 말 그대로 표면이 구면도 아니고 평면도 아닌 렌즈를 말한다. 보통 중심부분이 볼록하고 가장자리로 갈수록 편평한 구조를 갖는데, 이렇게 함으로써 구면수차라고 하는 렌즈의 왜곡 현상을 획기적으로 줄이게 된다.
일반적인 구면렌즈의 경우 렌즈의 중심부분과 렌즈의 가장자리 부분에서의 굴절률의 차이가 발생하므로 왜곡 현상이 발생할 수 있기 때문에 복수개의 구면렌즈를 이용해 이러한 왜곡현상에 대한 보정이 이루어지도록 하지만 상술한 것처럼 비구면 렌즈(20)는 구면수차를 획기적으로 줄여줄 수 있기 때문에 하나의 렌즈로도 복수개의 구면렌즈를 사용한 것과 같은 효과를 기대할 수 있다.
이러한 비구면 렌즈(20)는 표면이 구면이 아니고, 미세한 불규칙 곡면의 연속이기 때문에 매우 높은 가공정밀도를 필요로 한다.
도 2 및 도 3에는 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형이 도시되어 있다
도면을 참조하면, 비구면 렌즈의 성형금형은 상호 형합 및 형 분리가 이루어지는 상부금형(30)과 하부금형(40) 및 이에 형성되어 있는 상부코어(31)와 하부코어(41), 상기 상부코어(31) 및 하부코어(41)의 외주면에 형성되는 보강코팅층(50)을 구비한다.
상기 하부금형(40)은 고정되어 있고, 상부금형(30)은 액튜에이터(90)에 의해 승강 또는 하강하면서 가동되는 가동금형이다. 따라서 상부금형(30)의 가동에 의해 상부금형(30)과 하부금형(40)의 형합 및 형분리가 이루어진다.
상부코어(31)와 하부코어(41)는 각각 상부금형(30)과 하부금형(40)의 상호 대향되는 면에 각각 형성되어 있으며, 금형의 형합이 이루어졌을 때, 비구면 렌즈(20)가 가공될 수 있도록 캐비티를 형성한다.
상기 캐비티는 제작될 메니스커스 비구면 렌즈(20)의 형상에 대응하도록 형성되어 있다.
상부코어(31)는 상부금형(30)의 하면에 상방으로 돌출형성된다. 이때, 상부코어(31)는 비구면 렌즈(20)의 일측면에 단차가 형성될 수 있도록 외주면에 단차부(32)가 형성되어 있다. 상기 단차부(32)는 상부코어(32)의 상하방향 중심선에 대해 직교한 수평면(33)과, 상기 수평면(33)에 대해 직교한 수직면(32)을 갖도록 형성되고, 상부코어(32)의 상하방향 중심선을 기준으로 소정의 반경을 갖는 환형으로 연장된다. 상기 단차부(32)는 다수개가 상부코어(31)의 반경방향을 따라 상호 이격되게 형성된다.
하부코어(41)는 상부코어(31)에 대향되는 상기 하부금형(40)의 상면에 형성되며, 상기 상부코어(31)가 삽입될 수 있도록 수용되어 있다.
본 실시예에서는 가동되는 금형인 상부금형(30)에 형성되어 있는 상부코어(31)가 돌출된 돌기형상으로 형성되어 있고, 하부코어(41)는 상기 돌기를 수용할 수 있는 수용홈 형태로 형성되어 있으나, 상부코어(31)와 하부코어(41)의 형상은 본 실시예와 반대로 형성될 수도 있다.
이때, 상부코어(31) 및 하부코어(41)는 성형성이 우수한 유리상 탄소(Glassy Carbon)으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유리상 탄소는 그의 화학 구조에 기인하여 고도로 등방성인 물성을 갖는 탄소재료이다. 상기 유리상 탄소는 흑연에 비해 매우 경질이고, 유리의 파면과 비슷한 패각상 파면을 갖는다. 또한, 상기 유리상 탄소는 기체 투과성이 매우 낮고, 탄소 입자의 산일(散逸)이 적은 것을 특징으로 한다. 상기 언급된 바와 같은 유리상 탄소는 비흑연화 탄소로 분류되며, 퓨란 수지 또는 페놀 수지와 같은 열경화성 수지를 탄소화함으로써 수득된다.
상기 상부코어(31) 및 하부코어(41)로 제작되는 유리상 탄소는 비중이 1.42g/cm3 이며, 경도는 230HVI이고, 열전도율은 6.3W/m.k이고, 열팽창 계수는 2.6×10-6/k인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 비구면 렌즈의 성형금형은 상부코어 및 하부코어가 성형성이 우수한 유리상 탄소 소재로 형성되므로 금형의 제작시 연삭용 공구의 마모를 방지하여 불량율을 감소시키고, 상기 연삭용 공구의 사용수명을 증가시키는 장점이 있다.
보강코팅층(50)은 상기 하부코어(41) 및 상부코어(31)의 경도를 보강할 수 있도록 상기 하부코어 및 상부코어의 외주면에 형성된다. 상기 보강코팅층(50)은 상기 캐비티에 대응되는 상기 하부코어(41) 및 상기 상부코어(31)의 외주면을 감싸도록 형성되되, 다이아몬드 라이크 카본(Diamond Like Carbon: DLC)으로 형성되는 것이 바람직하다. 연삭이 완료된 하부코어(41) 및 상부코어(31)에 다이아몬드 라이크 카본으로 코팅층을 형성한다.
상기 보강코팅층(50)은 하부코어(41) 및 상부코어(31)의 강도를 보강하여 상하부금형(30,40)의 형합시 상기 하부코어(41) 및 상부코어(31)가 마모되거나 파손되는 것을 방지하여 상기 하부코어(41) 및 상부코어(31)의 사용수명을 증가시킬 수 있다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 상부금형(30)과 하부금형(40)에는 각각 상부코어(31)와 하부코어(41)를 가열하기 위한 가열부 및 캐비티 내에서의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 설치되어 있다.
상기 가열부는 상,하부금형(30,40)의 내부를 관통하는 전열선이 적용되었으나 가열부는 이 외에도 히트파이프나 가열된 열매체가 이동하면서 상,하부코어(31,41)와 열교환할 수 있게 형성된 열교환관으로 형성될 수도 있다. 가열부에 의해 상,하부코어(31,41)가 가열됨으로써 비구면 렌즈(20)의 가공이 원활하게 이루어질 수 있는데, 특히 캐비티 내부에서의 온도가 580 ~ 620℃가 될 때 렌즈의 가공이 원활하게 이루어질 수 있다.
캐비티 내에서의 온도가 580℃ 미만인 경우에는 비구면 렌즈(20)를 가공하기 위한 가공원료인 프리폼이 충분히 가열되지 못하여 성형성이 불량해 지거나 깨짐이 발생하게 된다.
또한 캐비티 내에서의 온도가 620℃보다 높은 경우에는 프리폼이 겔화(gel化) 되어 상,하부금형(30,40)의 분리 후 성형된 상태를 유지하지 못하고 변형이 발생하거나 응고시간이 길어져 생산성이 낮아지게 되는 문제가 있다.
따라서 캐비티 내에서의 가공온도가 580 ~ 620℃로 유지되도록 가열부를 통해 금형을 가열하게 되는데, 상기 가공온도는 온도센서에서 측정하게 된다.
상기 온도센서는 캐비티 내에 설치될 수 없으므로 캐비티 내에서의 온도를 직접 측정할 수 없다. 따라서 온도센서는 가열부로부터 소정거리 이격된 금형 내의 일측에 설치되어 있으며, 가열부와 상,하부코어(31,41) 사이의 이격 거리에 따른 열전도율과, 가열부와 온도센서 사이의 거리에 따른 열전도율을 고려하여 캐비티 내에서의 예상 가공온도를 측정하도록 되어 있다.
온도센서에서의 측정 온도정보는 제어부로 전달되며, 제어부에서는 온도센서에서의 측정온도를 토대로 가열부를 가동함으로써 캐비티 내의 가공온도가 580 ~ 620℃로 유지되게 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 비구면 렌즈용 성형금형
20: 비구면 렌즈
30: 상부금형
31: 상부코어
40: 하부금형
41: 하부코어
50: 보강코팅층

Claims (3)

  1. 하부금형과;
    상기 하부금형의 상부에 결합되는 상부금형과;
    상기 하부금형에 수용홈 형태로 형성되며, 유리상 탄소로 형성된 하부코어와;
    상기 상부금형의 하면에 돌출 형성되어 상기 하부코어에 삽입되며, 상기 상부금형과 하부금형의 형합시 상기 하부코어와 함께 제작대상 비구면 렌즈의 형상에 대응하는 캐비티를 형성하고, 유리상 탄소로 형성된 상부코어;를 구비하고,
    상기 상부코어에는 반경반향을 따라 다수개의 단차부가 이격되게 형성되며,
    상기 단차부는 상기 상부코어의 상하방향 중심선에 대하여 직교하는 수평면과, 상기 수평면에 대해 직교하는 수직면으로 형성되고,
    상기 상부금형과 상기 하부금형에는 내부를 관통하는 전열선으로 이루어지는 가열부가 구비되며,
    상기 유리상 탄소는 비중 1.42g/cm3, 열전도율 6.3W/mㆍk, 열팽창 계수 2.6×10-6/k인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈의 성형금형.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부코어 및 상부코어의 강도를 보강할 수 있도록 상기 하부코어 및 상부코어의 외주면에 보강코팅층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈의 성형금형.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보강코팅층은 상기 캐비티에 대응되는 상기 하부코어 및 상기 상부코어의 외주면을 감싸도록 형성되되, 다이아몬드 라이크 카본으로 형성된 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈의 성형금형.







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