KR101844030B1

KR101844030B1 - 광학렌즈의 dlc 코팅 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101844030B1
Application number: KR1020160109337A
Authority: KR
Inventors: 인정환; 최주현; 박준; 김영복; 황연
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-30
Also published as: KR20180023650A

Abstract

본 발명은 챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체로부터 플라즈마화된 이온을 발생시켜 바이어스가 인가된 금속기판에 안착되게 장착된 광학 렌즈의 표면에 막을 코팅하는 DLC 코팅장치 및 방법에 관한 것으로서, 광학 렌즈는 곡률을 갖게 형성된 렌즈부분과, 렌즈부분의 가장자리에서 판형상으로 연장된 플렌지부분을 구비하고, 금속기판은 렌즈부분의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖게 형성되어 렌즈부분과 밀착되는 곡률밀착부분을 갖는 구조로 형성되어 있다. 이러한 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법에 의하면, 광학렌즈에 균일한 두께로 DLC막을 코팅할 수 있으며, 렌즈부분과 가장자리 사이의 아크발생을 억제시켜 양질의 막을 형성할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법{DLC coating apparatus and method for optical lens}

본 발명은 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광학렌즈의 표면에 코팅되는 DLC막의 두께 균일성을 확보할 수 있는 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법에 관한 것이다.

다이아몬드상 카본(Diamomd-like carbon, 이하 DLC라 한다)은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 표면조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 전기절연성, 화학적 안정성 및 높은 광학적 투과성을 갖고 있어 산업적으로 다양하게 사용되고 있다.

현재까지 대부분의 탄소계 박막은 반응기체로서 탄화수소계를 사용하는 RF-CVD 및 이온빔 증착 공정이 주를 이루고 있고, 아르곤과 아세틸렌 가스를 이용하여 DLC를 코팅하는 장치가 국내 공개특허 제10-2011-0115291호에 게시되어 있다.

그런데, 이러한 DLC 증착 방식은 증착시 수소의 영향에 의한 박막의 물성변화로, 최근에는 고체상의 카본을 이용한 하여 마그네트론 스퍼터링, 진공 아크법 등 다양한 방법이 보고되고 있다.

한편, 진공 아크법의 경우 진공 아크 증착에 의해 발생된 이온은 큰 고유 에어지를 가짐으로써 고밀도화가 가능하고, 경도가 다이아몬드의 60 내지 80%에 이르는 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.

다만, 아크 발생시 이온화된 입자 이외에도 비이온화된 거대 입자 중 일부가 코팅막으로 들어가 막질을 저하시키는 문제점이 있고, 이를 개선하기 위해 이온화된 입자가 이송되는 이송관 외부에서 이송관 내부로 자장을 인가하여 비이온화된 입자를 여과시키는 자장여과 아크 플라즈마를 이용하는 방식이 이용되고 있다.

한편, 이러한 DLC 코팅장치를 이용하여 광학 렌즈의 표면에 DLC 막을 형성하는 경우 렌즈의 곡률부분과 바이어스를 인가하는 판형 금속기판과의 사이에 형성되는 빈공간에 의해 유효 유전율이 광학 렌즈의 길이방향을 따라 편차를 갖으면서 플라즈마 이온의 코팅분포도가 편차를 갖게 되어 형성되는 막의 두께가 균일하지 않게 되는 문제점 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 바이어스가 인가되는 금속기판과 코팅대상 광학렌즈와의 유효유전율을 코팅영역에 대해 편차가 억제되게 하여 균일한 두께의 양질의 DLC막을 형성할 수 있는 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 는 챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체로부터 플라즈마화된 이온을 발생시켜 바이어스가 인가된 금속기판에 안착되게 장착된 광학 렌즈의 표면에 막을 코팅하는 DLC 코팅장치에 있어서, 상기 광학 렌즈는 곡률을 갖게 형성된 렌즈부분과, 렌즈부분의 가장자리에서 판형상으로 연장된 플렌지부분을 구비하고, 상기 금속기판은 상기 렌즈부분의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖게 형성되어 상기 렌즈부분과 밀착되는 곡률밀착부분을 갖는 구조로 형성되어 있다.

또한, 상기 광학렌즈는 복수개가 상호 이격되게 상기 금속기판에 어레이되어 있고, 상기 광학렌즈들 사이에 삽입되어 상기 광학렌즈를 상기 금속기판에 대해 지지시키며 절연체 소재로 형성된 스페이서;를 더 구비한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 스페이서는 상기 광학렌즈보다 유전율이 높은 세라믹 소재로 형성되어 있고, 상기 금속기판의 상기 스페이서와 대향되는 부분에는 상기 광학렌즈에 대응되게 유효 유전율을 보정하기 위한 보정공간이 상기 스페이서에 대해 멀어지는 방향으로 형성된 인입홈을 갖는 것을 적용한다.

또한, 상기 금속기판의 표면은 상기 광학렌즈의 스크래치 방지를 위해 테프론소재로 코팅처리된 스크래치 방지막;이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 방법은 챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체로부터 플라즈마화된 이온을 발생시켜 바이어스가 인가된 금속기판에 안착되게 장착된 광학 렌즈의 표면에 막을 코팅하는 방법에 있어서, 가. 곡률을 갖게 형성된 렌즈부분과, 렌즈부분의 가장자리에서 판형상으로 연장된 플렌지부분을 갖는 광학렌즈와, 상기 렌즈부분의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖으며 상기 렌즈부분과 밀착되는 곡률밀착부분을 갖는 금속기판을 준비하여, 상기 챔버 내에 상기 금속기판의 곡률밀착부분에 상기 렌즈부분이 밀착되게 장착하는 단계와; 나. 상기 챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온이 바이어스가 인가된 상기 금속기판에 안착된 상기 광학 렌즈의 표면에 DLC막이 코팅되게 처리하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법에 의하면, 광학렌즈에 균일한 두께로 DLC막을 코팅할 수 있으며, 렌즈부분과 가장자리 사이의 아크발생을 억제시켜 양질의 막을 형성할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광학렌즈가 장착된 금속기판 부분을 확대 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스페이서에 대응한 금속기판의 구조를 적용한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광학렌즈의 DLC 코팅 장치를 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 DLC 코팅 장치(100)는 아크 플라즈마를 발생시켜 DLC를 금속기판(50) 위에 안착된 광학렌즈(30)에 DLC막을 코팅할 수 있도록 되어 있다.

DLC 코팅 장치(100)는 아크 플라즈마 발생부(110), 이송관(120), 자력생성부(130), 필터판(140)을 구비한다.

이송관(120)은 메인챔버(111)와 함께 챔버를 형성한다.

아크 플라즈마 발생부(110)는 메인 챔버(111) 내에 장착된 흑연소재의 타겟체(20)에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온을 생성할 수 있도록 되어 있다.

아크 플라즈마 발생부(110)는 진공펌프(113), 기판 바이어스 인가부(114), 스파크 발생부(116), 조작부(117), 표시부(118) 및 제어부(119)를 구비한다.

진공펌프(113)는 제어부(119)에 제어되어 구동되며, 메인 챔버(111) 내부와 연통되게 결합되어 메인 챔버(111) 내부를 진공화시킬 수 있도록 설치되어 있다.

스파크 발생부(116)는 제어부(119)에 제어되어 메인 챔버(111) 내부에서 타켓체(20)에 대해 이격거리를 가변시킬 수 있도록 된 아크 전극(115)을 유동되게 구동하고, 아크전극(115)에 설정된 전압을 인가한다. 여기서 아크 전극(115)에는 양의 전압이 인가되고, 타켓체(20)가 장착된 홀더에는 음극전위가 인가된다.

기판 바이어스 인가부(114)는 제어부(119)에 제어되어 DLC 박막을 형성하고자 하는 광학렌즈(30)가 장착된 금속기판(50)에 바이어스 전위를 인가한다.

일 예로서, 금속기판(50)에는 음의 전위를 인가한다.

조작부(117)는 제어부(119)에 의해 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있고, 표시부(118)는 제어부(119)에 제어되어 표시정보를 표시한다.

이송관(120)은 아크 플라즈마 발생부(110)에 의해 메인 챔버(111)에서 타켓체(20)로부터 발생된 플라즈마화된 카본 이온을 DLC 코팅용 광학렌즈(30)가 안착된 금속기판(50)까지 이송되는 이송경로를 제공할 수 있도록 관형태로 중공을 갖게 연장되어 있다.

참조부호 122는 이송관(120)의 내부를 시각적으로 투시할 수 있게 마련된 투시창이다.

이송관(120)의 종단에는 DLC 박막을 형성할 광학렌즈(30)가 금속기판(50) 위에 안착되어 있다.

자력생성부(130)은 이송관(120)을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 할 수 있도록 이송관(120)의 연장방향을 따라 코일(133a) 형태로 권선된 코일부(133)와, 코일부(133)에 전력을 인가하여 자력을 발생시키는 자력발생부(131)로 되어 있다.

필터판(140)은 이송관(120) 내에 이송관(140)의 연장방향을 가로지르는 방향으로 설치되어 비이온화된 입자의 이송을 저지시킬 수 있도록 원형 망체 형태로 형성되어 있다.

필터판(140)은 생략될 수 있다.

광학렌즈(30)는 복수개가 스페이서(80)를 통해 상호 이격되게 금속기판(50)위에 어레이되어 있다.

광학렌즈(30)와 금속기판(50)의 상세 구조에 대해서는 도 2를 함께 참조하여 설명한다.

광학렌즈(30)는 곡률을 갖게 형성된 렌즈부분(31)과, 렌즈부분(31)의 가장자리에서 판형상으로 연장된 플렌지부분(33)을 갖는 구조로 되어 있다.

렌즈부분(31)은 금속기판(50)과 대향되는 저면이 상방으로 인입된 곡면홈을 갖으며, 상면은 중앙이 상방으로 볼록하게 형성된 매니스커스형 렌즈가 적용되어 있다.

도시된 예와 다르게 렌즈부분(31)은 오목렌즈가 적용될 수 있음은 물론이다.

광학렌즈(30)는 복수개가 상호 이격되게 금속기판(50)위에 어레이되어 있다.

금속기판(50)은 광학렌즈(30)의 렌즈부분(31)의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖게 형성되어 렌즈부분(30)의 대향되는 저면과 밀착되는 곡률밀착부분(53)과 곡률밀착부분(53)의 종단에서 플랜지부분(33)에 대응되게 수평상으로 연장된 수평부분(51)을 갖는 구조로 형성되어 있다.

금속기판(50)의 저면은 굴곡이 없게 편평하게 형성되어 있다.

금속기판(50)은 등가회로로 표기한 바이어스인가부(114)와 접속되어 있다.

금속기판(50)의 광학렌즈(30)와 접촉되는 표면 즉, 상면은 광학렌즈(30)의 스크래치 방지를 위해 테프론소재로 코팅처리된 스크래치 방지막(55)이 형성되어 있다.

이러한 광학렌즈(30)와 금속기판(50)은 금속기판(50)의 상면과 광학렌즈(30의 저면사이에 빈공간이 없어 플라즈마 이온이 진행되는 방향인 이송관(120)의 연장방향에 직교하는 방향에 대해 금속기판(50)을 기준으로 광학렌즈(30)의 상부 표면까지의 유효굴절율이 동일하게 유지됨으로써 DLC막이 일정한 두께로 형성될 수 있게 유도한다.

스페이서(80)는 광학렌즈(30)들 사이의 이격공간 내에 삽입되어 광학렌즈(30)를 금속기판(10)에 대해 지지시키며 절연체 소재로 형성되어 있다.

스페이서(80)는 광학렌즈(30)들 사이의 이격공간 내에 삽입되는 삽입부분(81)과 삽입부분(81)의 상단에서 광학렌즈(30)의 플랜지부분(33)을 일부 덮도록 수평방향을 따라 외경이 확장되게 연장된 덮개부분(83)을 갖는 구조로 되어 있다.

이러한 스페이서(80)는 광학렌즈(30) 사이의 이격공간을 플라즈마 진행방향에 대해 폐쇄함과 아울러 광학렌즈(30)를 자중에 의해 고정시키는 기능을 한다.

스페이서(80)도 광학렌즈(30)와 마찬가지로 플라즈마 이온이 금속기판(50)의 길이방향을 따라 균일하게 분포되어 도달되게 유도할 수 있게 광학렌즈(30)와 동일하거나 거의 유사한 유전율을 갖는 소재로 형성될 수 있다.

이와는 다르게, 스페이서(80)는 플라즈마 이온에 대한 내구성을 높이기 위해 유리소재 등으로 제조되는 광학렌즈(30)보다 유전율이 높은 세라믹 소재로 형성될 수 있다.

이와 같이 스페이서(80)가 광학렌즈(30)보다 유전율이 높은 세라믹 소재로 형성되는 경우 금속기판(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 금속기판(50)의 스페이서(80)와 대향되는 부분에는 광학렌즈(30)에 대응되게 유효 유전율을 보정하기 위한 보정공간이 스페이서(80)에 대해 멀어지는 방향 즉 하방으로 인입되게 형성된 인입홈(57)을 갖게 형성된 것을 적용한다.

여기서, 인입홈(57)의 바닥면으로부터 스페이서(80)의 상면까지의 유효 굴절율이 광학렌즈(30)의 굴절율과 같아지도록 인입홈(57)의 깊이를 결정하면 된다.

한편, 도시된 예와 다르게 이송관(120)의 종단에 이송관(120)보다 확장된 공간을 갖는 보조챔버(미도시)을 형성하고, 보조챔버내에 회전가능하게 설치된 회전판(미도시)에 앞서 설명된 금속기판(50), 광학렌즈(30) 및 스페이서(80)를 장착시킨 상태에서 회전판을 회전시키면서 DLC막을 코팅하도록 구축될 수 있다.

이하에서는 이러한 DLC 코팅 장치(100)에 의해 광학 렌즈(30)의 표면에 DLC막을 코팅하는 과정을 설명한다.

먼저, 광학렌즈(30)의 렌즈부분(31)의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖으며 렌즈부분(31)과 밀착되는 곡률밀착부분(53)을 갖는 금속기판(50)을 준비한다.

이후, 챔버 내에 금속기판(50)의 곡률밀착부분(53)에 렌즈부분(31)이 밀착되게 장착한 후 챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체(20)에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 이온이 금속기판(50)에 안착된 광학 렌즈(30)의 표면에 DLC막이 코팅되게 처리하면 된다.

이러한 광학렌즈의 DLC 코팅 장치 및 방법에 의하면, 광학렌즈(30)의 렌즈부분(31)과 플랜지부분(33)에 대해 금속기판(50)을 기준으로 유효굴절율의 편차가 없게 유지함으로써 플랜지부분(33)에서의 아크 발생을 억제시키면서, 플라즈마 진행방향과 직교하는 방향에 대한 플라즈마 이온 분포를 균일화 함으로써 광학렌즈(30)에 균일한 두께의 양질의 DLC막을 코팅할 수 있다.

30: 광학렌즈 31: 렌즈부분
33: 플랜지부분 50: 금속기판
53: 곡률밀착부분 80: 스페이서

Claims

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챔버 내에 장착된 흑연소재의 타겟체로부터 플라즈마화된 이온을 발생시켜 바이어스가 인가된 금속기판에 안착되게 장착된 광학 렌즈의 표면에 막을 코팅하는 DLC 코팅장치에 있어서,
상기 광학 렌즈는 곡률을 갖게 형성된 렌즈부분과, 렌즈부분의 가장자리에서 판형상으로 연장된 플렌지부분을 구비하고,
상기 금속기판은 상기 렌즈부분의 표면형상에 대응되게 곡률을 갖게 형성되어 상기 렌즈부분과 밀착되는 곡률밀착부분을 갖는 구조로 형성되어 있고,
상기 광학렌즈는 복수개가 상호 이격되게 상기 금속기판에 어레이되어 있고, 상기 광학렌즈들 사이에 삽입되어 상기 광학렌즈를 상기 금속기판에 대해 지지시키며 절연체 소재로 형성된 스페이서;를 구비하며,
상기 스페이서는 상기 광학렌즈보다 유전율이 높은 세라믹 소재로 형성되어 있고, 상기 금속기판의 상기 스페이서와 대향되는 부분에는 상기 광학렌즈에 대응되게 유효 유전율을 보정하기 위한 보정공간이 상기 스페이서에 대해 멀어지는 방향으로 형성된 인입홈을 갖는 것을 특징으로 하는 광학렌즈의 DLC 코팅장치.
제3항에 있어서, 상기 금속기판의 표면은 상기 광학렌즈의 스크래치 방지를 위해 테프론소재로 코팅처리된 스크래치 방지막;이 형성된 것을 특징으로 하는 광학렌즈의 DLC 코팅장치.
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