KR102599663B1 - 황화아연 소결체 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈 - Google Patents
황화아연 소결체 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈 Download PDFInfo
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Abstract
실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 일면 및 타면을 포함하고, 상기 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면의 표면 조도(Ra)는 30㎚ 내지 100㎚이고, 상기 적외선 투과 렌즈는 황화아연 소결체를 포함하고, 상기 황화아연 소결체는 복수의 황화아연 결정들을 포함하고, 상기 황화아연 결정들의 경계면의 비율은 1%/㎟ 내지 5%/㎟이다.
Description
실시예는 황화아연 소결체 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈에 관한 것이다.
적외선 감지 장치는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지하는 장치로, 이중에서 열 영상 감지 장치는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지한 후 디스플레이 장치를 통해 사용자가 인식할 수 있도록 하는 가시광선으로 영상화하는 장치이다.
이러한 적외선 감지 장치는 적외선을 투과하는 렌즈와 함께 군수분야 또는 민간 분야에서 야간투시경, 차량용 나이트 비전, 보안/감시 카메라 등의 열화상 카메라 시스템에 적용되고 있다.
특히, 최근 들어 스마트폰에 장착하여 사용할 수 있는 수준으로 크기가 작아진 외장형 적외선 카메라가 상용화되면서 향후 적외선 카메라 모듈은 다양한 종류의 이동 전자기기에 내장될 수 있도록 크기가 작아질 것이며, 이와 동시에 열 화상의 해상도 역시 높아질 것으로 예측되고 있다.
이러한 적외선 투과 렌즈는 적외선을 투과시키는 재료를 이용하여 제조된다. 예를 들어, 상기 적외선 투과 렌즈는 적외선을 투과시킬 수 있는 게르마늄, 실리콘, 황화아연등을 잉곳 형태로 결정성장한 후, 이를 렌즈 형상으로 가공하여 적외선 투과 렌즈를 제조할 수 있다.
일례로, 상기 적외선 투과 렌즈는 황화아연을 잉곳 형태로 결정 성장시킨 후, 이를 추가로 가공하여 적외선 투과 렌즈를 제조할 수 있다.
그러나. 잉곳 성장 후 성형 등의 추가 공정을 진행하는 경우, 황화아연 소결체의 결정 특성 및 내부 특성으로 인해 산란이 증가되어, 별도의 표면 처리 공정이 요구되고, 황화아연 소결체 제조 공정의 시간이 증가될 수 있다.
따라서, 별도의 표면 처리 공정이 요구되지 않으면서도 향상된 적외선 투과율을 가지는 황화아연 소결체 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈가 요구된다.
실시예는 향상된 적외선 투과율을 가지는 황화아연 소결체 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 일면 및 타면을 포함하고, 상기 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면의 표면 조도(Ra)는 30㎚ 내지 100㎚이고, 상기 적외선 투과 렌즈는 황화아연 소결체를 포함하고, 상기 황화아연 소결체는 복수의 황화아연 결정들을 포함하고, 상기 황화아연 결정들의 경계면의 비율은 1%/㎟ 내지 5%/㎟이다.
실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 황화아연 소결체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적외선 투과 렌즈의 표면 조도는 약 30㎛ 이상이며, 별도의 표면 가공 없이도 약 68% 이상 바람직하게, 68% 내지 75%의 적외선 투과율을 가질 수 있다.
즉, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 경계면의 비율과 기공의 크기를 제어함으로써, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 표면 조도가 약 30㎛ 이상이지만, 적외선 투과 렌즈의 결정 특성 및 기공을 제어하여 적외선의 산란을 최소화함으로써, 높은 적외선 투과율 즉, 68% 이상의 적외선 투과율을 가질 수 있다.
또한, 적외선 투과 렌즈의 표면 조도를 감소시키기 위해, 별도의 표면 가공 처리가 요구되지 않으므로, 적외선 투과 렌즈의 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 용이하게 제조 가능하면서 향상된 적외선 투과율을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈의 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈의 측면도를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 B 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 C 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈가 적용되는 열화상 카메라 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
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도 6 및 도 7은 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈가 적용되는 열화상 카메라 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한개이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다.
또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여, 실시예에 따른 황화아연 소결체 및 적외선 투과 렌즈를 설명한다.
도 1은 적외선 투과 렌즈의 사시도를 도시한 도면이다. 상기 적외선 투과 렌즈(1000)는 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 분말을 소결하여 형성된 소결체로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)는 황화아연 분말을 소결하여 형성된 황화아연 소결체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)는 황화아연 소결체일 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈의 측면도를 도시한 도면이다.
상기 적외선 투과 렌즈(1000)는 일정한 표면 거칠기를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)는 표면 조도(Ra)로 정의되는 일정한 크기의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S) 및 상기 일면(1S)과 반대되는 타면(2S)은 약 30㎚ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S) 및 상기 일면(1S)과 반대되는 타면(2S)은 30㎚ 내지 100㎚ 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다. 더 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S) 및 상기 일면(1S)과 반대되는 타면(2S)은 30㎚ 내지 50㎚ 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다.
상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S) 및 타면(2S)은 서로 동일 또는 유사한 크기의 표면 조도를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 적외선 투과 렌즈의 일면 및 타면을 투과하는 적외선의 산란(scattering)을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 적외선 투과 렌즈의 일면(1S)과 타면(2S)의 표면 조도의 크기를 균일하게 함으로써, 상기 적외선 투과 렌즈의 일면(1S)과 타면(2S)에서 산란되는 적외선의 양을 감소하여 적외선 투과율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S) 및 타면(2S)은 서로 다른 크기의 표면 조도를 가질 수 있다. 즉, 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 일면(1S)의 표면 조도가 타면(2S)의 표면 조도보다 크거나, 또는 상기 적외선 투과 렌즈(1000)의 타면(2S)의 표면 조도가 일면(1S)의 표면 조도보다 클 수 있다.
한편, 상기 적외선 투과 렌즈는 상기 적외선 투과 렌즈의 표면 조도에 따른 적외선의 산란으로 인한 투과율 감소를 상쇄하기 위해, 적외선 투과 렌즈의 결정 특성 즉, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 특성을 제어할 수 있다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로서, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 적외선 투과 렌즈는 복수의 황화아연 결정(C)들을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈는 복수의 황화아연 분말들이 뭉쳐져서 형성되는 복수의 결정들을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 적외선 투과 렌즈 즉, 상기 황화아연 소결체는 상기 황화아연 결정들에 의해 형성되는 결정 경계면(grain boundary, GB))들이 형성될 수 있다.
상기 황화아연 결정들에 의해 형성되는 결정 경계면들은 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 투과율과 관련될 수 있다. 자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선은 상기 황화아연 결정들의 경계면에서 산란(scattering)이 발생할 수 있고, 이에 따라, 산란에 의해 상기 적외선 투과 렌즈를 투과하는 적외선의 투과율이 감소될 수 있다.
즉, 상기 황화아연 결정들의 수가 증가할수록 상기 황화아연 결정 경계면의 수가 증가되어 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란이 증가되어 적외선 투과율이 감소되고, 상기 황화아연 결정들의 수가 감소할수록 상기 황화아연 결정 경계면의 수가 감소되어 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란을 감소시킬 수 있어 적외선 투과율이 증가시킬 수 있다.
즉, 황화아연 결정들의 수는 상기 황화아연 결정 경계면의 비율과 관계될 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 결정들의 경계면의 비율을 제어함으로써, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선 즉, 10㎛ 내지 13㎛ 파장의 적외선 투과율을 증가시킬 수 있다.
자세하게, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 황화아연 결정 경계면은 단위면적(㎟) 당 5% 이하 일 수 있다. 즉, 황화아연 소결체의 황화아연 결정 경계면 비율은 5%/㎟ 이하일 수 있다. 자세하게, 황화아연 소결체의 황화아연 결정 경계면 비율은 1%/㎟ 내지 5%/㎟일 수 있다.
상기 황화아연 소결체의 경계면 비율이 1%/㎟ 미만인 경우, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체가 비정질화되어 오히려, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선을 흡수하게 되어, 적외선 투과율이 감소될 수 있다.
또한, 황화아연 소결체의 경계면 비율이 5%/㎟ 초과하는 경우, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 경계면에서 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선이 산란하게 되어 적외선 투과율이 감소될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 상기 적외선 투과 렌즈는 복수의 기공들을 포함할 수 있다. 도 4는 도 3의 B 영역을 확대한 도면으로서, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 결정을 설명하기 위한 도면이다.
자세하게, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 적외선 투과 렌즈는, 상기 황화아연 결정들을 형성하는 분말(P) 사이의 제 1 기공(P1) 및 상기 결정들 사이의 제 2 기공(P2)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 기공(P2)은 앞서 설명한 황화아연 결정 경계면과 대응될 수 있다.
상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)은 서로 대응되는 크기를 가질 수 있다. 또는, 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)은 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 즉, 상기 제 1 기공(P1)의 크기가 상기 제 2 기공(P2)의 크기보다 크거나 또는 상기 제 2 기공(P2)의 크기가 상기 제 1 기공(P1)의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)은 서로 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)은 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다.
상기 적외선 투과 렌즈는 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 약 10㎛ 내지 약 13㎛ 파장의 적외선 투과율을 향상시키기 위해, 상기 황화아연 소결체의 기공 크기를 제어할 수 있다.
즉, 상기 황화아연 소결체에 형성되는 복수의 기공들은 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 약 10㎛ 내지 약 13㎛ 파장의 적외선의 투과율과 관련될 수 있다. 자세하게, 상기 황화아연 소결체의 기공 크기가 커질수록 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란이 증가되어, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 투과율이 감소될 수 있다. 즉, 상기 황화아연 소결체의 기공 크기는 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 투과율과 반비례할 수 있다.
자세하게, 실시예에 따른 황화아연 소결체에서 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)의 크기는 1㎛ 이하일 수 있다. 더 자세하게. 실시예에 따른 황화아연 소결체에서 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)의 크기는 0.01㎛ 내지 1㎛일 수 있다.
상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)의 크기는 기공의 장폭으로 정의될 수 있다.
상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)의 크기가 약 1㎛ 초과하는 경우, 기공과 황화아연 결정, 또는 기공과 황화아연 분말의 굴절율 차이에 따른 적외선의 산란이 증가되어 적외선 투과 렌즈의 적외선 투과율이 약 50% 이하로 감소될 수 있다.
또한, 상기 제 1 기공(P1) 및 상기 제 2 기공(P2)의 크기가 0.1㎛ 미만인 경우, 상기 황화아연 소결체가 비정질의 특성을 가지게 되어, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선을 오히려 황화아연 소결체에서 흡수하게 되어, 적외선 투과율이 감소될 수 있다.
상기 제 1 기공 및 제 2 기공의 크기를 제어함으로써, 황화아연 소결체의 소결밀도가 증가될 수 있다. 자세하게, 상기 황화아연 소결체의 소결 밀도는 약 99% 이상일 수 있다.
실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 황화아연 소결체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적외선 투과 렌즈의 표면 조도는 약 30㎛ 이상이며, 별도의 표면 가공 없이도 약 68% 이상 바람직하게, 약 68% 내지 75%의 적외선 투과율을 가질 수 있다.
즉, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 경계면의 비율과 기공의 크기를 제어함으로써, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 표면 조도가 약 30㎛ 이상이지만, 적외선 투과 렌즈의 결정 특성 및 기공을 제어하여 적외선의 산란을 최소화함으로써, 높은 적외선 투과율 즉, 68% 이상의 적외선 투과율을 가질 수 있다.
또한, 적외선 투과 렌즈의 표면 조도를 감소시키기 위해, 별도의 표면 가공 처리가 요구되지 않으므로, 적외선 투과 렌즈의 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 용이하게 제조 가능하면서 향상된 적외선 투과율을 가질 수 있다.
이하. 도 5 내지 도 7을 참조하여, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈의 제조방법을 설명한다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈 제조방법은, 황화아연 분말을 준비하는 단계(ST10), 상기 황화아연 분말을 소결하여 황화아연 소결체를 제조하는 단계(ST20) 및 상기 황화아연 소결체를 분리하는 단계(ST30)를 포함할 수 있다.
먼저, 황화아연 분말을 준비하는 단계(ST10)에서는 적외선 투과 렌즈를 제조하기 위한 원재료를 준비하는 단계이다.
상기 황화아연 분말은 수열합성법에 의해 제조될 수 있다.
자세하게, 먼저, 상기 황화아연 분말의 원재료를 준비한 후, 상기 원재료를 혼합할 수 있다. 상기 적외선 투과 렌즈용 분말은 예를 들어, 황화아연 분말을 형성하기 위해 아연 전구체(Zn precursor)로서 황산아연수산화물(ZnSO4·7H2O)을 포함할 수 있고, 황 전구체(S precursor)로서 황화나트륨수산화물(Na2S·9H2O)을 포함할 수 있다.
상기 아연 전구체 및 상기 황 전구체는 용매를 이용한 습식 혼합 공정 또는 용매를 이용하지 않은 건식 혼합 공정으로 서로 혼합될 수 있다.
상기 아연 전구체 및 상기 황 전구체는 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition bill) 등의 방법으로 혼합하여 체(sieve)를 이용하여 걸려져서 혼합 분말을 회수할 수 있다.
이때, 상기 아연 전구체 및 상기 황 전구체는 일정한 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 황산아연수산화물 및 황화나트륨수산화물은 1:1 내지 1:3의 몰비를 가질 수 있다. 또한, 아연 전구체에 포함된 아연에 대한 황 전구체에 포함된 황의 몰(mole)비(S/Zn)는 0.5 내지 1.8의 범위를 가질 수 있다.
이어서, 수열 합성 단계를 진행할 수 있다. 상기 수열 합성 단계에서는 앞서 제조된 황 및 아연이 혼합된 혼합 분말을 반응기에 투입한 후, 일정한 온도로 가열하여 황화아연 분말을 형성할 수 있다.
상기 수열 합성 단계는 상기 혼합 분말을 100℃ 내지 220℃의 온도에서 5시간 내지 20시간 동안 가열하여 진행될 수 있다.
상기 수열 합성 단계에서, 수열합성 온도가 100℃ 미만이거나, 수열합성 시간이 5시간 미만으로 실시될 경우에는 반응시간이 짧은 관계로 충분한 반응이 일어나지 못하여 균일한 평균 입도를 갖는 황화아연 분말을 제조하는데 어려움이 따를 수 있다. 또한, 수열합성 온도가 220℃를 초과하거나, 수열합성 시간이 22시간을 초과할 경우에는 수열합성 반응의 활성화를 위하여 황화나트륨수산화물(Na2S·9H2O)을 다량으로 첨가해야 하는데 이에 따른 비용 상승 문제가 있다.
또한, 수열 합성시 교반기를 이용하여 100rpm 내지 500rpm의 속도로 교반하는 것이 더 바람직하다. 교반 속도가 100rpm 미만일 경우에는 균일한 혼합이 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 500rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 공정 효율이 저하될 수 있다.
이어서, 상기 필터링 단계및 상기 건조 단계가 진행될 수 있다. 상기 필터링 단계및 상기 건조 단계에서는 앞선 단계에서 합성된 반응물을 필터링 및 건조하여 황화아연 분말을 수득할 수 있다.
상기 필터링 단계에서는 상기 합성 단계에서 합성된 황화아연 분말을 감압 필터링한 후, 탈이온수를 이용하여 상기 황화아연 분말을 반복적으로 세척하여 불순물을 제거할 수 있다.
이어서, 상기 건조 단계에서는 상기 필터링 단계를 거친 황화아연 분말을 건조하여 최종의 황화아연 분말을 제조할 수 있다.
이때, 상기 건조 단계는 1차 건조 단계 및 2차 건조 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 1차 건조 단계 및 2차 건조 단계 사이에는 상기 황화아연 분말을 분쇄하는 분쇄 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 1차 건조는 90℃의 온도에서 8시간 진행될 수 있고, 상기 2차 건조는 150℃의 온도에서 8시간 진행될 수 있다. 또한, 상기 분쇄 단계에서는 상기 황화아연분말을 분쇄하여 구현하고자 하는 입도 및 입경 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 공정에 의해 제조되는 황화아연 분말의 입도는 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 황화아연 분말의 입도가 0.1㎛ 미만인 경우, 이어서 진행되는 소결 공정에서 소결 온도의 감소에 의한 상전이가 발생하여, 황화아연 소결체에 의해 제조되는 적외선 투과 렌즈의 투과율이 저하될 수 있다.
또한, 기 황화아연 분말의 입도가 5㎛ 초과하는 경우, 이어서 진행되는 소결 공정에서 소결특성이 저하되어 역시 적외선 투과 렌즈의 투과율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 공정에 의해 제조되는 황화아연 분말은 큐빅 형상, 구형 형상 및 육각형상을 가질 수 있으나, 실시예가 이에 제한되지는 않는다.
이어서, 상기 황화아연 분말을 소결하여 황화아연 소결체를 제조하는 단계(ST20)에서는 앞서 설명한 수열합성법에 의해 제조되는 황화아연 분말을 이용하여 황화아연 소결체를 형성할 수 있다.
자세하게, 상기 황화아연 분말은 열간 가압 소결 장치를 이용하여 황화아연 소결체를 형성함으로써, 적외선 투과 렌즈를 제조할 수 있다.
자세하게, 도 6 및 도 7을 참조하면, 몰드 부재(100) 및 프레스부(200)를 포함하는 열간 가압 소결 장치가 준비될 수 있다.
상기 몰드 부재(100)는 원료가 충전되는 몰드 공간부를 구비한다. 상기 몰드 공간부는 원형, 사각형 또는 다각형 형상일 수 있다. 상기 몰드 부재(100)는 고온 및 고압에서 견딜 수 있는 SUS, 흑연, 실리콘카바이드, 텅스텐카바이드, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화 규소 등의 물질을 포함할 수 있다.
상기 몰드 부재(100)의 몰드 공간부에는 앞서 제조된 황화아연 분말을 포함하는 원료(500)가 충진될 수 있다.
상기 몰드 공간부의 상부면 및 하부면에는 이형 시트(400)들이 위치할 수 있다. 상기 이형 시트(400)는 상기 열간 가압 소결 장치에 의해 황화아연 소결체 제조시 몰드와 황화아연 소결체가 서로 이형이 용이하도록 한다. 상기 이형 시트(400)는 고온 및 고압에서 견딜 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 보론나이트라이드, 알루미늄이트라이드 등의 물질을 포함할 수 있다.
상기 프레스부(210, 220)는 상기 몰드 부재(100)의 상면 및 하면에 위치할 수 있다. 즉, 상기 프레스부(210, 220)는 상기 몰드 부재(10)의 상면 및 하면에 위치하는 제 1 프레스부(210) 및 제 2 프레스부(220)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 프레스부(210) 및 상기 제 2 프레스부(220)는 고온에서 견딜 수 있는 SUS, 흑연, 실리콘카바이드, 텅스텐카바이드, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화 규소 등의 물질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제 1 프레스부(210) 및 상기 제 2 프레스부(220)는 렌즈 형상을 위해 각각 볼록 형상 및 오목 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부의 프레스부는 볼록 형상을 가질 수 있고, 하부의 프레스부는 오목 형상을 가질 수 있다.
이에 의해 최종적으로 제조되는 황화아연 소결체를 렌즈 형상으로 구현할 수 있다.
즉, 열간 가압 소결 장치에 의해 제조되는 황화아연 소결체를 별도의 가공 없이 적외선 투과 렌즈로 사용할 수 있다.
상기 몰드 부재(100) 내의 몰드 공간부에 충진되는 상기 황화아연 분말은 열간 가압 공정에 의해 서로 합착될 수 있다. 즉, 열 및 압력을 동시에 인가하여, 상기 몰드 공건부에 충진되는 황화아연 분말을 소결하여 황화아연 소결체를 제조할 수 있다. 즉, 일전 온도에서 제 1 프레스부(210)와 제 2 프레스부를 통해 상기 몰드 부재(100)를 가압하여, 상기 몰드 부재(100)에 충진되는 황화아연 분말을 렌즈 형상으로 소결할 수 있다.
자세하게, 상기 몰드 부재의 상부면 및 하부면을 프레스부에 의해 압력을 주어 상기 몰드 부재를 열간 가압할 수 있다. 일례로, 상기 몰드 부재는 약 30분 내지 40분의 승온시간으로 900℃ 내지 1000℃의 온도에서 50㎫ 내지 100㎫의 압력으로 약 10분 내지 약 20분간 열간 가압될 수 있다. 이때, 열과 압력은 진공 분위기에서 진행될 수 있다. 이후, 약 50분 내지 약 60분 동안 냉각 공정을 거쳐 황화아연 소결체를 제조할 수 있다.
한편, 900℃ 이하의 온도에서 소결 공정이 진행되는 경우, 황화아연 분말이 소결되지 않아 이에 의해 제조되는 적외선 투과 렌즈의 투과율이 저하될 수 있고, 1000℃ 초과하는 온도에서 소결 공정이 진행되는 경우, 황화아연 분말의 상전이가 발생하여 적외선 투과 렌즈의 투과율이 저하될 수 있다.
이어서, 상기 황화아연 소결체를 분리하는 단계(ST30)에서는 상기 몰드 부재(100)에서 소결체를 분리할 수 있다.
상기 분리된 소결체의 입경은 6㎜ 내지 15㎜일 수 있고, 두께는 2㎜ 내지 5㎜일 수 있다.
상기 소결체의 입경이 6㎜ 미만인 소결체는 구현하기 어려울 수 있고, 입경이 15㎜ 초과하는 경우, 소결 균일성이 저하되어 적외선 투과 렌즈의 투과 특성이 저하될 수 있다.
또한 소결체의 두께라 5㎜을 초과하는 경우, 소결 균일성이 저하되어 적외선 투과 렌즈의 투과 특성이 저하될 수 있다.
한편, 앞서 설명하였듯이, 상기 몰드 부재의 상부면 및 하부면에는 보론나이트라이드, 알루미늄이트라이드 등의 물질을 포함하는 이형 시트들이 위치되고, 이에 따라, 몰드 부재와 프레스부를 용이하게 이형 시킬 수 있다.
한편, 최종 제조되는 황화아연 소결체의 표면에는 추가적인 기능층이 배치될 수 있다. 예를 들어, 황화아연 소결체의 표면에는 반사방지층을 코팅하거나 또는 적외선 투과 렌즈의 강도를 향상시키기 위해 DLC(Diamond Like Carbon)층을 코팅할 수 있다.
앞서 설명한 황화아연 소결체에 의해 형성되는 적외선 투과 렌즈는 앞서 설명하였듯이, 높은 표면 조도를 가짐에도 불구하고, 황화아연 소결체의 내부 결정 특성을 제어함으로써, 적외선 투과 렌즈의 적외선 투과율을 68% 이상으로 할 수 있다.
따라서, 별도의 잉곳을 형성하여 렌즈 형상으로 가공하는 공정 및 표면 조도를 감소시키기 위한 추가 공정이 요구되지 않으므로, 적외선 투과 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는, 상기 적외선 투과 렌즈를 구성하는 황화아연 소결체의 결정 경계면의 비율과 기공의 크기를 제어함으로써, 상기 적외선 투과 렌즈를 통과하는 적외선의 산란을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 표면 조도가 약 30㎛ 이상이지만, 적외선 투과 렌즈의 결정 특성 및 기공을 제어하여 적외선의 산란을 최소화함으로써, 높은 적외선 투과율 즉, 68% 이상의 적외선 투과율을 가질 수 있다.
이하, 실시예들 및 비교예들에 따른 표면 조도 및 적외선 투과율 측정을 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
황화아연 분말을 몰드 부재에 충진한 후, 몰드 부재의 상부 및 하부에 배치되는 프레스부를 통해 열 및 압력을 동시에 인가하여 황화아연 소결체를 제조하였다.
이어서, 황화아연 소결체를 몰드 부재에서 제거하여, 황화아연을 포함하는 적외선 투과 렌즈를 제조하였다.
이어서, 적외선 투과 렌즈의 표면 조도 및 표면 조도의 크기에 따른 10㎛ 파장의 적외선 투과율을 측정하였다.
한편, 실시예들에 따른 표면 조도는 각 실시예의 소결체 시편의 일 영역에서의 표면 조도의 평균값을 측정하여 측정하였다.
비교예
황화아연 분말을 몰드 부재에 충진한 후, 몰드 부재에 압력을 인가하여 황황아연 성형체를 제조하였다.
이어서, 몰드 부재의 상부 및 하부에 배치되는 프레스부를 통해 상기 성형체에 열 및 압력을 동시에 인가하여 황화아연 소결체를 제조하였다.
이어서, 황화아연 소결체를 몰드 부재에서 제거하여, 황화아연을 포함하는 적외선 투과 렌즈를 제조하였다.
이어서, 적외선 투과 렌즈의 표면 조도 및 표면 조도의 크기에 따른 10㎛ 파장의 적외선 투과율을 측정하였다.
한편, 비교예들에 따른 표면 조도는 각 비교예의 소결체 시편의 일 영역에서의 표면 조도의 평균값을 측정하여 측정하였다.
| 표면조도(㎚) | 투과율(%) | |
| 실시예1 | 30 | 68 |
| 실시예2 | 33 | 70 |
| 실시예3 | 36 | 73 |
| 실시예4 | 40 | 72 |
| 실시예5 | 50 | 65 |
| 실시예6 | 70 | 40 |
| 비교예1 | 10 | 73 |
| 비교예2 | 20 | 70 |
표 1을 참조하면, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 약 68% 이상의 적외선 투과율을 가지는 것을 알 수 있다.
자세하게, 실시예에 따른 소결체의 표면 조도가 30㎜ 내지 40㎜의 범위에서 적외선 투과율이 약 68% 이상인 것을 알 수 있다.
그러나, 소결체의 표면 조도가 40㎜을 초과하는 경우, 표면 조도가 증가할수록 적외선 투과율이 점차적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, 소결체의 표면 조도가 40㎜을 초과하는 경우, 적외선 투과 렌즈가 열화상 카메라에 적용될 때, 투과율 저하로 인해 특성이 저하될 수 있다.
즉, 실시예에 따른 소결체는 30㎜ 내지 40㎜의 표면 조도를 가지는 경우 약 68% 이상의 적외선 투과율을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 비교예에 따른 적외선 투과 렌즈에 비해 표면 조도가 높으나, 적외선 투과율은 거의 유사한 것을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 적외선 투과 렌즈는 적외선 투과 렌즈의 표면 조도는 높지만, 내부 결정들의 결정 경계면 및 기공 크기를 제어하여 적외선의 산란을 방지함으로써, 적외선 투과율을 증가시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예에 적외선 투과 렌즈가 적용되는 따른 열화상 카메라 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 열화상 카메라 모듈(2000)은 홀더(1100), 렌즈 배럴(1200), 렌즈부(1000), 필터부(1400), 구동 기판(1500), 센서부(1600) 및 데이터 처리 소자(1700)를 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 어느 하나의 구성은 생략되거나 서로 상하 배치 관계가 변경될 수도 있다.
홀더(1100)는 렌즈 배럴(1200)과 결합되어 렌즈 배럴(1200)을 지지하고, 센서부(1600)가 부착된 기판(250)에 결합될 수 있다. 또한, 홀더(1100)는 렌즈 배럴(1200) 하부에 유동 플레이트부(1400)가 부착될 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 홀더(1100)는 나선형 구조를 포함할 수 있다. 또한, 렌즈 배럴(1200)도 상기 홀더(1100)에 대응되는 나선형 구조를 포함할 수 있으며, 이에 따라 렌즈 배럴(1200)과 홀더(1100)는 상호 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 홀더(1100)와 렌즈 배럴(1200)은 접착제(예를 들어, 에폭시 등의 접착용 수지)를 통해 결합되거나, 홀더(1100)와 렌즈 배럴(1200)이 일체형으로 형성될 수도 있다.
렌즈 배럴(1200)은 홀더(1100)와 결합되며, 내부에 렌즈부(1000)를 수용할 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 렌즈 배럴(1200)은 렌즈부(1000)와 회전 결합될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 접착제를 이용한 방식 등의 다른 방식으로도 결합될 수 있을 것이다.
렌즈부(1000)는 피사체로부터 방사되는 적외선을 통과시키는 적외선 렌즈일 수 있다. 즉, 상기 렌즈부(1000)는 피사체로부터 방출되는 적외선을 투과시키기 위해, 앞서 설명한 적외선 투과 렌즈가 적용될 수 있다.
또한, 렌즈부(1000)는 전방에 렌즈를 보호하기 위한 적외선 투과 윈도우(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 적외선 투과 윈도우는 CaF2, BaF2 또는 폴리에틸렌(Polyethylene) 등의 재질로 제작될 수 있다.
센서부(1600)는 구동 기판(1500) 상에 장착될 수 있고, 렌즈부(1000) 및 유동 플레이트부(1400)를 통과한 적외선 신호(적외선 복사 에너지)를 이미지 신호로 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 센서부(1600)는 적외선 복사 에너지에 대하여 감응하는 소자를 포함할 수 있다. 즉, 센서부(1600)는 상기 소자를 이용하여 상기 적외선 복사 에너지에 대응하는 에너지를 검출할 수 있다. 바람직하게, 센서부(1600)는 렌즈부(1000)를 통해 입사된 적외선 복사 에너지의 결과를 전기적 신호로 만들어주는 역할을 할 수 있다.
바람직하게, 센서부(1600)는 렌즈부(1000)를 통해 투과된 적외선으로부터 피사체의 온도를 감지하여 대응하는 물리적 특성 변화(아날로그 신호)를 출력한다. 이와 같은 센서부(1600)는 도 1 내지 도 10에서 설명한 마이크로 볼로미터일 수 있다.
구동 기판(1500)은 홀더(1100)의 하부에 배치될 수 있고, 각 구성간의 전기 신호의 전달을 위한 배선을 포함할 수 있다. 또한, 구동 기판(1500)에는 카메라 장치의 외부의 전원 또는 기타 다른 장치(예를 들어, 애플리케이션 프로세서)와 전기적으로 연결하기 위한 커넥터(미도시)가 연결될 수 있다.
구동 기판(1500)은 RFPCB(Rigid Flexible Printed Circuit Board)로 구성되고 열화상 카메라 모듈(2000)이 장착되는 공간이 요구하는 바에 따라 벤딩(bending)될 수 있으나, 실시 예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 구동 기판(1500)과 센서부(1600) 사이에는 패턴부가 배치될 수 있다.
센서부(1600)와 렌즈부(1000) 사이에는 필터(1400)가 배치될 수 있다. 필터(240)는 상기 렌즈부(1000)를 통과한 적외선 신호를 상기 센서부(1600)로 제공할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 일면 및 타면을 포함하는 적외선 투과 렌즈로서,
상기 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면의 표면 조도(Ra)는 30㎚ 내지 100㎚이고,
상기 적외선 투과 렌즈는 황화아연 소결체를 포함하고,
상기 황화아연 소결체는 복수의 황화아연 결정들을 포함하고,
상기 황화아연 결정들의 경계면의 비율은 1%/㎟ 내지 5%/㎟인 적외선 투과 렌즈. - 제 1항에 있어서,
상기 황화아연 결정들은 복수의 황화아연 분말들이 응집하여 형성되고,
상기 황화아연 소결체는, 상기 황화아연 분말들 사이의 제 1 기공 및 상기 황화아연 결정들 사이의 제 2 기공을 포함하는 적외선 투과 렌즈. - 제 2항에 있어서,
상기 제 1 기공 및 상기 제 2 기공의 크기는 0.01㎛ 내지 1㎛인 적외선 투과 렌즈. - 제 2항에 있어서,
상기 제 1 기공 및 상기 제 2 기공은 서로 다른 크기를 가지는 적외선 투과 렌즈. - 렌즈 홀더;
상기 렌즈 홀더의 일측에 결합되는 렌즈부; 및
상기 렌즈 홀더의 타측에 결합되는 센서부를 포함하고,
상기 렌즈부는 황화아연 소결체를 포함하고,
상기 렌즈부는 일면 및 타면을 포함하고,
상기 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면의 표면 조도(Ra)는 30㎚ 내지 100㎚이고,
상기 렌즈부는 황화아연 소결체를 포함하고,
상기 황화아연 소결체는 복수의 황화아연 결정들을 포함하고,
상기 황화아연 결정들의 경계면의 비율은 1%/㎟ 내지 5%/㎟이고,
상기 황화아연 결정들은 복수의 황화아연 분말들이 응집하여 형성되고,
상기 황화아연 소결체는, 상기 황화아연 분말들 사이의 제 1 기공 및 상기 황화아연 결정들 사이의 제 2 기공을 포함하고,
상기 제 1 기공 및 상기 제 2 기공의 크기는 0.01㎛ 내지 1㎛이고,
상기 황화아연 소결체는 99% 이상의 소결 밀도를 가지고,
상기 렌즈부는 10㎛ 내지 13㎛ 파장의 적외선을 68% 이상 투과하는 열화상 카메라 모듈. - 삭제
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