KR20110111184A - 유리광학소자 제조장치 및 유리광학소자의 제조방법 - Google Patents

유리광학소자 제조장치 및 유리광학소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 유리용융부를 이용하여 유리소재를 용융시키는 단계와, 일정 온도로 유지되는 가열챔버 내에서 하부금형을 금형이송장치를 이용하여 정량공급장치의 하부로 이송시키는 단계와, 용융된 유리소재를 정량공급장치를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형에 용융 유리소재를 투입하는 단계와, 금형이송장치를 이용하여 가열챔버 내에서 하부금형을 상부금형의 하부로 이송시키는 단계와, 가열챔버 내에서 상부금형을 하부금형의 상부로 하강시켜 용융 유리소재를 압착 성형하는 단계와, 상부금형과 하부금형에서 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계 및 상기 유리광학소자를 서냉시키는 단계를 포함하는 유리광학소자의 제조방법 및 이를 위한 유리광학소자 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 프리폼 고브를 사용함이 없이도 정확한 용융 유리소재의 투입, 금형 가압공정, 서냉 공정을 일체화시켜 대량으로 유리광학소자를 제조할 수 있다.

Description

유리광학소자 제조장치 및 유리광학소자의 제조방법{Apparatus for manufacturing glass optical element and manufacturing method of glass optical element}
본 발명은 유리광학소자 제조장치 및 유리광학소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공된 고브(프리폼 고브; pre-form GOB 또는 볼 고브; Ball GOB)를 사용함이 없이도 정확한 용융 유리소재의 투입, 금형 가압공정, 서냉 공정을 일체화시켜 대량으로 유리광학소자를 제조할 수 있는 방법 및 유리광학소자 제조장치에 관한 것이다.
전통적인 유리소재를 이용한 렌즈, 프리즘, 윈도우 등의 유리광학소자들은 유리소재를 직접 가공하여 원하는 형태로 만든 후 연마과정을 거쳐 광학적 특성을 부여하여 제조하고 있다. 하지만 이는 숙련된 기술이 요구되는 작업이며, 특히 비구면 광학소자 같은 정밀 광학소자인 경우에는 기술적, 시간적, 비용적으로 많은 어려움이 따르고 있다.
광학소자를 제조하는 종래의 방법으로는, 제조하고자 하는 광학소자에 맞추어 미리 광학용 유리소재를 프리폼 고브(pre-form GOB) 형태로 가공하여 금형에 투입한 후 가열 및 압착에 의해 광학소자를 성형하는 방법과, 유리봉 형태의 유리소재를 이용하여 용융 후 금형에 이송시켜 절단, 가열 및 압착에 의해 성형하는 방법 등이 있다.
최근에는 프리폼 고브를 소재 가공이 아닌 프리폼용 금형에 용융된 유리소재를 투입하여 프리폼 고브를 제조하고, 제조된 프리폼 고브를 또 다른 광학소자 제조 금형에 투입하여 가열 및 압착하는 성형방법이 알려져 있다.
이러한 언급된 방식들은 방식에 따라 일반적인 광학소자를 비롯하여 정밀 광학소자에 이르기까지 유리소재를 원하는 형태로 직접 제작이 가능하게 하였으며, 과거 방식에 비해 생산적, 기술적 측면에서 많은 발전들을 가져왔다.
그러나 이러한 종래의 방법들은 각기 많은 문제점들을 가지고 있다.
일본 특허공고 소61-32263호에서 소개되는 프리폼 고브를 사용하는 방식은 광학소자 제조 전에 앞서 언급하였던 숙련된 기술과 시간을 필요로 하는 최종 광학소자와 근사한 곡률 연삭, 연마와 같은 유리소재 가공기술을 이용하여 프리폼 고브를 제조하여야 하고, 또한 이 방식은 성형의 핵심인 고가의 금형에 직접 높은 열을 가하여 성형하는 방법이므로 금형의 산화 및 코팅 박리의 위험성 등 금형의 수명을 단축시키는 문제점들이 발생되어 여전히 시간적, 비용적으로 많은 한계를 보인다. 또한, 프리폼 고브를 제조하기 위해 곡률 연삭 및 연마 등의 공정을 진행함에 따라 유리소재의 손실(loss)이 발생할 수 있다.
대한민국 특허출원 특1993-0004316에서 소개된 유리소재인 유리봉을 용융, 절단시켜 금형에 투입하는 방법은 정확한 유리소재 투입의 제어가 어려울 뿐만 아니라, 유리봉의 용융 및 가압 공정이 일체형으로 진행되지 못하므로 광학소자 제조를 위한 용융 유리봉의 이동 및 절단 공정 진행시 유리소재의 손실 및 결함이 발생된다. 또한, 이 방법은 고정밀도의 광학소자를 얻기에는 불완전한 방법으로 모든 광학소자를 제조하기에는 그 범위가 협소하여 정밀도가 낮은 유리컵, 유리구조물, 조명용 광학소자 등의 제조에만 주로 사용된다.
용융 유리소재를 프리폼용 금형에 투입하여 프로폼 고브를 만든 후 제조된 프리폼 고브를 다시 광학소자 제조를 위한 금형에 투입하고 가열 및 압착하여 광학소자를 제조하는 방법은 두 번 이상의 가열, 압착 공정이 필요하므로 생산시간이 길어지고, 2대 이상의 가열 및 압착 기구를 필요로 하며, 고가의 금형의 소모량이 많아져 생산원가가 상승하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 상기에 언급하였던 종래의 문제점들을 해결하기 위해 프리폼 고브를 사용함이 없이도 정확한 용융 유리소재의 투입, 금형 가압공정, 서냉 공정을 일체화시켜 대량으로 유리광학소자를 제조할 수 있는 방법 및 유리광학소자 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명은, 유리용융부를 이용하여 유리소재를 용융시키는 단계와, 일정 온도로 유지되는 가열챔버 내에서 하부금형을 금형이송장치를 이용하여 정량공급장치의 하부로 이송시키는 단계와, 용융된 유리소재를 정량공급장치를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형에 용융 유리소재를 투입하는 단계와, 금형이송장치를 이용하여 가열챔버 내에서 하부금형을 상부금형의 하부로 이송시키는 단계와, 가열챔버 내에서 상부금형을 하부금형의 상부로 하강시켜 용융 유리소재를 압착 성형하는 단계와, 상부금형과 하부금형에서 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계 및 상기 유리광학소자를 서냉시키는 단계를 포함하는 유리광학소자의 제조방법을 제공한다.
상기 유리광학소자의 제조방법은, 상기 하부금형이 정량공급장치의 하부로 이송되기 전에, 하부금형의 표면과 용융 유리소재 간의 온도 차에 의해 발생되는 내부 응력과 열적 스트레스를 최소화하기 위하여 상기 하부금형이 예열부에서 예열되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계는, 상기 상부금형을 상부로 이동시켜 상기 유리광학소자의 상부가 개방되는 단계와, 상기 금형이송장치를 이용하여 상기 하부금형은 취출부로 이동시키는 단계와, 취출수단을 이용하여 하부금형으로부터 상기 유리광학소자를 탈착하는 단계 및 상기 취출수단을 이용하여 상기 유리광학소자를 서냉로로 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계는, 상기 상부금형을 상부로 이동시켜 상기 유리광학소자의 상부가 개방되는 단계와, 취출수단을 이용하여 하부금형으로부터 상기 유리광학소자를 탈착하는 단계 및 상기 취출수단을 이용하여 상기 유리광학소자를 서냉로로 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 용융 유리소재가 103 ∼ 1010 포이즈(poise) 범위의 점도를 갖게 상기 가열챔버 내의 온도는 400℃∼800℃의 온도 범위로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 상부금형은 용융 유리소재가 투입되는 위치의 하부금형 옆 상측에 위치되고, 상기 하부금형이 하부로 이동되면 하부로 하강하여 하부금형에 투입된 용융 유리소재를 가압하여 성형하고, 상부금형의 가압 힘은 100kg/㎠ ∼ 500kg/㎠의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 사이클을 이루는 이동 경로를 따라 이동 가능하게 구비되는 하부금형과, 사이클을 이루는 이동 경로를 따라 상기 하부금형을 이동시키기 위한 금형이송장치와, 상하로 이동 가능하게 구비되며, 하부금형이 하부로 이송되면 하강하여 용융 유리소재를 압착 성형하기 위한 상부금형과, 상기 하부금형에 용융 유리소재가 투입되는 영역과, 상기 상부금형과 상기 하부금형에 의해 압착 성형이 이루어지는 영역을 둘러싸는 공간을 제공하면서 일정 온도로 유지하기 위한 가열챔버를 포함하는 유리광학소자 제조장치를 제공한다.
상기 유리광학소자 제조장치는, 유리소재를 용융시키기 위한 유리용융부, 및 상기 유리용융부에 연결되어 있고 용융된 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형에 용융 유리소재를 투입하기 위한 정량공급장치를 더 포함할 수 있다.
상기 유리광학소자 제조장치는, 상기 상부금형과 상기 하부금형에 의해 압착 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송하기 위한 취출수단, 및 상기 취출수단에 의해 이송된 유리광학소자를 서냉시키기 위한 서냉로를 더 포함할 수 있다.
상기 하부금형은, 예열이 이루어지는 예열부, 정량공급장치를 통해 용융 유리소재가 하부금형에 투입되는 용융 유리소재 투입부, 상부금형이 위치한 하부로 이동되어 상부금형과 하부금형에 의한 압착에 의해 용융 유리소재가 성형되는 성형부, 및 용융 유리소재가 성형되어 형성된 유리광학소자를 서냉로로 이송시키기 위해 하부금형으로부터 유리광학소자를 취출하는 취출부를 사이클로 하는 이동 경로를 가질 수 있다.
상기 가열챔버는 상기 용융 유리소재가 103 ∼ 1010 포이즈(poise) 범위의 점도를 갖게 400℃∼800℃의 온도 범위로 일정하게 유지될 수 있게 구비되는 것이 바람직하다.
상기 상부금형은 용융 유리소재가 투입되는 위치의 하부금형 옆 상측에 위치되고, 상기 하부금형이 하부로 이동되면 하부로 하강하여 하부금형에 투입된 용융 유리소재를 가압하여 성형하고, 압착 성형이 이루어지면 상부로 이동되며, 상부금형에 의해 가압되는 힘은 100kg/㎠ ∼ 500kg/㎠의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 프리폼 고브를 사용하지 않으므로 프리폼 고브 제조를 위한 가공시간을 단축할 수 있고, 또한 프리폼 고브 제조를 위한 가공비용을 절약할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유리소재의 용융, 정확한 용융 유리소재의 투입, 성형 및 서냉의 단계가 정밀하게 제어되는 일체형으로 구성되어 제조 시간이 절약되고 원료의 손실이 없으며, 품질이 우수한 유리광학소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 용융된 유리 소재의 직접 투입과 유리봉 용융 투입방식 등의 기존 공정에서 열제어 및 수동 이동 간의 진동, 광학소자 제조 후 외각 컷팅(cutting), 센터링(centering) 등의 후 공정에서 비롯되는 문제점에 있으나, 본 발명에서는 이러한 문제점이 개선될 수 있고 원가 절감 뿐만 아니라 품질과 성능이 우수한 유리광학소자를 제조할 수가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 경제적이고 높은 생산성을 바탕으로 고품질의 유리광학소자를 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 성능과 크기에 상관없이 유리소재를 이용한 광학렌즈, 디스플레이 조명, 광통신, 광 융합기술 분야 등의 다양한 광학소자 산업에 폭넓게 적용될 수 있는 유리광학소자를 제조할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리광학소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 순서도이다.
도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리광학소자 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 유리용융부와 정량공급장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 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 발명은 타블렛 타입의 유리소재를 유리용융로에 투입하여 유리소재를 용융시킨 후 용융된 유리소재를 정량공급장치에 의해 하부금형으로 원하는 중량과 형상으로 제어하면서 용융 유리소재를 투입시킨다. 이때 용융 유리소재는 성형 온도를 제어해 주기 위한 가열챔버 안의 하부금형에 직접 투입되고 상부금형으로 가압하여 유리광학소자를 제조한다. 성형되어 형성된 유리광학소자는 취출수단에 의해 하부금형에서 서냉로로 이송되어 굴절율 등의 광학적 특성 변화를 방지할 수 있는 단계적이고 정밀한 서냉로를 통과하면서 유리광학소자 제품으로 제조된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리광학소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 순서도이다. 도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리광학소자 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 유리용융부와 정량공급장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 유리광학소자의 제조방법은, 유리용융부(150)를 이용하여 유리소재를 적절하고 균일한 온도로 용융시키는 단계(S10)와, 금형이송장치(120)를 이용하여 용융된 유리소재의 성형온도를 제어해 주기 위한 가열챔버(140) 내에서 하부금형을 정량공급장치(160)의 하부로 이송시키는 단계(S20)와, 용융된 유리소재를 정량공급장치(160)를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형(110)에 용융 유리소재를 투입하는 단계(S30)와, 금형이송장치(120)를 이용하여 가열챔버(140) 내에서 하부금형(110)을 상부금형(130)의 하부로 이송시키는 단계(S40)와, 상부금형(130)을 하부금형(110)의 상부로 하강시켜 용융 유리소재를 압착 성형하는 단계(S50)와, 상부금형(130)과 하부금형(110)에서 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계(S60) 및 상기 유리광학소자를 서냉시키는 단계(S70)를 포함한다.
본 발명의 유리광학소자 제조장치는, 사이클을 이루는 이동 경로를 따라 이동 가능하게 구비되는 하부금형(110)과, 사이클을 이루는 이동 경로를 따라 하부금형(110)을 이동시키기 위한 금형이송장치(120)와, 상하로 이동 가능하게 구비되며 하부금형(110)이 하부로 이송되면 하강하여 용융 유리소재를 압착 성형하기 위한 상부금형(130)과, 하부금형(110)에 용융 유리소재가 투입되는 영역(A)과 상기 상부금형(130)과 상기 하부금형(110)에 의해 압착 성형이 이루어지는 영역(B)을 둘러싸는 공간을 제공하면서 일정 온도로 유지하기 위한 가열챔버(140)를 포함한다. 상기 유리광학소자 제조장치는, 유리소재를 용융시키기 위한 유리용융부(150), 및 상기 유리용융부(150)에 연결되어 있고 용융된 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형(110)에 용융 유리소재를 투입하기 위한 정량공급장치(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 유리광학소자 제조장치는, 상기 상부금형(130)과 상기 하부금형(110)에 의해 압착 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송하기 위한 취출수단(미도시), 및 상기 취출수단에 의해 이송된 유리광학소자를 서냉시키기 위한 서냉로(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 유리용융부(150)는 유리소재를 적절하고 균일한 온도로 용융시킬 수 있는 가열부(152)와, 용융된 유리소재를 안정하게 보관하는 도가니 타입의 용융로(154a, 154b, 154c)로 포함한다. 이때, 가열부(152)의 가열방식은 전기, 가스, 중유 등을 이용한 가열방식이 될 수 있으며, 고주파 유도가열 및 할로겐 램프를 이용한 가열방식 또한 사용될 수 있다. 가열부(152)에 의해 가열되는 용융로(154a, 154b, 154c)의 온도는 통상적으로 1000℃∼2000℃까지의 범위를 가진다. 이때 가열부(152)의 가열에 의한 용융 유리소재의 점도는 1∼10 포이즈(poise) 정도를 가지며, 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있다. 가열부(152)의 온도는 유리소재의 특성에 따라 온도를 제어할 수 있는 특징을 가진다. 상기 용융로(154a, 154b, 154c)의 구성은 최외각에 내열재 프레임(154a)과 그 내부에 도가니 모양의 백금(Pt) 프레임(154b)이 0.5∼2mm 두께로 만들어진 내부 용융로를 포함하며, 내열재 프레임(154a)과 백금(Pt) 프레임(154b) 사이에 내화물 충진부가 구비되어 내화물(154c)이 충진되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 내화물이란 고온 공업에서 사용하는 고온에서 난용성인 비금속 무기재료를 가리키며, 내화물이 견딜 수 있는 최하온도는 1,580℃ 정도로서 그 이상의 온도에서 사용할 수 있는 재료를 내화물이라 한다. 내화물로는 대표적으로 Al2O3와 ZrO2 등이 있으며, 그 외에도 TiO2, CaO, MgO, Na2O 등이 용도에 맞게 사용될 수 있다.
상기 정량공급장치(160)는 유리용융부(150)의 하부에 연결되어 하부금형(110)에 용융 유리소재를 투입하는 장치이다. 상기 정량공급장치(160)는 스트로크(stroke) 제어를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하는 플렌저(plunger)(162)와, 용융 유리소재의 토출시 토출 내경을 제어하여 용융 유리소재의 중량 및 형상을 제어하는 노즐부(164)와, 토출되는 용융 유리소재를 절단의 타이밍(timing)을 이용하여 원하는 중량 및 형상으로 절단해 주는 절단부(166)를 포함한다. 플렌저(162)의 측면에는 날개 모양의 조절부(미도시)가 더 구비될 수 있고, 상기 조절부는 기포 유입을 방지하는 역할을 한다. 정량공급장치(160)는 용융된 유리소재의 균일한 양과 모양을 제어하여 생산하고자 하는 제품의 크기, 모양, 품질 등에 가장 중요한 역할을 하는 장치요소 중 하나이다. 상기에 언급한 플렌저(162), 노즐부(164) 및 절단부(166)는 주철이나 초경 등으로 제작될 수 있으며 외부는 백금(pt) 재질로 제작될 수 있다.
상기 금형이송장치(120)는 정밀한 서브 모터를 이용하여 하부금형(110)의 위치를 정밀하게 제어할 수 있으며, 다수의 하부금형(110)이 직접 고정되는 타입으로 구성될 수 있다. 다수의 하부금형(110)은 금형이송장치(120)에 의해 이동가능하게 구비되고, 각 하부금형(110)의 이동 경로는 사이클(cycle)을 이루어서 원래의 위치로 복귀되는 경로를 이룬다. 금형이송장치(120)에 의해 하부금형(110)의 정밀한 위치 제어가 되지 않을시 소재 투입, 성형, 취출의 오류로 인해 생산되는 제품의 품질에 심각한 문제가 발생될 수 있다. 이때 금형이송장치(120)에 의해 하부금형(110)은 용융 유리소재 투입부(A 영역), 상부금형(130)에 의해 렌즈가 성형되는 성형부(B 영역), 로봇에 의해 서냉로로 취출되는 취출부(C 영역), 하부금형(110)을 예열하는 예열부(D 영역)를 기본으로 하는 이동 경로를 가진다.
하부금형(110)은 용융 유리소재 투입부, 성형부, 취출부 및 예열부를 포함하는 경로가 사이클(cycle)을 이루면서 이동 가능하게 구비된다. 하부금형(110)의 이동 경로는 원형의 이송로 형태로 이루어 최초 출발지점을 따라 이동되어 다시 최초 출발지점에 도달하는 사이클을 이룬다. 예컨대, 하부금형(110)이 핀 히터(pin heater) 등에 의해 소정 온도로 예열이 이루어지는 예열부에서 출발이 이루어지면, 정량공급장치(160)를 통해 용융 유리소재가 하부금형(110)에 투입되는 용융 유리소재 투입부를 거치고, 상부금형(130)이 위치한 하부로 이동되어 상부금형(130)과 하부금형(110)에 의한 압착에 의해 용융 유리소재가 성형되는 성형부를 거치고, 용융 유리소재가 성형되어 형성된 유리광학소자를 서냉로로 이송시키기 위해 하부금형(110)으로부터 유리광학소자를 취출하는 취출부를 통과하여 다시 최초 출발지점이 예열부에 도달하는 원형의 이송(이동) 경로를 가진다. 하부금형(110)의 소재로는 초경합금, 그라파이트, 실리콘 카바이드(SiC), 스테인레스 스틸, 보론 나이트라이드 등을 사용할 수 있다.
상기 상부금형(130)은 하부금형(110)의 위 측면에 위치한다. 상부 금형(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 2개 이상이 구비될 수도 있다. 상기 상부금형(130)은 상하로 이동 가능하게 구비되며, 용융된 유리소재가 투입된 하부금형(110)이 이동하여 상부금형(130) 하부에 위치되었을 때 하부로 하강하여 하부금형(110)을 덮어 용융 유리소재를 프레스할 수 있게 된다. 상기 상부금형(130)의 상하 이동은 공압 실린더 등을 이용할 수 있다. 상기 상부금형(130)의 소재로는 초경합금, 그라파이트, 실리콘 카바이드(SiC), 스테인레스 스틸, 보론 나이트라이드 등을 사용할 수 있다.
상기 가열챔버(140)는 용융 유리소재가 하부금형(110)으로 투입될 때 최적의 성형온도를 유지하거나 제어함은 물론 상부금형(130)에 의한 성형 후 열이 급속도로 식으면서 발생될 수 있는 열적 스트레인(thermal strain)을 방지하기 위해 구비된다. 가열챔버(140)는 하부금형(110)에 용융 유리소재가 투입되는 영역(A)과, 상부금형(130)과 하부금형(110)에 의해 압착 성형이 이루어지는 영역(B)을 둘러싸는 공간을 제공하면서 일정 온도로 유지한다. 또한, 가열챔버(140)는 하부금형(110)이 예열되는 영역(D)을 일부 둘러싸는 공간을 제공할 수도 있다. 가열챔버(140)의 가열시스템은 전기, 가스, 중유 등을 이용한 가열방식이 될 수 있으며, 고주파 유도가열 및 할로겐 램프 등을 이용한 가열방식 또한 포함될 수 있다. 이때 가열챔버(140) 내의 온도는 유리소재의 어닐링 온도(annealing temperature)에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 일반적으로 400℃∼800℃ 정도의 온도 범위를 갖는다. 이 온도범위에서 유리소재는 103∼1010포이즈(poise) 정도의 점도를 갖는다. 가열챔버(140)는 상기에서 설명하였던 하부금형(110)과 상부금형(130)을 둘러싸는 형태로 제작되며, 가열챔버(140) 안에서 용융 유리소재 투입(A 영역에서 이루어짐), 상부금형(130)에 의한 성형(B 영역에서 이루어짐) 공정이 진행되며, 상부금형(130)과 하부금형(110)으로부터 성형된 유리광학소자의 취출 공정(일반적으로 C 영역에서 이루어지나 성형이 완료된 후 B 영역에서 이루어질 수도 있음)이 이루어질 수도 있다. 가열챔버(140)의 상단부분은 용융 유리소재 투입부와 성형된 유리광학소자의 서냉로 이송부가 따로 마련되어 있을 수 있다. 또한 상기 가열챔버(140)는 냉각시스템을 포함할 수 있으며, 상기 냉각시스템은 수냉식, 가스냉각식일 수도 있으며, 공냉식, 유냉식일 수도 있다.
상부금형(130)과 하부금형(110)에 의해 용융 유리소재가 성형되어 형성된 유리광학소자는 로봇(robot) 등의 취출수단을 이용하여 취출되어 서냉로로 이송된다. 상기 취출수단은 흡착 능력을 가진 로봇과 같은 취출 및 이송 장치일 수 있으며, 상기 취출수단에 의한 유리광학소자의 서냉로 이송은 자동화 방식으로 진행될 수 있다. 상기 취출수단은 유리광학소자를 직접 흡착하여 이송할 수 있게 구비되며, 취출수단은 유리광학소자의 크기와 모양에 따라 선택적으로 구성될 수 있다.
상기 서냉로는 챔버 형태로 구성되며, 성형 후 열이 빨리 식으면서 발생될 수 있는 수축과 광학적 특성, 외관 형태 변형 등을 막기 위하여 유리광학소자의 소재 특성에 따라 열을 제어할 수 있게 구비된다. 일반적으로 유리소재는 열전도성이 나쁘기 때문에 냉각됨에 따라 표면과 내부 사이에 큰 온도 차가 생겨 내부는 인장응력을 받게 되어 스트레인(strain)이 광학적 성질에 결정적인 나쁜 요인으로 작용되기 때문에 서냉로에서 서냉시킨다. 상기 서냉로는 성형된 유리광학소자의 단계적이고 균일한 서냉의 기능을 담당한다. 성형되어 형성된 유리광학소자가 급격하게 냉각될 경우에는 유리광학소자의 어느 한쪽 면에 투과율, 굴절율 및 외관이 불량해 질 수 있고 심지어 균열 등이 발생할 수도 있다. 서냉로는 유리광학소자의 성형 완료 점도인 1010∼1013 포이즈(poise)으로 광학적 성능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 천천히 서냉될 수 있도록 2단계 이상의 복수 단계, 예컨대 1단계 1013∼1014 포이즈 , 2단계 1014∼1015 포이즈, 3단계 1015∼1016 포이즈 등의 복수 단계로 서냉이 진행되게 구비되는 것이 바람직하다. 유리소재의 특성에 따라 각각 다른 온도 단계를 설정할 수 있으며, 정밀 서냉을 위해 다른 온도 단계를 추가할 수도 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리광학소자의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 유리용융부(150)를 이용하여 유리소재를 적절하고 균일한 온도로 용융시킨다. 유리소재는 유리용융부(150)의 용융로에 투입되고, 가열부에 의해 가열되어 유리소재가 용융이 이루어지게 된다. 상기 가열부의 가열방식은 전기, 가스, 중유, 고주파 유도가열, 할로겐 램프를 이용한 가열방식이 사용될 수 있다. 상기 가열부에 이해 가열되는 용융로의 온도는 1000℃∼2000℃의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 가열부의 가열에 의한 용융 유리소재의 점도는 1∼10 포이즈(poise) 정도를 갖는 것이 바람직하다. 가열부에 의해 가열되는 온도는 용융 유리소재의 종류 및 특성에 따라 적절한 온도로 제어될 수 있다.
금형이송장치(120)를 이용하여 가열챔버(140) 내에서 하부금형(110)을 정량공급장치(160)의 하부로 이송시킨다. 하부금형(110)은 정량공급장치(160)의 하부로 이송되기 전에 예열부에서 핀 히터(pin heater) 등을 이용하여 예열(D 영역에서 이루어짐)될 수 있다. 하부금형(110)의 예열이 이루어짐에 따라 하부금형(110)의 표면과 용융 유리소재 간의 온도 차이가 작아지게 되고 따라서 온도 차에 의해 발생되는 내부 응력과 그에 따른 열적 스트레스를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 금형이송장치(120)에 의해 하부금형(110)의 위치가 정밀하게 제어된다. 가열챔버(140)에 의해 하부금형(110)의 온도는 최적의 성형온도로 유지되며, 용융 유리소재가 하부금형(110)이 투입되게 되더라도 가열챔버(140)에서 성형 온도로 유지되고 있기 때문에 용융 유리소재가 일정한 성형 온도로 유지될 수 있어 열적 스트레인(thermal strain)의 발생을 억제할 수 있다. 가열챔버(140)의 가열방식은 전기, 가스, 중유, 고주파 유도가열, 할로겐 램프를 이용한 가열방식이 사용될 수 있다. 가열챔버(140) 내의 온도는 유리소재의 어닐링 온도(annealing temperature)에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 일반적으로 400℃∼800℃ 정도의 온도 범위를 갖는 것이 바람직하며, 상기 온도 범위에서 용융 유리소재의 점도는 103 ∼ 1010 포이즈(poise)의 범위를 갖는다.
용융된 유리소재를 정량공급장치(160)를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하여 하부금형(110)에 용융 유리소재를 투입한다. 정량공급장치(160)를 통해 기포 유입을 방지하면서 스트로크(stroke) 제어를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하고 토출되는 용융 유리소재를 적절한 타이밍(timing)으로 절단하여 원하는 중량 및 형상으로 절단하여 용융 유리소재가 하부금형(110)에 투입되도록 한다. 절단부(166)를 통과한 용융 유리소재의 점도는 103 ∼ 105 포이즈(poise)의 범위를 갖는다.
금형이송장치(120)를 이용하여 가열챔버(140) 내에서 하부금형(110)을 상부금형(130)의 하부로 이송시킨다. 금형이송장치(120)에 의해 하부금형(110)의 위치가 정밀하게 제어된다. 상기 가열챔버(140)에 의해 하부금형(110)의 온도는 최적의 성형온도로 유지되며, 가열챔버(140)에서 성형 온도로 유지되고 있기 때문에 용융 유리소재는 일정한 성형 온도로 유지될 수 있어 열적 스트레인(thermal strain)의 발생을 억제할 수 있다. 가열챔버(140) 내의 온도는 유리소재의 어닐링 온도(annealing temperature)에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 일반적으로 400℃∼800℃ 정도의 온도 범위를 갖는 것이 바람직하며, 상기 온도 범위에서 용융 유리소재는 103 ∼ 1010 포이즈(poise) 정도의 점도를 갖는다.
상부금형(130)을 하부금형(110)의 상부로 하강시켜 용융 유리소재를 압착 성형한다. 상기 상부금형(130)으로 압착 성형하는 단계는 가열챔버(140) 안에 구성된 하부금형(110)에 용융 유리소재가 투입되고 하부금형(110)이 바로 옆 상측에 위치한 상부금형(130) 밑으로 이동되어 상부금형(130)으로 프레스하는 형태로 진행된다. 상기 상부금형(130)은 하부금형(110) 위 측면에 위치하고 있으며, 하부금형(110)이 상부금형(130) 밑으로 이동되면 공압 실린더에 의해 하부로 하강하여 상부금형(130)이 하부금형(110)에 위치한 용융 유리소재를 가압하여 성형하게 된다. 성형 시 용융 유리소재의 점도는 108 ∼ 1010 포이즈(poise) 정도인 것이 바람직하며, 상부금형(130)의 가압 힘은 100kg/㎠ ∼ 500kg/㎠의 범위를 가지는 것이 바람직하다.
상부금형(130)과 하부금형(110)에서 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시킨다. 이에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
상기 하부금형(110)과 상기 상부금형(130)에 의하여 용융 유리소재의 압착이 이루어지면 상부금형(130)은 공압 실린더 등을 이용하여 상부로 이동되어 용융 유리소재가 성형되어 형성된 유리광학소자의 상부가 개방되게 된다.
상부금형(130)이 상부로 이동되면, 금형이송장치(120)에 의해 하부금형(110)은 취출부(C 영역)로 이동되게 된다. 상기 하부금형(110)이 취출부(C 영역)로 이동되면, 로봇(robot) 등의 취출수단을 이용하여 하부금형(110)으로부터 유리광학소자를 탈착하고 서냉로로 이송시킨다. 다른 예로서는 하부금형(110)이 취출부로 이동되지 않고 로봇(robot) 등의 취출수단을 이용하여 하부금형(110)으로부터 유리광학소자를 탈착하고 서냉로로 이송시킬 수도 있다.
유리광학소자의 서냉로 이송은 상부금형(130)과 하부금형(110)에 의한 성형에 의해 원하는 형태의 유리광학소자를 얻은 후 하부금형(110)이 원형의 이송로를 따라 취출부로 이동되면 이루어진다. 취출수단에 의한 유리광학소자의 서냉로 이송은 자동화 방식으로 진행될 수 있다. 유리광학소자의 이송은 흡착 능력을 가진 로봇과 같은 취출수단에 의해 유리광학소자를 직접 흡착하여 이송하는 방법 등이 있을 수 있으며, 유리광학소자 크기와 모양에 따라 선택적으로 구성할 수 있다.
취출수단에 의해 이송된 유리광학소자는 서냉로 투입구를 따라 서냉로로 이동된다. 이때 챔버 형태로 구성된 서냉로는 성형 후 열이 빨리 식으면서 발생될 수 있는 수축과 광학적 특성, 외관 형태 변형 등을 막기 위하여 유리광학소자의 소재 특성에 따라 열을 제어할 수 있게 구성된다. 일반적으로 유리소재는 열전도성이 나쁘기 때문에 냉각됨에 따라 표면과 내부 사이에 큰 온도 차가 생겨 내부는 인장응력을 받게 되어 스트레인(strain)이 광학적 성질에 결정적인 나쁜 요인으로 작용되기 때문에 서냉로에서 서냉시키는 것이 바람직하다. 성형 후 서냉부로 이송되기 전 유리광학소자의 광학적 성능의 변화를 최소화 하기 위해 일정 온도를 유지하게 하는 가열챔버(140)는 필요한 구성요소 중 하나이며, 서냉로는 성형된 유리광학소자의 단계적이고 균일한 서냉의 기능을 담당한다. 성형되어 형성된 유리광학소자가 급격하게 냉각될 경우에는 유리광학소자의 어느 한쪽 면에 투과율, 굴절율 및 외관이 불량해 질 수 있고 심지어 균열 등이 발생할 수도 있다. 서냉로는 유리광학소자의 성형 완료 점도인 1010∼1013 포이즈(poise)으로 광학적 성능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 천천히 서냉될 수 있도록 2단계 이상의 복수 단계, 예컨대 1단계 1013∼1014 포이즈 , 2단계 1014∼1015 포이즈, 3단계 1015∼1016 포이즈 등의 복수 단계로 서냉이 진행되게 하는 것이 바람직하다. 유리소재의 특성에 따라 각각 다른 온도 단계를 설정할 수 있으며, 정밀 서냉을 위해 다른 온도 단계를 추가할 수도 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.
110: 하부금형 120: 금형이송장치
130: 상부금형 140: 가열챔버
150: 유리용융부 160: 정량공급장치

Claims (12)

  1. 유리용융부를 이용하여 유리소재를 용융시키는 단계;
    일정 온도로 유지되는 가열챔버 내에서 하부금형을 금형이송장치를 이용하여 정량공급장치의 하부로 이송시키는 단계;
    용융된 유리소재를 정량공급장치를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형에 용융 유리소재를 투입하는 단계;
    금형이송장치를 이용하여 가열챔버 내에서 하부금형을 상부금형의 하부로 이송시키는 단계;
    가열챔버 내에서 상부금형을 하부금형의 상부로 하강시켜 용융 유리소재를 압착 성형하는 단계;
    상부금형과 하부금형에서 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계; 및
    상기 유리광학소자를 서냉시키는 단계를 포함하는 유리광학소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부금형이 정량공급장치의 하부로 이송되기 전에,
    하부금형의 표면과 용융 유리소재 간의 온도 차에 의해 발생되는 내부 응력과 열적 스트레스를 최소화하기 위하여 상기 하부금형이 예열부에서 예열되는 단계를 더 포함하는 유리광학소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계는,
    상기 상부금형을 상부로 이동시켜 상기 유리광학소자의 상부가 개방되는 단계;
    상기 금형이송장치를 이용하여 상기 하부금형은 취출부로 이동시키는 단계;
    취출수단을 이용하여 하부금형으로부터 상기 유리광학소자를 탈착하는 단계; 및
    상기 취출수단을 이용하여 상기 유리광학소자를 서냉로로 이송시키는 단계를 포함하는 유리광학소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송시키는 단계는,
    상기 상부금형을 상부로 이동시켜 상기 유리광학소자의 상부가 개방되는 단계;
    취출수단을 이용하여 하부금형으로부터 상기 유리광학소자를 탈착하는 단계; 및
    상기 취출수단을 이용하여 상기 유리광학소자를 서냉로로 이송시키는 단계를 포함하는 유리광학소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용융 유리소재가 103 ∼ 1010 포이즈(poise) 범위의 점도를 갖게 상기 가열챔버 내의 온도는 400℃∼800℃의 온도 범위로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 유리광학소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 상부금형은 용융 유리소재가 투입되는 위치의 하부금형 옆 상측에 위치되고, 상기 하부금형이 하부로 이동되면 하부로 하강하여 하부금형에 투입된 용융 유리소재를 가압하여 성형하고, 상부금형의 가압 힘은 100kg/㎠ ∼ 500kg/㎠의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유리광학소자의 제조방법.
  7. 사이클을 이루는 이동 경로를 따라 이동 가능하게 구비되는 하부금형;
    사이클을 이루는 이동 경로를 따라 상기 하부금형을 이동시키기 위한 금형이송장치;
    상하로 이동 가능하게 구비되며, 하부금형이 하부로 이송되면 하강하여 용융 유리소재를 압착 성형하기 위한 상부금형; 및
    상기 하부금형에 용융 유리소재가 투입되는 영역과, 상기 상부금형과 상기 하부금형에 의해 압착 성형이 이루어지는 영역을 둘러싸는 공간을 제공하면서 일정 온도로 유지하기 위한 가열챔버를 포함하는 유리광학소자 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    유리소재를 용융시키기 위한 유리용융부; 및
    상기 유리용융부에 연결되어 있고 용융된 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 하부금형에 용융 유리소재를 투입하기 위한 정량공급장치를 더 포함하는 유리광학소자 제조장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상부금형과 상기 하부금형에 의해 압착 성형되어 형성된 유리광학소자를 취출하여 서냉로로 이송하기 위한 취출수단; 및
    상기 취출수단에 의해 이송된 유리광학소자를 서냉시키기 위한 서냉로를 더 포함하는 유리광학소자 제조장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 하부금형은,
    예열이 이루어지는 예열부, 정량공급장치를 통해 용융 유리소재가 하부금형에 투입되는 용융 유리소재 투입부, 상부금형이 위치한 하부로 이동되어 상부금형과 하부금형에 의한 압착에 의해 용융 유리소재가 성형되는 성형부, 및 용융 유리소재가 성형되어 형성된 유리광학소자를 서냉로로 이송시키기 위해 하부금형으로부터 유리광학소자를 취출하는 취출부를 사이클로 하는 이동 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 유리광학소자 제조장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 가열챔버는 상기 용융 유리소재가 103 ∼ 1010 포이즈(poise) 범위의 점도를 갖게 400℃∼800℃의 온도 범위로 일정하게 유지될 수 있게 구비되는 것을 특징으로 하는 유리광학소자 제조장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 상부금형은 용융 유리소재가 투입되는 위치의 하부금형 옆 상측에 위치되고, 상기 하부금형이 하부로 이동되면 하부로 하강하여 하부금형에 투입된 용융 유리소재를 가압하여 성형하고, 압착 성형이 이루어지면 상부로 이동되며, 상부금형에 의해 가압되는 힘은 100kg/㎠ ∼ 500kg/㎠의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유리광학소자 제조장치.
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