KR20150052190A - 고정밀 압축성형용 광학 유리, 유리 프리케스트 유니트, 광학 엘리먼트 및 광학 계측기 - Google Patents

고정밀 압축성형용 광학 유리, 유리 프리케스트 유니트, 광학 엘리먼트 및 광학 계측기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저렴한 원가의 정밀압축성형용 광학 유리를 제공하는 것으로 해당 광학 유리는 밀도가 4.54g/cm3 이하이고 굴절률이 1.85~1.95이고 전이온도가 610℃ 이하인 유리이다. 본 발명은 고가의 Ta2O5를 투입하지 않음으로 생산원가를 절감하고 자원을 절약한다. 본 발명은 B2O3와 La2O3의 조합으로 유리의 내실투성을 효과적으로 향상하고 화학 안정성을 향상시킨다. WO3와 TiO2의 조합으로 본 발명의 착색도가 뛰어나고 Gd2O3와 La2O3의 조합으로 유리의 내실투성을 효과적으로 향상시킨다.

Description

정밀 압축성형용 광학 유리, 조립식 유리, 광학 엘리먼트 및 광학 계측기{OPTICAL GLASS FOR PRECISION MOLDING, PREFABRICATED GLASS, OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL INSTRUMENT}
본 발명은 광학 유리에 관련하며 특히 굴절률이 1.85~1.95이고 아베수(Abbe number)가 25~35인 정밀 압축성형용 광학 유리, 유리 프리케스트 유니트(glass preform), 광학 엘리먼트 및 광학 계측기에 관련한다.
발명의 배경이 되는 기술
최근 들어 디지털 카메라 및 비디오 카메라의 보급과 더불어 중요한 부품인 유리렌즈의 수요량이 지속적으로 증대되고 있는 추세이다. 한편 디지털 카메라의 촬상장치 화소의 증가로 광학 엘리먼트 예를 들어 유리렌즈의 성능에 대하여 비교적 높은 성능이 요구되고 있다. 비구면 엘리먼트(aspheric element)를 사용하면 구차를 효과적으로 잘 해소할 수 있고 또한 광학 엘리먼트 사용수량을 감소할수 있기 때문에 광학 설계에서는 비구면 엘리먼트를 널리 사용하고 있다.
비구면성형에서 상용하는 방법으로는 정밀 압축성형이다. 정밀 압축성형이란 규정된 형상의 캐비티 성형금형을 사용하여 유리 프리케스트 유니트를 고온상태에서 가압성형함으로 최종제품형상 또는 최종제품형상에 근접한 유리 성형 제품을 얻는 것이다. 정밀 압축성형을 통하여 희망하는 형상의 성형품을 효율적으로 생산할 수 있는 것이다. 정밀 압축성형기술을 사용하여 제조한 비구면 렌즈는 일반적으로 연마 그라인딩을 필요하지 않으며 그럼으로 원가를 절감하고 생산성을 향상하는 것이다. 정밀 압축성형하는 과정에서 고도의 정밀한 금형곡면을 유리프리케스트 유니트에 복제하고 고온상태에서 유리프리케스트 유니트를 정밀압축성형이 필요하는데 이때 성형금형이 고온에 노출되고 또한 비교적 높은 압력이 가해져서 분위기에 보호되어 있을지라도 압축성형금형 표면에는 여전히 쉽게 산화침식된다. 정밀 압축성형하는 과정에서 고가의 금형을 빈번히 교체한다면 저렴한 원가와 고생산성의 목적을 달성할 수 없다. 금형수명을 연장하고 고온환경으로부터의 손상을 감소하기 위하여 가능한 한 압축 성형온도를 낮추어야 한다. 따라서 가능한 한 낮은 전이온도（Tg）의 광학 유리개발이 광학개발자들의 목표로 되고 있다.
원가 절감은 금형 수명연장으로 실현이 가능할 뿐만 아니라 원료원가절감도 관건이다. CN1182058C에서는 고굴절률의 광학 유리를 공개하였는데 높은 생산비용의 Ta2O5 성분을 대량으로 사용하여 대량 상업생산에는 적합하지 않다.
발명에서 해결해야 할 과제는 저렴한 원가의 정밀 압축성형용 광학 유리를 제공하였다. 이 광학 유리는 밀도(ρ)가 4.54 g/cm3이하이고 굴절률（nd）이 1.85~1.95이고 아베수（vd）가 25~35이고 전이온도（Tg）가 610 ℃이하인 광학 유리를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제 해결방안은 아래와 같다. 정밀 압축성형용 광학 유리는 Ta2O5성분을 함유하지 않으며 밀도(ρ)가 4.54 g/cm3이하이고 굴절률（nd）이 1.85~1.95이고 아베수（vd）가 25~35이고 전이온도（Tg）가 610℃이하이다.
더 나아가 성분함량 백분비는 SiO2 2~10%; B2O3 12~22%; La2O3 25~40%; ZrO2 1~10%; ZnO 5~12%; TiO2 5~15%; GeO2 0~5%; Gd2O3 3~15%; Nb2O5 5~15%; WO3 1~8%; Li2O 0.1~1%로 하는 것이다。
더 나아가 성분함량 백분비는 SiO2 3~8%로 하는 것이다.
더 나아가 그 중 B2O3 15~20%; La2O3 30~40%로 하는 것이다.
그 중: ZnO 5~10%로 하는 것이다.
그 중: TiO2 6~12%; WO3 1~5%로 하는 것이다.
그 중: TiO2는 8%초과하고 12%이하로 하는 것이다.
그 중: Gd2O3 5~10%; La2O3 30~40%로 하는 것이다.
그 중 Gd2O3는 5%초과하고 10%이하로 하는 것이다.
그 중 Gd2O3; La2O3의 합계량은 36~45%로 하는 것이다.
그 중: ZrO2 3~8%; GeO2 0~2%; Nb2O5 8~14%; Li2O 0.5~1%로 하는 것이다.
그 중: SiO2; B2O3; La2O3; ZrO2; ZnO; TiO2; Gd2O3; Nb2O5; WO3; Li2O의 합계량은 95%이상으로 하는 것이다.
그 중: SiO2; B2O3; La2O3; ZrO2; ZnO; TiO2; Gd2O3; Nb2O5; Li2O 93%이상으로 하는 것이다.
정밀 압축성형용 광학 유리로 성분함량 백분비는 SiO2 2~10%; B2O3 12~22%; La2O3 25~40%; ZrO2 1~10%; ZnO 5~12%; TiO2 5~15%; GeO2 0~5%; Gd2O3 3~15%; Nb2O5 5~15%; WO3 1~8%; Li2O 0.1~1%로 하는 것이다.
그 중: SiO2 3~8%로 하는 것이다.
그 중: B2O315~20%; La2O3 30~40%로 하는 것이다.
그 중: ZrO2 3~8%로 하는 것이다.
그 중: ZnO 5~10%로 하는 것이다.
그 중: TiO2 6~12%; WO3 1~5%로 하는 것이다.
그 중: TiO2는 8%를 초과하고 12%이하로 하는 것이다.
그 중: GeO2 0~2%로 하는 것이다.
그 중: Gd2O3 5~10%; La2O3 30~40%로 하는 것이다.
그 중: Gd2O3는 5%를 초과하고 10%이하로 하는 것이다.
그 중: Gd2O3;La2O3의 합계량은 36~45%로 하는 것이다.
그 중: Nb2O5 8~14%로 하는 것이다.
그 중: Li2O 0.5~1%로 하는 것이다.
그 중: SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;WO3;Li2O의 합계량은 95%이상으로 하는 것이다.
그 중: SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;Li2O의 합계량은 93%이상으로 하는 것이다.
상기의 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 유리프리케스트 유니트(glass preform)
상기의 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 광학엘리먼트
상기의 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 광학계측기
[발명의 효과]
본 발명은 고가의 Ta2O5를 투입하지 않음으로 생산원가를 절감하고 자원을 절약한다. 본 발명은 B2O3와 La2O3의 조합으로 유리의 내실투성(devitrification resistance)을 효과적으로 향상하고 화학안정성을 향상시킨다. WO3와 TiO2의 조합으로 본 발명의 착색도가 뛰어나고, Gd2O3와 La2O3의 조합으로 유리의 내실투성을 효과적으로 향상시킨다. 또한 굴절률이 1.85~1.95이고 아베수가 25~35이고 유리 전이온도가 610℃이하이고 밀도가 4.54g/cm3이하인 정밀 압축성형용 광학 유리를 얻는다.
구체적 실시방안
다음으로 본 발명의 광학유리의 각개 성분을 설명하는 것이다. 별도로 언급하지 않는다면 각 성분함유량의 비율은 중량%로 표시하는 것이다.
SiO2는 유리를 형성하는 산화물로 일정량의 SiO2투입은 유리의 고온점도를 높이고 내실투성을 높이는 것이다. 함유량이 2%일 경우 효과가 불충분하다. 함유량이 10%일 경우 유리 용융성이 떨어지고 기포를 해소하기 어렵다. 따라서 SiO2함유량을 2~10%로 한정하고 3~8%가 가장 바람직하다.
B2O3도 유리를 형성하는 산화물로서 유리 용융성 향상과 유리 점도를 저하하는 필수성분으로 유리용융시 용제로 사용할 수 있다. B2O3의 함유량이 12%미만일 경우, 성질이 안정된 유리를 얻기가 어렵고 내실투성이 이상적이지 않다. B2O3의 함유량이 22%를 초과할 경우 유리굴절률이 설계 목표를 달성할 수 없으며 또한 유리의 화학 안정성도 감소된다. 따라서 B2O3의 함유량을 12~22%로 한정하고 15~20%가 가장 바람직하다.
La2O3는 고굴절 광학 유리의 주요성분으로 유리 굴절률을 증가시킬 뿐만 아니라 색분산을 현저하게 향상하지 않으며 본 발명에서 B2O3와 La2O3의 조합으로 존재하고 유리 내실투성을 효과적으로 향상하고 유리의 화학 안정성도 효과적으로 향상한다. 그러나 La2O3의 함유량이 25% 미만일 경우 상기와 같은 효과를 얻을 수 없는 것이다. 그러나 그 함유량이 40%를 초과할 경우 결정화 성능이 악화된다. 따라서 그 함유량을 25~40%로 한정하고 30~40%가 가장 바람직하다.
ZrO2는 유리의 점도, 경도와 화학 안정성을 향상하고 열팽창계수를 저하한다. ZrO2의 함유량이 10%를 초과할 경우 유리가 잘 녹지않고 실투하기 쉽다. 그리고 화학 안정성이 악화된다. 따라서 ZrO2의 함유량은 바람직하게 1~10%가 좋고, 3~8%가 가장 바람직하다.
ZnO는 본 발명의 정밀 압축 성형용 광학 유리의 필수성분으로 유리 용융온도와 전이온도의 저하에 유리하고 광학 성능 조절역할을 한다. 그 함유량이 5%미만일 경우 전이온도가 상승하고 그 함유량이 12%를 초과할 경우 결정화 경향이 증대되며 동시에 유리의 고온점도가 작아지고 유리 형성에 어려움을 초래하게 한다. 따라서 ZnO의 함유량은 바람직하게 5~12%가 좋고 5~10%가 가장 바람직하다.
WO3는 유리의 광학 상수와 내실투성을 조절하는 역할을 하며 특히 란탄계 광학 유리 중에서는 유리의 결정화 성능을 개선할 수 있는 것이다. 뿐만 아니라 투과율을 과다하게 손상하지 아니한다. 실험을 통하여 그 함유량이 8%를 초과할 경우 유리의 내실투성이 도리어 저하된다. 따라서 WO3의 함유량은 바람직하게 1~8%가 좋고, 1~5%가 가장 바람직하다.
TiO2는 유리가 고굴절률을 가질 수 있으나, 그 함유량이 과다하게 높으면 색분산계수를 현저하게 저하하며 나아가 결정화 현상을 증가하게 하며 심지어 유리가 현저하게 착색이 된다. 본 발명인은 WO3와 TiO2의 적절한 조합으로 본 발명의 착색이 뛰어나게끔 할 수 있다는 것을 연구에서 발견했다. 따라서 TiO2의 함유량은 바람직하게 5~15%가 좋고 6~12%가 보다 바람직하고 8%를 초과하고 12%이하가 가장 바람직하다.
GeO2 는 유리 굴절률과 열안정성을 높일 수 있는 것이다. 그러나 그 함유량이 5%를 초과할 경우 유리의 열안정성이 오히려 저하한다. 따라서 GeO2 의 함유량은 바람직하게 0~5%가 좋고 0~2%가 가장 바람직하다.
Gd2O3는 유리 굴절률과 화학 안정성을 높일 수 있는 것이다. 일정한 량의 Gd2O3와 La2O3 혼용은 유리의 내실투성을 효과적으로 높일 수 있는 것이다. 그러나 Gd2O3의 함유량이 3% 미만일 경우 효과가 뚜렷하지 않고 Gd2O3의 함유량이 15%를 초과할 경우 오히려 유리의 내실투성을 악화시킬 수 있는 것이다. 따라서 Gd2O3의 함유량을 3~15%에 한정하고 5~10%가 적합하고 5%를 초과하고 10%이하가 가장 바람직하다.
상기 Gd2O3;La2O3의 합계량이 36~45%일 경우 유리의 내실투성을 더욱 효과적으로 높일 수 있는 것으로 본 발명의 광학 유리를 실현하게 된다.
Nb2O5는 굴절률을 높이고 화학 내구성과 내실투성을 개선하는 역할을 하는 것이다. 그 함유량이 5%미만일 경우 그 효과는 뚜렷하지 않다. 그 함유량이 15%를 초과할 경우 내실투성은 오히려 악화되고 유리 난화 온도가 높아진다. 때문에 Nb2O5의 함유량은 바람직하게 5~15%가 좋고 8~14%가 가장 바람직하다.
Li2O는 유리 전이온도를 대폭적으로 저하하고 용융성능을 효과적으로 개선할 수 있는 것이다. 그 함유량이 1%를 초과할 경우 유리 내실투성과 화학 안정성이 악화되는 것이다. 따라서 Li2O의 함유량을 0.1~1%에 한정하고 바람직하게 0.5-1%가 좋다.
본 발명에서 제공하는 광학 유리는 굴절률이 1.85~1.95이고 아베수가 25~35인 전제 하에 유리 내실투성과 화학 안정성을 효과적으로 높이기 위하여 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;WO3;Li2O의 합계량을 95%이상으로 정하고 바람직하게 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;Li2O의 합계량이 93%이상이 가장 바람직하다.
다음은 본 발명의 정밀 압축성형용 광학 유리의 성능에 대하여 설명한다.
그 중 굴절률（nd）이 -2℃/h~-6℃/h인 소둔수치(annealing value)이다. 굴절률과 아베수는 "GB/T 7962.1-1987 무색광학 유리 측정방법- 굴절률과 색분산계수"에 의해 측정한다.
전이온도（Tg）는 "GB/T 7962.16-1987 무색광학 유리 측정방법- 선팽창계수, 전이온도와 휨(굴곡) 온도"에 의해 측정한다. 즉, 피측정샘플을 일정한 온도 범위 내에서 1℃씩 상승함에 따라 측정샘플의 팽창곡선 상에 저온구역과 고온구역의 직선부분이 연신하여 교차할 때 그 교차점이 대응하는 점을 말한다.
밀도는 "GB/T 7962.20-1987 무색광학 유리 측정방법-밀도측정방법"에 의해 측정한다.
상기 유리를 10mm±0.1mm 두께의 샘플로 제작하고, 측정 유리의 투사비율이 70% 경우에 대응하는 파장 λ70가 측정되었다.
측정을 거쳐 본 발명의 광학 유리는 다음과 같은 성능을 갖는 것이다. 밀도（ρ)가 4.54g/cm3이하이고 굴절률（nd）이 1.85~1.95이고 아베수（vd）가 25~35이고 전이온도（Tg）가 610℃이하이고 투사비율이 70% 경우일 때 대응하는 파장 λ70은 430nm이하이다.
본 발명은 또한 광학 엘리먼트를 제공하는 것으로 상기 광학 유리는 본 영역의 기술자들이 숙지하는 방법으로 행한 것이다. 기술한 광학유리가 높은 굴절률과 낮은 전이온도를 갖추어 있음으로 기술하는 광학 엘리먼트도 높은 굴절률과 낮은 전이온도를 갖추어 있기에 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 카메라 휴대폰 등 디바이스에 응용할 수 있는 것이다.
아래 내용에서 실시예를 참고하여 본 발명에 대해 더 자세히 설명할 것이다. 다만 본 발명은 실시예에 제한되지 않는다.
표1~표3에서 표시하는 광학 유리 (실시예 1~30）는 표1~표3에서 표시하는 실시예 별 비율로 계량하여 나아가 광학 유리 보통원료（예를 들면 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염과 불화물 등）로 혼합하여 혼합원료를 박금으로 된 도가니에 넣고 1100~1300℃의 온도범위 내에서 용융한다. 게다가 용화, 정화, 반죽, 균질화한 후 기포와 용해물질이 들어있지 않은 균질화한 용융유리를 얻는 것이다. 이 용융유리를 금형 안에서 주형, 소둔하여 유리를 얻게 되는 것이다.
본 발명의 실시예 1~30의 성분과 굴절률（nd）, 아베수（vd）, 밀도（ρ), 유리 전이온도（Tg）, 투사비율 70% 시에 대응하는 파장 λ70의 결과를 표1~표3에 표시하였다. 이 표들에서는 각 성분을 중량백분비로 표시한다.
[표 1]
Figure pct00001

[표 2]
Figure pct00002

[표 3]
Figure pct00003

상기 실시예에서 본 발명의 광학 유리는 그 밀도（ρ)가 4.54g/cm3이고 굴절률（nd）이 1.85~1.95이고 아베수（vd）가 25~35이고 전이온도（Tg）가 610℃ 이하이고 투사비율이 70%일 경우에 대응하는 파장 λ70이 430nm 이하인 것으로 정밀 압축성형용에 적합하다는 것을 알 수 있다.

Claims (31)

  1. 정밀 압축성형용 광학 유리로서, Ta2O5성분을 함유하지 않고 밀도가 4.54g/cm3 이하이고 굴절률이 1.85~1.95이고 아베수가 25~35이고 전이온도가 610℃ 이하인, 정밀 압축 성형용 광학 유리.
  2. 제1항에 있어서,
    성분함량 백분비는 SiO2 2~10%; B2O3 12~22%; La2O3 25~40%; ZrO2 1~10%; ZnO 5~12%; TiO2 5~15%; GeO2 0~5%; Gd2O3 3~15%; Nb2O5 5~15%; WO3 1~8%; Li2O 0.1~1%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  3. 제2항에 있어서,
    성분함량 백분비는 SiO2 3~8%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  4. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 B2O3 15~20%; La2O3 30~40%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  5. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 ZnO 5~10%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  6. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 TiO2 6~12%; WO3 1~5%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  7. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 TiO2가 8%를 초과하고 12%이하인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  8. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3 5~10%; La2O3 30~40%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  9. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3가 5%를 초과하고 10%이하인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  10. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3;La2O3의 합계량이 36~45%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  11. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 ZrO2 3~8%; GeO2 0~2%; Nb2O5 8~14%; Li2O 0.5~1%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  12. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;WO3;Li2O의 합계량이 95%이상인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  13. 제2항에 있어서,
    성분함량백분비는 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;Li2O의 합계량이 93%이상인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  14. 정밀 압축성형용 광학 유리로서, 성분함량백분비는 SiO2 2~10%; B2O3 12~22%; La2O3 25~40%; ZrO2 1~10%; ZnO 5~12%; TiO2 5~15%; GeO2 0~5%; Gd2O3 3~15%; Nb2O5 5~15%; WO3 1~8%; Li2O 0.1~1%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  15. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 SiO2 3~8%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  16. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 B2O3 15~20%; La2O3 30~40%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  17. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 ZrO2 3~8%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  18. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 ZnO 5~10%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  19. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 TiO2 6~12%; WO3 1~5%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  20. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 TiO2가 8%를 초과하고 12%이하인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  21. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 GeO2 0~2%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  22. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3 5~10%; La2O3 30~40%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  23. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3가 5%를 초과하고 10% 이하인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  24. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 Gd2O3;La2O3의 합계량이 36~45%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  25. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 Nb2O5 8~14%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  26. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 Li2O 0.5~1%인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  27. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;WO3;Li2O의 합계량이 95%이상인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  28. 제14항에 있어서,
    성분함량백분비는 SiO2;B2O3;La2O3;ZrO2;ZnO;TiO2;Gd2O3;Nb2O5;Li2O의 합계량이 93%이상인, 정밀 압축성형용 광학 유리.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 상기 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 유리프리케스트 유니트(glass preform).
  30. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 상기 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 광학엘리먼트.
  31. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 상기 정밀 압축성형용 광학 유리로 제조한 광학계측기.
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