KR20160145922A - 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법 - Google Patents

이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금형 코어에 형성된 도금층에 이온빔을 조사하여 도금층의 경도를 강화시킴으로써 도금층의 절삭 가공시 절삭 공구에 의한 스크래치 발생을 방지할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법은 사출용 금형 코어의 표면에 형성된 도금층의 표면경도를 증대시키기 위해 도금층에 이온빔을 조사하는 이온빔처리단계를 포함한다.

Description

이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법{scratch protection method of molding core for optical lens by ion beam treatment}
본 발명은 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광학렌즈를 사출성형하기 위한 금형 코어에 형성된 도금층에 이온빔을 조사하여 도금층의 경도를 강화시킴으로써 도금층의 절삭 가공시 절삭 공구에 의한 스크래치 발생을 방지할 수 있는 방법에 관한 것이다.
IT 산업의 발달로 인하여 초정밀 광학제품들이 다양한 분야에서 활용되고 있다.
광학용 초소형 리플렉터, 광학용 초소형 프리즘, 광학렌즈, 프리즘시트, 초정밀 비구면렌즈, 광회절격자 등과 같은 광학제품들은 전자산업분야 뿐만 아니라 기타 관련분야에서 필수 불가결한 소재로서 중요성을 더해가고 있다.
이러한 광학제품들은 생산하기 위해서는 일반적으로 사출성형을 행하게 되는데 그 용도가 광학적 효과를 달성하기 위한 것이므로 사출가공에 사용되는 금형 코어는 매우 우수한 형상 정밀도가 요구된다.
이를 위해 금형 코어의 표면에는 가공성 및 경면성이 뛰어난 니켈 도금층이 주로 형성된다. 그러나 니켈 도금층은 저경도 특성으로 인해 도금층의 절삭 가공시 가공면에 스크래치가 형성되어 사출된 제품의 품질이 저하되는 문제점이 발생된다.
대한민국 등록특허 제 10-0495230호에는 프리즘패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법이 개시되어 있다.
상기 금형의 제조방법은 금형 코어부의 상부면을 연마하는 연마공정과, 상기 연마평면에 프리즘 요철의 깊이 이상으로 무전해 전기도금층을 만드는 도금공정과, 도금층의 조직을 치밀화시키는 열처리 공정과, 프리즘 요철을 형성하기 위한 바이트의 절삭공정과, 상기 완성된 코어를 금형내부에 조립하는 조립공정으로 이루어진다.
상기 종래의 기술은 도금층에 고온의 열을 가하는 열처리 공정으로 높은 경도를 얻을 수 있으나 동시에 강한 충격에 잘 부러지는 취성을 가지게 된다. 또한 열응력에 의한 도금층의 변형과 균열 등이 발생되는 문제점이 있다. 또한 몰드성형용 금형 코어의 경우 표면경도가 높고 내부는 질긴 성분을 가진 금형재료의 특성이 필요하다.
대한민국 등록특허 제 10-0495230호: 프리즘패턴을 갖는 도광판 제조용 금형의 제조방법
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 열처리에 의한 단점을 보완하기 위해서 금형코어에 형성된 도금층에 이온빔을 조사하여 도금층의 경도를 강화시킴으로써 도금층의 절삭 가공시 절삭 공구에 의한 스크래치 발생을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 도금층의 경도를 강화시켜 스크래치 발생을 방지할 수 있다 하더라도 이온빔 조사로 인해 표면 식각이 유발되는 경우 광학렌즈의 표면 특성이 저하되므로 본 발명의 다른 목적은 표면 식각이 유발되지 않으면서 도금층의 경도를 강화시킬 수 있는 최적의 이온빔 조사 공정조건을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법은 사출용 금형 코어의 표면에 형성된 도금층의 표면경도를 증대시키기 위해 상기 도금층에 이온빔을 조사하는 이온빔처리단계를 포함한다.
상기 도금단계의 상기 도금층은 무전해 니켈 도금층이다.
상기 이온빔처리단계는 이온화 가스로 아르곤, 질소, 산소 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이다.
상기 이온빔처리단계는 상기 이온빔을 생성하는 이온빔소스의 가속전압은 1000 내지 1350V인 것을 특징으로 한다.
상기 이온빔처리단계는 상기 금형 코어가 수용된 챔버의 내부 압력은 2.1×10-1Pa이고, 상기 이온빔소스와 상기 금형 코어 간의 거리는 300mm이고, 상기 이온빔의 조사 시간은 300초인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 금형코어에 형성된 도금층에 이온빔을 조사함으로써 도금층의 경도를 강화시켜 절삭 공구에 의한 스크래치 발생을 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있다.
또한, 표면경도 향상을 통해 금형코어의 수명향상과 사출성형된 광학렌즈의 성능 향상을 가져온다.
또한, 본 발명은 이온빔을 생성하는 이온빔소스의 가속전압이 1000 내지 1350V일 경우 표면 식각이 유발되지 않으면서 도금층의 경도를 강화시킬 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 최적의 이온빔 조사 공정조건을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 이온빔조사장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 제 4실시예에 따른 니켈 도금층의 절삭 가공면의 모습을 나타낸 사진이고,
도 3은 비교예에 따른 니켈 도금층의 절삭 가공면의 모습을 나타낸 사진이고,
도 4는 실시예들의 절삭 가공면의 표면거칠기를 나타낸 결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 예로 광학렌즈 사출용 금형 코어의 표면에 형성된 도금층에 이온빔을 조사하는 이온빔처리단계를 포함한다.
이를 위해 먼저 광학렌즈 사출용 금형 코어를 준비한다. 준비된 금형 코어의 표면에는 도금층이 형성되어 있다. 상기 '광학렌즈'는 광학 기능을 갖는 렌즈를 의미한다.
상술한 광학렌즈는 광학적 효과를 달성하기 위한 것이므로 사출가공에 사용되는 금형 코어는 매우 우수한 형상 정밀도가 요구된다. 따라서 광학렌즈를 사출하기 위한 금형의 코어에는 도금층이 형성된다. 도금층은 다양한 방법과 소재로 형성될 수 있다.
바람직한 도금층은 무전해 방식의 니켈 도금층이다. 무전해 니켈 도금층은 가공성 및 경면성이 뛰어나다. 니켈 도금층은 금형 코어의 표면에 50 내지 200㎛의 두께로 형성될 수 있다.
표면에 도금층이 형성된 금형코어가 준비되면, 이온빔처리단계를 수행한다.
이온빔처리단계를 수행하기 위한 개략적인 이온빔조사장치의 일 예를 도 1에 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 이온빔조사장치는 진공챔버(10), 진공챔버(10)의 내부에 설치되는 고정지그(15), 진공챔버(10)의 내부에 설치되어 이온빔을 생성시키는 이온빔소스(20), 진공챔버(10) 내부로 이온화가스를 주입하기 위한 가스주입부(30)를 포함한다.
진공챔버(10)는 밀폐된 내부공간을 형성한다. 진공챔버(10)의 일측에는 진공펌프(50)가 설치되어 진공챔버(10)의 내부공간을 일정한 진공의 공정압력으로 유지시킨다. 그리고 진공챔버(10)의 타측에는 진공챔버(10)의 내부로 이온화 가스를 주입하기 위한 가스주입부(10)가 마련된다.
가스주입부(30)를 통해 아르곤, 질소, 산소 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 일정한 유량으로 진공챔버(10)로 주입될 수 있다.
진공챔버(10)의 내부에 설치된 고정지그(15)에는 이온빔이 조사되는 모재(5)가 고정된다. 여기서 모재(5)는 금형코어이다. 고정지그(15)는 회전이 가능한 구조를 갖는다.
고정지그(15)의 상방에는 이온빔소스(20)가 설치된다. 이온빔 소스(20)는 이온빔을 생성하여 고정지그(15)에 고정된 모재(5)로 이온빔을 조사한다. 이온빔소스(20)와 고정지그(15)의 거리는 300mm이다.
이온빔 소스(20)로 공지의 엔드홀 이온건을 이용할 수 있다. 엔드홀(End-hall) 이온건은 대면적의 이온빔 조사에 유용한다. 통상적으로 엔드홀 이온건은 전극과 자극을 이용하여 폐쇄 루프를 형성하고, 이 루프를 따라 전자를 고속 이동시키는 구조로 되어 있다. 또한 전자가 이동하는 폐쇄 루프 내에는 이온 생성을 위한 이온화 가스가 유입되어 빠르게 이동하는 전자와 충돌하면서 플라즈마를 발생시키고, 그 결과로 플라즈마에 존재하는 이온들을 가속시켜 외부로 방출시킨다.
상술한 이온빔조사장치 외에도 엔드홀 이온건을 이온빔 소스로 사용하는 통상적인 구조의 이온빔조사장치를 이용할 수 있음은 물론이다.
상술한 이온빔조사장치를 이용한 이온빔처리단계를 설명한다.
진공챔버(10)의 고정지그(15)에 금형코어를 고정시킨다. 금형코어를 고정지그(15)에 고정시킨 다음 가스주입부(30)를 통해 진공챔버(10)의 내부로 이온화 가스를 주입시킨다. 이온화 가스로 아르곤, 질소, 산소 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 아르곤, 질소, 산소 중에서 적어도 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이다.
진공챔버(10)의 내부에 이온화 가스를 주입하여 진공챔버(10)의 내부 압력을 2.1×10-1Pa로 유지시킨 다음 이온빔 소스(20)에 1000 내지 1350V의 전압을 인가하여 200 내지 400초 동안 금형코어에 이온빔을 조사한다.
본 발명에서 이온빔 소스에 인가되는 전압은 도금층의 물리적 특성을 좌우한다. 전압이 1000V 미만이면 도금층의 경도 향상의 효과가 미미하여 스크래치 발생을 방지하기 어렵다. 그리고 전압이 1350V를 초과하면 도금층의 경도 향상을 가져오나 이와 함께 도금층의 표면 식각을 유발시켜 표면 특성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 표면 식각이 유발되지 않으면서 도금층의 경도를 강화시킬 수 있는 적절한 전압은 1000 내지 1350V이다.
이온빔이 조사된 도금층은 표면이 강화되어 도금층의 절삭 가공시 절삭 공구에 의한 스크래치 발생을 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있다.
도금층에 이온빔을 조사한 후 도금층이 사출성형하고자 하는 광학렌즈의 표면형상과 대응될 수 있도록 도금층을 절삭가공한다.
도금층의 절삭가공의 일 예는 바이트가 장착된 공작기계를 이용하여 절삭하는 것이다. 바이트로 다이아몬드 재질의 바이트를 이용하고, 바이트의 압입 깊이는 도금층의 표면에서 10 내지 30 ㎛일 수 있다.
이와 같이 가공된 가공면은 바이트에 의한 스크래치의 발생을 현저하게 감소시킴과 동시에 표면거칠기는 3 내지 6nm 수준으로 경면성이 매우 우수하다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 설명한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시 예)
무전해 방식의 니켈 도금층이 100㎛의 두께로 형성된 금형코어를 이온빔조사장치(LFI-6X, NanoFilm, Singapore)의 진공챔버의 고정지그에 장착한 다음 이온화 가스로 아르곤을 25sccm으로 주입한 후 진공챔버의 내부 압력을 2.1×10-1Pa로 유지시킨 상태에서 이온빔 소스(엔드홀 이온건)에 전압을 인가하여 300초 동안 니켈 도금층에 이온빔을 조사하였다.
그리고 선단곡률반경이 0.1mm인 다이아몬드 바이트가 장착된 공작기계를 이용하여 니켈 도금층을 약 20㎛ 깊이로 절삭가공하여 비구면 형상의 가공면을 형성하였다. 절삭가공시 바이트의 이동속도는 5.0mm/min, 금형코어의 회전속도는 1000rpm이었다.
하기의 표 1에 이온빔 소스에 인가된 전압에 따른 실시예들을 정리하였다.
구분 전압
제 1실시예 500V
제 2실시예 700V
제 3실시예 1000V
제 4실시예 1350V
제 5실시예 1500V
제 6실시예 2000V
<이온빔 조사 여부에 따른 스크래치 관찰>
상기 제 4실시예에 따른 니켈 도금층의 절삭 가공면의 모습을 도 2에 나타내었다. 비교예로 이온빔 처리를 하지 않은 니켈 도금층에 다이아몬드 바이트를 이용하여 절삭가공한 가공면의 모습을 도 3에 나타내었다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이온빔을 처리하지 않은 비교예의 경우 길고 선명한 스크래치가 가공면에 발생되었다. 이에 반해 제 4실시예의 경우 가공면에 아주 미세한 스크래치만이 발생되었다. 따라서 이온빔 조사에 의한 니켈 도금층의 경도 강화 효과를 확인할 수 있었다.
<전압에 따른 가공면의 물리적 특성>
상기 실시예들의 절삭 가공면의 표면거칠기를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 1000V 미만의 전압이 인가된 제 1 및 제 2실시예의 경우 표면식각이 유발되지는 않았으나 경도 강화효과가 낮은 것으로 나타났다.
그리고 1000 내지 1350V의 전압이 인가된 제 3 및 제 4실시 예의 경우 표면식각이 유발되지 않음과 동시에 스크래치 발생이 현저하게 억제되어 경도 강화효과가 우수한 것으로 나타났다.
그리고 1350V를 초과하여 전압이 인가된 제 5 및 제 6실시 예의 경우 스크래치가 발생은 억제되었으나 표면식각이 유발된 것으로 나타났다. 이러한 표면식각은 표면의 형상변화를 일으키므로 광학 금형에서 사용이 어려울 것으로 판단되었다.
이상에서 본 발명은 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: 챔버 15: 고정지그
20: 이온빔소스 30:가스주입부

Claims (5)

  1. 사출용 금형 코어의 표면에 형성된 도금층의 표면경도를 증대시키기 위해 상기 도금층에 이온빔을 조사하는 이온빔처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 도금층은 무전해 니켈 도금층인 것을 특징으로 하는 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 이온빔처리단계는 이온화 가스로 아르곤, 질소, 산소 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 이온빔처리단계는 상기 이온빔을 생성하는 이온빔소스의 가속전압은 1000 내지 1350V인 것을 특징으로 하는 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 이온빔처리단계는 상기 금형 코어가 수용된 챔버의 내부 압력은 2.1×10-1Pa이고, 상기 이온빔소스와 상기 금형 코어 간의 거리는 300mm이고, 상기 이온빔의 조사 시간은 300초인 것을 특징으로 하는 이온빔 처리에 의한 광학렌즈용 금형코어의 스크래치 방지방법.
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