KR20170090614A - 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형 및 이를 이용한 실리콘 렌즈의 제조방법 - Google Patents

자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형 및 이를 이용한 실리콘 렌즈의 제조방법 Download PDF

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이수경
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(주)에이지광학
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Abstract

본 발명은 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형에 관한 것으로서, 상기 금형은 트랜스퍼 성형을 통해 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하기 위한 금형이며, 금형 코어는 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층이 순차적으로 적층되는 것을 한다.
또한, 상기 금형을 이용한 본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법은, 액상 실리콘 원료를 탈포하는 단계; 상기 액상 실리콘과 경화제를 혼합하여 액상 원료를 제조하는 단계; 하부 베이스에 설치된 하부금형과 상부 베이스에 설치되며 캐비티가 형성된 상부금형이 형합하여 형성된 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계; 상기 하부금형 및 상기 상부금형에 압력과 열을 가하여 렌즈 형상으로 성형하는 성형단계; 성형된 렌즈를 경화하는 경화단계; 상기 성형된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 종래의 사출성형에 비해 공정 효율이 향상되고 렌즈의 내구성이 증가하며 제품 불량이 감소되는 효과를 얻을 수 있는 제조방법이다.

Description

자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형 및 이를 이용한 실리콘 렌즈의 제조방법{Mold for Producing Silicone Lens of Automotive Headlamp and Use Thereof for Producing Silicone Lens}
본 발명은 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형 및 이를 이용한 실리콘 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 트랜스퍼 성형을 통하여 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하기 위한 금형 및 이를 이용한 실리콘 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 헤드램프용 렌즈는 사출성형에 의해 제조되는데, 이러한 방식으로 제조된 렌즈는 성형 흔적이 남아 성형 후 플랜지 널링 가공을 해야 하는 등의 문제가 있어 공정효율이 낮고 제품불량 발생률이 높은 문제가 있다.
다른 방식으로는 로터리 방식의 이중사출금형을 통하여 제조하는 방법이 있으나, 이 경우 제품 외관면에 게이트 마크가 나타나고, 측면 게이트를 사용하기 때문에 성형 후 제품의 후가공을 해야 하는 문제가 있다. 또한, 최근 자동차 램프 디자인의 변화에 따라 램프용 렌지의 길이가 길어지고 높이가 커지는 추세에 맞추기에는 로터리 방식의 이중사출 성형에는 한계가 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허공보 10-1249701호에는 자동차 헤드램프용 렌즈를 턴테이블 방식의 이중사출금형을 이용하여 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 수지의 종류에 따라 탈포, 혼련 등의 공정효율이 달라져 다양한 재질의 자동차 헤드램프용 렌즈의 제조에 응용하기에는 한계가 있다.
최근 차량 경량화 추세에 따라 헤드램프용 렌즈의 재질을 유리 대신 플라스틱 재질로 변경하고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-0376149호에서는 폴리카보네이트, 메타크릴레이트 등의 재질로 제조되며, 경질 코팅막이 형성된 렌즈가 개시되어 있다. 그러나 이러한 방법으로 제조되는 렌즈는 재질이 열화, 코팅막 형성 공정의 최적화 등으로 인해 효율적인 제조에 문제가 있다.
따라서 코팅막 형성 없는 렌즈를 적용하기 위하여 대한민국 공개특허공보 10-2015-0106748호에는 실리콘 재질의 비구면 렌즈를 자동차 헤드램프용 렌즈로 적용하는 기술이 개시되고 있다.
이러한 렌즈는 경량이며 신축성이 높아 충격 발생시에도 렌즈 이탈 가능성을 최소화시켜 줄 수 있는 장점이 있다.
그러나 이러한 실리콘 재질의 자동차 헤드램프용 렌즈를 종래의 사출성형으로 제조하면 헤드램프 구조체에 끼움결합이 가능하도록 표면 불량이 없는 렌즈의 대량 생산에는 문제가 있다. 따라서 상기 실리콘 재질의 자동차 헤드램프용 렌즈를 효율적으로 제조할 수 있는 제조방법에 대한 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 10-1249701호 대한민국 등록특허공보 10-0376149호 대한민국 공개특허공보 10-2015-0106748호 대한민국 등록특허공보 10-0984140호 대한민국 공개특허공보 10-2008-0090019호 대한민국 등록특허공보 10-1073717호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 트랜스퍼 성형에 의해 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조함으로써 공정 효율을 향상시키고 제품 불량을 감소시키며 렌즈의 수명을 증가시킬 수 있는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 이러한 공정 효율 및 제품 불량을 감소시킬 수 있도록 금형 코어의 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층을 형성함으로써 금형의 표면 내구성을 강화하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형은 트랜스퍼 성형을 통해 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하기 위한 금형으로서, 상기 금형은 금형 코어의 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이리듐-레늄 코팅층은 스퍼터링법으로 니켈 코팅층 상에 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법은 상기 금형 코어를 이용하는 것으로서, 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법은 액상 실리콘 원료를 탈포하는 단계; 상기 액상 실리콘과 경화제를 혼합하여 액상 원료를 제조하는 단계; 하부 베이스에 설치된 하부금형의 캐비티와 상부 베이스에 설치된 상부금형의 캐비티가 형합하여 형성된 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계; 하부금형 및 상부금형에 압력과 열을 가하여 렌즈 형상으로 성형하는 성형단계; 성형된 렌즈를 경화하는 경화단계; 상기 성형된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하며, 상기 상부금형 및 하부금형의 표면은 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층이 적층되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이리듐-레늄 코팅층은 스퍼터링법으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법은 트랜스퍼 성형을 통해 제조되는 것이므로, 상기 액상 원료를 주입하는 단계는, 상기 하부 베이스에 설치된 플런저에 상기 액상 원료를 주입하는 단계; 상기 하부 베이스를 상승시켜 상기 상부 베이스와 결합함으로써 상기 하부금형 및 상부금형을 형합하는 단계; 상기 플런저를 상승시켜 상기 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계로 이루어진다.
또한, 상기 상부 금형은 복수의 렌즈 형상 캐비티를 포함하며, 상기 캐비티는 복수의 러너를 통해 연결되어 하나의 캐비티로부터 러너를 통해 다른 캐비티로 상기 액상 원료가 이동됨으로써 복수의 렌즈를 성형할 수 있게 된다.
본 발명에서 상기 액상 실리콘는 비닐기 함유 실리콘 수지를 포함하는 것을 특징으로 하며, 실리카 졸을 추가적으로 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조방법은 트랜스퍼 성형을 통해 실리콘 렌즈를 제조하므로, 종래의 사출성형에 의한 제조방법에 비해 공정 효율 및 내구성이 향상되고 제품 불량이 감소되며, 램프의 수명이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 금형 코어의 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층을 형성하여 금형 내구성이 강화되기 때문에 연속 생산성이 증가하고 표면 정밀도를 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하는 상부 및 하부금형을 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하는 상부 및 하부금형이 형합된 상태를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 상부 또는 하부금형의 평면도이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법은 트랜스퍼 성형에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법은 액상 실리콘 원료를 탈포하는 단계; 상기 액상 실리콘과 경화제를 혼합하여 액상 원료를 제조하는 단계; 하부 베이스에 설치된 하부금형과 상부 베이스에 설치된 상부금형이 형합하여 형성된 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계; 하부금형 및 상부금형에 압력과 열을 가하여 렌즈 형상으로 성형하는 성형단계; 성형된 렌즈를 경화하는 경화단계; 상기 성형된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하여 제조되는 것이다.
특히, 본 발명의 제조방법은 트랜스퍼 성형을 통해 제조되는 것이므로, 상기 액상 원료를 주입하는 단계는, 상기 하부 베이스에 설치된 플런저에 상기 액상 원료를 주입하는 단계; 상기 하부 베이스를 상승시켜 상기 상부 베이스와 결합함으로써 상기 하부금형 및 상부금형을 형합하는 단계; 상기 플런저를 상승시켜 상기 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계로 이루어진다.
도 1에는 본 발명에 따른 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하는 상부 및 하부금형을 도시한 측면도가 개시되어 있다.
트랜스퍼 몰딩을 위한 상부 및 하부금형(110, 210)은 각각 상부 및 하부 베이스(100, 200)에 설치되어 있으며, 하부금형(110)을 압력에 의해 상승시킴으로써 상부금형(210)과 맞닿아 형합되게 된다.
이때, 상부금형(210)에는 실리콘 렌즈의 형상에 해당하는 캐비티(220)가 형성되어 형합된 후 렌즈 형상 공동을 형성하게 된다. 다음으로 상기 렌즈 형상 공동에 액상 원료(230)를 주입함으로써 성형이 이루어지게 된다.
본 발명의 제조방법에서 사용되는 액상 원료(230)는 탈포를 거친 액상 실리콘과 경화제를 혼합하여 제조하며, 도 2에서와 같이 형합이 완료될 때까지 하부 베이스에 설치된 플런저(120)에 주입되어 있다.
이후 상기 하부금형(110)이 상승하여 상부금형(210)과 결합함으로써 렌즈 형상 공동이 형성되면 플런저(120)에 주입되어 있던 액상 원료(230)가 상기 공동에 주입되어 성형과정을 거쳐 렌즈를 형성하게 된다.
하나의 캐비티(220)가 형성된 상부금형(210)을 사용하면 금형 당 1개의 실리콘 렌즈를 제조할 수 있으나, 생산효율을 높이기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 캐비티(220)를 형성할 수도 있다. 이때 각각의 캐비티(220)는 러너(240)로 연결되어 액상 원료(230)가 하나의 캐비티(220)에 형성되면 상기 러너(240)를 통해 다른 캐비티(220)에도 충진됨으로써 복수의 렌즈를 제조할 수 있게 된다. 다만, 러너(240)를 통할 경우 성형된 렌즈 표면에 불균일한 부분이 형성될 수 있으므로 마감작업이 필요하다.
본 발명에서 상기 공동에 주입되는 액상 원료는 금형에 가해지는 열과 압력에 의해 경화되어야 하며, 금형에 공급되기 전에는 경화되지 않은 상태를 유지해야 하고, 트랜스퍼 성형을 위한 유동성을 가지며, 또한, 성형후 내구성, 표면 거칠기 등의 특성이 우수해야 하므로 액상 실리콘과 경화제의 종류 및 배합량을 조절할 필요가 있다.
본 발명에서는 상기 액상 실리콘으로 비닐기 함유 실리콘 수지를 사용하게 된다.
상기 비닐기 함유 실리콘 수지로는 R1SiO3 / 2 단위, R2 2SiO 단위 및 R3 aR4 bSiO(4-a-b)/ 2 단위로 이루어진 것을 사용할 수 있다.(여기서, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수산기, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 비닐기, 알릴기를 나타내되, R1 내지 R4 중 어느 하나 이상은 반드시 비닐기이며, a는 0, 1, 또는 2이며, b는 1 또는 2이며, a+b는 2 또는 3이다.)
이러한 수지로는 화학식 1, 2와 같은 수지를 들 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
또한, 상기 비닐기 함유 실리콘 수지의 각각의 단위 함량이 상이한 2 이상의 비닐기 함유 실리콘 수지를 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 경화제로 폴리디메틸실록산 등의 실록산을 사용할 수 있으며, 상기 액상 실리콘과 경화제는 1:1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 렌즈 성형시 열팽창을 저감시키고 투명성을 향상시키기 위하여 실리카 졸을 부가할 수 있다. 상기 실리카 졸은 비닐기 함유 실리콘 수지에 대하여 30 내지 50 중량%를 부가하여 사용할 수 있는데, 상기 범위를 벗어나면 성형성이 나빠지거나 실리카 졸로 인한 열팽창 저감 효과가 충분히 나타나지 않으므로 사용할 경우 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 액상 실리콘 원료에는 무기 충전제, 접착 보조제, 경화억제제, 이형제 등의 각종 첨가제를 배합할 수 있다.
본 발명의 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법에 있어서, 성형단계는 금형에 열과 압력을 가하여 수행하게 되는데 120 내지 180℃, 바람직하게는 120 내지 150℃의 온도에서 1 내지 10분, 바람직하게는 5 내지 10분간 경화하며, 압력은 10 내지 50 kgf/㎠의 범위에서 수행함으로써 경화공정을 완료하게 된다. 따라서 종래의 사출성형에 비하여 성형시간이 단축될 수 있는 장점이 있다.
또한, 성형 공정을 완료한 후 오븐에서 2차 경화하여 완전 경화를 진행함으로써 렌즈의 완성품을 얻을 수 있다. 2차 경화는 120 내지 180℃의 온도에서 1 내지 4시간 가열함으로써 수행된다.
본 발명의 실리콘 렌즈의 제조방법에 있어서, 성형 공정의 속도가 증가함에 따라 금형의 내구성이 문제가 될 수 있다. 일반적으로 트랜스퍼 성형을 위한 금형은 표면에 니켈 도금 처리를 하여 니켈 코팅층을 형성한다. 그러나 이러한 표면처리만으로는 본 발명에서 목적하는 공정 속도와 공정 정밀도를 만족시킬 수 없다.
실재로 종래의 니켈 도금 처리된 금형을 사용할 경우, 1주일의 통상적인 연속 공정 후 렌즈 표면의 균열, 변형 등이 발생하여 불량률이 올라가는 문제점을 발견하였다.
따라서 본 발명에서는 상기 니켈 도금 처리된 금형에 스퍼터링법에 의해 이리듐-레늄 코팅층을 추가적으로 형성함으로써 표면 내구성을 대폭 강화시켰다.
일반적으로 유리 렌즈의 성형 시 탈형 공정에서의 이형성을 부여하기 위하여 이리듐-레늄 합금으로 코팅층을 형성하는 경우가 있다(대한민국 등록특허공보 10-0984140호; 대한민국 공개특허공보 10-2008-0090019호; 대한민국 등록특허공보 10-1073717호).
그러나 본 발명에서는 트랜스퍼 성형을 통해 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하기 위한 금형의 금형 코어 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층이 순차적으로 적층함으로써 금형의 내구성을 향상시키고 이에 따라 연속 생산성과 연속 생산에 따른 표면 정밀도를 유지하고자 하는 과제를 해결하는 것이다. 실리콘 렌즈의 경우, 유리 렌즈와는 달리 탈형 공정의 이형성이 문제되지 않으며, 오히려 금형의 내구성과 정밀도 유지가 문제가 되는데, 본 발명에서는 상기 이리듐-레늄 코팅층을 적용함으로써 이러한 실리콘 렌즈의 제조공정에서 발생하는 문제점을 해결하고 있다.
본 발명에서 상기 이리듐-레늄 코팅층은 스퍼터링법으로 니켈 코팅층 상에 적층될 수 있다. 이러한 이리듐-레늄 코팅층을 형성하는 스퍼터링 장치는 통상의 박막 증착 설비를 이용할 수 있다. 예를 들어, D·C Magnetron Sputtering M/C를 사용하여 물리적 증기 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD)으로 제조할 수 있다.
본 발명의 금형 코어가 형성된 금형을 사용하여 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조할 경우, 1개월 연속 운전에 의한 불량률 증가도가 1% 이하로서, 통상의 니켈 코팅층이 형성된 금형의 불량률 증가도가 10% 이상인 것과 대비할 때 신뢰도가 현저히 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 렌즈와 통상의 사출성형으로 제조된 실리콘 렌즈의 특성을 평가한 결과를 표 1에 기재하였다.
상기 렌즈는 화학식 1로 표시되는 비닐기 함유 실리콘 수지, 폴리디메틸실록산의 1:1 중량비의 혼합물에 대하여 실리카 졸을 30 중량%를 혼합한 액상 원료를 사용하였다.
실리콘 렌즈의 특성 평가에 있어서, 열변형 온도는 ASTM D648에 규정한 방법에 따라 시험하였다. 시험편 크기는 130×13×6.5㎜이며, 응력하중은 1.84 MPa로 하였다.
인장강도는 만능 재료 시험기(UTM)를 이용하여 ASTM D648(type 2)에 규정한 방법에 따라 시험하였다. 시험 속도는 50㎜/min이었다.
굴곡강도, 신율는 만능 재료 시험기(UTM)를 이용하여 ASTM D790에 규정한 방법에 따라 시험하였다. 시험 속도는 1.3㎜/min이었다.
열변형온도
(℃)		 인장강도
(MPa)		 굴곡강도
(MPa)		 신율
(%)
트랜스퍼 성형 226 85 122 8.2
사출 성형 223 74 98 7.2
상기 표 1의 결과를 살펴보면, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실리콘 렌즈는 열변형온도, 인장강도, 굴곡강도, 신율에서 통상의 사출 성형에 의해 제조된 실리콘 렌즈에 비해 우수한 효과를 나타내어 자동차 램프용 렌즈로 적용함에 있어서 내구성과 신뢰도가 증가하는 것으로 파악되었다. 이러한 효과는 사출 성형과는 달리 열과 압력을 동시에 가하여 신속히 경화시키는 공정 조건에 의해 얻어지는 것으로 파악되었다.
따라서 본 발명의 제조방법에 의하면, 높은 압력과 온도를 이용한 트랜스퍼 성형을 통해 제조되는 것이므로 경화시간을 단축시켜 제조공정의 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 통상의 사출 성형에 의해 제조되는 실리콘 렌즈에 비해 우수한 특성을 나타내어 제품의 수명을 향상시키며 차량에 가해지는 충격에 의해서도 쉽게 파손되지 않는 것으로 파악되었다. 그러므로 자동차 램프용 렌즈, 특히, 자동차 헤드램프용 렌즈로서 적용함에 적합한 특성을 나타내는 실리콘 렌즈를 제조할 수 있다.
100 : 하부베이스 200 : 상부베이스
110 : 하부금형 210 : 상부금형
120 : 플런저 220 : 캐비티
230 : 액상 원료 240 : 러너

Claims (7)

  1. 트랜스퍼 성형을 통해 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈를 제조하기 위한 금형으로서,
    상기 금형은 금형 코어는 표면에 니켈 코팅층 및 이리듐-레늄 코팅층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이리듐-레늄 코팅층은 스퍼터링법으로 니켈 코팅층 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈 제조용 금형.
  3. 청구항 1에 기재된 금형을 이용한 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법으로서,
    액상 실리콘 원료를 탈포하는 단계;
    상기 액상 실리콘과 경화제를 혼합하여 액상 원료를 제조하는 단계;
    하부 베이스에 설치된 하부금형의 캐비티와 상부 베이스에 설치된 상부금형의 캐비티가 형합하여 형성된 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계;
    상기 하부금형 및 상기 상부금형에 압력과 열을 가하여 렌즈 형상으로 성형하는 성형단계;
    성형된 렌즈를 경화하는 경화단계;
    상기 성형된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 액상 원료를 주입하는 단계는,
    상기 하부 베이스에 설치된 플런저에 상기 액상 원료를 주입하는 단계;
    상기 하부 베이스를 상승시켜 상기 상부 베이스와 결합함으로써 상기 하부금형 및 상부금형을 형합하는 단계;
    상기 플런저를 상승시켜 상기 렌즈 형상 공동에 상기 액상 원료를 주입하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부금형 및 상기 하부금형은 복수의 렌즈 형상 캐비티를 포함하며, 상기 캐비티는 복수의 러너를 통해 연결되어 상기 액상 원료를 이동시키는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 액상 실리콘는 비닐기 함유 실리콘 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 액상 실리콘은 실리카 졸을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프용 실리콘 렌즈의 제조방법.
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