KR20220083926A - 칼코지나이드 유리 조성물 및 이의 성형물을 포함하는 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 굴절률이 우수하고 친환경적인 칼코지나이드 유리 조성물 및 이의 성형물을 포함하는 렌즈에 관한 것이다.

Description

칼코지나이드 유리 조성물 및 이의 성형물을 포함하는 렌즈{CHALCOGENIDE GLASS COMPOSITION AND LENS INCLUDING MOLDED ARTICLES OF THE SAME}
본 발명은 칼코지나이드 유리 조성물 및 이의 성형물을 포함하는 렌즈에 관한 것이다.
적외선 카메라는 비접촉 방식의 온도 측정 또는 열화상 이미지를 획득하는데 주로 활용되며, 육안으로 직접 확인할 수 없는 상황에서도 물체의 형상 정보를 시각화할 수 있는 장치이다. 따로 광원이 필요한 근적외선 카메라를 제외하면, 적외선 카메라에 적용될 수 있는 파장 대역은 대기 중 존재하는 분자들에 기인하는 진동 흡수 및 산란에 의해 중적외선(3~5 ㎛) 대역과 원적외선(8~12 ㎛) 대역으로 구분될 수 있다.
특히, 원적외선 대역은 항온 동물의 체온 범위에서 발산하는 흑체복사 스펙트럼의 피크 파장대역인 ~10 ㎛를 포함하고 있어 열화상 구현에 있어 매우 중요하다. 이와 같은 적외선 카메라는 기존 군수 분야에서 야간투시경과 같이 특수분야에 주로 사용되었으나 최근 민간 산업분야에서 체열 진단, 전력선 누전 검사, 차량용 나이트비전까지 응용이 다각화되고 있는 추세이다. 또한 최근 코로나바이러스 감염증으로 인해 다중 이용시설에서 보다 효과적으로 온도를 측정하고 발열 증상자를 가려낼 수 있는 수단으로 채용되어 그 수요가 크게 증가되고 있는 상황이다. 또한, 스마트폰에 장착하거나 내장되어 사용할 수 있는 수준의 소형화된 적외선 카메라 모듈의 상용화는 향후 다양한 전자기기 및 휴대용 모바일 기기 등의 형태로써 일상생활에 적용될 수 있는 가능성을 제시하고 있다.
따라서 민수시장 적용에 있어 칼코지나이드 유리는 적외선 카메라의 렌즈소재로 매우 유망한데 그 이유는 다음과 같다. 첫째, 기존 군수분야에서 활용되고 있는 Ge, ZnS, ZnSe등의 결정질 소재는 기계적/광학적 물성은 우수하지만 다이아몬드 선삭 가공방식을 이용하여 렌즈형태로 제작됨에 따라 렌즈 가공에 필요한 공정시간 측면에서 매우 불리하고 공정비용이 높은 반면, 칼코지나이드 유리는 유리 특유의 점성 유동특성을 활용한 몰딩 공정이 가능함에 따라 대량생산에 매우 용이하여 민수시장의 높은 수요에 대응할 수 있다. 둘째, 칼코지나이드 유리의 원소재 가격이 결정질 소재 대비 상대적으로 저렴하다. 단결정 Ge는 적외선 대역의 투과도가 우수하며 굴절률이 4이상으로 적외선 카메라 렌즈 소재로 가장 많이 사용되나 원료 자체가 비싸고 단결정 성장 관련 공정비용이 높다. 반면, 칼코지나이드 유리의 대표적인 상용 조성의 경우 원소재 가격이 가장 높은 성분인 Ge 함량이 약 30at% 수준으로 대폭 낮아짐에 따라 원소재 가격이 저렴하고 통상적인 용융-급냉법으로 소재를 합성하기 때문에 기존 단결정 소재보다 잉곳의 생산비용이 낮다. 셋째, 유리형성영역 내에서 조성의 변화를 통한 물성의 변화를 도모할 수 있기 때문에 굴절률과 분산 등의 광특성을 다변화하여 다양한 결상광학계의 구성이 용이하다.
잘 알려진 상용 칼코지나이드 유리 조성의 경우, 인체에 유해한 As 및 Sb 원소가 필수적으로 함유되어 있어 휴대용 전자기기와 같이 직접적으로 사용자와 접촉하는 제품에 적용하기 위해서는 향후 환경친화 조성의 개발이 필수적으로 요구된다. 또한, 칼코지나이드 유리는 기존 단결정 Ge 소재와 비교하여 굴절률이 낮기 때문에 카메라 모듈의 소형화에 제한이 있어서, 스마트폰에 내장될 수준으로 열화상 카메라 모듈을 소형화하기 위해서는 더욱 높은 굴절률을 가지는 칼코지나이드 유리 조성이 필요한 실정이다. 또한, 생산성 측면에서 렌즈의 크기가 소형화 될수록 웨이퍼레벨 몰딩 공정을 활용하여 공정 시 소재가 낭비되는 비율을 최소화하고 이미지센서 포함 카메라 모듈까지 일괄 제작 및 조립되는 방식이 적용되어야 하는데, 특히 칼코지나이드 유리의 경우 웨이퍼레벨 몰딩 공정에 적합하도록 조성설계가 이루어진 사례는 전무한 실정이다.
따라서 향후 민수 분야에서의 적외선 카메라에 대한 수요를 고려할 때, 인체에 유해한 As 및 Sb 원소가 함유되지 않으며, 높은 굴절률 특성과 함께 웨이퍼레벨 몰딩 공정에 적합한 새로운 조성물을 가지는 칼코지나이드 유리의 확보가 필수적이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인체에 유해하지 않으며, 우수한 굴절률 및 가격 경쟁력의 확보가 가능한 칼코지나이드 유리 조성물 및 이를 이용한 렌즈를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 총 원소에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 0 at% 초과 10 at% 미만이고, 상기 텔루륨 원소의 함량은 20 at% 초과 50 at% 미만인 칼코지나이드 유리 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시상태는, 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 총 원소에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 30 at% 이상 35 at% 이하이고, 상기 텔루륨 원소의 함량은 0 at% 초과 20 at% 이하이고, 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 1:1.5 초과 1:3.5 이하인 칼코지나이드 유리 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시상태는, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정에 적합한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않아 인체에 유해하지 않으며 친환경적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 원소재 가격이 높은 저마늄의 함량이 낮아, 가격 경쟁력이 우수할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 렌즈는 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 제조됨으로써, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수하고, 인체에 유해하지 않으며 친환경적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 렌즈는 원소재 가격이 높은 저마늄의 함량이 낮은 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 제조됨으로써, 가격 경쟁력이 우수할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 내지 비교예 3, 비교예 5에서 제조된 유리 시편의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편의 굴절률을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 유리 시편의 2 내지 15 ㎛ 파장 대역의 굴절률 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편에 대하여 DSC 열분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 6 및 비교예 10에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 굴절률을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 총 원소에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 0 at% 초과 10 at% 미만이고, 상기 텔루륨 원소의 함량은 20 at% 초과 50 at% 미만인 칼코지나이드 유리 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정에 적합한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않아 인체에 유해하지 않으며 친환경적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 원소재 가격이 높은 저마늄의 함량이 낮아, 가격 경쟁력이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 Ge-Ga-Se-Te의 사성분계 유리 조성물일 수 있다. Ge-Ga-Se-Te의 사성분계 칼코지나이드 유리 조성물은 후술하는 바와 같이, 렌즈로 성형될 수 있는 수준으로 안정한 비정질 상을 형성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태는 Ge-Ga-Se-Te의 사성분계에서 각 원소의 함량 범위를 조절함에 따라, 렌즈에 적합한 칼코지나이드 유리 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않을 수 있다. 종래에 상용된 칼코지나이드 유리 조성물은 비소 또는 안티모니를 반드시 포함하고 있어, 인체에 유해하기 때문에 민수 분야에 적용하기 어려운 문제가 있었다. 반면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 비소 및 안티모니를 함유하지 않음으로써, 인체에 유해하지 않아 민수 분야에 적용이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 텔루륨 원소의 함량은 20 at% 초과 50 at% 미만이다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 텔루륨 원소의 함량은 20 at% 초과 48 at% 이하, 20 at% 초과 45 at% 이하, 20 at% 초과 40 at% 이하, 20 at% 초과 35 at% 이하, 20 at% 초과 30 at% 이하, 22 at% 이상 50 at% 미만, 25 at% 이상 50 at% 미만, 30 at% 이상 50 at% 미만, 30 at% 이상 50 at% 미만, 35 at% 이상 50 at% 미만, 40 at% 이상 50 at% 미만, 30 at% 이상 40 at% 이하, 30 at% 이상 35 at% 이하, 또는 35 at% 이상 40 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 텔루륨 원소의 함량은 20 mol% 초과 50 mol% 미만일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 텔루륨 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.8 이상일 수 있다. 또한, 텔루륨 원소의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성, 구체적으로 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 0 at% 초과 10 at% 미만이다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 0 at% 초과 8 at% 이하, 0 at% 초과 5 at% 이하, 3 at% 이상 10 at% 미만, 5 at% 이상 10 at% 미만, 1 at% 이상 5 at% 이하, 3 at% 이상 5 at% 이하, 5 at% 이상 10 at% 이하, 또는 5 at% 이상 7 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 0 mol% 초과 10 mol% 미만일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 갈륨 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.8 이상일 수 있고, 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성이 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 66 at% 이상 75 at% 이하일 수 있다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 68 at% 이상 73 at% 이하, 66 at% 이상 70 at% 이하, 또는 70 at% 이상 75 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 66 mol% 이상 75 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률을 보다 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성, 구체적으로 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비는 2:1 내지 1:2.5일 수 있다. 구체적으로, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비는 2:1 내지 1:2.3, 2:1 내지 1:2, 1.7:1 내지 1:2.5, 1.5:1 내지 1:2.3, 1.5:1 내지 1:1.5, 1.3:1 내지 1:1.3, 2:1 내지 1.5:1, 1.5:1 내지 1:1, 1.3:1 내지 1:1, 1:1.5 내지 1:2, 1:1 내지 1:1.5, 또는 1:1 내지 1:1.3일 수 있다. 이때, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비는 at%비 또는 mol%비일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비가 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 보다 증가될 수 있다. 또한, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비를 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성, 구체적으로 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 16 at% 이상 55 at% 이하이다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 20 at% 이상 50 at% 이하, 25 at% 이상 45 at% 이하, 30 at% 이상 40 at% 이하, 16 at% 이상 45 at% 이하, 20 at% 이상 40 at% 이하, 25 at% 이상 35 at% 이하, 20 at% 이상 55 at% 이하, 25 at% 이상 50 at% 이하, 또는 30 at% 이상 45 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 16 mol% 초과 55 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 셀레늄 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.8 이상일 수 있다. 또한, 셀레늄 원소의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 20 at% 이상 30 at% 이하일 수 있다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 22 at% 이상 28 at% 이하, 24 at% 이상 26 at% 이하, 20 at% 이상 27 at% 이하, 20 at% 이상 25 at% 이하, 25 at% 이상 30 at% 이하, 또는 25 at% 이상 27 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 20 mol% 이상 30 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 저마늄 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 제조 단가가 저감되어 가격 경쟁력이 우수한 이점이 있다. 또한, 저마늄 원소의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 10 ㎛ 파장에서의 굴절률을 보다 증가시킬 수 있고, 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 1 내지 1.5일 수 있다. 구체적으로, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 1 초과 1.5 이하, 1.05 이상 1.45 이하, 1.1 이상 1.4 이하, 1.15 이상 1.35 이하, 1.17 이상 1.3 이하, 1 초과 1.2 이하, 1.05 이상 1.2 이하, 1.1 이상 1.2 이하, 또는 1.15 이상 1.2 이하일 수 있다.
화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성, 구체적으로 웨이퍼레벨 몰딩 공정성 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은, 각 원소의 조성비와 배위수를 활용하여 계산될 수 있다. 일반적으로 화학양론비 조성의 경우, 1로 계산되며, 칼코진 원소의 비율이 화학양론비 조성보다 높으면 1보다 크고, 낮으면 1보다 작은 결과를 나타낸다. 상기 계산에서 Ge 및 Ga 원자의 배위수는 4로 상정되고, Se 및 Te 원자의 배위수는 2로 상정되었다. 여기에서 특기할 만한 사항으로, Ga 원자는 Ga2Se3 또는 Ga2Te3 형태로 화학양론비를 만족하는 안정한 화합물을 형성하지만 유리구조 내에서는 최근접 배위수가 4인 것으로 선행연구를 통하여 판명되었다[Y.G. Choi, J. Non-Cryst. Solids 353 (2007) 1930; I. Pethes, et al., J. Non-Cryst. Solids 505 (2019) 340].
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 280 ℃ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 275 ℃ 이하, 270 ℃ 이하, 265 ℃ 이하, 260 ℃ 이하, 255 ℃ 이하, 250 ℃ 이하, 245 ℃ 이하, 240 ℃ 이하, 235 ℃ 이하, 또는 230 ℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 200 ℃ 이상, 205 ℃ 이상, 210 ℃ 이상, 215 ℃ 이상, 220 ℃ 이상, 225 ℃ 이상, 230 ℃ 이상, 또는 235 ℃ 이상일 수 있다.
유리전이온도가 전술한 범위를 만족하는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 성형 공정이 용이하며, 성형 공정 비용을 저감시킬 수 있다. 몰딩성형 공정에서 유리 소재의 유리전이온도는 금형 소재를 고려할 경우 매우 중요한 인자로 상정될 수 있다. 즉, 유리전이온도가 높을수록 금형 소재는 텅스텐 카바이드 또는 실리콘 카바이드 등과 같이 고온에서 높은 기계적 강도를 유지하는 소재를 사용해야 하는데, 해당 금형 소재는 직가공이 매우 어렵고 소재 가격이 비싼 것이 특징이다. 반면, 유리전이온도가 감소할수록 스테인레스 스틸 소재를 사용하거나 심지어 PDMS와 같은 값싼 고분자 소재를 금형 소재로 채용할 수 있으며, 이를 통해 공정 비용을 대폭 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 400 ℃ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 395 ℃ 이하, 390 ℃ 이하, 385 ℃ 이하, 380 ℃ 이하, 375 ℃ 이하, 370 ℃ 이하, 365 ℃ 이하, 360 ℃ 이하, 355 ℃ 이하, 350 ℃ 이하, 345 ℃ 이하, 340 ℃ 이하, 335 ℃ 이하, 또는 330 ℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 300 ℃ 이상, 305 ℃ 이상, 310 ℃ 이상, 315 ℃ 이상, 320 ℃ 이상, 325 ℃ 이상, 330 ℃ 이상, 또는 335 ℃ 이상일 수 있다. 결정화 시작온도가 전술한 범위를 만족하는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 몰딩 공정에 적용하기 용이한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도에서 유리전이온도를 뺀 값인 △T는 80 ℃ 이상 120 ℃ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 △T는 85 ℃ 이상 115 ℃ 이하, 90 ℃ 이상 110 ℃ 이하, 95 ℃ 이상 105 ℃ 이하, 80 ℃ 이상 110 ℃ 이하, 90 ℃ 이상 105 ℃ 이하, 100 ℃ 이상 105 ℃ 이하, 90 ℃ 이상 120 ℃ 이하, 95 ℃ 이상 115 ℃ 이하, 또는 100 ℃ 이상 110 ℃ 이하일 수 있다. 전술한 범위의 △T 값을 가지는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 몰드 성형공정에 적합할 수 있다. 일반적으로 몰딩 성형 공정은 유리전이온도와 결정화 시작온도 사이에서 실시되는데, 이때 결정화 시작온도와 유리전이온도 사이의 범위가 넓을수록 몰딩 공정 중에 유리의 결정화가 발생하지 않을 수 있고, 통상적으로 80 ℃ 이상의 범위를 가지는 유리가 몰딩공정에 적합한 것으로 평가되고 있다.
기존 칼코지나이드 유리 조성물을 렌즈로 성형하는 방식에 채용되던 단순 몰딩 공정은 프리폼을 사용하며, 성형 공정 전과 후에 비교적 큰 형상의 변화를 수반한다. 반면, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정의 경우에는 한번의 공정에서 비교적 작은 크기의 렌즈를 다수 성형할 수 있기 때문에 유리 원판의 표면부에서 국부적인 점탄성 변형이 발생하는 것이 중요하다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 Ge-Ga-Se-Te의 조성을 정밀하게 조절함으로써, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정에 적합한 물성을 보유하고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 웨이퍼레벨 몰딩 공정(웨이퍼레벨 임프린팅 공정) 적합성은 하기의 3가지 평가 기준을 활용할 수 있다.
첫째로, 유리전이온도에서 점도의 변화율을 나타내는 프래질러티(fragility) 인자를 활용할 수 있다. 프래질러티 인자가 높을수록 유리는 유리전이온도 이상의 온도 범위에서 점도가 상대적으로 크게 감소한다. 다양한 칼코지나이드 조성계를 대상으로 프래질러티 인자를 도출한 선행연구 결과가 있으며, 이를 기반으로 유리 조성물 내에서 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율(화학양론비)이 높을수록 프래질러티 인자가 증가하는 경향을 확인하였다[P. Ko??tαl et al., Int. Mater. Rev. 65 (2019) 63]. 웨이퍼레벨 몰딩 공정(웨이퍼레벨 임프린팅 공정)의 경우, 유리 표면부의 국부적인 변형을 통해 렌즈 형상이 전사됨에 따라 프래질러티 인자가 큰 조성이 더욱 적합하다.
둘째로, 전단변형 관점에서 칼코지나이드 유리는 몰딩공정 시 최소 두 개의 구조완화가 발생하며, 완화 시간이 짧은 구조완화는 결합에너지가 상대적으로 작은 동종결합에서 발생한다는 선행연구 결과가 있다[N. Kitamura, J. Non-Cryst. Solids 492 (2018) 126; J. Zhou, et al, Int. J. Appl. Glass Sci. 8 (2017) 255]. 즉, Ge-Ga-Se 삼성분계를 기준으로 GeSe2와 GaSe2로 설정한 화학양론비 조성을 벗어날수록 공유결합 특성을 지닌 칼코지나이드 유리는 동종결합 비율이 증가하고 동종결합의 비율이 증가할수록 웨이퍼레벨 몰딩 공정(웨이퍼레벨 임프린팅 공정)에 적합한 조성임을 유추할 수 있다.
셋째로, 몰딩성형 공정 시 유리와 금형은 일정한 접촉각을 유지하며 채워지는데, 이때 접촉각이 작을수록 금형에 의해 유리가 채워지는 비율이 더 높다는 선행연구가 존재한다[Y. Saotome et al., J. Mater. Process Technol. 140 (2003) 379]. 그러나 접촉각은 금형 소재와 유리 사이의 상호작용으로 발생하는 거시적인 물성임으로 몰드 소재의 조성변화, 표면 거칠기, 유리 소재의 조성변화 등에 영향을 받게 된다. 따라서 유리 자체의 고유 물성인 표면장력과 접촉각의 상관관계를 파악하였고, 그 결과를 통하여 유리 소재의 표면장력이 줄어들수록 접촉각이 감소하는 경향을 확인하였다. 선행연구를 통해 칼코지나이드 유리의 표면장력은 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율(화학양론비)이 증가할수록 감소하며[T.D. Mel'nichenko et al., Glass Phys. Chem., 35 (2009), 32], 이를 고려할 때 화학양론비 기준 칼코진 원소의 비율이 높아지면 웨이퍼레벨 몰딩 공정(웨이퍼레벨 임프린팅 공정)에 더 적합함을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.8 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서, 굴절률이 2.8 이상 또는 2.85 이상일 수 있다. 종래에 상용화된 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 최소 2.4944에서 최대 2.7870인 것이 확인되었다. 즉, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서의 굴절률이 2.8 이상으로, 우수한 광학 물성을 보유하고 있다.
또한 굴절률 계산 방법론을 활용하기 위하여, 칼코지나이드 유리를 구성하는 각 원소의 분극률을 정량화하고 밀도를 측정하여, 칼코지나이드 유리 조성물의 굴절률을 계산하였고, 이에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 12 ㎛ 이상의 파장을 투과할 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 원적외선 투과 렌즈로 사용되기 위한 필수 조건인 12 ㎛ 이상의 파장을 투과하는 물성을 만족한다.
본 발명의 일 실시상태는, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 렌즈는 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 제조됨으로써, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수하고, 인체에 유해하지 않으며 친환경적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 렌즈는 원소재 가격이 높은 저마늄의 함량이 낮은 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 제조됨으로써, 가격 경쟁력이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈는, 원적외선 카메라용 렌즈일 수 있다. 전술할 바와 같이, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수함과 동시에, 인체에 유해하지 않고 가격 경쟁력이 우수하며, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정에 적합한 물성을 가져, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 원적외선 카메라용 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 성형물은 상기 칼코지나이드 유리 조성물이 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 성형하여, 상기 렌즈를 제조할 수 있다. 구체적으로는, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 성형하여, 상기 렌즈를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는, 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고, 총 원소에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 30 at% 이상 35 at% 이하이고, 상기 텔루륨 원소의 함량은 0 at% 초과 20 at% 이하이고, 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 1:1.5 초과 1:3.5 이하인 칼코지나이드 유리 조성물을 제공한다.
이하에서는 본 실시상태(예를 들어, 제2 칼코지나이드 유리 조성물)가 앞선 실시상태(예를 들어, 제1 칼코지나이드 유리 조성물) 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않을 수 있다. 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 인체에 유해한 비소 및 안티모니를 포함하지 않아, 민수 분야에 적용이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 텔루륨 원소의 함량은 0 at% 초과 20 at% 이하, 3 at% 이상 20 at% 이하, 5 at% 이상 20 at% 이하, 10 at% 이상 20 at% 이하, 또는 0 at% 초과 10 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 텔루륨 원소의 함량은 0 mol% 초과 20 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 텔루륨 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수할 수 있다. 또한, 텔루륨 원소의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시상태에 따른 상기 칼코지나이드 유리 조성물(예를 들어, 제2 칼코지나이드 유리 조성물)은 전술한 일 실시상태에 따른 상기 칼코지나이드 유리 조성물(예를 들어, 제1 칼코지나이드 유리 조성물) 대비하여, 10 ㎛ 파장에서 굴절률과 웨이퍼레벨 몰딩 공정성이 다소 낮으나, 기존 몰딩 공정을 이용하여 렌즈를 제조하기에는 적합할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 총 원소에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 30 at% 이상 35 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 저마늄 원소의 함량은 30 mol% 이상 35 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 저마늄 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 제조 단가가 저감되어 가격 경쟁력이 우수한 이점이 있다. 또한, 저마늄 원소의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 10 ㎛ 파장에서의 굴절률을 보다 증가시킬 수 있고, 몰딩 공정성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 1:1.5 초과 1:3.5 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 1:1.55 이상 1:3.5 이하, 1:1.6 이상 1:3.5 이하, 1:1.7 이상 1:3.5 이하, 또는 1:1.75 이상 1:3.5 이하일 수 있다. 이때, 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 at%비 또는 mol%비일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비가 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 보다 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 55 at% 초과 65 at% 미만일 수 있다. 구체적으로, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 58 at% 이상 63 at% 이하, 55 at% 초과 60 at% 이하, 또는 60 at% 이상 65 at% 미만일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 55 mol% 초과 65 mol% 미만일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률을 보다 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 텔루륨 원소와 상기 셀레늄 원소의 함량비는 1:2 내지 1:5일 수 있다. 구체적으로, 상기 텔루륨 원소와 상기 셀레늄 원소의 함량비는 1:2 내지 1:4, 1:2 내지 1:3, 1:3 내지 1:5, 또는 1:4 내지 1:5일 수 있다. 이때, 상기 텔루륨 원소와 상기 셀레늄 원소의 함량비는 at%비 또는 mol%비일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비가 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 보다 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 35 at% 이상 65 at% 미만일 수 있다. 구체적으로, 총 원소에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 37 at% 이상 60 at% 이하, 40 at% 이상 55 at% 이하, 40 at% 이상 50 at% 이하, 35 at% 이상 50 at% 이하, 또는 40 at% 이상 65 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 셀레늄 원소의 함량은 35 mol% 이상 65 mol% 이하일 수 있다.
상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 셀레늄 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 증가될 수 있고, 몰딩 공정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 총 원소에 대하여, 상기 갈륨의 함량은 5 at% 이상 10 at% 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 대하여, 상기 갈륨 원소의 함량은 5 mol% 이상 10 mol% 이하일 수 있다. 상기 칼코지나이드 유리 조성물에 포함된 갈륨 원소의 함량이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률과 몰딩 공정성이 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 총 원소에 대하여, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 0.6 내지 0.95일 수 있다. 구체적으로, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 0.65 이상 0.9 이하, 0.7 이상 0.85 이하, 0.75 이상 0.8 이하, 0.6 이상 0.8 이하, 또는 0.75 이상 0.9 이하일 수 있다.
화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율이 전술한 범위 내인 경우, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 안정한 벌크 유리를 형성할 수 있고, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 공정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 310 ℃ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 305 ℃ 이하, 300 ℃ 이하, 295 ℃ 이하, 290 ℃ 이하, 285 ℃ 이하, 280 ℃ 이하, 또는 275 ℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 유리전이온도는 260 ℃ 이상, 265 ℃ 이상, 또는 270 ℃ 이상일 수 있다. 유리전이온도가 전술한 범위를 만족하는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 성형 공정이 용이하며, 성형 공정 비용을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 390 ℃ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 385 ℃ 이하, 380 ℃ 이하, 375 ℃ 이하, 370 ℃ 이하, 365 ℃ 이하, 또는 360 ℃ 이하일 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도는 340 ℃ 이상, 345 ℃ 이상, 350 ℃ 이상, 또는 355 ℃ 이상일 수 있다. 결정화 시작온도가 전술한 범위를 만족하는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 몰딩 공정에 적용하기 용이한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 결정화 시작온도에서 유리전이온도를 뺀 값인 △T는 80 ℃ 이상 90 ℃ 이하일 수 있다. 전술한 범위의 △T 값을 가지는 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 몰드 성형공정에 적합할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.7 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장값을 가지는 광에 대하여, 굴절률이 2.77 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 12 ㎛ 이상의 파장을 투과할 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 원적외선 투과 렌즈로 사용되기 위한 필수조건인 12 ㎛ 이상의 파장을 투과하는 물성을 만족한다.
본 발명의 일 실시상태는, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈를 제공한다. 즉, 본 발명의 일 실시상태는 제2 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈는, 원적외선 카메라용 렌즈일 수 있다. 전술할 바와 같이, 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 우수함과 동시에, 인체에 유해하지 않고 가격 경쟁력이 우수하며, 웨이퍼레벨 몰딩 공정에 적합한 물성을 가져, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 이용하여 원적외선 카메라용 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 성형물은 상기 칼코지나이드 유리 조성물이 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 성형하여, 상기 렌즈를 제조할 수 있다. 구체적으로는, 상기 칼코지나이드 유리 조성물을 웨이퍼레벨 몰딩 공정(임프린팅 공정) 또는 기존의 몰딩 공정으로 성형하여, 상기 렌즈를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하게 위해 제공되는 것이다.
사성분계 Ge-Ga-Se-Te 조성을 가지는 시편을 제작하였다. 모든 시편은 칼코지나이드 유리의 합성에 적용되는 전형적인 용융-급냉법에 의해 제작되었다. 각 조성의 유리시편은 원형 막대이고 공통적으로 지름이 10 mm이거나 지름이 34 mm이며 길이가 6 cm 이상이었으며, 구체적인 제조공정은 다음과 같다.
유리 시편(1)의 제조
실시예 1 내지 실시예 3
실리카 앰퓰 내에 존재할 가능성이 있는 오염원을 제거하기 위해 전처리 과정으로 아세톤을 이용하여 세척한 뒤, 600 ℃에서 3 시간 이상 열처리를 진행하였다. 그리고 Ar 가스로 충진된 글로브 박스 내에서 하기 표 1과 같이 각 시편의 조성비대로 출발물질을 칭량한 후 실리카 앰퓰에 장입하고, 내부를 진공상태로 유지하면서 산소와 아세틸렌 가스 토치를 사용하여 실리카 앰퓰을 용융하여 밀봉시켰다. 이후 밀봉된 실리카 앰퓰은 락킹 전기로를 통해 1000 ℃에서 12시간 이상 유지한 후 냉각을 실시하였다. 이후 시편 내부의 열응력을 최소화하고 균질도 향상을 위해 소둔 공정을 수행하였다. 이때 소둔 온도는 유리전이온도보다 통상 20 ℃ 낮으며, 3시간 유지 후 노냉하였다.
비교예 1 내지 비교예 5
하기 표 2와 같이 각 시편의 조성비대로 출발물질을 칭량한 것을 제외하고, 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일한 방법으로 유리 시편을 제조하였다.
물성 평가(1)
벌크 유리 형성 여부 판단
상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 5에서 제조된 유리 시편에 대하여, XRD 패턴 분석 및 FT-IR 장비를 이용하여 원적외선 대역 투과 스펙트럼을 측정하여, 유리 시편이 벌크 유리 형성 여부를 판단하였다.
구체적으로, 먼저 XRD 장비(Ultima IV, Rigaku 社)를 이용하여, 유리 시편의 XRD 패턴을 분석하여, 결정화 피크가 발생되는지 여부를 확인하였다. 이후, FT-IR 장비(Spectrum 100, PerkinElmer 社)를 이용하여, 유리 시편의 원적외선 대역 투과 스펙트럼을 측정하여, 투과율이 10 % 미만인 경우에는 벌크 유리가 형성되지 않는 것으로 평가하여, 벌크 유리 형성 여부를 판단하였다.
상기 방법을 통해, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 5에서 제조된 유리 시편이 벌크 유리를 형성하는 여부를 판단하여, 하기 표 1 내지 표 2에 각각 나타내었다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 내지 비교예 3, 비교예 5에서 제조된 유리 시편의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다. 도 1에서, G9T0는 Ge25Ga5Se70의 조성을 의미한다.
도 1을 참고하면, 텔루륨의 함량이 30 at%인 실시예 1(G9T30), 35 at%인 실시예 2(G9T35) 및 40 at%인 실시예 3(G9T40)은 XRD 패턴에서 결정화 피크가 검출되지 않는 것을 확인하였다.
반면, 텔루륨의 함량이 10 at%인 비교예 1(G9T10), 20 at%인 비교예 2(G9T20) 및 70 at%인 비교예 5(G9T70)는 XRD 패턴에서 결정화 피크가 검출된 것을 확인하였다. 한편, 텔루륨의 함량이 50 at%인 비교예 3(G9T50)에서는 결정화 피크가 미약하게 검출된 것을 확인하였다.
이를 통해, 칼코지나이드 유리 조성물에서 텔루륨의 함량이 20 at% 초과 50 at% 미만으로 조절되는 경우에 벌크 유리가 형성될 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 2는 XRD 패턴에서 안정한 유리상을 가지는 것으로 확인된 조성을 대상으로 두께 2 mm인 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편은 40% 이상의 투과율을 나타내고 있으나, 비교예 3에서 제조된 유리 시편은 투과율이 5% 미만인 것을 확인하였다.
이를 통해, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편은 원적외선 대역에서 투과도가 우수하여, 원적외선 카메라용 렌즈에 사용될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 2를 참고하면, 텔루륨 원소의 함량이 증가하면서 적외선 대역의 평균 투과도가 점차 낮아지는 경향을 확인할 수 있는데, 이는 굴절률 상승으로 인해 프레넬 반사가 증가하면서 초래되기 때문에 유리 자체의 결함이 아니고, 오히려 텔루륨 원소의 함량이 커지면서 굴절률이 증가됨을 보여주는 실험적 증거이다. 텔루륨 원소의 함량이 50 at%인 비교예 3의 경우, 적외선대역 투과도가 매우 낮은 것으로 확인되는데, 이는 XRD 패턴에서는 결정화 현상이 발생되지 않았으나 유리구조의 특성 때문에 발생하는 산란에 기인한 효과로 판단된다.
Ge
(at%)
Ga
(at%)
Se
(at%)
Te
(at%)
벌크 유리
형성 유무
칼코진
비율
실시예 1
(G9T30)
25 5 40 30 O 1.17
실시예 2(G9T35) 25 5 35 35 O 1.17
실시예 3(G9T40) 25 5 30 40 O 1.17
Ge
(at%)
Ga
(at%)
Se
(at%)
Te
(at%)
벌크 유리
형성 유무
칼코진
비율
비교예 1
(G9T10)
25 5 60 10 X 1.17
비교예 2(G9T20) 25 5 50 20 X 1.17
비교예 3(G9T50) 25 5 20 50 X 1.17
비교예 4(G9T60) 25 5 10 60 X 1.17
비교예 5(G9T70) 25 5 0 70 X 1.17
상기 표 1 및 표 2에서, "칼코진 비율"은 총 원소에 대하여, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율을 계산하여 나타낸 것이다.
굴절률 평가
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편의 굴절률을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 3에는 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편에 대하여 계산된 굴절률 및 실시예 3에서 제조된 유리 시편에 대하여 실제로 측정한 굴절률을 나타낸 것이다.
도 3은 10 ㎛ 파장에서 이론적으로 도출된 굴절률과 실험적으로 측정된 굴절률을 보여준다. 칼코지나이드 유리는 통상적으로 단위부피당 원자의 충진밀도가 높고, 구성원자의 분극률이 높을수록 높은 굴절률을 나타낸다. 해당 근거를 기반으로 Ge-Sb-Se 조성계와 Ge-As-Se 조성계 유리를 대상으로 굴절률을 계산하는 방법론이 발표된 바 있다[Y. A. Ping et al., Acta. Phys. Sin 68 (2019) 017801; Y. Wang et al., J. Non-Cryst. Soilds 459 (2017) 88]. 그러나 본 발명의 일 실시상태에 따른 Ge-Ga-Se-Te 조성계를 대상으로 굴절률을 계산한 사례는 없으나, 본 발명에서는 조성변화에 대한 굴절률 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 유리 시편의 밀도를 측정하고 각 원자의 분극률을 파악하여, 조성별 굴절률을 계산하였다. 구체적으로, 텔루륨 원소의 함량이 40 at%인 실시예 3의 경우 실험적으로 측정한 굴절률과 계산으로 도출된 굴절률을 비교하면, 그 수치가 서로 오차범위 이내에 위치함을 확인할 수 있고, 이를 근거로 이론적으로 도출된 굴절률의 신뢰도를 확보하였다. 해당 결과를 기반으로 텔루륨 함량에 비례하여 굴절률이 증가하는 경향을 재차 확인하였고, 실시예 3(Ge25Ga5Se30Te40)의 경우 알려진 상용 칼코지나이드 조성인 Ge30As13Se32Te25 조성을 가지는 유리의 굴절률 2.787을 상회하는 2.855 수치를 확보한 것을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 유리 시편의 2 내지 15 ㎛ 파장 대역의 굴절률 측정 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 4는 ellipsometer 장비를 활용하여, 실시예 3(G9T40)에서 제조된 유리 시편의 2 내지 15 ㎛ 파장 대역의 굴절률 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 4를 참고하면, 단파장 대역의 밴드갭 흡수로 인하여 굴절률이 도 4에 도시된 바와 같이 정상 분산 형태를 나타내며 점차 감소하는 경향이 확인되며, 이때 10 ㎛에서의 굴절률이 2.855인 것을 확인하였다. 도 4를 통해, 실시예 3(G9T40)에서 제조된 유리 시편에 대한 10 ㎛에서 굴절률 분산 정도를 수치화할 수 있음을 알 수 있고, 굴절률 변화가 작은 것을 알 수 있다.
한편, 10 ㎛에서 굴절률 분산 정도는 아베수(Abbe number)로 수치화할 수 있으며, 그 계산식은 하기와 같다.
[계산식]
Figure pat00001
v10 = (10 ㎛, Abbe number) = 206
n8 = (8 ㎛, 굴절률) = 2.859
n10 = (10 ㎛, 굴절률) = 2.855
n12 = (12 ㎛, 굴절률) = 2.850
상기 계산식을 통해 도출된 아베수(Abbe number) 값이 높을수록 저분산(굴절률 변화가 작음), 낮을수록 고분산(굴절률 변화가 큼)을 의미하며, 본 발명의 실시예 3(G9T40) 조성의 아베수는 계산 결과 206으로 도출되었고, 이는 굴절률 변화가 매우 낮은 저분산 특징을 나타냄을 의미한다. 한편, 상용 조성 중 상당한 수준의 저분산 특성을 나타내는 Ge30As13Se32Te25 유리의 아베수는 167로 확인되고 있다.
따라서, 실시예 3(G9T40) 조성은 상용 조성 대비 매우 우수한 저분산 특성을 나타냄을 확인할 수 있으며, 이와 같이 저분산 특성을 갖는 재료를 렌즈로 활용하게 되면, 파장 변화에 따라 굴절률 변화가 작아 초점 거리의 변화가 거의 없음으로 광학적 수차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
유리전이온도 및 결정화 시작온도 측정
상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편에 대하여, DSC 열분석 장치(Exstar 6000, Seiko 社)를 이용하여, DSC 열분석을 수행하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편에 대하여 DSC 열분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5에 나타난 DSC 열분석 결과를 토대로, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편의 유리전이온도 및 결정화 시작온도를 하기 표 3에 나타내었다.
유리전이온도(oC) 결정화 시작온도(oC) [결정화 시작온도 - 유리전이온도] (oC)
G9T0 282.9 411.7 128.8
실시예 1(G9T30) 239.0 339.0 100.0
실시예 2(G9T35) 232.4 336.9 104.5
실시예 3(G9T40) 227.5 330.0 102.5
상기 표 3을 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 유리 시편은 유리전이온도가 240 ℃ 미만, 결정화 시작온도가 340 ℃ 미만이고, 결정화 시작온도와 유리전이온도를 뺀 △T 값이 80 ℃ 이상인 것을 확인하였다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시상태에 따른 칼코지나이드 유리 조성물은 웨이퍼레벨 몰딩 공정에 적합한 물성을 가지고 있음을 알 수 있다.
유리 시편(2)의 제조
실시예 4 내지 실시예 6
하기 표 4와 같이 각 시편의 조성비대로 출발물질을 칭량한 것을 제외하고, 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일한 방법으로 유리 시편을 제조하였다.
비교예 6 내지 비교예 14
하기 표 5와 같이 각 시편의 조성비대로 출발물질을 칭량한 것을 제외하고, 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일한 방법으로 유리 시편을 제조하였다.
비교예 15 내지 비교예 25
하기 표 6과 같이 각 시편의 조성비대로 출발물질을 칭량한 것을 제외하고, 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일한 방법으로 유리 시편을 제조하였다.
물성 평가(2)
벌크 유리 형성 여부 판단
상기 물성 평가(1)에 기재된 방법과 동일한 방법으로, 상기 실시예 4 내지 실시예 6 및 비교예 6 내지 비교예 25에서 제조된 유리 시편에 대하여, XRD 패턴 분석 및 FT-IR 장비를 이용하여 원적외선 대역 투과 스펙트럼을 측정하여, 유리 시편이 벌크 유리 형성 여부를 판단하고, 그 결과를 하기 표 4 내지 표 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예 6 및 비교예 10에서 제조된 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 6 및 도 7은 두께 2 mm인 유리 시편의 적외선 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 실시예 4 내지 실시예 6에서 제조된 유리 시편은 50% 이상의 투과율을 나타내고 있으나, 비교예 10에서 제조된 유리 시편은 투과율이 5% 미만인 것을 확인하였다.
이를 통해, 실시예 4 내지 실시예 6에서 제조된 유리 시편은 원적외선 대역에서 투과도가 우수하여, 원적외선 카메라용 렌즈에 사용될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 비교예 10의 경우, 내부 기공 및 부분적으로 발생한 미세 결정에 기인한 산란효과로 적외선 대역 투과율이 매우 낮은 것으로 확인된다.
Ge
(at%)
Ga
(at%)
Se
(at%)
Te
(at%)
벌크 유리
형성 유무
칼코진
비율
실시예 4(G2T10) 35 5 50 10 O 0.75
실시예 5(G2T20) 35 5 40 20 O 0.75
실시예 6(G4T10) 30 10 50 10 O 0.75
Ge
(at%)
Ga
(at%)
Se
(at%)
Te
(at%)
벌크 유리
형성 유무
칼코진
비율
비교예 6(G2T30) 35 5 30 30 X 0.75
비교예 7(G2T40) 35 5 20 40 X 0.75
비교예 8(G2T50) 35 5 10 50 X 0.75
비교예 9(G2T60) 35 5 0 60 X 0.75
비교예 10(G4T20) 30 10 40 20 X 0.75
비교예 11(G4T30) 30 10 30 30 X 0.75
비교예 12(G4T40) 30 10 20 40 X 0.75
비교예 13(G4T50) 30 10 10 50 X 0.75
비교예 14(G4T60) 30 10 0 60 X 0.75
Ge
(at%)
Ga
(at%)
Se
(at%)
Te
(at%)
벌크 유리
형성 유무
칼코진
비율
비교예 15(G'6T10) 23.3 10 56.7 10 X 1.00
비교예 16(G'6T20) 23.3 10 46.7 20 X 1.00
비교예 17(G'6T30) 23.3 10 36.7 30 X 1.00
비교예 18(G12T10) 20 10 60 10 X 1.17
비교예 19(G12T20) 20 10 50 20 X 1.17
비교예 20(G12T30) 20 10 40 30 X 1.17
비교예 21(G12T35) 20 10 35 35 X 1.17
비교예 22(G12T40) 20 10 30 40 X 1.17
비교예 23(G12T50) 20 10 20 50 X 1.17
비교예 24(G12T60) 20 10 10 60 X 1.17
비교예 25(G12T70) 20 10 0 70 X 1.17
상기 표 4 내지 표 6에서, "칼코진 비율"은 총 원소에 대하여, 화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율을 계산하여 나타낸 것이다.
굴절률 평가
상기 물성 평가(1)에 기재된 방법과 동일한 방법으로, 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 굴절률을 평가하였다.
도 8은 본 발명의 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 굴절률을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 8에는 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편에 대하여 계산된 굴절률 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편에 대하여 실제로 측정한 굴절률을 나타낸 것이다.
상기 도 3에서 검토한 바와 같이, 텔루륨 원소의 함량에 비례하여 굴절률이 증가하는 경향을 이론적/실험적으로 파악할 수 있으며, 이론적으로 도출된 굴절률은 실측한 결과(2.77)를 반영하고 있음을 확인할 수 있었다.
유리전이온도 및 결정화 시작온도 측정
상기 물성 평가(1)에 기재된 방법과 동일한 방법으로, 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 유리전이온도 및 결정화 시작온도 측정하고, 측정값을 하기 표 7에 나타내었다.
유리전이온도 (oC) 결정화 시작온도(oC) [결정화 시작온도 - 유리전이온도] (oC)
G2T0 315.4 393.2 77.8
실시예 4(G2T10) 302.1 386.4 84.3
실시예 5(G2T20) 272.7 357.3 84.6
상기 표 7을 참고하면, 실시예 4 및 실시예 5에서 제조된 유리 시편의 경우, 결정화 시작온도에서 유리전이온도를 뺀 △T 값이 80 ℃ 이상인 것을 확인하였고, 이를 통해 상기 칼코지나이드 유리 조성물은 몰딩 공정에 적합한 물성을 가지고 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 4 및 실시예 5의 해당 조성비를 가지는 유리는 칼코진 비율이 0.75로 화학양론비 기준 칼코진 부족 조성임을 특징으로 한다. 통상적으로 해당 조성 영역은 유리 구조상 평균 배위수와 평균 결합에너지가 높은 것이 특징이며 이에 따라 유리전이온도 및 경도가 높다는 특성을 나타낸다. 이를 기반으로, 유리전이온도가 칼코진 비율이 1.17인 실시예 1 내지 실시예 3의 유리에 비해 높은 것을 확인할 수 있다.
따라서 실시예 4 및 실시예 5의 유리는, 실시예 1 내지 실시예 3의 유리 대비하여, 결정화 경향성이 비교적 크고, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 적합성이 떨어지나 기존 몰딩 공정을 활용하여 렌즈로 제작될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고,
    총 원소에 대하여,
    상기 갈륨 원소의 함량은 0 at% 초과 10 at% 미만이고,
    상기 텔루륨 원소의 함량은 20 at% 초과 50 at% 미만인 칼코지나이드 유리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 66 at% 이상 75 at% 이하인 칼코지나이드 유리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소의 함량비는 2:1 내지 1:2.5인 칼코지나이드 유리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    상기 저마늄 원소의 함량은 20 at% 이상 30 at% 이하인 칼코지나이드 유리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않는 칼코지나이드 유리 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 1 내지 1.5인 칼코지나이드 유리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 10 ㎛ 파장에서 굴절률이 2.8 이상인 칼코지나이드 조성물.
  8. 제1항에 따른 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 성형물은 상기 칼코지나이드 유리 조성물이 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 형성되는 것인 렌즈.
  10. 저마늄(Ge), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)을 포함하고,
    총 원소에 대하여,
    상기 저마늄 원소의 함량은 30 at% 이상 35 at% 이하이고,
    상기 텔루륨 원소의 함량은 0 at% 초과 20 at% 이하이고,
    상기 텔루륨 원소와 상기 저마늄 원소의 함량비는 1:1.5 초과 1:3.5 이하인 칼코지나이드 유리 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    상기 셀레늄 원소와 상기 텔루륨 원소 함량의 합은 55 at% 초과 65 at% 미만인 칼코지나이드 유리 조성물.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 텔루륨 원소와 상기 셀레늄 원소의 함량비는 1:2 내지 1:5인 칼코지나이드 유리 조성물.
  13. 제10항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    상기 갈륨의 함량은 5 at% 이상 10 at% 이하인 칼코지나이드 유리 조성물.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 비소(As) 및 안티모니(Sb)를 포함하지 않는 칼코지나이드 유리 조성물.
  15. 제10항에 있어서,
    총 원소에 대하여,
    화학양론비 기준으로 비칼코진 원소에 대한 칼코진 원소의 비율은 0.6 내지 0.95인 칼코지나이드 유리 조성물.

  16. 제10항에 따른 칼코지나이드 유리 조성물의 성형물을 포함하는 렌즈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 성형물은 상기 칼코지나이드 유리 조성물이 직가공, 몰딩 공정, 웨이퍼레벨 몰딩 공정 또는 웨이퍼레벨 임프린팅 공정으로 형성되는 것인 렌즈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101756747B1 (ko) * 2016-03-09 2017-07-12 한국항공대학교산학협력단 유리 조성물 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈

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