KR20220167060A - Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예는 Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법을 공개한다. 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈 제조 장치는 상부 금형; 하부 금형; 상기 상부 금형에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE(High-Density Polyethylene) 모재에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사하는 프레넬 금형; 기판이 거치되고 상기 하부 금형에 결합되는 기판 금형; 상기 하부 금형 위에 놓여지고, 상기 기판 금형 둘레에서 상기 기판 금형과 결합되어 실리콘 기판 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부를 형성하는 환형 금형; 및 상기 상부 금형과 상기 하부 금형에 각각 결합되어 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 가열하는 한 쌍의 카트리지 히터(heat catridge)를 포함한다. 본 발명은 종래 기술의 PE 및 PP 대신에 HPPE(High-Density Polyethylene)를 이용하여 프레넬 렌즈를 제작함으로써, 프레넬 렌즈의 형상을 유지하면서도 적외선의 투과율을 향상시킬 수 있다.

Description

Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법{Frsnel lens manufacturing apparatus and method using Si-HDPE}
본 발명은 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 적외선 카메라 시장이 성장하면서, 적외선 카메라에 이용되는 렌즈의 수요도 증가하고 있다. 적외선 카메라는 자동차의 편의 장치에 적용되어 우천시나 야간 주행시에 전방의 물체를 인식하거나 차선을 인식하는데 이용될 뿐만 아니라, 야간에 사용자 인증을 위한 얼굴 인식 등에도 적용되어 그 이용 범위가 지속적으로 증대되고 있다.
그런데, 종래 기술에 따른, 적외선 카메라에 이용되는 렌즈는 Ge 재질로 제조되는데, Ge 재질은 제조 비용이 높고 가공성이 나쁘다는 단점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 다른 기술은, PE, PP 재질을 이용한다.
그러나, PE, PP 재질은 제조 비용이 낮고 가공성이 좋지만, 두께가 두꺼워지면 투과율이 현저하게 저하되어 렌즈 자체의 성능이 떨어진다는 단점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 렌즈의 두께를 50um 정도로 얇게하면 투과율을 향상시킬 수 있지만, PE, PP 재질의 특성상 50um 정도 두께로 제조되면 렌즈의 형상을 유지하기 어려운 문제점이 또 다시 발생한다.
본 출원인은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 아래의 표에 기재된 연구과제를 수행하여 Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치 및 방법을 개발하였다.
Figure pat00001
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적외선 투과율이 양호하면서도 가공성이 좋은 프레넬 렌즈를 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 장치는, 상부 금형; 하부 금형; 상기 상부 금형에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE(High-Density Polyethylene) 모재에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사하는 프레넬 금형; 기판이 거치되고 상기 하부 금형에 결합되는 기판 금형; 상기 하부 금형 위에 놓여지고, 상기 기판 금형 둘레에서 상기 기판 금형과 결합되어 실리콘 기판 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부를 형성하는 환형 금형; 및 상기 상부 금형과 상기 하부 금형에 각각 결합되어 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 가열하는 한 쌍의 카트리지 히터(heat catridge)를 포함한다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 장치에서, 상기 환형 금형의 전부 또는 일부 측면에는, 상기 상부 금형과 상기 환형 금형이 밀착되면서 상부 금형과 하부 금형 사이의 공간에서 흘러 넘친 용융 상태의 HDPE 모재를 수용하는 오버플로우 웰이 형성될 수 있다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 장치에서, 상기 기판 금형의 상부 표면에는 돌출부가 형성되어 있고, 상기 돌출부의 상면은 평탄하며 직경은 상기 실리콘 기판의 직경보다 작다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 장치에서, 상기 상부 금형에는 상기 프레넬 금형이 삽입될 오목부가 형성되어 있고, 상기 프레넬 금형은 상기 오목부에 삽입되어 상기 상부 금형에 결합될 수 있다.
한편, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Si-HDPE를 이용한 프레넬 렌즈 제조 방법은, 상부 금형, 하부 금형, 상기 상부 금형에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE 모재에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사하는 프레넬 금형, 기판이 거치되고 상기 하부 금형에 결합되는 기판 금형, 상기 기판 금형 둘레에서 상기 기판 금형과 결합되어 실리콘 기판 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부를 형성하는 환형 금형, 및 상기 상부 금형과 상기 하부 금형에 각각 결합되어 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 가열하는 한 쌍의 카트리지 히터(heat catridge)를 포함하는 프레넬 렌즈 제조 장치에서 수행하는 프레넬 렌즈 제조 방법으로서, (a) 상기 하부 금형과 상기 상부 금형을 서로 마주보게 배치하는 단계; (b) 상기 기판 금형 위에 실리콘 기판을 배치하고, 상기 실리콘 기판 위에 알갱이 형태로 된 HDPE 모재를 배치한 후, 상기 카트리지 히터에 전력을 공급하여 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가열함으로써 상기 HDPE 모재를 용융시키는 단계; (c) 상기 상부 금형을 상기 하부 금형 방향으로 하강시키고, 상기 상부 금형이 상기 환형 금형과 밀착될 때까지 압력을 인가하여, 용융된 HDPE 모재가 상기 프레넬 금형 내부 공간으로 침투하도록 하여 프레넬 렌즈를 형성하며, 상기 카트리지 히터의 가열을 중단하는 단계; 및 (d) 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형의 온도가 금형 분리 온도까지 떨어지면, 상기 상부 금형을 상승시켜서 프레넬 렌즈를 상기 기판 금형으로부터 분리하는 단계를 포함한다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 방법에서, 상기 실리콘 기판은 HDPE와의 접합력을 향상시키기 위해서, 사전에 산소 플라즈마로 가공처리되어 기판 표면에 산화 코팅이 형성될 수 있다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 방법에서, 상기 환형 금형의 전부 또는 일부 측면에는 상기 상부 금형과 상기 환형 금형이 밀착되면서 상부 금형과 하부 금형 사이의 공간에서 흘러 넘친 용융 상태의 HDPE 모재를 수용하는 오버플로우 웰이 형성되고, (e) 상기 프레넬 렌즈를 상기 프레넬 금형으로부터 분리하고, 상기 오버플로우 웰에서 경화되어 프레넬 렌즈의 테두리부에 연결된 잔여 부분을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 프레넬 렌즈 제조 방법에서, 상기 (b) 단계에서, 상기 카트리지 히터는 120도까지 가열되고, 상기 (d) 단계에서, 상기 금형 분리 온도는 65도로 설정될 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 PE 및 PP 대신에 HPPE(High-Density Polyethylene, 고밀도 폴리에틸렌)를 이용하여 프레넬 렌즈를 제작함으로써, 프레넬 렌즈의 형상을 유지하면서도 적외선의 투과율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈의 구조를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈 제조 장치의 구조 및 이를 이용한 프레넬 렌즈 제조 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈(10)는, 실리콘(Si) 기판(700) 위에 전형적인 프레넬 렌즈의 구조체인 렌즈부(11)가 형성되고, 실리콘 기판(700)과 렌즈부(11)의 둘레를 감싸도록 테두리부(12)가 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 실리콘 기판(700)은 그 두께가 755um~1,000um인 것이 이용되고, 렌즈부(11)와 테두리부(12)는 서로 일체로 형성되며 그 재질은 HDPE(High-Density Polyethylene, 고밀도 폴리에틸렌)이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈 제조 장치의 구조 및 이를 이용한 프레넬 렌즈 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬 렌즈 제조 장치는 상부 금형(100), 하부 금형(200), 프레넬 금형(300), 기판 금형(400), 환형 금형(500), 한 쌍의 카트리지 히터(catridge heater)(600a,600b)를 포함한다.
구체적으로, 상부 금형(100) 및 하부 금형(200)은 서로 마주보도록 배치된다. 프레넬 금형(300)은 상부 금형(100)에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE 모재(800b)에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사한다.
기판 금형(400)은 실리콘 기판(700)이 거치되고 하부 금형(200)에 결합된다. 기판 금형(400)의 상부 표면에는 돌출부가 형성되어 있고, 돌출부의 상면은 평탄하며 직경은 후술하는 실리콘 기판(700)의 직경보다 작게 형성된다.
환형 금형(500)은 하부 금형(200) 위에 놓여지고 기판 금형(400) 둘레에서 기판 금형(400)과 결합되어 실리콘 기판(700) 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부(12)를 형성한다. 여기서, 환형 금형(500)의 전부 또는 일부 측면에는 오버플로우 웰(overflow well)(510)이 형성되어 있다. 오버플로우 웰(510)은, 후술하는 바와 같이, 상부 금형(100)과 환형 금형(500)이 밀착되면서 용융 상태의 HDPE 모재(800b)가 금형 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하기 위해서, 상부 금형(100)과 하부 금형(200) 사이의 공간에서 흘러 넘친 용융 상태의 HDPE 모재(800b)가 오버플로우 웰(510)에 수용되도록 형성된다.
한 쌍의 카트리지 히터(600a,600b)는 상부 금형(100)과 하부 금형(200)에 각각 결합되어 전력이 공급되면 상부 금형(100)과 하부 금형(200)을 가열한다.
상기한 실시예에서, 상부 금형(100), 하부 금형(200), 프레넬 금형(300), 기판 금형(400), 환형 금형(500)이 각각 별개의 구성요소로서 설명되었으나, 물리적인 측면에서, 상부 금형(100)과 프레넬 금형(300)이 일체로 형성되고, 하부 금형(200), 기판 금형(400) 및 환형 금형(500)이 일체로 형성될 수도 있다.
이하, 도 2a 및 도 2b의 프레넬 렌즈 제조 장치를 이용하여 프레넬 렌즈를 제조하는 방법을 설명하면, 먼저, 도 2a의 (a)에 도시된 바와 같이, 하부 금형(200)과 상부 금형(100)을 서로 마주보게 배치한다.
상부 금형(100)에는 프레넬 렌즈 패턴이 형성된 프레넬 금형(300)이 하부를 금형을 향하도록 결합되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상부 금형(100)에는 프레넬 금형(300)이 삽입될 오목부가 형성되어 있고, 프레넬 금형(300)은 오목부에 삽입되어 상부 금형(100)에 결합된다.
하부 금형(200)의 상면에는 기판 금형(400)이 배치되고, 기판 금형(400)의 둘레에 환형 금형(500)이 결합된 상태에서, 상부 금형(100)에 하나의 카트리지 히터(600a,600b)가 연결되고, 하부 금형(200)에 다른 하나의 카트리지 히터(600a,600b)가 연결된다.
그 후, 도 2a의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판 금형(400)위에 실리콘 기판(700)이 놓여지고, 실리콘 기판(700) 위에 알갱이 형태로 된 HDPE 모재(800a)가 놓여진다. 이 때, 실리콘 기판(700)은 HDPE와의 접합력을 향상시키기 위해서, 사전에 산소 플라즈마로 가공처리되어 기판 표면에 산화 코팅이 형성된 것일 수도 있다.
HDPE 모재(800a)가 실리콘 기판(700)위에 놓여진 후, 카트리지 히터(600a,600b)에 전력이 공급되어 HDPE 모재(800a)가 용융되어 액상으로 변화될 때까지 하부 금형(200) 및 상부 금형(100)의 카트리지 히터(600a,600b)가 가열된다. 이 때, 카트리지 히터(600a,600b)는 120도까지 가열될 수 있고, HDPE 모재(800a)가 용융될 때까지 충분한 시간동안 가열된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 카트리지 히터(600a,600b)는 120도로 약 10초가량 가열된 후, HDPE 모재(800a)가 충분히 용융되지 않은 경우에는 추가로 10초 동안 가열되었지만, 가열 온도 및 시간은 설계 사양에 따라서 변화될 수 있음은 물론이다.
한편, HDPE 모재(800a)가 용융되면, 도 2b의 (c)에 도시된 바와 같이, 상부 금형(100)을 하부 금형(200) 방향으로 하강시키고, 상부 금형(100)이 환형 금형(500)과 밀착될 때까지 0.2MPa 로 압력을 인가하여, 용융된 HDPE 모재(800b)가 프레넬 금형(300) 내부 공간으로 침투하도록 한다. 이 때, 프레넬 금형(300) 내부를 채우고 남은 부분은 실리콘 기판(700) 외부로 흘러 넘쳐서 상부 금형(100)과 하부 금형(200) 사이의 공간을 채워서 테두리부(12)를 형성하고, 테두리부(12)를 형성하고도 남은 부분은 오버플로우 웰(510)로 유입되어 오버플로우 웰(510) 내부를 채운다.
상부 금형(100)이 환형 금형(500)과 밀착되면, 카트리지 히터(600a,600b)로 공급되던 전력은 차단되어 카트리지 히터(600a,600b)의 가열이 중단되고, 이 때부터 용융 상태인 HDPE 는 자연 냉각된다. 자연 냉각이 수행되는 동안, 접촉식 또는 비접촉식으로 온도가 관찰된다.
그 후, 자연 냉각이 지속되면서 용융 상태의 HDPE 는 고체상태로 경화되어 프레넬 렌즈가 형성되고, 상부 금형(100) 및 하부 금형(200)의 온도가 금형 분리 온도까지 떨어지면, 도 2b의 (d)에 도시된 바와 같이, 상부 금형(100)을 상승시켜서 프레넬 렌즈를 하부 금형(200)에 결합된 기판 금형(400)으로부터 분리한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 금형 분리 온도는 65도로 설정되었으나, 설계 사양에 따라서 다르게 설정될 수도 있다.
그 후, 냉각이 계속 진행되어 프레넬 렌즈의 온도가 상온에 도달하면, 프레넬 렌즈가 프레넬 금형(300)으로부터 분리되고, 오버플로우 웰(510)에서 경화되어 테두리부(12)에 연결된 잔여 부분(13)이 분리됨으로써 프레넬 렌즈(10)가 완성된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 프레넬 렌즈
100 : 상부 금형 200 : 하부 금형
300 : 프레넬 금형 400 : 기판 금형
500 : 환형 금형 510 : 오버플로우 웰
600a,600b : 카트리지 히터 700 : 실리콘 기판
800a,800b : HDPE 모재

Claims (8)

  1. 상부 금형;
    하부 금형;
    상기 상부 금형에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE(High-Density Polyethylene) 모재에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사하는 프레넬 금형;
    기판이 거치되고 상기 하부 금형에 결합되는 기판 금형;
    상기 하부 금형 위에 놓여지고, 상기 기판 금형 둘레에서 상기 기판 금형과 결합되어 실리콘 기판 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부를 형성하는 환형 금형; 및
    상기 상부 금형과 상기 하부 금형에 각각 결합되어 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 가열하는 한 쌍의 카트리지 히터(heat catridge)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 금형의 전부 또는 일부 측면에는
    상기 상부 금형과 상기 환형 금형이 밀착되면서 상부 금형과 하부 금형 사이의 공간에서 흘러 넘친 용융 상태의 HDPE 모재를 수용하는 오버플로우 웰이 형성된 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 금형의 상부 표면에는 돌출부가 형성되어 있고, 상기 돌출부의 상면은 평탄하며 직경은 상기 실리콘 기판의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 금형에는 상기 프레넬 금형이 삽입될 오목부가 형성되어 있고, 상기 프레넬 금형은 상기 오목부에 삽입되어 상기 상부 금형에 결합되는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 장치.
  5. 상부 금형, 하부 금형, 상기 상부 금형에 결합되고 프레넬 렌즈 패턴이 형성되어 용융 상태의 HDPE 모재에 프레넬 렌즈의 패턴을 전사하는 프레넬 금형, 기판이 거치되고 상기 하부 금형에 결합되는 기판 금형, 상기 기판 금형 둘레에서 상기 기판 금형과 결합되어 실리콘 기판 위에서 액상으로 용융된 HDPE가 외부로 흘러 넘치는 것을 방지하고 테두리부를 형성하는 환형 금형, 및 상기 상부 금형과 상기 하부 금형에 각각 결합되어 상기 상부 금형과 상기 하부 금형을 가열하는 한 쌍의 카트리지 히터(heat catridge)를 포함하는 프레넬 렌즈 제조 장치에서 수행하는 프레넬 렌즈 제조 방법으로서,
    (a) 상기 하부 금형과 상기 상부 금형을 서로 마주보게 배치하는 단계;
    (b) 상기 기판 금형 위에 실리콘 기판을 배치하고, 상기 실리콘 기판 위에 알갱이 형태로 된 HDPE 모재를 배치한 후, 상기 카트리지 히터에 전력을 공급하여 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형을 가열함으로써 상기 HDPE 모재를 용융시키는 단계;
    (c) 상기 상부 금형을 상기 하부 금형 방향으로 하강시키고, 상기 상부 금형이 상기 환형 금형과 밀착될 때까지 압력을 인가하여, 용융된 HDPE 모재가 상기 프레넬 금형 내부 공간으로 침투하도록 하여 프레넬 렌즈를 형성하며, 상기 카트리지 히터의 가열을 중단하는 단계; 및
    (d) 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형의 온도가 금형 분리 온도까지 떨어지면, 상기 상부 금형을 상승시켜서 프레넬 렌즈를 상기 기판 금형으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 (b) 단계에서
    상기 실리콘 기판은 HDPE와의 접합력을 향상시키기 위해서, 사전에 산소 플라즈마로 가공처리되어 기판 표면에 산화 코팅이 형성된 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 환형 금형의 전부 또는 일부 측면에는
    상기 상부 금형과 상기 환형 금형이 밀착되면서 상부 금형과 하부 금형 사이의 공간에서 흘러 넘친 용융 상태의 HDPE 모재를 수용하는 오버플로우 웰이 형성되고,
    (e) 상기 프레넬 렌즈를 상기 프레넬 금형으로부터 분리하고, 상기 오버플로우 웰에서 경화되어 프레넬 렌즈의 테두리부에 연결된 잔여 부분을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 카트리지 히터는 120도까지 가열되고,
    상기 (d) 단계에서, 상기 금형 분리 온도는 65도로 설정된 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈 제조 방법.
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