KR20230097550A - 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 칼코게나이드 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 칼코게나이드 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하며, 상기 칼코게나이드 유리 재료는 Ge-As-Se계 유리 재료를 사용함으로써, 원적외선 투과 성능이 우수하며 고굴절 고분산의 광학 특성을 가져 고해상도 원적외선 열화상 카메라의 광학렌즈에 적용할 수 있는 렌즈를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원적외선 투과 성능이 우수하며 고굴절 고분산의 광학 특성을 가져 고해상도 원적외선 열화상 카메라의 광학렌즈에 적용할 수 있는 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
고해상도 원적외선 열화상 카메라에는 적외선 투과 성능이 우수한 렌즈를 사용하여 렌즈 광학계를 제작해야 한다. 특히, 최근 원적외선 열화상 카메라의 센서 픽셀이 감소하며 소형화와 더불어 해상도도 향상되는 추세이며, 이에 적합한 렌즈의 개발이 필수적인 실정이다.
이러한 원적회선 열화상 카메라에서 요구되는 특성에 적합한 렌즈로서 칼코게나이드 유리를 사용하여 제조한 렌즈가 개발되고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1769768호에서는 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 안티몬(Sb) 및 셀레늄(Se)을 포함하되, 8 내지 12㎛ 대역에서 60% 이상의 적외선 투과도를 가지고, 몰드성형공정에 적합한 유리전이온도 및 연화점이 형성되며, 경도 값 및 열팽창계수 값이 Ge-Sb-Se 삼성분계 유리 대비 적외선 투과렌즈로 적용될 수 있는 물성 수준으로 유지되도록, 몰% 기준으로, 15 ≤ 게르마늄 ≤ 22.5, 5 ≤ 갈륨 ≤ 10, 7.5 ≤ 안티몬 ≤ 12.5, 60 ≤ 셀레늄 ≤ 65의 함량을 갖는 것인 칼코게나이드 유리 조성물을 이용하여 렌즈를 제조함으로써 칼코게나이드 유리 조성물의 굴절률 및 분산 특성 중 하나 이상을 용이하게 조절할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-1529955호에서는 칼코게나이드 재질의 적외선 렌즈의 표면에 a) 탄소족 원소 또는 탄소족 원소의 화합물을 증착하고, b) DLC 박막을 증착함으로써 적외선 투과율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 10-2011-0010951호에서는 칼코게나이드 유리 조성물을 이용한 렌즈를 제조하기 위한 금형 코어가 개발되고 있다.
이러한 선행기술에 개시된 기술은 렌즈의 재질, 렌즈의 후처리, 렌즈 제조 공정의 최적화를 목표로 기술개발을 진행하고 있으나, 이러한 기술들을 적용하여 렌즈를 제조하더라도 현재 진행되고 있는 원적외선 열화상 카메라의 소형화, 고해상도의 추세에 맞춘 렌즈를 제조하기에는 한계가 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈를 제조하는 공정을 최적화하여 원적외선 투과 성능이 우수하며 고굴절 고분산의 광학 특성을 나타내는 고품질의 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법은 칼코게나이드 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 칼코게나이드 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하며, 상기 칼코게나이드 유리 재료는 Ge-As-Se계 유리 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 Ge-As-Se계 유리 재료는 하기 화학식으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식]
GexAsySe100-x-y
(이때, x는 20 내지 40의 정수이며, y는 10 내지 20의 정수이다.)
또한, 상기 Ge-As-Se계 유리 재료는 Te, Ga, Sb, Bi 중에서 선택되는 도핑제를 도핑한 것일 수 있다.
또한, 상기 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 렌즈는 칼코게나이드 유리 재료를 사용하여 제조되는 것으로서, 렌즈를 제조 공정을 최적화함으로써 원적외선 투과 성능이 우수하며 고굴절 고분산의 광학 특성을 나타내는 고품질의 렌즈를 제조할 수 있다.
도 1은 칼코게나이드 유리 재료의 조성에 따른 열적 안정성 분포(a) 및 평균 결합에너지 분포(b)를 도시한 그래프이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법은 통상의 렌즈의 제조방법을 적용하되 렌즈를 형성하는 재료로서 칼코게나이드 유리 재료를 사용하기 때문에 이에 적합한 제조공정을 적용하여 목적하는 광학 특성을 나타내는 렌즈를 제조할 수 있는 방법이다. 이를 구체적으로 설명하면, 상기 렌즈는 칼코게나이드 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 칼코게나이드 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계, 상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계를 포함하여 제조된다.
이러한 제조방법을 적용하여 제조되는 렌즈는 원적외선 투과 성능이 우수하며 고굴절 고분산의 광학 특성을 나타내기 때문에 고품질의 렌즈를 제조할 수 있다.
이를 위하여 상기 제조방법은 렌즈의 재료가 되는 칼코게나이드 유리 재료의 조성을 최적화함으로써 유리 용융물의 몰드 성형 적합성을 확보하고 초저분산성을 확보함으로써 제조된 렌즈의 열적, 기계적 특성을 향상시킬 필요가 있다.
상기 칼코게나이드 유리는 주기율표 6족의 원소들 중에서 산소(O)를 제외한 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)의 칼코진 원소를 하나 이상 포함하는 이성분계 이상의 조성계로 구성된 유리소재이다. 실리케이트 유리와 같은 산화물 유리소재는 구성원자간 이온 결합성이 상대적으로 강하기 때문에 각 출발물질이 화학양론비를 만족하는 화합물 형태를 가져야하며 이의 조합으로부터 안정한 유리 상태가 형성되고, 각 구조 단위의 전하보상이 유리 네트워크의 형태에 중요한 영향을 미친다. 이에 대하여, 상기 칼코게나이드 유리는 구성원자 사이의 전기음성도 차이가 작고 공유 결합성이 상대적으로 크기 때문에 Ge-Ge 또는 Se-Se 결합과 같은 동종결합이 형성될 수 있으며, 2성분, 3성분, 4성분 등의 조성계를 포함하여 화학양론비 조성을 벗어나는 비교적 넓은 영역에서 안정한 유리 상태를 형성할 수 있다. 또한, 산화물 유리는 약 5㎛ 정도에서의 적외선 투과 영역을 가지나 상기 칼코게나이드 유리는 원적외선 대역보다 긴 파장에 대한 투과 영역이 형성되기 때문에 원적외선 투과에 효과적이다.
본 발명의 제조방법에 적합한 칼코게나이드 유리 재료로는 하기 화학식으로 표시되는 3성분계 유리 재료인 Ge-As-Se계 유리 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
[화학식]
GexAsySe100-x-y
(이때, x는 20 내지 40의 정수이며, y는 10 내지 20의 정수이다.)
일반적인 3성분계 칼코게나이드 유리는 상기 x가 0 내지 30, y는 10 내지 40의 범위에서 유리를 형성할 수 있는데, 성형 적합성을 고려할 때 상기 x, y의 범위를 선택하는 것이 최적의 렌즈 제조 효율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
도 1에는 유리 재료의 조성에 따른 열적 안정성 분포 및 평균 결합에너지 분포를 도시하고 있는데, 이러한 실험 결과를 토대로 본 발명에서 렌즈를 제조하는 공정을 고려한 칼코게나이드 유리의 조성을 최적화할 수 있으며, 이를 통해 상기 화학식에서와 같은 게르마늄(Ge), 비소(As), 셀레늄(Se)의 3성분을 특정 몰비로 조성한 유리 재료에서 성형성과 함께 요구되는 광학 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
또한, 원적외선 투과 성능의 향상을 위하여 상기 Ge-As-Se계 유리 재료에 도핑제(dopant)를 이용하여 도핑하는 것이 바람직하다. 상기 도핑제로는 Te, Ga, Sb, Bi 중에서 선택되는 도핑제를 사용할 수 있다. 상기 도핑제는 100 내지 1,000ppm의 함량 비율로 도핑되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 3성분계 칼코게나이드 유리 재료를 이용한 렌즈 성형 공정은 금형의 재질에 따라서도 렌즈의 제조 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히 탄화텅스텐 재질로 이루어진 금형을 사용하면 상기 3성분계 칼코게나이드 유리 재료의 성형 및 이형 과정에서의 불량을 최소화할 수 있다.
상기 금형을 제조하는 방법은 금형 코어의 설계, 금형 코어 가공, 제조된 금형의 형상 값을 확인하고 형상을 보정, 제조된 금형 코어의 표면 코팅 처리를 통해 제조할 수 있다. 이때, 상기 금형 코어의 초정밀 가공을 위하여 DTM(diamond trunning machine)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금형의 형상정도 및 표면조도는 FTS 및 UA3P 등의 분석장치를 이용하여 분석하며 목적하는 값에 미치지 못할 경우 상기 형상 보정을 통해 금형의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 금형 코어에 코팅 처리함으로써 이형막을 형성하는데, 상기 3성분계 칼코게나이드 유리 재료를 사용하는 경우 금형에 융착되거나 쿠모리 현상 등의 불량이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
본 발명의 제조방법에 적용되는 탄화텅스텐 재질의 몰드에 대한 성형성을 평가한 결과 이형 반응성이 양호하고 내부결함이 관찰되지 않아 우수한 물성을 가지는 것으로 나타났다.
본 발명의 제조방법을 적용하여 제조된 칼코게나이드 유리 재료의 렌즈에 대하여 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.
상기 칼코게나이드 유리 재료로는 Ge22As20Se58(실시예 1) 및 Ge33As12Se55(실시예 2), Ge20Sb15Se65(비교예 1), Ge30As13Se62Te25(비교예 2)를 사용하였다. 상기 Ge22As20Se58는 유리전이온도가 292℃, TEC가 17.0×10-6/K, 상기 Ge33As12Se55는 유리전이온도가 368℃, TEC가 12.1×10-6/K, Ge20Sb15Se65는 유리전이온도가 285℃, TEC가 15.5×10-6/K, Ge30As13Se62Te25는 유리전이온도가 275℃, TEC가 13.4×10-6/K인 것으로 알려져 있다.
| 항목 | 실시예1 | 실시예2 | 비교예1 | 비교예2 |
| 굴절율(@10㎛) | 2.601 | 2.605 | 2.600 | 2.602 |
| 아베수(12㎛) | 152 | 153 | 151 | 152 |
| 유리전이온도(℃) | 305 | 372 | 298 | 297 |
| dn/dT(@10㎛)(10-4/K) | 16 | 15 | 24 | 26 |
| 열팽창계수(20-100℃)(10-4/K) | 18 | 17 | 22 | 21 |
| 표면경도(GPa) | 1.05 | 1.06 | 0.98 | 0.85 |
표 1의 결과를 살펴보면, 실시예 1 및 2의 칼코게나이드 유리 재료의 렌즈는 원적외선 광학 렌즈에서 요구되는 성능수준을 모두 충족하여 렌즈 광학계에 적용할 수 있는 정도의 물성을 나타내는 것을 확인하였다. 비교예 1 및 2에서도 광학 특성은 충분히 얻을 수 있었으나 열팽창계수나 표면경도가 불충분하여 실시예 1, 2에 비해 렌즈 제조 과정에서의 불량률이 증가하며 신뢰성이 낮은 것으로 나타났다. 이는 실시예 1 및 2의 유리 재료를 적용할 때 이형 후 불량이 관찰되지 않는 점으로부터도 확인되었으며, 본 발명의 유리 재료를 이용하면 양호한 품질의 렌즈를 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 실시예 1의 유리 재료에 Te4+ 이온을 200ppm의 함량이 되도록 도핑하였고, 실시예 2의 유리 재료에는 Ga3+ 이온을 400ppm의 함량이 되도록 도핑하였는데, 상기 유리 재료를 이용하여 렌즈를 제조한 경우 분산값(렌즈의 녹청색과 빨간색의 굴절률의 차를 평균 굴절률)이 각각 185, 192로 나타나 도핑 전 172, 178에 비해 분산값이 높아지는 결과를 얻었다. 이러한 결과는 상기 도핑된 유리 재료가 고굴절 고분산의 광학 특성을 향상시키고, 원적외선 열화상 카메라의 광학 렌즈에 적용하기에 적합한 광학 특성을 얻을 수 있음을 시사하는 결과이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
Claims (4)
- 칼코게나이드 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계;
상기 칼코게나이드 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 성형된 렌즈를 제조하는 단계;
상기 성형된 렌즈를 경화하여 경화된 렌즈를 제조하는 단계;
상기 경화된 렌즈를 탈형하고 취출하는 단계;
를 포함하며,
상기 칼코게나이드 유리 재료는 Ge-As-Se계 유리 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 Ge-As-Se계 유리 재료는 하기 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법.
[화학식]
GexAsySe100-x-y
(이때, x는 20 내지 40의 정수이며, y는 10 내지 20의 정수이다.)
- 청구항 2에 있어서,
상기 Ge-As-Se계 유리 재료는 Te, Ga, Sb, Bi 중에서 선택되는 도핑제를 도핑한 유리 재료인 것을 특징으로 하는 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210187167A KR20230097550A (ko) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법. |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210187167A KR20230097550A (ko) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 칼코게나이드 유리 재료로 이루어진 렌즈의 제조방법. |
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| KR20230097550A true KR20230097550A (ko) | 2023-07-03 |
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ID=87157470
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20110010951A (ko) | 2009-07-27 | 2011-02-08 | 한국광기술원 | 디스크형 칼코게나이드 유리소재 성형용 금형코어 |
| KR101529955B1 (ko) | 2014-05-20 | 2015-06-18 | 아이오솔루션(주) | 칼코게나이드 기반의 광학계 모듈 |
| KR101769768B1 (ko) | 2015-10-27 | 2017-08-21 | 한국항공대학교산학협력단 | 칼코지나이드 유리 조성물 및 이를 포함하는 적외선 투과 렌즈 |
-
2021
- 2021-12-24 KR KR1020210187167A patent/KR20230097550A/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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