KR20230097611A - 비등온 성형 공정을 이용한 양면 비구면 렌즈의 제조방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양면 비구면 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계는 300 내지 350℃의 온도에서 비등온 성형 공정을 수행하여 제조하며, 상기 양면 비구면 렌즈는 φ40 이상의 대구경 렌즈인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 비등온 성형 공정을 이용한 양면 비구면 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양면 렌즈를 제조하는 공정을 개선하여 품질이 향상된 양면 비구면 렌즈를 제조하는 방법에 관한 것이다.
자동차의 헤드라이트에 적용되는 투사 광학계에 적용되는 유리 렌즈, 프리즘, 미러 등의 광학부품은 고온압축성형(glass molding press, GMP) 공정으로 제조되고 있다. 이러한 광학부품의 제조방법은 단가가 높고 제조공정이 복잡한 문제가 있으며, 최근 헤드라이트 내부에 체결되는 광학 부품의 부피를 최소화하고 경량화하려는 추세에 맞춘 광학부품의 제조가 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 양면 비구면 렌즈를 적용하여 광학부품의 숫자를 줄인 투사 광학계가 설계되고 있다. 상기 양면 비구면 렌즈는 기존의 GMP 성형 공정을 적용하여 제조할 경우 고품질의 렌즈를 수득하기 곤란한 문제가 있다.
상기 비구면 렌즈를 제조하는 종래기술로는 대한민국 등록특허공보 10-1468756호에 몰드 프레스 성형 장치를 이용하여 유리 렌즈를 제조하며, 성형형, 유리소재를 각각 예열하여 프레스 성형하며, 비구면 유리 렌즈를 제조하는 기술이 개시되어 있고, 일본 등록특허공보 5828915호, 일본 등록특허공보 5956253호, 중국 등록특허공보 103214161호, 국제특허공보 2013-118888호, 국제특허공보 2009-106110호 등에는 비등온 프레스 성형으로 비구면 유리 렌즈를 제조하는 기술이 개시되어 있다.
그러나 상기 선행기술에 개시된 비구면 유리 렌즈의 제조방법은 렌즈의 단면을 비구면 가공할 수 있는 기술로서 양면을 비구면으로 가공하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 이러한 종래기술의 비구면 렌즈 제조방법은 비등온 성형 공정으로 일면에 비구면 가공을 한 후 연마를 통해 타면에 다시 비구면 가공을 해야 하기 때문에 공정 효율이 부족하고 제조된 렌즈의 광학특성이 불충분한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 핫프레스를 이용한 비등온 성형 공정을 통해 양면 비구면 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 DMD 헤드램프에 적용되는 φ40 이상의 핫프레스 방식의 양면 비구면 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양면 비구면 렌즈의 제조방법은 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 핫프레스 성형 장치를 이용하여 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계는 300 내지 350℃의 온도에서 비등온 성형 공정을 수행하여 제조하며, 상기 양면 비구면 렌즈는 φ40 이상의 대구경 렌즈인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 유리 재료는 상기 유리 재료는 20℃에서 열팽창계수가 3×10-6 내지 4×10-6 K-1이며, 연화점이 800 내지 900℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 양면 비구면 렌즈는 형상 정밀도가 30㎛ 이하이며, 표면 거칠기가 10㎚ 이하이며, 상기 양면 비구면 렌즈를 이용하여 조립된 투사렌즈는 MTF(Modulation Transfer Function)는 25% 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법은 핫프레스를 이용한 비등온 성형 공정으로서 고품질의 양면 비구면 렌즈를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 φ40이상의 대구경으로 2장의 양면 비구면 렌즈를 제조하여 조립함으로써 차량용 DMD 헤드램프 시스템에 적용할 수 있는 비구면 렌즈를 제조 할 수 있다.
도 1은 다양한 형태의 비구면 유리 렌즈의 정면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 2는 본 발명의 양면 비구면 렌즈 제조 공정을 수행하기 위한 핫프레스 성형 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 금형 코어의 표면에 형성되는 이형막의 구조를 도시한 개념도이다.
도 4는 ta-C 코팅층에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
도 2는 본 발명의 양면 비구면 렌즈 제조 공정을 수행하기 위한 핫프레스 성형 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 금형 코어의 표면에 형성되는 이형막의 구조를 도시한 개념도이다.
도 4는 ta-C 코팅층에 대한 라만 스펙트럼 분석 결과이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 양면 비구면 렌즈는 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계, 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계는 300 내지 350℃의 온도에서 비등온 성형 공정을 수행하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 양면 비구면 렌즈는 도 1에 도시된 것과 같이 입사면과 출사면이 모두 비구면 가공된 렌즈로서, 본 발명의 제조방법을 적용하면 한 번의 성형 공정을 통해 양면에 비구면 가공이 가능하게 된다. 상기 양면 비구면 렌즈는 기존 투사 광학계에 사용되는 소구경의 원형 대칭형 렌즈와 달리 구경이 크고 X, Y 축이 다른 비대칭 구조로서 조명 광학계에 사용하기 위해 2개의 렌즈가 일체형이 된 구조로 이루어진 것이다. 또한, 투사 광학계에 적용하기 위하여 비대칭 원형과 사각 렌즈의 구조로 성형이 가능해야 한다.
이와 같은 양면 비구면 렌즈를 제조하는 공정으로 기존의 등온 성형인 GMP 공정에서는 유리 소재를 볼, 프리폼 형태로 가공하고 이를 유리전이온도(Tg)까지 가열하여 일정한 가압 공정과 냉각 공정을 수행함으로써 렌즈를 제조하게 되는데, 양면에 자유곡면, 비구면 가공이 가능하며 형상 정밀도가 10㎛, 표면 거칠기가 10㎚까지 미세 가공이 가능하나 성형 공정이 9단계로 생산 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
이에 대하여 비등온 성형 공정을 적용하면 성형 공정이 3단계에 불과하여 생산 효율을 높으나 형상 정밀도가 100㎛, 표면 거칠기가 40㎚로 정밀 가공이 어려운 문제점이 있다. 다만, 상기 비등온 성형 공정은 소재의 기계적인 가공이 없이도 생산이 가능하며, 유리 소재를 연화점까지 가열한 후 상하 금형 코어의 제어를 통해 프레스 형태로 제조하기 때문에 생산 효율 면에서는 등온 성형 공정에 비해 큰 장점이 있는 방법이다.
본 발명의 제조방법을 적용하면 생산 효율을 높일 수 있도록 비등온 성형 공정을 적용하되 형상 정밀도와, 표면 거칠기를 향상시켜 정밀한 가공이 가능하여 고품질의 양면 비구면 렌즈를 제조할 수 있게 된다.
상기 양면 비구면 렌즈 아래 수학식에 따라 설계 프로그램을 적용하여 비구면 계수값을 확보하고 렌즈를 설계할 수 있다.
[수학식]
이와 같이 설계된 양면 비구면 렌즈는 표 1과 같은 광학 특성을 나타내게 된다.
| 입사면 | 출사면 | |
| R (c =1/R ) | -2,130508331487192E+001 | -2,130508331487192E+001 |
| k | -3,180131006704575E+000 | -3,180131006704575E+000 |
| α1 | 0 | 0 |
| α2 | -5,137849691493244E-006 | -5,137849691493244E-006 |
| α3 | 3,740155096427776E-009 | 3,740155096427776E-009 |
이와 같이 설계된 양면 비구면 렌즈를 제조하기 위하여 본 발명에서는 300 내지 350℃의 온도에서 비등온 성형 공정을 수행하게 된다. 비등온 성형 공정은 핫프레스 성형 장치를 이용하여 수행하는 것으로서, 기본 공정은 상부 금형 코어 조립 후 하부 금형 코어를 결합하고, 히터봉 및 센서를 부착한 후, 상기 금형 내에 유리 소재를 주입하고 형합하는 방법으로 수행되는데, 유리 소재와 금형의 이형성, 투입속도, 압축시간 등에 의해 공정 효율이 결정된다.
상기 핫프레스 성형 장치는 축비대칭 금형 가공이 가능한 초정밀 DTM 가공 장비로서, 일반적인 대칭형 비구면 가공에서 2축(XZ축) 또는 3축(XYZ축) 가공을 수행하는 것에 대하여, 4축(XYZC축) 또는 5축(XYZCB축) 가공이 가능하기 때문에 정밀한 비대칭형 비구면 가공이 가능하게 된다. 상기 핫프레스 성형 장치는 도 2에 도시된 것과 같이 초정밀 기공기와 다중 편심 지그를 이용하여 성형 공정을 수행하기 때문에 코어의 초정밀 위치 가공이 가능하다.
또한, 본 발명의 비등온 성형 공정은 GMP 성형 공정과 달리 연화점에서 성형을 진행하기 때문에 GMP 성형 공정에서 500℃의 온도가 필요한 것과 달리 300 내지 350℃, 바람직하게는, 300℃에서 성형 공정이 수행된다.
또한, 상기 금형에서 성형하는 공정은 투입속도 5 내지 10초, 압축시간 5 내지 10초의 공정조건을 적용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
또한, 본 발명의 제조방법에서는 φ40 이상의 대구경 렌즈를 성형할 수 있다.
양 비구면 대구경 렌즈를 적용하여 헤드라이트에서 고해상도의 투사렌즈를 디스플레이 할 수 있는 헤드라이트 광학 시스템을 제조할 수 있기 때문에 DMD, LCoS 시스템에 적용할 수 있게 된다.
또한, 상기 비등온 성형 공정을 수행하여 얻어진 렌즈에 대하여 서냉로에 안착시켜 냉각하는데 상기 서냉 과정에서 형상 변형 및 크랙 발생이 없도록 서냉 조건을 조절하여 공정을 수행하게 된다.
본 발명의 제조방법에 적합한 상기 유리 재료는 20℃에서 열팽창계수가 3×10-6 내지 4×10-6 K-1이며, 연화점이 800 내지 900℃인 것이 바람직하다. 이러한 유리 재료로는 Borosil, Duran, Pyrex, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, BSA 60, Heatex, Endural, Schott, Refmex, Kimax, 또는 MG 등의 유리 재료를 들 수 있다. 예를 들어, Pyrex를 사용하여 렌즈를 성형하면 비등온 성형 공정 시 원활한 성형 및 금형과의 이형성이 우수한 것으로 나타났다. 이와 달리 열팽창계수와 연화점이 다른 종류의 유리 재료를 사용하면 이형 공정에서 불량이 발생하는 것으로 나타났다.
또한, 상기 유리 재료를 이용한 성형 공정에서 금형의 재질에 따른 이형성이 달라질 수 있는데, 금형은 탄화텅스텐(WC), 탄화규소(SiC), 유리상 탄소(glassy carbon) 중 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 탄화텅스텐 재질로 이루어진 금형을 사용하면 상기 유리 재료의 성형 및 이형 과정에서의 불량을 최소화할 수 있다.
비등온 성형으로 대구경 렌즈를 제조하는 경우 성형 중 금형 코어가 변형되는 현상이 발생하여 제품 불량으로 이어지는 경우가 많다. 따라서 상기 금형을 제조할 때 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 유리 재료가 금형에 융착되거나 쿠모리 현상 등의 불량이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
상기 이형막으로는 실리콘(Si)이 도핑된 사면체 비정질 카본(tetrahedral amorphous carbon, ta-C) 코팅층을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 코팅층은 자장여과아크(FCVA:filtered cathodic vacuum arc) 방식의 진공아크증착법을 적용하여 형성할 수 있는데, 특히, 도 3에서와 같이 금형 코어의 표면으로부터 ta-C 코팅층의 Si 도핑 농도를 달리함으로써 코팅의 경도 및 이형성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. Si의 도핑 농도가 높은 경우 표면 마찰력이 낮아지며 도핑 농도가 높아질수록 표면 마찰력이 높이지는데, 도핑 농도를 달리하여 다층 구조로 코팅층을 형성하면 이형성과 표면 보호의 효과를 동시에 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
일 실시예에서 Si 도핑 농도를 5 내지 20at%로 달리하며 평균 1.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하였다. 구체적으로 금형 코어 표면에 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 20at%의 Si를 도핑하였고, 그 위에 다시 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 12at%의 Si를 도핑하였으며, 그 위에 다시 0.5㎛ 두께의 ta-C 코팅층을 형성하고 7at%의 Si를 도핑하여 Si 도핑된 ta-C 코팅층을 형성하였다. 상기 ta-C 코팅층에 대해 고온 ball-on-disk 시험을 하며 라만 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과 도 4에서와 같이 시험 전의 상태(붉은 선, 점선은 peak deconvolution 결과임)에 비교하여 시험 후 라만 shift가 발생하였는데(검은 선, 가는 선은 peak deconvolution 결과임) shift의 정도로부터 표면 스트레스에 대한 내구성이 우수한 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과, ta-C 코팅층을 이형층으로 부가함으로써 금형 코어의 고온 내구성 및 고온 성형성이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 제조방법에 적용되는 탄화텅스텐 재질의 몰드에 대한 성형성을 평가한 결과 이형 반응성이 양호하고 내부결함이 관찰되지 않아 우수한 물성을 가지는 것으로 나타났다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 양면 비구면 렌즈와 종래의 비등온 성형 공정을 적용하여 제조된 양면 비구면 렌즈의 물성을 측정하였다.
형상정밀도는 비접촉 3차원 측정기 또는 접촉시 측정장비를 사용하여 렌즈의 형상을 측정하여 도면값과 비교하여 구하였다.
또한, 표면거칠기는 비접촉 3차원 측정기 또는 접촉시 측정장비를 사용하여 렌즈의 형상을 측정하여 도면값과 비교하여 구하였다.
또한, MTF 광학 성능 측정은 Image master 장비를 활용하여 투사렌즈 모듈을 안착시킨 후 측정하였다.
또한, 콘트라스트는 영상을 디스플레이하여 조도계를 이용하여 흑백 대비에 의해 측정하였다.
또한, RI(중심밝기 대비 주변밝기)는 Image master 장비를 활용하여 렌즈 모듈을 안착 시킨 후 측정하였다.
또한, 렌즈두께공차는 다이얼게이지에 렌즈를 안착 시킨 후 두께 측정 후 도면과 두께 비교하였다.
또한, 반사율은 Spectrophotometer 사용하여 각 렌즈 시료 중심파장의 코팅 투과율 측정하여 구하였다.
또한, 열충격은 환경 챔버에 렌즈 및 렌즈 모듈을 투입하여 수요처가 원하는 조건으로 실험하여 구하였다.
또한, 내습성은 환경 챔버에 렌즈 및 렌즈 모듈을 투입하여 수요처가 원하는 조건으로 실험하여 구하였다.
각 비구면 렌즈의 물성을 비교한 결과는 표 2와 같다.
| 항목 | 본 발명 | 종래의 비등온 성형 |
| 형상정밀도(㎛) | 30 | 100 |
| 표면거칠기(㎚) | 10 | 40 |
| MTF(% at 14Lp/㎜) | 25 | 20 |
| 콘트라스트 | 80:1 | 70:1 |
| RI(중심밝기 대비 주변밝기) | 45 | 48 |
| 렌즈두께공차(㎜) | 0.1 | 0.2 |
| 반사율(%) | <1 | <1 |
| 열충격 | -40~95℃, 117hr | -40~95℃, 117hr |
| 내습성 | 40℃, 93%, 506hr | 40℃, 93%, 506hr |
표 2의 결과를 살펴보면 본 발명의 제조방법을 적용하는 경우 종래의 비등온 성형 공정에서보다 형상 정밀도, 표면 거칠기, MTF, 콘크라스트, RI, 두께 공차 등의 렌즈 물성에서 모두 향상된 결과를 나타내고 있다.
이러한 결과로부터 본 발명의 제조방법을 적용하면 비등온 성형 공정을 통해 고품질의 렌즈를 제조할 수 있어 생산 효율을 향상시키면서도 투사 광학계의 부품으로 적합한 광학 특성을 가지는 비구면 렌즈를 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
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 (3)
- 유리 재료를 용융하여 금형에 주입하는 단계;
핫프레스 성형 장치를 이용하여 상기 유리 재료를 렌즈 형상으로 성형하여 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계;
를 포함하며,
상기 양면 비구면 렌즈를 제조하는 단계는 300 내지 350℃의 온도에서 비등온 성형 공정을 수행하여 제조하며,
상기 양면 비구면 렌즈는 φ40 이상의 대구경 렌즈인 것을 특징으로 하는 양면 비구면 렌즈의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유리 재료는 20℃에서 열팽창계수가 3×10-6 내지 4×10-6 K-1이며, 연화점이 800 내지 900℃인 것을 특징으로 하는 양면 비구면 렌즈의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 양면 비구면 렌즈는 형상 정밀도가 30㎛ 이하이며, 표면 거칠기가 10㎚ 이하이며, 상기 양면 비구면 렌즈를 이용하여 조립된 투사렌즈의 MTF(Modulation Transfer Function)는 25% 이상인 것을 특징으로 하는 양면 비구면 렌즈의 제조방법.
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| KR1020210187306A KR20230097611A (ko) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 비등온 성형 공정을 이용한 양면 비구면 렌즈의 제조방법. |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090106110A (ko) | 2008-04-04 | 2009-10-08 | 브로드밴드미디어주식회사 | Ｉｐ 기반의 방송 서비스 시스템 및 방법 |
| KR20130118888A (ko) | 2010-11-11 | 2013-10-30 | 스피릿 에어로시스템즈, 인크. | Smp 장치를 가지고 일체구조의 복합 부품들을 제조하기 위한 방법과 시스템들 |
| KR101468756B1 (ko) | 2007-03-29 | 2014-12-03 | 호야 가부시키가이샤 | 유리 성형체의 제조 방법 및 몰드 프레스 성형 장치 |
-
2021
- 2021-12-24 KR KR1020210187306A patent/KR20230097611A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
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