KR950002227B1 - 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법 및 그 장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

초정밀 광학소자용 유리의 성형방법 및 그 장치

제 1 도는 본 발명에서 열변형 금형에 의해 갑 프리포옴을 자유표면 프리포옴으로 성형하는 상태를 나타낸 종단면도.

제 2 도는 본 발명에서 정밀금형에 의해 완성품을 얻는 상태의 종단면도.

제 3 도는 본 발명의 장치를 나타낸 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체 2 : 곱 프리포옴

3 : 자유표면 프리포옴 4 : 예비가열실

6 : 열간가압실 7 : 정밀금형

8 : 실린더램 9 : 로딩실

10 : 배출실 12,13 : 로보트

14,15 : 셔터

본 발명은 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법 및 그 장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 성형에 사용되는 예비가공품(유리)을 곱(Gob)형태로 하여 이를 한번의 몰딩작업을 하므로서 초정밀 광학소자를 얻을 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 렌즈, 프리즘, 미러 및 필터등의 광학소자는 유리소재를 연삭하여 외형을 원하는 형태로 한다음 연마에 의해 광학기능면, 즉 빛을 투과 또는 반사하는 광학면을 얻었다.

그러나 연삭연마에 의해 원하는 만큼의 표면형상 정도 및 표면조도를 얻기 위해서는 숙련된 작업자가 상당한 시간의 가공을 실시하여야 되며, 광학기능면이 비구면인 광학소자인 경우에는 한층 더 고도한 연삭, 연마기술이 요구디고, 또한 가공시간도 길어지게 된다.

따라서 근래에는 원하는 만큼의 일정한 표면형상 정도 및 표면조도를 가지는 성형용 금형네에 광학유리재료를 투입한 다음 가열 및 가압을 실시하여 광학소자를 제작하는 핫 프레스(Hot press) 성형법이 시도되고 있다.

상기 방법에 의하면 광학기능면을 포함하여 전체적인 광학소자 형상은 직접 제작하는 것이 가능하며 광학 기능면이 비구면인 경우에도 단시간내에 제작이 가능하게 된다.

이와같이, 핫 프레스 성형법을 이용하여 광학소자를 제작하는 방법에 있어서는 일단 광학유리소재를 원하는 형상의 근사형상으로 가공하여 예비 성형품인 프리포옴(preform)으로 만든 다음 이것을 성형용 금형내에 투입한 후 프레싱을 실시하여 최종의 목적 형상으로 제작하는 방법과, 용융 광학유리를 직접성형용 금형내에 투입하여 프레스성형을 실시하는 방법이 있다.

프리포옴을 사용하는 방식으로는 일본 특허공고 소 61-32263호에 기재되어 있는 것처럼 적당한 방법, 예를들면 연삭연마에 의해 프리포옴을 제작하여 상기 프리포옴을 별도의 성형용 금형내에 투입한 상태에서 소정의 온도까지 가열, 유리소재를 연화시킨 후 금형에 연결된 가압실린더에 의해 적당한 압력으로 프레싱하고 난 다음 냉각하는 방식이다.

한편, 용융 광학유리의 직접 투입에 의한 프레싱방법은 일본 특허공개 소 60-118639호에 기재되어 있는 것처럼 대략의 외형을 만드는 1차 성형(조건 : 유리점도 10-10³poise, 프레싱압력 2-10Kgf/cm²)을 실시하고 상기 1차 성형에 따라 얻어진 성형품의 유리점도가 10^8.5-10¹⁰poise일때에 유리전이점온도 이상의 온도를 가진 금형재를 사용하여 2차 성형을 실시하므로서 목적으로 하는 형상 및 정도의 광학소자를 얻는 방식이다.

그러나 이러한 종래의 광학소자 성형방법은 여러가지 문제점을 가지게 된다.

연삭, 연마된 프리포옴을 사용하는 방법에 있어서는 그 제작법이 종래의 최종 광학소자를 제작하는 전통적인 방법과 같은 정도의 공정을 필요로 하게 되므로 광학소자의 제작에 따른 비용이 많이 들게 된다.

한편 용융 광학유리의 직접투입에 의한 프레싱방법도 외경의 치수공차가 0.05mm이내, 광학면의 표면조도가 Rmax 0.01㎛ 이하, 광학면의 표면정도가 뉴우톤링(newton ring) 2본(本)이내, 그 광학면의 비대칭성 및 부분적 면변화가 어느것도 뉴우톤링 1/2본 이내인 사진 렌즈와 같은 고정도의 광학소자를 안정되게 얻는 것이 곤란하다.

또한 광학소재를 목적형상으로 성형하기 위해서는 두번이상의 프레싱을 실시하여야 되었으므로 싸이클 타임(Cycle time)이 길어지게 됨은 물론 2대 이상의 프레스가 필요하게 되므로 고가의 장비 구입에 따른 생산원가가 상승되는 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 이와같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 곱(Gob)프리포옴의 일측면을 일정 온도하의 질소 분위기에서 가열 변형시켜 자유표면 프리포옴을 얻은 다음 정밀금형에서 1번의 프레싱작업에 의해 초정밀 광학소자를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적에 의하며 성형장치를 배치(batch)식으로 형성하여 연속작업이 가능해질 수 있도록 한 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 형태에 따르면, 곱(Gob)프리포옴을 예비가열실로 이송시키는 공정과, 상기 이송된 곱 프리포옴을 열변형 금형에서 일측면에 금형의 면을 그대로 전사시켜 자유표면 프리포옴을 얻는 공정과, 상기 자유표면 프리포옴을 열가압실로 이동시킨 다음 정밀금형에서 일정온도 및 압력으로 성형하여 최종 광학소자를 얻는 공정과, 상기 최종 광학소자를 상온까지 냉각시키는 공정을 포함하여서 된 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 본체에 설치되어 곱 프리포옴을 자유표면 프리포옴으로 성형하는 예비 가열실과, 상기 예비가열실의 일측에 설치되어 일정압력으로 자유표면 프리포옴을 가압시키는 열간가압실과, 상기 열간가압실 내부에 성형을 위해 설치된 정밀금형을 가압해 주는 실린더램과, 상기 예비가열실과 열간가압실의 양측에 설치된 로딩실 및 배출실과, 상기 로딩실과 배출실에 설치되어 곱 프리포옴이나 최종 광학소자를 이송시키는 로보트로 구성된 초정밀 광학소자용 유리의 성형장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도시한 첨부된 도면 제 1도 내지 제 3 도를 참고로 하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 제 1 도는 열변형 금형에서 자유표면 프리포옴을 성형하는 상태를 나타낸 종단면도이고, 제 2 도는 정밀금형에서 완성품인 최종 광학소자를 성형하는 상태를 나타낸 종단면도이며, 제 3 도는 본 발명의 장치를 나타낸 종단면도이다.

본 발명의 프레스성형에 의해 고정밀도의 광학소자를 얻기 위해서는 다음과 같은 여러가지 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

즉, 고온하에서 사용되는 금형의 수명이 연장되도록 하여 제조원가를 줄일 수 있도록 하고 성형된 광학소자가 열수축에 의해 변형되거나 버어(burr)등이 생기지 않도록 하여야 되며 성형되는 광학소자의 표면이 오염되지 않도록 이형재를 사용하지 않음과 동시에 성형시 금형과의 융착을 방지시켜야 된다.

유리재료 성분의 휘발등에 의해 표면변화층의 두께가 광학적 용도에 지장을 가져오지 않아야 되고 성형된 광학소재를 금형으로 꺼낸후에도 표면정도가 저하되지 않아야 되며, 특히 굴절율조정을 위한 정밀서냉(Fine annealing)을 실시하여 통과면정도를 유지하여야 된다.

또한 온도 싸이클(Cycle)을 최적화하여 저소비 에너지양으로 연속성형이 가능해야 된다.

상기 조건을 충족시키기 위한 본 발명은 곱 프리포옴 형태의 유리소재를 예비가열실로 이송시켜 상부가 개방된 열변형 금형(5)에 제 1 도 의a와 같이 얹어 일정조건하에서 상기 열변형 금형의 일측면이 곱 프리포옴의 일측면에 그대로 전사되도록 하여 제 1도의b와 같은 자유표면 프리포옴을 얻는다.

이와같이 얻어진 자유표면 프리포옴을 열간가열실(6)로 이송시켜 정밀금형(7)에서 일정온도 및 압력의 조건으로 성형하여 최종 광학소자를 얻게 된다.

그후 최종 광학소자를 일정온도(상온)까지 냉각시키는 공정을 거치므로서 값싼 초정밀 광학소자의 성형이 완료되는 것이다.

상기한 바와같이 얻어진 초정밀소자는 제 3 도와 같은 형태의 장치에 의해 성형되는 것으로 첨부된 도면 제 3 도를 참고로 하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본체(1)에 설치되어 곱 프리포옴(2)을 자유표면 프리포옴(3)으로 성형하는 예비가열실(4)내에 상부가 개방된 열변형 금형(5)이 설치되어 있고 예비가열실(4)의 일측에는 열간가압실(6)이 형성되어 있으며 상기 열간가압실내에는 일정압력에서 최종 광학소자를 성형하는 정밀금형(7)이 장착되어 하이드롤릭 실린더(Hydraulic Cylinder)에 의해 작동되는 램(8)과 고정되어 있다.

한편 예비가열실(4)과 열간가압실(6)의 일측에 곱 프리포옴이나 성형된 광학소자를 냉각시키는 로딩실(9)과 배출실(10)이 일직선상으로 연결되어 있고 상기 로딩실(9)과 배출실(10)에는 곱 프리포옴(2)이나 최종 광학소자(11)를 이송시키는 로보트(12)(13)가 각각 설치되어 있다.

이때 예비가열실(4)에 장착된 열변형 금형(5)은 로딩실(9)에 설치된 로보트(12)의 아암과 임의의 방법으로 연결되어 있고 열간가압실(6)에 장착된 정밀금형(7)은 열간가압실(6)내의 하이드롤릭 실린더램(8)과 임의의 방법으로 연결되어 있다.

또한 본체(1)의 양측에는 예비가열실(4)과 열간가압실(6)을 외부공기와 차단시키기 위한 셔터(14)(15)가 설치되어 있다.

이하, 본 발명의 성형장치에 의해 성형되는 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 로딩실(9)에 장착된 로보트(12)의 아암과 임의의 방법으로 연결된 열변형 금형(5)에 제 1 도의 a와 같이 곱 프리포옴(2)을 적당한 위치에 올려 놓는다.

그후 로딩실(9)과 예비가열실(4) 사이의 셔터(14)를 올린 상태에서 로보트(12)를 예비가열실(4)로 이동시키고 셔터(14)를 닫아 예비가열실(4)을 밀폐시킨다.

이와같이 예비가열실(4)을 밀폐시킨 다음 진공펌프(도시는 생략함)를 이용하여 10^-5Torr상태의 진공을 유지한 후 불활성 가스인 N₂를 적당량 불어넣어 열변형 금형(5)을 가열시키는데, 이때 진공상태에서 불활성가스인 N₂를 불어넣는 이유는 곱 프리포옴(2)이 산화되는 것을 방지함과 동시에 기포가 발생되는 것을 미연에 방지하기 위함이다.

열변형 금형(5)을 가열시키는 조건은 열변형 금형(5)에 얹혀진 곱 프리포옴(2)의 온도가 유리점도 10⁵-10⁷poise에 해당하는 온도로 하여 주면 된다.

이에따라 곱 프리포옴(2)은 열변형에 의해 열변형 금형(5)의 표면이 그대로 전사되어 제 1 도의 b와 같이 되고 열변형 금형(5)과 접촉되지 않은 면은 연화된 유리의 표면장력에 의해 자유표면 프리포옴(3)으로 형성된다.

상기한 바와같은 방법에 의해 곱 프리포옴(2)을 연삭, 연마가공 없이도 표면정도 및 조도가 매우 우수한 자유표면 프리포옴(3)을 얻게 되는 것이다.

이때 유리점도를 10⁵poise 이하에서는 유리구조가 변형되어 광학적 특성인 굴절율이 변하게 되므로 냉각 공정에서 매우 느린 속도로 냉각을 실시하여야 한다.

또한 유리점도를 10⁷poise 이하로 하는 이유는 10⁷poise 이상에서는 열변형에 의해 유리가 자유표면의 프리포옴을 형성될 수 없기 때문이다.

한편 자유표면 프리포옴(3)을 얻기 위한 열변형 금형(5)의 재료로는 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 그라시 카본(Glassy Carbon), 보론 나이트라이드(Boron Nitride), 스테인레스 스틸(Stainless Steel)등을 사용하게 된다.

이와같이 얻어진 자유표면 프리포옴(3)을 로보트 아암에 의해 열간가압실(6)로 이송시켜 정밀금형(7)의 하부금형에 올려놓는다.

이때 정밀금형(7)의 온도는 유리의 전이온도 이상이어야 되며 자유표면 프리포옴(3)의 유리점도는 10⁸-10¹¹poise로 해야 한다.

왜냐하면 10⁸poise 이하에서는 성형후에 냉각시간이 길어짐과 동시에 냉각시에 발생되는 국부수축 변형에 의해 광학면의 형상을 제어하기 어렵게 되고 10¹¹poise 이상에서는 유리가 점 탄성변형을 하게 되어 성형후의 냉각공정에서 탄성회복 현상이 일어나 광학면의 형상을 변형시키기 때문에 이를 방지하기 위해서는 상기한 자유표면 프리포옴(3)의 유리점도를 10⁸-10¹¹poise로 해야 한다.

그후 하이드롤릭 실린더의 램(8)에 의해 상부금형이 내려와 자유표면 프리포옴(3)을 50-1000Kgf/cm²의 압력으로 프레싱하여 제 2 도와 같은 형태를 얻게 되는데, 이때 프레싱압력을 1000Kgf/cm²이하로 하는 이유는 금형재료의 내구성을 감안한 것이고 50Kgf/cm²이상으로 한것은 정밀금형(5)의 표면을 정밀하게 자유표면 프리포옴(3)에 전사시키기 위함이다.

상기 정밀금형(7)의 재료로는 유리와 반응성이 적고 고온강도가 높은 재료를 사용하는 것이 바람직한데, W 합금이나 귀금속 또는 Ta, Hf 합금 및 세라믹을 사용하는 것이 좋다.

또한 초정밀 광학소자를 얻기 위해 정밀금형(7)의 표면조도는 0.01㎛ 이하로 하여야 된다.

제 2도와 같은 열간가압실(6)에서 가압성형된 최종광학소자(11)는 유리점도가 10^12.5-10^14.5poise될때까지 압력을 지수 함수적으로 감소시키게 된다.

이때 유리점도가 10^12.5-10^14.5poise될때까지 감소시키는 이유는 유리점도가 10^12.5poise이하에서는 고정도로 성형전사된 광학면의 형상이 변형될 염려가 있고 10^14.5poise 이상에서는 더 이상의 형상변형이 없게 되기 때문이다.

따라서 이러한 상태에서 성형압을 제거시킨 다음 열간가압실(6)과 배출실(10)의 셔터(5)를 열고 배출실(10)의 로보트(13) 아암을 이용하여 최종 광학소자(11)를 배출실(10)로 이송시켜 상온까지 급냉시키므로서 성형작업이 완료되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 곱 프리포옴을 열변형 금형에서 자유표면 프리포옴으로 성형한 다음 1번의 프레싱작업에 의해 초정밀 광학소자를 얻을 수 있게 되므로 표면조도가 매우 우수한 광학기기용 유리렌즈나 프리즘, 미러등을 값싸게 대량 생산하여 공급할 수 있게 되는 효과를 가지게 된다.

Claims (6)

1. 유리점도가 10⁵-10⁷poise에 해당하는 온도를 가지는 예비가열실로 곱(Gob) 프리포옴을 이송시키는 단계와, 상기 이송된 곱 프리포옴의 하면을 예비가열실내에 있는 열변형 금형면과 전사시켜 줌과 동시에 프리포옴의 상면을 예비가열실에 그대로 노출시켜 자유표면 프리포옴으로 만드는 예비 형성단계와, 상기 예비성형된 프리포옴을 10⁵-10⁷poise의 유리점도를 가지는 열간가압실로 이송시킨 다음 소정압력으로 성형하여 광학소자를 얻는 최종성형 단계를 포함하여서 된 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열간가압실의 성형압력은 50-1000Kgf/cm²인 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법.
3. 제 2 항에 있어서, 열간가압시킨 후 유리점도가 10^12.5-10^14.5poise가 될때까지 가압상태를 유지하면서 냉각시키도록 됨을 특징으로 하는 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법.
4. 제 1 항에 있어서, 자유표면 프리포옴을 얻는 공정이나 최종광학소자를 얻는 공정에서 불활성가스인 N₂를 진공상태로 주입시키면서 성형하도록 됨을 특징으로 하는 초정밀 광학소자용 유리의 성형방법.
5. 본체(1)에 설치되어 곱 프리포옴(2)을 자유표면 프리포옴(3)으로 성형하는 예비가열실(4)과, 상기 예비가열실의 일측에 설치되어 일정압력으로 자유표면 프리포옴을 가압시키는 열간가압실(5)과, 상기 열간가압실(6) 내부에 성형을 위해 설치된 정밀금형(7)을 가압해 주는 실린더램(8)과, 상기 예비가압실과 열간가압실의 일측에 설치된 로딩실(9) 및 배출실(10)과, 상기 로딩실과 배출실에 설치되어 곱 프리포옴이나 성형된 광학소자를 이송시키는 로보트(12)(13)로 구성됨을 특징으로 하는 초정밀 광학소자용 유리의 성형장치.
6. 제 5 항에 있어서, 로딩실(9)과 예비가열실(4), 열간가압실(6)과 배출실(10) 사이에 셔터(14)(15)를 설치하여 상기 예비가열실(4)과 열간가열실(6)을 외부공기와 차단시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 초정밀 광학소자용 유리의 성형장치.