KR860001491B1

KR860001491B1 - 정밀유리제품의 성형방법

Info

Publication number: KR860001491B1
Application number: KR8204700A
Authority: KR
Inventors: 마르샬 쟝-삐에르; 오르 매쉬메이어 리차아드
Original assignee: 코오닝 그라아스 와아크스
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1986-09-27
Also published as: JPH0432008B2; KR840001935A; EP0078658B2; JPH06211528A; SG72886G; JPS6132263B2; DE3272038D1; JPS5884134A; EP0078658B1; EP0078658A2; EP0078658A3; JPS632822A

Abstract

내용 없음.

Description

정밀유리제품의 성형방법

제 1 도는 유리본체 성형에 적합한 실험실 장치를 도시한 것이고,

제 2 도는 유리본체 성형에 적합한 또 다른 실험실 장치를 도시한 것이다.

본 발명은 정밀유리제품의 성형방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 고정밀한 형상과 재생성을 갖고, 아주 짧은 압력순환 시간을 제공하며, 또 주형물질이 광범위하게 사용됨을 개선점으로 하는 단열 압착유리제품 제조방법에 관한 것이다.

정밀 광학소재(素材)는 정확한 모양과 표면질을 갖기 위한 고연마 표면을 필요로 한다. 통상적인 상호 도형상의 관계에 있어서도 표면처리를 필요로 하게 되며, 또 소재가 투광용으로 사용되기로 한 경우는 이는 조절되고, 균일하며 또 균등한 굴절지수를 갖는 물질로부터 제조되어야 한다.

정밀과학 유리소재는 통상 2종류 복합 다단계 공정중 한공정에 따라 제조된다. 첫번째 공정은 유리벳취를 통상적 방법에 의해 융해시키고, 또 이용융물로 조절되고 균질의 굴절지수를 갖는 유리본체를 제조한다. 이후 이 본체는 공지된 재압착방법을 사용하여 필요로 하는 최종제품에 근접하는 형상을 갖도록 재성형시킬 수 있다. 그러나 이 제조단계에서의 본체의 표면 모양 및 끝손질이 상형성 광학기계용으로 적합할 정도는 못된다. 이 거치른 제품은 정교환 아닐링 과정을 거쳐 적당한 굴절지수를 갖게되며 또 통상적인 연마과정을 거쳐서 개선된 표면 형상을 갖게 된다. 두번째 공정은, 유리융용물 벌크본체로 제조되어 바로 정교한 아닐링 공정을 거치게 되며 또 이어서 필요로 하는 형태의 제품으로 절단 및 연마를 행하게 된다.

상기 2가지 공정은 유사하게 제한을 받는다. 연마를 통해 제조되는 표면 모양은 일반적으로 납작한 모양, 구형 및 포물선과 같이 원뿔형 부위로 제한된다. 기타 형상, 특히, 일반적인 비구면은 연마하기 매우 곤란하다. 상기 2가지 공정에서 모두 연마광학면은 선행 연마방법, 그러나 복합된 방법을 사용하여 연마함으로써, 표면모양을 손상시킴이 없이 표면마무리를 개선하도록 노력한다. 비구면인 경우에는 이 연마작업은 고도의 숙련과 값비싼 수공을 필요로 하게된다. 에이징(edging)을 통한 최종 마무리 공정이 일반적으로 요구된다. 에이징은 구형렌즈의 기계축과 광학축이 일치할 수 있도록 보장한다. 그러나 에이징으로도 이와같은 렌즈연마에서 경험하게되는 어려움의 일부가 되는 인자인 잘못 연마된 비구면 관계를 개선할 수는 없다.

최종상태로 렌즈를 직접 성형하면 원리적으로는 비구형렌즈제조에 특히 어렵고 또 시간을 소비하는 연마, 광택 및 에이징 공정을 생략할 수 있음이 아주 자명하게 된다. 실제로 성형공정은 플라스틱렌즈 제조에 사용된다. 그럼에도 불구하고, 광학용으로 적합한 현존 플라스틱은 단지 제한된 굴절지수 및 분산범위내에서만 사용이 가능하다. 더우기 대부분의 플라스틱은 긁힘이 쉽게 가고 또황변(黃變), 헤이즈(haze) 및 쌍굴절(birefringence)현상이 일어나기 쉽다. 이같은 단점은 내마모성 및 항굴절성 피복물을 사용해서도 충분히 해결할 수 없었다. 더구나, 플라스틱 광학소재는 기계적 힘, 습기 및 열에 의해 만곡되기 쉽다. 플라스틱의 부피와 굴절지수는 모두 온도변화에 따라 실질적으로 변하게 되며, 이에 따라 이들의 사용가능한 온도범위가 제한을 받게 된다.

결과를 종합할 때 유리의 모든 특성은 일반적으로 광학물질로서 플라스틱을 능가하고 있다. 그러나 유리의 고온압착에 관한 선행기술은 광학기구용에서 요구되는 정확한 표면 모양과 표면질을 제공할 수 없었다. 표면의 냉각주름과 표면모양오차는 고질적인 병폐를 구성한다. 전술한 바와 같이, 선행 재압착 기술에서도 유사한 문제가 발생될 수 있다.

이같은 문제점을 해결하기 위하여 각종계획이 고안되는 바, 이같은 고안으로는 흔히, 가열시킨 주형을 사용함으로써 성형되는 유리온도를 주형온도와 거의 동일하게하는 등의 등온압착 ; 압착공정중에 유리 및 주형물질에 불활성인 가스기류의 사용 및/또는 주형제작에 특히 제한된 조성물 물질의 사용등을 포함한다.

예를들어 미합중국 특허 제2, 410, 616호에는 유리렌즈 성형장치 및 방법을 기술하고 있다. 주형은 가열시킬수 있으며 또 이 온도는 성형되는 유리와 일치하는 좁은 범위내에서 조절가능하도록 되어 있다. 주형의 산화를 방지하기 위하여 주형과 접하여 불활성 또는 환원가스기류(바람직하게는 수소)가 사용된다. 본 발명명세서에는 주형이 담긴 챔버 입구에는 화염막(통상 수소연소)을 사용하여 챔버내로 공기인입을 방지하고 있다. 특별히 성형공정 매개변수를 설명하는 실시예는 제공되어 있지 않다.

미합중국 특허 제3, 833, 347호 또한 유리렌즈의 압력성형장치 및 방법에 관한 것이다. 이 또한 주형은 가열될 수 있으며, 또 그 온도는 정밀하게 조절된다. 불활성가스가 주형을 둘러싸서 산화를 방지시킨다. 본 발명 명세는 유리형태탄소로 구성된 주형표면을 사용하는 것을 계획하고 있다. 금속 다이의 사용은 광학성 용도에 접합치 못한 렌즈표면을 만든다고 언급되었다. 본 제법은 8단계로 구성되는 바, (1) 한 덩어리의 유리를 주형에 장입하고 ; (2) 주형주위의 챔버는 1차적으로 배기시킨후 이어서 그 내부에 환원가스를 도입하며 ; (3) 주형온도를 유리 연화점 부근으로 승온시킨 후 ; (4) 주형에 힘을 가하여 유리형상을 이룩하고 ; (5) 형체를 이룬 유리본체의 뒤틀림을 방지하기 위하여 주형에 가한 힘을 그대로 유지하면서 주형 온도를 유리의 전이 범위 이하로 낮춘후 ; (6) 힘을 제거하고 ; (7) 유리형태탄소의 산화를 방지하기 위하여 주형을 약 300℃로 더 냉각하며 ; 또 (8) 주형을 개방하는 단계로 되어 있다.

이같이 제조된 유리렌즈는 거의 변형이 없는 관계로 추가로 아닐링조작을 필요로 하지 않는다고 주장하고 있다.

미합중국 특허 제3,844, 755호에는 유리렌즈의 이송성형장치 및 방법에 대해 기술하고 있다. 이 방법 또는 8개 단계로 계획된바, (1) 유리형태 탄소로 제작된 이송챔버내에서 한덩어리의 광학유리를 장입시키고 ; (2) 1차적으로 챔버로부터 공기를 배기시키기 위해 가열하고 또 이어서 그 내부에 환원가스를 도입시키며 ; (3) 챔버를 대략 유리의 연화점 부근으로 가열하고 ; (4) 연화유리에 부하를 걸어주어 연화유리가 탕구(spr-ues)를 통해 유리형체를 이루는 유리형태 탄소표면으로 정해지는 주형공극부로 흘러들어가게 한 후 ; (5) 형체를 이룬 유리본체의 뒤틀림을 방지하기 위하여 부하를 유지한 상태에서, 챔버의 온도를 유리의 전이온도 이하로 낮추고 ; (6) 부하를 제거한 후 ; (7) 유리형태탄소의 산화를 방지하기 위해 챔버를 약 300℃로 더 냉각한 후 ; (8) 주형을 개방하는 단계로 되어 있다.

미합중국 특허 제3, 900, 328호에는 유리형태 탄소로 제작된 주형을 사용하여 유리렌즈를 성형하는 일반적인 방법을 기술하고 있다. 따라서, 이 특허는 유리형태 탄소로 제조된 주형 공극부로 가열 연화시킨 유리의 일부를 장입하고 ; 주형 주위에는 비산화성 기류를 유지하면서 주형에 적당한 양의 열과 압력을 가한후 ; 주형을 냉각하여 개방하고, 또 이어 이로부터 제작완료된 렌즈를 분리해낸다.

미합중국 특허 제4, 073, 654호는 수화유리로부터 광학렌즈를 압착 성형하는 방법에 관한 것이다. 이 제법은 수화유리의 과립을 주형에 장입시키고 ;주형에 진공을 걸어준 후 ; 주형을 이로부터 수증기가 방출되는 것을 방지하기 위하여 밀봉한 상태에서, 충분히 높은 온도로 주형을 가열시켜 과립을 소결하여 일체식 형상으로 만들고 ; 주형에 부하를 걸어준 후 ;주형으로부터 부하를 풀어주고 또 주형을 개방시키는 것으로 기술되어 있다. 제시된 주형물질로는 유리형태 탄소, 텅스텐카바이드와 텅스텐 합금들이 있다.

미합중국 특허 제4, 139, 677호에는 상기 미합중국 특허 제3, 833, 347호와 제3, 844, 755호를 병합시킨 유리렌즈의 압착성형과 이송성형을 기술하고 있으나, 주형의 유리접착물질로서 유리형태탄소 대신에 실리콘 카바이드와 실리콘니트리드를 사용하고 있다.

유럽특허원 제19342호에는 유리점도가 10^7.6포이즈 미만이 되는 유리의 연화점 이상의 온도에서 유리렌즈를 단열 압착시키는 방법을 기술하고 있다. 여기에는 압착렌즈가 실온으로 냉각됨으로서, 이 방법은 선행제법이 사용된 것으로 간주되어야만 한다는 방식의 언급이 없다.

요약하면, 유리렌즈의 단열 압착법과 관련된 선행기술은, 일반적으로 유리의 연화점 또는 그 이상 온도에서 압착시키고, 또 부하를 걸어주어 주형내에서 렌즈의 아닐링 조작을 행하는 것으로 되어 있다. 공정상의 특성에 의하여 이 공정은 시간이 오래 걸림은 아주 자명하다. 즉, 주형내로 유리를 주입하고, 주형내 압착, 아닐링과 주형으로부터 렌즈를 분리하는데 소요되는 시간이 포함되는 압착공정은 바람직하지 못하게 많은 시간을 소비하게 된다.

본 발명은 단연압착 유리제품에 대한 공지방법을 개선한 것으로서, 그 개선점은 극히 높은 정밀도와 재생성을 갖는 형상을 갖고, 압착 순환시간을 훨씬 짧게하고, 또 광범위한 주형물질의 사용을 가능하게 하는데 있다. 가장 광의로서, 본발명 제법은 다음의 7단계로 구성되는 바,

(1) 필요로 하는 최종목적물의 형태와 아주 유사한 형태를 갖는 유리 예비 성형체를 제조하고,

(2) 필요로 하는 최종목적물의 정밀한 내부 배열을 갖는 주형을 제조한 후 ;

(3) 상기 예비 성형체를 유리가 약 10⁸포이즈이상 약 10¹²포이즈 미만 범위내의 점도를 갖게되는 온도로 노출시키며,

(4) 상기 주형을 상기 예비성형체 온도 또는 그 부근 온도로 노출시키고,

(5) 상기 예비성형체가 전술한 점도 범위내에 있는 동안 상기 주형내에 넣고, 주형과 예비성형체가 적어도 주형부근에서는 거의 동일 온도로 유지되고 또 예비성형체가 주형과 일치하는 형체를 이룰 수 있도록 이주형에 충분한 시간동안 부하를 걸어주며, 또 이어,

(6) 이 유리형체를 유리가 10¹³포이즈미만의 점도를 갖는 온도에서 주형으로부터 분리하고, 또 그 후에,

(7) 이 유리형체에 아닐링조작을 행하는 단계로 구성된다.

주형물질의 특성은 규정되어 있지 않지만, 주형물질은 우수한 표면 마무리를 행할 수 있고, 유리에 대해 본질적으로 불활성이고 또 압착온도에서 표면 모양을 유지할 수 있는 충분한 견고성을 갖추어야만 한다. 특히 금형의 결정구조같은 주형표면의 반복되는 손실 특성문제는 본발명 방법에서 고려하지 않았다. 따라서 광범위한 주형 표면 물질의 사용이 가능하다. 사용될 수 있는 주형 물질로는 수종의 400계열 스테인레스강, 무전극판 닉켈, 베릴륨닉켈합금, 텅스텐카바이드, 백금, 로듐 및 금과 같은 귀금속합금과 용해실리카를 들 수 있다. 또한 유리형태탄소, 실리콘카바이드와 실리콘 니트리드 주형을 또한 사용할 수도 있으나 본 발명방법은 이같은 값비싼 물질의 사용을 필요로 하지 않는다. 주형표면은 벌크물질 또는 적합한 기질상에 피복형태일수도 있다.

본 발명 성형방법을 진행시키는 데 있어서,광학용 유리본체는 통상적 방법에 따라 이를 위한 벳취를 용융시켜 제조된다. 유리본체의 중량은 정밀하게 조절되어야 하며, 중량범위는 성형되는 제품설계에 의해 결정된다. 더우기, 본체의 형상은 광학적 불균질성 함유를 극소화시키는 방향으로 한다. 따라서 유리본체는 주형공극부에서의 가스고임을 극소화할 수 있는 형상으로 만든다. 예를 들어 볼록면이 성형되는 곳에서, 유리본체는 주형공극부의 굴곡부보다 더 뾰족한 굴곡부를 갖게 함으로서, 이것이 우선적으로 주형 공극부의 중앙과 접촉되도록 한다. 물론 또한 가스고임현상을 주형배기에 선행방법에 따라 제거시킬 수 있으나, 이 방법은 일반적으로 광학표면상에 결함으로 나타나게 된다. 이같은 주의사항을 지킴으로서, 유리본체 또는 예비성 형체의 형상은 가능한한 주형배열과 근접하게 일치하게 된다.

이같은 근접 일치는 가장 신속하고, 가장 균형잡힌 압착을 행하는 결과를 가져오며 또 최종제품상에 휜(fin)생성을 방지하는 방법을 제공한다. 최종적으로, 가장 바람직한 실시예에 있어서, 유리 예비성형체는 표면 거칠음을 거의 나타나지 않게 된다. 성형방법은 유리본체의 표면마무리를 개선하게 되지만, 과도한 거칠음이 표면개재물 및 광학적 불균질성의 원인이 된다.

일정한 최소의 기준이 충족되는 한예는, 광범위한 온도와 성형 압력을 사용하여 고정밀도의 유리제품을 성공적으로 제조할 수도 있다.

첫번째로, 성형공정은 통상적인 유리압착공정과 비교할 때, 유리가 훨씬 높은 점도를 갖는 온도에서 진행시킨다. 따라서, 유리는 약 10⁸내지 10¹²포이즈, 바람직하게는 약10⁸내지 5×10¹⁰포이즈 범위의 점도에서 성형된다. 주형물질이 우수한 표면 마무리로 유도할 수 있는 물질이거나, 압착온도에 견딜 수 있는 충분한 내화성을 갖고 또 성형온도에서 유리조성물에 의해 거의 침식되지 않는 한에는 본발명 성형 공정에서 어떤 유리 조성물도 사용될 수도 있을 것처럼 여겨진다.

두번째로, 본 발명 성형 공정은 형상제품의 최종모양이 형성되는 기간중에도 표면상으로는 단열조건을 유지한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 "단열적"이란 용어는 주형온도와 유리예비성형체의 온도가, 적어도 주형부근에서는 거의 동일함을 의미한다. 온도차이 발생은 최종유리형체의 전체크기 및 고유설계에 따라 달라지게 되지만, 이 차이는 바람직하게는 20℃ 미만 또 가장 바람직하게는 10℃ 미만이 된다. 이 단열조건을 충분히 장시간동안 유지하여 주형상에 압력으로 유리예비성형체가 주형표면과 일치하여 흐르도록 한다.

통상적으로, 본발명제법에 따라 성형된 유리제품들은 광학용도로 사용하기에 적합하게 되기에는 너무나 많은 열적응력을 함유하며, 또 따라서 성형후에 정밀한 아닐링(fine annealing)단계를 필요로 한다. 그러나 압착공정에서 사용된 단열분위기와 성형제품이 거의 전체적으로 주형표면과 일치한다는 사실로 인하여, 제품은 균등하게 수축하며, 따라서 상대적 표면 모양에 어떠한 큰 뒤틀림없이 이들에 대해 정밀한 아닐링을 행할 수 있다. 더우기, 이 뒤틀림 없는 아닐링은 성형형체에 어떠한 물리적 지지를 행함이 없이도 주형 밖에서 행할 수 있다. 이로서 주형 순환시간을 크게 단축시키며 또 주형을 재순환시킬 필요성을 배제하게 한다. 결과를 종합하면, 주형내에 담긴 유리형체와 함께 주형을 부하를 건 상태하에서 유리의 변태범위 또는 전이온도 이하 온도로 냉각시킬 필요가 없게 된다. 즉 주형을 변태 범위이하, 때에 따라서는 실온까지 냉각 하였다가 또 이어 재가열시키는 대신에, 유리가 10¹³포이즈 미만의 점도를 갖는 온도(압착제품이 주형으로부터 분리되는 최저온도)로 주형온도를 유지할 수 있다. 이같은 주형의 순환은 에너지를 다량소비하며 또 주형수명에도 악영향을 미치게 된다.

실험실적 시험결과는 방사스펙트럼가시부에서 0.1%미만의 치수허용치와 0.2λ/cm미만의 표면 모양허용치를 본 발명방법에서 성취할 수 있었음을 나타내고 있다.

성형장치의 고유구조는 본 발명 방법 기동상 정해져 있지 않다. 압착은 주형이 유리예비성형체에 대하여 움직이는 일정한 메카니즘과 주형 이동의 일정한 제한을 포함해야만 한다. 이와같은 제한은 광학표면중에서 필요로 하는 기하학적 관계를 성취하기 위해서 요구된다. 이같은 제한은 광범위한 방식으로 가해질 수 있음은 다행스러운 일이다. 성형렌즈를 위한 2개의 실험실적 장치가 제 1 도 및 제 2 도에 도식설명 되어 있으나, 이 도면은 어디까지나 예를 든 것으로서 본발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 유리의 자동장입 또는 하역을 위한 메카니즘의 첨가, 냉각원, 가열원 및 압축운동의 변경 및 주기능을 분리 또는 다른 기계장치로 이전하는 등의 변형은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 기술적 동일성내에 있음을 쉽게 판별할 수 있다.

제 1 도에서 주형 (1) 및 (2)은 부상 (3) 내부로 미끄러지는 핀(pins)과 유사하다. 광학표면 또는 주형공곡부(4)는 주형단부에 제작된다. 경사 및 중앙 상호간과 렌즈형성 표면에 대한 광학표면의 기하학적 관계는 부싱내에 주형을 일치시킴으로서 조절된다. 이 장치에서 수압 실린더(도시되지 않음)에 부착된 주형운반기(5) 및 (6)은 주형을 움직일 수 있도록 한다. 하부 수압실린더는 하부주형(1) 및 부싱(3)은 유도가열 코일(7)로 이동시키고, 또 부싱(3)을 프레임(8)에 대새 지지한다. 상부 실린더는 유리예비성형체(9)에 대하여 상부 주형(2)에 힘에 가해 줌으로써 예비성형체가 흐르게 한다. 가열은 유도가열로 제공되며 냉각은 자연환류를 이용한다. 장치의 온도는 하부 주형(1)내의 열전대(10)에 의해 조정관리된다.

제 2 도에서, 주형(20) 및 (21)은 광학표면 또는 이들 면에 제작된 주형공극부(22)을 갖는 판과 유사하다. 주형(20) 및 (21)은 링(23)내의 레세스(recess)와 인접된다. 레세스의 면은 경사를 조절하며. 레세스의 모서리는 중앙을 조절한다. 주형은 이의 이동을 돕는 수압실린더(도시되지 않음)에 부착된다. 수압실린더는 하부주형(20)을 프레임(24)과 접하여 상부로 또 유도가열코일(25)로 이동된다. 상부 수압실린더는 상부 주형(21)을 통해유리예비성형체(26)에 힘을 가해준다. 주형과 유리 예비성형체는 유도가열시키고 또 냉각은 자연 환류를 이용한다. 장치내 온도는 열전대(27)에 의해 조정 관리된다.

제 1 도 및 제 2 도에 설명된 장치는 2개의 기본적으로 다른 형태의 압착공정을 설명하고 있다. 제 1 도에서는 조립체 공극부의 부피는 가변적이다. 주형은 유동유리가 완전히 공극부를 채울때까지 이동을 계속한다. 수득 렌즈의 두께는 주형조립체 내 유리부피에 의해 결정된다. 제 2 도에서는 주형이 멈춤점에서 이동이 정지되어 조립체내 공극부 부피가 고정되어 있다. 통상적으로, 주형 조립체내 장입되는 유리예비성형체의 부피는 공극부를 완전히 충만시키지 않는다. 이같은 인자로 인하여 제 2 도에서 참조부호(18)에 의해 표시된 바와같이, 유리상에 존재하는 주형에 의해 제한을 받지 않는 유리된 유리표면이 일부 생성된다. 렌즈의 두께는 링(23)의 두께에 의해 지배된다. 광학렌즈용으로 적합한 정확한 표면 모양을 갖는 고정밀 유리제품은 실험실에서 상기 2가지 방법 및 장치를 사용하여 성형되지만, 제 1 도에 도시된 장치의 사용이 바람직하다.

제 1 도에 도시된 장치는 외부의 정지점이 주형운반기에 부착된 경우라면 유리본체를 유리된 표면을 갖도록 압착시킬 경우에도 또한 사용될 수 있다. 유리표면의 일부가 제한을 받지 않는 상태에서, 주형과 접촉시켜 정확한 표면 모양을 얻게되는 능력은 유리형체상에 휜(fin)이 생성됨을 방지하는 방법을 제공하는 유리한 역활을 한다. 휜이란 2개의 분리된 주형조립체 조각사이의 틈으로 흘러 들어간 유리에 의해 수득되는 얇은 파쇄성 부착물을 뜻한다. 휜은 장식결함임은 물론 압착공정에서 방해, 균열, 마모 및 오염을 일으킬수 있다.

제 1 도 및 제 2 도에 도시된 압축을 실제로 행함에 있어서, 유리예비성형체, 하부주형 및 부싱 또는 링은 수동으로 함께 조립시킨다. 하부수압실린더는 이 조립체를 유도가열 코일내로 이동시킨다. 그후에 상부주형은 유리에 아주 근접하게 이동시킨다. 주형과 유리 예비성형체에 적합한 온도-압력 가열을 부가하고, 이어서 상부주형을 상부로 올리고, 잔유조립체는 가열 코일 밑으로 낮추고 또 성형제품을 수동식으로 분리시켜 미세 아닐링기(annealer)로 이송시킨다. 장치 제작에 사용된 물질과 압착단계에서 사용된 온도에 따라서는, 산화에 기인하는 변화로부터 고연마 및 고 내구성 표면을 보호하기 위하여 비산화성기류를 성형 공정주위에 둘러주는 것이 유리할 수도 있다.

제 1 도 및 제 2 도에 기재된 유도 가열의 특성은 유리예비성형체의 온도가 주형온도와 실질적으로 다른 현상을 방지하려는 것이지만, 이같은 가열형태의 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니어야 한다. 예를 들어, 비교적 고온의 유리를 차거운 주형에 장입하고, 그 후에 필요한 단열조건을 이루어준 후에 유리가 주형표면에 최종적으로 일치하게 되도록 압착시킬 수도 있는 것이다.

단열 조건하에서, 주형과 일치되는 유리 예비성형체의 흐름은 다음식에 따라 조절된다.

(주형형상, 출발유리형상)

상기 일반식에서

to는 일치에 소요되는 시간이고,

p는 유리가 충분히 압착될 때 유리내의 수압이며, 또압착력을 공극부표면적으로 나눈 값과 동일하고, 또

μ는 유리의 점도이며,

C는 주형공극부형상과 출발유리형상의차이에 따라 변하는 값으로 차이가 적을수록 이값도 적어진다.

적합한 C 의 값을 얻게되는 to, p 및 μ의 조합은 어느 것이든지 제품을 성형하는데 사용될 수도 있다. 그러나 실제면을 고려하면, 낮은 to값(압착시간)을 얻는 조합이 바람직하게 된다. 이같은 조합은 C값에 크게 좌우하게 된다. 이는 다음의 실시예 3에서 설명되는 바, 여기에서는 주형표면의 배열과 유리예비성형체의 기하학적 형상이 아주 유사하기 때문에 일치가 아주 높은 유리 점도에서 이루어지는 환경을 기술하고 있다.

유사한 논리적 방법으로 정밀성형에 적합한 압착압력 P는 아주 광범위하게 변형시킬 수 있음은 자명하다. 실제로는 약 1내지 50, 000psi, 바람직한 간격은 약 500 내지 2500psi 범위가 사용된다.

[실시예 1]

산화물 기준 중량%로 주로, 약 47.6% P₂O₅, 4.3% Na₂O, 23% B₂F₂와 23% PbO로 구성되는 유리용 벳취를 백금도가니내에서 통상적인 방법에 따라 용융시킨다. 플루오라이드가 어느 양이온과 결합하고 있는지 알려지지 않은 관계로 단순히 BaF₂로 표기하였으나 실제 벳취성분은 유리조성물에 플루오라이드를 혼합하게 된다. 용융물로부터 유리막대를 성형하고 이에 유리제조분야에 공지된 성형 및 형상부여 방법에 따라 필요로 하는 렌즈의 기하학적 형태와 유사하고 또 동일한 용적을 갖는 예비성형체형태로 만든다. 제 1 도에 도시된 장치를 전술한 방식에 따라 조립한다. 특정 렌즈설계에 적합한 비구면공극부를 갖는 10mm직경의 주형을 420M스테인레스 강으로 제작한다. 부싱은 텅스텐 카바이드로부터 제조된다. 조립체는 92% N₂와 8% H₂로 된 환원가스를 함유하는 글로브박스 안에 설치한다.

그안에 예비성형체를 갖고 있는 주형조립체를 유도코일내에서 331℃ 로 가열하고, 또 열적평형을 얻기 위하여 그 온도에서 5분간 유지한다. 이 온도는 유리가 약 9×10⁸포이즈의 점도를 갖는 온도에 해당된다. 1300psi에 해당하는 힘을 주형에 1분간 가한다. 부하를 제거하고, 또 이어 주형조립체를 유리가 약 10¹²내지 10¹³포이즈점도를 갖게되는 280℃로 급냉각시키고, 주형조립체를 해체하여 이로부터 수득렌즈를 분리한 후, 또 이 렌즈의 측면을 세라믹판상에 올려놓고 또 이판과 렌즈를 약 280℃로 작동하는 아닐링기로 이송시킨다. 아닐링기는 공기를 사용하며, 또 렌즈를 약 50℃/시간속도로 실온으로 냉각시킨다.

구경 0.4로서 투과광간섭 측정을 행한 결과, 입사파면과 잔존 파면의 RMS광로 차이는 약 0.050λ였다. 따라서 이 렌즈의 광학작용을 통상 허용되는 회절한계 기준 0.074λ보다 매우 우수하였다.

[실시예 2]

전술한 실시예 1에서 기술한 것과 동일한 조성을 갖는 유리예비 성형체를 제조하고, 또 동일한 방식에 따라 형체를 구성하였다. 제 1 도에 도시된 압착기를 백금-로듐-금합금으로 피복시킨 구형공극부를 갖는 10mm 직경 주형과 텅스텐 카바이드로 제작된 부싱으로 조립한다. 조형조립체는 그 내부의 예비성형체와 함께 대기류하에서 유리점도가 2×10⁸포이즈에 해당하는 온도인 338℃로 가열시켜서, 이 온도에서 5분간 균열(soaking)한다. 550psi에 해당하는 힘을 주형에 25초간 가해준다. 부하가 아직 가해지고 있는 상태에서, 주형조립체를 유리점도가 10¹¹포이즈에 해당하는 온도인 288℃로 급냉시키고, 또 이어 바로 렌즈를 조립체로부터 분리시켜 아닐링기로 이송시킨다. 렌즈표면은 대략 1파장정도로 구형오차를 갖게 된다.

[실시예 3]

조립체를 해체하기 이전에 주형조립체에 288℃에서 부하를 5분간 유지시키는 것 이외에는 실시예 2의 조건을 반복 실시하였다. f0.8렌즈구면은 0.21λP-P 및 0.030λ RMS범위내에서 주형을 복사하게 된다. P-P는 피크에서 피크를 의미하고, 이는 모집단의 최대치와 최소치의 차이를 의미한다. 따라서 P-P=Xmax-Xmin으로 된다.

RMS는 루트-민-스퀘어의 약자이며, 이는 모집단의 값들과 그 평균치의 차이를 제곱한 값의 평균치 평방루트를 나타낸다. 따라서

으로서 여기서

이다.

실시예 2에서와 같이 주형이 압력하에서 냉각되는 곳은 유리와 주형간에 존재하는 열팽창의 차이로 인하여 유리는 냉각중에 주형으로부터 이탈하여 수축하고, 또 여기에 가해지는 압력으로 주형표면에 다시 일치시키려고 노력하는 것으로 믿어진다. 이같은 조건으로는 뒤틀린 표면모양을 갖는 렌즈가 제조되게 된다. 이와 반대로, 실시예 3은 유리점도가 10¹²포이즈를 넘지않는 낮은 온도에서 단열조건을 얻기에 충분한 시간동안 부하를 걸어주더라도 유리는 주형과 일치하게 되며, 이같이 됨으로써 우수한 표면 모양을 갖는 렌즈를 제조할 수 있음을 입증하고 있다.

[실시예 4]

유리펠릿을 용융물로터 주조하고 또 전술한 실시예 1에서의 방법과 동일한 방법에 따라 예비성형체로 성형하며, 유리는 실시예 1과 동일한 조성을 갖는다. 주형과 링은 400계열 스테인레스강으로 제작하여 제 2 도에 도시된 장치로 조립하고, 또 전 조립체는 그 내부의 예비성형체와 함께 92%N₂및 8% H₂로 된 환원가스를 함유하는 글로브박스에 장입시킨다.

조립체는 319℃(약 3×10⁹포이즈)로 가열시켜서, 그 온도에서 4분동안 균열한다. 500psi에 해당하는 힘을 주형에 1분간 가해준다. 부하를 그대로 건상태에서, 주형조립체를 280℃(약 7×10¹¹포이즈)로 냉각시키고, 이 온도로 약 5분간 유지시킨 후에 조립체를 해체하여, 렌즈를 약 270℃로 가동중인 아닐링기에 이송시킨다. 아닐링처리한 렌즈표면을 주형표면을 0.25λ P-P보다 우수하게 복사한다.

양쪽 성형단계는 단열조건하에서 진행시킨다. 이같은 조건은 의무적인 것이 아니다. 제 2 의 또는 최종압착은 참된 표면모양을 획득하기 위하여 단열조건하에서 진행시켜야만 하지만, 제 1 의 압착은 반드시 그럴 필요는 없다.

[실시예 5]

24.0mm의 곡률 반경을 갖는 양면볼록 형상의 유리예비성형체는, 실시예 1에 기술된 것과 유사한 방식에 따라 산화물 중량%기준으로 주로 약 5.9%PbO, 19.2%K₂O+Na₂O+CaO, 7.9%B₂O₃와 67%SiO₂로 구성되는 조성물로부터 24mm직경주형을 사용하여 제조된다. 제 1 도에서 설명된 것과 유사한 장치를 텅스텐 카바이드로 제작된 구형주형을 사용하여 조립한다.

예비성형체를 주형내부에 장입하고, 또 이 조립체를 유리점도가 10⁹포이즈로 되는 온도인 635℃로 가열시킨다. 이 주형에 850기압(12, 328psi)부하를 2분간 가하고, 이 부하가 걸린 상태에서 주형 조립체를 유리점도가10¹³포이즈로 되는 570℃로 냉각시킨다. 부하를 상부주형(2)을 들어올림으로써 제거시키고, 또 렌즈는 하부 주형(1)에 머무는 동안 아닐링 조작을 행한다.

제작완료된 렌즈의 간섭측정결과 우수한 재생성이 입증되었다.

[실시예 6]

실시예 5에 기술된 것과 유사한 방식으로 제조되고 또 동일한 기하학적 구조를 갖는 유리예비성형체를, 산화물기준 중량 %로 주로 약 1%MgO, 27%CaO+BaO+ Na₂O+K₂O, 0.7%Al₂O₃, 0.7%B₂O₃, 0.6%Sb₂O₃와 70%SiO₂로 구성되는 조성물로부터 제조한다.

실시예 5에 기술된 것과 동일한 주형조립체를 사용하여, 예비성형체를 주형내부에 장입시키고 또 조립체를 우리가 5×10⁸포이즈의 점도를 갖는 온도인 650℃로 가열한다. 이 주형에 900기압 (13, 053psi)부하를 2분간 가해주고, 주형조립체를 유리점도가 10¹³포이즈가 되는 538℃로 냉각하고, 또 538℃에서 부하가 0이 될때까지 부하를 서서히 줄여준다. 상부주형(2)를 들어올리고, 또 렌즈가 하부주형(1)에 위치하는 중에 아닐링 처리시킨다. 제작완료된 렌즈의 간섭측정결과 우수한 재생성이 입증되었다.

[실시예 7]

실시예 5에서 기술된 것과 유사한 방식에 따라 제조되고 또 동일한 기하학적 형태를 갖는 유리예비성형체를, 산화물 기준 중량%로 주로 약 2%Na₂O, 70.5%PbO, 0.5%B₂O₃와 27%SiO₃로 구성되는 조성물로부터 제조한다. 실시예 5에서 사용된 것과 동일한 주형조립체를 이용하여, 예비성형체를 주형내부에 장입시키고, 또 조립체를 유리가 10⁹포이즈의 점도를 갖는 온도인 525℃로 가열한다. 이 주형에 800기압(11, 603psi)의 부하를 2분간 가해주고, 이 부하가 유지된 상태에서 주형조립체를 유리점도가 10¹³포이즈로 되는 445℃까지 냉각시킨다. 상부주형(2)를 들어올려 부하를 제거하고 또 렌즈가 하부주형(1)에 머무르는 동안 아닐링조작을 행한다. 제작 완료된 렌즈의 간섭측정결과 우수한 재생성이 입증되었다.

실시예 2내지 7에서 압착단계에서 사용된 부하는, 동일 수준으로 유지되거나, 또는 주형 조립체가 유리점도가 약 10¹¹내지 10¹³포이즈로 되는 온도로 냉각될때 점진적으로 감소시키는 것으로 되어 있으나, 이조작은 필요하지 않다. 유리형태를 주형과 일치시키기에 충분한 힘을 가해주어야만 하지만, 이같은 부하는 압착에서 사용된 것보다 상당히 낮아도 된다. 압착부하보다 다 큰 힘이 사용될 수 있으나 실제면에서 전혀 잇점이 없다.

또한, 상기 실시예에서는 예비성형체를 주형에 장입시키고 또 이외 온도를 주형과 함께 승온시키게 되어 있으나, 이같은 조작은 본 발명 방법에서 필요로 하는 특징이 아니다. 따라서 예비성형체와 주형은 서로 분리하여 필요로 하는 온도로 가열되고, 또 주형에 부하를 걸어주어야 하는 시점에서만 서로 합칠 수가 있다.

우수한 표면 특성을 갖는 제품을 유리점도가 10⁸내지 5×10¹⁰포이즈 범위내에 있는 온도에서 단일단계 단열압착방법으로 가장 신속하게 제조하여 이 제품을 바로 주형조립체로 부터 분리시킬 수 있지만은, 가장 우수한 표면 특성은 유리가 약 10¹¹내지 10¹²포이즈의 점도를 갖는 온도에서 최종표면 모양을 이룰때 수득하게 된다. 예기되는 바와 같이 이들 온도에서 압착공정에 소요되는 시간은 매우 길어지게 된다. 결과적으로 전술한 실시예 3에서와 같은 2단계 공정이 바람직한 조작을 구성하게 된다. 따라서 초기압착을 유리점도가 약 10⁸내지 10¹⁰포이즈인 온도에서 일정기간동안 행한 후에 유리가 약 10¹¹내지 10¹²포이즈를 갖는 온도로 급냉되는 동안 주형에 걸어준 부하를 그대로 유지시킨다. 단열조건을 수립하기 위하여, 이 온도에서 비교적 오랜동안 유지시킨 후에 제품을 주형에서 분리해 낸다. 장기간 유지시킨다고 형상본체특성에 악영향을 미치는 것은 아니지만, 경제적 이유로 바람직하지 못하다.

바람직한 2단계 성형공정으로 진행되는 또 다른 제법으로 2세트의 주형을 사용하는 방법을 들 수 있다. 첫번째 주형은 유리 예비성형체 점도가 약 10⁸내지 10¹⁰포이즈로 되는 온도에서 사용된다. 이 온도범위내 온도에서 압착시킨후, 예비성형체는 냉각시키지 않고 단지 표면특징의 잠재능력을 소량 상실한 상태로 주형에서 분리된다. 이후 유리예비성형체는 제 2 주형 세트로 잠입되어 유리점도가 약 10¹¹내지 10¹²포이즈로 되는 온도에 노출된다. 이들 온도에서의 제 2 의 압착은 유리에 의해 행해지는 흐름의 양이 극히 소량이기 때문에 표면모양을 완성하는 데 그다지 길지않은 성형시간을 요하게 된다. 제 2 의 압착단계는 단열조건하에서 진행되어야만 하나 제 1 의 압착단계는 이같은 조건을 필요로 하지 않는다.

전술한 바와 같이, 유리에 충분히 내화성이고 또 불활성인 주형 물질의 구입이 가능만하다면 거의 모든 유리가 고정밀성과 우수한 표면 특징을 갖는 형체로 성형될 수 있다. 조작상의 이유에 의하여 100℃ 내지 650℃, 또 바람직하게는 약 250℃ 내지 450℃의 압착온도가 매우 바람직하다. 따라서 100℃ 내지 650℃온도범위, 또 바람직하게는 약 250℃ 내지 450℃온도에서 점도 10⁸내지 10¹²포이즈를 갖는 유리조성물이 이들 요건을 만족시킨다. 유리기술 분야에서는 포스페이트 기재 유리 조성물이 이 통상 낮은 전이온도를 갖는 것으로 알려져 있다. 이같은 유리는 본 발명 성형기술에 잘 적응한다. 그러나, 포스페이트-기재 유리는 흔히 화학적내성이 나쁜 것으로 또한 공지되어 있다.

에이. 알. 올스제브스키, 엘. 엠. 샌포드(A. R. Olszewski, L. M. Sanford) 및 피이. 에이. 티크(P. A. Tick)의 이름으로 1980년 2월 26일자로 출원된 미합중국 특허원 제124, 924호에는 산화물 기준 중량% 분석결과, 주로 30% 내지 75%P₂O₅, 3% 내지 25%R₂O(여기서 R₂O는 0내지 20%Li₂O, 0내지 20%Na₂O, 0 내지20%K₂O, 0내지 10%Rb₂O 및 0내지 10%Cs₂O로 구성된다), 3% 내지 20%Al₂O₃와 3% 이상 그러나 24%미만의 F로 구성되고, F : Al의 원자비가 1.5 내지 5이고 또 R : P의 원자비가 1미만인 전이온도 350℃이하, 또 우수한 내기후성을 갖는 알카리금속 알루미노플루오로포스페이트계에 속하는 유리조성물에 대해 기술하고 있다. 이들 전체적인 특성때문에 이들 유리는 본발명 제법을 사용하는데 가장 바람직한 조성물로 사료된다.

전술한 실시예에서 유리점도 범위에 해당하는 다른 온도 조건하의 실험실 장치에서 제품을 성형하였다. 그러나, 실제면에서 가장 이상적 상황은 체류시간을 최소로 줄여 사용하는 점이다. 이같은 최소 체류시간을 얻기 위해서 약 10⁸내지 10¹²포이즈 범위즈내의 성형점도를 조절할 수 있다.

우리가 10⁸포이즈 이하의 점도를 갖게 되는 온도에서도 성형을 행할 수는 없으나, 이같은 경우, 적당한 유리 균일성에 문제점을 갖고 또 압착생성물 모서리에 휜을 발생시키는 원인이 되는 주형 조립체연결부 사이로 유리가 흐르는 등의 부작용이 발생된다. 반대로, 10¹²포이즈 이상의 유리점도에서의 성형은 높은 압착력과 장기간의 체류시간을 필요로 하게되고 또 흔히 이들의 탄력작용은 유리 절단의 원인이 된다.

Claims

필요로 하는 최종 생성물의 전체적인 기하학적 형태와 아주 유사한 형태를 갖는 유리예비성형체를 제조하고 ;최종 생성물에 필요로 하는 기하학적 형태를 부여할 수 있는 정밀한 내부배열을 갖는 주형을 제조한 후 ; 이 예비성형체를 유리가 10⁸내지 10¹²포이즈 범위의 점도를 갖게되는 온도로 노출시키며 ; 이 주형을 예비성형체 온도 또는 그 부근온도로 노출시키고 ; 이 예비성형체가 전술한 점도 범위내에 있는 동안 주형에 넣고, 주형과 예비성형체가 적어도 주형부근에서는 거의 동일 온도로 유지되고, 또 예비성형체가 주형과 일치되는 형체를 이룰 수 있도록 이 주형에 충분한 시간동안 부하를 걸어주며 ; 이 유리 형체를 유리점도가 10¹³포이즈 미만인 온도에서 주형과 분리시키고 ; 또 그 후에 이 유리형체를 아닐링하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 고정밀도와 우수한 표면특성을 갖는 유리형체의 성형방법.
제 1 항에 있어서, 유리가 100 내지 650℃온도범위에서 10⁸내지 10¹²포이즈 범위의 점도를 갖게되는 조성물임을 특징으로 하는 성형방법.
제 1 항에 있어서, 예비성형체가 점도 10⁸내지 5×10¹⁰포이즈의 점도를 갖는 온도에서 형체를 이룸을 특징으로 하는 성형방법.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 있어서, 부하가 약 1내지 50, 000psi 범위로 주형에 부가됨을 특징으로 하는 성형방법.
제 1 항에 있어서, 부하가 종료되는 시점에서 적어도 주형부근의 예비성형체온도와 주형 온도의 온도차가 약 20℃를 초과하지 않음을 특징으로 하는 성형방법.
제 1 항에 있어서, 유리점도가 10¹²포이즈 미만인 온도에서 유리형체를 주형과 분리시킴을 특징으로 하는 성형방법.
제 1 항에 있어서, 유리예비성형체가 산화를 기준 중량%분석결과로, 주로 30 내지 75%P₂O₅; R₂O가 0 내지 20%Li₂O, 0 내지 20%Na₂O, 0 내지 20%K₂O, 0 내지 10%Rb₂O 및 0 내지 10%Cs₂O로 구성되는 3내지 25%R₂O, 3 내지 20% Al₂O₃와 3% 이상 24%이하의 F로 구성되고, F : Al원자비율이 1.5 내지 5이고 또 R : P 원자비율이 1미만임을 특징으로 하는 성형방법.