[첨단 헬로티]

사이토 유지 (齊藤 裕二)   伊藤광학공업(주)

동사는 1956년 창업한 이래, 광학 제품의 메이커로서 날마다 개발에 힘써, 안경 렌즈의 코팅과 콘택트렌즈의 제조를 일본에서 처음으로 실용화했다.

세계 최첨단의 안경 렌즈 코팅 기술과 고성능·고기능 플라스틱 렌즈의 설계․개발, 이들의 기술을 활용한 광학 기능 부품의 코팅을 최신예 설비를 도입해 취급하고 있다. 주된 사업 내용은 안경 렌즈 제조, 콘택트렌즈 제조, 광학 소자․부품 제조, 비구면 유리 렌즈 제조다.

개발 경위

안경 렌즈, 스마트폰이나 디지털카메라, 차재 카메라, 방법 카메라 등에 탑재되어 있는 광학 렌즈, 디스플레이나 미터 패널 등 표시계 패널의 시인성을 향상시키는 기술로서, 표면의 반사를 억제해 빛의 투과성을 높이는 반사 방지 기술이다. 현재 반사 방지 기능을 부여하는 방법은 성형 후에 성막하는 기술이 주류이며, 진공증착법이나 디핑법이 이용되고 있다.

진공증착법은 산화막을 진공 중에서 다층 성막함으로써 넓은 광파장 영역의 반사 방지가 가능하고, 대부분은 광학 렌즈에서 채용되고 있다. 그러나 카 내비케이션이나 미터 패널 등 대면적의 성형품에 반사 방지 기능을 부여하는 경우, 코스트가 대폭으로 높아져 버리기 때문에 거의 채용되지 않는 것이 실정이다.

그래서 코스트를 억제할 수 있는 기술로서 나방의 눈(모스아이) 구조를 모방해, 구조체만으로 반사 방지할 수 있는 기술이 있다. 모스아이 구조란 이름대로 나방의 눈 구조로, 나방의 눈 표면에는 300nm 정도의 요철 구조가 형성되어 있다.

이 요철 구조에 의해 나방의 눈은 외부에서 눈으로 들어오는 빛을 부드럽게 굴절시켜 빛을 반사시키지 않는 구조로 되어 있다. 이 구조를 수지 상에 모방하면 반사 방지 기능을 발현할 수 있기 때문에 코팅이 불필요하고 저렴하게 제조할 수 있는 기술로서 기대되고 있다.

모스아이 구조 금형의 제조 공정

모스아이 구조 금형의 제작 방법으로서는 지금까지 전자선 묘화법․이광속 간섭노광법이나 알루미나 나노홀을 이용한 자기조직화법 등이 보고되어 있다. 그러나 이들 방법은 대면적화나 자유곡면에 대한 적용이 곤란하고, 또한 금형 제조 코스트나 금형의 내구성 등이 과제로 되어 있다. 또한 성형 방법으로는 나노임프린트법이 주로 연구되고 있는데, 금형(스탬퍼)의 내구성이나 성형 사이클 시간, 이형성이 과제로 되어 있다.

이에 동사는 국립연구개발법인 산업기술종합연구소 제조기술연구부문의 쿠리하라 카즈마(栗原 一眞) 주임연구원과 그룹회사인 토우카이(東海)정밀공업(주)와 함께 금속 나노입자 형성 기술을 이용한 금형에 대한 모스아이 구조 성형 기술을 개발했다.

그림 1에 금속 나노입자법을 이용한 금형 제작 프로세스를 나타냈다. 처음에 금형 표면에 금속 나노 미립자를 형성시키고[그림 1 (a)], 다음으로 반응성 이온에칭장치를 이용해 금형 표면을 에칭했다[그림 1 (b)]. 여기에서 금속 나노 미립자는 모스아이 구조를 형성하기 위한 마스크로서의 역할을 했다. 그렇기 때문에 금속 나노 미립자가 보호층이 되고, 금형 표면에 모스아이 구조체를 제작하는 것이 가능하다.

또한 금형 표면에 모스아이 구조를 제작하는 과정에서, 금속 나노 미립자는 제거되기 때문에 최종적으로는 그림 1 (c)와 그림 2에 나타낸 모스아이 구조의 금형을 제작할 수 있다. 마지막으로 모스아이 구조체가 표면에 형성된 금형을 이용해 사출성형함으로써 성형 프로세스만으로 반사 방지 기능을 가지고 있는 렌즈나 패널 등의 성형품을 제작할 수 있다.

모스아이 구조체 금형의 사출성형

1. 사출성형 조건의 실험 결과

처음에 모스아이 구조의 높이 차이에 의한 반사율 특성을 그림 3에 나타냈다. 이 기술로 제작된 모스아이 구조 금형을 이용하면, 구조 깊이 차이에 의해 파장 의존성이 있다는 것을 알 수 있었다.

다음으로 사출성형 시의 금형 온도, 사출 속도, 수지 온도의 차이에 의한 반사율 특성을 그림 4～그림 6에 나타냈다. 그림 4로부터 금형 온도를 높게 하면 반사율 특성이 장파장 측(오른쪽 측)으로 시프트한다는 것을 알 수 있었다.

이것은 모스아이 구조의 전사율이 높아진(깊어진) 것을 의미한다. 또한 그림 5로부터 사출 속도가 느린 쪽이 반사율이 좋은 것을 알 수 있었다. 그리고 그림 6으로부터 수지 온도를 너무 높게 하면, 약간이지만 반사율이 높아지는 경향이 있다는 것을 알 수 있었다. 이것은 수지 온도가 너무 높아 성형 시의 냉각이 부족했던 것이 원인이다(이 실험은 PMMA를 성형한 결과이다).

2. 히트＆쿨 성형법의 실험 결과

그림 7에 일반 성형과 히트＆쿨 성형을 이용한 성형 결과를 나타냈다. 결과로부터 히트＆쿨 성형법 쪽이 반사율 특성이 장파장 측으로 시프트했다. 이것은 수지 충전 후에 금형 온도를 식힘으로써 모스아이 구조를 부수지 않고 형열림할 수 있어, 본래의 특성을 유지해 성형할 수 있었기 때문이다(이 실험은 PMMA를 성형한 결과이다).

3. 단열 금형을 이용한 성형 실험 결과

그림 8에 일반 금형, 그림 9에 단열 금형의 성형 결과를 나타냈다. 단열 금형구는 주 성분이 산화지르코니아의 세라믹스를 경면가공한 것을 이용했다. 또한 이번에 수지는 ZEONEX480R을 사용해 실험을 했다.

그림 8, 그림 9의 반사율 특성 결과로부터 단열 금형을 이용한 쪽이 보통 금형보다 금형 온도를 20℃ 이상 낮출 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이번 실험 결과에서는 보통 금형의 반사율은 나쁘지만 보통 금형도 수지에 맞춘 모스아이 구조를 제작하면 금형 온도는 높아져 버리지만, 단열 금형과 동일한 반사율 특성을 얻을 수 있다.

성형 예와 광학 특성

그림 10에 모스아이 구조의 성형 예를 나타냈다. 또한 그림 11에 모스아이 구조의 유무에 따른 반사율 특성을, 그림 12에 투과율 특성을 나타냈다

금속 나노 미립자를 이용한 모스아이 구조의 제작 기술은 재현성도 포함해 확립했다. 또한 사출성형의 방법도 앞에서 말한 대로 확립했다. 앞으로도 고객의 요망에 대응한 금형에 모스아이 구조를 제작, 고객과 함께 모스아이 구조 성형품의 출시를 지향해 갈 것이다.