플라스틱 소재와 사출 성형은 소형 렌즈의 기본 기술입니다. 플라스틱 렌즈의 구조는 렌즈 소재, 렌즈 배럴, 렌즈 마운트, 스페이서, 차광판, 압력 링 소재 등으로 구성됩니다.

플라스틱 렌즈에 사용되는 렌즈 재질에는 여러 종류가 있으며, 모두 기본적으로 플라스틱(고분자 중합체)입니다. 이들은 열가소성 플라스틱으로, 가열하면 부드러워져 가소성을 띠고, 냉각하면 단단해지며, 다시 가열하면 부드러워지는 성질을 가지고 있습니다. 가소성이란 가열과 냉각을 통해 액체와 고체 상태 사이를 가역적으로 변화시키는 물리적 현상을 말합니다. 일부 재질은 오래전에 발명되었고, 일부는 비교적 최근에 개발되었습니다. 범용 플라스틱도 있고, 특정 광학 분야에 특화된 광학용 플라스틱도 있습니다.

광학 설계에서 EP8000, K26R, APL5015, OKP-1 등과 같은 다양한 회사의 재질 등급을 볼 수 있습니다. 이들은 모두 특정 유형의 플라스틱 재질에 속하며, 다음은 가장 일반적인 유형으로, 등장 시기에 따라 정리했습니다.

플라스틱 렌즈

• PMMA/아크릴:폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, 플렉시글라스, 아크릴)는 저렴한 가격, 높은 투과율, 우수한 기계적 강도 덕분에 일상생활에서 가장 흔하게 사용되는 유리 대체재입니다. 투명 접시, 투명 숟가락, 소형 LED 렌즈 등 대부분의 투명 플라스틱이 PMMA로 만들어집니다. PMMA는 1930년대부터 대량 생산되어 왔습니다.
• 추신:폴리스티렌은 무색 투명한 열가소성 수지이자 엔지니어링 플라스틱으로, 1930년대부터 대량 생산되기 시작했습니다. 우리 생활에서 흔히 볼 수 있는 흰색 스티로폼 용기나 도시락통은 대부분 폴리스티렌 소재로 만들어집니다.
• PC:폴리카보네이트(Polycarbonate)는 무색 투명한 비정질 열가소성 수지이며, 범용 플라스틱으로 널리 사용됩니다. 1960년대에 들어서야 산업화되기 시작했습니다. 폴리카보네이트 소재는 충격 저항성이 매우 뛰어나며, 물통, 보안경 등에 흔히 사용됩니다.
• l COP 및 COC:고리형 올레핀 중합체(COP), 고리형 올레핀 공중합체(COC)는 고리 구조를 가진 비정질의 투명한 고분자 소재로, 고리 내에 탄소-탄소 이중 결합을 포함합니다. 고리형 탄화수소는 고리형 올레핀 단량체의 자가 중합(COP) 또는 다른 분자(예: 에틸렌)와의 공중합(COC)을 통해 생성됩니다. COP와 COC의 특성은 거의 동일합니다. 이 소재는 비교적 새로운 물질입니다. 처음 개발되었을 때는 주로 광학 관련 분야에 사용될 것으로 예상되었지만, 현재는 필름, 광학 렌즈, 디스플레이, 의료(포장 용기) 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. COP는 1990년경에, COC는 2000년 이전에 산업 생산이 완료되었습니다.
• l O-PET:광학 폴리에스터 섬유인 O-PET는 2010년대에 오사카에서 상용화되었습니다.

광학 재료를 분석할 때, 우리는 주로 그 재료의 광학적 특성과 기계적 특성에 관심을 갖습니다.

광학 p부동산

• 굴절률 및 분산

굴절률 및 분산

이 요약 도표에서 볼 수 있듯이, 다양한 광학 플라스틱 소재는 크게 두 가지 범주로 나뉩니다. 하나는 높은 굴절률과 높은 분산 특성을 가진 그룹이고, 다른 하나는 낮은 굴절률과 낮은 분산 특성을 가진 그룹입니다. 유리 소재의 굴절률 및 분산 특성 선택 범위와 비교해 보면, 플라스틱 소재의 굴절률 선택 범위는 매우 좁으며, 모든 광학 플라스틱 소재는 상대적으로 낮은 굴절률을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 일반적으로 플라스틱 소재의 선택 범위는 매우 좁고, 시판되는 소재 등급은 10~20가지 정도에 불과하여 소재 측면에서 광학 설계의 자유도를 크게 제한합니다.

굴절률은 파장에 따라 달라집니다. 광학 플라스틱 소재의 굴절률은 파장에 따라 증가하다가 약간 감소하는 구간이 있으며, 전체적으로는 비교적 안정적인 특성을 보입니다.

굴절률은 온도에 따라 변합니다(Dn/DT): 광학 플라스틱의 굴절률 온도 계수는 유리의 6배에서 50배까지 크며, 음의 값을 갖습니다. 이는 온도가 증가함에 따라 굴절률이 감소함을 의미합니다. 예를 들어, 546nm 파장에서 -20°C에서 40°C까지 플라스틱 소재의 dn/dT 값은 -8~-15×10⁻⁵/°C인 반면, 유리 소재 NBK7의 값은 3×10⁻⁶/°C입니다.

• 투과율

투과율

이 그림을 참조하면, 대부분의 광학 플라스틱은 가시광선 영역에서 90% 이상의 투과율을 보이며, 소비자 전자제품에 흔히 사용되는 850nm와 940nm의 적외선 영역에서도 우수한 투과율을 나타냅니다. 플라스틱 소재의 투과율은 시간이 지남에 따라 어느 정도 감소합니다. 주된 이유는 플라스틱이 햇빛의 자외선을 흡수하여 분자 사슬이 끊어지고 분해되거나 가교 결합이 일어나 물리적, 화학적 성질이 변하기 때문입니다. 가장 눈에 띄는 육안적 변화는 플라스틱 소재의 황변 현상입니다.

• 스트레스 복굴절

렌즈 굴절

응력 복굴절(복굴절)은 물질의 광학적 특성 중 하나입니다. 물질의 굴절률은 입사광의 편광 상태와 진행 방향에 따라 달라집니다. 물질은 서로 다른 편광 상태에 대해 서로 다른 굴절률을 나타냅니다. 일부 시스템에서는 이러한 굴절률 편차가 매우 작아 시스템에 큰 영향을 미치지 않지만, 특정 광학 시스템에서는 이러한 편차가 시스템 성능을 심각하게 저하시킬 만큼 충분히 클 수 있습니다.

플라스틱 재료 자체는 이방성 특성을 가지지 않지만, 사출 성형 과정에서 응력 복굴절이 발생합니다. 주된 원인은 사출 성형 중 발생하는 응력과 냉각 후 플라스틱 고분자 사슬의 배열 때문입니다. 이러한 응력은 일반적으로 아래 그림과 같이 사출구 부근에 집중됩니다.

일반적인 설계 및 제작 원칙은 광학적으로 유효한 평면에서의 응력 복굴절을 최소화하는 것이며, 이를 위해서는 렌즈 구조, 사출 성형 금형 및 생산 매개변수를 합리적으로 설계해야 합니다. 여러 재료 중에서 PC 재료는 응력 복굴절이 가장 심하고(PMMA 재료보다 약 10배 큼), COP, COC 및 PMMA 재료는 응력 복굴절이 더 낮습니다.