[첨단 헬로티]

소에다 야스유키 (添田 泰之)   三井화학(주)

최근 스마트폰에 탑재된 카메라, 차재 카메라, 헤드마운트 디스플레이 등 여러 가지 용도에서 광학계 렌즈가 이용되고, 이들 재료로서 기존의 광학 재료이 유리가 아니라 광학용 플라스틱이 적용되는 사례가 증가하고 있다. 이 글에서는 동사가 개발한 광학용 플라스틱 '아페루'에 대해, 각종 용도의 기술 개발 동향에 스폿을 맞춰 해설한다.

광학용 플라스틱 재료의 개요

광학 부품이 플라스틱화에 대해서는 제2차 세계대전 중으로 거슬러 올라가면 아크릴 수지(PMMA)가 전투기의 바람막이 등 광학 부품에 적용되었으며, 전쟁 후 민생기기의 광학 부품으로 확산되어 갔다. 그러나 PMMA는 투명성이 높고 복굴절이 낮은 이점이 있지만, 내열성이 낮고 흡수에 의한 굴절률 변화 등의 문제가 있었다.

현재 광학 용도 플라스틱으로서는 PMMA 외에 특수 폴리카보네이트, 특수 폴리에스테르, 환상 올레핀계 폴리머 등 여러 가지 수지가 등장하고 있으며, 각각의 특징을 활용한 용도로 적용이 확대되고 있다. 광학 용도용 플라스틱에 요구되는 중요한 물성으로서는 이하의 광학 성능, 신뢰성, 성형성을 들 수 있다.

① 광학 성능 : 고광선 투과율, 고굴절률, 저복굴절
② 신뢰성 : 내열성, 내습열성, 저흡수성
③ 성형성 : 정밀 사출성형성

 
환상 올레핀 공중합체 아페루®의 특징

1. 합성 방법과 화학 구조

환상 올레핀계 수지는 그 화학 구조로부터 환상 올레핀 공중합체(COC)와 개환중합 수첨수지(COP)로 분류된다. 이들의 합성 경로를 그림 1에 나타냈다. COC는 모노머로서 이용하는 환상 올레핀과 α-올레핀을 부가 공중합함으로써 합성된다.

한편, COP는 모노머의 환상 올레핀을 개환중합해 생성되는 이중결합을 수소 첨가함으로써 합성된다. 수소 첨가하는 것은 이중결합이 잔류하면 열안정성에 문제가 생기기 때문이다.

2. 기본 물성과 광학물성

일반적으로 환상 올레핀계 수지는 내약품성이나 흡수성 등 화학적 성질은 폴리올레핀계 수지(폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등)로서의 성질을 나타내고, 기계물성, 용융유동성, 치수 정도 등 물리적 성질은 비정수지로서의 성질을 나타낸다.

특히 COC인 아페루에 주목하면, 그 분자 구조 상의 큰 특징은 ①부피가 큰 환상 올레핀과 에틸렌의 공중합인 것, ②극성치환기를 갖지 않는 폴리올레핀인 것의 2가지이다. 아페루는 이와 같은 분자 구조에 기인해 여러 가지 물성 상의 특징을 가지고 있다(그림 2). 광학 용도용 재료의 관점에서 주목해야 할 점으로서는 이하를 들 수 있다.

① 비정성이기 때문에 투명성이 높고 치수안정성이 우수하다.
② 일반 폴리올레핀보다 고밀도이기 때문에 고굴절률을 실현하고 있다.
③ 폴리머 주 사슬과 직각 방향의 부피가 큰 구조에 의해 분극률 이방성이 작고, 저복굴절을 실현하고 있다.
④ 탄소와 수소만으로 이루어지는 화학 구조이기 때문에 저흡수성이고, 흡습에 의한 치수 변화가 작다.

광학 용도로 전개

1. 아페루의 광학품

아페루는 시판 폴리올레핀 중에서 가장 높은 굴절률을 가지며, 또한 복굴절이 낮으므로 렌즈로서 우수한 성능을 가지고 있다. 이와 같은 광학물성은 광학 용도로 전개하는데 있어, 이하와 같은 이점이 있다.

① 고화소화에 대응한 렌즈의 재료에 적용할 수 있다.
② 광학 렌즈의 박육화가 가능해진다.
③ 색수차를 저감할 수 있다.

실제로 아페루는 스마트폰의 카메라 렌즈로 대표되는 이미지 센서용 렌즈, 차재 카메라용 렌즈, 디지털 스틸 카메라용 렌즈, 광디스크의 픽업용 각종 렌즈, 레이저빔 프린터용 fθ 렌즈 등 다종 다양한 렌즈로 전개되고 있다.
아페루의 광학품 물성을 표에 나타냈다. 모두 열가소성으로, 사출성형이 가능한 재료이다.

2. 이미지 센서 렌즈

아페루의 특징인 저복굴절이 스마트폰의 카메라 렌즈로 대표되는 이미지 센서 렌즈 용도로 어떠한 메리트를 가져오는지, 아페루의 광학품을 이용한 광학계의 렌즈 유닛으로 실사 성능을 평가했다. 그림 3에 나타낸 평가용 렌즈를 설계, 금형을 제작해 렌즈를 성형하고, 렌즈 유닛을 짜서 실사 성능을 측정했다. 비교에는 복굴절이 아페루보다 큰 시판의 광학 수지를 이용했다.

성형한 렌즈를 크로스 니콜 관찰하면, 시판의 광학 수지는 게이트 근방에서 유효 내경에 걸쳐 복굴절이 크고 광학적으로 변형이 생기고 있는 것에 대해, 아페루는 복굴절이 저감되어 있는 모양을 알 수 있다(그림 4 위).

이 렌즈를 이용해 실사 성능을 평가하면, 아페루는 양호한 화질을 얻을 수 있다는 것이 실증되어 있다(그림 4 아래). 이 결과로부터 저복굴절의 재료인 아페루를 렌즈에 이용함으로써 이미지 센서의 화질이 향상되는 것이 밝혀졌다.

이미지 센서 렌즈 용도로 전개하는데 있어, 보다 엄격한 수준의 이물 관리나 고온․고습의 환경 내성이 요구되고, 이들 요구에 대응해 개발한 상품이 APL5514ML이다. 또한 APL5014CL은 APL5514ML의 후계 상품으로, 고굴절률, 저복굴절, 이물 관리, 내환경 성능을 유지하면서 연속 성형 시의 금형 오염 대책과 대전 방지 성능 부여에 의한 먼지 부착 방지를 개선한 상품이다.

3. 차재 카메라 렌즈

(1) 차재 카메라 렌즈 시장

최근의 세계적인 자동차 운전 시의 안전성 기준을 강화하는 요구의 확대를 배경으로, 자동차에 차재 카메라 탑재가 증가하고 있다. 차재 카메라는 차내외 화상을 디스플레이에 표시하기 위한 뷰 카메라와 차내외 정보를 검지, 분석해 드라이버에 주의 환기나 자동 주행을 지원하기 위한 센싱 카메라로 크게 나뉜다.

차재 카메라 렌즈의 재료에는 유리가 선행해 사용되고 있는데, 최근에는 렌즈 메이커 각사가 렌즈 설계의 자유도가 높고 코스트다운을 도모할 수 있는 플라스틱화에 적극적으로 대응하고 있다.

(2) 차재 카메라 렌즈용 재료의 개발

차재 카메라 렌즈 용도로 요구되는 내열 온도는 스마트폰용 카메라 렌즈에 비해 높다. 그렇기 때문에 이미지 센서 렌즈용 상품(APL5014CL, APL5514ML)은 내열성이 부족했다. 이에 장기 내열성이나 고온․고습 내성 등 차재 카메라 렌즈 용도의 요구특성에 대응해 동사가 개발한 것이 APL5015AL이다. APL5015AL의 특징은 이미지 센서 렌즈용 상품보다 유리 전이 온도가 높고, 장기 내열시험의 내황변성이 우수한 것을 들 수 있다.

APL5015AL의 내황변성을 APL5014CL 및 시판의 광학 수지와 비교한 결과를 그림 5에 나타냈다. 이 시험에서는 3mm 두께의 테스트 피스를 125℃의 공기 분위기에 1,000시간 노출, 황변의 지료로서 450nm의 광선투과율의 경시 변화를 측정했다.

그 결과, APL5015AL은 광선투과율의 저하는 볼 수 있지만, 그 변화의 크기는 APL5014CL 및 시판의 광학 수지보다 작고 열에 의한 황변이 억제되고 있다는 것을 알 수 있다. 그림 6에 APL5015AL 및 시판 광학 수지 내열시험의 내황변성 비교를 나타냈다.

잘 황변하지 않는다는 것은 렌즈 외관의 변화가 작은 것을 의미할 뿐만 아니라, 피사체의 색깔을 보다 정확하게 식별하는 성능이 우수하다는 것으로 이어진다. 그렇기 때문에 장기 내열시험은 렌즈 메이커나 카메라 메이커에서 매우 중시되고 있다. APL5015AL은 차재 카메라 렌즈를 비롯해 헤드업 디스플레이용 부재 등의 용도로 평가 개발이 적극적으로 추진되고 있다.

(3) 웨어러블 단말용 광학 렌즈

헤드마운트 디스플레이(이하 HMD)용 렌즈로 대표되는 웨어러블 단말용 광학 렌즈는 사이즈가 크고 두껍기 때문에 높은 투명성이 요구된다. 기존 아페루는 단파장 영역(가시광의 적외 영역 근방)의 광선투과율이 약간 낮은데, 단파장 영역의 광선투과율을 향상시킨 APL5014GH를 개발했다(그림 7). HMD 시장은 앞으로 성장이 예상되고 있으며, 현재 재료 평가가 활발하게 이루어지고 있다.

이미지 센서 렌즈, 차재 카메라 렌즈, HMD용 렌즈 등 각종 렌즈는 앞으로 점점 더 우리들 생활에 깊게 관계하고 발전이 기대되는 분야이다. 새로운 렌즈의 개발에는 고도의 광학물성으로 이루어지는 재료와 고정도의 성형가공 기술이 필요하다. 재료와 금형의 기술 개발이 앞으로의 렌즈 발전으로 이어질 것으로 확신하고 있다.