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렌즈용 연마재 (abrasives)와 패드 (pads)
강현식 교수
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2012-01-17 09:09:11      HIT : 8163

1. 렌즈용 연마재 (abrasives)와 패드 (pads)

 

일반적으로 안경렌즈의 가공현장(lab)에서는 다음 방법중의 하나로 연마재(abrasives)를 사용하고 있다.

 

① 최초의 면 성형용 diamond curve generationg tool로 사용

② 플라스틱 렌즈용 중간연마 pads으로 사용

③ 유리렌즈용 중간연마 슬러피 (smoothing slurry)로 사용

④ 유리와 플라스틱 렌즈용 광태 매체로 사용

⑤ 렌즈에징용 다이몬드휠로 사용

⑥ 일반 황삭용 카보런덤휠로 사용

 

다음에는 연마재료 (즉, grits와 polishing powder)와 연마패드 (abrasive pads)에 관하여 살펴 보기로 한다.

 

1. 연마재료 (abrasive materials)

연마재(abrasives)는 중간연마와 광택연마용이 있는데 사용되는 재료의 종류와 경도에 따라 슬러피 또는 pad를 사용할 수 있다.

렌즈의 면을 마멸시키거나 또는 material stock를 제거하기 위하여 사용되는 재료는 제거해야할 재료보다 더욱 경질이어야 한다는 것은 분명한 사실이다 . 재료의 경도는 연마 속도와 절삭 압력에 영향을 미친다.

 

경도는 여러 가지 방법으로 측정하는데 여러 가지 스케일을 사용해서 등급을 정한다.

가장 잘 알려진 두 가지 방법은 상대경도의 mohs scale와 비교경도의 knoop scale 이다.

 

mohs scale은 독일의 광물학자 friedrich mohs 가 창안(創案)한 것으로, 경도가 증가 되는 순서로 광물의 등급을 메겼다. 따라서 경도가 낮은 광물은 경도가 강한 광물로 긁히게 된다. 두 경도의 scale을 비교하면 표와 같다.

 

<표1> mohs/knoop 경도의 비교

상대경도의 모스스케일

관련 광물

비교경도의 누프스케일

1

활석 (talc)

-

2

석고 (gypsum)

-

3

병해석 (calcite)

135

4

형석 (fluorite)

163

5

인회석 (apatite)

360

6

장석 (feldspar)

560

7

석영 (quartz)

700

8

황옥 (topaz)

1,250

9.5

silicon carbide

2,000

10

diamond

6,200

corundum (emery)는 mohs scale로 경도 9를 가지고 있다.

연마재의 사용에 영향을 미치는 다른 요인은 입자의 크기,재료의 순도, 입자의 형상(shape) 및 ph 등이다.

연마재 알맹이의 입자의 크기가 클수록 중간연마에 이용되며 곱고 부드러운 연마재는 표명광택제로 사용된다. 재료의 순도는 종종 알맹이 사이즈 (grit size)에 영향을 미치게 되므로 제조업자가 고려하게 된다.

한편 알맹이 입자는 사용하는데 있어서 렌즈의 표면을 마멸시켜 점차적으로 재료를 렌즈 면에서 제거시키는 한편 알맹이 입자가 스스로 더 작은 사이즈로 부서지는 일이 발생한다.

혼합물(또는 슬러리) 또는 입자들이 evenrate에서 부서지는 것 보다 더욱 크다면 렌즈 면이 긁히게 되어 때로는 꽤 나쁘게 된다. 만약 연마재속에 있는 입자가 슬러리 (혼합물) 또는 입자들의 평균 사이즈 보다 더 크다면 입자는 동일속도에서 부서지지 않으며 렌즈 면은 긁히게 되어 때로는 꽤나 불량하게 된다. 물론 이것은 광택연마를 하고 있을 때 더욱 주의해야 한다.

 

이러한 점들은 역시 grit 입자의 형태 또는 연마재의 결정구조에 의해서 영향을 받게 된다. 큰 입자 또는 불규칙한 입자는 더욱 빨리 닳게 되고 반면에 더 납작하고 더 긴 결정은 렌즈와 lap에 더 큰 면으로 존재하게 된다. 따라서 연마재의 수명은 연장되나 렌즈연마에 더 많은 시간을 요하게 된다.

끝으로 재료의 ph 값은 조정해야 하며 부정확한 수치는 슬러리의 작용에 영향을 미칠 수 있는데 ph 는 렌즈의 마감에 따라 차례로 변한다. 제조업자가 제시한 정확한 ph 값은 붙여 놓아야 한다. 이 값은 보통 알칼리성인데 ph=9 이상 되어서는 안 된다. ( 중성 ph, 예를 들어 순수, ph=7, 알칼리성 용액은 ph=7 보다 크고 , 산성은 7보다 작다)

통상 상용되는 연매재료는 표2와 같다.

 

<표2>

연매재

흔히사용하는 이름

경도

주용도

silicon

carbide(sic)

carborundum

카보런덤

9.5~9.7

중간연마

(smoothing)

aluminium

oxide

al2o3

코런덤(corundum)

에머리(emery)

알루미나(alumina)

9

중간연마

광택연마 *

silicate 또는

알루미노 실리케이트

콤파운드

가넷 (garnet)

6~7.5

중간 연마

cerium

oxide(ce2o3)

산화세리움

(cerium oxide)

-

광택연마

(polishing)

* 가장 작은 사이즈의 aluminium oxide 는 광택연마제로 사용할 수 있다.

 

2. 연마패드 (abrasive pads)

 

현재는 컴퓨터화한 연마방식의 덕택으로 정확한 면 커브와 두께 및 굴절력을 얻기 위한 공정은 비교적 간단한다. 컴퓨터는 정확한 각 경선의 반경과 필요로 하는 렌즈 두께 및 절삭할 양을 작업자에 제시한다.

 

diamond wheel (다이아몬드 지석:砥石)을 사용하여 설계치대로 생계 렌저를 활삭연마 하면 거친 상태의 면이 성형되는데 , 이 때 만들어진 면은 완제품보다 약간 두껍다. 이 여분의 두께는 중간연마를 해서 소정의 도수를 갖도록 정밀 연마를 하는데 이용된다.

정확한 곡률을 가진 이러한 smooth 면을 만들기 위해서는 정확한 커브로 만든 렌즈면에 반대되는 lap 또는 연마공구를 필요로 한다.

plus lap은 마이너스 면을 만들고 , minus lap은 플러스면을 성형한다. 이러한 tool은 중간연마와 광택연마의 두 공정을 위하여 정확한 type의 연마재와 함께 이용된다.

다른 재료에 하나의 면을 만들기 위하여 연마 재료와 함께 사용하는 lap은 사용하는 동안 그 lap 자체가 닳게 된다. 이러한 닳음은 lap 표면의 곡률을 변화시켜 lapm이 곡면이 일정하게 유지되지 않게 되면 그 결과로 정확한 완성된 렌즈 면을 만들 수 없게 된다. 한동안 작업하면 곡률 반경은 역시 변화되고 부정확한 굴절력을 갖게 된다.

본래 lap은 주철로 만드는데 비교적 내마모성이 강한 경질 재료이다. 하지만 사용하는 동안 닳게 되고 한 개의 tool로 몇 개의 렌즈 면을 가공한 후에는 그 lap은 정확한 곡률을 얻기 위하여 lap 컷팅 선반을 이용해서 다시 절삭가공해야 한다.

오늘날 알루미뉴 laps을 이용한다. 이 lap은 만들거나 컷트하기 쉽고 훨씬 가벼운데 오직 단점은 연질 재료이므로 닳는 속도라 빠르다는 것이다. 렌즈면을 중간연마하기 위하여 사용되는 알루미늄 tool 면은 작업이 완료되기 전에 완전하지 못하다.

이러한 닳는 문제를 극복하기 위하여 렌즈가공업자들은 lap와 렌즈면 사이에 중간층 또는 pad 를 붙여서 사용한다. 이 pad는 한번 사용 하던가 몇 개의 면을 만들 때까지 사용하는데 쉽게 제거할 수 있으므로 교환이 가능해서 tool surface의 닳는 것을 줄일 수 있다. tool은 부정기적 간격으로 체크해야 하며 어떤 방법에 의해서 왜곡되거나 파손되어서는 안된다. 면의 곡률반경은 기본적으로 변하지 않고 그대로 남아 있어야 한다.

그러나 그러한 pads의 사용은 렌즈의 곡률반경 계산에 영향을 주는 또 하나의 요소가 되는데 그것은 pad 자체의 두께 때문에 tool의 유효 반경이 변화된다는 것이다.

pad의 사용은 plus tool의 유효반경을 감소시키고, 마이너스 tool 에 유효반경을 증가시킨다. 따라서 완성된 면 굴절력은 변화된다.

예를 들어 굴절률 1.523인 재료와 직경 50mm인 tool을 사용해서 한 개의 렌즈면을 만든다면 그 면 굴절력은 다음과 같이 된다.

 

 

그러나 만약 두께 1mm인 pad를 사용했다면 반경은 51mm로 되어 면 굴적력은 다음과 같이 된다.

 

 

즉, pad 1mm를 붙이면 tool의 반경이 50mm에서 51mm로 되어 0.205d의 굴절력이 감소되었다. 만약 tool의 반경이 더 짧으면 (steeper)

예를 들어 –25mm이면 그 차는 더욱 커진다.

 

  

                                   그림 1                                               그림 2

          

 

 

즉, lap의 반경이 짧은 경우 1mm의 pad을 부착할 경우 면 굴절력의 차는 더욱 커져서 –0.805d가 감소한다. 따라서 만들려는 굴절력이 커지면 커질수록 즉 tool의 반경이 작으면 작을수록 pad 두께의 효과는 더욱더 커진다. 그러므로 pad의 두께는 렌즈의 곡률을 계산할 때 반드시 고려해야하며 그 효과는 무시할 수 없다.

비록 pad 두께가 extra 계산의 불이익이 될지라도 그것은 역시 benefit가 될 수 있다. 두께가 다른 pad을 사용함으로써 연마 툴의 유효 반경은 굴절력 범위를 늘리도록 tool의 범위를 조정할 수 있다. (그림 1,2 참조)

 

현재 사용중인 pad type는 다음과 같은 것이 있다.

 

<표 3> pads 의 종류

1. 유리 중간연마(광택연마)용 pads

2. 플라스틱 정밀 연마용 pads

3. 유리 광택 연마용 pads

4. 플라스틱 연마용 pads

5. 굴절력 조정 pads

6. 중간 파지용 pad(intermediate gripper pads)

7. 면교정 pad ( 굴절력 조정에 대한 것처럼)


최초의 네 개는 접착제가 pad 뒷면에 붙어 있어서 면가공 lap에 직접 붙여서 사용한다. 5와 6은 working pad 와 lap 사이에 사용한다. no 5.는 반경을 변화시키는데 사용함으로 tool의 굴절력도 변화시킨다. no 6.는 비 접착성 pad로 사용하는데 떼었다가 다음번에 재사용할 수 있다. 자체 접착 pad는 단 한번만 사용할 수 있고 떼어낸 다음 다시 붙여 사용할 수 없다.

리스트 중에 맨 나중 것은 특수 pad인데 다이아몬드와 함께 작은 금속 펠릿트로 구성되어 있으며 이것은 pad 면 위에 놓는다. 이것은 황삭 마크를 제거하고 정밀 연마 하기에 앞서 작은 면의 결함을 수정하는데 이용된다.

pads는 사용목적과 사용한 재료에 따라 더욱 세분할 수 있는데 주요한 type은 <표4>과 같다.



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