장비 얘기 말고 간만에 광학 코팅에 대해서 한번 주절 거려봅니다.
* 제가 광학 전공자는 아니고 생업 + 취미에 필요해서 배우게 된 내용이라 오류가 있을 수 있습니다. 피드백 환영입니다.
* 코팅 설계 프로그램 관련 "코팅과 접착 카페"의 이성준님(로또아빠님)께 조언 받은 내용 포함
빛은 전자기파의 한 종류
이야기 시작은 역시나 빛입니다. 파장/주파수에 대해 먼저 확인 하고 가시죠.
빛은 전자기파의 한종류입니다. 빛은 통신용 전파보다 최소 백만배 빨리 진동한다는 차이점이 있습니다. 빛 중에서 우리가 볼 수 있는 가시광선 (Visible Light_VIS는 파장 (한주기가 완성 되는 골과 골 또는 마루와 마루의 간격)이 380nm (자색/보라색) ~ 780nm(적색/빨간색) 위치한 전자기파입니다.
- nm 단위는 1m를 1,000으로 3번 나눈 단위 : 1m -> 1mm -> 1um -> 1nm
- A4 종이의 두께가 100um (0.1mm) 정도이고 머리카락 두께는 그보다 살짝 얇은 50~100um 수준
380nm(또는 400nm) 보다 짧은 파장의 빛은 자색/보라색의 바깥에 위치 한다고 해서 자외선(Ultraviolet, UV) 이라고 합니다. 반대로 750nm (또는 780nm) 보다 긴 파장의 빛은 적색/빨간색의 바깥에 위치 한다고 해서 적외선 (Infrared, IR)이라고 합니다. 자연에서의 빛은 연속 파장이라 어느 파장 부터 정확하게 어떤 색상, 또는 UV, IR 이라고 말하기 어렵습니다.
자외선 파장 범위는 수nm/수십nm ~ 400nm 정도이고 적외선 파장 범위는 750nm ~ 수십um/수백um 정도로 언급됩니다.
- 파장이 짧아 질 수록 에너지가 높아지며 UV 파장부터 짧은 파장이 우리 몸에 나쁜 영향을 줄 수 있습니다. 피부암, 백내장 위험성
- 자외선 A(320~400nm), 자외선 B (280~320nm), 자외선 C (100 ~ 280nm) 모두 피부암을 유발 할 수 있음
- UV(자외선)보다 더 짧은 파장 영역에 엑스선 (x-ray)이 위치하고 그 아래에 감마선 영역이 있습니다. 에너지가 UV 보다 커 더 위험
- 분해능 (두점사이 식별 능력)은 2.44 x 파장 x F/# 공식을 따르며 파장이 짧을 수록, 렌즈 직경이 커질수록 분해능은 높아집니다. 삼성전자나 SK 하이닉스 반도체 초미세 패턴인 7nm 공정에 파장이 극히 짧은 EUV (극자외선, 13.5nm)이 사용되는 이유입니다.
좋은 하늘에서 천체 관측시 대구경 망원경을 사용하면 더 세밀한 관측이 가능한 이유이기도 하구요.
- 통상의 유리는 자외선 대역 투과율이 낮아 렌즈로 사용하기 어렵습니다. 이에따라 UV 광학계는 반사를 기본으로하는 미러 렌즈나 회절 격자 렌즈를 사용합니다.
- IR(적외선)은 NIR (Near IR_근적외선)과 FIR(Far IR_원적외선)으로 나뉘며 NIR 영역인 750nm ~ 수um 파장 대역은 제가 밥벌이 하고 있는 광통신에서 통신용 광원으로 사용됩니다. FIR 영역인 수um ~ 수백um 파장 대역은 열적외선으로도 불리며 어둠속에서도 볼 수 있는 열상 광학계의 무대입니다. (적외선 온도계도 이 영역)
자외선 심화 과정은 아래 링크 참조 하세요~
[호기심과학] 병도 주고 약도 주는 자외선, 현명하게 자외선을 차단하는 방법은?
봄이 언제 지나갔는지도 모르게 우리 곁을 훌쩍 지나가 버렸다. 이제 외출하면 갑자기 올라간 기온으로 인해 열기가 확 느껴지면서, 눈이 부실만큼 강하게 햇볕이 내리쬐는 것을 느낄 수 있다
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https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5668110&cid=59995&categoryId=59995
바를까? 말까? 자외선 차단제
[여름철 필수품, 자외선 차단제] 정말 더워도 너무 더운 2018년 여름이다. 가만히 있어도 땀이 줄줄 흐르고, 뉴스에서는 기상 관측 이래 여름 최고 기온을 갱신했다는 소식이 들려온다. 이런 엄청
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광학 코팅은 왜 필요할까?
쌍안경, 망원경은 우리가 눈으로 직접 보면서 즐기는 광학기기입니다. 그 내부는 렌즈, 프리즘과 같은 광학 부품의 조합으로 이루어져 있습니다. 광학기기에서 광학 특성이 좋다는 것은 아래 3가지 항목 정도가 우수하다고 말할 수 있습니다.
1) 우수한 광학수차제어 : 구면수차/코마수차/비점수차/상면만곡/왜곡수차 + 색수차 + 비네팅
2) 높은 광 투과율 : 말할 필요없이 광투과율은 높을 수록 좋습니다. 무반사 코팅 (Anti Reflection coating_ARC) 필요
3) 높은 연색성 : 의도하지 않은 이상 광학기기를 통해서 보이는 대상은 색상 편향이 없을 수록 좋습니다. 자연의 색상을 원본 그대로 충실하게 재현하는게 중요합니다.
잘보여야 하는 것은 물론이고 사용자의 안전한 관측을 위해서 광학 사양 하나 더 추가할 수 있습니다.
4) UV (자외선) 차단 : 시력 손상을 막기 위함, UV cut 코팅 적용
첫번째, 우수한 광학수차제어 항목은 광학 코팅과 크게 상관없는 주제이기 때문에 본편에서는 제외합니다.
두번째 ~ 네번째 항목인 높은 광투과율/높은 연색성/UV(자외선) 차단 특성이 바로 광학 코팅과 직접적인 연관성이 있습니다.
이제부터 본격적인 이야기가 시작됩니다.
높은 광 투과도
위대한 과학자라는 간략한 단어로는 설명이 부족한 영국의 뉴턴 (1642 ~ 1727), 뉴턴 사후에도 여전히 그의 영향력으로 말미암아 빛의 입자설이 유럽에서는 주류였습니다. 1800년대 당시 빛의 입자설로는 회절 현상 (파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상)을 설명하기 어려운 문제가 있었는데 하위헌스의 파동원리를 계승한 프랑스의 과학자 "프레넬"의 등장으로 "빛은 파동이다"라는 파동설이 지지를 받게 되었습니다. 후대 아인슈타인의 광양자설 (빛은 입자다)이 발표 되고 빛은 입자/파동의 성질을 모두 가지고 있다고 알려지게 되었죠.
프레넬은 굴절률이 다른 두 매질의 경계면에 빛이 입사될 때 반사/투과 특성을 정리한 방정식을 내 놓습니다. "프레넬 방정식"입니다.
이 프레넬 방정식은 코팅이 되어 있지 않은 맨유리나 렌즈에서 얼마만큼의 반사/투과가 일어 나는지를 알려줍니다. (흡수 제외)
위 수식을 입사되는 빛의 편광별, 각도별 (수직 입사가 0도)로 계산한 결과가 아래 그래프입니다.
공기에서 유리가 위 그래프, 유리에서 공기가 아래 그래프입니다.
무코팅 렌즈에서 프레넬 방정식으로 얻을 수 있는 사실은 아래와 같습니다.
- 빛이 굴절률이 다른 매질을 통과 할때 한면당 약 4% 이상 반사 발생 (유리 굴절률이 1.5일때)
- 현대 루프 쌍안경은 보통 20매 내외의 광학면을 갖습니다. (렌즈 1개당 2면의 광학면, 8매 렌즈 + 프리즘)
- 만약, 빛이 한면당 4% 반사를 갖는 코팅없는 16매의 광학면을 투과 해야 하는 경우 투과도는 0.96 (96%)을 16번 곱한 만큼의 값을 갖게 됩니다. 0.96^16 = 0.52, 즉 52%의 투과도
- 뭔가 특단의 조치가 필요해보입니다.
* 실제 반사도는 두 경계면 사이에서 내부 반사를 여러번 할 수 있기 때문에 차이가 있습니다.
노벨 물리학상을 수상한 영국의 Rayleigh 경께서 1886년에 변색되지 않은 새 유리보다 변색 된 조각에서 더 많은 빛이 투과된다는 놀라운 사실을 발견하게됩니다. 단층 무반사 코팅 (Single layer Anti-Reflection coating)의 시초입니다.
실제 산업에 적용된 것은 1935년 칼자이스 특허로 부터였고 곧이어 2차 세계대전에서 사용할 독일 군용 광학기기에 적용됩니다. 이때 일본과 독일의 관계가 동맹으로 돈독했던터라 많은 기술들이 일본으로 전수 되었다고 합니다.
무반사 코팅 (AR 코팅)은 코팅 박막(얇은 두께의 막, 수십~수백 nm)의 상부 및 하부 경계에 반사되는 빔 사이의 상대 위상 편이가 180°가 되도록 설계됩니다. 반사된 두 빔 사이에 상쇄간섭이 발생하여 표면에서 반사되는 빔이 없어집니다.(그림 2). 광학 코팅의 광학적 두께는 λ/4의 홀수 정수여야 하며, 여기서 λ (람다, 파장을 나타내는 대표 기호)는 반사 빔 사이의 원하는 경로 차이를 달성하기 위해 최대 성능에 최적화되는 설계 파장입니다. 이 조건에서 반사되는 빔이 없어지게됩니다. 반사되는 빔이 없는 조건을 달성하기 위해 필요한 박막(nf)의 굴절률은 입사 매질(n0)와 기판(ns)의 굴절률을 이용하여 확인할 수 있습니다. (아래 그림 참조)
아래 그림을 보시면 MgF2(불화마그네슘)를 사용한 단층코팅의 반사도는 가시광선 영역에서 대략 2% 이내입니다. 위에서 먼저 계산해본 대로 16매의 광학면을 지나는 경우라면 72.4%의 투과도를 갖게됩니다. 코팅이 없는 경우보다 20%나 높은 성능이죠.
그렇긴 하지만, 여전히 만족스러운 투과도는 아닙니다. 그래서 다층 무반사 코팅 (Multi-layer Anti-Reflection coating)이 등장합니다. 아래 그림 다시 보시면, 수직입사되는 가시광선(VIS) 파장대에서 반사도가 0.5% 이내입니다. 이 수치를 가지고 역시나 16매 광학면을 투과하는 경우를 계산해 보면 드디어 92.3%의 전체 투과도를 얻게 됩니다.
* 에드먼드옵틱스의 무반사 코팅 목표 가시광선 파장 영역은 425 – 675nm
Anti-Reflection (AR) Coatings
www.edmundoptics.co.kr
1부는 여기까지 하고 2부는 코팅 색상 및 쌍안경의 연색성 (오래된 쌍안경의 누런 색감)에 대해서 이야기해 보겠습니다.
(2부 링크 : https://suschoi.tistory.com/102)
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