광학 코팅에 대한 이야기 #2 (코팅 색상, 연색성, UV 차단 코팅)

 

광학 코팅 두번째 이야기 입니다. (#1 링크 : https://suschoi.tistory.com/101)

* 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

 

전편에서 말씀드린 다층 무반사 코팅은 4층 (4-layers)의 녹색이 일반적입니다. 코팅 될 렌즈 재질, 코팅 재질, 코팅 층수 결정 되면 코팅 두께가 정해지기 때문에 코팅 색상도 결정 됩니다. 이름있는 큰 업체들은 10층 내외의 다층 코팅을 적용하는 것으로 알고 있구요.

 

오늘날 AR 코팅 품질은 장비 평준화, 코팅 설계 프로그램 평준화로 공정 관리만 잘 되면 업계간 큰 차이는 없습니다.

오히려 2000년대 이후에는 발수 (물방울 흘러 내림), 발오 (먼지등 오염 방지), 표면 강화 (긁힘 억제) 코팅 등을 적용하여 차별화를 꽤하고 있습니다. 이 역시 요즘은 아주 특별한 기술은 아닙니다. 설계 목적이나 생산 단가에 따라서 검토 후 적용 유무가 결정되죠.

다층 박막 코팅 기술은 AR 코팅은 물론이고 특정 파장대역만 투과 시키거나 차단시키는 Band Pass Filter 코팅, 거울 같이 특정 파장을 모두 반사 시키는 HR 코팅 (Hard Reflective_ 고반사)등 응용 분야가 다양합니다.

 

반사경 코팅의 경우 은 코팅, 알루미늄 코팅이 일반적인데 금속 코팅재의 산화 문제로 연식이 오래되면 반사율이 떨어지는 문제가 있습니다. 이를 막기위해 금속 코팅위에 SiO2 같은 유전체로 보호 코팅 하기도 합니다.

 

NIR 근적외선대역을 사용하는 광통신용 필터의 경우 100층 정도의 코팅 층수 제품도 흔합니다. 1.5x1.5x1.0t mm 필터 하나의 가격이 $3~5 정도로 꽤 비싼편이구요. (1260 ~ 1670nm 대역, DWDM BPF 코팅 등)

 

다층 박막 코팅 색상은 AR 코팅시 사용되는 박막 (얇은 막, 반대는 후막)의 두께에 따라서 결정됩니다. AR 코팅도 그렇고 특정 파장만 투과 시키거나 반사시키는 필터 코팅도 두 종류의 유전체 재질을 가지고 수십~수백 nm 의 얇은 두께로 번갈아 모재 표면에 쌍는 방식입니다. 증착이라고 합니다. (sputtering)

 

이런 다층 박막 코팅을 위한 코팅 층수, 박막 두께 설계는 어떻게 할까요?

현업에서는 Essential Macleod라는 설계 프로그램을 이용해서 진행하게 됩니다. 모재, 코팅용 박막 재질(유전체), 해당 파장의 투과율 넣어서 프로그램에서 시뮬레이션/ 최적화 시키는 방식입니다. 최적화 시킬때 원하는 전체 층수 및 증착 두께 범위도 설정 할 수 있습니다.

코팅 색상과 연색성

 

휴게소나 통일 전망대에서 파는 쌍안경 렌즈의 짙은 노란색, 붉은색 색상 코팅 (다층 박막 코팅 아님)이 아닌 이상 코팅의 색상은 박막의 두께 (개별 다층 박막 두께의 합)에 의해서 결정됩니다. 대물렌즈로 들어가는 빛은 무반사 코팅으로 상쇄간섭을 통해 투과 해야 되는데 그러지 못하고 살아 남아서 반사 되는 빛이 코팅 색상으로 보입니다.

다층 박막 코팅 설계 프로그램에서는 색상 조정도 가능합니다. 사실 이게 되어야 판매 상품의 코팅 색상 결정 및 관리가 가능하겠죠...

 

설계자가 원하는 색상(CIE lab data), 원하는 파장대별 반사율, 혹은 투과율을 입력 하고 최적화 기능을 사용 하면 그에 맞는 레이어(층수), 두께(Physical thickness)를 자동으로 계산 해 줍니다. 또한 층별로 두께를 임의로 조정 하여 나오는 결과에 대한 시뮬레이션도 가능 하기 때문에 일단 디자인을 설정 하고 박막을 형성 한 후 결과에 따라 해당 기능으로 색상을 조정 하면 됩니다.

 

에션셜 맥클라우드 프로그램 예시

 

 

 

https://www.thinfilmcenter.com/essential.phpwww.thinfilmcenter.com

 

 

THIN FILM CENTER: Optical Thin Film Excellence and Expertise

 

Reflectance In thin Films_All.pdf

2.03MB

 

쌍안경을 통해서 보는 대상물의 색상은 군용처럼 특정 색상 필터를 장착한 것이 아니라면 무반사 코팅 결과로 발생한 파장별 투과율의 차이에 의해서 결정됩니다.

70년대 단층 무반사 코팅 제품에서는 400nm 부근의 보라색/청색 투과율이 다른 파장 보다 20% 이상 낮은 경우가 많았습니다. 이렇게 코팅 파장간 차이가 크면 노란색 파장이 유독 많이 투과되어 대상도 노랗게 보이게 되죠.

(보라색/청색의 반사율도 높아서 이 색상이 코팅 색상으로 보일 수도 있습니다. 코팅 두께가 색상 결정을 한다는 영향보다 더 많이 줄 것으로 생각됩니다.)

 

아래 예시는 폴란드의 단층 코팅 쌍안경 (PZO LP7x45)의 코팅 색상 및 파장별 투과율 그래프입니다. (allbinos.com 및 웹검색) 400nm 대역 투과율이 현저하게 낮죠. 그래서 대상은 노란색을 띄고 쌍안경 자체 코팅 색상은 청색을 띕니다.

 

 

광학 기기를 통해서 보이는 색상 변화는 아래 allbinos 링크에 제일 잘 나와 있습니다. color(colour) rendering이라고 우리말로는 '연색성'이라고 하죠. 태양빛 아래에서 보이는 물체의 빛이 다른 광원에서 어떤 색상으로 보이는지에 대한 특성값입니다. 태양빛 아래에서 보이는 것처럼 보이면 연색성이 좋다고 합니다.

 

https://www.allbinos.com/160.1-article-Colour_rendering_in_binoculars_and_lenses.html

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3586831&cid=59277&categoryId=59279

https://www.thinfilmcenter.com/index.php

 

 

* Allbinos.com (https://www.allbinos.com/160.1-article-Colour_rendering_in_binoculars_and_lenses.html) 참조

-> Colour rendering은 연색성으로 번역됩니다. "연색성"이란 조명된 사물의 색 재현 충실도를 나타내는 광원의 성질을 말한다. 연색지수(CRI1))란 자연광에서 본 사물의 색과 특정 조명이 어느 정도 유사한가를 수치로 나타낸 것이라고 네이버님이 의견 주셨습니다.

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3586831&cid=59277&categoryId=59279

 

 

 

 

 

다층 코팅된 쌍안경으로 보는 대상물 색상은 파장별 투과율 차이가 10~15% 이내면 관측을 통해서 실제 보이는 대상의 색편향에 크게 영향을 주지 않습니다. 현대의 쌍안경들은 거의 색편향이 없습니다.

이 차이가 크면 상대적으로 투과율 높은 파장 대역이 많이 통과해서 색상 편향이 나타 납니다.

그 예시가 위에 언급한 70년대 이후 처음 AR 코팅에 적용된 단층 코팅 쌍안경입니다. 노란색 편향을 많이 보이구요.

 

 

쌍안경에서 UV 차단 코팅 적용 유무?

 

UV(자외선) 유해성은 빛을 모아서 보여주는 쌍안경 주간 관측에서 충분히 생각해 보아야 할 문제입니다.

선글라스에는 99% UV 차단 등의 문구로 광고를 하구요.

다행인 것은 대부분의 유리는 UV를 흡수합니다. 80% UV 투과율이라고 하더라도 16매를 거치면 2.8%만 살아 남음

게다가 에너지가 높은 UV-C는 오존층에서 걸러줌

 

 

자외선 투과율은 유리 굴절율이 낮아질수록 높아지는 것으로 보입니다.

아래는 스와로브스키 스와로비전 EL8.5x42의 파장별 광투과율 자료입니다. (allbinos.com)

그런데, 400nm 아래의 UV 대역 투과율이 낮아 지는게 UV cut 코팅의 결과일까? 유리 자체 흡수율의 결과일까?

궁금해서 스와로 고객센터에 이메일 문의를 넣었습니다. 카페안에서도 쌍안경에 UV 코팅을 실시 한다는 의견들이 있구요.

 

 

역시 A/S의 스와롭스키입니다.

스와로쌍안경에 별도의 UV 차단 코팅은 하지 않는다.
- 유리 자체의 UV 흡수 성질 x 많은수의 유리 재질을 통과하기 때문에 잔여 UV 량은 기준 이하
- UV-A (315~380nm) 관리 기준 <5% 는 선글라스 유럽 관리 기준에 따름 (카테고리 4 수준)
- 광학면이 적은 선글라스에는 UV-cut 코팅이 필수 입니다만 광학면이 많은 광학기기들에 별도로 추가하는 UV cut 코팅은 없다고 보시는 게 맞을 것 같습니다. 다만, AR 코팅시 자외선 대역이 높은 반사율을 갖도록 기본 설계 최적화를 할 수는 있어 보입니다.

 

 

 

감사해요 미카엘라~