적외선 어플리케이션에 맞는 적절한 소재
적외선에 관한 소개 | 올바른 소재 사용의 중요성 | 올바른 소재 선정 방법 | 적외선 소재 비교
적외선에 관한 소개
적외선(IR)은 0.750 -1000μm(750 - 1000000nm)의 파장 대역으로 규정되는 광선입니다. 감지 범위의 한계로 인해 적외선은 종종 NIR(0.750 - 3μm), MWIR(3 - 30μm), FIR(30 - 1000μm)과 같이 3가지 소영역으로 분류됩니다(그림 1 참조). 적외선 제품은 열화상 이미징에서의 IR 신호 감지부터 IR 분광법에서의 요소 식별에 이르기까지 광범위한 어플리케이션에 사용됩니다. 적외선 어플리케이션의 필요성이 증대하고 기술적으로 진보해가면서 광학 부품 제조 업체는 평면 옵틱(예: 윈도우, 미러, 폴라라이저, 빔스플리터, 프리즘), 구면 렌즈(예: 평면-오목(PCV) / 평면-볼록(PCX), 양면 오목(DCV) / 양면 볼록(DCX), 메니스커스), 비구면 렌즈(parabolic, hyperbolic, hybrid), 아크로매틱 렌즈 및 어셈블리(예: 이미징 렌즈, 빔 익스팬더, 접안렌즈, 대물렌즈) 설계에서 적외선 소재를 사용하기 시작했습니다. 이러한 적외선 소재나 기판은 다양한 물리적 특성을 보유합니다. 따라서 각각의 장점을 파악하면 원하는 적외선 어플리케이션에 맞는 정확한 소재를 선택할 수 있습니다.
그림 1: 전자기 스펙트럼
올바른 소재 사용의 중요성
적외선은 가시광선보다 긴 파장으로 구성되기 때문에 동일한 광학 매질을 통해 전파될 때 두 영역은 서로 다른 방식으로 작용합니다. 일부 소재는 적외선 혹은 가시광선 어플리케이션에 사용할 수 있으며, 용융 실리카, BK7, 사파이어가 대표적인 소재입니다. 그러나 현재 작업에 더 적합한 소재를 사용함으로써 광학 시스템의 성능을 최적화할 수 있습니다. 이러한 개념을 이해하기 위해서는 투과율, 굴절률, 분산율 및 구배 지수를 검토해야 합니다. 제품 사양 및 특성에 관한 자세한 내용은 광학 글래스 편에서 다루고 있습니다.
투과율
어떠한 소재를 정의할 때 가장 중요한 속성은 바로 투과율입니다. 투과율은 처리량을 측정하는 척도이며 입사광에 대한 백분율로 표기됩니다. 적외선 소재는 일반적으로 가시광선에서 불투명하고 가시광선 소재는 적외선에서 불투명합니다. 다시 말해, 각각의 소재는 이러한 파장 대역에서 0%에 가까운 투과율을 보입니다. 예를 들어 적외선은 투과하지만 가시광선은 차단하는 실리콘을 검토해볼 수 있습니다(그림 2).
그림 2: 비코팅 실리콘의 투과율 곡선
굴절률
주로 투과율이 하나의 소재를 적외선 소재나 가시광선 소재로 분류하는 역할을 하지만 여기서 중요하게 여겨야 하는 또 다른 속성은 굴절률$ \small{ \left( n_d \right) } $입니다. 굴절률은 주어진 소재 내에서 빛의 속도 대비 진공 상태에서 빛의 속도의 비율입니다. 이는 곧 굴절률이 낮은 매질에서 높은 매질로 진입할 때 빛의 '감속 효과'를 정량화하는 수단입니다. 또한, 빛이 표면에 비스듬히 닿으면서 굴절되는 빛의 양을 나타내는 지표이기도 하며 $ \small{n_d} $이 증가할수록 더 많은 양의 빛이 굴절됩니다(그림 3).
그림 3: 굴절률이 낮은 매질에서 높은 매질로 진입할 때의 빛의 굴절
굴절률의 범위는 가시광선 소재에서 1.45 - 2, 적외선 소재에서 1.38 - 4입니다. 보통 굴절률과 밀도는 양의 상관 관계를 보이는데 이는 적외선 소재가 가시광선 소재보다 무겁다는 것을 의미합니다. 그러나 굴절률이 높을수록 더 적은 수의 렌즈 요소로도 회절 한계 성능을 발휘할 수 있어 전체 시스템 무게와 비용을 줄일 수 있다는 의미이기도 합니다.
분산
분산은 파장에 따라 소재의 굴절률이 얼마나 변하는지를 알려주는 척도입니다. 또한, 색 수차로도 알려진 파장의 분리를 측정하는 역할도 분산이 합니다. 양적인 면에서 분산은 아베수$ \small{ \left( v_d \right) } $의 역의 값이며 방정식 1에 나와 있듯이 f(486.1nm), d(587.6nm), c(656.3nm) 파장에서 굴절률과 상관 관계에 있습니다.
아베수가 55 이상이면서 분산이 덜 일어나는 소재는 크라운 소재로 간주되며 아베수가 50 미만이면서 분산이 더 많이 일어나는 소재는 플린트 소재로 간주됩니다. 가시광선 소재의 아베수 범위는 20 - 80이고 적외선 소재의 아베수 범위는 20 - 1000입니다.
구배 지수
매질의 굴절률은 온도 변화에 따라 달라지게 됩니다. 이러한 구배 지수$ \left( \tfrac{\text{d} n}{\text{d} T} \right) $는 하나의 값으로 지정된 n에서 시스템이 작동하도록 설계됐을 경우와 같이 불안정한 환경에서 운영될 때 문제가 될 수 있습니다. 안타깝게도 적외선 소재는 보통 가시광선 소재보다 더 큰 $ \tfrac{\text{d} n}{\text{d} T} $ 값을 특징으로 합니다(적외선 소재를 비교해 놓은 주요 적외선 소재의 특성 표에서 적외선만 투과하는 저마늄과 가시광선에서 사용되는 N-BK7을 비교해 보세요).
올바른 소재 선정 방법
적외선 소재를 고를 때 올바른 소재 선정을 위해 3가지 사항을 고려해야 합니다. 가시광선에 비해 적외선에서 사용되는 소재의 종류가 훨씬 더 적기 때문에 선택 과정이 더 수월하긴 하지만, 적외선 소재는 제작 및 재료 비용으로 인해 더 고가인 경향이 있습니다.
- 열적 특성 – 광학 소재는 다양한 온도 변화에 노출되는 환경에 배치되는 경우가 많습니다. 게다가 적외선 어플리케이션의 주된 문제는 바로 다량의 열을 발생시키는 경향이 있다는 겁니다. 사용자가 원하는 성능을 반드시 충족하기 위해서는 소재의 구배 지수와 열팽창 계수(CTE)를 평가해야 합니다. 열팽창 계수는 온도 변화에 따라 소재가 팽창 혹은 수축하는 비율입니다. 예를 들어, 저마늄은 구배 지수가 매우 높기 때문에 열적으로 불안정한 환경에서 사용하면 광학 성능이 저하될 가능성이 있습니다.
- 투과율 – 어플리케이션마다 서로 다른 영역의 IR 스펙트럼에서 작동합니다. 특정 적외선 기판은 사용 중인 파장에 따라 더 나은 성능을 보이기도 합니다(그림 4). 예를 들어, 시스템이 MWIR 스펙트럼에서 작동하도록 설계되었다면, NIR 스펙트럼에서 더 나은 성능을 보이는 사파이어보다 저마늄을 선택하는 것이 보다 바람직합니다.
- 굴절률 – 적외선 소재는 가시광선 소재보다 굴절률이 더 많이 변하므로 시스템 설계 시 더 다양한 변형을 적용할 수 있습니다. 전체 가시광선 스펙트럼에서 더 나은 성능을 보이는 가시광선 소재(예: N-BK7)와 달리 적외선 소재는 무반사(AR) 코팅을 적용할 때 자외선 스펙트럼 내의 좁은 대역폭으로 종종 제한되기도 합니다.
그림 4: 적외선 기판 비교(N-BK7의 파장 대역은 B270, N-SF11, BOROFLOAT® 등과 같이 가시광선에서 사용되는 대다수의 기판을 대표함)
적외선 소재 비교
수십 가지의 적외선 소재가 존재하지만 광학, 이미징 및 포토닉스 업계에서 표준 광학 부품을 제조하는 데 사용되는 소재는 소수에 불과합니다. 플루오르화 칼슘, 용융 실리카, 저마늄, 플루오르화 마그네슘, N-BK7, 브롬화 칼륨, 사파이어, 실리콘, 염화나트륨, 셀렌화 아연, 황화 아연은 다른 소재와 구분되는 고유한 속성을 각각 가지고 있으며, 소재마다 적합한 어플리케이션이 다릅니다. 아래의 표는 주로 사용되는 기판 중 일부를 비교한 것입니다.
| 주요 적외선 소재의 특성 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 소재명 | 굴절률, $$ \small{ \left( n_d \right)} $$ | 아베수, $$\small{ \left( v_d \right)}$$ | 밀도 | 열팽창 계수(CTE) | $$\pmb{\frac{\text{d}\textit{n}}{\text{d}\textit{T}}} $$ |
누프 경도 |
| $$ \left[ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3} \right] $$ | $$ \left[ \times \tfrac{10^{-6}}{^{\text{o}} \text{C}} \right] $$ | $$ \left[ \times \tfrac{10^{-6}}{^{\text{o}} \text{C}} \right] $$ | $$ \left[ \tfrac{\text{kg}_f}{\text{mm}^2}\right] $$ | |||
| 플루오르화 칼슘(CaF2) | 1.434 | 95.1 | 3.18 | 18.85 | -10.6 | 158.3 |
| 용융 실리카(FS) | 1.458 | 67.80 | 2.2 | 0.55 | 11.9 | 500 |
| 저마늄(Ge) | 4.003 | N/A | 5.33 | 6.1 | 396 | 780 |
| 플루오르화 마그네슘(MgF2) | 1.413 | 106.2 | 3.18 | 13.7 | 1.7 | 415 |
| N-BK7 | 1.517 | 64.2 | 2.46 | 7.1 | 2.4 | 610 |
| 브롬화 칼륨(KBr) | 1.527 | 33.6 | 2.75 | 43 | -40.8 | 7 |
| 사파이어 | 1.768 | 72.2 | 3.97 | 5.3 | 13.1 | 2200 |
| 실리콘(Si) | 3.422 | N/A | 2.33 | 2.55 | 160 | 1150 |
| 염화나트륨(NaCl) | 1.491 | 42.9 | 2.17 | 44 | -40.8 | 18.2 |
| 셀렌화 아연(ZnSe) | 2.403 | N/A | 5.27 | 7.1 | 61 | 120 |
| 황화 아연(ZnS) | 2.631 | N/A | 5.27 | 7.6 | 38.7 | 120 |
| 적외선 소재 비교 | |
|---|---|
| 소재명 | 속성 / 주요 어플리케이션 |
| 플루오르화 칼슘(CaF2) | 낮은 흡수율, 높은 굴절률의 균일도 |
| 분광법, 반도체 가공, 냉각 열 이미징에 사용됨 | |
| 용융 실리카(FS) | IR 스펙트럼에서 낮은 열팽창 계수(CTE)와 우수한 투과율 |
| 간섭측정, 레이저 계측, 분광법에 사용됨 | |
| 저마늄(Ge) | 높은 nd와 누프 경도, MWIR-FIR 스펙트럼에서 우수한 투과율 |
| 열화상 및 강건설계 적외선 이미징에 사용됨 | |
| 플루오르화 마그네슘(MgF2) | 높은 열팽창 계수(CTE), 낮은 굴절률, VIS-MWIR 스펙트럼에서 우수한 투과율 |
| 무반사(AR) 코팅이 필요 없는 윈도우, 렌즈, 폴라라이저에 사용됨 | |
| N-BK7 | VIS 및 NIR 어플리케이션에 적합한 저렴한 소재 |
| 머신 비전, 현미경 및 산업 어플리케이션에 사용됨 | |
| 브롬화 칼륨(KBr) | 물리적 충격에 강함, 수용성, 광대역 투과 파장 범위 |
| FTIR 분광법에 사용됨 | |
| 사파이어 | IR 스펙트럼에서 우수한 투과율, 견고함 |
| IR 레이저 시스템, 분광법, 극한의 환경에 놓인 장비 등에 사용됨 | |
| 실리콘(Si) | 저렴한 가격, 가벼운 무게 |
| 분광법, MWIR 레이저 시스템, THz 이미징에 사용됨 | |
| 염화나트륨(NaCl) | 수용성, 저렴한 가격, 250nm - 16μm에서 우수한 투과율, 열충격에 취약함 |
| FTIR 분광법에 사용됨 | |
| 셀렌화 아연(ZnSe) | 낮은 흡수율, 열충격에 강함 |
| CO2 레이저 시스템 및 열화상 이미징에 사용됨 | |
| 황화 아연(ZnS) | VIS 및 IR 스펙트럼에서 우수한 투과율, ZnSe보다 더 단단하고 화학 물질에 대한 내성이 더 높음 |
| 열화상 이미징에 사용됨 | |
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