에드몬드 옵틱스는 자사 웹사이트의 기술 서비스 기능을 최적화하기 위해 자사와 제3자의 쿠키를 이용합니다. EO의 쿠키 활용 방안에 관해 확인하십시오.

  • 내 정보
  •   
Resources / 어플리케이션 노트 / Optics / 광학 코팅 소개
광학 코팅 소개
에드몬드 옵틱스 코리아

광학 코팅 소개

광학 코팅은 광학 시스템 내부에서 투과 또는 반사 특성을 향상시키기 위해 사용되는 간섭 효과를 만드는 박막 레이어 조합으로 구성되어 있습니다. 광학 코팅 성능은 레이어 개수, 개별 레이어의 두께, 그리고 레이어 접촉면에서의 굴절률 차이에 따라 달라집니다. 정밀 광학 부품에 사용되는 대다수의 일반적인 코팅 유형은 Anti-Reflection (AR) 코팅, High Reflective (Mirror) 코팅, Beamsplitter 코팅 및 Filter 코팅(예: shorpass, longpass, notch filer)을 포함하며, 정밀 옵틱에 사용됩니다. Anti-Reflection (AR) 코팅은 대부분의 굴절 광학 부품에 포함되어 있으며 throughput을 극대화하고 원치 않는 반사를 줄여줍니다. 고반사 코팅은 단일 파장 또는 넓은 파장 범위에 걸쳐 반사율을 극대화하도록 설계되었으며, 미러 생성에 가장 많이 활용됩니다. Beamsplitter 코팅은 입사광을 알려진 투과광 및 반사광 출력으로 분리하는 데 사용됩니다. Filter는 수많은 생명 과학 및 의료 용도에서 발견되며, 특정 파장에서 빛을 투과, 반사, 흡수 또는 감쇄시키는 데 사용됩니다. Edmund Optics는 또한 다양한 맞춤 코팅을 제공해 어떤 용도에 대한 요건이든 충족시킬 수 있습니다.

광학 코팅은 빛의 특정 입사각 및 S-polarized, P-polarized 또는 random polarization과 같은 편광을 위해 설계되어 있습니다. 입사각이 0°인 빛을 위해 설계된 코팅을 입사각 45°인 빛에 사용하면 해당 코팅은 명시된 투과/반사율 규격을 확보하지 못합니다. 이와 마찬가지로, 코팅은 보통 무작위로 편광된 빛을 위해 디자인되므로 S-polarized 또는 P-polarized light를 무작위로 편광된 빛에 사용할 경우 명시된 규격을 얻어내지 못합니다.

광학 코팅은 Tantalum Pentoxide (Ta2O5, 오산화탄탈럼) 및/또는 Aluminum Oxide (Al2O3, 산화알루미늄)와 같은 유전체 재질과 금속 재료를 박막으로 번갈아가며 증착해 생성됩니다. 간섭 효과를 최소 혹은 최대화할 수 있는 박막은 주로 용도에 따라 사용되는 광파장의 quarter-wave optical thickness (QWOT) 또는 halfwave optical thickness (HWOT)입니다. 이러한 얇은 두께의 막은 높은 굴절률의 레이어와 낮은 굴절률의 레이어 사이에 번갈아 증착해 필요한 간섭 효과를 유발합니다. 광대역 AR 코팅 디자인 샘플 도해는 그림 1을 참조하십시오.

Sample Three Layer BBAR Coating Design
그림 1: 3개의 레이어로 이루어진 BBAR coating light의 경우, 코팅의 적절한 quarter wave 및 half wave 두께를 선택 시 투과율은 높아지고, 반사 손실을 낮아집니다.

코팅 이론

코팅은 광학 간섭 메커니즘을 통해 빛의 반사 및 투과를 제어합니다. 두 개의 광선이 입사 경로를 따라 전파되면서 각각의 위상이 일치하면 파동의 최대 정점의 공간적 위치도 일치하고 서로 결합되어 더 큰 진폭을 생성합니다. 광선의 위상이 서로 다르면(180° 이동), 모든 정점에서 중첩으로 인한 감쇄 효과가 생겨 결합된 진폭이 감소합니다. 이 효과를 각각 보강 간섭 및 소멸 간섭 (constructive and destructive interference)이라 합니다.

다중 레이어 박막 구조의 전체 반사율을 기술하는 관계가 아래 공식 1-4에 제시되어 있습니다.

Equation 1 (1)
Equation 2 (2)
Equation 3 (3)
Equation 4 (4)

q

레이어 개수

δ

광 경로차

η

레이어의 optical admittance

Np

복합 굴절률

tp

레이어의 물리적 두께

λ

파장

θp

입사각

Y

스택의 optical admittance

R

스택의 반사율

빛의 파장과 입사각은 대개 지정되어 있지만 레이어의 굴절률과 두께는 성능 최적화를 위해 다양한 값을 가질 수 있습니다. 이들 변수의 변화는 코팅 속 광선의 경로 길이에 영향을 줘 빛이 이동할 때 위상 값에 변화를 가져옵니다. 이 효과는 단일 레이어, AR 코팅을 예로 들면 가장 쉽게 설명할 수 있습니다. 빛이 시스템을 통과할 때 코팅의 어느 한 쪽에서 굴절률이 바뀌는 두 개의 접촉면에서 반사가 일어납니다. 반사를 최소화하기 위해서는 첫 번째 접촉면에서 빛이 재결합될 때 이 두 개의 반사된 부분 사이에서 이론상으로 180° phase shift가 일어나도록 해야 합니다. 이 위상차는 사인파의 λ/2 이동에 해당되며 레이어의 광학 두께를 λ/4로 설정하면 가장 잘 얻을 수 있습니다. 이 개념에 대한 설명은 그림 2를 참조하십시오.

180 Degree Phase Shift between Two Reflected Beams
그림 2: 2개의 반사빔 사이에 180° Phase Shift가 일어나면, 간섭이 파괴되어 결과적으로 반사빔이 소멸됩니다.

굴절률은 광학 경로 길이(위상)뿐 아니라 각 접촉면에서의 반사 특성에도 영향을 줍니다. 반사는 프레넬의 공식(공식 5)을 통해 정의되는데 이 공식은 정상 입사각에서 접촉면에서의 굴절률 변화로 인해 발생하는 반사광의 양을 알려 줍니다.

Equation 5 (5)

고려해야 할 최종 변수는 코팅 처리하는 이유가 되는 빛의 입사각입니다. 빛의 입사각이 바뀌면 각 레이어의 내부 각도와 광학 경로 길이가 영향을 받고, 이로 인해 반사광의 위상 변화 크기가 달라집니다. 비 정상 입사가 사용될 경우 S-polarized 및 P- polarized light가 각 접촉면에서 서로 다르게 반사되어 두 개의 polarization에서 서로 다른 광학 성능을 보이게 됩니다. polarizing beamsplitters의 설계 원리가 바로 이 현상입니다.

코팅 기술

증기 증착 (Evaporative Deposition)

증기 증착 공정은 진공실 내에 있는 코팅 재료에 열을 가하거나 전자빔 충격을 이용해 이를 기체 상태로 만듭니다. 이러한 증기화 과정 동안 가열, 진공주입, 기판 포지셔닝 및 회전을 위한 정밀 제어가 이루어 지면서 증기된 원재료가 광학 표면 위로 응축되고, 결과적으로 원하는 설계 두께를 갖춘 균일한 광학 코팅이 생성됩니다. 증기법은 완만한 속성을 가지고 있어 상대적으로 느슨하게 채워지거나 침투하는 코팅을 제작해줍니다. 다만, 이와 같은 코팅은 조직이 단단하지 않기 때문에, 수분 흡수로 인한 문제로 코팅 막의 유효 굴절률이 변할 수 있어 광학적 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 증착 코팅 기법을 강화하기 위해 이온빔을 기판 표면 쪽에 향하게 하는 이온빔 보조식 증착법(Ion Beam Assisted Deposition)을 활용할 수 있습니다. 이러한 방식은 표면에 대한 코팅 재료의 접착 에너지를 향상시켜, 더욱 밀도 있고 강력한 코팅력을 생성함으로써 더 많은 내부 저항력을 갖게 해줍니다.

이온빔 스퍼터링 (Ion-Beam Sputtering (IBS))

이온빔 스퍼터링 기법(IBS)에는 이온빔을 가속하기 위한 고에너지의 전기장이 사용됩니다. 이와 같은 가속화로 이온의 운동 에너지가 증가하면서 코팅 재료와 강하게 충돌하게 되고, 이때 코팅 물질이 자유롭게 타깃 쪽으로 방출되기 시작합니다. 코팅 재료를 스퍼터링하면서 이온의 에너지가 점차 상승되고 코팅 재료에서 방출된 물질이 기판의 표면에 부착되면서 밀도 있는 코팅 막이 형성됩니다. IBS 방식은 높은 정밀도와 반복 정확성으로 인해 이미 안정된 기술로 잘 알려져 있습니다.

Ion-Assisted E-Beam Deposition Process

그림 3: Ion-Assisted E-Beam Deposition 프로세스에 있어서, 광학 표면을 겨냥하는 ion gun은 코팅의 접착력과 밀도를 향상시켜줍니다.

플라스마 스퍼터링 (Plasma Sputtering)

플라스마 스퍼터링은 Advanced Plasma sputtering 및 Magnetron sputtering처럼 다양한 명칭으로 여러 기술들을 지원합니다. 기본 개념은 플라스마 세대별로 구성됩니다. 이러한 플라스마 내의 이온을 코팅 재료 쪽으로 가속화해, 느슨해진 활성 이온원(source ion)을 타격하면서 타깃이 되는 광학 면에 스퍼터링되게 합니다. 플라스마 스퍼터링은 유형마다 고유의 속성과 장단점을 보유하지만, 여기서는 관련 기술들을 함께 묶어서 기재하였습니다. 이는 관련 기술들이 공통된 운영 컨셉을 보유하고 본 기사에서 다루고 있는 기타 코팅 기술보다는 차이점이 훨씬 적기 때문입니다.

원자층 증착 (Atomic Layer Deposition)

기존의 증기 증착 기술과는 달리 원자층 증착법에서는 고체 상태의 코팅 재료를 증기로 만들 필요 없이 바로 기체 상태의 코팅 재료가 제공됩니다. 기체를 사용해야 함에도 불구하고 여전히 진공실 내에서는 고온의 열이 종종 사용되곤 합니다. 이러한 ALD 기술은 전구체(precursor)를 비중첩 펄스로 전달하고 펄스마다 자기 제어(self-limiting)를 하도록 합니다. 이러한 과정을 위한 화학적 설계 방식은 오로지 1개 층의 박막을 펄스마다 입힐 수 있으며 표면의 형태가 제한 요인이 되지 않습니다. 결과적으로 박막의 두께와 디자인을 뛰어난 수준으로 제어할 수 있긴 하지만, 이와 같은 이유로 매우 느린 증착 속도를 갖게 됩니다.

Subwavelength Structured Surfaces

나방의 눈에서 textured pattern이 발견되면서 빛의 파장보다 작은 규격의 surface structure는 광학 연구에 있어서 큰 화제가 되어왔습니다. 표면 텍스처링 기술이 서서히 발전해 가면서, 굴절률이 높거나 낮은 소재를 차례로 증착하던 기존의 박막 코팅 기술과는 반대로 기판 표면의 구조 자체를 개조할 필요성이 점차 생기게 되었습니다. 텍스처링 처리된 표면은 나방의 눈에 있는 패턴처럼 무작위 혹은 주기성 있는 특징들을 보이게 됩니다. Subwavelength structured surfaces 제작을 위해서는 주기적인 패턴을 위한 사진 석판술(photolithography)이나 무작위 패턴을 위한 개조된 플라스마 에칭(modified plasma etching)이 사용됩니다.

코팅 제조

Planetary Substrate Holder

광학 코팅과 관련된 제조 공정은 노동과 자본이 집약된 절차일 뿐만 아니라 상당한 시간이 소모되기도 합니다. 코팅 제작 비용에 영향을 주는 요인으로는 코팅 처리할 옵틱의 수, 옵틱 유형, 옵틱의 규격, 코팅 층의 수, 그리고 코팅 처리할 광학 표면의 수가 있습니다. 코팅에 적용되는 증착 과정은 코팅 비용 외에도 성능을 결정짓는 큰 요인으로 작용합니다. 게다가, 코팅 처리가 될 옵틱마다 최고 수준의 품질을 보장하기 위한 다수의 준비 작업이 요구됩니다.

코팅 이전의 클리닝 및 준비 과정은 전체 공정에서 빠질 수 없는 필수 작업입니다. 코팅의 접착력을 위해 광학 렌즈의 표면의 오염물을 깨끗이 제거해야 합니다. 또한, 표면의 얼룩을 미리 제거하지 않으면, 간혹 코팅 후에 더 큰 얼룩으로 남게 될 수 있습니다. 이와 같은 이유로, 고품질 광학 제품의 공급을 보장하기 위해 에드몬드 옵틱스는 철저한 광학 세정 단계를 거칩니다.

매우 다양한 코팅 증착 기술은 각각의 기술마다 고유의 장단점을 가지고 있습니다. 에드몬드 옵틱스에서는 이와 같은 코팅 증착 기술을 다양한 방식으로 구현해 드립니다. 고객의 어플리케이션에 안성맞춤인 코팅 기술을 결정하기 위해 당사로 문의 주시기 바랍니다.

이 콘텐츠가 고객에게 도움이 됩니까?

전체 투과량이 사용 용도에 충분하지 않습니까? 광학 제품에 anti-reflection 코팅을 적용해 보십시오. EO가 무엇을 제공하는지 찾아 보세요.

EO는 250nm부터 10μm 이상의 파장 범위까지를 위한 높은 reflectance values를 갖는 metallic coatings을 제공합니다. 사용하는 광학 시스템에 가장 잘 맞는 코팅을 찾아 보십시오.

당사는 광대역, v-coat, polarizing, metallic, 그리고 UV, VIS 및 IR 스펙트럼의 narrow bandpass를 포함한 광범위한 single 및 multi-layer 코팅을 제공합니다. EO가 무엇을 해드릴 수 있는지 확인해 보십시오.

저희가 디자인하고 제조하며 운반까지 합니다. EO는 세계에서 가장 큰 기성 광학 부품 업체입니다.

용도에 가장 알맞은 제품이 무엇인지 확신이 서지 않으십니까? 지금 바로 당사 엔지니어 중 한 명과 상담하세요!

제품 견적 요청은?

Edmund Optics Facebook Edmund Optics Twitter Edmund Optics YouTube Edmund Optics LinkedIn Edmund Optics Google+ Edmund Optics Instagram

×