EDMUND OPTICS KOREA / 광학 코팅 기술 개론

광학 코팅의 유형

광학 코팅은 박막층의 조합으로 구성된다. 광학 시스템 내에서 투과 또는 반사 특성을 향상시키는 데 사용되는 간섭 효과를 생성하기 위해서다. 광학 코팅의 성능은 레이어의 개수, 개별 레이어의 두께, 레이어 접촉면에서의 굴절률 차이에 따라 달라진다. 정밀 광학 부품에 사용되는 대다수의 일반적인 코팅 유형은 아래와 같으며, 주로 정밀 옵틱에 사용한다. 

설계 목적

광학 코팅은 특정 입사각 및 S-polarization, P-polarization 또는 random polarization과 같은 특정 편광을 위해 설계된다. 설계 입사각과 다른 입사각에서 코팅을 사용하면 성능이 현저히 저하되고 입사각에 큰 편차가 발생하면 코팅 기능이 완전히 손실될 수 있다. 마찬가지로 설계 편광과 다른 편광을 사용하면 원치 않는 결과가 발생한다.

생성 과정 및 효과

광학 코팅은 Tantalum Pentoxide(Ta2O5, 오산화 탄탈럼) 및 Aluminum Oxide(Al2O3, 산화알루미늄)와 같은 유전체 재질과 금속 재료를 박막으로 번갈아가며 증착해 생성된다. 간섭 효과를 최소 혹은 최대화하기 위해 박막은 애플리케이션에 사용되는 광파장의 ¼ 파동 광학 두께(QWOT: Quarter-Wave Optical Thickness) 또는 ½ 파동 광학 두께(HWOT: Half-Wave Optical Thickness)를 주로 따른다. 이러한 얇은 두께의 막은 높은 굴절률의 레이어와 낮은 굴절률의 레이어 사이에 번갈아 증착해 필요한 간섭 효과를 유발한다. 광대역 AR 코팅 디자인의 샘플 도해는 그림 1을 참조하면 된다.

코팅 이론

코팅은 광학 간섭 메커니즘을 통해 빛의 반사 및 투과를 제어한다. 두 개의 광선이 입사 경로를 따라 전파되면서 각각의 위상이 일치하면, 웨이브 피크의 공간적 위치 역시 일치하면서 두 광선 사이에 결합이 발생한다. 더 넓어진 총진폭(total amplitude)이 생성된다. 이와 반대로 광선의 위상이 서로 다르면(180°이동) 광선 간의 중첩으로 모든 피크에서 감 효과가 발생해 결합된 진폭이 줄어든다. 이러한 효과를 각각 보강 간섭(constructive interference) 및 상쇄 간섭(destructive interference)이라고 한다. 다중 레이어 박막 구조의 총 반사율을 기술하는 관계가 공식 1에서 4까지 제시돼 있다.

빛의 파장과 입사각은 대개 지정돼 있다. 반면 레이어의 굴절률과 두께는 성능 최적화를 위해 다양한 값을 가질 수 있다. 변수 조절은 코팅 속 광선의 경로 길이에 영향을 미침에 따라 빛이 이동할 때 위상값에 변화를 가져다준다. 단일 레이어의 AR 코팅을 예로 들면 가장 쉽게 설명할 수 있다. 빛이 시스템을 통과할 때, 코팅면 중 어느 한 면의 굴절률이 바뀌는 두 개의 접촉면에서 반사가 일어난다. 반사를 최소화하기 위해서는 첫 번째 접촉면에서 빛이 재결합될 때 두 개의 반사된 부분 사이에서 이론상으로 180°의 위상차(phase shift)가 일어나도록 해야 한다. 최적의 위상차는 사인파의 λ/2 이동에 해당하며 레이어의 광학 두께를 λ/4로 설정할 때 확보할 수 있다. 이와 같은 개념에 대한 설명은 그림 2에 나와 있다.

굴절률은 광학 경로의 길이(위상)뿐만 아니라 각 접촉면에서의 반사 특성에도 영향을 준다. 반사는 프레넬의 공식(공식 5)을 통해 정의된다. 공식은 수직으로 입사할 때 접촉면에서 굴절률의 변화로 인해 발생하는 반사광의 양을 알려준다.

여기서 고려해야 할 최종 변수는 코팅 설계 시 반드시 주어지는 빛의 입사각이다. 빛의 입사각이 바뀌면 각 레이어의 내부 각도와 광학 경로 길이가 영향을 받고, 이로 인해 반사광의 위상 변화 크기가 달라진다. 비 수직 입사가 사용될 경우 S-편광 및 P-편광은 각 접촉면에서 서로 다르게 반사돼 두 개의 편광이 동일하지 않은 광학적 성능을 보인다. Polarizing beamsplitter의 설계 원리는 이 현상에서 비롯된다.

코팅 기술

증기 증착(Evaporative Deposition) 

증기 증착 공정은 진공실 안에 있는 코팅 재료에 열을 가하거나 전자빔 충격을 이용해 기체 상태로 만드는 방식이다. 증기화 과정 동안 가열, 진공주입, 기판 포지셔닝 및 회전을 위한 정밀 제어가 이뤄진다. 증기된 원재료가 광학 표면 위로 응축되는 과정을 거치면서 원하는 설계 두께를 갖춘 균일한 광학 코팅이 생성된다. 증기법은 완만한 속성을 가지고 있어 상대적으로 느슨하게 채워지는 코팅 또는 다공성의 코팅을 만들어 준다. 다만, 조직이 단단하지 않기 때문에 수분 흡수로 인한 문제로 코팅 막의 유효 굴절률이 변할 수 있다. 이는 광학적 성능 저하로 이어지기도 한다. 증착 코팅 기법을 강화하기 위해 이온빔을 기판 표면 쪽에 향하게 하는 이온빔 보조식 증착법(Ion Beam Assisted Deposition)을 활용할 수 있다. 이러한 방식은 표면에 대한 코팅 재료의 접착 에너지를 향상한다. 더욱 밀도 있고 강력한 코팅력을 생성함에 따라 더 많은 내부 응력을 갖게 해준다.

이온빔 스퍼터링(Ion-Beam Sputtering)

이온빔 스퍼터링 기법(IBS)에는 이온빔을 가속하기 위해 고에너지의 전기장이 사용된다. 가속화로 이온의 운동 에너지가 증가하면서 코팅 재료와 강하게 충돌하고, 코팅 물질이 자유롭게 타깃 쪽으로 방출되기 시작한다. 코팅 재료를 스퍼터링하면서 이온의 에너지가 점차 상승한다. 코팅 재료에서 방출된 물질이 기판의 표면에 부착되면서 밀도 있는 코팅 막이 형성된다. IBS 방식은 높은 정밀도와 반복 정확성으로 인해 안정된 기술로 알려져 있다.

플라스마 스퍼터링(Plasma Sputtering)

플라스마 스퍼터링은 Advanced Plasma sputtering 및 Magnetron sputtering처럼 다양한 명칭의 여러 기술을 지원한다. 기본 개념은 플라스마 생성에서부터 시작된다. 플라스마 내의 이온은 코팅 재료 쪽으로 가속되고, 느슨해진 활성 이온원(source ion)을 타격하면서 타깃이 되는 광학 면을 스퍼터링한다. 플라스마 스퍼터링은 유형마다 고유의 속성과 장단점을 보유한다. 여기서는 관련 기술들을 함께 묶어서 다룬다. 관련 기술들이 공통된 운영 컨셉을 보유하고 본문에서 논의하는 기타 코팅 기술보다 차이점이 훨씬 적기 때문이다.

원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)

원자층 증착법이 기존의 증기 증착 기술과 다른 점은, 고체 상태의 코팅 재료를 증기로 만들 필요 없이 바로 기체 상태의 코팅 재료가 제공된다는 것이다. 기체를 사용해야 함에도 불구하고 여전히 진공실 내에서는 종종 고온의 열이 사용되곤 한다.

ALD 기술은 전구체(precursor)를 비중첩 펄스로 전달하고 펄스마다 자기 제어를 하도록 한다. 이러한 과정을 위한 화학적 설계 방식은 오로지 1개 층의 박막을 펄스마다 입힐 수 있다. 표면의 형태가 제한 요인이 되지 않는다. 결과적으로 박막의 두께와 디자인을 뛰어난 수준으로 제어할 수 있긴 하지만, 이와 같은 이유로 매우 느린 증착 속도를 갖게 된다.

서브파장의 구조화된 표면

(Subwavelength Structured Surface)
빛의 파장보다 작은 규격의 표면 구조는 나방의 눈에서 특별한 질감의 패턴이 발견된 이후로 광학 연구에 있어서 큰 화제가 됐다. 표면 텍스처링 기술이 발전하면서 기판 표면의 구조 자체를 개조할 필요성이 점차 대두됐다.
굴절률이 높거나 낮은 소재를 차례로 증착하던 기존의 박막코팅 기술과는 반대되는 일이다. 텍스처링 처리된 표면은 나방의 눈에 있는 패턴처럼 무작위 혹은 주기성 있는 특징들을 보인다. Subwavelength structured surface 제작을 위해서 주기적인 패턴을 위한 사진 석판술이나, 무작위 패턴을 목적으로 개조된 플라스마 에칭(modified plasma etching)을 사용한다.

코팅 제조

광학 코팅과 관련된 제조 공정은 노동과 자본이 집약된 절차며 상당한 시간이 소모된다. 코팅 제작 비용에 영향을 주는 요인으로는 코팅 처리할 옵틱의 수, 옵틱 유형, 옵틱의 규격, 코팅 층의 수, 그리고 코팅 처리할 광학 표면의 수가 있다. 코팅에 적용되는 증착 과정은 코팅 비용 외에도 성능을 결정짓는 큰 요인으로 작용한다. 또한 코팅 처리가 될 옵틱마다 최고 수준의 품질을 보장하기 위해서는 많은 준비 작업이 요구된다.
코팅 이전의 클리닝 및 준비 과정은 전체 공정에서 빠질 수 없는 필수 작업이다. 코팅의 접착력을 위해 광학 렌즈의 표면은 반드시 깨끗하게 유지돼야 한다. 표면의 얼룩을 미리 제거하지 않으면 코팅 후에 더 큰 얼룩으로 남게 될 수 있다.   

자료 제공 : EDMUND OPTICS KOREA (www.edmundoptics.co.kr)