안경부터 정밀 레이저 렌즈까지, 생산되는 대부분의 광학 부품은 표면에 성능을 향상시키는 일종의 박막 필름 코팅이 되어 있습니다. 이는 안경의 산만한 반사를 줄이거나, 산업용 레이저 시스템이 전달하는 출력을 향상시키거나, 유세포 분석기의 특정 파장을 선택적으로 통과시켜 세포 식별 기능을 구현하는 역할을 할 수 있습니다. 코팅은 또한 광학 표면을 기계적으로 더 내구성이 뛰어나고 청소하기 쉽게 만드는 효과를 낼 수 있습니다.
코팅의 원리는 무엇일까요?
박막 필름 코팅의 원리는 광파 사이의 간섭 효과를 이용하는 것입니다. 말하자면 비누나 기름 자체는 무색이지만 비눗방울이나 기름때에는 색이 나타나는 것과 같은 현상입니다.
그림은 간섭 원리의 기본 정보를 보여 줍니다. 코팅이 없으면 유리 표면은 입사광의 약 4%를 반사합니다. 이는 빛의 92%만이 창문이나 유리 렌즈를 통과함을 의미합니다(앞면과 뒷면의 두 표면이 있기 때문). 이러한 광 손실은 광학 시스템의 처리량이나 효율성을 저하시킵니다. 그리고 여러 개별 구성 요소가 포함된 카메라 렌즈와 같은 경우 이미지 대비도 감소할 수 있습니다.
일반적으로 유리 광학 장치의 각 표면은 가시광의 약 4%를 반사합니다. 표면에 얇은 코팅을 적용하면 두 번째 반사가 발생합니다. 코팅 두께와 굴절률을 조작하면 반사를 거의 완전히 없애는 등 다양한 효과를 얻을 수 있습니다.
광학 표면에 코팅을 배치하면 두 번째 반사가 발생합니다. 코팅 상단에서 한 번, 코팅/유리 경계면에서 또 한 번 발생하는 것입니다. 코팅 두께가 빛 파장의 1/4이면 이 두 광선은 그림에 표시된 것처럼 정확히 위상이 다릅니다. 두 파동의 진폭(재료의 굴절률에 따라 다름)도 동일한 경우 완전히 파괴적으로 간섭하게 됩니다. 이는 적어도 특정 각도와 파장에서는 반사가 전혀 없음을 의미합니다. 이것이 바로 반사 방지(AR) 코팅입니다.
코팅에는 서로 다른 여러 재료로 이루어진 수많은 층이 포함되는 경우가 많습니다. 이러한 층들은 방금 소개한 광파 간섭의 기본 메커니즘을 활용하는 다양한 효과를 생성하도록 배열됩니다. 대부분의 코팅은 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
코팅 기능 |
설명 |
반사 방지(AR) |
원치 않는 표면 반사를 억제하는 데 사용됩니다. 단일 파장 또는 다양한 파장에서 작용할 수 있습니다. |
고반사(HR) |
거울 코팅이 표면의 반사율을 증가시킵니다. 단일 파장 또는 다양한 파장에서 작용할 수 있습니다. |
부분 반사 |
빔 스플리터가 입력광의 일부를 투과시키고 나머지는 반사시킵니다. 흔히 0이 아닌 입사각에서 사용됩니다. |
단파장 통과/장파장 통과 |
짧은 파장을 통과시키고 긴 파장을 투과시키거나 그 반대로 작용합니다. 흔히 0이 아닌 입사각에서 사용됩니다. |
대역통과 |
이 필터는 중앙 값 주변의 다양한 파장을 통과시키고 다른 모든 것은 거부합니다. |
편광 |
입사광을 직교 편광 구성 요소로 분리하여 일반적으로 하나를 투과시키고 다른 하나를 반사시킵니다. |
때로는 코팅이 광학적 특성을 수정하는 것 이상의 기능을 수행하는 경우도 있습니다. 예를 들어 투명 전도성 코팅은 전자 기능을 실현하기 위해 터치스크린에 광범위하게 사용됩니다. 물을 밀어내는 소수성 코팅과 기름을 밀어내는 소유성 코팅도 터치스크린에 자주 적용됩니다. 다이아몬드 유사 탄소(DLC), 사파이어 박막 필름 및 기타 재료를 사용하여 광학 장치의 기계적 내구성을 향상시킵니다.
코팅은 어떻게 제작될까요?
코팅을 제작하려면 일반적으로 두께가 약 100나노미터에서 수 마이크론에 이르는 유전체 또는 금속의 여러 얇은 층을 대상 물질에 증착할 수 있어야 합니다. 거의 모든 코팅의 경우 각 층의 두께와 굴절률을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다. 부품 전체에서 이러한 특성이 균일하게 유지되는 것 역시 중요합니다.
이상적으로는 제조업체가 각 층의 인장 또는 압축 응력의 양과 같은 층의 기계적 특성을 제어할 수도 있습니다. 이는 내구성이 우수하고 기판에 잘 접착되는 최종 제품을 생산하는 데 필요합니다.
가장 일반적으로 사용되는 코팅 방법은 다양한 형태의 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)입니다. 예를 들어 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 PVD 기술 중 하나는 증발 코팅입니다. 이 경우에서 광학 장치는 고진공 챔버에 배치됩니다. 코팅 재료는 저항 가열 또는 전자빔 충격에 의해 가열되어 기화합니다. 이 증기는 진공 챔버를 채우고 광학 표면에 재응축되어 코팅층을 형성합니다.
각 코팅 기술에는 고유한 특정 기능, 장점 및 단점이 있습니다. Coherent는 각 사용 사례에서 최적의 결과를 내기 위해 거의 모든 주요 방법을 사용합니다. 차트에서 이 방법들의 주요 특성 중 일부를 비교했습니다.
방법 |
증발 |
이온 보조 증착법을 사용한 증발 |
이온 빔 스퍼터링 |
마그네트론 스퍼터링 |
|
파장 범위 |
<266nm |
+ |
– |
O |
– |
266nm~5µm |
+ |
+ |
+ |
+ |
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>5µm |
+ |
– |
O |
– |
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비용 |
+ |
O |
O |
+ |
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기계 및 환경 측면 내구성 |
– |
O |
+ |
O |
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산란 및 흡수 |
– |
O |
+ |
O |
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레이저 손상 |
+ |
+ |
+ |
+ |
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증착 정밀성 |
– |
O |
+ |
O |
|
Coherent의 코팅 – 범위, 품질 및 용량
특히 대량으로 고품질 광학 코팅을 지속적으로 생산하려면 증착 챔버뿐만 아니라 훨씬 더 많은 것이 필요합니다. 시작점은 코팅 설계입니다. 여기서는 원하는 광학 성능을 실현할 뿐만 아니라 기계적 내구성, 레이저 손상 임계값, 비용 또는 기타 특성에 대한 기타 요구 사항을 충족할 재료와 층 두께의 조합을 결정하게 됩니다.
그런 다음 일반적으로 증착 중에 층 특성을 제어하고 측정하기 위해 일련의 공정 모니터링 기기 및 계측 장비를 사용하게 됩니다. 목적은 코팅 설계가 광학 장치에 충실하게 재현되도록 하는 것입니다. 완제품의 광학적, 기계적 특성을 측정하기 위해 다양한 계측 장비가 사용됩니다.
Coherent는 수직적으로 통합된 광학 제조업체로서, 거의 모든 규모의 고품질 광학 코팅을 제공할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. 기판 재료를 제조하고, 부품을 제작하고, 코팅을 설계 및 생산하고, 심지어 조립품을 제작하는 일까지 모두 사내에서 이루어집니다. 그리고 Coherent는 이러한 모든 분야에 대해 깊은 지식과 경험을 보유하고 있습니다.
Coherent는 또한 부품 성능의 모든 측면을 검증할 수 있는 테스트 장비를 갖추고 있습니다. 실제로 Coherent는 생산의 각 단계에서 품질 보증(QA)을 실시하고, 제작하는 모든 광학 장치에 대해 100% 검사를 수행합니다.
이 모든 것을 통해 Coherent는 원자재부터 완제품까지 전체 공정을 제어하여 제품의 모든 광학 및 기계적 사양 등을 보장할 수 있습니다. 이는 Coherent가 고객의 위험과 불확실성을 최소화하기 위해 안전한 공급망을 제시한다는 것을 의미합니다. 또한 Coherent의 생산 장비의 범위와 수량 덕분에 필요에 따라 코팅을 거의 모든 유형과 규모로 제작할 수 있습니다.
하드 코팅도 문제없이 제작
Coherent는 특히 재료 측면에서의 광범위한 역량을 통해 새로운 코팅 개발 분야에서도 선두를 차지하고 있습니다. 이와 관련해 한 가지 눈에 띄는 예는 주로 적외선 광학용으로 고안된 Coherent의 고유한 다이아몬드 오버코트(DOC)입니다.
적외선 광학은 가전제품, 의료장치, 산업용 레이저 시스템, 군용 및 항공우주 영상 장치를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 모든 영역에서 광학 성능에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있습니다. 이러한 용도 중 다수에서는 내구성과 신뢰성도 필수입니다. 특히 코팅을 손상시키지 않고 광학 부품의 표면을 반복적으로 청소할 수 있는 능력이 필요합니다.
과거에는 사용자가 성능이 우수하지만 내구성은 낮을 수 있는 기존 코팅, 그리고 내구성이 우수하지만 최첨단 성능을 제공하지 못하는 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅 중에서 선택해야 했습니다. 특히 DLC 반사 방지 코팅은 일반적으로 광학 투과를 부분적으로만 향상시키며 게르마늄 및 실리콘과 같은 특정 기판 재료로 한정되는 단층 설계입니다.
DOC는 이러한 상충관계를 해소하면서 기존 증발 코팅의 뛰어난 광학 성능과 CVD 다이아몬드 필름의 비교할 수 없는 내구성을 모두 실현합니다. Coherent는 DOC를 제작하는 데 단일 공정에서 증발 방법과 CVD를 결합한 맞춤형 코팅 시스템을 활용합니다.
DOC를 제작하려면 특수 장비가 필요하기는 하지만 실제로 Coherent 기술의 대부분은 코팅 설계에 있습니다. 특히 이 설계에서는 다이아몬드 유사 탄소 필름의 높은 굴절률과 높은 기계적 응력을 기본 PVD 재료와 일치시켜야 합니다.
DOC에는 다양한 응용 분야가 있는데, 코팅의 견고성을 보여 주는 가장 좋은 예는 산업용 레이저 가공, 특히 인쇄 회로 기판에 구멍(비아라고 함)을 고속으로 대량 드릴링하는 작업입니다. 창이 레이저 초점 광학 장치를 보호하며, 이러한 창에는 드릴링 과정에서 발생하는 잔해가 튑니다. 다이아몬드 코팅 보호 창을 사용하면 청소 간격이 늘어납니다. 또한 광학 특성을 유지하면서 구리 및 기타 미립자를 제거하기 위한 강력한 청소가 가능하며, 수명을 크게 연장하고 창 교체에 따른 비용과 가동 중지 시간을 줄여 줍니다.
추가 사용 사례로는 광학 기반 포도당 측정 시스템의 최종 렌즈 표면을 들 수 있습니다. 여기에서 최종 광학 장치는 환자 또는 표본과 접촉하므로 주기적인 청소가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로 DOC를 사용하면 이러한 광학 장치를 손상 없이 청소할 수 있습니다.
DOC는 코팅 기술의 획기적인 발전을 상징합니다. 하지만 이는 Coherent가 생산할 수 있는 다양한 유형의 코팅 중 하나일 뿐입니다. Coherent의 코팅 역량에 대해 자세히 알아보십시오.
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