플라스틱 안경렌즈 멀티코팅 원리(Anti-Reflection Coating)

플라스틱 안경렌즈

예로부터 안경은 값비싼 유리로 만들어졌지만, 이제는 값싼 플라스틱이 주를 이루고 품질 또한 우수해졌으며 더욱 발전하고 있다. 기타 첨가제, 코팅 작업 등으로 플라스틱의 단점을 보완한 결과이며, 이는 플라스틱이 다른 기존 물질을 대체 가능할 수 있게 만드는 강점이다.

플라스틱 안경렌즈란 모노머를 사용하여 폴리머로 반응시켜 안경렌즈 기본 규격인 ISO14889에 맞게 고분자화 시킨 플라스틱을 의미한다. 수지에 따라 열가소성과 열경화성으로 나뉘며, 이에 따라 렌즈를 만드는 과정이 다르다.

멀티 코팅의 목적

non-coating lens 반사율

빛이 공기에서 렌즈로 입사할 시, 서로 다른 굴절률에 의한 빛의 반사와 굴절이 발생한다. 이때 위에서와 같이 반사에 의해 생성된 10.6% 빛으로 인해 투과도가 감소, 카메라 촬영 시 고스트 현상(유령상)이 나타남 등 일상생활에 여러 불편함을 줄 수 있다. 때문에 렌즈 표면의 반사를 줄여야 한다.

 

멀티 코팅을 이해하기 위한 기본 개념

 a. 빛의 이중성

빛에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것은 17세기부터라고 할 수 있다. 뉴턴과 동시대를 살았던 많은 과학자들은 빛의 본질에 대한 열띤 논쟁을 전개했다. 일부는 빛을 파동이라고 보았고 일부는 작은 입자의 흐름이라고 주장했다. 하위헌스(Christiaan Huygens, 호이겐스, 1629~1695)는 빛은 파동이라고 주장하고 파동의 성질을 이용하여 간섭과 회절을 설명하려고 시도했다. 그러나 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)은 빛이 눈에 보이지 않는 작은 입자의 흐름이라고 주장했다. 뉴턴의 권위에 힘입어 빛의 입자설은 오랫동안 정설로 받아들여졌다.

토마스 영의 이중 슬릿 실험

그러나 19세기 초 영국의 토마스 영 (Thomas Young, 1773~1829), 프랑스의 프레넬(Augustin Jean Fresnel, 1788~1827)과 같은 과학자들은 파동이론을 이용해 빛의 간섭과 회절 현상을 성공적으로 설명해 냈다. 19세기 말에는 영국의 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)과 독일의 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894)가 빛이 전자기파의 일종이라는 것을 이론과 실험을 통해 밝혀냈다.

광전 효과

20세기 초 아인슈타인은 세 편의 주요 논문을 발표했다. 그중의 하나가 광전효과를 설명하는 논문이었다. 아인슈타인은 플랑크의 양자 가설을 빛에 적용하여 빛이 진동수에 플랑크 상수를 곱한 만큼의 에너지를 가지고 있는 에너지 알갱이라고 가정하고 이 빛 알갱이를 광양자(light quantum)라고 불렀다. 빛이 파동이 아니라 불연속적인 에너지를 가지는 알갱이라고 생각한 것이다. 빛이 금속이나 원자 속에 들어 있는 전자를 떼어낼 때는 광양자와 전자와의 일대일 충돌에 의해 전자가 튀어나온다는 것이다. 따라서 에너지가 큰 광양자는 전자를 떼어낼 수 있지만 에너지가 작은 광양자는 아무리 많아도 전자를 떼어낼 수 없다. 아인슈타인의 광양자설은 광전효과를 성공적으로 설명했다. 따라서 빛의 에너지가 연속적인 에너지가 아니라 불연속적인 덩어리를 이루고 있다는 양자화 가설이 다시 한번 증명된 것이다.

빛의 반사, 굴절, 간섭, 회절 등은 입자설로 설명할 수 없고, 빛이 금속에 부딪칠 때 전자가 방출되는 광전 효과는 빛의 파동성으로 설명될 수 없다. 때문에 빛은 때에 따라서 파동성과 입자성 중 어느 한쪽을 보이는 이중성을 갖는다.

 

b. 파동의 간섭

파동의 보강·상쇄 간섭

보강 간섭은 중첩되는 두 파동의 위상이 같을 경우, 즉 마루와 마루 또는 골과 골이 중첩될 때 합성파의 진폭이 커지는 경우이며 상쇄 간섭은 두 파동의 위상이 반대일 경우로 마루와 골 또는 골과 마루가 중첩되어 합성파의 진폭이 최소가 되는 경우이다.

 

c. 파동의 반사

고정단 반사와 자유단 반사

고정단에서는, 한쪽 끝이 고정된 줄에서 파가 진행할 때 고정된 끝에서 반사되는 파는 뒤집어져(위상이 반대가 되어) 반사된다. 자유단에서는, 끝이 자유롭게 움직일 수 있는 줄에서 파가 진행할 때, 줄 끝에서 반사되는 파는 위상의 변화 없이 그대로 반사된다. 굵기가 다른 두 줄을 연결하고 파를 입사시키면 연결점에서 파동의 일부는 반사되고 일부는 투과해 나아간다. 이때 반사되는 파를 반사파, 투과되어 나아가는 파를 투과파라고 한다. 가는 줄에서 굵은 줄로 입사하는 경우 고정단에서의 반사와 같이 위상이 바뀐다. 그러나 굵은 줄에서 가는 줄 쪽으로 입사하는 경우 자유단에서의 반사와 같이 위상이 변하지 않는다. 투과파의 위상은 어느 경우든지 변하지 않는다.

 

d. Fresnel의 방정식

프레넬 방정식(Fresnel equations) 또는 프레넬 공식(Fresnel's formulas)은 반사계수와 투과계수에 관한 것으로 한 매질과 광학적 특성 즉, 굴절률이 다른 매질의 계면에서 반사 또는 투과 진폭을 입사진폭으로 나눈 값을 말한다. 이 식을 이용하여 수직 입사 시 반사율을 구할 수 있다.

▶ 경사 입사 시 (θi)

  -반사계수

평행편광 수식

수직편광 수식

▶ 수직 입사 시 (θi = 0˚)

 

멀티 코팅의 원리

① R1과 R3 보강간섭, R2와 R4 보강간섭

② (R1, R3)와 (R2와 R4)는 상쇄 간섭으로 소멸

​

∴ (3.8%+ 0.16%)-(2.5%+1.17%) = 0.29%

양쪽에서 일어나므로 전체 반사율=0.58%

​

※사용하는 코팅 물질의 종류에 따라 두께를 달리하여 보강 상쇄를 이용해 최적의

투과도를 만들 수 있다.

[참고] 현재 널리 사용되고 있는 3층 막의 물질.
1. 산화규소(SiO2) - 산화안티몬(Sb2O3) - 불화마그네슘(MgF2)
2. 불화세슘(CeF) - 산화질리코니움(Zr2O3) - 불화마그네슘(MgF2)
위의 다층막 코팅(multicoating)은 반사율을 0.02%까지 줄일 수 있다.

 

코팅 방법

진공증착법 : 증착이란 기체 상태로 증발된 원자나 분자 혹은 입자가 낮은 온도의 다른 물체를 만나 표면에 다시 고체 상태로 응축되는 현상을 의미한다. 이것을 진공상태에서 일으키기 때문에 진공증착이라 부른다. 보통 안의 진공을 10-4~10-6mmHg로 유지한다.

진공증착법의 기본 원리