광학기사 내용 정리 : 광학 유리

내용 요약정리

광학 유리

비자성체에서 유전상수 √ϵr = n
유전율 텐서
ϵ =  [a 0 0 ]
      [0 a 0 ]
      [0 0 2a]
진행방향이 z, 편광 방향이 X일 때
ϵ = a

진행반향이 x, 편광 방향이 z일 때
ϵ = 2a

유리번호 621364 = 굴절률 1.621, 아베수 36.4

광학유리 지도
수평축은 Abbe 수 오른쪽에서 왼쪽으로 숫자가 커짐(역방향)
수직축은 He d선에서의 굴절률
(589.3nm)

파장에 따른 굴절률 분포
1) Cauchy(코시) 방정식 - 가시광선 영역
n(λ) = A + B/λ² + C/λ⁴ + ~

2) Sellmeier(셀마이어) 방정식 - 코시 한계 극복 (가시광선 영역)
물질 내부 전자의 공명 흡수 파장 효과를 반영
n²(λ) = 1 + (B1λ² / λ²-C1) + (B2λ² / λ²-C2) +~

3) Herzberger(헤르츠베르거) 방정식 - 적외선, 자외선 영역
n(λ) = A + BL(λ) + CL²(λ) + ~

schott에서 사용하는 분산 방정식?
구형 Schott Equation 1992년 이전
n²(λ) = A0+A1λ²+A2λ-²+~

광학면의 질
스크래치와 디그 120-80 = 120um폭 - 0.8mm 직경 이하
(마이크로미터 - 1/100mm)
앞의 숫자는 마이크로 단위의 스크래치 폭,
뒤의 숫자는 1/100mm 단위의 찍힌 직경

모따기 : 별도의 규정이 없으면 45도

무색성(free from color) : 사용파장 대역의 빛을 손실 없이 그대로 통과

광학 재료
주성분 SiO2 : 광대역 투과율, 낮은 열팽창계수
희토류 계 : SiO2가 주성분이 아닐 수 있다?
SiO2는 유리 분자 진동에너지가 커서 희토류 이온이 머금은 에너지를 열로 빼앗아 버리는 단점이 있다.
희토류 계 : 란탄넘(La), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y)
붕산염 B2O3을 베이스로 하고 란탄넘
고굴절 유리 : 란타넘(La)등 희토류 원소를 대량 첨가 -
스마트폰 카메라처럼 얇고 작은 렌즈 모듈에 사용
고굴절 저분산 유리

플린트 유리는 비중이 큰 산화납 PbO 포함
= 무거운 납 성분이 빛의 진행을 방해, 굴절률 높이고 아베수를 낮춤
K2O 첨가 : 유리의 구조를 미세하게 수정하는 변형제
= 아베수를 높일 때 (분산을 낮춤), 기계적, 화학적 강도 강화,
BaO 첨가 : 고굴절률 고 아베수, 경량화
TiO2 첨가 : 환경 규제로 인한 산화납(PbO) 대체
= 고굴절률 낮은 아베수

★Na2O 첨가 : 구조 틈새를 벌려 유리의 융점을 낮춤
녹는점 강하(가공성 향상), 화학 강화
★CaO 첨가 : 수분이나 산이 유리를 침식하지 못하도록 함
-Na+, K+에 비해 2가 이온은 ca2+는 전하량이 두 배여서
산소 원자들과 훨씬 단단한 정전기적 결합, 표면 경도가 높아지고, 연화점을 높여 안정성 부여

Ce 첨가 : 세륨 이온은 유리 내부에서
ce^3+, Ce^4+ 상태로 동시에 공존하며 강력한 전자 트랩역할을 하여
방사선에 의해 튕겨 나온 자유 전자를 세륨이온이 산화환원 반응으로 가로챔(방사선 안정화 유리)

Al2O3 첨가 : 유리의 결합망을 보완 중간체 역할
B203 첨가 : 그물망 형성체(SiO2 대신에 쓸 수 있다)
열팽창계수 감소, 내열성 향상, 붕규산유리 주성분

Window에 사파이어(Al2O3)
높은 표면 경도와 기계적 강도, 내열성, 높은 열 전도도
광대역 투과율

렌즈의 설계를 위해 참고해야 할 광학 유리의 물성
굴절률, 투과도, 열팽창 계수

광학 플라스틱 : 대량생산 용이
ADC (CR-39) n : 1.498, V : 58
PMMA - 아크릴 n : 1.49 V : 58
- 표면손상을 입기 쉽고 내마모성이 떨어짐
PC - 폴리카보네이트 n : 1.58, V : 30
높은 투명도, 강한 내충격성
PS - 범용 플린트 플라스틱 n : 1.59, V :31 (색수차  발생)
COP - 고리형 올레핀 고분자 n : 1.53, V 56
OKP - n : 1.6~1.64 , V 22~26

PC n > 크라운 n > PMMA n

적외선 재료
Ge (n : 4 / 2.0~16um) : 온도에 취약, 가격이 비쌈
si (n : 3.4 / 1.2~7um) : 가격이 저렴
Zns (n : 2.2 / 0.4~12um) : 가시광선까지 투과 가능
★Znse (n. : 2.4 / 0.5 ~ 22um) : 적외선 빛 흡수율이 낮음 CO2 레이저 사용
- 물질 자체가 매우 무르고 긁힘에 취약
MGO (0.2~5.5um) : 자외선부터 적외선
물리적 강도가 높고 화학적으로 단단, 고온 고압에 강함
CdTe 1.0~25um 원적외선까지 가능
제로듀어 반사경
실리케이트 반사경

Hot mirror : 가시광선은 투과시키고, 적외선(열)은 반사
cold mirror : 가시광선은 반사하고, 적외선은 투과시킨다.

pyrex(제한적) 붕규산 유리
Si02와 B2O3가 주성분
그물망 구조에 고유한 분자 진동 주파수가 존재하여
2.5um 까지만 통과함

자외선 광학계? 흡수가 적은 재료?
천연수정 - 자연에서 철과 티타늄 등의 불순물이 포함되어 자외선 빛을 흡수함
고순도 Fused silica를 사용해야 함

CaF2 : 130nm까지 밴드갭이 커서 자외선에 사용 가능
MgF2 : 110nm까지 밴드갭이 넓다 코팅 박막으로 사용
Al2O3 : 150nm 대역까지 투과

경도 (누프 경도) : 단단한 정도 (정밀 정량)
- 다이아몬드 압입자를 재료 표면에 일정한 힘으로 눌러
자국의 크기를 측정

누프경도 Hk = 1.451 F / l²
F : 하중 (N)
l : 자국의 긴쪽 대각선 길이 (mm)

모스 경도 - 상대적 긁힘 순위
어떤 광물이 다른 광물에 의해 긇히는지

연마 : 표면거칠기가 파장보다 매우 작도록 광학재료의 표면을 갈아내는 과정

연마도 A =( W / S ) / (Wo / So )
W : 마모된 질량  W0 : 표준시료 마모된 질량
S : 비중  S0 : 표준시료 비중
비중 : 단위 부피당 물질이 가지는 무게 (힘) N/m³

연마재 단위
Mesh : 1인치 길이의 체망에 구멍이 몇 개 뚫려 있는지를 뜻함
숫자가 클수록 구멍이 촘촘하므로 입자의 크기는 작아짐
Micron : 실제 입자의 물리적 직경 / 최종 정밀 연마에서는 체로 거를 수 없다

유리 재료 연마재
선연마 단계 Lapping (Mesh #100~400)
다이아몬드파우더 /모스 경도 10/크기 : 10~100um
탄화규소(SiC) / 모스 경도 9.2 / 크기 8~50um

중연마 단계 Fine Lapping (Mesh #800~#2000)
산화 알루미나(Al2O3) / 모스경도 9 / 크기 1~15um
탄화규소(SiC) / 모스 경도 9.2 / 크기 8~50um

정밀 연마 단계 (Polishing) (0.01um~0.3um)
★세리아[산화세륨] (CeO2) 모스 경도 6 / 크기 100nm ~1.5um
세륨이온은 유리 표면의 실리카 성분과 강한 화학적 공유 결합을 형성
(Ce-O-Si), 빠른 연마 속도
콜로이달 실리카 (Sio2) 모스 경도 6.5 / 크기 10nm~80nm

내산성(SR) : 광학재료가 산에 견디는 정도
25도의 PH 0.3 또는 4.6 용액 중에 연마한 시료를 담그고
감소되는 중량 측정, 유리 소재의 두께가 0.1um 감소하는 데 걸리는 시간
1등급 : PH0.3에서 0.1um 깎이는데 100시간 이상 걸림

내알칼리성(AR) : 알칼리 용액에 견디는 정도
연마하는 공정에서 연마제를 알칼리 용액과 혼합
0.01 mol/L의 알칼리 용액에 유리재료를 넣었을 때 감소하는 정도
1등급 : 0.1um 깎이는데 4시간 이상 걸림

연마용 패드
미세 연마용, 광택용, 명교정용

내후성 : 대기에 존재하는 수분에 의해 유리 입자가 빠져나오고 수소 또는 OH가 들어감 - 뿌옇게 변함

기포 : 유리 소재에 재료가 없이 공기 또는 휘발하기 쉬운 성분을 포함한 결함, 교반 과정에서 발생

맥리 : 유리의 일부분이 성질이 다른 결함
유리를 제조하는 과정에서 혼합되는 물질의 비중이 높은 경우 비중이 높은 물질이 중력에 의하여 아래쪽에 몰림
광학유리에 줄 모양의 흠, 실리렌 법을 이용하여 찾을 수 있다.
실리렌법 : 매질의 굴절률 차이로 인해 미세하게 꺾이는 원리
- 눈에 보이지 않는 투명한 대상의 밀도를 흑백 또는 컬러의 명암비로 바꿈

Young률 : 외부의 힘을 받아 변형될 때 그 변형에 저항하는 정도 재료의 강성

유리 렌즈 강화법
물리적 강화 (열 강화)
- 가열 후 급랭 → 표면에 강한 압축 응력층 형성
화학적 강화 (이온 강화)
- 나트륨 이온(Na+)이 포함된 유리 렌즈를 약 400도 이상의 고온으로 녹인 질산칼륨 용융액 용액(KNO3)에 담가 둠, 나트륨 이온이 빠져나가고 칼륨이온이 들어가 좁은 공간에 큰 이온들이 밀집하면서 표면에 압축 응력이 발생하여 강화
렌즈 접합

광학 유리 제조 공정
원료 - 조합 - 용융 - 청징 - 교반 - 성형 - 서냉 - 성형검사 - 절단 및 연삭 - 연마 - 세정 - 광학 코팅 - 최종 검사

청칭 : 기포를 제거하기 위해 온도를 높이거나 청징제(As, Sb)를 투입

실기 예상 문제

[문제 1] (단답형) 광학 유리의 표면 품질(Scratch-Dig) 규격이 60-40으로 표기되어 있을 때, 허용되는 최대 스크래치(Scratch) 폭[um]과 디그(Dig) 지름[mm]을 각각 쓰시오.

스크래치 폭 : 60um, 디그 지름 : 0.40mm

[문제 2] (단답형) 가시광선 파장 영역에서 광학 유리의 굴절률 n과 파장 λ 사이의 관계를 n(λ) = A + B/λ² + C/λ⁴ + ~ 형태로 나타내는 대표적인 분산 방정식의 명칭을 쓰시오.

코시 방정식
: 가시광선 영역에서 유리 굴절률의 파장 의존성을 역제곱항으로 전개하여 표현한 공식

[문제 3] (단답형) CO2 레이저(10.6um 파장대역을 비롯하여 적외선 영역의 광학창(Window) 및 렌즈 재료로 널리 사용되며, 적외선 흡수율이 낮고 가시광선 영역까지 일부 투과가 가능하나 물질 자체가 매우 무르고 긁힘에 취약한 적외선 결정 재료의 화학식을 쓰시오.

ZnSe (셀렌화 아연)

[문제 4] (단답형) 광학 유리의 정밀 연마(Polishing) 단계에서 가장 흔히 사용되며, 모스 경도 약 6 수준으로 표면의 실리카 성분과 화학적 공유결합(Ce-O-Si)을 형성하여 신속하고 매끄러운 연마를 가능하게 하는 연마재의 화학식 또는 명칭을 쓰시오.

CeCO2(세리아, 산화 세륨)
세리아는 실리카 유리 표면과 화학반응을 동반하는 대표적인 화학-기계적 연마재

[문제 5] (단답형) 유리 내부의 밀도나 성분이 불균일하여 성질이 다른 줄 모양의 굴절률 결함인 맥리(Striae)를 관찰하기 위해, 매질의 굴절률 차이로 미세하게 굴절되는 빛의 편차를 흑백/컬러 명암비로 변환하여 검사하는 광학 측정법의 명칭을 쓰시오.

실리렌 법
: 실리렌 기법은 투명한 매질 내부의 미세한 굴절률 변동 (밀도 차이, 맥리)을 시각적인 명암 변화로 포착하는 검사 방법