KR100353227B1 - 광학필터장치및그의형성방법 - Google Patents

Abstract

투명 기판과, 그 기판 위에 배치되는 적어도 2개의 광학 박막으로 이루어진 광학 코팅을 포함하는 광학 필터장치이다. 상기 광학 코팅은 제1 도안 영역과 그 제1 도안 영역을 둘러싸는 제2 주위 영역을 획정한다. 제1 도안 영역은 제2 주위 영역과 실질적으로 동일한 광학 투과율 특성을 가지며, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가진다. 제1 도안 영역과 제2 주위 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 실질적으로 인지될 수 없다. 그 결과, 컬러 도안 또는 로고가 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때만 보인다. 본 발명은 그러한 필터장치를 형성하는 방법도 제공한다.

Description

광학 필터장치 및 그의 형성방법

본 발명은, 상이한 반사 특성과 균일한 투과 특성을 가지는 광학 필터장치에 관한 것이다.

쇼윈도우, 선글라스, 자동차 바람막이 창 및 다른 투명 구조물 상의 모든 도안(圖案), 표지(標識) 및 로고(logo)는 그 구조물의 양쪽에서 볼 때 보인다. 그러한 도안, 로고 및 표지가 한쪽에서 볼 때만 보이는 것이 바람직한 경우가 많다. 예를 들어, 관찰자가 한 쌍의 선글라스 또는 자동차 바람막이 창을 통해 볼 때 방해받지 않는 시계(視界)를 가지는 것이 바람직하고, 한편, 외측에서 볼 때 보이도록의도된 스티커, 전사물(轉寫物) 및 다른 불투명한 로고 또는 이미지(image)는 선글라스를 착용한 사람이나 바람막이 창을 통해 보는 사람의 시계를 방해한다.

미국특허 제4,925,705호는 하나 이상의 영역에서 정합(整合)하는 겹쳐진 층들을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그 층들은 그 영역을 획정(劃定)하는 마스크 위에서 기판 상에 프린트된다. 그 프린트된 영역들이 결합하여, 프린트된 이미지를 투명 기판 상에 형성하며, 그 이미지는 기판의 프린트된 쪽에서 볼 때는 보이지만, 점들의 매트릭스가 관찰자의 눈에 가깝고 눈이 그러한 점들에 초점을 맞출 수 없는 것에 기인하여 반대쪽에서 볼 때는 실질적으로 보이지 않는다. 그러한 타입의 구조는 그 매트릭스가 유리를 통한 광의 통과를 제한하고 또한 초점 맞춤의 문제를 일으키는 경향이 있다는 점에서 광학적으로 불합리하다. 따라서, 그러한 유리는 선글라스로서 사용될 수 없고, 단지 신기함이나 속임수 장치의 매력을 가질 뿐이다.

미국특허 제4,619,504호는 마킹(marking)을 가진 안과 렌즈 및 그 마킹을 생성하는 방법을 개시하고 있다. 제거 가능한 접착물질을 렌즈의 표면에 소정의 패턴으로 부착한 다음, 반사방지 코팅을 렌즈의 표면에 직접 부착한다. 그 다음, 상기 접착물질을 덮고 있는 반사방지 코팅부와 함께 그 접착물질을 제거하여, 반사하지 않는 코팅부에 의해 둘러싸인 반사하는 도안에 의해 마킹을 형성하게 되어 있다. 이러한 타입의 마킹은 그 마킹의 광학적으로 중성인 성질로 인해 쉽게 식별될 수 없고, 광고 목적보다는 확인을 위해서만 사용되도록 고안되어 있다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 영역과 그 제1 영역에 접경(接境)하는 제 2 영역을 획정(劃定)하는 적어도 2개의 광학 필터요소를 포함하는 광학 필터장치로서, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역과 동일한 광학 투과율 특성과, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가지며, 이로써 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때 시각적으로 인지될 수 있으나, 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 실질적으로 인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치가 제공된다.

바람직하게는, 광학 필터장치의 한쪽은 도안이 있는 쪽이고, 반대쪽은 도안이 없는 쪽이며, 제1 영역과 제2 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 도안이 없는 쪽에서 반사광으로 볼 때 시각적으로 실질적으로 인지될 수 없게 되어 있다.

본 발명의 바람직한 형태에서, 상기 광학 필터요소는 투명 기판과, 그 기판에 소정의 패턴으로 도포된 적어도 하나의 광학 코팅(coating)을 포함한다.

상기 광학 코팅은 전형적으로는, 금속 박막, 유전체(誘電體) 박막, 금속-유전체 혼합물 박막 또는 그들 박막의 조합물의 형태일 수 있는 다수의 겹쳐진 광학 박막을 포함한다.

본 발명의 한 형태에서, 광학 필터장치는 하위의 금속 박막과 상위의 유전체 박막을 포함하고, 상기 금속 박막의 두께가 광학 필터장치의 투과율을 결정하고, 상기 유전체 박막의 두께가 제1 영역 또는 제2 영역의 반사 컬러를 결정하며, 상기 광학 필터장치가, 후방 반사, 즉, 역반사를 감소시키기 위해 기판과 금속 박막 사이에 배치된 적어도 하나의 하위의 유전체 박막을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에서는, 광학 박막이, 더미 내의 인접한 박막들이 상이한 굴절률을 가지는 유전체 박막들의 더미로 이루어진다.

투명 기판은 스펙트럼 영역에서의 투과 불균형을 감소시켜 투과 컬러의 균형을 제공하는데 적합하게 된 여과 수단을 일체로 구비할 수 있다.

또한, 본 발명은, 광학 기판을 제공하는 단계와, 광학 코팅을 선택하여 그 기판의 일 면에 그 광학 코팅을 배치하는 단계, 및 제1 영역과 제2 영역을 획정하기 위해 상기 광학 코팅에 소정의 도안을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역과 동일한 광학 투과율 특성을 가지지만, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가져, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 실질적으로 인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 광학 코팅과 기판은, 광학 필터장치의 반대쪽에서 반사광으로 볼 때의 제1 영역과 제 2 영역의 후방 반사, 즉, 역반사가 실질적으로 동일하게 되도록 선택된다.

상기 광학 코팅은 적어도 2개의 겹친 광학 박막 층들을 포함하고, 광학 코팅을 배치하는 상기 단계가, 상기 박막 층들을 기판 상에 배치하는 단계와, 상기 도안을 획정하는 마스크를 사용하여 상기 박막 층들 중 적어도 하나를 마스킹하는 단계, 및 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, 소망의 광학 투과율 및 반사율 특성을 달성하기 위해 광학 박막 층들의 두께를 모니터하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 방법은, 기준 광원, 투과광 센서 및 반사광 센서를 제공하는 단계, 상기 광원과 상기 투과광 센서 사이에 모니터링 기판을 배치하는 단계, 연속 증착 공정으로 상기 모니터링 기판 상에 적어도 하나의 광학 박막 층을 증착하는 단계, 그 증착 공정 중에 투과광 및 반사광을 측정하는 단계, 및 소망의 광학 투과율 및 반사율 특성이 달성된 때 상기 증착 공정을 종료하는 단계를 추가로 포함할수 있다.

전형적으로는, 상기 방법은, 상기 모니터링 기판의 일 영역에 적어도 하나의 기판을 제공하는 단계와, 상기 모니터링 기판에 대한 증착 공정과 동일한 증착 공정을 상기 기판에 대하여 행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 방법은 전형적으로는, 투과 컬러 불균형의 스펙트럼 영역을 검출하고, 그 스펙트럼 영역에서의 투과 컬러 불균형을 감소시키기 위해 상기 기판에 여과 수단을 제공하는 단계를 포함한다.

상기 박막 층은 기상증착법, 포토리소그래피법, 디핑(dipping)법, 스프레이법 또는 스퍼터링법에 의해 제공될 수 있다.

본 명세서에서 "도안"이라는 용어는 어떠한 형태의 표지(標識), 로고, 그림, 무늬 등을 의미한다는 것을 이해하여야 한다.

먼저, 비교 목적만으로 제공된 제 1A 도∼제 1C 도를 참조하면, 판유리(10)와 같은 투명 기판에, 3개의 불투명 스트립(strip)(12)으로 이루어진 도안(圖案)이 제공되어 있다. 제 1A 도 및 제 1B 도로부터 명백한 바와 같이, 그 도안은 판유리의 양쪽에서 볼 때 뚜렷하게 보인다.

제 1C 도에서, 도안을 이루는 스트립(12)의 반사율(20)과 배경을 이루는 판유리(10)의 반사율(22)은 다르다. 도안에서의 광 투과율(24)은 사실상 제로이고, 배경, 즉, 주위 영역에서의 투과율(26)과 다르다. 또한, 배경에서의 역반사율(28)은 도안에서의 역반사율(30)과 분명히 다르다.

이제, 제 2A 도∼제 2C 도를 참조하면, 투명 기판인 판유리(14)가 3개의 분리된 스트립(16)들로 이루어진 도안을 가지는 것으로 도시되어 있고, 그 판유리(14)와 스트립(16)이 본 발명의 필터장치(18)를 구성한다. 제 2A 도로부터 명백한 바와 같이, 스트립(16)이 반사광에서는 뚜렷하게 보인다. 그러나, 판유리를 회전시켜 반대쪽에서 필터장치(18)를 볼 때는, 제 2B 도에서 보여지는 바와 같이, 도안을 이루는 스트립(16)이 그 주위의 영역과 합체되어, 보이지 않는다, 이것이 제 2C 도에 도식적으로 표시되어 있다. 이 도면에서, 도안의 반사율(32)과 배경, 즉, 주위 영역의 반사율(34)은 제 1A 도∼제 1C 도의 종래 예에서와 같이 다르지만, 도안에서의 광 투과율(36)이 주위 영역에서의 투과율(38)과 실질적으로 동일하기 때문에, 판유리의 반대쪽에서 볼 때는, 도안을 이루는 스트립(16)이 실질적으로 보이지 않는다.

추가 특징으로서, 배경의 후방 반사율, 즉, 역반사율(40)은 도안 영역의 역반사율(42)과 동등하다. 이것이, 제 2B 도에서와 같이 판유리의 반대쪽에서 볼 때의 도안의 가시도(可視度)를 더욱 감소시킨다.

도안이 투명하여야 하기 때문에, 그 도안을 형성하는데 사용되는 재료가 투명하거나 또는 적어도 부분적으로 투명하고 컬러 선택성이어야 한다는 것이 명백하다. 광학 박막들은 실질적으로 동일한 투과성을 보유하면서도 반사율 차이를 발생하도록 광학 간섭 현상을 나타낸다. 그러한 박막은 층들 사이의 광학 간섭을 허용하기에 충분히 얇은 것으로 규정되고, 전형적으로는 50∼100 nm 정도의 두께를 가진다.

광학 박막은 4개의 부류, 즉, 유전체 막, 금속 막, 금속/유전체 조합물 막 및 금속/유전체 혼합물 막으로 분류될 수 있다.

유전체 막은 극히 낮은 전기전도성을 가지는 절연체이다. 전형적인 재료로서는, 석영, 산화 알루미늄, 불화 마그네슘 등을 들 수 있다. 이들의 막은 광학 흡수성을 가지고 있지 않고, 층의 굴절률과 두께에 의해 규정된다. 제 3A 도로부터 명백한 바와 같이, 기판상의 유전체 시스템의 요구된 스펙트럼 반사 및 투과 특성은, 상이한 굴절률과 두께를 가지는 다수의 유전체 박막 층(44A-44I)을 투명 기판(46)상에 정연하게 겹쳐 쌓아 유전체 박막 더미(48)를 형성함으로써 얻어진다. 전형적으로는, 대략 2.35의 높은 굴절률을 갖는 TiO₂층과 대략 1.45의 낮은 굴절률을 갖는 SiO₂층이 교대로 쌓여진다.

이론적으로는, 어떠한 반사율 특성도 실현될 수 있다. 그러나, 반사율은 비(非)흡수성이고 투과율과 같이 박막 시스템의 양쪽에서 실질적으로 동일하기 때문에, 반사에서 컬러로 걸이는 것이 투과에서는 상실되어, 도안과 배경 기판을 통해보이는 컬러 균형이 기판에서의 여과에 의해 달성되어야 한다. 제 4 도에는, 적색반사 박막 필터장치의 투과율 곡선(58) 및 반사율 곡선(60)이 도시되어 있다, 이 필터장치는 반사에서 적색을 나타내고 투과에서 청색/녹색을 나타내는 깨끗한 유리기판 상에 교대로 배치된 높은 굴절률의 박막 층과 낮은 굴절률의 박막 층을 포함한다.

청색/녹색 도안을 통한 투과율과 깨끗한 배경을 통한 투과율 사이에는 확실히 현저한 차이가 존재한다는 것은 명백하다. 불균형이 가장 큰 스펙트럼 영역을 제거함으로써, 컬러 균형이 가능하다. 이것이 제 5도에 도시되어 있다. 이 도면은, 투과 균형을 제공하기 위해 배경을 통해 스펙트럼의 적색부분을 흡수하도록, 착색된 필터 유리가 기판으로서 사용된 경우를 나타낸다. 기판을 통한 투과율이 점선(62)으로 나타내어지고, 기판과 도안 모두를 통한 투과율이 실선(64)으로 나타내어져 있다. 모든 가시 파장에서 양 곡선이 밀접하게 정합(整合)한다는 것이 분명하다. 유전체 박막 시스템과 함께 기판 여과를 이용하는 이러한 개념은 다른 컬러들에 대해서도 적용될 수 있다.

다층 광학 필터 시스템은, 재료들을 높은 진공 하에 증발시킨 다음, 제어된 방식으로 기판 상에 응축시키는 소위 물리적 기상증착법(PVD)에 의해 통상 제조된다. 또 다르게는, 스퍼터링법, 마그네트론 스퍼터링법, 이온 보조 PVD법, 화학적 디핑(dipping) 또는 스프레이법과 같은 기술이 이용될 수도 있다.

사용될 수 있는 광학 박막의 두 번째 부류는, 전기 전도성, 광학 흡수성 및 복소 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 금속 막을 포함한다. 전형적인 금속 막으로서는, 크롬, 알루미늄, 은, 니켈 등을 들 수 있다. 유전체 막의 경우와 같이, 크롬과 같은 금속 층의 투과율은 보는 방향에 무관하게 동일하다. 이것이 금속 막의 반사율에 대해서는 동일하게 적용될 수 없다. 그 이유는, 공기와 기판의 굴절률의차이 및 금속 층에서의 흡수율 때문에 공기 측으로부터의 반사가 기판 측으로부터의 반사보다 더 높은 것이 전형적이기 때문이다.

다른 광학 박막 구조물이 제 3B 도에 도시되어 있고, 이 구조물은 하부 유전체 층(54)과 상부 유전체 층(56) 사이에 끼워진 금속 층(52)을 포함하는 박막 더미(50)로 이루어져 있다. 유전체 층들을 부가함으로써, 층을 통한 투과의 변화와 층의 반대측으로부터의 반사의 변화가 거의 없이 층의 일 측으로부터의 반사 크기 및 반사 컬러를 변화시키는 것이 가능하다. 상부 유전체 층(56)의 두께가 반사 컬러를 결정하고, 금속 층의 두께가 박막 더미를 통한 투과 값을 결정한다. 금속 층(52) 아래에 유전체 층(54)을 삽입함으로써 역반사가 조정될 수 있다.

금속 층(52)은 어두운 배경을 제공하는 금속/유전체 혼합물로 대체될 수도 있다. 그 금속/유전체 혼합물의 상부에 유전체 층을 부가함으로써, 높은 반사성을 가지는 도안이 생성될 수 있다.

제 3C 도∼제 3F 도에는, 본 발명의 기본 실시예에 따른 필터장치를 제조하는데 수반되는 단계들이 도시되어 있다. 제1 단계로서, 기판(46)상에 금속 Cr 층(52A)을 증착하고, 그 다음, 그 Cr 층(52A)상에, 제거 가능한 잉크 등으로 형성된 마스크 층(57)을 소정의 패턴으로 배치한다. 그 다음, SiO로 형성된 상부 유전체 층(56A)을 Cr 층(52A)상에 증착한다. 이때, 마스크 층(57)이 도안 영역을 가리도록 작용한다. 최종 단계로서, 제 3F 도로부터 명백한 바와 같이, 마스크 층(57)을 제거하여, 주위 영역(57B)에 의해 둘러싸인 도안 영역(57A)을 획정(劃定)한다.

또 다른 디자인은 기판으로서 Schott BK7 유리를 사용하고, 금속으로서의 Cr의 광학 파라미터와 유전체 박막 층으로서의 SiO의 광학 파라미터를 기초로 한다. 이러한 재료 선택의 이유는, Cr 및 SiO가 단단하고 내구성 있는 층을 형성하고 사용하기 쉬우며, Cr과 SiO 모두의 광학 파라미터가 잘 알려져 있어 상당히 신뢰성 있는 이론적 시뮬레이션(simulation)이 만들어질 수 있기 때문이다.

필터 기판과 결합된 때 투과율이 선글라스와 관련된 투과율 값과 같은 10% 내지 20%가 되도록, 550 nm에서 30%의 투과율이 필터의 투과율에 대한 표준으로 취해졌다.

광학 박막 기술에 의해 무한한 수의 컬러가 생성될 수 있기 때문에, 배경의 컬러는 쉽게 얻어질 수 있는 4가지 샘플, 즉, 기판을 볼 때 보이는 컬러의 색조를 대략적으로 나타내는 "중간색"(Neutral), "청동색"(Bronze), "자주색"(Purple) 및 "청색"(Blue)으로 나누어진다.

이렇게 하여 얻어진 가장 단순한 실제 디자인들이 아래 표 1에 나타내어져 있다. 이들 디자인은 투과율과 적용의 용이함이 밀접하게 일치한다.

표 1

이 경우에 있어서의 반사율 및 투과율 데이터가 각각 제 6 도 및 제 7 도에 그래프로 나타내어져 있고, 역반사율(기판의 후방에서 볼 때의 반사율)이 제 8 도에 나타내어져 있다. 제 6 도∼제 8 도의 그래프 모두에서, 중간색의 경우가 실선으로, 청동색의 경우가 삼각형 표시 선으로, 자주색의 경우가 십자 표시 선으로, 청색의 경우가 검은색 원 표시 선으로 나타내어져 있다.

가시 스펙트럼 전체에서의 중간색 필터와 청동색 필터 사이의 투과 균형이 비교적 양호한 반면, 중간색 필터와 다른 2가지 색 필터 사이의 투과 균형은 점차로 악화되고, 충분한 컬러 균형을 얻기 위해 약간의 여과를 필요로 한다. 역반사율은 중간색 필터와 다른 3가지 색 필터(이들 필터 사이에서는 상당히 밀접하게 정합한다) 사이에서 크게 다르다.

역반사의 이러한 차이는 반사 차이를 감추기 위해 대략 50%의 투과율을 갖는 중간밀도 기판을 사용하거나 또는 기판의 뒷면에 약간 반사하는 층을 배치함으로써 감추어질 수 있다.

Cr으로 된 베이스 층이 전체 면적에 걸쳐 배치되고, 로고(logo) 영역이 마스크되고, 배경 색조를 생성하기 위해 SiO 층에 덧붙인 Cr의 정합(매칭)층이 도포된다. 스펙트럼의 청색 영역의 일부를 제거하는 착색된 기판은 투과율의 균형을 맞추는 것을 도을 수 있다. 부가적인 정합층(들)이 투과율을 정합시키는데 필요할 수 있다. 도안의 아래에 여분의 층을 부가함으로써, 투과율의 스펙트럼 특성에 대한 약간의 제어가 가능하다.

제 8 도에 나타낸 것과 같은 3가지 상이한 컬러 배경상의 중간색 로고의 역 반사율은 감지할 수 있을 정도로 다르고, 정합은 중간밀도 기판을 사용하여 두껍게 마스크 하는 것에 의해서만 행해질 수 있다, 표 1에 제시되고 제 8 도에 나타내어진 바와 같은 상이한 배경에 컬러 도안 또는 로고를 배치함으로써, 역반사 정합이 크게 향상되어, 중간밀도 기판에 의한 마스킹이 필요 없게 된다. 이러한 역반사 정합의 유일한 부정적인 측면은 반사율 값이 비교적 높게 된다는 것이다. 이러한 비교적 높은 반사율 값은 필터 기판에 의한 차폐 없이 사용될 때 귀찮을 수 있다.

아래의 표 2는, 역반사율을 감소시키기 위해 제 3B도와 같이 SiO층으로 된 최하부 유전체 층(54)을 부가한 경우의 중간색 디자인과 3가지 컬러 디자인을 나타낸다.

표 2

제 9 도는 이들 4가지 디자인의 역반사율을 나타내는 그래프로서, 550 nm에서 40%에 가까운 값으로부터 약 15%로 역반사율이 감소하고, 중간색 디자인에서는 역반사율 감소가 적은 것을 나타낸다.

둘 이상의 마스킹 과정을 이용함으로써, 하나의 배경 상에 둘 이상의 상이한 컬러 도안 또는 로고를 생성하는 것이 가능하다. 표 2를 참조하면, 층 2와 층 3은 표 1에서 설명된 바와 같은 공통 층으로 결합될 수 있고, 따라서, 로고 및 배경의 컬러가 층 l의 두께에 의해 정해진다. 예를 들어, 청색 및 자주색 컬러 로고가 금색 컬러 배경 상에 형성될 수 있다.

배경 컬러의 변경은, 유전체 층의 두께 변화를 일으키도록 코팅 공정 중에 기판의 전방에 회전 마스크 또는 고정 마스크를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 공정은 투과율의 변화를 일으킨다. 따라서, 금속 층을 코팅하는 동안 마스크가 제거되어야 한다.

출구 매체와 동일하게 필터 디자인의 입구 매체가 만들어지면, 아래 표에 의해 설명되는 바와 같이, 반사율은 다르지만 투과율이 동일한 대칭의 디자인이 만들어질 수 있다.

표 3

두 디자인의 투과율은 동일하지만 반사율은 다르고, 이것은 한쪽에서 볼 때 컬러 콘트라스트(contrast)를 부여한다.

제 10 도는 두 디자인의 투과율 및 반사율을 나타낸다. 그들 디자인 중 하나는 청동색 반사를 가지고, 다른 하나는 연한 청색 반사를 가진다. 공통의 투과율이 부호 66으로 나타내어지고, 청동색 반사율이 부호 68로 나타내어지며, 청색 반사율이 부호 70으로 나타내어져 있다. SiO 층의 두께가 반사 컬러를 결정한다.

제 12 도에는, 실험적인 코팅 플랜트(80)가 개략도로 나타내어져 있다. 그 코팅 플랜트(80)는, 전공 펌프에 이르는 출구(84)와 3개의 창(86, 88, 90)을 가진 진공 체임버(82)를 포함한다. 조정 가능한 광원(92)이 창(86)에 결합되어 있고, 그 광원(92)은 램프(94), 접속 렌즈(96), 및 배경 간섭을 제거하는 광 초퍼(chopper)(98)를 포함한다. 광학 검출장치(100)가 창(88)에 결합되어 있고, 그 광학 검출장치는 필터(102), 렌즈(104) 및 검출기(106)을 포함한다. 유사한 광학 검출장치(108)가 반사광을 검출하도록 창(90)에 결합되어 있다.

진공 체임버(82)는 칼로테(calotte) 형태의 회전식 기판 홀더를 수용하며, 그 기판 홀더가 점선으로 나타내어지고 부호 110으로 표시되어 있으며, 적어도 하나의 기판(112)을 지지한다. 유리로 형성되거나 또는 적당한 플라스틱 재료로 형성될 수 있는 투명 모니터링 기판(114)이 기판 홀더(110)의 중심에서 고정 장착대상에 지지되어 있고, 광학 투과 및 검출 장치의 초점을 구성한다. 글로우 방전 전극(116)이 진공 체임버 내에 수용되어 있고, 기판에 대한 층들의 부착성을 향상시키기 위해 기판의 코팅에 앞서 전자 충격에 의한 예비 세정을 위해 사용된다. 또한, 진공 체임버 내에는 2개의 저항 가열식 증발원(이들 중 하나가 부호 118로 나타내어져 있다)이 수용되어 있다. 수정으로 된 두께 모니터링 장치(122)는, 기판(112)에 인접하여 위치되고 모니터(126)에 연결된 감지 헤드(124)를 포함한다. 중앙 제어 및 측정 장치(128)가 광원을 제어하고, 광학 검출장치(100, 108)로부터의 광학 입력을 수신하여 처리한다.

Cr이 편평한 텅스텐 보트(boat)로부터 증발되고, SiO는 접혀진 몰리브덴 또는 탄탈 보드로부터 증발되었다. 진공 체임버 내의 압력은 0.01 Pa 이하이었고, Cr 및 SiO는 초당 대략 1 nm의 증발률로 코팅되었다. 글로우 방전은 각각의 코팅이 제공되기에 앞서 대략 5분간 행해졌고, 모니터링 기판(114)상의 상이한 층들의 두께 값이 모니터링 장치(122), 또는 광원(92)과 광학 검출장치(100, 108)로 구성된 광학 모니터링 시스템에 의해 모니터 되고, 교정(calibration) 과정을 거쳐 얻어졌다.

아래의 표 4는 표 1의 이론적 디자인을 기초로 한 초기의 실험적 디자인을 나타낸다.

표 4

착색된 배경상의 중간색 도안 또는 로고를 하기 방법으로 형성하였다. 먼저, 14.9 nm이 Cr 층을 전체 기판 위에 코팅하였다. 이어서, 기판 위에 마스크를 배치하거나 또는 로고를 칠하거나 또는 레트라셋(Letraset) 등과 같은 전사 매체를 사용하여 로고를 생성함으로써, 로고 또는 도안을 만들었다. 그 다음, 투과 부정합(不整合)(mismatch)을 보정하기 위해 추가 Cr 층을 코팅하고, 이어서, 올바른 배경 컬러를 생성하기 위해 SiO 층을 코팅하였다. 그 다음, 로고를 획정하는 마스크를아세톤과 같은 적당한 용제로 제거하였다.

착색된 배경에 컬러 로고를 배치하는 또 다른 응용례에서는, 표 4에 열거된 3가지 상이한 컬러가 디자인으로서 사용되었다. 투과율을 550 nm에서 30%로 정규화하기 위해 Cr 층들의 두께가 다르게 된 것을 표 4로부터 알 수 있다.

제 7 도에, 표 4에 열거된 디자인들에 대한 스펙트럼 투과율 곡선들이 나타내어져 있다. 그 투과율들이 550 nm에서는 정합되어 있지만, 스펙트럼 부정합이 존재한다는 것은 명백하다. 과정을 간략화하기 위해, 표 4의 모든 Cr 층을 동일한 두께로 만들어 아래 표의 디자인을 얻었다.

표 5

다음, 제 11 도에는, 앞에서와 같은 청동색 필터, 자주색 필터 및 청색 필터에 대하여 상기 디자인들을 사용하여 얻어진 각종 투과율 값이 그래프로 나타내어져 있다. 투과율이 550 nm에서 약간 부정합되어 있지만, 이것은 필터장치의 성능에 감지할 수 있을 정도로 영향을 끼치기에는 충분하지 않다. Cr 층은 SiO 층들 중 가장 얇은 것과 조합하여 공통 층으로서 작용하고, 그 후, SiO 층을 배치하여 도안이 적용된다.

어떠한 코팅이라도 적용되기 전에, 상이한 재료들의 두께의 교정이 필요하다. 이것은, Cr을 임의의 두께로 코팅하고, 투과율을 측정하고, 투과율이 550 nm에서 대략 30%로 될 때까지 보정함으로써 행해진다, 층들의 두께를 약간 변화시킴으로써 다른 투과율 값이 충족될 수 있다.

SiO층의 교정은, Cr 층상에 임의의 두께를 코팅하고, 스펙트럼 반사율을 측정하고, 배경에 대한 올바른 컬러가 달성될 때까지 두께를 조정함으로써 행해진다. 배경상의 추가적인 보정 Cr 층의 정합은, 로고를 통한 투과율과 배경을 통한 투과율이 정합할 때까지 상기 층을 조정함으로써 행해져야 한다. 교정 과정은 다른 착색된 배경들의 코팅에도 마찬가지로 적용되고, 그 결과, 그 다른 배경들에 대한 재교정이 필요하다.

착색된 배경 상에 중간색 로고 또는 도안을 적용하기 위해 하기 공정이 사용 되었다.

1) 여과된 층류(層流) 캐비닛 안에서 에탄올과 아세톤으로 기판을 세정한다.

2) 세정된 기판을 진공 체임버 내에 반입한다.

3) 진공 체임버틀 0,01 Pa 이하의 진공으로 배기시킨다.

4) 코팅 직전에, 기판이 약 5분간 글로우 방전을 받게 한다.

5) 수정 모니터로 제어하면서, 또는 광학 모니터를 사용할 때 투과율이 30%로 될 때까지 대략 1.0 mm/sec의 비율로 14.9 nm의 Cr 층을 코팅한다.

6) 코팅 플랜트를 대기압으로 되게 한다.

7) 도안을 획정하는 마스크를 배치한다.

8) 기판을 다시 반입한다.

9) 진공 체임버를 다시 0.01 Pa 이하로 배기시킨다.

10) 글로우 방전을 약 2분간 행한다.

11) 투과율이 대략 20%로 될 때까지 다시 수정 모니터 또는 광학 모니터를 사용하여 10.5 nm 또는 10 nm 또는 7.5 nm의 추가 Cr 층을 코팅한다. 그 후, 42 nm 또는 55 nm 또는 72 nm의 SiO 층을 코팅하고, 반사 신호가 특정의 협대역 필터로 최소로 될 때까지 반사 모드에서 광학 모니터로 또는 교정된 수정 모니터로 두께를 모니터한다.

12) 코팅 플랜트를 대기압으로 되게 한다.

13) 진공 체임버로부터 기판을 제거한다.

14) 마스크를 제거한다.

* 진공 하에 기판 앞에서 이동될 수 있는 별도의 기계적 마스크 패턴이 사용되는 경우에는, 상기 단계 6) 내지 10)이 생략될 수 있다.

상이하게 착색된 배경 또는 기판 상에 컬러 로고를 포함하는 필터장치를 형성하는 데에도, 동일한 공정이 사용될 수 있다. 이 경우, 공통 층은 두께 21.3 nm의 Cr 층과 두께 42 nm의 SiO 층이 결합된 층이다. 그 다음, 도안 영역을 둘러싸는 추가 SiO 층의 두께에 의해 배경 컬러가 결정된다, 이 공정은 특히 자주색 및 청색 배경 상에 청동색 로고를 형성하는 경우에 적용된다.

특정 배경 상에 하나 이상의 컬러 로고를 형성하는 것은 하나 이상의 마스킹공정을 수반한다. 두께 21.3 nm의 Cr 층이 공통 층이다. 배경의 컬러는 SiO 층의소정 두께에 의해 결정된다, 그 다음, 제1 마스킹 단계가 행해지고, 이어서, 제1 로고의 컬러를 결정하는 추가의 SiO 층을 도포한다. 그 다음, 제2 마스킹 단계가 행해지고, 제2 로고의 컬러를 결정하기 위하여 추가의 SiO 층이 도포된다. 이 공정은 다른 컬러의 로고들을 생성하기 위해 반복될 수 있다,

Cr과 SiO와 유사한 광학 성질을 가지는, 황화아연 또는 이산화 지르코늄 등의 다른 재료가 사용될 수도 있다.

상기한 디자인들 중 일부는 적은 정도의 부정합을 가지는데, 그러한 부정합은 필터의 광학 성능에 영향을 끼치지 않고, 사람 눈에 의해 수용될 수 있다. 따라서, 2개의 디자인을 눈에 띄지 않고 완전히 정렬시키는 것은 비교적 어렵다, 그러한 디자인은 선글라스에 적용될 수 있고, 이 경우, 도안과 주위 영역 사이의 경계가 흐릿하여 실제 사용에서는 보이지 않는다

마스킹 과정은 하기 기술을 이용하여 수행될 수 있다.

(a) 형상을 이루도록 절단된 기계적 마스크;

(b) 페인트로 칠해지고, 후에 용해에 의해 제거되는 마크;

(c) 잉크 제트 프린팅 기술 또는 레이저 프린터에 의해 인쇄된 마크;

(d) 실크스크린 기술을 사용하여 적용되는 마스크;

(e) 포토에칭 기술과 같은 사진 공정; 또는

(f) 다른 은폐 기술

본 발명의 광학 필터장치는 여러 가지에 응용된다. 대표적인 예로서는,

-자동차, 기관차, 항공기, 보트 및 다른 형태의 육상, 해상 및 공중 운송수단의 바람막이 및 창;

- 헬멧 등의 바이저(visor), 선글라스, 고글, 안경 및 콘택트 렌즈;

- 창, 쇼윈도우, 미닫이 도어 및 광고판을 포함한 모든 형태의 건축 유리;

- 카메라, 망원경, 쌍안경 등에 사용되는 광학 렌즈 및 필터;

- 전구, 램프 등;

- 투명 플라스틱 필름 및 채광창, 썬루프와 같은 다른 투명 구조물을 들 수 있다.

제 1A 도, 제 1B 도 및 제 1C 도는 각각 투명 기판상의 종래의 불투명 도안의 개략적인 정면도, 배면도 및 측면도.

제 2A 도, 제 2B 도 및 제 2C 도는 각각 본 발명의 필터장치의 개략적인 정면도, 배면도 및 측면도.

제 3A 도는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터장치를 형성하는 다층 유전체 더미의 단면도.

제 3B 도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터장치를 형성하는 다층 금속/유전체 더미의 단면도.

제 3C 도∼제 3F 도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터장치를 형성하는 2층 금속/유전체 더미의 여러 제조 단계를 나타내는 도면.

제 4도는 적색 반사 박막 유전체 더미의 투과율 및 반사율을 나타내는 그래프.

제 5 도는 착색된 필터 유리를 기판으로 사용하는 경우에 있어서의 투과율 정합(整合)을 나타내는 그래프.

제 6 도는 중간색, 청동색, 자주색 및 청색 로고(logo)들의 반사율을 나타내는 그래프.

제 7 도는 중간색, 청동색, 자주색 및 청색 로고들의 투과율을 나타내는 그래프.

제 8 도는 착색된 로고들의 역반사율을 나타내는 그래프.

제 9 도는 반사방지층을 구비한 착색된 로고들의 역반사율을 나타내는 그래프.

제 10 도는 대칭의 광학 필터장치를 이용하는 삽입된 도안 디자인의 투과율 및 반사율을 나타내는 그래프.

제 11 도는 청동색, 자주색 및 청색 필터들에 대한 비(非)정규화 투과율 값을 나타내는 그래프.

제 12도는 실험적인 코팅 플랜트를 개략적으로 나타내는 도면.

Claims (19)

1. 투명 기판과, 제1 반사영역과 그 제1 반사영역에 접경(接境)하는 제2 반사영역을 획정(劃定)하기 위해 소정의 패턴으로 상기 기판 위에 배치된 적어도 하나의 광학 코팅을 포함하고, 상기 제1 반사영역이 상기 제2 반사영역과 동일한 광학 투과율 특성을 가지고, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가지는 광학 필터장치에 있어서,

   상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역을 획정하는 상기 광학 코팅이 광학 박막으로 된 코팅이고, 상기 광학 필터장치가, 상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역을 투과한 가시광에서의 투과 부정합(不整合)을 보상하는 투과 균형맞춤(balancing) 수단을 포함하고, 그 투과 균형맞춤 수단은 상기 기판 위에 배치된 투과 균형맞춤 층으로 이루어지고, 그 투과 균형맞춤 층의 두께는 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과율 불균형을 보상하여 투과 컬러 균형을 제공하도록 상기 제1 반사영역 및 상기 제2 반사영역과 다르게 되어 있고, 이로써 상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역 사이의 구별이 상기 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 상기 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 투과 균형맞춤 수단이 상기 투명 기판에 의해서도 이루어지고, 상기 투명 기판은, 완전한 투과 컬러 균형을 제공하기 위해 스펙트럼 영역에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과율 불균형을 보상하는 흡광도 특성을 가지는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
3. 제 1 항에 있어서, 제1 광학 코팅이 상기 제1 반사영역을 덮고, 금속 박막과 그 금속 박막 위에 배치되고 상기 제1 반사영역에서 반사되는 광의 특정 컬러를 결정하는 두께를 가지는 제1 투명 광학 박막을 포함하며, 제2 광학 코팅이 상기 제2 반사영역을 덮고 금속 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 박막이, 상기 투과 균형맞춤 층을 구성하는 상이한 두께의 제1 및 제2 금속 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 광학 코팅이 상기 제2 금속 박막 위에 배치된 제2 광학 박막을 포함하고, 그 제2 광학 박막의 두께는 제1 광학 박막의 두께와 다르고, 상기 제2 광학 박막의 두께가 상기 제2 반사영역에서 반사되는 광의 특정 컬러를 결정하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 투명 광학 박막이 유전체 박막들의 더미를 포함하고, 그 더미 내의 인접한 박막들이 상이한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 코팅이 금속-유전체 혼합물로 된 적어도 하나의 혼합 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 광학 필터장치가, 역반사를 감소시키기 위해 상기 제1 및 제2 금속 박막과 상기 기판 사이에 배치된 적어도 하나의 유전체 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
9. 투명 기판과, 제1 반사영역과 그 제1 반사영역에 접경하는 제2 반사영역을 획정하기 위해 소정의 패턴으로 상기 기판 위에 배치된 적어도 하나의 광학 코팅을 포함하고, 상기 제1 반사영역이 상기 제2 반사영역과 동일한 광학투과율 특성을 가지고, 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가지는 광학 필터장치에 있어서,

   상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역을 획정하는 상기 광학 코팅이 광학 박막으로 된 코팅이고, 상기 광학 필터장치가, 상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역을 투과한 가시광에서의 투과 부정합을 보상하는 투과 균형맞춤 수단을 포함하고, 그 투과 균형맞춤 수단이 상기 투명 기판으로 이루어지고, 그 투명기판은 완전한 투과 컬러 균형을 제공하기 위해 스펙트럼 영역에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과율 불균형을 보상하는 흡광도 특성을 가지는 재료로 형성되어 있고, 이로써 상기 제1 반사영역과 상기 제2 반사영역 사이의 구별이 상기 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 상기 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치.
10. 제 9항에 있어서, 제1 광학 코팅이 상기 제1 반사영역을 덮고 유전체 박막들의 더미를 포함하고, 그 더미 내의 인접한 유전체 박막들이 상이한 굴절률을 가지며, 제2 광학 코팅이 상기 제2 반사영역을 덮는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 .
11. 투명 기판을 제공하는 단계와, 광학 코팅을 선택하여 투명 기판의 일면에 그 광학 코팅을 도포하는 단계, 및 제1 영역과 제2 영역을 획정(劃定)하기 위해 상기 광학 코팅에 소정의 도안을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 영역이 상기 제2 역역과 동일한 광학 투과율 특성을 가지지만, 상기 제2 영역과 비교하여 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가지는 광학 필터장치 형성방법에 있어서,

    상기 방법이, 투과 컬러 균형을 제공하기 위해 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 다른 두께를 가지는 하부의 투과 균형맞춤(balancing) 층을 상기 광학 코팅 내에 포함시킴으로써 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 투과한 가시광에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과 부정합(不整合)을 보상하는 단계를 포함하고, 이로써 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 투명 기판을 형성하는 재료가, 완전한 투과 컬러 균형을 제공하기 위해 스펙트럼 영역에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과율 불균형을 보상하는 흡광도 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법,
13. 제 11 항에 있어서, 상기 광학 코팅과 상기 기판은, 상기 광학 필터장치의 반대쪽에서 반사광으로 볼 때의 상기 제1 영역과 제2 영역의 역반사율이 동일하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 광학 코팅이 적어도 2개의 광학 박막 층을 포함하고, 광학 코팅을 도포하는 상기 단계가, 상기 기판에 상기 박막 층들을 배치하는 단계와, 상기 도안을 획정하는 마스크를 사용하여 상기 박막 층들 중 적어도 하나를 마스킹하는 단계와, 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 광학 박막 층들이 유전체 막과 금속 막 및 금속-유전체 막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 방법이, 소망의 광학 투과율 및 반사율 특성을 달성하기 위해 상기 광학 박막 층들의 두께를 모니터하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 방법이, 기준 광원, 투과광 센서 및 반사광 센서를 제공하는 단계와, 상기 광원과 상기 투과광 센서 사이에 모니터링 기판을 배치하는 단계와, 연속 증착 공정으로 상기 모니터링 기판 상에 적어도 하나의 광학 박막 층을 증착하는 단계, 상기 증착 공정 중에 투과광 및 반사광을 측정하는 단계, 및 소망의 광학 투과율 및 반사율 특성이 달성된 때 상기 증착공정을 종결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 방법이, 상기 모니터링 기판의 일 영역에 적어도 하나의 기판을 제공하는 단계와, 상기 모니터링 기판에 대한 증착 공정과 동일한 증착 공정을 상기 기판에 대하여 행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.
19. 투명 기판을 제공하는 단계와, 광학 코팅을 선택하여 투명 기판의 일면에 그 광학 코팅을 도포하는 단계, 및 제1 영역과 제2 영역을 획정하기 위해 상기 광학 코팅에 소정의 도안을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역과 동일한 광학 투과율 특성을 가지지만, 상기 제2 영역과 비교하여 가시 스펙트럼의 적어도 일부에서 상이한 광학 반사율 특성을 가지는 광학 필터장치 형성방법에 있어서,

    상기 방법이, 완전한 투과 컬러 균형을 제공하기 위해 스펙트럼 영역에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과 부정합을 보상하는 흡광도를 가지는 재료로 상기 기판을 형성함으로써 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 투과한 가시광에서의 상기 광학 코팅에 의해 유발되는 투과 부정합을 보상하는 단계를 포함하고, 이로써 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 구별이 광학 필터장치의 한쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 있고, 광학 필터장치의 반대쪽에서 볼 때는 시각적으로 인지될 수 없게 된 것을 특징으로 하는 광학 필터장치 형성방법.