KR101806698B1 - 적외선 광학 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가시광선의 차단율 및 적외선의 투과율이 높은 적외선 광학 필터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가시광선의 차단율 및 적외선의 투과율이 높은 적외선 광학 필터에 관한 것이다.
최근 지능형 운전 보조 시스템(Advanced Driver Assistance System, ADAS)에 관한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다.
그 중 운전자 상태 감지 시스템(Driver State Monitoring System, DSM)은 운전자의 안전을 확보하는데 있어서 중추적인 역할을 한다.
운전자 상태 감지 시스템(DSM)은 주로 운전자의 눈동자 상태를 감지하고 이를 바탕으로 졸음 운전, 음주 운전 등을 판단한 뒤, 경보를 울리는 방식으로 작동된다.
즉, 운전자 상태 감지 시스템(DSM)은 운전자의 눈동자를 인식하는 것으로부터 시작된다. 이를 위해 운전자 상태 감지 시스템(DSM)은 광선을 방출하는 램프를 포함한다. 상기 램프에서 방출된 광원이 렌즈를 통과하여 운전자의 눈동자 또는 안면을 인식한 후 다시 렌즈에 수광되어 이미지를 분석한다.
이 때 상기 램프에서 방출된 관선에 가시광선이 포함되어 있으면 운전자의 주행을 방해할 수 있으며, 자외선이 포함되어 있으면 운전자의 눈동자 또는 피부에 질병을 야기할 수 있다.
따라서 운전자 상태 감지 시스템(DSM)의 렌즈에는 적외선만을 선택적으로 투과할 수 있는 광학 필터(이하, '적외선 광학 필터'라 함)가 적용된다. 이에 램프로부터 방출된 광선 중 적외선만이 운전자의 눈동자 또는 안면에 닿게 되므로 위와 같은 문제를 방지할 수 있다.
종래에는 유리 전구체 물질에 착색제 및/또는 탈색제를 혼합한 뒤, 이를 세라믹화하여 얻은 다소 어두운 색상의 유리 세라믹을 적외선 광학 필터로 사용하였다. 그 일환으로 한국공개특허 제10-2015-0035711호는 유리 세라믹에 가시광선을 흡수하는 착색제(바나듐 산화물) 및 탈색제(철 산화물, 세륨 산화물)를 첨가하여 적외선만을 투과하는 유리 세라믹 제품을 개시하고 있다.
그러나 착색제, 탈색제 등의 첨가제는 인위적으로 유리 조성물의 색상을 어둡게 하는 것이므로 종래의 적외선 광학 필터는 가시광선뿐만 아니라 적외선의 투과율까지 낮다는 한계가 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점 및 한계를 해소하기 위한 것으로 다음과 같은 목적이 있다.
본 발명은 가시광선 및 자외선을 확실히 차단하되, 적외선의 투과율에는 영향을 미치지 않는 적외선 광학 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 적외선 투과율이 높은 광학 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터는 유리 세라믹층, 상기 유리 세라믹층의 일면에 형성된 산화물 다층 박막 및 상기 유리 세라믹층의 타면에 형성된 저반사 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 유리 세라믹층은 산화규소(SiO2) 60 ~ 70 중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 0.1 ~ 1 중량%, 산화나트륨(Na2O) 10 ~ 20 중량%, 산화칼륨(K2O) 10 ~ 20 중량%, 이산화티타늄(TiO2) 0.01 ~ 0.1 중량% 및 셀레늄(Se) 0.1 ~ 1 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 유리 세라믹층은 착색제 및 탈색제를 포함하지 않고, 산화칼륨(K2O)을 10 ~ 20 중량%로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 산화물 다층 박막은 규소(Si)를 포함하는 제1박막과, 티타늄(Ti)을 포함하는 제2박막이 교대로 적층된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 산화물 다층 박막은 총 10 층 ~ 50 층이고, 두께가 1 ㎛ ~ 100 ㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1박막은 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚이고, 상기 제2박막은 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1박막은 산화규소(SiO2)이고, 상기 제2박막은 이산화티타늄(TiO2)일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1박막은 굴절률이 1.45 ~ 1.55이고, 상기 제2박막은 굴절률이 2.40 ~ 2.60일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1박막과 상기 제2박막의 굴절률 차는 0.95 ~ 1.15일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 저반사 코팅층은 규소(Si)를 포함하는 제1코팅층과, 지르코늄(Zr)을 포함하는 제2코팅층이 적층된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 저반사 코팅층은 총 2 층 ~ 10 층이고, 두께가 100 ㎚ ~ 1 ㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1코팅층은 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚이고, 상기 제2코팅층은 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚일 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 광학 필터에 있어서, 상기 제1코팅층은 산화규소(SiO2)이고, 상기 제2코팅층은 산화지르코늄(ZrO2)일 수 있다.
본 발명은 상기 구성을 포함하므로 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명인 적외선 광학 필터는 가시광선 및 자외선을 확실히 차단할 수 있으면서도 적외선 투과율이 높기 때문에 운전자 상태 감지 시스템(DSM), 홍채 보안 시스템 등에 적용하기 적합하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 광학 필터를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 투과율을 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 일면에 형성된 산화물 다층 박막의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 타면에 형성된 저반사 코팅층의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 적외선 광학 필터의 투과율을 측정한 결과이다.
도 2는 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 투과율을 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 일면에 형성된 산화물 다층 박막의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 유리 세라믹층의 타면에 형성된 저반사 코팅층의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 적외선 광학 필터의 투과율을 측정한 결과이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지의 구성 및 기능에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 광학 필터를 도시한 것이다. 구체적으로는 상기 적외선 광학 필터(10)를 적용한 렌즈(20)가 광원(30)의 전방에 배치되었을 때의 상황을 상정하여 도시하였다.
상기 적외선 광학 필터(10)는 유리 세라믹층(11), 상기 유리 세라믹층(11)의 일면에 형성된 산화물 다층 박막(12) 및 상기 유리 세라믹층(11)의 타면에 형성된 저반사 코팅층(13)을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 산화물 다층 박막(12)을 상기 유리 세라믹층(11)의 광원(30) 방향의 일면에 형성할 수 있다.
상기 유리 세라믹층은 상기 적외선 광학 필터를 통과하는 광선 중 가시광선 및 자외선은 흡수하고, 적외선만을 투과시키는 구성이다.
종래에는 유리 전구체 물질에 착색제, 탈색제 등을 첨가함으로써 이로부터 얻어지는 유리 세라믹층의 색상을 어둡게 하여 가시광선과 자외선을 흡수하도록 하였다. 그러나 이는 적외선의 투과율까지 함께 낮추었기 때문에 80 % 이상의 적외선 투과율을 요구하는 운전자 상태 감지 시스템(DSM) 등에는 사용할 수 없었다.
본 발명은 상기 유리 세라믹층이 적외선은 흡수하지 않고 가시광선 및 자외선만 선택적으로 흡수하도록 이에 착색제 및 탈색제를 첨가하지 않는 대신 산화칼륨(K2O)의 함량을 높인 것을 일 기술적 특징으로 한다.
상기 유리 세라믹층은 상기 산화칼륨(K2O)을 1 ~ 20 중량%, 바람직하게는 10 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 15 ~ 20 중량%, 더욱 바람직하게는 19 ~ 20 중량%로 포함할 수 있다.
상기 산화칼륨(K2O)의 함량이 10 중량% 미만이면 상기 유리 세라믹층이 가시광선 및 자외선을 충분히 흡수하지 못할 수 있고, 20 중량%를 초과하면 적외선의 투과율이 낮아질 수 있다.
상기 유리 세라믹층은 상기 산화칼륨(K2O)에 더하여 산화규소(SiO2) 60 ~ 70 중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 0.1 ~ 1 중량%, 산화나트륨(Na2O) 10 ~ 20 중량%, 이산화티타늄(TiO2) 0.01 ~ 0.1 중량% 및 셀레늄(Se) 0.1 ~ 1 중량%를 더 포함할 수 있다.
아래의 표 1과 같은 조성으로 상기 유리 세라믹층을 형성한 뒤, 투과율을 측정하였다. 그 결과는 도 2와 같다.
| 구분 | 성분 [중량%] | |||||
| SiO2 | Al2O3 | Na2O | K2O | TiO2 | Se | |
| 유리 세라믹층 |
65.38 | 0.56 | 13.81 | 19.73 ~ 19.98 |
0.01 | 0.26 |
일반적인 투명 유리는 가시광 투과율이 85 % 이상이고, 종래의 착색제 및 탈색제 등이 첨가된 어두운 유리(일명 Privacy 유리)는 가시광 투과율이 20 ~ 25 % 정도인 반면에, 도 2를 참조하면 본 발명에 따른 상기 유리 세라믹층은 800 ㎚ 이하의 가시광선, 자외선을 완벽히 차단함을 알 수 있다.
또한 상기 유리 세라믹층은 운전자 상태 감지 시스템(DSM) 등에 주로 사용되는 LED 램프의 중심 파장(860 ㎚)에서 적외선 투과율이 80 % 이상으로 굉장히 높다는 것을 알 수 있다.
상기 산화물 다층 박막은 규소(Si)를 포함하는 제1박막과 티타늄(Ti)을 포함하는 제2박막이 교대로 적층된 구성으로써, 광선이 상기 산화물 다층 박막에 입사되었을 때 빛의 간섭 현상이 일어나 적외선 영역의 투과율이 향상된다.
위와 같이 빛의 간섭 현상을 일으키기 위해서 상기 산화물 다층 박막을 아래와 같이 형성할 수 있다.
상기 산화물 다층 박막은 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚인 제1박막과, 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚인 제2박막을 교대로 적층하여 총 10 층 ~ 50 층으로 형성할 수 있다. 또한 상기 산화물 다층 박막의 두께를 1 ㎛ ~ 100 ㎛로 형성할 수 있다.
상기 제1박막은 굴절률이 1.45 ~ 1.55인 산화규소(SiO2)일 수 있고, 상기 제2박막은 굴절률이 2.40 ~ 2.60인 이산화티타늄(TiO2)일 수 있다. 따라서 상기 제1박막과 상기 제2박막의 굴절률 차는 0.95 ~ 1.15일 수 있다.
바람직하게는 두께가 60 ㎚ ~ 70 ㎚가 되도록 산화규소(SiO2)를 진공 증착하여 상기 제1박막을 형성하고, 두께가 110 ㎚ ~ 120 ㎚가 되도록 이산화티타늄(TiO2)을 진공 증착하여 상기 제2박막을 형성하며, 상기 제1박막과 상기 제2박막이 총 30 층 ~ 40 층으로 교대로 적층되도록 하여 상기 산화물 다층 박막을 형성할 수 있다.
상기 저반사 코팅층은 규소(Si)를 포함하는 제1코팅층과 지르코늄(Zr)을 포함하는 제2코팅층이 적층된 구성으로써, 이를 통해 상기 적외선 광학 필터에 입사되는 광선의 투과율을 향상시킬 수 있다.
상기 유리 세라믹층의 양면으로 상기 산화물 다층 박막과 상기 저반사 코팅층을 형성함으로써 상기 적외선 광학 필터의 적외선 투과율을 향상시킬 수 있다. 적외선 투과율이 높아짐에 따라 가시광선 및 자외선의 투과율도 다소 높아지지만 본 발명은 전술한 바와 같이 상기 유리 세라믹의 산화칼륨(K2O) 함량을 증가시켜 가시광선 및 자외선을 완벽에 가깝게 차단하였는바 종래의 광학 필터와 비교해 가시광선 투과율이 낮고(20 % 이하) 적외선 투과율이 높은(90 % 이상) 적외선 광학 필터를 구현할 수 있었다.
위와 같이 적외선 투과율을 높이기 위해서 상기 저반사 코팅층을 아래와 같이 형성할 수 있다.
상기 저반사 코팅층은 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚인 제1코팅층과, 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚인 제2코팅층을 교대로 또는 순서에 관계없이 적층하여 총 2 층 ~ 10 층으로 형성할 수 있다. 또한 상기 저반사 코팅층의 두께를 100 ㎚ ~ 1 ㎛로 형성할 수 있다.
상기 제1코팅층은 산화규소(SiO2)일 수 있고, 상기 제2코팅층은 산화지르코늄(ZrO2)일 수 있다.
상기 저반사 코팅층은 산화규소(SiO2)가 두께 160 ㎚ ~ 170 ㎚로 코팅된 제1코팅층과, 산화지르코늄(ZrO2)이 두께 60 ㎚ ~ 70 ㎚로 코팅된 제2코팅층이 총 2 층으로 적층하여 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
도 3은 상기 유리 세라믹층(11)의 일면(광원 방향)에 형성된 상기 산화물 다층 박막(12)의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다. 상기 제1박막(121)은 산화규소(SiO2)로 그 두께가 60 ㎚ ~ 70 ㎚가 되도록 조절하며 진공 증착하여 형성하였다. 상기 제2박막(122)은 이산화티타늄(TiO2)으로 그 두께가 110 ㎚ ~ 120 ㎚가 되도록 조절하며 진공 증착하여 형성하였다. 상기 제1박막과 상기 제2박막을 각각 17층씩, 총 34 층으로 교대로 적층하여 상기 산화물 다층 박막을 형성하였다.
도 4는 상기 유리 세라믹층(11)의 타면에 형성된 상기 저반사 코팅층(13)의 단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다. 상기 유리 세라믹층(11)의 타면에 먼저 산화지르코늄(ZrO2)을 약 60 ㎚의 두께로 코팅하여 제2코팅층(132)을 형성하고, 상기 제2코팅층(132) 상으로 산화규소(SiO2)를 약 161 ㎚의 두께로 코팅하여 제1코팅층(131)을 형성하였다.
도 3 및 도 4에 도시된 상기 적외선 광학 필터를 실시예로 하여 투과율을 측정하였다. 그 결과는 도 5와 같다.
이 때 상기 저반사 코팅층에 따른 투과율의 향상을 확인하기 위해 상기 유리 세라믹층과 상기 산화물 다층 박막만을 포함하고 상기 저반사 코팅층을 포함하지 않는 적외선 광학 필터를 비교예로 하여 투과율을 측정하였다.
도 2와 도 5의 실시예 및 비교예를 참조하면, 상기 유리 세라믹층에 산화물 다층 박막과 저반사 코팅층을 형성함으로써 가시광선의 투과율이 다소 높아지긴 하였으나 20 % 이하이므로 전술한 Privacy 유리(가시광선 투과율 약 20 ~ 25 %)에 비해 여전히 향상된 가시광선 차단능을 보유하고 있음을 알 수 있다.
또한 도 5의 실시예 및 비교예를 참조하면, 상기 실시예가 상기 저반사 코팅층을 더 포함함으로써 적외선 영역, 특히 LED 램프의 중심 파장(860 ㎚)에서의 적외선 투과율이 상기 비교예에 비해 약 3 % 향상(89 % → 92 %)되었음을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 적외선 광학 필터
11 : 유리 세라믹층 12: 산화물 다층 박막 13 : 저반사 코팅층
20 : 렌즈
30 : 광원
11 : 유리 세라믹층 12: 산화물 다층 박막 13 : 저반사 코팅층
20 : 렌즈
30 : 광원
Claims (13)
- 유리 세라믹층,
상기 유리 세라믹층의 일면에 형성된 산화물 다층 박막 및
상기 유리 세라믹층의 타면에 형성된 저반사 코팅층을 포함하고,
상기 유리 세라믹층은 착색제 및 탈색제를 포함하지 않고 산화칼륨(K2O)을 10 ~ 20 중량%로 포함하는 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유리 세라믹층은 산화규소(SiO2) 60 ~ 70 중량%,
산화알루미늄(Al2O3) 0.1 ~ 1 중량%,
산화나트륨(Na2O) 10 ~ 20 중량%,
산화칼륨(K2O) 10 ~ 20 중량%,
이산화티타늄(TiO2) 0.01 ~ 0.1 중량% 및
셀레늄(Se) 0.1 ~ 1 중량%를 포함하는 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유리 세라믹층은 산화칼륨(K2O)을 19.73 ~ 19.98 중량%로 포함하는 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 다층 박막은 규소(Si)를 포함하는 제1박막과, 티타늄(Ti)을 포함하는 제2박막이 교대로 적층된 것인 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 다층 박막은 총 10 층 ~ 50 층이고, 두께가 1 ㎛ ~ 100 ㎛인 적외선 광학 필터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1박막은 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚이고,
상기 제2박막은 두께가 10 ㎚ ~ 500 ㎚인 적외선 광학 필터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1박막은 산화규소(SiO2)이고,
상기 제2박막은 이산화티타늄(TiO2)인 적외선 광학 필터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1박막은 굴절률이 1.45 ~ 1.55이고,
상기 제2박막은 굴절률이 2.40 ~ 2.60인 적외선 광학 필터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1박막과 상기 제2박막의 굴절률 차는 0.95 ~ 1.15인 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 저반사 코팅층은 규소(Si)를 포함하는 제1코팅층과, 지르코늄(Zr)을 포함하는 제2코팅층이 적층된 것인 적외선 광학 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 저반사 코팅층은 총 2 층 ~ 10 층이고, 두께가 100 ㎚ ~ 1 ㎛인 적외선 광학 필터.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제1코팅층은 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚이고,
상기 제2코팅층은 두께가 10 ㎚ ~ 200 ㎚인 적외선 광학 필터.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제1코팅층은 산화규소(SiO2)이고,
상기 제2코팅층은 산화지르코늄(ZrO2)인 적외선 광학 필터.
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