KR102288420B1 - 고 강성 기판을 갖는 반사 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
광학 소자용 고 강성 기판이 기술된다. 기판은 그라파이트 피니싱 층 및 비-산화물 세라믹 베이스 기판을 포함한다. 비-산화물 세라믹 베이스 기판은 바람직하게는 보론 카바이드 또는 실리콘 카바이드와 같은 카바이드이다. 그라파이트 피니싱 층은 저 피니시를 갖는 표면을 포함할 수 있다. 저 피니시는 그라파이트 표면을 다이아몬드 터닝함에 의해 달성될 수 있다. 그라파이트 피니싱 층은 솔더를 갖는 비-산화물 베이스 세라믹과 결합될 수 있다. 보충적인 피니싱 층은 그라파이트 피니싱 층 상에 형성될 수 있다. 반사 스택은 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층 상에 형성될 수 있다. 상기 기판을 만들기 위한 방법 또한 기술된다.
Description
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2016년 3월 18일에 출원된 미국 가출원 제 62/310,201 호의 우선권 이익을 주장하며, 그 내용은 본 발명에 의존되고 전체가 참조에 의해 본 발명에 모두 포함된다.
본 명세서는 광학 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 고 강성 기판 및 저 피니시(finish)를 갖는 표면을 갖는 광학 소자에 관한 것이다.
크기, 중량 및 전력(SWAP)은 운반 가능성 및 이동성이 유리한 적용에서 사용을 위해 계획된 광학 시스템의 핵심적인 설계 파라미터이다. 크기 및 중량은 광학 설계의 설계에 의해 직접적으로 영향을 받을 수 있는 반면 전력은 간접적으로 영향을 받는데, 이는 보다 가벼운 시스템은 이동에 보다 적은 전력을 요구하기 때문이다.
광학 시스템에 대한 설계 선택은 일반적으로 굴절 광학 소자 또는 반사 광학 소자에 기초한다. 경량 광학 시스템을 설계할 때, 몇몇 요인은 반사 광학 소자의 사용을 선호한다. 첫째, 시스템 내의 광학 소자의 수를 최소화하는 것은 시스템의 중량을 감소시킨다. 그러나, 보다 적은 소자로 시스템 성능을 유지시키는 것은 정밀 비구면 또는 자유 형태의 표면을 갖는 광학 소자의 사용을 요구한다. 이러한 광학 소자는 다이아몬드 터닝(diamond turned)될 수 있는 재료로 가장 잘 달성된다.
둘째, 크기 및 중량은 단일 애퍼쳐(aperture)를 통해 모든 스펙드럼 밴드를 집중시키는 설계 내의 다중 스펙트럼 시스템에서 감소될 수 있다. 굴절률의 파장 의존성으로 인해, 다중 스펙트럼 포커싱은 굴절 광학 장치로 달성하기 어렵다. 그러나, 반사 광학 장치는 넓은 스펙트럼 범위의 빛을 공통 초점으로 쉽게 집중시킬 수 있다.
셋째, 시스템 중량은 개별 광학 소자의 중량을 최소화함에 의해 감소될 수 있다. 예를 들어, 경량화는 광학 소자 시닝(thinning)과 같은 구조적 최적화를 통해 달성될 수 있다. 그러나, 굴절력은 광학 소자의 충분한 두께를 요구하기 때문에, 시닝은 굴절 광학 소자에 대하여는 비실용적이다. 반대로, 반사 광학 소자에서의 광학 효과는 표면 영역에만 의존하고, 일반적으로 기계적 온전함(integrity)의 요건에 일치하는 정도까지 반사 표면을 지지하는 기판을 시닝하는 것이 가능하다.
넷째, 시스템 중량은 광학 소자용 저밀도 재료를 선택함에 의해 감소될 수 있다. 굴절 광학 소자를 통한 투과율의 필요성은 재료의 선택을 제한하고 많은 원하는 기판의 사용을 방지한다. 훨씬 적은 제한이 반사 소자에 대한 기판에 적용된다. 특정 기판 재료가 관심있는 스펙트럼 밴드에 대해 열악한 반사를 갖는 경우에도, 기판의 표면 상에 얇은 반사 필름을 침착(deposit)시킴에 의해 원하는 성능을 달성하는 것이 일반적으로 가능하다.
상기 고려 사항을 기반으로, 저 피니시을 달성하기 위한 다이아몬드 터닝 처리할 수 있는 표면을 특징으로 하는 저밀도, 구조적으로 최적화된 거울을 활용하는 반사 광학 소자는 넓은 또는 다중 밴드의 휴대용 광학 시스템의 선호되는 설계 선택이 되었다.
새로운 적용이 부상함에 따라, 반사 광학 소자에 보다 많은 요건이 부과된다. 현재 항공 우주 산업 및 상업적 적용 모두에 대해 동적인 조건 하에서 정확한 특성을 유지할 수 있는 경량 반사 광학 소자에 대한 필요성이 있다. 상업적 적용의 경우, 고속 스캐너는 극한의 진동 또는 회전 가속 하중 하에서 반사 표면 평탄도를 유지하기 위해 경량의 거울을 요구한다. 항공 감시 및 타겟팅 적용의 경우, 경량 거울은 항공기의 진동 및 열적 환경 하에서 정확한 특성을 유지하기 위해 요구된다. 우주 적용의 경우, 경량 거울은 다양한 작동 및/또는 우주선 가속 및 열적 환경 하에서 정확한 특성을 유지하기 위해 요구된다. 우주선의 경우, 중량은 또한 우주로의 위성의 발사의 파운드 당 비용으로 인해 주요 고려 사항이다. 또한, 우주 환경의 경우, 우주 복사(cosmic radiation)를 차단하는 재료가 종종 유리하고 및/또는 검출기 보호에 요구된다.
까다로운 조건 하에서 정확한 특성을 유지하는 경량 거울에 대한 필요성은 고 강성을 나타내는 새로운 저밀도 기판에 대한 연구의 동기를 부여했다.
본 개시는 광학 소자용 고 강성 기판을 제공한다. 기판은 그라파이트 피니싱 층(finishing layer) 및 비-산화물 세라믹 베이스(base) 기판을 포함한다. 비-산화물 세라믹 베이스 기판은 바람직하게는 보론 카바이드 또는 실리콘 카바이드와 같은 카바이드이다. 그라파이트 피니싱 층은 저 피니시를 갖는 표면을 포함한다. 저 피니시는 그라파이트 표면의 다이아몬드 터닝 또는 폴리싱(polishing)에 의해 달성된다. 그라파이트 피니싱 층은 솔더(solder)를 갖는 비-산화물 베이스 세라믹과 결합될 수 있다. 보충적인 피니싱 층이 그라파이트 피니싱 층 상에 형성될 수 있다. 반사 스택이 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층 상에 형성될 수 있다. 상기 기판을 만드는 방법 또한 기술된다.
본 개시는:
베이스 기판, 상기 베이스 기판은 비-산화물 세라믹을 포함하며; 및
상기 베이스 기판과 직접 또는 간접 접촉하는 피니싱 층을 포함하고, 상기 피니싱 층은 그라파이트를 포함하는 광학 소자에 미친다.
본 개시는:
피니싱 층 어셈블리(assembly)를 베이스 기판 어셈블리에 결합시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 피니싱 층 어셈블리는 그라파이트를 포함하는 피니싱 층을 포함하고, 상기 베이스 기판 어셈블리는 비-산화물 세라믹을 포함하는 베이스 기판을 포함하는 광학 소자를 만드는 방법에 미친다.
추가적인 특징 및 이점이 다음의 상세한 설명에 기술될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 본 기술분야의 기술자에게 매우 명백하거나 첨부된 도면 뿐 아니라 서술된 설명 및 본원의 청구항에 기술된 바와 같은 구체예를 실시함에 의해 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적인 것이며, 청구항의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하는 의도인 것으로 이해되어야 한다.
수반된 도면은 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 설명의 선택된 관점을 예시하고, 명세서와 함께 본 설명에 포함되는 방법, 제품, 및 조성물의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다. 도면에 도시된 특징은 본 설명의 선택된 구체예를 설명하기 위한 것이며 적절한 스케일(scale)로 도시될 필요는 없다.
본 명세서는 기재된 설명의 주제를 특별히 지적하고 명백히 주장하는 청구항으로 결론을 맺지만, 본 명세서는 수반된 도면과 관련하여 취해질 때 다음의 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이며, 여기서:
도 1은 그라파이트 피니싱 층 및 보론 카바이드 베이스 기판의 제조에 대한 개략도이다.
도 2는 표면 상에 위치된 솔더 펠릿(pellet)을 갖는 그라파이트, 실리콘 카바이드, 및 보론 카바이드의 이미지이다.
도 3은 솔더 펠릿의 연화 및 스프리딩(spreading) 후의 도 2의 이미지를 도시한다.
도 4는 기판을 형성하기 위해 피니싱 층 어셈블리와 베이스 기판 어셈블리를 결합하는 단계의 개략도이다.
도 5는 그라파이트 피니싱 층 및 비-산화물 세라믹 베이스 기판을 포함하는 기판의 이미지이다.
도 6은 표면 상에 그라파이트 피니싱 층을 갖는 보론 카바이드의 이미지이다.
도면에 설명된 구체예는 본질적으로 예시적인 것이며 상세한 설명 또는 청구항의 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니다. 가능할 때마다, 동일한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 특징을 나타내기 위해 사용될 것이다.
도 1은 그라파이트 피니싱 층 및 보론 카바이드 베이스 기판의 제조에 대한 개략도이다.
도 2는 표면 상에 위치된 솔더 펠릿(pellet)을 갖는 그라파이트, 실리콘 카바이드, 및 보론 카바이드의 이미지이다.
도 3은 솔더 펠릿의 연화 및 스프리딩(spreading) 후의 도 2의 이미지를 도시한다.
도 4는 기판을 형성하기 위해 피니싱 층 어셈블리와 베이스 기판 어셈블리를 결합하는 단계의 개략도이다.
도 5는 그라파이트 피니싱 층 및 비-산화물 세라믹 베이스 기판을 포함하는 기판의 이미지이다.
도 6은 표면 상에 그라파이트 피니싱 층을 갖는 보론 카바이드의 이미지이다.
도면에 설명된 구체예는 본질적으로 예시적인 것이며 상세한 설명 또는 청구항의 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니다. 가능할 때마다, 동일한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 특징을 나타내기 위해 사용될 것이다.
본 개시는 가능한 교시로서 제공되며 이하의 설명, 도면, 실시예 및 청구항을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있다. 이를 위해, 관련 기술 분야의 기술자는 여전히 유익한 결과를 얻으면서 본원에 기술된 구체예의 다양한 관점에 많은 변화가 만들어질 수 있음을 식별하고 인식할 것이다. 또한, 본 구체예의 원하는 이점 중 일부는 다른 특징을 활용하지 않고 일부 특징을 선택함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 본 기술 분야의 기술자는 많은 변형 및 개조가 가능하고 이는 심지어 특정 환경에서 바람직할 수 있으며 본 개시의 일부분임을 인식할 것이다. 따라서, 본 개시는 달리 명시되지 않는 한 개시된 특정 조성물, 제품, 장치, 및 방법으로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 또한 본원에서 사용되는 용어는 특정 관점만을 기술하기 위한 목적이며 제한하려는 의도가 아님이 이해되어야 한다.
개시된 것은 개시된 반사 광학 소자 및 반사 광학 소자를 만드는 방법에, 이와 함께, 이의 제조를 위해 또는 이의 구체예로서 사용될 수 있는 구성 요소(재료, 화합물, 조성물, 및 방법 단계를 포함함)이다. 구성 요소의 조합 또는 부분 집합, 상호 작용이 개시될 때, 각 구성 요소 개별적으로 및 2 이상의 구성요소의 각 조합은 또한 명시적으로 언급되지는 않았으나 고려되고 본원에 기술됨이 이해된다. 예를 들어, 구성 요소 A, B, 및 C의 조합이 개시된다면, A, B, 및 C 각각은 개별적으로 조합 A-B, B-C, A-C, 및 A-B-C 각각과 같이 개시된다. 유사하게, 구성 요소 D, E, 및 F가 개별적으로 개시된다면, 각각의 조합 D-E, E-F, D-F, 및 D-E-F 또한 개시된다. 이 개념은 재료, 화합물, 조성물 및 방법의 단계에 대응하는 구성 요소를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아닌 본 개시의 모든 관점에 적용된다.
본 명세서 및 이하의 청구항 내에서, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의되는 다수의 용어가 참조될 것이며:
용어 "약(about)"은 달리 언급되지 않는 한, 범위 내의 모든 수치를 지칭한다. 예를 들어, 약 1, 2, 또는 3은 약 1, 약 2, 또는 약 3과 동일하며, 약 1-3, 약 1-2, 및 약 2-3을 더욱 포함한다. 구성 요소, 및 유사한 관점, 및 이들의 범위에 대해 개시된 특정 및 바람직한 값은 단지 예시적인 것이며; 이는 다른 정의된 값 또는 정의된 범위 내의 다른 값을 배제하지 않는다. 본 개시의 조성물 및 방법은 본원에 기술된 값, 특정 값, 보다 특정한 값, 및 바람직한 값의 임의의 값 또는 임의의 조합을 갖는 조성물 및 방법을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 접촉은 직접 접촉 또는 간접 접촉을 의미한다. 직접 접촉하는 소자는 서로 닿는다. 간접 접촉하는 소자는 서로 만나지 않으나 결합된다. 접촉하는 소자는 완고하게(rigidly) 또는 비-완고하게 결합될 수 있다. 접촉시키는 단계는 2개의 소자를 직접 또는 간접 접촉하도록 위치시키는 단계를 의미한다. 직접(간접) 접촉하는 소자는 서로 직접적으로(간접적으로) 접촉한다고 말할 수 있다.
본 광학 소자에서의 층의 시퀀스(sequence) 내에서 층의 순서는 기판과 관련하여 기술될 것이다. 본원에서 층의 순서의 설명은 기판의 배향과 관계가 없다. 기판은 광학 소자의 베이스를 형성한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "~상에(on)"는 직접 또는 간접 접촉을 의미한다. 하나의 층이 본원에서 또 다른 층 상에 있는 것으로 언급되는 경우, 2개의 층은 직접 또는 간접 접촉한다.
본원에서 달리 명시되지 않는 한, 용어 "피니시(finish)" 또는 "표면 피니시"는 표면의 평균 제곱근(rms) 조도를 의미한다. 저 조도를 갖는 표면은 저 피니시를 갖고 고 조도를 갖는 표면은 고 피니시를 갖는 것으로 언급된다. 저 피니시를 갖는 광학 표면은 보다 매끄럽고 본원에 기술된 광학 소자에 바람직하다. 본원에 사용된 바와 같이, "저 피니시"는 본원에 개시된 바와 같은 평균 제곱근(rms) 조도를 갖는 표면을 의미한다.
이제 본 설명의 예시적인 구체예에 대한 참조가 상세하게 만들어질 것이다.
본 설명은 반사 광학 소자용 기판을 제공한다. 기판은 경량, 고 강성, 및 저 피니시를 갖는 표면 또는 저 피니시로 처리될 수 있는 표면을 갖는다. 본 설명은 또한 기판을 이용하는 반사 광학 소자를 제공한다. 반사 광학 소자는 또한 기판의 표면 상에 반사 층 또는 반사 스택을 포함할 수 있다. 반사 스택은 반사 또는 다른 광학 효과를 제공하기 위해 협력하는 2 이상의 층의 조합이다.
기판은 베이스 기판 및 베이스 기판 상의 피니싱 층을 포함할 수 있다. 피니싱 층은 베이스 기판과 직접 또는 간접 접촉한다. 본원에 사용된 바와 같이, 피니싱 층은 저 피니시로 처리될 수 있는 표면을 갖는 층이다. 반사 층 또는 반사 스택은 피니싱 층 상에 직접적으로 형성될 수 있다. 피니싱 층이 없다면, 반사 층 또는 반사 스택은 베이스 기판 상에 직접적으로 형성될 수 있다.
기판은 피니싱 층과 베이스 기판 사이의 일 이상의 개재(intervening) 층을 포함할 수 있다. 일 이상의 개재 층은 금속화 층, 접착 층, 및/또는 솔더 층을 포함할 수 있다. 일 이상의 개재 층은 피니싱 층과 베이스 기판 사이의 접착성을 향상시킬 수 있다.
베이스 기판의 선택은 기계적으로 까다로운 적용에서의 경량 및 특징의 유지의 설계 목표에 의해 동기 부여된다. 베이스 기판 재료의 선택을 안내하는 중요한 특성 중 하나는 비 강성(specific stiffness)이며, 이는 탄성 계수(E) 대 밀도(ρ)의 비(E/ρ)로 정의된다. 다른 관련 재료 특성은 열 팽창(CTE), 치수 안정성, 환경 호환성(부식, 복사), 피니시 능력(예를 들어, 광학 품질을 위한 다이아몬드 터닝 및/또는 폴리싱하는 능력); 반사 코팅에의 호환성, 및 비용을 포함한다.
극도로 경량인 거울의 경우, 베릴륨(Be)이 사실상의 표준이다. Be는 임의의 금속 중 최고 비 강성(E = 4.25 × 107lff/in2, ρ = 0.067 lbm/in3, E/ρ = 6.34 × 108lbf-in/lbm)을 가지며 우주 복사를 차단하는 능력으로 인해 우주 적용에 적합하다. 그러나, Be 거울의 최종 비용은 매우 크고, Be는 저 피니시로 직접적으로 머시닝될(machined)(다이아몬드 터닝될) 수 없다. Be 기판의 저 피니시는 다이아몬드 머시닝될 수 있는 피니싱 층을 갖는 Be의 도금을 요구한다. 독성은 Be의 주요 단점이다. Be 처리 단계로부터의 분진 또는 연기는 상당한 건강 위험(베릴륨 중독)을 유발한다. Be와 관련된 단점으로 인해, Be 거울은 Be의 재료 성능이 비용을 훨씬 초과하는 적용(전형적으로 우주 적용)에 대해 사용된다.
본 설명은 Be와 관련된 단점이 없는, Be와 비슷한 성능을 갖는 베이스 기판을 제공한다. Be와 비슷한 비 강성을 갖는 재료의 유일한 종류는 세라믹이다. 특히, 비-산화물 세라믹은 고 비 강성을 갖는다. 본원의 구체예에서, 베이스 기판은 비-산화물 세라믹이다. 본 설명에 따른 바람직한 베이스 기판은 카바이드를 포함한다. 대표적인 카바이드는 보론 카바이드 및 실리콘 카바이드를 포함한다. 보론 카바이드는 7.47 × 108lbf-in/lbm의 비 강성을 가지며 실리콘 카바이드는 5.54 × 108lbf-in/lbm의 비 강성을 가진다. 보론 카바이드는 우주 복사를 차단하고 항공 우주 적용에 사용될 수 있다. 두 재료 모두는 또한 그물 형상에 가깝게 열 압착 및/또는 머시닝될 수 있다.
카바이드는 높은 경도를 갖고 다이아몬드 터닝에 적합하지 않기 때문에 반사 광학 장치용 기판으로 널리 사용되지 않았다. 결과적으로, 저 피니시를 갖는 기판을 달성하기 위해서는 카바이드에 피니싱 층을 적용할 필요가 있다. 기계적으로 까다로운 배치 환경에서 특성의 높은 안정성을 요구하는 적용에서, 지금까지는 피니싱 층에 적합한 재료를 찾는 것이 어려웠다.
이 설명은 카바이드 베이스 기판에 대해 피니싱 층을 제공한다. 피니싱 층은 그라파이트 또는 그라파이트-함유 재료이다. 그라파이트는 화학적 비활성, 낮은 열 팽창 계수, 및 낮은 탄성 계수를 특징으로 하는 저 밀도 재료이다. 그라파이트는 또한 다이아몬드 터닝 가능하며 얇은 피니싱 층으로 사용될 때, 넓은 온도 범위에서 특성에 거의 영향을 미치지 않는다.
기판은 피니싱 층을 갖는 세라믹 베이스 기판을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 세라믹 베이스 기판은 비-산화물 세라믹이며 피니싱 층은 그라파이트 또는 그라파이트-함유 재료이다. 베이스 기판은 비-산화물 세라믹을 포함하거나 비-산화물 세라믹으로 필수적으로 이루어질 수 있다. 피니싱 층은 그라파이트를 포함하거나 그라파이트로 필수적으로 이루어질 수 있다. 몇몇 구체예에서, 비-산화물 세라믹은 카바이드이며 기판은 카바이드 베이스 기판 및 피니싱 층을 포함한다. 몇몇 구체예에서, 기판은 카바이드 베이스 기판 및 피니싱 층으로서 그라파이트 또는 그라파이트-함유 재료를 포함한다. 하나의 바람직한 구체예는 베이스 기판으로서 보론 카바이드 및 피니싱 층으로서 그라파이트를 갖는 기판을 포함한다. 또 다른 바람직한 구체예는 베이스 기판으로서 실리콘 카바이드 및 피니싱 층으로서 그라파이트를 갖는 기판을 포함한다. 그라파이트는 베이스 기판과 직접 또는 간접 접촉할 수 있다.
세라믹 베이스 기판의 비 강성은 적어도 2.0 × 108lbf-in/lbm, 또는 적어도 4.0 × 108lbf-in/lbm, 또는 적어도 6.0 × 108lbf-in/lbm, 또는 적어도 7.0 × 108lbf-in/lbm, 또는 2.0 × 108lbf-in/lbm 내지 1.0 × 109lbf-in/lbm의 범위 내, 또는 3.0 × 108lbf-in/lbm 내지 9.0 × 108lbf-in/lbm의 범위 내, 또는 4.0 × 108lbf-in/lbm 내지 8.0 × 109lbf-in/lbm의 범위 내, 또는 4.5 × 108lbf-in/lbm 내지 7.5 × 109lbf-in/lbm의 범위 내일 수 있다.
그라파이트는 베이스 기판 상에 직접적으로 침착되거나 베이스 기판과 독립적으로 형성되고 베이스 기판에 결합될 수 있다. 그라파이트는 그라파이트 분말의 열간 등방압 가압법(hot isostatic pressing), 스퍼터링(sputtering), 또는 증착 기술에 의해 형성될 수 있다. 그라파이트는 베이스 기판에 결합되기 전 또는 후에 머시닝, 다이아몬드 터닝, 또는 폴리싱될 수 있다. 일 구체예에서, 그라파이트는 베이스 기판과 독립적으로 형성되고 베이스 기판의 표면의 형상과 일치하는 형상으로 처리된다. 그라파이트는 또한 상업적 공급원으로부터 얻어질 수 있다. 낮은 다공성의 그라파이트가 선호된다.
내구성 및/또는 접착성을 향상시키기 위해, 특정 구체예에서, 일 이상의 개재 층은 그라파이트와 베이스 기판 사이에 위치될 수 있다. 일 이상의 개재 층은 금속화 층, 접착 층, 금속 카바이드-형성 층 및/또는 솔더 층을 포함할 수 있다.
금속화 층은 Si를 포함한다. 금속화 층은 그라파이트 피니싱 층 및 베이스 기판을 결합시키기 전에 그라파이트 피니싱 층 및/또는 베이스 기판 상에 형성될 수 있다. 금속화 층이 적용되는 표면은 금속화 층을 적용하기 전에 조면화(roughen)될 수 있다. 표면 조면화는 그라인딩(랜덤 표면 특성 또는 정렬된 그루브(groove) 또는 리지(ridge)와 같은 표면 특성을 형성하는), 비드 블라스팅(bead blasting), 또는 제어된 조도를 갖는 조작된 표면을 만들기 위해 원하는 패턴으로 배치된 임베드된(embedded) 입자를 갖는 탄성 중합체 릴리즈(release) 시트에 의해 달성될 수 있다. 조면화된 표면은 그라파이트 피니싱 층의 표면 및/또는 카바이드 베이스 기판의 표면에 대한 금속화 층의 접착을 향상시킬 수 있다.
금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판을 결합시키기 전에 그라파이트 피니싱 층 및/또는 카바이드 베이스 기판의 표면 상에 형성될 수 있다. 금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 및/또는 카바이드 베이스 기판과 계면 금속 카바이드 층을 형성할 수 있는 금속(예를 들어, Ti, Zr, Y, 또는 Cr)일 수 있다. 금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판 사이에 있을 수 있다. 구체예에서, 금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 피니싱 층과 직접 접촉하고 카바이드 베이스 기판은 금속 카바이드-형성 층과 직접 접촉한다. 별개의 금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판 상에 형성될 수 있으며 별개의 금속화 층은 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판 상에 형성된 각각의 금속 카바이드-형성 층 상에 형성될 수 있다.
구체예에서, 계면 금속 카바이드 층은 위에 놓인 금속화 층과의 접착을 향상시킬 수 있다. 구체예에서, 금속 카바이드-형성 층은 그라파이트 피니싱 층과 금속화 층 사이에 형성된다. 금속-카비이드 형성 층은 그라파이트 피니싱 층과 직접 접촉할 수 있고 금속화 층은 금속 카바이드-형성 층과 직접 접촉할 수 있다. 구체예에서, 금속 카바이드-형성 층은 카바이드 베이스 기판과 금속화 층 사이에 형성된다. 금속-카바이드 형성 층은 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉할 수 있고 금속화 층은 금속 카바이드-형성 층과 직접 접촉할 수 있다.
솔더 층은 Ti 또는 희토류 원소를 함유할 수 있다. 솔더의 조성은 베이스 기판 및/또는 피니싱 층의 표면에서 산화물 또는 질화물 장벽 층의 형성을 억제할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 솔더 층은 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판 중 하나 또는 둘 모두에 직접적으로 적용된다. 다른 구체예에서, 금속화 층은 그라파이트 피니싱 층 및/또는 카바이드 베이스 기판 상에 존재하고 솔더는 금속화 층에 직접적으로 적용된다. 금속화 층은 그라파이트 피니싱 층 및/또는 카바이드 베이스 기판에 강하게 접착될 수 있고 솔더는 금속화 층에 강하게 접착하도록 선택될 수 있다. 솔더는 피니싱 층과 베이스 기판을 결합시킬 때 온도-유발된 형상 왜곡을 감소시키기 위해 바람직하게는 낮은 융점(250℃ 미만, 또는 225℃ 미만, 또는 200℃ 미만, 또는 175℃ 미만)을 갖는다. 솔더 층은 S-Bond 220(Sn-Ag-Ti 합금을 기반으로 하는 무연 솔더, S-Bond Technologies(Lansdale, PA)에서 구입 가능함) 또는 S-Bond 220M(Sn-Ag-Ti-Mg 합긍을 기반으로 하는 무연 솔더, S-Bond Technologies(Lansdale, PA)에서 구입 가능함)과 같은 상업적 금속 솔더를 포함한다. Indium Corporation (Utica, NY)에서 구입 가능한 솔더 #1E, #3, #4, #290와 같은 비-금속 재료의 결합에 최적화된 인듐 솔더 또한 사용될 수 있다. 솔더 층의 두께는 4.0 mil 미만, 또는 3.0 mil 미만, 또는 2.0 mil 미만, 또는 1.0 mil 미만, 또는 0.25 mil 내지 4.0 mil, 또는 0.5 mil 내지 3.0 mil, 또는 0.75 mil 내지 2.5 mil, 또는 1.0 mil 내지 2.0 mil일 수 있다.
접착 층은 금속(예를 들어, Ti, Zr, Yb, Cr, Pd)을 포함한다. 접착 층은 분리된 층으로서 적용되거나 그라파이트 내에 임베드될 수 있다. 접착 층은 금속화 층과 그라파이트 피니싱 층 사이 또는 금속화 층과 카바이드 베이스 기판 사이에 포함될 수 있다. 일 구체예에서, Si 금속화 층은 금속 접착 층 상에 형성되고 솔더 층은 Si 금속화 층 상에 형성된다. Si 금속화 층은 솔더의 습윤성을 향상시킬 수 있으며 접착 층은 그라파이트 피니싱 층 및/또는 베이스 카바이드 기판에 대한 Si 금속화 층의 접착을 향상시킬 수 있다.
일 이상의 개재 층은 또한 유기 접착 층을 포함할 수 있다. 유기 접착 층은 열 경화성(curable), 수분 경화성, 및 복사 경화성인 유기 접착제로부터 형성될 수 있다. 대표적인 유기 접착제는 에폭시, 에폭시 수지, 페놀-포름알데히드 수지, 실리콘, 우레탄, 우레탄 프리(pre)-폴리머, 아크릴레이트, 및 메타크릴레이트를 포함한다. 유기 접착제는 또한 강성을 증가시키고 유기 접착제의 전체 열 팽창 계수를 감소시키기 위해 낮은 열 팽창 계수를 갖는 재료(예를 들어, 유리)의 개별 입자를 함유할 수 있다. 유기 접착 층의 두께는 2.0 mil 미만, 또는 1.5 mil 미만, 또는 1.0 mil 미만, 또는 0.5 mil 미만, 또는 0.25 mil 내지 2.0 mil, 또는 0.5 mil 내지 1.5 mil, 또는 0.75 mil 내지 1.25 mil일 수 있다.
일 구체예에서, 반사 광학 소자는 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층을 포함한다. 제2 구체예에서, 반사 광학 소자는 금속화 층과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 금속화 층을 포함한다. 제3 구체예에서, 반사 광학 소자는 솔더 층과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 솔더 층을 포함한다. 제4 구체예에서, 반사 광학 소자는 유기 접착 층과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층 및 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 유기 접착 층을 포함한다. 제5 구체예에서, 반사 광학 소자는 금속화 층과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층, 솔더 층과 직접 접촉하는 금속화 층, 및 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 솔더 층을 포함한다. 제6 구체예에서, 반사 광학 소자는 제1 금속화 층과 직접 접촉하는 그라파이트 피니싱 층, 솔더 층과 직접 접촉하는 제1 금속화 층, 제2 금속화 층과 직접 접촉하는 솔더 층, 및 카바이드 베이스 기판과 직접 접촉하는 제2 금속화 층을 포함한다.
도 1은 본 설명에 따른 기판을 제조하기 위한 구체예에서의 초기 단계를 도시한다. 이 실시예에서, 그라파이트 피니싱 층은 보론 카바이드 베이스 기판과 독립적으로 형성되었고 그라파이트 피니싱 층 및 보론 카바이드 베이스 기판은 결합된다. 그라파이트 피니싱 층(10)은 열간 가압 기술에 의해 형성되고 디스크로서 배열(configure)된다. 그라파이트 디스크의 일반적인 직경은 2 인치이다. 그라파이트 피니싱 층(10)의 일 표면은 폴리싱되었다(polished). 원한다면, 그라파이트 표면은 특정 형상(예를 들어, 평탄한, 굽은, 구형, 비구면)으로 처리될 수 있다. 실리콘 금속화 층(20)이 폴리싱된 표면 그라파이트 피니싱 층(10) 상에서 스퍼터링에 의해 형성되었다. 실리콘 금속화 층(20)의 두께는 25 ㎛ 내지 50 ㎛였다. 솔더 층(30)은 실리콘 금속화 층(20) 상에 형성되었다. 솔더 층을 형성하기 위해, 실리콘 금속화 층(20)을 갖는 그라파이트 피니싱 층(10)은 가열되었고 솔더의 펠릿은 표면 상에 침착되었다. 펠릿이 연화된 후, 실리콘 금속화 층(20)의 표면을 가로질러 솔더를 균일하게 분포시키기 위해 스크레이퍼(scraper) 도구가 사용되었다. 스크레이퍼 도구는 또한 Si 금속화 층 상에 형성될 수 있는 표면 산화물을 제거하여 밑에 있는 산화되지 않은 Si를 노출시킬 수 있으며, 이는 Si의 산화된 형태보다 나은 솔더 습윤성을 제공할 것으로 기대된다. S-Bond SB220M 솔더가 도 1의 실시예에서 사용되었다.
카바이드 베이스 기판(40)이 별도로 제조되었다. 카바이드 베이스 기판(40)은 분말 가압 및 2100℃ 내지 2200℃에서 비활성 기체 분위기(예를 들어, Ar) 하에서 소성을 통해 만들어진 보론 카바이드 베이스 기판이었다. 카바이드 베이스 기판(40)은 디스크로서 배열되었다. 카바이드 베이스 기판(40)의 대략적인 화학식은 B4C였다. 카바이드 베이스 기판(40)의 일 표면은 폴리싱되었다. 원한다면, 카바이드 베이스 기판의 표면은 그라파이트 피니싱 층(10)의 성형된 표면의 형상을 보완하기 위해 처리될 수 있다. 예를 들어, 그라파이트 피니싱 층(10)이 볼록한 형상을 갖는 표면을 갖는 경우, 카바이드 베이스 기판(40)의 표면은 그라파이트 피니싱 층(10)과 카바이드 베이스 기판(40)의 결합을 가능하게 하기 위해 오목한 형상을 가질 수 있다. 솔더 층(50)은 카바이드 베이스 기판(40)의 표면 상에 직접적으로 형성되었다. 솔더 층(50)을 형성하기 위해, 카바이드 베이스 기판(40)은 가열되었고, 솔더의 펠릿은 표면 상에 위치되었으며, 연화 시에, 솔더는 균일한 층을 제공하기 위해 스크레이프(scrape) 되었다. S-Bond SB220M 솔더가 솔더 층(50)에 사용되었다.
도 2는 연화 전의 솔더 펠릿을 갖는 그라파이트 피니싱 층(맨 윗줄의 파이-형상 샘플), 실리콘 카바이드 베이스 기판(두번째 줄의 절단된 원형 샘플) 및 보론 카바이드 베이스 기판(아래 두 줄)의 샘플의 이미지를 나타낸다. 그라파이트 피니싱 층의 샘플은 실리콘 금속화 층을 포함하였고 솔더 펠릿은 실리콘 금속화 층 상에 직접적으로 위치되었다. 실리콘 카바이드 베이스 기판 및 보론 카바이드 베이스 기판의 샘플은 실리콘 금속화 층이 없었고 솔더 펠릿은 표면에 직접적으로 위치되었다. 도 3은 솔더의 연화 후의 동일한 샘플의 이미지를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 연화된 솔더는 보다 균일한 솔더 층을 제공하기 위해 표면을 가로질러 스크레이프되었다.
도 4는 기판을 형성하기 위한 베이스 기판 어셈블리에 피니싱 층 어셈블리의 결합을 도시한다. 베이스 기판 어셈블리는 도 1에 도시된 보론 카바이드 기판을 포함하고 피니싱 층 어셈블리는 도 1에 도시된 그라파이트 피니싱 층을 포함한다. 피니싱 층 어셈블리(60)는 그라파이트 피니싱 층(10), 실리콘 금속화 층(20), 및 솔더 층(30)을 포함한다. 베이스 기판 어셈블리(70)는 보론 카바이드 베이스 기판(40) 및 솔더 층(50)을 포함한다. 피니싱 층 어셈블리(60) 및 베이스 기판 어셈블리(70)는 솔더 층(30)이 솔더 층(50)을 대면하도록 배향된다(도 4의 A에 도시됨). 피니싱 층 어셈블리(60) 및 베이스 기판 어셈블리(70)는 이후 기판(80)을 형성하기 위해 이들을 함께 가압하는 기계적인 힘을 적용시킴으로써 결합된다(도 4의 B에 도시됨). 측면 전단력이 또한 적용될 수 있다. 결합은 솔더 층(30)과 솔더 층(50)이 용융되는 동안 수행된다. 기계적 힘은 솔더 층(30) 및 솔더 층(50)을 시닝하고, 균일한 솔더 층을 제공하며, 솔더 층(30), 솔더 층(50) 또는 솔더 층(30)과 솔더 층(50) 사이 의 계면 내에서 갭 또는 기포를 제거한다. 계면으로부터 돌출된 초과의 솔더가 제거된다. 대부분의 솔더가 높은 열 팽창 계수를 가지므로 고온 환경에 노출될 때 변형되기 때문에 솔더 층의 시닝은 바람직하다. 솔더의 변형은 배치 동안 기판(80)의 재위치(repositioning) 또는 어긋남(misalignment)을 야기할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 다양한 샘플을 결함시킴으로써 만들어진 대표적인 기판을 도시한다. 상단 파이-형상 샘플은 결합된 표면 상에 실리콘 금속화 층을 갖는 그라파이트 피니싱 층이다. 보다 큰 하단의 샘플은 비-산화물 세라믹 베이스 기판이다. 실리콘 카바이드(SiC) 및 보론 카바이드(B4C) 베이스 기판은 도 5에 나열된 바와 같이 나타난다. 베이스 기판의 표면 상의 밝은-색 층은 솔더 층이다. 2개의 상이한 솔더가 사용되었다(S-Bond 220 및 S-Bond 220M). 그라파이트 피니싱 층과 비-산화물 세라믹 베이스 기판 사이의 계면에서의 솔더는 기판을 형성하기 위해 조각들을 함께 결합시킨다.
결합 후에, 기판(80)은 냉각되고 그 후 그라파이트 피니싱 층(10)의 일부분을 제거함에 의해 시닝되어 기판(85)을 형성한다(도 4의 C에 도시됨). 그라파이트 피니싱 층(10)의 제거는 제재(sawing), 그라인딩, 폴리싱, 또는 다른 그라파이트 피니싱 층(10)의 표면으로부터 재료를 연마 또는 감소시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 보론 카바이드 베이스 기판(40)은 또한 기판(85)의 중량을 더욱 감소시키기 위해 시닝될 수 있다. 시닝 후에, 기판(80)의 그라파이트 표면은 저 피니시를 위해 폴리싱 또는 다이아몬드 터닝에 의해 더욱 처리될 수 있다(도 4의 D에 도시됨). 반사 층 또는 반사 스택은 그 후에 기판(80)의 그라파이트 표면 상에 형성될 수 있다.
도 6은 보론 카바이드 기판 상에 그라파이트 층을 갖는 샘플 및 그라파이트 층의 표면의 이미지를 도시한다. 상기 이미지는 그라파이트 층의 표면의 피크-투-밸리(peak-to-valley) 조도가 285 Å이고, 그라파이트 층의 피니시(rms 조도)는 4.6 Å 임을 나타낸다.
다른 구체예에서, 그라파이트 또는 그라파이트-함유 피니싱 층의 표면의 피니시(rms 조도)는 500 Å 미만, 또는 300 Å 미만, 또는 200 Å 미만, 또는 100 Å 미만, 또는 50 Å 미만, 또는 25 Å 미만, 또는 10 Å 미만, 또는 5 Å 내지 500 Å 범위 내, 또는 10 Å 내지 400 Å 범위 내, 또는 25 Å 내지 500 Å 범위 내, 또는 50 Å 내지 300 Å 범위 내, 또는 50 Å 내지 200 Å 범위 내, 또는 50 Å 내지 150 Å 범위 내, 또는 50 Å 내지 100 Å 범위 내, 또는 100 Å 내지 500 Å 범위 내, 또는 100 Å 내지 300 Å 범위 내이다. 다른 구체예에서, 그라파이트 또는 그라파이트-함유 피니싱 층의 표면의 피크-투-밸리(PV) 조도는 1500 nm 미만, 또는 1250 nm 미만, 또는 1000 nm 미만, 또는 750 nm 미만, 또는 500 nm 미만, 또는 400 nm 미만, 또는 300 nm 미만이다.
특정 구체예에서, 보충적인 피니싱 층이 기판의 그라파이트 표면 상에 형성된다. 그라파이트 표면 층에 대한 대표적인 보충적인 피니싱 층은 금속, 산화물, DLC(다이아몬드-형 탄소), B 및 Si를 포함한다. 금속은 Ni, Cu, W, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, 및 Au를 포함한다. 산화물은 Al2O3 및 SiO2를 포함한다. Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, Al2O3, 및 SiO2는 그라파이트의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 가지며 광학 소자의 의도된 적용이 넓은 범위에 걸쳐 변화하는 온도에의 노출을 포함하는 경우 유리할 수 있다. 그라파이트 표면 상의 보충적인 피니싱 층은 또한 반사층일 수 있다. 그라파이트 표면 상의 보충적인 피니싱 층은 저 피니시를 위해 폴리싱되거나 다이아몬드 터닝될 수 있다. 그라파이트 표면 상의 보충적인 피니싱 층은 그라파이트 표면만으로부터 가능한 것보다 저 피니시의 성취를 허용하도록 선택될 수 있다.
보충적인 피니싱 층의 표면의 피니시(rms 조도)는 300 Å 미만, 또는 200 Å 미만, 또는 100 Å 미만, 또는 50 Å 미만, 또는 30 Å 미만, 또는 25 Å 내지 300 Å 범위 내, 또는 25 Å 내지 250 Å 범위 내, 또는 25 Å 내지 200 Å 범위 내, 또는 25 Å 내지 150 Å 범위 내, 또는 25 Å 내지 100 Å 범위 내, 또는 40 Å 내지 200 Å 범위 내, 또는 40 Å 내지 125 Å 범위 내일 수 있다. 보충적인 피니싱 층의 표면의 피크-투-밸리(PV) 조도는 1000 nm 미만, 또는 80 nm 미만, 또는 600 nm 미만, 또는 400 nm 미만, 또는 300 nm 미만일 수 있다.
본원에 개시된 기판은 피니시된 그라파이트 표면 상 또는 그라파이트 피니싱 층 상에 형성된 보충적인 피니싱 층 상에 형성된 다양한 반사 층 또는 반사 스택을 포함하는 광학 소자용 기판으로서 기능할 수 있다. 반사 코팅은 바람직하게는 가시 광선(VIS), 근적외선(NIR), 단파 적외선(SWIR), 중파 적외선(MWIR), 및 장파 적외선(LWIR) 밴드 중 일 이상에서 높은 반사율을 제공한다. 반사 코팅은 단일 재료의 층 또는 2 이상의 재료의 다층 스택일 수 있다. 일 구체예에서, 반사 코팅은 반사 층 및 일 이상의 튜닝(tuning) 층을 포함한다. 반사 코팅은 선택적으로 장벽 층, 일 이상의 계면 층, 및 일 이상의 보호 층을 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 일 이상의 보호 층은 스택 내의 다른 층 위에 놓인다.
반사 층은 금속 층 또는 전이 금속 층을 포함할 수 있다. 반사 층은 바람직하게는 VIS, NIR, SWIR, MWIR, 및 LWIR 스펙트럼 밴드 내의 파장에서 높은 반사율을 갖는다. 반사 금속은 금속성, 비-이온성, 순수한 금속 또는 금속 합금, 및/또는 0의 원자가일 수 있다. 반사 층은 Ag, Au, Al, Rh, Cu, Pt, 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상의 원소를 포함할 수 있다. 반사 전이 금속 층의 두께는 75 nm 내지 350 nm 범위 내, 또는 80 nm 내지 150 nm 범위 내, 또는 90 nm 내지 120 nm 범위 내일 수 있다.
반사 코팅은 일 이상의 튜닝 층을 포함할 수 있다. 일 이상의 튜닝 층은 반사 코팅의 보호 층(들)과 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층 사이에 위치된다. 일 구체예에서, 튜닝 층(들)은 반사 층 및 반사 코팅의 보호 층(들) 사이에 위치된다. 튜닝 층(들)은 정의된 파장 영역 내에서 반사를 최적화하도록 설계되었다. 튜닝 층(들)은 전형적으로 높은 및 낮은 굴절률 재료, 또는 높은, 중간, 및 낮은 굴절률 재료의 교차의 조합을 포함한다. 튜닝 층에 사용되는 재료는 바람직하게는 0.4 ㎛ 내지 15.0 ㎛의 파장 범위에서 낮은 흡수율을 갖는다. 튜닝 층의 대표적인 재료는 YbF3, GdF3, YF3, YbOxFy, GdF3, Nb2O5, Bi2O3, 및 ZnS를 포함한다. 튜닝 층(들)은 75 nm 내지 300 nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 일 구체예에서, 반사 코팅은 튜닝 층으로서 YbF3 및 ZnS를 포함한다.
반사 층 및 튜닝 층(들)은 직접 접촉하거나 일 이상의 계면 층이 반사 층 및 튜닝 층(들) 사이에 존재할 수 있다. 계면 층(들)은 접착을 촉진시키거나 갈바닉 호환성(galvanic compatibility)을 제공할 수 있다. 계면 층(들)은 접착에 충분한 두께를 가질 필요가 있으나, 또한 반사 층으로부터 반사되는 광의 흡수를 최소화하기에 충분히 얇아야 한다. 반사 층과 튜닝 층(들) 사이에 위치된 계면 층(들)은 5 nm 내지 20 nm, 또는 8 nm 내지 15 nm, 또는 8 nm 내지 12 nm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 반사 층과 튜닝 층(들) 사이에 위치된 계면 층(들)은 Nb2O5, TiO2, Ta2O5, Bi2O3, ZnS 및 Al2O3 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 반사 층은 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층과 직접 접촉한다. 또 다른 구체예에서, 광학 소자는 반사 층과 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층 사이에 장벽 층 및/또는 계면 층을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 광학 소자는 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층과 직접 접촉하는 장벽 층을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 광학 소자는 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층과 직접 접촉하는 장벽 층 및 장벽 층과 직접 접촉하는 계면 층을 포함한다. 계면 층은 반사 층과 장벽 층 사이, 또는 장벽 층과 갈바닉-양립성 층 사이의 접착을 촉진시킬 수 있다. 계면 층은 또한 반사 코팅의 그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층과의 갈바닉 양립성, 또는 장벽 층의 반사 층과의 갈바닉 양립성을 보장할 수 있다. 장벽 층은 반사 층과 그라파이트 기판 사이의 갈바닉 양립성을 보장할 수 있다.
대표적인 장벽 층은 Si3N4, SiO2, TiAlN, TiAlSiN, TiO2, DLC(다이아몬드-형 탄소), Al, CrN, 및 SixNyOz를 포함한다. 장벽 층은 100 nm 내지 50 ㎛ 범위 내, 또는 500 nm 내지 10 ㎛ 범위 내, 또는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 장벽의 두께를 결정하는 기준 중 하나는 제품이 염수 분무 테스트(salt fog test)를 견뎌야 하는 시간이다. 염수 분무 테스트의 지속 시간이 길수록, 장벽 층의 요구되는 두께는 더 커진다. 24 시간의 염수 분무 테스트의 경우, 10 ㎛의 장벽 층이 충분할 수 있다. 장벽 층의 두께는 또한 광학 소자의 특징을 왜곡시키지 않고 온도의 변화를 수용하도록 조정될 수 있다. 작동 온도 범위가 증가함에 따라 열적 응력이 증가하므로, 보다 얇은 장벽 층이 큰 온도 변화를 겪는 배치 환경에서 특징 왜곡을 피하기 위해 권장된다.
그라파이트 또는 보충적인 피니싱 층과 반사 층 사이에 위치된 대표적인 계면 층은 Ni, Cr, Ni-Cr 합금(예를 들어, 니크롬(Nichrome)), Ni-Cu 합금(예를 들어, 모넬(Monel)), Ti, TiO2, ZnS, Pt, Ta2O5, Nb2O5, Al2O3, AlN, AlOxNy, Bi, Bi2O3, DLC(다이아몬드-형 탄소), MgF2, YbF3, 및 YF3 중 하나 이상을 포함한다. 계면 층은 0.2 nm 내지 25 nm 범위 내의 두께를 가질 수 있으며, 여기서 계면 층이 금속인 경우 두께 범위의 하한(예를 들어, 0.2 nm 내지 2.5 nm, 또는 0.2 nm 내지 5 nm)가 적절하고(반사 코팅을 통과하는 광의 기생 흡광(parasitic absorbance)을 방지하기 위해), 계면 층이 유전체인 경우 두께 범위의 상한(예를 들어, 2.5 nm 내지 25 nm, 또는 5 nm 내지 25 nm)이 적절하다.
보호 층은 스크래치에 대한 내성, 기계적 손상에 대한 내성, 및 화학적 내구성을 제공한다. 보호 층의 대표적인 재료는 YbF3, YbFxOy, YF3 및 Si3N4를 포함한다. 보호 층(들)은 반사 코팅의 상단 층이다. 보호 층(들)은 60 nm 내지 200 nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
달리 명확하게 언급되지 않는 한, 본원에 설명된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 이해될 것을 의도하는 것은 아니다. 따라서, 방법 청구항이 그것의 단계에 의해 뒤따를 순서를 기술하지 않거나 청구항 또는 설명에 상기 단계가 특정 순서로 제한되어야 함이 달리 명시되지 않는 경우, 임의의 특정 순서가 암시되도록 의도된 것은 아니다.
예시된 구체예의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형이 만들어질 수 있음은 본 기술분야의 기술자에게 명백할 것이다. 예시된 구체예의 사상 및 본질을 포함하는 개시된 구체예의 변형, 조합, 하위(sub)-조합 및 변화가 본 기술분야의 기술자에게 발생할 수 있으므로, 설명은 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내의 모든 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (37)
- 베이스 기판, 상기 베이스 기판은 비-산화물 세라믹을 포함하며; 및
상기 베이스 기판과 직접 접촉하는 그라파이트 층, 상기 그라파이트 층은 상기 베이스 기판과 반대 면의 표면을 포함하고, 상기 표면은 25 Å 미만의 rms 표면 조도(roughness)를 포함하며; 및
상기 그라파이트 층의 상기 표면 상의 반사 층을 포함하는 광학 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 비-산화물 세라믹은 보론 카바이드 또는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 그라파이트 층의 상기 표면은 다이아몬드-터닝된(diamond-turned) 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 광학 소자는 상기 그라파이트 층과 직접 접촉하는 금속 층을 더욱 포함하며, 상기 금속 층은 상기 그라파이트 층과 베이스 기판 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 광학 소자는 상기 그라파이트 층과 상기 베이스 기판 사이에 유기 접착 층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 반사 층은 상기 그라파이트 층의 상기 표면과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 피니싱 층(finishing layer) 어셈블리(assembly)를 베이스 기판 어셈블리에 결합시키는(joining) 단계, 상기 피니싱 층 어셈블리는 그라파이트 층을 포함하고, 상기 베이스 기판 어셈블리는 비-산화물 세라믹을 포함하는 베이스 기판을 포함하며; 및
상기 베이스 기판과 반대 면의 상기 그라파이트 층의 표면 상에 반사 층을 형성하는 단계를 포함하는 광학 소자를 만드는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 비-산화물 세라믹은 보론 카바이드 또는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자를 만드는 방법. - 청구항 8 또는 9에 있어서,
상기 피니싱 층 어셈블리는 상기 그라파이트 층과 직접 접촉하는 금속화 층을 더욱 포함하며, 상기 금속화 층은 상기 그라파이트 층과 베이스 기판 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 소자를 만드는 방법. - 삭제
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