KR102342322B1

KR102342322B1 - ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈

Info

Publication number: KR102342322B1
Application number: KR1020170092717A
Authority: KR
Inventors: 강희영; 인정환; 한명수
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2021-12-23
Also published as: KR20190010221A

Abstract

본 발명은 bF3 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양면 ARC를 유지하여 고투과율을 확보하고, 전체 투과율 및 내구성을 확보할 수 있는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 YbF3 코팅 박막층을 구비한 원적외선 광학렌즈는 양면 ARC를 유지하여 고투과율을 확보하고, 기존의 DLC를 100nm 내지 200nm 두께를 갖는 ta-C 보호층으로 대체하여 전체 투과율 및 내구성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.

Description

ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈{Infrared optical lens equipped with ta-C and yttrium oxide thin film}

본 발명은 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양면 ARC를 유지하여 고투과율을 확보하고, ta-C를 무반사 코팅에 적용할 수 있도록 Y2O3 등의 접착층을 얇게 증착 후 그 위에 100nm 내지 200nm 두께를 갖는 ta-C 를 형성함으로써 전체 투과율을 향상시키면서 내구성 또한 확보할 수 있는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 DLC(Diamond-like carbon) 박막은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 평활한 표면 조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 전기절연성, 화학적 안정성 그리고 높은 광학적 투과성이 있어 산업적으로 다양하게 사용되고 있다.

이러한 DLC 박막의 형성 방식은 수소의 영향에 의한 박막의 물성변화를 초래하므로 최근에는 고체상의 카본을 이용하여 수소가 함유되지 않은 박막의 코팅에 관심이 증대되고 있다. DLC에서 수소 함유는 큰 문제점의 하나로 수소 함유를 원천적으로 배제한다는 것은 큰 의미를 가진다.

DLC 박막의 형성을 위한 CVD나 PVD와 같은 종래의 화학적, 물리적 증착방법은 수소 함유와 상관없이 적외선 투과율이 평균 10% 정도 감소하며, 경도가 높지 않다는 단점이 있다. 또한, 부착력과 광학적 특성을 고려하여 다층 구조로 형성되므로 막이 두껍고 코팅공정이 복잡해져 공정효율이 감소된다.

이와 달리 FCVA 증착방법은 다른 물리적 증착방법에 비해 발생하는 이온의 에너지가 높고, 이온화율이 높으며 또한 이온 플럭스(flux)가 높기 때문에 다이아몬드에 가까운 높은 경도와 밀도를 가지며, 기판과의 부착력이 좋고 투과성이나 굴절률 등의 광학적 특성이 우수하며, 열적 안정성이 높은 DLC 박막을 증착할 수 있고, 단층의 박막 형성이 가능하다.

상술한 FCVA 증착방법으로 증착된 DLC 박막을 비정질 탄소 박막 또는 ta-C(tetrahedral amorphous carbon) 박막이라 부른다. 이러한 FCVA 증착방법은 카본 소스로 고상의 흑연을 사용하므로 수소함유를 원천적으로 방지할 수 있는 장점을 갖는다.

한편, 렌즈와 같은 광학제품에는 표면에서 반사되어 소멸되는 빛의 양을 줄여 렌즈를 통과하는 빛의 양을 증대시키기 위해 표면에 무반사(AR; Anti-Reflection) 코팅막이 형성된다. 그러나, 이러한 무반사 코팅막은 경도가 낮아 외부에 노출될 경우 쉽게 스크래치가 발생되는 문제점이 있다.

KR

10-1494439

B1

KR

10-2001-0068217

A

KR

10-2008-0015400

A

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 적외선 광학렌즈에 양면 무반사 코팅막 구조를 적용하여 고투과율을 확보할 수 있는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 적외선 광학렌즈에 구비되는 무반사 코팅막의 스크래치 방지를 위한 기존의 DLC 보다 높은 경도와 밀도를 갖고, 투과성 및 굴절률 등의 광학적 특성이 우수하면서 수소를 포함하지 않은 ta-C 박막층을 적외선 무반사 코팅에 적용함에 있어, Y2O3 등의 접착층을 얇게 증착 후 그 위에 100nm 내지 200nm 두께를 갖는 ta-C 박막층을 형성함으로써 높은 투과율과 내구성을 확보할 수 있는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 렌즈 기재부와; 상기 렌즈 기재부의 전면에 형성되는 전면 코팅부;를 구비하고, 상기 전면 코팅부는 상기 렌즈 기재부 상에 형성되는 제1 게르마늄 박막층과, 상기 제1 게르마늄 박막층 상에 형성되는 제1 황화아연 박막층과, 상기 제1 황화아연 박막층 상에 형성되는 제2 게르마늄 박막층과, 상기 제2 게르마늄 박막층 상에 형성되는 제2 황화아연 박막층과, 상기 제2 황화아연 박막층 상에 형성되는 불화이터븀 박막층과, 상기 불화이터븀 박막층 상에 형성되는 산화이트륨 박막층과, 상기 산화이트륨 박막층 상에 형성되는 비정질탄소 박막층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 비정질탄소 박막층은 100nm 내지 200nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 산화이트륨 박막층은 60nm 내지 70nm 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 불화이터븀 박막층과 상기 산화이트륨 박막층 사이에는 제3 황화아연 박막층이 개재된 것을 특징으로 한다.

상기 제3 황화아연 박막층은 300nm 이상의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈 기재부의 후면에 상기 전면 코팅부와 대응되는 후면 코팅부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 양면 ARC를 유지하여 고투과율을 확보하고, 기존의 투과율, 경도, 공정 효율이 좋지 못한 DLC를 대신하여 100nm 내지 200nm 두께를 갖는 ta-C 박막을 적외선 무반사 코팅에 적용함에 있어서, Y2O3 등의 접착층을 얇게 증착 후 그 위에 ta-C 박막을 형성함으로써 높은 투과율 및 내구성을 확보할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈의 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈의 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3는 본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 렌즈 기재부(100)와, 전면 코팅부(200) 및 후면 코팅부(300)를 구비한다.

상기 렌즈 기재부(100)는 적외선 영역에 사용할 수 있도록 중적외선과 원적외선에서 효과적으로 사용할 수 있는 재질을 적용하는 것이 바람직하며, 그 재질은 높은 굴절률과, 낮은 열분산 특성, 낮은 분산과 흡수, AR코팅의 용이성, 높은 내구성을 만족하는 것을 적용하는 것이 바람직하다.

상기 렌즈 기재부(100)의 일 예로, 게르마늄(Ge), 실리콘(Si), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 불화마그네슘(MgF2), 사파이어(Sapphire)를 적용할 수 있으며, 이외 에도 calcium fluoride, barium fluoride, sodium fluoride, sodium fluoride, lithium fluoride, potassium bromide 등의 다른 물질을 적용할 수도 있다.

한편, 상기 전면 코팅부(200)는 렌즈 기재부(100) 전면에 게르마늄(Ge)으로 형성되는 제1 게르마늄 박막층(210)과, 제1 게르마늄 박막층(210) 상에 황화아연(ZnS)으로 형성되는 제1 황화아연 박막층(220)과, 제1 황화아연 박막층(220) 상에 게르마늄으로 형성되는 제2 게르마늄 박막층(230)과, 제2 게르마늄 박막층(230) 상에 황화아연으로 형성되는 제2 황화아연 박막층(240)과, 제2 황화아연 박막층(240) 상에 불화이터븀(YbF₃)으로 형성되는 불화이터븀 박막층(250)과, 불화이터븀 박막층(250) 상에 산화이트륨으로 형성되는 산화이트륨 박막층(260)과, 산화이트륨 박막층(260) 상에 형성되는 비정질탄소 박막층(270)을 포함하여 구성된다.

상기 비정질탄소 박막층(270)은 큰 경도를 유지할 수 있도록 100nm 내지 200nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 산화이트륨 박막층(260)은 비정질탄소 박막층(270)과의 부착력을 높이면서 흡수율은 낮출 수 있도록 산화이트륨(Y₂O₃)을 적용하며, 60nm 내지 70nm 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

산화이트륨(yttrium oxide)은 근자외선 영역에서부터 적외선 영역까지 광학 코팅 용도로 사용되는 중간 굴절률의 저흡수성 물질로서, 전자빔이나 스퍼터링으로 밀도가 높은 박막층을 증착할 수 있다. 산화이트륨은 실리콘 디옥사이드층과 함께 결합하여 높은 굴절률 대비 구조를 형성하는데 사용될 수 있고, TiO₂(Titanium dioxide)와 Ta₂O₅(Tantalum pentoxide)와 같은 더 높은 굴절률의 물질과 결합하여 사용될 수도 있다.

상기 산화이트륨 박막층(260)은 300nm에서 최소 11um 범위에 걸쳐서 비흡수성이고, 글라스(glass), 게르마늄(germanium), 실리콘(silicon), 황화아연(zinc sulfide), 셀렌화아연(zinc selenide) 및 알루미늄(aluminum), 은(silver)과 같은 소재에 대한 고착력이 탁월한 성질을 가진다. 또한, 얇은 산화이트륨 박막층(260)은 비산화물 기판에서의 다층 코팅용인 고착제로서 기능을 가진다.

본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 불화이터븀 박막층(250)과 산화이트륨 박막층(260) 사이에 제3 황화아연 박막층(280)이 더 개재되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 제3 황화아연 박막층(280)은 산화이트륨 박막층(260)과 비정질탄소 박막층(270)의 스트레스를 최소화하기 위해 300nm 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 렌즈 기재부(100)의 전면 뿐만 아니라, 렌즈 기재부(100)의 후면에도 전면 코팅부(200)와 대응되는 후면 코팅부(300)가 더 구비될 수 있다.

상기 후면 코팅부(300)는 렌즈 기재부(100) 후면에 게르마늄(Ge)으로 형성되는 제1 게르마늄 박막층과, 제1 게르마늄 박막층 저면에 황화아연(ZnS)으로 형성되는 제1 황화아연 박막층과, 제1 황화아연 박막층 저면에 게르마늄으로 형성되는 제2 게르마늄 박막층과, 제2 게르마늄 박막층 저면에 황화아연으로 형성되는 제2 황화아연 박막층과, 제2 황화아연 박막층 저면에 불화이터븀으로 형성되는 불화이터븀 박막층을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 후면 코팅부(300)는 렌즈 기재부(100)를 기준으로 전면 코팅부(200)와 대칭되는 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 후면 코팅부(300)는 필요에 따라 불화이터븀 박막층(250) 저면에 산화이트륨으로 형성되는 산화이트륨 박막층과, 산화이트륨 박막층 저면에 형성되는 비정질탄소 박막층을 더 구비할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈는 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 : 렌즈 기재부
200 : 전면 코팅부
210 : 제1 게르마늄 박막층
220 : 제1 황화아연 박막층
230 : 제2 게르마늄 박막층
240 : 제2 황화아연 박막층
250 : 불화이터븀 박막층
260 : 산화이트륨 박막층
270 : 비정질탄소 박막층
280 : 제3 황화아연 박막층
300 : 후면 코팅부

Claims

렌즈 기재부와;
상기 렌즈 기재부의 전면에 형성되는 전면 코팅부;를 구비하고,
상기 전면 코팅부는
상기 렌즈 기재부 상에 형성되는 제1 게르마늄 박막층과,
상기 제1 게르마늄 박막층 상에 형성되는 제1 황화아연 박막층과,
상기 제1 황화아연 박막층 상에 형성되는 제2 게르마늄 박막층과,
상기 제2 게르마늄 박막층 상에 형성되는 제2 황화아연 박막층과,
상기 제2 황화아연 박막층 상에 형성되는 불화이터븀 박막층과,
상기 불화이터븀 박막층 상에 형성되는 산화이트륨 박막층과,
상기 산화이트륨 박막층 상에 형성되는 비정질탄소 박막층을 포함하고,
상기 불화이터븀 박막층과 상기 산화이트륨 박막층 사이에는 제3 황화아연 박막층이 개재되며,
상기 제3 황화아연 박막층은 300nm 이상의 두께로 형성되고,
상기 산화이트륨 박막층은 실리콘 디옥사이드층과 결합되거나, 이산화티타늄 또는 오산화탄탈럼과 결합된 것을 특징으로 하는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈.
제1항에 있어서,
상기 비정질탄소 박막층은 100nm 내지 200nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈.
제1항에 있어서,
상기 산화이트륨 박막층은 60nm 내지 70nm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈.
삭제
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 기재부의 후면에 상기 전면 코팅부와 대응되는 후면 코팅부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈.