KR20070022026A - 광학 재료, 광학 렌즈 및 프리즘 - Google Patents

Abstract

고굴절률로 이방성이 없고, 투과 파장 범위가 넓은 광학 재료를 얻는다. αβO₃로 이루어지고, α는 K, Ba, Sr, Ca의 적어도 하나이고, β는 Ta, Ti의 적어도 하나인 입방결정의 결정재료를 이용한다. 바람직하게는, KTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35인 입방결정의 단결정재료를 이용하여 상전이 온도를 실온 이하로 하면서 한층 더 굴절률을 높인다.

고굴절률, 이방성, 투과 파장, 광학 재료, 입방결정, 결정재료, 단결정재료,상전이, 온도, 실온, 굴절률

Description

광학 재료, 광학 렌즈 및 프리즘{OPTICAL MATERIAL, OPTICAL LENS AND PRISM}

본 발명은 광학 재료, 광학 렌즈 및 프리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고굴절률로 이방성이 없고, 투과 파장 범위가 넓은 광학 재료, 광학 렌즈 및 프리즘에 관한 것이다.

종래, 광학 렌즈, 프리즘 등의 광학 부품은, 카메라, 현미경, 망원경 등의 광학 기기, 프린터, 복사기 등 전자 사진 방식의 기록 장치, DVD 등의 광기록, 광디바이스 등에 이용되고 있다. 예를 들면, 광기록의 분야에서는 기록 밀도를 높이기 위해서 기록용의 레이저 광의 빔 직경을 될 수 있는 한 작게 할 필요가 있다. 그래서, 보다 단파장의 광을 효율적으로 집광하기 위해서, 단파장까지 높은 투과율을 유지하고, 굴절률이 가능한 한 높고, 이방성이 없는 렌즈 또는 프리즘이 필요하게 되어 있다.

예를 들면, 레이저 광의 빔 스폿 직경은, 광원의 파장 λ와 렌즈의 개구수 NA로 결정되고, 0.8×λ/NA인 것이 알려져 있다. 종래의 DVD 기록 장치에서는 파장 650nm의 반도체 레이저와 NA=0.6의 렌즈를 이용하여 5인치 디스크에 4.7GB의 정보를 기록할 수가 있다. 근년, NA를 크게 하여 파장을 짧게 한 DVD(Blu-ray) 기록 장 치가 개발되어 있다. 이 장치에서는 광원으로서 405nm의 반도체 레이저와 NA=0.85의 렌즈를 이용하여 5인치 디스크에 약 23GB의 기록 용량을 실현하고 있다.

또한, 고굴절률의 미소 렌즈를 이용하여 광의 전반사부에서의 소실광(evanescent light)에 의해 기록 밀도를 높이는 근접장(near filed) 기록 방식이 알려져 있다. 이 미소 렌즈는 솔리드 이머전 렌즈(SIL ： Solid Immersion Lens)로 불려지는 반구상의 렌즈이고 광기록 매체와 대물렌즈의 사이에 배치된다. 이러한 광학계에서는 대물렌즈를 투과한 빔 스폿 직경은 등가적으로 λ/(n× NA)로 되고(n는 SIL의 굴절률), SIL를 이용하지 않는 경우에 비해 1/n로 좁힐 수가 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조). 광기록 매체의 기록면과 SIL 저면과의 간격이 광파장의 1/4 이하인 영역에 있어서는, SIL를 투과한 레이저 광이 SIL 내부와 동일한 성질로 출사되게 되어 빔 스폿 직경은 회절 한계의 1/n로 좁혀진다.

상술한 SIL에서는, 수광각을 θ로 하였을 때, NA=n²sinθ로 되어 광학 재료의 굴절률이 크게 영향을 미친다. 이 때문에 굴절률이 높은 광학 재료가 필수 불가결하고, 집광성의 관점으로부터 광학 재료가 복굴절을 가지지 않는 균질한 재료인 것이 필수 불가결하다. 또한, 단파장까지 광투과성이 열화하지 않는 광학 재료인 것도 중요하다. SIL 이외에도, 카메라, 현미경, 스테퍼 등의 광학 부품은 실장상의 제약이 커서 될 수 있는 한 굴절률이 높고, 집광성이 높은 소형의 렌즈가 필요하다. 동일한 크기라면, NA가 크고, 집광성이 높고, 밝은 렌즈를 실현할 수 있는 것이 바람직하다. 또, 프리즘에 대해서도 마찬가지이고, 고굴절률 재료를 이용함으로 써 소형으로 충분한 분광 특성을 실현할 수가 있다.

상기의 관점으로부터, 고굴절률 유리(glass), 결정재료의 검토가 이루어져 왔다. 유리에 있어서는 La, Pb를 다량으로 함유하는 고굴절률 유리 TeO₂를 주성분으로 하는 유리가 알려져 있다. 그렇지만, 가시광 영역에 있어서 굴절률 2.2를 실현할 수 있는 광학 재료는 개발되어 있지 않고, 굴절률을 높게 하면, 400nm 부근의 광투과 특성이 열화한다고 하는 문제가 있었다.

한편, 결정재료에 대해서는 많은 산화물 결정으로 굴절률이 높은 재료를 이용한 렌즈가 발명되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 그렇지만, 결정재료에 있어서는 복굴절이 없는 광학적으로 균질한 재료는 결정 구조가 입방결정인 것에 한정된다. 특허 문헌 1에는 많은 결정이 개시되어 있지만, 등방성의 재료로서는 SrNbO₃, SrTaO₃, Bi₂₀SiO₁₂, Bi₂₀GeO₁₂, Bi₄Ge₃O₁₂, GaP에 한정되어 있다. 이들 결정에 있어서도 가시광 영역의 굴절률은 2.06∼2.22의 범위에 머물고 있다.

또, 고휘도의 액정 프로젝터 등에는, 가시광 영역의 투과성이 뛰어나고, 굴절률의 이방성이 없고, 굴절률이 높은 재료를 이용한 편광 광학계용의 프리즘이 필요하게 된다. 종래, 붕규산(borosilicte) 유리가 이용되고 있었지만, 광탄성 효과가 크다고 하는 결점이 있었다. 그래서, 납함유 유리 등의 고굴절률 유리를 이용하는 것이 검토되어 있지만, 이들 유리는 단파장 대역의 광투과 특성이 나쁘고, 액정 프로젝터에서 사용하는 파장 영역을 커버(cover)할 수가 없다고 하는 문제가 있었다.

또한, 대기오염의 계측 장치 등에는 파장 5μm 정도까지의 장파장 영역에 걸쳐서 흡수가 없고, 높은 굴절률을 가지는 광학 재료가 요구되고 있다. 지금까지 알려져 있는 광학 재료의 장파장 영역의 광투과 특성은 이하와 같다. 석영계 유리의 광투과 대역은 파장 2μm 정도까지이고 굴절률도 작다. ZBLAN(ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF) 등의 불화물 유리는 광투과 특성이 뛰어나지만 굴절률이 1.5 전후로 작다. Ge-Sb-Se 등의 카르코게나이트(Calcogenite) 유리는 광투과 특성이 뛰어나지만 독성에 문제가 있다. 따라서, 장파장 영역에 있어서 광투과 특성이 뛰어나고 굴절률이 높은 광학 재료가 요구되고 있다.

　　<특허 문헌 1> 특개 2000-19301호 공보

　　<비특허 문헌 1> 샤프기보, 「대용량 광디스크의 동향」, 제72호, 1998년 12월, pp.9-12

본 발명의 목적은 고굴절률로 이방성이 없고 투과 파장 범위가 넓은 광학 재료, 광학 렌즈 및 프리즘을 제공하는데 있다.

본 발명의 광학 재료는, 이러한 목적을 달성하기 위해서, αβO₃로 이루어지고, α는 K, Ba, Sr, Ca의 적어도 하나이고, β는 Ta, Ti의 적어도 하나인 입방결정(立方結晶)의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, α은 K, β는 Ta로 하면, 폭넓은 온도 범위에 있어서 복굴절이 없고, 가시광 영역에서 2.2∼2.4의 높은 굴절률을 얻을 수 있다. 또, KTaO_{3 -d}로 이루어지고, 산소 결손양 d가 0≤d＜10^-7인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

다른 형태에 의하면, KTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면 상전이 온도는 실온 이하면서 한층 더 굴절률을 높일 수가 있다. 또, K_{1 - y}Li_yTaO₃로 이루어지고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 입방결정의 결정재료로 하는 것도 할 수 있다.

또한, 다른 형태에 의하면, K_{1 - y}Li_yTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35이고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면, 결정의 상전이를 잠열을 수반하지 않는 2차의 상전이로 할 수가 있어 크랙(crack)의 발생 등의 문제를 해결할 수가 있다.

도 1은 KT의 굴절률의 파장 의존성을 나타내는 도이다.

도 2는 KT의 광투과 특성을 나타내는 도이다.

도 3은 KT의 산소 결손과 파장 405nm에 있어서의 흡수 계수와의 관계를 나타내는 도이다

도 4는 DVD 기록 장치의 픽업계(pick-up system)의 구성을 나타내는 도이다.

도 5는 KTN의 Nb 첨가량 x와 굴절률 및 상전이 온도와의 관계를 나타내는 도이다.

도 6은 KTN의 Nb 첨가량 x와 단파장 흡수단 및 압베수(Abbe number)와의 관계를 나타내는 도이다.

도 7은 KTN의 장파장측의 스펙트럼을 나타내는 도이다.

도 8은 Sr 첨가량 x와 상전이 온도와의 관계를 나타내는 도이다.

도 9는 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘의 구성을 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는, 광학 재료로서 K_{1 - y}Li_yTa_{1 - x}Nb_xO₃(0≤x≤1, 0≤y≤1, 이하, KLTN라고 한다)로 되는 화학식을 가지는 결정재료를 이용하여, 실온에서 입방결정으로 되는 조성을 이용한 렌즈 및 프리즘을 제작하는 것을 특징으로 하고 있다. KLTN는 입방결정으로부터 정방결정으로 온도에 의해 결정계를 바꾸는 성질을 가지고 있다. Li의 함유량이 0∼0.02, Nb의 첨가량이 0∼0.35의 영역이면, 입방결정으로부터 정방결정으로의 상전이 온도를 실온 이하로 할 수가 있다. 따라서, 실온에서의 사용에 있어서 복굴절이 없는 광학 재료가 얻어지고, 이 결정재료로 제작한 렌즈 및 프리즘은 투과광의 편광 의존성이 없어진다.

　　< KT >

　상술의 조성에 있어서, KTaO₃(x=0, y=0, 이하, KT라고 한다)는, 거의 -273℃의 상전이 온도를 가지고, 폭넓은 온도 범위에 있어서 복굴절이 없는 결정재료가 얻어진다. 이 조성에 있어서도 가시광 영역에서 2.2∼2.4의 높은 굴절률을 얻을 수 있어 광학 렌즈나 프리즘으로서의 성능은 높다. 도 1에 KT의 굴절률의 파장 의존성을 나 타내고, 도 2에 KT의 광투과 특성을 나타낸다. KTaO₃는 가시광의 파장 영역(400∼800nm)에 있어서 2.2 이상의 굴절률을 가지고 있고, 파장 400nm 부근에서는 2.38에 도달하고 있다. 또, 도 2에 나타낸 광투과 특성에 있어서는 광의 흡수단이 약 360nm이고 단파장까지 충분한 광투과성을 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 파장 400nm 부근에서는 두께 10mm의 재료로 투과율이 80% 이상 또는 이것과 동등의 투과율을 가진다.

그러나, 페로브스카이트형(Perovskite type) 산화물은, 제작 조건, 열처리 조건에 의해 쉽게 산소 결손을 일으킨다. 이 산소 결손에 의해 발생하는 캐리어(carrier)에 의한 광흡수에 의해 광투과 특성이 열화한다. 도 3에 KT의 산소 결손과 파장 405nm에 있어서의 흡수 계수와의 관계를 나타낸다. KTaO₃ 결정을 육성할 때에, 분위기 중의 산소 분압을 변화시켜 제작한 시료를 준비한다. 산소 분위기 중의 열중량 분석에 의해 증가하는 중량으로부터 산소 결손을 측정하고, 분광 광도계를 이용하여 가시광 영역의 흡수 계수를 시료마다 측정한다. 도 3에 나타낸 것처럼 산소 결손이 증대함과 아울러 흡수 계수도 증대하는 것을 알 수 있다. 렌즈 등의 실용성을 고려하면, 재료의 내부 광투과율은 1 cm당 90% 이상인 것이 바람직하다. 따라서, KT의 산소 결손은 10^-7 이하인 것이 필수 불가결이고, 그 경우, KT의 조성은 KTaO_{3 -d}(0≤d＜10^-7)로 나타난다.

또, K를 Ba, Sr, Ca 중 적어도 하나의 원소로 치환하고, 한편 Ta를 Ti로 치 환한 결정재료를 이용하는 것도 할 수 있다. 이러한 결정에서도 상전이 온도에 큰 변화를 가져오는 일 없이 굴절률을 한층 더 상승시킬 수가 있다.

　　< KTN >

또한, 굴절률이 높은 재료를 필요로 하는 경우에는 Nb를 첨가함으로써 효과적으로 굴절률을 상승시킬 수가 있다(KTa_{1 - x}Nb_xO₃ ： 0≤x≤1, y=0, 이하, KTN라고 한다). 단, KNbO₃(x=1, y=0)에서는 상전이 온도가 약 420℃로 되기 때문에, 실온에서는 복굴절을 가지게 된다. 따라서, 실온에서 이용하는 경우에는 Nb의 첨가량에 제한이 발생한다. 구체적으로는, Nb의 함유량이 Ta에 대해서 35%를 넘으면 상전이 온도가 실온 이상으로 된다. 또한, 상전이 온도가 실온 이하이더라도 보관이나 수송 온도가 상전이 온도 이하로 되는 경우에는 결정재료가 상전이를 반복하게 된다. 이 경우, 결정의 구조 변화를 수반하기 때문에 결정에 크랙(crack)이 발생하는 등 신뢰성을 저하시키는 요인으로 된다. 이것은 KTN의 조성에서는 상전이가 잠열(潛熱)을 수반하는 1차의 상전이로 되기 때문이다.

　　< KLTN >

그래서, Li를 첨가함으로써 결정의 상전이를 잠열을 수반하지 않는 2차의 상전이로 할 수가 있어 크랙의 발생 등의 문제를 해결할 수가 있다. 따라서, 보관이나 수송 온도에 비해 상전이 온도가 충분히 낮은 경우에는, KTN에 의해 충분히 고성능으로 신뢰성이 높은 렌즈 또는 프리즘을 구성할 수가 있다. 또한, 고굴절률화하고 보관이나 수송 온도와 상전이 온도가 근접해 오는 경우에는 Li를 첨가한 KLTN 가 유효하게 된다.

이상의 것으로부터 종래의 재료에서는 불가능하였던 고굴절률로 복굴절이 없는 광학 렌즈 및 프리즘을 실현할 수가 있다. 이하, 실시예를 이용하여 설명하지만 본 발명의 특허 청구의 범위를 아래와 같은 실시예에 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

　　< KT 결정으로 이루어지는 렌즈 >

TSSG법으로 육성한 KT 결정을 와이어 톱(saw)을 이용하여［100］방위로 1.2∼1.5mm 두께로 자른다. 자른 기판을 와이어 톱(saw)을 이용하여 1.2∼1.5mm의 간격으로 잘라 1.2∼1.5mm 모서리의 입방체를 제작한다. 이 입방체 결정을 연마재와 함께 용기에 넣어 교반함으로써 모서리를 떼어내어 거의 구상의 거친 연마 볼(ball)을 얻는다. 거친 연마 볼을 한층 더 연마제와 2매의 연마판에 끼워 넣고 소정의 가중을 가하면서 회전시킴으로써 직경 1.0mm의 볼 렌즈를 얻는다. 볼 렌즈를 왁스를 이용하여 연마판에 고정하고 일정 가중을 가하여 회전 연마함으로써 1면을 평탄하게 가공하여 반구상의 렌즈를 얻을 수 있다. 이 미소 반구 렌즈를 SIL로서 이용함으로써 DVD 기록 장치의 픽업을 구성한다.

도 4에 DVD 기록 장치의 픽업계의 구성을 나타낸다. 반도체 레이저로부터 출사된 레이저 광은 대물렌즈(31)를 투과하여 소정의 빔 스폿 직경으로 좁혀진다. 대물렌즈로부터 출사한 레이저 광은 SIL(32)에서 집광되고, SIL(32)의 저면에서 초점을 맺는다. 광기록 매체(33)의 기록면과 SIL(32) 저면과의 간격이 광파장의 1/4 이하로 설정되어 있고, SIL(32)로부터 배어나온 레이저 광은 소정의 빔 스폿 직경으 로 광기록 매체(33)의 기록면에 도달한다.

실시예 1에서 이용한 반도체 레이저는 685nm의 파장이다. NA=0.65의 대물렌즈와 굴절률 2.23의 KT 결정의 SIL를 이용하여, DVD 기록용의 평가 장치에 의해 기록 밀도를 평가하면, 19GBit/inch²의 기록 밀도를 실현할 수 있다. 종래의 고굴절률 유리를 SIL에 이용하는 경우는, 파장 685nm에서의 굴절률이 2.0이고, 기록 밀도는 16GBit/inch²에 머문다.

따라서, 종래의 렌즈 재료보다 높은 굴절률을 가지는 재료를 이용하여 렌즈를 구성함으로써 높은 기록 밀도를 실현할 수가 있다. 또, 실시예 1의 렌즈 재료에 의하면 집광특성이 뛰어나고 재료의 복굴절이 존재하고 있지 않은 것이 분명하다.

또, 실시예 1에 있어서는, 파장 685nm의 반도체 레이저를 이용하였지만, 도 1, 2에 나타낸 것처럼, 실시예 1의 렌즈 재료는 파장 360nm까지 렌즈의 집광특성이 양호하다. 따라서, 한층 더 단파장 영역에 있어서는 한층 더 고밀도의 기록을 실현할 수가 있다. 예를 들면, DVD 기록용의 평가 장치에 파장 405nm의 반도체 레이저와 NA=2.2의 SIL를 이용하여 5인치 디스크에 근접장 기록을 적용하면 기록 용량 150GB를 달성할 수가 있다.

<실시예 2>

　　< KTN 결정으로 이루어지는 렌즈 >

도 5에 KTN의 Nb 첨가량 x와 굴절률 및 상전이 온도와의 관계를 나타낸다. 측정 파장은 632.8nm였다. Nb 첨가량에 비례하여 굴절률이 상승하고, x=0.35에서 굴절률 2.27에 도달하고 있다. 굴절률과 마찬가지로 상전이 온도도 직선적으로 상승하고, x=0.35에서 거의 25℃로 된다. 따라서, Nb의 첨가가 굴절률의 증가에 유효한 것, 결정이 복굴절을 가지지 않는 조건으로 사용하기 위해서는, Nb 첨가량이 0.35 이하인 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

Nb 첨가량 x=0.35의 결정을 이용하여 실시예 1과 마찬가지로 SIL를 제작한다. NA=0.65의 대물렌즈와 굴절률 2.27의 KTN 결정의 SIL를 이용하여, DVD 기록용의 평가 장치에 의해 기록 밀도를 평가하면, 21GBit/inch²의 기록 밀도를 실현할 수 있다. 또, DVD 기록용의 평가 장치에 파장 405nm의 반도체 레이저와 NA=2.2의 SIL를 이용하여 5인치 디스크에 근접장 기록을 적용하면 기록 용량 160GB를 달성할 수가 있다.

한편, Nb 첨가량이 0.35 이상으로 되면, 결정의 상전이 온도가 실온에 가까와지기 때문에, 결정에 압력을 가하는 등의 외부로부터의 영향에 의해 용이하게 정방결정으로 상전이 하여 결정의 광학적 균질성을 유지할 수 없게 된다. 또, 광투과 특성이 열화하고 파장 흡수단이 400nm로 된다. 따라서, Nb 첨가량이 0.35 이상으로 되면, 렌즈로서 NA를 증가시키는 것은 가능하지만, 실용상, 광학적 균질성, 투과 특성이 얻어질 수 없다. 도 6에 KTN의 Nb 첨가량 x와 단파장 흡수단 및 압베수(Abbe number)와의 관계를 나타낸다. Nb를 많이 포함한 결정은 굴절률이 커짐과 동시에 분산이 커져 광흡수단이 장파장측으로 쉬프트(shift) 한다. 또, 광흡수단이 장파장측으로 쉬프트 함에 수반하여, 굴절률 분산양이 커지고, 즉 압베수(Abbe number)가 작아진다. KTN 재료는 Nb의 첨가에 의해, 고굴절률, 고분산으로 되는 것을 알 수 있다.

도 7은 KTN의 장파장측의 스펙트럼을 나타낸다. 세로축의 투과율은 결정의 양표면에서의 반사를 포함하고 있기 때문에 내부 투과율은 아니다. 예를 들면, 파장 4μm에 있어서의 내부 투과율은 100%이다. 이와 같이 KTN 결정은 파장 5μm까지 흡수를 가지지 않고, 높은 굴절률을 가지고 있으므로 중적외 영역에 있어서의 렌즈, 프리즘에 적용할 수가 있다.

<실시예 3>

　　< KLT >

KT에 Li를 첨가함으로써, 결정 육성 온도를 내릴 수가 있어 결정 육성 과정에 있어서 K₂O의 증발량을 저감할 수가 있다. K₂O가 증발하면 결정 제조 장치의 상부의 저온 영역에 응축하고, 응축양이 많아지면 도가니(crucible) 내부로 낙하한다. 응축물의 낙하에 의해 이를 핵으로 하는 잡결정(雜結晶)이 육성중의 용액에 떠서 결정의 안정 성장을 방해한다. 따라서, Li를 첨가함으로써, 결정의 대형화, 제품 비율의 향상을 도모할 수가 있어 렌즈의 저가격화에 공헌할 수가 있다.

KT의 육성 용액에 Li₂CO₃를 첨가하고, K_{1 - y}Li_yTaO₃(0≤y≤0.02, 이하, KLT라고 한다)의 조성의 결정을 육성한다. 조성 y를 0.02 이하로 한 것은, y＞0.02에서는 입방결정을 유지할 수 없게 되기 때문이다. 이때 K₂CO₃에 대한 Li₂CO₃의 양은 18mol%이다. 이 KLT의 굴절률은 조성 y에 대해서, 파장 405nm에서는,

　　　n(＠405nm)=2.353-0.19y

로 나타난다. 이 식으로부터 분명하듯이, Li의 첨가에 의해 결정의 굴절률은 저하하지만, 저하양은, Li의 최대 첨가량 0.02에 있어서, 불과 0.0038 정도이어서 실용상 문제가 되지 않는 범위이다. 한편, 상술한 것처럼 결정 육성 온도를 내릴 수가 있으므로 제품 비율이 20% 향상된다.

<실시예 4>

실시예 1의 결정재료에 대해서 K를 Ba로 치환하고 Ta를 Ti로 치환한 BaTiO₃는 상전이 온도가 120℃이다. 그래서, 실시예 3의 결정재료와 마찬가지로, Li에 대신하여 Sr를 첨가한 Ba_{1 - x}Sr_xTiO₃(0.34≤x≤1)을 제작한다. 도 8에 Sr 첨가량 x와 상전이 온도와의 관계를 나타낸다. 입방결정으로부터 정방결정으로의 상전이 온도는 Sr의 첨가량이 증가할수록 저하한다. 실온에서 입방결정이기 위해서는 상전이 온도가 실온 이하인 것이 바람직하고, 도 8에서 조성 x는 0.34 이상인 것이 바람직하다.

<실시예 5>

　　< KLTN >

도 5에 나타낸 것처럼, Nb 첨가량이 0.2 이상으로 되면 상전이 온도는 -100℃을 넘어간다. 따라서, 보관이나 수송 온도가 상전이 온도 이하로 될 가능성이 있고, 결정재료가 상전이를 반복함으로써 크랙의 발생 등이 생각될 수 있다. 그래서, Li 첨가량 y=0.01의 KLTN를 이용하여 크랙 발생을 억제한다.

Nb 첨가량 x=0.35의 결정을 제작하고, -45℃∼＋60℃의 온도 사이클을 실시하였다. 그 결과, Li를 첨가하지 않는 결정에서는 1000 사이클 경과후, 100 시료 중 2∼3 시료의 표면에 미소 크랙이 발생하였다. 한편, Li 첨가량 y=0.01의 결정에서는 크랙의 발생은 인정되지 않았다.

<실시예 6>

　　< KT 결정으로 이루어지는 프리즘 >

도 9에 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘을 나타낸다. 실시예 1과 마찬가지 조성의 KT 결정을 이용하여 3판식 색분리 합성 광학계에 이용되는 삼각기둥 프리즘(51a∼51d)을 4개 제작한다. 제작에는 통상의 연마 기술을 이용한다. 삼각기둥 프리즘(51a∼51d)의 직각면에는 유전체 다층막 코팅(coating)을 실시하고 각각 직각면을 접합한다. 접합된 사각기둥의 횡단면의 한쪽의 대각선으로 되는 직각면(52a, 52c)에는 RGB 신호 중 R신호를 반사하고, G신호 및 B신호를 투과하는 다층막을 붙인다. 다른 한쪽의 대각선으로 되는 직각면(52b, 52d)에는 B신호를 반사하고, R신호 및 G신호를 투과하는 다층막을 붙이고. 이와 같이 하여, RGB 신호로 분리하여 각각 변조를 가하고 나서 합성하는 3판식 색분리 합성 광학계에 이용되는 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘을 제작한다.

이 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘을 프로젝터에 설치한다. 광원은 초고압 수은 램프, 메탈하라이도(metal halide) 램프 또는 고출력 크세 논(xenon) 램프를 이용하여, 2000 루멘(lumen)의 고휘도로 화상을 투사한다. 본 실시 형태와 관련되는 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘은, 2.2W/cm²의 조사 강도로 10분간 조사하는 경우의 투과율의 열화는 1% 이하 또는 이것과 동등의 투과율 열화 특성을 가진다. 따라서, 본 프로젝터의 투사 영상은 장시간에 걸쳐 휘도가 변화하지 않고 색 연출성이 높은 영상을 유지할 수가 있다. 이와 같이, KT 결정은 고광내성, 고균질성, 고광투과 특성을 나타내므로, 이 재료를 이용한 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘은, 프로젝터 등의 고광입력의 영상 장치에 적용할 수가 있다.

<실시예 7>

　　< KTN 결정으로 이루어지는 프리즘 >

　실시예 2와 마찬가지의 KTN 결정을 이용하여 실시예 6과 마찬가지의 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘을 제작한다. 실시예 6과 마찬가지로, 3판식 색분리 합성 광학계를 구성하는 프로젝터에 적용한다. Nb를 첨가한 프리즘에 있어서도 광투과 특성, 광내성은 열화하지 않고, 실시예 6과 마찬가지로 안정된 높은 휘도의 영상을 투사할 수가 있다. 또, Li를 첨가한 KTLN 결정을 이용하는 경우에서도, 크로스 다이클로익(cross dichroic) 프리즘으로서 충분한 특성을 유지할 수가 있다.

<실시예 8>

　　< 다결정재료 >

상술한 실시예의 결정재료는 단결정재료를 이용하였지만, 다결정재료이어도, 고굴절률로 이방성이 없고 투과 파장 범위가 넓은 광학 재료를 제작할 수가 있다. 이하에서 다결정의 KT의 제작 방법에 대해서 말한다. 원료로서 K₂CO₃와 Ta₂O₅의 분말을 1：1의 몰비(mol ratio)로 혼합한 후, 백금 용기에 넣어 1000℃의 산소 분위기 중에서 10시간 가열한다. 가열에 의해 CO₂의 이탈반응과 아울러 KTaO₃가 생성된다. 생성된 KTaO₃ 분말을 가볍게 분쇄한 후에, KF 분말과 혼합하고 700℃의 산소 분위기로 5시간 가열한다. 가열에 의한 고상 반응에 의해 K₂TaO₃F가 생성된다. 이를 물에 용해하여 80℃로 가열한 후, 12시간 방치한다. 용액을 교반하면서 물을 증발시키고, 수용액 중에 침전이 생긴 것을 확인하여 여과에 의해 침전물을 회수한다. 이때 물에 의한 세정을 반복하여 HF 성분을 제거한다. 이와 같이 하여 제작한 분말은 KTaO₃ 미소 분말이고 그 평균 입자 직경은 약 10μm이다.

KTaO₃ 미소 분말에 1축 프레스기에 의해 5kg/mm²의 압력을 가하고, 직경 30mm, 두께 10mm의 펠릿(pellet)으로 성형한다. 이 펠릿을 백금 용기에 넣고, KTaO₃ 미소 분말로 덮은 후, 전기로에 넣고, 1000℃의 산소 분위기 중에서 10시간 가열한다. 자연 냉각의 후, 펠릿를 취출하면, 소결에 의해 수축하고 있고, 직경 20mm, 두께 6mm의 투명한 펠릿이 얻어진다. 여기에서는, 펠릿의 표면으로부터 K₂O가 증발하는 것을 억제하기 위해서, 마찬가지 조성의 분말로 펠릿을 덮고 있다. 전기로 내부에 K₂O를 포함하는 분말 재료를 넣고, K₂O의 증기압을 평형 증기압 이상으로 유지하 도록 하여도 좋다.

얻어진 펠릿을 전자 현미경에 의해 관찰하면, 평균 결정입자 50∼100μm의 다결정체인 것을 알 수 있다. 이 펠릿의 투과율 및 굴절률은 상술한 KT한 것과 거의 동일하고, 복굴절도 측정 한계 이하로 된다. 이 펠릿으로부터 1.2mm 모서리의 입방체를 잘라내고, 실시예 1과 마찬가지로 SIL를 제작한다. DVD 기록용의 평가 장치에 의해 기록 밀도를 평가하면, 실시예 1과 동일한 정도의 기록 밀도를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 결정재료가 입방결정이기 때문에, 단결정재료로도 다결정재료로도 광학적으로 균질한 렌즈를 제작할 수가 있다.

실시예 8에서는 고상 반응을 이용한 분말 제작을 하였지만, 콜로이드 용액 졸겔법, 공심법 등의 분말 제작 방법을 이용하여도 좋다. 또, 결정재료의 산소 결손양을 매우 낮게 억제하기 위해서, 소결하는 경우의 산소 분위기 또는 평형 분압 이상의 산소를 포함한 분위기인 것이 바람직하다.

또, KT의 다결정재료를 제작하는 과정에서, Nb₂O₅를 첨가함으로써 KTN의 다결정재료를 제작할 수가 있다. 다결정의 KTN도, 광학적으로 균질인 특성을 나타내고, 보이드(void) 등의 결함은 보이지 않고, 소결체 밀도는 거의 100%에 도달한다.

Claims (15)

1. αβO₃로 이루어지고, α는 K, Ba, Sr, Ca의 적어도 하나이고, β는 Ta, Ti의 적어도 하나인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 재료.
2. KTaO_{3 -d}로 이루어지고, 산소 결손양 d가 0≤d＜10^-7인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 재료.
3. KTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 재료.
4. K_{1 - y}Li_yTaO₃로 이루어지고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 재료.
5. K_{1 - y}Li_yTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35이고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 입방결정의 결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 재료.
6. αβO₃로 이루어지고, α는 K, Ba, Sr, Ca의 적어도 하나이고, β는 Ta, Ti의 적어도 하나인 입방결정의 결정재료로 이루어지고,

   파장 360nm∼800nm에 있어서 굴절률 2.2 이상을 가지고, 두께 10mm에 있어서의 투과율이 80% 이상 또는 이것과 동등의 투과율을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
7. 제6항에 있어서,

   상기 입방결정의 결정재료는, KTaO_{3 -d}로 이루어지고, 산소 결손양 d가 0≤d＜10^-7인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
8. 제6항에 있어서,

   상기 입방결정의 결정재료는, KTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
9. 제6항에 있어서,

   상기 입방결정의 결정재료는, K_{1 - y}Li_yTaO₃로 이루어지고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
10. 제6항에 있어서,

    상기 입방결정의 결정재료는, K_{1 - y}Li_yTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35이고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
11. αβO₃로 이루어지고, α는 K, Ba, Sr, Ca의 적어도 하나이고, β는 Ta, Ti의 적어도 하나인 입방결정의 결정재료로 이루어지고,

    파장 360nm∼800nm에 있어서 굴절률 2.2 이상을 가지고, 2.2W/cm²의 조사 강도로 10분간 조사하는 경우의 투과율의 열화가 1% 이하 또는 이것과 동등의 투과율 열화 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 프리즘.
12. 제11항에 있어서,

    상기 입방결정의 결정재료는, KTaO_{3 -d}로 이루어지고, 산소 결손양 d가 0≤d＜10^-7인 것을 특징으로 하는 프리즘.
13. 제11항에 있어서,

    상기 입방결정의 결정재료는, KTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35인 것을 특징으로 하는 프리즘.
14. 제11항에 있어서,

    상기 입방결정의 결정재료는, K_{1 - y}Li_yTaO₃로 이루어지고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 것을 특징으로 하는 프리즘.
15. 제11항에 있어서,

    상기 입방결정의 결정재료는, K_{1 - y}Li_yTa_{1 - x}Nb_xO₃로 이루어지고, 조성 x가 0≤x≤0.35이고, 조성 y가 0≤y≤0.02인 것을 특징으로 하는 프리즘.

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