KR20220055655A - 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈 및 이를 위한 증착 방법 - Google Patents

개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈 및 이를 위한 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈에 관한 것이다. 코팅 렌즈는 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 제1 층(11); 제1 층(11)에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층(11)의 한쪽 면에 형성된 제2 층(12); 및 제2 층(11)에 비하여 작은 두께를 가지면서 제1 층(11)의 다른 면에 형성된 제2 층(13)을 포함하고, 제2 층(12) 또는 제3 층(13)은 Ti3O5, SiO2, MgF2 및 SiO2/Al2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 소재로 형성되는 적어도 두 개의 층을 포함한다.

Description

개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈 및 이를 위한 증착 방법{A Coating Lens Having an Enhancing Coating Lens and a Depositing Method for the Same}
본 출원은 산업통상자원부 산하 한국산업기술진흥원 관리 자유무역지역 경쟁력 강화사업(상생협력생태계구축,수요맞춤형 기업지원)인 마산자유무역지역 경쟁력 강화사업(주관기관 경남테크노파크)에 따른 것으로 출원 진행에 감사를 표합니다.
본 발명은 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈 및 이를 위한 증착 방법에 관한 것이고, 구체적으로 렌즈의 내충격성 및 내후성이 향상되도록 하는 코팅 층이 형성된 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈 및 이를 위한 증착 방법에 관한 것이다.
굴절에 의하여 광을 모으거나 분산시키는 광학 수단에 해당하는 렌즈는 유리와 같은 투명 소재로 만들어지거나, 유리 또는 합성수지 소재로 만들어질 수 있다. 이와 같은 소재로 만들어지는 렌즈에 다양한 형태의 코팅 층이 형성되어 렌즈의 사용 목적에 적합하도록 만들어질 수 있다. 예를 들어 안경용 렌즈에 눈부심 방지 및 선명한 시야의 확보를 위하여 반사 방지 코팅(Anti-Reflection Coating) 층이 형성될 수 있다. 또한 카메라 렌즈, 자동차 램프의 렌즈 또는 후사경의 렌즈의 경우 각각의 사용 환경 또는 용도에 따라 적절하게 코팅이 될 필요가 있다. 이와 같은 코팅 렌즈와 관련하여 특허공개번호 10-2019-0010221은 ta_c 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학 렌즈에 대하여 개시한다. 또한 특허공개번호 10-2019-0053865는 광범위한 입사각에 걸쳐 가시광의 반사를 크게 감소시키는 반사 방지 코팅을 주면 중 어느 하나의 상에 포함하는 광학 렌즈에 대하여 개시한다. 렌즈 코팅 층은 기본적으로 높은 투과율을 가지면서 보호 기능을 위하여 충분한 강도를 가질 필요가 있다. 또한 사용 목적에 따라 열 충격에 대한 충분한 저항을 가지면서 내화학성을 가질 필요가 있다. 그러나 선행기술은 이와 같은 특성을 가진 코팅 층이 형성된 렌즈에 대하여 개시하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
선행기술 1: 특허공개번호 10-2019-0010221(한국광기술원, 2019.01.30. 공개) ta-C 및 Y2O3 코팅 박막층을 구비한 하이브리드 적외선 광학렌즈 선행기술 2: 특허공개번호 10-2019-0053865(에씰로 안터나시오날, 2019.05.20. 공개) 다각 효율을 갖는 반사 방지 코팅을 포함하는 광학 렌즈
본 발명의 목적은 높은 강도를 가지면서 열 충격에 강하고, 내화학성 및 스크래치에 대한 저항성이 크고 이와 동시에 얼룩이 생기지 않는 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 코팅 렌즈는 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 제1 층; 제1 층에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층의 한쪽 면에 형성된 제2 층; 및 제2 층에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층의 다른 면에 형성된 제2 층을 포함하고, 제2 층 또는 제3 층은 Ti3O5, SiO2, MgF2 및 SiO2/Al2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 소재로 형성되는 적어도 두 개의 층을 포함한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제2 층 또는 제3 층은 적어도 두 개의 동일 층 구조를 포함한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제2 층과 제3 층은 동일 층 구조를 포함한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 평균 반사율(Ravg) 및 절대 반사율(Rabs)이 각각 1.5 % 이하 및 2.5 % 이하가 된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 8 내지 12 층의 서브 코팅 층을 형성하고, 전체 코팅 층의 두께는 4 내지 5 ㎛가 된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 350 ㎚ 이하 파장 대역은 차단된다.
본 발명에 따른 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈는 코팅 층의 흠집 발생 또는 얼룩 발생의 방지가 가능하도록 한다. 또한 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 열 충격에 강하면서 내화학성이 높으면서 내구성을 가진다. 이와 같은 특징으로 인하여 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 자동차용 렌즈로 적용될 수 있고, 예를 들어 자동차의 자율 주행을 위한 센서 카메라 렌즈로 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈에 형성된 코팅 층의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 코팅 렌즈에 형성된 코팅 층의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 코팅 렌즈에 대한 시험 결과를 도시한 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈에 형성된 코팅 층의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈는 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 제1 층(11); 제1 층(11)에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층(11)의 한쪽 면에 형성된 제2 층(12); 및 제2 층(11)에 비하여 작은 두께를 가지면서 제1 층(11)의 다른 면에 형성된 제3 층(13)을 포함하고, 제2 층(12) 또는 제3 층(13)은 Ti3O5, SiO2, MgF2 및 SiO2/Al2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 소재로 형성되는 적어도 두 개의 층을 포함한다.
코팅 층은 렌즈 기재(S)의 한쪽 표면에 형성될 수 있고, 광이 유입되는 입사 면에 형성될 수 있다. 코팅 층은 다수 개의 층으로 이루어질 수 있고, 예를 들어 8 내지 12 층의 서브 코팅 층으로 이루어질 수 있다. 각각의 서브 코팅 층은 서로 다른 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 각각의 서브 코팅 층은 20 내지 1,500 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 서브 코팅 층의 형성을 위한 소재는 예를 들어 Al2O3, Ti3O5, SiO2, MgF2 및 SiO2/Al2O3(혼합물)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 소재가 될 수 있고, 각각의 서브 코팅 층은 예를 들어 진공 증착(Sputtering) 방식으로 형성될 수 있지만 이에 제한되지 않고 다양한 방법으로 각각의 서브 코팅 층이 형성될 수 있다. 코팅 층이 Al2O3로 형성되는 경우 코팅 층의 강도가 증가한다는 이점을 가지지만 광 투과율이 낮아질 수 있다는 단점을 가진다. 그러므로 산화알루미늄 코팅 층은 내부 층으로 형성되면서 얇은 두께를 가지는 것이 유리하다. 또한 적어도 두 개의 서브 코팅 층이 산화알루미늄 코팅 층의 한쪽 및 다른 쪽 면에 형성되어 전체 강도를 증가시키면서 충격 저항성이 향상되도록 할 수 있다. MgF2 코팅 층은 투과율이 높지만 고온 다습한 환경에 박리 현상을 유발시킬 수 있다. 그러므로 습기의 침투가 방지되도록 내부 서브 코팅 층을 형성하거나, 실외 환경 조건 또는 습한 환경에서 렌즈가 사용되어야 하는 경우 MgF2 코팅 층은 형성되지 않는 것이 유리하다. Ti3O5 또는 SiO2 서브 코팅 층은 강도가 높으면서 투과율이 높다는 장점을 가진다. 이와 함께 렌즈에 대한 부착성이 높으면서 표면 마찰 계수가 낮으므로 렌즈와 접촉되는 내부의 서브 코팅 층 또는 외부 환경과 접촉되는 외부 서브 코팅 층으로 형성되는 것이 유리하다. SiO2/Al2O3(혼합물)은 중량 비율로 SiO2:Al2O3 =100:10 내지 100의 비율로 혼합될 수 있다. 다만 SiO2/Al2O3(서브 코팅 층은 투과율 및 강도가 동시에 높아지도록 한다는 이점을 가지지만 표면 얼룩 또는 흠집이 발생될 수 있다는 단점을 가지므로 외부 환경과 접촉되는 코팅 층으로 사용되지 않는 것이 유리하다. 이와 같은 각각의 코팅 약품의 특성에 따라 다수 개의 서브 코팅 층의 적층 구조가 결정될 수 있다. 예를 들어 도 1에 도시된 것처럼, 코팅 층은 위에서 설명된 것과 같은 소재로 형성되는 다수 개의 서브 코팅 층으로 이루어질 수 있다. 코팅 층은 Al2O3 소재의 적어도 하나의 서브 코팅 층을 포함할 수 있다. 구체적으로 코팅 층의 형성을 위하여 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 제1 층(11)이 형성될 수 있고, 제1 층(11)은 하나의 서브 코팅 층으로 이루어질 수 있다. 그리고 제1 층(11)의 아래쪽 부분에 적어도 하나의 서브 코팅 층으로 이루어진 제 2층(12)이 형성될 수 있다. 그리고 제1 층(11)의 위쪽 부분에 적어도 하나의 서브 코팅 층으로 이루어진 제3 층(13)이 형성될 수 있다. 제2 층(12) 또는 제3 층(13)은 동일한 층 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어 동일한 소재의 서브 코팅 층을 포함하거나, Ti3O5 와 SiO2, 소재의 연속 서브 코팅 층을 포함할 수 있다. 이와 같이 제2 층(12)과 제3 층(13)이 동일한 서브 코팅 층 구조를 포함하도록 형성하는 것에 의하여 렌즈 초점이 변하는 것이 방지되도록 하면서 다양한 수차의 발생으로 이미지의 변형이 방지되도록 한다. 또한 도 1의 (나)에 도시된 것처럼, 제2 층(12)은 제1, 2 및 3 구조 층(12a, 12b, 12c)으로 이루어지면서 각각의 구조 층(12a, 12b, 12c)은 동일한 서브 코팅 층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 제2 및 3 구조 층(12a, 12b, 12c)은 Ti3O5 및 SiO2의 서브 코팅 층으로 이루어질 수 있다. 제2 층(13)이 이와 같은 구조로 이루어지는 경우 제3 층(13)은 동일한 서브 코팅 층을 포함하면서 서브 코팅 층의 배열이 제1 층(11)을 기준으로 동일하도록 형성될 수 있다. 제2 또는 제3 층(12 또는 13)은 제1 층(11)을 기준으로 초점의 변화 또는 이미지의 변형이 방지될 수 있는 다양한 구조로 만들어질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다. 제시된 실시 예에서 렌즈 기재(S); 제2 층(12); 제1 층(11); 및 제3 층(13)의 순서로 코팅 층이 형성되는 것으로 제시되어 있지만 렌즈 기재(S)에 제3 층(13)이 형성되고, 이후 제1 층(11) 및 제2 층(12)이 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 코팅 렌즈에 형성된 코팅 층의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 코팅 층은 기준 층(21)을 기준으로 기준 층(21)의 위쪽 및 아래쪽에 형성되는 동일한 층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어 기준 층(21)은 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 하나의 서브 코팅 층이 될 수 있다. 기준 층(21)의 아래 쪽에 각각 Ti3O5 및 SiO2의 서브 코팅 층으로 이루어진 제1, 2 특성 구조 층(24a, 24b)이 형성될 수 있다. 그리고 기준 층(21)의 위쪽 면에 결합 서브 층(22)이 형성되고, 결합 서브 층(22)의 위쪽에 제1, 2 특성 구조 층(24a, 24b)과 동일한 서브 코팅 층으로 이루어진 제3, 4 특성 구조 층(24c, 24c)이 형성될 수 있다. 그리고 4 구조 층(24c, 24c)은 얼룩, 이물질 흡착 또는 흠집이 방지되도록 하는 서브 코팅 층을 포함할 수 있고, 예를 들어 Ti3O5 또는 SiO2 소재의 서브 코팅 층을 포함할 수 있다. 코팅 층(21, 22, 23, 24a 내지 24d)을 형성하는 서브 코팅 층은 다양한 두께를 가질 수 있다. 그리고 코팅 층(21, 22, 23, 24a 내지 24d) 전체의 두께는 2 내지 10 ㎛, 바람직하게 3 내지 6 ㎛, 가장 바람직하게 4 내지 5 ㎛가 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
아래에서 이와 같은 코팅 층을 가진 코팅 렌즈의 물리적 특성 또는 광학적 특성에 대하여 설명된다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 코팅 렌즈에 대한 시험 결과를 도시한 것이다.
도 3a의 특성 시험에서 코팅 층의 구조는 아래와 같고, 두께 단위는 ㎚가 되고, S, T 및 A는 각각 SiO2, Ti3O5 및 Al2O3를 나타내고, 3b 내지 3e의 실시 예에서 동일하다. 또한 서브 코팅 층의 배열은 렌즈 기재를 기준으로 하지만 위에서 설명된 것처럼 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
(i) 렌즈 기재: HOYA사 LaF3 유리 재질 또는 이에 대체가능한 CDGM사 H-LaF2 재질 렌즈
(ii) 서브 코팅 층: STSTSTSTATS(11층)
(iii) 두께(㎚): A: 70~90; STSTSTST: 3,300~3,500; TS: 1,100 내지 1,400
(iv) 열 충격 시험: 110 ℃/2시간 방치
(v) 내산성 시험: 황산원액/2시간 방치
(vi) 투과율은 HITACHI의 SPECTROPHOTONMETER U4100 장비에 의하여 시험되었고, 코팅 면을 커터로 긁어 흠집 시험이 되었고, 렌즈 절삭면에 흑칠을 한 후 열경화 및 초음파 세척공정으로 얼룩 시험이 됨.
도 3a의 (가)를 참조하면, 좌측의 열 충격 및 내산성 시험 결과에서 나타난 것과 같이 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 열 충격에 강하면서 높은 내산성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한 커터로 긁는 경우 흠집이 발생되지 않았고, 얼룩이 남지 않는 것으로 확인되었다. 또한 도 3a의 (나)를 참조하면, X축은 파장(wavelength:㎚), Y축은 반사율(Reflectance:%)을 각각 나타낸 것으로, AOI(Automatic Optical Inspection) = 0도(400 내지 700 ㎚: blue) 및 45도(400 내지 700 ㎚)에서 Ravg ≤ 0.8 %, Rabs ≤1.0 %; 및 Ravg ≤ 1.5 %, Rabs ≤2.5%가 된다는 것을 알 수 있다.
도 3b 내지 도 3e의 특성 시험 조건은 각각 아래와 같고, 시험은 도 3a와 동일한 방법으로 이루어졌다.
도 3b:
(i) 렌즈 기재: HOYA 사의 FC5 유리 재질 또는 이에 대체가능한 CDGM사 H-QK3L 재질 렌즈
(ii) 서브 코팅 층: SA1TA2TA3TS(8층)
(iii) 두께(㎚): A3:90~120; A2: 250 내지 280; A1 450 내지 500; TS: 850 내지 1,200; T: 80 내지 100; S: 1,500 내지 2,000
도 3c:
(i) 렌즈 기재: HOYA사의 TAFD25 유리 재질 또는 이에 대체가능한 CDGM사 H-ZLaF75A 재질 렌즈
(ii) 서브 코팅 층: STSTSTSTATS(11층)
(iii) 두께(㎚): A: 70~90; STSTSTST: 3,300~3,500; TS: 1,100 내지 1,400
도 3d:
(i) 렌즈 기재: HOYA 사의 TAC8 유리 재질 또는 이에 대체가능한 CDGM사 H-LaK52 재질 렌즈
(ii) 서브 코팅 층: STSTSTSTATS(11층)
(iii) 두께(㎚): A: 70~90; STSTSTST: 3,300~3,500; TS: 1,100 내지 1,400
도 3e:
(i) 렌즈 기재: HOYA 사의 FDS18W 유리 재질 또는 이에 대체가능한 CDGM사 H-ZF88 재질 렌즈
(ii) 서브 코팅 층: STSTSTSTATS(11층)
(iii) 두께(㎚): A: 70~90; STSTSTST: 3,300~3,500; TS: 1,100 내지 1,400
도 3b 내지 도 3e를 참조하면, 좌측의 열 충격 및 내산성 시험 결과에서 나타난 것과 같이 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 열 충격에 강하면서 높은 내산성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한 커터로 긁는 경우 흠집이 발생되지 않았고, 얼룩이 남지 않는 것으로 확인되었다. 또한 우측의 그래프에서 X축은 파장(wavelength:㎚), Y축은 반사율(Reflectance:%)을 각각 나타낸 것으로, AOI(Automatic Optical Inspection) = 0도(400 내지 700 ㎚: blue) 및 45도(400 내지 700 ㎚)에서 Ravg ≤ 0.8 %, Rabs ≤1.0 %; 및 Ravg ≤ 1.5 %, Rabs ≤2.5%가 된다는 것을 알 수 있다.
각각의 시험에서 서브 코팅 층을 형성하는 SiO2와 Ti3O5의 두께가 조절되었고, SiO2와 서브 코팅 층이 Ti3O5 서브 코팅 층의 두께는 사용 환경에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 두께 비율로 SiO2: Ti3O5 =1,000: 50 내지 1,200이 되도록 각각의 서브 코팅 층의 두께가 조절되었다. 시험 결과로부터 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 열 충격, 내산성, 긁힘 또는 얼룩에 대한 저항성이 크고 이로 인하여 가혹한 실외 환경 조건에서 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 본 발명에 따른 코팅 렌즈는 자동차용 렌즈로 사용될 수 있고, 바람직하게 자동차 자율 주행을 위한 센서용 카메라로 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
11: 제1 층 12: 제2 층
13: 제3 층 21: 기준 층

Claims (6)

  1. 산화알루미늄(Al2O3) 소재의 제1 층(11);
    제1 층(11)에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층(11)의 한쪽 면에 형성된 제2 층(12); 및
    제2 층(11)에 비하여 큰 두께를 가지면서 제1 층(11)의 다른 면에 형성된 제3 층(13)을 포함하고,
    제2 층(12) 또는 제3 층(13)은 Ti3O5, SiO2, MgF2 및 SiO2/Al2O3로 구성된 그룹으로부터 선택된 소재로 형성되는 적어도 두 개의 층을 포함하는 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서, 제2 층(12) 또는 제3 층(13)은 적어도 두 개의 동일 층 구조를 포함하는 개선된 코팅 층을 가진 코팅 렌즈.
  3. 청구항 1에 있어서, 제2 층(12)과 제3 층(13)은 동일 층 구조를 포함하는 개선된 구조 층을 가진 코팅 렌즈.
  4. 청구항 1에 있어서, 평균 반사율(Ravg) 및 절대 반사율(Rabs)이 각각 1.5 % 이하 및 2.5 % 이하가 되는 것을 특징으로 하는 개선된 구조 층을 가지는 코팅 렌즈.
  5. 청구항 1에 있어서, 8 내지 12 층의 서브 코팅 층을 형성하고, 전체 코팅 층의 두께는 4 내지 5 ㎛가 되는 것을 특징으로 하는 개선된 구조 층을 가지는 코팅 렌즈.
  6. 청구항 1에 있어서, 350 ㎚ 이하 파장 대역은 차단되는 것을 특징으로 하는 개선된 코팅 층을 가지는 코팅 렌즈.
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