Ⅰ서 론
안경렌즈에 기능성을 개발하거나 향상시키는 것은 고객에게 눈 건강을 증진시키고 눈 편안함 또는 미적 감각을 제공할 뿐만 아니라 안경산업 활성화에 큰 도 움이 되기 때문에 매우 중요하다. 안경렌즈의 코팅은 여러 가지 기능이 있는데, 일반적으로 반사방지막 코 팅과 자외선 차단 코팅을 한다. 반사방지막 코팅은 투과율을 높이고 반사율을 줄이므로 밝고 선명한 상 을 볼 수 있게 하고, 렌즈의 전･후면에서 반사된 광선 에 의해서 만들어지는 ghost가 생기지 않게 되어 쾌 적한 안경이 되도록 하며, 자외선 차단 코팅은 눈을 자외선으로부터 보호한다. 또한 선글라스와 고글에만 적용되어 왔던 반 미러 코팅1)이 일반 도수렌즈에도 미적 효과를 주기 위해 사용되기도 한다.
최근에는 안경렌즈의 전자기파 차폐 기능을 더하 기 위해 안경렌즈에 Indium Tin Oxide(ITO) 코팅을 한다. ITO는 In2O3에 Sn을 dopant로 첨가한 것으로 비저항이 10-3~10-4 Ωcm정도인 전도성 물질이기도 하고 optical band gap이 3.5~4.0 eV로 가시광선 영역의 투과율이 90%이상이 되기 때문에, 안경렌즈 반사방지 다층박막위에 코팅하여 정전하 방지와 전자 파 차폐용으로 사용된다.2-5)
또한 안경렌즈에 발수 박막 코팅을 하여 물이 안경 렌즈 코팅 면에 달라붙지 않게 한다. 물은 코팅 면과 만나면 코팅박막의 미세한 구멍으로 물과 기름이 들 어가 화학반응을 일으켜 내부식성과 내마모성과 내부 착력이 급격히 감소한다.6)
안경렌즈 위에 ITO 박막 코팅은 정전하방지와 전자 기파 차폐라는 기능성과 동시에 가시광선영역에서 투 과율을 저하시키면 안 된다. 특히 ITO 박막은 두께가 두꺼워지면 저항은 작아져 정전하 방지나 전자기파 차 폐 효과는 크나 가시광선 단파장영역에서 흡수가 있기 때문에 투과율이 많이 떨어져 문제가 된다. 또한 발수 박막은 ITO 박막, 반사 방지막과 빛의 간섭 현상이 일어 나므로 안경렌즈 투과율에 영향을 미친다.
실제로 ITO 박막 코팅과 발수박막 코팅한 안경렌 즈의 투과율은 광학회사에 따라 94%에서 98%이상으 로 다양하다.7) 아직까지 안경렌즈에서 ITO 박막과 발수 박막의 두께에 따른 안경렌즈 투과율에 관한 연 구가 보고된 적이 없다.
따라서 본 연구는 ITO 박막, 발수 박막, SiO2 박막, ZrO2 박막, 하드 코팅막의 광학상수인 굴절률과 소멸계 수를 구하고, 이러한 데이터를 사용하고 Essential Macleod program으로 ITO 박막과 발수 박막의 두께에 따라 안경렌즈의 가시광선 투과율의 변화를 연구하고 자 한다.
Ⅱ박막설계
1광학상수 측정
하드 코팅막의 파장에 따른 굴절률을 측정하기 위 해 Si 웨이퍼(wafer)를 하드코팅 액 중에 침지시키고 경화시켰다. 그 후 가변입사각 분광 타원계(variable angle spectroscopic ellipsometer; VASE, J. A. Woollam Co., Inc.)를 이용하여 65°, 70°, 75°로 빛 을 입사하여 편광파의 진폭반사계수의 크기와 관련된 Ψ와 위상차이와 관련된 Δ를 얻은 후 곡선맞춤으로 하드 코팅막의 광학상수를 구했다.
ZrO2 박막, SiO2 박막, ITO 박막, 발수 박막의 굴 절률(n)과 소멸계수(k)를 측정하기 위해 electron beam evaporation 장치(새한, 1200φ)를 사용하여 두꺼운 막을 제작하였다. 시료기판은 BK7 glass를 사용하였으며, 알코올과 아세톤이 혼합된 용액으로 세척하였다. 증착온도는 할로겐 램프를 이용하여 27 0℃로 하였으며, 박막의 균일도를 유지하기 위해 기 판을 20RPM으로 회전시켰다.
ZrO2 박막과 SiO2 박막은 분광광도계를 이용하여 BK7 기판의 투과율과 두꺼운 박막의 투과율을 구한 후 포락선 방법을 이용하여 Essential Macleod program에 입력하여 ZrO2 박막과 SiO2 박막의 파장 에 따른 광학상수를 구하였다.
ITO 박막, 발수 박막은 하드코팅 박막의 광학상수 를 구할 때처럼 가변입사각 분광 타원계를 이용하여 파장에 따른 굴절률을 구했다.
2박막설계
하드 코팅막, ZrO2 박막, SiO2 박막, ITO 박막, 발 수 박막의 광학상수를 이용하여 Essential Macleod program으로 안경렌즈 투과율을 구하였다. 안경렌즈 다층 박막은 [air/ 발수 박막/ ITO 박막/ SiO2 박막/ ZrO2 박막/ SiO2 박막/ ZrO2 박막/ hard coating 막 / Ophthalmic lens]와 같이 설계하였다.
안경모재의 굴절률은 1.56을 사용하였으며, 하드 코팅막은 1.553(d선 파장 589.2nm 기준)이다. 우선 반사방지 4층 다층 박막의 최적치를 설계하였고, 그 후 ITO 박막의 두께에 따른 가시광선 투과율을 연구 하기 위해서 반사방지 4층막 위에 ITO 박막과 발수 박막을 설계하였는데, 이 때 발수 박막의 두께는 고 정시키고 ITO 박막의 두께를 변화시키면서 가시광선 의 투과율을 관찰하였다. 또한 발수 박막의 두께에 따른 가시광선 투과율을 연구하기 위하여 ITO 박막 의 두께는 고정시키고 발수 박막의 두께를 변화시키 면서 가시광선의 투과율을 관찰하였다.
Ⅲ전산 모의실험 결과
1안경렌즈 위에 여러 가지 코팅 막의 광학상수
Fig. 1은 파장 400~900nm 영역에서의 하드 코팅 막의 굴절률로 d선에서 1.553이다. 박막 설계에서 하 드 코팅 막 아래에 있는 안경모재의 굴절률이 1.56이 기 때문에 안경모재와 하드 코팅막 경계에서 반사를 줄이기 위해 1.56에 가까운 1.553인 하드코팅 막을 선택하였다.
Fig. 2는 파장 400~900nm 영역에서의 SiO2 박막 과 ZrO2 박막의 굴절률로 d선에서 각각 1.428과 1.949이다. 굴절률이 1.428인 SiO2는 낮은 굴절률로 사용하고, 1.949인 ZrO2는 높은 굴절률로 사용하여 Essential Macleod program으로 반사방지막 코팅을 설계하였다.
Fig. 3(a), (b)는 각각 파장 400~900nm 영역에 서의 ITO 박막의 굴절률과 소멸계수로, d선에서의 굴절률은 1.863이며 소멸계수는 파장 400nm에서 0.01이고 파장 600nm에서 0.003을 나타내다가 서서 히 증가해 700nm에서 0.004를 나타낸다. 단파장의 소멸계수가 장파장보다 크기 때문에 안경렌즈 박막 설계에서 ITO 박막의 두께가 두꺼워지면 단파장의 투과율이 장파장에 비해 많이 감소할 것이라 기대된 다. Fig. 4는 파장 400~900nm 영역에서의 발수 박 막의 굴절률로 d선에서 1.605이다.
2안경렌즈 반사방지막의 최적 투과율
ITO 박막과 발수 박막의 두께에 따른 파장 380m~780nm영역에서의 안경렌즈 투과율을 연구하 기 위해서 먼저 안경모재위에 하드 코팅막과 반사방 지막 다층박막에서 가시광선 투과율의 최적치를 설계 하여야 한다. Table 1과 같이 굴절률이 1.56인 안경 모재 위에 굴절률이 1.553이고 막의 두께가 3μm인 하드코팅 막을 설계하고, 그 위에 반사 방지 다층 박 막의 요소인 굴절률이 1.949인 ZrO2 박막과 굴절률 이 1.428인 SiO2 박막을 교번으로 해 4층 다층막으로 설계하였다.
설계 결과, Fig. 5 와 같은 파장영역 380nm에서 780nm까지의 안경렌즈 투과율 스펙트럼을 얻었다. 파 장영역 380nm에서 투과율은 약 98%로 시작하여, 투과 율이 증가하다가 약간 감소하고 다시 조금씩 증가하여 500nm에서 700nm까지 투과율이 약 99.5%이고, 700nm 이상에는 서서히 감소하여 780nm에서 98.5% 를 나타내며, 400nm~700nm에서의 평균 투과율은 약 99.5%이다. 안경렌즈 양면을 고려한다면 안경렌즈 한 면의 반사율과 다른 면의 반사율이 비슷하기 때문에 안 경렌즈 전체 평균 투과율은 약 99%가 될 것이다.
3ITO 박막 두께에 따른 안경렌즈 투과율 변화
ITO 박막의 두께에 따른 안경렌즈의 380nm~ 780nm영역에서의 투과율을 연구하기 위해서 반사방 지막 다층 박막 위에 ITO 박막과 발수 박막을 설계하 고, ITO 박막은 변화시키고 발수 박막은 고정시켜서 ITO 박막 두께에 따른 투과율을 관찰하여야 한다. Table 2는 반사 방지 코팅 시 최적 설계 수치인 Table 1 에다가 ITO 박막은 1nm에서 19nm까지 2nm 씩 증가시켰고 발수 박막은 30nm로 고정시켰다.
설계 결과, Fig. 6과 같은 파장영역 380nm에서 780nm까지의 투과율 스펙트럼을 얻었다. ITO 박막 의 두께가 1nm일 때, 파장이 380nm에서 투과율은 85%이고 파장이 700nm에서 투과율은 99%이다. ITO 박막의 두께가 3nm에서는 파장 380nm에서 투과율 이 2% 감소한 83%이고 700nm에서는 0.5% 정도 감 소한다. ITO 박막의 두께가 증가함에 따라 380nm에 서는 2% 이하로 감소하며 700nm에서는 0.5 % 이하 로 감소한다. 그 결과, ITO 박막의 두께가 19nm일 때 파장이 380nm에서 투과율이 약 73%이고 700nm 에서 약 93%이다.
발수 박막의 두께를 고정시키고 ITO 박막의 두께 를 증가시키면 가시광선의 단파장 영역의 투과율이 장파장의 투과율에 비해 많이 감소되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 ITO 박막이 가시광선 단파장 영역에서 흡수가 있기 때문이다.
4발수 박막 두께에 따른 안경렌즈 투과율 변화
이번에는 발수 박막의 두께에 따른 안경렌즈의 380nm~780nm영역에서의 투과율을 연구하기 위해 서 위의 설계와 같지만 단지 다른 점은 ITO 박막 두 께는 고정시키고 발수 박막 두께는 변화를 시키는 것 이다. Table 3은 Table 2에서 ITO 박막을 1nm로 고 정시키고 발수 박막을 10nm에서 100nm로 10nm씩 증가시킨 것이다.
설계 결과, Fig. 7과 같은 파장영역 380nm에서 780nm까지의 투과율 스펙트럼을 얻었다. 발수 박막 의 두께가 10nm일 때, 파장이 380nm에서 투과율은 94%이고 파장이 700nm에서 투과율은 100%이다. 발 수 박막의 두께가 20nm에서는 파장 400nm에서 투 과율이 88% 이고700nm에서는 투과율의 변화가 거의 없었다. 발수 박막의 두께를 증가시킬 경우 파장 400nm에서의 투과율은 발수 박막의 두께가 50nm 까지 감소하다가 그 이후에서는 증가하는 것을 알 수 있으며, 파장 700nm에서의 투과율은 감소하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 ITO박막을 고정시키고 발수 박막의 두 께를 증가시킬 경우 장파장의 투과율이 감소하고 단 파장의 투과율은 발수 박막의 두께가 50nm까지 감 소하다가 그 이후에서는 투과율이 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 발수 박막의 두께가 ITO 박막, 반사 방지막과 빛의 간섭 현상을 일으키어 안 경렌즈 투과율에 영향을 미친다고 여겨진다.
Ⅳ결론
Electron beam evaporation 장비와 dipping 장비 를 이용해서 ITO 코팅, 발수 코팅, SiO2, ZrO2, 하 드 코팅 막을 제작하여 분광광도계, ellipsomter를 이용하여 ITO 박막과 발수박막의 광학상수를 구했다. 이러한 데이터를 이용하여 Macleod 프로그램으로 편 평한 안경렌즈 위에 ITO 박막과 발수 박막의 두께에 따른 안경렌즈 투과율의 변화를 관찰하였다. 안경렌 즈 위의 다층막은 [air / water-repellent / ITO / SiO2 / ZrO2 / SiO2 / ZrO2 / hard coating(1.553)/ Ophthalmic lens(1.56)]와 같이 설계하였다.
전산모의 결과, ITO 박막과 발수 박막이 없을 시 파장영역 380nm에서 투과율은 약 98%로 시작하여, 투과율이 증가하다가 약간 감소하고 다시 조금씩 증 가하여 500nm에서 700nm까지 투과율이 약 99.5% 이고, 700nm이상에는 서서히 감소하여 780nm에서 98.5%를 나타내며, 400nm~700nm에서의 평균 투과 율은 약 99.5%이다. 안경렌즈 양면을 고려한다면 안 경렌즈 한 면의 반사율과 다른 면의 반사율이 비슷하 기 때문에 안경렌즈 전체 평균 투과율은 약 99%가 될 것이다.
발수 박막의 두께를 고정시키고 ITO 박막의 두께 를 변화시키면, ITO 박막의 두께가 1nm일 때, 파장 이 380nm에서 투과율은 85%이고 파장이 700nm에 서 투과율은 99%이다. ITO 박막의 두께가 3nm에서 는 파장 380nm에서 투과율이 2% 감소한 83%이고 700nm에서는 0.5% 정도 감소한다. ITO 박막의 두께 가 증가함에 따라 380nm에서는 2% 이하로 감소하며 700nm에서는 0.5 % 정도로 감소한다. 그 결과, ITO 박막의 두께가 19nm일 때 파장이 380nm에서 투과율 이 약 73%이고 700nm에서 약 93%이다. ITO 박막의 두께를 증가시키면 가시광선의 단파장 영역의 투과율 이 장파장의 투과율에 비해 많이 감소되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 ITO 박막이 가시광선 단파장영역에서 흡수가 있기 때문이다.
ITO 박막을 고정시키고 발수 박막의 두께를 변화시 킬 경우 발수 박막 두께가 10nm일 때, 파장이 380nm에 서 투과율은 94%이고 파장이 700nm에서 투과율은 100%이다. 발수 박막 두께가 20nm에서는 파장 400nm 에서 투과율이 88% 이고 파장 700nm에서는 투과율의 변화가 거의 없었다. 발수 박막의 두께를 증가시킬 경우 파장 400nm에서의 투과율은 발수 박막의 두께가 50nm까지 감소하다가 그 이후에서는 증가하는 것을 알 수 있으며, 파장 700nm에서의 투과율은 발수 박막의 두께가 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있었다. 이 와 같은 현상은 발수 박막의 두께가 ITO 박막, 반사 방 지막과 빛의 간섭 현상을 일으키어 안경렌즈 투과율에 영향을 미친다고 여겨진다.
