Ⅰ.서 론

세극등 현미경을 사용하여 건조안 검사를 하거나 하드 콘택트렌즈 피팅 시 플루레신(Fluorescein)과 코발트 블루 필터를 사용하여 눈물의 패턴을 관찰할 수 있다. 녹색과 어두운 색은 눈물 층의 유무를 나타 내어 눈의 건조 상태나 콘택트렌즈와 각막 틈새를 파 악할 수 있다.^1-4)

플루레신의 흡수스펙트럼과 방출스펙트럼은 Fig.1 과 같다. 흡수는 파장 400nm에서 파장이 증가할수록 점점 커지다 약 485nm에서 최대가 되고 이 후 가파 르게 감소하여 약 525nm에서 영이 된다. 방출은 약 480nm에서 시작하여 가파르게 증가하다가 약 520nm에서 최대가 되고 이후 점점 감소하여 약 630nm에서 영이 된다. 현재 사용되는 코발트 플루 필터는 착색필터로 투과율이 최대가 되는 파장 영역 이 390nm에서 410nm이며, 최대 파장을 정점으로 가 우시안 분포를 가진다. 코발트 블루 필터의 최대 투 과 파장과 플루레신 최대 흡수 파장의 차이가 많이 나는데, 이러한 차이는 두 스펙트럼이 겹치는 부분이 적어져 플루레신 흡수 빛이 적어지므로 플루레신의 발광 빛의 세기가 약해진다. 특히 관찰하고자 부위를 이미지 캡쳐(Image capture)할 경우에는 플루레신 흡수 빛과 플루레신 방출 빛을 구별하지 못한다.⁵⁾ 만 약 투과율이 최대가 되는 파장을 485nm~500nm의 착색 필터를 사용한다면 각막에 입사하는 빛과 플루 레신이 흡수하는 빛이 많이 겹쳐져서 명도대비가 증 가하나, 입사하는 빛과 플루레신이 방출하는 빛이 겹 쳐져서 명도대비가 낮아지는 현상이 발생하므로 전체 적으로 명도대비가 크게 개선되지 않는다.

플루레신을 관찰하기 좋은 이상적인 필터의 스펙 트럼은 필터에서 방출되는 빛을 플루레신이 전부 흡 수하고 플루레신이 방출하는 빛과 겹치지 않는 것이 다. 그러나 Fig. 1처럼 플루레신의 흡수 스펙트럼과 방출스펙트럼이 480nm에서 520nm에서 겹치기 때문 에, 450nm~500nm 대역 투과필터를 만들 경우 필터 에서 방출되는 빛의 많은 부분이 플루레신에서 흡수 되며 플루레신에서 방출되는 빛과 일부분만 겹치기 때문에 이상적인 필터에 가장 가까운 필터가 되리라 여겨진다. 이러한 이상적인 450nm~500nm 대역 투 과필터를 지난 번 연구에서 설계하였으며,⁶⁾ 이러한 설계를 바탕으로 450nm~500nm 대역 투과필터를 제작하였다.

따라서 본 연구는 관찰하고자 하는 부위의 명도대 비를 높이기 위해 코발트 블루 필터 대신에 플루레신 흡수 빛의 영역인 파장 450nm에서 500nm까지 투과 하고 그 이외 가시광선은 차단하는 450nm~500nm 대역 투과필터를 제작하였고, 이에 관한 광학적 특성 과 구조에 관해서 연구하였다.

Ⅱ.실험방법

BK7 유리 위에 800nm 두께의 TiO₂박막과 SiO₂박 막을 각각 전자 빔 증착 장치(electron beam evaporation, 새한, 1200Φ)를 사용하여 제작하였다. 분광광도계를 이용하여 BK7 유리 기판의 투과율과 기판 위에 코팅된 TiO₂박막과 SiO₂박막의 투과율을 각각 구한 후, 포락선방법⁸⁾을 이용하여 TiO₂박막과 SiO₂박막의 파장에 따른 광학상수를 각각 구하였다.

TiO₂박막과 SiO₂박막의 광학상수를 이용하여 Essential Macleod 박막 디자인 소프트웨어에서 파장 300nm~ 500nm의 단파장 투과필터와 450nm ~700nm 장파장 투과필터를 설계한 후, 두 개의 필터를 합성하여 450nm~500nm 대역만 투과하는 필터를 설계하였다.

필터제작에 있어서 기판은 직경이 28mm인 원형 BK7 유리를 사용하였으며, 알코올과 아세톤이 혼합 된 용액으로 세척하였고, BK7 유리와 두께 측정용으 로 2인치 Si(100) 웨이퍼 조각을 전자 빔 증착 장치 챔버 안에 놓고 단파장 투과필터를 만들기 위해 SiO₂ 와 TiO₂ 층을 교번으로 30층 코팅하였다. 그 후 BK7 유리의 일부와 Si(100) 웨이퍼 조각을 빼고, 단파장 투과필터가 코팅된 유리는 뒤집은 후 새로운 BK7 유 리와 Si(100) 웨이퍼 조각을 챔버 안에 놓고 SiO₂ 와 TiO₂를 교번으로 22층을 코팅하여 장파장 투과필터 와 450nm ~500nm 대역 투과필터를 만들었다. 이 때 증착온도는 할로겐램프를 이용하여 270℃로 하였 으며, 박막의 균일도를 유지하기 위해 기판을 20RPM 으로 회전시켰다. Ti₃O₅ 코팅 시 O₂가스를 공급하였 으며 증착율은 3.0A/sec이며, 코팅 중 진공도는 1.3×10⁻⁴ torr이었고, SiO₂ 코팅 증착율은 9.0A/sec 이며, 진공도는 2.0×10⁻⁵ torr이었다.

제작된 필터의 투과율을 측정하기 위해 분광광도 계(TM-2, Topcon)를 사용하였고, 단파장 투과필터, 장파장 투과필터, 대역 투과필터의 투과율을 차례로 측정한 후 각각 설계치와 비교하였다. 또한 제작된 필터의 두께와 층을 알아보기 위해 SEM으로 단파장 투과필터와 장파장 투과필터의 단면을 찍었다.

Ⅲ.결과

1.BK7 유리, SiO₂, TiO₂의 광학상수

Fig. 2(a),(b)는 파장 400~900nm 영역에서의 BK7 유리와 SiO₂의 굴절률로 각각 d선에서 1.527과 1.432이 다. Fig. 2(c),(d)는 TiO₂의 굴절률과 소멸계수로, 굴절 률은 각각 d선에서 2.229이며 소멸계수는 파장 400nm 에서 0.001, 파장 500nm에서 0.00016이고, 그 이상 파장에서는 영에 가까운 것을 알 수 있었다.

2.300nm~500nm 단파장 투과필터

Fig. 3(a)는 300nm~500nm 단파장 투과필터의 스펙트럼의 설계치와 실험치이다. 단파장 투과필터의 설계 시 500nm 이상 장파장에서는 빛을 차단해야하 고 450nm~500nm는 대부분 투과해야 한다는 조건 을 만족시켜야 한다. 지난 연구논문에서 단파장 투과 필터 설계 시 BK유리의 다른 면의 반사를 고려하지 않았으나 이번 연구에서는 설계치와 실험치를 비교하 기 위해 BK 7유리(n=1.51574, 615nm 기준)의 다른 면 반사를 고려하여 최적치를 구하였다. 구한 결과 지난 연구논문 결과와 투과율 스펙트럼의 모양은 비 슷하나 투과율이 약 4%정도 떨어진다. 이 수치는 굴 절률이 1.51574 유리에서 반사률이 약 4%이기 때문 이다. 또한 Table 1에서와 같이 TiO₂ 와 SiO₂의 층은 30층으로 지난번 설계와 같고 두께는 nm단위에서 소 수점이하에서만 차이가 나는 정도로 거의 같다.⁶⁾

300nm~500nm 단파장 투과필터의 실험치가 Fig. 3(a) 투과율 스펙트럼처럼 설계치의 모양과 비슷하나 파장 490nm근처에서 투과율이 약 20%가 떨어지고 350nm~400nm에서는 차이가 많이 난다. 이는 층 수 가 커짐에 따라 박막의 균일도가 좋지 않아 필터의 굴절률에 약간 변화를 주어 투과율 스펙트럼의 경사 도가 큰 부분에서 차이가 나는 것으로 여겨진다. 500nm 이상에서 빛을 차단시킨 것은 각막으로 입사 하는 빛이 플루레신 방출 빛과 혼합되어 명도대비를 떨어뜨리는 것을 방지하기 위함이다.

Fig. 3(b)는 단파장 투과필터의 투과 스펙트럼에 대한 CIE 그래프와 CIE 좌표 x,y 데이터를 나타내며, 좌표는 (0.140, 0.106)인 블루색임을 알 수 있었다.

3.450nm~700nm 장파장 투과필터

Fig. 4(a)는 450nm 이상의 장파장 투과필터 스펙 트럼의 설계치와 실험치이다. 450nm~700nm 설계 시 450nm 이하 단파장은 차단시켜야 하고 450nm에 서 500nm에서는 투과시켜야 한다는 조건을 만족시 켜야 한다. 300nm~500nm 단파장 투과필터에서와 같이 BK7 유리(1.52246, 486.1nm 기준)의 다른 한 면의 반사를 고려하여 최적치를 구한 결과 450nm~ 800nm영역에서 투과율이 약 4% 떨어졌는데, 이는 300nm~500nm 단파장 투과필터 때와 마찬가지로 굴절률이 1.52246 유리에서 반사률이 약 4%이기 때 문이다. 또한 Table 2에서와 같이 TiO₂ 와 SiO₂의 층 은 22층으로 지난 연구논문 설계와 같으나, 두께는 전체적으로 약 1%미만의 차이가 있었다.⁶⁾

450nm~70nm 장파장 투과필터의 실험치가 Fig. 4(a) 투과율 스펙트럼처럼 설계치의 모양과 비슷하나 파장 450nm 이상에서의 투과율 스펙트럼이 오른쪽 으로 약간 이동했고, 300nm~330nm 사이에 있는 두 개의 피크는 나타나지 않았다. 두 개의 피크가 사라 지는 현상은 단파장 투과 스펙트럼에서와 같이 피크 의 경사가 심한 곳에서는 박막의 균일도의 영향으로 피크가 나타나지 않은 것으로 여겨진다. 투과율 스펙 트럼이 약간 이동하는 것은 역시 진공 증착 시 박막 의 균일도와 관계가 많은 데, 이는 박막의 균일도가 박막의 두께변화를 가져와 빛의 간섭에 있어서 빛의 투과율 스펙트럼의 shift현상을 야기 시키는 것으로 여겨진다. 450nm 파장 이하 투과율을 차단하는 이유 는 각막에 입사하는 빛의 많은 부분이 플루레신에서 흡수되어지도록 하기 위해서다.

Fig. 4(b)는 장파장 투과필터의 투과 스펙트럼에 대한 CIE 그래프와 CIE 좌표 x,y 데이터를 나타내며, 좌표는 (0.341, 0.391)로 노랑색이다.

4.450nm~500nm 대역 투과필터

Fig. 5(a)는 300nm~500nm 단파장 투과필터 스 펙트럼과 450nm~700nm 장파장 투과필터 스펙트럼 을 합성한 450nm~500nm 대역 투과필터의 투과율 스펙트럼의 실험치와 설계치이다. 두 필터를 합성하 게 되면 두 필터의 투과율의 공통되는 부분이 남을 것이고, 합성한 필터의 투과율 크기는 두 필터의 투 과율을 곱하는 것이다. 단파장 투과필터는 실험치가 설계치와 모양이 비슷하나 파장 490nm근처에서 투 과율이 약 20%가 떨어지고, 장파장 투과필터는 실험 치가 설계치와 비슷하며 설계치보다 전체적으로 오른 쪽으로 약간 이동되므로, 제작한 450nm~500nm 대 역 투과필터는 설계치보다 파장 450nm에서는 장파 장 투과필터의 오른쪽 이동으로 인해 설계된 대역 투 과필터 안쪽으로 약간 이동하고 파장 500nm에서는 투과율이 약 20% 떨어지는 것을 알 수 있었다.

플루레신의 흡수 스펙트럼의 세기가 파장 490nm에 서 500nm정도일 때 최대가 되므로 450nm~500nm 대 역 투과필터의 투과 스펙트럼과 상당부분 겹치게 되어 명도대비가 증가되리라 여겨진다.

Fig. 5(b)는 파장 450nm~500nm 대역 투과필터 의 투과 스펙트럼에 대한 CIE 그래프와 CIE 좌표 x,y 데이터를 나타낸다. 좌표는 (0.124, 0.149)인 블루색 이며, 단파장 투과필터의 CIE x,y 좌표 (0.140, 0.106)에서 장파장 투과필터 코팅으로 인해 파장 300nm에서 450nm 까지 차단되므로 CIE x,y 좌표가 (0.124, 0.149)으로 약간 이동했음을 알 수 있었다.

5.단파장 투과필터 와 장파장 투과필터의 단면

Fig. 6(a)는 SEM으로 찍은 300nm~500nm 단파 장 투과필터의 단면적으로 배율은 ×5000이다. 그림 에서 아래 부분은 Si(100) 웨이퍼이고 윗부분은 SiO₂ 와 TiO₂ 교번으로 30층을 코팅한 것이다. SEM사진 에서 윗부분은 30층으로, 층의 두께는 약 2.7μm로 단파장 투과필터의 설계치 두께 2772nm와 비슷하다. Fig. 6(b)는 450nm~500nm 장파장 투과필터의 단면 적으로 배율은 ×50000이다. 그림에서 보듯이 층이 뚜렷하게 나타나고 22층으로 두께는 약 1.1μ인 것으 로 장파장 투과필터의 설계치 두께 1154nm와 비슷함 을 알 수 있었다.

Ⅳ.결 론

TiO₂박막과 SiO₂박막의 파장에 따른 광학상수를 각각 구하기 위해 BK7 유리 위에 800nm 두께의 TiO₂박막과 SiO₂박막을 각각 전자 빔 증착 장치를 사 용하여 제작하였고, 분광광도계를 이용하여 BK7 유 리 기판의 투과율과 기판위에 코팅된 Ti₃O₅박막과 SiO₂박막의 투과율을 각각 구한 후, 포락선방법을 이 용하였다.

TiO₂박막과 SiO₂박막의 광학상수를 이용하여 Essential Macleod 박막 디자인 소프트웨어에서 파장 300nm~ 500nm의 단파장 투과필터와 450nm~ 700nm 장파장 투과필터를 설계한 후, 두 개의 필터를 합성하여 450nm~500nm 대역만 투과하는 필터를 설계하였다. 설계 데이터를 기반으로 전자 빔 증착 장치를 사용하여 장파장 투과필터와 단파장 투과필터와 슬릿 램프용 450nm~500nm 대역 투과필터를 제작하였다. 제작한 필터의 단면을 보기 위하여 SEM사진을 찍었고, 필터의 광투과율을 측정하기 위해 분광광도계를 사용하였다.

제작한 단파장 투과필터는 설계치와 비슷하나 파 장 490nm 근처와 350nm~400nm에서 차이가 나는 데, 이는 층 수 가 커짐에 따라 박막의 균일도가 안 좋아져서 필터의 굴절률에 약간 변화를 주어 투과율 스펙트럼의 경사도가 큰 부분에서 차이가 나는 것으 로 여겨진다. 또한, 제작된 장파장 투과필터는 설계 치의 비슷하며 실험치가 전체적으로 오른쪽으로 약간 이동된다. 그러므로 단파장 투과필터와 장파장 투과 필터를 합성한 450nm~500nm 대역 투과필터의 실 험치는 설계치와 비교해 볼 때 450nm에서는 장파장 투과필터의 실험치가 오른쪽으로 약간 이동으로 인해 대역 투과필터 설계치 안쪽으로 약간 들어가고 500nm 에서는 투과율이 약 20% 떨어지는 것을 알 수 있었다.

또한 제작한 필터의 단면은 SEM사진으로부터 단 파장 투과필터와 장파장 투과필터의 두께를 알 수 있 었다. 300nm~500nm 단파장 투과필터의 전체 두께 는 약 2.7μm로 단파장 투과필터의 설계치 두께 2772nm와 비슷하며, 450nm~500nm 장파장 투과필 터의 두께는 약 1.1μm인 것으로 장파장 투과필터의 설계치 두께 1154nm와 비슷함을 알 수 있었다.

BK7 유리 한 면에는 단파장 투과필터를 제작하고 다 른 한 면에는 장파장 투과필터를 제작하여 450nm~ 500nm 대역 투과필터를 제작하였고, 이 필터를 사용하 여 눈의 건조 상태나 콘택트렌즈와 각막 틈새를 파악할 때 관찰고자 하는 부위의 명도대비를 높이고자 한다.