Ⅰ. 서 론

세극등(Slit lamp) 현미경은 안구 조직 절편을 고 배율에서 관찰할 수 있는 가장 좋은 안과학장비이다. 세극등의 광원은 백색등을 사용하나, 세극등 앞에 여 러 가지 종류의 필터를 사용하여 빛의 세기를 조절하 거나, 일부 파장만 통과하게 하므로 관찰하고자 하는 부위의 명도대비(Contrast)를 크게 한다.¹⁾

건조안 검사나 하드 콘택트렌즈 피팅에서 슬릿 램 프를 이용하여 플루레신(Fluorescein) 방출 빛을 관 찰하기 위해 백색광의 슬릿 램프 앞에 코발트블루 필 터를 사용하고 있다.¹⁾ 코발트블루 필터를 통과한 빛 중 장파장의 빛은 필터가 차단하고 단파장 빛만 통과 하며, 이 빛이 플루레신 물질에 닿아 녹색 빛을 방출 하게 된다. 검사자는 이 빛을 관찰하여 눈 상태를 진 단하거나 하드 콘택트 렌즈의 피팅 상태를 확인 할 수 있다.

이 때 사용하는 코발트블루 필터는 착색필터로 투 과스펙트럼에서 투과율이 최대가 되는 파장 영역이 390nm에서 410nm이며,²⁾ 이러한 최대 피크를 정점 으로 가우시안 분포를 보인다. 또한 플루레신의 흡수 율이 최대가 되는 파장 영역은 플루레신의 흡수와 발 광스펙트럼(Fig. 1)으로부터 대략 485nm~500nm임 을 알 수 있다. 필터의 최대 투과 파장과 플루레신의 최대 흡수 파장의 차이가 많이 나는데, 이러한 차이 는 두 스펙트럼이 겹치는 부분이 적어져 플루레신의 흡수 빛이 적어지므로 플루레신의 발광 빛의 세기가 약해진다. 특히 관찰하고자 부위를 이미지 캡쳐 (Image capture)할 경우에는 플루레신 흡수 빛과 플 루레신 방출 빛을 구별하지 못한다. 명도대비를 증가 시키기 위해 최대 투과 파장이 420nm에서 465nm에 이르는 여러 종류의 블루 필터를 사용하여 각막에서 플루레신 관찰과 이미지 캡쳐를 한 결과 크게 개선되 지 않았다고 보고 된 바가 있다.³⁾

만약 투과율이 최대가 되는 파장 영역 485nm~ 500nm의 착색 필터를 사용한다면, 각막에 입사하는 빛과 플루레신이 흡수하는 빛이 많이 겹쳐져서 명도 대비가 증가하는 반면에 입사하는 빛과 플루레신이 방출하는 빛이 겹쳐져서 명도대비가 낮아지는 현상이 발생되어 전체적으로 명도대비가 크게 개선되지 않으 리라 여겨진다.

또한 코발트블루 필터 또는 블루 필터를 통과한 광 선은 일부는 플루레신에서 흡수되지만 일부는 각막에 서 반사가 일어나는데, 이 때 반사되는 빛과 플루레 신 방출 빛과 혼합되어 명도대비가 낮아져 슬릿 램프 현미경 앞에 옐로우 필터를 두어 각막에서 반사되는 빛을 거의 차단하지만 플루레신 방출 빛의 일부분도 차단하는 단점을 지니고 있다.⁴⁾

따라서 본 연구는 관찰하고자 하는 부위의 명도대 비를 높이기 위한 이상적인 필터를 설계하기 위해서 다음과 같이 한다. 첫째, 코발트블루 필터 또는 블루 필터 대신에 플루레신 흡수 빛의 영역인 파장 450nm 에서 500nm까지 투과하고 그 이외 가시광선은 차단 하여, 이 필터를 통과하는 많은 빛이 플루레신 흡수 빛에 관여하게끔 한다. 둘째, 옐로우 필터 대신에 플 루레신 발광 영역인 파장 500nm에서 580nm까지 투 과되고 그 외 가시광선에서는 차단되는 대역 투과 필 터를 사용하여 각막에서 반사되는 빛의 거의 대부분 을 차단할 뿐 만 아니라 플루레신 발광 빛이 많이 이 필터를 통과하게끔 하고자 한다.

Ⅱ. 설계 방법

BK7 유리 위에 약 800nm 두께의 TiO₂박막과 SiO₂ 박막을 전자 빔 증착 장치(elecctron beam evaporation, 새한, 1200Φ)를 사용하여 제작하였다. 증착에 사용된 BK7 유리는 알코올과 아세톤이 혼합 된 용액으로 세척하였고, 증착 시 온도는 할로겐램프 를 이용하여 270℃로 하였다. 박막의 균일도를 유지 하기 위해 기판을 20RPM으로 회전시켰다. TiO₂ 코 팅 시 O₂ 가스를 공급하였으며 증착율은 3.0A/sec이 며, 코팅 중 작업진공도는 1.3×10⁻⁴torr이었고, SiO₂ 박막의 증착율(deposition)은 9.0A/sec이며, 작 업진공도는 2.0×10⁻⁵torr이었다.

분광광도계를 이용하여 BK7 유리 기판의 투과율과 기판위에 코팅된 TiO₂박막과 SiO₂박막의 투과율을 구한 후, 포락선방법6)을 이용하여 TiO₂ 박막과 SiO₂ 박막의 파장에 따른 광학상수를 구하였다. TiO₂ 박막 과 SiO₂박막의 광학상수를 이용하여 Essential Macleod 광학박막 설계 소프트웨어에서 파장 450nm ~500nm의 투과 대역 필터와 파장 500nm~580nm 의 투과 대역 필터를 각각 설계하였다.

Fig. 2와 같이 기판의 윗면에 파장 500nm 이하는 투과시키는 단파장 투과 필터와 기판의 아랫면에 파 장 450nm이상을 투과시키는 장파장 투과 필터를 배 치하여 파장 450nm~500nm의 투과 대역 필터를 설 계하였다.

또한 위의 설계와 동일한 방법으로 기판의 양면에 각각 파장 580nm 이하는 투과시키는 단파장 투과 필 터와 파장 580nm이상은 투과시킨 장파장 투과 필터 를 배치시켜 파장 500nm~580nm의 투과 대역 필터 를 설계하였다.

Ⅲ. 전산시늉 결과

1. 파장 450nm~500nm 대역 투과 필터

포락선 방법에 의해 구한 TiO₂ 박막의 광학상수는 가시광선 영역에서의 굴절률은 2.25~2.50 정도를 나 타내며, 소멸계수는 파장 400nm에서 약 0.001정도 로 작은 값을 갖다가 파장 500nm에서는 거의 0.0001 값으로 아주 작은 값을 갖으며, 그 이상에서는 영을 갖는다. SiO₂ 박막의 굴절률은 가시광선 영역에서 1.44~1.46 정도를 나타내며, 소멸계수는 가시광선 영역에서 영의 값을 갖는다. 이러한 수치를 이용하여 400nm~500nm 단파장 투과 필터와 450nm~700nm 장파장 투과 필터를 설계한 후 두 필터를 합성하여 파장 450nm~500nm 대역 투과 필터를 설계하였다.

a) 400nm~500nm 단파장 투과 필터

단파장 투과필터의 설계는 (0.5LH0.5L)의 대칭구 조를 기본 주기로 반복하여 (0.5LH0.5L)^N과 같은 다 층박막을 사용한다. 파장 영역 400~500nm은 투과 하고 500nm이상에서 700nm까지 차단하게 설정하여 최적화한 결과의 디자인이 Table 1이다. 유리 기판 위에 고 굴절률 층 TiO₂와 저 굴절률 층 SiO₂를 교번 으로 쌓아올린 박막 구조로 30층이며 총 두께는 2773nm이다. 그에 따른 전산시늉 결과가 Fig. 3과 같으며, 500nm 이하의 단파장 투과 필터의 스펙트럼 을 나타낸다. 파장 300nm에서 투과율은 약 4%이며, 파장이 커지면 투과율이 증가하다가 감소하고 다시 증가하고 감소하는 경향을 반복하다가 파장 420nm 에서 투과율이 약 100%가 되게 된다. 파장 420nm에 서 500nm까지는 약 100% 투과율을 유지하다가 파장 500nm에서 가파르게 감소하여 약 515nm에서 투과 율이 영에 가까워져 그 이상의 장파장 영역에서는 빛 이 차단되었다. 515nm이상에서 빛을 차단시킨 것은 각막으로 입사하는 빛이 플루레신 방출 빛과 혼합되 어 명도대비를 떨어뜨리는 것을 방지하기 위함이다.

b) 450nm~700nm 장파장 투과 필터

장파장 투과필터의 설계는 (0.5HL0.5H)의 대칭구 조를 기본 주기로 반복하여 (0.5HL0.5H)^N과 같은 다 층박막을 사용한다. 파장 영역 450~700nm은 투과 하고 300nm에서 450nm까지 차단하게 설정하여 최 적화한 결과의 디자인이 Table 2이다. 유리 기판 위 에 고 굴절률 층 TiO₂와 저 굴절률 층 SiO₂를 교번으 로 쌓아올린 박막으로 층수는 22층이며 총 두께는 1149nm이다. 그에 따른 전산시늉 결과가 Fig. 4와 같으며 450nm 이상의 장파장 투과 필터 스펙트럼으 로 450nm에서 590nm까지 약 100% 투과하나 파장 590nm와 700nm사이에서는 투과율이 최대 8% 정도 내려간다. 파장 300nm에서 투과율이 20%로 시작해 서 파장에 커짐에 따라 투과율이 커지다 파장 약 307nm에서 투과율이 60%가 되었다가 파장이 커짐에 따라 투과율이 감소하여 파장 약 315nm에서 투과율 이 8%이며 파장이 증가함에 따라 다시 투과율이 증가 했다가 감소하여 파장 325nm에서 투과율이 영이 된 다. 325nm 이상에서 425nm까지는 빛이 거의 대부 분 차단되고 425nm에서 450nm까지 가파르게 증가 한다. 325nm에서 425nm까지는 차단하였는데, 그 이유는 각막에 입사하는 빛의 많은 부분이 플루레신 에서 흡수되어지도록 하기 위해서다.

c) 450nm~500nm 대역 투과 필터

Fig. 5는 400nm~500nm 단파장 투과 필터 스펙트 럼과 450nm~700nm 장파장 투과 필터 스펙트럼을 합성한 450nm~500nm 대역 투과 필터의 투과율 스 펙트럼이다. 두 필터를 합성하게 되면 두 필터의 투과 율의 공통되는 부분이 남을 것이고, 합성한 필터의 투 과율 크기는 두 필터의 투과율을 곱하는 것이다. 파장 300nm에서 325nm까지 두 개의 조그마한 피크가 보 이는데, 이 피크의 크기는 작아 명도대비에 거의 영향 을 주지 않으리라 여겨진다. 파장 450nm에서 500nm 까지 투과율은 약 98%이며, 325nm에서 425nm까지 와 520nm에서 700nm까지의 투과율은 영이며, 430nm에서 450nm까지는 투과율이 가파르게 증가하 고 500nm에서 520nm까지 가파르게 감소함을 알 수 있다. 플루레신의 흡수 스펙트럼의 세기가 파장 485nm~500nm 영역에서 최대가 되므로 450nm~ 500nm 대역 투과 필터의 투과 스펙트럼과 상당부분 겹치게 되어 명도대비가 증가되리라 여겨진다.

2. 500nm~580nm 대역 투과 필터

500nm~580nm 대역 투과 필터 설계는 450nm~ 500nm 대역 투과 필터와 비슷하게 설계한다. 위에서 언급한 TiO₂와 SiO₂박막의 굴절률과 소멸계수를 이 용하여 400nm~580nm 단파장 투과 필터와 500nm 장파장 투과 필터를 설계한 후 두 필터를 합성하여 500nm~580nm 대역 투과 필터를 설계한다.

a) 400nm~580nm 단파장 투과 필터

파장 영역 400~580nm는 투과하고 580nm이상에 서 700nm까지 차단하게 설정하여 최적화한 결과의 디자인이 Table 3이다. 유리 기판 위에 고 굴절률 층 TiO₂와 저 굴절률 층 SiO₂를 교번으로 쌓아올린 박막 구조는 24층으로 총 두께는 2284nm이다. 그에 따른 전산시늉 결과가 Fig. 6과 같으며, 400nm~580nm 단파장 투과 필터 스펙트럼으로 파장 300nm에서 투 과율이 40%로 시작하여 조금 증가한 후 감소하고 다 시 증가와 감소를 반복하다가 360nm에서 약 55% 투 과율을 갖는다. 그 후 감소하여 파장 365nm에서 투 과율이 20%로 최저치를 갖다가 다시 증가하여 파장 380nm에서 87%를 나타내며 파장이 증가함에 따라 투과율이 감소와 증가를 반복하다가 470nm에서 투 과율이 100%가 되며, 이 후 470nm에서 580nm까지 거의 대부분 투과하고 580nm에서 투과율이 급격히 감소하여 610nm에서 투과율이 거의 영이 되며 610nm~700nm 장파장 영역에서는 차단하도록 설계 하였다. 610nm~700nm 빛을 차단시킨 것은 플루레 신에서 발광 하는 빛만 500nm~580nm 대역 투과 필 터를 통과시키기 위함이다.

b) 500nm~700nm 장파장 투과 필터

파장 영역 500nm~700nm는 투과하고 300nm~ 500nm는 차단하게 설정하여 최적화한 결과의 디자인 이 Table 4이다. 유리 기판 위에 고 굴절률 층 TiO₂와 저 굴절률 층 SiO₂를 교번으로 쌓아올린 박막으로 층수 는 34층이며 총 두께는 2016nm이다. 그에 따른 전산시 늉 결과가 Fig. 7과 같으며, 500nm~700nm 장파장 투 과 필터로 500nm에서 590nm까지 거의 대부분 투과하 고 파장 590nm와 700nm사이에서는 투과율이 최대 18% 정도 감소한다. 파장 300nm에서 투과율이 10%로 시작해서 파장이 커짐에 따라 투과율이 작아지다가 파 장 약 315nm에서 투과율이 영이 된다. 또한 파장이 증 가함에 따라 투과율이 증가와 감소를 반복 하다가 370nm에 이르러 투과율이 영이 된다. 370nm 이상에 서 485nm까지는 투과율이 거의 대부분 차단되고 485nm에서 500nm까지 가파르게 증가한다.

370nm에서 485nm까지는 차단하였는데, 그 이유 는 각막에서 반사해서 500nm~580nm 대역 투과 필 터로 들어오는 빛의 많은 부분이 플루레신에서 발광 되는 빛과 중첩이 되어 명도대비를 떨어뜨리는 것을 막기 위함이다.

c) 500nm~580nm 대역 투과 필터

Fig. 8은 400nm~580nm 단파장 투과 필터와 500nm~700nm 장파장 투과 필터를 합성한 500nm~580nm 대역 투과 필터의 투과율 스펙트럼 이다. 파장 300nm에서 360nm까지는 조그마한 피크 가 보이는데 이 피크의 크기는 작고, 450nm~500nm 대역 투과 필터를 통과해서 각막에 반사하는 빛 중에 서 300nm에서 360nm의 빛의 양은 작기 때문에 두 개의 빛의 양을 곱하면 아주 작은 양의 빛이므로 명 도대비에는 거의 영향을 주지 않으리라 여겨진다. 파 장 490nm에서 투과율이 가파르게 증가하다가 500nm에서 거의 대부분 투과한다. 파장 450nm에서 580nm까지 영역에서 투과율은 약 99%이며, 580nm 에서 가파르게 감소하다가 파장 610nm에서 투과율이 영이 된다. 610nm에서 700nm까지 거의 대부분 차단 된다.

Ⅳ. 결 론

TiO₂와 SiO₂를 이용한 다층막 코팅으로 슬릿 램프 용 450nm~500nm 대역 투과 필터와 500nm~580nm 대역 투과 필터를 설계하였다.

TiO₂와 SiO₂의 광학상수를 포락선 방법으로 구한 후, 그 값을 이용하여 450nm~500nm 대역 투과 필 터와 500nm~580nm 대역 투과 필터를 설계하였다. 두 종류의 대역 투과 필터 설계는 모두 각각의 필터 에서 기판의 양면에 각각 장파장 투과 필터와 단파장 투과 필터를 설계한 후 광학적으로 합성시키는 방법 을 사용하였다.

설계 결과, 450nm~500nm 대역 투과 필터 설계에 서 400nm~500nm 단파장 투과 필터 설계는 고굴절률 층인 TiO₂와 저굴절률 층인 SiO₂가 교번으로 30층 구 조를 가지고 총 두께는 2273nm이며, 450nm~700nm 장파장 투과 필터 설계는 TiO₂와 SiO₂가 교번으로 22 층 구조를 가지고 총 두께는 1149nm이다. 파장 영역 450nm에서 500nm까지 투과율은 약 98%이며, 플루레 신의 흡수 스펙트럼의 세기가 파장 490nm에서 500nm 정도일 때 최대가 되므로, 450nm~500nm 대역 투과 필터와 상당부분 겹치게 되어 명도대비가 증가되리라 여겨진다. 515nm이상에서 빛을 차단시킨 것은 각막으 로 입사하는 빛이 플루레신 방출 빛과 혼합되어 명도대 비를 떨어뜨리는 것을 방지하기 위함이다.

또한 500nm~580nm 대역 투과 필터 설계에서는 400nm~580nm 단파장 투과 필터는 TiO₂와 SiO₂가 교번으로 24층 구조를 가지고 총 두께가 2284nm이 며, 500nm~700nm 장파장 투과 필터는 TiO₂와 SiO₂ 가 교번으로 34층 구조를 가지고 총 두께는 2016nm 이다. 파장 영역 500nm에서 580nm까지 투과율은 약 99%이고, 370nm에서 485nm까지 차단하였는데 그 이유는 각막에서 반사해서 500nm~580nm 대역 투과 필터로 들어오는 빛의 많은 부분이 플루레신에 서 발광되는 빛과 중첩이 되어 명도대비를 떨어뜨리 는 것을 막기 위함이다.

450nm~500nm 대역 투과 필터와 500nm~580nm 대역 투과 필터를 설계하였는데, 이 두 가지의 필터 를 현재 슬릿 램프에 있는 코발트 블루 필터와 옐로 우 필터 대신 사용하여 플루레신 관찰 시 명도대비를 크게 하려고 한다.