자유곡면 렌즈의 특성향상을 위한 주요 공정변수에 관한 실험적 연구 = Experimental Study on Critical Process Parameters for the Improvement of Characteristics of Aspheric Lenses

국문 초록 (Abstract)

일반적으로 저반사 코팅 단층 반사방지막인 MgF2(Magnesium Fluoride)의 굴절률은 638nm에서 약 1.38이다. 본 연구에서는 종래의 MgF2 반사방지막의 굴절률인 1.38보다 낮은 초저굴절률 반사 방지막을 만들고자 본 연구를 수행하였다. 나노입자의 단점인 부착력을 향상하기 위해 Si 전구체인 TEOS(Tetraethoxysilane) 바인더를 자유곡면 렌즈에 졸-겔법(Sol-gel)으로 합성하는 중간에 1회 도포하고 이에 따른 부착력의 특성을 검증하였다. 기존의 PVD 방식이나 이온빔 방식을 이용한 반사 방지막은 건식 코팅 방식으로 일반적인 광학 산업에서 많이 사용되고 있다[1]. 하지만 곡률이 크고 자유곡면 형상을 가진 다양한 디자인의 유리 렌즈가 최근 광학 산업에서 요구되고 있는데 이러한 형태는 기존 AR 코팅 법으로는 곡률 중심부터 외곽까지 전체적으로 코팅 균일성을 확보하기가 힘들다는 단점이 있다. 따라서 외곽에 입사하는 빛에 대한 반사 방지막의 효과가 종래의 AR 코팅 법으로는 불리하다는 것을 의미한다. 무반사의 특성을 극대화하기 위한 다층박막에서도 빛의 입사각에 따라 현저하게 광학적 특성이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 곡률인 큰 오목한 면의 자유곡면 렌즈에 나노입자 MgF2를 적용하고자 하였으며 합성은 Wet Coating 방식에 중점을 둔 Sol-Gel 공정을 사용한 뒤 스핀코팅(Spin coating)법으로 도포하였다. 또한 오토클레이브의 조건에 따른 다공질 막의 치밀도와 입자 크기의 상관관계를 확인하였다. MgF2 나노입자의 AR(Anti-reflective) 코팅으로서의 검증은 LDPSA(Laser Diffraction Particle Size Analysis), UV-Vis(Ultraviolet–visible spectroscopy), SEM(Scanning Electron Microscope), 타원계측법(Ellipsometry) 등으로 분석하였다. 가시광선 파장 내 입사각 0℃에서의 높은 투과율 특성을 확보한 것이 아닌, 입사각 45℃에서도 높은 투과율을 확보한 1.25 이하의 낮은 초저굴절률을 구현하였다. 따라서 본 연구에서 제조한 MgF2의 나노입자 반사방지막은 입사각이 수직이든 기울어진 45℃ 형태이든 빛의 입사되는 방향과 관계없이 높은 투과율에 낮은 반사율의 광학적 특성을 극대화하였다. 이러한 반사방지막이 적용된 자유곡면 유리 렌즈를 결상광학계 시스템으로 조립하여 유해성 촬영을 통해 Ghost, Flare의 개선 효과를 파악하였다. 그 결과 가시광선 내에서 획득된 최소 반사율은 0.05% 이하에 굴절률은 1.24-1.25로 아주 낮은 굴절률의 광학적 특성을 확인할 수 있었다. 또한 대구경 사이즈에 형상 정밀도를 높이기 위해 금형가공 및 표면연마 측면, 성형설비 및 성형조건 측면에서도 연구를 수행하였다. 금형 코어에 이형성 코팅을 위한 기술로는 DLC 종래코팅 기술인 HiPIMS 방식과 본 연구에서 새롭게 적용하고자 하는 ta-C 방식을 상호 비교하였으며 형상 값(P-V) 관점인 성형 거동 측면으로 분석을 진행하였다. 또한 대구경의 곡률이 높은 유리재질의 자유곡면 렌즈를 성형하면서 발생하는 주요 공정변수에 따른 해결법들을 구체적으로 제시하였다. 마지막으로 금형 코어를 가공하면서 발생하는 연마흔(Tool-mark)을 제거하기 위한 표면 정밀도의 거칠기 기준값을 확립한 뒤 DTM(Diamond Tuning Machine) 1차 가공과 Blasting Polishing의 2차 표면연마에 따른 투영 이미지와 Bokeh의 변별력을 분석하고 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. 이론적 배경 1
• 1.1 자유곡면 렌즈의 정의 1
• 1.2 연구 동향 7
• 1.3 연구 필요성 및 목적 12
• 1.3.1 금형 코어의 초정밀 연마 12
• 1.3.2 금형 코어의 이형성 코팅 14
• 1.3.3 코팅 유해성 16
• 1.3.4 연구 목적 19
• 1.4 자유곡면의 광학적 이론 22
• 1.4.1 광학 설계 22
• 1.4.2 광학 수차 24
• 1.4.3 자유곡면의 방정식 32
• Chapter 2. 금형 코어 연마가공 및 이형성 코팅 기술 34
• 2.1 자유곡면 설계인자 34
• 2.2 실험 및 실험방법 37
• 2.2.1 금형 코어 선정 및 구조 37
• 2.2.2 초정밀 연마 및 표면 정밀도 향상 40
• 2.2.3 연마흔 촬영 (Tooling mark) 45
• 2.2.4 DLC (Diamond-like carbon) 증착법 47
• 2.2.5 전처리 공정 및 ta-C 코팅 53
• 2.2.6 HiPIMS & ta-C 특성평가 57
• 2.3 본 연구의 분석장비 62
• 2.3.1 원자력 현미경 (Atomic Force Microscopy) 62
• 2.3.2 라만 분광분석 (Raman Spectroscopy) 64
• 2.4 결 론 66
• Chapter 3. 자유곡면 렌즈의 성형 연구 67
• 3.1 자유곡면 렌즈 제조 (Glass molding press) 67
• 3.2 자유곡면 렌즈 성형 71
• 3.3 실험결과 및 고찰 75
• 3.3.1 자유곡면 성형기 개선 75
• 3.3.2 성형 주요 공정변수 81
• 3.4 본 연구의 분석장비 92
• 3.4.1 초고정밀도 3차원 측정장치 (UA3P) 92
• 3.4.2 비접촉식 프로파일 계측기 (Talysurf PGI) 93
• 3.4 결 론 94
• Chapter 4. 자유곡면 렌즈의 초저굴절률 코팅 95
• 4.1 MgF2 합성성장과 광학특성 향상 95
• 4.2 실험 및 실험방법 97
• 4.2.1 MgF2 혼합물 97
• 4.2.2 MgF2 졸 용액 98
• 4.2.3 오토클레이브 처리 99
• 4.2.4 원심분리기 여과 100
• 4.2.5 부착력 향상을 위한 바인더 101
• 4.3 실험결과 및 고찰 103
• 4.3.1 졸겔 합성 최적조건 103
• 4.3.2 오토클레이브 나노입자 분석 105
• 4.3.3 스핀코팅 도포 110
• 4.3.4 바인더, 열처리, 스핀코팅 조건에 따른 반사율 특성 113
• 4.3.5 부착력 분석 (Adhesion scratch) 120
• 4.3.6 최종 이미지 테스트 123
• 4.4 본 연구의 분석장비 127
• 4.4.1 주사전자현미경 (SEM) 127
• 4.4.2 자외/가시선 분광분석법 (UV/Visible Spectroscopy) 128
• 4.5 결 론 130
• Chapter 5. 총 론 132
• 참고문헌 135
• Abstract 138
• 감사의 글 142