일반적인 광학 소재 소개

광학 제조 공정의 첫 단계는 적절한 광학 재료를 선택하는 것입니다. 광학 재료의 광학적 매개변수(굴절률, 아베수, 투과율, 반사율), 물리적 특성(경도, 변형률, 기포 함량, 푸아송 비), 그리고 온도 특성(열팽창 계수, 굴절률과 온도의 관계)까지, 이 모든 것이 광학 재료의 광학적 특성에 영향을 미칩니다. 광학 부품 및 시스템의 성능에 대한 자세한 내용은 이 글에서 다룹니다. 본 글에서는 일반적인 광학 재료와 그 특성을 간략하게 소개합니다.
광학재료는 크게 광학유리, 광학결정, 특수 광학재료의 세 가지 범주로 나뉜다.

01 광학 유리
광학 유리는 빛을 투과시킬 수 있는 비정질(유리질) 광학 매질입니다. 이를 통과하는 빛은 전파 방향, 위상, 그리고 세기를 변화시킬 수 있습니다. 광학 기기나 시스템에서 프리즘, 렌즈, 거울, 윈도우, 필터와 같은 광학 부품을 생산하는 데 일반적으로 사용됩니다. 광학 유리는 높은 투명도, 화학적 안정성, 그리고 구조와 성능의 물리적 균일성을 가지고 있으며, 특정하고 정확한 광학 상수를 갖습니다. 저온 고체 상태에서 광학 유리는 고온 액체 상태의 비정질 구조를 유지합니다. 이상적으로 유리의 내부 물리화학적 특성(예: 굴절률, 열팽창 계수, 경도, 열전도도, 전기 전도도, 탄성 계수 등)은 모든 방향에서 동일하며, 이를 등방성이라고 합니다.
주요 광학유리 제조업체로는 독일의 쇼트(Schott), 미국의 코닝(Corning), 일본의 오하라(Ohara), 국내의 청두광명유리(CDGM) 등이 있습니다.

굴절률 및 분산도

광학 유리 굴절률 곡선

투과율 곡선

02. 광학 결정

광학 결정은 광학 매체에 사용되는 결정 재료를 말합니다. 광학 결정의 구조적 특성으로 인해 자외선 및 적외선 응용 분야의 다양한 창, 렌즈, 프리즘 제작에 널리 사용될 수 있습니다. 광학 결정은 결정 구조에 따라 단결정과 다결정으로 나눌 수 있습니다. 단결정 재료는 높은 결정 무결성과 광 투과율을 가지며 입력 손실이 낮기 때문에 광학 결정에는 주로 단결정이 사용됩니다.
구체적으로: 일반적인 UV 및 적외선 결정 물질에는 다음이 포함됩니다: 석영(SiO2), 불화칼슘(CaF2), 불화리튬(LiF), 암염(NaCl), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등.
편광 결정: 일반적으로 사용되는 편광 결정으로는 방해석(CaCO3), 석영(SiO2), 질산나트륨(질산염) 등이 있습니다.
무색수정: 이 수정의 특수 분산 특성은 무색수정 대물렌즈를 제작하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 불화칼슘(CaF2)을 유리와 혼합하여 무색수차를 형성하는데, 이는 구면수차와 2차 스펙트럼을 제거할 수 있습니다.
레이저 결정: 루비, 불화칼슘, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷 결정 등 고체 레이저의 작동 재료로 사용됩니다.

결정 재료는 천연 결정과 인공적으로 성장한 결정으로 나뉩니다. 천연 결정은 매우 희귀하고 인공적으로 성장하기 어려우며, 크기가 제한적이고 비용이 많이 듭니다. 일반적으로 유리 재료가 부족할 때, 비가시광선 영역에서도 작동할 수 있어 반도체 및 레이저 산업에 사용됩니다.

03 특수 광학 소재

가. 유리-세라믹
유리-세라믹은 유리도 결정도 아닌, 그 중간 어딘가에 있는 특수 광학 소재입니다. 유리-세라믹과 일반 광학 유리의 주요 차이점은 결정 구조의 존재 여부입니다. 유리-세라믹은 세라믹보다 미세한 결정 구조를 가지고 있으며, 낮은 열팽창 계수, 높은 강도, 높은 경도, 낮은 밀도, 그리고 매우 높은 안정성을 특징으로 합니다. 평면 결정, 표준 미터자, 대형 거울, 레이저 자이로스코프 등의 가공에 널리 사용됩니다.

미세결정 광학재료의 열팽창계수는 0.0±0.2×10-7/℃(0~50℃)에 달할 수 있다.

b. 탄화규소

탄화규소는 광학 재료로도 사용되는 특수 세라믹 소재입니다. 탄화규소는 우수한 강성, 낮은 열 변형 계수, 뛰어난 열 안정성, 그리고 상당한 중량 감소 효과를 가지고 있습니다. 대형 경량 거울의 주요 소재로 여겨지며, 항공우주, 고출력 레이저, 반도체 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

이러한 광학 재료는 광매체 재료라고도 합니다. 주요 광매체 재료 외에도 광섬유 재료, 광학 필름 재료, 액정 재료, 발광 재료 등이 모두 광학 재료에 속합니다. 광학 기술의 발전은 광학 재료 기술과 불가분의 관계에 있습니다. 우리나라의 광학 재료 기술이 앞으로 더욱 발전하기를 기대합니다.