적외선(IR) 어플리케이션을 위한 올바른 소재

적외선 소개 | 올바른 소재의 중요성 | 올바른 소재 선택 | 적외선 비교

적외선(IR)에 관한 소개

적외선(IR)은 0.750 -1000μm (750 - 1000000nm)의 파장 범위로 규정되는 광선입니다. 감지 범위의 한계로 인해 적외선은 종종 NIR(0.750 - 3μm), MWIR(3 - 30μm), FIR(30 - 1000μm)과 같이 세 가지 소영역으로 분류됩니다(각각 그림 1 참조). 적외선 제품은 열화상 진단에서의 IR 신호 감지부터 IR 분광에서의 요소 식별에 이르기까지 광범위한 어플리케이션에 사용됩니다. 적외선 어플리케이션의 필요성이 증대하고 기술적으로 진보해가면서 광학 제조 업체는 plano-optics (예: window, mirror, polarizer, beamsplitter, prism), spherical lens (예: plano-concave/convex, double-concave/convex, meniscus), aspheric lens (parabolic, hyperbolic, hybrid), achromatic lens 및 assembly (예: imaging lens, beam expander, eyepiece, objective) 설계에 있어 적외선 소재를 사용하기 시작하였습니다. 이러한 적외선 소재나 기판은 다양한 물리적 특성을 보유합니다. 결과적으로 각각의 장점을 파악하면 모든 적외선 어플리케이션에 맞는 정확한 소재를 선택할 수 있습니다.

그림 1: 전자기 스펙트럼

올바른 소재 사용의 중요성

적외선은 가시광선보다 긴 파장으로 구성되기 때문에 동일한 광학 매개체를 통해 전파될 때 두 영역은 서로 다른 방식으로 작용합니다. 일부 소재는 적외선이나 가시광 어플리케이션, 특히 대다수의 용융 실리카, BK7 및 사파이어에 사용할 수 있습니다. 그러나 현재 작업에 더 적합한 소재를 사용함으로써 광학 시스템의 성능을 최적화할 수 있습니다. 이러한 개념을 이해하기 위해서는 투과율, 굴절률, 분산율 및 구배 지수를 검토해야 합니다. 제품 사양 및 특성에 관한 심층 정보는 광학 유리 편에서 자세히 다룹니다.

투과율

어떠한 소재를 정의할 때 가장 중요한 속성은 바로 투과율입니다. 투과율은 출력량의 측정치로서 입사광에 대한 백분율로 표기됩니다. 적외선 소재는 일반적으로 가시광에서 불투명하나 가시광 소재는 적외선에서 불투명합니다. 다시 말해 각각의 소재는 이러한 파장 영역에서 0%에 가까운 투과율을 보입니다. 예를 들어 적외선은 투과하지만 가시광은 차단하는 실리콘을 검토해볼 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 비코팅 실리콘의 투과 곡선

굴절률

주로 하나의 소재를 적외선이나 가시광 소재로 분류시키는 역할을 투과율이 하긴 하지만 여기서 중요하게 여겨야 할 또 다른 속성은 굴절률(n_d)입니다. 굴절률은 주어진 소재 내에서 빛의 속도 대비 진공 상태에서 빛의 속도의 비율입니다. 이는 곧 굴절률이 낮은 매체에서 높은 매체로 진입할 때 빛의 "감속 효과"를 정량화하는 수단입니다. 또한 빛이 표면에 비스듬히 닿으면서 굴절되는 빛의 양을 나타내는 지표이기도 하며 굴절률이 증가할수록 더 많은 양의 빛이 굴절됩니다(그림 3).

$Light Refraction from a Low Index to a High Index Medium$

그림 3: 저굴절률에서 고굴절률 매체로의 광굴절

굴절률의 범위는 대략 가시광 소재에서 1.45 - 2 그리고 적외선 소재에서 1.38 - 4입니다. 다수의 경우에 있어 굴절률과 밀도는 양의 상관관계를 보이는데 이는 적외선 소재가 가시광 소재보다 무겁다는 것을 의미합니다. 그러나 고굴절률은 회절 제한 성능 또한 내포하므로 적은 수의 요소로도 성능을 발휘할 수 있어 시스템의 전반적인 무게와 비용이 감소합니다.

분산

분산은 파장에 따라 소재의 굴절률이 얼마나 변하는지를 알려주는 척도입니다. 또한 색 수차로도 알려진 파장의 분리를 측정하는 역할도 분산이 합니다. 양적인 면에서 분산은 아베수(Abbe number (vd))의 역의 값으로서 방정식 1에 나와 있듯이 f (486.1nm), d (587.6nm), c (656.3nm) 파장에서 굴절률과 상관관계에 있습니다.

(1)$$ v_d = \frac{n_d - 1}{n_f - n_c} $$

아베수가 55 이상이며 분산이 덜 일어나는 소재는 크라운 재료로 간주되며 50 미만의 아베수를 갖고 분산이 더 많이 일어나는 소재는 플린즈 재료로 간주됩니다. 가시광 소재의 아베수 범위는 20 - 80이고 적외선 소재의 아베수 범위는 20 - 1000입니다.

구배 지수

매질의 굴절률은 온도 변화에 따라 달라지게 됩니다. 이러한 구배 지수(index gradient (dn/dT))는 특히 하나의 값으로 지정된 n에서 시스템이 작동하도록 설계됐을 경우와 같이 불안정한 환경에서 운영될 때 문제가 될 수 있습니다. 안타깝게도 적외선 소재는 일반적으로 가시광 소재보다 더 큰 dn/dT 값을 특징으로 합니다(적외선 소재를 비교해 놓은 주요 적외선 소재의 특성 표에서 적외선만 투과하는 게르마늄과 가시광에서 사용되는 N-BK7을 비교해 보십시오).

올바른 소재 선정 방법

적외선 소재를 고를 때 올바른 소재 선정을 위해 3가지 사항을 고려해야 합니다. 가시광선에 비해 적외선에서 사용되는 소재의 종류가 훨씬 더 적기 때문에 선택 과정이 더 수월하긴 하지만, 적외선 소재는 제작 및 재료 비용으로 인해 더 고가인 경향이 있습니다.

열특성 – 광학 재료는 다양한 온도 변화에 노출되는 환경에 배치되는 경우가 많습니다. 게다가 적외선 어플리케이션과 관련된 주되 관심사는 바로 다량의 열을 발생시키는 열적 속성입니다. 사용자가 원하는 성능을 반드시 충족하기 위해서는 소재의 구배 지수와 열팽창 계수(CTE)를 평가해야 합니다. 열팽창 계수는 온도 변화에 따라 소재가 팽창 혹은 수축하는 비율입니다. 예를 들어 게르마늄은 구배 지수가 매우 높기 때문에 열적으로 불안정한 환경에서 사용하면 광학 성능이 저하될 가능성이 있습니다.
투과율 – 다양한 어플리케이션은 서로 다른 영역의 자외선 스펙트럼에서 작동합니다. 특히 적외선 기판은 사용 중인 파장에 따라 더 나은 성능을 보이기도 합니다(그림 4). 예를 들어 시스템이 MWIR에서 작동하도록 설계되었다면, NIR에서 더 나은 성능을 보이는 사파이 어보다 게르마늄을 선택하는 것이 보다 바람직합니다.
굴절률 – 적외선 소재는 가시광 소재보다 굴절률이 더 많이 변함에 따라 시스템 설계 시 더욱 다양한 변형을 적용할 수 있습니다. 가시광 전체 영역에서 더 나은 성능을 보이는 가시광 소재(예: N-BK7)와는 달리 적외선 소재는 특히 무반사 코팅을 적용할 때 자외선 영역 내의 좁은 대역폭으로 종종 제한되기도 합니다.

그림 4: 적외선 기판의 비교 (N-BK7의 파장 범위는 B270, N-SF11, BOROFLOAT® 등과 같이 가시광에서 사용되는 대다수의 기판을 대표함)

적외선 소재의 비교

수 십개의 적외선 소재가 존재하지만 오직 소수만이 기성 광학 부품을 제조하기 위한 광학, 이미징, 포토닉스 업계에 사용됩니다. 불화 칼슘, 용융 실리카, 게르마늄, 불화 마그네슘, N-BK7, 브로민화 칼륨, 사파이어, 실리콘, 염화 나트륨, 셀렌 아연화물, 황화 아연은 다른 소재와 구별이 되는 각각 고유의 속성을 가지고 있으며, 이처럼 다양한 소재는 특정 용도로도 사용하기 적합합니다. 아래의 표는 주로 사용되는 기판 중 일부를 비교해서 보여줍니다.

주요 적외선 소재의 특성
소재명	Index of Refraction (n_d)	Abbe Number (v_d)	Density (g/cm³)	CTE (x 10^-6/°C)	dn/dT (x 10^-6/°C)	Knoop Hardness
불화 칼슘 (CaF₂)	1.434	95.1	3.18	18.85	-10.6	158.3
용융 실리카 (FS)	1.458	67.7	2.2	0.55	11.9	500
게르마늄 (Ge)	4.003	N/A	5.33	6.1	396	780
불화 마그네슘 (MgF₂)	1.413	106.2	3.18	13.7	1.7	415
N-BK7	1.517	64.2	2.46	7.1	2.4	610
브로민화 칼륨 (KBr)	1.527	33.6	2.75	43	-40.8	7
사파이어	1.768	72.2	3.97	5.3	13.1	2200
실리콘 (Si)	3.422	N/A	2.33	2.55	1.60	1150
염화 나트륨 (NaCl)	1.491	42.9	2.17	44	-40.8	18.2
셀렌 아연화물 (ZnSe)	2.403	N/A	5.27	7.1	61	120
황화 아연 (ZnS)	2.631	N/A	5.27	7.6	38.7	120

적외선 소재의 비교
소재명	속성 / 주요 용도
불화 칼슘 (CaF₂)	저흡수, 고굴절률의 균질성
불화 칼슘 (CaF₂)	분광, 반도체 가공, 냉각 열화상 이미징에 사용됨
용융 실리카 (FS)	낮은 열팽창 계수 및 적외선 영역에서의 뛰어난 투과율
용융 실리카 (FS)	간섭, 레이저 기기, 분광 용도로 사용됨
게르마늄 (Ge)	높은 굴절률과 높은 크눕 경도, MWIR - FIR에서 뛰어난 투과율
게르마늄 (Ge)	열화상 이미징, 견고한 적외선 이미징에 사용됨.
불화 마그네슘 (MgF₂)	높은 열팽창 계수, 낮은 굴절률, VIS - MWIR에서 우수한 투과율
불화 마그네슘 (MgF₂)	무반사 코팅이 필요 없는 윈도우, 렌즈, 폴라라이저에 사용됨
N-BK7	저가의 소재, 가시광과 근적외선 용도에서 우수한 성능 발휘
N-BK7	머신 비전, 현미경, 광학 업계 용도로 사용됨
브로민화 칼륨 (KBr)	기계적 충격에 대한 우수한 저항성, 수용성, 넓은 투과 범위
브로민화 칼륨 (KBr)	FTIR 분광 용도로 사용됨
사파이어	적외선 영역에서의 뛰어난 투과율 및 우수한 내구성
사파이어	적외선 레이저 시스템, 분광 및 견고한 환경 설비에 사용됨
실리콘 (Si)	저비용 및 경량
실리콘 (Si)	분광기, MWIR 레이저 시스템, THz 이미징에 사용됨
염화 나트륨 (NaCl)	수용성, 저비용, 250nm - 16μm 범위에서 높은 투과율, 열충격에 민감함
염화 나트륨 (NaCl)	FTIR 분광 용도로 사용됨
셀렌 아연화물 (ZnSe)	낮은 흡수, 열충격에 높은 내성
셀렌 아연화물 (ZnSe)	CO₂ 레이저 시스템 및 열화상 이미징
황화 아연 (ZnS)	가시광선과 적외선 영역에서 뛰어난 투과율, 징크셀레나이드(ZnSe)보다 화학적 내성이 높고 단단함
황화 아연 (ZnS)	열화상 이미징 용도로 사용됨