광학유리

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1. 개요

광학 유리는 굴절률과 아베 수의 조합으로 200종 이상으로 분류되는 특수한 유리이다. 렌즈의 색수차, 구면 수차 등을 보정하고 광학계의 정밀도를 높이기 위해 다양한 종류의 광학 유리가 개발되었다.

광학 유리는 굴절률과 분산에 따라 크라운 유리와 플린트 유리로 구분되며, 납을 사용한 플린트 유리의 대체재로 티타늄계 플린트, 바륨계 크라운, 란탄계 크라운 등이 개발되었다. 광학 유리 산업의 발전은 붕규산 크라운, 바륨 크라운, 인산염 크라운, 불소 크라운 등 다양한 렌즈 계열의 탄생으로 이어졌다. 광학 유리는 굴절률, 아베 수, 투과율, 흡수율 등의 특성을 가지며, 레이저, 형광 등의 현상도 나타낼 수 있다.

광학 유리는 고순도의 재료를 사용하여 제조되며, 용해, 정련, 어닐링 과정을 거친다. 광학 유리의 종류는 산화물 유리, 할로겐화물 유리, 칼코겐화물 유리 등으로 나뉘며, 융합 석영, 광학 필터, 레이저 렌즈, 굴절률 구배 렌즈 등 특수한 용도로 사용되는 유리도 있다. 광학 유리의 품질을 평가하기 위해 MIL, ISO 등의 표준이 사용되며, 쇼트 AG, 오하라, 호야, 코닝 등 다양한 제조업체에서 생산된다. 광학 유리는 망원경, 현미경, 사진 렌즈 등 다양한 광학 기기에 사용되며, 핵 응용 분야, 광섬유, 레이저, 미세 노광 등에도 활용된다.

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광학유리
개요
종류	유리
용도	광학 기기
특성	높은 균질성, 특정 굴절률, 높은 투과율
상세 정보
구성 성분	이산화 규소 (SiO2) 붕산 (B2O3) 산화 바륨 (BaO) 산화 아연 (ZnO)
굴절률 범위	1.45 ~ 2.00
아베 수	20 ~ 90
제조 방법	용융 정밀 연마 코팅
주요 제조사	쇼트 (SCHOTT) 호야 (HOYA) 오하라 (OHARA)
사용 분야	렌즈 프리즘 광섬유 광학 필터
추가 정보
중요성	광학 시스템의 성능을 결정하는 핵심 요소

2. 구조

광학 유리는 굴절률과 아베 수의 조합으로 200종 이상으로 분류된다. 단일 렌즈는 색수차와 구면 수차 등으로 인해 상이 흐려지므로, 여러 장의 렌즈를 조합하여 수차를 보정한다. 광학계의 정밀도와 비용에 따라 다양한 광학 정수를 가진 유리를 선택하여 조합한다.^[41]

고전적인 분류에 따르면, 굴절률이 비교적 낮고 분산도 낮은 볼록 렌즈용 유리(크라운계)와, 조성에 산화 납을 포함하여 고굴절률·고분산의 오목 렌즈용 유리(플린트계)가 있었다. 그러나 이후 유해하고 비중이 큰 납 대신에 이산화 티타늄을 사용한 티탄계 플린트, 저분산 유리이면서 높은 굴절률을 갖는 바륨계 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 등이 새롭게 개발되었다. 1950년대~1970년대에는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리도 사용되었다.^[41]

2. 1. 광학 유리의 종류

전통적으로 광학 유리는 굴절률이 낮고 분산이 작은 크라운 유리와, 산화 납을 포함하여 굴절률과 분산이 큰 플린트 유리로 구분된다. 현대에는 유해하고 비중이 큰 납 대신 이산화 티타늄을 사용한 티타늄계 플린트, 저분산이면서 높은 굴절률을 갖는 바륨계 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산 특성이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 유리가 새롭게 개발되었다.^[41] 1950년대부터 1970년대에는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리가 사용되기도 했다.^[41]

광학 유리의 종류는 다음과 같다.

유리 유형	주요 성분
붕규산 크라운	(R은 알칼리 금속)
인산염 크라운
인산염 밀집 크라운	(M은 알칼리 토금속)
플루오로크라운
크라운
아연 크라운
바륨 크라운
바륨 밀집 크라운, 바륨 초밀집 크라운
란탄 크라운, 란탄 밀집 크라운
롱 특수 크라운
쇼트 플린트
쇼트 밀집 플린트
크라운 플린트, 특수 경질 플린트, 경질 플린트, 플린트
밀집 플린트, 밀집 특수 플린트
바륨 경질 플린트, 바륨 플린트, 바륨 밀집 플린트
란탄 플린트, 란탄 밀집 플린트
플루오로베릴레이트
플루오알루민산염
플루오로인산염
플루오로지르코늄산염
플루오로인듐산염
티탄 크라운, 티탄 플린트, 티탄 밀집 플린트
탄탈 크라운, 탄탈 플린트, 탄탈 밀집 플린트
니오브 플린트
니오브 밀집 플린트

이 외에도 할로겐화물 유리 및 칼코겐화물 유리(산소 제외)와 같은 다른 그룹도 존재한다.^[24]

2. 2. 제조 방법

광학 유리는 전형적인 다품종 소량 생산품이다. 종류별로 도가니에서 용융하고, 높은 균질성을 얻기 위해 교반한다. 도가니 재료는 내화 점토 또는 백금으로, 배소로 외에 고주파로도 사용된다. 생산량이 많은 경우에는 연속 생산도 이루어진다.^[41]

3. 역사

기원전 750년경 아시리아 제국에서 석영 렌즈가 제작되었다.^[14] 그리스와 로마 제국 시대에는 유리가 광학 재료로 사용되기 시작했는데, 태양열을 이용한 렌즈나 확대경 등이 그 예이다.^[14] 13세기 말에는 안경이 발명되었지만, 당시에는 녹주석이나 석영으로 제작되었다.^[15]

15세기 중반, 이산화 망간을 사용한 유리 정제 기술이 발전하면서 광학 수차를 줄일 수 있게 되었다.^[15] 17세기에는 보헤미아에서 불순물을 제거한 고품질 유리가 개발되었다.^[15] 1674년, 조지 레이븐스크로프트는 산화 납을 사용하여 굴절률을 높인 연정석(플린트 유리)을 발명했다.^[15]

18세기에는 체스터 무어 홀이 소다석회 크라운 유리와 연정석 플린트 유리를 조합하여 최초의 무색 렌즈를 발명했다.^[16] 19세기에는 산업 화학의 발달로 유리의 조성을 변화시켜 굴절률과 분산 계수를 제어하는 기술이 발전했다.^[16] 1880년부터 1886년까지 오토 쇼트는 에른스트 아베와 협력하여 산화 바륨, 붕산 등을 함유한 새로운 유리를 발명했는데, 여기에는 바륨 크라운, 바륨 플린트, 붕규산 유리 크라운 등이 포함된다.^[16]

1934년부터 1956년까지는 인산염, 불화물을 첨가하여 인산염 크라운, 불소 크라운 유리를 개발했다.^[16] 1980년대 이후에는 유리의 종류가 점차 제한되는 경향이 나타났다.^[16] 또한, 1980년대에는 적외선 투과율을 향상시키기 위해 칼코겐 유리가 개발되었다.

4. 특성

광학 유리의 가장 중요한 물리적 특성은 굴절률, 컨스트린전시(아베 수), 투과율, 흡수율이다.

굴절률 $n_\mathrm{d}$ (파장 587.6나노미터에 대한 것)과 아베 수 $\nu_\mathrm{d}$ 의 조합으로 200종 이상의 유리가 있다. 1장의 볼록 렌즈에서도 실상은 맺히지만, 유리의 굴절률은 빛의 파장에 따라 변하기 때문에 (색수차) 상이 선명하지 않다. 이 외에도 구면 수차 등을 제거하여 상의 정밀도를 높이기 위해, 광학 정수가 다른 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 여러 장 조합하여 광학계를 만드는 경우가 많다.

고전적인 분류에 따르면, 굴절률이 비교적 낮고 분산도 낮은 볼록 렌즈용 유리(크라운계)와, 조성에 산화 납을 포함하여 고굴절률·고분산의 오목 렌즈용 유리(플린트계)가 있다. 그 후, 유해하고 비중이 큰 납 대신에 이산화 티타늄을 사용한 티탄계 플린트, 저분산 유리이면서 높은 굴절률을 갖는 바륨계 크라운 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 등이 새롭게 개발되었다. 1950년대-1970년대에는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리도 사용되었다.^[41]

칼코겐화물 유리는 분자 진동의 주파수를 줄여 적외선 투과율을 높이지만, 가시광선 투과율은 낮다. 할로겐화물 유리, 특히 불화물 유리는 음이온과 양이온 사이의 결합이 약해져 진동이 약해지므로 적외선 투과율이 좋다.^[15]

유리 습도(물 함량)는 2.9μm~4.2μm 영역에서 유리의 투과율에 큰 영향을 미친다. 물은 OH^- 그룹의 형태로 존재하며, O-H 결합은 약 90 THz의 주파수로 진동하여 2.9μm~3.6μm 파장의 흡수를 일으킨다. 샘플의 습도가 높을수록 국소적인 투과율 감소가 커진다.^[15]

4. 1. 굴절률 및 컨스트린전시 (아베 수)

아베 다이어그램. 표기는 쇼트에서 다양한 광학 렌즈군에 부여한 이름이다.

굴절률은 유리의 굴절력을 나타내며, 데카르트의 법칙에 따라 빛의 광선을 더 크거나 작은 정도로 굴절시키는 능력이다. 굴절률은 파장에 따라 달라지며, 광선이 파장에 따라 다르게 굴절되어 시스템에서 색수차를 발생시킨다. 이는 빛이 프리즘에 의해 분해될 때 관찰되는 현상이다. 코시의 법칙, 셀마이어 방정식 등 여러 법칙들이 이러한 파장과의 관계를 근사한다.

유리의 굴절률은 사용 용도와 두 가지 주요 표준에 따라 헬륨의 노란색 스펙트럼선인 ''d'' 선(n_d로 표기) 또는 수은의 녹색 ''e'' 선(n_e로 표기)에 대해 주어진다.^[9]^[10]^[11]

굴절률의 파장 의존성은 유리의 분산, 즉 두 파장 간의 편차 차이를 측정해야 한다. 분산이 높은 유리는 짧은 파장을 크게 굴절시키지만 긴 파장은 덜 굴절시킨다. 분산의 측정값은 아베 수(콘스트린전스, constringence)이다. 주요 분산은 nF-nC (헬륨 선) 또는 nF'-nC' (카드뮴 선)의 차이이며, 굴절률과 동일한 선에 대한 콘스트린전스는

\nu_d=\frac{n_d-1}{n_F-n_C}

및

\nu_e=\frac{n_e-1}{n_F'-n_C'}

로 추론된다. 아베 수가 높을수록 유리의 분산이 작다.

굴절률 측정을 위해 사용되는 스펙트럼 선의 표^[12]
파장 (nm)	2325.4	1970.1	1529.6	1013.98	852.1101	706.5188	656.2725	643.8469	632.8	589.2938	587.5618	546.074	486.1327	479.9914	435.8343	404.6561	365.0146
지정				t	s	r	C	C'		D	d	e	F	F'	g	h	i
소스	Hg IR 선			H IR 선	Cs IR 선	적색 He 선	적색 H 선	적색 Cd 선	레이저 He-Ne 선	황색 Na 선	황색 He 선	녹색 Hg 선	청색 H 선	청색 Cd 선	청색 Hg 선	자색 Hg 선	Hg UV 선

렌즈는 ''크라운''과 ''플린트''의 두 그룹으로 나뉘며, 각각 저분산, 저굴절률 렌즈와 고분산, 고굴절률 렌즈를 지칭한다. 이 구분은 ν_d=50 부근에서 이루어진다. 이 값보다 낮은 렌즈는 플린트, 나머지는 크라운이다.^[9]

n_d와 ν_d가 같은 두 렌즈는 동일하므로, 이 두 매개변수만으로 렌즈를 구별할 수 있다. 유리는 아베 다이어그램(가로축 n_d, 세로축 ν_d)으로 표시되며, 각 유리는 그래프의 한 점으로 표시된다.

산화물 유리는 n_d가 1.4에서 2.0, ν_d가 20에서 90 사이의 범위를 가지며, SiO₂는 가장 높은 콘스트린전스와 가장 낮은 굴절률을 가진 산화물 유리이다. 불화물 유리는 ν_d>100과 n_d<1.4까지 가능하며, BeF₂는 가장 높은 콘스트린전스와 가장 낮은 굴절률을 가진 불화물 유리이다. 찰코게나이드 유리는 2를 초과하는 굴절률을 가지지만, 가시광선 흡수로 인해 아베 다이어그램에 표시하기 어려운 경우가 많다. 가시 범위에서 불투명한 광학 재료의 경우, 콘스트린전스는 더 긴 파장에서 측정된다.^[9]

굴절률

n_\mathrm{d}

(파장 587.6나노미터에 대한 것)과 아베 수

\nu_\mathrm{d}

의 조합으로 200종 이상의 유리가 있다.

4. 2. 투과율 및 흡수율

유리의 투과율은 일반적으로 제조사에서 제공하며, τ_i 또는 T_i로 표시된다. 투과율은 파장, 샘플 두께, 프레넬 계수 등에 따라 달라진다. 투과율은 공식

\tau _2 = \tau _1^{\frac{d_1}{d_2}}

에 따라 계산된다. 여기서

\tau

는 투과율,

d

는 두께를 나타낸다.^[15]

칼코겐화물 유리는 분자 진동의 주파수를 줄여 적외선 투과율을 높이지만, 가시광선 투과율은 낮다. 할로겐화물 유리, 특히 불화물 유리는 음이온과 양이온 사이의 결합이 약해져 진동이 약해지므로 적외선 투과율이 좋다.^[15]

유리 습도(물 함량)는 2.9μm~4.2μm 영역에서 유리의 투과율에 큰 영향을 미친다. 물은 OH^- 그룹의 형태로 존재하며, O-H 결합은 약 90 THz의 주파수로 진동하여 2.9μm~3.6μm 파장의 흡수를 일으킨다. 샘플의 습도가 높을수록 국소적인 투과율 감소가 커진다.^[15]

4. 3. 방출 및 비선형 현상

레이저는 매우 높은 조도 수준에서 사용되는 경우가 많다. 이 높은 조도 범위에서 굴절률은 선형 영역에서 벗어나 광속의 강도에 비례하는 법칙을 따른다. 굴절률(

n(\lambda,I)

)은

n(\lambda,I)=n_0(\lambda)+\gamma I

와 같이 나타낼 수 있다. 여기서

\lambda

는 파장,

I

는 광선의 강도,

n

은 저전력에 대한 굴절률이다. 실리카의 경우

\gamma

는

\lambda

=1,060 nm에서 3.2x10^-20이다. 가장 분산성이 높은 유리는 아마도 유리에 존재하는 금속 이온 때문에 가장 높은 비선형 굴절률을 갖는 경향이 있다.^[17]

1TWmm^-2 이상에서는 다중 포논 흡수 및 애벌런치 광이온화와 같은 고차 비선형 광학 현상이 발생한다. 다중 포논 흡수는 두 개의 광자를 추가하여 재료가 흡수되도록 하여 전자를 방출하는 현상이다. 애벌런치 광이온화는 전자기장에 의해 방출된 전자가 가속되어, 전자의 운동 에너지가 다른 인접한 전자에게 전달되는 현상이다. 이 두 가지 결합된 효과는 유리질 격자를 파괴함으로써 유리에 손상을 줄 수 있다.^[17]

1988년에는 격자가 등방성인 실리카가 강력한 적외선 복사에 의해 교차할 때 녹색 방사선을 방출할 수 있다는 실험이 있었다. 이 설정에서 제2 고조파 생성은 전형적이지 않지만 F-센터의 존재로 설명할 수 있다.^[17]

형광은 광학 유리에서 나타날 수 있는 현상이다. 형광은 조명된 재료에서 더 높은 파장 방사선을 재방출하는 것이다. 입사광의 에너지는 재료의 전자를 여기시키고, 전자는 탈여기되어 기저 상태로 돌아가 원래 파장보다 긴 파장의 광자를 방출한다. 이 현상은 미광 또는 기준 파장과 다른 파장의 빛이 문제가 되는 응용 분야에서 특히 문제가 된다. 형광의 원인으로는 희토류 원소 이온, 불순물, 색상 중심 등이 있다.^[18]

5. 제조

광학 렌즈 제조에는 매우 순수한 재료가 필요하다. 대부분의 유리는 도가니 용광로에서 소량으로 녹인다. 붕규산 유리와 같은 특정 대량 생산 광학 유리는 탱크 용광로에서 연속 생산한다.^[20]

200종 이상의 광학 유리가 굴절률 $n_\mathrm{d}$ (587.6나노미터 파장)과 아베 수 $\nu_\mathrm{d}$ 의 조합으로 존재한다. 단일 볼록 렌즈로도 실상을 맺을 수 있지만, 빛의 파장에 따라 유리의 굴절률이 변하여 (색수차) 상이 흐려진다. 구면 수차 등을 보정하고 상의 선명도를 높이기 위해, 광학 정수가 다른 여러 장의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합하여 광학계를 구성하기도 한다. 광학계의 정밀도와 비용에 따라 다양한 광학 정수 선택이 가능해지면서 광학 유리의 종류가 점차 증가했다.

고전적으로는 굴절률이 낮고 분산이 적은 볼록 렌즈용 크라운 유리와, 산화 납을 포함하여 굴절률과 분산이 높은 오목 렌즈용 플린트 유리로 분류되었다. 이후에는 유해하고 무거운 납 대신 이산화 티타늄을 사용한 티타늄계 플린트, 저분산 고굴절률의 바륨계 크라운 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산 특성이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 유리가 개발되었다. 1950년대에서 1970년대에는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리도 사용되었다.^[41]

광학 유리는 대표적인 다품종 소량 생산품이다. 각 종류별로 도가니에서 용융하며, 높은 균질성을 위해 교반(攪拌)한다. 도가니 재료로는 내화 점토나 백금을 사용하며, 배소(焙燒)로 외에 고주파로도 활용된다. 생산량이 많은 경우에는 연속 생산도 진행된다.

5. 1. 제조 공정

광학 렌즈 제조에 사용되는 기본 재료는 매우 순수해야 한다. 불순물은 렌즈 성능을 저하시키고 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 실리카 기반 유리를 만드는 데 사용되는 모래는 산화철(Fe₂O₃) 비율이 매우 낮아야 하며(최대 10 ppm), 다른 산화물 및 원소(코발트, 구리, 니켈 등)의 비율도 낮아야 한다. 이러한 조건을 만족하는 모래는 매우 드물다.^[19]

대부분의 유리는 ''도가니 용광로''에서 소량으로 녹이지만, 특정 대량 생산 광학 유리(예: 붕규산 유리)는 탱크 용광로에서 연속적으로 생산한다.^[20]

유리 제조 공정은 다음과 같은 여러 단계로 구성된다.

1. 유리 페이스트 용해: 재료를 용광로에 넣고 서서히 녹는점까지 가열한다. 이 단계에서 분자 조성 또는 분해에 대한 화학 반응이 일어나 상당한 가스 배출이 발생한다. 수화물, 탄산염, 질산염, 황산염은 유리화 원소와 함께 유리 페이스트를 형성하며 수증기, 이산화탄소, 이산화황 등의 가스를 발생시킨다. 예를 들어, 소다 석회 유리 페이스트 1L는 100 °C로 가열될 때 약 1,440L의 다양한 가스를 방출하며, 이 중 70%가 이산화탄소이다.^[21]

2. 정련: 광학 렌즈의 품질에 필수적인 단계로, 구성 요소가 페이스트 전체에 고르게 분포되도록 유리를 균질화하고 가스를 완전히 배출한다. 균질화는 렌즈에 줄무늬가 나타나는 문제를 방지한다. 특히 오산화비소(As₂O₅)를 사용하여 가스를 방출하는데, 이는 삼산화비소(As2O3)로 분해되어 산소를 방출하여 다른 원소 및 방출된 가스와 결합하여 기포를 제거한다.^[21]

3. 결함: 기포, 줄무늬, 포함물, 변색 등의 결함은 유리 용해 공정의 결과로 나타날 수 있다.

결함 종류	발생 원인
기포	불충분한 정련
줄무늬	유리 이질성(유리가 국부적으로 다른 굴절률을 가져 왜곡 발생)
포함물	국부적으로 결정화된 유리 또는 용해에 사용된 용기의 파편
변색	혼합 제품의 불충분한 순도

4. 템퍼링: 구조를 경화해야 하는 유리에 사용된다. 광학용 유리는 종종 깨지기 쉽고 얇아서 템퍼링되지 않는다. 광섬유는 인발 후 템퍼링하여 기계적 강도를 높인다.^[22]

5. 어닐링: 유리를 응고하기 시작하는 특정 온도(예: 실리카 유리의 경우 약 1,000 °C, 소다 석회 유리의 경우 450 °C)에서 제어된 방식으로 서서히 냉각시키는 것이다. 어닐링은 재료 내부의 응력(불순물, 줄무늬, 기포 등)을 제거하고 불균일한 냉각을 방지하는 데 필요하다.^[22] 어닐링 시간은 유리의 양과 조성에 따라 수백에서 수천 시간에 이른다.^[23]

6. 종류

광학 유리는 주요 구성 성분에 따라 여러 계열로 분류된다. 크게 플린트, 크라운 외에도 할로겐화물 유리 및 칼코겐화물 유리(산소 제외)와 같은 다른 그룹이 존재한다.^[24]

다음은 대부분의 유리 계열과 그 구성을 요약한 표이다. 각 구성은 고유한 특성과 결함을 가지고 있다. 굴절률을 높이려면 자외선 투과율을 희생해야 하는 경우가 많으며, 유리 제조 초창기부터 연구를 통해 이러한 상황이 상당히 개선되었지만, 고분산, 저굴절 유리를 얻거나 저분산, 고굴절 유리를 얻는 것은 불가능하다.

유리 계열	주요 구성 성분
플린트	산화 납(II) (PbO), SiO₂, K₂O
크라운	SiO₂, K₂O, CaO
할로겐화물	플루오린 (F), 염소 (Cl) 등
칼코겐화물	황 (S), 셀레늄 (Se), 텔루륨 (Te)

굴절률 ( $n_\mathrm{d}$ , 파장 587.6나노미터 기준)과 아베 수 ( $\nu_\mathrm{d}$ )의 조합으로 200종 이상의 유리가 존재한다. 1장의 볼록 렌즈로도 실상을 맺을 수 있지만, 유리의 굴절률은 빛의 파장에 따라 변하기 때문에 (색수차) 상이 선명하지 않다. 이 외에도 구면 수차 등을 제거하여 상의 정밀도를 높이기 위해, 광학 정수가 다른 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 여러 장 조합하여 광학계를 만드는 경우가 많다.

광학계의 정밀도와 비용에 따라 광학 정수의 선택지가 늘어난 결과, 광학 유리의 종류가 차츰 늘어났다. 고전적인 분류에 따르면, 굴절률이 비교적 낮고 분산도 낮은 볼록 렌즈용 유리(크라운계)와, 조성에 산화 납을 포함하여 고굴절률·고분산의 오목 렌즈용 유리(플린트계)가 있다. 그 후, 유해하고 비중이 큰 납 대신에 이산화 티타늄을 사용한 티탄계 플린트, 저분산 유리이면서 높은 굴절률을 갖는 바륨계 크라운 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 등이 새롭게 개발되었다. 1950년대-1970년대에는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리도 사용되었다.^[41]

광학 유리는 전형적인 다품종 소량 생산품이다. 종류별로 도가니에서 용융하고, 높은 균질성을 얻기 위해 교반(교반)을 한다. 도가니 재료는 내화 점토 또는 백금으로, 배소로 외에 고주파로도 사용된다. 생산량이 많은 경우에는 연속 생산도 이루어진다.

6. 1. 산화물 유리

플린트와 크라운은 종종 SiO₂ 또는 TiO₂ 티탄산염과 같은 산화물로 구성된 유리이다. 굴절률 범위는 1.4에서 2.4이다.^[24] 이 큰 그룹은 적외선에서 수산기의 높은 밴드갭 에너지와 광자 흡수 피크로 인해 200 nm에서 2.5 μm 범위의 특징적인 투과 프로파일로 식별할 수 있다.

다양한 산화물이 사용되며, 가장 일반적인 것은 실리카 기반 유리이지만 다음과 같은 다른 분자를 사용하여 유리질 시스템을 형성할 수도 있다.:^[24]^[25]

GeO₂;
B₂O₃;
P₂O₅;
알루미노규산염 및 붕규산염;
인산염.

인산염 유리는 융점이 낮고 붕규산 유리보다 점성이 더 크지만, 화학적 공격에 대한 저항력이 낮고 내구성이 떨어진다.^[25] 인산염, 붕산염 또는 붕인산염 유리질 시스템을 기반으로 하는 유리는

\frac{dn}{dT}

, 즉 온도에 따른 굴절률 변화가 일반적으로 음수이므로 열화에 좋은 후보이다. 열화는 재료의 열팽창을 지수를 변경하여 보상하는 것으로 구성된다. 인산염 유리군은 이러한 가능성에 특히 적합하다.^[26]

굴절률

n_\mathrm{d}

(파장 587.6나노미터에 대한 것)과 아베 수

\nu_\mathrm{d}

의 두 가지 광학 정수의 조합으로 200종 이상의 유리가 있다. 1장의 볼록 렌즈에서도 실상은 맺히지만, 유리의 굴절률은 빛의 파장에 따라 변하기 때문에 (색수차) 상이 선명하지 않다. 이 외에도 구면 수차 등을 제거하여 상의 정밀도를 높이기 위해, 광학 정수가 다른 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 여러 장을 조합하여 광학계를 만드는 경우가 많다. 광학계의 정밀도와 비용에 따라 광학 정수의 선택지가 늘어난 결과, 광학 유리의 종류가 차츰 늘어나 현재에 이르고 있다.

고전적인 분류에 따르면, 굴절률이 비교적 낮고 분산도 낮은 볼록 렌즈용 유리(크라운계)와, 조성에 산화 납을 포함하여 고굴절률·고분산의 오목 렌즈용 유리(플린트계)가 있지만, 그 후, 유해하고 비중이 큰 납 대신에 이산화 티타늄을 사용한 티탄계 플린트, 저분산 유리이면서 높은 굴절률을 갖는 바륨계 크라운 및 란탄계 크라운, 그리고 부분 분산이 다른 인산염계, 불화물계, 불린산계 등이 새롭게 개발되었다.

1950년대-1970년대에 걸쳐서는 란탄계 크라운의 발전형으로 산화 토륨을 첨가한 고굴절 유리도 사용되었다.^[41]

광학 유리는 전형적인 다품종 소량 생산품이다. 종류별로 도가니에서 용융하고, 높은 균질성을 얻기 위해 교반(교반)을 한다. 도가니 재료는 내화 점토 또는 백금으로, 배소(배소)로 외에 고주파로도 사용된다. 생산량이 많은 경우에는 연속 생산도 이루어진다.

6. 2. 할로겐화물 유리

1970년대경 중적외선 투과 유리에 대한 수요가 증가하면서 최초의 플루오라이드 유리가 등장했다.^[25] 이 유리는 산화 유리의 산소를 할로겐(불소, 염소 등), 드물게는 중할로겐으로 대체하여 구성된다. 플루오라이드 유리는 비교적 높은 밴드 갭(평균 약 5eV의 밴드 갭으로 인해 약 250nm에서 투과 감소 발생)^[25]과 중금속 플루오라이드 결합의 저주파 진동으로 인해 200nm에서 7μm까지 가시광선 및 중적외선 영역을 커버한다. 실리카 흡수는 에서 Si-O 결합의 진동으로 인해 발생하지만, 플루오로지르코네이트 흡수는 의 주파수에서 Zr-F 결합의 진동으로 인해 발생하며, 이것이 산화물 및 할로겐화물 유리가 적외선에서 다르게 작동하는 이유이다.

중금속 대신 희토류를 사용하면 적외선으로 더욱 멀리 투과하는 희토류 플루오라이드 유리를 얻을 수 있다. 적외선 투과를 늘리는 또 다른 방법은 플루오라이드 유리 대신 염화물 유리를 만드는 것이지만, 이렇게 하면 유리의 안정성이 감소한다.^[24] 렌 대학교에서 최근 개발된 유리 유형은 텔루륨 할로겐화물을 사용한다. 가시광선 영역의 에너지 갭이 더 크기 때문에 가시광선 영역의 투과 감소는 700nm-1.5μm로 진행되는 반면, 원적외선 영역의 투과율은 향상된다. 이러한 유리의 굴절률이 매우 높기 때문에, 강한 반사로 인해 투과율이 감소하는 칼코겐화물 유리처럼 작동한다.^[24]

플루오라이드 렌즈는 근자외선 투과에도 유용하다. 근자외선 투과 유리는 그 수가 적지만, 플루오린화 리튬, 플루오린화 칼슘 및 플루오린화 마그네슘 유리가 포함된다.^[28]

6. 3. 칼코겐화물 유리

칼코겐화물 유리는 적외선 투과율을 향상시키기 위해 1980년대부터 개발되었다.^[25] 산소는 황, 셀레늄, 텔루륨과 같은 다른 칼코겐 원소로 대체되고, 규소는 게르마늄, 비소, 안티몬과 같은 더 무거운 금속으로 대체된다.

칼코겐화물 유리의 굴절률은 2보다 크며, 가시광선 영역에서는 밴드갭과 여러 흡수 밴드로 인해 검게 보인다. 이러한 유리의 투과율은 1μm에서 12μm까지이지만, 굴절률이 매우 높아 반사 계수가 높기 때문에 산화물 또는 할로겐화물 유리보다 낮다.^[24]

칼코겐화물 유리는 희토류 이온으로 도핑할 수 있는 유리와 그렇지 않은 유리, 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 전자는 주로 황화물 및 셀렌화 게르마늄과 갈륨으로 구성되어 있으며, 후자는 도핑되지 않았지만 원적외선에서 최고의 투과 성능을 제공한다.^[25]

7. 특수 유리

특수 유리는 특수한 목적을 위해 제조된 유리를 말한다.

융합 석영: 석영 유리는 제조에 사용되는 재료에 따라 다른 광학 유리와 구별된다. 단일 재료인 실리카로 만들어지며, 낮은 팽창, 높은 열 안정성, 조정 가능한 자외선 및 적외선 투과율이 주요 특성이다.
광학 필터: 입사광의 특정 부분만 투과하도록 설계된 유리로, 특정 파장을 차단하거나 다양한 색을 띨 수 있다. 전자 필터와 유사하게 하이패스, 로우패스, 밴드패스, 노치 필터 등으로 사용된다.
레이저 렌즈: 레이저의 열충격 저항성을 위해 Li₂O-CaO-SiO₂ 유리, 칼륨-바륨-인산염 유리 등이 사용된다.
굴절률 구배 렌즈: 1854년 제임스 클러크 맥스웰이 발명한 '어안 렌즈'는 굴절률이 연속적으로 변하는 구형 렌즈이다. 1905년 로버트 윌리엄스 우드는 굴절률이 포물선으로 변하는 평행한 면을 가진 렌즈를 개발했다.
도핑 렌즈: 극한 환경에서 사용되는 렌즈로, 방사선에 의한 변색을 줄이기 위해 CeO₂를 도핑한다.
기타 유리:
비열화 렌즈: 온도가 변해도 광학 경로가 일정하게 유지되는 렌즈이다.
결정화 유리(세라믹 유리): 장기간의 가열 과정을 통해 결정 형성이 촉진된 유리로, 열충격에 강하고 열팽창이 거의 없다. 쇼트 AG의 제로드어는 초대형 망원경에 사용된다.

7. 1. 융합 석영

석영 유리는 제조에 사용되는 재료의 출처에 따라 다른 광학 유리와 구별된다. 많은 제조업체에서 석영 유리를 생산하지만, 주로 불순물의 특성과 수분 함량에서 차이가 나타난다. 이러한 차이점은 각 석영 유리에 투과율 및 화학적 공격에 대한 저항성과 같은 고유한 특성을 부여한다.^[29]

석영 유리는 단일 재료인 실리카로 만들어진다. 주요 특성은 낮은 팽창(α≈0.5×10⁻⁶ K⁻¹),^[30] 높은 열 안정성(최대 1,000 K)^[30] 및 필요에 따라 조정 가능한 자외선 및 적외선 투과율이다.

7. 2. 광학 필터

광학 필터는 입사광의 특정 부분만을 투과하도록 설계된 유리이다. 필터는 무색일 수 있으며, 특정 값 이상의 파장을 차단하는 데 사용되는 단순한 광학 유리일 수도 있다. 또한 중금속 또는 희토류 이온의 도입, 분자 착색, 콜로이드 현탁액 등을 통해 다양하게 착색될 수 있다. 필터 유리는 눈에 띄는 광발광을 나타낸다.^[31]

유색 유리로 된 광학 필터는 평행한 면과 필요한 투과 특성에 따라 달라지는 두께를 가진 블레이드 형태를 취한다. 전자 필터와 마찬가지로 하이패스, 로우패스, 밴드패스, 노치 필터 등으로 불린다.

7. 3. 레이저 렌즈

레이저에서 열충격에 대한 저항성을 위해 Li₂O-CaO-SiO₂ 유리를 비롯하여 자극 방출에 충분한 유효 단면을 가진 칼륨-바륨-인산염 유리를 포함한 여러 종류의 유리가 사용된다. 나트륨, 리튬 또는 알루미늄 산화물을 첨가하면 왜곡이 크게 줄어든다. 이러한 유리는 비열화된다. 이 두 가지 유형의 유리 외에도 리튬-알루미늄 인산염을 사용할 수 있다. 이들은 이온 교환으로 처리되며 특히 저항성이 뛰어나 평균 레이저 출력이 매우 높은 응용 분야(예: 펨토초 펄스 레이저) 또는 약간 비선형 지수를 가진 플루오로인산염에 이상적이다.^[32] Nd³⁺를 도핑한 유리는 능동 레이저 매질로 사용된다.

7. 4. 굴절률 구배 렌즈

제임스 클러크 맥스웰은 1854년에 굴절률이 연속적으로 변화하는 '어안 렌즈'를 발명했다. 이 렌즈는 구형이며,

n(r) = \frac{2}{1+(r/R)^2}

형태의 굴절률을 갖는다. 여기서

n

은 렌즈 한 점의 굴절률,

R

은 렌즈 반지름이다. 이 렌즈는 표면의 모든 점을 정반대 지점에 완벽하게 이미징할 수 있다. 1905년 로버트 윌리엄스 우드는 굴절률이 포물선적으로 변하는 평행한 면을 가진 렌즈를 개발했다. 우드 렌즈는 기존 렌즈처럼 광선을 초점 또는 발산하는 데 사용 가능하다.^[33]^[34]

1970년경부터 유리 제조 기술 발전으로 구배 굴절률 유리의 개발, 평가, 가공이 가능해졌다. 구배 굴절률 유리의 주요 용도는 광섬유 통신과 이미징이다. 구배는 구형, 원통형, 축 구배의 세 가지 유형으로 나뉜다.^[35]

구배 굴절률 유리를 생산하는 기술에는 중성자 폭격, 이온 충전, 유리층 중첩 등이 있다. 사용 기술에 따라 구배 강도와 프로파일 제어 수준이 달라진다. 주입 또는 이온 충전 방식은 10~50 mm의 구배를 생성하며, 굴절률 진폭은 0.04이다. 중성자 폭격 및 화학 기상 증착 방식은 낮은 진폭의 얕은 구배(약 100 μm)를 생성한다. 더 큰 구배의 경우, 자외선 노출에 반응하는 단량체의 부분적 렌즈 중합(굴절률 진폭 0.01에 대해 약 100mm의 구배) 또는 붕규산염이나 플린트 유리 층을 중첩한 후 부분 용융하는 방식이 있다. 마지막 기술은 페이스트를 녹인 다음 회전시켜 굴절률 구배를 형성하는 것이다.^[36]

7. 5. 도핑 렌즈

특정 극한 환경에서는 기존 렌즈 사용이 적합하지 않다. 시스템이 원거리 자외선(X선, 감마선 등) 또는 알파선이나 베타선과 같은 입자 플럭스에 노출되면, 재료의 변색으로 인해 렌즈 투과율이 감소하는 현상이 관찰된다.^[37] 전자기 방사선은 청색 투과율을 감소시키는데, 이는 일명 태양화 현상으로 알려져 있다. 이는 시스템 성능에 해로우므로, 새로운 유형의 방사선 저항성 렌즈를 개발할 필요가 있었다.

방사선은 이온화, 전자 또는 정공 포획, Si-O 결합의 분열 등 다양한 영향을 미친다. 이러한 영향은 분자의 원자가를 변화시키거나 방사선을 집중시켜 유리의 국소적 열화를 유발하는 불순물의 존재에 의해 쉽게 증폭될 수 있다.

유리 투과율 및 성능 저하를 줄이기 위해 CeO₂를 도핑한다. 이는 유리의 투과율 저하를 약간 이동시키지만, 유리의 광학적 성능에 대한 방사선의 영향을 사실상 느끼지 못하게 한다.^[37]

7. 6. 기타 유리

이미 언급된 렌즈 외에도 설계나 용도에 따라 특수한 유리 유사 물질이 있다.

여기에는 렌즈를 통과하는 광학 경로가 온도에 관계없이 생성되는 '''비열화 렌즈'''가 포함된다. 온도에 따른 광학 경로의 차이는

\Delta L=s(\alpha(n-1)+dn/dt)\Delta T=sGT

로,

s

는 유리의 두께,

\alpha

는 열팽창 계수,

n

은 굴절률,

T

는 온도,

G

는 열광학 계수에 의해 결정된다. 비열화 유리는 불소 크라운, 인산염 크라운, 고밀도 크라운, 바륨 및 티타늄 플린트 및 기타 계열에서 찾을 수 있다.^[38]

'''결정화 유리''' 또는 세라믹 유리는 장기간의 복잡한 가열 과정을 통해 결정 형성 과정이 촉진된 유리이다. 결정화를 시작하기 위해 결정체를 첨가하면 50~90% 범위의 결정화된 비율을 가진 유리가 생성된다. 포함된 결정체와 세라믹 유리의 유리 비율에 따라 특성이 달라진다. 일반적으로 세라믹 유리는 열충격에 매우 강하고 열팽창이 거의 0에 가깝다( 쇼트 AG의 제로드어, 예를 들어 이러한 열적 특성을 위해 초대형 망원경에 특별히 사용되었다).^[39]

8. 유리 품질

광학 부품에는 부품에 적용되는 표기법과 허용 오차를 통일하고 광학 품질 표준을 정의하기 위한 다양한 표준이 있다. 주요 표준은 MIL (미국 군사 표준) 및 ISO (국제 표준) 두 가지이다. 프랑스에서는 '기계 표준화 연합'이 ISO 출판물에 최대한 가깝게 따르려고 하기 때문에 AFNOR 표준이 ISO 표준과 매우 유사하다.^[40]

MIL 및 ISO 표준은 렌즈, 결함, 표면 처리, 시험 방법 및 개략적인 표현 등 매우 광범위한 분야를 다룬다.

MIL 표준 범위
참조	적용 분야
MIL-G-174	광학 유리
MIL-C-675	광학 유리 부품의 처리
MIL-A-3920	접착제 및 광학 열경화
MIL-M-13508	거울, 유리, 광학 부품용 알루미늄 표면
MIL-A-14443	렌즈용 접착제, 유리-금속 접합
MIL-O-16898	포장 광학 소자
MIL-PRF-13830B	광학 부품의 제조, 조립 및 검사

참조	적용 분야
NF ISO 10110: 광학 및 광학 기기. 광학 소자 및 시스템에 대한 도면 지침.	1. 개요
	2. 재료 결함 - 응력 복굴절
	3. 불완전한 재료 - 기포 및 개재물
	5. 표면 형상 허용 오차
	6. 중심 맞춤 허용 오차
	7. 표면 결함 허용 오차
	9. 표면 처리 및 코팅
NF ISO 10629: 생 광학 유리. 50°C에서 수성 알칼리 용액에 대한 저항	동일
NF ISO 9211: 광학 및 광학 기기. 광학 처리.	4. 특정 시험 방법

9. 제조업체

쇼트 AG(Schott AG)^[9]^[13]
헤라우스 쿼츠글라스(Heraeus Quarzglas)
오하라 주식회사(Ohara Corporation)
호야 주식회사(Hoya Corporation)
코닝(Corning Inc.): 렌즈 카탈로그는 제공되지 않지만, 코닝 렌즈는 광학 설계 소프트웨어에서 계속 사용할 수 있으며 특수 렌즈 생산이 계속되고 있다.
필킹턴(Pilkington): 안과용 및 평판 렌즈에 초점을 맞춰 카탈로그를 재구성했다.
스미타 광학 유리(Sumita Optical Glass)
히카리 글래스(Hikari Glass): 광학 렌즈를 생산하는 니콘의 자회사.
OAO 르트카린스키 자보드 옵티체스코고 스테클라(OAO Lytkarinski Zavod Optitcheskogo Stekla)
CDGM

10. 응용 분야

광학 유리는 렌즈, 거울, 망원경, 현미경, 사진 렌즈, 뷰파인더, 안경, 광섬유, 레이저 등 다양한 광학 기기 및 분야에 사용된다.^[13]

광학 유리는 주로 다음과 같은 광학 기기에 사용된다:

광학 기기
망원경
현미경
사진 렌즈
뷰파인더 렌즈
콜리메이터
접안렌즈

안경은 광학 렌즈, 특히 안과용 렌즈로 처방용 안경에 사용된다. 안경은 복사량에 따라 색상이 변하는 변색 유리로 만들 수도 있다.

광학 유리는 고에너지 입자 검출기(예: 체렌코프 복사, 섬광 효과 등을 감지하는 유리) 및 방사선에 노출된 시스템의 온보드 광학 장치와 같은 핵 응용 분야 등 훨씬 더 다양하고 전문화된 다른 응용 분야에 사용된다.^[13]

광학 유리는 광섬유를 형성하거나, 이러한 섬유에 주입하기 위한 굴절률 분포형 렌즈(SELFOC 렌즈 또는 젤텍 렌즈)를 형성하도록 방사할 수 있다.^[13]

도핑 또는 비도핑된 형태의 광학 유리는 레이저의 증폭 매체로 사용될 수 있다.^[13]

미세 노광은 쇼트사의 FK5HT(플린트 크라운), LF5HT(플린트 라이트) 또는 LLF1HT(플린트 엑스트라 라이트)와 같은 자외선 투과 유리를 사용하며, 회사는 수은의 i선을 따서 이를 "i-line" 유리라고 명명했다.^[13]

참조

_[1] 간행물
_[2] 간행물
_[3] 간행물
_[4] 간행물
_[5] 간행물
_[6] 간행물
_[7] 간행물
_[8] 간행물
_[9] 간행물
_[10] 간행물
_[11] 서적 ISO 10110-8:2019 https://www.iso.org/[...]
_[12] 간행물
_[13] 간행물
_[14] 간행물
_[15] 간행물
_[16] 간행물 Transmittance of optical glass https://www.schott.c[...] 2005-10
_[17] 간행물
_[18] 간행물 Fluorescence of optical glass https://archive.wiki[...] 2010-08
_[19] 간행물
_[20] 웹사이트 L'élaboration du verre http://www.verreonli[...]
_[21] 간행물
_[22] 웹사이트 La recuisson du verre http://www.infovitra[...]
_[23] 간행물 Stress in optical glass https://www.schott.c[...] 2004-07
_[24] 간행물
_[25] 간행물
_[26] 간행물
_[27] 간행물
_[28] 간행물
_[29] 간행물
_[30] 간행물
_[31] 간행물
_[32] 간행물
_[33] 간행물
_[34] 간행물
_[35] 간행물
_[36] 서적
_[37] 서적
_[38] 서적
_[39] 서적
_[40] 서적
_[41] 뉴스 核物質ずさん管理露呈売った会社既に倒産朝日新聞 1979-07-07

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