山本 公明 올림푸스(주) 연구개발본부 1. 들어가며 유리 제작은 기원전 2055년경 이집트에서 이미 사용하였다고 알려져 있지만 투명 유리가 대량으로 제작되어 안경 렌즈로서 공급되기 시작한 것은 13세기 말부터 14세기에 걸쳐서이다. 그러나, 당시는 아직 좋은 품질의 커다란 유리덩어리가 있었던 것이 아니라 광학 유리라고도 불릴 만한 균질하면서 커다란 유리를 만들게 된 것은 기난(P.l.Guinand, 1748~1824)이 항아리에서 용해유리를 반각 제작하는 기술을 창시한 것은 18세기말이라고 한다. 광학 유리는 그 종류가 200종 이상이나 되는데 그 발전의 초석은 19세기 후반 이후에 확립된 광학설계 이론과 그것을 배경으로 1880년대 이후 독일 쇼트사에서 개발한 유리기술에 의해서 큰 발전을 하였다. 요즘에 들어 광학 유리는 시야와 근적외의 스펙틀 영역에서는 이상적인 재료로서 다양한 광학기기에 이용되지만 본고에서는 광학 유리에 요구되는 유리 특성과 기대되는 유리, 시장상황 등을 개설하도록 한다. 유리 특성에 대해서는 광학 설계적 관점에서 이론적으로 해설하여 나중에 기술할 제 해설이론에 도움이 되는것과 함께 정밀광학계에서는 왜 그렇게 다양한 유리를 필요로하는지 그 이유도 확실히 하여 광학기기의 성능향상에 관련된 역사적인 의미도 회고해 보도록 한다. 2. 광학유리의 특성과 광학설계 가. 광학유리의 특성 광학기기에 사용되는 유리는 일반적으로 매우 높은 품질이 요구된다. 또 균질등방적이며 투명성이 좋고 광학정수가 일정하며 다양해야한다. 경도가 적당히 높고 열팽창이 작고 화학적 내구성도 비교적 좋아야하는 등의 특성이 요구된다. 여기서는 그것들 중에서 광학적 특징을 중심으로 해설하도록 한다. 나. 광학적 성질 - 굴절률 굴절률은 진공중일때와 매질중일때의 상위 속도의 비로 정의되는데 보통은 유리의 공기에 대한 상대 굴절률로서 표시되는 때가 많다. 유리메이커에서는 각종 스펙틀 선에 대한 소수점 이하 5자리의 굴절률치를 나타낸다. ISO 7944(1998년)에서는 가시광역의 스펙틀선으로서 i선(파장:365.01nm), h선(파장:404.66 nm), g선(파장:435.83nm), F′선(파장:479.99nm), F선(파장:486.13nm), e선(파장:546.07nm), d선(파장:587.56nm), C′선(파장:643.85nm), C선(파장:656.27nm), r선(파장:706.52nm)을 추천하고 있다. 또 ISO 7944(1988)에서는 기준파장을 e선으로 한다고 정하고 있다. 단, 안경기기에 대해서는 d선도 기준파장으로 하는 것을 허용하고 있다. 유리 카탈로그에서는 e선 d선대한 굴절율을 주굴절률로 하고 이들 스펙틀선에 대해서는 소수점 이하 6자리를 나타내는 메이커도 있다. - 분산 파장의 다름에 의한 광학정수의 차이가 분산인데 굴절률에 대한 분산 표헌법으로서는 부분분산 nx-ny와 앗베수가 이용된다. 주부분 분산 nf′-nc′에 대응하여 앗베수는 각각 다음과 같이 정의할 수 있다. (1) 또 나중에 이야기하는 이상 분산 파악에 필요한 부분분산으로서는 다음의 식이 이용된다. (2) 임의 파장에 대한 굴절률은 분산식을 사용하여 게산할 수 있다. 분산식에는 Hartmann식, Sellmeier식, Hertzberger식 등이 알려져 있지만 유리 카탈로그에서는 계산식과 유리 종류마다의 정수가 나타나있는데 예를 들면 어떤 메이커 카탈로그에서는 다음의 식으로 굴절율을 계산할 수 있게 되어있다. (3) 표준측정파장(365nm~1014nm)범위에서 ±5×10-6로 계산할 수 있다. - 투과율 유리 투과율 T는 사출광 강도 I와 입사광 강도 Io의 비 I/I0로 나타낸다. 평면반사의 영향을 제외한 것은 내부투과율 τ로 불린다. 평행평면을 가정하여 반사율을 R로 하면 다음과 같은 관계가 된다. (4) n<1.9인 경우에는 1%이하의 착오로 수식이 성립된다. (5) 투과율은 일반적으로 적외지역에서 급격히 저하하는데 그 파장의존성을 나타내는 것에는 착색도란 것이 있다. 착색도는 보통 두께 10mm 시료에 있어서 투과율 80%와 5%를 나타내는 파장을, 10mm을 단위로하여 40/35와 같이 표시한다. 다. 그 밖의 성질 이 밖에도 광학 유리로서 요구되는 성능에는 내수성과 내산성, 내잠상성 등의 화학적 성질 유리 전이점, 평균선 팽창계수 등의 열적 성질 및 누프 딱딱함과 마찰도 등의 기계적 성질이 있다. 또 脈理, 거품, 광학적 균질성 등의 특성도 품질의 중요한 정보로서 요구되어진다. 라. 광학 설계와 광학 유리 이미 이야기 하였듯이 매우 다양한 종류의 광학 유리가 존재하는데 여기서는 광학 설계이론을 기반으로 그것을 필요로 하는 이유를 확실히 하도록 한다. 마. 렌즈의 굴절력과 유리 媒質의 굴절작용을 물점에서 광속을 이용하여 收束 혹은 발산시키는 과학소자를 렌즈라 부르는데 그 굴절작용의 크기는 굴절력 ф 또는 촛점거리 f=1/ф 로 정의한다. 곡율반경 r1, r2(부호는 곡율중심이 면 오른쪽에 있을 때를 플러스로 한다) 를 가진 공기중의 박육 렌즈(굴절율을 으로 한다) 의 경우 굴절력은 다음과 같이 나타낼 수 있다. (6) 단, c1-c2는 곡율을 표시한다. 위의 식에서 렌즈의 굴절력은 굴절율과 면의 곡율차 c1-c2를 증가시키는 만큼 커지는 것이 가능하다는 것을 알았다. 또 굴절력은 일면에서도 발생하지만 그 굴절력이 동등한 경우에는 유리의 굴절율이 큰만큼 렌즈면의 곡율을 작에 할 수 있을 뿐만 아니라 많은 경우 수차의 발생을 제어하는 것이 가능하게 되었다. 굴절율이 큰 유리가 유용한 이유이다. 바. 색을 지운 렌즈와 유리 (6)식에서 볼 수 있듯이 단 렌즈에서는 파장마다 굴절력이 다르다. 이것은 단 렌즈에서는 색을 지운 렌즈가 불가능한 것을 나타낸다. 2장의 박육 렌즈가 접합된 렌즈를 생각해 각 렌즈의 굴절력을 각각 ф1, ф2로 하고 합성 렌즈의 굴절력을 ф으로 한다. 이 때 다음과 같은식이 성립한다. (7) (1), (6), (7)식을 이용, 이 합성 렌즈가 2개의 파장, 예를 들면 C′선과 F′선으로 같은 굴절력을 갖는 색을 지운 렌즈인 조건을 생각하면 다음과 같은 계산이 가능하다. (8) ν1, ν2는 맞기 때문에 위의 식에서 ф1, ф2 은 다른부호가 된다. 즉, 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 합성할 필요가 있음을 알게된다. 또 합성 렌즈의 굴절력 ф이 맞을 때에는 오목 렌즈에는 앗베수가 큰 유리를 사용하고 볼록 렌즈에는 앗베수가 적은 작은 유리를 사용해야함을 알 수 있다. 다음으로 이 합성 렌즈가 넓은 시야까지 찰영 가능한 렌즈로 한다. 넓은 시야를 촬영하기 위해서는 넓은 범위에 걸쳐 상이 평평해야만 하는데 그렇기 때문에 상면 만곡차수를 제로로 하는 조건으로서 다음과 같은 식을 만족시켜야한다. (9) 따라서 (8), (9) 식에서 다음이 식이 나온다. (10) 즉 굴절력 ф이 맞을 때에는 볼록 렌즈에는 앗베수가 커지고 나아가 굴절률도 큰 유리를 또 볼록렌즈에는 앗베수가 적어 굴절율이 적은 유리를 사용하는 것이 필요하다. 다음으로 2개의 파장으로 색이 지워진 렌즈가 제3의 파장도 색이 지워지는 경우도 생각해보자. 2개의 파장에서 색이 지워진 렌즈에 존재하는 색 수차는 2차 스펙틀이라 불리는데 이 2차 스펙틀은 무한원물점에 대해 다음과 같이 나타낸다. (11) 단 f는 초점거리 δf는 초점거리의 차 , θ1, θ2는 (2)식에서 나타낸 부분분산을 나타낸다. (11)식에서 2차 스펙틀을 작게하기 위해서는 Ψ=(θ1-θ2)/(ν1-ν2)를 작게 할 필요가 있지만 보통은 유리조합에서는 Ψ은 거의 일정하기 때문에 달성하지 못하는 경우는 없다. 이에 3파장에서 색수차를 보정한 아포크오 마트설계를 위해서는 이상분산을 가진 유리사용이 아무래도 필요하게 된다. 이상에서 본것과 같이 품질이 좋은 렌즈제작을 위해서는 다양한 광학 유리가 필요한 이유가 이해되었을것이라 생각한다. 또 앞서 밝힌것과 같이 상면만곡 수차와 색수보정을 위해서는 굴절율과 앗베수가 큰 유리가 필요한데 이와 같은 유리는 짜이스사와 숏 사 협력으로 바륨산화물을 추가하는 방법으로 19세기 후반에 최초로 만들어졌다. 그리고 이에 의해 독일의 광학기기가 영국과 프랑스와의 경쟁에서 이졌다고 할 수 있다. 20세기에 들어와 란탄계의 희사류 유리가 미국에서 개발되어 고굴절율, 저분산 유리의 선택범위는 한층 넓어졌다. 3. 기대되는 광학유리 유리의 용도는 다양하며 각각의 용도에 맞춰 품질 기능 가격면에서 보다 나은 유리를 요구하는 것은 산업 발전면에서 당연하며 또 일반적으로도 고강도 고혁성 경량 고내열성 등의 유리가 개발되면 용도가 보다 넓어지리라는건 쉽게 상상할 수 있다. 또 정보통신용 고기능 유리가 개발되면 가까운 미래에 커다란 영향을 줄 것이라는건 의심할 여지가 없는 일이다. 여기서는 주로 정밀광학 기기에 이용되는 광학 유리에 요구되는 토픽적인 주제를 몇 가지 들어 설명해보도록 하겠다. 가. 진공적외선용 유리 결상광학계 분해능은 사용하는 빛의 파장에 반비례한다. 따라서 고해상도를 얻기 위해서는 더욱 단파장의 빛을 사용할 필요가 있다. 전자산업을 지탱하는 반도체 제조장치 특히 그 심장부라고 여겨지는 축소 투영로광 장치에는 현재 KrF(파장 248nm) ArF(파장 193nm)엑심레이저 빛이 사용되는데 타겟으로 2007년경에 65nm의 해상도를 목표로 하는 F2(파장 157nm)레이저 빛에 의한 노광장치가 주목시되고 있다. 이 파장역이 되는 대부분의 가스재료는 빛을 투과하지 않기 때문에 CaF2 단결정이 후보인데 색수차 보정을 위해서는 이용가능한 다른 광학부재 출현이 기대된다. 제 2후보로는 BaF2 등이 검토되고 있는데 투과율이 좋은 합성석 영국 유리 개발도 기대된다. 나. 에코 유리 산화연(PbO)와 산화히소(As2O3)를 포함하지 않는 가스를 일반적으로 에코가스라고 부른다. 연과 히소는 유해물질로 지정되어져서 환경조화면에서도 이들을 포함하지 않는 유리가 요청되어지고 있다. 그러나 PbO는 굴절율과 분산을 높이기 위해서 대부분의 프린트계 유리에 사용되고 또 As2O3는 액융공정에서 필수성분으로 대부분의 광학 유리에 이용되고 있다. 따라서 그 대체방법을 생각하는 것은 유리 제조면에서 뿐만이 아니라 광학설계면에 있어서도 커다란 과제이다. 이미 앞에서 말한 것처럼 렌즈 설계에서는 색수차를 제거하기 위해 이상분산 유리를 필요로 하고 에코화 되지 않는 경우도 있기 때문에 현미경 등의 분야에서는 특히 심각한 문제이다. 광학 유리 메이커 노력에 의해 비에코 유리의 에코화에 더욱 착색도가 악화하는 등 광학 특성에의 악영향도 있어 앞으로 더 많은 노력이 요구된다. 다. 저융점 유리 현재 카메라 렌즈 광 픽업렌즈 광통신용 결합 렌즈 등 많은 유리 몰드비구면 렌즈가 첨단 광학 기기에 사용되고 있다. 이 몰드 형성에는 형재료가 매우 중요한 요소가 되는데 형재료 선택 범위을 넓히고 또 형수명을 길게한다는 의미에서 연화온도가 비교적 낮은 유리가 요구된다. 이미 광학설계에서는 다양한 유리를 필요로 하는데 적응가능한 유리증가가 기대된다. 라. 굴절률 분포 유리 굴절률이 매질중에서 연속적으로 변화하여 규칙적으로 분포하고 있는 굴절률 분포 유리는 균질 렌즈에는 없는 설계상의 자유가 있어 렌즈매수 삭감이 가능하므로 렌즈용 재료로서 매력적이다. 그러나 백광색 아래서 사용하는 경우에는 커다란 효과가 기대되는것은 역시 분산이 작은 앗베수가 큰 유리이다. 앗베수는 굴절률 분포유리에 있어서는 다음과 같이 정의할 수 있는데 두께가 얇은 렌즈인 경우에는 렌즈 매질의 굴절력이 θλ=-2N10t로 나타나기 때문에 앗베수도 (13)식의 ν10이 중요하며 큰 유리가 요구된다. (주)유리 굴절률 분포 Nλ(r)을 (12) 로 할 때 앗베수는 다음과 같이 정의 할 수 있다. (13) 여기서 r은 광축에서 반경방향의 거리, Nioλ은 파장 λ에 있어서 굴절률 분포계수를 나타낸다. 또 Nioe, Nioc, NioF는 각각 e, C′, F′라인에 대한 굴절률 분포계수를 나타낸다. 일반적으로 통상의 굴절율 분포 유리에서는 ν10이 작기 때문에 색수차 발생량이 크고 단독으로 카메라용 렌즈에 적용하는 것은 불가능하다. 그러나 분산이 작은 볼록 렌즈와 분산이 큰 오목 렌즈의 조합으로 색수차 보정한 원료를 제작에 적용하여 분산이 작은 재료와 분산이 큰 재료를 각각 오목 분포, 볼록 분포가 되는 굴절률 분포를 형성하면 ν10이 매우 큰 굴절률 분포 유리 제작이 가능하다. 바륨과 티탄을 이용하여 이와 같은 굴절율 분포 유리를 졸겔법으로 제작한 예는 이미 존재한다. 보통 유리의 앗베수가 100이하인 것에 비해 이 유리의 ν10d는 500까지도 되어 이 유리를 이용하면 단극면 평평한 롯 렌즈로 색수차가 보정된 결상렌즈가 가능하다. 시험작이여도 꽤 좋은 성능을 나타냈는데 졸겔법으로 만들기 때문에 분포가 크게 나는 단점이 있다. 안정적으로 제작가능하다면 대단히 매력적인 것이 된다. 4. 시장상황 일본의 유리산업 제품출하액은 2000년시점으로 약 1.9조엔으로 추정된다. 그러나 압도적 다수는 판유리, 광파이버, 유리섬유, 유리병 등으로 정밀 광학기기 등에 사용되는 광학율 소재의 사장 규모는 전체금액에 비해 매우 적다. 광학 유리 메이커의 제품매상고에서 추정하면 수백억엔 그것도 전기만의 추정일 것이라 생각된다. 또 (사)뉴 글래스 포럼의 뉴글래스 시장조사 보고에 의하면 일본 뉴글래스의 수요는 2000년 시점으로 약 8.600억엔으로 추정한다. 뉴글래스 분야중에서도 광학적 기능 유리가 전체의 약 70%를 차지하고 이 광학적 기능 유리에는 광학 유리제품으로 생각되는 미소광학소자와 마이크로 렌즈가 포함되어 그 합계액은 600억엔으로 추정한다. 나아가 광산업기술 진흥협회 조사에 의하면 2003년도 국내생산 예측액은 미소광학 부품만 약 420억엔으로 예상한다. 카메라 렌즈 등을 추가하면 이들 금액은 한층 더 클 것으로 예상된다. 꽤 복잡한 추정이지만 이들은 광학 유리 소재 만의 시장은 그리 크지 않지만 이것을 사용한 최종유리 제품시장은 꽤 커다란 특성을 나타낸다. 앞으로 뉴글래스는 2005년애는 1조 2.400억엔, 2010년에는 1조 9.200억엔 시장이 될 것으로 예상하는데 단지 기능의 대체뿐만이 아니라 광학 유리에 신기능이 추가되어 보다 높은 고부가가치화한 유리로서 등장이 중요함을 나타낸다고 하겠다. 5. 마치며 주로 정밀광학기기에 이용되는 광학 유리에 초점을 맞춰 몇개의 화제를 서술하였는데 정보통신용의 신기능 유리와 같이 앞으로 커다란 효과가 기대되는 유리 개발과 보다 폭 넓은 관점에서의 유리 전망에 대해서는 산업경제성의 국가 프로젝트, 나노 유리 프로젝트와 ‘유리산업기술 전략 2005’을 참조하기 바란다. 광산업제품의 세계시장은 2005년에는 60조엔, 2010년에는 111조엔으로 예측하는 가운데 통상의 광학 유리뿐만이 아니라 신기능을 첨가한 고기능유리의 역할은 매우 중요하리란 본다. 앞으로의 유리 산업발전을 기대한다. (Ceramic Bulletin)