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지효 강
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 12 pp , ISSN / eissn 반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 김기출목원대학교신소재화학공학과 Anti-Reflection Coating Technology Based High Refractive Index Lens with Ultra-Violet Rays Blocking Function Ki-Chul Kim Department of Advanced Chemical Engineering, Mokwon University 요약파장 400 nm 이하의자외선은눈건강에매우해롭다. 특히 UVA (315 nm 400 nm) 는백내장, 설안염, 초자체경화등을유발할수있고, UVB (280 nm 315 nm) 는결막염, 각막염및설안염등을일으킬수있다. 따라서폴리머안경렌즈를사용함에있어서자외선의차단기능과가시광선영역에서투과되는빛을증가시키고, 안경렌즈표면에서형성되는허상을방지하는반사방지기능은매우중요하다. 본연구에서는 m-자일릴렌디이소시아네이트모노머와 2,3-Bis-1-propanethiol 모노머및벤조트리아졸 UV 흡수제 (SEESORB 709), 안료혼합물, 이염화이부틸주석촉매제, 알킬인산에스터이형제등의혼합물을인젝션몰드방법으로열중합공정을적용하여, 굴절률 1.67의고굴절률폴리머안경렌즈를제조하였다. 폴리머안경렌즈표면에서의반사를줄이기위하여렌즈양면에다층박막반사방지코팅을 E-beam 증착시스템으로코팅하였다. 자외선차단폴리머안경렌즈의광학적특성을 UV-visible spectrometer로분석하였고, 반사방지층을구성하는박막의굴절률, 표면거칠기등과같은박막소재특성을각각 Ellipsometry 및원자힘현미경으로분석하였다. 분석결과제조된안경렌즈는 395 nm 파장이하의자외선을 99% 이상완벽하게차단하였다. Abstract Ultra-violet rays are very harmful to eye health care. The blocking of ultra-violet rays and a reduction of optical reflection in the visible light range, which is to increase the share of transmitted light, and avoid the formation of ghost images in imaging, are important for the applications of polymer eyeglasses lenses. In this study, the high-refractive index polymer lenses, n=1.67, were fabricated by injection-molded method with the xylene diisocyanate monomer, 2,3-bis-1-propanethiol monomer, and benzotriazol UV absorber (SEESORB 709) mixture. To reduce the reflection of the polymer lens surfaces, multi-layer anti-reflection (AR) coatings were coated for both sides of the polymer lens using an E-beam evaporation system. The optical properties of the UV blocking polymer lens were characterized using a UV-visible spectrometer. The material properties of the thin films, which were composed AR coating layers, refractive index, and surface roughness, were analyzed by ellipsometry and atomic force microscopy. As a result, the fabricated polymer lens perfectly blocked ultra-violet rays below 395 nm with a blocking rate greater than 99%. Keywords : Anti-reflection, Blocking Function, Polymer Lens, Ultra-violet Rays, Vacuum Evaporation 본논문은중소기업청에서지원하는 2015년도산학연협력기술개발사업 (No. C ) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. This work (Grant No. C ) was supported by Business for Cooperative R&D between Industry, Academy, and Research Institute funded Korea Small and Medium Business Administration in * Corresponding Author : Ki-Chul Kim (Mokwon University) Tel: kckim30@mokwon.ac.kr Received September 1, 2016 Accepted December 8, 서론 태양광은약 48% 의가시광선과 46% 의적외선및 Revised October 4, 2016 Published December 31, % 의자외선으로구성되어있으며, 자외선은눈에직접적인광화학적손상을준다. UVA ( nm) 는각막과수정체를투과하며망막까지도달하여백내장, 설 482

반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 안염, 초자체경화등을유발할수있고, UVB (280 315 nm) 는각막과방수에흡수됨으로써결막염, 각막염및설안염등을일으킬수있다 [1]. 따라서안경렌즈에서자외선차단기능매우중요하다.

그러므로두께가얇고슬림하여미관상거부감이없고무게도가벼운고굴절률안경렌즈의개발이시대적으로요청되고있다. 따라서우수한광학적특성으로폭넓게사용되는굴절률 1.499 CR39 폴리머렌즈 ( 시력교정이불필요한선글라스또는낮은시력교정자사용 ) 에서부터 1.74의초고굴절률을갖는안경렌즈 ( 고도근시등의시력교정자사용 ) 가개발되어시중에유통되고있다. 하지만 1.

2 반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 안염, 초자체경화등을유발할수있고, UVB ( nm) 는각막과방수에흡수됨으로써결막염, 각막염및설안염등을일으킬수있다 [1]. 따라서안경렌즈에서자외선차단기능매우중요하다. 최근의안경렌즈제조동향은기존에사용되던유리안경렌즈에비하여가볍고가격이저렴한플라스틱 ( 또는폴리머 ) 안경렌즈로무게중심이이동한상황이다 [2]. 특히도시화및산업화의영향으로전자기기의과도한사용과실내생활등의후천적인생활환경요인에의해안경착용인구가증가하고있다. 고도근시의경우저굴절률안경렌즈를사용할경우안경렌즈의두께가지나치게두꺼워진다. 그러므로두께가얇고슬림하여미관상거부감이없고무게도가벼운고굴절률안경렌즈의개발이시대적으로요청되고있다. 따라서우수한광학적특성으로폭넓게사용되는굴절률 CR39 폴리머렌즈 ( 시력교정이불필요한선글라스또는낮은시력교정자사용 ) 에서부터 1.74의초고굴절률을갖는안경렌즈 ( 고도근시등의시력교정자사용 ) 가개발되어시중에유통되고있다. 하지만 1.67 이상의고굴절률안경렌즈의경우, 완벽한자외선차단기능을갖고있는안경렌즈는특정회사에서만가능한기술로극히제한되어있다 [3]. 본연구에서는파장 400 nm 이하의자외선을거의완벽하게차단하는 1.67 고굴절률폴리머안경렌즈를제조하고, 반사방지코팅기술을적용하여가시광선영역에서평균반사율이 2% 이하를나타내어우수한시인성을확보할수있는고품질의고굴절률안경렌즈를개발하고특성을평가하였다. 틸주석 (dibutyltin dichloride) 으로이루어진촉매제 0.015wt% 의혼합물을교반한후, 인젝션몰드방법으로열중합공정으로제조하였다. 제조된안경렌즈의양면에반사방지를위한다층박막 AR (Anti-Reflection) 코팅을하였다. 다층박막 AR 코팅은 Fig. 1에나타낸것과같은 E-beam evaporator를사용하였다. 인젝션몰드방법으로생산된안경렌즈 ( 생지 ) 를적당한크기로자르고세척한후, 폴리머렌즈의표면경도강화를위해 dipping법으로 hard coating 공정을거친후, 안경렌즈를 Fig. 1 (a) 에나타낸안경렌즈 zig에장착한다음 Torr 이하에서다층박막 AR 코팅을하였다 [4]. 회전하는안경렌즈 zig가구비된 E-beam 증착시스템은안경렌즈의위치에따라코팅되는박막의두께편차를최소화할수있도록설계되었다. 또한 Fig. 1 (b) 에나타낸것과같이여러종류의 source 물질을각각다른도가니에동시에장착하고, 셔터를이용하여순차적으로다층박막 AR 코팅공정을수행할수있도록설계되어있다. (a) 2. 실험방법 눈건강에매우유해한자외선을거의완벽하게차단하는굴절률 1.67의폴리머안경렌즈는플라스틱렌즈의원재료인모노머의질량 100(xylylene diisocyanate 모노머 52wt% 와 2,3Bis-1- propanethiol 모노머 48wt%) 을기준으로벤조트리아졸 (Benzotriazol) 로이루어진 UV 흡수제 (SEESORB 709, Shipro Kasei Kaisha Ltd, Japan) 1.2wt%, 알킬인산에스터 (alkyl phosphoric ester) 로이루어진이형제 (MR inner releaser, Mitsui Chemicals Inc, Japan) 0.1wt%, 폴리머렌즈를무색으로만드는안료 (CI Solvent Violet 13) 0.4wt%, 이염화이부 (b) Fig. 1. Photographs of (a) loaded polymer lenses in the rotating lens zig which ensures uniform deposition during the E-beam evaporation and (b) inside of the E-beam evaporation system. 483

한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 일반적으로빛은굴절률이다른매질을통과할때굴절률의차이에의해굴절률이다른매질의표면에서반사가일어난다. 이러한반사를최소화시킬수있는방법은특정한굴절률을갖는물질을기판위에코팅하는방법인데, 반사방지코팅소재의두께 ( ) 와빛의파장 ( ) 이 의관계식을만족시킬때식 (1) 처럼빛의반사율이표현된다 [5].

하지만단일층 (single layered) 반사방지코팅으로가시광선전파장에대하여완벽한반사방지기능을구현할수있는소재가존재하지않으므로, 다층박막 AR 코팅, 굴절률이다른소재를순차적으로코팅하는 graded-index AR 코팅, 메조포러스실리카나노입자 AR 코팅등다양한반사방지코팅기술이제안되었다 [6-8].

$코팅된안경렌즈의광학적특성은 UV-visible spectrometer로분석하였고, AR 코팅에적용되는소재의굴절률및증착율, 표면거칠기등은 Si 웨이퍼 (Si\SiO 2(300 nm)) 위에각각의박막을증착하여 Ellipsometer 및 Atomic Force Microscope(AFM) 로분석하였다. 3.$

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 일반적으로빛은굴절률이다른매질을통과할때굴절률의차이에의해굴절률이다른매질의표면에서반사가일어난다. 이러한반사를최소화시킬수있는방법은특정한굴절률을갖는물질을기판위에코팅하는방법인데, 반사방지코팅소재의두께 ( ) 와빛의파장 ( ) 이 의관계식을만족시킬때식 (1) 처럼빛의반사율이표현된다 [5]. (1) 여기에서 은각각공기의굴절률, 기판의굴절률, 그리고반사방지코팅에사용되는물질의굴절률이다. 하지만단일층 (single layered) 반사방지코팅으로가시광선전파장에대하여완벽한반사방지기능을구현할수있는소재가존재하지않으므로, 다층박막 AR 코팅, 굴절률이다른소재를순차적으로코팅하는 graded-index AR 코팅, 메조포러스실리카나노입자 AR 코팅등다양한반사방지코팅기술이제안되었다 [6-8]. 반사방지코팅은현재상용화공정에적용되는다층박막진공증착방법 [4, 6] 이외에도나노포러스구조의 AR 코팅 [8], 나방눈의일정한주기를갖는 nanopillar 형태를모사한 AR 구조 [9, 10] 등이연구되고있으나, 현재진공증착기술이가장신뢰성있는기술이다. 따라서본연구에서는진공증착방법으로 Fig. 2와같은다층박막구조의 AR 코팅을안경렌즈양면에코팅하였다. 코팅된안경렌즈의광학적특성은 UV-visible spectrometer로분석하였고, AR 코팅에적용되는소재의굴절률및증착율, 표면거칠기등은 Si 웨이퍼 (Si\SiO 2(300 nm)) 위에각각의박막을증착하여 Ellipsometer 및 Atomic Force Microscope(AFM) 로분석하였다. 3. 실험결과및고찰진공증착방법은증착시스템및공정에따라박막의품질이크게좌우되므로, 다층박막 AR 코팅을폴리머안경렌즈에적용하기전에 AR 코팅을구성하는각각의 SiO 2, ZrO 2, ITO, CR10 박막의물리적특성을분석하기위하여각각 Si 웨이퍼기판위에안경렌즈에적용하는다층박막 AR 코팅조건과동일한조건으로박막을코팅하였다. 본연구에적용된다층박막 AR 코팅의주소재인 SiO 2 박막과 ZrO 2 박막의표면거칠기를분석한 AFM 결과를 Fig. 3에나타내었는데, 표면거칠기는각각 1.37 nm, 0.22 nm로매우매끈한표면을가지고있었다. 박막의두께를 AFM 및 Ellipsometer로측정하여증착시간으로부터각박막의증착율을확인하였고, 이러한결과를안경렌즈에코팅되는다층박막 AR 코팅에적용하였으며, 실제증착되는소재의두께는쿼츠두께모니터로확인하였다. (a) (b) Fig. 2. Schematic diagram of the multi-layer anti- reflection coating(arc) structure. Fig. 3. AFM images which are analyzed with non-contact mode of (a) SiO 2 thin film surface and (b) ZrO 2 thin film surface deposited by the E-beam evaporation system on the Si wafer substrate (Si\SiO 2(300 nm)). 484

4 반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 진공증착된박막의경우증착조건에따라 porosity 가다르며, 박막소재의굴절률은박막의 porosity에의해크게좌우된다 [11, 12]. 따라서본연구에서는다층박막 AR 코팅에적용되는박막각각의굴절률을직접측정하기위하여, Si 웨이퍼기판위에 E-beam evaporator로각각의박막을진공증착하여준비하였고, 준비된박막시료각각의굴절률을 Ellipsometer로분석하였다. SiO 2 박막과 ZrO 2 박막의 Ellipsometry 분석결과를 Fig. 4에나타내었다. SiO 2 박막과 ZrO 2 박막의굴절률은각각 1.458, 1.863으로측정되어치밀한구조로증착된것을확인할수있었다 [11]. 다층박막 AR 코팅에적용되는각소재의굴절률은 Fig. 2에나타낸것과같으며, 본연구에적용된다층박막 AR 코팅구조에서각박막의굴절률과두께는 AFM과 Ellipsometer로직접측정한수치이다. (a) 눈건강에유해한자외선의차단특성을평가하기위하여굴절률 1.67을갖는폴리머안경렌즈를인젝션몰드방법으로다양하게제조하였다. Fig. 5와 Fig. 6에서나타낸것처럼 UV 흡수제를혼합하지않고, 안경렌즈모노머와이형제, 촉매제만혼합하여열중합공정으로제조한안경렌즈 (without UV absorber로표시 ), 그리고안경렌즈모노머와이형제, 촉매제및 UV 흡수제와안료혼합물을혼합하여열중합공정으로제조한안경렌즈 (with UV absorber로표시 ) 를준비하고, 이미앞에서기술한다층박막 AR 코팅공정을적용하여안경렌즈의전면과후면에 AR 코팅을실시하였다 (with ARC로표시 ). UV 흡수제를포함하지않은폴리머안경렌즈의경우, UVA 영역 ( nm) 전체에걸쳐최소 50% 이상의투과율을나타내었고, 파장 340 nm 이상에는 80% 이상을투과시켰다. 반면에 UV 흡수제를포함하지않았으나 AR 코팅을실시한안경렌즈의경우파장 340 nm 까지는거의완벽하게 UV를차단하였지만그보다높은파장의영역에서는투과율이서서히증가하여파장 400 nm에서는약 75% 의투과율을나타내었다. UV 흡수제와 AR 코팅이포함된안경렌즈의자외선차단기능을확인한결과파장 395 nm 이하의 UV는 99% 이상으로완벽하게차단하였으며, 395 nm부터투과율이조금씩증가하여 400 nm에서는약 13% 를투과시켰다. 가시광선영역 (425 nm 700 nm) 에서의평균투과율은약 91% 로측정되어, 선명한시인성을확보하기에충분한것으로나타났다. Transmittance(%) with UV absorber & ARC without UV absorber & ARC without UV absorber, with ARC (b) Fig. 4. Thin film analysis results which are analyzed by ellipsometry of (a) SiO 2 thin film and (b) ZrO 2 thin film deposited by the E-beam evaporation system on the Si wafer substrate (Si\SiO 2(300 nm)) Wavelength(nm) Fig. 5. Transmittance of the high refractive index lens, n=1.67, with UV absorber and multi-layer ARC (Anti-Reflection Coating). The blocking function of the UV rays can be confirmed in inset of transmittance. 485

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 다층박막 AR 코팅의효과를확인하기위하여각각다른조건으로제조된폴리머안경렌즈의반사율을 UV-visible spectrometer로측정하였고, 그결과를 Fig. 6에나타내었다. 가시광선전체영역 (400 nm 780 nm) 에대하여 UV 흡수제및 AR 코팅이없는경우와 UV 흡수제는없지만 AR 코팅이있는경우, 그리고 UV 흡수제와 AR 코팅모두가적용된안경렌즈에대한각각의평균반사율은 7.6%, 3.4%, 1.6% 로측정되었다. 안경렌즈의반사율측정결과를검토한결과 UV흡수제를혼합하지않고제조한안경렌즈도다층박막 AR 코팅을안경렌즈의양면에실시하면가시광선영역에서평균반사율 3.4% 정도로좋은시인성을확보할수있었고, 340 nm 이하의자외선을거의완벽하게차단하였다. 하지만 340 nm 400 nm 영역대의자외선을차단하기에는부족하였다. UV 흡수제를혼합하여제조한굴절률 1.67의폴리머안경렌즈는가시광선영역에서평균반사율 1.6% 정도의매우우수한시인성을확보하였고, 395 nm 이하의자외선을 99% 이상완벽하게차단하였다. Reflectance(%) with UV absorber & ARC without UV absorber & ARC without UV absorber, with ARC Wavelength(nm) Fig. 6. Reflectance of the high refractive index lens, n=1.67, with UV absorber and multi-layer ARC (Anti-Reflection Coating). 4. 결론 본연구에서는굴절률 1.67을갖는고굴절률폴리머안경렌즈를제조함에있어눈건강에해로운자외선을차단하기위한폴리머안경렌즈의제조조건및반사방지기능을구현하기위한다층박막 AR 코팅조건에대하여연구하였으며, 다음과같은결론을내릴수있다. 1) UV 흡수제를혼합하지않고인젝션몰드방법으로열중합제조된폴리머안경렌즈는 UVA (315 nm 400 nm) 전체영역에걸쳐최소 50% 이상의투과율을나타내었고, 파장 340 nm 이상에서는 80% 이상을투과시켜서눈건강에매우해로운자외선을거의차단하지못하는것으로분석되었다. 2) UV 흡수제를혼합하지않고인젝션몰드방법으로열중합제조된폴리머안경렌즈의경우에도안경렌즈의양면에다층박막 AR 코팅공정을수행하면상당한효과가있었다. 즉파장 340 nm 이하의자외선을 99% 이상거의완벽하게차단하였으며, 가시광선전영역에서의평균반사율도 3.4% 이하로분석되었다. 하지만 340 nm 이상의파장에서는자외선의차단기능이미흡하여 400 nm에서는약 75% 의투과율을나타내었다. 3) 벤조트리아졸 UV 흡수제 1.2wt% 및안료혼합물 0.4wt% 를혼합하여인젝션몰드방법으로열중합제조된폴리머안경렌즈의경우, 파장 395 nm 이하의자외선은 99% 이상완벽하게차단하였으며, 가시광선전영역에서의평균반사율도 1.6% 이하로분석되어, 매우우수한고품질의 UV 차단기능의안경렌즈가제조되었다. References [1] S-H. Lee, Y. J. Lee, and H. G. Cho, Change of Contrast Sensitivity According to Light Transmittance of Color Lenses, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 10, pp , DOI: [2] U. Schulz, Review of Modern Techniques to Generate Antireflective Properties on Thermoplastic Polymers, Applied Optics, vol. 45, pp , March DOI: [3] J-B. Kim, UV Rays Blocking Eyeglass Lens more than Sunglass Maeil Business News Korea, , p. A &GCC=AB00699&CNo= [4] K-C. Kim, Effective Graded Refractive-index Antireflection Coating for High Refractive-index Polymer Ophthalmic Lenses, Materials Letters, vol. 160, pp , DOI: [5] E. Hecht, Optics, p. 375, Addison-Wesley Publishing Company,

반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 [6] H. G. Shanbhogue, C. L. Nagendra, M. N. Annapurna, S. A. Kumar, and G. K. M. Thutupalli, Multilayer Antireflection Coatings for the Visible and Near-infrared Regions, Applied Optics, vol.

6 반사방지코팅기술기반자외선차단기능의고굴절률안경렌즈 [6] H. G. Shanbhogue, C. L. Nagendra, M. N. Annapurna, S. A. Kumar, and G. K. M. Thutupalli, Multilayer Antireflection Coatings for the Visible and Near-infrared Regions, Applied Optics, vol. 36, pp , DOI: [7] M. Chen, H-C. Chang, A. S. P. Chang, S-Y. Lin, J-Q. Xi, and E. F. Schubert, Design of Optical Path for Wide-angle Gradient-index Antireflection Coatings, Applied Optics, vol. 46, pp , September DOI: [8] J. Moghal, J. Kobler, J. Sauer, J. Best, M. Gardener, A. A. R. Watt, and G. Wakefield, High-Performance, Single-Layer Antireflective Optical Coatings Comprising Mesoporous Silica Nanoparticles, ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 4, pp , DOI: [9] K. Choi, S-H. Park, Y. M. Song, Y. T. Lee, C. K. Hwangbo, H. Yang, and H. S. Lee, Nano-tailoring the Surface Structure for the Monolithic High-Performance Antireflection Polymer Film, Advanced Materials, vol. 22, pp , DOI: [10] Y. Li, J. Zhang, and B. Yang, Antireflective surfaces based on biomimetic nanopillared arrays, Nano Today, vol. 5, pp , DOI: [11] S. Chhajed, M. F. Schubert, J. K. Kim, and E. F. Schubert, Nanostructured Multilayer Graded-index Antireflection Coating for Si Solar Cells with Broadband and Omnidirectional Characteristics, Applied Physics Letters, vol. 93, p , DOI: [12] M-L. Kuo, D. J. Poxson, Y. S. Kim, F. W. Mont, J. K. Kim, E. F. Schubert, and S-Y. Lin, Realization of a near-perfect antireflection coating for silicon solar energy utilization, Optics Express, vol. 33, no. 21, pp , DOI: 김기출 (Ki-Chul Kim) [ 종신회원 ] 1993 년 2 월 : 아주대학교물리학과 ( 이학사 ) 1996 년 2 월 : 아주대학교물리학과 ( 이학석사 ) 2002 년 2 월 : 아주대학교물리학과 ( 이학박사 ) 2002 년 4 월 ~ 2006 년 3 월 : 한국전자통신연구원선임연구원 2008 년 3 월 ~ 현재 : 목원대학교신소재화학공학과교수 < 관심분야 > 기능성나노소재, 에너지관련소재, 기능성박막 487

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method