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사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure

<카메라와 렌즈의 구조 X VII> 렌즈 코팅의 광학 원리와 기능 - 코팅 색(칼라)의 원인 / Anti-Reflection coating & Transmittance

 

Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

 

렌즈 코팅의 중요성은 익히 잘 알려져 있고 광학 제품에 있어서 이제는 필수적이 요소로 여겨진다. 렌즈 등의 코팅 기술이 비단 광학기기에만 사용되는 것은 아니며 최근에는 태양광 발전 패널의 효율을 향상하기 위한 소재로도 활용되는 등 그 활용의 폭은 매우 넓다. 최근 제조되는 대부분의 카메라 렌즈 또는 뷰파인더 등에 사용되는 광학 유리에는 코팅이 적용되어 있다. (일회용 카메라 등에 코팅이 적용되지 않는 경우도 있으므로 모두 적용된다고 할 수는 없겠다) 광학 유리 면의 빛 반사를 억제하고 빛의 투과율을 높이는 기술로 활용된다. 반사율이 낮아지면 플레어 고스트 등이 줄일 수 있고 투과율이 향상되면 광량 증대로 콘트라스트가 향상된다. 즉 광 효율이 높아진다고 할 수 있다. 코팅이 반사율을 낮추고 투과율을 높이는 원리와 역할, 그리고 이에 관련된 소소한 이야기를 수다로 풀어보자.

솔직히 코팅의 원리를 이야기하자면 투과율과 굴절률, 광학 유리 등에 대한 내용을 다루어야 하는데, 이 주제들은 제목만 들어도 별로 재미없을 듯한 느낌이다. 그래서 일반적으로 쉽게 관심을 끌 수 있는 코팅-Coating-이란 주제로 교묘히 위장하고 있는 것일지도 모른다. 재미없고 딱딱한 주제는 간결하게 정리하는 수준에서 다루고(깊이 있는 접근을 하고 싶어도 현재 보유한 지적 수준에서 무리다) 일반적으로 궁금해할 코팅의 효용과 특징, 그리고 왜 다양한 코팅 색을 보이는가에 대해서 순차적으로 쫓아가 보자.

 

렌즈 코팅의 역사 등은 이전 포스팅에서 다룬 바 있고, 현재 수다의 대상인 주제의 분량도 만만찮으므로 생략한다.

 

 

▶ 렌즈 코팅의 원리

 

렌즈 코팅의 역할은 렌즈 구면의 반사를 억제하고 투과율을 높이는 것이다. 그렇다면 투과율은 어떤 요소의 영향을 받는 것일까? 먼저 투과율(Transmittance, transmissivity)은 "빛과 같은 파동 입자가 물질 층을 통과할 때 입사에 대한 투과의 강도비를 의미한다"라고 한다. 빛이 공기 중에서 다른 매질을 통과하는 경우 일부는 반사되고 일부는 흡수되며 일부는 투과하게 된다. 광학 유리의 투과율은 엄밀하게는 평면의 경계면에 수직으로 평행 광선이 입사하였을 때를 의미하고 흡수율은 거의 없으며 나머지는 반사율이라고 할 수 있다.


- 반사방지 코팅(Anti-Reflection coating, AR)

렌즈 코팅의 기능은 빛이 광학 요소를 투과할 때 반사율을 억제하여 투과율을 높이는 방법으로 나누어 알아보자. 먼저 코팅이 반사율을 낮추는 원리는 빛의 간섭(Interference)에 있다. (빛의 회절에서 다룬 바와 같이 빛의 물리적 성질에 의해 파동의 성질에 의한 것으로 파동이 서로 간섭을 일으키는 보강 간섭-constructive interference-과 상쇄 간섭-destructive interference-이 있다) 즉, 유리 면에서 반사하는 빛의 파장과 코팅 면에서 반사하는 빛의 파장을 서로 상쇄 간섭시키는 것이며 이를 '위상차 코팅'이라고도 부르기도 한다. 이런 반사 방지 코팅이 단일 코팅(Single coating)의 대표적인 방식이라 할 수 있다.

 

반사 방지 코팅은 박막의 상부 및 하부 경계에서 반사된 반사광 사이의 상대 위상 편이가 180 °가 되도록 설계된다. 두 개의 반사광 사이의 상쇄 간섭이 발생하여 두 개의 반사광이 표면을 벗어나기 전에 상쇄된다. 코팅의 광학 두께는 두 반사광 사이의 1/2 파장의 원하는 위상차를 달성하기 위해 1/4 파장의 홀수 (λ / 4, λ는 설계상의 파장 또는 피크 성능에 최적화된 파장)이어야 한다.

 

반사 방지 코팅의 개념

 

 

- 투과율과 코팅 (Multi Coating)

 

투과율을 향상하기 위해서는 반사율을 '억제' 시켜야 한다. 위에서 기술한 협의의 반사방지 코팅(Antireflection coating)은 반사하는 빛을 상쇄시키는 것으로 투과율 증가와 직결하는 것은 아니다. 즉, 96%의 투과율과 4%의 반사율을 가지는 광학유리에 반사방지 코팅을 하여 반사광 4%를 상쇄시켜 0%로 만들었다고 하더라도 투과율은 여전히 96%에 불과하다. (하지만 실제 코팅에서는 반사방지와 함께 투과율도 함께 상승하는 경우가 일반적이다. 즉 투과율 상승은 주로 반사방지 코팅을 박막 형태로 중첩하여 얻어진다. 개념 설명을 위해 의도적으로 구분하였다)

 

투과되는 빛의 반사는 굴절률(Index of refraction)의 차이에 의해서 발생한다고 할 수 있다. 즉, 진공 상태에서 빛의 굴절률을 1이라 하는데 광학유리의 굴절률은 보통 1.6(크라운 유리) 정도에 해당한다. 따라서 반사방지 코팅의 경우 약 1.3 굴절률을 갖는 물질로 코팅하는 것이 일반적이다. 대표적인 반사방지 코팅 물질은 불화 마그네슘이 쓰이는데 굴절률은 1.36 정도에 해당한다. 따라서 투과율 증가를 위한 멀티 코팅에는 공기 중에 닿는 면부터 순차적으로 굴절률이 증가하는 소재(굴절률 1~1.6을 갖는 박막을 다층으로 형성)로 다층/다중(멀티) 코팅을 하는 방식으로 투과율을 증가시킨다. 최신의 멀티 코팅 기술은 광학 제조사의 노하우 중 하나로 어떤 소재와 방식으로 구성/압착 등 관련 기술 공개를 하지 않는 경우가 대부분이다. 최신의 카메라용 광학 렌즈의 경우 두 자릿수의 중첩된 멀티 코팅이 적용되어 투과율은 99.7%에 이른다고 알려져 있다.

 

Mulit coated lens

 

▶ 투과율과 빛의 입사각 그리고 굴절률의 상관관계

 

한 걸음 더 들어가 보면 위에서의 투과율은 "평면의 경계면에 수직으로 입사할 때"를 의미하므로 실제 렌즈에서는 렌즈 구면에 수직뿐만 아니라 다양한 각도로 빛이 입사되므로 더 많은 반사가 일어나고 이는 플레어와 고스트 등의 원인이 된다. 따라서 실제 광학기기의 투과율은 입사되는 빛의 각도와 광학 요소의 굴절률 등에 영향을 받아 투과율은 더 낮아질 수밖에 없고 반사율은 높아진다. 따라서 코팅의 중요성은 더 강조되어도 지나치지 않다. 

 

일반적으로 빛의 투과율은 투과하는 물질의 굴절률에 영향을 받는다. 즉, 빛의 반사는 다른 굴절률을 지닌 물체를 통과할 때 발생하고 두 물체 간 굴절률의 차이가 클수록 반사율은 증가하며 투과율은 감소한다. 따라서 고 굴절 광학 소재는 더 높은 반사율을 보이므로 이에 대응하기 위해서는 투과율을 높일 수 있는 더욱 향상된 코팅기술이 요구된다. 그리고 입사각이 투과하려는 면에 직각에 가까울수록 투과율은 높아지고 반사율은 줄어들지만, 직각에서 멀어질수록 투과율은 낮아지고 반사율은 증가한다. 즉, 광학 구면의 곡률도 투과율과 관계가 있다. 구면 곡률이 커질수록 코팅의 필요성도 증대된다.

 

최근까지 가장 일반적으로 사용되고 있는 광학 유리는 크라운 유리와 플린트 유리를 들 수 있다. 두 광학 유리의 가장 큰 차이는 각각 굴절률에서 차이다. 광학 관련 업체들은 고굴절 또는 저분산 그리고 내부적으로 균일한 성질을 가진 신소재(새로운 광학유리)를 개발하기 위해 오랫동안 연구와 개발을 되풀이하고 있다. 그 결과물로 현재 사용되고 있는 광학유리의 종류만 해도 2~300종에 이른다고 한다.

 

고 굴절률의 광학유리는 렌즈 설계와 제조에서 여러 가지 이점이 있는데, 곡률과 두께를 줄일 수 있다. 먼저 광학 요소의 두께 감소는 가볍고, 구성 요소간 간격을 줄여 광학계의 전체 길이 감소에 유리하며, 구면의 작은 곡률은 수차의 보정에 더욱 뛰어난 성능을 구현할 가능성이 크다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 고 굴절률 소재는 투과율과 반사율이 문제 될 수 있다. 이런 문제를 적극적으로 해결하는데 코팅 기술의 중요성이 또다시 강조될 수밖에 없다. 보다 향상된 코팅 기술 연구와 개발이 꾸준하게 이루어지는 이유이며, 이미 상용 단계에 들어선 신 기술도 다수 있다. 하지만 코팅 내구성의 문제나 제조 비용 등의 문제로 다양한 제품에서의 활용은 아직 미진하다. 새로운 코팅 기술의 예로 아래 나노 크리스털 코팅 방식은 N사의 홍보 자료 중 일부 발췌한 것이다.

 

코팅을 통한 색채의 균형적 구현 효과

 

코팅의 기능 중 하나로 색채의 균형적 구현이 가능하다고 한다. 하지만 최근의 디지털 이미징 프로세싱 기술의 발전으로 이 부분의 중요성은 크게 부각되지 않는다. 필름을 촬상소자로 사용하는 경우에는 색채 구현 문제에 있어 코팅으로 일정 조정하는 방식이 효과적이었을지라도 현재의 디지털카메라에서는 디지털 이미징 프로세싱 단계에서 상당한 보정/밸런스 보정이 가능하기 때문이다. 하지만 교환형 렌즈의 일부 광학계 색수차 문제에 대응하는 색채의 불균형에 균형을 맞추기 위한 용도로는 여전히 효용이 있다고 생각된다. 기술적 방식을 간략히 요약하면 가시광선의 특정 파장을 선택적으로 투과율을 조정하는 코팅(파장 당 광투과율 - light transmittance per wavelength)을 통해 색채의 균형을 도모하는 방식으로 생각된다.

 

최근 제조되는 렌즈 중에는 동일한 광학계에 싱글코팅과 멀티 코팅을 적용한 각기 다른 버전의 렌즈를 출시하는 경우가 있다. 각각은 색 재현력에서 미묘한 차이가 발생하는데 이런 차이의 주요한 요인이 색채의 균형적 구현에 대한 각 코팅 차이의 결과로 볼 수 있다.

 

지루하고 정리/설명이 어려웠던 부분은 이 정도에서 끝맺고 소소한 의문점에 대해서 수다를 이어가 보자. 재미없는 내용은 언제나 피로감이 두 배다. 몇 글자 읽다가 중간에 닫아버린 경우도 많으리라 생각된다. 이 부분을 읽는 당신의 인내심에 경의를 표한다.

 

 

렌즈 코팅 컬러(색)의 차이 원인과 의미

 

흔히 싱글코팅은 황색/호박색이나 파란색을 띠는 경우가 많다. 멀티 코팅은 초록빛을 띠거나 붉은빛 또는 보라색 등이 중첩되어 나타나기도 한다. 이는 코팅이 적용된 안경 렌즈 등에서도 쉽게 보이는데, 이 원인은 뭘까? 코팅이 원래 가지는 색깔일까?

 

Canon SSC(Super Spectra Coating)

 

이는 반사방지 코팅 때문에 반사광이 대부분 상쇄하여 사라지지만 모든 파장에서 동일하고 완벽하게 이루어지지 않는 것에 원인이 있다. 즉, 코팅이 적용된 렌즈면을 볼 때, 호박색을 보는 경우는 가시광선의 여러 파장 중에서 상호 간섭에 의해 상쇄되지 않은 노란 파장의 색이 반사되어 나오기 때문이며 붉은 코팅 면을 본다면 상쇄되지 않은 붉은 반사 파장을 본 것이다. 멀티 코팅의 경우에 여러 가지 색을 띠는 것은 중첩된 각각의 박막 코팅의 굴절률이나 반사율 차이로 상쇄되지 않은 파장이 각각 다르기 때문이라고 이해할 수 있다. 

 

그렇다면 이런 코팅의 색(컬러은 이미지 센서나 필름 또는 그 촬영 결과물 등에 영향을 미치는 것일까?

 

영향을 미치는 정도는 아주 미약하지만, 영향이 전혀 없다고 할 수는 없겠다. 만약 초록색을 띠는 코팅을 가진 렌즈의 경우는 초록 파장의 간섭 상쇄가 일부 이루어지지 않은 것과 초록 파장의 반사율이 높음을 의미한다. 그 정도는 1% 미만의 미미한 것이지만, 이런 특정 색(파장)의 증감은 결과물의 색 재현력에 영향을 미쳐 약간 붉은빛(푸른색 파장의 투과율이 감소)이 도는 색 재현력을 보여줄 수 있다. 하지만 이런 문제도 일반적인 카메라용 렌즈의 광학계에서는 코팅하는 구면이 여러 장의 구성요소에 이루어지므로 실제와 동일한 색 재현력을 위해 각각 다른 색상의 코팅 색을 가지는(반사되는 특정 파장이 각각 다른) 코팅을 적용함으로써 그 밸런스를 조정하므로 특정 코팅 색에 의해 사진의 색 재현력이 문제가 될 가능성은 줄어든다. 하지만 색수차 보정 문제와 더불어 코팅의 색 재현력 조정은 렌즈마다 특유의 색 재현력의 차이를 만드는 원인이 된다.

 

멀티 코팅의 렌즈를 대물 입사구로 바라보면 구성 요소마다 다른 코팅 색을 보여주는 경우가 많은데 코팅을 통한 색채의 균형된 구현을 위하여 적용의 결과물로 생각된다.

 

 

렌즈의 사용기나 감상에서 흔히 이야기되는 렌즈(특히 올드 렌즈)의 색 재현력 또는 발색 문제는 코팅의 문제보다는 렌즈의 광학계의 색수차와 이를 보정하는 방법이 원인인 경우가 대부분이다. 이 또한 이야기보따리를 풀어놓으면 한세월이므로 이는 다른 포스팅에서 다루어 보자.

 

▷ 참고 - <렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X> 렌즈의 색 재현력과 색수차 - 색지움 렌즈 / Chromatic aberation - achromatic lens & apochromtic lens(APO)      http://surplusperson.tistory.com/285

 

 

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  • 비밀댓글입니다

    • 긴 수다에서 다루었다시피 최근의 렌즈에서 코팅은 렌즈의 성능에 영향을 주는 중요한 요소입니다. 코팅 본연의 기능에 훼손 정도에 따라 영향을 받을 것입니다. 쉽게 눈에 띄는 것으로는 플레어(글로우 등 일부 빛번짐을 포함)가 일부 심화되는 등의 부작용이 쉽게 예상됩니다.
      하지만, 코팅이 훼손되었다고 렌즈 광학계가 제 기능을 완전히 상실하는 것은 아니겠지요. 쉽게 예를 들면 안경 렌즈에 코팅이 손상되었을 때 등을 가정해보면 되지 않을까요. 시력 보정 기능은 유지되지만, 약간의 이물감이 느껴질 것이고, 미관상 좋지 않을 것입니다.
      결과적으로 코팅 훼손 등은 렌즈 거래 가치에도 일반적으로 영향을 미칩니다만, 그 삭감의 정도는 각자가 판단하여야할 문제라고 생각합니다.


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