광학특성의기초
Post on 23-Oct-2014
370 views
TRANSCRIPT
LECTURE 3.
광학특성의 기초
CONTENTS
1. 광의 매력
2. 광의 투과성
(1) 광의 반사
(2) 광의 흡수
(3) 광의 산란
3. 굴절율과 분산특성
(1) 선명한 화상
(2) 굴절율
(3) 분산특성
(4) 고굴절율화, 환경의존성의 저감화
4. 복굴절성
(1) 복굴절과 분자구조
(2) 복굴절과 성형가공
(3) 저복굴절율화와 재료전개
1. 광의 매력
광은 주파수가 극도로 높고, 파장이 극도로 짧기 때문에
① 초고속으로 정보가 전송된다.
② 초대용량의 정보기록이 가능하다.
③ 초고정도의 계측제어가 가능하다.
가시광은 인간의 시상에 직접 인식되기 때문에 정보표시에는 최적이다. 최근에 문제가
되고 있는 전자장해가 일어나지 않는 전자파여서 수많은 메리트를 갖고 있다.
이처럼 우수한 특성을 보이는 광은 전자 전기와 융합하여 ① 광통신, ② 광기록
(광디스크 관련) ③ 광가공, ④ 광계측, ⑤ 광연산 (광컴퓨터) 등 장래성을 많이 갖는
매력적인 분야로 전개되고 있다.
고도정보화 사회로 향하는 core기술로서 향후에의 기대가 크다.
광을 이용하는 것은 무엇보다도 폴리머 재료가 광을 충분히 통과하는 것이 중요하다.
계다가 이 투과성은 우리들이 눈으로 식별 가능한 가시광영역 (파장 : 380~740 nm)
뿐만아니고, 실용적으로는 근적외선영역 (900 ~1600 nm)에 이르기 까지 상당히 넓은
파장역에 걸쳐서 어떤 경우에는 요구된다.
그런데 폴리머 재료의 투명성, 소위 광의 투과능력은 어느 것에 의해 결정될까?
광이 매체 (재료) 에 닿으면 우선 표면에서 반사한다. 다음으로 내부에 침입한 광은 일부는
재료에 흡수되거나, 산란되어 이 강도가 약하여 진다. 최후에는 반대면으로 나온다.
그러므로 빛의 투과성을 보이는 재료의 투명성은 “반사”, “흡수”, 그리고 “산란” 의
3가지 요인이 지배한다.
2. 광의 투과성
2. (1) 광의 반사
광이 매체로 입사되면 이 표면에서 일부가 반사되고 광손실이 있다. 이 반사의 일반
단순한 예로서는 광이 굴절율 n1 의 매체로 부터 굴절율 n2 의 매체로 수직 입사되는
경우를 고찰해 보면 이 경우의 표면 반사율 R 은 eqn (1)로 나타낼수 있다.
일반적으로 광은 공기를 매체로 하는 경우가 많기 때문에 공기의 굴절률 n1 = 1을Eqn (1)에 대입하면 eqn (2)를 얻을 수 있다.
eqn (2)
eqn (1)
결국, 광이 굴절율 n 의 매체에 수직 입사되는 경우의 표면반사율은 매체의 굴절율에
의존하고 굴절율이 작을 때가 반사율이 낮아진다.
그러므로 굴절율이 낮은 폴리머 재료는 기본적으로 표면반사가 낮아지고 그만큼 투과성이
우수하다.
대표적인 투명수지인 PMMA의 경우 굴절율은 1.492이기 때문에 이 값을 eqn (2)에
대입하면 표면 반사율은 약 4%가 된다. PMMA의 전광선투과율은 93% 전후이기 때문에
이 플라스틱재료의 경우에 광손실은 표면반사가 크고 내부손실인 흡수, 산란은 극도로 낮다.
섬유소재인 플라스틱 재료와 달리 감성적인 특성이 중요하고, 특히 다채로운 염색이 요구된다.
폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)는 합성섬유의 대표격이지만 이 섬유는 심미한 색을
나타내기가 어렵다고 말해지고 있다. 예를들어 심미한 흑색등을 가지고 있는 실용화에
향하여 다양한 노력이 이루어지고 있다.
이것은 PET의 굴절율이 1.576으로 꽤 높기 때문에 표면반사가 크기 때문이다.
2. (2) 광의 흡수
폴리머의 분자에 광이 쬐이면 이 에너지를 분자가 흡수하고 분자가 회전하거나 원자간의
결합이 진동 공명하거나 때로는 전자의 운동등이 일어난다. 이처럼 micro한 운동이
일어나면 광이 흡수되기 때문에 투과성이 저하된다.
이 micro운동을 통과하는 광의 흡수는 자외선영역에서 일어나는 “ 전자천이흡수”와
적외선영역에서 보이는 “분자진동흡수”로 크게 나누어진다.
전자천이흡수
일반적으로 광학재료는 태양광을 이용하는 경우가 많기 때문에 우선 가시광영역에서의
투과성이 중요하다. 그것은 주로 전자의 광여기에 기초로 한 자외흡수, 즉, “전자천이흡수”에
지배된다.
이 “ 전자천이흡수”는 재료를 구성하는 원자간의 결합 강도에 좌우된다.
결합이 강한 δ 전자에 기반한 단일결합으로 이루어진 폴리머게는 상호적으로 전자가
속박되어 있기 때문에 전자운동이 일어나기 어렵고 광의 흡수는 작다. 그러나 π 전자로부터
된 결합이 약한 이중결합을 분자사슬 중에 갖는 폴리머계는 광이 쬐이면 전자운동이 일어나고
전자의 에너지 준위가 변화하기 때문에 흡수가 보인다.
폴리머 αe (dB/m)
λ = 600 nm 700 nm 800 nm
PC 0.24 0.10 0.05
PS 0.26 0.10 0.05
PMMA 0 0 0
이 대표적인 것은 벤젠고리, azo기등 이중결합에 의한 π → π* 천이, CO기에 의한 n →
π*천이, 그리고 SH결합에 근거로 한 n → δ* 등이 있다.
표 1에 각종 투명수지의 전자천이흡수값을 나타내었다. 특히 벤젠고리를 갖는 폴리머는
전자천이흡수가 약하다. PMMA에 비해서 폴리스티렌 (PS)의 투명성이 낮은 것도 이 전
자천이흡수가 크기 때문이다.
Polym Prep Jap, 40 (4), 1220 (1991)
분자진동흡수
고분자 고유의 진동공명에 의한 흡수는 적외선영역에서의 분자운동의 고주파에 의한
것이기 때문에 적외선영역에서 주로 일어난다. 우리들이 폴리머 구조의 동정에 시종
사용하고 있는 IR흡수 스펙트럼은 확실히 이 현상을 이용한 것이다.
이 영역에서의 광의 투과성은 가시광을 중심으로 전개되는 보통의 플라스틱재료에서는
별로 중요하지는 않다. 그러나 광fiber처럼 보다 장파장의 광원을 사용하는 거리이상
빛이 이동하는 경우에는 이 미약한 분자운동에 기반한 흡수가 문제이다. 특히 플라스틱계
광파이버 (POF)의 경우 사용하는 광원과의 관계에서 가시~ 근적외선영역의 흡수가 중요시된다.
일반적으로 폴리머 분자를 구성하는 C-C, C-O, C=O기 등의 기준신축진동은 적외영역의
장파장측에 나타나기 때문에 POF의 경우에는 이 영향이 작고 무시할 수 있다.
그러나 수소원자를 갖는 다시말해 C-H, N-H, O-H기등은 수소원자가 가볍고 진동하기
쉽기 때문에 이 기준진동은 비교적 단파장측에 의존하고 이 영향은 크다.
그러므로 C-H기에 기반한 적외영역진동흡수의 고주파흡수는 피할 수 없다.
이처럼 유기계 고분자는 기본적인 화학구조에 기반한 적외진동흡수가 일어나기
때문에 광이 장거리에 걸쳐서 전송하는 것은 어렵다.
2. (3) 광의 산란
광의 흡수와 함께 산란이 일어나면 광의 투과량이 저하된다. 이 산란은 폴리머 구조에 기인한
고유의 것과 외적인 요인에 기반한 것으로 크게 2가지로 나눌 수 있다.
고유의 산란
폴리머는 macro에서는 균일하게 보여도 micro하게 보면 그렇지 않다. 거기에는 불균질
구조가 물질내 위치하여 광이 산란한다.
이처럼 micro한 불균질 구조는 후에 서술할 이물과 비교하면 이 사이즈는 극히 작다.
특히 불균질체 (산란체) 의 사이즈가 광의 파장의 1/10 이하인 경우 여기서 일어나는
산란은 “Reileigh산란”이라 부른다.
여기서, λ 0 : 진공중의 광의 파장, κ : boltzmann constant, T : 절대온도, β : 등온도압축률
이 산란중에서 최고로 주목할 경향은 밀도 불안정에 의해 발생하는 산란현상이다. 이 밀도
흔들림은 열에 기반한 것과 분극율의 이방성에 기반한 것이 있다.
전자는 열에 의해 생성된 밀도의 불균일으로 “등방성 밀도불안정”이라 불리우고 투명하고
균질한 등방성의 매체에서 일어나는 산란이다. 그것에 대응하여 후자는 분극율이 방향에 의
해 달라지는 것으로 부터 된 밀도 불안정으로 “ 이방성밀도불안정”이라고 불리워진다. 그러
므로 고유의 산란은 이 양자가 합하는 것으로 나타내 수 있다.
다시말해 등방성 밀도 불안정에 기반한 산란계수는 eqn (3)에 표시하였다.
이 고유의 산란은 굴절율의 8승에 비례하고 파장의 4승에 반비례하기 때문에
굴절율이 낮은 재료는 산란손실이 작고 한편 파장이 낮은 가시광 영역에서는
산란의 영향이 커짐을 보인다.
표 2에서는 투명폴리머의 산란손실을 나타내었다.
폴리머 등방성 이방성
Polyaryl계 에스테르 0.032 0.169
Polycarbonate 0.030 0.104
Polystyrene 0.030 0.059
polymethylmethacrylate
0.017 0.003
표2. Amorphous polymer이 등방성 및 이방성 산란손실 (dB/m)
PMMA는 이방성 성분의 손실은 지극히 낮고 이 산란손실은 등방성분의 손실에 사실상
지배되고 있다.
하지만 PS는 등방성분의 손실과 이방성성분의 산란손실이 보이고 높은 값을 나타내는 것은
특징적이다. 이것은 분자가 분극율이방성이 큰 벤젠기로부터 구성되었기 때문에 이방성
밀도 불안정에 기반한 산란이 강하게 일어나기 때문이다.
더욱이 폴리머 내부에 micro계면이 존재하면 이 계면에서 산란이 일어난다.
전형적인것은 결정성 구조이다. 예를들어 동일한 H2O로부터 된 물과 얼음을 비교하면
전자는 투명하지만 후자는 불투명인 경우가 많다.
그것은 얼음이 결정체이기 때문에 빛이 산란이 일어나고 투과량이 감소하여 불투명하게
보이는 것이다. 이것들에 대해서 물은 비정체이기 때문에 산란이 작고 투명하다.
이같은 현산이 폴리머의 경우에도 일어나는데 투명폴리머는 기본적으로 비정구조체이다.
그러나 다이아몬드처럼 이 결정이 완전한 단결정인경우에는 전체가 균일한 결정구조를
보이고 micro계면이 존재하지 않기 때문에 산란이 일어나지 않고 투명하다.
그러나 폴리머계에서는 이처럼 완전한 단결정을 형성하는 것이 희박하다.
외부적인 요인에 기반한 산란
외부적인 요인에 기반한 산란의 영향도 크다. 이 대표적인 것은 폴리머의 제조,
부형, 제품화의 과정에서 생성, 혼입되는 이물의 존재이다. 이처럼 이물에 광이
부딪치면 광이 산란하고 투과량이 저하된다.
그러므로 광학용 폴리머는 이물을 가능한 한 작게 하는 것이 매우 중요하다.
이를 위하여 중합조제를 적게 쓰고 clean한 제조방식을 사용한다. 예를 들어
PMMA는 일반의 성형재료에서는 현탁중합법으로 만들지만 어떤 거리이상 광을
통과시키는 광fiber용 PMMA에서는 광의 투과성이 보다 강력히 요구되기 때문에 주로
괴상 중합법으로 제조된다. 표 3, 표 4에서는 광학수지의 대표적인 PMMA와
PC의 이물을 나타내었다.
광학용 PMMA는 일반적으로 성형용에 비해서 이물이 1/10로 작다.
이물의 입자경 (㎛) 광학용 그레이드(개/g)
일반 그레이드
(개/g)
0.5~0.7 600~2000 4000~20000
0.7~1.0 150~400 1000~7000
1~3 100~200 500~3300
3~5 10~50 50~400
5~10 5~50 10~80
10~25 0~10 3~20
계 900~2700 6000~30000
표 3 PMMA의 이물
이물의 크기(㎛)
광산란법에
의한 개수 (개/g)
0.5~1.0 10000
1.0~2.0 200
2.0~5.0 50
5.0~10.0 20
10이상 0
표 4 PC의 이물
3. 굴절율과 분산특성
3. (1) 선명한화상
광학용 재료는 밝기를 지배하는 투명성이 중요하다는 것은 말할 것도 없지만 더욱이
렌즈등에서 보이는 것처럼 우수한 화상을 재현하는 것이 요구된다.
예를 들어 카메라등에서 깜빡깜빡 핀포케(노망, 사진에서 핀트가 맞지않아 생기는 것)의
사진을 찍은 경험을 회상하여 추억하는 사람은 적을 것이다. 이 핀포케를 억제하기에는
렌즈의 수차를 작게 하는 것이 기본적으로 매우 중요하다.
이 수차를 단색수차와 색수차로 나눌 수 있다. 전자에는 구면수차, 비점수차, 코아수차,
상면만곡, 왜곡수차등이 있다.
이중에서 단색수차의 대표적인 구면수차를 예로 서술한다.
일반적인 렌즈는 구면을 사용하여 광을 굴절시키면 광축에 가까운 빛을 렌즈의 보다 먼
곳으로 광축으로부터 떨어진 빛을 보다
가까운 곳으로 결상한다. 소위 “구면수차”를 발생한다.
이 구면수차는 재료의 굴절율에 크게 의존한다. 표 5에 이 관계를 나타내었다.
굴절율이 높은 렌즈는 구면수차가 작게 되지만 렌즈의 조합수가 많아지면 굴절율의 효과가
보다 현저하게 나타난다.
Single 렌즈계 n=1.5와 n=2.0의 경우
구면수차의 잔존량, 2:1 정도의 차
2매 렌즈계 n=1.5의 경우, S/S0 = 1/5
n=2.0의 경우 , S/S0=1/19.3
3매 렌즈계 n=1.5의 경우 S/S0 = 1/19.3
n=1.75의 경우, S/S0=0
n=2.0의 경우, S/S0=-1/42
선명한 화상을 얻기 위하여 제일 우선요인은 색수차를 작게하는 것이다.
하지만 색수차는 식 4에 나타낸것 처럼 후에 서술하는 렌즈재료의 abbe수와 깊은 관계가 있다.
S0 : 1매의 경우의 구면수차, S : 2매의 경우의 구면수차
여기서, f:초점거리, n : 굴절율, vd:아베수
이 식으로부터 명확한 바와 같이 렌즈의 색수차는 아베수가 큰 재료를 사용하면 작아지고 복수계
렌즈의 경우 아베수가 큰 재료(크라운 글라스 상당 vd>55)로 만들어진 볼록렌즈와 아베수가
작은재료(후린토 글라스 상당 vd<40)으로 만든 오목 렌즈를 조합하면 더욱 더 색수차가 감소하는
효과를 나타낸다.
한편 민생용 렌즈의 대표적인 것은 교정안경렌즈이다. 경량화가 강력하게 요구되어 오고 이
때문에 렌즈용 재료의 고굴절율화가 파급되고 있다.
이처럼 질높은 화상성과 경량화에는 렌즈용 재료로서
a. 투명성이 우수하다
b. 높은 굴절율을 갖는다.
c. 큰 아베수를 갖는다.
d. 넓은 범위의 아베수를 갖는 재료군
등이 기본적으로 요구된다.
3. (2) 굴절율
굴절율을 고려하는 경우 기본적으로 사용되는 유명한 식이 있다. Lorentz-Lorentz식이라불리우는 것인데 다음처럼 나타내어진다.
여기서, n: 굴절율, a :분극률, N : 1㎤ 중의 분자수
광은 앞에서 서술한 바와 같이 전자파의 일종이다. 그러므로 물질이 광을 받는 것은
전기장중에 놓인다는 의미이다.
이 때문에 분자(재료)는 어떤 전자의 치우침이 일어나고 쌍극자 모멘트(dipole moment)를
일으킨다. 이 전기적인 일그러짐을 나타내는 척도가 분극률이고 이것이 굴절율을 규정하는
것이다.
그런데, 분극률에 대응하는 분자굴절[R]이라 불리우는 단어가 굴절율에 관해서 자주
사용되고 있다. 이것은 식 6에 나타내었다.
여기서 V: 분자부피, NA: avogadro수, M:분자량, ρ :비중이 식으로부터 굴절율이 유도된다.
굴절율은 분자굴절과 분자부피에 지배되고 분자굴절 [R]이 크고 분자부피(분자 사이즈)가
작은 것이 보다 높아진다.
여기서 분자굴절을 알면 굴절율은 계산에서 구할 수 있다. 이를 위해서는 분자굴절을
구하는 식이 필요하다. 식 8에서 분자굴절과 원자굴절의 관계를 나타내었다.
여기 매체분자가 j종류의 원자로 부터 되고 각각의 부파가 V1, V2, V3…Vj개를 갖는
1개의 분자로부터 구성되어 있는 경우 분자 굴절은 원자굴절 (Ai)의 합으로써 표시된다.
결국 원자굴절의 값이 알려지면 위 식으로부터 분자굴절과 굴절율이 구해진다. 표6에
원자굴절값이 나타나 있다.
예제) PMMA
굴절율과 분자구조
이상, 굴절율은 어떤 인자에 지배되고 어떤 의미를 갖는지가 서술되어 왔다.
여기에서는 더욱 더 굴절율을 결정하는 중요한 인자인 분자구조와의 관계를 명확히 한다.
굴절율은 식 7에 나타낸 것처럼 분자굴절과 분자부피에 지배되어진다. 그러나 분자부피는
분자굴절에 비해서 폴리머의 종류로부터 변화가 작기 때문에 분자굴절에 의한 영향의
크기가 크다. (표 8)
이 분자굴절은 전술한 바와 같이 전기적인 일그러짐의 정도를 표시하는 분극률에 대응하기
때문에 결국의 경우 굴절율을 규정하는 것은 분극률이다. 다시말해 폴리아크릴레이트의
굴절율은 측쇄의 알킬기가 증대됨에 따라 낮아지는 경향을 보인다. 이것은 구조단위당의
분극률이 저하되기 때문이다.
폴리머 V/cm3·mol-1
폴리에틸렌
폴리메틸메타크릴레이트
폴리스틸렌
디에틸렌글리콜비스아릴카보네이트
포리테트라플로오루에틸렌
PVC
폴리아크리로니트릴
폴리비닐알코올
폴리에틸렌옥시드
폴리에틸렌테레프탈레이트
나일론 6
30.8
85.5
97.9
207.6
47.6
57.1
47.8
36.7
37.0
147.7
102.7
분극률이 높은 대표적인 것은 표6으로부터 명확히 나타낸 것처럼 벤젠고리, 브롬,
요오드, 유황등이다. 그러므로 벤젠고리를 갖는 폴리머계는 폴리카보네이트,
PS등에서 보이는 것처럼 일반적으로 굴절율이 높다.
구조 중의 수소원자를 할로겐으로 치환하면 굴절율이 크게 변화한다.
그러나 불소와 염소 브롬 치환에는 이 영향은 딜라진다.
전자는 굴절율이 낮아지지만 후자는 반대로 증가하는 것은 흥미롭다.
불소치환으로 생기는 C-F의 결합에너지는 약 114Kcal/mo이 되고 C-C의 결합에너지의
약 98Kcal/mol에 비해서 크다.
우선 F의 결합전자가 원자핵에 극도로 접근하였기 때문에 분극율이 작아진다. 그러므로
F에서 H원자가 치환되면 분극률은 작아진다. 하지만 분자부피는 폴리에틸렌이 30.8,
이것의 H를 F로 모조리 치환한 PTFE는 48으로 F치환으로 커진다. 이 때문에
F치환에 의한 굴절율은 크게 저하된다. 불소원자이외의 할로겐인 염소, 브롬등의 치환에서는
분자굴절, 분자부피가 함께 커지지만 분자굴절의 증대가 보다 크기때문에 굴절율은 증대된다.
한편 지방족탄화수소계구조에서는 이굴절율의 순서는 다음처럼 나타낸다.
고리상 > 직쇄상 > 그라프트상
구조단위당의 분극율에는 차는 보이지 않지만 분자부피가 달라지기 때문에 분자부피가
상대적으로 작아지는 환상type이 높은 굴절율을 보인다. 표 9에는 각종 폴리머의
굴절율을 나타내었다.
굴절율과 환경인자
굴절율은 구조적인인자에 지배되지만 사용중의 환경인자, 다시말해 온도, 습도등으로 이 값이
변동된다. 그러므로 실용적에서는 이 영향이 중요하다.
(a)온도의 영향
굴절율의 온도변화는 식 9에 표시되었다.
이 식으로부터 명확한 것처럼 굴절율의 온도에 의한 변화는 체적팽창에 기인하는 항과 분자분극에
기인하는 항으로 나뉜다.
후자는 온도에 의해 사실상 변화하지않기 때문에 굴절율의 온도의존성은 전자에 주로
지배된다. 전자는 10식에 나타났다.
그러므로 굴절율의 온도의존성은 선팽창게수로부터 간단하게 계산 가능한다.
PMMA를 예로 하면
(1.5 - 1)(-3 X 7 X 10-5/℃) ≒ -1.1X10-4/℃
표 10에 대표적인 투명폴리머의 선팽창계수와 굴절율의 온도계수를 광학유리와의 비교로
나타내었다. 폴리머간에는 다소 차이는 있지만 선팽창계수는 광학유리에 비해서 1 order,
굴절율의 온도계수에서는 2 order 정도 그 값이 크다.
그림 2.1에 각종 폴리머의 온도의존성을 나타내었다.
또 식 2.11에 PMMA의 굴절율과 온도의 관계를 나타내었다.
n = 1.4933 – 1.1 X 10-4t-2.1X 10-7t2 (2.11)
온도의 상승에 수반하여 직선적으로 굴절율이 떨어진다.이처럼 온도에 수반하여 굴절율이 변화하기 때문에 렌즈의초점거리가 스스로 변화한다. 이 초점거리의 변화는식 (2.12)에 나타내었다.
f= -f/(n-1)n/t t + f t (2.12)
여기서 f : 초점거리, n/t : 굴절율의 온도계수 : 선팽창계수
이 식으로부터 명확한 것 처럼 온도에 의한 초점거리의 변화는굴절율화와 팽창,수축(선팽창계수대응) 에 기반한다.이 기여율은 전자가 8할, 후자가 2할이다.
(4) 고굴절율화, 환경의존성의 저감화
고굴절율화
고굴절율은 산업용 민생용에 상관없이 렌즈용 재료에서 중요한 특성의 하나이다 하지만 표 2.9로부터명확한 것 처럼 렌즈용 수지의 대표적인 PMMA는 1.49이고 무기글라스의 1.9이상에 비해서 낮다.그러므로 구조적으로는 분자중에 분극율이 높은 기를 도입하는 것에의해 고굴절율화가 꾀해진다.이 대표적인것은 앞에서 보인것처럼 벤젠고리, 염소, 브롬, 유황등이다. 그러므로 브롬이나 염소,유황등을 함유하는 폴리머계는 사출성형으로 제품화되는 경우 이 성형단계에서 고온처리에 수반되는착색 열화가 일어나기 때문에 사용이 제한되었다. 이처럼 성형용 재료에서는 벤젠고리의 도입이 주를이룬다.특히 PMMA의 경우 MMA와의 공중합성의 벤젠고리를 갖는 메타크릴레이트가 중요시된다. 표 2.9dp 보이는 것처럼 굴절율이 1.57로 높은 폴리페닐메타크릴레이트(모노머의 굴절율 1.52)등이 이 대상이다.그러나 복굴절율을 중심으로 한 다른 특성과의 밸런스가 중요하기 때문에 PMMA의 고굴절율화는 1.55전후가한계이다.한편 안경용 렌즈(교정용)은 이 중합부형이 “주형중합법”으로 행해진다. 이 방식은 고온의 사출성형법과달리 100oC이하에서 중합, 경화되기 때문에 열이력이 작고 , 분극률의 높은 브롬, 유황 그리고 벤젠고리등이 넓게 이용 가능하다.
환경의존성의 저감
굴절율은 온도, 습도등의 환경인자에 의해 변동된다. 이 변동폭을 작게 하는 것은 재료의 신뢰성을 높이기위해 극히 중요하다. 이 때문에 내열성이 우수하고 흡수율이 낮은 수지가 요구된다.기존의 재료인 PMMA는 더욱더 내열성의 향상 흡수율의 저감을 목적으로 하고 개질되고 있다. 광디스크용에 개발되는 일련의 숭고의 지환식 올레핀계 수지는 높은 내열성과 저흡수성을 겸비하고 있기고 이것 뿐만 아니라 굴절율의 환경의존성이 낮아서 실용범위가 넓어지고 있다.
4. 복굴절성
광학특성중에서 굴절율과 함께 중요한 것은 복굴절이다. 일반적으로 굴절율이 방향에 따라 다른
재료의 경우 빛이 입사하면 X축에 편파면을 갖는 광과 Y 축에 편파면을 갖는 광으로 나뉜다.
이 현상이 복굴절이다.
하지만 빛의 속도는 c/n (n:굴절율, c:진공중의 빛의 속도. 약 30만km/sec)로 표시되기 때문에
이 속도는 매체(재료)의 굴절율으로 변화한다. 이 때문에 서로 수직한 진동방향을 갖는 이
두가지 빛은 이 속도가 달라지고 결상점이 비켜나가서 결상성능이 저하된다. 더욱이 높은 복굴절
을 보이는 재료를 광한 렌즈에 사용하면 선면한 상이 얻어지지 않는다.
4. (1) 복굴절과 분자구조
빛은 고주파의 전자파이기 때문에 광이 폴리머 분자에 닿으면 분자 중에 전자의 여기를 발생한다.이 전자 분극으로부터 폴리머에 복굴절이 발생한다.복굴절과 전자의 여기의 정도를 나타내는 분극률과의 관계는 Lorentz-Lorentz식에 기초하고 아래식으로 나타낸다.
복굴절
전기장 spectra가 main chain방향에 평형인 경우 실측된 굴절율
수직방향에서 실측된 굴절율
분자 사슬과 평행한 분극률
분자 사슬과 수직한 분극률
표 2.11
이 광학적인 이방성을 표시하는 고유의 복굴절은 식 (2.16)으로부터 명확한 것처럼 구조단위의
분극률 차에 비례한다. 표 2.11에 각종화학 결합의 분극률이방성을 나타내었다.
다시말해, 벤젠고리의 경우 1분자당의 화학결합사슬에 평행의 분극률은 123.1 X 10-25 cm3,
수직방향에서는 63.5 X 10-25 cm3이기 때문에 분극률의 차가 크다. 그러므로 벤젠고리를 분자
중에 갖는 PS, PC등은 복굴절을 일으키기 쉬운 전형적인 폴리머이다.
표2.12에 각종 폴리머의 고유복굴절율을 보였다. 플라스틱중에서 PMMA가 최고로 낮은 굴절율
값을 갖는다.
폴리머 고유복굴절값
Polystyrene
Poly(phenylene ether)
Polycarbonate
Polyvinylchloride
Polymethyl methacrylate
Polyethylene terephthalate
Polethylene
-0.10
0.21
0.106
0.027
-0.0043
0.105
0.044
4. (2) 복굴절과 성형가공
Amorphous polymer는 이 구조자체가 복굴절(고유복굴절율)을 갖고 있어도 벌크상태에서는
복굴절을 보이지 않는다. 이것은 구조단위가 모두 random하게 배열되었기 때문이다.
하지만, 플라스틱 재료는 일반적으로 성형,가공을 통하여 제품화되기 때문에 이 부형의 단계에서
복굴절이 나타난다.
이것은 “배향복굴절”과 “응력복굴절”로 불리우는 두가지 type이 있다.
전자는 성형가공의 경우에 발생하는 전단력에 의해 유동 방향으로 폴리머가 분자배향하기 때문에
일어나는 것이다. 후자는 용융되는 수지가 고화되는 경우에 발생하는 잔류왜곡에 유래되는 것이다.
4. (3) 저복굴절율화와 재료전개
구조적으로 복굴절율을 낮추는 것은1. 고유동화2. 저고유복굴절재료의 개발 이 있다.
전자는 기존수지의 개질이고 후자는 신규수지의 개발이 중심이다.
고유동화배향복굴절율을 저감하는 것은 앞에서 말한 바와 같이 성형단계에서 분자 배향을 지배하는 전단력의발생을 낮추는 것이다. 이를 위하여 재료 면으로부터 수지의 유동성을 높이는 것이 기본적으로 중요하다.PMMA의 경우, 복굴절을 특히 중시하는 광디스크용은 일반적으로 성형재료에 비해서 고유동화가실시된다.다시말해 성형재료 type은 methyl acrylate, ethyl acrylate등의 comonomer가 1%이상 공중합된 것이지만광디스크용에서는 10% 전후로 많이 공중합시켜 고유동화에 기반한 분자배향의 억제를 통해서배향복굴절율의 저감이 도모되고 있다.
고유복굴절율의 저감
1. random공중합법2. alloy법3. 지환식 폴리올레핀 수지의 개발