광학 박막 코팅 분광평가를 위한 분광기 원리와 투과/반사율 측정방법

 

 

광학 박막 코팅(Optical Thin Film) 후에는 성능평가로 필수적으로 분광성능을 파악합니다.

파장에 따른 투과, 반사율을 확인하는 것으로 코팅이 얼마나 잘 되었는지 확인하는 가장 좋은 지표입니다.

빛의 스펙트럼은 분석하는 장비의 이름은 분광기(Spectrometer)라고 합니다.

보통 회사에서 쓰는 것은 회절격자를 회전시켜 파장을 스캔하는 모노크로메이터 기반 분광기입니다.

산업용으로 많이 사용하는 회절격자 분광기(Diffraction Grating Spectrometer)의 원리를 알아보겠습니다.

 

 

 

1. 회절격자 분광기의 구조

 

광원에서 나오는 빛을 측정 대상에 조사하고 투과하거나 반사한 세기를 측정합니다.

기본적인 구조는 아래와 같습니다.

• 광원 : 빛을 제어해야 함니다. 출력이 일정하며, 파장별로 균일한 빛을 발광하는 조명이 좋습니다.
• 광학계 : 광원에서 나온 빛을 대상에게 전달하기 위한 구성으로 되어 있습니다. 대상에 따라 자유도를 가지도록 치구를 장착할 수 있게 생긴 경우가 많습니다. 반사와 투과를 둘다 사용할 수 있게 해주려면 복잡한 모양이 되기도 합니다.
• CL (Collimator) Lens : 빛의 평행으로 만들어 대상에 조사하는 렌즈입니다. 단일하게 구성될 수도 있게 여러장의 렌즈로 구성될 수 있습니다.
• 회절격자(Grating) : 빛을 파장에 따라 나누어 주는 역할을 합니다. 회절격자에 광이 닿는 각도에 따라 반사되는 각도가 달라집니다. 정밀하게 회전해야 하며 격자의 단위 길이당 홈이 짧을 수록 해상도가 높습니다.(Lines / ㎜)
• 측정대상 : 코팅 작업을 한 측정 대상입니다. 곡면의 Lens를 코팅할 때 평면의 시편을 하나 같이 코팅해서 평가용으로 쓰는 것이 일반적입니다. 곡면을 직접적으로 사용하는 특수 JIG도 제작이 가능합니다. 
• Sensor : 검출기에서 가장 중요한 부품으로 사용 파장에 대해 민감도를 가지고 있어야 합니다.

 

시스템을 총괄하는 제어기는 회절격자의 각도에 따라서 Sensor를 통해서 들어온 광량을 받아야 합니다.

또한 광원을 제어하는 역할도 수행하게 되고 이 각각의 부품을 모니터링하는 시스템이 있기도 합니다.

회절격자 분광기는 여러 광원과 검출기를 조합하여 200 ~ 2500 ㎚ 까지 측정이 가능한 모델이 나와있습니다.

(VIS에서 NIR, SWIR까지 확장됩니다.)

 

그림 : 분광기의 구조

 

 

 

2. 파장별 분광기

 

대량 양산을 하는 라인에서는 특정 파장의 분광기를 대량으로 두고 빠르게 사용하는 경우가 많습니다.

연구/개발하는 부서에서나 다양한 품종의 제품을 만드는 경우 매우 넓은 파장대를 커버할 수 있는 제품을 사용합니다.

단일한 제품이지만 파장별로 커버하는 부품이 다르게 최적화 되어 있습니다.

 

파장대	광원	검출기	이유
200 ~ 380 nm	Deuterium	Si CCD	UV 연속 스펙트럼 + CCD 감도
350 ~ 1000 nm	Halogen	Si CCD	가시광 고출력, 저노이즈
900 ~ 1700 nm	Halogen	InGaAs	NIR 투과/반사 측정
1700 ~ 2500 nm	Halogen	Extended InGaAs	SWIR 박막 평가

 

 

부품들은 파장 범위에 따라서 최적화 되어 있습니다.

광원은 350 ~ 380 ㎚ 한번, 검출기는 900 ~ 1000 ㎚의 중복영역에서 교차되도록 설계되어있습니다.

연속성을 확보할려는 설계이기는 하지만 셋팅에 따라서 교차영역에서 DATA가 확보되기 어려울 수도 있습니다.

광원 출력, 검출기 감도, 광로 손실 차이로 인해 교차 영역에서 SNR이 급격히 떨어질 수 있습니다.

 

 

3. 광원

 

주로 UV에서 사용하는 광과 할로겐 램프를 사용합니다.

 

▶ Deuterium (D₂) Lamp (200 ~ 380 nm 영역)

 

중수소 가스 방전을 이용하는 UV 램프로 200 ~ 400 ㎚에서 강한 연속 스펙트럼을 방출합니다.

고에너지의 UV Light로 안정적인 출력 때문에 분광기에서 사용할 수 있습니다.

수명은 1000 ~ 2000 시간이고 점등할 때 워밍업이 필요합니다. 

VIS 파장을 짧은 영역에서 파란색으로 약하게 보이는데 에너지가 상당히 강하니 쳐다보지 맙시다.

딱히 제품이 요청하지 않는다면 굳이 측정할 필요는 없어 사용하지 않기도 합니다.

※ 고장이 상당히 자주나는 부품으로 워밍업 후 5분이상 예열을 추천하며 AVR을 사용할 것을 권장합니다.

On/Off 반복, 전원 불안정, 예열 부족에 민감하여 관리가 중요합니다.

그리고 무엇보다 예비부품을 항상 준비해 두세요

 

 

▶ 할로겐 램프 - Halogen Lamp (380 ~ 2500 nm 영역)

 

텅스텐 필라멘트에 할로겐 가스를 추가한 램프로 350 ~ 3000 ㎚의 넓은 영역의 연속 스펙트럼을 제공합니다.

안정적인 출력과 수명도 2000 ~ 5000 시간 정도입니다. 

또 많이 사용되는 제품임으로 비용도 저렴하고 고장도 잘 안나지만 방열이 심합니다.

※ 수명이 다 될 때 한번에 출력이 떨어지는 특성이 있는데 그러지 않고 계속 불안정하다면 냉각시스템을 점검해야 합니다.

특히 팬의 바람이 잘 나가는지 방열판에 먼지는 어떤지 확인해 보면 좋습니다.

 

그림 : 램프들

 

 

 

4. 센서 - 검출기(Detectors)

 

모델에 따라서는 2000 ㎚ 까지만 대응한다면 확장 센서는 사용할 필요가 없습니다.

 

 

▶ Si photodiode array 혹은 CCD / CMOS Array

 

실리콘 기반의 포토다이오드 배열로 UV에서 VIS 영역에서 높은 양자효율(quantum efficiency)이 나옵니다.

낮은 노이즈와 높은 QE로 VIS 영역에서 널리 사용됩니다.

200 ~ 300 ㎚는 단독으로는 효율이 낮아 감도저하를 고려해서 사용해야 합니다.

UV 정밀 시스템이 필요한 경우 별도 설비를 구축하는 것이 좋습니다.

 

 

 

▶ InGaAs (Indium Gallium Arsenide, 900-1700 nm 영역)

 

InGaAs 반도체로 NIR 영역(800-1800 nm)에서 높은 양자효율(QE)를 제공합니다.

노이즈도 낮고 응답 속도가 거의 Si CCD와 유사합니다.

비용이 높아 VIS만 사용하는 경우에는 잘 설치하지 않습니다.

요즘 NIR 시장이 점점 커지면서 조금씩 물량이 풀리며 저렴해지는 추세입니다.

 

 

▶ Extended InGaAs (1700-2500 nm 영역)

 

InGaAs를 확장한 버전으로 Cut-off 파장을 2500 ㎚ 연장합니다.

양자효율(QE) 자체는 InGaAs를 커버할 수 있지만 냉각이 필요하고 노이즈가 조금있기 때문에 따로 사용합니다.

 

그림 : 파장별로 다른 센서

 

 

 

5. 회절 격자

 

회절격자 알루미늄이나 유리기판에 반복적인 홈이 새겨진 광학 요소로 분산 능력이 결정됩니다.

보통 일반적인 산업계에서는 0.1 ~ 1.0 ㎚의 파장 해상도를 가지면 충분합니다.

산업용 분광기에서는 효율과 내구성, 파장 범위 측면에서 반사형 격자가 주로 사용됩니다.

 

그림 : 회절격자

 

 

 

6. 측정 방식 

 

투과율의 경우에는 보통 단순합니다. 

아무 것도 없는 허공을 측정해서 BASE Line을 형성합니다.

그래서 아무 것도 없는 것 같지만 실제로는 광원과 광학계를 포함한 응답 성능을 측정합니다.

BASE Line 대비해서 측정 대상을 통과한 광의 세기를 보고 투과율을 측정합니다.

민감한 설비임으로 1일에 2~4번은 BASE Line을 확인하기가 권장됩니다.

 

그림 : 투과율 측정

 

반사율의 경우는 좀 복잡합니다.

여러가지 형태의 지그가 존재하는데 기본 구조의 지그를 먼저 소개하겠습니다.

레퍼런스 마스터를 Base Line 삼아 먼저 측정을 하고 그 다음에 측정대상을 평가합니다. 

이 측정결과를 99%라든가 100%로 삼아서 측정대상의 측정값과 비교하는 방식입니다.

 

그림 : 반사율 측정

 

 

문제는 정확한 레퍼런스 마스트의 측정 기준이 없습니다.

공인된 기관에서 측정을 해 오더라도 라인에서 반복적으로 사용하는 동안 마스터 자체가 너무 쉽게 오염됩니다.

짧은 간격으로 외부평가기와 비교하기도 비현실적인 부분이 있고 또 자주 들고 다니면 나름대로 문제가 발생을 합니다.

그래서 아래 그림과 같은 W형 지그가 있기도 합니다.

 

그림 : W자 측정지그

 

 

시편이 없는 상태에서 BASE Line을 측정할 때는 거울을 돌려서 빛이 센서로 나가게 합니다.

또 측정 대상이 Jig위에 있을 때는 거울을 약간돌려서 시편을 측정을 합니다.

물론 거울의 각도가 계속 변하지만 우리는 각도변화가 예상이 가능합니다.

그만큼의 값 보정을 해주는 방식을 절대 반사율이라고 합니다.

"절대 반사율"이라고 부르는 방식에 가깝고 과학적으로는 기하학적 보정을 포함한 "준 절대 반사율"이라고 봐야 합니다.

또 W형 지그는 측정대상의 반사 각도가 45도로 고정되어 있는 경우가 많고,

구조가 복잡하여 큰 시료를 측정할 수 없습니다.

 

그림 : 회절격자 분광기

 

반사율은 레퍼런스 Base Line 만들기가 매우 까다로워 측정 신뢰도를 유지하기가 어렵습니다.

진정한 절대 반사율은 적분구 + 표준물질(NIST traceable)이 필요하며 시간도 오래걸립니다.

반면 투과율은 쉽기는 하지만 단순 표면 거칠기에 의한 효과와 기판의 흡수가 더해져 노이즈가 생길 수 있습니다.

한방에 해결되는 방법이 있기보다는 다른 보조적인 지표들과 검토을 통해 해결해 나가도록 합시다.