KR19990084134A

KR19990084134A - 안경렌즈의 코팅방법

Info

Publication number: KR19990084134A
Application number: KR1019990039813A
Authority: KR
Inventors: 박덕규
Original assignee: 박덕규
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 1999-12-06
Also published as: KR200171150Y1

Abstract

[목적]

본 발명은 안경렌즈에 긁힘, 자외선, 전자파차단, 김서림 등을 방지하는 안경렌즈를 제공하고자 하는 안경렌즈의 코팅방법에 관한 것이다.

[구성]

탄소(C)를 함유하고 있는 기체 또는 액체를 진공용기에 주입한 후, 실온에서 60㎐저주파로 플라즈마방전을 유도하여 기체를 해리시켜 CH, CH₂, CH₃가 분해된 활성종(radical)을 생성하여 이들이 렌즈에 부착되면서 다이아몬드성 탄소박막(a-C:H)이 코팅되는 것이다

[효과]

실온에서 상용주파수인 60㎐로 플라즈마를 발생시킨 후 화학적 증발정착법으로 안경렌즈에 다이아몬드 카본박막을 코딩하는 방법을 제공하므로써 안경렌즈의 긁힘, 자외선, 전자파차단, 김서림 등이 방지되어 렌즈의 수명연장, 눈의 건강을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

안경렌즈의 코팅방법{The method of coating optical lens}

본 발명은 안경렌즈의 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실온에서 상용주파수로 플라즈마를 발생시킨 후 화학적 증발정착법(chemical vapor deposition)으로 통상의 안경렌즈에 다이아몬드 카본박막을 코딩하는 방법을 제공하여 안경렌즈에 긁힘, 자외선, 전자파차단, 김서림 등을 방지하여 렌즈의 수명연장, 눈의 건강을 향상시킬 수 있는 안경렌즈를 제공하고자 하는 안경렌즈의 코팅방법에 관한 것이다.

종래에는 안경렌즈는 투명한 프라스틱 또는 유리를 가공하여 사용하고 있는 바, 안경을 사용하는 과정에 취급부주의로 렌즈의 표면에 흠집이 발생하여 안경렌즈의 특성상 투명도가 유지되어야 함에도 그러하지 못하여 렌즈를 교체하거나 안경 전체를 교체하는 경제적 손실이 많았으며, 또한 습도가 높은 날씨나 따뜻한 음식을 먹을 때 발생되는 김(기체)에 의해 렌즈 표면에 성에가 발생하여 투명성을 잃게 되어 그 때마다 자주 닦아주어야 하는 번거로움이 있었다.

이에 광학렌즈에 다이아몬드를 코팅하는 방법이 제공되기는 했으나 적어도 200℃이상의 상온과 고주파를 필요로 하기 때문에 이에 따른 장비와 코팅작업에 번거로움이 있어 실현되지 않고 있다.

본 발명은 상기의 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 실온에서 저주파 플라즈마(plasma) 화학적 증발정착법으로 안경렌즈에 다이아몬드를 코팅하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기의 방법으로 코팅하여서 화학적 불활성, 열전도도, 전기저항, 광투과도, 경도, 윤활성이 높은 안경렌즈를 제공하여 렌즈에 흠집의 발생 우려가 없어 수명을 연장할 수 있고, 성에가 끼이지 않는 제품의 우수성과 편리함을 얻고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 구성을 일실시례에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)를 함유하고 있는 기체 또는 액체를 진공용기에 주입한 후, 저주파로 플라즈마방전을 유도하여 기체를 해리시켜 CH, CH₂, CH₃가 분해된 활성종(radical)을 생성하여서, 이를 렌즈에 분사 또는 도포하여서 다이아몬드성 탄소박막(a-C:H)을 코팅하는 것이다.

이와 같이 기체 또는 액체 상태로 된 메탄(CH₄), 아세틸렌(C₂H₂), 부탄(C₃H₈), 등과 같은 탄소(C)를 함유하고 있는 물질을 진공용기에 주입한 후 국내 상용 주파수인 60㎐ 저주파로 방전시키면 기체가 해리되면서 CH, CH₂, CH₃같이 분해된 활성종이 생성된다. 따라서 생성된 활성종을 안경렌즈에 부착되면서 다이아몬드 카본박막이 형성되는 것이다.

상기와 같은 본 발명을 실시례에 의한 실험을 통하여 이루어진 과정을 설명하면 다음과 같다.

지름이 20㎝이고, 높이가 25㎝인 원통형 반응실에 메탄(CH₄)과 수소(H₂)의 혼합 기체를 넣고 국내상용 주파수인 60㎐ 전원을 사용한 글로우 방전으로 반응성 플라즈마를 발생시킨다.

상기 반응실내의 각 전극은 지름이 10㎝로 같은 크기의 스테인레스 스틸 원판을 사용하였고, 두 전극사이의 간격은 3㎝로 하였으며, 기판의 가열은 카트릿지형으로 하여 반응실의 아래쪽 외부에서 가열기를 삽입할 수 있도록 장치하였다.

전원장치는 60㎐인 국내 전기를 그대로 사용하였으며, 전력밀도는 0.03∼0.08W/㎠로 하였다.

상기 기판은 무알칼리성 Corning7059 유리나 현미경용 슬라이드 유리를 사용하였으며, 증류수, 메탄올, 아세톤 등으로 다단계 초음파 세척을 실행하여 최대의 청결도를 유지하도록 하였다. 또 FTIR측정을 위하여 실리콘 기판도 사용할 수 있으나 이 경우에는 희석된 불산용액에서 처리하여 표면의 산화막을 제거한 후 사용하면 된다.

위와 같은 본 발명에 실험용으로 사용된 시료는 메탄(CH₄)과 수소(H₂)가 혼합된 기체속에서 메탄의 압력비를 1%에서 30%까지 변화시키면서 전체 기압이 1.5torr를 유지하돌고 기체를 흘려주면서 제작하였다.

기판의 온도는 실온으로 하였으며, 전극에 걸어준 저주파(60㎐)전원의 전압은 250∼300Ⅴ, 전류는 10∼20㎃가 되도록 하였다.

위와 같은 실험에 의해서 제작한 시료는

Sample no	CH₁	CH₂	CH₃	CH₄	CH₅	CH₆
CH₄/(CH₄/H₂)(%)	1	2.5	5	10	20	30
Appl. (V)	248	280	289	285	272	298
Current(mA)	20	13	13	12	12	11
Thickness(Å)	1400	1700	2000	2700	2800	3140
Band gap(eV)	-	1.3	1.2	1.9	2.0	-
H-cont(at%)	-	15	32	49	68	-

위 표에서와 같이 주로 메탄의 압력비 변화에 따른 결과치이다.

이에 따른 시료의 특성을 살펴보면, 플라즈마발생용 저주파 전원의 방전 전압(280V)과 방전전류(13mA)을 일정하게 유지(전력밀도:0.05W/㎠)하고 반응실내 메탄과 수소의 혼합기체중 메탄의 압력비를 1%에서 30%까지 변화시켜 실온에서 증착하는 과정에 메탄의 압력비가 10%정도가 될 때 까지 증착률이 급격하게 증가하다가 그 이후부터는 포화되고, 전체 영역에서 2∼7Å/min 정도인 값을 유지했으며 일반적으로 RF플라즈마CVD로 증착하는 경우의 40Å/min보다 상당히 낮은 값을 나타낸다. 그 이유는 LF플라즈마가 RF플라즈마에 비하여 플라즈마의 밀도가 낮기 때문이다.

또, LF플라즈마에 의하여 사일렌(SiH₄) 분해로 증착한 a-Si;H박막보다 메탄(CH₄)분해로 증착한 a-C;H 박막쪽이 증착률이 떨어지는데, 이는 메탄이 사일렌보다 binding 에너지가 더 크기 때문에 일어나는 현상이다.

그리고 박막의 제작과정중 메탄의 압력비에 따라 플라즈마의 특성을 더 알아보기 위하여 전자온도와 전자밀도를 측정한 바, 전자온도는 4∼7eV로 메탄의 함량의 증가에 따라서 감소하였는데, 그 이유는 메탄함량이 증가함에 따라 분해되지 않는 메탄분자가 상대적으로 증가하기 때문이고, 전자밀도는 10⁷/㎤정도로 메탄함량의 증가에도 거의 변화가 없으며, 그 이유는 플라즈마발생용 전원의 주파수에 따라 크게 의존하고 있기 때문임을 실험에 의해서 확인된 것이다.

그리고 시료의 물리적 성질을 살펴보면, 우선 제작된 시료의 기본 전기적 성질을 알아보기 위하여 온도에 따른 시료의 암전기전도도를 측정하였다. 결국 이 시료의 암전기전도도는 실온에서 10^-11[Ω·㎝]^-1,100℃에서 10^-9[Ω·㎝^-1]정도이며,비저항으로는 10¹¹및 10⁹Ω·㎝인 높은 저항값을 나타냄을 알 수 있다.

또한 측정온도에 따른 광전기전도도를 나타내었는데 a-Si:H에서의 광예민도(photosensetivity;^σp/^σa)인 10⁵보다 훨씬 낮은 20 정도의 결과를 보여 주었으며, 온도의 증가에 따라서 감소하였다. 이것은 a-C:H시료내에 광에 의하여 여기되는 나르개(carrier)들을 포획하는 상태밀도가 있다는 것을 의미한다.

제작된 a-C:H박막의 파장에 따른 투과도를 %로 표현해 보면, 400 nm로부터 900 nm에 걸쳐서 90%이상의 투과도를 나타내며, 특히 600 nm에서 900 nm사이에서는 95%나 되는 좋은 투과도를 가지고 있다. 이와같이 측정한 투과도를 흡수계수를 변환시켜서 Tauc관계식인

(αhν)^1/2=C(hν-E_opt)

로부터 광학적 에너지 갭(E_opt)을 구할 수 있다. 여기에는 α는 광 흡수계수, hν는 광자의 에너지, C는 흡수단의 특성에 관계되는 상수를 각각 나타낸다.

이 광학적 에너지 갭의 메탄 기체의 함량에 따른 변화는 메탄 함량이 압력비를 2%에서 20%까지 증가함에 따라 1.2 eV에서 2.0 eV까지 증가하는 경향을 나타낸다. 이 사실은 메탄 함량이 증가하면 시료내의 수소함량이 증가하게 되고, 이 수소 함량의 증가는 곧 광학적에너지 갭의 증가를 의미함으로 결국 메탄 함량의 증가에 따라 광학적 에너지 갭의 증가하는 것으로 해석된다.

제작한 a-C:H 박막의 원소성분을 알아 보기 위하여 XRS 측정을 해 보았다. 측정장치는 AES,XPS,SIMS,RHEED등이 가능한 복합표면 분석장치(ULVAC-PH1사제품)를 사용하였다. 이 장치의 특징은 광전자 분석관으로 CMA(Cylindrical Mirror Analyzer), X선 source는 1253.6 eV, 265W의 M_g-K_α를 채용한 것이다. 이 장치로 AES 측정도 가능하나 본 시료의 기판이 절연체인 유리이므로 스펙트럼이 시료의 대전 영향을 받아서 정상적인 측정이 불가능하였다.

XPS 측정할 때 사용한 아르곤 이온은 Ar⁺로 이온 가속 전압은 2 kV, 방출 전류는 20 ㎃이다. 결합에너지(binding energy)0~1100 eV범위를 주사시킨 것으로, C_KLL,O_KLL란 X-선에 의하여 여기된 오제 전자의 피크이다. 주된 광전자의 피크는 C_1s와 O_1s인데, O_1s는 스퍼터 후에는 거의 관측되지 않으므로 최외표면의 흡착기체층에 존재했던 것으로 추정된다. 따라서 이 a-C:H박막의 주 성분은 탄소일 것으로 추정된다. 그리고 그 외 현저한 피크가 관측되지 않으므로 기타 불순물은 이 측정장치의 한계를 벗어났다고 볼 수 있다.

C_1s인 탄소 피크는 결합에너지가 287.05 eV(as deposited), 282.6 eV(after sputtering)인 곳이고, 이들 피크에 반값폭(FWHM)은 각각 1.75 eV, 1.84 eV임을 분석할 수도 있었다. 이 결과는 다른 연구자들이 DLC에 관하여 측정한 결과와도 잘 일치한다.

시료의 구성 성분을 알아보기 위하여 FTIR분광계(MIDAC)로 스펙트럼을 측정하였다. 이 결과에서 3000cm^-1부근에 나타난 C-H결합의 stretching에 주목하고 이것에 의한 흡수 피크의 면적을 K.Mui 등이 개발한 식으로부터 구하고, 이 값에서 수소 함량(C_H)을 결정할 수 있었다. 그 결과가 Fig8에 나타나 있는데, 메탄 함량이 2%에서 20%까지 증가함에 따라서 수소함량(C_H)은 15-70 atm.%까지 증가하면서 변화하였다.

실험결과 메탄 함량비가 10%인 시료가 비교적 증착율이 높고 결함상태가 적은 최적의 제작조건을 만족하였으며,a-Si:H에서 주로 나타나는 준안정 상태들도 관측되었다.

따라서 이상과 같이 제작 중 시료의 증착률은 2-7∀Å/min로 다른 방법보다 떨어지는 편이나 반면에 투명도(95%)와 저항(비저항 10⁹-10¹¹Ω·cm) 은 아주 좋고, 순도도 좋은 양질의 a-C:H박막을 얻을 수 있었다.

박막의 제작과정 중에 플라즈마의 전자온도는 4-7 eV 정도, 전자밀도는 10⁷/cm³정도이다.

제작된 시료의 광학적 에너지 갭은 1.2~2.0 eV 정도, 수소 함량은 15-70 atm.%정도로 메탄 기체의 압력비에 따라서 상당한 차이가 나타남을 알 수 있다. LF를 이용한 a-C:H박막 제조는 상용화에는 미흡한 결과이지만 나름대로의 장점을 충분히 활용한다면 좋은 결과가 예상된다. 앞으로의 과제는 증착율의 향상과 광예민도의 증가를 가져올 수 있는 개선된 방법을 찾는 것이다.

따라서 이상과 같이 안경렌즈를 상온에서 60㎐ 저주파 플라즈마 화학적증발정착법으로 수소화시킨 다이아몬드를 코팅하였다.

따라서 이상과 같이 실온에서 상용주파수인 60㎐로 플라즈마를 발생시킨 후 화학적 증발정착법으로 안경렌즈에 다이아몬드 카본박막을 코딩하는 방법을 제공하므로써 안경렌즈의 긁힘, 자외선, 전자파차단, 김서림 등이 방지되어 렌즈의 수명연장, 눈의 건강을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

Claims

탄소(C)를 함유하고 있는 기체 또는 액체를 진공용기에 주입한 후, 실온에서 60㎐저주파로 플라즈마방전을 유도하여 기체를 해리시켜 CH, CH₂, CH₃가 분해된 활성종(radical)을 생성하여 이들이 렌즈에 부착되면서 다이아몬드성 탄소박막(a-C:H)을 코팅되는 것을 특징으로 하는 안경렌즈의 코팅방법.