게르마늄이 없는 적외선 광학계: 중적외선 및 장적외선 광학계 설계 및 제조에서 게르마늄을 칼코게나이드 유리로 대체하는 타당성 검토
응용 노트 일련 번호: AN-SGYL-02-03-26
편집자: Bryan Ng – 마케팅 관리자
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게르마늄(Ge)은 높은 굴절률, 장파 적외선 영역에서의 넓은 투과율, 그리고 비교적 낮은 색 분산 특성 덕분에 오랫동안 적외선 광학 설계 분야 에서 지배적인 소재로 사용되어 왔습니다. 이러한 특성 덕분에 수십 년 동안 소형 고성능 열화상 및 적외선 센싱 시스템에 적합한 소재로 자리 잡았습니다. 그러나 Ge는 높은 원자재 가격, 상당한 밀도, 온도에 따른 굴절률 변화, 그리고 대량 생산 및 비용에 민감한 제조 공정과의 호환성 부족 등 여러 가지 한계점도 가지고 있습니다. 특히 큰 dn/dT 값으로 인한 강한 열 민감성은 넓은 온도 범위에서 작동하는 시스템에서 초점 이동 및 성능 저하를 초래할 수 있으며, 이로 인해 복잡한 무열화 전략이 필요하게 되었습니다.
반면, 칼코게나이드 유리는 현대 적외선 광학 시스템을 위한 매력적인 대안으로 떠오르고 있습니다. 이 소재는 넓은 적외선 투과율, 맞춤형 굴절률 옵션, 그리고 비교적 낮은 열 민감도를 제공하여 온도 변화에 따른 안정적인 성능을 가능하게 합니다. 또한 밀도가 낮아 광학 어셈블리를 더욱 가볍게 만들 수 있는데, 이는 소형, 휴대용 및 항공기 탑재 플랫폼에 점점 더 중요해지고 있습니다. 제조 관점에서 볼 때, 칼코게나이드 유리는 정밀 유리 성형에 적합하여 높은 반복성, 엄격한 공차, 그리고 광범위한 후가공 없이도 대량 생산이 가능합니다.
본 응용 노트는 칼코게나이드 유리가 광학 설계, 열 성능 및 제조 관점에서 게르마늄(Ge)을 완벽하게 대체할 수 있음을 보여줍니다. 최신 광학 설계 최적화, 첨단 코팅 솔루션 및 정밀 성형 기술을 통해 칼코게나이드 기반 시스템은 동등하거나 그 이상의 이미징 성능을 달성할 수 있습니다. 동시에 상당한 비용 절감 효과와 향상된 확장성을 제공하여 자동차, 보안, 산업 및 소비자 애플리케이션 분야의 차세대 적외선 시스템에 매우 매력적인 소재입니다.
1. 재료 및 광학 설계 타당성 검토
게르마늄(Ge)을 칼코게나이드 유리 로 대체하는 데에는 굴절률이나 분산 측면에서 직접적인 재료 동일성이 요구되지 않습니다. 오히려 지능적인 광학 설계 최적화와 제조 공정 개선을 통해 시스템의 실현 가능성을 확보할 수 있습니다. 현대 적외선 광학 엔지니어링은 더 이상 일대일 재료 대체에 의존하지 않고, 비구면, 회절 광학 소자, 다중 재료 조합과 같은 추가적인 자유도를 활용하여 성능 목표를 달성합니다. 확장 가능한 정밀 유리 성형과 결합된 칼코게나이드 유리는 기존 게르마늄 기반 시스템에 비해 근본적으로 다른 비용 대비 성능 균형을 제공합니다.
아래 표는 게르마늄에서 칼코게나이드 유리로 전환할 때 주요 재료 및 광학 설계상의 절충점을 요약한 것입니다.
표 1: 게르마늄을 칼코게나이드 유리로 대체할 때 주요 재료 및 광학 설계상의 절충점
| 아래 | Ge | 칼코게나이드 유리 | 디자인의 의미 |
|---|---|---|---|
| 굴절률 | ~ 4.0 | 2.2 ~ 2.8 | 굴절률이 낮은 것은 렌즈 개수 최적화, 곡률 증가 및 비구면 렌즈를 통해 보완할 수 있습니다. |
| 분산 | 매우 낮은 | 보통에서 높음 | 색수차는 회절 광학 소자 또는 다중 유리 보정 전략을 통해 제어됩니다. |
| 렌즈 수 | 높음 | 보통 | 제조 확장성 향상으로 인해 구성 요소 수가 약간 증가하는 것은 허용됩니다. |
| 비구면 | 비용이 많이 들고, 다이아몬드 선삭 가공이 필요합니다. | 곰팡이 친화적 | 비구면은 대량 생산에서 경제적으로 실현 가능해집니다. |
| 열적 dn/dT | 높음 | 높음 | 수동 열처리 기능을 제공하며 온도 변화에 따른 초점 이동을 줄여줍니다. |
게르마늄(Ge)은 매우 높은 굴절률 덕분에 더 적은 소자로 소형화를 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 칼코게나이드 계열은 설계 유연성을 통해 이를 보완합니다. 성형 가능한 비구면 형상을 활용하면 구형 게르마늄 설계에서 추가 소자가 필요한 수차 보정을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 또한, 칼코게나이드 소재는 분산이 더 크지만, 최신 적외선 시스템은 회절 광학 소자 또는 하이브리드 소재 구성을 통해 색수차를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
시스템 관점에서 볼 때, 칼코게나이드 설계의 렌즈 개수가 약간 더 많다는 단점은 제조상의 상당한 이점으로 상쇄됩니다. 정밀 유리 성형을 통해 다이아몬드 선삭 방식으로 제작된 게르마늄 광학 부품에 비해 단위당 비용을 낮추면서 반복적인 대량 생산이 가능합니다. 또한, 많은 칼코게나이드 유리의 낮은 열적 특성(dn/dT)은 비열 설계를 단순화하여 기계적 보상 요구 사항을 줄이고 환경 안정성을 향상시킵니다.
2. 광학적 성능 동등성
발표된 MWIR 및 LWIR 광학 설계 연구에 따르면 칼코게나이드 기반 시스템은 변조 전달 함수(MTF), 왜곡 제어 및 전계 성능에서 기존 게르마늄(Ge) 기반 시스템과 유사한 성능을 달성할 수 있습니다. 게르마늄은 매우 높은 굴절률과 낮은 분산이라는 이점을 가지고 있지만, 광학적 복잡성을 적절히 제어하여 증가시킴으로써 칼코게나이드 소재 와 동등한 성능 을 얻을 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 소재를 직접 대체하는 것이 아니라 설계 재최적화, 특수 표면 활용 및 전략적인 소재 조합에 기반합니다.
표 2: 게르마늄 및 칼코게나이드 설계 간의 광학 성능 타당성 비교
| 디자인 유형 | 렌즈 수 | 특수 표면 | MTF 대 Ge | 타당성 평가 |
| 2× Ge | 2 | 없음 | 기준 | 참조 |
| 2× ChG | 2 | 없음 | 낮 춥니 다 | 충분하지 않음 |
| 2× ChG + DOE | 2 | 암사슴 | 동등한 | 실행할 수 있는 |
| 3× ChG (2잔) | 3 | 선택적 비구면 | 동등한 | 실행할 수 있는 |
| 4× ChG (1잔) | 4 | 비구 | 거의 동등함 | 실행할 수 있는 |
표 2에서 볼 수 있듯이, 동일한 개수의 칼코게나이드 렌즈를 사용하는 2소자 Ge 광학 시스템은 회절 광학 소자(DOE) 표면 하나를 도입함으로써 동등한 MTF 성능을 얻을 수 있습니다. DOE는 칼코게나이드 소재의 높은 분산을 보정하는 추가적인 색수차 보정 기능을 제공합니다. 또는, 성형된 비구면 칼코게나이드 렌즈 하나에 ZnSe 또는 ZnS와 같은 두 가지 추가 적외선 소재를 결합하여도 동등한 성능을 얻을 수 있으며 , 이를 통해 시스템 크기를 과도하게 늘리지 않고도 다중 소재 색수차 보정을 구현할 수 있습니다.
이 표는 엄격한 규칙보다는 대표적인 설계 경로를 제시합니다. 특히 게르마늄(Ge)이 다른 적외선 소재와 이미 결합된 하이브리드 설계와 같은 많은 실제 시스템에서는 게르마늄을 표면 구조가 유사한 다른 칼코게나이드 원소로 대체할 수 있습니다. 직접 대체하는 대신 전체 시스템을 재최적화하면 유사한 전자기장 성능, 왜곡 제어 및 열적 특성을 유지할 수 있습니다.
이러한 예시들은 성능 실현 가능성이 근본적으로 재료의 한계가 아니라 설계 최적화 문제임을 보여줍니다. 실험설계법(DOE), 성형 비구면 유리 , 그리고 다양한 유리 조합을 적절히 활용하면, 칼코게나이드 기반의 중적외선(MWIR) 및 장적외선(LWIR) 시스템은 게르마늄 기반 시스템과 동등한 성능을 보이면서 비용, 제조 용이성, 열 안정성 측면에서 이점을 제공할 수 있습니다.
보다 명확하게 설명하기 위해, 동일한 초점 거리와 F 넘버를 갖는 두 가지 광학 설계, 즉 하나는 게르마늄(Ge)을 포함하고 다른 하나는 칼코게나이드 유리로만 구성된 설계를 표 3에 나열된 매개변수를 사용하여 비교합니다. 이 예에서 IRG는 SCHOTT 사의 칼코게나이드 유리 소재를 의미합니다. 두 시스템 모두 동일한 시스템 수준의 제약 조건 하에서 중적외선(MWIR) 또는 장적외선(LWIR) 이미징을 위해 설계되었으므로 성능을 직접 비교할 수 있습니다.
표 3. 1 Ge + 3 IRG 및 4 IRG를 사용한 두 가지 설계에 대한 매개변수
| 매개 변수 | 1 Ge + 3 IRG | 4 IRG |
|---|---|---|
| EFL | 50 mm | 50 mm |
| F# | 1.0 | 1.0 |
| 탐지기 | 1280 × 1024 – 12 µm | 1280 × 1024 – 12 µm |
| 파장 | 8–12µm | 8–12µm |
| 왜곡 | ≤ 1 % | ≤ 1 % |
| 상대 조명 | ≥ 96 % | ≥ 93 % |
| TTL | 63.76 mm | 63.89 mm |
| 후면 초점 거리 | 18.03 mm | 14.73 mm |
| ASP 번호 | 2 | 2 |
| DOE 번호 | 1 | 1 |
| 첫 번째 렌즈 코팅 | DLC / HD / AR | HD/AR |
표 3에서 볼 수 있듯이, 이 특정 설계 사례에서 4소자 칼코게나이드 시스템의 광학적 성능은 하이브리드 1 Ge + 3 칼코게나이드 설계와 본질적으로 동일합니다. 유효 초점 거리, F 넘버, 왜곡 제어, 총 트랙 길이 및 표면 복잡성이 거의 같습니다. 비구면 및 회절면을 유사하게 사용함으로써 변조 성능과 필드 보정이 유지됩니다.
주된 차이점은 시야 가장자리의 상대적인 조도에서 나타나는데, 모든 칼코게나이드 재질로 구성된 설계에서 약간의 조도 감소가 관찰됩니다. 이는 일반적으로 굴절률 및 동공 매핑의 차이로 인해 발생하며, 이는 가장자리 광선 제어 및 비네팅 현상에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 이러한 감소는 시스템 수준에서 허용 가능한 오차 범위 내에 있으며, 사소한 설계 조정을 통해 더욱 최적화할 수 있습니다.
또 다른 차이점은 후방 초점 거리에 있는데, 완전 칼코게나이드 설계에서 이 거리가 더 짧습니다. 이로 인해 기계적 패키징 제약이 다소 강화될 수 있지만, 시스템 요구 사항에 따라 더욱 소형화된 모듈 통합이 가능해질 수도 있습니다. 코팅 측면에서 보면, 게르마늄 기반 첫 번째 소자는 일반적으로 높은 내구성과 반사 방지 코팅 외에도 DLC 보호층이 필요하지만, 칼코게나이드 소재는 동일한 수준의 기계적 보호가 필요하지 않을 수 있어 코팅 구조를 단순화할 수 있습니다.
그림 1과 2는 각각 (a)와 (b)에서 1Ge+3IRG와 4 IRG 시스템의 MTF와 스폿 다이어그램을 보여줍니다. 동일한 렌즈 개수를 사용했을 때 두 시스템의 성능이 유사하며, 4 IRG 시스템이 약간 더 우수한 것을 확인할 수 있습니다.
3. 열적 타당성 및 시스템 견고성
열 성능은 적외선 광학 시스템에서 칼코게나이드 유리가 게르마늄(Ge)에 비해 갖는 가장 결정적인 장점 중 하나입니다. 게르마늄은 높은 굴절률로 인해 강력한 광학 출력을 제공하지만, 온도에 따른 굴절률 변화(dn/dT) 또한 상대적으로 큽니다. 이는 온도 변화가 크지 않더라도 초점 이동이 발생하여 이미지 품질이 저하될 수 있음을 의미하며, 이를 방지하기 위해서는 능동적 또는 기계적 보상 메커니즘이 필요합니다.
반면, 칼코게나이드 유리는 일반적으로 훨씬 낮은 dn/dT 값을 나타냅니다. 이러한 고유한 재료 안정성 덕분에 기계적 초점 재조정 메커니즘이 아닌 재료 선택 및 광학적 균형을 통해 초점 안정성을 확보하는 수동 무열 광학 설계가 가능합니다. 결과적으로, 넓은 작동 온도 범위에서 일관된 이미징 성능을 유지하면서 시스템 복잡성을 줄일 수 있습니다.
표 4: 게르마늄 및 칼코게나이드 광학 시스템의 열적 타당성 비교
| 메트릭 | Ge 시스템 | ChG 시스템 | 시스템 영향 |
|---|---|---|---|
| 디엔/디티 | 높음 | 높음 | 초점 흔들림 감소 |
| 재집중이 필요합니다 | 가능 | 아니 | 더 간단한 기계적 구조 |
| 열 차광 | 가능한 | 없음 | 더 높은 환경적 안정성 |
높은 dn/dT 값 때문에 게르마늄 기반 시스템은 온도 변화에 따른 최적의 변조 성능을 유지하기 위해 기계식 초점 재조정, 플로팅 렌즈 그룹 또는 온도 보상 구조가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 솔루션은 기계적 복잡성, 크기, 무게를 증가시키고 장기적인 신뢰성 문제를 야기할 수 있습니다.
반면, 칼코게나이드 소재의 우수한 열적 특성 덕분에 렌즈 어셈블리는 광학 설계만으로도 무열 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 소재를 신중하게 조합하고 광 출력을 적절하게 분배함으로써 검출기 평면을 조정하지 않고도 넓은 온도 범위에서 초점 위치를 거의 일정하게 유지할 수 있습니다. 이러한 수동적 안정성은 자동차, 실외 감시, 산업 모니터링 및 항공우주 분야와 같이 시스템이 저온에서 고온에 이르는 다양한 주변 온도에서 안정적으로 작동해야 하는 분야에서 특히 유용합니다.
또한, 일부 게르마늄 기반 시스템은 특정 환경 조건에서 열에 의한 변색 현상을 보일 수 있는 반면, 칼코게나이드 유리는 일반적으로 일반적인 작동 범위에서 안정적인 투과 특성을 나타냅니다. 전반적으로, 칼코게나이드 렌즈의 향상된 열 안정성은 일관된 광학 성능을 유지하면서도 구조 단순화, 시스템 무게 감소, 신뢰성 향상 및 전체 시스템 비용 절감으로 이어집니다.
4. 제조 및 확장성 타당성
정밀 유리 성형은 칼코게나이드 기반 적외선 시스템의 광학적 실현 가능성을 경제적 실현 가능성으로 전환하는 핵심 요소입니다. 이론적으로는 첨단 광학 설계가 가능하지만, 실제 적용은 부품을 일관성 있게 대량 생산하고 합리적인 비용으로 제조할 수 있는 능력에 달려 있습니다. 칼코게나이드 유리 는 정밀 성형에 특히 적합하여 비구면 및 자유형 형상을 포함한 복잡한 광학 표면을 높은 반복성과 최소한의 후처리로 제작할 수 있습니다. 이러한 능력은 생산량이 증가함에 따라 단위당 비용을 크게 절감하여 고성능 적외선 광학 부품을 대량 시장에서 경제적으로 실현 가능하게 만듭니다.
표 5: 제조 가능성 비교
| 제조 측면 | Ge | 칼코게나이드 유리 | 영향 |
|---|---|---|---|
| 제작 방법 | 다이아몬드 터닝 | 정밀성형 | 확장 가능하고 처리량이 높은 제조 방식 |
| 아스피어 비용 | 높음 | 낮은 증분 | 복잡한 표면이 경제적으로 실현 가능해짐 |
| 디자인의 자유 | 가공상의 제약으로 인해 제한됨 | 높음 | 비구면, DOE 및 하이브리드 설계를 사용할 수 있도록 지원합니다. |
| 볼륨 스케일링 | 가난한 | 우수한 | 대량 생산 가능 |
게르마늄 광학 부품은 일반적으로 다이아몬드 선삭 또는 연삭/연마 공정을 사용하여 제작되는데, 이 방법은 우수한 표면 품질을 제공하지만 특히 비구면 또는 다중 요소 설계의 경우 노동 집약적이고, 시간이 오래 걸리며, 비용이 많이 듭니다. 따라서 단위당 비용이 여전히 높고 대량 생산으로 확장하는 데 어려움이 있습니다.
반면, 칼코게나이드 유리는 정밀 성형 공정에 적합하여 용융된 유리를 금형에 직접 성형하여 최소한의 후가공만으로 비구면 및 자유형 표면을 만들 수 있습니다. 비구면 또는 회절면을 추가하는 데 드는 추가 비용이 적어 과도한 비용 부담 없이 정교한 광학 설계를 구현할 수 있습니다. 또한 성형 공정은 높은 생산량, 뛰어난 치수 반복성, 그리고 대량 생산 전반에 걸쳐 일관된 광학적 품질을 보장합니다.
칼코게나이드 유리는 광학 설계의 유연성과 확장 가능한 제조 공정을 결합하여 상업 및 대량 시장 애플리케이션에 적합한 수량과 비용으로 고성능 MWIR 및 LWIR 광학 부품을 제공할 수 있도록 합니다. 이러한 접근 방식은 기술적 실현 가능성과 경제적 타당성 사이의 간극을 메워주며, 현대 적외선 시스템에서 게르마늄 렌즈를 대체할 매력적인 소재로 자리매김하게 합니다.
5. 당사의 기존 게르마늄 무함유 적외선 렌즈
표 6~8에 나타낸 바와 같이, 고정 초점 렌즈, 줌 렌즈 및 무열 렌즈 용으로 게르마늄(Ge)을 칼코게나이드 유리로 대체한 게르마늄이 없는 적외선 렌즈를 일정 수 개발했습니다.
표 6 : Wavelength Opto-Electronic 게르마늄이 함유되지 않은 고정 초점 적외선 렌즈
| PN. | 초점 거리 | 파장 | 탐지기 |
| IRG6.81.0-17A | 6.8mm | 8μm - 12μm | 640×480, 17um |
| IRG9.61.0-17A | 9.6mm | 8μm - 12μm | 640×480, 17um |
| IRG111.0-17A | 11mm | 8μm - 12μm | 640×480, 17um |
| IRG1001.0-12A | 100mm | 8μm - 12μm | 1024×768, 12um |
| INFRA-MW133.6-10 | 13mm | 3.6μm – 4.2μm | 640×512, 10um |
| INFRA-MW253.6-10 | 25mm | 3.6μm – 4.2μm | 640×512, 10um |
| INFRA-MW503.6-10 | 50mm | 3.6μm – 4.2μm | 640×512, 10um |
| INFRA-MW13.72.0-15V2 | 13.7mm | 3μm - 5μm | 640×512, 15um |
| INFRA-MW62.0-15V2 | 6mm | 3.7um – 4.8um | 640×512, 15um |
표 7 : Wavelength Opto-Electronic 게르마늄이 함유되지 않은 줌 적외선 렌즈
| 광학-기계적 속성 | 스펙 |
| 초점 거리 | 18-180 |
| F# | 0.8/1.2 |
| 파장 | 8 ~ 12um |
| 탐지기 | 640×512_15um |
| 범위에 초점을 | 3.m~∞ |
| 백포커스 거리 | - |
| 후방 작업 거리 | - |
| 크기 | - |
| 초점 유형 | 자동 초점 |
당사는 칼코게나이드 유리 및 기타 비게르마늄 소재를 사용하여 초점 거리가 0.9mm에서 110mm에 이르는 100가지 이상의 비열적 장파 적외선(LWIR) 렌즈를 개발했습니다. 표 7은 설계 예시를 보여줍니다.
표 8: Ge가 없는 당사의 일부 무열 LWIR 고정 초점 렌즈 목록
| 초점 거리 | F# | 파장 범위 | 흑백 | 센서 픽셀 수 - 픽셀 크기 |
| 0.9 mm | 1.1 | 8-12 음 | 2.4 mm | 120*90-12 um |
| 1.6 mm | 1 | 8-14 음 | 2.36 mm | 120*90-12 um |
| 3.2 mm | 1 | 8-12 음 | 2.53 mm | 256*192-12 um |
| 5 mm | 1 | 8-12 음 | 6.1 mm | 384*288-12 um |
| 10 mm | 1 | 8-12 음 | 8.1 mm | 384*288-17 um |
| 16.8 mm | 1 | 8-12 음 | 8 mm | 640*512-12 um |
| 25 mm | 1 | 8-12 음 | 10 mm | 640*512-12 um /384*288-12 um |
| 35 mm | 1 | 8-12 음 | 10 mm | 1280×1024-12 μm |
| 50 mm | 1 | 8-12 음 | 11 mm | 1280*1024-12 um |
| 55 mm | 1 | 8-12 음 | 10 mm | 640*512-12 um |
| 75 mm | 1 | 8-12 음 | 8.075 mm | 1280*1024-12 um |
| 110 mm | 1.3 | 8-12 음 | 10.29 mm | 640*512-17 um |
7. 결론
Wavelength Opto-Electronic 광범위한 결합 적외선 광학 종합적인 제조 역량을 갖춘 전문성을 바탕으로 게르마늄이 없는 적외선 광학 분야에서 이상적인 파트너가 될 수 있습니다. 이 회사의 통합 운영은 자체 칼코게나이드 유리 개발 및 정제부터 전체 가치 사슬을 포괄합니다. 광학 디자인, 정밀가공, 코팅Wavelength는 칼코게나이드 소재에 대한 전문적인 연구 개발(자체 개발한 정제 및 성장 공정 포함)과 상당한 생산 능력(연간 약 10톤의 칼코게나이드 유리 생산)을 바탕으로 고성능 MWIR/LWIR 광학 장치를 대량 생산할 수 있습니다. 수십 년간 축적된 적외선 렌즈 설계 경험(비열 이미징부터 연속 줌 시스템까지)과 내구성이 뛰어난 DLC 코팅과 같은 첨단 기술을 통해 Wavelength는 다양한 분야에 특화된 솔루션을 제공합니다. 칼코게나이드 광학Wavelength는 확장 가능하고 고성능의 게르마늄이 없는 적외선 광학 장치 및 시스템을 구축하는 데 있어 시스템 설계자 및 제조업체를 지원하는 데 유리한 위치에 있습니다.
게르마늄(Ge)을 칼코게나이드 유리 로 대체하는 것은 실현 가능할 뿐만 아니라 최신 중적외선(MWIR) 및 장적외선(LWIR) 광학 시스템에 전략적으로 유리합니다. 광학 설계의 자유로움과 정밀 성형을 통해 칼코게나이드 유리는 동등한 성능, 열 안정성 및 확장 가능한 제조 가능성을 제공합니다.
