복굴절이란? 광학 수지에서 상이 열화되는 원인과 대책

복굴절은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지고, 그 결과 상의 흐림·이중상·무지개빛 간섭무늬와 같은 광학적 교란을 일으키는 현상입니다. 액정 디스플레이, 픽업 렌즈, HUD나 AR 글래스처럼 편광을 다루는 광학계에서는 피할 수 없는 설계 과제이기도 합니다. 이 글에서는 복굴절의 물리적 원리부터 수지별 비교, 사출 성형에서의 발생 메커니즘과 대책까지 광학 설계자·소재 구매 담당자를 위해 정리합니다.

📌 3줄 요약

• 복굴절은 굴절률의 이방성으로 인해 빛이 두 방향으로 나뉘는 현상이다(Δn = nₑ − nₒ 로 표현된다)
• 광학 수지에서는 배향 복굴절(유동에 의한 분자 배향)과 응력 복굴절(잔류 응력＝광탄성)의 두 계통이 동시에 발생한다
• PC는 광탄성 계수가 PMMA의 약 10배로 크고 응력에 민감하다. 저복굴절을 노리는 설계에서는 수지 선정이 결정적으로 중요하다

복굴절이란

굴절률에 이방성이 있으면 빛은 두 갈래로 나뉜다

복굴절이란 광선이 이방성을 가진 물질을 투과할 때 편광 방향에 따라 두 개의 굴절광으로 나뉘는 현상입니다. 수학적으로는 상광선의 굴절률 nₒ 와 이상광선의 굴절률 nₑ 의 차이로서 Δn = nₑ − nₒ 로 표현됩니다.

이방성을 가진 물질 안에서는 진동 방향에 따라 빛이 진행하는 속도가 다르므로, 그 결과 위상차(리타데이션)가 발생합니다. 위상차 R 은 복굴절 Δn 과 두께 d 의 곱, 즉 R = Δn × d 로 표현되며 나노미터 단위로 평가됩니다.

결정과 고분자에서 발생 양상이 다르다

천연 방해석이나 수정은 결정 구조 자체에 이방성이 있어 본질적으로 복굴절성을 지닙니다. 반면 본래 등방성인 고분자 수지라 하더라도 성형 시의 분자 배향이나 잔류 응력에 의해 후천적으로 복굴절이 발생합니다. 이것이 광학 수지에서 문제가 되는 ‘성형에서 비롯된 복굴절’입니다.

복굴절이 일어나는 메커니즘

광학 수지의 복굴절은 기원이 서로 다른 두 가지 메커니즘이 동시에 진행됩니다.

배향 복굴절 — 분자쇄가 흐름을 따라 정렬된다

사출 성형에서는 용융 수지가 금형 캐비티로 고속으로 흘러 들어갑니다. 이때 고분자쇄는 유동 방향으로 늘어나고, 냉각되는 과정에서 그 배향이 ‘동결’됩니다. 배향된 분자쇄는 그 방향과 수직인 방향에서 굴절률이 달라지므로 배향 복굴절이 발생합니다.

배향 복굴절은 분자 구조 자체에 의존하는 고유 복굴절과, 배향도에 의존하는 성형 조건에서 비롯된 성분에 의해 결정됩니다.

응력 복굴절(광탄성) — 잔류 응력이 굴절률을 일그러뜨린다

성형품이 냉각되는 과정에서는 두께 차이나 금형 온도의 불균일로 인해 내부에 응력이 잔류합니다. 응력을 받은 비정질 수지는 등방성이 무너져 응력의 크기에 비례하여 복굴절을 나타냅니다. 이것이 응력 복굴절이며, 응력에 대한 복굴절의 비례 계수가 광탄성 계수(C)입니다.

브루스터 법칙에 따라 복굴절은 주응력 차에 비례합니다. 광탄성 계수의 단위는 Brewsters(1 Brewster = 10⁻¹² Pa⁻¹)로 표현됩니다.

광학 수지의 복굴절 비교

대표적인 광학 수지의 광탄성 계수 기준값입니다. 구체적인 값은 그레이드·측정 조건·파장에 따라 폭이 있으므로, 설계 시에는 반드시 사용 그레이드의 TDS를 참조하시기 바랍니다.

Opti 521 Plastic Optical Materials Tutorial (Univ. of Arizona)、

PC는 투명성·내열성·치수 안정성이 우수한 반면, 광탄성 계수가 커서 응력 복굴절이 발생하기 쉽기 때문에 광디스크 픽업 렌즈처럼 편광을 다루는 용도에서는 설계 마진 확보가 과제가 됩니다.

복굴절이 일으키는 실질적 문제

복굴절은 편광을 다루는 광학계에서 구체적인 성능 저하로 나타납니다.

액정 디스플레이

액정 패널은 편광을 제어하여 화상을 표시합니다. 광학 필름이나 전면 패널에 복굴절이 있으면 색 얼룩·콘트라스트 저하·이중상이 발생합니다. 스마트폰·태블릿·TV 등 디스플레이용 광학 수지에서는 저복굴절이 전제입니다.

광픽업 렌즈

CD·DVD·Blu-ray 같은 광디스크의 읽기·쓰기에는 파장이 짧은 레이저광과 편광 제어가 사용됩니다. 렌즈 내에 복굴절이 있으면 초점 위치가 어긋나 읽기 오류나 쓰기 불량의 원인이 됩니다.

HUD와 AR 글래스

헤드업 디스플레이(HUD)나 AR 글래스는 허상 투영이나 도광판에서 편광을 많이 사용합니다. 표시 소자에서 눈에 도달하기까지 개재하는 수지 부품에 복굴절이 있으면 휘도 얼룩·상의 번짐·색 시프트와 같은 표시 품위 저하를 초래합니다.

반도체·FPD 제조 장치의 광학 부품

반도체 노광 장치나 FPD 제조 장치의 검사 광학계도 편광을 다루기 때문에 광학 수지 부품의 복굴절 관리가 요구됩니다.

사출 성형에서 복굴절을 억제하는 방법

광학 수지의 사출 성형에서는 배향 복굴절과 응력 복굴절을 모두 억제하는 접근이 필요합니다.

성형 조건의 최적화

주요 대책은 다음 5가지로 집약됩니다.

• 수지 온도를 높게 설정하여 점도를 낮추고 유동 배향을 저감한다
• 금형 온도를 높게 유지하여 급냉에 의한 응력 동결을 방지한다
• 충전 속도를 느리게 설정하여 전단에 의한 분자 배향을 완화한다
• 보압 시간·냉각 시간을 최적화하여 잔류 응력을 저감한다
• 게이트 위치·형상을 재검토하여 유동 배향의 방향과 분포를 제어한다

성형 조건의 튜닝은 트레이드오프가 많아, 복굴절을 낮추면 다른 불량(싱크 마크·쇼트 숏)이 생기는 경우도 있습니다.

수지 선정이 최종적인 결정 요인

성형 조건만으로 복굴절을 억제하는 데에는 한계가 있어, 용도에 맞게 저복굴절 수지를 선택하는 것이 본질적인 해결책이 됩니다. 광학 그레이드의 COP/COC, 저복굴절 설계가 적용된 PC 코폴리머, 전용 설계 수지 등이 선택지로 마련되어 있습니다.

측정과 평가

수지의 굴절률 측정은 JIS K 7142:2014(플라스틱−굴절률 측정 방법)으로 표준화되어 있으며, 아베 굴절계를 이용한 임계각법이 주요 기법입니다(JIS K 7142:2014). 복굴절·리타데이션의 정량 평가에는 편광 현미경이나 위상차계가 사용됩니다.

Iupizeta EP의 저복굴절 설계

분자 설계로 저복굴절을 실현

미쓰비시가스화학의 광학 수지 ‘Iupizeta EP’는 폴리카보네이트 구조를 주골격으로 하면서 특수한 분자 설계를 통해 복굴절을 극소화하는 데 성공한 광학 수지입니다. 굴절률의 이방성을 억제하는 독자적인 분자 설계에 의해 번짐 없는 선명한 화질을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

▼대표 그레이드(발췌)

※ 측정값이며 규격값이 아닙니다.

고굴절률·저복굴절·고내열의 삼위일체

광학 수지에서는 일반적으로 ‘굴절률을 높이면 복굴절도 커진다’, ‘내열성을 높이면 성형성이 떨어진다’와 같은 트레이드오프가 발생합니다. Iupizeta EP는 고굴절률(최대 nd 1.671)과 저복굴절, Tg 140〜145℃의 내열성을 양립하는 설계가 특징으로, 스마트폰 카메라 렌즈, HUD, AR 글래스, 차량용 광학계처럼 편광 제어가 필요하면서 발열 환경에도 노출되는 용도를 고려한 라인업으로 구성되어 있습니다.

정리

복굴절은 배향 복굴절과 응력 복굴절(광탄성)의 두 계통으로 발생하며, 광학 수지의 상 품위를 직접적으로 좌우합니다. 수지 선정에서는 광탄성 계수를 포함한 광학 물성의 파악이 중요하며, 성형 조건의 최적화와 저복굴절 수지의 채택이 양대 축입니다. 고굴절률·저복굴절·고내열을 동시에 요구하는 광학 용도에는 설계 마진을 확보하기 쉬운 전용 설계 광학 수지가 현실적인 해법이 됩니다.

Iupizeta EP에 대하여

Iupizeta EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학 수지로, 굴절률 1.616〜1.671, 아베수 19.2〜25.8, Tg 140〜145℃라는 폭넓은 광학·열 물성 범위에 더해 독자 분자 설계에 의한 저복굴절이 특장점입니다.

상세한 물성 데이터나 샘플 제공에 관한 문의는 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트