강좌 렌즈의 코팅과 투과율에 대해서

[고래를기다리며/배재찬]

쌍안경을 살 때 항상 듣는 말 중 하나가 코팅을 고를 때 색깔을 잘 보고 사라는 말이다. 필자는 무슨 색 코팅이 좋다, 나쁘다 라는 말을 들으며 "과연반사광의 색깔로 코팅을 평가할 수 있을까?"라는 의문이 생겼다. 지금부터 이어지는 글은 Carl Zeiss, Nikon, Pentax 홈페이지에서 얻은 자료들과 기술정보 서비스에 문의하여 얻은 자료들로 이루어져 있다.

유 리는 얼마나 투명한 것일까? 이 질문에 답하기 전에 먼저 "투명한 정도"를 이야기할 필요가 있다. 광학에서 정의하는 "투명도"는 입사되는 빛과 투과되는 빛의 비율이다. (간단하죠?) 유리의 투명도를 측정한다고 하면유리판이 없을 때 어떤 광원의 밝기를 측정한 것과 유리판을 대고 광원의밝기를 측정한 비율을 계산하면 된다는 이야기다.

또 다른 방법으로는 반사율을 측정해서 "투명한 정도"를 정의할 수 있다. 형광등 아래에 유리판을 놓고 내려다보자. 당연히 형광등이 반사되어 보일것이다. 유리는 빛을 완전히 통과시키지 않는다. 즉, 투명도(이제부터 투과율로 부르겠다)가 100%가 아니라는 이야기다.

투과율이 낮다는 것은 반사율이 높다는 뜻인데, 이 경우에 어떤 일이 일어나는지 살펴보자.

1) 투과율이 낮다면 당연히 같은 별을 보더라도 유리판을 대지않은 상태보다 어둡게 보일 수 밖에 없을 것이라는 걸 예상할 수 있다. 보통 유리판은 표면이 평평하게 연마된 경우 수직으로 빛이 들어올 때 4% 정도가 반사된다. 즉, 96%가 통과한다는 의미이다. 그렇다면 10장을 포개면 어떻게 될까?

(0.96)^10 = 0.66, 66%만이 통과하게 된다.

2) 큰 거울 두 장 사이에 들어가서 거울쪽을 바라보면 무수히 많은 자신을 볼 수 있다. 앞에서도 말했지만 유리판은 일부는 반사시키고 일부는 통과시키는데, 빛이 비스듬하게 들어올 경우 내부반사를 거치면 밝은 광원의 경우에 1개가 아닌 여러 개로 나누어져서 보이게 된다. 이것이 바로 달이나 태양을 찍을 때 곧잘 나타나는 고스트(Ghost)현상이다. 그렇지만 꼭 밝은 광원이 아니더라도 다중반사를 거쳐 빛이 퍼지게 되어 콘트라스트가 저하되는 현상이 발생한다.

3) 파장에 따라 굴절률이 달라 일어나는 현상 중 색수차라는 것이 있다. 반사율도 굴절률과 관계있는 만큼 파장에 비례하게 되는데, 경계면에서 반사율이 높으면 내부반사를 거쳐 대상이 무지개색으로 보이게 된다. (다큐멘터리나 영화에서 시선이 태양에서 대상으로 이동할 때 보이는 광채가 그것)

요약하면, 1) 빛의 손실이 많다. 2) 콘트라스트 저하, 고스트 발생 이다.

이런 단점들을 보완하기 위해 개발된 것이 무반사코팅(anti-reflection coating ; AR coating)이다. (여기서부터는 "코팅"자체에 의한 것만 이야기한다. 유리의 흡수율은 잠시 무시한다.)

그림 : 코팅과 반사율

AR 코팅은 20세기에 들어와 진공박막증착기술이 발전하면서 함께 발전해왔다. 현재, 최근에 개발된 Carl Zeiss의 T*coating의 경우는 9층의 박막으로 구성되어있고 역시 가시광선 영역에서 0.% 미만의 반사율을 보인다고 한다.

AR 코팅의 목표는 가시광선 전 영역에서 100%에 최대한 가까운 투과이다.

그래프 : 코팅의 유무에 따른 반사율

그래프 : AR 코팅 Single Graph

그래프 : AR 코팅 Mulit Graph

가장 많이 쓰이는 MgF2 코팅의 경우는 가시광선 전 영역에서 1.5% 정도의 반사율을 보인다. (물론 코팅된 렌즈면 하나당 1.5%. 렌즈가 많아지면 조금씩 더 높아지지만 2%를 넘지 않는다.) 물론 코팅을 하지 않은 렌즈보다는 글레어, 고스트, 광량손실이 현저히 줄어들지만 여전히 밝은 광원에 대해서는 좋지 않은 상을 보여준다.

사진 : 강한 광원에 의한 글레어현상

최근에는 가시광선 영역에서 0.x% 정도의 반사율, 즉 99.x%의 투과율을 보장하는 코팅기술들이 많이 개발되어 있다. 현재 개발되어 있는 AR coating은 회사마다 특허가 나와있고 Pentax의 SMC, Zeiss의 T coating, Celestron의 Z-coating 등이 있다.

사진 : Pentax사의 코팅 광고

정확한 제원은 나와있지 않지만, Normal coating (MgF2)의 경우는 1~2%, 그 외에 각 회사에서 이름을 내걸고 있는 코팅의 경우는 0.5% 정도라고 생각하면 된다. (보통은 당연히 fully multicoated이다.)

앞에서 말했지만, 여기서 말하는 것은 "코팅에 의한 렌즈 표면(!)"에서의 반사율을 뜻한다. 두꺼운 렌즈가 여러 장일 경우는 더 높은 반사율을 보인다.

AR 코팅의 일반적인 구조는 아래와 같다.

그래프 : AR 코팅의 구조

자, 반사율의 목표달성은 어느 정도 된 셈이다.

하 지만, 소비자는 이런 세부 스펙에 대해서 알 방법이 없다. 여전히 많은 사람들이 "적당한 가격"의 물건을 원할뿐, 고급제품에 관해서 객관적이고 세부적인 평가는 아직 없다. (단지, 어떤 제품이 어떤 제품에 비해 콘트라스트가 좋은 것 같더라.라는 식의 주관적인 평가뿐이다.)

코팅의 색깔을 가지고 코팅을 평가하는 것은 제대로 된 것이라고 보기는 어렵다. 코팅의 목적은 어디까지나 반사율을 낮추는 것이고, 전 가시광선 영역에서 똑같은 반사율을 가질 수는 없기때문에 코팅이 커버할 수 있는 영역의 바깥쪽에 해당하는 빛들이 조금 더 잘 반사되는 것 뿐이기 때문이다.

인간의 눈이 가장 민감한 영역은 580~600nm 정도의 파장에 해당하는 황색 영역이라고 한다. (1nm는 10^-9m이다.) 그래서 대개 황색영역에서 반사율이 가장 낮게 설정된다. (한 파장에 대해 반사율을 낮게 만드는 것을 V-coating이라고 한다.) 그리고 가시광선의 바깥 영역인 400이하, 650이상의 영역에서 반사율이 다시 증가한다. 이 부분이 보라색(violet), 적색(red) 영역이다.

(두 색의 조합은 자주색(magenta)에 가깝다) 그래서 보통 전 가시광 영역에서 고른 반사율을 보이는 경우는 약한 자주색을 보이게 된다. 가시광선 영역에서 두 파장에 대해 낮은 반사율로 설정하는 경우(W-coating)도 많은데 보통 가운데에 해당하는 녹색의 반사율이 상대적으로 높아진다. (그래도 0.5% 이하가 보통이다)

그림 : 빛의 스펙트럼

결 론을 내려보면, 코팅에서 반사되는 색 중에 어느 한가지가 유난히 두드러지지 않는 한 (어떤 특정 영역에서 반사율이 이상하게 높다는 뜻) 코팅의 색은 가시광선 영역에서 얼마나 고르게 빛을 투과시키느냐의 문제일 뿐이라는 것이다. 아직까지는 투과율이 199/200 ~ 999/1000 정도이니 그 차이가 콘트라스트나 밝기에 영향을 미쳐서 눈에 보일 정도인지도 모르겠다. 하지만, 렌즈나 프리즘 등의 흡수율을 따지면, 고급 코팅에서 색깔에 의한 구분은 무의미하다는게 필자의 생각이다. (렌즈에 사용되는 유리의 흡수율은 매우 낮지만, 반사와 흡수가 존재하는 5mm 두께의 일반 플로트 유리의경우 투과율이 81.3% 정도이다.)

마지막으로, 아마추어들이 고급기기를 구입하기 전에 저런 세부스펙에 대해 알아볼 수 있도록 공개가 되었으면 하는 생각이 들었다.

첨 언: 최근에 전화로 "Zeiss의 T coating이 수차를 잡아준다는데 사실이냐?"라는 문의를 받은적이 있었다. 아마도 콘트라스트를 높여주고 고스트 현상이 약해지는 것을 두고 한 말인 것 같다. 수십 nm정도의 coating이 수 cm의 유리에 의해 발생하는 수차현상을 제압할 수는 없다는 것을 알려둔다.

글쓴이 장종훈님 출처:http://www.starryland.com/cgi-bin/board/view.php?id=Observation&no=108

[노미호/김종근]

감쏴... 좀 어렵지만....