칼 자이스 그룹은 1846년 독일의 예나(Jena)에서 설립자인 칼 자이스(Carl Zeiss)의 이름을 딴 정밀 역학 및 광학 공방을 기반으로 출발하였다. 2년 후 당대의 저명한 물리학자이자 현미경 이론에 조예가 깊었던 에른스트 아베(Ernst Abbe) 박사의 참여로 현미경 제작의 기반이 마련되었고, 1884년 화학자 오토 쇼트(Otto Schott) 박사의 참여로 대량 생산 체제를 갖추게 되었다.

칼 자이스 사가 카메라용 렌즈를 생산하기 시작한 것은 설립자가 사망한 해로부터 2년 뒤인 1890년이다. 카메라용 렌즈라고는 해도, 이 시절은 아직 Leica의 35mm 판형이 있기 전이므로 도감에서나 볼 수 있는 거대한 카메라용 렌즈를 상상하면 될 것이다.

그렇게 광학계의 선두 기업의 위치를 지켜온 칼 자이스였으나, 세계 2차 대전의 결과인 독일의 분단은 Zeiss사를 둘로 나누는 결과를 초래했다. 그 후 칼 자이스는 동독과 서독에서 각기 발전하게 된다. 1989년과 90년에 이르러서야 동독의 정치적 변화와 함께 마침내 둘로 나뉘었던 칼 자이스 사는 하나의 기업으로 합병되었다. 이 중대한 역사적 사건을 통해 하나가 된 칼 자이스는 유래없이 강한 기업으로 성장하였고 현재도 낙관적 전망과 기대로 발전을 거듭하고 있다.

Protar

Carl Zeiss의 첫번째 카메라용 렌즈는 1890년 당시 직원으로 근무하였던 수학자 Paul Rudolph에 의해 개발되었다. 그는 Abbe와 Schott의 업적을 기반으로 현미경이 아닌 카메라에 사용할 렌즈를 설계 제작하고 Protar라고 이름지었는데 비점수차(非點收差)나 상의 왜곡이 전혀 없었다고 한다. 특징적인 면은, 조리개를 개방한 상태에서는 시야율(Field of View)이 정상인데 조리개를 조이면 훨씬 더 넓어졌다고 한다. 이 Protar가 계량되어 등장한 것이 그 유명한 Planar였다.

Planar

Paul Rudolph의 6년간의 노력 끝에, 1896년 드디어 전설적인 Planar가 탄생한다. 렌즈를 대칭 구조로 결합한 이 획기적 렌즈 설계 방식은 비점수차와 구면수차, 기타 화면의 왜곡까지도 다 완벽하게 해결한 것으로 역사적으로 렌즈 설계의 일대 혁명으로 일컬어지고 있다. 오늘날까지도 Hasselblad나 Rolleiflex, Contax 등이 이 렌즈 설계를 적용하고 있고 그들 외에도 많은 렌즈 제조사들이 빌려쓰고 있는 렌즈 설계 방식이다.

그러나 Rudolph가 만든 최초의 Planar는 렌즈의 앞구경이 워낙 커서 공기와의 접촉면적이 매우 넓었기 때문에 플레어가 심했다고 전해진다. 또 내부 반사에 의한 플레어, 즉 고스트 현상도 심해서 실질적으로 이 설계도를 이용한 렌즈는 별로 제조되지도 못했다고 한다.

1901년에는 Zeiss의 M.Von.Rohr 박사가 굴절율이 높고 분산율이 적은 자연산 산화란탄(Lanthanum oxide)을 렌즈 제조에 이용하여 세계 최초로 비구면 렌즈를 만들어 냈다. 하지만 Carl Zeiss 소속 엔지니어들의 노력은 여기서 그치지 않는다.

1935년에 이르러 Alexander Smakula에 의해 렌즈를 진공 상태에서 코팅할 수 있는 기술이 개발되었다. 이 기술을 바탕으로 Ernst Wanderslab은, 혁신적인 설계임에도 불구하고 플레어에 대한 취약성 때문에 빛을 보지 못하고 있던 Planar의 성능을 코팅을 통해 향상시킬 수 있는지 연구하게 된다.

이 시기는 이미 Zeiss의 Tessar 렌즈가 공전의 히트를 기록하며 세계 카메라 시장을 장악하고 있었지만 그 독주의 그늘에서는 Schneider사의 Tronnier, 그리고 1925년에 35mm판 카메라를 출시함으로써 세상에 일대 센세이션을 불러일으켰던 Leitz사의 Berek 등이 Summar, Xenon, Summitar 등의 독자적인 렌즈 제조 방식을 개발해 내기 시작했고, 곧 Summicron, Summilux, Noctilux 등의 설계 방식을 완성하면서 Zeiss에 거센 도전장을 내밀고 있었다.

이 과정에서 Sauer가 Planar의 설계를 다각적으로 검토하고 개량하게 된다. 1943년부터 본격화된 코팅 기술을 적용하여 5매로 구성된 Planar 75mm/3.5를 개발하고, 2차 대전이 종료된 직후 양산 체제에 들어가면서 Rolleiflex T 이후의 모델에 Planar 75mm/3.5를 표준 렌즈로 공급하기 시작한다. (이때 동독에서도 2차대전 전에 개발된 5매의 Planar를 Biometar라는 이름으로 생산, 공급하기 시작한다.)

하지만 5매로 구성된 Planar 75mm/3.5는 주변부의 광량 저하와 해상력 저하가 심했던 것으로 전해지며 이에 따라 1960년대에 6매로 구성된 Planar가 개발되어 Rolleiflex 3.5시리즈까지 공급되었다. 현재 Hasselblad에 사용되는 Planar 80mm/2.8은 CB의 경우 5군6매, CF의 경우 5군 7매로 구성되어 있는 것으로 그 이후에도 지속적인 개량이 있었다는 것을 알 수 있다.

Tessar

Rudolph와 그의 젊은 보조자였던 Ernst Wanderslab은 Planar의 이상적인 수차 보정 능력을 그대로 유지하면서 플레어와 고스트를 제거할 수 있는 방법을 찾기 위해 다시금 6년의 시간을 보낸다. 그리고 1902년에 이른바 후세들로부터 ‘독수리의 눈’이라고 불렸던 Tessar를 만들어 내는데 성공한다. Tessar는 Planar의 설계도를 기본으로 하되 3군4매로 비교적 소형으로 설계되었다. 워낙 해상력이 뛰어나고 콘트라스트가 높아서 2km 밖의 물체도 마치 눈 앞에 있는 것처럼 볼 수 있다고 하여 독수리의 눈(Eagle’s Eye)이라 불려졌다.

최초의 1902년식 Tessar는 개방값이 f/6.3이었다. 상당히 어두웠던 것이다. Rudolph와 Wanderslab은 이것을 지속적으로 개량하여 1917년에는 f/4.5로, 다시 1930년에는 Merte와 Wanderslab에 의해 f/2.8로 버전업되었다. 그리고 f/3.5로 상업화된 Tessar 75mm/3.5는 1930년대까지 Rollei를 비롯한 당시 모든 중형 카메라의 표준 렌즈로 사용되었다. 그리고 40년대후반에는 서독의 Zeiss사에 의해 다시 한번 개량되어 전후(2차 대전 후) Tessar 75mm/3.5가 Rooeiflex Automat과 T 모델에 표준 렌즈로 장착되는 것을 마지막으로 한 시대를 풍미했던 독수리의 눈은 역사의 뒤안길로 사라진다. 하지만 요즘에도 일부 렌즈들은 그 높은 콘트라스트와 해상력, 그리고 거의 왜곡이 없는 성능 때문에 단렌즈에서는 Tessar를 사용하는 것들이 있다.

Sonnar

Sonnar는 영국의 Cooke사에 근무하던 H.D. Tyler가 발견한 Triplet 디자인에서 그 설계의 연원이 시작된다. Tyler는 당시까지 독일에서 5매, 6매 심지어는 10매의 구성 요소를 가지고 겨우 달성할 수 있었던 광학적 성능을 간단히 3매의 구성 요소를 가지고도 달성할 수 있음을 발견하였다. 이 발견으로부터 유명한 Tessar와 Sonnar가 발전해갔다.

Marc James Small (자이스 역사 연구회 부회장)의 말에 따르면,

“Sonnar 디자인은 1926년 Ernemann 사가 Zeiss에 흡수통합되면서 따라온 Ludwig Bertele 박사에 의해 설계된 것으로, Triplet 디자인을 변형해서 만든 것입니다. Berlele 박사는 금세기의 가장 정밀한 렌즈 디자이너였지요. 그는 1920년 초 Ernemann사에 근무할 때 이미 Ernostar f/2.0의 깜짝 놀랄 만한 렌즈를 제조한 바 있었으며, Ernemann사가 1926년에 Zeiss Ikon으로 통합되면서 Zeiss사로 옮긴 후, 1940년 다시 Steinheil사로 이적할 때까지 Zeiss사 광학 설계의 핵심 인물 중의 하나로 계속 일했습니다. 1930년에 Bertele박사는 Contax의 레인지 파인더식 카메라에 쓸 f/2.5의 Sonnar를 Tyler의 Triplet 및 자신의 Ernostar의 두 번째 버전을 기초로 하여 개발했는데, 당시 그 렌즈의 설계를 위해 소요된 계산식과 정리물이 자그마치 3200여 페이지에 달했다고 합니다. 그리고 그 이듬해인 1932년에는 다시 이를 계량한 f/1.5의 Sonnar를 개발했지요. Sonnar 디자인은 미세한 오차도 허용하면 안되는 매우 협소한 관용도 때문에 대단히 복잡하고 제조하기가 까다롭습니다. 하지만 일단 설계 대로 제작되면 중심부와 주변부에 균일하게 빛을 투과시키며, 거의 수차가 없고 평평해서 현재에 이르기까지 대표적인 중망원 렌즈의 설계 방식으로 적용되고 있지요. Planar와 함께 Zeiss 렌즈 설계의 표준으로 자리잡았습니다.”

Sonnar라는 이름은 Contessa사가 Zeiss에 통합되기 전 Tessar 방식의 렌즈에 불여 사용하던 이름을 그대로 계승한 것이라고 한다. Sonnar 방식의 디자인은 Planar 방식보다 렌즈 구성 매수가 더 적기 때문에 소형으로 설계가 가능했으므로 상대적으로 가격도 좀 더 저렴했다.

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T* 코팅

1. 렌즈 코팅 기술의 기원

칼 자이스 T* 코팅 이전에 반사 억제를 위한 시도들이 없었던 것은 아니다. 기존의 카메라 렌즈들도 습도 높은 환경에서는 자연적으로 산화막(oxidized layer)이 형성되어 반사 억제 효과를 나타내기도 했다. 그러나 그러한 반사 억제 효과가 만족스러울 정도는 아니었으며 겉으로 보기에도 지저분한 점들이 덮여 있는 것처럼 보일 뿐이었다. 19세기 후반, 영국의 렌즈 설계자이자 사진 관련 사전 편찬자이기도 했던 데니스 테일러는 그러한 현상에 주목하고 인위적으로 렌즈에 산화막을 입히는 시도를 하기에 이른다. 그러나 그는 그러한 현상의 원인을 규명하지 못했고 동일한 실험 결과를 반복해서 얻어낼 수도 없었다. 단지 그의 특허 등록 서류를 통해 이른 시기에 렌즈의 반사 억제 시도가 있었음을 확인할 수 있다.

20 세기에 접어들면서 얇은 코팅막들의 간섭을 통해 빛의 반사를 억제할 수 있다는 이론들이 나타나기 시작한다. 미국 과학자 카타린 볼로짓은 1920년대에 일련의 실험들을 통해 그 이론을 증명하게 된다. 그는 알려지지 않은 재료를 물에 용해시킨 후 유리를 몇 차례에 걸쳐 물에 담갔다 꺼내는 방법으로 유리에 다층막을 형성시켰다. 그 결과 특정 파장의 빛이 통과하지 못하는 것을 밝혀내게 된다. 그의 실험들은 사람들에게 설득력을 가졌으며 획기적인 과학적 성과로 인정받기도 했지만 그가 시도한 반사 억제 코팅막들은 금방 사라져버려 실용성은 없었다.

1930년대에는 새롭게 등장한 35mm 카메라를 위해 밝고 오차가 적은 렌즈 개발에 박차를 가하고 있었기 때문에, 상업적으로 활용 가능한 반사 억제 코팅 기술에 대한 관심이 고조되었다. 독일 웨츨라에 위치한 에른스트 라이츠사와 예나에 위치한 칼 자이스사가 그러한 기술 개발에 두각을 나타내기 시작했다. 기술을 개발하는데 있어서 최대 난관은 ‘내구성을 가진 재료로 균일한 두께의 코팅막을 대량 생산하는 것’이었다.

에른스트 라이츠사에서는 막스 베렉 박사의 지휘 아래 실험이 진행되었다. 회전 중인 렌즈 중앙에 액체를 부은 후 회전을 멈추게 함으로서 렌즈 전체에 걸쳐 균일하게 코팅막을 형성시키려는 시도였다. 그렇게 형성된 코팅막은 특정 주파수의 빛이 반사되는 것을 억제할 수 있었지만 공정 자체가 대량 생산에 걸맞지 않았다. 그렇게 코팅된 렌즈가 생산되어 출시되었는지는 알 수 없지만, 만약 그러했다면 1930년대 말에 독일 해군에게 공급된 헥토르 6.3/28mm 렌즈가 그렇게 코팅 처리된 렌즈였을 수도 있다.

2. 칼 자이스 T* 코팅의 기원

1930년대 초에 칼 자이스 예나사는 알렉산더 스마쿨라 교수의 지도 아래 진공 상태에서 마그네슘 플루오라이드와 칼슘 플루오라이드(형석)를 기화시킴으로서 렌즈에 정교한 코팅막을 형성시키는 실험에 성공하게 된다. 이 기술은 1935년 10월 5일 특허 등록이 되었다. (DRP N°685767) 이 기술은 그 즉시 비밀 군사 특허로 분류되었다. 초기에 자이스 T* 렌즈는 독일 내에서 군사, 과학 목적을 위해서만 사용이 허락되었다. 1940년도에 이르러 제한이 다소 완화되었으며 1941년에 자이스 T* 코팅 렌즈가 최초로 상업 시장에 선보이게 되었다. 그러나 전쟁 때문에 스웨덴과 스위스에만 수출되었을 뿐이었다.

다음은 칼자이스사의 사이트에 최근 업데이트된 T* 코팅에 대한 소개글이다.

” 고도로 진보된 칼 자이스 다층막 코팅은 T* (“T star”, 티 스타) 코팅이라 부른다. T* 코팅의 다층막은 우편 엽서 두께의 1000분의 1에 불과하다. 이 다층막 코팅의 간섭 효과를 통해 렌즈 표면에서의 반사를 코팅이 없는 경우에 비해 50분의 1 이하로 줄여준다.

이 반사억제 코팅은 두가지 이득을 가져다 준다. 눈에 거슬리는 반사를 제거시켜 주며, 렌즈 속에서 빛이 분산되는 것을 놀라운 수준으로 억제한다. 그 결과 채도가 높고 뛰어난 깊이감을 느낄 수 있는 생생한 이미지를 가져다 준다. 그것이 자이스 렌즈가 세계적인 명성을 얻은 이유다. 게다가, 반사 억제 코팅은 렌즈의 전군(front element)에 대한 가시성을 줄여준다. 즉, 감지하는 것이 한층 어렵다는 뜻이다. 두문자 T는 눈가림을 의미하는 의미하는 “Tarnung”을 약자로서, 이러한 코팅 타입을 왜 “T 코팅”이라 칭하는지 설명해준다.

광학 반사 억제 코팅은 그 이전에는 불가능하게 보였던 수많은 광학 시스템 개발에 길을 열어준 20세기의 선구적인 발명이다. 자이스사는 1935년에 이 코팅 공정을 개발하였으며 비공개 특허권을 획득하였다. 자이스 T 코팅은 2차 세계 대전 당시에 독일 광학 장비들의 우위성을 설명하는 주요 이유 중의 하나다.”

3. 칼 자이스사의 T* 코팅과 롤라이사의 HFT 코팅

재현도 높은 모사를 의미하는 HFT(High Fidelity Transfer) 코팅은 자이스사와 롤라이사가 공동으로 개발한 다층 반사 억제 코팅 기술이다. 이는 수십년 전 자이스 T* 코팅이 시장에 새롭게 소개되어질 무렵으로 자이스 오베르코헨 공장에서 다소 소규모로 생산된 렌즈에 적용될 수 밖에 없었다. 당시 롤라이사는 싱가폴의 새 공장에서 대량 생산이 가능했기에 그러한 협력 개발이 촉진되었다.

오늘날의 상황은 이렇다. HFT는 롤라이사 소유인 다층 반사 억제 코팅의 확고한 상표가 되어버렸다. 자이스사와 롤라이사가 공동 개발한 광학 성능은 원래의 짜이스 T* 코팅의 성능에 매우 근접하기 때문에 어떠한 실무 촬영에서도 차이점를 발견하는 것은 어려울 것이다.

롤라이사가 자이스사의 라이센스하에 생산하는 플라나, 디스타곤, 조나 렌즈는 모두 롤라이사의 HFT 코팅이 되어 있다. 자이스사가 오베르코헨 공장에서 롤라이를 위해 생산하는 모든 렌즈는 실제로는 짜이스 T* 코팅으로 되어 있다. 그럼에도 불구하고 이 렌즈에 “HFT” 상표가 붙은 이유는 롤라이 제품 전체에 걸쳐서 일관성을 유지하기 위한 목적에서다. (칼 짜이스사, 카메라 렌즈 뉴스, 13호, 2001년 봄 호)

그러나 두 렌즈를 모두를 사용해 본 이들은 촬영 결과물에 확실히 차이가 있다고 말하기도 한다. ‘고스트나 플레어 억제 능력은 비슷하지만 색감과 콘트라스트에서는 어느 누구도 비슷하다고 말 못할만큼 차별된 느낌을 갖고 있다’고 주장하는 이들도 있고 한 쪽 렌즈가 ‘소프트한 맛’이 강하다고 하는 이들도 있다. 그러한 차이들이 실제로 존재한다면, 렌즈 재질의 차이에서 기인한 것일 수도 있을 것이다.

4. 독일 자이스사의 T* 코팅과 일본 교세라사의 T* 코팅

“Only Zeiss, Carl Zeiss T*Lens, Contax, Kyocera” 책의 저자 히로사마 오헤하라에 의하면 일본 교세라사에서는 독일 자이스사에서 공수된 코팅 재료들을 사용하여 렌즈 재질과 상관없이 일본 교세라사의 칼 자이스 렌즈와 독일 자이스사의 칼 자이스 렌즈는 동동한 성능을 가진다고 말하고 있다.

렌즈 재료의 경우, 독일 자이스사에서는 쇼트 글라스(Schott Glass)사에서 공급을 받는다. 카메라 렌즈 제조에는 굴절률(refractive index)과 색 분산 정도(color dispersion)가 다른 114가지의 재료를 가지고 만들어진 구경이 700 종류의 350여가지의 렌즈 종류가 사용되고 있다 (굴절률은 빛이 렌즈 표면에 부딪칠때에 꺽이는 정도를 의미하며 굴절이 클수록 빛 반사도 상대적으로 많이 나타나게 된다. 색 분산은 파장이 다른 빛들이 또한 각기 다른 각도로 굴절되는 것을 말한다. 이 또한 광학 재료의 굴절률과 관계가 있다. 굴절률은 다아아몬드가 가장 굴절률이 낮은 것처럼 강도가 높을수록 낮아지게 되며 광학 재료로는 고집적 반도체 제조와 생산을 위한 광학 장비의 필수불가결한 요소인 형석이 수치가 제일 낮게 나온다. 또한, 자이스, 라이카, 미놀타, 구소련의 FED사 등에서는 때로는 방사선을 방출하기도 하는 란타늄, lanthanum, 이란 금속을 렌즈 재료에 첨가해 굴절률을 획기적으로 낮추어 오기도 했다).

각 렌즈는 여러 종류의 유리와 수정으로 구성되는데 어떤 재료들은 쇠만큼이나 무겁고 어떤 것들은 금보다 더 값이 비싸게 나간다. 이에 반해 일본 교세라사에서는 일본 호야사에서 주로 공급하는 재료들은 사용한다. 호야사에서도 자이스사 못지 않은 다양한 렌즈 재료들을 생산하고 있으며 콘탁스 카메라용 칼자이스 렌즈를 생산하는 교세라 그룹에 공급하고 있다.

독일 자이스사와 일본 교세라사에서 사용하는 재료들이 다르기 때문에 해상도와 같은 렌즈 성능이 차이날 수도 있지만 T* 코팅만큼은 동일한 재료를 사용하기 때문에 차이가 없다고 볼 수 있다. 독일 자이스사와 일본 교세라사 렌즈들의 성능차이에 대해서는 의견이 분분하지만 자이스사에서 제공하는 렌즈 데이터에 의하면 핫셀블라드 카메라용 자이스 렌즈에 비해 교세라사의 콘탁스645용 렌즈의 성능이 다소 낮게 나오는 것을 통해 렌즈 재료의 차이를 통한 성능의 미묘한 차이를 짐작할 수 있다. 그러나 T* 코팅만큼은 독일 자이스사에서 공급하는 동일한 재료를 사용하기 때문에 그 성능이 동일함을 알 수 있다.

5. 자이스 T* 코팅의 미래

T* 코팅된 칼자이스 렌즈는 고유의 신비한 분위기로 오래도록 사랑받아 왔다. 핫셀블라드 중형 카메라와 롤라이 중형 카메라의 사용자들은 두 카메라가 갖는 신비한 분위기 정도가 어떤 차이를 갖는지 논해 오기도 했다. 그러나 시간이 지날수록 신비한 분위기보다는 슈나이더 렌즈와 같은 투명한 분위기로 가는 듯한 느낌을 받게 된다. 독일 통일 이후 구 서독의 오베르코헨의 자이스사에 인수 합병된 구 동독 지역의 칼 자이스 예나 공장에서 생산된 렌즈들은 과거의 칼 자이스 렌즈들과 달리 신비한 맛이 없다고 국내외 칼 자이스 애호가들이 불평하는 것을 심심치 않게 들을 수 있다.

만약 T* 코팅된 칼자이스 렌즈가 신비한 분위기를 계속 간직한다면 애호가들의 사랑을 계속해서 받게 될 테고, 투명한 분위기를 선택한다면 슈나이더 렌즈와 해상도나 콘트라스트, 색재현에 있어서만 경쟁하는 렌즈의 길을 걷게 될 지도 모른다. 물론 고스트나 플레어 방지에 있어서는 타의 추종을 불허하겠지만 말이다.