광학유리의 경면가공기술 品田邦典 / 니콘렌즈 기술개발부 가공기술 개발과 1. 들어가며 광학유리의 경면가공기술 가운데 대표적인 것으로 연마가공이 있다. 일반적으로 연마가공은 점탄성체로 비교적 큰 연마공구와 유리와의 사이에 지립(砥粒)을 물에 혼합한 연마제를 매개로 둘을 압연, 연마공구와 피가공물에 상대운동을 가함으로써 제거한다. 연마의 제법 메커니즘으로서는 주로 다음 세 가지 작용이 복잡하게 작용하고 있다고 한다. ① Rayleigh가 제창한 미소절삭설 ② Beilby가 제창한 유동설 ③ Grebenshchikov가 제창한 화학작용설 연마가공의 방식으로서는 오스카식 연마와 링폴리셔가 알려져 있다. 이 연마가공은 평면이나 구면의 유리연마에 사용된다. 비구면 형상에 대해서는 연마가공을 피가공물 표면에 균일하게 할 수 없기 때문에 가공이 곤란해진다. 비구면 형상의 연마가공에는 비교적 작은 연마공구(피가공물 지름의 약 1/3 이하 정도)를 사용하는 스몰툴 연마라는 방식이 주를 이루고 있다. 이 연마가공에는 연마제의 동압효과를 이용하여 유체막을 연마공구라고 간주하여 비접촉 상태에서 원자, 분자 오더의 제거를 실행하는 방식이다. 주로 평면 유리에 사용되는 플로트폴리싱이나 구면, 비구면 형상에 이용되는 EEM(Elastic Emission Machining)이 있다. 위의 연마가공 이외에 가공공구와 피가공물이 비접촉 상태를 유지하도록 제어하면서 제거하는 방식이 있다. 압축공기를 이용하여 연마제를 피가공물에 분사하여 제거하는 분사가공과 이온을 피가공물에 쏘여 제거하는 이온빔 가공, 그리고 화학반응을 이용하여 유리를 제거하는 플라즈마 CVM(Chemical Vaporization Machining)이 있다. 2. 연마가공에 의한 광학유리의 경면가공기술 여기에서는 위에 기술한 연마가공과 광학유리가 접촉식인 오스카식 연마, 링폴리셔, 스몰툴 연마 그리고 연마가공과 광학유리가 비접촉식인 프로토폴리싱, EEM에 관해 개설하겠다. 가. 오스카식 연마 연마공구형상은 평면형상의 광학유리에는 평면의 것을 이용하고, 또 오목 모양의 구면에 대해서는 볼록 형상, 볼록 형상의 구면에는 오목 형상의 것이 이용된다. 연마공구의 베이스재로서는 주로 주철접시가 사용된다. 이 접시에 몇 ㎜의 두께로 피치를 도포하고 용도에 따라 피치면을 평평하게 형성한 통접시(べた皿), 그물 모양으로 형성한 망 접시를 연마공구로 이용한다. 연마제는 주로 물에 산화세륨이나 산화지르코늄을 혼합한 것을 이용한다. 연마기는 비녀 모양을 한 횡진축과 회전축 등 2개의 축으로 구성되어 있다. 비녀 모양 횡진축에는 회전축 방향으로 힘이 부가(추 혹은 에어압)할 수 있다. 연마는 비녀모양 횡진축에 연마공구를 부착하고 회전축에 렌즈, 프리즘 등 광학유리를 부착한 상태(혹은 반대의 상태로)에서 연마공구와 렌즈, 프리즘 등 광학렌즈 사이에 연마제를 쇄모(刷毛)로 발라 공급하고, 비녀모양 횡진축을 렌즈, 프리즘 등 광학유리로 압연, 양 축에 상대운동을 가하여 이루어진다. 그림 1에 오스카식 연마의 개관을 나타내었다. 이 오스카식 연마는 연마기 구성이 간단하며 높은 운동정도를 필요로 하지 않는다. 단 피치의 형성, 횡진축과 회전축의 위치나 양자의 회전수 비(比) 등 경험이 필요하여 누구나 금새 할 수 있는 것이 아니다. 이 방식으로 경험자에 따라서는 나노미터 레벨의 형상 정도, 서브나노미터 레벨의 표면 거칠기를 얻을 수 있다. 나. 링폴리셔 저열팽창유리를 이용한 레이저 간섭계용 참조 미러 등에 요구되는, 보다 정도 높은 면에 대해 링폴리셔는 위력을 발휘한다. 오스카식 연마와 비슷한 지립, 폴리셔를 이용하는 링폴리셔는 연마기의 운동기구가 유성운동형이라는 것, 가공기의 대형화가 가능하며 대형 평면광학유리의 연마가공이 가능하다는 특징을 갖는다. 그림 2에 링폴리셔의 가공원리도를 나타내었다. 운동축에 배치된 평면판에 피치가 형성되어 있다. 피치폴리셔면에는 광학유리 a, b, c와 피치폴리셔면(面)의 수정용으로 공구 d가 배치된다. 수정용 공구 d는 연마 중에 피치폴리셔면의 형상이 변하지 않도록 정형되어 있다. 따라서 평면형상의 광학유리를 오스카식 연마보다도 높은 정도로 마무리할 수 있다. 다. 스몰툴 연마 스몰툴 연마는 1960년 무렵, 미국을 중심으로 천체, 군수, 항공 분야에 사용되는 임의의 형상을 가진 피가공물을 연마하기 위해 개발되었다. 이 소몰툴 연마는 비구면 광학렌즈의 균등연마에도 사용되는데, 부분적인 제거량의 제어가 가능하기 때문에 특히 수정연마에서 위력을 발휘한다. 수정연마는 프레스톤의 가설식에 기초하여 이루어진다. 피가공물 표면상의 위치 X, Y에서 연마제거량 H는, H(x,y,T)=k×P(x,y,T)×V(x,y,T)×dT 단, k : 연마정수 P(x,y,T) : 연마압력 V(x,y,T) : 상대속도 dT : 체류시간 으로 표시되므로 각 매개변수를 제어함으로써 제거량을 제어할 수 있다. 그림 3에 스몰툴 연마 시스템의 일례를 들었다. 광학렌즈의 형상정도를 삼차원 좌표측정기나 레이저 간섭기로 측정, 소망하는 형상에 대한 오차를 구한다. 이 오차와 프레스톤의 가설식을 이용 연마공구의 궤적과 체류시간분포를 구하여 연마가공을 함으로써 형상을 수정할 수 있다. 라. 플로토폴리싱 가공에 의해 발생하는 가공변질층, 콘터미네이션은 렌즈 등의 광학 렌즈의 투과율 등을 떨어뜨려 예를 들면 레이저 광학계의 광학성능에 악영향을 미친다는 것이 알려져 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 難破 등은 플로토 폴리싱을 개발했다. 그림 4에 플로토 폴리싱 장치의 원리도를 나타내었다. 연마공구(랩판)에는 고정도의 정압유 베어링을 이용, 피삭성이 아주 좋은 주석제 판의 표면을 실기상에서 절삭한 것이 이용된다. 가공조에는 산화실리콘 등의 미세한 지립을 물에 혼합한 연마제가 들어간다. 이 상태에서 광학유리를 랩판 위에 배치하고, 양자를 고속회전시키면 양자 사이에 게재한 연마액의 동압효과로 비접촉 상태가 된다. 랩판과 광학유리와의 미크로 틈새에서 지립이 광학유리 표면에 화학적으로 작용, 원자, 분자 오더의 제거가 진행된다. 이 연마에서의 광학유리 제거는 광학유리 표면에 가해지는 에너지가 작기 때문에 가공변질층이 없이 평면도, 표면 거칠기, 모서리 전체가 양호한 면을 얻을 수 있다. 단, 랩판과 피가공물의 틈새가 아주 좁기 때문에 플로토 폴리싱을 하기 전의 광학유리 표면은 어느 정도 양호한 면일 필요가 있다. 마. EEM 森 등은 스몰툴과 미세지립의 화학작용을 조합한 EEM을 개발했다. 그림 5에 EEM의 원리도를 나타내었다. EEM은 0.1㎛ 이하의 미세분말입자의 혼합액 속에서 저탄성체인 폴리우레탄 알맹이를 회전, 그것을 피가공물 표면에 가까이 대었을 때 생기는 유체 베어링적 흐름을 이용하여 연마액 속의 미세분말 입자를 피가공물 표면 ø1~2㎜ 정도의 미소영역에 작용시켜 제거를 진행시킨다. 이때 유체막은 하중과 유체 동압의 균형으로 일정하게 유지되어 비접촉 연마를 실현한다. 유체막 속에서는 폴리우레탄 알맹이의 회전으로 미세지립이 피가공물 표면에 공급되어 미세입자의 고체표면 반응성을 이용하여 화학적으로 연마가 진행된다. 따라서 미세분말 입자가 광학소자 표면에 작용할 때 발생하는 피가공물의 응력장은 탄성역으로 전위의 발생, 운동을 촉진하는 불필요한 에너지를 가하는 일은 없다. EEM법은 유량이 일정하다는 점에서 단위시간당 작용분말수를 일정하게 할 수 있어 가공부에서의 제거량은 폴리우리텐 알맹이의 체류시간에 비례한다. 폴리우레탄 알맹이의 전송속도를 제어하면서 가공역 전역에 걸쳐 주사하면 임의 형상의 연마가 가능하게 된다. 3. 연마가공 이외의 광학유리의 경면가공기술 여기에서는 앞에서 기술한 지립의 운동에너지를 이용하여 광학유리를 제거하는 분사가공, 이온의 운동에너지를 이용하여 제거하는 이온빔 가공, 그리고 화학적으로 제거하는 플라즈마 CVM에 관해 개설하겠다. 가. 분사가공 분사가공은 지금까지 금속의 배리(バリ) 제거와 유리의 절삭 등에 이용되었는데, 사용하는 연마제의 종류나 분사압 등을 갱신함으로써 제거량을 제어하고, 유리의 경면가공에 이용되게 되었다. 분사노즐은 피가공물 표면상 수 ㎜정도 떨어진 상태에서 유지된다. 이 상태에서 지립과 물을 혼합한 가공액을 압축공기로 가압하여 내경(內徑) 몇 ㎜의 분사노즐에서 피가공물을 표면상, 몇 ㎜정도로 연마제와 충돌시켜 광학유리 제거가공을 한다. 그림 6에 일례로 분사가공실험기의 개관도를 나타내었다. 이 가공방식은 스몰툴 연마와 마찬가지로 분사노즐의 움직임을 컴퓨터 제어함으로써 광학유리의 수정가공에도 적용할 수 있다. 분사노즐형상을 연구함으로써 현재의 밀리미터 오더의 단위제거형상에서 서브밀리오더의 단위제거형상도 가능하여 앞으로 더 미소한 영역의 광학유리 경면가공을 기대할 수 있다. 나. 이온빔 가공 이온빔 스팩터링은 특히 박막제작을 위한 부가가공기술로 유명하다. 한편 이 이온빔은 이온의 운동에너지를 이용 피가공물에 충돌시킬 때의 제거작용을 이용하는 제거가공기술로서도 이용되고 있다. 중성인 원자에서 전자를 1개 제거함으로써 원전 전체가 플러스 전하를 가진 이온이 된다. 저진공 속에서 불활성 가스(예를 들면 Ar, Kr, Xe 등)을 고주파 방전 등으로 이온화한다. 이온빔 가공은 이 저진공 속에서 발생한 이온은 전기적으로 가속, 피가공물에 충돌시켜 피가공물 표면에서 구성원자가 튀어나오는 스팩터링 현상을 이용하여 피가공물 표면을 원자, 분자 오더에서 조금씩 제거한다. 그림 7에 이온빔 가공장치 개관도의 일례를 나타내었다. 이 이온빔 가공은 이온빔을 광학유리 위에서 컴퓨터 제어하여 주사함으로써 수정가공이 이루어진다. 다. 플라즈마 CVM 森 등은 플라즈마를 이용한 화학반응에 의한 광학유리의 제거가공으로써 플라즈마 CVM을 개발했다. 그림8에 플라즈마 CVM의 원리도를 나타내었다. 대기압 하의 전극에 고주파를 인가하면 전극의 근방에만 플라즈마가 발생한다. 이 플라즈마에 가공가스(예를 들면 광학유리가 석영유리인 경우는 헬륨과 6불화유황의 혼합가스)를 제공하면 가공가스는 해리하여 래디컬(전술한 예의 경우 불소 래디컬)이 된다. 이 상태에서 전극을 피가공물에 접근시키면 래디컬과 피가공물이 반응, 생성물(전술의 경우 불화규소)가 기화된다. 예를 들어 파이프 형상의 전극 끝에 플라즈마를 형성하고 이 전극을 광학유리 위에서 주사함으로써 수정가공이 이루어진다. 그림 9에 플라즈마 CVM을 이용한 가공장치 개략도의 일례를 나타내었다. 4. 맺으며 광학유리의 경면가공기술에 관하여 몇몇 기술을 개설했는데, 이들 이외에 전기유동이나 자성작용을 연마와 조합시킨 가공기술이나 레이저 기술, 전자빔 기술 등 아직 많은 기술이 있다. 가공의 목적 등에 맞추어 어느 광학유리의 경면가공기술을 이용할 것인가 생각하는 것도 중요한 일이라고 생각한다. (Ceramics Japan) 그림 1. 오스카식 연마 개관 구면렌즈비녀비녀의 요동 방향주철 접시피치접착접시회전축 그림 2. 링폴리셔의 가공원리도 피치 그림 3. 스몰툴 시스템도 연마 헤드Z축X축A축엔코더스핀돌 모터시뮬레이션면형 상측정수정범위의 결정툴 궤적의 결정툴 잔류시간의 결정수정연마면형상측정평가완성 그림 4. 플로토폴리싱 장치의 원리도 연마재주석 랩도랑액조초정밀 다이아몬드 절삭면시료 수 마이크로미터의 막후 그림 5. EEM의 가공원리도 가공물탄성유체 윤활 상태연마제연마하중폴리우레탄 알맹이 그림 6. 분사가공 실험기 개관 ①챔버 ②노즐 ③가공물 ④X-Y 테이블 ⑤압력계 ⑥펌프 ⑦모터 ⑧NC 콘트롤러 그림 7. 이온빔 가공장치 개관 광학유리의 경면가공기술 品田邦典 / 니콘렌즈 기술개발부 가공기술 개발과 그림 7. 이온빔 가공장치 개관 회전 모타 회전축 가공실 위치제어 포텐션메타 중화전자샤워 요동 모타 렌즈 반경 가공물 정전집속렌즈 제2배기 펌프 요동중심 이온 이온입사각 10-4~10-5Pa 인출 가속전극 ø5 이온빔 이온 가속실 이온 인출거리 마그네트 아노우드절연부 플라즈마부 듀오플라즈마형 이온원실 1pa Ar 중간전극 캐소드(가열 필라멘트) Ar 가스입구 그림 8. 이온빔 가공장치 개관 가공물 반응 래디컬 플라즈마 해 리 가공가스 기화 전 극 대기압 전 원 그림 9. 플라즈마 CVM장치 개략도 가공물 구동장치 ( X,Y,Z,쬳) 사복 프로세스 챔버 전극 가스급배기 시스템 전극경사장치 전력공급 시스템 세라믹 로트 사보 모터 수치제어 콘트롤러