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기술자료

비구면의 설계/제작/평가 및 응용 4

  • 날짜 2012.09.12 13:24 조회 3,813

아래 글은 프로옵틱스의 연구소장인 정진호 박사님의 2001년 강의 자료입니다.
인터넷을 통해 구했으며 글의 저작권은 정진호 박사님께 있습니다.

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제 Ⅳ 장 제작
  제 1 절 서론
  제 2 절 제작설비 소개
  제 3 절 비구면 제작 예
  제 4 절 1 M 이상급 대구경 가공 연구 진행

 

제 Ⅳ 장 제 작
제 1 절 서 론
1. 국내・외 기술현황
 -우주용 초고정도 대구경 비구면
    미국:  다수, 독일:Carl Zeiss, 프랑스: CESO, 러시아: LOMO
 - 산업용 고정도 비구면
    미국, 일본
 - 민수용 소형 비구면
   국내 몇몇 회사도 세계일류 동등 수준에 접근 

2. 제작방법
  1) 비구면제작방법
   1-1) 종래;
     - 변형가공법 : 구면연마후 가열/압력으로변형
     - 부가가공법 : 구면연마 + 물질증착(Mask사용)
     - 연마법 :효율성이 없으나 고정밀 가능
     - 모방연마 : CAM사용
   1-2) 현재
     - 연마, 절삭, 사출성형(Glass Mold,Plastic),
     - 복합형( 구면유리 + 비구면수지막 ) : 카메라렌즈,  DOE

  2) Diamond Turning M/C( 이하 DTM )
     - 가공품: 프라스틱렌즈, 금형코어(AL, CU, NI), 프레넬렌즈, 유리 직접절삭가능
     - 절삭가공: 다이아몬드 바이트 => 절삭후 약간의 연마 필요함
     - 연삭가공: 초경(렌즈금형), 유리류 => 연마필요
     - 정밀도: 형상정도 0.1 ㎛ => 크기에 따라 다름
     - 제작사: Moore( Nano Tech. ), Pneumo,
     - 국내 보유: 삼성전자(φ300),기초과학지원센타(φ600),서울광학산업(개방형 )

   3) 축비대칭
     - JIG Grinder(연삭)
     - 가공품 : 토릭, 실린더, 축비대칭자유비구면, 비축포물면
     - 정밀도 : 형상정도 : 2㎛
     - 제작사 : Moore 등 일본업체 다수

상기 DTM을 이용한 가공은
  ① 형상정도는 대단히 우수하나
  ② 표면조도가 만족할만한 수준에 도달하지 못하기 때문에
  ③ 연마를 통하여 최종 완성시키게 된다.
  ④ 금속등의 절삭가공시에는 tool mark를 제거하는 수준의 약간의 연마 진행
  ⑤ 연삭가공시에는 형상정도 역시 그리 만족할 만한 수준에 도달하기가 어렵다.
    > 이는 연삭시 가공품(유리, 초경)과 함께 연삭휠이 마모되는 원인에 기인한다.
    >또한 표면조도 역시 대단히 나쁘기 때문에 연마는 필수적이다. 


제 2 절 제작 설비 소개
1. Diamond Turning M/C

기능
 - 초정밀 3축 CNC 제어
 - Air Bearing 장착의 고정도 주축 회전
 - 고정밀 B축 장착(Tool Normalcy, Polygon)
 - 절삭, 연삭 교체 작업
주요 spec.
가공용량
 - 최대 가공물 경              Φ700
 - Work Spindle 하중용량      90kg
 - Work Spindle 회전범위      50~2000
 - X축 Travel / 속도           410㎜ / 100㎜/min
 - Z축 Travel / 속도           220㎜ / 100㎜/min
 - B축 Slide / 선회각          Air Bearing / 360°
 - Feedback System/분해능     Laser,Encoder/10㎚
연삭 head
 - 회전수                      4만 / 7만 rpm
 - 가공유                      Air mist / Coolant
 - 공작물 고정                 Magnetic / 진공Chuck
Utility

제어
 - 공구대                      3축 미세조정 공구대
                LVDT Tool Set System
 - 연삭 Wheel Dressing         Elid System
활용범위
 - 비구면 곡면의 초정밀 절삭 / 연삭
 - 구면, 비구면 Lens, Mirror 등의 초정밀 절삭 / 연삭
 - Fresnel Lens, Polygon Mirror의 초정밀 응용가공
정밀도
  X, Z 축 진직도
 Full Travel 0.5㎛ 이하
  X, Z 축 직각도
 최대 1 arc sec 이하
  대각선 진직도
 중심부의 90% 포함 1㎛ 이하
  X, Z 축 각 운동 정도
 Full Travel 0.5 arc sec 이하
  X, Z 축 위치 결정 정도
 Full Travel 1.5㎛ 이하
  B 축 위치 결정 정도
 Full Travel ±3 arc sec 이하
표 . M 18의 주요사양


2. CNC연마기


기능
 - 비구면 곡면의 정밀 Polishing
 - Disc 금형, Lens, Mirror 등의 정밀가공
 - 형상오차 수정
 - 가공 Database 내장
주요 spec.
기기본체
 - Table 경, 최대 가공물 형태   300㎜, Φ420×200
 - X방향 Table Traverse         400㎜
 - X방향 Table Speed           2~1000m/min
 - Y방향 Table Traverse         200㎜
 - Y방향 Table Speed           2~1000m/min
 - Z축 Head의 Stroke           100㎜
미소 Head
 - Polisher Head의 Stroke       50㎜
 - 회전속도                     0~1700rpm
Tiliting Table
 - 제어 가능한 Polishing 압력    50~400gf
 - 회전각도                     ±45°
 - 회전속도                      40~100rpm
 - Tilting 각도                   0.001~360°
 - Chuck 반경                   125㎜
활용범위
 - Disc 금형, 비구면 Lens, Mirror 등의 정밀가공
 - 자유곡면의 정밀가공
정밀도
강재
  SUS 계열 
  0.004~0.006㎛Ra
비철계
  AL 합금
  0.002~0.006㎛ Ra
  Nickel coating
  0.003~0.004㎛ Ra
Glass
  BK7, Fused Quartz
  0.006~0.009㎛ Ra
표 . CNC 연마기의 주요사양


3. Glass Molding 기
4. Jig Grinder

 

 


5. 형상가공용 M/C

그림 . 가공에 사용된 Machining Center(AJV-18)

 

table 좌우 이동 거리
560㎜
head 전후 이동 거리
410㎜(ATC Stroke 205㎜ 제외)
head 상하 이동 거리
400㎜
각축 최소 이송 거리
0.001㎜
주축 회전수
100~10,000rpm
table 작업 면적
410㎜×900㎜
표 . 광학 유리 가공에 사용한 machining center의 주요 사양


제 3 장 비구면 제작 예
1. 직경 304㎜ 회전 대칭성 고차 비구면 제작
- 가공 재질 : pyrex
- 형상가공
  ① cup type diamond wheel을 이용한 수평 가공 방법(그림 2⒜)
  ② disc type diamond wheel을 이용한 수직 가공 방법(그림 2⒝)
   > 두 방법 모두 회전 table 회전 속도는 60.4rpm, 주축 회전수는 3000rpm으로
- cup type 공구를 이용하는 방법은 가공 program의 작성 과정에서 공구 보정을 할 필요가 없으며 원점 setting이 쉬운 장점이 있다. 그러나, 오목한 형태의 lens는 machining center의 주축이 각도 제어가 되어야 가공이 가능한데, 본 가공에 사용된 기계에서는 주축 각도 제어를 지원하지 못하므로, 오목한 lens는 disc type의 공구로 가공해야 한다. 사용된 공구는 #325, 직경 72.55㎜이다. cup type 공구로 가공한 결과, lens 중심에서 벗어날수록 가공 오차가 많이 발생했다(그림 3).
   가공 후 공구 dressing 후 다시 가공한 결과, 오차가 많이 감소하는 것으로 보아 이는 공구 마모에 의한 것으로 해석할 수 있었다. 그러나, 공구 수정에 많은 시간이 많이 걸렸고, 공구 오차 또한 피할 수 없었다.
   그래서, 먼저 초벌 가공 후, CMM(Coordinate Measuring Machine)으로 5㎜ 간격으로 가공면을 측정했다. 이 때 발생한 오차를 설계치에서 뺀 높이로부터 가공 data를 다시 만들었다. 보통 가공 간격이 0.1㎜ 이하이므로, 주어진 data 사이 값을 모두 알아야 한다. 이 때 spline interpolation을 적용했다. 이 방법을 사용하는 경우 경계 조건이 중요하게 작용한다. 일반적으로 회전 대칭성 광학 비구면은 정점에서의 미분값이 0과 같고, 이차 미분값이 곡률이 된다. 본 가공 실험에서 이 조건을 경계 조건으로 주었다. 이런 방법으로 공구 마모에 의한 오차를 감소시킬 수 있었다. 그러나, 이 방법은 절삭량이 많아 가공 시간이 많이 걸렸다.
   위와 같은 단점 뿐 아니라 오목형 lens는 가공할 수 없으므로, disc type의 공구를 이용해 가공 실험을 했다. 사용된 공구는 #100, 직경은 145.1㎜, 폭은 17㎜였다. 가공물이 회전 대칭성을 가지므로, 공구 보정할 때 ball type 공구와 같은 방법으로 보정하면 된다. disc type 공구가 cup type 공구에 비해, 절삭량도 많아 가공 시간이 많이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 공구 마모가 작아, cup-type에 비해 정밀하게 가공됨을 알 수 있다.

 

그림 . 회전 대칭 비구면 가공 방법

 

그림 . 수평 가공 방법에 의한 형상 오차

 


2 직경 320㎜, 깊이 237.5㎜ 타원경 제작
  타원경은 collimation 노광계에 들어가는 광학 부품이다. 타원면의 성질에 따라, 광원(lamp)이 제 1 초점에 있다면, 제 2 초점에 빛이 다시 모이게 된다. 광원이 고온 발열체이므로, 열적 특성이 좋은 재질을 선택해야 한다. 본 가공에서는 quartz를 사용했다. 한편, quartz blank를 직접 가공하는 것은 매우 어렵고, 재질 가격 또한 고가이므로, quartz를 1400℃ 이상 고온에서 성형(molding)하여 정밀 가공했다(그림 5).


그림 . Collimation 방식 노광계의 구조

 

 

노광 면적
ø300
uniformity
5% 이하
collimation angle
±1.5°
사용 광원
2.5㎾
노광 energy
최소 25㎽/㎠
표 . 노광계 사양


그림 . 제작 전 타원경(원재료)


   가공물이 회전 대칭성을 가지므로, 성형틀은 평판 흑연판을 타원경 단면 모양으로 깎아 냈다. 그런데, 공작물 안쪽면만 가공하여 사용하게 되므로, 안쪽 위치 data로부터 두께가 4㎜ 정도가 되도록 형상을 가공했다. 이러한 경우, 공구 보정은 실제 가공하는 공구 반경에서 4㎜ 작다고 생각하여 가공 program을 작성하면 된다. 가공물을 지지하는 치구는 공구 head와 간섭하지 않도록 그림 6과 같이 설계했다. 그리고, 비축 포물면에서 사용된 치구 위에 올려서 사용할 수 있게 제작되었다.
   그러나, 공작물 윗 부분이 단단히 고정되지 못해 공작물 떨림이 생겼다. 또한, 연마 공정에서 단단히 고정되지 못한 가공물의 윗 부분이 제대로 힘을 받지 못하여 연마 시간이 길어졌다. 이를 방지하기 위해 공작물 전면이 고르게 지지될 수 있도록, 공작물 전체를 넣을 수 있는 치구를 재설계했다(그림 7). 공작물이 깊이가 약 230㎜ 정도가 되므로, 치구 역시 그 이상의 깊이를 갖는다. 공작물이 회전 대칭성을 갖기 때문에 회전 table을 이용하는 방법을 생각할 수 있지만, head 길이의 제한 때문에 가공할 수 없다. 그래서, 공작물은 bad 면에 직접 고정하고, 공구를 원운동을 시켜서 제작하였다. 치구에 사용된 재질은 plastic이어서 일반 ball-type end-mill(R=12.5)로 절삭수 없이 가공했다. 그러나, 가공물을 선반에서 그림 8과 같이 선행 가공을 했다. 또, 가공면이 매끄러울 필요가 없으므로, 가공 간격을 1㎜ 정도로 설정했다.
   재설계되어 가공된 치구에 파라핀을 넣고 oven 속에서 약 80℃로 가열하고, 가공물을 넣어 실온으로 냉각시켜 고정했다. quartz 가공물 역시 공구를 원운동 시켜 가공했으며, 사용된 공구는 #100, R=17이었고, 가공 간격은 0.1㎜, 가공물 최초 접근 feed는 50㎜/min, 가공 feed는 1000㎜/min로 주었다. 가공 program의 용량은 약 540KB였고, 총 가공 시간은 약 8시간 6분 정도가 소요됐다.

 

그림 . 타원 가공을 위한 치구(1차)

 


그림 . 타원경 가공 치구(2차)

 


그림 . 치구 선행 가공 및 조립도


3. 직경 440㎜, 290㎜X450㎜ 비축 포물경 제작
   그림 4의 collimation 노광계에서 수은등으로부터 발광된 광선은 타원 반사경과 cold mirror에서 반사하여 타원면의 제 2초점에 위치한 fly eye lens로 집광한다. fly eye lens는 노광면의 균일한 조명을 하기 위하여 수십 개 혹은 수백 개의 작은 lens cell의 조합으로 이루어져 있다. fly eye lens를 통과한 광선은 반사 거울에서 반사한 후 비축 포물경에서 반사하여 평행광이 되어 노광면으로 수직하게 내려온다. 이 때, 평행광의 단면이 원형이므로, 비축 포물경의 clear aperture는 원형이 아닌 타원형이 되며, 장축과 단축의 길이는 비축 포물경이 기울어진 각(약 18.4도)으로부터 구해낼 수 있다. 이와 같은 노광계에 사용된 비축 포물면의 사양은 다음 표와 같다.


초점 거리
750㎜
유효경 x축 직경
424㎜
유효경 y축 직경
400㎜
입사각
18.435°
기타
반사 coating
표 . 직경 440㎜ 비축 포물면의 사양

 

   포물면의 식은 주로 다음과 같이 주어진다.

   여기서, 포물면의 c는 곡률이다. 표 2-로 주어지는 사양의 포물경을 제작하기 위해서, 가공물을 기울여 가공하는 방법을 먼저 생각할 수 있다. 이 때 공작물이 기울어지는 각은 약 18.4도가 된다. 그러나, 기울이는 각도 오차가 0.01도만 되어도, 포물경의 edge에서 약 35㎛의 오차가 발생하게 된다. 또한, 공작물의 원점을 잡는 게 쉽지 않으므로, 공작물을 수평으로 놓고 가공했다. 본 가공 실험에서 사용한 가공 재료 사양은 두께가 24㎜, 직경이 440㎜인 청유리(Blue Glass)를 사용하였다.
   가공 중 공작물이 잘 고정되어야 정밀하고 안전한 가공을 할 수 있다. 가공시 x, y축으로 절삭 힘을 받는다는 것을 고려하여 치구를 설계했다. 따라서, 그림 9처럼 치구를 제작하였다.
   비축 포물면도 회전시켜 가공이 가능하지만, 대구경인 경우에는 회전 반경이 매우 커지므로 사실상 회전 가공이 불가능하다. 따라서, 공작물은 구동시키지 않고 회전공구를 곡면을 따라 이동시켜 가공했다. 또, 가공면의 위치 data인 x, y, z의 좌표를 나타낸 점군을 computer에서 NC 장치로 전송하면서 가공하는 DNC 운전 방식을 채용했다. 연마하기 쉬운 매끄러운 곡면을 만들기 위해서는 분해능이 높아야 하므로, data 양이 많아지게 된다. 최종 가공 data 용량은 약 11MB 정도였다.

 

그림 . 비축 포물면 가공용 치구

 

그림 . 가공에 사용된 공구

 


   일반적으로 공구의 반경이 클수록 절삭량이 많아 가공 시간이 단축되지만, 공구 반경은 곡면 상의 최소 곡률 반경보다 작아야 한다. 여기서 공구 반경은 초점거리 750㎜의 두 배인 1500㎜보다 작으면 된다. 그러나, 공구 반경이 작을수록 정밀하게 가공되므로, 본 가공에서는 공구 반경을 17㎜로 하여 그림 10과 같이 설계하여 사용했다.
   공작물은 원형 평판이므로, 이를 처음부터 정밀한 형상으로 가공하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, diamond 입자가 큰 거친 공구(#100)로 대략의 형상을 가공(황삭)한 뒤, 약간 고운 공구(#230)로 마무리 가공(정삭)을 했다. 또한, 황삭 가공에서는 CNC data가 촘촘할 이유가 없으므로, x 방향 간격은 2.0㎜, y 방향 간격은 2.0㎜로 주었다. 모든 가공에 있어서 주축 회전 속도는 3000rpm이었으며, 본 가공의 황삭 및 정삭 가공 조건은 다음 표와 같다.


공구 거칠기
절입량
가공 회수
접근 feed
가공 feed
가공시간
#100
2.0~2.6㎜
5번
2㎜/min
600㎜/min
3시간 45분
#230
0.05㎜
1번
1㎜/min
900㎜/min
6시간 56분
표 . 원형 비축 포물면의 가공 조건


   정삭 가공 후에 공작물에 여전히 공구 자국이 남기 때문에 곧바로 연마 작업을 할 수 없다. 따라서, 각각 #400, #600, #800의 모래로 공구 자국을 없앤 후 연마를 수행했다. 또한, 반사경으로 쓰이는 것이므로, 연마 공정 후 Al 반사 coating 처리하였다. 그리고, Al film의 보호를 위해 Al2O3를 coating했다.


그림 . 원형 비축 포물경


   비축 포물면에 대한 적당한 검사방법이 없으므로 다음과 같이 검사를 수행했다.


검사항목
검사규격
검사방법
판정
비고
외관
60-40
육안
OK

불균일도
굴곡 없을 것
형광등 무늬 육안 관찰
OK
장착 후 판정
외경
ø440(+0~+0.05)
버니어 켈리퍼스
OK

coating 반사율
반사율 90% 이상
coating 성적서 참고
OK

형상정도
3㎛(ø300)
3차원 측정기
OK

유효경
타원(424×400)
버니어 켈리퍼스
OK

표 . 비축 포물면에 대한 검사 방법 및 내용


   설치 후, collimation angle을 측정한 결과, 1.3~1.5도로 노광계 사양을 만족했다. 따라서, 비교적 정확히 가공되었으며, 면의 거칠기도 좋음을 알 수 있었다.

4. 구리 비축포물면
   비축 포물경의 주된 용도는 앞에서 기술한 평행광 방식의 노광 광학계에서 사용된 것처럼 광원에서 발산하는 광선을 평행광으로 만들거나, 그 반대로 평행하게 입사하는 광선을 한 점에 모으는 목적으로 사용된다. 후자의 경우는 넓은 구경의 입사빔을 수 ㎛ 정도의 작은 면적에 모아 빔의 power를 높이는 목적으로 사용되며 산업계에서는 CO2 레이저에서 평행하게 방출되는 빔을 회절 한계 성능의 작은 spot으로 모아 가공물의 절단, hole 가공, 용접 등의 가공도구로 사용된다. 실제 현장에서 사용되고 있는 CO2 레이저 가공기의 구성은 그림 12와 같다.
   CO2 레이저 가공기에 사용되는 비축 포물경의 구경은 25.4㎜와 50.8㎜로 규격화 되어있고 초점거리는 모두 127㎜이다. 재질은 가공성이 우수한 무산소동이며 국내에서는 생산되지 않고 전량 수입에 의존하고 있다.

그림 . CO2 레이저의 구성도

   가공한 비축 포물경은 그림 13과 같이 전체 포물면에서 중심으로부터 127㎜ 떨어진 곳에서 50.8(25.4)㎜의 구경을 갖는 부분만을 사용하며 이 부분으로 입사하는 평행광선은 90° 반사되어 한 점에 맺힌다. 비축 포물경은 설계 데이터는 표 8과 같다.


그림 . 비축 포물경의 형태


종류
곡률반경
Conic
constant
가공구경
유효구경
유효구경의
위치
초점거리
구경 25.4㎜
-127㎜
-1
280.0㎜
25.4㎜
127±12.7㎜
-63.5㎜
구경 50.8㎜
-127㎜
-1
304.8㎜
50.8㎜
127±25.4㎜
-63.5㎜
표 . 구리 비축 포물면의 설계 제원

 

그림 . 비축 포물경 가공 데이터 생성 프로그램


   가공장비는 Moore社의 M18 3축 초정밀 비구면 가공기이고, 가공 프로그램은 자체 설계하여 사용하였으며, 비구면 공식으로 구한 전체 포물면 데이터에서 실제 사용되는 비축 부분만을 발췌하여 NC파일로 전환해서 사용했다. 그림 14의 자체 제작한 프로그램의 초기 화면에 설계 제원이 나타나 있다. 가공을 할 때에는 구경 350㎜의 치구를 제작하여 그림 15와 같이 한 번에 12개의 가공물을 부착하여 가공할 수 있도록 하였다. 절삭 공구는 Contour fine tool 社(영국)에서 제작한 곡률 반경 0.5㎜, rake 0.0, arc 100°인 천연 다이아몬드를 사용했으며, 최종 가공할 때의 절삭 깊이는 0.5㎛, 절삭속도는 0.5㎜/min이다. 절삭시간은 약 한 시간 정도이며 절삭성을 좋게 하고 절삭점에서의 온도를 낮추기 위해, 또 가공된 면이 공기와 접촉하여 산화하는 것을 방지하기 위해 압축 공기와 함께 절삭유를 불어 주었다. 초정밀가공기에서 다이아몬드 공구를 사용하여 절삭을 하면 아주 작은 값이지만 물결무늬와 같은 표면의 규칙적인 높낮이 변화에 의해(그림 16) 회절 현상이 발생하게 되는데 결과적으로 표면이 무지갯빛을 띄면서 반사된 빔이 0차, ±1차, ±2차,…등으로 회절한다. 이러한 가공 후 공구의 자국에 의한 회절현상을 없애기 위해 Fujimi社(일본)의 1㎛ 플라스틱 연마제를 사용하여 인조가죽으로 약 5분간 연마하였다.
   그림 17은 25.4㎜의 비축 포물경이 가공 완료된 모습이다. 그림 18은 비축 포물경의 간섭무늬를 측정하는 원리이다. 먼저 평행광이 나오는 간섭계앞에 평면원기에 고정시킨 비축포물경을 두고 평면원기를 사용하여 간섭계와 비축 포물경을 수직하게 일치시킨다. 비축포물경에서 반사된 빛이 한점에 맺히면 곡률반경 R인 오목원기를 초점에서 R만큼 떨어진 곳에 놓아 비축포물경에서 반사된 빛을 다시 되반사하여 간섭계에 입사하도록 하면 간섭무늬를 볼 수 있다. 간섭무늬는 비축포물경을 두 번 반사하므로 실제 오차의 두 배의 값을 갖게 되며 이 무늬를 해석하여 성능을 측정할 수 있다. 그림 19에서 바깥쪽의 넓은 면은 기준 평면원기의 간섭무늬이고 가운데의 무늬가 실제 가공된 비축 포물면의 간섭무늬이다. 뉴턴링은 3본 정도이고 아스가 2본이며 실제 오차는 1/2이므로 매우 잘 가공된 제품이다. 또한, 가공면에 형광등 무늬를 비추어 보았을 때 그 형태가 뚜렷이 보였으며 표면조도(Ra)가 0.05㎛이하로 측정되었고 실제 현장에서 사용중인 CO2 레이저에 장착하여 3개월 이상 사용한 결과 성능에 문제가 없음이 입증되었다.


그림 . 비축 포물경이 치구와 결합된 상태

 


그림 . Tool mark에 의한 회절 현상

 


그림 . 구경 25.4㎜인 비축포물경


그림 . 비축 포물경의 간섭무늬 측정

 


그림 . 비축포물면의 간섭무늬

 


5. 직경 370㎜ Aluminum mirror 제작
   대구경 포물경은 주로 위성 광학계나 천체 망원경의 주경 제작에 사용된다. 미국이나 일본, 프랑스 등 광학 선진국에는 이미 2m 이상의 포물경 제작이 가능하며 국내에도 1.8m(보현산 천문대, 프랑스 제작)에 달하는 천체망원경이 설치되어있다. 하지만 대구경의 포물경을 만드는 것은 고도의 가공기술과 측정기술, 코팅기술이 필요하며 국내에서는 근래에 이르러 300㎜이상의 대구경 포물경을 만들고 있는 실정이다. 국내에서 가공하고 있는 300㎜이상의 포물경은 주로 위성광학계에 사용하기 위해 개발하고 있는데, 종래의 가공방법과 같이 Pyrex나 Quartz를 형상가공을 하여 손으로 정밀하게 연마하거나 초정밀가공기에서 알루미늄을 직접 절삭하여 가공한다. 서울광학산업에서는 초기 연구과제로 먼저 370㎜의 포물경을 초정밀가공기에서 알루미늄을 직접 절삭하는 방법으로 시험 제작하였다.
   제작에 사용된 알루미늄은 T6-6061로 절삭성과 가공성이 좋은 재질이며 구경은 370㎜, 두께는 가공 후 변형을 고려하여 45㎜로 약간 두껍게 설정하였으며 무게는 13㎏이다. 초정밀가공기에서는 재료를 고정시키기 위해 마그네틱 척을 사용하므로 재료 뒷면에 가공을 하여 쇠판 치구에 결합한 후 가공기의 마그네틱 척에 붙여서 가공했다. 가공성을 좋게하고 절삭점에서의 온도를 낮추기 위해 air와 함께 절삭유를 불어 주었다. 최종 가공을 할 때의 가공 조건은 절삭량은 1㎛, 절삭속도는 1㎜/min이며 총 절삭시간은 약 4시간이다. NC 데이터 파일은 자체 개발한 프로그램을 사용하였다. 설계 조건은 다음 표와 같다.


곡률반경
Conic
constant
구경
초점거리
재질
6000㎜
-1
370㎜
3000㎜
Al T6-6061
표 9. 구경 370㎜, 초점거리 3000㎜인 포물경 설계제원


   가공후에 tool mark를 제거하기 위해 초정밀가공기에서 Fujimi社(일본)의 입자크기 1㎛인 플라스틱 연마제를 사용하여 포물경의 형상정도에 영항을 미치지 않도록 인조가죽으로 10분간 연마하였다. 다음 그림은 초정밀가공기에서 가공한 구경 370㎜, 초점거리 3000㎜인 포물경이다.

그림 . 구경 370㎜, 초점거리 3000㎜의 포물경


제 4 절 1M 이상급 대구경 가공 연구 진행
    당사는 1M이상 적어도 2M에 이르는 직경을 갖는 광학계를 제작하기로 목표를 설정하고 이러한 광학계에 대한 연구를 실시하였다. 향후에는 당 연구를 통하여 축척된 기술을 바탕으로 LCD, PDP등 노광대의 제작 역시 빠른 시간 내에 가능할 것으로 확신한다. 우선 시장성과 국제경쟁력, 무역수지 개선적인 측면에서 PCB, LCD, PDP 및 반도체장치 중에서 30㎛이하의 미세 회로 혹은 미세 패턴을 제작하는 평행광 노광 장치의 시장성이 확대되고 있고 장치 및 광학부품이 전량 수입되고 있는 점을 감안하여 국내 6개 업체와 광학계의 설계 제작, 부품수리에 관한 계약을 맺고 800㎜×800㎜ 구경의 반사거울을 제작하는 작업에 착수하였다. 이러한 연구가 계속되면 천체망원경, 인공위성카메라 등에 사용되는 초정밀 대구경 광학계의 제작도 가능하게 될 것을 기대한다.

1. 재료의 Bending
   1차 목표로 하는 광학계의 크기는 800㎜×800㎜ 사각 구면으로 곡률 반경 2800㎜로서 가공깊이는 약 57㎜에 이른다. 이러한 렌즈를 통유리를 사용하여 57㎜를 가공한다는 것은 경제적이지 못한 측면이 너무도 많다. 물론 이러한 광학계가 초정밀하게 가공되어야할 정도의 고성능제품에 사용된다면 그렇지 않겠지만 현재의 노광 장치에서는 그러한 초정밀도를 요구하지 않으므로 19㎜ 정도의 두께를 갖는 유리판을 구부려서 사용하는 방법을 고려하게 되었다. 유리를 구부리는 방법으로는 전기로를 사용하는 방법이 유력하게 대두되었고 약 650도 정도의 온도에서 유리를 구부릴 수 있다. 그러나 국내 실정을 조사한 결과 금형의 제작이 대단히 어려운 문제로 파악되었다.
   우선 금형의 종류로는
    ① SUS의 금속류
    ② 지점토
    ③ 내화 벽돌
    ④ 도자기
    ⑤ 카본
등을 사용하는 방법이 적용되어지고 있다
   당사는 우선 가장 쉬운 방법으로 생각되어지는 SUS를 사용하는 방법을 적용하여 일단 가능성을 판단하기로 하였다. 건물의 유리창을 Bending하는 업체의 지원을 받아서 Bending을 실시하였으나(그림 21) 정밀도는 반사경 전체에서 곡률 반경 2000㎜에서 3400㎜사이의 분포를 나타내고 있다. 이것은 그만큼 절삭을 많이 하여야함을 의미하므로 가공시간이 늘어나게 된다. 그러나 아쉽지만 가능한 것으로 평가되었다. 오차가 큰 원인으로는 금형으로 사용한 SUS의 형상오차가 큰 때문임으로 판단되었다.


그림 . Bending된 판유리

 

그림 . Bending된 판유리(800㎜×800㎜) 치구 설계도


그러므로 다음에는 도자기금형을 제작하고 진행할 것을 계획하고 있다. 도자기금형은
    ① 우선 흙을 사용하여 대강의 형태를 만들고
    ② 초벌구이를 한 후
    ③ 머신센타를 이용하여 정삭가공을 하고
    ④ 재벌구이를 하는 것으로 계획하고 있다.
2. 형상가공
   형상가공 방법은 수평형 머신 센타를 사용하기로 결론을 내렸다. 처음에는 수직형 머신 센타를 사용하는 방법이 유력하게 거론되었으나 대부분의 머신 센타는 10호기(가공 폭 : 1000㎜)이하 이고 가공폭이 2000㎜까지 염두에 둔다면 Planomiller를 사용하여야 한다. 그러나 이러한 장치의 크기는 넓이 6M, 길이 12M, 높이 5M로서 설치공간은 이보다 더 큰 공간을 필요로 하게 되고 이것은 당사의 제반 여건에 부합하지 않은 것으로 판단되었다. 즉 최소의 설치공간으로 최대공작물의 가공은 수평형 머신 센타가 적합한 것으로 파악되었다. 표 10에서는 여러 가지 장치 중에서 가장 타당한 것으로 판단한 WIA사의 KBN 135모델에 대한 사양을 나타내고 있다
3. 연마
   일반적인 구면유리렌즈의 가공은 Curve Generation(CG, 형상가공), 황삭, 정삭, 연마의 순서로 진행된다.
    ① CG는 사각형 블록이나 유사형상으로 molding되어져 나온 유리 원재료를 그림 20과 같은 치구로 고정시켜 최초의 가공으로 mesh #170의 다이아 휠을 사용해 형상을 가공한다.
    ② 황삭은 mesh #600 이하의 모래나 dia pellet를 이용한 가공이고
    ③ 연삭은 mesh #1000 혹은 1500을 이용한 가공이다.
    ④ 연마는 mesh #3500 이상 10000의 연마제를 이용한 연마이다.
   당사가 현재까지 보유한 연마기는 최대 구경이 600㎜이므로 우선 800㎜×800㎜를 연마할 수 있는 2000㎜용 연마기에 대한 설계를 진행하였다. 여기에 요구되는 설계 사양은 오스카 방식 연마기를 기본 구조로 채택하되 특수 요구 사항은 아래와 같다.
    ① 작업물 크기 : 최대 1200 X 1400㎜
    ② 작업물 형태 : 구면 및 비구면
       => 기본적으로 R2000㎜이상인 구면을 연마함을 원칙으로 하나 구경 400㎜, 깊이 200㎜의 타원 반사경의 내면을 연마할 수 있어야 한다.
    ③ 연마축이 45도로 눕혀질 수 있어야 한다.
    ④ 위사라(크기 800㎜ 이하)를 쉽게 들고 내릴 수 있어야 하며, 움직일 수 있는 힘이 있어야 한다.
    ⑤ 연마기의 외형이 작을수록 좋다.
    ⑥ 위사라가 강제로 자전되는 구조가 되어야 한다.
    ⑦ 간사시 축의 이송 길이는 최소 800㎜가 되어야 한다.
    ⑧ 기타사양은 오스카 방식 연마기의 일반사양에 준한다.


항  목
단  위
사  양
테이블
  테이블크기
mm
2,000×1,800
  최소분할각도

0.001°
  최대적재중량
kgf
10,000
각    축
이송거리
  X-축
mm
3,000
  Y-축
2,000
  Z-축
1,600
  W-축
700
주 축
  주축테이퍼

NT50(7/24 Taper)
  주축회전수
rpm
5~2,000
(4Steps Geared Head)
  주축직경
mm
φ135
  밀링직경
φ250
  풀스터드 볼트형식

MAS P50T -1 ( 45°)
이송속도
  급이송
  X,Y,Z
m/min
8
  W
8
  B
rpm
0.8
  절삭이송속도
mm/min
1~4,000
모 터
  주축용
kW
22/18.5(32/25)
  X,Y,Z 축용
4.5
  W,B 축용
3.8
  유압용
  MAIN
2.2(4P)
  OPTION
1.5(4P)
  윤활용
  MAIN
W
25(2P)
  HEAD
20(2P)
  스파이어럴 칩-콘베어용
kW
0.4(4P)
ATC
(OPTION)
  공구적재수량
EA
40(60,90,100)
  최대공구경(인접툴없을때)
mm
φ130(φ250)
  최대공구길이
600
  최대공구중량
kg
20(30)
  수납방식
-
고정번지
 설치공간(L×W×H)
mm
6,340×6,900×4,800
 기계중량
kg
37,200
 콘트롤러
-
FANUC 16M-C
표 . KIA KBN 135 CNC 보링 머신

 

 

4. Coating
   광학계의 반사율이나 투과율을 높여 선명한 상을 얻기 위해서, 또는 특수한 파장 대역의 투과나 반사를 갖게 하기 위해, 필수적으로 coating의 공정을 거쳐야 한다. 지금까지 당사에서 보유한 coating기의 최대 직경은 1200㎜이므로, 보다 큰 대구경 광학 부품의 coating을 수행하기 위해 다음과 같은 연구를 했다.

 1) 직경 2000㎜ 진공 chamber 사양 결정
   chamber의 부피가 매우 크므로, 빠른 시간에 원하는 진공도에 도달하기 위해서는 배기량이 높은 저진공 pump를 사용하거나, 2개의 저진공 pump를 사용한다. 고진공 pump로는 액체 helium을 이용하는 cryo-pump와 점성계수가 큰 oil을 이용하는 확산 pump가 있는데, 전자의 경우 chamber로 유입(back stream)되는 oil이 없어 깨끗한 진공을 만들 수 있는 장점이 있지만, 원하는 진공에 도달하는 데 많은 시간이 소요되므로 본 chamber를 구성하는데 있어서 확산 pump를 쓰는 것이 좋다고 판단되었다. 또한, 균일한 coating을 위해서 dome을 회전시키는 것이 필수적인데, chamber의 지름이 크므로 dome의 무게 또한 크다. 따라서, motor의 용량이 충분해야 한다.
   UV 영역에 사용되는 광학부품의 coating에서는 최적화 기법을 사용한 λ/4 또는 λ/2 이외의 비정수 설계를 하여 coating하므로 수정 진동자를 이용한 두께측정기를 장착하였다. 따라서, 앞으로 고난이도 coating도 할 수 있을 것으로 확신한다.

그림 . 360㎜X 680㎜ 사각면 실물(coating 후)

 


구분
사양
비고
기재
기판 재질
glass, quartz

기본 치수
φ2000

coating
방법
저항 가열식 및 전자총

시료
metal 및 유전체

층수
5층 이상

두께


vacuum
도달 압력
10-5 torr

배기 시간
5×10-5 torr까지 10분

소요 전력
80㎾

소요 냉각 수량
80ℓ/min

소요 공기압
6㎏/㎠

설치 면적
4000(W)×5000(D)×25000(H)

총 중량
8000㎏

진공조계
진공조


형식


진공조 내부계
치구회전
1) dome : Φ1800
2) 플레나타리 : Φ500×5EA

coating계
coating방법
1) 저항가열식 : W-boat×3EA
2) 전자총 : 10㎾×2EA

일본 : JEOL
배기계
저진공 pump
Rotary pump : 8500ℓ/min×2대
Booster pump : 5000㎥/hr×1대
일본
일본
고진공 pump
Diffusion pump : 22"(10㎘/sec)×4대
한국
valve
main, f-line, roughing, vent/pneumatic type

전기조작계
전기제어
Auto & Manual

냉각계
poly-cold
PFC-1100
미국 : Poly-Cold
측정계
저진공
Convectron : 2EA
미국 : Granville
고진공
Ion : 1EA

두께측정계
측정계
1) 수정식 : TM-350R
2) 광학식 : OPM-1
미국 : Maxtea
일본 : Shincron
냉각수 안전장치
2㎏/㎤

공기압 안전장치
6㎏/㎤

Power 안전장치
자동 경보

표 . coating기 사양