차세대 초대형 위성 렌즈 개발용 금형 소재(STAVAX)의 초정밀 표면 절삭 특성에 관한 연구

1. 서론

최근 블랙홀 관측을 통해 천문에 대한 대중의 관심이 국제적으로 증가하고 있지만, 현재 사용 중인 우주망원경허블(HST)은 초원거리 은하, 퀘이사 및 외계 지구형 행성들의 존재를 확인하거나 관측하기가 어렵다. 따라서, 더 멀고 희미한 천체의 관측을 위해서 렌즈 사이즈의 대형화는 필수적이며, 미터급 대형 사이즈의 렌즈 개발을 위한 기술이 필요하다. 렌즈 타입의 우주망원경을 사용하면 반사경 타입에 비해 오정렬에 대한 민감도가 낮음에도 불구하고 반사경 제작이 더 쉽고 무게도 줄일 수 있기 때문에 반사경으2020-11-10로 제작이 많이 되고 있는 실정이다. 일반적으로 굴절 렌즈는 구경이 커지게 되면 두께가 증가하기 때문에 무게에 대한 문제가 발생한다. 최근에는 새로운 렌즈의 디자인에 관한 연구가 미국에서 진행되고 있으며, Fig. 1은 초대형 우주 망원경으로 조각 렌즈 조합을 통한 직경 8.5 m급 대형 우주망원경 개발이 진행 중인 렌즈다.^1,2 하지만 최근 연구된 Multi-Order Diffractive Engineered-Material (MODE) 렌즈² 디자인을 채용하면 무게에 대한 문제를 해결할 수 있다. 하지만 유리를 정밀하게 절삭 가공하기에 무리가 있기 때문에 유리를 고온, 고압으로 성형하는 유리 성형 방식을 채용한다. 이때 사용하는 몰드는 STAVAX 재질을 사용한다.

Fig. 1

Comparison of the light-collecting area of space telescopes capable of exoplanet transmission spectroscopy1 (Adapted from Ref. 1 on the basis of OA)

STAVAX는 상용화된 크롬 합금 스테인리스 금형강으로 뛰어난 내부식성과 내마모성을 가지고 있어 다양한 금형 재료로 사용된다. 일반적으로 STAVAX 소재를 광학용 금형으로 사용하기 위해서 표면 거칠기가 수 나노 이하의 값을 가져야 한다. 초정밀 가공에서 주로 다이아몬드 공구를 이용하지만 STAVAX 소재는 철 금속으로 다이아몬드 공구로 절삭 시 심한 공구 마모와 표면 거칠기가 나빠진다.³ 따라서 다이아몬드 공구를 이용한 STAVAX 소재의 초음파 진동 절삭 가공에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.⁴ 그러나 공구 소모가 심하고 가공 시간이 오래걸려 많은 양을 절삭하기 어렵다. 따라서 정밀한 형상을 가공하기 위해서는 초음파 진동 절삭 가공을 적용하기 전 최대한의 정밀도로 가공이 이루어져야 한다. Cubic Boron Nitride (CBN) 공구는 고온, 고압 조건에서 높은 경도와 열전도율을 가지며, Steel 소재와 반응 시 열과 화학적인 안정성이 우수하여 초음파 가공이 이루어지기 전, 정밀 선삭 가공의 공구로 적합하다.⁵ 그러나 정밀 가공의 조건에 따라서 소재가 받는 응력에 의해서 가공 표면의 경도가 변할 수 있다. 초정밀 가공에서 표면 경도는 공구의 마모 및 파손과 가공면의 거칠기에 큰 영향을 미치기 때문에 이를 분석하는 것이 매우 중요하다.

본 연구는 차세대 우주 망원경에서 사용될 금형 재료인 STAVAX의 최적 가공 조건을 찾기 위하여 CBN 공구의 절삭 조건별 특성을 파악하고 STAVAX의 열처리 조건에 따른 천연 다이아몬드 공구의 초음파 진동 절삭 가공 표면에 미치는 영향을 파악하여 향후 대형 망원경 렌즈 금형의 초정밀 가공 공정 개발에 적용하고자 본 연구를 수행하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

Fig. 2는 본 실험에서 사용한 초정밀 가공기계 Moore사의 Nanotech 450 UPL 터닝 머신을 사용하였다. 초정밀 가공기는 X축과 Y축을 제어하여 가공한다. 본 초정밀 가공기는 최대 Ø 450 mm까지 가공이 가능하며, 가공기의 이송분해능은 0.01 nm이다. 초정밀 가공기는 온도 19±1^oC 설정하여 가공 시 온도의 영향을 최소화한다.

Fig. 2

Ultra-precision diamond turning machine (Nano-tech 450 UPL, Moore technology)

Fig. 3은 표면 거칠기 측정 장비로써 비접촉식 표면형상측정기 Taylor Hobson사의 백색광 간섭계(CCI-Optics)를 사용하였다. 1,024 × 1,024 픽셀 배열로 나노미터 해상도와 Z축 0.01nm 분해능으로 표면의 거칠기를 분석할 수 있다. 측정렌즈는 20배율을 사용하여, 0.8 × 0.8 mm를 측정하였다.

Fig. 3

White-light interferometer (From Taylor Hobson, CCI-optics)

2.2 실험 방법

CBN 공구로 STAVAX 가공 시 표면의 경도에 영향을 주는 인자로 스핀들 회전속도, 절삭 깊이, 이송속도로 예측하여 가공 조건에 따른 경도와 표면 거칠기 변화를 비교하였다.

본 실험에서는 1차 가공인자를 Table 1과 같이 변화시키며 실험하였다. 실험 조건은 표면의 정밀도를 최상으로 하기 위하여 변경되는 조건 이외의 조건은 고정하였다. 스핀들 회전속도 5,000 RPM, 이송속도 1 μm/rev, 절삭 깊이 1 μm으로 고정하여 실험하였다. CBN 공구는 CBN Content 50%, Average Grain Size 1.5 μm이며, 경사각 0°, 공구 반지름 1.5 mm 공구를 사용하였다. 경도 측정은 가공 표면의 손상을 최소화하며, 표면의 변화를 관찰하기 위해 최소깊이로 표면 경도를 측정하였다. 따라서 미소경도시험기(Micro Hardness Tester)를 이용하여 하중 0.05 kg, 유지시간 5초로 설정하여 측정하였다. 측정 위치는 공구마모의 영향을 최소화하기 위해 외곽 1 mm 구간 임의의 4곳을 측정하였다. MODE 렌즈에 적용되는 렌즈용 금형강의 초정밀 가공 특성에 대한 연구를 위하여 지름 50 mm STAVAX 테스트 시편을 제작했다. Table 2는 STAVAX의 화학조성을 나타낸 표이며, 경도는 314 Hv이다.

Table 1

Experimental conditions

Table 2

Chemical compositions of STAVAX (Wt%)

Fig. 4

Diamond turning assistance ultrasonic-vibration

최종 가공으로 다이아몬드 공구를 이용한 초음파 진동 절삭을 적용하여 경도에 따른 표면 거칠기를 비교분석하였다. 초음파 진동 절삭 장비는 Son-X사의 UTS2를 사용하였다. 102 kHz 진동이 이루어지며, 진동의 변위는 ±1 μm로 움직이며 가공된다. 다이아몬드 공구 반지름은 1 mm 사용하였다. 이를 통하여 CBN 공구를 이용하여 1차 가공 시 절삭 조건에 따른 표면의 경도와 거칠기에 따라 초음파 진동 절삭 시 표면에 미치는 영향을 분석하였다.

3. CBN 공구를 이용한 절삭 특성

3.1 스핀들 회전속도 변화에 따른 표면 경도와 표면 거칠기

Figs. 5와 6은 절삭 깊이 1 μm, 이송속도 1 μm/rev로 고정시켰을 때 스핀들 회전속도 변화 따른 표면 경도를 측정한 결과이다. 스핀들 회전속도는 1,000, 3,000, 5,000 RPM 범위에서 변화시켰다. Fig. 5는 전체적으로 표면 경도는 감소한 결과를 나타냈다. 스핀들 회전속도 1,000 RPM에서 경도 292 Hv이었으며, 3,000 RPM일 때 252 Hv 감소했다. 5,000 RPM에서 다시 경도가 증가하여 302 Hv 결과가 나타났다. 표면 경도는 낮은 절삭 깊이와 느린 이송속도에 의해 표면에 미치는 영향이 적었다고 판단된다. 그러나 실험 조건의 스핀들 회전속도 범위에 최대인 5,000 RPM에서 높은 경도로 보아 공구와 가공면의 마찰에 의한 변형이 일어났다고 보여진다.^6,7

Fig. 5

Surface hardness versus RPM

Fig. 6

Surface roughness versus RPM

Fig. 6은 스핀들 회전속도 변화에 따른 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 1,000 RPM일 때 표면 거칠기가 111 nm Sa로 가장 거칠게 나타났다. 스핀들 회전속도가 증가함에 따라서 3,000 PRM일 때 32 nm Sa로 감소하였으며, 5,000 RPM일 때 23.7 nm Sa로 가장 작게 나타났다. 스핀들 회전 속도가 증가함에 따라서 절삭량이 감소하여 표면 거칠기 값은 낮아졌다

3.2 이송속도 변화에 따른 표면 경도와 표면 거칠기

Figs. 7과 8은 절삭 깊이 1 μm, 스핀들 회전속도 5,000 RPM을 고정시켰을 때 이송속도에 따른 표면 경도를 측정한 결과이다. 이송속도는 1, 3, 5 μm/rev 범위에서 변화시켰다. Fig. 7은 이송속도에 따라서 표면 경도는 큰 변화가 없는 것으로 보여진다. 이송속도 1 μm/rev에서 경도 302Hv를 나타냈으며, 3 μm/rev일 때 312 Hv, 5 μm/rev일 때 311 Hv의 결과가 나타났다. 이송속도 변화에 따라서 미미한 변화를 보이지만 측정오차보다 적게 변하는 것으로 확인되어 표면 경도에 미치는 영향이 적은 것으로 파악된다.

Fig. 7

Surface hardness versus feed rate

Fig. 8

Surface roughness versus feed rate

Fig. 8은 이송속도 변화에 따른 표면 거칠기를 나타낸 그래프이다. 이송속도가 증가할수록 표면 거칠기는 상승하는 결과를 보였다. 1 μm/rev일 때 23 nm Sa로 범위 내 가장 낮은 거칠기값을 나타냈다. 이송속도가 증가하여 3 μm/rev일 때 39 nm Sa 거칠기가 증가하였으며, 5 μm/rev에서 88 nm Sa로 가장 높은 거칠기를 보였다. 따라서 표면 거칠기는 이송속도가 증가함에 따라서 거친 결과를 나타냈다. 실험 결과 이론적으로 이송속도의 영향이 큰 것을 확인하였다.

3.3 절삭 깊이 변화에 따른 표면 경도와 표면 거칠기

Figs. 9와 10은 이송속도 1 μm/rev, 스핀들 회전속도 5,000 RPM을 고정으로 하여 절삭 깊이에 따른 표면 경도를 측정한 결과이다. 깊이는 1, 3, 5 μm 범위에서 변화하였다. Fig. 9는 전체적으로 표면 경도가 증가하였다. 절삭 깊이가 가장 낮은 1 μm일 때 경도 302Hv로 가장 낮았으며, 절삭 깊이가 증가하여 3 μm일 때 364 Hv로 증가하였다. 5 μm에서는 약간 감소하여 341 Hv의 결과가 나타났다. 절삭 깊이가 증가할수록 가공면이 받는 압괴력의 증가로 소성변형이 발생하여 경도가 증가한 것으로 파악된다.⁸

Fig. 9

Surface hardness versus depth of cut

Fig. 10

Surface roughness versus depth of cut

Fig. 10은 절삭 깊이에 따른 표면 거칠기는 절삭 깊이를 나타낸 그래프이다. 절삭 깊이가 낮은 1 μm일 때 표면 거칠기는 23 nm Sa로 가장 낮은 거칠기값을 나타냈다. 절삭 깊이가 깊어질수록 3 μm일 때 33 nm Sa와 5 μm일 때 35 nm Sa로 점차 거칠기값이 증가했다. 절삭 깊이 증가는 공작물 표면에 작용력이 증가되어 피삭재의 변형을 일으켜 표면 거칠기의 영향을 미치는 것으로 파악된다.⁹

4. 경도 변화에 따른 초음파 진동 절삭 가공 특성 분석

초음파 진동 절삭 가공은 고주파 전기에너지를 고주파 기계 진동 에너지로 변환하여 가공 공정에 적용하여, 기계적 효과에 의한 재료제거를 실현하는 가공 방식이다.¹⁰ 최근 제조기술과 재료과학의 발달로 경도가 높고 마모 및 온도 저항성이 높은 첨단소재가 널리 사용되면서 항공우주 및 바이오, 광학 산업분야에서 주목을 받고 있다. 이러한 재료의 경우 과도한 절삭력, 높은 절삭온도, 심각한 공구 마모 및 표면 품질 저하 등의 단점이 있다. 가공 특성 및 공작물의 표면의 특성을 고려하여 다이아몬드 공구를 이용한 초음파 진동 보조 절삭 가공이 적용되며 활발하게 연구 개발이 되는 추세이다.^10-12

초음파 진동 절삭은 공구 진동 주기에 있어서 칩 생성 시 공구가 주로 칩 유출 방향 속도를 가지며 순간적으로는 공구 진동 속도가 칩 유출속도보다 빠르게 되므로, 마찰력의 방향이 반전되어 칩 유출 방향을 끌어당기며 가공을 행하게 된다. 또한 절삭 과정에서 공구날의 냉각 효과가 크며, 구성인성의 발생을 억제하여 공구의 마모를 줄임으로써 다이아몬드 공구를 이용한 Steel 소재 가공이 가능하다.¹³

본 실험에서는 초음파 진동 절삭 가공이 원활하게 이루어지기 위해 전 공정으로 CBN 공구를 이용하여 1차 가공을 진행한 후 초음파 진동 절삭 가공 실험을 하였다. Table 3은 초음파 진동 절삭 가공의 조건으로 모든 시편을 같은 조건으로 고정하여 가공하였다. 시편 크기에 맞는 정삭 조건으로 가공하였다.

Table 3

Diamond turning assistance ultrasonic vibration

Figs. 11부터 13은 초음파 진동 절삭 가공 후 STAVAX 소재의 가공면의 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 전체적으로 CBN 공구를 가공한 면보다 표면 거칠기는 전체적으로 감소하였다. Fig. 12는 CBN 공구를 이용한 공정에서 절삭 속도에 따른 시편에 초음파 진동 절삭 가공하였을 때, 표면 거칠기는 1,000RPM일 때 8.2 nm Sa이며, 3,000 RPM일 때 3.6 nm Sa로 감소하였고, 5,000 RPM에서 8.4 nm Sa로 증가하였다. Fig. 12는 이송속도에 따라 가공했던 시편이다. 1 μm/rev에서 8.4 nm Sa 결과가 나타났으며, 3 μm/rev일 때 표면 거칠기는 감소하여 4.3 nm Sa였다. 5 μm/rev일 때 약간 증가한 6.6 nm Sa 결과를 나타냈다. Fig. 13은 절삭 깊이에 따라 가공한 시편이다. 절삭 깊이가 가장 낮은 1 μm일 때 표면 거칠기 8.4 nm Sa를 나타냈으며, 3 μm일 때 13.9 nm Sa이며, 5 μm일 때 5.1 nm Sa의 결과를 보이며 경도가 가장 높았던 절삭 깊이 3 μm에서 가장 거친 결과를 보였다. 표면 경도와 비교하면 경도가 높을 때 초음파 진동 절삭 가공 후 표면 거칠기도 증가하였다.

Fig. 11

Surface roughness versus spindle speed (CBN tool cutting condition)

Fig. 12

Surface roughness versus feed rate (CBN tool cutting condition)

Fig. 13

Surface roughness versus depth of cut (CBN tool cutting condition)

Fig. 14는 표면 경도에 따른 초음파 진동 절삭 후 표면 거칠기를 나타낸 그래프이다. 표면 경도가 낮을 때 가장 양호한 거칠기를 보였으며, 경도가 높을 때 표면 거칠기가 악화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 경도에 따라서 표면 거칠기의 결과는 영향을 미친 경향을 볼 수 있다. 따라서 CBN 가공 시 소재 파악이 중요하며, 표면에 가해지는 압괴력을 감소시키는 가공 조건을 도출하여 소성변형을 줄임으로써, 표면 경화를 줄이는 가공 프로세스 설립하는 것이 중요하다고 보여진다.

Fig. 14

Surface roughness versus hardness

5. 결론

본 연구에서는 차세대 초대형 위성 렌즈 개발용 금형 소재인 STAVAX의 초정밀 표면 절삭 특성을 파악하기 위하여 가공 실험을 진행하였다. 초음파 진동 절삭 가공을 진행하기 전 CBN 공구를 이용하여 1차 가공의 가공 조건인 스핀들 회전속도, 이송속도, 절삭 깊이에 변화에 따라서 표면에 나타나는 경도와 거칠기 변화를 관찰하였다. 이를 바탕으로 최종 가공인 초음파 진동 절삭 가공 시 경도에 따른 표면 거칠기에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) STAVAX 소재를 CBN 공구로 가공 시 절삭 깊이에 따라서 가공 표면의 변형을 일으키고, 소성변형이 일어나 가공 경화로 이루어지는 것으로 파악되었다. 따라서 가공 깊이에 따라서 표면 경도가 증가되는 것을 확인하였다.

(2) 표면 거칠기는 스핀들 회전속도, 이송속도, 절삭 깊이의 영향을 미치는 것으로 파악했으며, 빠른 스핀들 회전속도에 느린 이송속도, 얕은 절삭 깊이일 때 표면 거칠기값이 낮게 나타났다.

(3) 초음파 진동 절삭 가공은 전 공정의 표면 경도와 표면 거칠기를 비교하여 관찰하였다. 가공 전 표면 거칠기와 영향이 없는 것으로 파악했으며, 표면 경도와 영향을 미치는 것으로 나타났다. 표면 거칠기는 경도가 가장 낮은 파트에서 낮은 거칠기 값을 나타냈다.

(4) 실험으로부터 얻어진 CBN 가공 시 표면 경화를 줄이는 절삭 조건을 이용하여 초음파 진동 절삭 가공을 렌즈 금형에 적용하여 표면 거칠기 3 nm Sa의 결과를 얻었다.

Acknowledgments

이 논문은 한국기초과학지원연구원의 ‘기술지원 그룹(No. C030224)’ 과제와 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원(No. 2020-0-00360, 경량 AR 디바이스 구현을 위한 신호처리 및 영상표시 장치 기술개발)을 받아 수행된 연구임을 밝히며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

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