‘2021년 발사된 제임스 웹 망원경(JWST)과 ’2022년 대한민국 최초의 달 탐사선인 다누리호의 발사를 통해 국내외적으로 우주기술 발전이라는 쾌거를 이뤄냈고, 국가중심으로 우주개발을 주도하던 올드스페이스에서 현재는 민간중심 우주개발 방식의 뉴스페이스로 변화하며 우주공간에 활용 가능한 국방, 천문, 우주탐사 등 다양한 분야에서의 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 우주관련 분야의 연구가 추진하는 목표 중 가장 핵심적인 내용은 우리가 그동안 알지 못했던 새로운 에너지자원을 발굴하거나 미지의 천체를 관측하는 것이다. 이러한 연구를 위해 관련 산업분야 및 학교, 연구기관 등에서 빛을 모아 변형시킨 후 대상의 광학적 상(Image)을 만드는 광학계 제작기술에 대한 연구와 수요가 증가하고 있다. 광학계는 사용하는 환경에 따라 파장대가 달라지는데 특히, 우주환경에서 지구와 천체의 관측이나 미사일 탐지를 위해 방출되는 열 방사를 감지할 수 있는 적외선 영역의 렌즈 광학계에 대해 많은 관심이 집중되고 있다. 적외선 렌즈의 경우 해당 영역에서 높은 굴절률 및 투과율 값을 갖는 저마늄(Germanium, Ge), 징크 셀레나이드(Zinc Selenide), 사파이어(Sapphire) 등이 광학소자로 주로 사용된다. 그 중, 저마늄(Ge)은 He-Ne Laser의 632.8 nm 기준 5.477의 비교적 높은 굴절률의 특징으로 적외선 광학렌즈로 사용하기 위해 초정밀가공을 통한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 초기에는 면심입방체(Face Centered Cubic, FCC)의 결정구조와 높은 강도 및 경도와 낮은 탄성 특성의 저마늄을 광학렌즈로 가공하기 위해 초정밀 다이아몬드 선삭가공(Single Point Diamond Turning, SPDT)을 활용한 가공조건 도출에 관한 연구가 제안되었다1-3). 이후 고성능 광학계 개발을 위해 비교적 개선된 품질의 적외선 렌즈 확보 목적으로 레이저 보조 가공을 통해 가공성을 개선하는 공정연구도 진행되고 있다4-7). 하지만 저마늄 소재의 초정밀 가공공정에서 가공성 개선과 공구 마모의 영향을 최소화하기 위한 레이저 보조 가공조건의 도출과 고품질의 광학렌즈 제작을 위한 최적화된 공정에 관한 연구는 이루어지지 않고 있다.
따라서 본 연구에서는 적외선 광학렌즈로 주로 사용되는 저마늄 소재의 레이 저보조가공(Laser-Assisted Machining, LAM) 및 자기유변유체연마(Magnetorheological Finishing, MRF)의 초정밀 가공 공정에 따른 표면특성변화 분석을 통해 가공공정 최적화를 진행하였고, 가공공정 최적화는 실험계획법을 기반으로 다구치 방법을 적용하여 레이저 출력(변수 A), 회전속도(변수 B), 이송속도(변수 C), 절삭깊이(변수 D)를 설계변수로 가공실험을 진행하였다.
표면측정은 DT 선삭 가공 시 소재의 중심을 기준으로 회전 대칭이므로, 소재의 중심부(Center), 중앙부(Middle), 진입부(Edge)의 표면거칠기가 소재의 반경에 따른 회전선속도의 차이와 진입부의 단속절삭부로 인해 차이가 있는 것을 고려하여 Center, Middle, Edge부의 표면거칠기에 대해 백색광 간섭계를 활용하여 반복측정 후 평균값으로 나타내었다. 표면거칠기 데이터를 활용하여 수준 평균 분석을 진행 후 설계변수 및 상관관계 변수 조합을 대상으로 민감도 반응을 분석하였다. 표면측정 결과로 레이저 출력 5 W, 회전속도 3500 rev/min, 절삭깊이 6 ㎛, 이송속도 2 mm/min의 가공조건에서 Ra 1.8 nm의 거칠기를 얻었고, 1 nm 대의 거칠기를 갖는 소재 표면에 스포크 형태의 결함 발생을 확인하였다. 이는 절삭가공 간 소재의 결정방향 및 회전 시 발생하는 진동을 원인으로 발생하는 것으로 추정하였다. 또한, 스포크 형태의 결함의 발생 경향성에 대해 AE 센서를 활용하여 분석하였으며, 결함 제거 목적과 거칠기 개선 경향성 분석을 위해 추가 초정밀가공 공정으로 MRF 연마를 진행하였다.
본 연구를 기반으로 하여 일부 연구내용이 한국정밀공학회지(JKSPE)의 Vol. 40, No. 6(DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.023.037)에 게재되었고, 추후 다양한 소재들에 대한 초정밀 패턴가공기술에 적용하여 추가연구를 진행하려고 한다.