윙배너

[기술기고] 트렌딩 IN 광학, 초미세연마 광학

초저 표면 거칠기로 산란 최소화

레이저 시스템의 출력은 높이고 손실은 낮추려는 프로세스를 지속적으로 진행하려면, 고출력 레이저 혹은 단파장을 사용 시 산란을 최소화하는 광학 부품이 필요하다.

광학 표면의 거칠기를 낮춤으로써 이와 같은 성능을 구현할 수 있는 광학을 주로 '초미세연마' 광학이라고 한다.

광학 업계에 따르면 초미세연마 광학의 표면 거칠기를 표준화한 규정이 아직 존재하지 않지만 에드몬드 옵틱스는 백반분율(ppm) 정도의 저산란을 위해 RMS 표면 거칠기가 최소 1 옹스트롬(10-10 m) 미만이 되도록 광학 표면을 연마하는 프로세스를 개발했다.

업계는 초미세연마 광학은 기체 분석용 공동광자감쇠 시스템(cavity ring-down system), 레이저 자이로스코프, 저결함 광학을 필요로 하는 기타 시스템 등과 같이 민감도가 높은 레이저 용도에 사용하기 적합하다면서, 고도로 제어된 표면은 이온빔 스퍼터링(IBS)와 같이 저손실 코팅 기술을 보완하는 데 사용할 수 있다고 했다.

[기술기고] 트렌딩 IN 광학, 초미세연마 광학 - 산업종합저널 기계
그림1_통 기기에서의 공간 주파수 범위가 역량에 따라 어떻게 겹치는지를 나타냄

옹스트롬 미만의 표면 거칠기를 측정하는 방식은?
계측 장치는 각각의 기계마다 측정 가능한 공간 주파수의 범위를 가지고 있다. 그림 1은 표면 거칠기를 측정하는 데 주로 사용되는 3가지 기술(일반 간섭측정, 백색 간섭측정(WLI), 원자력 현미경(AFM))의 공간 주파수 범위가 어떻게 겹치는지를 보여준다.

공간 주파수의 범위가 달라지면 해당 표면에서 일어나는 오류의 유형 역시 달라진다. 이 같은 주파수 그룹을 명확하게 나눌 수 있는 기준이 현재로써는 존재하지 않는다. 일반적으로 특정 주파수의 범위를 포괄하는 정도로 이해할 수 있다.

기존의 HeNe 간섭계는 형상 오류로 알려진 전형적 저니케 다항식(Zernike polynomial)과 관련된 낮은 공간 주파수를 측정하는 데 이상적으로 사용된다. 이 간섭계는 WLI의 중간 공간 주파수와 다소 중복되지만 파상도(waviness)로 알려진 보다 미세한 수준의 표면 오류를 측정해야 하는 경우에는 여전히 WLI가 더 적합하다. 단, 이러한 범위에서는 산란이 증가하고 성능이 저하하는 오류가 발생하기 시작한다.

거칠기 측정에 있어 WLI와 AFM 둘 다 사용할 수 있다. 하지만, 주요 공간 주파수의 그룹은 어플리케이션에 따라 달라진다. 시각 및 장파장 어플리케이션의 경우 WLI를 사용할 때 대개 2천cycles/mm 미만으로 측정이 치뤄진다. 이 AFM은 표면을 상세히 관찰할 때 사용하기 적합하며 UV 어플리케이션에서와 같이 수치가 높은 공간 주파수를 측정할 때 필요하다는 게 에드몬드옵틱스 측의 설명이다.

공간 주파수가 더 높은 범위를 갖는 계측 기기를 사용하면 일반적으로 시야(FOV)가 작아지는 경향이 있다.
AFM은 옹스트롬 미만의 표면을 직접 측정할 때 사용할 수 있지만 작은 시야와 민감도로 인해 생산 용도에서의 거칠기 측정보다는 실험실 용도에 더 적합하다.

AFM과 WLI 사이의 데이터 상관관계에 따라 WLI의 최대 성능 보장을 위한 절차를 거치면, 생산 용도에서 초미세연마 가공 표면의 RMS 표면 거칠기를 옹스트롬 미만으로 측정할 때 WLI가 더 효율적인 도구일 수 있음을 에드몬드 옵틱스의 자체 검증을 통해 확인됐다.

초미세연마 광학의 제작 과정은?
기존의 감색 광학 연마기법(subtractive optical polishing)은 초기 단계의 연삭연마 공법에서 발생하는 손상을 없애기 위해 점진적으로 더 작은 연마재 입자(grit)를 사용해가며 이를 반복하는 과정을 의미한다.

사용하는 입자의 미세한 정도와 상관없이 표면의 하부에는 산발적 연마 과정에서 자연스러운 손상이 일어나게 된다. 이러한 손상 부위는 표면 및 표면 하부에 위치해 표면 거칠기 및 에너지 흡수를 증가시켜 에너지의 산란을 증가시키는 동시에 열을 발생시키고 시스템의 효율성을 떨어뜨린다. 이때 산란은 표면 거칠기의 제곱에 비례해 발생한다.

[기술기고] 트렌딩 IN 광학, 초미세연마 광학 - 산업종합저널 기계
표 1: RMS 표면 거칠기를 7? 이상에서 1? 미만으로 감소시키는 것이 입증된 침수연마 공법

에드몬드 옵틱스에서 광학을 초미세 연마하기 위해 채택한 방식은 슬러리, 글래스, 연마 단계 사이에서 초점을 기계적 연마가 아닌 화학적 반응으로 이동시켜 표면 하부의 손상을 완전히 제거하도록 하는 것이다. 기계적 작용은 베일비 층(Beilby layer)에서 반응하기 때문에 기판에 있는 요소들을 제거할 때만 사용된다.

실리카 글래스는 수분에 용해되지 않더라도 베일비 층은 연마 과정 중에 형성된 실리카 층으로서 일단 형성이 되면 기판에 더 이상 변화가 발생하지 않도록 보호 역할을 제공하며 수산화이온의 분산을 통해 개조가 가능하다.

옹스트롬 미만의 표면 거칠기를 가진 광학은 침수연마(submersion polishing) 공정을 거쳐 제조되며, 슬러리와 함께 수분을 공급하는 단계에서는 광학과 동일한 온도를 유지하게 된다. 온도 및 pH 레벨은 화학적 반응이 쉽게 일어나도록 고도로 제어되는 반면 표면 장력은 오염 물질을 막아주는 장벽을 형성한다.

2에드몬드 옵틱스는 용융 실리카 소재의 평면 및 구형 광학으로 옹스트롬 미만의 초미세연마 표면을 반복적으로 구현할 수 있음을 증명했다. 표면에는 제조 공정 중에 생길 수 있는 어떠한 잔여 구조물도 남지 않았으며 측정 가능한 표면 하부 손상도 관측되지 않았다(표1).

[기술기고 제공=에드몬드옵틱스 코리아]


0 / 1000


많이 본 뉴스

[기술기고] CCD 이미지 센서 vs CMOS 이미지 센서

CCD와 CMOS 센서의 차이점에 대해 궁금해 하는 분들이 많다. 산업용 카메라에 사용되는 이미지 센서는 CCD 및 CMOS센서 두가지로 구분할 수 있으며 사용 용도에 맞는 적합한 센서를 선정하면 된다. 기존 CMOS 센서는 노이즈가 많다는 점은 다 아는 사실이다. 하지만 상황이 많이 바뀌었다. 현재

[기술기고] 극자외선(EUV) 광학이란?

극자외선(EUV: Extreme ultraviolet)은 X-ray와 deep UV(DUV) 스펙트럼 영역 사이인 대략 10nm~100nm를 아우르는 파장 대역을 말한다. 최근에는 리소그래피, 나노스케일 이미징 및 분광법과 같이 극자외선 영역을 다루는 수많은 압착 성형 응용 분야를 위해 콤팩트한 극자외선 소스 개발에 많은 노력을

[기술기고] 클라우드 기반 MES를 통한 EV 부품 공급업체 경쟁력 향상

전기 자동차(EV) 혁명이 한창 진행 중이다. 자동차 제조업체들은 EV 포트폴리오를 빠르게 확장 하고 있으며 2030년대에 발효하는 정부 정책에 따라 내연기관(ICE) 제품 판매를 중단하겠다고 약속했다. 자동차 부품 공급업체의 경우 이러한 제조 혁명의 파급 효과가 생산 역량에 영향을 줄 가능성이

[기술기고] 주요 전기차 배터리 제조 과제(그리고 이를 극복하는 방법)

전기차(EV) 제조업체들은 새로운 모델을 시장에 출시하기 위해 경쟁하고 있지만, 충전 시간 단축 또는 배터리 중량 감소 요구 충족과 같은 여러 과제에 직면해 있다. 성능 및 지속 가능성과 관련된 많은 문제는 배터리 제조 프로세스 자체에 있으므로 몇 가지 주요 과제와 이를 극복하는 방법에 대해

산업용 애플리케이션으로 5G의 이점

2018년 말, 5G 서비스가 시작됐다. 이후, 이 첨단 기술은 전 세계로 확산되고 있다. 대다수 사업자들은 일정한 수준의 5G 서비스를 제공하고 있다. 산업 제조 분야는 일찍부터 5G 기술의 가장 큰 수혜자가 될 것으로 전망돼 왔다. 5G의 중요한 특성 때문인데, 그 중 하나가 지연시간이 낮다는 점






산업전시회 일정


미리가보는 전시회