ABSTRACT
This study experimentally investigates the laser-assisted diamond turning of high-hardness sapphire to enhance its precision machinability for defense optical components. Sapphire is an attractive material for applications such as transparent armor, sensor windows, and optical apertures due to its excellent mechanical strength, thermal and wear resistance, and outstanding optical transparency. In this research, precision cutting tests were performed on a diamond turning machine, and the resulting surfaces were characterized using a white-light interferometric profilometer. At an optimal laser power of 5 W, the surface roughness and form accuracy improved to 28.8 nm Ra and 191 nm RMS, respectively, demonstrating that laser assistance can significantly enhance surface quality. Microscopic observations after processing revealed a noticeable reduction in tool wear under laser-assisted conditions, which is likely to improve process stability and extend tool life. However, both insufficient and excessive laser power resulted in degraded surface quality compared to conventional turning, underscoring the importance of optimizing laser power. These findings highlight the potential for process optimization in laser-assisted diamond turning to improve the precision and reliability of sapphire machining, contributing to the future development of advanced manufacturing technologies for high-precision defense components.
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KEYWORDS: Diamond turning machining, Laser-assisted machining, Sapphire window, Ultra-precision machining, Surface roughness
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KEYWORDS: 다이아몬드 터닝 가공, 레이저 보조 가공, 사파이어 광학창, 초정밀 가공, 표면 거칠기
NOMENCLATURE
Qselective = Local Heat Transfer Rate
α = Absorption Coefficient
PHPPT = Laser Power Delivered to the HPPT Region
Plaser = Laser Power Output from the System
t = Time
1. 서론
사파이어(Al
2O
3) 단결정은 모스 경도 9로 다이아몬드(경도 10)에 이어 매우 높은 경도를 가지는 대표적인 경질 재료이며, 자외선부터 적외선(200-5,500 nm)에 이르는 광범위한 파장 영역에서 높은 광투과 특성을 나타낸다. 특히 1,064 nm 파장에서 약 85-90%의 높은 투과율을 보이며, 전체적으로 85-98% 수준의 우수한 광학적 성능을 갖는다[
1-
3]. 이러한 특성에 더해 우수한 열적 안정성(1,000°C 이상)과 기계적 강도를 동시에 만족하기 때문에, 사파이어는 방산 분야의 미사일 시커(Seeker), 무인항공기(UAV)의 열화상 카메라, 고출력 레이저 시스템의 보호창, 그리고 심해 탐사 장비 등 극한 환경에서 운용되는 광학창 소재로 널리 활용되고 있다[
4].
그러나, 사파이어는 높은 경도와 함께 취성(Brittleness)을 동시에 가지는 대표적인 난삭 재료로, 가공 과정에서 심각한 기술적 제약을 동반한다. 특히 형상 가공을 위한 그라인딩(Grinding) 공정에서는 표면 하부 손상(Subsurface Damage, SSD)이 불가피하게 발생하며, 이는 후속 폴리싱 공정의 효율 저하 및 가공 시간 증가의 주요 원인이 된다[
5]. 경질 취성 재료의 절삭 특성상 연성-취성 전이(Ductile-to-brittle Transition, DBT)를 적절히 제어하지 못할 경우, 미세 균열이 표면 하부로 약 10-20 μm 깊이까지 전파될 수 있으며, 이는 최종 광학 부품의 기계적 강도 저하 및 광학적 성능 열화로 이어진다. 이러한 이유로 사파이어와 같은 난삭 재료의 경우, 일반적인 절삭 가공보다는 연마 입자의 입도를 단계적으로 감소시키는 다단 연마 공정이 주로 적용된다[
6]. 전통적인 다단 연마(Multi-stage Grinding and Polishing) 공정은 황삭(26-43 μm), 중삭(3-9 μm), 정삭(0.2-3 μm), 그리고 초정밀 정삭(50-500 nm)으로 구성된 3-4단계의 공정을 거치며, 전반적으로 긴 공정 시간이 요구된다[
7,
8].
이와 같은 가공 효율 저하 문제를 해결하기 위한 대안으로, 레이저 보조 가공(Laser Assisted Machining, LAM)을 활용한 가공 기술이 주목받고 있다. LAM 공정은 레이저를 이용하여 피삭재를 국부적으로 가열함으로써 재료를 연화시키고, 그 결과 절삭 저항을 감소시켜 가공성을 향상시키는 방식이다. 특히 취성 재료의 경우, 국부적 온도 상승에 의해 연성 영역이 확장되면서 취성 파괴가 억제되는 효과를 기대할 수 있어, 가공 결함을 최소화하는데 유리하다[
9-
11].
또한, 광학 부품의 초정밀 가공 기술 중 하나인 단일지점 다이아몬드 터닝(Single Point Diamond Turning, SPDT)은 회전하는 피삭재에 CNC로 제어되는 단결정 다이아몬드 공구를 정밀하게 접촉시켜 단일 절삭 공정으로 최종 형상을 구현하는 기술이다. SPDT는 나노미터 수준의 표면 거칠기(Ra)와 λ/10 이상의 형상 정밀도(RMS)를 달성할 수 있으며, 이를 통해 비구면(Aspheric), 자유형상(Freeform), 반구형 돔(Hemispherical Dome) 등 복잡한 광학 형상의 가공이 가능하다.
따라서 본 연구에서는 우수한 광학적 특성을 가지지만 난삭재로 분류되는 사파이어를 대상으로, SPDT 공정과 LAM을 결합한 복합 가공 공정을 적용하였다. 이를 통해 절삭 공정 단계에서 표면 거칠기를 효과적으로 개선하고, 궁극적으로는 기존 피니싱 연마 공정 수준에 근접하는 표면 품질을 달성하기 위한 최적 절삭 조건을 도출하고자 한다.
2. 실험 장비 및 방법
2.1 실험 장비
사파이어 광학창의 초정밀 절삭 가공을 위해, 본 연구에서는 자유곡면 광학부품 가공이 가능한
Fig. 1의 다이아몬드 터닝 머신(Diamond Turning Machine, DTM)인 Nanoform Xtc (Precitech, USA)를 사용하였다. 다이아몬드 터닝 머신은 초고정밀 유정압 이송 슬라이드와 정밀 이송 제어 기술을 기반으로, 가공 중 발생하는 열 변위 및 진동과 같은 외란 요인을 최소화함으로써 나노미터 수준의 가공 정밀도를 구현할 수 있다. 본 실험에 사용된 장비는 2개의 선형 이송축(X, Z축)과 하나의 회전축(C축)으로 구성된 3축 시스템으로, 최대 직경 300 mm까지 가공이 가능하다. 또한 이송 분해능은 0.01 nm, 위치 피드백 분해능은 8 pm 수준으로 초정밀 터닝 공정에 적합한 성능을 가진다. 더불어, 기본적인 터닝 공정 외에도 부가 모듈을 적용함으로써 밀링(Milling), 플라이 커팅(Fly-cutting), 고속 공구 구동(Fast Tool Servo, FTS), 진동 보조 가공(Vibration Assisted Machining, VAM), 레이저 보조 가공 등 다양한 특수 가공이 가능하여 자유곡면, 마이크로 패턴 및 적외선 광학계 등 다양한 광학 부품의 제작에 활용될 수 있다.
Fig. 2는 본 연구에서 적용된 레이저 보조 모듈인 Optimus T1 (Micro-LAM, USA)의 시스템을 나타낸다. 해당 모듈은 다이아몬드 터닝 머신 전용으로 설계되어 주 장비의 공구 부착대(Tool Post)에 장착되며, 가공 중 피삭재의 국부적 가열을 통해 절삭성을 향상시키는 역할을 수행한다. 본 시스템에서 사용된 레이저는 파장 1,064 nm의 Nd:YAG 레이저로, 최대 출력은 50 W이다.
Fig. 3에 도시된 바와 같이, 레이저 발진기에서 생성된 빔은 증폭기를 거친 후 광섬유를 통해 전달되며, 콜리메이터(Collimator)를 통해 평행광으로 변환된 후 빔 셰이퍼(Beam Shaper)를 통과하여 원하는 에너지 분포를 형성한다. 이후 레이저는 다이아몬드 공구의 후면을 통해 입사되어 공구-피삭재 접촉 영역에 정밀하게 정렬된다. 이때 입사된 레이저 에너지의 약 60%가 재료에 흡수되어 국부적인 온도 상승을 유도하며, 재료가 연화 온도에 도달함으로써 절삭 저항이 감소하고 가공성이 향상된다. 또한 공구대에는 레이저 정렬을 위한 정밀 조정 메커니즘이 포함되어 있어, 레이저 초점 위치를 미세하게 조정할 수 있도록 설계되어 있다.
광학 부품의 초정밀 가공 결과를 정량적으로 평가하기 위해서는 표면 거칠기, 형상 정밀도, 투과율 및 반사율 등 다양한 성능 지표에 대한 측정이 요구된다[
12]. 이 중 표면 거칠기 측정은 크게 접촉식과 비접촉식 방법으로 구분된다. 접촉식 방식은 미세 촉침(Stylus)을 이용하여 표면을 직접 스캔하는 방법이며, 비접촉식 방식은 반사광 간섭 신호를 분석하여 표면 형상을 측정하는 광학 간섭계 기반 방법이다.
Fig. 4는 본 연구에서 사용된 표면 거칠기 측정 장비인 NPFLEX (Bruker, USA)를 나타낸다. 해당 장비는 최대 7.68 × 5.76 mm의 측정 시야와 최대 10.04 mm의 수직 스캔 범위를 제공하며, 0.1 nm 이하의 수직 해상도를 갖추고 있다. 또한, 매우 평활한 표면 측정에 적합한 PSI (Phase Shifting Interferometry), 상대적으로 거친 표면 측정에 적합한 VSI (Vertical Scanning Interferometry), 그리고 두 방식의 장점을 결합한 VXI (Universal Measurement Mode) 모드를 지원한다. 본 연구에서는 최대 약 1μm 범위의 표면 거칠기 측정을 위해 VSI 모드를 사용하였다.
Fig. 5에 나타낸 LuphoScan 420HD (Taylor Hobson, UK)는 비구면, 구면/평면, 자유곡면 및 렌즈 금형 등 다양한 광학 형상의 초정밀 측정이 가능한 비접촉식 3차원 형상 측정 장비이다. 본 장비는 MWLI(Multi-Wavelength Interferometry) 기반의 광학 포인트 프로브 스캐닝 간섭계를 이용하여 시편 표면까지의 거리를 연속적으로 측정하고, 이를 통해 고밀도 3차원 포인트 클라우드를 생성한다. 측정 과정에서 시편은 회전축(C축)을 중심으로 360° 회전하며, 측정 헤드는 선형축(X/Y/Z 또는 R/Z)과 회전축(T)의 조합을 통해 나선형(spiral) 스캔 경로를 수행하여 전체 표면 형상을 획득한다. 장비의 측정 범위는 X, Y, Z 축 기준으로 각각 약 420, 420, 100 mm이며, Z축 분해능은 0.1 nm, 축 정확도는 ±50 nm 수준으로 초정밀 형상 측정이 가능하다.
2.2 실험 방법
본 연구에서는 자유곡면 초정밀 가공기와 레이저 보조 가공 장비를 이용하여 사파이어 광학창 평면 시편을 가공하였다. 가공에는 단결정 다이아몬드 공구가 적용되었으며, 레이저 보조 가공을 위해 레이저 투과율을 극대화하고 난반사를 방지하도록 특수 제작 공구를 사용하였다. 해당 공구는 레이저 정렬을 용이하게 하기 위해 경사각이 부가된 구조로 설계되었으며, 본 실험에서는 -25°의 공구 경사각(Rake Angle)을 갖는 공구를 적용하였다.
Fig. 6은 본 연구에 사용된 사파이어 윈도우 가공 시편을 나타낸다.
가공 실험은 황삭이 완료된 직경 1 inch, 두께 18 mm의 평면 사파이어 광학창 시편을 대상으로 수행되었으며, 실험 조건은
Table 1에서 정리한바와 같다. 절삭 깊이는 100 nm로 고정하였으며, 주축 회전 속도, 이송 속도, 레이저 출력의 세 가지 공정 변수를 독립 변수로 설정하여 3인자 3수준 실험계획법(DOE)을 설계하였다. 각 조건에 대해 3회 반복 가공을 수행하여 신뢰성을 확보하였으며, 평균 표면 거칠기를 기반으로 가공 특성을 분석하였다.
Fig. 7은 레이저 보조 가공이 적용된 사파이어 시편의 가공 모습을 나타낸다.
레이저 출력 조건은 국부 열전달 및 에너지 흡수 모델을 기반으로 설정되었다. 레이저 조사에 의해 국부적으로 전달되는 열량은
식(1)과 같이 정의된다.
또한, 특정 시간 동안 재료에 흡수되는 에너지는
식(2)와 같이 표현된다.
위의 수식에 기반하여 레이저 출력 조건은 0, 5, 10 W의 세 가지 수준으로 설정하였다. 0 W 조건은 레이저 보조 효과가 없는 순수 기계적 절삭 거동을 기준(Reference)으로 설정하기 위함이며, 5 W는 저출력 영역에서의 국부 열 연화 효과 및 절삭성 향상 여부를 평가하기 위한 중간 조건으로 선정하였다. 10 W의 레이저 출력을 적용하여 사파이어 시편의 국부 온도를 약 140°C까지 추가 상승이 일어나며, 이러한 국부적 열 입력은 재료의 연화 및 미세 용융 현상을 유도하여 절삭 시 기계적 저항을 감소시킨다. 동시에 고압 상변환(High-pressure Phase Transformation, HPPT) 메커니즘을 통해 적외선(IR) 레이저 에너지의 흡수를 촉진한다. 결과적으로, 레이저 보조 가공은 절삭 가공성을 향상 시키고 표면 품질 개선에 기여한다.
따라서, 10 W는 사파이어 광학창 시편에 안정적으로 적용 가능한 최대 출력 조건으로, 충분한 열 입력에 따른 재료 연화 및 가공성 향상의 극대화 효과를 검증하기 위해 설정하였다. 이러한 단계적 출력 조건 설정을 통해 레이저 열 입력에 따른 절삭 메커니즘 변화 및 표면 품질 개선 효과를 체계적으로 비교·분석하고자 하였다.
가공 후 성능 평가는 표면 거칠기 및 형상 정밀도를 중심으로 수행되었다. 표면 거칠기는 국부 형상 측정기를 이용하여 측정하였으며, 형상 정밀도는 비구면/자유형상 3차원 형상 측정기를 활용하여 평가하였다. 또한, 가공 전후 시편 표면의 크랙(Crack) 및 치핑(Chipping)을 관찰하여 표면 무결성(Surface Integrity) 및 기하학적 정밀도에 미치는 영향을 종합적으로 검토하였다.
3. 레이저 보조 가공 실험 결과 및 고찰
3.1 레이저 보조 가공 실험 결과
앞서 실험방법 레이저 출력, 주축회전속도 및 이송속도를 변수로 하고, 절삭깊이를 고정하여 레이저 보조가공을 활용하여 사파이어 광학창 시편에 대한 단일지점 다이아몬드 터닝 초정밀 절삭가공을 수행하였다.
표면 측정결과를
Table 2의 표와
Fig. 8의 그래프로 정리하였다. 레이저출력을 5 W로 적용하여 가공하였을 경우가 Ra 28.8 nm, Rt 833.8 nm으로 가장 우수한 표면을 얻을 수 있었다.
레이저 보조가공을 적용하지 않고 가공하였을 때(0 W) Ra 66.6 nm, Rt 2634.4 nm의 결과를 얻었으나, 레이저 출력 10 W에서 Ra 170.6 nm, Rt 3106.4 nm의 결과를 얻어 오히려 레이저 보조가공을 적용하지 않았을 때 보다 표면 거칠기가 나빠지는 경향을 확인하였다.
Fig. 9는 레이저 출력에 따른 가공 후의 사파이어 광학창 시편 표면상태를 나타낸다.
Fig. 8(a)와 같이 레이저를 보조가공을 사용하지 않고 가공하였을 경우의 크랙 및 치핑이 가장 심하고,
Fig. 8(b)의 5W에서의 표면품질이 가장 좋았으며,
Fig. 8(c)의 10 W 이상의 레이저 출력에서 표면결함이 오히려 심해지는 것을 확인하였다.
Fig. 10은 레이저 출력 조건에 따른 사파이어 광학창 가공 후 형상 프로파일을 나타낸다. 레이저 보조 가공을 적용한 경우, 레이저 출력이 증가함에 따라 가공면 중심부가 점진적으로 오목하게 형성되는 경향이 관찰되었다. 특히 10 W 이상의 고출력 조건에서는 중심부의 함몰 현상이 더욱 두드러지며, 동시에 표면 결함이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
3.2 레이저 보조 가공 실험 고찰
이러한 결과는 레이저에 의한 국부 가열 및 열적 영향과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 레이저 출력이 증가함에 따라 공구–피삭재 접촉 영역의 온도가 국부적으로 상승하며, 이는 재료 재료 제거 메커니즘에 직접적인 영향을 미친다. 특히, 가공 중심부는 레이저 조사 및 열 축적 효과가 상대적으로 크게 작용하는 영역으로, 시편 중심부의 낮은 주속(Circumferential Speed)로 인해 동일 영역에 대한 반복적인 열 입력이 발생하게 된다. 그 결과, 국부적인 열에너지가 누적되면서 재료의 연화가 더욱 촉진되고, 연화된 소재의 제거량이 증가하여 최종적으로 오목한 형상이 형성된 것으로 해석된다.
또한, 본 실험 10 W의 고출력 조건에서는 과도한 열 입력으로 인해 재료의 표면에 미세 크랙이나 재부착층(Recast Layer)을 형성하여 표면 결함을 증가시키는 주요 원인으로 작용할 수 있다. 이러한 현상은 사파이어와 같은 취성 재료에서 열 충격(Thermal Shock)에 의해 미세 균열이 유발될 가능성을 더욱 증가시키며, 결과적으로 표면 품질 저하로 이어진다.
따라서, 레이저 보조 가공에서 출력 조건은 단순히 높을수록 유리한 것이 아니라, 재료의 열적 특성과 가공 안정성을 동시에 고려한 최적 범위 내에서 설정되어야 한다. 본 연구 결과에 따르면, 5 W 수준의 레이저 출력이 표면 거칠기 개선과 형상 안정성 간의 균형을 확보할 수 있는 최적 조건으로 판단된다.
한편, 본 연구는 평면 사파이어 광학창을 대상으로 수행되었으나, 제안된 레이저 보조 단일지점 다이아몬드 터닝 공정은 비구면(Aspheric) 및 자유곡면(Freeform) 광학 부품 가공에도 확장 적용될 수 있는 잠재력을 가진다. 특히, 곡면 광학 부품의 경우 공구–피삭재 접촉 조건과 절삭 속도가 위치에 따라 변화하기 때문에, 국부적 열 입력을 제어할 수 있는 레이저 보조 가공 기술은 형상 정밀도 유지와 표면 품질 개선 측면에서 더욱 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. 향후 연구에서는 곡률 변화에 따른 레이저 조사 위치 및 출력의 실시간 제어, 열 영향 최소화를 위한 공정 최적화, 그리고 자유곡면 형상에서의 열-기계적 거동 해석을 포함한 심층적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 이를 통해 고난도 광학 형상에 대한 초정밀 가공 공정의 적용 가능성을 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 결론
본 연구에서는 우수한 기계적 강도, 내열성, 내마모성뿐만 아니라 뛰어난 광학적 투명성을 지니고 있어, 투명 방탄재, 센서 보호창, 광학창 등 다양한 국방용 핵심 부품에 적용될 수 있는 잠재력을 가진 고경도 사파이어 소재의 정밀 가공성을 향상시키기 위한 기초 연구로, 다이아몬드 터닝머신을 이용한 정밀 절삭 가공 실험을 수행하였다. 가공된 시편을 백색광 간섭계 표면조도 측정기 및 비구면/자유형상 3차원 형상 측정기를 이용하여 측정한 결과, 기존의 다이아몬드 터닝 머신만을 사용한 가공에서는 표면 거칠기 66.6 nm, 형상 정밀도 178 nm의 결과를, 레이저 출력 5 W에서 표면거칠기 28.8 nm, 형상 정밀도 191 nm의 결과를 얻음으로써 레이저 보조가공을 이용한 표면 품질개선이 가능함을 확인하였다. 또한, 가공 완료 후의 표면 결함상태를 확대 촬영하여 확인한 결과, 육안으로 파악할 수 있을 정도로 레이저 보조 가공을 적용하였을 경우 공구의 마모가 감소한 것이 확인되었다. 레이저 출력이 약하거나, 너무 강할 경우에는 레이저 보조가공을 적 용하지 않았을 때보다 가공표면이 오히려 좋지 않아 최적의 레이저 출력을 결정하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 이는 다이아몬드 터닝 공정의 정밀도와 안정성을 높일 수 있는 공정 최적화 가능성을 시사한다. 향후 미세 가공 기술 및 후처리 연마 공정과의 융합을 통해 방산용 고정밀 광학 부품 제조 기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
FOOTNOTES
-
ACKNOWLEDGEMENT
본 논문은 2025년도 한화시스템㈜의 재원을 지원 받아 수행되었습니다.
Fig. 1Equipment for fabrication – Nanoform Xtc
Fig. 2Laser assisted module equipment – Optimus T1
Fig. 3Laser-assisted machining system
Fig. 4Equipment for measurement – NPFLEX
Fig. 5Equipment for measurement – LuphoScan 420HD
Fig. 6
Fig. 7Diamond turning with laser assisted machining
Fig. 8Graph of surface roughness and form accuracy depending on laser power
Fig. 9Optical microscope surface image (×20)
Fig. 10Form accuracy profile curve
Table 1Experimental condition of Sapphire window machining
Table 1
|
Parameter |
Cutting condition |
|
Cutting speed [RPM] |
500, 1500, 2500 |
|
Feed rate [mm/min] |
1, 5, 10 |
|
Depth of cut [nm] |
100 |
|
Laser power [W] |
0, 5, 10 |
|
Tool nose radius [mm] |
0.5 |
|
Cutting fluid |
Oil mist (MQL) |
|
Tool rake angle [deg] |
−25 |
Table 2Surface quality depending on laser-assisted machining
Table 2
|
Laser power [W] |
Surface roughness [Ra, nm] |
Form accuracy [RMS, nm] |
|
0 |
66.6 |
178 |
|
5 |
28.8 |
191 |
|
10 |
170.6 |
195 |
REFERENCES
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Biography
- Seong Hyeon Park
Researcher at the Institute of Space Defense research, Hanbat National University. His research interest is precision engineering and optical engineering.
- Jin Yong Heo
Researcher at the Institute of Space Defense research, Hanbat National University. His research interest is solid design and optical engineering.
- Jae Myung Cho
Chief Engineer, R&D Center in Hanwha Systems. His research interest is precision engineering.
- Won Woong Lee
Engineer, R&D Center in Hanwha Systems. His research interest is precision engineering.
- Un Su Tark
Engineer, R&D Center in Hanwha Systems. His research interest is precision engineering.
- Chun Ho Song
Engineer in Electro Optronics System Team 4, Hanwha Systems. His research interest is electro optronic design.
- Geon Hee Kim
Professor in the Department of Aerospace and Defense Advanced Convergence, Hanbat National University. His research interests include ultra-precision machiningand the development of hyperspectral optical systems.
