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1. 광학적 평면 유리(Optical flat)의 가공과 평면도 측정
1.1. 유리의 가공 과정
1.1.1. 면취 과정
면취 과정은 광학 부품의 표면을 부드럽게 가공하는 공정이다. 연마 과정에서 발생할 수 있는 날카롭거나 거친 모서리 부분을 제거하여 안전성 및 편리성을 높이는 역할을 한다.
구체적으로, 면취 과정에서는 연마제인 #600 파우더를 물과 잘 혼합하여 오목한 원형 금속판 면에 고르게 발라준다. 그 후 오목한 원형 금속판 면의 회전 방향과 반대 방향으로 원형 stroke를 주어 유리시료의 면취 깊이가 약 1mm 정도 되도록 진행한다. 이 때 유리시료를 약하게 잡기보다는 적당한 압력을 가해야 이상적인 면취를 할 수 있다.
면취가 완료되면 면취용 tool을 물로 깨끗이 세척하여 남아있는 연마제(#600 파우더)를 완전히 제거해야 한다. 그렇지 않으면 다음 공정 진행 시 연마제의 잔존으로 인한 차질이 발생할 수 있고, 면취용 tool도 오래 사용할 수 없게 된다.
1.1.2. 1차 연마
1차 연마는 주어진 유리시료의 표면을 거칠게 가공하는 것으로, 연마용 금속평면판 위에 공급되는 연마제로는 carborundum (SiC : 실리콘 파우더), emery (Al2O3 : 알루미늄 옥사이드 파우더), boron carbide(B4C) 등이 사용된다. 1차 연마에서는 유리시료의 표면을 거칠게 가공하는 것이 목적이므로, grain size가 #600 파우더를 사용한다. 이는 앞선 면취 과정에서 사용한 연마제와 동일하다.
#600 파우더를 물과 잘 혼합하여 붓을 이용해 평면 금속 판 위에 충분히 발라주었다. 그 후 원형 유리판을 두 손으로 단단히 붙잡고 적절한 압력을 주면서, 연마용 평면 금속판의 회전 방향과 반대 방향으로 약 10분 정도 원형 stroke를 주어 연마를 진행하였다. 이러한 연마 과정을 통해 광학소자의 스크래치나 변형을 제거할 수 있다.
1차 연마에서는 최대한 평평한 표면을 만들기 위해 원형 stroke의 원리를 잘 생각하면서 연마를 진행하였다. 중앙보다 외각 면이 더 많이 연마되도록 하기 위해, 원형 stroke를 크게 주지 않고 작게 주면서 연마를 진행하였다. 이는 중앙부분보다 외각 부분이 볼록한 상태였기 때문이다. 만약 이러한 원리를 생각하지 않고, 어느 한 부위에 힘을 더 가하거나 덜 가하여 연마를 진행한다면, 특정 부분만 연마가 잘 되거나 덜 되어 오목하고 볼록한 울퉁불퉁한 면이 될 수 있다.
따라서 최대한 일정하고 적당한 압력으로, 충분한 시간동안 연마를 진행하여 균일한 표면을 만들고자 하였다. 이후 2차 연마와 광택 연마 과정에서도 유리시료의 평면도가 더욱 향상될 수 있도록 노력하였다.
1.1.3. 2차 연마
2차 연마는 1차 연마에서 가공된 면을 보다 고운 연마제인 #1200 파우더를 사용하여 유리시료를 보다 부드럽게 연마하는 공정이다. 이러한 2차 연마 과정을 통해 광학소자의 더욱 미세한 스크래치를 제거할 수 있다. 특히 이 과정에서 유리시료의 평면을 잘 다듬어야 다음 단계에서 최종적으로 원하는 광학적 평면도를 갖는 광학소자를 완성할 수 있다. 즉 2차 연마과정이 제대로 진행되어야, 광택 연마 후 뉴턴링을 관찰하였을 때, 찌그러지나 비대칭 없이 뉴턴 원무늬가 잘 관찰될 수 있다.
또한 위의 질문에서도 이야기하였듯이, 황동으로 만들어진 2차 연마용 평면금속판은 좋은 평면을 유지하기 위해 수시로 보정되어야 한다. 이는 황동이 시간이 지남에 따라 변색이나 부식되기 쉽기 때문이다. 즉 부식된 경우, 평면 금속판의 평면도에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문에 유지 관리가 더욱 필요하다. 특히 실험에서 사용되는 연마용 평면 금속판은 여러 연마제를 사용하기 위해 계속해서 물로 씻어 주기 때문에 코팅이 더 쉽게 벗겨져 부식이 더 쉽게 발생할 수 있다.
2차 연마를 진행하기 위해, 먼저 grain size #1200의 파우더를 물과 혼합하고, 2차 연마용 평면 금속판 위에 붓으로 연마제를 충분히 발라주었다. 그 후 원형 유리판을 두 손으로 단단히 붙잡고 일정한 어느 정도의 압력을 주면서 약 20분 정도 유리시료의 면을 연마하였다. 유리시료의 원형 stroke의 원리를 잘 생각하여 크게 혹은 작게 주며, 연마되는 유리시료의 면이 평면 금속판 위에서 최대한 좋은 평면을 가질 수 있도록 연마하였다. 이를 통해 유리시료의 평면도를 향상시킬 수 있었다.
2차 연마가 완료되면 유리시료를 물로 세척하고 물기를 없앤 후, 스크래치가 있는지 없는지 여부를 확인하여야 한다. 만약 스크래치가 있다면, 그 부분에 원형 stroke의 생각하며 스크래치가 없어질 때까지 연마를 계속해서 진행하여야 한다. 즉 스크래치가 없는 최대한 깔끔하고 평평한 평면이 유지되도록 만들어야 한다.
1.1.4. 광택 연마
광택 연마(polishing)는 1~2차로 연마된 유리시료의 표면을 가장 부드러운 연마제로 연마하는 공정이다. 유리시료가 연마제의 재료와 물 그리고 연마 평면판 위에서 주로 화학적 작용에 의해 연마과정을 겪게 된다. 이 과정을 잘 수행하면, 1~2차 연마 공정 후 유리시료의 표면이 탁한 빛에서 투명하게 변하는 것을 관찰할 수 있다.
또한 광택 연마는 1~2차 연마와는 달리 유리시료를 평면 금속판 위에서가 아닌, 탄성이 있는 부드러운 광택 연마용 평면판 위에서 연마하게 된다. 즉 광택 연마는 1~2차 연마 공정과 유사한 방법으로 진행되지만, 광택 연마용 평면판은 1~2차 연마에서 사용한 연마용 판보다 크기가 훨씬 작기 때문에 원형 stroke를 더욱 신중하게 생각하여 평평하게 연마를 해주어야 한다. 즉 판이 작기 때문에 유리 시료를 골고루 돌려가며 연마를 진행해야만 모든 면이 고르게 투명해질 수 있다.
또한 광택 연마 시 광택 연마용 평면판의 회전방향과 반대로 유리시료의 원형 stroke를 줄 때는 연마속도가 빠르므로, 유리시료의 표면 상태가 더 큰 폭으로 변할 수 있다는 점을 주의하여야 한다. 실제 실험을 통해서도 유리시료의 원형 stroke를 반대로 주어 연마를 하였을 때, 훨씬 더 잘 연마가 되는 것을 확인할 수 있었다.
광택 연마를 진행하기 위해, 먼저 광택 연마용 평면판 위에 연마제인 cerium oxide를 물과 함께 붓으로 공급하였다. 그 후 유리시료가 최대한의 평면도를 유지하도록 약 50분 정도 신중하게 일정한 압력을 가하여 연마하였다. 광택 연마용 평면판의 회전 방향과 같거나 반대 방향으로 적절한 원형 stroke를 주었고, 원형 stroke의 크기를 크거나 작게 주면서 연마를 수행하였다.
실제 광택 연마까지 모두 마친 후, 유리시료를 확인해보니 불투명했던 유리가 한눈에 투명해진 것을 확인할 수 있었다. 이는 1~2차 연마 과정에서 발생했던 스크래치와 유리표면의 거칠기가 광택 연마를 통해 제거되었기 때문이다. 즉 화학적 작용과 탄성이 있는 연마 평면판의 움직임을 통해 유리시료 표면이 매끄럽고 평탄해지게 된 것이다.
1.2. 뉴턴 원무늬를 이용한 평면도 측정
1.2.1. 뉴턴 원무늬 측정 방법
뉴턴 원무늬 측정 방법은 표준평면원기와 측정하고자 하는 면(유리시료) 사이의 얇은 공기층의 차...
