다중 스펙트럼 황화아연 가공은 세 가지 특정 방식으로 표준 ZnS 가공과 다르게 작동합니다. 열간 등압 성형 후 나타나는 결정립 구조는 절단력을 덜 견디며, 표면 품질 요구 사항은 더 긴 연마 주기 동안 표면 아래 손상이 가시화되기 때문에 더 엄격하며, 사용 가능한 기판당 재료 비용이 훨씬 높아져 상류에서 이루어지는 모든 스크랩 및 재작업 결정의 경제성을 변화시킵니다. 다중 스펙트럼 등급 재료에 표준 CVD ZnS 가공 매개변수를 적용하면 첫 번째 검사를 통과하지만 최종 연마 단계에서 실패하는 블랭크를 생산하게 됩니다. 이때 이미 대부분의 부가가치 노동이 투입된 후입니다.
이 페이지는 재료 등급이 변경될 때 무엇이 변경되는지, 그리고 특히 절단 단계가 대부분의 작업에서 인식하는 것보다 더 많은 다운스트림 위험을 수반하는 이유를 다룹니다. 일반적으로 ZnS 재료에 사용할 절단 기계를 선택하는 장비 측면의 결정에 대해서는 개요를 참조하십시오. 이 페이지는 해당 결정이 내려졌다고 가정하고 다중 스펙트럼 등급에 대한 재료별 가공 범위를 중심으로 다룹니다. ZnS 광학 절단 기계 표준 CVD.
황화아연
화학 기상 증착으로 성장하며 증착된 상태로 사용됩니다. 전송 창은 대략 8–12 μm(열화상에 유용한 LWIR 대역)에 걸쳐 있으며, 다결정 결정립 구조는 더 거칠고, 결정립 크기는 수십 마이크로미터이며 가시광선 대역 내에서 중간 정도의 광 산란을 보입니다. 다중 스펙트럼 CVD ZnS는 동일한 증착 공정으로 시작한 다음, 열간 등압 성형(HIP).
일반적으로 900–1000 °C 범위의 온도에서 100–200 MPa의 아르곤 압력 하에서 수행됩니다. 이 후처리 공정은 결정립 구조를 서브마이크론 균일성으로 재결정화하고, 내부 공극 밀도를 줄이며, 전송 창을 대략 0.4 μm까지 확장합니다. 이제 재료는 허용 가능한 헤이즈로 가시광선을 통과하고 LWIR까지 투명하게 유지됩니다. 따라서 "다중 스펙트럼"은 단일 기판에서 가시광선부터 장파 적외선까지를 포함합니다. 다중 스펙트럼 황화아연 가공은 세 가지 연관된 변경 사항으로 인해 모든 단계에서 표준 ZnS 가공보다 비용이 더 많이 듭니다. 결정립 미세화는 표면층의 국부 파괴 인성을 감소시킵니다.
다중 스펙트럼 ZnS의 광학적 균일성을 제공하는 미세 결정립 구조는 더 거친 결정립 재료에 존재하는 결정립계 균열 정지 메커니즘을 제거합니다. 절단 중 표면 손상이 더 쉽게 전파됩니다.
- 연마 중에 표면 아래 손상이 가시화됩니다. 표준 ZnS 연마는 LWIR 대역 광학 품질에 도달할 만큼 충분한 재료를 제거하고 중지합니다. 다중 스펙트럼 연마는 더 낮은 Ra 목표와 더 얇은 기판을 위해 계속 진행되어, 표준 등급 블랭크에서 연마되었을 표면 아래 손상층을 노출시킵니다.
- 원자재 비용이 상당히 높습니다. 다중 스펙트럼 CVD ZnS는 질량당 표준 CVD ZnS보다 상당한 비용 프리미엄을 요구하므로, 모든 가공 단계에서 허용 가능한 스크랩률이 변경됩니다.
- 결과: 허용 가능한 표준 ZnS 블랭크를 생산하는 동일한 절단 공정이 다중 스펙트럼 블랭크를 생산하지만, 숨겨진 표면 아래 결함이 연마 단계에서만 나타나며, 이때 기판은 이미 생산 비용의 대부분을 흡수했습니다. 절단 매개변수 변경을 유발하는 재료 특성.
표준에서 다중 스펙트럼 ZnS로 이동할 때 변경되는 특성은 대부분의 가공 시트에서 추적하는 특성이 아닙니다. 벌크 경도(Knoop ~160–230 KHN)는 본질적으로 변하지 않습니다. 벌크 파괴 인성(~0.8–1.0 MPa·m⁰·⁵)은 약간만 변합니다. 재료적으로 변하는 것은 국부적인 힘 하에서의 표면층 거동입니다.
표준 CVD ZnS
다중 스펙트럼 CVD ZnS
| 속성 | 결정립 크기(일반) | 5–50 μm |
|---|---|---|
| 서브마이크론 ~2 μm | 4–12 μm | 가시광선 산란 |
| 투과 범위 | 8–12 μm | 높음(반투명 황색-주황색) |
| 낮음(물과 같은 흰색에 가까움) | 표면 파괴 거동 | 결정립계 칩핑 |
| 서브그레인 미세 균열, 덜 가시적 | 일반 원자재 프리미엄 | 기준선 대비 상당한 프리미엄 |
| 연마 제거 목표 | 기준 | 표준(LWIR 전용) |
| 상당히 높음(더 미세한 Ra, 더 얇은 최종) | 마지막 두 행은 비용 회계에 중요합니다. 다중 스펙트럼 황화아연 가공은 연마 단계에서 더 많은 제거가 필요하므로, 절단으로 인한 표면 아래 손상이 가시화될 시간이 더 많고 더 많은 마모가 발생합니다. 이는 가시광선 대역 검사에 실패하는 헤이즈 층이거나, AR 코팅이 적용된 후 코팅 접착 테스트에 실패하는 미세 구멍으로 나타납니다. | 아연 셀레나이드(관련되지만 더 부드러운 IR 재료)에 유사한 연마 제거 고려 사항이 어떻게 적용되는지에 대한 참조는 공정 안내서를 참조하십시오. |
다중 스펙트럼 등급에 대한 절단력 및 공급 속도 조정.
표준 ZnS에서 다중 스펙트럼 황화아연 가공으로의 매개변수 변경은 비례적인 축소가 아닙니다. 일부 매개변수는 크게 변경되고 다른 매개변수는 거의 변경되지 않습니다. 셀렌화아연 광학 연마 표준 ZnS에서 동일한 블랭크 형상에 사용되는 장력에 비해 다중 스펙트럼 절단에 대해 적당히 줄여야 합니다. 이유는 재료 벌크 수준에서 절단력을 줄이는 것이 아니라, 다중 스펙트럼의 미세 결정립 구조가 표면 아래 미세 균열에 가장 취약한 절단 진입 및 종료 지점의 최대 힘 스파이크를 줄이는 것입니다. 실제로는 블랭크 두께에 대해 와이어 톱을 저장력 작동 범위에 더 가깝게 실행하는 것을 의미합니다.
동일한 블랭크 두께에 대해 표준 ZnS보다 훨씬 느린 공급 속도가 필요합니다. 더 느린 공급은 절단 영역 온도를 낮추고 단위 기판 면적당 접촉 이벤트 밀도를 줄입니다. 두 요인 모두 연마 단계에서 제거해야 하는 표면 아래 손상층 깊이를 줄입니다.
냉각수 흐름.
Wire tension 더 중요합니다. 다중 스펙트럼 ZnS는 더 거친 결정립 표준 ZnS 표면이 흘려보내는 입자를 더 잘 보유하는 미세 표면 질감 때문에 스워프 재침착 오염에 더 취약합니다. 수성 냉각수 유량은 일반적으로 표준 ZnS 관행보다 상당히 높아야 하며, 냉각수 여과 간격은 더 짧아야 합니다. 즉, 며칠간의 연속 절단이 아닌 교대 시간으로 측정됩니다.
Feed rate 변경되지 않는 사항: 다이아몬드 와이어 톱과 ID 톱 간의 선택은 표준 ZnS와 동일하게 유지됩니다. 장비 분석은 두 등급 모두에 적용됩니다. 다중 스펙트럼 황화아연 가공은 기계 유형을 전환할 만큼 정당화되는 경우가 거의 없습니다. 가지고 있는 기계 내에서 재조정할 만큼 정당화됩니다.
냉각수 흐름 더 중요합니다. 다중 스펙트럼 ZnS는 더 거친 입자의 표준 ZnS 표면이 흘려보낼 입자를 미세한 표면 질감이 유지하기 때문에 잔해 재침착 오염에 더 취약합니다. 수성 냉각수 유량은 일반적으로 표준 ZnS 관행보다 상당히 높아야 하며, 냉각수 여과 간격은 더 짧아야 합니다. 즉, 며칠간의 연속 절단이 아닌 작업 시간 단위로 측정됩니다.
변하지 않는 것: 다이아몬드 와이어 톱과 ID 톱 사이의 선택은 표준 ZnS와 동일합니다. ZnS 광학 절단 기계 장비 분석은 두 등급 모두에 적용됩니다. 다중 스펙트럼 황화아연 처리는 기계 유형을 전환할 정당성을 거의 갖지 않습니다. 가지고 있는 기계 내에서 재조정할 정당성을 갖습니다.
이 지침이 적용되지 않는 한 가지 상황이 있습니다. 표준 ZnS에서 처리량을 최대화하기 위해 이전에 공격적인 매개변수로 절단 공정을 실행했다면, 위의 매개변수 감소가 충분하지 않을 수 있습니다. 전체적으로 공정을 상당히 느리게 해야 할 수 있으며, 이는 생산 계획을 크게 변경합니다. 이미 보수적인 매개변수로 표준 ZnS를 실행하는 작업은 조정할 것이 적습니다.
다중 스펙트럼 황화아연 처리의 표면 품질 요구 사항
절단 후 표면 목표는 표준 등급보다 다중 스펙트럼 황화아연 처리에 대해 더 엄격하지만, 엄격해지는 정도는 지표마다 균일하지 않습니다.
Ra (표면 거칠기) 절단 후 목표는 표준 ZnS 절단 표면에 일반적인 Ra 0.6–1.2 μm 범위보다 다중 스펙트럼에 대해 더 엄격합니다. 연마 단계에서 최종 Ra 목표보다 높은 표면 거칠기를 제거해야 하므로 더 좁은 범위가 중요합니다. 다중 스펙트럼의 가시광선 대역 응용 분야에 대한 최종 Ra 요구 사항은 LWIR 전용 표준 ZnS에 대한 요구 사항보다 의미 있게 더 미세합니다.
TTV (총 두께 변동) Φ50 mm 블랭크의 경우 표준 등급에 허용되는 8–15 μm 범위보다 다중 스펙트럼에 대해 더 엄격하게 제한됩니다. 사양을 벗어난 TTV는 절단만의 비용이 아닙니다. 전체 추가 랩핑 주기를 유발하여 수정해야 하며, 해당 랩핑 주기는 다중 스펙트럼 재료에 자체적인 표면 아래 손상 위험을 수반합니다.
표면 아래 손상층 깊이 대부분의 작업에서 측정하지 않지만 측정해야 하는 지표입니다. 연마 단계는 “진정한” 재료 표면이 노출되기 전에 절단 중에 발생하는 표면 아래 손상 깊이 이상을 제거해야 합니다. 절단이 연마 제거 예산이 처리하도록 설계된 것보다 더 많은 표면 아래 손상을 유발하면 사이클 시간이 상당히 늘어나고 수율이 그에 따라 떨어집니다.
가장자리 칩 영역 다중 스펙트럼의 경우 가시광선 대역 투과 요구 사항은 가장자리 결함이 측정 가능한 산란광을 생성하기 때문에 더 엄격합니다. 기판 가장자리에서 허용되는 칩 영역은 LWIR 전용 표준 ZnS보다 다중 스펙트럼에 대해 의미 있게 더 작습니다.
모든 응용 분야에 다중 스펙트럼 등급의 표면 품질이 필요한 것은 아닙니다. 최종 용도가 LWIR 이미징 전용이고 기판이 베젤 뒤에 숨겨진 외부 2mm가 되는 가장자리 장착될 경우, 가시광선 대역 가장자리 요구 사항은 단순히 적용되지 않습니다. 이러한 더 엄격한 목표에서 다중 스펙트럼 황화아연 처리는 응용 분야가 실제로 가시광선 대역을 사용하는 경우에만 비용만큼 가치가 있습니다.
냉각수, 고정구 및 취급 특정 사항
힘 및 공급 매개변수 외에도 세 가지 취급 요인이 표준 등급 작업보다 다중 스펙트럼 황화아연 처리에 더 중요합니다.
냉각수 화학 성분 중성 pH 수성 기반이어야 합니다. 다중 스펙트럼 ZnS는 산성 또는 알칼리성 냉각수 잔류물에 더 민감하며, 이는 미세한 결정립계를 우선적으로 식각하여 기계적 연마만으로는 제거하기 어려운 표면 흐림을 생성합니다. 표준 ZnS는 더 넓은 냉각수 화학 성분 범위를 허용하지만, 다중 스펙트럼은 그렇지 않습니다.
고정구 재료 장비 선택이 중요한 것과 같은 이유로 중요합니다. 금속 전사 마크(탄소강 클램프, 코팅되지 않은 알루미늄 지그)를 남길 수 있는 모든 고정구 접촉 표면은 연마 단계에서 가시광선 대역 검사 실패로 나타나는 오염을 생성합니다. 다중 스펙트럼 고정구는 PTFE 라이닝 또는 스테인리스 스틸 접촉 표면만 사용해야 합니다.
작업 간 취급 표준 ZnS보다 더 많은 규율이 필요합니다. 블랭크는 덮개 없이 벤치 표면에 놓아서는 안 됩니다. 공기 중 입자가 새로 절단된 표면에 내려앉아 연마 단계에 박힙니다. 표준 관행은 절단 후 다중 스펙트럼 블랭크를 즉시 덮개가 있는 운반 트레이로 옮기고, 가능한 한 랩핑까지의 운반 시간을 4시간 미만으로 유지하는 것입니다. 긴 덮개 없는 보관으로 인한 실패 모드는 연마가 오염층을 노출할 때까지 감지하기 어렵습니다.
그만큼 ZnSe 창 양면 랩핑 공정 가이드에는 셀레늄화아연 기판에 대한 유사한 취급 규율이 포함되어 있으며, 여기서 재료 민감도 고려 사항은 다중 스펙트럼 ZnS와 겹칩니다.
다운스트림 영향: 절단 품질이 연마 비용을 결정하는 이유
절단 단계에서의 엄격한 다중 스펙트럼 황화아연 처리의 경제적 근거는 주로 절단 단계 자체의 스크랩률에 관한 것이 아닙니다. 절단 시 스크랩은 비싸지만 회수 가능합니다. 손실된 재료는 블랭크 하나입니다. 모든 성형 및 사전 연마 작업이 완료된 후 최종 연마 시 스크랩은 재료 비용에 완성품 노동 비용의 약 60–80%가 추가됩니다.
절단 중에 발생하는 표면 아래 손상은 즉시 보이지 않습니다. 다중 스펙트럼에 필요한 연장된 연마 주기 동안 나타납니다. 이는 LWIR 전용 표준 ZnS에 비해 표면당 훨씬 더 긴 피치 랩 연마 시퀀스입니다. 절단이 연마 제거 예산이 처리하도록 설계된 것보다 더 많은 표면 아래 손상을 유발하면, 작업자가 이미 상당한 마무리 노동을 투자한 후 연마 중간에 손상층이 나타납니다.
최종 연마 시 발견된 결함과 절단 시 발견된 결함의 비용 배수는 표준 ZnS보다 다중 스펙트럼의 경우 훨씬 더 큽니다. 이 비대칭성은 위에서 설명한 매개변수 보수주의와 취급 규율을 정당화하는 것입니다.
다중 스펙트럼 ZnS 대 표준 ZnS 선택 시기
모든 적외선 광학 응용 분야가 다중 스펙트럼 황화아연 처리의 이점을 얻는 것은 아닙니다. 표준 CVD ZnS는 많은 응용 분야에 올바른 선택으로 남아 있으며, 필요하지 않은 곳에 다중 스펙트럼을 지정하면 기능적 이점 없이 비용이 증가합니다.
다중 스펙트럼은 다음의 경우에 필요합니다:
- 광학 장치는 정렬, 보어사이트 또는 이중 대역 이미징을 위해 가시광선을 투과해야 합니다.
- 응용 분야에는 동일한 기판을 통한 가시광선 대역 검사 또는 타겟팅이 포함됩니다.
- 광학 장치는 혼합 가시광선/IR 성능이 재료 프리미엄을 정당화하는 시스템에 있습니다.
표준 ZnS는 다음의 경우에 적합합니다:
- 응용 분야는 LWIR 이미징 전용입니다(8–12 μm 대역).
- 해당 광학 부품은 LWIR 대역의 열 무기 조준경, 비냉각 열 카메라 또는 적외선 분광법에 사용됩니다.
- 비용 민감도가 가시광선 대역의 미미한 성능보다 중요합니다.
겹치는 경우 — 표준 ZnS로 기능할 수 있지만 때때로 다중 스펙트럼의 이점을 얻는 애플리케이션 — 시스템 엔지니어가 특별히 가시광선 투과를 요구하지 않는 한 비용상의 이유로 일반적으로 표준 ZnS로 해결됩니다. 이러한 애플리케이션에서 다중 스펙트럼을 과도하게 지정하는 것은 자재 공급업체가 반대하지 않을 일반적인 비용 오류입니다.
적외선 광학 제조에서 ZnS가 게르마늄 및 ZnSe와 함께 어떻게 사용되는지에 대한 더 넓은 관점을 보려면 게르마늄 IR 광학 제조 참조는 IR 광학 재료 제품군 전반에 걸친 재료 선택을 다룹니다.
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