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1. 마이크로 머시닝 (Micro machining)

크기가 서브 밀리미터(sub-millimeter)에서 마이크로미터(micrometer) 단위인 미소부품으로 구성된 고기능의 기계시스템을 마이크로 머신이라고 한다.

1.1 초정밀가공시스템의 발전추세

1.2 마이크로 머신의 예

2.마이크로 머시닝

2.1 가공 전후의 체적변화에 따른 기술의 분류

3. 마이크로 절삭 가공

절삭가공은 가공의 자유도가 높고 여러 가지 재료의 가공이 가능하므로 미세형상 가공에 유리하나 에칭이나 방전 가공에 비하면 가공력이 크며, 고정밀도의 가공기 및 미세공구의 제작이 힘들고 가공된 미세부품의 조립 수단이 필요한 결점이 있다.
보다 미세함 부품의 고능률 가공을 위해서는 가공력의 정확한 예측에 의한 공구, 가공법.가공방법의 검토가 필요하며. 마이크로 머신의 기본장치로 인식되는 마이크로 액추레이터, 센스 등의 제작에 전자회로가 필수적이므로, 실리콘 기판상에 전자회로와 기계부품을 동시에 가공하는 방법 등의 기술계발이 필요하다.

3.1 초정밀 가공기와 날끝 반지름 10μm 의 미세형상다이아몬드 공구를 이용하여 피치 300 μm 의 프레널 렌즈(FresnelLens)용 마이크로 글루브 가공

프레널 렌즈(Fresnel Lens)용 마이크로 글루브 가공

3.2, 마이크로 드릴장치와 마이크로 드릴을 이용한 지름 50μm 의 미소 구멍 가공

3.3 마이크로 공장을 실현을 위해 제작된 마이크로 선반과 이것을 이용하여 마이크로 머시닝 된 공작물

4. 마이크로 연삭 및 연마가공.

4.1 마이크로 연삭

인류가 다이아몬드 합성에의항 연 삭을 성공한지 40여 년이 지났고, 제2의 초지립 CBN 이 상품화 된지도 30여년이 지났다.
초지립의 공적은 재래의 지립으로는 불가능했던 고경도 재료의 가공을 가능하게 했을 뿐만 아니라,#1500 이상의 극세 미립자의 연삭숫돌과 금속코어 숫돌의 탄생을 가능하게 하였다.
이러한 초지립의 발달은 연삭, 연마에 의해 오늘날 서브 나노미터의 표면 거칠기를 구현하는 가공기술로 발전되었고, 최근 이를 이용한 미세형상부품의 마이크로 머시닝으로 연결되고 있다.
이러한 초정밀 마이크로 머시닝의 실현을 위해서는 단일공정이 아닌 초지립을 이용하는 종합적 시스템 기술 개발이 요구된다.

마이크로 머신은 길제 움직이며 힘을 전달, 받는 기능이 필요하므로, 각 부품들은 이러한 힘에 견디는 일정의 강도와 강성을 가져야 한다.
이러한 강성이 요구되는 마이크로 부품의 가공에는 절삭, 연삭 등의 기계적 마이크로 가공법이 많이 이용된다.

특히 연삭 가공법은 가공정밀도 및 표면 거칠기가 양호하고 3 차원 형상 부품의 가공이 비교적 용이 할 뿐 아니라 방전가공에서 적용하기 어려운 세라믹과 고분자 재료의 등 비전도성 재료의 절삭가공이 힘든 초경합금 등의 고경도 재료의 가공이 가능함으로 재료의 선택폭을 넓힐 수 있는 장점이 있다.

그러나 연삭가공을 포함한 기계가공법은 전기화학적 가공법과는 달리 가공에 따른 힘이 작용함으로 가공력에 의해 공작물의 변형, 파괴 되는 문제가 공통적으로 발생한다.
따라서 연삭가공도 다수의 숫돌입자에 의한 미세절삭가공이므로 미세부품제작을 위해서는 가공력을 줄이는 방법에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.

4.2 마이크로 연삭 가공 예

a) 고속도강을 지름 50 μm, 길이 3 mm , 세장비 (aspect ratio) 60 으로 가공한 모양을 보여 주며, 지금까지 알려진 바로는 고속도강의 경우 지름 20 μm, 길이 1.2 mm, 초경합금의 경우 지름 25 μm, 길이 0.27 mm 까지 가공되고 있다.

b) 기어형상 부품의 가공 예로서 축의길이 200 μm, 이끝원 지름 500 μm, 길이 4.0 mm 이다
재료는 초경합금이고, 축부의 표면 거칠기는 0.046 μm Ra, 기어부는 0.049 μm Ra 이다.

c) 마이크로 폴 (micro pole) 의 연삭법과 이 가공법을 이용하여 세라믹(지르코니아) 소재를 가공한 예

4.3 마이크로 ELID 연삭 (ELID : electrolytic in-process dressing)

최근에 초정밀 경면 연삭 기술로 개발된 전해 인프로세스 전해 인프로세스 드레싱 연삭은 다른 연삭가공법에 비하여 가공효율 및 표면품위가 뛰어나 각종 마이크로 형상부품의 연삭가공에 이용되고 있다.

1) ELID 계략도 (Cast Iron Bonded Wheel)

2) ELID System 구성

(3) 숫돌에서의&nbID 현상 설명 메카니즘.

4.4 취성 재료의 초정밀연삭가공 예

평균 표면 거칠기가 나노미터[nm] 수준인 취성재료의 초정밀 연삭가공 예이다.
마그네틱 디스크의 고순도 알루미늄 PVA, 멜라닌, 페놀이 혼합된 레진본드 연삭숫돌로 양면 연삭한 경우 3μm 의 SiC 입자로 20nm Ra 의 가공면을 얻고 있다.
또 Al₂O₃의 3 μm 입자로 코팅된 테이퍼로 연마했을 때 14 ~ 17 nm Ra 의 표면을 얻고 있어,
일정한 방향으로 정열된 SiC 위스커 휠 (Whisker wheel) 로 경화강을 연삭하여 4 nm Ra 까지 가공하고 있다.

4.5 마이크로 폴리싱(polishing)

초정밀 미세 연삭기술 외에도
• CMP (chemical-mechanical polishing) : 웨이프 연마에 이용
• 플로트 폴리싱(float polishing),
• 그네틱 폴리싱(magnetic polishing),
• 탄성방사가공(elastic emission machining),
• 전자적 입자경면가공(electrolytic abrasive mirrorfinishing) 등의

초정밀 연마기술이 개발되고 있고 최근에는 기계-화학적 복합연마 기술이 활발하게 전개되고 있다.

기계-화학적 복합가공은 먼저 화학적 반응에 의해 재료 표면에 미소 깊이의 연질층을 생성시키고

이 부분을 기계적인 방법으로 미세 제거하는 방법으로써 가공력 감소, 공구마멸 감소 등의 효과가 있어 효율적인 마이크로 머시닝이 가능하게 된다.
또한 기존의 미세한 비구면 형상 가공에는 주로 미세 입자의 다이아몬드 숫돌이 사용되었으나 지름 1 mm 이하의 미소 비구면 등을 가공하는 데는 마이크로 숫돌 제작의 어려움으로 적용이 쉽지 않았다.
이러한 문제점을 해결하는 방법으로 최근 전자장 속에서의 공구로 작용할 수 있는 ER 유체를 이용하는 기술이 등장하였다.

ER ( Electrorheological Fluid) 유체란 전기장을 가하면 점성이 변하는 유체의 총칭이며, 이를 이용하여 유체에 미세 지립을 첨가하고 공구를 회전 시키면서 공구주변에 지립이 집중, 반고정화되어 공구의 절인 역할을 대신하여 가공을 가능하게 한다.
이 가공법을 구현하여 미소 비구면의 생성 및 연마에 이용되고 있다.

5.마이크로 방전가공

5.1 마이크로 방전가공의 원리

마이크로 방전가공은 종래방전가공을 기초로 종래 방전가공의 1/100정도로 방전에너지를 작게하여 서브 미크론의 표면 거칠기와 미크론 단위의 가공 정도가 실현 가능한 기술이다.
방전 가공은 비접촉 가공이므로 가공전극에 의하여 공작물에 가해지는 힘이 작기 때문에 초소형 부품의 고정밀 가공이 가능하다.
또한 전도성 있는 재료라면 기계적인 경도에 관계없이 가공한다.
금속은 물론이고 소결 다이아몬드의 경우에 바인더가 전도성을 지닌 것과 비저항에 따라 가공의 용이성이 다르지만, Si 등의 반도체 재료도 가공이 가능하다. 방전에너지를 작게 함에 따라 최상으로는 0.1 μm Rmax 의 가공면 거칠기를 얻을 수 있고, 날카로운 모서리의 가공이 가능하다.
이러한 특징으로 마이크로 노즐의 구멍가공은 물론 nm 이하 영역의부품가공과 몰드금형, 프레스금형 등의한 분야로의 적용이 시작되고 있다.

좌측 그림은 미세 공구를 전극으로 이용한 마이크로 방전 가공의 원리를 간략하게 한 그림이다.
원하는 형상으로 성형된 미세 전극과 가공물 사이에 방전 전원을 연결 후 미세전극을 송하면 전극의 미세현상이 가공물에 전사된다.
안정된 방전을 유지하기 위해서는 공작물과 전극간의 간격을 일정하게 유지하여야 한다.
따라서 간극 측정회로로 부터 측정된 간극신호를 이용하여 방전 상태를 추정하고 방전 상태에 따라 전극이송을 제어하는 것이 필요하다.

방전이 진행됨에 따라 가공물 뿐만 아니라 전극 또한 가공되어 전극소모가 발생된다.
전극소모는 가공물의 현상오차에 직접적인 영향을 주며, 특히 마이크로 머시닝과 같이 가공물의 크기가 작은 경우에는 상대적으로 그 영향이 증가하게 된다.

마지스와(Masuzawa)는 이와 같은 전극 소모를 없애기 위하여 와이어 방전연삭 (Wire electro discharge grinding : WEDG) 을 제안하였고 이를 미소축 가공에 적용하였다.
좌측 그림은 와이어 방전 연삭의 원리를 보이고 있다.
와이어 전극과 가공물 사이에 발생한다.
계속적으로 공급되므로 전극소모의 영향을 무시할 수 있다.
또한 방전 영역이 좁아서 마이크로 머시닝이 용이하므로 핀 게이지 등의 미소 축 가공에 응용될 수 있다.
또한 구멍 가공용 전극을 직접 제작함으로써 지름 100 μm 이하의 미소 구멍 가공을 쉽게 지원하는 장점을 가지고 있다.

5.2 마이크로 방전가공의 특성

• 도전성이 있는 재질은 무엇이던 가공을 할 수 있다.
  특히 열처리강, 초경합금, 세라믹 가공 등도 간단히 가공 가능하다
• Hole 가공 시 Hole 직경의 5배 까지의 깊이는 용이하게 가공 할 수 있다.
• 가공 단위의 미세화로 가공면의 면조도 0.1μm Rmax까지 가공 할 수 있다
• 곡면, 경사면, 얇은 판 등의 가공을 고정도로 할 수 있다.

5.3 응용 예

마이크로 방전 가공의 특징은 가공전극 및 공작물에 걸리는 힘이 작기 때문에 가늘거나 얇은 공작물의 가공에도 적용가능하며,도전성이 좋은 재료라면 기계적 경도에 관계없이 가공 가능하다.
마이크로 방전가공의 예는 미소폭의 슬릿가공, 기어금형의 가공, 실리콘의 가공 등 여러 가지 가공에 이용되고 있다.
미세구멍의 가공은 잉크제트 프린터 노즐, 유양 제어용 오리피스, X 선 측정용 핀 홀 등이 있다.

• 그림 a) WEDG 로 가공한 마이크로 핀
• 그림 b) 와이어 방전가공(WEDG) , 방번가공(EDM), 전주의 복합가공에 의해 제작된 마이크로 주사바늘
• 그림 c) 은 지름 20 μm 의 미세 구멍을 가공
• 그림 d) 여러 개의 미세구멍이 가공된 마이크로 노즐의 응용 예이다.

• 그림 e) 지름 ø300 μm 초경 미세 엔드밀의 가공예로서, 가공물의 회전과 와이어 전극의 축 방향 이송량을 동시 제어하는 헬리스각 (Helix Angle)이 30° 인 4 개의 절삭날을 가공한 것이다.
• 그림 f) 지름 50 μm 의 미세축에 미세 홈 (groove) 을 200 μm피치(Pitch) 로 가공한 예이다.
• 그림 g) 다각형 구멍을 가공한 예이다.
  고정된 미세 전극의 한 면을 가공한 후, 일정 각도로 회전시키고 미세 전극의 가공을 반복하면 다각형의 미세전극을 가공할 수 있다.
  이렇게 가공된 미세전극을 이용하여 다시 다각형의 미세 구멍을 가공한다.
  미세 구멍을 가공한 후 미세전극을 일정한 각도로 회전시키며 중첩 가공하면 별 모양 등의 복합현상 구멍가공도 가능하다.

또한 미세구멍의 중첩에 의한 슬릿 가공도 가능하고, 미세전극을 밀링 해서 엔드밀 처럼사용하면 미세 3 차원 형상도 가능해 진다.
이러한 미세형상 가공기술을 이용하여 프레스용 펀치 및 다이를 제작하고, 이를 이용하여 미세 형상 부품을 제작하는 미세 프로세스가공 등에도 응용이 시도 되고 있다.

6. 마이크로 초음파가공

마이크로 방전가공에서 제작한 공구는 마이크로 초음파 가공에 이용될 수 있다.
초음파 가공기의 공구를 장착하는 혼(Hone) 에 마이크로 공구의 소재가 되는 공구 재료를 붙이고 공구회전에 의해 공구재료를 초음파 진동자 , 콘, 혼과 일체가 되게 하여 회전시키고, WEDG 법에 의해 마이크로 공구를 제작한다.
이 마이크로 공구는 공구재료를 부착할 때 발생하기 쉬운 편심과 기울어짐에 관계없이 가공기의 이송축을 중심으로 원통형으로 제작된다.
이렇게 가공된 마이크로 공구가 장착된 상태에서 WEDG 장치를 시편 고정장치로 교체시키고 초음파 가공을 시작한다.

마이크로 머시닝 입자를 이용해서 초음파 진동으로 시편을 가공하는 원리는p과 같다.
미세초음파 가공은 방전가공과는 달리 비전도성, 취성 재료에 대한 가공이 가능한 장점이 있다.
또한 레이저나 방전가공은 재료에 국부적인 열 에너지를 가하여 녹여내는 것과 달리 초음파 가공은 가공 입자에 의한 기계적인 가공으로 재료표면에 열 변형을 가하지 않으므로 더 좋은 가공 표면을 제공한다.

일반적으로 초음파 가공에서 가공면의 상태는 가공입자의 크기에 의해 좌우된다.
가공입자의 크기가 커지면 가공시간은 줄어들지만 공구의 마모량이 증가하고 가공면은 나빠진다.
초음파 가공은 공구와 가공물 사이의 가공입자가 가공물의 표면에 칩핑(Chiping) 현상을 일으켜서 재료를 가공함으로, 가공면은 가공입자의 크기에 따라 달라진다. 따라서 미세형상의 초정밀 가공에는 초정밀 가공을 위해서는 수 미크론의 미세한 입자 사용이 필요하다.

사진 a) 초음파 가공법으로 와이어방전가공(WEDG) 으로 가공한 지름 300 μm 의 초경공구를 회전시키면서 200 μm 두께의 세라믹 (Al₂O₃) 판에 가공한 원형구멍의 현미경 사진이다.

사진 b) 500 μm 두께의 세라믹 판에 가공한 지름 500 μm 구멍의 단면이다.

7. 집속 빔 가공 및 마이크로 레이저가공

7.1 집속 빔에 의한 미세형상가공

빔(beam)가공법 : 광, 전자, 이온 등의 가는 에너지빔을 재료표면에 쪼여 국소적으로 가공하는 방법

7.2 레이저에 의한 마이크로 머시닝

• 마스크 이미지 투영(mask image projection)방법

• 레이저 Head (CO₂ laser)

  

• 엑시머(Excimer) 레이저 (광화학적 가공,Photochemical processing) 를 이용한 마이크로 머시닝 예
  폴리머 혹은 유기물의 경우 화학적 결합으로 이루어져 있는데 엑시머 레이저의 경우 레이저 빔에 의해 조사된 빛 에너지가 폴리머의 화학적 결합을 직접 끊어서 재료가 용융이나 증발이 거의 없이 원자나 분자 형태로 제거되므로 열 영향부가 거의 없는 깨끗한 가공이 가능하다.

8. 에칭에 의한 미세구조체가공(반도체 프로세스 응용)

에칭(etching)가공은 피가공물의 표면을 화학적, 물리적으로 제거하는 가공법으로서 종래부터 반도체 미세 패턴(pattern)가공 등 마이크로 머시닝에 가장 먼저 적용된 가공기술

8.1 LIGA 프로세스

• 1 단계 (아래 그림 1, 2)
  X선 식각 단계로 수백에서 수천 정도의 두께를 갖는 폴리머레지스트를 X선으로 노광시킨 후 특정 화학약품을 이용하여 현상하여 원하는 구조물을 만드는 단계이다
• 2 단계는 (아래 그림 3, 4)
  폴리머 레지스트 구조물에 금속을 채우는 도금공정이다
• 3 단계 (아래 그림 5, 6)
  2 단계에서 만들어진 금속구조물을 금형으로 이용하여 플라스틱 구조물을 사출 성형 공정으로 만드는 단계이다.

8.2 LIGA 프로세스 응용사례

9.미세 소성가공 기술

9.1 미세성형기술의 범위

9.2 미세소성가공 기술의 종류

미세체적성형(bulk forming)에는 미세스탬핑성형, 미세압출성형, 미세압연성형

10. 마이크로 머시닝 기술의 활용분야 및 발전방향