>> 초정밀 가공 기술의 최근동향 <<
포항산업과학연구원 김영우
(주)비아글로벌 허운행
<목 차>
제 1 장 서론
제 2 장 기술개요
제 3 장 국내외 기술 특허 동향 분석
제 4 장 초정밀 가공 기술의 발전 동향
초정밀 가공기술은 광학, 기계, 그리고 전자부품에서 Micrometer 또는 Submicrometer
단위의 형상 정밀도를 얻고 가공 표면은 수 Nanometer 이내의 초 정밀도를 얻는 기술이다.
이 기술인 Nanotechnology를 Extreme Technology라고 부르는 사람도 있다.
초정밀 가공 기술은 전자공학에 많이 쓰이는 매우 적은 부분에 미세한 작업
즉, 미세 Drilling, Slicing 등의 작업을 하는 미세 가공기술(Micro-machining)과는
정밀도의 개념이 다르므로 차별을 두어야 한다.
최근의 첨단기기의 대부분은 Optomechatronics 부품이다. 그 생산 초정밀 가공 기술
없이는 불가능하다. 초정밀 가공은 가공능률, 복잡한 형상을 가공하는 데 있어서 다른
가공법을 능가하는 우수한 특징을 가지고 있다. 초정밀 가공은 기본적으로 창성 운동에
의해서 가공을 하고 있으므로 가공기의 정밀도가 가공면에 직접 옮겨져 간다.
키워드 : 초정밀 가공, 미세 가공, 다이아몬드, 레이저, 초음파
제1장 서 론
마이크로 일렉트로닉스(Microelectronics)를 중심으로 하는 산업혁명이 진행되고 있는 시점에서 전자, 광학 또는 신소재 부품에 대한 형상과 치수 또는 표면 거칠기에 대한 정확도와 정밀도가 엄격하게 요구되고 있다. 예를 들어 경취 재료인 반도체의 웨이퍼 (wafer), 수정진동자 자기헷트, 비구면 렌즈 또는 연질 금속의 레이저빔(Laser Beam) 프린터 용 포리곤 밀러(Polygon Mirror), 자기디스크, 복사기용 드럼(drum), 레저기기용 반사밀러 등 가공정밀도를 향상시키기 위해서는 과거의 가공기술을 대치할 수 있는 새로운 초정밀가공 기술의 도입이 활발하게 진행되고 있다.
경취성 재료의 초정밀가공은 지금까지는 랩핑(lapping), 폴리싱(polishing)의 가공기술이 주체였으나, 최근의 엄격한 부품정밀도에 대응하기 위하여 전 가공을 초정밀 연삭가공으로 평면도, 표면 거칠기, 가공변질층을 향상시키고 다듬질 가공은 폴리싱으로 하여 표면 거칠기 향상시켜야 하는 가공기술이 보급되고 있다. 일반연질 금속의 다듬질가공은 유리지립을 이용하는 랩핑이나 폴리싱으로 다듬질 가공을 진행하고 있었으나 형상정도와 표면정밀도를 동시에 얻는다는 것이 어렵고 또 가공시간이 너무 길어서 매우 고가인 것이 되고 말았다.
그러나 유리에서 연질금속으로 재료를 전환시키고 저가격화, 양산화의 요구, 정밀도 향상과 부품의 안정화 등등 여러 이유로서 다이아몬드(Diamond) 공구로 mirror surface를 만드는 초정밀 경면연삭 가공기술(precision turning with diamond)의 발달로 이제는 완전히 새로운 가공기술로 대치되고 말았다.
다이아몬드에 의한 초정밀절삭은 공구 끝이 매우 예리하고 마모가 매우 적은 단결정 다이아몬드를 이용하고 절삭가공 기계는 운동정도를 피가공물에 정확히 전사 시키는 방법이며 따라서 가공기계는 고도의 운동정밀도가 요구되며 그 외에 강성, 진동, 열변이, 제어면에서 엄격한 검토가 있어야 한다.
본 보고서에서는 개발 중의 사례를 포함하여 초정밀 가공기술 있어 몇 가지의 과제와 동향에 대하여 기술하기로 한다.
제2장 기술개요
2.1 초정밀 가공 기술의 특징
초정밀 가공이란 그 시대에서 가공할 수 있는 보통의 한계를 넘어선 가공, 상식적으로 이룰 수 없는 가공, 달성하기 곤란한 높은 수준의 가공 기술을 의미하며, 그 한계는 시대에 따라서 변천되어 왔으며 현재 그 한계는 형상가공 정밀도가 수 나노급에 이르고 있다.
초정밀 가공기술의 응용분야도 과거에는 항공우주, 방위산업 등 제한된 분야에 사용되어 왔으나, 정보화 시대의 급속한 전개와 더불어, 현재는 첨단기술을 뒷받침하는 기반기술로서 우리의 일상적 생활과도 밀접한 관계를 맺게 되었다. 공작기계를 고속화하려는 노력은 정밀도를 향상하고 생산성을 높이기 위한 수단으로 오랫동안 공작기계 업체들이 추구해 온 중요한 일이었다.
그러나 이러한 고속가공기계는 2~3년 전만 해도 몇몇 특정업체의전유물이었는데 최근 들어서는 급격하게 일반화 되어가고 있다. 초정밀 공작기계 업체들은 거의 대부분 몇 종류씩 고속 가공기를 출품하였고 스핀들 회전속도 25,000rpm ~75,000rpm급까지로 수년 전에 비해 매우 높아진 것을 볼 수 있었다. 이송계에는 리니어 모터를 사용하여 이송속도를 대폭 향상시키는 방향으로 나아가고 있다. 근년 광통신 등의 정보통신기기, 카메라가 있는 휴대전화나 디지털카메라 등의 촬영기기, DVD?CD 등의 음향기기, 내시경이나 양자선 조사장치 등의 의료기기에 있어서는, 고성능인 렌즈가 사용되고 있다. 이들의 렌즈를 성형하는 금형에는 형상 정밀도 100nm 이하, 표면조도10nm 이하의 엄격한 정밀도가 요구 되고 있다. 더욱이 블루 레이저 등의 단파장의 광이 사용됨으로, 한 단계 엄격한 정밀도가 요구되고 있다.
CNC 선반기능과 CNC 밀링기능을 겸비한 초정밀 공작기계나 그라인딩 센터 등 다양한 형태의 복합화된 초정밀 공작기계들이 많이 개발되고 있으며, 특히 병렬가공기(Parallel Mechanism Machine Tool) 등과 같은 새로운 개념의 공작기계들이 상품화되고 있는 것도 하나의 경향이다. 초정밀 공작기계의 구성요소를 크게 분류해 보면 주축, 안내면 등의 운동요소, 마찰구동기구, 미소 액튜에이터, 모터, 커플링 등의 이송 구동계, 베드, 컬럼 등의 구조물, 엔코더, 컨트롤러 등의 제어장치, 방진, 항온, 방습 등의 기초?환경 및 지지요소 등으로 나눌 수 있다.
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<그림 1.> 가공의 3대 요소
2.2 초정밀 가공과 일반 가공의 차이
2.2.1 초정밀 가공과 일반가공의 구분
일반 가공과 초정밀 가공을 구분하기 위해 현재 실용화 되고 있는 대표적 제품을 가각의 제품정도에 따라 분류하기로 한다. 기계부품에 있어서는 50nm = 0.05㎛ 정도의 가공정도를 고정밀 가공의 한계로 본다. 구체적으로는 블록게이지(절대치수 평면도), 다이아몬드 압전소자(끝단반경), 고정도 x,y 테이블(이송직선도, 위치 결정정도)등의 이에 해당하는 부품이다. 또한 0.5㎛정도의 강정도를 한계로 하여 정밀 가공품으로는 볼베어링, 롤러 베어링 로터리 컴프레셔 부품, 볼 스크류등이 있다.
기계부품 중에서 초정밀 가공의 영역은 5nm정도의 가공정도이다. 현재로는 다이아몬드 마이크로 돔의 끝단 반경이 이온 빔가공에 의해 20~30nm정도까지 가공이 가능하며 멀지 않아 정도가 5nm까지 도달할 것으로 보여진다. 초고정밀도 볼 등과 같은 기계류 부품 중 초정밀가공 부품의 수요는 점점 늘어날 것으로 예상된다. 전자부품에 있어서는 IC, LSI, CCD 등은 ㎛단위의 미세 패턴가공으로 가공정도는 0.05㎛정도를 한계로 하는 고정도 가공을 필요로 한다. 한단계 높은 5nm 정도의 가공을 요하는 것은 초 LSI 이며, 초격자소자(폭 10nm)의 가공에서는 1nm이하의 가공정도가 필요로 한다.
광학부품에 있어서는 정밀렌즈, I(노광마스트 레이저 미러, 폴리곤 미러 등은 가공정도가 0.05㎛로서 고정도가공에 속한다. 최근의 50nm 정도의 광학 부품으로는 광디스크용 대물렌즈, FLCD용 프로젝션 렌즈, DVD용 렌즈가 해당하며, 5nm정도의 부품은 초정밀 죄적격자가 해당된다. 광학부품은 형상정도만이 아니라 표면 조도는 상당히 초정밀 가공에 중요한 요소이다. 고정도가공의 경우 가공정도는 0.5㎛정도 이지만 표면조도는 수nm에 해당되어야 광학부품으로서 생명력을 가질 수 있다.
따라서 기계부품은 형상치수 가공, 전자부품은 미세 치수가공, 고아학부품은 형상치수가공, 표면조도 가공을 각각 주요요소로 하여, 초정밀 가공의 요구가 진행되고 있다.
2.2.2. 초정밀 가공의 제약 조건
초정밀 가공기술은 일반적인 가공과 근본적으로 다른 점이 있다. 차이점을 살펴보기 위해 초정밀 가공의 제약조건들을 열거해 본다. 일단 가공의 구성요소는 H/W, S/W, M/W로 구분하고 H/W는 공구, 재료 공작기계, 측정기 등이며 S/W는 CAD data, Tool path, DNC등이고 M/W는 기술인력 부분이다. 여기서 H/W 부분만을 가지고 초정밀가공의 접근을 시도해보고자 한다.
일반가공의 3대 요소는 공구, 재료, 공작기계이지만 초정밀 가공에서는 그림4와 같이 3대 요소 사이에 가공 프로세스, 공구대, 척이 부가되어 고려되어야 한다. 공구와 재료 사이에는 가공 프로세스이며 공구날 끝의 접촉과 윤활의 문제 등이 고려되어야 한다. 재료와 공작기계사이에는 고정에 대한 문제가 발생하기 쉽다. 약하게 고정되어 바로 힘이 가해지면 형상변형이 생기므로 주의를 요한다. 공작기계와 공구 사이에는 공구대가 촌재라며, 공구대를 단지 공고를 고정하는 도구로만 생각하지 말고 공구와 공작계간의 인터페이스 시켜 여러 가지 정보를 주고받는 인텔리전트 기능을 부가 시킬 수 있는 인식이 필요하다.
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<그림 2.> 초정밀 가공에 영향을 미치는 제약요건
좀더 초정밀 가공에 영향을 미치는 제약조건에 대해 좀더 세밀하게 살펴본 것이 그림. 이다 1차 제약조건으로는 앞에서 설명한 공구, 재료, 공작기계 이외에도 환경, 기획, 계측이 추가되며, 1차 제약조건에 영향을 미치는 2차 제약조건이 상세하게 설명되어 있다. 즉 공작기계에 영향을 미치는 2차 제약조건을 제어방식, 테이블 정도, 열변형, 스핀들 정도 공작기계 강성구조, 공구대가 있다.
2.3 초정밀 가공 기술의 이용분야
초정밀 가공을 기반으로 하는 기계 요소부품, 광학소자, 반도체 웨이퍼, 금형가공 및 CO2 Laser를 이용한 판재의 절단, 용접, 피스톤링 열처리, 세라믹의 스크라이빙 가공 그리고 Excimer Laser를 이용한 폴리머 제거가공, 엔코더 슬리트 가공, 의료기구 개발등 초정밀 가공시스템 구축 및 장비개발, 공정개발 등 에 이용가능하다.
2.4 다이아몬드 공구를 이용한 초정밀 가공 기술
고정밀도부품 자유곡면의 경면가공은 일반적으로 연삭가공으로는 어려우며, 경면에 광택을 내기에는 불가능한 것으로 알려져 있다. 따라서 초정밀 경면가공에는 소결합금(cBN, TiN, TiC등)절삭공구에 의하거나 혹은 다이아몬드공구에 의한 절삭가공으로 하는 경우가 많다.
최근 다이아몬든 절삭공구를 사용한 초정밀 가공으로 제작되고 있는 광소자나 전자부품들은 다이아몬드의 정밀연마로 원호형상의 날 윤곽 정밀도에서 0.05μm, 직선 날의 진직도는 0.01μm/2mm를 얻을 수 있다. 그래서 다이아몬드 절삭공구의 수요는 해를 거듭할수록 증가하고 있으며, 일본의 2003년도 다이아몬드공구의 생산액이 80억 엔에 이르렀다는 보고도 있다.
종래 가공에 쓰인 다이아몬드는 주로 고경도의 담금질된 강의 연삭용 숫돌에 사용되거나 혹은 입자가공의 일종인 랩핑(lapping)가공용 파우더(compound)로 활용되는 것이 대부분 이였다. 그러나 작금 광학기기용 광소자 등의 초정밀가공이나 경면가공을 다이아몬드공구에 의한 절삭에 의존하게 되었고, 그의 수요는 날로 증가하는 추세에 있으나 다이아몬드공구의 최적사용법에 대한 기술은 확립되어 있지 못한 것이 현실이다
다이아몬드공구이외에 소결체(cBN, TiC, TiN등)모재에 PVD, DLC, CVD 등의 코팅법을 적용하여 소결체 공구의 수명을 장수명화 하는 등 표면경화법의 개발로 고경도강의 초정밀 절삭가공에 도전하고 있으나, 아직은 나노미터 오더의 가공에는 미치지 못하고 있다. 아래는 초정밀 가공에 사용되는 다이아몬드의 기본적인 특징을 보여준다.
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<그림 3.> Diamond 공구를 이용한 AL 재료의 초정밀 경명 절삭가공
2.4.1 다이아몬드 절삭공구의 현상 및 정밀도
다이아몬드공구로 제작되고 있는 대표적인 광학소자나 전자부품이 서브 미크론 오더의 형상정밀도와 나노미터 오더의 표면 거칠기로 가공되고 있다. 다이아몬드 절삭은 전형적인 강제 가공법이고, 공구의 운동궤적과 간섭하는 부분의 공작물을 모두 절삭 칩으로 제거함과 동시에 절삭 날의 기하학적 형상을 그대로 공작물에 전사(轉寫)하여 표면을 창성한다.
다이아몬드로 절삭된 표면 거칠기 hmax는 이론적인 계산식에 의해 계산할 수 있으며, 계산은 원호형상의 날인 경우와 직선형상의 날로 나누어 한다. 계산식을 검토해보면 표면 거칠기는 노즈(nose)반경이 큰 절삭 날이나 전면 날의 각이 작은 절삭 날을 사용하는 것이 표면 거칠기의 값을 작게 할 수 있다. 실제로 원호 형상의 날과 직선 날을 갖는 공구로 알루미늄 합금을 다이아몬드로 절삭하고, 얻어진 표면 거칠기를 계산 치와 비교한 결과, 이송이 약 0.02mm/rev 이상에서 표면 거칠기의 실측치와 계산치가 대략 일치하고 있으나 이송이 작은 범위에서는 결정입계에 의해 단차가 생겨 계산 치에 가까운 표면 거칠기를 얻기가 어렵게 됨을 나타낸다. 또 직선 날로 무산소동을 절삭 하였을 때에 얻어진 표면 거칠기에서 0.004μmRy라고 하는 값은 다이아몬드 절삭에 의해 창성될 수 있는 거칠기의 한계에 가까운 값이라 생각된다.
이의 예에서 보는 바와 같이 직선 날은 공구의 설치만 정확하게 하면 원호 형상의 날에 비하여 거칠기가 작은 경면을 얻을 수 있지만, 원호 형상의 날은 절삭면적을 크게 할 수 있으므로 다량생산에 적합한 날의 형상이라 할 수 있다.
2.4.2 다이아몬드 절삭공구의 절손과 마모
다이아몬드가 공구재료로서 뛰어난 것은 비교할 수 없는 경도, 강도와 화학적 안정성이 있기 때문이다.
대표적 특성으로 누프 경도는 6,000~10,000kg/mm2 정도, 강한 이방성을 표시하는 인장강도는 49~98x 103N/mm2 정도이다. 이것을 초경합금과 비교하면, 경도는 약 4배, 강도는 약 100배이다. 또 마찰계수는 0.03으로 초경합금의 1/2 이하이다. 그 외에 열 확산성이 뛰어나 600K 이하의 저온에서는 화학적으로도 안정되고 있다. 이와 같은 특성 때문에 연질금속의 절삭에 있어 날이 파손되거나 마모되는 일이 없을 것으로 생각되지만, 실제로는 칩핑, 결손 등 취성손상이나 점진적인 마모가 생긴다. 이들은 당연한 것이지만 가공정밀도에 나쁜 영향을 주고 있어 절삭 날의 절손마모에 주의를 기울일 필요가 있다.
(1)다이아몬드공구의 마모
다이아몬드 절삭공구의 열화학적인 마모는 각종 피 절삭재료에 대하여 서로 다른 기구에 기준하여 발생한다. 다이아몬드로 철을 가공하면 다이아몬드가 심하게 마모한다는 것은 이미 널리 알려진 일이다. 이것은 다이아몬드 표면이 그라파이트(graphite)화 하고, 탄소원자가 철 중에 확산하기 때문이다. 또 절삭성이 좋은 동을 절삭하여도 다이아몬드는 마모한다. 동은 다이아몬드를 가장 그라파이트화 시키기는 하지만, 탄소를 고용하거나 탄화물을 만들지도 않는다. 그런 이유로 응착(凝着)이나 확산에 의한 마모는 생기지 않는다. 그러나 산화한 동을 다이아몬드가 환원하므로 이것에 의해 마모가 생긴다. 더욱이 알루미늄합금을 가공하면, 다이아몬드는 철이나 동을 가공할 경우와 다른 기구에 의해 마모한다. 즉, 다이아몬드 표면에 흡착하고 있는 수소원자가 해리(解離)하면 탄화물이 생성되고, 응착에 의한 마모가 생긴다.
(2) 무산소 동 가공에 의한 다이아몬드공구의 마모
무산소 동을 다이아몬드 절삭한 경우의 공구마모 형태를 보면, 앞서 기술한 산화 환원반응에 의해 공구 절삭 면에 크레이터(crater)마모가 생기고, 또 날 선단에 경계마모가 생긴다. 이들 마모는 절삭거리의 증가와 함께 진전된다. 그의 크기는 크레이터 깊이 KT는 대략 수μm이고, 경계마모 깊이 KG는 1μm 이하의 미소량으로, 초경공구 마모량 KT=0.14~0.25mm 정도에 비하면 매우 적은 양이다.
그러나 다이아몬드 절삭공구는 나노미터 레벨의 경면창성에 쓰이는 것이기 때문에 이 정도의 작은 마모도 공구성능에 따라서 치명적 일수도 있다. 유발 원인으로는 날 선단의 미시적 형상의 열화 이외에 절삭 날 부분의 다이아몬드의 강도 저하 때문이다. 이를 시준하기 위하여 다이아몬드 시료를 순동분말과 접촉시켜 절삭온도와 같은 약 523K로 일정시간 가열 하고, 동과의 접촉가열에 의한 다이아몬드의 강도변화를 측정한 결과, 가열시간 증가와 함께 다이아몬드의 강도가 저하되는 것이 확인 되였다.
이것은 다이아몬드에 이미 존재하고 있는 마이크로 크랙 첨단의 탄소원자가 주위의 산소와 반응하여 일산화탄소나 이산화탄소로 되어 기화하고, 크랙을 키우기 때문인 것으로 생각된다. 이것은 다이아몬드 절삭공구를 장시간사용하면 칩핑의 발생확률이 높게 된다는 실험으로 열화학적 반응에 의해 다이아몬드의 강도는 저하한다는 것을 의미한다.
2.4.3 다이아몬드 절삭공구의 연마 및 수명 판정
다이아몬드 절삭공구를 연마한 직후부터 수명까지 사이에 가공된 무산소동의 표면 형상을 살펴보면, 공을 들여 연마한 절삭 날임에도 불구하고 날 부분에 미소한 凹凸이나 연마공정에서 생긴 마이크로 크랙이 존재한다. 그렇기 때문에 연마 직후의 절삭 날은 다듬질 표면에 뜯은 흔적이나 긁힌 자국이 생긴다. 이런 현상은 원호 형상의 날에 의한 절삭에서는 비교적 적지만, 날선단 각이 작은 직선 날에 의한 절삭에서는 많이 보인다.
그렇기 때문에 날은 둥글게 마모하므로 경사면에 의한 버니싱(vanishing) 작용이 생길 때까지 가공부품과 동일한 재질의 공작물을 필요 없이 가공하고있다. 이것을 적응절삭이라 한다. 이 적응절삭은 절삭거리로 약 150km 정도 필요로 하여, 그 사이 점진적 마모 때문에 본래의 가공에 충당되는 시간을 짧게 하고 있다. 그래서 날 부의 라운드를 제어한 다이아몬드 절삭공구가 제작되어 적응절삭이 대폭으로 단축되었다. 적응절삭이 끝난 날로 절삭된 표면은규칙적인 이송자국, 다시 말해 가공 자욱이 가지런한 다듬질 면을 얻게 되었다. 그러나 강도와 내마모성을 겸비한 다이아몬드이긴 하지만 절삭 날에 칩핑(chipping)이 빈발하면 다듬질 면에 긁힌 자욱이생겨 얼룩이처럼 된다.
이것을 대단히 애매한 판단기준이긴 하지만, 이때를 공구의 수명으로 판단하여 공구의 교환을 한다. 절손마모 된 다이아몬드 절삭공구의 교환을 적시에 하기 위하여 공구의 수명을 정확히 판정하지 않으면 안 되지만, 그의 합리적인 기준은 아직 명확하지 않다. 절삭날의 칩핑은 다듬질 면을 악화시키기 때문에 공구의 절손마모를 기계상에서 직접 관찰하려는 시도도 있지만, 아직 실용화 단계는 아니다.
따라서 공구 절손마모와 밀접히 관련하는 절삭현상의 변화를 센서로 검출하는 방법에 의지하고 있다. 점진적인 공구 마모를 간접적으로 검출하는 가장 일반적인 방법은 절삭저항의 측정이다. 그런데 다이아몬드 절삭시의 절삭저항은 수 Newton 정도로 대단히 작으므로 절삭저항의 크기나 분력 비의 변화로 마모의 진행을 추적하는 것은 어렵다. 그래서 방법을 좀 변화시켜 전단영역에 있는 피 절삭재의 전단슬립, 2차 소성영역에 있는 공구 절삭 면과의 마찰, 인선 선단으로부터 경사면 아래쪽 영역의 다듬질 면과의 마찰 등, 다시 말해 절삭 칩 생성과정에서의 역학계의 안정성에 기인하는 절삭저항의 동적성분, 혹은 기계적 노이즈와 같은 확률적인 요인에 기인하는 절삭저항의 동적성분으로부터 마모에 동반하는 특징을 검출하고 있다.
절삭저항의 동적성분의 파워 스펙트럼(power spectrum)이 공구마모의 진전에 따라 변화하는 모습을 보면, 크레이터(crater)마모가 작은 단계에서는 1~수백 Hz 영역에서 스펙트럼 밀도는 대략 일정한 크기로 있는 것이 판명되었다. 이것은 절삭저항의 동적성분이 화이트 노이즈(white noise)에 따르고, 랜덤(random)으로 변동하고 있다는 것을 의미한다. 이에 대하여 크레이터 마모가 수명에 가까운 시기의 크기까지 발달하면, 고주파성분 정도로 스펙트럼밀도가 감소하는 경향을 보이게 된다. 공구 마모가 진전하여 수명에 가깝게 되면, 절삭 저항의 동적성분의 변동은 자기상사(自己相似)라고 하는 특징을 보이게 되며, 절삭저항의 동적성분의 흔들림 발생은 공구수명 판정에 유효한 지표가 된다.
다이아몬드 절삭공구 날의 칩핑 검출하는 방법에 대하여는 고체의 소성변형이나 파괴에 동반하는 해방된 스트레인에너지의 일부가 탄성파로 방출되는 음향 펄스를 관측하는 방법을 사용하며, 이것을 AE(Acoustic Emission)에 의한 검출법이라 한다.
2.5 초음파에 의한 초정밀 가공기술
소리(sound)는 공기의 분자들이 어느 지점에 모여듦으로써 압력이 높은 부분과 낮은 부분이 번갈아 가면서 나타나는 일종의 진동, 즉 파동이다. 따라서 음파란 탄성과 관성에 의해서 일어나는 진동의 전달이라고 할 수 있다. 음파는 크게 두 가지로 나누어진다. 하나는 가청 음파이며 또 하나가 바로 초음파이다. 가청 음파란 우리가 들을 수 있는 소리를 말하며, 초음파란 그 반대의 것을 말한다. 그리고 가청 음파는 그 주파수가 20-20,000Hz 의 범위를 가지며, 초음파란 20,000Hz 이상의 주파수를 갖는다.
이러한 초음파의 응용은 공업, 수산업, 의학 등 넓은 범위에서 사용되고 있다 .초음파 응용에는 초음파의 고 에너지를 사용하는 응용과 초음파의 파동으로서의 성질을 이용하는 정보 측정의 응용이 있는데, 초음파 가공은 매질 속을 전파하는 탄성 진동파를 이용하는 고 에너지 초음파 응용의 분류에 속한다 . 초음파가공의 특성에서 가공속도는 공구 진폭 및 주파수 ,이송 가압력을 증가함으로써 증대한다. 또한 가공속도는 숫돌입자의 농도, 입도에 따라 영향을 받으며 입자가 미세하여 진동 진폭보다 작게 되면 가공속도는 현저히 감소한다. 입자가 너무 클 경우에도 가공 간극 속에 잘 들어 갈 수 없어 가공속도는 감소된다.
다듬질면의 거칠기는 진동진폭이 크거나 숫돌입자가 크면 거칠기가 커진다. 또한 가공된 구멍의 측면을 바닥 면보다 거칠며, 공구 바닥면의 거칠기는 다듬질면 거칠기에 큰 영향을 미친다. 가공정밀도 사용하는 공구의 치수와 가공된 구멍치수의차를 클리어런스라 하며, 이의 크기와 균일성이 가공 정밀도에 큰 영향을 준다. 클리어런스를 작게하면 가공 정밀도를 향상시키지만, 너무 작게 되면 가공속도가 감소된다. 공구 마모 공구의 작용면이 숫돌입자를 충격 할 때, 숫돌입자의 절삭작용에 의해 공구의 마모가 크며, 가공정밀도에도 영향을 미친다.
2.5.1 초음파 가공의 원리
초음파 가공법은 단단하고 부서지기 쉬운 세라믹스 재료 등 비전도성 취성재질의 가공법으로 적합하여 최근 전자 통신기기, 반도체 부품, 항공기 및 자동차 분야 등 과학기술 분야의 급속한 발전에 따라 요구 될 신소재, 세라믹스류 등 난삭재료의 폭발적인 가공수요와 금형 등의 정밀가공 필요성, 기타 초음파 관련기술의 확대개발이란 측면에서 필요성을 가진다. 60년대 중반부터는 초음파의 기계적 이용 및 통신, 계측, 화학적 이용에 대한 연구가 진행되어 왔고 특히 가공 산업에서 초음파 절단기, Metal Welder, Ic Bonder 초음파 복합 가공기 등의 개발은 생산성 향상에 큰 경험을 하고 있다.
실제적으로 초음파 가공은 유망한 가공기술이며 전 세계적으로도 수요가 계속 증가하고 있다. 초음파 가공법은 가공용 공구에 초음파 진동을 주어 지립(Sic, B4C)을 물에 혼합한 슬러리를 통하여 가공물을 충격파쇄하는 가공법이다. 주파수가 약 2만 Hz 이상으로 사람의 귀에는 소리로서 들리지 않는 초음파를 이용하는 초음파 가공에서는 16~25 kHz의 초음파 진동을 이용한다. 필요한 모양으로 성형한 연강의 공구를 피 가공물에 대고 이 공구를 초음파 진동시킨다. 이때 진폭은 약 40~60 μm이다. 공구와 피공작물 사이에 물에 현탁한 지립을 공급하면 지립은 공구의 진동에 의하여 충격적으로 피가공물에 눌리어 이것을 파쇄하고 공구와 같은 모양으로 우묵하게 된다.
2.5.2 초음파 가공의 장?단점
(1) 장점
-. 규소탄화물, 규소질화물, 수정, 유리, sapphire, 기타 고경도 취성재료 등을 재료에 관계없이 정확한 가공이 가능하다.
-. 막힘구멍 및 관통구멍, 홈, 불규칙한 형상의 가공면을 위한 공구의 설계 가 가능하다.
-. 가공비가 적고 취급이 용이하다.
(2) 단점
-. 가공속도가 느리고 공구마모가 크다.
-. 가공면적이 작다.
-. 가공 길이에 제한이 있다.
-. 무른 재료 (납, 구리, 연강 )의 가공이 어렵다.
2.6 레이저에 의한 초정밀 가공기술
금세기에 들어 레이저 가공의 동향은 큰 변화를 보이고 있다. 기존의 금속 가공법과 일반가공법으로의 응용 연구는 1975년경 활발히 시작되었고, 고출력 레이저 가공장치의 출현이 활성화를 더욱 촉진시켰다. 레이저는 장치가 먼저 개발되었고 그 후 가공으로 적용하는 방법을 모색하기 시작하여 가공법과 응용연구가 개발되었다.
최근의 발전방향은 명확하게 미세 가공으로 전환되고 있다. 파장변환 소자의 개발에 의해 단파장화와 초단펄스의 발진기술 등에 의해 더욱 용도가 넓어지고 있다. 그 발전성과 전망이 매우 밝아 차후 무엇보다도 주목되는 산업기반 기술의 하나로 발전되고 있으며, 그것은 기존 기술의 대체기술로서의 레이저 가공으로부터 레이저 기술로만 실현 가능한 창조기술로 크게 변신함으로 가능하게 되었다.
최근에 이화학 연구 분야에서의 레이저장치의 고출력화도 이루어져 산업화를 의식한 응용분야의 확산을 모색하고 있다. 가공에 관해서는 기존 방법에 창의성을 부가한 발전적 연구와 기계가공에서는 불가능한 미세 가공을 추구하는 과정에 있으며 더욱 더 레이저의 역할이 높아지고 있다.
2.6.1 레이저의 종류 및 응용분야
미세가공에는 파장 관점으로부터 근자외 레이저와 원자외 레이저로, 펄스 관점으로부터는 초단 펄스레이저로 구분되어진다. 레이저 가공의 변천을 보면 레이저는 기존의 대체 열원으로 이용되기 시작하여 응용이 확대 되었다. 거의 대부분 마크로 가공이었으며, 그 응용예로서 멀티 헤드로 불리는 다열원화로서 레이저 가공에서의 효율적인 조사를 위해 적용되었다.
그 후 소위 멀티 가공시대로서 TIG용접과 MIG용접을 융합시킨 하이브리드 용접으로 확대되었다. 최근에 초단 펄스화와 단파장화 등의 기술이 대두되어 시간과 공간을 더욱 세분화 할 수 있게 되었고 미세 또는 초미세 가공이 가능하게 되었다. 즉 마이크로 가공시대가 도래 한 것으로 나노미터 단위로 가공되게 되었다.
특히 단 펄스에 의한 순간 증발 가공으로 주변에 열적 영향이 적은 가공이 주목되고 있다. 엑시머 레이저의 경우는 단 펄스 자외광으로 광자 에너지가 크기 때문에 조사부에 열이 충분히 도달하기 전에 미세표면 제거가공이 완료 된다. 이 때문에 열 영향층이 적거나 거의 없는 가공이 가능하다.
폴리아미드뿐만이 아니라 세라믹, 금속박막 가공에 응용되어 재료제거 반도체의 패터닝(Patterning) 기술인 리소그래피(Lithography), 성막(成膜)기술, 물질표면의 평탄화 등의 표면 처리와 개질(改質)도 있다. 이와 같이 순간적인 물질 제거 과정을 애브레이션(ablation)이라 하는데, 펨토초 레이저에 의한 짧은 순간의 가공에서는 여러 개의 광자를 흡수하여 광자 에너지가 수배로 증폭 되므로 반드시 단파장이 아니더라도 재료의 애브레이션 프로세스가 가능하다.
특히 티탄 사파이어에 의한 파장 λ=800nm 근방에서의 가공에서는 파워 밀도가 1013W/cm2 로 매우 높으므로 다광자 흡수에 의한 애브레이션 가공이 가능하다. 애브레이션이란 고밀도, 단펄스 , 단파장의 레이저를 고분자재료 또는 금속 재료에 조사할 때 발생하는 흡수 열에 의한 증발과 다광자 흡수에 의해 플라스마 발광과 충격음을 동반한 고체 표면층의 폭발적인 박리 현상을 말한다.
2.6.2 레이저에 의한 미세 가공 기술
독일 미국을 중심으로 차세대 레이저 발생 장치와 이 장치를 이용한 새로운 응용 분야를 국가 규모로 모색하기 시작 하였다. 초정밀 미세가공을 시작으로 의료, 바이오에의 응용과 정보 통신으로의 획기적인 기술 혁신을 향해 민관일체로 추진하고 있다. 정밀 미세 가공에서는 레이저의 단파장화와 단 펄스와의 기술이 크게 공헌하고 있다. 단펄스화와 단파장화는 미세 가공에 있어서 별개로 취급되어야 되는 것은 아니다. 왜냐하면 고밀도화를 포함해 상호 상승효과가 있는 경우가 많기 때문이다.
(1) 단파장화
원적외 영역에서 열 가공을 주로 시행해 왔던 레이저 가공은 파장변환 기술에 의해 근자외와 원자외 영역으로 확대되었다. 이로 인해 재료의 파장 흡수성이 향상되고, 파장에 의존하는 집광성이 비약적으로 개선되어 파장 흡수가 높고 미소 점에서 고집광성을 가지게 되었다.
(2) 단펄스화
펄스의 발진 시간을 펄스폭이라 하는데, 이 발진 시간을 밀리 초로부터 피코 초, 나노 초로 미소 시간의 발진이 가능하게 되었다. 이것이 시간의 미세 분할이다. 그 결과로서 펄스의 첨두치(尖頭値)가 특히 높게 되어 시간의 미세화와 공간의 미세화가 실현 되었다. 결국 순간의 반응과 열확산의 억제 등이 가능하게 되었으며, 펄스폭이 매우 작아 연속된 출력이 아니라도 매우 큰 피크 출력을 얻을 수 있게 되었다. 이것이 새로운 프로세스 수단으로서 각광을 받고 있는 피코 초, 나노초 가공이다.
(3) 고 플루언스
고주파를 발생하는 기술에는 비선형 변환 소자를 이용하고 있으나 내광강도(耐光强度)도 없고 변환 효율도 그다지 높지 않다. 그래서 원래의 대출력을 그대로 파장 변환하여 2~3배의 고주파로 만드는 것이 불가능 하므로 추출된 변환 출력은 작다. 하지만 최근에는 보다 높은 출력의 추출이 가능하여 고출력화 되고 있다. 펨토 초와 같은 펄스폭을 매우 작게 하면 mJ의 단위라도 수십 GW의 피크 출력을 얻을 수 있다. 그래서 발진 출력의 증폭은 더욱 큰 상승 작용을 가져온다.
이 때문에 단파장 단 펄스의 레이저 가공에서는 열 반응에서 보이는 바와 같이 명확한 중간단계 과정을 거치지 않고 순간적으로 옮겨가 결과적으로 증발에 이르게 된다. 그래서 단 펄스 가공에서는 반응시간이 매우 짧으므로 열 영향 층이 주위에 그다지 크게 미치지 않고 가공이 종료되는 현상이 발견되었다. 고 에너지 밀도에 의한 재료의 순간적 반응이 새로운 가공 메커니즘을 발생시킨 것이다.
2.7 초정밀 가공의 실례
2.7.1 마이크로 가공
우선 기존 장치인 CO2에 비해 YAG레이저는 파장이 짧고 금속에 대한 파장 흡수율이매우 좋아 미세 가공용으로 많이 사용된다. YAG레이저를 이용한 미세가공에서는 출력을 극단적으로 교축 시켜 가공하든가, 가공 시간을 빠르게 하여 재료에 대한 관여 시간을 매우 작게 하는 방법을 이용하고 있다.
적용 사례로 박판 강판의 맞대기 용접에 있어서 판 두께는 50~200㎛이지만 출력 1kW, 이송속도는 10수m/min 으로 고속 가공한 실례가 있으며, 미세가공에서는 출력을 교축 시켜 수 W정도의 펄스 YAG 레이저로 스테인리스 박판에 반경0.3mm의 구멍 가공을 실시한 예가 있다. 파장 λ=355nm의 YAG고주파 레이저를 이용한 고분자 재료(폴리이미드계 재료)의 경우, 직경을 25~50㎛의 양질인 미세구멍 가공을 실현하였다. 자외 영역에서의 파장 λ=248nm인 엑시머 레이저 가공으로 알루미나의 미세한 홈가공과 폴리이미드의 정밀구멍 가공을 실현 하였다.
또한 두께 0.1mm의 강판에 나노 초와 펨토 초에 의한 가공 상태를 비교하기위해, 파장 λ=780nm, 반복 주파수 10kHz, 1000펄스의 동일한 진공 상태이며, 펄스폭은 나노초 가공에서는 3.3nm, 펨토 초 가공에서는 200fs로서 구멍 직경은 150㎛정도이다. 비교결과, 명확하게 펌토 초 가공이 우수한 것을 알 수 있었다. 가공은 파장과 펄스폭(발진시간)에 크게 영향을 받는다. 또 이것이 레이저에 의한 정밀 미세 가공이 가능한 이유이다.
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<그림4.> Excimer Laser를 이용한 미세 Pattern 가공(Slit 간격 20um)
2.7.2 비구면 형상 가공
초정밀 가공중에서 절삭가공의 예로는 CNC 선반으로 비구면 형상가공이 가장 적합한 예일 것이다. 절삭가공의 특징이 가공의 “모성원리”에 따라 공구 및 공작기계의 정도가 가공 되어지는 부품에 그대로 전사 되어진다. 이에 비해 연삭가공은 “진화의 원리”에 따라 고구와 공작물을 넓게 접촉시키고 압열을 가한 후 국소적으로 돌출된 부위를 선택적으로 제거하게 된다.
따라서 형상정도에 있어서는 절삭 가공이 본질적으로 고저도가 기대되며 연삭 가공은 표면 품질의 개선의 특성을 가지고 있다. 그러나 최근에는 절사각공에서도 형상정도만 아니라 표면 품질의 개선도 연삭에 못지 않는 기술이 개발되고 있다. 그 일예가 비구면 형상 가공이다. <그림 5>는 비구면 형상 가공의 예이다.
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<그림5.> 새로운 형상의 생성을 위한 공구와 피삭재의 접촉 부위의 이동
절삭에는 다이아몬드 공구가 이용되어 가공부위에 따라 다이아몬드 공구가 접촉하는 위치가 변하기 때문에 공구의 진원도가 중요하다. 또한 공구이송지령이 최소단위로 지령하기 때문에 기구 중의 백래쉬에 의한 변곡점부에서 형상 정도가 떨어지게 된다. 따라서 이러한 형상 오차가 가공의 한계를 결정하게 된다.
2.7.3 감광체 드럼Pipe 가공에 있어서 지능화 가공
초정밀 절삭 가공기술에 대한 예로서 감광체 드럼 pipe 가공이 있다. 감광체 드럼은 복사기의 감광층을 도포 함 으로서 빛이 비추어지면 전하가 소면 또는 발생되어 토너에 의한 분자 및 화상을 재현하게 된다. 이 도포층은 감도를 향상시키기 위해 가능한 얇게 하는 것이 중요하여 감광체 드럼가공기 경면 가공이 필수 기술이다.
<그림 6>은 감광체 드럼 pipe가공의 개략을 표시한다. pipe는 Al 합금 얇은 pipe이고 그것을 가공하기 위해 내분에 진동방지용 방진구용 고정구를 삽입하여 전용 정밀 선반에서 다이아몬드 공구로 가공을 한다. 실제 가공에서는 가공 시에 여러 가지 가공 불량이 발생한다. 가공불량에는 채터 진동에 의한 불량, chip이 가공면에 스쳐서 생기는 불량, 긁힘 현상에 의한 불량, 칩 흔적 발생 불량 등이 있다.
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<그림 6.> 감광체 드럼 pipe 가공의 개략도
<그림 7>은 가공순간에 가공 끝에서 발생되는 물리량인 가공 반력을 바이트 센서로서 가공중의 힘 패턴을 검출하는 시스템이다.
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<그림 7.> 가공반력 검출 시스템
이것들의 특징을 추출하여 실제로 발생되어지는 불량을 거의 검출 가능하며 이러한 결과를 이용하면 가공정도의 유지와 가공불량의 검출은 자동검사가 가능하다. 이와 같이 인공지능(AI : Artificial Intelligence)라 불리는 학습 기능을 가지 시스템들이 초정밀 가공에 응용되고 있다.
제3장 국내외 기술특허동향 분석
3.1 국내외 연구개발 동향
전 세계적으로 비교해 볼 때, 현재 국내 공작기계 산업은 생산 8위, 수출 10위, 수입 6위, 소비 7위로 집계됐다. 최근 7년 동안에 세계 공작기계 생산 증가율은 약 4%대로 나타났으나, 이는 지난 1995년의 큰 폭의 증가 때문으로 이를 제외하면 총 규모 350억 달러의 수준이 정체된 상태이다. 세계 공작기계 생산 및 수출 1위 국가는 일본, 수입 1위 국가는 미국, 총 소비 1위 국가는 독일로 조사됐다.
초정밀 공작기계에 대한 기술은 독일, 일본, 미국 등이 주도적으로 앞서가고 있다. 일본의 캐논은 연 매출액 30조원을 달성하고 있는데 그 배경에는 복사기, 카메라, 레이저프린터, 반도체 제조장비 등 생산품의 핵심 부품에 사용되는 광학 렌즈의 초정밀 가공기술 및 제조 기술을 보유하고 있기 때문이다.
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<그림 8.> 초정밀 가공 이용분야
유럽에서는 독일이 초정밀 공작기계 제조 기술이 앞서가고 있다. 스피너사는 독일 남부 뮌헨에 위치하고 있으며 초정밀 CNC 선반과 머시닝센터, 그리고 툴 그라인더를 생산하고 있다.
초음파를 이용한 정밀 가공 기술은 국내와 미국의 경우 90 년대 중반이후부터 급속히 성장하는 것에 비해 일본의 경우 80 년대에 급속한 성장을 이루다가 90 년대에 들어오면서 다소 주춤한다. 국내와 미국의 경우를 비교하여 보면 ,90 년대 중반이후부터 특허출원이 급속히 성장하는 점이 비슷하지만 그 내용면에서는 다소 많은 차이를 보이고 있다.
즉 ,국내의 경우 초음파를 이용한 공작기계에 관련된 특허출원이 반도체와 관련한 특허출원에 비해 극히 일부에 불과하나 ,미국의 경우는 이와는 반대로 90 년대 중반이후부터 초음파를 이용한 공작기계에 관한 특허출원이 대부분인 것으로 나타났다. 또 일본의 경우는 80 연대 중반에 초음파를 이용한 공작기계에 관한 특허 출원이 대부분을 이루고 90 년대 중반부터는 초음파를 이용한 반도체 장치에 많은 비중을 두고 있는 것으로 나타났다.
세이부는 일본 큐슈 후쿠오카에 위치한 초정밀 공작기계 제조업체이다. 특히 0.01미크론의 극초정밀 비구면 가공선반 SUP-2000의 개발로 세계 최정상의 기술력을 증명하였다. 이 제품은 가공 정밀도 ±2 미크론 이내이다. 가공 표면조도는 0.7미크론이다. 무전해 EP 전원의 표준장착으로 인해 뛰어난 표면조도를 가진다. 이 생산시스템이 초정밀 측정과 가공 기능을 발휘하기 위해서는 구동부인 서보계의 초정밀 위치 자동제어 기술, 구조부의 무진동 설계 기술 및 열변위 자동제어 기술, 그리고 컴퓨터를 이용한 자동 측정 및 가공을 위한 소프트웨어 기술이 필요하다. 이와 같이 고부가가치를 창출할 수 있는 핵심적인 생산시스템을 개발하기 위해서는 메커트로닉스 기술에 대한 올바른 이해가 필요하며, 기계설계, 자동제어, 정밀측정 및 가공 기술에 대한 심오한 연구가 이루어져야 한다.
3.2 국내외 특허 사례 동향
초정밀 절삭은 레이저 프린트용 Polygon Mirror나 레이저용 Copper Mirror 등 연질금속재의 Lense, 금형 등을 Diamond Tool로서 절삭하는 것이며 초정밀 연삭은 열처리된 강철과 초경합금 재료의 Lense, 금형 등의 연삭, 초정밀 Polishing은 Glass, Ceramics 등의 첨단 경취 재료의 연마에 이용된다.
한편 초정밀 가공품에도 변화가 일어나고 있다. Zoom 기구를 내장한Camera나 Video의 Lense 등 종래의 구면 광학부품을 비구면 광학부품으로 교체함으로써 부품 수를 줄이고 광학 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이러한 광학부품들도 형상이 복잡해지면서 초정밀 공작기계의 고정밀도화가 요구되어 지고 있다. 대표적인 사례로 컴퓨터의 자기 디스크, 반도체의 미세 가공, 각종의 광학 부품 등을 들 수 있으며, 앞으로도 그 용용 분야는 더욱 확대될 것이다. 현재의 한계는 0.005㎛~0.01㎛정도이며 정밀도가 한 단계씩 향상되는 기간은 많은 시간이 소요된다. 현재는 가공정도가 가공재의 격자간격 정도까지 접근하면서 나노급 기술에 이르게 되었다.
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〈그림 9.〉초정밀 가공기계 구성품
현재 초정밀 가공은 전자, 정밀기계, 산업기계 등 민생용 기기의 부품으로부터 항공우주, 방위산업 등 국가전략산업용 부품에까지 폭넓게 응용되고 있다. 따라서 요구되는 형상도 점차로 다양화되어 원통, 디스크 등 비교적 단순한 형상으로부터 방물면, 액시컨 등의 복잡한 비구면 형상에 이르고 있다.
현재 국내업계에서는 최초로 위치와 속도를 제어할 수 있는 초정밀 제어용 선형 서보시스템이 개발되었다. 선형서보시스템은 공작기계, 공장자동화시스템, 반도체 제조장비 등 주로 정밀기기에 사용되는 차세대 초정밀 제어용 서보시스템으로 현재 미국, 일본, 독일 등 일부선진국만 보유하고 있는 최첨단 제어기술이다. 선형서보시스템은 초정밀 위치검출센서를 장착, 1미크론(1백만분의 1미리) 이하를 정밀 가공할 수 있는 등 현재 일반적으로 사용하고 있는 교류 형 서보시스템보다 정밀도가 2배 이상 우수하다.
제4장 초정밀 가공 기술의 발전 동향
가공에 요구되고 있는 단위는 분자의 크기수준으로 되어 가고 있으며, 앞으로는 현재의 가공법에 의한 기술수준을 높이는 것만이 아니라, 새로운 가공법을 개발할 필요가 있다고 생각된다. 또 더욱 고정도화를 위하여 nm, Å 수준의 정확한 측정기술이 필요하게 되며, nm, Å 수준의 운동정도를 갖는 요소기술이 필요하게 된다.
슬라이드 테이블이나 주축 등, 운동요소의 정밀도를 추구하고, 또 툴링장치, 공구위치 검출장치, 형상측정기를 온 머신화함으로 작업효율이좋은 기계를 개발하고 있는 도중에 그것을 상회하는 수준의 초정밀 요소기술, 측정기술 및 가공기술을 요망하고 있는 예가 많다.
가공정도에서 요구하는 단위는 분자크기의 수준으로 나노, 더 나아가 펨토(femto)와 테라(tera)의 단위가 등장하고 있으며, 앞으로는 현재의 가공법의 기술수준을 높이는 것만이 아니라, 더 한 층 높은 수준의 새로운 가공법을 개발해 가야 할 것이다. 고정 밀도화를 위하여 nm, Å 수준의 정확한 측정기술이 필요하고, nm, Å 수준의 운동정밀도를 갖는 요소기술이 필요하게 된다는 내용의 자료이며, 회전운동의 초정밀도를 유지확보하기 위하여 회전축지지 베어링에 액압 베어링의 활용사례는 새로운 기술이라 판단된다.
초정밀 가공기계를 개발함에 있어 해결해야 할 문제로는, 슬라이드 테이블 이송시의 진직도의 확보이다. 보통은 리드 스크루나 볼 스크루를 이용한 이송 시스템을 적용하고 있으나 이의 이송 시스템은 10nm 정도 이상의 오차를 가지고 있으므로 초정밀기로서는 만족할 수 없다. 그러나 흡인력을 발생하지 않는 선형전동기를 사용하므로 오차 발생을 최소화 할 수 있었다는 사례와, 그밖에 회전정도의 향상 사례, 열변위에 대한 대책안과, 온 머신 측정시스템의 도입, 날 끝 선단 R이 0.1μm의 단결정 다이아몬드 바이트를 개발 절삭에 활용하는 등, 가공기술의 나노 테크놀로지를 실현시킨 사례들이라 하겠다.
초정밀 가공기술은 기존의 가공 범위와 다른 초소형, 초정밀 부품을 그 가공의 대상으로 하고 있으므로 기존의 장비가 아닌 새로운 개념의 장비 및 금형, 가공 재료, 청정 환경 등을 요구하기도 한다. 또한 어느 한가공법만이 아닌 여러 가지 가공법에 대한 공정이 있을 수 있고, 필요시 여러 가공법을 복합적으로 사용해야 할 필요도 있다. 그리고 고급기술들만 개발할 필요가 있는 것이 아니고, 기존에 보편화된 기술들과 고급 기술들을 잘 결합하여 사용할 필요가 있다.
우리나라의 경우 전기, 전자, 통신과 관련된 초소형, 초정밀 부품의 경우, 생산 기술의 부족으로 대부분을 미국, 일본 등 외국에서 수입하고 있는 실정인데, 마이크로 가공 기술에 관하여 더 활발한 연구가 이루어져서, 생산 기술의 자립과 함께 초소형, 초정밀 부품의 수입대체 및 수출을 통한 국가 경쟁력의 확보가 필요하다 이러한 초정밀 가공을 실현하기 위해서 초 정밀급의 공작기계가 뒷받침되어야 한다.
현재의 초정밀 공작기계 시장은 생산성을 지향한 고속가공, 제품정도를 높이기 위한 초정밀 공작기계의 정밀도 향상 등이 요구되고 있다. 초정밀 공작기계의 개발로 인해서 의료분야, 정보 통신 분야 등 다양한 분야에서 획기적인 기술혁신이 이루어지고 있다. 또한 소재 기술 및 고정도 가공기술 개발을 통하여 기능성 부품 및 마이크로 금형 가공이 가능해졌다. 이러한 마이크로 공작기계기술은 향후 우주, 항공 및 군사분야에서 폭넓게 적용될 것이다.
참 고 문 헌:
1. S&T information analysis - kisti.or.kr - 초정밀 가공기술 개발 동향(박몽주)
2. S&T information analysis - kisti.or.kr - 초음파 가공기술 동향(김정두)
3. resest.re.kr - 초정밀 가공에서 다이아몬드공구와 사용법(정현갑)
4. reseat.re.kr - 초정밀 가공기의 과제와 대응(정현갑)
5. reseat.re.kr - 레이저 가공 기술의 현황과 장래(김원호)
6. 대한 기계학회 2001년 추계 학술대회 논문집 - 초정밀 가공기술(현동훈)