[정밀가공]마이크로 가공

 마이크로 가공의 정의와 종류에 대해 설명하겠습니다. 마이크로머신센터 표준화위원회가 제정한 마이크로/나노 가공 또는 미세가공의 정의는 '가공방법 중에서 피가공물의 두께 방향 치수와 가공 면의 횡방향 치수가 모두 미세하고 정밀한 가공'을 의미합니다. 일부에서는 '500㎛ 이하 정밀도를 가진 가공을 마이크로가공' 이라고 하기도 합니다. 최소 가공치수를 가공분해능이라고 하며, 정밀가공 분야에서 일반적으로 종합가공정도를 가공변수로 채택합니다. 종합가공정도는 편향오차(정확도)와 격차오차(정밀도)의 합, 즉 허용공차를 의미합니다. 일반적으로 가공분해능은 정확도 폭 σ를 초과하지 않고, 초정밀 가공한계는 1nm 이하로 정합니다. 이것은 수치제어 EEM(Elastic Emission Machining) 또는 ELID(Electrolytic In-process Dressing) 마이크로연삭에 의해 실용화되었습니다.

 마이크로/나노 가공의 종류로는 2차원적 가공과 3차원적 가공과 같은 두 가지가 있습니다. 예로 포토리소그래피는 2차원적 가공이므로 2차원 가공분해능을 가지며, 광조형법은 3차원 가공분해능을 가집니다.

 2차원적 마이크로/나노 가공의 경우 이전에는 EB(Electron Beam) 노광 및 X선 노광에 의해 예측했지만 최근에는 극자외광(EUB, Extreme Ultra Violet) 리소그래피에 의해 예측하고 있으며, 해상방법은 달라도 예측한 해상치수의 값에는 큰 차이를 보이지 않습니다.

 무어의 법칙에 따른 미세화방법으로 성능을 향상시키는 데는 한계가 있는데 이를 극복하기 위해 변형효과의 이용 또는 소자구조의 3차원화 방법에 MEMS 기술을 접목하여 다기능화에 의한 디바이스의 다양화를 시도하고 있습니다. 또 이러한 2차원적 마이크로/나노 가공 분야에서 대표적 공정인 나노 임프린트(nanoimprint)에서는 금속유리, 비결정질 합금, 기능성유리 등 다양한 재료를 금형과 전사재료에 적용하기 위해 개발 중에 있습니다.

 새로운 미세가공으로는 펨토초 레이저(femto second laser)에 의한 초경합금의 미세가공, SiC(Silicon Carbide), DLC(Diamond-like Carbon) 등 주기구조(periodic structure) 제작에 의한 기능표면 형성공정, 평균 입자 직경 5nm 정도의 은(Ag) 나노입자를 레이저로 소결하는 공정 등이 있습니다. 이처럼 새로운 재료와 그 가공방법의 상호보완적 발전에 의해 원자수준의 미세가공이 가까운 장래에 실현될 것으로 전망되고 있습니다.

 다음은 3차원적 마이크로/나노 가공에 대해 설명하겠습니다. 3차원적 마이크로/나노 가공의 광조형법(stereolithography)은 다양한 유사기술의 탄생과 함께 수십년 동안 빠르게 발전했습니다. 한 예로, FIB(Focused Ion Beam)를 이용한 3차원 리소그래피와 2광자 마이크로 광조형법에서는 수 nm로부터 수십 nm 수준의 가공분해능을 달성했습니다. 이러한 광조형법 유사기술은 더욱 미세화하고 부품이나 시스템에 활용하기 위하여 단위시간당 생산량을 증대할 필요가 있고 단위시간당 생산량을 증대하려면 광원을 복수화하거나 마스크 경사 리소그래피를 사용해야 합니다.

 또 다른 3차원적 미세가공은 기존의 기계가공, 방전가공 및 소성가공을 미세화하는 방법도 있습니다. 나노미터 수준의 3차원적 미세가공을 달성하려면 먼저 재료를 미세화해야 합니다. 구체적인 예로 입자직경 70nm 이하의 초미세 텅스텐 카바이드(WC) 분말을 이용하여 초미세 초경합금을 실용화하고 있고, 유리와의 내융착성 및 내열 특성을 가진 유기성 비결정질 합금을 이용하고 있습니다.

 

 이에 더해 초정밀 가공이라는 면에서 조금 다르게 설명을 해보면 초정밀가공법에는 일반가공, 정밀가공과 같이 초정밀가공에도 칩의 분리 또는 에칭과 같은 피가공물의 재료를 제거하는 것에 의해서 원하는 형태를 얻는 제거가공, 소재의 표면에 막을 형성하는 것에 의해서 필요한 표면의 특성을 얻는 부착가공이 있습니다. 초정밀제거가공에는 다이아몬드 단인공구에 의한 초정밀절삭가공, 메카노케미칼 폴리 싱에 의한 초정밀연마가공이 있고, 초정밀부착가공에는 전자 빔 증착, 플라즈마 CVD(chemical vapour deposition) 등이 있습니다. 이러한 초정밀 가공기술을은 공작기계를 통해 실현됩니다. 공작기계를 통해 초정밀 가공을 할 수 있으려면 수 많은 원천기술이 뒷받침되어야 하며, 여러 요소들이 복합적으로 충족되지 않으면 할 수 없는 일입니다. 이러한 요소들 중 주축의 회전속도, 온도와 습도 같은 작업환경조건 등에 대해 설명을 조금 더 해보겠습니다.

 초정밀 가공을 위해서는 주축의 회전속도가 중요합니다. 초고속 주축이 아니면 정밀도를 높이는 데에 한계가 있기 때문입니다. 하지만 단순히 주축의 회전수만 중요한 것은 아니고 주축 회전속도 보다는 주축이 고속으로 회전하더라도 축을 중심으로 흔들림 없이 회전하는 것이 더욱 중요합니다. 주축의 중심이 흔들리게 되면 그만큼 공구 끝과 가공물이 닿는 부분이 일정하지 않게 되기 때문입니다.

 

 마이크로미터에서 나노미터 정도의 초정밀 가공을 하기 위해서는 온도와 습도 같은 작업환경조건 또한 뒷받침되어야 합니다. 외부환경의 작은 변화에도 초정밀 가공에는 많은 영향을 받습니다. 실제로 1미터 길이의 스틸은 온도 1도 상승할 때 12 마이크로미터 늘어난다고 합니다. 눈에는 보이지 않지만 초정밀 가공 에서는 엄청난 차이라 할 수 있습니다. 또한 이송계에 의한 기계 내부의 진동 뿐만 아니라 외부 진동에 견딜 수 있어야 하며, 고속 주축과 이송계에서 발생하는 열에도 강한 기계구조를 갖춰야 초정밀 가공이 가능합니다.

 다음으로는 치수 변화의 요인들입니다. 이를 제대로 관리하지 못하면 초정밀 가공은 불가능합니다. 대개 초정밀 가공기에는 2~3개의 리니어 스케일을 장착해 잘못된 가공 위치를 보정하면서 가공합니다. 리니어 스케일 장착마저 부족한 경우에는 3차원 레이저 스캐너를 장착하기도 합니다. 리니어 스케일 뿐만 아니라 주파수 변환을 이용한 정밀시간측정, 음향방출신호에 의한 온라인 표면 거칠기 측정, 3축 자기센서를 이용한 방위측정, 고분해능 신호처리 기술을 이용한 초고속 온도 측정, 초음파 온도측정 센서와 장치 등 가공 중 계측 가능 기술들은 초정밀 가공 기술 발전에 크게 기여하고 있습니다.

 자동으로 고속 고정밀도 가공을 실시할 때는 공구 위치를 정확히 제어하는 것이 중요합니다. 이를 위해 앞서 언급했듯이 공구 길이를 계측하는 리니어 스케일 또는 운전 중주축 단을 계측 감시하는 시스템을 적용해야 합니다. 자동 초고속 가공을 위해서는 NC 제어가 중요하고 초정밀 절삭가공에서는 NC제어 설정단위와 CAM설정단위가 중요한 변수가 됩니다.