The production of micro components is one of the leading technologies in the fields of information and communiation, medical and biotechnology, and micro sensor and micro actuator system. Microfabrication (micromachining) techniques such as X-ray lithography, electroforming, micromolding and excimer...
The production of micro components is one of the leading technologies in the fields of information and communiation, medical and biotechnology, and micro sensor and micro actuator system. Microfabrication (micromachining) techniques such as X-ray lithography, electroforming, micromolding and excimer laser ablation are used for the production of micro components out of silicon, polymer and a limited number of pure metals or binary alloys. However, since the first development of microfabrication technologies there have been demands for the cost-effective replication in large scale series as well as the extended range of available material. One such promising process is micro powder injection molding (PIM), which inherits the advantages of the conventional PIM technology, such as low production cost, shape complexity, applicability to many materials, applicability to many materials, and good tolerance. This paper reports on a fundamental investigation of the application of W-Cu powder to micro metal injection molding (MIM), especially in view of achieving a good filling and a safe removal of a micro mold conducted in the experiment. It is absolutely legitimate and meaningful, at the present state of the technique, to continue developing the micro MIM towards production processes for micro components.
The production of micro components is one of the leading technologies in the fields of information and communiation, medical and biotechnology, and micro sensor and micro actuator system. Microfabrication (micromachining) techniques such as X-ray lithography, electroforming, micromolding and excimer laser ablation are used for the production of micro components out of silicon, polymer and a limited number of pure metals or binary alloys. However, since the first development of microfabrication technologies there have been demands for the cost-effective replication in large scale series as well as the extended range of available material. One such promising process is micro powder injection molding (PIM), which inherits the advantages of the conventional PIM technology, such as low production cost, shape complexity, applicability to many materials, applicability to many materials, and good tolerance. This paper reports on a fundamental investigation of the application of W-Cu powder to micro metal injection molding (MIM), especially in view of achieving a good filling and a safe removal of a micro mold conducted in the experiment. It is absolutely legitimate and meaningful, at the present state of the technique, to continue developing the micro MIM towards production processes for micro components.
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문제 정의
그러나, 최근에는 금속분말사출성형이나 세라믹 분말사출성형 기술을 이용하여 다양한 재료로 마이크로 부품을 제조하고자 하는 연구가 진행과정에 있다.9,10) 본 연구에서는 우수한 열적, 전기적 특성으로 미소전자부품의 패키징 혹은 하우징(housing) 재료로 주목 받고 있는 W-Cu 복합재료를11,12) 마이크로 금속사출 성형기술을 응용하여 마이크로 구조물을 제조하기 위한 예비실험을 행하였다. LIGA 공정으로 제조된 PMMA 희생금형을 이용한 마이크로 금속사출성형 기술의 응용 가능성을 확인하는 관점에서 최적의 사출성형조건과 희생금형의 제거 방법에 따른 성형체의 형태 안정성에 관한 기초 자료를 얻고자 하였다.
9,10) 본 연구에서는 우수한 열적, 전기적 특성으로 미소전자부품의 패키징 혹은 하우징(housing) 재료로 주목 받고 있는 W-Cu 복합재료를11,12) 마이크로 금속사출 성형기술을 응용하여 마이크로 구조물을 제조하기 위한 예비실험을 행하였다. LIGA 공정으로 제조된 PMMA 희생금형을 이용한 마이크로 금속사출성형 기술의 응용 가능성을 확인하는 관점에서 최적의 사출성형조건과 희생금형의 제거 방법에 따른 성형체의 형태 안정성에 관한 기초 자료를 얻고자 하였다.
본 연구에서는 금속분말사출성형 기술을 이용하여 W-Cu 마이크로 부품을 제조하기 위한 기초실험을 행하였다. 마이크로 금속사출성형에서 최적의 사출성형 조건과 PMMA 희생금형의 제거 방법에 따른 성형체의 형태 안정성에 관하여 조사하였다. 마이크로 금형에 W-Cu 장입재료를 완전히 충진시킬 수 있는 사출 공정은 장입재료 온도가 125℃ 일 때 100℃ 이상의 실린더 온도와 40 MPa의 성형압이었다.
본 연구에서는 금속분말사출성형 기술을 이용하여 W-Cu 마이크로 부품을 제조하기 위한 기초실험을 행하였다. 마이크로 금속사출성형에서 최적의 사출성형 조건과 PMMA 희생금형의 제거 방법에 따른 성형체의 형태 안정성에 관하여 조사하였다.
가설 설정
그림 3은 마이크로 금속사출성형에서 성형체의 이형공정을 3가지로 분류한 것을 나타낸 것이다.9) 기계적 이형은 마이크로 금형을 재사용할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그러나 마이크로 구조물에 손상을 주지 않고 금형과 다이를 기계적으로 분리하여 성형체를 얻는 것은 거의 불가능하다.
제안 방법
반면에 금형을 용매에 녹여 내거나 고온에서 열분해 시켜서 금형을 분리할 수 있다면 결함 없는 마이크로 구조물을 얻을 수 있는 가능성은 높아질 것이다. 본 연구에서는 마이크로 금속 사출성형한 후 성형체와 희생금형의 이형은 핀셋을 이용한 기계적 방법, 수평 관상로에서 열분해 방법, 아세톤에 녹여내는 화학적 방법으로 행하였다.
대상 데이터
W-30 wt.%Cu 분말과 결합제의 혼합은 기존 W-Cu 합금계에 적용된13) 폴리에틸렌계의 다성분 결합제(30% Polyethylene + 45% Paraffin Xax + 15% Bees Wax + 10% Stearic Acid)를 사용하여 혼합하였다. 마이크로 금속사출성형의 희생금형은 LIGA 공정으로 제조한 고종횡비를 갖는 마이크로 각주 플라스틱 구조물이었다.
W-Cu 혼합분말은 상용 초미립 W 분말을 이용하여 3차원 저에너지 볼밀링 방법으로 제조하였다. W 분말은 대한중석의 평균입도 0.
이론/모형
마이크로 금속사출성형의 희생금형은 LIGA 공정으로 제조되었다. 여기서, LIGA 공정이란 독일 칼수루헤 원자핵연구소에서 우라늄 동위원소를 분리하기 위해 홈 노즐(slot nozzle)을 제작하는 과정에서 처음으로 개발되었던 공정으로 싱크로트론 방사광(synchrotron radiation)을 이용해 상대적으로 두꺼운 X-ray 감광재에 필요한 패턴을 노광, 현상한 후 전해주조, 성형을 통해 3차원 구조물을 제작하는 것이다.
성능/효과
8) 또한 소결 후 표면의 조도를 고려한다면 되도록이면 마이크로 금속사출성형을 위한 분말은 그 입자크기가 미세할수록 좋다.6) 둘째로 성형은 고종횡비(high aspect ratio)의 복잡한 형상의 금형내 공간을 완전히 충진시켜야 한다. 필요에 따라서 플라스틱 마이크로 사출성형에 응용되고 있는 진공사출공정(vacuum injection process; 금형 공간 내의 공기를 빼내고 진공상태에서 사출성형하는 공정)이 도입될 수도 있다.
마이크로 금형에 W-Cu 장입재료를 완전히 충진시킬 수 있는 사출 공정은 장입재료 온도가 125℃ 일 때 100℃ 이상의 실린더 온도와 40 MPa의 성형압이었다. PMMA 희생금형으로 금속사출성형된 마이크로 부품의 이형은 열분해 방법으로 제거하는 것 보다는 아세톤을 이용하여 PMMA를 녹여내는 것이 우수한 이형결과를 나타내었다.
필요에 따라서 플라스틱 마이크로 사출성형에 응용되고 있는 진공사출공정(vacuum injection process; 금형 공간 내의 공기를 빼내고 진공상태에서 사출성형하는 공정)이 도입될 수도 있다. 셋째로 사출성형체의 이형은 마이크로 금형 표면적의 급격한 증가로 마찰력이 증가하여 매우 어려우며, 물리적 이형과정에서 마이크로 부품의 손상이 쉽게 일어날 수 있다. 이러한 점에서 마이크로 금속사출성형의 이형공정이 플라스틱 희생금형 (lost mold)을 사용함으로써 열적, 화학적 분해과정으로 이루어진다면 마이크로 구조물을 안전하게 얻을 수 있을 것이다.
그림 4는 125℃에서 혼합된 장입재료를 각각 75, 100, 125℃의 실린더에서 40 MPa의 일정한 압력으로 사출성형한 후 마이크로 금형을 핀셋을 이용하여 물리적으로 이형한 후 W-Cu 각주 배열을 형태를 나타내는 사진이다. 실린더의 온도가 75℃일 때는 마이크로 금형에 W-Cu 장입재료의 균일하고 완전한 충진이 불가능하였으나 장입재료의 점도, 즉 유동성이 유지될 수 있는 100℃ 이상의 실린더의 온도에서 완전한 충진이 가능하였다. 즉, 500 ㎛ 높이의 각주 마이크로 금형에 W-Cu 장입재료를 완전히 충진 시킬 수 있는 사출공정은 장입재료 온도가 125℃ 일 때 100℃ 이상의 실린더 온도와 40 MPa의 성형압이었다.
실린더의 온도가 75℃일 때는 마이크로 금형에 W-Cu 장입재료의 균일하고 완전한 충진이 불가능하였으나 장입재료의 점도, 즉 유동성이 유지될 수 있는 100℃ 이상의 실린더의 온도에서 완전한 충진이 가능하였다. 즉, 500 ㎛ 높이의 각주 마이크로 금형에 W-Cu 장입재료를 완전히 충진 시킬 수 있는 사출공정은 장입재료 온도가 125℃ 일 때 100℃ 이상의 실린더 온도와 40 MPa의 성형압이었다. 그리고, 마이크로 구조물을 물리적으로 금형에서 이형시키는 것이 쉽지 않아 대부분의 마이크로 각 주가 금형에 붙어서 이형되어 일부만 남아 있는 것을 알 수 있다.
후속연구
이는 사출성형 과정에서 각주 금형 끝부분에 공기가 갇혀서 일어날 수 있는 현상으로 판단된다. 마이크로 플라스틱 금속 사출성형 기술에 응용되는 진공사출성형 기술을 이용한다면 금형내 갇힌 공기에 의한 불완전한 충진을 해결할 수 있을 것이다.
셋째로 사출성형체의 이형은 마이크로 금형 표면적의 급격한 증가로 마찰력이 증가하여 매우 어려우며, 물리적 이형과정에서 마이크로 부품의 손상이 쉽게 일어날 수 있다. 이러한 점에서 마이크로 금속사출성형의 이형공정이 플라스틱 희생금형 (lost mold)을 사용함으로써 열적, 화학적 분해과정으로 이루어진다면 마이크로 구조물을 안전하게 얻을 수 있을 것이다.9) 이와 더불어 사출성형체의 형태 안정성을 위하여 상대적으로 높은 강도를 부여할 수 있는 결합제 시스템이 요구된다.
무너지지 않은 W-Cu 각주 배열도 열분해로 이형 및 결합제 제거가 동시에 일어났기 때문에 각각의 각주 가장자리가 불완전한 형상을 나타내고 있다. 즉, 열분해를 통한 플라스틱 금형의 제거는 PMMA의 열분석을 결과와 기존 결합제 열분석 결과를 함께 고려하여 새로운 이형 및 결합제 제거 공정을 통하여 가능할 것이다. 현재 열분해 공정에 대한 실험을 진행하고 있다.
참고문헌 (13)
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D. W. L. Tolfree: Microsystem Technologies, 4 (1998) 51.
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Frank Petzoldt, Matthias Knuwer, Karl-Heinz Wichmann and Nicola De Cristofaro: Adv. in powder Metall. & Particulate Mater.-2000, New Orleans, 4 (2001) 4-118.
S. W. Kim, J. S. Ryu and I. H. Moon: Adv. in powder MetalI. & Particulate Mater.-2000, New York, 4 (2000) 4-101.
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