[논문]마이크로 금속분말사출성형 기술

김순욱; 류성수; 백응률

doi:10.4150/kpmi.2004.11.2.179

마이크로 금속분말사출성형 기술
Micro Metal Powder Injection Molding Technology 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.11 no.2, 2004년, pp.179 - 185

김순욱 ((주)하이닉스반도체 시스템IC 연구소) , 류성수 ((주)삼성전기 전자소자사업) , 백응률 (영남대학교 재료금속공학부)

초록
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통상적인 금속분말의 성형은 분말야금 공정으로 이루어지기 때문에 복잡한 형상의 부품을 구현하는 데는 제약이 있다. 하지만, 1970년대 후반 이래 새로운 금속분말의 성형기술로 크게 각광을 받으며 연구되고 있는 금속분말사출성형(Metal Powder Injection Molding, MIM) 기술을 이용하면 다양한 형태의 부품을 성형할 수 있다 최근에는 이러한 MIM 기술을 이용하여 다양한 산업분야에 응용될 수 있는 마이크로 부품을 제조하고자 하는 연구개발이 주목받고 있다./sup 1)/ 현재까지는 마이크로 부품을 제조하는 원천기술이 반도체 공정기술이나 마이크로 기계가공기술에 크게 의존하고 있다./sup 2,3)/ 특히, 경제적 효용성이라는 관점에서 수 마이크로 이하의 극미세 구조물은 반도체 공정기술을 이용하여 성형하는 것이 유리하며, 1㎜의 치수를 갖는 미세 구조물은 마이크로 기계가공기술로 제조하는 것이 적합하다(그림 1). 하지만, 수십 마이크로에서 수백 마이크로의 치수를 갖는 구조물 제조에 있어서 앞선 두 공정기술은 응용 재료의 종류와 복합한 형상의 대량생산에 한계가 있다. 비록 반도체 공정기술에서 박막 증착과 전기화학적 도금기술을 이용한 표면미세가공 기술에 의해 수십 마이크로 이내의 치수를 갖는 미세 구조물을 정밀하게 성형하지만,/sup 4,5,)/ 수백 마이크로 크기의 치수를 반도체공정기술로 구현하기는 곤란하다. 또한, 마이크로 기계가공기술도 높은 가공 정밀도를 유지하며 수백 마이크로 크기의 구조물을 가공할 수 있지만 복잡한 모양의 형태를 대량생산하기에는 적합하지 않다.

AI 본문요약
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문제 정의

무엇보다도 마이크로 MIM을 위해서는 마이크로 구조를 갖는 몰드 인서트(mold insert)의 제작과 이 마이크로 금형에 적합한 금속분말사출성형 공정을 확립하는 것이 중요하다. 본고에서는 마이크로 MIM에 필수적인 마이크로 몰드 인서트 제작방법과 그 제조공정의 특성 및 향후 응용발전 전망에 대해서 살펴보고자 한다.
이상에서 마이크로 MIM을 위해서 필연적으로 요구되는 마이크로 몰드 인서트의 제조기술에 관하여 간략히 살펴보았다. 다양한 응용분야에 마이크로 MIM 기술을 적용하기 위해서는 가장 적합한 마이크로 몰드 인서트를 선택하여야 한다.

가설 설정

수 있다.15) 기계적 이형은 마이크로 몰드 인서트를 재사용할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그러나 마이크로 구조물에 손상을 주지 않고 몰드 인서트를 물리적으로 분리하여 성형체를 얻는 것은 상당히 어렵다.
원료분말의 크기에 따라 마이크로 구조물의 최소 크기에 충전되는 분말의 개수가 결정되기 때문에 실제적 응용에 있어서 원료분말은 크기가 미세하면 할수록 더 좋을 것이다. 즉, 수 마이크로 크기보다는 나노크기의 분말이 마이크로 MIM에 더 적합할 것이다.

성능/효과

그림 3은 다양한 철분말의 크기에 따라 구현 가능한 고종횡비를 구조물의 종류 별로 나타낸 Rota의 연구결과이다.11) 마이크로 구조물의 모양에 관계없이 명확한 사실은 분말의 평균입도가 작을수록 더 높은 고종횡비를 구현할 수 있다는 것이다. 원료분말의 크기에 따라 마이크로 구조물의 최소 크기에 충전되는 분말의 개수가 결정되기 때문에 실제적 응용에 있어서 원료분말은 크기가 미세하면 할수록 더 좋을 것이다.
있다.2, 3) 특히, 경제적 효용성이라는 관점에서 수 마이크로 이하의 극미세 구조물은 반도체 공정기술을 이용하여 성형하는 것이 유리하며, 1mm의 치수를 갖는 미세 구조물은 마이크로 기계가공기술로 제조하는 것이 적합하다(그림 1). 하지만, 수십 마이크로에서 수백 마이크로의 치수를 갖는 구조물 제조에 있어서 앞선 두 공정기술은 응용 재료의 종류와 복합한 형상의 대량생산에 한계가 있다.
표 1은 희생몰드로 널리 사용되는 PMMA의 물성을 나타내는 것이다.9) PMMA 희생몰드는 장입재료를 사출하기 위해서 주어지는 압력과 온도 조건 아래에서 충분한 견딜 수 있는 강도와 열변형에 대한 저항성을 갖는다. 또한, 희생몰드를 완전히 녹여낼 수 있는 적절한 용매가 존재하고, 이 용매는 결합제 성분에 대해 용해도가 없어야 한다.

후속연구

그러나 마이크로 MIM 기술을 확립한다면 bottom-up 접근방식으로 마이크로 부품을 제조할 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것이다. 분말로 얻어지는 다양한 재료를 마이크로 MIM 기술에 응용하여, 가장 효율성이 좋은 방식으로 마이크로 부품을 양산한다면, 마이크로 MIM 기술은 향후 우리나라의 산업을 짊어질 기술로 우뚝 서게 될 것이다.
한다. 나노금속분말이 다기능성을 가질 수 있는 마이크로부품 형태로 성형된다면, 높은 부가가치를 창출할 수 있는 기능성 마이크로 나노소재 부품이 될 수 있을 것이다. 이러한 나노분말의 성형 및 벌크화 기술 측면에서 향후 마이크로 MIM 기술은 큰 응용잠재력을 가질 것으로 기대된다.
따라서 나노금속분말과 결합제의 혼합은 불활성 분위기로 제어가 가능한 혼합기나 글로브 박스 내에서 진행되어야 한다. 다시 말해 나노금속분말을 마이크로 MIM에 응용하기 위해서는 원료분말의 제조 및 합성뿐만 아니라 결합제와 혼합과정까지 불활성 분위기에서 일련의 연속공정으로 진행할 수 있는 기술 개발이 필수적이다. 한편, 최종 응용단계의 마이크로 성형체에서 단일성분이 아닌 복합성분의 특성이 요구될 때는 마이크로 MIM을 위한 나노복합분말이 수십 나노이하에서 매우 균일한 혼합도를 유지하여야 한다.
그러나 마이크로 MIM 기술을 확립한다면 bottom-up 접근방식으로 마이크로 부품을 제조할 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것이다. 분말로 얻어지는 다양한 재료를 마이크로 MIM 기술에 응용하여, 가장 효율성이 좋은 방식으로 마이크로 부품을 양산한다면, 마이크로 MIM 기술은 향후 우리나라의 산업을 짊어질 기술로 우뚝 서게 될 것이다.
나노금속분말이 다기능성을 가질 수 있는 마이크로부품 형태로 성형된다면, 높은 부가가치를 창출할 수 있는 기능성 마이크로 나노소재 부품이 될 수 있을 것이다. 이러한 나노분말의 성형 및 벌크화 기술 측면에서 향후 마이크로 MIM 기술은 큰 응용잠재력을 가질 것으로 기대된다.
특히, 첨단화되고 있는 다양한 산업분야의 요구, 즉 소형 경량화, 복잡 형상화, 고성능화 및 복합 기능화와 같은 요구기능을 동시에 충족시킬 수 있는 최적의 방안으로 마이크로 MIM 기술이 개발되어야 한다. 나노금속분말이 다기능성을 가질 수 있는 마이크로부품 형태로 성형된다면, 높은 부가가치를 창출할 수 있는 기능성 마이크로 나노소재 부품이 될 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

Ruprecht, R.; Gietzelt, T. etc. "Injection molding of microstructured components from plastics, metals and ceramics." Microsystem technologies : sensors, actuators, systems integration, v.8 no.4/5 (2002), pp. 351-358.
Chen, Ren-Haw, Lan, Chih-Lung. Fabrication of high-aspect-ratio ceramic microstructures by injection molding with the altered lost mold technique. Journal of microelectromechanical systems : a joint IEEE and ASME publication on microstructures, microactuators, microsensors, and microsystems, vol.10, no.1, 62-68.

상세보기
Liu, Z. Y., Loh, N. H., Tor, S. B., Khor, K. A., Murakoshi, Y., Maeda, R.. Production of micro components by micro powder injection molding. Journal of materials science letters, vol.20, no.4, 307-309.

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Rota, A.; Duong, T. V. etc. "Micro powder metallurgy for the replicative production of metallic microstructures." Microsystem technologies : sensors, actuators, systems integration, v.8 no.4/5 (2002), pp. 323-325.
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Bauer, W., Ritzhaupt-Kleissl, H.-J., Hausselt, J. H.. Slip casting of ceramic microcomponents. Microsystem technologies : sensors, actuators, systems integration, vol.4, no.3, 125-127.

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Piotter, V., Bauer, W., Benzler, T., Emde, A.. Injection molding of components for microsystems. Microsystem technologies : sensors, actuators, systems integration, vol.7, no.3, 99-102.

상세보기
Olevsky, E.A., German, R.M.. Effect of gravity on dimensional change during sintering—I. Shrinkage anisotropy. Acta materialia, vol.48, no.5, 1153-1166.

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Olevsky, E.A, German, R.M, Upadhyaya, A. Effect of gravity on dimensional change during sintering—II. Shape distortion. Acta materialia, vol.48, no.5, 1167-1180.

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