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문제 정의
- 분석하였다. 또한 노즐의 형상을 변화 시켜 도출된 다양한 연구결과(22)를 참고로 자체 제작된 분사노즐의 분무특성을 분석하고 에칭 특성을 예상함으로써 미세 가공 산업에서 습식 에칭 기술의 근본적 인 이 해와 에 칭 특성 향상에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 분사조건에 따른 에칭특성과 분무 특성의 상관관계를 분석하고 노즐 내부의 스월러각과 스월실 형상비 변화에 따른 분무 특성을 분석하여 에칭특성에 미치는 영향을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 에칭조건의 변화에 따라 구한 에칭계수와 분사조건 변화에 따라 PDA(Phase Doppler Anemometer) 시스템을 사용하여 분석한 분무특성인 속도, 액적크기, 충격력의 상관관계를 분석하였다. 또한 노즐의 형상을 변화 시켜 도출된 다양한 연구결과(22)를 참고로 자체 제작된 분사노즐의 분무특성을 분석하고 에칭 특성을 예상함으로써 미세 가공 산업에서 습식 에칭 기술의 근본적 인 이 해와 에 칭 특성 향상에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
- 측정하였다. 또한 분무 축방향으로 150, 200, 250, 300mm의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경 방향으로 분무액적이 도달하는 위치까지 측정하였으며 분사압력은 0.3 및 0.4 MPa로 하였다. 액적의 크기는 SMD(sauter Mean Diameter)인 D로 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 에칭특성 분석을 위한 실험 장치의 구성은 설계 시스템, 정면 및 코팅 시스템, 노광 시스템, 현상 시스템, 에칭 시스템, 박막 및 수세 시스템으로 구분된다.
- 마스터 패턴은 설계 스페이스 선폭이 20网이고 160/m의 피치로 동일한 패턴군을 형성하도록 제작되었다. 분무에칭시 분사압력은 0.3 및 0.4聪로 하였고 에칭용액의 온도는 50C로 하였으며 노즐팁으로부터 시편까지의 수직거리인 선단거리는 각각 150, 200, 250, 300mm로 하였다. 에칭이 끝난 시료의 에칭된 선폭과 깊이를 3차원 광학측정 장치를 사용하여 에칭계수를 구하였다.
- 분무특성 측정은 예비실험을 통해 분무의 대칭성을 확인하여 분무중심축을 기준으로 분무횡단면의 1/4 단면에 대해서 분무특성을 측정하였다. 또한 분무 축방향으로 150, 200, 250, 300mm의 횡단면에 대해 분무중심으로부터 반경 방향으로 분무액적이 도달하는 위치까지 측정하였으며 분사압력은 0.
- 실험장치의 구성은 분사 시스템, PDA 시스템으로 구성된다. 분사시스템은 분사노즐, 압력계, 레귤레이터, 대형수조, 정수필터, 분사압력 조절을 위한 밸브 등으로 구성되어 있으며 펌프와 대형 수조를 배관으로 연결하여 순환식으로 작동 유체를 공급하도록 설치하였다. PDA 시스템에서 레이져는 Ar-ion 레이져(최대출력 5W)가 사용되었고 실험시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리가 400mm인 송광부와 수광부, 신호처리기, 3차원 이송장치, 컴퓨터 등으로 이루어져 있다.
- 4聪로 하였고 에칭용액의 온도는 50C로 하였으며 노즐팁으로부터 시편까지의 수직거리인 선단거리는 각각 150, 200, 250, 300mm로 하였다. 에칭이 끝난 시료의 에칭된 선폭과 깊이를 3차원 광학측정 장치를 사용하여 에칭계수를 구하였다.
대상 데이터
- 분사시스템은 분사노즐, 압력계, 레귤레이터, 대형수조, 정수필터, 분사압력 조절을 위한 밸브 등으로 구성되어 있으며 펌프와 대형 수조를 배관으로 연결하여 순환식으로 작동 유체를 공급하도록 설치하였다. PDA 시스템에서 레이져는 Ar-ion 레이져(최대출력 5W)가 사용되었고 실험시 사용출력은 2W로 하였으며 초점거리가 400mm인 송광부와 수광부, 신호처리기, 3차원 이송장치, 컴퓨터 등으로 이루어져 있다.
- 노즐 제작시 재료로는 내피로성, 강인성, 내마모성 등의 우수한 특징을 지니고 있는 폴리 아세탈을 사용하였고 노즐은 밀링머신(NCHVN-85FO) 으로 제작하였다.
- 마스터 패턴은 설계 스페이스 선폭이 20网이고 160/m의 피치로 동일한 패턴군을 형성하도록 제작되었다. 분무에칭시 분사압력은 0.
- 에칭용액으로는 염화 저}2철 용액이 사용되었으며 두께 150 四의 니켈합금 동박판을 시편으로 사용하였다. 마스터 패턴은 설계 스페이스 선폭이 20网이고 160/m의 피치로 동일한 패턴군을 형성하도록 제작되었다.
- 액적의 크기는 SMD(sauter Mean Diameter)인 D로 나타내었다. 작동유체는 상온수로서 실험동안 일정한 온도로 유지하여 사용하였으며, 측정값은 측정체적을 통과한 5000개 액적의 평균값으로 하였다.
성능/효과
- (1) 에칭계수는 분사압력이 높고 선단거리가 짧을수록 높게 나타나며 이러한 경우의 분무 특성은 분무 횡단면의 축방향 속도 및 충격력의 평균값이 크게 나타나는 경향으로 에칭계수와 양의 상관관계를 나타내었다.
- (2) 노즐 내부의 스월러각이 작을수록 분무각은 감소하였고 축방향 속도 및 충격력이 증가하였으며 SMD는 스월러각에 대한 영향이 비교적 작았다.
- 예상된다. (4) 스월실 형상비 변화에 따른 분무특성은 상대적으로 미소한 차이를 나타내므로 스월실 형상비 변화를 통한 에 칭계수의 향상 면에서는 큰 효과가 없을 것으로 예상된다.
- Fig. 11의 (a) 에서 축방향 속도는 스월실 형상비가 작은 노즐의 경우에 축방향 속도가 큰 범위에 분포하는 액적들의 확률이 높고 작은 범위에 분포하는 액적들의 확률이 낮은 경향으로서 스월실 형상비가 큰 노즐에 비해 축방향 속도가 크다는 것을 알 수 있다. Fig.
- 4 购일 때 분무형상 및 분열과정을 대표적으로 가시화한 것이다. A3 노즐의 분무각이 큰 것으로 보아 스월러각이 클수록 분무각이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 이것은 노즐내부의 스월러각이 클수록 분무액적의 반경방향 모멘텀이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 4 MPa이고 선단거리가 200 mm일 때 노즐내부의 스월러각 변화에 따른 축 방향 속도와 SMD를 스월실 형상비 별로 반경 방향 거리에 따라 나타낸 것이다. 각 노즐들에 있어서 축방향 속도의 전체적인 경향은 분무 중심부에서 최대값을 가지고 분무외각으로 갈수록 축 방향 속도가 감소하는 경향이었다. 또한 스월러각이 감소할수록 축방향 속도가 증가하는 경향이었고, 이것은 노즐내부의 스월러각이 작을 수록 분무액적의 축방향 모멘텀이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 이러한 습식에 칭기술로서 생산되는 제품의 품질 및 생산성에 영향을 주는 에칭특성을 좌우하는 주요인자로는 파이프의 배열 및 분사노즐의 배열, 노즐의 종류 등과 관련된 에칭시스템과 분사압력, 선단거리, 요동각도 및 속도 등과 관련된 분사조건 및 에칭 용액의 비중, 온도, 점도, 조성 등이 있다. 따라서 에칭 공정에서는 에칭시스템과 분사조건 및 에칭 용액의 물성치에 따라 분사되는 분무액적들의 속도, 크기, 충격력 등의 분무특성은 다르게 나타나며 이는 미세가공 제품의 품질 및 생산성을 좌우하는 에칭특성에 영향을 미칠 것이라고 예상할 수 있다. 따라서 습식 에칭 기술력 향상을 위해서는 이러한 분무특성과 에칭특성의 상호 연관성에 대한 근본적인 이해 및 응용이 필요하다.
- 전체적인 SMD경향은 분무 중심부에서 SMD 가 작고 분무외각으로 갈수록 SMD가 증가하는 경향이다. 또한 각각의 스월 실형 상비별로 스월러각에 따른 SMD차이는 일정한 경향을 나타내지 않았으며 SMD의 차이도 거의 나타나지 않아 스월러각의 변화는 SMD에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
- 각 노즐들에 있어서 축방향 속도의 전체적인 경향은 분무 중심부에서 최대값을 가지고 분무외각으로 갈수록 축 방향 속도가 감소하는 경향이었다. 또한 스월러각이 감소할수록 축방향 속도가 증가하는 경향이었고, 이것은 노즐내부의 스월러각이 작을 수록 분무액적의 축방향 모멘텀이 증가하기 때문으로 사료된다. 각각의 스월실 형상비별로 스월러각이 76.
- 4는 산업용 스월노즐로 분사압력과 선단 거리별로 시료의 편면에 대해서 에칭 했을 때 1/4에칭 횡단면의 각 측정지점의 에칭계수를 산술평균한 값을 나타내고 있다. 에칭 계수 평균값은 분사압력이 높은 경우에 크게 나타나고, 선단 거리가 증가할수록 감소하였다. 이러한 현상은 높은 분사압력의 경우와 선단거리가 짧은 단면에서 노즐에서 분사되는 에칭용액의 분열된 액적들의 운동량이 크기 때문에 시료의 횡단면에 미치는 에칭효과가 커지고 이것은 에칭 된 후의 에칭 용액이 좀 더 원할한 유동으로 인해 빨리 새로운 에칭 용액으로 대체되어 횡방향 에칭보다는 수직 방향의 에칭을 촉진시키기 때문으로 사료된다.
- 이상으로 보아 분무 에 칭조건에 따라 에 칭계수가 증감한다는 것을 알 수 있으며 이러한 분무 에칭 조건에 따라서는 분무액적들의 특성인 유속, 액적크기, 충격력이 차이가 나게 되므로 에칭 계수는 이러한 분무특성과 상관관계를 가질 것으로 사료된다.
- 이것은 분사압력이 높고 선단 거리가 짧은 경우와 분무중심에서 상대적으로 축 방향 속도가 크고 또한 액적의 수밀도가 커서 단위 시간당 측정체적을 통과하는 액적의 개수인 액적취득율이 증가하여 샘플링시간이 감소하기 때문으로 사료된다. 이상을 종합하여 볼 때 에칭 특성인 에칭계수와 분무특성과의 관계를 분석하면 에칭 계수는 분사압력이 높고 노즐팁 으로부터의 선단거리가 짧을수록 높게 나타나며 이러한 경우의 분무 특성은 횡단면의 축방향 속도 및 충격력의 평균값이 크게 나타나는 양의 상관관계를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 또한 실제 에칭 용액과 상온 수와는 유체의 물성치 면에서 차이가 있으므로 상온수로 분무특성을 즉정한 결과를 에칭 특성과 연관시키는 것은 정확한 상관관계를 도출하기가 어렵다고 사료되나 Jung 등°)의 연구에 따르면 실제 에칭용액의 점도와 밀도에 근접한 유사 유체로 분무특성을 측정한 결과 상온수에 비해 각각의 측정지점에서 축방향 속도는 작고 액적 크기는 큰 경향이었으나 분무반경방향으로의 분무 특성 경향성이 거의 유사하였으므로 상온수로 측정된 분무특성으로 에칭특성과의 상관관계를 분석하였다.
- 11의 (c)에서 충격력도 액적 크기와 유사하게 노즐별로 차이가 분명하지 않다는 것을 확인할 수 있다. 전술한 스월러각 변화에 따른 분무 특성은 스월러각이 크고 작음에 따라 분무 특성에 확연한 차이가 나타나는데 비해 스월실 형상비 변화에 따른 분무특성은 상대적으로 미소한 차이를 보이는 것으로 보아 스월실 형상비 변화를 통한 에칭계수의 향상 면에서는 큰 효과가 없올 것으로 사료된다.
- 이는 노즐내부의스월러각이 클수록 분무액적의 반경방향 모멘텀이 증가하기 때문에 분무중심과 분무외곽의 축 방향 평균속도의 차이가 상대적으로 적게 발생하기 때문으로 사료된다. 전체적인 SMD경향은 분무 중심부에서 SMD 가 작고 분무외각으로 갈수록 SMD가 증가하는 경향이다. 또한 각각의 스월 실형 상비별로 스월러각에 따른 SMD차이는 일정한 경향을 나타내지 않았으며 SMD의 차이도 거의 나타나지 않아 스월러각의 변화는 SMD에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
후속연구
- (3) 노즐 내부의 스월러각을 작게 하여 충격력을 높이 는 노즐을 설겨】, 제작 한다면 에 칭계수를 향상시킬 수 있는 방안이 될 것으로 예상된다. (4) 스월실 형상비 변화에 따른 분무특성은 상대적으로 미소한 차이를 나타내므로 스월실 형상비 변화를 통한 에 칭계수의 향상 면에서는 큰 효과가 없을 것으로 예상된다.
- 5。인 경우에 충격력이 가장 큰 값을 나타내고 있다. 따라서 전술한 에칭특성과 분무 특성의 상관관계에서 충격 력 이 큰 경우에 에 칭계수가 높게 나타나는 경향으로 보아 노즐 내부의 스월러각을 작게 하여 충격력을 높이는 노즐을 설겨】, 제 작 한다면 에 칭계수를 향상시 킬 수 있는 방안이 될 것으로 예상된다.
- 습식 에칭기술은 생산성, 원가, 정밀도면에서 유리한 점이 많으므로 향후에도 지속적으로 미세가공 기술로서 사용될 것이다. 이러한 습식에 칭기술로서 생산되는 제품의 품질 및 생산성에 영향을 주는 에칭특성을 좌우하는 주요인자로는 파이프의 배열 및 분사노즐의 배열, 노즐의 종류 등과 관련된 에칭시스템과 분사압력, 선단거리, 요동각도 및 속도 등과 관련된 분사조건 및 에칭 용액의 비중, 온도, 점도, 조성 등이 있다.
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