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문제 정의
- 또한, 유한요소해석기법을 적용하여 해석을 시도하였다. 마이크로 성형 공정에 대한 실제 실험결과와 유한요소해석을 통한 성형해석결 과를 비교하고 , 주요공정변수가 성 형 성 에 미치는 영향을 예측하고자 하였다. 마이크로 성형공정의 해석은 사용의 유한요소해석 프로그램인 DEFORM 을 활용하였다 .
- 본 연구에서는 Zr62Cu17Ni13Al8 벌크 비정질 합금을 이용하여 마이크로 단조실험을 수행하였으며, 미세 성형에 적합한 재료의 선택이 본 논문에서 중요한 인자임을 확인하였다. 그리고 변형률 속도의 변화를 주어 고온압축실험을 한 데이터들을 이용하여 벌크 비정질 합금의 변형거동을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 이에 본 논문에서는 Zr62Cu17Ni13Al8 벌크 비정질 합금을 소재로 자체 제작한 마이크로 단조 시스템을 사용하여 진공환경에서 마이크로 단조 실험을 하였다. 또한, 과냉각액체영역의 구간에서 성형 하중, 성형시간의 변화를 주어 마이크로 단조 (Micro-forging)실험을 수행하고, 마이크로 성형성을 평가하였다.
- 하였다. 또한, 과냉각액체영역의 구간에서 성형 하중, 성형시간의 변화를 주어 마이크로 단조 (Micro-forging)실험을 수행하고, 마이크로 성형성을 평가하였다. 또한, 유한요소해석기법을 적용하여 해석을 시도하였다.
- Zr62Cu17Ni13Al8 벌크 비정질 합금의 미세 성형성 실험을 하기 위하여 Fig. 1과 같이 마이크로 단조 시스템을 자체 제작하였다. 본 시스템은 크게 시편에 하중을 가하는 하중 제어부와 목표 온도를 설정하여 열을 공급하는 온도 제어부로 구성되어있다.
- 1과 같이 마이크로 단조 시스템을 자체 제작하였다. 본 시스템은 크게 시편에 하중을 가하는 하중 제어부와 목표 온도를 설정하여 열을 공급하는 온도 제어부로 구성되어있다. 직접적으로 시편에 가해지는 시하중(Dead weight)은 소재의 유동응력을 고려하여 15~19kgf 범위로 설정하였다.
- 과냉각액체영역에서 벌크 비정질 합금은 작은 온도의 변화에도 민감하게 반응하기 때문에 K 타입의 열전대 2 개를 사용하여 열을 공급해 주는 코일 히터와 실제적인 시편의 온도를 측정 및 제어하도록 실험조건 및 장치를 설계하였다. 그리고, 열간 성형공정으로 인하여 발생하기 쉬운 시편의 산화와 미세 형상내에 갇힌 공기로 인해 성형성에 미칠 수 있는 악영향을 배제하고자 마이크로 단조 시스템을 진공챔버안에 구축하여 열간 성형실험을 진공 환경에서 실시하였다.
- 그리고, 열간 성형공정으로 인하여 발생하기 쉬운 시편의 산화와 미세 형상내에 갇힌 공기로 인해 성형성에 미칠 수 있는 악영향을 배제하고자 마이크로 단조 시스템을 진공챔버안에 구축하여 열간 성형실험을 진공 환경에서 실시하였다.
- 가열속도에 따른 비정질 합금의 열적특성 변화 및 이에 따른 성형성 변화를 최소화하기 위해 PID 온도제어기를 사용하여 실험온도까지의 승온속도를 15 t/min 로 정밀하게 제어 하였다. Fig.
- 한다. 본 연구에서는 인쇄법을 적용하여 단결정 Si 에 미세 패턴을 새기고 이를 마이크로 금형으로 이용하였다. 평면상의 단결정 실리콘 표면에 U 형태의 패턴을 제작하기 위해서 포토리소그라피 (Photolithography) 및 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 기법을 적용하여 마이크로 금형을 제작하였다.
- 5 mm 높이로 절단한 후 미세 연마지를사용하여 시편의 표면조도를 1 ㎛까지 제어하였다. 그리고, 마이크로 단조 실험 시 U 흠 형상의 미세 금형 위에 비정질 합금을 위치시키고, 설정 온도로 제어한 후 하중과 시간의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 비정질 합금의 유리천이온도와 결정화 개시온도 범위인 400 ~ 440 ℃ 범위에서 마이크로 단조장치의 자중인 5 kgf를 고려하여 시하중을 가하였다.
- 그리고, 마이크로 단조 실험 시 U 흠 형상의 미세 금형 위에 비정질 합금을 위치시키고, 설정 온도로 제어한 후 하중과 시간의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 비정질 합금의 유리천이온도와 결정화 개시온도 범위인 400 ~ 440 ℃ 범위에서 마이크로 단조장치의 자중인 5 kgf를 고려하여 시하중을 가하였다.
- XRD 의 결과에서 보는 바와 같이 소재 내부가 완전 비정질 상태임을 확인할 수 있었으며, HRTEM 이미지에서도 원자 배열상의 뚜렷한 규칙성을 관찰할 수 없었다. 추가적으로 비정질 합금의 초소성현상이 발생하는 온도구간을 확인하고자 시차열분석기(DSC) 를 통해 Zr62Cu17Nil3Al8 벌크 비정질 합금의 열분석을 하였다. 그리고, 열분석시 heating rate 에 따라 미세한 온도의 변화가 발생하는 것을 Table 1 에서 확인할 수 있다.
- 성형 시간에 따른 Zr 계 벌크 비정질 합금의 마이크로 성형성을 조사하기 위하여 시하중 17 kgf, 성형온도 420 "C에서 U 흠 폭 30 ㎛인 금형을 사용하여 마이크로 성형 실험을 하였다. Fig.
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2.2 성형하중 변화에 따른 마이크로 성형성
성형하중에 따른 마이크로 성형성의 평가를 수행 하고 적절한 하중조건을 선정하기 위해 벌크 비정질 합금의 초소성 현상이 발생하는 온도에서 성형 응력을 즉정하였다
. 이를 위해 직경 3 mm, 높이 5 mm 크기 인 원통형 Zr 계 벌크 비정 질 합금 시편을 준비하여 , 유리천이온도와 결정화 개시온도 사이의 온도인 390 ℃, 410 ℃, 430 ℃에서 고온 압축실험을 수행하였다. - 즉정하였다. 이를 위해 직경 3 mm, 높이 5 mm 크기 인 원통형 Zr 계 벌크 비정 질 합금 시편을 준비하여 , 유리천이온도와 결정화 개시온도 사이의 온도인 390 ℃, 410 ℃, 430 ℃에서 고온 압축실험을 수행하였다. 변형률 속도는 각각 5xl0'V', IxlO'Y1, 5><10-3广 로 변화시 키면서 최대 70 %까지의 압축률로 압축실험을 수행하였다.
- 이를 위해 직경 3 mm, 높이 5 mm 크기 인 원통형 Zr 계 벌크 비정 질 합금 시편을 준비하여 , 유리천이온도와 결정화 개시온도 사이의 온도인 390 ℃, 410 ℃, 430 ℃에서 고온 압축실험을 수행하였다. 변형률 속도는 각각 5xl0'V', IxlO'Y1, 5><10-3广 로 변화시 키면서 최대 70 %까지의 압축률로 압축실험을 수행하였다.
- 압축장비는 Instron 8501 시험기를 사용하였으며, 스테이지 위에 올려진 시편과의 마찰로 인하여 발생하는 배럴링(Barreling)현상등을 최대한 줄이 고자 평균직경 1 ㎛ 인 미세 BN 분말 윤활제를 시편 표면에 도포한 후 압축실험을 수행하였다.
- 이렇게 얻어진 데이터들을 이용하여, 마이크로 단조 실험시 성형이 가능한 하중조건을 결정하였다.
- 성형하중 변화에 따른 마이크로 단조 실험은 성형온도 420 ℃, 성형시간 20 분에서 폭 30 ㎛ 인 마이크로 금형을 사용하여 각각 15 kgf, 17 kgf, 19 kgf 의 하중 변화를 주어 마이크로 성형실험을 하였다. Fig.
- DSC 열분석을 통해 얻어진 Zr 계 벌크 비정질 합금의 유리천이온도와 결정화개시온도 범위인 400 13, 420 ℃, 440 t 에서 성형실험을 하여 온도에 따른 성형성 변화를 관찰하였다.
- 코일히터에서 가해지는 열은 온도제어기의 제어를 통해 조절하면서, 최대한 시편에 가까운 곳에 K 타입의 열전대를 위치시켜 실제적인 시편의 온도를 측정하였다. Fig.
- 소성가공 공정 해석에 사용되는 프로그램인 DEFORM-2D 를 이용하여 Zr62Cu]7Ni13Al8 벌크 비정질 합금의 마이크로 단조 공정에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 시편과 금형의 마찰계수는 윤활을 했을 때 일반적으로 알려진 열간마찰계수값, 즉 0.
- 소재의 온도에 따른 마이크로 성형성 변화를 알아보기 위해 5xlO”s‘의 속도에서 400 ℃, 420 440 ℃ 온도로 성 형해석을 수행하였다.
- 6 MPa)이상을 가한 성형실험에서 성형이 이루어 지는 것을 볼 수가 있다. Fig. 17 은 시편에 가해주는 성형하중에 변화를 주어 성형해석 한 결과이며, 50 N(16.7 MPa), 100 N(33.3 MPa), 150 N(50 MPa), 200 N(66.6 MPa) 의 성형하중을 설정하여 성형해석을 하였다. Fig.
- 인자임을 확인하였다. 그리고 변형률 속도의 변화를 주어 고온압축실험을 한 데이터들을 이용하여 벌크 비정질 합금의 변형거동을 확인할 수 있었다. 또한, 마이크로 단조 실험과 유한요소해석 결과를 비교분석함으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그림에서 보듯이 stress overshoot 는 고려하지 않았으며 , steady state stress 만을 고려하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 평면상의 단결정 실리콘 표면에 U 형태의 패턴을 제작하기 위해서 포토리소그라피 (Photolithography) 및 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 기법을 적용하여 마이크로 금형을 제작하였다. Fig. 3은 이러한 기법으로 제작한 U 홈 형상을 갖는 실리콘 미세 금형을 주사전자현미경 (SEM)으로 찍은 사진으로서 , 금형의 폭(Wd)은 30 剛, 높이는 60 ㎛의 크기로 제작하였다. 또한, 시편의 표면조도가 마이크로 성형에 지대한 영향을 미치기 때문에 우수한 표면상태를 가지는 시편의 준비가 필수적이다.
- .마이크로 성형 실험에 사용된 벌크 비정질 합금의 시편은 직경이 3 mm 인 봉상을 0.3 ~ 0.5 mm 높이로 절단한 후 미세 연마지를사용하여 시편의 표면조도를 1 ㎛까지 제어하였다. 그리고, 마이크로 단조 실험 시 U 흠 형상의 미세 금형 위에 비정질 합금을 위치시키고, 설정 온도로 제어한 후 하중과 시간의 변화를 주어 실험을 수행하였다.
- 3 으로 설정하였으며 시편과 주변 환경 온도는 420 ℃로 고정하였다. 실제 성형실험과 최대한 같은 조건에서 성형해석을 수행하기 위해 30 ㎛의 폭을 가진 U 형상의 마이크로 금형 형상을 입력하여 top die 로 설정하였다. 그리고, 시편의 mesh 수는 총 7000 개로 생성하였으며 마이크로금형과 시편이 직접적으로 접촉하여 성형이 이루어지는 부분의 mesh 는 가능한 작게 생성하였다.
- 실제 성형실험과 최대한 같은 조건에서 성형해석을 수행하기 위해 30 ㎛의 폭을 가진 U 형상의 마이크로 금형 형상을 입력하여 top die 로 설정하였다. 그리고, 시편의 mesh 수는 총 7000 개로 생성하였으며 마이크로금형과 시편이 직접적으로 접촉하여 성형이 이루어지는 부분의 mesh 는 가능한 작게 생성하였다. Fig.
이론/모형
- 또한, 과냉각액체영역의 구간에서 성형 하중, 성형시간의 변화를 주어 마이크로 단조 (Micro-forging)실험을 수행하고, 마이크로 성형성을 평가하였다. 또한, 유한요소해석기법을 적용하여 해석을 시도하였다. 마이크로 성형 공정에 대한 실제 실험결과와 유한요소해석을 통한 성형해석결 과를 비교하고 , 주요공정변수가 성 형 성 에 미치는 영향을 예측하고자 하였다.
- 마이크로 성형 공정에 대한 실제 실험결과와 유한요소해석을 통한 성형해석결 과를 비교하고 , 주요공정변수가 성 형 성 에 미치는 영향을 예측하고자 하였다. 마이크로 성형공정의 해석은 사용의 유한요소해석 프로그램인 DEFORM 을 활용하였다 .
- 본 연구에서는 인쇄법을 적용하여 단결정 Si 에 미세 패턴을 새기고 이를 마이크로 금형으로 이용하였다. 평면상의 단결정 실리콘 표면에 U 형태의 패턴을 제작하기 위해서 포토리소그라피 (Photolithography) 및 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 기법을 적용하여 마이크로 금형을 제작하였다. Fig.
성능/효과
- 5 는 Arc melting furnace system 을 사용하여 Suction casting 방법으로 Zr 계 벌크 비정질 합금을 제작한 후에 X 선 회 절기 (XRD)와 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)을 이용하여 벌크 비정질 합금의 비정질상을 확인한 사진이다. XRD 의 결과에서 보는 바와 같이 소재 내부가 완전 비정질 상태임을 확인할 수 있었으며, HRTEM 이미지에서도 원자 배열상의 뚜렷한 규칙성을 관찰할 수 없었다. 추가적으로 비정질 합금의 초소성현상이 발생하는 온도구간을 확인하고자 시차열분석기(DSC) 를 통해 Zr62Cu17Nil3Al8 벌크 비정질 합금의 열분석을 하였다.
- 이상의 연구 결과로부터 벌크 비정질 합금에 대한 마이크로 단조를 통해 약 0.5 정도의 Rf, 즉약 1 정도의 종횡비를 갖는 패턴 성형이 가능할 것으로 기대된다. 하지만 본 연구에서 사용했던 금형 패 턴의 종횡비 (=2)를 달성 하기 위해서 는 성형온도를 높이고, 금형과 소재간의 sticking 및 마찰을 줄이기 위한 lubricant 적용 등 공정 최적화를 위한 보다 많은 연구가 요구된다.
- 7 MPa 사이의 평균 유동응력을 보였으며, 5x10' 5广 일 때에는 25 ~ 30 MPa 의 평균 유동응력 이 가해져야 성형이 이루어 진다는 것을 알 수가 있다. 실제 마이크로 단조 실험 조건인 420 ℃, 시하중 19 kgf(평균유동응력 = 26.4 MPa)의 조건에서 실험한 결과들과 비교해 보면, top die 속도를 5시(户广 로 설정하여 해석한 시뮬레이션 결과(25 ~ 30 MPa) 범위에 포함되는 것을 볼 수 있다.
- Top die 의 이송속도 변화에 따른 유한요소해석 결과에서 보듯이 70 N(23.3 MPa)이상의 성형 하중에서 성형이 이루어지는 것을 확인하였다. 또한, 실제 마이크로 단조 실험에서도 시하중을 17 kgf (23.
- 하지만 유한요소해석 결과로부터 얻어지는 마이크로 성형성은 실제 실험결과보다 더 높게 나타났다. 본 유한요소해석 결과들은 Zr 계 벌크 비정질 합금의 물성치 데이터에서 stress overshoot 를 고려하지 않고 얻은 결과로써, 이는 해석결과로부터 얻어지는 높은 성형성의 원인이 되는 것으로 판단된다.
- 1) Zr62Cu17Ni13Al8 벌크 비정질 합금을 이용한 마이크로 단조실험에서 뉴토니안 점성거동을 보이는 과냉각액체영역 구간에서의 열간성형 공정은 비교적 낮은 응력으로 성형이 가능하다.
- 2) 유리천 이 온도(戋)와 결정 화개시 온도(TQ사이 의구간에서 성형하중과 성형시간을 증가시킴에 따라 마이크로 성형지수(Rf)는 증가하는 경향을 보였다.
- 3) 성형온도 420 ℃, 성형하중 17kgf, 성형시간 25 분에서 약 0.5 로 가장 큰 Rf값이 나왔다.
- 4) 마이크로 성형에서 성형속도와 성형하중의 영향에 대한 실험적 방법과 해석적 방법의 적용 가능성을 확인하였다.
후속연구
- 그러나, 최근에 낮은 임계냉각속도로도 비정질 합금을 제조할 수 있는 다성분계 합금들의 개발 및 제조기술들이 보고되었다. 이러한 추세로 인하여 신 기능성 엔지니어링 소재로의 응용이 점차 확대될 것으로 기대된다. 또한, 비정질 합금은 결정질 금속에 비하여 기계적 특성이 우수하고 내부식성이 뛰어난 특성을 지니고 있다.
- 5 정도의 Rf, 즉약 1 정도의 종횡비를 갖는 패턴 성형이 가능할 것으로 기대된다. 하지만 본 연구에서 사용했던 금형 패 턴의 종횡비 (=2)를 달성 하기 위해서 는 성형온도를 높이고, 금형과 소재간의 sticking 및 마찰을 줄이기 위한 lubricant 적용 등 공정 최적화를 위한 보다 많은 연구가 요구된다.
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