[논문]SiC 세라믹 경면미러의 나노가공

곽태수; 오오모리히토시

문제 정의

연삭 저항이 낮은 ELID 연삭에 있어서도 가공변형은 무시할 수 없으며 변형의 양상은 일정하지 않으므로 경험에 의한 보정은 매우 어렵다. 따라서 가공 변형을 수치계산에 의해 예측하고 가공 변형량을 보정 함으로서 SiC 미러를 연삭 할 수 있는 최적 조건을 도출한 사례를 소개한다.
따라서, 수치계산에 의해 가공변형해석을 수행하고, 최적 숫돌의 궤적을 구하면 효율적으로 고정밀도의 가공을 실현할 수 있다. 리브 구조를 가진 O 80mm 소결 SiC 미러(미러면 및 리브 두께 3mm)를 이용하여 수치계산에 의한 보정 가공을 시험한 순서와 가공 결과를 소개한다. 보정 가공의 순서는 아래와 같다.
본 논문은 SiC 세라믹의 응용성을 높이고 광학에서 요구되는 고정도의 경면가공을 위해 효과적인 초정밀 가공법을 소개하였다.
본 논문은 기계적 및 광학적으로 우수한 물성을 가진 SiC 세라믹에 대해서 그 응용성을 높이고 광학계에서 요구되는 경면가공을 위해 초정밀 가공기를 구성 하고, ELID 연삭법 및 자성유체연마(MRF) 등을 응용하여 SiC 세라믹의 피가공 특성을 파악하는 한편, 효과적인 경면 미러 가공사례를 소개한다.
본 절에서는 CVD-SiC 재료를 초정밀 비구면 가공기와 ELID 연삭법, 비 접촉 기상 측정기(Table 5)를이용하여 초정밀 구면 미러 가공을 수행하고 연삭 흔적 저감을 위해 연마가공법과 연계한 표면가공 결과를 소개한다.
본 절에서는 고순도 다결정 SiC 에 대해 자성유체 연마 (MRF) 특성을 시험한 결과를 소개한다. Table 2는 재료 특성을 나타내고 있다.

제안 방법

계산시에는 유한요소와 미러 중심에 하중을 작용시켰으며, 실험에서 사용된 가공기는 초정밀 연삭기 ULG100(H₃), 실험에서 구해진 연삭 저항은 약 3kgf 이었다. 3kgf 를 60 도에 대해서 10 도 마다 중심에서 원주까지 11 점에 집중하중을 주어 변형해석하고 하중이 작용하는 점의 변형량을 계산하였다. 예상된 스프링 백은 피가공물의 중심에서 720nm 정도였다.
5nm 였다. ELID 연삭후 가공표면에 생기는 미세한 가공흔적을 저감하기 위해 우레탄 패드와 다이아몬드 입자를 이용하여 경면 연마하였다.
가공기상에 로터리 트루어(ei50mmxW3mm, #140 청동결합 다이아몬드 연삭숫돌)를 장착하여 숫돌과 트루어와의 접촉영역을 가능한 작게 하면 고정밀도 트루인이 가능하므로 숫돌과 트루 어를 직교로 배치하였다. 플라즈마 방전 트루인은 연삭숫돌을 양극으로 트루어를 음극으로 접속하고 양극 간에 고전압을 주어 미스트를 공급하며 행한다.
ELID 연삭법에서 피가공물의 직경이 작은 경우와 연삭 숫돌 및 가공기가 소형인 경우에는 전극 설치가 곤란하며, 초정밀 형상가공 시 숫돌에 필요 이상의 전해가 요구되지 않는 경우에는 전해 인터벌 드레싱 법(Electrolytic Interval Dressing)을 적용할 수 있다. 구면 CVD-SiC 피가공물은 직경 030mm, 설계형상 반경 R 300mm 로서 고정밀도 가공을 위해 1 path 마다 수초간 전해 인터벌 드레싱을 하였다. 사용 숫돌의 트루인을 위해 630mm, #325 청 동결 합컵형 숫돌을 이용하여 피 가공물 축의 회전중심에 설치한 트루어 숫돌과 피가 공물의 가공에 사용하는 숫돌을 밀면서 플라즈마 방전 트루 인 및 ELID 전해 트루인을 하고 숫돌의 외경과 선단부 형상을 가공한다.
구면형상 가공은 #325, #1200, #4000 3 종류의 숫돌을 이용하여 입도를 높여가며 경면가공을 하였다. 연삭가공 조건 및 사용숫돌의 사양, ELID 전해 조건은 Table 6 과 같다.
구면형상의 정밀도를 향상시키기 위해서 비접촉식 기상 계측기를 이용하여 피가공물을 탈착시키지 않고 구면의 가공형상을 평가하였다. 기상 계측기를 이용하여 형상오차를 측정한 결과 #325, #1200, #4000 숫돌에 대해서 각각, PV 2.
d.보정가공: 앞서 얻어진 최적 가공조건을 고려한 NC 프로그램에 따라 보정가공을 하였다. 이에 적용된 ELID 연삭조건은 Table 1과 같다.
C.보정가공용 숫돌궤도의 생성: 미러의 변형해석 결과를 기초로 하여 10 도마다 근사곡선을 산출하여 보정가공용 숫돌의 궤도를 제작하였다. Fig.
구면 CVD-SiC 피가공물은 직경 030mm, 설계형상 반경 R 300mm 로서 고정밀도 가공을 위해 1 path 마다 수초간 전해 인터벌 드레싱을 하였다. 사용 숫돌의 트루인을 위해 630mm, #325 청 동결 합컵형 숫돌을 이용하여 피 가공물 축의 회전중심에 설치한 트루어 숫돌과 피가 공물의 가공에 사용하는 숫돌을 밀면서 플라즈마 방전 트루 인 및 ELID 전해 트루인을 하고 숫돌의 외경과 선단부 형상을 가공한다.
계산에 필요한 하중데이터 수집: 가공변형 시뮬레이션을 하기 위해서는 숫돌에 의해 피가 공물이 받는 가공하중 데이터를 수집할 필요가 있다. 재료와 절입량, 이송속도, 숫돌의 종류에 따라 연삭 저항을 측정한다. 소결 SiC 의 #4000 에 의한 연삭 저항을 측정한 결과에 따르면 연삭 저항은 이송 속도보다 절입량에 크게 의존한다는 사실을 확인하였다.
한편, #4000 과 #12000 숫돌에 의한 ELID 연삭 면과 MRF 가공면을 비교한 결과를 소개한다. #4000 에 의한 가공면은 연성파괴 모드와 취성파괴 모드가 혼재하고 있으나 표면조도는 5.

대상 데이터

Table 2는 재료 특성을 나타내고 있다. 가공기는 Q22-Y MRF 연마기(QED 사)를 사용하였다. MRF 가공조건은 Table 3과 같다.
연삭에 사용된 숫돌은 황 가공용으로 #325, 정삭가공용으로 #1200, 경 면 연삭용으로 #4000(평균입경 약 4um)의 주철결합 다이아몬드 숫돌을 사용하고, 숫돌의 형상은 0350mmX WIOmm 스트레이트형이다. 또한 ELID 장치로서 무부하 전압 90V, 최대전류 20A 용량의 장치를 사용하였다.
이와 같은 방법으로 금속결합 숫돌을 효과적으로트루인이 가능하다. 연삭에 사용된 숫돌은 황 가공용으로 #325, 정삭가공용으로 #1200, 경 면 연삭용으로 #4000(평균입경 약 4um)의 주철결합 다이아몬드 숫돌을 사용하고, 숫돌의 형상은 0350mmX WIOmm 스트레이트형이다. 또한 ELID 장치로서 무부하 전압 90V, 최대전류 20A 용량의 장치를 사용하였다.

이론/모형

ELID 연삭에 사용되는 금속결합 연삭 숫돌은 강도가 높으므로 기계적인 트루인으로는 효율적이지 못하고 가공 정도를 높이기 위해서는 고정도의 트루 인을 행할 필요가 있다. 따라서 효율적으로 트루인을 실시하는 방법으로서 플라즈마 방전 트루인법을 채용하였다.
b.미러가공 변형량의 수치계산: 소결 SiC 미러의가공 변형량의 계산에는 범용 유한요소 프로그램인 Ansys 를 사용하였다. 수치계산에 이용한 재료계수는 영율: 440GPa, 프와송비 : 0.

성능/효과

1. 고강도 경량 미러용 SiC 세라믹의 경 면 가공에 있어서 실험 및 수치계산으로 변형량을 예측하고 ELID 연삭법을 적용 함으로서 형 상정 밀도 0.067um PV, O.OlOum rms 의미 러 면 가공이 가능하였다.
2. CVD-SiC 세라믹의 경면 연삭을 위해 자성유체 연마법(MRF)을 적용한 결과 경면 연삭 후 표면의 미세한 가공 변질층을 자성유체 연마로 제거하는 것이 효과적이었다.
3. #4000 숫돌을 이용한 ELID 연삭 가공면 41.3nm PV, 9.8nm rms 에 대해 약 3 분간의 자성유체 연마 (MRF) 가공으로 가공표면은 21.2nm PV, 2.9nm rms 로 현저하게 개선되었다.
4. CVD-SiC 세라믹의 경면 연삭을 위해 ELID 연삭 가공하고 우레탄 패드 및 다이아몬드 입자를 이용하여 실험한 결과, 형상정밀도는 PV 55.907nm, 표면조도는 Ra 0.992nm, PV 6.911nm 의 가공면을 얻을 수 있었다.
CVD-SiC 의 연마 제거량을 확인하기 위해 #4000 숫돌을 이용하여 평면으로 연삭된 가공면을 준비하여 연마실험을 수행한 결과, 가공제거량은 가공 시간과 가공압력에 비례해서 증가하였으며, 표면 조도는 가공시간 20 분 정 도에서 Ra 3nm 로 안정 되 었다. 이와 같이 얻어진 연마조건을 구면형상에 적용하고 레이저 간섭계를 이용하여 측정한 결과, 구면 형상 정밀도는 PV 55.
35mm 로 증가하면 용적제거율은 5 배로 커지는 것을 확인하였다. MRF 가공에 '따른 경시 변화를 조사하기 위해 가공전 표면이 939nm rms, 11.662um PV 인 시편을 연마한 결과 최초 2 시간 동안은 표면조도에 큰 변화가 없었으나 그 이후에 점점 표면조도가 개선되어 8.5 시간 후에 200nm rms 이하로 되었으며 18.5 시간 후에는 2.8nm rms, 25nm PV 의 가공면이 얻어졌다. MRF 만을 사용하는 경우 CVD-SiC 의 표면가공은 가공시간이 길고 가공 능률 측면에서 비효율적이었다.
이것은 인피드 방식의 연삭 가공은 다이아몬드 입자를 강제적으로 압입하여 재료를 제거하는데 비해 MRF 가공은 유체유동에 의한 전단응력을 받은 지립을 끌어당겨 재료를 제거하기 때문에 제거 메커니즘의 차이로 인한 것으로 생각된다. 가공면의 형상정밀도를 레이저 간섭계(Zygo 사 GPI)로 평가한 결과에 따르면, #4000 의 ELID 연삭 가공면 41.3nm PV, 9.8nm rms 에 대해 약 3 분간의 MRF 가공으로 21.2nmPV, 2.9nmrms 로 현저하게 개선되었다.
3 미크론)으로 연삭 회수를 3 회로 한 결과 PV 값은 200nm < 밑돌았으며 10 회 이상의 보정가공으로 200~250nm 정도의 결과를 얻을 수 있었다. 또한 최적가공 조건에서 연삭된 경우에는 PV 값이 67nm, rms는 10nm 의 결과를 얻을 수 있었다.
005mm³/min 로 BK7 유리의 1/10 로 나타났다. 또한, 피가공물이 MR 유체에 침입한 깊이와 연마능률의 상관관계를 조사한 결과 침입 깊이를 0.2mm 에서 0.35mm 로 증가하면 용적제거율은 5 배로 커지는 것을 확인하였다. MRF 가공에 '따른 경시 변화를 조사하기 위해 가공전 표면이 939nm rms, 11.
전해는 1 path 마다 연삭 전에 60sec 를 하였다. 보정 가공을 하지 않는 통상의 평면연삭을 행한 결과, 형상정도 PV 값은 약 700~800nm 정도의 가공변형이 발생하였다.
본 실험을 통해 박육 SiC 미러의 경면가공에 있어서, ELID 연삭법 및 수치계산에 의한 보정 가공이 유효함을 확인하였다. 본 연구에서 행한 보정 가공법은 미러 제작 이외에도 적용범위는 넓다.
본 장치(Fig.3)를 이용하여 지르코니아 세라믹스 (1400mm X 30mm X 150mm)를 시험 가공하여 가공 면의 진직도와 표면조도를 측정한 결과, 1400mm 길이에 대해 가공면의 기복을 약 0.3um 이하로 억제할 수 있었으며, 표면조도는 #4000 숫돌을 이용하여 67nmRy, 7nmRa 를 달성 한 것으로 보고된 바 있다.
재료와 절입량, 이송속도, 숫돌의 종류에 따라 연삭 저항을 측정한다. 소결 SiC 의 #4000 에 의한 연삭 저항을 측정한 결과에 따르면 연삭 저항은 이송 속도보다 절입량에 크게 의존한다는 사실을 확인하였다. 연삭 저항은 가공기와 연삭 방법에 따라 달라지므로 사용 조건에 따른 데이터의 수집이 필요하다.
여기서 보정가공을 절입량(0.3 미크론)으로 연삭 회수를 3 회로 한 결과 PV 값은 200nm < 밑돌았으며 10 회 이상의 보정가공으로 200~250nm 정도의 결과를 얻을 수 있었다. 또한 최적가공 조건에서 연삭된 경우에는 PV 값이 67nm, rms는 10nm 의 결과를 얻을 수 있었다.
이와 같이 얻어진 연마조건을 구면형상에 적용하고 레이저 간섭계를 이용하여 측정한 결과, 구면 형상 정밀도는 PV 55.907nm, 표면조도는 Ra 0.992nm, PV 6.91 Inm 로 우수한 가공면을 얻을 수 있었다.

후속연구

SiC 재질은 경도와 파괴인성 이 높아서 가공효율이 낮고 형상정밀도를 달성하기 어렵다는 지적을 받고 있다. 따라서 운동전사에 의한 고능률 연삭으로 높은 형상정밀도로 가공하고, 최소한의 연마로 경면을 가공하는 것이 가공시간을 획기적으로 단축하고 원가절감에 크게 기여할 것이다. 이러한 요구에 따라 경취 재료의 경면가공에 효과적인 ELID 연삭법 은 미 세 지립 숫돌의 날을 장시 간 유지할 수 있으며 피가공물에 연삭 저항이 적어 연성 모드로 연삭이 가능하므로 CVD-SiC 의 고정밀도 뿐만 아니라 고품위의 형상가공을 할 수 있다.
본 연구에서 행한 보정 가공법은 미러 제작 이외에도 적용범위는 넓다. 현재는 수치계산에서 NC 프로그램을 제작하고 가공까지 각각 독립적으로 이루어져 효율성 측면에서 개선이 필요하나, 이러한 일련의 프로세스를 통일한 시스템을 개발하면 보다 효율적인 보정가공이 가능할 것이다.

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