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문제 정의
- 기존 미세 공구전극 제작 방법의 경우는 다양한 크기와 형상을 갖는 공구 전극을 제작하는데 한계가 있었다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 MEMS 및 전주도금 공정 기술을 적용하여 기준전극 및 공구전극을 동시에 갖는 복합기능 전극을 직접 제작하였다. 복합기능 전극은 기준전극과 공구전극의 역할을 하는 2 개의 니켈 전극으로 이루어져 있으므로 미세 전해가공 시 전위 측정 오차를 줄여 미세 전해가공을 안정적으로 수행할 수 있음을 확인하였다.
제안 방법
- 1 µm 의 분해능을 갖는 3 축 스테이지를 이용하였다. Z 축 스테이지를 이용하여 복합기능 전극을 정밀 이송하고, 공작물은 X-Y 축 스테이지를 이용해 이송하였다. 펄스 발생기를 사용하여 초단 전압펄스를 인가하였고, 전압펄스 및 전류의 파형은 오실로스코프를 이용하여 모니터링 하였다.
- 펄스 발생기를 사용하여 초단 전압펄스를 인가하였고, 전압펄스 및 전류의 파형은 오실로스코프를 이용하여 모니터링 하였다. 가공하는 동안 일정전위기를 사용하여 공작물 및 공구전극 전위를 유지하였다.
- 5 VNi 로 내외로 선정하였다. 공구전극인 니켈과 마찬가지로 공작물에 대해서도 스테인리스강의 분극곡선을 분석 하였다. Fig.
- 공작물 위에 약 5 µm 의 간격을 두고 복합기능 전극을 위치시켜 초단 전압펄스 전압을 인가하였다.
- 따라서 본 논문에서는 MEMS 공정 및 전주도금 공정을 복합적으로 적용하여 가공용 공구전극과 전극 전위 측정의 기준이 되는 기준전극을 동시에 내장하고 있는 다기능 미세 전극을 제작하였으며 이를 ‘복합기능 전극’이라 하였다.
- 한편, 복합기능 전극을 이용한 미세 전해가공에서 안정적인 가공을 위하여 전극 전위, 전압펄스 조건 등의 가공조건을 선정하였다. 또한 제작된 복합기능 전극을 공구 전극 및 기준 전극으로 사용하여 미세 전해가공을 수행하였다.
- 복합기능 전극을 이용한 미세 전해가공에서 선정된 가공 조건을 바탕으로 미세홈을 가공하였다. 또한, 미세한 형상의 가공을 위한 다른 방편으로 감광막을 도포한 공작물과 복합기능 전극을 이용한 초단 전압펄스 전해가공을 통해 10 µm 폭을 갖는 미세홈 및 지름 5 ~ 10 µm 내외의 원 형상을 가공할 수 있었다.
- 한편, 공구전극의 전위를 선정하기 위해서는 금속에 대한 분극곡선을 분석하여야 한다. 분극곡선은 열린 회로전위(open circuit potential)로부터 측정하였으며 양전위 방향으로 10 mV/s 의 속도로 전위 변화를 주며 전류값을 측정하였다. Fig.
- 실험 초기에는 MEMS 공정만을 통해 폴리머 (polymer) 계열의 비전도성 재질인 SU-8 을 이용하여 복합기능 전극 형상을 Fig. 4 와 같이 제작하였다. 전해가공을 위해서 전극은 전도성을 가지고 있어야 하므로 복합기능 전극 표면 위에 전기화학적으로 안정한 백금(platimun)을 증착하였다.
- 이를 고려하여 펄스 주기 1 µs, 펄스 온-타임 60 ~ 150 ns, 전압 진폭 6.5 V 내외로 전압 펄스 조건을 선정하여 실험을 수행하였다.
- 4 와 같이 제작하였다. 전해가공을 위해서 전극은 전도성을 가지고 있어야 하므로 복합기능 전극 표면 위에 전기화학적으로 안정한 백금(platimun)을 증착하였다. Fig.
- Z 축 스테이지를 이용하여 복합기능 전극을 정밀 이송하고, 공작물은 X-Y 축 스테이지를 이용해 이송하였다. 펄스 발생기를 사용하여 초단 전압펄스를 인가하였고, 전압펄스 및 전류의 파형은 오실로스코프를 이용하여 모니터링 하였다. 가공하는 동안 일정전위기를 사용하여 공작물 및 공구전극 전위를 유지하였다.
- 한편, 복합기능 전극을 이용한 미세 전해가공에서 안정적인 가공을 위하여 전극 전위, 전압펄스 조건 등의 가공조건을 선정하였다. 또한 제작된 복합기능 전극을 공구 전극 및 기준 전극으로 사용하여 미세 전해가공을 수행하였다.
대상 데이터
- (6) 그러므로 복합기능 전극의 니켈 공구전극 전위는 Fig. 7(a)에 나타나는 바와 같이 활성화 영역이 끝나고 부동화 영역이 시작되는 부근의 영역인+0.5 VNi 로 내외로 선정하였다. 공구전극인 니켈과 마찬가지로 공작물에 대해서도 스테인리스강의 분극곡선을 분석 하였다.
- 1 M 황산 용액을 사용하였다. 공작물은 스테인레스강(304 STS)을 사용하였다.
- 전극의 이송을 위해 0.1 µm 의 분해능을 갖는 3 축 스테이지를 이용하였다.
- 전해수조 내의 기준전극(RE)은 복합기능 전극전극 내의 니켈 전극을 사용하고, 대전극(CE)은 백금선을 사용하였다. 전해액으로는 0.
- 전해수조 내의 기준전극(RE)은 복합기능 전극전극 내의 니켈 전극을 사용하고, 대전극(CE)은 백금선을 사용하였다. 전해액으로는 0.1 M 황산 용액을 사용하였다. 공작물은 스테인레스강(304 STS)을 사용하였다.
성능/효과
- 가공 간극은 일반적으로 인가 전압의 진폭이 클수록, 펄스 온-타임(pulse on-time)이 클수록 가공 간극이 증가한다.(8) 복합기능 전극을 이용하는 경우 펄스 온-타임이 30 ns 이하, 인가전압이 5.5 V 이하에서는 공구전극의 이송속도보다 가공되는 속도가 느리게 되어 단락이 자주 일어난다. 가공하는 동안 단락이 많이 발생하게 되면 복합기능 전극이 손상되기 때문에 안정적인 가공을 할 수 없게 된다.
- 이 복합기능 전극은 전극 자체가 니켈 금속으로 이루어져 있으므로 전해가공 시 전도성 물질이 벗겨지는 경우가 없어 안정적인 가공을 진행할 수 있다. 따라서 백금을 증착시킨 프로브 전극보다 니켈을 전주도금한 복합기능 전극이 미세 전해가공에 더 적합하다는 것을 확인하였다.
- 복합기능 전극을 이용한 미세 전해가공에서 선정된 가공 조건을 바탕으로 미세홈을 가공하였다. 또한, 미세한 형상의 가공을 위한 다른 방편으로 감광막을 도포한 공작물과 복합기능 전극을 이용한 초단 전압펄스 전해가공을 통해 10 µm 폭을 갖는 미세홈 및 지름 5 ~ 10 µm 내외의 원 형상을 가공할 수 있었다.
- 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 MEMS 및 전주도금 공정 기술을 적용하여 기준전극 및 공구전극을 동시에 갖는 복합기능 전극을 직접 제작하였다. 복합기능 전극은 기준전극과 공구전극의 역할을 하는 2 개의 니켈 전극으로 이루어져 있으므로 미세 전해가공 시 전위 측정 오차를 줄여 미세 전해가공을 안정적으로 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 복합기능 전극에서 기준전극은 니켈로 구성되어 있으므로 전해가공이 진행되는 동안 니켈 기준 전극의 전위가 일정하게 유지되는지 검증해야 한다. 이를 위해 미세 전해가공을 수행하는 동안 복합기능 전극 내의 니켈 기준전극이 전기화학적으로 반응하지 않고, 전위가 일정하게 유지되는지 전압 및 전류 파형을 관측한 결과 가공 시작 전과 후 파형의 변화는 없었으며, 기준전극의 전위도 변함없이 유지하였다.
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