[논문]다이아몬드 지립을 이용한 구조세라믹스의 경면가공 특성

김유영; 곽태수; 김경년

doi:10.4191/kcers.2010.47.4.290

다이아몬드 지립을 이용한 구조세라믹스의 경면가공 특성
Mirror-surface Machining Properties of Structural Ceramics using Diamond Abrasives 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.47 no.4 = no.329, 2010년, pp.290 - 295

김유영 (국립진주산업대학교 기계공학과) , 곽태수 (국립진주산업대학교 기계공학과) , 김경년 (거제대학 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study has been focused on properties of mirror surface grinding technology by ELID(Electrolytic In-process Dressing) for structural ceramics using in high precision structural parts as like semi-conductor manufacturing processes. The experimental studies have been carried out to get mirror surface for grinding of structural ceramics, SiC, $Al_2O_3$ and AlN. Grinding process of the ceramics is carried out with varying mesh type, depth of cut and feed rate using diamond wheel. The machining result of the surface roughness and condition of ground surface, have been analyzed by use of surface roughness tester, SEM, AFM and three dimensional surface profiler measurement system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 질화알루미늄을 비롯한 세라믹소재에 대하여 소재별로 맞춤식 고능률 가공기술을 확보함으로써 기계적, 화학적, 열적으로 매우 안정된 세라믹소재의 응용성을 높이고자 고효율 세라믹 가공기술에 대한 기초데이터를 확보하고, 구조세라믹 부재의 정밀 가공을 위한 경면연삭 기술로서 ELID 연삭가공 기술을 검토하고 CMP 연마공정⁶⁾과 비교한다.
본 연구에서는 ELID 경면연삭 기술을 이용한 구조 세라믹스 재료의 가공특성 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

7) 활용성이 높은 알루미나 소재의 가공 특성을 평가하기 위해 입도 4000의 다이아몬드 지립을 이용하여 CMP(화학기계적 연마) 및 ELID 경면연삭 가공을 수행하고 피가공 표면 특성을 비교하였다.
가공 표면조도(surface roughness)를 측정하고 분석하기 위해서 접촉식 표면조도 측정기 및 3차원 표면형상 측정기, SEM, AFM 등을 이용하였다.
각 재료의 숫돌입도와 표면조도의 관계를 시편 중심부에서 측정한 연삭방향과 연삭수직방향의 Ra, Rmax 값으로 비교하였다.
숫돌의 입도에 따른 연삭조건은 Table 2와 같다. 연삭 조건에서 전해 연속 드레싱을 위한 전압과 전류의 조건은 모든 경우에 70 V, 10 A로 두었다. 또한 각 공정에서 연삭이 끝난 뒤에 10~25분간 숫돌을 공회전(spark out)시켜 가공물의 연삭면이 균일하게 하였다.
연삭시에 피삭재는 소성변형에 의한 연성모드(Ductile mode)와 크랙의 생성 및 파단에 의한 취성모드(Brittle mode)로 제거된다. 취성이 매우 강한 세라믹의 파괴모드를 분석하기 위해 #4000 숫돌로 Al₂O₃ 시편을 연삭하고 가공표면에 대해 3차원 표면형상측정기 및 SEM 장비를 이용하여 촬영하였다. Fig.
측정은 숫돌의 회전방향 표면조도(Ra, Rmax)와 숫돌의 회전방향과 수직한 방향의 표면조도(Ra', Rmax')에 대해 각각 측정하였다.

대상 데이터

ELID 연삭 장비는 레시프로 타입의 YGS-63A를 사용하였으며 실험장치 및 사용 숫돌의 제원은 Table 1과 같다. 연삭숫돌은 직경 150 mm, 폭 10 mm를 사용하였고 Fig.
ELID 연삭 장비는 레시프로 타입의 YGS-63A를 사용하였으며 실험장치 및 사용 숫돌의 제원은 Table 1과 같다. 연삭숫돌은 직경 150 mm, 폭 10 mm를 사용하였고 Fig. 2는 ELID 연삭실험 장치이다.

성능/효과

7은 Al₂O₃(알루미나) 순도 96% 재료의 숫돌 입도에 따른 표면조도 변화이다. #170부터 #4000까지 실험하였으며 숫돌 입도가 미세할수록 균등하게 표면조도가 향상됨을 볼 수 있다.
9의 원내 표식 부분에서 세라믹 입자가 탈락한 것을 확인할 수 있다. #4000 숫돌을 이용한 경면연삭 후 표면의 SEM 사진(Fig. 10)은 대부분의 경우 연성모드로 소재가 제거되었으나 국부적으로 취성모드에 의해 세라믹 입자가 탈락하는 것을 확인하였다.
1) 동일 가공조건에서 SiC, AlN, Al2O3 시편에 대해 ELID 경면연삭 실험 결과, #170, #2000, #4000 숫돌의 경우 Rmax는 SiC>Al2O3>AlN 순으로 나타났으며, #4000 숫돌에 의한 표면조도 Ra는 Al2O3>SiC>AlN의 순으로 AlN의 피연삭 특성이 가장 나빴다.
2) ELID 연삭법을 적용하여 숫돌입도 #2000까지는 SiC 재료의 연삭성이 가장 우수하였으나 숫돌입도 #4000부터는 표면조도 평균값인 Ra값에서는 Al₂O₃ 재료가 더 정밀한 표면조도 값을 얻을 수 있었다.
3) SiC 재료의 경우 숫돌입도 #170에서 #2000까지는 표면조도가 급격히 좋아졌으나 #4000의 차이는 미소하였다. 그리고 #8000에서 #800는 다시 표면조도 변화가 크게 증가 하는 것을 알 수 있었고 숫돌입도 #8000에서는 연삭방향 Ra의 경우 60 nm 수준의 매우 정밀한 표면조도 값을 얻을 수 있었다.
4) AlN 재료의 경우 다른 재료에 비해 피연삭 특성이 가장 떨어졌으며 숫돌입도가 미세해짐에 따른 표면조도의 변화량도 적었다. 특히 #8000의 경우에는 0.
5) 알루미나 세라믹스에 대해 #4000의 다이아몬드 지립을 사용한 ELID 가공면과 CMP 가공면의 표면조도를 비교한 결과 Ra값은 CMP 가공면이 우수하였으나 PV값 및 Rz값은 ELID 가공면이 우수하였다.
ELID 가공표면의 Ra값은 6.87 nm로서 CMP의 4.08 nm에 비해 약 40.6% 정도 높은 값을 가지나 가공 표면의 최대 최소 높낮이를 평가할 수 있는 PV값과 Rz값은 ELID 가공표면에서 55.65 nmPV, 53.74 nmRz 및 CMP 가공표면에서 70.76 nmPV, 69.28 nmRz로 ELID 가공표면이 약 21~ 22% 정도 우수하였다. CMP 공정의 경우 기계적 작용과 함께 화학적 반응이 동시에 이루어지지만 가공압력이 상대적으로 낮기 때문에 PV 및 Rz값은 ELID 가공표면에 비해 다소 높게 나타나는 것으로 사료된다.
Fig. 8의 결과에서 SiC>Al2O3>AlN 순으로 피연삭 특성이 우수하였으며 #170에서 #2000까지의 표면조도 변화로는 SiC 재료가 연삭성이 월등히 좋으나 #4000에는 SiC와 Al2O3는 AlN에 비해 표면조도의 차이가 미소한 것을 확인하였다.
측정은 숫돌의 회전방향 표면조도(Ra, Rmax)와 숫돌의 회전방향과 수직한 방향의 표면조도(Ra', Rmax')에 대해 각각 측정하였다. Ra값은 #170~#2000 숫돌 사용시는 SiC 재료의 표면조도가 가장 우수하였고 #4000에는 Al₂O₃ 세라믹스는 SiC에 비해 다소 우수한 표면조도를 얻을 수 있었으나 숫돌 산화물에 의한 가공표면에 갈색의 변색 부위가 부분적으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초미립 연삭숫돌을 이용한 연삭 가공의 가장 큰 문제는?	난삭재를 대상으로 보다 안전하고 가공효율이 높은 초정밀 부품생산에 있어서 초미립 연삭숫돌에 의한 초정밀 경면 연삭이 필요하다. 초미립 연삭숫돌을 이용한 연삭 가공에 있어서 가장 큰 문제점은 눈메움(loading) 현상으로 인한 빈번한 드레싱과 가공 중 드레싱이 필요할 때에는 공정을 정지하고 드레싱을 재 작업하는 번거로움이 있다. 따라서 효율적인 가공을 위해서는 연속적인 드레싱 방법이 필요하다.
	Electrolytic In-Process Dressing 연삭법에 의한 연속드레싱의 장점은?	ELID(Electrolytic In-Process Dressing) 연삭법3-5)은 전해 연속 드레싱의 영문 약자로 CBN 또는 다이아몬드와 같은 초경질 입자를 갖는 숫돌을 연삭 가공 중에 전해방식으로 드레싱하는 기법이다. ELID 연삭법에 의한 연속 드레싱에서는 연삭과 드레싱이 병행되므로 연삭 숫돌의 눈메움(loading) 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다. 최근에는 ELID 연삭법의 고정밀도를 이용한 초소형 부품가공에 대한 다양한 연구와 ELID 연삭법의 공정 최적화에 대한 연구 등이 진행되고 있다.
	ELID 연삭법이란?	ELID(Electrolytic In-Process Dressing) 연삭법3-5)은 전해 연속 드레싱의 영문 약자로 CBN 또는 다이아몬드와 같은 초경질 입자를 갖는 숫돌을 연삭 가공 중에 전해방식으로 드레싱하는 기법이다. ELID 연삭법에 의한 연속 드레싱에서는 연삭과 드레싱이 병행되므로 연삭 숫돌의 눈메움(loading) 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (7)

T. Kwak, “Microstructure Analysis for Efficiency Grinding of Structural Ceramics,” J. Kor. Soc. Prec. Eng., 24 [10] 31-6 (2007).
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H. Ohmori and T. Nakagawa, “Mirror Surface Grinding of Silicon Wafer with Electrolytic In-process Dressing,” Annals of the Int. Academy for Prod. Eng., 39 [1] 329-32 (1990).
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H. Lee, K. Cho, M. Jang, C. Jang, S. Kim, and M. Kim, “Characteristics of Large Green and Sintered Alumina Ceramics by Filter Pressing(in Korean),” J. Kor. Ceram. Soc., 46 [3] 306-12 (2009).

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