[논문]연마재 워터젯 가공을 이용한 유리 미세 가공 성능 평가

박연경; 박강수; 김형훈; 신보성; 고종수; 고정상

[국내논문] 연마재 워터젯 가공을 이용한 유리 미세 가공 성능 평가
Evaluation of Efficiency on Glass Precision Machining by using Abrasive Water-jet 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.27 no.7, 2010년, pp.87 - 93

박연경 (부산대학교 기계공학부) , 박강수 (부산대학교 정밀정형및금형가공연구소) , 김형훈 (부산대학교 기계공학부) , 신보성 (부산대학교 정밀정형및금형가공연구소) , 고종수 (부산대학교 기계공학부) , 고정상 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an evaluation of efficiency on glass precision machining by using abrasive water-jet machine. In this study, problems of conventional water-jet machining are examined experimentally and are analysized numerically. Especially, the reason of whitening on the machined surface of biochip glass is determined. It is found that the mass flow rate of abrasive input and transverse speed of water-jet are key parameters to control the direct machining of micro hole and channel on a glass substrate. Based on results of experimental analysis, possibility of direct fabrication of micro holes and channels on a glass substrate is successfully confirmed.

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문제 정의

대부분 두꺼운 금속 소재나 일정 두께 이상의 유리 소재의 절단 등과 같이 정밀도를 요구하지 않는 가공분야에서 사용되고 있으나, 연마재 워터젯 가공기 가 상용화되어 있어 새 로운 장비 의 구축 없이 응용할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존 연마재 워터젯 가공의 장점을 이용하여 바이오 칩 제작을 위해 유리기판에 복잡한 형상의 마이크로 홀이나 채널 가공의 가능성을 평가하고자 한다.
실험을 바탕으로 연마재 워터젯 가공을 이용한 채널 가공의 가능성을 확인하였다. 같은 가공 속도에서 채널의 깊이와 너비의 차가 발생해 연마재의 공급량이 일정하지 않음을 확인하였으며, 가공속도의 변화에 의해 채널 깊이가 일정하지 못함을 확인하였다.
본 연구에서는 연마재 워터젯 가공을 이용한 마이크로 가공 응용을 위한 유리 미세 가공에 대한 전반적인 성능을 평가하였다. 전산 해석과 실험을 통하여 연마재 워터젯 가공을 평가한 결과 향후 연마재 분포를 중심으로 집중 시켜주고 공급이 안정된 장비를 개발하면, 레이저 가공이나 복잡한 MEMS 가공을 대체할 수 있는 직접적인 마이크로 채널 및 홀 가공에의 응용이 기대된다.

제안 방법

우선 노즐 혼합형 연마재 워터젯을 이용하여 1.2 mm 의 두께를 갖는 유리 기판의 가공 특성에 대한 실험을 수행하였다. 특호], 가공 압력 변화에 따른 홀 가공 조건과 이격 거리 변화에 따른 절단 가공 조건을 중점적으로 비교 분석하였다.
2 mm 의 두께를 갖는 유리 기판의 가공 특성에 대한 실험을 수행하였다. 특호], 가공 압력 변화에 따른 홀 가공 조건과 이격 거리 변화에 따른 절단 가공 조건을 중점적으로 비교 분석하였다. 유리가공에서 홀 가공은 절단 가공 전 깨짐 방지를 위한 예비 가공으로도 이용되고 있어 매우 중요하다.
유리 가공 시에 나타난 문제점 중 백화 현상에 대한 원인을 규명하기 위해 실험에서 백화 현상과 관련성을 보인 이격 거리에 대한 가공 특성과 워터젯 내부에서의 연마재 입자의 거동에 대해 전산해석 수행하였다. 전산 해석에는 상용 프로그램 (CFD-ACE)을 사용하였으며, 실험과 동일한 조건으로 이격 거리 변화에 따른 영향을 해석하였다.
노즐 직 경 500 |im 노즐을 기 준으로 하여 Fig. 6 과 같이 전산 해석 모델링을 하였고, 가공 소재는 벽으로 표현하여 워터젯 유동이 벽에 충돌하는 순간의 연마재 입자들의 거동을 분석하였다. 가공 소재인 벽의 위치를 이동시켜 이격 거리를 조절하였다.
6 과 같이 전산 해석 모델링을 하였고, 가공 소재는 벽으로 표현하여 워터젯 유동이 벽에 충돌하는 순간의 연마재 입자들의 거동을 분석하였다. 가공 소재인 벽의 위치를 이동시켜 이격 거리를 조절하였다.
워터젯의 가공 너비와 가공 정밀도에 영향을 주는 요소 중 백화 현상과 관련성을 보인 이격 거리의 워터젯 가공 대한 영향을 보기 위하여 Fig. 7 에서의 이격 거리, D 를 변화시키며 해석한 결과를 비교하였다. 가공성의 비교 척도로써 가공 소재와 0.
7 에서의 이격 거리, D 를 변화시키며 해석한 결과를 비교하였다. 가공성의 비교 척도로써 가공 소재와 0.5 mm 거리(Fig. 7 에서의 b 지점)에서의 워터젯 유동의 폭을 측정 하였다. 가공 소재와 충돌하기 전 워터젯 유동의 폭을 통해 이격 거리에 따른 가공 폭을 예측할 수 있다.
연마재 워터젯 가공을 이용하여 유리 기판에 대한 마이크로 흘 및 채널 가공의 가능성을 평가하였다. 채널 가공에 앞서 유리 재료의 부분 가공 및 홀 가공 조건을 확인하기 위하여 가공 시간과 연마재의 공급량을 조절하였다.
위의 홈 가공 조건을 이용하여 유리 기판에 채널을 가공하였다. 노즐 크기와 이격 거리, 공급 압력, 연마재의 크기는 위와 동일하다.
전산 해석에는 상용 프로그램 (CFD-ACE)을 사용하였으며, 실험과 동일한 조건으로 이격 거리 변화에 따른 영향을 해석하였다. 이때 입구에서의 물의 압력은 실험과 동일한 조건인 380 MPa 로 고정하였으며, 연마재 입자에 대한 마이크로 입자 모델을 유동에 주입하여 거동을 관찰하였다.

대상 데이터

유리가공에서 홀 가공은 절단 가공 전 깨짐 방지를 위한 예비 가공으로도 이용되고 있어 매우 중요하다. 실험에는 0.5 mm 직경의 노즐을 사용하였으며, 약 60 ~ 65 nm 크기 분포를 갖는 메쉬 220 가넷 연마재를 사용하였다.
8 nun, 이격 거리는 1 mm, 공급 압력은 100 MPa, 연마재 입자의 크기는 메쉬 220 를 사용하였다. 사용된 유리 기판의 두께는 4.8 mm 이며, 실험은 가공 시간과 연마재 공급량 변화에 따른 가공 깊이 변화를 측정하였으며, 연마재 공급량은 0 ~ 40 g/min 내에서 조절하였다.

데이터처리

수행하였다. 전산 해석에는 상용 프로그램 (CFD-ACE)을 사용하였으며, 실험과 동일한 조건으로 이격 거리 변화에 따른 영향을 해석하였다. 이때 입구에서의 물의 압력은 실험과 동일한 조건인 380 MPa 로 고정하였으며, 연마재 입자에 대한 마이크로 입자 모델을 유동에 주입하여 거동을 관찰하였다.

성능/효과

연구 결과가 알려져 있다.3 또한, 노즐 길이 가 길수록 워 터젯의 분사 후 분산이 적고 충분한 이격 거리를 확보할 수 있어 가공 정밀도가 높아진다. 이격 거리는 2 mm 전후 일 때 노즐 직경과 가공 폭의 차이가 작아진다.
4 에 각각 나타내었다. 가공정밀도를 비교하기 위해 이격 거리에 따라 윗면과 아랫면에서의 가공 폭을 비교하였으며, 이격 거리가 증가할수록 가공 폭이 노즐 직경의 약 두 배정도 넓어짐을 확인하였다. 이 때 가공 압력은 가공 최 대 압력 인 380 MPa, 이송 속도는 500 mm/min 으로 고정하였다.
5 와 같이 불투명하게 변하는 백화 현상(Whitening effects)이 발생하였다. 광학 현미경을 이용하여 백화 현상이 발생한 위치에서 다수의 작은 홈들을 확인하였으며, Fig. 4 에 도시하였듯이 이격 거리가 0.4 〜 2.6 mm 일 경우에는 백화 현상이 나타나지 않았으며, 그 이상일 경우에 백화 현상이 심화되어 나타남을 알 수 있었다.
연마재 워터젯 가공 시 험을 통해 이격 거리가 짧을수록 가공성이 향상됨을 알 수 있으며, 유리 기판의 홀 가공은 40 MPa 에서 균일한 홀 가공이 가능함을 확인하였다. 또한 백화 현상을 최소화하기 위 해 0.
8 에서 볼 수 있듯이 전산 해석 결과 이격거리가 약 3 mm 이상이 될 경우에 끝 단이 퍼지는 분산 현상을 확인하였다. 연마재 분포를 노즐 끝 단에 균일하게 위치시키고 전산 해석을 시행한 결과 분산으로 인해 연마재의 분포가 워터젯의 중심을 기준으로 불균일하게 분포됨을 알 수 있다. 또한 가공 폭 보다 넓게 퍼진 초기 분산이 발생 한끝 단에 분포하는 연마재로 인해 백화 현상이 발생됨을 예측할 수 있다.
전산 해석 결과 이격 거리 3 mm 를 기준으로 분산이 확연히 나타나 백화 현상이 심화됨을 알 수 있으며, 이는 Fig. 4 에서 이격 거리가 0.4 〜 2.6 mm 에서 백화 현상이 최소화되는 실험 결과와 유사함을 알 수 있다.
그러나 40 g/mhi 이상일 경우에는 연마재주입량이 많아 혼합 챔버에 들어오는 연마재 유입관의 막힘 현상이 발생하였다. 가공 시간을 15 초로 고정한 후 동일한 방법으로 실험을 한 결과 10 g/min 이하일 경우는 앞선 결과와 마찬가지로 깨짐이 발생하였으며, 10 ~ 25 g/min 의 범위에서는 관통되지 않고 일정 깊이의 홈 가공이 가능하여 채널 가공이 가능한 구간임을 확인하였다. 25 g/min 이상일 경우에 모두 관통하여 홀 가공이 가능한 구간임을 알 수 있었다.
가공의 가능성을 확인하였다. 같은 가공 속도에서 채널의 깊이와 너비의 차가 발생해 연마재의 공급량이 일정하지 않음을 확인하였으며, 가공속도의 변화에 의해 채널 깊이가 일정하지 못함을 확인하였다.균일한 마이크로 채널 가공을 위해 균일한 연마재의 공급과 가공 속도의 적절한 조절이 필요함을 할 수 있었다.
같은 가공 속도에서 채널의 깊이와 너비의 차가 발생해 연마재의 공급량이 일정하지 않음을 확인하였으며, 가공속도의 변화에 의해 채널 깊이가 일정하지 못함을 확인하였다.균일한 마이크로 채널 가공을 위해 균일한 연마재의 공급과 가공 속도의 적절한 조절이 필요함을 할 수 있었다.
본 연구에서는 기존 연마재 워터젯 가공기를 이용한 유리 미세 가공의 성능을 평가하기 위하여 실험과 전산 해석을 통해 특성을 파악하였다' 그 결과 워 터젯을 이용한 유리 가공은 유리 소재 표면에 백화 현상이 나타나 불투명해지는 문제가 있음을 확인하였다. 또한, 표면의 백화 현상의 원인이 워터젯의 분산으로 인한 것임을 실험과 전산해.
가공 속도와 연마재 공급량을 조절하여 기존의 연마재 워터젯을 이용한, 직접적인 마이크로 홀 및 채널 가공 가능성을 확인하였다. 하지만 현재 개발된 장비를 이용하면 연마재 주입량이 일정하지 못하고 연마재의 분포가 균일하지 않아 폭이나 깊이가 균일한 채널을 가공하기에는 무리가 있음을 알 수 있다.

후속연구

전반적인 성능을 평가하였다. 전산 해석과 실험을 통하여 연마재 워터젯 가공을 평가한 결과 향후 연마재 분포를 중심으로 집중 시켜주고 공급이 안정된 장비를 개발하면, 레이저 가공이나 복잡한 MEMS 가공을 대체할 수 있는 직접적인 마이크로 채널 및 홀 가공에의 응용이 기대된다.

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