[논문]미세 전해 가공에서 반경 방향 오버컷 예측을 위한 시뮬레이션

김보현; 신홍식; 오영탁; 이강희; 주종남

문제 정의

8 과 같이 전류밀도가 낮아져 반응율이 점 점 낮아지 고, 오버컷 양도 작아지게 된다. 따라서 보다 더 깊은 구멍 가공에서의 오버컷의 변화에 대해 실험을 하였다. 실험 방법은 구멍 깊이가 10|im 에서 100 pm 까지의 각기 다른 구멍을 가공한 뒤에 소요된 시간을 측정하였으며 이 때의 반경 방향 오버컷을 측정하였다.
본 논문에서는 0.1 M 황산, 지름 100 gm 원형 전극을 이용하여 스테인리스 강 (STS304) 을 전해 가공할 때, 펄스 온 타임과 가공 시간에 따른 가공 오버컷 변화와 그에 대한 시 뮬레 이 션을 연구하였다.
초단 펄스를 이용한 미세 전해 구멍 가공에서의 반경 방향 오버컷에 대해 연구하였다. 전해 가공에서 인가된 펄스의 조건과 가공 시간에 따라오버컷의 변화 경향을 살펴보았으며 인가 펄스 폭이 커질수록, 구멍 가공 깊이가 작을수록 반경 방향 오버컷이 커지는 것을 알 수 있었다.

가설 설정

펄스 휴지 기간의 전압(pulse off-time voltage)를가공물 전체에서 전해가 일어나지 않도록 설정하기 때문에 펄스 휴지 기간 전압에서는 반응 전류가 흐르지 않는다고 가정할 수 있다. 즉, 펄스 휴지 기간 전압에서 전해가 일어나지 않고 펄스 인가 전압에 비해 상대적으로 작기 때문에 펄스 인가 전압은 과전위로 생각할 수 있다.

제안 방법

하지만 실제 가공에서는 이온 확산 속도에 의해 반응율이 제한을 받게 된다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 최대 반응율(Max_Rate)을 일정치 이하로 설정하였다. 최대 반응율은 가공 간극이 매우 작은 경우에 주로 영향을 미치므로 가공이 어느 정도 진행되어 간극이 커지게 되면 그 영향이 미미하게 된다.
또한 가공물의 접촉 유무를 판단하기 위한 회로를 제작하였으며 이 신호를 통하여 전극의 이송을 제어하였다. 가공 상태는 머신 비젼을 통해 모니터링하였다.
전해 가공에서 인가된 펄스의 조건과 가공 시간에 따라오버컷의 변화 경향을 살펴보았으며 인가 펄스 폭이 커질수록, 구멍 가공 깊이가 작을수록 반경 방향 오버컷이 커지는 것을 알 수 있었다. 또한 전기화학 반응식을 이용하여 반경방향 오버컷을 시뮬레이션을 통하여 예측할 수 있었다. 전해가공에서의 가공 조건에 따른 오버컷 변화와 이에 대한 예측은 미세 전해를 이용한 구멍 가공뿐만 아니라 3 차원 구조물 가공에 적용할 수 있다.
미세 전해 구멍 가공에서의 오버컷 예측을 위해 먼저, 전해 반응을 모델링 하였다. Fig.
최대 반응율은 가공 간극이 매우 작은 경우에 주로 영향을 미치므로 가공이 어느 정도 진행되어 간극이 커지게 되면 그 영향이 미미하게 된다. 반응율이 일단 구해지면, 반응율과단위 시간과 곱하여 반응한 양을 구한 뒤 가공 간극(dn+1)을 다시 계산하였다. 이 과정을 반복 (iteration)하여 시간에 따른 가공 간극의 변화를 시뮬레 이션하였다.
본 시뮬레이션에서는 가공 간극을 가공 시간에 대하여 가공율을 적분하여 구하였다. Fig.
본 실험에서는 펄스 조건과 가공 시간에 따른 오버 컷을 측정 하기 위 해, Fig. 2와 같이 지 름 35 pm 의 미세 전극을 이용하여 깊이 10 pim 의 구멍을 가공한 뒤, 구멍의 지름을 측정하였다. 인가 펄스 전압은 6 V 이며 Fig.
따라서 보다 더 깊은 구멍 가공에서의 오버컷의 변화에 대해 실험을 하였다. 실험 방법은 구멍 깊이가 10|im 에서 100 pm 까지의 각기 다른 구멍을 가공한 뒤에 소요된 시간을 측정하였으며 이 때의 반경 방향 오버컷을 측정하였다. 설정한 공구전극의 이송속도는 1 gm/s 이지만, 단락으로 인해 실제 가공 속도는 이보다 느려졌다.
최대반응율이다. 이 중, 전기이중층의 충전 용량은 일반적으로 금속의 경우 10~40gF/cm² 이지만 이러한 값들은 정확한 값을 구하기가 쉽지 않기 때문에 먼저 60 ns 폭의 펄스를 사용하여 구멍 가공을 한 뒤 가공 간극을 측정하여 이 결과를 바탕으로 각 값들을 유추하였다. 즉 이중층 충전 용량, 교환 전류 밀도, 최대 반응율을 각각 13 gF/cm², 1.
이렇게 결정된 변수를 이용하여 다른 펄스 인가 시간(100, 150 ns)에 대해서도 시뮬레이션을 수행하였다. 펄스 인가 시간를 달리하여 나타내었다.
이 중, 전기이중층의 충전 용량은 일반적으로 금속의 경우 10~40gF/cm² 이지만 이러한 값들은 정확한 값을 구하기가 쉽지 않기 때문에 먼저 60 ns 폭의 펄스를 사용하여 구멍 가공을 한 뒤 가공 간극을 측정하여 이 결과를 바탕으로 각 값들을 유추하였다. 즉 이중층 충전 용량, 교환 전류 밀도, 최대 반응율을 각각 13 gF/cm², 1.7 mA/cm², 300 monolayer/sec 으로 설정하여 Fig. 6 과 같은 그래프를 구하였다. 그래프에서 가공 초기의 경우 가공 간극의 변화가 시뮬레이션 결과와 잘 일치하지 않음을 볼 수 있는데 이 구간은 최대 반응율에 영향을 받는 영역이다.
펄스제너레이터의 초단 펄스 전압은 공작물과 전극에 인가하였으며 이를 오실로스코프로 측정하였다. 또한 가공물의 접촉 유무를 판단하기 위한 회로를 제작하였으며 이 신호를 통하여 전극의 이송을 제어하였다.

대상 데이터

Fig. 1에 나타낸 것처럼, 실험 장치는 전해셀, X-Y-Z 이송기구, 펄스제너레이터, 오실로스코프 등으로 구성되어 있다. 가공물의 재료로는 스테인리스 강(STS304)를 사용하였다.
1에 나타낸 것처럼, 실험 장치는 전해셀, X-Y-Z 이송기구, 펄스제너레이터, 오실로스코프 등으로 구성되어 있다. 가공물의 재료로는 스테인리스 강(STS304)를 사용하였다. 가공물의 형상은 폭 15 mm X 15 mm, 두께 300 gm 의 사각형 판이 며 , 전해 가공 전에 표면 연마를 수행하였다.
가공물의 재료로는 스테인리스 강(STS304)를 사용하였다. 가공물의 형상은 폭 15 mm X 15 mm, 두께 300 gm 의 사각형 판이 며 , 전해 가공 전에 표면 연마를 수행하였다.
미세 공구, 즉, 미세 전극의 재료로 초경합금을 사용하였으며 와이어 방전 연삭 (WEDG wire electrical discharge grinding)를 이용하여 수 십 pm 지름의 전극으로 제작하였다.

성능/효과

9 에 가공 시간(또는 깊이)에 따른 반경 방향 오버 컷의 변화를 나타내었다. 깊이 10 μm 깊이의 구멍 가공의 결과(Fi& 7)와 비교하였을 때, 반경방향 오버 컷의 양이 약 20 % 가량 줄어든 것을 볼 수 있다. 그 이유는 구멍 깊이가 깊어질수록 이온 확산이 어렵고, 전류가 빠져나가는 벽면의 면적이 증가하게 되어 결과적으로, 평균 전류 밀도가 낮아짐 으로 인해, 반경방향의 전해 반응이 줄어 들기 때문이다.
반경 방향 오버컷에 대해 연구하였다. 전해 가공에서 인가된 펄스의 조건과 가공 시간에 따라오버컷의 변화 경향을 살펴보았으며 인가 펄스 폭이 커질수록, 구멍 가공 깊이가 작을수록 반경 방향 오버컷이 커지는 것을 알 수 있었다. 또한 전기화학 반응식을 이용하여 반경방향 오버컷을 시뮬레이션을 통하여 예측할 수 있었다.

후속연구

따라서 앞서 펄스 폭 60 ns 의 가공에서 유추한 상수의 설정이 타당함을 알 수 있다. 이렇게 계산된 시뮬레이션 결과는 가공 시간과 펄스 인가 시간에 따른 간극, 즉 오버컷 변화의 예측에 사용될 수 있다.

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