[논문]대면적 미세 가공공정 원천기술 개발

이석우; 이동윤; 송기형; 강호철; 김수진

문제 정의

본 연구에서는 과거 많은 연구들을 통해서 일반적인 가공영역에서의 가공상황을 나타낼 수 있다고 알려진 여러 종류의 센서를 동시에 사용하여 미세 가공 영역에서의 가공 상태에 대한 모니터링 연구를 수행하였다. 공구동력계 (Kistler, 9256B1), 가속도 센서 (PCB Piezotronics, 356B1), AE 센서 (Fuji Ceramics, M204A)의 세 가지 센서를 이용하였으며, 미세 가공 영역에서의 각각의 신호 특성을 분석하고, 대면적 롤금형 미세패턴 가공공공정의 모니터링에의 활용을 목적으로 검토하였다.
미세패턴 형상을 가지는 부품을 이용하여 제작되는 디스플레이 제품의 대면적화에 대응하고 부품의 생산성 향상을 위하여 대면적 롤금형을 이용한 연속성형 공정 에 대한 관심이 높아지 고 있다. 롤금형을 이용한 공정을 평판금형을 이용한 공정과 비교해 보면, 롤금형은 선삭 가공공정을 이용하여 300m/min 이상의 빠른 가공속도로 연속가공이 가능하기 때문에 직선 이송 기반의 단속가공을 해야 하는 평판금형에 비하여 금형가공시간을 획기적으로 줄일 수 있고, 광학부품의 연속 성형이 가능하기 때문에 생산성의 극대화를 추구할 수 있다.
본 논문을 통해 대면적 롤금형의 가공공정 기술에 대한 동향 및 국내의 기술 개발 결과와 향후의 개발 방향에 대하여 소개하였다.
것이 사실이다. 본 연구에서는 과거 많은 연구들을 통해서 일반적인 가공영역에서의 가공상황을 나타낼 수 있다고 알려진 여러 종류의 센서를 동시에 사용하여 미세 가공 영역에서의 가공 상태에 대한 모니터링 연구를 수행하였다. 공구동력계 (Kistler, 9256B1), 가속도 센서 (PCB Piezotronics, 356B1), AE 센서 (Fuji Ceramics, M204A)의 세 가지 센서를 이용하였으며, 미세 가공 영역에서의 각각의 신호 특성을 분석하고, 대면적 롤금형 미세패턴 가공공공정의 모니터링에의 활용을 목적으로 검토하였다.
본 특집 논문은 이러한 환경 속에서 정부의 지원으로 개발 중인 대면적 미세 가공공정 기술의 개발 현황을 소개하기 위하여 작성되었으며, 대면적 롤금형의 가공공정과 관련한 내용에 초점을 맞추고 있다. 우선, 광학부품 생산을 위한 대면적 롤 금형의 특성 및 동향에 대해서 소개하고 롤 금형의 소재 준비를 위한 니켈 도금 기술과 고균일 미세패턴 가공공정기술, 가공공정의 지능화를 위한 가공공정 시뮬레이션기술과 실시간 모니터링 기술에 대하여 논한 후 마지막으로 3 년간의 기술개발의 성과와 향후 개발방향을 소개하고자 한다.
있다. 우선, 광학부품 생산을 위한 대면적 롤 금형의 특성 및 동향에 대해서 소개하고 롤 금형의 소재 준비를 위한 니켈 도금 기술과 고균일 미세패턴 가공공정기술, 가공공정의 지능화를 위한 가공공정 시뮬레이션기술과 실시간 모니터링 기술에 대하여 논한 후 마지막으로 3 년간의 기술개발의 성과와 향후 개발방향을 소개하고자 한다.

제안 방법

상기의 준비 작업 이후 가공이 이루어지는 중에도피삭재와 공구간의 거리를 변화시키는 요인으로 서롤 금형의 질량불평형에 의해서 발생하는 회전 진동을 고려하여야 한다.2 대면적 롤금형의 경우 가공해야 하는 영역이 2m 에 달하고 무게가 300kg 이상의 대형 공작물인데 반해, 가공되는 형상의 크기는 50 ㎛ 이하이기 때문에 질량불평형에 의해서 야기되는 진동이 가공의 균일도를 저하시키는것으로 기초실험을 통해 확인하였다. 대면적 롤 금형 가공기술이 국내에 도입되던 2007 년 후반에는질량불평형을 고려할 때 회전을 고려하지 않은 정적밸런스만 보정하였으며, 정밀하게 제작된 대면적 롤금형의 경우 ISO 의 동적밸런스 규격이 G2.
당시에는 국내의 동도금 공정기술도 안정되어 있지 않았기 때문에, 동도금된코아롤을 수입하여 가공하기도 하였으나, 본 과제의 기술개발을 통하여 고품질의 동도금 기술이 안정화되어 프리즘시트 제작용 롤금형 가공기술은 가공 소재의 준비에서부터 제품까지의 전 단계가 완전히 국산화 되었다. 2m 급 대면적 롤금형의 동도 금 공정을 안정화하기 위하여 동도금 불량유형을 DB 화하여 향후 자동검사를 위한 표준화 작업을 수행하였으며, 동도금 조건별로 가공실험을 수행하여 프리즘패턴 가공에 최적화된 동도금 경도를 선정(Hv 220~250)하였으며, 이로 인하여 국내롤금형의 가공수율을 크게 향상시킬 수 있었다. 반면, 경도가 Hv200 이하일 경우 미세패턴의 산이 무너지는 것을 확인하였고, Hv200~220 에서는 도금된 동이 뜯겨지는 결함이 발생하였으며 Hv300 이상에서는 도금이 밀리고 다이아몬드공구가 파손되는.
니켈은 구리보다 경도가 높기 때문에 대면적가공 시에는 공구마모를 고려해야 하므로, 본 연구에서는 각 도금 조건별로 동일한 가공조건을 적용한 가공실험을 통하여 공구의 마모를 비교 분석하였다. 전해니켈도금 조건으로서는 기초실험을 통하여 선정된 도금 수조의 온도(65℃), 산도(pH 1.
8), 도금 전 압(6V)을 고정변수로 하고, 황산니켈과 염화니켈의 비율을 8:1, 6:1, 4:1의 3 가지 조건으로, 첨가제 햠유량 조건을 50 in〃匸 100 m£/l, 150 m«/e 의 3가지 조건으로 변화해가면서 총 9 개의 도금 조건으로 도금을 수행하였다. 다이아몬드공구의 마모에 영향을 미치는 인의 함류량과 경도를 EDS 와 경도계를 이용하여 측정하였으며, 각 도금 조건에 대하여 50 ㎛ 피치를 갖는 90° 프리즘 형상을 1200mm 구간에 141.4m/min 의 가공속도로 가공 깊이를 20 ㎛ 와 7 ㎛로 와 분할하여 가공한 후 다이아몬드공구의 마모를 측정하였다. 상기 조건으로 가공하였을 경우의 총 가공거리는 45.
다이아몬드공구의 소재는 천연 다이아몬드와 합성 모노 다이아몬드공구로 크게 나눌 수 있는데, 각각의 경우에 대한 공구마모 실험 결과 천연 다이아몬드공구의 내마모성이 더 우수한 것으로 나타났으며, 결정구조의 차이에 의한 것으로 사료된다. 대면적 롤금형 가공은 공구, 소재, 장비의 가격이 비싸고 실험에 소요되는 시간이 길기 때문에 반복적인 실험을 수행하는 것도 어려우나, 다이아몬드공구의 마모는 미세패턴의 형상정밀도, 즉 균일도에 중요한 영향을 미치기 때문에, 예측의 필요성이 대단히 높다고 할 수 있으며, 이러한 어려움을 극복하기 위하여 통계적 기법을 적용하였다. 통계적 예측 방법의 검증을 위하여 총 8 회의 가공 후 예측된 마모량과 확률, 실제 마모량의 분포를 분석하였다" 공구 마모가 3.
본연구를 통하여 절삭력, Burr, 공구수명을 고려한 미세패턴 최적가공조건 선정 프로그램이 개발되었으며, 가공조건 별 절삭력 예측과 3D 가공 시뮬레이션, Burr 예측, 공구마모 예측과 가공조건 추천 기능들로 구성되어 있다.
04 N 오차로 예측 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 이를 미세패턴을 가공하는 기업에서 쉽게 이용할 수 있도록 일정 절삭력 기반 가공조건 선정 알고리즘을 개발해 가공 단계, 특히 황삭가공 단계를 최소화 할 수 있도록 하였는데, 미세패턴 3D 가공 시뮬레이션으로 가공 영역을 계산하고 절삭력 모델로 미세절삭력을 예측한 후 최적 절삭 깊이를 추천할 수 있도록 구성되어 있다.3
전해니켈도금 조건으로서는 기초실험을 통하여 선정된 도금 수조의 온도(65℃), 산도(pH 1.3-1.8), 도금 전 압(6V)을 고정변수로 하고, 황산니켈과 염화니켈의 비율을 8:1, 6:1, 4:1의 3 가지 조건으로, 첨가제 햠유량 조건을 50 in〃匸 100 m£/l, 150 m«/e 의 3가지 조건으로 변화해가면서 총 9 개의 도금 조건으로 도금을 수행하였다. 다이아몬드공구의 마모에 영향을 미치는 인의 함류량과 경도를 EDS 와 경도계를 이용하여 측정하였으며, 각 도금 조건에 대하여 50 ㎛ 피치를 갖는 90° 프리즘 형상을 1200mm 구간에 141.

성능/효과

대면적 롤금형 가공은 공구, 소재, 장비의 가격이 비싸고 실험에 소요되는 시간이 길기 때문에 반복적인 실험을 수행하는 것도 어려우나, 다이아몬드공구의 마모는 미세패턴의 형상정밀도, 즉 균일도에 중요한 영향을 미치기 때문에, 예측의 필요성이 대단히 높다고 할 수 있으며, 이러한 어려움을 극복하기 위하여 통계적 기법을 적용하였다. 통계적 예측 방법의 검증을 위하여 총 8 회의 가공 후 예측된 마모량과 확률, 실제 마모량의 분포를 분석하였다" 공구 마모가 3.3 ㎛이하일 확률은 80%로 예측되었고 실험에서 8 개의 마모가 모두 3.1 ㎛ 이하로 나타났다. 또한 공구 마모가 2.
본 연구에서는 다이아몬드공구 마모의 기준을 마모에 의해서 발생하는 미세패턴의 깊이 방향으로의 형상왜곡 정도로 정의하였으며, Table 1 은 각 도금조건에 대한 인 함유량, 경도 및 가공 후 SEM 을 이용해서 측정된 다이아몬드공구 마모량을 보여주고 있다. 6 번 도금 조건에서 형상 왜곡의 상한선인 0.5 您 미만의 공구마모와 우수한 외관 품질을 확보할 수 있었으며, 인의 함유량도 목표값인 12%를 상회하는 것을 확인할 수 있었다.
4와 같이 가공할 수 있었다. 교차미세패턴의 경우에는 기존에 가공되어 있는 패턴에 수직으로 가공할 경우 주기적인 단속 절삭이 발생하게 되는데 단속 절삭이 끝나는 탈출부에서 가공된 패턴이 뜯기는 현상을 발견할 수 있었으며, 이러한 현상의 원인이 가공속도의 차이에서 기인한다는 것을 실험을 통해서 확인할 수 있었다. 절삭속도를 변경해가면서 가공실험을 수행한 결과 5~10m/min 으로 가공속도를 선정하게 되면 단속절삭 중 공구 탈출부의 뜯김 현상이 발견되지 않는다는 것을 Fig.
있다. 다이아몬드공구의 소재는 천연 다이아몬드와 합성 모노 다이아몬드공구로 크게 나눌 수 있는데, 각각의 경우에 대한 공구마모 실험 결과 천연 다이아몬드공구의 내마모성이 더 우수한 것으로 나타났으며, 결정구조의 차이에 의한 것으로 사료된다. 대면적 롤금형 가공은 공구, 소재, 장비의 가격이 비싸고 실험에 소요되는 시간이 길기 때문에 반복적인 실험을 수행하는 것도 어려우나, 다이아몬드공구의 마모는 미세패턴의 형상정밀도, 즉 균일도에 중요한 영향을 미치기 때문에, 예측의 필요성이 대단히 높다고 할 수 있으며, 이러한 어려움을 극복하기 위하여 통계적 기법을 적용하였다.
사용하였다. 당시에는 국내의 동도금 공정기술도 안정되어 있지 않았기 때문에, 동도금된코아롤을 수입하여 가공하기도 하였으나, 본 과제의 기술개발을 통하여 고품질의 동도금 기술이 안정화되어 프리즘시트 제작용 롤금형 가공기술은 가공 소재의 준비에서부터 제품까지의 전 단계가 완전히 국산화 되었다. 2m 급 대면적 롤금형의 동도 금 공정을 안정화하기 위하여 동도금 불량유형을 DB 화하여 향후 자동검사를 위한 표준화 작업을 수행하였으며, 동도금 조건별로 가공실험을 수행하여 프리즘패턴 가공에 최적화된 동도금 경도를 선정(Hv 220~250)하였으며, 이로 인하여 국내롤금형의 가공수율을 크게 향상시킬 수 있었다.
3과 같다. 동적 밸런싱을 수행하지 않은 롤금형은 회전에 의한 진동에 의하여 공구와피삭재간의 거리가 변하게 되어 일부 구간에서는 가공이 이루어지지 않은 부분을 발견할 수 있었으나, 동적밸런싱을 수행한 롤금형을 가공했을 경우 원주 방향을 따라 모든 위치에서 균일하게 가공이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
1 ㎛ 이하로 나타났다. 또한 공구 마모가 2.9 ㎛ 이하일 확률은 60%로 예측되었고 실험에서 2 개 공구의 마모가 예측 마모량보다 크고 6 개의 마모가 예측 마모량보다 작았다. 실험에서 얻은 마모량의 분포와 예측된 분포를 비교했을 때 조금 더 안전하게 예측되고 있음을 알 수 있는데 이것은 신뢰도를 이용해 그룹의 평균을 샘플보다 안전하게 높였기 때문이다.
4 수준으로 보정한 결과 회전 진동량이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 롤금형 가공기에 장착된 대면적 롤금형에 대하여 동적밸런싱 보정 전후의 진동량을 최대값 기준으로 비교해 보면, 보정 전 Head - 롤금형 가공장비의 스핀들 - 에서 0.076mm/s (RMS), Tail - 롤금형 가공장비 의 심 압대 - 에서 0.044mm/s (RMS)로 측정된 값들이, 보정 후 Head 에서 0.007mm/s (RMS), Tail 에서 0.004mm/s (RMS)로 크게 줄어들었다는 것을 확인할 수 있다. 동적밸런스 보정이 미세패턴 가공에 미치는 영향을 확인하기 위하여 가공깊이를 2.
미세절삭 특성을 고려한 절삭력 예측 알고리즘을 개발하였으며, 실험 데이터를 기반으로 절삭력 예측 공식을 완성하였다. Fig.
5 수준으로 측정이 되었다. 반면, 동적밸런스 규격을 G0.4 수준으로 보정한 결과 회전 진동량이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 롤금형 가공기에 장착된 대면적 롤금형에 대하여 동적밸런싱 보정 전후의 진동량을 최대값 기준으로 비교해 보면, 보정 전 Head - 롤금형 가공장비의 스핀들 - 에서 0.
본 연구의 수행 결과로 2m 급 롤금형의 고 균일가공공정 기술을 확보하였고, 니켈코팅 및 고인함유 니켈도금 공정이 개발 및 실용화되었다. 이로 인해 연구 초기 단계에 15% 였던 대면적 롤 금형의 미세패턴 가공수율이 80% 까지 향상되었다.
이로 인해 연구 초기 단계에 15% 였던 대면적 롤 금형의 미세패턴 가공수율이 80% 까지 향상되었다. 본연구를 통한 가장 큰 성과는 프리즘 시트용 대면적 롤금형의 완전 국산화를 실현하였다는 것이며, 그 결과 국내 관련 기업의 매출액이 급성장할 수 있었다는 점이라 할 수 있다. 현재는 앞에서 언급한 대면적 롤금형의 직접 성형공정에 대한 원천기술 확보를 위하여, 고심도 패턴 가공 및 자기유변유체를 이용한 미세 Burr 제거 등의 가공 공정 기술과 고온/고압의 성형 환경을 견디기 위한 롤 금형의 수명 증대 방안으로 코팅 및 고경도 도금기술 등에 대한 연구를 추진 중에 있다.
위의 내용과 같이 AE 센서의 특성 파악을 통해 수행한 모니터링 실험을 통해서는 AE 센서가 가공 소재의 불균일로 인한 가공 품질의 변화를 감지할 수 있음을 알 수 있었다. 아래의 Fig.
이로 인해 연구 초기 단계에 15% 였던 대면적 롤 금형의 미세패턴 가공수율이 80% 까지 향상되었다. 본연구를 통한 가장 큰 성과는 프리즘 시트용 대면적 롤금형의 완전 국산화를 실현하였다는 것이며, 그 결과 국내 관련 기업의 매출액이 급성장할 수 있었다는 점이라 할 수 있다.

후속연구

및 고급화 경향을 선도하고 있다. LCD 의 핵심 모듈인 BLU (Back Light Unit)에 사용되는 프리즘 시트를 생산하기 위해 상기의 대면적 롤 금형이 가장 많이 사용되고 있으며, 향후 도광판, 확산 판 등으로 그 응용처가 확산될 것으로 기대되고 있다. 과거 프리즘시트는 전량 해외에서 수입에 의존하여 왔으며, LCD 기판유리가 7 세대에서 8 세대로 넘어가는 2007 년경부터 국내의 중소기업들이 프리즘 시트 양산시장에 진입하기 시작하였으나, 당시 프리즘시트 양산용 롤금형 가공을 위한 장비 및 가공기술이 충분히 확보되지 않은 상황이었기 때문에 롤금형을 해외에서 수입하면서 양산 공정을 안정화하는 수준이었다.
선행된 연구 논문들을 통해 볼 때, 절삭력 측정 시 절입 깊이를 작게 하여 파형의 폭이 작을수록 가공된 소재의 표면 품질이 향상됨이 보고된바 있는데, 공구 동력계를 통해 가공 중 실시간으로 표면품질의 예측이 가능할 것으로 보이나, 장시간 측정 시 드리프트 (Drift) 현상으로 인한 신호의 왜곡이 발생하는 공구 동력계의 특성상 롤금형 가공의 실시간 모니터링 적용에 어려움이 있을 것으로 예상된다. 그러나, 롤금형의 미세 패턴 가공 실험에 있어서의 미세 가공 부하에 대한 AE 신호 결과는 절삭력과 유사한 특성을 보였으므로 공구동력계를 대신하여 AE 센서를 적용하는 것이 가공상태 모니터링을 위한 한 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.
AE 신호는 사람의 육안 이외의 측정 장비를 통하여 구별이 어려운 미세가공 표면의 얼룩 현상 발생시에 균일한 가공이 이루어지는 경 우와는 다른 신호 특성을 시 간영역과 주파수 영역 분석 결과에서 보여주는 것으로 사료된다. 대면적 롤금형의 경우 장기간의 도금이 필요하기 때문에, 도금의 균일성이 저하되는 것이 의심되며, 이로 인하여 불균일한 가공이 발생하는 것으로 사료되나, 롤금형의 소재 불균일성의 발생 원인과 이상 상태의 AE 신호와의 명확한 연관성 규명을 위하여서는 추가적인 연구가 필요하다.

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