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문제 정의
- 본 연구에서는 특수 광학소자로서 활용되는 고경도 사파이어 소재를 대상으로 ELID 연삭법을 적용하여 고효율 나노표면 가공 특성을 평가하였다. 실험은 로터리식 수평축 ELID 평면연삭 장치와 왕복식 수평축 평면연삭기를 개조한 ELID 연삭가공 장치에서 수행하고 사파이어 광학소자의 피연삭가공 특성을 비교 검토하였다.
제안 방법
- 주철결합제인 경우에 입도 170 숫돌의 절입량은 5um, 입도 2000 숫돌의 절입량은 2um 으로 하고, 청동결합제인 경우에 입도 400 숫돌의 절입량은 3um, 입도 1200 숫돌의 절입량은 5um 으로 하였다. ELID 연삭 조건에서 초기 전압과 전류는 각각 120V, 10A 이며, 각 공정에서 연삭 개시 전 30 분 동안 초기 전해드레싱을 하고, 다듬질(#1200, #2000) 가공이 끝난 뒤에는 40분간 숫돌을 공회전(Spark-out)시켜 공작물의 표면이 균일하게 하였다.
- 한편, ELID 연삭은 가공 중 숫돌 내 결합제의 산화가 진행되므로 숫돌표면에 생성된 금속산화물이 사파이어의 시편 표면에 확산될 가능성이 있다. 따라서 가공 전과 가공 후에 각각 주사전자현미경(JSM5600LV)을 이용하여 사파이어 소재의 성분을 분석함으로서 가공표면에 금속산화물의 확산 여부를 확인하였다.
- 7 이와 같은 산화물은 공작물과 반응성이 높은 경우에 가공 후 표면에 영향을 미친다. 따라서, 수평축 평면연삭기 에서 제작한 ELID 연삭 시편을 가공 후에 주사전자현미경(JSM-5600LV)을 이용하여 SEM 측정 및 EDS 분석을 통해 사파이어 소재의 표면성분을 분석 함으로서 산화물의 검출 여부를 확인하였다. 사파이어와 동일한 분자식을 가지고 있는 알루미나(산화알루미늄) 소재의 경우에는 ELID 연삭시 숫돌의 주철(Fe)성분이 공작물의 표면에 검출된다.
- 모바일 타입의 표면조도계(DIAVITE_DH-6)는 가공 중 표면상태를 평가하는데 활용하였으며, 가공 후 시편 표면조도의 정량화는 고정식 표면조도계(Mitutoyo_SJ400)의 결과값을 활용하였다. 또한 피가공면의 표면을 분석하기 위해서 표면구조현미경을 활용하여 사진을 촬영하고 분석하였다. 한편, ELID 연삭은 가공 중 숫돌 내 결합제의 산화가 진행되므로 숫돌표면에 생성된 금속산화물이 사파이어의 시편 표면에 확산될 가능성이 있다.
- 연삭성 평가 결과에 따라 ELID 연삭 기술을 적용하면 사파이어도 높은 입도를 가진 숫돌로 연삭이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 경면 가공의 정도를 확인하기 위하여 단결정 사파이어 시편을 숫돌의 입도별로 가공하고 표면조도를 측정하였다. 측정은 접촉식 표면조도 측정기(Mitutoyo_SJ-400)로 측정하였으며, 로터리 평면연삭기의 시편은 Fig.
- 본 연구에서는 특수 광학소자로서 활용되는 고경도 사파이어 소재를 대상으로 ELID 연삭법을 적용하여 고효율 나노표면 가공 특성을 평가하였다. 실험은 로터리식 수평축 ELID 평면연삭 장치와 왕복식 수평축 평면연삭기를 개조한 ELID 연삭가공 장치에서 수행하고 사파이어 광학소자의 피연삭가공 특성을 비교 검토하였다.
- 또한, 경면 가공의 정도를 확인하기 위하여 단결정 사파이어 시편을 숫돌의 입도별로 가공하고 표면조도를 측정하였다. 측정은 접촉식 표면조도 측정기(Mitutoyo_SJ-400)로 측정하였으며, 로터리 평면연삭기의 시편은 Fig. 7에서와 같이 공작물의 회전 중심을 기준으로 내부 영역인 내부(A section)와 외곽 영역인 외부(B section)로 나누어 측정하였다.
- 표면조도(surface roughness) 측정은 두 종류의 접촉식 표면조도 측정기(DIAVITE_DH-6, Mitutoyo_ sj-400)를 사용하였다. 모바일 타입의 표면조도계(DIAVITE_DH-6)는 가공 중 표면상태를 평가하는데 활용하였으며, 가공 후 시편 표면조도의 정량화는 고정식 표면조도계(Mitutoyo_SJ400)의 결과값을 활용하였다.
- 하이트 게이지를 이용하여 가공전과 후의 시편 높이를 측정하여 실제 절입량을 비교하였다. 입도 400번 숫돌로 가공하였을 때 높이 변화는 33.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 시편은 단결정 사파이어이며, 실험장치 및 실험 조건은 Table 1 과 같다. 숫돌은 실험 장치에 따라 결합제가 각기 다른 두 종류를 사용하였다.
- 숫돌은 실험 장치에 따라 결합제가 각기 다른 두 종류를 사용하였다. 왕복식 수평축 평면연삭기(YGS-63A) 에서는 주철 결합제 다이아몬드 숫돌로서 직경 150mm 와 160mm, 숫돌 폭 10mm 를 사용하였고, 로터리식 수평축 평면연삭기(SANSEI)에서는 청동 결합제 다이아몬드 숫돌로서 직경 300mm, 숫돌 폭 10mm 를 사용하였다. 왕복식 수평축 실험장치는 평면연삭기에 ELID 전원공급 장치를 연결하여 ELID 연삭 가공이 가능하게 하였다.
이론/모형
- 표면조도(surface roughness) 측정은 두 종류의 접촉식 표면조도 측정기(DIAVITE_DH-6, Mitutoyo_ sj-400)를 사용하였다. 모바일 타입의 표면조도계(DIAVITE_DH-6)는 가공 중 표면상태를 평가하는데 활용하였으며, 가공 후 시편 표면조도의 정량화는 고정식 표면조도계(Mitutoyo_SJ400)의 결과값을 활용하였다. 또한 피가공면의 표면을 분석하기 위해서 표면구조현미경을 활용하여 사진을 촬영하고 분석하였다.
성능/효과
- 1) ELID 연삭 가공 전과 가공 후의 시편높이를 측정한 결과, 입도 400 번 숫돌로 가공하였을 때 높이 변화는 33.5um, 입도 1200 번 숫돌로 가공하였을 때 높이 변화는 4.5um 으로 나타났으며 시편의 중심부에서 가공량이 적었다. 따라서 초미세지립의 연삭 숫돌을 이용하여 사파이어의 고정밀/고효율 가공이 가능함을 알았다.
- 2) 로터리 수평축 평면연삭 장치를 이용한 ELID 연삭가공 실험에서 단결정 사파이어 시편을 제작하고 표면조도를 측정한 결과, 입도 400 연삭 숫돌로 가공하였을 때 0.45umRa, 입도 1200 숫돌의 경우 0.06umRa 의 경면을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 3) ELID 연삭에서 숫돌 표면의 산화물과 공작물의 반응 여부를 확인하기 위해 가공표면을 SEM 및 EDS 로 성분을 분석 및 측정한 결과, 가공 후 사파이어의 가공표면에는 주철 성분이 검출되지 않음을 확인하였다.
- 5um 으로 나타났으며 시편의 중심부에서 가공량이 적었다. 따라서 초미세지립의 연삭 숫돌을 이용하여 사파이어의 고정밀/고효율 가공이 가능함을 알았다.
- 연삭성 평가 결과에 따라 ELID 연삭 기술을 적용하면 사파이어도 높은 입도를 가진 숫돌로 연삭이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 경면 가공의 정도를 확인하기 위하여 단결정 사파이어 시편을 숫돌의 입도별로 가공하고 표면조도를 측정하였다.
- 45umRa 였다. 입도 1200 번 숫돌로 가공한 시편의 경우에는 내부영역에서 0.05umRa, 0.11umRa, 0.04umRa, 0.06umRa 이었으며, 외부영역에서는 0.04umRa, 0.03umRa, 0.04umRa, 0.04umRa 로 전체적으로 평균 0.06umRa 의 표면조도를 얻을 수 있었다.
- 9 는 로터리 평면연삭기에서 제작한 시편의 표면조도를 측정한 결과이다. 입도 400번 숫돌로 가공한 후 표면조도를 측정한 결과, 내부(A)영역은 각각 0.45umRa, 0.51umRa, 0.42umRa, 0.42umRa 이었으며, 외부(B)영역은 0.44umRa, 0.47umRa, 0.41umRa, 0.42umRa 로 전체평균 0.45umRa 였다. 입도 1200 번 숫돌로 가공한 시편의 경우에는 내부영역에서 0.
- 초미세 지립 연삭 숫돌을 이용한 사파이어의경면가공에 ELID 연삭법을 적용한 결과, 고경도 소재인 사파이어가 취성파괴 없이 연삭제거 가공이 가능하였으며, 공작물 가공표면의 성분에 변화가 없이 60nmRa 이하의 경면을 얻을 수 있었다. ELID 연삭에 의한 고경도 소재의 경면가공 기술은 사파이어의 응용성을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
- 6 은 가공 전과 후에 측정한 높이 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 측정 결과로부터 다이아몬드 숫돌을 이용한 ELID 연삭법을 적용하면 사파이어는 연삭가공에 의해 절입이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
- 7 은 표면구조현미경으로 입도 1200 숫돌을 사용하여 가공한 사파이어 시편의 표면을 촬영한 것이다. 표면 사진의 배율은 500 배로 하였으며, 가공표면에 숫돌의 다이아몬드 입자가 지나간 흔적이 뚜렷하게 나타나 있는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 초미세 지립 연삭 숫돌을 이용한 사파이어의경면가공에 ELID 연삭법을 적용한 결과, 고경도 소재인 사파이어가 취성파괴 없이 연삭제거 가공이 가능하였으며, 공작물 가공표면의 성분에 변화가 없이 60nmRa 이하의 경면을 얻을 수 있었다. ELID 연삭에 의한 고경도 소재의 경면가공 기술은 사파이어의 응용성을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
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