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문제 정의
- 본 연구에서는 Taguchi 기법을 이용하여 전해연마 시 스테인레스 스틸 튜브에 전류를 공급하는 부스바를 접촉 면적이 큰 반구형 면 접점 부스바로 하여 전기 접촉 저항을 감소시켜 전해효율을 향상시키고 전해연마액 수명을 연장하고자 하였다. 주요 제어인자로 연마 시간, 전류밀도, 전해액 온도, 유량을 선정하고 직교배열표를 작성하여 실험을 수행하였다.
- 전해연마에 사용되는 전기량을 감소시키면 페러데이 법칙에 따라 전해연마액 중에 용해되어 축적되는 불순물(금속 슬러지)을 줄일 수 있어 전해 연마액 수명을 연장할 수 있고 전해연마액 사용량을 감소시킬 수 있다[6,7]. 본 연구에서는 전해연마시 반구형 부스바를 적용하여 전기 접촉 저항을 감소시키고 전해연마에 필요한 전기량을 감소시켜 금속 용해량을 저감시킬 수 있었으며, 이를 통하여 전해연마액 수명 연장의 결과를 도출하였다.
- 본 연구에서 반구형 부스바와 Taguchi 기법을 이용하여 전해액 수명 연장을 위한 최적 공정 조건을 도출하였다. Taguchi 기법에 따라 망대특성 SN비를 산출한 결과, 전해액 온도의 영향이 가장 컸으며, 유량의 영향이 가장 작았다.
제안 방법
- 본 연구에서는 Taguchi 기법을 이용하여 전해연마 시 스테인레스 스틸 튜브에 전류를 공급하는 부스바를 접촉 면적이 큰 반구형 면 접점 부스바로 하여 전기 접촉 저항을 감소시켜 전해효율을 향상시키고 전해연마액 수명을 연장하고자 하였다. 주요 제어인자로 연마 시간, 전류밀도, 전해액 온도, 유량을 선정하고 직교배열표를 작성하여 실험을 수행하였다.
- 손실함수의 종류별로 SN비는 다르게 정의되며 값이 크면 신호의 힘이 크고 잡음의 힘이 적어 산출물에 영향을 적게 미치므로 항상 값이 클수록 좋다. 품질 특성치인 튜브 내면의 표면 거칠기 개선율은 크면 클수록 좋기 때문에 망대특성을 이용하였다. 망대특성에 대한 SN비를 구하는 것은 식은 다음과 같다[15,16].
- 제어인자로는 전해연마에 직접적으로 영향을 주는 전류밀도, 연마 시간, 전해액 온도, 유량으로 하였으며, 특성치는 표면 거칠기 개선율로 하였다. 각 제어인자의 수준은 표 1과 같이 등 간격 3수준으로 하였다.
- 각 제어인자의 수준은 표 1과 같이 등 간격 3수준으로 하였다. 직교배열표 내측에는 제어인자를 배열하고 외측에는 3회 반복실험을 배열하여 3수준 직교배열표 L9(34)를 작성하여 실험을 수행하였다.
- 스테인레스 스틸 튜브를 전해연마하기 위하여 먼저 인산과 황산을 주성분으로 하는 전해연마액을 건욕 하였으며, 여기에 첨가제로 EP-2를 추가하였다. 스테인레스 스틸 튜브를 전해연마하기 위하여 그림 2와 같이 튜브 5본을 전해연마 장치에 장착하였다.
- 튜브에 잔존하는 전해연마액을 완전히 제거하기 위하여 상온의 DIW로 3회 반복하여 세척하였으며, 다시 DIW (60 ℃)로 2회 세척 후 N2 가스로 건조하였다. 파티클의 영향을 최소화하기 위하여 청정도가 Class 100인 클린룸에서 전해연마된 튜브의 표면 거칠기를 측정하였다. 튜브 내면 표면 거칠기는 일본 Mitutoyo사의 모델 175를 사용하여 측정하였다.
- 튜브 내면 표면 거칠기는 일본 Mitutoyo사의 모델 175를 사용하여 측정하였다. 튜브 내면 거칠기를 측정하기 위하여 전해연마된 튜브를 고정 하고 튜브 내면에 측정기의 스타일러스를 넣어서 측정하였다. 측정은 튜브를 90°씩 돌려가면서 4곳의 표면 거칠기를 측정하여 평균값을 구하였다.
- 측정은 튜브를 90°씩 돌려가면서 4곳의 표면 거칠기를 측정하여 평균값을 구하였다. 그리고 전해연마 전과 후의 표면 거칠기 값을 비교하여 표면 거칠기 개선율을 구하였다.
- 전해연마 실험은 오차를 최소화하기 위하여 각 실험조건에서 3회 반복하여 외측 실험결과로 나타내었다. 실험결과는 전해연마 전의 표면 거칠기를 측정하고 전해연마 후 표면 거칠기를 측정하여 표면 거칠기가 개선된 정도를 백분율로 표시하여 표면 거칠기 개선율을 결과 값으로 표시하였다. 실험결과에 따른 표면 거칠기 개선율 값을 표 2에 나타내었다.
- 전류밀도 및 연마 시간은 전해액 온도만큼 표면 거칠기 개선율에 유의하지는 않았으나 각각 신뢰수준 75%, 70%에서 유의하였다. 최소전류 전해연마 최적 조건을 도출하기 위하여 분산분석을 통하여 표면 거칠기 개선율의 SN비에 대한 반응표를 구하였다(표 5). 표 5의 반응표에서 4개 제어인자에 대한 SN비의 상대적인 크기를 비교하여 각 인자의 변위 크기를 델타(delta)로 나타내었다.
- 이다. 최적 공정 조건에서 SN비가 얼마나 개선되었는지 알아보기 위해 선 접점 부스바의 최적 공정 조건 A3B3C1D1에서 SN비를 추정하여 비교하였다. 선 접점 부스바의 최적 공정 조건에서 SN비를 추정하면[12],
- 측정은 튜브를 90°씩 돌려가면서 4곳의 표면 거칠기를 측정하여 평균값을 구하였다.
대상 데이터
- 반구형 부스바(그림 1)와 Taguchi 기법을 이용하여 전해연마액 수명연장 최적 공정 조건을 찾기 위하여 본 연구에서는 인산(85% w/w), 황산(98% w/w), DIW(deionized water), 첨가제(additive agent)로 EP-2를 사용하였다. 인산은 동양제철화학의 제품을 사용하였으며, 황산은 한화케미컬, DIW는 DIW 제조 장치를 이용하여 생산하였으며, EP-2는 일본 오쿠노 케미칼의 제품을 사용하였다.
- 반구형 부스바(그림 1)와 Taguchi 기법을 이용하여 전해연마액 수명연장 최적 공정 조건을 찾기 위하여 본 연구에서는 인산(85% w/w), 황산(98% w/w), DIW(deionized water), 첨가제(additive agent)로 EP-2를 사용하였다. 인산은 동양제철화학의 제품을 사용하였으며, 황산은 한화케미컬, DIW는 DIW 제조 장치를 이용하여 생산하였으며, EP-2는 일본 오쿠노 케미칼의 제품을 사용하였다. 전해연마 실험 장치는 그림 2와 같으며 1/2″ × 1.
- 부스바는 그림 1과 같은 반구형 부스바로 튜브 외경과 동일한 곡률 반경을 가진 반구형 홈을 부스바에 가공하여 전해연마 시 튜브와 면 접점으로 접촉할 수 있도록 하였다. 전해연마에 사용된 정류기는 구수중전기의 15 V-300 A 정류기를 사용했으며, 전극봉은 재질이 동(순도 98.0% 이상)이고 직경, 가이드 간격 및 길이는 각각 4 mm, 10 cm 및 25 cm였다. 전해연마에 사용한 튜브 재료는 반도체 배관용으로 사용되는 STS 316 L로 주요 화학 성분은 Fe, Ni, Cr, Mo이며 소량의 C, Si, Mn, P, S 등이 함유되어 있다.
- 0% 이상)이고 직경, 가이드 간격 및 길이는 각각 4 mm, 10 cm 및 25 cm였다. 전해연마에 사용한 튜브 재료는 반도체 배관용으로 사용되는 STS 316 L로 주요 화학 성분은 Fe, Ni, Cr, Mo이며 소량의 C, Si, Mn, P, S 등이 함유되어 있다. 튜브의 전해연마 전 표면 거칠기는 평균적으로 10 ~ 15 µinRa, 튜브 1본의 내부 면적은 약 3.
이론/모형
- 반구형 부스바를 이용하여 전해연마액 수명연장 최적 공정 조건을 찾기 위하여 Taguchi 기법과 직교배열표를 이용하였다. Taguchi 기법은 종래의 제어하기 어려운 환경조건, 생산조건, 공정조건 등의 원인 등을 잡음인자라고 하고, 품질 특성치에 영향을 미치는 제어인자 중 영향력이 큰 인자와 작은 인자를 찾아 잡음인자들의 영향이 최소가 되는 최적조합을 찾는 방법이다[10-14].
- 파티클의 영향을 최소화하기 위하여 청정도가 Class 100인 클린룸에서 전해연마된 튜브의 표면 거칠기를 측정하였다. 튜브 내면 표면 거칠기는 일본 Mitutoyo사의 모델 175를 사용하여 측정하였다. 튜브 내면 거칠기를 측정하기 위하여 전해연마된 튜브를 고정 하고 튜브 내면에 측정기의 스타일러스를 넣어서 측정하였다.
- Taguchi 직교배열표에 근거한 실험계획법에 따라 전해연마 실험을 진행하였다. 전해연마 실험은 오차를 최소화하기 위하여 각 실험조건에서 3회 반복하여 외측 실험결과로 나타내었다.
성능/효과
- 변동이 가장 작은 인자인 유량을 오차항으로 하여 다시 분산분석한 결과를 표 4에 나타내었다. 유량을 오차항으로 한 분산분석 결과, 전류밀도, 연마 시간, 전해액 온도의 F값이 각각 3.17, 2.71, 18.35였다. 그리고 전류밀도, 연마 시간, 전해액 온도의 P값이 각각 0.
- 그리고 연마 시간과 전해액 온도에 따른 SN비를 살펴보면, 동일 연마 시간에서 전해액 온도가 증가하면 대체적으로 SN비도 증가하였으나 6 min에서는 70 °C의 SN비 값이 35.16으로 65 °C의 SN비 값인 36.02보다 낮았다.
- 이 변위 크기인 델타는 각 제어인자의 SN비에 대한 가장 큰 평균값과 가장 작은 평균값의 차이를 나타낸 것으로 델타 값이 가장 큰 것을 1, 그 다음 큰 값을 2, 3, 4순으로 하여 표시하였다. 따라서 표면 거칠기 개선율에 가장 큰 영향을 주는 인자는 델타 값이 가장 큰 3.68로 전해액 온도였다. 그 다음으로 영향을 주는 인자는 순서대로 델타 값이 1.
- 이것은 70 °C에서 전류밀도가 35 A/dm2이고 65 °C에서 전류밀도가 55 A/dm2로 전류밀도 차이가 커서 전류밀도의 영향을 받았기 때문이다. 표 5에서 SN비를 살펴보면 전해액 온도는 수준이 올라가면서 SN비가 증가하는데 반하여 전류밀도, 연마 시간, 유량은 수준이 올라가더라도 SN비는 증가하기도 하고 감소하기도 하였다. 이것은 전해액 온도가 다른 인자들에 비하여 영향력이 크다는 것을 의미한다.
- 전류밀도가 높으면 동일시간 내에 이온이동이 많아지고 연마 시간이 길면 이온 이동량이 증가하여 표면 거칠기 개선율을 향상시킬 수 있으나 전해온도가 낮으면 전해액의 점성이 높아져 이온 이동이 활발하지 않게 되어 용해작용이 떨어진다[5,7]. 이러한 결과를 종합하여 최적 공정 조건을 도출하면 SN비가 가장 큰 수준조합은 A2B3C3D2이다. 반구형 부스바의 최적 공정 조건에서 SN비를 추정하면[12],
- 본 연구에서 반구형 부스바와 Taguchi 기법을 이용하여 전해액 수명 연장을 위한 최적 공정 조건을 도출하였다. Taguchi 기법에 따라 망대특성 SN비를 산출한 결과, 전해액 온도의 영향이 가장 컸으며, 유량의 영향이 가장 작았다. 전해연마액 수명을 연장할 수 있는 최적 공정 조건은 전류밀도 45 A/dm2, 연마 시간 6 min, 전해액 온도 70 °C, 유량 11 L/min였다.
- 전해연마액 수명을 연장할 수 있는 최적 공정 조건은 전류밀도 45 A/dm2, 연마 시간 6 min, 전해액 온도 70 °C, 유량 11 L/min였다. 반구형 부스바 사용 시 접촉 면적에 따른 전기 접촉 저항 감소로 전해효율이 향상되어 전해액 수명을 연장시킬 수 있었다. 향후 연구에서는 전기 접촉 저항을 한층 더 감소시켜 전해효율을 향상시킬 수 있는 전해연마장치의 고안 및 최적 공정 조건 도출이 필요하다.
후속연구
- 반구형 부스바 사용 시 접촉 면적에 따른 전기 접촉 저항 감소로 전해효율이 향상되어 전해액 수명을 연장시킬 수 있었다. 향후 연구에서는 전기 접촉 저항을 한층 더 감소시켜 전해효율을 향상시킬 수 있는 전해연마장치의 고안 및 최적 공정 조건 도출이 필요하다.
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