[논문]블랙 알루미나의 연삭가공에 관한 연구

박종남; 노승희; 이동길

doi:10.5762/kais.2019.20.11.7

[국내논문] 블랙 알루미나의 연삭가공에 관한 연구
Study on grinding of the black alumina 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.11, 2019년, pp.7 - 12

박종남 (조선이공대학교 기계과) , 노승희 (조선이공대학교 기계과) , 이동길 ((주)엔씨티)

초록
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반도체 시장에서 소재 개발 및 제조 공법에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 일반적으로 자동 로봇용 End Effector는 알루미나(Al₂O₃)와 탄화규소(SiC) 등의 세라믹이 사용되었다. 본 연구는 대량생산이 가능한 분말 성형 프레스 법을 통해 반도체 현장에서 사용되는 블랙 알루미나를 개발하였다. 그리고 알루미나와 블랙 알루미나를 자동 로봇의 End Effector에 적용될 수 있도록 평면 연삭기를 사용하여 연삭가공을 실시하였다. 연삭가공을 통해 블랙 알루미나 대한 표면 거칠기(Ra)를 비교·분석하여 최적의 절삭 조건을 확인 할 수 있었다. 알루미나 표면 거칠기는 이송 속도가 0.72mm/sec이고 회전수가 1,700 rpm에서 0.4876 ㎛로 가장 양호하였다. 블랙 알루미나 표면 거칠기는 대부분의 절삭 조건에서 0.2 ㎛이하의 정밀도를 나타내었으며, 이송 속도가 0.72mm/sec이고 회전수가 1,900 rpm에서 0.1364 ㎛로 가장 양호하였다. 블랙 알루미나의 표면 거칠기는 알루미나 보다 0.35 ㎛ ~ 0.47 ㎛ 정도 양호하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, end effectors for automatic robots can use ceramics such as alumina(Al2O3) and silicon carbide(SiC). In this study, black alumina was developed and used in the semiconductor field through powder molding press forming. The black alumina can be mass produced.Alumina and black alumina were ground using a plane grinder to apply to the end effector of an automatic robot. The optimal cutting conditionswere found by analyzing the surface roughness(Ra) of black alumina through grinding. The alumina surface roughness is the feed rate was about 0.72 mm/sec, and the number of revolutions was best at 0.4879 ㎛ at 1700 rpm. In addition, the black alumina surface roughness shows a precision of less than 0.2 ㎛ in most cutting conditions. The feed rate was about 0.72 mm/sec, and the number of revolutions was best at 0.1361 ㎛ at 1900 rpm. The surface roughness of black alumina was better than that of alumina by about 0.35 to 0.47 ㎛.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Diagram of manufacture process(Black alumina)
표 Table 1. Composition ratio of black alumina material
그림 Fig. 2. Black alumina
그림 Fig. 3. Density measurement graph of black alumina
그림 Fig. 4. Fracture strength data of black alumina
그림 Fig. 5. Design of the test specimen
그림 Fig. 6. Grinding machine used to experiments
그림 Fig. 7. Surface roughness graphics of the ceramics
표 Table 2. Grinding conditions
표 Table 3. Surface roughness date of the ceramics (a) Alumina (b) Black alumina
그림 Fig. 8. The surface roughness graphs of the ceramics

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 분말성형 프레스법을 통하여 반도체용 블랙 알루미나를 개발하였으며, 블랙알루미나가 반도체 생산 현장에서 자동화 산업로봇의 End Effector 에 적용될 수 있도록 연삭가공을 통해서 최적의 정밀연삭조건을 분석하여 제시하였다.

제안 방법

기존 세라믹제품들은 대부분 CIP성형법으로 제품을 생산한다. 그러나 본 연구는 제조방법 단순하고 대량생산이 가능하여 CIP성형법보다 제조단가를 낮출 수 있는 분말성형 프레스 공법을 통하여 시제품을 제조하였다.
8 g/㎤ 이상을 나타내었다. 꺾임강도 측정은 만능재료시험기(UTM4206, Instron)를 이용하여 3점에 의한 실험을 실시하였다. 실험결과 Fig.
따라서 본 연구에서 대량생산이 가능한 분말성형 프레스공법을 통하여 반도체용 블랙 알루미나를 개발하였으며, 블랙 알루미나가 반도체 생산현장에서 실리콘 웨이퍼이송 시 자동화 산업로봇의 끝부분에서 인간의 손처럼 웨이퍼를 잡아주고 이송시키는 역할을 하는 End Effector에 적용될 수 있도록 숙련자에 의해 평면연삭가공을 여러 가지 조건에서 실시하였다. 연삭가공 실험을 통해 블랙 알루미나와 알루미나에 대한 표면 거칠기를 비교·분석하여 평면정밀연삭조건을 제시하였다.
연삭가공 실험을 통해 블랙 알루미나와 알루미나에 대한 표면 거칠기를 비교·분석하여 평면정밀연삭조건을 제시하였다.
연삭조건은 정삭가공을 목표로 1회당 절입량은 2 ㎛로 일정하게 고정한 다음 회전수를 1,600 rpm ∼ 2,000 rpm 범위에서 1000 rpm 단위로 변환하고, 이송속도를 각 각 0.72 ㎜/sec, 0.85 ㎜/sec, 1.03 ㎜/sec, 1.31 ㎜/sec, 1.80 ㎜/sec로 습식가공을 실시하였다.
원재료에 첨가제는 원료의 크기를 2㎛와 100㎚이하로 구분된 블랙알루미나 첨가제(뉴환경소재연구소(주), Korea)를 사용하여, 원활한 블랙 형성과 시제품으로서 최고의 질을 얻도록 하였다. 원료혼합은 습식법으로 하였고, Al₂O₃와 첨가제를 설계 중량의 크기로 분류하여 증류수, PEG 및 약 0.5 wt %의 소포제를 첨가 한 후 볼밀작업을 약 24시간 실시하였다. 혼합된 분말에 바인더를 2 wt % 첨가하고 2시간의 볼밀작업 후 알루미나 볼을 제거하여 슬러리(slurry)를 얻었다.
원재료에 첨가제는 원료의 크기를 2㎛와 100㎚이하로 구분된 블랙알루미나 첨가제(뉴환경소재연구소(주), Korea)를 사용하여, 원활한 블랙 형성과 시제품으로서 최고의 질을 얻도록 하였다. 원료혼합은 습식법으로 하였고, Al₂O₃와 첨가제를 설계 중량의 크기로 분류하여 증류수, PEG 및 약 0.
장입공정은 블랙 알루미나의 고유의 색과 주변 장비의 오염을 방지하기 위해 진공로와 특수 제작한 그라파이트몰드를 사용하였다. 소결 후 블랙 알루미나의 밀도 측정은 아르키메데스법을 의해 측정하였으며, 측정기(TA3020, Ohaus)를 이용하였다.
측정방법은 수평테이블에 알루미나 및 블랙 알루미나 시험편을 올린 후 연삭가공 된 방향에 직각으로 설치한 후 측정 길이를 각 각 10 mm로 하여 컷오프 값에 5배인 4 mm를 평가하였다. 이러한 방법으로 Ra, Ry(Rmax), Rz 값을 구하였으며, 표면 거칠기 표시방법 중 중심선 표면 거칠기(Ra)값을 Table 3(a)에 알루미나의 표면 거칠기 값을 Table 3(b)에 블랙 알루미나의 표면 거칠기 값을 각 각 정리하여 나타내었다.
표면 거칠기 측정은 가장 많이 적용되고 있는 촉침식표면 거칠기(DR-100X61, kosaka)를 사용하였으며, 측정조건 Speed 1.0 mm/s, 촉침 직경은 5 ㎛를 적용하여 컷오프는 0.8 mm로 측정하였다.
프레스 소재 성형시의 프레스압력은 1 ton/㎠ 으로 하여 압축은 3단계로 나누어서 압축하고, 압력 제거는 4단계로 나누어서 하였다. 이 공정으로 충전 층을 완전하게 형성하도록 하여 제품 균열 제거, 취약 모서리 부 깨짐 제거 및 라미네이트 적층 등의 결함을 제거 할 수 있었다.

대상 데이터

블랙 알루미나의 개발에 적용된 혼합재료는 Al₂O₃(Showa Denko, Japan)를 주성분으로 TiO₂, MnO₂, Fe₂O₃, SiO₂, TiC 등 첨가제를 사용하였으며, 블랙 알루미나 성형에 적용된 재료의 조성비 는 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

장입공정은 블랙 알루미나의 고유의 색과 주변 장비의 오염을 방지하기 위해 진공로와 특수 제작한 그라파이트몰드를 사용하였다. 소결 후 블랙 알루미나의 밀도 측정은 아르키메데스법을 의해 측정하였으며, 측정기(TA3020, Ohaus)를 이용하였다. 실험결과 Fig.

성능/효과

1. 블랙 알루미나 표면 거칠기(Ra)는 대부분의 절삭조건에서 0.2 ㎛이하의 정밀도를 나타내었으며, 회전속도가 증가할수록 이송속도가 낮을수록 양호하였다.
2. 알루미나 및 블랙 알루미나의 이송속도에 따른 표면 거칠기는 이송속도가 증가할수록 거칠기 값이 증가하는 현상을 나타내었다.
3. 동일한 절삭조건에서 알루미나와 블랙 알루미나의 표면 거칠기 값을 비교·분석한 결과 블랙 알루미나가 알루미나보다 0.35 ㎛ ~ 0.47 ㎛ 정도 양호한 값을 나타내었다.
4. 실험을 통한 블랙 알루미나의 최적의 연삭가공조건은 이송속도가 0.72 ㎜/sec, 회전수가 1,900 rpm에서 표면 거칠기는 0.1364 ㎛를 나타내었다.
동일한 절삭조건에서 알루미나와 블랙 알루미나의 표면 거칠기 값을 비교·분석한 결과 블랙 알루미나가 알루미나보다 0.35 ㎛ ~ 0.47 ㎛ 정도 양호한 값을 나타냄을 알 수 있었다.
47 ㎛ 정도 양호한 값을 나타냄을 알 수 있었다. 또한 알루미나는 이송속도가 0.72 ㎜/sec이고 회전수가 1,700 rpm에서 0.4876 ㎛로 가장 양호한 값을 얻었으며, 블랙 알루미나는 이송속도가 0.72 ㎜/sec이고 회전수가 1,900 rpm에서 0.1364 ㎛로 가장 양호한 값을 얻었다. Fig.
알루미나의 표면 거칠기는 1,700 rpm에서 가장 양호하였으며, 회전수가 증가할수록 표면이 거칠게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 이송속도에 변화에 따른 표면 거칠기는 모든 조건의 회전수에서 이송속도가 증가할수록 거칠게 나타남을 확인할 수 있었다.
Al₂O₃ 와 SiC 등의 기존 세라믹제품에 반해 블랙 알루미나 제품은 내마모성이 매우 우수하여 휨 현상, 처짐 현상 없이 직진도가 탁월하여 웨이퍼 이송용 자동로봇의 End Effector 제품용도에 최적의 조건을 갖추고 있다. 또한, 블랙 알루미나는 소재로도 SiC 보다 가격이 저렴하고, 제조방법에 있어서도 기존 세라믹재료들에 적용되었던 슬립캐스팅, CIP성형법 등의 다소 복잡한 제조방법에서 분말성형 프레스공법으로 제조방법을 변경함으로써 대량생산이 가능하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점을 살리기 위해 반드시 수반되어야 할 공정이 절삭가공 공정이다.
2 ㎛이하의 정밀도를 나타내었다. 블랙 알루미나 표면 거칠기는 회전속도가 증가할수록 양호한 결과를 얻었으나 1900 rpm을 기점으로 표면 거칠기 값이 서서히 증가됨을 확인할 수 있었다. 이송속도에 따른 표면 거칠기는 이송속도가 증가할수록 알루미나와 같이 표면 거칠기 값이 증가하는 현상을 확인 할 수 있었다.
알루미나의 표면 거칠기는 1,700 rpm에서 가장 양호하였으며, 회전수가 증가할수록 표면이 거칠게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 이송속도에 변화에 따른 표면 거칠기는 모든 조건의 회전수에서 이송속도가 증가할수록 거칠게 나타남을 확인할 수 있었다.
블랙 알루미나 표면 거칠기는 회전속도가 증가할수록 양호한 결과를 얻었으나 1900 rpm을 기점으로 표면 거칠기 값이 서서히 증가됨을 확인할 수 있었다. 이송속도에 따른 표면 거칠기는 이송속도가 증가할수록 알루미나와 같이 표면 거칠기 값이 증가하는 현상을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 블랙 알루미나의 개발에 적용된 혼합재료는 무엇인가?	블랙 알루미나의 개발에 적용된 혼합재료는 Al2O3(Showa Denko, Japan)를 주성분으로 TiO2, MnO2, Fe2O3, SiO2, TiC 등 첨가제를 사용하였으며, 블랙 알루미나 성형에 적용된 재료의 조성비 는 Table 1에 나타내었다.
	본 연구는 분말성형 프레스법을 통하여 반도체용 블랙 알루미나를 개발하였으며, 블랙알루미나가 반도체 생산 현장에서 자동화 산업로봇의 End Effector 에 적용될 수 있도록 연삭가공을 통해서 최적의 정밀연삭조건을 분석하여 제시하였다, 이에 대한 실험결과는 어떠한가?	1. 블랙 알루미나 표면 거칠기(Ra)는 대부분의 절삭조건에서 0.2 ㎛이하의 정밀도를 나타내었으며, 회전속도가 증가할수록 이송속도가 낮을수록 양호하였다. 2. 알루미나 및 블랙 알루미나의 이송속도에 따른 표면 거칠기는 이송속도가 증가할수록 거칠기 값이 증가하는 현상을 나타내었다. 3. 동일한 절삭조건에서 알루미나와 블랙 알루미나의 표면 거칠기 값을 비교·분석한 결과 블랙 알루미나가 알루미나보다 0.35 ㎛ ~ 0.47 ㎛ 정도 양호한 값을 나타내었다. 4. 실험을 통한 블랙 알루미나의 최적의 연삭가공조건은 이송속도가 0.72 ㎜/sec, 회전수가 1,900 rpm에서 표면 거칠기는 0.1364 ㎛를 나타내었다.
	블랙 알루미나 제품의 장점은 무엇인가?	Al2O3 및 SiC 등은 내마모성이 우수함에도 불구하고 End Effector는 웨이퍼 이송 시에 웨이퍼와의 접촉과 간섭이 수만 번 이상 이루어지면서 매우 미세하게 마모되고, 이로 인한 마모현상은 자동화 생산에 불필요한 리드타임(lead time)을 유발하게 된다. Al2O3 와 SiC 등의 기존 세라믹제품에 반해 블랙 알루미나 제품은 내마모성이 매우 우수하여 휨 현상, 처짐 현상 없이 직진도가 탁월하여 웨이퍼 이송용 자동로봇의 End Effector 제품용도에 최적의 조건을 갖추고 있다. 또한, 블랙 알루미나는 소재로도 SiC 보다 가격이 저렴하고, 제조방법에 있어서도 기존 세라믹재료들에 적용되었던 슬립캐스팅, CIP성형법 등의 다소 복잡한 제조방법에서 분말성형 프레스공법으로 제조방법을 변경함으로써 대량생산이 가능하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점을 살리기 위해 반드시 수반되어야 할 공정이 절삭가공 공정이다.

참고문헌 (7)

Kwang-Ho Lee, "Preparation and Characterization of Black Zirconia Ceramic", Ph.D dissertation, MyongJi University, pp.2-4, 2009.
Hwan-Gyun Moon, "Study of cold isostatic pressing and sintering behavior of (Al+Y)3X (XZr, Ti, YCu, Mn) nanocrystalline intermetallic compound synthesized by mechanical alloying", Master's thesis, Hanyang University, pp.1-3, 2002.
Seok-Won, Kang, "A Study on the Fabrication and Properties of Ballistic Ceramics for Alumina System", Ph.D dissertation, MyongJi University, pp.1-5, 2003.
Jeongju Choi1 and Tae-won Choi, "Study on the Optimal Control of the Plunge Grinding for Valve Parts in Batch Production", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.12, No.11, pp. 4726-4731, 2011. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.11.4726

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Uematsu, K., Itakura, K., Uchida, N., Saito, K., Miyamoto, A. and Miyashita, T.,, "Hot Isostatic Pressing of Alumina and Examination of the Hot Isostatic Pressing Map,", Journal of The America Ceramic Society, Vol.73, No.1, pp.74-78, 1990. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05093.x

상세보기
Dae-Joon Kim, Hong-Lim Lee, Hyung-Jin Jung, "Effect of Surface Grinding on Low Temperature Degradation of 3Y-TZP", Journal of The Korean Ceramic Society, Vol.30, No.2, 1993.
The Korea Journal of Ceramics, "Ceramic experiment", p.422, Bando Publishing Co., 1998.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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