[논문]마이크로 인덴테이션 기법을 이용한 마이크로 피라미드 성형기술 개발

서대건; 유영은; 제태진; 서영호; 최두선

문제 정의

본 연구에서는 이러한 기존의 공정과는 달리, 소재의 소성변형의 특성을 이용하여 도트 형상이나 피라미드 형상과 같은 비연속적으로 이루어진 패턴의 성형기술 개발을 목표로 PZT Actuator 와 초정밀 스테이지를 이용하여 미세패턴 성형시스템을 구성하고, 마이크로 인덴테이션 기법을 이용하여 압입속도와 압입깊이 등을 조절하여 마이크로 피라미드 패턴의 최적성형조건을 확립하였다. 또한, 이러한 실험결과를 바탕으로 패턴의 어레이를 고속으로 성형하기 위한 방안을 모색하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 기존의 공정과는 달리, 소재의 소성변형의 특성을 이용하여 도트 형상이나 피라미드 형상과 같은 비연속적으로 이루어진 패턴의 성형기술 개발을 목표로 PZT Actuator 와 초정밀 스테이지를 이용하여 미세패턴 성형시스템을 구성하고, 마이크로 인덴테이션 기법을 이용하여 압입속도와 압입깊이 등을 조절하여 마이크로 피라미드 패턴의 최적성형조건을 확립하였다. 또한, 이러한 실험결과를 바탕으로 패턴의 어레이를 고속으로 성형하기 위한 방안을 모색하고자 하였다.
본 연구에서는 마이크로 피라미드 패턴의 성형을 위해 Micro Vickers Diamond Indenter 를 이용해서 PZT Actuator 의 구동 입력신호와 진동수 그리고 Initial Gap 을 바꿔가면서 최적의 형상을 성형할 수 있는 조건을 확립하고, 이러한 실험결과를 토대로 패턴의 어레이를 고속으로 성형하기 위한 방안을 모색하였다.

제안 방법

Micro Vickers Diamond Indenter 를 압입자로 사용하였고, 압입시에 Indenter 의 정밀한 구동을 위해 PZT Actuator 를 구동자로 이용하였다. 또한, 가공시편의 정밀한 이송을 위하여 X-Y-Z 의 기본 3 축으로 구성된 초정밀 스테이지와 Indenter 의 압입 순간의 힘을 실시간으로 측정하기 위해 가 공시편 밑면에 공구동력계를 설치하였다.
Sine 신호와 Square 신호의 입력 시에 주파수의 변화와 Initial Gap 에 따른 힘과 가공직경의 차이를 알아보았다.
위 실험으로 수립된 조건을 토대로 마이크로 피라미드 패턴 어레이 성형실험을 해보았다.
스테이지를 1 mm/s 의 속도로 이송시키면서 60 μm의 Initial Gap 상태에서 Square 입력신호의 30Hz 구동으로 1 cm² 의 면적에 50 μm의 피치를 가지는 패턴 어레이의 성형을 해보았으며, 가공부의 일부분을 SEM 으로 측정하여 Fig. 9 에 나타내었다.

대상 데이터

Micro Vickers Diamond Indenter 를 압입자로 사용하였고, 압입시에 Indenter 의 정밀한 구동을 위해 PZT Actuator 를 구동자로 이용하였다. 또한, 가공시편의 정밀한 이송을 위하여 X-Y-Z 의 기본 3 축으로 구성된 초정밀 스테이지와 Indenter 의 압입 순간의 힘을 실시간으로 측정하기 위해 가 공시편 밑면에 공구동력계를 설치하였다.
본 실험에 사용된 소재는 전해도금 처리된 니켈이며 두께는 0.5 mm이고, 경도는 마이크로 비커스 경도기로 측정한결과 HV 305.74 를 띄는 시편을 사용하였다.

성능/효과

그 결과, 압입자의 구동을 결정하는 PZT Actuator 의 입력신호로써 Square 신호가 Sine 신호보다 적절함을 확인하였고, Initial Gap 을 조절하여 원하는 패턴의 크기를 얻을 수 있었다. 압입속도를 결정하는 입력주파수에 따른 패턴의 성형결과는 성형된 표면의 상태로는 대체로 만족스러우나, 패턴의 어레이 성형실험 시에 PZT Actuator 의 진동속도에 비한 스테이지 이송속도가 적절치 않아서 성형부의 주위에 약간의 파일-업이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
그 결과, 압입자의 구동을 결정하는 PZT Actuator 의 입력신호로써 Square 신호가 Sine 신호보다 적절함을 확인하였고, Initial Gap 을 조절하여 원하는 패턴의 크기를 얻을 수 있었다. 압입속도를 결정하는 입력주파수에 따른 패턴의 성형결과는 성형된 표면의 상태로는 대체로 만족스러우나, 패턴의 어레이 성형실험 시에 PZT Actuator 의 진동속도에 비한 스테이지 이송속도가 적절치 않아서 성형부의 주위에 약간의 파일-업이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 패턴 어레이의 고속성형을 위해서 PZT Actuator 의 빠른 진동수에 대응한 적절한 스테이지 이송속도의 확립에 관한 연구가 요구된다.

후속연구

압입속도를 결정하는 입력주파수에 따른 패턴의 성형결과는 성형된 표면의 상태로는 대체로 만족스러우나, 패턴의 어레이 성형실험 시에 PZT Actuator 의 진동속도에 비한 스테이지 이송속도가 적절치 않아서 성형부의 주위에 약간의 파일-업이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 패턴 어레이의 고속성형을 위해서 PZT Actuator 의 빠른 진동수에 대응한 적절한 스테이지 이송속도의 확립에 관한 연구가 요구된다.

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