◆ 특집 ◆ 세라믹 초정밀 가공 기술
초음파 진동 테이블이 질화알루미늄 세라믹의 ELID 연삭 가공에 미치는 영향
The Effect of Ultrasonic Vibration Table on ELID Grinding Process of Aluminum Nitride Ceramics
곽태수1,, 정명원1, 김건희2, 곽인실3 Tea-Soo Kwak1,, Myung-won Jung1, Geon-Hee Kim2, and Ihn-Sil Kwak3
1 경남과학기술대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology) 2 한국기초과학지원연구원 첨단장비개발사업단 (Center for Analytical Instrumentation Development, Korea Basic Science Institute) 3 전남대학교 해양기술학부 (Faculty of Marine Technology, Chonnam National University)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-751-3317 Manuscript received: 2013.11.2 / Accepted: 2013.11.18
This study has focused on the effect of ultrasonic vibration table in ELID grinding process of aluminum nitride ceramics. Aluminum nitride ceramics has superior physical and chemical properties and widely used in IC, LSI substrate, package and so on. To achieve the high effective machining of brittle and high strength ceramics as like aluminum nitride, machining method combined ELID grinding and ultrasonic vibration has been adopted in this study. From the experimental results, material removal rate, MRR has been increased maximum 36 percent and spindle resistance has been decreased in using ultrasonic table. Surface roughness of ground surface became a little worse in using ultrasonic table but was somewhat improved in feed direction.
Key Words: Aluminum Nitride (질화알루미늄), ELID Grinding (ELID 연삭), Ultrasonic Vibration Table (초음파진동테이블), ELID Dressing Current (ELID드레싱전류), Material Removal Rate (재료제거율)
1. 서론
질화알루미늄(AlN)은 우수한 열전도성과 전기 절연성을 가지므로 정밀전자용 기기 내에 방열기 판이나, IC, LSI 기판, 정전척 및 팩키지(Package) 등에 이용되고 있다.1 질화알루미늄은 높은 취성 및 경도로 인해 가공성이 낮음에도 불구하고 우수 한 물성으로 인해 대체 기능성 소재로써 적용되고 있다. 특히, 반도체 기판의 제조 공정과 같이 높은 정밀도를 요구하는 부재에 있어서는 절삭이나 연
삭과 같은 기계 가공 후, 래핑 및 폴리싱 등의 연 마 입자를 사용한 다듬질 공정으로 원하는 표면 정밀도를 얻고 있다. 그러나 이러한 정밀 다듬질 가공 공정은 세라믹 또는 다이아몬드 입자로 구성 된 슬러리를 사용하여 낮은 소재제거율로 유리(流 離)되는 지립에 의해 가공이 이루어지므로 비교적 형상정밀도를 제어하기가 어렵고, 가공 시간이 오 래 걸린다. 이와 같이 고경도 취성 소재의 다듬질 공정에서 고능율 가공과 함께 표면정밀도 및 형상 정밀도를 높이기 위해서는 가공저항을 줄이고 절
연삭과 드레싱이 병행되므로 지속적으로 연삭 가 공이 가능하고, 초미세 지립의 연삭 숫돌을 사용 할 수 있는 대표적인 연삭가공 기술이다. ELID 연 삭 장치는 주철을 결합재로 한 도전성 연삭 숫돌 과 펄스 파형을 발생하는 전원장치, 비선형 전해 현상을 동반하는 수용성 연삭액 등으로 구성되어 있다. 이를 이용하여 가공 중 숫돌표면에 산화피 막을 형성시켜 눈메움 현상을 저감하므로서 연삭 저항을 줄이고 지립과 공작물 간의 피삭 특성을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.2-5
한편, 초음파를 이용한 연삭 가공은 초음파 진 동자에 의해 진동을 발생시켜 공구와 공작물간의 접촉 시 펄스충격력에 의해 파쇄 제거 작용이 이 루어지도록 하는 한편, 순간적인 칩의 분리가 일 어나도록 하는 기계 역학적인 제거 가공 기법을 이용하고 있다.3 초음파 연삭 가공을 할 경우 초음 파 진동에 의해 연삭 가공 시 연삭 숫돌의 가공 부하를 저감하는 효과로 인해 공구수명이 향상되 며, 연삭 숫돌과 공작물 사이의 틈새 발생으로 인 한 냉각효과로 가공 품질을 향상 시킬 수 있다.
본 연구는 고강도 소재로써 우수한 물성을 가 진 질화알루미늄의 고능율, 고정밀 가공을 위해 ELID 연삭 기술을 활용하고 초음파 진동 테이블 을 개발하여 적용하였다. 초음파 진동 테이블의 성능을 확인하기 위하여 초음파 테이블의 사용 전 과 후의 ELID 연삭가공 특성을 비교 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1 실험 장치의 구성
본 실험에서 사용된 시편은 고강도 질화알루미 늄 세라믹이며 실험 조건은 Table 1과 같다. 입도
#325번의 주철 결합제 다이아몬드 숫돌이 장착된 왕복식 수평축 평면연삭기(YGS-63A)에 ELID 연삭 시스템을 구성하였다. 가공 중 공작물에 초음파
진동을 인가하기 위해서 40kHz의 발진주파수를 가 진 PZT압전소자를 사용하여 초음파 진동 테이블 을 개발하고, ELID 연삭 시스템에 추가하였다(Fig.
1). 초음파 진동이 ELID 드레싱 전류 변화와의 상 관성을 확인하기 위해 실험은 플런지 타입과 트레 버스 타입으로 구분하였으며, ELID 모니터링 프로 그램을 이용하여 드레싱 전류변화를 수집하여 비 교분석 하였다.
초음파 진동 테이블의 적용 여부에 따라 ELID 연삭 가공 실험을 실시하고 공작물의 표면조도를 각각 분석하였다. 각 공작물의 표면상태를 비교하 기 위해 접촉식 표면조도 측정기(SJ-400, Mitutoyo) 를 사용하여 표면조도를 측정하는 한편, 초음파 진동을 적용하였을 때 ELID 연삭 가공면의 가공 특성을 분석하기 위해 광학식 표면관찰 현미경 Fig. 1 Experimental setup for ELID grinding with and
without ultrasonic vibration table
(a) SJ-400, Mitutoyo (b) IMS-M-345 Fig. 2 Measurement devices for ELID ground surface
Fig. 3 Schematic block diagram of ultrasonic vibration table
(IMS-M-345)으로 공작물의 가공 표면을 촬영하여 비교 관찰하였다.
2.2 초음파 진동 테이블
연삭 가공에서 초음파 진동은 연삭 저항을 줄 이고 냉각 효과와 눈메움 현상을 개선하여 연삭중 취성 재료의 칩핑을 저감하고 공구의 수명을 연장 하는 효과가 있다. 또한, 초음파를 이용한 복합 연 삭에서 고강도 취성소재의 고능률 가공을 위해서 는 초음파 진동수를 높이는 것으로 제거 가공 속 도를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 절입 깊이 와 제거 가공속도를 높이기 위하여 40kHz 진동자 를 이용하여 공작물에 절입 방향으로 축진동을 부 가하도록 초음파 진동 테이블을 제작하였다. 개발 된 초음파 테이블의 회로는 Fig. 3과 같다. 진동자 는 다양한 주파수 활용이 가능한 PZT 압전소자를 사용하였다. 초음파 테이블의 진동은 PLL 회로에 서 출력된 신호를 출력 회로에서 소정의 출력으로 증폭되며, 정합회로에 의해 진동자와 매칭하여 진 동자를 구동시킨다. 또한, 진동검출회로에 의해 진 동자의 진동에 비례하는 전압을 검출하여, 위상회 로에 귀환시켜 위상보정을 한다. 그 신호에 의해 PLL회로가 최적주파수를 발진하며, 출력회로에서 전력증폭을 하면서 진동자를 구동하는 동작을 반 복하는 원리로 이루어져 있다.
3. 실험 결과 및 고찰 3.1 재료제거율(MRR)
세라믹스의 가공에서 재료제거율은 생산 원가
를 크게 좌우하는 중요한 요인이다. ELID 연삭공 정에서 초음파 진동이 재료제거율과의 상관 관계 를 확인하기 위하여 각 절입량 별로 실제 가공 깊 이를 측정하였다. 실험에서는 2µm~24µm 범위에서 절입량을 선정하고 각각 3회씩 절입한 후 실제 가 공 깊이를 다이알 게이지를 이용하여 측정하였다.
Fig. 4는 초음파 테이블의 사용 여부에 따라 절입 량 별로 ELID 연삭을 수행하고 각 절입량에 대해 실제 가공 깊이를 측정한 결과이다. 실험결과에 따르면 실제 절입 깊이는 초음파 진동을 활용한 ELID 연삭공정에서 높게 나타났으며, 1회 절입량 이 증가함에 따라 실제 가공 깊이의 차이도 증가 하였다. 재료제거율은 각 절입량별로 좌우 이송속 도(66.4mm/s)와 숫돌폭(10mm), 실제 절입 깊이를 이용하여 계산하였다. 재료제거율은 절입량 24µm 일 때 가장 차이가 크게 나타났으며, 초음파 진동 을 사용한 ELID 연삭 실험에서 재료제거율은 797mm3/min, 초음파 진동을 사용하지 않은 연삭 실험에서는 585mm3/min이었으며, 초음파 테이블을 사용할 때 ELID 연삭 공정의 재료제거율은 약 36% 향상되었다.
3.2 ELID 드레싱전류 변화
ELID 연삭에서 가공 중에 드레싱 전류 변화는 숫돌 표면의 산화피막 두께 변화를 알려주는 지표 로서 드레싱 속도를 의미한다. ELID 연삭 전 일정 시간 드레싱을 하게 되면 숫돌 표면의 산화 피막 은 충분히 생성된 상태가 되며 이때 드레싱 전류 는 낮아진다. ELID 연삭 가공이 시작되면 절입량 이 큰 경우에 초기 드레싱 전류는 급격히 증가하 Fig. 4 Comparison of actual depth of cut between ELID grinding and ELID grinding using ultrasonic table
고, 절입량이 적은 경우에는 드레싱 전류의 변화 는 크지 않다. 이와 같이 ELID 연삭에서 드레싱 전류변화는 드레싱 상태를 알려주는 중요한 요인 으로서 이를 통해 정상적인 ELID 사이클 여부를 확인할 수 있다. 질화알루미늄의 ELID 연삭에 있 어서 초음파 진동이 드레싱 전류 변화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 ELID 모니터링 시스템을 이용하여 가공 중 드레싱 전류를 감시하고 감시 데이터를 비교 분석하였다. Fig. 5와 Fig. 6은 절입 량 16µm일 때 플런지 연삭과 트래버스 연삭 각 각에 대하여 ELID 연삭 실험 결과와 초음파 테이 블을 이용한 ELID 연삭 실험 결과를 비교한 그래 프이다.
플런지 연삭에서 숫돌과 공작물의 접촉시 11초 전후에서 전류와 전압의 변화가 뚜렷하게 나타나 는 것을 확인할 수 있다. 트래버스 연삭 결과에서 는 전압과 전류변화가 플러진 연삭에 비해 연속적 으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 트래버스 연삭 결과 그래프에서 30초에서 50초 사이에서 전
류 및 전압의 변화가 일정한 구간이 나타나는데, 이 것은 편도 연삭 구간이 끝나고 되돌아 올 때 공작 물과 접촉하지 않는 시간에서 나타나는 결과이다.
한편, ELID연삭에서 초음파 진동의 영향을 확 인하기 위하여 1회 절입량을 2µm~32µm으로 변화 시켜 각각에 대해 드레싱 전류를 모니터링 하였다.
Fig. 7은 플러지 연삭과 트래버스 연삭에 대해 절 입량에 따른 드레싱 전류를 모니터링한 결과이다.
실험 결과에서 절입량 16µm 이하에서는 초음파 테이블을 사용한 경우에 드레싱 전류가 낮게 나타 났으며, 절입량 20µm 이상에서 플런지 연삭시 높 게 나타났고 트래버스 연삭에는 비슷하거나 약간 높게 나타났다. Fig. 7에서 절입량 16µm 이하의 경 우 드레싱 전류가 초음파 테이블 사용시에 더욱 낮게 나타나는 것을 볼 수 있는데 이것은 1회 절 입량이 초음파 테이블의 진폭보다 작기 때문에 숫 돌과 공작물의 주기적인 접촉으로 산화피막의 탈 락 속도가 감소하기 때문으로 사료된다. 절입량 20µm 이상에서는 초음파 테이블을 사용할 때 (a) ELID grinding using ultrasonic table
(b) ELID grinding
Fig. 5 Comparison of ELID dressing current and voltage about plunge type
(a) ELID grinding using ultrasonic table
(b) ELID grinding
Fig. 6 Comparison of ELID dressing current and voltage about traverse type
ELID 드레싱 전류가 비슷하거나 높게 나타나는데, 이것은 숫돌과 공작물의 연속적인 접촉에 의해 산 화피막의 탈락 속도가 빨라지기 때문에 나타나는 현상으로 생각된다.
3.3 연삭저항
ELID 연삭은 가공 중 드레싱으로 인해 눈메 움 현상을 저감 함으로서 낮은 연삭 저항으로 공 작물의 제거 가공이 가능한 장점을 가지고 있다.
세라믹 소재의 칩핑 현상은 가공 저항과 직접적 인 관계가 있으므로 연삭 저항을 저감하는 것은 고능율 가공뿐 만 아니라 세라믹 부품의 안정적 생산에 있어서 매우 중요하다. 특히, 연삭 가공에 서 초음파 진동은 임계하중을 저감하는 것으로 보고된 바 있다. 식(1)과 같이 초음파를 응용한 연삭 가공에서 임계 하중은 등가 질량과 진폭, 주파수가 클수록 그리고 접촉시간이 짧을수록 낮 아진다.6
Spindle resistance (A)
Depth of cut
Fig. 8 Comparison of spindle resistance between ELID grinding and ELID grinding using ultrasonic table
2 2 / 3
1 2 3
1 2
6 1 1
1 cos(2 )
c m Vg
W Ak k P
E E Maf ft T
π
π π
⎛ ⎞
⎛ ⎞
= ⎜ ⎟ ⎜ + ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
−Δ
(1)
따라서 ELID연삭 가공에 초음파 테이블을 이 용하는 경우, 연삭 저항을 보다 더 저감할 수 있을 것으로 예상된다. 본 절에서는 절입량의 변화에 따 른 연삭 저항의 변화를 실험을 통해 확인하였다. 실 험은 플런지 연삭으로 1회 절입량 2µm~ 32µm의 범 위에서 각 절입량에 대하여 3회씩 절입하고 스핀들 의 연삭 저항을 부하전류[A] 데이터로 모니터링하 여 비교 분석 하였다. Fig. 8은 절입량 변화에 따른 스핀들의 연삭저항을 나타내는 그래프이다.
실험 결과에서 절입량 12µm 이하에서 스핀들 의 연삭 저항은 초음파 진동의 영향을 크게 받지 않았다. 그러나 절입량 16µm 이상에서는 초음파를 사용한 경우 연삭 저항이 3.17[A]에서 3.13[A]로 낮아졌다. 또한 ELID 연삭 가공에서 절입량 16µm 이상에서 큰 폭으로 연삭 저항이 증가하였으나, 초음파 테이블을 사용한 경우에는 절입량이 증가 함에도 불구하고 연삭 저항은 일정하게 유지되는 경향을 보였다.
3.4 표면 거칠기
연삭 가공에서 초음파 진동이 공작물의 가공 표면에 미치는 영향을 확인하기 위해서 플런지 연 삭과 트래버스 연삭 각각의 시편에 대해서 연삭 숫돌의 진행방향과 전후 이송방향으로 나누어 표 면조도를 각각 측정하였다. Fig. 9는 절입량별 플런 지 연삭 시편 9개와 트래버스 연삭 시편 9개에 대
Depth of cut
(a) Plunge grinding
Depth of cut
(b) Traverse grinding
Fig. 7 Comparison of ELID dressing current variation between ELID grinding and ELID grinding using ultrasonic table
하여 각각 3회씩 측정하고 평균한 결과 그래프이 며, Table 2와 Table 3은 플런지와 트래버스 연삭에 대한 측정 시편의 평균값을 나타낸 것이다.
측정 결과로부터 초음파 테이블 사용 유무에 따른 표면조도의 차이는 크지 않으나, 초음파 테 이블을 사용하는 경우에 플런지 연삭에서는 숫돌
진행 방향과 전후이송 방향 모두 표면거칠기가 높 게 나타났다. 트래버스 연삭에서는 숫돌진행 방향 으로는 표면조도가 높게 나타나지만, 전후이송 방 향으로는 표면조도가 개선되는 것을 확인할 수 있 었다. 트래버스 연삭시에는 전후방향 이송과 함께 초음파 진동이 부가되므로 전후이송 방향의 표면 조도가 개선되는 것으로 생각된다.
3.5 연삭가공 표면 분석
고경도 취성 재료인 세라믹스의 연삭 가공에서 는 주로 취성 파괴에 의한 표면이 형성되나, 절입 량이 미소하고 가공압력이 낮은 경우에는 취성재 료임에도 불구하고 전단소성변형에 의한 연성파괴 가공면이 형성된다. 가공면에서 공구에 의한 가공 흔적을 확인하는 것은 파괴 모드를 구분하기 위해 중요한 과정이다.
초음파 진동이 ELID 연삭 가공 시 표면에 어 떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 광학식 표 면관찰 현미경을 사용하여 가공 표면을 비교 분석 하였다. Fig. 10은 초음파 테이블 사용 유무에 따른 ELID 연삭 가공면을 측정한 사진이다. 초음파 테 이블을 사용하지 않은 ELID 연삭 가공 표면에서 는 연성파괴 모드의 연삭 흔적을 찾아볼 수 없었 으나, 초음파 테이블을 이용한 ELID 연삭 가공 표 면에서는 점선 형태의 연성파괴 모드의 연삭 흔적 을 발견할 수 있었다. 이와 같은 연성파괴 모드는 초음파 진동에 의하여 연삭 저항이 저감되면서 나 타난 것으로 사료되며, 점선 형태의 연삭 흔적은 초음파 진동에 의해 생성된 것으로 생각된다.
(a) Plunge grinding
(b) Traverse grinding
Fig. 9 Comparison of surface roughness by ELID grinding with ultrasonic table and ELID grinding
Table 2 Comparison of surface roughness in plunge grinding
Grinding method
Grinding Direction Feed Direction µmRa µmRmax µmRa µmRmax US_ELID 0.059 0.387 0.058 0.391
ELID 0.054 0.379 0.054 0.384
Table 3 Comparison of surface roughness in traverse grinding
Grinding method
Grinding Direction Feed Direction µmRa µmRmax µmRa µmRmax US_ELID 0.065 0.440 0.054 0.365
ELID 0.054 0.358 0.058 0.385
Fig. 10 Magnified photographs on ELID ground surface
4. 결론
본 연구에서는 고강도 소재로써 우수한 물성을 가진 질화알루미늄 세라믹스를 대상으로 ELID 연 삭 기술을 적용하고, 세라믹스의 가공능율을 보다 높이기 위해 초음파 진동을 활용한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 재료제거율은 절입량 24µm일 때 가장 차이가 크게 나타났으며, 초음파 진동을 사용한 ELID 연삭 실험에서 재료제거율은 797mm3/min, 초음 파 진동을 사용하지 않은 연삭 실험에서는 585mm3/min으로 초음파 테이블을 사용할 때 ELID 연삭 공정의 재료제거율은 약 36% 향상 되었다.
2. 절입량 12µm 이하에서 스핀들의 연삭 저항은 초음파 진동의 영향을 크게 받지 않으나, 절입 량 16µm 이상에서는 초음파를 사용한 경우 연 삭 저항이 3.17[A]에서 3.13[A]로 낮아졌다. 또 한 ELID 연삭 가공에서 절입량 16µm 이상에서 큰 폭으로 연삭 저항이 증가하나, 초음파 테이 블을 사용한 경우에는 절입량이 증가함에도 불 구하고 연삭 저항은 일정하게 유지되는 경향을 보였다.
3. ELID 드레싱 전류 및 전압을 모니터링 한 결 과, 절입량 16µm 이하에서는 초음파 테이블을 사용한 경우에 드레싱 전류가 낮게 나타났으며, 절입량 20µm 이상에서 플런지 연삭시 높게 나 타났고 트래버스 연삭에는 비슷하거나 약간 높 게 나타났다.
4. 표면조도는 초음파 테이블 사용 유무에 따른 차이는 크지 않았다. 초음파 테이블을 사용 하는 경우에 플런지 연삭에서는 숫돌진행 방 향과 전후이송 방향 모두 표면거칠기가 높게 나타난 반면, 트래버스 연삭에서는 숫돌진행 방향으로는 표면조도가 높게 나타나지만, 전 후이송 방향으로는 오히려 표면조도가 개선되 었다.
5. 가공표면을 확대사진으로 분석한 결과, 초음파 테이블을 사용하지 않은 ELID 연삭 가공 표면 에서는 연성파괴 모드의 연삭 흔적을 찾아볼 수 없었으나, 초음파 테이블을 이용한 ELID 연 삭 가공 표면에서는 점선 형태의 연성파괴 모 드의 연삭 흔적을 발견할 수 있었다.
후 기
본 연구는 한국기초과학지원연구원에서 수행중 인 초정밀 열영상 현미경 개발사업(D31200)의 경 남과학기술대학교 3차년도 위탁연구에 의하여 수 행되었습니다.
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