Review of Micro Electro-Chemical Machining

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(1)한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집, Vol.2 , No.2, pp. 25-29 (2012). Copyright ⓒ 2012 ICT ISSN : 2233-8667. 미세 전해가공 기술 동향 신 홍 식* 한국교통대학교 에너지시스템공학과. Review of Micro Electro-Chemical Machining HongShik Shin* Department of Energy System Engineering, Korea National University of Transportation, 5 0 Daehak-ro, Chungju-si, Chungbuk 3 8 0 -7 0 2 , Korea (Received 2012. 9. 10 ./ Accepted 2012 10. 31.). Abstract : Micro machining technologies have been required to satisfy various conditions in a high-technology industry. Micro electrochemical process is one of the most precision machining methods. Micro electrochemical process has been divided into electrochemical etching through protective layer and electrochemical machining using ultrashort voltage pulses. Micro shaft can be fabricated by electrochemical etching. The various protective layers such as photo-resist, oxide layer and oxidized recast layer have been used to protect metal surface during electrochemical etching. Micro patterning on metal surface can be machined by electrochemical etching through protective layer. Micro hole, groove and structures can be easily machined by electrochemical machining using ultrashort voltage pulses. Recently, the groove with subnanometer was machined using AFM. Key words : Micro shaft, Micro hole, Micro groove, Electrochemical process, Protective layer. 1. 서 론1) 제품의 소형화, 첨단화, 다양화가 진행됨에 따라 정밀도를 갖춘 초소형부품에 대한 수요가 증가하고 1). 있다. 특히, 반도체, 전자, 항공, 기계 등의 산업에서 요구되고 있는 초소형 부품들은 우수한 치수정밀도 와 표면조도를 가지면서 기존의 가공법으로 제작이 어려운 형상들이다. 이러한 다양한 수요에 대응하기 위해 많은 특수 가공 기술들이 개발되고 연구되어 왔다. 특히, 전해 가공법은 기존의 절삭가공에 비해 공구의 마모가 거 의 없고 공작물에 잔류응력(residual stress) 및 열변 형층(heat affected zone) 등이 발생하지 않는다. 또 한, 가공 후에도 버(burr)가 발생하지 않으며 표면조 *. Corresponding author. E-mail: [email protected]. 도가 매우 우수하다는 장점이 있다. 기존에는 직류전압(DC voltage)을 이용하는 전해 가공(ECM , electrochemical machining) 기술이 많이 이용되었다. 그러나 직류전압을 이용한 전해가공은 정밀도가 상대적으로 취약하여 그 사용에 많은 제약 이 있어왔다. 최근, 다양한 보호마스크를 이용한 미 세 전해에칭과 초단펄스 전압을 이용하여 가공영역 을 국부화 시켜 미세가공 하는 연구 결과들이 보고 되고 있다.2‐4) 특히, 초단펄스 전압을 이용한 전해가 공을 통해 정밀도와 표면조도가 매우 개선되는 효과 에 관한 연구도 활발히 진행되었다. 본 논문에서는 앞으로 다양한 분야에서 응용가능 성이 높은 전해가공의 연구 및 기술 동향에 관해 조 사하고 미세 전해가공에서의 가공 특성을 비교 하였 다. 25.

(2) 신 홍 식. 2. 미세 전해가공 전해반응을 이용한 공정은 인가전압(applied voltage) 의 종류, 마스크(protective layer) 사용 여부에 따라 분류할 수 있다. 일반적으로, 미세가공에서 전해반 응을 이용하여 재료를 용해시키는 작업은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 하나는, 포토마스크를 이용 하여 원하는 영역만을 국부적으로 용해시키는 작업 이며 이를 전해에칭(electrochemical etching)이라 한 다. 다른 하나는 포토마스크를 사용하지 않는 경우 로 수 십 나노 초(nano‐second)의 펄스 폭을 갖는 초 단펄스 전압을 이용하는 전해가공이 있다. 통상적 으로 전해용출에 의한 방법을 이용하여 원하는 미세 구조물의 형상을 얻는 방법이기 때문에 미세 전해가 공이라는 용어로 통칭한다.. 2.1 전해가공의 원리 전해가공은 전해액 속에 공작물(workpiece or anode)과 공구전극(tool electrode or cathode)을 침지 하거나 전해액을 순환시키며 수행한다. 전해액 속 에서 두 전극 사이에 외부 전원을 공급하여 전위차 를 발생시키고 공작물에서의 양극 용해(anodic dissolution)을 이용하는 가공방법이다. 일반적으로, 공작물에 산화반응이 일어나도록 양전위를 인가하 고 공구전극에서는 환원반응이 일어나도록 음전위 를 인가한다. 두 전극의 전위차에 의해 각 전극의 표 면에서 발생하는 전기화학 반응이 발생하고 가공이 진행된다.. 5). Fig. 1 Experimental set-up for micro electrochemical machining. 포하여 원하는 영역만을 국부적으로 용해시키는 미 세 패터닝(micro patterning) 작업을 수행할 수 있다.. 3.1 전해에칭을 이용한 미세전극 제작 미세 가공(micro machining)을 위해서는, 미세 전 극을 기본적으로 제작하여 사용한다. 이러한 미세 전극을 제작하기 위해 전해에칭의 방법이 응용될 수 있다. 봉 형상의 텅스텐 전극을 1.5 M 황산 용액에 침 지하고 일정 시간 동안 직류전압을 4.1 V 내외로 인 가하여 길이 3 mm, 지름 약 5 μm 내외의 미세 전극 (micro electrode)를 제작하였다는 연구 결과가 보고 되었다.6) Fig. 2는 전해에칭에 의해 제작된 텅스텐의 미세 전극을 보여준다. 전해에칭을 이용하여 제작 된 미세 전극은 초단펄스전압을 이용한 미세 전해가 공에서 공구전극으로 사용될 수 있다. . 3.2 보호층을 이용한 전해에칭 보호층을 이용한 전해에칭은 가공을 원하지 않는. 2.2 전해가공의 실험장치 전해가공의 실험장치는 Fig. 1과 같다. 일반적으 로 전해가공 시스템은 전해수조(electrochemical cell), 공구전극(tool electrode), 공작물(workpiece), 공구전. 영역을 내식피막으로 보호하고, 피복되지 않은 부 분만을 전해용출(dissolution)시켜 가공을 진행하는 방법이다. 보호층 역할을 할 수 있는 것으로는 감광 막 혹은 산화막 등이 사용된다.. 극과 공작물을 정밀하게 이송할 수 있는 이송장치, 공구전극과 공작물을 고정할 수 있는 지그(Jig),전해 액(electrolyte), 전해액 순환장치, 전원공급 장치, 오 실로스코프 등으로 구성된다. . 3. 미세 전해에칭 전해에칭을 이용하여 미세전극을 제작하거나 공 작물에 미세 패턴을 갖는 감광막(photo‐resist)를 도 26. 한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집 제2권 제2호, 2012. Fig. 2 Tungsten carbide micro-shaft with 3 mm length, 5 μm 6) diameter.

(3) Review of Micro Electro-Chemical Machining. 3.2.1 감광막(photoresist layer)을 이용한 전해에칭. 감광막은 포토리소그라피(photolithography) 공정 을 통해 공작물의 표면 위에 도포된다. 감광막이 도 포된 금속과 공구전극 사이에 전해액을 분사하여 가 공을 진행시키면, 미세 패턴 등을 얻을 수 있다. 스테 인리스강과 구리의 금속 표면에 관통 구멍을 가공하 여 잉크젯(ink‐jet) 노즐에 응용하였다는 연구결과가 있었다.1) . Fig. 4 Micro patterns on cylindrical surface by electrochemical etching using laser masking8) 3) . 보호층을 이용하는 방법에는 감광막 이외에도 산. Shin 등은 스테인리스강의 표면에 레이저빔을. 화막을 사용할 수 있다. 이를 위해서는 금속의 표면. 조사하여 재응고층을 만든 후 전해에칭을 하여 미세. 에 두꺼운 산화막을 형성할 수 있어야 한다. 알루미. 패턴 성공적으로 제작하였다. 이 기법은 레이저 마. 늄과 티타늄은 아노다이징(anodizing)을 통해 두꺼. 스킹을 이용한 전해에칭이며, 특히 기존의 방법으. 2). 운 산화막을 표면에 형성시킬 수 있다. Chauvy 등은. 로 구현이 어려운 다층구조물 또한 성공적으로 제작. 티타늄의 표면에 산화막을 형성하고 레이저 빔. 하였다.3) 또한, Fig. 4에서 보여지는 것과 같이, 원통. (laser beam)을 이용하여 산화막의 일부를 제거한 후. 형상에 레이저빔을 조사하여 미세 패턴을 원통 곡면. 전해에칭을 수행하여 미세 패턴을 표면에 가공하였. 위에 가공하였다는 연구 결과가 보고 되었다.8) 이러. 다. Fig. 3은 알루미늄의 표면에 아노다이징을 수행. 한 곡면 형상 위의 미세패턴은 마찰저감을 위한 부. 하여 산화막을 형성시키고 레이저빔을 이용하여 산. 품 등에 활용될 수 있다.. 화막만을 국부적으로 제거한 후 에칭을 수행한 결과 이다.7) 알루미늄의 원하는 영역만이 전해에칭에 의 해 가공되었음을 볼 수 있다.. 4. 초단펄스를 이용한 미세 전해가공 초단펄스 전압(ultrashort voltage pulses)는 전압. 3.2.2 레이저마스킹을 이용한 전해에칭. 펄스 온‐타임(on‐time)이 수 십 ~ 수 백 나노초(nano‐. 스테인리스강(stainless steel)과 같은 금속의 표면. second)의 범위를 갖는 것을 의미한다. 초단펄스 전. 에 레이저빔을 조사시키면 수 백 나노미터(nm) 두께. 압을 이용하면 가공 간극(gap)이 수 μm가 되도록 가. 의 산화된 재응고층(oxidized recast layer)을 형성할. 공영역을 국부화 시킬 수 있으며, 이를 통해 미세가. 수 있다. 산화된 재응고층은 전해에칭 시 보호층으. 공이 가능하게 된다.. 로 응용될 수 있다. . Fig. 5 Micro hole by electrochemical machining4). Fig. 3 Micro groove with anodizing, laser beam irradiation and electrochemical etching7). Fig. 6 Nano groove by electrochemical machining10). Journal of Institute of Convergence Technology Vol.2, No.2, pp. 25-29 (2012). 27.

(4) 신 홍 식. Fig. 5에서 보여지는 바와 같이, Ahn 4) 등은 미세 전. 현이 힘든 크기의 형상을 가공할 수 있음을 확인하. 극을 이용하여 입구 지름 8 μm, 출구 지름 7.3 μm를. 였다. 특히, AFM 을 이용하여 나노 미터 크기의 미세. 갖는 구멍을 가공하였다. 또한, 디스크 형상의 미세 전극을 이용하여 스테 인리스강 표면에 지름 의 구멍을 테이퍼 없이 가공. 홈 제작은 전해가공의 정밀도와 매우 우수함을 확인 시킨 결과이다. 연구 동향의 분석 결과 기존에 미세 전해가공의. 하고 3차원 형상의 구조물을 전해 밀링을 통해 가공. 가공 정밀도에 대한 연구는 많이 개선되었다. 산업. 한 연구가 수행되었다.9) . 에서의 활발한 적용을 위해서는 생산성을 위해 전해. 나노가공을 위해 연구도 진행되었다. AFM 을 이 용하여 스테인리스강의 표면에 폭 200 nm, 깊이 110 . 가공의 가공속도를 향상시키는 연구가 활발히 수행 되어야 할 것이다. . nm 를 갖는 미세 홈을 Fig. 6과 같이 가공 하였다.10). References 5. 결 론 최근 미세 전해가공에 대한 다양한 연구들의 조 사를 통해 전극의 종류, 보호층 사용 여부 등에 따른 전해가공법들의 가공 특성 및 가공 정밀도 등을 비 교하였다. 1) 미세전극을 제작하는 방법에는 미세 방전가공 법이 많이 사용 되었으나, 전해에칭법을 통해 간단 하게 미세 전극을 제작할 수 있음을 확인 하였다. 2) 보호층을 이용하는 전해에칭에서는 감광막, 산 화막, 레이저 마스킹 등의 기법을 통해 수행할 수 있 음을 확인하였다. 이는 금속 재료가 갖는 고유한 특 성에 따라 적용시킬 수 있는 기법의 유연성이 많이 개선되었음을 의미한다. 3) 초단펄스 전압을 이용한 미세 전해가공에서 기 존의 한계를 극복하고 마이크로미터의 크기에서부 터 나노미터의 크기에 이르는 범위의 영역을 전해가 공으로 수행할 수 있음을 확인하였다. 전해가공 연구에 대한 연구 동향을 분석한 결과 기존에 비해 가공의 정밀도가 매우 개선되었음을 확 인하였다. 전해에칭에서는 감광막을 도포할 때 수반되는 복 잡한 공정을 줄이기 위해 산화막을 보호층으로 이용 하는 시도와 레이저 빔을 조사하여 금속의 표면에 산화된 재응고층을 보호층으로 사용한 연구는 전해 에칭의 공정을 간소화 하는데 기여한 것으로 판단된 다. 초단펄스를 이용한 미세가공에서는 전극을 이용 하여 드릴링, 밀링을 통해 기존의 범용가공으로 구 28. 한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집 제2권 제2호, 2012. 1) M. Datta and D. Landolt, “Fundamental aspects and application of electrochemical microfabrication”, Electrochim. Acta., 45 (15-16), p. 2535~2558, 2000. 2) P. F. Chauvy, P. Hoffmann and D. Landolt, “Application of laser lithography on oxide film to titanium micromachining”, Appl. Surf. SCi., 208, p.165~170, 2003. 3) H.S. Shin, M.S. Park and C.N. Chu, “Electrochemical etching using laser masking for multilayered structures on stainless steel”, Annals of the CIRP., 59 (1), p. 585~588, 2010. 4) S.H. Ahn, S.H. Ryu, D.K. Choi and C. N. Chu, “Localized electro-chemical micro drilling using ultra short pulses”, J. of the KSPE., 20 (8), p. 214~220, 2003. 5) B.H. Kim, H. S. Shin, Y. T. Oh, K. H. Lee and C. N. Chu, “Simulation of the radial overcut in micro electrochemical machining”, J. of the KSPE., 28 (2), p. 251~256, 2011. 6) S.H. Choi, S. H. Ryu, D. K. Choi and C. N. Chu, “WC micro-shaft fabrication using electrochemical machining”, J. of the KSPE., 21 (6), p. 172~178, 2004. 7) M.H. Kwon, H.S. Shin, J.W. Park, C.H. Cho and C. N. Chu, “Fabrication of micro groove on aluminum using anodizing, laser beam and electrochemical etching”, Proceedings of KSPE 2011 Spring Conference., 2011. 8) C.H. Cho, H.S. Shin and C. N. Chu, “Electrochemical etching of cylindrical surface using laser masking”, Proceedings of KSPE 2012 Spring.

(5) Review of Micro Electro-Chemical Machining. Conference., 2012. 9) B.H. Kim, S.H. Ryu, D.K. Choi and C. N. Chu, “Micro electrochemical milling”, J. Micromech. Microeng., 15 (1), p. 124~129, 2005.. 10) K.J. Kim, J.S. Yu and S.H. Ryu, “Nano electrochemical machining of stainless steel by AFM”, Proceedings of KSPE 2012 Autumn Conference., 2012.. Journal of Institute of Convergence Technology Vol.2, No.2, pp. 25-29 (2012). 29.

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