파우더 블라스팅을 이용한 사파이어 글라스의 가공성 평가 강은지a, 김정호a, 장호수a, 박동삼b*
Machinability Evaluation of Sapphire Glass Using Powder Blasting
Eun Ji Kanga, Jung Ho Kima, Ho Su Janga, Dong Sam Parkb*
a
Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Incheon National University, 119, Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon 406-772, Korea
b
Division of Mechanical System Engineering, Incheon National University 119, Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon 406-772, Korea
ARTICLE INFO ABSTRACT
Article history: In this study, the machinability of sapphire glass is tested using the powder blasting method under various blasting conditions. The thickness and diameter of the sapphire glass samples were 0.4 mm and 50.8 mm (2 inch), respectively. The machined patterns from each sample were a circle, a square, and a rectangle. The powder we used was GC #400 and #800. The blasting pressures of the powders were 2, 4, and 6 bar. The scanning time of the nozzle was 20 and the scanning speeds of the nozzle were 80, 100, and 120 mm/s. Experimental results showed that machining depths increased in proportion to blasting pressure. The machining depth of GC #800 was much higher than that of GC #400, while surface roughness was worst with GC #400. These results imply that the blasting pressure and size of the blasting powder are the most important parameters for machining sapphire glass.
Received 17 March 2015 Revised 10 April 2015 Accepted 13 April 2015
Keywords:
Sapphire glass Mobile Tempered glass Powder blasting Machinability
* Corresponding author. Tel.: +82-32-835-8418 Fax: +82-32-835-0793 E-mail address: dspark@inu.ac.kr (Dong Sam Park).
1. 서 론
최근 기계, 전자 산업분야 제품에서 조작의 편의성 및 시각적 자 동제어를 위하여 Display기능은 필수적으로 사용되고 있다. 터치 스크린은 다양한 사용자들에게 간단한 인터페이스를 제공하여 다 수의 사용자가 동시에 같은 장치를 조작 가능하도록 하고 키보드를 제거함으로써 공간절약을 할 수 있으며 조작이 간편한 장점이 있어 대부분의 Display에는 터치스크린이 사용되고 있는 실정이다
[1].
터치스크린은 키보드, 마우스와 같은 입력장치를 사용하지 않고 스크린에 손가락, 펜 등이 접촉하면 그 위치를 파악하여 특정한 기 능을 처리하는 방식이다. 또한, 다양한 종류의 디지털미디어와 접
속이 가능하고 모니터에 입력장치가 완전히 통합되어 있으므로 공 간을 차지하지 않고 책상 위를 비롯하여 어떤 곳이든 설치가 가능 하다는 장점이 있다
[2].
누구나 쉽게 입력할 수 있는 장점으로 인하여 종래에는 현금인출 기, 키오스크 등의 공공분야에서 주로 사용되었으나 최근 터치스크 린은 휴대폰, 네비게이션, 노트북 모니터, 게임기 및 산업기기 등의 다양한 분야로 입력장치의 활용도가 증대되고 있다.
한편, 휴대용 IT기기는 Display가 대형화, 휴대화 되면서 접촉
및 낙하 등 외부 충격을 받는 환경에서 주로 사용되고 있어
Display 의 표면을 보호하는 강화유리는 필수불가결한 요소로 자리
를 잡았다. 그러나 시장의 추세에 발맞추기 위한 IT기기의 경량화,
Fig. 1 Manufacturing process of the sapphire glass 지문인식 및 디자인 등 독창적인 기능을 포함하기 위해 기존의 강
화유리의 단점을 보완한 새로운 소재로 사파이어글라스가 부상되 고 있으며, 이의 가공법이 요구되고 있다. 기존의 가공방식은 생산 성과 정밀도 등의 문제점이 존재하기 때문에 새로운 가공기술의 필요성이 대두되고 있다.
사파이어는 기존의 강화유리에 비하여 높은 강도, 스크래치에 강 한 저항성, 경량화, 높은 터치감과 적외선 투과율 등의 장점으로 기 존 강화유리를 대체할 수 있는 소재이나 사파이어는 기계적 강도 및 경도가 매우 높으므로 광학 부품에 요구되는 서브 미크론 수준의 형상정밀도와 나노 수준의 표면조도를 얻는데 많은 어려움이 있다.
기존의 유리에 대한 가공 연구로는 일반적인 밀링가공을 이용한 방법
[3], 최근 많이 연구되고 있는 입자워터젯(abrasive water jet) 방법
[4]및 파우더 블라스팅법
[5,6]등 많은 연구가 있으나 사파이어 글라스의 미세가공에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
현재 사파이어 소재의 가공방식은 다이아몬드 와이어, 레이저, 마이크로 연삭 및 워터젯 등을 이용하고 있다. 레이저 가공법은 가 장 보편적인 강화유리 성형법으로, 다양한 소재들에 대해 고속가공 이 가능하고 절단과정 중 절단기구와 절단소재의 접촉이 없기 때문 에 비교적 마멸이 없으며, 마무리 가공이 필요하지 않은 장점이 있 지만 가공부위에 과다한 열변형을 비롯하여 용융물이나 잔유물 등 이 발생할 수 있고, 두께가 얇을 경우 후처리 공정으로 모서리 면취 (chamfering) 나 라운딩 가공이 어려워 정밀 가공에 한계가 있다.
마이크로 연삭의 경우 대량생산에 적합하지만 마멸이 심하여 공구 교체비용의 부담이 크며 가공 툴의 한계로 인해 형상가공에 한계가 있다. 워터젯 또한 레이저와 마찬가지로 두께가 얇을수록 후처리 가공이 어려운 단점이 있다.
본 연구에서는 사파이어 글라스의 가공을 위하여 파우더 블라스 팅을 도입하였으며, 미세패턴 가공을 위한 가공조건에 따른 가공성 평가를 수행하고자 한다.
2. 사파이어 글라스의 특성
사파이어는 알루미늄과 산소가 결합한 형태의 화합물인 알루미 나(Al
2O
3) 가 2,050°C 이상의 고온에서 녹은 후 응고되는 과정에 서 육각형 격자 형태의 결정구조를 가지고 한 방향으로 응고된 상 태로 단결정화된 물질로 광물명은 코런덤(Corundum)이라 한다
[7]. 또한 모스 경도 9로 자연계 광물 중 다이아몬드 다음으로 단단한 물질이다.
사파이어는 세라믹 재료 중에서 금속과 대등한 열전도도를 가지 고 있는 우수한 열적 특성을 가지고 있으며 극저온에서 초고온까지 상변태 없이 매우 안정된 저온 및 고온 안정성을 가지고 있어 다양 한 산업분야에서 활용 가능할 것으로 전망된다
[8]. 또한, 빛의 투과
성이 뛰어난 광학적 특성과 그 밖의 물리적 우수성과 기계적 특성 을 바탕으로 디지털 카메라, 태양전지 셀, LD(Laser Diode), SOS(Silicon On Sapphire), 특수 광학창, 광학 필터 등의 광학재 료로 각광받고 있으며, 최근에는 스마트 워치, 스마트 안경, 스마트 폰 등의 전면 유리 소재로도 검토되고 있다.
2.1 사파이어 글라스의 생성법
사파이어의 인공적인 단결정 성장법으로는 Kyropoulos법, Czochralski 법
[9], 열교환법(heat exchange method), VHGF법 (Vertical Horizontal Gradient Freezing), EFG 법(Edge-defined Film-fed Growth) 등이 있다
[10,11]. 인조 사파이어 단결정은 흔히 고순도(99.99%, 4N급 이상) 알루미나 분말 등을 고온에 용융시킨 뒤 서서히 냉각하여 굳히는 형태로 완성된다. 이런 방법으로 제작 된 사파이어 단결정을 잉곳이라 하며 일반적으로 사파이어 잉곳이 란 용융된 산화 알루미나를 단결정화 시켜 성장시킨 원통모양의 사파이어 단결정을 슬라이싱하기 전 단계를 의미한다
[12].
사파이어 글라스의 제조공정은 잉곳을 다이아몬드 와이어를 이 용하여 슬라이싱하고 다이아몬드 숫돌을 이용하여 폴리싱하여 제 작된다. Fig. 1은 사파이어 글라스의 제조과정을 나타낸다.
3. 파우더 블라스팅의 원리와 특성
파우더 블라스팅은 고속의 공기나 가스에 의해 가속된 수μm ~
수십μm의 미세 분사재들이 고속 고밀도로 소재에 충돌하며 미세
가공을 하는 기계적 에칭(mechanical etching)의 성형법이다. 피
삭재에 마스크 필름(mask film)을 덧붙인 상태에서 노즐의 좌우
혹은 전후 주사(scanning)에 의하여 가공이 이루어지게 된다. 이때
피삭재는 마스크상의 기하학적인 패턴에 따라 가공이 이루어지므
Fig. 2 A schematic expression of the powder blasting
Fig. 3 Mask pattern design
Table 1 Mechanical properties of the sapphire glass
Parameter Standard
Density (g/cm
3) 3.98
Hardness (kg/mm
2) 1370
Poisons ratio (kg/cm
2) 0.25
Shear Modulus (GPa) 148
Elasticity (MPa) 275
(a) GC #400 (×2000, ×4000)
(b) GC #800 (×4000, ×8000) Fig. 4 SEM Photographs of abrasive GC 로 복잡하거나 미세한 형상 또한 쉽게 가공할 수 있다.
가공조건의 변수로는 분사압력, 분사속도, 분사재의 크기, 분사 량, 노즐의 주사속도, 노즐의 주사횟수, 노즐의 피삭재와의 거리 등 이 있을 수 있으며 가공의 정밀도 향상을 위해 적절한 조건을 선택 하여야 한다.
파우더 블라스팅을 이용한 가공방법은 미세한 분사재들의 충돌 에 의한 미세가공의 집적된 형태이기 때문에 칩핑이나 크랙, 열발 생이 적어 유리나 세라믹, 실리콘 및 수정 등 경취재료의 미세가공 에 적합한 가공방법이다
[13,14].
4. 실험방법
4.1 시편제작
본 연구에서는 사파이어 글라스의 가공성 평가를 위해 지름 50.8 mm(2 inch), 두께 0.4 mm의 사파이어 글라스에 원, 정사각형, 직사각형의 형상을 가공하였다. 커팅플로터를 이용하여 사파이어 글라스의 마스킹을 하였다. Fig. 3은 본 연구에서 사용한 마스킹
필름의 도면이다. Table 1은 본 실험에 사용된 사파이어 글라스의 물성치를 나타낸다.
4.2 분사입자
블라스팅 가공에 사용되고 있는 분사재는 경질입자에서는 카보 런덤, 어메리, 어덴덤, 화이트 어뎀덤(WA), GC(Green Silicon Carbide), 규석, 규사 등이 있으며 본 실험에서는 GC를 사용하였 다. GC는 보통의 탄화규소(Silicon Carbide)보다 순도가 높으며 인장강도가 강해 강도가 높은 합금, 광학 유리, 보석 가공과 도자기 등 강도가 강한 비금속 재료에 사용된다.
본 연구에서 사용된 GC 분사재의 크기는 2종류로 GC #400, GC #800 이며 그 크기는 평균적으로 #400는 26~31 µm, #800은 8~12 µm 로 측정되었으며, Fig. 4에 SEM사진을 나타내었다.
4.3 실험조건 및 방법
본 연구에서 사용된 파우더 블라스팅 장비는 (주)한국블라스팅 에서 제작한 것으로 Fig. 5에 그 개념도를 나타내었으며, 분사노즐 은 알루미나 재질로서 지름 7.9 mm인 원통형상이다.
파우더 블라스팅은 다양한 공정변수들이 있기 때문에 여러 조건
으로 실험을 진행하였다. 가공성 평가 실험에서 사용된 변수들은
Fig. 5 Abrasive flow in powder blasting machine
Table 2 Parameters for powder blasting Powder material GC #400, GC #800
Impact angle 90°
Scanning speed (mm/s) 80, 100, 120
Mass flow rate (g/min) 100
Blasting pressure (bar) 2, 4, 6
Scanning times 20
Table 2 와 같다. GC #400와 GC #800의 분사재를 사용하였으며 분사량은 100 g/min으로 선정하였고 분사압력은 2 bar, 4 bar, 6 bar 그리고 노즐 주사 횟수를 20회로 선정하였으며, 노즐의 이송속 도는 80 mm/s, 100 mm/s, 120 mm/s로 변화를 주어 사파이어 글라스의 가공성 평가를 하였다.
또한 사파이어 글라스의 가공 형상 측정을 위해 비접촉식 3차원 측정기(WYCO NT-2000)를 사용하여 가공성과 그에 따른 표면 거칠기를 측정하였다.
5. 실험결과
5.1 사파이어 글라스의 가공성 평가
본 연구에서는 가공성 평가를 위하여 커팅플로터를 이용하여 사 파이어 글라스의 마스킹을 하였으며, 파우더 블라스팅의 가공 조건 으로 주사횟수와 분사량을 고정하였으며 압력과 이송속도를 변화 시키며 가공을 수행한 후 비접촉식 3차원 형상측정기를 통하여 가 공깊이를 측정하였다. Fig. 6과 Fig. 7은 분사재의 종류와 각각의 가공조건에 따른 3차원 가공형상과 가로방향(x-축)으로 측정한 단 면 사진으로 가공깊이를 나타내었다. 가공조건이 매우 약한 분사압 력 2 bar의 경우 가공성은 적으나 표면거칠기가 좋아지는 것을 확
인할 수 있었다. Fig. 6 Micro machined surface and cross-section view (GC#F800)
(a) GC#400
(b) GC#800
Fig. 8 Effect of the pressure on the machining depth Fig. 7 Micro machined surface and cross-section view (GC #400)
이상의 실험결과들을 정리하면 Fig. 8(a)는 분사재 GC #400의 압력변화에 따른 가공 깊이의 변화를 나타낸 그래프로 최대 분사압 력인 6 bar, 이송속도 80 mm/s의 조건에서 10.3 μm의 가공깊이를 확인할 수 있었다.
Fig. 8(b) 는 분사재 GC #800의 압력변화에 따른 가공깊이의 변 화를 나타낸 그래프로 최대 분사압력인 6 bar, 이송속도 80 mm/s 의 조건에서 6.7 μm의 가공깊이를 확인할 수 있었다.
Fig. 8 의 그래프를 통하여 압력이 증가할수록 가공깊이가 비례 하여 증가한다는 것을 알 수 있었다. 분사압력이 커질수록 분사재 의 속도가 증가하며, 가속되는 속도가 증가함으로 가공물에 전달되 는 충격은 속도제곱에 비례하게 가공이 더 크게 일어난다고 판단된 다. 하지만 이에 따라서 마스킹 필름에 전달되는 충격량 역시 증가 하므로 정밀가공 시 마스킹 필름의 마멸도가 증가하는 것을 고려해 야 한다.
Fig. 9(a) 는 분사재 GC #400을 사용할 때 이송속도에 따른 표면
거칠기를 나타낸 그래프로 이송속도가 커질수록 표면거칠기는 좋
아지는 것을 알 수 있다.
(a) GC#400
(b) GC#800
Fig. 9 Effect of scanning speed on the surface roughness
Fig. 9(b) 는 분사재 GC #800을 사용할 때 이송속도에 따른 표 면거칠기를 나타낸 그래프로 이송속도가 커질수록 표면거칠기는 좋아지는 것을 알 수 있다. 또한, GC #800, 2 bar의 약한 가공조건 에서는 표면거칠기가 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 GC #800를 이용할 경우 가공성은 낮은 편이지만 표면거칠 기는 좋아진다는 것을 알 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 파우더 블라스팅을 이용한 사파이어 글라스 가공 성 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 사파이어 글라스의 가공성 평가를 위하여 분사량과 주사횟수 를 고정시키고, 이송속도와 분사압력을 변화시키며 가공한 결과, 분사재 GC #400, 가공압력 6bar, 이송속도 80mm/s의 조건에서 최대 10.3μm의 가공 깊이를 얻었다.
(2) 가공결과를 통해 가공 깊이는 분사압력이 높아질수록 비례하 여 증가하는 것을 알 수 있었다.
(3) 가공깊이는 노즐의 이송속도에 반비례하며, 이송속도는 압력 에 비하여 큰 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다.
(4) 분사재의 종류에 따른 가공성을 비교한 결과 GC #400이 GC #800 보다 가공성이 확연히 높음을 확인할 수 있었는데, 이는 분사재 입자의 크기에 따른 결과로서 분사재의 크기가 클수록 가공 이 잘 이루어진다는 것을 알 수 있었다.
(5) 이송속도가 커질수록 표면거칠기는 좋아지는 것을 확인할 수 있었다.
(6) GC #800 의 경우 가공성은 낮지만, GC #400에 비하여 비교 적 표면거칠기가 좋아 진다는 것을 확인할 수 있었다.
후 기
이 연구는 2013년도 인천대학교 자체연구 연구비 지원에 의하여 연구되었음.
References
