KR100354864B1 - 미세방전가공용 방전전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 또는 서브마이크로 단위의 미세구조물을 방전가공 하기 위한 마이크로 방전가공용 전극을 미세 흑연분말을 압축성형하여 제작하는 것과 이를 이용한 미세방전 가공방법에 관한 것이다.

본 발명의 미세방전가공용 방전전극의 제조방법은, 미세분말상의 흑연을 흑연전극으로 압축성형하기 위하여 준비된 정량의 미세흑연분말을 압축성형기에 장착된 몰드의 캐비티내에 균일하게 도포하고 몰드에 다소간의 진동을 주어 캐비티내에서의 분말을 균일하고 밀도있게 유지한 상태로 압축성형용 몰드의 상하판을 닫고 예압을 주는 단계와; 상기 몰드의 상하판에 설치된 전기저항발열체를 가열하여 정해진 온도까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 미세흑연분말에 압축압력을 가하는 단계와; 상기 단계를 통해 압축압력을 가한 뒤 몰드의 가열을 종료하고 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각하고 동시에 미세흑연분말의 수축에 따른 치수 변화를 막기위하여 압력을 풀지않고 보압을 주는 단계와; 상기 단계에서 일정 온도 이하로 몰드가 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추고 제품 취출시 변형되지 않을 정도의 강도를 가지는 온도에서 압축성형된 흑연제품을 취출하는 단계와; 취출된 흑연제품을 후가공을 통해 가공하여 흑연전극을 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 미세부품을 가공하기 위한 미세압축성형 금형을 방전가공으로 가공하고, 그 방전전극은 미세부품가공에 적합한 방전전극 구조를 만든다.

Description

미세방전가공용 방전전극의 제조방법{Method of carbon cathode fabrication for micro-electric discharge machining}

본 발명은 마이크로 또는 서브마이크로 단위의 미세구조물을 방전가공 하기 위한 마이크로 방전가공용 전극을 미세 흑연분말을 압축성형하여 제작하는 것과 이를 이용한 미세방전 가공방법에 관한 것이다.

미세구조물의 성형에는 구조형성법(LIGA:Lithography,Galvanoforming undAbformung)이나 실리콘 마이크로머시닝 기술 등을 이용한 전기도금에 의한 방식이 제한적으로 적용되고 있다.

X선을 사용한 깊은 석판인쇄(Lithography)와 전기도금으로 높은 형상비의 미세구조를 만드는 LIGA 방식으로 불리우는 구조형성법은, 대체로 도 1과 같은 가공공정을 갖는다.

우선 PMMA 등의 X선용 감광제(photoresist)층을 원하는 두께(0.1~1.0mm 정도)로 기판에 형성하고(S10), 금 등의 중금속을 x선흡수재로 사용하여 패터닝하고 마스크로 사용한다(S11). 신크로트론에서 방사하는 X선(SOR광)으로 레지스트(resist)를 노광한다(S13). X선의 SOR광은 직진성, 해상도, 투과성이 우수하므로 두꺼운 레지스트에 대해서 서브마이크론(submicron)이하의 정밀도로 노광이 가능하다. 이후 현상하면 레지스트의 구조물을 얻는다(S14). 다음으로 전체를 전기도금액에 담그고 도전성 기판위에 전기도금으로 니켈,구리,금 등을 레지스트 구조의 계곡사이에 두껍게 쌓는다(S15). 이 금속을 금형으로 사용해서 사출성형으로 플라스틱에 형을 찍어낸다(S16). 또 이 사출성형으로 만든 플라스틱 형을 기본으로 하여 다시 전기도금으로 금속구조물을 만든다거나 세라믹 가루를 플라스틱으로 소결하여 세라믹 구조물을 만든다(S17).

이같은 LIGA방식은 큰 종횡비를 갖는 마이크로 구조물을 여러 재료로 만들 수 있다는 점이 특징이나 X선의 SOR광을 이용하는 것은 일반 생산자에게는 어렵기 때문에 얼마나 싸게 또 얼마나 쉽게 생산자가 이용할 수 있는가의 문제가 있다.

실리콘 마이크로머시닝 기술은 도 2와 같이 실리콘 기판 위에 막을입히고(S20), 그 표면에 마스크 패턴을 현상 및 인화과정을 통해서 마스크패턴을 복제하고(S21), 복제된 패턴을 바탕으로 하여 에칭(식각)을 실시하며(S22), 불필요한 부분을 제거하는 과정(S23) 및 열처리과정(S24)과 도핑과정(S25)을 반복하여 원하는 미세부품을 제작하는 기술로 1970년대 반도체 기억소자로 대표되는 집적회로를 고정밀도로 대량으로 생산하기 위하여 개발된 것을 마이크로 머신과 같은 입체구조물을 만들기 위한 여러 가지 기술을 추가하여 개발하게 되었다.

그러나 이 기술들은 체계화 되지 않은 미세구조물 성형에 있어서 비교적 가공정도와 치수정밀도를 원하는 만큼 유지할 수 있는 유일한 방법으로 제시되었으나 쉽게 원하는 형상을 얻을 수 없고 고가의 소량생산을 목표로 적용되는 방식이어서 경제성이 떨어지는 방법으로 볼 수 있다.

도 1의 구조형성법, 도 2의 마이크로머시닝 기술 등을 통해 직접 미세 구조물을 제작하기도 하지만 양산화에 들어가면 사출성형이나 핫 엠보싱(Hot Embossing)의 기술이 적용된다.

미세 사출성형은 기존의 사출성형과는 다르게 정밀한 금형의 가공 및 제어기술이 요구되며 유동거리가 길어 공정이나 재료에 제약을 많이 받게 된다.

핫 엠보싱은 미세 사출성형에 비해 그 공정이 단순하며 제어가 간단하여 쉽게 적용되고 있으나 필요한 재료를 필름상으로 예비 가공하고 필름 상으로 가공을 하므로 적용 대상에 제약을 받게된다. 또한 압축성형용 몰드를 이용하는 방법이 알려져 있으나 미세성형용 제품을 성형하는데는 적합하지 않아 미세성형에 적합한 조건을 만들어 주는 마이크로 몰드를 제작해야 하며, 이렇게 만들어지는 미세부품은먼지 및 미소 크랙에 민감하므로 성형 이후의 후처리 공정에 의하여 상품적 가치를 잃기 쉽다.

이에 대하여 기계가공의 일종인 방전가공은 금형의 제작 등에 널리 사용되는 가공방식으로서, 이 기술 자체를 그대로 미세구조물 형성에 응용하는데에는 한계가 있으나, 구조물 형성에 있어서 형상 제약이 적고, 저가 제조가 가능하며, 대량생산에 적합한 특성을 가진다.

방전가공은, 가공전극과 공작물을 등유와 같은 액 중에서 0.04~0.05mm정도의 간격을 두고 100V정도의 전압을 걸어주면 표면의 소돌기부에서 방전이 일어난다. 이 방전 때문에 석유 및 공작물 표면이 용융하고 증발하여 용융부의 대부분을 날려버리고 그 일부는 공작물 바닥이나 주변에 부착하여 크레이터를 생성한다.

이 현상을 반복하는 것이 방전가공 이다. 즉 방전가공은 액중에서 방전에 의하여 생기는 방전 전극 소모 현상을 가공에 이용한 것이고, 일반적으로 양극측의 소모가 크므로 공작물을 양극으로 하고, 음극은 공구로 성형하기 쉬운 재료를 사용한다.

방전가공에 사용 되는 가공전극은 전기저항이 적고, 소모가 적으며, 기계가공이 용이하고, 가격이 저렴할 것이 요구된다. 가공전극은 대개 그라파이트나 황동, 구리, 구리-텅스텐 합금을 사용하며, 주조, 단조, 분말소결, 절삭에 의하여 제작되어 진다. 방전 가공용 전극은 총형으로 되어 있으므로 제작에 많은 노력과 시간을 필요로 하며 전극 제작비용은 전체원가의 20% 정도나 된다.

이와 같이 방전가공은 구조물 형성에 있어서 형상 제약이 적고, 저가 제조가가능하며, 대량생산에 적합한 특성을 가지지만 이를 미세구조물 성형에 응용하는 경우 미세구조를 만들기 위한 방전전극을 가공하기가 어렵고 방전에 의한 가공 특성상 표면 거칠기 등의 가공정도도 떨어지는 문제점이 있어 미세구조물 형성에는 부적합하다.

따라서 방전가공은 미세구조물 가공에 비교적 유리한 가공방식으로 제시될 수 있는데에도 불구하고 미세구조물을 가공하기 위한 방전가공용 전극은 그 치수정밀도가 그대로 미세구조물 제품의 정밀도에 영향을 주므로 일반 기계가공으로는 제작할 수가 없어 금속 미세구조물의 가공에서 방전가공 기술은 거의 적용되지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 미세부품들의 가공에 있어서 미세부품을 방전가공으로 가공하기 위해 요구되는 방전가공용 전극의 제조기술을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세방전가공용 방전전극의 제조방법은,

미세분말상의 흑연을 흑연전극으로 압축성형하기 위하여 준비된 정량의 미세흑연분말을 압축성형기에 장착된 몰드의 캐비티내에 균일하게 도포하고 몰드에 다소간의 진동을 주어 캐비티내에서의 분말을 균일하고 밀도있게 유지한 상태로 압축성형용 몰드의 상하판을 닫고 예압을 주는 단계와;

몰드의 상하판에 설치된 전기저항발열체를 가열하여 정해진 온도까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 미세흑연분말에 압축압력을 가하는 단계와;

상기 단계를 통해 압축압력을 가한 뒤 몰드의 가열을 종료하고 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각하고 동시에 미세흑연분말의 수축에 따른 치수 변화를 막기위하여 압력을 풀지않고 보압을 주는 단계와;

상기 단계에서 일정 온도 이하로 몰드가 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추고 제품 취출시 변형되지 않을 정도의 강도를 가지는 온도에서 압축성형된 흑연제품을 취출하는 단계와;

취출된 흑연제품을 후가공을 통해 가공하여 흑연전극을 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 미세구조물 형성을 위한 구조형성법의 순서도

도 2는 미세구조물 형성을 위한 실리콘 마이크로머시닝법의 순서도

도 3은 본 미세 압축성형 금형의 단면도

도 4는 본 발명에 따른 방전전극의 제작 순서도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:몰드베이스 2:몰드인서트

3:흑연분말 4:히터

5:프레스 6:몰드(미세압축성형)

이하, 본 발명을 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 방전전극 제조를 위한 미세 압축성형 금형의 개략도 이고, 도 4는 본 발명에 따른 미세구조물의 가공 흐름도를 나타낸다.

본 발명의 방전전극(흑연전극)은 도 3과 같이 상하판으로 이루어지는 몰드베이스(1)와, 몰드베이스(1)의 상하판 경계면을 중심으로 선택적으로 배치되는 몰드인서트(2)와, 몰드베이스(1)를 가열하는 히터(4) 및 몰드베이스(1)를 가압하는 프레스(5)로 이루어지는 미세 압축성형 몰드(6)를 통해 제조된다.

방전전극의 제조방법은 도 4와 같다.

미세분말상의 흑연분말(3)을 준비하고, 흑연전극을 압축성형하기 위한 몰드(6)를 준비한다.

미세압축 성형용 몰드(6) 이므로 그 요구 정밀도에 따라 CNC 가공을 통해 제작하던가 반도체 제작공정에서 쓰이는 실리콘 습식, 건식 식각에 의한 실리콘 마이크로머시닝법을 통해 만들어진 미세구조나 LIGA 공정과 같이 PR을 통해 만들어진 미세구조물을 전기주조를 하여 미세구조물의 틈을 채우고 실리콘이나 PR을 제거하여 금속 미세구조물을 형성하여 압축성형용 몰드 및 몰드 인서트를 사용하여 압축성형을 한다.

가공압력이 낮은 경우에는 실리콘 건식, 습식 식각하여 만들어진 실리콘 미세 몰드인서트(2)를 사용한다. 준비된 정량의 미세 흑연분말(3)을 압축성형기에 장착된 몰드의 캐비티내에 균일하게 도포한다(S30~S31). 몰드에 약간의 진동을 주어 캐비티내에서 분말이 균일하고 밀도있게 한다(S32).

압축성형용 몰드(6)의 상하판을 닫고 예압을 준다(S33). 여기서의 예압은 성형을 하기위한 압력이 아니라 흑연을 가공온도까지 빨리 도달하도록 하기 위하여 가열되는 몰드와 접하게 하기 위함이다. 몰드는 상하판을 균일하게 전기저항발열체를 설치하여 가열하게 되며 정해진 온도(흑연 및 첨가물의 조성에 따라 100℃~300℃)까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 압축성형하게 된다(S34). 몰드인서트의 미세구조체의 기계적 물성치(압축강도,파괴강도,전단강도)에 따라 압축압력 사용의 제약을 받지만 일반적으로 30MPa 이하의 압축응력으로 충분한 성형성을 가진다. 압축압력을 가한 뒤 몰드의 가열은 끝나게 되고 냉각 및 보압단계로 들어간다(S35~S36).

냉각은 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각을 하며 이 과정중에 제품의 수축에 따른 치수변화를 막기 위하여 압력을 풀지 않고 유지하여 보압을 주게 된다. 일정 온도 이하로 몰드가 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추고 제품이 취출시 변형되지 않을 강도를 가지는 온도에서 취출한다(S37). 이후 후가공을 하여 흑연전극으로 사용한다(S38~S39).

미세압축성형에 의해 제작된 흑연미세전극을 방전가공기 척에 물리고, 가공재료를 지그로 고정시킨후 전압펄스를 가하여 흑연전극의 미세한 패턴을 재료에 성형한다(S40). 이를 위하여 가공한 전극은 실제 제품의 치수보다 약간 작은 것을 사용하는데 일반적인 방전가공에서는 0.5mm 정도 작은 것을 사용한다. 그러나 이를 그대로 미세가공에 적용할 수는 없다. 미세가공에서는 다듬질 이하의 작은 수준(0.1mm)의 전극을 사용하며 한 펄스의 간격 및 방전에너지도 적게준다.

적은 방전에너지로 인한 전극의 소모는 극히 미소하고, 열,기계적 충격도 적어 일반 전극이 아닌 흑연전극을 사용하여 방전가공이 가능하다. 흑연은 압축성형성이 우수하고 양산이 가능하므로 상대적인 전극의 제작비가 저렴하다.

따라서 전극을 자주 자주 교체하여 전극소모로 인한 가공오차를 줄이며 소모된 전극은 다시 분쇄하여 압축성형용 흑연분말을 재료로 재활용한다. 이렇게 제작된 미세패턴이 있는 금속을 각종 성형용(사출,압축,패터닝) 몰드 인서트로 사용하여 원하는 제품을 성형한다.

본 발명에서는 미세흑연 분말의 고온, 고압에서의 접착성을 이용한다. 즉, 흑연분말을 고온에서 압력을 주게되면 서로간에 접합하게 되며 방전가공용 전극으로 쓰일 수 있는 기계적 강도를 지니게 되는데, 이러한 성질을 이용하여 미세구조물의 캐비티를 지닌 압축성형용 몰드를 흑연분말로 제작하고 같은 방법을 이용하여흑연분말을 고온, 압축 성형하여 미세구조물의 반대 형상을 지닌 마이크로 방전가공용 흑연전극을 제작한다.

앞서 열거한 바와 같이 기계가공의 일종인 방전가공은 금형의 제작 등에 널리 사용되는 가공방식으로서, 이 기술 자체를 그대로 미세구조물 형성에 응용하는데에는 한계가 있으나, 구조물 형성에 있어서 형상 제약이 적고, 저가 제조가 가능하며, 대량생산에 적합한 특성을 가진다.

일반적으로 방전가공의 정밀도는 방전전극의 정밀도와 밀접한 관계가 있으며 이 방전전극의 정밀도는 방전전극의 가공법에 영향을 받는다.

본 발명을 적용하는 경우 방전전극의 정밀도를 높일 수 있고, 흑연을 재료로 사용하고, 개선된 압축성형을 적용하여 저가, 양산화를 가능하게 한다.

또한 미세부품의 몰딩에 있어서 금형의 제작이 가장 중요한 부분을 차지한다. 미세금형 제작방법인 LIGA와 같은 공정에 의해 전기주조된 몰드인서트를 사용하는 경우 금형의 수정이나 마모를 고려하는 양산에는 적합하지 않지만, 본 발명은 상대적으로 저가의 가공공정인 방전가공을 통해 미세 몰드인서트를 가공할 수 있도록 한다.

또한 본 발명은 미세구조물의 캐비티가 그대로 흑연전극의 형상으로 제작되므로 기존의 절삭공정으로는 불가능한 마이크로, 서브마이크로 단위의 방전 전극의 제작이 가능하게 되고, 또한 이를 통한 미세 방전가공이 가능하며, 몰딩에 의해 제작되어지는 흑연전극을 이용하여 방전가공을 하게되므로 공정시간의 단축, 정밀도의 향상, 단가의 절감, 양산성의 장점이 있고, 특히 흑연 전극의 방전시의 마모가심한 단점을 양산을 통해서 자주 교환하여 가공하는 방식을 택함으로서 보완도 가능하다.

또한 미세압축성형에 의해서 방전전극을 가공하게 되므로 미세 캐비티를 가진 금형을 생산할 수 있고, 기존의 미세 성형을 위한 몰드는 몰드인서트만을 특수하게 제작하여 몰드베이스에 체결하는 방식으로 되어 있어서 평면도 등의 치수 공차에 많은 문제점이 있으나 본 발명은 몰드면에 대한 방전 가공을 통해 미세 캐비티를 성형하게 됨으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 미세부품을 가공하기 위한 미세압축성형 금형을 방전가공으로 가공하고, 그 방전전극은 미세부품가공에 적합한 방전전극 구조로 만들어 방전가공을 통해 미세 몰드인서트를 저가로 가공할 수 있도록 하는 효과가 있다,

또한, 미세구조물의 캐비티가 그대로 흑연전극의 형상으로 제작되므로 기존의 절삭공정으로는 불가능한 마이크로, 서브마이크로 단위의 방전전극의 제작이 가능하게 되고, 이를 통한 미세 방전가공이 가능하며, 몰딩에 의해 제작되어지는 흑연전극을 이용하여 방전가공을 하게되므로 공정시간의 단축, 정밀도의 향상, 단가의 절감, 양산성의 장점이 있고, 특히 흑연 전극의 방전시의 마모가 심한 단점을 양산을 통해서 자주 교환하여 가공하는 방식을 택함으로서 유지보완도 가능하며, 미세압축성형에 의해서 방전전극을 가공하게 되므로 미세 캐비티를 가진 금형을 생산할 수 있고, 몰드면에 대한 방전 가공을 통해 미세 캐비티를 성형하게 됨으로써 치수공차 관리를 쉽게하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 미세방전가공용 방전전극을 제조하는 방법에 있어서,

   준비된 정량의 미세흑연분말을 압축성형기에 장착된 몰드의 캐비티내에 균일하게 도포하고 몰드에 진동을 주어 캐비티내에서의 분말을 균일하고 밀도있게 유지한 상태로 압축성형용 몰드의 상하판을 닫고 예압을 주는 단계와;

   상기 몰드의 상하판에 설치된 전기저항발열체를 가열하여 정해진 온도까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 미세흑연분말에 압축압력을 가하는 단계와;

   상기 단계를 통해 압축압력을 가한 뒤 몰드의 가열을 종료하고 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각하고 동시에 미세흑연분말의 수축에 따른 치수 변화를 막기위하여 압력을 풀지않고 보압을 주는 단계와;

   상기 단계에서 일정 온도 이하로 몰드가 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮추고 제품 취출시 변형되지 않을 정도의 강도를 가지는 온도에서 압축성형된 흑연제품을 취출하는 단계와;

   취출된 흑연제품을 후가공을 통해 가공하여 흑연전극을 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세방전가공용 방전전극의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미세 압축성형 몰드를 통한 흑연분말의 압축성형단계에서 흑연분말에 고온의 압력을 주어 서로 간의 접합력을 통해 방전가공용 전극으로 쓰이는 기계적강도를 얻으며, 그 성질을 이용하여 미세구조물의 캐비티를 지닌 압축성형용 몰드를 흑연분말로 제작하는 것을 특징으로 하는 미세방전가공용 방전전극의 제조방법.