KR100481577B1 - 전기점성 유체를 이용하는 미세 부품의 연마 장치 및 연마방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기점성 유체를 이용하는 미세 부품의 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것으로, 피연마재 상측에 도전성 연마 공구를 설치하고 피연마재 표면 상에 부가 전극을 설치한 연마 장치를 제공한다. 도전성 연마 공구와 부가 전극에 각각 전압을 인가하여 연마 공구 주변에 전기장을 형성하면서 연마 공구를 회전시킨다. 그러면, 연마 공구 중심으로 연마 입자가 포함된 전기점성 유체가 회전하면서 연마 공구 하측의 피연마재 표면을 연마한다. 이와 같은 연마 장치 및 연마 방법에 의하면, 미세 부품의 정밀한 연마가 가능하고 연마 표면의 품위를 향상시킬 수 있다.

Description

전기점성 유체를 이용하는 미세 부품의 연마 장치 및 연마 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR POLISHING FINE WORKPIECE USING ELECTRORHEOLOGICAL FLUID}

본 발명은 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것으로, 특히, 전기점성 유체를 이용하여 미세 부품을 정밀하게 연마할 수 있는 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이다.

최근, 광학 기기, 의료 기기 및 전자 기기 분야에서 사용되는 부품이나 소자들이 미세화됨에 따라, 부품 제조 공정에서 형상의 정밀도에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 그러나, 현재의 미세 부품 제조 기술은 시장 전반의 이러한 요구에 미치지 못하고 있다.

종래, 미세 부품의 제조에는 주로 기계 가공 기술을 이용해 왔으며, 특히 고정밀도의 연마 방법으로 폴리싱 가공 또는 래핑 가공 등을 이용하고 있다. 기계 가공 기술은, 3 차원 형태의 구조물 제작 능력이 상대적으로 우수하고, 가공된 표면 및 형상의 품위가 높다는 장점이 있다.

그러나, 부가가치가 높은 금형 단품이나 렌즈 등의 미세 부품을 제조하는 경우에도, 기존의 매크로한 가공에서와 마찬가지로 최종 마무리 작업인 연마 가공을 진행해야 하는데, 종래 기술로는 이러한 연마 가공을 양호한 수준으로 수행하기 어렵다는 문제가 있다. 즉, 연마 공정에서 3 차원 형상을 갖는 미세 부품의 표면을 연마하기 위한 통상의 폴리싱 패드 혹은 블록을 제작하기 어려울 뿐만 아니라 유효한 개수의 연마 입자를 피가공면에 지속적이고 안정적으로 공급하는 것도 거의 불가능하므로, 원하는 정밀도와 품위를 얻을 수 없다.

이와 같은 문제를 극복하기 위해, 기계 가공에 비해 보다 높은 정밀도로 미세 부품을 연마할 수 있는 방법으로, 전자기장에 의해 연마용 미립자를 제어하여 연마를 행하는 연마 방법이 제안되고 있다. 이 방법에서는 서브미크론 크기의 연마 입자에 전기장 또는/및 자기장을 인가하여 연마 입자의 운동을 제어하는데, 미세 영역 내에서 입자의 운동을 제어하는 것이 가능하므로 미세 부품에 대한 연마 가공에 효과적이다.

또한, 비구면 렌즈와 같은 3 차원 형태의 부품을 연마하는 경우에는, 전자기장 내에서 유체의 점도가 변화하는 전기점성 (Electrorheological: ER) 유체 또는 자기점성 (Magnetorheological: MR) 유체를 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 전기점성 유체 또는 자기점성 유체에 연마 입자를 첨가하고, 전자기적으로 유체의 점도 등과 같은 물성을 제어하면, 연마력으로 활용할 수 있게 된다. 이와 같이 유체를 이용하면 연마 공구와 피연마재 간의 직접적인 접촉을 배제시키므로 연마 표면의 품위를 높일 수 있다는 이점이 있다.

그러나, 자기점성 유체를 사용하는 연마 방법의 경우에는, 자기장을 효율적으로 구성하기가 비교적 어렵고 반자성 (diamagnetic) 의 성질을 가지는 연마입자가 자성이 집중되는 영역을 벗어나려는 경향이 있어 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 이에 따라, 미세 부품을 연마하는 방법으로 전기점성 유체를 사용하는 연마 방법이 주목받고 있으나, 실질적인 응용에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기점성 유체를 이용하여 미세 부품을 정밀하게 가공할 수 있는 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 이용하여 피연마재를 연마하는 연마 장치는, 상기 피연마재를 지지하는 지지대, 상기 지지대 상측에 회전 가능하게 설치된 도전성 연마 공구, 상기 연마 공구 주변에 전기장을 형성하기 위한 전기장 형성 수단, 및 상기 피연마재 상에 상기 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 공급하기 위한 유체 공급 수단을 구비한다.

상기 전기장 형성 수단은, 상기 피연마재의 연마되지 않는 표면 상에 형성된 전극 및 상기 전극과 상기 연마 공구에 각각 전압을 인가하기 위한 전원 장치를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 연마 공구는 피연마재의 연마 부위를 따라 자유롭게 이동할 수 있도록 구동 장치와 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 전기점성 유체를 이용하는 연마 방법은, 피연마재 상에 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 공급하는 단계, 상기 피연마재 상측에 설치된 연마 공구 주변에 전기장을 형성하는 단계, 및 상기 연마 공구를 회전시킴과 동시에 상기 전기점성 유체를 회전시켜 상기 연마 공구 하측의 상기 피연마재 표면을 연마하는 단계를 포함한다.

상기 연마 방법은, 상기 전기점성 유체를 공급하는 단계 이전에, 상기 피연마재의 표면 상에 전극을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기장을 형성하는 단계는 상기 전극과 상기 연마 공구에 각각 소정 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

우선, 본 발명에 의한 연마 방법의 기본 원리를 설명한다.

본 발명의 연마 방법은, 전기장을 인가하면 점도가 변하는 전기점성 유체의 특성을 이용한 것이다. 일반적으로, 전기점성 유체는 전도성이 매우 낮은 미립자가 높은 비저항을 갖는 절연액 내에 분산되어 있는 상태로 구성되는데, 약 1-5 kV/mm 정도의 전기장 하에서 전기장의 방향으로 입자들이 나란히 배열하는 특성을 갖는다. 즉, 전기장으로 인해 입자가 분극을 일으키면 입자들 간에 전기장의 방향으로 인력이 발생하게 되고, 그 결과 전극 사이에 체인 구조를 형성하면서 유체의 흐름은 방해되고 점도는 크게 증가하게 된다. 따라서, 전기점성 유체에 소정량의 연마 입자를 첨가한 연마 슬러리에 전기장을 인가하면서 회전력을 부여하면, 점도가 증가된 전기점성 유체와 연마 입자의 전단 응력에 의해 연마 작용이 가능해진다.

이와 같이, 전기점성 유체를 사용하는 연마 방법은, 특히, 각종 기기의 소형화에 따라 초정밀 가공이 요구되는 경우나 미세 부품의 소정 부위를 국부적으로 연마하고자 하는 경우에 유용할 것으로 예상된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 실시예에 의한 연마재가 혼합된 전기점성 유체를 이용하는 연마 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2 는 도 1 에 도시된 피연마재의 표면을 나타내는 평면도이다.

우선, 본 실시예의 전기점성 유체로는, 비도전성 액체 내에 유전체 입자, 예를 들어, 표면화학처리된 폴리머 입자, 무기물 입자 또는 기능성 코팅처리된 입자 등이 분산되어 있는 통상의 전기점성 유체를 이용할 수 있다. 또한, 전기점성 유체 내에 소량 함유되는 연마 입자로는, 통상 연마재로 사용되는 알루미나, 다이아콘드 및 실리콘카바이드 등의 입자들을 이용할 수 있다. 전기점성 유체에 연마 입자들을 첨가하면, 순수한 전기점성 유체에 비해 응력 특성이 저하되므로, 이러한 응력 특성의 변화를 고려하여 첨가하는 연마 입자의 양과 크기를 결정하는 것이 바람직하다.

도 1 을 참조하면, 본 실시예에 의한 연마 장치는 피연마재 (3) 가 탑재되는 지지대 (1) 를 구비한다. 지지대 (1) 는, 피연마재 (3) 를 소정 위치로 자유롭게 이동시킬 수 있도록 구동 장치 (미도시) 와 연결되는 것이 바람직하다.

피연마재 (3) 가 위치하는 지지대 (1) 상측에는, 피연마재 (3) 와 일정 간격 떨어져 위치하도록 도전성 연마 공구 (7) 가 설치된다. 연마 공구 (7) 는, 원하는 가공 표면 부근에서 전기점성 유체와 연마 입자가 혼합된 연마 슬러리에 전기장을 인가하고, 점도가 증가된 연마 슬러리에 회전력을 부여하기 위한 장치이다. 따라서, 연마 공구 (7) 는 소정 전압을 인가하는 전원 장치 (10) 및 회전운동을 가능하게 하는 회전 장치 (미도시) 와 결합된다. 또한, 피연마재 (3) 의 가공 부위의 궤적에 따라 이동하여 피연마재 (3) 를 국부적으로 연마할 수 있도록, 연마 공구 (7) 는, 예를 들어, 다축 또는 단축 구동 장치에 연결되는 것이 바람직하다. 연마 공구 (7) 의 형태는 연마될 부위의 형상과 크기에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 미세 부품의 연마에 적당하도록 실린더형의 몸체부와 가늘고 긴 연마부로 구성할 수 있다.

피연마재 (3) 의 표면에는 도전성 연마 공구 (7) 와 함께 한 쌍의 전극을 이루어 연마 공구 (7) 주변에 전기장을 형성하기 위한 부가 전극 (5) 이 설치된다. 부가 전극 (5) 에는 소정 전압을 인가하는 전원 장치 (10) 가 연결된다. 연마 공구 (7) 와 부가 전극 (5) 에 각각 소정 전압이 인가되면, 연마 공구 (7) 와 부가 전극 (5) 사이에 전기장이 형성된다.

전기점성 유체를 사용하는 연마 공정에서는, 전기장과 전기점성 유체의 상호 작용이 연마 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 부가 전극 (5) 의 위치와 형태를 적절히 설정하는 것이 중요하다. 부가 전극 (5) 은, 연마 공구 (7) 측으로 전기장을 집중시켜 연마 부위 상에서 전기점성 유체가 연마 공구 (7) 와 함께 회전할 수 있도록 설치되어야 한다. 따라서, 피연마재 (3) 의 연마 부위와 근접하게 부가 전극 (5) 이 설치되는 것이 바람직하며, 특히 피연마재 (3) 의 표면 상에, 즉 연마 부위 주변에 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 피연마재 (3) 가 비도전성 재료인 경우, 부가 전극 (5) 이 피연마재 (3) 의 표면 상에 직접 설치되며, 피연마재 (3) 가 금속 등의 도전성 재료인 경우에는, 피연마재 (3) 와 부가 전극 (5) 사이에 절연층이 개재된다.

부가 전극 (5) 의 형태는, 예를 들어, 연마 공구 (7) 의 단부와 동일한 형태인 점, 연마 공구 (7) 를 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 선 또는 연마 공구 (7) 를 둘러싸는 원 등의 형태로 설치될 수 있다. 이 중에서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연마 공구 (7) 를 둘러싸는 원의 형태로 부가 전극 (5) 이 설치되는 것이 가장 바람직하다.

도 3 은 부가 전극 (5) 의 형태에 따라 형성되는 전기장의 형태를 나타내는 것으로, (a) 는 부가 전극 (7) 이 연마 공구 (7) 의 단부와 동일한 형태인 점인 경우, (b) 는 부가 전극 (5) 이 연마 공구 (7) 를 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 선인 경우, (c) 는 본 실시예와 같이 부가 전극 (5) 이 연마 공구 (7) 를 둘러싸는 원의 형태인 경우를 나타낸다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 연마 공구 (7) 를 둘러싸는 원의 형태로 부가 전극 (5) 을 설치한 경우에는, 연마 공구 (7) 측으로 전기장이 집중되므로, 미세 부위에 대한 정밀한 연마에 가장 효과적이다.

또한, 연마 장치에는 전기점성 유체와 연마 입자가 혼합된 연마 슬러리를 공급하기 위한 통상의 슬러리 주입구 (12) 가 설치된다. 슬러리 주입구 (12) 는 연마 슬러리를 저장하는 저장 용기 (미도시) 와 연결되어 피연마재 (3) 상에 소정량의 슬러리를 공급한다.

다음, 본 실시예의 연마 장치를 사용하는 연마 방법을 설명한다.

먼저, 피연마재 (3) 상에 부가 전극 (5) 을 형성한다. 부가 전극 (5) 은, 예를 들어, 얇은 도전성 소재를 피연마재 (3) 의 표면에 인위적으로 부착하여 형성할 수도 있고, 화학적 방법을 이용하여 도전막을 증착하거나 코팅하여 형성할 수도 있다.

부가 전극 (5) 이 형성된 피연마재 (3) 를 지지대 (1) 상에 탑재한다. 피연마재 (3) 가 소정 위치에 고정되면, 피연마재 (3) 의 연마 부위 상측에 연마 공구 (7) 을 위치시킨다. 슬러리 주입구 (12) 를 통하여, 전기점성 유체와 연마 입자가 혼합되어 있는 연마 슬러리를 피연마재 (3) 상에 소정량 공급한다.

연마 슬러리의 공급이 종료되면, 연마 공구 (7) 와 부가 전극 (5) 에 각각 전압을 인가하여 연마 공구 (7) 주변, 즉, 연마 부위 주변에 전기장을 형성한다. 이와 동시에, 연마 공구 (7) 를 소정의 회전 속도로 회전시킨다. 그러면, 회전하는 연마 공구 (7) 중심으로 점도가 높아진 연마 슬러리가 회전하면서, 그 하측의 연마 부위가 연마된다.

본 발명에 의하면, 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 이용하여 피연마재 표면을 연마함으로써, 연마 공구와 피연마재 표면의 직접적인 접촉없이 연마를 수행할 수 있어 연마 표면의 품위를 향상시킬 수 있다.

또한, 미세한 연마 공구 중심으로 연마 입자들을 집중시켜 연마를 수행하므로, 원하는 영역에 대한 국부적인 연마가 가능하고 미세 부품에 대한 정밀한 연마가 가능해진다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 의한 연마 장치를 나타내는 개략도.

도 2 는 도 1 에 도시된 피연마재의 표면을 나타내는 평면도.

도 3 은 부가 전극의 형태와 전기장과의 관계를 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 지지대 3 : 피연마재

5 : 부가 전극 7 : 연마 공구

10 : 전원 장치 12 : 슬러리 주입구

Claims (5)

1. 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 이용하여 피연마재를 연마하는 연마 장치로서,

   상기 피연마재를 지지하는 지지대;

   상기 지지대 상측에 회전 가능하게 설치된 연마 공구;

   상기 연마 공구 주변에 전기장을 형성하기 위한 전기장 형성 수단; 및

   상기 피연마재 상에 상기 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 공급하기 위한 유체 공급 수단을 구비하며,

   상기 전기장 형성 수단은,

   상기 피연마재의 연마되지 않는 표면 상에 형성된 전극 및 상기 전극과 상기 연마 공구에 각각 소정 전압을 인가하기 위한 전원 장치를 구비하며,

   상기 연마 공구는 실린더형의 몸체부와 가늘고 긴 연마부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연마 공구는 상기 피연마재의 연마 부위를 따라 자유롭게 이동할 수 있도록 구동 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
4. 피연마재의 연마되지 않는 표면 상에 전극을 형성하는 단계;

   상기 피연마재 상에 연마 입자가 혼합된 전기점성 유체를 공급하는 단계;

   상기 전극과 상기 피연마재 상측에 설치된 연마 공구에 소정 전압을 인가하여 상기 연마 공구 주변에 전기장을 형성하는 단계; 및

   상기 연마 공구를 회전시킴과 동시에 상기 전기점성 유체를 회전시켜 상기 연마 공구 하측의 상기 피연마재 표면을 연마하는 단계를 포함하며,

   상기 연마 공구는 실린더형의 몸체부와 가늘고 긴 연마부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
5. 삭제