KR101211140B1 - 경면가공용 절삭팁 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 절삭팁을 포함하는 경면가공용 연마공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마 공구에 대한 것으로 보다 구체적으로는 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 가공할 수 있는 경면가공용 절삭팁, 상기 절삭팁 제조방법, 및 상기 절삭팁을 포함하는 경면가공용 연마공구에 관한 것이다.

Description

경면가공용 절삭팁 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 절삭팁을 포함하는 경면가공용 연마공구{METHOD FOR PRODUCING MIRROR-LIKE FINISHING CUTTING TIP AND MIRROR-LIKE FINISHING GRINDING APPARATUS COMPRISING THE CUTTING TIP}

본 발명은 연마 공구에 대한 것으로 보다 구체적으로는 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 가공할 수 있는 경면가공용 절삭팁, 상기 절삭팁 제조방법, 및 상기 절삭팁을 포함하는 경면가공용 연마공구에 관한 것이다.

스크래치 및(또는)극미한 구멍 등의 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 필요로 하는 제품의 경우에도 제조 공정 동안, 몰드 선, 거친 표면, 작은 점 같은 결함이 제품의 외면에 나타날 수 있다. 이러한 유형의 결점은 작을지라도 제품의 광학 투명도 및 그의 목적하는 표면 편평도에 결정적으로 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 결점을 제거하는 공지된 방법이 널리 사용되어 왔다. 이러한 방법들은 전형적으로 러프 그라인딩 (rough grinding), 파인 그라인딩 (fine grinding), 랩핑 (lapping), 및 폴리싱 (polishing)으로서 분류할 수 있는 연마 마감 방법을 포함한다.

그라인딩 방법은 굴곡된 윤곽을 더 연마하거나 표면의 편평도를 향상시키거나 주물 결함을 제거하는데 사용할 수 있다. 이는 연마 도구를 사용하여 제품 표면에서 러프 그라인딩(rough grinding) 방법에 의해 달성된다. 그라인딩 도구는 전형적으로 다이아몬드, 탄화텅스텐, 입방체 질화붕소, 또는 이들의 조합물과 같은 초연마(superabrasive) 입자를 함유한다. 그라인딩 방법은 대량으로 재빨리 제거하는데 사용되며 연마 도구 및 재료로 인한 미세한 스크래치 패턴이 남는다. 러프 그라인딩 방법으로 인해 남은 스크래치 및 다른 표면 결점들은 "파이닝" 및 "폴리싱"이라 알려진 후속 프로세싱 단계 동안 제거한다. 러프 그라인딩 방법과 관련된 문제점 중 하나는 제품 표면 내에 조대한 스크래치 및 조가비 모양의 파면을 만들 뿐만 아니라 표면 밑에도 균열을 야기한다는 것이다. 이러한 표면 및 표면 안의 결점은 표면 아래로 상당한 거리가 연장될 수 있다. 이들 잔여 결점으로 인하여 그라인딩 후 얻어진 제품 표면은 통상 직접 폴리싱 단계에 충분할 정도로 평활하지 못할 수도 있다.

상술된 러프 그라인딩 방법에 대한 대안으로서, 소위 "연성 (ductile) 그라인딩"이 개발되었고, 유리 및 다른 물질 (예, 세라믹)의 그라인딩에 대한 약간의 전망을 보여주었다. 연성 그라인딩 프로세스는 표면에 가해지는 그라인딩 힘의 양을 조심스럽게 통제하도록 노력하여 러프 그라인딩 단계에서 보통 나타나는 파면이나 균열 없이 그라인딩 단계를 수행하도록 하는 것이다.

즉 이러한 연성 그라인딩 방법에서는 연마하는 동안 그라인딩 휠이 표면에 가해지는 힘의 양을 조심스럽게 조절하면서 휠에 포함된 절삭팁의 연마 입자에 의해 표면을 연마하게 되는 것이다.

한편, 파면 없이 수용 가능한 힘의 양은 사용된 제품의 유형, 연마 입자의 개별 입자의 형태, 및 그라인딩 환경에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그라인딩 휠에 의해 가해지는 힘의 적당한 통제는 그라인딩 휠을 제품 표면에 대해 조심스럽게 위치시키고 그라인딩 휠에 의해 표면에 가해지는 힘을 제한함으로써 유지될 수 있다.

이와 같이 연성 그라인딩은 러프 그라인딩 방법의 특징인 손상, 특히 제품 표면의 아래로 연장되는 스크래치 또는 균열 중 대부분을 방지하는 경향이 있기 때문에 바람직할 수 있다. 보다 구체적으로 극미세 연마입자로 구성된 절삭팁을 갖는 종래의 연성 그라인딩 휠이 갖는 문제점을 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴본다.

먼저, 연성 그라인딩의 한 작동 방식으로, 고속 연성 그라인딩 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 극미세 연마 입자로 구성된 절삭팁이 다수개 형성된 그라인딩 휠을 고속의 기계에 장치하여 구동되는 연마방법에 의해 달성될 수 있다.

그런데, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 그라인딩 휠에 형성된 절삭팁은 극미세 연마입자, 예를 들어 다이아몬드 입자가 절삭팁 내에 분포되는 구성을 가지고 있으며, 외부에 노출된 다이아몬드 입자가 피삭재와 접촉하며 연삭작용을 하게 되는 것을 알 수 있다.

따라서 연삭 작용에서 다이아몬드 입자의 edge는 마모되어 접촉 면적이 점점 늘어나게 되어 연삭 부하가 높아지게 되어 연삭력이 떨어진다. 즉, 피삭재와 접촉하는 꼭지점이 마모되면서 면으로 접촉하게 되면, 점점 마모가 진행될수록 접촉면적은 넓어지게 되어 더 이상 연삭을 할 수 없는 상태가 되기 때문이다.

그 결과 절삭팁내에서 역할을 다한 다이아몬드가 접착층에서 쉽게 탈락하여 새로운 다이아몬드가 표면에 노출될 수 있도록 하는 것이 중요해져, 높은 연삭력을 요구하는 분야에서는 다이아몬드 탈락이 쉬워야 하기 때문에, 비교적 약한 지립력을 가진 레진이나 비추리파이드 본드가 접착층으로 쓰이지만 연마입자인 다이아몬드의 돌출높이가 낮아 수명뿐만 아니라 연삭에 의해 발생한 데브리(debris : 부스러기)가 배출되기 어려웠다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 도시하지는 않지만 그라인딩 휠 공구를 다이아몬드가 표면에만 존재하는 단층형태의 절삭팁을 구성하게 되었으나, 이와 같은 단층형태의 절삭팁에서는 표면의 다이아몬드 입자가 꼭지점만 겨우 사용되기 때문에 수명이 매우 낮을 뿐만 아니라, 정밀한 조도를 요구하는 분야에서는 사용하기 위해 이와 같은 단층형태의 절삭팁 형성시 1um 이하의 다이아몬드 입자를 사용하게 되면 다이아몬드 입자가 균일하게 분산되지 않고 응집되게 되므로 극미세 연마입자를 사용한 연성 그라인딩 휠을 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

또한 다이아몬드 입자를 포함하여 통상의 연마입자는 각진 형태이기 때문에 피삭재와 점으로 접촉할 수도 있으며, 면으로 접촉할 수도 있는 등 입자의 불균일한 분포로 인해 성능이 균일하게 유지되지 못하는 문제점도 존재하게 된다.

본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 연마입자에 준하는 크기를 갖도록 그 표면 또는 전체가 다이아몬드층으로 이루어지고 그 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부를 단층으로 돌출시켜 형성함으로써 피삭재와 접촉하는 절삭면의 넓이가 다이아몬드층이 마모될 때까지 상당부분 균일하게 유지되어, 균일한 연마 성능을 가질 뿐만 아니라 다이아몬드층 두께만큼 사용될 때까지 연삭력을 유지할 수 있어 수명이 연장되는 구조의 경면가공용 절삭팁을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연성그라인딩(ductile grinding)을 통해 경면가공이 가능하도록 절삭부의 상부면 면적이 1um² 이하이면서도, 돌출높이가 제어 되어 불필요한 다이아몬드가 없으며, 응용분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수를 결정할 수 있는 경면가공용 절삭팁 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 1회의 연마공정을 수행하는 것으로 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 가공할 수 있는 경면가공용 연마공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 평탄한 표면을 갖는 기판; 및 상기 기판 표면에 돌출되어 형성된 복수개의 절삭부를 포함하는데, 상기 복수개의 절삭부는 서로 이격되어 형성되고, 각 절삭부의 상부면 면적은 1um² 이하인 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수개의 절삭부는 각 상부면의 높이 편차가 상기 절삭부 높이의 10%이하이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판 표면 및 복수개의 절삭부 표면은 다이아몬드층으로 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 절삭부는 원기둥, 다각기둥, 원뿔대, 다각뿔대 중 어느 하나의 형상이다.

또한, 본 발명은 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 경면가공용 절삭팁을 제조하는 방법으로서, 표면이 평탄한 가공용 기판을 준비하는 단계; 상기 가공용 기판을 음각하여 바닥면 면적이 1um² 이하인 복수개의 홈을 형성하는 홈 형성단계; 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판 표면에 다이아몬드를 코팅하는 다이아몬드층 형성단계; 상기 다이아몬드층 상에 기판용 재료를 완성된 상부표면이 상기 가공용 기판의 음각되지 않은 표면과 평행을 이루도록 증착하여 기판을 형성하는 기판형성단계; 및 상기 가공용 기판을 제거하는 제거단계;를 포함하는 경면가공용 절삭팁 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가공용 기판은 융점이 1000℃ 이상인 재질로 구성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가공용 기판에 형성된 복수개의 홈은 다각기둥, 원기둥, 다각뿔대, 원뿔대 중 어느 하나의 형태이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가공용 기판에 음각되어 형성된 홈의 깊이편차는 상기 홈 깊이의 10%이하이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 상기 가공용 기판표면을 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법을 수행하여 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 상기 가공용 기판을 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법을 수행하여 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드층 형성단계 전에, 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판을 다이아몬드 코팅을 위해 전처리하는 전처리단계를 더 포함하는데, 상기 전처리 단계는 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판 표면에 코팅용 핵을 생성시키기 위해 코팅하고자 하는 다이아몬드 입자 크기의 입자가 포함된 초음파 세척기에서 처리하여 수행된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판용 재료는 Si₃N₄, WC, SiC, 실리콘 중에서 선택되는 어느 하나이다.

본 발명은 또한 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 경면가공용 절삭팁을 제조하는 방법으로서, 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 상기 기판을 양각하여 그 상부면 면적이 1um² 미만인 복수개의 돌출부를 형성하는 돌출부 형성단계; 및 상기 복수개의 돌출부가 형성된 기판의 표면에 다이아몬드를 코팅하는 다이아몬드층 형성단계;를 포함하는 경면가공용 절삭팁 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 돌출부 형성단계는 형성하고자 하는 돌출부의 패턴에 따라 상기 기판 표면에 복수개의 돌출부를 형성하기 위한 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법, 또는 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법 중 하나 이상을 수행하여 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판에 양각되어 형성된 돌출부와 그 표면에 코팅된 다이아몬드층으로 이루어진 절삭부의 높이 편차는 상기 절삭부 길이의 10%이하이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판에 형성된 복수개의 돌출부는 다각기둥, 원기둥, 다각뿔대, 원뿔대 중 어느 하나의 형태이다.

본 발명은 또한 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 경면가공용 절삭팁을 제조하는 방법으로서, 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판 상에 형성하고자 하는 절삭부 패턴에 따라 다이아몬드를 증착하여, 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부를 갖는 다이아몬드 증착 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 경면가공용 절삭팁을 제조하는 방법으로서, 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 표면에 다이아몬드 증착막을 균일한 두께로 형성하는 다이아몬드 증착막 형성단계; 및 상기 다이아몬드 증착막을 형성하고자 하는 절삭부 패턴에 따라 가공하여 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 돌출부를 형성하는 다이아몬드 증착막 가공단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 증착막 형성단계에서 형성되는 증착막의 두께는 상기 절삭팁에 형성되는 절삭부의 높이를 초과한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드 증착막 가공단계는 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법, 또는 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법 중 하나 이상을 수행하여 상기 증착된 다이아몬드 막의 일부분을 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 상술된 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 경면가공용 절삭팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 경면가공용 연마공구를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 절삭팁에 형성된 절삭부는 피삭재에 50nm이하의 박힘 깊이 편차를 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 경면가공 연마공구에 의해 1회 연마된 피삭재의 표면은 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 경면을 갖는다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.

먼저, 본 발명의 경면가공용 절삭팁에 의하면 연마입자에 준하는 크기를 갖도록 그 표면 또는 전체가 다이아몬드층으로 이루어지고 그 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부를 단층으로 돌출시켜 형성함으로써 피삭재와 접촉하는 절삭면의 넓이가 다이아몬드층이 마모될 때까지 상당부분 균일하게 유지되어, 균일한 연마 성능을 가질 뿐만 아니라 다이아몬드층 두께만큼 사용될 때까지 연삭력을 유지할 수 있어 수명이 연장된다.

또한, 본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법에 의하면 연성그라인딩(ductile grinding)을 통해 경면가공이 가능하도록 절삭부의 상부면 면적이 1um² 이하이면서도, 돌출높이가 제어 되어 불필요한 다이아몬드가 없으며, 응용분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수를 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 경면가공용 연마공구에 의하면 1회의 연마공정을 수행하는 것으로 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 가공할 수 있다.

도 1은 종래에 알려진 고속 연성 그라인딩 방법의 모식도,
도 2는 도 1에서 사용되는 그라인딩 휠의 일부 단면도, 그라인딩 휠에 포함된 절삭팁의 사시도 및 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 절삭팁에서 연마입자의 마모 상태를 보여주는 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경면가공용 절삭팁의 사시도 및 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁의 마모로 인한 작업면적 변화를 보여주는 모식도,
도 6은 본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 일 실시예에 따라 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁을 제조하는 공정을 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명의 경면가공용 연마공구의 일예로서 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁이 포함된 그라인딩 휠의 실제 제품사진.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경면가공용 절삭팁의 사시도 및 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁의 마모로 인한 작업면적 변화를 보여주는 모식도이며, 도 6은 본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 일 실시예에 따라 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁을 제조하는 공정을 나타낸 개략도이며, 도 7은 본 발명의 경면가공용 연마공구의 일예로서 도 4에 도시된 경면가공용 절삭팁이 포함된 그라인딩 휠의 실제 제품사진이다.

먼저, 본 발명의 제1 기술적 특징은 연마입자에 준하는 크기를 갖도록 그 표면 또는 전체가 다이아몬드층으로 이루어지고 그 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부가 단층으로 돌출되어 형성된 경면가공용 절삭팁에 있다.

그 결과, 종래의 연마입자를 포함하는 절삭팁에서는 예를 들어 다이아몬드 입자가 응집되어 균일하게 분포하지 못할 뿐만 아니라 피삭재와 접촉하는 꼭지점이 마모되면서 면으로 접촉하게 되므로, 점점 마모가 진행될수록 피삭재와의 접촉면적이 넓어지게 되어 더 이상 연삭을 할 수 없는 상태가 되며, 충분한 높이를 유지하지 못하는 문제점이 있지만 본 발명의 경면가공용 절삭팁은 사용목적에 맞게 의도록 적으로 절삭부의 분포를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 피삭재와 접촉하는 절삭면의 넓이가 다이아몬드층이 마모될 때까지 상당부분 균일하게 유지되어, 균일한 연마 성능을 갖고, 다이아몬드층의 두께만큼 사용될 때까지 연삭력을 유지할 수 있어 수명 또한 연장되며, 충분한 높이를 유지할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 경면가공 연마공구용 절삭팁(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 평탄한 표면을 갖는 기판(110)고, 기판(110) 표면에 돌출되어 형성된 복수개의 절삭부(120)를 포함하는데, 복수개의 절삭부(120)가 각 절삭부의 상부면 면적은 1um² 이하이고, 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 복수개의 절삭부(120)는 각 상부면의 높이 편차가 상기 절삭부 높이의 10%이하인 것이 바람직한데, 보다 바람직하게는 실질적으로 동일한 것이다. 경우에 따라서는 사용목적에 따라 복수개의 절삭부(120)를 서로 높이가 다른 2개 이상의 절삭부 그룹으로 형성할 수도 있다.

절삭부(120)의 돌출높이는 제한되지 않으므로 절삭부(120)의 상부면 면적이 1um² 이하인 점을 고려하여 물리적 균형을 이루도록 연마 목적에 따라 조절 가능하다.

절삭부(120)의 형태는 원기둥, 다각기둥, 원뿔대, 다각뿔대 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것이 바람직한데, 도 5에 도시된 바와 같이 마모되어도 피삭재와의 접촉면의 차이가 실질적으로 없는 기둥형상이 보다 바람직하다.

절삭팁(100)을 구성하는 기판(110) 표면 및 절삭부(120) 표면은 다이아몬드층(121)으로 이루어지는데, 다이아몬드층의 두께에 따라 절삭팁(100)의 제품수명이 결정될 수 있다. 이 때 도시된 바와 같이 절삭부(120)는 기판과 동일 재질로 이루어진 돌출부(122)와 돌출부 표면을 감싸서 코팅된 다이아몬드층(121)으로 구성될 수도 있지만, 절삭부(120)가 모두 다이아몬드층으로 이루어질 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 기술적 특징은 연성 그라인딩(ductile grinding)을 통해 경면 가공이 가능하도록 절삭부의 상부면 면적이 1um² 이하이면서도, 돌출높이가 제어 되어 불필요한 다이아몬드가 없으며, 응용분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수를 제어할 수 있는 경면가공용 절삭팁을 제조할 수 있는 경면가공용 절삭팁 제조방법에 있다.

본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제 1 실시예는 표면이 평탄한 가공용 기판을 준비하는 단계; 상기 가공용 기판을 음각하여 바닥면 면적이 1um² 이하인 복수개의 홈을 형성하는 홈 형성단계; 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판 표면에 다이아몬드를 코팅하는 다이아몬드층 형성단계; 상기 다이아몬드층 상에 기판용 재료를 완성된 상부표면이 상기 가공용 기판의 음각되지 않은 표면과 평행을 이루도록 증착하여 기판을 형성하는 기판형성단계; 및 상기 가공용 기판을 제거하는 제거단계;를 포함한다.

도 6을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 경면가공용 절삭팁 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 표면이 평탄한 가공용 기판을 준비하는데(S100), 랩핑을 이용해 표면이 보다 평탄화되도록 전처리된 상태의 가공용 기판을 준비하는 것이 바람직하다.

여기서, 가공용 기판은 융점이 1000℃ 이상인 재질로 구성되는데, 실리콘이나 세라믹 같이 다이아몬드 코팅이 가능한 재질이 바람직한데, 보다 바람직하게는 Si₃N₄, WC, SiC, Si 중 어느 하나의 재질일 수 있다.

홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 가공용 기판표면을 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법을 수행하여 이루어질 수 있는데, 일예로서 도 6에 도시된 바와 같이 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 가공용 기판표면을 포토 리소그래피(photo lithography)한 후, 에칭에 의해 음각하여 홈을 형성할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만 홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 가공용 기판을 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법을 수행하여 이루어질 수도 있다. 이 때 형성하고자 하는 홈의 패턴은 절삭팁을 사용하고자 하는 분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수에 따라 결정된다.

도 6에 도시된 홈 형성단계(S120)를 보다 구체적으로 설명하면, 음각된 홈이 형성될 가공용 기판 표면 부분을 포토 리소그래피(photo lithography)공정을 행하여 패턴의 상부에 포토 마스크(photo mask)를 형성한다. 다음에, 에칭공정에 의해 가공용 기판을 음각하여 음각된 바닥면 면적이 1um² 이하인 복수개의 홈을 형성한 후 포토마스크를 제거한다. 에칭 시 사용되는 가스로는 예를 들면, CF₄, CHF₃, SF₆, O₂, N₂, Ar등을 들 수 있다. 본 발명에서 이용될 수 있는 에칭방법은 습식 에칭법(wet etching)이나 건식 에칭법(dry etching) 모두 가능하지만, 에칭 속도를 고려할 때 건식 에칭법이 바람직하다.

이와 같이 홈 형성 단계에서 가공용 기판에 음각된 복수개의 홈은 그 형성된 홈의 깊이편차가 홈 전체 깊이의 10% 이하인 것이 바람직한데, 실질적으로 동일한 것이 바람직할 수 있다.

전처리 단계(S130)는 가공용 기판의 음각되지 않은 표면 및 홈 표면에 코팅용 핵을 생성시키기 위해 코팅하고자 하는 다이아몬드 입자 크기의 입자가 포함된 초음파 세척기에서 처리하여 수행되는 단계로서 경우에 따라서는 생략될 수도 있지만, 수행되면 보다 우수한 다이아몬드 코팅층을 얻을 수 있다. 전처리 단계(S130)에서 사용되는 입자 크기는 평균 500nm 이하인 것이 바람직하며, 포함되는 입자의 종류는 입방체 질화붕소, 실리콘카바이드, 알루미나 에서 선택되는 어느 하나 일 수 있다.

다이아몬드층 형성단계(S140)는 전처리된 가공용 기판의 음각되지 않은 표면 및 음각된 홈의 표면에 다이아몬드층을 형성하는 단계로서, 공지된 HF CVD 방식 등을 이용해 기상화학 증착 방식으로 홈의 표면과 가공용 기판 표면에 다이아몬드층을 원하는 두께로 형성할 수 있다. 경우에 따라서는 음각된 홈을 모두 다이아몬드층으로 코팅할 수도 있는데, 이 경우 절삭부는 전체가 다이아몬드층으로 이루어지게 된다.

기판형성단계(S150)는 다이아몬드층 상에 기판용 재료를 증착하는 단계로서, 기판용 재료는 Si₃N₄, WC, SiC, 실리콘 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하고, 완성된 상부표면이 가공용 기판의 표면과 평행을 이루도록 증착되어야 한다. 증착되어 형성되는 기판의 두께는 다이아몬드층을 유지할 수 있는 이상의 두께를 갖기만 하면 제한되지 않는다.

제거단계(S160)는 가공용 기판을 화학적 방법으로 완성된 절삭팁이 손상되지 않도록 제거하는 단계로서 공지된 에칭방법이 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방법은 극미세 형상 가공시 발생하는 가공오차를 해결할 수 있으며, 코팅되는 다이아몬드층의 두께까지도 동일하게 제어할 수 있어, 절삭팁(100)에 형성된 복수개의 절삭부(120)의 돌출높이 및 크기를 실질적으로 동일하게 제조할 필요가 있을 때 극히 유효한 특성을 갖는다.

본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제 2 실시예는 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 상기 기판을 양각하여 그 상부면 면적이 1um² 미만인 복수개의 돌출부를 형성하는 돌출부 형성단계; 및 상기 복수개의 돌출부가 형성된 기판의 표면에 다이아몬드를 코팅하는 다이아몬드층 형성단계;를 포함한다. 이 때 완성된 경면가공용 절삭팁에 형성된 각 절삭부 즉 돌출부에 다이아몬드층이 코팅되어 형성된 절삭부의 상부면 면적은 1um² 이하이다.

여기서, 돌출부 형성단계는 형성하고자 하는 돌출부의 패턴에 따라 기판 표면에 복수개의 돌출부를 형성하기 위한 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법, 또는 레이저 가공을 포함한 미세기계 가공방법 중 하나 이상을 수행하여 이루어질 수 있다.

즉, 돌출부를 광학적 patterning 방법만으로 형성하거나, 미세기계 가공방법만으로 형성하거나, 돌출부의 일부를 광학적 patterning 방법으로 형성한 후 미세기계 가공방법으로 나머지부분을 형성할 수 있기 때문이다.

이 때 형성하고자 하는 돌출부의 패턴은 절삭팁을 사용하고자 하는 분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수에 따라 결정된다.

한편, 본 발명에서 사용될 수 있는 광학적 patterning 방법, 또는 미세기계 가공방법은 공지된 방법을 본 발명의 목적에 맞게 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제 3 실시예는 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 및 기판 상에 형성하고자 하는 절삭부 패턴에 따라 다이아몬드를 증착하여, 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부를 갖는 다이아몬드 증착 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제3 실시예에서 기판을 준비한 후 준비된 기판 상에 다이아몬드 증착패턴을 형성하는 단계를 보다 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.

준비된 기판 상에 형성하고자 하는 절삭부 패턴에 따라 소정 형상의 증착 마스크를 형성한다. 증착 마스크의 외곽은 기판과 동일한 형상이나, 그 중심부를 상하로 관통하여 다수 개의 관통공이 형성되어 이 관통공을 통하여 기판이 외부로 노출되는 부분이 형성된다. 이하 이 기판에서 노출된 부분을 '증착 영역'이라 칭한다. 추후 증착 영역의 표면에는 다이아몬드 패턴이 형성되고 증착 마스크의 표면에는 다이아몬드 패턴이 형성되지 않으며, 이 증착 마스크는 다이아몬드 패턴을 형성하는 역할을 하게 된다.

여기서 증착 마스크를 기판 상에 형성하는 과정은 공지된 여러 가지 방법에 의해 수행될 수 있고 그 예를 들면 다음과 같다. 첫 번째는 스크린 프린팅(screen printing) 법이 있는데, 증착 영역을 반전시킨 형상의 관통영역이 형성된 실크 스크린(silk screen)를 기판상에 올려 둔다. 이후 흑연(C) 내지 금속(구리, 니켈, 철, 코발트, 백금 등)과 같이 다이아몬드가 증착되지 않는 재료를 분말 반죽으로 형성하여, 기판과 실크 위에서 압착하여 밀어주면 흑연 내지 금속 성분으로 이루어진 증착 마스크가 형성된다. 이 흑연이나 금속으로 이루어진 증착 마스크는 다이아몬드 입자가 흑연화가 되는 촉매 역할을 하여 추후 다이아몬드 막이 증착되지 않게 된다. 두 번째는 증착 마스크의 형상이 가능하도록 패터닝(patterning)된 얇은 금속 또는 세라믹 재질로 마스크(미도시)를 형성하여 이 마스크(미도시)를 기판상에 덮는다. 이후 다이아몬드 증착을 실시하게 되면 마찬가지로 마스크(미도시) 표면에는 다이아몬드가 증착되지 않는다. 세 번째는 물리적 증착법(PVD : physical vapor deposition)이나 기상화학증착법(CVD : chemical vapor deposition)을 이용하여 다이아몬드 막이 증착되지 않을 영역 즉 증착 마스크 부분을 금속이나 세라믹 등으로 직접 형성하는 방법이다.

이상에 제시된 어느 하나의 방법으로 증착 마스크를 기판 표면에 형성한 후, 기판을 기상화학증착(CVD) 장치에 장입하여 기판 표면에 다이아몬드 증착을 실시한다.

그 결과, 기판 표면 중 증착 영역에는 다이아몬드 증착 패턴이 형성되고, 증착 마스크 상에도 다이아몬드 막이 불규칙한 형상으로 소정 두께 형성된다.

이후 CVD 장치에서의 다이아몬드증착이 종료되면, 산 또는 알칼리 용액을 이용하여 증착 마스크를 제거하게 되는데, 이 때 증착 마스크 상의 불규칙적인 다이아몬드 막 또한 함께 제거된다.

반면 기판이 표면에 직접적으로 안정하게 증착된 다이아몬드 증착 패턴은 산 또는 알칼리 세정에 의해서도 제거되지 않고 잔류한다.

다이아몬드 증착 패턴은 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부가 최초 증착 영역의 형상과 같이 기판의 표면에 다수개의 서로 독립된 형상으로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 다이아몬드 증착 패턴이 형성된 기판 표면을 다이아몬드로 코팅하여 다이아몬드코팅층을 더 형성할 수도 있다.

본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제 4 실시예는 표면이 평탄한 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 표면에 다이아몬드 증착막을 균일한 두께로 형성하는 다이아몬드 증착막 형성단계; 및 상기 다이아몬드 증착막을 형성하고자 하는 절삭부 패턴에 따라 가공하여 상부면 면적이 1um² 이하인 복수개의 절삭부를 형성하는 다이아몬드 증착막 가공단계를 포함한다. 이 때 형성하고자 하는 절삭부의 패턴은 절삭팁을 사용하고자 하는 분야에 맞도록 절삭부의 위치, 형상 및 개수에 따라 결정된다.

증착막 형성단계에서 형성되는 증착막의 두께는 상기 절삭팁에 형성되는 절삭부의 높이이상일 수 있는데, 보다 바람직하게는 절삭부의 높이를 초과하는 것이다.

다이아몬드 증착막 가공단계는 photolithography, direct writing, interferometry를 포함한 광학적 patterning 방법, 또는 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법 중 하나 이상을 수행하여 상기 증착된 다이아몬드 막의 일부분을 제거하는 단계를 포함한다. 그 결과, 본 발명의 경면가공용 절삭팁 제조방법의 제 4 실시예에서 복수개의 절삭부를 형성하기 위해 다이아몬드 증착막을 제거하는 단계는 광학적 patterning 방법만으로 수행되거나, 미세기계 가공방법만으로 수행되거나, 증착막의 일부는 광학적 patterning 방법으로 제거한 후 나머지부분은 미세기계 가공방법으로 제거하도록 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 광학적 patterning 방법, 또는 미세기계 가공방법 또한 공지된 방법을 본 발명의 목적에 맞게 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

마지막으로, 본 발명의 제3기술적 특징은 1회의 연마공정을 수행하는 것으로 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 가시적인 결함 또는 결점이 없는 경면인 표면을 가공할 수 있는 경면가공용 연마공구에 있다.

여기서, 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 경면을 갖는다는 의미는 절삭부의 높이가 가시광선 wavelength 이하가 되어야 한다는 것은 아니며, 절삭부의 박힘 깊이(depth of cut)가 가시광선 이하이고, brittle mode grinding이 되는 depth of cut 이하가 되는 조건이라는 의미이다. 일반적으로 ductile grinding에서 depth of cut는 재료에 따라 다르나 수십에서 수백 nanometer 로 알려져 있으므로, 절삭부가 피삭재에 대해 50nm 이하의 박힘 깊이 편차를 갖는 조건이 되면 실질적으로 절삭부의 높이 편차에 따른 depth of cut에 차이가 있어도 ductile grinding의 범위에서 작업이 되어 폴리싱이 필요 없는 가공이 가능하다.

이와 같이, 도 7의 사진과 같이 구현될 수 있는 본 발명에 따른 경면가공 연마공구는 피삭재에 대해 50nm이하의 박힘 깊이 편차를 갖기 때문에, 본 발명의 경면가공 연마공구에 의해 연마된 피삭재의 표면은 1회의 연마공정을 수행하는 것으로 가시광선 wavelength 이하의 표면조도일 경우 경면을 갖게 되므로, 연마공정을 단순화시킬 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 경면가공 연마공구 100 : 절삭팁
110: 기판 120 : 절삭부
121: 다이아몬드층 122 : 돌출부

Claims (23)

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5. 표면이 평탄한 가공용 기판을 준비하는 단계;
   상기 가공용 기판을 음각하여 바닥면 면적이 1um² 이하인 복수개의 홈을 형성하는 홈 형성단계;
   상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판 표면에 다이아몬드를 코팅하는 다이아몬드층 형성단계;
   상기 다이아몬드층 상에 기판용 재료를 완성된 상부표면이 상기 가공용 기판의 음각되지 않은 표면과 평행을 이루도록 증착하여 기판을 형성하는 기판형성단계; 및
   상기 가공용 기판을 제거하는 제거단계;를 포함하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 가공용 기판은 융점이 1000℃ 이상인 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 가공용 기판에 형성된 복수개의 홈은 다각기둥, 원기둥, 다각뿔대, 원뿔대 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 가공용 기판에 음각되어 형성된 홈의 깊이편차는 상기 홈 깊이의 10%이하인 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
   
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 상기 가공용 기판표면을 포토리소그래피(photolithography), 다이렉트 라이팅(direct writing), 간섭법(interferometry)를 포함한 광학적 패터닝(patterning)방법을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
   
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 홈 형성 단계는 형성하고자 하는 홈의 패턴에 따라 상기 가공용 기판을 레이저 가공을 포함한 미세기계가공방법을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
    
11. 제 5 항에 있어서,
    상기 다이아몬드층 형성단계 전에, 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판을 다이아몬드 코팅을 위해 전처리하는 전처리단계를 더 포함하는데,
    상기 전처리 단계는 상기 복수개의 홈이 형성된 가공용 기판 표면에 코팅용 핵을 생성시키기 위해 코팅하고자 하는 다이아몬드 입자 크기의 입자가 포함된 초음파 세척기에서 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
    
12. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판용 재료는 Si₃N₄, WC, SiC, 실리콘 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 경면가공용 절삭팁 제조방법.
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21. 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 경면가공용 절삭팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 경면가공용 연마공구.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 절삭팁에 형성된 절삭부는 피삭재에 50nm이하의 박힘 깊이 편차를 갖는 것을 특징으로 경면가공용 연마공구.
    
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