KR102287256B1 - 심냉온도의 정밀 전자빔 가공장치 및 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔 건 및 피가공물의 청정도를 유지시킬 수 있으며, 금속뿐만 아니라 유리나 세라믹 등의 비전도체도 가공할 수 있는 전자빔을 이용한 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 피가공물이 위치되는 챔버, 상기 챔버에 위치된 피가공물에 전자빔을 조사하는 전자빔 건, 상기 챔버에 위치된 피가공물을 전자빔 조사전에 심랭온도까지 냉각하는 냉각수단, 상기 전자빔 건 및 냉각수단을 제어하는 제어부를 포함하는 전자빔을 이용한 가공장치가 개시된다.

Description

심냉온도의 정밀 전자빔 가공장치 및 가공방법{Subzero Electron Beam Processing Device and Method for Processing using the same}

본 발명은 전자빔 가공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전자빔 건 및 피가공물의 청정도를 유지시킬 수 있으며, 금속뿐만 아니라 유리나 세라믹 등의 비전도체도 가공할 수 있는 전자빔을 이용한 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 드릴링 머신(Micro Drilling Mashine)은 전자산업 분야에서 주로 많이 이용된다. 예컨대, 기판의 배선상에 각종 전자 부품이 삽입될 수 있도록 홀을 형성하거나 초소형 정밀부품 등에 홀을 가공하는 데 사용되는 경우가 많다.

이러한 부품이 삽입되는 홀은 각종 부품의 소형화에 따라 아주 미세하게 형성되어야 하므로, 상기와 같은 마이크로 드릴링 머신의 사용이 거의 필연적이다.

종래의 경우, 모터 등을 이용하여 드릴을 회전시켜 직접 홀을 가공하는 방식이 사용되어 왔으나, 보다 마이크로화되는 첨단 제품의 추세에 따라 종래의 드릴 방식은 전자빔을 이용하여 드릴링을 수행하는 방식으로 대체되고 있다.

이와 같은 전자빔을 이용한 드릴링장치는 종래에 비해 보다 미세한 마이크로 단위의 홀을 가공할 수 있으며, 또한 홀 가공에 따른 분진 발생이 적다는 장점이 있다.

다만, 전자빔을 이용한 드릴링장치는 전자빔에 의해 용융된 용융물이 홀 내부에 잔류하게 되므로 이와 같은 잔류물을 배출시키는 후처리 과정이 필수적으로 수행되어야 하며, 미세한 홀의 특성 상 잔류물을 깨끗하게 배출시키기가 어려워 홀 내주면이 불규칙한 형태를 가지게 되는 문제가 있다.

이러한 문제를 개선하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같은 전자빔 드릴링 장치가 연구 중에 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전자빔 건(10)이 상측에 구비되며, 하측에는 피가공물(40)이 위치되는 챔버(20)가 구비된다. 그리고, 상기 전자빔 건(10) 측에서 방출되는 전자빔을 챔버(20)까지 안내하는 전자빔 방출관(60)이 구비된다.

그리고, 전자빔이 방출되는 끝단에는 전자빔 가공시 비산하는 이물질이 전자빔 건(10) 측으로 유입되지 않도록 차단하는 데브리 모듈(30)이 구비된다.

또한, 상기 피가공물(40)의 하측에는 전자빔 조사시 급격하게 기화되는 백킹제(50)가 구비된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전자빔이 피가공물(40)에 조사되어 용융되며, 더 진행되어 전자빔이 백킹제(50)에 조사되는 순간 백킹제(50)가 급격하게 기화되면서 그 압력으로 상부의 피가공물(40)이 용융된 부분을 불어내어 버리도록 구비된다.

그러나, 이러한 구조는 불어내어지는 용융물이 상부측에 구비된 전자빔 건(10) 측으로 비산되므로, 비산물이 전자빔 건(10) 측으로 유입될 위험이 커지게 되며, 이 때문에 데브리 모듈(30)의 간소화 또는 삭제가 불가능해진다.

따라서, 데브리 모듈(30)의 부피(높이)를 줄이기 어려우므로 전자빔의 집속이 조절되는 렌즈부와 피가공물(40) 사이의 거리인 워킹 디스턴스(working distance)를 축소시키는데 한계가 있으며, 그에 따라 전자빔 폭의 축소에 한계점이 있으며, 이는 전자빔의 에너지 밀도에도 연관되어 가공정밀도 및 가공효율에도 영향을 미칠 수 있다.

한편, 비산물이 전자빔 건(10) 측으로 유입될 위험을 줄이고자 피가공물(40)을 다소 경사지게 위치시켜 비산물이 비산되는 방향이 전자빔 건(10) 측이 아닌 다른 측을 향하게 할 수도 있으나, 이러한 경우에도 비산물이 발생되는 것은 여전하며, 전자빔 또한 피가공물(40)이 경사에 따라 같이 경사되어야 하므로 전자빔의 트렉킹 설정에 어려움이 있으며, 전자빔을 경사(편향)시키기 위한 편향기(deflector)등의 설치도 필요하여 워킹 디스턴스가 더 길게 형성되는 원인이 될 수 있고, 전자빔의 편향에 따라 데브리 모듈(30)의 전자빔 방출구의 크기도 그만큼 커져야 하는데, 그에 따라 데브리 유입 가능성이 증가하는 문제도 있다.

또한, 백킹제(50)의 사용으로 인해 백킹제(50)가 기화되는 압력에 의해 이 이미 형성된 홀(2)를 통해 배출되므로, 연속적인 홀 형성시 가공 표면 정밀도가 좋지 않아 단순 홀(2) 형성 외에 절단 같은 연속적인 가공에 어려움이 있다.

또한, 백킹제(50)로 인해 비산되는 용융물이 홀의 입구에서 버를 형성하게 되어 정밀하고 깨끗한 홀의 형성이 어려우며, 이렇게 생성된 버는 피가공물 소재와 일체로 굳어지게 되어 고난도의 후가공이 필요한 문제점이 있다.

또한, 종래의 전자빔 가공장치의 경우에는 피가공물(40)의 소재가 메탈 등의 전도성 소재로 한정되는 문제가 있었다.

이는, 유리나 세라믹, 실리콘 등의 비전도체인 경우, 조사된 전자빔의 전자가 표면에 쌓여 전기장이 형성되어 전자빔의 조사를 간섭하게 되는 문제점이 있으며, 또한, 유리나 세라믹, 실리콘 등의 부도체들은 메탈 류에 비하여 열전도율이 무척 낮아 전자빔 조사지점에만 열이 급격히 상승하여 열충격이 발생하게되어 결국 크랙이 발생되는 것이 이유이다.

그러나, 최근에는 유리나 세라믹 등의 비전도체의 경우에도 정밀한 가공이 요구되는 경우도 많아 비전도체에도 전자빔으로 가공할 수 있는 장치나 방법 등이 요구되고 있다.

일본공개특허 2015-080800

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메탈 등의 전도체뿐만 아니라 유리나 세라믹 등의 비전도체도 가공이 가능하며, 전자빔 장치의 오염도를 낮출 수 있으며, 전자빔 장치의 크기를 줄일 수 있고, 홀뿐만 아니라 절단가공도 가능한 전자빔을 이용한 가공장치 및 가공방법을 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 피가공물이 위치되는 챔버, 상기 챔버에 위치된 피가공물에 전자빔을 조사하는 전자빔 건, 상기 챔버에 위치된 피가공물을 전자빔 조사전에 심랭온도까지 냉각하는 냉각수단, 상기 전자빔 건 및 냉각수단을 제어하는 제어부를 포함하는 전자빔을 이용한 가공장치가 개시된다.

상기 피가공물은 부도체일 수 있다.

상기 피가공물은, 유리, 쿼츠, 세라믹, 실리콘 중 어느 하나의 재질일 수 있다.

상기 제어부는 상기 피가공물이 섭씨 영하 50도에서 영하 200도 까지 냉각되도록 상기 냉각수단을 제어할 수 있다.

상기 피가공물은 메탈일 수 있다.

상기 피가공물의 전자빔 입사면에 코팅되며, 접지가 이루어지는 전도코팅층을 더 포함할 수 있다.

상기 전도코팅층은, 전기가 통하는 전도체이고, 비자성체 재질로 형성될 수 있다.

상기 전도코팅층은, 구리 또는 스테인레스 재질일 수 있다.

상기 냉각수단은, 상기 피가공물이 안착되는 스테이지의 내부에 형성된 유로, 상기 유로 내에 냉매를 순환시키는 냉매순환장치;를 포함할 수 있다.

상기 냉매는 액체질소, 액화수소, 액화 헬륨, 액체공기, 드라이아이스, 염화칼슘 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

전자빔 조사 가공 후에 피가공물의 온도를 실온온도까지 서서히 상승시키는 가열수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 피가공물을 심랭온도까지 냉각하는 냉각단계, 상기 심랭온도까지 가열된 피가공물의 표면에 전자빔을 조사하여 조사된 지점의 피가공물의 소재가 승화되도록 가열하는 전자빔 조사단계를 포함하는 전자빔을 이용한 가공방법이 개시된다.

상기 냉각온도는 상기 피가공물의 온도가 섭씨 영하 50도에서 영하 200도까지 냉각되는 온도일 수 있다.

상기 전자빔 조사단계 후, 상기 피가공물을 상온의 온도까지 서서히 상승시키는 온도회복단계를 더 포함할 수 있다.

피가공물의 전자빔 입사면에 전도코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계를 더 포함할 수 있다.

전자빔 조사 후, 전도코팅층을 제거하는 코팅층 제거단계를 더 포함할 수 있다.

상기 코팅층 제거단계는, 전해연마방법으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 전자빔을 이용한 가공장치 및 가공방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 메탈 등의 전도체뿐만 아니라 유리나 세라믹 등의 비전도체 또한 전자빔으로 가공할 수 있어 적용소재를 다양화 할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 심랭 온도까지 냉각한 후 전자빔 조사가 이루어짐으로써, 전자빔이 조사되는 부분을 제외한 부분의 열 영향을 최소화 할 수 있어 열영향 구역(Heat Affected Zone)을 최소화 할 수 있어 가공부위 주변의 열 변성을 최소화 할 수 있으며 가공면이 깨끗하게 형성될 수 있는 효과가 있다.

셋째, 심랭처리 후 가공하고, 가공 후 실온 상승시키므로, 금속 조직의 마르텐사이트 화를 촉진 할 수 있어 내마모성 및 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

넷째, 전자빔이 조사되는 부분이 심랭온도로 유지되기 때문에 기화시 발생되는 가스에 의한 전자빔의 오염이 줄어드는 장점이 있다.

다섯째, 백킹제에 의해 비산되는 오염물질 및 버의 형성을 배제할 수 있어, 전자빔 장치의 오염 및 버어의 형성의 문제를 해결할 수 있다.

여섯째, 연속적인 홀 형성을 통한 절단가공 등의 연속가공시 열영향부가 작아져 정밀한 절단 가공이 가능한 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 전자빔 가공장치를 도시한 도면;
도 2는 종래의 전자빔 가공장치에서, 백킹제에 의해 용융물이 비산되는 모습을 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 가공장치를 도시한 도면;
도 4는 는 심랭처리시 피가공물의 온도변화를 도시한 그래프;
도 5는 심랭처리시 피가공물 내의 탄소농도 증가를 도시한 그래프;
도 6은 피가공물에 전자빔이 조사되는 모습 및 그에 따른 온도구배의 혀태를 도시한 도면;
도 7은 전도코팅층이 형성된 피가공물에 홀이 형성된 모습을 도시한 도면;
도 8은 전도코팅층이 제거된 후의 피가공물을 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 전자빔을 이용한 가공방법을 도시한 순서도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 전자빔 가공장치의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔을 이용한 가공장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(120), 전자빔 건(110), 냉각수단(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.

상기 챔버(120)는 피가공물(150)이 위치되는 공간이다. 상기 챔버(120)는 피가공물(150)이 놓여지기 위한 척 또는 스테이지(122) 등이 구비될 수 있으며, 상기 챔버(120) 내에 진공을 형성하기 위한 진공펌프()124 등이 구비될 수 있다.

상기 전자빔 건(110)은 전자빔을 생성하여 방출하는 구성요소로서, 열전자빔 방식이거나 또는 플라즈마를 이용한 콜드 타입 전자빔 방식일 수도 있는 등 다양한 방식의 전자빔 건(110)이 적용될 수 있다. 상기 전자빔 건(110)은 생성된 전자빔을 상기 챔버(120) 내의 피가공물(150)로 조사시킬 수 있다. 이를 위하여, 조사되는 전자빔을 편향시키거나 확산 또는 집속하기 위한 코일 등이 전자빔 조사 경로상에 위치될 수 있다.

즉, 상기 전자빔 건(110)에서 조사된 전자빔은 코일 등에 의해 집속 및 편향 된 뒤에 챔버(120)에 위치된 피가공물(150)의 임의의 위치에 조사되어 조사된 지점을 가공할 수 있다.

이 때, 상기 피가공물(150)은 설치면과 상기 피가공물(150)을 지지하는 스테이지(122)의 수평이송방향에 수평하며, 상기 전자빔의 광축에 수직하도록 놓여질 수 있다. 게 놓여질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 냉각수단(130)은 상기 챔버(120)에 위치된 피가공물(150)을 전자빔 조사 전에 심랭온도까지 냉각시킬 수 있다.

심랭처리(Subzoer-cooling)란, 고탄소강이나 합금금속 등의 재질을 영하의 온도까지 냉각시켜 내부의 금속조직을 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태시킬 수 있다.

이와 같이 재질의 조직이 마르텐사이트화 됨으로 인해, 조직 내 탄소 농도가 증가될 수 있으며, 그에 따라 재질의 내마모성 및 강성이 증가할 수 있는 효과가 있다.

이와 같은 냉각수단(130)은 여러가지 형태 및 구조로 형성될 수 있는데, 본 실시예에서는 상기 스테이지(122)의 내부에 냉매가 순환되는 유로(132)가 형성되며, 상기 유로(132)내에 냉매를 순환시키는 냉매순환장치(134)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 유로(132) 내에 냉매가 순환되면서 상기 스테이지(122)가 냉각되며, 상기 스테이지(122)에 접촉된 피가공물(150) 또한 냉각되는 것이다.

이러한 냉매는 액체질소, 액화수소, 액화 헬륨, 액체공기, 드라이아이스, 염화칼슘 중 적어도 어느 하나 일 수 있다.

물론, 상기 냉각수단(130)은 이러한 구조에 한정되지 아니하며, 상기 챔버(120) 내부를 냉각시켜 상기 피가공물(150)을 냉각시킬 수 있다.

이 때, 상기 냉각수단(130)은 상기 피가공물의 온도를 영하 50도에서 영하 200도까지 냉각되도록 냉각할 수 있다.

물론, 상기 피가공물(150)은 상기 챔버(120)에 수용되기 전에 외부에서 미리 냉각된 것일 수도 있을 것이다.

또한, 상기 제어부(140)는 상기 전자빔 건(110) 및 냉각수단(130)을 제어하는 구성요소로서, 통합 설치된 마이컴 등으로 구비되거나 또는 외부에 구비되어 유선 또는 무선 통신으로 상기 전자빔 건(110) 또는 냉각수단(130)과 연결된 컴퓨터일 수 있다.

그리고, 상기 전자빔 조사 가공된 후에 상기 피가공물150()의 온도를 실온 온도까지 서서히 상승시키는 가열수단(170)을 더 포함할 수 있다.

상기 가열수단(170)은 전자빔 건(110)에서 조사되는 전자빔을 통해 피가공물(150)의 온도를 올릴 수 있으며 또는 별도의 할로겐 램프 등을 통해 피가공물(150)의 온도를 올릴 수도 있다. 또는 상기 스테이지(122)내에 별도의 히터(미도시)가 구비되어 상기 스테이지(122)를 가열함으로써 상기 스테이지(122)에 접촉된 피가공물(150)을 가열하도록 구비될 수 있을 것이다.

본 실시예에서 상기 피가공물(150)은 전도체 또는 비전도체 일 수 있다.

전통적으로, 전자빔을 이용한 가공은 대부분 메탈 등의 전도체 소재에 국한되어 있었다. 이는 전도체 소재의 경우, 조사되는 전자들의 피가공물(150) 내 이동이 자유로워 피가공물(150) 외부로 전자들이 배출되므로 피가공물(150)에 전자가 축적되지 아니하여 전자빔의 조사를 방해하는 전기장이 형성되지 아니하므로 전자빔이 정밀하게 조사될 수 있다.

또한, 일반적으로 메탈은 열전도율이 높기도 하고, 연성(ductility)를 가지고 있어, 조사된 열이 주변으로 퍼져나가 조사지점과 주변의 열팽창량의 차이 및 온도차이가 작아 상대적으로 열 충격이 작으므로 전자빔으로 가공이 가능하였다.

그러나, 유리나 세라믹 등의 비전도체 소재의 경우, 조사된 전자빔에 의해 전자가 이동되지 아니하고 소재 내부에 축적됨으로써 충전현상이 일어나며, 이는 피가공물(150)에 전기장을 형성함으로써 정밀한 전자빔 조사를 방해할 수 있다.

또한, 유리나 세라믹, 실리콘 등의 비전도체는 열전도율이 상대적으로 낮거나 취성이 강하여, 조사된 열이 주변으로 퍼져나가지 않아 조사지점과 그 주변의 열팽창량의 차이 및 온도차이가 매우 커서 상대적으로 열 충격이 크게 작용하여 전자빔 조사시 크랙이 발생되어 깨지거나 하는 일이 많았다.

그러나, 본 실시예에서는 상기 전자빔으로 가공하는 피가공물(150)의 소재가 메탈 등의 전도체뿐만 아니라 비전도체를 포함할 수 있다.

상기 비전도체는 예를 들어 유리나, 쿼츠(석영), 세라믹 또는 실리콘 등의 소재일 수 있다.

상기 냉각수단()은 상기 피가공물(150)에 가공목적의 전자빔 조사 전에 상기 피가공물(150)을 냉각시킬 수 있다. 이 때, 상기 피가공물()의 냉각온도는 영하 50도에서 영하 200도까지 냉각될 수 있다.

심랭처리할 때의 온도 변화는 도 4에도시된 바와 같이, 영하의 온도까지 급속히 냉각된 후, 소정 시간을 거친 뒤 서서히 상승될 수도 있다.

상기 피가공물(150)이 금속재질인 경우, 이렇게 심랭처리된 피가공물(150)은 도 5에 도시된 바와 같이, 조직 내 카본의 농도가 증가하며, 그에 따라 조직이 마르텐사이트화되어 내마모성이 능가하고 경도가 증가하는 경향을 띌 수 있다.

금속재질이 아닌 세라믹 재질인 경우에도 경도와 내마모성이 증가하는 경향을 나타낼 수 있다.

이와 같이 심랭처리된 피가공물(150)에 상기 전자빔 건(110)으로부터 조사되는 전자빔을 조사할 수 있다.

전자빔 조사시 피가공물의 전자빔 조사부위의 온도변화를 도시한 도 6에 도시된 바와 같이, 피가공물의 전자빔 조사 전 초기 온도가 T1 이고, 전자빔이 조사되어 조사된 지점이 용융온도인 T2인 상태가 될 수 있다.

일반적으로, 전자빔이나 레이저 등이 조사되어 조사지점을 용융시켜 가공하게 되면 조사지점 주위 부근에 열영향영역(HAZ: Heat Affected Zone)이 발생할 수 있다. 이러한 열영향역역은 조직의 변성을 초래하며, 가공면이 깔끔하지 않고 불균일하게 될 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 시료의 용융온도인 T2는 불변하므로, 심랭처리된 시료의 온도인 T1이 낮아질수록 T1과 T2의 차이는 커지며, 전자빔 조사부 주위로 전파되는 열은 심랭 냉각처리에 의해 주변으로 급격하게 전파되어 지속적으로 배출되므로, 시료의 초기 온도인 T1이 낮을 수록 조사지점 주위 부근의 열영향영역은 좁아지는 반면 열영향영역내의 온도구배는 커질 수 있다.

이와 같이 열영향영역내의 온도구배가 커질 경우, 열충격에 의한 취성파괴의 위험은 커질 수 있으나, 그러나, 피가공물150()이 심랭처리됨에 따라 소재의 경도 및 강도는 커질 수 있어 전자빔 조사에 따른 열충격에 견딜 수 있다.

즉, 냉각함에 따라 취성파괴의 위험은 커질 수 있으나, 심랭처리에 의한 피가공물(150)의 강도증가의 효과에 의해 취성파괴에 이르기까지에 필요한 열충격량 또한 증가될 수 있어 전자빔 조사에 따른 열충격에도 취성파괴가 일어나지 않을 수 있다.

또한, 시료의 초기 온도인 T1이 낮을 수록 조사지점 주위 부근의 열영향영역은 좁아지게 되며, 그에 따라 보다 균일한 가공면을 얻을 수 있는 효과도 기대할 수 있다.

또한, 상기 챔버(120)의 내부는 상기 전자빔이 조사되기 전에 진공분위기로 형성되므로, 상기 피가공물(150)의 전자빔이 조사된 지점의 승화가 더욱 용이하게 일어날 수 있다.

이에 따라, 백킹제의 사용을 배제할 수 있어, 백킹제의 사용에 따른 데브리 비산 문제라던가 표면 버어 형성문제 및 연속홀 가공 불가 문제를 해결할 수 있다.

물론, 본 발명은 상기 백킹제의 사용 유무에 한정되지 아니하며, 필요에 따라 상기 백킹제(180)가 구비될 수도 있을 것이다.

이 때, 상기 냉각수단(130)에 의해 냉각되는 온도는 상기 피가공물(150)이 섭씨 영하 50도에서 영하 200도 사이일 수 있다. 또한, 상기 냉각온도가 지속되는 시간은 피가공물(150)의 재질 및 필요한 가공의 정도에 따라 다를 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 피가공물(150)이 부도체인 경우, 상기 피가공물(150)의 전자빔 입사면(가공면)의 표면에 전도코팅층(160)이 형성될 수 있다.

상기 전도코팅층(160)은 전도체이고, 비성체이며, 가공 후 전기분해연마 등의 후작업으로서 용이하게 제거가 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 구리나 스테인레스 금속일 수 있다.

이러한 전도코팅층(160)이 피가공물(150)의 전자빔 입사면에 얇게 형성되며, 또한 접지가 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 피가공물(150)의 전자빔 입사면에 대향되는 면에도 상기 전도코팅층(160)이 접지가 이루어지도록 형성될 수 있다.

전자의 이동이 가능한 전도코팅층(160)이 전자빔 입사면에 형성되므로, 피가공물(150)에 조사된 전자는 전도코팅층(160)을 타고 외부로 배출되어 전하축적현상이 발생되지 아니하여 정밀한 전자빔 조사가 가능해질 수 있다.

또한, 상기 소재가 승화될 때, 일부는 도 7에 도시된 바와 같이, 기화된 상기 피가공물(150)의 소재가 홀(152) 입구에 다시 재응축되어 미세한 돌기(154)를 형성할 수 있는데, 이러한 재응축되는 부분이 전도코팅층(160) 표면에 형성될 것이므로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 전도코팅층(160)을 제거하면서 같이 제거될 수 있다.

이하, 본 발명의 전자빔을 이용한 가공방법의 일 실시예를 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 전자빔을 이용한 가공방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각단계(S120) 및 전자빔 조사단계(S130)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 냉각단계(S120)가 수행되기 전에 피가공물(150)의 전자빔 입사면에 전도코팅층(160)을 형성하는 코팅층 형성단계(S110)가 수행될 수 있다. 상기 코팅층 형성단계(S110)는, 피가공물(150)의 전자빔 입사면 및 그에 대향하는 면에 전도체이고 비자성체 소재의 재질을 코팅하는 단계일 수 있다. 일 예를 들어 구리 또는 스테인레스 소재를 코팅할 수도 있다. 물론, 반드시 코팅될 필요는 없으며, 구리 또는 스테인레스 소재의 판재가 피가공물(150)의 표면에 금속박 형태로 입혀지거나 부착될 수도 있을 것이다.

상기 코팅층 형성단계(S110)는, 피가공물(150)이 비전도체 소재일 경우 수행될 수 있으며, 상기 피가공물(150)이 전도체 소재일 경우 수행되지 아니할 수도 있다. 물론, 상기 피가공물(150)이 전도체 소재라고 하여도 필요할 경우 상기 코팅층 형성단계(S110)가 수행될 수 있다.

그리고, 이렇게 전도코팅층(160)이 형성된 피가공물(150)이 챔버(120) 내부에 위치되며, 챔버(120) 내부는 진공상태가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 피가공물(150)에 형성된 전도코팅층(160)은 접지가 이루어질 수 있다.

그리고, 냉각단계(S120)가 수행될 수 있다. 상기 냉각단계(S120)에서는 상기 피가공물(150)을 심랭온도까지 냉각하는 단계이다.

상기 냉각단계(S120)에서 냉각되는 피가공물의 온도는 섭씨 영하 50도에서 영하 200도 사이일 수 있다. 또한, 상기 냉각온도가 지속되는 시간은 피가공물(150)의 재질 및 필요한 가공의 정도에 따라 다를 수 있다.

상기 냉각단계(S120)에서 피가공물(150)의 냉각이 완료된 후에는 전자빔 조사단계(S130)가 수행될 수 있다. 상기 전자빔 조사단계(S130)는, 상기 냉각온도까지 냉각된 피가공물(150)의 표면에 전자빔을 조사하여 조사된 지점의 피가공물(150)의 소재가 용융 또는 기화 되도록 가열하는 단계이다.

상기 냉각단계(S120)에서 심랭처리된 시료의 온도인 T1이 낮아질수록 T1과 T2의 차이는 커지며, 전자빔 조사부 주위로 전파되는 열은 심랭 냉각처리에 의해 주변으로 급격하게 전파되어 지속적으로 배출되므로, 시료의 초기 온도인 T1이 낮을 수록 조사지점 주위 부근의 열영향영역은 좁아지는 반면 열영향영역내의 온도구배는 커질 수 있다.

이와 같이 열영향영역내의 온도구배가 커질 경우, 열충격에 의한 취성파괴의 위험은 커질 수 있으나, 그러나, 피가공물(150)이 심랭처리됨에 따라 소재의 경도 및 강도는 커질 수 있어 전자빔 조사에 따른 열충격에 견딜 수 있다.

즉, 냉각함에 따라 취성파괴의 위험은 커질 수 있으나, 심랭처리에 의한 피가공물(150)의 강도증가의 효과에 의해 취성파괴에 이르기까지에 필요한 열충격량 또한 증가될 수 있어 전자빔 조사에 따른 열충격에도 취성파괴가 일어나지 않을 수 있다.

또한, 시료의 초기 온도인 T1이 낮을 수록 조사지점 주위 부근의 열영향영역은 좁아지게되며, 그에따라 보다 균일한 가공면을 얻을 수 있는 효과도 기대할 수 있다.

따라서, 전자빔이 조사된 지점에 홀(152)이 형성되는 등의 가공이 이루어질 수 있다. 그리고, 이러한 홀(152)을 연속적으로 형성한다면 절단가공 또한 가능할 수 있다.

또한, 상기 전자빔 조사단계(S130) 후, 온도회복단계(S140)가 더 수행될 수 있다. 상기 온도회복단계(S140)는 상기 전자빔 조사 단계(S130) 후, 피가공물(150)의 온도를 상온까지 서서히 상승시키는 단계이다.

상기 온도회복단계(S140)에서는 전자빔 건(110)에서 조사되는 전자빔을 통해 피가공물(150)의 온도를 올릴 수 있으며 또는 별도의 할로겐 램프 등을 통해 피가공물(150)의 온도를 올릴 수도 있다. 또는 상기 스테이지(122)내에 별도의 히터(미도시)가 구비되어 상기 스테이지(122)를 가열함으로써 상기 스테이지(122)에 접촉된 피가공물(150)을 가열하도록 구비될 수 있을 것이다. 그리고, 코팅층 제거단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 코팅층 제거단계(S140)는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전자빔의 조사가 완료된 후에 상기 전도코팅층(160)을 제거하는 단계이다. 상기 코팅층 제거단계(S140)는 작업이 용이하고 단시간에 이루어지며, 피가공물(150)의 큰 영향을 끼치지 않는 전해연마방법으로 이루어질 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 물리적 연마나 박피 등의 방법으로서 제거할 수도 있을 것이다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 소재가 승화 또는 기화될 때, 상기 피가공물(150)이 홀(152) 입구에 재응축되거나, 또는 미량의 액상의 용융된 소재가 홀(152) 입구에서 굳어져 버어형태의 돌기(154)를 형성할 수 있는데, 이러한 버어는 상기 전도코팅층(160) 표면에 형성되므로, 상기 코팅층 제거단계(S140)가 수행되면서 돌기(154) 또한 제거될 수 있어, 보다 정밀하고 미려한 홀(152) 형성이 가능할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

110: 전자빔 건 120: 챔버
122: 스테이지 124: 진공펌프
130: 냉각수단 140: 제어부
150: 피가공물 152: 홀
154: 돌기 160: 전도코팅층
S110: 코팅층 형성단계 S120: 예열단계
S130: 전자빔 조사단계 S140: 코팅층 제거단계

Claims (17)

1. 피가공물이 위치되는 챔버;
   상기 챔버에 위치된 피가공물에 전자빔을 조사하는 전자빔 건;
   상기 챔버에 위치된 피가공물을 전자빔 조사전에 심랭온도까지 냉각하는 냉각수단;
   상기 전자빔 건 및 냉각수단을 제어하는 제어부;
   를 포함하며,
   상기 피가공물의 전자빔 입사면에는 접지가 이루어진 전도코팅층이 코팅되고, 상기 전도코팅층은 전기가 통하는 전도체이며 비자성체재질로 형성되는 전자빔을 이용한 가공장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피가공물은 부도체인 전자빔을 이용한 가공장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 피가공물은, 유리, 쿼츠, 세라믹, 실리콘 중 어느 하나의 재질이 전자빔을 이용한 가공장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 피가공물이 섭씨 영하 50도 에서 영하 200도 까지 냉각되도록 상기 냉각수단을 제어하는 전자빔을 이용한 가공장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 피가공물은 메탈인 전자빔을 이용한 가공장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1에 있어서,
   상기 전도코팅층은, 구리 또는 스테인레스 재질인 전자빔을 이용한 가공장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수단은, 상기 피가공물이 안착되는 스테이지의 내부에 형성된 유로;
   상기 유로 내에 냉매를 순환시키는 냉매순환장치;를 포함하는 전자빔을 이용한 가공장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉매는 액체질소, 액화수소, 액화 헬륨, 액체공기, 드라이아이스, 염화칼슘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 전자빔을 이용한 가공장치.
11. 제1항에 있어서,
    전자빔 조사 가공 후에 피가공물의 온도를 실온온도 까지 서서히 상승시키는 가열수단을 더 포함하는 전자빔을 이용한 가공장치.
12. 피가공물의 전자빔 입사면에 전도코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계;
    상기 전도코팅층이 형성된 피가공물을 심랭온도까지 냉각하는 냉각단계;
    상기 심랭온도까지 냉각된 피가공물의 표면에 전자빔을 조사하여 조사된 지점의 피가공물의 소재가 용융 또는 기화되도록 가열하는 전자빔 조사단계;
    를 포함하는 전자빔을 이용한 가공방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 심랭온도는 상기 피가공물의 온도가 섭씨 영하 50도에서 영하 200도 까지 냉각되는 온도인 전자빔을 이용한 가공방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 전자빔 조사단계 후, 상기 피가공물을 상온의 온도까지 서서히 상승시키는 온도회복단계를 더 포함하는 전자빔을 이용한 가공방법.
15. 삭제
16. 제12항에 있어서,
    전자빔 조사 후, 전도코팅층을 제거하는 코팅층 제거단계를 더 포함하는 전자빔을 이용한 가공방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 코팅층 제거단계는, 전해연마방법으로 이루어지는 전자빔을 이용한 가공방법.

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