KR20200117989A - 연마용 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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히로요시 소타
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엠-텍스 아이엔씨.
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Abstract

정밀 연마용 미분을 사용했을 경우에도 연마 효율 저하를 억제할 수 있는 연마용 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법을 제공한다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용한다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 평균 섬유 직경(d)이 400nm이상, 또한 1000nm이하이며, 공극률이 0.7이상, 또한 0.95이하이다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 공극률(η)을 확보하면서 섬유간 거리(e1)를 줄일 수 있다. 때문에, 입경이 작은 지립이 섬유간에 들어가는 것을 억제할 수 있다.

Description

연마용 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법
본 발명은 연마에 사용되는 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연마에 사용되는 섬유 집적체로서 예를 들어 수지 섬유로 이루어진 부직포나 펠트 등을 들 수 있다. 섬유 직접체는 알루미나 등의 지립을 혼합한 기름 등의 슬래리에 함침시켜 연마 대상물 표면에 눌러 닿게 하여 슬라이딩 된다. 이에 의해, 섬유 집적체는 흡착된 기름을 공급하면서 지립에 의해 연마를 실시한다. 예를 들어 특허문헌1에는 기존의 연마용 섬유 집적체가 개시되어 있다.
특허문헌1에서 연마용 섬유 집적체인 연마수단은 펠트로 구성되었다. 이 펠트의 밀도는 0.20g/cm3이상이다. 그리고 지립을 혼입한 액체를 펠트에 함침시켰다.
섬유 집적체는 부피 밀도('겉보기 밀도'라고도 한다)를 작게 함으로써 기름 흡착량을 확보할 수 있다. 그러나 부피 밀도를 작게 하면 섬유간 거리가 커진다. 특히, 기존의 펠트 등의 섬유 집적체는 마이크로미터 오더의 수지 섬유가 사용되었기 때문에 섬유간 거리가 비교적 컸다. 그리고 부피 밀도를 줄임으로 인하여 섬유간 거리가 더욱 커진다. 때문에, 정밀 연마용 미분 등의 입경이 작은 지립을 이용한 연마에서는, 섬유 사이에 지립이 들어가 버린다. 이로 인해 연마 대상물 표면에 접촉하는 지립이 적어진다. 따라서 연마 효율이 떨어져 버리는 문제가 있었다.
특허문헌1: 특개2002-283211호 공보
따라서 본 발명은 정밀 연마용 미분을 이용한 경우에도 연마 효율의 저하를 억제할 수 있는 연마용 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 연마에 사용하는 지립의 크기와 연마용 나노파이버 집적체의 섬유간 거리와의 관계에 주목하여 연마용 나노파이버 집적체의 구조에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, 연마용 나노파이버 집적체의 구조에 대해, 평균 섬유 직경, 부피 밀도와 밀접하게 관련하는 파라미터인 공극률에 의해 특정할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르렀다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 양태에 따른 연마용 나노파이버 집적체는
정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용하는 연마용 나노파이버 집적체로서,
상기 연마용 나노파이버 집적체의 평균 섬유 직경을 d로 하고, 상기 연마용 나노파이버 집적체의 공극률을 η로 했을 경우, 아래의 식(i) 및 (ii)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(i) 400nm≤d≤1000nm
(ii) 0.70≤η≤0.95
본 발명에 있어서, 상기 정밀 연마용 미분의 평균 입경을 dg로 했을 경우, 아래의 식(iii)을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure pct00001
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 양태에 따른 연마용 나노파이버 집적체 제조 방법은,
정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용하는 연마용 나노파이버 집적체 제조 방법으로,
평균 섬유 직경이 d인 나노파이버를 집적하는 공정 및
상기 집적된 나노파이버를 공극률이 η가 되도록 성형하는 공정을 포함하며,
상기 정밀 연마용 미분의 평균 입경을 dg로 했을 경우, 상기 공극률 η가 이하의 식(iv)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure pct00002
본 발명에 따르면 공극률을 확보하면서 섬유간 거리를 줄일 수 있다. 때문에, 입경이 작은 지립이 섬유간에 들어가 버리는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 정밀 연마용 미분을 사용했을 경우에도 연마효율의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에 따른 연마용 나노파이버 집적체를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 연마용 나노파이버 집적체의 제작에 사용하는 제조 장치의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 제조 장치의 일부 단면을 포함한 측면도이다.
도 4는 도 2의 제조 장치에 의한 나노파이버가 퇴적되는 포집망의 정면도이다.
도 5는 연마용 섬유 집적체의 구조 모델을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 모델을 각 축 방향에서 관찰한 도면이다.
도 7은 섬유 집적체의 공극률과 섬유간 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 연마용 섬유 집적체를 구성하는 섬유와 지립과의 관계를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 연마에 사용하는 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 연마 시간과 산술 평균 조도와의 관계를 나타내는 그래프이다(누르는 힘 10N).
도 11은 연마 시간과 연마 제거량의 관계를 나타내는 그래프이다(누르는 힘 10N).
도 12는 연마 시간과 산술 평균 조도와의 관계를 나타내는 그래프이다(누르는 힘 20N).
도 13은 연마 시간과 연마 제거량의 관계를 나타내는 그래프이다(누르는 힘 20N).
도 14는 섬유간 거리와 지립의 평균 입경 비와, 산술 평균 조도 및 연마 제거량의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 1실시형태에 따른 연마용 나노파이버 집적체에 대해 설명한다.
(연마용 나노파이버 집적체의 구성)
우선, 본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체의 구성에 대해, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에 따른 연마용 나노파이버 집적체를 설명하는 도면이다. 구체적으로, 도1(a)은 연마용 나노파이버 집적체의 일례를 촬영한 정면 사진이다. 도1(b)은 미성형 나노파이버 집적체의 일례를 촬영한 사진이다. 도1(c)은 연마용 나노파이버 집적체의 일례를 전자 현미경으로 확대하여 촬영한 사진이다.
본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체(1)는 지립인 정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용한다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 섬유 직경이 나노미터 오더가 되는 미세 섬유, 이른바 나노파이버를 집적하여 구성된다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 평균 섬유 직경(d)이 800nm이다. 평균 섬유 직경(d)이 800nm이외의 나노파이버를 집적하여 구성할 수도 있다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 정방형의 매트 형상으로 성형된다. 연마용 나노파이버 집적체(1)는 정방형 이외에도 원형이나 육각형 등의 사용양태 등에 따른 형상으로 성형될 수도 있다. 도 1(b)에 평균 섬유 직경이 800nm인 나노파이버의 미성형 집적체를 나타낸다. 도 1(c)에 평균 섬유 직경이 800nm인 나노파이버 집적체를 전자 현미경으로 확대한 모습을 나타낸다.
본 실시형태에서 연마용 나노파이버 집적체(1)를 구성하는 나노파이버는 합성수지로 형성된다. 합성 수지로서는, 예를 들면 폴리프로필렌(PP)이나 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등을 들 수 있다. 이것들 이외의 재료일 수도 있다.
특히, 폴리프로필렌은 발수성과 기름 흡착성을 구비한다. 폴리프로필렌 섬유 집적체는 자중의 몇십배의 기름 흡착 성능을 구비한다. 때문에, 폴리프로필렌은 연마용 나노파이버 집적체(1)의 재료로 바람직하다. 폴리프로필렌의 밀도는, 원재료 메이커에 따라 개시되고 있는 수치에 0.85~0.95정도의 폭이 존재한다. 또한, 폴리프로필렌의 기름에 대한 접촉각은 29도 ~ 35도이다. 본 명세서에서는 폴리프로필렌 밀도로 0.895g/cm3를 사용한다.
연마용 나노파이버 집적체(1)는 평균 섬유 직경을 d로 하고 공극률을 η로 했을 경우 아래의 식(i) 및 (ii)을 만족한다.
(i) 400nm≤d≤1000nm
(ii) 0.70≤η≤0.95
평균 섬유 직경(d)은 다음과 같이 구한다. 연마용 나노파이버 집적체(1)에서 복수개의 곳을 임의로 선택하여 전자현미경으로 확대한다. 전자 현미경으로 확대한 복수개의 곳 각각에 대해 복수개의 나노파이버를 임의로 선택하여 직경을 계측한다. 그리고 선택한 복수개의 나노파이버 직경의 평균치를 평균 섬유 직경(d)으로 한다. 본 실시형태에서는 연마용 나노파이버 집적체(1)의 임의로 선택한 5개 곳에서 20개씩 임의로 선택한 나노파이버의 직경을 계측하였다. 그리고, 이들 100개의 나노파이버 직경 평균치를 평균 섬유 직경(d)으로 했다. 본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체(1)는 일례로서 평균 섬유 직경이 800nm, 섬유 직경의 표준편차가 440, 변동 계수가 0.55이다. 변동 계수는 표준편차를 평균 섬유 직경으로 나눈 값이며, 0.6 이하가 바람직하다.
공극률η은 부피 밀도ρb와 연관성을 갖는 파라미터이다. 공극률 η와 부피 밀도 ρb와의 관계는 후술하는 식 (4)에 나타낸다.
또한, 본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체(1)는 지립의 평균 입경을 dg로 했을 경우 아래의 식(iii)을 만족한다.
Figure pct00003
상기 식(iii)을 만족시킴으로써 연마용 나노파이버 집적체(1)의 후술하는 섬유간 거리(e1)가 지립의 평균 입경(dg)보다 작아진다. 그 때문에, 섬유간에 지립이 들어가는 것을 억제할 수 있다. 상기 식(iii)은 후술하는 식(5) 및 섬유간 거리(e1)와 지립의 평균 입경(dg)의 비(e1/dg)로부터 도출된다. 상기 식(iii)은 식 " e1/dg<1"과 동등하다.
지립인 정밀 연마용 미분은 JISR6001에 규정되어 있는 것을 포함하며, 본 실시형태에서는 한 예로 입도 #220(평균 입경(dg)=74μm) 및 입도 #600(평균 입경(dg)=30μm)을 대상으로 한다. 물론, 정밀 연마용 미분은 이것들에 한정되지 않는다.
(연마용 나노파이버 집적체의 제조 장치 및 제조 방법)
본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체(1)는 도2 ~ 도4에 나타낸 제조 장치를 사용해 제조된다. 도2는 도1의 연마용 나노파이버 집적체의 제작에 사용하는 제조 장치의 일례를 나타내는 사시도이다. 도3은 도2의 제조 장치의 일부 단면을 포함하는 측면도이다. 도4는 도2의 제조 장치에 의해 제조된 나노파이버가 퇴적되는 포집망의 정면도이다.
도2 및 도3에 나타낸 바와 같이, 제조 장치(50)는 호퍼(62), 가열 실린더(63), 히터(64), 스크류(65), 모터(66) 및 헤드(70)를 구비한다.
호퍼(62)에는 나노파이버의 소재가 되는 펠렛 형태의 합성수지가 투입된다. 가열 실린더(63)는 히터(64)에 의해 가열되어 호퍼(62)로부터 공급된 수지를 용융시킨다. 스크류(65)는 가열 실린더(63)내에 수용된다. 스크류(65)는 모터(66)에 의해 회전되며 용융수지를 가열 실린더(63)의 선단에 이송한다. 원기둥 모양의 헤드(70)는 가열 실린더(63)의 선단에 설치된다. 헤드(70)에는, 가스 공급관(68)을 개재하여 가스 공급부(도시 없음)가 접속되어 있다. 가스 공급관(68)은 히터를 구비하며 가스 공급부에서 공급받은 고압가스를 가열한다. 헤드(70)는 정면을 향해 고압가스를 분사함과 더불어 고압 가스류를 타도록 용융수지를 토출한다. 헤드(70) 정면에는 포집망(90)이 배치된다.
본 실시형태의 제조 장치(50)의 동작에 대해 설명한다. 호퍼(62)에 투입된 펠렛 형태의 원료(수지)가 가열 실린더(63)내에 공급된다. 가열 실린더(63) 내에서 용융된 수지는 스크류(65)에 의해 가열 실린더(63)의 선단에 이송된다. 가열 실린더(63)의 선단에 도달한 용융수지(용융원료)는 헤드(70)로부터 토출된다. 용융수지 토출에 맞추어 헤드(70)로부터 고압가스를 분출한다.
헤드(70)로부터 토출된 용융수지는 가스류에 소정의 각도로 교차되어 연장되면서 전방으로 이송된다. 연장된 수지는 미세 섬유로 되어 도4에 나타낸 바와 같이, 헤드(70)의 정면에 배치된 포집망(90)상에 집적된다(집적공정). 그리고 상기 집적된 미세 섬유(95)를 소망의 형상(예를 들면 정방형의 매트 형상)으로 공극률η가 식 (iv)을 만족하도록 성형한다(성형공정). 이에 의해 본 발명의 연마용 나노파이버 집적체(1)를 얻는다.
Figure pct00004
상기 식(iv)을 만족함으로써 연마용 나노파이버 집적체(1)의 후술하는 섬유간 거리(e1)를 지립의 평균 입경(dg)보다 작게 할 수 있다. 따라서, 섬유간에 지립이 들어가는 것을 억제할 수 있다. 상기 식(iv)은 후술하는 식(5) 및 섬유간 거리(e1)와 지립의 평균 입경(dg)의 비(e1/dg)로부터 도출된다.
또한, 상기 제조 장치(50)에서는 원료가 되는 합성수지를 가열하여 용융한 '용융원료'를 토출하는 구성이었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이외에도, 예를 들어 소정의 용매중에 용질로서의 고형의 원료 또는 액상의 원료를 소정의 농도가 되도록 미리 용해한 '용제'를 토출하는 구성일 수도 있다. 본 출원인은 연마용 나노파이버 집적체(1)의 제조에 사용할 수 있는 제조 장치의 일례로서, 특원 2015-065171에 나노파이버 제조 장치 및 나노파이버 제조 방법을 개시하였다. 이 출원은 특허를 부여 받았으며(특허 제6047786호, 2015년 3월 26일 출원, 2016년 12월 2일 등록), 본 출원인이 그 권리를 보유하고 있다.
(연마용 섬유 집적체의 모델화)
본 발명자는 복수의 섬유가 복잡하게 얽히는 구조를 가진 섬유 집적체에 대하여 그 구조의 특정을 시도하였다. 본 발명자는 섬유 집적체의 구조를 간략화하여 섬유 집적체가 입방체 형상의 최소 계산 유닛 내에서 서로 직교하는 3방향으로 연재하는 복수의 섬유를 포함하는 것으로 간주하여 모델을 작성하였다.
도 5 및 도 6에 작성한 모델을 나타낸다. 도5(a)는 섬유 집적체의 3방향 모델 및 최소 계산 유닛을 나타내는 사시도이다. 도 5(b)는 최소 계산 유닛의 사시도이다. 도 6(a), (b) 및 (c)는 최소 계산 유닛을 Y축 방향, X축 방향 및 Z축 방향에서 본 도면이다. 도 6(c)에서는 인접하는 최소 계산 유닛(Adjacent Unit)을 점선으로 표기하였다.
도5 및 도6에 나타낸 바와 같이, X축, Y축 및 Z축으로 나타내는 3차원 공간에서 최소 계산 유닛(10)은 각 변의 길이가 2L인 입방체 형상을 갖는다. 최소 계산 유닛(10)은 섬유 부분(20x), 섬유 부분(20y) 및 섬유 부분(20z)을 포함한다. 섬유 부분(20x)의 중심축은, X축 및 Z축에 평행한 2개의 평면상에 위치하며 X축 방향으로 연재한다. 섬유 부분(20x)의 단면 형상은 원을 이등분한 반원형이다. 섬유 부분(20y)의 중심축은, Y축과 평행한 4개의 변과 겹치며 Y축 방향으로 연재한다. 섬유 부분(20y)의 단면형상은 원을 4등분한 부채형이다. 섬유 부분(20z)의 중심축은, X축 및 Y축에 평행한 2개 평면의 중앙을 지나 Z축 방향으로 연재한다. 섬유 부분(20z)의 단면 형상은 원형이다. 섬유 부분(20x), 섬유 부분(20y) 및 섬유 부분(20z)은 서로 간격을 두고 배치된다. 섬유 부분(20x)의 합계 부피, 섬유 부분(20y)의 합계 부피 및 섬유 부분(20z)의 부피는 동일하다.
최소 계산 유닛(10)에서 섬유 반경을 r로 하고 평행한 섬유간의 중심축 거리를 2L로 했을 경우, 길이 계수ε는 다음 식 (1)으로 표시할 수 있다.
Figure pct00005
또한, 최소 계산 유닛(10)의 질량을 m로 하고 부피를 V로 하며 섬유 직경을 d=2r로 하고 섬유의 밀도를 ρ로 했을 경우, 다음 식 (2)의 관계가 성립된다. 또한, 본 실시형태의 연마용 나노파이버 집적체(1)를 구성하는 한가닥 한가닥의 섬유 밀도ρ는 고체 상태의 폴리프로필렌 밀도와 동등하게 간주한다. 때문에 아래의 계산에서 섬유의 밀도ρ로서 폴리프로필렌의 밀도를 사용한다.
Figure pct00006
연마용 섬유 집적체의 부피 밀도ρb는 다음 식 (3)으로 표시할 수 있다.
Figure pct00007
연마용 섬유 집적체의 공극률 (Free volume η)은 다음 식 (4)으로 표시할 수 있다.
Figure pct00008
섬유간 거리(e1)(Gap e1)은 다음 식(5)으로 표시할 수 있다.
Figure pct00009
도 7에 식 (5)의 산출결과를 사용하여 작성한 그래프를 나타낸다. 이 그래프는 평균 섬유 직경(d)이 다른 섬유로 이루어진 복수의 연마용 섬유 집적체 각각의 공극률 η과 섬유간 거리(e1)의 관계를 나타낸다.
도 7의 그래프에 나타낸 바와 같이, 평균 섬유 직경(d)이 마이크로미터 오더(10μm 및 15μm)인 섬유 집적체는 공극률 η가 0.6 이상일 때 섬유간 거리(e1)가 15μm 이상이다. 또한, 공극률 η가 커짐에 따라 섬유간 거리(e1)도 더욱 커진다. 한편, 평균 섬유 직경(d)이 나노미터 오더(800 nm)인 섬유 집적체는, 공극률이 0.6이상일 때 섬유간 거리(e1)가 1~4μm정도로 매우 작다. 또한, 공극률η의 변화에 따른 섬유간 거리(e1)의 변화가 비교적 완만하다. 게다가, 이 그래프에서 명확하게 알 수 있는 바 공극률η가 일정할 때 평균 섬유 직경(d)이 작을수록 섬유간 거리(e1)가 작다.
도8에 연마용 섬유 집적체를 구성하는 섬유와 지립과의 관계를 모식적으로 나타낸다. 도8(a) 및 (b)는 공극률η가 동일하며, 도8(a)는 평균 섬유 직경(d)이 작은 구성을 나타내고 도8(b)는 평균 섬유 직경(d)이 큰 구성을 나타낸다. 또한, 도8(a) 및 (b)에서 부호20이 연마용 섬유 집적체를 구성하는 섬유를 표시하고, 부호7이 기름을 표시하며, 부호8이 지립을 표시하며, 부호W가 연마 대상물을 표시하며, 각 화살표가 연마 대상물에 누르는 힘을 표시한다.
도8(a)에 나타낸 바와 같이, 평균 섬유 직경(d)이 작은 구성에서는 섬유간 거리(e1)가 작아진다. 따라서, 지립(8)이 섬유(20)간에 들어가는 것을 억제하고 누르는 힘이 각 섬유(20)을 통하여 지립에 효율적으로 가해진다. 따라서, 비교적 많은 지립을 연마 대상물(W)에 눌러 닿게 할 수 있으며, 연마를 효율적으로 실시할 수 있다.
한편 도8(b)에 나타낸 바와 같이, 평균 섬유 직경(d)이 큰 구성에서는 섬유간 거리(e1)가 커진다. 그 때문에, 많은 지립(8)이 섬유(20)간에 들어가 버린다. 또한, 연마 대상물(W)에 직접 접촉하는 섬유(20)가 생겨 누르는 힘의 일부가 연마 대상물(W)에 새버린다. 따라서 연마 대상물(W)과 접하는 지립(8)이 적어지고, 누르는 힘 중 지립(8)에 가해지는 힘의 비율이 작아져 연마 효율이 저하하게 된다.
연마용 나노파이버 집적체(1)에서 평균 섬유 직경(d)이 400nm이고 공극률이 0.7인 구성에서는 식 (5)에 의해 섬유간 거리(e1)가 0.72μm 된다. 연마용 나노파이버 집적체(1)에서 평균 섬유 직경(d)이 1000nm이고 공극률이 0.95인 구성에서는 식 (5)에 의해 섬유간 거리(e1)가 5.86μm로 된다.
(검증1)
그 다음, 본 발명자는 아래에 나타내는 본 발명의 실시예1 및 비교예1의 연마용 섬유 집적체를 제작하고, 그것들을 사용하여 연마 대상물 표면에 대한 연마를 실시하였다. 그리고, 본 발명자는 연마 결과로부터 상기 모델의 이론을 검증했다.
(실시예1(Example 1))
상술한 제조 장치(50)를 사용하여 폴리프로필렌을 재료로 하고 평균 섬유 직경이 800nm인 미세 섬유(95)를 제조하였다. 퇴적한 미세 섬유(95)를 평면시 10cm 사방, 부피 밀도 0.09g/cm3(공극률 0.90)로 성형하여 실시예1의 연마용 나노파이버 집적체(1)를 얻었다. 또한, 실시예1을 상기 모델에 적용시키면 식 (5)로부터 산출되는 섬유간 거리(e1)가 3.1μm이다.
(비교예1(Comparative Example 1))
상술한 제조 장치(50)를 사용하여 폴리프로필렌을 재료로 하고 평균 섬유 직경이 15μm인 미세 섬유(95)를 제조하였다. 포집망(90)상에 퇴적된 미세 섬유(95)를 평면시 10cm 사방, 부피 밀도 0.09g/cm3(공극률 0.90)로 성형하여 비교예1의 연마용 섬유 집적체를 얻었다. 비교예1을 상기 모델에 적용시키면 식 (5)으로부터 산출되는 섬유간 거리(e1)가 57.6μm이다.
(시험)
가공 장치로서 세로형 3축 제어 머시닝 센터(ROBODRILLα-T14 Dse; 파나크 제품)를 사용하여 연마 대상물을 연마하였다. 도 9(a)에 연마용 섬유 집적체가 고정된 가공 장치의 스핀들 근방 및 연마제를 모식적으로 나타낸다. 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 가공 장치(100)의 스핀들(101)에 설치된 원주형(
Figure pct00010
10)의 가공 공구(102)에 결속 밴드(103)로 실시예1 및 비교예1의 연마용 섬유 집적체(도 9에서 부호(1)로 나타낸다)를 고정한다. 그 다음, 기름(7)(고점도 다목적유 SUPER LUBE(ISOVG145); 공동인터내셔널코퍼레이션사 제품)와 지립(8)(알루미나, 입도#220 또는 입도#600)을 혼합한 2종류의 연마제를 제작한다. 연마용 섬유 집적체를 연마제에 충분히 함침 시킨다. 그리고 연마용 섬유 집적체를 연마 대상물의 표면에 접촉시킨다. 연마용 섬유 집적체를 회전속도를 750회/분, 누르는 힘(Pressing force)을 10N/20N(0.13MPa/0.25MPa)으로, 이송 속도를 10mm/분으로, 패스 반경을 5mm로 하여 도 9(b)에 나타낸 궤적을 그리듯이 표면위를 이동시킨다. 연마 대상물은 냉간 다이스강 SKD11([HRC]60)을 사용하여 직경 30mm, 두께 5mm의 원판으로 했다.
(평가)
평가에서는 연마 대상물 표면의 산술평균 조도(Ra)(Surface roughness Ra) 및 연마 제거량(MP) (Removed quantity MP)을 지표로 사용했다. 산술 표면 조도(Ra)는 접촉식 표면 조도계(표면조도 형상측정기 E-35B; 도쿄정밀사 제품)를 사용하여 측정했다. 연마 제거량(MP)은 정밀 전자 천평(아즈프로 콤팩트 전자 천평 OH-42B; 아즈완사 제품)을 사용하여 측정했다. 각 연마 대상물에 대해 연마 시간(Polishing time)으로 120분간 연마를 진행하였다. 연마 중 30분마다 산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)을 측정했다. 입도가 #220(평균 입경 약 74μm)인 지립을 포함한 연마제와 입도가 #600(평균 입경 약 30μm)인 지립을 포함한 연마제 2종류를 사용하여 누르는 힘을 10N 및 20N으로 했을 경우에 대하여 계측하였다.
도10 ~ 도13에 측정 결과를 플롯한 그래프를 나타낸다. 각 도면에서 (a)는 실시예1의 측정결과를 나타내고, (b)는 비교예1의 측정결과를 나타낸다. 도10 및 도11은 누르는 힘을 10N으로 했을 경우의 산술 표면 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도12 및 도13은 누르는 힘을 20N으로 했을 경우의 산술 표면 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
각 도에 나타내는 그래프에서 연마시간이 90분과 120분인 시점의 측정결과가 대체로 같은 값을 나타내고 있다. 이로 부터 연마를 종료하는 120분의 시점에서 산술평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)의 변화가 수렴된 것으로 짐작된다. 또한, 도8에 나타낸 바와 같이, 섬유간에 지립이 들어가지 않으면 측정결과가 수렴된 시점에서의 지립의 입도차이에 의한 측정결과의 차이는 작을 것으로 예상된다. 따라서 아래의 평가기준에 기초하여 측정결과를 평가했다.
(1) 산술 평균 조도(Ra)
가공 종료 시의 입도 차이에 의한 측정 결과의 차이가 0.3μm 미만이다···○
가공 종료 시의 입도 차이에 따른 측정 결과의 차이가 0.3μm 이상이다···×
(2) 연마 제거량(MP)
가공 종료 시의 입도 차이에 의한 측정 결과의 차이가 3mg 미만이다···○
가공 종료 시의 입도 차이에 의한 측정 결과의 차이가 3mg 이상이다···×
(3) 종합평가
산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)의 평가 결과가 모두 양호하다···○
산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)의 평가 결과중에 불량(Х)이 포함된다···×
표1에 평가결과를 나타낸다.
<표 1>
Figure pct00011
누르는 힘을 10N이라고 했을 경우, 도10(a)의 실시예1에서는 입도가 #220 및 #600인 지립에 의한 연마는 모두 산술 평균 조도(Ra)가 0.2~0.3μm 정도로 될까지 진행되었다. 양자의 차이는 약 0.1μm이다. 도 10(b)의 비교예1에서는 입도가 #220인 지립에 의한 연마는 산술 평균 조도(Ra)가 0.5μm 정도로 될 때까지 진행되었다. 그러나 입도가 #600인 지립에 의한 연마는 산술 평균 조도(Ra)가 1.0μm 정도까지 진행되어 충분히 진행되지 않았다. 양자의 차이는 약 0.5μm로서 실시예1에 비해 크다.
또한, 도11(a)의 실시예1에서는 입도가 #220 및 #600인 지립에 의한 연마는 함께 연마 제거량(MP)이 8~9mg 정도로 될 때까지 진행되었다. 양자의 차이는 약 1mg이다. 한편, 도11(b)의 비교예1에서는 입도가 #220인 지립에 의한 연마는 연마 제거량(MP)이 9mg 정도로 될 때까지 진행되었다. 그러나 입도가 #600인 지립에 의한 연마는 연마 제거량(MP)이 5mg 정도까지 진행되어 충분히 진행되지 않있다. 양자의 차이는 약 4mg으로서 실시예1에 비해 크다.
누르는 힘을 20N으로 했을 경우도, 같은 경향을 볼 수 있다. 도12(a)의 실시예1에서는 입도가 #220 및 #600인 지립에 의한 연마는 모두 산술 평균 조도(Ra)가 0.1~0.3μm 정도로 될 때까지 진행되었다. 양자의 차이는 약 0.2μm이다. 한편 도12(b)의 비교예1에서는 입도가 #220인 지립에 의한 연마는 산술 평균 조도(Ra)가 0.2μm 정도로 될 때까지 진행되었다. 그러나 입도가 #600의 지립에 의한 연마는 산술 평균 조도(Ra)가 1.0μm 정도까지 진행되어 연마가 충분히 진행되지 않았다. 양자의 차이는 약 0.8μm로서 실시예1에 비해 크다.
또한, 도13(a)의 실시예1에서는 입도가 #220 및 #600인 지립에 의한 연마는 모두 연마 제거량(MP)이 10~11mg 정도 될 때까지 진행되었다. 양자의 차이는 약 1mg이다. 한편, 도13(b)의 비교예1에서는 입도가 #220인 지립에 의한 연마는 연마 제거량(MP)이 11mg 정도로 될 때까지 진행되었다. 그러나 입도가 #600인 지립에 의한 연마는 연마 제거량(MP)이 7mg 정도까지 진행되어 충분히 진행되지 않았다. 양자의 차이는 약 4mg으로서 실시예1에 비해 크다.
실시예1에서는 입도가 #220 및 #600경우 모두 양호한 연마를 할 수 있었다. 한편, 비교예1에서는 입도가 #220에서는 양호한 연마를 실시할 수 있었지만, 입도가 #600일 때는 연마가 불충분 하였다. 이 결과는 섬유간 거리와 지립의 크기(직경)와의 관계에 따른 것이라고 짐작된다.
실시예1의 섬유간 거리(e1)는 약 3μm이다. 따라서 입도가 #220인 지립(평균 입경(dg)=74μm) 및 입도가 #600인 지립(평균 입경(dg)=30μm)과 비교하면 충분히 작다. 이러한 점에서 지립이 섬유간에 들어가지 않고 효율적인 연마를 할 수 있었다고 짐작된다.
한편, 비교예1의 섬유간 거리(e1)는 약 58μm이다. 따라서 입도가 #220인 지립과 비교하면 작다. 그러나 입도가 #600인 지립과 비교하면 크다. 이러한 점으로부터 입도가 #220에서는 실시예1과 마찬가지로 효율적인 연마를 실시할 수 있었지만, 입도가 #600에서는 지립이 섬유간에 들어가 효율적인 연마를 실시할 수 없었다고 짐작된다. 이 결과로부터, 상술한 모델의 유용성을 확인할 수 있었다.
(검증2)
또한, 본 발명자는 공극률η(0.90)이 동일하고 평균 섬유 직경(d)이 다른 복수 종류의 연마용 섬유 집적체를 제작하였다. 그리고 각각의 연마용 섬유 집적체에 대해 상기와 마찬가지로 입도가 #220 및 #600인 지립에 의한 연마를 120분간 실시한 후 산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)을 측정했다. 본 발명자는 측정 결과로부터 상기 모델의 이론을 검증하였다.
각각의 연마용 섬유 집적체의 측정결과에 대하여 식 (5)에 의해 산출한 섬유간 거리(e1) 및 지립의 평균 입경(dg)의 비(e1/dg)를 횡축으로 산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)을 종축으로 플롯한 결과를 도 14에 나타낸다.
도14(a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 비(e1/dg)가 1을 경계로 산술 평균 조도(Ra) 및 연마 제거량(MP)에 유의한 차이가 발생한다. 즉, 상기 비가 1보다 작으면 산술 평균 조도(Ra)가 작고, 연마 제거량(MP)이 많아 연마가 효율적으로 이루어진다. 특히, 상기 비가 0.3 이하일 경우 연마가 보다 효과적으로 이루어진다. 즉, e1/dg?Q0.3이 되는 것이 더 바람직하다. 반대로 상기 비가 1보다 크면 산술 평균 조도(Ra)가 크고 연마 제거량(MP)가 적어 연마가 효율적으로 이루어지지 않는다.
상기 비가 1보다 작을 경우 섬유간 거리(e1)보다 지립의 평균 입경(dg) 이 크고 섬유간에 지립이 들어가는 것을 억제할 수 있으며, 그 때문에 효율적인 연마가 된 것으로 짐작된다. 상기 비가 1보다 클 경우 섬유간 거리(e1)보다 숫자의 평균 입경(dg) 이 작고, 섬유간에 지립이 들어가 버려 연마 효율이 저하된 것으로 짐작된다. 이 결과로부터도 상술한 모델의 유용성을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 전술한 실시형태에 대해, 당업자가 적당한 구성요소를 추가, 삭제, 설계변경을 실시한 것이나, 실시형태의 특징을 적절히 조합한 것도 본 발명의 요지를 갖추고 있는 한, 본 발명의 범위에 포함된다.
1 : 연마용 나노파이버 집적체
7 : 기름
8 : 지립
10 : 최소 계산 유닛
20 : 섬유
20x, 20y, 20z : 섬유 부분
50 : 제조 장치
62 : 호퍼
63 : 가열 실린더
64 : 히터
65 : 스크류
66 : 모터
68 : 가스 공급관
70 : 헤드
90 : 포집망
95 : 미세 섬유
100 : 가공 장치
101 : 스핀들
102 : 가공 공구
103 : 결속 밴드
d : 평균 섬유 직경
dg : 지립의 평균 입경
e1 : 섬유간 거리
η : 공극률
W : 연마 대상물
Ra : 산술 평균 조도
MP : 연마 제거량

Claims (3)

  1. 정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용하는 연마용 나노파이버 집적체로서,
    상기 연마용 나노파이버 집적체의 평균 섬유 직경을 d로 하고, 상기 연마용 나노파이버 집적체의 공극률을 η로 했을 경우, 아래의 식(i) 및 (ii)을 만족하는 것을 특징으로 하는 연마용 나노파이버 집적체.
    (i) 400nm≤d≤1000nm
    (ii) 0.70≤η≤0.95
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정밀 연마용 미분의 평균 입경을 dg로 했을 경우, 아래의 식(iii)을 만족하는 것을 특징으로 하는 연마용 나노파이버 집적체.
    Figure pct00012

  3. 정밀 연마용 미분을 액체에 혼합한 슬러리를 흡착시켜 사용하는 연마용 나노파이버 집적체 제조 방법으로서,
    평균 섬유 직경이 d인 나노파이버를 집적하는 공정 및
    상기 집적된 나노파이버를 공극률이 η가 되도록 성형하는 공정을 포함하며,
    상기 정밀 연마용 미분의 평균 입경을 dg로 했을 경우, 상기 공극률 η가 아래의 식(iv)을 만족하는 것을 특징으로 하는 연마용 나노파이버 집적체 제조 방법.
    Figure pct00013

KR1020207018833A 2017-11-29 2017-11-29 연마용 나노파이버 집적체 및 그 제조 방법 KR20200117989A (ko)

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