김보현 교수는 대한민국 숭실대학교의 기계공학부 교수입니다.디지털 현미경과 3차원 레이저 공초점 현미경을 이용한 초정밀 미세 가공 기술을 연구하고 있습니다. 우리는 김보현 교수의 연구와 그가 의미 있는 결과를 얻기 위해 사용한 현미경에 대해 더 알아보기 위해 그와 이야기를 나눴습니다.
Q: 초정밀 미세 가공 기술이란?
김보현 교수: 초정밀 미세 가공 기술은 마이크로미터 크기의 형상이나 부품을 나노미터 수준의 정확도와 조도로 만드는 제조 기술입니다. 초정밀 미세 가공 기술은 IT, 전자부품, 초소형 기계 부품 및 금형 등에서 그 필요성이 급격히 증가하고 있으며, 그 활용 분야도 넓어지고 있습니다.
이러한 기술 수요에 따라 정밀공학실험실(PREMA)에서는 마이크로 밀링, 드릴링, 연삭 등의 초정밀 가공 기술과 방전가공(EDM), 전기화학가공(ECM)에 대한 연구를 수행하고 있습니다.
대표 연구 분야는 다음과 같습니다.
- 고경도 소재(세라믹, 초경합금, 사파이어 유리 등)의 초정밀 가공
- 마이크로 방전 가공(마이크로 EDM)
- 마이크로 공구 제작 기술 과 응용 기술
- 복합 가공 기술(절삭, 연삭, EDM, ECM, 레이저 가공 등의 가공 기술 조합)
Q: 이 분야에 대한 연구 결과와 이러한 결과를 얻기 위해 사용한 장비에 대해 설명해주실 수 있을까요?
김보현 교수: 제 연구는 다양한 방법으로 가공한 표면을 관찰하고 측정하는 것이 매우 중요합니다.
다양한 가공 매개변수가 정밀 가공에 영향을 미칠 수 있습니다.따라서 각 단계에서 가공이 제대로 이루어졌는지 지속적으로 가공면 이미지를 확인하고 측정해야 합니다.
연성 모드로 가공한 파이렉스 유리의 표면을 예로 들어 보겠습니다.
아래 첫 번째 이미지(그림 1, 왼쪽)는 미세 다결정 다이아몬드(PCD) 공구를 사용하여 파이렉스 유리 표면에 가공한 미세 홈을 보여줍니다.유리 소재는 잘 깨지기 때문에 균열 없이 유리에 미세 형상을 가공하기 어렵습니다.예를 들어, 이미지의 수직 홈은 1μm의 절삭 깊이로 가공되었습니다.1μm의 절삭 깊이에서도 유리 표면에 많은 균열이 남았습니다.그러나 수평 홈에서 절삭 깊이를 0.25μm로 줄이면 균열 없이 유리가 가공되며, 이를 연성 모드 절삭이라고 합니다.
PCD 공구의 내구성을 높이거나 가공 중 자주 발생하는 균열의 원인을 없애기 위해서는 실험 조건을 변경하면서 조도와 표면 변화를 확인하는 것이 중요합니다.
이 때 디지털 현미경과 레이저 공초점 현미경은 가공면을 관찰하고 측정하는 데 효과적인 장비입니다.표면을 관찰하고 측정하기 위해 Evident의 DSX1000 디지털 현미경과 LEXT™ OLS5100 3D 레이저 공초점 현미경을 이용해 가공 품질을 개선해서 연성 모드에서 균열 없는 표면을 만들 수 있었습니다.
다음은 이 현미경의 결과물입니다.
그림 1.PCD 미세 공구를 사용하여 파이렉스 유리 표면에 가공한 미세 홈.왼쪽: 현미경 이미지, 오른쪽: 표면 조도.OLS5100 3D 레이저 공초점 현미경을 이용해 이미지를 촬영하고 측정했습니다.
그림 2.파이렉스 유리 표면에 가공한 미세 홈. 클로즈업 이미지는 절삭 깊이가 0.25μm일 때 파이렉스 유리를 균열 없이 가공할 수 있음을 보여줍니다. 이를 연성 모드 절삭이라고 합니다.OLS5100 3D 레이저 공초점 현미경을 이용해 이미지를 촬영하고 측정했습니다.
| 이송 속도(µm/s) | 절삭 깊이(µm) | 총 깊이(µm) | |
|---|---|---|---|
| 취성 모드 | 100 | 1 | 10 |
| 연성 모드 | 20 | 0.25 | 14 |
| 연삭 조건 | |
|---|---|
| 사용한 공구 | PCD |
| 결정 입도(µm) | 10 |
| 공구 직경(µm) | 150 |
| 작동 정전용량(pF) | 500 |
| 공작물 재료 | 파이렉스 |
| 회전 속도(rpm) | 60,000 |
| 이송 속도(µm/s) | 20–100 |
| 절삭 깊이(µm) | 0.25–1 |
| 총 깊이(µm) | 14 |
- (1) 조건에 따라 취성 표면을 제작한 후 (2) 조건에 따라 교차하여 연성 모드로 가공
- 취성 균열보다 깊게 가공하면서 균열이 없는 연성 모드 표면 제작(단차: 4µm)
| 이송 속도(FR): µm/s | 절삭 깊이(DOC): µm | 총 깊이: µm | 평균 표면 조도(Ra): µm | 최대 높이(Rz): µm | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.취성 | 100 | 1 | 10 | 0.437 | 2.589 |
| 2.연성 | 20 | 0.25 | 14 | 0.015 | 0.141 |
그림 3.취성 및 연성 모드에서 가공한 유리 표면의 표면 조도 비교.사용한 장비: OLS5100 3D 레이저 스캐닝 현미경.
3D 디지털 현미경과 레이저 공초점 현미경을 이용해 조도 분석 데이터와 가공 정확도를 비교하고 가공 매개변수 결정에 반영하면 가공 품질을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.고품질 가공은 제품의 퀄리티를 획기적으로 발전시킬 수 있기 때문에 중요합니다.
김보현 교수가 DSX1000 디지털 현미경을 이용해 가공면의 조도와 표면 변화를 확인하는 모습
Q. 앞으로의 연구 계획은?
김보현 교수: 앞으로도 정밀제조연구실은 다양한 분야의 기계가공 및 미세특수가공에 대한 의미 있는 학문적, 실용적 연구를 지속해 나갈 것입니다.
초정밀 미세 가공 기술에 대한 추가 정보
초정밀 미세 가공 기술에 대해 자세히 알아보려면 김보현 교수가 집필한 다음 논문을 확인하십시오.
- 응용 과학 | 무료 전문 | 미세 구조화를 위한 세라믹의 미세 연삭에 관한 실험적 연구(mdpi.com)
- 마이크로머신 | 무료 전문 | 미세 연삭을 이용한 용융 실리카의 미세 유체 칩 제조(mdpi.com)
인터뷰 대상자 소개
 | 김보현 교수는 숭실대학교 기계공학부 교수로 IT, 전자부품 및 금형의 초정밀 미세가공분야의 전문가입니다. 그는 절삭, 밀림, 연삭과 같은 기계가공 뿐만 아니라 방전가공, 전해가공, 레이저 가공 등 초정밀 미세특수가공 기술에 대한 한 발 앞선 연구와 우수한 논문으로 학계 발전에 이바지하고 있습니다. |
