「UPC」- 나노 마이크로 포밍 툴에 요구되는 공구 성능
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제조업의 해외 이전이 가속화되는 가운데 일본 산업이 살아갈 수 있는 길로서 나노 테크놀 러지가 향후 일본의 주요 테크놀러지로서 점점 자리 매김되어 갈 것이다. 그러한 동향은 초정밀 절삭 가공 분야에서도 엿볼 수 있어 광 디바이스의 금형 가공을 떠맡은 초정밀 절삭 가공 분야에서도 가공 정밀도가 해마다 고정밀도화, 미세화의 일로를 걷고 있다.
1. 개발 동향
종전에 옵토 일렉트로닉스 관련 분야의 3차원 마이크로 가공에는 반도체 분야의 에칭 기술을 응용한 가공법과 다이아몬드 공구에 의한 초정밀 기계 가공 이 두 가지 방법이 있다. 전자(前者)에서는 가공 특성상 원활한 곡면 및 예리한 에지를 창성하기 어렵다는 문제가 있다. 그런 점에서 초정밀 기계 가공은 유리하고 그 중에서도 가공후의 상대 정밀도가 매우 높으며 또 예리한 에지와 원활한 곡면을 창성할 수 있다는 점에서 전자를 웃돌고 있다.
이같은 이점 때문에 근년에 와서는 나노미터 수준의 절삭날 정밀도가 보증된 초정밀 다이아몬드 절삭공구와 나노미터 수준의 움직임이 가능한 초정밀 가공기를 사용하여 마이크로 미터 수준의 미세한 형상을 형성하는 3차원 가공에 대한 요구가 높아졌다. (주)아라이드머티리얼이 제조 판매하는 초정밀 다이아몬드 절삭공구(이하 「UPC」라고 한다 <그림 1>)에 대해서도 공구 정적(靜的) 정밀도 및 절삭날의 예리성 향상 그리고 3차원 가공이 가능한 회전 공구계 초정밀 다이아몬드 절삭공구에 대한 요구가 높아졌다. 본고에서는 그러한 요구에 부응 하기 위해 (주)아라이드머티리얼이 개발한 「UPC」- 나노 마이크로 포밍 툴에 대해 상세히 설명한다.
2. 「UPC」- 나노 마이크로 포밍 툴에 요구되는 공구 성능
「UPC」- 나노 마이크로 포밍 툴에 요구되는 성능으로는 ①날끝의 예리함과 그 안정성, ②절삭날 능의 원활함이 요구된다.
「UPC」- 나노 마이크로 포밍 툴의 사용법은 초정밀 가공기의 나노미터 동작을 절삭성이 좋은 초정밀 다이아몬드 절삭공구 「UPC」의 절삭날로 피가공물에 정확하게 전사하여 고정밀도의 형상 정밀도 및 면조도를 얻는 3차원 마이크로 가공법이고 절입 조건은 서브 마이크로 미터~나노미터 수준의 미소한 절삭이 요구된다. 그러므로 날끝이 예리할 수록 (날끝 라운드 반경은 작다) 작은 절취 두께로 피가공물에 손상을 주지 않고 칩을 안정 적으로 배출할 수 있으며 또 피가공물의 변형으로 인한 가공 두께의 애매함도 적어져 고정밀도의 가공을 할 수있다. 그러나 내구성 관점에서는 너무 예리하면 날끝은 강도나 열용량 면에서 마모되기 쉬워질 가능 성이 있으므로 재료나 가공기의 상태에 맞춘 가장 적당한 날끝 라운드 반경에 설정하는 것도 필요하다(<그림 2>「UPC」의 날끝 능선 사진). 절삭날 모서리의 예리함에 있어서는 공구 윤곽 다듬질면의 전사가 완전하면 절삭날 모서리의 거칠 기가 다듬질 면조도를 결정한다. 그러므로 절삭날 모서리의 원활함 및 윤곽 정밀도가 매우 중요하다.
<그림 3>에서는 「UPC-R」원호 절삭날 타입으로 절삭날 모서리의 윤곽도를 나타낸다. 이상과 같은 공구 성능을 충족시키려면 절삭날 모서리를 형성하는 경사면 및 릴리프면을 나노미터 수준으로 연마 하는 기술이 필요한데 그것을 실현하려면 다이아몬드 및 결정 방위를 과학적으로 선정하는 기법이 필요 불가결하다. 그리고 회전 공구계 초정밀 다이아 몬드 절삭공구「UPC」에서는 공구를 그립하는 생크 축의 정밀도와 생크축 중심을 기준으로 하는 날끝 위치의 정적 정밀도가 중요하다.
3. 「UPC」- Nano-gr oove(초미세 홈파기형)의특징
「UPC」- Nano-groove의 용도는 5㎛의 초미세 직선 홈가공용 초정밀 다이아몬드 절삭공구<그림 4>이다. <그림 5>에서는 날끝 사진을 나타낸다.
절삭날 폭 치수는 5㎛±0.5㎛로 세계 최소급의 절삭날 폭을 실현하였으며 좌우 절삭날의 진직도는 10nm 이하이며 치핑이 없는 정예(精銳)하고 내구성이 있는 절삭 날이라는 점이 특징이다. 본 공구에 의한 가공법은 CNC 초정밀 가공기로 Fly Cut 가공 및 Planer 가공에서 미소한 절입과 이송을 줌으로써 정밀도가 좋은 마이크로 미터 피치의 미세한 홈가공이 가능하다.
가. 「UPC」- Nano-groove의 가공 사례 최근 많이 사용되는 광학소자의 하나로 HOE 광학소자(Holographic Optical Element)가 있다.
이 광학소자는 마이크로미터 수준의 피치로 다수의 미세한 홈을 새겼는데 빛의 회절 현상을 이용하여 빛을 임의로 분광, 집광할 수 있는 광학소자이다. 이 광학소자 금형을 가공하는 데 「UPC」- Nano-groove가 사용된다(<그림 6>에 가공사례를 나타낸다). 종전에 HOE 광학소자는 반도체 제조기술인 포토 리소그래피와 에칭 기술을 적용하여 가공되어 왔으나 이 방법에서는 사각형 구멍 바닥의 코너가 둥글고 깊은 구멍은 여러 번에 걸쳐 단계적으로 홈을 가공하기 때문에 단차가 생기는 등 빛의 회절 효율을 저하시켜 버리는 문제가 있었다. 그러나 본 공구를 개발함으로써 그러한 문제를 해소할 수 있었다.
앞으로는 옵토 일렉트로닉스 이외의 분야에서도 미세한 홈파기용 공구로 사용될 가능성이 있다.
4. 「UPC」- Nano-endmill(스퀘어 타입)의 특징
「UPC」- Nano-endmill은 세계 최소급(홈의 폭30㎛)의 자유로운 곡선 홈을 가능하게 하는 초미세 홈가공용 엔드밀<그림 7>이다. <그림 8>에서는 스퀘어 타입의 날끝 사진을 나타낸다. 날끝은 사람 머리카락(70㎛)의 1/2 이하로 매우 미세한 형상으로 까지 제작할 수 있다. 이 공구의 용도로는 3차원의 곡선 홈으로 구성되는 광학소자, 3차원의 높은 어스펙트비를 가진 요철 형상 가공에 대응한다.
가. 「UPC」- Nano-endmill의 가공 사례 「UPC」- Nano-endmill(스퀘어 타입)은 회전 지름이 매우 작기 때문에 공구를 고속 회전시켜 충분한 가공 주속도를 얻을 필요가 있다. 회전축에 있어서는 정압 베어링과 고정밀도로 공구를 그립할수 있는 공구 홀더가 바람직하다. 그리고 가공에 있어서는 공작물의 출입구 관리에 주의한다. <그림 9>에서는 가공 사례를 나타낸다.
5. 「UPC」- Nano-ballendmill(볼 타입)의 특징
「UPC」- Nano-ballendmill(볼 타입)<그림 10>의 가공 용도는 3차원의 요철 형상 가공, 자유 곡면 가공을 대상으로 한 세계에서 가장 작은 볼 엔드밀이다.
(주)아라이드머티리얼은 종전부터 CD, DVD 광픽업 렌즈 금형 가공 등의 구면(球面), 비구면의 초정밀 절삭 가공을 대상으로 한 초정밀 원호날 타입의 다이아몬드 밭 「UPC-R」을 제조 판매해 왔다.
그 「UPC-R」의 원호날 윤곽도는 세계 최소급인 50nm를 보증하고 있으며 또 최소 R로서 세계 최소 급인 R 5㎛까지 아주 작은 R의 원호날을 달성하였다. 그 「UPC-R」의 고정밀도 R 연마 기술을 엔드 밀에 전용(轉用)하여 개발에 성공했다. 현재는 R30㎛의 세계 최소급으로 미소한 볼 엔드밀까지 개발에 성공하였다. <그림 11>에서는 날끝 사진을 나타낸다.
가. 「UPC」-Nano-ballendmill(볼타입)의 가공 사례 「UPC」- Nano-ballendmill(볼 타입)의 가공 사례로서 대표적인 가공물로 마이크로 렌즈 어레이의 금형 가공이 있다. 마이크로 렌즈 어레이란 미세한 오목이나 볼록 렌즈를 3차원적으로 집적한 렌즈 집합체를 말한다. 근년에 와서는 광통신이나 액정 프로 젝터용 렌즈 등에도 응용 전개된다. 그 외에 마이크로 부품 가공, 자유곡면 프리즘 등의 가공에도 응용될 가능성이 있다. 그 가공법은 앞에서 말한 「UPC」- Nano-endmill(스퀘어 타입)과 같은 초정밀 머시닝센터를 사용하여 3차원 밀링가공을 하는 것이 일반적인 사용법이다. 그리고 가공상 주의할 점으로 축 중심 부근의 절삭날 위치에 있어서는 회전 주속도가 제로이므로 버(Burr), 배꼽 잔류의 원인이 된다. 그러므로 축 중심 부근을 피해 가공하는 것이 좋다. <그림 12>에서는 가공 사례를 나타낸다.
6. 향후 전망
앞으로는 전자기기, 광학기기 외에 통신 분야, 의료 분야 등 여러 방면에서 초정밀 절삭 가공의 수요가 증가할 것이다. 그 중에서도 초정밀 다이아몬드 절삭공구가 맡은 역할은 커서 앞으로 더 한 층의 고정밀도화, 미세화가 요구될 것이고 그 요구에 대응할 수 있는 나노 마이크로 포밍용 초정밀 다이아몬드 절삭공구 「UPC」를 개발하는 것이 급선무이다.