1. 서 론

최근 IT 및 NT화가 급속히 진전되면서 반도체, 광학기기, 항공우주, 바이오산업 등의 발달로 기능성 세라믹의 초정밀/미세 가공에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 세라믹 소재는 내마모성, 내식성 등 우수한 물리적, 화학적 특성을 부가하는 것이 가능하므로 기능성 재료로서 활용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 구조용 세라믹스는 우수한 화학안정성, 고경도, 고내열 특성으로 고온, 고진공, 고응력과 같은 극한 환경 하에서 내마모 부품 재료의 후보 물질로 주목받고 있다. 그러나 이와 같은 세라믹 재료는 비교적 경도가 높고, 취성이 강하므로 기계가공이 어려운 특징을 가지고 있어 응용성에 제한이 따른다. 소결 공정으로 제작된 세라믹스는 소결 후의 재료 수축을 정확하게 예측할 수 없으므로 정밀 부품에서 요구되는 치수 정밀도를 소결 공정에서 맞추는 데에는 한계가 있다. 따라서 초정밀 부품으로 활용되는 세라믹스는 소결 후 기계가공을 반드시 필요로 한다. 세라믹스의 기계가공을 어렵게 하는 것은 금속재료에 비하여 강도와 경도가 높을 뿐만 아니라 고유의 취성으로 인해 야기되는 문제 때문이다. 기계적 제거 가공에 있어서 파괴기구는 연성파괴와 취성파괴로 대별되며, 절삭깊이 및 절삭속도 등의 제거가공 조건에 따른 절삭력의 변화에 의하여 파괴 기구는 결정된다. 절삭력이 낮은 경우에 연성파괴에 의존하는 제거가공이 이루어지므로 고운 면의 치수정밀도가 높은 제품을 제작하는 것이 가능하나, 그 반대인 경우에는 취성파괴에 의존하는 제거가공이 이루어지므로 거친면을 가진 제품이 만들어진다. 치수정밀도가 높은 세라믹스 부품의 초정밀 가공은 가공면의 취성파괴 비율을 줄이는 것이 필수적이다. 본 호에서는 난가공 소재인 기능성 세라믹스의 제거가공 메커니즘과 연삭가공 기술 동향, ELID연삭가공 기술을 가공기술 별로 정리하고, 이와 관련된 국내/외 산업 동향을 분야별로 소개한다.

2. 세라믹 연삭가공 기술

연마가공에는 고정(固定)지립을 이용하여 공작물을 원하는 형상으로 가공하는 연삭 가공과 유리(流離)지립을 이용하여 공작물을 가공 하는 랩핑, 폴리싱 등의 연마 가공으로 구분할 수 있다. 세라믹 가공은 공작물에 높은 압력을 가하여 가공 효율을 높이는 고정지립의 연삭 숫돌을 이용하는 방식보다는 건식 또는 습식으로 유리지립 슬러리를 이용하여 공작물에 낮은 가공 압력을 부여하는 랩핑 또는 폴리싱에 대한 의존도가 높다. 숫돌 등 고정지립을 이용한 방식은 가공효율이 높고 형상정밀도가 우수한 가공표면을 얻을 수 있으나 공작물에 가해지는 가공압력이 비교적 높아 세라믹 가공시 칩핑이 자주 발생하므로 가공조건을 관리하는데 많은 어려움이 있다. 유리지립 슬러리를 이용한 랩핑, 폴리싱 가공은 연삭공정에 비해 가공효율은 현저히 낮으나 표면조도가 우수하고 가공 압력이 낮아 세라믹 공작물의 칩핑에 의한 파손은 거의 발생하지 않으므로 각종 세라믹 부품의 경면 가공에 주로 적용되어 왔다.

2.1 세라믹 제거가공 메커니즘
세라믹스와 같은 취성 재료의 가공은 지립과 공작물간의 간섭부분에서 생기는 흠에 의해서 제거가공이 이루어지며 이것은 재료가 가진 취성을 이용한 가공법이다. 취성 재료의 경도 시험에서 압입력이 0.01N 또는 긁기 깊이가 0.1μm수준에 있어서는 취성 재료에 소성유동 파괴, 즉 연성파괴가 발생하는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 가공력 또는 가공 깊이로 연삭 또는 절삭가공을 하는 경우에 취성 소재의 공작물에 홈과 같은 형태로 공구의 형상을 전사(轉寫)하는 것이 가능하다. 따라서 소성유동 파괴 영역에서 취성 재료를 제거 가공하면, 금속의 제거가공에서 공구형상과 운동궤적이 공작물에 전사되는 것과 같이 취성 재료의 가공에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 실제로 취성 재료의 연삭 가공에서 변형파괴가 충분히 미소하여 연성파괴에 의해 생성된 가공면은 매우 고우며 높은 치수정밀도와 표면조도가 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 연성파괴 영역에서 제거가공을 하는 경우에 제거량을 어느 정도 미소하게 하는가에 따라 전사정밀도 및 가공면의 손상 깊이가 결정된다. 이것을 가공분해능이라고 하며 가공분해능이 미소할수록 가공 정밀도는 향상된다.

2-2 세라믹 연삭가공 기술 동향
세라믹의 연삭가공은 다이아몬드 숫돌을 이용한 연삭에 크게 의존하고 있다. 세라믹은 대부분 고경도 취성 재료이기 때문에 연삭 가공이라 할지라도 용이하지 않으므로 고효율, 고정밀 연삭 가공을 위한 연구가 요구되고 있다.
세라믹 연삭가공 연구 동향을 살펴보면, 알루미나와 지르코니아, 탄화규소, 질화규소를 대상으로 하여 다이아몬드 숫돌로 크리프피드 연삭까지 포함한 폭넓은 연삭조건 범위에서 평면연삭 기초 실험을 수행한 바 있다. 연삭저항, 표면조도, 연삭비 등을 비교 실험한 결과, 통상 연삭범위(4~36m/min)에서는 미소 취성파괴가 주체이나 크리프피드 연삭 범위(0.02~0.24m/min)로 이동할수록 소성적 연성파괴가 지배적임을 실험으로 확인하였다. 또한, 세라믹스 소재를 대상으로 다이아몬드 연삭 공구의 트루잉과 드레싱 방법 및 각종 조건이 가공물의 형상정밀도에 미치는 영향을 고찰한 연구에서는 트루잉 및 드레싱 방법으로 연강연삭법, 임플라이 드레서법, 브레이크 트루잉법 등을 적용하여, 피삭재의 표면조도는 다이아몬드 연삭 숫돌의 형상과 요철 정도에 크게 좌우됨을 확인하였다. 트루잉 및 드레싱 방법에 대한 성능 평가 실험을 통해서 연강연삭법은 연삭저항이 작아 절미성능은 양호하나 우수한 가공면을 기대하기 어렵고, 브레이크 트루어법은 비교적 절미성능도 양호하고 가공물의 표면조도도 향상시킬 수 있는 방법임을 제시하였다. 세라믹의 종류별 연삭 동력은 재질에 관계없이 절입량의 증가에 따라 거의 선형적인 증가 추세를 보이며, 절입량에 따른 연삭비는 알루미나가 가장 낮음을 보여 주었다. 이와 같은 연구에서는 각종 세라믹스에 대하여 연삭가공 조건에 따른 표면조도와 연삭저항 등 세라믹스의 연삭가공 특성을 파악하였을 뿐 만 아니라 트루잉 및 드레싱 방법에 따른 다양한 실험적 기초 데이터를 제공하였다는데 의미가 있다.
연삭가공 기법에 대한 연구로는 먼저, 지르코니아 광커넥터용 세라믹 페롤 가공 시 외경 연삭 및 미세구멍 가공 기술의 개발에서 미세구멍 가공은 텅스텐 또는 피아노선 주위에 다이아몬드 분말을 묻혀 통과시켜 구멍의 치수를 맞춰나가는 방식을 제안하였으며, 외경연삭은 센터리스 연삭방식이 생산성 측면에서 적절함을 제안하고 입도 #400 ~ #600 다이아몬드 숫돌을 사용하는 경우 표면조도는 1μmRmax이하로 낮출 수 있음을 확인하였다. 그리고 범용연삭기에서 알루미나, 탄화규소, 질화규소의 고품위 연삭을 위해 레진 결합제 다이아몬드 숫돌을 사용하여 연삭비 향상을 위한 연삭숫돌의 적절한 주속도 범위를 제시하고 거친 연삭 시 발생할 수 있는 크랙 등의 가공 결함과 변질층을 충분히 제거할 수 있는 3단 연삭 기법을 제안하였다.
가공 중 모니터링 및 복합 가공 방법에 대한 연구로서 질화규소의 연삭 가공에서 숫돌의 마멸상태를 음향방출 신호를 이용하여 연삭숫돌의 마멸상태를 예측하고 입도에 따른 표면조도와 굽힘응력 측정으로 가공면의 특성을 파악하는 시도를 하였으며, 이를 통해 숫돌의 드레싱 시기를 결정하는데 필요한 기준을 제시하였다. 그리고 초음파 진동을 인가한 다이아몬드 연삭 공구를 이용하여 20kHz의 진동을 전착숫돌 연삭 공구에 종진동 모드로 적용하고 공구의 진폭을 측정한 결과 4~58μm범위로 발생되는 것을 확인하였으며, 초음파 진동 공구를 사용하는 경우 가공 시 연삭숫돌의 배분력은 3~20%가 감소되는 것을 확인하였다.
세라믹에 적용되는 경면연삭(Mirror Surface Grinding) 가공은 폴리싱 공정에 비해 가공효율이 매우 우수하며 높은 형상정밀도를 달성할 수 있을 뿐 만 아니라 폴리싱 가공과 동등한 수준의 표면거칠기를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 나노미터 수준의 경면연삭을 위해서는 초미립 숫돌이 요구되나, 초미립 숫돌에 사용되는 미세한 입자는 표면활성도(Surface Activity)가 높아 그 자체의 응집(Coherence)이 심하고, 비표면적이 크기 때문에 결합재와 균일하게 혼합할 수 없어 일반적인 분말성형(Powder Forming)법으로는 균질한 미립 연삭 숫돌을 제작하기가 매우 어렵다. 설령 제조할 수 있다고 하더라도, 입자밀도가 상대적으로 높기 때문에 숫돌 표면의 칩 포켓(Chip Pocket)이 작으므로 가공 중 잦은 눈메움(Loading) 현상으로 인해 빈번하게 드레싱을 해야 하는 번거로움이 있다.
 

*자세한 내용은 세라믹코리아 2월호에서 확인하세요