KITECH 생산기술 전문지

본 연구에서는 리소그래피 기반 전주 공정을 이용하여 니켈-철 합금 마이크로 기어 금형을 제작하였다. 정밀기계 및 마이크로부품 산업에서 부품의 초소형화가 진행됨에 따라 고정밀 금형 제작 기술의 중요성이 증대되고 있으나, 기존의 절삭가공, 방전가공, 레이저 미세가공 기술은 공구 마모, 형상 정밀도 한계, 열영향에 따른 표면 품질 저하 등의 제약으로 인해 복잡한 초미세 부품 제작에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 리소그래피와 전주 공정을 결합한 마이크로 금형 제작 기술을 개발하였다. SU-8 감광막을 이용하여 높이 400 μm, 외경 550 μm 및 2,525 μm의 마이크로 기어 멘드렐을 제작하였으며, 인볼루트 곡선이 정밀하게 재현된 수직 측벽과 높은 종횡비를 갖는 미세구조를 성공적으로 구현하였다. 니켈-철 합금 전주 공정의 반응 메커니즘 규명을 위해 회전원판전극을 이용한 속도론적 분석을 수행한 결과, 니켈의 활성화에너지는 8.14 kcal/mol로 혼합 율속 거동을, 철의 활성화에너지는 2.38 kcal/mol로 물질전달 율속 거동을 나타내어 합금 조성의 균일화를 위해서는 온도와 교반 속도의 제어가 중요함을 확인하였다. 전주층의 품질 향상을 위해 유기첨가제 첨가량과 철 함량 조절을 통한 잔류응력 제어 기술을 개발하였다. 사카린 농도 증가에 따라 인장 잔류응력이 446.3 MPa에서 32.8 MPa로 크게 감소하였으며, 철 함량 증가 시 잔류응력이 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 350 ℃에서 1시간 수소 열처리를 통해 575 HV의 높은 표면경도를 확보하여 금형의 내마모성과 내구성을 향상시켰다. 최적화된 공정 조건에서 3일간 전주를 수행한 결과, Ni 76.2 wt.% 및 Fe 23.8 wt.% 조성의 균일한 니켈-철 합금층을 형성하였으며, 인볼루트 치형을 정밀하게 유지한 마이크로 기어 금형을 성공적으로 제작하였다. 본 연구에서 개발된 니켈-철 합금 전주 기술은 고경도와 저응력 특성을 동시에 확보할 수 있어 마이크로 부품 및 금속분말사출성형 금형 제조에 효과적으로 적용될 수 있는 공정임을 확인하였다.

키워드 합금 전주, 마이크로 기어 금형, 잔류응력, 표면경도