핫 스탬핑 공구의 마이크로 스트럭처링

마이크로 생산기술로 부품을 제작할 경우, 기존의 절삭 기술로는 한계에 부딪힌다. 마이크로 밀링과 레이저 스트럭처링을 조합하여 미세 구조를 경제적이고 안전하게 제작할 수 있다.

안네도레 보세-문데: 공학 박사, 경제 및 기술 전문 에디터

마이크로 핫 스탬핑은 플라스틱, 유리, 금속과 같은 다양한 재료에 필요한 미세 구조를 대량으로 제작하기에 효과적이고 경제적으로 합리적인 방법이다. 제작되는 이미지 품질도 뛰어나다. 이 방법을 사용하는 적용 영역은 진단 시스템용 마이크로 구조 제작이다. 이 분야는 금속 또는 세라믹 몰딩 툴에 제시하는 요건이 매우 까다롭다.

고정밀 스탬핑 공구 제작

“절삭과 재료 제거 방법으로 핫 스탬핑 공구의 스트럭처링이 가능하고, 초소형 구조를 제작할 수 있습니다.“,
슈테판 그로스, 프라운호퍼 IWU 기능성 표면 및 마이크로 시스템 제작 부서 연구원

독일 헴니츠에 위치한 Fraunhofer 공작기계 성형 기술 연구소(IWU)의 학자들이 Senslab GmbH와 함께 연구를 진행한 프로젝트에서, 랩온어칩 시스템을 경제적이고 공정 안정적으로 제작할 수 있는 방법을 논의하였다. 이때 진단 기능 외에 지정된 미세 구조를 형성하는 것이 중요한 역할을 한다. 목적은 연구소에서 이용하는 진단법에서 통상적으로 복잡하고 비용이 많이 드는 진단 시스템과 기능상 동일한 솔루션을 실현하는 것이었다. 랩온어칩 시스템에는 마이크로 유체 시스템이 숨겨져 있다. 이 시스템은 육안으로 보이는 연구소 전체 시스템의 전체 기능을 플라스틱 카드 크기의 기판에 담는다. 이렇게 하여 칩 상에 있는 최소량의 액체도 완벽하게 자동으로 분석할 수 있다. 시료는 모세관 인력에 의해 여러 가지 반응 챔버와 분석 챔버로 운반된다.”특히 표면 품질과 마이크로 유체 구조의 정확도가 결정적으로 중요합니다.“(슈테판 그로스, IWU 기능성 표면 및 마이크로 시스템 생산 부서 연구원) 

“우리는 몇 년 전부터 핫 스탬핑 공구를 제작하고 있습니다. 그런데 구조물들이 갈수록 작아져 기존의 방법으로는 더 이상 요구 조건을 충족할 수가 없었습니다.“(슈테판 그로스) 정확도, 표면 품질, 기본 재료, 100μm 미만의 구조 크기 제작과 관련한 요건들은 기존의 절삭 제조법으로는 더 이상 구현할 수 없다. 이러한 한계를 극복하기 위해 레이저 스트럭처링이나 전자화학적 가공과 같은 새로운 제조법을 이용할 수 있다. 또 기술적 한계를 극복하기 위해 기존의 방법을 조합하는 것도 가능하다. 이에 따라 약 5년 전에 기법 조합 아이디어가 제기되었다. “무엇보다 마이크로 밀링과 레이저 마이크로 스트럭처링이 고정밀 스탬핑 공구를 제작하기에 적합한 방법입니다.“(슈테판 그로스) 밀링 가공은 통상 프로토타입 제작과 공구 제작, 몰드 제작 영역에서 금속 재료를 가공하기 위해 사용한다. 정확하게 말하자면 마이크로 밀링 가공은 유연성이 뛰어나 마이크로 유체 스탬핑 공구를 제작하기에 고도로 정확하고 신속한 방법이다.

레이저 스트럭처링으로 매우 섬세한 구조도 가공할 수 있다.
레이저 스트럭처링으로 매우 섬세한 구조도 가공할 수 있다.

제작을 위해 극복해야 할 도전 과제

그러나 밀링 커터 직경이 극히 작아 특정 미세 구조 요소의 가공성이 제한된다. “마이크로 생산에서 극히 작은 공구 직경은 100μm 이상의 범위입니다. 그로 인해 유체 채널의 소형화와 내부 윤곽의 선명함이 현저히 제한됩니다. 그에 비해 직경이 보다 큰 공구를 사용하는 경우에는 재료 제거 속도가 빠르고, 다양한 형태를 실현할 수 있고, 달성 가능한 표면 품질이 Rz = 0.5μm로 매우 우수합니다.“(슈테판 그로스) 레이저 빔은 수 마이크로미터 직경에도 우수한 집속도를 지녀서 매우 작은 세부 구조와 매우 넓은 스펙트럼의 지오메트리를 가공할 수 있다. 또한 초단파 레이저와 3D 레이저 스트럭처링으로 매우 복잡한 표면 형상을 가공할 수 있고, 기본 물질에 크게 영향을 끼치지 않으면서 표면을 기능화할 수 있다. 이 제조 프로세스를 이용하면 마이크로 유체 공학으로 다양한 표면 특성을 지닌 영역을 제작할 수 있다.

레이저 스트럭처링과 마이크로 절삭

마이크로 유체 측정 셀을 위해 절삭 가공한 3D 스탬핑 공구
마이크로 유체 측정 셀을 위해 절삭 가공한 3D 스탬핑 공구

이러한 부분 구조는 마이크로 유체 시스템으로 형성되어 유체 시스템 내에서 흐름 특성에 영향을 끼칠 수 있다. 여기에 레이저 스트럭처링을 이용하면 금속 재료뿐만 아니라 세라믹과 유리 같은 난삭 재료도 가공할 수 있다. 슈테판 그로스는 단점도 언급하였다. “레이저 스트럭처링을 하면 제거되는 재료 부피가 근소하여 스트럭처링되지 않는 면이 큰 경우 순수하게 레이저를 이용하여 가공할 때 부분적으로 제작 시간이 매우 오래 걸립니다.“ 마이크로 밀링과 레이저 스트럭처링을 순차적으로 조합한 공정은 두 기법의 장점을 이용하며, 보다 큰 면의 가공과 마찬가지로, 치수가 10μm 미만인 매우 섬세한 세부 구조도 스트럭처링할 수 있고, 전체 부품을 효율적으로 보다 빠르게 가공할 수 있다. 두 기법을 조합한 복합 가공은 여러 프로세스 단계에서 사용할 수 있고, 교대로 여러 번 실행할 수도 있다. 이때 각 기법으로 스트럭처링할 영역의 분할과 가공 순서가 최종 품질에 결정적이다. 공구 구성과 미세 구조 대열과 분배에 따라 적합한 영역과 프로세스 순서를 결정해야 한다. “나머지 공구 표면과 실제 마이크로 구조를 구분하는 면 영역을 지정할 수 있습니다. 이 영역을 먼저 레이저로 스트럭처링하고 이어서 정밀 절삭으로 면 영역을 가공합니다.“(슈테판 그로스)

표면 특성에 영향을 끼친다

레이저 스트럭처링한 탄화규소 재질의
레이저 스트럭처링한 탄화규소 재질의 “마이크로 유체공학“ 견본 공구

또 다른 방법은 스트럭처링 가능성에 따라 구조 영역을 분할하는 것이다. 이때 첫 번째 공정에서 미세 구조 및 지정된 직경의 밀링 커터로 더 이상 절삭 가공이 불가능한 영역의 레이저 스트럭처링이 이루어진다. 두 번째 정밀 절삭을 이용한 나머지 영역의 가공이 이루어지고, 세 번째 스트럭처링 방법은 구분된 미세 구조를 절삭으로 미리 가공된 구조 영역에 추후에 형성하는 것이다. 위 세 가지 기법 모두에서 결정적인 것은 레이저 영역과 밀링 영역을 정확하게 배치하는 것이다. 구조 크기가 20μm 미만인 경우 영역 배치에 요구되는 정확도는 ± 1μm 범위인 경우가 많다. 프로세스에 따라 재료 제거와 절삭 스트럭처링 공정에서 다양한 표면 특성이 생긴다. 지정된 표면 특성을 달성하기 위해 이를 이용할 수 있다. 또 정의된 거칠기 특성을 달성하기 위해 레이저를 이용하여 표면을 적절히 재 작업할 수 있다. 이는 무엇보다 적합한 레이저 폴리시 방법으로 가능하다. “절삭과 재료 제거 방법으로 핫 스탬핑 공구의 스트럭처링이 가능하고, 마이크로 유체 공학에서 사용하는 것과 같은 구조를 제작할 수 있습니다. 이렇게 형상을 효율적으로 그리고 윤곽에 근접하게 제작하기 위해 방법들을 조합하여 각 방법들의 장점을 적절하게 이용할 수 있습니다.“(슈테판 그로스) 그러나 이를 위해서는 기본 재료들이 각 방법으로 가공될 수 있어야 한다. 레이저 스트럭처링을 할 때에 공정 매개변수를 적절히 변경하여 표면 구조를 서로 조정하거나 또는 목적에 맞게 표면 특성을 달성하기 위해 선택적으로 영역을 재가공할 수 있다.