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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.1 pp.16-22
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.1.016

Analysis of Grinding Characteristics of Ceramic (SiC) Materials

Hwi-Keun Park*#, Sang-Hyeon Park*, In-Seung Park*, Dong-Ho Yang*, Seung-Hwan Cha*, Byeong-Cheol Ha*, Jong-Chan Lee*
*School of Mechanical Engineering, KUMOH UNIV.
Corresponding Author : aircraft2743@kumoh.ac.kr+82-54-478-7382, +82-54-478-7319
20171205 20180107 20180130

Abstract

Silicon carbide (SiC) is used in various semiconductor processes because it has superior thermal, mechanical, and electrical characteristics as well as higher chemical and corrosion resistance than existing materials. Due to these characteristics, various manufacturing technologies have been developed for SiC. A recent development among these technologies is Chemical Vapor Deposition SiC (CVD-SiC). Many studies have been carried out on the processing and manufacturing of CVD-SiC due to its different material characteristics compared to existing materials like RB-SiC or Sintered-SiC. CVD-SiC is physically stable and has excellent chemical and corrosion resistance. However, there is a problem with increasing the thickness, because it is manufactured through a deposition process. Additionally, due to its high strength and hardness, it is difficult to subject to machining.


세라믹(SiC) 소재의 연삭가공 특성 분석

박 휘근*#, 박 상현*, 박 인승*, 양 동호*, 차 승환*, 하 병철*, 이 종찬*
*금오공과대학교 기계설계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    SiC 소재는 열, 기계적, 내 화학특성, 전기적 특 성, 내식성 등이 기존 소재들보다 우수하여 다양한 반도체 공정에 적용이 되고 있다. 이에 다양한 제 조기술을 접목하여 개발이 진행되고 있는데, 최근 에 업계의 이슈화가 되고 있는 SiC 소재가 화학증 착법을 이용하여 제조되는 CVD-SiC이다[1].

    CVD-SiC 소재는 제조기술이 다른 SiC 소재와는 확연히 다르기 때문에 제조기술에서부터 가공기술 에 이르기까지 많은 연구가 진행되고 있다.

    CVD-SiC 소재는 물성 적으로 안정되고, 내식성 및 내 화학적 안정성이 뛰어나다. 또한, 경도 및 강 도가 높아 기존 Sintered-SiC, RB-SiC 소재보다 기계 가공의 어려운 단점을 가진다.

    본 논문에서는 CVD-SiC 소재가 기존 소재인 Sintered-SiC, RB-SiC 소재와 동일하거나 그 이상의 기계 가공 특성을 가지는지 확인하기 위하여 연삭 가공 특성에 대한 연구를 수행하였다.

    2.실험장치 및 조건

    2.1.피삭재

    본 실험에서 사용한 피삭재는 화학증착법으로 제조된 CVD-SiC, 상압소결법으로 제조된 Sintered- SiC, 반응소결법으로 제조된 RB-SiC 3개의 소재이 며 크기는 83×65×11mm로 제작하였으며, Fig. 1에 나타내었다. 각 소재의 물성치는 Table 1~3에 나타 내었다.2

    2.2.장치 구성도

    본 실험에서는 유일기계사의 평면연삭기 (Model : YGS-63 SCZ)를 사용하였으며, Fig 2에 나타내었 다. 연삭저항력 측정 장치는 Fig. 3과 같이 연삭 가 공 시 발생하는 연삭저항력을 측정하기 위해 압전 형 공구동력계(piezo-electric Type Tool dynamometer, Kistler 9254)를 연삭기 테이블에 설치하고 그 위에 공작물인 CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 3개의 소 재를 본딩을 이용하여 접착한 지그를 고정하였다.

    연삭실험 시 연삭 휠과 공작물의 상대운동에 의 해 발생되어지는 힘은 압전형 공구동력계에서 발생 하는 아날로그 신호로 변환되어 다채널 증폭기 (Multichannel charge amplifier)에서 신호가 증폭된 후 아날로그-디지털 변환기(A/D converter)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 PC로 전송된다.

    PC로 전송된 Data를 이용하여 주분력 Ft와 배분 력 Fn으로 나누어 수치 및 도시화되며, 이를 이용 하여 각 조건에 따른 연삭저항력을 비교분석 한다.

    연삭 가공 후 표면거칠기 측정을 위해 Mitutoyo사 의 SJ-210을 이용하였으며 제원은 Table 4에 나타내 었다. 시편을 정반위에 올려놓고 축의 중심이 움직 이는 길이방향으로 촉심을 밀착하여 측정하였으며, 측정값의 평균값인 Ra값을 이용하여 데이터 분석을 실시하였다. 측정조건은 촉심의 이송속도는 0.25㎜ /s, Sample Length 0.08㎜를 5회 반복 실시하여 측정 하였다[2].

    2.3.실험조건

    본 실험을 위해 레진본드계의 접착제를 사용한 wheel을 이용하여 가공을 실시하였다. 휠의 입도는 #170이며, 지름이 350mm인 Resin wheel을 사용하였 다. 휠의 속도는(wheel speed) 1,700rpm으로 실험을 진행하였다. 실험 소재는 CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 3개의 소재를 사용하였으며, 테이블 이송속 도 (Table Speed) 2, 4, 6, 8m/min에서 절입 깊이 (Depth of cut) 5, 10, 15, 20㎛를 적용하여 실험을 수행하였다. Table 5에 실험조건을 나타내었다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.연삭저항력

    CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 3개의 소재를 각 각 연삭가공함에 있어서 가공조건에 따른 연삭저항 력의 변화를 파악하였다. 일정한 휠의 원주속도(Vs), 절입깊이(as), 테이블 이송속도(Vf)의 변화에 따른 연삭저항력(Ft, Fn)의 변화를 알아보았다. Fig. 4~7은 테이블 이송속도에 따른 Tangential Grinding Force 를 나타낸다. Fig. 8~11는 테이블 이송속도에 따른 Normal Grinding Force를 나타낸다. 테이블 이송속 도가 증가함에 따라 Tangential Grinding Force와 Normal Grinding Force는 CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 3개 소재 모두 증가하였고 그 중 CVD-SiC 에서 가장 높은 연삭저항력이 측정되었다.56910

    3.2.재료제거율

    재료제거율(Material Removal Rate)은 단위시간에 기계가공으로 제거하는 공작물의 체적으로, 식 (1) 으로 나타낼 수 있는데, 이는 절입깊이(as)와 테이 블의 이송속도(Vf)에 의해 결정된다.

    Z w = V f × a s × B
    (1)

    본 실험에서는 3개의 소재 모두 일정한 재료제거 율일 경우에 절입깊이(as)와 테이블의 이송속도 (Vf)의 변화에 따른 연삭저항력의 크기를 비교해 보았다. 재료제거율은 Zw=800mm3/min의 경우가 비 교할 연삭조건이 3개로 가장 많았기 때문에 절입깊 이 및 테이블 이송속도에 따른 연삭저항력을 비교 하였다.

    Fig. 12~13는 재료제거율이 Zw=800mm3/min인 경 우에 절입깊이에 따른 연삭저항력을 나타낸 그림이 다. 동일한 재료제거율에서 절입깊이가 클수록 연 삭저항력이 증가하는 결과를 알 수 있다.

    Fig. 14~15은 재료제거율이 Zw=800mm3/min인 경 우에 테이블 이송속도에 따른 연삭저항력을 나타낸 그림이다. 동일한 재료제거율에서 테이블 이송속도 가 빨라질수록 연삭저항력이 감소하는 것으로 보여 진다[3].

    3.3.비연삭에너지

    비 연삭에너지(Specific Grinding Energy)는 단위체 적당 재료를 제거하는데 필요한 에너지를 의미하 며, 연삭성능을 평가하는 기준으로 널리 사용되고 있다. 비 연삭에너지는 식(2)을 통해 계산할 수 있 다.

    u = P Z w = F t · V s b · a s · V f
    (2)

    식 (2)에서 u는 비 연삭에너지(J/mm3), P는 연삭 동력(W), Zw는 재료제거율(mm3/min), Ft 는 접선방 향 연삭저항력(N), Vs 는 휠의 원주속도(m/min), b 는 휠 폭(mm), as 는 절입깊이(㎛), Vf는 테이블의 이송속도(m/min)를 의미한다. Fig. 16을 볼 때 3개 소재 모두 대체적으로 재료제거율이 증가함에 따라 비 연삭에너지가 작아지는 경향을 보이고 그 중 CVD-SiC가 비 연삭에너지가 가장 크고 Sintered- SiC, RB-SiC 순으로 작아지는데, CVD-SiC 소재 제 조 방법이 증착에 의한 층상형 구조를 가지므로 가 공성이 좋지 않은 것으로 생각된다.

    3.4.표면거칠기

    Fig. 17은 CVD-SiC, Sintered -SiC, RB-SiC 3개 소 재의 테이블 이송속도(Vf)에 따른 표면거칠기(Ra) 비교 그래프를 나타낸다. 결과 CVD-SiC의 표면거칠 기(Ra) 0.201㎛으로 가장 낮았으며, RB-SiC의 표면 거칠기(Ra) 0.294㎛, Sintered-SiC의 표면거칠기(Ra) 0.422㎛을 확인하였다[4].

    4.결 론

    본 연구에서는 CVD-SiC와 기존 Sintered-SiC, RB-SiC 소재의 비교 분석을 위해, 3개 소재의 연삭 가공에서 가공조건에 따른 연삭 저항력과 표면조도 를 측정하였으며, 아래와 같은 결론을 얻었다.

    • 1. CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 소재의 연삭 저항 력과 비 연삭 에너지를 분석한 결과 CVD-SiC에 서 가장 비 연삭 에너지가 측정되었다. 이와 같 은 결과는 CVD-SiC 소재 자체가 화학 증착법에 의한 증착으로 조직이 치밀하기 때문인 것으로 판단된다.

    • 2. CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC 소재의 표면 거칠 기를 분석한 결과 CVD-SiC에서 가장 낮은 표면 거칠기(Ra)값을 확인하였다. 이와 같은 결과는 Sintered-SiC, RB-SiC 소재는 소결 법으로 제조를 하기 때문에 소재에 기공이 잔존하게 된다. 이에 비해 CVD-SiC 소재는 화학 증착법 제조로 인한 층상형 구조를 가지기 때문에 기존 소재보다 표 면 거칠기가 낮은 것으로 판단된다.

    • 3. 위의 실험 결과들을 보면 기존 Sintered-SiC, RB -SiC 소재에 비해 CVD-SiC 소재가 가공은 어려 우나 반도체 공정, 기계적 특성, 경제성 등을 고 려해보면 기존 소재에 비하여 동일 이상 수준으 로 활용이 가능하리라 판단된다.

    후 기

    본 연구는 금오공과대학교 학술연구비(2015-104-037) 를 지원받아 수행되었습니다. 관계자 여러분께 감사 드립니다.

    Figure

    KSMPE-17-16_F1.gif
    Shape of workpiece
    KSMPE-17-16_F2.gif
    Surface grinding machine
    KSMPE-17-16_F3.gif
    Experimental set-up for measuring grinding force
    KSMPE-17-16_F4.gif
    Tangential grinding force versus table speed(Depth of cut:5㎛)
    KSMPE-17-16_F5.gif
    Tangential grinding force versus table speed(Depth of cut:10㎛)
    KSMPE-17-16_F6.gif
    Tangential grinding force versus table speed(Depth of cut:15㎛)
    KSMPE-17-16_F7.gif
    Tangential grinding force versus table speed(Depth of cut:20㎛)
    KSMPE-17-16_F8.gif
    Normal grinding force versus table speed(Depth of cut:5㎛)
    KSMPE-17-16_F9.gif
    Normal grinding force versus table speed(Depth of cut:10㎛)
    KSMPE-17-16_F10.gif
    Normal grinding force versus table Speed (Depth of cut:15㎛)
    KSMPE-17-16_F11.gif
    Normal grinding force versus table Speed (Depth of cut:20㎛)
    KSMPE-17-16_F12.gif
    Tangential grinding force versus depth of cut on same material removal rate
    KSMPE-17-16_F13.gif
    Normal grinding force versus depth of cut on same material removal rate
    KSMPE-17-16_F14.gif
    Tangential grinding force versus table speed on same material removal rate
    KSMPE-17-16_F15.gif
    Normal grinding force versus table speed on same material removal rate
    KSMPE-17-16_F16.gif
    Specific grinding energy versus material removal rate(CVD-SiC, Sintered-SiC, RB-SiC)
    KSMPE-17-16_F17.gif
    Surface Roughness versus table speed

    Table

    Mechanical properties of CVD-SiC
    Mechanical properties of Sintered-SiC
    Mechanical properties of RB-SiC
    Specification of Surface Roughness measurement
    Experimental conditions for grinding

    Reference

    1. ParkH. K. (2017) A Study on the Machining Characteristics of CVD-SiC. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.16 (5) ; pp.40-46
    2. LeeS. M. (2004) A Study on the Grinding Characteristics of Surgical Implant Zirconia. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.13 (1) ; pp.72-77
    3. LeeC.S. (2006) A Study on the Grinding Characteristics of SiC. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.13 (1) ; pp.245-250
    4. ChoiH. (2016) A Study on the Precision of a Machined Surface in Thrust Internal Grinding. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (5) ; pp.73-79
    5. LeeJ.C. (2004) Machine tools for the 21st century., Munundang, ; pp.15-329
    6. MalkinS. (2007) Grinding Technology(Theory and Applicarions of Machining with Abrasives)., Amer Society of Civil Engineers, ; pp.110-111