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중소기업 기술혁신개발사업

최종보고서

(환경친화형 전자기장을 이용한 전자 및

반도체 리드프레임 디버링 머신 개발)

2003 년 5 월 31일

주 관 기 업 (주) 테크노라이즈

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 "[환경친화형 전자기장을 이용한 전자 및 리드프레임 디버링 머신 개

발]에 관한 중소기업 기술혁신개발사업”

(개발기간 : 2002 . 04 . ~ 2003. 03 .) 과제의 최종보고서로 제출합니다.

2003 년 5 월 일

주관기업 : (주) 테크노라이즈

과제책임자 : 이 종 열

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요 약 서 (초 록)

과 제 명환경친화형 전자기장을 이용한 전자 및 리드프레임 디버링 머신

개발

주 관 기 업 (주) 테크노라이즈 과제책임자 이 종 열

개 발 기 간 2002 . 04 . ~ 2003 . 03 . ( 총 12개월)

총개발사업비

(천원)

정부출연금 55,000천원총개발

사업비76,250천원

기업부담금현금 12,750천원

현물 8,500천원

위탁연구기관

개발참여기업

주요기술용어

(6~10개)

전자 및 반도체 부품, 미세 및 마이크로 Burr, 전자기 연마헤드,

자성 연마재, 디버링(Deburring), 자력 및 자속밀도, 공구형상

1. 기술개발목표

우리나라의 전자 및 반도체 산업은 짧은 기간에도 불구하고 미국, 일본에 이어

세계 3위의 반도체 생산국으로 성장해왔다. 그러나 지금 현재 경기 침체의 영향

으로 전자 및 반도체 부품 분야의 침체현장이 진행되어 왔다.

본 개발은 전자부품 및 반도체 분야의 후공정 중 전자총 부품 및 박판 부품제작

시 프레스 공정후 발생하는 미세, 마이크로 Burr를 효과적으로 완전히 제거함으

로써 초정밀 반도체 금형제작에 소요되는 경비를 줄임으로써 반도체 소자의 재

조원가 절감효과를 높이는데 개발 목표로 하고 있다.

2. 기술개발의 목적 및 중요성

□ 세계속에서 국내 반도체 장비시장의 문제점

￮ 연도별 세계반도체 장비 시장에서 국내 장비시장이 차지하는 비중- ‘96년 : 17%

- ‘97년 : 9.3%

- 2000년 : 8.6%

와 같이 지속적으로 떨어지고 있으며, 여전히 선진국 업체들의 직접투자, 합작투

자가 이루어 지고 있다.

이는 국내 반도체 장비시장의 조속한 국내 국가기술개발이 시급하다고 말할 수

있으며, 전 세계적으로 국가별 반도체 장비 비중이 제일 떨어져 있는 현실이다.

(자료 : VLSI Research 2001.5월)

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□ 주요국가별 재료 수입비중과 수입제품을 분석하면 국내 반도체 장비 산업은

일본에 여전히 크게 의존하고 있다.

￮ 일본으로부터 수입량 : 33.4%일본 수입 제품 : EMC, Scilicon Wafer, Lead Frame, 감광제, 화학약품

￮ 미국으로부터 수입량 : 5.5%미국 수입 제품 : Wafer, Speciality Fas, Die Attach

이와같이 국내업체의 생산구조는 자체 생산기술이 취약하여 주로 선진업체와 합

작 생산, 반도체 재료업계의 약 80%가 외국기업 자본 및 기술제휴를 하고 있는

실정.

국내 반도체 산업분야에서는 이러한 현실극복이 시급함을 보여주고 있다.

3. 기술개발의 내용 및 범위

• 자기연마 헤드의 회전 정밀도

회전정밀도를 측정하기 위하여 용량형 변위센서를 이용하여 밀링공정에서 이송

방향과 픽크피드 방향에 각각 2방향에 설치하여 획득한 신호를 변위신호로 변환

하여 비고란의 그림과 같이 Lissajous로 표현하여 측정한 결과.

-. 회전속도 : 500 rpm

-. 변위센서 Resolution : 5nm

측정결과 회전 Run-out : 0.005 ~ 0.01mm

• 자속밀도

전자기 연마헤드를 시동, 정지를 연속 10회 실시한 후 전자석 연마기 헤드

Gauss meter를 측정하였을 경우 자속밀도는 1.3~1.5T 이었다.

• 자기 연마 스핀들 가공 효율성

HRC 45이상이고, 60x60x100mm인 기계구조용 강재에서 규정한 SM45C와 크롬

몰리브덴 강재에서 규정한 SCM3의 재료를 사용하여 1시간 연마하였을 경우 연

마량은 180mg 이상이었다.

실험조건

평면연마용 공구 Flat 엔드밀형, 직경20mm인 공구를 사용하여 시간별 연마량을

측정하여 효율성을 시험하였다.

-. 공구 회전속도 : 1,200 rpm -. 공구와 시편과의 거리 : 1.2mm

-. 입자의 종류 : 니오비늄 카바이드 -. 입자의 크기 : 150 ~ 200㎛

-. 이송 속도 : 10 mm/min -. 자속 밀도 : 1.0 T

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4. 기술개발 결과

- 특허출원 출원 번호 제 2003-21192호

- 전자기 연마 및 디버링 가공기술 신기술 벤쳐기업 확인

(평가기관 : 기술신용보증기금, 유효기간 : 2003.04.28~2005.04.27)

5. 기대효과

▣ 생산제조 원가 절감효과

리드프레임의 생산하는 산업현장에서는 리드프레임에서 발생하는 Burr를 완전히

제거하는 것은 불가능한 현실로 생각하고 있다. 따라서 리드프레임 생산시 Burr

의 공차한계를 제시하고 그 공차를 줄이기 위해 금형자체에서 해결을 하기위해

많은 연구를 수행하고 있는 것으로 분석.

• 생산속도 향상

• 수율향상 (불량 리드 프레임 재생가능)

• 접착제 및 금형비 절감

▣ 패키지 신뢰도 향상

• 패키지 오염발생 억제

• 접착력 향상

• 흡습성 향상

▣ 경재적 파급효과

전자산업은 세계 평균 경제성장률의 2배가 넘는 고도성장을 계속할 것으로 예측

된다. 국내 반도체 제조공정기술의 입지를 더욱 확고히 하기 위해서는 소자 제조

업체에서는 비메모리분야의 설계기술의 확보를 위한 노력이 배가되어야 할 것이

고 반도체 장비 업체는 고부가가치 장비의 개발에 관심을 가져야 할 것이다. 따

라서 2005년 까지 국내시장의80%를 점유해 연간 150억원 이상의 매출을 올리

고, 세계시장에도 50%를 차지해 400억원 이상의 수출을 달성 가능.

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목 차

제 1장 서 론

제 1 절 기술개발의 필요성

제 2 절 국내·외 관련기술의 현황

제 3 절 기술개발 시 예상되는 파급효과

제 2 장 전자기 연마 헤드 설계 및 제작

제 1 절 자기연마 기술의 구성과 원리

제 2 절 자기연마의 활용기술 및 응용

제 3 절 자기연마장치에 있어서 해결과제

제 4 절 이론적 설계

제 3 장 자기 연마 입자개발

제 4 장 전자기를 이용한 Deburring M/C 제작

제 1 절 시스템 설계

제 2 절 시스템 제작

제 5 장 마이크로 버 가공기술 및 성능평가

제 1 절 전자기 연마 스핀들 시동 및 정지

제 2 절 전자기 연마 스핀들 주축 회전정밀도

제 3 절 자속밀도 실험 검증

제 4 절 효율성 검증

제 5 절 마이크로 Burr 제거 성능평가

제 6 장 결 론

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제 1 장. 서 론

제1절. 기술개발의 필요성

1. 기존 기술(또는 제품)의 문제점과 개선 필요성

□ 세계속에서 국내 반도체 장비시장의 문제점

￮ 연도별 세계반도체 장비 시장에서 국내 장비시장이 차지하는 비중- ‘96년 17%

- ‘97년 9.3%

- 2000년 : 8.6%

와 같이 지속적으로 떨어지고 있으며, 여전히 선진국 업체들의 직접투자, 합작투자

가 이루어지고 있다.

이는 국내 반도체 장비시장의 조속한 국내 국가기술개발이 시급하다고 말할 수 있

으며, 전 세계적으로 국가별 반도체 장비 비중이 제일 떨어져 있는 현실이다.

□ 주요국가별 재료 수입비중과 수입제품을 분석하면 국내 반도체 장비 산업은 일

본에 여전히 크게 의존하고 있다.

◦ 일본으로부터 수입량 : 33.4%

일본 수입 제품 : EMC, Scilicon Wafer, Lead Frame, 감광제, 화학약품

◦ 미국으로부터 수입량 : 5.5%

미국 수입 제품 : Wafer, Speciality Fas, Die Attach

이와같이 국내업체의 생산구조는 자체 생산기술이 취약하여 주로 선진업체와 합작

생산, 반도체 재료업계의 약 80%가 외국기업 자본 및 기술제휴를 하고 있는 실정.

국내 반도체 산업분야에서는 이러한 현실극복이 시급함을 보여주고 있다.

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단위 : 백만불

□ 한국 반도체 산업의 발전방향

◦ 비메모리 산업에 필수적인 파운드리 산업의 전략적 육성

◦ 지식가반형 설계전문 중소 및 벤쳐기업의 육성

◦ 반도체 장비 및 재료산업의 자립기반을 강화

◦ 관민 파트너쉽을 통한 전략적 R&D추진

◦ 기술혁신을 주도할 창의적인 전문기술인력 육성

◦ 국제협력 활성화와 선진업체 기술유치 강화

▣ 전자부품 및 박판 프레임에 대한 현 사업화 진행 및 문제점

현재 반도체 장비의 국산화율은 20%내외로 매우 미흡하다 할 것이며, 도포기, 식

각기, 이온주입기등의 장비는 합작 혹은 기술제휴로 국내기업에서 생산하고 있으며,

후공정에 적용되는 조립 장비에대한 국산화율만 30%를 넘을 뿐 거의 대부분은 수

입에 의존하고 있다.

프레스 공정에서 프레임 제작시 1/100mm내로 발생하는 Burr를 줄이기 위한 많은

노력들이 진행되어 왔었다.

• 전해, 화학적 방법을 이용하여 Burr를 제거하기 위한 노력

그러나 화학작용에 의해 재질의 특성변화와 화학용액에 따른 환경적 문제점에 봉착

• 에칭에 의한 리드프레임의 제작 연구

그러나 화학부식방법에 의한 제작이라 제품 정밀도와 에쳔트의 환경적 문제점 봉착

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• 초정밀 리드프레임 금형을 제작하여 프레스 공정 자체에서 Burr발생을 억제하고

있으나, 완전히 제거하기는 한계성에 있으며, 제품당 요구조건에 한하여 정밀금형제

작하고 있는 실정.

생산원가 상승을 초래하는 과정으로 분석되어지고 있다.

이러한 문제점을 않고 있는 리드프레임 제조 공정에 있어서 기계연마공정을 거쳐

리드프레임의 Burr을 완전히 제거 하는 기술은 반도체 시장에서 원가절감에 큰 효

과를 줄것으로 분석하고 있다.

2. 적용 확대성

• 마이크로 가공기술 적용가능

아울러 앞으로 국제경쟁력을 키우고 기술우위를 점하기 위해서 현재 선진공업국에

서 활발한 연구가 수행되고 있는 초정밀 마이크로가공기술 중에서도 마이크로자기

연마법(Micro-magnetic polishing)이 포함되어 그 효용성을 입증하고 있으므로 이

분야의 연구가 국내에서도 수행되어야 하는 필요성이 대두되고 있다.

• 산업계의 현장 보급화 및 고부가가치성 실현을 위한 자성지립 개발

자기연마법의 산업계 보급과 활용의 극대화를 위해서 자기연마기의 개발과 더불어

자성지립(磁性舐粒,Magnetic abrasive, 자기연마입자, 자성연마재라고도 함)의 개발

이 병행되어야 할 것이다.

현재 사용되고 있는 자성지립은 수입에 의존하고 있을 뿐만 아니라 수명과 효율이

낮은 고가의 제품이므로, 국내에서 장수명, 고효율의 값싼 자성지립의 개발이 필요

하다.

제2절. 국내․외 관련기술의 현황

• 구소련의 적용 사례

연마가공의 자동화에 강력한 가공법의 하나로 등장한 것이 본 과제에서 수행하고자

하는 자기연마법이다. 이 자기연마법은 ‘70년재 중반 구소련에서 착상되어 불가리

아 구동독 등에서 개발되었다.

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• 일본의 적용 사례

일본에서는 1981년도에 도입, 우쯔노미야(宇都宮)대학, 토오쿄오(東京)대학 및 일본

理化學硏究所 등에서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있으며, 현재 금형 및 각종

기계부품 등의 연마는 물론 버제거(DebuTing)가공에 널리 이용되고 있다. 최근 일

본에서는 아주 작은 기능성 기계부품을 제작하는 초정밀마이크로가공기술의 하나

로 마이크로자기연마법(Micro-magnetic polishing)을 도입 실용화하고 있다.

• 국내 연마기술 현황

국내의 경우는 본 과제의 총괄책임자인 본인이 ‘90년대 초반부터 이 분야에 관심을

가지고 연구를 시작하여 1993년부터 1년간 일본동경대학과 이화학연구소에서 이

분야의 연구를 한 것이 국내 처음이라 생각되며, 지금도 자기연마 고효율화 및 자

성지립개발에 관해 일본 이화학연구소와 같이 국제 공동 연구를 계속하고 있다.

제3절. 기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안

• 연마숙련공 인력확보의 어려움의 해소와 생산성 및 품질향상

연마숙련공에 의존해 왔던 연마가공의 인력확보의 어려움의 해소와 생산성 및 품질

향상에 크게 기여할 것으로 확신한다.

• 자유곡면 금형의 자동 연마기술

연마기술은 각종 기계부품가공업계나 금형업계에서 없어서는 안될 분야이다.

연구를 통해서 개발되는 3축제어 CNC자력자동연마기는 연마자동화는 물론 지금까

지 공장자동화의 걸림돌이 되어왔던 연마공정의 자동화로 공장자동화의 실현을 앞

당길 것이다.

• 박판프레스 가공물의 버-제거가공

자기연마법은 전기·전자부품의 박판프레스 가공물의 버-제거가공에도 강력한 가공

법으로 대두되고 있으며, 그 효용성은 매우 높은 것으로 판단되고 있다. 이들 제품

생산라인에 자기연마시스템을 잘 구성하면 프레스가공한 다음 바로 버-제거가공이

이루어지도록 하여 완전자동화가 가능하다.

• 환경 친화적 연마기술

그리고 지금까지 이같은 박판프레스물의 버-제거가공은 전해연마가공에 의존해 오

고 있으나 자기연마법을 응용하면 몇 배의 생산성과 품질 향상을 가져올 수 있고,

전해액으로 인한 오염도 방지할 수 있어 대체가공법으로 그 활용도의 확대가 기대

된다.

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제 2 장. 전자기 연마 헤드 설계 및 제작

제1절. 자기연마 기술의 구성과 원리

기본적인 장치는 연마공구인 전자석과 자성지립, 전원장치, 그리고 이것을 장착·회

전시킬 수 있는 공작기계로 구성되어 있으며, Fig. 2.1에 자기연마장치의 개념도를

표시하였다. 공구인 전자석 철심의 재질은 SM45C로 Flat end, Ball end, Round

end 등 여러가지 형상으로 제작하여, CNC공작기계의 주축에 장착하고, 회전과 이

송운동을 주어 복잡 형상의 연마도 가능하게끔 하였다. 철심과 공작물 사이에는 수

mm의 간극을 주고, 이 간극에 자성지립을 채우고 직류전류를 통하면 자화된 입자

는 철심선단으로부터 공작물까지 부러쉬상으로 정렬되며, 이것이 유연성을 가진 연

마숫돌이 된다. 아울러 공작물이 철 등의 강자성체의 경우 공작물 자신도 자화되어

입자를 흡인하게 된다. 이것이 연마의 가공압으로 작용하여 연마가 이루어지게 된

다.

Fig.2.1 자기연마가공기술의 구성과 원리

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제2절. 자기연마의 활용기술 및 응용

연마 및 다듬질가공에는 고정숫돌을 이용하는 연삭을 비롯해서 벨트연삭, 버프연마,

배럴연마, 분사가공, 브러쉬연마, 입자유동가공, 전해연마, 화학연마 등이 있다. 열

거한 이들 연마법과 비교하여 자기연마법의 주된 장점을 열거하면 다음과 같다.

종래 연마기법과의 차별성

i) 연마장치의 구조가 간단하고 저렴하다.

ii) 자기연마공구를 범용 및 CNC공작기계에 쉽게 장착·사용이 가능하다.

iii) 가공 시 가공변질층의 생성이 없다.

iv) 복잡한 凹凸이 있는 면이나 곡면연마에도 공구와 공작물이 비접촉으로 연마

입자에 유연성이 있으므로 복잡형상의 공작물에도 적용이 가능하다.

v) 절삭과 연마가 동일한 기계에서 공작물의 착탈없이 가공되므로 가공시간 단

축과 정밀도 유지가 용이하다.

vi) 절삭 시의 NC데이타를 그대로 연마가공에의 이용이 가능하다.

(a) Polishing with Grinding Wheel(b) Polishing with Magnetic Polishing

Tool

Fig. 2.2 종래 연마가공 기술과의 차별성

이 자기연마법의 응용분야는 복잡하고 다양한 형상을 가지는 금형제품의 연마가공

에 주로 이용되며, 그 외 각종 기계부품의 연마가공에 응용되고 있다. 또 한편으로

는 여러 형상의 기계제품, 특히 박판 프레스 제품의 버-제거 가공에도 이용되고 있

으며, 그 응용분야는 날로 늘어나리라 생각된다.

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제3절. 자기 연마장치에 있어서 해결 과제

자기연마에 대한 여러 가지의 장점에 대하여 나열을 하여 왔다. 그러나 지금현재의

시스템으론 실험단계의 시스템이라 보아도 될 것이다.

연마를 하기 위하여 철심을 회전을 시키는 도중 다음과 같은 문제들이 발생한다.

• 철심 회전시 베어링도 같이 자화되어 볼 베어링의 볼이 심한 마모현상이 발생하

여 자기연마 헤드 장치의 회전체 부의 수명이 오래 가지 못하는 단점이 있다.

• 전자석은 코일을 700-1500회로 감아 만들고 DC전원을 지속적으로 공급될 경우

(60분이상) 열발생이 심하게 발생하는 현상, 이러한 현상으로 자력이 기존의 성능

보다 70%로 떨어지는 경우가 발생.

• 전자석의 자속밀도가 떨어짐과 동시 연마효율이 떨어 지는 현상이 두드러지며,

연마 입자 탈락현상으로 인하여 연마가공비의 가공 원가가 상승하는 결과를 초래한

다.

• 외관상 내부 코일이 드러남으로써 상품의 가치성으로는 떨어짐으로 제품의 판매

에 한계성을 드러내고 있다.

Fig.2.3 자기연마장치 구성도 및 가공기술 확보 장면

Fig. 2.3에서 보는 것 과같이 코일주변에 자기장이 형성이 되는 기본적인 개념을

이용을 하였으나 코일에서 발생하는 열발생 문제, 자력에 의한 베어링의 수명 단축

성, 회전의 원활성등을 재고해야할 필요성이 있는 것으로 분석되어 진다.

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Fig.2.4에서 보는 바와 같이 자속의 밀도와 전류치는 비례관계에 있기 때문에 열발

생으로 인한 자속밀도 문제는 상품화로성의 심각한 문제로 제기되고 있다.

(a) 전류치와 자속밀도의 상관관계 (b) 온도 상승에 따른 전류치 저하의 변화

Fig.2.4 시간에 따른 코일에 의한 온도상승과 전류치와 자속밀도와의 관계

제4절. 이론적 설계

◈ 강 자속밀도 향상을 위한 철심 설계

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순수하게 코일에 전류를 흘리게 되면 철편을 흡인할만한 힘은 없지만 위의 그림처

럼 코일중에 철심을 넣으면 이 철심은 갑자기 강한 자석이 되어 작은 철편을 넣음

으로써 코일의 자력은 현격히 커진다.

이것은 코일의 자력선이 철심 속을 지마면 철심중에 자화선이라고 하는 자기적인

힘을 가진 선이 생긴다. 이 자화선과 자력선을 합친 작용이 자속에 해당하는 데 철

과 같은 강자성체를 코일 중에 넣음으로써 자석의 힘이 투자율 배만큼 커진다. 강

자성체인 철심이 코일을 감은 것은 전류를 흘렸을 때만 강력한 자석이 되고 전류를

끊으면 자석의 성질을 상실하므로 전자석이라고 한다.

철심에 연철을 사용하면 전자석이 되지만 철심이 강철인 경우에는 절류를 끊어도

자기가 조금 남는다. 이처럼 전자석의 특성과 자기연마기가 가져야 하는 특성을 잘

부합하기 위한 과제중의 하나가 철심을 고려한 자기연마헤드 설계라 할 수 있다.

이러한 설계를 위하여 일명 Hysterisis curve라고 하는 해석이 필요하다. 자성재료

마다 제각기 특유한 곡선으로 나타나기 때문에 이 곡선을 해석하면 잔류자속밀도

(Br)나 보자력(bHc, iHc) 또는 최대에너지적(BH max)과 리코일투자율 등을 알 수

있어 이곡선의 물리적 해석을 이해하는 것은 강자기 연마 헤드설계에 있어서 중요

하다고 할 수 있다.

자계의 생성

전류에 의해 유도되는 자계의 기본법칙은 암페어의 법칙이다.

여기에서 H는 전류 Inet에 의해 유도되는 자계세기이다. SI 단위계에서 |의 단위는

암페어이고 H의 단위는 amper-turn/meter이다. 이러한 등식을 잘 이해하기 위해서

그림 2.5의 간단한 예에 이 공식을 응용해 보면 도움이 될 것이다. 그림 2.5은 철

심의 한쪽에 N번 권선을 감은 직사각형의 철심을 보여주고 있다. 철심이 철 내지는

다른 어떤 유사한 금속으로 되어 있으며 (이들을 강자성체라고 부른다), 필연적으로

전류에 의해 유도되는 자계는 철심의 안쪽에 존재하고 그래서 암페어 법칙의 적분

구간은 철심의 평균 행정길이가 된다. 권선의 코일은 전류 |가 흐르는 동안에 적분

경로는 N 배로 나누어지기 때문에 적분 경로안에서의 통과하는 전류 Inet는 Ni가

된다. 그래서 암페어 법칙은

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가 된다. 여기에서 H는 자계세기 벡터H의 크기이다. 그래서 전류의 인가에 의한 철

심안에서의 자계세기의 크기는

가 된다. 자계세기H는 자계의 형성에 기여하는 전류의 효과에 대한 측정치이다.

Fig. 2.5 철 심

철심에 유기되는 자속은 또한 철심을 구성하는 물질에 의존한다. 자계세기H와 물질

안에서 유기되는 자속밀도B사이의 관계는

로 주어진다.

여기서 H= 자계세기

μ = 물질의 투자율

B= 자속밀도

자성체 내에 만들어지는 실제 자속밀도는 두 항의 곱으로 주어진다.

H : 발생하는 자계를 형성시키는 전류의 상징적인 효과

μ : 주어진 물질 안에서 자계를 형성하는 정도

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자계의 세기 단위는 ampere-tum/meter이며, 투자율의 단위는 henry/meter이고 결

과적인 자속밀도의 단위는 tesla(T)로 알려진 weber/meter2이다.

자유 공간에서의 투자율은 μ0 라고 부르고, 이것의 값은

자유 공간의 투자율에 대한 다른 물질의 투자율을 비투자율이라고 한다.

비투자율은 재질의 자화능력을 비교하는 방법이다. 예를 들면 현재의 기계에 사용

되는 철은 2000에서 6000이나 그 이상의 비투자율을 가지고 있다. 이것은 주어진

전류의 양에 대해 2000에서 6000배의 더 큰 자속을 공기만 있는 지역에 비해 철심

에서 형성한다는 것을 의미한다. 명확하게 변압기와 전동기의 철심은 이 장치에 자

속의 증가와 집중에 있었서 극히 중요한 부분으로 역할을 한다.

또한 철의 투자율은 공기의 투자율보다 매우 높기 때문에 그림 2.5과 같은 철심에

서 큰 자속의 양은 매우 낮은 투자율을 갖는 주위의 공기를 통과하기보다는 철심의

안쪽을 통해 남아 있게 된다. 철심에서 떠나는 작은 누설 자속은 변압기나 전동기

에서 코일들 사이의 자속쇄교수와 코일들의 자기인덕턴스를 결정하는 데 매우 중요

하다. 그림 2.5에서와 같은 철심에서는 자속밀도의 크기는

로 주어진다.

주어진 공간에서의 전체 자속은

로 주어진다. 여기서 은 면적의 미분 요소이다. 만약에 자속밀도 벡터가 그 공간 에

대해 수직이고 자속밀도가 그 공간에서 일정하다면 이 방정식은

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로 줄일 수 있다. 그래서 그림 4.1에서 권선의 전류 에 의한 전체자속은

로 주어진다. 여기서 는 철심의 단면적이다.

자기회로

식 (2-9)에서 철심의 주위에 감겨진 권선에 전류가 흐르면 철심에 자속을 만든다는

것을 알 수 있다. 이 전류는 전류의 흐름을 만드는 전기회로에서 전압과 유사한 역

할을 한다. 전기회로에서의 전압 방정식과 유사한 방정식에 의해 지배되는 자계회

로를 정의할 수 있다. 자기회로 모델은 전기기기나 변압기의 매우 복잡한 설계과정

을 간략하는데 종종 사용된다.

그림 2.6(a)에 보여주는 것처럼 간단한 전기회로에서 전압, 저항이 연결된 회로에

전류 를 흘려준다. 이런 양들 사이의 관계는 오옴의 법칙으로 주어진다.

Fig. 2.6 (a)전기회로 (b)변압기 철심자기회로의 전기적 등가회로

전기회로에서 전압 내지는 기전력은 전류를 흐르게한다. 이와 유사하게 전기회로의

쌍대적인 양을 기자력()이라 부른다. 자기회로의 기자력은 철심에 인가되는 유효한

전류와 같다.

- 19 -

여기서 는 기자력의 기호이고 단위 ampere-turns 이다.

전기회로의 전압과 같이 자기회로의 기자력은 극성을 갖는다. 기자력원에 자속이

발생하는 한쪽 끝이 이고 자속이 다시 들어가는 쪽이 이다.

권선의 코일로부터 기자력의 극성은 오른손 법칙을 사용하여 결정할 수 있다. 만약

오른손을 고리 모양으로 했을 때 손가락들이 권선 코일의 전류의 방향이라면 엄지

손가락은 기자력의 정의 방향이 될 것이다. 전기회로에서는 인가된 전압에 의해 전

류가 흐른다. 유사하게 자계회로에서 인가된 기자력에 의해 자속가 유도된다. 전기

회로의 전압과 전류사이의 관계는 오옴의 법칙 ( ) 이다. 유사하게 기자력과 자속사

이의 관계는

이다. 여기서 =회로의 기자력, Φ=회로의 자속, R=회로의 자기저항 이다.

Fig.2.7 자기회로에서 mmf의 극성

자기회로의 자기저항은 전기저항의 상대적인 양이다. 단위는 ampere-turn/weber이

다.

여기서 또 도전율에 대한 자기회로에서의 정의가 있다. 전기회로의 도전율이 전기

저항의 역수인 것과 같이 자기회로의 도자율(permeance)는 자기회로의 릴럭턴스

(reluctance)의 역수이다.

- 20 -

기자력과 자속사이의 관계는

로 나타낼수 있다. 어떤 상황에서는 자기회로의 자기저항보다는 도자율로 나타내기

가 더 쉽다. 그림 4.1의 철심의 자기저항은 무엇인가. 이 코일의 발생된 자속은 식

(4-9)에 주어진다.

식 (2-13)을 (2-14)와 비교해보면 철심의 자기저항은

라는 것을 알 수 있다. 자기회로의 자기저항은 전기회로의 저항과 같은 역할을 한

다.

직렬로 된 많은 자기저항들의 등가 자기저항은 개개의 자기저항의 합이다.

유사하게 병렬의 자기저항은 공식에 따라 합쳐진다.

- 21 -

직렬과 병렬 회로에서 퍼미언스(permeance)는 전기적 도전율과 같은 역할을 한다.

자기회로 개념에 의해 이루어지는 철심에서의 자속의 계산은 항상 근사적이다. 잘

해야 그들은 실제 값에 대략 5%오차 안에서 계산되어진다. 이러한 고유의 부정확

성에 대한 이유들이 몇가지가 있다.

1. 자기회로 개념에서 모든 자속은 철심안에서 존재한다고 가정한다. 그러나 이것

은 그리 정확한 것은 아니다. 강유전체의 투자율이 공기의 2000에서 6000배이지만

철심에서 주위 낮은 투자율의 공기로 자속의 일부는 도망간다. 철심 밖의 이런 자

속을 누설자속(leakage flux)이라 부르고 이것은 전기기기의 설계에서 중요한 역할

을 한다.

2. 자기저항의 계산에서 철심의 어떤 평균 경로 길이와 단면적을 가정한다. 이런

한 가정은 그리 정확한 것은 아니다. 특히 모서리에서 틀리게 된다.

3. 강자성체에서 투자율은 물질 안의 자속의 양에 따라 변화된다. 이런 비선형적인

효과는 아래에 자세히 설명되어 있다. 자기회로 해석에 다른 오차의 원인이 더해진

다. 자기회로의 계산에 사용되는 자기저항는 재질의 투자율에 의존한다.

4. 만약 철심 안의 자속경로에 공극이 있다면 공극의 유효단면적은 각각의 철심의

단면적 보다 더 크다. 이런 극한 유효 단면적은 공극 프린징효과에 의해 발생한다.

이런 오차의 원인들은 계산에서 실제 길이, 면적 대신 정확하고 유효한 평균경로

길이나 단면적을 사용하므로서 줄일 수 있다. 자기회로의 개념에 대해 많은 제약들

이 있지만 실질적 기계설계에서 자속의 계산에서는 아직 유용한 가장 쉬운 설계도

구이다.

멕스웰 방정식에 의한 정확한 계산은 아주 어렵고, 어떤 면에서 불필요하다. 만족할

만한 결과는 이런 근사적인 모델로서 얻을 수 있기 때문이다.

- 22 -

Fig.2.8 철심공극에서의 프린징 효과로 유효단면적의 증가

예제 4-1 강자성체 철심이 그림 2.9(a)에 나타나 있다. 철심의 3변의 넓이는 같고

4번째 변은 다소 좁다. 철심의 깊이는 10㎝이다. 그리고 다른 치수들이 그림에 표

시되어 있다. 철심왼쪽편에 코일이 200회 감겨있다. 비투자율은 2500이라 가정한

다면, 1 A 전류에 의해 자속은 얼마나 생성되는가?.

풀이) 철심 3곳의 단면적은 같고, 나머지는 다르다. 그러므로 철심은 두 영역으로

나뉜다. (1) 얇은 한쪽 (2) 나머지 3부분. 이에 대한 등가회로는 그림 2.9(b)에 있

다.

영역(1)의 평균경로는 45㎝, 단면적은 ㎝=100이다. 첫 영역의 릴럭턴스는

이다. 영역 2의 평균자로는 130cm, 단면적은 cm=150이다. 그러므로 두 번째 영역

의 릴럭턴스는

이다. 그러므로 철심의 총 릴럭턴스는

- 23 -

Rea = R1+R2

= 14,300+27,600 = 41,900 [A․turns/Wb]

이다. 총 기자력은

이고 철심의 총자속은

그림 2.9 (a)예제 4-1의 자성체 철심 (b)철심의 등가회로

강 자성체의 성질

이 절의 첫부분에서 자기투자율을 식

- 24 -

에 의해 정의되었다. 강자성체의 투자율은 자유공간의 투자율보다 6000배 이상 높

다는 것은 설명되었다. 이번 논의와 앞으로의 예제에서는 투자율은 물질에 인가되

는 기자력에도 불구하고 일정한 것으로 가정한다. 비록 자유공간에서 투자율은 일

정하지만 대부분의 철이나 다른 강자성체는 그렇치 않다. 강자성체에서 자기의 투

자율의 동작에 대해 설명하기 위해 그림 2.5에서 보여진 철심에 직류를 0에서 최대

허용 전류까지 점진적으로 상승해 보자. 철심에 유도된 자속을 기자력에 대하여 점

을 그려보면 결과적인 표는 그림 2.10(a)와 같이 될 것이다. 이런 종류의 표를 포

화곡선(saturation curve) 내지는 자화곡선(magnetization Curve)이라고 부른다.

처음 부분에서는 기자력의 증가가 작아도 자속의 증가는 크다. 어떤 지점을 통과후

기자력을 더 증가시키 처음 부분에서는 기자력의 증가가 작아도 자속의 증가는 크

다.

(a) (b)

(c)

그림 2.10 (a)강자성체의 자화곡선 (b)B-H 곡선 (c)상세한 자화곡선

(d)H에 따른 비투자율 곡선

- 25 -

어떤 지점을 통과후 기면 자속은 상대적으로 적게 증가한다. 마지막 지점에서 기자

력의 증가는 자속을 거의 변화시키지 않는다. 곡선의 평평한 영역을 포화영역

(saturation region)이라 불리운다. 그리고 철심은 포화되었다고 한다. 대조적으로

자속의 변화가 매우 급격한 지역의 곡선은 비포화영역(unsaturated)이라고 한다. 포

화지역과 비포화 지역사이의 변화 지역은 때때로 곡선의 변곡점 (knee)이라 불리운

다.

다른 유사한 관계의 표는 그림 2.10(b)에서 보여진다. 그림 2.10(b)는 자계세기 H

에 대한 자속밀도 B의 그림이다. 식 (4-3)과 식 (4-8b)로부터

자계세기는 기자력에 직접 비례하고 자속 밀도는 어떤 주어진 철심에서 자속에 직

접 비례함을 알 수 있다. 와 사이의 관계는 자속과 기자력 사이의 관계와 같은 모

양을 하고 있다. 그림 2.10(b)에서 어떤 의 값에서 자속밀도에 대한 자계세기곡선

의 기울기는 그 자계세기지점에서 철심의 투자율이다. 투자율은 비포화 지역에서는

크고 상대적으로 일정하다. 그리고 철심이 심하게 포화됨에 따라 매우 낮은 값으로

떨어진다. 그림 2.10(c)는 더 상세하고 대수적 크기의 자계크기를 보여주는 전형적

인 철심의 자화곡선이다. 대수적으로 보여지는 자화크기에 있어 곡선의 가장 큰 포

화 지역은 그래프에서 고정될수 있다. 변압기와 전기기기에 사용되는 철심을 강자

성체 물질로 사용할 때는 공기보다 철에서 주어진 기자력에 대해 더 많은 자속을

얻을 수 있다는 것이다. 그러나 만약 발생한 자속이 인가된 기자력과 비례한다면

철심은 자화곡선의 비포화지역에서 작용되어야 한다. 자화곡선의 비선형적인 모양

은 후에 설명할 전기기기와 변압기의 많은 중요한 성질들을 설명해 준다.

예제 4-2 정방형 철심이 평균 경로가 55cm이고 단면적이 150cm2이다. 철심의 한

쪽편에 권선코일이 200회 감겨있다. 철심은 그림2.10(d)에 나타나있는 자화곡선의

재질로 만들어져있다.

( a) 철심에 0.012wb의 자속을 만드는데 얼마의 전류가 필요한가?

( b) 이 전류 크기에서 철심의 비투자율은 어떠한가.?

( c) 자기저항은?

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풀이) (a) 철심에서 요구되는 자속밀도는

이다. 그림 4.6(c)로부터 요구되는 자계세기는

이다. 식(2-10)으로부터 이 자계세기를 만드는데 필요한 기자력은

이다. 그러므로 필요한 전류는

이다.

(b) 이 전류에서의 철심 투과율은

이므로 비투자율은

이다.

- 27 -

(c) 철심의 릴럭턴스는

이다.

▣ 자속밀도 (B)와 자화력(H)

• 자속밀도

자기회로를 닫고 있는 환상 철심에 코일을 감아서 전류를 흘렀을 때 기자력 I

×N[AT]에 의해서 φ[Wb]의 자속이 생겼다고 하고 철심의 단위면적당 어느 만큼의

자속이 있는가는 철심의 단면적을 A[㎡]이라고 하면

이 된다. 이 B를 자속밀도라고 한다. 자속밀도의 단위는 웨버/평방미터[Wb/㎡]라

도 좋지만 테슬러[T]를 사용할 때도 있다.

자기회로에 생기는 자속은 코일의 군수와 그것에 흘리는 전류의 곱에 의혀서 결정

된다. 바꾸어 말하면 전류를 2배로 하여도 같은 양의 자속을 발생시킨다. 전자석이

자화되는 강도는 전류와 코일의 곱에 비례한다. 그래서 전류×코일의 권수를 기자력

이라고 하여 단위로는 암페어 회수 또는 암페어턴[AT]을 사용한다. 이 기자력에 의

해서 자속이 자기회로를 지나서 흐른다고 생각하면 자기회로에도 자속의 지나가기

쉽고 어렵고가 있을 것이다. 이것을 자기회로 의 옴 법칙이라고 한다.

기 호 단 위

기 자 력 I×N AT

자 속 φ Wb

자기저항 R AT/Wb

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자기회로에서 자기회로의 자기저항 R에 기자력 I×N을 더함으로써 자속 φ가 생긴다

고 생각 할 수 있어서 전기회로와 동일하게 생각할 수 있기 때문이다. 코일에 철심

을 넣는다는 것은 자속이 지나가기 수 운재료로 길을 만들어 주는 것이므로 자기

저항을 작게 하는 것에 상당한다.

본 연구에서는 자기저항에 의한 영향으로 인하여 자속밀도의 크기가 코일의 양과

일치하는가에 대한 연구의 필요성을 인식하고, 코일의 양이 많다고 하여 자속밀도

치가 우수한가에 대한 실험을 하였다.

Fig.2.11 코일의 양을 달리한 자기연마해드

Fig.2.11의 그림 처럼 직경 0.8mm, 순도 99.99%인 코일을 1400회, 2500회, 4800

회 각각 달리하여 자속밀도를 가우스 미터기를 이용하여 직접 측정실험 하였다. 실

험결과 코일의 양이 제일 많은 4800회의 자속밀도는 0.9T, 2500회에서는 1.3T, 그

리고 양이 제일 적은 1400회에서는 1.5T로 가장 자속밀도가 높게 나왔다. 이는 코

일의 저항이 자속밀도 저하를 초래하는 것으로 사료되어진다.

- 29 -

Fig.2.12 코일의 양에 따른 자속밀도

•자화력 (H)

기자력 I×N은 전기호로의 전지 처럼 1개소에 모여 있는 것이 아니라 자기회로 전

장에 걸쳐 평균적으로 퍼져 있다고 생각된다. 그래서 자기회로의 단위 길이당 기자

력을 자화력이라고 하고 자기회로 중에서의 자계의 세기와 일치한다. 이 자화력을

H로 나타내고 자기회로 전장을 I[m]이라고 하면

이 된다. 자화력 똔느 자계의 세기 단위는 암페어턴/미터[AT/m]지만 이것은 CGS

단위로는 에르스테르[Oe]였다. 이 자속밀도 B와 자화력 H의 사이에는 자기회로를

구성하는 재료에 따라서 경정되는 일정 관계가 있다.

어떤 자기회로에 H라는 세기의 자화력을 더하여 자속을 발생시켯을 때 그 자속밀

도가 B가 되었다고 하면 B/H는 어떤 자화력을 더하였을 때의 자속이 형성되는 용

이성을 나타내므로 이것을 투자율이라고 하여 μ 의 기호를 사용한다.

가 된다.

투자율의 단위는 헨리/미터[H/m]지만 진공의 투자율을 μ0로 하였을 때 어떤재료의

μ 를 μ= μs×μ0로 하여 진공의 μ 와 비교하여 나타내었을 때 μs를 비투자율이라고

한다.

- 30 -

진공의 μ 는 4π×10-7[H/m]여서 어떤 재료의 μs는 단위가 없는 값이 된다. 일반적

으로 이 μs를 사용하는 쪽이 보통이고 공기의 μs는 거의 1에 가깝고 대부분의 물질

도 동일하게 1에 가까운 값이지만 철, 니켈, 코발트, 망간 및 이것들의 합금은 극히

큰 μs의 값이 된다. 이것들이 강자성체가 되는 것이다.

• 자화곡선

철 등의 자성 재료로 된 고리에 코일을 감아서 이것을 전류를 흘려 자화력 H를 점

차 높여 가면 이것과 함께 자속밀도 B가 증가한다. 그런데 이 경향은 자기회로가

철과 같은 강자성체로 되어 있는 경우에는 H와 B가 비례하지 않고 H를 가로축 B

를 세로축에 작고 그래프를 그려 보면 아래 그림과 같이 된다.

H가 작은 동안은 H의 증가에 대하여 B는거의 비례하여 직선적으로 증가해 가지만

H가 큰 곳에서는 H의 증가에 대한 B의 증가 비율은 점점 포화되어 간다. 이와같은

H와 B의 관계를 나타내는 곡선을 자화 곡선 또는 BH 곡선이라고 한다.

많은 자성 재료가 이와같은 자기 포화의 경향을 나타내므로 포화곡선이라고도 한

다.

- 31 -

Fig. 2.13 SCM3, SUSj2의 자화곡선

따라서 이와같은 이론을 바탕으로 하여 본 개발애 있어서 자화력을 높이기 위한 재

료를 분석한 결과 SCM3, SUj2가 효율성이 있는 것으로 분석이 되었다.

Fig.2.13의 자화곡선을 분석하면 자기장의 세기는 SUJ2가 조금 우수하다고 볼수

있으나 자속밀도치가 SCM3가 우수한 것을 볼 수 있다. 자기연마에 있어서 자기장

의 세기보다는 자속밀도의 향상은 자기연마입자 부착의 조밀성을 의미할 수 있어서

연마를 하는데 있어서 SCM3 재료가 조금더 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.

• 비 투자율

2개의 자극을 서로 마주보게 하였을 때 작용하는 힘을 쿨롬의 법칙에 따르지만 이

때의 미례상수 K는 공간의 물질종류와 각량의 단위를 잡는 방법에 따라서 다르며

길이에 미터[m], 자극의 강도에 웨버[Wb], 힘에 뉴턴[N],을 사용하여도 K는 1이

되지 않고 공간의 물질의 종류에 따라서 자력이 미치는 방식이 다르다. 그래서 진

공의 경우를 기준으로 하여 물질의 종류에 따라서 이것보다도 어느 만큼 자극에 의

한 쿨롬력이 약해지는가를 비교하여 이 상수를 투자율이라고 하여 μ 로 나타낸다.

진공중의 투자율을 μo로 하고 일반 물질에서의 투자율 μ 와의 비를 비투자율 μs라

고 하여 물질의 비투자율 = 물질의 투자율/진공의 투자율 로 나타낸다.

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본 개발 연구에서는 철심을 제외한 코일을 지지하는 부에 대하여 자성의 투과율을

높이기 위한 방안으로 소재를 알류미늄을 선택하여 코일 지지부를 선택하여 설계

및 제작에 임하였다.

Fig.2.14 알루미늄을 이용한 연마헤드 구성

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• 냉각자켓 설계

장시간 코일에 DC전류를 흘려 보낼 경우 코일에 저항치에 의한 열발생이 심각한

문제로 대두되고 있다. 이를 해결하기 위한 하나의 방안으로 냉각방법을 어떻게 수

행하야 할것인가에 초점을 맞추어 공냉식의 냉각법과 수냉식의 냉각법을 고려해 본

결과 산업현장에 사용하는데 있어서 부가적인 장치를 따로 설치해야하는 수냉식 냉

각법 보다는 일정 한계영역만 극복된다면 공냉식의 냉각에도 적용이 가능한 냉각

법을 이용하기로 하였다.

결국 냉각자켓을 코일외벽에 안착을 하고 공기 냉각 혹은 수냉을 시키는 설계를 시

행하였다.

(a) 냉각 자켓 (b) 냉각자켓 하우징

Fig.2.15 설계 제작한 냉각자켓 및 하우징

냉각자켓을 설치하여 공냉을 수행하면서 실험한 결과 다음 Fig.16 과같은 효율성을

얻을 수 있었다.

(a) 연마혜드 외부의 온도변화 (b) 연마헤드 내부의 온도 변화

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(c) 시간에 따른 용도변화 실험

Fig.2.16 시간의 변화에 따른 냉각효과에 관한 실험

Fig.2.10의 (a),(b)의 결과를 분석하여 보면 공냉을 하지 않은 온도 변화와 공냉에

의한 온도변화의 현격한 차이점을 볼 수 있다. 결국 공냉에 의한 방법으로도 코일

내부에서 발생하는 냉각을 충분히 효과적인 냉각이 가능함을 알 수 있다.

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제 3 장. 자기연마입자 개발

자성지립은 자성을 뜀과 동시에 연마작용을 하는 연마입자이다. 일반연마입자는 자

성을 갖지 않으므로 연마입자와 입자를 결합시키는 결합제로 강자성체인 철(Fe)을

사용하여 자성을 띄게 하고 연마입자는 연마작용을 하게 하는 것이다. 연마입자와

철을 어떻게 견고하고 균질하게 결합시키느냐 하는 것이 자성지립의 장수명화와 연

마효율 향상의 주된 과제이다.

자성지립을 제조하는 방법에는 소결법, 용융법, Mechanical Alloying법 등 몇 가지

방법이 있으나 제조시간이 길고, 제조원가가 많이 들며, 수명이 짧고 연마효율이 낮

다는 결점을 갖고 있다.

이들 문제점을 개선하기 위하여 분말야금법과 아아크용접법을 조합한 방법과 플라

즈마용접기를 이용한 자성지립제조법으로 자성지립을 제조하였다. 제조방법이 간단

하고 연마입자와 결합제인 철과의 결합이 강하고 균질하여 자성지립의 장수명화와

연마효율을 향상시킬 수 있는 제조법으로 판단된다.

분말야금법과 아아크용접법을 조합한 방법은 Fe와 연마재(NbC, B4C, Al2O3)를 균

일하게 혼합한 후 CIP와 일축 양방향프레스를 이용하여 성형하였다. 이 때의 성형

압력은 CIP의 경우는 2500bar로 300초간 실시하였으며, 일축양방향성형은 70kg/㎠

으로 가압하였다. 가압한 성형체는 아아크용접기의 순간적인 융해열과 플라즈마 용

해로를 이용하여 복합성형체 내의 Fe를 용융시켜 복합소결체를 제조하였다. 융해열

은 소결시편의 표면이 융해열에 의하여 적당히 용융되어질 때까지 가열한 후 공냉

하였다. 용해 분위기는 대기중에서와 아르곤분위기에서 각각 행하였다. Fe-연마재

소결시편은 파쇄ㆍ분급하였다.

그러나 이 방법으로 제조된 자성지립은 결합력이 약해 수명이 짧고 연마효율이 낮

아 제조법의 개선과 더 연구가 필요한 것으로 판단된다.

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Fig. 3.1 플라즈마 용접기를 이용한 자성지립 제조 공정

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Fig. 3.2 자기연마입자 구성을 위한 원형 입자

(a) Fe, (b) NbC, (c) B₄C, (d) Al₂O₃

플라즈마용접기를 이용한 자성지립제조법은 Fig 3.1에 플라즈마용접기를 이용한 자

성지립제조법의 제조공정을 나타내고 있다. Fig 3.1에서 보는 바와 같이 연마입자

와 철분말을 일정 비율로 골고루 배합한 후 이 원료분을 플라즈마용접기에서 용융

시켜 비드(Bead)를 만든다. 이 용접비드를 파쇄하여 메쉬별 체로 쳐서 입경이 각기

다른 자성지립으로 분류ㆍ사용한다. 여기에서 사용된 연마재는 NbC로 Fe와 비중이

거의 같으므로 용해된 상태에서도 균질의 혼합상태를 유지할 수 있다.

Fig. 3.3 진공쳄퍼를 이용한 입자 제조공정

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Fig.3.3 입자별 광학 조직 분석

(a) Fe-NbC, (b) Fe-AI₂O₃, (3) Fe-B₄C, (4) Fe-AI₂O₃

연마재를 자성을 가지게 하기 위해 철과 혼합한 조직을 분석하였다. 분석결과

Fig.3.3과 같은 조직 결과를 확인 할 수 있었는데, 그림에서 보는바와 같이 연마재

중 알루미나와 텅스텐 카바이드 조직성분은 불균일성을 보이는 반면 니오비윰 카바

이드 연마재는 아주 균일한 조직성을 보이고 있다. 조직의 균일성은 연마 및

Deburring의 균일성에 영향을 미칠 수 있는 가능성을 충분히 반영한다고 할 수 있

다.

그림 3.4에 이 제조법으로 만들어진 자성지립의 단면사진을 나타내었다. 그림 3.3

의 사진에서 검은 부분이 연마재이고 하얀부분은 Fe이다. 위의 사진은 Fe와 연마재

의 구성과 결합이 잘된 상태로 이상적이며, 아래 두 사진은 Fe입자가 비정상적으로

많게 나타난 것으로 자성지립으로는 적합하지 않다.

Fig. 3.4 Fe-NbC 연마입자 성분 구성도 및 분포사진

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제 4 장. 전자기를 이용한 Deburring M/C 제작

지금현재 국내에서 생산되고 있는 전자총 부품의 수량은 무궁무진한 수량이라 할

수 있다. 삼성전자, LG전자에서 생산되고 있는 브라운관, 스크린 브라운관의 수요

는 향후 중국시장을 견향한 지속적인 생산 상품이다.

아래 도표는 삼성 SDl에서만 생산되고 있는 전자총 부품의 월 생산량을 나타내고

있다. 삼성전자 뿐만 아니라 LG 전자에서도 생산하고 있는 생산량을 합하면 많은

수량이라 할 수 있다.

Fig. 4.1 브라운관 전자총 및 전자총 부품에 발생한 마이크로 버

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제1절. 시스템 설계

1. 목 적

본 시스템은 전자총 전극에서 3원색 전자가 통과하는 RGB Hole의 마이크로 버를

자력에 의한 방법으로 제거하는 것을 목적으로 한다.

2. 적용 스펙

가. 전원 : AC 220V 3φ 60Hz

나. Air : 4~7kg/㎠

다. SOLENOID : DC 24 V

3. SYSTEM FLOW

부품 방향 결정 PART

⇓JIG CENTERING PART 부품공급을 위한 위치 결정을 한다.

⇓부품 이재 PART 부품을 1EA씩 연마 지그에 공급한다.

⇓JIG 이송 물류 PART 부품공급 및 연마를 위한 JIG.를 이송한다.

⇓CENTERING/이송 PART

공급된 JIG를 CENTERING한 후 주어진 이송속도로

등속운동을 한다.

⇓

BURR 제거 PART

자력을 툴에 공급하여 자력에 의해 유연성 브러쉬

형상을 가진 연마입자를 이용하여 미세 BURR를

제거한다.

⇓취출 PART

BURR를 제거가 완료된 부품을 세정용 바스켓에 적치

시킨다.

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제2절. 시스템 제작

1. 전자기 DEBURRING SPINDLE 제작

2. SYSTEM 구조부 및 부품 제작

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3. SYSTEM 제어부 제작

가. 주축계 회전속도 다변 조정 : 800~300 RPM

나. 이송계 속도변화 조정 : 50~350 mm/MIN

다. 수용성 연마액 공급 회수 장치 구축

리. AIR BLOWER : 2~5 kg/㎠

마. 전자기 연마주축 DOUBLE COOLING SYSTEM

4. SYSTEM 조립

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제 5 장. 마이크로 버 가공기술 및 성능평가

제1절. 전자기 연마 스핀들 시동 및 정지

평가항목 시동 및 정지의 원활성

시험방법범용 밀링기 및 CNC밀링 머신에 탑제하여 10회 시동, 정지를

연속적으로 실시하여 작동의 원활성과 확실성을 시험한다.

시험결과 작동의 원활성 확인

< 비 고 >

작동 원활성 실험

제2절. 전자기 연마 스핀들 주축 회전정밀도

평가항목 자기연마 헤드의 회전 정밀도

시험방법

전자석 연마 헤드를 무부하시 최소속도로 회전하였을 경우 흔들림은

0.01mm 이내 이어야 한다.

• 실험조건

회전정밀도를 측정하기 위하여 용량형 변위센서를 이용하여 밀링공정

에서 이송방향과 픽크피드 방향에 각각 2방향에 설치하여 획득한 신호

를 변위신호로 변환하여 비고란의 그림과 같이 Lissajous로 표현하였

다.

-. 회전속도 : 500 rpm

-. 변위센서 Resolution : 5nm시험결과 회전정밀도 Run-out : 0.005 ~ 0.01 mm

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< 비 고 >

주축계 회전정밀도 실험 변위센서에서 획득한 회전정밀도

제3절. 자속밀도 실험검증

평가항목 자속 밀도

시험방법

전자기 연마헤드를 시동, 정지를 연속 10회 실시한 후 전자석 연마기

헤드 Gauss meter를 측정하였을 경우 자속밀도는 1.3T 이내이어야

한다.

시험결과 자속밀도 : 1.3 ~ 1.5 T (TOOL 끝단 : 0.6~0.8 T)

< 비 고 >

자속밀도 측정용 Gauss meter 자속밀도 측정

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제4절. 효율성 검증

평가항목 자기 연마가공 효율

시험방법

HRC 45이상이고, 60x60x100mm인 기계구조용 강재에서 규정한

SM45C와 크롬 몰리브덴 강재에서 규정한 SCM3의 재료를 사용하여

1시간 연마하였을 경우 연마량은 180mg 이상이어야 한다.

• 실험조건

평면연마용 공구 Flat 엔드밀형, 직경20mm인 공구를 사용하여 시간별

연마량을 측정하여 효율성을 시험하였다.

-. 공구 회전속도 : 1,200 rpm

-. 공구와 시편과의 거리 : 1.2mm

-. 입자의 종류 : 니오비늄 카바이드

-. 입자의 크기 : 150 ~ 200㎛

-. 이송 속도 : 10 mm/min

-. 자속 밀도 : 1.0 T

시험결과 연마 효율(60min) : 180 mg

< 바 고 >

가공 효율성 실험

표면처리 전과 후의 비교모습

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연마 전 ( Rmax : 1.8㎛ )

연마 후 ( Rmax : 0.54 ㎛ )

연마 후 ( Rmax : 0.56 ㎛ )

표면조도 비교

제5절. 마이크로 BURR제거 성능 평가

본 개발에서는 전자총 부품의 전극에 있는 미세 구멍의 버를 제거하기 위하여, 기

조의 전통적인 연마공정이 아닌 자기연마법을 적용하였다. 전극에 대한 펀칭공정

후에는 펀칭 후면에 약 15㎛ 정도의 버들이 형성되게 되며, 이를 전자기 효과를 적

용한 결과 확실한 버(Burr)의 제거가 가능하게 되었다. 이러한 결과를 얻기 위한 최

적의 가공조건 선정 등에 대한 연구가 주로 이루어졌으며, 결과를 바탕으로 하여

본 실험에 적용된 부품들을 실제 필드에서 적용하기 위한 생산성, 비용, 자동화를

고려한 디버링 머신이 제작되어 시스템의 성능과 디버링 효과가 평가 되었다.

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자동화 생산라인 적용시 부품공급, 부품고정, 부품이송, 등의 다각적인 문제가 발생

할 것으로 예상되어 본 연구개발에 적용된 전극 부품을 디버링하기 위한 시스템은

크게 연마부, 전원부, 탱크부, 이송부로 구성되어 있고, 주축회전수와 지그 이송의

변환이 가능하며, 압축공기와 급유장치를 통해 기본적인 유제공급과 세척이 가능하

도록 구축되었다. 본 시스템에서 가장 중요시 되어야 할 부분은 부품의 고정지그와

공구의 형상이다.

1개의 지그에 총 12개의 전극부품이 놓이고, 덮개로 고정되도록 특수하게 제작되었

으며, 공구는 3열 디스크 형태로 제작되었다.

전극부품의 미세구멍은 Fig.5.1에서와 같이 펀칭 작업으로 인해 펀칭 후면에 미소

버가 존재하고, 이로인해 불균일한 형상이 이루어지게 된다. 전극 종류별 초기 버기

존재하는 미세구멍 형상을 Fig.5.2에 나타내었다.

Fig.5.1 마이크로 구멍에 발생한 미세 버(Burr)

Fig.5.2 전자총 부품에서 펀칭가공후 발생한 미소 버의 종류

1. 연마시간에 따른 디버링(Deburring)

연마시간에 따라 구멍형상의 현저한 차리를 Fig.5.3에서 알 수 있으며, 시계방향 한

쪽으로의 주축회전으로 인해 그림의 오른쪽이 심하게 디버링됨을 알 수 있다. 또한

사각형 구멍을 가진 전극 B의 경우에는 원형 구멍을 가진 전극 A와 달리 특정 모

서리 부위가 급격히 디버링됨을 알 수 있다.

자기연마의 원리는 가공물과 연마입자의 상대운동에 의해 연가 되는 것으로 자성체

인 전극 A,B 비해 비자성체인 전극 C에 대한 디버링 성능이 떨어지고 있음을 확인

할 수 있다. 하지만 비자성체 지그위에 전극을 고정시킨 결과 좋은 결과를 얻을 수

있었다.

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Fig.5.3 시간에 따른 전자기 Deburring 결과

2. 이송에 따른 디버링(Deburring)

이송에 대한 미세구멍의 디버링 특성에서도 Fig.5.4에서와 같이 한쪽 부위로 급격

하게 디버링이 진행되고, 이송이 느릴수록 디버링 효과 거짐을 알 수 있다. 이송

20mm/min에서도 효과적인 버제가 가능하였다.

Fig.5.4 이송속도에 따른 버제거 결과

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제 6 장. 결 론

전자기장 효과를 이용한 미세구멍의 마미크로 버 제거를 위한 실험과 시스템 개발

을 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.

1. 수직형 Flat end slit type 공구 사용시 원형구멍은 한쪽 부위로, 사각형 구멍은

한쪽 모서리 부위에 급격한 디버링이 진행됨을 알 수 있었으며, 이러한 문제는 주

축회전을 시계방향과 반시계방향으로 병행함으로써 해결 될 수 있었다.

2. 비 자성체 전극의 경우에는 자성체 위에 전극을 고정시킴으로써 디버링 효과를

높일 수 있었다.

3. 수직형 Flat end slit 공구의 사용시 박판 미세구멍을 가진 전극에 대한 최적의

연마조건은 주축회전 1,000 rpm, 간극 1mm, 시간 1min, 이송 21mm/min 주축회

전의 시계/반시계 방향 병행으로 선정되었다.

4. 실험결과로부터 전극 미세구멍의 버제거를 위한 자기연마 디버링 머신이 개발되

었다.

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제 1 장. 서 론제1절. 기술개발의 필요성제2절. 국내․외 관련기술의 현황제3절. 기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안

제 2 장. 전자기 연마 헤드 설계 및 제작제1절. 자기연마 기술의 구성과 원리제2절. 자기연마의 활용기술 및 응용제3절. 자기 연마장치에 있어서 해결 과제제4절. 이론적 설계

제 3 장. 자기연마입자 개발제 4 장. 전자기를 이용한 Deburring M/C 제작제1절. 시스템 설계제2절. 시스템 제작

제 5 장. 마이크로 버 가공기술 및 성능평가제1절. 전자기 연마 스핀들 시동 및 정지제2절. 전자기 연마 스핀들 주축 회전정밀도제3절. 자속밀도 실험검증제4절. 효율성 검증제5절. 마이크로 BURR제거 성능 평가

제 6 장. 결 론