화학 가공(CHM): 원리, 공정 유형, 마스크/에천트 선정, 장단점 총정리

화학 가공(Chemical Machining, CHM)이란?

화학 가공은 에칭(Etching)이라고도 하며, 강산/강알칼리 화학 시약(에천트)에 공작물을 침적하여 재료를 용해 제거함으로써 원하는 형상을 얻는 공정입니다. 기원전 400년경 구연산/젖산으로 갑옷 금속 에칭하던 기록이 있으며, 1927년 스웨덴 '악티에볼라그 세퍼레이터스(Aktiebolaget Separators)'사가 상용화했습니다.

장치 구성

• 탱크 (Tank): 개방형, 내식성 코팅 강철제
• 가열 코일 (Heating Coil): 탱크 하부, 온도 일정 유지(가열/냉각 겸용)
• 교반기 (Stirrer): 에천트 농도/온도 균일화, 용해 금속 배출, 산화 기포 파괴
• 공작물 (Workpiece): 소형은 행거(마스크 영역에 고정), 대형은 고무/폴리머 코팅 지그 사용

작동 원리

에천트(강산 혼합물)가 금속과 반응하여 균일 용해. 원하는 형상만 가공하기 위해 마스크재(Maskant) — 에천트에 비반응하는 폴리머/고무 코팅 — 를 비가공부에 도포하여 국부 가공 구현.

4대 순차 공정

1. 세정 (Cleaning)

표면 오염물, 녹, 이물 제거. 고압 워터젯, 알코올, 희석 HCl. CNC 자동 장비 수행.

세정 불량 시: 마스크 밀착 불량, 치수 오차, 금속 불균일 용해, 산화, 마스크 박리, 스케일 생성 → 건조 후 공정 진행.

2. 마스킹 (Masking)

폴리머/고무층을 비가공 전면에 도포. 가공 영역만 노출.

3. 에칭 (Etching)

완벽 마스킹 후 공작물 탱크 침적, 히터/교반기 가동. 비마스크 영역부터 반응 시작 → 화학적 특성 변화 → 층별 용해/분리.

절삭 깊이 제어: 침적 시간과 정비례. 공식: E = S / T (E: 에칭 레이트, S: 목표 깊이, T: 시간(초)). 에칭 레이트는 농도/소재별 사전 실험값 사용.

4. 디마스킹 (Demasking)

마스크 박리 → 잔여 에천트 냉수 세정 → 건조 → 출하.

화학 가공 공정 유형

1. 화학 밀링 (CHM): 포켓, 윤곽 가공 또는 대량 재료 제거
2. 화학 조각 (CHE): 문자, 브랜드, 일련번호 등 고정밀 패턴 재현
3. 화학 연마 (CHP): 희석 에천트로 미세 피니싱/디버링
4. 포토케미컬 가공 (PCM): 포토레지스트 마스크 적용, 미세 디테일 가공, 응력/크랙 프리 — CHM의 고도화 버전

응용 분야

• 기존 공법 불가 복잡 형상 경량화
• 박판/섬세 부품 가공
• 홀 내부 윤곽 가공
• 자동차/항공 산업
• 미세 스크린/메쉬 제작
• 고정 어려운 공작물 가공

장점

• 균일 재료 제거
• 우수 표면 조도, 근접 공차
• 복잡 윤곽 용이
• 전축 동시 가공
• 저숙련 작업자 가능
• 기계적 응력 없음
• 초기/가공 비용 저렴

단점

• 작업자 안전 위험(에천트 피부 접촉 유해)
• 가공 후 부식 가능성
• 합금 가공 시 표면 조도 저하
• 비친환경(폐액 처리 부담)
• 부산물 폐기 환경 유해
• 타 공정 대비 MRR 낮음
• 기포 형성으로 가공 불량 가능

마스크재 (Maskant) 선정 기준

에천트 불활성, 취급 내구성, 공정 중 특성 불변, 내열성, 절개/스크라이빙 용이, 밀착성, 가용성/저비용

공작물 재질	마스크재
알루미늄 및 합금	부틸 고무, 폴리머, 네오프렌
구리 및 합금	폴리머
철계 합금	부틸 고무, 폴리머
니켈	네오프렌
마그네슘	폴리머
티타늄	폴리머

마스크 도포 3대 기법

1. 컷 앤 필 (Cut and Peel)

액상 마스크 침적 코팅 → 건조 → 스크라이버로 설계 형상대로 절개 → 가공부 마스크 박리. 네오프렌, 부틸, 비닐계 등 두꺼운 재료(0.5in 이상) 사용. 화학 밀링(CHM) 전용. 내화학성 우수, 단 공차 품질 상대적 낮음. 두께 0.03~0.13mm.

2. 스크린 프린트 (Screen Print)

실크스크린/스테인리스 메쉬에 패턴 인쇄 → 공작물 압착 → 마스크 롤 코팅 → 건조/베이킹으로 밀착 → 메쉬 탈착으로 가공부 마스크 제거. 대량 생산에 빠르고 경제적, 고정밀. 막두께 <0.05mm. 평판/완만 곡면, 1.2m×1.2m 이하 부품 적합.

3. 포토레지스트 (Photo-resist)

PCM 전용. UV 감광 필름에 패턴 인쇄 → 시트 금속 정렬 적층 → UV 노광 → 필름 투과부만 레지스트 경화/연화 분화 → 이후 PCM 공정 진행. 막두께 1.27~1.5μm. PCB, 반도체, 전자 칩, 컴퓨터 부품, 시계 초소형 기어 등 정밀 전자 부품에 광범위 적용.

에천트 (Etchant) 데이터

공작물 재질	에천트	동작 온도(°C)	에칭 레이트 (mm/min × 10³)
알루미늄 및 합금	NaOH	49	20-30
	FeCl₃	49	13-25
황동/청동	NH₄HF₂	27	10-15
	FeCl₃	49	25
납	FeCl₃	54	-
마그네슘 합금	HNO₃	32-49	25-50
니켈	FeCl₃	49	13-38
티타늄	HNO₃+HF	상온	13-25