마이크로 가공: 첨단 기술, 시장 기회, 새로운 과제

마이크로 가공은 큰 시장을 형성하고 있으며, 산업계가 더 작고 복잡한 부품을 요구함에 따라 향후 몇 년간 더욱 성장할 전망입니다. 하지만 '마이크로 가공'이 실제로 무엇을 의미하며, 전 세계 기계 공작소에서 매일 수행되는 '매크로 가공'과는 어떻게 다를까요? 알아야 할 핵심 내용을 정리했습니다.

의료, 항공우주, 전자, 자동차 산업 할 것 없이 마이크로 가공은 큰 사업입니다. 그리고 리서치 기업 The Insight Partners의 2019년 11월 보고서에 따르면 앞으로 훨씬 더 커질 전망입니다.

글로벌 마이크로 가공 시장 규모는 2027년까지 54억 8천만 달러에 달해 2018년 수준의 거의 2배로 성장할 것으로 예상됩니다.

업계 대다수처럼 KYOCERA SGS Precision Tools의 연구개발 엔지니어 제이크 러더퍼드(Jake Rutherford)는 지름 1/8인치(약 3mm) 미만의 공구가 필요한 부품이나 부품 피처를 마이크로 가공으로 정의합니다.

그는 전혀 새로운 것이 아니라고 설명합니다. 마이크로 가공의 첫 적용 분야는 시계 제조였지만, 기술이 더 작고 정밀한 부품을 제공함에 따라 이제는 센서, 심장 펌프, 호흡 모니터링 장비, 항공우주 및 자동차 부품, 전자 현미경 액세서리, 미세유체 장치, 심지어 스마트폰의 많은 부품까지 광범위한 산업, 부품, 소재를 아우릅니다.

이러한 부품을 만드는 소재도 다양합니다. 스테인리스강과 고온 합금이 흔하며, PEEK, PTFE, POM 같은 폴리머도 쓰입니다.

"산업 간 소재 중복이 상당하므로, 숍들은 특정 시장이나 용도용 공구보다 소재별 마이크로 가공 공구를 찾아야 합니다."라고 러더퍼드는 말합니다.

마이크로 가공의 경험칙

공작물 크기에 관계없이 가공의 일반 원칙은 동일합니다. 다른 점은 최적이지 않은 적용 변수가 마이크로 가공 성공에 미치는 영향이 증폭된다는 것입니다.

"모든 게 더 중요해집니다."라고 KYOCERA SGS 애플리케이션 엔지니어 제이콥 락(Jacob Rak)은 말합니다. "런아웃(runout)을 예로 들면, 절삭 공구 직경의 최대 0.1%를 권장합니다. 공구가 작을수록 이를 달성하기 어렵고 공구 수명에 미치는 영향도 커집니다."

데릭 네이딩(Derek Nading)도 동의합니다. M.A. Ford Mfg. Co.의 애플리케이션 엔지니어인 그는 지름 1/8인치 이상 공구에 대한 경험칙을 제시합니다. 런아웃 0.001인치당 공구 수명이 10% 감소한다고 봅니다. "마이크로 크기 절삭 공구를 다룰 땐 수명 손실이 더 클 수 있습니다. 그래서 대부분의 밀링과 드릴링, 특히 마이크로 가공에는 고품질 슈링크 핏, 유압식, 정밀 프레스 핏 시스템을 권장합니다."

적절한 표면 속도 확보도 중요합니다. 어떤 머시니스트든 계산할 수 있지만, 1/32인치 커터를 300 sfm으로 돌리려면 약 40,000 rpm이 필요한데, 이는 대부분의 머시닝 센터와 모든 선반의 능력을 벗어납니다. 이런 상황에선 네이딩 등 전문가들이 스피더 헤드(speeder head)를 권장합니다. 전기식, 공압식, 쿨런트 구동식이 쉽게 구할 수 있지만, 네이딩은 전기식이 전기 배선이 필요해 기계의 자동 공구 교환장치(ATC) 사용을 막는다고 지적합니다.

고속 스핀들과 깨끗한 쿨런트 공급

쿨런트 공급 마이크로 드릴링 적용에는 초소형 쿨런트 홀을 감당하기 위해 500~1,000 PSI의 고압 쿨런트(HPC) 시스템을 써야 한다고 네이딩은 말합니다. 그는 적절한 여과가 필수적이라고 강조합니다.

"이 드릴들의 홀은 매우 작아 미세한 칩이나 오염물만으로도 막혀버려 거의 즉각적인 공구 파손으로 이어집니다. 그래서 최적 성능을 위해 10미크론 이하 여과 수준을 권장합니다."

고속 스핀들과 깨끗한 쿨런트보다 더 중요한 건, 마이크로 작업용으로 설계된 잘 정렬되고 고정밀한 공작기계입니다. KYOCERA SGS의 락도 동의합니다. "너무 큰 기계에서 마이크로 드릴이나 엔드밀을 돌리면 축 분해능이 충분히 미세하지 않아 공구가 견디기엔 너무 급격한 움직임이 생길 수 있습니다."

EMUGE Corp.의 밀링 애플리케이션 스페셜리스트 에반 던캔슨(Evan Duncanson)은 또 다른 흔한 마이크로 가공 실수로 과소 피드(underfeeding)를 지적했습니다.

"이 일을 처음 하는 사람들은 마이크로 공구를 살살 다루려는 경향이 있는데, 30,000rpm 이상에서 피드율을 낮추면 소재를 그냥 밀게 되어 공구가 부러집니다. 공구 크기에 관계없이 권장 피드율을 써서 제대로 절삭해야 합니다."라고 그는 말합니다.

툴패스 자체도 조정해야 할 수 있습니다. 던캔슨은 트로코이달 커팅(trochoidal cutting)도 여전히 자리가 있지만, 마이크로 엔드밀은 보통 2날에 리치가 상대적으로 길어 다른 밀링 전략이 필요할 수 있다고 제안했습니다.

"많은 마이크로 엔드밀은 절삭 길이가 매우 짧은데(직경의 1~2배), 리듀스드 넥(reduced neck)은 그 10~20배 길이입니다. 이런 공구로는 매우 얕은 축 방향 절삭을 하고 상대적으로 큰 스텝오버(stepover)를 써야 합니다."

마지막으로, 마이크로 가공 입문자는 적절한 툴링 예산이 필요합니다. 연필심 크기 공구로 밀링과 드릴링을 하는 건 담대한 일인 만큼, 그런 공구를 연마하는 것도 만만치 않습니다. 던캔슨과 여기에 나온 전문가들은 초정밀 연마기와 특수 미세 입자 휠이 자사 제품의 극도로 매끈한 마무리와 날카로운 에지를 만드는 데 필요하다고 말합니다. 그래도 공구 크기가 작아질수록 스크랩율은 올라갑니다. 결과적으로 공구 비용이 올라갑니다.

"표준 1/2인치 엔드밀의 절삭날을 현미경으로 보세요. 아무리 좋은 공구라도 2~3미크론의 마이크로 치핑과 에지 프랙처가 보입니다. 그래서 대부분 제조사는 약간의 혼(hone)을 가해 이 프랙처를 매끄럽게 하고 기본적으로 공구를 예비 마모시킵니다. 하지만 공구가 1/10 크기면 이렇게 할 수 없고, 5~10미크론 두께 코팅도 똑같이 적용 못 합니다. 모든 게 최대한 날카로워야 합니다."

마이크로 가공 기술

날카로운 공구와 특수 연마 장비 이야기가 많았지만, 오늘날의 '마이크로 가공' 중 상당 부분은 여기서 설명한 방식이 아닙니다. 네, 방금 논의한 대로 CNC 선반과 머시닝 센터에서 일반 절삭 공구로 하는 마이크로 가공도 상당 부분입니다. 하지만 레이저 마이크로 가공(사이드바 참조), 마이크로 EDM, 마이크로패브리케이션(microfabrication)이라 부르는 유형의 마이크로 가공도 있습니다.

이런 패브리케이션 공정엔 두 가지가 있습니다. 첫 번째인 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining)은 보통 실리콘 기판을 선택적으로 식각해 MEMS(미세전자기계시스템)를 만드는 데 쓰입니다. MEMS 장치가 집 크기라면, 대부분 지하에 있고 원하는 구조와 기계적 특성이 갖춰질 때까지 일련의 부식성 화학약품으로 발굴된 셈입니다.

반면 표면 마이크로머시닝(surface micromachining)은 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 표면층(약 25미크론 두께) 안에서 '집'을 짓습니다. 이 결정층의 일부가 유사한 화학적 식각 공정으로 선택적으로 제거됩니다. 두 공정 각각 장단점이 있으며, 둘 다 극도로 작은 다양한 장치를 생산하는 데 쓰입니다. MEMS, 관성 센서, 자이로스코프, 압력 센서 등이 이에 해당하며, 스마트폰, 자동차, 항공기, 다양한 고급 산업 제품에 쓰입니다.

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