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보고서 상세정보

가공 DB 구축 및 신뢰성 평가 기술개발

  • 사업명

    중기거점기술개발사업

  • 과제명

    가공 DB 구축 및 신뢰성 평가 기술 개발

  • 주관연구기관

    한국생산기술연구원
    Korea Institute of Industrial Technology

  • 연구책임자

    이석우

  • 참여연구자

    최헌종   홍원표   최영재   강은구   원종률   허남환   김기환   남성호   류광열  

  • 보고서유형

    중간보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2004-06

  • 과제시작년도

    2002

  • 주관부처

    산업자원부

  • 사업 관리 기관

    한국산업기술평가원

  • 등록번호

    TRKO201000015332

  • 과제고유번호

    1410058951

  • 키워드

    웨이퍼가공.페룰 가공.비구면 렌즈가공.무심연삭기용.드레싱장치.신뢰성 평가.가공특성 평가.

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    ...


    1. 당해개발목표
    o 1단계에서 개발된 주축의 신뢰성 평가
    o 지능형 연삭 시스템 주요 부품의 운동 특성 분석
    o 페룰, 웨이퍼 및 비구면 렌즈의 가공기술 Data Base 구축
    o 2단계 개발 연삭 시스템의 ...

    1. 당해개발목표
    o 1단계에서 개발된 주축의 신뢰성 평가
    o 지능형 연삭 시스템 주요 부품의 운동 특성 분석
    o 페룰, 웨이퍼 및 비구면 렌즈의 가공기술 Data Base 구축
    o 2단계 개발 연삭 시스템의 주요 부품의 신뢰성 방법 개발 및 장비 구축
    - 신뢰성 평가 주요 부품의 선정과 신뢰성 평가 방법 개발 및 시험장치 설계 및 제작
    o 웨이퍼 연삭 메카니즘의 이론적 해석
    o 고기능성 부품가공용 연삭숫돌 성능 평가
    o 페룰 가공용 무심연삭기의 Dressing 장치의 적용성 평가 및 가공 DB 구축
    o 비구면 렌즈 가공기의 정, 동특성 해석
    2. 기술개발의 목적 및 중요성
    일반적으로 최적 연삭 조건이라고 하는 가공조건은 대상으로 하는 연삭작업 목적에 따라 최적 가공의 조건은 다르다.
    이는 가공정도, 숫돌의 수명, 연삭비, 경제성등 상이한 관점으로부터의 평가방법이 있기 때문이다.
    연삭작업을 최적조건의 상태에서 실시하려면, 풍부한 경험이 없이는 곤란하다.연삭작업은 가공물의 상태, 요구정도, 연삭기의 특성, 연삭숫돌과 연삭유제의 성능, 드레싱조건, 가공조건 등 많은 조건이 배합된 형태에서 이루어지고 있으므로 연삭조건을 잘못 선정하면 원하는 연삭 성과를 기대하기 어렵다.
    만일 연삭숫돌 선정이 적절하지 못하면 연삭진동, 연삭연소, 연삭균열 등이 발생하여 피가공물에 손상을 주게된다. 일반적으로, 이러한 문제점들을 방지하려면 각종 작업조건의 가공특성을 조사한 뒤에 각 조건의 최적 값을 구하여 종합적인 관점에서 최적연삭 조건을 결정하여야 한다. 고속, 고정밀 가공의 최적조건은 고속, 고정밀 가공기와 더불어 개발될 필요성이 있으나, 대부분의 각 기업들은 자체기술로만 보유하고 있으며, 숙련공에 의한 경험에 의존하는 경우가 대부분이다. 따라서 고기능성 부품을 정밀 가공하기 위해서는 가공기술을 체계화하여야 하며 가공 DB의 구축과 통합도 매우 절실하다. 특히, 고속, 초정밀 가공을 필요로 하는 비구면 형상을 가지는 렌즈나 반사경 및 웨이퍼나 광페룰의 가공DB 구축과 이에 대한 평가방법은 연삭시스템의 개발과 함께, 국가 주도하에서 대단위 규모로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 현재 일반적인 조건에 의한 Database화 및 학습에 의한 지능화 가공기술도 시도되고 있으나 범용적인 Database화는 현상태에서 매우 어려우며 각각의 고유기종에 적합한 Database 및 지능화가 상품화에 효율적이라고 판단되고 있다.
    3. 기술개발의 내용 및 범위
    ㉮ 1단계에서 개발된 주축의 신뢰성 평가
    □ 1단계에서 개발된 주축의 신뢰성 평가
    □ 주축의 내구성 및 수명 평가
    □ 주축의 신뢰성 평가 결과 분석 및 성능 향상을 위한 방법 협의
    ㉯ 지능형 연삭 시스템 주요 부품의 특성 평가
    □ 지능형 연삭 시스템에 사용하기 위한 주요 부품의 특성 평가 방법
    □ 주축, 이송계, 주변장치 등의 정, 동 특성 분석 및 신뢰성 평가 방법 협의, 제안
    ㉰ 페룰, 웨이퍼 및 비구면 렌즈의 가공기술 Data Base 구축
    □ 가공 Data Base 구축을 위한 실험 변수 도출
    □ 실험 변수(숫돌의 주속도, 숫돌의 종류 등)에 따른 가공 Data Base 구축
    □ 현재 생산라인에서 사용하고 있는 숫돌의 특성 분석
    □ 1단계에서 개발된 냉각시스템의 페룰 가공 실험 적용
    ㉱ 2단계 개발 연삭 시스템의 주요 부품의 신뢰성 방법 개발 및 장비 구축
    □ 주요 부품의 고장 모드 분석
    □ 신뢰성 평가 부품 선정
    □ FMEA, FTA 및 시험 방법 선정
    □ 주요 부품의 신뢰성 평가 방법 개발 및 시험 장치 제작
    ㉲ 웨이퍼 연삭 메카니즘의 이론 해석
    □ 웨이퍼 연삭의 2차원적 연삭열 분포 해석
    □ 웨이퍼 연삭의 3차원적 연삭열 분포 해석
    □ 온도 차이가 가공 특성에 미치는 영향 해석
    □ 온도에 따른 재료제거율 실험
    □ 온도에 따른 표면 거칠기 및 표면 하부 결합 해석
    □ 전기·화학적 안정성 측정
    □ 온도에 따른 형상 방정식 정리
    ㉳ 고기능성 부품가공용 연삭숫돌 성능 평가
    □ 국내 제작된 숫돌의 특성 평가
    □ 국내 숫돌의 가공성 평가
    □ 동일한 조건에서의 외국 숫돌과 국내 숫돌의 특성 비교
    □ 국내 숫돌의 장, 단점 비교 분석
    ㉴ 페룰 가공용 무심연삭기의 Dressing 장치의 적용성 평가 및 가공DB 구축
    □ Rotary Dressing 장치의 성능 평가 및 보완 제작
    □ Rotary Dressing 장치의 이송부 성능 평가
    □ 다이아몬드 연삭 숫돌의 선정 및 가공성 분석ㆍ평가
    □ Rotary Dressing 장치 신뢰성 평가 및 DB 구축
    ㉵ 비구면 렌즈 가공기의 정, 동특성해석
    □ 구조물의 정, 동특성 FEM 해석
    □ 구조물의 설계 변경 안 제시
    4. 기술개발 결과
    □ 기존의 실험장비의 척킹시스템의 정렬 오차를 최소화하기 위하여 V-블록의 개념으로 접근하여 가공정밀도를 41㎛에서 12㎛으로 향상시켰다.
    □ RW 휠 자체의 O-ring에 의한 오차에 의한 값을 재설계 및 제작으로 run-out 값을 기존의 150㎛에서 20㎛로 향상시켰다.
    □ 광 페룰 연삭 가공 실험을 위해, GW에 따른 최적 이송 조건 선정을 위한 실험 결과를 도출하였다.
    □ 웨이퍼의 인피드 그라인딩시 발생하는 연삭 저항력과 연삭열을 측정하기 위해 진공척 내에 압력 및 온도센서를 부가하고, 이를 실시간으로 측정 가능한 새로운 개념의 진공척을 설계하였다.
    □ 반경방향의 패스밀도에 따른 예상되는 연삭열의 분포를 예측하였다.
    □ 여러 가지 연삭 공정 변수들의 상호관계에 따른 가공력의 변화와 열적 특성에 대한 평가를 가공물 표면의 변화와 결함 생성, 형상 정밀도에 미치는 영향을 고찰하고 가공 특성 향상에 관한 연구를 수행하였다.
    □ 주축(Dressing Shaft)은 드레싱 시에 숫돌에 가해지는 일반적인 절입 깊이인 25㎛라는 점과 드레싱 시의 폭 4㎜인 숫돌에 수직방향으로 작용하는 힘이 750N이라는 가정하에 유한요소 해석을 하였고, 해석한 결과 숫돌 중심부의 처짐량은 0.0131㎛이며, 이는 드레싱 시 가해지는 부하에 대해 정밀도를 충분히 부여할 수 있는 주축계 강성을 의미한다.
    □ 무심 연삭기용 드레싱 장치의 주축 및 하우징 변형 및 오차로 인한 드레싱 효율 감소를 대폭 줄였다.
    □ 드레싱 숫돌의 접촉 부위를 늘려서 드레싱 초기 진입부분과 마지막 부분에서 발생할 수 있는 드레싱 효율 저하부분을 개선하였다.
    □ 드레싱 효율성 검증 및 가공 성능 평가를 위한 방법으로 AE센서를 이용하여 검증 하였다.
    □ 비구면 렌즈 가공 연삭기의 1차 설계 모델과 2차 설계 모델의 정, 동해석을 각각 수행하여 비교한 결과, 설계 변경을 통하여 강성이 크게 향상되었다.
    □ 무심연삭기의 신뢰성 예측결과 Failure rate는 165.98로 예측되었으며, MTBF는 6024시간으로 나타났다.
    □ 무심연삭기를 각 단위 조립품으로 예측하였을 경우 grinding wheel head 부분에 신뢰도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 부품으로는 Pulley와 Coupling이 Failure rate가 낮아 신뢰성 평가 이후 보강이 필요하다.
    □ 웨이퍼 단면 연삭 시스템의 신뢰성 예측결과 Failure rate는 61.81이며, MTBF는 16,176시간으로 예측되었다. 각 단위 조립품으로는 Table Ass’y가 신뢰도가 낮은 것으로 나타났다.
    □ 페룰 동축연삭시스템의 신뢰성 예측 결과 Failure rate는 54.69이며, MTBF는 18,284시간으로 예측되었다. Chucking system은 신뢰도가 낮으나, 원활한 작동을 위한 설계 보완이 필요하다.
    □ 비구면 연삭시스템의 신뢰성 예측결과 Failure rate는 58.66이며, MTBF는 17,045시간으로 예측되었다.
    □ 신뢰성 예측 결과를 이용하여 향후 신뢰성 평가 방법 및 신뢰성 시험 방법을 선정하여 각 연삭 시스템의 신뢰성 평가 대상을 Grinding wheel spindle, Table assy, Chucking system으로 선정하였다.
    □ 각 시스템에 대한 평가 방법 및 평가 지표를 제시하였으며, 제시된 규격으로 각 시스템에 맞는 평가를 수행하였다.
    □ 각 시스템의 성능 평가 결과, 이송계의 오차 보정에 필요한 결과를 얻을 수 있었다.
    □ 웨이퍼 단면 연삭시스템의 Table 강성 및 회전 정밀도가 우수하게 나타났다.
    □ 웨이퍼 단면 연삭시스템에 적용이 가능한 숫돌을 국내에서 제작하여 숫돌의 입도 및 기공의 특성 평가를 수행하였다.
    5. 기대효과
    각 시스템에 대한 평가는 상품화되기 이전의 특성 평가를 통하여 안정화된 시스템을 구현하는데 목적이 있다. 이는 설계 기술과 제작 기술을 검증하는 단계로 설계와 제작 조립기술을 평가할 수 있다. 이러한 기술은 향후 연삭시스템을 개발하는 과정이나, 생산하는 과정에서 평가의 지표로 삼을 수 있다. 또한, 가공 DB 구축이 완료되면 가공 DB를 바탕으로 한 최적 가공 조건을 자동으로 선정하여 원하는 품위의 연삭 공정을 자동으로 실행하여 가공 품위를 향상 할 수 있을 뿐만 아니라, 동종의 기계보다 높은 가격으로 판매가 가능하다. 현재 국내 제품이 시장에서 높은 가격에 판매되지 못하는 이유는 설계, 가공, 조립 기술 및 최적가공 조건을 선정하지 못하는 것도 있으나, 내구성과 신뢰성을 갖춘 장비의 개발에 많은 문제점을 가지고 있다. 각 부품 단위의 신뢰성 평가는 현재 조금씩 이루어지고 있으나, 시스템에 대한 신뢰성 평가는 거의 이루어지지 않고 있어, 향후 신뢰성을 제품 구매의 판단 척도로 삼는 시장에서의 경쟁에서 우위를 점할 수 없다. 가공 DB의 구축 및 신뢰성 평가의 효과는 직접적으로는 상품의 가격을 높이는 동시에, 기능의 향상을 꾀할 수 있으며, 간접적으로는 동종 업계에 가공 DB구축과 지능화, 신뢰성 평가의 기반을 마련할 수 있다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 중간요약보고서 ...4
    4. 목차 ...9
    5. 제1장 서론 ...11
    6. 제1절 기술개발의 필요성 ...11
    7. 제2절 국내ㆍ외 기술의 현황 ...15
    8. 제3절 기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안 ...24
    9. 제2장 페룰...
    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 중간요약보고서 ...4
    4. 목차 ...9
    5. 제1장 서론 ...11
    6. 제1절 기술개발의 필요성 ...11
    7. 제2절 국내ㆍ외 기술의 현황 ...15
    8. 제3절 기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안 ...24
    9. 제2장 페룰 가공 DB구축 ...25
    10. 제1절 서 론 ...25
    11. 제2절 연삭 이론 ...27
    12. 제3절 광 페룰 동축 가공 DB 구축 ...37
    13. 제4절 결 론 ...58
    14. 제3장 실리콘 웨이퍼의 연삭가공 특성 평가 ...61
    15. 제1절 서 론 ...61
    16. 제2절 실리콘 웨이퍼의 연삭 특성 ...68
    17. 제3절 실험 결과 및 고찰 ...87
    18. 제4장 무심 연삭기용 드레싱 장치 개발 ...93
    19. 제1절 개발기술의 개요 ...93
    20. 제2절 다이아몬드 드레싱 시스템 설계 ...99
    21. 제3절 드레싱 시스템 주축부 특성 연구 ...104
    22. 제4절 드레싱 시스템 베어링 및 기타 유닛 ...112
    23. 제5절 AE 센서를 이용한 드레싱 성능 검증 시스템 ...119
    24. 제6절 실제 제작된 드레싱 시스템 ...126
    25. 제7절 결 과 ...128
    26. 제5장 비구면 렌즈의 정, 동 특성 해석 ...131
    27. 제1절 비구면 렌즈 가공 연삭기의 구조해석 ...131
    28. 제2절 비구면 렌즈 가공 연마기의 구조해석 ...141
    29. 제3절 결 론 ...146
    30. 제6장 신뢰성 평가기술 ...147
    31. 제1절 서 론 ...147
    32. 제2절 신뢰성 예측 ...151
    33. 제3절 고장 모드 분석 시스템 ...172
    34. 제4절 주축의 신뢰성 평가 실험 ...174
    35. 제5절 결 론 ...183
    36. 제7장 연삭시스템의 특성 평가 ...186
    37. 제1절 개 요 ...186
    38. 제2절 특성 평가 결과 ...190
    39. 제3절 결 론 ...206
  • 참고문헌

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