바이오 의료 진단이나 약물의 화학적 분석 및 합성 등에서 널리 이용되고 있는 미세 유체 디바이스(Microfluidic Devices)는 유체가 이동하는 미세 채널이나 홈, 구멍 등이 복잡하게 구성되어 있다[1,2]. 미세 유체 디바이스의 미세 채널에서 발생하는 관성 집중(Inertial Focusing) 현상은 미세 유체의 이동, 혼합, 집중 및 분리 등에 응용될 수 있으며, 이와 같은 현상은 채널의 단면 형상에 많은 영향을 받는다[3]. 특히, 삼각형 단면의 미세채널은 관성 집중 현상을 효과적으로 조작하는데 용이하며 작은 크기의 입자를 높은 효율로 집중시킬 수 있어 채널 병렬화에 적합한 단면 형상이다[4-6]. 따라서 입자의 혼합, 분리 등을 효율적으로 제어하기 위해 임의의 경사각을 갖는 삼각형 단면의 채널을 제작할 필요성이 있다.

에칭(Etching)은 미세 채널 형상 가공에 많이 사용하는 방법 중 하나이다. 에칭을 이용하면 실리콘 웨이퍼나 유리 재료에 마이크로나 나노 크기의 채널을 쉽게 가공할 수 있다[7,8]. 하지만 에칭을 이용한 가공 방법은 특정 각도의 경사면만 가공할 수 있다는 단점이 있다.

펨토초 레이저(Femtosecond Laser) 가공은 유리와 같은 취성 재료에 크랙 발생 없이 빠른 속도로 미세 채널을 가공할 수 있다[9]. 하지만 이 방법은 비용이 비싸고 채널 단면 형상의 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

미세 공구를 이용한 기계적 가공은 상대적으로 우수한 표면 조도와 높은 치수 정밀도를 가진 가공 방법이다. 특히 특정한 각도를 가진 공구를 사용함으로써 다양한 채널 형상을 가공할 수 있다[1]. 채널 형상이 가공된 초경합금은 폴리머나 유리 소재의 미세 칩 제작을 위한 몰드로 사용될 수 있다. 초경합금은 다른 금속재료에 비해 취성(Brittleness)이 높기 때문에 기계적 가공에서 버(Burr)의 발생이 거의 없고 깨끗한 가공면을 얻을 수 있다[10]. 다만 초경합금의 경도가 매우 높기 때문에 공구의 파손이나 마모가 크게 발생하며, 이를 해결하기 위해 다이아몬드 소재의 공구 제작이 필요하다[11-13]. 최근, 다결정 다이아몬드(Polycrystalline Diamond, PCD) 공구를 이용한 초경합금의 미세 형상 가공에 대한 연구가 보고되었다. Nakamoto 등은 와이어 방전 가공(Wire Electrical Discharge Machining, WEDM)을 이용하여 제작한 PCD 밀링 공구로 초경합금에 사각 단면의 미세 홈을 가공하였다[11]. 가공 길이에 따른 공구 마모량 증가와 마모로 인한 표면 조도 변화를 관찰하였다. Fujita 등은 PCD 다이싱 블레이드(Dicing Blade)를 이용하여 초경합금에 폭 20 μm, 깊이 1 mm와 50 μm의 미세 홈 어레이를 가공하였으며 블레이드의 마모를 포함한 가공 특성에 대해 연구하였다[12].

본 연구에서는 초경합금에 V자형 미세 채널을 가공하기 위해 원뿔형 PCD 공구를 제작하였으며 초경합금 가공 시 가공 길이에 따른 공구 마모와 그로 인한 채널의 형상 오차에 대해 분석하였다.

Fig. 1은 실험에서 사용된 가공 시스템의 모습을 나타낸 사진이다. 가공 시스템은 3축으로 구성된 스테이지로 정밀 이송이 가능하며, 최대 60,000 rpm의 스핀들을 장착하였다. 본 연구에서는 공구 재료로서 PCD 소재를 사용하였으며 와이어 방전 연삭(Wire Electro Discharge Grinding, WEDG)을 이용하여 미세 공구를 제작하였다[14-17]. 와이어 방전 연삭 시스템은 모터, 롤러, 보빈, 와이어 가이드로 구성하였다. 와이어 전극으로는 직경 200 μm의 황동 와이어를 사용하였고, 와이어 가이드의 마모를 줄이기 위해 알루미나 소재의 와이어 가이드를 사용하였다[18]. Fig. 1과 같이 공구를 제작하기 위한 방전 연삭 시스템 바로 옆에 가공물을 부착하여 공구 제작 후 바로 채널 가공을 수행하였다.

Fig. 1 
Micro machining system and WEDG system

Fig. 2는 PCD 미세 공구 제작 과정을 나타낸 그림이다. 와이어 방전 연삭은 방전 시 발생하는 열로 재료를 제거하기 때문에 정밀한 치수 제어를 위해서 낮은 소재 제거율(Material Removal Rate, MRR)로 가공할 필요가 있다. 원뿔형 미세 공구는 황삭(Roughing)과 정삭(Finishing) 과정을 거쳐 제작하였다. 지름 1 mm의 PCD 환봉을 제작하고자 하는 공구 각도에 맞춰 원통형 형상으로 황삭 가공하였다. 정삭은 미세 공구를 원뿔형으로 만들기 위해 각 축의 모터를 제어하여 필요한 각도의 원뿔형 공구를 제작하였다. 방전 가공을 이용한 미세 공구 제작에서 와이어를 공구 아래쪽에서 위쪽 방향으로 이송하는 경우, 약 10 μm 이하의 날카로운 공구 끝부분에서 방전 집중 현상으로 인해 끝이 뭉툭하게 가공되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 정삭 가공 시, 공구 끝에 과다 방전 집중을 피하기 위해서 공구의 위쪽에서 아래쪽 방향으로 와이어를 이송시켜 공구를 제작하였다.

Fig. 2 
Schematic diagram of the fabrication of micro conical tool by WEDG

Fig. 3은 와이어 방전 연삭으로 제작한 미세 공구의 SEM 사진이다. 평균 입자 크기 1 μm의 다결정 다이아몬드를 사용하였으며 와이어를 일정 각도로 이동시켜 60도의 경사각을 갖는 공구를 제작하였다. 방전 가공 조건으로 인가전압은 100 V, 축전 용량은 1,000 pF을 사용하였으며 날 끝 반경은 약 5 μm 내외이다[19,20].

Fig. 3 
Micro conical tool fabricated by WEDG

본 실험에서 사용된 가공물 재료는 초경합금이며, 기계적 성질은 Table 1에 나타내었다.

본 연구에서는 와이어 방전 연삭으로 다결정 다이아몬드 소재의 원뿔형 미세 공구를 제작하여 초경합금에 미세 채널을 가공하였다. 공구 표면에 방전 가공으로 생긴 미세한 돌기로, 특별한 절삭날이 없이 초경합금을 가공할 수 있는 것을 확인하였으며 초경합금의 취성 성질로 인해 버가 없는 깨끗한 모서리를 얻을 수 있었다. 가공 길이에 따라 공구 끝부분의 마모가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 대략 가공 길이가 10 mm 일 때, 공구 끝의 폭이 10에서 25 μm로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 공구 끝의 절삭 속도가 매우 낮기 때문이며 공구 회전 속도, 이송 속도, 절입량에 따라 달라질 수 있기 때문에 추가적인 연구가 필요하다. 마모된 공구는 가공 시스템에 장착된 와이어 방전 연삭 장치로 다시 재가공할 수 있으며 가공 영역이 매우 작기 때문에 재가공 시간도 수 분 정도로 오래 걸리지 않는다. 따라서 공구의 재가공 공정을 효율적으로 적용하여 보다 높은 형상 정밀도와 표면 품질의 초경합금을 가공할 수 있을 것으로 판단된다.