Fabrication of various shapes of micro parts, whose size is about a few tens or hundreds of ㎛, is one of the key technologies for miniaturized systems. However, there are still no cheap, simple, and easy methods to fabricate such tiny parts. There are two kinds of approaches to fabricate micro parts. One is downsizing of conventional machining technologies such as precise grinding or micro EDM (electro-discharge machining), and the other is the enlargement of the micro machining technologies such as LIGA (Lithographic, Galvanoformung und Abformung) process.
Micro EDM is one of the proper techniques to fabricate micro-nozzles and micro parts for milli-structures. Because it is a non-contact type machining, there is little interaction between the electrode and workpiece. There are two kinds of approaches for EDM technique; wire electro-discharge grinding (WEDG) and EDM with cylindrical electrodes. Micro EDM with cylindrical electrodes is usually used to fabricate micro parts while WEDG is widely applied to fabricate only 2-dimensional patterns. Minimization of discharge energy, gap sensing, precise feeding mechanism, and fabrication of microelectrodes should be preceded for micro EDM.
Microelectrodes have applications not only for micro EDM but also for the manufacturing of operation utensils, measurement tips, and machining tools. Some conventional machining methods have been developed to machine microelectrodes. However, these methods still require too much time and too many resources. An electrochemical etching is used as an alternative method for the simple and cheap fabrication of microelectrodes. Electrochemical etching is usually considered an appropriate method of producing sharp probes. However, it is possible for the entire shape of an electrode to be controlled under certain conditions such as the immersed length, the applied current, and the etching time. We used pure tungsten rods as a microelectrodes and potassium hydroxide as an electrolyte. The precise model which represents the shape change during the electrochemical etching is proposed under some assumptions. Especially, some experiments are carried out to measure the increase of the contact position of the electrolyte due to the surface tension, the longitudinal dissolution rates of the electrode, and the optimum current density to fabricate a cylindrical electrode shape. Then, we developed a method to estimate the electrode shape during the electrochemical etching and to generate etching conditions for desired electrode shapes. Stepped and punch shapes of microelectrodes were fabricated by the electrochemical etching. Minimum fabricated diameter of microelectrodes is 10 ㎛.
A micro fabrication system is constructed for electrochemical etching and micro EDM. At first, this system fabricates tungsten microelectrodes under electrochemical etching mode. Then, it fabricates micro parts by micro EDM with the tungsten microelectrodes. There are some fabricated results for basic 2-dimensional patterns such as holes and slits. Minimum hole diameter and slit width is about 10 ㎛.
수십 혹은 수백 ㎛의 크기를 가지는 마이크로 부품의 제작 기술은 은 초소형 시스템을 구현하는데 가장 중요한 요소 중 하나이다. 그러나 아직까지 이러한 작은 크기의 부품을 쉽고, 저렴하고, 값싸게 제작하는 기술이 희박한 상황이다. 일반적으로 마이크로 부품을 제작하는 방법은 크게 두 가지 방향에서 이루어져 왔다. 하나는 범용 기계 가공 기술의 극소화로 정밀 연삭이나 마이크로 방전 가공 (Electro-discharge machining, EDM) 등이 그것이다. 다른 하나는 반도체 제조공정의 극대화 기술인데, LIGA프로세스 등을 예로 들 수 있다.
특히 마이크로 방전 가공은 가공대상물과 전극이 접촉하지 않기 때문에 상호 작용력이 거의 없어, 미세 노즐 등 부품 제작에 적합한 기술로 많은 연구가 이루어지고 있다. 마이크로 방전 가공은 크게 두 가지 방법이 있는데 2차원 패턴의 제작을 위한 와이어방전연삭(Wire electro-discharge grinding, WEDG)과 3차원 부품 제작을 위한 단일 마이크로 전극에 의한 방전 가공이다. 마이크로 전극에 의한 방전 가공의 경우 미세 전극의 제작, 단발 방전 에너지의 소형화, 정밀 간극 측정 및 위치 결정에 대한 기술이 선행되어야 한다.
미세 전극의 경우 방전 가공의 전극에서 사용되는 것 외에도 조작, 측정, 가공 등 다양한 분야에 이용될 수 있다. 미세 전극의 경우도 방전 가공에 의한 부품 제작 못지 않게 다양한 방법에 의하여 제작이 이루어지고 있지만 현재까지도 저렴한 대량 생산을 실현할만한 기술이 확보되어 있지 않는 상황이다. 전해 프로세스에 의한 미세 전극의 제작은 일반적으로 끝부분이 뾰족한 탐침을 제작하는데 주로 사용되어 왔으나 최근 적절한 환경 내에서 균일한 직경을 가지도록 하는 제어 조건에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 그러나 아직까지도 전해 프로세스에 의한 전극 제작에서 전체적인 전극의 형상을 효율적으로 제어 할 수 있는 기술이 미흡하다.
본 논문에서는 전해 프로세스에 의한 미세 전극의 형상 제어를 위하여 에칭이 이루어지는 도중 전극의 정확한 모델링을 통하여 전극의 형상 변화를 예측하고자 한다. 전극 재료로는 직경 0.5 mm의 순수 텅스텐을 사용하였으며, 전해질로는 수산화칼륨(KOH)용액을 사용한다. 이때, 전극과 음극 사이에 인가되는 전류, 전극이 전해질에 담겨 있는 깊이, 에칭 시간을 제어 변수로 설정하고 주어진 시간 간격으로 전극의 형상 변화를 예측할 수 있다. 또한 특정한 전극의 형상에 대한 제어 변수를 역으로 계산하여 다양한 형상의 전극 제작이 가능하도록 할 수 있다. 균일한 직경을 가지는 전극을 비롯하여 다단형, 펀치형 전극의 제작을 수행하였으며 제작된 전극의 최소 직경은 10 ㎛이다.
전해 프로세스에 의한 전극의 제작과 이를 이용한 마이크로 방전 가공을 수행하기 위해, 전해 프로세스와 마이크로 방전 가공의 두 가지 기능을 가지는 마이크로 제작 시스템을 구성하였다. 앞서 제작된 전극에 의한 방전 가공을 통하여 최소 직경 10 ㎛ 수준의 초미세 구멍 및 슬릿을 제작하였다.
