최근 공작기계 기술개발동향 -...

최근 공작기계

기술개발동향

2005. 11

머 리 말

국경 없는 무한경쟁시대를 맞이하여 우리나라 과학기술계 및 산

업체의 국제경쟁력강화가 초미의 국가적 과제로 대두되고 있습니

다. 창조적 지식이 다른 어떤 생산요소보다 큰 부가가치를 창출하

고, 경제적 혹은 사회적 풍요가 과학기술 지식을 얼마나 창의적으

로 활용할 수 있느냐에 달려있는 지식기반사회로의 빠른 변모가 필

요하게 되었습니다. 수년 내 1인당 국민소득 2만 불 시대를 지향하

고 있는 우리나라가 소기의 목적을 무리 없이 달성한 뒤 최강 경제

대국으로 도약하기 위해서는 창조적 국가전략기술의 육성 및 확산

의 뒷받침이 필수불가결한 여건이 될 것입니다.

이러한 우리의 사회적 요구 여건과, 어느덧 상당한 정도의 지식

기반사회가 우리 곁에 성큼 와 있는 우리나라의 현실에 박차를 가

할 목적으로 저희 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 ‘첨단기

술정보 분석’ 업무를 수행하여 관련 산학연에 능동적으로 보급하고

있습니다. 이 분석업무는 과학기술부 과학기술진흥기금 출연 ‘원로

과학기술인 활용 지원사업’의 일환으로 수행되는 것으로, KISTI 전

문연구위원들의 오랜 연구개발 현장경험과 노하우를 바탕으로

KISTI의 방대한 첨단 과학기술정보를 분석하여 ‘전문가 제언’을 첨

부시킨 것입니다.

이번의 첨단기술정보분석보고서 60과제는 저희 연구원이 2005년

도에 수행한 ‘첨단기술정보 분석’ 결과물 중에서 각 기술분야별로

지식기반 산업사회를 선도해 나갈 수 있도록 목록을 재편집하여 작

성한 것으로, 각 ‘전문가 제언’에서 주장하는 내용은 각 분석자의

사견일 뿐 저희 연구원의 공식 견해가 아님을 밝혀둡니다.

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

목 차

제 1 장 서 언 ······················································································1

제 2장 공작기계 산업의 환경대응 기술 ··············································3

제 3장 미소 하중 하에서의 트라이볼로지 ·········································31

제 4장 가공 현장에서의 환경대응 기술 ···········································43

제 5장 물리 흡착막의 나노미터 트라이볼로지 ·································53

제 6장 연마제에 의한 가공기술 ·······················································63

제 7장 일본 국제공작기계전시회에서 바라본

새로운 생산 가공 기술 ·························································79

제 8장 정밀 연삭 기술의 개선 ·························································89

제 9장 차세대 테크놀로지와 트라이볼로지 ·····································101

제10장 공작기계에서 가공 리드타임의 단축 ···································117

제11장 일본 공작기계의 수주동향 ··················································127

1

제 1장

서 언

□ 한국 공작기계 기술개발의 대 주류는 고속, 고정밀을 추구하

면서 한편으로 고기능 복합화 방향으로 전진하고 있다. 한 예

로 기능을 향상 하기위해서 4, 5축에서 7, 8축 까지 늘어나고

있으며 또한 기능의 복합화하는 경향이 두드러지게 나타나고

있다.

□ 가장 중요하게 생각하고 있는 분야는 역시 얼마나 오랜 기간

동안 정도를 유지하면서 사용할 수 있는가?에 관심이 높아지

고 있다. 즉 신뢰성에 대한 문제가 크게 대두되고 있다.

□ 이러한 가운데 해결책으로 생각될 수 있는 것은 정밀도 및 정

확도와 함께 내 마모 및 윤활에 대한 개선된 합리적 방안을

찾게 된다. 가공 중에 발생하는 윤활유 문제며 절삭유에 대한

문제는 내구성과 함께 환경오염 방지 차원에서도 매우 중요

한 문제가 되고 있다.

□ 이상의 문제를 해결하는 방안으로 우선 가공오차(치수, 기하

2 최근 공작기계 기술개발동향

공차)를 줄이고 진원도. 원통도의 정확도를 높이면서 한편 최

적의 감합공차를 찾아 조립하여야 하며 내모성이 높은 재료

로 대체함과 동시 내마모에 대응하는 트라이볼로지의 일환으

로 윤활관리에 보다 높은 관리를 실시하여야 한다.

□ 절삭유 문제는 극 미소윤활 방식과 함께 건식가공에 대한 방

안 즉 냉풍가공 방식에 대한 연구가 계속 추진되어야하며 환

경문제도 함께 해결하는 방안을 추구되어야 한다.

3

제 2 장

공작기계 산업의 환경대응 기술1)

1. 기술의 개요

□ 공작기계 기술에서 지금까지의 기술적인 경향은 고정도기술,

고능률화, 고기능화 등 고도화에 더하여 환경문제에 대한 요

구가 날로 강력해 지고 있다. 특히 생산현장에서 환경에 큰

영향을 주는 것은 절삭유제이다. 따라서 이로 인한 폐액의 배

출을 줄이기 위해 절삭유제를 사용하지 않거나 아니면 최소

한으로 억제하는 건식, 준건식 가공기술의 확립이 매우 절실

하다.

□ 각 기업체를 비롯하여 각종 연구기관에서 건식, 준건식 가공

기술에 대한 연구개발이 진행되고 있어 가공정도도 유제를

사용한 때와 같은 수준으로 향상되었다. 그러나 절삭 칩 처리

문제가 어렵고 대응할 수 있는 가공방법이 한정되어 있고 가

공능률이 나쁜 점 등의 문제로 인하여 고객에게 가깝게 다가

1) 본문은 “稲崎一郎, 環境對應先端技術に關する調査硏究,「(社)日本工作機械工業會」,

2004, pp. 1～56”을 마규하 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.


서지 못하고 있다.

□ 문제 해결을 위한 대책에 착수하고는 있지만 결정적인 해결책

이 나와 있지 않아 공작기계 산업계에서는 건식, 준건식 가공

기술 실현에 시급한 대책이 필요한데 건식, 준건식 가공기술

에서 문제점은 무엇이며 이의 해결을 위한 가공기술 과제가

무엇인지를 검토한다.

2. 기술의 내용

□ 준건식 절삭에서 절삭 트라이보로지(대학에서의)

○ 절삭가공에서 절삭유제

- 일본에서는 연간 86만㎘의 절삭제를 소비하고 있기 때문에

절삭유의 폐액으로 인한 환경오염은 매우 심각하다. 절삭

유제는 공구 마모나 절삭온도의 상승을 막고 공구수명을

연장하며 가공치수의 정도향상, 표면 거칠기를 좋게 하는

데 필요하다. 또한 광유에 환경에 유해한 첨가제를 섞는

경우가 많다. 첨가제에는 염소계 첨가제가 극압(極壓)에서

높은 윤활성을 가지므로 사용되었지만 발암성이나 폐기

소각 시에 발생하는 다이옥신이 문제가 되어 2000년 이후

부터 사용을 금하고 있다.

- 이러한 이유로 대량 사용되는 종래의 습식 절삭액 공급법

에 대신할 절삭 가공기술로서 절삭유제를 전혀 사용하지

제2장 공작기계 산업의 환경대응 기술 5

않는 건식 또는 필요최소한의 유제사용량으로 절삭을 실

시하는 준건식 가공법이라는 환경 대응형 절삭가공법이

주목을 받고 있다. 환경부하를 생각하면 건식가공이 가장

좋지만 모든 가공에 적용하기는 어려운 점이 많다. 여기서

건식가공에 가까운 준건식 가공의 일종인 극미량 절삭액

공급법(MQL, Minimal quantity lubrication)에 관심이 높

다. MQL가공은 광범위한 절삭가공에 효과가 있고 이미

일부 생산라인에 사용하고 있으며 전체 가공에서 약 50%

가량 적응 가능하다고 본다. 여기에 모두 적용한다면 연간

약 40만kl의 폐액 발생량을 줄일 수 있을 것이다.

○ 극미량 절삭액 공급법

- 극미량의 유제를 압축공기와 함께 미스트(煙霧 ; mist)화

시켜 절삭점 근처에 공급한다. 미량의 유제에 의하여 윤활

도 하고 함께 공급되는 압축공기에 의해서 절삭 칩 배출과

냉각을 동시에 실시하여 절삭유제의 3가지 기능을 하게

된다. 유제의 사용량은 수십 ㎖/min으로 종래에 비하면

1/10,000에 불과하다. 더욱이 유제에는 생분해성이 매우

높은 합성 에스테르계 유제와 식물성 유제가 사용된다. 이

로서 종래의 가공에 비하여 환경부하가 현저하게 낮은 가

공법이 실현 가능하다.

- 습식 절삭유 공급방식에서는 절삭유를 회수 여과하여 순환

시켜 재사용하고 있기에 순환장치가 대형화 될 뿐만 아니

라 이에 따른 소비에너지도 크게 된다. 실제 절삭유제 관련


비용(16%)은 가공전체의 비용의 수십%에 달하고 있으며

공구비용(4%)에 앞서고 있다. 절삭유제 공급에 필요한 에

너지는 전체 에너지의 30%를 차지하고 있다.

- 극미량 절삭유 공법은 환경에 대한 부하, 가공비용의 절감,

소비에너지 절감에서 대단히 유익하다. 실제의 가공성능

도 종래의 가공성능에 비하여 동등하거나 그 이상이 되고

있다. 유제는 다르지만 종래의 가공에서 보다 1/10,000 정

도의 공급량으로 종래의 가공과 같은 수준의 절삭저항을

나타내고 있다. 극미량 절삭액 공급법에서는 습식 절삭액

보다 공구 마모의 억제효과도 있고 공구수명의 연장이 가

능한 것을 시험결과로 알 수 있다. 그러나 극미량의 절삭

액이 어떤 메커니즘으로 작용되고 있는가는 분명하지 않

다. 극미량 절삭액 공급법에서는 알맹이가 매우 작은 미스

트를 공급하기 때문에 종래의 가공법에 비하여 절삭점에

더 접근 할 수 있다는 점과 또 유제와 함께 공급되는 압축

공기(산소)에 의해서 유제의 금속신생면에 대한 흡착성이

증가되는 것으로 보고 있다.

○ 트라이보로지의 메커니즘을 알기 위한 시험기의 설계와 개발

- 극미량절삭유 공급법에서는 유제(油劑)미스트가 금속 생

성면에 대해서 연속적으로 흡착함으로써 윤활이 되고 있

는 것으로 생각된다. 시험기의 설계 아이디어는 절삭 중

여러 가지 물질이 신생면에 흡착되거나 또 화학적 반응에

의하여 발생하는 것으로 생각되기 때문에 “영분위기 가스


의 질량변화를 측정 가능하다”는 것과 영분위기 가스의

종류에 따라 유제 분자가 어떤 거동을 나타내는가? 그리

고 이때 윤활 효과는 어떤가?를 엄밀하게 조사할 필요가

있고 영분위기의 제어가 가능하고 윤활효과를 확인하기

위해 절삭 저항의 측정이 가능해야 한다. 이러한 요구로

고진공 절삭시험기를 개발, 제작하였다.

- 고진공 절삭시험기는 유제의 거동과 이로 의한 윤활효과

를 엄밀하게 검증할 수 있는 것이 특징이다. 실제 MQL가

공에 사용되는 에스텔 유제는 분자가 커서 기화가 곤란하

기 때문에 비교적 기화가 쉬운 에스텔 구조를 가진 프로피

온산 메틸을 유제의 모델 화합물로 사용하였으나 진공절

삭시험기에서는 영분위기 가스를 주입하려고 하여도 현실

적으로 진공에 가까운 상황에서 절삭시험을 실행하기 때

문에 보다 현실적 조건에서 시험을 하도록 영분위기가스

치환형 절삭시험기의 설계도 동시에 실시하였다. 이시험

기는 “고진공 절삭시험기“에서 얻은 결과를 실용적이고

현실적인 조건으로 피드백(feed back)하여 절삭시험을 실

시한다. 환경대응 절삭가공법에 의한 실험 및 측정이고정

도로 용이하게 이루어 져야한다.

- 트라이보로지의 메커니즘을 해석을 하기 위해서 먼저 절

삭 중 어떤 현상이 일어나는가를 질량분석계에 의해서 측

정한다. 산소와 프로피온산 메틸을 각각 2x10-2Pa만큼씩

도입하여 절삭하였을 때의 질량변화이다. 절삭의 시작과

동시에 산소, 프로피온산 메틸의 질량이 감소하고 동시에


수소의 질량이 증가됨을 알 수 있다. 질량의 감소는 금속

신생면에 흡착된다. 절삭이 끝난 다음에 질량이 전과 같이

되는 것은 밸브로부터 항상 일정한 압력의 기체를 도입하

기 때문이다. 아르곤과 같이 불활성가스를 도입하여 절삭

하여도 질량의 변화가 없다. 이로부터 절삭에서 발생하는

금속신생면에 활성이 매우 높은 산소가 흡착하여 산화 피

막을 형성하고 여기서 에스텔 분자가 화학적으로 흡착하

는 것으로 추측된다.

□ 공구 제작업체의 환경대응

○ 엔드밀의 개발의 중요성

- 건식가공 또는 준건식 가공에서 높은 생산성을 유지할 수

있는 엔드밀의 개발을 위해서 절삭 칩의 원활한 흐름을 촉

진하기 위한 세로 홈의 설계가 필요하다. 그러나 단순하게

세로 홈을 크게 하면 절삭 칩의 흐름은 좋게 되지만 공구

의 강성이 떨어지고 진동이 야기되기 쉬우며 또 잇 발수를

늘리는데 불리하다. 따라서 절삭침의 거동을 관찰하여 한

정된 공간에서 부드럽게 절삭 칩의 흐름이 촉진되는 세로

홈의 설계가 종요하다.

- 과거에 세로홈 형상의 결정을 위해 실험으로 절삭침의 구

부러진 칩의 반경과 세로홈의 상관관계를 구하여 세로홈

을 결정한 사례가 있지만 이 방법은 형상의 최적화에는 적

절하지 못하였다. 또 잇 발이 꼬인 엔드밀에서는 경사면


(Rake angle)이 곡면이 되기 때문에 곡면 경사면에 의한

절삭 칩의 생성에 대하여 논할 필요가 있다. 곡면 경사면

에 대하여 절삭침의 절단에 유효하다. 평면 경사면에서는

생성하지 않는 회전운동을 절삭 칩에 준다는 연구가 있기

때문에 실험에 근거한 정성적인 설명에 머물게 되었다.

- 절삭 칩의 흐름의 시뮬레이션을 실시하여 그 결과에 기초

하여 절삭날(lips)이 4매이면서 깊은 홈 가공이 가능한 엔

드밀을 개발하였다. 이때 곡면 경사면이 절삭 칩의 각속도

에 주는 영향을 이론적으로 추출하였으며 경사면에 남은

찰과상으로부터 경사면과 절삭 칩의 접촉을 확인하게 되

고 절삭 칩의 실제의 거동을 고속비디오로 관찰 시뮬레이

션 결과와 비교하여 설계에서 의도한 절삭 칩이 배출됨을

밝혔다.

○ 절삭 칩 제어형 엔드밀

- 절삭 칩 유출 시뮬레이션에 근거하여 사각형 엔드밀(지경

10mm 절삭날의 수 4, 헤릭스 각도 45°, 레이크 각도 5°,

코어 직경 6.5mm, AL,Ti-N 코팅)을 개발하였다. 절삭 칩

을 안전하게 유출시키고 경사면과의 접촉 면적이 적도록

설계되었다. 종래의 것에 비하여 돌기(bump)를 설치하였

는데 이를 절삭 칩 제어형 엔드밀이라 호칭한다.

○ 절삭 칩과 수구이 면과의 접촉영역

- 실험방법 : 피삭재는 오스테나이트계 스테인리스강 SUS


304, 절삭조건은 절삭속도 50m/min, 절삭날 당 이송량

0.025mm, 가공두께 3mm, 홈 가공량 10mm, 냉각제, 수용

성 유제, 그리고 절삭흔적을 남기기위해서 흑연이 들어간

도료를 도포하여 이것이 벗겨진 부분으로부터 접촉 영역

을 판별하도록 하였다.

- 실험결과 : 종래형 엔드밀에서는 절삭 칩은 좁은 세로홈의

낮은 부분에 돌기한 부분에 닿게 된 다음 낮은 곳으로부터

돌기부에 닿게 된다. 이 과정에서 절삭 칩은 굴곡하게 되

며 때에 따라서는 절삭 칩이 막힘이 생긴다. 절삭 칩 제어

엔드밀에서는 생성된 절삭 칩은 돌기를 통과한 후 낮은 부

분을 통과하지 않으며 더욱이 이와 돌기의 사이에도 공구

와 절삭 칩의 접촉이 없는 영역이 있다. 접촉영역은 적게

되며 절삭 칩의 유출의 시뮬레이션에 근거하여 설계된 절

삭 칩의 흐름을 실현하였다.

- 절삭 칩의 흐름 :

․시뮬레이션의 결과를 보면 절삭 칩의 유출 시뮬레이션에

따라 절삭 칩과 공구, 피삭재의 간섭, 적당한 세로홈의 형

상을 설계 할 수 있다. 절삭 칩의 유출각도나 절삭비를 경

험치로 정하고 경사면에서 주어지는 기하학적 구속에 근

거한 절삭 칩의 유출을 간단하게 계산하지만 유한요소법

에 의한 절삭 시뮬레이션은 아니다. 측면절삭의 경우를 보

면(축방향 15mm, 외경방향 3mm절삭), 절삭 칩의 반대 방

향의 끝단을 벗어 날 때를 프로세스의 종료 100%로 볼 때

절삭 칩이 수구이 면의 돌기를 통과한 후 공고구나 피삭재


에 간섭되지 않고 유출된다. 그리고 홈을 절삭할 때를 보

면 프로세스의 60%단계에서 절삭 칩의 끝단이 피삭재에

닿지만 절삭 칩의 단이 엷고 매우 적게 꾸부러지기 때문에

이를 무시한다.

․고속 비디오에 의한 관찰 : 절삭 칩 배출 시의 거동을 관

찰하기 위해 직경 10mm의 엔드밀을 사용하였고 깊이

5mm점에 고속 카메라를 설치하여 촬영하였다. 절삭 칩을

잘 볼 수 있도록 엔드밀을 반쯤 노출시켰다. 절삭 조건은

피삭재 : SUS304, 절삭속도 ; 50m/min 절삭날 당 이송속

도 ; 0.025mm, 축 방향 깊이 10mm, 직경방향 절삭 10mm,

건식 가공으로 하고 고속촬영 속도는 초당 1,500컷으로 하

였다. 종래형의 엔드밀(절삭날 4개)에서는 절삭 개시 직후

에 절삭 칩이 막혔고 파손되었기에 절삭날 2매의 엔드밀

로 하였다.

- 종래의 엔드밀에서는 절삭이 완전히 종료할 때 까지 사이

에 절삭 칩은 세로 홈에 감겨 붙어 탄성에너지를 축척하고

있어서 절삭 종료한 후 축척 에너지로부터 벗어나면서 비

산되어 절삭 칩의 막힘이 일어나지 않지만 홈 절삭을 계속

함에 따라 절삭 칩은 칩이 감긴 상태로 재 절삭이 시작되

어 칩이 용착되는 경우가 있다. 제어형 엔드밀에서는 칩은

절삭이 완료된 부분부터 순차적으로 수구이 면에서 벗어

나면서 막힘 현상이 일어나기 어렵다. 절삭날이 4매이면서

도 홈 절삭을 무난하게 할 수 있다. 이러한 칩의 배출은

건식, 준건식 가공에서 중요한 특성이 된다.


□ 공작기계 제조업체의 환경대응

○ 새로운 가공법

- MQL절삭은 고능율, 고정도의 가공을 실행함과 동시에 환

경개선이나 에너지절약에도 효과가 높다. 종래의 가공에

서는 가공부의 냉각과 압력에 의해서 절삭 칩의 배출성 향

상이 주요시되었기 때문에 냉각액의 고압화 및 다량 사용

되었다. 한편 MQL가공에서는 가공부의 윤활과 절삭 칩의

빠른 배출을 중요시하고 윤활액의 압력이나 용량이 크지

않아도 고능률 가공을 실현 할 수 있는 것이 다른 점이다.

- MQL가공을 실용화 하기위한 요소기술은 절삭액 및 압축

공기의 공급량을 임의로 조절 가능한 절삭액 공급장치와

절삭 칩을 자동적으로 확실하게 외부로 배출하는 칩 배출

장치 또는 기계구조가 된다. MQL가공의 이점은 환경개선

과 에너지절약을 하면서 종래의 냉각액가공보다 높은 가공

능률을 유지 할 수 있다는 점이다. 양산부품의 가공에 있

어서 많은 공정을 MQL가공으로 대체 할 수 있다. 과거 애

로 공정이던 적은 직경이면서 깊은 곳의 가공에 아주 효과

가 크다.

○ MQL 대응 공작기계

- 무상절삭액(霧狀切削液)은 주축선단에 설치된 혼합장치에

서 공구선단에 공급된다. 혼합장치는 주축 회전수에 영향

을 적게 받도록 유로의 하류에 설치하는 것이 바람직하다.


절삭액은 CNC장치에서 토출빈도를 제어하는 미소량 정량

펌프에 의해서 공구마다 미리 설정한 량을(단위 ; ml/hr)

공급한다. 설정범위는 0～200ml/hr로 공정내용이나 절삭조

건에 따라 결정한다. 또한 압축공기는 2유로의 회전커플링

을 통해서 절삭액 유로와 별개의 경로로 주축선단에 공급

된다. 주축선단의 혼합장치에는 공기의 바이패스 회로가

설치되어 있고 공기의 유량이 공구의 오일구멍의 크기나

수에 의존하지 않는 구조다.

- 절삭 칩의 처리장치는 종래와 달리 지그의 바로 밑에 절삭

칩의 배출구를 두어 칩 컨베이어를 배치하고 베드와 함께

고정된 칼럼에 클로스 슬라이드를 수직으로 설치하고 강판

을 사용해서 가공실과 기계실을 분리하고 베드에 칩이 직

접 닿지 않도록 베드를 2중구조로 하였다. 칩을 최단거리

로 배출함과 동시에 칩이 기계실로 못 들어오게 한 것이다.

또 칩이 베드에 접촉하지 않아 베드의 열 변위를 억제하는

데 도움이 된다.

○ MQL가공의 현상

- 일본국내외의 연구기관, 공구 제조업체, 공작기계조조업체,

고객(주로자동차제조회사)에서 MQL가공에 대한 연구를

실시하고 있다. 일반적으로 드릴 가공, 탭 가공, 리마가공

에서 가공부에 윤활유의 공급량을 확보함으로써 종래의

냉각액 가공보다 동등 이상의 가공능률과 정도를 얻을 수

있음을 확인했다. 최근에는 실린더 헤드의 밸브시트 및 밸


브가이드의 구멍 다듬기 가공 시 공구 수명연장에 효과가

있다는 것이 입증되었다.

- 종래의 냉각액 가공에서는 밸브시트의 다듬기 가공용 팁

(tip)수명이 800개 구멍이었으나 MQL 가공에서는 12,000

개 구멍으로 늘어났다. AL재의 적은 직경의 깊은 구멍가

공에 MQL을 이용하고 있고 실린더블록, 실린더헤드, 트

랜스미션 케이스 등의 재질이 최근 Al재질로 변경되는 경

향임으로 이에 대하여 앞으로 구멍가공의 고능률화가 강

력히 요청된다. 한 구멍 당 소비하는 절삭액을 유지함으로

써 종래의 냉각액가공에서 달성하기 어려웠던 절삭조건의

가공이 가능하게 되었고 양산 라인에서 실용이 가능하다.

○ 환경을 고려한 설비에 대한 과제

- 주철이나 Al주물을 가공할 때 생기는 가루형태의 절삭 칩

은 피삭재의 표면이나 지그, 카버내면에 부착하기 쉽기 때

문에 센터 드래프를 설치한 헤드 구조만으로는 해결이 어

려운 경우가 많다. 흡입장치나 에어 블로어 장치, 간결 세

정장치를 개발하여 이러한 문제에 대응하였지만 개선의 여

지가 남아 있다. 또 MQL 가공 시 발생하는 미스트 발생량

은 종래의 고압냉각액 가공에 비하여 격감하였으나 기존의

포집장치로는 충분히 만족할 수 없다.

- 시중에 판매되는 포집장치에는 가공 시 발생하는 유연(油

煙) 등 1µm이하의 미세한 액체나 입자를 포집하기 위해서

고성능 필터 방식이나 전기집진 방식이 있다. 포집성능을


올리기 위해서는 보다 작은 입자 직경의 미스트를 포집할

수 있는 고성능 필터를 사용하지만 필터의 막힘 현상으로

효율의 저하나 필터 교환빈도의 증대, 배기동력의 증대 등

의 결점이 있다. 또 장치가 대형화됨에 따라 장치비용이

증대되며 전극의 세척 등 정기적 보수가 필요하고 화재에

대한 리스크를 생각하여 피하는 경우가 있다. 공장 내의

환경개선이나 종업원을 생각하면 미스트 포집장치에 대한

기대가 크고 포집성능, 에너지 절약, 적은 설치 공간, 보수

점검의 용이성, 안전성, 코스트 등 개선할 테마가 아직도

많이 남아 있다.

□ 환경대응 기기 제조업체의 환경대응

○ 미스트 컬렉터의 출현과 그 후의 경과

- 오일미스트 회수기, 미스트컬렉터가 출현한 것은 1970년경

이다. 당시 작업환경에 대한 개선 의식이 매우 약하였던

때였고 제품의 가격도 높았으며 포집효과를 비롯하여 성

능 또한 시장에서 받아들일 수 없는 정도였다. 오늘날은

사외정세 보다 오히려 세계적인 환경보호 인식이 높아져

미스트컬렉터에 대한 필요성이 높아지게 된 것이다. 이러

한 관심이 제조업체의 경쟁을 유발하여 성능, 품질이 매우

향상되었다.

- 현재 오일미스트가 발생하는 공장은 노동안전위생법의

“작업환경측정을 해야 하는 작업장ꡓ의 적용을 받지 않지


만 미스트 허용농도에 관해서는 법적규제가 없지만 공장

내 미스트농도가 높으면 작업자가 불쾌감을 나타내고 건

강에 대한 불안감을 갖게 된다. 주변의 고충을 호소하는

경우와 또 환경오염에 대한 우려가 있기 때문에 공장내 미

스트 농도는 자주규정을 두어 관리 유지하는 방향으로 진

행되고 있다. 일본 산업위생학회의 권고치로는 3mg/m3(광

유리스트)으로 되어있지만 각 제조업체의 경우 0.2～

1.5mg/m3이다.

○ 미스트 컬렉터의 종류와 특징

- 포집방법에 따라 크게 2가지로 나누어지는데 그 하나는 미

스트에 전하를 주어 포집하는 정전기 포집방식과 다른 하

나는 미스트를 필터에 의해 포집하는 필터방식이 있다. 정

전기 포집방식은 포집효율이 매우 높지만 필터방식에 비

하여 매우 비싼 것이 흠이다. 수용성미스트의 흡입이나 이

물질 침입에 의한 불꽃 방전을 일으킬 수 있고 안전 때문

에 운전을 멈추는 경우가 있다. 반면 필터방식은 절삭 칩

의 흡입이 가능하며 필터의 세척이나 교환 등 보수성이 좋

으며 비교적 값이 싼 것이 이점이다. 또한 미스트의 종류

에 따라 필터의 굵기며 설치하는 수자를 선택할 수 있다.

미스트의 굵기에 대응할 수 있지만 정전기 방식보다 포집

효율이 떨어진다.

○ 미스트 컬렉터의 현상


- 미스트의 크기는 통상 1～10µm의 입자 크기를 말하지만,

현재의 미스트 컬렉터는 0.1µm의 입자크기까지 포집이 가

능하다. 통상의 미스트 컬렉터는 1～2차 심지어 3～4차까

지 필터를 두고 있다. 점차 필터가 섬세하여 진다는 것이

다. 1차에서 흡인 미스트의 80%를 흡인하고 2차에서 15%

3차에서 나머지 극소경의 미스트를 포집하는 구조이다. 이

렇게 함으로써 필터의 수명이 연장되며 필터코스트 및 보

수비용을 낮게 하는데 기여하고 있다.

○ 환경대응기기에 대한 연구

- 일본Speed Showa 회사는 환격대응과 동시에 절삭 및 연

삭가공에 있어서 고능률화를 목적으로 냉각액 시스템, 에

코렉 시스템(기름과 냉각액을 무상(霧狀)으로 분사하면서

가공)의 메이커이다. 공작기계에 컬렉터를 부착하여 판매

하며 일부 냉각액이나 고압냉각액에 대체하여 컬렉터시스

템에 의해 구멍가공에 대한 수요가 많이 있다.

- 예를 들면 SCM445재에 L/D 19.25배 깊이의 구멍을 뚫었

다. 고객요구는 초경드릴의 ①장수명화 ②가공속도향상

③구멍 직경 및 표면조도 향상의 순으로 하여 한 공구메이

커의 드릴을 정하고 동일 가공조건으로 MQL 메이커 2사

고압냉각액 1사 일본Speed Showa사 등 4개사가 컨설팅을

실시하였다. 가공조건 VC=80m/min fr=0.15mm/rev 구멍

수 480개(절삭길이 37m)에서 한계이다. 또 다른 회사는 구

멍수 960개(절삭길이 92m)에서 한계에 도달, 고압냉각액


은 구멍수 1,200개(절삭 길이 92m)에서 재연마가 필요하

였고, 일본Speed Sowa사의 에코렉 시스템은 2,400개구멍

(절삭 길이 124m)까지 가공이 가능하다

- 특기할 것은 드릴의 끌 부위, 절삭날부, 최외주부 공히 극

미량의 마모에 그친 것이 최대의 특징이었다. 이것은 기름

과 냉각액을 무상(霧狀)으로 드릴의 오일 구멍과 동시에

공구주변에 분사하면서 가공하였기 때문에 냉각, 윤활, 절

삭 칩 제거를 동시에 할 수 있었다. 보통 드릴보다 5～10

배의 속도로 구멍가공이 가능하였다

- 최근 L/D 40배의 구멍 뚫기도 가능하다. 공구제조회사의

기술발달에 맞추어 건드릴 가공에서 2매 날 드릴로 대체

되고 있다. 생산성 및 환경문제로 건드릴에 구멍 뚫기는

고압냉각액 등 소방법에 불리하며 폐액처리 문제로 피하

는 경향이며 깊은 구멍을 뚫을 때 절삭 칩이 나오게 하는

것이 문제점이다. 이를 해결하기 위해서 절삭 칩을 가급적

적게 하고 뭉치지지 않게 분리시켜야 하고 칩이 올라오기

쉬운 형태로 하면서 간격을 짧게 해야 한다.

- 알루미늄 다이캐스트 AD12재에 L/D 20배의 고속 깊은 구

명의 가공을 실시할 때 용착되지 않아야 한다. 오일 미스

트만으로는 열을 제거할 수 없어서 공구가 손상을 입게 되

는데 성장성이 없는 용착이다. 드릴이면서도 표면 거칠기

는 Ry2µm을 달성하는 가공법 및 직진성, 동축도를 향상하

는 가공법 등 요구에 따라 기술을 개발하고 있다.


□ 미스트 오일 컬렉터에 대한 실험

○ 준건식 가공에서 오일미스트 회수

- 사용 유제가 매우 극소량이기 때문에 공급 에너지가 적고,

순환설비가 불필요하고 폐기할 때 문제를 발생하지 않는

다. 준건식 가공법은 절삭성능, 2차 성능 면에서 뛰어나지

만 아직도 종전의 방식을 대체하고 있는 곳은 미미한 수준

이다. 냉각 및 절삭 칩의 배출효과를 올리고 트라이보로지

메커니즘의 해명 그리고 절삭전후의 절삭액 부유물의 효

율적인 회수가 절대 필요하다.

- 준건식 가공법에서 비말, 원심력, 증발/응축작용에 의해서

공급미스트가 작업장에 부유하는 비산미스트가 되는 결점

이 있다. 비산 미스트를 효율적으로 포집하는 시스템이 필

요하다.

○ 비산 미스트의 문제점

- 미스트의 정의는 Aerosol학에서는 일반적으로 미소한 액

적입자를 말하고 있지만 입경 10µm이하를 말하나, 실제로

는 1～2µm의 입자를 말하고 있다. 1µm이하를 오일포그라

한다.

- 비산미스트의 문제는 부유, 부착, 추적, 냄새, 인체 장애 등

으로 미국국립노동안전 위생연구소에서는 0.5mg/m3의 제

한치를 두고 있다. (일본의 권고치 3µg/m3) ISO14000의

규격을 획득한 업체에서는 0.3～0.5µm3 이하로 자주규제


하고 있다. 노동안전위생규격인 ISO 18000이 제정되면 지

금보다 훨씬 엄한 규격이 될 것으로 예상된다. 오일미스트

에 의한 질병은 호흡기염, 비염, 기관지염, 암과의 관계를

부정하지 못하고 있다. 흡입된 입자의 침착하는 비율은 입

자직경 0.1～1µm 20-30% 정도이며 5µm에서는 90% 정도

이다. 200µm 이상인 경우 유해성이라 하여도 위험이 적다.

○ 비산 미스트의 발생 메커니즘

- 비산미스트 발생요인은 비람, 원심력, 증발/응축작용으로

대별한다. 비말, 원심력에 의한 분무기 작용의 일종으로

보고 있으나 절삭조건, 유제공급조건이 영향을 준다. 증발

/응축에 의한 발생은 절삭온도, 가공 실내온도, 유재성능

이 영향을 준다.

- J. W. Sutherland에 의하면 5%신세틱 수용성 절삭유제를

12l/min로 회주철을 절삭 할 때 발생하는 에어로졸의 발생

상황을 조사하면 절삭 시 비산하는 비산미스트 중량농도

가 무절삭시에 14～400배가 됨을 실증하였다. 절삭 시의

비산미스트 농도는 비말, 원심력, 증발/응축 전부가 작용

하지만 무절삭에는 비말, 원심력만이 작용된다.

- J. Thornburg는 종래의 절삭조건으로 절삭할 때 광유계

절삭유제가 식물계 절삭유제보다 다량의 비산미스트를 발

생하는 것을 실증하였다. 광유계가 증발하기 쉽고 포화증

기량이 낮기 때문이다.


○ 비산미스트 농도측정방법

- 종래방식의 절삭액의 농도 측정방법의 검증 : JIS Z 8088

원통여지법에 준한다. 비산미스트의 정량적 측정은 미국

연구기관에서 실시하는 것이 많다. 측정항목은 중량농도

(mg/m3) 입자직경별 개수농도(개/m3)의 양자가 사용되며,

준건식 절삭에서는 입자직경별 개수농도가 사용된다. 개

수농도에 대신하는 중량농도(mg/m3)의 측정원리는 광산

란 방식과 흡입한 에어로졸을 연수정 위에 부착하여 질량

을 연수정의 진동수 변화로 추출하는 Piezo balance 방식

이 있다. 후자는 대기 중의 고체입자인 분진의 농도측정에

사용되는 것으로 액체의 미스트에 전용가능성은 기기 메

이커에 의해서 조치될 수 있으나 확증은 없다. 다만 분진

용 중량특정을 할 때 최소한 5회 이상 반복측정으로 평균

치를 내어 사용해야 한다.

- 비산미스트의 측정점의 검증 ; 일반적 영분위기에서의 에

어로졸 농도는 측정점 위치에 따라 큰 차이가 있다. 검증

을 위해서 준건식 가공용 오일 미스트 공급 장치를 사용한

다. 다른 측정점에서 중량농도의 시간변화를 Piezo Balance

식 분진계를 사용하여 측정한다. 가공실 내칙면부에서 비

산미스트농도가 4mg/m3부근에서 정상상태가 되며 토출점

하부에서는 6mg/m3 부근까지 상승하는 것을 알 수 있다.

이러한 원인은 측정점까지의 거리의 영향, 가공실내의 공

기유출에 영향을 주고 있기 때문이다.


○ 미스트 컬렉터의 형상과 문제점

- 회수 ; 공작기계 1대에 한 개의 컬렉터를 부착하는 방법과

여러 대의 공작기계에 하나의 컬렉터를 부착하는 집중방

식이 있다. 개별처리방식의 경우 밀폐성을 높이는 구조로

되어있기 때문에 높은 흡입압력으로 흡수를 계속하기가

어렵다고 지적되고 있다. 회수관 내부에 미스트의 덩어리

가 생겨 구멍이 생긴 경우도 있다.

- 포집 : 미스트컬렉터는 입경 1µm이상의 미스트에 대하여

서는 99%이상 포집효과가 있고 1µm 이하의 것은 메이커

에 따라 다르지만 효율이 좋은 것을 개발하기위해 노력하

고 있다.

․필터방식 ; 필터에 직접 미스트를 접촉시켜 포집하는 방

식으로 포집 가능범위는 필터의 거칠기의 정도에 따라 차

이가 있다. 비교적 값이 싸고 대략 다단계로 필터가 설치

되어 있지만 필터가 막히면 흡입능력이 떨어지기 때문에

정기적인 교환이 필요하다.

․전기집진식 : 오일미스트에 전하를 부하하여 집진극판에

전기적으로 집진하는 방식이다. 미스트 발생이 비교적 적

은 곳에 유효하다. 집진효과는 매우 높으나 비산미스트의

포집에는 양이 많기 때문에 전극부가 곧바로 더러워지게

된다.

․원심분리기 : 잔류 추적미스트를 처리하는데 시간적 효과

가 크다. 보수가 용이하고 코스트가 낮지만 포집효율이 낮

은 것이 흠이다.


․냉각식 : 회수한 미스트의 응축 및 냉각제습이란 보조적

인 역할을 담당한다. 필터식이나 전기집진식과 병행해서

사용하고 있다. 집진효율을 높이고 필터의 막힘을 방지 하

여준다.

․촉매식 : 필터에는 세라믹이나 천연석을 사용하여 산화환

원작용을 이용한 것이다. 회수한 오일미스트를 H2O, CO2

로 화학 분해하여 방출시킨다. 필터가 불필요하며 폐기물

도 적다.

- 소비전력 : 개별포집의 경우는 결코 적지 않은 전력이 소모

된다.

- 준건식 가공법의 적용가능성 : 현 미스트 컬렉터는 종래

방식의 냉각액의 가공 중에 발생하는 비산미스트를 회수,

포집하는 목적으로 만들어진 것이다. 준건식 미스트컬렉

터는 처음부터 미스트를 공급하기 때문에 비산 미스트 양

이 많을 것으로 예상된다. 한편 사용량이 적기 때문에 감

소할 수도 있다.

○ 미스트 컬렉터의 성능평가 방법의 검토

- 미스트 컬렉터의 성능평가 파라미터로 회수효율 eα 포집

효율 eβ 로 정의하고 회수효율은 컬렉터를 사용한 경우의

공작기계의 내부의 비산미스트 중량농도를 cc로 사용하지

않은 것을 c로 하여 다음 식을 유도한다.

eα= c-cc/ cX100% ①

회수효율은 측정점에 따라 차이가 있을 수 있고 포집효율


eβ는 미스트컬렉터 입구 출구에서 미스트 농도중량을 각

ce, ca로 정의하면

eβ= ce- c/ce X100% ②

회수효율이 낮으면 포집효율의 값에 관계없이 미스트는

대기 중에 대량으로 방출된다. 회수효율 100% 포집효율

100%의 기술을 목표로 하여 계속 연구를 해야 한다.

□ 기계가공 작업환경 중 미립자 발생과 포집상태 측정

○ 실험장치

- 기계가공작업 중 오일미스트, 유연입자가 발생한다. 가공

기내의 밀폐공간에서 가공이 이루어지고 가공기내의 미립

자는 미스트컬렉터에 의해 외부로 배출하게 된다. 오일미

스트 발생장치는 RECISION KURODA제의 MQL시스템,

ECOSAVER의 KEPER2를 사용하고 용기 내 아주 적은

1µm의 미립자를 압축공기와 함께 외부로 방출한다.

○ 입자측정기

- Hand held Particule Counter KR-12A 와 Piezo Balancer

형 집진계 Model 3511을 사용하였다. KR-12A는 광 산란

방식을 사용하고 있으며 측정결과는 개수농도(개/m3)로

표시하고 광 산란방식은 입자에 빛을 쏘아 산란시킨다. 산

란된 빛을 광전교환소자로 펄스상의 전기신호로 교환한

다. 이때 펄스의 크기로 입자의 크기를, 펄스의 수로서 입


자의 수를 계산하는 방식이다. 그러나 대량의 입자가 있을

경우에는 셀이 오염되어 측정이 불가능하게 되는 결점이

있다.

- Piezo Balancer형 집진계의 측정원리는 분진을 집진하는

수정에 포집하여 질량을 수정의 진동수 변화로 변환하여

측정하는 방법이다. 수정의 세정이 가능하기 때문에 대량

의 입자가 있을 경우에도 가능하다. 측정결과는 중량농도

(mg/m3)로 표시한다.

○ 집진계

- 평가대상 집진기로서는 SHOWA 전기제의 미스트컬렉터

미스트 래사 CRD 400K를 사용하였다. CRD 400K는 관성

집진인 충돌판과 여과 집진인 필터를 사용하는 집진이다.

고성능 필터를 사용하여 1µm이하의 입자의 집진효율을

높인다.

○ 오일미스트 공급시의 집진기 배기중의 입자의 측정

- 준건식 가공 중에서는 절삭유제의 미스트와 발열에 의한

유연이 발생한다. 이를 집진하지만 집진기의 포집능력, 효

율 등의 제한으로 인한 집진기의 배기로부터 작업환경에

누출하는 경우가 있다. 배기중의 입자수를 측정하고 집진

기의 성능평가를 실시하였다. 다만 가공을 하지 않고

MQL에서 미스트를 공급하는 생태에서 측정하였다.

- 실험장치와 실험방법 ; 오일미스트를 10분간 방출하고 집진


기 가동 1분 후에 비닐봉지에 포집한 후 입자수를 측정한다.

- 실험결과 ; 큰 입자일수록 집진이 잘 되고, 적은 입자 중

0.5µm이상의 입자는 집진기를 사용함에 따라 실험실 내의

개수농도 이하로 되었고 고성능 필터를 사용함에 따라 포

집효율이 높으며 가공기계 내에 미스트가 발생하는 조건

에서 배기에 미스트 유출이 거의 없었다.

○ 유연발생시 집진배기중의 입자측정

- 최근 고능률, 준건식 드릴가공에서 유연의 발생이 문제가

되고 있다. 유연에서와 같이 입자경이 1µm이하의 유연이

많이 발생하는 경우, 실험장치와 실험방법은 금속판 위에

오일을 놓고 가열하는 방법을 사용하였다. 먼저 충분히 예

열한 전열기에 가열판을 설치한다. 전기로로 5분간 가열한

다음 1분마다 1cc씩 떨어지게 하여 총 5cc가 되면 여기서

유연이 발생한다.

- 실험 결과 ; 실험실 내의 정상상태에서 각 입자 직경의 개

수농도를 1이라고 하고, 이와 비교한 각 입자 직경마다의

개수농도를 비교한다. 고성능필터를 사용한 경우 포집효

과가 크고 농도가 크게 낮아짐을 알 수 있다. 범용필터를

사용한 경우를 보면 배기 중 입자의 개수농도는 실험실 내

의 입자의 개수농도 보다 크다.

○ 가공기의 문을 열 때 밖으로 방출되는 미립자 수의 측정

- 가공물을 교체할 때 기계 내에 있던 미스트나 분진이 밖으


로 나오게 되는데 이때 입자의 수를 측정한다. 실험방법인

실험장치는 집진기가 설치되어 있는 경우와 안 되어있는

경우 그리고 문을 반쯤 열 때와 완전히 열 때의 각각의 경

우를 기준하여 측정하였다.

- 실험결과 ; 반개방, 전개방 공히 집진기를 가동함에 따라

방출입자의 개수농도의 감소를 볼 수 있으나 개수농도의

변화는 없었다. 개수농도의 그래프 전체에서 입경이 크게

됨에 따라 정상상태와의 비가 적게 됨을 알 수 있다. 미세

한 입자일수록 방산하기 쉬운 경향이다.

○ 집진효율에 영향을 미치는 공기유입구의 존재와 위치의 영향

- 밀폐형 공작기계의 공기취입구의 위치에 따라 집진효율이

변화할 수 있다. 이때 집진기 배기중의 입자를 측정하는

방법 및 실험장치를 보면 유연을 발생시키면서 집진기를

가동한 생태에서 필터를 장착하지 않은 상태에서 배기중

입자의 질량농도를 측정한다. 입자의 질량농도가 높을수

록 유연은 밖으로 나오게 된다.

- 공기취입구의 위치가 집진기 위치와 대향인 경우와 가공

이 이루어지고 있는 공구의 근처인 경우에 따라 문을 열었

을 때의 방출량은 대향방향이 적음을 결과적으로 알 수 있

다. 결론은 집진기와 공기 취입구 사이에 유연이 발생하는

곳이 위치하도록 하여야 한다.


3. 결 론

□ 준건식 가공의 일종인 MQL은 직경이 적은 유제를 공급하는

메카니즘으로 다른 가공법과 달리 유제미스트가 절삭점 부근

까지 침투가 쉽고 유제와 함께 공급되는 압축공기속의 산소

에 의해서 유제가 금속신생면에 흡착성을 증가시키는 것으로

생각된다.

□ 공구자체의 성능은 준건식 가공의 가부에 대하여 크게 좌우한

다. 특히 엔드밀의 경우 절삭 칩의 배출이 키포인트 이다. 절

삭침의 흐름에 대한 시뮬레이션수법을 개발, 4매 절삭날이면

서도 깊은 홈 가공이 가능하고 절삭침 제어형 엔드밀을 개발

하였다. 이로서 준건식 가공에 적합한 공구형상의 최적화를

기할 수 있었다.

□ 가공을 고능률화 하기위해서는 단위시간당 공급유량이 아닌

단위 가공물 당 공급유량을 확보할 필요성에 따라 AL재의 깊

은 구멍가공이 가능하게 되었다. 기름과 냉각액을 무상(霧狀)

으로 분사하는 방식에서도 드릴의 장수명화와 고능률화가 가

능하게 되었다.

□ MQL 등 준건식 가공이 실시되면서 가공 중 발생하는 미스트

량은 종래의 고압냉각액 가공 때 보다 적어진다고는 할 수 없

다. 오일미스트가 발생되는 작업장에서는 노동안전위생법의


“작업환경을 측정하여야할 작업장”의 적용을 받지 않고 있으

며 미스트 허용기준량에 대한 규제도 없는 실정이지만 ISO

14000인정 획득하면서 대기업은 03.～0.5µm/m3 로 자주규제

를 실시하는 실정이다.

◃전문가 제언▹

□ 공작기계 분야에서도 최근 환경문제에 대한 요구가 날로 강력

해 지고 있다. 특히 생산현장에서 환경에 큰 영향을 주는 것

은 절삭유제이다. 따라서 이이 배출을 줄이기 위해 절삭유제

를 사용하지 않거나 아니면 최소한으로 억제하는 건식, 준건

식 가공기술의 확립이 매우 절실 하다.

□ 기계 가공시 유제(油劑)의 사용을 최소한으로 하는 방법 중의

하나는 공작기계의 주축에 유제와 공기를 동시에 사용하여

윤활하는 것이다. 이 경우 유제를 적게 하면 고속회전 시 교

반저항 발열을 낮게 하기 위해 실시하는 경우이다

□ 절삭가공에서 준건식(오일미스트)은 처음 환경대책의 일환으

로 시작하였기에 사용하는 기름 종류는 생분해성이 높은 식

물성기름이 많이 사용된다. 환경에 관심이 높은 유럽 특히 독

일에서는 1993년부터 가공액최소화에 대한 연구를 착수하였

으며 일본에서는 1996년부터 극미량 절삭액으로 절삭성능향

상에 대한 연구가 본격적으로 착수되었다.


□ 극미량 절삭액 가공법(MQL ; Minimal Quantity Lubrication)

은 시간당 10ml의 미량의 유제를 가공점에 공급하는 방법을

말하며 제품과 절삭칩에 유제가 거의 없기 때문에 준건식 가

공이라고도 한다. 물론 극미량유제를 사용하게 되면 반드시

집진기를 설치하여야 하며 작업장 환경을 보호하면서 아울러

작업자에 대한 안전위생에 대한 조치도 함께 하여야 한다.

□ 건식가공에 대한 연구에서 냉풍가공에 대한 연구도 꾸준하게

실험을 하고 있다. 즉 영하 40도의 공기를 가공점에 공급하여

냉각 및 공구수명을 연장하는 방법에 대한 것이다. 이때는 완

벽하게 환경문제는 해결 되지만 냉풍을 만들기 위한 설비문

제 등 해결해야할 문제점이 많다.

□ 준건식 가공에서 오일미스트 문제와 이를 최소한으로 하기 위

한 집진기에 관한 문제를 해결할 때 고능률 고성능의 목표를

달성할 뿐만 아니라 절삭유에 대한 경제적 문제가 상당히 해

결되고 폐유 처리에 대한 환경문제의 걱정도 줄기 때문에 많

은 관심이 필요하다.

31

제 3 장

미소 하중 하에서의 트라이볼로지2)

1. 기술의 개요

□ 트라이볼로지(tribology) 입장에서 마이크로 머신(micro machine)

또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)와 자동차의

엔진처럼 매크로 기구(macro mechanism)를 비교해 보면, 마

이크로 머신에서는 마찰속도나 마찰면에 걸리는 하중이 매우

적을 뿐만 아니라 허용되는 마모량도 적다. 이것은 마이크로

머신이 작기 때문이며, 따라서 유체윤활을 하기에도 어려움이

따른다. 또한 마모량을 낮추기 위해 윤활을 하는 기구 조립도

기본적으로 불리하다.

□ 마이크로 머신에서 실용화 된 것으로는 MEMS라 불리는 반

도체 제조공정을 이용해 제작한 장치가 있다. MEMS에서는

상대접촉운동을 하는 기구가 목표는 아니지만, 마찰면에 걸리

는 하중이 작으면 마찰이나 마모를 줄이는데 유리하다. 이러

2) 본문은 “安藤泰久, 微小荷重下のトライボロジー,「トライボロジスト」, 49(2),

2004, pp. 122～127”을 마규하 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.


한 특징을 최대한으로 살리면 마이크로 머신의 상대접촉부를

실현하는 것이 가능하다.

2. 기술의 내용

□ MEMS에서 나타나는 마찰

○ MEMS공정에 의해 제작된 마찰력 측정기를 보면 장치에 따라

결정 실리콘끼리의 정지마찰계수는 4.9의 높은 값이 측정되고

있다. SEM (Scanning Electron Microscope)에서 SiO2로 마찰

할 때, 정지마찰계수 0.5, 동마찰계수 0.2～0.45의 값이 측정되

었다. 예를 들면 Pin on Disc 마찰시험장치와 같이 매크로 기

구로 측정한 마찰계수와 극단적인 차이는 없다. 마이크로 머

신의 마찰계수를 말할 때, 같은 정전 액추에이터 측정기를 사

용해도 큰 차이가 나타나는 것은, 측정이 각각 다른 연구기관

에서 실시되고, 표면의 재질뿐만 아니라 장치를 제작하는 공

정도 각각 달라 결과에 영향을 줄 가능성을 부정할 수 없지만,

이것만으로 많은 마찰계수의 차이를 설명하기가 어렵다.

○ 마찰력을 측정할 때 수직하중이나 면압(面壓)의 상이로 마찰

계수의 차이가 생긴 것이 첫 번째의 원인으로 생각할 수 있

다. 일정의 수평력 Fsuspension를 가하면서 수직하중 Fnormal를 서

서히 줄여갈 때 0.01～0.06µN정도의 수직하중에서 미끄러지

기 시작하는 것을 측정하였다. 다른 한편으로는 중앙의 봉을

제3장 미소 하중 하에서의 트라이볼로지 33

양측의 구조물에 끼워 0.8～20µN의 일정 수직하중을 가하고,

중앙의 봉에 수평력을 가해 미끄러지기 시작할 때의 마찰계

수를 구한다.

○ 마찰계수에 차이가 발생한 두 번째의 이유는 측정시의 분위기

상이로 생각된다. 문헌에는 측정환경에 대한 언급이 없지만

대기 중에서 이루어졌을 것으로 생각하며, 진공 중에서 이루

어진 경우라면 마찰계수가 낮을 것이다. 마이크로 머신이라

하여도 수직하중이나 분위기에 따라 마찰의 상태가 크게 다

르다. 특히 조건에 따라서는 매크로 기구와 크게 다르지 않은

마찰계수가 측정된다. 트라이볼로지 문제, 특히 높은 마찰계

수가 나타나는 것은 마이크로 머신의 크기에 따른 원인뿐만

아니라 하중 또는 분위기가 중요한 역할을 하고 있다.

□ 하중을 줄여 틈이 보이는 마찰력 성분

○ Coulomb의 마찰법칙에 따르면 마찰력은 수직하중에 비례한

다. 그러나, 수직하중을 0에 가깝게 할 때 마찰력은 수직하중

에 대하여 직선적으로 변하지만, 수직하중이 0이 될 때 마찰

력은 0이 되지 않는다. 이러한 마찰력 측정 전후에 측정한 분

리력(分離力)의 평균치는 몇 번에 걸쳐 마찰력 측정을 하여도

거의 일정하다.

○ 이러한 분리력이 무엇에 의해서 생기는지 정확하게 규명되지


는 않았지만, 표면사이에 응축된 물의 표면장력 또는 Van der

Waals 힘을 가정한다면 분리력의 크기를 비교적 잘 설명할

수 있다. 이러한 힘이 응착력(凝着力 ; 접촉면사이에 수직방향

으로 작용하는 힘)으로 작용한다고 가정하면 이러한 힘은 마

찰력이 생기는 실제접촉면에 대해서는 외부로부터 가해지는

수직하중과 본질적으로 같이 움직인다. 결과적으로 마찰력은

응착력과 수직하중의 합과 비례하고, 마찰 중에 작용하는 응

착력이 분리력(표면에서 분리되기 직전의 응착력)과 같은 정

도라면 마찰력은 수직하중과 분리력의 합과 비례하고 마찰력

을 수직하중과 분리력의 합으로 나눈 마찰계수는 거의 일정

하다.

○ 평면끼리 접촉하고 있는 경우, 응착력은 하중에 의해 변하지

않는다. 이러한 면을 마찰할 때, 진동 등의 요란(擾亂)을 배제

하면 표면을 분리하려는 힘이 작용하여 하중과 응착력의 합

이 거의 0이 될 때까지 수직하중이 감소할 수 있다. 이때 음

(-)의 수직하중과 분리력의 합을 실효적하중이라 정의한다.

응착력이 외견상 접촉면적 또는 그 속의 일정 비율의 면적에

작용한다고 가정한다면 응착력이 클수록 외견상 마찰면적도

크게 된다. 따라서 실효적하중이 거의 0이 될 경우, 응착력이

클수록 실효적 하중을 외견상의 접촉면적으로 나눈 접촉면압

은 낮으며, 하중을 지지하는 실제접촉면적에 대하여 외견상이

접촉면적의 비가 크게 된다.


○ 좁은 틈새는 대기 중의 수분이 응축되기 쉬우며, 이른바 모관

(毛管) 응축현상으로 알려져 있다. 상대온도가 100%에 이르

지 않아도 응축된 물이 증발하지 않는 이유는 액체의 표면이

오목한 모양이 되면 오목한 것의 곡률반경이 작을수록 액체

표면의 포화증기압이 낮아지기 때문이다. 접촉면에 형성된 이

러한 응축수는 표면장력에 의한 Laplace압력이 응착력으로서

표면을 서로 당기는 것뿐만 아니라, 마찰에 의해 전단(剪斷)

이 생길 경우 점성에 의하여 마찰력이 증가될 가능성이 있다.

○ 실효적하중이 0에 가까울 때 마찰을 일으키면 하중을 지지하

는 실제접촉면에 발생하는 마찰력이 작게 되기 때문에 근방

에 응축된 물 또는 오염물(주로 먼지류) 내부의 점성력이 상

대적으로 증대한다. 실효적하중이 0에 가까울수록 응착력을

고려한 마찰계수도 증가하는 경우가 있다. 또한 속도를 변화

시켜 응착력을 고려한 마찰계수를 측정하면 실효적하중이 낮

을 때 점성의 효과가 현저하게 나타나서 마치 유체윤활과 같

이 마찰속도와 함께 마찰계수가 증가하는 영역이 나타난다.

응축수가 유체 윤활막으로 작용하여 하중을 지지하는 마찰력

을 저하시킬 가능성이 있다.

○ 저하중 또는 외견상 접촉면압이 낮을 때의 마찰력은 실효적

하중에 비례하는 항목과 외견상 접촉면적에 영향을 주는 항

목으로 나뉘어 진다. 실효적 하중은 외부로부터 가해지는 수

직하중에 응착력을 가산함으로써 구해진다. 외부하중이 높은


경우에는 마찰력은 외부하중만으로 결정되어 Coulomb의 마

찰법칙이 그대로 적용되며, 외부하중이 낮아도 실효적하중이

높으면 마찰력은 실효적 하중에 비례한다. 실효적 하중이 낮

고 응축된 액체의 단면적이 크면, 하중에 의존하지 않는 점성

적 저항력이 현저하게 된다.

□ 초저마찰과 적용 가능성

○ 미끄럼마찰은 건조마찰, 경계윤활, 유체윤활로 분리된다. 철과

금속의 마찰계수는 0.2～0.9사이에 있다. 진공에서 마찰을 하

게 되면 금속의 조합에 따라 마찰계수가 1을 넘게 된다. 그러

나 MoS2와 같은 고체 윤활제의 경우 진공중의 것이 대기보다

낮은 마찰계수를 나타내는 경우가 있다. MoS2 뿐만 아니라

DLC(Diamond Like Carbon)나 금속 등도 진공에서는 0.01이

하의 매우 낮은 마찰계수가 측정된다.

○ 마찰계수 0.01이하의 초저마찰이 실제 나타나는 이유에 대하

여 통일적으로 설명할 이론은 없으며, 재료나 조합에 따라 다

르게 설명되고 있다. 초저마찰이 측정되는 것은 측정하중이

1N이상이나 점점 높게, 어느 정도의 거리를 마찰한 후에 있다

는 것이 공통점이다. 실험 후의 시료 표면이 매우 매끄럽다는

것도 공통점이다. 또한 진공 중에서 저마찰이 일어나기 쉽고

수분의 존재에 의해 마찰력이 증가한다는 보고도 있다. 저마

찰이 되는 조건은 친숙성(정교성)과 진공이라는 가설이 성립


된다.

○ 고체사이에 작용하는 마찰력의 발생원인으로 트라이볼로지

전문가 사이에서는 Junction Growth가 비교적 널리 신뢰되고

있다. 그러나 마모를 동반하지 않는 마찰의 경우(conduct

mode의 원자간력현미경 측정에서 마모가 거의 일어나지 않

음), 마찰력은 Tomlinson's Model과 같이 원자의 중립위치에

서 엇갈려 되돌아 올 때 발생하는 에너지가 흩어져 없어질 때

생긴다고 생각하는 것이 이치에 맞다. 마찰에 의해서 충분하

게 친숙성이 진행되고 탄성접촉면에 생기는 마찰력이 지배적

일 때, 마찰은 그의 에너지가 흩어져 없어짐으로써 생긴다고

볼 수 있다.

○ Hirano 등은 결정면이 서로 마주보며, 그 원자 간격비가 무리

수(無理數)가 되는 incommensurate한 접촉상태로 미끄러질

경우, 에너지가 흩어져 없어지고, 마찰력이 0이 되는 초 윤활

상태가 존재할 가능성을 지적하고 있다. 역으로 말하면 원자

간격이 일치하는 commensurate 상태일 때 마찰력이 발생한

다. 다결정재료가 탄성적으로 접촉하고 있을 경우 조금 결정

방위가 어긋나면 commensurate가 안 되기 때문에 모든 부분

에서 초 윤활상태가 된다고 생각할 수 없다. 초 윤활상태의

부분이 하중을 지지하고 접촉면 전체로서도 마찰력이 특히

낮아지기 때문은 아닐까?


○ 탄성접촉을 하고 있는 고체 간에 작용하는 마찰력이 매우 낮

으면 초 저마찰이 실제 나타나는 조건으로서 친숙성이 필요

하다는 가설이 설득력이 있다. 왜 더욱 간단하게 초저마찰이

일어나지 않을까? 이는 하중이 높을 경우에는 탄성역을 넘는

면압이 부분적으로 작용하여 마모나 소성변형이 생기기 때문

에 그 저항이 마찰력으로써 지배적으로 작용하게 된다. 하중

을 낮게 하면 소성변형은 억제되고, 응착력을 고려하지 않으

면 마찰계수는 외견상 크게 된다.

○ 응착력을 고려한다고 하여도 응축수나 오염물질의 점성으로

인한 마찰력은 어느 정도 이상은 낮아지지 않는다. 따라서 초

저마찰이 발생하기 위해서는 “마찰에 의한 친숙으로 평활면이

얻어지지만, 그 이상은 거의 소성변형을 일으키지 않는다” 즉,

“접촉면에 오염물이나 응축수가 없어 점성의 변동이 없거나,

이를 무시할 정도로 수직하중이 크다”라는 조건이 필요하다.

○ 높은 하중에서 마찰하여 어느 곳에서 마모가 진전하지 않는다

는 것은 간단한 조건이 아니다. 그러나 저하중에서 소성변형

을 억제하고 진공 속에 둠으로써 응축수의 영향을 배제하고,

응착력의 영향을 고려하여 마찰계수를 구하면, 다양한 조합으

로 초저마찰이 실제로 나타난다.

○ 진공 속에서 동(銅)을 실리콘 또는 강(鋼)과 마찰하였을 때의

마찰계수를 보면, 속도의 증가에 따라 마찰계수가 증가하는


것으로부터 마찰력에 점성저항이 영향이 있다고 본다. 점성

영향이 극소가 되는 마찰속도 0.05m/s 이하일 때, 0.02～0.05

의 마찰계수가 측정되었다. 이와 같이 낮은 마찰계수가 나타

나는 것이 전술한 바와 같다고 설명하기에는 곤란하지만, 마

찰조건을 가려내면 마이크로 머신에서 볼 수 있는 미소하중

에서도 충분히 낮은 마찰력이 될 가능성이 있다고 생각한다.

□ 마이크로 머신의 윤활은 가능한가

○ 표면의 재질이나 형상 표면처리, 분위기 마찰조건을 완전히

자유로이 조절할 수 있다면 마찰력은 매우 낮게 억제할 수 있

으나, 마이크로 머신에서는 표면처리나 분위기가 제약될 때가

많고 더욱이 부품의 치수가 작기 때문에 친숙성과 같이 미소

한 마모도 문제가 된다. 더욱이 큰 문제는 신뢰성이다. 가령

소성변형을 억제하여 저마찰을 실현하였다고 하여도 적은 마

모분이나 먼지가 원인이 되어 소성변형이 생기면 단번에 마

찰력이나 마모가 증대할 가능성이 있다.

○ 마이크로 머신(MEMS)에 관한 보고를 보면 최근 상대접촉면

을 갖는 기구는 전혀 볼 수 없다. 구름 접촉이나 단속적 접촉

을 하는 기구를 보면 와블 모터(wobble motor) 등이 개발되

어 있으며, 이러한 것은 실험실 수준이지만 안정적으로 작동

하고 기구의 수명도 길다. 구름 베어링이라도 탄성변형을 생

각하면 미끄럼을 포함하게 된다. 이러한 관점에서 마모부분이


있어도 신뢰성은 유지된다.

○ 다양한 장치에 응용되는 윤활방법을 개발하는 것은 MEMS의

제조 과정상 제약도 있고 어려운 점이 있지만, 기술의 발전에

서는 조건의 엄격함이 항상 마이너스 작용을 하는 것만은 아니

며, 경우에 따라서 큰 비약을 가져오는 기회를 제공하게 된다.


□ 미끄럼마찰에는 건조마찰, 유체윤활 경계윤활로 구분되는데,

이중 건조마찰의 경우 별도의 윤활제를 가하지 않았다하더라

상대접촉운동에서는 마찰면에 대기 중의 수분이나 오염물질

로 덮어씌우게 된다. 따라서 마찰력에 영향을 미치며, 마찰계

수는 표면상태에 따라 민감한 반응을 보인다.

□ 마찰계수를 아주 작게 하려면 우선 마찰하는 상대의 표면상태

를 충분하게 검토하여야 한다. 첫째로 표면경도, 표면거칠기,

직진도, 원통도, 진원도 등에 대한 것이 얼마나 정확하고 정밀

하게 가공되어 있는지를 조사하여야 한다. 아무리 적은 하중

이라 하여도 상기 조건에서 문제가 있다면 처음부터 다시검

토를 하여야 한다.

□ 면 접촉보다 구름 접촉(선 접촉, 점 접촉)이 마찰계수가 훨씬

작지만, 구름 접촉에서 예견되는 탄성변형은 하중이 작은 경


우에는 무시할 수 있기 때문에 이러한 기구를 택하는 것이 유

리하며, 전자기를 이용하여 부상력으로 고체끼리 접촉을 하지

않게 하는 방법도 있다.

□ 면 접촉의 운동기구가 아주 작거나 복잡할 경우 고체 윤활제

인 MoS2과 같은 재료를 합성수지와 조합하여 구성한다면 고

체간의 마찰계수는 크게 줄일 수 있다. 또 구름 접촉을 하는

경우에는 소결합금에 윤활유를 함침하여 필요시에 윤활이 되

도록 하는 방법도 있다.

□ 실제 마이크로 머신의 사용 환경이 진공인 경우는 극히 드물

다. 일반 환경에서 정밀도를 유지하고 신뢰성을 높이기 위해

서는 작업장의 청정도와 함께 습도 등에 대한 것도 고려하여

야 한다.

43

제 4 장

가공 현장에서의 환경대응 기술3)

1. 서 언

□ 모든 제품 생산 공장의 가공 프로세스에는 항상 환경과 에너

지 문제가 결부되어 있다. 최근에는 과거에 비해 산업 생산

활동에 따른 환경오염에 대한 규제가 강화됨에 따라 환경 개

선 활동은 생산성 향상 활동, 원가 절감 활동에도 밀접한 관

계를 갖는 요소로 인식되어 왔다.

□ 환경 관련기기․장치산업은 이를 배경으로 성장하고 있는 대

표적 기계설비 산업의 하나이다. 그러나 이러한 환경기기․장

치들은 생산시설 그 자체가 아니므로 제조업에서 이를 도입

하는 데는 생산성과 코스트 등에 미치는 영향을 신중히 고려

할 필요가 있다.

3) 본문은 “布川文和等, 加工現場における環境對應技術,「機械と工具」, 48(10), 2004,

pp. 55～61”을 박장선 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.


□ 산업폐기물, 작업 환경(대기오염 등), 에너지 절약을 대상으로

환경기기메이커인 일본의 Nikuni사는 특히 기계부품 가공 공

장에서의 환경 문제에 대응한 고압펌프 기술을 이용한 고압

냉각 장치를 개발하여 이를 보고하고 있다.

2. 가공 현장에서의 환경대응

□ 환경대응 중점 항목

○ 실제 가공 현장에서 환경의 대응은 3가지에 중점을 두고 있다.

- 산업폐기물의 배출량 감축, 특히 수용성 절삭제의 폐액 감축

- 전기․가스․연료 절감, 특히 생산효율을 높임으로 에너지

절약 추진

- 폐지 회수 및 재활용 추진

□ 가공 현장에서의 환경대응 전략

○ 폐수용성 절삭제의 폐기량 감축

- 대책 1 : 혐기성 박테리아 증식을 억제하고, 부패를 방지

→ 부상류(浮上油) 회수장치를 설치

- 대책 2 : 살균 효과에 의한 부패 방지 → 살균 효과와 분리유

제거가 가능한 수용성 냉각액 부패 방지 처리장치를 설치

- 대책 3 : 정밀 여과에 의해 부패 방지 및 열화 방지 → 필

터 세정기능이 달린 정밀 여과장치를 설치

제4장 가공 현장에서의 환경대응 기술 45

○ 혼합 절삭 부스러기의 감축

- 구체적으로 분리가 매우 어려운 상황

- 현재 부스러기를 버릴 때 금속 입자만을 분리 관리하는 상

태임

○ 작업효율 향상

- 가공 공정의 단축, 기계 가공 회전 시간 단축에 의해 불필

요한 기계가동을 줄이고, 전력 사용을 억제하는 데 주안점

을 둠

- SCR(Super Cost Reduction) 활동을 통해 주기적 검증을

실시

○ 절 전

- 냉방온도 관리기준 : 26℃

- 매일 휴무시간의 철저한 소등 실시

3. 가공 현장의 주요 환경장치

□ 부상류 회수장치(Kasumi)

○ 이 장치는 냉각 탱크의 액면을 부유하는 공작기계 작동유나

수용성 냉각액 중의 유제(乳劑)가 파괴되어 액화한 부상류를

특수 벨트를 사용하여 고효율로 제거하는 기계이다.

- 코스트 절감에 기여 : 수용성 냉각액의 소비량을 억제하고


산업폐기물 처리비용을 절감

- 탱크 청소시간을 단축하여 기계 가동 시간을 증가시킬 수

있음

- 1년 운전 소비전력 : 21.9kW(약 700엔)

- 간단한 구조와 취급이 용이함

○ 모터의 회전에 의해 벨트가 회전하며, 탱크 액면의 부상류와

소량의 냉각액은 벨트에 부착되어 올라온다. 부착액은 제거

기구에 의해 분리 탱크로 떨어진다.

- 분리 탱크에서는 액체의 비중차를 이용하여 사용 가능한

냉각액은 오일 탱크로 보내고, 농축된 유분만 회수

- 전동기 : 전압 100V, 용량 2.5W, 기름회수능력 0.1ℓ/h, 환

경온도 0～60℃

□ 냉각용 액체 부패 방지 처리장치(Everest)

○ 이 장치는 수용성 냉각액의 부패를 방지하고, 폐액 처리비용

절감과 쾌적한 작업 환경을 유지한다.

○ 주요 특징

- 작업 환경의 개선 : 동 이온과 아연 이온의 살균 효과에 의

해 수용성 냉각액의 부패 방지, 악취 제거를 통해 쾌적한

작업 환경을 유지

- 생산성 향상과 코스트 절감 : 탱크 청소에 의한 시간 비용


을 절감하고, 새로운 액체 비용과 산업폐기물 처리 비용을

삭감 및 냉각액 열화에 의한 부품 가공면의 얼룩짐 등을

방지

- 취급용이 : 사이클론 분리기의 채용으로 유지 관리가 필요

없고, 각 기계마다 간단히 설치할 수 있도록 설계

○ 방취 효과 : 유제형의 수용성 냉각액을 사용하여 1일 10시간

NC선반에 의한 알루미늄 가공 시의 실험 결과이다.

- 이 처리장치를 사용하지 않았을 때 : 운전 후 4,000시간과

7,700시간에서 냉각액 모두 교체

- 이 처리장치를 사용했을 때 : 운전 개시로부터 8,800시간

동안 냉각액 교체 없이 가동

□ 필터 세정식 정밀 여과장치(NAX)

○ 이 장치는 주로 연삭 가공 분야에서 사용되고, 정밀 여과에 의

한 필터 코스트의 절감, 냉각액의 수명 연장, 정밀 컨베이어에

의한 탱크 청소의 배제 등에 커다란 효과를 발휘한다.

○ 세정식 필터

- 여과 과정에서 필터에 슬러리가 퇴적함. 필터 압력이

0.25Pa에 달하면 역세정공정(逆洗淨工程)으로 이동하고

필터 세정이 이루어지며 세정이 종료되면 다시 여과 공정

으로 되돌아감


- 세정식 필터는 모든 조작을 자동화하는 자동조작 밸브를

보유

- 역류 공정에서 배출되는 세정 폐액은 처리조로 떨어짐

- 세정식 필터의 공칭 여과정밀도는 5μm 및 10μm으로 가공

정밀도 향상과 공구 및 연삭숫돌 수명을 향상

○ 처리조(處理槽)

- 세정식 필터의 세정 폐액을 받아 넣고 세정 폐액 중 슬러

리 침전처리를 하는 전용 기구임

- 침전 슬러리는 컨베이어로 외부로 배출

○ 컨베이어

- NAX의 컨베이어는 탱크와 일체화된 구조이며, 탱크 폭

전면에 와 닿은 슬러리를 실어 올림

- 탱크의 밑 부분과 스크레이퍼(scraper) 사이의 간격이 매

우 작게 제작되어 있고, 미세한 연삭 가공 슬러리도 실어

옮길 수 있음

- 세정식 필터와의 조합으로 부상유의 제거, 냉각액 열화 방

지, 냉각액교환비용 경감, 악취 없는 작업 환경 등의 효과

를 가져 옴

□ 사이클론 분리기

○ 이 분리기는 공작기계 수용성 냉각액, 세정기 및 배수처리 등


의 슬러지, 오염물 제거를 하는 장치이다.

○ 펌프로 이송된 슬러리가 사이클론 분리기에 들어오면 슬러지

와 유체의 비중 차를 이용하여 원심력에 의해 분리하고, 위로

부터 깨끗한 액체, 아래로부터 오염된 액체가 방출되는 구조

이다.

○ 특 징

- 처리슬러지 제거율 10～20μm으로 90%(비중 2.7 알루미늄

의 경우)

- 탱크 내에 거품이 일지 않음

- 유지 관리 및 필터 등의 소모품이 필요 없고 코스트 절감

- 처리량 10～100ℓ/min까지 다양한 기종 공급

□ 스프링 필터 시스템

○ 이 시스템은 정역회전이 가능한 와류 터빈 펌프의 흡입 측에

필터 하우징을 부착하여 펌프를 정회전시키면 스프링 필터

바깥 면에 슬러지가 퇴적하여 여과된다.

○ 펌프를 역회전시키면 여과액이 필터 내측으로부터 배출되고,

퇴적한 슬러지를 필터 외측으로부터 털어낸다.

- 이 압력으로 스프링 필터는 열리고, 슬러지를 완전히 세정

가능함


- 세정시간 약 3초, 배출 농도액 약 3ℓ임

- 필터의 여과정밀도는 슬러지가 많은 공작기계용 냉각액

여과 용도에서 75μm 이상이 적합

4. 결 언

□ 공작기계를 이용한 부품 가공 공장에서 사용되는 유제 및 세

정액과 사용 후에 발생되는 슬러지의 처리 그리고 부품가공

후의 절삭재 부스러기 등의 처리를 위해 개발되고 있는 환경

설비의 개요를 설명하였다.

□ 가공 공장에서의 환경 대책은 폐기물 방출을 제로로 하는 제

로 에미션(zero-emission)을 목표로 하여 재활용과 폐기물 발

생 요인을 차단하는 각종 환경장치 기술이 개발되고 있다.

□ 이 자료는 결론적으로 제조 현장에서의 환경문제는 제도 및

기술과 더불어 관련자 모두의 ‘환경의식’이 함께 하여 달성되

는 중요한 과제임을 지적하고 있다.


□ 제품을 생산하기 위한 공장은 최종 제품을 생산하기까지의 거

의 모든 프로세스에서 산업폐기물의 발생 소지를 가지고 있

다. 특히 산업폐기물의 성분이 중금속, 유해가스 등 환경이나


인체에 극히 유해한 물질이 다량 방출되는 현상을 차단하기

위해 제도와 기술적 측면에서 개선되어 왔다. 최근 생산 현장

에서의 제로 에미션 운동은 환경에 대한 생산 시스템이 추구

하는 주요 목표 중의 하나이다.

□ 이 자료에서는 공작기계를 비롯하여 각종 가공기계를 이용한

생산 현장의 환경문제에 대응하여 산업폐기물 처리장치 기술

을 다루고 있다. 기계 가공 공장에서는 부품 가공 시에 사용

되는 냉각유제, 세정액과 사용 후에 발생되는 슬러지의 처리

그리고 부품 가공 후의 절삭재 부스러기 등의 처리가 주요 대

상이다.

□ 이러한 생산 현장의 산업폐기물 처리 처분을 위한 환경관련

기기․장치 산업은 이를 배경으로 미국․EU․일본을 비롯하

여 국내에서도 이미 성장기에 접어들고 있는 대표적 기계설

비 산업의 하나이다. 그러나 이러한 환경기기․장치들은 생산

시설 그 자체가 아니므로 제조업에서 이를 도입하는 데는 생

산성과 코스트 등에 미치는 부정적 영향 때문에 도입 설치에

많은 애로를 갖고 있고, 환경 설립 산업 발전에 장애요인으로

작용해 왔다.

□ 이에 따라 최근에는 생산성 향상과 생산 코스트에도 기여를

하는 환경장치 개발이 주요 이슈가 되고 있는데 이 자료에서

소개된 부상류 회수장치, 부패 방지 처리장치, 정밀 여과장치


들은 가공 코스트와 생산성에 오히려 기여하면서 산업폐기량

을 감축하는 시스템으로 내용과 효과 등을 요약 설명하고 있

다. 일본의 환경장치 메이커인 Nikuni사의 관련 제품을 중심

으로 한 폐기물 처리 시스템의 특징을 소개하는 데 많은 비중

을 두고 있으나, 국내 관련 장치 메이커들의 설계와 기술 개

발 방향에 도움을 줄 수 있는 정보를 제공하고 있다.

53

제 5 장

물리 흡착막의 나노미터 트라이볼로지4)

1. 기술의 개요

□ 계면마찰(interface friction)을 측정하는데 수정 마이크로 밸

런스(QCM ; Quartz Crystal Micro-balance) 방법이 사용된

다. 금속기판상의 희가스(inert gas) 흡착막의 실험을 통하거

나 불활성 원자, 분자 흡착막과 기판 간에 작용하는 나노미터

(nanometer)의 계면마찰을 분석한다. 흡착막 마찰은 실험에

서는 흡착막과 기판의 조건을 제어하면서 측정이 가능하다.

이론적으로는 모델 계산이나 실험의 시뮬레이션을 통하여 비

교적 쉽게 실험할 수 있다. 흡착막 계면마찰의 중요한 과제는

다음과 같다. 첫째, 정마찰력(static friction force)과 동마찰력

(kinetic friction force)의 크기는 기판이나 흡착막과 어떤 성

질에 의해 결정되는 것인가? 동마찰력의 크기는 흡착막의 미

끄럼 속도에 어떻게 의존하는 것인가? 둘째, 동마찰은 흡착막

의 운동에너지가 흩어져 없어지는 과정이다. 마찰의 성질을

4) 본문은 “鈴木勝, 物理吸着膜のナノトライボロジー,「トライボロジスト」, 49(6), 2004, pp.

487～492”를 정현갑 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.


정하고 있는 에너지가 흩어져 없어지는 과정은 무엇일까?

2. 기술의 내용

□ 계면마찰의 측정법

○ 수정 마이크로 밸런스 방법 : 흡착막의 마찰력 측정은 흡착막

을 어떤 속도로 기판 상을 미끄러지게 하고, 기판에 작용하는

미소한 힘을 QCM이나 초음파를 사용해서 측정한다. QCM

방법 마찰력 측정에 쓰이는 진동자는 횡 방향 이탈 진동을 하

는 AT-cut 수정이다. 수정은 전계(electric field)를 가하면 변

형하는 압전재료(piezoelectric material)이다. 수정 진동자의

진동은 진동 모드와 전극 사이에 교류전압을 가했을 때 진동자

의 변형이 최대 진동수인 공진 주파수(resonance fre quency)

이다. 공진 예리도로 특징을 정하며, 수정 진동자의 공진 주파

수는 면 밀도와 흡착 질량으로 정한다. 흡착한 원자, 분자막이

횡 방향 이탈 진동에 대하여 슬립(slip)하면 흡착 질량이 감소

되어 공진 주파수가 상승한다. 마찰로 에너지가 흩어져 없어

짐이 생겨 공진 예리도도 변화한다.

○ 공진 주파수와 마찰력의 관계 : 마찰력은 미끄럼 속도에 비례

하는 점성마찰(viscous friction)로 가정한다. 흡착막의 면 밀

도와 슬립의 완화시간 비율에 의존한다. 공진 주파수와 공진

예리도의 변화에는 흡착막이 없을 때의 공진 주파수인 각진

제5장 물리 흡착막의 나노미터 트라이볼로지 55

동수(angle frequency)와 슬립의 완화시간에 의한 마찰력 관

계에서 알 수 있다. 미소 공진 주파수에 대한 공진 주파수의

비율은 흡착막 면 밀도에 대해 수정 진동자 면 밀도에 역비례

한다. 공진 주파수와 공진 예리도의 변화는 슬립 완화시간과

각진동수의 곱으로 결정된다.

○ 슬립 완화시간과 각진동수의 관계 : 슬립 완화시간이 아주 작

고(마찰력이 큼), 슬립 완화시간에 각진동수의 곱이 1보다 아

주 작을 경우의 흡착막은 기판 진동을 따른다. 슬립 완화시간

이 크게 되면 흡착막은 기판 진동에 대하여 슬립하여 공진 주

파수가 상승한다. 슬립 완화시간에 각진동수의 곱이 1보다 아

주 클 경우에서는 흡착막은 기판 진동을 따르지 않게 되어 흡

착막이 없을 때의 공진 주파수로 된다. 마찰력은 점성마찰이

라 가정하고 있지만 마찰력이 미끄럼 속도에 비례하지 않는

경우에도 흡착막에 슬립이 생기면 공진 주파수는 상승하고,

공진 예리도 값은 변화한다.

○ 초음파를 사용한 마찰력 측정법 : 마찰력 측정에 초음파를 사

용할 경우는 다공질 펠릿(pellet) 시료를 사용한다. 시료 중의

음속은 탄성률과 시료 펠릿의 밀도로 주어진다. 흡착막이 다

공질 펠릿 내를 투과하는 초음파 때문에 기판 진동으로 미끄

러지지 않고 따라서 간다면 흡착막의 질량에 비례하여 음속

이 낮아진다. 마찰력이 감소하고, 흡착막이 슬립하면 음속이

상승한다. 마찰에 의한 초음파의 흡수가 발생한다.

최근 공작기계 기술개발동향 -...

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