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문제 정의
- 2-5) 레이저를 이용한 FPD 유리기판의 절단은 기존의 다이아몬드 휠을 이용한 공정보다 절단면이 깨끗하고 유리 부스러기를 발생시키지 않는 장점이 있다.6) 본 논문은 레이저와 재료간의 상호 작용을 고려하여 가공성능이 우수한 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 유리기판을 실험하였고 재료의 가공 특성 및 유리기판의 스크라이빙(scribing) 깊이와 가해진 펨토초 레이저의 에너지와의 상관 관계를 제시하였다. 또한 스크라이빙 된 유리기판을 기계적으로 파단 하여 절단면의 품질을 조사하였고 LCD 상 하판 유리기판이 합착된 합착판 절단 시 100% 양산 수율을 달성하기 위한 펨토초 레이저를 이용한 공정을 제시하였다.
제안 방법
- 6) 본 논문은 레이저와 재료간의 상호 작용을 고려하여 가공성능이 우수한 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 유리기판을 실험하였고 재료의 가공 특성 및 유리기판의 스크라이빙(scribing) 깊이와 가해진 펨토초 레이저의 에너지와의 상관 관계를 제시하였다. 또한 스크라이빙 된 유리기판을 기계적으로 파단 하여 절단면의 품질을 조사하였고 LCD 상 하판 유리기판이 합착된 합착판 절단 시 100% 양산 수율을 달성하기 위한 펨토초 레이저를 이용한 공정을 제시하였다.
- 1) 이와 같은 펨토초 레이저에 의한 재료 어블레이션 메커니즘은 긴 펄스에 의한 열 어블레이션과는 판이하게 다르다. 따라서 2.2 장에서는 기존의 열 전달 방정식이나 Navier-Stokes 방정식이 적용가능한 피코 초 레이저와 재료간의 상호작용에 관한 해석적 모델을 제시하고, 극초단 레이저 에너지와 재료간의 상호작용을 기술하는 간단하면서 직접적인 해석 모델을 이용하여 평판유리기판의 어블레이션 메커니즘을 설명하고 이를 바탕으로 어블레이션 역치(threshold) 에너지를 계산한다.
- 이 시스템에 평판 유리 재료를 놓고 다양한 에너지와 스크라이빙 속도를 가지고 실험을 진행할 수 있다. 본 장비의 특성상 ND 필터를 사용하여 레이저 에너지를 제어하였기 때문에 이 실험에서는 펄스당 다음과 같이 여섯 종류의 플루언스를 이용하였다. 실험에 사용된 레이저 플루언스는 0.
- 특히 평판 디스플레이에 적용되는 공정들은 상판과 하판을 만들어 이를 합착시키고 합착판 유리 기판을 절단하는 과정을 거치고 있지만 아직까지 레이저를 이용한 공정으로는 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있다.6) 이에 주안점을 두고 유리에 대해 가공 성능이 뛰어난 극초단 펄스 주기를 갖는 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 유리기판을 스크라이빙하고 기계적으로 파단(Breaking) 하는 실험들을 진행하였다. 기본적인 특성을 분석하기 위하여 스캔 속도 1 mm/s로 1차 실험을 진행하였고 그에 따른 결과를 분석하였다.
- 레이저와 재료간의 상호 작용을 고려하여 유리 재질에 가공성능이 우수한 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 재료의 가공 특성 및 유리기판의 스크라이빙 깊이와 가해진 펨토초 레이저의 에너지와의 상관 관계를 제시하였다. 분석적 측면에서는, 기존의 열 전달 방정식이나 Navier-Stokes 방정식이 사용 가능한 피코 초 레이저와 재료간의 상호작용에 관한 해석적 모델을 제시하고, 극초단 레이저 에너지와 재료간의 상호작용을 기술하는 간단하면서 직접적인 해석 모델을 이용하여 평판유리기판의 어블레이션 메커니즘을 설명하고 이를 바탕으로 어블레이션 역치 에너지를 계산하여 가공 깊이를 계산하는 모델을 제시하였다.
- 레이저와 재료간의 상호 작용을 고려하여 유리 재질에 가공성능이 우수한 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 재료의 가공 특성 및 유리기판의 스크라이빙 깊이와 가해진 펨토초 레이저의 에너지와의 상관 관계를 제시하였다. 분석적 측면에서는, 기존의 열 전달 방정식이나 Navier-Stokes 방정식이 사용 가능한 피코 초 레이저와 재료간의 상호작용에 관한 해석적 모델을 제시하고, 극초단 레이저 에너지와 재료간의 상호작용을 기술하는 간단하면서 직접적인 해석 모델을 이용하여 평판유리기판의 어블레이션 메커니즘을 설명하고 이를 바탕으로 어블레이션 역치 에너지를 계산하여 가공 깊이를 계산하는 모델을 제시하였다. 또한, 다양한 레이저 에너지 스캔 속도에서의 실험 결과를 제시하고 그 결과를 분석하였으며 절단 품질에 관계되는 요소들을 분석하였다.
- 분석적 측면에서는, 기존의 열 전달 방정식이나 Navier-Stokes 방정식이 사용 가능한 피코 초 레이저와 재료간의 상호작용에 관한 해석적 모델을 제시하고, 극초단 레이저 에너지와 재료간의 상호작용을 기술하는 간단하면서 직접적인 해석 모델을 이용하여 평판유리기판의 어블레이션 메커니즘을 설명하고 이를 바탕으로 어블레이션 역치 에너지를 계산하여 가공 깊이를 계산하는 모델을 제시하였다. 또한, 다양한 레이저 에너지 스캔 속도에서의 실험 결과를 제시하고 그 결과를 분석하였으며 절단 품질에 관계되는 요소들을 분석하였다. 이는 기존의 레이저 공정 시 자주 발생하는 절단하고자 하는 면에서 벗어나서 불량을 유발하는 레이저 평판유리 절단의 문제점을 근본적으로 해결하였다는 점에서 큰 의미를 가진다고 할 수 있다.
대상 데이터
- 이 펨토초 레이저는 펄스 에너지가 3.5 mJ/ 1 kHz 이고 펄스 주기는 100 fs 그리고 사용된 빔의 직경은 8 µm 그리고 빔의 모드는 TEM00가우시안(Gaussian) 모드를 사용했으며 빔 품질은 1.8 이하이다.
- 실험에 사용된 레이저 플루언스는 0.12 J/cm2, 0.76 J/cm2, 3.18 J/cm2, 13.9 J/cm2, 67.7 J/cm2, 181 J/cm2 이다.
- 본 실험에 사용된 레이저는 Quantronix사의 펨토초 레이저로 최대출력 3 W 이다. 이 펨토초 레이저는 펄스 에너지가 3.
- 5의 (a), (b)에 제시하였고 현재 실험 장비의 최대 스캔 속도인 20 mm/s로 실험을 한 결과는 그림의 (c), (d)에 나타내었다. 이 실험에서 레이저 에너지의 펄스 출력은 650 mW를 이용하였고 유리기판의 두께는 LCD(Liquid Crystal Display)용 유리 기판의 표준인 0.7 mm를 이용하였다. 먼저 1 mm/s를 기준하여 스캔 속도를 5배 증가시켰을 때의 결과를 20배 증대시켰을 때와 비교하면 미세 크랙의 발생이 현저하게 줄어든 것을 볼 수 있다.
데이터처리
- 6) 이에 주안점을 두고 유리에 대해 가공 성능이 뛰어난 극초단 펄스 주기를 갖는 펨토초 레이저를 이용하여 평판 디스플레이 유리기판을 스크라이빙하고 기계적으로 파단(Breaking) 하는 실험들을 진행하였다. 기본적인 특성을 분석하기 위하여 스캔 속도 1 mm/s로 1차 실험을 진행하였고 그에 따른 결과를 분석하였다. 식 (7)에 의하면 어블레이션 깊이는 타깃 재료 내에서 입사하는 전기장과 전자 온도가 기하급수적으로 감소하기 때문에 플루언스에 따라 로그함수적으로 증가하는 것으로 예측된다.
성능/효과
- 결과적으로 위의 두 가지 작용이 타깃으로의 이온가속을 위한 메커니즘을 생성한다.1) 이와 같은 펨토초 레이저에 의한 재료 어블레이션 메커니즘은 긴 펄스에 의한 열 어블레이션과는 판이하게 다르다. 따라서 2.
- 이 그림에서 제시된 실험 결과는 조사된 에너지 밀도에 따른 가공 V자 형태의 홈의 깊이를 나타내주고 있다. 역치 플루언스 이상에서 장비의 출력 제어에 따른 제약상 4개의 실험 포인트만 제시 되었지만 이론적인 그래프와 잘 맞는 것이 확인되었다. 또한 레이저 스캔 횟수에 따른 V자 형 홈의 깊이를 분석하였고 이를 Fig.
- 3에 표시하였다. 1회부터 7회까지의 레이저 스캔 후 각 샘플의 깊이를 측정하였으며 이 깊이는 스캔 횟수와 정비례하여 증가하는 것이 확인되었다. 그러나, 레이저의 심도를 실시간으로 바꾸어주면서 가공을 한다면 이 깊이는 더 깊어질 것으로 예상된다.
- 펨토초 레이저는 그림의 아래쪽에서 조사되었고 기계적 파단은 큰 힘이 들지 않을 정도로 아주 쉽게 이루어 졌다. 하지만 그림의 중앙에 보는 것처럼 단면이 깨끗하지 못하게 절단이 되었고 이는 이 논문에서의 실험 방법이 CO2 레이저를 이용한 결과에 비해 절단면이 깨끗하지 않음을 보여준다. 또한 Fig.
- 7 mm를 이용하였다. 먼저 1 mm/s를 기준하여 스캔 속도를 5배 증가시켰을 때의 결과를 20배 증대시켰을 때와 비교하면 미세 크랙의 발생이 현저하게 줄어든 것을 볼 수 있다. 하지만 스캔 속도를 실험 장비의 최대치로 하였을 경우에도 매우 깨끗하게 절단할 수 없었고 이를 위해 계속적으로 추가 연구가 필요함을 알 수 있었다.
- 6의 (d)에는 합착판 샘플을 가지고 시험한 결과가 제시되었다. 합착판의 경우 펨토초 레이저로 스크라이빙 후 기계적 파단 과정을 거치면 기존의 블라인드 크랙 형성에 의한 레이저 절단 법에 비해 절단면의 품질은 상대적으로 좋지 않았으나 100% 직선 절단이 가능하였으며 기존 공정과 마찬가지로 모서리 연삭과정을 거치면 양산적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 기존의 레이저 공정 시 자주 발생하는 절단하고자 하는 면에서 벗어나서 불량을 유발하는 레이저 평판유리 절단의 문제점을 근본적으로 해결하였다는 점에서 큰 의미를 가진다고 할 수 있다. 결론적으로, 다양한 변수들로 스크라이빙 된 유리기판을 기계적으로 파단 하여 절단면의 품질을 조사하였고 LCD 상판용 유리기판 및 하판이 합착된 합착판 절단시 100% 수율을 달성하기 위한 펨토초 레이저를 이용한 공정을 제시하였다.
- 실험에 사용된 펨토초 레이저가 초당 1000회의 펄스를 생성하고 이를 스캔을 하면서 조사하였기 때문에 가공 면에 불연속적인 면이 존재하였고, 스크라이빙 시 많은 열 에너지가 발생하기 때문에 상온에서 가공된 유리기판에 열 응력이 크게 발생되어 절단면은 미세한 크랙이 발생하기도 하였고 절단면의 품질이 기존의 블라인드 크랙을 이용한 방법보다 좋지 않았다. 이를 극복하기 위해 좀더 다양한 요소들을 고려한 보다 많은 실험 및 분석이 요구되며 펨토초 레이저의 기술향상에 따라 많은 발전이 있으리라고 생각된다.
후속연구
- 먼저 1 mm/s를 기준하여 스캔 속도를 5배 증가시켰을 때의 결과를 20배 증대시켰을 때와 비교하면 미세 크랙의 발생이 현저하게 줄어든 것을 볼 수 있다. 하지만 스캔 속도를 실험 장비의 최대치로 하였을 경우에도 매우 깨끗하게 절단할 수 없었고 이를 위해 계속적으로 추가 연구가 필요함을 알 수 있었다. 이를 위해 레이저로 평판 유리의 모서리를 다듬는 공정이 연구되고 있으나 아직 실용화 단계에는 미치지 못하고 있다.
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