[논문]취성재료 레이저 절단 공정의 연구 동향

박병구; 김동식

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최근, 전자, 디스플레이, 반도체 등 여러 분야에서 광학적, 기계적 등의 성질이 우수한 유리와 세라믹 재료의 사용이 급증하고 있다. 이러한 취성 재료의 절단가공에 있어서 전통적인 기계적 방식은 미세균열로부터 자유로울 수 없다는 한계를 지닌다. 따라서 레이저로 열응력을 발생시켜 재료를 절단하는 controlled fracture 레이저 절단공정은 기존 공정을 대체하는 새로운 기술로 각광받고 있다. 따라서 controlled tincture에 대하여 많은 연구가 진행되고 왔으며 현재에도 다양한 새로운 공정이 개발되고 있다. 하지만 아직도 열응력에 의해 재료가 변형, 절단되는 물리적인 메커니즘이 명확히 규명되어 있지 않을 뿐 아니라 레이저 광원, 냉각방식 및 각종 공정변수가 절단 품질에 미치는 영향도 체계적으로 분석되지는 못한 실정이다. 따라서 보다 효과적인 공정개발을 위해서는 추후 더욱 심도 있고 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

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문제 정의

한편, 최근에는 유리, 세라믹 등 취성 재료의 절단공정에 레이저를 이용하는 방법이 널리 보급되고 있다. 이 글에서는, 레이저를 이용한 취성재료의 절단 공정에 관한 최근 연구 동향을 살펴보고 대표적인 공정의 원리 및 특성을 간략하게 살펴보고자 한다.

가설 설정

1 은 controlled thermal stress fracture method의 개념도이며 유리 절단 공정과 관련된 주요 변수를 보여준다. 재료를 직선을 따라 절단한다고 가정흐卜자. 다양한 모양의 레이저 빔을 시편위의 가상의 절단선을 따라 진행시키고 그 뒤로 냉각장치(물이나 공기와 같은 냉각유체의 분사)가 일정거리를 두고 레이저 빔을 따라간다.

제안 방법

LCD 유리절단 품질을 높이는 다양한 시도를 흐였다[7-11]. Controlled fracture 방법에 의한절단공정을 세단계로 나누고 각 단계의 특성 및 원리를 실험과 수치해석을 바탕으로 분석하였다[7]. 1단계(Fracture Initiation)는 레이저 빔이 시편위를 출발하는 순간과 균열이 만들어지는 시간이다.
이들은 LWJ를 이용한 alumina의 절단 공정을 대상으로 공정변수와 절단 결과의 상관 관계를 체계적으로 분석하였다 [1]. 구체적으로, 레이저와 노즐간 수평거리, 노즐 크기, 인가한 물의 압력, 레이저 출력, 진행속도, 빔 직경을 변화시키면서 절단결과를 분석하였다. Fig.
진행하였다[12-14]. 앞서가는 저출력 CO2 펄스 레이저가 재료의 표면에 얕은 균열을 유발하고(prescoring 레이저), 후속하는 고출력 CW CO₂ 레이저가 균열을 성장 시켜 절단(cutting 레이저)하는 방식을 이용하여 alumina를 절단하였으며, 레이저 빔이 한 개인 경우와 비교하여 제안한 방법이 premature fracture 의 발생 확률을 감소시킴을 보였다[12].

성능/효과

Nd:YAG 레이저와 CO₂ 레이저의 에너지가 각각 60, 44 W이고 두께가 10 mm, 너비가 27 mm인 시편 절단의 경우 최대3 mm/s의 절단속도를 보였다. 시편의 너비가 좁아질수록 절단속도는 증가하였으며, 레이저 진행속도를 증가시킬 경우 깊이 방향으로의 균열이 일정하지 않아 절단면이 불안정해짐을 보였다.
깊이와의 관계를 조사하였다[20]. 균열의 깊이는 냉각부 표면의 최대 인장응력에 의해 결정되고, 레이저 빔과 냉각부 사이의 거리가 줄어들수록 표면의 최대 인장응력과 재료 내부의 최대 압축응력이 작아지고 최대 압축응력의 위치가 재료의 아랫면에 가까워짐을 보였다.
Barnes등은 alumina 절단에 수냉각 방식을 적용하였다[16]. 물로 냉각하여 절단하는 경우 그렇지않은 경우보다 같은 결과를 얻기 위하여 레이저 출력을 증가시켜야 하나 절단 공정을 제어하기는 쉽다는 사실을 확인하였다. 수치해석을 통하여 재료 표면의 시간에 따른 응력 변화를 관찰한 결과 대기 중 냉각으로 계속 압축응력만 작용하는 경우에도, 물로 냉각한 경우 압축응력이 인장 응력으로 바뀜을 보였다.
2008년에는 LCD 유리절단을 위하여 다이아몬드 휠로 절단선을 그어 미리 균열을 생성시키고 균열 위에 레이저 빔을 가하여 controlled fracture 방식으로 완전히 절단하는 방법을 제안하였다[11]. 수치해석 결과, 표면에서 의 인장 응력이 다이아몬드 휠로 선을 긋지 않은 경우보다 두배 가량증가함을 보였다.
Akarapu등은 한 개의 레이저 빔을 이용한 alumina 절단공정에서 레이저에너지를 조절하면서 절단 실패 확률을 낮추는 방법을 제안하였다[14]. 수치해석에 PIA criterion을 적용하여 절단이 진행되면서 파괴가 일어날 확률을 계산하였고, 레이저 에너지와 빔의 크기를 변화시키면서 파괴 확률을 낮출 수 있음을 보였다. 통상적인 조건에서 파괴가 일어날 확률이 99 %인 상황에서도 레이저 인자(레이저 에너지, 레이저 빔의 크기)를 잘 조정하면 파괴 확률을 10 % 이내까지도 감소시킬 수 있음을 보였다.
물로 냉각하여 절단하는 경우 그렇지않은 경우보다 같은 결과를 얻기 위하여 레이저 출력을 증가시켜야 하나 절단 공정을 제어하기는 쉽다는 사실을 확인하였다. 수치해석을 통하여 재료 표면의 시간에 따른 응력 변화를 관찰한 결과 대기 중 냉각으로 계속 압축응력만 작용하는 경우에도, 물로 냉각한 경우 압축응력이 인장 응력으로 바뀜을 보였다.
Nd:YAG 레이저와 CO₂ 레이저의 에너지가 각각 60, 44 W이고 두께가 10 mm, 너비가 27 mm인 시편 절단의 경우 최대3 mm/s의 절단속도를 보였다. 시편의 너비가 좁아질수록 절단속도는 증가하였으며, 레이저 진행속도를 증가시킬 경우 깊이 방향으로의 균열이 일정하지 않아 절단면이 불안정해짐을 보였다. 2004년에는 반복적인 레이저 경로 수정을 통하여 레이저 경로와 균열전파 경로의 차이를 줄이는 체계를 고안하였다[9丄 레이저 경로가 직선과 곡선일 경우 균열에 의한 절단 경로는 레이저 경로와 일치하지 않는 경우가 빈번하게 발생한다.
수치해석에 PIA criterion을 적용하여 절단이 진행되면서 파괴가 일어날 확률을 계산하였고, 레이저 에너지와 빔의 크기를 변화시키면서 파괴 확률을 낮출 수 있음을 보였다. 통상적인 조건에서 파괴가 일어날 확률이 99 %인 상황에서도 레이저 인자(레이저 에너지, 레이저 빔의 크기)를 잘 조정하면 파괴 확률을 10 % 이내까지도 감소시킬 수 있음을 보였다. Kalyan-Sundaram 등은 CO₂ 레이저에 수냉각 장치를 결합한 가공장치를 자체적으로 설계(LWJ, Laser Water Jet)하고 alumina 절단공정의 여러변수들과 절단면과의 관계를 이론적으로 분석하였다[15-18].
정량적으로 분석하였다[18]. 표면 profilometer측정 결과 수냉각을 이용한 경우 표면 조도가 확연하게 낮음을 보였다. 이들은 LWJ를 이용한 alumina의 절단 공정을 대상으로 공정변수와 절단 결과의 상관 관계를 체계적으로 분석하였다 [1].

후속연구

하지만 아직도 열응력에 의해 재료가 변형, 절단되는 물리적인 메커니즘이 명확히 규명되어 있지 않을 뿐 아니라 레이저 광원, 냉각방식 및 각종 공정변수가 절단 품질에 미치는 영향도 체계적으로 분석되지는 못한 실정이다. 따라서 보다 효과적인 공정개발을 위해서는 추후 더욱 심도 있고 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

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