[논문]피코초 레이저를 이용한 Eagle Glass 절단 시 가공성 평가

이상균; 이영곤; 김재도

doi:10.7736/kspe.2013.30.4.403

[국내논문] 피코초 레이저를 이용한 Eagle Glass 절단 시 가공성 평가
Processing Evaluations of the Eagle Glass Cutting Using Pico-second Laser 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.4, 2013년, pp.403 - 408

이상균 (인하대학교 기계공학과) , 이영곤 (인하대학교 기계공학과) , 김재도 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the characteristics of ablation processing of the eagle glass by pico-second laser are investigated. The laser ablation is used to process micro forms on materials. The ablation causes little thermal effect and little burr on the surface of eagle glass. In order to examine the characteristics of panic cracks, experiments are conducted under various cutting conditions such as a frequency of 600 kHz, laser powers, scan speeds and number of scan(NS). To minimize the panic cracks, the specimens are heated at $30^{\circ}C$, $45^{\circ}C$, and $60^{\circ}C$ for ten minutes respectively and then they are broken by hands. Laser powers, NS and scan speeds have an effect on glass cutting results. The ablation depths increase with an increase in the laser power and NS whereas the panic cracks decrease with an increase in scan speed. The high temperature on processed specimens reduces the panic cracks and makes good results of laser cutting. The optimal condition for eagle glass laser cutting is found to be at 30 W of laser power, 3 mm/s of scan speed and 500 of NS, respectively.

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문제 정의

이러한 단펄스 레이저 가공은 공정 후 모재를 breaking 해야 하기 때문에 breaking 공정 시 발생하는 절단면의 패닉 크랙이 큰 문제가 되고 있다.⁵ 본 논문에서는 유리의 단펄스 레이저 가공 시 발생하는 패닉 크랙의 경향과 이의 개선을 위한 기술적 방법을 연구를 하였다. 피코초 레이저로 유리를 가공한 후, breaking 공정을 수행하였다.

제안 방법

⁵ 본 논문에서는 유리의 단펄스 레이저 가공 시 발생하는 패닉 크랙의 경향과 이의 개선을 위한 기술적 방법을 연구를 하였다. 피코초 레이저로 유리를 가공한 후, breaking 공정을 수행하였다. 그리고 유리 절단면을 각 공정 변수(열, 이송속도, 주파수, 중첩율)에 따라 비교 분석하였다.
피코초 레이저로 유리를 가공한 후, breaking 공정을 수행하였다. 그리고 유리 절단면을 각 공정 변수(열, 이송속도, 주파수, 중첩율)에 따라 비교 분석하였다.
Eagle Glass 절단 후 단면에 나타난 패닉 크랙 경향을 분석하기 위해 레이저출력, 스캔속도, NS(Number of Scan)를 변화시켜 가공한 후 패닉 크랙을 비교 분석하였다. 변수 중 이송속도와 가공 시 영향도가 겹치는 주파수는 600 kHz 로 고정시켰다.
(2) Table 1 의 가공조건과 같이 유리표면을 어블레이션 한 후 가공된 시편 양 끝단 부를 잡고 breaking 한다. 패닉 크랙크기와 각도를 측정하고 다른 조건과 비교 분석한다.
드라이기가 장착된 아이스박스에 유리 시편을 넣고 30℃, 45℃, 60℃로 각각 10 분씩 가열한 후 breaking 한다. 상온(20℃)과 각각의 온도로 가열된 유리 시편의 패닉 크랙과 각도를 측정하고 비교 분석한다.
스캔속도와 어블레이션 깊이는 반비례 하였다. NS 가 100, 300, 500 이고 파워가 18 W, 스캔속도가 5 mm/s 일 때 유리시편 표면은 미세 흠집만 있을 뿐 가공되지 않아 어블레이션 깊이는 모두 0 으로 처리하였다. 이것은 초당 유리표면에 조사하는 주파수가 정해져 있기 때문에 스캔속도가 감소하면 그에 따라 레이저 빔의 중첩은 증가되고 스캔속도가 증가하면 레이저 빔의 중첩은 감소되기 때문이다.
NS 는 한 부분에 반복하는 수치이기 때문에 어블레이션 깊이 값과 비례한다. 스캔속도와 어블레이션 깊이는 반비례 하였다. NS 가 100, 300, 500 이고 파워가 18 W, 스캔속도가 5 mm/s 일 때 유리시편 표면은 미세 흠집만 있을 뿐 가공되지 않아 어블레이션 깊이는 모두 0 으로 처리하였다.
(1) NS 와 출력은 어블레이션 깊이와 비례하였고, 스캔속도와 어블레이션 깊이는 반비례 하였다. 이는 NS 가 증가할수록 그에 따라 유리표면이 가공되기 때문에 어블레이션 깊이는 증가한다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 Ultra-short pulsed laser(TruMicro525)는 피코초 레이저이다. 이 레이저의 파장은 515 nm 이고 평균파워는 30 W, 주파수(Repetition rate)는 200 ~ 800 kHz, 펄스 폭(Pulse duration)은 10 ps, spot size 는 30 µm, 빔 직경은 5 mm, NA 는 0.
재료의 이송장치는 PC 에 내장된 프로그램에 의해 제어되며 스캔속도를 변화 시킬 수 있다. 실험에 사용된 재료는 110 x 55 x 0.7 mm 의 크기로 휴대폰 액정으로 사용되는 Eagle Glass 를 사용하였다.

이론/모형

그러나 위의 방식은 유리의 천이온도 이상에서 수행되기 때문에 cutting profile 주변에 크랙과 버를 생성키는 문제가 발생한다. 이런 단점을 보안하기 위해 water-air mixture 방법을 도입하였다. 이 방법은 유리의 천이온도 이하 가공 상태를 유지하며 cut path 에 따라 인장응력을 발생시켜 절단한다.

성능/효과

9(c)은 패닉크랙 크기와 각도가 모두 작게 나왔다. 이것으로부터 NS 값이 패닉크랙 크기와 각도에 어느 정도 영향을 준다는 것과 패닉크랙 크기가 작을수록 각도는 크다는 것을 알 수 있다.
이런 상황에서 유리를 breaking 하였기 때문에 온도가 높을수록 유리는 인장응력과 수축응력의 영향을 더 많이 받는다. 그 결과 온도가 높을수록 패닉크랙이 축소되어 양호한 유리단면 상태가 형성됨을 판단 할 수 있다.
스캔속도 1 mm/s 에서는 파워와 NS 의 많은 영향으로 인해 가공상태가 좋지 않으나 스캔속도 3 mm/s 에서는 대체적으로 양호했다. 파워 30 W, NS 500 일 때, 이상적인 어블레이션에 가장 근접했고 단면상태도 가장 좋았다. 스캔속도 5 mm/s 에서는 빠른 스캔속도 때문에 파워 18 W 와 30 W 에서는 가공이 되지 않거나 미세하게 가공이 되었다.
(2) 스캔속도가 증가함에 따라 패닉크랙이 감소하는 경향을 보였다. 이는 스캔속도가 증가함에 따라 모재에 NS, 파워, 주파수가 적은 영향을 미쳤기 때문에 패닉크랙이 감소한 것으로 보인다.
(3) 레이저출력이 증가함에 따라 패닉크랙 각도는 증가함을 보였다. 그리고 NS 가 증가함에 따라 패닉크랙 각도는 미세하게 증가함을 보였다.
(3) 레이저출력이 증가함에 따라 패닉크랙 각도는 증가함을 보였다. 그리고 NS 가 증가함에 따라 패닉크랙 각도는 미세하게 증가함을 보였다. 이것으로부터 패닉크랙 각도는 NS 보다 출력의 영향이 더 크다는 것을 알 수 있다.
(4) Breaking 수행 후 가열온도가 증가할수록 패닉크랙은 작아지고 breaking 된 단면상태도 양호하였다. 이는 온도의 증가에 따른 유리 단면부의 불균일한 내부응력 발생과 미세 균열의 진전 때문으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단펄스 레이저 가공에서 문제점은?	최근 장펄스 형태의 CO2 및 Nd:YAG 레이저 보다 더욱 정밀한 유리가공이 가능한 단펄스 형태의 레이저 가공기술이 도입되었다. 이러한 단펄스 레이저 가공은 공정 후 모재를 breaking 해야 하기 때문에 breaking 공정 시 발생하는 절단면의 패닉 크랙이 큰 문제가 되고 있다.5 본 논문에서는 유리의 단펄스 레이저 가공 시 발생하는 패닉 크랙의 경향과 이의 개선을 위한 기술적 방법을 연구를 하였다.
	CO2 및 Nd:YAG 레이저를 이용한 비접촉식 절단방법의 단점은?	그동안 접촉식 유리 절단시 발생하는 결함 해결을 위해 CO2 및 Nd:YAG 레이저를 이용한 비접촉식 절단방법이 연구되어 왔다. 그러나 위의 방식은 유리의 천이온도 이상에서 수행되기 때문에 cutting profile 주변에 크랙과 버를 생성키는 문제가 발생한다. 이런 단점을 보안하기 위해 water-air mixture 방법을 도입하였다.
	현재 산업체에서 폭넓게 쓰이는 유리절단 기술에서는 어떤 휠을 사용하는가?	최근 휴대폰, 노트북, 휴대용 IT 제품들이 초소형화 됨에 따라 이 제품에 공급되는 유리부품 제작에도 고정밀 가공 기술이 요구되고 있다. 현재 산업체에서 폭넓게 쓰이는 유리절단 기술은 카바이드 또는 다이아몬드 커팅 휠을 사용하여 절단하는 접촉식 방법이다. 이러한 방법은 다량의 칩 생성과 불규칙적인 절단경로 형성 그리고 미세균열과 같은 결함을 발생시킨다.

참고문헌 (5)

Yang, L. J., Wang, Y., Tian, Z. G., and Cai, N., "YAG laser cutting soda-lime glass with controlled fracture and volumetric heat absorption," International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 50, pp. 849-859, 2010.

상세보기
Kim, P. J., "Cutting characteristic of polarizer film by $CO_{2}$ laser," M.Sc. Thesis, Mechanical Engineering, Inha Univ., 2010.
Momma, C., Nolte, S., Chichkov, B. N., Alvensleben, F. V., and Tunnermann, A., "Precise laser ablation with ultrashort pulses," Applied Surface Science, Vol. 109, pp. 15-19, 1997.

상세보기
Fermann, M. E., Galvanauskas, A., and Sucha, G., "Ultrafast Lasers: Technology and Applications," Marcel Dekker, 2003.
Shin, D. S., Suh, J., Lee, J. H., Kim, K. H., and Paik, B. M., "Picosecond laser drilling of silicon wafer for 3D-TSV," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 701-702, 2009.

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