[논문]태양전지 웨이퍼용 Wire Saw안정화를 위한 지지구조 개선

이일환; 노승훈; 김동욱; 박인규; 길사근; 김영조

태양전지 웨이퍼용 Wire Saw안정화를 위한 지지구조 개선
Design of the Supporting Structure of a Wire Saw for the Solar Cell Wafer 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.3, 2018년, pp.59 - 64

이일환 (금오공과대학교 대학원) , 노승훈 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 김동욱 (국방과학연구소) , 박인규 (한국로봇융합연구원) , 길사근 (금오공과대학교 대학원) , 김영조 (구미대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the solar cell market has steadily grown with the demand for new energies. And wire sawing is one of the most critical processes in manufacturing solar cell wafer which is supposed to affect the breakage of wafers most during the process and afterwards. Generally, the defects of the wafers are generated from the structural vibrations of the machine. In the sawing process, the vibrations cause unnecessary normal stress on the cut surface of wafers, and eventually create the surface damage or leave the residual stress. In this study, the dynamic properties of a wire saw have been analyzed through the frequency response test and the computer simulation. And the effects of the design alterations have been investigated to stabilize the machine structure and further to reduce the vibrations. The result shows that relatively simple design alterations of supporting structure without any change of major parts of the machine can suppress the vibrations of the machine effectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 solar cell 웨이퍼용 wire saw의 진동을 분석하여 큰 진동이 발생하는 원인을 파악하고 주물 등 전체 장비의 주요 구조를 변경함이 없이 지지구조의 간단한 설계 변경만으로 장비의 안정화를 실현하여 진동을 억제하고자 하였다. 연구 내용을 요약하면 아래와 같다.
본 연구에서는 태양전지 웨이퍼용 wire saw 지지구조의 간단한 설계 변경으로 장비를 안정화하여 진동을 억제 함으로써 웨이퍼 breakage현상을 억제하고 장비 생산성 향상과 제조원가를 절감시킬 수 있는 방법을[1]제시하고자 한다.
3Hz)가 각각 공진 영역에 있어 큰 진동을 유발하게 된다. 특히 11.5Hz의 진동이 본 장비 불안정성의 가장 큰 문제이며 이를 개선하기 위해서 장비의 지지구조를 개선하는 방향으로 연구를 진행 하였다.

제안 방법

구조물의 진동 특성을 분석하기 위하여 장비 전체의 진동 상태를 computer simulation하고 simulation 결과가 실험 결과와 일치하는지를 확인한다. 구현된 simulation model은 Fig.
장비의 진동 분석과 설계 개선안 도출을 위하여 주파수분석 실험을 진행하고 이를 통해 구조물의 고유진동수와 진동형을 파악하여 진동의 원인을 분석한다. 진동 분석 실험에 사용된 실험 장비의 Specification 및 준비 상태는 아래의 Fig.
지지부 볼트의 지름 변경(30mm → 48mm)을 통해[Fig. 10] 지지부 강성 강화 및 구조물 고유진동수와 작동 속도의 공진 억제가 가능한 설계 개선안을 적용하였으며 기존구조물에서 문제가 되는 공진 회피(11.5Hz)는 물론 다른 작동 속도(15.6, 21.5Hz ...)와의 공진 억제도 고려하여야 한다.

성능/효과

1. 주파수분석 실험과 Computer simulation을 통해 동특성을 분석하였으며 실험결과(Table 1., Fig. 3.)와 computer simulation 결과(Table 2., Fig. 5.)는 일치함을 확인하였다.
3. 개선안은 첫째, 지지부 볼트의 지름을 30mm 에서 48mm로 변경[Fig. 10] 하였고 둘째, 지지부 높이를 60mm에서 45mm로 줄여[Fig. 11] 강성을 강화시키고 구조물 고유진동수와 작동 속도의 공진을 억제할 수 있는 설계 개선안을 적용하였으며 셋째, 지지부에 보강대를 설치[Fig. 12] 하여 강성을 강화하고 고유진동수와 작동 속도의 공진을 억제하였다.
5. 최종 개선안으로 #1, #2, #3의 개선안을 동시 적용하였으며 강성 강화와 공진 억제를 통하여 52%의 진동을 소멸시킬 수 있음을 확인 하였다.
실험 결과1, 2차 고유진동수(9, 11.5Hz)에서의 진동형은 각각 X방향, Z방향으로 bending하며 3차 고유진동수(18Hz)의 경우 twisting하는 진동형이다.[5]
실험 결과와 simulation의 결과가 잘 일치[Table 3.]함을 확인할 수 있으며 실험과 simulation 결과의 타당성이 검증되었다 할 수 있다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 개선안을 도출하여 simulation model에 적용하고 그 결과를 확인하는 과정을 반복하여 효과가 큰 최적 설계 개선안을 완성한다.
지지부 볼트의 설계 변경으로 구조물의 고유진동수(11.6Hz)가 13.1Hz로 상승하여 reel의 작동속도(11.7Hz)와의 공진 영역에서 멀어졌으며 그 결과 6.7%의 진동이 소멸되는 것을 확인할 수 있다[Table 5.].
는 wire saw의 excitation sources이다. 진동 분석결과 main spindle motor fan의 작동 속도(29Hz)와 구조물의 고유진동수(28Hz), reel의 작동 속도(11.7Hz)와 고유진동수(11.5Hz), reel motor의 작동 속도(21.5Hz)와 고유진동수(18.3Hz)가 각각 공진 영역에 있어 구조물의 진동에 악영향을 미치므로 반드시 개선하여야 한다. 특히 11.

후속연구

6. 본 연구의 결과 장비의 진동을 억제하기 위하여 주물과 같은 장비 주요 부분의 구조 변경 없이 지지구조의 단순한 설계변경만으로 큰 진동 억제효과를 얻을 수 있음을 확인 하였으며 이 결과는 현재 사용 중인 다양한 공작기계 및 전용기의 진동억제에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	wire sawing 장비 사용 시, 무엇이 발생하는가?	Fig 1.에 소개된 태양전지 제조공정 중wire sawing 장비는 가공된 ingot을 낱장의 웨이퍼로 절단하는 장비로서 절단 중 진동에 의하여 웨이퍼 면에 wire에 의한 수직응력이 작용함으로써 breakage가 발생하게 된다.
	wire sawing 장비는 무엇인가?	Fig 1.에 소개된 태양전지 제조공정 중wire sawing 장비는 가공된 ingot을 낱장의 웨이퍼로 절단하는 장비로서 절단 중 진동에 의하여 웨이퍼 면에 wire에 의한 수직응력이 작용함으로써 breakage가 발생하게 된다.
	본 연구에서는 wire sawing 장비에서 발생할 수 있는 문제를 어떻게 해결하려고 했는가?	본 연구에서는 태양전지 웨이퍼용 wire saw 지지구조의 간단한 설계 변경으로 장비를 안정화하여 진동을 억제 함으로써 웨이퍼 breakage현상을 억제하고 장비 생산성 향상과 제조원가를 절감시킬 수 있는 방법을[1]제시하고자 한다.

참고문헌 (7)

Ro, S. H., Mechanical Vibrations with Applications, Chaos Book, pp. 22-58, 2013.
Shin, H. B., and Ro, S. H., "Design Alterations of a Squaring & Grinding Machine for the Solar Cell Wafer to Suppress Vibrations", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, pp25-30, 2017.
Ro, S. H., Park, Y. R.," Stability Design of a Laser Cutter for the Strengthened Glass", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 14, pp.19-25, 2015.
Ro, S. H., "Design Alteration of a Milling Machine Structure for the Improved Stability," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 5, pp. 72-78, 2006.
Cho, H. J., and Ro, S. H., "Effect of Design Parameters on the Variation of Natural Frequencies of the Uniform and the Nonuniform Cantilever Beams," Transactions of the KSME, Vol. 23, pp. 697-708, 1999.
Yi, I. H., and Ro, S. H., "Structural Design of an Ingot Grower of the Semiconductor Wafer for the Stability Improvement", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 1, pp. 14-39, 2017.
Jeon, C. S., Kim, Y. G., and Kwon, H. B., "A Study on Impact Damage Characteristics of the Window Glass for High Speed Train," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 15, pp. 217-223, 2012.

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