[논문]소다석회유리의 CO2 레이저 스크라이빙 가공

강승구; 신중한

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.5.074

[국내논문] 소다석회유리의 CO2 레이저 스크라이빙 가공
CO2 Laser Scribing Process of Soda Lime Glass 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.5, 2019년, pp.74 - 81

강승구 (국립공주대학교 기계자동차공학부) , 신중한 (국립공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study reports the CW $CO_2$ laser scribing of soda lime glass. In this study, scribing experiments are carried out at different laser powers, scan speeds, and focal positions to investigate the effect of the process parameters on the interaction characteristics between a laser beam and glass. In particular, the interaction characteristics are analyzed and described with the input laser energy per unit length. According to the experimental results, the damage threshold for the glass surface was found to exist between 0.072 and 0.08 J/mm. The input laser energy in this region induced partial melting of the surface and grain-shaped cracks. These cracks tended to increase as the input laser energy increased. At the laser input energy larger than 1 J/mm, a huge crack propagating along the scan direction was produced, and the volume below the scribed area was fully melted. The growth of this crack finally resulted in the complete cutting of the glass at the input laser energy above 8 J/mm. It was found that both the width and depth of the scribed line increased with increasing input laser energy. For the beam focusing at the rear surface, the width of the scribed line varied irregularly. This could be ascribed to the increased asymmetry of the beam intensity distribution when the laser beam was focused at the rear surface. Under this condition, a large burr was only produced on one side of the scribed line.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연속파 CO2레이저를 이용한 소다석회유리의 스크라이빙 가공 실험이 수행되었다.
소다석회유리 손상을 유발시키는 단위 길이당 임계 입력 에너지 확인을 위한 평가를 진행하였다. 본 연구에서 단위 길이당 입력 에너지(J/mm)는 레이저 출력을 스캔속도로 나눈 값으로 정의된다.
본 논문에서는 CO₂ 레이저를 이용한 소다석회 유리 스크라이빙 공정에 대한 연구내용을 다루었다. 레이저 출력과 스캔 속도를 변경시키면서 단위 길이당 레이저 입력 에너지에 따른 레이저와 소다석회 유리의 반응 특성을 분석하였다.

제안 방법

이 가공법에서는 다이아몬드 포인터가 절단 경로를 따라 먼저 균열 및 홈을 발생시키고, 이후 CO2 레이저 빔이 경로를 따라 조사되면서 유리 두께 방향으로 균열을 성장시켜 절단이 이루어지도록 하였다.
본 연구에서는 연속파 CO₂레이저를 이용한 소다석회유리의 스크라이빙 가공 실험이 수행되었다. 공정 변수로는 레이저 출력 스캔속도 및 초점위치가 고려되었으며, 다양한 공정 조건에 따른 레이저 빔과 소다석회 유리의 반응 특성이 분석되었다. 특히, 단위 길이당 레이저 빔 입력 에너지에 따른 소다석회 유리의 손상 임계값 및 절단 조건을 확인하였고 반응부의 상세한 형상이 광학현미경과 주사현미경을 이용하여 분석되었다.
공정 변수로는 레이저 출력 스캔속도 및 초점위치가 고려되었으며, 다양한 공정 조건에 따른 레이저 빔과 소다석회 유리의 반응 특성이 분석되었다. 특히, 단위 길이당 레이저 빔 입력 에너지에 따른 소다석회 유리의 손상 임계값 및 절단 조건을 확인하였고 반응부의 상세한 형상이 광학현미경과 주사현미경을 이용하여 분석되었다.
1에 보이는 CO₂ 레이저 시스템을 이용하여 유리기판 위에 60 mm길이의 스크라이브 라인 (scribe line)을 조사하는 실험을 진행하였다. 이 연구에서는 레이저 빔의 초점위치에 따른 가공 특성도 분석되었다. 레이저 빔의 초점을 유리후면에 위치시키기 위해 M.
레이저를 이용한 소다석회 유리 스크라이빙 공정에 대한 연구내용을 다루었다. 레이저 출력과 스캔 속도를 변경시키면서 단위 길이당 레이저 입력 에너지에 따른 레이저와 소다석회 유리의 반응 특성을 분석하였다.
실험 후 표면에 발생된 스크라이브 라인 형상을 상세히 분석하기 위해 광학현미경(OLYMPUS BH2-UMA)과 주사현미경(Tescan Vega3)을 사용하였다. 광학현미경을 이용하여 스크라이브 폭과 반응부 균열 형상을 관측하였고 주사현미경을 이용하여 스크라이브 라인의 정밀한 횡단면 관측을 진행하였다. 관측에 사용된 시편은 레이저 스캔속도의 가감속 영향이 상대적으로 작은 스크라이브 라인의 중앙부를 사용하였다.

대상 데이터

이 실험에 사용된 레이저장치는 INNOSTA 사의 IS 960 모델이다. 이 장치는 최대 80 W의 빔 출력이 가능한 연속파 CO₂ 레이저 소스와 600 mm/s의 스캔속도를 제공하는 갠트리(gantry) 시스템을 제공한다.
이 실험에서는 크기 200 ⨯ 100 mm, 두께 4 mm의 소다석회유리 기판이 이용되었다 소다석회유리의 열 및 광학적 물성치는 Table 1에 보인다.
파장이 10.6 μm인 CO2 레이저에 대한 소다석회유리의 굴절률은 1.97이고, 유리의 두께가 4 mm 임을 이용하여 빔 초점 이동 거리 A(2 mm)를 구하였다.
Fig. 1에 보이는 CO₂ 레이저 시스템을 이용하여 유리기판 위에 60 mm길이의 스크라이브 라인 (scribe line)을 조사하는 실험을 진행하였다. 이 연구에서는 레이저 빔의 초점위치에 따른 가공 특성도 분석되었다.
실험 후 표면에 발생된 스크라이브 라인 형상을 상세히 분석하기 위해 광학현미경(OLYMPUS BH2-UMA)과 주사현미경(Tescan Vega3)을 사용하였다. 광학현미경을 이용하여 스크라이브 폭과 반응부 균열 형상을 관측하였고 주사현미경을 이용하여 스크라이브 라인의 정밀한 횡단면 관측을 진행하였다.
광학현미경을 이용하여 스크라이브 폭과 반응부 균열 형상을 관측하였고 주사현미경을 이용하여 스크라이브 라인의 정밀한 횡단면 관측을 진행하였다. 관측에 사용된 시편은 레이저 스캔속도의 가감속 영향이 상대적으로 작은 스크라이브 라인의 중앙부를 사용하였다.

이론/모형

레이저 빔의 초점을 유리후면에 위치시키기 위해 M. Rubin의 논문에 보고된 식 (1) 의 내용을 참고하였다[22].

성능/효과

레이저 출력, 스캔 속도 및 횟수에 따른 절단면의 특성이 분석되었으며 절단면의 평균 조도는 85.6 μm 수준으로 확인 되었다.
2(b)에 보여 지듯이 유리 표면에 부분 용융이 발생하면서 손상(수백 마이크로미터 크기의 결정모양의 균열 발생)이 발생하는 것이 관측되었다. 실험 결과에 의하면 유리 표면에 손상을 유발시키는 임계 에너지 값은 0.072 J/mm와 0.08 J/mm사이에 존재하는 것으로 판단된다.
4는 더욱 증가된 입력 에너지에서의 반응부 형상을 보여준다. 1 J/mm 이상의 단위 길이당 입력 에너지에서는 스크라이브된 영역이 완전히 용융되며 반응부의 모양이 일정한 라인형상을 유지하는 것이 관측되었다. 반응부 표면에는 완전 용융에 의한 유동발생 흔적들이 보인다.
단위 길이당 입력 에너지가 8 J/mm이상에서는 스캔 방향 균열이 스크라이브된 영역 전반에 걸쳐 성장하면서 최종적으로 완전한 유리의 절단이 발생하는 것이 확인되었다. Fig.
9에서 보여 지듯이 단위 길이당 입력 에너지에 따라서 스크라이브 라인의 폭은 증가한다. 특히 에너지가 1 ~ 3.2 J/mm인 영역에서는 스크라이브 라인의 폭이 급격하게 증가하는 것이 관측되었으며 3.2 J/mm이상부터 폭의 증가정도가 완만해지는 것이 확인되었다. 후면 초점의 경우 전반적으로 에너지에 따라 폭이 증가하는 경향을 보이나 전면 초점대비 폭의 변화양상이 불규칙한 것으로 관측되었다.
실험 결과에 따르면, 유리의 손상을 유발시키는 임계 단위 길이당 입력에너지는 ~0.08 J/mm 수준인 것으로 확인되었다. 임계 에너지에서는 결정 모양의 작은 균열 및 표면 부분 용융이 관측되며 입력 에너지가 증가할수록 균열은 크게 성장하고 반응부는 완전히 용융되는 것으로 확인되었다.
08 J/mm 수준인 것으로 확인되었다. 임계 에너지에서는 결정 모양의 작은 균열 및 표면 부분 용융이 관측되며 입력 에너지가 증가할수록 균열은 크게 성장하고 반응부는 완전히 용융되는 것으로 확인되었다. ~0.
임계 에너지에서는 결정 모양의 작은 균열 및 표면 부분 용융이 관측되며 입력 에너지가 증가할수록 균열은 크게 성장하고 반응부는 완전히 용융되는 것으로 확인되었다. ~0.08 J/mm 이상의 에너지에서는 스캔 방향을 따르는 큰 균열이 성장하며 에너지 증가에 따라 스캔 방향의 균열이 더 크게 성장하여 최종적으로 8 J/mm 이상에서는 유리의 완전한 절단이 이루어지는 것이 관측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통적인 유리 가공 방식에는 무엇이 있는가	전통적인 유리 가공 방식에는 다이아몬드 포인터나휠 커터 [1~3] 등을 사용하여 물리적인 접촉에 의해 유리를 가공하는 방법이 있으나 이러한 방법들은 가공 부위에 큰 균열 및 재료의 손실을 유발하며 곡선가공이 어렵다는 단점이 있다.
	유리는 어디에 활용되는가	유리는 중요한 공학소재로 디스플레이, 광학 및통신 분야에 많이 사용되고 있으며 이로 인하여 다양한 유리 가공 방식이 이용 및 개발 중에 있다.
	최근 고 에너지 레이저 빔을 열원으로 사용하여 유리를 가공하는 방식이 관심을 받는 이유는 무엇인가	이 외에도 최근에는 고 에너지 레이저 빔을 열원 으로 사용하여 유리를 가공하는 방식이 큰 관심을 받고 있다 [7~10] . 레이저 가공은 비 접촉 방식으로 인하여 취성이 높은 소재 가공이 적절하고 [11~13] , 자동 화가 용이하며 빠른 공정이 가능한 장점을 가지고 있다 [14] . 또한, 레이저 공정의 경우 상대적으로 작은 레이저 빔의 크기 (수 ~ 수백 마이크로미터)로 인하여 정밀한 재료 가공이 가능하다 [15~17] .

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