Warning: fopen(/home/virtual/kwjs/journal/upload/ip_log/ip_log_2024-03.txt): failed to open stream: Permission denied in /home/virtual/lib/view_data.php on line 88 Warning: fwrite() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/virtual/lib/view_data.php on line 89 다구찌방법을 이용한 커버유리의 이산화탄소 레이저 드릴링 가공

다구찌방법을 이용한 커버유리의 이산화탄소 레이저 드릴링 가공

CO2 Laser Drilling Processing of the Cover Glass using the Taguchi Method

Article information

J Weld Join. 2019;37(3):199-205
Publication date (electronic) : 2019 June 17
doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2019.37.3.1
신중한*,orcid_icon, 최동혁*orcid_icon
* 국립 공주대학교 기계자동차 공학부
* Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National Univ., Cheonan, 31080, Korea
Corresponding author : jhshin@kongju.ac.kr
Received 2019 April 22; Revised 2019 May 30; Accepted 2019 June 13.

Abstract

This study reports CO2 laser drilling of the cover glass using the Taguchi method. In this study, the Taguchi method containing L16 (4 factors and 4 levels) orthogonal array design was employed to investigate the effect of process parameters on hole quality. Based on the results of experiments, holes with a high total hole quality index (THQI) show less cracking and heat affected zone (HAZ), and in this case the circular morphology of a hole is relatively well kept. From the Taguchi analysis, it is found that the THQI is significantly affected by laser power, however the effect of the focal position on the THQI is very small. The optimal process parameters to maximize the THQI are the laser power of 20 W, the scan speed of 20 mm/s, the scan of 1 pass and the focal position of 0 mm. The regression model to predict the THQI is obtained using the surface response method. It is confirmed that the regression model predicts the THQI with 5.717 % error (average).

1. 서 론

유리는 이산화규소 (SiO2)를 주성분으로 갖는 비결정질 고체로서 재질의 우수한 광학적 특성으로 인해 전통적으로 광학, 통신 및 디스플레이 기기의 중요 소재로 사용되고 있다.

여러 응용분야에 유리가 적절히 사용되기 위해서는 유리를 다양한 형상으로 정밀하게 가공하는 것이 필요하나, 물리적 접촉을 이용하는 기계적 가공 방법1,2)으로는 취성이 높은 유리소재를 정밀하게 가공하데 어려움이 있다. 높은 밀도의 광 에너지를 열원으로 사용하는 비 접촉 방식의 레이저 공정3,4)은 취성이 높은 재료 가공 시 발생하는 균열 및 재료 손실을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있어 레이저를 이용한 다양한 유리 가공 기술이 개발 및 연구되고 있다5-7). 특히, 원 적외선 파장의 CO₂레이저 빔은 유리 소재에 대한 흡수율이 높아8) 유리소재에 투명한 특성을 가지는 가시광선 영역의 레이저 빔 대비 유리 가공 시 효과적으로 이용될 수 있다.

Brusberg9)등은 CO₂레이저를 이용한 500 μm 두께 유리 (Schott D263 Teco)의 드릴링 가공에 대한 연구를 수행하였다. 연구에 따르면, CO2 레이저를 이용하여 100 μm 직경을 갖는 곧은 원통모양의 홀을 대량으로 가공하였으며, 공정 중에 발생한 균열 문제는 전, 후 열처리를 통해서 개선하였다. CO2 레이저에 의한 다양한 종류의 유리 (합성 석영유리, pyrex 유리, 소다라임 유리) 드릴링 가공 연구도 보고되었다10). 3가지 유리 종류 중 석영 유리의 가공성이 가장 좋은 것으로 드러났으며, 멀티플 펄스 모드 사용 시 석영 유리에 가공된 홀의 테이퍼 및 홀 주변 열 영향부도 감소시키는 것으로 확인되었다. Chung11) 등은 CO2 레이저를 이용한 유리의 홀 가공에서 유리를 물에 잠기게 하는 방법을 이용하여 가공부와 주변의 온도차를 감소시킴으로써 균열이 없는 홀을 가공할 수 있었다.

직교 배열표를 이용하는 다구찌 실험계획법12) 은 실험에 영향을 주는 모든 인자들의 조합을 고려하여 실험을 진행하는 대신 실험횟수를 최소화 하면서도 통계적 분석을 통해 공정에 큰 영향을 주는 인자 및 타당한 최적의 공정조건을 파악하는 것이 용이하여 다양한 공정 설계 및 평가에 이용된다. Song13) 등은 Nd:YAG 레이저 플립 칩 접합 연구에서 접합인자들에 대한 영향도 분석 및 최적 접합조건을 파악하기 위해 다구찌 실험을 사용하였다. 실험 결과, 솔더 범프 형상에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 스캔 속도로 분석되었으며, 낮은 레이저 출력 및 빠른 스캔 속도가 좋은 접합특성을 보여주는 것을 확인하였다. 순수 Ti 소재의 디스크레이저 용접 공정에서 다구찌 방법을 이용하여 용접 변수를 최적화 시키는 연구가 수행되었다14). 연구에 따르면, 레이저 출력, 보호가스 및 스캔 속도 순으로 용접 부 인장강도에 미치는 영향이 큰 것으로 확인되었다.

본 논문에서는 CO₂레이저를 이용한 커버 유리의 드릴링 가공 연구 내용을 다룬다. 실험설계를 위해 다구찌 방법을 이용하였으며, 레이저 출력, 스캔속도, 빔 초점위치 및 스캔 횟수가 가공된 홀의 품질에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 표면 반응법을 이용하여 홀 품질을 예측할 수 있는 회귀식도 제안하였으며, 제안된 식에 의한 예측값을 실험값과 비교해봄으로써 제안된 회귀식의 타당성을 검증하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험장치 및 재료

80 W 급 연속파 (CW) CO2 레이저 (10.6 μm파장) 소스를 포함하는 레이저 장치가 (INNOSTA, IS 960) 유리 드릴링 실험을 위해 사용되었다. 레이저에서 발진된 빔은 거울로 구성된 빔 전달광학계를 거쳐 레이저 노즐로 전송되며, 노즐에 포함된 초점렌즈 (50 mm 의 초점 거리) 를 통해 초점이 맞춰진 빔은 최종적으로 유리 기판 표면에 입사된다. 레이저 노즐과 연결된 갠트리 (gantry) 시스템은 x-y축 방향의 움직임을 제공함으로써 유리 기판위에서 레이저 빔의 위치를 제어한다. 실험에 사용된 유리는 0.175 mm (± 0.015 mm) 두께의 붕규산 (보로실리케이트) 커버 유리 기판 (DURAN) 이다. 붕규산 유리의 열 및 광학적 물성치는 Table 1에 보인다. 본 연구에서는 유리기판에 직경 1 mm의 홀을 뚫기 위해 트레판 (trepanning) 방법을 사용하였다. 트레판 방법에서는 레이저 빔이 초점면에서 일정한 직경의 원을 그리며 드릴링이 진행된다. 본 실험에서는 레이저 빔이 1 mm 직경의 원형 트랙을 따라 스캔하도록 설정되었으며, 실험 조건에 따라 1-4회의 스캔 횟수를 사용하였다 (1회의 스캔에서 레이저 빔이 한 번의 완전한 원을 그림).

Material properties of borosilicate glass

드릴링 실험 후 홀의 품질을 평가하기 위해 광학현미경 (OLYMPUS, BH2-UMA)및 주사현미경 (Tescan, Vega3)을 이용한 홀 형상 분석 (홀 크기 및 열영향부 면적) 을 진행하였다. Fig. 1 은 드릴링 실험에 사용된 실험 장치 구성 및 드릴링 방법 개략도를 보여준다.

Fig. 1

Schematic diagram of drilling experimental setup and trepanning drilling technique

2.2 다구찌 방법을 이용한 실험 설계

본 연구에서는 총 16번의 실험횟수를 가지는 4인자 4 수준계의 다구찌 직교배열표 (L1644) 이용하여 실험을 진행하였다. 실험에 영향을 주는 인자로는 레이저 출력, 스캔속도, 초점 위치 및 스캔 횟수가 고려되었으며 각 인자에 대한 수준은 Table 2에 보여 진다. Table 3은 다구찌 방법에 의해 설계된 총 16번의 실험 배치를 보여준다.

Factors of drilling experiments and their levels

Experimental layout based on an L16 (4 factors and 4 levels) Taguchi matrix

다구찌 실험에서 각 실험 인자별 공정에 미치는 영향을 파악하기 위해 SNR (signal to noise ratio)을 사용한다. SNR은 신호 대비 잡음의 비를 의미하며 SNR로부터 공정 결과에 대한 잡음인자의 영향성을 판단할 수 있다. 품질 특성으로 나타나는 공정 결과물로부터 SNR을 구할 수 있으며, SNR이 큰 값을 가질수록 잡음 인자에 강건한 공정이 된다.

SNR은 공정의 결과물인 품질 특성치에 따라 망목(nominal-the-better), 망소(smaller-the-better), 망대(larger-the-better) 특성으로 구분된다. 본 실험에서는 공정의 결과물인 홀의 품질이 높을수록 좋은 망대 특성을 가지므로 이에 준하여 SNR을 계산하였다. 망대특성인 경우의 SNR은 아래의 식에 의하여 계산된다.

(1)SNR=10log(1ni=1n1yi2)

식 (1)에서 n은 측정 횟수 (이 연구에서는 n은 1임) 를 나타내며, yi는 측정한 특성 값 (홀의 품질) 을 의미한다. 본 연구에서는 홀의 품질을 평가하기 위한 항목으로 입구 홀 (inlet hole) 직경, 출구 (exit hole) 홀 직경, 홀 테이퍼 및 열 영향부 (heat affected zone, HAZ) 면적이 사용 되었다. 홀 테이퍼를 구하기 위해 사용되는 식은 아래에 나타내었다.

(2)θ(degree)=tan1{(dido)/2l}×(180π)

식 (2) 에서θ는 도로 표현되는 각도이며, di는 입구 홀 직경, do는 출구 홀 직경, l은 홀의 깊이를 나타낸다. 열 영향부의 경우, 광학 현미경으로 관측된 홀의 이미지로부터 이미지 프로세싱을 통해 열 영향부의 면적을 계산하였다.

위 항목들에 대한 품질을 지수화 시키기 위해 실험에서 얻은 실제 값을 표준화 시켰다. 표준화시 가장 좋은 품질은 10, 가장 나쁜 품질은 1로 정의하고 나머지 경우들은 1-10 사이에서 표준화 되었다. 입구 및 출구 홀은 목표 값 (1 mm)에 가장 가까운 경우, 홀 테이퍼와 열 영향부 값은 가장 작은 경우 10으로 정의하였다. 본 실험에서는 위에서 언급된 개별 홀 품질 지수 (individual hole quality index, IHQI) 외에 모든 항목을 고려하는 종합 홀 품질 지수 (total hole quality index, THQI) 도 각 실험 조건에 대해 분석 되었다. 본 연구에서 THQI는 개별 홀 품질 지수의 전체 합으로 정의하였다.

3. 실험 고찰

3.1 홀 형상 분석

Fig. 2 는 다양한 조건에서 가공된 홀의 형상을 보여준다. 그림 왼편은 상대적으로 종합 홀 품질 지수가 높은 그룹 (THQI > 25)을 보여주며, 오른편은 상대적으로 종합 홀 품질 지수가 낮은 그룹 (THQI < 20)들의 홀 형상을 보여준다. 얇은 유리 두께로 인하여, 전반적으로 입구 홀과 출구 홀은 크기에 있어 큰 차이가 나지 않는 것으로 보인다.

Fig. 2

Optical image of holes drilled at different conditions

Fig. 2에서 보이듯이, THQI가 높은 그룹은 THQI가 낮은 그룹대비 균열 발생 정도 및 열 영향부가 작으며 상대적으로 원형의 홀 모양을 잘 유지하는 것으로 확인된다. 균열의 경우 정량화 지표를 만드는데 어려움이 있어 홀 품질 지수에 고려가 되지는 않았지만, Fig. 2에서 보이듯이 홀 품질 지수가 낮은 그룹에서 균열의 크기 및 수가 증가되는 경향이 확인되었다. 품질 지수가 높은 그룹의 경우 열 영향부는 원주를 따르는 규칙적인 띠 모양을 하고 있으나 품질 지수가 낮은 그룹의 경우 불규칙한 형태를 보인다. Fig. 2에서 보이는 홀 주변의 어두운 부분들은 불규칙한 형태의 열 영향부를 나타내며, 이러한 영역은 Fig. 3(c)3(d) 에서 보이듯이 큰 열 영향 및 심한 균열로 인하여 유리 기판이 상부 쪽으로 약간 들리는 형태를 나타내고 있다.

Fig. 3

SEM image of drilled holes. (a) inlet hole for L11, (b) exit hole for L11, (c) inlet hole for L5 and (d) exit hole for L5

3.2 홀 품질에 대한 다구찌 분석

3.2.1 IHQI에 대한 SNR 분석

Fig. 4 는 IHQI에 대한 SNR 분석 결과를 나타낸다. 입구 홀의 경우 레이저 출력이 홀 품질에 가장 큰 영향을 미치며, 그 다음으로는 스캔 횟수, 초첨 위치, 스캔 속도 순으로 입구 홀 품질에 영향을 주는 것으로 나타났다. 반면에 출구 홀의 경우, 홀 품질에 대한 공정 변수들이 미치는 영향이 큰 유의차가 없는 것으로 확인되었다. 입구 홀이 위치하는 유리 상부 표면은 레이저 빔과 먼저 반응을 하는 곳으로 출구 홀 대비 공정 변수에 따른 영향을 더 민감하게 받는 것으로 판단된다. 홀 테이퍼의 경우 입구 홀과 마찬가지로 레이저 출력 및 스캔 횟수에 의해 가장 큰 영향을 받는 것으로 확인되었다. 식 (2)에서 보이는 바와 같이 홀 테이퍼는 입구 홀과 출구 홀의 직경 차에 의해 결정이 된다. 앞서 공정 변수들에 대한 출구 홀의 영향이 큰 유의차가 없는 것으로 확인되었기 때문에, 홀 테이퍼 품질 특성은 입구 홀의 품질 특성에 상대적으로 더 영향을 받았을 것으로 파악된다.

Fig. 4

Signal-to-noise ratio analysis for IHQI. (a) inlet hole diameter, (b) exit hole diameter, (c) hole taper and (d) HAZ area

Fig. 4(d)는 열 영향부 품질에 대한 SNR 특성을 보여준다. 결과에 따르면, 레이저 출력, 스캔 횟수, 스캔 속도, 초점 위치순으로 열 영향 부에 큰 영향을 주는 것으로 확인된다. 레이저 출력, 스캔 횟수 및 스캔 속도 모두 유리 기판에 가해진 총 레이저 에너지와 관련된 것으로 (예를 들어, 레이저 출력과 스캔 횟수가 증가 할수록, 스캔 속도가 감소할수록 재료에 가해지는 레이저 에너지가 증가함) 세 인자 모두 재료의 열 적 변형에 큰 영향을 주었을 것으로 판단된다.

3.2.2 THQI에 대한 SNR 응답 테이블 분석

Table 4는 THQI에 대한 SNR 분석 표를 보여준다. 결과에 따르면, 레이저 출력이 THOI에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되며 (델타가 가장 큰 인자), 초점 위치는 영향이 미비한 것으로 나타난다. 실험에 사용된 유리의 두께가 (0.175 mm) 초점 위치 변화량 (2.175 mm) 대비 매우 얇기 때문에 초점 위치에 따른 홀 품질 영향이 작았을 것으로 판단된다. Table 4에 분석된 결과를 바탕으로, THQI를 개선하는 (가장 큰 SNR을 유도하는) 인자별 최적의 공정 조건 및 THQI에 대한 영향을 Table 5에 정리하여 나타내었다.

Signal-to-noise ratios for THQI and rank of effects

Optical drilling conditions and their main effect on the THQI

3.3 THQI에 대한 반응표면 회귀식

Table 4와 5에 보여 지는 분석은 단지 THQI에 대한 주요 인자들의 영향을 보여주며, 인자들 사이의 교호작용에 대한 효과는 고려되지 않았다. 주요 인자들 외에 다양한 인자들 (주요 인자들의 제곱 항 및 인자들 사이의 교호작용) 이 THQI에 미치는 영향을 파악하기 위해 다구찌 실험결과에 기초하여 반응표면 회귀 모델식을 하기와 같이 얻었다 (MINITAB 소프트웨워 이용).

(3)THQI=36.40.29A+0.687B20.73C3.91D+0.0844A20.0186B20.0647A×B+0.443A×C+0.411A×D+0.486B×C+0.146B×D

식 (3) 에서 A 는 레이저 출력, B 는 스캔 속도, C 는 스캔 횟수, D는 초점 위치를 의미한다. 식 (3)에 보여 지는 회귀식은 높은 신뢰도 수준을 보이는 91.4 %의 결정계수 (R2) 값을 가진다. 모델식의 정확도를 높이기 위해 유의성이 작은 주요인자의 제곱 항 및 교호작용 항들은 제거하였다. THQI에 대한 실험치와 식 (3)으로부터 얻은 예측치는 Table 6에 정리되어 보여 진다. 실험치와 예측치 사이의 평균 오차는 5.717 % 으로 제안된 회귀식이 높은 신뢰수준에서 THQI를 예측할 수 있는 것을 확인하였다.

Actual and predicting value for THQI

4. 결 론

본 논문에서는 다구찌 실험 계획법을 이용한 CO2 레이저의 커버유리 드릴링을 다루었다. 홀 형상 분석 결과, THQI가 높은 홀들은 균열 발생 및 열 영향부가 작으며 상대적으로 원형의 홀 모양을 잘 유지하는 것으로 확인되었다. 또한, THQI가 높은 경우 열 영향부는 원주를 따르는 규칙적인 띠 모양을 하고 있으나 THQI가 낮은 그룹의 경우 불규칙한 형태를 보였다.

THQI에 대한 SNR 분석 결과, 레이저 출력, 스캔 횟수, 스캔 속도 및 초점 위치순으로 THOI에 큰 영향을 미치는 것이 파악되었다. 다구찌 분석에 의해 얻어진 최적 조건은 20 W 의 레이저 출력, 20 mm/s 의 스캔 속도, 1회의 스캔 횟수 및 0 mm 의 초점 위치이다.

반응 표면 법을 이용하여 THQI에 대한 회귀식을 구하였다. 실험에서 얻은 THQI 값과 회귀식에서 얻은 THQI 값을 비교한 결과 평균 오차가 5.717 % 으로 제안된 회귀식이 높은 신뢰 수준에서 실험결과를 예측할 수 있는 것을 검증하였다.

Acknowledgements

이 논문은 2018년 공주대학교 학술연구지원 사업의 연구지원에 의하여 연구되었음.

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Article information Continued

Table 1

Material properties of borosilicate glass

Density 2.23 g/cm3
Specific heat 0.83 J/g·K
Coefficient of thermal expansion ~3.3⨯10-6/K
Thermal conductivity 1.14 W/m·k
Index of refraction 1.486 (at 2.5 μm)

Fig. 1

Schematic diagram of drilling experimental setup and trepanning drilling technique

Table 2

Factors of drilling experiments and their levels

Factor Level
1 2 3 4
Laser power (W) 5 10 15 20
Scan speed (mm/s) 10 20 30 40
No. of passes 1 2 3 4
Focal position (mm) 0 -0.175 1 -1.175

Table 3

Experimental layout based on an L16 (4 factors and 4 levels) Taguchi matrix

Exp. No. Factor
Laser power (W) Scan speed (mm/s) No. of passes Focal position (mm)
L1 5 10 1 0
L2 5 20 2 -0.175
L3 5 30 3 1
L4 5 40 4 -1.175
L5 10 10 2 1
L6 10 20 1 -1.175
L7 10 30 4 0
L8 10 40 3 -0.175
L9 15 10 3 -1.175
L10 15 20 4 1
L11 15 30 1 -0.175
L12 15 40 2 0
L13 20 10 4 -0.175
L14 20 20 3 0
L15 20 30 2 -1.175
L16 20 40 1 1

Fig. 2

Optical image of holes drilled at different conditions

Fig. 3

SEM image of drilled holes. (a) inlet hole for L11, (b) exit hole for L11, (c) inlet hole for L5 and (d) exit hole for L5

Fig. 4

Signal-to-noise ratio analysis for IHQI. (a) inlet hole diameter, (b) exit hole diameter, (c) hole taper and (d) HAZ area

Table 4

Signal-to-noise ratios for THQI and rank of effects

Level Laser power Scan speed No. of passes Focal position
1 26.89 26.40 28.27 27.65
2 25.81 28.35 26.08 27.30
3 27.04 26.95 27.40 27.42
4 29.11 27.15 27.11 26.48
Detaa 3.29 1.96 2.19 1.17
Rankb 1 3 2 4
a

Difference between the highest and lowest signal-to-noise ratio.

b

Rank is determined based on delta

Table 5

Optical drilling conditions and their main effect on the THQI

Factor Optimum level Main effect on the THQI
Laser power 4 (20 W) Increase of SNR for inlet hole, hole taper and HAZ area
Scan speed 2 (20 mm/s) Increase of SNR for inlet hole and HAZ area
No. of passes 1 (1) Increase of SNR for inlet hole and HAZ area
Focal position 1 (0 mm) Increase of SNR for hole taper

Table 6

Actual and predicting value for THQI

Exp. No. Factor THQI
A
Laser power (W)
B
Scan speed (mm/s)
C
No. of passes
D
Focal position (mm)
Actual Predicting % Error
L1 5 10 1 0 26.563 25.179 4.852
L2 5 20 2 -0.175 18.631 19.110 2.570
L3 5 30 3 1 22.332 21.936 1.775
L4 5 40 4 -1.175 21.708 20.842 3.991
L5 10 10 2 1 17.392 19.259 10.735
L6 10 20 1 -1.175 22.998 25.050 8.923
L7 10 30 4 0 16.403 19.511 18.946
L8 10 40 3 -0.175 22.161 22.127 0.152
L9 15 10 3 -1.175 16.031 14.304 10.776
L10 15 20 4 1 28.742 25.641 10.788
L11 15 30 1 -0.175 27.094 25.120 7.287
L12 15 40 2 0 20.501 20.634 0.649
L13 20 10 4 -0.175 25.774 27.379 6.226
L14 20 20 3 0 38.068 38.326 0.676
L15 20 30 2 -1.175 24.725 24.610 0.463
L16 20 40 1 1 27.299 28.024 2.657
Average 5.717