Effect of Toughness Index of Diamond Abrasives on Cutting Performance in Wire Sawing Process

와이어쏘 공정에서 다이아몬드 입자의 인성지수가 절단 성능에 미치는 영향

Abstract

Multi-wire sawing is the prominent technology employed to cut hard material ingots into wafers. This paper aimed to research the effect of diamond toughness index on the cutting performance of electroplated diamond wire. Three different toughness index of diamond abrasives were used to manufacture electroplated diamond wires. The cutting performance of electroplated diamond wire is verified through experiments, in which sapphire ingot are cut using single wire sawing machine. A single wire saw for constant load slicing is developed for the cutting performance evaluation of electroplated diamond wire. Choosing the cutting depth, total cutting depth, cutting force and wear of electroplated diamond wires as evaluation parameters, the performance of electroplated diamond wire is evaluated. The results of this study showed that there was a significant direct relationship between the toughness index of diamond abrasives and the cutting performance. Results demonstrated that diamond abrasive with a high toughness index showed higher cutting performance. However, all diamond abrasives showed similar cutting performance under low load conditions. The results of this paper are useful for the development of cutting large diameter ingots and cutting high hardness ingots at high speed.

1. 서론

인공지능 (AI), 사물인터넷 (IoT), 빅데이터 (Big Data), 5세대 정보통신 네트워크와 같은 4차 산업 핵심 기술은 반도체를 기반으로 한다.

이러한 반도체 기반기술로 인해 전자재료기판 (wafer)의 수요가 증가하고 있으며, 기판의 생산성 및 정밀도 향상 기술이 요구되고 있다. 이러한 전자재료기판의 생산성 향상 기술 중 가장 유망한 방식이 다이아몬드 와이어를 이용하여 잉곳을 절단하는 멀티와이어쏘 기술이다. 멀티와이어쏘 기술은 고경도 잉곳을 일정한 두께와 높은 정밀도로 짧은 시간 안에 박판으로 절단함으로써 생산성 확보를 가능하게 하였다.

이러한 와이어쏘의 절단방법은 Fig. 1과 같이 진자운동을 동반하는 잉곳이 왕복 주행을 하는 다이아몬드 와이어 방향으로 절입할 때 발생하는 상대운동에 의해 이루어진다. 잉곳을 절단할 때 사용하는 다이아몬드 와이어는 니켈이 코팅된 다이아몬드 입자를 전해 도금방식을 이용하여 피아노 강선에 전착시켜 제작한다[1].

Fig. 1 Concept of multi-wire sawing process

기판의 형상 정밀도 향상을 위해서는 다이아몬드 와이어의 절단력 향상이 필요하다. 그러나 와이어쏘 공정 조건 조절을 통한 다이아몬드 와이어 절삭력 향상은 입자 마모를 가속화 시켜 절단 기판의 형상 정밀도를 저하시킨다[2,3]. 이러한 입자 마모에 영향을 미치는 인자는 잉곳 절입속도, 와이어 속도, 와이어 사용량, 새 와이어 공급량, 절단 장력, 잉곳 스윙 각도와 같은 공정 요소와 기계적 인자들이 관련되어 있다[4].

다이아몬드 와이어 절단력에 영향을 미치는 와이어쏘 공정에 관한 연구는 진행되어 왔다. A. Gupta는 공초점현미경, 주사전자현미경을 사용하여 와이어쏘 공정 조건에 따른 와이어 마모와 절단 기판의 표면 조도의 상관관계를 분석하였다[5]. Q. Wu는 다이아몬드와이어의 절단력 향상을 위해 와이어쏘 장비의 와이어 장력 감지 기구 및 보정 방법을 제시하였다[6]. 이전 연구들은 다이아몬드 와이어의 절단력을 공정 및 장비적 관점에서 연구하였다. 그러나 와이어쏘 장비 성능이 상향평준화 되고 잉곳이 대구경화 되면서 다이아몬드 와이어에 대한 보다 체계적인 연구가 필요하다.

본 연구에서는 다이아몬드 와이어에서 입자의 인성지수가 절단에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 통해서 다이아몬드 입자 특성을 반영한 와이어쏘 공정 설계 방향을 제시하고자 한다.

2. 실험방법

2.1 다이아몬드 와이어

실험에 사용한 다이아몬드 입자는 Fig. 2와 같이 인성지수 차이를 가지고 있다. 인성지수는 일정 중량의 다이아몬드에 충격을 가한 후 파괴되지 않고 남은 중량의 비율을 의미한다[7].

Fig. 2 Toughness index of diamond abrasive

Fig. 3는 실험에 사용한 다이아몬드 입자와 그 입자를 사용하여 제작한 다이아몬드 와이어 SEM 사진이다. 절단 공구에 사용하는 다이아몬드 입자는 고온ㆍ고압 소결 방식으로 제조한다[8]. AGMP(As-grown micron powder) 다이아몬드는 결정 성장 방식으로 제조한 것으로 가장 높은 인성지수를 가지고 있다.

Fig. 3 SEM image of electroplated diamond wire

GMP(General micron powder) 다이아몬드는 일반 절단공구에 사용하는 다이아몬드 입자의 제조 방식과 동일하게 제조한 것으로 현재 양산에 사용하고 있는 Fig. 3(c) 와이어의 다이아몬드 입자보다 높은 인성지수를 가지고 있다. 각 다이아몬드 와이어는 입자의 인성 지수 변수를 제외한 나머지 조건은 동일하게 제조하였다.

2.2 싱글 와이어쏘

다이아몬드 와이어의 절단력을 측정하기 위해서 Fig. 4(a)와 같이 싱글 와이어쏘 장치를 구성하였다.

Fig. 4 Experimental setup for measuring the cutting performance of electroplated diamond wire

로드셀(Load cell)을 잉곳 장착부에 설치하여 다이아몬드 와이어가 잉곳을 절단할 때 발생하는 힘을 측정하였다. 또한, 동일한 위치에 레이저 변위 센서(Laser interferometer)를 설치하여 절단 시간에 따른 절단 깊이를 측정하였다.

와이어쏘 공정에서 잉곳 절입은 정하중과 정절입방식으로 구분할 수 있다[9]. 본 실험에서는 Fig. 4(b)와 같은 정하중 방식으로 진행하였다. 해당 방식은 잉곳이 분동의 무게에 의해서만 절입함으로써 다이아몬드 와이어의 절단력에 의한 영향만을 측정할 수 있다.

절단 중 발생할 수 있는 장력 변화는 장력제어기(Tension controller)를 통해 일정하게 유지하였다.

실험은 다이아몬드 와이어의 절단성능 변화를 정량 측정하기 위해 신규와이어 공급 없이 총 길이 2m의 다이아몬드 와이어만 사용하여 실험을 진행하였으며, 다른 실험조건은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Experimental conditions for cutting performance measurement

3. 실험결과 및 고찰

3.1 다이아몬드 입자의 인성지수에 따른 마모 특성

다이아몬드 와이어 절단 방식은 잉곳과의 상대 운동으로 니켈층이 제거되면서 돌출된 다이아몬드 입자에 의해 절단되며, 상기 과정이 반복되면서 수명한계에 도달한다.

Fig. 5는 잉곳 절입 하중과 다이아몬드 입자에 따른 절단 깊이 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다. 절단 깊이는 초기 절단구간에서 선형 증가 하며, 이후 기울기가 감소하면서 절단 깊이 변화를 보이지 않는다. 절단 깊이 변화가 없는 것은 주어진 잉곳 절입 하중에서 다이아몬드 와이어에 의한 재료 제거가 발생하지 않는 것을 의미한다. 즉, 현재 조건에서 추가 절단을 위해서는 기존 가압하중보다 큰 외력이 필요하다는 것을 나타낸다.

Fig. 5 Cutting depth variations as a function of cutting time

하지만, 다이아몬드 입자에 작용하는 외력은 와이어 인장강도와 안전계수에 의한 한계가 있다. Fig. 5(c), Fig. 5(d) 결과에서 Commercial MP 와이어는 초기 높은 절단력을 보이지만, 급격한 마모로 인해 짧은 시간에 수명 지점에 도달했다.

이러한 경향은 다이아몬드 입자의 인성지수를 반영한다. Commercial MP보다 높은 인성지수의 AGMP, GMP 와이어는 모든 조건에서 단선 없이 잉곳을 절단하였으며, 절단 깊이 결과에서도 인성지수와 비례한 경향을 보였다.

이러한 결과는 Fig. 6의 다이아몬드 입자의 SEM 사진에서 확인할 수 있다. 가압하중 0.5㎏ 조건에서 다이아몬드 입자의 마모 상태는 큰 차이를 보이지 않았으며, 절단 깊이도 유사한 결과를 보였다. 하지만, 고하중 조건으로 갈수록 인성지수에 의한 다이아몬드 와이어 절단 성능 차이가 명확하게 나타났다. Fig. 6(d)에서 AGMP의 잔류 돌출 높이는 GMP보다 높고, Fig. 5(d) 결과에서도 AGMP 와이어의 절단 깊이가 가장 큰 것을 볼 수 있다.

Fig. 6 SEM image of comparing diamond abrasive after end of cut(Left : AGMP, Right : GMP)

상기 결과를 기반으로 연장 실험을 진행할 경우 AGMP는 추가 절단이 가능하지만, GMP에서는 단선 발생 확률이 높을 것으로 예측된다.

3.2 다이아몬드 입자의 인성지수에 따른 절단력 변화

절단 기판의 정밀도는 와이어쏘 장비 정밀도와 다이아몬드 와이어의 절단력에 의해 결정된다. 와이어쏘 공정에서 재료 제거량은 다이아몬드 와이어의 단위 절단력에 비례한다.

잉곳 절입 하중과 다이아몬드 입자에 따른 절단력 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 절단력은 시작 구간에서 가장 높게 측정되었으며, 이후 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 Fig. 4(b)와 같이 절단 시작 전 분동에 의해 잉곳이 와이어 방향으로 당겨진 상태에서 발생한 초기 처짐 영향으로 판단된다. 실험 결과에서 다이아몬드 와이어의 절단력은 잉곳 절입 하중에 선형적인 관계를 보이지만, 일정 하중 이상에서는 절단력이 급감하는 경향을 보인다. 1.5㎏, 2.0㎏ 조건에서 Commercial MP 와이어는 절단 중 단선이 발생했고, 인성지수가 높은 AGMP, GMP 와이어는 0.5㎏, 1.0㎏에서 Commercial MP 와이어와 비교해서 뚜렷한 절단 성능 차이를 보이지 않았다. 즉, 인성지수가 높은 다이아몬드 입자는 저하중 조건보다 고하중에서 절단 성능이 높은 것을 확인할 수 있다. 0.5㎏에서 2.0㎏까지 Commercial MP 와이어를 제외한 나머지 와이어 모두 잉곳 절입 하중에 비례해서 증가하는 결과를 보였다. 잉곳 절입 하중이 최소에서 최대로 증가하는 동안 절단 깊이는 AGMP 와이어 5.5배, GMP 와이어 4.8배, Commercial MP 와이어 3.3배 증가했다.

Fig. 7 Cutting force characteristics as a function of cutting time

최대 하중 2㎏에서는 AGMP 와이어의 절단 깊이 증가폭이 가장 크고, GMP 와이어는 감소한 결과를 보였다. 특히, Commercial MP 와이어는 짧은 시간 동안 잉곳 절단 후 수명 지점에 도달했다. 2.0㎏조건에서 Commercial MP 와이어의 절단 깊이는 1.5㎏보다 짧은 결과를 보였다. 상기 결과는 한계 하중 이상의 가압은 오히려 다이아몬드 와이어의 절단력을 저하 시킬 수 있는 원인으로 작용할 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 8 Total cutting depth as a function of applied load

와이어쏘 공정에서 절단 하중은 잉곳 절입속도에 비례하고 잉곳 절입 속도는 와이어쏘 공정 시간을 결정하는 인자이다. 따라서, 인성지수가 높은 다이아몬드 와이어는 높은 가압력의 공정 조건으로 설계하는 것이 유효할 것으로 보인다.

4. 결론

절단시간에 따른 다이아몬드 입자의 마모, 절단력 변화 및 절단력과 다이아몬드 입자의 마모에 의한 잉곳 절단 깊이 변화를 측정하여 와이어쏘 공정에서 다이아몬드 입자의 인성지수가 절단에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.

절단 깊이는 잉곳 절입 하중에 비례하여 증가하는 결과를 보였다. 잉곳 절단량의 90%는 전체 절단 시간 중 초기 25% 구간 내에서 빠르게 진행되었으며, 이 후 절단 깊이 변화를 보이지 않았다. 저하중 조건에서 절단 깊이 변화는 유사한 경향을 보였다. 반면, 잉곳 절입 하중이 증가할수록 절단 깊이 차이는 명확하게 나타났으며, 고하중에서 Commercial MP 와이어는 급격한 마모로 단선이 발생했다.

이러한 현상은 다이아몬드 입자의 인성 지수에 따른 내마모성 차이에 기인하나, 높은 하중 조건에서는 다이아몬드 입자에 작용하는 외력의 증가로 마모가 가속화되기 때문이다. 다이아몬드 와이어의 절단력 변화도 상기 현상을 반영한 결과를 보였다. 절단 시작 초기 구간에서 최대 절단력을 보인 후 일정한 절단력을 유지했다. 최대 절단력은 잉곳의 절단 시작 위치에서 다이아몬드 와이어의 초기 처짐에 기안하는 것으로 보인다. 즉, 인성지수가 높은 다이아몬드 입자의 와이어는 고하중 조건에서 높은 절단 성능을 보이지만, 낮은 하중 조건에서는 인성 지수가 낮은 다이아몬드 와이어와 유사한 절단 성능을 보였다.

인성지수가 높은 다이아몬드 입자는 고경도 대구경 잉곳의 고속 절단과 같이 가혹한 공정 조건에 적합할 것으로 판단된다. 또한 인성 지수가 높은 다이아몬드 입자를 저하중 조건에서 사용하기 위해서는 다이아몬드 입자의 표면 가공 공정을 통한 절단날 생성이 용이한 표면 구조를 갖는 것이 필요할 것으로 보인다.