KR100287607B1 - 경질(硬質)재료의블록을다수의판으로절단하는방법및그방법을수행하기위한와이어톱(wiresaw) - Google Patents

Abstract

본 발명은 헐거운 상태로 첨가되는 연마제와 연속적이고 순환하는 경질의 캐리어(7)의 작용에 의해 경질 재료로 된 블록(1)을 다수의 판으로 절단하는 방법에 관한 것이다. 로울러 시스템의 동축 로울러(2, 3)들의 원주 홈내에서 안내되는 것에 의해, 캐리어는 절단될 재료를 가압하는 체인을 형성한다. 적어도 1쌍의 편향 로울러(2)와 적어도 1쌍의 가이드 로울러(3)를 포함하는 로울러 시스템의 로울러들의 원주 홈내에서 주행하는 캐리어, 예를 들어, 톱작용 와이어가, 블록의 인접한 2개의 절삭부에서 서로 반대방향으로 안내되도록 피절단 재료에 대하여 가압된다.

Description

경질(硬質)재료의 블록을 다수의 판으로 절단하는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 와이어 톱(wire saw){Method of cutting blocks of hard substances into plates by means of a wire saw, and wire saw for carrying out this method}

경질 재료의 블록, 예를 들어, 반도체, 유리 또는 세라믹으로 된 블록을 절단하기 위해, 헐거운 상태로 첨가되는 연마제와 이동가능한 경질의 캐리어(일반적으로는, 연속적인 와이어)의 피절단 재료에 대한 작용을 이용하는 방법이 대개 사용된다. 이러한 방법은, 액체, 예를 들어, 오일에 분포된 연마제가 와이어에 의해, 홈이 형성된 로울러들로 이루어진 시스템을 통해 절삭 지점으로 이송되고, 절삭 재료가 회전하는 와이어로 된 체인에 의해 점차적으로 가압되는 것을 특징으로 한다. 절단된 판의 두께는 로울러의 홈들 사이의 거리에 의해 결정되고, 와이어의 두께 또는 절단부의 질(質)은 연마제의 재료와 블록의 재질 뿐만 아니라 부가적인 기술적 파라미터들에 의해 결정된다.

상기한 바와 같은 절단방법과 장치는 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허제4,494,523호, 미국 특허 제4,574,769호, 미국 특허 제4,640,259호, 미국 특허 제4,903,682호, 미국 특허 제5,201,305호, 미국 특허 제5,269,285호 및 영국 특허 제2,216,441호에, 그러한 장치들과 소정의 원리를 이용하는 그러한 장치의 여러 가지 실시형태가 개시되어 있다. 전통적인 방법들의 공통적인 특징은, 와이어가 절삭 과정중에 언제나 블록의 모든 절삭부에서 한쪽 방향으로만 이동하는 방식으로 와이어가 홈이 형성된 로울러들로 이루어진 시스템내에 배치된다는 것이다. 그 결과, 제조된 판이 절삭면을 따라 일정한 두께를 가지지 않게 된다. 즉, 와이어가 블록의 절삭면을 통과할 때 와이어에 부착되는 연마제의 효과와 양이 감소됨에 따라, 절단된 판이 와이어의 이동 방향으로 테이퍼(taper)지게 된다. 그 테이퍼의 크기는, 소정의 절삭시간 후에 블록의 모든 절삭부에서 와이어의 이동을 반대방향으로 역전시켜 와이어를 양 방향으로 이동시킴으로써 부분적으로 수정될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은, 절삭과정이 현저하게 느려지고, 절삭이 연속적으로 진행되지 않으며, 와이어의 이동이 정지 및 개시될 때 큰 에너지 손실을 수반하고, 주기적으로 역전이 이루어져 응력을 받는 장치의 결절 지점에 장해가 발생할 가능성이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 경질 재료의 블록, 특히, 반도체, 유리 또는 세라믹으로 된 블록을 다수의 판(판형 절편)으로 절단하는 방법과 그 방법을 수행하기 위한 톱에 관한 것이다.

본 발명에 따른 절단방법 및 와이어 톱(wire saw)의 구성이 첨부 도면들에 예시되어 있다. 첨부 도면들에서,

도 1은 2개의 편향 로울러와 이보다 작은 2개의 가이드 로울러를 포함하고 그 로울러들의 평행한 축선들이 동일 면에 위치하는 4-로울러 시스템의 배열상태를 나타내는 도면,

도 2는 도 1에 나타낸 것과 유사한 로울러 시스템으로서, 2쌍의 로울러들의 축선들이 상이한 면에 위치하도록 배열된 상태를 나타내는 도면,

도 3은 도 1에 나타낸 것과 반대로 편향 로울러의 직경을 작게 하고 가이드 로울러의 직경을 크게 한 로울러 시스템을 나타내는 도면,

도 4는 편향 로울러의 직경과 가이드 로울러의 직경을 같게 한 4-로울러 시스템의 예를 나타내는 도면,

도 5는 편향 로울러와 가이드 로울러 사이에 추가의 로울러가 삽입되어 있는 또다른 형태의 로울러 시스템을 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 와이어 톱의 기본 기능요소들을 나타내는 전체 개략도이다.

특허청구범위의 청구항 1에 기재된 방법은 상기한 단점을 해소한다. 본 발명의 방법의 핵심은, 적어도 1쌍의 편향 로울러와 적어도 1쌍의 가이드 로울러로 이루어진 로울러 시스템의 상기 로울러들의 원주 홈내에서 주행하는 연속적인 경질의 캐리어(carrier)가 블록의 인접한 2개의 절삭부에 서로 반대방향으로 안내되도록 피절단 재료에 대하여 가압되는 것에 있다. 로울러 시스템의 체인을 이루는 연속적인 캐리어는, 첫번째 편향 로울러의 상측으로부터 반대측 가이드 로울러의 상측을 지나 그에 인접한 두번째 편향 로울러의 하측으로 안내된 후에, 상기 가이드 로울러 반대측의 가이드 로울러의 상측을 지나고 다시 상기 첫번째 편향 로울러의 하측으로 안내된 다음, 상기 첫번째 편향 로울러의 상측으로 안내되도록 상기 로울러들의 원주 홈들내에서 반복적으로 안내된다.

이 방법에 따라 블록을 절단하기 위한 톱은, 원주 홈이 형성된 로울러들을 포함하고 프레임에 부착되어 있는 로울러 시스템과, 장착대를 가진 테이블과, 와이어 가이드 설비, 및 연마제의 공급과 열안정화를 위한 장치를 포함하고, 본 발명의 톱에서 특징으로 하는 것은, 로울러 시스템이 적어도 1쌍의 가이드 로울러와 적어도 1쌍의 편향 로울러로 이루어지고, 그 편향 로울러는 서로 인접하여 설치된 편향 로울러와 가이드 로울러가 서로 반대방향으로 회전하고 2개의 가이드 로울러의 회전방향과 2개의 편향 로울러의 회전방향이 반대가 되도록 가이드 로울러와 관련하여 설치되는 것이다.

바람직한 실시예에 있어서, 편향 로울러와 가이드 로울러는 편향 로울러의 상면 라인이 가이드 로울러의 상면 라인보다 높게 위치하도록 하는 방식으로 배치되고, 가이드 로울러의 위치는 고정 프레임내에서 축방향으로 조정가능하게 되어 있다. 캐리어는 상부로부터 비스듬히 하방으로 또는 하부로부터 비스듬히 상방으로 2개의 인접한 원주 홈내에서 서로 반대방향으로 가이드 로울러들 사이의 작업공간으로 안내되는 체인을 형성하도록 하는 방식으로 로울러 시스템의 편향 로울러와가이드 로울러 둘레에 여러 번 감겨 있다.

본 발명에 따른 절단방법에서는, 필요한 속도와 연속적인 절삭과정을 유지하면서, 즉, 캐리어의 이동방향을 역전시키는데 소요되는 에너지의 소모 없이, 종래기술에서와 같은 테이퍼를 가지지 않고 균일하고 평행한 벽을 가진 절단된 판들이 얻어질 수 있다.

경질(硬質) 재료로 된 블록(1)을 다수의 판(판형 절편)으로 절단하기 위한 본 발명의 와이어 톱은 4개의 기본적인 주(主) 구성요소, 즉, 로울러 시스템, 장착대를 가진 테이블, 와이어 가이드 설비, 및 연마제의 공급과 온도 안정화를 위한 장치로 이루어져 있다. 로울러 시스템은 톱의 코어를 형성하고, 적어도 1쌍의 편향 로울러(2)와 적어도 1쌍의 가이드 로울러(3)로 구성되며, 그 로울러들이 고정 프레임(4)에 설치되어 있다. 고정 프레임은 테이블(5)의 지지체에 고정적으로 연결되어, 로울러 시스템에 필요한 기계적 안정성과 견고성을 제공한다. 고정 프레임(4)에서의 가이드 로울러(3)의 위치는 축방향으로 조정가능하게 되어 있고, 편향 로울러(2)는 그 편향 로울러의 상면 라인이 가이드 로울러(3)의 상면 라인보다 높게 위치하도록 하는 방식으로 가이드 로울러(3)와 관련하여 설치되어 있다. 편향 로울러(2)와 가이드 로울러(3)의 표면은 매끈하게 연마되어 있고, 연속적이고 회전(선회)하는 경질의 캐리어(7)를 안내하기 위한 일련의 원주 홈(6)을 가지고 있다. 캐리어(7)는 절삭중에 블록(1)을 뚫고 나가기 위한 체인을 형성하는 와이어를 가지고 있는 것이 바람직하다. 로울러 시스템의 편향 로울러(2) 및 가이드 로울러(3)중 하나는 구동 로울러로서 구성되고, 캐리어(7)의 이동속도를 양 방향으로 0 m/s와 15 m/s 사이의 값으로 설정할 수 있게 하는 무한 가변 속도제어기를 구비한 구동 모터(도시되지 않음)에 연결되어 있다.

테이블(5)은 분할되어 있고, 예를 들어, 반도체 결정으로 이루어진 피절단블록(1)의 방향을 고정시키고 블록을 절단면과 관련하여 추가로 배향시키도록 작용한다. 로울러 시스템 둘레에 감긴 캐리어(7)에 대하여 블록(1)을 조절적으로 가압하기 위해, 테이블(5)에는, 슬라이드 로드(slide rod)(51)와 구동 시스템(52), 예를 들어, 컴퓨터 제어식 모터가 설치되어 있다. 테이블(5)의 이송속도는 상하 양 방향으로 0 ㎛/s와 1000 ㎛/s 사이의 범위내에서 조정가능하다. 절단될 블록(1)은 일련의 유리 또는 흑연 시트(sheet)(8)를 사이에 두고 테이블(5)에 기계적으로 체결되어 있고, 블록(1)의 절단 싸이즈 또는 블록의 나머지 두께에 관한 정보가 증분식 선형 프로브(probe)(9)에 의해 모니터된다. 이동하는 테이블(5)의 단부 위치는 리미트 스위치(10)에 의해 한정되고, 테이블의 이동중에 개개의 주 구성요소에 대한 극단적인 부하를 줄이기 위해, 테이블(5)에는, 그 테이블의 기계적 질량과 피절단 블록(1)의 질량을 보상하는 평형추(11)가 제공되어 있다.

와이어를 안내하기 위한 시스템이, 연속적인 캐리어(7)를 미리 정해진 속도와 미리 확립된 장력으로 리일(reel)(12)에 확고하게 감고 풀어내는 실제 과정을 보장한다. 그 감는 경로와 풀어내는 경로는 서로 분리되어 있으나, 그 동작은 정밀하게 동기화된다. 감는 동작의 불균일이 장력 잭(jack)(13)에 의해 보상되고, 캐리어(7)의 실제 이동은 로울러(14), 장력 로울러(15) 및 보유 바아(bar)(16)로 이루어진 시스템을 통해 실현된다. 캐리어(7)의 실제 장력이 압력 센서(17)에 의해 측정되고, 그 장력은 캡스턴(capstan)(18)을 구동시키는 모터(도시되지 않음)와 로울러 시스템의 로울러(2, 3)들을 구동시키는 모터(도시되지 않음) 사이의 전압차에 의해 조절된다. 캐리어(7)가 감길 때의 감는 힘은 장력 잭(13)에 작용하는 스프링(19)의 힘에 의해 결정되고, 일어날 수 있는 방해작용이 와이어 톱의 제어시스템(도시되지 않음)에 연결된 장력 잭(13)의 끝 위치를 제공하는 신호 발생장치(20)에 의해 모니터된다. 통상, 감기지 않은 캐리어(7)의 속도와 길이는 캡스턴들중 하나에 연결된 증분식 회전감지장치에 의해 마찬가지로 모니터된다.

로울러 시스템에서, 캐리어(7)는, 그 캐리어가 첫번째 편향 로울러(2)의 상측으로부터 로울러 시스템내로 들어가고 반대측 가이드 로울러(3)의 상측을 거쳐 그 가이드 로울러에 인접한 두번째 편향 로울러(2)의 하측으로 안내되어 그 편향 로울러를 감싸고 지난 다음, 상기 두번째 편향 로울러(2)의 상측으로부터 상기 가이드 로울러 반대측의 가이드 로울러(3)의 상측을 거쳐 입구측의 상기 첫번째 편향 로울러(2)로 안내되어 그 편향 로울러를 감싸고 지나도록 하는 방식으로 편향 로울러(2)의 원주 홈(6)과 가이드 로울러(3)의 원주 홈(6)내를 통과한다. 원주 홈들에서의 캐리어(7)의 상기한 다중 감김에 의거하여, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 캐리어(7)가 가이드 로울러(3)들 사이의 작업공간에서 피절단 블록(1)의 인접한 2개의 절삭부들 각각으로 서로 반대방향으로 안내되는 체인이 형성된다.

절삭에 사용되는 연마제 용액은, 블록(1)의 절삭부내로 들어가는 캐리어(7)의 도입지점쪽으로 향하여 있는 공급장치(21)에 의해 연속적인 캐리어(7)에 부여된다. 캐리어(7)가 로울러 시스템으로부터 나오는 곳에는, 캐리어(7)로부터 연마제 잔류물을 제거하는 고성능 공기필터(22)가 설치되어 있다. 공급장치(21)는 공급 파이프(23)에 의해 펌프(24)를 거쳐 교반(攪拌)기구(26)를 구비한 용기(25)에 연결되어 있고, 그 용기(25)는 폐기물 파이프(27)를 통해 로울러 시스템 아래에 배치된수집 용기(28)에 연결되어 있다. 그 수집 용기(28)에는, 배출되는 연마제 용액이 수집된다. 연마제 용액의 온도는, 용기(25)의 2중 케이싱 벽내에서 안내되는 냉각 파이프(30)를 구비한 냉각 조립체(29)와 폐기물 파이프(27) 및 수집 용기(28)로 이루어진 냉각회로에 의해 미리 정해진 범위내로 유지된다. 냉각유체의 실제 온도는 온도 센서(31)에 의해 모니터된다. 연마제 용액의 흐름과 점도에 관한 정보는 용기(25)에 수용된 센서/송신기(32)에 의해 모니터되고, 모든 값이 장치의 제어 시스템(도시되지 않음)으로 보내져 그 시스템에서 평가된다.

와이어 톱이 작동을 시작하기 전에, 캐리어(7)가 그의 전체 길이를 따라 각종 로울러에 감겨 배치되고, 장치의 개개의 주 기능영역들의 특정 수가 설정되고, 블록(1)이 시트(8)의 보조하에 테이블(5)에 체결되고, 그의 위치가 절삭면과 관련하여 조정 및 고정된다. 일단 캐리어(7)가 선택된 이동방향으로 동작하도록 설정되면, 블록(1)이 가이드 로울러(3)와 편향 로울러(2)로 이루어진 로울러 시스템으로 형성된 체인에 의해 선택된 이송속도로 가압되고, 캐리어(7)가 절삭하기 시작하는 지점에 연마제가 공급장치에 의해 첨가된다. 일단 블록(1)이 개개의 세그먼트로 절단되면, 테이블(5)이 그의 초기 위치로 복귀하고, 전체 공정이 반복될 수 있다. 이때, 캐리어(7)의 이동 방향과 다른 절삭 파라미터, 예를 들어, 절삭부쪽으로의 테이블(5)의 이송비율, 캐리어(7)의 이동 속도 및 장력, 연마제의 양, 온도 및 점도 등을 새로이 선택할 수도 있다.

예시된 톱의 구성이 본 발명에 따른 유일한 해결책인 것은 아니다. 로울러 시스템에 있어서의 쌍을 이루는 가이드 로울러(3)와 편향 로울러(2)의 기본 배치를유지하면서, 그 로울러들 사이에서의 캐리어(7)의 감김과 블록(1)의 개개의 절삭부에서의 캐리어(7)의 이동방식, 와이어 제어설비, 테이블(5) 및 그의 장착대와 연마제의 이송 및 냉각을 위한 장치의 개개의 부재의 배치 및 구성이 본 발명의 본질에 영향을 끼치지 않는 범위내에서 변경될 수 있다. 도 1∼도 4로부터 볼 수 있는 바와 같이, 블록(1)의 절삭부내로 들어가는 캐리어(7)의 도입지점이 출구지점보다 높은 곳에 있어야 하는 조건이 부합되는 한에서는, 가이드 로울러(3)와 편향 로울러(2)의 상대적 싸이즈비 및 배열이 임의로 선택될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 5에 따르면, 가이드 로울러(3)와 편향 로울러(2) 사이에 1쌍의 중간 로울러(33)가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른, 경질 재로로 된 블록을 다수의 판으로 절단하는 방법과 이 방법을 수행하기 위한 톱은, 예를 들어, 반도체, 세라믹 또는 유리와 같은 경질 재료가 평행하고 편평한 양 표면을 가지는 세스먼트로 정확하게 절단되어야 하는 상이한 여러 산업분야에 이용될 수 있다.

Claims (6)

1. 헐거운 상태로 첨가되는 연마제의 작용과, 로울러 시스템의 동축 로울러들의 원주 홈내에서 안내되고 절단될 블록을 가압하는 체인을 형성하는 연속적이고 회전하는 경질(硬質)의 캐리어의 작용에 의해 경질 재료의 블록을 다수의 판으로 절단하는 방법에 있어서,

   적어도 1쌍의 편향 로울러와 적어도 1쌍의 가이드 로울러로 이루어지는 상기 로울러 시스템의 상기 동축 로울러들의 원주 홈내에 주행하는 상기 캐리어가, 상기 블록의 인접한 2개의 절삭부에서 서로 반대방향으로 안내되도록 피절단 블록에 대하여 가압되는 것을 특징으로 하는, 경질 재료의 블록을 다수의 판으로 절단하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 로울러 시스템의 상기 체인을 이루는 상기 캐리어가 첫번째 편향 로울러의 상측으로부터 반대측 가이드 로울러의 상측을 지나 그에 인접한 두번째 편향 로울러의 하측으로 안내된 후에, 상기 가이드 로울러 반대측의 가이드 로울러의 상측을 지나고 다시 상기 첫번째 편향 로울러의 하측으로 안내된 다음, 상기 첫번째 편향 로울러의 상측으로 안내되도록 상기 로울러들의 원주 홈들내에서 반복적으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 경질 재료의 블록을 다수의 판으로 절단하는 방법.
3. 헐거운 상태로 첨가되는 연마제와 연속적이고 회전하는 경질의 캐리어의 작용에 의해 경질 재료의 블록을 다수의 판으로 절단하기 위한 와이어 톱으로서, 원주 홈이 형성된 로울러들을 포함하고 프레임에 부착되어 있는 로울러 시스템과, 장착대를 가진 테이블과, 와이어 가이드장치, 및 연마제의 공급과 열안정화를 위한 장치를 포함하는 와이어 톱에 있어서,

   상기 로울러 시스템이 적어도 1쌍의 가이드 로울러(3)와 적어도 1쌍의 편향 로울러(2)로 이루어지고, 상기 편향 로울러(2)는 서로 인접하여 설치된 편향 로울러(2)와 가이드 로울러(3)가 서로 반대방향으로 회전하고 2개의 가이드 로울러(3)의 회전방향과 2개의 편향 로울러(2)의 회전방향이 반대가 되도록 상기 가이드 로울러(3)와 관련하여 설치되는 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 편향 로울러(2)와 상기 가이드 로울러(3)가, 상기 편향 로울러(2)의 상면 라인이 상기 가이드 로울러(3)의 상면 라인보다 높게 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 프레임(4)에서의 상기 가이드 로울러(3)의 위치가 축방향으로 조정가능하게 된 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
6. 제 3 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어(7)가, 상부로부터 비스듬히 하방으로 또는 하부로부터 비스듬히 상방으로 2개의 인접한 원주홈(6)내에서 반대방향으로 상기 가이드 로울러(3)들 사이의 작업공간으로 안내되는 체인을 형성하도록 하는 방식으로 상기 로울러 시스템의 편향 로울러(2)와 가이드 로울러(3) 둘레에 여러 번 감겨 있는 것을 특징으로 하는 와이어 톱.