KR101243686B1 - 스크라이버 절삭휠 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 기판소재로 사용되는 사파이어 단결정 기판이나 취성의 특성을 보이는 실리콘 기판 또는 유리기판, 그리고 다양한 세라믹 기판 등을 원하는 형태로 절단하기 위해 기판에 흠(scribe line)을 내는 공구인 스크라이버 공구에서, 절삭휠(cutter wheel)에 관한 것으로 절단을 행하는 칼날부가 기상화학합성법(CVD: chemical vapor deposition)으로 증착된 다이아몬드 막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 증착된 다이아몬드 막 상면에 금속 또는 세라믹 기판이 용접되는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠(scriber cutter wheel)에 관한 것이다.
이에 의하여, 흠을 내는 절삭날부는 기상화학증착(CVD) 다이아몬드 막이 담당하며, 흠을 위해 가해지는 압력은 기상화학합성 다이아몬드 막 양면에 압착된 금속 또는 세라믹 기판이 담당하게 되어 스크라이버 공구의 수명 및 성능을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

Description

스크라이버 절삭휠 및 그 제조방법{SCRIBER CUTTER WHEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 스크라이버 절삭휠 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 다이아몬드가 포함된 스크라이버 절삭 휠 및 그 제조방법에 관한 것이다.

LCD, LED, 그리고 PDP 등의 디스플레이 산업에 이용되는 다양한 기판소재 예컨대 유리 또는 사파이어 단결정 기판은 대면적으로 제조되고, 최종적으로 다양한 크기로 절단된다. 이때 기판을 다양한 크기와 모양으로 절단할 수 있도록 흠(scriber line)을 내는데 사용되는 필수적인 절단공구가 스크라이버 공구이다.

스크라이버 공구에서 핵심적인 부분은 실제적으로 기판에 절단을 위한 흠을 생성시켜 주는 절삭휠(scriber cutter wheel)인데, 최근에 산업적으로 폭 넓게 이용되는 생산성이 우수한 스크라이버 절삭휠은 중심에 원형의 홀이 형성되어 있는 원형의 공구이다. 공구의 두께는 0.5 ~ 1mm (통상 0.65mm)로 매우 얇으며, 전체 직경도 2 ~ 3mm 미만으로 흠을 내어주는 작용은 중심의 원형 홀에 막대가 끼워지고 일정한 방향으로 굴러가면서 막대를 통해 힘을 전달하여 기판 등에 흠을 생성시킨다.

스크라이버 절삭휠 형상은 원형으로 매우 단순해 보이지만, 흠을 내는 절삭날부의 중심은 매우 얇은 두께로 각도를 유지하며 가공되어야 한다. 이러한 매우 작은 원형에 좁은 폭의 절삭날부를 가공하는 것은 기술적으로 어려운 문제이며, 지금까지 일반적으로 사용되는 스크라이버 절삭휠 재료는 초경재료(WC-Co)였다. 그러나 초경재료는 기계적 물성이 우수하지 못해 수명이 짧기 때문에, 최근에는 소결 다이아몬드(PCD; poly crystalline diamond) 소재를 이용한 스크라이버 절삭 휠이 산업현장에 적용되고 있다. 즉, 소결 다이아몬드는 입자크기가 1 um 이내의 미립의 다이아몬드 입자를 코발트(Co)와 같은 금속의 결합재에 혼합하여 소결한 것으로, 기존의 초경재료와 비교하여 다이아몬드 입자로 인해 수명의 향상은 가능하였으나 여전히 금속성분등이 포함되어 있어 다이아몬드의 물성을 100% 구현하지 못하는 것이 현실이다.

연속적이며 지속적인 작업을 통한 생산성의 향상을 위해서는 스크라이버 절삭 휠의 수명이 향상되어야 하고, 이를 위해서는 100%의 다이아몬드 물성을 보이는 스크라이버 절삭 휠이 구현될 필요가 있다. 아울러, 100% 다이아몬드로 이루어진 경우 가지는 취성 특성을 해결하면서 절삭 휠로 가공이 가능한 새로운 형태의 제조방법이 제안되어야 한다.

본 발명은 천연 다이아몬드와 동일한 기계적 물성을 보이는 기상화학합성(CVD) 다이아몬드 막을 스크라이버 절삭휠에 적용하고자 한 것으로 증착된 CVD 다이아몬드 막의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 기계적 충격에 강한 소재를 동시에 사용함으로써 다이아몬드만을 사용할 때 나타나는 취성 특성을 극복하고, 절삭날부에는 순수한 다이아몬드만을 적용하여 스크라이버 절삭휠의 수명 및 신뢰성을 대폭 향상시킨 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르는 스크라이버 절삭휠은, 초경재료 또는 세라믹을 포함하는 원형의 제 1 기판; 및 상기 기판의 일측면에 구비되는 원형의 CVD 다이아몬드 막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 기판의 타측면에 구비되며, 초경재료 또는 세라믹을 포함하는 원형의 제 2 기판을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 제 1 기판은 WC-Co, SiC, Si₃N₄,AlN(질화 알루미늄), c-BN(cubic boronitride) 중 하나 이상을 포함하는 소결체일 수 있다.

그리고 상기 CVD 다이아몬드 막과 상기 제 2 기판 사이에 구비되는 용접용 합금을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 CVD 다이아몬드 막은 양측 방향으로 경사지며 뾰족한 형상이고, 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 일측 방향으로 경사진 형상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따르는 스크라이버 절삭휠의 제조방법은, 초경재료 또는 세라믹을 포함하는 제 1 기판을 전처리하는 단계; 상기 제 1 기판을 열필라멘트 기상화학증착장치에 장입하여 상기 제 1 기판 상부에 다이아몬드 막을 증착하여 CVD 다이아몬드 막을 형성하는 단계; 상기 다이아몬드 막의 상부에 제 2 기판을 압착 진공 용접하는 단계; 상기 제 1 기판, CVD 다이아몬드 막 및 제 2 기판을 레이저로 가공하여 절단하는 단계; 및 상기 제 1 기판, CVD 다이아몬드 막 및 제 2 기판의 측면을 다이이몬드 연삭휠로 가공하여 절삭날부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 제 1 기판을 전처리하는 단계는: 상기 제 1 기판을 직경 1 ㎛ 미만의 다이아몬드 입자가 혼합된 아세톤 용액에 넣어 30분간 초음파 처리하는 단계; 및 상기 제 1 기판을 순수한 아세톤 용액에 넣어 초음파 처리하여 상기 제 1 기판의 표면에 잔존하는 다이아몬드 분말을 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제 1 기판 상부에 다이아몬드 막을 증착하는 단계에서, 상기 열 필라멘트 기상화학 증착장치 내의 필라멘트 온도는 2200℃이고, 상기 제 1 기판의 온도는 900℃로 유지하며, 3%의 메탄을 함유한 수소혼합가스를 통과시켜 60 torr의 압력 하에서 100시간 동안 다이아몬드 코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.

아울러 제 2 기판을 압착 진공 용접하는 단계는: 상기 CVD 다이아몬드 막 상부에 제 2 기판을 용접용액을 이용하여 접합하는 단계; 200℃의 온도로 유지되는 건조기에서 상기 CVD 다이아몬드 막 및 상기 제 2 기판을 건조시켜, 상기 CVD 다이아몬드 막과 상기 제 2 기판을 고정시키는 단계; 및 진공이 유지되는 진공 용접기에서 800℃의 온도에서 압착 진공용접을 실시하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 다이아몬드 층을 증착하는 단계는, 상기 제 1 기판의 온도를 800℃로 유지하며 CH₄가스 : N₂가스의 유량비를 10 : 1로 하여 혼합가스를 투입하여, 상기 제 1 기판 상부에서 합성되는 다이아몬드 입자가 약 50 nm의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 발명의 목적은 초경재료 (WC-Co) 또는 세라믹(SiC, Si₃N₄등) 기판과, 상기 기판의 일측 면에 강한 밀착력을 유지하며 기상화학합성법으로 증착된 다이아몬드 (CVD 다이아몬드)막과, 상기 증착된 다이아몬드 막의 타측 면에 동일 소재의 기판으로 용접함으로써 CVD 다이아몬드 막이 중심에 위치하는 3중 구조의 소재를 스크라이버 절삭휠의 기본 소재로 사용함으로써 달성된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, CVD 다이아몬드의 양쪽 면에 세라믹 또는 초경재료가 우수한 밀착력을 유지하며 구비되어, 취성의 CVD 다이아몬드의 물성을 대폭 개선하여, 가공 중 혹은 기판에 흠을 만들기 위한 스크라이버 절삭휠로서 사용 중에 기계적 물성을 유지시키는 효과로 수명 및 신뢰성을 대폭 향상시킨 스크라이버 절삭휠 및 그 제조방법이 제공된다.

또한, 종래와 달리 절삭날부가 100% 다이아몬드 물성을 보이게 되어 흠 생성시 기판에 오염물질을 남기지 않으며 증착되는 다이아몬드 입자가 수 nm에서 수백 um 까지 제어가 가능하여 다양한 물성의 절삭휠을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 스크라이버 절삭휠을 도시한 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 스크라이버 절삭휠을 도시한 단면도; 그리고,
도 3은 본 발명에 따른 스크라이버 절삭휠의 제조방법을 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 스크라이버 절삭휠은 유리나 세라믹 등의 기판에 흠을 내는 공구로서 도 1에 도시된 바와 같이 대락 원판 형태로 구비되며, 중심부에는 원형의 홀(50)이 상하를 관통하여 형성되고, 이 원판 형상 외부로 소정의 각도를 유지하면서 뾰족하게 돌출된 절삭날부(25, 12a, 14a)를 포함한다.

전체 절삭휠의 구성은 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이 절삭날부(25)에 해당되며 스크라이버 절삭휠의 중심에 구비되는 CVD 다이아몬드(20)와, 이 CVD 다이아몬드(20)의 양측 면에 접착되어 구비되며 초경재료 또는 세라믹 재료를 포함하는 제 1 및 제 2 기판(12, 14)을 포함한다.

본 발명은 중심부가 CVD 다이아몬드(20)로 구성되어 다이아몬드의 우수한 물성을 100% 구현함과 동시에, 이 CVD 다이아몬드(20)의 양측 면에 기계적 물성이 우수한 초경재료 또는 세라믹 재료(12, 14)를 구비함으로써, 100% 다이아몬드의 단점인 취성 특성을 방지하면서 동시에 절삭날부(20)는 다이아몬드의 우수한 물성을 가진다는 점이다.

이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 스크라이버 절삭휠을 제조하는 방법에 대하여 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 치밀화된 조직의 순수한 Si₃N₄세라믹을 포함하는 제 1 기판(12)을 직경 60mm x 두께 1 mm로 가공한다. 가공된 기판(12)을 직경 1 ㎛ 미만의 다이아몬드 입자가 혼합된 아세톤 용액에 넣어 30분간 초음파 처리한다. 이 공정은 '전처리 공정'으로서, 이후 제 1 기판(12)에 다이아몬드 막(20)이 증착될 때 핵 생성 밀도를 증가시키고 밀착력을 높이는 효과를 제공하는 공정이다. 이어서 초음파 처리된 제 1 기판(12)을 순수한 아세톤 용액에 넣어 5분간씩 2회에 걸쳐 초음파 처리하여 제 1 기판(12)의 표면에 잔존하는 다이아몬드 분말을 완전히 제거한다. 이 때 상기 제 1 기판(12)은 WC-Co, SiC, Si₃N₄,　AlN(질화 알루미늄), c-BN(cubic boronitride) 중 하나 이상을 포함하는 소결체인 것이 바람직하다.

이와 같이 준비된 제 1 기판(12)을 열 필라멘트 기상화학 증착장치(HF-CVD; 미도시)에 장입하여 도 3b에 도시된 바와 같이 다이아몬드 막(20)을 증착한다. 이때, 열 필라멘트 기상화학 증착장치 내의 필라멘트 온도는 2200℃이고, 제 1 기판(12)의 온도는 900℃로 유지하며, 3%의 메탄을 함유한 수소혼합가스를 통과시켜 60 torr의 압력 하에서 100시간 동안 다이아몬드 코팅을 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같은 공정에 의해 얻어진 CVD 다이아몬드 코팅 막(20)의 두께는 약 150 ㎛가 될 수 있고, 이 때 제 1 기판(12) 상부에서 합성되는 다이아몬드 입자가의 직경은 약 2 nm 이상 200 nm 이 될 수 있다.

이어서 다이아몬드 막(20)이 증착된 후 냉각 중에 잔류할 수 있는 탄소 등의 불순물을 제거하기 위해 산 또는 알카리 수용액에서 제 1 기판(12)을 약 10분간 초음파 처리하고, 이후 제 1 기판(12)을 세척한다.

그리고 제 1 기판(10; 도 3a 참조)과 동일한 크기(60 mm x 1 mm)이며 Si₃N₄와 같은 물질을 포함하는 제 2 기판(14)을 도 3c에 도시된 바와 같이 다이아몬드 막(20)의 상면에 금속의 용접용액(30)을 이용하여 접합시킨 후 200℃의 온도로 유지되는 건조기에서 약 20분간 건조시켜 다이아몬드 막(20)과 제 2 기판(14; Si₃N₄)을 고정시킨다. 이 용접용액이 건조되면 진공이 유지되는 진공 용접기에서 800℃의 온도에서 5분간 압착 진공용접을 실시한다.

그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이 레이저를 이용하여 내경 0.8 mm 그리고 외경 2.5mm의 원형으로 절단하고 휠의 절삭날부(25, 12a, 14a; 도 3e 참조)를 형성하기 위해 다이아몬드 연삭휠(미도시)을 이용하여 일정 각도를 유지하면서 연삭 공정을 진행하여 일측 방향으로 경사지며 기판(12, 14)과 같은 재료인 절삭날부(12a, 14a) 및 양측 방향으로 경사지며 뾰족한 형상이며 CVD 다이아몬드(20)와 같은 재료인 절삭날부(25)를 포함하는 스크라이버 절삭휠을 완성한다.

한편, 기상화학증착법으로 다이아몬드 막을 제조할 때 합성되는 조건을 변화시키면 증착 다이아몬드 입자의 크기를 제어할 수 있다. 예컨대 도 3b에 도시된 공정에서 다이아몬드 층(20) 증착시 기판의 온도를 800℃로 유지하며 CH₄가스 : N₂가스의 유량비를 10 : 1로 하여 혼합가스를 투입하는 경우 합성되는 다이아몬드 입자가 약 50 nm의 크기를 가지는 나노 다이아몬드 막(20)이 합성된다. 따라서, CVD 다이아몬드 막을 나노 다이아몬드 막으로 합성하여 스크라이버 절삭휠로 적용할 수 있다. 나노 다이아몬드막은 기존의 마이크론 크기의 다이아몬드 막과 비교하여 매우 미세한 입자로 이루어져 있어 더욱 정밀한 절삭휠의 절삭날부 형성이 가능하고 마모 시에도 나노입자로 탈락이 이루어져 수명 향상에 유리한다. 또한 우수한 인성(toughness)을 가지고 있어, 가공에 유리한 장점이 있다.

이렇게 나노 다이아몬드 막(20)이 합성되면 이후의 공정은 상술한 도 3b 내지 도 3e의 공정 순으로 동일하게 진행되어 최종적으로 나노 다이아몬드 막(20)이 적용된 스크라이버 절삭휠이 제작될 수 있다.

따라서, 기존의 초경재료 또는 소결다이아몬드로 만들어진 스크라이버 절삭휠에 비해 수명이 대폭 향상되어 생산성과 가격 경쟁력이 우수한 스크라이버 절삭휠의 공급이 가능해 진다.

12 : 제 1 기판 14 : 제 2 기판
12a, 14a : 절삭날 20 : CVD 다이아몬드
25 : 절삭날 30 : 용접용 합금
50 : 홀

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 초경재료 또는 세라믹을 포함하는 제 1 기판을 전처리하는 단계;
   상기 제 1 기판을 열필라멘트 기상화학증착장치에 장입하여 상기 제 1 기판 상부에 다이아몬드 막을 증착하여 CVD 다이아몬드 막을 형성하는 단계;
   상기 다이아몬드 막의 상부에 제 2 기판을 압착 진공 용접하는 단계;
   상기 제 1 기판, CVD 다이아몬드 막 및 제 2 기판을 레이저로 가공하여 절단하는 단계; 및
   상기 제 1 기판, CVD 다이아몬드 막 및 제 2 기판의 측면을 다이이몬드 연삭휠로 가공하여 절삭날부를 형성하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제 1 기판을 전처리하는 단계는:
   상기 제 1 기판을 직경 1 ㎛ 미만의 다이아몬드 입자가 혼합된 아세톤 용액에 넣어 30분간 초음파 처리하는 단계; 및
   상기 제 1 기판을 순수한 아세톤 용액에 넣어 초음파 처리하여 상기 제 1 기판의 표면에 잔존하는 다이아몬드 분말을 제거하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠의 제조방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 제 1 기판 상부에 다이아몬드 막을 증착하는 단계에서,
   상기 열 필라멘트 기상화학 증착장치 내의 필라멘트 온도는 2200℃이고, 상기 제 1 기판의 온도는 900℃로 유지하며, 3%의 메탄을 함유한 수소혼합가스를 통과시켜 60 torr의 압력 하에서 100시간 동안 다이아몬드 코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠의 제조방법.
9. 청구항 6에 있어서,
   제 2 기판을 압착 진공 용접하는 단계는:
   상기 CVD 다이아몬드 막 상부에 제 2 기판을 용접용액을 이용하여 접합하는 단계;
   200℃의 온도로 유지되는 건조기에서 상기 CVD 다이아몬드 막 및 상기 제 2 기판을 건조시켜, 상기 CVD 다이아몬드 막과 상기 제 2 기판을 고정시키는 단계; 및
   진공이 유지되는 진공 용접기에서 800℃의 온도에서 압착 진공용접을 실시하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠의 제조방법.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 다이아몬드 층을 증착하는 단계는, 상기 제 1 기판의 온도를 800℃로 유지하며 CH₄가스 : N₂가스의 유량비를 10 : 1로 하여 혼합가스를 투입하여,
    상기 제 1 기판 상부에서 합성되는 다이아몬드 입자가 2 nm 이상 200 nm 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 스크라이버 절삭휠의 제조방법.

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