KR20090098170A - 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버 - Google Patents

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김상길
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Abstract

본 발명은 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버와, 그의 발진 제어 장치에 관한 것이다. 초음파 스크라이버는 초음파 진동자를 포함한다. 발진 제어 장치는 실시간으로 위상을 보정하고, 미약한 공진 주파수의 대역을 증폭하여 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대시켜서 위상 동기 루프 회로로 피드백하여, 초음파 스크라이버로 출력되는 발진 주파수가 최대의 공진점을 갖도록 제어한다. 따라서 본 발명에 의하면, 초음파 진동자를 사용하는 초음파 스크라이버를 구동하는 발진 제어 장치를 구현하여, 기판의 절단 공정 시, 스크라이브 라인의 거칠기의 정도와, 크랙의 정도 등의 절단 효율을 향상시킴으로써, 후속 공정을 생략할 수 있다.
Figure P1020080023390
기판, 스크라이빙 장치, 스크라이브 헤드, 초음파 진동자, 발진 제어 장치

Description

초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버 및 그의 발진 제어 장치{SCRIBER USING ULTRASONIC TRANSDUCER AND OSCILLATION CONTROL APPARATUS OF THE SAME}
본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 평판 디스플레이용 패널과 같은 대형 기판을 절삭하기 위하여, 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버와, 그의 발진 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 정보 처리 기기는 다양한 형태의 기능과 더욱 빨라진 정보 처리 속도를 갖도록 급속하게 발전하고 있다. 이러한 정보 처리 기기는 가동된 정보를 표시하는 디스플레이(Display)를 가진다. 종래에는 디스플레이로서 주로 브라운관(Cathode Ray Tube) 모니터가 사용되었으나, 최근에는 가볍고 공간을 작게 차지하는 박막 트랜지스터 액정 디스플레이 패널(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display Panel)이나 유기 다이오드 디스플레이(Organic Light Emitting Diodes display) 등과 같은 평판 디스플레이 장치의 사용이 크게 증대하고 있다.
일반적으로, 평판 디스플레이 패널용 기판은 휴대용 전화기, 개인정보 단말기 등의 액정 표시기용의 패널과 같이 소형인 것부터 텔레비젼, 모니터 등의 디스 플레이 패널과 같은 대형 등의 다양한 크기로 가공되어 사용된다. 따라서 디스플레이 패널용 제조 공정에서는 대형의 기판으로부터 정해진 크기의 단위 기판으로 절단되어 각각의 디스플레이 패널용으로 이용된다.
기판을 절단하는 방법으로는, 미세한 다이아몬드가 박혀있는 스크라이브 휠(scribe wheel)을 이용하여 절단하는 방법, 레이저빔을 이용하여 절단하는 방법 등이 있다. 예를 들어, 스크라이브 휠을 이용하는 경우, 스크라이브 휠을 기판의 절단 예정선에 접촉한 후 절단 예정선을 따라 소정 깊이의 스크라이브 라인(scribe line)을 형성하는 스크라이빙 공정과, 기판에 물리적인 충격을 가하여 스크라이브 라인을 따라 크랙(Crack)이 전파되도록 함으로써 대형의 기판을 단위 기판으로 절단하는 브레이킹 공정으로 이루어진다.
이러한 스크라이브 휠을 이용하는 종래 기술의 스크라이빙 장치는 기계적인 충격을 이용하는 메카닉 스크라이버(mechanic scriber)가 주종이다. 그러나 메카닉 스크라이버를 사용할 경우, 모 기판에 1 차 크랙만 생성되어 절단면의 정도가 거칠고 약해, 커팅 후에 다시 절단면에 압력을 가하거나, 절단면을 연마하는 등의 후속공정을 해야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 절단 및 가공 효율을 향상시키기 위해 초음파 진동자를 이용하는 스크라이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 초음파 진동자의 위상을 보상 조정하여 초음파 진동 자를 이용하는 스크라이버의 성능을 향상시키기 위한 발진 제어 회로 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 초음파 스크라이버는 초음파 진동자로부터최적으로 상태로 초음파를 발생하여 스크라이브 휠로 전달하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같이 초음파 스크라이버는 절단 및 가공 효율을 향상시킨다.
본 발명의 초음파 스크라이버는, 몸체와; 상기 몸체 내부에 배치되어 일정 크기의 파장을 갖는 초음파를 발생하는 초음파 진동자와; 상기 몸체 내부의 상부 공간에 배치되고, 상기 상부 공간 내부에 상기 초음파 진동자가 구비되며, 상기 초음파 진동자로부터 출력되는 초음파를 조절하는 초음파 튜닝부와; 상기 몸체의 하단에 배치되어 기판 표면에 스크라이브 선을 형성하는 스크라이브 휠이 구비되는 헤더부 및; 상기 초음파 튜닝부로부터 초음파를 받아서 상기 헤더부로 전달하는 부스터 부를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 초음파 튜닝부는 상기 몸체의 수직 방향으로 상기 파장의 반파장 크기의 길이로 구비되고, 상기 부스터 부와 상기 헤드부는 상기 몸체의 수직 방향으로 합해진 길이가 상기 파장의 반파장 크기로 구비된다.
다른 실시예에 있어서, 상기 초음파 튜닝부는; 상기 몸체의 수직 방향으로 중앙 위치에 상기 초음파 진동자의 초음파가 출력되는 부위가 배치된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치가 제공된다. 이와 같은 본 발명의 발진 제어 장치는 실시간으 로 위상을 보정하고, 미약한 공진 주파수의 대역을 증폭하여 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대시켜서 위상 동기 루프 회로로 피드백하여, 초음파 스크라이버로 출력되는 발진 주파수가 최대의 공진점을 갖도록 제어한다.
본 발명의 발진 제어 장치는, 기준 신호와, 피드백 신호를 받아서 위상을 비교하여 동기시키고, 위상 동기된 공진 주파수를 갖는 출력 신호를 발생하는 위상 동기 루프 회로와; 전원 공급부로부터 전원을 공급받아서 상기 초음파 스크라이버로 전원을 공급하는 전력 증폭부와; 상기 위상 동기 루프 회로로부터 출력된 신호를 받아서 완충 및 증폭시켜서 상기 전력 증폭부를 구동하는 구동 신호를 출력하는 완충 및 구동 증폭부와; 상기 전력 증폭부와 상기 초음파 스크라이버 사이에 구비되어, 상기 전력 증폭부로부터 출력되는 전원을 정현파로 정형하고, 동시에 공진 시 상기 초음파 스크라이버의 임피던스로 정합하여 상기 초음파 스크라이버로 출력하는 임피던스 정합 및 로우 패스 필터 및; 상기 임피던스 정합 및 로우 패스 필터로부터 출력된 신호에 위상 차이가 발생되면, 위상을 조정하고, 미세 공진 주파수의 대역을 증폭하여 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대시켜서 상기 위상 동기 루프 회로로 상기 피드백 신호를 출력하는 위상 보정부를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 발진 제어 장치는; 자동 또는 수동 절환되며, 자동 절환된 경우, 상기 위상 동기 루프 회로로부터 출력 신호를 받아들여서 상기 완충 및 구동 증폭부로 출력하는 스위치를 더 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 발진 제어 장치는; 설정된 주파수를 발생하는 주파수 신디싸이저를 포함하되; 상기 주파수 신디싸이저는 상기 스위치가 수동 절 환된 경우에 설정된 주파수의 신호를 상기 스위치로 출력한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 주파수 신디싸이저는; 설정된 주파수로 조절하여 디지털 주파수를 발생하는 디지털 스위치를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 위상 동기 루프 회로는; 공진 주파수의 하한치 및 상한치를 조정하는 주파수 조정부와, 상기 주파수 조정부에 의해 조정된 상한치 및 하한치의 공진 주파수를 이용하여 원하는 발진 주파수를 갖는 출력 신호를 발생하는 전압 제어 발진기와, 상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 상기 출력 신호를 상기 기준 신호로 입력받고, 상기 피드백 신호를 받아서 상기 기준 신호와 상기 피드백 신호의 위상차를 비교, 검출하는 위상 비교기 및, 상기 위상 비교기로부터 출력되는 신호의 고주파 성분을 제거하고 상기 전압 제어 발진기로 출력하는 루프 필터를 포함하되; 상기 전압 제어 발진기는 상기 기준 신호의 주파수와 동일한 위상을 갖는 발진 주파수로 제어하여 상기 출력 신호를 발생한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 위상 보정부는; 상기 임피던스 정합 및 로우 패스 필터로부터 출력되는 신호를 받아서 위상차를 검출하고, 상기 초음파 스크라이버의 최대 공진점으로 위상을 조정하는 위상 보상 조정부와, 상기 위상 보상 조정부로부터 위상이 조정된 신호의 미세 공진 주파수의 대역을 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대되도록 증폭하고, 파형을 정형하여 상기 위상 동기 루프 회로로 상기 피드백 신호를 출력하는 증폭부를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 발진 제어 장치는; 상기 완충 및 구동 증폭부와, 상기 전원 공급부와 연결되어 상기 초음파 스크라이버로 공급되는 전원의 전 력 및 발진 주파수를 표시하거나, 상기 위상 동기 루프 회로와 연결되어 오류가 발생되는지를 검출하여 경보를 발생하는 제어부를 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치는 폐회로 루프로 구성된 초음파 스크라이버에서 발생되는 온도 상승 및 압력 변화에 따른 공진점의 변화를 실시간으로 모니터링 및 검출하여, 초음파 스크라이버의 공진점에서의 위상 지연과, 내부 회로에서 발생되는 위상 지연으로 인하여 발생되는 문제점을 해결함으로써, 항상 최대의 공진 주파수를 발생하도록 제어한다.
또 본 발명의 발진 제어 장치는 위상 동기 루프 회로와 위상 보정부를 포함하는 폐회로를 구성하여, 실시간으로 초음파 스크라이버로 제공되는 출력의 환경 변화에 대응하여 위상을 검출 및 보정하여 발진 주파수를 발생하도록 제어함으로써, 초음파 스크라이버의 절단 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명은 초음파 진동자를 사용하는 초음파 스크라이버를 구동하는 발진 제어 장치를 구현하여, 기판의 절단 공정 시, 스크라이브 라인의 거칠기의 정도와, 크랙의 정도를 크게 향상시킴으로써, 후속 공정을 생략할 수 있다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명 확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기판 절단 장치의 구성을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 기판 절단 장치(100)는 베이스(102) 상부에 설치되어 액정 디스플레이 패널용 기판과 같은 복수 개의 단위 기판들이 형성된 대형의 기판(미도시됨)이 로딩되는 지지부재(104)와, 기판을 단위 기판으로 절단하는 복수 개의 스크라이빙 유닛(110)들과, 지지부재(104)를 구동하는 제 1 구동부재(106) 및, 스크라이빙 유닛(110)들을 구동하는 제 2 구동부재(108)를 포함한다.
지지부재(104)는 상부판(104b) 및 하부판(104a)을 구비하여 기판을 지지한다. 상부판(104b)과 하부판(104a)은 평평하며 대체로 직사각형의 형상을 가진다. 상부판(104b)에는 기판이 놓인다. 상부판(104b)은 기판과 유사하거나 이보다 큰 면적을 가진다. 또 하부판(104a)의 하부에는 제 1 구동부재(106)가 설치된다.
제 1 구동부재(106)는 기판이 놓인 지지부재(104)를 직선 및 회전 이동시킨다. 즉, 제 1 구동부재(106)는 기판을 제 1 방향(Ⅰ)을 따라 직선 이동시키고, 기판의 평면에 수직한 중심축(Ⅲ)을 기준으로 기판을 회전시킨다. 예컨대, 제 1 구동부재(106)는 가이드, 브라켓, 모터, 밸트 및 스크류 등을 갖는 직선 구동부재(106a)와, 모터, 회전 축 등을 갖는 회전 구동부재(106b)를 포함한다. 직선 구동부재(106a)는 지지부재(104)를 제 1 방향(Ⅰ)으로 직선 이동시키고, 회전 구동 부재(106b)는 지지부재(104)의 평면에 수직한 중심축(Ⅲ)을 기준으로 지지부 재(104)를 회전시킨다. 예컨대, 회전 구동 부재(106b)는 기판이 놓여진 상부판(104b)을 좌우 방향으로 90°회전시킨다.
스크라이빙 유닛(110)들은 제 2 구동부재(108)에 설치되어 지지부재(104)에 놓인 기판에 접촉하고 초음파 진동자(ultrasonic transducer)를 이용하여 기판 상에 형성된 스크라이브 라인(scribe line)에 크랙(crack)을 형성한다. 스크라이빙 유닛(110)들은 지지 부재(104)의 직선 이동 방향에 수직한 방향 즉, 제 2 방향(Ⅱ)으로 배치된 적어도 하나의 스크라이버 헤드(도 2의 120)를 포함한다. 따라서 스크라이빙 유닛(110)들 각각은 제 2 구동부재(108)에 의해 제 2 방향(Ⅱ)으로 이동되어 간격이 조절된다.
그리고 제 2 구동부재(108)는 스크라이빙 유닛(110) 간의 간격을 조절하기 위해, 스크라이빙 유닛(110)들을 제 1 방향(I)과 평면상에 수직하는 제 2 방향(Ⅱ)으로 이동시킨다. 제 2 구동부재(108)는 각각의 스크라이빙 유닛(110)들을 제 2 방향(Ⅱ)으로 이동하여 기판에 형성된 스크라이빙 라인에 위치시킨다. 제 2 구동부재(108)는 예컨대, 수직 지지대(108a)들과, 가이드 부재(108b) 등을 포함한다. 수직 지지대(108a)들은 제 2 방향(Ⅱ)으로 일정 거리 이격되도록 배치된다. 수직 지지대들(108a)은 기판이 제 1 방향(Ⅰ)을 따라 직선 이동시 기판이 수직 지지대들(108a) 사이를 지나갈 수 있도록 배치된다. 가이드 부재(108b)는 수직 지지대(108a)들의 상단에 고정 설치되며, 스크라이빙 유닛(110)이 제 1 방향(Ⅰ)을 따라 직선 이동되도록 리드 스크류, 가이드 및 브라켓 등이 구비된다.
따라서 본 발명의 기판 절단 장치(100)는 스크라이빙 공정 진행시, 제 2 구 동부재(108)에 의해 스크라이빙 유닛(110)들은 제 2 방향(Ⅱ)의 적정 위치에서 고정되고, 제 1 구동부재(106)에 의해 모 기판이 제 1 방향(Ⅰ)을 따라 직선 이동된다. 이 때, 스트라이빙 유닛(110)들은 초음파 진동자를 이용하여 기판에 진동을 가한다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 스크라이빙 유닛(110)은 수직 방향으로 중공형의 내부 공간을 갖는 하우징(112)과, 하우징(112)의 내부 공간에 설치되는 스크라이브 헤드(즉, 초음파 스크라이버)(scribe head)(120)를 포함한다.
또 스크라이빙 유닛(110)은 제 2 구동부재(108)에 고정 설치되도록 하우징(112)의 후면이 양측으로 연장되는 결합부재(114)(예를 들어, 플랜지 등)가 제공된다. 또 스크라이빙 유닛(110)은 기판의 절단이 용이하도록 하우징(112) 상부에 설치되어 스크라이브 헤드(120)에 일정 압력을 가하는 압력 발생 장치(예를 들어, 에어 실린더 등)(116) 등이 구비될 수 있다.
하우징(112)은 개방된 하부면을 통하여 스크라이브 헤드(120)가 내부 공간에 삽입, 설치된다. 또 하우징(112)은 스크라이브 헤드(120)의 일측면에 배치되는 연결 포트(118)에 대응하여 측면이 일부 개방된 구조를 갖는다. 그러므로 하우징(112)의 내부 공간에 스크라이브 헤드(120)가 삽입 설치되면, 하우징(112)의 개방된 하부면은 내부 공간에 설치된 스크라이브 헤드(120)가 이탈되지 않도록 체결부재(126)와 결합된다. 이 때, 체결부재(126)는 스크라이브 헤드(120)의 스크라이브 휠(124) 및 홀더(122)가 돌출되도록 중앙 부분이 개방된다.
구체적으로, 스크라이브 헤드(120)는 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크 라이버로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(112)의 내부 공간에 설치되는 원통형의 몸체(130)와, 몸체(130)의 일단에 스크라이브 휠(124)이 설치되는 헤더부(138)와, 몸체(130) 내부에 배치되어 초음파를 발생하는 적어도 하나의 초음파 진동자(도 4의 136)와, 몸체(130) 내부의 상부에 배치되어 내부에 초음파 진동자(136)가 구비되고 초음파 진동자(136)로부터 발생된 초음파의 주파수를 최대의 공진점을 갖도록 조절하는 초음파 튜닝부(134) 및, 초음파 튜닝부(134)로부터 초음파를 받아서 헤더부(138)로 전달하는 부스터 부(132)를 포함한다. 또 스크라이브 헤드(120)는 몸체(130) 일측면에 제공되고 초음파를 발생하기 위해 외부의 발진 제어 장치(도 5의 150)와 연결되는 연결 포트(118)를 포함한다.
초음파 진동자(138)는 스크라이브 공정 시, 스크라이브 휠(124)로 진동을 인가하기 위해 예컨대, 수 내지 수십 KHz 범위의 초음파를 발생한다. 또 초음파 진동자(136)는 일정 크기의 파장(λ)을 갖는 초음파를 발생한다. 따라서 초음파 진동자(136)로부터 발생된 초음파는 몸체(130) 내부 공간의 초음파 튜닝부(134)에 의해 조절되고, 부스터 부(132)를 통해 스크라이브 휠(124)에 전달된다.
초음파 튜닝부(134)는 몸체(130)의 수직 방향으로 초음파 진동자(138)로부터 출력되는 초음파의 반파장(λ/2) 길이로 몸체(130) 내부에 구비된다. 이 때, 초음파 진동자(136)는 몸체(130)의 수직 방향으로 초음파 튜닝부(134)의 중앙 위치(A)에 초음파가 출력되는 부위가 배치되도록 배치된다. 또 부스터 부(132)와 헤드부(138)는 몸체(130)의 수직 방향으로 합해진 길이가 초음파 진동자(136)로부터 출력되는 초음파의 반파장(λ/2) 길이로 구비된다. 따라서 초음파 스크라이버는 최적 의 초음파를 출력할 수 있도록 초음파 튜닝부(134)와 부스터 부(132) 및 헤드부(138)는 몸체(130)에 대응하여 각각 λ/2, λ/4 및 λ/4 길이로 구비된다.
헤더부(138)는 스크라이브 휠(124)과 홀더(122)를 포함한다. 스크라이브 휠(124)은 예컨대, 다이아몬드 재질로 구비되고, 중앙에 원형의 통공이 형성되며, 통공을 통해 홀더(122)에 설치된다. 따라서 스크라이브 휠(124)은 스크라이빙 공정시 기판 표면에 접촉되며, 스크라이브 라인을 형성하는 진행 방향으로 회전된다. 홀더(122)는 몸체(130)로부터 연장되어 팁(tip) 형태로 제공되며, 하단부에 스크라이브 휠(124)이 고정 설치되도록 축핀이 제공되고, 스크라이브 라인을 형성하는 진행 방향으로 홈이 관통된다. 따라서 스크라이브 휠(124)은 일부가 아래로 돌출되도록 홀더(122)의 홈에 삽입되고, 축핀이 통공에 관통되어서 홀더(122)에 고정 설치된다.
그러므로 본 발명의 스크라이빙 유닛(110)은 스크라이브 라인이 형성된 기판 표면에 위치되면, 초음파 진동자(136)로부터 최적으로 상태로 초음파를 발생하여 스크라이브 휠(124)로 전달하므로, 스크라이브 휠(124)은 진동에 의해 기판 표면에 스크라이브 라인을 형성한다.
계속해도 도 5 내지 도 7을 이용하여 본 발명의 초음파 스크라이버를 위한 디지털 초음파용 발진 제어 회로의 구성 및 동작을 설명한다.
즉, 도 5는 본 발명에 따른 발진 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 발진 제어 장치(150)는 적어도 하나의 스크라이브 헤드 즉, 초음파 스크라이버(120)와 전기적으로 연결되고, 발진 주파수가 최대의 공진점 을 갖도록 제어한다.
이를 위해 발진 제어 장치(150)는 위상 동기 루프(Phase Locked Loop : PLL) 회로(160)와, 스위치(152)와, 완충 및 구동 증폭부(154)와, 전력 증폭부(156)와, 임피던스 정합 및 로우 패스 필터(158)와, 위상 보정부(170)를 포함하며, 이들에 의해 폐회로를 구성한다. 또 발진 제어 장치(150)는 주파수 신디싸이저(184)와, 제어부(182) 및, 전원 공급부(180)를 포함한다.
위상 동기 루프 회로(160)는 전압 제어 발진기(164)의 출력 신호(OUT)를 기준 신호(REF)로 하여 기준 신호(REF)의 주파수와 동일한 위상을 갖는 발진 주파수로 제어하여 안정된 출력 신호(OUT)를 초음파 스크라이버(120)로 제공한다. 즉, 위상 동기 루프 회로(160)는 공진 주파수의 하한치 및 상한치를 조정하는 주파수 조정부(166)와, 주파수 조정부(166)에 의해 조정된 상한치 및 하한치 범위의 주파수를 이용하여 원하는 발진 주파수의 출력 신호(OUT)를 발생하는 전압 제어 발진기(164)와, 기준 신호(REF)와 폐회로의 피드백 신호(FB)를 받아서 위상차를 비교, 검출하는 위상 비교기(162) 및, 위상 비교기(162)로부터 출력되는 신호의 고주파 성분을 제거하고 위상 동기 루프 회로(160)의 동기 특성 및 응답 특성 등을 결정하여 전압 제어 발진기(164)로 출력하는 루프 필터(168)를 포함한다. 주파수 조정부(166)는 하한치 주파수를 조정하는 제 2 가변 저항(R2)과, 상한치 주파수를 조정하는 제 3 가변 저항(R3)을 포함한다.
따라서 위상 동기 루프 회로(160)는 주파수 신디싸이저(190)로부터 발진된 주파수에 대응하여 기준 신호(REF)의 위상과 초음파 스크라이버(120)에 걸리는 피 드백 신호(FB)의 위상을 비교하고, 이에 대응하는 전압을 발생시켜 루프 필터(168)를 거친 전압에 대응되는 발진 주파수를 발생하도록 제어한다.
스위치(152)는 전압 제어 발진기(164)와 완충 및 구동 증폭부(154) 사이에 구비되어 자동 또는 수동 절환된다. 즉, 스위치(152)가 자동으로 절환되었을 경우(예를 들어, 정상 동작), 전압 제어 발진기(164)의 출력 신호(OUT)는 완충 및 구동 증폭부(154)로 인가된다. 또 스위치(152)가 수동으로 절환되었을 경우(예를 들어, 예비용, 테스트용 또는 비상용 등)에는 주파수 신디싸이저(190)에서 설정된 주파수를 갖는 신호가 스위치(152)를 통하여 완충 및 구동 증폭부(154)로 인가된다. 이 때의 주파수는 신디싸이저(190)의 BCD 스위치(도 7b의 191)로 수동 조정한다.
완충 및 구동 증폭부(154)는 예컨대, 전원 버퍼단(power buffer stage)으로, 스위치(152)로부터 인가된 신호를 받아서 증폭하여 전력 증폭부(156)를 구동하는 신호를 출력한다.
전력 증폭부(156)는 완충 및 구동 증폭부(154)의 출력 신호를 받아서 구동되어, 전원 공급부(180)로부터 공급되는 전원을 트랜스포머를 통해 증폭시켜서 임피던스 정합 및 로우 패스 필터(158)로 출력한다.
임피던스 정합 및 로우 패스 필터(158)는 공진 시 초음파 스크라이버(120)의 임피던스로 정합하고, 동시에 전력 증폭부(156)로부터 공급되는 전원을 정현파로 정형하여 초음파 스크라이버(120)로 출력한다.
위상 보정부(170)는 공진 주파수의 진폭 범위를 확대하고, 위상차를 검출 및 보상하기 위하여, 임피던스 정합 및 로우 패스 필터(158)로부터 출력되는 신호를 받아서 위상차를 검출하고, 검출된 공진 주파수의 위상을 조정하는 위상 보상 조정부(172)와, 위상 보상 조정부(172)로부터 위상이 보정된 신호를 증폭 및 파형을 정형하는 증폭부(174)를 포함한다. 위상 보상 조정부(172)는 초음파 스크라이버(120)의 최대 공진점으로 위상을 보정하고, 증폭부(174)는 미세 공진 주파수의 대역을 증폭하여 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대시켜서 위상 동기 루프 회로(160)로 피드백 신호(FB)를 출력한다.
전원 공급부(180)는 초음파 스크라이버(120)로 공급되는 전력을 조정하기 위해 전원 공급부(180)의 출력 전원을 조정하는 전력 조정부(186)와 연결되고, 전력 증폭부(156)로 전원을 공급한다. 전력 조정기(186)는 예를 들어, 제 1 가변 저항(R1)으로 구비된다.
그리고 제어부(182)는 전력 및 주파수를 표시하거나 오류 발생 시, 경보를 출력하고, 기판 절단 장치(100)의 메인 제어부(즉, 설비 제어부)(미도시됨)의 원격 제어를 위해, 적어도 하나의 컨트롤러와, 표시 장치 및 경보 출력 장치 등을 구비한다. 또 제어부(182)는 위상 동기 루프 회로(160)의 루프 필터(168)와 연결되어, 루프 필터(168)로부터 출력되는 신호를 통해 DC 에러 신호를 검출한다.
이러한 본 발명의 발진 제어 장치(150)의 동작을 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 위상 동기 루프 회로(160)에서 주파수 조정기(166)를 이용하여 공진 주파수의 하한치(R2으로 조정)와 상한치(R3로 조정)를 결정한다. 이는 전압 제어 발진기(164)가 상한치와 하한치 사이의 공진 주파수로 위상을 동기시키기 위하여 상한 및 하한 주파수를 조정한다. 전압 제어 발진기(164)에서 발생된 출력 신호(OUT)는 위상 비교기(162)의 기준 신호(REF)가 되고, 동시에 이 출력 신호(OUT)는 스위치(152)로 제공된다.
완충 및 구동 증폭부(154)는 전력 증폭부(156)를 구동하는 신호를 출력한다. 이에 전력 증폭부(156)는 트랜스포머를 통해 출력이 되고 임피단스 정합 및 로우 패스 필터(158)를 통하여 정현파로 파형이 정형됨과 동시에 공진 시 초음파 스크라이버(120)의 임피던스로 정합된다. 여기서 초음파 진동자의 위상은 주파수 변화에 따라 S 곡선(S curve)을 그리게 되는데, 공진점에서 입력 위상과 동일한 특성을 가지고 있다. 즉, 공진점을 벗어난 주파수에서는 위상 차이가 크게 발생된다. 또한 통상적으로 초음파 스크라이버(120)는 복수 개(예를 들어, 2 개, 4개 등)가 병열로 연결되기 때문에 공진점 부근에 리플(ripple)이 존재하므로, 전압 제어 발진기(164)와, 초음파 스크라이버(120) 사이에서 주파수는 위상 차이가 존재하게 된다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명의 발진 제어 장치(150)는 위상 보상 조정부(172)에서 위상을 보정하고, 위상 동기 루프 회로(160)에서 보정된 위상을 이용하여 진폭이 최대치가 되는 주파수로 위상을 동기시킨다.
그 결과, 초음파 스크라이버(120)로 인가되는 신호는 다시 폐회로를 통해 위상 보상을 조정하고, 증폭 및 파형을 정형시켜서 위상 비교기(162)의 피드백 신호(FB)로 인가된다. 이 피드백 신호(FB)는 기준 신호(REF)와 위상 비교되며, 이 비교된 신호가 루프 필터(168)를 거쳐 DC 에러 신호로 전압 제어 발진기(106)에 인가되어 초음파 스크라이버(120)의 공진 주파수로 발진 제어된다. 여기서 증폭부(174)의 증폭 및 파형 정형이 필요한 이유는 초음파 진동자의 공진 커브가 아주 샤프(sharp)하여 공진점에서 벗어난 주파수에서는 진폭이 아주 작아 위상 비교기에서 필요한 수준까지의 충분한 증폭도가 필요하다.
이상과 같이, 본 발명의 발진 제어 장치(150)는 예를 들어, 초음파 진동자에 열이 발생되었을 경우, 초음파 진동자에 압력이 가해졌을 경우 등에서 공진 주파수가 낮아짐에도 불구하고, 폐회로의 피드백 신호(FB)와 기준 신호(REF)를 위상 비교하여 주파수를 자동하고, 위상에 변화가 발생되면, 이를 보정함으로써, 초음파 스크라이버(120)로 출력되는 신호의 발진 주파수의 변화를 최소화할 수 있다.
계속해서 도 6 내지 도 7을 이용하여 본 발명의 발진 제어 장치를 적용한 기판 절단 장치의 구성 및 동작을 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어 회로를 적용한 기판 절단 장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 7a 내지 도 7e는 도 6에 도시된 기판 절단 장치의 상세한 구성을 나타내는 블럭도들이다. 이 실시예는 2 개의 초음파 스크라이버와 이들에 대응하여 2 개의 발진 제어 장치가 구비된다. 여기서는 도 5에 도시된 발진 제어 장치와 동일한 구성 요소에 대한 참조번호는 동일하게 기재하며, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 기판 절단 장치(200)는 초음파 스크라이버(120) 및 발진 제어 장치(150)를 포함하는 스크라이버 메인부(scriber main part)(250)과, 발진 제어 장치(150)의 동작을 제어하고, 이에 따른 주파수, 전력 상태를 표시하는 스크라이버 제어부(scriber control part)(230) 및, 초음파 스크라이버(120)의 전원을 공급하는 전원 공급(power supply part)(210)를 포함한다.
구체적으로 스크라이버 메인부(250)는 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 초음파 스크라이버(120, 120') 각각에 대응하여 제 1 및 제 2 발진 제어 장치(150, 150')와, 주파수 신디싸이저(190) 및 스위치(152)를 포함한다. 그리고 제 1 및 제 2 발진 제어 장치(150, 150')는 하나의 주파수 신디싸이저(190)와 하나의 스위치(152)를 공통으로 사용된다. 또 제 1 및 제 2 발진 제어 장치(150, 150')는 각각 완충 및 구동 증폭부(154, 154')와 컨트롤러(202, 202') 사이에 인터페이스 회로(188, 188')를 구비하고, 인터페이스 회로(188, 188')를 통해 설비 제어부(미도시됨)와 컨트롤러(202, 202')를 연결한다.
따라서 제 1 및 제 2 발진 제어 장치(150, 150')는 각각 위상 동기 루프 회로(160, 160')에서 주파수 조정기(166, 166')를 이용하여 공진 주파수의 상한치 및 하한치를 결정하여 전압 제어 발진기(164, 164')의 공진 주파수로 위상을 동기시킨다. 전압 제어 발진기(164, 164')에서 발생된 출력 신호(OUT)는 위상 비교기(162, 162')의 기준 입력 신호(REF)가 되고, 동시에 이 출력 신호(OUT)는 스위치(152)를 경유하여 완충 및 구동 증폭부(154, 154')로 제공된다. 전력 증폭부(156, 156')는 공급 전력을 증폭하고, 임피단스 정합 및 로우 패스 필터(158, 158')를 통하여 정현파로 파형이 정형됨과 동시에 공진 시 초음파 스크라이버(120, 120')의 임피던스로 정합된다. 이어서 위상 보정부(170, 170')를 통해 전압 제어 발진기(164, 164')의 기준 신호(REF)와, 초음파 스크라이버(120, 120')로 인가되는 신호의 위상차를 보정하고, 위상 동기 루프 회로(160, 160')에서 진폭이 최대치가 되는 주파수로 위상을 동기시킨다.
그러므로 초음파 스크라이버(120, 120'로 인가되는 신호는 폐회로를 통해 위상 보상을 조정하여 위상 동기 루프 회로(160, 160')에 인가되어 초음파 스크라이버(120, 120')의 공진 주파수로 발진 제어된다.
또 주파수 신디싸이저(190)는 설정된 주파수를 발생하기 위하여, 도 7b에 도시된 바와 같이, 수동으로 선택된 디지털 주파수의 신호를 발생시키는 BCD 4단 스위치(디지털 스위치)(191)와, BCD 4단 스위치(191)에 의해 선택된 주파수를 분주하는 4단 1/N 분주기(193)와, 자동으로 기준 주파수를 발생하는 1 MHz 기준 발진기(192)와, 기준 발진기(192)로부터 출력된 신호를 분주하는 1/10000 분주기(194)와, 4단 1/N 분주기(193) 또는 1/10000 분주기(194)로부터 분주된 주파수를 받아서 위상 차를 비교, 검출하여 위상을 동기시켜서 스위치로 출력하는 위상 비교 및 전압 제어 발진기(195) 및, 위상 비교 및 전압 제어 발진기(195)의 상한치 및 하한치의 주파수를 조정하는 주파수 조정기(196)를 포함한다. 예컨대, 주파수 조정기(196)는 하한치의 주파수를 조정하는 제 4 가변 저항(R4)과, 상한치의 주파수를 조정하는 제 5 가변 저항(R5)으로 구비된다. 따라서 주파수 신디싸이저(190)는 스위치(152)가 수동으로 절환된 경우에, 설정된 주파수의 신호를 출력하고, 스위치(152)를 통하여 완충 및 구동 증폭부(154, 154')로 제공한다.
스크라이버 제어부(230)는 도 7d에 도시된 바와 같이, 전력 조정기(186, 186')와, 제어부(182, 182')를 포함한다. 전력 조정기(186, 186')는 전원 공급부(210)의 전압 조정기(224, 224')와 연결되어, 전원 공급부(210)로부터 전력 증폭부(156, 156')로 공급되는 전력을 조정한다.
제어부(182, 182')는 공급되는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전원을 표시하는 전력 표시부(208, 208')와, 전원 공급부(210)의 전류 검출기(226, 226')와 연결되고, 전력 표시부(208, 208')를 제어하는 제 1 컨트롤러(204, 204')와, 완충 및 구동 증폭부(154, 154')의 주파수를 나타내는 주파수 표시부(206, 206')와, 주파수 표시부(206, 206')를 제어하는 제 2 컨트롤러(202, 202')를 포함한다. 제 2 컨트롤러(202, 202')는 인터페이스 회로(188, 188')를 통하여 설비 제어부(미도시됨)와 상호 연결되고, 이를 통해 원격 제어된다. 또 제 1 및 제 2 컨트롤러(204, 202와, 204', 202')는 전력 또는 주파수 표시, 검사(check) 등을 위해 상호 연결된다.
따라서 스크라이버 제어부(230)는 적어도 하나의 컨트롤러(202, 202', 204, 204') 및 적어도 하나의 표시부(206, 206', 208, 208')를 이용하여 발진 주파수 및 전력 상태를 표시한다.
그리고 전원 공급부(210)는 도 7e에 도시된 바와 같이, 교류 전원을 받아들여서 다양한 크기의 전원 전압을 출력하는 변압기(220)와, 변압기(220)로부터 출력된 전압을 정류하여 직류 전원 전압을 발생하는 정류 회로(222)와, 제 1 및 제 2 발진 제어 회로(150, 150')에 대응하여 구비되고, 정류 회로(222)로부터 직류 전원 전압을 받아들이고, 전력 조정기(186, 186')에 의해 조정된 전압으로 출력하는 제 1 및 제 2 전압 조정기(224, 224') 및, 제 1 및 제 2 전압 조정기(224, 224') 각각으로부터 출력되는 전원의 전류를 검출하는 제 1 및 제 2 전류 검출기(226, 226')를 포함한다. 제 1 및 제 2 전압 조정기(224, 224')는 각각 전력 증폭부(156, 156')와 연결되고, 제 1 및 제 2 전류 검출기(226, 226')는 각각 제 1 컨트롤러(204, 204')와 연결된다. 따라서 제 1 컨트롤러(204, 204')는 각각 제 1 및 제 2 전류 검출기(226, 226')에 의해 초음파 스크라이버(120, 120')로 공급되는 전원의 전류를 검출하여 전력 표시부(208, 208')로 전력을 표시한다.
또 제 2 컨트롤러(202, 202')는 완충 및 구동 증폭부(154, 154')로부터 제어 전압을 모니터링하여 위상 동기 루프 회로(160, 160')에 인가되는 제어 전압의 상한치 및 하한치가 위상 고정(phase locked)에서 벗어나면, 출력이 저하되므로 경보를 발생시켜서 장치의 신뢰성을 향상시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버(120, 120')의 발진 제어 장치(150, 150')는 기존의 메카닉 스크라이버에 부스타 부와 초음파 진동부를 결합한 트랜스듀서(transducer) 형 초음파 스크라이버에 폐회로로 구성된 위상 동기 루프 회로(160, 160')와, 초음파 스크라이버(120, 120')로부터 피드백되는 신호의 위상을 보상 조정하는 위상 보정부(170, 170')를 구비한다. 따라서 본 발명의 발진 제어 장치(150, 150')는 초음파 스크라이버(120, 120')의 성능을 향상시키고, 또한 위상을 실시간으로 보정하여 안정적인 발진 주파수를 초음파 진동자에 인가함으로써, 절단 효율 및 그 가공의 정도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이상에서, 본 발명에 따른 초음파 스크라이버 및 이를 위한 발진 제어 장치의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양 한 변화 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 절단 장치의 개략적인 구성을 도시한 사시도;
도 2는 도 1에 도시된 스크라이빙 유닛의 구성을 도시한 사시도;
도 3은 도 2에 도시된 스크라이빙 유닛의 단면도;
도 4는 도 2에 도시된 스크라이브 헤드의 구성을 나타내는 사시도;
도 5는 본 발명에 따른 발진 제어 회로의 구성을 나타내는 블럭도;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발진 제어 회로를 적용한 기판 절단 장치의 구성을 나타내는 개략도; 그리고
도 7a 내지 도 7e는 도 6에 도시된 기판 절단 장치의 상세한 구성을 나타내는 블럭도들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100, 200 : 기판 절단 장치 110 : 스크라이빙 유닛
120 : 초음파 스크라이버 130 : 몸체
136 : 초음파 진동자 150 : 발진 제어 장치
152 : 스위치 154 : 완충 및 구동 증폭부
156 : 전력 증폭부
158 : 임피던스 정합 및 로우 패스 필터 160 : 위상 동기 루프 회로
170 : 위상 보정부 180 : 전원 공급부
190 : 주파수 신디싸이저

Claims (10)

  1. 초음파 스크라이버에 있어서:
    몸체와;
    상기 몸체 내부에 배치되어 일정 크기의 파장을 갖는 초음파를 발생하는 초음파 진동자와;
    상기 몸체 내부의 상부 공간에 배치되고, 상기 상부 공간 내부에 상기 초음파 진동자가 구비되며, 상기 초음파 진동자로부터 출력되는 초음파를 조절하는 초음파 튜닝부와;
    상기 몸체의 하단에 배치되어 기판 표면에 스크라이브 선을 형성하는 스크라이브 휠이 구비되는 헤더부 및;
    상기 초음파 튜닝부로부터 초음파를 받아서 상기 헤더부로 전달하는 부스터 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크라이버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 튜닝부는 상기 몸체의 수직 방향으로 상기 파장의 반파장 크기의 길이로 구비되고,
    상기 부스터 부와 상기 헤드부는 상기 몸체의 수직 방향으로 합해진 길이가 상기 파장의 반파장 크기로 구비되는 것을 특징으로 하는 스크라이버.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파 튜닝부는;
    상기 몸체의 수직 방향으로 중앙 위치에 상기 초음파 진동자의 초음파가 출력되는 부위가 배치되는 것을 특징으로 하는 스크라이버.
  4. 초음파 진동자를 이용하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치에 있어서:
    기준 신호와, 피드백 신호를 받아서 위상을 비교하여 동기시키고, 위상 동기된 공진 주파수를 갖는 출력 신호를 발생하는 위상 동기 루프 회로와;
    전원 공급부로부터 전원을 공급받아서 상기 초음파 스크라이버로 전원을 공급하는 전력 증폭부와;
    상기 위상 동기 루프 회로로부터 출력된 신호를 받아서 완충 및 증폭시켜서 상기 전력 증폭부를 구동하는 구동 신호를 출력하는 완충 및 구동 증폭부와;
    상기 전력 증폭부와 상기 초음파 스크라이버 사이에 구비되어, 상기 전력 증폭부로부터 출력되는 전원을 정현파로 정형하고, 동시에 공진 시 상기 초음파 스크라이버의 임피던스로 정합하여 상기 초음파 스크라이버로 출력하는 임피던스 정합 및 로우 패스 필터 및;
    상기 임피던스 정합 및 로우 패스 필터로부터 출력된 신호에 위상 차이가 발생되면, 위상을 조정하고, 미세 공진 주파수의 대역을 증폭하여 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대시켜서 상기 위상 동기 루프 회로로 상기 피드백 신호를 출력하는 위상 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발진 제어 장치는;
    자동 또는 수동 절환되며, 자동 절환된 경우, 상기 위상 동기 루프 회로로부터 출력 신호를 받아들여서 상기 완충 및 구동 증폭부로 출력하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발진 제어 장치는;
    설정된 주파수를 발생하는 주파수 신디싸이저를 포함하되;
    상기 주파수 신디싸이저는 상기 스위치가 수동 절환된 경우에 설정된 주파수의 신호를 상기 스위치로 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주파수 신디싸이저는;
    설정된 주파수로 조절하여 디지털 주파수를 발생하는 디지털 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 동기 루프 회로는;
    공진 주파수의 하한치 및 상한치를 조정하는 주파수 조정부와,
    상기 주파수 조정부에 의해 조정된 상한치 및 하한치의 공진 주파수를 이용하여 원하는 발진 주파수를 갖는 출력 신호를 발생하는 전압 제어 발진기와,
    상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 상기 출력 신호를 상기 기준 신호로 입력받고, 상기 피드백 신호를 받아서 상기 기준 신호와 상기 피드백 신호의 위상차를 비교, 검출하는 위상 비교기 및,
    상기 위상 비교기로부터 출력되는 신호의 고주파 성분을 제거하고 상기 전압 제어 발진기로 출력하는 루프 필터를 포함하되;
    상기 전압 제어 발진기는 상기 기준 신호의 주파수와 동일한 위상을 갖는 발진 주파수로 제어하여 상기 출력 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  9. 제 4 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 위상 보정부는;
    상기 임피던스 정합 및 로우 패스 필터로부터 출력되는 신호를 받아서 위상차를 검출하고, 상기 초음파 스크라이버의 최대 공진점으로 위상을 조정하는 위상 보상 조정부와,
    상기 위상 보상 조정부로부터 위상이 조정된 신호의 미세 공진 주파수의 대역을 위상 제어 가능한 동작 범위로 확대되도록 증폭하고, 파형을 정형하여 상기 위상 동기 루프 회로로 상기 피드백 신호를 출력하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 발진 제어 장치는;
    상기 완충 및 구동 증폭부와, 상기 전원 공급부와 연결되어 상기 초음파 스크라이버로 공급되는 전원의 전력 및 발진 주파수를 표시하거나, 상기 위상 동기 루프 회로와 연결되어 오류가 발생되는지를 검출하여 경보를 발생하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스크라이버의 발진 제어 장치.
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KR102345846B1 (ko) * 2021-10-14 2021-12-31 (주) 에스엘테크 스마트공정관리 기능구현이 가능한 fto 유리 레이저 스크라이빙 장비

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