KR20160015849A - Lcd 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은, LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠에 관계되는 것으로, 특히 LCD 패널, 광섬유의 절단이나, 유리·세라믹·반도체 등의 취성 재료의 스크라이빙에 매우 적합한 LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 초경 합금의 표면을 피복한 HFCVD에 의한 다이아몬드층을 포함한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠로서, 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층의 평균 증착막 두께가 1.0μm 이상 5.0μm 이하이며, 상기한 다이아몬드층의 표면에 있어서의 다이아몬드 평균 입경이 2.0μm이상 4.5μm 이하이고, 상기한 다이아몬드층의 표면은 피복 후에 평활화 처리가 되어 있지 않은 상태에서 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층 표면의 표면거칠기 Ra가, 0.3μm 이상 3.0μm 이하인 다이아몬드 피복 스크라이빙휠로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠{The diamond coated scribing wheel for scribing of LCD panel}

본 발명은, LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠에 관계되는 것으로, 특히 LCD 패널, 광섬유의 절단이나, 유리·세라믹·반도체 등의 취성 재료의 스크라이빙에 매우 적합한 LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠에 관한 것이다.

다이아몬드는 현존하는 물질 중 최고의 경도를 가지며, 옛부터 천연 다이아몬드나, 초고압 다이아몬드 소결체(PCD, PDC)등에 의해, 절삭, 연삭, 내마모 등의 공구 용도로의 응용이 꾀해져 왔다. 1980년대에 화학 기상 성장(CVD) 법에 따르는, 다이아몬드 박막 제조 기술이 확립되고 나서는, 비교적 높은 형상 자유도를 획득하여, 드릴, 엔드밀 등 , 복잡 곡면을 가지는 절삭 공구로의 응용 전개를 목표로 하여 기술 발명이 활발하게 되었다. 근래에는, 항공기 산업으로 수요가 증가하고 있는 섬유강화 플라스틱(FRP : Fiber Reinforced Plastics)이나, Al, Ti 등 가공시에 용착하기 쉬운 금속과의 복합 구조재료 및, 비금속, 유리, 세라믹 등의 난삭재 가공용으로 수요가 확대되고 있다.

한편, LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠이나, 유리, 세라믹, 반도체 등의 취성 기판을 스크라이빙(할단)하기 위한 스크라이빙휠로는, 지금까지, 특개소 61-232404호와 일본공개특허공보와 특개 2004-058301 일본공개특허공보에서 공지된 바와 같은 소결 다이아몬드(PCD)가 주로 이용되어 왔다. 다이아몬드 소결체는 내마모성이 초경합금보다 우수하지만, 한편으로 다이아몬드 입자의 탈락 등이 있기 때문에, 실제의 수명은 그 내마모성을 충분히 다 살릴 수 없는 실정이다. 이 문제를 해결하기 위해, 예를 들면 특개평 4-224128호 일본공개특허공보에서는, 세라믹제 스크라이빙휠에 CVD 다이아몬드를 피복한 사례가 개시되고 있다.

특개평 4-224128호 일본공개특허공보에서는, 주로 LCD 패널 등의 유리 기판의 절단용을 상정하고 있어, 다이아몬드막의 증착막 두께가 20μm의 비교적 두꺼운 막을 피복한 사례가 개시되어 있다. 본 발명자는, 특개평 4-224128호 일본공개특허공보의 조건으로 CVD 다이아몬드 피복한 스크라이빙휠을 제작하고 그 성능을 검증한 결과, 절삭날을 연마하지 않은 상태로는 절삭날 반경 R이 크기 때문에 절단 불가능하거나 절단할 수 있어도 절단면이 불규칙하여 사용이 불가능하거나 하는 경우가 있음을 알았다. 한층 더 절삭날을 연마한 경우에는 마찰 저항이 작기 때문에 미끄러짐이 생겨 LCD 패널을 절단 할 수 없음이 판명되었다. 한편, 반도체 기판 등의 스크라이빙에 대해서도 그 증착막 두께 뿐만이 아니라, 다이아몬드 입경(표면거칠기)에 의해서도, 절삭날 반경 R이나 미끄러짐의 영향에 의해 절단이 되지 않거나, 절단 품위의 악화가 일어나는 것을 알았다.

본 발명은, 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, LCD 패널, 광섬유나 유리 기판 등의 취성재료를 절단 혹은 스크라이빙하기 위한 스크라이빙휠에 대해, 다이아몬드의 내마모성을 충분히 살리면서, 한편 미끄러짐이나 절단 품위의 악화를 방지할 수 있는 다이아몬드 피복 스크라이빙휠을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 모양을 가진다. (1) 초경합금의 표면을 피복 한 다이아몬드층을 포함한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠이며, 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층의 평균 증착막 두께가 1.0μm 이상 5.0μm 이하이며, 상기한 다이아몬드층의 표면에 있어서의 다이아몬드 평균 입경이 2.0μm 이상 4.5μm 이하이며, 상기한 다이아몬드층의 표면은 피복 후에 평활화 처리가 되어 있지 않은 상태에서 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층 표면의 거칠기 Ra가, 0.3μm 이상 3.0μm 이하인 다이아몬드 피복 스크라이빙휠인 것에 그 특징이 있다.

본 발명의 다이아몬드 피복 스크라이빙휠은, 상기와 같은 구성을 가지는 것으로, LCD 패널, 광섬유나 유리 기판 등의 취성 재료를 절단 혹은 스크라이빙 할 때에, 공전이나 미끄러짐 없이 효율적으로 절단 할 수가 있다. 더욱이 높은 절단 품위가 요구되는 용도에 대해서도, 가공 정밀도 높고, 재현성 좋게 절단할 수가 있어 다이아몬드의 고내마모성을 최대한으로 발휘할 수가 있다.

도 1은 LCD 패널의 스크라이빙 컷터에 탑재 가능한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠의 형상을 나타내는 도면.
도 2는 다이아몬드 피복 후의 스크라이빙휠을 절삭날 외주 방향으로부터 촬영한 SEM 상을 나타내는 사진.

본 발명자 등은, 다이아몬드를 피복한, LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠에 있어서의 다이아몬드 피복층 상태와 절단 성능의 관계를 상세하게 조사했다. 그 결과, 이하의 지견을 얻을 수 있었다.

다이아몬드 피복 후의 절삭날 선단 반경(R)이 8.0μm를 넘으면, 미절단 확률이 급상승하고, 절단할 수 있더라도, 그 절단면이 불규칙하여 LCD 패널에서 불량률이 상승한다. 2) 절삭날 선단 R이 8.0μm 이하이더라도, 표면 다이아몬드의 입경이 0.5μm보다 작은 이른바 「미립(미결정) 다이아몬드」이거나 다이아몬드 피복 후에 표면을 연마 등으로 가공해 평탄화하면, 절단날의 공전이나 미끄러짐이 생겨 절단할 수 없게 된다. 3) 상기 2조건을 만족하여도, 표면 다이아몬드의 평균 입경이 6.0μm를 넘으면, 절단면의 품위가 악화되어 절단 후의 불량률이 상승한다.

절단날 다이아몬드층의 증착막 두께가 0.5μm 이상 8.0μm이하이며, 다이아몬드층의 표면에 있어서의 다이아몬드 평균 입경이 0.5μm 이상 6.0μm 이하이며, 다이아몬드층의 표면은 피복 후에 후속 연마처리를 하지 않도록 한다.

이러한 특징을 갖춘 다이아몬드 피복 절단날은, 미립 다이아몬드와는 달라, 다이아몬드 입자 개체의 결정 에지(요철)로 피삭재를 누르고 미끄러짐이나 공전을 유발하는 일 없이 효율적으로 절단력을 전달할 수가 있다. 또한, 절삭날 선단 반경(R), 즉 다이아몬드 증착막 두께를 적절한 범위로 억제하는 것으로, 미절단편이나, 절단면 가공품위의 변동의 발생을 억제할 수가 있다.

가장 좋기로는 증착막 두께가 1.0μm 이상 5.0μm 이하, 다이아몬드 결정립의 입경이 2.0μm 이상 4.5μm 이하로 한다. 또한, 절삭날 에지에 있어서의 다이아몬드층 표면의 표면거칠기(Ra)는, 0.3μm 이상 3.0μm 이하로 하는 것이 가장 좋다. 증착막 두께, 다이아몬드 걸정립의 입경, 및 표면거칠기를 이와 같은 범위로 하는 것에 의하여, 본 발명의 목적으로 하는 절단 성능이 실현될 수가 있다.

이 결과, LCD 패널과 같은 취성 재료의 스크라이빙에서는 가공 후의 후처리 공정(연마, 연삭 공정)이 없이 제조할 수가 있다.

이러한 LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠의 형상은, 고정식, 회전식 어디라도 효과를 얻을 수 있지만, 특히 회전식의 절단칼날에서는 본 발명의 효과가 현저가 된다. 덧붙여 가장 중요한 「평활화 처리가 되어 있지 않다」란, 기계적인 연마, 연삭, 호닝, 브러쉬 처리, 혹은 드라이/웨트 에칭 등에 의해 절단날 근방의 다이아몬드 입자 표면 요철이 없어지지 않은 상태를 나타내고 있다. 즉, 상기 예시한 처리 등이 만일 행해지고 있다고 해도, 표면 다이아몬드 입자에 의한 요철이 잔존하고 있는 상태는, 「평활화 처리가 되어 있지 않다」, 즉 당 발명 범위에 포함된다.

상기한 다이아몬드층의 증착막 두께 및 입경은, 상기한 기재 범위 내에 있으면 본 발명의 목적으로 하는 효과를 기대할 수 있지만, 바람직하게는 증착막 두께가 1.0μm 이상 5.0μm 이하, 입경이 2.0μm 이상 4.5μm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층 표면의 표면거칠기 Ra는, 0.3μm 이상 3.0μm 이하인 것이 바람직하다. 증착막 두께, 입경, 및 표면거칠기를 상기한 범위 내로 하는 것으로써, 본 발명의 목적으로 하는 스크라이빙을 보다 높은 레벨로 실현할 수가 있다.

다이아몬드층 표면의 표면거칠기를 측정하는 방법으로서는, ISO 규격 또는 KS 규격에 준거한 파라미터 해석을 할 수 있는 장치를 사용하면 좋다. 특히 레이저 현미경은 공간 분해가능이 높고 수치 해석이 용이하기 때문에, 본 발명의 다이아몬드 피복 표면을 측정하는데 적합하다. 본 명세서에 있어서의 Ra는, 레이저 파장 408 nm, 수평 방향의 공간 분해가능 120 nm, 높이 분해가능 10 nm의 레이저 현미경을 이용해 측정해 얻을 수 있던 값이다.

본 발명에서 규정하는 다이아몬드층의 증착막 두께 및 입경은, 피복 후에 주사형 전자현미경(SEM)으로 표면이나 막의 단면을 관찰하는 것에 의해 얻을 수 있다. 이것들은 스크라이빙날에 관련되는 영역의 평균치로 정의되지만, 스크라이빙날의 전영역을 측정하는 것이 곤란한 경우는 일부 영역의 평균치라도 같다고 볼 수가 있다. 한편, Ra는 스크라이빙날의 전영역에 있어 숙원 발명 범위일 필요는 없고, 일부에서도 본 발명으로 규정하는 범위 내에 있으면 목적으로 하는 효과가 발현된다.

본 발명의 다이아몬드 피복 스크라이빙날에 이용하는 모재로서는, 종래 공지의 임의 재료를 이용할 수가 있지만, 특히 매우 적합한 것은 세라믹이나 초경합금이며, 초경합금이면 K종 초경 합금이, 세라믹이면 질화 규소가 바람직하다. 그 외, 다이아몬드 소결체, 입방정질화 붕소 소결체, 실리콘 다결정, 탄화규소 및 질화 알루미늄 등의 1종 이상으로부터 선택할 수도 있다. 다이아몬드 피복전의 모재에 대해서는, 피복막의 밀착성 혹은 내결손성 향상을 위해서, 종래 공지의 기술을 이용할 수가 있다. 예를 들면 초경합금에 대해서는, 화학 에칭, 상기한 화학 에칭, 또는 샌드 브레스트 처리 등에 의해 요철을 형성한 후, 다이아몬드 분말 분산액 중에서 다이아몬드 시딩(seeding) 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

상기한 다이아몬드층은, 절삭날 선단으로부터 적어도 5μm폭의 모재 표면상에 연속막으로서 존재하고 있으면 좋고, 그 이외의 부분은 다이아몬드층이 존재하지 않든지, 또는 불연속인 다이아몬드층인 것이 바람직하다. 다이아몬드 피복 스크라이빙날에 대해서는, 그 작용 영역은 절단날 근방에 한정되어 그 이외의 모재 영역은 스크라이빙에 기여하는 일 없으므로, 다이아몬드를 완전하게 피복할 필요성은 없다. 오히려, 전체 영역을 피복하는 것으로써, 절단시의 응력에 의한 피복막의 박리나, 스크라이빙날의 고정(예를 들면 회전축) 부분의 손상을 일으킬 우려가 있다.

게다가 본 발명에서는 적당한 사이즈의 다이아몬드 입경이 필요하고, 이것은 예를 들면, 다이아몬드 피복시의 스크라이빙날 근방의 다이아몬드 핵발생 밀도를, 모재 표면 평균으로 1×10⁸개/cm² 이하로 억제하는 것으로 얻을 수 있다. 스크라이빙날의 근방은, 다이아몬드 핵발생 밀도가 상대적으로 높은 연속막이 되지만, 그 이외의 영역에서는 핵발생 밀도가 낮고 불연속막이 되는 것으로, 상기의 효과를 얻을 수 있다. 핵발생 밀도를 제어하는 방법으로서는, 상기에 예시한 다이아몬드 시딩 처리에 있어서의 다이아몬드 분말 농도, 처리 시간을 조정하거나 다이아몬드 피복 초기의 성장 조건을 조정하거나 하는 것으로 원하는 핵발생 밀도를 얻을 수 있다. 또한, 스크라이빙날 이외의 부분에 다이아몬드가 피복 되지 않게 마스크 등을 배치해도 괜찮다. 핵발생 밀도는, 다이아몬드 피복시의 초기에 성장을 중단하고 다이아몬드핵의 개수를 측정하면 되지만, 피복이 완료한 스크라이빙날에 대해서는, 그 단면을 수습 이온 빔 장치 등으로 잘라내고, 투과형 전자현미경(TEM)으로 관찰하면, 핵발생입계를 알 수가 있어 개수의 측정이 가능하다.

본 발명에 대해, 모재상에 형성되는 다이아몬드층은, 다결정 다이아몬드로부터 이루어지는 피복막인 것이 바람직하다. 또한, 다결정 다이아몬드층을 피복하는 방법으로서는 CVD법을 이용하는 것이 바람직하다. CVD법에는, 열filament CVD법, 마이크로파 플라스마 CVD법, 직류 플라스마 CVD법 등, 공지의 임의의 수법을 이용할 수가 있다.

[실시예]

이하, 실시예에 의해 당 발명을 한층 더 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

다이아몬드 피복 스크라이빙휠을 제작에 있어서, 모재로서 재질이 KS K10 초경합금(WC-5％Co)이며, LCD 패널 스크라이빙용 컷터 FC-7 R에 탑재 가능한, 직경 20 mm, 두께 3 mm의 스크라이빙휠을 준비했다(도 1).

우선, 모재의 사전 처리로서 98％ 황산과 60％ 초산의 혼합 산액에 5분간 담그는 것으로 모재의 표면을 에칭했다. 이 결과, 모재 표면 근방의 Co가 제거되어 미소한 요철이 형성되었다. 계속적으로, 입경 5∼10 nm사이즈의 다이아몬드 입자를 에탄올 중에 0.02g/L로 분산시켜, 모재를 침지하고 5분간의 초음파 시딩 처리를 실시했다.

다음에, 모재를 공지의 열 filament CVD 장치(HFCVD 장치) 내에 배치하고, 다이아몬드의 피복을 실시했다. 모재 중심의 회전축 부분이나, 스크라이빙날 근방 이외의 영역에 다이아몬드가 피복되지 않게 모재상에는 원반상의 마스크재를 배치했다. 다이아몬드 피복을 위한 도입 가스는 1％ CH₄/H₂로 하고, 그 내부의 압력은 1.3×10⁴ Pa로 설정했다. 피복시의 모재 온도는 900℃, filament 온도는 2150℃, 피복 시간 3시간으로서 실시예 1의 시료를 제작했다. 그림 2에, 다이아몬드 피복 후 스크라이빙 휠의 절단날 외주 방향으로부터 촬영한 SEM상을 나타낸다.

[실시예 2∼6, 비교예 1∼7] 실시예 2∼6 및 비교예 1∼7로서 표 1에 나타내듯이, 사전 처리의 시딩 조건이나, 가스/온도 조건, 피복 시간, 마스크의 배치 등을 변경하여 여러 가지의 다이아몬드 증착막 두께, 입경, 표면 거칠기의 시료를 제작했다. 또한, 얻어진 다이아몬드 피복층을 X선 회절법으로 측정했는데, 모두 다결정 다이아몬드인 것을 확인했다.

(평가) 얻어진 시료는, SEM, TEM, 레이저 현미경으로 여러 가지 특성을 평가한 후, 상기 LCD 패널의 스크라이빙용 컷터 FC-7 R에 탑재하고서, 스크라이빙 시험을 실시했다. 스크라이빙 시험에서는 일정 개수의 스크라이빙 시험 마다 LCD 패널의 손상과 스크라이빙날의 손상 여부를 확인했다. 각 실시예, 비교예 마다의 여러 가지 특성 및 스크라이빙 결과를 집계한 것을 표 1에 나타낸다.

● 비교예 1(종래예 논코팅 초경 스크라이빙휠)의 초기값을 0으로 하고, 작은 편이 바람직함.

표 2에 나타내듯이, 본 발명의 실시예는, 비교예 1에 나타내는 종래 재료인 초경 논코트제의 제품보다 수명이 길며이며, LCD 패널의 손상도 실용상 문제가 되는 것은 없었다. 이것에 비해, 증착막 두께 및 입경이 본 발명보다 큰 비교예 2에서는, 실시예 1보다 스크라이빙 수명이 짧아졌던 것 뿐만 아니라, 스크라이빙면의 불량이 크고 절단 품위가 나쁜 것을 알았다.

비교예 3은 본 발명 보다 증착막 두께, 입경이 작은 것으로, 비교예 4는 입경이 작고 다이아몬드의 피복막을 더욱 두껍게 한 것이다. 비교예 5 및 6은 증착막 두께 또는 입경 중 한쪽이 발명 범위를 벗어난 것이다. 비교예 7은 실시예 1에 상당하는 시료에 대해서, 다이아몬드 피복 후에 스크라이빙날 근방을 연마 다듬질한 것이다.

비교예 3, 4 및 7은 절삭날의 요철(凹凸)이 작아지고, 다이아몬드의 저마찰 계수의 영향으로, 가공시에 미끄러짐이 생겨 스크라이빙을 할 수 없었다. 비교예 5는 입경이 커진 것으로 절단 품위의 악화가 나타났고, 비교예 6에서는 날끝 반경(R) 확대의 영향으로 스크라이빙이 불가능하게 되었다.

또한, 본 실시예의 모재를, 질화 규소, 다이아몬드 소결체, 입방정질화 붕소 소결체, 실리콘 다결정, 탄화규소 및 질화 알루미늄으로 변경해 같은 시험을 실시했는데, 상기 실시예 1에서 6과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

[실시예 7]

다음에, LCD 패널 스크라이빙용 회전식 스크라이빙휠의 예로서 직경 3 mm, 두께 0.8 mm의 초경합금제 휠을 준비했다. 초경합금은 평균 WC입경 1.5μm, Co 함량 6％의 K20종으로 하고, 절삭날의 각도는 120˚으로 했다. 모재의 사전 처리는 실시예 1과 마찬가지로 했다. 모재를 공지의 HFCVD(열 필라멘트) 장치 내에 배치하고서, 다이아몬드의 피복을 실시했다. 모재 중심의 회전축 부분이나 및 절삭날 근방 이외의 영역에 다이아몬드가 피복 되지 않게 모재상에는 원반상의 마스크재를 배치했다. 다이아몬드 피복을 위한 도입 가스는 0.8％ CH₄/H₂2로 하고, 그 내부의 압력은 6. 7×103 Pa로 설정했다. 피복시의 모재 온도는 880℃, 마이크로파 투입 전력 3 kW, 피복 시간 6시간으로서 실시예 7의 시료를 제작했다. 얻을 수 있던 다이아몬드층을 X 선회절법으로 측정했는데, 다결정 다이아몬드인 것을 확인했다. 게다가 SEM, TEM 및 레이저 현미경으로 평가했는데, 증착막 두께 4.6μm, 입경 3.8μm, Ra2.1μm, 핵발생 밀도 9.5×107개/cm²였다.

[비교예 8∼10] 비교예로서 실시예 7과 같은 다이아몬드를 피복하고, 피복 후 표면을 연마해 경면화한 것(비교예 8), 시판의 소결 다이아몬드 스크라이빙휠(비교예 9) 및 시판의 코팅되지 않은 초경 스크라이빙휠(비교예 10)의 3개를 준비했다.

(평가) 이렇게 하여 얻어진 실시예 7 및 비교예 8∼10의 스크라이빙휠을, 시판의 스크라이빙 장치에 탑재하고서, 액정 패널용 유리판(두께 0.6 mm)의 스크라이빙을 실시했다. 가공 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 피복 스크라이빙휠은 기존의 스크라이빙휠다 수명이 길고, 안정되게 절단하는 것이 가능하다. 또한, 모재를 질화 규소, 다이아몬드 소결물체, 입방정질화 붕소 소결물체, 실리콘 다결정, 탄화규소, 및 질화 알루미늄으로 변경해 같은 시험을 실시했는데, 상기 실시예 6과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명의 다이아몬드 피복 스크라이빙휠은 다이아몬드 본래의 내마모성을 살려, 수명이 길고, 고품위의 성능으로 취성 재료를 절단 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

1 모재
2 절삭날
3 다이아몬드 연속막 영역
4 불연속 다이아몬드층

Claims (1)

1. 초경 합금의 표면을 피복한 HFCVD에 의한 다이아몬드층을 포함한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠로서, 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층의 평균 증착막 두께가 1.0μm 이상 5.0μm 이하이며, 상기한 다이아몬드층의 표면에 있어서의 다이아몬드 평균 입경이 2.0μm이상 4.5μm 이하이고, 상기한 다이아몬드층의 표면은 피복 후에 평활화 처리가 되어 있지 않은 상태에서 상기한 스크라이빙휠의 절삭날 부분에 있어서의 다이아몬드층 표면의 표면거칠기 Ra가, 0.3μm 이상 3.0μm 이하인 것을 특징으로 하는, LCD 패널의 절단을 위한 다이아몬드 피복 스크라이빙휠.

Images