레이저를 이용한 LCD 유리 절단 기술 및 산업 동향

이 석 준_ (주)ITI 대표이사

1. 서 론

현재 전세계적으로 매년 약 13억개 이상의 터치 기능이 있는 스마트폰 및 태블릿이 소비되고 있고 대부분이 화학강화유리를 사용하고 있다. 화학강화유리 원판은 전량 수입에 의존하고 있다. 미국 코닝사의 GorillaTM(고릴라) 유리가 시장의 대부분을 점유하고 그 외 일본 아사히, 독일 쇼트가 2013년 시장에 진입하여 일부 소다석회유리를 이용한 저가 제품에 적용되고 있다.
고릴라유리 이외에도 유사한 조성 및 방법에 대한 특허를 일본의 아사히, 센트럴글라스, 호야, 유럽의 쇼트와 상-고방 등의 다수의 회사에서 발명하였으며, 국내에서도 2000년 이후 계속 출원 중에 있다.
화학강화유리를 제조 핵심 공정은 외형절단, 연마/면취, 강화 공정이다. 외형 절단공정이 전 공정에 있어서 선행하는 이유는 화학 강화를 한 이후에는 유리를 절단하기가 극히 어려울 뿐 아니라 대형 원판 강화 후 절단 시 절단면의 비강화 문제로 인한 강도 품질 저하를 우려하기 때문이었다.
그러나 2013년 이후 생산성, 형상자유도 그리고 터치패널 일체화 요구 등으로 인해 원판 강화 후 커팅이 도입되고 있다. 외형 절단을 위해서는 수작업, LASER, water jet saw 등의 여러 방법이 있으나, Water jet saw와 기계식 수작업은 생산량 측면에서 물량 공급에 문제가 있다.
이에 대비하여 생산 속도 향상, 고품질 및 정밀화가 요구되는 시점에서 Laser 절단이 요구되고 있다. 이에 ITI에서는 Laser 절단 생산 속도 향상 및 고품질 절단 방안의 최적화를 위하여 실험을 진행하게 되었다.
본 기고에서는 레이저를 이용한 LCD 유리절단 La ser SMART Slitting Operation(SSO)에 대해서 살펴보고자 한다.
현재 한국의 FPD(Flat Panel Display) 생산은 세계 정상의 자리를 차지하고 있으나 생산 설비 개발 면에서는 국산화가 저조하다. 특히 레이저를 이용한 장비 및 신기술 적용장비 부분의 수입의존도가 매우 크다. FPD산업의 특성상 제품생산에서 분진이 생산 수율의 주요한 변수로 작용하고 있고 제품의 대형화 및 품질 경쟁이 심화되고 있기 때문에 기존의 기계식 절단의 한계를 넘어선 신방식 절단법의 개발이 요구되어 왔다.
제조 공정 중에 한 분야인 유리 절단공정의 가장 일반적인 방법은 Diamond wheel이나 WC wheel을 이용하여 유리 표면에 홈을 발생시켜서 절단하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 이러한 기계적인 절단 방법은 유리에 손상을 주어 입자를 발생시킴으로써 고청정도를 요구하는 청정 공정에 바람직하지 못하다. 더욱이 거친 절단면과 절단된 단면에 존재하는 미세 균열을 제거하기 위해서 후 공정으로 연마와 세정공정 등이 필연적으로 수반된다. 또한 Diamond wheel이나 WC wheel의 수명이 짧아서 양산시 매일 또는 2~3회 교체해야 해서 유지 보수 경비의 증가를 초래하고 절단품질의 안정화 및 유지 보수가 어렵다.
이와 같은 기계적인 절단방법의 단점을 보완하기 위해서 레이저를 이용한 유리 절단시스템 개발의 필요성이 증가하고 있다. 이러한 절단법은 silicon wafer, sapphire, Sic, solar cell, quartz 등의 취성재료 절단에도 이용할 수 있다.
현재 한국이 선도하고 있는 FPD(Flat Panel Dis-play) 산업에서 LCD glass, PDP glass를 분진 없이 고속으로 고정밀 절단하는 필요성이 증가되고 있다.

2. Laser SMART Slitting Operation(SSO)  개요

  2-1. Laser SMART Slitting Operation(SSO)의 기본 원리

 Laser SMART Slitting Operation(SSO) 개념도

일반적으로 레이저를 이용하여 유리, 세라믹 등의 취성재료를 절단함에 있어, 레이저 가공 시 발생하는 분진이나 열 충격에 따른 잔류 열응력을 최소화하며 고품질의 청정가공을 수행하는 방법 중 레이저 열절단법(Laser Thermo-slitting)이 널리 사용되고 있다. 분진이 최소화되고 재료의 손실 없이 절단하기 때문에 Laser SMART Slitting Operation (SSO) 이라고 기술명을 정하였다.
상기 레이저 열 절단법의 기본 원리는 취성재료를 레이저를 이용하여 왜곡점(strain point) 이하로 가열 후 냉각시켜 취성재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시킴으로써 취성재료를 재료의 손실 없이 절단 작업을 수행할 수 있다(그림 1). 기존의 레이저 절단법들은 대부분 재료를 용융 및 기화시켜서 제거하거나 laser ablation 절단법을 이용함으로써 고 출력 레이저나 특수한 레이저가 필요했다. 레이저 업계에서는 Laser Removing 절단법을 시도하고 있지만 이 방법은 Laser 의 열에너지를 받아들이는 재료를 액화, 기화시켜서 제거하는 방식으로써 HAZ(Heat Affected Zone)이 크고 많은 Surface debris 및 분진이 발생되기에 유리 및 Wafer 절단 양산에 적용하기 어렵다. 그 결과 저속으로 절단하거나 고속으로 절단하여도 큰 HAZ이 발생했다. 이 분진 중 일부가 유리 위에 융착됨으로써 양산 적용 가능성이 현저히 저하되었다. laser ablation 절단법은 고가의 DUV laser 나 femto second laser를 필요로 하나 현재 양산에 적용할 만한 안정적이고 출력이 높은 laser를 구하기는 아직 어렵다. 현재 특수 wafer에 아주 저속으로 특수한 형상을 절단할 때 일부 실험실 수준으로 적용되고 있는 실정이다.
그러나 신방식인 Laser SMART Slitting Opera-tion(SSO)은 분진 발생이 최소화되고 재료의 손실 없이 절단되며 HAZ 이 최소화된다. 또한 고속절단(100~1000mm/s)이 가능하며 양산 현장에서 후공정이 생략될 수 있어서 높은 생산성을 보장한다.

2-2. Laser SMART Slitting Operation(SSO)의 개발 현황 및 역사

70년대 말에 러시아에서 레이저를 이용한 Laser SMART Slitting Operation-(SSO)법을 개발했고 80년대에 냉각 방식을 추가해서 그 방식을 지속적으로 발전 시켰다. 90년대 초부터 일부 러시아 과학자들이 미국, 유럽 일부에 기초 기술을 소개하였고 90년대 말부터는 미국, 러시아에서 활발히 기술을 발전시키고 있다. 97년부터 국내 대기업을 중심으로 LCD glass 양산에 적용하려고 많은 인력과 재원을 투자했으나 양산 적용은 성공하지 못했다. 2004년도에 국내 벤처업체가 세계 최초로 국내 Major 5G LCD 업체의 양산 현장에 적용했고 그후 6G LCD. 7G LCD에서도 양산 적용되었다. 이 기술을 같은 연구진이 2012년도에 강화후 유리업체(OGS-One Glass Solution)에 세계 최초로 적용시켰다. 920mm×730mm 강화후 유리에 x-y ITO가 증착되어 있고 두 ITO 사이에는 절연층이 있고 메탈 브리지를 사용된 상태의 OGS유리를 최종단에서 레이저로 절단하였다. 그후 엣지면은 연마후 힐링처리후 사용하였다. 2013년도에는 1300mm×1100mm OGS 유리를 절단하였는데 특이한 사항은 모니터용이기에 레이저로 절단후 바로 연마 없이 사용하고 강도는 고객사양을 충분히 충족시키는 성공적인 결과를 구현하였다.
레이저를 이용해서 강화유리를 절단하는 법은 크게 2가지로 요약되는데 유리 절단 적용은 레이저 가공 분야에서도 최신 신기술로써 아직 세계적으로도 극소수 일부 업체만이 기초 연구 중이고 아직 상용화하지 못한 기술이다. 그러나 이 방식의 탁월한 장점과 높은 상품화 가능성 때문에 현장에서 수요 조사를 하면 매우 높은 관심과 강한 구매 의사를 보이고 있다. 이러한 최신 기술을 이용한 양산 적용에 성공함으로써 2000억 FPD glass 절단 시장과 4.8억불 wafer dicing 산업에 적용을 가능하게 했고 나아가 세계 FPD 산업에서도 시장 선점이 가능하다.

2-3. Laser SMART Slitting Operation (SSO) 장단점

현재 LCD glass 절단에서 적용하고 있는 일반적인 기계식 절단, Laser ablation 및 신방식 Laser SMART Slitting Operation(SSO)의 장단점을 비교했다. 현재 산업 현장에서 적용 중인 기계식 절단의 여러 불량과 생산성 저하의 한계를 극복하고 탁월한 장점들과 고품질 절단 구현으로 Laser SMART Slitting Operation(SSO) 수요가 더욱 확대되고 있다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 2월호에서 확인하실 수 있습니다.