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산자부 부품·소재 기술개발 사업 최종보고서

TFT - LCD 절단용 초정밀 다이아몬드

커터 제조기술 개발

2003년 12월 30일

주관기업 - 주식회사 코 디 스

위탁기관 - 천 안 공 업 대 학

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최 종 보 고 서 제 출 서

2003년 부품 · 소재 기술개발 사업에 의하여 완료한 TFT-LCD 절단용 초정밀

다이아몬드 커터 제조기술 개발에 관한 기술개발사업의 최종보고서를 별첨과 같

이 제출합니다.

2003. 12. 30.

총괄(관리)책임자 : 장 동 빈 (인)

주관기관 : (주) 코 디 스 (인)

산업자원부장관 귀하

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제 출 문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 2001년도 부품소재기술개발사업에서 선정되어 기술개발을 완료한 기

술개발과제 “TFT - LCD 절단용 초정밀 다이아몬드 커터 재조기술에 관한 기술개

발” (기술개발기간 : 2001. 11. 1 - 2003. 10. 31)의 최종보고서로 제출합니다.

2003. 12. 30.

부품 소재기술개발사업자 : (기관명) (주) 코디스 (대표자) 윤 주 환 (직인)

위탁기관 : (기관명) 천안공업대학 (대표자) 김 성 헌 (직인)

총괄책임자 : 정 화 윤 (인)

동사업요령 제33조(수행성과의 이용 촉진)에 따라 수행성과가 이용되지

아니하는 경우 수행성과의 공개 및 기술이전기관 등록, 산업계, 학계, 관

련 연구기관 등으로의 배포에 동의합니다.

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부품 ㆍ 소재기술개발사업 보고서 초록

관리 번호 00016210

과제명 “ TFT-LCD 절단용 초정밀 다이아몬드 커터 제조기술 개발”

키워드TFT-LCD/샌드위치형/다이아몬드 소결체/커터/전용연삭기/스크라이

빙

개발목표 및 내용

1. 최종개발목표

TFT-LCD 절단용 초정밀 샌드위치형 다이아몬드 커터 제조기술에 관한 기초 기

술력 을 확보하여, 초고온고압 프레스에서 샌드위치형 다이아몬드 소결체를 제조

하여 극소형 초정밀 다이아몬드 커터 휠을 가공하기 위한 전용 연삭장비를 설계

를 통하여 제작하여 다음과 같은 최종 개발 목표를 정하여 추진하였다.

- 직경 2.5㎜ TFT-LCD 절단용 초정밀 다이아몬드 커터 개발

- 외경각도 가공을 위한 전용기 개발 : 각도(120-130°)범위로 다이아몬드소재가

공

- 칫수 허용도 : 진원도 (5㎛이내), 외. 내경(±0.01㎜)

- 수명 : 기존 초경휠 수명의 10배 이상 향상

2. 당해연도 개발내용 및 결과

특허화된 LCD 절단용 샌드위치형 다이아몬드 소결체를 합성하여, 이를 커터로

만들기 위한 연삭가공 전용기를 설계 제작하여 다이아몬드 커터를 국산화하는

것이 목적.

최종년도에서는 다이아몬드 업자 2-4㎛을 가지고 미세한 조직의 샌드위치형 다

이아몬드 소결체를 합성하여 l차 Prototype 전용연삭기에서 시제품을 제작하여

성능평가를 완료 하였으며, 개발당시 초경소재 커터보다는 최고 15배 이상의 성

능을 확보하였고, 초미립자 다이아몬드 소결체를 진행 중이며, 내경과 원주 에지

부 변형을 주어 특성을 증가하는 실험을 하고 있다. 최근 일본에서도 휠에지부

특정형상의 제품이 나왔지만 아직 미검증 중이다.

- 1차 시제품 제작 외부 Test 결과(초경 200M, 다이아몬드 1,100M)

- 최종 시제품 제작 외부 Test 결과(최고 3.600M 이상 나옴, 샌드위치형 다이아

몬드커터)

- 특허 1건 등록 : 특허 제 0340014 호( 등록일 : 2002. 5. 27 )

(발명의 명칭 : 다이아몬드 소결체를 갖는 액정화면 디스플레이용 커터)

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3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

본 개발 완료시점인 2004년부터는 대형TV용으로 LCD수요가 늘어 전체 9,000만

대 이상으로 급속한 성장을 할 것이다. LCD인 유기EL 분야도 성장하고 있기 때

문에 LCD 절단용 커터 시장규모가 2,500억원 성장시 약 200억원 이상의 수입대

체 효과가 예상된다.

4. 적용분야

기존 초경합금의 10배 수명이 가능한 TFT-LCD절단용 다이아몬드와 초경합금의

샌드위치형 커터개발을 완료함으로서 외국제에 경쟁력을 확보하여, LCD, POP,

Glass, Ceramics 뿐만 아니라 반도체에 관련한 초정밀 절삭용공구로서도 활용가

치가 많아졌다. 또한 초고온고압 기술로 제조되는 초경합금/다이아몬드/초경합금

으로 이루어진 3층 접합체를 제조하는 기술과 난삭재인 다이아몬드를 연삭가공

할 수 있는 전용 가공기계의 제조기술을 활용할 분야는 넓기 때문에 잠재적인

기대효과는 대단히 크다고 할 수 있다.

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목 차

제 1 장 서 론

제 1 절 서 론

제 2 절 연구의 필요성 및 목적

제 2 장 샌드위치형 다이아몬드 소결체의 개발

제 1 절 서 론

제 2 절 연구개발의 목적 및 필요성

제 3 절 연구개발의 내용 및 범위(1,2차년도)

제 4 절 연구개발 결과

제 3 장 초정밀 다이아몬드 커터 가공기술 개발

제 1 절 서 론

제 2 절 연구개발의 목적 및 필요성

제 3 절 연구개발의 내용 및 범위(1, 2차년도)

제 4 절 연구개발 결과

제 4 장 초정밀 다이아몬드 커터 제조기술에 관한 연구의 결론

제 1 절 최근 관련기술의 동향

제 2 절 향후 기대효과 및 활용방안

제 3 절 기술개발 애로사항

제 4 절 최종 연구개발의 결론

제 5 장 위탁기술 개발의 내용 및 결과

제 1 절 위탁기술 개발의 목표 및 실적

제 2 절 위탁 개발의 결과 내용

제 3 절 성능 평가

부 록

1. Cutter 고정 JIG 모델링

2. 시작품 전용기 모델링

3. 전용기 진동 성능 결과

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제 1 장 서 론

제 1 절 서 론

지난 10여년 동안 과학적 발전은 지난 수십년 동안 결과를 능가할 정도로 엄청나게

성장했다. 매일 새로운 기술들이 쏟아져 나오고 교통통신부터 의학에 이르기까지

모든 분야에 있어 획기적인 전환이 이뤄지고 있다. 20세기 후반부터 급격히 진행되

는 세계화(globalization)는 생산과 소비뿐만이 아니라 우리생활 전반을 바꾸고 있

다. 이러한 세계화는 기술혁신의 한 결과로서 직접적으로는 디지털 혁명의 산물이

라고 할 수 있다. 현재는 세계화와 기술이 불가분의 관계로 발전하고 상호발전을

가속화하는 단계에 이르렀다.

차세대 성장산업은 산업혁명이후 계속해서 발달해온 거대산업의 문제점을 보완해주

고 환경 친화적이고 인간중심적인 새로운 산업혁명을 선도해 나갈 차세대의 핵심

산업으로 발전할 산업이라고 할 수 있다.

21세기 우리나라의 경제성장을 이끌어 갈 견인차와 같은 차세대 성장 동력산업중

하나로 “디스플레이”가 지정된 것은 매우 고무적이다. 특히 한국이 세계 1위를 차

지하고 있는 TFT-LCD(초박막액정표시장치)산업은 기술 혁신적이며 자연친화적인

특성을 갖고 있다. 우리나라의 정보디스플레이 산업은 1960년대 흑백TV 브라운관

이 최초로 국산화 개발된 이후 천연색TV 브라운관 시대를 거쳐서, 지난 95년부터는

TFT-LCD기술과 PDP(플라즈마표시장치)기술 등 “평판디스플레이”제품들이 개발되

면서 지난해에는 연간 100억 달러에 달하는 수출실적을 기록했다. 반도체 및 컴퓨

터, 휴대용전화기 등과 함께 우리나라의 전자제품가운데 수출효자상품으로 각광을

받고 있는 첨단기술 산업이다.

초기에는 그 원천기술을 대부분 미국과 일본 등 선진국으로부터 도입했다. 그러나

지난 95년부터 정부와 산업계가 제품개발에 성공함으로서 세계 1위의 제조기술을

보유한 디스플레이 강국으로 부상했다. TFT-LCD와 같은 디스플레이 산업은 디지

털TV와 휴대폰 등 전방산업에도 필수적이지만, 신소재와 정밀가공기술 등 후방산업

에도 파급효과가 큰 산업기반기술이다.

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그림1. TFT-LCD 구조

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그림 1.의 TFT-LCD는 반도체 공정기술, 회로, 광학, 실장기술이 복합된 기술로서

21세기 정보화시대를 맞으면서 뛰어난 표시특성과 검증된 양산성으로 사회 전반적

으로 폭넓게 받아들여지고 있다. TFT-LCD가 다른 디스플레이와 대비해서 경쟁력

의 우위를 가지게 된 주 원인은 해상도, 칼라표시, 화질, 저전력소비에 있다. Note

PC를 시작으로 한 TFT-LCD의 응용은 CDT를 대체하는 데스크탑 모니터로 확산되

고, 더 나아가 LCD TV 및 AV용으로 그 응용범위를 넓혀 가고 있다. LCD는 정보화

및 디지털화의 시대적 요구에 상용함으로 산업적으로 발전가능성이 풍부하며, 기술

적으로 아직 성숙한 단계가 아니고 많은 개선을 필요로 하는 개발선상에 있다.

TFT-LCD 전체를 기술적으로 보면 고체물리, 유기화학, 회로공학, 광학, 인간공학

등의 복합적인 지식을 필요로 하고 이론이 정립되지 않은 부문도 많고, 물리적인

설명을 필요로 하는 부문도 많다. 우선 Full Color화와 멀티미디어 대응에 대한 본

격적인 휴대용 정보기기로서의 실용화를 위해서는 칼라 및 백라이트 효율을 포함한

광범위한 광학연구, 또한 스위칭소자인 TFT 공정의 단순화, 구동회로의 개선 더욱

경박화 되고 조립이 간편한 실장기술의 개선, 액정모드의 연구 등이 지속적으로 이

루어져야 하는 복합된 기술이므로 많은 분야의 참여를 필요로 하고 있다. 차세대

고도 정보화 사회에서는 “인간과 기계간의 인터페이스”가 지금에 비해서 점점 더

중요한 역할을 하는 시대가 될 것이다. 이 시대에 필요로 하는 디스플레이로서

TFT-LCD는 이미 그 우수성을 인정받은 상태이다. 이는 LCD가 정보화시대가 요구

하는 디지털 장비점, 전류구동이 아닌 전압구동 장치이므로 대면적화가 가능한 장

점 등을 기본특성 으로 가지기 때문이다.

약 25년전 최초의 TFT-LCD 샘플이 표시장치로서의 가능성을 보여준 이래 80년대

중반 일본을 중심으로 전개된 기술개발과 90년대의 양산개시 및 90년대 중반부터

의 일본과 한국의 본격적인 시설투자 및 양산으로 이어지면서 많은 flat panel

display 후보기술 중 선두주자로서 그 위치를 확고히 해나가고 있다. LCD 패널의

양산이 중요시되는 현 시점에서 수율과 연관되는 많은 문제가 그 동안의 양산 경험

및 장비의 발달로 해결이 되고 있다. 그러나 노트북 분야에 실용화된 기술이 LCD

모니터 및 LCD TV 분야에서는 동일하게 적용되지 못하고 기술적 장벽이 산재해 있

는 현황이다. 우선 화면이 17인치급 이상으로 증가될 때 생기는 문제들은 다양하

다. 대화면, 고정세, 고휘도에 따르는 기술적 문제는 수율 감소 등 공정상의 난이도

뿐만 아니라 패널의 charging 특성이 감소됨으로 인한 새로운 설계개념과 구동기술

을 필요로 하고 있다. 대형 LCD 모니터에서는 기본적으로 광시야각이 요구되고 이

는 그동안 양산해 왔던 TN 모드의 전면적인 포기와 새로운 광시야각 구조와 공정

을 필요로 하게 되었다.

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향후 전개될 액정 TV 분야에서는 그 난이도 측면에서 LCD 기술이 도전해야할 기술

적 쟁점으로 생각된다. 광시야각은 물론이고 고휘도, 고색재연성, 대화면을 필요로

하고 이 모든 것을 만족하면서 동화상표시에 요구되는 응답속도가 향상된 신규 액

정모드의 개발을 필요로 하고 있다. 향후 40인치급 HDTV를 높은 생산성과 고품위

화질을 가지고 생산 할 수 있게 될 것을 기대한다. 지금의 LCD 표시성능은 CRT애

근접하게 되었지만 총체적인 평가에서는 CRT에 못 미치고 있다. 경제적인 면에서

의 투자효율, 생산성에 의한 높은 가격문제 등이 있다. 이러한 의미에서 LCD는 아

직 기술적으로 산업적으로 아직 개발단계에 있고 공정기술, 검사기술, 평가기술 등

많은 개선을 하여 이제는 CRT에 비교하여 능가하게 되었다. 향후의 TFT-LCD의 주

요 과제를 요약하면 인치당 원가절감을 할 수 있는 혁신적 공정 및 재료개발, 액정

모드의 완벽한 시야각 달성 및 응답속도의 근본적 개선, 20인치급 이상의 대화면,

고해상도 TFT-LCD의 생산성을 높이는 새로운 가공기술의 개발, 구동회로와 시스

템과의 integration, 저온 Poly-Si 기술의 가속화 및 플라스틱 기판의 실용화이다.

TFT-LCD 관련기술은 템포를 더해가면서 진전해가고 있지만 위의 목표를 달성하기

위해서는 한 단계 도약하는 혁신기술이 요구된다.

본 연구는 TFT-LCD를 초정밀하게 절단하는 다이아몬드 커터 제조기술에 대한 연

구과제로서 TFT-LCD 원판 절단과 TFT-LCD 기판을 단위 패널별 로 절단하여 분

리시키는데 사용되는 스크라이빙 공정에 관련된 커터에 대한 연구이다. 일반적으로

액정표시장치는 박막트랜지스터가 배열된 박막트랜지스터기판과 칼라필터가 인쇄된

컬러기판으로 구성되며, 상기 칼라필터기판과 박막트랜지스터기판 사이에 액정층이

형성되어 있다. TFT-LCD의 제조공정 을 그림 2. 에 나타내었다.

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그림 2. TFT-LCD 제조공정도 개략도

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그림 2. 은 일반적으로 적용되는 LCD의 제작과정을 도시한 흐름도로서, 먼저 다수

개의 박막트랜지스터(TFT) 및 화소전극이 형성된 박막트랜지스터기판과 칼라필터

및 공통전극이 형성된 칼라필터기판을 준비한다. 그리고 박막트랜지스터(TFT)기판

과 칼라필터기판 상에 배향막을 형성한다. 배향막 형성은 고분자 박막의 도포와 러

빙 (Rubbing) 공정을 포함하며, 상기 고분자 박막을 통상적으로 배향막이라 한다.

배향막은 박막트랜지스터기판 전체에 균일한 두께로 도포되어야 하고, 러빙 또한

균일해야 한다. 러빙은 액정의 초기 배열방향을 결정하는 주요한 공정으로, 배향막

의 러빙에 의해 정상적인 액정의 구동이 가능하고, 균일한 디스플레이(Display) 특

성을 갖게 된다. 일반적으로 배향막은 유기질의 유기배향막인 폴리이미드

(polyimide) 계열이 주로 사용된다. 러빙공정은 천을 이용하여 배향막을 일정한 방

향으로 문질러 주는 것을 말하며, 러빙방향에 따라 액정분자들이 정렬하게 된다. 그

다음은 배향막이 형성된 박막트랜지스터기판 또는 칼라필터 기판에 씰 패턴(seal

patten)을 형성한다. 액정 셀에서 썰 패턴은 액정 주입을 위한 캡 형성과 주입된 액

정을 새지 않게 하는 두 가지 기능을 한다. 씰 패턴은 열경화성 수지를 일정하게

원하는 패턴으로 형성시키는 공정으로, 스크린 인쇄법이 주류를 이룬다. 그 후 스페

이서(Spacer)를 산포한다. LCD 제조공정에서 칼라필터기판과 박막트랜지스터기판

사이에 캡을 정밀하고 균일하게 유지하기 위해 일정한 크기의 스페이서가 사용된

다. 따라서 상기 스페이서 산포시 박막트랜지스터기 판에 대해 균일한 밀도로 산포

해야 하며, 알코올 등에 스페이서를 혼합하여 분사하는 습식 산포법과 스페이서만

을 산포하는 건식산포법 등을 사용할 수 있다. 스페이서 산포공정이 끝나면, 칼라필

터가 인쇄된 칼라필터기판과 박막트랜지스터와 화소전극이 배열된 박막트랜지스터

기판의 합착공정이 진행된다. 박막트랜지스터기판과 칼라필터기판의 합착 배열은

각 기판의 설계시 주어지는 마진(Margin)에 의해 결정되는데, 보통 수마이크론의

정밀도가 요구된다. 두 기판의 합착 오차범위를 벗어나면, 빛이 새어나오게 되어 액

정 셀의 구동시 원하는 화질 특성을 기대 할 수 없다. 다음 공정은 본 연구개발에

서 핵심인 절단공정이다. 연속공정을 거쳐 제작된 LCD기판을 단위 패널별로 절단

한다. LCD 기판의 절단공정은 유리기판보다 경도가 높은 초경합금재질이나 다이아

몬드 재질의 휠을 이용하여 기판 표면에 수직크랙을 형성하는 스크라이브(Scribe)

공정과 상기 크랙이 형성된 기판에 힘을 가해 절단하는 브레이크(Break) 공정으로

이루어진다. 그림 3.에 도시한 바와 같이 스크라이브 공정은 기판의 절단선을 따라

휠을 이동시키면서 기판에 수직크랙을 형성한다. 스크라이빙시 형성된 수직크랙으

로는 기판을 분리시킬 수 없기 때문에 브레이크바(break bar)를 이용하여 크랙이

형성된 기판의 반대쪽에 힘을 가해줌으로써, 크랙을 완전히 절단시켜 기판을 분리

시킨다.

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(용어설명)

* wheel 진입부: scribe wheel이 진입한 흔적

* wheel mark : wheel 이 지나가면서 생기는 자국

* 수직 crack : wheel mark를 핵으로 Glass 내부응력에 의해 진행한 crack

* 수평 crack : wheel이 지냐면서 Glass 응력에 의해 주변에 생기는 crack,

chip발생의 원인이 됨.

* 수직 crack은 클수록, 수평 crack은 작으면서 부드러운 형상일수록 불량발생

많아짐

그림 3. 스크라이브 공정 개략도

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스크라이브 공정에서 수직크랙을 형성하기 위해 쓰이는 커터는 대부분 수입품인 초

경합금 소재의 커터이며, 지금은 다이아몬드 소재의 커터가 사용되고 있다. 일반적

으로 초경합금(Hard metal, 또는 Cemented carbides)이란 원소 주기율표에서 Ⅳa,

Ⅴa, Ⅵa 족에 속하는 9종류의 천이금속 탄화물을 대상으로 하며, 이들 탄화물의

분말에 철족 금속(Fe, Co, Ni 등: 주로 Co를 사용함)을 접합제로 첨가하여 소결한

합금의 총칭이다. 인류가 오늘날의 과학기술문명을 꽃피우게 된 것은 산업혁명 이

후 개화되기 시작한 기계문명 초기부터 현재에 이르기까지 기계제작의 보조수단인

공구 및 공작기계의 이용과 개발이 동시에 이루어졌기 때문이다. 금속가공기술의

주요소는 정밀성, 신속성, 능률성인데, 공작기계의 개량이나 더욱 높은 정밀도의 측

정방법을 도입함으로써 가공기술의 정밀성은 대단히 향상될 수 있는데 비하여 가공

속도나 능률성의 향상은 주어진 공구재료에 의하여 제한을 받아 왔다. 절삭가공기

술의 초기단계에는 탄소강이 공구재료에 사용되었으나 절삭가공속도는 수 m/min에

불과했다. 그 후 고속도장이 개발되고, 이것을 Taylor와 White가 공구재료에 도입함

으로써 절삭속도는 크게 증가되어 20-40m/min에 도달하기에 이르렀다. 그 후 가

공기술에 획기적인 발전에 결정적인 기여를 한 탄화물과 접합금속으로 이루어진 소

결초경합금제의 절삭 공구재료가 개발됨으로써 주철, 강을 위시한 비금속 피삭재료

의 절삭에 100 m/min 이상의 가공속도를 낼 수 있게 되었으며, 어떤 특정한 경금

속의 절삭가공에서는 1,000 m/min의 초고속절삭도 가능하게 되었다. 초경합금재료

는 우수한 내마모성, 고온강도, 탄성률 등의 특성을 가지므로 비절삭용 공구재료에

도 널리 응용되고 있다.

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초경합금의 성능향상을 위한 많은 연구에 의하여 절삭공구의 경우에는 절삭 성능의

향상을 위하여 화학증착(CVD)법, 물리증착(PVD)법에 의하여 경질층을 피복한 피복

합금이 개발되었으며, WC의 입도가 0.3㎛ 인 초미립자 초경합금, 열간정수압소결

(HIP)에 의하여 제품 중의 최대한 Pore를 제거한 합금 등이 제조되고 있다. 일반적

으로 직경이 1㎛ 이하의 입자를 초미립자라고 부르며, 정확하게는 입자의 크기가

대단히 작게 되어 감에 따라 물질이 본래 부터 가지고 있던 성질과는 상이한 특성

을 나타내는 크기의 입자를 의미한다. 따라서 대상으로 하는 물질의 성질에 의하여

그 한계의 입도는 반드시 일정하다고는 할 수 없다. 초미립자의 특성은 계면효과와

체적효과로 크게 나눌 수 있다. 구형의 입자를 예로 들면 표면적은 직경 d의 제곱

에 비례하고 체적은 입경 d의 세제곱에 비례하므로 입자의 체적과 표면의 비, 즉

비표면적은 입경의 역수 1/d에 비례한다. 입경 d가 극도로 작게 되면 비표면적은

상대적으로 팽대하게 된다. 입경이 1㎛ 일 경우는 비표면적이 약 1 m2/㏄로 되고,

입경이 0.01㎛(100A)일 경우는 비표면적이 약 10 m2/㏄된다. 이것을 표면에 있는

원자와 전체 원자의 비율로 환산하면 원자의 직경을 a라 할 때 약 a/d=2A의 경우,

1㎛ 의 입자에서는 2x10-4, 0.01㎛의 입자에서는 2x10-2 으로 된다. 즉 초미립자

일수록 표면의 비율이 크게 된다. 초미립자는 체적이 대단히 적어서 원자의 수가

적고 질량이 작다는 등을 원인으로 하는 여러 가지 현상을 무한개의 원자가 일정한

크기의 체적 중에 들어있다고 가정한 종래의 물성으로는 도저히 설명할 수 없는 점

이 많이 있는데, 이것을 체적효과라 부른다. 예를 들면 종래의 고체 열진동은 격자

진동에 한하므로 고체 그 자체는 움직이지 않으나, 가볍고 작은 초미립자의 경우는

격자뿐만 아니라 입자 전체의 진동도 고려하지 않으면 안된다. 초미립자의 상한계

는 전술한 바와 같이 물질 본래의 특성에 차이를 나타내는 크기에 달려 있지만 그

하한계는 있을 수밖에 없다. 입자가 극도로 작게 되어 원자 1개에 이르게 되면 이

것은 원자의 성질로서 이해해야 한다. 또 원자가 몇 개 모인 분자라는 집단은 마찬

가지로 분자의 성질을 나타낸다. 고분자라고 불리는 것들 중에는 수천개 이상의 원

자가 모여서 이루어진 것도 있으나 이것 역시 분자이다. 금속원자가 수개로부터 수

백개 모인 것도 있으나 이것은 크러스터(Cruster)라고 부른다. 원자의 수가 많은 크

러스터를 초미립자라고 하기도 하지만 그 한계는 분명하지 않다. 크러스터와 초미

립자의 큰 차이는 크러스터에는 수명이 있는 것도 포함되어 있어서 그것을 검출하

는 수단은 질량분석이나 전자선, 분자선의 산란에 의한 간접적인 방법밖에 없으나

초미립자는 원자현미경에 의한 직접적인 관찰이 가능하며, 다량으로 포집하여 초미

립체를 얻을 수 있다는 점이다. 초미립자 초경합금은 고경도, 고강도, 고내마모성을

겸비한 것으로서 저속절삭에서는 우수한 성능을 발휘한다. TFT-LCD 절단용으로도

다이아몬드 소재가 적용되기 전에는 초미립자 초경합금이 사용되었다.

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초미립자 초경합금은 고경도, 고강도, 고내마모성을 겸비한 것으로서 Co량이나 첨

가물에 따라 특성과 성능을 변화시킨 초미립자 초경합금으로서 특히, TFT-LCD 스

크라이빙시 저속절삭이면서 인선에 압착물이 발생하기 쉽고 압착물의 탈락에 따른

손상이 공구의 수명을 저해시키는 원인이 되며, LCD가루가 표면에 흡착되면, 제품

불량의 원인이 된다. 이 압착물의 분리손상에 강한 초미립자 초경합금은 보통 입도

의 초경합금보다 수명이 길고, 또 HSS보다 내마모성이 우수한 특징을 갖고 있다.

또한 플라스틱 같은 연한 재료의 절삭에는 약간의 공구마모에 의하여 절삭이 둔화

되면 Needle이나 반송물이 발생하고, 이것이 공구의 수명을 짧게 한다. 이 경우에

초미립자 초경합금을 사용하면 공구수명이 현저하게 연장되어 생산능률이 향상될

뿐만 아니라 임상면도 양호하게 된다. 초경합금의 용도 중에는 고장력이면서 가공

경화되기 쉬운 재료의 절삭에는 절삭저항이 크기 때문에 공구인선의 결손이나 변형

이 발생한다. 또 절삭열의 발생도 크게 되어 인선온도가 현저하게 상승하기 때문에

크레이터(crated)마모, 열균열, 융착 등의 손상을 일으키기 쉽게 되어 절삭이 곤란

하게 된다. 이와 같은 난절삭재에 대하여 고온 경도 및 강도가 높고, 압착에 대한

절삭열의 발생이 적은 초미립자 초경합금은 보통 입자 초경합금 보다 우수한 성능

을 발휘한다. 충격에 의한 결손이나 티핑에 강한 초미립자 초경합금은 프레이즈

(fraise) 절삭이나 단속절삭에도 그 성능이 우수하다. 일반 금형공구에는 보통 입도

의 초경합금을 사용한 것이 많으나 초미립자 초경합금은 날카로운 모서리(edge)를

가진 초정밀의 커터에 적합하게 사용되어 왔다. 즉, 초미립자 초경합금은 보통의 내

마모, 내충격용 공구재로서도 충분한 성능을 가지고 있으며, 특히 날카롭고 강인한

인선을 필요로 하는 경우에 적합한 특징을 갖고 있다.

상기의 초미립자 초경합금보다 더 우수한 성능을 가지고 있는 재료는 다이아몬드

소재 밖에 없으며, 다이아몬드 미분말을 고온초고압에서 소결하여 만든 공구는 초

경재료를 쉽게 가공할 수 있다.

- 17 -

탄소원소로 구성된 결정에는 흑연(Graphite)과 다이아몬드가 있다. 다이아몬드는 면

심입방격자 결정구조로 이루어졌으며 강한 공유결합을 하므로 지구상에서 제일 단

단한 물질로 알려져 있다. 이러한 다이아몬드는 자연에서 채취한 다이아몬드와 인

공으로 합성된 다이아몬드로 얻어지는데 결정구조상 단결정과 다결정으로 분류될

수 있다. 자연석 다이아몬드 중 절삭공구로서의 의미가 있는 것은 단결정 형태의

것이다. 자연석 다이아몬드 중에도 다결정 구조가 있지만 인공으로 합성된 다이아

몬드가 다결정이고 가격 면이나 특성 면에서 우수하므로 자연석 다결정다이아몬드

는 절삭공구로서 의미는 없다. 단결정 다이아몬드의 중요한 특성은 경도, 강성 또는

탄성계수와 같은 기계적 특성의 이방성이다. 이와 같은 이방성 때문에 단결정다이

아몬드를 절삭공구로 연삭 가공할 때 최대강도가 나오는 방향, 즉 (1, 1, 1) 면에

평행한 방향으로 절삭력이 걸리도록 공구인선을 잡아 주어야 한다. 또한 다이아몬

드는 고온에서 철과 친화력이 좋아 철계금속을 가공하기 어렵고, 벽개성 때문에 미

소한 벽개편이 이탈되는 박리현상이 나타나는 특성이 있다. 자연석 단결정다이아몬

드 공구의 인선에는 입자경계(Grain Boundary)가 존재하지 않으므로 매우 높은 표

면조도가 요구되는 초정밀 가공에 적합하다.

인조합성 다이아몬드는 흑연탄소를 촉매와 함께 고압하에서 1500C 이상으로 가열

하여 제조된다. 이때 얻어지는 인조 다이아몬드는 수백 마이크로 크기의 작은 업자

들이므로 Co 결합제를 섞어 고압에서 고온프래싱을 하여 고형화(Consolidation) 한

다. 고형화된 다이아몬드는 약 0.5 - 1 ㎜ 두께의 판재로 만들어지는데 경질합금

모재에 브레이징하여 약 3 ㎜ 두께로 만들어 인서트로 사용한다. 만들어진 인조다

이아몬드 공구는 등방성 재료이므로 경도 등의 기계적 성질에 방향성이 없다. 그러

나 단결정다이아몬드와 같은 공구인선을 얻을 수가 없지만 내마멸성도 매우 크며

외부충격에 덜 민감하여 절삭공구로 우수하다. 인조다이아몬드 공구는 경도가 매우

높으므로 심한 연마재가 들어있는 비철금속의 절삭가공에 적합하며, 특히 알루미늄

실리콘합금의 가공에 효과적이다. 그러나 철 또는 강철의 절삭가공에는 철의 탄소

에 대한 친화성 때문에 적합하지 않다. 절삭가공시 나타나는 접촉부분의 높은 온도

때문에 다이아몬드는 흑연화되어 철과 반응하게 되며 이로 인하여 공구마멸이 심해

진다. TFT-LCD 재질과 같은 소재를 초정밀하게 절단하기 위해서는 경도가 높은

다이아몬드를 사용하게 된다. 다이아몬드 소결체 제조는 일반적으로 다이아몬드 초

미립자 알갱이를 금속촉매와 혼합하여 펠릿화한 후 초경합금 위에다 층상으로 겹쳐

서 고온-초고압하에서 소결한다. 본 연구 개발에서는 제 1 초경기판과 제 2 초경기

판 사이에 샌드위치형으로 결합하여 내마모성을 크게 향상시키도록 다이아몬드 소

결체를 갖는 액정화면 디스플레이용 커터 제조기술을 확립하는 것이다.

- 18 -

제 2 절 연구의 필요성 및 목적

제2의 반도체 산업이라고 말하는 TFT- LCD 기술은 다양한 환경에서 높은 신뢰성,

높은 이동성(휴대의 편이성), 높은 환경친화성 등의 장점을 갖고 있어서 가정용 TV,

의료용 모니터, 개인 휴대용 운항시스템은 물론, 군사용 및 우주과학용표시장치 등

에 활용되고 있고 시장 규모가 급격히 팽창하고 있다. 국내의 TFT- LCD 생산 기

술은 외형적인 면에서 국제경쟁력을 확보하고 있으나 원료 및 가공장비 등을 선진

국에 의존하고 있어서 장기적인 국제경쟁력 확보가 관건이 되고 있다. TFT- LCD

산업이 내실있는 국제경쟁력을 확보하기 위해서는 일본 및 미국에서 수입하는 생산

장비뿐만 아니라 부품, 절단용 커터와 같은 주변기술의 확보를 위한 기반기술의 개

발이 시급하다. Table 1.은 기존 CRT를 능가한 TFT-LCD 모니터의 특성을 나타내

었다.

Table 1. CRT/TFT-LCD 모니터의 특성 비교표

특 성 17“ CDT 모니터 15“ TFT 모니터 비 고

휘도 35 FL 60 FL A

중량 20 ㎏ 7 ㎏

Depth 480 ㎜ 150 ㎜O

Safety 방폭 필요 상대우위

소비전력 110 W 40 W A

전자파 TCO 95 만족 상대 우위 O

수명 12,000 hrs 15,000 hrs⋆발열 상대 열세 40 msec O P

응답속도 상대 우위 상대 우위 H

시야각 상대 우위 120°~160° H

Flicker 고주파 부분 Flicker

색표현 상대 우위 -

가격(Retail) $ 500 $ 1500 A

용도별 A : AI l, H : Home, O : Office, P : ProfessionalI

- 19 -

기존 TV도 한 단계 업그레이드 될 것이며, 향후 2-3년 이내에는 게임방, 영화관,

박물관 등에서 3차원 디스플레이가 선을 보일 것이다. 대형 TV나 벽걸이 TV는 지

금의 브라운관 TV처럼 대중화 될 것이다. 생산을 위한 가공 산업 부분에서 사용되

는 LCD 절단용 커터류의 2001년 국내 시장 규모는 약 80억원에 이르며 전량 수입

에 의존하고 있다. 약 500억원 규모의 세계시장은 LCD산업이 그만큼 중요한 산업

임을 보여주는 것이다. 향후 LCD생산 장비의 국산화를 위한 과제는 이 산업의 국

제경쟁력 확보를 위하여 꼭 필요한 기술개발 과제이다.

LCD를 초정밀 절단하는 커터로서의 다이아몬드 커터는 초고온고압 조건에서 미크

론 크기의 다이아몬드 분말을 합성 소결시킨 다결정질 소결체로서, 중앙 인선부의

다이아몬드 경도부와 높은 인성을 갖는 초경합금 소결체를 양쪽에 삼층접합시켜 제

조된다. 이렇게 제조된 다이아몬드 커터는 커터용도 이외에도 다결정질 다이아몬드

의 고내마모성을 이용한 응용분야에도 사용할 수 있다.

LCD를 초정밀 절단하는 커터류의 제조공정에서 중요한 점은 커터가 극소형이기때

문에 난삭재인 다이아몬드 소결체를 가공하기 위해서는 극소형 난삭재를 가공할 수

있는 전용 가공장비 제조기술이 전제되어야 한다. 난삭재 가공용 전용 연삭장비 개

발이야말로 극소형 정밀 부품의 가공에 필요한 필수 기술이라 할 수 있다. 이 부품

ㆍ소재 기술개발 사업은 TFT - LCD를 초정밀하게 절단하는 커터를 제조하기 위하

여 초고압 기술을 응용하여 다이아몬드 분말을 고온고압에서 소결하여 강하고 치밀

한 소결 다이아몬드 커터의 재료를 제조하여, 이를 TFT - LCD 커터로써 제조하기

위해서는 커터가 극소형 크기이면서 재료자체가 난삭재이기 때문에 전용 연삭가공

기를 설계 및 제조하여 TFT - LCD 초정밀 다이아몬드 커터를 국산화하는 것을 목

적으로 하는 연구이다.

다이아몬드 합성에 관한 연구는 1950년 말에 실제 응용되기 시작한 이래 많은 발

전을 거듭해 왔다. TFT - LCD를 정밀하게 절단하는 커터로서의 다이아몬드 커터

는 초고온고압 조건에서 미크론 크기의 다이아몬드 분말을 합성 소결시킨 다결정질

소결체로써 중앙 인선부의 다이아몬드 경도부와 높은 인성을 갖는 초경합금 소결체

를 양쪽에 삼층 접합시켜 제조된다. 이렇게 제조된 다이아몬드 커터는 커터용도 이

외에도 다결정질 다이아몬드의 내마모성을 이용한 응용분야에도 적용 확대시킬 수

있다.

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TFT - LCD를 정밀하게 절단하는 커터류의 제조 공정에서 중요한 점은 커터가 극

소형이기 때문에 난삭재인 다이아몬드 소결체를 가공하기 위해서는 재래식 연삭,

연마공정을 통해서는 품질 및 생산성 면에서 경쟁력이 떨어지기 때문에 극소형 난

삭재를 가공할 수 있는 전용 가공장비 제조기술이 전제되어야 하기 때문에 위탁기

관을 통하여 가공 메카니즘 이해를 통해 주요 부품과 설계를 하여 설치 적용될 수

있는 연삭휠 및 극소형 피삭제를 지지할 수 있는 클램프 등을 개발하여 1차

Prototype을 조립 제작하여야 한다. 난삭재 가공용 전용 연삭장비 개발이야말로 극

소형 정밀부품의 가공에 필요한 필수 기술이라 할 수 있다. 앞으로의 LCD산업이

초고속 성장함에 따른 절단용 커터의 수요가 급증할 것에 대비하여 특허로 인증된

샌드위치형 다이아몬드 커터를 국산화하는 것은 수입대체 효과뿐만이 아니라 필수

소재의 기술력 확보와 극소형 난삭재를 가공하기 위한 전용 연삭 가공에 설계 및

제조 기술의 확보라는 면에서 매우 중요하다.

본 연구는 TFT-LCD와 같이 비금속제로 된 각종 피절단물을 절단할 때에 피절단물

에 스크라이브 라인을 생성시켜 주는데 사용되어지는 TFT-LCD 초정밀 절단휘일의

절단홈을 성형시켜 주기위한 초정밀 절단커터를 기존의 초경합금소재로 제조되었던

것을 특허화된 샌드위치형 다이아몬드소재로 제조하는 연구이다.

그림 3.은 통상적으로 사용되어지는 Glass 절단을 도식적으로 그린 것이며, Glass

절단휘일은 헤드의 하단에 설치되어 절단파지부의 내부에 설치된 동격수단에 의해

소정의 속도로 회전시키면서 Glass와 같은 피절단물의 표면에 직선 또는 곡선의 스

크라이브 라인을 형성시킬 때에 적용된다. Glass 절단기에 장착하여 사용되어지는

Glass 절단휘일은 일정한 두께와 원판형상으로 외주는 스크라이브 라인으로 되는

중심선을 기준으로 그 양측에는 외측으로 경사지는 경사면이 형성되어 있으며, 외

주 중심선상의 스크라이브의 각도를 이루고 있다. 기존의 초경재질의 절단휘일의

방법은 스크라이브 라인에 절단홈을 성형시키는 컷팅디스크의 컷팅면이 거칠고 균

일하지 못하였으므로 절단홈 간격과 깊이도 성형시킬 수 없었을 뿐만 아니라 절단

홈의 내면이 거칠게 성형되어지는 문제점이 있었다. 인접하는 절단홈의 기저부끼리

의 간격 즉 커팅돌부 간격을 일정하게 유지하지 못하여 커팅홈 간격과 커팅돌부 간

격으로 이루어지는 피치가 일정하지 못하였으므로 Glass 절단휘일의 품질을 떨어뜨

리는 문제가 있었으며 생산성도 현저히 떨어지는 문제도 있었다. 기존의 절단휘일

의 피치 및 깊이가 일정하지 못한 종래의 Glass절단휘일을 Glass와 같은 피절단물

에 스크라이빙시키게 되면 피절단물에는 스크랩라인이 발생되어지고 동시에 스크랩

라인의 주변에는 수평 크랙이 불규칙하게 발생될 뿐만 아니라 크랙이 불균일하고

피 절단물의 저면에까지 형성되지 못하였다. 따라서 피절단물을 분리시키더라도 스

크랩라인과 불규칙한 크랙에 의해 분리가 원활하게 이루어지지 못하였을 뿐만 아니

라 연속적으로 분리시킬 수도 없는 문제가 있었고, 분리면이 불규칙한 상태를 유지

하게 되어 피 절단물의 품질을 현저하게 떨어뜨리는 문제점이 있다.

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제 2 장 샌드위치형 다이아몬드 소결체의 개발

제 1 절 서 론

일반적으로 컴퓨터 산업, 디지털 영상 부분의 핵심인 칩(Chip)의 소재가 되는 실리

콘웨이퍼(Silicon Wafer)나 액정 셀(Cell)의 가공 및 절단공정에 커터 공구류가 사용

되고 있다. 액정화면디스플레이(LCD)의 제조공정에는 강화유리기판 두장이 합착된

기판을 스크라이브하고 절단하는 공정이 필요하다. 절단공정은 셀단위의 절단과 액

정 주입을 위해 어셈블이 완료된 기판의 실(Seal)을 한후 소정의 캡 상태로 유지하

며 경화시키는 공정의 다음 단계이다. 이와 같이 액정화면디스플레이용 커터는 반

도체생산라인에서는 크라이브라인을 따라 절단하는 다이싱(Dicing) 공정, 웨이퍼의

완전절단공정, 힘을 가하여 절단하는 브레이킹 공정전에 사용하고 있다.

종래 액정화면디스플레이용 커터는 사진 1. 에 나타내었다. 대부분을 수입에 의존

하고 있으며, 초경합금재질로 이루어져 있다.

사진 1. TFT - LCD 절단용 커터 SEM 사진

- 22 -

TFT-LCD 절단용 커터는 원형의 커터 몸체와, 몸체의 사방둘레를 따라 일체로 형

성된 절단날부로 이루어졌다. 기존의 커터재질은 대부분이 초경합금으로 이루어 졌

다. 초경합금은 탄화텅스텐(WC), 탄화티타늄(TiC) 등 매우 단단한 금속간 화합물의

분말과 결합제로서 코발트 등의 분말을 섞은 것을 압축 성형 후 고온으로 소결한

합금이다. 이와 같은 구조로 이루어진 기존의 커터는 몸체에 사진 2. 의 다이싱바

를 끼워 고속으로 회전하면서 액정화면 디스플레이의 표면을 스크라이빙하게 된다.

사진 2. TFT-LCD 절단용 커터의 다이싱바 (내경편)

그러나 무엇보다 액정화면디스플레이의 표면은 경도가 높지 않아 다이싱 및 절단

시 소성변형(Plastic strain) 이 일어나 커터의 절단날부의 마모로 인한 다이싱 폭이

넓어질 수 있으며, 액정화면디스플레이는 칩핑(Chipping ; 절단날부의 깨짐)이나 백

사이드크랙(Backside Crack; 웨이퍼 후미의 깨짐)이 발생되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점 등을 해결하기 위해 다이아몬드 분말과 소결조제를 혼합하여 다이아

몬드 소결체를 생성하고, 이를 제 1초경기판과 제 2초경기판사이에 샌드위치형으로

결합하여 내마모성을 크게 향상시키는 다이아몬드 소결체를 갖는 액정화면디스플레

이 커터를 제조하는 원천기술을 확보하는 것이다.

Tabie 2. 에는 다이아몬드 소결체와 초경합금소재(K10)와의 기계적, 물리적 성질을

비교하였다.

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Table 2. 다이아몬드소결체와 초경합금(K10) 성질 비교

물성치 다이아몬드 소결체 초경합금(K10)

경도(Hv, ) 6,500 - 8,000 1,500 - 1,600

항절력(kgf/㎜2) 280 140 - 160

탄성률(㎏/㎜2) 56000 63000

압축강도(kgf/㎜2) 420 560

열전도율(cal/cm.sec.℃) 0.24 - 0.26 0.19

열팽창계수 (3.0-3.6)×10-6/℉ 5×4-6/℃

지난 수년간의 연구 경험을 바탕으로 양질의 다이아몬드 소결체를 합성하기 위한

기술을 개발하면서 얻은 Know-how를 바탕으로 초경합금(WC - Co) 지지체 위에

다이아몬드 층을 놓고 소결시킨 일반적인 다이아몬드 소결체를 만드는 방법과는 달

리 상하면에 초경합금 지지체를 놓고 그 중간층에 다이아몬드 소결체를 만드는 샌

드위치형 다이아몬드 소결체 제조 기술은 더욱 난이도를 요하는 기술이다.

특히 다이아몬드 입자 크기가 미세한 경우(2~4 ㎛ 정도) 소결이 힘들었으며 소결

후의 미세조직도 매우 불균일하고 비정상 입자성장이 심하였다. 비정상으로 자란

다이아몬드 입자의 크기는 사용한 분말크기의 몇 배 이상의 크기에 달하였다. 이러

한 문제점들 때문에 1차 년도에서는 양질의 소결체를 만드는데 다이아몬드 크기를

8~12 ㎛, 4~6 ㎛ 2 종류의 Type 에 집중적으로 실험을 하였다.

이렇게 만들어진 다이아몬드 소결체를 표면, 두께, 구멍가공을 통하여 원하는 LCD

커터 용도로 만들기 위해서는 극소형 크기인 커터의 뾰족한 날 부분의 각도를 날카

롭게 연삭가공을 행하여야 하는데, 크기가 소형이면서 난삭재 재질이기 때문에 종

래의 연삭가공 장비로서는 한계가 있기 때문에 연삭 가공 시스템을 확립할 목적으

로 연구, 개발을 통해 초정밀 가공기의 설계 및 제작기술을 확보하여 TFT - LCD

를 절단하는 종래의 초경합금 커터보다 10 배 이상의 수명을 발휘할 수 있는 다이

아몬드 커터를 제조하는 기술을 확립하는 것이 본 연구의 범위로 한다.

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최근 소형, 경량화 및 저소비전력 등의 장점으로 음극선관의 대체품으로 각광을 받

고 있는 액정표시기(Liquid Crystal Display,이하 LCD라 표기함)모듈은 LCD 패널

내부에 주입된 상태로 전기신호에 의하여 광을 통과 및 차단시키는 광 셔터 성질을

갖는 액정을 이용한 평판표시장치이다. 능동형 액정표시장치 중 가장 널리 사용되

는 박막트랜지스터(Thin Film Transitor;이하 TFT로 표기함) 액정표시장치는 크게

TFT기판과 TFT기판을 마주보도록 부착되는 칼라필터 기판 및 액정으로 구성된다.

이와 같은 TFT기판과 칼라필터기판은 약 6장의 LCD단위 셀이 동시에 형성 가능한

두 장의 대형 유리 모 기판에 각각의 구성요소들이 형성된다. TFT기판용 유리 모

기판에는 복수의 게이트 라인들과, 게이트 라인들과 서로 수직 교차되도록 형성된

복수개의 데이터라인들과, 게이트 라인들과 데이터 라인들의 각 교점에 형성된 박

막트랜지스터 소자들 및 화소전극들이 형성된다. 또한 나머지 한 장의 유리 모 기

판인 칼라필터 기판에는 적, 녹, 청의 칼라필터층과 블랙 매트리스, 및 대향전극이

형성된다. 블랙 매트리스는 컬러 필터층간의 빛의 혼입을 방지하는 동시에 TFT 기

판의 박막트랜지스터가 오프 상태에서 동작 하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이와

같은 구성요소들이 형성된 TFT 기판과 칼라필터 기판은 상호 얼라이먼트된 후 칼

라 필터 기판과 TFT기판 사이로 액정이 주입되기 전에 개별 LCD단위 글라스로 절

단된다.일반적으로 절단을 위한 장치로는 다이아몬드 커터를 이용하는 장치가 많이

사용되고 있다. 다이아몬드 커터를 이용한 절단장치는 유리 모 기판에 절단선 또는

스크라이브 라인이 형성되고, 스크라이브라인을 따라서 경도가 높은 다이아몬드 커

터가 지나가면서 경도가 낮은 유리 모 기판에 소정 깊이의 예비 절단홈을 형성한

다. 이후 유리 모 기판에 미약한 충격을 인가하여 유리 모 기판의 예비 절단 홈을

따라서 합착상태의 유리 모 기판을 단위 글라스로 분리한다. 이후 분리된 LCD단위

글라스는 액정의 주입과정과 후속 조립 과정을 거쳐서 LCD 패널이 제작되고, LCD

패널과 백라이트 어셈블리등이 다시 조립되어 하나의 완성된 LCD모듈이 제작된다.

한편, 레이저 빔을 이용하는 절단장치는 절단선 또는 스크라이브 라인을 따라서 레

이저 빔을 조사하고 레이저 빔이 조사된 절단선에 냉각제를 분사하여 절단선에 크

랙을 발생시켜서 합착 상태의 유리 모 기판을 단위 글라스로 분리한다.

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제 2 절 연구개발의 목적 및 필요성

본 연구의 목적은 TFT-LCD를 초정밀하게 절단하는 샌드위치형 다이아몬드 커터를

제조하는 기술을 확보하는 것이다. 무엇보다 고경도 재료인 다이아몬드를 초고압

하에서 샌드위치형으로 소결하여 TFT-LCD 스크라이브라인에 절단되어지는 절단홈

의 간격과 깊이 및 절단돌부의 간격을 일정하게 성형시킬 수 있도록 하는 것이다.

또한 TFT-LCD 절단홈의 내면을 매끄럽게 성형시킬 수 있도록 하며, TFT-LCD 초

정밀 절단커터의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있도록 설계된 TFT-LCD 절단용 초

정밀 다이아몬드 커터 제조기술을 개발하는 것이다. 또 다른 목적은 피치를 일정하

게 하여 피절단물을 스크라이빙시킬 때에 스크랩라인을 일직선상으로 형성시킬 수

있고 균일한 크랙이 피절단물의 저면에 까지 형성시킬 수 있으며, 피절단물을 분리

시킬 때에 원활하고 연속적이면서도 매끄러운 상태로 분리시킬 수 있도록 된

TFT-LCD 절단기용 샌드위치형 다이아몬드 커터를 제조하는 연구이다. 아울러 목

표를 달성하기 위해서는 난삭재인 다이아몬드 소결체를 초정밀하게 가공할 수 있는

전용 연삭기를 제작하여, 최종적인 샌드위치형 다이아몬드 소결체 커터를 개발하는

것이다. 특히 마지막인 2차년도의 연구개발의 내용은 샌드위치형 다이아몬드의 합

성기술을 더욱 개선하고, 다이아몬드 분말의 입자형태와 입도를 개선하여 양질의

다이아몬드 소결체를 제조하고, TFT-LCD 초정밀 다이아몬드 커터를 제조하는 것

이다. 그림 4. 에서는 다이아몬드 소결체의 제조공법을 초경합금 제조 공정도와 비

교하였다. 매우 유사한 점이 많다. 초고압하에서 탄소로부터 다이아몬드를 합성하고

소결하여 양질의 샌드위치형 다이아몬드 소결체의 제조기술을 개발하기 위해서는

기초적인 측면에서 이해되어야 할 문제점이 많다. 특히 다이아몬드 제품을 생산하

는 초고압기술의 특징은 기초기술이 곧바로 제품생산으로 연계되기 때문에 더욱 기

술보호가 철저해서 선진기술의 도입이나 선진업체의 기술지원은 기대할 수가 없다.

초고압 분야의 연구역사가 짧은 우리는 경험의 축적이나 기초이론의 확립이 되어있

지 않기 때문에 거의 단편적인 기술에 의존할 수밖에 없다.

본 “TFT-LCD 절단용 초정밀 다이아몬드 커터 제조기술 개발” 은 전량 외국에서

수입되고 있는 초경합금소재나 다이아몬드소재로 제조된 커터를 초고압에서 합성된

샌드위치형의 다이아몬드소재의 커터를 제조하기 위한 연구이다.

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그림 4. 초경합금과 다이아몬드 소결체 제조공정도 비교

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제 3 절 연구개발의 내용 및 범위(1, 2차년도)

1. 실험방법

실험에 사용한 다이아몬드 분말은 미국 G.E 사의 1~2 ㎛, 2~4 ㎛ 4~6㎛, 8~12

㎛ 크기의 5 종류 Type의 분말이었다. 첨가에 사용한 Co 분말은 H.C.Stack 사의

약 1.5 ㎛ 크기의 분말이었다. 대표적인 원료분말의 SEM 사진을 사진 3. 에 나타

내었다. 사진 3. 에서는 원료로 사용하는 다이아몬드 크기의 분포 및 형상을 나타

내었다.

사진 3. G.E.社 제품의 다이아몬드 입자 SEM 사진

분말의 혼합은 아세톤을 사용하여 Slurry 상태에서 하였으며 혼합이 끝난 분말은 건

조후 진공로에서 550°C에서 4시간동안 진공처리를 하였다. 다이아몬드 원료 분말

에 Binder로써 Co 분말을 2 ～ 20 Wt.% 첨가하여 혼합된 분말을 스테인레스통에

초경합금 구와 함께 넣고 아세톤을 사용하여 습식으로 72시간 동안 Ball Milling 하

였다. Milling된 분말은 건조한 후 직경 38㎜ 의 크기로 성형하였다. 열처리된 성형

체는 그림 5. 와 같은 고압합성셀 (High Pressure Cell)에 넣어 다이아몬드 소결체

를 제조하였다.

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초고압이 발생되기 위해서는 금형의 정확도도 중요하지만 그것에 못지않게 중요한

것이 초고압 Cell의 구성이다. Cell내의 각 부분들의 치수가 매우 정확하게 유지되

어야 하고 재질 자체도 일정하게 유지되어야 한다. 또한 초고압하에서 높은 온도가

발생되어야 하는 경우는 Cell을 구성하는 물질 자체의 선택이 중요하다. 이러한 요

소들이 적절히 선정되지 않았을 경우 압력이 제대로 발생하지 않는 것은 물론 결과

의 재현성에 심각한 문제를 제기한다. 진공처리가 끝난 분말은 그림 5.에서 제시된

시편구조와 같이 조립하여 소결실험을 행하였다. 소결조건은 5만 - 6만 기압으로

하였고, 가열온도는 다이아몬드 크기에 따라서 1350 - 1530 °C까지 다양하게 변화

시켰다. 소결이 끝난 시편은 연마기로 WC-Co층, 다이아몬드 층을 가공하고 Wire

EDM 장비로 절단하여 미세조직을 검사하였다.

그림 5. 다이아몬드 소결체를 제조하기 위한 Cell 조립도

8~12 ㎛ 크기의 다이아몬드 입자를 사용한 경우는 소결도 비교적 잘되었고 미세조

직도 매우 균일하였지만, 4~6 ㎛ 크기의 적은 입자로 갈수록 중간 다이아몬드층의

상ㆍ하층인 WC - Co층으로부터의 Co 액상이 이동이 불균일하여 다이아몬드 층의

Co 농도가 거리에 비례하여 연속적으로 변하고 그 계면이 불안정하여 소결체의 강

도가 현저히 낮다는 문제점이 있다.

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본 연구에서 행한 전체적인 합성 공정의 흐름은 그림 6.의 흐름도와 같다.

다이아몬드 소결체는 다이아몬드 입자들 사이에 Co분말의 Binder rk 분포하고 있는

복합소재이다. 소결조건인 온도 와 압력에서 소결조제는 액상(liquid phase)일 수도

있고, 고상(solid phase)일 수도 있으며 그자체가 (고상액상)의 2상일 수도 있다.

전형적인 다이아몬드 소결체의 미세조직은 기지상에 다이아몬드 입자가 분산되어

있고 접촉하고 있는 다이아몬드 입자간에 결합(직접결합)이 형성되어 있는 것이다.

본 연구에서는 다이아몬드 소결체의 물성(기계적성질)과 가장 밀접한 관련이 있는

미세조직의 제어를 고려한 소결조제를 이용하여 소결체의 미세조직 변화를 관찰하

는 것과 이를 바탕으로 다이아몬드 소결체가 형성되어 절단용 커터로 제조되기 위

해 절단을 위한 방전가공성을 첨가하기 위하여 선택된 소결조제를 이용하여 소결체

(다이아몬드 소결체 + 초경합금 모재)를 제조하는 연구를 병행하였다.

그림 6. 다이아몬드 소결체 제조 흐름도

- 30 -

2. 1, 2차년도 연구개발의 내용

본 연구에서 TFT-LCD를 초정밀하게 절단하는 샌드위치형 다이아몬드 커터를 제조

하기 위한 다이아몬드의 소결에 관해서는 본 연구의 1차년도부터 연구가 계속 진행

되어 왔다. 1차년도에는 샌드위치형 다이아몬드 합성에 대한 초고압 장비의 운용기

술이 미비하여 샌드위치형 다이아몬드의 소결에 관한 심도있는 연구가 진행되지 못

하였고, 2차년도 와서야 본격적인 연구가 진행되기 시작하여 소결밀도가 높고 미세

한 다이아몬드 입자를 사용하여 미세조직이 우수한 소결체를 얻을 수 있었다. 1차

년도에 사용한 소결방법은 샌드위치형의 중간에 있는 다이아몬드층의 상하층인

WC-Co 층으로부터의 Co 액상의 이동에 의한 소결법이였다. 그러나 이 방법은 샌

드위치형 중간층인 다이아몬드층의 Co농도가 WC-Co 층으로부터의 거리에 비례하

여 연속적으로 변하고 그 계면이 불안정하여 소결체의 강도가 떨어지는 문제점이

있었다. 액상이동법에 의한 소결법외에도 다이아몬드 층과 WC-Co층 사이에 고융

점 금속의 중간층을 두고 두층을 강하게 결합시키는 방법도 2 차년도에서는 시도해

보았다. 이방법의 장점은 각 층에서의 불균일성이 적다는 것이다. 소결증 Co 액상

의 이동이 없기 때문에 Co의 조성이 일정하고 중간층의 미세 조직이 매우 균일하

였다. 하지만 본 과제에서는 샌드위치형으로 소결하여야 하기 때문에 합성후 소결

체의 크랙발생이 많았다. 지난 수년간의 연구 경험을 바탕으로 양질의 다이아몬드

소결체를 합성하기 위한 기술을 개발하면서 얻은 Know-how를 바탕으로 초경합금

(WC-Co) 지지체 위에 다이아몬드 층을 놓고 소결시킨 일반적인 다이아몬드 소결

체를 만드는 방법과는 달리 상하면에 초경합금 지지체를 놓고 그 중간층에 다이아

몬드 소결체를 만드는 샌드위치형 다이아몬드 소결체 제조기술은 더욱 난이도를 요

하는 기술이다. 특히 다이아몬드 입자 크기가 미세한 경우(2-4 때 정도) 소결이 힘

들었으며 소결후의 미세조직도 매우 불균일하고 비정상 입자성장이 심하였다. 비정

상으로 자란 다이아몬드 입자의 크기는 사용한 분말크기의 몇 배 이상의 크기에 달

하였다. 이러한 문제점들 때문에 1 차년도에서는 양질의 소결체를 만드는데 다이아

몬드 크기를 8~12 ㎛, 4~6 ㎛ 2 종류의 Type 에 집중적으로 연구를 하였다. 2차

년도에서는 2~4 ㎛ 다이아몬드 입자를 가지고 집중적으로 합성을 하여 어느 정도

만족한 소결체를 얻을 수 있었다. 1~2 ㎛ 다이아몬드 입자를 가지고 합성한 결과

수축률이 많아서 양호한 형상을 유지기가 쉽지 않았다. 합성이 잘되면 입자가 성장

한 조직이 얻어졌다. 합성조건을 변화시켜 지속적으로 다이아몬드분말의 크기 및

Co 함량을 변화시켜서 치밀화되는 것을 관찰하였으며, 양쪽 WC-Co층과 중앙의

다이아몬드층 사이에 고융점 금속을 넣고 실험도 행하였다.

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TFT - LCD 절단용 커터로써 다이아몬드 소결체에 대한 본 연구 개발의 목적인 초

정밀 가공에서의 커터공구는 서브미크론 영역에서 경우에 따라서는 수 킬로미터 정

도의 거리를 안정적으로 절삭작업을 수행할 수 있어야 한다. 일반적으로 알려진 바

와 같이 절단용 커터는 공구의 형상이 피삭제에 전사되어 가공표면을 형성하기 때

문에 공구의 형상이 아주 중요한 인자가 된다. 초정밀 가공의 경우에 마이크론 수

준의 공구 날끝 형상과 공구 형상의 전사성, 내마모성 등의 특정에 의해서 다이아

몬드 소결체 공구가 사용된다. 현재까지 다이아몬드는 가장 경도가 높은 물질로 알

려져 있으며, 초정밀 가공 영역에서 중요한 날끝 인자의 공구 반지름을 어떤 물질

보다 날카롭게 만들 수 있기 때문에 초정밀 가공용 커터 공구라 하면 대부분 다이

아몬드 공구를 말한다.

본 1, 2차 연구에서는 다이아몬드 분말 입자의 크기 및 Binder 함량을 변화 시켜서

치밀화되는 소결체를 제조하였다. 사진 4.에서는 치밀한 미세 조직을 나타내었다.

사진 4. 치밀한 다이아몬드 소결체 미세조직 사진

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기존의 초경합금 소재로 이루어진 TFT - LCD 절단용 커터를 사진 5. 에 나타내었

다.

사진에서 나타내었듯이 초경합금 재질의 가공의 조도는 빗살무늬 형상을 그대로 가

지고 있으며 사용하면서 마모된 형상을 사진 6. 에 나타내었다.

사진 5. TFT - LCD 절단용 초경합금 소재로 된 커터 형상

사진 6. 사용한 후 초경합금소재 마모형상 사진 (200 M 사용)

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기존의 초경합금 소재로 이루어진 TFT - LCD 절단용 커터 휠을 샌드위치형 다이

아몬드 소재로 이루고자 하는 제조 기술은 초고온고압 조건에서 두께를 3중 샌드위

치형으로 하여 중앙 인선부의 다이아몬드 경도부와 높은 인성을 갖는 초경합금 지

지체를 양쪽에 삼층 접합시켜 제조된다.

본 사업의 진행 정도는 1차 다이아몬드 소결체 합성에 있어서는 샌드위치형 다이아

몬드 소결체의 물성은 다음과 같은 인자들에 의해 결정된다.

① 샌드위치형 다이아몬드 소결체의 密度

② 다이아몬드 입자와 기지상 分布의 均一性

③ 다이아몬드 입자와 기지상간의 結合强度

소결 밀도는 완전 치밀화되어야 만이 각도부 연삭 가공시 날끝이 예리한 상태를 유

지할 수 있기 때문이다. 두 번째 항은 소결 이전 분말의 혼합단계에서의 균일도에

의해서 결정되는 것이다. 미세한 분말일수록 응집이 심하여 소결조제와의 결합형성

여부에도 영향을 받지만 소결시 다이아몬드/기지상 계면에 열팽창 계수 차이로 인

한 응력이 발생하게 되며 소결체를 약화시키는 요인이 된다. 개발 초기에서는 소결

체의 박리 및 크랙으로 인하여 양호한 소결체를 얻는데 많은 시행착오를 초래했었

다. 일단 연삭가공할 다이아몬드 소결체 샘플을 얻기 위하여 Binder 함량을 20 %

정도 많은 양을 첨가하고 굵은 입자의 다이아몬드(8~12 ㎛)를 사용하여 사진 7. 에

서처럼 양호한 다이아몬드 소결체를 얻었다.

사진 7. 초기 실험 단계에서 제조한 다이아몬드 소결체

절대적인 크기의 관점에서는 두 분말의 크기 차가 심각한 정도는 아니지만 소결 후

의 미세 조직상에서는 큰 차이를 나타내었다.

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사진 8. 에서는 Binder 함량 5% 정도로 줄이고 합성한 소결체 조직 사진이다

사진 8. 8~12㎛ 다이아몬드를 사용한 소결체 조직 사진

1차년도 최종 목표인 양질의 다이아몬드 소결체에서 요구되는 미세한 입자구조를

가져야한다는 것을 만족시키기 위해서는 Binder 함량을 3% 정도로 하고 다이아몬

드 입자를 4~6 ㎛ 크기를 사용하여 사진 9.에서 처럼 미세한 소결체 조직을 얻게

되었다.

사진 9. 4~6㎛ 다이아몬드를 사용한 소결체 미세 조직

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2차년도 최종 목표인 양질의 다이아몬드 소결체에서 요구되는 미세한 입자구조를

가져야한다는 것을 만족시키기 위해서는 Binder 함량을 3 % 정도로 하고 다이아몬

드 입자를 2~4 ㎛ 크기를 사용하여 합성을 하였지만 고온 고압 프레스에서 합성이

쉽지 않았다. 사진 10. 에서는 2~4 ㎛ 다이아몬드 입자를 사용하여 얻은 치밀한

조직사진 이다.

사진 10. 2~4 ㎛ 다이아몬드 입자를 사용하여 얻은 치밀한 마세조직

초고압 프레스에서 초기 고압 셀 내부 변형이 심하여 정상적인 합성조건에 이르지

못한 경향이 나타났다. 또한 심한 Bending 현상과 합성시 초경모재와 다이아몬드

입자가 합성되는 계면에서 불완전한 접합현상이 나타남으로서 결국 치밀한 소결체

를 얻을 수 없었다. 사진 11.에서 초경합금 모재와 다이아몬드입자와 계면부를 관

찰하였다.

사진 11. 초경합금 모재와 다이아몬드 층의 계면부

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합성 시 나타난 문제점을 분석하고 현상을 살펴보면 다음과 같다.

위의 그림에서처럼 합성에서 나타날 수 있는 문제들을 해결하여 다음과 같은 몇 가

지 결론을 얻었다.

① 초기 Heating을 Slow하게 상승시키는 program이 셀 안정화에 도움이 되었으며,

적층된 셀의 상하 support dummy 로서는 초경합금보다 알루미나가 Bending 측면

에서는 양호한 결과를 나타내었다.

② 초경면 끼리 맞닿는 적층에서 심한 초경면 퍼짐현상은 중앙에 알루미나 Plug를

삽입하고 양방향 적층시킴으로서 결국 초경면 끼리 맞닿지 않게 되어 크랙이 줄어

들었다. 또한 초경면 끼리 닿는 셀적층에서 현재까지 사용한 도포제로서는 완벽하

게 합성후 초경면끼리 붙음을 막지 못했다. 향후 보다 안정적인 도포제를 개발할

필요가 있다.

③ 샌드위치형 다이아몬드 소결체 합성에서 다이아몬드 입자에 따라서 다른 합성

program을 개발 할 필요가 있으며, 냉각과정과 감압소요시간도 구분하여 차이점을

분석하여 적용한다면 수율이 향상될 것 같다. 또한 중요하게 반복된 점이지만 소결

후 미세조직상에서 나타난 국부적인 미소결 경향이 존재하는데 이 현상은 절대압력

부족으로 나타난 것이며, 압력보강 실험은 향후 계속될 과제이다. 이부분에서 보완

할 점으로는 조립 부품의 밀도를 향상시키는 방법이 우선적으로 진행될 것이다.

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제 4 절 연구개발 결과

1. 소결체의 특성평가 및 분석

가. 미세조직

(1) 치밀화 거동에 미치는 Co 함량의 영항

TFT - LCD 절단용 커터로써 다이아몬드 소결체에 대한 본 연구 개발의 목적인

WC-Co 초경합금 보다 경도가 높은 다이아몬드 소결체를 얻기위해서는 치밀한 미

세조직을 갖는 소결체를 만들어야 한다. 실제 제품에 사용되고 있는 다이아몬드 소

결체내의 Co함량을 정확히 알 수 없기 때문에 Co 함량의 변화를 먼저 관찰하였다.

Co 함량의 변화는 5-15% 이었다. 10 혹은 15%의 Co를 포함한 시편은 충분한 온

도 및 압력하에서도 dhks전한 소결체를 얻기가 곤란하였다. 이때 주로 사용한 다이

아몬드의 분말이 미세한 것일수록 균일한 혼합이 곤란하고 소결조건에서 시편내 액

상의 균일한 분포를 기대하기 곤란하다. 이것은 일반적으로 알려진 바와 같이 다이

아몬드의 표면에 대한 Co액상의 적심성(wettability)이 나빠서 불균일하게 분포된

Co 액상이 모세관을 따라 시편내에 균일 분포하는 것이 어렵게 되기 때문이다. 또

다른 이유는 소결에 필요한 절대액상량의 부족이다. 다이아몬드같이 고상입자의 변

형이 거의 없는 경우에 있어서는 액상이 입자간에만 국부적으로 고립되게 존재할

가능성이 높다. 결국 불균일한 액상의 분포, 불완전한 적심성, 적은 액상량 등이 치

밀화가 되지 않도록 함께 작용할 가능성이 높다. 실제로 액상량을 20% 이상으로

하면 같은 분말조건, 온도 및 압력조건에서 소결이 잘되었다. 이것을 부피분율로 환

산하면 약 11% 이상이 된다. 즉 2~4 ㎛ 정도의 다이아몬드 분말을 소결하기 위해

서는 Co 액상량이 부피비로 약 10% 이상의 액상이 필요함을 알 수 있다. 물론 이

때의 필요한 액상량이라는 것이 반드시 분말의 평균 크기에만 의존하는 것은 아니

고 그 때의 입도분포 및 입자의 형태 등에 밀접한 관련이 있다. 분말의 평균 크기

가 커지면 모세관의 크기는 증가하지만 기공량은 감소하므로 적은 Co함량에서도

소결이 가능 할 수 있다.

TFT-LCD 초정밀 다이아몬드 커터를 제조하기 위해서는 무엇보다 경도가 높은 조

직을 얻어야한다. 그러기 위해서는 미세조직이 치밀한 조직이 요구된다. 사진 12.

에서는 같은 다이아몬드 크기인 8~12 ㎛을 갖으면서 Co 함량의 차이에 따라서 미

세조직이 현저한 차이를 나타내고 있다.

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(a) Co 함량 - 22 % (b) Co 함량 - 5 %

사진 12. Co 함량의 차이에 따른 미세조직의 변화

사진 12.의 (a)와 (b)를 가지고 TFT-LCD 절단용 커터를 제조했을 때 (a)의 경우는

TFT-LCD 표면을 원형공구인 커터로 스크라이브 하면 표면에 양호한 스크라이브

선이 형성되지 않을 것이며, 일정한 수직크랙을 형성하지 못하고 단속적인 형태로

스크라이빙 될 것이다.

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(2) 치밀화 거동에 미치는 다이아몬드 분말 크기의 영향

미세한 다이아몬드 입자를 사용한 시편에서 다이아몬드 입자 크기의 영향을 쉽게

관찰할 수 있었다. 다이아몬드입자 크기가 미세한 경우 소결시에 심한 입자의 비정

상적으로 입자가 성장하는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서는 1 - 2 ㎛ 크기의

분말과 2 -4 ㎛ 크기의 분말을 사용 했을때 소결 후 미세조직의 변화를 관찰하였

다. 절대적인 크기의 관점에서는 두 분말의 크기차가 심각한 정도는 아니지만 소결

후의 미세조직상에는 차이점이 크다. 2 -4 ㎛ 크기의 다이아몬드 분말을 사용한 경

우는 소결도 비교적 잘 되었으며, 미세조직도 매우 균일한 것을 얻을 수 있었다. 그

러나 1 - 2 ㎛ 크기의 다이아몬드 분말을 사용한 경우는 소결이 2 -4 ㎛ 분말의

경우보다 힘들었으며 소결후의 미세조직도 매우 불균일하고 비정상입자성장이 심하

였다. 비정상으로 자란 다이아몬드 입자의 크기는 사용한 분말크기의 열 배 이상의

크기에 달하였다. 따라서 균일한 미세조직을 얻기 위해서는 가급적 굵은 쪽의 다이

아몬드 분말을 쓰는 것이 좋다. 그러나 이 경향은 양질의 다이아몬드 소결체에서

요구되는 미세한 입자구조를 가져야 한다는 것과는 정반대의 경향이다. 이로부터

적정 크기의 다이아몬드 분말의 선택조건을 결정할 수 있다. 때에 따라서는 입자의

크기보다는 Co의 함량이 더욱 문제가 되는 경우도 있는데 Co의 함량을 낮은 수준

으로 낮추기 위해서는 앞에서 언급한대로 굵은 분말을 사용하거나 공극을 줄이기

위하여 입도분포를 조절한 분말을 사용하는 것이 요구된다. 2 -4 ㎛ 분말의 경우는

1-2 ㎛ 분말에 비하여는 소결도 잘되고 미세조직도 균일하지만 약간의 비정상입자

성장거동을 보였다. 이와 같은 문제를 예상하여 처음 1차 년도에서는 8-12 ㎛ 크

기의 다이아몬드 분말을 사용하였다. 또한 좀 더 치밀한 소결체를 얻기 위해서 1차

년도에서는 8-12 ㎛ 크기의 다이아몬드 분말을 2-4 ㎛의 미세한 입자에 일정 무게

비로 50% 만큼 혼합하였다. 이 혼합 분말은 소결이 잘 되었으며 비정상업자 성장

현상도 관찰되지 않았다. 계면반응이 입자성장을 지배하는 물질계에서 큰 입자가

존재할 때 생기는 큰 입자의 우선 성장현상도 관찰되지 않았다. 따라서 굵은 입자

를 사용하지 않고 미세한 입자를 갖는 양질의 소결체를 얻는 하나의 방안은 이와

같이 분말의 입도를 인위적으로 조절하여 공극율도 조절하면서 비정상업 자의 성장

을 막는 방안이 제시될 수 있다. 실제로 이와 같은 결과를 이용하여 2차년도에 소

결한 제품을 사진 13. 에 나타내었다.

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사진 13. 8-12 ㎛ 굵은 분말에 2-4 ㎛ 분말을 첨가한 제품 사진

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나. 공정변수

(1) 합성전 전처리의 공정변수에 의한 영향

본 연구는 TFT-LCD 절단용 초정밀 샌드위치형 다이아몬드 커터를 제조하기 위한

연구를 위해서는 우선적으로 샌드위치형 다이아몬드 소결체를 제조해야한다.

TFT-LCD 절단용 공구로 사용되는 소결체를 이루는 초경합금 모재에 소결조제와

다이아몬드 분말이 균일하게 배합된 분말을 채워 합성용 프레스에서 초고온 및 초

고압의 상태로 가압 소결하여 절삭날의 소결체를 얻음으로써 상하층의 초경모재와

중간층의 다이아몬드 소결체의 강력한 결합강도에 따라 초경모재로부터의 다이아몬

드 소결체의 박리 현상을 방지함과 함께 한 번의 소결로서 3층의 샌드위치형 다이

아몬드 소결체를 제조하는 것이 본 연구의 핵심기술이다. 일반적인 다이아몬드 소

결체의 제조는 아래기판인 초경합금 모재에 위에 한층의 다이아몬드 분말을 채워

합성하는 방법이다. 이렇게 만들어진 두층의 일반 다이아몬드 소결체에 초경합금

모재 한 층을 용접하여 붙일 수도 있지만 사용 중에 쉽게 박리되는 문제점이 있다.

또한 고온 산화방지를 위해 진공용접 등의 방법이 시도되기도 하였으나, 고 비용에

따라 작업이 용이하지 않음에도 불구하고 용접에 의한 잔류 열응력 문제는 여전히

존재하게 되어 용접 중 다이아몬드 소결체와 초경모재 층간의 박리현상이 초래될

수도 있다. 따라서 상업적으로 다이아몬드 소결체와 초경모재를 용접하는 작업은

주로 대기 중에서 이루어지는데, 이 과정에서 고온 산화 등으로 손상을 입은 소결

체 절삭날은 가공중 절삭날의 조기마모 또는 파손등의 직접적인 원인이 되고, 이러

한 가열 용접방법의 문제점은 열응력에 의한 소결체 박리 현상을 일으키는 원인이

된다. 이러한 원인은 피 용접물인 다이아몬드 소결체와 초경모재 층이 접합된 이중

결합물질인 특성상 용접가열 과정에서 열팽창이 큰 초경모재의 지지부와 열팽창이

적은 다이아몬드 소결체 접합 계면에 열응력을 발생시킴에 따라 다이아몬드 소결체

와 초경모재가 박리되는 현상을 초래하게 된다. 원료 분말의 전처리에 의해서도 다

이아몬드 소결체의 박리현상과 밀접한 관계가 있다. 결정표면의 적심성에 영향을

주는 것은 표면상태, 즉 면의 거칠기(roughness) 및 면의 청결도 (cleanness)이다.

면이 거친 경우에는 같은 습윤각을 갖는 경우에도 현저히 적심성이 나빠진다. 그러

나 다이아몬드 분말의 경우는 이미 합성 시에 어떤 조건(온도, 압력, 원료흑연의 종

류, 촉매금속의 조성)에 따라서 결정표면의 거칠기가 결정되므로 표면의 거칠기를

개선하는 것은 주어진 분말에서는 불가능하다. 표면거칠기 못지않게 결정표면의 적

심성에 영향을 주는 것이 결정표면의 청결도이다. 표면에 붙어 있는 이물질이나 흡

착가스 등이 주된 문제이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나가 분말

의 진공처리이다. 다이아몬드 분말표면도 문제이지만 Co분말의 경우는 분말표면의

산화물 층과 흡착가스가 문제가 될 수 있는데 이를 위해서는 흑연발열체의 진공로

가 가장 적합했다.

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왜냐하면 진공에 의해서 흡착가스층이 제거되고 탄소분위기에 의해서 산화물층이

쉽게 환원될 수 있기 때문이다. 650·C에서 5시간 진 공 처리한 후 소결 했을때 진

공처리 하지 않은 경우에 비해 소결이 잘 되었다. 진공처리하지 않은 경우는 소결

밀도가 충분하지 않아서 연마도중 시편이 파손되었다. 사진 14. 에서는 내부인한

파손된 다이아몬드 소결체의 파단면 사진이다. 시편내부의 미세조직도 매우 불균일

하였다. 반면에 진공처리를 한 경우는 소결이 잘 되었으며 미세조직도 매우 균일하

였다. 특히 분말이 미세한 경우는 진공처리의 영향이 확실한 것으로 나타났다. 이는

분말이 미세할수록 비표면적이 넓어서 가스의 흡착량이 많아지기 때문으로 생각된

다. 다이아몬드 분말과 소결조제와의 습식 혼합에서 분말표면이 완전히 건조되지

않았거나 가연성 이물질이 포함된 것으로 판단된다.

사진 14. 내부결함으로 파손된 소결체의 파단면 사진

- 43 -

다. 마이크로경도(Hv)

기계적 성질이 우수한 샌드위치형 다이아몬드 소결체를 제조하기 위해서는 가급적

미세한 좁은 크기분포를 갖는 다이아몬드 분말을 소결조제와 균일하게 혼합할 수

있어야 하며, 다이아몬드 표면과의 결합력이 우수한 소결조제를 개발하여 미세한

다이아몬드 4~6 ㎛ 에서도 소결체 합성에 성공하였다. 다이아몬드가 커터로써 내

마모성을 요구하는 부품으로 사용될 수 있는 것은 무엇보다 경도가 타 물질에 비해

가장 강하기 때문이다. 다이아몬드 소결체의 상대 경도를 측정하기 위하여 Vickers

hardness test 방법으로써 하중 1㎏하에서 로써 구

했다.

앞서 설명한 대로 Binder 함량이 3 % 첨가되었을 때 조직이 치밀하면서 다이아몬

드 입자 크기가 작은 경우는 Hv = 2,488 정도 나타났으며, 조직이 치밀하지 않는

경우는 Hv = 1,455 정도 나타났었다.

실제 측정한 경도 값의 차이를 사진 15.에 나타내었다.

사진 15. 다이아몬드 소결체의 Vickers hardness test 결과 사진

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다이아몬드는 원자간의 결합력이 매우 견고하며 긁고 누르는 어떠한 경도 측정 방

법에도 타 물질에 비해 높은 수치를 나타낸다. 일반 절삭 공구와 달리 다이아몬드

공구의 경우에는 날끝 인선부의 마멸이 중요하게 된다.

날끝 인선부는 극도로 예리한 인선이므로 마멸되어 둔화되는 것이 당연하지만, 실

제로 그 끝이 얼마나 마모되었는지 측정하는 것은 상당히 어렵다. 마멸상태에 대한

광학현미경, 주사현미경 사진이 많이 발표되어 마멸현상 규명의 유력한 자료로 사

용되고 있지만, 실제로 초정밀 절삭과정에 적용하여 실용적으로 이용하기는 어렵다.

모든 물질 중에서 가장 단단한 다이아몬드는 전형적인 경취성 물질이다.

따라서 예리한 날끝에 박리현상이 나타나기 쉬우므로 세심한 주의가 필요하게 되

고, 이러한 박리가 일어나면 표면 거칠기를 나쁘게 하고 공구수명을 짧게 한다. 다

이아몬드 소결체 연삭 가공면에 따른 표면조도를 측정한 결과를 초경합금 재질과

비교하여 사진 16. 에 나타내었다.

초경합금재질

(표면조도 ; Ra=1,167㎛, Ry=24,273)

다이아몬드 재질

(표면조도 ; Ra=O.058㎛, Ry=11,510)

사진 16. 연삭 가공된 다이아몬드 소결체 표면조도 측정 결과

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제 3 장 초정밀 다이아몬드커터 가공기술 개발

제 1 절 서 론

본 연구는 TFT-LCD에 스크라이브 라인을 형성하기 위하여 사용되는 스크라이브

커터 휠과 이 커터 휠을 장착한 장치뿐만 아니라 카터 휠 내부의 핀을 포함하고 있

는 연구이다. 즉 TFT-LCD 절단용 커터로 사용되는 기존의 초경합금 재질의 커터

를 내마모성이 초경합금 보다 5배 이상 강한 다이아몬드 재질의 커터를 제조하는

것이다. 커터의 재질이 강한 다이아몬드 재질이기 때문에 가공 상의 어려움과 가공

비용이 높아 제조 코스트가 문제로 대두되었다. 이점을 해결하기 위해서 중앙 에지

부만 다이아몬드로 이루어지고 양측 지지부는 초경합금 소재로 이루어지도록 설계

되는 샌드위치형 다이아몬드 커터를 제조하는 것을 목표로 하여 진행되었다. 먼저

샌드위치형 다이아몬드 소결체를 제조하였다. 특히 샌드위치형 다이아몬드 소결체

를 제조함에 있어서 다이아몬드 분말의 입자 크기가 미세한 경우(2~4 ㎛ 정도) 소

결이 힘들었으며 소결후의 미세조직도 매우 불균일하고 비정상 입자성장이 심하였

다. 비정상으로 자란 다이아몬드 업자의 크기는 사용한 분말크기의 몇 배 이상의

크기에 달하였다. 이러한 문제점들 때문에 1차 년도에서는 양질의 소결체를 만드는

데 다이아몬드 분말 크기를 8~12 ㎛,4~6 ㎛ 2 종류 의 Type 에 집중적으로 실험

을 하였고, 2차 년도에서는 미세한 다이아몬드 분말 입자 크기인 1~2 ㎛,2~4 ㎛.

2종류와 2~4 ㎛의 미세한 분말에 8~12 ㎛, 4~6 ㎛의 분말을 혼합하여 치밀한 소

결체를 제조하는 연구를 병행하였다. 이렇게 만들어진 다이아몬드 소결체를 표면,

두께, 구멍가공을 통하여 원하는 LCD 커터 용도로 만들기 위해서는 극소형 크기인

커터의 뾰족한 날 부분의 각도를 날카롭게 연삭가공을 행하여야 하는데, 크기가 소

형이면서 난삭재 재질이기 때문에 종래의 연삭가공 장비로서는 한계가 있기 때문에

연삭가공 시스템을 확립할 목적으로 연구, 개발을 통해 초정밀 가공기의 설계 및

제작기술을 확보할 필요가 있었다. TFT - LCD를 절단하는 종래의 초경합금 커터

보다 10배 이상의 수명을 발휘할 수 있는 샌드위치형 다이아몬드 커터를 제조하는

기술을 확립하는 것이 본 연구의 최종 범위로 한다.

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최근 소형, 경량화 및 저소비전력 등의 장점으로 음극선관의 대체품으로 각광을 받

고 있는 액정표시기(Liquid Crystal Display,이하 LCD라 표기함)모듈은 LCD 패널

내부에 주입된 상태로 전기신호에 의하여 광을 통과 및 차단시키는 광 셔터 성질을

갖는 액정을 이용한 평판표시장치이다. 능동형 액정표시장치 중 가장 널리 사용되

는 박막트랜지스터(Thin Film Transitor;이하 TFT로 표기함) 액정표시장치는 크게

TFT 기판과 TFT 기판을 마주보도록 부착되는 칼라필터 기판 및 액정으로 구성된

다. 이와 같은 TFT 기판과 칼라필터 기판은 약 6장의 LCD 단위셀이 동시에 형성

가능한 두 장의 대형 유리 모 기판에 각각의 구성요소들이 형성된다. TFT 기판용

유리 모 기판 에는 복수의 게이트 라인들과 게이트 라인들과 서로 수직 교차되도록

형성된 복수개의 데이터라인들과, 게이트 라인들과 데이터 라인들의 각 교점에 형

성된 박막트랜지스터 소자들 및 화소전극들이 형성된다. 또한 나머지 한 장의 유리

모 기판인 칼라필터 기판에는 적, 녹, 청의 칼라필터 층과 블랙 매트리스, 및 대향

전극이 형성된다. 블랙 매트리스는 컬러 필터층간의 빛의 혼입을 방지하는 동시에

TFT 기판의 박막트랜지스터가 오프 상태에서 동작하는 것을 방지하는 역할을 한다.

이와 같은 구성요소들이 형성된 TFT 기판과 칼라필터 기판은 상호 얼라이먼트된

후 칼라필터 기판과 TFT 기판사이로 액정이 주입되기 전에 개별 LCD 단위 글라스

로 절단된다. 일반적으로 절단을 위한 장치로는 다이아몬드 커터를 이용하는 장치

가 많이 사용되고 있다. 다이아몬드 커터를 이용한 절단장치는 유리 모 기판에 절

단선 또는 스크라이브 라인이 형성되고, 스크라이브 라인을 따라서 경도가 높은 다

이아몬드 커터가 지나가면서 경도가 낮은 유리 모 기판에 소정 깊이의 예비 절단

홈을 형성한다. 이후 유리 모 기판에 미약한 충격을 인가하여 유리 모 기판의 예비

절단 홈을 따라서 합착상태의 유리 모 기판을 단위 글라스로 분리 한다. 이후 분리

된 LCD 단위 글라스는 액정의 주입과정과 후속 조립 과정을 거쳐서 LCD 패널이

제작되고 LCD 패널과 백라이트 어셈블리등이 다시 조립되어 하나의 완성된 LCD

모듈이 제작된다. 한편 레이저 빔을 이용하는 절단장치는 절단선 또는 스크라이브

라인을 따라서 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 조사된 절단선에 냉각제를 분사

하여 절단선에 크랙을 발생시켜서 합착 상태의 유리 모 기판을 단위 글라스로 분리

한다. 이 부품ㆍ소재 기술 개발 사업은 TFT - LCD를 초정밀하게 절단하는 커터를

제조하기 위하여 초고압 기술을 응용하여 다이아몬드 분말을 고온고압에서 소결하

여 강하고 치밀한 소결 다이아몬드 커터의 재료를 제조하여 이를 TFT - LCD 커터

로 써 제조하기 위해서는 커터가 극소형 크기이면서 재료자체가 난삭제이기 때문에

전용 연삭가공기를 설계 및 제조하여 TFT - LCD 초정밀 다이아몬드 커터를 국산

화하는 것을 목적으로 하는 연구이다. 다이아몬드 합성에 관한 연구는 1950년 말에