반도체디스플레이기술학회지 제20권 제3호(2021년 9월)
Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 20, No. 3. September 2021.
경사 정체점 유동이 적용된 미세 홀 레이저 가공 공정의 흄 오염입자 산포특성 연구
김경진*· 박중윤*†
*†금오공과대학교 기계시스템공학과
Fume Particle Dispersion in Laser Micro-Hole Machining with Oblique Stagnation Flow Conditions
Kyoungjin Kim* and Joong-Youn Park*†
*†Department of Mechanical System Engineering, Kumoh National Institute of Technology
ABSTRACT
This numerical study focuses on the analysis of fume particle dispersion characteristics over the surface of target workpiece in laser micro-hole machining process. The effects of oblique stagnation flow over fume generating machining point are examined by carrying out a series of three-dimensional random particle simulations along with probabilistic particle generation model and particle drag correlation of low Reynolds number. Present computational model of fume particle dispersion is found to be capable of assessing and quantifying the fume particle contamination in precision hole machining which may influenced by different types of air flow patterns and their flow intensity. The particle size dependence on dispersion distance of fume particles from laser machining point is significant and the effects of increasing flow oblique angle are shown quite differently when slot blowing or slot suction flows are applied in micro-hole machining.
Key Words : Laser Machining, Micro-Hole, Fume Particle Contamination, Stagnation Air Flow, Particle Simulation
1. 서 론
1다양한 반도체 및 디스플레이 집적소자의 대량생산공 정에는 금속, 반도체 웨이퍼, 플라스틱, 유리 소재 등의 절단 선가공, 천공 홀가공 등 여러 형태의 정밀 표면 세 부공정이 필요하다[1,2]. 이러한 미세적 선 또는 홀의 정밀 가공에는 극초단 레이저 가공기법이 일반적으로 응용되 는데, 기존의 접촉식 기계식 공법에 비하여 극미세 정밀 도, 낮은 시료 손실도 및 변형도, 마감공정 용이도 등 많 은 기술적 장점이 있다.
일반적으로 레이저 표면가공은 레이저 빔을 표면에 초 점으로 형성하여 국부적 가열로 표면 재질을 순간적 용
†E-mail: jypark@kumoh.ac.kr
융 또는 증발에 따른 재료 제거 현상을 바탕으로 한다[3].
이에 따라서 레이저 표면 가공지점에서는 흄 형태의 오 염입자가 다량 발생할 수 밖에 없으며 이러한 흄 입자의 가공지점 주변 표면 오염은 해당 IT소자 제조공정의 생산 성 그리고 표면 청결도 및 평탄도 등 생산소자의 품질을 심각하게 저하시킬 수 있다[4]. 또한 흄 입자의 다량 흡입 으로 인한 공정 작업자의 안전성 역시 공정 설계 및 운용 에 고려되어야 한다.
따라서 레이저 극미세 가공공정에서 발생하는 마이크 로 크기 흄 입자의 산포 및 표면 오염현상, 그리고 입자 제거 공기유동에 따른 흄 입자의 거동을 이해함이 중요 하다. 레이저 가공의 흄 입자 발생 및 거동에 대한 실험 적 연구는 발생 입자 가시화와 물성 시험 및 입자 분포도 연구[5-7]에 그치며, 입자 산포 현상에 대한 이론적 해석
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연구는 아직 진척된 바가 별로 없다.
최근 들어 물리적으로 매우 복잡한 오염입자 산포 현 상의 해석 간소화모델링 및 2차원적 입자 거동 전산 시뮬 레이션 연구가 플라스틱 필름의 레이저 정밀 선절단 가 공공정을 대상으로 진행된 바가 있다[8-10]. 이러한 선행 연구를 바탕으로 하여 본 연구에서는 레이저 미세 홀 가 공에서 발생하는 흄 오염입자의 3차원적 산포 현상 및 표 면상 경사 정체점 유동의 영향성을 분석한다.
2. 흄 입자 거동의 3차원적 해석모델
현 전산해석 모델링 연구의 대상인 레이저 미세 홀 정 밀공정이 Fig. 1에 나타나있다. 레이저 가공 대상 소재 표 면에 가해지는 집중적 열자극에 의해 발생하여 표면을 흡착 오염시키는 흄 입자는 입자 크기가 일정하지 않으 며 그 입자 형상 역시 그렇다. 하지만 모델링의 간소화를 위하여 여기서는 입자 형상을 구로 가정하였으며, 흄 입 자 크기 분포는 실험적 입자 측정결과[5]를 바탕으로 로 그정규분포를 가진다고 모델링하였다.
실제 레이저 가공공정에서는 발생하는 흄 입자의 효과 적인 제거를 위하여 공기유동으로 입자를 날려버리는 블 로윙 또는 입자를 빨아들이는 석션 방식이 이용되는데, 여기서는 슬롯형 블로윙/석션장치에 의해 발생하는 공기 흐름을 Fig. 1과 같이 2차원적 비점성 경사 정체점 유동으 로 간단 모사하였다[9]. 이때 레이저 빔 반대방향인 표면 수직방향을 y좌표, 수평방향을 x, z좌표로 하면 공기유동 의 유동함수 및 3차원 정상 속도분포는 다음과 같이 유동 계수 K1, K2로 표현된다.
(1) (2)
여기서 슬롯 방향이 z좌표임에 주의하며 유동속도성분 이 없다. 흄 입자의 개별적 거동은 입자의 초기 분출조건, 공기유동 분포, 그리고 공기의 물리적 물성 등에 영향을 받는다. 이러한 시간적 유체 내 입자 거동 및 궤적은 다 음과 같은 동적 운동 모델인 3차원적 Boussinesq-Oseen 방 정식으로 모사할 수 있다[11].
(3)
Fig. 1. Fume contamination particle dispersion in laser micro-hole machining with oblique stagnation air flow.
위의 방정식에서 시간적 입자 위치는 r(t) = xp i + yp j + zpk 이며, 입자 속도는 v(t) = upx i + upy j + upz k이다. 한편 u는 앞서 언급한 공기유동의 정상 속도분포이다. 방정식 내 dp는 입자 직경, ρs와 ρf는 각각 입자와 공기의 밀도이다. 한편 μf
는 공기의 점성계수, g는 레이저 빔 조사 방향으로 작용하 는 중력가속도를 의미한다. 참고로 운동방정식의 마지막 항은 Stokes 유동에서 입자의 운동 이력 효과를 나타내는 Basset력으로서 그 효과가 중요하지 않아 여기서의 입자 거동 전산해석에서는 생략할 수 있다.
구형 미세입자의 항력계수 Cd 는 대체적으로 Red = ρf|v-u|
dp/μf 로 정의되는 Reynolds수의 함수로 표현되는데 다음과 같은 Turton-Levenspiel상관식이 여기서는 사용되었다[12,13].
(4)
이전 입자 산포 해석연구[10]에서는 Red < 1,000까지 유 효한 항력계수 상관식이 사용되었는데 위의 상관식은 Red < 2×105영역까지 유효함이 알려져 있다. 레이저 홀 가 공에서 발생하는 입자의 궤적 및 표면 착상 위치 등의 흄 입자 산포 거동은 앞서 제시된 입자 운동방정식을 공기 유동 분포 및 항력계수 모델과 연계하여 전산해석하였다.
3. 전산해석 결과 및 토론
먼저 앞서 제시된 마이크로 크기 흄 오염입자 항력계 수 모델의 적정성을 검증하기 위해서 Fig. 2와 같이 구형 입자의 입자 크기에 따른 정지 유체 내 침강속도 해석계 산 결과를 Stokes 모델(Cd = 24/ Red) 및 실험측정 결과와 함
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Fig. 2. Sphere drag model validation by settling velocity of particles in a viscous fluid. Dotted line is Stokes model of Cd = 2 4/Red and symbols are from measurements.
께 비교하였다. Red < 1 영역 내의 유효성을 보이는 Stokes 모델, 그리고 선행연구[10]에서 사용된 Red < 1000 영역까 지 유효한 Schiller-Naumann 모델[11]과 비교하여 Turton- Levenspiel모델은 상대속도 1×103정도에 해당하는 Red <
3×105의 영역까지도 측정값과 완전히 일치함을 보인다.
레이저 미세 홀 가공에서 발생하는 다량의 흄 입자는 입자 크기뿐 아니라 분출속도와 분출각도 역시 일정하지 않다. 이러한 입자 궤적 거동 초기조건은 특정한 통계적 분포를 가진다고 가정하여 수많은 입자들을 대상으로 입 자 분출 초기조건을 랜덤 샘플링을 통하여 랜덤 시뮬레 이션을 진행하였다[9]. 우선 입자 분출속도는 평균 1 m/s, 표준편차 1m/s의 로그정규분포를, 표면 수직방향 대비 분 출각도는 평균 0도, 표준편차 25도의 정규분포를 가정하 였다. 다만 홀 가공이므로 발생 입자는 표면의 수평방향 으로는 확률적으로 사방으로 균일하게 분출함이 명백하 다. 다음으로 입자 직경 분포는 실험연구[4] 및 레이저 선 가공 해석연구[10]를 바탕으로 평균 12 μm, 표준편차 10 μm 의 로그정규분포로 전산해석을 진행하였다.
미세 홀 가공 시 공기유동 영향성과의 상대적 비교 분 석을 위하여 먼저 정지 공기 내 흄 입자의 표면상 산포도 경향을 입자 초기조건이 랜덤 샘플링된100,000개 흄 입자 에 대한 랜덤 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 3(a)에서는 전 체 흄 입자 중 임의의 5,000개 입자에 대하여 가공 대상 표면에 산포 착상된 결과를 보여주며 수평방향으로 방향 성 없이 퍼진 산포 경향이 나타난다. 여기의 x-z 평면에서
Fig. 3. Fume particle dispersion (a) on surface of target piece and particle size dependence (b) for randomly sampled 5,000 particles with no air flow motion (K1
= K2 = 0).
중심점이 레이저 홀 가공 지점이며 각 입자를 나타내는 원들의 크기는 해당 입자 직경에 비례한다.
흄 입자 직경 별 산포 특성을 알아보기 위한 Fig. 3(b)을 보면 직경 20 μm 정도 이하의 매우 작은 입자들은 홀 가 공점 인근에서 잘 벗어나지 않는다. 또한 직경 50 μm 이 상의 입자들은 그 개수가 많지 않는 반면에 20-50 μm 직 경 정도의 흄 입자들이 가공점에서 더 멀리 산포되어 표 면 오염도를 증가시키는 요인이 된다. 이는 레이저 선절 단가공 해석결과와도 유사하다[8].
다음으로 정체점 공기유동의 영향을 알아보기 위하여 경사각이 0인 직교 정체점 유동(K2 = 0)이면서 슬롯형 블로 윙에 해당하는 K1 = 20 s-1, 슬롯형 석션에 해당하는 K1 = −20 s-1 유동조건을 동일 입자 개수 및 초기 분출조건으로 해 석하였다. Fig. 4에서 보이는 가공 대상 표면의 흄 입자 착 상 산포도를 보면 산포 방향성이 없는 정지 유동 경우와 비교하여, 블로윙 유동에서는 슬롯 수직방향으로 입자들 이 더 멀리 산포되며, 석션 유동에서는 슬롯 방향으로 더 산포되는 경향이 관찰된다. 다만 석션 유동의 경우에는 표면 흡착 입자 개수가 상당히 줄었는데 이는 상승
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Fig. 4. Fume particle dispersion on surface of target piece for randomly sampled 5,000 particles for stagnation air flow cases of (a) K1 = 20 s-1 and (b) K1 = −20 s-1 with zero oblique angle (K2 = 0).
유동과 함께 외부로 제거되었기 때문이다.
가공 대상 표면 오염도를 비교하기 위해서 가공점 기 준 1 mm 표면 반경 외로 벗어나서 착상하는 입자들의 직 경 분포가 Fig. 5(a)에 나타나있다. 가공점 발생 입자분포와 비교하여 정지, 석션, 블로윙 유동 경우의 해당 입자분포 를 보면 외부로 벗어나는 입자들도 로그정규분포를 유지 하기는 하지만, 그 평균 입자 크기는 상당한 차이가 있다.
Fig. 5(b)에서는 1 mm 반경 내부 또는 외부에 착상, 그리고 상부로 제거되는 흄 입자 비율이 유동계수의 변화에 따 라 나타나있다. 블로윙 유동에서는 유동계수 증가에 따라 가공점 멀리 표면에 산포되는 입자 개수가 상당히 증가 하며, 석션유동에서는 그 개수가 감소하는 대신에 상부로 석션 제거되는 입자들이 증가한다.
마지막으로 1차 유동계수를 K1 = 20 또는 −20 s-1 로 고정 하고 경사 정체점 공기 유동에 경사각을 주어 그 효과를 분석하였다. Fig. 6에서는 유동 경사각이 30도일 때,
Fig. 5. Effects of flow intensity on distribution of fume particles dispersed outside 1 mm radius (a) and particle percentage of dispersion (b) for stagnation air flow cases with K2 = 0.
블로윙과 석션 유동의 입자 산포 정도가 입자 크기를 기 준으로 하여 나타나있다. 두 유동 형태 모두에서 슬롯 좌 우로의 표면상 산포 비대칭성이 확인된다. 하지만 흄 입 자 크기에 따른 비대칭 산포 특성은 달리 나타나는데, 거 의 전 입자 크기 영역에서 산포도가 증가하는 블로잉 유 동에 비교하여 석션 유동에서는 상대적으로 큰 입자에서 주로 산포도가 증가함을 보인다.
이번에는 경사각을 0도(직교 정체점 유동)에서 45도까 지 변화시켰을 때 레이저 홀 가공 지점에서 분출되는 입 자들이 가공점 1 mm 반경 내부 또는 외부표면에 착상, 그 리고 표면 상부로 상승하여 제거되는 흄 입자 비율이 유 동 형태 및 유동 경사각의 변화에 따라 Fig. 7에 정리되어 있다. 여기서 경사각이 증가함에 따라 블로잉 유동에서는 가공점에서 멀리 산포되는 입자가 증가한다. 반면에 석션 유동에서는 경사각 증가에 따라 표면 상부로 제거되는 입자 비율이 감소함을 보여 경사 정체점 유동이 직교유 동에 비하여 표면 오염도 감소에는 불리함을 보여준다.
경사 정체점 유동이 적용된 미세 홀 레이저 가공 공정의 흄 오염입자 산포특성 연구 81
Fig. 6. Particle size dependence of fume particle dispersion on surface of target piece for randomly sampled 5,000 particles for oblique stagnation air flow cases of (a) K1 = 20 s-1 and (b) K1 = −20 s-1 with oblique angle of 30°.
Fig. 7. Effects of oblique angle on particle percentage of dispersion for oblique stagnation air flow cases with K1 = 20 s-1 and −20 s-1.
4. 결 론
본 흄 입자 산포 현상 해석연구에서는 레이저 미세 홀 가공에서 발생하는 마이크로 크기 흄 입자들의 가공 대 상 표면 오염 정도를 정지 및 경사 정체점 유동을 대상으 로 전산해석적으로 분석하였다. 정지 공기유동 경우에 비 교하여 정체점 유동으로 모사한 슬롯형 블로윙 및 석션 유동 형태에 따라 입자의 표면 착상 산포도 및 입자 제거 도가 달리 나타남을 보였다. 또한 유동 경사도의 변화에 따른 입자 거동 분석에서는 경사각의 변화에 따라 입자 크기 별 흄 입자의 표면 산포도의 영향성이 확연히 다른 경향을 보였다.
감사의 글
본 연구는 금오공과대학교 학술연구비에 의하여 지원 된 논문이다.
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접수일: 2021년 8월 27일, 심사일: 2021년 9월 11일, 게재확정일: 2021년 9월 11일
