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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.3 pp.66-71
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.3.066

A Study on Cutting Force during Multi Wire Sawing of Silicon Wafers for Solar Cells

In-Hwan Hwang*, Sang-Hyun Park*, Kuk-Jin An**, Geon-Dae Kwun**, Chan-Jong Lee*#
*Department of Engineering Science & Mechanics, Kumoh National Institute of Technology
**SAEHAN NANOTECH LTD.
Corresponding author jclee@kumoh.ac.kr+82-54-478-7376, +82-54-478-7382
December 21, 2015 March 31, 2016 April 4, 2016

Abstract

Reducing the wafer breakage rate and sawing thinner wafers will decrease the cost of solar cells. This study was carried out in order to identify ways to achieve this goal. In this study, the cutting force characteristics using an ingot tilting-type diamond multi wire-sawing machine were analyzed. The cutting force was analyzed while varying the tilting angles and wire speed. The obtained data were analyzed by classifying the tangential cutting force and the normal cutting force. In this cutting force experiment, the difference between the forces was confirmed; it was found that it rises with increasing the tilting angles and decreases when the wire speed elevates. The resulting value can be utilized as basic data for the determination of an ideal cutting recipe.


태양전지용 실리콘 웨이퍼의 멀티 와이어 쏘잉 시 절삭저항력에 관한 연구

황 인환*, 박 상현*, 안 국진**, 권 대근**, 이 종찬*#
*금오공과대학교 기계설계공학과
**(주)새한나노텍

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1서 론

    결정질 태양전지 웨이퍼 제조공정에 있어서 종래 에 단결정 실리콘 잉곳의 쏘잉 공정에 대한 연구는 슬러리를 사용한 와이어 쏘잉에 대한 연구가 주를 이루었으며, 그 분야는 절삭공정 뿐만 아니라 와이 어 보우를 고려하여 와이어 절삭과정에서의 진동의 영향을 연구하였다[1~4]. 하지만 기술의 발달로 다이 아몬드가 전착된 와이어가 개발되면서 절삭 공정의 다양한 측면을 고려한 실험이 이루어지고 있다[5~7].

    본 연구에서는 절단 웨이퍼와 Kerf-loss가 120㎛ 를 구현할 수 있도록 개발된 잉곳 중심의 틸팅형 멀티 와이어 쏘잉 머신을 이용해 태양전지용 실리 콘 잉곳의 고속절삭 시 발생하는 절삭력을 가공조 건에 따라 비교·분석 하였다.

    2실험장치 및 방법

    2.1잉곳중심 틸팅 방식의 쏘잉 머신

    본 연구에 사용된 멀티 와이어 쏘잉 머신은 잉곳 중심에서 틸팅이 이루어지는 쏘잉 머신으로써 이송 계 동기화시스템과 관성저감 기술을 적용하여 절삭 중에 발생되는 진동을 최소화시켜 와이어 선속도 900m/min, Solar wafer 두께 120㎛을 구현할 수 있 는 초정밀·고속 쏘잉 머신이다.

    아래 Fig.1에는 본 실험에 사용된 멀티 와이어 쏘잉 머신 형상을 나타내었다. Fig.1에서 (a)는 쏘잉 머신의 형상을 나타내고 있고, (b)는 틸팅 unit, (c) 는 Spindle을 나타내고 있다.

    2.2절삭력 측정 시스템

    실리콘의 절삭 가공 시 발생하는 절삭저항력을 측정하기 위해서 압전형 공구동력계(Piezo-electric type tool dynamometer, Kistler 9254)를 Oscillating 지 그에 설치하고 그 위에 별도로 제작한 지그를 설치 한 후 공작물을 고정하였다.

    절삭실험 시 Wire와 공작물의 상대운동에 의해 발생되어지는 힘은 공구동력계에서 발생하는 아날 로그 신호로 변환이 되며 다채널 증폭기 (Multichannel charge amplifier: Kistler 5019A)에서 신 호가 증폭된 후 아날로그-디지털 변환기(A/D Converter)를 거쳐 디지털 신호로 변환이 되어 PC 로 전송된다. 이렇게 전송된 Data는 연삭저항력 측 정 Software를 통해 검출되며, 검출된 연삭 저항력 Data는 주분력 Ft와 배분력 Fn으로 나누어 수치화 및 도시화된다.

    위 Fig. 2에는 절삭력 측정시스템의 간략한 개략 도와 쏘잉 머신에 장착된 측정시스템을 나타내고 있다.

    2.3다이아몬드 와이어

    실리콘 잉곳의 절삭 가공에 사용된 와이어는 박 형 웨이퍼 제작에 최적화된 다이아몬드 와이어를 사용하였다. Table 1에는 본 실험에 사용된 다이아 몬드 와이어의 제원을 나타내었다.

    2.4태양전지용 실리콘

    쏘잉 절삭실험에 사용된 피삭재는 결정질 태양전 지 제조에 사용되는 소재인 단결정 실리콘(Si)을 사 용하였다. 아래 Table 2에는 단결정 실리콘의 물성 을 나열하였다.

    2.5실험조건

    쏘잉 방법은 실리콘 잉곳이 배분력 방향인 Z축 으로 하향 절입하고, 잉곳 중심에서 틸팅하는 상태 에서 와이어가 주분력 방향으로 정·역방향 이송하 면서 발생되는 절삭력을 분석하였다.

    Fig. 3은 쏘잉 머신이 잉곳중심에서 틸팅하는 상 태를 도식화하여 나타낸 것이다. 틸팅 회전수는 설 정된 각도만큼 분당 왕복하는 횟수를 나타낸다.

    절삭실험 조건은 절입속도(Depth speed) 1.0mm/min, 틸팅 각도(Tilting Angle) 5°, 와이어 선 속도(Wire speed) 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16m/s에 서 틸팅 회전수(Number of Tilting) 20, 40, 60 cycle/min을 적용하여 실험을 수행하였다. 절삭실험 수행에 앞서 동일한 재료제거율의 구현을 위해 단 결정 실리콘 잉곳의 모서리 부분에 라운드가 진 부 분을 절삭 후 동일 접촉면이 되는 부분부터 실험을 수행하였다. Table 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10

    3실험결과 및 고찰

    3.1주분력 Ft 비교

    Fig. 4 ~ 5는 120㎛ 다이아몬드 와이어로 동일 절입 속도와 틸팅 각도에서 와이어 선속도와 틸팅 각도를 변화시켜가면서 절삭공정에서 얻어진 접선 분력(Ft)을 나타낸 그래프이다. 와이어 선속도에 따 른 각각 다른 틸팅 회전수의 실리콘 잉곳의 절삭저 항력은 미미하게 증가하는 경향을 보인다. 또한 틸 팅 회전수에 따른 각 와이어 선속도의 실리콘 잉곳 의 절삭저항력은 같은 틸팅 회전수에서는 증가량이 미미하지만, 틸팅 회전수 20cycle/min과 40cycle/min 에서 0.4~1.2N 증가하고, 틸팅 회전수 40cycle/min과 60cycle/min에서 1~1.5N 증가함으로써 틸팅 회전수 가 높아질수록 절삭저항력의 증가폭이 커짐을 확인 하였다.

    3.2와이어 선속도에 따른 배분력 Fn

    Fig. 6 ~ 11은 절삭공정에서 얻어진 법선분력(Fn) 을 나타낸 그래프로써 틸팅 회전수에 따른 각 와이 어 선속도의 실리콘 잉곳의 절삭저항력은 같은 와 이어 선속도에서 변화가 없이 동일한 값을 가진다.

    와이어 선속도에 따른 각 틸팅 회전수의 실리콘 잉곳의 절삭저항력은 와이어가 정·역방향 이송할 때 모두 증가를 하였으며, 와이어 선속도가 14m/s 이상에서 절삭저항력의 변화가 없는 것은 절입속도 보다 재료제거율(Material removal rate)이 높아 와이 어의 처짐 현상이 작아졌기 때문이라 판단된다.

    와이어의 정방향 절삭가공에서 틸팅 회전의 방향 에 따라 배분력의 절삭저항력이 증가-감소를 반복 하게 되는데, 이는 와이어 역방향 절삭가공에서 배 분력의 절삭저항력이 일정한 것과 비교하여 다름을 알 수 있다. 와이어 정방향 이송에서 배분력의 평 균값 그래프인 Fig. 9과 와이어 역방향 이송에서 배 분력 그래프 Fig. 6의 절삭저항력 차이인 Fig. 11에 서 절삭저항력이 동일함을 확인함으로써 틸팅 회전 이 정방향 절삭가공 중에 균일한 값인 0.43±0.1N 만큼 절삭저항력에 영향을 미침을 알 수 있다.

    3.3주분력 Ft과 배분력 Fn의 비교

    Fig. 12~13는 주분력과 배분력에서 와이어 선속 도에 따른 각각 다른 틸팅 회전수의 실리콘 잉곳의 절삭저항력 차이를 나타낸 그래프이다. Fig. 12에서 주분력이 배분력보다 3.1~6.25N의 높은 절삭저항력 이 작용하고 틸팅 회전수가 높아질수록 절삭저항력 의 차이가 커짐을 알 수 있다. 또한 와이어 선속도 가 증가할수록 절삭저항력이 감소하는 경향을 보이 는데, 이러한 현상은 Fig. 4에서의 주분력 절삭저항 력 증가폭보다 Fig. 6에서의 배분력 절삭저항력 증 가폭이 크기 때문이다.

    4결 론

    본 연구에서는 실리콘 잉곳 틸팅 중심의 멀티 와 이어 쏘잉 머신과 다이아몬드 와이어를 이용해 절 삭실험을 수행하여 아래와 같은 결론을 얻게 되었 다.

    • 1 주분력에서 틸팅 회전수가 증가할수록 절삭저항 력의 크기 차이가 커짐을 확인하였다.

    • 2 주분력에서 와이어 선속도가 증가할수록 절삭저 항력은 증가하지만 그 변화량은 미미함을 확인 하였다.

    • 3 배분력에서 틸팅 회전수는 절삭저항력에 영향이 없음을 확인하였다.

    • 4 배분력에서 와이어 역방향 이송 중에 틸팅의 영 향은 없으나, 와이어 정방향 이송 중에 틸팅의 영향은 0.43±0.1N 만큼 나타났다.

    • 5 절삭실험에서 주분력이 배분력보다 높은 절삭저 항력을 가지며, 틸팅 회전수가 증가할수록 절삭 저항력 차이가 커지고, 와이어 선속도가 증가할 수록 절삭저항력이 작아짐을 확인하였다.

    후 기

    “본 연구는 2012년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 2012T100100647)”

    Figure

    KSMPE-15-66_F1.gif
    Multi wire sawing M/C of tilting type
    KSMPE-15-66_F2.gif
    Experimental set-up
    KSMPE-15-66_F3.gif
    Tilting motion of sawing machine
    KSMPE-15-66_F4.gif
    Tangential cutting force versus wire speed
    KSMPE-15-66_F5.gif
    Tangential cutting force versus number of tilting
    KSMPE-15-66_F6.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Reverse direction of wire motion)
    KSMPE-15-66_F7.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Forward direction of wire motion, Forward direction of Tilting)
    KSMPE-15-66_F8.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Forward direction of wire motion, Reverse direction of tilting)
    KSMPE-15-66_F9.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Forward direction of wire motion, Averages of Forward and Reverse in tilting)
    KSMPE-15-66_F10.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Forward direction of wire motion, Difference of forward and reverse in tilting)
    KSMPE-15-66_F11.gif
    Normal cutting force versus wire speed(Difference of forward direction and reverse direction in wire motion)
    KSMPE-15-66_F12.gif
    Cutting force versus wire speed (Difference of tangential cutting force and normal cutting force)
    KSMPE-15-66_F13.gif
    Cutting force versus number of tilting (Difference of tangential cutting force and normal cutting force)

    Table

    Shape of Diamond electro-deposited wire saw(unit:㎛)
    Physical properties of workpiece
    Experimental conditions

    Reference

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