레이저 공정의 적합성 평가
레이저 공정의 적합성 평가 - 산업용 대량생산을 위해 선행되어야 될 사항은?
조첸 데일 / jochen.deile@coherent.com 프랭크 개블러 / Frank.Gaebler@coherent.com
실험실 조건에서 제한된 숫자의 샘플로 새로운 레이저 공정을 성공적으로 보여주는 것과 그러한 공정을 산업적인 용도로 대량 생산에 적용하는 것 간에는 큰 차이가 있다. 특히 적절한 공정 입력값과 작동 범위를 정하기 위해서는 공정 변수가 변화함에 따라 결과에 어떠한 영향을 주는지를 파악할 필요가 있다.
가공 재료에 따른 레이저
레이저를 사용한 재료 가공은 실로 넓은 범위의 어플리케이션을 포함한다. 레이저 재료 가공의 주요 용도와 사용되는 레이저의 유형에 대한 내용은 [아래 표]에 정리되어 있다. 고출력 (수 kW) 파이버 및 CO2 레이저가 자동차, 조선, 가전 등의 산업에서 금속의 절삭 및 용접에 활용되고 있는가 하면, 다른 한편으로는 전자, 디스플레이, 태양 전지 제작 분야에서 마이크론 단위의 구멍을 뚫거나 박막 필름에 스크라이빙을 하는 정밀 공정에 UV 레이저 및 Ultrafast 레이저가 사용되고 있다.  이와는 대조적으로 초정밀 공정의 제조 환경은 대부분 철저하게 제어된다. 하지만 이 경우에는 기계적 허용 오차를 더 철저하게 관리하기 때문에 정밀한 재료 고정장치를 개발하는 것이 그만큼 중요해진다. 특히 Ultrafast 레이저 공정에서는 비선형적인 효과를 내는데 필요한 high peak power를 유지하기 위해서 광학계를 미세하게 조정할 수 있어야 한다.어플리케이션에 따라 핵심 요소나 우선 고려 사항은 다를 수 있지만 공정 적합성 평가는 위의 모든 분야에서 중요한 요소이다. 예를 들어, 금속판 절삭 공정의 경우 대개 외부 환경을 철저히 제어하기 어렵고, 각 프로세스마다 투입되는 재료간의 편차가 있을 수 있다. 이러한 작업은 주로 24시간, 자동으로 계속 이루어지는 경우가 많으므로 변수들에 구애 받지 않고 제대로 작동할 수 있는 공정을 개발하는 것이 중요하다.
핵심 요소는 비용 제작 공정의 구체적인 사항을 떠나 공정 적합성 평가 절차에서 가장 먼저 검토하는 것은 바로 공정을 통해 얻고자 하는 결과물에 대한 고객의 설명이다. 여기에는 레이저로 뚫은 구멍의 지름, 깊이, 위치와 같은 모든 공정 결과값에 대한 요구치와 허용오차가 구체적으로 제시되어 있다. 공정 적합성 평가를 위한 그 다음 핵심 요소는 바로 비용이다. 대부분의 고객이 실제 측정지표로 삼는 것은 부품 당 비용이다. 동일한 작업을 더 낮은 비용으로 달성하거나, 작업의 유연성이 현저하게 향상되거나, 고객측에서 최종 소비자에게 공급하는 가격을 올릴 수 있을 만큼 제품의 기능이나 가치가 향상되는 경우에만 새로운 생산 기법이 받아들여지기 때문에 비용은 가장 처음부터 고려된다. 부품 당 가격에 영향을 미치는 요소는 여러 가지가 있다. 가장 대표적인 요소는 생산 장비의 자본 비용과 소유 비용 (전력 소비량, 기타 소비재 및 유지보수 비용) 이다. 이외에 다른 요소들도 많다. 예를 들어, 주어진 시간 안에 생산되는 부품의 수를 의미하는 생산률 또한 핵심 고려사항이며, 특히 공정에 생산 병목 현상이 있는 경우에는 더욱 중요하다. 또한 장비의 증분 생산능력도 고려 대상이 될 수 있다. 다시 말해, 비용 효과가 낮더라도 생산능력이 낮은 장비를 여러 대 쓰는 것이 리스크 관리의 관점에서 더 나은가를 고려해볼 수 있다. 공정 수율, 요구되는 재작업의 정도, 부품 세정과 같은 후가공의 필요성 등도 비용에 직접적인 영향을 미친다. 또 다른 중요한 비용의 요소는 공정에 필요한 인력이다. 작업자를 필요로 하는 장비인가, 그러한 경우 어느 정도의 숙련도를 요구하는가, 새로운 기계가 나머지 생산 장비와 쉽게 통합되는가, 필요한 경우 부품을 자동으로 로딩/언로딩 할 수 있는가 등이 고려 대상이 된다. 기계의 유지보수 요건도 인력 예산에 영향을 미치며 특히 고객이 정기점검이나 시스템 조정을 담당할 전문 인력을 갖춰야 하는 경우에는 그 영향이 더욱 크다. 이는 레이저 장비의 경우 특히나 면밀히 고려되는 사항인데, 그 이유는 레이저나 광학 조정은 회사의 기존 유지보수 직원의 전문성을 벗어나는 영역일 수 있기 때문이다. 물론 정기점검 또는 수리를 위한 다운타임 뿐 아니라 수리 비용 자체도 비용에 영향을 미치는 주요 요소가 된다.
공정에서의 변수
이러한 요소들의 목표치가 정해지고 나면 공정 적합성 평가의 다음 단계에서는 이러한 비용과 품질의 제약 조건을 만족하면서 대량 생산이 가능한 생산 방법을 개발한다. 공정 적합성이란 그 성격상 통계의 분야이다. 소량의 부품으로 주어진 공정을 단순히 증명하는 것은 쉽지 않다. 대량 생산을 위해 공정을 확대했을 때 자연스럽게 발생하는 편차가 드러나지 않기 때문이다. 그러므로 대량 생산에서의 부품 간 편차를 고려한 수준의 통계를 낼 수 있을 정도로 충분한 크기의 표본을 확보해야 한다. 앞서 언급한 공정의 결과값에 영향을 미치는 요소에는 여러 가지가 있다. 가장 대표적인 것은 재료, 재료 고정장치, 레이저 출력, 빔 전송, 가공 환경, 기타 공정 입력값(입력 전력, 냉각수 공급) 등이 있다. 이러한 요소들은 세밀히 다루어야만 한다. 실제의 제조 환경에서는 대개 여러 공급업체들로부터 재료를 조달 받기 때문에 재료 간 편차가 생길 가능성이 높으며, 때로는 한 공급업체의 제품 내에서도 차이가 있을 수 있다. 이러한 재료의 편차는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 첫째는 두께와 같은 치수의 차이이며 이는 당연하게도 절삭이나 드릴링 같은 공정에 영향을 미친다. 두 번째 유형의 재료 편차는 조금 더 본질적인 것으로, 흡수나 반사율, 굴절률, 열전도율, 내부 충격 흡수 정도, 화학적 조성과 같은 재료 자체 특성의 차이이다. 이러한 편차는 레이저와 재료 간의 반응에 영향을 미쳐 공정의 결과에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 레이저 자체에서 공정 결과에 영향을 미치는 가장 대표적인 변수로는 레이저의 출력과 펄스에너지가 있다. 또한 많은 공정들이 펄스의 형상에 민감하게 반응하며 펄스의 형상이 Peak Power를 좌우하기도 한다. Peak power에 크게 영향을 받는 비선형 공정으로 재료를 가공하는 Ultrafast 레이저에서는 펄스의 형태가 특히나 중요하다. 주위 환경 조건의 변화, 특히 온도나 습도 같은 요소들도 다양한 측면에서 공정에 영향을 미친다. 예를 들어, 광학계 고정장치나 광학 부품 자체가 열에 반응하여 빔 포인팅 위치나 빔 형상이 바뀔 수 있다. 이러한 변화로 초점의 기하학적인 구조나 위치가 바뀔 수도 있으며, 이는 크기가 작은 제품을 가공할때에 더 심각한 문제가 된다. Ablation rate는 에너지 밀도의 함수이기 때문에, Ultrafast 레이저에서는 빔의 크기와 이에 따른 목표물에 가해지는 에너지 밀도가 매우 중요하다. 환경에 따른 변수가 없더라도, 기계적인 부품의 성능 간에는 편차가 있기 마련이다. 예를 들어 어떠한 부품이 설비에 1천 번 로딩되는 경우, 실제로 부품이 놓여지는 위치는 다르게 분포할 수 밖에 없다.
실제 현장에서의 공정 적합성 평가
이론적으로 각 공정 변수의 허용 범위를 결정하는 가장 이상적인 방법은 모든 값을 고정으로 두고 변수를 하나씩 다르게 설정하여 시험한 뒤, 이러한 변화가 결과값에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴보는 것이다. 하지만 이는 실용적이지 못하며 대개 불가능하다. 공정에는 여러 변수가 작용하며 레이저 펄스 형상처럼 단정지어 정의 내릴 수 없는 경우가 대부분이기 때문이다. 이 때문에 실제 환경에서의 공정 적합성 평가는 시스템 설계에서부터 시작한다. 여기에는 해당 작동 조건에서 시간이 지나도 안정적으로 유지되는 것이 검증된 레이저, 광학 고정 장치, 부품 설비 같은 시스템 요소를 선별하는 과정이 수반된다. 다시 말해, 매우 안정적인 레이저 광원을 선택하면 레이저 출력이나 펄스 간의 안정성의 편차가 공정에 영향을 미치는 정도는 시험하지 않아도 되는 것이다.  또한 특정 변수가 공정에 얼마나 영향을 미치는지 시험하지 않아도 되는 경우도 있다. 이때는 대신 편차가 예상되더라도 공정이 제대로 작동할 수 있도록 오버헤드를 추가하면 된다. 예를 들어 시험을 통해 어떠한 레이저 절삭 공정이 이상적인 조건에서는 1 m/s의 투입 속도에서 성공적으로 작동하는 것으로 나타났다고 해보자. 그러면 생산 과정에서 재료의 편차가 있을 수 있다는 점을 감안하여 투입 속도를 0.8 m/s로 조정하는 것이다. 물론 이 경우 비용에 영향을 준다. 공정의 속도를 줄이면 생산량이 줄어들지만 불량률 또한 낮아진다. 그렇기 때문에 공정 적합성 평가의 핵심은 어떤 요소가 가장 중요한지를 파악하는 것이다. 다시 말해, 완성된 부품이 제대로 작동하기 위해 절대적으로 필요한 결과값은 무엇이며 어떤 변수들이 덜 중요한지를 결정해야 한다. 마지막으로, 테스트 과정에서는 해당 공정을 통해 충분히 많은 양의 부품을 생산하여 대량생산에서 예상되는 통계적으로 유의미한 수준의 부품 간 편차를 파악해야 한다. 디스플레이 유리가공 공정의 예
실제 공정 적합성 평가의 예를 살펴보면 위의 설명을 보다 잘 이해할 수 있다. 코히런트는 한 디스플레이 생산자로부터 Ultrafast 레이저를 사용하여 1 mm 보다 얇은 박막 유리를 절삭하는 공정의 적합성 평가를 의뢰 받은 바 있다. 이 업체는 유리를 기계적으로 절삭해왔지만 그 때문에 요건에 맞는 모서리 형태를 만들기 위해 절삭 후에 연삭 및 연마 공정이 필요했다. 또한 기계적인 절삭으로는 곡면을 만들거나 평평하지 않는 유리는 작업을 할 수 없는데, 해당 어플리케이션에서 이와 관련된 요건이 발생한 것이다. Ultrafast 레이저 공정으로는 이러한 한계를 해결할 수 있다. 이에 따라 고객은 Ultrafast 레이저 공정이 기존 공정을 대체할 수 있는 비용 효율적인 기술인지 여부를 판단하기 위해 목표 생산률, 허용 오차, 수율 요건을 정의 내렸다. 그리고 얼마 지나지 않아 작업시간 요건을 만족하기 위해서는 부품의 빠른 로딩을 위한 고속자동 XY 스테이지가 필요하다는 것이 드러났다. 그 다음 작업은 사용자가 제시한 제품 수치 정확도의 규격을 만족하면서, 최단 공정 작업 시간을 낼 수 있는 스테이지 작동을 위한 가속도값을 찾는 것이었다. 그 뒤 목표는 안정적으로 이 정도의 결과를 보장할 수 있는 가장 비용효율적인 제어시스템과 스테이지 제품을 찾는 것이 되었다. 다양한 스테이지 가속도 값을 적용하여 시험하여 이러한 결과값 간의 상충 효과를 분석하였다. 시간이 지남에 따라서도, 또한 주위 환경의 변화에 따라서도 안정적인 결과가 확보될 수 있는지를 입증하기 위해 시험은 하루에 여러 번 반복하여 3일 연속으로 실시하였다. 또한 각기 다른 로트의 부품을 시험에 사용하여 재료의 배치 간 편차를 감안하였다. 특히 유리 생산 단계에서의 내부 스트레스 차이는 이미 고객 측에서 결과값에 영향을 미치는 것으로 파악한 문제였다. 공정 작업 후에는 광학 현미경으로 부품의 치수를 측정하였고, 또한 광학 표면 조도계를 사용하여 표면의 상태를 측정하였다. 이를 통해 가공조각의 길이, 너비, 가공 모서리 표면의 거칠기([아래 그림])의 분포도를 통계적으로 파악하여 그래프를 작성하였다. 길이와 너비의 그래프는 제조업체가 제공한 규격 상한 및 하한을 반영하여 측정한 치수를 막대 그래프로 나타낸 것이다. 또한 측정값의 분포도에 최적 값이 선으로 표시되어 있다.  이 데이터로부터 공정 능력(Cpk)에 대한 통계량을 계산하였다. CpK란 공정의 자연적인 변수에 따라 해당 공정이 얼마나 규격한계내에서 제대로 작동하고 있는지를 수치로 나타낸 것이다. Cpk 값이 높을수록 규격 한계를 벗어난 부품이 생산될 확률이 낮다. 예를 들어 Cpk값이 1.33인 경우 공정 수율은 99.99%가 된다. 이러한 공정을 3일 연속 3회 실시하여 기계적인 허용 오차에 대한 Cpk값을 결정하여 공정의 적합성을 평가하였다. 그래프에는 전체 데이터에 대한 공정 능력이 나타나있다. 자세히 살펴보면 그래프는 치수의 실제 값이 아닌 스펙값에 대한 편차를 보여준다. Cpk가 2보다 훨씬 큰 경우, 설정 상태에서의 공정은 매우 우수한 것이다. 또한 표면의 거칠기를 측정한 결과 Cpk가 1.6으로 계산되었다. 이 또한 작업의 결과가 매우 우수한 것임을 보여준다. 결과적으로, 공정 적합성 평가는 단순한 “가능성 증명”에서 실제 생산 환경으로 한 걸음 더 나아간 것이라고 할 수 있다. 최종 사용자는 레이저 가공의 미묘한 차이를 잘 이해하지 못하기 때문에 이러한 공정검증 연구를 할 수 있는 레이저 공급업체와 함께 작업할 때 공정 적합성 평가가 가장 잘 이루어질 수 있다.
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