CN102421714B - 用于切割脆性材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于切割脆性材料的方法。该方法包括沿分离路径加热脆性材料以将脆性材料分成第一部分和第二部分的步骤。至少第一部分包括沿分离路径延伸的第一热力影响区域。该方法还包括沿与分离路径间隔第一距离延伸的第一分裂路径将第一热力影响区域的至少一部分与第一部分的其余部分自发地分裂的步骤。自发分裂作为加热脆性材料的步骤的结果而发生。

Description

用于切割脆性材料的方法
要求先前提交申请的优先权
本申请要求2009年5月13日提交的欧洲申请序列号第09305427.8号的权益。该文献的内容和本文提到的公开物、专利和专利文献的全部内容以参见的方式纳入本文。
技术领域
本发明总体设计切割方法，且更具体地涉及用于切割脆性材料的方法。
技术领域
对于各种应用需要形成玻璃板。在初始形成后，玻璃板通常需要切割开以获得具有所要求周界形状和边缘特性的最终玻璃产品。需要提供用于脆性材料的切割技术以在呈现具有有利特性的边缘的同时提供便利的分离。
发明内容
在一个示例方面，提供一种切割脆性材料的方法。该方法包括沿分离路径加热脆性材料以将脆性材料分成第一部分和第二部分的步骤。至少第一部分包括沿分离路径延伸的第一热力影响区域。该方法还包括沿与分离路径间隔第一距离延伸的第一分裂路径将第一热力影响区域的至少一部分与第一部分的其余部分自发地分裂的步骤。自发分裂作为加热脆性材料的步骤的结果而发生。
附图说明
在参照附图阅读了本发明的以下详细描述之后，就可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面以及优点，在附图中：
图1A是沿图2的线1A-1A的剖视图；
图1B是沿图2的线1B-1B的剖视图；
图1C是沿图2的线1C-1C的剖视图；
图2是根据一实例的方法的俯视示意图；以及
图3是用于从玻璃泡(glass bulb)切割玻璃板的系统的一实施例的示意图，其中玻璃板包括大致整洁的边缘。
具体实施方式
下面将参考示出本发明的示例性实施例的附图更详细地描述这些方法。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。然而，本发明可具体实施成许多不同形式，而不应理解成对这里所述的实施例进行限制。
本文的示例方法涉及低厚度的易碎脆性材料。脆性材料可具有宽范围的厚度。例如，可使用厚度“T”等于或小于150μm、诸如从约5μm至约150μm的薄玻璃。在另一实例中，可使用厚度“T”从约20μm至约100μm的薄玻璃，但在其它实例中也可包含其它厚度。
脆性材料可包括诸如透明、半透明、有色或其它玻璃类型的玻璃。在另一实例中，脆性材料可包括诸如包括玻璃和聚合物的组合物的聚合物。在另一些实例中，脆性材料可包括诸如石英成分、陶瓷或玻璃陶瓷之类的晶体材料。脆性材料可用于各种应用。在一实例中，脆性材料可包括用于诸如液晶显示器或其它显示装置之类的显示器组件的玻璃。例如，如图所示，脆性材料10可设置成包括构造成用于可挠曲显示器应用的可挠曲玻璃材料。这种可挠曲玻璃材料允许显示器卷成存放构造并可允许脆性材料以高效方式进行处理。脆性材料可以诸如平坦、圆柱形、圆锥形、截头锥形或其它形状之类的各种形状构造。
本文所述的方法包括切割脆性材料10。切割的实例可包括初始刻划、蚀刻或完全切穿，其中每个致使脆性材料10的分离。可使用各种技术来实现脆性材料10的加热。例如，可沿路径在大致所有位置实施加热。或者，可沿路径在间隔开的位置实施加热。还有，可连续或脉冲地实施加热。例如，实施加热可包括沿路径在间隔开的位置或在基本上所有位置施加的脉冲或非脉冲热源。
可使用各种热源来对脆性材料10实施加热。例如，图1A示出可根据本公开的各示例使用的热源50的示意图。在一示例中，加热源50可包括这样的装置：该装置可在脆性材料表面处提供热量并造成用于形成下文更完全讨论的热力影响区域的所要求的内部应力。例如，加热源50可包括以10μm至11μm之间波长发射的激光器，诸如以10.6μm波长发射的CO2激光器。但是，根据脆性材料的光吸收特性，也可施加其它发射波长。
在加热步骤期间，加热源50和脆性材料10可相对于彼此移动。可通过各种构造来实现相对运动。例如，脆性材料10可固定，而加热源50或加热源的一部分(例如加热光束52和加热点54)沿分离路径12的方向移动。加热源50的该部分也可包括设计成控制加热光束52的方向且因此控制加热点54的位置的反射镜。因此，可通过相对于脆性材料10转动或移动加热源50的反射镜或其它部分来实现相对运动。或者，加热源50可固定，而脆性材料10沿分离路径12的方向移动。又例如，加热源50(或加热源的一部分)和脆性材料10可都同时移动，使得该相对运动使加热光束52和加热点54沿分离路径12的方向移动。
或者，可沿分离路径12同时加热所有或多个所要求的部分。例如，可使用单个或多个加热源来沿分离路径12同时加热不同区域。例如，可布置多个加热源，以在加热源相对于脆性材料10移动时同时加热分离路径12的不同区域。在又一些示例中，可使用单个或多个加热源来同时加热分离路径12的不同区域而在一个或多个加热源与脆性材料10之间没有相对运动。例如，除了在一点加热之外，加热装置也可设计成沿分离路径12同时加热某些或所有所要求的部分。例如，激光器阵列可同时发射沿线而不是沿点加热的一系列光束，以同时加热分离路径12的一段或所有所要求的部分。
如图2所示，可沿分离路径12加热脆性材料10，以将脆性材料10分成第一部分14a和第二部分14b。分离路径12可沿两个或三个维度延伸。例如，如图2所示，分离路径12可包括大致直线，但在其它实例中也可包含其它路径构造。例如，分离路径12可具有沿脆性材料10的平坦表面大致沿两个维度延伸的弯曲段、直线段或其它类型段。在又一些实例中，分离路径12可包括沿三维延伸的路径。例如，如下文参照图3更完整描述的，分离路径112沿圆锥形脆性件110延伸。因此，分离路径112包括圆锥螺旋线，但在又一些实例中也可包括具有其它形状的路径。
沿分离路径12加热脆性材料10构造成在第一部分14a内提供内部应力以致使第一热力影响区域16a的至少一部分沿第一分裂路径18a与第一部分14a的其余部分至少部分地自发分裂。第一分裂路径18a可沿分离路径12延伸。在一实例中，第一分裂路径18a可具有与分离路径12相同的形状。例如，如图2所示，第一分裂路径18a可相对于分离路径12偏移且平行于分离路径12。在另一实例中，第一分裂路径18a可相对于分离路径12以一定角度延伸和/或具有不同于分离路径12的形状。例如，加热源50可沿分离路径12提供变化的热处理，或脆性材料特性可沿分离路径12不同。因此改变热处理可用于提供具有形状不同于分离路径12的第一分裂路径18a。
也可通过改变加热步骤的多个工艺参数来更改加热步骤，以适应脆性材料10的多个特性的变化。脆性材料10的多个特性可包括脆性材料10的厚度“T”和脆性材料10的热膨胀系数。加热步骤的多个工艺参数可包括加热功率和/或脆性材料10与加热源50之间的相对运动。
图1C和2示出第一热力影响区域16a的至少一部分沿与分离路径12间隔第一距离L1延伸的第一分裂路径18a与第一部分14a的其余部分自发分裂。第一分裂路径18a与分离路径12之间的第一距离L1是第一热力影响区域16a的宽度。如图所示，第一距离L1约为1mm，但在其它实例中也可提供其它距离。如图2所示，第一距离L1沿分离路径12可大致恒定，且第一分裂路径18a可大致平行于分离路径12。如上所述，第一分裂路径18a可不与分离路径12平行。在这些实例中，第一路径L1可根据诸如厚度的脆性材料特性(性质)或诸如环境条件和/或切割参数(例如激光器功率)之类工艺变量的变化而沿分离路径12变化。因此，L1的恒定性以及且因此形成的边缘的直度取决于保持恒定工艺变量和/或脆性材料的特性。
自发分裂作为加热脆性材料10的步骤的结果而发生。由于加热步骤的热力影响，在第一部分14a内形成足够的内部应力以便于沿第一分裂路径18a自发产生和/或传播第一裂缝20a。在一个实例中，可沿第一分裂路径18a将脆性材料10弱化，诸如通过刻划，从而提供初始裂缝位置。或者，如图所示，无需弱化，其中在第一热力影响区域16a与第一部分14a的其余部分自发分裂期间形成第一裂缝20a。如图2所示，第一裂缝20a可沿方向21a沿第一分裂路径18a传播，从而使第一热力影响区域16a的至少一部分沿第一分裂路径18a与第一部分14a的其余部分自发分裂，如图2所示。例如可在热处理之后不久发生自发分裂。例如，自发分裂可在加热步骤之后3秒、2秒或1秒发生。
如图1C所示，自发分裂步骤为第一部分14a提供沿第一分裂路径18a延伸的第一整洁边缘22a。第一整洁边缘22a可使基本上无缺陷边缘部分具有减少数量的诸如裂缝、凹点或其它瑕疵之类的表面瑕疵。此外，整洁边缘具有大致与周围部分相同的厚度，而没有在第一热力影响区域16a的球状边缘部分17a内通常发现的内部应力。当第一热力影响区域16a分裂时，第一部分14a的其余部分具有整洁边缘而没有球形端部17a、裂缝或其它瑕疵。
可选地，沿分离路径12加热脆性材料10也可构造成在第二部分14b内提供内部应力以致使第二热力影响区域16a的至少一部分沿第二分裂路径18b与第二部分14b的其余部分至少部分地自发分裂。第二分裂路径18b也可沿分离路径12延伸。在一实例中，第二分裂路径18b可具有与分离路径12相同的形状。在另一实例中，第二分裂路径18b可从分离路径12偏移，并具有与分离路径12相同的形状。例如，如图2所示，第二分裂路径18b可相对于分离路径12偏移且平行于分离路径12。在另一实例中，第二分裂路径18b可相对于分离路径12以一定角度延伸和/或具有不同于分离路径12的形状。例如，加热源50可沿分离路径12提供变化的热处理，或脆性材料特性可沿分离路径12不同。因此改变热处理可用于提供具有形状不同于分离路径12的第二分裂路径18b。
图1C和2示出第二热力影响区域16b的至少一部分沿与分离路径12间隔第二距离L2延伸的第二分裂路径18b与第二部分14b的其余部分自发分裂。第二分裂路径18b与分离路径12之间的第二距离L2是第二热力影响区域16a的宽度。如图所示，第二距离L2约为1mm，但在其它实例中也可提供其它距离。如图2所示，第二距离L2沿分离路径12可大致恒定，且第二分裂路径18b可大致平行于分离路径12。如上所述，第二分裂路径18b可不与分离路径12平行。在这些实例中，第二距离L2可沿分离路径12变化。在一个实例中，第一距离L1可大致等于第二距离L2，但在其它实例中也可提供不同布置。
自发分裂作为加热脆性材料10的步骤的结果而发生。由于加热步骤的热力影响，在第二部分14b内形成足够的内部应力以便于沿第二分裂路径18b自发产生和/或传播第二裂缝20b。在一个实例中，可沿第二分裂路径18b将脆性材料10弱化，诸如通过刻划，从而提供初始裂缝位置。或者，如图所示，无需弱化，其中在第二热力影响区域16b与第二部分14b的其余部分自发分裂期间形成第二裂缝20b。如图2所示，第二裂缝20b可沿方向21b沿第二分裂路径18b传播，从而使第二热力影响区域16b的至少一部分沿第二分裂路径18b与第二部分14b的其余部分自发分裂，如图2所示。例如可在热处理之后不久发生自发分裂。例如，自发分裂可在加热步骤之后3秒、2秒或1秒发生。
如图1C所示，自发分裂步骤为第二部分14b提供沿第二分裂路径18b延伸的第二整洁边缘22b。第二整洁边缘22b可使基本上无缺陷边缘部分具有减少数量的诸如裂缝、凹点或其它瑕疵之类的表面瑕疵。此外，整洁边缘具有大致与周围部分相同的厚度，而没有在第二热力影响区域16b的球状边缘部分17b内通常发现的内部应力。当第二热力影响区域16b分裂时，第二部分14b的其余部分具有整洁边缘而没有球形端部17b、裂缝或其它瑕疵。
如前所述，脆性材料10的厚度“T”可等于或小于150μm，使得由于加热产生的内部应力足以穿过脆性材料10的整个厚度产生裂缝。当裂缝延伸穿过脆性材料10的整个厚度时，热力影响区域可自发地与脆性材料10的其余部分分裂开。例如，本发明中的脆性材料10可包括具有厚度“T”的薄玻璃，在可挠曲显示器应用中该厚度“T”从约5μm至约150μm。在本发明中，热膨胀系数也可以是脆性材料10的显著特性。例如，脆性材料10可包括在25-300℃之间热膨胀系数从10至70×10-7/K、例如在25-300℃之间热膨胀系数从20至50×10-7/K的玻璃。
关于加热步骤的加热功率和移动速度，给出关于使用CO2激光器切割超薄玻璃材料的实例。在加热步骤期间，CO2激光器功率从约50W至约150W，而玻璃以从约10mm/s至约300mm/s的速度沿分离路径12方向被加热。在一实例中，玻璃以约20mm/s至约300mm/s的速度被加热。
在以下表1中总结了关于加热步骤的工艺参数(即激光器功率和移动速度)与玻璃特性(即厚度)之间关系的试验结果。对于给定激光器功率，较薄的玻璃需要较快的切割移动速度。在表1中，所有的切割测试用Synrad射频激发(rf-excited)CO2激光器以80W的功率在Pyrex(派热克斯)玻璃上进行。对于所有测试，激光器的焦点直径为131μm，激光束直径为7.2mm，且激光器的聚焦透镜为6.36cm(2.5英寸)。
表1
  测试   1   2   3
  玻璃厚度(μm)   120   100   70
  移动速度(mm/s)   25-30   35-40   40-45
现将参照图2描述一示例方法。加热源50可沿方向56移动，使得加热点54沿分离路径12行进。于是，沿分离路径12加热脆性材料10，以将脆性材料10分成第一部分14a和第二部分14b。由于加热，第一部分14a包括第一热力影响区域16a，且第二部分14b包括第二热力影响区域16b。第一热力影响区域16a的至少一部分通过沿方向21a传播的第一裂缝20a与第一部分14a的其余部分自发地分裂开。同样，第二热力区域16b的至少一部分通过沿方向21b传播的第二裂缝20b与第二部分14b的其余部分自发地分裂开。
图3中示意性地示出另一示例方法。在该实施例中，加热源50可以是定位成从具有从截头锥形根部延伸的圆筒形部分111的玻璃泡114b以整洁边缘切割玻璃板114a的CO2激光器150。CO2激光器150可以是最大功率为80W且光束直径为7.2mm的10.6μm波长的Synrad射频激发CO2激光器。CO2激光器150的激光束152可用6.36cm(2.5英寸)的聚焦透镜聚焦在玻璃泡114b的表面上，从而形成具有131μm直径的焦点154。为了切割厚度高达约150μm的玻璃，CO2激光器150的功率可从约50W至约80W。
玻璃泡114b可以是如图3所示具有圆筒形部分111的Pyrex玻璃泡。玻璃泡114b的厚度可从约60μm至约100μm。玻璃泡114b可附连至沿箭头162所指示方向连续转动的杆160。玻璃泡114b也可沿箭头164所指示的方向移动。CO2激光器150和玻璃泡114b表面上的焦点154固定，而玻璃泡114b移动和转动，这致使焦点154以由杆160的转速和玻璃泡114b的移动速度确定的速度沿螺旋三维分离路径112的相对运动。例如，焦点154的相对运动速度可从约20mm/s至约60mm/s。焦点154与玻璃泡114b的外部边缘之间的距离L3限定玻璃板114a的宽度，且在切割期间可大致恒定。CO2激光器150可相对于玻璃以一定角度和斜率定位，使得从玻璃泡114b的圆筒形部分111螺旋切割玻璃板114a。该斜率可通过调整切割装置相对于玻璃泡114b的角度定向来设定。CO2激光器150的斜率与杆160的转速结合，确定玻璃板114a的宽度L3。
在该实施例中，CO2激光器150的激光束152可用足够的功率射向玻璃泡114b的圆筒形部分111，以沿分离路径112将玻璃板114a与玻璃泡114b分离。当玻璃泡114b继续转动和移动时，玻璃板114a的切割沿分离路径112的方向传播，且因此致使切割玻璃板114a的长度增加。CO2激光器150沿分离路径112的加热形成热力影响区域(图1和2中示出)通常在分离路径112的两侧上宽度约1mm。由CO2激光器150在玻璃内引起的高的热应力使裂缝在直接与热力影响区域相邻并平行于分离路径112的玻璃内发展和传播。裂缝使热力影响区域与玻璃的其余部分(即与玻璃泡114b和玻璃板114a)分开，如图1C，在玻璃泡114b和玻璃板114a中每个上留下整洁边缘。
对本领域技术人员显而易见的是，可对本发明做出各种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此，意味着本发明涵盖本发明的各种修改和变型，只要它们在所附权利要求及其等同范围内即可。

Claims (14)

1.一种用于切割厚度等于或小于150μm的脆性材料（10）的方法，所述方法包括以下步骤：
沿分离路径（12）用激光器（50）加热所述脆性材料以将所述脆性材料分成第一部分（14a）和第二部分（14b），其中至少所述第一部分包括沿所述分离路径延伸的第一热力影响区域（16a）；以及
沿与所述分离路径隔开第一距离（L1）延伸的第一分裂路径（18a）将所述第一热力影响区域的至少一部分与所述第一部分的其余部分自发地分裂开，其中自发分裂作为加热所述脆性材料的步骤在所述脆性材料内产生的内部应力的结果而发生。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分裂步骤为所述第一部分（14a）提供沿所述第一分裂路径（18a）延伸的第一整洁边缘（22a）。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脆性材料沿所述第一分裂路径（18a）弱化以提供初始裂缝位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分裂步骤包括沿所述第一分裂路径（18a）传播第一裂缝。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一距离（L1）沿所述分离路径（12）基本上恒定。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分（14b）包括沿所述分离路径（12）延伸的第二热力影响区域（16b）。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括沿与所述分离路径（12）隔开第二距离（L2）延伸的第二分裂路径（18b）将所述第二热力影响区域（16b）的至少一部分与所述第二部分（14b）的其余部分自发地分裂开，其中所述第二热力影响区域（16b）的至少一部分的自发分裂作为加热所述脆性材料（10）的步骤在所述脆性材料内产生的内部应力的结果而发生。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一距离（L1）基本上等于所述第二距离（L2）。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脆性材料（10）包括玻璃材料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述玻璃材料的热膨胀系数在25-300℃之间为10至70×10-7/K。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器（50）发射10μm至11μm之间的波长。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加热步骤期间，所述激光器（50）具有50W至150W的功率。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤更改成适应所述脆性材料（10）的厚度变化。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脆性材料（10）沿所述分离路径（12）的方向以从20mm/s至60mm/s的速度被加热。
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