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Die
Erfindung bezieht sich auf ein dünnes
Flachglas für
Displayzwecke mit verbesserter Schneidfähigkeit durch einen Lasertrennstrahl,
insbesondere durch den Trennstrahl eines Nd: YAG-Lasers.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Durchtrennen des dünnen Flachglases
in Display-Scheiben.
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Für zahlreiche
technische Anwendungen werden dünne
Flachglasscheiben verschiedenster Größe und Konfiguration benötigt. Eine
besonders bedeutsame, aktuelle Anwendung stellen dabei Dünnglasscheiben
für Displayzwecke,
insbesondere für
Display-Zellen von Mobiltelefonen, für TV- und Computer-Flachbildschirme
und für
Digitalkameras und Camcorder dar. Die Dicke derartiger Display-Gläser liegt
in der Größenordnung
von mm, mit Tendenz zu kleineren Stärken bis hin zu 0,2 mm.
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Konventionelle
Trennverfahren für
Flachglas basieren darauf, mittels eines Diamanten oder eines Schneidrädchens mit
einer Metallschneide zunächst
eine Ritzspur im Glas zu generieren, um das Glas anschließend durch
eine äußere mechanische
Kraft entlang der so erzeugten Schwachstelle zu brechen (Ritz-Brech-Methode).
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß durch die Ritzspur Partikel
(Splitter) aus der Oberfläche
gelöst
werden, die sich auf dem Glas ablagern können und dort beispielsweise
zu Kratzern führen können. Ebenfalls
können
sogenannte Ausmuschelungen an der Schnittkante entstehen, die zu
einem unebenen Glasrand führen.
Weiterhin führen
die beim Ritzen entstehenden Mikrorisse in der Schnittkante zu einer verringerten
mechanischen Bauteilfestigkeit bzw. Beanspruchbarkeit, d. h. zu
einer erhöhten
Bruchgefahr für den
abgetrennten Bauteil. Daher müssen
die Bruchkanten anschließend
geschliffen und poliert werden, was wiederum eine Reinigung der
Glassubstrate nach sich zieht.
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Diesem
aufwändigen
mechanischen Verfahren stehen die Laserschneidtechniken gegenüber, die
den Schleif- und Polierschritt und damit auch die anschließende Reinigung
beim Glastrennen vermeiden. Bei der Laserschneidtechnik wird ein
fokussierter Laserstrahl in Verbindung mit einem nachlaufenden Kühlspot typischerweise
mittels eines Scanners entlang der Trennlinie geführt, wobei
durch die lokale Erwärmung
durch den fokussierten Laserstrahl in Verbindung mit der Kühlung von
außen
eine thermomechanische Spannung bis über die Bruchfestigkeit des
Werkstoffes induziert wird. Dabei ist es sowohl möglich, das
Glas durch den Laserstrahl zunächst
zu ritzen, um es anschließend
in Verbindung mit einem mechanisch aufgebrachten Startriß, auch
Anritz oder Initialriß genannt,
mechanisch zu brechen, als auch das Glas direkt mit dem Laserstrahl vollständig zu
durchtrennen, d.h. zu schneiden. Diese Laserstrahlschneidtechnik
ist durch mehrere Schriften bekannt geworden, beispielsweise durch
EP 0 872 303 A2 ,
US-A-S, 609, 254 und
EP
0 062 484 A1 , auf welche hiermit hinsichtlich der Offenbarung
ausdrücklich
Bezug genommen wird. Sie braucht daher hier nicht mehr näher beschrieben
zu werden.
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Mit
CO2-Lasern gelingt das Schneiden von Glasscheiben
durch laserinduzierte Spannungstrennung. Dabei erzeugt der Laserstrahl
die gewünschte
Kontur, die Laserenergie führt
zu einer lokalen Erhitzung des Glases entlang der Schnittlinie und
zu einer partiellen Verdampfung der Glasbestandteile. Durch eine
sofortige Kühlung
entstehen Thermospannungen im Glas, die zu einem Reißen der
Scheibe an der gewünschten
Stelle führen.
Wie bei der konventionellen Ritz- und Brechtechnik werden auch bei
Verwendung eines CO2-Lasers die beiden Prozessschritte,
Ritzen und Brechen, benötigt.
Da jedoch die Kantenqualität
sehr viel besser ist, können
die beim konventionellen mechanischen Schneiden notwendigen Arbeitsgänge Schleifen
und Waschen hier entfallen.
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Eine
andere Art des Laserschneidens arbeit mit Festkörperlasem, insbesondere mit
Nd: YAG-Lasern unter Verwendung der „Multiple-Laser-Beam-Absorption" (MLBA). Eine solche
Technik wird beispielsweise in der
EP 1 341 730 B1 beschrieben. Im Gegensatz
zur Strahlung der CO
2-Laser (bei 10,6 μm, ferner
IR-Bereich) wird die Strahlung, die von Nd: YAG-Lasern abgegeben
wird (bei 1,064 μm,
naher IR-Bereich), vom Glas nur in sehr geringem Maße absorbiert
und in Wärmeenergie
umgesetzt. Durch ein optisches System, das den Strahl mehrfach durch
das Glas reflektiert, kann jedoch die absorbierte Strahlungsenergie
vervielfacht werden, was zu einer lokalen Erwärmung und Ausdehnung führt. Die
durch diesen Prozeß induzierte
thermische Spannung wird bis zum Erreichen der für Glas kritischen Spannungsgrenze
erhöht.
Der sich dabei bildende Spannungsriss kann mit dem Laser kontrolliert
geführt
werden. Das MLBA-Verfahren kann daher auf einen nachgeschalteten
Brechprozeßschritt
verzichten, denn der Glaswerkstoff wird in nur einem Arbeitsgang
vollständig getrennt.
Die erzielte Schnittkantenqualität
ist mit der von geschliffenen und polierten Glaskanten vergleichbar, weil
Mikrorisse und Glassplitter vollständig vermieden werden. Da somit
die Reinigung der Glasprodukte nach einem Schleif- und Polierprozeß entfällt, werden
nicht nur Prozesszeiten, sondern auch die benötigten Vorrichtungen, Anlagen,
Reinigungszusätze
etc. eingespart. Durch das Fehlen von Mikrorissen oder Splittern
erreicht man zudem höhere
Bauteilfestigkeiten als beim konventionellen Glasschneiden. Nicht
nur Kalk-Natron- und Borosilicatglas, sondern auch beschichtete,
chemisch geätzte
sowie chemisch vorgespannte Gläser
lassen sich bei einer Dicke von 0,3 mm – 12 mm mit gutem Erfolg trennen.
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Während also
die Strahlung eines CO2-Lasers der Wellenlänge 10,6 μm von allen
Glasarten bereits in den ersten Oberflächenschichten absorbiert wird,
jedoch ein nachfolgender mechanischer Brechschritt notwendig ist,
findet eine nur sehr geringe Absorption der Strahlung eines Nd:
YAG-Lasers innerhalb der Gläser statt.
Wegen dieser geringen Absorption normaler Gläser für Licht der Wellenlänge bei
1,064 μm
wird beim bekannten MBLA-Verfahren ein ausreichender Leistungseintrag
durch das mehrfache Durchstrahlen derselben Stelle bewirkt. Die
dazu benötigte
Optik arbeitet mit einem Spiegel, der unterhalb der Glasscheibe
angebracht ist und das Laserlicht wieder durch das Glas zurück wirft.
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Gemäß der bekannten
Formel
hängt die Absorption –1n τ
i (τ
i ist
die innere Transmission des Glases) bei einer bestimmten Wellenlänge von der
Dicke d der Glasprobe, der Extinktion des Grundglases ε
0 und
der Extinktion ε
i einer (oder mehrerer) absorbierenden Glaskomponente
i der Konzentration c
i ab. Beim MBLA-Verfahren
wird daher eine ausreichend hohe Absorption durch gezielte Verlängerung
des optischen Weges erreicht, was formal einer Erhöhung des Parameters
d entspricht. Bei sehr geringer Glasdicke, z.B. 0,7 mm für Scheiben
in Display-Anwendungen, sind also sehr viele Durchgänge (Spiegelungen
des Laserstrahls) erforderlich, um eine ausreichende Absorption für die Glastrennung
zu gewährleisten.
Durch die notwendigen, vielen Strahlungsdurchgänge nimmt das Aufheizen der
Schnittkante jedoch eine geraume Zeit in Anspruch, was die Prozesszeiten
für das
Trennen und damit die Wirtschaftlichkeit der Herstellung, in nachteiliger
Weise begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete dünne Flachglas
für Displayzwecke
so auszubilden, daß es
insbesondere mit einem Nd: YAG-Laser und dem MBLA-Verfahren schneller
als nach dem Stand der Technik aufheizbar und damit auch schneller
schneidbar ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt bei einem dünnen Flachglas für Displayzwecke
gemäß der Erfindung
dadurch, daß die
Glaszusammensetzung des Flachglases zur Verbesserung dessen Schneidfähigkeit durch
einen Laserstrahl mindestens eine Zusatz-Glaskomponente enthält, die Strahlung einer Wellenlänge von
1,064 μm
wirksam absorbiert.
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Wie
Versuche gezeigt haben, führen
wegen der Mehrtachreflexion nach dem MBLA-Verfahren bereits kleine
Zusätze
dieser Glaskomponente zum Glas zu einem besseren Energieübertrag
der Laserenergie, insbesondere des Nd: YAG-Lasers, in das Glas,
was zu einer schnelleren Aufheizung der Schnittkante und somit letztlich
zu einem schnelleren Trennverfahren führt. Dies ist besonders bei
den TFT-Displaygläsern aus
Borosilikatglas gewünscht
(TFT = Thin-Film-Transistor),
da hier wegen der typischen geringen Glasdicke von nur 0,7 mm und
der geringen thermischen Dehnung um 3 ppm/K sich die Erzeugung der
zum Trennen notwendigen thermischen Spannungen deutlich schwieriger
gestaltet als z.B. bei den relativ dicken (mehrere Millimeter) und
hochdehnenden (etwa 9 ppm/K) Kalk-Natron-Gläser.
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Eine
wirksame Absorption der Strahlung von 1,064 μm soll in diesem Zusammenhang
bedeuten, daß die
Absorption durch die Zusatz-Glaskomponente ≥ 0,001 ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist die Zusatz-Glaskomponente durch Samariumoxid (Sm2 O3 ) gebildet,
d.h. die Weiterbildung bezieht sich auf die Verwendung von Samariumoxid
als Hilfsmittel in Flachgläsern
zur Verbesserung der Schneidbarkeit mittels Nd: YAG-Lasern.
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Dabei
genügt
bereits ein Zusatz von 0,001 – 5
Gewichtsprozent an Samariumoxid um die Schneidbarkeit signifikant
zu verbessern.
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Samarium
ist bekanntlich ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente
mit dem Symbol Sm und der Ordnungszahl 62. Das silbrig glänzende Element
gehört
dabei zur Gruppe der Lanthanide und zu den Metallen der seltenen
Erden. Mit Sauerstoff reagiert es zum sogenannten Sesquioxid Sm2 O3 (Samariumoxid).
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Samarium
wird vielfältig
in der Technik eingesetzt. Gemäß Wikipedia,
der freien Enzyklopädie,
wird Samariumoxid u.a. generell optischem Glas zur Absorption von
infrarotem Licht im Sinne einer Filterwirkung zugesetzt. Ein Hinweis
auf die Verbesserung der Schneidfähigkeit von zusätzlichem
Samariumoxid enthaltenden Flachgläsern mit Nd: YAG-Laser durch eine
gezielte Wärmeerhöhung findet
sich nicht.
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Samarium
wird auch zur Verbesserung des Bild-Kontrastes bestimmten Gläsern zugefügt. So beschreibt
beispielsweise die
US 4,769,347 ein
coloriertes Glas für
den Bildschirm einer Kathodenstrahl-Farbildröhre, das zur Verbesserung des
Bildkontrastes Sm
2O
3 bis
zu 3% Gew.%-Anteil
enthält.
Hierbei wird die geringe Absorptionsintensität des so und zusätzlich mit
Er
2O
3 dotierten
Glases ausgenutzt. Die
JP
61083645 A beschreibt dabei eine samariumhaltige Glaszusammensetzung
für gefärbte Fernsehbrillen
mit erhöhtem
Kontrast, wobei das Samarium insbesondere als färbende Komponente benutzt wird.
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Die
US 3,216,308 beschreibt
ein Neutronen absorbierendes Glas mit einem Samariumzusatz im Bereich
von 2 bis 25% Gew.% zur Verbesserung der Neutronenabsorptionsfähigkeit.
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Samariumhaltige
Gläser
werden weiterhin für
die Herstellung der sogenannten Flowtubes von Nd: YAG-Laser zur
Abschwächung
des Laserlichtes der Wellenlänge
1,064 μm,
das quer zum YAG-Stab emittiert wird, verwendet. Auch hierbei kommt
es auf die Filterwirkung und nicht auf eine gezielte Erwärmung im
Glas an.
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Schließlich werden
in der Forschung samariumhaltige Gläser für das direkte Schreiben von
Lichtwellenleitern in Glasblöcke
im Rahmen der Miniaturisierung von optischen Schaltkreisen eingesetzt,
da die Valenz von Samarium-Ionen im Glas durch Laserbestrahlung
in sehr kleinen Glaskörpern
reversibel verändert
werden kann. Dabei ist ein spektrales Lochbrennen in samariumhaltigen
Gläsern
bei Raumtemperatur beständig
und kann für
holographische optische Speicher genutzt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
wirken sich besonders vorteilhaft beim Schneiden von Flachgläsern aus
einem alkalifreien Glas aus.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Flachglas
aus einem alkalifreien Borosilikatglas enthaltend eine Zusammensetzung
(in Gew.-%) von:
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Um
das Ausmaß der
Absorptionserhöhung
nach Zusatz einer bestimmten Menge einer bei der Wellenlänge von
1064 nm absorbierenden Zusatzkomponente, hier Sm2O3 in das zu zerschneidende Glas zu bestimmen,
wurden acht Beispiele von Aluminoborosilicatgläser mit unterschiedlicher Zusammensetzung
nach den Tabellen 1 und 2 erschmolzen und spektrometrisch vermessen,
die im folgenden auch anhand von zwei Diagrammen in den 1 und 2 erläutert werden.
Die 1 zeigt dabei für zwei Wellenlängen die
Abhängigkeit
der maximalen Schnittgeschwindigkeit vom Sm2O3-Anteil. Die 2 zeigt
den Einfluss der inneren Transmission auf die erreichbare maximale
Schnittgeschwindigkeit.
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Aus
herkömmlichen,
von unvermeidlichen Verunreinigungen abgesehen, im wesentlichen
alkalifreien Rohstoffen, wurden die Borosilikatgläser der
Tabelle bei 1620°C
in gasbeheizten Quarztiegeln für
120 Minuten erschmolzen. Die Schmelze wurde 90 Minuten bei dieser
Temperatur geläutert
und dann bei 1580°C
in induktiv beheizte Platintiegel umgegossen. Zur Homogenisierung
wurde die Schmelze noch 45 Minuten bei 1520°C gerührt. Die gegossenen Glasblöcke wurden
ab 730°C
mit einer Rate von 20°C/Minute
gekühlt.
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Aus
den bei Raumtemperatur an den Glasblöcken der Dicke „d" gemessenen Transmissionsspektren sind
folgende Parameter entnommen und in der Tabelle eingetragen:
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Farbwerte L* (Luminanz = Helligkeit), a* (grün/rot-Achse) und b* (blau/gelb-Achse)
gemäß den karthesischen
Koordinaten des CIELAB-Systems, in welchem die Farborte von Glasfarben
am Besten angegeben werden, und zwar für das Normlicht D65 und den
10° Normalbeobachter
und daraus abgeleitet der Chroma-Wert C* (Farbsättigung, Buntheit) und der
Bunttonwinkel h° (Farbton)
entsprechend den zugehörigen
Polarkoordinaten des CIELAB-Systems
- • die
Wellenlänge
WL50% 0,7 mm, bei der gerade ein Transmissionswert
von 50% beobachtet wird.
- • die
Transmission T1064nm 0,7 mm bei 1064 nm.
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Man
erkennt am Beispiel 2, daß lediglich
die Dotierung mit Samariumoxid eine signifikante Erniedrigung der
Transmission bei 1064 nm bewirkt und somit, nach Gleichung (1),
zu einer Erhöhung
der Absorption führt.
Nur das Dotieren mit Samariumoxid führt zu einer Absorptionsbande,
bei 1064 nm, andere vergleichbare seltenere Oxide absorbieren nicht
in diesem Bereich. In den Ausführungsbeispielen
beträgt
der Anteil an Samariumoxid 1 – 0 – 2 – 1, ausgedrückt in Gew.-Anteilen in %. Der
begrenzende Faktor sind die Farbverfälschung (gelbes Glas) und die
Gemengekosten. Wie dabei die Tabellenwerte von a* und b* sowie C*
zeigen, liegen diese dicht bei farblosem Glas.
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Glasproben
der Zusammensetzung nach Tabelle 1 wurden mit einem Nd: YAG-Laser
nach dem MBLA-Verfahren probeweise getrennt. Es konnte eine sehr
schnelle Aufheizung der Schnittkante, d.h. eine erhöhte Schneidfähigkeit
der Glasproben, beobachtet werden. Trotz der geringen Glasstärke des
niedrigdehnenden, alkalifreien Glases waren die Schnittkanten von
sehr guter Qualität
ohne sichtbare Mikrorisse, Ausmuschelungen oder Glassplitter.
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In
einer weiteren Versuchsreihe wurden vier weitere beispielhafte Gläser (Bsp.
5 bis 8) der Zusammensetzungen nach vorstehender Tabelle 2, wie
beschrieben, hergestellt; das Glas des Beispieles 9 ist ein (undotiertes)
TFT-Glas und wurde zu Vergleichszwecken mit in die Untersuchung
aufgenommen.
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Aus
den Gußblöcken wurden
Scheiben der Größe 130 mm·65 mm·0,7 mm
hergestellt. Den bei Raumtemperatur gemessenen Transmissionsspektren
sind folgende Parameter entnommen und in der Tabelle 2 eingetragen.
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Ti
bezeichnet dabei die „innere" Transmission, die
aus den gemessenen Transmissionswerten T nach Korrektur der Reflexionsverluste
gemäß
Ti
= T/P, mit P = 2n/n2 + 1), wobei n den Brechwert
bezeichnet
berechnet wird.
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Die
Scheiben wurden dann mit dem Laser nach dem MBLA-Verfahren geschnitten.
Dabei wurde die erreichte maximale Schnittgeschwindigkeit in mm/min
bei Verwendung der Wellenlänge
von 1064nm (Vmax 1064nm)
und bei Verwendung einer Wellenlänge
von 1030nm (Vmax 1030nm)
registriert. Das undotierte Vergleichsglas (Beispiel 9) konnte mit
den gewählten
Einstellungen nicht getrennt werden (Vmax=0),
auch nicht nach Erhöhung
der Laserleistung auf 750 Watt. Die mit Sm2O3 dotierten Gläser (Beispiele 5 – 8) konnten
dagegen bei einer Laserleistung von 500 Watt mit hoher Schnittgeschwindigkeit
getrennt werden. Dies gelang selbst bei einer geringen Dotierung
von nur 0,1 Gewichtsprozent Sm2O3 (Beispiel 5). Bei größeren Sm2O3Anteilen konnten höhere Schnittgeschwindigkeiten
realisiert werden. Die Abhängigkeit
der maximalen Schnittgeschwindigkeit vom Sm2O3-Anteil ist dabei in 1 dargestellt.
Die obere Kurve bezieht sich dabei auf die Wellenlänge 1064
nm. Der Einfluß der
inneren Transmission Ti auf die erreichbare maximale Schnittgeschwindigkeit
geht aus der 2 hervor. Die normalerweise
an undotierten Gläsern
bestimmte innere Transmission im Arbeitswellenlängenbereich (1030 bzw. 1064
nm) von etwa 0,995 reicht für
eine Einkopplung der Laserleistung in das Glas nicht aus. Erst ab
einer inneren Transmission kleiner 0,985 gelingt die Einkopplung der
Laserleistung in das Glas und damit das Schneiden der Scheiben.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer zusätzlichen
Einfuhr von Titan- und Ceroxid in das Glas zur Blockung der UV-Strahlung.
Die UV-Absorptionskante, charakterisiert durch den Wert WL50% 0,7 mm wird zu längeren Wellenlängen verschoben,
d.h. die schädliche
UV-Strahlung kann somit nicht durch das Glas hindurchtreten. Dies
hat Vorteile in einigen Anwendungsfällen, bei denen es auf eine
gute Langzeitstabilität
der Materialien ankommt. Insbesondere können organische Verbindungen
durch langandauernde Einwirkung von UV-Strahlung degradieren.
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Die
Dotierung von Gläsern
mit Sm2O3, TiO2 oder CeO2 führt generell
zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Gelbfärbung, die zu Farbverfälschungen
führen
kann. Wegen der relativ geringen Menge der Dotierungen und der geringen
Glasdicke kann diese Farbwirkung jedoch vernachlässigt werden, wie an den kleinen Chromawerten
der Beispielgläser
erkennbar ist.
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Die
Stärke
des dünnen
Flachglases liegt in der Größenordnung
von mm, vorzugsweise im Bereich von 12 mm bis 0,2 mm.
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In
Verbindung mit der MLBA-Technik schafft die Erfindung eine Trenntechnologie
für speziell
dotierte Borosilikatgläser,
die es erlaubt, gestapelte Gläser,
z.B. auch die beabstandet angeordneten Displayscheiben für Display-Zellen
von Mobiltelefonen, oder entsprechend dicke Flachgläser in einem
Arbeitsgang ohne nachgeschaltete Brech- und Bearbeitungsprozesse
zu trennen.