JP2006520734A

JP2006520734A - ガラス板切断装置

Info

Publication number: JP2006520734A
Application number: JP2005518770A
Authority: JP
Inventors: ヨー，キリョン; キム，チュンタエ; アン，ミンヤン; キム，ミジー
Original assignee: ローツェシステムズコーポレーション
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: TWI248920B; WO2004083133A3; US7638730B2; WO2004083133A2; US20070170161A1; JP4337059B2; TW200424139A

Abstract

【課題】本発明は、レーザービームによるガラス板の切断の際に、切断面の品質を極大化するために、スクライブライン上のレンズを通過するレーザービームのエネルギー準位を低めることが可能な手段を有するレーザービームを用いたガラス板切断装置を提供することにある。
【解決手段】ガラス板切断装置を開示する。この装置は、ガラス板上の切断開始点に微細クラックを形成するクラッキング手段と、前記ガラス板に吸収されるレーザービームを使用する少なくとも一つのスクライビング手段と、前記レーザービームの照射後、冷却流体を使用する少なくとも一つの冷却手段と、前記レーザービームを使用するブレイキング手段とを備える。前記ブレイキング手段は、レーザー発振器、反射鏡および集光レンズを含む。前記集光レンズは少なくとも二つ以上の焦点距離を有する。この装置は、前記集光レンズの代わりに、前記レーザービームの一部を透過させて前記ガラス板に照射されるようにする光透過口が形成されたフォトマスクをさらに備えることができる。本発明の装置によれば、切断線の直進性低下または粗い切断面などの従来のレンズによる問題点が防止され、よってきれいな切断面を提供する。

Description

本発明はガラス板をレーザービームで切断する装置に係り、より詳しくは、ガラス板をレーザービームで切断するスクライビング工程およびブレイキング工程において、スクライブライン上で最高エネルギー準位を有するレーザービームのエネルギー分布による切断面の不良を防止するため、ブレイキング工程用レンズを通過するレーザ−ビームのエネルギー準位を低めることができる手段を有するレーザービームを用いたガラス板切断装置に関するものである。

従来のガラス板の切断方法としては、ダイアモンドなどの超硬度材料でスクライブラインを形成した後、機械的応力を加えて切断する切断方法と、これから発展して、レーザービームでスクライブラインを形成した後、機械的応力を加えて切断する方法とがある。

前記方法のうち、前者は切断面が鋭利で不規則であるため、液晶のような高精度の製品には適しなく、別途の研磨工程が必要である。

前記方法のうち、より発展した後者の場合にも、切断面の信頼性はあまり高くなく、やはり機械的応力による切断によるため研磨工程が要求される。

したがって、前記問題点を解決するために、図１および図２に示すレーザービームによるガラス板の切断方法が提案されている。この方法は、非金属材料の切断開始点に所望する切断方向に初期クラックを形成し、切断しようとする線に沿って１次加熱ビームを照射して非金属材料を加熱し、前記１次ビームにより加熱された部分に１次冷却を行ってクラックを伝播させ、前記クラックが伝播された部分に２次加熱ビームを照射して非金属材料を加熱し、前記２次加熱ビームにより加熱された部分に２次冷却を行う段階を含めることを特徴としている（特許文献１参照）。

前記引用発明においては、初期クラック形成工程およびスクライビング工程だけでなくブレイキング工程にもレーザービームを使用している。

前記クラック形成手段としては、ダイアモンド、やすり、石英ガラスなどの超硬度材料からなるノッチングクラッカーを使用することができる。

前記発明は発振器２およびレンズ３を備えている。

発振器２から放出されたレーザービームはレンズ３によって集光され被切断素材に照射されることによって、被切断素材にノッチ２１を形成する。

前記レーザービーム５は他の発振器（図示せず）により発振され、反射鏡６により反射され、集光レンズ７を通じてガラス板に照射される。

１次冷却を行う手段として、この発明は、炭酸ガスレーザーにより加熱された部分を冷却させることにより、クラックを形成するクエンチャーを備え、前記クエンチャーの後側には第１吸入装置を備えている。

クエンチャー流体はクエンチャー流体注入口１０に注入され、クエンチャー流体流出口９から排出されることにより被加工素材を冷却させる。

前記第１吸入装置は、吸入口９と吸入管１２とからなる。

この発明のブレイキング手段は第２炭酸レーザーを用いる。前記レーザービーム１３は発振器（図示せず）により発振され、反射鏡１４により反射されて集光レンズ１５を通じてガラス板に照射される。

図１はブレイキング手段が加熱光学装置のみでなる場合を示し、図２はブレイキング手段が加熱光学装置とクエンチャーからなる場合を示す。

もちろん、図２のように、クエンチャーを備えることが、切断面を滑らかにしかつ切断効率を高めるのに有利であり、切断面が溶融することを防止して寸法誤差を減らすことができる。

前記発明において、レーザービームによりガラス板切断は、大きくスクライビング工程とブレイキング工程からなる。スクライビング工程では、スクライブビームと冷却ノズルによりガラス板に１００〜２００μｍ深さのスクライブラインが形成され、ブレイキング工程では、スクライブラインを基準として、ブレイクビームによりガラス板が完全に分離される。

図１および図２に示すような一般的な集光レンズを使用する場合、ガラス板に照射されるレーザービームのエネルギー準位は図３に示す通りである。

図３において、中間点線は切断しようとするスクライブラインを示すもので、スクライブラインで最大値を有し、これを中心としてその外側に行くほどエネルギー準位が減少する。

レーザービームが前記のようなエネルギー準位を有する場合、スクライブラインが周囲の温度より高くなって切断面が溶融するか溶融点に近くなるため、切断面が滑らかでなく溶融して流れた痕跡が残る。

このような理由で、切断線の直進性が低下し、ガラス板の切断断面の平坦度が低下して製品の見かけと品質を損なうことになる。

さらに、スクライビング工程およびブレイキング工程を行った後、これに対して直角方向にさらにスクライビング工程およびブレイキング工程を行う場合、先行作業における直進性の低下により、所望の軌道を外れてガラス板が切断される場合が生じる問題点がある。

このような問題点を解決するため、本発明者は、いろいろの実験を通じて、スクライビング条件およびブレイキング条件における最適条件の有無に対して検討した結果、特定の条件を再現すると、前記の不都合なしに安定的に切断することができることを発見し、その特定条件に関して出願したことがある（特許文献２参照）。

すなわち、スクライビング手段により、照射面積２０〜２００ｍｍ²に、平面照射密度０．０５〜２ｊｏｕｌｅ／ｍｍ²の範囲でレーザービームを照射し、又、照射面積２０〜２００ｍｍ²に、体積照射密度０．１〜０．５joule／ｍｍ³の範囲でレーザービームを照射した場合、前記のような問題の発生がなかった。

しかし、一般の集光レンズを使用すると、図３のようなレーザービームのエネルギー分布による影響を完全に克服することができなかった。
大韓民国特許出願第１０−２０００−００４２３１３号大韓民国特許出願第１０−２００３-００００６４５号

本発明は、前記のような問題点を克服するためになされたもので、その目的は、レーザービームによるガラス板の切断の際に、切断面の品質を極大化するために、スクライブライン上のレンズを通過するレーザービームのエネルギー準位を低めることが可能な手段を有するレーザービームを用いたガラス板切断装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、前記およびそのほかの目的は、ガラス板上の切断開始点に微細クラックを形成するクラッキング手段と、前記ガラス板に吸収されるレーザービームを使用する少なくとも一つのスクライビング手段と、前記レーザービームの照射後、冷却流体を使用する少なくとも一つの冷却手段と、前記レーザービームを使用するブレイキング手段とを含み、前記ブレイキング手段はレーザー発振器、反射鏡および集光レンズを含み、前記集光レンズは少なくとも二つ以上の焦点距離を有することを特徴とするガラス板切断装置を提供することによって達成できる。

前記集光レンズは、レンズ中心部の焦点距離がレンズ外側部の焦点距離より長いことが好ましい。

好ましくは、前記集光レンズは少なくとも二つ以上の焦点距離を有し、円筒状に形成されることによって、前記レーザービームが前記スクライビング手段により形成されたスクライブラインの長手方向へ対称状に照射されるように、前記集光レンズが位置する。

好ましくは、前記集光レンズは、底面が平坦な円筒状のプラノ−コンベックス型（Plano-convex type）レンズ、底面がクラウン状の非球面型（Aspheric type）レンズ、または円筒状バイ−コンベックス型（Bi-convex type）レンズを含む。

本発明のほかの観点によれば、ガラス板上の切断開始点に微細クラックを形成するクラッキング手段と、前記ガラス板に吸収されるレーザービームを使用する少なくとも一つのスクライビング手段と、前記レーザービームの照射後、冷却流体を使用する少なくとも一つの冷却手段と、前記レーザービームを使用するブレイキング手段とを含み、前記ブレイキング手段はレーザー発振器、反射鏡および集光レンズを含み、前記集光レンズの代わりに、前記レーザービームの一部を透過させて前記ガラス板に照射されるようにする光透過口が形成されたフォトマスクをさらに含むことを特徴とするガラス板切断装置が提供される。

好ましくは、前記光透過口が前記スクライブラインに対して対称状に配置される。

好ましくは、前記光透過口は前記スクライブラインに対して対称状に配置されるとともに前記レーザービームが前記スクライブラインに垂直に分割されるように形成される。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図面において、同一ないし類似の要素は、互いに異なる図に示されていても、同一符号で示す。

以下、図５を参照して本発明の第１実施例を説明する。

一般の集光レンズを使用する場合、ガラス板に照射されるビームのエネルギー準位は図３に示す正規分布曲線を有する。

すなわち、図３の正規分布曲線によれば、エネルギー準位はスクライブラインで最大値を有し、スクライブラインを中心にしてその外側に行くほどエネルギー準位が低下する。

その結果、スクライブラインが周囲温度より高くなって切断面が溶融するか、または溶融点に近くなって切断面が滑らかでないのみならず、切断線の直進性が低下する。

このような問題点を解決するためには、図４に示すように、スクライブライン上のエネルギー準位を低めなければならないが、本発明では、このために、１焦点距離を有する一般のレンズの代わりに、少なくとも２焦点距離を有する多重焦点レンズを使用する。

前記多重焦点レンズは、集光レンズに入射するレーザー光のなかで、エネルギー準位の高い中心部の光に対しては一つの長い焦点距離を有し、中心部以外の外側部を通過する光に対しては、従来のレンズの焦点距離のようなほかの焦点距離を有するようにする。

一般的に、切断しようとするガラス板は焦点距離内に位置するため、前記多重焦点レンズを集光レンズとして使用するとき、ガラス板は前記集光レンズと短い焦点との間に位置する。

したがって、集光レンズの中心部以外のレンズを通過する光は従来のレンズと類似したエネルギー準位を有する反面、ガラス板は、従来のレンズの場合に比べ、焦点から遠いところに位置するため、集光レンズの中心部を通過する光はエネルギー準位がかなり低下し、集光程度が低下する。

本発明の第１実施例によるディスク形状の多重焦点レンズ６０は、図１および図２に示すように、従来の集光レンズ１５を代替している。

本発明の第１実施例は、ディスク形状の２つの焦点を有する多重焦点レンズ６０を使用する。

この集光レンズは、その中心部における焦点距離が外側部の焦点距離より長く、その外側部での焦点距離は従来のレンズと類似している。
したがって、集光レンズの中央部を通過する光は長焦点６２に集中して、集光レンズの外側部を通過する光は短焦点６１に集中することになる。
切断しようとするガラス板の位置は、ディスク形状の多重焦点レンズ６０と短焦点６１との間に位置することになるため、光のエネルギー準位はスクライブライン１９を中心として図５に示したようにレンズ中心部のエネルギー準位は低下される。
従って、本発明によれば、スクライブライン上のガラス板はスクライブラインの両側部より低い温度を有する。

すなわち、図５に示すように、多重焦点レンズはディスク形状を有するので、レンズを通過して集光された光は円形断面を有し、その光のエネルギー準位は火山形状を表す。

一方、本発明の第１実施例は、ガラス板の移動なしに固定された断面上のレンズの中心部と外側部との間にエネルギー密度差を生じ得るが、エネルギー準位が火山形状を呈するため、ガラス板の移動により、エネルギーが照射された断面積が連続的に重畳することによって、スクライブライン上にも高いエネルギー準位のレーザービームが照射される欠点がある。

したがって、スクライブラインの各位置で図３に示すようなエネルギー準位を形成するためには、図３に示すようなエネルギー準位を有するレーザービームがスクライブラインの長手方向に形成されなければならない。

このため、本発明の第２実施例は、集光レンズとして使用される図６に示すような円筒状のほかの多重焦点レンズを提供する。

断面で見たとき、前記円筒状の多重焦点レンズ７０は、入射するレーザー光のうち、エネルギー準位が高いレンズの中心部を通過する光に対して一つの長い焦点距離を有し、その中心部以外のレンズの外側部を通過する光に対しては、従来のレンズの焦点距離と類似したほかの焦点距離を有するようにする。

したがって、集光レンズの中心部を通過する光は長焦点７２に集中し、レンズの外側部を通過する光は短焦点７１に集中することになる。円筒状多重焦点レンズ７０の短焦点７１と長焦点７２によって形成されたエネルギー準位は図６に示すような形状を表す。

一般に、切断しようとするガラス板は焦点距離内に位置するため、前述した多重焦点レンズが集光レンズとして使用されるとき、ガラス板は短焦点７１と円筒状多重焦点レンズ７０との間になるように位置させる。

すなわち、集光レンズの中心部以外のレンズを通過する光は従来のレンズと類似したエネルギー準位を有する一方、従来のレンズに比べ、ガラス板が焦点から遠く位置するため、集光レンズの中心部を通過する光は集光程度が低下して中心部のエネルギー準位がかなり低下する。

本発明の第２実施例の多重焦点レンズは円筒状を有するので、エネルギー分布も亦円筒状を表す。

すなわち、レーザービームの連続的照射と切断線に直角方向へのガラス板の移動にもかかわらず、一定のエネルギー分布曲線のレーザービームが得られる。

前述したような多重焦点レンズは、底面の平坦な円筒状のプラノ−コンベックス型（Plano-convex type）レンズ、底面がクラウン状の非球面型（Aspheric type）レンズ、円筒状バイ−コンベックス型（Bi-convex type）レンズ、または円筒状機能の様々な形状の組合せも可能である。

本発明の第２実施例は、第２実施例の円筒状多重焦点レンズにより切断される切断面の品質劣化を引き起こす溶融現象を発生させないブレイキング用レーザー出力範囲の著しい向上により切断マージンが向上されるという点で実施例１より優れている。

以下、本発明の第２実施例を図６に基づいて詳細に説明する。

一般の集光レンズを使用する場合、ガラス板に照射されるレーザービームのエネルギー準位は図３に示すような正規分布曲線を有するので、スクライブライン上のレーザービームのエネルギー準位はスクライブラインで最大値を有するが、スクライブラインを中心にして外側に行くほど次第に減少する。

したがって、スクライブライン上のガラス板はスクライブラインの周囲のガラス板の温度より高くなるため、切断面が溶融するか、または溶融点に近い温度に加熱されることにより、切断面が滑らかでないのみならず、切断線の直進性が低下する。このような問題点を解決するため、図４に示すように、本発明の第３実施例は集光レンズの代わりにフォトマスクを使用する。

又、前記フォトマスクは集光レンズとともに使用することもできる。

前記フォトマスクは、金属体に所定の照射形状のレーザービームを形成するために、光の一部を透過させるための光透過口を備えている。

前記フォトマスクはレーザービームの光の一部を遮断して所定の照射形状を形成するため、フォトマスクは、レーザー光がフォトマスクによって遮断される部分の温度が上昇する。

したがって、フォトマスクは別途の冷却手段をさらに備えることが好ましい。

冷却効果を最大化するためには、フォトマスクはその内部に水冷手段（図示せず）をさらに備えていることが好ましい。

また、フォトマスクは基本的に良好な熱的特性を有する必要があるため、その材料は耐熱性材料を使用することが好ましい。

前記フォトマスクに形成される光透過口は、前記エネルギー準位による問題を解決するように形成される。

したがって、スクライブライン上のエネルギー準位が最大値を有しないようにするために、フォトマスクの光透過口はスクライブラインを中心にして対称状に配置される。

すなわち、エネルギー準位は図４に示すような形状を有するようにする。

また、光透過口はスクライブラインに対して垂直方向にレーザービームを分割するように形成することもできる。

前述したように、レーザービームは、前記光透過口を通じて、スクライブラインに垂直方向に分割され、図４に示すようなエネルギー準位がスクライブラインと平行に発生することになる。

したがって、前記光透過口により分割されたレーザービームを用いて、最初のスクライブラインに垂直方向にガラス板を切断する場合、その交差点は既に先行工程によって現在のスクライブラインと垂直方向に切断された状態であるため、より高いエネルギーを印加することによって生じる切断面の問題または、スクライブライン直進性の不良は、現在のスクライブラインと垂直方向に交差点周囲のエネルギー準位を低めることにより問題を克服することができる。

図７は本発明の第３実施例によるフォトマスク５０を示すもので、スクライブライン１９に対して垂直および平行方向にレーザービームを分割するように光透過口５１が形成されている。

図８に示すように、前記フォトマスク５０は、従来の集光レンズ１５の代わりに本発明の装置を構成する。

したがって、本発明の装置を実際に適用する場合、図４に示すように、スクライブライン上のガラス板の温度がスクライブラインの周囲、つまりスクライブライン上のガラス板の両側の温度より低くなるようにすることができ、図４に示すようなエネルギー準位がスクライブラインと平行方向に形成される。

図９は本発明の第４実施例によるフォトマスク５０’の形状を示す。

前記フォトマスク５０’にはスクライブラインに対して対称状に光透過口５１‘が形成されているため、図４に示すようなエネルギー準位がスクライブラインの垂直方向にのみ形成される。

以上、前述したような実施例および添付図面は例示の目的で説明したものであり、本発明は別添の特許請求の範囲により限定されることを理解すべきである。また、当業者であれば、添付した特許請求の範囲に開示した本発明の範囲および思想の範囲内で多様な変形、付加および代替が可能であろう。

本発明によれば、ガラス板を多重焦点レンズまたはフォトマスクによって切断する場合、スクライブライン上のガラス板の温度がスクライブライン周囲の温度より低くなるので、溶融によって流れる問題などを防止することができ、きれいな切断面を提供することができる。

第１従来装置の概念図である。第２従来装置の概念図である。従来のレンズによるエネルギー分布図。本発明が目的とするエネルギー分布図。集光およびエネルギー分布を示す、本発明の第１実施例によるディスク形状の多重焦点レンズの斜視図。集光およびエネルギー分布を示す、本発明の第２実施例による筒形状の多重焦点レンズの斜視図。本発明の第３実施例のフォトマスクの斜視図。図７のフォトマスクを備えた装置の概念図。本発明の第４実施例のフォトマスクの平面図。

Claims

ガラス板上の切断開始点に微細クラックを形成するクラッキング手段と、前記ガラス板に吸収されるレーザービームを使用する少なくとも一つのスクライビング手段と、前記レーザービームの照射後、冷却流体を使用する少なくとも一つの冷却手段と、前記レーザービームを使用するブレイキング手段とを備え、前記ブレイキング手段はレーザー発振器、反射鏡および集光レンズを含み、
前記集光レンズは少なくとも二つ以上の焦点距離を有することを特徴とするガラス板切断装置。
前記集光レンズは、レンズ中心部の焦点距離がレンズ外側部の焦点距離より長いことを特徴とする請求項１に記載のガラス板切断装置。
前記集光レンズは、少なくとも二つ以上の焦点距離を有し、円筒状に形成されることによって、前記レーザービームが前記スクライビング手段により形成されたスクライブラインの長手方向へ対称状に照射されるように、前記集光レンズが位置することを特徴とする請求項１または２に記載のガラス板切断装置。
前記集光レンズは、底面が平坦な円筒状のプラノ−コンベックス型（Plano-convex type）レンズ、底面がクラウン状の非球面型（Aspheric type）レンズ、または円筒状バイ−コンベックス型（Bi-convex type）レンズを含むことを特徴とする請求項３に記載のガラス板切断装置。
ガラス板上の切断開始点に微細クラックを形成するクラッキング手段と、前記ガラス板に吸収されるレーザービームを使用する少なくとも一つのスクライビング手段と、前記レーザービームの照射後、冷却流体を使用する少なくとも一つの冷却手段と、前記レーザービームを使用するブレイキング手段とを備え、前記ブレイキング手段はレーザー発振器、反射鏡および集光レンズを含み、前記集光レンズの代わりに、前記レーザービームの一部を透過させて前記ガラス板に照射されるようにする光透過口が形成されたフォトマスクをさらに備えることを特徴とするガラス板切断装置。
前記光透過口が前記スクライブラインに対して対称状に配置されることを特徴とする請求項５に記載のガラス板切断装置。
前記光透過口は、前記スクライブラインに対して対称状に配置されるとともに前記レーザービームが前記スクライブラインに垂直に分割されるように形成されることを特徴とする請求項５に記載のガラス板切断装置。