JP2007076937A - スクライブしたガラスの割断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザビーム照射による加熱と冷却液噴霧による冷却によって惹起される熱応力に起因して、表面層にスクライブ面を発生させた単板あるいは合わせガラスなどの脆性材料において、高い位置精度やカレット発生のないクリーンな状態を維持したまま、材料の全厚みにわたってブレークを行うこと。
【解決手段】 ブレークをスクライブ面の垂直方向への引っ張り応力の印加で行うのでなく、ワークに密着させた弾性チューブを加圧して、スクライブ面が広がる方向へガラス板を曲げることによって行う。単板では１回の曲げによって、合わせガラスワークでは両方向への２回の曲げによって、ワーク全厚みのブレークを行う。この場合、ブレーク開始点では最大応力を印加するが、同開始後には亀裂先頭における応力拡大を利用して、より低い応力印加でブレークを進行させることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明はフラットパネルディスプレイに用いるスクライブしたガラスの割断方法及び同用装置に関する。本出願では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。

脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で切断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去１世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。

ところがこうした機械的方法には、次に述べるような欠点が存在する。第一は、切断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、切断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。

窓ガラスの切断などは従来技術で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファイン・ガラス切断の場合、マイクロクラック対策のために切断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要である。

それに対して、レーザ割断には次に述べるような特徴がある。第一に、質量損失がゼロ（カレット発生なし）で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが１μｍ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が＋−２５μｍ以下である。第五に、ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用に使用できる。

ガラスに高エネルギー密度のＣＯ_２レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより十分低いものに設定すると、ガ
ラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。図１に示すようにレーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の移動方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。同図において、１は加熱レーザビーム、２はガラス内部の圧縮応力、３は冷却液、４はガラス内部の引っ張り張力である。この引っ張り張力の作用で亀裂５が生じる。図２に示すガラス板６において、始点に機械的方法によるトリガークラック８をつけておくと、亀裂５はこのトリガークラックから発生し、レーザビームの移動方向７に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図１および図２に示す加熱レーザビーム１は、この最適化がなされたものである。

このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファイン・ガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。

ＣＯ_２レーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図３に示すようにＣＯ_２レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。レーザによる亀裂（レーザスクライブと称する）の深さは、通常１００μｍ程度である。同図において、９がレーザスクライブ面である。同面をこれより深くするためには、深さ方向への熱伝導によって深部における温度変化を発生させねばならない。この場合加工速度は著しく減少するので、通常は行わない。図４に示す機械的スクライブ面も、通常は同程度の深さである。さてガラスは脆性が強いので、このスクライブ線にあわせて機械的に割断することが容易である。このプロセスをブレークと称する。

従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図４に示すようにスクライブ線付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし同図１２に示すように、機械スクライブ後のブレーク面は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。機械スクライブの場合
には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄するので、ブレーク自体には高品質は要求されないのである。

ところが、レーザスクライブの場合、スクライブ面付近にマイクロクラックが存在しないので、同一のスクライブ深さに対してブレークは、より困難になる。また、ブレークが最終工程でありその後に研磨洗浄を行わないので、ブレーク面の位置精度、角度精度、清浄さが要求される。カレットが付着していることも許されない。このために、機械スクライブ後のブレーク技術として開発された従来の方法は、レーザスクライブの場合使用できない。本発明は、レーザスクライブに併用できる最適のブレーク技術に関する。これらの条件が満たされると、レーザスクライブ後のブレーク面は図３の１０に示すようにガラス表面に直交する一平面になり、理想的である。

フラットパネルディスプレイでは、液晶パネルのように２枚の張り合わせガラスを使用することが多い。しかも製造ライン中の工程で、実装後の大型ガラスから多数個取りといって、各セルを分断する必要がある。この場合にも、レーザスクライブ後にブレークを行わなければならない。レーザスクライブは、ガラス表面から約１００μｍの深さにしか形成できない。合わせガラスの両外面にスクライブが行われるので、両者を同一条件でブレークすることはできない。

ガラスのような脆性材料に亀裂発生後のブレークを安定に発生させる応力印加法として、図５に示すダブルトーション法と称する荷重負荷法がある。これは、ガラス板６をスクライブ面９が拡がる方向に曲げる方法で、できるだけ小さな荷重でブレークを行わせる方法である。スクライブ面から離れた位置での上面から下向きの印加応力１３および１３１を、またスクライブ面近傍の下面から上向きの印加応力１４および１４１を加える。本発明も基本的にはこの原理を利用している。

本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術上の利点がありながら、いまだに過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッター方式を置換できないでいる。その主たる原因は、ブレークが容易にできないことであった。そのために、実際の生産現場で使用されるには至っていなかった。

本発明は、こうした事態の解決を可能にしている。その直接の効果として、次に挙げるものがある。
１）割断位置精度が高い。
２）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
３）割断面傾きが高精度である。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）スクライブ、ブレークともに自動化ができる。
６）スクライブ、ブレークともに高速度で行える。
７）研磨、洗浄などの後工程が省略できる。

このようにガラス割断が、ダイアモンドカッター使用のような従来の機械的方法に比較して、著しく進歩することになる。レーザを用いたガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。

ここではテレビ、携帯電話、パーソナルコンピュータ、カーナビなどに用いられるフラットパネルディスプレイ用合わせガラスの割断を想定して、最良の形態を説明する。微細ワークの場合や、割断チップ数が極めて多数の場合など、異なったケースにおいては最良の形態が変化するが、本発明技術の本質は変わらない。

また、レーザスクライブだけでなく、従来方法である機械的スクライブを行ったワークに対しても、十分実用性を持つものである。

ガラス表面に設けられたスクライブ面を起点として、ガラスの全厚みにわたってブレークするのに、スクライブ面の垂直方向に引っ張り応力を印加して行うとすると同応力はガラスの破壊靭性応力を超えたものでなければならないので、きわめて過大なものになる。一方、ガラス板をスクライブ面が広がる方向に曲げてやれば、スクライブ面の亀裂端部における拡大された応力が前記靭性応力を超えればいいので、所要応力はかなり縮小でき、ブレークは容易になる。すなわち、曲げによるブレークは引っ張りによるブレークよりも容易である。

さらに、ブレークを同予定線の各位置で同時に行うのでなく、ガラス端部から出発し同予定線に沿って進行させる場合、ブレーク端部における拡大された応力がガラス破壊靭性応力を超えたものであればいいので、前記内容と同じ意味において所要応力が低下してブレークが容易なものになる。すなわち、進行型ブレークは同時ブレークよりも容易である。本発明は、この意味における二重の省応力効果を利用している。

図６に、本発明の第一の実施例を示す。同図（１）に、ワークであるガラス板６に曲げ応力を印加する前の状態を示す。同板６の上部表面にはスクライブ面９が存在する。ワークは、ワーク支持台１５の上に設置されている。同支持台には排気孔があり、排気を行うとワークは真空力でワーク支持台表面に吸引される。同支持台には、スクライブ面の真下に弾性チューブ用溝１７が設けられており、その中には弾性チューブ１６が格納されている。同チューブは長さ方向に同一の太さであるが、同チューブ用溝は底面に傾斜があり、ワークのブレーク開始点から徐々に深くなっていく。図６では、溝１７の底面をブレーク開始点では実線で、同終了点では点線で示した。

図６（２）においては、弾性チューブ１６の内部に封入された気体又は液体を加圧する。この場合同チューブが膨らむので、ワークは溝が最も浅いブレーク開始点で、スクライブ面位置で図における上方に膨らむ。もちろん、ワークはワーク支持台に吸引されているが、弾性チューブ印加圧は同吸引力に打ち勝つようにする。

この場合、スクライブ面９は広がろうとするので、前記した理由でガラス板６が同所でブレークされてブレーク面１０になる。

次いで、チューブ加圧をさらに増大していくと、図６（２）に示すように弾性チューブ１６がさらに膨らんで行き、溝の深いところでも徐々にガラス板６を上方に突き上げ、ブレーク発生を進行させていく。同図ではブレーク発生位置を９１１で示している。

図７に、本発明の第二の実施例を示す。ここでは、フラットパネルディスプレイにおいて多く用いられている２枚のガラス板を張り合わせた合わせガラスのブレークを紹介する。そうしたワークも、本発明で容易にブレークすることができる。

同図（１）に、ワークに曲げ応力を印加する前の状態を示す。ワークである合わせガラスは、ガラス板６および同６１が張り合わせて構成されている。同板６の表面にはスクライブ面９が、同様に同板６１にはスクライブ面９１が存在する。その位置は、各板については反対方向である。ワークは、ワーク支持台１５の上に設置されている。同支持台には排気孔１８，１８１などが設けられており、排気を行うとワークは真空力でワーク支持台表面に吸引される。同支持台には、弾性チューブ用溝１７，１７１，１７２などが設けられており、その中には弾性チューブ１６，１６１，１６２が格納されている。同溝底は前記同様に傾斜していることが望ましい。

同図（２）においては、弾性チューブ１６１のみを加圧する。この場合、同チューブのみが膨らむので、ワークは同支持台に吸引されながらもスクライブ面位置で上方に膨らむ。この場合、スクライブ面９は広がろうとするので、前記した理由でガラス板６が同所でブレークされブレーク面１０になる。一方、スクライブ面９１は圧縮されるので、ガラス板６１はブレークされない。

次いで、図６（３）に示すように、弾性チューブ１６１の加圧をやめて、弾性チューブ１６ならびに１６２において加圧を行う。この場合には、ワークはスクライブ面の両側で上方に膨らむ。

この場合、スクライブ面９１が広がろうとするので、ガラス板６１が同所でブレークされブレーク面１０１になる。こうした二度の操作によって合わせガラスを構成する２枚のガラス板をともにブレークすることができ、ワークは完全に割断できた。

また、本発明は複数のブレーク面に対して適用することができる。さらに、実際のフラットパネルディスプレイ製造は、大型のパネルを実装後に２次元的にブレークして多数個のセルに割断して行われるが、その場合にも適用することができる。

以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言をまたない。また、本発明の精神を敷衍することによって、短冊でなく多数個取りのセルの割断も行うことができる。

液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィに用いられる合わせガラスの割断をダイアモンドカッターなどの機械的方法で行う時には、割断後の研磨、洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断の応用で、こうした問題を一挙に解決することができる。

レーザ光加熱および冷却によるガラス内の圧縮応力および引っ張り張力の発生原理図。 レーザによるガラス割断原理図。 ガラスのレーザスクライブ。 ガラスの機械スクライブ。 ダブルトーション負荷法原理図。 本発明の第一の実施例 本発明の第二の実施例

符号の説明

１ 加熱レーザビーム
２ ガラス内部の圧縮応力
３ 冷却液
４ ガラス内部の引っ張り張力
５ ガラスに生じる割断亀裂
６ ガラス板
６１ 同
７ レーザビームの移動方向
８ トリガークラック
９ レーザスクライブ面
９１ 同
９１１ ブレーク途上の面
１０ レーザスクライブ後のブレーク面
１０１ 同
１１ 機械スクライブ面
１２ 機械スクライブ後のブレーク面
１３ 下向きの印加応力
１３１ 同
１４ 上向きの印加応力
１４１ 同
１５ ワーク支持台
１６ 弾性チューブ
１６１ 同
１６２ 同
１７ 弾性チューブ用溝
１７１ 同
１７２ 同
１８ 排気孔
１８１ 同

Claims (6)

1. ガラス板などの脆性材料の表面に傷を形成したワークにおいて、同傷が広がる方向にワークをまげてブレークを行う手段において、ワーク表面に密着させた弾性チューブの加圧によって曲げを行い、同加圧がブレーク開始点で最大値であり、ブレーク進行にともなって加圧点が同進行方向に移動していくことを特徴とする脆性材料の割断方法ならびに装置。
2. 請求項１を、それぞれ外側の表面に傷を形成し張り合わせた２枚のガラスなどの脆性材料からなるワークのブレークに適用する場合において、最初に第一の板上の傷が広がる方向に曲げて同板をブレークし、続いて第二の板上の傷が広がる反対方向に曲げて同板をブレークし、張り合わせワーク全体を割断することを特徴とする脆性材料の割断方法ならびに装置。
3. 請求項１において、レーザスクライブによって傷を形成させたもの。
4. 請求項１において、機械的方法によって傷を形成させたもの。
5. 請求項1において、脆性材料の曲げを弾性チューブ内に封入した気体あるいは液体の加圧によって行うもの。
6. 請求項１において、割断を２次元方向の複数線に沿って行うもの。

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