JP2007261885A

JP2007261885A - 重ねガラスの割断方法

Info

Publication number: JP2007261885A
Application number: JP2006089949A
Authority: JP
Inventors: Norio Karube; 規夫軽部
Original assignee: LEMI Co Ltd
Current assignee: LEMI Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】
重ねガラスのうちの指定する板のみに、選択的に熱応力割断を行うこと。
【解決手段】
重ねガラスの全ての板を透過し、その一部が吸収されるレーザ光を照射し、ガラス板中に熱応力を発生させる。同熱応力の強度を、初亀裂が設けられている板には割断を発生させ、その他の板には発生させないように制御する。割断指定の板のみに初亀裂をあらかじめ設けることによって、割断の有無の選択を行う。
【選択図】図６

Description

本発明はフラットパネルディスプレィ（以下FPD）用ガラス、なかんずく重ね合わせガラスの選択的割断方法及び同用装置に関する。

ガラスは、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表面層をスクライブし、その後ブレークを行うことによって割断してきた。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、割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、割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。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。

液晶表示器やプラズマ表示器などのFPD用ガラスの場合、こうしたマイクロクラックが存在すると強度低下の原因になるので、割断面をマイクロクラックが存在しなくなる厚さまで研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要とされている。

それに対して、最近将来性が期待されてきたレーザ割断法には次に述べるような長所があり、ダイアモンドチップ法の欠点を除去する可能性がある。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、製品外形寸法精度が±２５μm以下である。第五に、ガラス板厚０．１ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用ガラスに使用できる。

次に、同方法の原理を説明する。ガラスに高エネルギー密度のＣＯ２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、進行方向のみに割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、照射点を中心に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射して冷却を行うと、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。この引っ張り張力が破壊じん性よりも大きい時に割断亀裂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、割断亀裂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。これは亀裂先端では引っ張り張力が拡大されるからである。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。

こうした最適分布の実現方法については、（株）レミから下記の特許出願がなされている。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。
特願２００３−３６３８５５特願２００４−１５６８９１

ＣＯ２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ＣＯ２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。これは、ＣＯ2レーザ波長におけるガラスの吸収係数が著しく大きいことによる。レーザによる割断（レーザスクライブと称する）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ことは、ＣＯ２レーザビームを使用する限り、たとえレーザ出力を増大させても不可能である。ただし、レーザ出力を増大させれば、熱伝導によって熱源がガラス内部に浸透し、多少スクライブ深さを増大させ得ることが実証されている。しかしながら、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り、ガラスは脆性が強くこのスクライブ線にあわせて応力を印加し、機械的に割断することが容易であるので、スクライブ深さの増大は従来あまり求められてこなかった。この機械的応力の印加によって割断する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かった。

レーザスクライブの場合も、従来方法同様ブレークの併用が必要であった。そのために、前記した折角の長所がありながら、生産現場への普及が制約されている。特にＦＰＤではガラス板は単板ではなく、２枚ガラスが重ねあわせになっており、その間に液晶が封入されている。大型の重ねガラス構造を作製し、最終工程で割断するのである。割断する位置は液晶封入がなされていないが、それにしても２枚ガラスを同じ位置か、位置をずらして割断する必要がある。そのためには重ねガラスの両面からレーザ光照射をし、ブレークを行わなければならない。これを実際に行うのは、きわめて困難なことである。本発明は、レーザスクライブが所望の位置でガラス板全厚にわたって実現し、こうした全ての課題が解決される技術に関する。このようなスクライブを、以下フルカットと呼称することにする。本発明は、重ねガラスのフルカットによる所望位置での割断技術に関する。

本発明では、ガラスヘのレーザビーム透過を十分な深さまで、多くの場合２枚重ねガラスの表面から裏面に至るまでの全板厚において実現する。そのため、従来のレーザ割断熱源が１枚のガラス表面のみに存在する線状熱源であり、材料深さ方向には熱伝導で浸透していったのに対して、本発明ではガラスの表面から裏面に達する面熱源を使用するのである。この差異を、図5に示す。同図（a）および（b）は、それぞれ従来熱源と本発明による熱源を示す。このためスクライブ深さも全板厚に及ぶので、ブレーク工程が不必要になるのである。

こうしたレーザビームの透過は、材料のレーザビームに対する吸収係数を最適化しておこなうことができる。この最適化の実現方法については、（株）レミから下記の特許出願がなされている。
特願２００５−１１２６８６特願２００５−１７２５６６特願２００５−２４２４９５特願２００５−２６４７２７特願２００６−１０３２６

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従来のレーザ・ガラス割断をスクライブだけの一工程にすることができる。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きた。本発明はそうした事態を変革する。ガラス割断素過程としてのメリットに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）割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）割断の自動化ができる。
６）割断が高速度で行える。
７）研磨、洗浄などの後工程が大幅に省略できる。

上記のメリット以外にも、次に挙げる加工対象拡大のメリットがある。
１）重ねガラスの割断が可能である。液晶ディスプレィやプラズマディスプレィ製造に使用することができる。
２）曲線割断が可能である。これはレーザによる金属加工にも匹敵する。
このように、レーザによるガラス割断がＦＰＤ製造過程に導入されれば、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。

本発明によれば、２枚以上の重ねガラスを透過し一部が吸収されるレーザ光を照射する。このようなレーザ光として、ＣＯ２、ＣＯ、Ｅｒ：ＹＡＧ，Ｈo：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ，Ｙｂ：ＹＡＧレーザ光、あるいはその高調波がある。あるいはガラスに吸収されない近赤外レーザ光照射と、ガラス中への同レーザ光を適度に吸収する不純物添加の組み合わせが利用できる。この場合、レーザ光吸収エネルギーは蛍光発光を行わず熱に変換され、かつディスプレィ用ガラスの表示特性に影響を与える可視域における吸収、蛍光特性を有さないものを選択しなければならない。このようなものとして、水を不純物としレーザとしてEr:YAGレーザやHo：YAGレーザが選択できる。また、Nd,Yb,Ho,Erなどの希土類原子を不純物とし、レーザとしてNd:YAG,Yb:YAG,Ho:YAG,Er:YAGレーザを選択することができる。

このようなレーザ光がガラス内部に亘って吸収されると、局部的に熱膨張が起きようとして前記したように圧縮応力が発生する。また、その後の冷却によって局所的な引っ張り
張力が発生する。

この張力強度を制御し、割断を行うところのみに初亀裂を設けておくと亀裂先端が応力拡大によって亀裂を延長する。亀裂を望まないところには初亀裂を設けないことによって、
割断を所望の位置のみに発生させることができる。

図6に本発明の一実施例を示す。同図において６および６１が2枚の重ねガラスであり、１５が中間層であって液晶などが封入されていたり割断位置では空気層になっていたりする。同図では空気層になっている。入射レーザビームは１６であったり、１６１であったり、１６２であったりする。同ビームは走査され、その走査方向を７、７１、７２などで示す。

入射レーザビームはガラス６、６１を透過し、その際に一部が吸収される。ガラス６、６１を透過するビームを１７，１７１，１７２で示す。ガラスの割断開始位置には初亀裂を設けるが、図６の例ではガラス６では同８、８２が設けられ、ガラス６１では８１、８３が設けられている。

レーザビーム１６が方向７に沿って走査される時、そのレーザ光強度が発生する引っ張り張力が亀裂がない場合の材料破壊じん性よりは小さく、亀裂先端の破壊じん性よりは大きい値を選択するものとする。また、レーザ光照射の後を追って冷却を行う。レーザ光照射は重ねガラスの１面から行えるが、冷却は両面から行ったほうが良い。発明者の経験によれば液晶テレビに使用される厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス板の場合、レーザビーム断面形状３ｍｍ×３０ｍｍ、レーザ出力１００W、走査速度２００ｍｍ／秒の組み合わせがこの範疇に入る。この場合、ガラス板６は割断されるが６１は加熱されるだけで割断されない。この加熱はやがて自然に消滅する。１８が割断面である。

レーザビーム１６１に対しては、初亀裂のないガラス板６は割断されないが、同亀裂８１があるガラス板６１は割断され、割断面１８１が得られる。

レーザビーム１６２に対しては、ガラス板６，６１ともに初亀裂８２，８３を有するので割断される。１８２、１８３が割断面である。

このように、本発明によれば重ねガラスのそれぞれのガラスを初亀裂がある場合には割断したり、ない場合には割断しなかったり選択することが出来る。しかもレーザ光照射を
一方向から行うことができ、またブレークを行う必要もない。

液晶FPDセルの場合、電極取り付けのために両ガラスを段違いに切断する必要がある。このような構造に対しても本発明は有効である。

初亀裂は、従来技術のダイアモンドチップ法を用いて設けることが出来る。またパルス
レーザ光照射によって作製してもよい。また初亀裂作製とレーザ照射を交互に行うのでな
く、総合タクト時間短縮のために複数個の亀裂をまとめて作製し、その後にレーザ光照射によるフルカットをまとめて行ってもよい。図７に示す１９、１９１、１９２、---------の
ような多数個亀裂の作製は、機械的方法の場合には半導体ウェーファで用いられているポイントスクライバーによってもよい。またパルスレーザ光による場合には、回折格子分岐による同時加工によることが出来る。

以上説明したのは本発明の機能を実現する一種の実施例であって、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俟たない。

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、モバイル
やカーナビ用表示器、光学装置用ＩＲフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在
はダイアモンドカッターで行われており、切断後の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。本発明によるレーザ割断で、こうした問題を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。レーザ表面スクライブとフルカット時のガラス内部の熱発生。重ねガラスの選択的レーザフルカットの原理図。ガラスの割断に先立つ初亀裂作製例。

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
７１同
７２同
８初亀裂
８１同
８２同
８３同
９レーザスクライブ面
１０レーザスクライブ後のブレーク面
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熱伝導による熱源
１４透過レーザビーム吸収による熱源
１５中間層
１６入射レーザビーム
１６１同
１６２同
１７透過レーザビーム
１７１同
１７２同
１８割断面
１８１同
１８２同
１８３同
１９初亀裂
１９１同
１９２同
――― 同

Claims

重ねガラスを透過しその一部が吸収されるレーザ光照射、あるいは同照射とそれに続く冷却手段の併用によって、ガラス中に熱応力に起因する亀裂を発生させ割断を行う装置において、割断を助長する初亀裂を割断予定のガラス板中のみに選択的に設けておき、割断位置の選択を可能にするもの。
請求項１において、照射レーザ光をＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、
Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザなどからのレーザ光か、これらのレーザ光の高調波のうちから選択するもの。
請求項１において、照射レーザ光に対して最適量の光吸収を行い、同吸収エネルギーは蛍光発光を行わず熱に変換され、かつディスプレィ用ガラスの表示特性に影響を与える可視域における吸収、蛍光特性を有さない不純物のガラスへの添加によって行うもの。
請求項３において、照射レーザ光吸収用の添加不純物として水を用い、照射レーザとしてＥｒ：ＹＡＧレーザかＨo：ＹＡＧレーザを用いるもの。
請求項３において、照射レーザ光吸収用の添加不純物としてNd,Yb,Ho,Erなどの希土類原子を用い、照射レーザとしてそれぞれの場合、Nd:YAGレーザ,Yb:YAGレーザ,Ho:YAGレーザ,Er:YAGレーザを用いるもの。
請求項１において、初亀裂の生成をダイアモンドチップなどによる機械的方法によるもの。
請求項１において、初亀裂の生成をレーザ光照射によるもの。
請求項1において、ガラスへの冷却手段が、同材料の表裏面の双方からなされるもの。