JP2008115067A

JP2008115067A - フラットパネルディスプレィ薄板の割断方法

Info

Publication number: JP2008115067A
Application number: JP2006327544A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Nishi; 紀昭西; Mitsujiro Karube; 光次郎軽部; Norio Karube; 規夫軽部
Original assignee: LEMI Co Ltd
Current assignee: LEMI Co Ltd
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】薄板ガラスで構成されるフラットパネルディスプレィ製造に、安定した条件下で適用できるレーザスクライブ技術を提供し、従来の機械的方法に比較して高品質加工法を実現することを目的とする。レーザスクライブはレーザビーム照射による加熱と、冷媒噴霧による冷却によって惹起される熱応力を利用して行なうが、プロセスを複雑化するのがガラス内部の熱伝導にあることに鑑み、その単純化をはかりプロセスそのものを単純化する。ブレークには従来技術を適用する。
【解決手段】ガラスのスクライブ予定位置の真下か近接位置に、ガラス張り合わせ用の接着剤層を存在せしめ、ガラス表面で発生する吸収熱を接着剤層を通して下部のガラスに熱伝導させる。この場合熱伝導による冷却効果が増すので、厚板ガラスの場合と同様の熱特性が得られ、厚板の場合と大差ないレシピでスクライブが実現できる。
同スクライブとブレークを併用するとき、割断面はレーザスクライブの優れた特性とあいまって、後工程を不要とする高品質化が実現できる。
【選択図】図５

Description

本発明は薄板脆性材料、なかんずくフラットパネルディスプレィに用いられている薄板ガラス板の割断方法に関する。

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、最近登場してきた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１μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が±２５μ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、今後のフラットパネルディスプレィ用に使用できる。この方法は現在斯界の市場で試用されつつあり、安定性が実証されれば実際の生産に導入されるであろう。

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。また、照射点からある距離離れたところでは、この圧縮応力が引張り張力に変化する。その位置を狙って冷却液を噴霧すると、この引っ張り張力が拡大される。特に亀裂先端では応力拡大が発生し、同力が材料の破壊靱性値を超えると亀裂が拡大する。照射点と冷却点を走査することで、亀裂を延長していくことができる。

この様子を図１に示す。同図に示すようにレーザビームの断面形状１を適当なものに成形すると、照射位置では主として光の移動方向と直交する方向に圧縮応力２が、また冷却位置では同引っ張り張力４が発生する。同図において、１は加熱レーザビーム、３は冷媒噴霧である。この引っ張り張力の作用で割断亀裂５が生じる。ガラス板６において、始点に初亀裂８をつけておくと、割断亀裂５はこの初亀裂から出発し、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。

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２に示すようにＣＯ_２レーザビームは深さ数μｍ程度の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。レーザによる割断（レーザスクライブと称する）深さは、熱伝導に助けられ通常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。図３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応力を印加することによって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３に示すようにスクライブ面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。マイクロクラック層を除去し、かつブレーク面精度を改善するために、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。

一方、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、ブレーク面は図２の１０に示す理想的なものになる。その場合、研磨洗浄を省略することができる。

このようなレーザスクライブは、ガラス板厚が液晶ＴＶ用の０．７ｍｍや、プラズマＴＶ用の２．８ｍｍの場合には技術が進歩し、技術評価の段階を通過し、実用されるレベルに達している。問題は液晶モバイル用フラットパネルディスプレィの場合である。この場合、使用されるガラス板厚は軽量化のために徐々に薄くなってきており、現在の商品では０．２ｍｍであり、今後は０．１５５ｍｍに接近して行くと言われている。このような板厚の場合、それ以上の板厚（０．３ｍｍが境界値）で使用できる条件（以下レシピと称する）で安定したレーザスクライブが実現できない。さらに、モバイル用ガラス板は単板でなく、フラットパネルディスプレィに実装された後にレーザスクライブする必要があるので、熱伝導は単板中のプロセスではなくガラス表面以下のセルの構造に依存し、割断困難に拍車をかけている。

上記困難の原因が、厚板と薄板間の熱伝導メカニズムの相違と、単板と張り合わせガラス間の同じく相違に根ざしているに鑑み、後者でもレーザスクライブの発生に有利な熱伝導現象を実現することにした。

これを図４で説明する。同図（１）は厚板ガラスの場合を示す。１は照射レーザビームで、その全部がガラス板表面の領域１３で吸収される。同吸収熱の一部は冷媒３によって冷却されるが、その他のものはガラス内部への熱伝導１４，１４１，１４２，１４３，１４４などによって冷却される。この加熱と冷却のバランスによって、レーザスクライブが発生する。同バランスを実現する条件がレシピである。

同図（２）に示す薄板ガラスの場合にも、レーザ照射による領域１３における加熱と冷媒による冷却は表面現象であるので前記の場合に等しい。異なるのはガラス内部における熱伝導による冷却である。同図（１）の場合に比較して同図（２）の場合の熱容量は小さいので、熱伝導１５，１５１，１５２，１５３，１５４などの効果も小さい。この場合、１３の部分は以前より高温になってしまい、最適レシピは以前とは異なってしまう。

これを防止する手段として領域１３の温度特性が同一になるように、レーザ照射条件と冷媒による冷却条件を最適化することが考えられる。この場合変化させうる条件に、レーザ強度（薄板に対してはより低出力）、照射形状（拡大）、走査速度（高速）、冷媒容量（増大）、同位置などがある。しかしながら、この場合ガラス側の条件が変わるたびにレシピを変更させねばならない。同条件として、ガラスの種類、同厚さ、ガラス表面以下の構造、ガラスの熱履歴などがある。これらはセルの設計ごとに変化するので、そのたびごとに新らしいレシピが必要となる。しかもこうしたレシピは安定幅が狭く、プロセスの信頼性を低下させる。同じ設計のものでも、１枚の大版ガラスから多数個のセルを分断する場合には、通常１０組程度のレシピを使用せざるを得ず、これも問題である。

これに対して、フラットパネルディスプレィ構造において、ガラスのスクライブ位置構造をガラス内部における熱伝導が厚板の場合と同一効果になるものにすれば、単一レシピの適用のみで安定したレーザスクライブが実現できて便利である。

本発明によれば、薄板から構成されるフラットパネルディスプレィにおいても共通レシピを用いて安定したレーザスクライブを実施することができる。レーザによるガラス割断には、従来の機械的割断方法に比較して下記にあげる技術上の利点がある。
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。

このようにガラスのレーザ割断が、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。レーザによる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。

フラットパネルディスプレィに実装されたガラスはその板厚が０．２ｍｍのように薄いものでもスクライブ位置において熱伝導が下部に及ぶようにすれば厚板と同一の熱容量が期待でき、厚板用のレシピが適用できる。

図５に、本発明の実施方法を示す。同図（１）には、第１の実施例を断面図で示す。ここには単板でなく製造途中のフラットパネルディスプレィを示すので、ガラス板は上面の６と下面の６１の２枚のものがある。これらは、現在では厚さ０．２ｍｍの無アルカリガラスである。両者は接着剤１７，１７１，１７２などで接着されている。ガラスの内側面にはカラーフィルター（ＣＦ）かトランジスター（ＴＦＴ）膜が生成されているが、ここでは省略している。ガラス間のセル部分には液晶が封入されるのであるが、割断位置では封入されていない。

本発明では、レーザスクライブ位置を接着剤の上に取っている。その場合、加熱領域１３からのガラス板６内部の熱伝導は、図４（２）の場合に等しい。しかしながら図５（１）では、１６２，１６３で示す熱伝導が、接着剤１７１を経由して下側のガラス板６１に及ぶ。したがってこの分だけ冷却効果が増大し厚板の場合に近づく。これで厚板単板ガラスのレーザスクライブ条件に近づき、レシピの探索が容易になる。この事実を発明者たちは実験によって検証することができた。レーザスクライブ位置のこのような選択は、フラットパネルディスプレィの機能上は何ら問題がない。

本発明の第２の実施例を図５（２）に示す。この場合は、レーザスクライブ位置を接着剤位置を避けて選択するものである。この場合には、接着剤層をレーザスクライブ位置の両側の２箇所にしている。同位置の真下には接着剤が存在しない。この場合、接着剤を経由しての熱伝導の割合を低下させないためには、スクライブ位置と接着剤の乖離をできるだけ小さくしなければならない。発明者たちは実験によって、同乖離が０．５ｍｍ以下である必要があることを検証した。

以上の説明は、フラットパネルディスプレィの断面構造図を用いて行なった。図６は、接着剤層パターンの平面図を示すものである。同図（１）は、図５（２）に示す接着剤をはずしてスクライブを行なう場合に相当する。２０が接着剤層である。２１及び２２は、縦横方向のスクライブ線である。同図に示す場合は、スクライブ線は基本的には接着剤のない位置に選択されている。しかしながら図に示すように、交差点近傍では接着剤のある部分とない部分を通過しなければならない。一応スクライブは可能であるが、使用レシピの許容幅が狭いとスクライブが途中で停止してしまうことがある。

これを防止するのが、図６（２）の接着剤パターンである。この場合にはスクライブ線上に全く接着剤を不在にしている。この方法によって、スクライブの安定性が増大する。しかしこの場合でも、厳密には交差点近傍ではスクライブ位置と接着剤境界までの乖離が変化するので、レシピの安定幅次第では問題が残存する。

これを防止するのが図６（３）の場合であり、これは図５（１）に相当する。この場合には、スクライブ線２７、２８とも接着剤層２６の上に位置しているので、スクライブは常に同一条件下で実現でき、安定である。

このようにレーザスクライブを実行したワークに対しては、機械応力適用によるブレークを実施すればよいが、同技術には周知技術が適用できるのでここでの説明は省略する。

以上説明したように、本発明によればフラットパネルディスプレィを構成する薄板ガラスのレーザ割断も厚板なみの容易さと安定性で行うことができ、その場合従来の機械方法に対するレーザ割断の長所を実現することができる。

以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の機構例であって、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。

モバイルやカーナビに用いられ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用の薄板ガラスの割断は、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。本発明のレーザ割断で、こうした問題を解決することができる。

このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。

レーザによる熱応力スクライブの説明図。ガラスのレーザスクライブ。ガラスの機械スクライブ。厚板および薄板ガラスの熱伝導機構の相違。本発明の説明図。本発明におけるガラス裏面の接着剤パターン図。

符号の説明

１照射レーザビーム
２ガラス内部の圧縮応力
３冷媒噴霧
４ガラス内部の引っ張り張力
５ガラスに生じるスクライブ面
６ガラス板
６１同
７レーザビームおよび冷媒の移動方向
８初亀裂
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レーザビーム吸収による加熱領域
１４熱伝導
１４１同
１４２同
１４３同
１４４同
１５同
１５１同
１５２同
１５３同
１５４同
１６同
１６１同
１６２同
１６３同
１６４同
１６５同
１７接着剤
１７１同
１７２同
１８熱伝導
１８１同
１８２同
１８３同
１８４同
１８５同
１９接着剤
１９１同
１９２同
１９３同
１９４同
１９５同
２０同
２１スクライブ線
２２同
２３接着剤
２４スクライブ線
２５同
２６接着剤
２７スクライブ線
２８同

Claims

先行移動するレーザ光照射とそれに続く冷媒による冷却手段の併用によって、フラットパネルディスプレィを構成するガラス表面層に熱応力に起因する亀裂（レーザスクライブ）を発生させ、同亀裂（スクライブ）面に沿って機械的手段である応力印加によって材料の全厚み方向にわたるブレークを行う割断方法において、ガラス表面におけるレーザ吸収熱を積極的に被加工体の下方構造への熱伝導で増大させることを特徴としたもの。
請求項１において、レーザスクライブ位置の真下にフラットパネルディスプレィを構成する２枚ガラス張り合わせのための接着剤層を位置せしめ、同接着剤を経由する熱伝導を発生させるもの。
請求項１において、レーザスクライブ位置とフラットパネルディスプレィを構成する２枚ガラス張り合わせのための接着剤層境界からの乖離を０．５ｍｍ以下にして、同接着剤を経由する熱伝導を発生させるもの。