JP2008156176A

JP2008156176A - 高精度脆性材料フルカット割断方法

Info

Publication number: JP2008156176A
Application number: JP2006348836A
Authority: JP
Inventors: Norio Karube; 規夫軽部
Original assignee: LEMI Co Ltd
Current assignee: LEMI Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】レーザビーム照射による加熱によって熱応力を惹起し、ガラスなどの脆性材料をフルカットする割断方法において、割断位置の高精度化をはかること。
【解決手段】割断は最大応力位置で発生するが、同位置がかならずしもレーザビーム照射位置に一致せず、ガラス板内部における不均一熱伝導の影響によって照射位置からずれてしまう。このずれを防止するか、補償するかによって割断位置の高精度化がはかれる。防止は補助材か周囲液体あるいは気体への熱伝導の利用、パルスレーザビーム照射によって、また補償はレーザビーム照射位置の負帰還制御によって行う。
【選択図】図７

Description

本発明は脆性材料、なかんずくフラットパネルディスプレィ用ガラスをフルカットするレーザ割断方法に関する。

最近ガラス割断において、過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドチップによる機械的方法に代わって、レーザ割断法が使用されるようになってきた。

この方法によれば、機械的方法に固有の欠点、すなわち割断時のカレット発生、マイクロクラック発生、加工速度の限界、消耗品などの工具コスト、などが一掃される。

また、機械割断の後工程である研磨、洗浄が不要になり、面粗さ１μm以下の鏡面が得られ、製品外形寸法精度は±２５μm以上になる。さらにレーザ割断法はガラス板厚０．１ｍｍまでの薄さにも使用でき、今後の液晶表示器用ガラスに使用できる。

同方法の原理は次の通りである。ガラスに局所的に、加熱だけが発生し、気化、溶融やクラックが発生しない程度のレーザ光照射を行なう。この時ガラス加熱部は熱膨張するが、局所加熱なので十分な膨張ができず、照射点を中心として圧縮応力が発生する。周辺の非加熱領域では、加熱部からの膨張に押されてさらに周辺に対してひずみを伝達させる。この場合、圧縮応力は半径方向である。ところで物体に圧縮応力がある場合には、その直交方向にはポアソン比が関係した引っ張り応力が発生する。ここでは、その方向は接線方向である。この様子を図１に示す。

同図は、原点に中心をおくガウシアン分布の温度上昇がある場合の、半径方向応力成分σ_ｘと接線方向応力成分σ_ｙの変化を示したものである。前者は終始圧縮応力であるが、後者は加熱中心部では圧縮応力であるが、同中心から離れると引張り応力に変化する。

これらの応力のうち、割断に関係するのは引張り応力である。同応力が材料の破壊靱性値を超える時には、破壊が随所に発生し制御不能である。本発明の割断では、引張り応力を同値以下に選定しておくので、破壊は発生しない。

ところが、引張り応力存在位置に亀裂がある場合には同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。すなわち、制御された割断が生じることになる。照射点を走査することで、亀裂を延長していくことができる。このレーザ割断の応用によって、前記した機械的方法の欠点が一掃できる。

最近登場したレーザ割断においては、ＣＯ_２レーザビーム照射１が使用されている。この場合、図２（a）１に示すＣＯ_２レーザビームエネルギーの９９％は、ガラス板２の深さ３．７μｍ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。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（スクライブと称する）深さは熱伝導４によって助けられても、通常１００μｍ程度である。しかしながら、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。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。レーザビームは３の方向に走査される。

これに対して、図2（b）に示すようなガラスに透過して行きその一部が吸収されるようなレーザビーム5を照射すると、透過ビーム６がガラス全板厚に対してスクライブを発生させるので、ガラスはこの工程のみで割断ができてブレークが不要になる。この割断を、レーザによるフルカットと称する。

フルカットの採用により、ブレークが不要になる、自由曲線割断が可能になる、重ねガラスの一方向からの選択的割断が可能になるなどのメリットが生じ、フラットパネル製造工程の計り知れない改善が実現できる。株式会社レミは、このフルカット技術に対して下記の日本特許出願を行なった。
特願２００５−１１２６８６特願２００５−１７２５６６特願２００５−２４２４９５特願２００５−２６４７２７特願２００６−０８９９４９特願２００６−３１１３７９

このようにフルカットは優れた技術であるが、実験の結果スクライブの場合よりも割断位置精度が劣るという欠点が判明して来た。この欠点を除去すれば、同技術はその有している技術優位性のために広く使用されるであろう。本発明はその欠点を除去してスクライブなみの位置精度を実現するものである。同精度は±２５μｍ程度であり、従来の機械的方法を凌駕するものである。

この位置精度の低下は図３のフルカット位置７に示すように、同位置がガラス板の中央部にあるように、フルカット面両側のガラスの熱容量が均等であると発生しないが、同予定位置が７１に示すようにガラス端部に近く、両側の熱容量が著しく異なると、実際のフルカット位置７２は予定位置７１から外れてしまう。

株式会社レミにおける有限要素法熱解析の結果、このフルカット位置ずれの原因は、ガラス割断を引き起こす最大熱応力の発生位置が、加熱のためのレーザビーム照射位置通りにならず各方向に対する熱伝導の差によってずれることに起因することが分かった。この事実を図４を参考にして説明する。

同図に示す比較的ガラス中央部分にある透過レーザビーム９は柱状熱源になり、同熱源は各方向に均等に熱伝導伝播する。これを模式的に、１０，１０１、---------１０７の熱伝導で示す。比較的ガラス端部近傍にある柱状熱源９１については、１１、１１４、１１５，１１６，１１７の熱伝導は熱源９のものに等しい。しかしながら、ガラス端部に向かう熱伝導１１１，１１２，１１３はこの伝播位置におけるガラスの熱容量が小さくなるので冷却効果が低下し、こちら側のガラス温度は反対側よりも高いものになる。

すなわち最高温度位置はレーザビーム照射位置からガラス板端部方向にずれてしまい、ガラスをフルカットする引張り応力も同側が大きな値になり、フルカット位置をガラス端部に引きずってしまう。これは実験結果と一致する。我々が制御できるのはレーザビーム照射位置であるが、フルカット位置は同位置からずれてしまうのである。このようにフルカット位置ずれの原因が判明したので、その防止策を行うことによってフルカットの場合でも高い位置精度を維持することができる。

このような最高温度位置のレーザビーム照射位置からのずれを防止するか、ずれ発生を許容してもレーザビーム照射位置を負帰還制御してやれば、フルカット位置の高精度化を実現することができる。

本発明によれば、レーザスクライブとブレークの二工程からなる従来の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。

本発明のメリットに次に挙げるものがある。
１）割断がスクライブだけの一工程ででき、ブレークが不要である。まして、研磨、洗浄などの後工程は不要である。
２）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
３）曲線割断が可能である。
４）割断位置精度が高い。
５）割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
６）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
７）重ねガラスの選択的割断を一方向からのレーザビーム照射でおこなうことができ、ガラス板の反転などの操作が不要である。
８）割断の自動化ができる。
９）割断が高速度で行える。

このように、レーザによるガラス割断がフラットパネルディスプレィ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。

端部における熱伝導の方向不均一性を、端部方向にも見かけ上熱容量が増大するようにして防止するか、熱伝導の伝播時間よりも割断発生の時間を早めて、方向不均一の冷却効果を防止すれば、フルカット位置のずれを防止することができる。または、フルカット位置のずれが発生する場合でも、フルカット位置をモニターしてレーザビーム照射位置を負帰還制御してやれば、フルカット位置を目標位置に制御することができる。

図５に、本発明の第一の実施例を示す。本発明では、端部近傍におけるフルカット位置のずれを防止するために、補助材２１をガラス板端部に熱接触させておく。この場合、透過レーザビーム９１から四方への熱伝導はあたかもガラス板に端部がなく、十分に大きい場合と同等になり、中央部のフルカット同様フルカット位置７２が予定線７１と一致する。この補助材としては加工材と同一熱特性を有するものが望ましい。また補助材の幅は大きい方がいいが最低１０ｍｍは必要である。

図６に、本発明の第二の実施例を示す。本実施例では加工を筺体１２内部で行う。同筺体は気密構造になっており、内部に高熱伝導率の気体を充満させておく。そうした気体としては、水素、ヘリウムなどがある。前者は危険であるので、両者のうちではヘリウムの方がいい。ヘリウムの熱伝導率は０．１４２W／m・Kであって、ガラスの約２４％である。図５のような補助材がなくても、端部方向への熱伝導はヘリウム中になされるので、フルカット位置７２は同予定線７１に一致する。また、水を使用すると熱伝導率は０．５６W／ｍ・Kであって、熱伝導率はガラスとほぼ変わらない。高精度化にはさらに有利になる。ただし、水がレーザビームに直接あたらない注意が必要である。

第三の実施例は、フルカットを高速化して熱伝導が伝播する以前に終了させてしまう方法である。ガラス端部近傍でのフルカット位置ずれは、熱伝導の不均一性に起因したものである。レーザビーム吸収による加熱だけであれば、レーザビーム照射位置からずれることはない。そのためには、連続波レーザビームでなくパルスレーザビームを使用すればよい。

パルス幅は短いほうが良いが、それにも限界値がある。レーザビーム吸収によって加熱現象が生じると、歪と応力が周辺に伝達していく。図１によれば、引っ張り応力は加熱中心から約１０ｍｍに発生している。応力の伝達速度を２ｋｍ／sとすると、この引っ張り応力は加熱５μｓ後に発生する。したがって、レーザパルス幅は５μｓより長い必要がある。またレーザ出力は、ガラス板が変質しない範囲のものを選ぶ必要がある。デューティは、パルス照射ごとの温度履歴が消失することが望ましいので、２０％以下にすればよい。このようなパルス特性のレーザビーム照射によって、フルカット位置を同予定位置に一致させることができる。

図７に第四の実施例を示す。同図では、照射レーザ光５はファイバー１３で導光され、ガラス板内部の透過レーザビーム９１になる。ファイバー１３は、その端部が照射位置制御装置１４に取り付けてある。同装置は、フルカット進行のための走査３を行うと同時に、これと直交方向１５に負帰還制御して、フルカット位置を同予定位置に一致させる。そのためには、フルカット位置を検出して、同位置が予定位置に一致するように負帰還制御を行う。同制御には周知の技術が使用できる。

図７に示すように、ガラス板端部近傍においては透過レーザビーム９１の位置と引っ張り応力最大値の位置は不均一な熱伝導のために一致しない。このずれを予見して透過レーザビ−ム位置をオフセットすることも、正しい位置でフルカットするための方法として考えられるであろう。しかしながら、この予見をリアルタイムで実行することは決して容易ではない。このずれ量の如何にかかわらず、負帰還制御でフルカット位置を矯正することができるのである。フルカット位置がガラス板端部から十分離れていれば、このような負帰還制御機能はついていても動作しないだけである。

フルカット用レーザビームとしては、株式会社レミからすでに日本特許出願がなされているものを選択できる。その具体例は、前記した特許文献に明記してあるのでここでは省略する。

以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の実施例であって、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に用いるガラスの切断が、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。

加熱による応力発生原理図。ガラスのレーザビーム照射によるスクライブとフルカット模式図。ガラス端部近傍におけるフルカット位置の予定位置からのずれ。ガラス中央部と端部近傍における熱伝導の相違。本発明の実施例。本発明の実施例。本発明の実施例。

符号の説明

１スクライブ用照射レーザビーム
２ガラス板
２１補助材
３照射レーザビームの走査方向
４発生熱の熱伝導による伝播
５フルカット用照射レーザビーム
６透過レーザビーム吸収による熱源
７フルカット位置
７１フルカット予定位置
７２フルカット位置
８フルカット割断面
８１同
９透過レーザビーム
９１同
１０熱伝導
１０１同
１０２同
１０３同
１０４同
１０５同
１０６同
１０７同
１１同
１１１同
１１２同
１１３同
１１４同
１１５同
１１６同
１１７同
１２筺体
１３照射レーザビーム導光用ファイバー
１４照射位置制御装置
１５負帰還制御方向

Claims

脆性材料を透過しその一部が吸収されるレーザビーム照射によって、同材料に熱応力加工としてのフルカットを発生させる割断方法において、同割断位置を決定する最大熱応力位置の、ガラス板内部における不均一熱伝導の影響によるレーザビーム照射位置からのずれを防止するか、補償するかによって、割断位置の高精度化を実現するもの。
請求項１において割断位置ずれ防止を、ガラス板端部に補助材を熱接触させ、同補助材への熱伝導によって熱伝導不均一性を減少させ実現するもの。
請求項１において割断位置ずれ防止を、ガラス板割断を高熱伝導性液体や気体中で行わせ、同液体あるいは気体への熱伝導によって熱伝導不均一性を減少させ実現するもの。
請求項１において割断位置ずれ防止を、応力発生速度より低速で、熱伝導速度よりは高速のパルスレーザビーム照射によって実現するもの。
請求項１において割断位置ずれ防止を、割断位置の検出とレーザビーム照射位置の負帰還制御によって実現するもの。