KR100300421B1 - Method and apparatus of splitting glass - Google Patents
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Abstract
절단하고자 하는 유리가 장착되는 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 절단부위를 가열하기 위한 레이저 발생부와, 상기 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔의 집속 및 가속하기 위한 광학계와, 테이블과 인접되게 설치되어 절단부위를 냉각시키기 위한 냉각부를 포함하여 된 것으로,상기 광학계가 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔을 평행빔을 변화시키는 제1렌즈군과, 상기 제1렌즈군을 통과한 레이저빔의 에너지 밀도를 각 영역에서 균일하고 하고 레이저빔의 단면을 종장형화 시키는 제2렌즈군를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.A table on which the glass to be cut is mounted, a laser generating part for heating a cutting part provided on the upper part of the table, an optical system for focusing and accelerating the laser beam generated from the laser beam generating part, and adjacent to the table And a cooling unit for cooling the cut portion, wherein the optical system is configured to change the parallel beam of the laser beam generated from the laser beam generating unit, and the laser beam passing through the first lens group. It characterized in that it comprises a second lens group for uniforming the energy density of each region and lengthening the cross section of the laser beam.
Description
본 발명은 비금속물질의 절단방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이저 빔의 초점의 형상이 개량된 레이저빔을 이용한 유리의 절단방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a device for cutting a non-metallic material, and more particularly, to a method and a device for cutting glass using a laser beam having an improved shape of the focus of the laser beam.
화상표시장치의 기판은 비금속 물질인 유리 또는 세라믹 등이 이용된다. 이러한 기판으로 사용되는 유리는 다이아몬드 소오(saw)나 열충격을 가하여 절단하는 방법이 이용되어 왔다.As the substrate of the image display apparatus, glass or ceramic, which is a nonmetallic material, is used. The glass used as such a substrate has been used a method of cutting by applying a diamond saw or thermal shock.
상기 열충격에 의해 절단하는 방법이 미국특허인 US5,609,284호에 개시되어있다. 이 방법은 절단부위를 가열하고 절단부위를 급냉각시킴으로써 마이크로 크랙을 발생시켜 절단하는 것이다.The method of cutting by the thermal shock is disclosed in US Pat. No. 5,609,284. In this method, microcracks are generated and cut by heating the cut portion and quenching the cut portion.
그러나 상술한 바와 같이 열충격을 이용하여 유리를 절단하는 방법은 열전도율이 좋지 않은 유리의 특성을 이용하는 것이다. 즉, 유리의 절단되는 부위를 짧은 시간내에 가열하고 가열된 부위를 급냉시킴으로써 이들 부위의 열팽창량 차이에 의한 마이크로 크랙을 형성하여 절단하는 방법이다. 상술한 미세한 크랙의 성장은 재료에 존재하는 응력에 의하여 결정된다.However, as described above, the method of cutting the glass using the thermal shock utilizes the characteristics of the glass having poor thermal conductivity. That is, it is a method of forming and cutting microcracks by the difference in thermal expansion amount of these portions by heating the cut | disconnected part of glass in a short time, and quenching a heated part. The growth of the fine cracks described above is determined by the stresses present in the material.
이러한 응력은 레이저빔과 냉각에 의해 절단되는 유리의 내부에 생성되는 열적인 인장응력과 절단하려는 유리의 크기, 절단되는 유리의 밴딩여부, 재료의 구속등과 관련된 외부적인 응력의 복합적인 힘의 조합에 의해 결정된다.These stresses are a combination of thermal stresses generated inside the glass to be cut by the laser beam and cooling and the external forces related to the size of the glass to be cut, the bending of the glass to be cut and the restraint of the material. Determined by
상기 열적인 인장응력은 유리를 절단하는 주요 응력이 된다. 이 열적인 인장응력은 레이저빔의 파워, 레이저빔의 초점 형상, 초점부위에서의 에너지 밀도 분포, 절단속도, 냉각조건등에 의하여 그 값이 결정된다.The thermal tensile stress is the main stress to cut the glass. The thermal tensile stress is determined by the power of the laser beam, the focal shape of the laser beam, the energy density distribution at the focal region, the cutting speed, and the cooling conditions.
상기 변수중 열응력 유발을 위한 온도구배 형성에 가장 중요한 영향을 주는 인자로는 열응력인데, 이 열응력을 감안하여 종래에는 레이저 빔 초점의 단면을 변화시키는 방안이 제시되었다.Among the variables, thermal stress is the most important factor in forming a temperature gradient for inducing thermal stress. In view of this thermal stress, a method of changing the cross section of the laser beam focus has been proposed in the related art.
그러나 변형된 종래 레이저빔의 에너지의 밀도가 가우시안형(gaussian type)을 가지므로 광학계를 통과하여 가공면에 랜딩되는 레이저빔도 가우시안형의 에너지 밀도를 가지게 된다.However, since the energy density of the modified conventional laser beam has a Gaussian type, the laser beam that passes through the optical system and lands on the processing surface also has a Gaussian type energy density.
이러한 가우시안형 에너지 밀도를 가지는 레이저빔은 선단부와 중앙부의 후단부중 중앙부의 에너지 밀도가 상대적으로 높으므로 유리의 절단부에 랜딩시 선단부로부터 중앙부로 갈수로 절단부의 온도가 높아지고 중앙부로부터 후단부로 갈수로 온도가 낮아진다. 즉, 유리 절단부의 최고 가열온도는 레이저 빔 초점의 중앙부에 위치하게 된다. 가열된 유리 절단부의 강제냉각은 레이저빔의 중앙부에 최고 에너지밀도에 의해 가열된 후 에너지 밀도가 낮은 후단부에 이르는 동안 자연냉각이 이루어진 다음에 이루어질 수 있다. 따라서 가열 및 냉각에 따른 온도차를 크게 할 수 없다.Since the laser beam having the Gaussian energy density has a relatively high energy density at the center of the front end and the rear end, the temperature of the cutting part is increased from the leading part to the center part when landing at the cutting part of the glass, and the temperature of the cutting part from the center part to the rear part is increased. Becomes lower. In other words, the highest heating temperature of the glass cut is located at the center of the laser beam focus. Forced cooling of the heated glass cut can be achieved after natural cooling is performed during the heating to the rear end of the low energy density after being heated by the highest energy density in the center of the laser beam. Therefore, the temperature difference by heating and cooling cannot be enlarged.
도 1을 참조하면 상술한 바와 같은 현상은 더욱 확실하게 알 수 있다.Referring to Fig. 1, the above-described phenomenon can be clearly seen.
도시된 바와 같이 레이저빔 초점의 장축방향의 중앙부가 절단부의 가열시 에너지 유입량이 많아 절단부의 가열온도가 최고치에 도달하게 된다(그래프 A). 그리고 장축 방향으로의 양 가장자리는 에너지 밀도가 낮으므로 최고치의 온도가 상대적으로 매우 낮다(그래프 B). 따라서 레이저빔 초점의 단축방향으로의 온도구배가 매우크다. 그리고 상술한 바와 같은 가우시안형 에너지 밀도를 가진 레이저빔은 장축방향으로 중앙부의 에너지 밀도가 높으므로 가열시 에너지 유입에 따른 최고치가 레이저빔 초점의 중앙부에 이루어지고 온도도 가장 높게 된다. 따라서 에너지 밀도가 낮은 후단부로 이동되면서는 최고로 가열된 절단부의 온도가 자연냉각되어 낮아지게 된다.As shown in the drawing, the central part of the long axis direction of the laser beam focal point has a large amount of energy inflow when the cutting part is heated, and the heating temperature of the cutting part reaches its maximum (graph A). And both edges in the long axis direction have low energy density, resulting in relatively high peak temperatures (Graph B). Therefore, the temperature gradient in the short axis direction of the laser beam focus is very large. Since the laser beam having the Gaussian energy density as described above has a high energy density in the center portion in the long axis direction, the maximum value due to the energy inflow during heating is made in the center portion of the laser beam focus and the temperature is the highest. Therefore, as the energy density moves to the lower end, the temperature of the hottest cut part is naturally cooled and lowered.
상기 가열된 절단부의 강재냉각은 레이저빔 초점의 후단부를지난 직후에 이루어지므로 급냉에 따른 온도강하(도1그래프의 S 영역)를 크게할 수 없다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 강재냉각 되면서 절단부에서 발생되는 응력의 상승폭(도 2 그래프의 C부위)이 크지 않고 완만하여 절단부의 마이크로 크랙 발생이 원활하게 형성되지 않은 문제점이 있다.Since the steel cooling of the heated cutting part is performed immediately after the rear end of the laser beam focus, the temperature drop (S region of FIG. 1 graph) due to rapid cooling cannot be increased. Therefore, as shown in FIG. 2, while the steel is cooled, the rising width of the stress generated at the cut portion (C portion of the graph of FIG. 2) is not large, and there is a problem that micro cracks are not smoothly formed at the cut portion.
그리고 전자빔이 가우시안형 에어지밀도를 가지는 경우 레이저빔의 국부적으로 에어지 밀도가 높기 때문에 레이저 발생부로부터 에이저빔의 출력에 제한을 받게된다.In addition, when the electron beam has a Gaussian air density, the air density is high in the laser beam, thereby limiting the output of the ager beam from the laser generator.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 종래에는 레이저빔의 중앙부에 공동을 만들어 레이저빔이 진행한 최종점에서 절단부의 온도가 최고치에 도달하는 방안이 제안되었다. 그러나 이런한 레이저빔은 레이저빔의 중앙부에 에너지가 유입되지 공급되지 못하므로 상대적으로 절단부에 조사되는 레이저빔의 조사시간이짧아지게되어 절단속도를 최대로 할 수 없는 문제점을 가지고 있다.In order to solve the above problems, a conventional method has been proposed in which a cavity is formed in the center of the laser beam and the temperature of the cutout reaches a maximum value at the end point where the laser beam proceeds. However, such a laser beam has a problem that the irradiation time of the laser beam irradiated to the cutting portion is shortened because energy is not supplied to the central portion of the laser beam and thus the cutting speed cannot be maximized.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 것으로서, 유리의 절단부에 가열하기 위한 레이저빔의 에너지밀도를 각 부위에서 균일하게 하여 가열 및 냉각에 따른 온도구배를 작게하여 절단부에 큰 열충격을 가할 수 있는 유리 절단방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 이있다.The present invention is to solve the above problems, by uniformizing the energy density of the laser beam for heating the cut portion of the glass at each site to reduce the temperature gradient due to heating and cooling can apply a large thermal shock to the cut portion The object is to provide a glass cutting method and an apparatus thereof.
도 1는 종래 가우시안형 에너지 밀도를 가진 레이저빔을 이용하여 절단되는 절단부의 온도분포를 나타내 보인 도면,1 is a view showing a temperature distribution of a cut portion that is cut using a laser beam having a conventional Gaussian energy density.
도 2은 종래 가우시안형 에너지 밀도를 가진 레이저빔을 이용하여 절단부를 가열한 후 급냉시켰을 때의 응력분포를 나타내 보인 도면,2 is a view showing a stress distribution when quenching after heating a cut portion using a laser beam having a Gaussian type energy density in the prior art;
도 3은 본 발명에 따른 유리 절단장치를 개략적으로 나타내 보인 도면,3 is a view schematically showing a glass cutting device according to the present invention,
도 4는 도 3에 도시된 광학계를 나타내 보인 도면,4 is a view showing an optical system shown in FIG.
도 5는 레이저빔의 단면이 직사각형을 이루며 에너지 밀도가 각 부위에서 균일한 레이저빔을 이용하여 절단되는 절단부의 온도분포를 나타내 보인 도면,5 is a cross-sectional view of a laser beam showing a temperature distribution of a cutting part cut using a laser beam having a uniform energy density at each site.
도 6는 레이저빔의 단면이 직사각형을 이루며 에너지 밀도가 각 부위에서 균일한 레이저빔을 이용하여 절단되는 절단부를 가열한 후 급냉시켰을 때의 응력분포를 나타내 보인 도면,6 is a diagram illustrating a stress distribution when a cross section of a laser beam is rectangular and an energy density is quenched after heating a cut portion that is cut using a uniform laser beam at each site. FIG.
도 7는 레이저빔의 단면이 종장형의 타원형을 이루며 에너지 밀도가 각 부위에서 균일한 레이저빔을 이용하여 절단되는 절단부의 온도분포를 나타내 보인 도면,7 is a cross-sectional view of a laser beam having an elongated elliptical shape and showing a temperature distribution of a cut portion in which energy density is cut using a uniform laser beam at each site;
도 8는 레이저빔의 단면이 타원형을 이루며 에너지 밀도가 각 부위에서 균일한 레이저빔을 이용하여 절단되는 절단부를 가열한 후 급냉시켰을 때의 응력분포를 나타내 보인 도면,8 is a diagram showing the stress distribution when the cross section of the laser beam is elliptical and the energy density is quenched after heating a cut portion that is cut using a uniform laser beam at each site.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유리 절단방법은 유리의 절단부에 대한 각 부위에서 에너지밀도가 균일하며 절단방향으로 종장형을 이루는 레이저빔을 조사하여 절단부를 가열하는 가열단계와, 레이저빔의 조사로 가열된 절단부를 급냉시켜 마이크로 크랙을 형성하는 냉각단계를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the glass cutting method of the present invention comprises a heating step of heating a cut portion by irradiating a laser beam having a uniform energy density at each portion of the cut portion of the glass and having a longitudinal shape in the cutting direction, and a laser beam. It characterized in that it comprises a cooling step of forming a micro crack by quenching the cut portion heated by irradiation of.
본 발명에 있어서, 상기 절단부에 조사되는 종장형의 레이저빔은 직사각형을 이루며, 레이저빔의 장축방향의 길이가 단축방향기리의 50 내지 70배로 함이 바람직하다.In the present invention, the longitudinal laser beam irradiated to the cut portion forms a rectangle, and the length of the long axis direction of the laser beam is preferably 50 to 70 times the short axis direction.
상기 목적을 달성하기 위한 유리 절단장치는Glass cutting device for achieving the above object
절단하고자하는 유리가 장착되는 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 절단부위를 가열하기 위한 레이저 발생부와, 상기 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔의 집속 및 가속하기 위한 광학계와, 테이블과 인접되게 설치되어 절단부위를 냉각시키기 위한 냉각부를 포함하여 된 레이저 절단장치에 있어서,A table on which the glass to be cut is mounted, a laser generating part for heating a cut part provided on an upper part of the table, an optical system for focusing and accelerating the laser beam generated from the laser beam generating part, and adjacent to the table In the laser cutting device is installed so as to include a cooling unit for cooling the cut portion,
상기 광학계가 레이저빔 발생부로부터 발생된 레이저빔을 평행빔을 변화시키는 제1렌즈군과, 상기 제1렌즈군을 통과한 레이저빔의 에너지 밀도를 각 영역에서 균일하고 레이저빔의 단면을 종장형화 시키는 제2렌즈군를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.The optical system uniforms the laser beam generated from the laser beam generator by changing the parallel beam, and the energy density of the laser beam passing through the first lens group in each region, and lengthens the cross section of the laser beam. And a second lens group.
본 발명에 있어서, 상기 제2렌즈군은 이를 통과한 레이저빔이 직사각형을 이루도록 배열함이 바람직하다.In the present invention, the second lens group is preferably arranged so that the laser beam passing through the second lens group forms a rectangle.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 유리의 절단방법은 열충격을 이용하여 유리 절단부에 작용하는 인장응력을 이용하여 유리를 절단하는 것으로, 레이저 발생부로부터 발생된 레이저빔을 광학계를 이용하여 각 부위에서 균일한 에너지밀도를 가지며 절단부위 방향으로 종장형을 이루도록 하는 레이저 빔 조정단계와, 상기 레이저빔 조정단계에 의해 조정된 된 레이저 빔을 유리의 절단부에 조사하여 유리를 가열하는 가열단계를 수행한다. 상기 레이저 빔의 조정단계는 광학계의 어레이 렌즈를 이용하여 이를 통과하는 레이저 빔속의 에너지 밀도를 균일하게 할 수 있으며, 레이빔의 초점을 종장형화 할 수 있다. 그리고 상기와 같이 에너지 밀도가 균일하며 종장형화된 레이저 빔은 X축과, Y축 방향으로 렌즈의 배율이 다른 렌즈를 이용하여 종정형화된 레이저빔의 형상을 가변시킬 수 있음은 물론이다. 여기에서 종장형을 이루는 레이저 빔의 초점은 직사각형을 이루도록 함이 바람직하다. 본 발명인의 실험에 의하면, 레이저빔이 이동되는 시간동안 에너지의 유입량이 많아지므로 절단속도가증가하게 된다는 것을 알 수 있었으나 단축방향 길이가 작아시면 에너지 밀도가 높아 절단되는 유리의 손상(녹음)이 커지고, 단축방향의 길이가 길어지면 절단영역이 넓어져 유리기판에 소정의 패턴이 형성되어 있는 경우 이의 손상이 우려가 있으므로 이를 감안하여 종장형의 전자빔의 단축방향 길이의 50 내지 70배하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.Glass cutting method according to the present invention is to cut the glass by using the tensile stress acting on the glass cut portion using the thermal shock, the laser beam generated from the laser generating unit by using an optical system to uniform energy density at each site And a laser beam adjusting step of forming an elongate shape in the direction of the cutting part, and a heating step of heating the glass by irradiating the cut portion of the glass with the laser beam adjusted by the laser beam adjusting step. The adjusting of the laser beam may use the array lens of the optical system to uniform the energy density in the laser beam passing therethrough, and lengthen the focus of the ray beam. As described above, the laser beam having a uniform energy density and the vertical shape may vary the shape of the vertically shaped laser beam using a lens having different magnifications of the lens in the X-axis and Y-axis directions. Here, the focal point of the elongated laser beam is preferably rectangular. According to the experiments of the inventors, it can be seen that the cutting speed increases because the energy inflow increases during the time the laser beam is moved, but when the short axis length is short, the energy density is high and the damage (recording) of the glass to be cut is increased. If the length of the shorter direction is longer, the cutting area is wider, and if a predetermined pattern is formed on the glass substrate, there is a risk of damage thereof. Therefore, it is preferable to reduce the length to 50 to 70 times the length of the longitudinal electron beam. I could see that.
상기 가열단계 다음 각 부위에서 에너지 밀도가 균일한 레이저 빔으로 가열된 절단부를 급냉시키는 냉각단계를 포함하다. 이 냉각단계에 의해 가열부가 급냉되면 열충격 즉, 표면과 내부의 열팽창량 차이에 의해 마이크로 크랙이 형성되어 유리가 절단된다.And a cooling step of quenching the cut portion heated by the laser beam having a uniform energy density in each portion after the heating step. When the heating part is quenched by this cooling step, the microcracks are formed by the thermal shock, that is, the difference in the amount of thermal expansion between the surface and the inside, and the glass is cut.
상술한 바와 같이 유리를 절단하는 방법은 절단부의 가열이 초점의 각 부위에서 에너지 밀도를 균일하게 함으로써 각 부위에서의 에너지 유입시간을 같게하여 절단부의 가열효율과 냉각에 따른 열충격을 크게 할 수 있다.As described above, in the method of cutting the glass, the heating of the cut portion makes the energy density uniform at each portion of the focal point, thereby making the energy inflow time at each portion the same, thereby increasing the thermal efficiency due to the heating efficiency and cooling of the cut portion.
상기 방법을 실시하기 위한 유리 절단장치의 일 실시예가 도 3에 도시되어 있다.One embodiment of a glass cutting device for carrying out the method is shown in FIG. 3.
도시된 바와 같이 유리의 절단장치는 X,Y축 상으로 이동되는 테이블(21)과, 상기 테이블의 상부에 설치되는 것으로, 유리(100)의 절단부(110)을 가열하는 레이저 발생부(22)와, 상기 레이저 발생부(22)로부터 조사되는 레이저 빔을 평행광 즉, 평행한 레이저 빔으로 만들고 이 레이저빔의 에너지밀도를 각 부위에서 균일하게 한 초점을 형성하는 광학계(30)와, 상기 레이저 발생부(22)에 의해 가열된 절단부를 냉각시키는 냉각부(40)를 포함한다.As shown in the drawing, the glass cutting device includes a table 21 which is moved on the X and Y axes, and a laser generating unit 22 which is installed on the table and heats the cut portion 110 of the glass 100. And an optical system 30 for forming a laser beam irradiated from the laser generator 22 into a parallel light, that is, a parallel laser beam, and forming a focal point in which the energy density of the laser beam is uniform at each site. And a cooling unit 40 for cooling the cut section heated by the generator 22.
상기 절단장치를 구성요소 별로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 상기 테이블(21)의 X,Y축방향으로의 이동은 공지의 액튜에이터에 의해 이루어질 수 있다. 그리고 상기 레이저 발생부(22)는 고체 레이저 또는 가스 레이저가 이용될 수 있는데, CO2레이저를 사용함이 바람직하다.The cutting device is described in more detail by component as follows. The movement of the table 21 in the X and Y axis directions may be made by a known actuator. In addition, the laser generation unit 22 may be a solid state laser or a gas laser, it is preferable to use a CO 2 laser.
상기 광학계(30)는, 레이저빔 발생부(22)로부터 발생된 레이저빔을 평행빔을 변화시키는 제1렌즈군(32)과, 상기 제1렌즈군(32)을 통과한 레이저빔의 에너지 밀도를 각 영역에서 균일하고 하고 레이저빔의 단면을 종장형화 시키는 제2렌즈군를 포함한다. 상기 레이저빔 발생부(22)와 제1렌즈군(32)의 사이에는 레이저빔의 광경로를 가변시키기 위한 반사판(31) 또는 빔스플리터가 설치될 수 된다.The optical system 30 includes a first lens group 32 for changing a parallel beam of a laser beam generated from the laser beam generator 22 and an energy density of a laser beam passing through the first lens group 32. And a second lens group which is uniform in each area and lengthens the cross section of the laser beam. A reflective plate 31 or a beam splitter may be installed between the laser beam generator 22 and the first lens group 32 to vary the optical path of the laser beam.
상기 제1렌즈군(31)은 배율이 상대적으로 큰 두 개의 렌즈를 조합하여 레이저빔을 렌즈 사이에서 크로스 오버점을 형성할 수 있도록 구성된다. 그리고 상기 제2렌즈군(33)은 어레이 렌즈가 이용되는데, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 각 요소렌즈(33a)의 토출측의 곡면을 비대칭으로 형성하여 종장형의 초점을 형성하게 된다. 그리고 상기 광학계는 제2렌즈군(33)에 의해 종장형화된 레이저빔의 단면의 사이즈를 조정하기 위한 제3렌즈(34)을 더 포함한다. 제3렌즈(34)는 출사측면의 X축 방향과 Y축 방향의 곡율이 다르게 형성되어 X축 방향과 Y축 방향의 포커싱 길이를 다르게하여 조정할 수 있다.The first lens group 31 is configured to form a crossover point between the lenses by combining two lenses having relatively large magnifications. As the second lens group 33, an array lens is used. As shown in FIG. 4, the curved surface of the discharge side of each element lens 33a is asymmetrically formed to form an elongated focal point. The optical system further includes a third lens 34 for adjusting the size of the cross-section of the laser beam lengthened by the second lens group 33. The third lens 34 may have different curvatures in the X-axis direction and the Y-axis direction of the emission side, and thus may be adjusted by varying the focusing lengths in the X-axis direction and the Y-axis direction.
상기 냉각부(40)는 유리의 절단부(110)에 냉각매체를 분사하기 위한 노즐(41)과, 상기 노즐(41)과 연결관(42)에 의해 연결되어 냉각수를 공급하는 펌프또는 가스 탱크(43)을 포함한다. 상기 냉각매체가 가스인 경우에는 N2,CO2가스가 이용된다. 상기 연결관(42)에는 냉각매체의 공급을 단속하는 밸브(44)와, 냉각매체를 냉각시키기 위한 열교환부(45)가 구비된다. 이 열교환부는 별도의 냉동사이클을 이용한 쿨링장치 또는 펠티어 소자로서 구성될 수 있다.The cooling unit 40 is connected to the nozzle 41 for injecting the cooling medium to the cut portion 110 of the glass, the pump 41 or the gas tank connected to the nozzle 41 and the connection pipe 42 to supply the coolant ( 43). When the cooling medium is a gas, N 2 and CO 2 gas are used. The connection pipe 42 is provided with a valve 44 for controlling the supply of the cooling medium and a heat exchanger 45 for cooling the cooling medium. This heat exchange part may be configured as a cooling device or a Peltier element using a separate refrigeration cycle.
상술한 바와 같이 구성된 유리의 절단장치의 작용과 이 작용을 통하여 유리 절단방법의 작용을 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.The action of the glass cutting device configured as described above and the action of the glass cutting method through this action will be described in more detail as follows.
먼저 절단하기 위한 유리를 테이블(21)의 상면에 장착한다. 이 상태에서 이저 발생부(22)로부터 레이저빔을 발진시킨 후 광학계(30)를 통하여 유리의 절단부에 조사하여 절단부를 가열시킨다.First, the glass for cutting is mounted on the upper surface of the table 21. In this state, the laser beam is oscillated from the edger generator 22 and then irradiated to the cut portion of the glass through the optical system 30 to heat the cut portion.
상기 레이저 발생부(22)로부터 발진되어 광학계(30)를 통과하는 레이저빔은 상기 제1렌즈군(32)를 통과하면서 팽행한 빔 즉, 평행광으로 변환된다. 이와 같이 평행광으로 변환된 레이저빔은 제2렌즈(33)인 어레이렌즈를 통과하면서 레이저 빔의 각 부위에서 균일한 에너지 밀도를 가지게 된다. 또한 출사측면의 곡율이 비대칭인 어레이 렌즈의 단위렌즈(33a)를 통과하면서 초점이 각 부위에서 에너지 밀도가 동일한 직사각형 또는 타원형을 이루게 된다. 상기와 같이 종장형화 된 레이저빔은 X,Y축방향으로의 곡율이 다른 제3렌즈(34)를 통과하면서 그 길이의 비가 가변될 수 있는데, 레이저빔의 장축방향의 길이가 단축방향 길이의 50 내지 70배를 이루도록 조정된다.The laser beam oscillated from the laser generator 22 and passing through the optical system 30 is converted into a beam beamed through the first lens group 32, that is, parallel light. The laser beam converted into parallel light as described above has a uniform energy density at each portion of the laser beam while passing through the array lens, which is the second lens 33. In addition, while passing through the unit lens 33a of the array lens of the curvature of the emission side surface, the focal point becomes rectangular or elliptical with the same energy density at each site. As described above, the length of the laser beam passes through the third lens 34 having different curvatures in the X and Y axes, and the ratio of the lengths thereof may be varied. To 70 times.
상기와 같이 직사각형 또는 타원형의 레이저빔에 의해 가열된 절단부는 냉각부(40)의 노즐(23a)로부터 분사되는 N2,CO2가스와 같은 냉각매체수에 의해 순간적으로 냉각된다. 상기 절단부의 급속한 냉각에 의해 이 절단부는 열충격이 가하여져 마이크로 크랙이 발생됨으로써 절단된다. 상기와 같이 레이저빔은 초점이 직사각형 또는 종장형을 이루며 각 부위에서 에너지 밀도가 균일하므로 절단부를 균일하게 가열할 수 있고 나아가서는 냉각매체에 의해 냉각되기 전까지 가열에 따른 절단부의 온도를 최고의 상태로 유지할 수 있다. 따라서 냉각시 절단부에 가하여지는 열충격을 크게 할 수 있으며, 가공속도를 향상시킬 수 있다.The cut portion heated by the rectangular or elliptical laser beam as described above is instantaneously cooled by the number of cooling media such as N 2 and CO 2 gas injected from the nozzle 23a of the cooling unit 40. By the rapid cooling of the cut portion, the cut portion is cut by applying a thermal shock to generate micro cracks. As described above, since the laser beam has a rectangular or long focal point and uniform energy density at each site, the laser beam can be heated evenly, and furthermore, the temperature of the cutting part according to heating is maintained at the highest state until it is cooled by the cooling medium. Can be. Therefore, the thermal shock applied to the cut portion during cooling can be increased, and the processing speed can be improved.
본 발명의 효과는 다음과 같은 실험에 의해 더욱 명확히 이해될 수 있다.The effect of the present invention can be more clearly understood by the following experiment.
실험예 1Experimental Example 1
본 실험에서는, 레이저 빔의 초점이 상기 광학계에 의해 직사각형을 이루도록 하고, 이 직사각형의 초점을 가지는 레이저빔에 의해 유리 절단부가 가열된 후 냉각부에 의해 냉될 때의 온도구배와 응력분포를 측정하였다.In this experiment, the focal point of the laser beam was made rectangular by the optical system, and the temperature gradient and stress distribution when the glass cut part was heated by the laser beam having the rectangular focal point and cooled by the cooling part were measured.
도 5에 도시된 바와 같이 레이저 빔 초점 양측 가장자리부(초점의 단축방향으로의 양단부측)의 가열온도 분포(그래프 D)가 중앙부에 비하여 다수 자연냉각됨을 알 수 있다. 그리고 레이저빔의 가장자리를 제외한 레이저빔에 의한 절단부의 가열온도 분포는 다소 편차가 있으나 레이저빔의 가장자리를 제외한 각부위에서의 가열온도에 따른 온도편차가 크지 않음을 알 수 있다(그래프 E). 또한 레이저빔의 전단부로부터 중앙부 및 후단부로 이동시 계속하여 가열된다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the heating temperature distribution (graph D) at both edges of the laser beam focal point (both ends in the short axis direction of focus) is naturally cooled in comparison with the center portion. The heating temperature distribution of the cutting part by the laser beam except the edge of the laser beam is slightly different, but it can be seen that the temperature deviation according to the heating temperature at each part except the edge of the laser beam is not large (Graph E). It can also be seen that the heating is continued when moving from the front end of the laser beam to the center and back ends.
이를 상세하게 설명하면, 레이저빔의 에너지 밀도가 일정하므로 레이저빔이이동됨에 따른 단위 절단부에서의 레이저빔 조사시간 동안 레이저빔의 전단부, 중앙부 및 후단부에서 균일한 에너지가 계속적으로 유입됨을 알 수 있고, 에너지 밀도 차이에 의해 절단부가 자연냉각이 되지 않는 것을 알 수 있다.In detail, since the energy density of the laser beam is constant, it can be seen that uniform energy is continuously introduced at the front, center, and rear ends of the laser beam during the laser beam irradiation time at the unit cutting portion as the laser beam is moved. In addition, it can be seen that the cut portion does not naturally cool due to the difference in energy density.
그러므로 직사각형을 이루는 레이저빔의 후단부에서 가열된 절단부 온도가 최고치에 도달하게 되고, 이 시점에서 상기 냉각부의 노즐을 통하여 고공급되는 냉각매체에 의해 급냉되어 온도가 급격히 낮아지게 된다(도 5에 도시된 F 구간).Therefore, the temperature of the cut portion heated at the rear end of the rectangular laser beam reaches its maximum value, and at this point, the temperature is sharply lowered by the cooling medium supplied through the nozzle of the cooling portion to rapidly decrease the temperature (shown in FIG. 5). F interval).
상술한 바와 같이 절단부가 급격히 냉각됨에 따른 유리 절단부에 가하여지는 응력의 분포를 도 7에 나타내 보였다.As described above, the distribution of stress applied to the glass cut portion as the cut portion is rapidly cooled is illustrated in FIG. 7.
도시된 바와 같이 절단부가 가열되는 동안 절단부이 응력이 압축응력에서 점차적으로 인장응력으로 변환(도 6의 G영역)하게 되고, 냉각매체에 의해 냉각되는 시점에서 급격히 응력이 급상승(도 6의 H영역)하게 됨을 알 수 있었다.As shown, the cut portion gradually converts the stress from the compressive stress into the tensile stress while the cut portion is heated (G region of FIG. 6), and the stress suddenly increases at the time of cooling by the cooling medium (H region of FIG. 6). I could see.
상기와 같은 결과로부터 레이저빔의 초점이 직사각형으로 형성된 경우 절단부에 큰 열충격을 줄수 있으며, 나아가서는 인장응력이 크게 가하여 진다는 것을 알수 었다.From the above results, it can be seen that when the focal point of the laser beam is formed in a rectangular shape, a large thermal shock may be given to the cut portion, and further, a tensile stress is greatly applied.
실험예 2Experimental Example 2
본 실험에서는, 상기 광학계에 의해 레이저 빔의 초점 형상이 타원형을 이루도록 하고, 이 타원형의 초점을 가지는 레이저빔에 의해 유리 절단부가 가열된 후 냉각부에 의해 냉될 때의 온도구배와 응력분포 측정하였다.In this experiment, the focal shape of the laser beam was made elliptical by the optical system, and the temperature gradient and stress distribution were measured when the glass cut portion was heated by the laser beam having the elliptical focus and then cooled by the cooling portion.
도 7에 온도분포는 상기 제1실시예에서와 같이 큰 차이는 없었으나 그래프 I에 나타난 바와 같이 레이저빔의 양측 가장자리에서 레이저 빔의 조사시간(레이저빔이 이동에 따란 에너지 유입시간)이 짧아 레이저빔의 길이 방향 중앙부에서 절단부에 조사되는 레이저 빔의 조사시간 안에 약간의 자연냉각이 이루어짐을 알 수 있다. 그러나 상술한 레이저빔의 초점이 직사각형일 때와 마찬가지로 레이저 빔 초점의 장축방향 가장자리를 제외한 각부위에서의 가열온도에 따른 온도구배가 크지 않고(그래프 J) 레이저빔의 전단부로부터 중앙부 및 후단부로 이동시 계속하여 가열된다는 것을 알 수 있다. 그러므로 타원형을 이루는 레이저빔의 후단부에서 가열된 절단부 온도가 최고치에 도달하는 시점에서 상기 냉각부의 노즐을 통하여 고공급되는 냉각매체에 의해 급냉되어 온도가 급격히 낮어져(도 7에 도시된 K구간)지게 된다.In FIG. 7, the temperature distribution was not as large as in the first embodiment, but as shown in Graph I, the irradiation time of the laser beam (energy inflow time due to the movement of the laser beam) was shortened at both edges of the laser beam. It can be seen that a slight spontaneous cooling occurs within the irradiation time of the laser beam irradiated to the cut portion at the central portion of the beam in the longitudinal direction. However, as in the case where the focal point of the laser beam is rectangular, the temperature gradient according to the heating temperature at each part except the long axis edge of the laser beam focal point is not large (graph J). It can be seen that it is heated. Therefore, when the temperature of the cut portion heated at the rear end of the elliptical laser beam reaches the maximum value, the temperature is sharply lowered by the cooling medium supplied through the nozzle of the cooling unit and the temperature is rapidly lowered (section K shown in FIG. 7). You lose.
상술한 바와 같이 절단부가 급격히 냉각됨에 따른 유리 절단부에 가하여지는 응력의 분포를 도 8에 나타내 보였였다.As described above, the distribution of stress applied to the glass cut portion as the cut portion was rapidly cooled was shown in FIG. 8.
도시된 바와 같이 절단부가 가열되는 동안 절단부이 응력이 접차적으로 상승(도 7의 L영역)하게 되고, 냉각매체에 이해 냉각되는 시점에서 급격히 응력이 급상승(도 7의 M영역)하게 됨을 알 수 있었다.As shown in FIG. 7, the stress of the cut portion increased while the cut portion was heated (L region of FIG. 7), and the stress rapidly increased (M region of FIG. 7) at the time of cooling in the cooling medium. .
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 유리의 절단 방법 및 장치는 레이저빔에 의한 절단부의 가열 유지시간 동안 자연냉각을 최소화 하여 냉각시 열충격을 크게 함으로써 마이크로 크랙의 생성을 활성화 시킬 수 있으며, 절단속도를 높여 생산성의 향상을 도모할 수 있다.As described above, the method and apparatus for cutting a glass according to the present invention can activate the generation of microcracks by minimizing natural cooling during the heating holding time of the cut portion by the laser beam to increase the thermal shock during cooling, and the cutting speed. It can raise and productivity can be improved.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (7)
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