KR100495051B1 - 유리 절단 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유리 절단 방법 및 장치는 가공하고자 하는 유리에 조사되는 레이저 빔이 저에너지밀도의 전단부와 고에너지밀도의 후단부를 갖도록 하여 레이저 빔의 조사시 유리가 예열된 다음 가열되게 하여 열충격을 극대화하고, 상기 유리의 구간을 분할하여 각 구간별 열응력 분포에 적합하도록 레이저 빔의 이동속도 및 에너지를 제어하여, 유리 절단면의 품질을 향상시키고 유리의 절단을 신속하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

유리 절단 방법 및 장치{Method for cutting glass and apparatus for the same}

본 발명은 유리의 절단 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 레이저와 냉각제를 이용하여 유리를 절단함에 있어서, 레이저 빔의 이동속도 및 에너지를 가변시키고 레이저 빔 모양을 변경하여 유리의 절단 속도 및 절단된 유리의 품질을 향상시킬 수 있는 유리 절단 방법 및 장치에 관한 것이다.

유리를 절단하기 위한 대표적인 장치로는 레이저를 이용한 유리 절단 장치가 있으며, 상기 레이저 유리 절단 장치는 타원이나 U자, V자 형태의 레이저빔을 조사하여 유리표면을 가열한 후 곧바로 냉각제를 분사시켜 유리를 절단한다.

도 1a에 도시된 온도 구배에 의한 종래의 유리 절단 방법은 레이저 (1)를 이용하여 용융온도 이하로 유리(2)를 가열한 후 냉각제(3)를 분사하여 유리를 절단하는 방법으로서, 도 1b는 상기 유리 절단 방법에 의해 절단된 유리(2')를 도시하고 있다.

도 2a에 도시된 종래의 유리 절단 방법은, 유리관(2b)에 금을 그어주고 레이저(1b)를 이용하여 타원형상의 레이저빔으로 유리관을 가열한 후 물에 적신 면포(3b)로 냉각하여 상기 유리관(2b)을 절단하는 방법으로서, 도 2b는 상기 유리 절단 방법에 의해 절단된 유리(2b')를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 종래의 유리 절단 방법은 타원형상의 레이저빔을 조사하는 레이저(1c)를 이용하여 유리(2c)를 가열한 후, 유체 냉매(3c)로 가열한 부위를 냉각하여 상기 유리(2c)를 절단하는 방법에 관한 것이다.

도 4에 도시된 종래의 레이저 유리 절단 방법은 U자 또는 V자 형상의 레이저빔을 조사하는 레이저(1d)와 냉각제(3d)를 사용하여 유리(2d)를 곡선 형태로 절단하는 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 종래 레이저 유리 절단 장치는 타원이나 U자, V자 형태의 레이저빔을 유리로 조사하여 유리 표면을 가열한 후 가열된 유리 부위에 액체나 기체를 분사하여 가열된 부위를 냉각시킴으로서 유리를 절단한다.

한편, 유리(2)를 절단하기 전에 도 5에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 휠(4)을 사용하여 절단하고자 하는 유리(2)의 시작부나 끝단부에 새김선을 긋는다.

그 후, 새김선이 형성된 유리(2)로 레이저(1)를 일정한 속도로 전진시키면서 레이저빔을 조사하여 상기 유리(2)를 가열하고, 냉각제 분사기를 일정한 속도로 전진시키면서 가열된 유리 부위에 냉각제(3)를 분사하여 유리(2)를 절단한다.

즉, 종래의 레이저 유리 절단 장치의 경우 유리의 새김선을 따라 레이저를 일정한 속도로 이동시키면서 일정한 에너지의 레이저빔을 조사하여 유리를 가열한 다음, 상기 가열된 부위에 냉각제를 분사하여 유리를 냉각시킴으로서, 유리를 절단한다. 그러나, 절단하고자 하는 유리의 선단구간, 중앙구간 및 끝단구간은 가열시 각 구간에서의 열응력 분포가 상이함에도 불구하고 유리의 선단구간부터 끝단구간까지 일정한 에너지의 레이저빔을 일정한 속도로 이동시키면서 유리에 조사시켜 유리를 가열하기 때문에, 유리의 절단면이 불규칙적으로 형성되는 문제점이 있었고, 특히 유리의 선단구간 및 끝단구간에서 유리의 절단이 쉽게 달성되지 아니한 문제점이 있었다.

또한, 선단구간과 끝단구간에서 유리에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 과도할 경우 유리면이 급격하게 가열되어 열충격으로 인하여 유리의 절단면이 손상되고, 레이저 빔의 에너지 밀도가 작은 경우 유리의 절단에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유리에 조사되는 레이저 빔의 이동속도 및 에너지를 절단하고자 하는 유리의 구간별로 가변되게 하여 유리를 신속하고 정밀하게 절단할 수 있는 유리절단 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 유리에 레이저 빔을 조사할 때 유리면에 발생하는 열충격을 균일화시켜 양호한 절단면을 얻을 수 있는 유리 절단 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유리 절단 방법 및 장치는 절단하고자 하는 유리의 가상의 절단선을 따라 레이저 빔을 이동시키면서 상기 가상의 절단선에 레이저 빔을 조사하여 유리를 가열시키는 제1단계와, 가열된 유리에 냉각제를 분사시켜 유리를 절단하는 제2단계를 포함하여 이루어진 유리절단 방법에 있어서, 상기 유리는 가상의 절단선을 따라 선단구간, 중간구간 및 끝단구단으로 구획되고, 상기 레이저 빔의 이동속도 및 에너지는 유리의 상기 선단구간으로부터 중간구간까지 점차 증가하고, 유리의 상기 중간구간으로부터 끝단구간까지 점차 감소 하는 것을 특징으로 한다.

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상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유리 절단 방법은, 절단하고자 하는 유리의 가상의 절단선을 따라 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하는 유리절단방법에 있어서, 상기 가상의 절단선은 적어도 2개 이상의 구간으로 나뉘어지며, 상기 구간 중 적어도 한 구간은 다수개의 소구간으로 이루어져 있으며, 상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이저 빔의 에너지의 크기가 서로 다른 것을 특징으로 한다.상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이져 빔의 이동속도가 서로 다른 것을 특징으로 한다.상기 가상의 절단선은 선단 구간, 중간 구간 및 끝단 구간으로 나누어진 것을 특징으로 한다.상기 레이저 빔의 형상은, 두 가지 형상이 조합되어 형성된 것을 특징으로 한다.상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유리 절단 장치는, 절단하고자 하는 유리상의 가상의 절단선을 따라 레이저 빔을 조사하는 빔발생부를 포함하는 유리 절단 장치에 있어서, 상기 가상의 절단선이 적어도 2개 이상의 구간으로 나뉘어지며, 상기 구간 중 적어도 한 구간은 다수개의 소구간으로 이루어질 때, 상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이저 빔의 에너지 크기가 서로 다르도록 상기 빔발생부를 제어하는 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 새김선 빔발생부(12)로부터 조사된 레이저 빔(12a), 제 1 절단 빔발생부(13)로부터 조사된 레이저 빔(13a), 냉각제 분사기(14)에 의하여 분사된 냉각제(14a), 제2 절단 빔발생부(15)로부터 조사된 레이저 빔(15a)이 각각 유리(11)에 맺혀진 상의 모양이 도 9에 도시되어 있다.

상기 새김선 빔발생부(12)는 단파장 레이저빔(12a)을 이용하여 비접촉식 식각가공으로 상기 가공하고자 하는 유리(11)에 새김선을 형성한다. 상기 새김선이 형성된 유리(11)의 가상의 절단선을 따라 상기 제1 절단 빔발생부는(13), 냉각제 분사기(14), 제2절단빔발생부(15)는 공지의 수단에 의하여 일체로 이동된다.

여기서 상기 제1 절단 빔발생부(13)로부터 유리(11)에 조사되는 레이저빔(13a)은 도10에 도시된 바와같이, 레이저용 렌즈의 조합에 의하여 키홀(Key Hole) 형상으로 형성되어, 상기 유리(11)를 가열한다.

또한, 상기 키홀 형 레이저빔(13a)은 유리의 절단 진행방향에 따라 전단부(131)와 후단부(132)로 구분되며, 상기 전단부(131)는 원형으로 형성되고 상기 후단부(132)는 직사각형으로 형성된다. 상기 후단부(132)의 길이(a)에 대한 전단부(131)의 길이(ø)의 비(ø/a)는 0.2 내지 0.5가 바람직하며, 상기 후단부(132)의 폭(b)에 대한 전단부(131)의 폭(ø)의 비(ø/b)는 2내지 5가 바람직하다. 또한 전단부(131)의 레이저빔의 에너지의 밀도는 후단부(130)의 레이저 빔의 에너지의 밀도의 40% ∼ 80%가 적정하다. 따라서, 레이저 빔(13a)이 유리에 조사되는 경우 전단부(131)의 에너지 밀도가 후단부(132)의 에너지 밀도보다 작으므로 유리는 레이저 빔(132)의 전단부(131)에 의하여 의하여 예열된 다음, 후단부(132)에 의하여 높은 온도로 가열되기 때문에, 유리표면에 인장응력이 증가되어 절단속도가 향상된다.

한편, 상기 냉각제 분사기(14)에서 상기 유리(11)로 분사되는 냉각제(14a)는 유리(11)의 냉각 효과를 증대시킬 수 있도록 장공형의 형상으로 상기 키홀 형 레이저빔(13a)이 통과한지 0.1~0.5초 후에 상기 유리(11)에 분사된다. 상기 냉각제(14a)가 분사된 후 상기 유리(11)에는 냉각제(14a)가 분사된 중심부에 과냉영역이 그리고 그 주변에는 냉각영역이 형성된다.

상기 제2 절단 빔발생부(15)는 냉각제(14a)가 분사되어 1차 절단된 유리(11)로 레이저빔(15a)을 조사하여 상기 유리(11)는 가열시켜 상기 유리가 완전하게 절단되도록 한다.

상기 유리(11)의 새김선은 도 6에 도시된 바와 같이 새김선 빔발생부(12)에서 조사되는 유리(11)에 흡수가 잘되는 단파장 레이저빔의 의해 상기 유리(11) 절단부위의 시작부와 끝단부에 형성된다. 특히, 본 발명은 유리와 접촉하지 않는 비접촉식 유리 절단 장치이므로 장시간 사용해도 새김선 형성 시 진직도가 떨어질 염려가 없으며 절단선이 교차되는 부분에도 적용되며 특히 교차부의 절단에 유리하다.

또한, 상기 단파장 레이저빔은 100㎚~600㎚ 사이의 파장을 가지는 레이저빔이며, 파장이 짧을수록 상기 유리(11)에 흡수가 잘 되므로 효과가 높다. 만일, 파장이 600㎚ 이상으로 길어질 경우 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 유리(11) 표면에 물감을 덧칠하여 상기 단파장 레이저빔이 잘 흡수되도록 한다.

또한, 상기 유리(11)가 가열된 후 상기 유리(11)가 1차 절단되도록 냉각하기 위한 냉각제로 기화성이 강한 물질을 사용함으로써, 기존의 기체 냉각제에 비해 냉각 효과를 향상시킴과 동시에 냉각 후 냉각제의 잔류물이 공기 중에서 곧바로 기화되어 남아있지 않도록 한다.

상기 기화성이 강한 고체 냉각제로는 액체탄산을 공기중에 분무할 때 발생하는 고체탄산입자(드라이아이스)와 같이 액체 상태의 물질을 공기중에 분무했을 때 고체 상태로 변화되는 물질을 사용한다.

만일, 상기 냉각제가 바로 기화되지 않는 액체 냉각제일 경우 냉각제 분사기(14) 다음에 냉각제제거수단(14`)을 설치하여 유리 표면에 남아있는 액체 냉각제를 가열함으로써, 상기 유리(11)의 1차 절단과 동시에 남아있는 액체 냉각제를 증발 시킬 수 있다.

상기 냉각제제거수단(14')으로는 추가적인 빔발생부나 열풍기(Air Heater) 및 강력 흡입 기구가 사용될 수 있다.

본 유리 절단 장치는 유리의 절단 품질을 향상시키기 위해 상기 유리(11) 절단부위의 선단부와 중앙부, 그리고 끝단부의 구간을 각각 필요에 따라 복수개의 소구간으로 분할한 후, 각각의 소구간에 조사되는 레이저빔의 에너지, 분사되는 냉각제의 분사량 및 레이저 빔의 이동 속도 및 레이저 집속거리(Focus Length)를 제어하여 상기 유리(11)를 절단함으로써 상기 유리(11)의 시작부와 끝단부 품질을 향상시킴과 아울러 신속하게 유리(11)을 절단한다.

상기와 같이 레이저빔의 에너지 및 이동속도, 냉각제의 분사량을 구간별로 제어하기 위하여, 본 발명의 유리 절단 장치는 도 12에 도시된 바와 같이, 레이저빔의 에너지를 변화시키는 펄스발생기(16)와, 상기 냉각제분사수단(14)으로부터 분사되는 냉각제의 유량을 조절하는 유량조절기(17)와, 상기 레이저빔의 이동속도 및 빔발생부(13)와 유리(11) 사이의 거리를 조절할 수 있는 구동부(18)와, 상기 펄스발생기(16), 유량조절기(17) 및 구동부(18)의 출력값들을 변화시키도록 신호를 주고받아 상기 각 장치들(16,17,18)을 제어할 수 있는 제어부(19)로 이루어진다.

본 발명의 구간별 레이저 빔의 이동속도 및 에너지의 변화를 위하여 절단하고자 하는 유리는 절단하고자 하는 유리의 길이 방향을 따라 선단구간, 중앙구간, 끝단구간으로 나누고, 다시 상기 선단구간은 2-4 소구간, 상기 중앙구간은 1-2 소구간 및 상기 끝단구간은 1-3 소구간으로 나눈다. 또한 상기 선단구간의 길이는 10-80㎜, 끝단구간은 20-60㎜, 중앙구간은 상기 선단구간 및 끝단구간을 제외한 나머지 구간을 모두 포함하도록 설정한다.

상기 구간별 레이저 빔의 제어는 산단구간으로부터 중간구간으로 갈수록 레이저 빔의 이동속도 및 에너지 밀도는 커지도록 하고, 중간구간으로부터 끝단구간으로 갈수록 레이저 빔의 이동속도 및 에너지 밀도는 작아지도록 제어한다.

한편, 각각의 소구간 내에서의 레이저 빔의 이동속도 및 에너지 밀도는 일정하고, 각 구간별 레이저 빔의 에너지 밀도는 레이저 빔의 이동속도에 비례하여 변화한다.

즉, 가열시 열응력 분포의 차이로 인하여 가열 및 절단에 어려운 유리의 선단구간 및 끝단구간에서는 작은 에너지의 레이저 빔을 조사시키면서 천천히 이동되도록 하고, 중간구간으로 갈수록 레이저 빔의 에너지와 이동속도를 증가시켜 유리의 절단품질을 향상시킴과 아울러 유리의 절단이 신속하게 이루어 지도록 한다.

레이저 빔의 에너지는 구간의 위치에 따라 10W-150W의 범위내에서 조절되고, 이동속도는 1㎜/s∼200㎜/s의 범위내에서 조절된다.

본 발명의 일실시예에 따른 구간별 레이저 빔의 속도 변화가 도13에 도시되어 있다.

도13에 도시된 본 발명의 실시예는 절단하고자 하는 유리의 전체길이는 300㎜이고, 상기 유리는 선단구간(A), 중간구간(B) 및 끝단구간(C)로 구분되며, 상기 선단구간(A)는 20㎜의 길이를 갖는 4개의 소구간으로 구분되고, 중간구간(B)은 길이가 120㎜와 60㎜인 2개의 소구간으로 구분되며, 끝단구간(C)는 길이가 20㎜인 2개의 소구간으로 구분된다.

레이저 빔의 이동속도 및 에너지는 도13에 도시된 바와 같이, 구간 A₁에서 구간 B₁을 향하여 점차 커지다가 구간 B₁에서 구간 C₂를 향하여 점차 작아지도록 제어된다.

본 발명의 유리 절단 방법 및 장치는 가공하고자 하는 유리에 조사되는 레이저빔이 저에너지밀도의 전단부와 고에너지 밀도의 후단부를 갖도록 하여 레이저 빔의 조사시 유리에 발생되는 열충격을 극대화하고, 상기 유리의 구간을 분할하여 각 구간별 열응력 분포에 적합하도록 레이저 빔의 이동속도 및 에너지를 제어하여,

유리 절단면의 품질을 향상시키고 유리의 절단을 신속하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1a와 도 1b는 종래의 유리 절단 장치의 제1 예와 그 절단예가 도시된 사시도,

도 2a와 도 2b는 종래의 유리 절단 장치의 제2 예와 그 절단예가 도시된 사시도,

도 3은 종래의 유리 절단 장치의 제3 예가 도시된 사시도,

도 4는 종래의 유리 절단 장치의 제4 예가 도시된 사시도,

도 5는 종래의 유리 절단 장치의 다이아몬드 휠이 도시된 사시도,

도 6,7은 본 발명에 따른 유리 절단 장치의 새김선 빔발생부가 도시된 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 유리 절단 장치가 도시된 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 유리 절단 장치로 인해 유리에 맺힌 상이 도시된 평면도,

도 10은 본 발명에 따른 유리 절단 장치의 빔발생부에서 유리에 조사된 레이저 빔의 상이 확대되어 표현된 평면도,

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유리 절단 장치가 도시된 사시도,

도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유리 절단 장치가 도시된 사시도,

도 13은 본 발명에 따른 유리절단방법에 의하여 유리의 구간에 따른 레이저빔의 이동속도와 에너지의 변화가 표현된 그래프

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

11 : 유리 12 : 새김선 빔발생부

13 : 제1 절단 빔발생부 13a : 레이저 빔

14 : 냉각제 분사수단 15 : 제2 절단 빔발생부

Claims (16)

1. 절단하고자 하는 유리의 가상의 절단선을 따라 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하는 유리절단방법에 있어서,

   상기 가상의 절단선은 적어도 2개 이상의 구간으로 나뉘어지며, 상기 구간 중 적어도 한 구간은 다수개의 소구간으로 이루어져 있으며,

   상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이저 빔의 에너지의 크기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이져 빔의 이동속도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 가상의 절단선은 선단 구간, 중간 구간 및 끝단 구간으로 나누어진 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 선단 구간의 길이는 10-80mm인 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 끝단 구간의 길이는 20-60mm 인 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 빔의 형상은, 두 가지 형상이 조합되어 형성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 레이저 빔의 형상은, 전단부가 원형이고, 후단부는 직사각형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 레이저 빔의 형상은 키 홀(key hole) 형상인 것을 특징으로 하는 유리 절단 방법.
9. 절단하고자 하는 유리상의 가상의 절단선을 따라 레이저 빔을 조사하는 빔발생부를 포함하는 유리 절단 장치에 있어서,

   상기 가상의 절단선이 적어도 2개 이상의 구간으로 나뉘어지며, 상기 구간 중 적어도 한 구간은 다수개의 소구간으로 이루어질 때,

   상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이저 빔의 에너지 크기가 서로 다르도록 상기 빔발생부를 제어하는 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 유리 절단 장치는 상기 다수개 소구간에서 각 소구간 상호간에 레이져 빔의 이동속도가 서로 다르도록 구성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 가상의 절단선은 선단 구간, 중간 구간 및 끝단 구간으로 나누어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 선단 구간의 길이는 10-80mm인 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 끝단 구간의 길이는 20-60mm 인 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 레이저 빔의 형상은 두 가지 형상이 조합되어 구성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
15. 제 9 항에 있어서,

    상기 레이저 빔의 전단부는 원형이고, 후단부는 직사각형 형상으로 이루어도록 구성된 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,

    상기 레이저 빔의 형상은 키 홀(key hole) 형상인 것을 특징으로 하는 유리 절단 장치.