KR100543368B1

KR100543368B1 - 레이저 커팅 설비

Info

Publication number: KR100543368B1
Application number: KR1019980053538A
Authority: KR
Inventors: 김병일; 추대호; 정성욱; 이우식; 김범수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2006-05-12
Also published as: KR20000038519A

Abstract

냉각장치를 구성하는 요소 중 유체분사관의 후단에 냉각 유체가 흡입되는 흡입관을 설치하고 흡입관과 연통되도록 펌프를 설치하여 유리 모 기판을 냉각시킨 냉각 유체를 흡입관 쪽으로 빨아들인다.

따라서, 냉각 유체의 운동성 및 기화로 인해 레이저 빔이 산란되는 것을 방지하고, 냉각 유체를 액체로 사용할 경우 LCD 단위 셀에 오염이 발생되는 것을 방지하며, 냉각 액체로 인해 액정 주입구가 폐쇄되는 것을 방지할 수 있다.

Description

레이저 커팅 설비

본 발명은 레이저 커팅 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급속 가열된 두 장의 유리 모 기판을 급속 냉각시켜 유리 모 기판에서 LCD 단위 셀을 절단하는 냉각 유체로 인해 LCD 단위 셀이 오염되거나 레이저 소스가 분산되는 것을 방지하기 위해서 냉각장치의 후단에 냉각 유체 흡입장치를 설치한 레이저 커팅 설비에 관한 것이다.

최근 소형, 경량화 및 저소비전력 등의 장점을 가지고 있어 CRT(Cathode Ray Tube)의 대체품으로 각광을 받고 있는 LCD 모듈(Liquid Crystal Display module)은 LCD 패널 내부에 주입된 액정 물질의 전기 광학적 성질을 이용한 평판 표시 장치이다.

정보를 표시하는 LCD 패널은 크게 TFT 기판과, TFT 기판과 마주보도록 부착되는 칼라필터 기판과, TFT 기판과 칼라필터 기판 사이에 주입되는 액정으로 구성되는데, LCD 패널을 구성하는 TFT 기판과 칼라필터 기판은 약 6 장의 LCD 단위 셀이 동시에 형성될 수 있는 두 장의 대형 유리 모 기판에 형성된다.

두 장의 유리 모 기판 중 TFT 기판들이 형성되는 유리 모 기판에는 복수개의 데이터 라인들과 데이터 라인들이 서로 교차되어 형성되고, 게이트 라인 및 데이터 라인들의 각 교점에는 박막트랜지스터 소자들이 형성되며, 교차영역에는 박막트랜지스터 소자에 의하여 전기적 신호가 온/오프(on/off)되는 화소전극들이 형성된다.

또한, 칼라필터 기판들이 형성되는 유리 모 기판에는 게이트 라인과 데이터 라인 및 박막트랜지스터 소자들을 가리기 위한 블랙매트릭스, TFT 기판의 화소전극과 대응되는 위치에 형성된 칼라필터 패턴 및 상부 전극인 공통전극이 형성된다.

한편, TFT 기판들이 형성된 유리 모 기판과, 칼라필터 기판들이 형성된 유리 모 기판을 얼라인시켜 부착한 후 두 장의 유리 모 기판에서 LCD 단위 셀을 절단하여 개별화시킨 다음 칼라필터 기판과 TFT 기판의 사이에 액정을 주입한다.

여기서, 유리 모 기판으로부터 LCD 단위 셀을 정확한 절단을 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 유리 모 기판(1)에 LCD 단위 셀 A～F(10)의 절단될 부분을 따라서 스크라이브 라인(scribe line; 20)이 형성된다. 이 스크라이브 라인(20)을 따라서 경도가 높은 다이아몬드 커터로 유리 모 기판(1)에 소정 깊이를 갖는 예비 절단 홈을 형성한 후 유리 모 기판(1)에 충격을 가하여 유리 모 기판(1)에서 LCD 단위 셀 A～F(10)를 절단한다.

그러나, 다이아몬드 커터에 의하여 예비 절단된 LCD 단위 셀의 절단면에 날카로운 요철이 형성되고, 요철이 심하게 형성된 부분에 높은 응력(stress)이 걸리게 됨으로써, 유리 모 기판에 충격을 가할 때 예비 절단 홈을 따라 LCD 단위 셀이 절단되지 않고 높은 응력이 걸려 있는 부분을 따라 LCD 단위 셀이 절단되는 불량이 발생된다.

이러한, 문제를 극복하기 위해서 최근에는 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 커팅 설비(100)를 이용하여 유리 모 기판(1)에서 LCD 단위 셀(10; 도 1 참조)을 매끄럽게 절단하는 기술이 사용되고 있다.

레이저 커팅 설비를 이용하여 LCD 단위 셀을 절단하는 과정에 대해 개략적으로 언급하면 다음과 같다.

먼저, 가열장치(120)의 소정영역에 설치된 프리 스크라이버(160)가 유리 모 기판(1) 쪽으로 회동하여 스크라이브 라인(20; 도 2 참조) 중 레이저 절단이 개시될 부분에 절단 홈(미도시)을 형성한다.

이후, 레이저 발진 유닛(122)에서 발진되어 포커싱 렌즈 하우징(128)의 취출구로 출력된 레이저 빔(130)은 절단 홈을 시작으로 스크라이브 라인(20)을 따라 유리 모 기판(1)을 높은 온도로 급속하게 가열시킨다.

이어, 포커싱 렌즈 하우징(128)의 후단에 설치된 냉각장치(140)에서 냉각 유체(146)를 분사하여 높은 온도로 가열된 유리 모 기판(1)을 급속 냉각시킨다.

이와 같이 유리 모 기판(1)에 형성된 스크라이브 라인(20)을 레이저 빔(130)으로 급속 가열한 후 냉각 유체(146)로 급속 냉각시키면, 유리 모 기판(1)의 스크라이브 라인(20)에는 열 팽창과 수축이 발생하면서 높은 열응력이 발생된다.

이러한, 열응력에 의해 비정질 유리 분자 구조가 깨져 스크라이브 라인(20)을 따라 유리 모 기판(1)의 표면에 크랙이 생성되고, 이 크랙으로 인해 LCD 단위 셀(10)이 유리 모 기판(1)에서 매끄럽게 절단된다.

그러나, 냉각 유체가 고온으로 가열된 유리 모 기판을 냉각시킨 후 소실될 때 레이저 빔을 분산(scattering)시켜 유리 기판의 커팅력을 저하시킨다.

여기서, 냉각 유체를 기체로 사용할 경우, 냉각 기체가 유리 모 기판을 냉각시키면서 온도가 상승되어 기체 분자의 운동이 활발해지고, 운동이 활발해진 냉각 기체는 도 2에 도시된 바와 같이 포커싱 렌즈 하우징에서 출력되는 레이저 빔으로 확산되어 레이저 빔을 분산시킨다.

냉각 유체를 액체로 사용할 경우, 냉각 액체가 유리 모 기판을 냉각시킬 때 발생된 수증기로 인해 레이저 빔이 분산된다.

이와 같이 냉각 유체로 인해 레이저 빔이 분산되면 유리 모 기판의 가열면적이 넓어지고 가열온도가 낮아져 원하는 부분에 크랙이 발생되지 않거나, 크랙이 유리 모 기판의 이면까지 전파되지 않아 LCD 단위 셀이 유리 모 기판에서 완전히 절단되지 않는다.

종래의 다른 문제점은 냉각 유체를 액체로 사용할 경우, 유리 모 기판의 표면에 분사된 액체가 건조되면서 LCD 단위 셀을 오염(얼룩)시키고, LCD 단위 셀의 액정 주입구를 막아 액정 주입을 불가능하게 한다.

또한, 냉각장치에서 분사된 냉각 액체가 유리 모 기판의 표면에서 사방으로 튀어 레이저 커팅 설비의 고장 원인으로 작용되고, 레이저 빔을 산란시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 냉각장치에서 분사된 냉각 유체가 유리 모 기판을 냉각시키면 냉각 유체를 곧바로 제거하여 레이저 빔이 분산되는 것을 방지하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 유리 모 기판에 잔존해 있는 액체상태의 냉각 유체로 인해 LCD 단위 셀의 표면에 오염되거나 액정 주입구가 폐쇄되는 것을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 액체 상태의 냉각 유체로 인해 레이저 커팅 설비가 고장나는 것을 방지하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명확해 질 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 유체 분사관과, 냉각 유체 공급부를 구비한 냉각 수단 중 유체 분사관의 후단에는 유리 모 기판에 분사된 냉각 유체를 흡입하는 흡입관이 설치되고, 흡입관에 진공을 발생시키는 펌프가 흡입관과 연통된다.

이하, 본 발명에 의한 레이저 커팅설비를 첨부된 도면 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

레이저 커팅 설비(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 유리 모 기판(1)의 X-Y축 평면을 따라 이동하는 이송장치(210)와, 유리 모 기판(1)에 형성된 스크라이브 라인(20)을 급속 가열하는 가열장치(220)와, 급속 가열된 유리 모 기판(1)을 급속 냉각시키는 냉각장치(240)와, 냉각장치(240)에서 분사된 냉각 유체(246)를 흡입하는 냉각 유체 흡입장치(250)와, 유리 모 기판(1)의 일단과 타단 소정영역에 절단 개시 홈(30;도 4b참조) 및 절단 마감 홈(도시 안됨)을 형성하는 프리 스크라이버(260)로 구성된다.

여기서, 이송 장치(210)는 유리 모 기판(1)의 상부로부터 일정 간격 이격되어 설치되는 것으로, 유리 모 기판(1)의 X 축 방향으로만 구동되는 X축 이송 플레이트(212)와, X축 플레이트(212)를 따라서 X축으로 이동되며 가열장치(220)를 Y 축 방향으로 이동시키는 Y축 이송 플레이트(214)로 구성된다.

바람직하게, 앞에서 설명한 X축 플레이트(212)와 Y축 플레이트(214)를 별도로 설치하지 않고 가열장치(220)를 기준으로 유리 모 기판(1)이 놓여지는 스테이지(도시 안됨)를 X, Y축으로 이동시켜주어도 무방하다.

가열장치(220)는 Y축 이송 플레이트(214)의 상부면에 설치되어 고출력을 갖는 레이저 빔(230)을 발진시키는 레이저 발진 유닛(222)과, 레이저 발진 유닛(222)의 전면에 설치되어 레이저 빔(230)의 주사 방향을 굴절시키는 굴절 렌즈부(224)와, 굴절 렌즈부(224)의 하부에 설치되어 굴절된 레이저 빔(230)의 초점을 조정하여 레이저 빔(230)의 세기를 조절하는 포커싱 렌즈군(226)과, 포커싱 렌즈군(226)을 감싸고 굴절 렌즈부(224)와 연통된 포커싱 렌즈 하우징(228)으로 구성된다.

바람직하게, 레이저 발진 유닛(222)에서 발진된 레이저 빔(230)은 발진 파장(λ)이 10.6㎛ 이고, 50～250(W) 정도의 고출력을 갖는 야그 레이저 빔이거나, CO₂ 레이저 빔이다.

냉각장치(240)는 Y축 이송 플레이트(214)의 진행 방향을 기준으로 포커싱 렌즈 하우징(228)의 후단에 설치되는 것으로, 액체상태의 냉각 유체(246)가 저장된 냉각 유체 저장부(242)와, 냉각 유체 저장부(242)와 연통되어 냉각 유체 저장부(242)로부터 공급받은 냉각 유체(246)를 기체 또는 액체 상태로 분사하여 유리 모 기판(1)을 급속 냉각시키는 유체 분사관(244)으로 구성된다.

바람직하게, 냉각 유체 저장부(242)에는 액화 질소, 액화 헬륨 및 순수 중 어느 하나가 저장되고, 유체 분사관(244)에서는 0.1초～0.3초 간격으로 순수, 액체 질소 및 액체 헬륨이 급속 가열된 유리 모 기판(1)으로 분사된다.

한편, 본 발명에 따른 냉각 유체 흡입장치(250)는 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 Y축 이송 플레이트(214)의 진행 방향을 기준으로 냉각장치(240)의 후단에 설치되는 것으로, 유리 모 기판(1)을 냉각시킨 냉각 유체(246)를 흡입하기 위해 진공을 발생시키는 펌프(252)와, 펌프(252)와 연통되어 유리 모 기판(1)의 표면에 분사된 냉각 유체(246)를 흡입하는 흡입관(254)으로 구성된다.

바람직하게, 흡입관(254)은 유체 분사관(244)의 후단부에 설치되고, 흡입관(254)의 단부는 유체 분사관(244) 쪽으로 굴곡되어 유체 분사관(244)에서 분사된 냉각 유체(246)를 효율적으로 흡입한다.

또한, 유체 분사관(244)에서 분사된 냉각 유체(246)가 유리 모 기판(1)의 표면에 닿기도 전에 흡입관(254)으로 흡입되는 것을 방지하기 위해서 펌프(252)의 흡입력은 냉각 유체(246)의 분사 압력보다 작아야 한다.

프리 스크라이버(260)는 포커싱 렌즈 하우징(228)의 소정영역에 설치되며, 유리 모 기판(1) 쪽으로 회동하는 회동축(262)과, 회동축(262)의 단부에 결합되어 유리 모 기판(1)의 일단과 타단에 절단 개시 홈(30)과 절단 마감 홈을 형성하는 회전 톱날(264)로 구성된다.

본 발명에 의한 레이저 커팅 설비를 사용하여 유리 모 기판을 절단하는 과정에 대해 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, LCD 단위 셀들(10)의 가장자리를 따라 스크라이브 라인(20)이 형성된 유리 모 기판(1)을 설비측 고정 플레이트(미도시)에 고정시킨 후, 유리 모 기판(1)에 형성된 스크라이브 라인(20)과 프리 스크라이버(260)의 회전 톱날(264)과, 포커싱 렌즈군 하우징(228)의 레이저 빔 취출구(도시 안됨)를 일렬로 정확히 정렬시킨다.

이후, 프리 스크라이버(260), 가열장치(220), 유체 분사관(244) 및 흡입관(254)이 예를 들어, Y축 이송 플레이트(214)를 따라 지정된 경로로 전진을 시작한다.

Y축 이송 플레이트(214)를 따라 이동되던 프리 스크라이버(260)가 유리 모 기판(1)의 일측 단부에 이르면 도 4a에 도시된 바와 같이 프리 스크라이버(260)의 회동축(262)이 유리 모 기판(1) 쪽으로 회동된다. 이때, 회동축(262)의 단부에 설치된 회전 톱날(264)이 유리 모 기판(1)중 레이저 절단이 개시될 부분에 소정깊이의 절단 개시 홈(30; 도 4b 원내 확대도 참조)을 형성하여 응력을 집중시킨다.

이와 같이 프리 스크라이버(260)의 회전 톱날(264)에 의하여 유리 모 기판(1)에 절단 개시 홈(30)이 형성되면, 회동축(262)은 역회동되어 원래 위치로 복원된다.

한편, 회동축(262)이 역회동되어 원래 위치로 복원되면 Y축 이송 플레이트(214)에 설치된 레이저 발진 유닛(222)에서는 레이저 빔, 예를 들어 CO₂ 레이저 빔(230)이 발진되고, 발진된 CO₂ 레이저 빔(230)은 굴절 렌즈부(224)로 조사된 후 굴절 렌즈(도시 안됨)에 의하여 일정 각도로 굴절되면서 포커싱 렌즈군(226)을 통과하게 된다. 이때, 포커싱 렌즈군(226)을 통과한 CO₂ 레이저 빔(230)은 집속되어 빔 단부의 직경은 수 ㎛ 정도가 된다.

이와 같이 수 ㎛로 집속된 CO₂ 레이저 빔(230)은 도 4b에 도시된 바와 같이 Y축 이송 플레이트(214)를 따라 전진하는 가열장치(220)에 의하여 유리 모 기판(1)의 절단 개시 홈(30)을 시작으로 스크라이브 라인(20)을 따라서 유리 모 기판(1)에 조사된다.

이때, CO₂ 레이저 빔(230)이 조사된 유리 모 기판(1)은 CO₂ 레이저 빔(230)의 고 에너지에 의하여 급속 가열되면서 국부적인 열팽창과 함께 높은 응력 집중이 발생된다.

이와 같이 국부적으로 가열되면서 국소 열팽창이 발생된 유리 모 기판(1)에 유체 분사관(244)으로부터 저온의 유체가 0.1초～0.3초 간격으로 단속적으로 공급되어 급속 가열된 유리 모 기판(1)을 급속 냉각시킨다.

이처럼 유리 모 기판(1)의 스크라이브 라인(20)을 CO₂ 레이저 빔(230)에 의하여 급속 가열한 후, 냉각 유체(246)에 의하여 급속 냉각시키면 유리 모 기판(1)의 스크라이브 라인(20)에는 열 팽창, 열 수축이 발생하면서 높은 열응력이 발생된다.

이 열응력의 크기가 유리 분자와 분자를 결합시키는 결합력보다 커질 경우 비정질 유리 분자 구조는 깨지게 되고, 분자 구조가 깨짐에 따라서 유리 모 기판(1)의 표면에는 크랙이 생성된다.

이때, 크랙의 생성 및 크랙 진행 방향은 CO₂ 레이저 빔(230)의 주사 방향과 동일하도록 유리 모 기판(1)의 평면에 대하여 수직 방향으로 진행됨으로 유리 모 기판(1)은 이 크랙에 의하여 한번에 완전하게 절단된다.

한편, 급속 가열된 유리 모 기판(1)을 냉각시킨 냉각 유체, 예를 들어 냉각 액체(246)가 유리 모 기판(1) 및 LCD 단위 셀(10)의 표면에 잔존할 경우, 잔존해 있는 냉각 액체(246)가 건조되면서 LCD 단위 셀(10)을 오염(얼룩)시킨다.

또한, 냉각 유체를 액체(246)로 사용하는 경우 급속 가열된 유리 모 기판(1)의 온도에 의해 냉각 액체(246)가 수증기로 기화된 포커싱 렌즈 하우징(228) 쪽으로 확산되어 CO₂ 레이저 빔(230)을 산란시키고, 냉각 유체를 기체(246)로 사용할 경우에도 냉각 기체(246)의 운동성에 의해 포커싱 렌즈 하우징(228) 쪽으로 퍼져 CO₂ 레이저 빔(230)을 산란시킨다.

따라서, 냉각 유체(246)로 인해 LCD 단위 셀(10)이 오염되는 것과 CO₂ 레이저 빔(230)이 산란되는 것을 방지하기 위해서 유리 모 기판(1)을 냉각시킨 냉각 유체(246)를 냉각 유체 흡입 장치(250)로 빨아들인다. 즉, 냉각 유체(246)가 유리 모 기판(1)의 표면에 닿아 고온의 열을 식히면 펌프(252)를 가동시켜 흡입관(254)에 진공을 발생시키고, 진공이 발생된 흡입관(254)은 냉각 유체(246)를 흡입한다.

예를 들어, 냉각 유체를 순수(246)로 사용하는 경우 진공이 발생된 흡입관(254)은 유리 모 기판(1)의 표면에 잔존해 있는 순수(246)와, 고온의 열에 의해 기화된 수증기를 흡입하고, 냉각 유체를 질소 가스(246)로 사용하는 경우 진공이 발생된 흡입관(254)은 질소가스(246)가 유리 모 기판(1)과 부딪혀 튀어 오른 후 확산되지 전에 질소 가스(246)를 흡입한다.

이때, 펌프(252)의 진공압은 냉각 유체(246)의 분사 압력보다 낮기 때문에 유체 분사관(244)에서 분사된 냉각 유체(246)가 곧바로 흡입관(254)으로 흡입되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 유리 모 기판(1)이 절단되도록 Y축 이송 플레이트(214)가 계속 전진하면서 유리 모 기판(1)을 절단하고, 분사된 냉각 유체(246)를 흡입하는 도중 유리 모 기판(1)의 타측 단부에 프리 스크라이버(260)가 이르면, 회동부(262)가 다시 유리 모 기판(1) 쪽으로 회동하여 유리 모 기판(1)의 타측 단부에 절단 마감 홈을 형성한다.

이후, Y축 이송 플레이트(214)는 계속 전진하면서 유리 모 기판(1)의 스크라이브 라인(20)을 절단하면, 유리 모 기판(1)을 뒤집어 타측 유리 모 기판(1)도 절단한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 냉각장치의 후단부에 냉각 유체 흡입장치를 설치하면 고온으로 가열된 유리 모 기판을 냉각시킨 냉각 유체가 유체 분사관의 후단부에 설치된 흡입관으로 흡입된다.

따라서, 냉각 액체의 수증기 또는 냉각 기체가 가열장치 쪽으로 확산되어 레이저 빔이 산란되는 것을 방지하여 레이저 커팅 설비의 커팅력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 냉각 유체로 액체를 사용할 경우 유리 모 기판에 잔존해 있는 냉각 액체를 흡입하여 LCD 단위 셀에 오염이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 냉각 액체로 인해 액정 주입구가 폐쇄되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 복수개의 LCD 단위 셀이 형성된 유리 모기판에 스크라이브 라인이 형성된 것을 도시한 평면도이고,

도 2는 종래의 레이저 커팅 설비를 도시한 측면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 레이저 커팅 설비를 나타낸 사시도이고,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 본 발명에 의한 레이저 커팅 설비로 유리 모기판을 절단하는 것을 도시한 설명도이다.

Claims

유리 기판에 형성된 스크라이브 라인을 따라 레이저 빔을 주사하는 가열 수단과;

상기 가열 수단의 진행 방향을 기준으로 상기 레이저 빔의 후단에 설치되어 상기 스크라이브 라인 상에 위치하고 냉각 유체가 분사되는 유체 분사관과, 상기 유체 분사관과 연통되어 상기 유체 분사관으로 상기 냉각 유체를 공급해 주는 냉각 유체 공급부로 구성된 냉각 수단과;

상기 가열 수단의 진행 방향을 기준으로 상기 유체 분사관의 후단에 설치되고 상기 유리 모 기판에 분사된 상기 냉각 유체를 흡입하는 흡입관과, 상기 흡입관과 연통되어 상기 흡입관에 진공을 발생시키는 펌프로 구성된 냉각 유체 흡입 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 설비.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 모 기판과 인접한 상기 흡입관의 단부는 상기 유체 분사관 쪽으로 굴곡된 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 설비.
제 1 항에 있어서, 상기 펌프의 진공 압력은 상기 냉각 유체의 분사압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 설비.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 유체 공급부에 저장된 상기 냉각 유체는 액화 질소, 액화 헬륨 및 순수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 설비.