KR100794284B1 - 비금속 기판 절단 방법 - Google Patents

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Abstract

비금속 기판 절단 방법이 개시되어 있다. 비금속 기판 중 절단될 부분을 나타내는 절단 예정선을 급속 가열 및 급속 냉각하여 발생한 열응력에 의하여 비금속 기판을 절단한다. 또한, 절단 예정선을 급속 가열하는 에너지원의 형상, 배치 등을 최적화하여 비금속 기판의 절단 속도를 극대함과 동시에 비금속 기판이 원하는 대로 정밀하게 절단될 수 있도록 한다.
비금속 기판, 절단, 레이저 빔, 냉각 유체

Description

비금속 기판 절단 방법{METHOD FOR CUTTING NON-METAL SUBSTRATE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 비금속 기판 절단 방법을 구현하기 위한 비금속 기판 절단 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 비금속 기판 절단 방법을 구현하기 위한 제 1 레이저 빔, 냉각 유체, 냉각 유체 흡입영역, 제 2 레이저 빔을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 레이저 빔의 길이에 따른 비금속 기판의 절단 속도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 레이저 빔의 폭에 따른 비금속 기판의 절단 속도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 레이저 빔의 길이 및 폭의 비(ratio)에 따른 비금속 기판의 절단 속도 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의하여 비금속 기판의 완전 절단, 스코칭 발생 억제, 브리지가 발생을 억제하는 제 2 레이저 빔의 길이 및 폭 영역을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의하여 제 1 레이저 빔과 제 2 레이저 빔의 이격 거리에 따른 절단 속도를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 1 레이저 빔의 다른 실시예이다.
도 9a, 도 9b는 본 발명의 일실시예에 의한 액정표시패널 어셈블리의 제작 과정을 도시한 공정도이다.
본 발명은 비금속 기판의 절단 방법에 관한 것으로 특히, 비금속 기판을 급속 가열하기 위한 에너지원(energy source)의 형상 및 배치를 최적화하여 절단 속도 향상, 절단면 품질 향상이 이루어지도록 한 비금속 기판의 절단 방법에 관한 것이다.
먼저, 이하에서 빈번하게 사용되는 비금속 기판(non-metal substrate)에는 “실리콘(silicon)”으로 제작된 “실리콘 기판(silicon substrate)” 또는 “유리(glass)”로 제작된 “유리 기판(glass substrate)”이 포함된다.
이와 같은 비금속 기판이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 기판은 단위 면적 당 방대한 데이터를 저장하거나 단위 시간 당 방대한 데이터를 처리하는 반도체 제품의 모재료로 사용된다.
반면, 이와 같은 비금속 기판이 유리 기판일 경우, 유리 기판은 CRT 방식 디스플레이 장치(Cathode Ray Tube type display device)에 비하여 무게 및 부피가 획기적으로 감소되며 디스플레이 품질은 보다 향상된 액정표시장치의 액정표시패널을 제작하는 모재료로 사용된다.
최근에는 제품 생산성을 극대화하기 위하여 이와 같은 비금속 기판 상에 복수개의 제품이 동시에 형성된 후 이들 제품을 개별화하는 방법이 주로 사용되고 있다.
예를 들면, 비금속 기판이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 기판에는 복수개의 반도체 칩(chip)이 형성된 후, 개별화되어 패키징 됨으로써 하나의 실리콘 기판으로부터 다수개의 반도체 제품이 생산된다.
한편, 비금속 기판이 유리 기판일 경우, 유리 기판에는 공통적인 제조 공정에 의하여 복수개의 표시 패널이 형성되고, 유리 기판에 제작된 표시 패널들을 어셈블리 한 후 후속 공정을 거쳐 액정표시패널을 제작함으로써 액정표시패널의 생산 효율을 극대화할 수 있다.
이때, 비금속 기판에 복수개의 제품을 동시에 형성한 상태에서 이들을 개별화하는 과정은 매우 중요하다. 이는 비금속 기판에 형성된 복수개의 제품을 개별화하는 공정이 제품 생산의 거의 마지막 단계이기 때문이다. 이 과정에서 불량이 발생할 경우 생산성은 매우 크게 저하된다.
또한, 비금속 기판으로부터 제품을 개별화하는 과정에서 발생하는 불량은 거의 재작업(rework)이 불가능하기 때문에 이 공정에서의 불량은 심각한 생산성 저하를 발생시킨다.
종래에는 비금속 기판으로부터 제품을 개별화하기 위해서 접촉-충격식 절단 방법이 사용되었다.
접촉-충격식 절단 방법은 구체적으로, 물리적으로 비금속 기판의 표면에 스 크라이브 라인(scribe line)을 형성한 상태에서 스크라이브 라인에 충격을 가하여 비금속 기판으로부터 제품이 개별화(singularization)되도록 한다.
이를 구현하기 위한 장치는 두께가 얇은 원판의 원주면에 절단용 다이아몬드가 촘촘히 박히고 원판의 중심에 원판 회전장치가 설치된 다이아몬드 블레이드(diamond blade)및 비금속 기판에 가벼운 충격을 주는 장치가 구비된 다이아몬드 커터(diamond cutter)가 사용된다.
그러나, 이와 같은 접촉-충격식 절단 방법에 의하여 비금속 기판을 절단하는 방식은 매우 많은 문제점을 발생시켜 생산성을 크게 저하시킨다.
구체적으로, 비금속 기판을 접촉-충격식 방법으로 절단할 경우, 특히 유리 기판을 접촉-충격식 방법으로 절단할 경우, 유리 기판의 예상치 못한 부분이 빈번하게 절단되는 문제점이 갖는다.
이 문제점의 원인은 다이아몬드 블레이드를 이용하여 비금속 기판, 특히 유리 기판에 스크라이브 라인을 발생시키는 과정에서 스크라이브 라인의 절단면이 거칠게 가공되는데 있다.
이처럼, 스크라이브 라인의 절단면이 거칠게 가공될 경우, 거칠게 가공된 절단면에는 응력 집중 현상이 발생되어 외부로부터 가해진 작은 응력에도 미세 크랙이 쉽게 발생된다. 물론, 이 미세 크랙은 재차 가해진 작은 응력, 진동 또는 충격에 의하여 예상치 못한 곳으로 급속하게 전파되어 결국 유리 기판이 절단되도록 한다.
이와 같이 예상치 못하게 전파되는 크랙이 유리 기판에 형성된 표시 패널(display panel)을 통과할 경우, 표시 패널에는 리페어가 불가능한 치명적인 불량이 발생된다.
이와 같은 문제점 이외에도 접촉-충격식 방법으로 비금속 기판을 절단할 때에는 비금속 기판을 직접 가공하기 때문에 많은 칩핑(chipping)이 발생되어 별도의 세정 공정을 필요로 하여 제조 공정수가 증가되는 문제점을 갖는다.
이와 다르게 다이아몬드 블레이드 등을 통하여 비금속 기판을 절단하기 위해서는 비금속 기판에 최소한 다이아몬드 블레이드의 폭에 여유 마진(margin) 더해진 절단 면적이 보장되어야 하는데, 이 절단 면적에 의하여 비금속 기판에 제품이 형성되는 면적을 극대화하기 어려운 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 절단 툴(cutting tool)과 비접촉 방식에 의하여 비금속 기판이 절단되도록 하여 비금속 기판의 절단 불량을 방지함은 물론, 세정 공정을 필요로 하지 않으며, 비금속 기판에 제품이 형성되는 면적을 극대화할 수 있도록 함과 동시에 절단 속도를 극대화시킨 비금속 기판의 절단 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비금속 기판의 절단 방법은 ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절된 제 1 레이저 빔을 주사하여 절단 경로를 급속 가열하는 단계, ⅱ) 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 상기 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계 및 ⅲ) 제 1 레이저 빔의 주상 경로를 따라 제 2 레이저 빔을 주사하여 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비금속 기판의 절단 방법은 ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계, ⅱ) 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및 ⅲ) 제 1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 장축 : 단축의 비가 1.1 : 1 ∼ 10 : 1인 제 2 레이저 빔을 주사하여 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비금속 기판의 절단 방법은 ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계, ⅱ) 급속 가열된 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계 및 ⅲ) 냉각 유체와 근접한 제 1 레이저 빔의 단부와 5 ∼ 30mm 이격된 곳으로부터 제 2 레이저 빔을 주사하여 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 비금속 기판의 절단 방법은 ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절된 제 1 레이저 빔을 주사하여 절단 경로를 급속 가열하는 단계, ⅱ) 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계 및 ⅲ) 냉각 유체와 근 접한 제 1 레이저 빔의 단부와 5 ∼ 30mm 이격된 곳으로부터 장축 : 단축의 비가 1.1 : 1 ∼ 10 : 1인 제 2 레이저 빔을 주사하여 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 비금속 기판을 비접촉-비충격 방식으로 절단하여 절단면 품질 향상, 비정상적인 절단을 방지하며, 절단 속도를 극대화 할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 비금속 기판의 절단 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 의한 비금속 기판의 절단은 충격-접촉식 방법인 종래기술과 달리 비충격-비접촉식 방법이 사용된다.
먼저, 본 발명에 적용된 비금속 기판을 비충격-비접촉식 방법으로 절단하기 위해서는 비금속 기판의 독특한 물리적 특징이 충분히 활용되어야만 한다.
구체적으로, 본 발명에서 비금속 기판이 일실시예로 유리 기판일 경우, 유리 기판은 열에 의하여 가열되면서 부피가 팽창되고, 냉각되면서 부피가 수축되는 물리적 특성을 이용하여 비금속 기판이 절단되도록 한다.
이때, 비금속 기판이 절단되도록 하기 위해서는 유리 기판의 일부가 급속 가열, 급속 냉각되는 과정에서 유리 분자와 유리 분자의 분자 결합력보다 큰 “열응력”이 가해지도록 함으로써 유리 기판의 유리 분자와 유리 분자 사이의 결합이 깨져 형성된 “크랙(crack)”을 필요로 한다.
본 발명에서 사용되는 “크랙”은 제어 가능 여부에 따라서 부정적인 측면과 긍정적인 측면을 모두 갖는다.
부정적인 측면에서의 크랙은 제어가 불가능한 크랙을 말한다. 이 제어가 불가능한 크랙은 형성 방향의 예측이 불가능하여 유리 기판에 치유할 수 없는 치명적인 결함인 “기판 절단에 의한 파손”을 발생시킨다.
한편, 긍정적인 측면에서의 크랙은 제어가 가능한 크랙을 말한다. 이 제어가 가능한 크랙은 형성 방향의 정확한 예측이 가능하여 유리 기판 중 원하는 부분이 선택적으로 절단될 수 있도록 한다.
첨부된 도 1에는 크랙의 형성 방향의 정확한 예측이 가능토록 하여, 유리 기판의 원하는 부분을 선택적으로 절단할 수 있도록 하는 비금속 기판 절단 장치(800)가 개념적으로 도시되어 있다.
첨부된 도 1을 참조하면, 비금속 기판 절단 장치(800)는 전체적으로 보아 기판 절단 모듈(600), 이송장치(700) 및 제어장치(100)로 구성된다.
보다 구체적으로, 이송장치(700)는 기판 절단 모듈(600) 또는 기판 절단 모듈(600)에 의하여 절단되는 대상물(workpiece)인 비금속 기판(1)중 어느 하나에 설치된다.
이때, 기판 절단 모듈(600)에 이송장치(700)가 설치될 경우, 비금속 기판(1)이 고정된 상태에서 기판 절단 모듈(600)이 이동되면서 비금속 기판(1)의 절단을 수행한다.
이와 다르게 비금속 기판(1)에 이송장치(700)가 설치될 경우, 기판 절단 모듈(600)이 고정된 상태에서 비금속 기판(1)이 기판 절단 모듈(600)에 대하여 이송된다.
이와 같은 이송장치(700)는 비금속 기판(1)이 평면상에서 자유롭게 움직일 수 있는 구성을 갖는다. 바람직한 일실시예로 이송장치(700)는 XY 축 방향으로 자유롭게 움직이는 XY 테이블이다.
본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 일실시예로 기판 절단 모듈(600)이 고정된 상태에서 이송장치(700)가 비금속 기판(1)을 이송하는 것에 대하여 설명하기로 한다.
한편, 이송장치(700)에 의하여 이송되는 비금속 기판(1)은 기판 절단 모듈(600)에 의하여 절단된다.
기판 절단 모듈(600)이 비금속 기판(1)을 절단하기 위해서, 기판 절단 모듈(600)은 다시 제 1 레이저 빔 주사장치(200), 제 2 레이저 빔 주사장치(500), 냉각 유체 공급장치(300) 및 냉각 유체 흡입장치(400)로 구성된다.
이때, 제 1 레이저 빔 주사 장치(200)에서는 제 1 레이저 빔(210)이 발생되고, 제 2 레이저 빔 주사장치(500)에서는 제 2 레이저 빔(510)이 발생된다. 이들, 제 1 레이저 빔(210) 및 제 2 레이저 빔(510)은 모두 비금속 기판(1)중 매우 작은 면적을 급속 가열하기에 적합하다.
이와 같은 제 1 레이저 빔 주사장치(200) 및 제 2 레이저 빔 주사장치(500)의 사이에는 냉각 유체(310)를 분사하는 냉각 유체 공급장치(300)가 설치된다.
또한, 냉각 유체 공급장치(300)와 제 2 레이저 빔 주사장치(500)의 사이에는 냉각 유체 공급장치(300)에서 분사된 냉각 유체(310)를 다시 흡입하는 냉각 유체 흡입장치(400)가 설치된다.
이때, 제 1 레이저 빔 주사장치(200)에서 발생한 제 1 레이저 빔(210)과 냉각 유체 공급장치(300)에서 공급된 냉각유체(310)는 비금속 기판(1)을 완전 절단하기에는 약한 열응력을 가하여, 비금속 기판(1)의 표면으로 소정 깊이를 갖도록 가이드 크랙이 발생되도록 한다.
또한, 제 2 레이저 빔 주사장치(500)에서 발생한 제 2 레이저 빔(510)은 가이드 크랙에 다시 열응력을 가하여, 비금속 기판(1)이 풀 커팅 되도록 한다.
한편, 이와 같은 구성을 갖는 기판 절단 장치(600) 및 이송 장치(700)에는 이들의 동작을 정밀하게 제어하는 제어 장치(100)와 연결된다.
이와 같은 구성을 갖는 비금속 기판 절단 장치(800)의 생산성은 제 1 레이저 빔(210)의 형상, 제 2 레이저 빔(510)의 형상 및 제 1 레이저 빔(210) 및 제 2 레이저 빔(510)의 이격 거리등에 의하여 상당히 많은 영향을 받는다.
이하, 도 1에 도시된 비금속 기판 절단 장치(800)에서 발생된 제 1 레이저 빔(210), 제 2 레이저 빔(510) 및 제 1 레이저 빔(210) 및 제 2 레이저 빔(510)의 이격 간격의 최적화에 의하여 절단 품질 및 절단 속도를 향상시키기 위한 3 가지 실시예를 설명하기로 한다.
<제 1 실시예>
비금속 기판 절단 장치(800)에 의하여 비금속 기판(1)을 절단하기 위하여 먼저, 도 1에 도시된 제어 장치(100)는 이송장치(700)에 제어 명령을 송신하여 이송장치(700)가 비금속 기판(1)의 절단 예정선이 지정된 위치에 위치하도록 한다.
이후, 제어장치(100)는 다시 제 1 레이저 빔 주사장치(200)에 제어 명령을 송신하여, 제 1 레이저 빔 주사장치(200)로부터 제 1 레이저 빔(210)이 비금속 기판(1)의 절단 예정선으로 정확하게 출사되도록 한다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)은 비금속 기판(1)에 풀 커팅을 위한 가이드 크랙(guide crack)이 형성되도록 비금속 기판(1)을 국부적으로 예열하는 역할을 한다.
이때, 비금속 기판(1)을 절단하는 속도를 보다 빠르게 하기 위해서는 제 1 레이저 빔(210)이 갖는 에너지를 효율적으로 비금속 기판(1)에 전달하도록 하여야 한다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)이 빠른 시간 내에 비금속 기판(1)의 절단 예정선 온도를 지정된 온도에 도달되도록 하는 요인에는 제 1 레이저 빔(210)의 형상이 큰 비중을 차지한다.
이는 제 1 레이저 빔(210)의 형상에 따라서 비금속 기판(1)의 절단 속도에 차이가 발생함을 의미한다.
구체적으로, 제 1 레이저 빔(210)의 장축의 길이를 SL, 제 1 레이저 빔(210)의 단축의 길이를 Sw, 제 1 레이저 빔(210)의 파워를 P, 제 1 레이저 빔(210)의 속도를 V라 하였을 때, 제 1 레이저 빔(210)에 의하여 상승된 최종 온도 T(f)는 다음의 <수학식1>에 의하여 결정된다.
T(f) ∝ P/(Sw ×V)
여기서, 중요한 것은 <수학식 1>에 의하면 이론적으로는 제 1 레이저 빔(210)의 길이 SL은 제 1 레이저 빔(210)에 의하여 상승된 비금속 기판(1)의 최종 온도 T(f)에 어떠한 영향도 미치지 못하는 것으로 나타났다.
이론적으로, 이는 제 1 레이저 빔(210)의 폭 Sw, 속도 V 및 파워 P가 일정한 상태에서 제 1 레이저 빔(210)의 길이 SL만 조절할 경우, 제 1 레이저 빔(210)의 짧고 길음에 상관없이 제 1 레이저 빔이 통과한 경로에 가해진 전체 에너지의 합이 모두 동일하기 때문이다.
그러나, 실제 공정에 있어서는 이론과 다르게 <수학식 1>은 정확하게 적용되기 어렵다. 이는 <수학식 1>에서는 실제 공정 진행 중 발생할 수 있는 비금속 기판에서의 열 손실, 방출되는 열 등이 고려되지 않았기 때문이다.
이들을 고려하면, 제 1 레이저 빔(210)의 폭은 물론 제 1 레이저 빔(210)의 길이에 따라서 비금속 기판(210)의 최종 온도 T(f)가 영향 받고, 이로 인해 비금속 기판(1)의 절단 속도가 영향 받을 수 있다.
구체적으로, 이하, 시뮬레이션 결과를 참조하여 이를 설명하기로 한다. 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이 일실시예로 제 1 레이저 빔(210)의 단축의 길이가 일정하도록 한 상태에서 제 1 레이저 빔(210)의 장축 길이를 바람직하게 30mm 이상 및 70mm 이하로 조절함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 최대 절단 속도(Vmax)에 근접하도록 할 수 있다.
이때, 절단 조건은 제 1 레이저 빔(210)으로 CO2 레이저 빔이 사용되고, 제 1 레이저 빔(210)의 파워는 50W에서 250W이며, 비금속 기판(1)은 0.7mm의 두께를 갖는 TFT 기판과 0.7mm의 두께를 갖는 컬러 필터 기판을 합착한 LCD 기판이 사용된다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)의 장축의 길이가 30mm 미만일 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 절단 속도가 최대 절단 속도(Vmax)에 비하여 현저히 저하되는 경향을 갖는다.
이는 비금속 기판(1)에 주사되는 제 1 레이저 빔(210)의 에너지 밀도가 지나치게 높아질 경우 집중된 에너지에 의하여 비금속 기판(1)의 표면에는 버닝 또는 칩핑이 발생되고, 이 과정에서 에너지의 일부가 비금속 기판(1)을 가열하지 못하고 손실되기 때문이다.
또한, 제 1 레이저 빔(210)의 장축의 길이가 70mm 보다 클 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 해당 절단 속도는 최고 절단 속도(Vmax)에 비하여 현저히 저하되는 경향을 갖는다.
한편, 도 4에는 제 1 레이저 빔(210)의 장축의 길이를 일정하게 한 상태에서 제 1 레이저 빔(210)의 폭 변화에 따른 비금속 기판(1)의 절단 속도와 관련한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 일실시예로 제 1 레이저 빔(210)의 단축의 길이가 1mm 이상 2mm 이하에서 비금속 기판(1)의 최고 절단 속도(Vmax)를 얻을 수 있다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)의 단축의 길이가 1mm 미만인 경우, 비금속 기판(1)에 부분적으로 절단이 이루어지지 않는 부분이 발생된다. 이와 더불어 비금속 기판(1) 표면에 과도한 에너지가 가해져 표면이 열에 의하여 타는 스코칭(scorching) 현상이 발생되어 절단면 품질 불량과 함께 절단 속도가 최고 절단 속도(Vmax)에 비하여 크게 저하되는 문제점을 갖는다.
또한, 제 1 레이저 빔의 단축의 길이가 2mm 이상인 경우, 에너지 밀도가 현저히 저하되어 역시 최고 절단 속도(Vmax)에 비하여 절단속도가 현저히 저하되는 문제점과 함께 절단면이 웨이브(wave) 무늬 형태로 절단되어 절단면 품질 저하가 발생되는 문제점을 갖는다.
이를 종합하면, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 레이저 빔(210)의 장축의 길이와 제 1 레이저 빔(210)의 단축 길이의 비가 일실시예로 40 : 1(장축 : 단축) ∼ 80 : 1(장축 : 단축)이 되도록 하여 비금속 기판(1)을 최대 절단 속도(Vmax)로 절단할 수 있도록 함은 물론 정밀한 절단면 품질을 얻을 수 있다.
한편, 제 1 레이저 빔(210)의 형상 변경에 의해서 비금속 기판(1)의 절단 속도를 더욱 극대화할 수 있다.
첨부된 도 8에 도시된 제 1 레이저 빔(220)의 형상은 도 2에 도시된 제 1 레이저 빔(210)의 형상과 상이하다. 우선, 도 2에 도시된 제 1 레이저 빔(220)은 장축을 기준으로 좌우 대칭, 단축을 기준으로도 좌우 대칭이지만 도 8에 도시된 제 1 레이저 빔(220)은 장축(SL1)을 기준으로는 대칭 형상이지만, 장축(SL1)의 1/2 의 위 치에 형성된 단축을 기준으로는 비대칭 형상을 갖는다.
이때, 제 1 레이저 빔(220)을 단축을 기준으로 2 개로 나눈 상태에서, 나뉘어진 제 1 레이저 빔(220)의 진행 방향을 기준으로 앞쪽에 위치한 제 1 레이저 빔(220a)의 면적이 뒤쪽에 위치한 제 1 레이저 빔(220b)의 면적에 비하여 크도록 한다.
도 8에 도시된 바와 같이 단축을 기준으로 좌우 비대칭인 제 1 레이저 빔(220)은 제 1 레이저 빔 주사 장치(200)에서 발생된 레이저 빔이 볼록렌즈 및 오목렌즈로 구성된 렌즈 그룹을 통과하도록 할 때, 렌즈 그룹의 초점 중심으로부터 일측으로 오프셋(offset)된 곳을 통과하도록 함으로써 얻어진다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 제 1 레이저 빔(210)에 의하여 급속 가열된 절단 예정선(1a)에는 도 1 또는 도 2 또는 도 8에 도시된 바와 같이 냉각 유체 공급장치(300)에서 공급된 냉각 유체(310)가 공급된다. 이로 인하여 급속 가열된 절단 예정선(1a)에는 매우 큰 열응력이 가해진다. 이처럼 절단 예정선(1a)에 가해진 열응력에 의하여 비금속 기판(1)의 표면으로부터 소정 깊이를 갖는 가이드 크랙이 발생된다. 이하, 이 가이드 크랙을 스크라이브 라인(1b)이라 부르기로 한다.
이후, 스크라이브 라인(1b)이 형성되는 과정에서 절단 예정선(1a)에 분사되었던 냉각 유체(310)는 다시 도 1에 도시된 냉각 유체 흡입 장치(400)로 완전히 흡입된다.
이처럼 냉각 유체(310)를 재 흡입함은 첫 번째로 비금속 기판 절단 장치(800)의 주변 오염을 방지하기 위함이다. 두 번째로는 냉각 유체(310)가 묻어 있는 비금속 기판(1)에 제 2 레이저 빔(510)이 분사되면서 제 2 레이저 빔(510)과 냉각 유체(310)의 산란에 따른 에너지 손실을 최소화하기 위함이다. 세 번째로는 제 2 레이저 빔(510)이 냉각 유체를 가열하여 비금속 기판(1)에 가해지는 열의 손실을 최소화하기 위함이다.
이어서, 제 2 레이저 빔(510)이 도 2에 도시된 바와 같이 스크라이브 라인(1b)에 주사됨에 따라 스크라이브 라인(1b)의 양쪽에서 열에 의한 부피 팽창이 발생되어 스크라이브 라인(1b)에 과도한 응력이 발생된다. 이로 인하여 스크라이브 라인(1b)은 응력에 의하여 크랙이 전파되는데, 크랙의 전파 방향은 비금속 기판(1)이 완전 절단되도록 하는 방향을 갖는다.
<제 2 실시예>
이하, 비금속 기판을 절단하는 방법을 구현하기 위한 제 2 실시예를 설명하기로 한다.
<제 2 실시예>에 의하여 비금속 기판(1)을 절단하기 위해서는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 비금속 기판(1)의 절단 예정선(1a)에 제 1 레이저 빔 주사장치(200)에서 발생된 제 1 레이저 빔(210)을 주사하여 절단 예정선(1a)을 국부적으로 급속 가열한다.
이어서, 급속 가열된 절단 예정선(1a)에는 냉각 유체 분사 장치(300)에서 분사된 냉각 유체(310)가 분사됨에 따라 국부 가열된 절단 예정선(1a)을 따라서 미세한 가이드 크랙이 발생되도록 한다. 이 가이드 크랙을 이하, 스크라이브 라인(1b)이라 칭하기로 한다.
미세 크랙이 발생한 스크라이브 라인(1b)을 따라서 비금속 기판(1)을 완전 절단하기 위해서 스크라이브 라인(1b)에는 제 2 레이저 빔(510)이 주사된다. 이 제 2 레이저 빔(510)은 제 1 레이저 빔(210) 및 냉각 유체(310)에 의하여 형성된 스크라이브 라인(1b)을 완전히 절단(1c) 되도록 하는 역할을 한다.
이때, 제 2 레이저 빔(510)은 스크라이브 라인(1b)을 완전히 절단하기 위하여 제 1 레이저 빔(210)에 비하여 높은 파워가 요구된다. 일실시예로 제 2 레이저 빔(210)은 200W ∼ 500W 정도의 파워가 요구된다.
이와 같은 역할을 하는 제 2 레이저 빔(510)은 스크라이브 라인(1b)을 향하여 장축이 형성된 타원 형상을 갖는다. 이하, 절단 예정선(1a)을 기준으로 절단 예정선(1a)과 평행한 방향으로 뻗은 축을 장축(BL)이라 정의하기로 하며, 절단 예정선(1a)과 수직한 방향으로 뻗은 축을 단축(Bw)이라 정의하기로 한다.
이때, 제 2 레이저 빔(510)의 형상에 따라서 비금속 기판(1)의 완전 절단 여부, 스코칭 여부 및 브리지(bridge) 여부 등이 판별된다.
도 2 또는 도 6을 참조하면, 제 2 레이저 빔(510)의 장축 방향 길이가 4mm 이상 20mm 이하이며, 제 2 레이저 빔(510)의 단축 방향으로 길이가 3mm 이상 10mm 이하인 곳에서 비금속 기판(1)이 완전히 절단, 스코칭이 발생하지 않으며, 브리지가 발생하지 않는 것으로 시뮬레이션되었다.
이때, 제 2 레이저 빔(510)의 장축 길이가 일정한 상태에서 단축의 길이가 짧아질 경우, 브리지는 발생하지 않지만 완전 절단이 어려우며, 스코칭이 발생하기 쉽다.
반대로, 제 2 레이저 빔(510)의 장축이 일정한 상태에서 단축의 길이가 증가될 경우 완전 절단 및 스코칭은 발생하지 않지만 브리지가 발생되는 문제점을 갖는다.
이와 같은 이유로 장축과 단축의 비율은 1.1:1 ∼ 10:1 정도가 되도록 함으로써 완전 절단 특성, 스코칭이 발생하지 않으며, 브릿지가 발생하지 않도록 한다.
<제 3 실시예>
이하, 비금속 기판의 절단 방법을 구현하기 위한 제 2 실시예를 설명하기로 한다.
<제 2 실시예>에 의하여 비금속 기판(1)을 절단하기 위해서는 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 비금속 기판(1)의 절단 예정선(1a)에 제 1 레이저 빔 주사장치(200)에서 발생된 제 1 레이저 빔(210)을 주사하여 절단 예정선(1a)을 국부적으로 급속 가열한다.
이어서, 급속 가열된 절단 예정선(1a)에는 냉각 유체 분사 장치(300)에서 분사된 냉각 유체(310)가 분사됨에 따라 국부 가열된 절단 예정선(1a)을 따라서 미세한 가이드 크랙이 발생되도록 한다. 이 가이드 크랙을 이하, 스크라이브 라인(1b)이라 칭하기로 한다.
미세 크랙이 발생한 스크라이브 라인(1b)을 따라서 비금속 기판(1)을 완전 절단하기 위해서 스크라이브 라인(1b)에는 제 2 레이저 빔(510)이 주사된다. 이 제 2 레이저 빔(510)은 제 1 레이저 빔(210) 및 냉각 유체(310)에 의하여 형성된 스크 라이브 라인(1b)을 완전히 절단(1c)하는 역할을 한다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)중 냉각 유체(310)와 인접한 단부와 제 2 레이저 빔(510)의 사이 갭이 없도록 하는 것이 가장 바람직하지만 이는 매우 어렵다.
이는 냉각 유체(310)를 흡입하는 냉각 유체 흡입장치(400)가 제 1 레이저 빔(210)과 제 2 레이저 빔(510)의 사이에 설치되기 때문이다.
이때, 제 1 레이저 빔(210)과 제 2 레이저 빔(510)의 사이 간격은 매우 중요하다. 본 발명의 <제 3 실시예>에서는 바람직한 일실시예로 5mm에서 30mm정도 이격되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 5mm 이하의 간격에서는 냉각 유체 흡입장치(400)와 간섭을 일으키는 문제가 있으며, 30mm 이상 이격된 상태에서는 제 1 레이저 빔(210) 및 냉각 유체(310)에 의하여 형성된 스크라이브 라인(1b)이 자체적으로 복원되는 문제가 발생되기 때문이다.
이때, 첨부된 도 7을 참조하면, 절단 속도 측면에서도 제 1 레이저 빔(210)과 제 2 레이저 빔(510)의 사이 간격이 5mm 미만이 될 경우 최대 속도(Vmax)에 비하여 현저히 저하된 절단 속도를 보이며 30mm 보다 클 경우도 최대 속도(Vmax)에 비하여 현저히 저하된 절단 속도를 갖는다.
이하, <제 1 실시예>, <제 2 실시예>, <제 3 실시예>의 방법에 의하여 액정표시패널 어셈블리를 제조하는 방법을 첨부된 도 9a, 도 9b를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 액정표시패널 어셈블리(960)를 제조하는 첫 번째 과정은 조립 기판(930)을 제조하는 과정으로부터 시작된다.
도 9a에 도시된 바와 같이 투명한 기판, 예를 들면, 2 장의 유리 기판(910,920)에는 각각 서로 다른 반도체 제조 공정에 의하여 컬러 필터 기판부(color filter substrate part;915) 및 TFT 기판부(TFT substrate part;925)가 형성된다. 이후, TFT 기판부(925)와 컬러 필터 기판부(915)가 형성된 유리 기판(910,920)이 어셈블리 됨으로써 “조립 기판(930)”이 형성된다.
조립 기판(930)상에 상호 마주보는 관계인 TFT 기판부(915) 및 컬러 필터 기판부(925)를 이하 LCD 단위셀(935)이라 정의하기로 한다. 이 LCD 단위셀(935)에는 액정이 주입된 상태이다.
한편, 도 9b에 도시된 바와 같이 조립 기판(930)에 형성된 LCD 단위셀(935)중 절단될 부분에 해당하는 절단 예정선(940,945)에는 제 1 레이저 빔(210)이 주사되어 절단 예정선(940,945)을 급속 가열한다. 이때, 제 1 레이저 빔(210)은 타원 형상이며, 구체적으로 제 1 레이저 빔(210)의 장축 : 단축의 비율이 40 : 1 ∼ 80 : 1이 되도록 조절됨으로써 최적의 조건으로 절단 예정선(940,945)이 급속 가열되도록 한다.
이와 같이 절단 예정선(940,945)을 급속 가열한 상태에서 절단 예정선(940,945)에는 냉각 유체(310)가 공급되어 절단 예정선(940,945)에는 급속 가열 및 급속 냉각에 따라 그루브 형상을 갖는 절단홈이 형성된다. 이하, 절단홈을 스크라이브 라인이라 정의하기로 한다.
이와 같이 절단 예정선(940,945)에 스크라이브 라인이 형성된 상태에서 분사 된 냉각 유체(310)는 흡입되어 제거된 상태에서 제 1 레이저 빔(210)의 단부로부터 5mm ∼ 30mm 이격된 곳에는 스크라이브 라인을 다시 한번 가열하는 제 2 레이저 빔(510)이 주사된다.
이때, 제 2 레이저 빔(510)은 조립 기판(930)을 완전 절단, 스코칭 발생억제, 브리지 등이 발생하지 않도록 하기 위해서 제 2 레이저 빔(510)의 진행 방향과 동일한 장축 및 장축과 직교하는 단축의 비가 1.1 : 1 ∼ 10 : 1이 되도록 한다. 이로써, 최적의 속도 및 최고의 품질로 조립 기판(930)으로부터 LCD 단위셀(935)을 절단하여 TFT 기판(957) 및 컬러필터기판(955)으로 구성된 LCD 패널(950)을 제작한다.
이후, LCD 패널(950)에는 구동 모듈, 예를 들면, 구동 인쇄회로기판(962,966), 테이프 캐리어 패키지(964,968) 등이 어셈블리 되어 LCD 패널 어셈블리(960)가 제작된다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 비금속 기판을 비접촉-비충격 방식으로 절단하여 절단면 품질 향상, 비정상적인 절단을 방지하며, 절단 속도를 극대화 할 수 있는 효과를 갖는다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절된 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계;
    ⅱ) 상기 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 상기 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 제 1 레이저 빔의 주상 경로를 따라 제 2 레이저 빔을 주사하여 상기 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔은 상기 장축 및 상기 단축을 기준으로 모두 대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔은 상기 장축을 기준으로는 대칭 형상을 갖고, 상기 제 1 레이저 빔의 상기 단축을 기준으로는 비대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔의 진행 방향 및 상기 단축을 기준으로 상기 제 1 레이저 빔의 앞쪽 영역의 면적이 뒤쪽 영역의 면적보다 큰 것을 특징 으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔의 상기 단축의 길이는 1 ∼ 2mm이고, 상기 제 1 레이저 빔의 상기 장축의 길이는 40 ∼ 80mm인 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  6. ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계;
    ⅱ) 상기 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 상기 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 제 1 레이저 빔의 주사 경로를 따라 장축 : 단축의 비가 1.1 : 1 ∼ 10 : 1인 제 2 레이저 빔을 주사하여 상기 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔은 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절되는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 빔의 상기 단축의 길이는 3 ∼ 10mm 이고, 상기 장축의 길이는 4 ∼ 20mm인 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  9. ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계;
    ⅱ) 상기 급속 가열된 상기 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 상기 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 냉각 유체와 근접한 상기 제 1 레이저 빔의 단부와 5 ∼ 30mm 이격된 곳으로부터 제 2 레이저 빔을 주사하여 상기 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔은 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절되는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 빔은 CO2 레이저 빔으로 50[W] ∼ 250[W] 의 파워를 갖고, 상기 제 2 레이저 빔은 CO2 레이저 빔으로 200[W] ∼ 500[W]의 파워를 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 냉각 유체와 근접한 상기 제 1 레이저 빔의 단부와 상기 제 2 레이저 빔의 이격 거리는 상기 제 1 레이저 빔의 길이보다 짧은 것을 특 징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 비금속 기판은 유리 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
  14. ⅰ) 비금속 기판에 설정된 절단 경로 상에 타원 형상으로 장축 : 단축의 비가 40 : 1 ∼ 80 : 1 사이에서 조절된 제 1 레이저 빔을 주사하여 상기 절단 경로를 급속 가열하는 단계;
    ⅱ) 상기 절단 경로 상에 냉각 유체를 분사하여 형성된 열충격으로 상기 비금속 기판의 표면으로부터 그루브 형태로 스크라이브 라인을 형성하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 냉각 유체와 근접한 상기 제 1 레이저 빔의 단부와 5 ∼ 30mm 이격된 곳으로부터 장축 : 단축의 비가 1.1 : 1 ∼ 10 : 1인 제 2 레이저 빔을 주사하여 상기 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 기판의 절단 방법.
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