KR101148637B1 - 취성 물질의 스코링 공정 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 유리 시트의 레이저 스코링 방법에 관한 것이다. 이 방법은 스코링되는 유리 시트에 연장된 가열 지역을 제공하기 위하여 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지는 레이저빔을 조정하는 단계를 포함한다. 여기서 가열 지역은, 가열 지역의 외부 부분의 온도보다 낮은 온도를 가지는 중심부를 가진다. 초기 크랙이 유리 시트에 만들어지고, 연장된 가열 지역이 초기 크랙에 일치하여 유리 시트를 가로지른 후, 가열된 유리가 이에 유도되는 냉각된 액체에 의해 열적으로 충격을 받음으로써, 크랙이 전파된다. 그 후 스코링된 유리 시트는 본 기술에서 알려진 굽힘(bending) 기술을 적용하여 분열될 수 있다.

스코링 방법, 분열, 절단, 취성 물질, 레이저, 레이저빔

Description

취성 물질의 스코링 공정 및 장치{Process and apparatus for scoring a brittle material}

본 발명은 시트 및 다른 취성 물질을 분열하는 방법에 관한 것이며, 특히 평면 유리 시트의 레이저 스코링 방법에 관한 것이다.

이제까지 레이저는 유리 시트를 두 개의 작은 유리 시트로 분열시키기 위해 유리 시트를 가로지르는 소위 블라인드 크랙(blind crack)을 전파함으로써 취성 물질로 구성된 시트, 특히 평면 유리 시트를 분리하는데 사용되었다. 유리 시트의 깊이 방향으로 일부분 연장된 부분적인 크랙은 본질적으로 스코어 라인으로 작동한다. 스코어 라인의 라인을 따른 기계적인 분열에 의해 시트는 두 개의 작은 시트로 분리된다.

일 실시예에서, 작은 새김눈(nick) 또는 스크라이브(scribe)는 유리 시트의 한쪽 면에 형성되고 상기 새김눈 또는 스크라이브는 레이저를 사용하여 유리 기판을 부분적으로 통과하는 크랙의 형태로 전파된다. 레이저가 스코어 라인의 바람직한 경로로 이동하도록, 그 다음에 레이저는 새김눈 또는 스크라이브 영역에서 유리 시트와 접촉하며 이 레이저와 유리 시트는 서로 상대적으로 움직인다. 레이저가 유리 시트의 영역을 가열시킨 후에 가열된 영역이 빨리 냉각될 수 있도록 유체 냉각 제의 유출은 바람직하게는 레이저의 바로 아래에서 유리의 가열된 표면 부분으로 유도된다. 이러한 방법으로, 레이저에 의한 유리 시트의 가열 및 유체 냉각제에 의한 유리 시트의 냉각은, 유리 시트에 레이저 및 냉각제가 이동한 방향으로 크랙을 전파시키는 응력을 발생시킨다.

이러한 레이저 스코링 기술의 발전은 엣지(edge) 분열의 질로서 액정 표시 패널 및 다른 평면 표시 패널 기판의 제조에 잠재적으로 유용하도록 하는 좋은 결과를 가져온다. 여기서, 엣지 분열의 질은 바람직한 매우 높은 질을 가진다. 최근의 진보는, 다중 모드 레이저(예를 들어, D-모드 레이저)의 사용이 빔의 중심부에서 유리에 임핀지(impinge)되는 광출력을 절감하는데 효과적이며 이에 따라 빔이 임핀지되는 유리의 스폿(spot)에 더 큰 온도 프로파일을 제공한다는 것을 알 수 있다. 그러나 다중 모드 레이저는 대개 가격이 비싸고, 큰 보수 관리가 요구되며, 실드 빔 단일 모드 레이저(sealed beam single-mode laser)보다 훨씬 크다.

빠른 스코링 속도, 예를 들어 적어도 300 mm/second, 좀더 바람직하게는 적어도 500 mm/second, 가장 바람직하게는 1000 mm/second의 속도가 가능한 레이저 스코링 공정을 설계하는 것이 바람직하다. 이는 평면 표시 기판의 제조에서 스코링 및 분열 공정을 단순화할 수 있다.

넓은 관점에서 본 발명은, 본 발명은 레이저빔이 유리 시트 위에 연장된 가열 지역을 형성하도록 실직적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지면서 방출된 레이저빔을 유리 시트에 임핀지(impinge)하는 단계를 포함한다. 여기서 가열 지역은 이의 중심 영역 내에서 최저 온도를 가진다. 바람직하게는 연장된 가열 지역의 길이는 적어도 약 30 mm 이고, 더 바람직하게는 적어도 약 50 mm 이고, 좀더 바람직하게는 적어도 약 100 mm 이다. 연장된 가열 지역은, 빔의 어느 부분을 차단(막음)하거나, 또는 연장된 폐 경로의 부분 중에 레이저의 온(on) 또는 오프(off)하는 것과 같은 것에 의해 잘리지 않는 것이 바람직하다.

본 발명은 유리 시트의 미리 정해진 스코링 경로를 따라 유리 시트와 연장된 가열 지역 사이에 적어도 약 300 mm/의 상대 운동을 제공하여, 가열된 스코링 경로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 상대 운동은 좀더 바람직하게는 적어도 약 500 mm/s 이고, 가장 바람직하게는 적어도 약 1000 mm/s 이다. 상기 상대 운동은 레이저 및 연관된 광학 요소가 고정되어 유지되는 동안 유리 시트를 움직여서 제공될 수 있다. 또는 상기 상대 운동이 유리 시트는 고정되어 유지되는 동안 레이저 및/또는 연관된 광학 요소를 움직여서 제공될 수 있다. 또한 상기 상대 운동은 상기한 두 방법을 조합하여 제공될 수도 있다. 큰 유리 시트에 대해서는 유리 시트가 고정되어 유지되는 것이 바람직하다. 본 발명은 가열 지역에 에어로졸(aerosol), 액체 또는 가스 냉각제를 접촉하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 일 실시예는, 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지면서 연속적으로 방출되는 레이저빔을 축에 대해 원형 궤도로 움직이는 단계, 상기 궤도 운동하는 레이저빔을 적어도 하나의 광학 요소를 통해 유도하여 상기 원형 빔 궤도를 연장된 빔 궤도로 변환하는 단계, 및 유리 시트 위에서 연장된 폐 경로를 그리도록 상기 변환된 빔을 임핀지하여 연장된 방사 스팟(spot)을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서 방사 스팟은 길이와 폭을 구비하며 길이가 폭보다 길며 이의 중심부 내에 최저 강도를 가진다. 움직이는 거울로부터의 레이저빔의 반사에 의해 레이저빔이 원형 궤도로 움직이는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 다른 실시예는, 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지면서 연속적으로 방출되는 레이저빔을 축에 대해 원형 궤도로 움직이는 단계, 상기 레이저빔을 적어도 하나의 광학 요소를 통해 유도하여 상기 원형 빔 궤도를 연장된 빔 궤도로 변환하는 단계, 및 유리 시트 위에서 연장된 폐 경로를 그리도록 상기 변환된 빔을 임핀지하여 연장된 방사 스팟을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서 방사 스팟은 길이와 폭을 구비하며 길이가 폭보다 길며 이의 중심부 내에 최저 강도를 가진다. 렌즈 또는 프리즘과 같은 회전하는 광학 요소를 통한 레이저빔의 굴절에 의해 레이저빔이 원형 궤도로 움직이는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 넓은 관점에서는, 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지면서 연속적으로 방출되는 레이저빔을 시준하는(collimating) 단계, 각기 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지는 복수의 빔들을 얻도록 상기 시준된 레이저빔을 패싯된 광학 요소를 통해 유도하는 하는 단계, 및 단일의 연장된 가열 지역을 형성하기 위해 상기 복수의 빔들을 유리 시트에 연장된 패턴으로 임핀지하는 단계를 포함하는 유리 시트의 스코링 방법이 제시된다. 여기서 가열 지역은 길이와 폭을 구비하며 길이가 폭보다 길며 이의 중심부 내에 최저 강도를 가진다. 패싯된 광학 요소는 유리 표면에 임핀지되는 복수의 빔들을 제공하는 것이 바람직하다. 복수의 빔은 적어도 6개의 빔을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 넓은 관점에서는, 광학 경로를 따라 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지는 연속적인 빔을 방출하는 레이저, 상기 빔을 시준하도록 상기 광학 경로 상에 위치하는 시준기, 크랙을 형성하기 위하여 상기 빔을 유리 시트에 임핀지되는 복수의 빔들로 분리하도록 상기 광학 경로 상에 위치하는 통합 렌즈를 포함하는 유리 시트의 레이저 스코링 장치가 제시된다.

첨부한 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명에서 본 발명이 어떠한 제한 없이 좀더 잘 이해될 것이며 본 발명의 다른 목적, 특성, 상세한 사항 및 장점이 좀더 명확해질 것이다.

도 1은 유리 시트에 임핀지되는 궤도 운동하는 레이저빔, 가열 지역 및 냉각제 전달 메커니즘을 도시하는 본 발명에 따른 레이저 스코링 시스템의 사시도이다.

도 2는 가열 지역, 냉각 스팟 및 이에 의한 크랙 생성의 관계를 보여주는 도 1의 유리 시트의 사시도이다.

도 3은 다중 모드 레이저의 예시적인 강도 프로파일을 도식적으로 도시하는 도면이다.

도 4는 단일 모드 레이저의 예시적인 강도 프로파일을 도식적으로 도시하는 도면이다.

도 5는 연속적으로 방출되는 레이저빔이 축에 대해 디플렉팅(deflecting) 및 궤도 운동하기 위한 거울이 사용되는 본 발명의 실시예에 따른 유리 시트의 레이저 스코링 시스템의 측면도이다. 상기 레이저빔 궤도는 광학 요소에 의해 연장되고 그 후에 연장된 가열 지역을 생성하기 위해 유리 시트에 임핀지된다.

도 6은 도 5의 궤도 운동하는 레이저빔이 유리 시트 위의 연장된 폐 경로를 따라감에 따라 이 레이저빔에 의해 생성된 가열 지역을 도시하는 도면이다.

도 7은 폐 경로에 근접한 가열 지역의 영역의 낮은 온도를 가지는 가열 지역의 중심 영역인 도 5 및 도 6의 연장된 가열 지역을 도시하는 도면이다.

도 8은 외부 역역보다 낮은 온도를 가지는 중심 영역인 도 5 내지 도 7의 가열 지역의 폭을 가로지르는 예시적인 온도 프로파일을 도식적으로 도시하는 도면이다.

도 9는 연속적으로 방출되는 레이저빔이 축에 대해 디플렉팅(deflecting) 및 궤도 운동하기 위한 회전하는 광학 요소가 사용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면이다. 상기 레이저빔은 광학 요소에 의해 연장되고 그 후에 연장된 가열 지역을 생성하기 위해 유리 시트에 임핀지된다.

도 10은 연속적으로 방출되는 단일 모드 레이저를 복수의 레이저빔들로 분리하기 위해 통합 광학 요소가 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 도면이다. 상기 레이저빔은 연장된 가열 지역을 생성하기 연장된 패턴으로 유리 시트에 임핀지된다.

도 11은 도 10에 따른 연장된 패턴이 직선인 것을 도시하는 도면이다.

도 12는 도 10에 따른 연장된 패턴이 타원형인 것을 도시하는 도면이다.

본 발명은 레이저 스코링 기술을 이용하여 바람직한 분리선을 따라 유리 시트를 분열시키는 시스템에 관한 것이다. 레이저는 바람직한 분리선을 따라 국부적인 가열 지역에서 유리 시트를 효과적으로 가열시킨다. 따라서 온도 구배(gradient)가 물질의 표면층에 인장 응력을 발생시키고 상기 응력이 인장 강도를 넘어서면 물질은 압축 하에 있는 영역의 아래 방향으로 전파하는 블라인드 크랙을 형성한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유리 분열 시스템에서 유리 시트(10)는 주 표면으로 상면(12) 및 하면(14)(도시되지 않음)을 구비한다. 크랙 시발점(16)을 유리 시트(10)의 일 가장자리에 형성하기 위하여, 유리 시트(10)의 일 가장자리에 먼저 새김눈이 형성되거나 스코링 된다. 크랙 시발점(16)은 유리 시트를 가로질러 점선(22)으로 나타난 미리 정해진 스코링 경로(바람직한 분리선)에 따른 가열 지역(20)의 움직임에 의해 크랙(18)을 형성하기 위해 사용된다. 바람직하게는 냉각제(24)는 응력 분포(distribution)를 향상시켜 크랙 전파를 향상시키기 위해서 노즐(26)을 통해 분사된다. 냉각제(24)는 액체 또는 에어로졸(또는 분무제)인 것이 바람직하다. 그러나 냉각제(24)가 예를 들어 가스일 수도 있다. 냉각제는 노즐(26)을 통해 유리 시트에 분사되는 소위 귀원소(noble element)(헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 및 라돈, 또는 이들의 조합)일 수 있다. 그러나 어떤 경우에는 물이 효과적인 냉각제로 증명되었다.

일 실시예에서 공기로 압축된 탱크(도시되지 않음)는, 유리 시트의 상면(12)에 임핀지되는 레이저빔(일반적으로 도 1에서 참조부호 30으로 지칭됨)에 의해 생 성되어 움직이는 가열 지역(20)의 뒤에서 유리 상면(12)에 노즐(26)을 통해 냉각제(24)를 전달한다. 노즐(26)은 액체 냉각제, 예를 들어 물을 분사하는 중심 통로를 포함하는 것이 바람직하다. 중심 통로에는 액체를 시준(collimate)하도록 압축 공기가 흐르며, 이 중심 통로가 에어로졸을 생성하도록 액체 흐름을 분쇄하는 환형 통로로 둘러싸인다. 대체로 에어로졸은 가스보다 큰 열 용량을 가지고 가스보다 향상된 냉각을 제공한다. 바람직하게는 액체는 중심 노즐을 통해 적어도 약 3 ml/s 의 속도로 분사되고 직경이 약 4 mm 인 시준된 스프레이를 형성한다.

대안으로, 노즐(26)은 적합한 액체 냉각제 및 공기의 혼합물을 공급하는 초음파 노즐일 수 있다. 액체가 유리 표면에 분사될 때, 유리 표면(12)의 변형 또는 다른 오염을 막기 위해, 예를 들어 남은 액체를 배큐밍(vacuuming)하는 것에 의해 남은 액체를 제거하는 것이 바람직하다. 가열 지역(20)이 유리를 가로질러 움직일 때, 크랙은 가열 지역에 의해 이동하는 경로를 따른다.

다른 대체적인 냉각 방법에서, 노즐(26)은 응축된 액체가 유리 표면에 전달되는 물 분사 절단 작업에 사용되는 노즐과 유사하다. 이러한 노즐은 직경이 0.007 인치만큼 작은 배출 통로를 구비할 수도 있다. 바람직하게는 노즐(26)은 유리 상면(12)에서 약 0.25 인치에서 0.75 인치 이내에 있고, 유리 표면에 폭이 2 mm 에서 4 mm 사이인 스프레이 패턴을 전달한다.

가열 지역(20)에서 유리시트(10)의 표면온도는 레이저빔의 표면 노출 시간에 직접적으로 의존하기 때문에, 원형 자국(foot print) 대신에 연장부(예를 들어 타원형 또는 직사각형)를 구비하는 가열 지역을 채용하는 것은, 가열 지역의 상대적인 변위와 같은 속도로 미리 정해진 스코링 경로(22)를 따라 표면(12) 위의 각 점을 가열하는 시간을 연장한다. 따라서 레이저빔의 세트 파워 밀도, 그리고 유리 시트(10)의 바람직한 가열 깊이를 유지하기 위해 필수적인 가열 지역의 트레일링 엣지(trailing edge)부터 냉각 지점(28)의 프론트 엣지(front edge)까지 일정한 간격(l)과 함께, 가열 지역(20)이 변위 방향으로 연장될수록 유리 표면을 가로지르는 가열 지역의 상대적인 변위의 허용 속도가 커진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 가열 지역은 극단적으로 연장된 형상을 가진다. 주축(b)은 30 mm 보다 크고, 더 바람직하게는 50 mm 보다 크고, 좀더 바람직하게는 100 mm 보다 크다. 종축(a)은 약 7 mm 보다 작은 것이 바람직하다. 가열 지역의 연장된 축(b)은 유리 시트를 가로지르는 미리 정해진 스코링 경로의 이동 방향과 일직선을 이룬다. 주축(b)이 바람직한 초당 레이저 스코링 속도의 10퍼센트 이상인 것이 바람직하다는 점에서, 얇은 유리 시트(예를 들어 1 mm 보다 얇은 유리 시트)에서, 가열 지역의 주축(b)의 최적의 길이는 바람직한 이동 속도와 관련된다. 따라서, 0.7 mm 두께의 유리에 500 mm/s의 바람직한 레이저 스코링 속도를 가지는 경우, 가열 지역의 주축은 적어도 50 mm의 길이가 되는 것이 바람직하다.

크랙이 스코링 라인으로 기능하도록 크랙(18)은 유리 시트(10)의 깊이 방향으로 단지 부분적(간격 d)으로 연장되는 것이 바람직하다. 유리 시트의 작은 시트들로의 최종 분리는 크랙(18)에 굽힘 모멘트를 인가하여 달성된다. 이러한 굽힘 모멘트는 통상적인 굽힘 기구(도시되지 않음) 및 좀더 통상적인 기계적 표면 스코링 방법을 채용하는 유리 시트 분열 과정에 사용하는 기술로 인가될 수 있다. 크랙(18)은 기계적 스코링 보다 레이저 스코링 기술로 형성되기 때문에, 기계적 분열 단계에서 유리 칩들의 형성은 종래 기술과 비교할 때 크게 최소화된다.

유리 분열 작업에 사용되는 레이저빔은 절단될 유리 표면을 가열할 수 있어야 한다. 따라서 레이저 방사는 유리에서 흡수될 수 있는 파장인 것이 바람직하다. 이렇게 되기 위하여, 상기 방사는 파장이 2 μm 를 초과하는 적외선 영역이 되어야 하는 것이 바람직하고, 파장이 9 - 11 μm 인 CO₂ 레이저인 것이 바람직하다. 현재 실험의 중점은 200 - 500 와트 범위의 파워를 갖는 CO₂레이저를 채용하는 것이라고 하더라도, 좀더 높은 파워를 가지는 레이저, 예를 들어 600와트를 초과하는 레이저조차 성공적으로 사용될 수 있다고 믿어진다.

크랙(18)은 가열 및 냉각 지역의 계면 아래에, 즉 최대 열 구배를 가지는 지역에 형성된다. 크랙의 깊이, 모양 및 방향은, 아래의 몇 가지 요소에 주로 의존하는 열가소성 응력의 분배에 의해 결정된다.

- 레이저빔의 파워 밀도,

- 레이저빔에 의해 형성되는 가열 지역의 차원 및 모양,

- 가열 지역과 물질의 상대 변위 속도

- 열 물리적 특성, 가열 지역의 냉각제 공급 조건 및 특성, 및

- 크랙이 생기는 물질의 열 물리적 및 기계적 특성, 그 두께 및 표면 상태.

거울에 의해 한정되는 공진 공동(resonant cavity)에서 양 단부에 발생하는 레이저 진동(oscillation)에 의해 레이저가 작동한다. 안정한 공진기(resonator)의 개념은 공동을 통한 광선의 경로를 좇는 것에 의해 가장 잘 시각화될 수 있다. 만약 처음 레이저 공동의 축에 평행해진 광선이 두 거울 사이를 벗어남이 없이 반사하여 계속 왕복운동 한다면, 안정의 쓰레숄드(threshold)에 도달한다.

광선이 축으로부터 벗어나기 때문에 안정 기준에 이르지 못한 공진기들을 불안정 공진기라 부른다. 불안정 공진기에는 다양한 변종이 있다. 한 간단한 예로 평면 거울과 대향하는 볼록한 구형 거울이다. 다른 예들은, 큰 거울로부터 반사된 빛이 작은 거울의 가장자리를 돌아 벗어나도록 직경이 다른 오목 거울들과, 한 쌍의 볼록 거울을 포함한다.

두 가지 타입의 공진기는 다른 장점 및 다른 모드 패턴을 가진다. 안정한 공진기는 레이저 축을 따라 빛을 집중시키고, 그 영역으로부터 에너지를 효과적으로 뽑아내고 축으로부터 먼 바깥 영역으로부터는 에너지를 뽑아내지 않는다. 제공된 빔은 중심에서 최고 강도를 가지며, 축으로부터 거리가 멀어질수록 강도는 가우시안 강하(Gaussian drop)한다. 낮은 이득과 연속적인 웨이브 레이저는 주로 이런 타입이다.

불안정한 공진기는 큰 부피에 걸쳐 레이저 공동 내부에 빛을 분산시키는 경향이 있다. 예를 들어, 출력 빔은 축 주변의 링에 최고 강도가 위치하는 환형 프로파일(profile)을 가질 수 있다.

레이저 공진기는 횡단과 종단의 두 가지 구별되는 타입의 모드가 있다. 횡단 모드는 빔의 단면 프로파일, 즉 이의 강도 패턴에서 나타난다. 종단 모드는 레이저 공동의 길이를 따라 레이저의 이득 대역폭 이내의 다른 주파수 또는 파장에서 발생하는 다른 공진에 대응한다. 단일 종단 모드에서 진동(oscillate)하는 단일 횡단 모드 레이저는 오직 하나의 주파수에서 진동한다. 두 종단 모드에서 하나의 진동은 두 개의 분리된(그러나 보통 인접하게 거리를 둔) 파장에서 동시에 진동한다.

레이저 공진기 내의 전자기장의 "형상"은 거울 곡률, 간격, 방전 튜브의 구멍의 직경 및 파장에 의존한다. 거울 정합, 간격(spacing) 또는 파장의 작은 변화가 레이저빔(전자기장에 있는 레이저빔)의 "형상"을 극적으로 변화시킬 수 있다. 두 방향에서 빔 교차 단면을 가로질러 나타나는 널(null)의 수에 따라 횡단 모드가 분류되는 "형상" 또는 공간 내 에너지 분배를 기술하는 특별한 기술이 발전되었다. 최고 강도가 중심에 있는 최저 단계(lowest-order) 또는 기본 모드는 TEM₀₀ 모드로 알려져 있다. 이러한 레이저는 많은 산업 응용 분야에 널리 적합하다. 방위(orientation)에 따라서, 한 축을 따른 단일 널을 가지며 수직 방향으로 널이 없는 횡단 모드는 TEM₀₁ 또는 TEM₁₀이다. TEM₀₁ 또는 TEM₁₀ 모드 빔은 유리 표면에 레이저 에너지를 균일하게 전달하기 위해 종래 기술에서 사용되었다.

도 3(빔 강도 I 대 빔을 가로지르는 거리 x)에 도시된 레이저빔은 본질적으로 환형 링으로 구성된다. 따라서 레이저빔의 중심은 이 레이저빔의 적어도 어느 외부 영역보다 낮은 파워 강도를 가지고, 레이저빔이 100퍼센트 TEM_{01 *} 파워 분배인 경우 완전히 제로(zero) 파워 레벨이 될 수 있다. 이러한 레이저빔은 이중모드(bimodal)이다. 즉 중심 지역의 파워 분포가 외부 영역의 파워 분포보다 아래에 있는, TEM_{01 *}와 TEM₀₀의 조합과 같이 한 모드 이상의 레벨을 혼합한다. 빔이 이중 모드인 경우, 빔은 50 퍼센트 이상의 TEM_{01 *}와 나머지는 TEM₀₀으로 혼합될 수 있다. 그러나 상술된 바와 같이 광학 파워 분포가 제공되는 것이 필요한 다중 모드 레이저 장치는 좋지 않은 안정성으로 어려움을 겪을 수 있고, 유지 및 정렬 또한 어려울 수 있다.

가우시안 레이저빔과 비교할 때, 비-가우시안(non-Gaussian) 레이저빔이 이 빔을 가로지르는 향상된 에너지 분포의 균일성을 제공한다는 점에서 레이저 스코링 작업에 선호된다고 생각되어졌다. 그러나 적합하게 조정되었을 때 가우시안 파워 분포를 가지는 빔은 단일 모드 가우시안 레이저와 연계하여 경제성, 안정성 및 낮은 보수 관리의 장점을 가지면서 필요한 스코링 기능을 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 도 4에 도시되는 대표적인 모드 파워 분포, 일반적으로 가우시안 파워 분포를 가지는 빔을 연속으로 방출하는 단일 모드 레이저가 채용된다. 상기 빔은 본질적으로 TEM₀₀ 모드로 구성되는 것이 바람직하다.

도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 디지탈 컴퓨터(digital computer)와 같은 시스템 컨트롤러(도시되지 않음)는, 시스템의 다른 움직이는 부분 뿐만 아니라 레이저 장비 및/또는 유리 시트의 이동을 제어하기 위해, 레이저 스코링 시스템에 효과적으로 연결된다. 시스템 컨트롤러는 다양한 시스템의 구성 요소의 움직임을 제어하기 위해 통상적인 기계 제어 기술을 사용한다. 상기 시스템 컨트롤러는 메모리에 저장된 다양한 생산 작동 프로그램을 사용하는 것이 바람직하다. 각 프로 그램은 특정한 크기의 유리 시트에 있어서 레이저 또는 유리 시트(및 필요한 경우 다른 움직이는 부분들)의 움직임을 적절하게 제어하도록 설계된다.

특히 시스템 컨트롤러는 액츄에이터(34)(actuator)를 통해 광학 요소(32)의 움직임을 제어한다. 예를 들어 액츄에이터(34)는 검류계(galvanometer)일 수 있다. 일 실시예에서 광학 요소(32)는, 액츄에이터 암(36)(actuator arm)에 의해 움직일 수 있도록 설치되고 엑츄에이터(34)에 연결되는 거울과 같은 반사 요소를 포함한다. 액츄에이터(34)는 레이저(40)로부터 연속적으로 방출되는 레이저빔(38)이, 궤도 라인(28)에 의해 도시되는 바와 같이, 축(42)에 대해 원형 궤도를 그리도록 컨트롤러에 의해 제어된다. 방사 패턴(29)은 빔(38)의 궤도 운동 특성을 나타낸다. 여기서 패턴의 중심의 밝은 지역이 패턴의 외부 영역과 비교할 때 시간에 걸쳐서 감소한 강도를 나타낸다. 원형 궤도 운동하는 빔은 한 개 또는 그 이상의 광학 요소(44)를 통과하여 변환되고, 광학 요소(44)를 나온 빔(38')은, 궤도 라인(30)에 도시된 바와 같이, 축(42)에 대해 연장된 또는 타원형 궤도를 그린다. 예를 들어 광학 요소(44)는 실린더형 렌즈일 수 있다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 일반적으로 세로 축을 따라 서로 직교하도록 배열된 두 개의 실린더형 렌즈의 사용은, 각 렌즈의 다른 렌즈에 대한 상대 위치를 제어함으로써 궤도의 길이 및 폭이 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 이점을 가진다.

적어도 하나의 광학 요소(44)에서 나온 궤도 운동하는 빔(38')은 유리 시트(10)의 상면(12)의 스팟(41)에 임핀지된다. 빔(38')이 유리 시트(10)에 제공하는 궤도 운동하는 스팟(41)은 유리 시트 위에 연장된 가열 지역을 형성하기 위해 유리 시트 위의 닫히고 연장된 경로(46)(도 6 및 도 7에도 도시되어 있음)를 움직인다. 연장된 가열 지역(20)은 가열 지역의 내부 부분(48)에 최저 온도를 가진다. 도 6은 가열 지역(20)을 제공하기 위해 연장된 폐 경로(46)를 움직일 때의 레이저 스팟(41)을 도시한다. 도 7은 경로(26)에 근접한 가열 지역(20)의 외부 부분의 온도보다 낮은 온도를 가지는 중심 지역(48)을 보여주는 가열 지역(20)의 다른 도면이다. 따라서 가열 지역(20)은 가열 지역의 중심부 내에서 최저 온도를 가진다. 종축(a)을 따라 최저 온도를 보여주는 대표적인 온도 프로파일이 도 8에 도시되었다.

가열 지역(20)이 유리 시트를 따라 미리 정해진 경로(22)를 따라가도록 시스템 컨트롤러는 유리 시트(10)가 궤도 운동하는 레이저빔(38')의 아래에서 이동되도록 한다. 유리 시트(10)는 예를 들어 본 기술 분야에 잘 알려진 선형 엑츄에이터를 이용하여 움직이는 운반대 어셈블리(assembly)(도시되지 않음)에 의해 이동될 수 있다. 대안으로, 광학 요소 및/또는 레이저가 설치된 장비와 결합된 레이저(40)는, 유리 시트와 임핀지되는 레이저빔 간의 상대 운동을 제공하기 위하여 이동 가능한 운반대 어셈블리(도시되지 않음) 위에 레이저 시스템을 구성하는 것과 같은 구성 요소를 설치함으로써 이동될 수 있다. 이는, 가스 흐름 레이저와 비교할 때, 크기가 작고 신뢰성이 높으며 이러한 폐 튜브 레이저(closed tube laser)에서 발견되는 가스 전달 배관의 관리의 어려움이 적기 때문에, 상업적으로 이용 가능한 단일 모드 CO₂레이저에 의해 유리하게 달성될 수 있다. 스코링 라인을 그리기 위한 유리 시트보다 스코링 시스템의 광학 요소를 움직이는 능력이 점점 커지는 LCD 표시 패널 과 같은 사이즈의 유리 기판에 특히 중요하다. 상술된 바와 같이, 냉각제(24)는 트레일링 위치(trailing position)에서 가열 지역의 이동에 대하여 경로(22)를 따라 노즐(26)로부터 유리 방향으로 유도되는 것이 바람직하다. 경로(22)는 일반적으로, 특히 LCD 표시 패널에서 직선이다. 그러나 경로(22)는 직선일 필요는 없으며, 응용 분야에 따라 요구될 수 있는 커브나 방향 전환이 포함될 수 있다.

대안으로, 예컨대 움직이는 운반대에 광학 요소를 설치시켜 광학 요소(32, 44)는 이동하는 반면 레이저(40)는 고정될 수 있다. 이때 운반대는 유리 시트에 대하여 상대적으로 움직인다. 레이저(40)에서 방출된 레이저빔은, 축(42)에 대해 원형 궤도를 그리기 위해 엑츄에이터(34)에 의해 이동할 뿐만 아니라 이제 유리 기판에 대해 이동하는 광학 요소(32)를 목표로 한다. 불행하게도 이러한 배치에서는, 광학 요소(32, 44)가 설치된 운반대가 유리 시트를 움직임에 따라, 레이저(40) 출력면과 광학 요소(32) 사이의 빔 길이(39)가 늘어난다. 레이저(40)와 광학 요소(32) 사이에서 늘어난 빔의 길이는 레이저빔(38)의 분기(divergence)를 증가시키고, 이에 따라 유리에 임핀지되는 빔(38')으로부터의 방사 스팟의 크기(스팟 크기)를 변경하여 가열 지역(20)을 변경한다. 즉 빔 길이가 늘어나고 그 결과 레이저빔(38)이 분기함에 따라, 스팟 크기가 증가한다. 가열 지역의 크기를 증가시키는 것과 같이, 증가한 스팟 크기는 가열 지역의 가열 효율을 바람직하지 못하게 감소시킨다. 증가한 빔의 분기를 보상하기 위해, 광학 요소(32)의 움직임은, 축(42)에 대해 레이저빔(38)에 의해 그려지는 원형 궤도의 반경이 광학 요소(32, 44)가 유리 시트를 가로지름에 따라 변화하도록, 유리 시트에 대한 광학 요소(32, 44)의 이동 과 함께 시스템 컨트롤러에 의해 변경될 수 있다. 레이저(40)와 광학 요소(32) 사이의 빔 길이(39)가 증가하면, 즉 레이저(40)와 광학 요소(32) 사이의 거리가 증가하면, 스팟 크기를 일정하게 유지하기 위하여 위해 축(42)에 대한 원형 궤도의 반경은 줄어들고 이에 따라 가열 지역이 변하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 역으로 레이저(40)와 광학 요소(32) 사이의 거리가 감소하면 축(42)에 대한 원형 궤도의 반경은 늘어난다. 따라서 광학 요소(32, 44)가 유리 시트를 가로지를 때, 가열 지역(20)은 실질적으로 변하지 않은 채로 유지된다. 엑츄에이터(34)를 구동하는 시스템 컨트롤러는, 레이저빔(38)의 원형 궤도의 필요한 변화를 완수하기 위해 적당한 명령어로 쉽게 프로그램될 수 있다. 운반대 위치 정보를 시스템 컨트롤러에 제공하기 위해, 위치 센서(도시하지 않음)가 광학 요소(32, 44)가 설치된 운반대에 위치할 수 있다. 대안으로 위치 센서는, 운반 경로를 따라 운반대에 근접하게 고정 설치될 수 있다. 위치 감지를 위한 다양한 통상적인 방법들이 알려져 있으나 본 개시를 단순하기 하기 위해 여기에는 게재하지 않는다. 그러나 상기 위치 센서는 레이저 기반 장치, 적외선 기반 장치, 음파 장치 등을 포함한다.

본 발명을 실시하는 데 사용될 수 있는 또 다른 실시예의 장치가 도 9에 도시되었다. 연속적으로 방출되는 빔(38)은 광학 요소(44)에 의해 변환되기 전에 광학 요소(50)를 통하여 유도된다. 광학 요소(50)는 빔(38)을 방향을 축(42)으로부터 벗어나도록 유도한다. 광학 요소(50)는 축(42)에 대해 회전하여, 빔(38)이 축(42)에 대하여 원형 궤도로 회전하도록 한다. 예를 들어, 광학 요소(50)는 모터의 중공 샤프트(hollow shaft) 등에 위치하는 프리즘과 같은 패싯된(facted) 요소 또는 적당한 렌즈일 수 있다. 여기서 중공 샤프트의 회전은 샤프트의 회전하는 축에 대하여 프리즘 또는 렌즈를 회전시킨다. 광학 요소(50)는 굴절 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 실시예에서, 광학 요소(50)는 구동 벨트 등에 의해 외부에 설치된 모터(도시되지 않음)에 의해 회전하는 적당한 설치 브래킷(bracket)에 설치될 수 있다. 상술한 실시예에서와 같이, 원형 궤도 운동하는 빔은, 상술한 바와 같이, 유리 시트(10) 위에서 연장된 폐 경로(46)를 그리도록 빔을 변환하기 위해 적어도 하나의 광학 요소(44), 바람직하게는 적어도 두 개의 광학 요소를 통해 유도된다. 본 실시예는 엑츄에이터 암(36)을 통해 엑츄에이터(34)에 의해 조정될 수 있는 광학 요소(32)보다 광학 요소(50)가 더 빠른 속도로 회전할 수 있다는 점에서 유리하고, 이에 따라 궤도 운동하는 빔에 의해 제공된 가열 지역(28)을 가로지르는 열 분포(및 온도 프로파일)가 보다 예측 가능하게 형성된다.

도 10에 도시된 또 다른 실시예에서, 연속적으로 방출되는 레이저빔(38)은, 빔을 분열시키고 연장되지만 불연속적인 패턴으로 재분배하는 통합 광학 요소(54)(이하 통합 요소(54))를 통하여 유도된다. 즉 레이저(40)로부터 방출된 빔(38)은 각각의 빔이 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 나타내는 복수의 분리된 빔들(38")로 굴절된다. 상기 분리된 빔들은 개별적으로 연장된 패턴으로 분배된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 연장된 패턴은 직선일 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 분리된 빔들(38'')이 유리 표면(12)의 주변부(58) 및 주변부에 둘러싸이는 내부 부분(60)을 가지는 기하학적 패턴의 주변부 둘레에 임핀지 되도록, 연장된 패턴은 적합하게 직사각형 또는 타원형이 되는 것이 바람직하다. 따라서 앞서 설명한 실시예에서 달성된 연속적으로 연장된 가열 지역(20)은 통합 광학 요소(54)의 사용에 의해 가열 지역(20')으로 도시된 것과 비슷해진다. 통합 요소(54)에 의해 생성된 복수의 방사 스팟은 각 빔(38")이 유리 시트에 임핀지되는 복수의 개별적인 작은 가열 지역을 제공한다. 이들이 모여서, 도 12에 도시되는 바와 같이, 더 큰 단일의 연장 가열 지역을 만들고, 바람직하게는 큰 가열 지역 내부에서 최저 온도를 가진다.

레이저빔(38)은, 빔이 통합 광학 요소(50)에 입사하기 전에 시준기(collimator)(62)에 의해 시준되는 것이 바람직하다. 레이저를 시준하는 방법은 본 기술 분야에 잘 알려져 있으므로 여기서는 더 서술하지 않는다. 통합 광학 요소의 사용은, 앞서 설명한 실시예에서의 회전 또는 움직이는 다른 광학 요소와 같은 움직이는 부분을 제거하기 때문에 유리할 수 있어, 높은 신뢰성을 이끌어낸다. 통합 광학 요소에서 분리된 빔 프로젝션(beam projection)의 수는 통합 요소에 형성된 패싯(facet) 상호 간의 관계 및 수에 의해 제어되나, 특히 스코링되는 유리 시트의 두께(d) 및 유리 시트의 표면을 가로지르는 가열 지역의 속도에 의존하여 단 6개부터 수십, 수백, 또는 수천 개까지의 범위를 가질 수 있다.

본 발명에 대한 다양한 설명이 상술 되었지만, 본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 다양한 특성들이 단일로 또는 이들이 조합되어 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 도시되는 특히 바람직한 실시예에 의해 제한되지 않는다.

본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상 및 범 위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 가능함은 명백하다. 예를 들어, 비록 여기에서는 유리 시트에 대한 일반적인 스코링 방법들을 기술하였지만, 이 방법들은 유리 세라믹과 같은 다른 취성 물질에도 적용될 수 있다. 본 발명은 첨부되는 청구항 및 그와 동등물의 범위 내에서 제공되는 본 발명의 수정 및 변경을 포함한다.

아래의 실험예는, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 방법을 증명한다.

실험예

약 250 및 500 와트 사이의 파워를 가지는 단일 모드 CO₂ 레이저가 시준기를 통과한다. 여기서 실질적으로 시준된 빔은 시준기를 빠져나온다. 그 후에 시준된 빔은 단일 빔을 복수의 분리된 빔들로 재분배하는 통합렌즈를 통과한다. 분리된 빔들은 연장된 패턴으로 유리 표면에 임핀지되고, 이에 의해 가열 지역을 형성한다. 이 가열 지역에서는, 가열 지역의 외부 영역에 임핀지되는 광학 파워가 가열지역의 중심부에 임핀지되는 광학 파워보다 크다. 가열 지역이 유리 시트를 적어도 약 300 mm/s 의 속도로 가로지르도록 가열 지역과 유리 시트 사이에 상대 운동이 발생한다. 가열 지역이 지나가는 뒤로 냉각제가 유리 시트에 분사된다. 가열 지역은 상대 운동하는 방향과 평행한 방향을 따라 적어도 30 mm 의 길이를 가진다.

본 발명은 연장된 가열 지역을 형성하여 표면 위의 각 점을 가열하는 시간을 연장할 수 있으며 이에 따라 가열 지역의 상대적인 변위의 허용 속도를 크게 할 수 있다.

Claims (20)

1. 가우시안 강도 프로파일(profile)을 가지면서 연속적으로 방출되는 레이저빔을 축에 대해 원형 궤도로 움직이는 단계;

   상기 레이저빔을 적어도 하나의 광학 요소를 통해 유도하여, 원형 빔 궤도를 연장된 빔 궤도로 변환하는 단계; 및

   유리 시트 위에서 연장된 폐 경로를 그리도록 상기 변환된 빔을 상기 유리 시트에 임핀지(impinge)하여, 중심부 내에 최저 온도를 가지는 연장된 가열 지역을 상기 시트 위에 형성하는 단계

   를 포함하는 평면 유리 시트의 스코링 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 움직이는 단계는, 상기 연속적으로 방출되는 레이저빔을 회전하는 광학 요소를 통해 굴절시키는 단계를 포함하는 평면 유리 시트의 스코링 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 광학 요소는 복수의 패싯(facet)을 포함하는 평면 유리 시트의 스코링 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 움직이는 단계는, 상기 연속적으로 방출하는 레이저빔을 움직이는 거울로부터 반사하는 단계를 포함하는 평면 유리 시트의 스코링 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 레이저와 상기 거울 사이의 빔 길이에 따라 상기 원형 궤도의 반경이 변하는 평면 유리 시트의 스코링 방법.
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