KR101407838B1 - 플렉서블 디스플레이 어플리케이션을 위한 얇은 적층 유리 기판의 레이저 분리 - Google Patents

플렉서블 디스플레이 어플리케이션을 위한 얇은 적층 유리 기판의 레이저 분리 Download PDF

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Abstract

코팅된 취성 물질 시트를 분리하는 방법은 취성층 및 상기 취성층에 접착된 코팅 물질을 포함하는 적층된 취성 물질 시트를 제공하는 단계 및 상기 시트에서 분리선을 따라 레이저를 적용하는 단계를 포함하고, 이에 의하여 코팅 물질의 절단 및 응력 균열을 일으킴으로써, 상기 취성층을 분리한다.
절단, 레이저, 취성층, 코팅물질, 편광

Description

플렉서블 디스플레이 어플리케이션을 위한 얇은 적층 유리 기판의 레이저 분리{LASER SEPARATION OF THIN LAMINATED GLASS SUBSTRATES FOR FLEXIBLE DISPLAY APPLICATIONS}
본 발명은 레이저를 통하여 취성 물질(brittle material)의 시트를 분리시키는 것에 관한 것으로, 특히 표면에 보호 코팅을 갖는 취성 층 내에서 응력 균열(stress fracture)을 레이저로 일으켜서 취성 물질의 시트를 다수의 부분들(pieces)로 절단시키는 것에 관한 것이다.
평평한 유리 기판은, 투명하고 화학적 내열성이 높고 화학적 및 물리적 정의 속성이 중요한 다수의 적용물에 대해 적합한 기판 물질이다. 적용물은 전형적으로, 얇은 막 및 두꺼운 막 기술을 이용하여, 디스플레이, 얇고 두꺼운 막 센서, 태양전지, 미세-기계적인 구성요소(micro-mechanical components), 리소그래픽 마스크(lithographic masks), 및 센서와 멤브레인 소자 등의 전자소자 적용물을 포함한 영역들을 포함한다. 다의 전자소자 적용물에서 최근 발전한 것이라면, 새로운 기능성 생산품의 요구를 만들어 온 것과, 더 얇고, 초박형(ultra-thin)이고, 기계적인 내구성을 지닌 기판의 요구에 대한 증가를 발생시켜온 것이다. 특히, 초박 기판은 휴대폰, 풀-아웃 스크린(pull-out screens)을 갖는 펜-타입 장치(pen-type device), 스마트 카드용 디스플레이, 가격표, 이뿐 아니라 유기 또는 무기 발광 층에 기초한 디스플레이, 또는 발광 유기 고분자 디스플레이(OLED)와 같은 둥근 틀 형태를 갖는 휴대용 장치(portable pocket devices) 내에 사용하기에 이상적이고 가볍고 유연한(flexible) 디스플레이를 제공한다. 얇고 내구성을 갖는 기판은 또한 최종 제품이 평평하게 남아 있는 적용물에 가치를 부여할 수 있으나, 낮은 제조 비용은 기계적인 플렉서블 기판(mechanically flexible substrates)을 필요로 한다. 디스플레이 외의 더 넓은 카테고리에서, 일반적으로 RFID들, 광전변환 장치(photovoltaics), 및 센서와 같은 유연하고 내구성이 있는 전자 장치는 이들 향상된 기판 디자인에 가치를 지닌다.
다양한 플렉서블 전자 장치는 전형적으로 전자 장치에게 필요한 적용 및 요구되는 수행 수준에 기초한 다양한 디자인을 갖는다. 일정 정도의 휨 반경 및 등각 특성(conformal nature)은 셀 갭(cell gaps)에 기초한 액정 디스플레이뿐만 아니라 OLED 또는 두 평행 판 사이가 밀봉된 유사한 디스플레이로부터 얻어질 수 있다. 최근에 추구되고 있는 1cm에 근접하거나 그 미만의 휨 반경이 가능하고 유연성이 큰 디스플레이는 주로 OLED, 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal), 전기영동(electrophoretic), 또는 이와 유사한 접근물에 기초한다. 디자인은 전형적으로 다양한 트랜지스터 회로, 디스플레이, 및 높은 기계적 내구성을 갖는 기판 상에 만들어진 캡슐화된(encapsulating) 층으로 구성된다.
개개의 구성요소를 만들기 위한 기판 물질은 전형적으로 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 및 이와 비슷한 것과 같은 열가소성 물질, 금속 스테인레스 스틸과 같은 물질, 및 유리 물질을 포함한다. 금속 기판 물질은 높은 열적 특성을 갖는 반면, 불투명하고, 전기 전도성 문제가 존재할 수 있다. 유리 물질은 화학적 및 광-화학적인 불활성, 광학적으로 등방성, 온도-저항, 기계적 안정성, 및 상대적으로 결질의 표면을 제공하는 장점을 갖는다. 그러나, 유리 물질의 중대한 결점은 더 깨지기 쉽고(brittle) 흠(flaws)에 민감하다는 점이다. 열가소성 기판은 흠의 크기에 덜 민감하나, 열적 특성뿐만 아니라 장애가 되는 특성에 의하여 제한된다. 구체적으로, 플라스틱 기판 막의 수증기 및 산소 투과성의 한정이 어렵고, 별도의 경계 층(barrier layer)이 사용되지 않는 경우에 상기와 같은 기판 물질 상에서 구현된 유기 전자 장치 또는 이와 관련된 OLED들의 상대 품질 및 수명은 전반적으로 감소된다.
상기에서 명시된 바와 같이, 플렉서블 디스플레이는 최근 유망한 디스플레이 및 전자 기술로 각광받고 있다. 단일 유리 또는 플라스틱 기판의 단점에 따른 결과로서, 유리-플라스틱 합성 막이 광범위하게 연구되었다. 이러한 막은 전형적으로 얇은 유리 시트 및 유리의 평탄면들 중 적어도 하나에 직접 적용된 고분자 물질 층으로 이루어진다. 이 경우의 유리 시트는 유리, 세라믹, 유리-세라믹, 또는 표면 또는 에지 흠에 민감한 이와 유사한 물질을 포함할 수 있는 취성 무기 물질의 시트를 말한다. 고분자 물질 층은 충격으로부터 보호되려는 목적으로 유리 표면에 적용된 보다 많은 연성(ductile) 층을 말한다. 실제 기판은 다양한 배열로 하나 이상의 고분자 물질 층을 갖는 하나 이상의 유리층으로 만들어질 수 있다. 유리층의 두께는 플렉서블 디스플레이 적용물을 위해 얇게 적층된 유리 기판에 대해 전형적으로 300 ㎛ 미만이다. 적층된 또는 합성된 유리 기판은 유리 및 고분자 물질 구조물이 결합된 것을 말한다. 상기 구조물은 미리 형성된 시트를 접착하는 적층 공정 또는 다양한 코팅, 증착(deposition), 경화(curing), 또는 액체 성분을 이용한 다른 공정을 통하여 만들어질 수 있다.
이러한 유리-플라스틱 합성 막이 높은 장점을 가지는 반면, 이러한 기판의 적용 및 수행은 이들의 절단 동안 발생된 낮은 에지 강도에 의하여 이따금 제한된다. 지금까지, 대부분의 유리 절단은 기계적 스코어(score) 및 브레이크 방법으로 이루어졌다. 상기 방법은 모두 단순하고 경제적이고, 수백 마이크론 이상의 두께를 갖는 유리 시트에 사용될 수 있다. 그러나, 약 0.5 mm 두께 이상의 두꺼운 유리 시트에 적용 가능한 기계적 절단 기술은 300 ㎛ 이하의 두께를 갖는 유리 시트를 절단하는데 사용될 때 낮은 수율 강도(yield strength)를 초래한다. 또한, 보호 고분자 물질 층(들)의 존재에 의하여 곤란한 문제가 적층된 유리 기판에서 발생한다.
코팅되고 얇은 유리 시트를 절단하기 위한 노력은 지금까지는 기계적인 방법을 포함하여 왔다. 예를 들어, 방법들은 절단 도구를 통하여 하중이 가해짐과 동시에 가해지는 동안 플라스틱 층을 가열하는 단계를 포함하는 것을 개시하고 있다. 플라스틱은 유리 기판의 스코어링(scoring)과 동시에 제공된다. 상기 방법은 여전하게, 기판과 절단 도구 사이의 물리적인 접촉을 이용함으로써, 합성 기판을 절단하는 기계적인 수단에 의존하고, 스코어링 선을 따라 적층된 유리 기판을 파괴시킨다. 취성 물질로 이루어진 평평한 워크피스의 절단을 위한 방법 및 장치(METHOD AND DEVICE FOR CUTTING A FLAT WORKPIECE THAT CONSISTS OF A BRITTLE MATERIAL)라는 명칭의, 미국 특허 제6,894,249호에서 설명된 방법에서는, 워크피스에 열적 기계적 응력을 일으키기 위하여 절단선을 따라 레이저가 사용된다. 상기 설명된 방법과 비슷하게, 본 방법은 관련된 절단선의 시작에서 초기 스코어를 발생시키기 위하여 기계적인 스코어링 도구를 필요로 한다. 레이저 출력은 그 이후에 상기 절단선을 따라 열적 응력에 의한 분리를 제공하기 위하여 사용된다.
유리 및 고분자 물질을 포함하는 기판과 같은, 매우 다양한 기계적 특성을 갖는 다수의 물질로 이루어진 기판을 효율적으로 절단하기 위한 요구는 여전히 존재한다. 보다 자세하게는, 플렉서블 디스플레이 및 플렉서블 전자소자와 같은 적용물을 위한 새로운 다층 기판 디자인은 스코어링 또는 절단 도구와의 물리적 접촉을 기반으로 하지 않은 새로운 절단 방법을 요구한다.
본 발명의 바람직한 구체예는 약 100 ㎛ 이하의 두께, 및 취성층의 표면에 접착된 코팅 물질을 갖는 적층된 취성 물질의 시트를 제공하는 단계, 및 분리선을 따라 남아있는 실질적인 잔해물(debris) 없이, 시트 상의 분리선을 따라 레이저를 가함으로써, 코팅 물질을 절단하는 단계를 포함하는, 코팅된 취성 물질의 시트를 분리하는 방법을 포함한다. 취성층의 노출된 표면 영역은 그 다음에 이어지는 레이저 또는 에칭 방법을 사용하여 분리된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서는, 상기 방법은 레이저를 통하여 상기 합성 기판의 취성층 내에 응력 균열을 일으키는 단계를 포함한다. 상기 합성 기판은 하나 이상의 취성층 및 하나 이상의 코팅층을 포함한다. 취성층 내에 응력 균열을 일으키는 레이저는 하나 이상의 취성층 및 하나 이상의 코팅층 모두를 분리한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예는 제1평탄면(planar surface) 및 제1평탄면과 마주한 제2평탄면을 갖는 유리의 시트를 제공하는 단계 및 제1평탄면 및 제2평탄면 중에서 선택된 하나 이상을 고분자 물질로 코팅함으로써, 코팅 기판을 만드는 단계를 포함하는 플렉서블 기판을 형성하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 상기 유리 시트로부터 고분자 물질의 일부분을 분리하는 분리선을 따라 유리의 코팅 기판에 레이저를 가하는 단계 및 상기 유리 시트 내에 응력 균열을 일으키는 단계, 및 이에 의하여 본래 코팅되어 있던 기판을 플렉서블 장치 기판으로 절단하는 단계를 더 포함한다.
설명의 목적을 위하여, 상기 "상부의(upper)", "하부의(lower)", "우측(right)", "좌측(left)", "후면(rear)", "전면(front)", "수직(verticla)", "수평(horizontal)", 및 이들로부터 유도된 것들은 도 1 내지 3에서 방향이 정의된 본 발명과 관련된다. 그러나, 본 발명은 특히 불리한 것을 제외하고는 다양한 대안의 방위 및 단계의 순서가 선택될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 첨부된 도면에 도시되고 이어지는 상세한 설명에서 설명된 구체적인 장치 및 방법은 첨부된 청구항에 의하여 정의된 본 발명의 개념의 구체적인 실시예라는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 명세서에서 개시하고 있는 구체예와 관련된 구체적인 치수 및 다른 물리적 특성은 청구항에서 명백히 지정되지 않는다면 제한하는 것으로 간주되지 않는다.
본 발명은 코팅된 취성 물질(10)의 시트(도 1A)를 분리하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 코팅된 취성 물질(10)의 시트를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 코팅된 취성 물질의 시트는 제1평탄면(13) 및 제1평탄면(13)과 마주하는 제2평탄면(15)을 갖고 바람직하게는 유리를 포함하는 취성층(12), 및 취성층(12)의 제1평탄면(13)에 접착되고 외부면(17) 및 내부면(19)을 갖고 바람직하게는 고분자 물질을 포함하는 코팅 물질(14)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 취성층(12)은 유리를 포함하나, 세라믹, 유리-세라믹, 및 이와 같은 것들을 포함하는 다른 적합한 물질이 사용될 수 있다. 또한, 2개의 다른 합성물의 유리층과 같은 다층화된(multilayered) 구조가 사용될 수 있다. 특히, 취성층 또는 유리층(12)은 취성층 또는 유리층의 제 1 및 제 2 표면(13, 15) 양 표면 상에서 코팅 물질로 코팅될 수 있다. 도시된 취성 물질(10)의 코팅 물질(14)은 취성층의 씌워진 표면의 품질을 위한 기계적인 보호물로서 제공되는 고분자 물질 또는 열가소성 층을 포함한다. 상기 방법은 분리선(20)을 따라 레이저(18)로 가함으로써, 코팅된 취성 물질(10)의 시트를 다수의 부분들로 분리시키는 단계를 더 포함한다(도 2). 도 1A의 도시된 실시예에서, 레이저(18)는 취성층(12)의 코팅되지 않은 면(15)에 가해지게 되고, 레이저(18)의 입사 빔 직경과 유사한 폭을 갖는 분리 부분(16)의 분리를 일으킨다. 상기 분리 부분(16)의 분리 방법은 또한 분리 부분(16)으로부터 코팅 물질(14)을 제거할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 상기 방법은 바람직하게 시트(10)를 하나 이상의 부분들로 분리하는 레이저(18)를 통하여 분리선(20)을 따라 취성층(12) 내에 응력 균열을 일으키는 단계를 포함한다. 택일적으로, 레이저(18)의 출력은 취성층(12)에서 응력 균열을 일으킴 없이 취성층(12)로부터 코팅 물질(14)의 일부분을 제거하기 위해 조절된다.
도 1B에서 도시된 본 발명의 다른 구체예는, 레이저(18)를 코팅 물질(14)의 외부면(17)에 가함으로써, 취성층(12)으로부터 코팅 물질(14)의 일부분이 제거되는 방법을 포함한다. 코팅 물질(14)의 선택적인 제거에 의하여 실질적으로 손상되지 않은 채로 남아있는 취성층(12) 표면 영역의 선택적인 양이 노출된다. 이어지는 에칭 또는 절단 단계는 그 이후에 노출된 표면 영역의 경로를 따라 취성 물질(12)을 하나 이상의 부분들로 분리하는데 사용될 수 있다. 택일적으로, 상기 방법은 또한 시트(10)를 하나 이상의 부분들로 분리시키기 위해, 레이저(18)로 분리선(20)을 따라 취성층(12) 내에 응력 균열을 일으키는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 취성층(12) 및 하나 이상의 코팅층(14)은 필요한 적용물의 요건에 따라 물질 조성 및 치수가 달라질 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 또는 전자소자 제조 방법은 코팅층(14) 선택부 상에 열적 요건을 필요로 할 수 있고, Si TFT 장치의 제조에 취성층(12) 물질의 알카리 이온 조성 제한이 있을 수 있고, 제조 또는 최종 사용 장치의 유연성 또는 휨 반경(bend radius) 요건은 합성 기판(10) 디자인의 구조적 두께 및 모듈러스 요건을 필요로 할 수 있다. 또한, 합성 기판(10)은 얇은 막 적층과 같은 당업계에 알려진 다양한 방법을 통하여 제조될 수 있다. 바람직하게는 10cm 미만, 더욱 바람직하게는 5cm 미만, 가장 바람직하게는 20 cm 미만의 휨 반경의 실제의 플렉서블 장치를 이루기 위하여, 취성층(12)의 두께는 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 미만, 가장 바람직하게는 30 ㎛ 미만이다.
대부분의 모든 유리는 10 ㎛ 파장 영역의 레이저 에너지를 강하게 흡수한다. 대부분의 경우, 흡수도는 빛이 10-20 ㎛ 두께 내에서 완전히 흡수되기에 충분히 강하다. 도시된 실시예에서, 레이저(18)는 취성 또는 유리층(12)의 국부적인 가열을 제공할 수 있는 CO2 레이저를 포함한다. 10.6 ㎛ 파장의 CO2 레이저의 광자 에너지는 0.11 eV이고, 취성 또는 유리 물질(12) 또는 고분자 물질(14)의 밴드갭(bandgap) 에너지보다 매우 낮고, 결과적으로, 광열(photothermal) 공정이 지배적이다. 비록 CO2 레이저가 구체적으로 언급되었으나, 지배적인 광열 공정을 제공하는 다른 레이저 시스템 및 파장이 사용될 수 있음을 유의하여야 한다. 10.6 ㎛ 파장의 복사의 취성층(12)을 포함하는 유리 물질의 강한 흡수도는 가열, 연화(softening), 및 유리층의 상대적으로 얇은 부분의 팽창을 일으키고, 이에 의하여 레이저로 가열된 체적에서 압축 응력을 일으킨다. 일시적인 압축 응력은 압축 부족의 결과로서 취성 또는 유리층(12)에서 파쇄(spallation)를 위한 크기에 이를 수 있다. 그러나, 유리층(12)의 연화 및 용해(melting)는 취성 또는 유리 물질(12)의 점도의 감소로 인하여 압축 응력의 크기를 급격하게 감소시킬 수 있다. 일단 레이저 조사가 제거되면, 가열이 가해진 영역의 냉각은 수축 및 응력을 일으키고, 가열된 체적 부근에 인장 응력(tensile stresse)을 발생시킨다. 가열 상태 동안 발생된 일시적인 압축 응력보다 더 작은 크기일 수 있는 인장 응력은 압축력보다 인장력이 작용될 때 취성 또는 유리 물질을 더 쉽게 손상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으므로, 취성 또는 유리층(12)의 파쇄가 발생될 수 있다. 유리층(12)의 가열-냉각 주기의 결과로서, 가열된 체적의 근처에 있는 취성층(12)의 부분(16)은 남아있는 취성층(12)으로부터 분리되거나 필링된다(peeling). 취성층의 부분(16)이 제거됨으로써, 분리 부분(16)에 접착된 코팅 물질(14)은 또한 취성 또는 유리층(12)으로부터 열 전도에 의한 용해 또는 광분해(photodecomposition)에 의해 제거되거나 증발된다. 다시 말하면, 물질 표면을 레이저로 가열함으로써, 적층된 유리 기판 물질을 이겨내기에 충분히 강한 응력이 발생된다. 얇게 절단된 물질로서 도시되고 응력-적용 영역에 의하여 결정되는 폭을 갖는 취성 물질(12)의 부분(16)은 움직이는 레이저(18)의 방향을 따라 코팅 기판(10)으로부터 분리된다. 바람직하게는, 레이저는 CO2 레이저를 포함하고, 높은 열적 쇼크 저항을 갖는 유리층(12)에 가해진다. 필링 효과는 긴 펄스 및 cw 레이저 모두에 의하여 일어난다. 특히, 긴 펄스 및 cw 레이저는 전형적으로 짧은 펄스 레이저에 비하여 낮은 피크 출력을 가지며, 짧은 펄스 레이저에 관련된 효과, 예를 들면, 절삭(ablation)은 전형적으로 더 약해지는 경향을 가진다. 또한, 상술된 바와 같이, 레이저 필링 공정 동안 파편은 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 상술된 공정을 적용함으로써, 취성 물질(10)은 도 3A 및 3B에서 도시된 바와 같이, 각각 양호하게 표면 처리가 마감된 에지를 갖는 다수의 부분들로 분리될 수 있다. 상기 방법을 통하여, 분리선(20)을 따른 취성층(12)의 단면(end-face) 상에 코팅 물질(14)이 실질적으로 존재하지 않는다. 추가로, 코팅 물질(14)은 분리선(20) 상의 취성 물질(12)의 표면(13)에 존재할 수 있다. 이러한 경우, 코팅 물질(14)은 분리선(20)을 따른 멜팅 효과(melting effects)와 같은 열적 노출의 흔적을 보일 수 있다.
도시된 실시예에서, CO2 레이저(18)는 초점 조정 장치(focusing element)(30)를 통하여 합성 코팅된 취성 물질(10)의 표면(15)에 초점이 잡히게 된다. 도 2는 기판(10)의 에지 부분(31)을 제거하기 위한 연속적 제조 공정 동안, 코팅된 취성 물질(10) 시트를 절단하는 공정의 개략적인 개념을 보여준다. 코팅된 취성 물질(10)의 기판은 다수의 롤러(34)에 의하여 수직으로 고정되고, 추가적인 롤러 또는 기계장치는 합성 기판(10) 또는 제거된 에지 부분(31)에 사용될 수 있다. 합성 기판(10)은 입사 레이저 에너지(18)에 대하여 화살표(36)에 의하여 지시된 방향으로 움직인다. 상대 움직임은 레이저 에너지(18)가 수직한 분리선 또는 절단선(20)을 따라가도록 하고, 취성층(12) 내에 응력 균열을 일으킨다. 분리/절단에 영향을 주는 공정/장치 변수는 제어기(42)에 의하여 제어될 수 있다. 택일적으로, 응력 균열을 일으키는 레이저는 연속적인 기판 또는 장치 제조 공정 동안 합성 기판(10)의 다양한 길이로 분리하는데 이용할 수 있다. 시트(10)에 대한 레이저(18)의 움직임은 또한 갈보 어셈블리(galvo assembly)를 이용함으로써, 시트(10)를 가로지르는 레이저(18)를 스캐닝함으로써 얻어질 수 있거나, XY 평면에 위치한 유리 라미네이트를 이동시킴으로써 얻을 수 있다. 직선으로 절단시키는 것과 더불어, 응력 균열을 일으키는 레이저는 합성 기판(10)으로부터 다양한 이차원으로 절단하기 위하여 사용될 수 있다.
관찰된 바와 같이, 공정은 수십와트 출력으로 발생된 RF CO2 레이저 복사로 이루어진다. 레이저(18)는 이후에 절단되는 중에 존재하는 실질적인 공간적 펄스 중첩(spatial pulse overlap)을 가진 펄스 모드(예를 들어, 5 kHz 또는 20 kHz) 또는 cw 모드 중 어느 것으로도 작동이 가능하다는 것에 유념하여야 한다. 이러한 상황에서, 관찰된 바와 같이, 유리층(12) 내에서 실질적인 응력 균열을 일으켜서 시트(10)의 타측 부분으로부터 시트의 일측 부분을 전체 분리시키거나 또는 절단시키기 위해 발생된 레이저 출력은, 레이저(18)가 유리 시트(12)의 코팅되지 않은 면(15)에 입사될 때, 60mm/s의 속도에서 약 23 와트이다. 이에 반해, 레이저(18)가 유리 시트(12)의 코팅된 면에 입사될 때 유리층(12)으로부터 단지 고분자 물질 코팅(14) 만을 제거하기 위해서는 10 와트 이하의 출력 수준이 요구된다. 다양한 합성 기판(10) 디자인을 절단하기 위한 정확한 출력 수준은 요구되는 절단 속도, 취성층(12) 조성, 코팅층(14) 조성, 층의 두께, 합성 기판(10)에 존재하는 응력, 및 다른 관련된 요소에 따라 다르다. 비록 CO2 레이저로부터 입사된 복사(18)를 사용하는 다른 공정이 전형적으로 500 ㎛를 초과하여 코팅층(14)이 없는 두꺼운 유리 시트를 절단하는 것이 가능하나, 상술된 조건은 코팅층(14)이 존재하지 않는 경우에, 100 ㎛ 두께 미만의 상대적으로 얇은 취성층(12)의 제어되지 않은 균열을 만든다. 레이저의 편광은 바람직하게는 원형이나, 분리선 또는 절단선(20)을 따른 편광을 갖는 선형으로 편광된 광의 사용도 가능하다. 절단선(20)에 대해 수직한 방향을 갖는 선형으로 편광된 광 또한 사용가능하다. 또한, 레이저(18)는 합성 기판(10)의 위에, 내에, 또는 근처에 렌즈 또는 렌즈 어셈블리를 포함하는 초점 조정 장치를 사용하여 초점이 잡힌다. 예로서 단일체 구형 렌즈(singlet spherical lens), 절단선(20)에 평행한 축의 초점을 잡는 원통형 렌즈 등이 있다. 택일적으로, 파라볼릭 거울이 레이저(18)의 초점을 잡기 위하여 사용될 수 있다.
취성 물질 또는 합성 기판(10)을 분리하기 위한 대안적인 접근으로 코팅 물질(14) 일부분을 선택적으로 제거하기 위하여 상대적으로 낮은 레이저 출력(18)을 사용할 수 있다. 상술된 공정을 적용함으로써, 코팅 물질(14)의 일부분은 양호한 바닥 표면의 마감 처리와 함께 미세균열 없이 그루브(groove)(26)(도 4 및 5), 즉, 취성 물질 표면(13) 위에 최소한의 코팅 또는 잔여물을 남겨두고, 분리선(20)을 따라 취성층(12)으로부터 제거될 수 있다. 도 5의 입면도에서 도시된 코팅 물질(14)의 얇은 갈라짐(delamination)은 SEM 분석을 위한 에지 샘플의 채취에 의한 것일 수 있다. 합성 기판(10)의 분리는 그 이후에 수반되는 레이저 절단 또는 에칭 공정에 의하여 달성될 수 있다. 어떠한 에칭 공정이라도, 에칭 마스크(etch mask)로서 코팅층(14)에 만들어진 패턴에 사용될 수 있다. 일반적으로 기술분야에 알려진 적용가능한 에칭 공정은 수성 HF 용액, 반응성 이온 에칭 플라즈마, 및 유사한 방법에 기초한다.
택일적으로, 분리 공정은 합성 기판(10)의 코팅(14) 표면에 취성층(12) 및 코팅층(14)이 한번에 분리되기에 충분한 출력 수준으로 레이저 입사를 적용하는 것을 포함한다. 다수 코팅층(14)이 취성층(12)의 상부(13) 및 하부(15) 면 모두에 존재한다면, 제 1 저출력 레이저 스캔(18)은 상부 코팅층을 선택적으로 제거하기 위해 사용된다. 이후, 그 다음의 고출력 레이저 스캔(18)은 상술된 바와 같이, 남아 있는 취성층 및 코팅층에서 응력 균열을 일으키기 위해 사용될 수 있다. 층 물질, 레이저 노출, 및 대안적인 공정 단계의 다양한 조합도 역시 가능하다.
도 1A는 레이저를 취성물질의 코팅된 면에 마주하는 상기 취성층에 적용하여 취성 물질을 다수의 부분들로 분리하는 단계 및 본 발명을 구체적으로 보여주는 일부분의 개략적 투시도이다.
도 1B는 상기 취성 물질의 코팅된 면에 레이저를 적용하여 전체가 코팅된 취성 물질의 취성층으로부터 코팅 물질의 일부분을 분리시키는 단계 및 택일적으로, 응력 균열의 유도 상기 취성층 및 이의 절단 단계를 보여주는 일부분의 개략적 투시도이다.
도 2는 상기 레이저가 적용가능한 장치의 입면도이다.
도 3A는 코팅된 취성 물질의 에지의 측면도로서, 취성 물질은 다수의 분리 부분들로 분리되고 상기 분리는 취성 물질의 표면에 대하여 40mm/s의 레이저 이동에 의하여 이루어진 도면이다.
도 3B는 코팅된 취성 물질의 에지의 취성 물질이 다수의 부분들로 분리되고, 상기 분리는 취성 물질의 표면에 대하여 60mm의 레이저 이동에 의하여 이루어진 것을 도시한 측면도이다.
도 4는 코팅된 물질의 일부분이 분리선을 따라 상기 취성층으로부터 분리된 코팅된 취성 물질의 평면도이다.
도 5는 코팅된 물질의 일부분은 분리선을 따라 취성층으로부터 분리되어 연마된 표면이 된 코팅된 취성 물질의 입면도이다.
실시예 1
유리 시트의 노출된 유리 표면에 레이저를 가하는 것과, 그리고 절단을 제어하는 것을 포함한 테스트 및 샘플은 레이저의 단일 경로에서 얻어졌다. 하나의 특정 구체예에서, 워싱턴 머킬테오(Mukilteo)에 위치한 신라드(Synrad) 사로부터 입수할 수 있는 신라드 RF CO2 레이저가 광원으로서 사용되었다. 레이저는 5kHz 비율에서 출력 펄스가 톱니(saw-tooth) 프로파일을 가지고, 개략적으로 90%의 조정 깊이(modulation depth)를 갖도록 조절되었다. 쿼터-웨이브 반사 위상 지연(quarter-wave reflective phase retarder) 이후에, 편광이 원형 편광 상태로 초점 조정 장치(30) 앞에서 변형되었다. 37.5mm 또는 1.5 inch의 초점 거리의 렌즈는 레이저광이 유리 시트 표면(15)에 초점을 잡기 위해 사용되었다. 코팅된 물질 표면의 입사 레이저 출력은 23 W 이었다. 1.2의 M2 값, 및 렌즈 입구 동공(lens entrance pupil)에서 6 mm의 크기에 기초하여, 상기 초점 크기는 300 kW/cm2의 대응되는 레이저 출력 밀도에서 100 ㎛로 측정되었다. 코팅된 물질 시트는 50 마이크론 및 100 마이크론 범위의 두께를 갖는 유리 시트, 및 유리의 일면에 접착된 고분자 물질 코팅을 포함한다. 코닝의 0211 마이크로시트가 유리층으로서 사용되었다. 울트론 시스템스(Ultron Systems)의 P/N 1020R-11.8 또는 P/N 1042R-11.8이 고분자 물질 코팅(14)으로서 사용되고 적층 막(laminated film)으로 적용되었다. 절단되는 동안 일정한 N2 펄스는 절단되는 동안의 고분자 연소(polymeric combustion)의 영향을 줄이기 위하여 공급되었다. 적층된 유리 시트는 진공 척(chuck)을 갖는 XY 테이블 상에서 절단되었다. 최적의 절단 상황은, 레이저가 코팅 물질(10)의 상부 표면 0.6 mm 상에 초점이 잡힌 경우에, 및 레이저광이 접착된 코팅의 맞은편의 유리 기판의 일면에 입사되는 경우에 관찰되었다. 최적 상황에서, 시트에 대하여 40 mm/s 내지 60 mm/s 범위 내의 속도가 관찰되었고, 코팅된 물질의 연속한 스트립(strip)이 코팅된 물질로부터 분리되었다. 부분(16)의 폭은 거의 유리 기판(15)에 입사된 빔의 직경인 약 200 ㎛이다. 도 3A는 40 mm/s의 이동속도에서 절단된 샘플을 도시하고, 도 3B는 60 mm/s의 속도로 절단된 샘플을 도시하고 있다. 유리 표면 상의 레이저 스팟 크기는 직경이 200 ㎛로 측정되었고, 출력 밀도는 73 kW/cm2으로 측정되었다. 상기 출력 밀도에서, 기대한 바와 같이, 절삭을 통한 물질의 손상은 최소화되고, 상기 공정은 표면을 말끔하게 부서트렸다. 최적이 아닌 상황은 전형적으로 길이가 센티미터부터 그 이상으로 변하는 길이를 갖는 코팅 물질(14) 피스와이즈로부터 부서진 부분(16)을 초래할 것이다. 이러한 균열은 분리된 코팅 물질의 뾰족한 에지를 만들고, 이는 바람직하지 않다.
실시예 2
다른 실시예에서, 실시예 1에서 설명된 신라드 RF CO2 레이저가 합성 물질의 고분자 코팅을 제거하는데 사용되었다. 레이저는 5kHz에서, 톱니 프로파일 및 거의 90%의 조정 깊이를 갖는 출력 펄스로 조절되었다. 레이저로부터 나온 광은 수직으로 편광되었다. 37.5 mm 또는 1.5 inch의 초점거리 렌즈가 유리 시트 상에 레이저 광의 초점을 잡는데 사용되었다. 코팅 물질(10) 상의 레이저광의 편광은 모션 경로(motion path)를 따랐다. 8W의 입사 출력이 사용되었다.
1.2의 M2 값, 및 렌즈 입구 동공에서 6 mm의 크기에 기초하여, 상기 초점 크기는 100 ㎛로 측정되었다. 코팅된 물질의 시트는 50 마이크론 및 100 마이크론 범위의 두께를 갖는 유리 시트 및 유리의 일면에 접착된 고분자 물질 코팅을 포함한다. 뉴욕, 코닝주의 코닝사로부터 입수 가능한 0211 마이크로시트가 유리층으로 사용되었다. 울트론 시스템즈(Haverhill, Massachusetts의)의 P/N 1020R-11.8 또는 P/N 1042R-11.8가 고분자 물질 코팅(14)으로서 사용되었고, 적층된 막으로 적용되었다. 절단되는 동안 일정한 N2 펄스가 절단 동안의 고분자 연소(polymeric combustion)의 영향을 줄이기 위하여 공급되었다. 적층된 유리 시트는 진공 척을 갖는 XY 테이블 상에 고정되었다. 레이저광이 취성 또는 유리 물질과 마주한 코팅된 물질(10)의 고분자 면에 입사되었다. 20mm/s의 속도를 갖는 고분자 물질은 도 4 및 도 5에 나타난 것처럼 선택적으로 제거된다.
첨부된 청구항으로 정의되는 상기 바람직한 구체예의 다양한 변형이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 자명하다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항 및 이와 동등한 것의 범위 내에서의 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (20)

  1. 300 ㎛ 이하의 두께를 갖는 취성층 및 상기 취성층의 표면에 접착된 고분자 코팅 물질을 포함하는, 적층된 취성 물질 시트를 제공하는 단계; 및
    (i) 상기 코팅 물질을 절단하는 절단 단계, 및 (ii) 상기 취성층을 서로 연결되지 않은 별개의 조각으로 분리시키는 분리 단계에 의해, 분리선을 따라 별개의 조각으로 상기 적층된 취성 물질 시트를 나누는 단계를 포함하고,
    여기서, (a) 상기 취성층은 유리 시트, 세라믹 시트, 또는 유리 세라믹 시트이고;
    (b) 상기 절단 단계 및 상기 분리 단계는 상기 분리선을 따라 레이저를 가함으로써 동시에 수행되고;
    (c) 상기 분리 단계는 상기 레이저를 통해 상기 취성층 내에 응력 균열을 일으키는 것을 포함하며;
    (d) 동시에 일어나는 상기 코팅 물질의 절단과 취성층의 분리는 상기 분리선을 따라 상기 레이저를 가하기 전 또는 가하는 동안에 스코어링 또는 커팅 기구와의 기계적 접촉없이 수행되고,
    (e) 상기 코팅 물질의 절단과 취성층의 분리가 동시에 이루어짐으로써, 실질적인 미립자 잔해물이 상기 분리선을 따라 남지 않으며;
    (f) 상기 코팅된 취성 물질은 상기 레이저를 가한 후에 10 cm 이하의 휨 반경을 제공할 수 있는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는 CO2 레이저를 상기 레이저로 제공하는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는 상기 코팅 물질이 접착된 상기 취성층 표면의 반대쪽 표면에 상기 레이저를 가하는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는 CO2 레이저를 상기 레이저로 제공하고, 상기 절단 및 분리 단계 동안에 공간 펄스 중첩을 갖는 펄스 모드 및 cw 모드 중 적어도 선택된 하나로 작동되는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는 원형 편광을 갖도록 레이저를 제공하는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는 상기 분리선과 실질적으로 일직선을 이룬 선형 편광을 갖도록 레이저를 제공하는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단 및 분리 단계는, 상기 레이저를 상기 분리선을 따라 40 mm/s 이상의 속도로 이동시키는 것을 포함하는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅된 취성 물질은 상기 레이저를 가한 후에 5 cm 이하의 휨 반경을 제공할 수 있는, 코팅된 취성 물질 시트의 분리 방법.
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