KR101409338B1 - 유리기판 절단방법 - Google Patents

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KR101409338B1
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박홍진
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주식회사 엘티에스
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Abstract

본 발명은 유리기판에 관통홀을 형성하기 위한 유리기판 절단방법에 관한 것으로서, 구획단계와, 파쇄단계와, 분리단계를 포함한다. 구획단계는 관통홀의 절단 예정선을 따라 제1레이저빔을 조사하여, 유리기판을 유리기판 중 절단 예정선 내측에 배치되는 관통홀 절단부와, 유리기판 중 절단 예정선 외측에 배치되는 기판 본체부로 구획한다. 파쇄단계는 관통홀 절단부에 제2레이저빔을 조사하여 관통홀 절단부를 다수의 조각 형태로 파쇄한다. 분리단계는 파쇄된 관통홀 절단부가 기판 본체부로부터 분리되면서 관통홀이 형성된다.

Description

유리기판 절단방법{Method for cutting glass substrate}
본 발명은 유리기판 절단방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저빔을 이용하여 터치 패널로 이용되는 유리기판에 관통홀을 형성하는 유리기판 절단방법에 관한 것이다.
터치 패널(touch panel)은 전자수첩, 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), EL(Electroluminescense) 등의 평판 디스플레이 장치 및 CRT(Cathod Ray Tube) 등과 같은 화상 표시장치의 화면에 설치되어 사용자가 화상 표시장치를 보면서 원하는 정보를 선택하도록 하는데 이용되는 도구로, 간단하고, 오작동이 적으며, 별도의 입력기기를 사용하지 않고도 입력이 가능할 뿐만 아니라 사용자가 화면에 표시되는 내용을 통해 신속하고 용이하게 조작할 수 있다는 편리성 때문에 다양한 화상 표시장치에 적용되고 있다.
위와 같은 터치 패널은 유리기판을 이용하여 제작되는데, 터치 패널의 스피커 홀이나 버튼 홀 등을 제작하기 위하여 유리기판에 관통홀을 형성해야 한다.
유리기판에 관통홀을 형성하기 위하여 다이아몬드 등의 초경 재료를 이용할 수 있는데, 다이아몬드 등의 초경 재료를 이용하여 관통홀을 형성하게 되면 절단면이 날카롭고 불규칙하여 정밀한 절단이 불가능하고 별도의 연마공정이 필요하여 공정의 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 관통홀의 절단 예정선을 따라 레이저빔을 조사하고 유리기판의 본체부로부터 관통홀 내측에 해당하는 유리기판 부분을 분리하려고 할 때 쉽게 분리되지 않는다. 이에 따라, 관통홀 내측에 해당하는 유리기판 부분에 기계적 응력을 가하여 유리기판 본체부로부터 분리할 수 있지만, 관통홀 내측에 해당하는 유리기판 부분에 기계적 응력을 가하면 관통홀의 경계면에 균열이 생기거나 결함이 발생하는 등 추후 제작되는 터치 패널의 품질이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저빔을 이용하여 유리기판을 관통홀 절단부와 기판 본체부로 구획하고 기판 본체부로부터 관통홀 절단부를 용이하게 분리함으로써, 정밀하고 미세한 절단이 가능하고, 공정의 효율이 증가될 수 있으며, 유리기판으로 제조되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 유리기판 절단방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유리기판 절단방법은, 유리기판에 관통홀을 형성하기 위한 유리기판 절단방법에 있어서, 상기 관통홀의 절단 예정선을 따라 제1레이저빔을 조사하여, 상기 유리기판을 상기 유리기판 중 상기 절단 예정선 내측에 배치되는 관통홀 절단부와, 상기 유리기판 중 상기 절단 예정선 외측에 배치되는 기판 본체부로 구획하는 구획단계; 상기 관통홀 절단부에 제2레이저빔을 조사하여 상기 관통홀 절단부를 다수의 조각 형태로 파쇄하는 파쇄단계; 파쇄된 관통홀 절단부가 상기 기판 본체부로부터 분리되면서 상기 관통홀이 형성되는 분리단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법에 있어서, 상기 구획단계에서, 상기 제1레이저빔은 상기 유리기판의 두께 이상의 길이를 가지는 베셀빔일 수 있다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법에 있어서, 상기 제1레이저빔은 돌출된 원추 형상의 출사면을 가지는 볼록 엑시콘 렌즈에 의해 베셀빔으로 성형되며, 상기 볼록 엑시콘 렌즈의 입사면으로 입사되는 가우시안 형태의 에너지 분포를 가지는 레이저빔이, 상기 볼록 엑시콘 렌즈의 출사면에서 출사되면서 상기 베셀빔으로 성형될 수 있다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법에 있어서, 상기 제1레이저빔은 함몰된 원추 형상의 출사면을 가지는 오목 엑시콘 렌즈와, 상기 오목 엑시콘 렌즈와 상기 유리기판 사이에 배치되고 상기 오목 엑시콘 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴시키는 집광렌즈에 의해 베셀빔으로 성형되며, 상기 오목 엑시콘 렌즈의 입사면으로 입사된 레이저빔이 상기 오목 엑시콘 렌즈의 출사면에서 출사되고 상기 집광렌즈에 의해 수렴되면서 상기 집광렌즈로부터 이격된 위치에서 베셀빔으로 성형될 수 있다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법에 있어서, 상기 구획단계에서, 상기 제1레이저빔은 상기 유리기판의 두께 방향을 따라 서로 다른 위치에 다수 개의 초점이 형성되는 레이저빔일 수 있다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법에 있어서, 입사되는 레이저빔을 상기 유리기판 측으로 집광하는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈의 하측에 배치되고, 관통되게 형성된 관통부를 구비하며, 공기의 굴절률과 다른 굴절률을 가지고 광투과성 재질로 형성된 굴절부재;를 이용하며, 상기 집광렌즈에 의해 집광된 레이저빔 중 상기 관통부를 통과한 레이저빔은 상기 유리기판에 제1초점을 형성하고, 상기 집광렌즈에 의해 집광된 레이저빔 중 상기 굴절부재를 투과한 레이저빔은 상기 유리기판의 두께 방향을 따라 상기 제1초점과 다른 위치에 제2초점을 형성함으로써, 상기 제1레이저빔이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 유리기판 절단방법은, 유리기판에 압력을 가할 필요가 없어 결함이나 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 유리기판으로 제조되는 제품의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있으며 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유리기판 절단방법은, 관통홀 절단부가 다수의 조각으로 파쇄되면서 관통홀의 정밀하고 미세한 절단이 가능하고 절단면의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유리기판 절단방법은, 유리기판의 단면 전체에 균일한 에너지가 공급되면서 관통홀 절단부와 기판 본체부의 단면의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유리기판 절단방법은, 기판의 두께 방향을 따라 다수 개의 초점이 형성되어 기판의 절단된 단면 품질이 향상되고 가공 효율이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리기판 절단방법을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계에서 이용되는 제1레이저빔을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계의 제1변형례를 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계의 제2변형례를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 유리기판 절단방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리기판 절단방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계에서 이용되는 제1레이저빔을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유리기판 절단방법은 레이저빔을 이용하여 터치 패널로 이용되는 유리기판에 관통홀을 형성하는 것으로서, 구획단계와, 파쇄단계와, 분리단계를 포함한다.
상기 구획단계는 관통홀(11)의 절단 예정선(CL)을 따라 제1레이저빔(L1)을 조사하여, 유리기판(10)을 유리기판(10) 중 절단 예정선(CL) 내측에 배치되는 관통홀 절단부(10a)와, 유리기판(10) 중 절단 예정선(CL) 외측에 배치되는 기판 본체부(10b)로 구획한다.
도 1을 참조하면, 유리기판(10)은 절단 예정선(CL)을 기준으로 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)로 구획되는데, 이때 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)는 억지끼움 상태로 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)의 접촉면이 서로 맞물려 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)가 분리되지 않는다.
여기서, 유리기판(10) 중 기판 본체부(10b)로부터 관통홀 절단부(10a)를 분리하기 위하여 관통홀 절단부(10a)에 무리하게 압력을 가하면 기판 본체부(10b)와 관통홀 절단부(10a) 사이의 경계면에 균열이 발생하는 등 추후 관통홀(11)이 형성된 유리기판(10)으로 제조되는 제품의 품질이 저하될 수 있다.
본 실시예에서, 제1레이저빔(L1)은 유리기판(10)의 두께 이상의 길이를 가지는 베셀빔(B)이다.
도 2를 참조하면, 제1레이저빔(L1)은 돌출된 원추 형상의 출사면을 가지는 볼록 엑시콘 렌즈(110)에 의해 베셀빔(B)으로 성형된다. 구체적으로, 볼록 엑시콘 렌즈(110)의 입사면(111)으로 입사되는 가우시한 형태의 에너지 분포를 가지는 레이저빔(L)이 볼록 엑시콘 렌즈(110)의 출사면(112)에서 출사되면서 베셀빔(B)으로 성형된다.
즉, 유리기판(10)을 절단할 수 있는 정도의 에너지 강도를 균일하게 유지할 수 있는 레이저빔(L)의 절단영역(CF)을 유리기판(10)의 두께만큼 길게 연장되도록 형성된 제1레이저빔(L1)을 절단 예정선(CL)을 따라 조사하면서, 유리기판(10)을 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)로 구획하는 것이다.
레이저빔(L)의 절단영역(CF) 내에서는 에너지 강도가 실질적으로 균일하므로 레이저빔(L)의 절단영역(CF)이 유리기판(10)의 두께만큼 연장된 제1레이저빔(L1)이 유리기판(10)의 두께 방향 전체에 걸쳐 균일한 에너지를 공급하면서 유리기판(10)을 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)로 구획할 수 있다.
베셀빔(B)으로 성형된 제1레이저빔(L1)을 이용하여 유리기판(10)을 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)로 구획함으로써, 유리기판(10)의 단면 전체에 균일한 에너지가 공급되면서 관통홀 절단부(10a)와 기판 본체부(10b)의 단면의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 파쇄단계는 관통홀 절단부(10a)에 제2레이저빔(L2)을 조사하여 관통홀 절단부(10a)를 다수의 조각(10c) 형태로 파쇄한다.
이때, 제2레이저빔(L2)은 나노초(nanosecond) 펄스폭을 가지며, 자외선 파장대를 가지는 레이저빔을 이용하는 것이 바람직하다. 유리 재질 내부의 분자 결합을 깰 수 있는 정도의 강도를 가지는 제2레이저빔(L2)을 관통홀 절단부(10a)에 조사하면, 하나의 판 형태이던 관통홀 절단부(10a)을 다수의 조각(10c) 형태로 파쇄할 수 있다.
상기 분리단계는 파쇄된 다수의 조각(10c) 형태의 관통홀 절단부(10a)가 기판 본체부(10b)로부터 분리되면서 관통홀(11)이 형성된다.
관통홀 절단부(10a)가 다수의 조각(10c) 형태로 파쇄됨에 따라, 억지끼움 상태로 기판 본체부(10b)와 맞물려 있던 관통홀 절단부(10a)가 하측으로 떨어져 나가면서 기판 본체부(10b)로부터 자연스럽게 분리되고, 유리기판(10)에는 관통홀(11)이 형성될 수 있다.
기판 본체부(10b)로부터 관통홀 절단부(10a)가 용이하게 분리됨으로써, 유리기판(10)에 압력을 가할 필요가 없어 결함이나 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있고 유리기판(10)으로 제조되는 제품의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있으며 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 3은 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계의 제1변형례를 도시한 도면이다.
본 변형례의 구획단계에서도 제1레이저빔(L1)은 유리기판(10)의 두께 이상의 길이를 가지는 베셀빔(B)이나, 베셀빔(B)을 형성하는 방법에 있어서 도 2에 도시된 실시예와 차이가 있다.
도 3을 참조하면, 제1레이저빔(L1)은 함몰된 원추 형상의 출사면(212)을 가지는 오목 엑시콘 렌즈(210)와, 오목 엑시콘 렌즈(210)와 유리기판(10) 사이에 배치되고 오목 엑시콘 렌즈(210)를 통과한 레이저빔(L)을 수렴시키는 집광렌즈(220)에 의해 베셀빔(B)으로 성형된다. 구체적으로, 오목 엑시콘 렌즈(210)의 입사면(211)으로 입사된 레이저빔(L)이 오목 엑시콘 렌즈(210)의 출사면(212)에서 출사되고 집광렌즈(220)에 의해 수렴되면서 베셀빔(B)으로 성형된다.
오목 엑시콘 렌즈(210)의 입사면(211)으로 입사된 가우시안 형태의 에너지 분포를 가지는 레이저빔(L)은 광축(C)을 따라 진행하면서 오목 엑시콘 렌즈(210)의 출사면(212)의 함몰된 원추 형상에 의해 원추 형상의 꼭지점으로부터 멀어지는 방향을 향해 굴절된다. 굴절된 레이저빔(L)은 원추 형상의 꼭지점으로부터 멀어지는 방향을 향해 진행하다가 집광렌즈(220)에 의해 광축(C)으로 수렴되고, 이로 인해 집광렌즈(220)로부터 이격된 위치에서 베셀빔(B)이 형성될 수 있다.
실제 유리기판 절단장치를 구성함에 있어서, 베셀빔(B)을 성형하는 베셀빔 성형 광학계와 유리기판(10) 사이에 일정 공간이 존재하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 볼록 엑시콘 렌즈(110)를 이용하여 베셀빔(B)을 성형할 경우 볼록 엑시콘 렌즈(110)의 출사면 바로 하측에 베셀빔(B)이 형성되므로, 유리기판 절단장치의 기능을 향상시키기 위하여 절단 공정을 모니터링하기 위한 검사유닛 등과 같은 별도의 구성유닛을 설치할 수 있는 공간에 제약이 생길 수 있다. 또한, 유리기판(10)을 로딩, 언로딩하는 과정에서 유리기판(10)과 베셀빔(B)을 성형하는 광학계의 충돌 위험이 발생할 수 있다.
본 실시예에서는 오목 엑시콘 렌즈(210)와, 집광렌즈(220)를 포함한 베셀빔 성형 광학계를 이용하여 베셀빔 성형 광학계로부터 이격된 위치에서 베셀빔(B)을 형성함으로써, 유리기판(10)과 베셀빔(B)을 성형하는 광학계 사이에 일정 공간을 확보할 수 있다. 이를 통해 다양한 별도의 구성유닛을 설치할 수 있는 공간을 확보하고, 기판과 광학계의 충돌 위험을 방지할 수 있다.
오목 엑시콘 렌즈(210)의 출사면의 각도 또는 집광렌즈(220)의 촛점거리 등을 조정함으로써, 유리기판(10)과 베셀빔(B)을 성형하는 광학계 사이의 공간 거리는 다양하게 조정할 수 있다.
한편, 도 4는 도 1의 유리기판 절단방법의 구획단계의 제2변형례를 도시한 도면이다.
본 변형례의 구획단계의 제1레이저빔(L1)은 유리기판(10)의 두께 방향을 따라 서로 다른 위치에 다수 개의 초점이 형성되는 레이저빔으로, 집광렌즈(310)와 굴절부재(320)를 이용하여 형성한다.
집광렌즈(310)는 입사되는 레이저빔(L)을 유리기판(10) 측으로 집광한다. 여기서, 굴절부재(320)는 집광렌즈(310)의 하측에 배치되고 관통되게 형성된 관통부(320a)를 구비하며 공기의 굴절률과 다른 굴절률을 가지고 광투과성 재질로 형성된다.
도 4를 참조하면, 집광렌즈(310)에 의해 집광된 레이저빔 중 관통부(320a)를 통과한 레이저빔(L)은 유리기판(10)에 제1초점(f1)을 형성하고, 집광렌즈(310)에 의해 집광된 레이저빔(L) 중 굴절부재(320)를 투과한 레이저빔(L)은 유리기판(10)의 두께 방향을 따라 제1초점(f1)과 다른 위치에 제2초점(f2, f2')을 형성함으로써 제1레이저빔(L1)이 형성된다.
여기서, 굴절부재(320)는 집광렌즈(310)의 광축(RA) 방향을 따라 다수 개로 배치될 수 있으며, 관통부(320a)의 직경은 레이저빔(L)의 진행 방향을 따라 순차적으로 커지거나 또는 작아질 수 있다.
유리기판(10)의 두께 방향을 따라 다수 개의 초점(f1, f2, f2')이 형성되어, 유리기판(10)의 두께 전체에 걸쳐 레이저빔의 에너지 강도를 균일하게 유지할 수 있으므로, 유리기판(10)의 절단된 단면 품질이 향상되고 가공 효율이 증가할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 유리기판 절단방법은, 기판 본체부로부터 관통홀 절단부가 용이하게 분리됨으로써, 유리기판에 압력을 가할 필요가 없어 결함이나 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있고 유리기판으로 제조되는 제품의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있으며 공정의 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 유리기판 절단방법은, 관통홀 절단부가 다수의 조각으로 파쇄되면서 분리됨으로써, 관통홀의 정밀하고 미세한 절단이 가능하고 절단면의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 유리기판 절단 방법은, 베셀빔으로 성형된 제1레이저빔을 이용하여 유리기판을 관통홀 절단부와 기판 본체부로 구획함으로써, 유리기판의 단면 전체에 균일한 에너지가 공급되면서 관통홀 절단부와 기판 본체부의 단면의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 유리기판 절단방법은, 유리기판의 두께 방향을 따라 서로 다른 위치에 다수 개의 초점이 형성되는 레이저빔으로 유리기판을 관통홀 절단부와 기판 본체부로 구획함으로써, 기판의 두께 방향을 따라 다수 개의 초점이 형성되어 유리기판의 절단된 단면 품질이 향상되고 가공 효율이 증가될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 유리기판
10a : 관통홀 절단부
10b : 기판 본체부
11 : 관통홀
L1 : 제1레이저빔
L2 : 제2레이저빔
CL : 절단 예정선

Claims (6)

  1. 유리기판에 관통홀을 형성하기 위한 유리기판 절단방법에 있어서,
    상기 관통홀의 절단 예정선을 따라 제1레이저빔을 조사하여, 상기 유리기판을 상기 유리기판 중 상기 절단 예정선 내측에 배치되는 관통홀 절단부와, 상기 유리기판 중 상기 절단 예정선 외측에 배치되는 기판 본체부로 구획하는 구획단계;
    상기 관통홀 절단부에 제2레이저빔을 조사하여 상기 관통홀 절단부를 다수의 조각 형태로 파쇄하는 파쇄단계;
    파쇄된 관통홀 절단부가 상기 기판 본체부로부터 분리되면서 상기 관통홀이 형성되는 분리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구획단계에서,
    상기 제1레이저빔은 상기 유리기판의 두께 이상의 길이를 가지는 베셀빔인 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1레이저빔은 돌출된 원추 형상의 출사면을 가지는 볼록 엑시콘 렌즈에 의해 베셀빔으로 성형되며,
    상기 볼록 엑시콘 렌즈의 입사면으로 입사되는 가우시안 형태의 에너지 분포를 가지는 레이저빔이, 상기 볼록 엑시콘 렌즈의 출사면에서 출사되면서 상기 베셀빔으로 성형되는 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1레이저빔은 함몰된 원추 형상의 출사면을 가지는 오목 엑시콘 렌즈와, 상기 오목 엑시콘 렌즈와 상기 유리기판 사이에 배치되고 상기 오목 엑시콘 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴시키는 집광렌즈에 의해 베셀빔으로 성형되며,
    상기 오목 엑시콘 렌즈의 입사면으로 입사된 레이저빔이 상기 오목 엑시콘 렌즈의 출사면에서 출사되고 상기 집광렌즈에 의해 수렴되면서 상기 집광렌즈로부터 이격된 위치에서 베셀빔으로 성형되는 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구획단계에서,
    상기 제1레이저빔은 상기 유리기판의 두께 방향을 따라 서로 다른 위치에 다수 개의 초점이 형성되는 레이저빔인 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
  6. 제5항에 있어서,
    입사되는 레이저빔을 상기 유리기판 측으로 집광하는 집광렌즈; 및
    상기 집광렌즈의 하측에 배치되고, 관통되게 형성된 관통부를 구비하며, 공기의 굴절률과 다른 굴절률을 가지고 광투과성 재질로 형성된 굴절부재;를 이용하며,
    상기 집광렌즈에 의해 집광된 레이저빔 중 상기 관통부를 통과한 레이저빔은 상기 유리기판에 제1초점을 형성하고, 상기 집광렌즈에 의해 집광된 레이저빔 중 상기 굴절부재를 투과한 레이저빔은 상기 유리기판의 두께 방향을 따라 상기 제1초점과 다른 위치에 제2초점을 형성함으로써, 상기 제1레이저빔이 형성되는 것을 특징으로 하는 유리기판 절단방법.
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