KR101733434B1 - 구면수차를 이용한 기판절단방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구면수차를 이용한 기판절단방법에 관한 것으로서, 광확산단계와, 레이저빔 성형단계와, 조사단계와, 이동단계를 포함한다. 광확산단계는 레이저 출력부에서 출력된 레이저빔의 직경을 확대하기 위하여 레이저빔을 광확산렌즈를 통과시켜 광축으로부터 멀어지는 방향으로 확산시킨다. 레이저빔 성형단계는 확산된 레이저빔을 광확산렌즈의 후방에 배치된 단일의 볼록렌즈를 통과시켜 구면수차가 발생되도록 하며, 구면수차에 의해 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 레이저빔의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간이 형성되도록 레이저빔을 성형한다. 조사단계는 레이저빔의 광강도 균일구간 내에 기판이 위치하도록, 기판에 레이저빔을 조사한다. 이동단계는 기판의 절단 예정선을 따라 기판 또는 레이저빔을 이동시킨다. 레이저빔 성형단계는 입사면의 곡률반경이 출사면의 곡률반경보다 큰 볼록렌즈를 이용하며, 광강도 균일구간은 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 광축 방향을 따라 일정 길이 내에 형성된다.

Description

구면수차를 이용한 기판절단방법{Method for cutting substrate using spherical aberration}
본 발명은 구면수차를 이용한 기판절단방법에 관한 것으로서, 기판의 두께 방향으로 균일한 광강도를 유지하도록 성형된 레이저빔을 이용하여 기판을 절단하는 구면수차를 이용한 기판절단방법에 관한 것이다.
일반적으로 터치스크린 및 핸드폰과 같은 휴대단말기 등에 적용되는 강화유리 셀은 평판표시패널의 외층에 해당되는 것으로서, LCD, OLED 등의 평판표시패널에 스크래치가 생성되는 것을 방지하거나 외부 충격으로부터 보호하는 기능을 담당하도록 장착된다. 이러한 강화유리 셀은 터치스크린 및 휴대단말기의 형태에 따라 다양한 외형을 갖게 되는데, 이를 위해 유리기판의 재단 등 가공작업이 필수적으로 이루어진다.
도 1은 일반적인 기판절단방법의 일례를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래의 기판절단방법의 기본 원리 및 그에 의해 절단된 유리기판의 단면을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 우선, 기판절단방법의 가공대상물이 되는 유리기판(10)은 유리기판에 강화층 및 터치층이 부착된 기판일 수 있고, 강화층만이 부착된 기판일 수 있다. 또한 유리기판(10)은 강화층이나 터치층이 부착되지 않고 화학적 처리 또는 열처리 등에 의해 강화된 기판일 수도 있다.
강화유리 셀(12)은 유리기판(10)으로부터 절단되어 휴대단말기 형상을 가지는 것을 말하며, 강화유리 셀(12)과 강화유리 셀(12) 사이에 절단 예정선(11)이 형성되어 있다. 절단 예정선(11)을 따라 레이저빔(L)을 이동시키면서 유리기판(10)을 절단하면 다수의 강화유리 셀(12)이 추출된다.
그러나, 종래의 기판절단방법에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 유리기판(10) 내부의 일 위치에 레이저빔의 초점(F)이 형성되었다. 이러한 상태에서 유리기판(10)을 절단하면, 유리기판(10)의 단면 중 레이저빔의 초점(F)이 형성된 부분부터 절단이 시작되고 유리기판(10)의 단면 중 나머지 부분으로 크랙이 전파되면서 유리기판(10)의 전체 단면이 절단된다.
유리기판(10)의 단면 중 초점(F)이 형성되지 않은 부분으로 크랙이 전파되면서 절단이 이루어짐으로써, 유리기판(10)의 절단된 단면의 품질이 고르지 못한 문제점이 있다. 심지어 레이저빔의 초점(F)이 형성된 부분에 과도한 에너지의 집중으로 단면이 손상되는 현상까지 발생할 수 있다.
이와 같이 종래의 기판절단방법에서는, 유리기판의 절단된 단면의 품질이 고르지 못해 추후 절단 단면을 매끄럽게 연마하는 공정을 추가해야 하므로, 강화유리 셀의 생산수율이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 유리기판(10) 내부에 형성되는 레이저빔(L)의 초점 깊이(Depth Of Focus, DOF)를 길게 하여 유리기판(10)을 절단할 수 있는데, 초점 깊이를 길게 하는 경우에는 초점(F)의 스팟 사이즈가 커져 유리기판(10)의 미세 가공이 불가능하여 가공 효율이 저하되는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제2015-0102164호(2015.09.07 공개, 발명의 명칭 : 기판 절단장치 및 이를 이용한 디스플레이 장치 제조방법)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구면수차 현상을 이용하여 기판의 두께 방향 전체에 걸쳐 균일한 광강도를 가지는 레이저빔을 성형하고 이를 이용하여 기판을 절단함으로써, 단순한 구성의 광학계를 통해 기판의 절단 품질을 향상시키고, 기판의 생산수율을 현저하게 향상시킬 수 있는 구면수차를 이용한 기판절단방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법은, 레이저 출력부에서 출력된 레이저빔의 직경을 확대하기 위하여 상기 레이저빔을 광확산렌즈를 통과시켜 광축으로부터 멀어지는 방향으로 확산시키는 광확산단계; 확산된 레이저빔을 상기 광확산렌즈의 후방에 배치된 단일의 볼록렌즈를 통과시켜 구면수차가 발생되도록 하며, 상기 구면수차에 의해 상기 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 레이저빔의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간이 형성되도록 레이저빔을 성형하는 레이저빔 성형단계; 상기 레이저빔의 광강도 균일구간 내에 기판이 위치하도록, 상기 기판에 상기 레이저빔을 조사하는 조사단계; 및 상기 기판의 절단 예정선을 따라 상기 기판 또는 상기 레이저빔을 이동시키는 이동단계;를 포함하고, 상기 레이저빔 성형단계는, 입사면의 곡률반경이 출사면의 곡률반경보다 큰 볼록렌즈를 이용하며, 상기 광강도 균일구간은 상기 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 광축 방향을 따라 일정 길이 내에 형성되고, 상기 볼록렌즈의 입사면의 곡률반경은 전반사가 발생되지 않도록 18 mm를 초과한 범위에서 형성되며, 상기 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경은 전반사가 발생되지 않고, 상기 광강도 균일구간이 형성될 수 있도록 7 mm 초과 및 14 mm 미만의 범위에서 형성되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 구면수차를 이용한 기판절단방법에 있어서, 상기 레이저빔이 상기 볼록렌즈에 입사되기 전, 가우시안 형태의 광강도를 가지는 레이저빔을 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지도록 레이저빔의 광강도를 균질화시키는 레이저빔 균질화단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법에 따르면, 기판의 절단 품질을 향상시키고, 기판의 생산수율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법에 따르면, 광학계의 구성을 단순화시킬 수 있고, 광학계를 소형화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법에 따르면, 구면수차 현상이 두드러지게 발생하여 광강도 균일구간을 효과적으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법에 따르면, 광강도 균일구간 내에서 광강도의 최고값과 최소값의 편차를 최소화시켜 기판의 절단 품질을 보다 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 기판절단방법의 일례를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 종래의 기판절단방법의 기본 원리 및 그에 의해 절단된 유리기판의 단면을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면수차를 이용한 기판절단방법의 순서도이고,
도 4는 도 3의 구면수차를 이용한 기판절단방법을 구현하기 위한 광학계의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 도 3의 구면수차를 이용한 기판절단방법의 레이저빔 성형단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 5에 도시된 광축 방향을 따라 레이저빔의 광강도 및 광강도 분포의 변화를 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 도 4의 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경의 임계적 의의를 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 도 4의 볼록렌즈의 입사면의 곡률반경의 임계적 의의를 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 도 4의 호모지나이저의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 구면수차를 이용한 기판절단방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
우선, 본 명세서에서 레이저빔에 의해 절단되는 기판은 유리기판(10)인 경우를 예로 들어 설명한다. 다만, 본 발명에 있어서 기판은 유리기판(10)에 한정되는 것이 아니라, 광학적으로 투명한 매질의 기판, 취성재료의 기판, 예를 들어 실리콘 기판, 세라믹 기판 등을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면수차를 이용한 기판절단방법의 순서도이고, 도 4는 도 3의 구면수차를 이용한 기판절단방법을 구현하기 위한 광학계의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 구면수차를 이용한 기판절단방법의 레이저빔 성형단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 광축 방향을 따라 레이저빔의 광강도 및 광강도 분포의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 4의 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경의 임계적 의의를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 4의 볼록렌즈의 입사면의 곡률반경의 임계적 의의를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 4의 호모지나이저의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 구면수차를 이용한 기판절단방법은 기판의 두께 방향으로 균일한 광강도를 유지하도록 성형된 레이저빔을 이용하여 기판을 절단하는 것으로서, 레이저빔 균질화단계(S10)와, 광확산단계(S20)와, 레이저빔 성형단계(S30)와, 조사단계(S40)과, 이동단계(S50)를 포함한다.
본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법의 기본 원리는, 유리기판(10)을 절단할 수 있는 정도의 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간(21a)을 유리기판(10)의 두께만큼 형성한 후, 유리기판(10)을 절단하는 것이다. 레이저빔(L)의 광강도 균일구간(21a) 내에서는 광강도가 실질적으로 균일하므로, 유리기판(10)의 두께 방향 전체에 걸쳐 균일한 에너지를 공급하면서 유리기판(10)을 절단할 수 있다.
설명의 편의상 레이저빔 성형단계(S30), 조사단계(S40) 및 이동단계(S50)를 먼저 설명하고, 이후 레이저빔 균질화단계(S10) 및 광확산단계(S20)를 나중에 설명하기로 한다.
상기 레이저빔 성형단계(S30)는 확산된 레이저빔(L)을 단일의 볼록렌즈(120)를 통과시켜 구면수차가 발생되도록 하며, 구면수차에 의해 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간(21a)이 형성되도록 레이저빔(L)을 성형한다.
일반적으로 레이저빔(L)이 볼록렌즈(120)를 통과할 때 모든 레이저빔(L)이 한결 같이 굴절하지 않고, 상대적으로 광축(LA)에서 먼 위치인 볼록렌즈(120)의 가장자리부를 통과한 레이저빔(L3)은 강하게 굴절하여 볼록렌즈의 출사면(122)에서 가까운 위치에 초점(F1)이 형성되고, 상대적으로 광축(LA)에서 가까운 위치인 볼록렌즈(120)의 중심부를 통과한 레이저빔(L4)은 약하게 굴절해서 볼록렌즈의 출사면(122)에서 먼 위치에 초점(F4)이 형성된다. 즉, 모든 레이저빔(L)이 어느 한 점에 집광되지 않고, 광축(LA)으로부터 이격된 거리에 따라 서로 다른 위치에 초점(F1,F2,F3,F4)이 형성되는 현상을 구면수차라 한다.
이와 같은 구면수차 현상에 의해 볼록렌즈(120)를 통과한 각각의 레이저빔(L)은 광축 방향(z)을 따라 진행하면서 서로 교차하게 되는데, 각각의 레이저빔(L)이 교차하는 과정에서 보강 또는 상쇄 간섭 현상이 발생하게 된다.
이때, 볼록렌즈의 입사면(121)과 출사면(122)의 곡률반경(R1,R2)을 조정하게 되면, 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간(21a)이 형성될 수 있다. 광강도 균일구간(21a)은 볼록렌즈의 출사면(122)으로부터 이격된 위치에서 광축 방향(z)을 따라 일정 길이 내에 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상술한 바와 같이 구면수차 현상에 의해 광축(LA)에서 먼 위치인 볼록렌즈(120)의 가장자리부를 통과한 레이저빔(L3)은 강하게 굴절하여 볼록렌즈의 출사면(122)에서 가까운 위치에 초점(F1)이 형성되고, 광축(LA)에서 가까운 위치인 볼록렌즈(120)의 중심부를 통과한 레이저빔(L4)은 약하게 굴절해서 볼록렌즈의 출사면(122)에서 먼 위치에 초점(F4)이 형성된다.
광축 방향(z)에 대한 레이저빔의 광강도 그래프(21)를 살펴보면, 볼록렌즈의 출사면(122)에서 가까운 제1위치(P1), 제2위치(P2)까지는 광축 방향(z)으로 진행할수록 광강도가 점점 증가하면서 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는 구간이 존재하지 않는다.
그러나, 볼록렌즈의 출사면(122)으로부터 이격된 제3위치(P3), 제4위치(P4), 제5위치(P5)에서는 광축 방향(z)으로 진행할수록 광강도가 변화하지 않고 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는데, 이와 같이 레이저빔의 광강도가 균일하게 유지되는 구간을 본 명세서에서는 광강도 균일구간(21a)으로 정의하고, 광강도 균일구간(21a)을 이용하여 기판(10)을 절단하게 된다.
이후, 광축 방향(z)을 따라 제5위치(P5)보다 먼 위치인 제6위치(P6)는 광축 방향(z)으로 진행할수록 광강도가 점점 감소하면서 레이저빔(L)의 광강도가 균일하게 유지되는 구간이 존재하지 않는다.
한편, 광축 방향(z)에 따른 각각의 위치(P1,P2,P3,P4,P5,P6)에서 광축과 교차하는 방향(x)에 대한 광강도 분포 그래프(41a,41b,41c,41d,41e,41f)를 살펴보면, 제1위치(P1), 제2위치(P2)에서의 광강도 분포 그래프(41a,41b)는 광축(LA)을 중심으로 광강도가 집중되지 않고 대략 도넛 형상의 광강도 분포를 나타낸다. 이와 같이 레이저빔(L)이 도넛 형상의 분포를 가질 경우 광강도가 분산되어 기판 절단에 효율적이지 못하다.
광강도 균일구간(21a)인 제3위치(P3), 제4위치(P4), 제5위치(P5)에서의 광강도 분포 그래프(41c,41d,41e)는 광축(LA)을 중심으로 광강도가 집중되는 분포를 나타내며 광강도의 수치 또한 최대값을 가지게 된다. 이와 같이 광강도가 광축(LA)을 중심으로 집중되는 분포를 가지는 레이저빔(L)이 기판 절단에 효율적이며, 기판(10)의 두께 방향을 동시에 절단할 수 있는 한계값(threshold) 이상의 에너지를 전달할 수 있다.
광강도 균일구간(21a)을 벗어난 제6위치(P6)에서의 광강도 분포 그래프(41f)는 광축(LA)을 중심으로 광강도가 집중되는 분포를 나타내지만, 광강도 균일구간(21a)의 다른 위치와 비교하여 광강도값이 낮게 된다. 제6위치(P6)에서는 레이저빔(L)의 광강도가 광축(LA)을 중심으로 집중되는 분포를 가지지만, 제6위치(P6)에서는 구면수차에 의해 서로 교차되는 파들이 멀어지기 시작하는 구간으로 광강도가 감소하게 되므로, 기판(10)의 두께 방향을 동시에 절단할 수 있는 한계값 이상의 에너지를 전달할 수 없어 기판(10)이 절단되지 않을 수 있다.
따라서, 광강도 균일구간(21a)에서는 광축 방향(z)을 따라 일정 길이 내에서 광강도가 균일하게 유지될 수 있고, 광축(LA)을 중심으로 광강도가 집중되며 광강도의 수치 또한 최대값을 가지게 되므로, 광강도 균일구간(21a)의 레이저빔은 기판 절단에 효율적이며, 기판 절단에 필요한 충분한 에너지를 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이 구면수차 현상을 이용하여 광강도 균일구간(21a)을 형성하기 위해서, 본 실시예의 레이저빔 성형단계(S30)에서는 입사면(121)의 곡률반경(R1)이 출사면(122)의 곡률반경(R2)보다 큰 볼록렌즈(120)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 볼록렌즈의 입사면(121)의 곡률반경(R1)은 18 mm를 초과한 범위에서 형성되고, 볼록렌즈의 출사면(122)의 곡률반경(R2)은 7 mm 초과 및 14 mm 미만의 범위에서 형성될 수 있다.
우선, 도 7의 (a)를 참조하면, 볼록렌즈의 출사면(122a)의 곡률반경이 7 mm 이하일 경우 볼록렌즈의 출사면(122a)에서 전반사가 발생하기 시작한다. 볼록렌즈의 출사면(122a)에서 전반사가 발생할 경우 레이저빔(L11)이 볼록렌즈(120)를 빠져나오지 못하게 되어 전체적으로 레이저빔(L)의 광강도가 감소할 뿐만 아니라, 구면수차 효과를 위한 파들을 감소시켜 광강도 균일구간의 생성을 방해한다.
전반사 현상은 출사면(122a)의 곡률반경이 작아질수록 더 심하게 발생하게 된다. 따라서, 볼록렌즈의 출사면에서 전반사가 발생하지 않기 위해서는 볼록렌즈의 출사면(122)의 곡률반경(R2)이 7 mm 초과의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
도 7의 (b)를 참조하면, 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경이 14 mm 이상일 경우 광강도 균일구간이 형성되지 않는 현상이 발생할 수 있다. 볼록렌즈의 출사면(122)의 곡률반경(R2)이 14 mm 미만의 범위에서는 광강도 그래프(21)에서 광강도 균일구간(21a)을 형성할 수 있는데, 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경이 14 mm 이상의 범위에서는 광강도 그래프(22)에서 일정 길이 내에서 광강도가 균일하게 유지되는 구간이 존재하지 않게 된다(22a 참조). 따라서, 광강도 균일구간(21a)을 형성하기 위해서는 볼록렌즈의 출사면(122)의 곡률반경(R2)이 14 mm 미만의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 볼록렌즈의 입사면(121a)의 곡률반경이 18 mm 이하일 경우 출사면(122)에서의 광 입사각이 임계각을 초과하여 전반사가 발생한다. 전반사가 발생할 경우 볼록렌즈(120)를 통과하는 일부 레이저빔(L12)이 광축(LA)에 수렴되지 못하고 광축(LA)으로부터 멀어지는 방향으로 발산하게 되어 전체적으로 레이저빔(L)의 광강도가 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전반사가 발생하지 않기 위해서는 볼록렌즈의 입사면(121)의 곡률반경(R1)이 18 mm 초과의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 조사단계(S40)는 레이저빔의 광강도 균일구간(21a) 내에 유리기판(10)이 위치하도록, 유리기판(10)에 레이저빔(L)을 조사한다. 유리기판(10)의 두께 이상의 길이를 가지는 광강도 균일구간(21a) 내에 유리기판(10)의 두께 전체가 수용될 수 있도록 광강도 균일구간(21a)과 유리기판(10)의 상대 위치를 조정한 후, 유리기판(10)에 레이저빔(L)을 조사한다.
상기 이동단계(S50)는 유리기판(10)의 절단 예정선을 따라 유리기판(10) 또는 레이저빔(L)을 이동시킨다.
본 실시예의 이동단계(S50)에서는 레이저빔(L)을 수평 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다. 레이저빔(L)을 수평 방향으로 이동시키기 위해서는, 예를 들어 광강도 균일구간(21a)을 형성하는 볼록렌즈(120)를 X축 또는 Y축 방향을 따라 이동시키는 직선이송유닛(미도시)을 이용할 수 있다. 직선이송유닛은 리니어 모터 등에 의해 구현될 수 있다. 한편, 유리기판(10)을 지지하는 기판 지지대에 직선이송유닛을 설치하여, 유리기판(10)을 수평 방향으로 이동시킬 수도 있다.
이동단계(S50)에서는 절단 공정이 완료될 때까지 광강도 균일구간(21a) 내에 유리기판(10)이 들어오는 상태를 유지하면서 유리기판(10) 또는 레이저빔(L)을 수평 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다.
상기 광확산단계(S20)는 레이저 출력부(110)에서 출력되고 볼록렌즈(120)로 입사되는 레이저빔(L)의 직경을 확대하기 위하여, 레이저빔(L)을 광확산렌즈(130)를 통과시켜 광축(LA)으로부터 멀어지는 방향으로 확산시킨다. 이때, 볼록렌즈(120)는 광확산렌즈(130)의 후방에 배치된다.
구면수차 현상을 효과적으로 이용하기 위해서는 볼록렌즈(120)로 입사되는 레이저빔(L)의 직경이 클수록 바람직하다. 광축(LA)에서 먼 위치인 볼록렌즈(120)의 가장자리부를 통과하는 레이저빔(L3)과, 광축(LA)에서 가까운 위치인 볼록렌즈(120)의 중심부를 통과하는 레이저빔(L4)을 조합하여야 구면수차 현상에 의한 광강도 균일구간(21a)을 효과적으로 형성할 수 있다.
그러나, 통상적으로 레이저 출력부(110)에서 출력되는 레이저빔(L)은 직경이 1~2 mm 범위인데, 이러한 직경을 가지는 레이저빔(L)이 그대로 볼록렌즈(120)로 입사될 경우 대부분의 레이저빔(L)이 광축(LA)에 근접하게 통과하므로 구면수차 현상이 두드러지게 발생하지 않게 된다.
따라서, 광확산렌즈(130)를 이용하여 볼록렌즈(120)로 입사되는 레이저빔(L)의 직경을 확대하면, 레이저빔(L)이 광축(LA)에서 먼 위치인 볼록렌즈(120)의 가장자리부를 통과할 수 있으므로, 구면수차 현상을 이용하여 광강도 균일구간(21a)을 효과적으로 형성할 수 있다.
도 4에서 광확산렌즈(130)를 오목렌즈로 도시하였으나, 볼록렌즈(120)로 입사되는 레이저빔(L)의 직경을 확대하는 기능을 수행하기 위해서는 오목렌즈 이외에도 회절광학소자(DOE) 렌즈도 사용 가능하다.
상기 레이저빔 균질화단계(S10)는 레이저빔(L)이 볼록렌즈(120)에 입사되기 전, 가우시안 형태의 광강도를 가지는 레이저빔(L1)을 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지도록 레이저빔의 광강도를 균질화시킨다.
도 9의 (a)를 참조하면, 일반적인 가우시안 형태의 광강도를 가지는 레이저빔(L1)을 이용할 경우 광강도 균일구간(31a)을 형성할 수 있지만, 광강도 그래프(31)의 광강도 균일구간(31a)을 다시 미세하게 분할하게 되면 광강도 균일구간(31a) 내에서도 최고값(31b)과 최저값(31c)의 편차(D1)가 상대적으로 크게 발생할 수 있다.
이러한 편차(D1)는 기판의 절단 품질의 오차 범위에 포함되어 용납될 수는 있지만, 보다 나은 절단 품질을 위해서라면 이러한 편차(D1) 또한 최소화시키는 것이 바람직하다.
따라서, 도 9의 (b)를 참조하면, 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지는 레이저빔(L2)을 이용할 경우 광강도 그래프(32)의 광강도 균일구간(32a) 내에서 최고값(32b)과 최저값(32c)의 편차(D2)가 상대적으로 작게 발생하여 광강도의 균일성이 향상될 수 있다. 이와 같이 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지는 레이저빔(L2)을 이용하여 광강도의 편차(D2)가 최소화된 광강도 균일구간(32a)을 형성함으로써, 기판의 절단 품질을 보다 더 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레이저빔 균질화단계(S10)에서는 레이저 출력부(110)와 광확산렌즈(130) 사이에 호모지나이저(140)를 배치하여, 가우시안 형태의 광강도 분포를 가지는 레이저빔(L1)을 탑햇(top-hat) 형태의 광강도 분포를 가지는 레이저빔(L2)으로 변환할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법은, 구면수차 현상을 이용하여 기판의 두께 방향 전체에 걸쳐 균일한 광강도를 가지는 레이저빔을 성형하고 이를 이용하여 기판을 절단함으로써, 기판의 절단 품질을 향상시키고, 기판의 생산수율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법은, 광강도 균일구간을 형성하기 위하여 단일의 볼록렌즈를 이용하여 광학계를 구성할 수 있으므로, 광학계의 구성을 단순화시킬 수 있고, 광학계를 소형화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법은, 광확산렌즈를 이용하여 볼록렌즈로 입사되는 레이저빔의 직경을 확대함으로써, 구면수차 현상이 두드러지게 발생하여 광강도 균일구간을 효과적으로 형성할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 구면수차를 이용한 기판절단방법은, 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지는 레이저빔을 이용하여 광강도의 편차가 최소화된 광강도 균일구간을 형성함으로써, 기판의 절단 품질을 보다 더 향상시킬 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
110 : 레이저 출력부
120 : 볼록렌즈
121 : 볼록렌즈의 입사면
122 : 볼록렌즈의 출사면
130 : 오목렌즈
140 : 호모지나이저

Claims (3)

  1. 레이저 출력부에서 출력된 레이저빔의 직경을 확대하기 위하여 상기 레이저빔을 광확산렌즈를 통과시켜 광축으로부터 멀어지는 방향으로 확산시키는 광확산단계;
    확산된 레이저빔을 상기 광확산렌즈의 후방에 배치된 단일의 볼록렌즈를 통과시켜 구면수차가 발생되도록 하며, 상기 구면수차에 의해 상기 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 레이저빔의 광강도가 균일하게 유지되는 광강도 균일구간이 형성되도록 레이저빔을 성형하는 레이저빔 성형단계;
    상기 레이저빔의 광강도 균일구간 내에 기판이 위치하도록, 상기 기판에 상기 레이저빔을 조사하는 조사단계; 및
    상기 기판의 절단 예정선을 따라 상기 기판 또는 상기 레이저빔을 이동시키는 이동단계;를 포함하고,
    상기 레이저빔 성형단계는,
    입사면의 곡률반경이 출사면의 곡률반경보다 큰 볼록렌즈를 이용하며,
    상기 광강도 균일구간은 상기 볼록렌즈의 출사면으로부터 이격된 위치에서 광축 방향을 따라 일정 길이 내에 형성되고,
    상기 볼록렌즈의 입사면의 곡률반경은 전반사가 발생되지 않도록 18 mm를 초과한 범위에서 형성되며,
    상기 볼록렌즈의 출사면의 곡률반경은 전반사가 발생되지 않고, 상기 광강도 균일구간이 형성될 수 있도록 7 mm 초과 및 14 mm 미만의 범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 구면수차를 이용한 기판절단방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔이 상기 볼록렌즈에 입사되기 전, 가우시안 형태의 광강도를 가지는 레이저빔을 탑햇(top-hat) 형태의 광강도를 가지도록 레이저빔의 광강도를 균질화시키는 레이저빔 균질화단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구면수차를 이용한 기판절단방법.
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