KR101778418B1 - 극초단 집속된 펄스 레이저 방사선에 의해 정렬된 선형 파단점을 생성시키는 방법, 및 보호 기체 대기를 사용하여 극초단 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

극초단 집속된 펄스 레이저 방사선에 의해 정렬된 선형 파단점을 생성시키는 방법, 및 보호 기체 대기를 사용하여 극초단 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명 워크피스(2)를 분리하기 위해 제법을 제공한다. 그 워크피스에 대하여 횡으로 연장되는 정렬된 필라멘트 형성부(4, 5, 6)가 의도된 파단선(20)을 따라 극초단 레이저 펄스에 의해 발생된다. 그 워크피스는 후속 단계에서 분리된다.

Description

극초단 집속된 펄스 레이저 방사선에 의해 정렬된 선형 파단점을 생성시키는 방법, 및 보호 기체 대기를 사용하여 극초단 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하기 위한 방법 및 장치{METHOD FOR PRODUCING ALIGNED LINEAR BREAKING POINTS BY ULTRA-SHORT FOCUSSED, PULSED LASER RADIATION, AND METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING A WORKPIECE BY MEANS OF ULTRA-SHORT FOCUSSED LASER RADIATION USING A PROTECTIVE GAS ATMOSPHERE}
본 발명은 극초단 펄스 레이저 방사선(ultra-short pulsed laser radiation)을 이용하여 워크피스(workpiece) 및 기재를 분리하는 제법에 관한 것이다. 특히 강화 유리 또는 유리 세라믹이 워크피스 재료로서 고려된다. 또한, 본 발명은 워크피스의 분리에 관한 것이다.
WO 2012/006736 A2로부터, 케르 효과(kerr effect)가 유리에서 비가역적 손상을 필라멘트 형태로 야기하는데 이용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 유리에서 그러한 손상의 선형 배열을 발생시킴으로써, 투명 기재를 분리하는 것이 가능하다. 극초단 펄스 레이저에 의해 필리멘트가 형성된다. 그 케르 효과에 기인하여, 그 레이저 빔은 임의 지점에서 에너지 밀도가 매우 높아지므로 플라즈마가 발화될 때까지 유리의 내부에서 자가 집속(self-focusing)을 경험하게 된다. 유리가 그러한 플라즈마 발생 위치 주위에서 비가역적 손상을 겪는 동안 플라즈마 폭발이 야기된다. 거기로부터, 자가 집속을 용이하게 하고 결국 플라즈마 폭발을 일어나게 하는 추가 방사선이 방출된다. 이러한 효과는 강도에 따라 수회 반복된다. 에너지가 유리의 전체 두께에 따라 감소하므로, 제1 플라즈마 점은 가장 큰 에너지를 가지며 가장 큰 손상을 생성한다. 게다가, 그 플라즈마 점은 둥근 형태이며, 이는 방출 결함이 모든 방향에서 불규칙한 분포로 일어난다는 것을 의미한다.
도입된 응력을 나타내는 유리, 예를 들면 화학적 강화 유리에서, 자발적인 자가 파단이 일어날 수 있으며, 이로써 특히 비교적 큰 유리 시트의 가공이 상당히 영향을 받게 된다. 파단의 결과로서, 유리 시트의 위치가 변한다. 보다 정확한 가공이 불가능하다.
특허 문헌 DE 102 13 044 B3에는 재료를 절단 또는 천공하는 방법이 기술되어 있다. 여기서, 또한, 고 강도 극초단 레이저 펄스에 의해 일어나는 비선형 광학 효과가 레이저 빔의 교대하는 집속 및 탈집속에 기인하여 필라멘트를 생성하는데 이용된다. 따라서, 고 강도 레이저 광 빔에 의해 생성된 작은 직경의 통로가 필라멘트이다.
게다가, 문헌 DE 10 2006 042 280 A1에는 레이저를 사용하여 투명 재료를 가공하는 방법이 기술되어 있다. 극초단 레이저 펄스가 기재 상의 표면 홈과 그 재료의 체적 내의 하나 이상의 레이저 변형 영역을 둘 다 발생시키는 데 사용된다. 궁극적으로 분리를 유도하는 파열이 표면적 희생 트레이스에서 일어나고 그 기재 재료를 가로 질러 하향 전파된다. 표면 홈이 너무 평평하면, 그 파열은 이동하는 경향이 있다. 일정한 고 품질을 지닌 파단 엣지의 발생이 기술되어 있지 않다.
DE 10 2007 028 042 B2에는 또한 투명 재료를 레이저 가공하는 방법 및 나노초 범위에서 펄스 레이저 방사선을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그 문헌에는 재료 변화가 플라즈마 발광 없이 일어나는 방사선 강도의 범위가 언급되어 있다.
요약하건대, 분리 공정의 한 단계를 제공하도록 극초단 펄스 레이저 방사선에 의해 임의 재료의 체적 내의 영역을 변형시키는 것을 허용하는 다양한 공정이 공지되어 있다. 그러나, 예를 들어 이러한 방식으로 변형되어 있는 기재를 다이싱하는데 요구되는 분리 및 파단이 지금까지 산업 공정에 충분히 이용가능하지 않았다. 이러한 과제는 강화 유리 또는 유리 세라믹을 포함하는 기재에 있어서 매우 급한 것이 되었는데, 그 이유는 그 기재가 극초단 펄스 레이저 방사선에 의해 가공될 때 그 강화에 의해 도입된 고유 응력에 기이한 비제어된 파단이 쉽게 야기되기 때문이다.
그러나, 산업 적용에 있어서, 정밀한 제어가 기재 내에서 또는 그 기재 상에서 분리선의 발생에 요구될 뿐만 아니라 일정한 고 품질의 파쇄 엣지를 생성하고 공정의 안정성 및 안정성을 보장하기 위해서 분리 또는 파단에 요구된다. 이는 특히 강화 유리의 경우에 매우 어려운데, 그 이유는 레이저 조사에 의해 야기된 재료 변형이 균열의 비제어된 발생 및 전파를 유발할 수 있으므로, 분리의 정밀한 제어가 매우 어렵게 되기 때문이다.
다음의 과제들이 관심 대상이 된다.
1) 필라멘트화를 이용하는 절단/천공: 공정에 기인하여, 필라멘트 형성이 불균일하게 발생한다: 높은 초기 에너지 밀도로 기인하여, 비교적 보다 큰 플라즈마 부피가 워크피스에서 보다 깊은 후속 플라즈마 점에서보다 레이저 빔을 생성하는 필라멘트의 입구쪽에서 발화된다. 즉, (형성된 필라멘트에 상응하는) 워크피스에서의 손상의 채널이 테이퍼링된다. 이로써, 그 유도된 손상(미세 균열)이 레이저 빔의 출구쪽에서보다 레이저 빔의 입구쪽에서 훨씬 더 강하게 된다. 방향 강도 시험(4 지점 굽힘 시험...)에 의하면, 엣지 강도에서의 유의적인 차이가 0.7 mm의 유리 두께에 의해 나타난다.
2) 플라즈마 발생 점의 공간 기하구조: 자가 집속에 의해 야기된 플라즈마 발생 점은 구상 대칭적 에너지 분포를 지닌 실질적으로 구상 대칭적 형상을 갖는데, 이는 플라즈마 부피 주위에서 방향성-무관한 불규칙 분포된 미세 균열을 야기한다. 결과로서, 균열은 심지어는 추후 파단 엣지 내로 돌출하며 강도 감소 효과를 갖는다.
3) 자발적 파단: 고유 응력을 지닌 취성 재료의 필라멘트화 동안, 워크피스의 비제어된 자발적 파단이 공정 동안 일어나며, 이는 결과적으로 증가된 거부율을 초래하게 된다. 게다가, 자발적 파단은 워크피스의 위치에서의 변화를 야기하므로, 자동화 가공이 방해되거나 심지어는 불가능하게 된다.
발명의 개요
본 발명의 주목적은 생성된 엣지의 품질을 개선하는 것이다.
본 발명은 독립항에 정의되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시양태 및 변경예는 각 종속항에 기술되어 있다.
본 발명은 경질 취성 재료에 대한 분리 공정을 개선시키는 것을 허용한다.
1) 멀티필라멘트화(multifilamentation): 종래 기술과는 대조적으로, 워크피스의 절단에 의한 분리 제법은 단일 테이퍼링 필라멘트 형성부를 발생시킴으로써 뿐만 아니라 일련의 복수 연속적 필라멘트 형성부를 발생시킴으로써 달성된다. 이들 필라멘트 형성부 각각은, 워크피스를 통과하여 연장되는 단일 필라멘트 형성부에 의한 분리 공정과 비교할 때, 비교적 좁으며 그리고 필라멘트 형성부의 방향에 가 대하여 횡으로 보다 낮은 수의 미세 균열을 유의적으로 생성한다. 각각의 단일 필라멘트 형성부( = 필라멘트 + 미세 균열)의 보다 덜 현저하게 생성된 테이퍼링에 기인하여, 워크피스가 분리될 때, 가공 채널의 보다 우수한 전체 기하학적 정확성이 파단 엣지의 보다 높은 엣지 강도와 함께 달성된다.
개별 필라멘트 형성부는 레이저 빔의 출구 쪽으로부터 출발하여 제 시간 내에 분할 및 오프셋되어 워크피스 내로 도입되는 피코 초 내지 펨토 초의 펄스 트레인에 의해 발생된다. 보다 큰 절단 깊이가, 상응하는 절단 속력의 감소와 함께, 동일한 레이저 전력에서 멀티펄스 시퀸스에 의해 실현될 수 있다.
2) 플라즈마의 공간 기하학적 형상은 특수 광학 시스템에 의해 영향을 받을 수 있다. 레이저 방사선 빔은 가늘고 긴 단면 형상, 예를 들면 랜싯형(lancet-shaped), 타원형(elliptic) 또는 액적형(drop-shaped) 단면에 의해 발생된다. 이러한 방식으로, 플라즈마 폭발로부터 결과로 형성되는 손상/균열의 제어가능한 바람직한 방향이 얻어진다.
의도된 파단선이 굽어지거나 방향 변경되는 경우, 레이저 방사선 빔은 단면 형상의 종방향 연장이 워크피스의 의도된 분리선을 따르도록 그 단면 형상의 방향성 정렬의 관점에서 제어되어야 한다.
3) 보호 대기 하에 필라멘트 형성부의 발생은 주로 장치 구성의 측면이며, 그 제조 장치는 가공하고자 하는 워크피스를 둘러싸는 대기가 미리 정의된 방식으로 조정될 수 있도록 적합하게 된다.
선택적으로 조정된 대기에 의해, 워크피스의 자발적 파단을 억제 또는 방지하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 집속된 레이저 방사선(focused laser radiation)에 의해 기재를 분리하는 방법으로서, 하기 단계들:
- 기재를 보호 기체 대기에 노출시키는 단계;
- 기재 위에 극초단 펄스 레이저 방사선을 유도하는 단계로서, 기재는 레이저 방사선의 파장 범위 내에서 투명한 것인 단계;
- 기재의 선결정된 부피의 깊이에서 필라멘트 재료 변형을 레이저 조사에 의해 발생시키는 단계;
- 그 재료 변형에 의해 한정된 분리선을 따라 기재를 파단시키는 단계
를 포함하는 방법에도 관한 것이다.
투명 재료에서 극초단 펄스 레이저 방사선에 의해 야기될 수 있는 2가지 비선형 광학 효과가 존재하며, 그 광학 효과는 한편으로는 광학 케르 효과이고 다른 한편으로는 플라즈마 버블에서 레이저 빔의 탈집속(defocusing)이다. 그러한 효과들은 이미 공지되어 있으며, 따라서 단지 간략하게만 개요가 기술된다.
케르 효과는 전기장의 인가된 강도 또는 발생 강도의 함수로서 투명 재료(레이저 방사선의 파장 범위 내에서 투명한 것)의 광학 특성에서의 변화를 의미한다. 그 레이저 방사선은 강도가 레이저 방사선의 광 강도에 따라 좌우되는 투명 재료에서 전기장을 수반한다. 그 전기장은 굴절률에서의 증가를 포함하는 조사된 재료의 광학 특징에서의 변화를 일으킨다. 이는 결국 레이저 방사선의 자가 집속을 유도한다.
자가 집속 및 이 결과로 일어나는 조사된 단면적의 감소에 기인하여, 단위 면적 당 전력 밀도 및 이로 인한 방사선 강도는 강력하게 증가하며, 매우 높은 값에 도달할 수 있다. 결과로서, 전기장은 더 강화되며, 이는 다광자 이온화를 유도한다. 이온화는 분자 또는 원자 내의 전하 분리 및 집속 점에서 플라즈마 형성을 의미한다. 어째든, 집속 점에서 기재의 재료에서 손상이 야기되는데, 이는 또한 하기에서 재료 변형이라고도 칭하며, 플라즈마 버블로서 자체 나타난다.
국소 발생된 플라즈마 버블의 영역에서 레이저 빔의 탈집속이 일어나고, 이어서 다시 레이저 빔의 다음 집속이 이어진다. 이러한 방식으로, 일련의 복수의 연속적 정렬된 집속 및 탈집속 영역으로 구성되고 필라멘트라고 칭하는 진주 목걸이의 유형이 기재의 재료에서 생성될 수 있다.
집속 및 탈집속에 기인하여, 레이저 빔은 기재의 재료 내로 전파될 정도로 야기될 수 있어, 기재의 재료는 깊이에서 일종의 천공이 실시된다. 이러한 효과는 유리와 같은 투명 재료의 가공으로부터 공지되어 있으며, 예를 들어, 레이저 방서선에 대하여 상대적으로 기재를 이동시킴으로써, 의도된 파단선 및 분리선으로서 기재 내에 일종의 천공 라인을 생성하는데 이용된다.
보다 높은 레이저 전력을 이용하면, 상응하게 보다 깊은 천공이 달성될 수 있으며, 이는 천공의 영역에서 분리를 용이하게 한다.
그러나, 보다 깊은 천공의 적용은, 미리 응력이 인가된 유리, 다시 말하자면 출발 상태에서 이미 증가된 고유 응력을 나타내는 재료와 함께, 문제점이 제기된다. 특히, WO 2012/006736 A2에 기술되어 있는 바와 같이, 그 상승된 고유 응력은 결과로 천공된 영역에서 균열의 자발적 형성 및 전파를 초래할 수 있다. 비교적 높은 레이저 전력에 의해, 기재의 파단이 가공 동안 미리 일어날 수 있다. 그러므로, 산업적 적용은 분리 공정이 신뢰 있게 관리 및 제어될 수 없기 때문에 상당히 복잡하다.
본 발명자들에 의하면, 자발적 균열은 기재의 레이저 조사 동안 워크피스가 특수 대기에 노출되는 경우 감소될 수 있거나 심지어는 완전 방지될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 히드록실(OH) 이온이 빈약하거나 심지어는 OH 이온이 없는 보호 기체 대기가 레이저 조사 동안 우세한 경우, 균열이 현저히 감소 또는 지연된다.
레이저 조사 동안 질소 대기를 적용함으로써, 자발적 파단 균열이 천공 영역에서 발생될 때까지의 시간의 주기가 충분히 연장된다.
이러한 방식으로, 기재가 파단될 정도로 기재에서 자발적 파단 균열이 일어나기 전에 기재의 레이저 조사의 공정으로 종결하는 것이 가능하다. 따라서, 극초단 펄스 레이저 방사선에 의한 조사 동안, 그 기재는 OH 이온이 적거나 OH 이온이 없는 대기에 노출된다. 예를 들어, 이러한 목적에는 대략 기밀한 챔버가 사용될 수 있으며, 그 챔버 내에는 기재가 레이저 조사 동안 수용된다.
매우 우수한 경험이 0.2 부피% 미만, 바람직하게는 0.1 부피% 미만의 물 함량을 포함하는 보호 기체 대기에 의해 이루어진다.
따라서, 레이저 조사는 기재의 선결정된 부피의 천공과 유사한 깊이에서 필라멘트 재료 변형을 발생시키는 것을 가능하게 한다. 그 기재의 선결정된 부피는 천공이 생성될 수 있고 그리하여 기재의 표면 상에서의 추후 분리 면적 또는 분리선을 한정하는 선정된 분리 면적을 의미한다.
특히 유리하게는, 기재 또는 레이저 빔은 그러한 방식으로 분리선을 따라 기재의 깊이에서 천공을 가능하게 하기 위해서 서로 상대적으로 이동될 수 있다. 전형적으로, 기재는, 예를 들어 레이저 방사선에 대한 일정 거리로 기재의 2차원적 이동을 허용하는 X-Y축 조정 조합(예컨대, 워크피스 테이블 및 이동 수단)에 의해 이동될 수 있다. 이러한 정렬은 기재와 레이저 빔 사이의 거리의 조정을 가능하게 하기 위해서 이동가능한 z-축 정렬과 추가로 조합될 수 있다.
기재 재료는 레이저 방사선의 파장 범위에서 적어도 광학적으로 투명하며, 그 범위에서 광학 투과율은 적어도 80%/cm, 바람직하게는 적어도 85%/cm, 가장 바람직하게는 적어도 90%/cm이다. 따라서, 레이저 방사선은 그 재료 내로 침투할 수 있다.
그 기재는 유리, 샤파이어, 및 다이몬드를 포함하는 군으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 놀랍게도, 본 발명에 따른 레이저 조사는 심지어 예를 들어 디스플레이 용도로 공지된 강화 유리 및 또한 시트 유리에 이용될 수 있다. 게다가, 놀랍게도, 유리 세라믹 재료가 또한 가공될 수 있다.
경로를 따라 기재에서 생성된 깊이에서의 천공은 기재의 분리가 일어나도록 의도된 분리선을 따라 연장된다. 그 분리선은 직선일 수 있을 뿐만 아니라 비직선 또는 곡선일 수 있다. 예를 들어, 분리선은 천공된 구멍과 유사한 재료의 분리를 가능하게 하는 매우 작은 반경을 가질 수 있다.
천공은 기재의 표면에서 수직으로 그 깊이 내로 연장될 수 있다. 그러나, 그것은 마찬가지로 표면에 대하여 특정 각도로 생성될 수 있어서, 예를 들면 기재에서 사각 분리 엣지를 생성하게 된다. 이러한 경우, 레이저 빔은 수직으로 유도되는 것이 아니라 오히려 기재의 표면에 대하여 선결정된 각도에서 유도된다.
이후, 그 재료의 분리는 천공된 분리선을 따라 달성된다. 이러한 목적을 위해, 천공에 의해 발생되고 그 재료의 손상과 동등한 그 재료 변형은 분리된 기재의 분리 엣지 및 강도의 특수 표면 품질로 분리를 가능하게 하기 위해서 구체적인 정도로 도달해 있는 것이 필요하다.
분리선에서 분리는 천공이 기재의 재료 두께의 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 50%, 가장 바람직하게는 적어도 55%에 해당하는 깊이 내로 연장될 때 잘 수행되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 경우, 필라멘트는 약 200 ㎛ 내지 800 ㎛의 범위인 서로 간의 이격을 가져야 한다. 필라멘트는 약 15 ㎛ 내지 250 ㎛의 범위에 있는 단면을 가질 수 있다.
이러한 방식으로, 기재 재료의 충분히 광범위한 예비 손상은 분리선을 따라 달성될 수 있으며, 그 결과로 우수한 분리성을 생성한다. 분리선을 따라 그 재료를 분리할 때, 그렇게 생성된 분리 엣지의 놀라운 우수 품질을 지닌 분리 엣지가 형성된다.
천공의 영역에서, 분리 엣지는 전형적으로 인접 평행 필라멘트의 패턴을 나타내고, 분리 엣지의 이면 영역에서 다소 원추형 파열 패턴을 나타낸다. 분리 엣지에 대하여 얻어진 조도 값(roughness value)은 Ra ＜ 100 ㎛의 범위에 있다.
더구나, 생성된 분리 엣지는 고 수준의 엣지 강도를 나타낸다. 이는 4 지점 굽힘 강도 시험에 의해 측정되었다. 달성된 평균 강도 값은 강화 유리의 경우에 적어도 120 MPs 이상이었다.
레이저 공급원은 기재가 투명한 파장 범위에 따라 선택된다. 방출된 방사선의 파장 범위는 기재의 투과 범위 내에 있다.
레이저 빔은 충분히 높은 강도를 달성하기 위해서 가우시안 강도 분포로 공간적으로 집속될 수 있다. 제1 촛점은 기재 내에 위치하고, 다시 말하자면, 기재 체적 내에 위치한다. 레이저 펄스가 기재의 체적 내의 그러한 지점을 타격할 때, 플라즈마가 생성될 수 있고 이로 인하여 재료 변형이 거기에서 일어날 수 있다. 후속 탈집속 및 추가 집속 효과에 의해, 복수의 집속 점을 포함하는 필라멘트 천공이 기재 체적 내에 생성될 수 있다.
예를 들어, 투명 유리에서 집속 점은 종종 구상의 대략 대칭적 형상을 갖는다. 그러나, 특수 광학 시스템에 의해, 강화 유리에서 비구형 공간 형상의 집속 점을 발생시키는 것이 가능하였다. 예를 들어, 타원형, 랜싯형 또는 액적형 집속 점이 발생하였다. 그러한 집속 점의 형상들은 균열의 보다 우수한 전파에 기인하여 특히 하나의 집속 점에서 다음 집속 점으로의 균열 형성을 촉진하며, 따라서 또한 달성될 수 있는 분리 엣지의 품질도 개선시킨다.
본 발명에 따른 적합한 레이저 공급원은 10 kHz 내지 120 kHz, 바람직하게는 30 kHz 내지 110 kHz, 가장 바람직하게는 35 kHz 내지 105 kHz의 반복 속도로 작동한다.
레이저 펄스의 적당한 펄스 지속시간은 100 피코 초 이하, 바람직하게는 10 피코 초 미만, 가장 바람직하게는 1 피코 초 미만의 범위에 있다. 특히 바람직하게는, 레이저 공급원은 약 7 내지 12 와트의 범위에 있는 전력에서 작동된다.
이러한 레이저 방사선에 의하면, 매우 우수한 결과가 강화 유리 상의 분리선의 발생 및 깊이에서의 천공에 대하여 얻어졌다.
레이저 전력의 증가가 특히 강화 유리에서 자발적 균열 형성에 대한 보다 큰 경향을 유발할 수 있으며, 반면에 비강화 유리에서는 결국 분리성을 개선하는 보다 조밀한 천공을 달성하는 것이 가능하다.
추가로, 본 발명은 집속된 레이저 방사선에 의해, 기재, 특히 강화 유리 또는 유리 세라믹을 분리하는 장치로서,
- 기재를 수용하기 위한 기밀한 챔버,
- 극초단 펄스 레이저 광원,
- 기재 및/또는 레이저 광원을 서로 상대적으로 이동시키기 위한 수단(예컨대, 워크피스 테이블 및 이동 수단)
을 포함하고,
- 기재가 보호 기체 대기에 노출되고,
- 극초단 펄스 레이저 방사선이 기재 상에 유도되며, 여기서 기재가 레이저 방사선의 파장 범위에서 투명하고,
- 레이저 조사에 의해, 필라멘트 재료 변형이 선결정된 부피로 발생되고 기재의 깊이 내로 연장되며,
- 분리가 그 재료 변형에 의해 한정된 분리선을 따라 달성되는 것인 장치에 관한 것이다.
추가로, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 적어도 한쪽에서 가공되는 강화 유리 또는 유리 세라믹의 물품에 관한 것이다.
기재, 특히 강화 유리 또는 유리 세라믹을, 집속된 레이저 방사선에 의해 분리하는 방법의 변경예에서, 기재는 후기 분리선을 따라 기재의 천공을 수행한 후 제2 대기에 노출된다. 이러한 제2 대기는 제1 대기를 나타내는 보호 기체 대기와는, 히드록실(OH) 이온의 함량이 상이하다. 이 제2 대기는 제1 대기보다 더 높은 OH 이온의 함량을 갖는다.
본 발명자들은 OH 이온의 증가된 함량이 천공된 분리선을 따라 워크피스의 분리 또는 절단을 촉진할 수 있다는 점을 발견하게 되었다. OH 이온이 농후한 대기, 예컨대 습증기에 대한 노출에 의해, 균열의 형성이 촉진될 수 있고 이로써 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 재료 분리를 달성하기 위한 절단 공정 단계가 선택적으로 영향을 받을 수 있으므로, 용이한 산업적 적용성이 제공된다. 특히, 자발적 파단 균열이 일어나는 것을 방지하는 것이 가능하다.
매우 우수한 경험이 적어도 1.4 부피%, 바람직하게는 적어도 2 부피%의 OH 함량을 갖는 제2 대기에 의해 이루어진다.
그러므로, 매우 유리하게도, 기재를 수용하기 위한 챔버는 OH 이온이 빈약한 제1 대기가 용이하게 달성되도록 기밀할 수 있다. 게다가, 매우 유리하게도, 이러한 챔버는 OH 이온 농후 대기에 기재를 노출시키기 위해 적합하게 될 수 있다. 그러나, 상기 장치는 마찬가지로 제1 또는 제2 대기를 적용하기 위해서도 적합하게 되어 있는 2개의 개별 챔버를 포함하는 것도 가능하다.
본 발명에 대한 추가 상세한 설명은 예시되는 예시적인 실시양태의 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 명백하게 이해될 것이다.
도면의 간단한 설명
이하, 본 발명의 예시적인 실시양태는 도면을 참조하여 설명할 것이다. 도면은 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 워크피스 테이블 상에 워크피스를 가공하는 레이저 가공 장치를 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 확대된 세부사항을 도시한 것이며,
도 3은 레이저 가공 장치의 타원형 빔 단면을 도시한 것이고,
도 4는 랜싯형 빔 단면을 도시한 것이며,
도 5는 액적형 빔 단면을 도시한 것이다.
도 1은 워크피스 테이블(3) 상에 놓여 있는 워크피스(2) 위에 있는 레이저 가공 장치(1)를 도시한 것이다. 이 레이저 가공 장치는 극초단 펄스 레이저(10) 및 워크피스(2)의 상부 표면 부근에 촛점(13)을 갖는 집속된 방사선 빔(12)을 제공하는 집속 광학 시스템(11)을 포함한다. 절단선 또는 파단선(20)이 워크피스(2) 상에 지시되어 나타나고, 그 선을 따라 워크피스가 분리 또는 절단되어 진다. 그 제공은 촛점(13)이 그 선(20)을 따라 이동될 수 있도록 이루어지는데, 이는 2개의 좌표 방향(21, 22)으로 테이블을 조정함으로써 용이하게 된다. 매우 작은 조정 증분이 사용된다. 워크피스(2)에 상대적인 집속 광학 시스템(11)의 이동 증분은 일련의 선 형상의 손상 형성부를 따라 필라멘트 형성부(4, 5, 6)의 측방 치수의 크기 범위 내에 있을 수 있다.
극초단 펄스 레이저(10)는 2 이상의 연속적 주기로 레이저 펄스 트레인을 전달 가능하다. 그 방사선의 파장은 워크피스(2)가 투명한 범위 내에 존재하도록 선택된다. 레이저 펄스의 에너지는 각각의 경우 각자의 선 형상의 손상 형성부(14)가 워크피스(2)의 표면에 대하여 횡으로 형성되도록 치수화된다. 의도된 파단선(20)을 따라 집속 광학 시스템(11)을 이동시킴으로써, 일련의 선 형상의 손상 형성부(14)가 워크피스(2)에서 발생되는데, 그것은 실질적으로 의도된 파단 면을 한정한다. 본 발명은 그 선(20)을 따라 이러한 일련의 선 형상의 손상 형성부(14)의 발생에 관한 것이다.
도 2는 워크피스(2)에 대하여 횡으로 연장되는 손상 형성부(14)를 개략적으로 도시한 것이다. 예시되는 예시적인 실시양태에서, 그 손상 형성부(14)는 직선을 따라 정렬된 3개의 필라멘트 형성부(4, 5 및 6)를 포함한다. 이들 필라멘트 형성부 각각은 극초단 펄스 레이저 트레인에 의해 발생된다. 필라멘트 형성부(4)의 경우, 레이저 빔(12)의 자가 집속에 기인하여 플라즈마 점(41)이 발생되고, 그 플라즈마 점에서 워크피스의 재료가 플라즈마 상으로 전이되며, 이는 자가 집속에 기인하여 추가 플라즈마 점(43)을 유발하는 방출된 방사선(42)에 의해 달성되고, 이 과정은 레이저 펄스의 에너지가 소모될 때까지 계속된다. 실질적인 플라즈마 폭발이 열적 팽창에 기인하여 플라즈마 발생 점(41, 43, 45)에서 일어나는데, 이는, 워크피스의 내부 내로(이것이 바람직함), 하지만 또한 균열(46)에 의해 표시되는 바와 같이, 그러한 채널에 대하여 횡으로도 형성되는 갭을 따라 균열 형성을 야기한다. 이러한 횡 균열(46)은 바람직하지 않으며, 본 발명에 의해서는 가능한 작게 유지되도록 의도된다.
이러한 목적을 위해서, 손상 형성부(14)는 여러 단계로 생성된다. 이는 레이저 펄스를 2 이상의 연속적인 주기로 방출함으로써 달성된다. 하나의 주기 동안 레어지 펄스의 에너지는 단지 소수의 작은 플라즈마 폭발 점만이 하나의 방출 주기 동안 생성될 정도로 매우 작게 선택된다. 이러한 방식으로, 유해한 측방 균열(46)의 형성이 현저히 줄어든다. 워크피스 내에서 추후 파열을 미리 한정하는 갭 및 절단 균열이 필라멘트 형성부(5)를 따라 형성된다.
제2 레이저 펄스 주기에서, 필라멘트 형성부(5)가 필라멘트 형성부(4)와 유사하게 발생된다. 플라즈마 버블(51, 53, 55) 및 탈집속-집속 점(52, 54)이 생성된다. 이 경우와 마찬가지로 유사하게 제3 레이저 펄스 주기 동안에는 플라즈마 버블(61, 63) 및 탈집속-집속 점(62)이 생성된다. 제2 및 그 후속 레이저 펄스 주기 동안 가이딩 채널을 실질적으로 제공하는 파단 점의 방향에서 미리 형성된 갭 및 절단 균열에 기인하여 보다 큰 깊이 접근이 성공된다. 연속적인 레이저 펄스 주기의 횟수는 워크피스(2)의 두께에 따라 결정된다.
파단 면(20)의 방향에서 갭의 형성을 촉진시키기 위해서, 의도된 파단 방향에서 길어지거나 보다 큰 치수를 갖는 레이저 빔의 단면 형상을 선택하는 것이 유용하다. 그러한 단면 형상은 도 3, 4 및 5에 예시되어 있다. 타원형 단면 형상은 원통형 렌즈를 조합함으로써 레이저 빔의 원래 원형 단면 형상을 기초로 하여 얻어질 수 있다. 빔 단면의 도 4의 랜싯 유사 형상 및 도 5의 액적 형상이 특수 렌즈에 의해 얻어질 수 있다. 이들 형상은 의도된 파단선(20)의 방향에서 절단 균열 및 갭을 촉진한다.
예시되어 있는 바와 같이, 파단선이 곡선으로 되는 것이 바람직할 경우, 레이저 방사선 빔은 보다 큰 레이저 단면 치수가 의도된 파단 방향을 따라 연속적으로 정렬되도록 제어되어야 한다.
취성 재료를 가공할 때, 의도된 파단선(20)을 따른 손상 형성부가 모두 완성되지 않을 때 워크피스가 자발적으로 파단될 위험이 있다. 이러한 위험을 최소화하거나 완전 회피하기 위해서, 가공은 "중성" 대기에서, 예컨대 질소 하에 수행된다. 이러한 방식으로, 분리 또는 절단되도록 제조되는 워크피스가 얻어진다. 이어서, 최종 분리 또는 절단이 워크피스에 기계적 인장을, 수증기 하에 또는 히드록실(OH) 기를 함유하는 또다른 대기 중에 실시함으로써 수행된다.
얻고자 하는 분리 면에서 파열 패턴이 미세하면 할 수록, 선(20)을 따른 손상 형성부(14)의 위치들 사이의 이격이 더욱더 작아져야 한다는 점을 유의해야 한다. 그 이격은 손상 형상부의 치수와 동일한 정도의 크기를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 워크피스를 분리 및 절단하는 방법은 상술한 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법을 준비 단계로서 수행할 수 있다. 또한, 워크피스를 분리 및 절단하는 방법은 워크피스를 분리 및 절단하는 것을 촉진하기 위해서, 히드록실(OH) 이온의 함량을 포함하는 기체에 손상 형성부(14)를 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 워크피스, 특히 강화 유리 또는 유리 세라믹을 집속된 레이저 방사선에 의해 분리하기 위한 장치는, 워크피스를 수용하기 위한 워크피스 챔버, 워크피스 챔버 내로 워크피스를 공급하기 위한 수단, 워크피스의 선결정된 부피의 깊이에서 필라멘트 재료 변형을 레이저 조사에 의해 발생시키기 위한 극초단 펄스 레이저 광원, 워크피스 또는 레이저 광원을 서로 상대적으로 이동시키기 위한 수단, 습증기를 워크피스 챔버 내로 공급하기 위한 수단, 그리고 상기 재료 변형에 의해 한정된 분리선을 따라 워크피스를 분리하기 위한 분리 수단을 포함할 수 있다.

Claims (12)

  1. 선(20)을 따라 투명 워크피스(workpiece)(2)에서 일련의 선 형상의 손상 형성부(14)를 발생시키는 방법으로서, 하기 단계들:
    (a) 극초단 펄스 레이저(ultra-short pulsed laser)(10) 및 집속 광학 시스템(focusing optical system)(11)을 포함하는 레이저 가공 장치(1)를 제공하는 단계로서, 레이저 방사선의 파장은 워크피스(2)의 투과 범위 내에 있는 것인, 레이저 가공 장치(1)를 제공하는 단계 ,
    (b) 워크피스(2)에서 한 위치에 손상 형성부(14)의 발생 동안 워크피스(2) 위로 집속 광학 시스템(11)을 유도하기 위한 그리고 그 이후에 발생시키고자 하는 손상 형성부(14)의 위치들로 된 선(20)을 따라 집속 광학 시스템(11)과 워크피스 테이블(3)을 서로 상대적으로 증분 이동시키기 위한, 워크피스 테이블(3) 및 이동 수단을 제공하는 단계,
    (c) 집속 광학 시스템(11)을 손상 형성부(14)의 각 위치로 유도하면서 레이저 펄스를 2 이상의 연속적 주기로 방출하는 단계로서, 각 주기 동안 레이저 펄스의 에너지는 상응하는 필라멘트 형성부(4, 5, 6)가 투명 워크피스(2)에서 생성되도록 치수화되고, 연속적 레이저 펄스 주기는 워크피스(2)에 대하여 두께방향으로 연장되는 연속적으로 정렬된 필라멘트 형성부(4, 5, 6)를 생성하는 것인, 레이저 펄스를 2 이상의 연속적 주기로 방출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 동안, 상기 워크피스(2)는 선 형상의 손상 형성부의 위치들로 된 선을 따른 조기 파열을 방지하기 위해 기밀한 챔버 내에서 보호 기체 대기에 노출되며,
    상기 보호 기체 대기는 0.2 부피% 미만의 물 함량을 포함하는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 각 필라멘트 형성부는 진주 목걸이와 같이 판 형상 워크피스에 대하여 두께방향으로 정렬된 복수의 집속(focusuing) 및 탈집속(defocusing) 점을 포함하는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 워크피스(2)에 상대적인 집속 광학 시스템(11)의 이동 증분은 일련의 선 형상의 손상 형성부를 따라 필라멘트 형성부(4, 5, 6)의 측방 치수의 크기 범위 내에 있는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 손상 형성부(14)의 각 위치에서 연속적 레이저 펄스 주기의 횟수는 워크피스의 두께에 따라 결정되는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 집속 광학 시스템(11)은 선 형상의 손상 형성부의 위치들로 된 선(20)을 따른 방향에서 이 방향에 대한 횡으로보다는 큰 치수를 지닌 단면 형상을 갖는 방사선 빔(12)을 발생시키는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 집속 광학 시스템(11)은 방사선 빔의 보다 큰 단면 치수에 대하여 조정 가능하여, 보다 큰 단면 치수의 정렬이 손상 형성부의 위치들로 된 선을 따르도록 조정되는 것인, 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법.
  7. 삭제
  8. 워크피스를 분리 및 절단하는 방법으로서, 제1항 또는 제2항에 기재된 일련의 선 형상의 손상 형성부를 발생시키는 방법을 준비 단계로서 수행하는 단계를 포함하는 워크피스를 분리 및 절단하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 워크피스(2)를 분리 및 절단하는 것을 촉진하기 위해서, 히드록실(OH) 이온의 함량을 포함하는 기체에 손상 형성부(14)를 노출시키는 단계를 포함하는 워크피스를 분리 및 절단하는 방법.
  10. 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하는 방법으로서, 하기 단계들:
    - 0.2 부피% 미만의 물 함량을 포함하는 보호 기체를 포함하는 제1 대기에 워크피스를 노출시키는 단계,
    - 워크피스 위에 극초단 펄스 레이저 방사선을 유도하는 단계로서, 워크피스는 레이저 방사선의 파장 범위에서 투명한 것인 단계,
    - 워크피스의 선결정된 부피의 깊이에서 필라멘트 재료 변형을 레이저 조사에 의해 발생시키는 단계,
    - 레이저 조사 후, 보호 기체 대기의 것보다 더 많은 히드록실(OH) 이온의 함량을 포함하는 제2 대기에 워크피스를 노출시키는 단계,
    - 그 재료 변형에 의해 한정된 분리 면적을 따라 워크피스를 파단시키는 단계
    를 포함하는 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 워크피스는 강화 유리 또는 유리 세라믹을 포함하는 것인, 집속된 레이저 방사선에 의해 워크피스를 분리하는 방법.
  12. 삭제
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