KR101861567B1

KR101861567B1 - 레이저광에 의한 유리 기판 융착 방법 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101861567B1
Application number: KR1020167030090A
Authority: KR
Inventors: 유한 미야자키; 토쿠타케 사시마; 코지 야마모토; 세이지 시미즈
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2018-05-28
Also published as: TW201542475A; CA2947657C; CN106255671A; TWI651279B; EP3138821A1; EP3138821A4; KR20160138527A; US20170044046A1; CA2947657A1; JP5816717B1; JP2015212208A; WO2015166823A1

Abstract

2매의 유리 기판을 융착(融着)시킬 때에, 간단한 방법 및 장치 구성으로, 가공 단면을 변형시키는 일 없이 융착시킨다. 이 유리 기판 융착 방법은, 밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사(照射)하여 유리 기판끼리를 융착시키는 방법이고, 제1 공정 및 제2 공정을 구비하고 있다. 제1 공정은 제1 유리 기판과 제2 유리 기판을 밀착시킨다. 제2 공정은, 파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 제1 유리 기판과 제2 유리 기판과의 밀착부를 따라 주사하고, 제1 및 제2 유리 기판을 용융(溶融)시켜 융착한다.

Description

레이저광에 의한 유리 기판 융착 방법 및 레이저 가공 장치{METHOD OF GLASS PLATE FUSION MEDIATED BY LASER BEAM AND LASER PROCESSING DEVICE}

본 발명은, 유리 기판 융착(融着) 방법, 특히, 밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사(照射)하여 유리 기판끼리를 융착시키는 유리 기판 융착 방법 및 그것을 실현하기 위한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

포개어 맞춘 2매의 유리 기판으로 이루어지는 접합 유리 기판을 제조하는 방법이, 특허 문헌 1에 나타나져 있다.

특허 문헌 1의 도 2에 도시된 유리 기판의 접합 방법에서는, 우선, 2매의 유리 기판을 포개어 맞추고, 이 포개어 맞춘 2매의 유리 기판을 한 쌍의 보지(保持) 부재에 의하여 협지한다. 이 때, 2매의 보지 부재의 가장자리부가 2매의 유리 기판의 단면(端面)으로부터 돌출하게 한다. 그리고, 2매의 유리 기판의 단면을 향하여 레이저광을 조사하고, 2매의 유리 기판의 가장자리부를 융착시킨다.

일본국 공개특허공보 특개2000-281368호

특허 문헌 1의 방법에서는, 2매의 유리 기판을 한 쌍의 보지 부재에 의하여 협지하고 있기 때문에, 2매의 유리 기판의 레이저광 조사 부분이 용융(溶融)하여 현수되는 것을 방지할 수 있다.

그러나, 이 특허 문헌 1의 방법에서는, 밀착시키는 유리 기판을 협지하기 위하여 한 쌍의 보지 부재가 필요하게 된다.

본 발명의 과제는, 2매의 유리 기판을 융착시킬 때에, 간단한 방법 및 장치 구성으로, 가공 단면의 용융에 의한 변형을 억제하는 것에 있다.

본 발명의 일 측면에 관련되는 유리 기판 융착 방법은, 밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사하여 유리 기판끼리를 융착시키는 방법이고, 제1 공정 및 제2 공정을 구비하고 있다. 제1 공정은 제1 유리 기판과 제2 유리 기판을 밀착시킨다. 제2 공정은, 파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 제1 유리 기판과 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사하고, 제1 및 제2 유리 기판을 용융시켜 융착한다. 제1 및 제2 유리 기판의 재질은 무알칼리 유리 또는 소다 유리이다.

이 방법에서는, 파장이 2.7μm 이상 6.0μm 이하의 중적외광의 레이저광이 2매의 유리 기판의 접합부에 대하여 조사된다. 중적외광은 유리 기판의 내부까지 침투하면서 흡수되기 때문에, 유리 기판의 표면으로부터 내부에 걸쳐, 열분포의 치우침이 적어진다. 즉, 유리 기판의 내부는 비교적 균일하게 가열되고, 또한 레이저 조사 측의 가공 단면만이 고온으로 되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 유리 기판의 가공 단면이 용융하여 현수되는 것을 억제하면서, 2매의 유리 기판을 용융시켜 서로 용착시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 관련되는 유리 기판 융착 방법에서는, 제2 공정에서는, 레이저광을 제1 및 제2 유리 기판의 레이저광이 조사되는 측면의 표면 근방으로 집광(集光)시킨다.

여기에서는, 레이저광이, 2매의 유리 기판의 레이저광 조사 측의 표면 근방으로 집광되고, 조사된다. 따라서, 레이저광이 조사된 부분을 효율적으로 용융시키고, 또한 유리 기판 내부에 너무 영향을 주는 일 없이 2매의 유리 기판을 융착시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 관련되는 레이저 가공 장치는, 밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사하여 유리 기판끼리를 융착시키는 장치이다. 이 레이저 가공 장치는, 워크(work) 테이블과, 레이저광 조사 기구를 구비하고 있다. 워크 테이블은 밀착된 제1 유리 기판 및 제2 유리 기판이 재치(載置)된다. 레이저광 조사 기구는, 파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 제1 유리 기판과 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사한다. 제1 및 제2 유리 기판의 재질은 무알칼리 유리 또는 소다 유리이다.

본 발명의 다른 측면에 관련되는 레이저 가공 장치에서는, 레이저광 조사 기구는, 레이저 발진기와, 광학계를 가지고 있다. 레이저 발진기는 파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 발진(發振)한다. 광학계는, 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하여, 집광된 레이저광을 제1 유리 기판과 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사한다.

본 발명의 한층 더 다른 측면에 관련되는 레이저 가공 장치에서는, 광학계와 워크 테이블을 상대적으로 이동시켜, 집광된 레이저광을 접합부를 따라 주사(走査)하는 주사 기구를 더 구비하고 있다.

이상과 같은 본 발명에서는, 2매의 유리 기판을 융착시킬 때에, 간단한 방법 및 장치 구성으로, 가공 단면을 변형시키는 일 없이 융착할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 방법에 이용하는 2매의 유리 기판의 일례를 도시하는 모식도.
도 3은 무알칼리 유리에 대한 레이저광의 파장과 투과율과의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 소다 유리에 대한 레이저광의 파장과 투과율과의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 2매의 유리 기판을 융착시킨 경우의 단면을 도시하는 현미경 사진.
도 6은 2매의 유리 기판을 융착시키는 다른 예.

　[레이저 가공 장치]

본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 가공 장치를 도 1에 도시한다. 이 레이저 가공 장치는, 포개어 맞춘 2매의 유리 기판(G1, G2)이 재치되는 워크 테이블(1)과, 레이저 발진기(2)와, 광학계(3)와, 주사 기구로서의 테이블 이동 기구(4)를 구비하고 있다. 그리고, 레이저 발진기(2), 광학계(3), 및 테이블 이동 기구(4)에 의하여 레이저 조사 기구가 구성되어 있다.

레이저 발진기(2)는, 파장이 2.7μm 이상 6.0μm 이하의 중적외광의 레이저광을 발진한다. 여기에서, 레이저 발진기(2)로서는, Er：Y₂O₃, Er：ZBLAN, Er：YSGG, Er：GGG, Er：YLF, Er：YAG, Dy：ZBLAN, Ho：ZBLAN, CO, Cr：ZnSe, Cr：ZnS, Fe：ZnSe, Fe：ZnS, 반도체 레이저의 중적외의 레이저광군 중에서 선택된 레이저광으로, 전술과 같이, 파장이 2.7 ~ 6.0μm의 것을 출사(出射)하는 것이면 된다. 또한, 여기에서는, 연속 발진의 레이저광을 출사한다.

광학계(3)는, 2개의 반사 미러(mirror)(5a, 5b)와, 집광 렌즈(6)를 포함하고 있다. 반사 미러(5a, 5b)는 레이저 발진기(2)로부터의 레이저광을 2개의 유리 기판(G1, G2)의 측면에 대하여 직교하도록 이끈다. 집광 렌즈(6)는, 레이저광을 집광하여, 레이저광이 2매의 유리 기판(G1, G2)의 접합부의 표면에서 집광하도록 설정되어 있다.

테이블 이동 기구(4)는, 서로 직교하는 X 및 Y 방향으로 워크 테이블(1)을 이동시키기 위한 기구이다. 이 테이블 이동 기구(4)에 의하여, 집광점을 양 유리 기판(G1, G2)의 접합부를 따라 주사할 수 있다.

　[유리 기판의 융착 방법]

이상의 장치를 이용하여 2매의 유리 기판(G1, G2)을 융착시키는 경우는, 우선, 융착해야 할 2매의 유리 기판(G1, G2)을 포개어 맞추고, 워크 테이블(1) 상의 소정 위치에 세트한다. 다음으로, 도 2의 모식도에서 도시하는 바와 같이, 전술과 같은 중적외광의 레이저광을 2매의 유리 기판(G1, G2)의 측면으로부터, 2매의 유리 기판(G1, G2)의 접합부에 조사한다. 덧붙여, 레이저광의 집광 위치는, 유리 기판(G1, G2)의 표면(측면) 혹은 그 근방으로 한다. 그리고, 이 레이저광을, 연속 조사하면서 접합부를 따라 주사한다.

이상의 방법에 의하여, 2개의 유리 기판(G1, G2)이 밀착된 부분이 서로 용융하여 융착한다. 이 때, 2개의 유리 기판(G1, G2)의 레이저광이 조사되는 측면은 고온으로 되지 않는다. 따라서, 그 단면(가공 단면)이 용융하여 변형하는 것을 억제할 수 있다.

　[투과율과 파장]

도 3에, 판 두께가 0.2mm의 무알칼리 유리(예를 들어 OA10(제품명：닛폰덴키가라스샤제(製)))의 유리 기판에 대한 레이저광의 파장과 투과율과의 관계를 도시하고 있다. 또한, 도 4에, 판 두께가 0.5mm의 소다 유리의 유리 기판에 대한 레이저광의 파장과 투과율과의 관계를 도시하고 있다.

도 3에서 분명한 바와 같이, 판 두께 0.2mm의 무알칼리 유리에 대하여는, 파장이 10.6μm의 CO2 레이저에서는 투과율이 「0」이기 때문에, 레이저광은 기판의 표면에서 흡수되는 것으로 된다. 또한, 파장이 1μm의 YAG 레이저나, 파장이 532nm의 그린 레이저에서는, 투과율이 90% 이상이며, 투과하지 않는 약 10%의 레이저광도 그 대부분은 표면에서 반사되고, 기판 내부로 흡수되지 않는다. 그리고, 파장이 2.8μm의 레이저광이면, 레이저광의 출력을 적절한 파워로 조절하는 것에 의하여, 레이저광은 기판 내부에서 거의 균일하게 흡수되고, 기판 내부를 용융시켜, 포개어 맞춘 2매의 기판을 융착할 수 있다. 또한, 이 때, 기판 표면(레이저광의 조사 측의 단면=가공 단면)의 온도가 너무 상승하는 것을 억제할 수 있고, 가공 단면의 용융에 의한 변형을 억제할 수 있다.

또한, 도 4의 판 두께 0.5mm의 소다 유리에서는, 파장이 2.8μm의 레이저광으로는, 기판의 내부까지 레이저광이 투과하면서 흡수되고, 따라서 레이저광의 출력의 파워를 적절히 조정하는 것에 의하여, 상기 마찬가지로, 기판 내부를 용융시켜, 포개어 맞춘 2매의 기판을 융착할 수 있는 것과 함께, 가공 단면의 용융에 의한 변형을 억제할 수 있다.

덧붙여, 도 3과 도 4에 도시한 그래프의 투과율의 값의 차(差)는, 시료의 두께의 차이에 기인하는 것이며, 두께가 같으면, 무알칼리 유리와 소다 유리로 투과율에 차는 없다고 생각된다.

이상의 것으로부터, 파장이 2.7μm 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 이용하여, 레이저광의 파워를 적절히 조정하는 것에 의하여, 많은 유리 기판에 대하여, 가공 단면의 용융에 의한 변형을 억제하면서, 기판 내부를 용융시켜 2매의 기판을 융착할 수 있다고 추측된다. 또한, 레이저광을 조사하는 기판의 두께가 비교적 두꺼운 경우이어도, 파장 2.7μm 이상 5.0μm 이하의 레이저광을 이용하는 것에 의하여, 안정되게 2매의 기판을 융착할 수 있다.

　[실험예]

도 5에 실험예를 도시하고 있다. 여기에서의 실험 조건은 이하대로이다.

유리 기판：3mm×50mm×t0.2mm의 무알칼리 유리(예를 들어 OA10(제품명: 닛폰덴키가라스샤제))

레이저광：Er 파이버 레이저, 파장 2.7μm, 출력 6.6W, 연속 발진

덧붙여, 도 5에 있어서, 단면(斷面)의 우단이 레이저 조사 측의 단면(가공 단면)이다.

이러한 실험 결과로부터, 중적외광의 레이저광을 이용하여 조사 조건을 적절히 설정하는 것에 의하여, 2매의 유리 기판을, 가공 단면의 용융에 의한 변형을 억제하여, 안정되게 융착할 수 있는 것을 알 수 있다.

　[다른 실시예]

본 발명은 이상과 같은 실시예로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변형 또는 수정이 가능하다.

(a) 상기 실시예에서는, 2매의 유리 기판을 도 1에 도시하는 바와 같이 겹쳐 융착하는 경우에 관하여 설명하였지만, 2매의 유리 기판을 융착시키는 형태는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 단면을 맞대어 2매의 유리 기판을 융착시키는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 2매의 유리 기판의 일부만이 포개어 맞춰져 있는 것과 같은 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.

(b) 상기 실시예에서는, 연속 발진의 레이저광을 이용하였지만, 반복 주파수 1MHz 이상의 의사(擬似) 연속 발진의 펄스 레이저광이나, 반복 주파수가 10kHz 이상의 펄스 레이저광을 조사하도록 하여도 무방하다.

본 발명의 유리 기판의 융착 방법 및 레이저 가공 장치에서는, 2매의 유리 기판을 융착시킬 때에, 간단한 방법 및 장치 구성으로, 가공 단면을 변형시키는 일 없이 융착할 수 있다.

1: 워크 테이블
2: 레이저 발진기
3: 광학계
4: 테이블 이동 기구
G1, G2: 유리 기판

Claims

밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사(照射)하여 유리 기판끼리를 융착(融着)시키는 유리 기판의 융착 방법이고,
제1 유리 기판과 제2 유리 기판을 밀착시키는 제1 공정과,
파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사하고, 상기 제1 및 제2 유리 기판을 용융(溶融)시켜 융착하는 제2 공정
을 구비하고,
상기 제1 및 제2 유리 기판의 재질은 무알칼리 유리 또는 소다 유리인,
레이저광에 의한 유리 기판 융착 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 공정에서는, 상기 레이저광을 상기 제1 및 제2 유리 기판의 레이저광이 조사되는 측면의 표면 근방으로 집광(集光)시키는, 레이저광에 의한 유리 기판 융착 방법.
밀착된 2매의 유리 기판에 레이저광을 조사하여 유리 기판끼리를 융착시키는 레이저 가공 장치이고,
밀착된 제1 유리 기판 및 제2 유리 기판이 재치(載置)되는 워크(work) 테이블과,
파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사하는 레이저광 조사 기구
를 구비하고,
상기 제1 및 제2 유리 기판의 재질은 무알칼리 유리 또는 소다 유리인,
레이저 가공 장치.
제3항에 있어서,
상기 레이저광 조사 기구는,
파장이 2.7 이상 6.0μm 이하의 레이저광을 발진(發振)하는 레이저 발진기와,
상기 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하여, 집광된 레이저광을 상기 제1 유리 기판과 상기 제2 유리 기판과의 접합부에 대하여 상기 제1 및 제2 유리 기판의 측면으로부터 조사하는 광학계
를 가지는,
레이저 가공 장치.
제4항에 있어서,
상기 광학계와 상기 워크 테이블을 상대적으로 이동시켜, 집광된 레이저광을 상기 접합부를 따라 주사(走査)하는 주사 기구를 더 구비한, 레이저 가공 장치.