KR102077667B1 - 박형 유리 층의 절단 방법 - Google Patents

박형 유리 층의 절단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 a) 펄스 레이저에 의해 발생되는 제1 레이저 빔(2)을 절단선(L)을 따라 이동시키는 단계로서, 여기서 제1 표면(I)과 제2 표면(II) 사이의 유리 층(1) 내부에 물질 변형부가 생성되는 것인 단계; b) 제2 레이저 빔(3)을 절단선(L)을 따라 이동시키는 단계로서, 여기서 유리 층(1)이 레이저 방사선에 의해 가열되는 것인 단계; c) 절단선(L)을 따라 유리 층(1)을 냉각시키는 단계로서, 여기서 유리 층(1)이 절단선(L)을 따라 파단되는 것인 단계를 포함하는, 제1 표면(I) 및 제2 표면(II)을 갖는 유리 층(1)의 절단 방법에 관한 것이다.

Description

박형 유리 층의 절단 방법
본 발명은 박형 유리 층의 절단 방법, 그에 적합한 장치, 및 그 방법에 의해 절단된 유리 층의 용도에 관한 것이다.
"박형 유리 층"이라는 용어는 전형적으로 대략 1.5 mm 이하의 두께를 갖는 유리 층을 의미하고; "초박형 유리 층"은 대략 0.3 mm 이하의 두께를 갖는 유리 층을 의미한다. 그러나, 또한, 초박형 유리 층은 0.1 mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 특히, 초박형 유리 층은 전자 장비에서 예를 들어 디스플레이 커버로 이용된다. 낮은 중량 외에도, 초박형 유리 층은 특히 그의 높은 필름-유사 가요성이 특징이다. 따라서, 초박형 유리 층은 특히 가요성 구성요소, 예를 들어 가요성 박막 태양 전지, OLED 소자 또는 전기적으로 스위칭가능한 특성을 갖는 필름-유사 능동 글레이징 소자에 이용된다. 다른 응용은 예를 들어 의료 장치 및 센서이다.
그러나, 또한, 박형 유리 층 및 초박형 유리 층은 창문 글레이징 분야에서 특히 복합 판유리의 구성요소로 이용될 수 있다. 그러한 복합 판유리가 자동차 부문에 이용될 때, 차량 중량이 감소될 수 있고, 이것은 예를 들어 연료 또는 배터리 용량 절약을 초래할 수 있다.
박형 유리 층 및 초박형 유리 층은 더 두꺼운 유리 판유리와는 기술적 가공 특성이 상이하고, 이렇게 하여 통상적인 기계적 유리 절단 방법이 종종 부적합한 박형 유리 층 및 초박형 유리 층의 가공 방법이 필요하다. 이것은 특히 초박형 유리 층에 적용되고, 초박형 유리 층의 경우에는 크기에 맞춰 절단하는 것은 마이크로균열 및 다른 손상을 갖는 거친 절단 에지를 초래할 수 있고, 낮은 두께 때문에 더 두꺼운 유리 판유리에 통례적인 후속 에지 가공은 불가능하다. 레이저 절단 방법이 더 좋은 결과를 야기하고, 예를 들어 WO 2012/067042 A1 및 WO 2013/050166 A1에서처럼 레이저 절단 방법이 박형 유리 층 및 초박형 유리 층에 이용되었다.
US 2013/0126573 A1은 유리 층의 절단 방법을 개시한다. 유리 층에 100 ps 미만의 펄스 지속시간을 갖는 유리 층 내부에 집속되는 펄스 레이저의 조사에 의해, 요망되는 절단선 형태의 미리 결정된 파단점이 생성된다. 레이저 방사선은 유리 층의 마이크로구조의 내부 변형부 (이른바 "필라멘트")를 초래하고, 이것은 절단선을 따라 배열되어 구조를 약화하고, 따라서 미리 결정된 파단점을 생성한다. 그 후, 기계적 압력에 의해 유리 층의 실제 파단이 수행된다.
기계적 압력에 의한 유리 파단은 대체로 수작업으로 수행되어야 하기 때문에, 기계적 압력에 의한 유리 파단은 산업적 대량 생산 공정에 가까스로 통합될 수 있다. 추가로, 압력을 가하는 도구가 요망되는 만큼 복잡하게 설계될 수 없기 때문에 절단선의 최대 곡률에 한계가 있다. 그러나, 큰 판유리로부터 다양한 작은 판유리를 절단해야 할 때, 과도한 물질 낭비를 피하기 위해 작은 곡률 반경 및 인접하는 절단 패턴의 절단선 사이의 작은 거리가 필요하다. 초박형 유리의 경우에는, 낮은 유리 두께와 관련된 취약성 때문에 이 어려움이 특히 높은 정도로 발생한다. 따라서, 유리와 직접적인 기계적 접촉 없이 효과적인 유리 분리 방법이 바람직하다.
WO 2014/075995 A2는 또 다른 유리 층의 절단 방법을 개시하고, 여기서는 미리 결정된 파단점이 이른바 "필라멘트" 형태로 생성된다. 필라멘트화와 관련된 유리 층의 바람직하지 않은 손상을 피하기 위해, 그 방법을 낮은-OH-이온 보호 분위기에서 수행하는 것이 제안된다.
US 2015/0034613 A1은 또 다른 유리 층의 절단 방법을 개시한다. 또한, 여기서는 미리 결정된 파단점이 유리 층 외부에 집속되는 레이저에 의한 필라멘트화에 의해 생성된다. 유리 층의 실제 파단은 또 다른 레이저의 조사에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 제2 레이저에 의한 강한 가열이 초박형 유리 층의 변형을 초래하기 때문에 이 방법은 초박형 유리에 특히 이용할 수 없다.
본 발명의 목적은 박형 또는 초박형 유리 층을 절단하기 위한 개선된 방법 및 그에 적합한 장치를 제공하는 것이다. 이 방법은 가장 평활한 가능한 절단 에지를 초래해야 하고, 유리 손상 위험이 낮아야 하고, 강한 곡률을 갖는 절단선을 가능하게 해야 한다.
본 발명의 목적은 본 발명에 따라서 독립 청구항 1에 따른 유리 층의 절단 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시양태는 종속항으로부터 드러난다.
유리 층은 제1 표면 및 제2 표면 뿐만 아니라 주변을 둘러싸는 측부 에지를 갖는다. 본 발명에 따른 유리 층의 절단 방법은 적어도 다음 공정 단계:
a) 펄스 레이저에 의해 발생되는 제1 레이저 빔을 절단선을 따라 이동시키는 단계이며, 여기서 제1 표면과 제2 표면 사이의 유리 층 내부에 물질 변형부가 생성되는 것인 단계,
b) 제2 레이저 빔을 절단선을 따라 이동시키는 단계이며, 여기서 유리 층이 레이저 방사선에 의해 가열되는 것인 단계,
c) 절단선을 따라 유리 층을 냉각시키는 단계이며, 여기서 유리 층이 절단선을 따라 파단되는 것인 단계
를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 이점은 절단이 기계적 가공 단계 (예컨대, 기계적 압력에 의한 파단) 없이 수행된다는 데 있다. 따라서, 성가신 손상 없이 평활한 절단 에지가 생성되도록 원활한 방식으로 유리 층이 절단되어 분리된다. 또한, 이 방법은 자동화된 가공에 아주 적합하다. 유리 층의 냉각은 유리에 적정한 장력을 생성하고 동시에 제2 레이저 빔에 의한 과도한 가열을 방지하며, 이렇게 하여 심지어 초박형 유리 층의 경우에도 바람직하지 않은 유리 변형이 효과적으로 방지될 수 있다. 유리를 파단하기 위해 적합한 도구에 의한 기계적 압력을 가할 필요 없기 때문에, 절단된 유리 층의 매우 작은 곡률 반경이 실현될 수 있다. 기계적 파단으로는 신뢰할만하게 가능하지 않은 2 mm 미만의 곡률 반경이 문제 없이 생성될 수 있다는 것이 입증되었다. 또한, 절단선을 그들 사이의 거리가 아주 작게 실현하는 것이 가능하다. 대면적 유리 층으로부터 부분영역들을 절단해야 할 때, 이것이 매우 작은 물질 손실(낭비)로 가능하다.
본 발명에 따라 절단된 유리 에지는 (관련 분야 숙련자에게 알려진 표준화된 4점 굽힘 시험에 따라서) 대략 100 MPa 내지 200 MPa의 범위, 예를 들어 대략 120 MPa의 에지 강도를 가지고, 따라서 그의 안정성은 더 두꺼운 유리 판유리의 경우에 통례적인 선행 기술에 따라 기계적으로 그라인딩된 에지와 비교할만하다.
따라서, 후속 가공 단계, 예컨대 에지 그라인딩이 불필요하고, 그 결과로 공정 비용 및 유리 파손 위험이 감소된다.
유리한 실시양태에서는, 절단된 유리 층의 윤곽이 2 mm 미만의 곡률 반경을 갖는다. 또 다른 유리한 실시양태에서는, 상이한 절단선 사이의 거리가 5 mm 미만이다. 그러한 값은 기계적 파단 방법으로는 달성될 수 없다.
절단될 유리 층은 유리하게는 1.5 mm 이하의 두께를 갖는다(박형 유리). 그러한 두께를 갖는 유리 층은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 문제없이 절단될 수 있다. 바람직한 실시양태에서는, 유리 층이 0.3 mm 이하 (초박형 유리), 예를 들어 0.03 mm 내지 0.3 mm, 또는 0.05 mm 내지 0.15 mm, 특히 바람직하게는 0.1 mm 이하의 두께를 갖는다. 그러한 낮은 두께 때문에, 이 방법의 이점이 특별한 중요성을 띤다. 초박형 유리의 경우, 기계적 가공 단계, 특히 유리의 기계적 파단을 갖는 방법은 깨끗하지 않은 파단 에지를 초래한다. 특히 초박형 유리 층의 경우에는 후속 냉각 없이 레이저 절단을 갖는 방법은 변형을 초래한다.
유리 층은 열에 의해 또는 화학적으로 예비응력을 받을 수 있거나, 부분적으로 예비응력을 받을 수 있거나 또는 예비응력을 받지 않을 수 있다. 바람직한 실시양태에서는, 유리 층이 예비응력을 받지 않는다. 특히, 그러한 유리 층의 경우에는, 파단을 초래하는 데 가열 및 냉각에 의한 장력 생성이 필요하다.
본 발명에 따른 방법에서는, 첫째, 펄스 레이저로 유리 층에 내부 물질 변형부를 생성한다. 이 물질 변형부는 이른바 "필라멘트"로 알려져 있다. 개개의 필라멘트는 절단선을 따라 일렬로 배열되고, 바람직하게는 서로 이격된다. 필라멘트 생성 메카니즘에 관해, 본 발명자들은 비선형 케르(Kerr) 효과로 인해 레이저 빔의 자기-집속이 일어나고, 그에 의해 더 높은 파워(power) 밀도가 달성된다고 추정한다. 이 높은 파워 밀도 때문에, 다광자 이온화, 장 이온화 및 전자 충격 이온화의 결과로 필라멘트가 발생한다. 이와 같이 하여 발생된 전자 플라즈마는 결국 자기-집속의 평형력으로서 탈집속을 초래한다. 필라멘트를 발생시키기 위한 유리 층을 통한 레이저 방사선의 통과 동안의 집속과 탈집속의 상호작용은 각 필라멘트 구조가 레이저 빔의 빔 방향을 따라 바람직하게는 유리 층의 표면에 수직으로 연장되는 일련의 번갈아서 나타나는 집속 지점 및 탈집속 지점을 갖는다는 사실을 초래한다. 추정 메카니즘의 더 상세한 논의를 위해, US 2013/0126573 A1, 특히 문단 [0043] 내지 [0048], 또한, [W.Watanabe: "Femtosecond Filamentary Modifications in Bulk Polymer Materials"(Laser Physics, Feb 2009, Vol. 19, No. 2, pp. 342-345), F. Piao, W.G. Oldham, E.E. Haller: "Ultraviolet-induced densification of fused silica"(J. of App. Phys., Vol. 87, No. 7, 2000), F. Ahmed et al.: "Display glass cutting by femtosecond laser induced single shot periodic void array"(Applied Physics A. 2008, No. 93, pp. 189-192), 및 S. Rezaei: "Burst-train generation for femtosecond laser filamentation-driven micromachining", Masters Thesis, University of Toronto, 2011]을 참조한다.
특히, 제1 레이저 빔에 의해 생성된 물질 변형부는 증가된 밀도의 국소 영역을 포함하고, 이것은 서술된 레이저 방사선의 자기-집속에 의해 생성된다.
제1 레이저 빔은 요망되는 절단선을 따라 이동된다. 레이저는 절단선을 따라 물질 약화를 생성하고, 이것은 추가 가공을 위한 미리 결정된 파단점을 생성한다. 바람직하게는, 이 공정에서, 유리 층의 제1 표면 및 제2 표면이 손상되지 않고, 즉, 긁힘, 노치 등이 제공되지 않는다. 바람직하게는, 제1 레이저 빔이 제1 표면 및 제2 표면 상의 물질 제거를 초래하지 않는다. 대신, 레이저 빔은 절단선을 따라 유리 층 내부에 한 줄로 나열된 마이크로구조 물질 변형부, 이른바 "필라멘트"를 생성한다. 이 필라멘트 각각은 일련의 레이저 펄스에 의해 생성된다. 레이저 방사선의 적절한 제어를 통해, 절단선을 따라 적합한 보통은 주기적인 간격으로 레이저 빔의 이동 동안에 그러한 일련의 레이저 펄스가 유리 층 상에 방출된다. 그러한 일련의 레이저 펄스는 빈번히 "펄스 트레인"(pulse train) 또는 "펄스 버스트"(pulse burst)라고 불린다. 각 펄스 트레인이 유리 층에 하나의 필라멘트를 생성한다. 따라서, 한 줄로 나열된 필라멘트가 절단선을 따라 형성되고, 여기서 인접 필라멘트는 그들 사이에 공간을 갖는다. 그러한 이격된 펄스 트레인을 발생시키는 방법은 예를 들어 이른바 "버스트 발생기"에 의해 관련 분야 숙련자에게 알려져 있다. 펄스 레이저 방사선을 이동시킴으로써, 그러한 상호 이격된 필라멘트의 트랙이 절단선을 따라 발생되어 미리 결정된 파단선을 생성한다. 말하자면, 유리 층이 필라멘트에 의해 천공된다. 물질 변형부는 밀도의 국소 증가라고 여길 수 있고, 이것은 상이한 굴절률과 관련된다.
바람직한 실시양태에서는, 제1 레이저 빔을 절단선을 따라 이동시키기 전에, 제1 레이저 빔의 초점을 유리 층의 제1 표면과 제2 표면 사이에 위치시킨다. 따라서, 표면을 손상시키지 않으면서 특히 좋은 내부 필라멘트가 생성될 수 있다.
유리한 실시양태에서는, 제1 레이저 빔이 10 ps 미만, 바람직하게는 10 ps 미만, 특히 바람직하게는 1 ps 미만, 가장 특히 바람직하게는 500 fs 미만의 펄스 길이를 갖는 펄스 레이저에 의해 생성된다. 그러한 짧은 펄스는 방사선의 자기-집속 면에서 특히 유리하다.
레이저 방사선에 의한 유리 층의 침투가 내부 물질 변형부를 생성하는 데 필수적이기 때문에, 바람직하게는 유리 층이 실질적으로 투명한 레이저 방사선의 파장이 선택된다. 바람직하게는, 유리 층은 이용되는 레이저 파장에서 적어도 80%, 특히 바람직하게는 적어도 90%의 투과율을 갖는다. 통례적인 유리 층의 경우, 가시 범위, 근 UV 범위, 또는 IR 범위, 예를 들어 300 nm 내지 2500 nm, 바람직하게는 300 nm 내지 1100 nm, 특히 바람직하게는 300 nm 내지 800 nm의 범위의 레이저가 이용될 수 있다. 특히 유리한 실시양태에서는, 제1 레이저 빔이 300 nm 내지 500 nm, 바람직하게는 320 nm 내지 400 nm, 예를 들어 355 nm의 파장을 갖는다. 이것은 우선 첫째로는 통례적인 유리 층의 투명성 면에서 유리하고, 그 다음으로는 적합한 경제적 레이저 시스템의 상업적 입수가능성 면에서 유리하다. 제1 레이저 빔은 바람직하게는 Q-스위칭으로 고체-상태 레이저에 의해 발생된다.
제1 레이저 빔의 반복율(펄스 주파수)는 바람직하게는 10 kHz 내지 1 MHz, 특히 바람직하게는 20 kHz 내지 500 kHz, 예를 들어 25 kHz 또는 100 kHz이다. 이와 같이 하여 좋은 결과가 달성된다. 그러나, 원리적으로, 심지어 상당히 더 높은 펄스 주파수, 예를 들어 100 MHz 이하가 이용될 수 있다.
제1 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저의 파워는 바람직하게는 5 W 내지 200 W, 특히 바람직하게는 20 W 내지 100 W이다. 펄스 에너지는 바람직하게는 4μJ 내지 500 μJ이다.
펄스 주파수 및 파워의 선택을 통해, 필라멘트가 연장되는 물질 깊이에 영향을 미치는 것이 가능하다. 바람직하게는, 필라멘트는 레이저 방사선이 유리 층 안으로 침투하는 유리 층의 표면에서부터 시작하여 유리 층의 두께의 적어도 40%, 특히 바람직하게는 적어도 50%, 가장 특히 바람직하게는 적어도 60%에 걸쳐 연장되어야 한다. 그래서, 미리 결정된 파단점이 유리하게 확연하고, 후속 물질 분리가 효율적이다. 박형 유리 층 및 초박형 유리 층의 경우에는, 바람직하게는 필라멘트가 유리 층의 전체 두께를 따라 연장된다.
바람직하게 주기적으로 발생하는 레이저 펄스 시리즈 (펄스 트레인)는 바람직하게는 1 kHz 미만, 예를 들어 200 Hz 내지 800 Hz의 범위의 반복율로 방출되고, 여기서 각 시리즈가 하나의 필라멘트를 생성한다. 각 펄스 트레인은 바람직하게는 적어도 5개 펄스로 이루어지고, 예를 들어 5 내지 15개 범위의 펄스로 이루어진다.
절단선을 따라 제1 레이저 빔의 이동 속도는 바람직하게는 50 mm/s 내지 1000 mm/s, 예를 들어 100 mm/s 내지 500 mm/s이다.
인접 필라멘트 사이의 거리는 레이저 방사선의 이동 속도 및 펄스 트레인의 반복율의 선택에 의해 정해질 수 있다. 거리는 바람직하게는 1 mm 미만, 특히 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 가장 특히 바람직하게는 20 ㎛ 미만, 예를 들어 1 ㎛ 내지 10 ㎛이다. 이와 같이 하여 유리한 물질 약화가 달성된다. 여기서, "거리"라는 용어는 외측 경계에 인접하는 필라멘트 사이의 최소 거리를 의미한다. 방사선 방향에 수직인 필라멘트의 치수는 예를 들어 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 2 ㎛ 내지 10 ㎛이다.
제1 레이저 빔은 바람직하게는 광학 소자 또는 시스템에 의해 유리 표면 상에 집속된다. 방사선 방향에 수직인 초점의 치수는 예를 들어 10 ㎛ 또는 심지어 그 미만일 수 있다.
부적합한 공정 수행의 경우, 절단된 에지에 부정적 영향을 끼치는 기포가 부작용으로 유리에 발생할 수 있다는 것이 입증되었다. 이 위험은 펄스 트레인의 레이저 펄스의 에너지를 계속 일정하게 함으로써가 아니라 레이저 펄스의 에너지를 공정 동안에 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 별법으로 또는 추가로, 또한, 펄스 트레인 동안에 펄스 사이의 시간 간격을 계속 일정하게 하는 것이 아니라 펄스 사이의 시간 간격을 길게 하는 것이 가능하다. 펄스 에너지는 4 μJ 내지 500 μJ의 범위에서 이동해야 하고, 연이은 두 펄스 사이의 시간 간격은 펄스 길이의 50 배 내지 5000 배의 범위이어야 한다.
미리 결정된 파단선이 제1 레이저 빔에 의해 발생된 후, 유리 층의 실제 파단이 제2 레이저 빔에 의해 달성된다. 제2 레이저 빔은 제1 표면 위에서 절단선을 따라 이동되고, 그 결과로 절단선의 영역에서 유리 층의 가열을 초래한다. 그 다음, 유리 층이 절단선을 따라 냉각되고, 그에 의해 유리 층이 생성된 열 장력 때문에 절단선을 따라 파단된다. 제2 레이저 빔 및 냉각의 조합은 심지어 0.3 mm 미만 두께의 초박형 유리 층을 절단하기에 적정한 장력을 생성한다.
공정 단계의 시간적 순서는 제2 레이저 조사가 시작되기 전에 제1 레이저 조사가 전체 절단선을 따라 완료되어야 한다거나 또는 냉각이 시작되기 전에 제2 레이저 조사가 전체 절단선을 따라 완료되어야 한다는 것을 의미하지 않는다. 대신, 제1 레이저 빔이 아직 절단선을 따라 이동하고 있을 때, 제1 레이저 빔에 의해 이미 스위핑된 영역에 제2 레이저 빔의 조사를 이미 시작하는 것이 가능하다. 또한, 제2 레이저 빔이 아직 절단선 위에서 이동하고 있을 때 제2 레이저 빔에 의해 이미 스위핑된 절단선의 영역의 냉각을 이미 시작하는 것이 가능하다. 특히, 이 마지막으로 언급된 변이형이 유리한데, 그 이유는 필요한 열 장력을 생성하기 위해서는 제2 레이저 빔에 의한 가열과 급속 냉각 사이에 너무 많은 시간이 지나지 않아야 하기 때문이다. 바람직하게는, 냉각 수단(장치)이 이동 방향에서 제2 레이저 빔 뒤에 배열되고, 제2 레이저 빔 및 냉각 수단이 절단선을 따라 동일 속도로 이동된다.
유리 층은 절단선을 따라 레이저 방사선에 의해 가열된다. 따라서, 유리 층이 높은 흡수 계수를 갖는 파장을 갖는 레이저 방사선이 특히 적합하다. 이 이유 때문에, 중심 적외 범위의 레이저 방사선이 특히 적합하다. 레이저 방사선은 예를 들어 800 nm 내지 20 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 특히 바람직하게는 5 ㎛ 내지 15 ㎛의 파장을 갖는다. 전형적으로 9.4 ㎛ 또는 10.6 ㎛의 파장을 갖는 CO2 레이저가 특히 적합하다. 또한, 예를 들어 Nd:YAG-레이저로 좋은 결과가 얻어진다. 그러나, 또한, 예를 들어 다이오드 레이저 또는 고체-상태 레이저도 이용될 수 있다.
제2 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저는 바람직하게는 연속파 모드(CW)로 작동된다. 이와 같이 하여 유리 층의 좋은 가열이 달성된다는 것이 밝혀졌다. 추가로, 연속파 작동은 펄스 작동보다 실시하기가 기술적으로 더 간단하다.
바람직한 실시양태에서는, 제2 레이저 빔이 유리 층의 표면 중 하나 상에 집속된다. 집속은 이 방법을 수행하는 것을 용이하게 한다. 그러나, 필요한 가열을 얻는 데 특히 강한 또는 정확한 집속이 요구되지는 않는다.
제2 레이저 빔은 바람직하게는 광학 소자 또는 시스템에 의해 유리 표면 상에 집속되고, 여기서 바람직하게는 장방형, 거의 타원형 빔 프로파일이 예를 들어 원통형 렌즈로 생성된다. 장방형 빔 프로파일의 장축은 바람직하게는 절단선 방향으로 정렬된다. 유리 표면 상의 빔 프로파일의 길이는 바람직하게는 1 mm 내지 50 mm이고; 폭은 바람직하게는 100 ㎛ 내지 1 mm이다. 이 경우, 특히 깨끗한 절단 에지 면에서 특히 좋은 결과가 얻어진다. 광학 소자의 초점 길이는 예를 들어 100 mm 내지 250 mm이다. 이 경우, 좋은 결과가 얻어진다. 또한, 장방형 빔 프로파일은 레이저 스캐닝에 의해 생성될 수 있다. 또한, 다른 빔 프로파일, 예를 들어 둥근 빔 프로파일도 이용될 수 있다.
바람직하게는, 제2 레이저 빔은 유리 표면 위에서 1 m/분 내지 30 m/분, 특히 바람직하게는 5 m/분 내지 20 m/분, 가장 특히 바람직하게는 10 m/분 내지 15 m/분의 속도로 이동된다. 이와 같이 하여 특히 좋은 결과가 얻어진다.
제2 레이저 빔의 파워(출력)는 바람직하게는 30 W 내지 1 kW, 예를 들어 50 W 내지 100 W이다. 그러한 파워의 경우, 유리 층의 적정한 가열이 달성될 수 있다. 그러나, 또한, 상당히 더 높은 파워가 이용될 수 있다.
원리적으로, 절단선을 따라 제1 및 제2 레이저 빔 및 냉각제의 이동은 유리 층의 이동에 의해 및/또는 레이저 방사선 및 냉각제의 이동에 의해 수행될 수 있다. 유리 층(특히, 움직이지 않는 유리 층) 위에서 레이저 빔의 이동을 위해서는, 공지된 그 자체의 레이저 장치가 적합하고, 가장 간단한 경우는 1개의 또는 복수의 기울일 수 있는 거울이다. 또한, 예를 들어, 레이저 방사선은 유리 표면 위에서 광도파로, 예를 들어 유리 섬유의 이동에 의해 이동될 수 있다. 그러나, 냉각제를 움직이지 않게 두고 단지 유리 판유리를 이동시키는 것이 더 간단하고, 따라서 바람직할 수 있다.
가열 후, 유리 표면이 냉각된다. 연속적인 가열 및 냉각에 의해, 절단선을 따라 열 장력이 생성되고, 박형 또는 초박형 유리 층의 경우에는 요망되는 파단을 자동적으로 초래한다. 게다가, 특히 초박형 유리 층의 경우에, 냉각은 가열된 유리의 변형을 방지한다. 바람직하게는 냉각은 유리 표면을 절단선을 따라 기체 및/또는 액체 냉각제와 충돌시킴으로써 수행된다. 본 발명은 특정 냉각제에 제한되지 않는다. 바람직한 냉각제는 냉각된 기체 및/또는 물이고, 그 이유는 그러한 냉각이 실현하기 간단하고 경제적이기 때문이다. 적합한 기체는 예를 들어 이산화탄소 또는 질소이다.
냉각제는 바람직하게는 노즐에 의해 절단선을 따라 유리 표면 상에 제공된다. 바람직하게는 노즐은 제2 레이저 빔 뒤에서 동일 속도로 유리 표면 위에서 이동된다. 레이저 방사선에 의한 유리 층의 가열과 유리 층의 냉각("퀀칭") 사이의 시간차는 바람직하게는 10 ms 내지 500 ms, 특히 바람직하게는 50 ms 내지 100 ms이다. 특히 적합한 열 장력이 생성되고, 깨끗한 파단 에지를 갖는 효과적인 파단을 초래한다.
본 발명에 따른 방법의 이점은 전형적으로 초박형 유리 층이 출발 상태에서 롤 상에 둥글게 감겨 있는 산업적 대량 생산에 그것이 간단한 방식으로 통합될 수 있다는 것이다. 따라서, 유리한 실시양태에서는, 초박형 유리 층이 절단 직전에 롤에서 풀린다.
유리 층은 특정 유형의 유리에 제한되지 않는다. 대신, 원리적으로, 본 발명에 따른 방법은 임의의 조성의 유리 층에 이용가능하다. 유리 층은 예를 들어 소다 석회 유리 또는 보로실리케이트 유리를 포함한다.
추가로, 본 발명은 적어도
- 제1 표면과 제2 표면 사이의 유리 층 내부에 물질 변형부를 생성하기 위해 절단선을 따라 이동하도록 제공되고 또한 그에 적합한, 제1 레이저 빔을 발생시키기 위한 펄스 레이저,
- 유리 층을 가열하기 위해 절단선을 따라 이동하도록 제공되고 또한 그에 적합한, 제2 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저, 및
- 절단선을 따라 유리 층을 냉각시키기 위한 수단
을 포함하는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 유리 층 절단 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 방법과 관련해서 위에 제시된 유리한 실시양태는 동일한 방식으로 장치에 적용된다.
장치는 한편으로는 유리 층 및 다른 한편으로는 레이저 빔 뿐만 아니라 냉각제를 서로에 대해 이동시키는 수단을 포함한다. 이것은 유리 층의 이동 또는 레이저 빔 뿐만 아니라 냉각제의 이동을 통해 수행될 수 있다.
유리한 실시양태에서는, 장치가 초박형 유리 층이 제공된 롤이 삽입될 수 있는 롤 홀더를 추가로 포함한다. 롤 홀더는 롤로부터 풀리는 유리가 제1 레이저 빔, 제2 레이저 빔 및 냉각 수단으로 가공될 수 있도록 배열된다.
본 발명은 박막 태양 전지 또는 스위칭가능한, 특히 전기적으로 스위칭가능한 특성을 갖는 능동 글레이징, 바람직하게는 전기변색 소자, PDLC 소자 (중합체 분산형 액정), 전기발광 소자, 유기 발광 다이오드 (OLED), 또는 SPD 소자 (부유 입자 장치)에서의, 본 발명에 따라 절단된 유리 층의 용도를 추가로 포함한다. 또한, 유리 층은 차량 글레이징, 예를 들어 승용차, 트럭, 또는 철도 차량, 예컨대 열차 또는 시내 전차의 구성요소로 이용될 수 있다. 유리 층은 예를 들어 적층된 옆 창문 판유리의 구성요소로서, 특히 적층물의 내부 판유리로서 이용될 수 있다.
본 발명은 도면 및 범례적 실시양태와 관련해서 상세히 설명된다. 도면은 개략적 표현이고, 정확한 척도로 나타낸 것이 아니다. 도면은 결코 본 발명을 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 방법 동안의 유리 층의 투시도이다.
도 2는 절단선(L)을 따르는 유리 층의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 범례적 실시양태의 흐름도이다.
도 1 및 도 2는 각 경우에서 유리 층(1), 예를 들어 80 ㎛의 두께를 갖는 초박형 유리 층을 절단하기 위한 본 발명에 따른 방법의 개략적 표현의 상세도를 나타낸다.
먼저, 두 유리 표면(I, II) 사이의 유리 층(1) 내부에 집속되는 제1 레이저 빔(2)을 요망되는 절단선(L)을 따라 이동시킨다. 제1 레이저 빔(2)은 예를 들어 500 fs의 펄스 길이, 예를 들어 25 kHz의 펄스 주파수, 예를 들어 50 W의 파워 및 예를 들어 355 nm의 파장을 갖는 펄스 레이저에 의해 발생된다. 적합한 레이저는 예를 들어 Q-스위칭되는 고체-상태 레이저, 특히 다이오드-펌핑 고체-상태 레이저이다. 유리 층(1)은 제1 레이저 빔의 파장에서 거의 투명하다. 그러나, 고도로 집중되는 레이저 방사선은 유리 물질의 내부 변형부, 이른바 "필라멘트"(5)를 초래한다. 이 변형부(5)는 유리 내부에 제한되고; 유리 표면(I, II)은 변하거나 손상되지 않는다. 물질 변형부(5)는 절단선(L)을 따라 일렬로 배열된다. 물질 변형부(5)와 관련된 유리 층의 국소적 약화가 절단선(L)을 미리 결정된 파단점으로 정한다. 각 필라멘트는 제1 레이저 빔(2)의 펄스 트레인에 의해 생성된다. 서로 분리된 펄스 트레인은 각 경우에 예를 들어 5개의 펄스를 포함하고, 이른바 "버스트 발생기"로 생성된다.
그 다음, 제2 레이저 빔(3)을 절단선(L)을 따라 이동시킨다. 제2 레이저 빔(3)은 예를 들어 10.6 ㎛의 파장 및 50 W의 파워를 갖는 연속파 모드의 CO2 레이저의 빔이다. 제2 레이저 빔(3)은 장방형 빔 프로파일을 갖는 원통형 광학체(나타내지 않음)에 의해 유리 표면 상에 집속된다. 유리 표면 상에서, 프로파일은 예를 들어 30 mm의 길이 및 500 ㎛의 폭을 갖는다. 빔 프로파일은 절단선(L)을 따라 정렬되고, 즉, 빔 프로파일의 장축이 절단선(L) 상에 있다. 제2 레이저 빔(3)은 유리 층(1)에 의해 효과적으로 흡수되고, 이와 같이 하여 절단선(L)을 따라 유리 층을 가열한다.
제2 레이저 빔(3) 뒤에서, 노즐(4)을 절단선(L)을 따라 이동시킨다. 레이저 빔(3) 및 노즐(4)은 동일 속도로 이동한다. 유리 층은 노즐(4)에 의해 냉각제, 예를 들어 CO2와 충돌된다. 가열된 유리 층의 급속 냉각은 열 장력을 초래하고, 그 결과로 절단선(L)을 따라 유리 층(1)의 파단을 초래한다.
도면에 나타낸 화살표는 움직임 방향을 나타낸다. 제1 레이저 빔(2)의 이동 속도(v1)는 예를 들어 125 mm/s이다. 제2 레이저 빔(3) 및 노즐(4)은 예를 들어 250 mm/s의 속도(v2)로 직접적으로 연속하여 이동된다.
절단선(L)은 직선으로 개략적으로 묘사된다. 그러나, 실제로는, 매우 복잡한 형상이 실현될 수 있다. 예를 들어, 대면적 유리 층으로부터 사실상 임의의 형상을 갖는 더 작은 판유리가 절단될 수 있다. 입증된 바와 같이, 유리 층의 파단은 열 장력으로 인해 자동적으로 일어난다. 따라서, 압력을 가하는 것에 의한 능동 파단을 생략할 수 있다. 따라서, 작은 곡률 반경이 실현될 수 있고, 물질 낭비가 감소될 수 있다. 추가로, 이 방법은 성가신 손상, 예컨대 마이크로균열 없이 평활한 절단 에지를 생성한다. 이것들이 본 발명의 주요 이점이다.
도 3은 유리 층을 절단하기 위한 본 발명에 따른 방법의 범례적 실시양태를 묘사한다.
실시예 1
50-㎛ 두께 유리 층들을 다양한 절단 방법으로 절단하였고, 분리 효과를 비교하였다. 대다수의 경우에서의 공정 조건 및 관찰을 표 1에 요약한다.
<표 1>
Figure 112018013314320-pct00001
본 발명에 따른 방법 B만 유리 층의 신뢰할만한 분리를 초래하였다. 냉각이 없는 경우(방법 A), 초박형 유리 층의 열 로딩이 명백히 너무 높아서 변형이 발생한다.
실시예 2
다양한 절단 방법을 이용하여 50 ㎛ 두께 유리 층으로부터 1.5 mm의 곡률 반경을 갖는 형상을 절단하였다. 대다수의 경우에서의 가공 조건 및 관찰을 표 2에 요약한다.
<표 2>
Figure 112018013314320-pct00002
본 발명에 따른 방법 B에 의해, 복잡한 형상을 문제없이 절단해 내는 것이 가능하였다. 기계적 압력을 이용하는 비교 방법 A의 경우, 분리 동안에 복잡한 형상이 손상되었다.
1: 유리 층
2: 제1 레이저 빔 (L을 따라 미리 결정된 파단선을 생성하기 위함)
3: 제2 레이저 빔 (유리 층(1)을 자르기 위함)
4: 유리 층(1)을 냉각시키기 위한 노즐
5: 필라멘트/국소적 내부 물질 변형부
v1: 제1 레이저 빔(2)의 이동 속도
v2: 제2 레이저 빔(3)의 이동 속도
L: 절단선
I: 유리 층(1)의 제1 표면
II: 유리 층(1)의 제2 표면

Claims (15)

  1. 제1 표면(I) 및 제2 표면(II)을 갖고, 0.3 mm 이하의 두께를 갖는 유리 층(1)의 절단 방법이며,
    적어도
    a) 펄스 레이저에 의해 발생되는 제1 레이저 빔(2)을 절단선(L)을 따라 이동시켜서, 제1 표면(I)과 제2 표면(II) 사이의 유리 층(1) 내부에 물질 변형부(5)를 생성하는 단계와,
    b) 제2 레이저 빔(3)을 절단선(L)을 따라 이동시켜서, 레이저 방사선에 의해 유리 층(1)을 가열하는 단계와,
    c) 절단선(L)을 따라 유리 층(1)을 냉각시켜서, 절단선(L)을 따라 유리 층(1)을 파단하는 단계를 포함하고,
    제1 레이저 빔(2)은, 1 ps 미만의 펄스 길이, 20 kHz 내지 500 kHz의 반복, 300 nm 내지 500 nm의 파장 및 20 W 내지 100 W의 파워를 갖는 펄스 레이저에 의해 발생되고,
    제1 레이저 빔(2)에 의해 생성되는 물질 변형부(5)가, 레이저 방사선의 자기-집속을 통해 발생되는 증가된 밀도의 국소 영역을 포함하고,
    제1 레이저 빔(2)의 초점이 제1 표면(I)과 제2 표면(II) 사이에 위치하는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    유리 층(1)이 0.1 mm 이하의 두께를 갖는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 레이저 빔(2)이 500 fs 미만의 펄스 길이를 갖는 펄스 레이저에 의해 발생되는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 레이저 빔(2)이 320 nm 내지 400 nm의 파장을 갖는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    절단선(L)을 따라 인접하는 물질 변형부(5)들 사이의 거리가 100 ㎛ 미만 또는 20 ㎛ 미만인,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 물질 변형부(5)가 펄스 트레인(pulse train)에 의해 발생되고, 펄스 트레인에서 연이은 펄스들의 펄스 에너지가 감소하고, 펄스 에너지가 4 μJ 내지 500 μJ인,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 물질 변형부(5)가 펄스 트레인에 의해 발생되고, 펄스 트레인에서 연이은 펄스들 사이의 시간 간격이 더 커지고, 펄스 길이의 50 배 내지 5000 배인,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 레이저 빔(3)이 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 또는 5 ㎛ 내지 15 ㎛의 파장을 갖는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 레이저 빔(3)이 연속파 모드의 레이저에 의해 발생되는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 레이저 빔(3)이 30 W 내지 1 kW의 파워를 갖는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유리 층(1)의 냉각이 절단선(L)을 따라 기체 및/또는 액체 냉각제와 충돌시키는 것에 의해 수행되는,
    유리 층(1)의 절단 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 따른 유리 층(1)의 절단 방법으로 절단된 유리 층(1)이며,
    유리 층(1)은, 박막 태양 전지, 스위칭가능한 또는 전기적으로 스위칭가능한 특성을 갖는 능동 글레이징, 전기변색 소자, PDLC 소자(중합체 분산형 액정), 전기발광 소자, 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 SPD 소자(부유 입자 장치) 내에서 사용되거나, 차량 글레이징의 구성 요소로서 사용되는,
    유리 층(1).
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