KR102209714B1 - 취성재료로 구성된 구조물의 절단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 회전축을 구비하는 취성체를 마련하는 단계, 레이저 조사 수단에 의해, 상기 취성체에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성하는 단계 및 상기 스크라이빙 라인으로부터 이격된 상기 취성체의 제1 영역에 사전에 설정된 주파수로 진동하는 진동 수단을 접촉하여, 상기 취성체를 절단하는 단계를 포함하는 취성체 절단 방법을 제공한다.

Description

취성재료로 구성된 구조물의 절단 방법 및 장치{A method of cutting a structure having brittle materials and its apparatus}
본 발명의 실시예는 취성재료로 구성된 구조물(이하 취성체)의 절단 방법 및 장치에 관한 것이다.
취성체를 절단하는 방법으로 주로 레이저 가공방법 및 기계식 가공방법이 있으며, 이러한 방법은 재료의 형태에 따라 여러가지 다양한 방식으로 사용된다. 레이저 가공방법은 비접촉 방식으로 기계식 가공방법에 비해 분진 발생이 적고, 절단면의 품질을 높여 외부 충격에 의한 강도를 증가시키기 위해 사용되며, 레이저 소스로 이산화탄소 레이저(CO2 laser), 자외선 레이저(UV laser), 적외선 레이저(IR laser) 등을 이용한다. 한편, 기계식 가공방법으로는 전통적인 유리 절단 방법인 다이아몬드 팁 또는 휠(wheel)을 이용하여 취성재료 표면에 물리적인 크랙을 형성한 후 바(bar), 롤러(roller), 벤딩(bending) 등의 방법을 사용하여 브레이킹(braking)을 진행하게 된다.
그러나, 상기한 취성체를 절단하는 방법은 판형 취성체에 대한 것으로서, 취성체는 그 특성 상 판형 취성체에 적용되는 절단 방법을 그대로 채용할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 별도의 연마 공정없이 고품질의 절단면을 구비하는 취성체를 절단하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 회전축을 구비하는 취성체를 마련하는 단계, 레이저 조사 수단에 의해, 상기 취성체에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성하는 단계 및 상기 스크라이빙 라인으로부터 이격된 상기 취성체의 제1 영역에 사전에 설정된 주파수로 진동하는 진동 수단을 접촉하여, 상기 취성체를 절단하는 단계를 포함하는 취성체 절단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는, 상기 취성체를 상기 회전축에 대하여 회전시키는 단계 및 상기 회전하는 취성체에 상기 레이저를 조사하되, 상기 레이저의 초점위치가 상기 취성체의 중심부에서 상기 취성체의 외측부로 이동하도록 상기 레이저를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는 상기 레이저 조사 수단을 상기 취성체의 중심부에서 외측부로 향하는 제1 방향으로 이동하면서 상기 레이저를 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는 상기 레이저 조사 수단을 상기 제1 방향으로 이동하면서 상기 레이저를 조사하되, 상기 제1 방향에 대하여 수직한 제2 방향으로 상기 레이저 조사 수단을 왕복이동하면서 상기 레이저를 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 취성체를 절단하는 단계는 상기 진동 수단을 이용하여 상기 취성체를 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진동 수단의 가압 방향은 상기 설정된 레이저 조사 방향과 반대 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 조사 방향은 상기 취성체의 회전축과 교차할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 취성체는 원형 취성체며, 상기 원형 취성체의 1 회전 주기 동안, 상기 레이저 조사 수단은 상기 회전축에 대해 일정한 거리를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 취성체는 다각형 취성체며, 상기 다각형 취성체의 1 회전 주기 동안, 상기 레이저 조사 수단은 상기 회전축에 대한 거리가 주기적으로 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제2 항에 의해 절단되는 절단면을 포함하며, 상기 절단면은 레이저 가공면인, 취성체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절단면의 가공패턴은 무방향성(non-oriented)을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 회전축을 구비하는 취성체를 회전시키는 회전 수단, 상기 취성체에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성하는 레이저 조사 수단 및 사전에 설정된 주파수로 진동하면서 상기 스크라이빙 라인으로부터 이격된 상기 취성체의 제1 영역과 접촉하여 상기 취성체로 진동에너지를 전달하는 진동 수단을 포함하는, 취성체 절단 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 레이저를 조사하기 위해 취성체의 위치를 확인하는 얼라인 카메라를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 조사 수단은 상기 회전 수단에 의해 회전하는 상기 취성체에 상기 레이저를 조사하되, 상기 레이저의 초점 위치가 상기 취성체의 중심부에서 상기 취성체의 외측부로 이동하도록 상기 레이저를 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진동 수단은 상기 레이저의 초점 위치의 이동 방향인 제1 방향에 대하여 반대 방향으로 상기 취성체를 가압하는 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진동 수단의 팁은 볼 타입(Ball type) 및 롤러 타입(Roller type) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 취성체 절단 방법은 레이저와 진동자를 결합하여 절단을 수행함으로써, 취성체라는 형상의 특수성을 갖는 가공대상체를 용이하게 절단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 취성체 절단 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 취성체 절단 방법에 의해 취성체가 절단되는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 방법을 이용하여 이형 가공된 절단 부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 3의 취성체 절단 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 도 8의 취성체 절단 방법에 있어 회전 주기에 따른 레이저 조사 수단의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 3의 취성체 절단 방법을 이용하여 다각형 의 취성체를 절단하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 취성체 절단 방법에 있어 회전 주기에 따른 레이저 조사 수단의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 장치(10)를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 취성체 절단 장치(10)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 장치(10)는 고정 수단(110), 레이저 조사 수단(130), 진동 수단(140) 및 회전 수단(120)을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 취성체(T)란, 회전축을 구비하는 절단대상체를 의미하며, 특히, 중공(T0, 도 4 참조)을 구비하며 중공(T0)을 감싸는 내면(A1) 및 상기 내면(A1)보다 외측에 위치하는 외면(A2)로 이루어지는 튜브(tubular) 형태의 관형 취성체일 수 있다. 취성체(T)는 쿼츠(quartz), 소다라임(sodalime), 봉규산염(Borosilicate)과 같은 유리 재질을 포함하는 취성재료로 이루어질 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않으며 레이저 및 진동자를 이용하여 절단가능한 다양한 재질의 절단대상체에 적용될 수 있음은 물론이다. 취성체(T)의 단면은 원형이거나, 삼각형, 사각형과 같은 다각형으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않고 후술하는 회전 수단(120)에 의해 회전이 가능한 절단대상체는 모두 포함될 수 있다.
고정 수단(110)은 상기 취성체(T)의 일단을 고정하며, 예를 들면, 취성체(T)의 일단의 외면을 감싸 고정하는 척(chuck) 부재일 수 있다. 고정 수단(110)은 하나로 구비되어 적어도 취성체(T)의 일단을 고정시킬 수 있으며, 후술하는 스크라이빙 라인(Sc)로부터 이격된 취성체(T)의 외면에 진동 수단(140)을 가압하는 동안에 취성체(T)의 일단이 흔들리지 않게 고정시키는 기능을 수행할 수 있다. 다른 실시예로서, 도시된 바와 같이, 고정수단(110)은 취성체(T)의 일단에 대향되는 타단 또는 일단으로부터 이격된 일 영역을 고정하는 적어도 하나의 보조 고정수단(115)을 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 고정수단(110)은 취성체(T)의 길이에 상관없이 안정적인 고정이 가능하며, 취성체(T)의 본체부분으로부터 절단되는 절단부분(T', 도 6 참조)의 의도치 않은 낙하를 방지할 수 있다. 다시 말해, 취성체를 절단하더라도 두 개의 고정수단(110)과 보조 고정수단(115) 이 취성체를 안정적으로 고정함으로써 낙하를 방지할 수 있다.
한편, 취성체 절단 장치(10)는 취성체(T)에 사전에 설정된 경로의 스크라이빙 라인(Sc)을 형성하기 위해, 취성체(T) 둘레를 따라 레이저를 조사하게 된다. 이때, 취성체(T)는 고정되고, 후술하는 레이저 조사 수단(130)이 취성체(T)를 중심으로 회전하여 상기한 스크라이빙 라인(SC)을 형성할 수 있다. 다만, 구현 용이성을 위해, 이하에서는 취성체(T)를 회전시키면서 고정된 레이저 조사 수단을 통해 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인(Sc)을 형성하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
취성체 절단 장치(10)는 취성체(T)를 회전시키기 위하여 고정 수단(110)과 연결되는 회전 수단(120)을 더 포함할 수 있다. 회전 수단(120)은 모터(motor), 액츄에이터(actuator)와 같은 구동수단일 수 있으며, 연결된 고정 수단(110)을 회전시키는 것에 의해 취성체(T)를 회전시킬 수 있다. 이때, 회전 수단(120)은 상기 취성체(T)를 등속도로 회전시킬 수 있다.
레이저 조사 수단(130)은 취성체(T)에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인(scribing line, Sc)을 형성할 수 있다. 레이저 조사 수단(130)은 레이저를 베셀빔 가공 방법 또는 필라멘테이션 가공 방법으로 취성체에 조사할 수 있다. 다시 말해, 레이저 조사 수단(130)은 필라멘테이션(filamentation) 가공방법을 통해 레이저를 베셀빔(Bessel beam) 형태로 형성하여 취성체(T)로 조사할 수 있다.
여기서, 필라멘테이션(filamentation) 가공방법은 필라멘테이션 현상을 이용한 가공방법으로서, 필라멘테이션 현상은 펨토초 레이저를 유리 내부에 집속하면 특정 조건에서 수 내지 수십 레일리거리(Rayleigh length) 이상으로 길게 플라즈마가 발생하는 현상을 의미한다. 다시 말해, 투명한 유리처럼 커효과(Kerr effect)를 갖는 재료에서 집속된 레이저 펄스가 자기집속이 일어나기 위해서는 임계값 이상의 펄스가 조사되어야 한다. 자기집속 이후 플라즈마 분산 현상이 발생하며, 자기집속에 의해 더욱 더 집속된 빔은 국부적으로 손상임계점을 초과할만큼 크지만 아발란체 이온화를 일으킬만큼 펄스폭이 길지 않아 이온화가 일어나되 재료에 영구적인 손상을 주지 않게 된다. 이러한 자기집속과 플라즈마 분산이 균형을 이루며 연속적으로 발생하면, 그 길이가 수 레일리거리(Rayleigh length)에 걸쳐 연속적인 굴절률 변화가 일어나게 되는데, 이러한 현상을 필라멘테이션 현상이라 한다. 본 발명은 이러한 필라멘테이션 가공방법을 이용하여 취성체(T)의 절단면의 가공품질을 향상시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않는다.
레이저 조사 수단(130)은 직접 레이저를 발생시켜 취성체(T)를 향하여 조사할 수 있으나, 다른 실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부에 배치되는 레이저 발생 수단(137)으로부터 발생된 레이저(L)를 제공받아 이를 취성체(T)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 레이저 조사 수단(130)은 레이저 발생 수단(137)으로부터 제공되는 레이저(L)를 베셀빔(Bessel beam) 형태로 변경하고, 변경된 레이저를 상기 취성체(T)로 안내하는 광학부(133) 및 광조사부(131)를 포함할 수 있다. 도면에서는 광학부(133)가 레이저(L)를 반사시켜 경로를 변경하는 미러(mirror, 1331)만을 도시하였으나, 이에 제한되지 않으며, 레이저(L)의 경로를 변경하기 위한 복수의 미러 또는 복수의 렌즈를 포함할 수 있음은 물론이다.
한편, 레이저 조사 수단(130)은 회전 수단(120)에 의해 회전하는 취성체(T)에 레이저(L)를 조사하되, 레이저(L)의 초점 위치가 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 이동하도록 레이저(L)를 조사할 수 있다. 레이저 조사 수단(130)이 레이저(L)의 초점 위치를 외면(A2)부터 조사하는 경우, 가공된 부분이 레이저의 경로 상에 위치하게 되므로 가공부분에 의해 레이저가 분산되는 등 정확한 초점 위치를 맞추기가 어렵다. 따라서, 본 발명의 레이저 조사 수단(130)은 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 레이저(L)의 초점 위치가 이동하도록 레이저를 조사한다. 다시 말해, 레이저 조사 수단(130)은 취성체(T)의 길이 방향(x방향)에 대하여 교차하는 제1 방향(z방향), 좀 더 구체적으로 길이 방향(x방향)에 수직하는 제1 방향(z방향)으로 레이저(L)의 초점 위치를 이동시키면서 레이저(L)를 조사할 수 있다.
특히, 레이저 조사 수단(130)은 레이저(L)의 초점 위치를 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 이동시키면서 레이저(L)를 조사할 수 있다. 이때, 취성체 절단 장치(10)는 레이저 조사 수단(130)의 위치를 조절하는 위치 조절 수단(105)을 구비하여, 레이저 조사 수단(130)의 위치에 따라 레이저(L)의 초점 위치를 이동할 수 있다. 위치 조절 수단(105)은 적어도 레이저 조사 수단(130)을 제1 방향(z방향)으로 이동시키는 제1 방향이동부를 포함할 수 있다. 또한, 위치 조절 수단(105)은 레이저 조사 수단(130)을 제1 방향(z방향)에 수직한 x방향 및 y 방향으로 이동시키는 제2 방향이동부 및 제3 방향이동부를 더 포함하여, 3축 방향으로 레이저 조사 수단(130)의 위치를 제어할 수 있고 이를 통해 다양한 형태로 절단대상체를 절단할 수 있다.
한편, 진동 수단(140)은 사전에 설정된 주파수로 진동하면서 스크라이빙 라인(Sc)으로부터 이격된 취성체(T)의 제1 영역과 접촉하여 취성체(T)로 진동에너지를 전달할 수 있다. 진동 수단(140)은 진동에너지를 발생시키는 진동 발생부(143)와 취성체(T)와 직접 접촉(contact)하여 진동 발생부(143)로부터 생성된 진동에너지를 취성체(T)로 제공하는 진동 팁부(141)를 포함할 수 있다.
진동 수단(140)은 취성체(T)가 정지한 상태 또는 회전하는 상태 모두 접촉이 가능하며, 정지한 상태인 경우 선접촉 또는 면접촉을 통해 취성체(T)와 접촉하고, 회전하는 상태인 경우 선 또는 점접촉을통해 취성체(T)와 접촉할 수 있다. 다시 말해, 진동수단(140)의 팁이 볼(Ball) 타입인 경우에, 취성체(T)의 정지 상태 및 회전 상태에서 모두 점 접촉을 통해 접촉할 수 있다. 또는, 진동수단(140)의 팁이 롤러(Roller) 타입인 경우에, 취성체(T)의 정지 상태 및 회전 상태에서 모두 선 접촉을 통해 접촉할 수 있다. 다른 실시예로서, 진동수단(140)의 팁이 취성체의 곡면에 대응하는 원통(Cylinder) 타입으로 형성되는 경우에는 면접촉을 통해 취성체(T)와 접촉할 수 있다. 정지 또는 회전 상태에 따라 진동 팁부의 접촉 방식을 달리함에 따라 보다 효과적으로 절단대상체를 절단할 수 있게 된다. 일 실시예로서, 진동 수단(140)은 초음파 진동(ultrasonic oscillation)을 이용할 수 있으며, 음원에 따라 자왜형, 압전/전왜형 및 전자형 진동자를 사용할 수 있다. 또한, 공진 주파수의 범위는 20 kHz 이상 400 kHz 이하의 범위일 수 있다.
한편, 진동 수단(140)은 취성체(T)를 가압하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 진동 수단(140)은 취성체(T)를 가압할 수 있는 어떠한 방향으로든 가압할 수 있다. 일 실시예로서, 진동 수단(140)은 레이저의 초점 위치의 이동 방향인 제1 방향(+z방향)에 대하여 반대 방향(-z방향)으로 취성체(T)를 가압할 수 있다. 다시 말해, 진동 수단(140)은 진동과 함께 취성체(T)에 압력을 인가함으로써, 취성체(T)를 좀 더 용이하게 절단할 수 있다.
이때, 진동 팁부(141)는 곡면으로 이루어질 수 있으며, 특히 취성체(T)가 회전하는 상태에서도 접촉할 수 있도록, 볼 타입(ball type) 또는 롤러 타입(roller type)으로 구비될 수 있다. 또한, 진동 팁부(141)는 취성체(T)보다 경도가 낮은 재질로 이루어져, 취성체(T)의 외면(A2)에 고르게 진동을 발생시켜 브레이킹(braking)을 구현하는 도중 외면(A2)에 흠집의 생성을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 장치(10)는 레이저를 조사하기 위해 취성체(T)의 위치를 확인하는 얼라인 카메라(align camera, 150)를 더 포함할 수 있다. 이때, 취성체 절단 장치(10)는 상기한 구성인 얼라인 카메라(150), 레이저 조사 수단(130) 및 진동 수단(140)의 위치를 각각 제어할 수 있다. 다른 실시예로서, 도면에 도시된 바와 같이, 취성체 절단 장치(10)는 진동 수단(140), 얼라인 카메라(150) 및 레이저 조사 수단(130)을 하나의 플레이트(100)로 연결하고, 위치 조절 수단(105)을 이용해 플레이트(100)의 위치를 제어함으로써, 상기한 구성들의 위치를 한번에 제어하는 것이 가능하다.
이하에서는, 도 3 내지 도 11을 참조하여, 전술한 취성체 절단 장치(10)를 이용해 취성체(T)를 절단하는 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 방법을 순차적으로 도시한 순서도이고, 도 4 내지 도 6은 도 3의 취성체 절단 방법에 의해 취성체(T)가 절단되는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저, 취성체 절단 방법은 취성체(T)를 마련한다(S100). 취성체(T)는 전술한 바와 같이, 중공(T0)을 구비하며 중공(T0)을 감싸는 내면(A1) 및 상기 내면(A1)보다 외측에 위치하는 외면(A2)로 이루어지는 튜브(tubular) 형태의 절단대상체를 의미한다. 취성체(T)의 단면은 원형이거나, 삼각형, 사각형과 같은 다각형으로 이루어질 수 있다. 취성체(T)는 고정 수단(110)에 의해 고정되는 것에 의해 마련될 수 있다.
이후, 취성체 절단 방법은 레이저 조사 수단(130)에 의해, 취성체(T)에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저(L)를 조사하여 스크라이빙 라인(Sc)을 형성한다(S200). 스크라이빙 라인(Sc)은 취성체(T)의 둘레를 따라 형성되는 폐곡선(closed curve)일 수 있다. 다시 말해, 취성체(T)에 스크라이빙 라인(Sc)을 형성하는 단계는, 취성체(T)를 중공(T0)을 지나는 회전축(Ax1)에 대하여 회전시키면서, 회전하는 취성체(T)에 레이저(L)를 조사함으로써 형성할 수 있다.
이때, 스크라이빙 라인(Sc)을 형성하는 단계는, 레이저(L)의 초점위치가 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 이동하도록 레이저(L)를 조사할 수 있다. 스크라이빙 라인(Sc)을 형성함에 있어, 일 실시예로서, 취성체 절단 방법은 레이저 조사 수단(130)을 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 향하는 제1 방향(+z방향)으로 이동하면서 레이저를 조사할 수 있다. 다른 실시예로서, 레이저 조사 수단(130)은 고정한 상태에서, 취성체(T)의 위치를 -z방향을 따라 이동하면서 레이저를 조사할 수도 있다.
선택적 실시예로서, 스크라이빙 라인(Sc)을 형성하는 단계는, 레이저 조사 수단(130)을 제1 방향(z방향)으로 이동하면서 레이저(L)를 조사하되, 제1 방향(z방향)에 대하여 수직한 제2 방향(y방향)으로 레이저 조사 수단(130)을 왕복이동하면서 레이저(L)를 조사할 수 있다. 다시 말해, 레이저 조사 수단(130)은 취성체(T)의 지름방향인 y방향으로 왕복이동하면서 z축을 따라 취성체(T)와 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.
한편, 레이저 조사 수단(130)은 상기 제1 방향(z방향) 및 제2 방향(y방향) 모두와 교차하는 제3 방향(x방향)으로 이동하면서 레이저를 조사할 수도 있다. 상기한 바와 같이, 취성체 절단 방법은 레이저 조사 수단(130)의 위치를 제어함으로써, 다양한 형태의 절단면을 가질 수 있도록 가공할 수도 있다.
이후, 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 취성체 절단 방법은 스크라이빙 라인(Sc)으로부터 이격된 취성체의 제1 영역에 사전에 설정된 주파수로 진동하는 진동수단(140)을 접촉하여, 취성체(T)를 절단한다(S300). 이때, 취성체(T)를 절단하는 과정에서, 진동 수단(140)을 이용하여 취성체(T)를 가압할 수 있으며, 진동 수단(140)의 가압 방향은 제1 방향(+z방향)에 반대 방향(-z방향)일 수 있다.
진동 수단(140)은 사전에 설정된 주파수로 진동하면서 취성체(T)와 접촉하여 스크라이빙 라인(Sc)으로 진동에너지를 전달하여 브레이킹(braking)을 구현할 수 있다. 진동 수단(140)은 취성체(T)가 정지한 상태 또는 회전하는 상태에서 모두 접촉이 가능하며, 정지한 상태인 경우 진동수단(140)의 팁 형태에 따라 점 점촉, 선 점촉 또는 면 접촉을 통해 취성체(T)와 접촉하고, 회전하는 상태인 경우 선접촉 또는 점접촉을 통해 취성체(T)와 접촉할 수 있다.
전술한 과정을 통해 절단된 절단부분(T')은 도 6과 같이 절단면(A3)을 구비하게 된다. 즉, 절단면(A3)은 레이저 조사에 의한 레이저 가공면으로 이루어지는데, 기계식 절단 방법과 같은 물리적인 절단 방법이 아닌 레이저에 의해 비접촉 방식으로 가공됨에 따라 파티클(particle)뿐만 아니라 칩(chip) 또는 버(Burr)의 발생도 최소화할 수 있어, 고품질의 절단면을 가질 수 있다.
또한, 상기한 취성체 절단 방법에 의하는 경우, 칩(chip) 또는 버(Burr)를 제거하기 위한 연마 공정을 생략할 수 있어, 공정효율이 향상될 수 있다. 이때, 이를 통해 제조된 취성체(T')는 연마 공정 없이 레이저 가공으로만 형성되므로, 가공패턴이 무방향성(non-oriented)을 갖게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 방법을 이용하여 이형 가공된 절단 부분(T')을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 취성체 절단 방법은 레이저 조사 수단(130)을 x 방향, y 방향 및 z 방향의 3축 방향으로 위치를 이동하면서 스크라이빙 라인(Sc)을 형성할 수 있어, 도면에 도시된 바와 같은 이형 가공이 가능하다. 따라서, 이를 통해 절단된 취성체(T')의 절단면(A3)은 곡률을 갖는 곡면으로 이루어질 수 있다. 취성체 절단 방법은 취성체(T)를 등속으로 회전시키면서 취성체(T)의 회전 속도와 레이저 조사 수단(130)의 x방향(취성체의 길이 방향)에 대한 이동 속도를 동기화시켜 레이저를 조사할 수 있다.
도 8은 도 3의 취성체 절단 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 9는 도 8의 취성체 절단 방법에 있어 회전 주기에 따른 레이저 조사 수단의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 취성체 절단 방법은 앞서 설명한 바와 같이, 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 레이저의 초점 위치를 이동시키면서 레이저를 조사하게 된다. 다만, 스크라이빙 라인(Sc)은 폐경로 또는 폐곡선을 형성하여야 한다.
일 실시예로서, 취성체(T)가 원형 취성체인 경우, 취성체(T)가 한바퀴 회전하는 동안 레이저의 초점 위치는 동일한 위치에 고정되어야 한다. 다시 말해, 취성체(T)의 1 회전 주기 동안, 레이저 조사 수단(130)은 회전축(Ax1)에 대해 일정한 거리를 유지해야 한다. 이후 취성체(T)의 1 회전이 완료되면, 레이저 조사 수단(130)의 위치는 취성체(T)로부터 멀어지는 제1 방향으로 이동할 수 있다.
도 9를 참조하면, 취성체(T)의 제1 회전 주기(R1)동안 레이저 조사 수단(130)의 초점 위치는 제1 위치(P1, 도8 (a) 참조)로 일정하고, 제2 회전 주기(R2)동안 초점 위치는 제1 위치(P1)보다 회전축(Ax1)으로부터 더 이격된 제2 위치(P2, 도8 (b) 참조)에서 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 시퀀스는 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 레이저의 조사가 완료되면 종료된다.
도 10은 도 3의 취성체 절단 방법을 이용하여 다각형 취성체를 절단하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 10의 취성체 절단 방법에 있어 회전 주기에 따른 레이저 조사 수단의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 취성체 절단 방법은 취성체(T)가 다각형인 경우에도 적용이 가능하다. 취성체 절단 방법은 원형 취성체와 마찬가지로, 다각형의 취성체(T)도 회전하면서 레이저를 조사하여 폐경로 또는 폐곡선인 스크라이빙 라인(Sc)을 형성할 수 있다.
일 실시예로서, 도면에 도시된 바와 같이, 취성체(T)가 사각형 취성체인 경우, 취성체(T)가 한 바퀴 회전하는 동안 회전축(Ax1)으로부터 동일한 거리의 면에 레이저를 조사하기 위해, 레이저의 초점 위치는 주기적으로 이동하여야 한다. 다시 말해, 단면을 기준으로 사각형의 한 변의 중앙(M)에서 부터 레이저 조사가 시작되는 경우, 레이저의 초점 위치는 제1 위치(P1)일 수 있고, 취성체(T)가 회전하면서 꼭지점으로 갈수록 레이저의 초점 위치는 회전축(Ax1)에 대하여 멀어질 수 있다(P1
Figure 112018125425473-pat00001
P3). 계속적으로 취성체(T)가 회전하게 되면 레이저의 초점 위치는 다시 회전축(Ax1)에 가까워졌다 멀어졌다를 주기적으로 반복할 수 있다.
도 11을 참조하면, 취성체(T)의 제1 회전 주기(R1)동안 레이저 조사 수단(130)의 초점 위치는 제1 위치(P1)와 제3 위치(P3) 사이를 주기적으로 반복하게 된다. 이후, 취성체(T)의 제2 회전 주기(R2) 동안 레이저 조사 수단(130)의 초점 위치는 제1 방향(z방향)으로 이동한 후, 새로운 제1-1 위치(P1')와 제1-3 위치(P3') 사이를 주기적으로 반복하게 된다. 이러한 시퀀스는 취성체(T)의 내면(A1)에서 외면(A2)으로 레이저의 조사가 완료되면 종료된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 취성체 절단 방법은 레이저와 진동자를 결합하여 절단을 수행함으로써, 취성체라는 재료의 특수성을 갖는 가공대상체를 용이하게 절단할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 취성체 절단 방법은 별도의 브레이킹 유닛이 필요하지 않으며, 스크라이빙 가공과 동일 선상에서 브레이킹 가공을 진행할 수 있어, 장비 구성을 최소화할 수 있다. 또한, 취성체 절단 방법은 물리적인 휠로 가공이 불가능했던 강화 유리의 가공뿐만 아니라 브레이킹이 어려웠던 짧은 길이의 가공대상체까지 가공할 수 있다. 또한, 레이저와 진동자를 이용하여 가공대상체를 절단함으로써 칩(chip) 또는 버(burr)를 제거하기 위한 별도 연마 공정을 생략할 수 있어 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
전술한 실시예들은 가공대상체가 중공을 갖는 관형의 가공대상체일 경우를 예로 들어 설명한 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 가공대상체가 회전축을 가지는 경우에는 본 발명의 기술적 사상이 동일하게 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 취성체 절단 장치
110 : 고정 수단
120 : 회전 수단
130 : 레이저 조사 수단
140 : 진동 수단
150 : 얼라인 카메라

Claims (16)

  1. 회전축을 구비하는 취성체를 마련하는 단계;
    레이저 조사 수단에 의해, 상기 취성체에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성하는 단계; 및
    상기 스크라이빙 라인으로부터 이격된 상기 취성체의 제1 영역에 사전에 설정된 주파수로 진동하는 진동 수단을 접촉하여, 상기 취성체를 절단하는 단계;를 포함하고,
    상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는,
    상기 취성체를 상기 회전축에 대하여 회전시키는 단계; 및
    상기 회전하는 취성체에 상기 레이저를 조사하되, 상기 레이저의 초점위치가 상기 취성체의 내면에서 상기 취성체의 외면으로 이동하도록 상기 레이저를 조사하는 단계;를 포함하는, 취성체 절단 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는 상기 레이저 조사 수단을 상기 취성체의 내면에서 외면으로 향하는 제1 방향으로 이동하면서 상기 레이저를 조사하는, 취성체 절단 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 스크라이빙 라인을 형성하는 단계는 상기 레이저 조사 수단을 상기 제1 방향으로 이동하면서 상기 레이저를 조사하되, 상기 제1 방향에 대하여 수직한 제2 방향으로 상기 레이저 조사 수단을 왕복이동하면서 상기 레이저를 조사하는, 취성체 절단 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 취성체를 절단하는 단계는 상기 진동 수단을 이용하여 상기 취성체를 가압하는 단계를 더 포함하는, 취성체 절단 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 진동 수단의 가압 방향은 상기 설정된 레이저의 초점위치의 이동 방향과 반대 방향인, 취성체 절단 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저의 조사 방향은 상기 취성체의 회전축과 교차하는, 취성체 절단 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 취성체는 원형 취성체며,
    상기 원형 취성체의 1 회전 주기 동안, 상기 레이저 조사 수단은 상기 회전축에 대해 일정한 거리를 유지하는, 취성체 절단 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 취성체는 다각형 취성체며,
    상기 다각형 취성체의 1 회전 주기 동안, 상기 레이저 조사 수단은 상기 회전축에 대한 거리가 주기적으로 변화하는, 취성체 절단 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 회전축을 구비하는 취성체를 회전시키는 회전 수단;
    상기 취성체에 사전에 설정된 경로를 따라 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성하는 레이저 조사 수단; 및
    사전에 설정된 주파수로 진동하면서 상기 스크라이빙 라인으로부터 이격된 상기 취성체의 제1 영역과 접촉하여 상기 취성체로 진동에너지를 전달하는 진동 수단;을 포함하고,
    상기 레이저 조사 수단은 상기 회전 수단에 의해 회전하는 상기 취성체에 상기 레이저를 조사하되, 상기 레이저의 초점 위치가 상기 취성체의 내면에서 상기 취성체의 외면으로 이동하도록 상기 레이저를 조사하는, 취성체 절단 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    레이저를 조사하기 위해 취성체의 위치를 확인하는 얼라인 카메라;를 더 포함하는, 취성체 절단 장치.
  14. 삭제
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 진동 수단은 상기 레이저의 초점 위치의 이동 방향인 제1 방향에 대하여 반대 방향으로 상기 취성체를 가압하는 수단을 더 포함하는, 취성체 절단 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 진동 수단의 팁은 볼 타입(Ball type) 및 롤러 타입(Roller type) 중 어느 하나로 이루어지는, 취성체 절단 장치.
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