KR102287201B1

KR102287201B1 - 이온-교환가능한 유리 기판의 레이저 절단

Info

Publication number: KR102287201B1
Application number: KR1020167019252A
Authority: KR
Inventors: 사샤 마르자노빅; 가렛 앤드류 피에취; 세르기오 추다; 로버트 스테펜 와그너
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2021-08-09
Also published as: TW201527024A; TWI647044B; JP6585054B2; WO2015095146A1; EP3083513B1; KR20160098469A; EP3083513A1; CN106029588A; US20150166393A1; JP2017509568A

Abstract

이러한 레이저 절단 처리는 이온-교환한 유리 조성의 범위의 몸체를 완전하게 천공하도록 초점 라인을 만드는 광학과 조합하여 짧은 펄스 레이저를 사용한다. 유리는 임의의 요구되는 부분의 형상을 추적해 나가는 천공된 라인을 만들도록 레이저 빔과 관련하여 이동된다. 유리는 이온 교환 전에 절단될 수 있거나, 또는 사후-이온 교환되어 절단될 수 있다. 레이저는 대략적으로 1 micron 직경의 유리의 총 깊이를 천공하는 구멍과 같은 결함 구획부를 만든다. 이들 천공 또는 결함 구역은 일반적으로 1 micron 내지 15 micron 분리된다.

Description

이온-교환가능한 유리 기판의 레이저 절단{LASER CUTTING OF ION-EXCHANGEABLE GLASS SUBSTRATES}

본 출원은 미국 35 U.S.C.§120하에서 2014년 10월 31일 출원된 미국 특허 출원번호 제14/529,697호와, 2013년 12월 17일에 출원된 미국 특허 가출원번호 제61/917,128호와, 2014년 07월 11일 출원된 미국 특허 가출원번호 제62/023,251호를 우선권 주장하고 있으며, 이들 특허문헌의 모든 내용은 참조를 위해 본 명세서에 모두 포함되어 있다.

본 발명은 이온-교환가능한 유리 기판의 레이저 절단에 관한 것이다.

이온-교환되거나 화학적으로 강화된 유리는 표면 손상 및 스크래치에 대한 내손상성의 능력 때문에 알려졌다. 이들 유리 조성은 소형 전자 장치 시장이 태블릿 PC, 스마트폰, 및 다양한 상호작용용 터치-가능식 전자제품의 형태로 붐을 일으키고 있는 바와 같이 최근 수년 동안 많은 관심을 받고 있다. 미국에 위치한 Corning 회사에 대해서, 이러한 유리 패밀리는 Corning^® Gorilla^® 유리라는 상표명으로 제공된다(go).

그러나, 이온-교환한 유리 조성물의 절단은 많은 이유 때문에 도전일 수 있다. 먼저, 유리가 이온 교환(IOX, ion-exchangeable) 후 절단된다면, 상기 유리는 장력의 영향을 상당한 정도로 받을 수 있으며, 절단 처리에 의해 유도된 크랙의 전파가 잘 제어되지 않거나 또는 절단된 엣지를 넘어 매우 큰 2차 손상을 유도한다면, 상기 유리가 단편으로 용이하게 흩어지게 된다. 둘째로, 이온-교환 처리 자체는 변할 수 있으며, 이에 따라 부분을 생성하며, 이 부분의 내부 응력, 중앙 응력(CT, central tension)의 레벨은 로트(lot)로부터 로트까지 변한다. 중앙 응력의 특별한 레벨에서 유리 분리나 크랙의 제어를 달성하도록 조정되는 절단 처리가 이온-교환된 부분의 하나의 뱃치(batch)를 절단시 성공할 수 있고 그리고 이온-교환된 부분의 다른 한 뱃치에 대해 실패할 수 있다는 것이다.

셋째로, 여러 경우에 대해, 이온 교환 이전에 유리가 절단되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 이온 교환 전의(pre-ion exchange) 유리는 절단되기 전에 매우 작은 내부 응력을 가질 것이고, 그리고 절단 및 분리 처리는 이러한 재료와의 작업에 반드시 잘 받아들여져야 한다.

이러한 레이저 절단 처리는 이온-교환가능한 유리 조성의 범위의 몸체를 완전하게 천공하도록 초점 라인을 만드는 광학과 조합하여 짧은 펄스 레이저를 사용한다. 유리는 임의의 요구되는 부분의 형상을 추적하는 천공된 라인을 만들도록 레이저 빔과 관련하여 이동된다. 유리는 이온 교환 전에 절단될 수 있거나, 또는 사후(post)-이온 교환되어 절단될 수 있다. 레이저는 대략적으로 1 micron 직경의 유리의 총 깊이를 천공하는 구멍과 같은 결함 구획부(defect zone)를 만든다. 이들 천공 또는 결함 구역, 손상 트랙은 일반적으로 1 micron 내지 20 micron(예를 들면, 1 micron 내지 15 micron) 이격된다.

유리의 하나의 시트 외에, 처리는 또한 유리의 스택을 절단하도록 사용될 수 있고, 그리고 하나의 레이저 패스(pass)로써 수 mm의 총 높이에 이르는 유리 스택을 완전하게 천공할 수 있다. 유리 스택을 포함한 시트는 부가적으로 다양한 위치에서 공기 갭에 의해 분리될 수 있고; 레이저 처리가 여전히 하나의 패스에서, 이러한 스택의 상측 유리 레이어와 하측 유리 레이어 모두를 완전하게 천공할 것이다.

유리가 충분한 내부 응력을 갖는 경우(예를 들면, 많은 이온 교환 강화된 유리와의 경우처럼), 유리가 일단 천공된다면, 크랙은 천공 라인을 따라서 전파할 것이고, 유리 시트는 요구되는 부분으로 분리될 것이다. 유리가 저 응력상태라면, 기계적 응력이 부분을 분리하도록 가해질 수 있거나, 또는 천공 라인에 따르거나 상기 천공 라인 근처의 CO₂레이저의 다음 패스는 동일한 사전-프로그램된 천공 라인을 따라서 유리를 분리하는 열 응력을 만들도록 사용된다.

고 품질 엣지(절단된 엣지의 총 폭을 가로지른 일정한 표면 텍스쳐(texture), < 0.5 micron인 표면 거칠기, 그리고 100 micron 미만, 예를 들면 75 micron 미만, 50 micron 미만, 30 micron 미만, 또는 심지어 20 micron 미만의 표면 아래 손상)를 갖는 이온-교환가능한 절단된 유리 조각이 초래된다.

유리 부분은 일반적으로 상기 언급된 처리로써 절단된 바와 같이 엣지 강도 > 100 메가파스칼(MPa)를 가질 것이다. 그러나 요구된다면, 유리 부분은 이후 엣지 강도 또는 신뢰성을 더욱 향상시키도록 아래 기재된 바와 같은 처리를 받게 될 수 있다:

엣지 강도를 상승시키고 작은 레벨의 표면 아래 손상과 결함 엣지를 제거하거나 무디게 하기 위한 불산(HF)에서의 산 엣칭. 베벨처리되거나 챔퍼처리된 엣지를 형성하고 및/또는 엣지 강도를 상승시키고 비교적 적은 양의 표면 아래 손상을 제거하는 연마 및 폴리싱. IOX 전의 부분에 대해, 상기 부분은 엣지 강도를 향상시키기 위하여 압축 응력을 부가하는 이온-교환을 겪게 될 수 있다. 이러한 레이저 처리는 사전(pre-) 또는 사후-IOX 중 어느 하나에서 이온-교환가능한 유리를 절단할 수 있다.

후 CO₂레이저 분리 단계가 필요 없다면, 사용될 수 있는 처리는 예를 들면, 24 내지 104 메가파스칼(MPa)의 중앙 응력(CT) 레벨을 갖는 사후-IOX(사후 이온 교환된) 유리를 절단할 수 있다.

처리는 조정 및 선적 동안에 보다 높은 제조 수율과 보다 높은 신뢰성을 유도하는 절단부로서(as-cut) 엣지에 대한 매우 타이트하거나 잘 제어된 강도 분포를 달성할 수 있다.

이러한 레이저 처리는 또한 유리의 상부/바닥부 면에서의 거의 대칭적인 강도를 달성하며 - 이는 다른 절단 방법과 행하기 매우 어렵다. 이는 유리 시트 사후-절단부의 상부/바닥부 표면을 트랙할 필요성을 배제한다.

처리는 예를 들면, 25 micron 만큼 작은, 이온-교환가능한 유리의 절단된 엣지에 표면 아래 손상을 야기하며, 이는 후 연마 및 폴리싱에 대해 요구되는 단계의 수와 시간을 상당하게 감소시킨다.

레이저 처리는 최종 부분 신뢰성에 필요한 예외적으로 큰 엣지 강도(> 500 MPa)를 달성하도록 사후-절단 처리와 조합되는 것이 유리할 수 있다.

레이저 처리는 심지어 상당한 비행(fly) 높이 변화로 유리를 절단할 수 있으며 - 시스템은 광학을 유리 거리로 정밀하게 제어할 필요가 없다. 이는 이러한 시트 뒤틀림 크기를 맵핑(mapping)할 필요없이 수용될 유리의 큰 시트에 종종 존재하는 뒤틀림을 허용하며, 이는 뒤틀림 측정을 실행할 보다 긴 처리 시간과 추가 비용발생 설비를 수반하게 한다.

레이저 처리는 다른 방법으로써 큰 수율을 갖게 신뢰성 있게 절단할 수 없는, 100 MPa을 넘는 중앙 응력을 갖는 유리와 같은, 극히 큰 중앙 응력 재료를 절단할 수 있다.

레이저 처리는 통상의 세트의 레이저 매개변수를 가져 폭넓은 CT 범위로 절단할 수 있어, 절단 처리부에 공급되는 시트 상에서의 시간 집약적 응력 측정과 비용 증대의 필요성을 배제하고 IOX 처리 가변성을 수용한다.

스택을 절단함으로써, 레이저 처리는 기기 처리량을 증대시킬 수 있고, 이에 따라 비용을 낮추게 된다.

본 명세서에 기재된 레이저 처리는 공기 갭을 통해 절단할 수 있으며 - 이는 갭에서 빔 확장과 초점이탈(defocus)을 당하지 않는다.

일 실시예에 있어서, 이온-교환가능한 유리 피가공물을 레이저 처리하는 방법은 펄스 레이저 빔의 빔 전파 방향을 따라 정위된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점맞추는 단계를 포함한다. 레이저 빔 초점 라인은 이온-교환가능한 유리 피가공물에 나아가게 되며, 상기 레이저 빔 초점 라인은 재료 내에서 유도된 흡수를 만들고, 상기 유도된 흡수는 피가공물 내에서 레이저 빔 초점 라인을 따라 손상 트랙이나 결함 라인을 만든다. 본 방법은 윤곽을 따라 서로와 관련하여 레이저 빔과 피가공물을 병진이동시키는 단계를 더 포함하여, 상기 피가공물 내의 윤곽을 따라 복수의 결함 라인을 레이저 형성하며, 여기서 인접한 결함 라인 사이의 주기성은 0.5 micron 내지 20 micron이다.

다른 일 실시예에 있어서, 유리 물품은 상기 기재된 방법에 따라 제조된다.

또 다른 실시예에 있어서, 유리 물품은 이온-교환가능한 유리를 포함하고, 그리고 상기 유리 물품은 적어도 250 micron 뻗어있는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 엣지를 구비하고, 상기 결함 라인 각각은 대략 5 micron 이하의 직경을 갖는다. 복수의 결함 라인의 인접한 결함 라인의 간격(또는 결함 라인 사이의 주기성이나 거리)은 0.1 micron 내지 20 micron일 수 있다. 거리는 또한 대략 7 micron 이하일 수 있다.

상기 기재된 사항은 첨부된 도면에 개시된 바와 같은, 본 발명의 예시적인 실시예의 더욱 특별한 설명으로부터 명확해질 것이고, 상기 도면에서 동일한 부재번호는 상이한 시점으로 동일한 구성요소를 지시하도록 사용된다. 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하고 있지만 반드시 축적에 맞게 도시된 것은 아니다.

도 1은 유리의 조각에 손상 트랙이나 구멍을 만드는 라인 초점을 사용하는 드릴링 방법의 개략적인 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 레이저 빔 초점 라인의 위치결정, 즉, 초점 라인에 따른 유도된 흡수에 기인하여 레이저 파장에 대해 투명한 재료의 처리를 나타낸 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 레이저 처리를 위한 광학 조립체의 도면이다.
도 3b-1 내지 도 3b-4는 기판과 관련하여 레이저 빔 초점 라인을 상이하게 위치결정시킴으로써 기판을 다양한 방식으로 처리하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 레이저 처리를 위한 제 2 실시예의 광학 조립체의 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 레이저 처리를 위한 제 3 실시예의 광학 조립체의 도면이다.
도 6은 레이저 처리를 위한 제 4 실시예의 광학 조립체의 개략적인 도면이다.
도 7a - 도 7c는 레이저 방사(예시적인 펄스 버스트내의 레이저 펄스 강도) 대 예시적인 피코초 레이저에 대한 시간을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 명세서에 기재된 레이저 처리에 의해 형성된 특징부의 스캐닝 전자 마이크로그래프이다. 피치는 이들 특징부 사이의 분리 거리이다.
도 9는 Corning Incorporated가 제공하는 IOX 전의 코드 2320(이온 교환 전의) 유리의 절단된 엣지의 전자 마이크로그래프이다
도 10은 Gorilla^® 유리의 이온 교환 전과 사후 이온 교환 샘플 사이의 내부 응력 레벨과 응력 프로파일의 예시적인 비교를 나타낸 도면이다.
도 11은 101 MPa의 중앙 응력(CT)의 400 micron 두께의 코드 2320 유리에 대한 하나의-패스의 레이저 절단된 엣지의 이미지이다.
도 12는 본 발명에 개시된 처리를 사용해 절단된 0.7mm 두께의 2320 부분의 절단된 엣지의 표면 아래 손상(SSD, subsurface damage) 측정을 나타낸 표이다. 값은 원추형 현미경을 사용하여 측정되었다.
도 13은 본 명세서에 개시된 처리를 사용해 절단된 0.7mm 두께의 2320 부분의 절단된 엣지의 표면 거칠기를 나타낸 표이다.
도 14는 CT~100 MPa의, 화학적으로 강화된 0.4mm 두께의 2320에 대한 4-점 굽힘 엣지 강도의 Weibull 플롯을 나타낸 도면이다.
도 15는 CT~50 MPa의, 화학적으로 강화된 0.7 mm 두께의 2320에 대한 4-점 굽힘 엣지 강도의 Weibull 플롯의 도면이다.
도 16은 4-점 굽힘 엣지 강도에서의 비행-높이 변화 효과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 다양한 이온-교환 조건으로 만들어진 한 세트의 유리 시트를 절단하도록 천공된 테스트의 요약표이다.
도 18은 본 발명에 따른 처리를 사용하여 절단된 산 엣칭 0.7 mm 두께의 코드 2320 유리(45 MPa 중앙 응력(CT))의 결과로서 향상된 엣지 강도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명에 개시된 레이저 처리를 사용해 절단된 0.7 mm 두께의 2320 유리의 엣지 강도의 그래프이다.
도 20은 하나의 레이저 패스로써 0.55 mm 두께의 코드 2320 유리의 4개의 스택된 시트의 절단부의 엣지 이미지를 나타낸 도면이다.

예시적인 실시예가 아래 기재되어 있다.

이온-교환가능한 유리 조성물의 절단에 레이저 절단 기술을 적용하도록 본 명세서에 기재되어 있다. 본 명세서에 기재된 "이온-교환가능한 유리 조성물로 만들어진 피가공물" 또는 "이온-교환가능한 유리"는 이온 교환가능하지만 그러나 아직 이온-교환되지 않은 유리나, 또는 본래 이온-교환가능하고 이온-교환된 유리(즉, -IOX 유리, 및 IOX 전의(이온 교환 전의) 유리) 중 어느 한 유리로부터 만들어진 유리나 피가공물이다. 유리는 예를 들면, 이온 교환(IOX, ion-exchange) 처리를 통해 화학적으로 강화되거나 또는 화학적으로 강화될 수 있는 알루미노실리케이트 유리이다.　 이러한 유리는 전형적으로 강화되기 전에 그리고 강화된 이후에, 대략 10 mol% 이상의 총 알칼리 옥사이드(예를 들면, Li₂O, Na₂O, 및 K₂O) 함량을 포함한다.

이러한 레이저 처리는 시장에서 판매되는 유리 IOX 전의 (매우 낮은 응력, 예를 들면, < 20 MPa 또는 심지어 ≤ 5 MPa) 및 가장 큰 중앙 응력(> 100 메가파스칼(MPa)) 유리를 포함한, 중앙 응력(CT)의 극히 폭넓은 범위에 걸쳐 이온-교환가능한 유리의 절단을 가능하게 한다. 이온 교환 처리는, CT < 20 MPa를 갖는 조성적으로 일정한 이온-교환가능한 유리가 이온 교환 처리에 의해 강화되어, 압축 응력의 영향 하에서 표면 근처에 위치된 레이어로써 "적층(layered)" 구조를 형성하도록, 유리를 변경한다는 것을 알 수 있다. 압축 응력의 이러한 레이어는, 유리의 노출된 표면 근처에서, 이온 교환 처리가 예를 들면, 최초 유리에 있는 보다 작은 소듐(Na) 이온을 염욕으로부터의 보다 큰 포타슘(K) 이온으로 대체시킴으로써, 유리를 화학적으로 개질시키기 때문에, 개발된다. 이들 외측 압축 구역 또는 레이어는 이후 인장 응력의 영향을 받는 사후-이온 교환된 유리의 내측 또는 중앙 레이어에 힘을 가한다(force). 이와 달리, 이온 교환 전의 유리는 상이한 응력 또는 화학적 조성의 이러한 레이어를 포함하지 않는다. 이들 모든 유리에 있어서, 기재된 레이저 처리는 예를 들면, 1 m/sec 이상의 속도에서, 날카로운 반경의 외측 코너(< 1 mm)를 절단하도록, 임의로 만곡된 형상을 만들도록(내부 구멍 및 슬롯을 형성하는 것을 포함), 그리고 직선형 절단부를 만들도록 사용될 수 있다. 이온-교환가능한 유리 조성은 바람직하게 선택된 레이저 파장(즉, 재료 깊이의 mm 당 대략 10% 보다 작은 흡수, 그리고 바람직하게 대략 1% 보다 작은 흡수)에 실질적으로 투명할 수 있다. 이러한 파장은 예를 들면, 1064, 532, 355 또는 266 나노미터일 수 있다. 이러한 폭넓은 범위의 유리 내부 응력을 수용하는 적용성을 갖는 것 외에도, 처리는 또한, 레이저 처리 조건을 조금도 변경시킬 필요없이, 유리 중앙 응력 레벨에서의 새로운 변화(incoming variation)에 상당히 덜 민감하다. 더욱이, 본 발명은 절단 처리 하나 만으로 달성될 수 있는 것보다 상당히 더 고 레벨로 절단된 유리 부분의 엣지 강도를 상승시키도록, 유리를 절단하고 이어서 다양한 방법으로 부분을 처리하는 방법을 기재하고 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 또한 이들 유리의 스택을 하나의 패스에서 절단할 수 있어, 처리 시간과 기기 사용율을 향상시킨다.

레이저 및 광학 시스템

투명한 기판, 특히 유리를 절단하기 위한 목적으로서, 기판에 손상 라인을 만드는 라인-초점 빔 형성 광학과 조합하여, 피코초 레이저(예를 들면, 1064 nm 피코초 펄스 버스트 레이저)를 사용하는 방법이 개발되었다. 이러한 사항은 아래 상세히 기재되어 있고 비슷한 광학 시스템이 2013년 01월 15일에 출원된 미국 특허출원번호 제61/752,489호에 기재되어 있으며, 이 특허문헌의 내용은 참조를 위해 본 명세서에 모두 통합되어 있다. 라인 초점은 초단파의 펄스 레이저(예를 들면, 100 psec보다 작은 펄스 폭을 갖는, 다중 펄스의 버스트를 만듬)에 의해 만들어진, 매체에서의 큰 종횡비의 결함 라인의 생성을 가능하게 한다. 이는 절단될 재료의 상부로부터 바닥부 표면까지 뻗어있을 수 있는 흠 라인(또한 본 명세서에서 결함 라인이라고 언급됨)의 생성을 가능하게 한다. 여러 실시예에 있어서, 개별 펄스의 펄스 지속기간은 대략 5 피코초 초과 대략 20 피코초 미만처럼, 대략 1 피코초 초과 대략 100 피코초 미만이며, 그리고 개별 펄스의 반복률은 예를 들면, 대략 10 kHz 내지 650 kHz 처럼, 대략 1 kHz 내지 4 MHz일 수 있다.

상기 언급된 반복률에서의 하나의 펄스 작동에 더하여, 펄스는 대략 1 nsec 내지 대략 50 nsec, 예를 들면, 10 nsec 내지 30 nsec, 예를 들면, 대략 20 nsec인 버스트 내의 개별 펄스 사이의 지속기간 만큼 분리된 2개 이상의 펄스(예를 들면, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스, 또는 이 이상의 펄스처럼)의 버스트에서 만들어 질 수 있고, 그리고 버스트 반복 주파수는 대략 1 kHz 내지 대략 200 kHz일 수 있다.

펄스 버스트를 만들거나 버스트하는 것은 펄스의 방사가 일정하고 안정적인 스트림에서 실행된다기 보다는 펄스의 타이트한 클러스터에서 실행되는 레이저 작동의 타입이다. 각각의 펄스 버스트는 적어도 2개의 가깝게 이격된 펄스를 포함한다. 결함 라인 또는 구멍은, 펄스의 하나의 버스트가 기본적으로 유리 상의 동일한 위치를 가격할 때, 재료에 형성된다. 즉, 하나의 버스트 내의 다중 레이저 펄스가 유리에서의 하나의 결함 라인이나 또는 구멍 위치에 대응한다. 물론, 유리가 (예를 들면, 일정하게 이동하는 스테이지에 의해) 병진이동되거나 또는 빔이 상기 유리와 관련하여 이동되기 때문에, 버스트 내의 개별 펄스는 유리 상의 정확하게 동일한 공간 위치에 있을 수 없다. 그러나, 펄스는 서로 1 ㎛ 내에 잘 위치하며-즉, 기본적으로 동일한 위치에서 유리를 가격한다. 예를 들면, 펄스는 간격(sp)에서 유리를 가격할 수 있으며, 여기서 서로 0 < sp ≤ 500 nm이다. 예를 들면, 유리 위치가 20 펄스의 버스트로써 가격될 때, 버스트 내의 개별 펄스가 서로 250 nm 내에서 유리를 가격한다. 따라서, 여러 실시예에서 1 nm < sp < 250 nm이다. 여러 실시예에서 1 nm < sp < 100 nm이다.

펄스 버스트 레이저 빔은 한 파장을 가질 수 있으며, 재료가 이러한 파장에서 실질적으로 투명하다. 재료에서 측정된 평균 레이저 파워는 예를 들면, 40 microJoule/mm 내지 2000 microJoule/mm, 또는 175 microJoule/mm 내지 1500 microJoule/mm, 또는 예를 들면 40 microJoule/mm 내지 1000 microJoule, 또는 200 microJoule/mm 내지 900 microJoule/mm 처럼, 재료의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 더 클 수 있다. 예를 들면, 0.4 mm - 0.7 mm 두께의 Corning 코드 2320 유리에 대해, 유리를 절단해 분리하기 위해, 280 μJ/mm - 500 μJ/mm의 예시적인 범위를 제공하는, 200 μJ 펄스 버스트가 사용될 수 있다. 유리는 레이저 빔과 관련하여 이동되어(또는 레이저 빔이 유리와 관련하여 병진이동되어), 임의의 요구되는 부분의 형상을 추적하는 천공된 라인이나 윤곽을 만든다.

본 명세서에서 정의된 바와 같이, 결함 라인의 내경이나 직경은 유리나 피가공물에서의 공기 구멍이나 개방 채널의 내경이다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 여러 실시예에 있어서, 결함 라인의 내경은 < 500 nm이거나, 예를 들면 ≤ 400 nm이거나, 또는 ≤ 300 nm이다. 더욱이, 결함 라인의 내경은 예를 들면, 레이저 빔 초점 라인의 스팟 직경 만큼 클 수 있다. 따라서, 구멍 또는 결함 라인(또한 본 명세서에서 손상 트랙으로 언급됨) 각각은 0.1 micron 내지 100 micron, 예를 들면 1.5 micron 내지 3.5 micron, 또는 0.25 micron 내지 5 micron, 또는 (예를 들면, 0.2 micron - 0.75 micron)의 직경을 가질 수 있다. 레이저 빔 초점 라인은 대략 0.1 mm 내지 대략 10 mm의 길이, 또는 대략 0.5 mm 내지 대략 5 mm의 길이, 예를 들면, 대략 1 mm, 대략 2 mm, 대략 3 mm, 대략 4 mm, 대략 5 mm, 대략 6 mm, 대략 7 mm, 대략 8 mm, 또는 대략 9 mm의 길이, 또는 대략 0.1 mm 내지 대략 1 mm의 길이, 그리고 대략 0.1 micron 내지 대략 5 micron의 평균 스팟 직경을 가질 수 있다. 이들 천공, 결함 구역, 손상 트랙, 또는 결함 라인은 일반적으로 1 micron 내지 15 micron(예를 들면, 3 micron - 12 micron, 또는 더욱 바람직하게, 5 micron - 10 micron) 이격된다. 예를 들면, 이온 교환되지 않은(NIX, non-ion exchanged) 유리에 대해 3 micron - 5 micron이거나, 또는 IOX 유리에 대해 5 micron - 8 micron이다.

라인 초점의 생성은 Gaussian 레이저 빔을 악시콘 렌즈에 보냄으로써 실행될 수 있으며, 이러한 경우에 Gauss-Bessel 빔으로서 알려진 빔 프로파일이 만들어진다. 이러한 빔은 Gaussian 빔보다 상당히 느리게 회절한다(예를 들면, 수십 micron 이하와 달리 수백 micron이나 millimeter의 범위에 대해 하나의 micron 스팟 크기를 유지할 수 있다). 이에 따라 재료와의 강렬한 상호작용 길이나 초점 길이가 Gaussian 빔 만을 사용할 때보다 상당히 더 클 수 있다. 다른 형태 또는 느리게 회절하거나 회절하지 않는 빔은 또한, Airy 빔처럼 사용될 수 있다. 결함 라인은 예를 들면, 유리 시트의 두께를 통해 뻗어있고, 그리고 유리 시트의 주 (평탄한) 표면에 대해 실질적으로 직교한다(1 도 이내).

도 1은 본 발명의 개념의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 이 도면에서 악시콘 광학 소자 및 다른 렌즈가 시스템의 광학 축선에 평행한, 선형 형상을 갖는 패턴에 광선을 초점맞추도록 사용된다. 기판은 라인-초점 내에 위치하도록 배치된다. 대략 1 mm 정도(길이)의 라인-초점과, 대략 100 kHz의 반복률에서 대략 20 W 이상의 아웃풋 파워를 만드는 피코초 레이저(재료에서 측정된 대략 200 microJoule/펄스)에 의한 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 라인 구역에서의 광학 강도는 용이하게 재료에 비-선형 흡수를 만드는데 충분히 크다. 펄스 버스트 레이저 빔은 재료의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 더 큰 재료에서 측정된, 펄스 버스트 당 평균 레이저 에너지를 가질 수 있다. 이온-교환가능한 유리를 절단하기 위하여, 사용된 평균 레이저 펄스 버스트 에너지는 재료의 mm 두께 당 2000 μJ 만큼 클 수 있으며, 예를 들면 40 μJ/mm - 100 μJ/mm일 수 있고, 그리고 175 μJ/mm - 1500 μJ/mm가 바람직하고, 그리고 200 μJ/mm - 900 μJ/mm가 더 바람직하며, 심지어 250 μJ/mm - 600 μJ/mm가 더 바람직하다. 이러한 "평균 레이저 에너지"는 또한 평균, 펄스 버스트 당, 선형 에너지 밀도나, 또는 재료의 mm 두께 당 레이저 펄스 버스트 당 평균 에너지를 의미할 수 있다. 손상되거나, 삭마되거나, 기화되거나, 또는 그렇지 않으면 개질된 재료의 구역은 고 강도의 선형 구역을 대략적으로 따라서 만들어진다. 기판은 광학 빔과 관련하여 이후 이동되고, 그리고 일련의 손상 트랙 또는 라인이 재료에 만들어져, 실제로 요구되는 경로나 윤곽을 따라서 상기 기판을 천공한다.

도 2a 및 도 2b를 다시 살펴보면, 이온-교환가능한 유리 피가공물과 같은 재료를 레이저 처리하는 방법은 빔 전파 방향을 따라서 정위된 레이저 빔 초점 라인(2b)에 펄스 레이저 빔(2)을 초점맞추는 단계를 포함한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 레이저(3)(도시 생략)는 광학 조립체(6)에 입사되는 부분(2a)을 갖는 레이저 빔(2)을 방사한다. 광학 조립체(6)는 빔 방향(초점 라인의 길이(l))에 따라 형성된 확장 범위를 넘어 아웃풋 측에서 광대한 레이저 빔 초점 라인(2b)으로 입사 레이저 빔을 돌린다(turn). 평면의 기판(1)은 레이저 빔(2)의 레이저 빔 초점 라인(2b)과 적어도 부분적으로 겹치도록 빔 경로에 위치된다. 레이저 빔 초점 라인은 이에 따라 재료에 나아가게 된다. 부재번호 1a는 광학 조립체(6) 또는 레이저와 면한 평면 기판의 표면을 각각 지시하고 있으며, 그리고 부재번호 1b는 기판(1)의 반대 표면을 지시한다. 기판 또는 피가공물 두께(평면(1a 및 1b)에, 즉, 기판 평면에 수직으로 측정된 본 실시예에 있어서)는 부재번호 d로 지시된다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(1)(또는 유리 합성 피가공물)은 길이방향 빔 축선에 수직으로 이에 따라 광학 조립체(6)에 만들어진 동일한 초점 라인(2b) 뒤에 실질적으로 정렬된다(상기 기판은 도면의 평면에 수직함). 초점 라인이 빔 방향을 따라 정위되거나 정렬되고, 기판은, 초점 라인(2b)이 기판의 표면(1a) 이전에 시작하고 기판의 표면(1b) 이전에 정지하게, 즉 상기 기판 내에서 초점 라인(2b)이 여전히 종결하고 표면(1b)을 넘어 뻗어있지 않은 방식으로, 초점 라인(2b)과 관련하여 위치된다. 기판(1)과 레이저 빔 초점 라인(2b)의 겹쳐지는 영역에 있어서, 즉 초점 라인(2b)에 의해 커버되는 기판 재료에 있어서, 광대한 레이저 빔 초점 라인(2b)은 (길이방향 빔 방향에 따라 정렬된) 광대한 섹션(2c)을 만들며(레이저 빔 초점 라인(2b)에 따라 적당한 레이저 강도라고 가정하면, 상기 강도는 길이(l)의 섹션, 즉 길이(l)의 라인 초점에 레이점 빔(2)의 초점맞춤에 의해 보장됨), 상기 섹션을 따라서 유도된 흡수가 기판 재료에서 만들어진다. 유도된 흡수는 섹션(2c)에 따라 기판 재료에 결함 라인 형성부를 만든다. 결함 라인은 다중 레이저 펄스의 하나의 고 에너지 펄스 버스트를 사용함으로써 발생된 실질적으로 투명한 재료, 기판, 또는 피가공물에서의 극히 작은(microscopic)(예를 들면, > 100 nm 및 < 0.5 micron 직경) 세장형 "구멍(또한 천공 또는 결함 라인이라 명명됨)이다. 개별 천공은 예를 들면, 수백 kilohertz(초당 수 십만 천공)의 속도로 만들어질 수 있다. 발생원과 재료 사이의 상대 운동으로써, 이들 천공은 서로 인접하여 배치될 수 있다(필요에 의해 1 micron 미만으로부터 1 이상의(many) micron까지 변하는 공간 분리). 이러한 공간 분리(피치)는 재료 또는 피가공물의 분리를 용이하게 하기 위해 선택될 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 결함 라인은 실질적으로 투명한 재료의 상부로부터 바닥부까지 뻗어있는 구멍이나 개방 채널인 "관통 구멍"이다. 결함 라인 형성부는 유도된 흡수의 광대한 섹션(2c)의 일부일 뿐만 아니라 상기 섹션의 총 길이이다. 섹션(2c)의 길이(기판(1)과 레이저 빔 초점 라인(2b)의 겹쳐짐 길이에 대응함)는 부재번호 L로 지시된다. 유도된 흡수(2c)의 섹션의 정도 또는 평균 직경(또는 결함 라인이 형성되는 기판(1)의 재료에서의 섹션)이 부재번호 D로 지시된다. 이러한 평균 정도(D)는 기본적으로 레이저 빔 초점 라인(2b)의 평균 직경(δ)에, 즉, 대략 0.1 micron 내지 대략 5 micron의 평균 스팟 직경에 대응한다. Bessel 빔의 스팟 직경(D)은 D = (2.4048 λ)/(2πB)으로 구해질 수 있으며, 이 식에서 λ는 레이저 빔 파장이고 B는 악시콘 각도의 함수이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 기판 재료(레이저 빔(2)의 파장(λ)에 투명함)는 초점 라인(2b) 내의 고 강도의 레이저 빔과 관련된 비선형 효과로부터 발생하는 초점 라인(2b)에 따른 유도된 흡수에 기인하여 가열된다. 도 2b는 가열된 기판 재료가 종국에는 팽창하여, 대응하는 유도된 장력이 미소-크랙 형성을 유도하며, 상기 장력은 표면(1a)에서 최고로 크다는 것을 나타내고 있다.

이들 광학 조립체가 적용될 수 있는 광학 셋업 뿐만 아니라, 초점 라인(2b)을 만들도록 적용될 수 있는 대표적인 광학 조립체(6)가 아래 기재되어 있다. 모든 조립체 또는 셋업이 상기 기재에 기초하여, 동일한 부재번호가 동일한 구성요소나 특징부에 또는 동일하게 작동하는 부재에 대해 사용된다. 따라서 차이점만이 아래 기재되어 있다.

분리가 발생하는 분리된 부분의 표면의 고 품질을 보장하기 위하여(파단 강도, 기하학적 정밀도, 거칠기 및 재-기계가공 요건의 불필요(avoid)와 관련하여), 분리 라인(흠 라인)에 따라 기판 표면 상에 위치된 개별 초점 라인이 아래 기재된 광학 조립체(이후, 상기 광학 조립체가 또한 대안적으로 레이저 광학으로 언급됨)를 사용해 만들어질 수 있다. 분리된 표면(또는 절단된 엣지)의 거칠기는 초점 라인의 스팟 직경으로부터 또는 스팟 크기로부터 주로 결정된다. 표면의 거칠기는 예를 들면, Ra 표면 거칠기 통계량(초점 라인의 스팟 직경으로부터 초래되는 범프(bump)의 높이를 포함한, 샘플 표면의 높이의 절대 값의 거칠기 산술 평균)에 의해 특징지워질 수 있다. (기판(1)의 재료와 상호작용하는) 레이저(3)의 주어진 파장(λ)의 경우에 예를 들면, 0.5 micron 내지 2 micron의 작은 스팟 크기를 달성하기 위하여, 특정 요구조건이 통상적으로 레이저 광학(6)의 개구 수에 반드시 부과되어야 한다. 이들 요구조건이 아래 기재된 레이저 광학(6)에 의해 충족된다.

요구되는 개구 수를 달성하기 위하여, 광학은 한편으로, 알려진 Abb

공식(N.A. = n sin (theta), n: 처리될 유리나 합성 피가공물의 굴절률, theta: 개구 각도 절반; 그리고 theta = arctan (D/2f); D: 개구, f: 초점 길이)에 따라, 주어진 초점 길이에 대해 요구되는 개구를 반드시 배치해야 한다. 다른 한편으로, 레이저 빔은 광학을 요구되는 개구에 이르기까지 반드시 조명해야 되며, 이는 전형적으로 초점맞춤 광학과 레이저 사이의 텔레스코프의 와이드닝(widening)을 사용하는 빔 와이드닝에 의해 달성된다.

스팟 크기는 초점 라인에 따라 일정한 상호작용 목적으로 매우 확실하게(strongly) 변할 수 없다. 이는, 예를 들면, 빔 개구와 이에 따른 개구 수의 퍼센티지 만이 조금 변하도록 작은 원형 영역 내에서만 초점맞춤 광학을 조명하여, 보장될 수 있다(아래 실시예 참조).

도 3a에 따르면(레이저 복사(2)의 레이저 빔 다발에서의 중앙 빔의 레벨로 기판 평면에 수직한 섹션; 여기서, 또한, 레이저 빔(2)은 입사 각도로 기판 평면에 수직으로 입사되며, 즉 초점 라인이 바람직하게는 초점 라인(2b) 또는 유도된 흡수의 섹션(2c)이 기판 법선에 평행하도록 대략 0°임), 레이저(3)에 의해 방사된 레이저 복사(2a)는 사용된 레이저 복사에 대해 완전하게 불투명한 원형 개구(8)에 먼저 나아가게 된다. 개구(8)는 길이방향 빔 축선에 수직으로 정위되고 그리고 묘사된 빔 다발(2a)의 중앙 빔에 집중된다. 개구(8)의 직경은, 중앙 빔(부재번호 (2aZ)로 지시됨) 또는 빔 다발(2a)의 중앙 근처의 빔 다발이 개구를 가격하고 이로써 완전하게 흡수되는 방식으로, 선택된다. 빔 다발(2a)의 외측 주변부 범위에서의 빔(주변 광선, 부재번호 2aR로 지시됨)만이 빔 직경에 비해 감소된 개구 크기에 기인하여 흡수되지 않지만, 그러나 개구(8)를 측방향으로 통과하며, 그리고 본 실시예에 있어서, 구형으로 절단된, 양면-볼록 렌즈(7)로서 설계된, 광학 조립체(6)의 초점맞춤 광학 소자의 주변 영역을 가격한다.

렌즈(7)는 중앙 빔에 중심맞춰지고 그리고 공통의, 구형으로 절단된 렌즈의 형태로 비-교정된, 양면-볼록 초점맞춤 렌즈로서 설계된다. 이러한 설계의 실시예에 있어서, 이러한 렌즈의 구형 수차는 유리할 수 있다. 대안예로서, 이상적인 초점이 아닌, 형성된 길이의 명확한, 세장형 초점 라인을 형성하는, 이상적으로 교정된 시스템으로부터 벗어나는 비구면 또는 다중-렌즈 시스템(즉, 하나의 초점을 갖지 않는 시스템이나 렌즈)이 또한 사용될 수 있다. 따라서, 렌즈의 구획부는 렌즈 중앙으로부터의 거리의 영향을 받아 초점 라인(2b)을 따라 초점맞춘다. 빔 방향을 가로지른 개구(8)의 직경은 빔 다발의 직경(피크 강도의 1/e²로 감소하도록 빔 강도에 대해 요구되는 거리로써 형성됨)의 대략적으로 90%이고 그리고 광학 조립체(6)의 렌즈의 직경의 대략적으로 75%이다. 중앙에서 빔 다발을 차단함으로써 만들어진 수차-교정되지 않은 구형 렌즈(7)의 초점 라인(2b)이 이에 따라 사용된다. 도 3a은 중앙 빔을 통한 한 평면에서의 섹션을 나타내고 있으며, 완전한 3차원 다발은 묘사된 빔이 초점 라인(2b) 주위에서 회전될 때 보여질 수 있다. 이러한 타입의 초점 라인의 하나의 잠재적인 단점은 초점 라인을 따라(그리고 이에 따른 재료에서의 요구되는 깊이에 따라) 조건(스팟 크기, 레이저 강도)이 변한다는 것이고, 그리고 이에 따라 요구되는 타입의 상호작용(용융, 유도된 흡수, 크랙 형성에 이르는 열-소성 변형 없는)이 초점 라인의 선택된 부분에서만 가능하게 발생할 수 있다는 것이다. 이는 결국 입사 레이저 광의 단지 한 부분만이 가능한 요구되는 방식으로 흡수된다는 것을 의미한다. 이처럼, 처리 효율(요구되는 분리 속도에 대해 필요한 평균 레이저 파워)이 악화되고, 그리고 레이저 광은 또한 요구되지 않은 구역(기판이나 기판 유지 고정부에 부착된 부분 또는 레이어)으로 전송될 수 있으며, 그리고 바람직하지 못한 방식으로 이들과 상호작용한다(예를 들면, 가열, 발산, 흡수, 원치않는 개질).

도 3b-1 내지 도 3b-4(도 3a에서의 광학 조립체에 대해서 뿐만 아니라, 기본적으로 임의의 다른 적용가능한 광학 조립체(6)에 대해서)는, 레이저 빔 초점 라인(2b)의 위치가 상기 광학 조립체(6)의 매개변수를 적당하게 선택함으로써 뿐만 아니라 기판(1)과 관련하여 상기 광학 조립체(6)를 적당하게 위치결정 및/또는 정렬 시킴으로써 제어될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 도 3b-1에 나타내어진 바와 같이, 초점 라인(2b)의 길이(l)는 기판 또는 유리 피가공물 두께(d)를 초과하는 방식(이 경우 인자 2 만큼)으로 조정될 수 있다. 기판(1)이 초점 라인(2b)으로 중앙에(길이방향 빔 방향으로 보았을 때) 배치된다면, 광대한 섹션(2c)의 유도된 흡수가 총 기판 두께 내내 발생된다. 레이저 빔 초점 라인(2b)은 예를 들면, 약 0.01 mm 내지 약 100 mm의 길이(l)를 가질 수 있다. 레이저 빔 초점 라인(2b)은 예를 들면, 약 0.1 mm 내지 약 100 mm나, 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 길이(l)를 가질 수 있다. 다양한 실시예가 예를 들면, 대략 0.1 mm, 0.5 mm 내지 5 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 0.7 mm, 1 mm, 1.2 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 또는 5 mm의 길이(l)를 갖도록 구성될 수 있다.

도 3b-2에 도시된 경우에 있어서, 길이(l)의 초점 라인(2b)이 기판 두께(d)에 다소간 대응하여 만들어진다. 라인(2b)이 기판 외측 한 지점에서 시작하는 방식으로 라인(2b)과 관련하여 기판(1)이 위치되기 때문에, 유도된 흡수의 섹션(2c)의 광대한 섹션의 길이(l)(이 경우 기판 표면으로부터 형성된 기판 깊이까지 뻗어있지만, 반대 표면(1b)까지 뻗어있지 않음)가 초점 라인(2b)의 길이(l) 보다 더 작은 방식으로, 위치된다. 도 3b-3는, 도 3b-2에서와 같이, 라인(2b)의 길이(l)가 기판(1)에서의 유도된 흡수의 섹션(2c)의 길이(l) 보다 더 크도록, 기판(1)(빔 방향에 수직인 방향을 따라서 보았을 때)이 초점 라인(2b)의 시작 점 상에 위치되는 경우를 나타내고 있다. 따라서, 초점 라인은 기판 내에서 시작하고 그리고 기판을반대(먼) 표면(1b)을 넘어 뻗어있다. 도 3b-4는 - 입사 방향에서 본 초점 라인과 관련한 기판의 중앙 위치결정의 경우에 - 초점 라인이 기판 내의 표면(1a) 근처에서 시작하고 기판 내 표면(1b) 근처에서 끝나도록(예를 들면, l = 0.75 ㆍ d), 초점 라인 길이(l)가 기판 두께(d)보다 더 작은 경우를 나타내고 있다.

적어도 하나의 표면(1a, 1b)이 초점 라인에 의해 커버되는 방식으로, 유도된 흡수의 섹션(2c)이 기판의 하나의 표면에서 적어도 시작하도록, 초점 라인을 위치시키는 것이 특히 유리하다. 이처럼, 삭마, 페더링(feathering) 및 표면에서의 입자분포(particulation)를 피하면서 사실상 이상적인 절단을 달성할 수 있다.

도 4는 다른 한 적용가능한 광학 조립체(6)를 나타내고 있다. 기본적인 구성이 도 3a에서 기재된 구성을 따르므로, 단지 차이점 만이 아래 기재되어 있다. 묘사된 광학 조립체는 형성된 길이(l)의 초점 라인이 형성되는 방식으로 형성된, 초점 라인(2b)을 만들기 위하여, 비구형 자유 표면을 갖는 광학의 사용에 기초한다. 이를 위하여, 비구면은 광학 조립체(6)의 광학 소자로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 있어서, 악시콘으로 또한 종종 언급되는 소위 원추형 프리즘이 사용된다. 악시콘은 광학 축선에 따른 라인에 스팟 형성원을 형성하는(또는 레이저 빔을 링으로 변환하는) 특별한 원추형으로 절단된 렌즈이다. 이러한 악시콘의 레이아웃은 당업자에게 주로 알려져 있으며; 이러한 예에서 콘 각도는 10°이다. 다른 범위의 악시콘 콘 각도가 또한 사용될 수 있다. 부재번호 9로써 본 명세서에서 지시된 악시콘의 정점은 입사 방향 쪽으로 나아가게 되고 빔 중앙에 중심맞춰진다. 악시콘(9, axicon)에 의해 만들어진 초점 라인(2b)이 그 내부에서 시작함에 따라, 기판(1)(여기서 메인 빔 축선에 수직으로 정렬됨)은 악시콘(9) 바로 뒤 빔 경로에 위치될 수 있다. 초점 라인(2b)의 범위 내에서 유지되면서 악시콘의 광학 특성에 기인하여 빔 방향을 따라 기판(1)이 이동(shift)될 수 있다. 따라서 기판(1)의 재료에서 유도된 흡수의 섹션(2c)이 총 기판 깊이(d)를 넘어 뻗어있다.

그러나, 묘사된 레이아웃은 아래 기재된 바와 같은 제한을 받게 됨: 악시콘(9)에 의해 형성된 초점 라인(2b)의 구역이 악시콘(9) 내에서 시작하기 때문에, 상당한 부분의 레이저 에너지는, 기판이나 유리 합성 피가공물 재료와 악시콘(9) 사이에 분리가 발생하는 상황에서, 재료 내에 위치된, 초점 라인(2b)의 유도된 흡수의 섹션(2c)에 초점맞춰지지 않는다. 더욱이, 초점 라인(2b)의 길이(l)는 악시콘(9)의 콘 각도와 굴절률을 통한 빔 직경과 관련된다. 이는 비교적 얇은 재료의 경우에(수 밀리미터인 경우), 총 초점 라인이 기판이나 유리 합성 피가공물의 두께보다 상당히 더 길어, 많은 레이저 에너지가 재료에 초점맞춰지지 않는다는 효과를 갖기 때문이다.

이러한 이유 때문에, 악시콘 및 초점맞춤 렌즈 모두를 포함한 광학 조립체(6)가 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 도 5a는 이와 같은 광학 조립체(6)를 나타내고 있으며, 상기 광학 조립체에서, 광대한 레이저 빔 초점 라인(2b)을 형성하도록 설계된 비-구형 자유 표면을 갖는 제 1 광학 소자가 레이저(3)의 빔 경로에 위치된다. 도 5a에 도시된 경우에 있어서, 이러한 제 1 광학 소자는 레이저 빔(3)에 중심맞춰지고 빔 방향에 수직으로 위치되는, 5°의 콘 각도를 갖는 악시콘(10)이다. 악시콘의 정점은 빔 방향 쪽으로 정위된다. 제 2의, 초점맞춤 광학 소자, 이 경우 평면-볼록 렌즈(11)(악시콘쪽으로 정위된 상기 렌즈의 곡률)는 악시콘(10)으로부터의 거리(z1)로 빔 방향에 위치된다. 이러한 경우에 있어 대략적으로 300 mm인 거리(Z1)는, 악시콘(10)에 의해 형성된 레이저 복사가 렌즈(11)의 외측 반경방향 부분에 원형으로 입사되는 방식으로, 선택된다. 렌즈(11)는 형성된 길이(이 경우 1.5 mm)의 초점 라인(2b)에서, 거리(z2)(이 경우 렌즈(11)로부터 대략적으로 20 mm)에서의 아웃풋 측에서, 원형 복사를 초점맞춘다. 렌즈(11)의 유효 초점 길이는 이러한 실시예에서 25 mm이다. 악시콘(10)에 의한 레이저 빔의 원형 변환이 부재번호 SR로 지시된다.

도 5b는 도 5a에 따른 기판(1) 또는 유리 피가공물의 재료에서 유도된 흡수(2c) 또는 초점 라인(2b)의 형성을 상세하게 나타내고 있다. 양 소자(10, 11)의 광학 특성 뿐만 아니라 상기 소자의 위치결정은, 빔 방향에서 초점 라인(2b)의 길이(l)가 기판(1)의 두께(d)와 정확하게 동일한 방식으로, 선택된다. 결론적으로, 빔 방향에 따른 기판(1)의 정확한 위치결정이, 도 5b에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 2개의 표면(1a 및 1b) 사이에 초점 라인(2b)을 정확하게 위치시키도록, 요구된다.

이에 따라, 초점 라인이 레이저 광학으로부터 특정 거리로 형성된다면, 그리고 보다 큰 부분의 레이저 복사가 초점 라인의 요구되는 단부에 이르기까지 초점맞춰진다면 유리하다. 기재된 바와 같이, 이는, 한편으로, 요구되는 개구 수와 이에 따른 요구되는 스팟 크기를 실현하도록 사용되지만, 그러나, 다른 한편으로, 기본적으로 원형 스팟이 형성되는 것처럼, 원의 확산이 스팟의 중심의 매우 짧은 거리를 넘어, 요구되는 초점 라인(2b) 이후의 강도를 감소시키는, 주로 초점맞춤 소자(11)(렌즈)를 단지 원형으로(환형으로) 요구되는 특별한 외측 구역을 조명함으로써 달성될 수 있다. 이처럼, 결함 라인 형성이 요구되는 기판 깊이에서 짧은 거리 내로 멈춰진다. 악시콘(10)과 초점맞춤 렌즈(11)의 조합이 이러한 요구조건을 충족한다. 악시콘은 2개의 상이한 방식으로 작용하며: 상기 악시콘(10)에 기인하여, 통상적으로 라운드형의 레이저 스팟이 링 형태의 초점맞춤 렌즈(11)에 보내지고, 그리고 악시콘(10)의 비구면계수는 초점 평면에서의 초점 대신에 렌즈의 초점 평면을 넘어 초점 라인이 형성된다는 효과를 갖는다. 초점 라인(2b)의 길이(l)는 악시콘에서 빔 직경을 통해 조정될 수 있다. 다른 한편으로, 초점 라인에 따른 개구 수는 거리(z1)(악시콘-렌즈)를 통해 그리고 상기 악시콘의 콘 각도를 통해 조정될 수 있다. 이처럼, 모든 레이저 에너지가 초점 라인에 집중될 수 있다.

결함 라인 형성이 기판의 뒤쪽 면(back side)에 연속되도록 제안된다면, 원형(환형) 조명은, (1) 대부분의 레이저 광이 초점 라인의 요구되는 길이에 집중 유지된다는 점에서 레이저 파워가 최적으로 사용되고, 그리고 (2) 다른 광학 작용에 의해 설정된 요구되는 수차와 관련하여 원형으로 조명된 구획부에 기인하여, 초점 라인에 따른 일정한 스팟 크기와 - 이에 따라 초점 라인에 따라 기판으로부터 일정한 부분 분리가 달성될 수 있다는 장점을 여전히 갖는다.

도 5a에 도시된 평면-볼록 렌즈 대신에, 또한 초점맞춤 요철 렌즈 또는 다른 한 보다 크게 교정된 초점맞춤 렌즈(비구면, 다중-렌즈 시스템)가 사용될 수 있다.

도 5a에 도시된 렌즈와 악시콘의 조합을 사용하여 매우 짧은 초점 라인(2b)을 만들기 위하여, 상기 악시콘에 입사되는 레이저 빔의 매우 작은 빔 직경이 선택될 필요가 있다. 이는 악시콘의 정점에 빔을 중심맞추는 것이 반드시 매우 정밀해야 하고 그리고 결과치가 레이저의 방향 변화(빔 드리프트(drift) 안정성)에 매우 민감하다는 실제 단점을 갖는다. 더욱이, 타이트하게 조준된 레이저 빔이 매우 분기하여, 즉, 광 굴절에 기인하여, 빔 다발은 짧은 거리 상에서 흐려지게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이들 효과는 다른 한 렌즈를, 조준 렌즈(12)를 광학 조립체(6)에 포함함으로써 피해질 수 있다. 부가적인 정(positive) 렌즈(12)는 초점맞춤 렌즈(11)의 원형 조명을 매우 타이트하게 조정하도록 사용된다. 조준 렌즈(12)의 초점 길이(f')는 요구되는 원 직경(Dr)이 f'와 동일한, 악시콘으로부터 조준 렌즈(12)까지의 거리(z1a)를 초래하는 방식으로, 선택된다. 링의 요구되는 폭(br)이 거리(z1b)를 통해(조준 렌즈(12)부터 초점맞춤 렌즈(11)까지) 조정될 수 있다. 완전한 기하학적 구조의 사안으로서, 작은 폭의 원형 조명이 짧은 초점 라인을 유도한다. 최소치는 거리(f')에서 달성될 수 있다.

따라서, 도 6에 도시된 광학 조립체(6)는 도 5a에 도시된 광학 조립체에 기초하므로, 단지 차이점만이 아래 기재되어 있다. 또한, 여기서 평면-볼록 렌즈(빔 방향 쪽으로 곡률을 가짐)로 설계된 조준 렌즈(12)는 한 측에서의 악시콘(10)(빔 방향 쪽으로 정점을 가짐)과 다른 한 측에서의 평면-볼록 렌즈(11) 사이의 빔 경로에서 중앙에 부가적으로 배치된다. 악시콘(10)으로부터 조준 렌즈(12)의 거리는 z1a로 지시되고, 조준 렌즈(12)로부터 초점맞춤 렌즈(11)의 거리는 z1b로 지시되며, 그리고 상기 초점맞춤 렌즈(11)로부터 초점 라인(2b)의 거리는 z2로 지시된다(이들 모두는 빔 방향에서 본 경우임). 도 6에 도시된 바와 같이, 조준 렌즈(12)상의 원 직경(Dr) 하에서 그리고 분기하게 입사되는, 악시콘(10)에 의해 형성된 원형 복사(SR)가 초점맞춤 렌즈(11)에서 적어도 대략적으로 일정한 원 직경(Dr)에 대해 거리(z1b)에 따라 요구되는 원 폭(br)으로 조정된다. 도시된 경우에 있어서, 매우 짧은 초점 라인(2b)은, 렌즈(12)에서 대략적으로 4 mm의 원 폭(br)이 렌즈(12)의 초점맞춤 특성에 기인하여 렌즈(11)에서 대략적으로 0.5 mm로 감소되기 위해(본 예에서 원 직경(Dr)은 22 mm임), 만들어지도록 의도된다.

설명된 실시예에 있어서, 2 mm의 전형적인 레이저 빔 직경, 초점 길이(f = 25 mm)를 갖는 초점맞춤 렌즈(11), 초점 길이((f') = 150 mm)를 갖는 조준 렌즈를 사용하고, 그리고 거리(Z1a = Z1b = 140 mm 그리고 Z2 = 15 mm)를 선택하여 0.5 mm 보다 작은 초점 라인(l)의 길이가 달성될 수 있다.

예를 들면, Gorilla 유리 조성물을 절단하기 위한 목적으로서, 처리가 유리 조성물에 손상 라인(결함 라인)을 만들도록 라인-초점 빔 형성 광학과 조합하여 피코초 펄스 레이저(예를 들면, 다중 펄스의 버스트를 만드는 1064 nm 피코초 펄스 레이저)를 사용하여 개발되었다. 두께가 0.7 mm에 이르는 유리 조성물은 광학에 의해 만들어진 초점 라인의 구역 내에 위치하도록 배치되었다. 길이가 대략 1 mm인 초점 라인과, 유리 조성물에서 측정된 200 kHz(대략 120 microJoule/버스트)의 반복률에서 대략 24 W 이상의 아웃풋 파워를 만드는 피코초 레이저로써, 초점 라인 구역에서의 광학 강도는 용이하게 비-선형 흡수를 유리 조성물에 만드는데 충분히 클 수 있다. 펄스 레이저 빔은 재료의 mm 두께 당 40 microJoule보다 더 큰, 재료에서 측정된 평균 레이저 버스트 에너지를 가질 수 있다. 사용된 평균 레이저 펄스 버스트 에너지는 재료의 mm 두께 당 2000 μJ 만큼 클 수 있고, 예를 들면 40 μJ/mm - 1500 μJ/mm일 수 있으며, 175 μJ/mm - 1500 μJ/mm가 바람직하고, 그리고 심지어 200 μJ/mm 내지 900 μJ/mm가 더욱 바람직한데, 그 이유는 에너지 밀도가 유리를 통한 관통 손상 트랙을 만드는데 충분히 강하면서 천공된 라인 또는 절단된 엣지에 직교하는 미소크랙의 정도를 최소화하기 때문이다. 여러 예시적인 실시예에 있어서, 레이저 버스트 에너지는 250 μJ/mm - 600 μJ/mm이다. mm 당 이러한 "평균 펄스 버스트 레이저 에너지"는 또한 평균, 버스트 당, 선형 에너지 밀도 또는 재료의 mm 두께 당 레이저 펄스 당 평균 에너지를 의미할 수 있다. 유리 조성물 내의 손상되거나, 삭마되거나, 기화되거나, 또는 그렇지 않으면 개질된 재료의 구역은 레이저 빔 초점 라인에 의해 만들어진 큰 광학 강도의 선형 구역에 대략적으로 따라서 만들어졌다.

이러한 피코초 레이저의 전형적인 작동은 펄스 버스트 또는 펄스의 "버스트"를 만든다는 것을 알기 바란다. 이는 도 7a - 도 7c에 나타내어져 있다. 각각의 "버스트"는 매우 짧은 지속기간(~10 psec)의 다중 펄스(예를 들면, 적어도 2 펄스, 적어도 3 펄스, 적어도 4 펄스, 적어도 5 펄스, 또는 이 이상)를 포함할 수 있다. 더욱 특별하게는, 본 명세서에 개시된 실시예에 따라 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 피코초 레이저는 또한 "펄스 버스트"로 본 명세서에서 언급된, 펄스(720)의 "버스트"(710)를 만들고, 각각의 "버스트"(710)는 100 psec(예를 들면, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec, 또는 이들 사이)에 이르는 매우 짧은 지속기간(T_d)의 다중 펄스(720)(예를 들면, 2 펄스, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스, 또는 이 이상)를 포함한다. 하나의 버스트(710) 내의 이들 개별 펄스(720)는 또한 "서브-펄스"로 명명될 수 있으며, 이는 간단하게 상기 서브-펄스가 펄스의 하나의 버스트 내에서 발생하는 사실을 나타낸다. 펄스 버스트 내의 각각의 레이저 펄스(720)의 강도나 에너지는 상기 펄스 버스트 내의 다른 펄스의 강도나 에너지와 동일하지 않을 수 있고, 그리고 펄스 버스트(710) 내의 다중 펄스의 강도 분포는 종종 레이저 설계에 의해 좌우되는 시간 지수 감소(exponential decay in time)를 따른다. 바람직하게, 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예의 펄스 버스트(710) 내의 각각의 펄스(720)가 1 nsec 내지 50 nsec(예를 들면, 10 ns - 50 ns, 또는 10 ns - 50 ns, 또는 10 ns - 30 nsec)의 지속기간(T_p) 만큼 버스트에서의 다음 펄스로부터 시간 분리되며, 상기 시간은 레이저 공동 설계에 의해 종종 좌우된다. 주어진 레이저에 대해, 펄스 버스트(710) 내에서의 각각의 펄스(펄스-대-펄스 분리) 사이의 시간 분리(T_p)는 비교적 일정하다(±10%). 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, 각각의 개별 펄스는 대략적으로 20 nsec(50 MHz) 만큼 다음 펄스로부터의 시간 분리된다. 예를 들면, 대략 20 nsec의 펄스 분리(T_p)를 만드는 레이저에 대해, 버스트 내에서의 펄스 대 펄스 분리(T_p)는 대략 ±10% 이내로 유지되거나, 또는 대략 ±2 nsec이다. 각각의 "버스트" 사이의 시간(즉, 버스트 사이의 시간 분리(T_b))은 상당히 더 길 것이다(예를 들면, 0.25 ≤ T_b ≤ 1000 마이크로초, 예를 들면 1 마이크로초 - 10 마이크로초, 또는 3 마이크로초 - 8 마이크로초). 예를 들면, 본 명세서에 기재된 레이저의 여러 예시적인 실시예에 있어서, 대략 200 kHz의 주파수 또는 레이저 반복률에 대해 대략 5 마이크로초이다. 레이저 반복률은 또한 본 명세서에서 버스트 반복 주파수로 언급되었고, 그리고 버스트에서의 제 1 펄스로부터 다음 버스트에서의 제 1 펄스까지의 시간으로 정의된다. 다른 실시예에 있어서, 버스트 반복 주파수는 대략 1 kHz 내지 대략 4 MHz 이다. 더욱 바람직하게, 레이저 반복률은 예를 들면, 대략 10 kHz 내지 650 kHz 일 수 있다. 각각의 버스트에서의 제 1 펄스로부터 다음 버스트에서의 제 1 펄스까지의 시간(T_b)은 0.25 마이크로초(4 MHz 반복률) 내지 1000 마이크로초(1 kHz 버스트 반복률), 예를 들면 0.5 마이크로초(2 MHz 버스트 반복률) 내지 40 마이크로초(25 kHz 버스트 반복률), 또는 2 마이크로초(500 kHz 버스트 반복률) 내지 20 마이크로초(50 kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속기간, 및 반복률은 레이저 설계에 따라 변할 수 있지만, 그러나 고 강도의 짧은 펄스(T_d < 20 psec 및 바람직하게 T_d≤ 15 psec)가 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.

재료를 개질하는데 필요한 에너지는 버스트 에너지-버스트 내에 포함된 에너지(각각의 펄스 버스트(710)가 일련의 펄스(720)를 포함함)로써, 또는 하나의 레이저 펄스내에 포함된 에너지(많은 펄스가 버스트를 포함할 수 있음)로써 기술될 수 있다. 이들 경우에 대해, 펄스 버스트 당 에너지는 25 μJ - 750 μJ, 더욱 바람직하게 50 μJ - 500 μJ, 또는 50 μJ - 250 μJ일 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 펄스 버스트 당 에너지는 100 μJ - 250 μJ이다. 버스트 내의 개별 펄스의 에너지는 보다 적을 것이고, 그리고 정확한 개별 레이저 펄스 에너지가 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이 시간과 레이저 펄스의 감소 율(rate of decay)(예를 들면, 지수 감소 율(exponential decay rate) 및 버스트(710) 내의 펄스(720)의 수에 따라 결정될 것이다. 예를 들면, 일정한 에너지/버스트에 대해, 펄스 버스트가 10개의 개별 레이저 펄스(720)를 수용한다면, 이후 각각의 개별 레이저 펄스(720)는 동일한 펄스 버스트(710)가 단지 2개의 개별 레이저 펄스를 갖는 것보다 에너지를 덜 수용한다.

이러한 펄스 버스트를 만들 수 있는 레이저의 사용은 투명한 재료, 예를 들면 유리를 절단하거나 개질하는데 유리하다. 레이저의 반복률 만큼 시간 이격된 하나의 펄스의 사용에 반하여, 버스트(710) 내의 펄스의 빠른 순서(sequence)가 끝나 레이저 에너지를 퍼지게 하는 펄스 버스트 순서가 사용되면, 하나의-펄스 레이저로써 가능한 것보다 재료와의 보다 긴 기간의 고 강도 상호작용의 이용(access)이 가능하게 된다. 하나의-펄스가 시간 확장될 수 있는 동안, 이와 같이 행해짐으로서, 펄스 내에서의 강도가 펄스 폭을 넘는 대략적으로 강도만큼 반드시 강하되어야 한다는 것을 나타낸다. 이에 따라 10 psec 하나의 펄스가 10 nsec 펄스로 확대된다면, 강도는 대략적으로 1000배(three orders of magnitude) 만큼 떨어진다. 이러한 감소는, 비-선형 흡수가 더 이상 상당하지 않고 광-재료 상호작용이 절단할 수 있는데 더 이상 충분히 강하지 않은 지점까지 광학 강도를 감소시킬 수 있다. 이와 달리, 펄스 버스트 레이저로써, 각각의 서브-펄스(720A)(또는 버스트(710) 내에서의 각각의 펄스(720)) 동안의 강도는 매우 크게 유지될 수 있으며 - 예를 들면, 대략적으로 10 nsec 만큼 시간 분리된 3개의 10 psec 펄스(720)는 여전히 각각의 펄스 내의 강도가 하나의 10 psec 펄스의 강도보다 대략적으로 3배 더 크게 할 수 있는 한편으로, 레이저는 현재 1000 배 보다 더 긴 기간 내내 재료와 상호작용할 수 있게 된다. 버스트 내에서의 다중 펄스(720)의 이러한 조정은 따라서 이미 존재하는 플라즈마 기둥(plume)과의 보다 크거나 보다 작은 광 상호작용, 초기 레이저 펄스나 사전 레이저 펄스에 의해 사전-여기된 원자 및 분자와 보다 크거나 보다 작은 광-재료 상호작용, 그리고 미소크랙의 제어된 성장을 촉발시킬 수 있는 재료 내에서의 보다 크거나 보다 작은 가열 효과를 용이하게 할 수 있는 방식으로, 레이저-재료 상호작용의 기간의 조정을 가능하게 한다. 재료를 개질하는데 요구되는 버스트 에너지의 양은 기판과 상호작용하도록 사용된 라인 초점의 길이와 기판 재료 조성에 따라 결정될 것이다. 상호작용 구역이 길면 길수록, 보다 많은 에너지가 퍼져 나가게 되고, 그리고 보다 큰 버스트 에너지가 요구될 것이다.

라인 초점을 형성하는 광학 방법은 도넛 형상의 레이저 빔과 구형 렌즈, 악시콘(axicon) 렌즈, 회절 소자, 또는 고 강도의 선형 구역을 형성하는 다른 방법을 사용하여, 다수의 형태를 취할 수 있다. 레이저(피코초, 펨토초, 등) 및 파장(IR, 녹색, UV, 등)의 타입은 또한, 충분한 광학 강도가 비선형 광학 효과를 통해 기판이나 유리 재료 피가공물이 고장(breakdown)나도록 초점 구역에 도달하는 한, 변할 수 있다. 필수 소자는, 이러한 긴 라인 초점이 만들어지고, 단지 매우 짧은 손상 트랙이 만들어질 수 있고, 이에 따라 상이한 초점 위치에서의 다수의 스캔이 기판을 충분하게 천공하도록 반드시 행해지기 위해, 신속하게 분기하는 전통적인 Gaussian과 같은 레이저 빔과 달리, 하나의 레이저 버스트로써 재료에 만들어질 매우 긴 손상 트랙 또는 구멍을 가능하게 한다는 것이다.

구멍 또는 손상 트랙 형성부

이들 구멍 또는 손상 트랙은 일반적으로 대략 0.1 micron 내지 2 micron의 치수, 예를 들면, 대략 0.5 micron - 1.5 micron의 내부 치수를 갖는 구멍의 형태를 취한다. 바람직하게 구멍은 치수가 매우 작다(1 micron 또는 이보다 작음). 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, 구멍은 대략 0.2 micron 내지 0.7 micron, 또는 0.3 micron 내지 0.6 micron의 내부 치수를 갖는다.

이러한 특징부의 스캐닝 전자 마이크로그래프 이미지가 도 8에 도시되어 있다. 구멍은 재료의 총 두께를 천공할 수 있지만, 그러나 재료의 깊이를 통한 연속의 개구일 수 있거나 개구가 아닐 수 있다. 도 9는 700 micron 두께의 Corning 코드 2320 유리의 조각의 총 두께를 천공하는 이러한 트랙의 일례를 나타내고 있다. 200 mm/sec로 기판을 가로질러 레이저 빔의 하나의 패스에 의해 절단이 행해졌다. 이미지는 천공이 유리의 총 두께를 가로지른다는 것을 나타낸다. 천공 또는 손상 트랙이 쪼개진 엣지의 면을 통해 보여진다. 재료를 통한 트랙이 관통 구멍을 필수로 하지 않으며 - 구멍을 메우는 유리의 구역이 종종 존재하지만, 그러나 이들 구역은 대략적으로 micron 크기로 일반적으로 작다.

또한 유리의 스택된 시트가 천공될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 초점 라인 길이는 스택 높이보다 더 길 필요가 있다.

구멍 사이나 또는 결함 라인(또는 손상 트랙, 또는 천공) 사이의 측방향 간격(피치 또는 주기성)은, 기판이 초점맞춰진 레이저 빔 아래로 병진이동됨에 따라, 기판의 병진이동 속도에 의해 그리고 레이저의 펄스 율에 의해 결정된다. 단 하나의 피코초 레이저 펄스 버스트가 전체 구멍을 형성하는데 통상적으로 필요하지만, 그러나 다중 펄스가 요구되어진다면 사용될 수 있다. 상이한 피치로 구멍을 형성하기 위해, 레이저는 보다 길거나 보다 짧은 인터벌로 작동(fire)하도록 촉발될 수 있다. 인접한 결함 라인 사이의 주기성은 0.1 micron 내지 20 micron일 수 있다. 예를 들면, 0.5 micron 내지 20 micron, 예를 들면, 주기성은 0.5 micron 내지 15 micron, 또는 3 micron 내지 10 micron, 또는 5 micron 내지 8 micron, 또는 0.5 micron 내지 3.0 micron이다. 심지어 더욱 바람직하게, 인접한 결함 라인 사이의 주기성(또는 피치나 측방향 간격)은 예를 들면, 대략 3 micron 내지 대략 12 micron일 수 있다. 예를 들면, 강화되지 않은 (IOX 전의) 이온-교환가능한 유리의 절단을 수반하는 여러 실시예에 있어서, 인접한 결함 라인 사이의 거리(피치 거리)는 3 micron 내지 5 micron인 것이 바람직하다. 이와 달리, 여러 실시예에 있어서, 이들 동일한 유리가 40 MPa를 넘는 중앙 응력(CT) 레벨로 이온 교환된다면, 인접한 결함 라인 사이의 바람직한 거리는 5 micron 내지 8 micron이다. 이는 사후-IOX 재료에서의 응력이 보다 크고 손상 트랙의 천공이 IOX 전의 재료의 경우에서 보다 더 큰 피치에서 만들어진 결함 라인 사이에 전파할 수 있는 보다 큰 크랙을 만들 것이기 때문이라는 알 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 최종 부분의 엣지 강도를 감소시킬 수 있는 절단된 엣지의 상당히 많은 서브-표면 손상을 방지하기 위해, 재료가 여전히 용이하게 분리될 수 있게 하면서 가능한 큰 결함 라인 사이에 피치가 만들어지는 것이 일반적으로 바람직하다. 이에 따라, 보다 큰 피치라는 것은 최종 부분 엣지에 대한 손상이 보다 작게 되도록, 보다 적은 에너지가 재료에서의 영역당 퇴적된다는 것을 의미함에 따라, 재료가 여전히 분리된다면, 보다 큰 피치가 요구된다.

그러나, IOX 전의 유리의 경우에, 결함 라인의 피치는 종종 크랙이 천공 사이를 결합할 수 있게 하기 위해 반드시 보다 작아, 외측 응력이 가능한 적게 가해진 상태에서 부분을 분리할 기회가 제공된다. 이는 CO₂레이저의 사용과 같은 2차 분리 단계가 사용된다면 특히 중요하다. 더욱 빈틈없이 크랙 네트워크가 결함 라인 사이에 만들어지고, 보다 적은 CO₂에너지가 분리를 유도하는데 요구될 것이다. 이는 천공된 윤곽을 가로지른 보다 빠른 CO₂레이저 횡단 속도와 이에 따른 보다 빠른 생산 처리를 가능하게 한다.

절단 작동을 위해, 레이저 촉발은 일반적으로 빔 아래 피가공물의 스테이지 구동된 이동과 동기화되고, 이에 따라 레이저 펄스가 예를 들면, 매 1 micron 또는 매 5 micron처럼 고정된 인터벌에서 촉발된다. 흠 라인의 방향에 따라 인접한 결함 라인 사이의 거리나 주기성은 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, 0.1 micron 초과 대략 20 micron 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게, 여러 실시예에 있어서, 간격은 1 micron 내지 15.0 micron이다. 심지어 더욱 바람직하게, 간격은 3 micron 내지 8 micron일 수 있다. 정확한 간격은 천공된 구멍으로부터 천공된 구멍까지 크랙 전파를 용이하게 하는 재료 특성, 기판에서 주어진 응력 레벨에 의해 결정된다. 그러나, 기판을 절단하는 것과 다르게, 또한 재료를 단지 천공하는 동일한 방법이 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법에 있어서, 구멍 또는 결함 라인은 보다 큰 간격(예를 들면, 7 micron 피치 이상)에 의해 분리될 수 있다.

레이저 파워 및 렌즈 초점 길이(초점 라인 길이와 이에 따른 파워 밀도를 결정함)는 유리의 완전한 천공과 저 미소-크랙을 보장하는 특히 중요한 매개변수이다.

일반적으로, 이용가능한 레이저 파워가 크면 클수록, 재료가 상기 처리로써 보다 빠르게 절단될 수 있다. 절단 속도(즉, 절단하는 속도)는 다수의 구멍이나 개질된 구역을 만들면서 투명한 재료(예를 들면, 유리)의 표면과 관련하여 레이저 빔이 이동하는 속도이다. 예를 들면, 적어도 250 mm/sec, 적어도 300 mm/sec, 적어도 350 mm/sec, 400 mm/sec, 500 mm/sec, 1 m/sec, 1.2 m/sec, 1.5 m/sec, 또는 2 m/sec, 또는 심지어 3.4 m/sec 내지 4 m/sec와 같은 빠른 절단 속도는 제조 자본 투자를 최소화하도록 종종 요구된다. 레이저 파워는 레이저의 버스트 반복 주파수(율)에 의해 배가된 버스트 에너지와 동일하다. 일반적으로, 고 절단 속도로 이러한 유리 재료를 절단하기 위하여, 손상 트랙은 여러 실시예에서 1 ㎛ - 25 ㎛만큼 이격되며, 간격은 바람직하게는 3 micron 이상 - 예를 들면 3 micron - 12 micron이거나, 또는 예를 들면 5 micron - 10 micron이다.

예를 들면, 300 mm/sec의 선형 절단 속도를 달성하기 위하여, 3 micron 구멍 피치는 적어도 100 kHz 반복률을 갖는 버스트-펄스 레이저에 대응한다. 600 mm/sec 절단 속도에 대해, 3 micron 피치는 적어도 200 kHz 버스트 반복률을 갖는 버스트-펄스 레이저에 대응한다. 200 kHz에서 적어도 40 μJ/버스트를 만드는 펄스 버스트 레이저에 대해, 상기 펄스 버스트 레이저는 8 Watt의 레이저 파워에 상당한다. 보다 빠른 절단 속도는 이에 따라 심지어 보다 큰 레이저 파워를 요구한다.

예를 들면, 3 ㎛ 피치 및 40 μJ/버스트에서의 0.4 m/sec 절단 속도는 적어도 5 W 레이저를 요구할 수 있고, 3 ㎛ 피치 및 40 μJ/버스트에서의 0.5 m/sec 절단 속도는 적어도 6 W 레이저를 요구할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 펄스 버스트 ps 레이저의 레이저 파워는 6 W 이상 이고, 더욱 바람직하게는 적어도 8 W이상이며, 그리고 더욱 바람직하게는 심지어 적어도 10 W이상 이다. 예를 들면, 4 ㎛ 피치 및 100 μJ/버스트에서 0.4 m/sec 절단 속도는 적어도 10 W 레이저를 요구할 수 있고, 그리고 4 ㎛ 피치 및 100 μJ/버스트에서의 0.5 m/sec 절단 속도는 적어도 12 W 레이저를 요구할 수 있다. 예를 들면, 3 ㎛ 피치 및 40 μJ/버스트에서 1 m/sec의 절단 속도는 적어도 13 W 레이저를 요구할 수 있다. 또한, 예를 들면, 4 ㎛ 피치 및 400 μJ/버스트에서 1m/sec 절단 속도는 적어도 100 W 레이저를 요구할 수 있다. 그러나, 보다 가까운 피치에서 손상 트랙을 만드는 것이나 레이저 펄스 에너지를 상승시키는 것은 기판 재료가 항상 보다 잘 분리되게 하거나 향상된 엣지 품질을 갖게 하는 조건이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 손상 트랙 사이의 (예를 들면 <3 ㎛ 또는 < 2 ㎛) 매우 고 밀도의 피치는 다음 손상 트랙 부근의 형성을 실제로 방지할 수 있고, 그리고 종종 천공된 윤곽 주위에서의 재료의 분리를 방지할 수 있으며, 또한 유리 내에서의 원치않는 마이크로 크랙의 증가를 초래될 수 있다. 매우 긴(> 20 ㎛) 피치는 "제어되지 않는 미소크랙"을 초래할 수 있으며 - 즉, 이 경우 구멍으로부터 구멍까지 전파하는 대신에, 미소크랙은 상이한 경로를 따라서 전파되고, 유리가 상이한(바람직하지 못한) 방향으로의 크랙을 야기한다. 이는 잔여 미소크랙이 유리를 취약하게 하는 결함부로 작동하기 때문에, 분리된 부분의 강도를 궁극적으로 더 낮출 것이다. 매우 큰 버스트 에너지(예를 들면, > 2500 μJ/버스트)는 유리의 분리를 방지할 수 있는 인접한 손상 트랙의 사전에 형성된 미소크랙의 "힐링(healing)" 또는 재-용융을 야기시킬 수 있다. 또한, 매우 큰 버스트 에너지를 사용하는 것은 극히 큰 미소크랙의 형성을 야기시킬 수 있고 그리고 분리 이후에 부분의 엣지 강도를 감소시킬 수 있는 결함부를 만들 수 있다. 매우 적은 (예를 들면, < 40 μJ/버스트) 버스트 에너지는 유리 내에 형성된 예측가능하지 않은 손상 트랙을 초래할 수 있고, 그리고 이에 따라 특히 큰 분리 강도나 또는 천공된 윤곽을 따라 완전한 분리 불능을 초래할 수 있다. 따라서 손상 트랙과 정확한 버스트 에너지 사이의 최적의 피치가 재료에 따라 결정된다.

이러한 처리에 의해 가능하게 되는 전형적인 예시적인 절단 속도(절단 율)는 예를 들면, 300 mm/sec 이상이다. 본 명세서에 기재된 여러 실시예에 있어서, 절단 속도는 적어도 400 mm/sec이거나, 예를 들면, 500 mm/sec 내지 2000 mm/sec이거나, 또는 이보다 더 빠르다. 여러 실시예에 있어서, (버스트 펄스) ps 레이저는 0.5 micron 내지 13 micron의, 예를 들면 0.5 micron 내지 10 micron의, 그리고 여러 실시예에 있어서 3 micron - 7 micron의 주기성을 갖는 결함 라인을 만든다. 여러 실시예에 있어서, 펄스 레이저는 10 W - 100 W의 레이저 파워를 갖고, 그리고 재료 및/또는 레이저 빔은 적어도 0.25 m/sec; 예를 들면, 0.25 m/sec 내지 0.35 m/sec에서, 또는 0.4 m/sec 내지 5 m/sec에서의 속도로 서로에 대해 병진이동된다. 바람직하게는, 펄스 레이저 빔의 각각의 펄스 버스트는 피가공물의 mm 두께 당 버스트 당 40 microJoule 보다 더 큰, 피가공물에서 측정된 평균 레이저 에너지를 갖는다. 바람직하게는, 펄스 레이저 빔의 각각의 펄스 버스트는 피가공물의 mm 두께 당 버스트 당 2000 microJoule 보다 작은, 그리고 바람직하게는 피가공물의 mm 두께 당 버스트 당 약 1000 microJoule 보다 작은, 그리고 여러 실시예에 있어서 피가공물의 mm 두께 당 버스트 당 7500 μ/J 보다 작은, 피가공물에서 측정된 평균 레이저 에너지를 갖는다.

예를 들면, 0.7 mm 두께의 비-이온 교환 Corning 코드 2319 또는 코드 2320 Gorilla유리를 절단하기 위하여, 3 micron - 7 micron의 피치가 약 150 μJ/버스트 - 250 μJ/버스트의 펄스 버스트 에너지 및 2 - 15의 펄스 버스트 당 펄스 수로써 잘 작동할 수 있다고 관찰되었고, 그리고 더욱 바람직하게는 버스트 당 펄스 수의 범위는 2 - 10이고, 3 micron - 5 micron의 피치가 IOX 전의 유리에 대해 바람직하며 그리고 5 - 8의 피치는 사후-IOX 유리에 대해 바람직하다.

1 m/sec 절단 속도에서, 이와 같은 코드 2319 또는 2320 Gorilla^® 유리의 절단은 전형적으로 15 W - 84 W의 레이저 파워의 사용을 요구하며, 종종 20 W - 45 W가 충분하다. 일반적으로, 다양한 유리 및 다른 투명한 재료를 가로질러, 본 출원인은 10 W 내지 100 W의 레이저 파워가 0.2 m/sec - 1 m/sec의 절단 속도를 달성하는데 요구되고, 25 W - 60 W의 레이저 파워가 많은 유리에 대해 충분하다(그리고 최적이다)는 것을 발견하였다. 0.4 m/sec 내지 5 m/sec의 절단 속도에 대해, 레이저 파워는 바람직하게는 10 W - 150 W일 수 있고, 버스트 에너지는 40 μJ/버스트 - 750 μJ/버스트이고, (즉 절단된 재료에 따라) 펄스 당 버스트는 펄스 당 2 버스트 - 25 버스트이고, 그리고 구멍 분리(피치)는 3 ㎛ 내지 15 ㎛ 또는 3 ㎛ - 10 ㎛이다. 피코초 펄스 버스트 레이저의 사용은 이들 절단 속도가 버스트 당 요구되는 펄스의 수와 고 파워를 만들기 때문에, 이들 절단 속도에 대해 바람직할 수 있다. 따라서, 여러 예시적인 실시예에 따라, 펄스 레이저는 10 W - 100 W의 파워, 예를 들면 25 W 내지 60 W의 파워를 만들고, 그리고 버스트 당 적어도 2 펄스 - 25 펄스의 펄스 버스트를 만들고 그리고 결함 라인 사이의 거리가 2 micron - 10 micron이고; 그리고 레이저 빔 및/또는 피가공물은 적어도 0.4 m/sec의 속도로, 예를 들면 0.5 m/sec 내지 5 m/sec의 속도로, 또는 이보다 더 빠른 속도로 서로에 대해 병진이동된다.

천공된 결함 라인의 구멍 주위의 미소-크랙이 다음 가장 근접한 구멍 쪽으로 정위되는 경우, 이는 하나의 구멍으로부터 다음 가장 근접한 구멍까지의 절단된 방향으로의 크랙 전파가 절단된 라인에 따른 미소-크랙에 의해 부가적으로 향상된다는 점에서 유리 절단을 돕는다. 이러한 경우에 있어서, 구멍이나 결함 라인 사이의 보다 큰 피치(예를 들면, 3 micron 내지 20 micron과 같은 3 micron 내지 50 micron)는 완전한 유리 분리에 대해 바람직하다. 대안적으로, 미소-크랙이 인접한 결함 라인에 인접하여 그리고 상기 라인 쪽으로 형성되지 않거나 정위되지 않는 경우, 구멍(또는 결함 라인) 사이의 보다 작은 피치(예를 들면 0.1 micron 내지 3 microns)가 완전한 유리 분리에 대해 바람직하다.

분리

기판이 (예를 들면, 이온 교환된 유리와) 충분한 응력을 갖는다면, 이후 부분은 동시에 크랙형성될 것이고 레이저 처리에 의해 추적된 천공된 손상 경로를 따라서 분리할 것이다. 도 9는 이온-교환된 샘플 및 이러한 유리의 이온 교환되지 않은 샘플에서의 응력 프로파일 사이의 차이를 나타낸다. 이러한 유리 시트에서의 내부 응력의 레벨은 아래 기재된 식으로써 근사계산될 수 있다:

상기 식에서 CT는 메가파스칼(MPa)의 중앙 응력이고, DOL은 이온-교환된 구역의 레이어의 깊이이고, CS는 이온-교환된 레이어에서의 (MPa 단위의) 압축 응력이고, 그리고 사용된 두께는 유리 시트의 두께이다. 이는 20 MPa 내지 110 MPa 범위의 중앙 응력 레벨로 이온-교환된 Corning 코드 2318, 2319, 2320과 같은 강화된 유리 재료를 기재하고 있다. 일반적으로, 유리의 중앙 응력이 크면 클수록, 피코초 레이저 처리 이후에 유리는 더욱 용이하게 분리될 것이다.

그러나, 기판 내에 충분한 응력이 없다면, 이후 피코초 레이저가 손상 트랙을 조각에 간단하게 형성할 것이고 상기 기판이 온전하게 유지될 것이다. 이러한 경우에 있어서, 기계적 굽힘력이 천공된 라인을 따라서 조각을 분리하도록 적용될 수 있다. 또는, 종종 더욱 바람직하게, CO₂레이저와 같은 열원의 사용에 의해 열 응력이 가해질 수 있다. CO₂레이저 빔(ps 레이저에 의해 형성된 천공 라인을 따라서 또는 그 근처의 CO₂레이저에 의해 다음 패스에 제공됨)은 유리에 의해 흡수되고, 그리고 천공된 라인을 교차하여 추적될 때, 국부 열 응력이 만들어지며, 이는 유리가 천공을 따라서 분리되게 한다.

CO₂레이저 분리가 예를 들면, 10.6 micron에서 방사되는 초점이탈된 연속파(cw) 레이저 및 상기 레이저의 듀티 사이클을 제어함으로써 조정된 파워에 의해 달성된다. 초점 변경(즉, 초점맞춰진 스팟 크기에 이르는 초점 이탈과 이 스팟 크기를 포함하는 정도)이 스팟 크기를 변경시킴으로써 유도된 열 응력을 변경시키도록 사용된다. 초점이탈된 레이저 빔은 레이저 파장의 대략적인 크기의 회절-제한된 최소 스팟 크기보다 더 큰 스팟 크기를 만드는 이들 레이저 빔을 포함한다. 예를 들면, 1 mm 내지 20 mm, 예를 들면 1 mm 내지 12 mm, 3 mm 내지 8 mm, 또는 대략 7 mm, 2 mm, 그리고 20 mm의 스팟 크기가 CO₂레이저에 대해, 예를 들면, CO₂10.6 μm 레이저로써 사용될 수 있다. 방사 파장이 유리에 의해 또한 흡수되는 다른 레이저, 예를 들면, 9 micron - 11 micron 범위에서 방사되는 파장을 갖는 레이저가 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 100 Watt 내지 400 Watt의 파워 레벨을 갖는 CO₂레이저가 사용될 수 있고, 그리고 빔은 분리를 유도하도록 충분한 열 응력을 만드는 결함 라인에 따라 또는 상기 결함 라인에 인접하여 50 mm/sec - 1000 mm/sec의 속도로 스캔될 수 있다. 특정 범위 내에서 선택된 정확한 파워 레벨, 스팟 크기, 및 스캐닝 속도는 재료 사용, 그 두께, 열 팽창 계수(CTE), 탄성 계수에 따라 결정될 수 있는데, 그 이유는 이들 모든 인자가 주어진 공간 위치에서의 특정된 에너지 퇴적율에 의해 부여된 열 응력의 양에 영향을 받기 때문이다. 스팟 크기가 매우 작다면(즉 < 1 mm), 또는 레이저 파워가 매우 크다면(> 400W), 또는 스캐닝 속도가 매우 느리다면(1 mm/sec보다 느림), 유리가 과열될 수 있어, 유리에 바람직하지 못한 삭마, 용융 또는 열적으로 발생된 크랙을 만들어, 분리된 부분의 엣지 강도를 감소시킬 것이다. 바람직하게 CO₂레이저 빔 스캐닝 속도는 효율적이고 신뢰가능한 부분 분리를 유도하도록 > 50 mm/sec이다. 그러나, 스팟 크기가 매우 크다면(> 20 mm), 또는 레이저 파워가 매우 작다면(< 10W, 또는 여러 경우에 < 30W), 또는 스캐닝 속도가 매우 빠르다면(> 1000 mm/sec), 불충분한 가열이 발생하고 이는 신뢰가능한 부분 분리를 유도하는 열 응력을 매우 낮추는 결과를 초래한다. 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, 80 Watt의 CO₂레이저 파워는 상기 언급된 psec 레이저로써 천공되는 IOX 전의 0.7 mm 두께의 Corning 코드 2318 유리에 대해 부분 분리를 유도하도록 유리 표면에서의 대략적으로 스팟 직경이 2 mm이고 스캐닝 속도가 233 mm/sec인 상태에서 사용될 수 있다. 정확한 파워 레벨, 스팟 크기, 및 스캐닝 속도는 재료 사용, 그 두께, 열 팽창 계수(CTE), 탄성 계수에 따라 결정될 수 있는데, 그 이유는 이들 모든 인자가 주어진 공간 위치에서 특정 에너지 퇴적율에 의해 부여된 열 응력의 양에 영향을 미치기 때문이다. 예를 들면 보다 두꺼운 Corning 2318 유리 기판은 보다 얇은 Corning 2318 기판 보다 분리하는데 단위 시간당 더 많은 CO₂레이저 열 에너지를 필요로 하거나, 또는 보다 작은 CTE를 갖는 유리가 보다 작은 CTE를 유리 보다 분리하는데 더 많은 CO₂레이저 열 에너지를 필요로 할 수 있다. 천공된 라인에 따른 분리가 예를 들면, 100 밀리초 이내, 50 밀리초 이내, 또는 25 밀리초 이내로, CO₂스팟이 주어진 위치를 통과한 이후에 매우 빠르게(1 초보다 작음) 발생할 것이다.

~2.1 mm의 필라멘트 길이 및 ~10 psec 펄스 폭 1064 nm 레이저를 만드는 광학 이송 시스템을 사용하여, 아래 기재된 예시적인 피코초 레이저 조건이 이온-교환 이후에 이들 유리를 천공하도록 용이하게 사용될 수 있다:

피코초 레이저 조건

유리 코드	두께 (mm)	IOX 레벨	레이저 버스트 에너지 (microJoule)	펄스/버스트	구멍 피치 (micron)
2320, 2318	0.7	없음→CT 60 MPa	100 - 250	2 - 5	3 - 8
2320	0.4	CT 80→104 MPa	125 - 150	2 - 3	6 - 10

상기 조건은 이러한 유리를 분리할 것이지만, 그러나 사용될 수 있는 모든 가능한 처리 조건의 총 범위를 나타내기 위한 것은 아니다. 바람직하게, 상기 레이저는 주어진 버스트 내의 펄스의 수를 조정함으로써 시간에 의한 에너지 퇴적 제어를 가능하게 하는 펄스 버스트 레이저이다.

아래 기재된 예시적인 CO₂레이저 조건은 상기 기재된 피코초 처리로써 천공되는 경우 이후에 강화되지 않은(이온 교환 전의) 유리를 분리하도록 열 응력을 만드는데 용이하게 사용될 수 있다:

CO₂레이저 조건

유리 코드	두께 (mm)		레이저 반복률 (kHz)	레이저 펄스 폭 (마이크로초)	유리에서의 레이저 평균 파워 (Watt)	유리에서의 스팟 크기 (mm)	빔 횡단 속도 (m/minute)
2320, 2318	0.7	IOX 전의	20	20	80	2	14

상기 조건은 충분한 열 응력이 천공을 따라서 완전한 분리를 야기시키도록 14 m/minute(233 mm/sec)로 천공된 라인을 따라 병진이동되는 대략 25 Watt/㎟의, 유리에서 레이저 파워 밀도를 발생시킨다.

도 10은 Gorilla^® 유리의 이온교환 전 및 사후 이온 교환 샘플 사이의 내부 응력 레벨과 응력 프로파일의 예시적인 비교를 나타낸 도면이다. 도 10은 모든 레벨의 이온-교환, 조성, 또는 유리 두께에 대한 모든 가능한 레벨을 나타내지 않는, 단지 일례를 나타낸 도면이다.

엣지 품질

도 12는 이온-교환 이전과 이후 모두의 일련의 0.7 mm 두께의 Corning 유리 코드 2320 부분에 만들어진 표면 아래 손상(SSD, subsurface damage) 측정의 결과를 나타낸 도면이다. SSD 값은 텍스쳐 표면 아래 숨겨진 상태(lay) 및 레이저 방법에 의해 만들어진 미소크랙과 결함에 대응한다. 특정 엣지 영역의 공초점 현미경 관찰은 표면 아래 결함이 얼마나 깊게 표면 아래 유리의 볼륨으로 관통하는지를 억세스하도록 사용된 방법이었다. SSD는 크랙 또는 파편 엣지로부터 흩어지는 광이 소산될 때까지 현미경 초점이 반드시 조정되어야 하는 것을 유리 부분으로 얼마나 멀리 아래로 기록함으로써 그리고 공초점 현미경을 사용하여 유리의 노출된(절단된) 엣지를 통해 봄으로써 측정된다. SSD의 정도가 대략적으로 60+/-15 micron이라는 것을 알 수 있을 것이다. Corning 유리 코드 2320 샘플에 대해 측정된 값은 비교적 작고 본 명세서에 기재되고 본 기술에 의해 절단된 거의 모든 유리에 대해 일정하다. 종종 수천 이상(many thousand)의 미소크랙이 존재하며, 이에 따라 전형적으로 단지 최대 미소크랙이 측정된다. 이러한 처리는 전형적으로 절단된 엣지의 대략 5개의 위치에서 반복된다. 미소크랙이 절단된 표면에 대략적으로 수직할지라도, 절단된 표면에 직접적으로 수직하는 임의의 크랙이 이러한 방법에 의해 검출될 수 없다.

이는 기계적 스코어 및 파단 방법(크게 변할 수 있고 제어되지 않는 200 micron에 이르는 SSD), CO₂레이저 방법(크게 변할 수 있고 제어되지 않는 200 micron에 이르는 SSD), 많은 나노초 펄스 레이저 처리(~150 micron), 등으로써 달성될 수 있는 SSD보다 상당히 더 우수하다. 이러한 저 레벨의 SSD(절단부로서 평균 58 micron), 및 중요한 바와 같은 이러한 일정하고 종속가능한 저 레벨의 SSD(모든 값 < 75 micron)는 유리 엣지를 후 연마 및 폴리싱하는데 사용된 시간의 양이 최소화될 수 있고, 그리고 실제로 거친 연마와 같은 완전한 처리 단계에 대한 필요성을 배제할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 SSD 값은 다른 레이저 방법을 포함한 다른 절단 기술에 의해 만들어진 것보다 더 작고, 그리고 이는 최소 결함을 갖는 강성의 엣지를 얻고, 그리고 보다 적은 생산 비용으로 절단 이후에 사후 처리를 최소화하는 가능성을 가리킨다.

도 13은 Gorilla^® 유리 코드 2320의 동일한 샘플에 대해 측정된 표면 거칠기 데이터를 나타낸다. 값은 광학 간섭계를 사용하여 측정되었다. 이미 언급한 바와 같이, 도 9 및 도 11에 도시된 엣지가 매우 균일하고 명확하게 매끈한 텍스쳐를 갖는다. 이는 Ra 통계치로 수량화되고, 평균으로부터의 표면 높이의 편차의 평균의 측정치이며, 다음과 같이 정의된다:

상기 식에서 y_i는 표면 내의 상이한 위치에서 취해진 높이 측정값을 나타낸다. 항상 < 50 nm인 표준 편차와 대략 400 nm의 평균은, 일정한 저 거칠기 표면이 만들어지고, 분리가 일정하지 않았거나 불규칙하였다면 존재할 수 있는 부착된 유리의 조각이 없다는 것을, 나타낸다.

엣지 강도

상기 조건이 사용될 때, 절단된 엣지는 도 9 및 도 11에 도시된 바와 같이 나타난다. 엣지는 상부로부터 바닥부까지 균일하게 텍스쳐되게 하고, 이는 손상 트랙을 만드는데 있어 레이저 처리의 일정성을 반영한다. 엣지의 이러한 시각적 평가는 표면 아래 손상, 표면 거칠기, MOR(module of rupture), 충격 저항 등과 같은 여러 측정가능한 매개변수에 의해 수량화되거나 또는 이해될 수 있다. 도 11의 경우에 있어서, 이러한 큰 CT(CT > 100 MPa) 재료가 다른 방법을 사용해 절단되기 극히 어렵다는 것을 알기 바란다. 다른 방법은 이러한 유리의 시트를 여러 부분으로 절단할 수 있지만, 그러나 일반적으로 수율이 적고 또한 반경방향 윤곽을 따라 절단되게 하는 것이 극히 어렵다. 그러나, 이러한 라인-초점 피코초 레이저 기술에 의해 만들어진 완전한 몸체 천공은, 천공된 윤곽에 크랙이 뒤따르도록, 상기 천공이 이러한 유리에 크랙 전파를 대략적으로 가이드하게 한다. 타이트한 반경방향 윤곽이 용이하게 달성되고(r < 1 mm), 부분은 큰 수율을 갖고, 그리고 크랙이 상기 부분의 원치않는 섹션으로 전파하지 않는다.

엣지 강도를 수량화하기 위해 산업상 사용된 테스트 중 하나는 4-점 굽힘 강도 테스트이다. 이러한 테스트는 주어진 부하 응력에 대해 엣지의 파손의 축적 가능성을 측정한다. 이는 B10(파손 가능성이 10% 보다 작은 상태에서의 부하), 경사도(크기와 깊이에 있어 결함부 유효개체(population) 분포의 표시임)와 같은 매개변수를 제공하는 Weibull 플롯에서 발견되고, 그리고 상기 경사도가 변한다면, 또한 파손은 상이한 발생원이나 타입의 결함의 한 구성임을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 하나의 표면이 상향 또는 하향인 상태에서 분리된 유리 샘플이 지지 바의 하중을 받게 될 때, 상기 분리된 유리 샘플에 대해 상이한 강도 곡선이 발견되는 것은 비통상적이다. 기계적 스크라이브되고 파단된 유리에 있어서, 스크라이브된 표면은 대향 표면의 바닥부 엣지보다 더 많고 더 큰 결함을 갖는 엣지를 초래한다. 이는 상당하게 구별되고 분리된 2개의 곡선으로써 Weibull 플롯에서 알 수 있으며, 하나의 엣지가 다른 엣지보다 더 강하다는 것을 나타낸다. 이와 같이, 레이저 분리된 유리 샘플에 있어서, 또한 레이저 입사 측이 반대 측보다 일반적으로 더 취약한 상태에서, 동일한 작용이 통상적으로 관찰된다.

도 14 및 도 15는 "절단부로서(as-cut)" 화학적으로 강화된 0.4 mm 및 0.7 mm 두께의 Gorilla^® 유리 코드 2320의 측정된 엣지 강도를 각각 나타내고 있다. 도 14의 Weibull 플롯은 CT~100 MPa을 갖는 유리의 엣지 강도를 나타내는 한편으로, 도 15는 CT ~50 MPa를 갖는 유리의 엣지 강도를 나타낸다. 곡선 표시된 레이저 장력, 즉 LIT(laser in tension)는 레이저 진입 표면으로부터 만들어 졌던 엣지가 장력 테스트되었던 경우를 의미한다. 상기 엣지에서의 임의의 결함부가 파손시까지 떨어지도록 점점 당겨질 것이다. 다른 곡선 표시된 레이저 압축, 즉 LIC(laser in compression)는 레이저 노출된 엣지가 압축 응력의 영향을 받는 때와 반대의 경우를 의미한다. 상부 엣지와 바닥부 엣지의 강도가 두 플롯에서 거의 동일하며, 이는 레이저 분리 처리가 CT 레벨이나 또는 두께와 독립적인, 양 측에서 시각적 동일한 엣지 품질을 만든다는 것을 나타내는 것을 알기 바란다. 이러한 특징은 개시된 레이저 분리 방법에 매우 특징적이며 그리고 언제나 보다 취약한 LIT 엣지를 갖는, 다른 레이저 처리로써 통상적으로 얻어질 수 있는 것이 아니다. 플롯된 곡선의 다른 주된 정보는 이와 비슷한 B10 값 및 이와 비슷하게 날카롭고 일정한 경사도이며, 이는 결함부 크기가 비교적 작고 그의 유효개체 분포가 매우 협폭이며(거의 모든 만들어진 결함이 동일한 크기를 가짐), 대다수의 분포가 +/-30 MPa의 평균 이내에 속한다는 것을 나타낸다.

비행 높이 변화에 대한 처리 거칠기.

도 16은 라인 - 초점 방법을 사용한, 0.7 mm 두께의 강화된 Gorilla^® 유리 코드 2320(CS 793/DOL 42)(CT = 54 MPa)의 레이저 절단된 샘플의 엣지 강도에 대한 Weibull 플롯 곡선을 나타낸다. 이들 곡선은 라인 초점 확장에 따라 샘플의 상부 표면의 상이한 상대 위치에서 절단되었던 두께 및 동일한 유리 코드의 상이한 세트의 부분을 사용하여 얻어졌다. 이들 절단된 샘플은 이후 각각의 "높이"에 대한 이러한 플롯에 나타난 4점 굽힘 강도 측정 되었다(submit). 매우 인상적인 관찰은 엣지 강도(B10에 대해 125 MPa - 155 MPa)가 1.1 mm 범위 내내 "초점" 변화에 대해 거의 동일하다는 것이다. 다른 한 방식으로 이러한 값을 나타내어, 이는 절단 처리가 예를 들면, 유리 평탄도, 두께, 굽힘, 뒤틀림, 또는 진동에서 반드시 변할 수 있다는 공차를 지시한다. 확장된 비행-높이 처리 윈도우는 초점 또는 유리 위치 변화에 민감한 다른 레이저 절단 기술에 의해 요구되는 능동 초점 보상의 필요성 없이, 작동하도록 처리될 수 있게 한다.

이온-교환 처리 변화에 대한 거칠기

화학적 강화 처리는 가변성을 가질 수 있고, 그리고 유리 시트는 주어진 "윈도우(window)" 내에서만 명목상으로 이온-교환되며, 여기서 레이어의 깊이(DOL)가 값의 특정 범위 내에 속할 수 있다. 결국, 이는 레이어에 의해 야기된 압축 응력(CS)이 변하고, 그리고 총 중앙 응력(CT)이 변할 것이라는 것을 의미한다. 이에 따라 시트는 CT가 여러 공칭 범위 이내로 속하도록 단지 특징지워지는 절단 처리에 공급될 수 있다. 이상적으로, 측정 및 특성 시간, 셋업 시간을 세이브하고, 그리고 궁극적으로 보다 적은 비용을 유도하는 각각의 새로운 유리 로트(lot)로 조정될 필요가 없도록, 폭넓은 처리 윈도우를 갖는 절단 처리가 요구된다.

도 17은 피코초 레이저 처리 조건이 일정하게 유지되었고(135 microJoule, 2 펄스/버스트, 8 micron 피치, ~2 mm 긴 초점 라인) 그리고 부분이 이온 교환된 이후에 0.4 mm 두께의 2320 유리로 절단되었던 경우에서 실행된 실험을 상세히 나타낸다. 이는 유리 부분의 총 두께를 통해 나아간 천공을 만든다. CO₂처리는 필요하지 않는데, 그 이유는 고 중앙 응력 유리이었기 때문이고, 이에 따라 자동적으로 분리될 수 있었기 때문이다. 조합하여 시트의 중앙 응력이 대략적으로 78.5 MPa로부터 103.1 MPa까지 변하게 하는, DOL 및 CS 양자를 변경시키는, 상이한 이온 교환 조건(A-E)이 테스트 되었다.

일련의 44 mm x 60 mm 부분이 200 mm x 300 mm 시트로부터 절단되었다. 이는 각각의 시트로부터 대략 18개의 부분을 만들 수 있고, 그리고 단지 6 시트가 사용되었던 최종 조건 (E)를 제외하고는, 10개의 시트가 각각의 이온 교환 조건에 대해 절단되었다. 유리 시트의 파단 없이 그리고 부분 엣지의 성공적인 분리에 의해 측정된 바와 같이, 수율은 엣지 분리의 96 % 내지 100 %의 모든 5개의 조건에 대해 매우 높았고, 그리고 파단된 부분이 하나의 이온 교환 조건의 단 하나의 시트에 대해 발생한다. 이는 레이저 절단 처리가 새로운 유리 이온 교환 조건에 상당히 덜 민감하고, 그리고 심지어 이러한 극히 고 CT 유리(CT > 80MPa)에 대해, 큰 수율이 달성되고, 이는 다른 절단 방법에 의해서는 극히 어렵다는 것을 나타낸다.

사후-절단 처리에 의한 - 보다 큰 엣지 강도

측정된 저 SSD 및 Ra 값으로써 그리고 또한 Weibull 플롯으로써 확인된 본 명세서에 기재된 레이저 절단 처리에 의해서도, 가전 제품 장치 및 LCD TV, OLED TV 등에서의 디스플레이와 같은 적용예에 통상적으로 채택된 요구되는 엣지 강도 결과(performance)가 통상적으로 상당히 더 크다(4 점 굽힘 강도에 대해 전형적으로 > 500 MPa). 요구되는 성능을 만족시키도록 엣지 강도를 증대시킬 수 있는 방법 및 결과가 아래 기재되어 있다.

산 엣칭은 예를 들면, 피가공물을 분리하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 예를 들면, 사용된 산은 볼륨 10% HF /15% HNO₃일 수 있다. 대안적으로, 1.5M 불산/0.9M 황산이 요구되는 엣칭을 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 실내 온도에서 또는 상승된 온도에서, 초음파 운동(ultrasonic agitation)을 사용하거나 사용하지 않고도 행해질 수 있다. 도 18은 최종 부분의 강도에 대한 산 엣칭 충격을 나타낸다. 산은 유리의 외측으로부터 재료를 제거하여, 특징부의 엣지를 무디게 한다. 4개의 결과가 엣치가 없음, 2.5 micron의 엣치 제거, 5 micron의 엣치 제거, 및 10 micron의 엣치 제거를 나타낸다. 산이 엣지 강도를 향상시키고, 5 micron의 엣치를 넘어, 상당한 부가 강도가 얻어지지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 사항은 천공 처리에 의해 만들어진 ~1 micron - 3 micron 특징부 크기가 이와 같이 강도 제한 엣지 특징이고, 그리고 이들은 5 micron의 엣치 만큼 완전하게 제거되기 때문이다. 그러나, 여러 특히 고 강도 부분(~1000 MPa)이 이들 엣지를 엣칭함으로써 만들어지는 한편으로, 여러 부분은 엣지 강도가 거의 향상되지 않게 된 상태이다(~200 MPa).

도 19는 원 Gorilla^® 유리 코드 2320의 이온 교환 절단부로서 부분이 대략 4X (B10 = 600 MPa 바로 아래) 만큼 엣지 강도를 증가시킬 것이라는 것을 나타내고 있다. 플롯은 이온 교환되지 않은(NIX) 유리(즉, 이온 교환 전의 유리)의 절단부로서 부분, 절단 이전에 이온-교환된(IOX) 유리의 절단부로서 부분, 그리고 절단되고 절단 이후에 이온-교환된 부분에 대한 Weibull 플롯을 나타낸다. 이온-교환과 조합하여 이러한 엣지가 극히 협폭의 강도 분포(큰 경사도)를 갖는 고 강도 세트의 데이터를 만든다는 것읕 특히 중요하다. 이온-교환이 임의의 절단된 엣지의 강도를 높이는 것으로 일반적으로 알려진 한편으로, 이온 교환을 통해 레이저 절단된 부분을 얻고 이러한 타이트한 강도 분포를 달성하는 것은 사소하지 않다. 절단된 엣지가 임의의 상당한 미소-크랙을 갖는다면, 이온 교환 욕으로부터의 응력에 의해 부분이 파편이 되어, 상당한 수율 손실을 초래한다. 이러한 경우에 있어서, 이온 교환 처리를 받게 되는 모든(100%) 부분이 존속하여, 큰 결함부가 레이저 절단 처리로부터 존재하지 않았다는 것을 나타낸다. 그리고 엣지가 일정하지 않은 특징부 크기를 갖는다면, 이러한 타이트한 강도 분포가 달성되지 않을 것이다. 이는 레이저 절단된 엣지가 재료의 전체 몸체 내내 일정하고, 그리고 부착된 유리 또는 다른 결함을 갖는 구역을 남기지 않는다는 특징적인 사실을 갖는다. 이온-교환과 조합하여, 피코초 라인-초점 절단된 부분이 다른 가능한 방법보다 보다 고 신뢰성을 갖는 생산품을 궁극적으로 초래한다(주어진 강도 임계값을 초과하는 보다 많은 부분)는 것이 나타난다.

따라서, 여러 실시예에 따라, 본 명세서에 기재된 절단 처리는 한 주 표면으로부터 다른 한 주 표면까지 뻗어있는 복수의 얇은 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 엣지를 갖고, CT < 20 MPa인 이온 교환 전의 비-적층된 유리를 포함한 유리 물품을 제공할 수 있다. 결함 라인을 갖는 엣지는 20 micron보다 작은 결함 간격과, 100 nm 내지 1000 nm의 표면 거칠기(RA)를 갖는다. 예를 들면, 여러 실시예에 있어서, CT < 5MPa이고, 그리고 표면 거칠기(Ra)는 300 nm 내지 700 nm이다. 결함 라인은 1 micron 보다 작은 스캘럽(scallop)의 내부(보이드) 폭을 갖는 스캘럽(개방되거나 부분 개방된 관형 구조)를 포함한다. 예를 들면, 여러 실시예에 따라, 복수의 결함 라인은 적어도 250 micron, 예를 들면 250 micron 내지 2 mm, 또는 300 micron 내지 1 mm 뻗어있다. 이러한 유리 물품 또는 피가공물은 상기 물품 또는 피가공물의 엣지 강도를 향상시키도록 이후 이온 교환될 수 있어, 이를 IOX(이온 교환된) 유리 물품으로 변환한다.

Gorilla^®의 스택 절단

최종적으로, 도 20은 2320 IOX(이온-교환된) 유리의 4개의 0.55 mm 두께의 조각의 스택을 동시에 (하나의 패스로) 절단하는 결과를 나타내고 있다. 전체 몸체 절단은 모든 4개의 부분을 한 번에 관통하여, 모든 4개의 조각에서 저 표면 거칠기와 품질 엣지를 만든다. 이는 하나의 유리 시트의 절단과 비교하여 많은 시간으로 절단 처리량을 증대시키는 이러한 레이저 절단 처리 능력을 나타낸다. 매우 큰 강도 레벨을 갖도록 IOX 또는 다른 방법으로써 유리 엣지를 사후-처리하는 능력과 엣지의 강도가 이들 재료의 스택을 절단할 때 조차도 유지된다. 더욱이, 이러한 처리는 단지 스택된 투명한 기판을 통해서가 아닌, 또한 조립 LCD에 존재할 수 있을 것과 같은 미세한 공기 갭(예를 들면, 갭 > 10 micron 또는 > 100 micron)에 의해 분리된 유리 시트와 같은 기판을 통해 절단가능하다. 초점맞춰진 Gaussian 빔과 달리, 유리-공기-유리 합성 구조에 입사되는 Bessel 빔은 초점이탈되지 않을 것이다. 초점맞춰진 Gaussian 빔은 제 1 유리 레이어에 진입할 때 분기할 것이고 큰 깊이까지 드릴링가공하지 않을 것이거나, 또는 유리가 드릴가공됨에 따라 자가-초점맞춤이 발생한다면, 상기 빔은 상기 제 1 유리 레이어로부터 나와 회절할 것이고, 제 2 유리 레이어로 드릴링 가공하지 않을 것이다. 심지어 재료 내측의 보다 긴 상호작용 길이를 달성하도록 Kerr-효과 기반의 자가-초점맞춤(때때로 "필라멘테이션(filamentation)"로 언급됨)을 사용하는 레이저 처리의 경우에, 유리에서 Kerr-효과 자가-초점맞춤을 유지하는데 필요한 파워 이상의 Kerr-효과 기반의 자가-초점맞춤을 유도하도록 공기는 공기에서 ~20 배 이상의 파워를 필요로 하므로, 레이저 빔이 상측 유리 조각을 떠나 공기에 진입하게 하는 것은 문제가 된다. 이와 달리, Bessel 빔 또는 라인 초점 형성된 빔은 전체 범위의 라인 초점을 넘어 모든 유리 레이어를 드릴가공할 것이다. 이는 기판 사이의 갭과 재료가 입사 레이저 빔에 실질적으로 투명한 경우에는, 기판 사이의 갭에 무관하게, 라인 초점을 사용하는 절단될 기판의 큰 스택을 가능하게 한다.

모든 특허, 공개된 출원 및 본 명세서에서 인용된 참증의 관련 기술내용은 참조를 위해 모두 본 명세서에 통합되어 있다.

예시적인 실시예가 본 명세서에 기재되어 있는 한편으로, 당업자라면 본 발명이 첨부된 청구범위의 범주 내에서 여러 변경 및 수정이 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims

이온-교환가능한 유리 피가공물을 레이저 처리하는 방법으로서,
상기 이온-교환가능한 유리 피가공물에 나아가게 되고 빔 전파 방향을 따라 정위된 레이저 빔 초점 라인에 펄스 레이저 빔을 초점맞추는 단계; 및
상기 피가공물 내에서 윤곽을 따라 복수의 결함 라인을 레이저 형성하기 위하여, 상기 윤곽을 따라 서로와 관련하여 상기 레이저 빔과 상기 피가공물을 병진이동시키는 단계;를 포함하고,
상기 레이저 빔 초점 라인은 상기 피가공물 내에서 유도된 흡수를 만들고, 상기 유도된 흡수는 상기 피가공물 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함 라인을 만들고,
인접한 결함 라인 사이의 공간 주기성은 0.5 micron 내지 20 micron인, 레이저 처리하는 방법.
유리 물품으로서,
청구항 1의 방법에 의해 제조되는 유리 물품.
유리 물품으로서,
상기 유리 물품은 CT < 20 Mpa이고, 이온 교환 전의, 비-적층된, 이온-교환가능한 유리를 포함하고, 하나의 주 표면으로부터 다른 하나의 주 표면까지 뻗어있는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 엣지를 구비하며, 상기 결함 라인은 20 micron 보다 작은 간격을 갖고, 그리고 상기 표면은 표면 거칠기 100 nm 내지 1000 nm Ra을 갖는, 유리 물품.
청구항 1에 있어서,
상기 윤곽을 따라 상기 피가공물을 분리하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리하는 방법.
청구항 4에 있어서,
분리된 피가공물로부터 재료를 제거하기 위하여, 산 용액에 상기 피가공물을 엣칭하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 펄스 레이저 빔은 재료의 mm 두께 당 40 microJoule 보다 큰, 재료에서 측정된 평균 레이저 에너지를 갖는, 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 빔 초점 라인은 0.1 micron 내지 5 micron의 평균 스팟 직경을 갖는, 레이저 처리하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 유도된 흡수는 0.5 micron 이하의 Ra 표면 거칠기를 만드는, 레이저 처리하는 방법.
이온-교환가능한 유리를 포함한 유리 물품으로서,
적어도 250 micron 뻗어있는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 엣지를 구비하고, 상기 결함 라인 각각은 5 micron 이하의 직경을 갖는, 유리 물품.
청구항 9에 있어서,
상기 엣지는 0.5 micron 보다 더 작은 Ra 표면 거칠기를 갖는, 유리 물품.
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