KR19990044290A - 취성 물질 절단 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리와 같은 취성 물질의 큰 판을 작은 조각으로 절단하는 시스템에 관한 것으로, 유리판(10)에 두 개의 구멍 균열(19)(19a)을 형성하기 위해 두 개의 주요면(11)을 갖는 유리판(10)을 가로질러 하나의 레이저(16)가 이동하고; 유리판(10)의 일측면의 제 1 경로에 제 1 구멍 균열(19)이 형성되고, 유리판(10)의 타측면의 제 2 경로에 제 2 구멍 균열(19a)이 형성된다. 구멍 균열(19)(19a)의 아래에 휨 모우멘트를 가함으로써 상기 유리판(10)은 작은 조각으로 절단된다.

Description

취성 물질 절단 방법 및 그 장치

지금까지 레이저는 유리판과 같은 취성물질 절단용으로 사용되어졌다. PCT 특허 공개 번호 WO93/20015에는 유리판에 소위 보이지 않는 균열을 전파하여 유리판을 두 개의 작은 판으로 절단하기 위한 레이저의 사용이 개재되어 있다. 상기 공개된 특허의 일 실시예에서, 유리판의 일측에 작은 새김눈(nick) 또는 화선(scribe)이 형성되고, 그 다음, 레이저를 이용하여 상기 작은 새김눈 또는 화선이 유리판을 통해 균열 형태로 전파된다. 그 다음, 상기 유리판은 기계적 절단에 의해 레이저가 스코어링한 선을 따라 두 개의 작은 조각으로 분리된다. 상기 방법에 영향을 주기위해, 레이저는 새김눈 또는 화선에서 유리판과 접하게 되고 레이저와 유리판은 서로에 대해 상대적으로 이동하게 되며, 따라서, 레이저는 두개의 작은 판을 형성하기에 바람직한 경로로 움직이게 된다. 바람직하게는, 레이져에 의해 가열된 유리판이 신속하게 냉각되도록, 액체 냉각제의 흐름은 레이저 바로 아래의 가열된 유리 표면상의 한점에 향하게 된다. 이러한 방식으로, 레이저에 의한 유리판의 가열과 액체 냉각제에 의한 유리판의 냉각은 레이저와 냉각제가 이동하는 방향으로 상기 균열을 전파시키는 응력을 유리판에 생성한다.

정사각형 유리판을 제조하는데 있어서, 일반적으로, 레이저 스코어링 기술은 제 1 축선을 따라 유리판을 스코어링하는 것과 이 스코어링 단계에 이어 상기 제 1 스코어링 구멍의 축선에 직각으로 (제 2의 구멍 또는 새김눈을 형성하는)제 2 스코어링 단계를 포함한다. 유감스럽게도, 유리판을 직각으로 절단하는 레이저 스코어링 장치를 사용할 때, 합성된 유리판의 가장자리와 제 1 스코어 선의 정확성에 악영향을 끼치는 현상이 스코어 선이 교차하는 지점에서 발생한다. 상기 현상은 제 1 스코어 선이 실재로 밀폐되거나 또는 영향을 받은 영역에서 효과가 상실되는 회복 현상으로 보인다. 제 1 및 제 2 스코어 두개가 교차하는 곳에서, 제 1 구멍은 일반적으로 완전히 또는 거의 완전히 사라지고, 제 1 스코어 축선은 상기 교차점에서 구멍이 없는 상태로 남는다. 이의 결과는 방향성이 떨어지고, 합성된 가장자리의 절단면은 만족스럽게 직선으로 균일하지 않다.

따라서, 더 균일한 가장자리 절단면을 이룰 공정의 구상이 바람직하다.

본 발명은 유리판과 같은 취성물질을 절단하는 방법에 관한 것으로, 특히, 유리판과 같은 취성물질을 절단하기 위한 레이저 스코어링(laser scoring) 기술의 효과를 증대시키기 위한 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 유리판을 절단하는 과정을 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따라 유리판을 절단하는 선택적인 과정을 나타내는 도면이다.

본 발명은 유리판과 같은 취성 물질을 절단하기 위한 방법에 관한 것이고, 제 1 레이저 (및 선택적인 냉각제)는 레이저의 경로를 따라 제 1 방향으로 제 1 구멍 균열을 유도하기 위해 유리판을 가로지르는 소정 경로로 이동된다. 그리고, 이와 유사하게, 동일하거나 상이한 레이저가 제 2 방향으로 구멍 균열을 형성하기 위해 유리판의 타측에 접촉된다. 통상 하나의 유리판이 4개의 조각으로 절단되는 것과 같이, 이 방법은 경로가 서로 교차하는 구멍 균열을 형성하는데 특히 적당하다.

레이저에 의해 생성된 온도 변화는 물질의 표면층에 인장 응력을 유도하고,이러한 응력이 물질의 인장 강도를 초과할 때, 상기 물질은 압축력을 받고 있는 영역까지 물질을 침투하는 부분적인 균열을 진행시킨다. 레이져가 유리판을 가로질러 이동됨에 따라, 균열은 레이저를 뒤따르게 된다. 균열의 깊이, 형상 및 방향은 응력의 분포에 따라 결정되고, 또한 레이저 빔 스팟(beam spot)의 동력 밀집도, 방향 및 형상; 빔 스팟과 물질의 상대 변위율; 가열된 부분에 제공되는 냉각제의 성질과 품질; 및 물질의 두께뿐만 아니라 균열이 생기는 물질의 기계적, 열물리적 특성과 같은 다수의 요인에 따라 좌우된다. 본 발명에서, 레이저는 바람직하게 비가우스적인 강도 형태를 갖는다. 일실시예에서 상기 강도는 예를 들어, TEM₁및 TEM₁₀으로 작동되는 레이저와 같이 하나 이상의 모드 수준을 결합한 즉 이중형태이다. 절단선을 따라 표면층을 매우 국부적으로 냉각시키기 위해 선행하는 빔 스팟의 뒤를 따라 적당한 냉각제의 흐름 또는 제트가 물질에 분사된다.

교차하는 구멍 균열이 유리판의 대향면에 형성되고, "회복"현상이 발견되지 않으며, 고품질 및 일정한 절단 가장자리를 형성한다는 점에서 본 발명은 유리하다.

본 발명은 레이저 스코어링 분리 기술을 사용하여 소정의 분할선을 따라 유리판을 절단하기 위한 시스템에 관련된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유리판 절단 시스템에서, 유리판(10)은 상부 및 하부 주요면(11)을 갖는다. 유리판(10)은 유리판(10)의 일측 가장자리에 균열 초기점(19)을 형성하기 위해, 먼저 유리판의 일측 가장자리를 따라 일측면에 새김눈이 형성되거나 또는 스코어링된다. 상기 균열 초기점(19)는 소정의 분할선 경로로 유리판(10)을 가로지르는 제 1 레이저(16)의 이동에 따라 균열(20)을 생성하기 위해 이용된다. 레이저는 소정 분할선을 따라 유리판의 국부적인 부위를 효과적으로 가열한다. 국부적으로 가열된 부위에서의 유리판의 열팽창은 레이저가 이동한 경로를 따라 균열이 전파하도록 강제하는 응력을 발생시킨다.

또한, 유리판(10)은 유리판(10)의 일측 가장자리에 균열 초기점(19a)을 형성하기 위해, 유리판 대향면중 하나의 가장자리에 새김눈이 형성되거나 또는 스코어링된다. 상기 균열 초기점(19a)은 소정의 분할선 경로로 유리판(10)을 가로지르는 제 2 레이저(16a)의 이동에 따라 균열(20)의 대향면에 그리고 상기 균열에 직각인 균열(20a)을 형성하는데 이용된다. 이러한 방식으로, 구멍 균열(20)의 경로와 구멍 균열(20a)의 경로는 서로 교차하지만, 상기 두 개의 구멍 균열은 유리판의 대향면에 존재하게 된다.

바람직하게, 상기 균열(20)(20a)은 유리판(10) 속으로 단지 부분적으로 연장된다. 상기 균열(20)(20a)에 휨 모우멘트를 가함으로써 상기 유리판이 작은 조각으로 최종적으로 분리된다. 이러한 휨은 더 일반적인 기계적 표면 스코어링을 사용하는 공정에서 유리판을 절단하기 위해 사용되는 종래의 휨 장치(미도시)와 기술을 이용하여 이루어질 수 있다. 기계적 스코어링 기술보다 레이저에 의한 유리 스코어링 기술을 사용하여 균열(20)(20a)이 형성되기 때문에, 종래의 기술에 비해 기계적 절단 단계에서 유리 가루가 매우 최소로 생성된다. 균열이 유리판의 대향면에 생성되기 때문에,"회복"현상이 관찰되지 않고, 고품질 및 일정한 절단 가장자리를 얻게 된다.

바람직하게는, 응력 분포를 증가시켜 균열의 진행을 높이기 위해 물 냉각제가 워터 제트(21)(21a)를 통해 가해진다. 기계적 스코어링을 이용한 종래의 방법보다 레이저 스코어링 기술을 사용함으로써, 기계적 스코어링에 의해 생성된 많은 유리 가루가 사라지게 된다. 유리판의 대향면에서 직각으로 교차하는 스코어 선을 새김으로써, 전술한 회복 효과를 완전히 피하고, 더 양호하며 일정한 가장자리 절단특성을 가져온다.

유리 절단 작업에 사용되는 레이저 빔은 유리 표면을 가열하여 자를 수 있어야만 한다. 결론적으로, 바람직하게 레이져 복사는 유리에 의해 흡수될 수 있는 파장을 갖는다. 이를 실현시키기 위해, 상기 복사는 9-11㎛ 파장의 CO₂레이저 빔; 또는 5-6㎛ 파장의 CO 레이저 또는 2.6-3㎛ 파장의 HF 레이저 또는 약 2.9㎛ 파장의 YAG 레이저와 같이, 2㎛를 넘는 파장의 적외선 범위에 있어야만 한다. 물질의 표면이 가열될 때, 물질의 최대 온도는 물질의 연화점을 넘지 않아야 한다. 만약 물질의 연화점이 초과되면, 유리가 냉각된 후에도 잔류 열응력이 남아 균열이 발생한다.

균열(20)(20a)은 가열되고 냉각된 부분의 계면 아래로 즉, 최대 열복사된 부분에 형성된다. 상기 균열의 깊이, 형상 및 방향은 열탄성 응력의 분포에 의해 결정되고, 또한, 이는 다음의 여러 요인에 의해 주로 좌우된다:

레이저 빔 스팟의 동력 밀집도, 방향 및 형상;

빔 스팟과 물질의 상대 변위율;

가열된 부분에 제공되는 냉각제의 열물리적 성질과 품질 및 조건; 및

균열이 생기는 물질의 기계적, 열물리적 특성, 물질의 두께 및 표면의 상태 등에 좌우된다.

다른 물질에 대한 절단 주기를 최적화하기 위해, 주요 파라메터와 절단 공정의 변수사이에 적당한 관계를 설정하는 것이 필요하다. 여기에서 인용예로 결합된 PCT 국제 공개 번호 WO 93/20015에 개재되어 있는 바와 같이, 빔 스팟(18)의 크기와, 냉각제가 떨어지는 부분에서 빔 스팟까지의 이격거리에 따라, 유리판(10)을 가로지르는 빔(16)의 상대 변위속도(V)와 균열(20)의 깊이사이의 관계는 다음의 수학식 1에 의해 표시된다.

V=ka(b+l)/d

여기에서, V는 물질과 빔 스팟의 상대 변위율이고, k는 빔 동력 밀집도와 물질의 열물리적 특성에 좌우되는 비례 상수이며, a는 빔 스팟의 폭이고, b는 빔 스팟의 길이이며, l은 빔 스팟의 후방 가장자리에서 냉각된 부분의 전방 가장자리까지의 거리이고, d는 보이지 않는 균열(4)의 깊이이다.

물질을 절단하기 위해 채용된 레이저 빔의 최대 동력 밀집도를 결정하는데 있어서, 물질의 표면층 최대 온도는 연화점을 초과하지 않아야 한다. 따라서, 약 0.3×10⁶W/m²인 최소 동력 밀집도는 낮은 열 절단 속도로 저용융 등급의 두꺼운 유리에 대하여 수용가능하다. 예를 들어, 약 20×10⁶W/m²인 큰 동력 밀집도는 고용융 석영 유리, 금강사 및 높은 연화점 또는 높은 값의 열전도성을 갖는 다른 물질을 절단하는데 사용될 수 있다.

바람직하게는, TEM₁,TEM₁ ^.,TEM₁₀모드 성분 또는 이의 조합을 갖는 레이저 빔은 유리 표면에 레이저 에너지를 전달하는데 사용된다. 상기 레이저 빔은 단지 가우스 동력 분포를 갖는 것보다 더 균일하게 레이저 에너지를 전달한다. 따라서, 단지 가우스 동력 분포를 갖는 레이저보다 낮은 동력을 사용하여 높은 레이저 스코어링 속도가 얻어질 수 있다. 또한, 레이저 스코어링 작업이 확장되는 실시가능한 윈도우는 넓은 범위의 레이저 동력 사용을 가능하게 한다.

유리판(10)의 표면 온도가 레이저 빔(16)에 노출되는 시간에 직접적으로 좌우되기 때문에, 원형 단면 대신 타원형 빔을 사용하는 것이 동일한 상대 변위율에 대해 유리(10) 표면의 절단선상의 각 점을 가열하는 시간을 연장시킨다. 따라서, 레이저 빔(16)을 위해 설정된 동력 밀집도와, 유리(10)의 가열에 요구되는 깊이를 유지하기 위해 필수적인 레이저 빔 스팟에서 냉각제 스팟의 전방 가장자리까지의 동일한 거리에서, 변위 방향으로 레이저 빔 스팟이 더 연장되면 연장될수록, 이루어질 수 있는 레이저 빔과 물질의 상대 변위율은 더 커질 것이다.

도 1이 두 개의 레이저(16)(16a)를 도시하고 있을지라도, 두 개의 레이저 사용이 절대적으로 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 레이저(16)를 이용하여 제 1 레이저 스코어가 유리판(10)의 일면에 형성될 수 있고, 그 후, 상기 유리판(10)은 다시 레이저(16)를 이용하여 타면을 스코어링하기 위해 뒤집힐 수 있다.

도 2에 도시된 선택적인 실시예에서, 유리판(10)은 집게(24)에 의해 수직으로 고정되고, 레이저(16)(16a)는 유리판(10)의 대향면에 위치된다. 본 실시예의 실시는 도 1에 대해 전술한 것을 따른다. 유리판의 최종 절단은 유리판이 수직으로 고정되어 있을 때, 또는 유리판을 수평으로 지지함으로써 이루어질 수 있다. 모든 경우에 있어서, 유리판은 휨 모우멘트를 각 스코어 선 아래에 가함으로써 작은 조각으로 절단된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 디지틀 컴퓨터(미도시)와 같은 시스템 제어기가 시스템상의 기타 운동부뿐 아니라 유리판 및/또는 레이저의 이동을 제어하기 위해 시스템에 효과적으로 연결된다. 시스템 제어기는 시스템의 다양한 요소의 운동을 제어하기 위해 종래의 기계 제어 기술을 사용한다. 바람직하게는, 상기 시스템 제어기는 이의 메모리에 저장된 다양한 생산 작동 프로그램을 사용하고, 각 프로그램은 특정 크기의 유리판을 위해 유리판 또는 레이저의 운동(및 다른 운동부, 필요하다면)을 적당하게 제어하도록 구성된다.

한정 보다는 설명을 위한 다음의 예는 본 발명에 따른 방법을 나타낸다.

<실시예 1>

레이저는 뉴저지 07850, 랜딩, 노스 프론테이지 로드에 소재한 PRC사에서 제작한 것으로 튜브당 600W인 모델 SS/2002 이중 빔 레이저인 축류 이중 빔 CO₂레이저이다. 상기 빔은 약 12mm인 스팟 크기(레이저에서 퇴출할 때 레이저 빔의 크기)를 갖고, 유리 표면에서 약 2m 떨어져 위치된다. 레이저 스팟을 형성하기 위해 한쌍의 실린더형 렌즈가 레이저와 유리 표면사이의 레이저 경로에 위치된다. 이는 유리판에 부딪치는 레이져를 길이가 4내지 5㎝, 중간에서의 폭이 약 0.1내지 0.15㎝인 다소 타원으로 연장되는 레이저 스팟 형상으로 만든다. 레이저의 동력 분포는 TEM₁ ^.과 TEM₀모드가 60/40으로 섞인 것이고, 이는 레이저의 전방에 20m 반경의 오목한 광학 커플러를 채용함으로써 이루어진다. 레이저의 동력은 160내지 200W사이에서 변하고, 유리판을 가로질러 이동할 때 레이저의 속도는 약 500mm/sec 이다.

약 500mm×500mm×1.1mm의 알루미노실리케이트 유리판인 유리판(10)은 레이저로 9회 스코어링되고, 제 1 방향으로 유리판의 일측면에 3회, 제 2 방향으로 유리판의 타측면에 3회 스코어링되며, 제 2 방향은 제 1 스코어 선의 방향에 직각이 된다. 이러한 형태의 스코어링 구조는 LCD 기판 유리를 제작하기 위한 생산 작업을 배가하기 위해 구성되었고, 가장 바깥쪽의 스코어 선은 유리판의 외측 가장자리 부분을 제거하기 위한 것이고, 유리 판 각 면의 중간 스코어 선은 남은 유리를 4개의 유용한 조각으로 협력하여 분할하기 위한 것이다. 유리판 각 면에 3개의 스코어 선은 9개의 교차점을 형성하고, 유리판 일측면상의 스코어 선의 경로는 유리판 타측면상의 스코어 선의 경로와 교차한다.

이를 실행하기 위해, 상기 유리판(10)은 레이저 스코어 선이 정해지는 위치에 3개의 균열 초기점(19)을 형성하기 위해 유리판의 가장자리를 따라 각면에 화선이 수동으로 형성된다. 이는 약 4내지 8mm의 길이와 약 0.1mm의 깊이를 갖는 3개의 작은 스코어 선 형태의 균열 초기점(19)을 유리판 상부면상의 일측 가장자리에 형성한다. 균열이 4내지 8mm일 것이 필요한 것은 아니지만, 레이저가 전파할 수 있는 모든 균열은 균열 초기점의 역할을 하는데 충분하다. 유리판(10)은 레이저(16)가 균열 초기점(19)중 하나에 접촉하도록 위치되고, 유리판(10)은 레이저(16)의 경로가 유리판을 가로지르는 직선경로를 따라 도 1에 도시된 바와 같이, 스코어 선(20)을 형성하도록 이동된다. 이러한 작업은 유리판의 제 1 면상의 3개의 각 스코어 선(20)에 대해 반복된다.

그 다음, 유리판(10)은 유리판(10)의 대향면을 노출하도록 뒤집힌다. 상기 유리판(10)은 3개의 다른 균열 초기점(19a)을 형성하기 위해 유리판의 가장자리를 따라 화선이 수동으로 형성되고, 상기 유리판은 레이저(16)의 경로가 유리판을 가로지르는 직선경로를 따라 3개의 스코어 선(20a)을 형성하도록 이동된다. 유리판의 제 2 면에 형성되는 3개의 스코어 선(20a)은 유리판(10)의 제 1 면에 형성된 3개의 스코어 선(20)의 대향면에 직각으로 형성되고, 이들 각 스코어 선(20)의 경로는 직각으로 교차된다.

그 다음, 휨 모우멘트가 스코어 선(20) 아래에 가해져 유리판(10)은 두 개의 조각으로 분리된다. 그 다음 이 두 개의 조각은 뒤집히고, 휨 모우멘트가 이 조각의 스코어 선(20a) 부분에 가해짐에 따라 두 개의 조각은 4개의 조각으로 절단된다. 이러한 작업은 100장이상의 유리판에 반복되고, 따라서, 유리판의 대향면에 위치된 스코어 선(20a)의 경로와 스코어 선(20)의 경로가 교차하는 교차점을 900개 이상 형성한다. 모든 경우에 있어서, 교차 부위에서 균열이 회복되는 증거가 없고, 절단 가장자리는 일정하게 매우 높은 품질을 나타낸다.

본 발명이 설명을 위해 상세하게 기술되었지만, 단지 그러한 상세함은 그러한 목적을 위한 것이고, 당업계의 기술을 가진자에 의해 변경이 다음의 청구항으로 한정된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명이 주로 유리 절단의 관점에서 설명되었지만, 본 발명은 예를 들어, 세라믹 또는 유리 세라믹 물질과 같은 다른 취성 물질을 절단하고 스코어링하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (8)

1. 두 개의 주요면을 갖고, 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹으로 이루어진 그룹에서 선택된 취성 물질 판을 제공하는 단계;

   상기 판의 일측면상의 제 1 경로의 제 1 구멍 균열과 상기 판의 타측면상의 제 2 경로의 제 2 구멍 균열인 두 개의 구멍 균열을 판에 형성하기 위하여 판의 두 주요면을 가로질러 적어도 하나의 레이저를 이동시키는 단계; 및

   상기 두 구멍 균열을 따라 상기 판을 절단하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 구멍 균열을 형성하기 위해 제 1 구멍 균열이 판위의 제 2 구멍 균열의 경로에 교차하도록 상기 적어도 하나의 레이저를 이동시키는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 구멍 균열을 형성하기 위해 제 1 구멍 균열이 판위의 제 2 구멍 균열의 경로에 수직이도록 상기 적어도 하나의 레이저를 이동시키는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 제 1 구멍 균열을 형성하기 위해 제 1 레이저를 이동시키는 것과, 제 2 구멍 균열을 형성하기 위해 제 2 레이저를 이동시키는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계에서 제 1 및 제 2 레이저는 상기 판의 대향면에 위치된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 상기 판의 깊이 속으로 단지 부분적으로 연장되는 균열을 상기 판에 가로질러 형성하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 절단하는 단계는 제 1 및 제 2 구멍 균열의 아래에 휨 모우멘트를 가하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 취성 물질판 절단 방법.
8. 판의 일측면상의 제 1 경로에 제 1 구멍 균열과, 판의 타측면상의 제 2 경로에 제 2 구멍 균열인 두 개의 구멍 균열을 판에 형성하기 위하여 두 개의 주요 표면을 갖는 유리판을 가로질러 적어도 하나의 레이저를 이동시키는 단계;

   상기 판을 두 개의 구멍 균열을 따라 절단하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유리판 절단 방법.