KR20010095501A - 비금속 기판 절단 장치 및 그 절단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 또는 유리와 같은 비금속 재료로 제작된 비금속 기판을 보다 작은 조각으로 절단하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 취성이 약한 비금속 기판을 급속 가열 및 급속 냉각할 때 가열 온도와 냉각 온도를 극대화시켜 비금속 기판중 절단하고자 하는 부분이 정확하게 절단되도록 함은 물론 비금속 기판의 절단 속도를 향상시키는 방법 및 장치가 제시되고 있다.

Description

비금속 기판 절단 장치 및 그 절단 방법{Apparatus for cutting non-metal substrate and method for cutting thereof}
본 발명은 비금속 재료 예를 들어, 유리, 실리콘과 같은 재료로 제작된 소정 면적을 갖는 평판 형상의 비금속 기판을 보다 작은 복수개의 조각으로 정밀하게 절단하는 비금속 기판 절단 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 비금속 재료 예를 들어, 유리, 실리콘과 같은 재료로 제작된 평판 형상의 비금속 기판의 내부 응력 및 미세 크랙 진행 방향을 미세하게 제어하여 비금속 재료가 지정된 경로를 따라서 정밀하게 절단되도록 한 비금속 기판 절단 방법에 관한 것이다.
최근 들어 반도체 박막 공정 기술의 개발에 힘입어 대부분의 산업 발달을 촉진시키는 역할을 하는 고집적, 고성능 반도체 제품을 생산하는 반도체 산업의 발전이 꾸준히 이루어지고 있는 실정이다.
반도체 제품은 비금속 재료중 하나인 순수 다결정 실리콘으로 제작된 웨이퍼라 불리는 순도가 매우 높은 기판 상에 수∼수천만 개의 반도체 소자가 반도체 박막 공정에 의하여 집적된다. 이와 같은 반도체 제품은 디지털 신호의 형태로 데이터를 저장하거나, 저장된 데이터를 매우 빠른 시간내 연산하여 처리하는 역할을 한다.
또한, 반도체 산업의 응용 분야로 정보처리장치에서 처리된 아날로그 형태의 영상신호를 디지털 방식으로 디스플레이 하는 디스플레이 장치인 액정 디스플레이 장치를 손꼽을 수 있다.
이때, 액정표시장치(Liquid Crystal Display device, LCD)를 반도체 산업의 응용 분야에 포함시킬 수 있는 것은 액정표시장치의 제작 공정 중 비금속 기판인 투명한 유리 기판 상에 수∼수백만 개의 반도체 소자가 반도체 박막 공정에 의하여 형성되기 때문이다.
이들 반도체 제품과 액정표시장치는 비금속 기판, 즉, 순도가 높은 실리콘 기판 및 유리 기판에 형성되는 공통점을 갖고 있는 바, 특히 이들 비금속 기판은 공통적으로 충격에 약하여 깨지기 쉽다는 단점을 갖는 반면, 깨지기 쉬운 단점은 한 매의 웨이퍼 또는 한 매의 대형 유리 기판에 복수개의 반도체 칩 또는 LCD 단위셀을 형성한 후 개별화하기가 매우 쉬운 장점을 제공하는 양면성을 갖는다.
이와 같은 비금속 기판의 절단 기술은 제품의 양산성 및 제품 수율에 많은 영향을 미치는 요인으로 작용한다.
보다 구체적으로 최근에는 제품 생산성을 극대화하기 위하여 반도체 제품의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 장의 대구경 웨이퍼(1)에 수∼수백 개의 반도체 칩(2)이 동시에 형성된다.
이처럼 한 장의 웨이퍼(1)에 수∼수백 개의 반도체 칩(2)이 형성된 후에는 완전한 반도체 제품이 되도록 개별화 공정이 진행되고, 개별화된 반도체 칩(2)에는 패키지 공정이 진행되어 반도체 제품이 제작된다.
액정표시장치의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 모기판(mother board;3)이라 불리는 대형 유리기판에 적어도 2 개 이상의 LCD 단위셀(4)이 동시에 형성된다.
한 장의 모기판(3)에 적어도 2 개 이상의 LCD 단위셀(4)의 제작이 완료된 후에는 LCD 단위셀(4)을 개별화 공정에 의하여 모기판(3)으로부터 개별화시킨 후, 완전한 액정표시장치가 되도록 어셈블리 공정이 진행된다.
이때, 개별화 공정은 다른 공정과 비교하였을 때, 매우 중요한 비중을 갖는다. 이는 개별화 공정이 제품 생산의 거의 마지막 단계에 속하므로 개별화 공정에서의 불량, 예를 들어, 웨이퍼(1)에 형성된 수∼수백 개의 반도체 칩(2)을 개별화할 때, 웨이퍼(1)상에는 절단 마진이 매우 작게 형성되기 때문에 정밀 절단이 요구되고, 절단되어서는 안될 부분의 절단, 절단되어야 할 부분의 미절단 또는 절단 중 크랙이 발생할 경우 완성 단계의 반도체 제품을 더 이상 사용할 수 없게 된다.
액정표시장치의 경우에서의 개별화 공정은 웨이퍼의 절단에서와 같이 절단 마진이 작지는 않지만 절단 정밀도는 더욱 높아야 한다.
이는 액정표시장치에 사용되는 모기판(3)의 경우 유리 특성상 결정 구조를 갖지 않기 때문에 웨이퍼에 비하여 취성이 더욱 약하고, 절단 과정에서 에지에 형성된 미세 크랙에 의하여 후속 공정이 진행되면서 응력이 취약한 곳을 따라 급속히 증폭되어 원하지 않는 부분이 절단되는 등 개별화 공정 중 불량이 속출하기 때문이다.
앞서 설명한 두 가지 일례에서 보여지듯이 개별화 공정에서의 불량은 결국 정밀한 공정이 수행된 제품이 갖는 고유한 기능의 상실을 의미한다.
이와 같은 개별화 공정의 중요성에도 불구하고 종래에는 소정 직경을 갖는 원판의 원주면에 미세한 다이아몬드가 박힌 상태로 고속 회전하는 다이아몬드 블레이드를 절단하고자 하는 가상의 "절단 라인"에 접촉시켜 절단될 기판의 표면에 절단 라인을 따라서 소정 깊이를 갖는 "스크라이브 라인(2a,4a)"이 형성되도록 하고, 기판에 물리적인 충격을 가하여 스크라이브 라인(2a,4a)에 집중되어 있는 고유 응력에 의하여 웨이퍼(1)의 절단선을 기준으로 반도체 칩(2) 및 모기판(3)으로부터 LCD 단위셀(4)이 분리되도록 한다.
이와 같은 방식은 웨이퍼(1) 또는 모기판(3)으로부터 칩핑이 많이 발생하여 별도의 세정 공정 및 세정 공정 후 건조 공정이 부가적으로 요구된다.
또한, 종래와 같이 다이아몬드 블레이드 등을 사용하여 웨이퍼(1)나 모기판(3)의 개별화 공정을 진행할 때에는 필연적으로 절단을 위한 소정 면적 즉, 일정 면적 이상의 절단 마진을 필요로 하여 정밀한 절단이 이루어지지 않을 경우 단위 웨이퍼당 형성될 반도체 칩(2)의 수를 증가시키는데 많은 어려움이 있고, 이는 곧바로 제품 양산성을 저해하는 요인으로 작용 할 수밖에 없다.
특히, 액정표시장치의 개별화중 다이아몬드 블레이드를 사용하여 모기판(3)으로부터 LCD 단위셀(4)을 절단할 때, 다이아몬드 블레이드에 의하여 절단된 절단면이 매끄럽지 못하게 가공됨으로써 절단면상에는 응력이 집중된 부분이 많이 존재하게 된다.
이와 같이 절단면상에 응력이 집중된 부분은 외부로부터 미세한 충격에도 크랙 및 칩핑을 유발하여 실제로 화상이 디스플레이 되는 곳, 즉 절단되어서는 안되는 부분의 절단이 빈번하게 발생되도록 한다.
또한, 유리 기판을 적어도 2 번의 공정, 즉, 다이아몬드 블레이드 등으로 절단선에 소정 깊이의 스크라이브 라인을 형성하고, 스크라이브 라인을 이용하여 모기판(3)으로부터 LCD 단위셀(4)을 분리하는 공정을 수행해야 하므로 개별화 공정에 많은 시간이 소요된다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이 다이아몬드 블레이드를 이용할 경우 유리 파티클이 매우 많이 발생하고 이를 제거하기 위한 별도의 세정공정 및 건조공정을 필요로 하는 문제점이 있다.
최근에는 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 미국 특허 제 4467168호 "레이저를 이용한 글래스 절단 방법 및 이를 이용한 물품 제작 방법", 미국 특허 제 4682003호 "레이저빔을 이용한 유리절단", 미국 특허 제 5622540호 " 유리 기판을 절단하는 방법" 등 레이저빔을 이용한 절단 방법이 속속 개발되고 있지만 이들 역시 매우 높은 공정 정밀도가 요구되는 곳에는 적합하지 않고, 스크라이브 라인을 형성한 후 스크라이브 라인을 따라서 기판을 절단하는 메커니즘을 갖는 관계로 절단 속도가 느려 양산성이 저하되는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 열충격에 의하여 깨지기 쉬운 비금속 기판 예를 들면 유리 기판, 실리콘 기판 중 절단을 원하는 미세 면적을 레이저빔과 같은 가열 소스에 의하여 급속 가열 및 냉각 가스 및 냉각수 등과 같은 냉각 소스에 의하여 급속 냉각시켜 비금속 기판을 한번에 절단 및 절단을 원하는 부분만이 정확하게 절단되도록 함과 동시에 절단면으로부터 추가 크랙이 발생하지 않도록 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 비금속 기판 중 절단되는 부분의 가열 온도 및 냉각온도의 차이를 극대화하여 비금속 기판의 절단 정밀도를 높임에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비금속 기판의 에지 부분에서 절단 경로가 벗어나는 것을 방지함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비금속 기판의 절단을 한번에 수행할 수 있도록함은 물론 절단 속도를 크게 향상시킴에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 절단에 필요한 절단 마진을 극소화하여 소정 면적을 갖는 비금속 기판 상에 보다 많은 제품이 형성될 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 크랙이 절단될 기판의 상부면에서 하부면까지 충분히 도달하지 못하더라도 완전한 절단이 이루어질 수 있도록 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 상세하게 후술될 본 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 명확해질 것이다.
도 1은 비금속 기판인 실리콘 웨이퍼에 형성된 반도체 소자를 개별화하여 반도체 제품을 제작하는 과정을 도시한 공정도.
도 2는 비금속 기판인 유리 기판에 형성된 LCD 단위셀을 개별화하여 액정표시장치를 제작하는 과정을 도시한 공정도.
도 3은 본 발명에 의한 비금속 기판 절단 메커니즘을 도시한 개념도.
도 4는 도 3의 비금속 기판 절단 메커니즘을 구현하기 위한 비금속 기판 절단 장치의 외관 사시도.
도 5는 도 4의 크랙 형성 유닛 부분인 Ⅳ-Ⅳ의 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 크랙 형성 장치의 레이저빔 형상 가공 렌즈의 메커니즘 및 에너지 레벨을 도시한 개념도.
도 7은 도 6의 A 방향 정면도 및 에너지 레벨을 도시한 개념도.
도 8은 도 6의 B 방향 측면도 및 에너지 레벨을 도시한 개념도.
도 9a는 본 발명에 의한 급속 냉각 장치의 구성 및 작용을 도시한 개념도.
도 9b 내지 도 9d는 도 9a의 a,b,c 위치에서 레이저 빔의 프로파일을 도시한 개념도.
도 10은 도 9a의 C-C의 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 레이저빔 경로 변경 렌즈의 사시도 및 급속 냉각 장치의 부분 절개 사시도.
도 12는 도 11의 D-D 단면도.
도 13은 본 발명의 이송장치에 형성된 절단 보조 장치의 사시도.
도 14는 도 13의 E 원내 확대도.
도 15는 도 13의 F 원내 확대도.
도 16은 도 14, 도 15의 확장 튜브의 Ⅰ-Ⅰ, Ⅱ-Ⅱ 단면도.
도 17은 도 14, 도 15의 확장 튜브가 확장된 상태를 도시한 단면도.
도 18은 확장 튜브에 의하여 비금속 기판에 장력이 가해진 것을 도시한 개념도.
도 19는 본 발명에 의한 비금속 기판 절단 방법의 다른 실시예를 도시한 개념도 및 그래프.
도 20은 본 발명에 의한 비금속 기판 절단 장치의 또 다른 실시예를 도시한 개념도.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위해서는 비금속 기판이 열충격에 의하여 쉽게 크랙이 발생할 수 있도록 비금속 기판을 국부적으로 급속 가열하고 급속 가열된 부분을 급속 냉각시켜야 하는데, 비금속 기판에 정밀한 크랙이 발생되도록 하기 위해서는 가열 온도와 냉각온도의 차이가 극대화되도록 한다.
이와 같이 정밀한 크랙이 발생되도록 하는데 필수적인 가열온도와 냉각온도의 차이를 극대화하기 위하여 본 발명에서는 가열된 비금속 기판의 가열 영역의 내부에 냉각 유체가 분사되도록 설정한다.
본 발명의 목적을 구현하기 위한 비금속 기판 가열용 가열 소스는 소정 에너지 레벨을 갖으며 빛의 직진성이 뛰어난 레이저빔이 적당하며, 가열된 비금속 기판을 냉각하는 냉각 소스는 냉각 가스, 냉각수 및 냉각가스와 냉각수의 혼합 유체를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 레이저빔은 비금속 기판으로부터 소정 거리 이격 되어도 비금속 기판의 미소 면적을 가열하는데 무리가 없지만, 냉각 소스가 비금속 기판으로부터 멀리 떨어질 경우 냉각 면적이 정의된 냉각 면적보다 커지게 되어 크랙의 진행 방향이 불규칙해짐으로 냉각 소스는 비금속 기판에 최대한 가깝게 위치하도록 한다.
또한, 이와 같은 이유로 가열 소스인 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생장치가 냉각 소스인 냉각 유체를 분사하는 냉각 장치의 상부에 위치할 경우, 레이저빔 발생장치에서 비금속 기판을 향하는 방향으로 주사된 레이저빔의 주사 경로 상에 냉각 장치가 위치하게 되어 냉각 장치에 의하여 레이저빔이 비금속 기판에 도달할 수 없게 되어 앞서 설명한 본 발명의 목적을 구현할 수 없게 된다.
이를 극복하기 위해서 본 발명에서는 냉각 장치에 도달한 레이저빔을 냉각소스로부터 다른 각도로 1차 반사시킨 후 반사된 가열 소스를 다시 냉각 장치의 밑에 위치한 비금속 기판 쪽으로 2차 반사시킴으로써 가열 소스가 냉각 장치의 방해에도 불구하고 비금속 기판에 도달할 수 있도록 한다.
본 발명의 목적을 구현하기 위하여 가열 소스와 더불어 고온 공기를 비금속 기판에 분사하거나, 냉각 소스에 강제 냉각 수단, 예를 들어 펠티어 모듈을 설치하거나, 비금속 기판에 고온 공기를 분사하면서 냉각 소스에 강제 냉각 수단을 모두 설치하는 방법이 사용됨으로써 냉각 소스와 가열 소스의 온도차를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위해서는 필연적으로 비금속 기판의 일측 에지로부터 타측 에지까지 절단해야 하는데 이때, 기판의 에지 부분에서는 열전달에 의하여 가열 소스 없이도 충분히 가열된 상태이기 때문에 냉각 소스가 에지에 도달하기도 전에 불규칙한 크랙이 에지에 먼저 전파된다.
이때, 먼저 전파되는 크랙은 원하지 않는 방향으로 전파될 가능성이 매우 크기 때문에 본 발명에서는 가열 소스 및 냉각 소스의 속도를 조절하거나, 가열 소스의 가열 면적을 감소시키는 방법을 사용함으로써 비정상적인 에지 크랙을 예방한다.
또한, 본 발명이 목적한 바와 같이 비금속 기판의 절단 속도를 증가시키기 위해서 절단 라인을 급속 가열, 급속 냉각하기 이전에 절단 라인을 미리 가열하여 비금속 기판에 불필요한 열충격이 가해져 크랙 불량이 발생하지 않도록 함은 물론 냉각 소스 및 가열 소스에 의한 온도차가 극대화되도록 한다.
이하, 본 발명에 의한 비금속 기판 절단 메커니즘, 이를 구현하기 위한 비금속 기판 절단 장치 및 비금속 기판 절단 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 3에는 본 발명에 의하여 일실시예로 비금속 기판중 하나인 유리 기판을 갖는 액정표시장치로부터 일부분만 도시된 LCD 단위셀을 절단하는 절단 메커니즘이 도시되어 있다.
먼저, 도면부호 110으로 도시된 부분을 상부 모기판, 도면부호 120으로 도시된 부분은 하부 모기판이라 정의하기로 한다.
이와 같이 정의된 상부 모기판(110)에는 "절단예정선(150)"을 기준으로 일측에 컬러필터기판(130)이 형성되고, 하부 모기판(120)에는 "절단예정선(190)"을 기준으로 일측에 TFT 기판(140)이 형성되고, 칼라필터기판(130)과 TFT 기판(140)의 사이에는 액정(160)이 씰라인(175)에 의하여 봉지된다.
여기서, 절단 예정선(150)은 상세하게 후술될 비금속 기판 절단 장치에 의하여 그 위치가 정의된다.
절단 예정선(150)을 따라서 상하 모기판(110,120)이 각각 한번에 완전히 절단 되도록 하기 위한 메커니즘은 먼저, 절단 예정선(150)을 매우 미세한 면적으로 급속 가열, 보다 정확하게는 절단 예정선(150)을 임계 열응력 온도보다 높도록 단 시간 이내에 레이저빔 등과 같은 가열 소스(170)로 가열시킴으로써 급속 가열된 부분이 국부적으로 급속히 열팽창되도록 한다.
이후, 열팽창된 부분의 내부에 냉각 유체(180)가 분사되도록 하여 급속 가열된 부분을 급속 냉각시켜 열수축이 발생하도록 함으로써, 열팽창 및 열수축에 따른 열응력이 유리 분자와 분자 사이의 결합력보다 커지도록 하여 유리 분자와 유리 분자 사이에 크랙이 발생되도록 한다.
이때, 절단 예정선(150)중 크랙이 생성될 방향인 도시된 X 방향과 마주보는 방향을 전방이라 정의하였을 때, 실제로 급속 가열 및 급속 냉각에 의하여 크랙이 발생되는 지점인 L 보다 앞쪽인 절단 예정선(150;파선 부분)을 미리 예열, 상하 모기판(110,120)의 절단 속도가 향상되도록 할 수 있다.
여기서 매우 중요한 것은 앞서 설명한 바 있듯이 절단 예정선(150)중 급속 가열된 부분의 내부에 급속 냉각시키는 냉각 유체가 분사된다는 것이다.
이와 같이 급속 가열된 부분의 내부에 냉각 유체를 분사시킴으로써 급속 가열 및 급속 냉각에 따른 국부적인 온도차는 극대화될 수 있다.
이에 따라 급속 가열 및 급속 냉각되는 부분에는 모기판이 한번에 완전 절단되고도 남을 정도의 응력 크기를 갖는 열응력이 발생된다.
이와 같은 메커니즘에 의하여 상부 모기판(110)이 절단되면 상부 모기판(110) 및 하부 모기판(120)은 도시되지 않은 턴 오버 장치에 의하여 뒤집혀진 후 하부 모기판(120)의 절단 예정선(190)은 상부 모기판(110)의 절단 과정과 동일한 과정을 거치면서 절단되어 모기판으로부터 LCD 단위셀이 개별화된다.
물론, 이와 같은 절단 메커니즘은 반도체 제품이 형성되는 실리콘 기판(미도시)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4에는 이와 같은 비금속 기판의 절단 메커니즘을 구현하기 위한 비금속 기판 절단 장치(500)의 일실시예가 도시되어 있다. 도 4의 실시예에서는 액정표시장치용 모기판을 절단하는 것을 설명하기로 한다.
비금속 기판 절단 장치(500)의 보다 구체적인 구성 및 이에 따른 고유한 작용, 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 비금속 기판 절단 장치(500)는 전체적으로 보아 베이스 몸체(210), 모기판 이송 어셈블리(240), 모기판 이송 어셈블리(240)보다 상부에 위치하며 베이스 몸체(210)에 의하여 지지되는 크랙 형성 어셈블리(300) 및 레이저빔 발생장치(400)를 포함한다.
구체적으로, 베이스 몸체(210)는 직육면체 플레이트 형상을 갖으면서 도 4에 도시된 좌표계의 XY 평면과 평행한 바닥판(212), 바닥판(212)의 에지로부터 정의된Z 축 방향을 갖도록 설치된 복수개의 수직 지지폴(220), 수직 지지폴(220)의 중간과 대향하는 수직 지지폴(220)의 중간을 연결하면서 바닥판(212)와 평행하게 설치된 적어도 1 개 이상의 수평 지지대(230), 수평 지지대(230)를 포함한다.
구체적으로, 모기판 이송 어셈블리(240)는 다시 베이스 몸체(210)의 수평 지지대(230)의 상면에 정의된 Y 축과 평행하도록 상호 소정 간격을 갖도록 이격되어 설치된 고정 로드(241), 마주보는 고정 로드(241)의 상호 대향하는 내측 측면에 설치된 벨트 컨베이어(242), 고정 로드(241)에 안착된 상태로 벨트 컨베이어(242)의 구동에 의하여 직선 왕복 운동하는 지지 플레이트(243), 지지 플레이트(243)의 상면에 설치되어 XY 평면상에서θ방향으로 회동되는 회동 장치(245), 회동 장치(245)의 상면에 설치된 모기판 안착 플레이트(246)로 구성된다.
보다 구체적으로, 지지 플레이트(243)의 밑면은 벨트 컨베이어(242)에 고정되어 벨트 컨베이어(242)와 함께 구동되고, 벨트 컨베이어(242)와 평행한 지지 플레이트(243)의 측면은 고정 로드(241)중 어느 하나에 형성된 단턱(241a)과 대향한다.
이와 같은 고정 로드(241)의 단턱(241a)의 구성은 지지 플레이트(243)가 벨트 컨베이어(242)에 의하여 흔들림 없이 정밀하게 직선 왕복 운동하는 것을 가능케 한다.
이와 같이 흔들림 없이 직선 왕복 운동하는 지지 플레이트(243)의 상면에는 모터(미도시) 등에 의하여 도 4에 도시된θ방향으로 회동하는 회동 장치(245)가 설치되고, 회동 장치(245)의 상면에는 모기판의 면적보다 다소 큰 면적을 갖는 모기판 안착 플레이트(246)가 견고하게 결합된다.
이때, 모기판 안착 플레이트(246)에는 모기판이 진공압에 의하여 견고하게 고정되도록 진공흡착 장치(미도시) 등을 설치하는 것이 무방하다.
한편, 수평 지지대(230)의 하부에 마련된 빈 공간에는 소정 에너지 레벨을 갖는 2 개 이상의 레이저빔이 발생되는 레이저빔 발생장치(400)가 설치된다.
레이저빔 발생장치(400)는 모기판이 절단되도록 하는 절단용 레이저빔이 발생되는 절단용 레이저빔 발생 유닛(410), 모기판 중 절단될 부분을 예열하여 절단 속도를 증가시키기 위한 예열용 레이저빔 발생 유닛(420)으로 구성된다. 이에 더하여 레이저빔 발생장치(400)에는 상세하게 후술될 초기 크랙 형성 장치에서 사용될 레이저빔을 발생하는 초기 크랙 형성용 레이저빔 발생 유닛(미도시)이 더 포함될 수 있다.
레이저빔 발생장치(400)에서 발생한 레이저빔은 모기판을 가열하는 가열 소스로 사용되는데, 레이저빔은 실리콘 기판, 유리 기판 등 절단될 비금속 기판의 특성에 적합한 것이 선택되도록 한다. 이때, 레이저빔은 절단할 기판에 대한 효율과 신뢰성이 뛰어나야 하며, 절단할 기판에 대한 에너지 흡수 효율이 100%에 가까운 파장 길이를 갖는 레이저빔을 선택한다.
예를 들어, 유리 기판의 절단에 적합한 레이저빔은 파장 길이가 1.06 마이크로미터를 갖는 CO2레이저를 사용하는 것이 무방하고, 초기 크랙을 유발하는 레이저빔으로는 야그 레이저를 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘 기판에는 파장 길이가1.06 마이크로미터 또는 그 이하의 레이저빔을 사용하는 것이 바람직하다.
레이저빔 발생장치(400)에서 발생한 레이저빔은 레이저빔의 경로 변경을 가능케 하는 렌즈군으로 이루어진 복수개의 광학 시스템(미도시)을 거쳐 첨부된 도 4 또는 도 5에 도시된 크랙 형성 어셈블리(300)로 공급된다.
크랙 형성 어셈블리(300)는 전체적으로 보아 가이드 블록(310), 크랙 형성 장치(320), 예열장치(330), 크랙 형성 장치(320) 및 예열장치(330)가 동시에 이송되도록 하는 고정판(340), 고정판(340)을 이송하는 구동 유닛(미도시) 및 초기 크랙 형성 장치(350)을 포함한다.
구체적으로, 가이드 블록(310)은 소정 길이 및 소정 폭을 갖는 육면체 블록 형상으로 가이드 블록(310)의 내부에는 모기판의 이송 방향과 직각을 이루는 방향을 갖는 슬릿 형상의 2 개의 개구(311,312)가 병렬로 나란히 형성되고, 가이드 블록(310)의 양단 부는 수직 지지폴(220)에 의하여 고정된다.
이와 같이 구성된 가이드 블록(310)의 단부에는 앞서 설명한 레이저빔 발생장치(400)에서 발생한 레이저빔이 광학 시스템을 거쳐 입사되도록 2 개의 레이저빔 유도 장치(322,321)가 설치되고, 이 레이저빔 유도 장치(322,321)를 통과하여 출사된 레이저빔은 개구(311,312)에 삽입된 크랙 형성 장치(320) 및 예열 장치(330)로 각각 공급된다.
이때, 개구(311,312)에 설치된 크랙 형성 장치(320)와 예열장치(330)가 가이드 블록(310)으로부터 이탈되지 않도록 하기 위하여 크랙 형성장치(320) 및 예열장치(330)는 고정판(340)을 매개로 결합된다.
고정판(340)은 다시 가이드 블록(310)의 상부에 슬라이드 가능하게 안착된다. 이 가이드 블록(310)에는 고정판(340)이 개구(311,312)를 따라서 직선 왕복 운동 가능하도록 구동장치(미도시)가 설치되므로써, 크랙 형성 장치(320)와 예열장치(330)는 구동장치(미도시)에 의하여 개구(311,312)를 따라서 소정 거리만큼 이송된다.
이때, 2 개의 개구(311,312)에는 이송되는 모기판을 먼저 예열한 후 예열된 모기판(100)이 절단되도록 예열장치(330) - 크랙 형성 장치(320)의 순서대로 설치된다.
이하, 크랙 형성 장치(320), 예열장치(330)의 보다 구체적인 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
첨부된 도 5를 참조하면, 예열장치(330)는 전체적으로 보아 도 4에 도시된 예열용 레이저빔 발생장치(420) - 광학 시스템 - 가이드 블록(340)에 설치된 레이저빔 유도 장치(321)를 거친 레이저빔이 모기판(100)으로 방향 전환되도록 하는 레이저빔 방향 전환 미러(331), 레이저빔 방향 전환 미러(331)에 의하여 방향이 전환된 레이저빔이 통과되는 하우징(333), 하우징(333)의 내부에 설치되어 스폿 형상의 프로파일을 갖는 레이저빔(332)이 적어도 2 개 이상의 예열용 레이저빔(332a)으로 분리된 후 모기판으로 주사되도록 하는 렌즈 유닛(334)으로 구성된다.
보다 구체적으로, 렌즈 유닛(334)은 스폿 형상의 레이저빔을 적어도 2 개 이상으로 분리시키는 렌즈(334a), 렌즈(334a)에서 출사된 복수개의 예열용 레이저빔의 사이 간격을 조절하기 위하여 하우징(333) 내부에서 렌즈(334a)를 업-다운시켜예열용 레이저빔(332a)의 사이 간격 및 포커스를 조절하는 업-다운 유닛(334b)으로 구성된다.
이때, 업-다운 유닛(334b)에 의한 예열용 레이저빔(332a)의 사이 간격 및 포커스의 조절은 모기판의 예열 온도와 밀접한 연관성을 갖는다.
모기판의 예열 온도 상승 또는 모기판의 예열 온도의 하강은 모기판과 렌즈(334a)의 사이 간격을 조절함으로써 얻어지는 각 예열용 레이저빔(332a)의 사이 간격을 조절함에 의하여 구현된다.
예열장치(330)에 의하여 모기판이 예열된 상태에서 모기판 안착 플레이트(246)는 계속 이동되고 예열된 모기판(100)은 결국 초기 크랙 형성 장치(350)에 도달하게 된다.
초기 크랙 형성 장치(350)는 모기판(100)의 절단 개시 부분에 크랙을 발생시켜 이후 형성될 크랙의 방향을 제시하는 장치이다.
이 초기 크랙 형성 장치(350)는 고속으로 회전하는 다이아몬드 블레이드(351), 다이아몬드 블레이드(351)를 회동 또는 업-다운시키는 다이아몬드 블레이드 구동 유닛(353)으로 구성된다.
다른 실시예로 초기 크랙 형성 장치(350)는 레이저빔을 절단 개시점 부분에 주사하여 절단 개시점을 미세하게 용융 시킴으로써 초기 크랙을 유발시키는 방법이 사용될 수 있다.
초기 크랙이 발생된 모기판(100)은 모기판 이송 어셈블리(240)에 의하여 계속 이송되다 크랙 형성장치(320)에 도달하게 된다.
첨부된 도 5를 참조하면, 크랙 형성장치(320)는 전체적으로 보아 도 4에 도시된 가이드 블록(310)에 설치된 레이저빔 유도 장치(322)를 통하여 입사되는 가열 소스인 레이저빔의 방향이 모기판(100) 쪽으로 전환되도록 하는 레이저빔 방향 전환 미러(328), 레이저빔 방향 전환 미러(328)에 의하여 방향이 전환된 레이저빔이 통과하는 하우징(323), 하우징(323) 내부에 설치되어 프로파일이 스폿 형상을 갖는 레이저빔의 프로파일을 원하는 형태로 변화시키는 프로파일 변환 렌즈(324)를 포함한다.
이에 더하여 크랙 형성장치(320)는 프로파일 변환 렌즈(324)의 프로파일 면적을 조절 할 수 있도록 하는 업-다운 유닛(325), 역시 하우징(323) 내부에 설치되어 레이저빔의 프로파일 면적을 감소 또는 차단하여 레이저빔의 에너지 레벨이 감소 또는 증가되도록 하는 레이저빔 길이 조절용 셔터(326), 냉각 소스인 급속 냉각유닛(327) 및 레이저빔이 급속 냉각 유닛(327)을 회절하여 모기판(100)의 표면에 도달할 수 있도록 한 경로 변경 렌즈군을 포함한다.
이들 구성 요소의 보다 구체적인 구성 및 작용 효과를 살펴보면 다음과 같다.
구체적으로 프로파일 변환 렌즈(324)는 실린더형 오목 렌즈와 실린더형 볼록 렌즈가 복합적으로 형성된 복합 렌즈이다.
보다 구체적으로 레이저빔의 프로파일을 변환시키는 프로파일 변환 렌즈(324)를 첨부된 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
프로파일 변환 렌즈(324)는 소정 면적을 갖는 직육면체 블록 형상을 갖는다.
레이저빔이 입사되는 상부면은 도 6, 도 7과 같이 실린더형 오목 렌즈부(324a)로 가공되고, 하부면은 도 6, 도 8과 같이 실린더형 오목 렌즈부(324a)와 직각을 이루는 실린더형 볼록 렌즈부(324b)를 갖도록 가공된다.
이와 같은 형태를 갖는 프로파일 변환 렌즈(324)의 실린더형 오목 렌즈부(324a)에 도 6에 도시된 바와 같이 L1의 직경을 갖는 스폿 형상의 레이저빔이 입사되면, 스폿 형상의 레이저빔은 실린더형 오목 렌즈부(324a)에 의하여 스폿 형상으로부터 장축의 길이가 L2를 갖는 타원 형상으로 변형된다.
장축이 L2를 갖도록 변형된 레이저빔은 다시 실린더형 볼록 렌즈부(324b)를 통과하면서 다시 단축의 길이가 짧아지도록 변형되어 도 3에 도시된 형상 즉, 단축의 길이에 비하여 장축의 길이가 매우 긴 타원 형상을 갖는 바, 프로파일 변환 렌즈(324)에 의하여 변형된 레이저빔은 장축의 길이는 최소 2mm에서 최대 8mm의 길이를 갖도록 조절된다.
이와 같이 단축의 길이는 짧고 장축의 길이가 긴 타원 형상 프로파일을 갖는 레이저빔이 모기판의 "절단 예정선"에 주사될 경우 절단 예정선을 L2의 길이 예를 들어 최소 2mm에서 최대 8mm의 L2의 길이로 동시 가열할 수 있음은 물론 레이저빔의 에너지 분포를 도시된 그래프와 같이 균일하면서도 높게 유지할 수 있어 스폿 형상의 레이저빔을 모기판(100)에 주사할 때와 비교하였을 때, 모기판의 급속 가열 효과를 현저히 증가시킬 수 있다.
또한, 이와 같이 L2의 길이를 갖는 타원 형상의 프로파일을 갖는 레이저빔은 레이저 빔의 일부를 임의적으로 차단함으로써 레이저빔의 에너지 레벨을 조절하는 것이 가능해지는 바, 이와 같이 레이저빔의 길이를 조절할 수 있음으로 인하여 모기판의 가열 온도를 조절할 수 있다.
도 7 또는 도 8에 도시된 그래프 중 I 축은 레이저빔의 에너지 분포를 나타낸다.
한편, 앞서 설명한 레이저빔의 에너지 레벨 조절은 기계적으로 하우징(323)의 내부에 형성된 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)에 의하여 구현된다.
이를 구현하기 위하여 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)는 프로파일 변환 렌즈(324)보다 하부에 위치하며, 하우징(323)의 내벽에 견고하게 고정된다. 물론, 레이저빔의 에너지 조절은 프로파일 변환 렌즈(324)를 업-다운시키는 업-다운 유닛(325)의 업-다운 동작에 의하여 수행된다.
구체적으로, 업-다운 유닛(325)이 프로파일 변환 렌즈(324)를 하부로 다운시킬 경우 레이저빔의 포커스가 조절되면서 레이저빔의 면적이 증가되고, 면적이 증가된 레이저빔의 일부가 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)와 중첩되면서 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)에 중첩된 만큼 레이저빔의 전체 길이 L2는 짧아지게 된다.
한편, 하우징(323)의 내벽중 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)보다 아래쪽에는 도 9a 내지 도 10에 도시된 바와 같이 급속 냉각 유닛(327)가 설치된다.
구체적으로 첨부된 도 9a를 참조하였을 때, 냉각 소스인 급속 냉각유닛(327)은 절단될 비금속 기판인 모기판(100)에 매우 근접하여 설치되어야만 하는 특성을 갖는다.
이는 급속 냉각 유닛(327)과 모기판(100)의 거리가 길어질수록 급속 냉각 유닛(327)에서 방출되어 절단될 모기판(100)에 도달하는 냉각유체(329a)의 면적이 급속히 증가되고, 이에 반비례하여 냉각 온도 저하가 발생하며, 이로 인하여 모기판(100)의 가열 온도와 냉각 온도의 차이가 감소되기 때문이다.
그러나 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 급속 냉각 유닛(327)을 절단될 기판에 근접 설치할 경우, 급속 냉각 유닛(327)의 상부로부터 급속 냉각 유닛(327)의 하부를 방향으로 주사되는 레이저빔의 주사 경로 상에 급속 냉각 유닛(327)이 놓이게 되어 레이저빔이 급속 냉각 유닛(327)에 의하여 차단되어 레이저빔이 모기판(100)에 도달하지 못하는 결과가 초래되고, 이로 인하여 급속 냉각 유닛(327)의 하부에 위치한 모기판(100)이 가열되지 못하는 치명적인 결함이 발생된다.
이하, 이와 같은 문제를 극복하기 위하여 급속 냉각 유닛(327)의 상면에는 레이저 빔 경로 변경 렌즈(328c)가 설치되고, 레이저 빔 경로 변경 렌즈(328c)의 양쪽 측면에 해당하는 하우징(323)에는 레이저 빔 포커싱 미러(328e)가 설치된다.
이하, 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)와 레이저빔 포커싱 미러(328e)을 레이저 빔 경로 변경 유닛(328)이라 정의하기로 한다.
레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)를 급속 냉각 유닛(327)을 설명하기에 앞서 보다 구체적으로 설명하면, 다양한 형상 예를 들어 삼각 기둥 형상을 갖도록 하는 것이 바람직하며, 도 11에 도시된 바와 같은 7 면체 형상을 가질 수 있도록 하는것 또한 바람직하다.
이때, 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)는 프로파일 변환 렌즈(324)에서 발생한 레이저빔을 100% 반사하는 재질로 구성되도록 한다.
첨부된 도 12를 참조하면 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)중 주사되는 레이저 빔과 대향하는 2 개의 경사면(328a,328b)에 도달한 레이저빔은 경사면(328a,328b)에 의하여 2 개로 양분되어 2 개의 경로를 갖게 된다.
레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)에 의하여 2 개의 경로를 갖도록 나뉘어져 반사된 레이저빔은 도 9a에 도시된 레이저빔 포커싱 미러(328e)에 의하여 다시 반사되어 절단될 기판의 표면에 도달한다.
구체적으로, 레이저빔 포커싱 미러(328e) 및 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)의 각도를 조절함으로써, 프로파일 변환 렌즈(324)로부터 출사된 레이저빔이 급속 냉각 유닛(327)의 존재 여부에 상관없이 모기판(100)에 지정된 형상으로 주사 할 수 있다.
보다 구체적으로, 레이저 빔 포커싱 미러(328e)에 의하여 모기판(100)에 주사되는 레이저 빔의 단면 형상을 도 9b 내지 도 9d를 참조하여 설명하면, 도 9b는 레이저 빔 경로 변경 렌즈(328c)에 의하여 분할될 레이저 빔중 모기판(100)으로부터 소정 거리 이격된 a 부분에서의의 프로파일이 도시되어 있고, 도 9c는 모기판(100)의 표면 c와 a의 사이의 레이저 빔 프로파일이 도시되어 있고, 도 9d는 모기판(100)의 표면 c에서 레이저 빔 경로 변경 렌즈(328c) 및 레이저 빔 포커싱 미러(328e)에 의하여 분할되었다 급속 냉각 유닛(327)을 회절하여 다시 합쳐진 레이저 빔의 프로파일이 도시되어 있다.
이와 같은 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)의 밑면에는 첨부된 도 11 또는 도 12에 도시된 바와 같이 선택적으로 소정 깊이를 갖는 수납홈(328d)이 형성되고 이 수납홈(328d)에는 급속 냉각 유닛(327)이 수납되어, 레이저빔 포커싱 미러(328e)에 의하여 재합성된 레이저빔의 내부에 냉각수 및 냉각 가스가 분사되도록 한다.
급속 냉각 유닛(327)은 냉각 가스 분사관(329b), 냉각수 분사관(329c), 냉각수 흡입관(329d)으로 구성된다. 이때, 냉각 가스 분사관(329b), 냉각수 분사관(329c), 냉각수 흡입관(329d)은 냉각 유체 공급장치(미도시)에 공통적으로 연결된다.
냉각 유체 공급장치는 냉각 가스 예를 들어 저온 상태의 냉각 가스 예를 들어 액체 헬륨, 질소, 아르곤 등 저온 불활성 가스와 냉각수 등을 각각 공급하는 장치로, 냉각 유체 공급장치로부터 공급된 냉각 유체는 냉각 가스 분사관(329b), 냉각수 분사관(329c)을 통하여 분사된다.
냉각 가스 또는 냉각수중 어느 하나를 절단될 모기판(100)에 분사할 경우 냉각 가스 분사관(329b) 또는 냉각수 분사관(329c)중 어느 하나만 있어도 무방하다.
그러나, 고도의 냉각 성능을 얻기 위해서는 냉각 가스와 냉각수를 모두 사용하는 것이 바람직하다. 이처럼, 냉각 가스와 냉각수를 모두 사용하여 냉각 성능을 향상시키고자 할 때에는 배관 구조를 이중 배관 구조를 갖도록 하여 미소 면적에 냉각 가스와 냉각수가 함께 분사되도록 하는 것이 무방하다.
이를 구현하기 위하여 냉각유체 공급장치에서는 냉각 가스와 냉각수를 따로배출되도록 하고, 배출된 냉각 가스와 냉각수 중 냉각수는 가장 안쪽의 냉각수 분사관(329c)으로 공급되고, 냉각 가스는 냉각수 분사관(329c)을 감싸는 냉각 가스 분사관(329b)으로 공급되도록 함으로써, 냉각 가스가 냉각수를 감싸면서 모기판(100)으로 분사되도록 한다.
이때, 냉각 가스만을 냉각 유체로 사용할 경우, 냉각 가스의 회수가 이루어지지 않아도 상관없지만 냉각수와 냉각 가스를 함께 사용할 경우 분사된 냉각수가 설비 주위의 오염을 유발시키고, 별도의 냉각수 드레인 설비를 설치해야 하며, 냉각 영역이 확대되어 크랙이 지정된 경로를 벗어나게 하는 원인을 제공한다.
본 발명에서는 이와 같은 냉각수에 의하여 발생하는 다양한 문제점을 극복하기 위하여 냉각 가스 배관의 외표면을 감싸도록 냉각수 흡입관(329d)을 더 설치하고, 냉각수 흡입관(329d)을 진공압 발생장치(미도시)에 연결함으로써 모기판(100)을 냉각시킨 냉각수가 진공압에 의하여 냉각 유체 흡입관(329d)으로 다시 흡입되도록 한다.
한편, 첨부된 도 13 내지 도 18에는 레이저빔에 의하여 비금속 기판을 절단할 때 절단을 위한 크랙이 여러 가지 다양한 이유에 의하여 충분하게 발생하지 않더라도 비금속 기판을 한번에 완전 절단할 수 있는 절단 보조 장치가 설명되고 있다.
첨부된 도 13 내지 도 15를 참조하면 절단 보조 장치는 일실시예로 앞서 설명한 모기판 안착 플레이트(246)의 상면 중 일측 단부로부터 타측 단부에 이르기까지 격자 형상으로 복수개가 형성된 채널 형상의 수납홈(246a,246d), 각각의수납홈(246a,246d)에 삽입된 확장 튜브(246b), 각각의 확장 튜브(246b)와 연결된 유체 공급 유닛(246c)으로 구성된다.
보다 구체적으로 수납홈(246a,246d)은 첨부된 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이 모기판(100)에 형성된 각각의 LCD 단위셀(30)의 4 개의 측면(30a,30b,30c,30d)에 대응하도록 도 14에 도시된 좌표계의 X 축 및 Y 축 방향으로 격자 형상으로 곧게 뻗어 있다.
X 축으로 뻗은 수납홈을 제 1 수납홈(246a)이라 정의하고, Y 축으로 뻗은 수납홈을 제 2 수납홈(246d)이라 정의하기로 한다.
이와 같이 형성된 제 1, 제 2 수납홈(246a,246d)에는 도 17에 도시된 바와 같이 일측면은 막히고 타측면은 개구된 확장 튜브(246b)가 삽입되며, 확장 튜브(246b)의 개구는 냉각 유체 공급 유닛(246c)과 연결되는 바, 유체 공급 유닛(246c)은 각각의 확장 튜브(246b)에 독자적으로 소정 유체를 공급한다.
이때, 유체가 공급된 확장 튜브(246b)는 도 16의 형상에서 도 17의 형상으로 즉, 모기판 안착 플레이트(246)의 상면으로부터 소정 높이 돌출 된다.
도 17의 형상과 같이 확장 튜브(246b)가 유체에 의하여 모기판 안착 플레이트(246)로부터 돌출 되면 도 18에 도시된 바와 같이 모기판(100)중 확장 튜브(246b)의 상면은 휨이 발생하면서 휨이 발생한 곳에는 휨에 따른 응력이 발생되는 바, 응력이 가장 집중된 부분에 모기판의 절단 예정선이 위치하도록 한다.
이때, 앞서 설명한 유체는 차가운 냉각 유체를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 응력이 집중된 상태에서 앞서 설명한 바와 같이 국부 급속 가열및 국부 급속 냉각에 의한 절단이 수행될 경우, 급속 가열 및 급속 냉각에 의하여 발생되는 크랙이 모기판(100)을 한번에 완전히 절단하기에 충분하지 못하더라도 절단 보조 장치에 의하여 발생한 응력에 의하여 모기판(100)은 완전히 절단될 수 있다.
물론 모기판(100)은 상하 모기판으로 구성되어 있음으로 가해질 응력의 크기를 다양한 실험 및 시뮬레이션 등으로 구하도록 한다.
이후, 모기판(100)의 일측을 절단한 후, 크랙 형성 어셈블리(300)의 구동장치가 다음 절단 예정선으로 이송되면 유체에 의하여 확장된 확장 튜브(246b)로부터 유체가 빠지고 다음 절단 예정선의 하부에 위치한 확장 튜브(246b)에 유체가 주입되면서 다음 확장 튜브(246b)가 확장된 후 절단 예정선이 급속 가열 및 급속 냉각되면서 비금속 기판이 한번에 완전히 절단되도록 하는 과정을 반복한다.
이와 같은 냉각 유체 공급 유닛(246c)의 작동은 도시되지 않은 솔레노이드 밸브에 의하여 구현된다.
이하, 본 발명에 의한 비금속 기판 절단 방법을 액정표시장치 제조용 모기판으로부터 LCD 단위셀을 절단하는 과정을 일실시예로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 앞서 설명한 모기판 이송 어셈블리(240)의 모기판 안착 플레이트(246)에 복수개의 LCD 단위셀이 형성된 모기판(100)을 지정된 위치에 얼라인먼트한 후 견고하게 고정시킨다.
이후, 크랙 형성 어셈블리(300)에 설치된 구동장치를 구동시켜 크랙 형성 장치(320) 및 예열장치(330)가 모기판(100)의 지정된 위치 즉, 절단 예정선중 어느하나에 얼라인먼트 되도록 한다.
이후, 모기판 이송 어셈블리(240)의 벨트 컨베이어(242)를 구동시켜 모기판(100)을 소정 속도로 이송한다.
모기판(100)이 소정 속도로 전진하여 크랙 형성 어셈블리(300)의 하부에 도달하면 예열용 레이저빔 발생 유닛(420)에서 발생한 레이저빔이 광학 시스템을 거쳐 레이저빔 유도 장치(322)로 입사된 후 레이저빔 방향 전환 미러(331)를 통하여 하우징(333) 내부로 방향이 전환된 상태로 입사된다.
이후, 레이저빔은 렌즈 유닛(334)을 통하여 적어도 1 개 이상의 예열용 레이저빔으로 가공된 후 절단 예정선으로 주사된다.
이때, 예열용 레이저빔은 모기판(100)의 표면과 렌즈 유닛(334)의 사이 간격을 조절하는 업-다운 유닛에 의하여 모기판(100)의 표면을 소정 온도로 예열 시킨다.
이후, 모기판(100)은 절단 예정선을 따라 계속 예열 되면서 벨트 컨베이어(240)에 의하여 이송되다 초기 크랙 형성 장치(350)에 도달하게 되고 초기 크랙 형성 장치(350)에 의하여 모기판(100)의 절단 예정선의 절단 개시점에 초기 크랙이 형성된다.
이때, 초기 크랙은 모기판(100)중 크랙의 방향이 절단 예정선을 따라서 진행되도록 한다.
초기 크랙 및 예열 되는 모기판(100)은 벨트 컨베이어(242)에 의하여 계속 이송되다 크랙 형성장치(320)에 도달된다.
크랙 형성장치(320)에 모기판(100)이 도달하게 되면 절단용 레이저빔 발생유닛(410)에서 발생한 레이저빔이 광학 시스템을 거쳐 레이저빔 유도 장치(322)로 입사된 후 레이저빔 방향 전환 미러(328)를 통하여 하우징(323) 내부에 위치한 프로파일 변환 렌즈(324)를 거친 후 단축에 비하여 장축이 긴 타원 형상으로 가공된 후 모기판(100)의 절단 예정선 중 초기 크랙이 형성된 곳을 향하여 주사된다.
모기판(100)을 향하여 주사되는 레이저빔은 레이저빔의 주사 경로 상에 놓여진 레이저빔 경로 변경 렌즈(328c)에 의하여 1 차적으로 반사되어 레이저빔 포커싱 미러(328e)를 향하는 경로로 주사된다.
이후, 경로가 변경된 레이저빔은 레이저빔 포커싱 미러(328e)에 의하여 2 차적으로 반사되어 경로가 모기판(100)의 절단 예정선을 향하는 방향으로 주사된 후, 모기판(100)의 절단 예정선에 초점이 모아진다.
이후, 초점이 모아진 레이저빔에 의하여 절단 예정선은 국부적으로 급속 가열된다.
이어서, 절단 예정선중 레이저빔에 의하여 국부적으로 가열된 곳에는 냉각 가스, 냉각수 또는 냉각 가스와 냉각 유체로 구성된 혼합 냉각 유체가 분사되는데, 냉각 유체가 분사되는 영역은 국부적으로 급속 가열된 영역과 겹쳐진다.
즉, 냉각 유체는 레이저빔의 내부로 분사되기 때문에 모기판(100)에 매우 큰 열응력을 유발시킨다. 이와 같이 냉각 유체가 레이저빔의 내부로 분사될 경우 레이저빔이 통과한 절단 예정선에 냉각 유체를 분사하는 방식에 비하여 모기판(100)에 더욱 큰 열응력이 가해진다.
열응력은 모기판(100)의 절단 예정선을 따라 모기판(100)의 상면으로부터 모기판(100)의 하면으로 크랙을 유발시키는 역할을 하고, 열응력의 크기에 따라서 모기판(100)의 절단 예정선에 해당하는 부분은 부분 절단 또는 완전 절단된다.
이와 같은 방법으로 복수개의 절단 예정선중 어느 하나를 완전 절단하면, 절단된 절단 예정선과 평행한 나머지 절단 예정선을 앞서 설명한 방법과 동일한 방법으로 모두 절단한다.
이어서, 모기판 이송 어셈블리(240)의 회동 장치(245)를 회동시킨 다음 앞서 설명한 방법으로 절단 예정선을 절단함으로써 모기판(100)으로부터 LCD 단위셀(30)을 개별화한다.
한편, 앞서 설명한 장치 및 방법에 의하여 모기판(100)으로부터 LCD 단위셀(30)을 절단할 때, 모기판중 절단이 시작되는 절단 개시점과 절단이 종료되는 절단 종료점에서의 절단 불량이 빈번하게 발생할 빈도가 매우 크다.
이는 모기판의 절단 개시점과 절단 종료점에 매우 큰 열응력이 가해질 경우 절단 개시점 및 절단 종료점 부분에 이미 형성되어 있는 미세 크랙으로 인하여 크랙 진행 방향이 절단 예정선을 벗어나는 빈도가 크기 때문이다.
이는 절단 개시점과 절단 종료점에서 무리한 열응력이 가해지지 않도록 해야 함을 의미한다.
본 발명에서는 절단 개시점과 절단 종료점에서의 크랙 형성 불량을 방지하기 위한 다양한 실시예를 제공한다.
첫번째 실시예는 도 19에 도시된 바와 같이 모기판(100)의 이송속도를 조절하여 수행된다.
보다 구체적으로 절단 개시점에서는 모기판 안착 플레이트(240)를 구동시키는 벨트 컨베이어(242)의 속도를 증가시키고 절단 개시점(110)을 통과한 후에는 벨트 컨베이어(242)의 속도를 절단 개시점(110)보다 작도록 감소시킨 후 절단 종료점 (120) 부분에서 다시 벨트 컨베이어(242)의 속도를 증가시켜 절단 개시점(110)과 절단 종료점(120)에서 크랙 형성 불량을 방지할 수 있다.
절단 개시점(110)과 절단 종료점(120)에서의 크랙 형성 불량을 방지하기 위한 두 번째 실시예는 레이저빔의 에너지 레벨을 변경함으로써 구현할 수 있다.
즉, 앞서 상세하게 설명한 크랙 형성 장치(320)의 업-다운 유닛(325) 및 레이저빔 길이 조절용 셔터(326)를 이용하여 절단 개시점(110) 및 절단 종료점(120)에서는 레이저빔의 면적을 감소시키고, 절단 개시점(110) 및 절단 종료점(120)의 사이에는 레이저빔의 면적을 복원시킴으로써 절단 개시점(110)과 절단 종료점(120)에서의 크랙 형성 불량을 방지할 수 있다.
이에 더하여 세 번째 실시예로 레이저빔의 에너지 레벨과 모기판(100)의 이송속도를 복합적으로 이용한다. 즉, 절단 개시점(110) 및 절단 종료점(120)에서는 모기판 이송 어셈블리(240)에 의하여 모기판(100)의 이송속도를 빠르게 함과 동시에 레이저빔의 에너지 레벨을 모기판(100)의 이송속도를 감안하여 조절함으로써 절단 개시점(110)과 절단 종료점(120)에서의 크랙 형성 불량을 방지할 수 있다.
한편 첨부된 도 20에는 본 발명에 의한 또 다른 실시예가 도시되어 있는 바, 도 20의 실시예는 절단 예정선상에 예열장치(330)에서 발생한 레이저빔, 크랙 형성장치(320)의 프로파일 변환 렌즈(324)에서 발생한 레이저빔 및 급속 냉각 유닛(327)에서 분사되는 냉각 유체를 분사한 상태에서 모기판(100)의 후면을 기계적인 충격 예를 들어, 모기판(100)의 후면에 주기적인 진동을 가하는 진동자(600) 등을 사용하여 크랙이 형성된 모기판(100)이 한번에 완전 절단되도록 하는 실시예가 설명되고 있다.
앞서 설명한 다양한 비금속 기판 절단 장치는 모두 비금속 기판의 지정된 부분을 정확하면서도 보다 빠르게 절단할 수 있도록 하는 바, 앞서 설명한 장치 및 방법 이외에도 모기판의 상면에 고온 건조한 공기를 분사하여 모기판의 표면 온도를 보다 높게 형성한 상태에서 모기판을 급속 가열 급속 냉각시킴으로써 비금속 기판의 절단 정밀도 및 절단 속도를 향상시킬 수 있다.
이와 다르게 급속 냉각 장치에 도 12의 펠티어 모듈(329e)과 같은 강제 냉각 수단을 부가적으로 설치하여 급속 냉각 장치에서 모기판의 급속 가열된 부분으로 분사되는 냉각 유체의 온도를 강제적으로 낮춤으로서 비금속 기판의 절단 정밀도 및 절단 속도를 향상시킬 수 있으며, 앞서 설명한 방법인 고온 건조한 공기를 비금속 기판의 표면에 분사하는 방법과 병행함으로써 더욱 향상된 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 절단하고자 하는 비금속 기판 중 절단될 부분의 가열 온도 및 냉각 온도를 극대화하여 단 한번의 공정에 의하여 비금속 기판을 절단할 수 있도록 한다.
또한, 절단하고자 하는 비금속 기판중 절단면을 매우 정밀하게 절단할 수 있도록 한다.
또한, 절단하고자 하는 비금속 기판의 에지에서 빈번하게 발생하는 절단 불량을 방지할 수 있도록 한다.
또한, 비금속 기판을 정밀하면서 보다 빠른 속도로 절단할 수 있도록 한다.

Claims (28)

  1. 베이스 몸체와;
    상기 베이스 몸체에 설치되어 절단 방향으로 비금속 기판을 이송하는 이송 어셈블리와;
    상기 비금속 기판으로부터 소정 거리 이격되도록 상기 베이스 몸체에 설치되며, 가열 빔(beam)에 의하여 기설정된 절단 라인을 따라 상기 비금속 기판의 표면에 형성된 제 1 영역을 급속 가열하는 급속 가열 장치와;
    상기 비금속 기판 상부로부터 주사되는 가열 빔의 주사 경로 상에 위치하며 상기 가열 빔에 의하여 급속 가열된 상기 제 1 영역의 내부에 포함되면서 상기 비금속 기판의 표면인 제 2 영역을 냉각 소스에 의하여 급속 냉각하는 급속 냉각장치와;
    상기 가열 빔의 주사 경로상에 위치한 상기 급속 냉각 장치에 의하여 차단되는 상기 가열빔이 상기 비금속 기판에 도달하도록 하는 가열 빔 경로 변경 유닛을 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 급속 가열 장치는
    상기 가열 빔을 발생시키는 가열 빔 발생장치와;
    상기 가열 빔 발생장치에서 공급된 상기 가열 빔의 형상을 가공하여 상기 비금속 기판의 상기 제 1 영역에 주사되도록 하는 가열 빔 형상 가공 유닛을 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가열 빔 형상 가공 유닛은
    양단부가 개구된 통체 형상의 하우징과;
    가열 빔 형상이 장축이 길고 단축이 짧은 타원 형상으로 가공되도록 상면에는 제 1 측 방향의 실린더형 오목 렌즈부가 형성되고, 하면은 상기 제 1 측 방향에 직각인 제 2측 방향의 실린더형 볼록 렌즈부가 형성된 가열 빔 형상 가공 렌즈를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 하우징에는 상기 가열 빔 형상 가공 렌즈를 상기 하우징 내부에서 업-다운시켜 상기 비금속 기판에 주사되는 상기 가열 빔의 주사 면적을 조절하는 업-다운 유닛이 설치되는 비금속 기판 절단 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 하우징의 가열 빔 형상 가공 렌즈의 하부에 해당하는 상기 하우징에는 상기 가열 빔의 일부를 상기 업-다운 유닛에 의하여 차단하는 가열 빔 길이 조절용 셔터가 설치된 비금속 기판 절단 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 급속 냉각 장치는
    냉각 소스를 공급하는 냉각 소스 공급장치와;
    상기 냉각 소스가 상기 제 1 영역에 내부에 분사되도록 하는 냉각 소스 분사관을 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 가열 빔 경로 변경 유닛은
    상기 급속 냉각 장치의 냉각 소스 분사관을 커버하며 상기 급속 가열장치에 고정되어 상기 가열 빔의 경로를 1차로 변경하는 가열 빔 경로 변경 렌즈와;
    상기 1차로 경로가 변경된 가열 빔이 상기 비금속 기판의 제 1 영역에 포커스가 맞춰지도록 2차로 경로를 변경시키는 가열 빔 포커스 미러를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 이송 어셈블리는
    벨트 컨베이어와;
    상기 벨트 컨베이어의 벨트에 고정되어 상기 절단 방향으로 이송되는 지지플레이트와;
    상기 지지플레이트의 상면에 설치되어 상기 비금속 기판을 상기 지지플레이트와 평행하게 회동시키는 회동장치와;
    상기 회동장치에 설치되어 회동되며 상기 비금속 기판이 고정되는 안착 플레이트를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 비금속 기판은 유리 기판 또는 실리콘 기판 중 어느 하나인 비금속 기판 절단 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가열 빔은 레이저빔이고, 상기 유리 기판과 실리콘 기판에는 각각 파장길이가 1.06 마이크로미터인 CO2레이저와 파장 길이가 1.06 마이크로미터 이하인 CO2레이저가 사용되는 비금속 기판 절단 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 비금속 기판 중 절단이 개시되는 부분에 초기 크랙을 발생시키기 위한 초기 크랙 형성 장치를 더 포함하며,
    상기 초기 크랙 형성 장치는
    상기 급속 가열 장치와 상기 급속 냉각 장치의 사이에 해당하는 상기 급속 가열 장치에 설치되어 업-다운되는 로드와;
    상기 로드의 단부에서 고속으로 회전하는 다이아몬드 블레이드인 비금속 기판 절단 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 초기 크랙 형성장치는
    상기 비금속 기판 중 절단이 개시되는 부분에 주사되는 초기 크랙 형성용 가열 빔을 발생하는 초기 크랙 형성용 가열 빔 발생장치와;
    상기 초기 크랙 형성용 가열 빔을 출사하는 출사장치를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 빔은 상기 비금속 기판의 표면을 급속 가열하고, 상기 냉각 소스는 상기 비금속 기판의 표면을 급속 냉각하는 비금속 기판 절단 장치.
  14. 베이스 몸체와;
    상기 베이스 몸체에 설치되어 절단 방향으로 비금속 기판을 이송하는 이송 어셈블리와;
    상기 비금속 기판으로부터 소정 거리 이격되도록 상기 베이스 몸체에 설치되며, 가열 빔(beam)에 의하여 기설정된 절단 라인을 따라 상기 비금속 기판의 제 1 영역을 급속 가열하는 급속 가열 장치, 상기 비금속 기판 상부로부터 주사되는 가열 빔의 주사 경로 상에 위치하며 상기 가열 빔에 의하여 급속 가열된 상기 비금속 기판의 상기 절단 라인을 따라 상기 제 1 영역 내부에 위치하는 제 2 영역을 급속 냉각하는 급속 냉각장치를 포함하는 크랙 형성 장치와;
    상기 크랙 형성 장치와 나란히 설치되어 상기 급속 가열 장치보다 먼저 상기 절단 라인을 예열용 가열 빔에 의하여 예열 하는 예열 장치를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 예열장치는
    상기 예열용 가열 빔이 상기 절단 라인을 향하여 출사되도록 하는 통체 형상의 하우징과;
    상기 하우징의 내부에 설치되어 입사된 상기 예열용 가열 빔이 적어도 1 개 이상의 예열용 빔으로 가공되도록 하는 예열 빔 형성 렌즈와;
    상기 예열용 가열 빔 형성 렌즈에 의하여 형성된 예열용 가열 빔의 포커스를 조절하기 위하여 상기 하우징의 내측면을 따라서 상기 예열 빔 형성 렌즈를 업-다운시키는 업-다운 유닛을 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  16. 베이스 몸체와;
    상기 베이스 몸체에 설치되어 절단 방향으로 비금속 기판을 이송하는 이송 어셈블리와;
    상기 비금속 기판의 후면과 접촉하는 상기 이송 어셈블리에 설치되어 상기 비금속 기판의 후면중 절단될 절단 라인에 물리적인 힘을 가하여 상기 비금속 기판이 한번에 절단이 이루어지도록 하는 절단 보조 장치와;
    물리적이 힘이 가해진 상기 비금속 기판의 상면으로부터 소정 거리 이격된 상기 베이스 몸체에 설치되며, 상기 비금속 기판의 상기 절단 라인상의 제 1 영역에 가열 빔을 주사하여 물리적인 힘이 걸린 상기 비금속 기판의 상기 제 1 영역을 급속 가열하는 급속 가열 장치와;
    상기 제 1 영역의 내부에 포함되는 제 2 영역에 냉각 소스를 분사하는 급속 냉각 장치와;
    상기 가열 빔의 주사 경로상에 위치한 상기 급속 냉각 장치에 의하여 차단되는 가열 빔이 상기 비금속 기판에 도달하도록 하는 가열 빔 경로 변경 유닛을 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 절단 보조 장치는
    상기 이송 어셈블리중 상기 비금속 기판이 안착되는 안착 플레이트의 상면에 상기 비금속 기판의 절단 라인과 대향하도록 격자 형상을 갖는 복수개의 수납홈과;
    상기 수납홈에 수납되며 소정 유체의 주입에 의하여 확장되어 상기 수납홈 외부로 돌출 되는 확장튜브와;
    각각의 상기 확장튜브 중 절단이 진행될 절단 라인과 대응하는 상기 확장 튜브에 소정 유체를 공급하는 유체 공급 장치를 포함하는 비금속 기판 절단장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 절단 보조 장치는
    상기 비금속 기판의 후면중 절단될 절단 라인을 따라서 진동을 인가하는 진동 발생장치인 비금속 기판 절단장치.
  19. 비금속 기판을 정밀하게 절단하는 방법에 있어서,
    상기 비금속 기판이 탑재된 이송 플레이트를 절단 방향으로 이송하는 단계와;
    이송되는 상기 비금속 기판중 기설정된 절단 라인의 제 1 영역을 예열 빔으로 예열하는 단계와;
    상기 절단 라인중 예열된 상기 제 1 영역을 가열 빔으로 급속 가열하는 단계와;
    급속 가열된 상기 절단 라인의 제 1 영역의 내부에 위치한 제 2 영역에 급속 냉각 장치에서 분사된 냉각 소스를 분사하여 비금속 기판을 냉각시켜 절단하는 단계를 포함하는 비금속 기판의 절단 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 비금속 기판을 이송할 때 상기 절단 라인중 절단이 개시되는 절단 개시점, 상기 절단 라인중 절단이 종료되는 절단 종료점에서의 이송 속도가 상기 절단 개시점 및 절단 종료점의 사이의 이송 속도보다 빠른 비금속 기판의 절단 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 비금속 기판을 절단할 때 상기 절단 개시점, 절단이 종료되는 절단 종료점에서 가열 빔의 에너지 레벨은 상기 절단 개시점 및 절단 종료점의 사이 보다 낮은 비금속 기판의 절단 방법.
  22. 비금속 기판을 정밀하게 절단하는 방법에 있어서,
    비금속 기판이 안착된 이송 플레이트중 절단될 절단 라인에 해당하는 부분을 돌출시켜 상기 절단 라인에 장력을 가하는 단계와;
    장력이 가해진 상기 비금속 기판을 절단 방향을 따라 이송시키는 단계와;
    이송되는 상기 비금속 기판의 상기 절단 라인의 절단 개시점에 초기 크랙발생 장치로 초기 크랙을 발생시키는 단계와;
    초기 크랙이 발생된 비금속 기판의 상기 절단 라인의 제 1 영역을 가열 빔으로 급속 가열하는 단계와;
    급속 가열된 상기 절단 라인의 제 1 영역 내부에 위치한 제 2 영역에 급속 냉각 장치에서 분사된 냉각 소스를 분사하여 장력이 가해진 비금속 기판이 급속 냉각에 의하여 절단되도록 하는 단계를 포함하는 비금속 기판의 절단 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 절단 라인에 장력을 가하기 위하여 상기 이송 플레이트의 수납홈에는 유체에 의하여 확장되는 확장 튜브가 수납된 비금속 기판의 절단 방법.
  24. 비금속 기판을 정밀하게 절단하는 방법에 있어서,
    상기 비금속 기판을 절단 방향으로 이송하는 단계와;
    이송되는 상기 비금속 기판의 상면에 고온 건조 공기를 분사하여 비금속 기판의 표면을 소정 온도로 1차 예열하는 단계와;
    1차 예열된 상기 비금속 기판중 절단될 절단 라인을 예열 빔으로 2차 예열하는 단계와;
    2차 예열된 상기 비금속 기판의 절단 라인 중 절단 개시점에 초기 크랙을 발생시키는 단계와;
    2차 예열 및 초기 크랙이 발생된 비금속 기판의 상기 절단 라인의 상기 제 1 영역을 가열 빔으로 급속 가열하는 단계와;
    급속 가열된 상기 절단 라인의 상기 제 1 영역의 내부에 위치한 상기 제 2 영역에 강제 냉각 장치에 의하여 강제 냉각된 냉각 소스를 분사하여 상기 절단 라인을 급속 냉각시켜 비금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 비금속 기판의 절단 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 강제 냉각 장치는 펠티어 모듈인 비금속 기판의 절단 방법.
  26. 비금속 기판을 정밀하게 절단하는 방법에 있어서,
    상기 비금속 기판을 절단 방향으로 이송하는 단계와;
    소정 형상을 갖는 가열 빔을 상기 비금속 기판의 표면에 형성된 절단 예정선에 주사하는 단계와;
    상기 가열 빔이 주사된 상기 비금속 기판의 표면에 형성된 상기 절단 예정선이 포함되는 제 1 영역을 급속 가열하는 단계와;
    급속 가열된 상기 제 1 영역의 내부에 포함되는 제 2 영역에 냉각 유체를 분사하여 상기 절단 예정선을 따라서 크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 비금속 기판 절단 방법.
  27. 비금속 기판에 형성된 기설정된 절단 라인을 따라 상기 비금속 기판의 제 1 영역을 가열 빔에 의하여 급속 가열하는 급속 가열 장치와;
    상기 비금속 기판의 상부로부터 주사되는 상기 가열 빔의 주사 경로 상에 위치하며, 상기 가열 빔에 의하여 급속 가열된 상기 비금속 기판의 상기 제 1 영역 내부에 위치하는 제 2 영역을 급속 냉각 시키는 급속 냉각장치를 포함하며,
    상기 급속 냉각 장치는
    제 1 냉각 소스, 제 2 냉각 소스를 공급하는 냉각 소스 공급장치와;
    상기 제 1 냉각 소스가 상기 절단 라인의 상기 제 2 영역에 분사되도록 하는 제 1 냉각 소스 분사관, 제 1 냉각 소스 분사관을 감싸며 상기 제 2 영역에 제 2 냉각 소스가 분사되는 제 2 냉각 소스 분사관을 포함하는 냉각 소스 분사 유닛과;
    상기 제 2 냉각 소스 분사관의 외측면을 감싸며 분사된 상기 제 1, 제 2 냉각 소스를 부압에 의하여 흡입하는 냉각 소스 흡입 장치를 포함하는 비금속 기판 절단 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 소스는 냉각수이고, 상기 제 2 냉각 소스는 냉각 가스인 비금속 기판 절단 장치.
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