KR20020047479A - Laser cutting method for non-metallic materials - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 절단 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리나 실리콘 웨이퍼와 같은 취성의 비금속재료를 레이저 빔으로 절단하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laser cutting method, and more particularly, to a method for cutting a brittle nonmetal material such as glass or silicon wafer with a laser beam.
종래에는 유리나 실리콘 웨이퍼와 같은 비금속 재료의 평판 소재를 절단하기 위해서는 다이아몬드 또는 초경합금의 공구를 사용하여 평판 소재의 표면에 절단선을 따라 스크레치를 만든 후에 이를 부러뜨리는 기계적인 방법이 주로 이용되어 왔다. 그런데, 이러한 기계적인 방법에 의하면, 스크레치를 만들 때 부스러기가 발생하며, 이는 유리 등의 소재 표면에 잔존하여 흠을 발생시킴으로써 소재를 손상시킬 수 있다. 이에 따라 절단된 소재와 그 절단면의 품질을 확보하기 위해서는 상기한손상을 제거하기 위한 연마, 세정 등의 부가적인 공정이 필요하게 되어 제품의 원가상승을 초래하게 된다.Conventionally, in order to cut a flat material of a non-metal material such as glass or a silicon wafer, a mechanical method of breaking a scratch after making a scratch along a cutting line on the surface of the flat material using a tool of diamond or cemented carbide is mainly used. By the way, according to this mechanical method, debris is generated when making the scratch, which may damage the material by remaining on the surface of the material such as glass to generate a flaw. Accordingly, in order to secure the quality of the cut material and the cut surface thereof, an additional process such as polishing or cleaning is required to remove the damage, resulting in a cost increase of the product.
최근에는 상기한 바와 같은 기계적인 절단 방법에서의 문제점을 해소할 수 있는 레이저를 이용한 절단 방법이 개발되어 사용되고 있다.Recently, a cutting method using a laser that can solve the problems in the mechanical cutting method as described above has been developed and used.
도 1은 종래의 일반적인 레이저 절단 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이를 참조하면, 유리 등의 평판 소재(1)를 소정의 절단선(4)을 따라 절단하기 위해서 절단용 레이저(2)가 사용된다. 절단용 레이저(2)로는 통상 파장이 10.6㎛인 레이저 빔을 발생시키는 CO2레이저가 사용된다. 평판 소재(1)의 표면에 절단선(4)을 따라 레이저 빔이 조사되면, 그 부위는 소재(1)의 용융온도 이하의 온도로 순간적으로 가열된다. 곧 이어, 그 부위는 냉각 노즐(3)로부터 분사되는 냉매에 의해 급속 냉각된다. 이와 같은 급속 가열 및 냉각에 의한 열충격(thermal shock)에 의해 소재(1)의 절단선(4)을 따라 응력이 생성되고, 생성된 응력은 균열(crack)을 발생시킨다. 발생된 균열은 절단선(4)을 따라 전파되며, 이로 인해 소재(1)의 절단이 이루어지게 된다. 이때, 레이저 빔의 진행 방향 및 출력 등을 조절함으로써 균열의 진행 방향 및 깊이를 제어할 수 있으므로, 다양한 두께를 가진 소재를 다양한 형태로 절단할 수 있다. 이와 같이, 레이저 절단 방법은 열충격에 의한 비접촉식 절단 방법으로서 부스러기가 거의 발생되지 않아 소재 표면이나 절단면에 흠 등의 손상이 발생하지 않으므로 우수한 품질의 절단면을 얻을 수 있으며, 절단 후에 연마나 세정 등의 부가적인 공정이 필요없다는 장점을 가지고 있다.FIG. 1 is a view for explaining a conventional laser cutting method. Referring to this, a cutting laser 2 is used to cut a flat material 1 such as glass along a predetermined cutting line 4. . As the cutting laser 2, a CO 2 laser for generating a laser beam having a wavelength of 10.6 mu m is usually used. When the laser beam is irradiated on the surface of the flat plate material 1 along the cutting line 4, the site | part is heated at the temperature below the melting temperature of the raw material 1 instantaneously. Soon, the site is rapidly cooled by the refrigerant injected from the cooling nozzle 3. This thermal shock by rapid heating and cooling (stress) is generated along the cutting line 4 of the material (1), the generated stress generates a crack (cracks). The generated crack propagates along the cutting line 4, which causes the cutting of the material 1. At this time, since the direction and depth of the crack can be controlled by adjusting the direction and the output of the laser beam, materials having various thicknesses can be cut into various shapes. In this way, the laser cutting method is a non-contact cutting method due to thermal shock and hardly any debris is generated so that damage such as scratches does not occur on the surface of the material or the cut surface, so that a high quality cut surface can be obtained. It has the advantage that no process is required.
그런데, 이와 같은 장점을 가진 레이저 절단 방법에 있어서도, 절단이 시작되는 지점에 초기 균열이 전혀 없는 상태에서는 절단이 쉽게 이루어지지 않는다. 따라서, 일반적으로 절단이 시작되는 지점에 미세균열(microcrack)을 인위적으로 생성시킴으로써 그 균열을 전파시켜 절단이 쉽게 이루어지도록 하는 방법이 사용되고 있다.However, even in the laser cutting method having such an advantage, the cutting is not easily performed in the state where there is no initial crack at the point where the cutting starts. Therefore, in general, a method of artificially generating a microcrack at the point where the cutting starts is used to propagate the crack so that the cutting is easily performed.
이와 같은 절단이 시작되는 지점에 초기 미세균열을 생성시키는 방법으로는 다이아몬드나 초경합금의 공구를 사용하는 기계적인 방법과 적외선 영역의 장파장 레이저 빔을 이용하는 방법이 있다. 기계적인 방법은 전술한 바와 같이 부스러기를 발생시키며 불필요한 흠이 발생되기 쉽고, 초기 미세균열을 정확한 위치에 생성시키기가 어려운 문제점이 있다. 한편, 레이저 빔을 이용하는 방법에 있어서는 파장이 10.6㎛인 CO2레이저 빔이나 파장이 1.06㎛인 Nd:YAG 레이저 빔을 집속시켜 사용하여 왔다.As a method of generating an initial microcrack at the point where such cutting starts, there are a mechanical method using a diamond or a cemented carbide tool and a method using a long wavelength laser beam in the infrared region. As described above, the mechanical method generates debris and easily causes unnecessary scratches, and it is difficult to generate initial microcracks in the correct position. On the other hand, in the method using a laser beam, a CO 2 laser beam having a wavelength of 10.6 µm and an Nd: YAG laser beam having a wavelength of 1.06 µm have been used.
도 2a 내지 도 2c는 상기한 종래의 CO2레이저 빔에 의하여 유리로 된 소재에 초기 미세균열을 생성시킨 후 레이저 절단을 수행한 실험결과를 보여준다. 이 실험에서, 절단 소재로 이용된 유리는 두께 0.7㎜인 코닝 1737 유리이며, 초기 미세균열을 생성시키기 위해 사용된 CO2레이저 빔은 RF 여기 방식의 평균 출력 10W, 반복률 5㎑이다. 파장이 10.6㎛인 CO2레이저 빔을 이용하여 초기 미세균열을 만든 경우에는, 생성된 미세균열의 직경이 300㎛ 이상이었다. 이와 같은 상태에서 레이저 절단을 수행한 경우에는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 소재가 절단된 후 소재의 엣지 부위에 미세균열에 의해 손상된 부분(A, B)의 폭이 초기 미세균열의직경과 거의 비슷한 300㎛ 이상 남아 있었다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이 초기 미세균열(C) 위치가 아닌 다른 위치에서 절단이 시작되는 경우도 자주 발생하였다. 특히, 도 2c 에서는 절단이 시작되는 위치로부터 절단이 진행되는 방향이 처음에 의도하였던 방향과는 달리 틀어져서 최대 1㎜ 정도의 오차를 보이고 있다.2A to 2C show experimental results of laser cutting after generating initial microcracks in a glass material by the conventional CO 2 laser beam. In this experiment, the glass used as the cutting material was Corning 1737 glass with a thickness of 0.7 mm, and the CO 2 laser beam used to generate the initial microcracks had an average power of 10 W and a repetition rate of 5 Hz with an RF excitation method. When the initial microcracks were made using a CO 2 laser beam having a wavelength of 10.6 μm, the diameter of the generated microcracks was 300 μm or more. When laser cutting is performed in such a state, as shown in FIGS. 2A and 2B, the widths of the portions A and B damaged by the microcracks at the edges of the workpieces after cutting the workpieces are determined by the initial microcracks. It remained over 300 μm, almost similar to the diameter. In addition, as shown in FIG. 2C, the cutting was often started at a position other than the initial microcrack (C) position. In particular, in FIG. 2C, the direction in which the cutting proceeds from the position at which the cutting is started is different from the direction originally intended to show an error of up to about 1 mm.
이와 같이, CO2레이저 빔이나 Nd:YAG 레이저 빔과 같은 적외선 영역의 장파장 레이저 빔을 사용하는 경우에는, 초기 미세균열의 크기가 필요이상으로 커지게 되어 기계적인 방법과 마찬가지로 부스러기가 발생하거나 소재 자체에 손상을 입히기 쉽다. 이외에도 장파장 레이저 빔의 경우에는 날카로운 균열을 만들지 못하기 때문에 초기 미세균열이 정확한 절단 시점의 역할을 하지 못하여 절단 품질이 나빠지는 경우가 자주 발생한다.As such, when using a long-wavelength laser beam in an infrared region such as a CO 2 laser beam or an Nd: YAG laser beam, the size of the initial microcracks becomes larger than necessary, resulting in debris or mechanical material itself. Easy to damage In addition, in the case of a long-wavelength laser beam, since the sharp crack is not made, the initial microcracks often do not serve as an accurate cutting point, and thus often the cutting quality deteriorates.
특히, 일단 레이저 빔으로 절단된 면은 미세한 흠이 거의 없고 가열과 급냉으로 인해 매우 경화된 상태이므로, 이미 절단된 면을 이와 교차하는 방향으로 다시 절단하는 때에는 CO2레이저 빔을 사용하여 생성한 초기 미세균열로써는 절단이 이루어지지 않는 경우가 많다. 따라서, 이러한 경우에는 그 단점에도 불구하고 기계적인 방법으로 초기 미세균열을 생성시킬 수 밖에 없으므로 공정의 효율이나 절단 속도 등의 절단 능력이 저하되는 문제점이 있었다. 즉, 레이저 절단 속도에 맞춰 빠르게 이동하고 있는 소재에 맞춰 여러 위치에 기계적인 방법으로 소재에 미세균열을 생성시켜야 하는데, 이러한 방법은 정확한 위치 지정이 힘들 뿐만 아니라 기계적인 충격으로 인해 소재에 손상을 줄 수 있으며, 이를 어느 정도라도 해소하고자 한다면 절단 속도를 많이 늦추어야 하는 문제점이 있다.In particular, since the surface once cut by the laser beam has almost no microscopic flaws and is very hardened due to heating and quenching, the initial surface generated by using the CO 2 laser beam when cutting the already cut surface in the direction crossing it In many cases, the microcracks do not cut. Therefore, in this case, in spite of its disadvantages, since the initial microcracks cannot be generated by a mechanical method, there is a problem that cutting efficiency such as process efficiency or cutting speed is lowered. In other words, microcracks should be generated at different locations in a mechanical way to match the rapidly moving material at the laser cutting speed. This method not only makes accurate positioning difficult but also damages the material due to mechanical impact. And, if you want to solve this to some extent there is a problem to slow down the cutting speed much.
상술한 바와 같이, 레이저 절단 방법에 의하여 유리 등의 평판 소재를 절단하려면 초기 미세균열을 생성시키는 것이 필요하나, 이와 같은 초기 미세균열을 생성시키는 종래의 방법들이 가지는 문제점은 아직 해소되지 않고 있다. 따라서, 레이저 절단 방법이 가지는 장점에도 불구하고 아직까지는 만족할 만한 절단 성능 및 품질을 얻지 못하고 있는 실정이다.As described above, in order to cut a flat material such as glass by the laser cutting method, it is necessary to generate an initial microcracks, but the problems with the conventional methods of generating such an initial microcracks have not been solved yet. Therefore, despite the advantages of the laser cutting method has not yet achieved a satisfactory cutting performance and quality.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 유리나 실리콘 웨이퍼와 같은 취성의 비금속재료를 보다 용이하게 절단할 수 있으며 우수한 절단 능력과 품질을 얻을 수 있는 비금속재료의 레이저 절단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, in particular, it is possible to more easily cut brittle non-metal materials such as glass or silicon wafer, laser cutting of non-metal materials that can obtain excellent cutting ability and quality The purpose is to provide a method.
도 1은 종래의 일반적인 비금속재료의 레이저 절단 방법을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining a laser cutting method of a conventional general non-metallic material,
도 2a 내지 도 2c는 종래의 CO2레이저 빔에 의하여 유리로 된 소재에 미세균열을 생성시킨 후 레이저 절단을 수행한 실험결과를 보여주는 사진,2a to 2c are photographs showing the experimental results of laser cutting after generating microcracks on a glass material by a conventional CO 2 laser beam,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면,3a and 3b are views for explaining a preferred embodiment of the laser cutting method of the non-metallic material according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 것으로, 절단선의 최종 위치에도 미세균열을 생성시킨 상태를 보여주는 도면,4 is for explaining another embodiment of a laser cutting method of a non-metallic material according to the present invention, showing a state in which the microcracks are generated even in the final position of the cutting line,
도 5는 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 것으로, 1차 절단선과 2차 절단선의 교차 위치에도 미세균열을 생성시킨 상태를 보여주는 도면,5 is for explaining another embodiment of a laser cutting method of a non-metallic material according to the present invention, showing a state in which microcracks are generated even at the intersection of the primary cutting line and the secondary cutting line,
도 6은 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 것으로, 1차 절단 전에 1차 절단선과 2차 절단선의 교차 위치에 미세균열을 미리 생성시킨 상태를 보여주는 도면,6 is for explaining another embodiment of a laser cutting method of a non-metallic material according to the present invention, showing a state in which the micro-cracks are generated in advance at the intersection of the first cutting line and the second cutting line before the first cutting,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 레이저 절단 방법에 따라 유리로 된 소재에 미세균열을 생성시킨 후 레이저 절단을 수행한 실험결과를 보여주는 사진.7a to 7c are photographs showing the experimental results of laser cutting after generating microcracks in a glass material according to the laser cutting method of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1,11,21,31,41...평판 소재 2,12,32...절단용 레이저1,11,21,31,41 ... Plating material 2,12,32 ... Laser for cutting
3,13,33...냉각 노즐 4,14,24...절단선3,13,33 ... cooling nozzles 4,14,24 ...
341,441...1차 절단선 342,442...2차 절단선341,441 ... 1st cutting line 342,442 ... 2nd cutting line
15,25a,25b,35a,35b,45...미세균열 16,26,36,46...단파장 레이저15,25a, 25b, 35a, 35b, 45 ... microcracks 16,26,36,46 ... short wavelength lasers
16a...집속 광학계16a ... focusing optics
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 비금속재료의 평판 소재를 소정의 절단선을 따라 레이저 빔을 조사하여 절단하는 방법에 있어서:In order to achieve the above technical problem, the present invention is a method for cutting a flat material of a non-metal material by irradiating a laser beam along a predetermined cutting line:
(가) 집속된 단파장 레이저 빔으로 상기 절단선의 적어도 시작 위치에 미세균열을 생성시키는 단계;(A) generating microcracks at at least a starting position of the cutting line with a focused short wavelength laser beam;
(나) 상기 절단선을 따라 절단용 레이저 빔을 조사하여 상기 절단선 부위를 가열하는 단계; 및(B) heating the cutting line portion by irradiating a cutting laser beam along the cutting line; And
(다) 가열된 상기 절단선 부위를 냉각시키는 단계;를 포함하며,(C) cooling the heated cut line portion;
상기 미세균열이 상기 절단선을 따라 전파됨으로써 상기 소재가 절단되는 것을 특징으로 한다.The material is cut by propagating the microcracks along the cutting line.
여기에서, 상기 비금속재료는 유리와 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나인 것이 바람직하다.Here, the nonmetallic material is preferably any one of glass and silicon wafer.
상기 단파장 레이저 빔은 Nd:YAG 레이저 빔의 3차조화파인 펄스 레이저 빔으로서, 그 파장은 200㎚ 내지 550㎚, 바람직하게는 실질적으로 355㎚이다.The short wavelength laser beam is a pulsed laser beam which is a third harmonic wave of an Nd: YAG laser beam, whose wavelength is from 200 nm to 550 nm, preferably substantially 355 nm.
한편, 상기 절단용 레이저 빔은 CO2레이저 빔인 것이 바람직하다.On the other hand, the cutting laser beam is preferably a CO 2 laser beam.
이와 같은 본 발명에 의하면, 단파장 레이저 빔에 의해 보다 미세한 초기균열을 생성시킬 수 있으므로, 부스러기나 불필요한 흠이 거의 발생하지 않고, 초기 절단 위치의 정확도가 향상되며, 절단면의 품질이 향상되는 장점이 있다.According to the present invention, since a shorter wavelength laser beam can generate finer initial cracks, almost no debris or unnecessary scratches are generated, the accuracy of the initial cutting position is improved, and the quality of the cutting surface is improved. .
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a laser cutting method of a nonmetallic material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3a는 본 발명에 따른 방법의 (가) 단계를 보여주며, 도 3b는 본 발명에 따른 방법의 (나) 단계와 (다) 단계를 보여준다.3a and 3b are views for explaining a laser cutting method of a non-metallic material according to the present invention, Figure 3a shows the step (a) of the method according to the present invention, Figure 3b is a Show steps b) and (c).
먼저, 도 3a를 참조하며 본 발명에 따른 방법의 (가) 단계를 설명한다. 유리 또는 반도체 웨이퍼 등의 평판 소재(11)를 절단하기 위한 장치로는 단파장 레이저(16), 절단용 레이저(12) 및 냉각 노즐(13)이 준비된다. 상기 소재(11)는 일반적으로 레이저 절단 장치의 테이블 위에 진공흡착되는 방식으로 고정되며, 그 상면에는 소정 방향의 절단선(14)이 설정된다.First, referring to FIG. 3A, the steps (a) of the method according to the present invention will be described. As a device for cutting flat plate material 11, such as glass or a semiconductor wafer, a short wavelength laser 16, a cutting laser 12, and a cooling nozzle 13 are prepared. The material 11 is generally fixed in a vacuum suction manner on a table of a laser cutting device, and a cutting line 14 in a predetermined direction is set on an upper surface thereof.
상기 단파장 레이저(16)는 절단선(14)의 시작 위치에 초기 미세균열(15)을생성시키기 위한 고출력의 단파장 레이저 빔을 발생시킨다. 상기 단파장 레이저 빔은 그 파장이 200㎚ 내지 550㎚인 것이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 단파장 레이저 빔은 Nd:YAG 레이저 빔의 3차조화파인 펄스 레이저 빔으로서, 그 파장이 355㎚인 것이 사용된다. 그리고, 상기 단파장 레이저 빔은 단파장 레이저(16)에 마련되는 집속 광학계(16a)에 의해 집속된다. 단파장 레이저 빔의 집속은 소재(11) 표면에 조사되는 레이저 빔의 면적을 최소화하고 그 출력을 집중시키기 위해 필요하다.The short wavelength laser 16 generates a high power short wavelength laser beam for generating the initial microcracks 15 at the start position of the cutting line 14. The short wavelength laser beam may have a wavelength of 200 nm to 550 nm. Preferably, the short wavelength laser beam is a pulsed laser beam that is a third harmonic wave of the Nd: YAG laser beam, and a wavelength of 355 nm is used. The short wavelength laser beam is focused by the focusing optical system 16a provided in the short wavelength laser 16. The focusing of the short wavelength laser beam is necessary to minimize the area of the laser beam irradiated on the surface of the material 11 and to concentrate its output.
이와 같은 집속된 단파장 레이저 빔이 소재(11)의 표면에 순간적으로 매우 강한 세기로 조사되면, 소재(11)의 표면은 매우 작은 크기로 파괴되어 미세균열(15)이 생성된다. 이때, 사용되는 단파장 레이저 빔은 CO2 레이저 빔이나 Nd:YAG 레이저 빔과 같은 장파장 레이저 빔에 비해 파장이 훨씬 짧기 때문에, 미세균열(15)을 발생시킬 수 있는 문턱 세기(threshold intensity)가 훨씬 낮아 장파장 레이저 빔에 비해 크기가 작고 폭이 좁은 미세균열(15)을 생성시킬 수 있다. 따라서, 부스러기의 발생 및 절단 재료의 손상이 최소화될 수 있다.When the focused short-wavelength laser beam is irradiated to the surface of the material 11 with a very strong intensity instantaneously, the surface of the material 11 is broken to a very small size to generate a microcracks 15. In this case, the short wavelength laser beam used has a much shorter wavelength than a long wavelength laser beam such as a CO2 laser beam or an Nd: YAG laser beam, and thus has a much lower threshold intensity for generating a microcracks 15. Compared to the laser beam, the microcracks 15 may be smaller in size and narrower in width. Therefore, generation of debris and damage to the cutting material can be minimized.
그리고, 상기 미세균열(15)은 절단선(14)을 따라 절단 방향(도 3a에 화살표로 표시되어 있다.)으로 소정 길이를 가지는 것이 소재(11)가 원하는 절단 방향으로 보다 확실하게 절단될 수 있도록 하므로 바람직하다. 이를 위해서, 단파장 레이저(16)가 절단 방향으로 소정 거리 이동하며 레이저 빔을 조사할 수 있으며, 또는 단파장 레이저(16)는 고정되고 소재(11)가 절단 방향의 반대 방향으로 소정 거리 이동할 수 있다.In addition, the microcracks 15 having a predetermined length in the cutting direction (indicated by an arrow in FIG. 3A) along the cutting line 14 may be more reliably cut in the desired cutting direction of the material 11. It is desirable to make it. To this end, the short wavelength laser 16 may move a predetermined distance in the cutting direction and irradiate a laser beam, or the short wavelength laser 16 may be fixed and the material 11 may move a predetermined distance in a direction opposite to the cutting direction.
도 3b를 참조하며 본 발명에 따른 레이저 절단 방법의 (나) 단계와 (다) 단계를 설명한다. 상술한 (가) 단계에서 미세균열(15)을 생성시킨 후에, 절단용 레이저(12)로 절단선(14)을 따라 레이저 빔을 조사하는 (나) 단계가 수행된다. 상기 절단용 레이저(12)로는 통상 파장이 10.6㎛인 레이저 빔을 발생시키는 CO2레이저가 사용된다. 이때에도, 상술한 바와 같이 절단용 레이저(12) 또는 소재(11)가 상대적으로 이동할 수 있다. 평판 소재(11)의 표면에 절단선(14)을 따라 레이저 빔이 조사되면, 절단선(14) 부위는 소재(11)의 용융온도 이하의 온도로 순간적으로 가열된다. 곧 이어, 가열된 절단선(14) 부위를 냉각 노즐(13)로부터 분사되는 냉매에 의해 급속 냉각하는 (다) 단계가 수행된다. 여기에서, 상기 냉매로는 냉각수와 같은 냉각액 또는 공기나 CO2가스와 같은 냉각가스가 사용될 수 있다. 이와 같은 급속 가열 및 냉각에 의한 열충격(thermal shock)에 의해 소재(11)의 절단선(14)을 따라 응력이 생성된다. 이로 인해 상기 미세균열(15)이 절단선(14)을 따라 전파됨으로써 소재(11)의 절단이 이루어진다.Referring to Figure 3b will be described step (b) and (c) of the laser cutting method according to the present invention. After generating the microcracks 15 in the above-mentioned step (a), the step (b) of irradiating the laser beam along the cutting line 14 with the cutting laser 12 is performed. As the cutting laser 12, a CO 2 laser for generating a laser beam having a wavelength of 10.6 mu m is usually used. In this case, as described above, the cutting laser 12 or the material 11 may move relatively. When the laser beam is irradiated on the surface of the flat plate material 11 along the cutting line 14, the site | part of the cutting line 14 is heated at the temperature below the melting temperature of the raw material 11 instantaneously. Subsequently, a step (c) of rapidly cooling the heated cutting line 14 part by the refrigerant injected from the cooling nozzle 13 is performed. Here, the refrigerant may be a cooling liquid such as cooling water or a cooling gas such as air or CO 2 gas. The stress is generated along the cutting line 14 of the material 11 by such a thermal shock by rapid heating and cooling. As a result, the microcracks 15 are propagated along the cutting line 14 to cut the material 11.
상술한 바와 같이 (가) 단계에서 생성되는 미세균열(15)은 종래의 장파장 레이저에 의해 생성되는 초기 균열보다 폭이 좁은 날카로운 형상을 가지기 때문에, 초기 절단이 보다 쉽게 이루어지며 정확한 절단 위치와 방향을 확보할 수 있어서 절단 품질을 향상시키게 된다.As described above, since the microcrack 15 generated in step (a) has a sharp shape having a narrower width than the initial crack generated by the conventional long-wavelength laser, the initial cutting is easier and the precise cutting position and direction It can ensure the cutting quality.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 절단 방법의 다른 실시예를 보여준다.4 shows another embodiment of a laser cutting method according to the present invention.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 (가) 단계에서는, 미세 균열은(25a, 25b)은절단선(24)의 시작 위치 뿐만 아니라 절단 효율을 향상시키기 위해 절단선(24)의 최종 위치에도 마련될 수 있다. 본 실시예의 (나) 단계와 (다) 단계는 전술한 실시예에서와 동일하므로 그 설명을 생략한다. 한편, 절단선(24) 전체에 걸쳐 단파장 레이저(26)를 사용하여 소재(21)를 절단할 수 있으나, 이 경우에는 비록 크기가 작더라도 긴 부분에 걸쳐 소재(21) 표면에 균열을 생성시켜야 되므로 미세한 부스러기가 발생할 가능성이 높고 절단면의 엣지 부위가 거칠게 되는 등의 단점이 있다. 따라서, 미세 균열은(25a, 25b)은 절단선(24)의 시작 위치 뿐만 아니라 최종 위치에도 마련되는 것이 절단 효율의 향상과 절단선(24)의 최종 위치에서의 품질 향상을 위해 바람직하다.Referring to FIG. 4, in the step (a) of the present embodiment, the fine cracks 25a and 25b are provided not only at the starting position of the cutting line 24 but also at the final position of the cutting line 24 to improve cutting efficiency. Can be. Steps (b) and (c) of this embodiment are the same as in the above-described embodiment, and thus description thereof is omitted. On the other hand, although the material 21 can be cut using the short wavelength laser 26 over the entire cutting line 24, in this case, although the size is small, cracks must be generated on the surface of the material 21 over a long portion. As a result, there is a high possibility that minute debris occurs and the edge of the cut surface becomes rough. Therefore, it is preferable that the fine cracks 25a and 25b be provided not only at the start position of the cutting line 24 but also at the final position for the improvement of cutting efficiency and the quality improvement at the final position of the cutting line 24.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단 방법의 또 다른 실시예를 보여준다.Figure 5 shows another embodiment of a laser cutting method according to the present invention.
도 5에 도시된 실시예는 유리 등의 소재(31)를 두 방향 이상으로 절단하는 경우에 적용될 수 있는 실시예이다. 이에 따라, 소재(31)의 상면에는 소정 방향의 1차 절단선(341)과, 상기 1차 절단선(341)과 교차하는 방향, 예컨대 직교하는 방향의 2차 절단선(342)이 마련된다. 상기 1차 절단선(341)을 따른 1차 절단은 전술한 두 가지 실시예에 의해 이루어지며, 그 후 2차 절단선(342)을 따른 2차 절단은 본 실시예에 따라 이루어질 수 있다. 2차 절단의 (가) 단계에서는, 단파장 레이저(36)에 의해 2차 절단선(342)의 시작 위치에 미세균열(35a)를 생성시킬 뿐만 아니라, 1차 절단선(341)과 2차 절단선(342)의 교차 위치에도 2차 절단선(342)을 따라 미세균열(35b)을 생성시킨다.5 is an embodiment that can be applied to the case of cutting the material 31, such as glass in two or more directions. Accordingly, the primary cutting line 341 in a predetermined direction and the secondary cutting line 342 in a direction intersecting with the primary cutting line 341, for example, orthogonal to each other, are provided on the upper surface of the raw material 31. . The primary cut along the primary cut line 341 is made by the two embodiments described above, and then the secondary cut along the secondary cut line 342 may be made according to the present embodiment. In the (a) step of the secondary cutting, not only the microcracks 35a are generated at the start position of the secondary cutting line 342 by the short wavelength laser 36, but also the primary cutting line 341 and the secondary cutting The microcracks 35b are generated along the secondary cut line 342 even at the intersection of the lines 342.
일단 레이저 빔으로 절단된 1차 절단선(341) 부위는 미세한 흠이 거의 없으며 가열과 급냉으로 인해 매우 경화된 상태이므로, 1차 절단선(341) 부위를 이와 교차하는 방향으로 다시 절단하는 때에는, 전술한 바와 같이 종래의 CO2레이저 빔을 사용하여 생성한 초기 균열로써는 절단이 이루어지지 않는 경우가 많으나, 본 실시예에 따른 단파장 레이저 빔을 사용할 때에는 다른 부위와 유사한 정도로 절단을 수행할 수 있다. 따라서, 절단 속도 등에 영향을 미치지 않고 절단된 부위를 이와 교차하는 방향으로 다시 절단할 수 있는 장점이 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 단파장 레이저(36)가 2차 절단선(342)의 시작 위치에 미세균열(35a)을 생성시킨 후에 이동하여 1차 절단선(341)과 2차 절단선(342)의 교차 위치에 미세균열(35b)을 생성시키는 중에, 절단용 레이저(32)에 의한 가열 단계와 냉각 노즐(33)에 의한 냉각 단계가 동시에 수행될 수 있으므로 절단 속도에는 영향을 미치지 않는다.Since the portion of the primary cutting line 341, which is once cut by the laser beam, has almost no minute scratches and is very hardened due to heating and quenching, when the primary cutting line 341 is cut again in the direction crossing the portion, As described above, in many cases, cutting is not performed by the initial crack generated using the conventional CO 2 laser beam. However, when the short wavelength laser beam according to the present embodiment is used, cutting may be performed to a similar extent as other parts. Therefore, there is an advantage that can be cut again in the direction crossing the cut portion without affecting the cutting speed or the like. That is, as shown in FIG. 5, the short wavelength laser 36 moves after generating the microcracks 35a at the start position of the secondary cutting line 342 to move the primary cutting line 341 and the secondary cutting line. During the generation of the microcracks 35b at the intersections of the 342s, the heating step by the cutting laser 32 and the cooling step by the cooling nozzle 33 can be performed at the same time and thus do not affect the cutting speed. .
도 6은 본 발명에 따른 레이저 절단 방법의 또 다른 실시예를 보여준다.Figure 6 shows another embodiment of a laser cutting method according to the present invention.
도 6에 도시된 실시예는 도 5의 실시예와 마찬가지로 유리 등의 소재(41)를 두 방향 이상으로 절단하는 경우에 적용될 수 있는 실시예이다. 이에 따라, 소재(41)의 상면에는 서로 교차하는 1차 절단선(441)과 2차 절단선(442)이 마련된다. 본 실시예에서는, 1차 절단선(441)과 2차 절단선(442)의 교차 위치에의 미세균열(45)의 생성은 1차 절단선(441)을 따르는 1차 절단 전에 이루어진다.6 is an embodiment that can be applied to the case of cutting the material 41, such as glass in two or more directions, similar to the embodiment of FIG. Accordingly, the primary cutting line 441 and the secondary cutting line 442 which cross each other are provided on the upper surface of the raw material 41. In this embodiment, the generation of the microcracks 45 at the intersections of the primary cut lines 441 and the secondary cut lines 442 is made before the primary cut along the primary cut lines 441.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 레이저 절단 방법에 따라 유리로 된 소재에 초기 균열을 생성시킨 후 레이저 절단을 수행한 실험결과를 보여준다. 이 실험에서도 전술한 종래 기술을 이용한 실험결과와 비교할 수 있도록 절단 소재로서 두께0.7㎜인 코닝 1737 유리가 사용되며, 절단용 레이저로는 CO2레이저가 사용된다. 미세균열을 생성시키기 위해 사용된 단파장 레이저 빔은 Nd:YAG 레이저 빔의 3차조화파인 펄스 레이저 빔으로서, 그 파장이 355㎚이며, f/# 10인 광학계로 집속되어, 펄스 지속시간 30㎱, 평균 출력 1W, 반복률 20㎑로 소재 표면에 조사된다. 특히, 이 실험결과는 1차 절단된 면을 이와 직교하는 방향으로 2차 절단한 결과이다.7A to 7C show an experimental result of performing laser cutting after generating an initial crack in a glass material according to the laser cutting method of the present invention. In this experiment, Corning 1737 glass having a thickness of 0.7 mm is used as a cutting material, and a CO 2 laser is used as the cutting laser to be compared with the aforementioned experimental results using the conventional technology. The short wavelength laser beam used to generate the microcracks is a pulsed laser beam, which is a third harmonic wave of the Nd: YAG laser beam, whose wavelength is 355 nm and is focused on an optical system of f / # 10, and has a pulse duration of 30 ms, The surface of the material is irradiated with an average power of 1 W and a repetition rate of 20 Hz. In particular, this test result is the result of the secondary cut in the direction perpendicular to the primary cut surface.
본 발명에 따라 단파장 레이저 빔을 이용하여 미세균열을 만든 경우에는, 레이저 빔의 세기에 따라 다소 차이는 보이고 있으나 생성된 미세균열의 직경이 최대 70㎛이었으며, 레이저 빔의 세기를 조절할 경우 절단 성능에는 영향을 미치지 않으면서 미세균열의 직경을 40㎛이하까지 줄일 수 있었다. 절단을 수행한 후 소재의 손상된 부위는 30㎛ ~ 40㎛ 정도로 종래의 CO2레이저 빔에 의한 경우와 비교하여 훨씬 우수한 절단 특성을 보이고 있다. 도 7a 내지 도 7c는 각각 미세균열의 길이를 다르게 생성시킨 후 절단한 결과를 나타낸 것이다. 즉, 미세균열은 그 길이가 도 7a에서는 대략 30㎛, 도 7b에서는 대략 1㎜, 도 7c에서는 대략 3㎜가 되도록 생성되었다. 그 결과, 미세균열의 길이가 짧아지더라도 절단 성능에는 영향을 주지 않았으며, 미세균열의 길이가 짧아질수록 소재의 손상 부위(D, E, F)가 작아지는 것으로 나타났다. 특히, 미세균열의 길이가 가장 짧은 도 7a의 경우에는 소재의 손상 부위(D)의 폭, 길이 및 깊이가 모두 30㎛ 이하로 육안으로는 거의 식별되지 않고 있다. 그리고, 절단이 시작되는 위치와 방향이 원하는 위치와 방향에서 전혀 벗어나지 않아 우수한 절단 품질을 확보할 수 있었다.When the microcracks are made using the short wavelength laser beam according to the present invention, the microcracks are somewhat different depending on the intensity of the laser beam, but the diameters of the microcracks generated are up to 70 μm. Without affecting the diameter of the microcracks could be reduced to less than 40㎛. After performing the cutting, the damaged part of the material shows much better cutting characteristics compared to the case of the conventional CO 2 laser beam of about 30 ~ 40㎛. 7A to 7C show the results of cutting after generating different lengths of microcracks, respectively. That is, the microcracks were generated such that their lengths were approximately 30 μm in FIG. 7A, approximately 1 mm in FIG. 7B, and approximately 3 mm in FIG. 7C. As a result, shortening the length of the microcracks did not affect the cutting performance, and the shorter the length of the microcracks, the smaller the damage part (D, E, F) of the material was found to be. In particular, in the case of FIG. 7A, which has the shortest length of microcracks, the width, length, and depth of the damaged portion D of the material are all 30 µm or less, and are hardly visually identified. In addition, since the position and direction at which the cutting is started do not deviate from the desired position and direction at all, it is possible to secure excellent cutting quality.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 비금속재료의 레이저 절단 방법에 의하면 단파장의 펄스 레이저 빔에 의하여 보다 작고 날카로운 미세균열을 생성시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 부스러기나 불필요한 흠의 발생 및 소재의 손상이 최소화되며 정확한 절단 위치를 맞추는 것이 가능하고 정확한 절단 방향을 확보할 수 있어서 절단 품질이 향상된다. 특히, 레이저 빔에 의해 1차 절단된 면을 이와 교차하는 방향으로 다시 절단할 때에도 우수한 절단 품질을 나타내는 효과가 있다.As described above, according to the laser cutting method of the non-metallic material according to the present invention, it is possible to generate smaller and sharper microcracks by a short wavelength pulse laser beam. Accordingly, the occurrence of debris or unnecessary scratches and damage to the material is minimized, it is possible to match the exact cutting position, and to secure the correct cutting direction, thereby improving the cutting quality. In particular, there is an effect of exhibiting excellent cutting quality even when the surface first cut by the laser beam is cut again in the direction crossing the same.
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