KR20040024587A - 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법(두가지의 변형) - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단의 효율과 질을 향상시키는 것이다. 첫번째의 변형에서, 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단에 대한 독창적 방법은 절단 선을 따라 노칭하는 것과 물질의 표면에 추가적으로 작용하는 것을 포함하되, 탄성파의 진폭과 주파수가 미리 정해진 깊이를 깊게 하는 것 또는 상기 물질을 관통하는 절단의 조건에 따라 선택되는 일이상의 탄성파로 노칭지역에 수행되는 물질의 표면에의 추가적 작용에 특징이 있다. 둘째의 변형에서, 노칭은 그것을 따라 연장된 레이저 광선의 도움을 가지고 절단선을 따라 물질 표면을 가열하는 것과 가열된 지역을 부분적으로 냉각하는 것에 의해 수행된다. 물질 표면에 대한 추가적인 작용은 상기 지점을 가열하는 동안과 간은 시간 동안 가열 지역에서 절단선의 각 지점을 연속적으로 냉각하는 것에 의해 수행된다. 냉각 시간은 미리 정해진 깊이를 갖는 절단물을 생산하는 조건에 따라서 물질의 두께 그리고 그것의 열물리적 특성과 관련하여 선택된다.

Description

깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법(두가지의 변형){CUTTING METHOD FOR BRITTLE NON-METALLIC MATERIALS(TWO VARIANTS)}

절단경로를 따라서 물질의 표면에 선침으로 선을 긋는 것(scribing), 광선(beam)과 물질을 서로 움직이는 동안 레이저 빔을 사용하여 가공선 부분을 가열하는 것, 그리고 부분적으로 가열된 지역을 냉각 매체를 사용하여 냉각시키는 것을 포함하는, 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법이 이 분야에서 알려져 있다(RF 특허번호 2024441, MKI⁵C 03 B 33/02, 15.12.94 공개).

이 방법은 가공선 표시뿐만 아니라 레이저 광선이나 다른 가열원을 가지고 절단 경로를 재가열에 의해 유리나 다른 깨어지기 쉬운 비금속 물질을 절단하는데 사용될 수 있다.

이 절단방법의 약점은 비효율성인데 그 이유는 유리의 열전도성 때문에, 물질의 두께속으로 충분한 열통과를 허여하기 위하여 표면을 가로질러 충분히 서서히광선이 움직일 때 틈(crack, 금)이 물질속으로 깊게 퍼지게 될 수 있다.

광선과 물질이 서로 상대적으로 움직이는 동안 레이저 광선을 가지고 절단경로를 가열하는 것을 것과, 냉각 매체를 사용하여 가열된 부분을 지역적으로 냉각하는 것과, 그리고 나서 두개의 병렬 레이저 광선을 사용하여 절단경로를 따라 물질의 표면을 가열하는 것을 포함하는 비금속 물질을 절단하는 방법이 이 분야에서 알려져 있다(미국 특허번호 6,259,058, IC 7B 24 C1. 26/067, 10.07.2001 공개). 종래의 절단 방법에서, 재가열은 물질의 전체두께에 걸쳐 완전히 틈이 퍼지게 할 수 있다. 그러나, 이 방법은 앞서 기술한 절단방법과 같이 동일한 단점을 겪는다.

관통하는 틈을 형성하기 위하여 레이저 광선을 가지고 박판의 물질의 일면으 표면을 가열하는 것에 아울러 박판의 반대면의 표면에 기계적 힘을 적용하는 것을 포함하는 깨어지기 쉬운 물질의 레이저 처리를 위한 장치를 사용하는 깨어지기 쉬운 비금속 물질을 절단하는 방법이 이 분야에서 알려져 있다(RF 특허번호 2139779, IC B 23 C1. 26/00, 20.10.99. 공개).

그러나, 물질표면의 반대면에 일정한 기계적 힘을 가하는 방법이나 레이저 광선의 경로를 따라 박판의 반대면의 표면에 움직일 수 있는 볼을 두드려서(tapping) 하는 방법 모두 다 절단 공정을 가속화할 수 없다. 이러한 방법은 단지 틈의 위치와 물질 표면을 따라 레이저 광선의 위치사이에서 지체되는 것을 감소시킬 뿐이다.

또한 상기에서 나열된 적용방법에 기초하여 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 박판을 절단하는 방법이 알려져 있다. 다시 말해서: 절단경로를 따라 다이아몬드 도구를 사용하여 스크래치(흠)를 첫째 형성하는 것; 광선과 물질이 서로 상대적으로 움직이는 동안 타원형의 레이저 광선으로 절단경로를 가열하는 것; 냉각 매체를 사용하여 가열지역을 부분적으로 냉각하는 것이다(국제출원 번호 PCT/RU94/00276, 공개번호: WO 96/20062, 1996). 이 방법은 어떤 곡선 경로뿐만 아니라 직선을 따라 물질의 박판을 절단하는데 사용될 수 있다. 유리표면의 일면을 절단하는 경로를 따라 직접적 열 광선을 부딪히게 하는 것과 따라서 관통 틈을 형성하는 것과 그리고 반대표면에 굽힘력을 적용하여 그에 따라 절단경로를 따라 틈을 전파하는 것이다(미국 특허번호 4,190,184, IPC C 03 B 33/02, 우선권 날짜 23.08.78).

그러나, 이러한 방법들을 사용하여 높은 생산능력에서물질의 단일 통과 분리를 얻기는 가능하지 않다. 그 이유는 틈이 생긴 물질의 별개의 최종 갈라짐은 추가적인 기계적 또는 다른 유형의 파괴력을 요구하기 때문이다. 그러한 방법은 양질의 절단조각을 얻을 수 없고 나아가 추가적인 파괴 장비를 필요로 한다.

본 발명의 방법의 기술적 핵심에 가장 가까운 유리 절단 방법은 절단경로를 따라 물질에 선침으로 선을 긋는 것(가공선)을 형성하는 것에 더하여 유리 표면에 음향적 진동을 부딪히게 하는 것을 포함하는데, 그러한 음향적 진동은 유리표면에 병렬방향으로 포함된다(USSR 저작증명버노 996347, MKI⁵CO3 B33/02, 15.02.83 공개). 이 방법에서, 물질에서의 관통 틈의 형성은 물질에 선침으로 선을 그은 후에 유리 표면에 병렬방향으로 2 내지 5 KHz의 초음파 범위로 유리에 여자 음향 진동을 가하여 촉진된다. 공정의 효율성을 증가시키기 위하여, 음향적 진도의 주파수는 유리의 자연 진동주파수에 맞추는데 그것은 공진을 일으킨다.

그러나, 많은 매우 중요한 단점들은 이 방법을 다양하게 산업적으로 적용하는 것을 막는다. 첫째, 절단 기구를 가지고 전체 유리판에 형성된 선침하여 생긴 선(가공선)을 따라 유리를 쪼개는 것을 할수 있는 초음파 진동을 유도하는 것은 상당한 에너지의 소비를 필요로 한다. 둘째, 이 절단 공정은 느리다. 그것은 선침으로 선 긋기, 상기 선침에 의한 선(가공선)에 의해 정확하게 정해진 지점에서 진동기를 설치하는 것, 근접 접촉을 확실히 하기 위해 유리 표면에 진동기를 확실하게 부착하는 것, 그리고 자기변형 또는 압전 변확기를 사용하는 것과 같은 신간적으로 별개의 공간적 생산 공정들로 이루어지기 때문이다. 나아가 , 각각의 절단은 유리 물질의 트기를 변화시키고 공진효과에 대해 요구되는 음향 파동의 주파수의 재계산을 필요로 한다. 이것은 노동강도의 예비적 측정과 진동주파수의 계속적 조정을 요구한다. 셋째, 진동기와 유리표면사이의 근접 접촉은 스크래치와 파편들을 만드는 표면을 손상시키고 결과적으로 많은 쓰레기를 생성시킨다.

본 발명은 반도체 물질들뿐만 아니라 석영유리를 포함하는 모든 유형의 유리; 사파이어와 석영과 같은 단결정 물질들; 모든 유형의 세라믹들과 같은 물질들의 레이저 절단을 포함하는, 깨어지기 쉬운 비금속 물질들의 절단방법과 관련된다.

발명의 과제문제가 도면을 참고하여 설명될 수 있을 것이다.

도 1은 레이저 광선을 사용하여 물질에 가공선을 형성하는 것의 도식 표현도이다;

도 2는 레이저 광선과 냉각 매체를 사용하여 가공선을 형성하는 것(scribe formation)의 도식 표현도이다;

도 3은 두 개의 레이저 광선을 가지고 물질에 가공선을 형성하는 것의 도식 표현도이다;

도 4는 절단 도구를 가지고 물질에 만들어진 미리 정해진 깊이의 가공선을확대하기 위해 탄성파를 사용하는 것의 도식 표현도이다;

도 5는 분리 절단을 얻는 가공선을 깊게하기 위해 탄성파를 사용하는 것의 도식 표현도이다;

도 6은 하나의 주기에서 분리 또는 비분리 절단과 두개의 분리 교차절단을 수행하는 것의 도식 표현도이다;

도 7은 물질의표면에 대해 경사진 절단을 수행하는 것의 도식 표현도이다;

도 8은 두 개의 적층된 판들(plates)의 하나의 분리 절단을 행하는 것의 도식 표현도이다;

도 9는 기계적 도파관(waveguide)과, 절단박판의 반대면에 위치한 탄성파 농축기를 사용하여 분리 절단을 만드는 것의 도식 표현도이다;

도 10은 두 개의 레이저 광선과 두 개의 탄성파 농축기를 사용하여 분리 절단을 만드는 도식도로서 위부분을 보인다;

도 11은 두 개의 레이저 광선과 두 개의 탄성파 농축기를 사용하여 분리 절단을 만드는 도식도로서 앞부분(단면)을 보인다;

도 12는 세 개의 탄성파를 가지고 분리 절단을 만드는 것의 도식도로서 앞부분(단면)을 보인다;

도 13은 표면의 가공선 면으로부터 작용하는 탄성파 농축기의 도식 표현도이다;

도 14는 물질에서 분리 절단을 만들기 위한 연장된 냉각 장치를 사용하는 것의 도식 표현도이다;

도 15는 다중-단계 냉각 공정을 사용하여 물질에서 미리 정해진 깊이의 제어가능한 절단을 만드는 것의 도식 표현도이다.

본 발명은 두층으로 적층된 물질을 절단하는 것 뿐만 아니라, 균일한 절단 속도를 유지하고 교차절단의 형성을 가능하게 하는 동안 단일 또는 다중의 생산 주기로 분리 및 비분리 절단을 만드는 방법을 제공함으로써 깨어지기 쉬운 비금속 물질들을 절단하는 공정의 효율과 질을 향상시키는 것을 목적으로한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 두 가지의 방법을 공개한다.

일면으로, 본 발명의 목적은 절단경로를 따라 선침으로 그은 선을 형성하는 것과 그에 더하여 샘플을 완전히 절단하거나 미리 정해진 깊이에 대해 새겨진 선을 더욱 깊게 하기 위해 선택되는 탄성파의 진폭과 진동수를 갖는 일이상의 탄성파 소스를 사용하여 선침에 의한 선의 형성의 지역에서 수행되는 물질 표면에의 작용을 포함하는 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법에 의해 충족된다. 절단 경로를 따라 선침으로 선을 긋는 것은 절단도구, 레이저 광선으로 행해질 수 있고, 또는 레이저 광선을 가지고 절단 경로를 따라 물질의 표면을 가열하는 것과 추가적으로 냉각 매체의 적용지역에 탄성파를 부딪히게 하는 동안 냉각 매체를 가지고 가열된 지역을 냉각시키는 것에 의해 수행된다. 선침으로 그은 선(가공선)은 레이저 광선과 물질의 상대적 운동의 방향에 수직방향으로 각각으로부터 주어진 거리에서 물질의 표면에 부딪히는 두 개의 레이저 광선을 가지고 상기 경로를 따라 물질의 표면을 가열함에 의해 절단 경로를 따라 형성될 수 있다. 이 방법에서 주로 탄성파는 가공선 형성의 지역에서 물질의 몸체내에 집중된다. 탄성파의 소스는 바람직하게는 물질이 불투명한 것에 대해서 펄스 레이저에 의해 방출되는 복사(radiation)이다.

절단 도구는 70-140 각도의 절단 단면과 70-140의 각도의 분쇄각을 갖는 회전 경질-합금 롤러를 가지는 다이아몬드 피라미드일 수 있다.

탄성파는 가공선을 따라 유도될 수 있으며 예를 들면, 가공선이 완성되고 난후 절단 경로를 따라 물질의 미리 정해진 영역에서만 유도될 수 있다. 그 방법은 탄성파 소스의 작동 선과 경사 절단을 만들기 위해 물질 표면에 수직인 면에 서로 대체된 절단 경로를 준비한다.

어떤 실시예에서는, 두개의 탄성파는 가공선 도구로부터 아래의 표면의 가공선 면에 절단경로의 반대면에 동시적으로 부딪히게(impinge, 또는 작용) 된다. 또는, 동시에, 하나의 탄성파는 가공성 형성 지역에서 물질의 몸체내에 부딪히게 될 수 있고, 표면의 가공선 면에 작용하는 두개의 다른 탄성파의 작용영역 사이에 위치한 지역에서 물질의 반대 표면에 작용한다.

또 다른 면에서, 가공선 만드는 것은, 레이저 광선을 사용하여 형성된 절단 경로를 따라 물질의 표면을 가열하는 것과 가열된 지역을 부분적으로 냉각시키는 것에 의해 수행된다. 물질의 표면에 대해 추가적인 조치는 각 시점에서 가열 적용의 기간을 가지는 같은 시간기간 동안 가열된 지역내의 절단 경로에서 각 시점의 연속적인 냉각을 포함한다. 냉각 시간의 선택은 물질의 두께와 미리 정해진 깊이를 같는 절단을 만들기 위한 그것의 열물리적 특성에 기초한다.

일면으로, 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법은 다음의 것을 포함한다.

유리 또는 다른 깨어지기 쉬운 비금속 물질(1)의 표면에 관하여 상대 속도 v 에서 움직이는 장치(2)는 물질의몸체에서 깊이 δ를 가지는 가공선(3)을 형성하기 위하여 표면에 작용한다.

본 발명에 따르면, 장치(2)는 레이저 광선(도 1), 절단 도구(도 4), 레이저 광선과 물질의 상대적 운동의 방향에 수직한 방향으로 서로로부터 일정한 간격인 곳에서 물질의 표면에 부딪히는(작용하는) 두 개의 레이저 광선(도 3), 그리고 다른 유사한 장치일 수 있다. 가공선은 예를 들면, 레이저 광선(2)을 가지고 표면을 가열하고 냉각 매체(4)를 사용하여 가열된 지역을 부분적으로 퀀치(quench)하는 것에 의해 형성될 수 있다(도 2).

본 발명의 주요 특징적 구성은 가공선 형성(3) 지역에서 물질의 몸체에 탄성파(5)의 집중이다. 소스는 농축기 또는 예를 들면 물질이 불투명한 것인 것에 대하여 펄스 레이저일 수 있다.

이 실시예에서 물질 표면이나 또는 어떤 물질 진동에 적용되는 특이한 기계적 힘이 근본적으로 없다는 것을 강조해야만 한다. 나아가, 주요 가공선 만드는 것의 파라미터-그것의 속도와 가공선의 깊이 δ-와 관련되는 탄성파(진동의 진폭과주파수)의 파라미터에 따라, 가공선은 미리 결정된 깊이h를 갖는 틈(crack)(7)까지 깊어질 수 있다. 공정 파라미터를 바꿈으로서, 깊이H를 갖는 분리 절단(8)을 생산하는 것이 쉽다.

탄성 고체에서 탄성파 형성과 전파의 기본적인 물리 법칙들, 그리고 가공선 형성 지역에서 탄성파의 작용을 통해 분리 절단의 곳까지 확장될 수 있는 가공선의 조건들은 다음과 같다.

고체를 관통하는 탄성파 전파는 물질의 한 지점으로부터 다른 지점으로 파동에 의해 전달되는 응력/변형력(stress/strain) 그리고 층밀림(shear)(또는 전단)의 기계적 변형을 만들어낸다. 에너지 전송은 고체내에서 탄성 변형을 통해서 일어난다. 두 가지 유형의 탄성파, 세로 및 층밀림(longitudinal and shearing), 는 등방성 고체에서 전파될 수 있다. 세로 파동으로부터의 변형은 응력/변형력(stress/strain) 그리고 층밀림(shear)의 조합이다. 층밀림 파동에 의해 만들어지는 변형은 순수 층밀림이다. 탄성파는 진폭, 진동방향, 다양한 기계적 응력 및 변형, 진동 주파수, 파장, 상과 그룹 속도, 그리고 파동에 따른 변위와 응력의 분배법칙에 의해 특징지어진다. 이러한 파라미터들은 틈 전파(crack propagation), 특히 가공선 지역의 물질 몸체내에서 탄성파의 집중을 위한 최적의상태를 결정할 때 고려되어야 한다.

음향 도파관은 탄성파를 하나의 소스로부터 가공선 지역으로 전송하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 플레이트나 막대같은 고체 음향 도파관은, 도파관의 축에 대한 정확한 각으로 움직이는 세로 및 층밀림 파동의 조합으로 이루어지고 도파관 표면에서의 기계적 응력은 제로라는 경계조건을 만족시키는 파를 전파할 수 있다. 도파관은 물질의 미리 정해진 지역에서 탄성파를 집중시키는 농축기로 끝날 수 있다.

본 발명의 매우 중요한 잇점은, 탄성파가 가공선의 미리 정해진 지역에 대해서만 부딪히게 할 수 있다는 것이다. 이것은 단일 공정 주기에서 분리 및 비분리 절단을 선택하는 것을 가능하게 한다. 그러한 절단의 하나의 예가 도 6에 보여지는데, 하나의 공정 주기에서, 절단이 비분리 가공선을 만드는 것으로 시작되고 끝나며, 예컨대 분리 틈(8)을 형성하기 위해 물질을 관통하여 절단의 나머지 부분이 확장하는 동안에, 가공선을 깊게하기 위한 탄성파를 사용하지 않고서 말이다. 첫째 이 방법은 절단선의 교차점에서 절단의 질을 떨어뜨리지않고 분리 교차절단을 행할 수 있고 교차점에서 추가적인 가공선 만들기를 하지 않는다. 둘째, 이것은 높은 정확성과 질을 보장하는데 그 이유는 전체 박판이 완전히 분리 요소까지 절단될 때까지 박판이 그것의 처음의 체적과 완전함을 유지하기 때문이다.

그러나 제안되는 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절당방법의 또 다른 장점은 물질표면에 대해 수직인 면에 대한 어떤 각으로 분리 절단을 수행할 수 있는 능력이다. 이것은 탄성파(6)의 소스의방향과 절단 도구(2)의 적용방향이 물질 표면(1)에 대해 수직인 면으로 상대적으로 이동되기 때문이다(도 7). 이러한 변위의 결과로, 분리절단(9)의 경로는 물질의 표면에 대해 수직방향으로 각 ψ에서 경사진다. 그러한 절단 방버은 절단디스크나 닫힌 절단 패턴을 가지는 다른 아이템에 대해 매우 좋은 결과를 제공하는데 그 이유는 물질로부터 아이템을 절단하여 분리하는 것을 쉽게하기 때문이다. 경사각은 매우 작아서 절단의 정확성에 근본적으로 아무런 영향을 주지 않을 수도 있다.

깨어지기 쉬운 비금속 물질의 기술된 절단방법은 단일층 물질 뿐만 아니라 적층 박판을 절단하는데 사용될 수 있다. 도 8은 접착제(11)에 의해 박판(10)에 붙여진 박판(1)을 절단하는 것에 대한 도식을 보여준다. 이 예에서, 탄성파(5)는 박판(10)의 일면으로부터 확장하여 가열 지역(3)에 도달하며, 박판(1)의 분리 절단(8)에 대한 노치(notch, 새긴 금)를 깊게한다.

때때로, 도파관과 물질의 반대표면에서 탄성파의 농축기의 위치시킴은 복잡하거나 불가능하다. 그러나, 탄성파를 박판(1)의 가공선의 면(3)으로부터 물질속으로 향하게 하는 것이 또한 가능하다(도 10 및 11). 모든 것이 구성과 탄성파 소스의 유형에 달려있다. 이 예에서는, 두개의 도파관(6)과 두개의 농축기(12)가 사용되어 가공선(3)의 반대면을 따라, 도구(2)가 부딪히는(작용하는) 물질의 면으로부터 두 개의 탄성파를 집중시킨다. 가공선의 반대면을 따라 두개의 탄성파 농축기의 추가적 작용은 가공선을 깊게 하거나 분리 절단(8)을 일으키는 추가적인 부피 응력을 만들어낸다.

제안된 방법의 가장 간단한 이행의 하나 다시 말해서, 가공선(3)을 깊게 하거나, 기계적 도파관(6) 및 해머(13)의 기계적 작용으로부터 발생하는 탄성파의 농축기(12)를 적용하여 분리 절단을 실행하는 것을 살펴보도록 하자(도 9). 기계적 도파관(6)은 도 9에서 보여지는 것과 같이 직선 및 곡선형으로 모두 만들어질 수 있다. 도파관의 그러한 디자인은 충격기(13, impactor)로부터 물질 표면(1)으로의기계적 충격을 전송하지 못하게 한다. 이 예에서, 도파관(6)은 농축기로 끝나는 곡선의 금속 막대로, 정점에서 일정 각을 가지는 원뿔(cone)으로 만들어진다. 원뿔 정점은 반구의 모양으로 되어있는데, 강철 구에서 프레스하여 만들어질 수 있다. 이것은 물질 표면(1)과 농축기(12)의 점 접촉을 확실하게 한다. 농축기는 물질 표면(1)에 수직으로 설치되고, 그 형성 지역에서 노치 선(3)을 따라 엄격하게 위치된다. 물질 표면(1)에 작용하는 힘P ₁ 으로 농축기의 일정한 기계적 작용은 최소가 되어야 하며, 물질의 어떤 변형을 일으켜서는 안 되며, 물질 표면(1)과 농축기의 접촉만을 확실하게 해야 한다. 도파관(6)과 농축기의 탄성파는 힘P ₂ 를 가지는 도파관(6)의 말단 면과 충격기(13)의 상호작용에 의해 생성된다. 도파관(6)의 충격은 그 안에서 도파관(6)을 따라 전파되는 변형 탄성파를 형성하고 농축기안에서 축적한다. 물질 표면(1)과의 농축기의 접촉점에서 탄성 변형의 에너지는 물질(1)속으로전달되고 가공선(3)의 정점에 도달하며, 횡파는 가공선(3)을 분리 절단(8)내의 물질내에서 아래로 확장되게 한다.

여러가지 예에서, 절단 물질(1)의 두 면으로부터 동시에 탄성파 소스의 조합된 작용이 효과적이다(도 12). 이 실시예는 물질의 두께운 판을 관통하는 분리 절단을 만드는 데에 아주 효과적이다.

도 13은 가공선(3)의 면으로부터 물질(1)에 작용하는 것에 대하여 농축기(12)를 가지는 도파관(6)의 실시예의 하나를 보여준다.

노치를 깊게할 수 있는 탄성파의 주파수 범위는 대단히 넓다: 수 Hz 로부터높은 주파수의 진동까지. 매우 다른 탄성파 소스가 사용될 수 있다. 따라서, 탄성파 소스는 표면의 가공선 면이나 표면의 반대면에 위치될 수 있으며, 사용되는 탄성파 소스와 사용되는 장치의 디자인 특이성에 따라 달라진다.

또 다른 실시예에서, 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단 방법은 다음과 같이 구성된다.

깨어지기 쉬운 물질의 박판, 예를 들면, 유리박판(1)의 표면을 타원형의(elliptical) 레이저 광선(2)을 가지고 가열하는 것을 포함하는 다양한 알려진 절단 방법은 광선에 의해 부딪히게 되는 지역에서 높은 압축 응력 σ_c를 일으킨다. 그러나 이러한 응력들은 물질을 파괴하기에 충분하지 않다. 이것에 대한 이유는 물질의 압축되는 힘이 그 장력 또는 굽힘력보다 매우 크기 때문이다. 예를 들면, 유리의 압축력이 장력보다 8 -10 배 더 크다. 압축 응력은 광선이 절단 경로를 가로질러 가면서 증가하고 광선이 지나고 난 후에 그들의 최대값에 도달한다. 물질의 표면층에서 압축 응력 σ_c는 가열 영향력 지역이 점 냉각 매체(4) 예를 들면 노즐을 사용하여 공급되는 공기-물 스트림을 사용하여 퀀치될 때 그들의 신호를 역전시킨다. "열-냉각" 경계부분 후방에 확장하는 그리고 광선과 속도 ν로 선 냉각 매체의 상대적 변위가 일어나는 미세 틈(microcrack)(3)은 장력 응력 σ_t를 일으키는 작용에 의해 물질에서 발생된다. 점 냉각 매체는 단지 얇은 표면층으로부터 열을 제거한다. 따라서, 가열된 물질내에서 깊게 지속되는 부피적 압축 응력 σ_c는 물질속으로의 더이상의 틈(3)의 진행을 막는다.

만약 가열된 지역이 연장된 홈이 파지는 냉각 장치를 사용하여 냉각된다면 완전히 다른 그림이 관찰된다(도 14). 앞선 예에서와 같이, 최대 압축 응력은, 냉각 매체가 지나가고 난 직후 즉시 물질의 표면층에 위치한다. 얇은 미세틈은 냉각제가 적용된 후 초기에 큰 표면 장력 응력 σ_t의 작용을 통해서 형성된다. 냉각제의 가열지역에의 공급이 계속됨에 따라, 표면 장력 응력은 감소한다. 그러나, 부피적 장력 응력이 생기고 물질속으로 틈이 확장되어 분리되는 틈(8)을 형성할 정도에 이른다.

냉각제는 공기, 특별한 가스 혼합물, 공기-가스 혼합물, 공기-물 혼합물과 같은 가스-액체 혼합물의 스트림이거나 다양한 다른 냉각제일 수 있다. 적용되는 혼합물의 구성요소의 수와 가열지역에 혼합물을 적용하는 속도는 물질의 두께와 절단 공정에 지워진 요구 및 제한에 대하여 그 특성에 따라 조절되고 제어된다. 예를 들면, 어떤 경우에 물은 그것이 절단물질이나 특별한 코팅 및 물질의 표면에 형성된 구조를 오염시킬 수 있기 때문에 냉각제로서 사용될 수 없을 수도 있다.

냉각제의 적용 메카니즘은 틈(crack)의 확장 깊이를 조절하기 위하여 절단 공정동안 분리 단계의 독립적인 제어에 대한 능력을 가지는 다단계로 구성되어야 한다. 이 동일한 방법은 다른 두께의 물질 또는 다른 성질을 갖는 물질을 절단하는데 사용되어야 한다. 이것은 냉각 매체 예를 들면 다단계 스롯된 노즐에서 작동 단계의 수가 물질의 두께와 그 열전도도에 따라 선택된다는 것을 의미한다. 도 15는 다단계 제어 냉각을 사용하여 미리 정해진 깊이에서 직접적인 절단의 도식 다이어그램을 보여준다. 광학 시스템을 사용하여 변위 방향의로 상대적으로 연장되게 형성되는 레이저 광선(2)이 물질표면(1)으로 향한다. 냉각제(4)를 가열 지역으로 공급하는 다단계 슬롯된 노즐(14)은 레이저 광선 뒤에 위치하고 이 예에서 다섯개의 독립된 단계 14-Ⅰ, 14-Ⅱ, 14-Ⅲ, 14-Ⅳ, 14-Ⅴ로 이루어지며 이들은 컴퓨터에 의해 제어된다. 만약 노즐 14-Ⅰ의 첫째 단계만이 작동한다면, 깊이 δ₁의 틈이 물질에 형성된다. 만약 노즐 14의 둘째 단계 14-Ⅰ, 14-Ⅱ가 작동하면 깊이 δ₂가 물질속에 확장된다. 만약 세 단계, 14-Ⅰ, 14-Ⅱ, 14-Ⅲ가 작용하면, 틈이 δ₃의 값으로 깊어진다. 필요한 값 예를 들면 5 단계까지 냉각 단계의 수를 증가시키는 것은 깊이 δ₅의 관통 틈을 생산할 수 있다.

본 발명의 첫째의 변형을 사용하는 절단의 실제 예들이 아래에 제공된다.

실시예 1

0.7mm의 두께를 가진 유리 박판이 절단될 물질로서 사용되었다. 120°의 면 절단 각을 가지는 절단 도구로서 다이아몬드 피라미드가 가공선을 만드는데 사용되었다. 500 mm/s까지의 변위 속도에 대비한 500*400mm의 트래블(travel)을 갖는 2 좌표 테이블이 변위장치로서 사용되었다. 탄성파의 소스가 박판의 반대 표면에 작용하였다. 이에 대해, 지름이 1.5 mm의 반구로 종결된 정점의 콘으로 마무리 된 지름 5 mm 의 둥근 막대로 구성된 기계적-파 농축기는 레이저 광선에 의해 영향 받는 지역의 다른 면의 물질 표면과 접촉하게 구성되었다. 석영 유리 표면에 대하여 압축된 농축기의힘은 P₁= 2 - 4 G 이며 절단 동안 농축기와 물질의 계속적인 접촉을 이루도록 디자인되었고, 다시 말하면, 농축기가 박판 표면의 미세 불규칙을 찾아 낸다. 도파관의 끝은, 농축기에서 변형 탄성파를 형성하는 힘 P₂= 45 G 및 200 Hz의 주파수의 탭퍼(tapper)로 처리한다. 다이아몬드 피라미드는 유리 샘플이 350 mm/s 의 속도로 옮겨질 때 깊이 0.07 mm 의 스크래치 모양으로 절단했다. 가공선 형선 지역에서의 탄성파의 작용은 가공선을 분리 절단속으로 확장시켰다. 25 G의 힘과 250 Hz의 주파수의 탭퍼를 가지는 도파관의 말단 면을 처리하는 것은 350 mm/s 의 속도로 0.5mm로 가공선을 깊게 했다.

실시예2

1.1mm의 두께를 가지는 유리 박박이 외부 지름 65 mm, 내부 지름 20 mm의 디스크로 절단되었다. 가공선 만드는 것은 95°의 연마각(grinding angle)을 가지는 지름 7 mm를 갖는 경질-합금 롤러를 사용하여 이루어졌다. 앞선 실시예에서 기술된 장치는 탄성파의 소스로서 사용되었다. 경질-합금 롤러와 탄성파 농축기는 0.025 mm 의 차이로 물질의 표면에 수직한 면에서 서로 상대적으로, 미리 정해진 기하학적 크기에 대해 좀더 큰 내성의 면으로 움직인다. 이것은 경사진 분리 절단이 형성되는 것을 확실하게 하고, 이것은 교대로 디스크의 내부 및 외부 부분의 이음매(seam)가 디스크의 주요 작동 부분의 물질을 손상시킴이 없이 분리되는 것을 확실하게 한다.

실시예3

2.2 mm의 두께를 가지는 석영 유리 박판이 절단되었다. 가공선을 만드는 것은 115°의 연마각(grinding angle)을 가지는 경질-합금 롤러를 사용하여 이루어졌다. 가공선의 서로 반대면으로부터 3 mm 떨어진 거리에 위치한 두개의 탄성파 농축기가 유리의 가공선 면의 롤러위 뒤에서 동시에 사용되어 0.15 mm의 깊이로 가공선을 깊게 하였다. 도파관으 종단 면은 80 G의 힘과 주파수 150 Hz의 탭퍼로 처리하였다. 분리 절단은 300 mm/s의 절단 속도에서 행해졌다.

위에서 언급된 모든 3개의 예에서, 도파관의 탭퍼의 기계적 작용에 의해서 형성된 변형 탄성파의 소스와 농축기들이 사용되었다. 따라서, 이미 위에서 강조되었듯이, 농축기의 면으로부터 물질표면에의 기계적 작용은 없다. 탄성파의 다른 소스가 긍정적인 결과로 성공적으로 테스트 되었다.

실시예 4

0.8 mm의 두께를 가지는 석영 유리 박판이 절단되었다. 85 W 전력의 다중모드 CO₂및 750 mm/s의 변위속도를 낼 수 있는 트래블 550*650 mm의 이중 좌표 체이블을 가지는 장치가 절단 테스트를 수행하는데 사용되었다. 레이저 광선은 석영 표면에 약 20 W/mm²의 방사 전력 밀도를 제공하는 구형-실린더형의 징크-셀레나이드 광학을 사용하여 물질 표면에 초점이 모아졌다. 탄성파 소스는 석영 박판의 반대표면에 작용되었다. 이러하여, 기계적 파동 농축기가 레이저 광선에 의해 영향바든 반대 지역의 물질 표면에 접촉하며, 농축기는 지름 1.5 mm의 반구로 종결된 정점을 가지능 콘으로 종결된 5 mm지름의 둥근 막대형이다. 석영 유리 표면에 대해 압축이 가해진 농축기의 힘은 P₁= 2 - 4 G이며 절단동안 농축기와 물질의 계속적인 접촉이 되도록 디자인되었는데 다시 말하면 농축기는 박판 표면에 미세불규칙을 추적한다. 도파관의 말단은 힘 P₂= 40 G 및 주파수 30 Hz를 가지는 탭퍼로 처리되며 그것은 농축기에서 변형 탄성파를 형성한다. 레이저 광선은 그것이 350 mm/s의 속도로 석영 유리의 표면을 따라 움직일 때 0.09 mm의 깊이의 미세 틈을 형성한다. 틈 형성 지역에 부딪히는 탄성파는 틈(금)을 분리 절단에 전파한다. 절단과 파괴는 350 mm/s의 속도에서 동시에 수행되었다.

펄스 레이저를 사용하여 물질의 표면 또는 용적ㅇ르 가열하여 물질에 틈을 깊게 하는 탄성파를 만드는 것은 흥미있다. 이것이 장비의 가격면에서 어떤 상승을 초래하지만, 어떤 경우에는 그러한 접근이 정당화된다. 그러한 방법의 결과는 실시예 5에서 제시된다.

실시예 5

절단을 위한 물질은 0.7 mm의 두께를 가지는 유리 박판이다. 테스트는 가공선을 위한 100 W 전력의 다중 모드 CO₂레이저 및 물질에서 탄성파를 형성하기 위해 40 MHz까지 조절되는 방사주파수를 가지는 85 W까지의 전력의 둘째의 펄스 CO₂레이저를 가지는 장치를 사용하여 수행되었다. 750 mm/s의 변위속도를 가능하게 하는 트래블 670*720 mm의 이중 좌표 데이블을 사용하여 유리는 움직여진다. 첫째 레이저의 방사는 징크-셀레나이드 구형-실린더형 광학을 사용하여 물질 표면에 초점이 맞추어지고 45 mm길이의 타원형의 광선이 형성되는 것을 보장한다. 0.12 mm의 깊이를 가지는 가공선은, 레이저 광선과 냉각 매체를 사용하여 350 mm/s의 속도에서 유리가 이동될때, 만들어진다. 펄스 레이저 방사는 서로 1.5 mm떨어진 거리에서 가공선의 반대면에 위치한 지름 1 mm의 두 개의 광선의 광학적 시스템을 사용하여 생성되었다. 100 Hz의 주파수에서 가공선 형성 지역에서의 탄성파의 작용은 분리절단에 가공선을 깊게 한다. 절단과 파괴는 350 mm/s의 속도에서 동시에 수행되었다.

탄성파의 작용이 레이저 가공선 만드는 것의 지역에서 물질의 매우 작은 제한된 부피내에 집중되기 때문에, 주변의 절단은 서로 매우 근접하여서 만들어 질 수 있다. 정사각형 또는 직사각형의 작업 조각의 절단은 만들어질 수 있는데, 그것의 최소 크기는 출발 물질의 두께보다 클수는 없을 것이다. 예를 들면, 사각 조각은 1.1*1.1 mm의 디멘젼을 가지는 두께 1.1 mm의 유리 또는 3 mm의 두께의 2.5*2.5 mm의 디멘젼의 조각으로부터 절단되었다.

둘째 발명을 사용하는 다양한 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단의 실제적 예들이 아래에 제시되어 있다.

실시예 6

0.7 mm두께의 보로실리케이트 유리 박판을 파장 10.6 ㎛ 및 95 W전력, 특별한 모드 구조를 가지는 CO₂레이저로부터의 방사를 사용하여 절단하였다. 레이저 방사는 절단지역에서 45 mm의 길이의 타원형의 광선을 형성하는 ZnSe 구형-실린더형 물체를 사용하여 유리 표면에 초점이 모아졌다. 절단은 다음의 순서에 따라 행해졌다. 유리 박판은 진공을 사용하는 이중 좌표 테이블에 부착되었다. 이중 좌표 테이블은 미리 정해진 속도로 그것에 부착되어 있는 유리 박판으로 이동되엇다. 레이저 방사는 움직이는 박판의 표면에 향하게 되었다. 냉각제는 다섯 단계의 슬롯된 노즐을 사용하는 공기-가스 혼합물로서 레이저 광선 뒤에서 공급되었다. 슬롯된 노즐의 각 단계는 절단선을 따라 방향지어진 9 mm길이의 슬릿을 가지고 있다. 유리 박판은 다른 조건하에서 퀀치되었다.

1. 전형적인 단일-노즐 핏팅에 의한 퀀칭;

2. 5단계 노즐의 단일 슬롯된 단계에 의한 퀀칭;

3. 5단계 노즐의 2개의 슬롯된 단계에 의한 퀀칭;

4. 5단계 노즐의 3개의 슬롯된 단계에 의한 퀀칭;

5. 5단계 노즐의 4개의 슬롯된 단계에 의한 퀀칭;

6. 5단계 노즐의 5개의 슬롯된 단계에 의한 퀀칭.

분리 절단의 최대 속되 및 미세틈을 가지는 절단의 최대속도는 각 경우에 대하여 결정되었다. 테스트의 결과는 표 1에 주어져 있다. 다음의 기호가 표 1에 사용되었다.

문자 M - 미세 틈을 가지는 비분리 절단;

문자 C - 분리 절단;

"-" 기호 - 절단 않음

표 1

실시예들	절단 속도, mm/s
번호	노즐 유형	250	300	350	400	450	500	550
1	단일노즐	M	M	-	-	-	-	-
2	슬롯된 1단계	C	C	M	M	-	-	-
3	슬롯된 2단계	C	C	C	M	M	-	-
4	슬롯된 3단계	C	C	C	C	M	M	-
5	슬롯된 4단계	C	C	C	C	C	M	-
6	슬롯된 5단계	C	C	C	C	C	C	M

실시예 7

지름 50.8 mm 및 두께 0.43 mm의 사파이어 물질이 절단재료로서 사용되었다. 특별 모드 구조 75 W를 가지는 다중 모드 CO₂가 절단하는데 사용되었다. 7mm를 갖는 광선이 두개의 렌즈 물체를 사용하여 절단 방향으로 연장될 때 물질 표면에 레이저 광선이 형성된다. 냉각제는 슬릿 길이 9 mm 의 슬롯된 노즐을 사용하여 공급된 압축된 습식 가스의 스트림이었다. 사파이어 물질은 350 내지 700 mm/s의 속도에서 관통되어 절단되었다. 그리고 나서, 절단은, 박판 변위 속도가 레이저 광선과 냉각제에 상대적으로 증가함에 따라 감소되는 깊이에서 가공선 만드는 것에 의해 증가되는 속도에서 수행된다. 비분리 절단의 최대 속도는 1100 mm/s이다.

본 발명은 물질의 전체 두께를 통해서 그리고 어떤 미리 정해진 깊이 모두에서 높은 정확성과 넓은 범위의 물질의 높은 재료처리량의 절단을 위한 다양한 기술 분야에서 사용될 수 있다. 어떤 정해진 깊이에서의 분리 절단과 비분리 절단의 선택은 단일 절단 경로를 따라 절단하는 동안 가능하다. 본 발명은 유리 제조 공정동안 그러한 절단을 행하는 것을 포함하여, 0.1 내지 20 mm의 범위의 두께를 가지는 유리에서 분리 절단을 만드는 것에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 나아가, 교차점에서 절단의 질을 손상함이 없이 교차절단이 가능하다. 단일 층 물질과 적층된 박판을 절단하는 것이 가능하며, 이것은 액정디스플레이(LCD)를 포함하여 평판디스플레이(FPD)와 같은 아이템ㅇ르 절단할 때 매우 중요한 것이다. 그러나 본 발명이 또 하나의 특징적인 모습은 물질표면에 직각인 각에서 및 절단 물질의 표면에 대해 경사진 각에서 분리 절단을 실행할 수 있는 능력이다. 후자의 방법은 디스크나 닫힌 패턴을 가지는 다른 아이템을 절단하는데 매우 중요하다.

Claims (12)

1. 레이저 광선을 사용하여 절단 경로를 따라 물질의 표면을 가열함에 의해 절단 경로를 따라 가공선을 형성하는 단계를 포함하되, 물질 표면상에 작용하는 추가적인 단계는 일 이상의 탄성파 소스에 의해 가공선 형성의 영역에서 수행되고, 상기 탄성파의 진폭 및 주파수는 미리 정해진 깊이에 대해 가공선을 깊게하거나 관통절단을 만들기 위해 선택됨을 특징으로 하는 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단방법.
2. 제 1항에 있어서,

   레이저 광선을 사용하여 절단 경로를 따라 물질의 표면을 가열한 후에, 냉각제의 적용영역에 탄성파를 부딪히게 하는 동안 냉각 매체를 사용하여 가열된 영역이 냉각되는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가공선은 레이저 광선들과 물질의 상대적 변위에 대하여 수직인 방향으로 서로로부터 미리 정해진 거리에서 물질 표면에 향한 두 개의 레이저 광선을 사용하여 절단 경로를 따라 물질의 표면을 가열함에 의해 절단 경로를 따라 형성되는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서,

   상기 탄성파들은 절단 경로를 따라 가공선 형성 영역에서 물질 용적(bulk)에 집중되는 방법.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서,

   상기 탄성파들의 소스는 펄스 레이저 소스로부터 방사되는 것을 포함하고, 상기 물질은 상기 방사에 대하여 빛을 통과시키지 않는(opaque) 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나에 있어서,

   상기 탄성파들은 가공선 형성의 완수후에 절단 경로에 부딪히는(impinge) 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나에 있어서,

   상기 탄성파들은 절단 경로를 따라 단지 물질의 미리 정해진 영역내에서만 물질의 표면에 부딪히는 방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나에 있어서,

   탄성파들의 소스에 의해 부딪히는 선과 절단 경로는 물질 표면에 수직인 면에서 서로 상대적으로 변위되는 방법.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나에 있어서,

   절단 경로의 반대면에 따라오는 가공선 도구 즉시 후에 형성되는 상기 가공선을 가지는 물질의 표면의 면에 동시에 집중되는 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    탄성파는 가공선 형성 지역에서 물질 용적에 동시에 집중되고, 그 위에 형성된 상기 가공선을 갖는 물질 표면의 면에 집중되는 상기 탄성파들에 의해 부딪히는 지역들 사이에 위치하는 지역의 물질 표면의 반대 면에 부딪히게 되는 방법.
11. 절단 경로를 따라 가공선을 형성하는 것 및 추가적으로 물질의 표면에 작용하는 것을 포함하되, 레이저 광선으로 그 위에 형성된 절단 경로를 따라 물질 표면을 가열하고 가열된 영역을 부분적으로 급냉(quenching)하는 것에 의하여 형성되는 상기 가공에 의하며, 여기서 물질 표면에 추가적인 작용은 그 지점에 가열 적용되는 동안과 같은 정도의 시간동안 가열된 지역에서 절단 경로에 놓여 있는 각 지점의 수반되는 냉각을 포함함을 특징으로 하는 깨어지기 쉬운 비금속 물질의 절단 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    냉각 시간은 물질의 두께, 그 열물리적 특성 및 원하는 절단 깊이에 따라 결정되는 방법.