KR20050100734A - 비금속재 절단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리 재질을 포함하는 비금속 재료를 안정적으로 절단할 수 있는 절단방법에 관한 것으로서, 특히 TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 디스플레이 모듈의 제작에 있어서의 글라스 절단시 기판 손상을 최소화함과 더불어 고속·정밀 절단이 가능하여 제품 생산성 및 수율을 높일 수 있도록 한 비금속재 절단방법을 제공하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 Nd-YAG 레이저 발진기를 통해 레이저빔을 생성시키는 단계와; 상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 파장변환기를 통해 200 내지 400 nm 자외선 영역의 단파장으로 변환시키는 단계와; 상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 Q-스위칭을 통해 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계와; 상기 레이저빔을 비금속재 기판상에 조사, 상기 기판을 소정의 형태로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속재 절단방법이 제공된다.

Description

비금속재 절단방법{Method for Cutting of nonmetal}

본 발명은 평판표시장치 제조용 기판 절단 장치에 관한 것으로, 특히 TFT-LCD, PDP, OLED 등의 평판표시장치 제조용 글라스 기판의 절단시 기판 손상없이 안정적으로 고속·정밀 절단이 가능하도록 하여 제품 생산성 및 수율 향상을 도모할 수 있도록 한 새로운 글라스 기판 절단방법에 관한 것이다.

일반적으로, TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 평판표시장치들을 제조하는 과정에서 셀(Cell)공정의 합착공정 후에 원판의 글라스를 각 모듈의 크기에 맞게 절단할 필요가 있다.

이러한 절단을 위한 기존의 방법에는 이러한 글라스의 절단방법에는 다이아본드 휠과 같은 기계적 수단을 이용하는 절단방법이 있는데, 이 경우는 장비 설치면적이 넓고 공정이 복잡해서 생산성이 저하되는 단점이 있다.

그리고, 기존의 다른 절단 방법으로는 스크라이브 라인이 시작되는 지점에 1차 마이크로 크랙을 형성하고 CO2레이저를 이용하여 가열빔을 글라스에 조사하여 가열한 후, 냉각장치(Quencher)를 이용하여 가열된 글라스 부분을 급속 냉각하여 순간적인 열변형에 의한 2차 크랙을 유발하여 절단하는 레이저 절단방법이 주로 사용된다.

상기한 두가지 절단 방법중, 레이저 절단방법을 위한 종래의 장치 구성을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

종래의 레이저 절단장치는, 절단하고자 하는 글라스 기판을 지지하는 지지대(혹은 테이블)과, 상기 기판에 절단방향과 일치하는 보조크랙을 형성하는 보조크랙커와, 절단 예정선을 따라 가열빔을 조사하여 상기 기판을 가열하는 가열광학기구와, 상기 가열광학기구에 의하여 가열된 부분에 켄칭(quenching)을 하여 크랙을 발생시키는 냉각장치로 구성된다.

이러한 기존의 레이저 절단방법에 의하면, 글라스 절단은 휠에 의한 보조크랙 형성 과정, 상기 보조크랙을 따른 가열과정, 냉각장치가 동방향으로 이동하면서 He와 같은 냉매를 분사하여 급속 냉각을 통한 절단 크랙 형성과정, 스크라이브용 레이저빔을 재(再)조사(照射) 및 재냉각 과정을 거쳐 이루어진다.

그리고, 이러한 기존의 레이저 절단방법의 보다 자세한 내용에 대해서는 한국공개특허공보 2002-88258호를 참고하면 되므로 여기서는 구체적인 설명은 생략한다.

그러나, 상기한 기존의 레이저 절단 방법 적용을 위한 장치는, 1차적으로 마이크로 크랙을 발생시키기 위한 크랙 발생수단과, 레이저빔 발생장치, 냉각장치등과 같은 불안정한 구성품이 많이 구비되어야 하므로 절단장치의 시스템 구성이 복잡해지는 단점이 있었다.

이와 더불어 기존의 레이저 절단 방식은 1차 크랙에서 진전되는 글라스 커팅라인이 완전하게 직진으로 형성되지 않아 생산성에 있어서 제품 수율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

특히, 기존의 레이저 절단 방식은 가열 및 급냉각 단계에서 글라스 커팅 속도가 제한되어 저속으로 커팅작업이 진행되어야 함에 따라, 생산성이 너무 낮아 사실상 평판표시장치 생산 현장에 적용하기에는 부적합한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 디스플레이 모듈의 제작에 있어서의 글라스 절단시 기판 손상을 최소화함과 더불어 고속·정밀 절단이 가능하여 제품 생산성 및 수율을 높일 수 있도록 한 새로운 평판표시장치 제조용 기판 절단방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, Nd-YAG 레이저 발진기를 통해 레이저빔을 생성시키는 단계와; 상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 파장변환기를 통해 200 내지 400 nm 자외선 영역의 단파장으로 변환시키는 단계와; 상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 Q-스위칭을 통해 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계와; 상기 레이저빔을 이동시키면서 비금속재 기판상에 조사, 상기 기판을 소정의 형태로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판표시장치 제조용 기판 절단방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 평판표시장치 제조용 기판 절단방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 평판표시장치 제조용 기판 절단방법 구현을 위한 장치의 일예를 나타낸 것으로서, 베이스(1) 중앙부에 글라스 기판(도시는 생략함)을 지지하는 테이블(2)이 구비되고, 상기 테이블(2) 양측에는 전후방향 안내컬럼(4)이 구비되며, 상기 전후방향 안내칼럼(4)상에는 리니어모터 및 이동자(5;Mover)가 각각 구비된다.

그리고, 상기 각 이동자(5)에는 조사구(6)의 좌우방향으로의 이동을 안내하게 되는 좌우방향 안내컬럼(3)이 장착되며, 상기 좌우방향 안내컬럼(3)상에는 전후방향 안내컬럼(4)에 설치된 리니어모터 및 이동자(5)와는 별도의 리니어모터 및 이동자가 각각 구비된다.

또한, 상기 좌우방향 안내컬럼(3) 상의 이동자에는 조사구(6)를 장착하기 위한 조사구 마운트 블록(7)이 장착되고, 상기 조사구 마운트 블록(7)에는 자외선영역의 단파장 레이저빔을 집광하여 글라스 기판의 소정 위치로 조사하게 되는 조사구(6)(照射具;torch)가 장착된다.

한편, 본 실시예의 기판 절단방법는, 상기 조사구(6)측으로 레이저빔을 안내해주는 광학계(11)와, 자외선영역의 단파장 레이저빔을 발생시키는 레이저빔 발생장치(10)가 구비된다.

한편, 상기 조사구(6)는 절단 속도 향상을 위해 적어도 둘 이상 구비됨이 바람직하며, 이 경우 상기 조사구(6) 측으로 레이저빔을 안내해주는 광학계(11)의 광경로 상에는 빔경로를 나누어줌으로써 각각의 조사구(6)를 통해 레이저빔이 조사될 수 있도록 하는 분광기(分光器)가 구비된다.

또한, 상기한 구성에 의하면 테이블(2) 상에 올려진 기판은 가만히 있는 상태에서 조사구(6)의 상대운동 및 자외선영역의 단파장 레이저빔에 의해 기판의 절단이 이루어지는 것으로 되어 있으나, 상기 기판과 레이저빔이 상대 운동하도록 하여 상기 기판의 절단작업이 이루어지도록 하는 상대이동수단의 구성은 전술한 예에 한정되지 않는다.

즉, 전술한 구성과는 달리, 조사구(6)는 가만히 있는 상태에서 기판이 올려진 테이블(2)이 전후 및 좌우 방향으로 움직이면서 글라스 기판의 절단작업이 수행될 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기에서 레이저빔 발생장치(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, Nd-YAG 매질의 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에 여기용 광원을 제공하는 레이저 다이오드와, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저빔의 파장을 단파장으로 변환시키는 파장변환기를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 Nd-YAG 매질을 통해 나온 장파장의 레이저빔은 파장변환 기능을 수행하는 크리스탈을 통해 200nm 내지 400 nm(nanometer) 의 자외선 영역의 단파장으로 변환된다.

한편, 상기 레이저빔의 주파수는 수 KHz 내지 수십 KHz 범위내에 들도록 함이 바람직하다.

특히, 상기 레이저빔의 주파수는 10KHz 이상임이 바람직하며, 10KHz 내지 30KHz 이내의 범위대임이 보다 바람직하다. 물론, 상기 레이저빔의 주파수는 그 상황에 따라 상기 30KHz 이상일 수도 있다.

참고로, YAG는 레이저빔 발생을 위한 발진기를 만들때 Yttrium(이트륨), Aluminum(알루미늄), Garnet(가넷)을 사용하는 방법이고, 여기에 네오디뮴(Nd: neodymium, 원자번호 60, 원자량144.2)을 첨가한 것이 Nd-YAG이다.

한편, 본 발명의 기판 절단방법을 이용한 평판표시장치의 글라스 기판 절단 과정은 다음과 같다.

TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 디스플레이장치들을 제조하는 공정에 있엇, 기판을 합착한 후에 기판을 절단하는 기판 절단 공정이 수행된다.

상기의 기판은 글라스의 원판 기판상에 다수의 디스플레이 단위 셀로 형성되어 있으며, 이러한 다수의 셀을 각각으로 절단할 필요가 있다.

이를 위해, 먼저 외부에서 글라스 기판이 반송로봇등에 의해 기판이 반입되어 탑재 가능한 테이블(2) 상에 놓인다.

이 때, 테이블(2)에 놓이는 기판은 테이블(2) 내에 설치된 지지대(미도시) 혹은 테이블(2)에 형성된 다수의 진공홀에 의해 테이블(2) 상에 수평상태로 고정되어 안정된 상태로 지지된다.

이어, 상기와 같이 테이블(2) 상에 고정된 기판이 소망하는 형태로 절단될 수 있도록 조사될 레이저빔과 기판과의 상대위치를 교정한다.

이러한 교정은 기판 상에 형성된 위치 교정용 마크를 화상인식장치(예;비젼카메라)가 인식하여 그 위치를 확인하고, 기판을 탑재하고 있는 테이블(2)에 대해 레이저빔이 조사되는 조사구(6)를 상대적으로 이동시켜 상대위치를 교정한다.

그리고, 레이저빔의 위치 확인은 더미용 글라스에 테스트 레이저빔을 조사하여 이로 인해 형성된 글라스 상의 레이저빔 흔(痕)을 비젼카메라등의 화상인식장치를 이용하여 그 위치를 파악하거나, 또는 레이저빔이 조사되는 조사구(6)를 그 하부에 설치된 화상인식장치를 이용하여 조사구(6)의 위치를 인식함으로써 파악할 수 있다.

한편, 상기와 같이 기판과 레이저빔의 상대위치를 교정한 후에는 기판과 레이저빔을 상대 운동시켜 기판을 원하는 형상으로 절단한다.

즉, Nd-YAG를 매질로 하는 레이저 발진기에서 생성된 레이저빔은 설치된 광학계(11)를 통해 레이저빔의 집광부인 조사구(6)로 제공되어져 기판상의 소정 위치로 조사되는데, 이 때 본 실시예에서는 상기 기판을 탑재한 테이블(2)은 이동하지 않고 고정되어 있고, 조사구(6)가 이동하게 되며, 이는 결국 레이저빔의 이동에 의해 기판이 절단되는 결과로 나타난다.

여기서, 레이저 발진기에서 생성된 레이저빔은 레이저 다이오드를 광원으로 하며, 생성된 레이저빔은 다수의 거울등으로 이루어진 광학계(11)를 거치면서 그 경로를 바꾸어 가며 레이저빔 집광부인 조사구(6)로 제공되는데, 상기 조사구(6)와 상기 조사구(6) 쪽으로 레이저빔을 보내는 광학계(11)상의 밀러들은 동시에 평행 이동됨에 따라 조사구(6)의 위치 변화에 무관하게 기판상에 자외선 영역의 단파장 레이저빔이 조사됨으로써 바라는 형상으로 기판이 절단될 수 있는 것이다.

이 때, 광원인 다이오드에서 발생되는 광의 파장이 Nd-YAG 매질로 제공되어 이득매질에서 여기(勵起)시켜 1000nm대의 레이저를 발진시킨다. 이렇게 발진된 레이저를 파장변환용 크리스탈에 통과시켜 200nm 내지 400nm대의 단파장으로 발진시켜 사용한다.

이렇게 레이저를 단파장으로 변환하여 사용하는 이유는, 자외선 영역대의 단파장을 사용함으로써 절단하려는 글라스 기판등의 비금속 재질에 레이저빔이 조사될 때 장파장에서 유발되는 열변형에 의한 제품 파손을 최소화 할 수 있기 때문이다.

이와 더불어, 상기 레이저빔의 에너지를 높이기 위하여 광학적으로는 광공진기를 이용한 Q-스위칭이 이루어지며, Q-스위칭을 통해 수 ns(nanosecond) 내지 수십 ns 이하의 초단 펄스를 발생시킨다.

또한, 절단속도를 높이기 위하여 수십KHz 이상의 주파수를 생성시켜 레이저빔을 조사하는데, 이렇게 하면 조사구(6)의 이동속도가 빠르거나 테이블(2)의 이동속도가 빨라도 깨끗한 절단이 이루어지기 때문이다.

한편, 실제 글라스 기판 절단시, 전후방향으로 기판상의 단위 셀에 대한 절단이 이루어질 때에는 리니어모터의 작용에 의해 좌우방향 안내컬럼(3)이 전후방향 안내컬럼(4)의 안내를 받아 전후방향으로 이동하는 동안 상기 조사구(6)를 통해 레이저빔이 조사되어 전후방향으로의 기판 절단이 이루어지게 된다.

그리고, 좌우방향으로의 기판 절단이 이루어질 때에는 좌우방향 안내컬럼(3)상에 구비된 리니어모터의 작용에 의해 조사구 마운트 블록(7) 및 이에 장착된 조사구(6)가 좌우방향 안내컬럼(3)의 안내를 받아 좌우방향으로 이동하는 동안 상기 조사구(6)를 통해 레이저빔이 조사되어 전후방향으로의 기판 절단이 이루어지게 된다.

이와 같이, 자외선 영역의 단파장 레이저빔이 전후방향 이동 및 좌우방향 이동을 교대로 반복함에 따라 글라스 기판상의 각 셀들은 완전히 개별적으로 분리(singulation)된다.

이하에서는 레이저빔의 에너지를 높이기 위해 광학적으로 행하는 Q-스위칭 및 이에 적용되는 광공진기 등에 대해 참고적으로 살펴본다.

정상적인 발진상태에서 레이저 매질의 이득은 출력 축출분을 포함하는 손실을 겨우 넘기는 정도의 작은 값이 된다. 이 때, 반전분포량을 문턱값 이상으로 크게 하여 더욱 강력한 레이저빔을 얻을 수 있다.

이를 살펴보면, 반전분포량을 발진 문턱값 이상으로 크게 하기 위해 광공진기(resonator)의 손실을 크게 한다. 즉, Q값은 작아진다.

이와 같이 인위적으로 Q값을 작게 했다가 반전분포량이 어느 정도 큰 값을 가질 때 Q값을 다시 크게 하면 이득계수가 발진 문턱값보다 훨씬 커져 강력한 레이저빔이 발진 있다. 이러한 기술을 Q-스위치라 한다.

한편, 상기의 광공진기에 대해 설명하면, 유도 방출에 의한 빔의 증폭만으로는 효율적인 레이저빔을 만들 수 없으므로 빔을 공진(resonate)시킬 수 있는 평행한 거울을 사용한다.

그리고, 반전분포가 계속되는 상태에 유도 방출이 일어나고 반사거울에 의해 빔이 레이저 매질 구간으로 되돌려지면 빔이 증폭되어지는데 빔이 두장의 거울 사이를 왕복하는 시간이 광파의 진동주기의 정수배로 되면 정재파(standing wave)가 생겨 유도 방출이 급격히 증가하는 바, 이러한 구조를 갖는 것을 광공진기(resonator)라고 하며 비로소 레이저빔이 나오게 된다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 기판 절단공정시 고속 절단이 가능하여 제품 생산성을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 기판을 절단하는 과정에서 고속이면서도 고정밀 절단이 가능하여 기판의 불량 발생을 현저히 감소시킬 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

특히, 기판이 대형화되더라도 기판 절단 과정에서 안정성을 확보할 수 있고, 작업소요 시간도 단축시킬 수 있게 되는 등 전술한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 평판표시장치 제조용 기판 절단장치의 일실시예를 보여주는 도면

도 2는 도 1의 자외선영역의 단파장 레이저빔 발생장치 구성도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 베이스 2 : 테이블

3 : 좌우방향 안내컬럼 4 : 전후방향 안내컬럼

5 : 이동자 6 : 조사구

7 : 조사구 마운트 블록 10 : 레이저빔 발생장치

11: 광학계

Claims (15)

1. 레이저 발진기를 통해 레이저빔을 생성시키는 단계와;

   상기 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 파장변환기를 통해 200 내지 400 nm 자외선 영역의 단파장으로 변환시키는 단계와;

   상기 레이저빔을 비금속재 기판상에 조사, 상기 기판을 소정의 형태로 절단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   레이저 발진기는 Nd-YAG 레이저임을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 발진기의 광원은 레이저 다이오드임을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저빔의 최소 주파수값은 10KHz 임을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 상기 단파장으로 변환한 후 Q-스위칭을 통해 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
6. 레이저 다이오드를 광원으로 하여 상기 Nd-YAG 레이저 발진기를 통해 레이저빔을 생성시키는 단계와;

   상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 파장변환기를 통해 200 내지 400 nm 자외선 영역 단파장으로 변환시키는 단계와;

   상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계와;

   상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 Q-스위칭을 통해 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계와;

   상기 레이저빔을 조사(照射)하고자 하는 부위로 안내하는 단계와;

   안내된 단파장 레이저빔을 집광하여 절단하고자 하는 비금속재 기판 상의 원하는 지점에 조사하는 단계와;

   상기 기판과 레이저빔이 상대 운동하도록 하여 상기 기판이 소정형태로 절단되도록 하는 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 파장변환은 크리스탈을 매개로 하여 이루어짐을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 조사구를 통해 조사되는 레이저빔의 파장은 266 nm 임을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
9. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 레이저빔의 주파수는 수 KHz 내지 수십 KHz 임을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 조사구 측으로 레이저빔을 안내하는 과정에는 빔경로를 나누어주는 단계가 구비됨을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 레이저빔이 고에너지를 갖도록 레이저빔을 광학적으로 Q-스위칭시켜 초단 펄스화 함을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
12. 글라스 기판을 반입하여 작업위치에 로딩하는 단계와;

    조사될 레이저빔과 상기 기판과의 상대위치를 교정하는 단계와;

    레이저 다이오드를 광원으로 하여 상기 Nd-YAG 레이저 발진기를 통해 레이저빔을 생성시키는 단계와;

    상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 파장변환기를 통해 200 내지 400 nm 자외선 영역 단파장으로 변환시키는 단계와;

    상기 Nd-YAG 레이저 발진기로부터 생성된 레이저빔을 Q-스위칭을 통해 수 ns 내지 수십 ns 이하의 초단시간 펄스를 갖는 레이저빔으로 변환시키는 단계와;

    상기 레이저빔을 조사(照射)하고자 하는 부위로 안내하는 단계와;

    안내된 단파장 레이저빔을 집광하여 절단하고자 하는 비금속재 기판 상의 원하는 지점에 조사하는 단계와;

    상기 기판과 레이저빔이 상대 운동하도록 하여 상기 기판이 소정형태로 절단되도록 하는 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 레이저빔과 기판과의 상대위치 교정은,

    기판 상에 형성된 위치 교정용 마크를 화상으로 인식하여 그 위치를 확인하는 단계와,

    상기 기판에 대해 레이저빔이 조사되는 조사구를 상대적으로 이동시켜 상대위치를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 레이저빔의 위치 확인은,

    더미용 글라스에 테스트 레이저빔을 조사하여 이로 인해 형성된 글라스 상의 레이저빔 흔(痕)을 화상 인식하여 이루어짐을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 레이저빔의 위치 확인은,

    레이저빔이 조사되는 조사구의 위치를 화상 인식하여 이루어짐을 특징으로 하는 비금속재 절단방법.