KR20060043352A - 취성 재료로 이루어진 곡선형 기판을 자유로운 형태로 절단하는 방법 - Google Patents

Abstract

취성 재료, 특히 유리로 제조된 곡선형 기판을 연속적인 윤곽선을 가지는 분할선을 따라 절단(자유형태 절단)하는 방법은 분할선을 따라 이동하는 종동 냉각 스폿과 함께 조합하여 소정 프로파일의 레이저 비임을 이용한다.

칩이 없이 그리고 윤곽선의 오프셋이 없이, 원하는 곡선의 가공품, 예를 들어 승용차의 앞 유리를 기판으로부터 분할하기 위해, 기판은 다음 단계들을 이용하여 절단된다. 즉:

- 곡선형 기판(1)을 지지부(3)상에 제공하는 단계;

- 상기 지지부에 대해 대체적으로 수직으로 비임이 배치되도록 레이저 비임(5)을 상기 분할선(4)상으로 배향하는 단계;

- 기판이 분할선(4)을 따라 규정된 깊이로 눈금을 형성하도록, 레이저 파워, 레이저 비임 프로파일, 레이저 비임 프로파일의 포커싱 위치, 진행 및 냉각 속도와 같은 프로세스 파라미터를 설정하는 제 1 단계와; 추가적인 적절한 열기계적 응력을 증대시킴으로써 상기 기판이 완전히 절단될 때까지 상기 제 1 단계에서 생성된 균열을 상기 기판(1)내로 보다 깊이 침투시키기 위한 정교한 힘을 가하도록, 상기 프로세스 파라미터들을 변경하는 제 2 단계; 를 포함하는 2-단계 방식으로, 상기 종동 냉각 스폿(6)을 구비한 레이저 비임(5)을 분할선(4)을 따라 이동시키는 단계; 및

- 절단된 가공품(2)을 분리하는 단계를 포함한다.

레이저 비임, 곡선형 기판, 절단

Description

취성 재료로 이루어진 곡선형 기판을 자유로운 형태로 절단하는 방법{METHOD FOR THE FREEFORM CUTTING OF CURVED SUBSTRATES MADE FROM BRITTLE MATERIAL}

도 1 은 타원형 제품을 절단 생산하기 위한 곡선형 유리 기판을 평면 및 측면에서 도시한 도면이다.

본 발명은 취성 재료로 이루어진 곡선형 기판을 자유로운 형태로 절단하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에서는 종동(從動; trailing)하는 냉각 스폿(spot)을 구비하는 레이저 비임이 소정(所定)의 연속적인 윤곽의 분할선을 따라 이동한다.

이러한 곡선형 기판은 바람직하게 유리로 이루어져 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 이러한 타입의 곡선형 유리 기판으로부터 다음과 같은 부품들을 절취해내는데 사용될 수 있다. 즉, 안경 렌즈, 광학 렌즈, 현미경 렌즈, 교통신호등, 자동차의 전방 및 후방 유리창, 그리고 자동차용 곡선형 측면 거울 및 후방-주시용 거울과 같은 부품들을 절취해내는데 사용될 수 있다.

이하에서는, 취성 재료로 이루어진 기판을 자유로운 형태로 절단할 때의 문 제점을 유리 절단을 기초로 설명한다. 또한, 이러한 문제점들은 다른 취성 재료(예를 들어, 세라믹, 유리-세라믹)로 만들어진 기판에도 동일하게 적용된다.

유리의 절단은 널리 알려진 기술이다. 유리를 분리하기 위한 통상적인 방법은, 먼저 유리 내에 눈금형태의(scored; 새긴 눈금) 트랙을 생성하기 위해 다이아몬드 또는 절단 휘일을 이용하고, 이어서 외부의 기계적 힘의 인가에 의한 상기 방법으로 형성된 취약 지점을 따라 유리를 파단시키는 것을 기초로 한다(눈금형성-및-파단 방법).

정밀한 치수와 고품질의 표면 및 엣지(edge)를 갖는 고품질 유리 부품을 제조하기 위한 현대적인 방법은 열적으로 발생된 기계적 응력을 유리 내로 도입하는 것을 기초로 한다.

이 경우, 유리를 향하는 열 공급원의 비임이 일정 속도로 유리에 대해 상대적으로 이동하고, 이러한 방식에 따라, 유리 내에 균열을 형성하기에 충분한 열기계적(thermomechanical) 응력이 생성된다. 또한, 이러한 열기계적 응력은 열 비임을 종동하는 냉각 스폿에 의해 촉진된다. 적외선 복사기(radiator), 특정 가스 버너 및 특히 레이저가 다음과 같은 요건, 즉 열 공급원이 국부적인 기초부 상에 열에너지를 일 밀리미터 이하의 정확도(통상적인 절단 정확도이다)로 공급할 수 있어야 하는 요건을 충족시킨다. 양호한 포커싱 특성, 우수한 파워 제어, 우수한 비임 형상 선택 및 그에 따른 우수한 유리상의 집중도 분포로 인해, 레이저가 적절한 것으로 입증되었으며 현재 널리 이용되고 있다. 특정의 경우에, 기계적으로 파단되기에 앞서서 레이저 비임에 의해 시작 눈금을 먼저 새긴다(눈금형성-및-파단 방법 ).

눈금형성-및-파단 방법을 이용하는 이러한 레이저 비임 분리 방법은, 외부 냉각과 조합하여 포커싱된 레이저 비임을 이용하여 국부적으로 가열함으로써 취성 재료의 파단 강도를 초과하는 열기계적 응력을 인가하는 단계를 포함하며, 예를 들어 EP 0 872 303 A2, DE 693 04 194 T2, 및 DE 43 05 107 C2에 기재되어 있다.

또한, DE 100 01 292 C1 는, 가공품이 레이저 비임에 의해 분할선을 따라 소정 깊이(T)로 눈금을 형성하도록, 레이저 파워, 레이저 비임 프로파일, 레이저 비임 프로파일의 포커싱 위치, 진행 및 냉각 속도 등과 같은 프로세스 파라미터를 설정하는 제 1 단계와; 추가적인 적절한 열기계적 응력을 증대시키는 레이저 비임에 의해 가공품이 완전히 절단될 때까지 상기 제 1 단계에서 생성된 균열을 가공품 내로 보다 깊이 침투시키기 위한 정교한 힘을 가하도록, 상기 프로세스 파라미터들을 변경하는 제 2 단계를 포함한다.

눈금이 형성된 유리판의 기계적 파단을 회피할 수 있는 이러한 레이저 비임에 의한 2-단계 절단은 임의 형상의 연속적인 윤곽선을 따라 절단하는데 있어서 특히 적합하다. 또한, 이러한 타입의 절단은 자유로운 형상으로의 절단 또는 윤곽선 절단으로도 지칭된다. 그러한 타입의 절단은, 예를 들어, 차량 창문 및 후방-주시용 거울을 위한 이중 창유리를 절단할 때, 편평한 창유리 내에 비교적 큰 홀을 형성할 때, 그리고 광학 또는 자기 데이터 메모리를 위한 유리 기판을 제조하는 경우와 같이 동심적인 내측 홀을 가지는 둥근 창유리를 제조할 때 필요하다.

전수한 2-단계 레이저 비임 분리 방법에 의해 실시될 수 있는 이러한 연속적 인 윤곽선을 가지는 자유로운 형태의 절단은 특정 과정을 필요로 하는데, 이는 눈금형성-및-파단 방법에서 발생할 수도 있는 절단의 시작점 및 종단점에서의 윤곽선 불일치(오프셋) 그리고 절단 엣지에서의 파편 및 칩을 피해야 할 필요성이 있기 때문이다.

레이저 비임을 이용하여 곡선형 가공품 또는 기판을 자유로운 형태로 절단하는 경우, 분할선 영역내의 수직 표면이 절단 제품의 중심 표면 법선에 대해 경사지게 된다. 따라서, 실질적으로, 곡선형 기판을 눈금형성-및-파단 방법으로 절단하면, 전술한 바와 같은 단점(칩의 형성 및 윤곽선 오프셋으로 인한 그라인딩 및 연마 작업을 포함하는 추가적인 재가공 단계)을 갖는다.

본 발명은, 기판으로부터 분리될 수 있는 가공품(제품)이 적은 비용 및 짧은 사이클 타임으로도 윤곽선 오프셋이 없이 그리고 칩 또는 파편이 없이 얻어질 수 있도록, 도입부에 기재한 바와 같은 곡선형 기판을 위한 레이저 비임 분리 방법을 구현하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은, 종동하는 냉각 스폿을 구비하는 레이저 비임이 소정의 연속적인 윤곽의 분할선을 따라 이동하는, 취성 재료로 이루어진 곡선형 기판을 절단하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은:

- 곡선형 기판을 지지부상에 제공하는 단계;

- 상기 지지부에 대해 대체적으로 수직으로 비임이 배치되도록 레이저 비임을 상기 분할선상으로 배향하는 단계;

- 기판이 분할선을 따라 규정된 깊이로 눈금을 형성하도록, 레이저 파워, 레이저 비임 프로파일, 레이저 비임 프로파일의 포커싱 위치, 진행 및 냉각 속도와 같은 프로세스 파라미터를 설정하는 제 1 단계와; 추가적인 적절한 열기계적 응력을 증대시킴으로써 상기 기판이 완전히 절단될 때까지 상기 제 1 단계에서 생성된 균열을 상기 기판내로 보다 깊이 침투시키기 위한 정교한 힘을 가하도록, 상기 프로세스 파라미터들을 변경하는 제 2 단계; 를 포함하는 2-단계 방식으로, 상기 종동 냉각 스폿을 구비한 레이저 비임을 분할선을 따라 이동시키는 단계; 및

- 절단된 가공품을 분리하는 단계를 포함한다.

비록 레이저 비임이 분할선에 수직이 아니지만, 즉 에너지의 입사가 기판의 두께와 정렬되지는 않지만, 그 자체가 공지된 2-단계 레이저 비임 분리 방법 역시 칩 또는 파편들이 없이 그리고 윤곽선 오프셋이 없이 곡선형 가공품을 절단하는데 이용될 수 있다. 레이저 비임 분할 방법에서 일반적으로 이용되는 레이저 비임 광학장치가 큰 초점 거리(300 - 400mm) 즉, 긴 제어 섹션을 가지기 때문에 레이저는 곡률을 따라 안내될 필요가 없다는 것을 발견하였다. 따라서, 레이저 헤드를 반드시 틸팅(tilting)시킬 필요가 없는 점이 매우 유리하며, 놀랍게도 그럼에도 불구하고 균열이 가공품 표면에 수직으로 형성된다는 것이다.

매우 작은 곡률 반경을 이용할 수 없다는 것을 명백하게 이해할 것이다. 곡률이 크다면, z-축은 변화되어야 할 것이나, 그럼에도 불구하고 틸팅은 필요치 않을 것이다. 곡선형 자동차 거울의 곡률 반경은, 예를 들어, 2m 이다. 이러한 타입의 곡률을 가지는 유리판은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 문제없이 절단될 수 있다. 바람직하게, 곡률 반경은 100mm 내지 20,000mm 이다.

포커스 위치 셋팅은 제 2 분리 단계에서 유지되나, 스캐너에 의한 레이저 비임 프로파일 길이 셋팅은 증가되는, 바람직하게는 약 50% 길어지는 방식으로 2-단계 레이저 비임 분리 방법을 실시하는 것이 바람직하다. 레이저 파워 및 진행 운동 역시 일정하게 유지된다.

이 경우에, 절단되는 유리의 최대 흡수 스펙트럼에 상응하는 파장을 가지는 CO2 레이저를 이용하여 레이저 비임을 만들어내는 것이 바람직하다. 이러한 CO2 레이저는 10.6㎛ 파장의 원적외선 대역의 빛을 방출한다. 이러한 열 복사선은 물질에 작용할 때 두드러진 특징을 나타낸다. 예를 들어, 그러한 파장의 빛은 가시광선에 대해 투명한 대부분의 물질에 의해 상당량이 흡수된다. 이러한 유리의 강력한 흡수 특성을 이용하여 유리를 절단한다. 103cm-1 의 흡수계수에서는, 파워의 95%가 30㎛ 두께 층내로 흡수된다. 즉, 레이저 복사선이 유리 표면에서만 흡수된다. 유리의 전체 두께는 오직 열전도에 의해서만 가열된다. 따라서, 동일한 진행 속도일 때 레이저 비임 프로파일은 길어지며, 곡선형 유리 가공품의 경우에도 유리의 전체 두께를 통해 제 1 단계에서 레이저 눈금이 생성되도록 "강제(force)"할 수 있다.

곡선형 기판의 경우에, 볼록한 측면이 레이저를 향하는 상태에서, 편평한 지지부에 놓여지는 것이 바람직하다. 그 경우, 절단된 부분들이 분리되었을 때 중력에 의해 자동적으로 낙하되며, 그에 따라 지지부로부터 용이하게 제거할 수 있게 된다.

절단 부분들을 제거 즉, 분리하는 여러 가지 방법들이 있을 것이다.

예를 들어, 릴리즈(release) 절단을 여러 가지 방법으로 절단 엣지에 적용할 수 있을 것이다. 이러한 릴리즈 절단은, 예를 들어, 초경합금 휘일, 절단용 다이아몬드 또는 레이저 균열에 의해 인가될 수 있다.

릴리즈 절단에 대한 대안으로서, 열적 수단에 의해 파단 윤곽선이 개방되도록 할 수도 있을 것이다. 외측 엣지 영역을 80℃까지 가열하는 것, 예를 들어, 또는 내측 윤곽선을 냉각하는 것 역시 파단 윤곽선이 제거될 수 있게 할 것이다. 이러한 원리는, 예를 들어, 상기 DE 100 01 292 C1, 및 DE 201 07 204.1 U에 기재되어 있다.

두 부분으로 나누어진 첨부 도면에 도시된 예시적인 실시예를 기초로, 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도면 중 A 부분은 타원형 제품을 절단 생산하기 위한 곡선형 유리 기판의 평면도를 도시하며, 도면 중 B 부분은 관련 측면을 도시한 것이다.

상징적으로 타원형으로 표시된 곡선형 유리 제품(2)을 생산하기 위한 곡선형 유리 기판(1)이 지지부(3)상에 놓여진다. 도면에서, 지지부는 지지 표면에서 유리와 유사하게 곡선형으로 디자인되었으나, 편평할 수도 있을 것이다.

분리될 유리 제품은 도입부(상세한 설명의 두 번째 문단)에서 제품으로 지칭한, 특히 자동차 전방 및 후방 유리이다

분할선(4)상에 초점(5)을 형성하는 레이저 비임을 사용하여 유리를 절단하였 다. 냉각 장치(7)에 의해 생성되는 종동 냉각 스폿(6)이 레이저 비임에 결합된다.

도시된 실시예에서, 초점(5)은 강도가 단부들에서 최고치를 나타내는 선형 구조를 가진다. 이러한 형태 및 강도 분포를 가지는 초점은 DE 199 59 921 C1에 기재되어 있으며, 상기 DE 199 59 921 C1의 내용은 본 발명의 공개 내용에 포함된다. 이러한 초점의 길이는 분할선의 곡률을 함수로 하여 자동적으로 셋팅되며, 그에 따라 최적의 절단 성능이 얻어질 수 있다. 그러나, 다른 형태의 초점(V-자형 또는 U-자형 등)도 가능하다.

레이저 비임의 생성, 비임 프로파일의 형성, 종종 냉각 스폿(6)과 함께 분할선(4)을 따르는 초점(5)의 이동은 자체가 공지되어 있으며, 그에 따라 이 시점에서 보다 구체적으로 설명할 필요는 없을 것이다.

레이저 비임 즉, 냉각 스폿(6)을 가지는 초점(5)은, 전술한 바와 같이, 분할선(4)을 따라 2 스테이지, 즉 2 단계로 이동하며, 그에 따라 후속하는 기계적 파단 없이도 기판을 완전히 절단할 수 있으며, 이는 곡선형 기판을 통해 절단 작업을 수행할 때 특히 중요한 것으로 판명되었다.

기판의 곡률 반경(R)은 넓은 범위에 걸쳐, 바람직하게는 100mm 내지 20,000mm에 걸쳐 변화될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 기판으로부터 분리될 수 있는 가공품(제품)이 적은 비용 및 짧은 사이클 타임으로도 윤곽선 오프셋이 없이 그리고 칩 또는 파편이 없이 얻어질 수 있도록, 곡선형 기판을 위한 레이저 비임 분리 방법을 구현하는 것이 가능 하다.

Claims (7)

1. 종동하는 냉각 스폿을 구비하는 레이저 비임이 소정의 연속적인 윤곽의 분할선을 따라 이동하는, 취성 재료로 이루어진 곡선형 기판을 절단하는 방법으로서:

   - 곡선형 기판(1)을 지지부(3)상에 제공하는 단계;

   - 상기 지지부에 대해 대체적으로 수직으로 비임이 배치되도록 레이저 비임(5)을 상기 분할선(4)상으로 배향하는 단계;

   - 기판이 분할선(4)을 따라 규정된 깊이로 눈금을 형성하도록, 레이저 파워, 레이저 비임 프로파일, 레이저 비임 프로파일의 포커싱 위치, 진행 및 냉각 속도와 같은 프로세스 파라미터를 설정하는 제 1 단계와; 추가적인 적절한 열기계적 응력을 증대시킴으로써 상기 기판이 완전히 절단될 때까지 상기 제 1 단계에서 생성된 균열을 상기 기판(1)내로 보다 깊이 침투시키기 위한 정교한 힘을 가하도록, 상기 프로세스 파라미터들을 변경하는 제 2 단계; 를 포함하는 2-단계 방식으로, 상기 종동 냉각 스폿(6)을 구비한 레이저 비임(5)을 분할선(4)을 따라 이동시키는 단계; 및

   - 절단된 가공품(2)을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2단계에서, 레이저 비임 프로파일 길이는 길어지는 반면, 다른 프로세스 파라미터들은 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 비임 프로파일 길이의 증대는 약 50%에 달하는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 상기 레이저는 CO₂ 레이저인 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡선형 기판은 편평한 지지부상에 제공되며, 상기 기판의 볼록 측면이 상기 레이저를 향하는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 절단된 작업편을 분리하기 위해, 기계적 힘의 인가와 조합하여, 분할선 내부 영역과 외부 영역 사이에 서로 상이한 온도를 발생시키는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 분할선의 외부 영역은 약 80℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 곡선형 기판 절단 방법.

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