KR20070068248A - 레이저 절단장치 - Google Patents

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KR20070068248A
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준캐 황
헌탕 진
명휘 장
종부 허
방선 곽
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폭스세미콘 인티그리티드 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 유리와 유사한 특성을 갖는 부서지기 쉬운 기판을 절단하는 레이저 절단장치에 관한 것으로, 상기 기판에 소정의 미세한 균열을 형성하는 스크라이버(scriber)와 레이저를 생성하는 레이저 발생유니트 및 레이저가 전파되는 선로 상에 설치되어 레이저의 전파거리를 조절하는 레이저 전파거리 조절시스템으로 이루어진다. 특히, 본 발명은 전술된 미세한 균열을 따라서 기판을 가열과 동시에 팽창시키는 레이저시스템과 가열 팽창시 상기 기판을 냉각하는 냉각시스템을 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 절단장치 {Laser cutting apparatus}
도 1은 종래기술에 따른 레이저 절단장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 절단장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 절단장치의 레이저 전파거리 조절시스템을 도해한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 전파거리 조절시스템의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 차단시스템을 오프(off)상태에서 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 차단시스템을 온(on)상태에서 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 스크라이버의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 진공흡판의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 ----- 레이저시스템
2 ----- 반사경
3,77 ----- 집광렌즈
4,78 ----- 스크라이버
5 ----- 냉각시스템
6 ----- 기판
7 ----- 레이저 발생유니트
71 ----- 제1반사경
72 ----- 레이저 차단시스템
73 ----- 제2반사경
74 ----- 콜리메이터
75 ----- 레이저 전파거리 조절시스템
751 ----- 제4반사경
752 ----- 제5반사경
753 ----- 제6반사경
754 ----- 제7반사경
76 ----- 제3반사경
781 ----- 모터
782 ----- 운동제어시스템
783 ----- 발성코일모터
784 ----- 절단휠
79 ----- 냉각시스템
80 ----- 진공흡판
본 발명은 레이저 절단장치에 관한 것으로, 특히 TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, 박막트랜지스터 액정디스플레이)에서 사용되는 유리기판과 유사하게 부서지기 쉬운 취성의 성질을 갖는 기판을 절단할 수 있는 레이저 절단장치에 관한 것이다.
디스플레이의 기술이 발전하면서, TFT-LCD는 소비재로서 널리 사용되고 있으며, 종래의 음극선관(Cathode Ray Tube)를 대체하고 있는 실정이다.
TFT-LCD는 일반적으로 한쌍의 유리기판과 유리기판 사이에 수용될 액정 및 액정이 표시될 수 있도록 제어하는 회로로 이루어진다. 다양한 TFT-LCD의 크기(치수)로 생산하기 위해서는, 유리기판을 필요한 크기별로 절단해야만 한다.
종래에 레이저 절단장치를 사용하여 유리기판을 절단할 때에는, 절단휠 또는 다이아몬드휠 등의 스크라이버를 이용하여 유리기판 표면에 미세한 균열을 형성한다. 그런 다음에, 레이저로써 유리기판의 표면을 가열한 후 다시 냉각제로 유리기판의 표면을 냉각시킨다. 이러한 공정중, 급격한 온도차에 의해서 유리가판에 응력이 형성된다. 기 형성된 미세한 균열을 매개로 하여 미세한 균열이 형성된 유리기 판의 표면에서 반대쪽 표면으로 균열이 생성되기 시작한다. 전체적인 유리기판 상으로 균열이 성장하면서 유리기판이 완전하게 절단될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 절단장치의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 레이저 절단장치는 이산화탄소 레이저를 발생시키는 이산화탄소 레이저시스템(1)과, 반사경(2), 집광경(3), 스크라이버(4) 및, 냉각시스템(5)으로 이루어진다. 절단방향을 따라서 기판(6)을 절단하고자 할 때에는, 상기 스크라이버(4)가 기판(6)의 표면 상에 일정한 깊이로 미세한 균열을 형성한다. 그런 다음에, 반사경(2) 및 집광경(3)으로 모여진 이산화탄소 레이저는 상기 미세한 균열을 따라서 기판(6)을 가열한다. 냉각시스템(5)은 기판(6)의 가열된 미세한 균열을 따라서 냉각한다. 전술된 바와 같이, 가열공정과 냉각공정으로 야기될 온도차로 인해서 유리기판에 응력이 형성된다. 미세한 균열이 전술된 바와 같이 유리기판의 한 표면에서 형성되어 반대쪽 표면으로 발전하게 된다. 이로 인해서, 시간이 경과한 후에 유리기판이 완전히 절단된다. 덧붙여서 기판(6)은 금속으로 제작된 진공흡판(acetabulum, 도시되지 않음)을 이용하여 장치대(도시되지 않음)로 운반된다.
도 1에 도시되었듯이, 종래기술에 따른 레이저 절단장치의 레어저 전파방향은 일정하게 고정되어져 있다. 다시 말하자면, 레이저시스템(1)에서 발생될 레이저는 소정의 거리(L1)를 지나 반사경(2)에 도달하고, 소정의 거리(L2)를 지나 집광경(3)에 도달하게 된다. 여기서, 소정의 거리(L1,L2)는 고정되어 있기 때문에 단순한 구조를 유지한다. 하지만, 기판(6)의 크기를 다변화시키기 위해서는 레이저 절단면의 직경 또는 형태를 용이하게 조절할 수 없기 때문에 필요한 크기로 원활하게 절단할 수 없는 단점을 갖는다.
통상적으로, 스크라이버(4)는 일반적인 기계역학적인 피스톤으로 구동된다. 스크라이버(4)는 기판(6)의 평면도에 영향을 받기 때문에 미세한 균열의 깊이가 균일하지 못하게 되는 결점이 있다. 피스톤 내부에서 작용하는 기체의 압축성에 의해서, 피스톤의 운동이 지연되면 기판(6)에 미세한 균열을 형성할 때에 불균일한 균열 깊이를 제공할 수 밖에 없다.
추가로, 기판(6)이 금속의 진공흡판으로 장치대로 운반될 때, 전반적인 흡판의 흡인력이 불균일하여 흡인된 기판(6)이 변형될 소지를 제공하게 된다. 특히, 기판(6)이 변형되면 미세한 균열의 깊이가 불균일하게 될 수도 있다. 이와 더불어서, 종래기술에 따른 금속 진공흡판은 절단할 때 잔존해 있는 냉각제를 신속하고 깨끗하게 제거할 수 없기 때문에 절단의 품질에 영향을 미치게 된다.
본 발명의 목적은 기판의 절단품질을 향상시킬 수 있는 레이저 절단장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 유리와 같이 부서지기 쉬운 기판을 절단하는 레이저 절단장치에 관한 것으로, 기판에 소정의 미세한 균열을 형성하는 스크라이버와, 레이저를 형성하는 레이저발생유니트 및 레이저가 전파되는 선로에 설치하여 레이저의 전파거리 를 조절하는 레이저 전파거리 조절시스템으로 이루어지고, 미세한 균열을 따라서 기판을 가열하고 팽창시키는 레이저시스템과 가열되어 팽창된 기판을 냉각시키는 냉각시스템을 추가로 구비한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 절단장치의 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 레이저 절단장치의 레이저 전파거리 조절시스템을 도해한 개략도이다.
도 2를 참조로 하면, 본 발명의 레이저 절단장치는 스크라이버(78)와 레이저시스템 및 냉각시스템(79)을 구비한다. 레이저시스템은 레이저를 발생하는 레이저발생유니트(7)와, 제1반사경(71), 레이저 차단시스템(72), 제2반사경(73), 콜리메이터(74;collimator), 레이저 전파거리 조절시스템(75), 제3반사경(76) 및, 집광렌즈(77)를 구비한다. 특히, 레이저 발생유니트(7)는 이산화탄소 레이저를 발생한다. 레이저 발생유니트(7)에서 생성될 레이저는 제1반사경(71)으로 반사되어 레이저 차단시스템(72)에 입사된다. 레이저 차단시스템(72)로부터 나온 레이저는 제2반사경(73)으로 반사되고 콜리메이터(74)에 입사된다. 콜리메이터(74)에서 나온 평행한 레이저는 레이저 전파거리 조절시스템(75)을 지나 제3반사경(76)에 입사된다. 그런 다음에, 제3반사경(76)에서 반사된 레이저는 집광렌즈(77)에서 집광된 후에 기판으로 입사된다.
본 발명에서 기판은 다공성 진공흡판(80)을 이용하여 장치대(도시되지 않음)로 운반된다. 다공의 진공흡판(80)을 사용하면, 냉각시스템(79)에서 남겨진 냉각제를 제거할 수 있어서 기판의 절단품질을 향상시킨다.
본 발명의 냉각시스템(79)에서 사용될 냉각제는 액체 냉각제, 기체 냉각제, 여러 액체로 구성된 혼합 냉각제 또는, 액체와 기체를 혼합한 냉각제를 사용할 수 있다. 바람직하기로, 기체 냉각제는 공기 등이 사용되고, 액체 냉각제는 순수(純水;pure water), 냉각유, 액체질소 혹은 액체헬륨 등이 사용된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각시스템(79)와 레이저시스템 및 스크라이버(78)는 기판의 절단방향을 따라서 순서대로 배열된다. 레이저 절단장치가 기판을 절단할 때, 우선적으로 스크라이버(78)를 통해 기판의 한 표면 상에 일정한 깊이를 갖는 미세한 균열을 형성한다. 그런 다음에, 집광렌즈(77)에서 집광된 레이저는 미세한 균열을 따라서 기판에 조사되어 기판을 가열시킨다. 그러므로 기판이 열팽창되어 기판 내부에 응력이 형성된다.
레이저로 기판의 미세한 균열을 가열한 후에, 연속적으로 냉각시스템(79)은 냉각제를 기 가열된 미세한 균열에 분무하여 기판을 급격하게 냉각시킨다.
기판의 응력이 짧은 시간 내에 급격하게 변하면서, 기판의 미세한 균열이 성정하여 기판의 절단에 도움을 준다. 덧붙여서, 균열이 일정한 정도로 증가되면 유리기판이 완전하게 절단된다.
특히, 레어저의 가열공정과 냉각시스템의 냉각공정은 기판의 절단품질에 영향을 미친다. 전술된 가열공정과 냉각공정으로 야기될 응력은 아래의 수학식과 같다.
σ~0.5αE△T
△T = T1-T2
여기서, σ는 가열공정과 냉각공정으로 형성된 기판의 응력, α는 기판의 팽창률, E는 기판의 영(Young)의 계수, T1는 가열된 후의 기판온도이고 T2는 냉각된 후의 기판온도를 나타낸다.
수학식 1과 수학식 2를 참조하면, 응력(σ)은 팽창률(α), 영의 계수(E), 가열온도(T1)과 냉각온도(T2)의 온도차에 정비례한다. 최대가열온도(T1)는 기판의 기화온도보다 낮도록 한다.
가열공정과 냉각공정으로써 형성된 기판의 응력이 기판의 파괴강도보다 크게 되면, 기판의 표면에 균열이 형성되기 시작한다. 즉, 균열이 홈 또는 전반적인 절단과 같이 다른 상태로 발전되어 제조업자의 요구에 따라 절단될 기판의 크기를 조정할 수 있다.
당해분야의 숙련자에게 널리 알려져 있듯이, 레이저 절단공정에서 레이저를 기판에 조사하여 형성된 레이저 스폿의 크기(혹은 스폿의 직경)가 절단품질에 커다란 영향을 미친다. 레이저 절단공정에서 레어저 스폿의 크기는 레어저 산란각, 레이저 출력단의 직경 및 레이저 전파거리로서 결정된다. 레이저 스폿의 크기는 아래의 수학식으로 구할 수 있다.
D=L×θ+d
여기서, D는 레어저가 일정한 거리(L)만큼 전파한 후의 레이저 스폿의 직경, d는 레이저 출력단의 직경, θ는 레이저의 산란각, L은 레이저의 전파거리이다. 레이저 산락각(θ)의 단위는 라디안(rad)이다.
수학식 3에서, 레이저의 전파거리(L)가 레이저 스폿의 크기(D)를 변경시킨다. 고정된 기판을 절단할 때에 레이저의 전파거리(L)에 변화를 주면 일정한 레이저 스폿의 크기(D)를 달성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 전파거리 조절시스템의 사시도이다. 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 전파거리 조절시스템(75)은 제4반사경(751)과, 제5반사경(752), 제6반사경(753) 및, 제7반사경(754)를 구비한다. 선택가능하기로, 제4반사경(751), 제5반사경(752), 제6반사경(753) 및 제7반사경(754)의 위치는 각각 변경될 수 있다. 레이저 전파거리 조절시스템(75)에 입사될 레이저는 제4반사경(751), 제5반사경(752), 제6반사경(753) 및 제7반사경(754)으로 반사된 다음에, 레이저 전파거리 조절시스템(75)의 출력단을 통해 출력된다.
도 2에서, 레이저 전파거리(L1)는 레이저 발생유니트(7)의 출력단에서 제1반사경(71)까지의 거리이며, 레어저 전퍼거리(L2)는 제1반사경(71)에서 제2반사경(73)까지의 거리, 레이저 전파거리(L3)는 제2반사경(73)에서 제4반사경(751)까지의 거리, 레이저 전파거리(L4)는 제4반사경(751)에서 제5반사경(752)까지의 거리와 제6반사경(753)에서 제7반사경(754)까지의 거리, 레이저 전파거리(L5)는 제5반사경(752)에서 제6반사경(753)까지의 거리, 레이저 전파거리(L6)는 제7반사경(754)에서 제3반사경(76)까지의 거리, 레이저 전파거리(L7)는 제3반사경(76)에서 집광렌즈(77)까지의 거리로 되어 있다. 다시 말하자면, 레이저 발생유니트(7)에서 생성될 레이저가 집광렌즈(77)까지 이동하는 총 거리(L)=L1+L2+L3+(L4×2)+L5+L6+L7 이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 전파거리 조절시스템(75)는 제5반사경(752)과 제4반사경(751) 사이의 거리 뿐만 아니라 제6반사경(753)과 제7반사경(754) 사이의 거리를 조절시킬 수 있다. 예컨대, 제5반사경(752)과 제4반사경(751) 사이의 레이저 전파거리 및 제6반사경(753)과 제7반사경(754) 사이의 레이저 전파거리는 L4에서 L4'로 변경된다. 따라서, 레이저 발생유니트(7)에서 발생한 레이저가 집광렌즈(77)까지 전파되는 총 거리(L')=L1+L2+L3+(L4'×2)+L5+L6+L7 로 된다. 덧붙여서, L4'가 L4보다 길기 때문에 레이저의 전파거리가 늘어난다. 선택적으로 수요에 따라서 레이저의 전파거리는 감소될 수도 있다.
전술되었듯이, L4'가 L4보다 길기 때문에 레이저 전파 총 거리(L')도 최초 총 거리(L)보다 크게 된다. 또한, 제4반사경(751)과 제7반사경(751) 사이의 레이저 전파거리 및 제5반사경(752)과 제6반사경(753) 사이의 레이저 전파거리를 L5에서 L5'로 변경된다. 그러므로 레이저 발생유니트(7)에서 발생한 레이저가 집광렌즈(77)까지 전파하는 총 거리(L")=L1+L2+L3+(L4'×2)+L5'+L6+L7 로 된다. 수학식 3에서, 도 3의 레이저 스폿의 직경(D')이 도 2의 레이저 스폿의 직경(D)보다 크게 설정된다. 즉, 본 발명의 레이저 전파거리 조절시스템(75)이 레이저 전파거리를 조 절하여 레이저 스폿의 크기도 변경시킬 수 있다. 이로 인하여, 일정한 절단공정을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 차단시스템을 오프(OFF)상태에서 도시된 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 레이저 차단시스템을 온(ON)상태에서 도시된 사시도이다. 레이저 차단시스템(72)은 아래에서 더욱 상세히 기술될 것이다.
레이저 발생유니트(7)가 오프상태에서 온상태로 변경될 때, 소정의 시간이 경과해야만 레이저의 출력량이 안정화된다. 도 5 또는 도 6에 도시된 레이저 차단시스템(72)은 레이저가 전파되는 선로에 배치된다. 레이저 차단시스템(72)은 레이저 발생유니트(7)에서 출력되는 레이저가 안정화되면, 레이저의 전파선로를 온상태로 작동시켜 레이저의 출력을 안정시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 차단시스템(72)이 오프상태에 놓여져 있을 때, 레이저는 레이저 차단시스템(72)을 매개로 하여 차단되어져 제2반사경(73)에 도달할 수가 없다. 도 6을 참조로 하여서, 레이저 차단시스템(72)이 온상태에 있을 경우에만 레이저가 제2반사경(73)에 도달될 수 있음을 알 수 있다. 레이저 차단시스템(72)이 레이저의 전파선로를 온 또는 오프시킬 수 있기 때문에, 레이저는 필요에 따라 절단기판에 출력될 수 있도록 제어가능하다. 따라서, 레이저 발생유니트(7)가 온 또는 오프되어 있지 않아도 레이저의 출력을 제어할 수 있는 장점을 갖는다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 스크라이버의 사시도이다.
스크라이버(78)는 기판에 미세한 균열을 형성하는 절단모듈이다. 절단기판에 미세한 균열을 형성하기 위해서는, 스크라이버(78)를 대신하여 파워가 비교적 작은 레이저 절단장치가 사용될 수도 있다. 절단모듈은 모터(781)와 운동제어시스템(782)을 구비한다. 모터(781)와 운동제어시스템(782)은 상호 작용되어 절단모듈이 X축 방향, Y축 방향 또는 Z축 방향으로 이동가능하다.
절단모듈은 운동제어시스템(782)에 설치한 발성코일모터(783;voice-coil motor)와 발성코일모터(783)에 부착된 절단휠(784)을 추가로 구비한다. 일반적인 기계모터와 비교하여, 발성코일모터(783)는 절단휠(784)의 운동과 절단력을 더욱 정밀하고 빠르게 제어할 수 있다. 즉, 기판의 평면도가 변하여도 절단휠(784)이 기판의 표면에 일정하게 미세한 균열을 형성시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 진공흡판의 사시도이다.
진공흡판은 다공성 재료로 제작된다. 특히, 다공성 재료로 제작된 진공흡판(80)은 냉각시스템(79)을 통해 잔존하게 되는 냉각제를 깨끗하게 제거할 수 있다. 그러므로 기판의 절단품질이 향상된다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명에 따른 레이저 절단장치에서 레이저 전파선로에 설치될 레이저 전파거리 조절시스템을 수단으로 레이저의 전파거리를 조절하게 된다. 레이저의 전파거리가 변경되면서 레이저의 스폿의 크기도 변경될 수 있기 때문에, 일정한 절단공정이 실현될 수 있다. 또한, 수요에 따라 레이저 스 폿의 크기가 변경가능하기 때문에, 기판의 절단품질이 향상되도록 제공된다.

Claims (10)

  1. 유리와 같은 취성을 갖는 기판을 절단하는 레이저 절단장치에 있어서,
    상기 기판에 소정의 미세한 균열을 형성하는 스크라이버와;
    레이저를 형성하는 레이저 발생유니트;
    상기 레이저가 전파되는 선로에 배치되어 레이저의 전파거리를 조절하는 레이저 전파거리 조절시스템;
    상기 미세한 균열을 따라서 기판을 가열하고 팽창시키는 레이저 시스템 및;
    상기 가열되고 팽창된 기판을 냉각시키는 냉각시스템;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 전파거리 조절시스템은 4개의 반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 4개의 반사경은 각각 이동가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 레이저를 집광하여 상기 기판 상으로 조사하는 집광렌즈를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 상기 레이저 발생유니트 다음에 설치되어 레이저를 차단 또는 통과시키는 레이저 차단시스템을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 레이저를 평행하게 전환시킨 후에 상기 집광렌즈에 입사시키는 콜리메이터(collimator)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스크라이버는 여러 축방향으로 이동할 수 있는 절단모듈로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 절단모듈은 발성코일모터와 상기 발성코일모터에 배치되어 상기 기판에 미세한 균열을 형성하는 절단휠을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 다공성 재료로 제작된 진공흡판을 수단으로 장치대까지 운반되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  10. 유리와 같은 취성을 갖는 기판을 절단하는 레이저 절단장치에 있어서,
    상기 기판에 소정의 미세한 균열을 형성하는 스크라이버와;
    레이저를 형성하는 레이저 발생유니트;
    상기 레이저 발생유니트 후미에 배치되어 레이저를 차단 또는 통과시키는 레이저 차단시스템;
    상기 미세한 균열을 따라서 기판을 가열하고 팽창시키는 레이저 시스템 및;
    상기 가열되고 팽창된 기판을 냉각시키는 냉각시스템;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
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