KR20110021956A

KR20110021956A - 비평탄 물질의 스코어링

Info

Publication number: KR20110021956A
Application number: KR1020107029167A
Authority: KR
Inventors: 안나톨리 에이 앱라모브; 르저카 우크라인시지크; 치 우; 내이유 조우
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-03-04
Also published as: CN102046545B; US8053704B2; US20090294419A1; WO2009151527A2; TW201002638A; JP2011522769A; WO2009151527A3; CN102046545A; JP5563562B2; KR101428141B1; TWI404683B

Abstract

본 발명은 비평탄 유리시트(1000)를 포함하는 비평탄 물질을 스코어링 하기위한 시스템에 관한 것이다. 일실시예로, 레이저 스코어링 시스템이 설명되었다. 레이저 스코어링 시스템은 레이저(102) 및 광학헤드(106)를 포함한다. 광학헤드는 레이저로부터의 출력을 수용하도록 형성되고 그 출력을 확장된 초점심도 내에 적어도 일 부분을 갖는 물질을 스코어링 하기에 충분한 에너지밀도를 갖는 빔 웨이스트의 중심에 대해 +/- 5mm보다 큰 확장된 초점심도와 빔 웨이스트를 갖는 연장된 레이저빔으로 초점을 맞춘다. 시스템의 한 측면으로는 빔확대기(104)를 포함할 수 있다. 빔확대기는 레이저로부터의 출력을 수용하고, 레이저로부터의 출력을 확대된 레이저빔으로 확대시키고, 확대된 레이저빔을 광학헤드로 전달한다.

Description

비평탄 물질의 스코어링{SCORING OF NON-FLAT MATERIALS}

본 출원은 2008.5.27 출원된 미국 가출원 제61128949호 및 2008.7.30에 출원된 미국 특허출원 제12/220948호의 이점 및 우선권을 주장하며, 그 발명의 내용은 전체적으로 참조되어 여기에 반영된다.

여기에 기술된 발명의 실시예는 비평탄 물질의 스코어링(scoring)에 관한 것이고, 더 자세하게는 대형 비평탄 유리의 레이저 스코어링에 관한 것이다.

종래에는, 유리시트를 분리하기 위한 다양한 방법 및 기술이 사용되어 왔다. 가장 보편적으로 사용된 방법은 유리시트를 분리 및 스코어하기 위해 레이저를 사용하는 것이 포함된다. 레이저빔은 유리시트를 횡단하여 움직면서 유리시트의 표면의 온도변화를 발생시키고, 그것은 약간의 거리를 두고 레이저를 뒤따르는 냉각제(가스 또는 액체와 같은 것)에 의해 완화된다. 특히, 레이저에 의한 유리시트의 가열 및 냉각제에 의한 유리의 냉각은 유리시트에 스트레스를 발생시킨다. 이러한 방법에서, 유리시트를 따라 스코어라인(score line)이 생성된다. 유리시트는 스코어라인을 따라 분리될 경우 더 작은 두개의 유리시트로 분리될 수 있다.

레이저에 의해 유리시트를 스코어링하기 위한 발전된 시스템 및 방법에 대해서 상당한 노력이 이루어져 왔으며, 특히 평판 디스플레이(LCD와 같은)의 생산에 사용되는 유리시트에 대한 노력이 이루어져 왔다. 일반적으로, 유리에 대한 레이저 스코어링 공정은, 다른 레이저를 사용할 수 있다고 하더라도, 유리를 가열하기 위해 약 10.6 ㎛ 파장의 CO₂ 레이저 방사선을 사용하고, 이후 열충격에 의한 일시적인 인장 스트레스(tensile stress)가 발생되기 때문에 급냉기킨다. 균일한 레이저 스코어링을 수행하기 위해, 레이저빔은 소정 형상을 가져야 하고, 최소한의 변화를 갖는 일정한 레이저 파워를 전달하기 위해 유리표면에 초점을 맞추거나 초점을 흐리게 한다. 유리 표면에서의 레이저의 크기(길이 또는 폭), 레이저의 모양 및 상응하는 에너지밀도가 전체 스코어링 공정동안에 스코어 라인을 따라 상당히 일정해야 한다. 앞서 살펴본 방법은, 전통적으로 유리표면과 레이저 사이에 렌즈가 형성되는 거리는 정확하게 유지될 필요가 있으며, 또는, 바꾸어 말하면, 유리시트는, 유리 스코어링을 목적으로 사용되는 전형적인 광학장치(optics)에서 대략 1mm 정도의 짧은 범위 내에서 위치되어야 한다. 게다가, 플라잉 광학장치(flying optics)는 스코어링에 사용되며(광학장치가 유리에 대해서 움직일 때), 유리표면의 빔스팟(beam spot)사이즈는 전체 스코어링 길이에 대해 실질적으로 변하지 않아야 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 종래의 시도들은 유리시트를 평탄화 시키기 위한 것, 예를 들면, 유리시트를 평평한 수평 테이블에 놓고(또는 이동시켜) 유리 위의 어느 일정한 거리에 고정되거나 또는 이동되는 광학장치(레이저를 포함하는 어떤 장치)를 갖는 것을 포함한다. 이것이 유리를 스코어링 하기 위한 하나의 해결책인 반면, 다른 문제가 존재한다. 예를 들면, 유리시트는 고유한 형상을 가지고 있고, 그것은 평탄하지 않은 형상일 수 있다. 이송 시스템(motion system) 및 장치의 설계는 유리와 광학장치 사이의 필요한 거리를 정확하게 유지시키기에 충분하지 않거나; 또는 상기 시스템은 진동에 의해 영향을 받을 수 있고, 특히 만약 상기 장치의 구조가 고정되지 못하거나 또는 충분히 무겁지(heavy) 않고, 그리고 유리표면의 빔스팟 사이즈가 비거리(flying distance)에 걸쳐서 현저하게 차이가 난다. 이러한 모든 문제들은 대형 사이즈의 유리에서는 더욱 심각해 진다. 게다가, 스코어링 공정이 일어나는 동안에 빔스팟 사이즈를 유지하기 위한 시도의 다른 문제는, 예를 들면, 유리시트를 인발할 때 유리시트는 수직으로 배치되며, 굽힘(bow)을 갖고(예를 들어, 5mm 내지 20mm), 다양한 두께, 또는 인발공정중에 공칭위치(nominal position)로부터 광학장치에 대해 임의로 움직일 수 있다. 이것에 대한 하나의 가능한 해결책은 제어가능한 적응성 광학장치(adaptive optics)를 사용하는 것이며, 상기 장치는 유리까지의 거리를 측정하고, 상당하게, 필요한 거리를 유지시키기 위해, 광학장치를 유리로부터 멀어지거나 또는 가까워지도록 이동시킨다. 그럼에도 불구하고, 이러한 접근방법은 기술적으로 복잡하고 또한 비용이 비싸다.

그러므로, 상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 이러한 문제를 극복하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 비평탄 물질을 스코어링 하기 위한 시스템을 제공하기 위한 시스템, 평판유리의 제조방법 및 레이저 스코어링 시스템을 제공하기 위한 것이다.

여기에 기술된 것은 레이저와 광학시스템 및 이를 이용한 방법을 포함하는 비평탄 물질에 대한 스코어링 시스템의 실시예에 관한 것이다.

광학시스템의 실시예는 이하에서 상세하게 설명하며, 상기 시스템은 다양한 모양 또는 다양한 두께를 갖는 비평탄 유리시트의 스코어링을 위해 이용되고, 그리고 유리표면과 빔 쉐이핑 렌즈(beam shaping lens) 사이의 거리의 현저한 변화를 허용할 수 있다. 하나의 실시예로서, 광학시스템은 거의 일정한 에너지밀도의 연장된 초점심도(focal depth)(즉, 빔웨이스트(beam waist)의 중심에 대해 약 +/-5mm보다 큰 값)를 갖는 레이저빔을 발생시키며, 광학시스템에 관한 유리시트의 위치에 훨씬 덜 민감한 레이저 스코어링 공정을 만든다.

다른 측면에서, 빔 전달시스템은 비평탄 유리를 스코어하기 위한 능력 이외에도 유리에 형성되는 빔사이즈 및 그에 상응하는 에너지밀도의 실질적인 변화 없이 연장된 비거리를 성취할 수 있는 플라잉 광학헤드(flying optical head)를 포함한다. 예를 들면, 일측면에서 6m까지 연장된 비거리는 빔 사이즈, 빔의 형상 및 그에 상응하는 에너지밀도의 실질적인 변화없이도 얻을 수 있다.

다양한 측면에서, 여기에 설명된 실시예는 레이저 스코어링 공정의 온드로우(on-draw): 굽힘 또는 다른 형상을 갖는 비평탄 유리의 스코어링; 적응성 광학장치를 이용하지 않는 광학시스템으로부터 다양한 거리를 갖는 이동형 유리(moving glass)의 스코어링; 빔 쉐이핑 광학장치에 대한 유리표면의 정확한 위치에 둔감한 레이저 스코어링; 프레임장치(machine frame), 선형 슬라이드(linear slides) 및 액츄에이터와 같은 기계부품의 정확한 필요 및 얼라인먼트 허용오차(alignment tolerance)를 단순화시키며, 또한 전체 시스템 비용을 더 낮추고; 수직으로 배치된 유리시트의 레이저 스코어링; 및 여럿가운데 다양한 두께를 갖는 유리의 스코어링을 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 추가적인 실시예는 이하 설명되며, 일부분, 상세한 설명, 그리고 후술하는 어느 청구항, 그리고 발명의 상세한 설명으로 부터 유추되는 일부분, 또는 발명의 반복실시에 의해 용이하게 알 수 있는 것으로 나타날 수 있다. 앞서 살펴본 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명은 하나의 예이고, 단지 설명을 위한 것이며, 개시된 및/또는 청구된 발명을 제한하는 것은 아니다.

본 발명에 따르면, 전체 시스템의 비용을 낮추고 수직으로 배치된 유리시트의 스코어링 및 다양한 두께를 갖는 유리의 스코어링이 가능한 효과가 있다.

또한, 유리시트의 위치에 영향을 거의 받지 않는 레이저 스코어링 공정이 가능한 효과가 있다.

또한, 유리에 형성되는 빔 사이즈 및 에너지밀도의 실질적인 변화 없이도 연장된 비거리를 달성할 수 있는 효과가 있다.

첨부된 도면은, 본 명세서에 결합 및 구성되며, 실시예의 묘사와 함께 설명하며, 개시된 방법 및 시스템의 원리를 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 스코어링 및 유리분리를 위한 공정의 실시예에 따른 개략도;
도 2는 레이저 스코어링 시스템의 실시예에 따른 개략도;
도 3은 광학시스템의 실시예에 따른 개략적인 설명도;
도 4는 광학시스템의 다른 실시예의 개략적인 설명도;
도 5는 도 3 및 도 4에서 도시된 광학시스템에 의해 발생되는 연장된 레이저빔의 실시예의 길이를 개략적으로 나타낸 도면;
도 6은 도 3 및 도 4에서 묘사된 광학시스템에 의해 발생되는 연장된 레이저빔의 폭을 개략적으로 나타낸 도면;
도 7은 14mm 직경의 빔 웨이스트를 갖는 레이저빔의 빔확대기(beam expander)로부터 거리의 함수에 따른 레이저빔의 직경을 계산한 그래프;
도 8은 20mm 직경의 빔 웨이스트를 갖는 레이저빔의 빔확대기로부터 거리의 함수에 따른 레이저빔의 직경을 계산한 그래프 및 빔 사이즈의 변화가 6미터 비거리에서 조차 약 3%보다 작은 것을 나타내는 도면;
도 9는 1mm 폭을 갖는 연장된 빔의 실시예에 대한 빔 웨이스트의 중심으로부터 유리표면의 편향의 함수에 따른 빔 폭의 변화를 나타낸 그래프;
도 10은 1.5mm 폭을 갖는 연장된 빔의 실시예에 대한 빔 웨이스트의 중심으로부터 유리표면의 편향의 함수에 따른 빔 폭의 변화를 나타낸 그래프;
도 11은 렌즈 f_3w와 유리 사이의 거리 d_3w의 변화의 함수에 따른 유리표면에 빔 사이즈(폭)를 보여주는 계산된 그래프, (예를 들면, 유리 굽힘(bowing), 유리 두께의 변화, 또는 예를 들어, 성형공정 동안 유리의 임의적인 이동과 같은 것에 의한 유리의 공칭목표위치(nominal target position)로부터 광학장치에 대한 유리의 이동에 기인하는), 그리고 최초 1200mm로 설정된 d_3w을갖고 도 4에서와 같이 그러한 광학시스템을 위한 비거리(d₂)를 보여주는 계산된 그래프;
도 12는 렌즈 f₃₁와 유리 사이의 거리 d₃₁의 변화에 대한 함수에 따른 유리표면에 빔 사이즈(길이)를 보여주는 계산된 그래프, (예를 들면, 유리 굽힘, 유리 두께의 변화, 또는 예를 들어, 성형공정 동안 유리의 임의적인 이동과 같은 것에 의한 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동에 기인하는), 그리고 최초 1000mm로 설정된 d₃₁을 갖고 도 4에서와 같이 그러한 광학시스템을 위한 비거리(d₂)를 보여주는 계산된 그래프;
도 13은 렌즈 f_3w와 유리사이의 거리 d_3w의 변화의 함수에 따른 유리표면에 빔 사이즈(폭)를 보여주는 계산된 그래프, (예를 들면, 유리 굽힘, 유리 두께의 변화, 또는 예를 들어, 성형공정 동안 유리의 임의적인 이동과 같은 것에 의한 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동에 기인하는), 그리고 최초 800mm로 설정된 d_3w 을 갖고 도 3에서와 같이 그러한 광학시스템을 위한 비거리 d₂를 보여주는 그래프;
도 14는 렌즈 f₃₁와 유리 사이의 거리 d₃₁의 변화의 함수에 따른 유리표면에 빔 사이즈(길이)를 보여주는 계산된 그래프, (예를 들면, 유리 굽힘, 유리 두께의 변화, 또는 예를 들어, 성형공정 동안 유리의 임의적인 이동과 같은 것에 의한 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동에 기인하는), 그리고 최초 1000mm로 설정된 d₃₁ 을 갖고 도 3에서와 같이 그러한 광학시스템을 위한 비거리 d₂ 를 보여주는 그래프;
도 15는 유리제조공정의 실시예에 결합되는 레이저 스코어링 시스템의 실시예의 개략적인 다이어그램.

후술하는 본 발명의 상세한 설명은 현재 알려진 실시예로부터 가장 바람직하게 실시가능한 것을 설명하기 위해 제공된다. 그렇기 때문에, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자는 여기에 기술된 발명의 다양한 실시예들로부터 많은 변형물들을 용이하게 생각해내고 알 수 있으며, 동시에 여전히 본 발명의 이점의 결과를 얻을 수 있다. 본 발명의 바람직한 몇몇 이점들은 다른 특징들을 이용함이 없이도 본 발명의 몇몇 특징을 선택함으로써 얻을 수 있음은 명백하다. 따라서, 당업자들은 본 발명으로부터 많은 변경 및 응용이 가능하고, 특정 상황에서 조차 바람직하게 변경 및 응용이 가능하며, 본 발명의 일부의 변경 및 응용이 가능하다. 그러므로, 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하는 것을 제공하는 것이고 본 발명을 제한하려 함이 아니다.

여기에서 사용되는 것으로, 단수형인 "a", "an", 및 "the"는 만약 명확하게 지시된 것이 아니라면 복수관계를 포함한다. 그러므로, 예를 들면, 만약 문맥적으로 명확하게 다르게 지시되지 않았다면 유리시트는 둘 또는 그 이상의 그러한 유리시트를 갖는 실시예를 포함하는 것을 말한다.

범위는 하나의 특정 값의 "약(about)"으로부터 및/또는 다른 특정 값 "약(about)"까지를 여기에서는 표현한다. 그러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 마찬가지로, 앞서 "약"의 사용에 의하여, 어떤 값이 근사치로서 표현될 때, 그것은 특정 값이 다른 실시예를 형성하고 있다고 이해되어야 한다. 각 범위의 종값(endpoint)은 다른 종값과 관련된 값 및 다른 종값과 독립된 값 모두를 의미한다.

여기에서 사용된 "실시예(Examplary)"는, "하나의 예(an example of)"를 의미하는 것이고 이상적이거나 바람직한 실시예를 시사하는 의도는 아니다.

여기에서 설명되는 상세한 설명은 레이저, 가변 빔확대기(adjustable beam expander) 및 광학헤드를 포함하는 레이저 스코어링 시스템의 실시예에 관한 것이다. 광학헤드는 레이저 및 빔확대기로부터의 출력(output)을 수용하기 위해 형성되고, 그리고 출력을 빔 웨이스트 및 연장된 초점심도내의 일부 물질을 스코어링 하기 위해 충분한 에너지밀도를 갖는 빔 웨이스트에 대한 확장된 초점심도를 갖는 길이가 늘어난 레이저빔으로 초점을 맞춘다. 어느 한 측면에서 스코어된(scored) 물질은 유리이며 그리고 유리의 스코어링은, 종래에 일반적인 기술로 알려졌듯이, 국지적 냉각이 뒤따르는 레이저빔의 이동에 의해 발생되는 열충격을 통해 분자결합이 깨짐에 따른 부분적인 크랙(crack)의 발생이다. 스코어링 공정은 기계적인 분리 또는 물질을 분리하는 다른 수단, 예를 들면, 후술하는 레이저 스코어링 공정에서 분리를 수행하는 다양한 구성의 다른 레이저빔과 같은 것들에 의해 진행될 수 있다.

도 1은 스코어(score) 및 분리된 유리(1000)를 사용할 수 있는 공정의 바람직한 개략도를 도시한 것이다. 도 1에서, 초기 크랙(1002)은 레이저 펄스(pulse) 또는 예를 들어, 유리에 초기 갈라진 금(흠)을 발생시키는 인덴터(indenter), 스코어링 휠, 스크라이브(scribe)와 같은 기계적인 도구를 사용함에 따른 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 유리(1000)의 스코어링은 국지적인 냉각기(1006)가 뒤따르는 유리표면으로 지향되는 길이가 연장된 레이저빔(1004)에 의해 수행된다. 레이저빔(1004)은 유리표면의 초기 갈라진 금(흠)을 가로지르며, 따라서 연장된 레이저빔(1004)이 이동하는 방향으로 유리(1000)를 횡단하는 부분적인 벤트(vent)가 생성되어 전파된다. 크랙확장의 공정 또는 유리(1000)의 전체 바디의 분리는 제2 레이저빔 또는 유리(1000)를 분리시킬 수 있도록 사용되는 기계적인 분리의 사용으로 발생될 수 있다. 유리(1000)는 스코어링/분리장치 및 유리(1000)를 모두 이동시키거나 유리(1000)를 스코어링/분리장치에 대해 이동시킴으로써 스코어되고 분리될 수 있다.

여기서 설명하는 실시예에 따르면, 도 1에서 도시된 바와 같은 레이저빔(1004)은 유리와 같은 물질의 표면으로 곧바로 지향된다. 레이저빔(1004)은 대체로 일정한 크기 및 모양이며, 그것은 정지 레이저 및 정지 빔확대기에 대한 광학헤드의 비거리에 의존하지 않고 유리와 빔 쉐이핑 렌즈 사이의 거리에 대해 실질적으로 민감하게 반응하지 않는다. 광학시스템의 실시예는 6미터 또는 빔확대기 이후 까지의 비거리(광학헤드의)를 제공함으로써 대형 유리 사이즈의 레이저 가공을 가능하게 한다; 비거리의 중심(또는 다른 말로 빔확대기를 지나 순환하는 빔의 빔 웨이스트의 위치)은 빔확대기에 의해 조절될 수 있다. 게다가, 여기에서 설명된 바와 같이, 광학시스템의 실시예는 광학시스템에 대한 유리표면의 위치의 변화에 대체로 본질적으로 둔감한 출력 레이저빔을 발생시키고 대체로 일정한 빔에너지를 유리의 형상과 관계없이 유리표면에 전달하도록 형성된다. 한 측면에서, 광학디자인은 길이와 비거리, 플라잉 광학헤드의 비거리, 4m까지의 비거리 내의 +/- 5%보다 작은 다양한 빔폭을 갖는 유리표면의 폭을 갖는 대체로 일정한 연장된 빔 사이즈를 제공하며, 유리의 굽힘, 유리두께의 변화, 또는 예를 들어, 적어도 20mm 진폭까지의 성형공정 동안 유리의 임의적 이동과 같은 유리의 공칭목표위치로부터 플라잉광학헤드의 광학장치에 대한 유리의 이동에 독립적이다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 스코어링빔(1004)을 발생시키기 위해 사용되는 레이저 스코어링을 위한 시스템의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다. 도 2에서 도시된 실시예와 같이 바람직한 시스템은 광학헤드 및 빔확대기(104)와 함께 레이저(102)를 포함한다. 본 실시예에서, 레이저(102) 및 빔확대기(104)는 일정한 위치에 고정되고, 광학헤드는 고정된 레이저(102) 또는 빔확대기(104)에 대하여 운동하는 플라잉 광학헤드(106)이다. 플라잉 광학헤드(106)가 고정된 레이저(102) 또는 빔확대기(104)에 대해 이동할 수 있는 거리는 비거리(108)이다. 플라잉 광학헤드(106)는 빔 쉐이핑 광학장치(110)를 포함하고 표면이 스코어되는 방향으로 빔을 지향하도록 하는 반사미러(turning mirror)(112)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 수직 또는 수평 중 어느 한 방향에서 유리시트(114)(또는 다른 물질)의 공정을 진행할 수 있다. 스코어링 빔은 빔 웨이스트와 확장된 초점심도(116) 그리고 스코어링빔이 유리(114)를 스코어할 수 있는 초점심도(116)의 전체에 걸친 빔 웨이스트에 대한 에너지밀도를 갖는다. 어느 한 측면에서 확장된 초점심도(116)는 물질(114)의 표면과 플라잉 광학헤드(106) 사이에 변화하는 거리에서 비평탄 물질(예를 들어, 유리)의 스코어링을 가능하게 한다. 이러한 변화는 예를 들어, 물질의 굽힘, 두께의 변화, 및/또는 물질의 이동에 의해 발생될 수 있다. 예를 들면, 어느 한 측면에서 확장된 초점심도는 빔 웨이스트의 중심에서 +/- 5mm 보다 크게 유리를 스코어링하기 위한 충분한 에너지밀도를 갖는다. 초점심도 전체의 에너지밀도는 사용되는 레이저뿐만 아니라 레이저 스코어링 시스템의 광학시스템의 방식과 관련되어 있다. 에너지밀도는 스코어링빔의 단면에 반비례 한다; 그러므로 스코어링빔의 빔웨이스트의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라, 에너지밀도는 감소한다. 유리의 다양한 종류를 포함하는, 다양한 물질의 스코어링을 위해서는 다양한 에너지밀도가 요구된다.

하나의 바람직한 적용으로, 광학시스템의 실시예는 10.6㎛ 파장에서 진행되는 이산화탄소(CO₂) 레이저의 사용을 가정하여 빔의 이동의 분석을 통해 이루어지며, 그러나, 여기에 개시된 발명의 원리는 종래기술분야에서 일반적으로 알려진 CO 및 Nd:YAG레이저를 포함하는 레이저의 다양한 형태를 사용한 다양한 적용을 위해 확장되고 응용될 수 있다. 한 측면에서, 광학시스템은 디자인의 교환(trade-offs) 및 제한이 도출될 수 있는 얇은 렌즈 근방에서 근축 가오스빔(paraxial Gaussian beam)을 기초로 분석될 수 있다. 얇은 렌즈모델에서 사용되는 광학 매개변수는 ZEMAX(ZEMAX 개발회사, 벨뷰(Bellevue), 워싱턴)와 같은 광학 디자인 소프트웨어를 사용하는데 더욱 정교할 수 있고, 여기서 렌즈처방(lens prescriptions)이 이루어질 수 있다. 렌즈세트(lens sets)는 다양한 빔 사이즈를 발생시키도록 디자인될 수 있으며, 그것이 다양한 유리종류 및 다양한 스코어링 속도에 대해 일정한 레이저 스코어링 공정을 가능하게 한다.

도 2에서와 같은 빔 전달시스템의 고정부는, 레이저(102) 및 빔확대기(104)를 포함하고, 플라잉 광학헤드(106)에 입사되기 전에 전체 비거리(108) 모두에 대체로 일정한 레이저빔 특성을 유지시키기 위해 디자인된다. 일반적으로, 이것은 능동적인 보상(active compensation) 또는 수동적인 광학디자인을 통해 달성될 수 있다.

하나의 실시예에서, 능동적인 보상은 전체 비거리 모두에서 레이저빔의 특성을 대체로 일정하게 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 능동적인 보상은, 또한 "트럼본 스타일(trombone style)"로 알려져 있는 슬라이딩 광학장치(sliding optics), 레이저(102)로부터 플라잉 광학헤드(106)까지의 광경로가 동적으로(dynamically) 일정하게 유지되기 위해, 플라잉광학헤드(106)의 동작과 서로 일치하는 광지연기(optical delay line)가 레이저(102)와 플라잉 광학헤드(106) 사이에 도입되는 것이다. 트럼본 슬라이드의 이동범위는 비거리만큼 가능하다. 대신에, 빔확대기(104)는 플라잉 광학장치의 동작을 추적하기 위해 능동적으로 제어될 수 있으며, 여기서 빔확대기(104)는 훨씬 더 작은범위의 작동을 필요로 한다. 또 다른 측면에서, 레이저 에너지는, 레이저빔의 사이즈가 변화할 지라도, 물질이 스코어(score)되는 에너지밀도를 일정하게 유지시키기 위해, 플라잉 광학장치 이동으로서 조절될 수 있다. 이러한 접근방식 중 어느 것이라도 비거리를 늘리기 위해 후술하는 수동형 광학디자인을 갖는 결합을 이용할 수 있을 것이다.

다른 접근방식은 근본적으로 플라잉 광학헤드(106)의 작동에 둔감한 수동형 광학 디자인을 포함한다. 비거리에 걸쳐 균일한 빔 사이즈를 얻기 위해, 레이저(102)로부터 빔확대기(104), 플라잉 광학헤드(106)로 레이저빔이 지향된다. 한 측면에서, 빔확대기(104)로부터 플라잉 광학헤드(106)로 지향된 레이저빔(118)은 가우스빔이고, 그리고 레이저빔의 빔웨이스트의 중심은 플라잉 광학헤드(106)의 비거리(108)의 중심에 근접하도록 발사된다. 빔 웨이스트는, 가우스빔 또는 D모드 빔에 대해서, 빔축을 따라(비거리를 따라) 스팟사이즈(spot size)가 최소값이 되는 지점에서의 범위이다. 만약 비거리가 레일리 거리(Rayleigh distance), 종래기술에서 일반적으로 알려진 거리, 보다 훨씬 작다면 빔 스팟사이즈는 비거리에 걸쳐 상대적으로 변하지 않는다. 그렇게 됨으로써, 어떤 비거리는 충분히 큰 사이즈로 레이저빔을 확대하고 비거리의 중심에 가깝게 빔 웨이스트의 중심을 놓는 것으로써 조절될 수 있다. 큰 빔사이즈는 조준거리(collimation distance)를 향상시키는 반면, 또한 빔전달 구성의 부피가 커지고 빔 쉐이핑 광학장치에 영향을 미친다. 그러므로, 디자인의 고려사항은 비거리에서 실질적으로 가능한 빔사이즈를 선택하는 것을 포함한다. 게다가, 능동적인 레이저 에너지의 조절은 더 긴 비거리가 요구되는 경우에 수동형 광학시스템의 결합을 이용할 수 있을 것이다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 플라잉 광학헤드(106)는 하나 또는 그 이상의 렌즈(110)를 수용할 수 있으며, 플라잉 광학헤드(106)에 의해 수렴된 레이저빔(118)의 형태를 변화시킨다. 플라잉광학헤드(106)에 형성된 빔쉐이핑광학장치(110)가, 일반적으로 원형 형상을 갖는 레이저빔을 스코어드될 물질의 표면상의 연장된 타원형 빔으로 변경시키지만, 예를 들어, 유리굽힘, 유리 두께 변화, 또는 예컨데, 유리 성형 공정중의 유리의 임의적 이동과 같은 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동 등으로 인한 플라잉 광학헤드(106)의 빔 쉐이핑 광학장치(11)와 유리 사이의 거리 및 비거리에 상관없이 상기 연장된 레이저빔의 사이즈 및 형상을 거의 일정하게 유지시킨다.

도 3 및 도 4는 광학시스템의 실시예를 나타내며, 도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4에 나타난 광학시스템에 의해 생성될 수 있는 연장된 레이저빔을 도시한 것이다. 본 바람직한 실시예에서, 빔 쉐이핑 광학장치(110)는 플라잉 광학헤드(106) 내부에 두 개의 원통형 렌즈를 포함하며, 그러나 실시예의 변경으로 더 추가적으로 또는 더 적은 수의 렌즈를 사용할 수 있다. 본 실시예에서, 각 렌즈는 최종 생성된 길게 연장된 빔의 단지 하나의 장축(즉 길이,폭)의 사이즈에만 영향을 받는다. 다른 방법으로, 단지 하나의 렌즈가 사용될 수 있으며, 그것은 빔을 양방향(즉, 길이와 폭)으로 동시에 형성할 수 있고 광학헤드를 더욱 밀집(compact)시키기 위해 제공할 수 있다. 한편, 이중렌즈(two-lens) 또는 다중렌즈(multi-lens)디자인은 증가된 유연성을 제공하며, 그것은 빔의 길이 및 폭에 걸쳐 독립적인 제어를 가능하게 한다. 광학시스템을 위한 광학장치의 선택은 특정한 적용환경 및 필요조건에 의한다. 타원형빔의 장축, 그것은 레이저 스코어링 공정을 위해서 선택되는 것이 바람직하며, 빔 길이의 약 60mm 내지 300mm의 범위 및 빔 폭의 약 1mm 내지 3mm의 범위에서 일반적으로 변경될 수 있지만, 다른 빔 길이 및 폭은 여기에 설명된 실시예의 범위 내에서 고려될 수 있다. 빔 길이는 일반적으로 여기에 설명된 레이저시스템의 실시예에서 유리와 같은 물질을 스코어할 수 있는 스코어링 속도와 관련되어 있다. 전형적으로, 빔 길이가 더 작을수록, 스코어링 속도는 더 느려진다. 반대로, 빔 길이가 커질수록, 스코어링속도는 커지게 된다. 빔 폭은 일반적으로 스코어의 직진성과 관련되어 있다. 빔의 폭이 넓어질수록, 스코어라인(score line)의 직진성을 얻기가 더 어렵다.

도 3은 광학시스템(렌즈 f₃₁ 및 f_3w를 포함하는 플라잉 광학헤드(106)에 렌즈 f₁ 및 f₂를 포함하는 빔확대기(104))의 예를 나타낸다. 한 측면에서, 도 3의 광학시스템은 도 5 및 도 6에서 도시된 길이와 폭을 갖는 연장된 빔을 생성할 수 있다. 도 3에서, f₁ 및 f₂는 빔확대기(104)에 상응하는, 빔확대기 렌즈이며, 빔확대기(104)는 레이저로부터 레이저빔을 수렴하며; 레이저 f₃₁ 및 f_3w는 빔 쉐이핑 원통형 렌즈, 플라잉 광학헤드(106)내의 빔 쉐이핑 광학장치(110)에 상응하도록 형성되고, 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이 생성된 빔의 길이(l) 및 폭(w)을 결정한다. d₀는 빔확대기의 렌즈 f₁에 레이저로부터 나오는 빔웨이스트의 중심으로부터의 거리이고; d₁은 렌즈 f₁ 및 f₂ 사이의 조절거리이고; d₂는 비거리(108)에 상응하는 비거리이며; d₃₁ d_3w는 렌즈 f₃₁ 및 f_3w 에서 유리(208)까지의 유효거리이다. 렌즈 f₁ 및 f₂의 상대적 거리는 빔확대기(104)와 플라잉 광학헤드(106)사이의 비거리 d₂를 따라서 빔 웨이스트의 중심 위치를 제어하기 위해 조절될 수 있다. 도 4는 광학시스템의 다른 실시예를 나타내며, 여기서 렌즈 f_3w 및 f₃₁의 상대적 위치는 다양하게 생성되는 빔 폭에 따라 결과적으로 변한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 결과의 연장된 레이저빔의 길이(l)는 렌즈 f₃₁에 의해 실질적으로 결정되고, 폭(w)은 렌즈 f_3w에 의해 실질적으로 결정된다. 도 3 및 도 4는 물리광학적 빔 전달을 연구하기 위한 빔 경로를 나타낸 광학 개략도임을 주목해야 한다. 이러한 개략도는 유리(208)에 대한 비거리의 실제적인 방위(orientation)를 보여주는 것은 아니다.

이하에 나타낸, 표 1에는, 목표로 하는 빔 사이즈를 위한 광학 디자인 매개변수의 예가 제공된다. 표 1에서, f₃₁ 및 f_3w에 대한 세로행은 이러한 렌즈들의 초점거리를 제공한다. 또한, d₃₁ 및 d_3w에 대한 세로행은 렌즈 f₃₁ 과 f_3w 사이의 거리 및 유리의 최초위치 또는 공칭목표를 나타낸다. 빔 사이즈 및 길이와 폭의 비율의 특정 값을 선택하는 것은 공정의 필요조건에 의해 정해지며, 그 조건에는 스코어링 스피드, 절단모서리(cut edge)의 직진도, 유리 굽힘의 각폭, 유리두께의 변화, 또는, 예를 들어, 성형공정 중의 유리의 임의적 이동에 의한 유리의 공칭목표위치로부터 플라잉 광학헤드의 빔 쉐이핑 광학장치에 대한 유리의 이동, 비거리(또는 유리 사이즈), 수용가능한 잔여 응력 수준, 가능한 레이저파워, 레이저모드의 특성 및 방식이 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

빔폭	빔길이	f₃₁(mm)	f_3w(mm)	d₂(mm)	d₃₁(mm)	d_3w(mm)
1.0	100	-375	800	500~4500	1000	800
1.0	200	-158	800	500~4500	1000	800
1.5	100	-375	1200	500~4500	1000	1200
1.5	200	-158	1200	500~4500	1000	1200

실시예

본 발명의 원리를 추가하여 설명하기 위해, 다음의 상세한 설명은 여기에 주장된 시스템 및 방법이 어떻게 만들어지고 평가될 수 있는지의 완전한 개시 및 설명을 갖는 종래의 일반적인 기술을 제공하기 위하여 시작된다. 본 상세한 설명은 순전히 발명의 실시예를 나타내기 위한 것이고, 발명자의 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 수치(예를 들어, 양, 온도, 기타)에 대한 정확성을 보증하기 위해 노력하였지만, 그럼에도 불구하고 약간의 오류 및 편차가 발생될 수 있다.

상기에서 살펴보았듯이, 빔전달시스템의 고정부는, 하나의 실시예에서 레이저 및 빔확대기, 전체 비거리에 걸쳐 대체로 일정한 레이저빔의 특성을 유지 시킨다. 한 측면에서, 광학시스템은 TEM00 모드, 및 또한 D-모드라고 알려진 표준 가우스 레이저에 의해서 만들어질 수 있다. D-모드는 TEM01*(또는 "도넛(donut)"모드 및 TEM00모드(또는 "S-모드")의 60/40의 혼합이다. M² 인자는 빔 품질(quality)을 나타내기 위해 사용될 수 있고, 그리고 빔 사이즈는 1/e² 정의(definition)를 이용하여 결정될 수 있으며, 그 정의는 빔 세기가 ISO11146 기준에 따른 빔 세기의 최고값의 1/e²으로떨어졌을 때 위치로서 레이저빔의 경계(boundaries)가 정의된다. 완벽한 D모드는 인자 M²=1.67의 빔 품질을 가지며, 그러나 실질적인 M² 은 다양한 에너지 레벨에서 다양한 레이저에 대한 2.3 과 2.4 사이 어느 값을 갖는다. 그러므로, 1.7 내지 2.50의 평균 M² 값은 시스템 디자인을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 실제 레이저빔은 1/M의 인자에 의해 변경된 웨이스트 사이즈를 갖는 가우스빔에 의해 모사될 수 있다. 하나의 예로, 레이저의 출력커플러(output coupler)로부터 0.2m 지점에서의 웨이스트를 갖는, 모델링을 목적으로 한 전형적인 빔 웨이스트 직경은 약 12.7mmm이다.

빔확대기는 레이저 빔사이즈를 증가시키고 원하는 위치의 웨이스트 중심에 빔을 지향시킨다. 확대비율은 레이저 매개변수 및 원하는 비거리를 고려하여 결정된다. 광학시스템에 의해 유도된 소정 빔확대기의 편향은 빔 품질을 떨어뜨리고 빔을 더욱 발산하게 할 수 있기 때문에 빔확대기의 편향을 최소한으로 유지시키는 것이 바람직하다. 시뮬레이션은, 다른 렌즈가 발명의 범위 내에 있다고 하더라도, 무시할 정도의 편차를 가진 높은 F-넘버의 구형 ZnSe 렌즈가 형성된 빔확대기를 보여준다. 최소한의 비점수차(非點收差)를 갖는 오프축(off-axis) 구형 거울을 기초로 한 빔확대기는 또한 상업적으로 가능하다. 그러므로 굴절 및 반사 빔확대기 모두가 선택될 수 있고, 무시할 수 있는 정도의 편차를 가질 것이다. 빔확대기는 빔확대정도를 고정시키기 위해 제공되거나, 빔확대정도의 조절을 위해 제공될 수 있다.

많은 예에서, CO₂ 레이저빔과 같은, 레이저의 전달은 가우스빔의 전파와 유사하다. 만약 빔 웨이스트 사이즈가 w_R0 및 품질 인자가 M² 라면 빔사이즈 w_R(z)는 다음의 관계가 성립한다.

(1)

(2)

여기서, 2z₀는 레일리 거리이며, 여기서 z₀는 z축의 원점이고 빔 웨이스트에 일치하도록 정의되며, z는 빔 웨이스트로부터 빔축을 지나는 거리 및 λ는 파장을 나타낸다. 종래의 일반적인 기술로 알려져 있듯이, 다채널 광학시스템을 통한 레이저빔의 전달은 ABCD 행렬을 이용하여 실험할 수 있다. 실험된 결과는, ZEMAX의 물리적 광전파 실험과 비교하여 볼 때, 뛰어난 결과를 보여준다. 도 7은 만약 빔확대기에서 나오는 빔의 빔 웨이스트가 약 14mm라면, 빔 폭의 변화는 대략 6m의 비거리에 걸쳐서 아마도 약 6% 내지 13%인 것을 나타낸다. 도 8은 만약 빔 웨이스트가 빔확대기에 의해 약 20mm 까지 증가하게 된다면, 빔 폭의 변화는 대략 6m의 비거리에서 조차 약 3%보다 작도록 감소하게 된다. 빔확대기에서 나오는 빔의 직경이 증가하면 할수록, 더 긴 비거리에 걸쳐 빔 직경의 변화가 감소한다. 한 측면에서, a2×빔 비율이 선택될 수 있으며, 다른 비율의 빔확대기들이 사용될 수 있다고 하더라도, 그 선택된 빔 비율은 비거리의 레이저빔 사이즈의 2배가 된다.

빔확대기에 추가하여, 빔 전파시스템의 일 실시예는 몇몇의 라우팅 미러(routing mirror) 및/또는 확장된 빔을 플라잉 광학헤드로 지향시키도록 하기 위한 빔스위치를 포함할 수 있다. 빔튜브(beam tube)는 광경로를 고정하기 위해 사용될 수 있고, 광경로는 플렉시블 벨로우(flexible bellow)내에 포함될 수 있다. 일반적으로, 만약 빔튜브가 사용된다면, 빔튜브의 내측 직경은 적어도 확장된 빔의 두배는 되어야 한다. 빔튜브의 사용은 또한 반사미러(빔 벤더(beam bender))의 미러 사이즈의 선택에 영향을 미친다.

빔 쉐이핑 광학장치, 원통형 렌즈를 이용한 일실시예에서, f_3w 및 f₃₁은 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 직경 약 25mm의 사이즈의 원형빔으로부터 대략 60 ~ 200mm 길이 및 약 1 ~ 1.5mm 폭의 타원형빔으로 변형시킨다. 다른 실시예에서는, 원형빔은 대략 60mm 내지 30mm의 빔 길이 및 대략 1.0mm 내지 3.0mm의 빔 폭을 갖는 확장된 빔으로 변형될 수 있다.

도 3에서, 예를 들면, 대략 13mm 직경의 빔 웨이스트(202)를 갖는 레이저빔(200)이 빔확대기로 입사되며, 본 실시예에서 렌즈 f₁ 및 f₂를 포함하며, 여기서 레이저빔(200)은 대략 25mm 의 직경의 빔 웨이스트(204)를 갖는 레이저빔으로 확대된다. 확대된 빔의 직경은 확대된빔의 빔웨이스트(204)가 비거리 d₂의 중심 근처에 형성될 때 광학헤드의 비거리 d₂ 전체에 걸쳐 대체로 일정하게 유지된다. 확대된 레이저빔은 그 다음 플라잉 광학헤드로 입사되며, 여기서 빔 쉐이핑 광학장치는 유리(208)에 형성된 확대된 빔(206)을 형성하는 본 실시예의 렌즈 f₃₁ 및 f_3w를 포함한다. 본 실시예에서, f₃₁은 유리(208)에 형성되는 확대된 빔(206)의 길이를 확대하는데 사용되고, f_3w는 유리(208)에 형성되는 확대된 빔(206)의 폭을 확장하는데 사용된다. 도 3에 나타난 실시예에서와 같이, 렌즈 f₃₁ 부터 유리(208)의 표면까지의 공칭거리(nominal distance) d₃₁은 렌즈 f_3w 부터 유리(208)의 표면까지의 공칭거리 d_3w보다 크다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 빔쉐이핑광학장치의 배열은 결과적으로 유리(208) 표면에 대략 200×1.0mm² 확대된 빔(206)을 만든다. 유사하게, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 빔 쉐이핑 광학장치의 배열은 결과적으로 유리(208) 표면에 대략 200×1.5mm² 확대된 빔(210)을 만든다. 도 4의 도시된 실시예에서와 같이, 렌즈 f₃₁ 부터 유리(208)의 표면까지의 공칭거리 d₃₁은 렌즈 f_3w 부터 유리(208)의 표면까지의 공칭거리 d_3w보다 작다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같은 빔 쉐이핑 광학장치는 사실상의 하나의 예이고 다른 디자인들이 다양한 빔사이즈, 렌즈배열, 비거리, 및 유리에 형성되는 빔형상을 결과적으로 형성할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

플라잉 광학헤드에 입사하는 고도로 조준된 레이저빔의 경우, 주요변수는 국지적인 유리표면과 렌저 f₃₁ 및 f_3w 사이에서의 거리 d₃₁ 및 d_3w의 변화에 기인하며, 각각, 예를 들어, 유리 굽힘, 유리 두께의 변화 또는, 예를 들어, 유리성형중에 유리의 임의적인 이동과 같은 유리의 공칭목표위치(nominal target position)로부터의 광학장치에 대한 유리의 이동에 기인한다. d₃₁ 및 d_3w의 변화는 유리표면의 실질적인 빔의 길이 및 폭에 영향을 준다. 그 영향은 가우스빔 전파에 기초하여 평가될 수 있다.

일실시예에서, 확장된 빔은 오목 원통형 렌즈 및 거울을 사용하여 조준되어 발사됨으로써 발생된다. 발산각 θ는, 도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈 f₃₁ 에 대한 유리(208) 위치의 변화 Δ의 결과로서 빔 길이의 변화의 정도를 결정하며, 예를 들어, 유리 굽힘, 유리 두께의 변화 또는, 예를 들어, 유리성형중에 유리의 임의적인 이동과 같은 유리의 공칭목표위치로부터의 광학장치에 대한 유리의 이동과 같은 것에 기인한다. 도 5의 도시된 내용을 이용하는 실시예로써, 200mm 빔 길이를 발생시키기 위해,(l), ±25mm의 유리위치의 변화 Δ에 대해 ±2.5% 보다 작은 변화를 가지며, 산개(fan-out)각도가 6°보다 작아야 하고, 렌즈와 유리 사이의 떨어진 거리가 적어도 1미터이어야 하는 삼각법에 의해 도시될 수 있다. 빔 길이의 변화는 빔을 조준(collimating)함으로써 경감 또는 제거할 수 있다. 빔 길이를 더 줄이기 위해서는, 변화는 비례하여 경감해야 한다.

일실시예에서, 제2 원통형 렌즈 f_3w는 약 1 내지 3mm의 폭으로 빔의 다른 축으로 초점을 맞춘다. 도 6은 렌즈 f_3w에 대하여 유리(208)의 위치의 변화 Δ가 어떻게 빔의 폭을 변화시키는지 나타내고 있다. 광경로와 같이, 유리 위치의 변화 Δ에 덜 민감한 빔의 폭을 만들기 위해서, 유리는 레일리 범위 중심에 가깝게 위치하는 것이 바람직하다. 레일리 범위는, 빔 웨이스트의 영향을 받고, 렌즈 f_3w 에 대한 유리(208)의 위치의 최대 변화 Δ 보다 훨씬 크다.

도 9 및 도 10은, 한 예로써, 1mm 및 1.5mm의 빔 폭의 예에 대한 빔 웨이스트의 중심으로부터 유리표면의 편향의 함수로써 빔 폭 변화를 나타낸다. 도 9 및 도 10에서 알 수 있듯이 빔 폭의 변화는 빔 폭이 1mm 에서 1.5mm 까지 증가됨에 따라 감소한다. 레이저빔의 품질인자 M² 또한 두 경우 모두에 차이가 발생한다. 더 작은 빔폭의 변화의 결과 더 좋은 빔의 품질이 형성되고, 여기서, 유리형상에 대한 민감도가 더 낮은 시스템을 달성할 수 있다. 특히, 도 9는 1mm의 목표 빔 값을 나타내며, 빔 웨이스트의 중심으로부터 유리위치의 편향은 30% 폭 변화에 걸쳐 발생할 수 있으며, 반면에 도 10은 1.5mm의 목표 빔 폭을 나타내며, 변화는 7%로 감소 되었다. 레이저빔의 품질인자 M² 또한 두 경우 모두에 차이가 발생한다.

하나의 예로, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같은 광학시스템은 근축 가오스빔 전파에 의해 실험되고 평가된다. 시스템 평가에 대한 장점함수(merit function)는 목표로 하는 빔 사이즈에 근접함, 비거리 및 빔 쉐이핑 광학장치 f₃₁ 및 f_3w 에서부터 유리 표면까지의 거리 d₃₁ 및 d_3w의 변화에 걸쳐 최소의 빔 영역 변화, 예를 들면, 유리 굽힘, 또는 유리 두께의 변화, 또는 예를 들면, 성형공정 중의 유리의 임의적 이동과 같은 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동에 기초가 된다. 목표 빔 사이즈는 빔 쉐이핑 렌즈 f_3w 및 f₃₁의 초점길이를 결정하며, 반면에 d₃₁ 및 d_3w는, 최상의 빔 사이즈 일관성을 위해 선택된다. 목표 빔사이즈의 결과는 상기한 표 1과 같이 요약될 수 있으며, 빔 폭이 단지 f_3w에 의해 결정되고, 그리고 f₃₁에 의해 빔의 길이가 결정되기 때문에, 표 1은 나타낸 바와 같이 적어도 4가지 빔 사이즈 결합의 디자인을 포함한다.

도 11 내지 도 14는 렌즈 f_3w와 유리 사이의 거리 d_3w의 함수, 렌즈 f₃₁과 유리 사이의 거리 d₃₁의 함수, 여기서 거리 d_3w 및 d₃₁은 유리 굽힘(또는 유리 두께의 변화, 또는 유리의 공칭목표위치로부터 광학장치에 대한 유리의 이동, 예를 들면, 성형공정 중에 유리의 임의적 이동과 같은 것에 기인한다), 예를 들면, 그리고 비거리 d₂의 함수로써 유리표면의 빔 사이즈(폭 및 길이)를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 유리 위치의 변화는 1.5mm 보다 작은 폭에서 빔 사이즈의 변화에 가장 큰 기여자이다.

약 1.4mm의 빔 폭에 대해서 도 11 및 도 12에 도시된 결과는, 도 4에 도시된 것과 같은 광학시스템에 대한 것이고, 최초에 대략 1200mm로 설정된 d3w 및 최초에 대략 1000mm로 설정된 d31을 갖고, +/-20mm의 거리(d₃₁ 또는 d_3w중 어느 하나)의 변화에 대해 빔 사이즈 폭 변화는 +/- 5% 이내이고 빔 사이즈 길이 변화는 +/-2%보다 작다.

약 0.95mm 내지 약 1.0mm의 폭의 폭이 좁은 빔에 대해서도, 도 13 및 도 14는 도 3에 도시된 것과 같은 광학시스템을 나타내며, 최초에 대략 800mm로 설정된 d_3w 및 최초에 대략 1000mmm로 설정된 d₃₁을 갖고, ±10mm 이내의 거리(d_3w 또는 d₃₁중 어느 하나)의 변화에 대해 빔 사이즈 폭 변화는 +/-5%를 초과하지 않고 빔 사이즈 길이 변화는 +/- 2%를 초과하지 않는다.

이하의 표 2와 같이, 바람직한 실시예의 빔 폭 및 길이의 목표 값과 일치하기 위해 실제렌즈의 상세한 설명을 요약하였다. 표 2는 본 실시예에 대한 실제 평볼록(plano-convex(PO/CX))/평오목(plano-concave(PO/CC)) 원통형 렌즈 처방(prescriptions)(렌즈물질 ZnSe; 10.6㎛로 반사방지 코팅된)을 제공한다. 이러한 렌즈 처방들은 또한 다른 렌즈물질에 사용될 수 있고, 그리고 반사방지 코팅이 있거나 또는 없는 경우에도 사용될 수 있다. 평볼록 및 평오목렌즈 디자인의 곡률 반경들은 가장 효과적인 초점길이에 근거해서 계산된다. 이런 특별한 광학시스템 대해 음화원통형 렌즈(negative cylindrical lens) f₃₁의 첫 설치 위치는 목표 유리위치로부터 10mm의 거리 d₃₁에 맞춘다. 렌즈 f_3w에 대한 첫 설치위치는 초점길이의 함수이고, 그리고 거리 d_3w가 렌즈 f_3w의 초점거리와 대략 동일하도록 하기 위해 설치되며, 이것은 빔 폭에 플라잉 위치(flying position)의 영향을 최소화하는 것을 돕는다.

빔사이즈(mm)	렌즈타입	효과적인초점길이 (mm)	곡률반경(mm)	렌즈 사이즈
W=1	PO/CX	800	1122.5	2" × 4"
W=1.5	PO/CX	1200	1684	φ2"
L=100	PO/CC	-375	-526	2"
L=150	PO/CC	-220	-308	φ2"
L=200	PO/CC	-158	-222	φ2"
L=250	PO/CC	-124.5	-174.7	φ2"
L=300	PO/CC	-101.5	-142.4	φ2"

실시예의 적용

레이저 스코어링 시스템의 실시예는, 예를 들어, 도 15의 개략적으로 도시된 단면도와 같이 다운드로우(down-draw) 유리제조공정 또는 다운드로우 융합(fusion) 유리제조공정과 같은 유리제조공정에 결합될 수 있다. 도 15는 수직방향의 유리를 이용할 수 있는 것으로서 레이저 스코어링 시스템의 실시예를 도시하고 있다. 물론, 여기에 개시된 레이저 스코어링 시스템은 또한 수평방향, 또는 다른방향으로 향한 유리에 대해서도 이용될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 용융된 유리(702)가 아이소파이프(isopipe; 704)로 넘쳐 흐르며, 종래의 일반적인 기술로 알려져 있듯이, 그리고 아이소파이프(704) 아래에서 융합된다. 그 다음 고온의 유리가 형성되고 둘 또는 그 이상의 롤러(710)의 도움으로 아래쪽으로 이동하고, 계속해서 도 15가 도시된 페이지(page)에 대해 아래 방향(즉, 도 15에서 도시된 좌표시스템에 따른 "y방향")으로 움직인다. 도 15에서와 같이 도시된 레이저 스코어링 시스템은 공정을 거치는 유리를 스코어링 하기 위한 스코어링 장치(712)를 포함한다. 한 측면에서, 스코어링 장치(712)는, 실질적으로 상기에서 살펴본 바와 같이, 레이저, 빔확대기 및 플라잉 광학헤드를 포함할 수 있다. 빔확대기는 레이저로부터 레이저빔을 수용하고 대략 레이저 및 빔확대기에 대해 이동하는 플라잉 광학헤드에 의해 횡단한 비거리의 중심에 빔 웨이스트를 갖는 확대된 레이저빔으로 레이저빔을 확대시킨다. 도 15에 도시된 바와 같이, 플라잉 광학헤드는 +/- x축 방향(즉, 도 15의 평면 속으로 또는 바깥으로)으로 이동할 수 있다. 고온의 유리에서 유리 위치의 변화 Δ 는(유리 굽힘, 유리 두께의 변화, 또는 예를 들면, 성형공정 중의 유리의 임의적 이동과 같은 유리의 공칭목표위치로부터 플라잉 광학헤드의 광학장치에 대한 유리의 이동과 같은 것에 의한 변화) +/- z방향이며, 반면에 유리는 일반적으로 제조공정 중에 y방향으로 이동한다. 플라잉 광학헤드는 빔확대기로부터 확대된 레이저빔을 수용하도록 형성되고, 확대된 레이저빔을 연장된 레이저빔(714)으로 초점을 맞춘다. 한 측면에서 연장된 레이저빔(714)은 빔 웨이스트와 빔 웨이스트의 중심에 대해 +/-5mm보다 큰 확장된 초점심도를 갖는다. 연장된 레이저빔(714)은 적어도 유리의 일부가 확장된 초점심도 이내에 위치하기 위하여 배치된 유리를 스코어링 하기 위해 확장된 초점심도 전체에 걸쳐 충분한 에너지밀도를 갖는다. 도 15에서는 스코어링 이후에 유리의 열적 충격을 위한 장치가 도시되지 않았다. 일단 유리가 스코어되면, 분리 및/또는 제조공정으로부터 이송될 수 있다. 예를 들면, 유리 취급 시스템 또는 로봇은 유리의 분리 완성 및 제조영역으로부터의 이송에 사용될 수 있다.

결론적으로, 여기의 상세한 설명은 레이저 스코어링 시스템에 관한 것이며, 능동적인 보상없이, 그 시스템은 거의 일정한 사이즈의 레이저빔의 물질과, 상응하는, 거의 일정한 에너지밀도로 지향되는 것을 허용하며, 비거리를 따라 광학헤드 위치의 변화 및 광학헤드와 유리의 거리에 둔감하다. 플라잉 위치의 변화에 의해 유도되는 빔 사이즈의 변화는 4m까지의 비거리에 걸쳐 1%보다 작도록 최소화 될 수 있다. 동시에, 유리표면과 광학헤드 사이의 거리의 변화에 기인한 빔 사이즈의 변화는 +/-5mm 보다 큰 거리의 변화에 걸쳐서 까지 레이저 스코어링 공정을 거의 일정하게 유지하기 위하여 최소화 될 수 있다.

시스템이 바람직한 실시예 및 특정예와 연결되어 설명하고 있다고 할지라도, 그것은 설명된 특정 실시예로 제한되는 범위로 의도된 것은 아니며, 여기서 설명된 실시예는 발명을 제한하기 보다는 모든 측면에서의 실례가 되는 것을 의도한 것이다.

당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 범위 및 기술적 사상의 벗어남 없이 다양한 수정 및 변형이 가능함은 명백하다. 다른 실시예들은 명세서 및 여기에 개시된 원리의 실시의 고찰로부터 당업자에게는 자명하다. 명세서 및 실시예들은 오로지 예시로써 고려된 것이며, 진정한 발명의 범위 및 기술적 사상은 다음의 청구항을 통해 나타나도록 의도되었다.

102: 레이저 104: 빔확대기
106: 광학헤드 112: 반사미러
202, 204: 빔 웨이스트 702: 용융된 유리
704: 아이소파이프 710: 롤러
712: 스코어링 장치

Claims

레이저로부터의 출력을 수용하기 위한 수용부 및 상기 출력을 빔 웨이스트를 갖는 연장된 레이저빔으로 초점을 맞추기 위한 빔 쉐이핑 광학장치를 갖춘 광학헤드를 포함하며,
상기 빔 웨이스트는 중심(center)을 갖고, 상기 연장된 레이저빔은 빔 웨이스트의 중심에 대해 약 +/-5mm 보다 큰 확장된 초점심도를 갖고, 상기 연장된 레이저빔은 확장된 초점심도 내에 배치된 물질의 일부를 스코어링 하기에 충분한 확장된 초점심도 전체에 걸쳐 에너지밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 광학헤드에 결합되어 상기 광학헤드로 출력을 제공하는 레이저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 2에 있어서,
레이저와 광학헤드 사이에 배치된 빔확대기를 더 포함하고, 상기 빔확대기는 레이저로부터의 출력을 수용하고, 상기 레이저로부터의 출력을 확대된 레이저빔으로 확대시키며, 상기 확대된 레이저빔을 광학헤드로 전달하는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 빔확대기는 고정된 위치에 형성되고 상기 광학헤드는 빔확대기에 대해 이동하는 플라잉 광학장치인 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 플라잉 광학헤드는 약 .5m 내지 6m의 비거리를 갖고, 상기 확대된 레이저빔은 중심을 갖는 빔 웨이스트를 갖고, 상기 빔확대기는 비거리의 중심에서 상기 확대된 레이저빔의 웨이스트의 중심을 투사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 확장된 초점심도는 약 +/-20mm까지 형성되고, 상기 연장된 레이저빔은 빔 길이 및 빔 폭을 가지며, 상기 빔 폭은 +/-5%보다 작게 변화하고 상기 빔 길이는 확장된 초점심도의 범위에 걸쳐 +/-2% 보다 작게 변화하는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 연장된 레이저빔은 약 60mm 내지 300mm의 빔 길이 및 약 1mm 내지 3mm의 빔 폭을 더 포함하고, 상기 확장된 초점심도는 +/-10mm 와 같거나 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 확장된 초점심도 전체에 걸친 에너지밀도는 약 5%와 같거나 작게 변화하는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 연장된 레이저빔은 약 200mm의 길이 및 1.5mm의 폭을 더 포함하고, 상기 확장된 초점심도는 약 +/-25mm 인 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 연장된 레이저빔은 약 200mm의 길이 및 약 1.0mm의 폭을 더 포함하고, 상기 확장된 초점심도는 약 +/-20mm 인 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 빔 쉐이핑 광학장치는 하나 또는 그 이상의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 빔 쉐이핑 광학장치는 각 렌즈가 그 형성된 빔의 한 축을 독립적으로 형성하도록 구성 및 배열된 두 개의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
유리제조장치를 통해 유리를 제조하는 단계; 및
상기 유리의 스코어링에 의해 상기 유리로부터 평탄 유리시트를 분리하고 상기 평탄 유리시트를 분리하는 단계를 포함하고, 상기 스코어링은 제조된 유리의 스코어링을 위해 배치된 스코어링 장치에 의해 레이저빔을 발생시킴으로써 수행되며,
상기 스코어링 장치는:
레이저;
상기 레이저로부터 레이저빔을 수용하도록 배치되고, 그 레이저빔을 중심을 갖는 웨이스트를 구비한 확대된 레이저빔으로 확대시키는 빔확대기; 및
상기 확대된 레이저빔을 수용하도록 배치되고, 빔확대기에 대한 중심을 갖는 비거리에 걸쳐 이동될 수 있는 플라잉 광학헤드 를 포함하고,
상기 빔확대기는 확대된 레이저빔의 웨이스트의 중심이 대략 비거리의 중심에 있도록 확대된 레이저빔을 형성하며,
상기 플라잉 광학헤드는 확대된 레이저빔을 중심을 갖는 웨이스트를 갖는 연장된 레이저빔으로 변경하도록 구성되며, 상기 연장된 레이저빔은 연장된 레이저빔의 웨이스트의 중심에 대해 +/-5mm보다 큰 확장된 초점심도를 가지며, 상기 연장된 레이저빔은 유리를 스코어링 하기에 충분한 확장된 초점심도 전체에 걸친 에너지밀도를 갖고,
상기 유리 제조장치 및 스코어링 장치는 유리 제조장치에 의해 제조된 유리의 일부분이 상기 확장된 초점심도 내에 배치되도록 상호 상대적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 연장된 레이저빔은 레일리 범위(Raleigh range)를 갖고, 상기 유리는 레일리 범위보다 작은 플라잉 광학헤드로부터의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
청구항 14에 있어서,
상기 유리에서 플라잉 광학헤드까지의 거리는 유리 및 플라잉 광학헤드가 상호 상대적으로 이동됨에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 확장된 초점심도 전체에 걸친 에너지밀도는 약 5%와 같거나 작게 변하는 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 유리를 제조하기 위한 유리제조장치는 다운드로우 유리제조장치를 포함하고, 상기 스코어링 장치는 확대된 레이저빔을 유리표면에 초점을 맞추기 위해 배열되며 이때 유리의 온도는 약 25℃ 내지 약 600℃인 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 확장된 초점심도는 약 +/-20mm 까지 이고, 상기 연장된 레이저빔은 빔 길이 및 빔 폭을 가지며, 상기 빔 폭은 +/- 5%보다 작게 변화하고 빔 길이는 확장된 초점심도의 범위에 걸쳐 +/-2%보다 작게 변화하는 것을 특징으로 하는 평탄유리시트의 제조방법.
레이저;
상기 레이저에 대해 위치가 고정되고, 레이저로부터 레이저빔을 수용하고 상기 레이저빔을 중심을 갖는 웨이스트를 구비한 확대된 레이저빔으로 확대시키는 빔확대기; 및
확대된 레이저빔을 수용하고 확대된 레이저빔을 빔 웨이스트를 갖는 연장된 레이저빔으로 변화시키도록 위치된 플라잉 광학헤드를 포함하며,
상기 연장된 빔의 웨이스트는 중심을 갖고, 상기 연장된 레이저빔은 연장된 레이저빔의 웨이스트의 중심에 대해 확장된 초점심도를 가지며, 약 .5m 내지 6m의 비거리에 걸쳐 이동할 수 있고,
상기 확대된 레이저빔은 확대된 레이저빔의 웨이스트의 중심이 거의 비거리의 중심에 있도록 위치하고,
상기 연장된 레이저빔은 확장된 초점심도 내에 위치한 물질의 일부분을 스코어링하기에 충분한 확장된 초점심도 전체에 걸친 에너지밀도를 가지며,
상기 연장된 레이저빔은 약 60mm 내지 약 300mm의 길이를 가지며, 약 1mm 내지약 3mm의 폭을 갖고, 상기 확장된 초점심도는 약 +/-5mm 내지 약+/-50mm인 것을 특징으로 하는 레이저 스코어링 시스템.
청구항 19에 있어서,
상기 연장된 레이저빔은 약 10mm 내지 약 200mm의 길이를 갖고 약 1mm 내지 약 1.5mm의 빔 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 스코어링 시스템.