KR20120018798A - 취성 재료의 시트 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

대략 1 mm 이하의 두께를 갖는 취성 재료의 시트를 분리하는 방법이 개시되어 있다. 일단 초기 결함이나 또는 크랙이 발생하면, 풀 바디 크랙이 서브-시트를 만들기 위해 시트의 표면 근방에서 실질적으로 흡수된 레이저 빔으로써 취성 재료의 치수부를 교차하여 전파될 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 시트의 표면상에서 레이저 빔의 단일의 패스만이 시트를 분리하는데 필요하다. 여러 실시예에 있어서 복수의 패스가 사용될 수 있다. 서브-시트가 얇은 필름 재료를 서브-부분 상에 증착함으로써 전자 장치로 더욱 처리될 수 있다.

Description

취성 재료의 시트 분리 방법{Method for Separating a Sheet of Brittle Material}
본 발명은 취성 재료의 시트 분리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 취성 재료의 얇은 시트의 풀 바디(full body) 절단에 관한 것이다.
종래의 레이저-절단 유리는 전형적으로 400 MPa 이상의 큰 중간 강도를 갖는다. 비교하자면, 기계적으로 절단된 엣지의 중간 강도는 대략적으로 100 MPa이하이다. 그러나, 레이저 절단 샘플에 대한 와이불(Weibull) 모듈(m), 즉 "형상 인자"는 적다. 종래의 레이저 스코어링과, 이어서 시트를 분리하기 위한 스코어 및 굽힘 방법으로 준비된 샘플용 전형적인 형상 인자는 대략적으로 3이며, 대략 100 MPa의 최소 엣지 강도를 갖는다. 형상 인자가 적다는 것은 엣지 강도의 분포가 균등하게 광범위하게 퍼져 있다는 것을 의미한다.
이는 최소 엣지 강도가 신뢰도에 중요하므로 문제가 된다.
일 실시예에 있어서, 취성 재료의 얇은 시트의 분리 방법이 개시되어 있으며, 상기 방법은 제 1 표면, 반대쪽 제 2 표면 및 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에서 대략 1mm 이하의 두께를 갖는 취성 재료의 시트에서 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면을 교차하는 풀 바디 크랙(full body crack)을 성형하는 단계, 상기 풀 바디 크랙을 레이저 빔으로 조사하는 단계, 상기 풀 바디 크랙을 상기 소정의 경로에 따라 전파하고 취성 재료의 상기 시트를 취성 재료의 2개 이상의 서브-시트로 분리하기 위하여, 상기 레이저 빔을 소정의 경로에 따라 상기 제 1 표면상에 횡단하는 단계를 포함하고, 상기 풀 바디 크랙이 취성 재료의 시트의 가압된 유체 냉각 없이 전파된다. 레이저 빔은 바람직하게 대략 9 ㎛와 11 ㎛ 사이의 파장을 가지며, 예를 들면, 10.6 ㎛의 공칭 파장에서의 CO2 레이저이다. 여러 실시예에 있어서 취성 재료와 접촉하는 주위 분위기의 열 전도도는 대략 0.024 W/m/K 이상이다. 예를 들면, 주위 분위기가 고 농도의 고 열 전도도 가스를 포함할 수 있다.
빔이 제 1 표면과 교차하고 소정의 경로와 평행한 빔 풋프린트(footprint)의 길이는 바람직하게 (ρcpd2)/4k로 곱해진 취성 재료의 상기 제 1 표면상에서 빔의 횡단 속도보다 더 크며, 여기서 ρ는 유리 플레이트의 밀도이고, cp는 상기 유리 플레이트의 비열이고, k는 상기 유리 플레이트의 열 전도도이며, d는 상기 유리 플레이트의 두께이다.
여러 실시예에 있어서, 외부 인장력이 레이저 빔의 횡단 동안에 소정의 경로에 수직으로 적용될 수 있다. 예를 들면, 얇은 유리 시트와 같은 취성 재료가 수개의 스풀(spool)에 감기고, 인장력을 가하기 위해 스풀 사이의 취성 재료의 길이의 증가(또는 스풀 사이의 거리 증가보다 작은 스풀 사이의 취성 재료의 길이의 증가)없이 증가된 스풀 사이의 거리가 증가될 수 있다. 그러나, 2개의 스풀은 사용될 필요가 없으며 단지 설명을 위한 것이다.
여러 실시예에 있어서, 레이저 빔을 횡단시키는 단계는 빔 풋프린트를 단일의 패스로 소정의 경로에 따라 패스하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 취성 재료의 표면상에서의 레이저 빔의 횡단은 소정의 경로 상의 복수의 반복적인 패스를 포함한다. 이러한 경우에 있어서, 취성 재료의 시트를 서브-시트로 분리하는 풀 바디 크랙은 복수의 패스가 행해진 이후에만 소정의 경로를 따라서 전파된다. 복수의 패스의 사용은 일반적으로 직사각형 형상(예를 들면, 코너가 라운드 처리된 직사각형)과 같은 폐쇄 형상으로 효과적으로 분리되게 한다.
일단 취성 재료의 시트가 서브-시트로 분리되면, 하나 이상의 서브-시트가 2개 이상의 서브-시트 중 하나 이상의 시트 상에서 유전체나 또는 반도체 재료를 증착시킴으로써 더욱 처리될 수 있다. 예를 들면, 서브-시트 중 하나의 시트가 공지된 증착 기술(예를 들면 증발, 스퍼터링, 등)에 의해 상기 시트 상에 증착된 하나 이상의 얇은 필름 트랜지스터를 구비할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 유리 시트를 분리하는 방법이 기재되어 있으며, 상기 방법은 대략 1 mm 이하의 두께를 갖는 유리 시트의 표면에 초기 결함을 성형하는 단계, 9 ㎛와 11 ㎛ 사이의 파장으로 이루어진 레이저 빔으로 초기 결함을 조사하는 단계, 강제 유체 냉각 없이 상기 소정의 경로를 가열하기 위해 시작점과 정지점 사이에서 복수의 사이클로 소정의 경로에 따라 상기 유리 시트가 표면상에서 상기 레이저 빔을 횡단하는 단계를 포함하고 풀 바디 크랙이 복수의 사이클 이후에만 소정의 경로를 따라서 전파되고, 유리 시트가 2개 이상의 서브-시트로 분리된다. 여러 실시예에 있어서, 레이저 빔이 사이클 사이에서 소멸된다. 바람직하게, 레이저 빔이 유리 시트의 표면에서 촛점이 맞춰지지 않게 된다. 소정의 경로가 곡선으로 이루어지고 여러 실시예에 있어서 소정의 경로가 폐쇄 경로이다. 일단 유리의 시트가 서브-시트로 분리되면, 유전체 또는 반도체 재료가 2개 이상의 서브-시트 중 하나 이상에 증착될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예시적으로, 아래 기재된 설명으로부터 보다 명확하게 본 발명의 목적, 특징, 상세한 사항 및 장점이 보다 용이하게 파악될 수 있다. 이러한 모든 부가적인 시스템, 방법, 특징 및 장점은 본 발명의 범주 내에 속하고 첨부된 청구범위로 보호되는 본 발명의 상세한 설명 내에 포함되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 분리된 취성 재료의 시트의 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 바와 같이 분리될 수 있는 얇은 필름 층으로 이루어진 유리 시트의 엣지의 도면이다.
도 2a - 도 2c는 레이저에 의한 가열 전파의 결과로서, 유리 시트에서의 스트레스의 성장과, 레이저 분리되는 것을 나타낸 유리 시트의 단면도이다.
도 3은 3개의 유사한 샘플(기계적으로 분리된 샘플, 레이저 가열된 경로의 강제 유체 냉각으로 레이저 분리된 샘플, 및 상기 레이저 가열된 경로의 강제 유체 냉각 없이 레이저 분리된 샘플)에 대한 파괴 강도의 와이불 분포의 그래프이다.
도 4는 스풀 사이에서 운반된 유리의 시트가 본 발명의 실시예에 따라 분리되는, 유리의 매우 얇은 시트에 대한 스풀-대-스풀 운반 시스템의 사시도이다.
도 5a - 도 5c는 형상을 만들기 위해, 풀 바디 크랙이 경로에 따라 나타나 전파될 때까지 소정의 경로에 따른 레이저 빔의 급속한 스캐닝에 의해 초기 (모) 시트로부터 형상부가 절단되는 유리 시트의 평면도이다.
도 6은 일례의 하향 유리 시트 성형 공정에 의해 만들어진 얇은 유리 리본의 엣지부가 본 발명의 일 실시예에 따라 제거되는, 상기 일례의 하향 유리 시트 성형 공정의 부분 사시단면도이다.
도 7은 레이저 분리에 의해 제거된 벌브형(bulbous) 엣지부를 도시한 도 6의 리본의 단면도이다.
도 8은 서브-시트가 상기 시트에 증착된 얇은 필름 재료의 하나 이상의 층을 포함하는, 유리와 같은, 취성 재료의 모 시트로부터 절결된 서브-시트의 평면도이다.
아래 기재된 상세한 설명에 있어서, 단지 예시적으로 설명을 하기 위한 것으로서, 여러 실시예가 본 발명의 이해를 돕기 위해 설명되어 있다. 그러나, 본 발명이 본 명세서에서 상세하게 기재된 바와 같은 여러 실시예로 실시될 수 있다는 것을, 본 명세서의 장점을 파악하고 있는 당업자라면 알 수 있을 것이다. 더욱이, 잘 알려진 장치, 방법 및 재료의 기재가 본 발명의 기재를 보다 명확하게 나타내기 위해 생락되어 있다. 결론적으로, 가능하다면 동일한 부재번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지시하도록 사용되었다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 풀 바디 절단은 재료가 별도의 부분으로 분열되도록, 재료의 두께부를 통해 그리고 재료의 치수부를 가로질러 뻗어있는 취성 재료의 시트(예를 들면, 얇은 유리 시트)에 크랙을 형성하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 강제 유체 냉각은 기판을 냉각하기 위하여 노즐을 통과하는 물이나 공기처럼 한정된 유동의 유체를 기판상에 나아가게 하여 취성 재료를 냉각하는 것을 의미한다. 예를 들면, 가압된 물이나 또는 공기의 제트가 가열된 유리를 냉각(quench)하기 위해 레이저 빔 뒤 유리 플레이트의 형성 구역에 나아갈 수 있다. 강제 유체 냉각은 주위 분위기와 접촉하는 기판의 주위 냉각 또는 일반적인 냉각과 구별된다.
본 명세서에 기재된 방법이 유리, 유리 세라믹, 세라믹 또는 여러 유사 재료(예를 들면 반도체 웨이퍼)와 같은 다양한 얇은 취성 재료에 적용가능하지만, 하나의 현저한 사용은 디스플레이 분야에 사용된 유리 기판의 절단이다. 이러한 카테고리는 텔레비젼 디스플레이, 컴퓨터 디스플레이, 휴대폰 디스플레이 등을 포함하지만 이들로 한정되지 않는다. 결론적으로, 아래 기재된 사항은 유리의 얇은 시트와 관련된 것이며, 기재된 방법이 여러 재료에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
유리 시트의 레이저 절단에 대한 종래의 공정에 있어서, 스코어는 소정의 절단 경로를 따라 유리 시트에 먼저 형성되어 상기 유리 시트를 가로질러, 그러나 시트의 두께를 통과하지 않게 뻗어있는 유리에 초기 결함을 발생시킨다. 스코어는 경질의 스크라이브(scribe)나 또는 휠과 같은 기계적인 도구를 사용하여 만들어질 수 있다. 굽힘 모우멘트가 이후 유리에 가해져 스코어를 따라 인장 스트레스를 야기시켜서 상기 유리 시트의 두께를 통해 전파하는 크랙("통기(vent) 크랙" 또는 "통기")을 발생시킨다. 선택적인 접근법으로서, 스코어가 레이저 빔에 의해 만들어질 수 있다. 다시 말하자면, 굽힘 모우멘트가 시트를 분리하는데 사용된다. 다른 한 접근법으로서, 레이저 빔이 (시트의 엣지에서의 흠과 같은) 초기 결함부를 횡단하고 크랙을 상기 결함부와 이후 절단 경로에 따른 유리 시트의 표면에 유도하여 상기 크랙을 유리의 몸체를 통해 그리고 시트의 치수부를 가로질러 전파시킨다. 횡단 레이저 빔에 전형적으로 물과 같은 얇은 제트의 냉각 유체가 가깝게 뒤따라, 가열된 유리를 냉각하고 스트레스를 증가시켜서, 상기 유리의 몸체를 통하는 크랙을 나아가게 해 시트를 수개의 개별 판유리로 분리시킨다.
레이저를 사용해 절단된 유리 기판의 엣지 강도가 광범위하게 변하며, 때때로 "형상 인자"라 할 수 있는 와이불 모듈(m)이 이에 따라 변한다. 균열 분석은 종래의 방법에 따라 분리된 저 강도 유리 기판 샘플의 절결 엣지에서의 구불구불한 금(twist hackle)의 존재(dominating presence)를 나타낸다. 구불구불한 금은 크랙이 재료를 통해 전파되는 시간 동안에 비틀림 스트레스(트위스팅)가 재료에 가해질 때 발생한다. 유리를 레이저로 분리하는 동안에, 구불구불한 금은 유리의 불균일한 레이저 가열이 발생할 때 절견된 엣지의 표면에 발생될 수 있다. 구불구불한 금은 유리 기판의 두께를 통하는 온도의 균형을 맞춰 제거될 수 있으며, 이는 절결된 시트의 중간 강도뿐만 아니라 최소 엣지 강도 및 형상 인자의 상당한 증가를 초래할 수 있다.
디스플레이 분야에 사용하기에 적합한 실리카-기지의 유리 기판이 대략 9 ㎛ 내지 대략 11 ㎛의 파장 범위의 광을 현저하게(strongly) 흡수하고, 유리 기판에서의 이러한 광의 투과 깊이는 단지 대략 수개의 파장(예를 들면 20 - 30 미크론 이하)으로 통상적으로 한정된다. 그러나, 상이한 유리가 상이한 파장에서 현저하게 흡수할 수 있고, 이러한 현저한 흡수에 필요한 파장 범위가 이러한 범위를 벗어나 변경될 수 있다는 것을 알 수 있다. CO2 레이저가 9 - 11 ㎛ 범위에서 10.6 um 파장으로 광을 잘 방사한다. 따라서, CO2레이저에 의해 방사된 빔이 실리카-기지의 유리에 의해 강하게 흡수되고, 표면 히터로 여겨질 수 있다. CO2 레이저와 같은, 강하게 흡수된 레이저 빔으로 조사된 대부분의 유리 기판 내의 가열이 표면으로부터의 열 전도를 통해서만 얻어질 수 있다. 1차원 열 전도 모델에 있어서, 시트 두께를 통해 평형을 맞추기 위한 온도에 필요한 시간, τ깊이가 아래 기재된 바와 같은 방정식을 사용해 추정된다:
Figure pct00001
1)
이 방정식에서 ρ은 유리 밀도이고, cp는 유리의 비열이고, k는 유리의 열 전도도이고, 그리고 d는 유리 두께이다.
상기 방정식 1)로부터 명확한 바와 같이, τ깊이가 유리 두께의 자승으로 증가한다. 일례로서, 두께가 0.63 mm인 유리 기판에 대해, τ깊이가 대략 0.2 초이다. 두께가 0.2 mm인 동일한 유리에 대해, τ깊이가 대략적으로 10배의 시간 감소, 0.02초로 감소된다. 따라서, 유리 시트가 얇게 됨에 따라, 고 스트레스가 보다 짧은 시간 동안에, 냉각 유체를 사용하지 않고도 시트에서 달성될 수 있다. 주어진 표면 영역에 대한 시트 몸체에서의 유리의 저 볼륨은 두꺼운 시트보다 얇은 시트에서 보다 큰 열 손실을 초래한다.
현재, LCD TV 기판, 휴대폰 디스플레이 기판, 및 여러 소형 장치에 대한 전형적인 유리 두께가 대략 1 mm, 보다 전형적으로 대략 0.7 mm 이하이다. 그러나, 0.5 mm 이하의 얇은 유리 기판이 산업 트렌드이다. 유리 기판의 두께(d)가 감소됨에 따라, 유리 두께 상에서의 온도의 균형을 맞추는데(equlibrate) 필요한 시간이 상당히 감소된다.
강하게 흡수된 레이저 빔으로부터의 대부분이 에너지가 대부분의 규산염 유리의 표면에서 흡수되기 때문에, 빔의 파워가 너무 크거나 또는 표면에서의 빔의 잔류 시간의 너무 길다면 표면층이 유리 재료의 연화점이나 스트레인점으로 용이하게 가열될 수 있다. 유리의 분리가 유리에서의 고 스트레스의 발생에 따르기 때문에, 연화점 이상의 유리 기판의 가열은 유리에서의 스트레스를 경감시켜 실질적으로 절단 속도를 감소시킬 수 있다. 과열을 방지하기 위하여, 레이저 빔은 재료의 두께를 통해 열 전도를 평형 맞추는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 빔은 원통형 렌즈(광축이 교차된 포지티브-네가티브 원통형 렌즈나 또는 포지티브-포지티브 원통형 렌즈의 조합)를 사용하거나, 또는, 원형 이외의 형상의 빔을 수정할 필요없이 연장된 길이의 기판에 효과적으로 조사할 수 있는 미러를 회전시키거나 또는 광학 스캐너를 사용하는 스캐닝 기술을 사용해, 세장형 형태로 형성될 수 있다.
도 1은 강제 유체 냉각 없이 레이저(14)로 만들어진 세장형 레이저 빔(12)을 사용해 유리 시트(10)의 레이저 절단을 개략적으로 도시한 도면이다. 유리 시트는 제 1 표면(9) 및 제 2 표면(13)을 포함한다. 빔은 "풋프린트(footprint, 16)"를 유리 시트(10)의 제 1 표면(9) 상에 조사하며, 상기 제 1 표면은 절단 방향(18)을 향한 장축과, 상기 장축에 수직한 단축을 가지며, 상기 풋프린트의 경계가 형성되며 여기서 빔의 강도가 1/e2 피크 강도의 값으로 감소된다. 풋프린트(16)의 장축과 단축의 길이는 각각 b이고 a이다. 유리 시트 상에서의 빔의 풋프린트의 길이(b)는 τ깊이로 곱해진 빔의 횡단 속도(v)(빔이 영향을 미치는 영역이나 "풋프린트"의 속도)보다 더 크다. 레이저 절단 경로는 점선(20)으로 도시되어 있고, 빔이 좌측으로 이동하도록 도시되어 있다.
도 2a - 도 2c는 레이저 절단 경로에 따른 유리의 작은 스트립의 스트레스 프로파일을 나타낸 도면이고, 그 폭은 (예를 들면 타원형) 빔 단축의 길이(a)의 대략 두 배이다. 레이저가 유리 상을 통과함에 의한 상이한 시간의 유리 두께를 통하는 스트레스 프로파일이 도시되어 있다. 도 2a는 레이저 빔(12)이 조사된 표면을 가열하고 상기 표면 상을 횡단하는 순간에 유리에 나타난 스트레스 장을 도시한 도면이다. 상기 도면은 압축 스트레스(안쪽을 향하는 화살표로 표시됨)가 조사된 유리 표면에 가깝게 발달하고 인장 스트레스가 표면(바깥쪽을 향하는 화살표로 표시됨 - 화살표를 교차하는 선의 길이는 스트레스의 상대적인 크기를 나타냄) 더욱 아래에서 발달한다는 것을 나타낸 도면이다. 유리가 국부적으로 가열됨에 따라 팽창하지만, 상기 유리를 둘러싸고 있는 더욱 차가운 유리에 의해 억제된다는 것을 고려한다면 상기 구성은 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 압축 스트레스가 가열된 부분 내에서 발달된다. 유리 표면의 절단선에 따른 레이저의 횡단 시간은 b/v으로 결정되며, 이 경우 전과 같이, v는 유리 기판에 대한 레이저 빔의 횡단 속도이다.
이어 다음번 순간에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 조사된 표면으로부터의 가열이 유리의 두께를 통해 전도되고, 스트레스 프로파일이 유리의 외측 표면(조사된 표면과 반대쪽 표면)에서 압축성이고 유리 시트의 중앙부에서는 인장성이다.
결론적으로, 도 2c는 레이저 빔이 유리 스트립으로부터 멀리 이동한 직후의 유리의 동일한 구역을 도시한 도면이다. 유리 표면에서의 열 손실 때문에, 스트레스 프로파일이 유리의 외측 표면에서 인장 되고, 유리의 중앙 구역 내에서 압축된다. 가열된 구역과 유리 기판의 나머지 부분 사이의 온도차가 충분하면 도 2c의 스트레스 프로파일이 크랙 전파 및 시트 분리에 영향을 미친다.
도 1a를 살펴보면, 레이저 빔이 소정의 경로(20)를 따라서 횡단함에 따라, 풀 바디 크랙(17)은 시트(10)가 서브-시트(10a 및 10b)로 분리될 때까지 상기 시트(10)를 따라서 전파한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 시트(10)는 금속 산화 층(예를 들면, ITO(indium tin oxide))과 같은 얇은 필름 층(11)을 선택적으로 포함하며, 취성 재료의 시트를 서브-시트로 분리하는 풀 바디 크랙은 또한 얇은 필름 층을 분리한다. 이러한 필름 층(11)은 다수의 층으로 이루어질 수 있다. 하나 이상의 얇은 필름 층은 예를 들면, 얇은 필름 트랜지스터와 같은 얇은 필름 장치를 포함할 수 있다. 선택적으로, 얇은 필름 층은 배리어(barrier) 층이나 또는 패시베이션(passivation) 층일 수 있다.
유리의 두꺼운 절단 시트(즉, 대략 1 mm 이상)가 유리를 분열시키는 충분한 스트레스를 유리에서 발생시키기 위한 유리의 급속한 냉각(quenching)을 필요로 한다는 것은 상기 기재로부터 명확하다. 그러나, 유리의 두께(d)가 충분히 얇을 때, 즉 대략 1 mm 이하일 때, 풀 바디 분열(시트의 총 두께를 통과하는 분열)은 레이저 빔이 시트를 횡단함으로서 상기 레이저 빔에 의해 표시된 경로에 따른 강제 냉각 없이 달성될 수 있다.
원통형 드럼에 말린 얇은 유리 기판이 또한 본 명세서에 개시된 방법에 따라 절단될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 유리가 제 1 드럼 또는 스풀(22)로부터 제 2 스풀(24)까지 감긴다. 약간의 장력(화살표 26)이 분리 공정 동안에 절단선(소정의 경로)(20)에 수직한 얇은 유리 시트에 외측으로 가해진다. 즉, 장력이 유리를 가열 및/또는 냉각함으로써 형성된 장력과 구별된다. 예를 들면, 장력이 스풀(22, 24)에 떨어져 이동시킴으로써 적용될 수 있다. 가해진 장력이 (즉 레이저에 의한 가열로부터 초래된) 열적으로 발달된 스트레스와 구별된다. 레이저 절단은 초기 결함을 형성하기 위해 비-접촉 레이저 스코어링에 의해 소정의 길이로 실행되며, 이어서 유리 시트를 가로질러 풀 바디 크랙을 전파시키는 강제 냉각 없이 CO2 레이저 절단이 행해진다. 가해진 장력은 이중 목적으로 사용된다. 먼저, 가해진 장력은 레이저 절단 속도의 증가를 용이하게 한다. 크랙 전파가 항상 가해진 인장 스트레스에 수직하기 때문에, 가해진 장력은 또한 풀 바디 크랙 전파를 필요한 절단 방향으로 유지시키는데 사용될 수 있다.
상기 실시예에 있어서, 효율적인 레이저 가열을 위해 유리 온도를 스트레인 점 이하로 유지하면서, 고정 광학장치에 의해 발생된 세장형 레이저 빔이 사용된다. 또한 유리 기판의 온도를 스트레인 점 이하로 유지하면서 가열하기 위하여 광학 스캐너를 사용하고 광학 미러를 회전시킬 수 있다. 이는 절단 경로에 따른 길이부 상에서 빔을 급속하게 스캐닝하는 단계를 포함한다. 광학 스캐너-기반의 가열 기술은 아래 상세히 기재된 바와 같은 임의의 필요한 형상/곡선에 따른 절단을 가능하게 한다.
강제 냉각 없이, 유리 기판의 엣지로부터의 레이저 절단이 상기 기재되어 있다. 또한 오프-엣지(off-edge)를 개시하는, 유리 기판 절단 기술을 사용할 수 있다. 물은 매우 효율적인 냉각 매체이기 때문에, 강제 유체 냉각 없이 레이저 절단에 의해 발생된 스트레스가 강제 냉각으로 얻어질 수 있는 것보다 더 적다고 알려졌다. 오프-엣지 절단은 절단 개시시에 물 제트를 포함할 수 있다. 일단 크랙이 전파되면, 물 제트가 정지되고 또 다른 절단이 CO2 레이저 발생된 스트레스에 의해서만 달성된다.
절단 속도로의 다른 한 향상이 절단 경로를 따라 보다 고온으로 유리 기판을 예비-가열함으로써 달성될 수 있다. 유리 기판을 예비-가열하는 것은 풀 바디 크랙을 전파하면서 절단 레이저에 의해 공급될 필요가 있는 가열량을 감소시킨다. 예를 들면, 유리 시트가 레이저(절단 레이저 또는 어느 한 레이저 중 하나)에 의해 또는 화염에 의해 소정의 절단 경로를 따라 국부적으로 예열될 수 있다.
상기 기재한 사항은 실질적으로 직선의 절단선에 따른 유리 시트의 분리에 관한 것이지만, 본 발명의 실시예가 또한 만곡된 또는 폐쇄 경로를 따른 얇은 유리 시트의 분리에 적용가능하다는 것을 또한 알 수 있을 것이다.
도 5a - 도 5c는 검류계-기반의 스캐너를 사용한 유리 기판의 레이저 형상 절단을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따라, 촛점이 맞춰지지 않은 레이저 빔이 형상부의 주변부를 추적하는 소정의 경로(20)를 따라서 급속하게 스캔된다(화살표로 지시된 바와 같이). 도 5a - 도 5c는 단지 예시적인, 일반적으로 직사각형 부분(예를 들면 코너가 라운드 처리됨)을 대충 절단된 모(parent) 유리 기판(10)으로부터 절단하는 3개의 접근법을 나타낸 도면이다. 여러 형상이나 또는 만곡된 경로가 또한 가능하다. 도 5a에 있어서, 유리 기판(10)의 엣지 상에서의 초기 손상이 기계적으로 발생되거나, 또는, 여러 실시예에 있어서, 촛점이 맞춰진 CO2 레이저 빔과 같은 촛점이 맞춰진 레이저 빔으로 제거된다. 빔은 전형적으로 유리 기판으로부터 짧은 거리 떨어진 개시 위치(28)에 초기에 위치되고, 이후 엣지 손상부 위를 그리고 소정의 빔 경로(20)에 따라 급속하게 스캔된다. 제 4 코너(단부 위치(30))를 라운드처리한 이후에, 레이저가 꺼지고(소멸되고) 스캐너가 개시 위치(28)로 재-위치되며, 빔이 되돌아와 사이클이 동일한 경로를 따라서 반복된다. 반복적인 스캔이 행해지는 동안에 그리고 복수의 스캔 이후에, 풀 바디 크랙이 초기 결함 기판 엣지에서 발생된다. 빠르게 나아가는 크랙 전방부가 풀 바디 크랙의 사전에 형성된 부분과 만날 때까지 레이저 빔 경로를 따라서 전파되고, 상기 크랙 전방부가 멈추게 된다. 이에 따라 형상 절단부가 얻어지고, 모 시트(10)를 2개의 서브-시트로 분리시킨다(10a 및 10b).
도 5b는 스캐닝 방법의 다른 일 실시예를 도시한 도면이며, 여기서 스캔이 도 5a에 도시된 바와 같이 코너 위치가 아닌 직사각형 부분의 한 면으로부터 개시된다. 상기 기재된 바를 제외하고는, 도 5a와 관련하여 기재된 바와 같이 처리된다.
도 5c는 유리 기판을 가열하는 폐-루프 스캔을 포함한 어느 한 실시예를 도시한 도면이다. 시작 위치 및 정지 위치는 스캔 경로 상에 함께 위치된다. 폐 루프 스캔 방법의 장점은 스캔이 연속하고: 레이저는 스캔이 진행되는 동안 유지되고, 초기 기계적 손상이 스캐닝 빔의 경로에 위치된다는 점이다. 손상이 엣지 이외 구역(off-edge)에 위치되기 때문에, 더 많은 장력이 초기 풀 바디 크랙을 발생시키는데 요구된다. 초기 풀 바디 크랙을 손상 위치에 발생시키는데 필요한 장력은 손상 위치에서 강제 냉각에 의해 유도되고, 이후 소정의 경로 주위의 크랙 전파 및 스캐닝 처리가 강제 냉각 없이도 행해진다.
본 명세서에 개시된 실시예에 따른 레이저 풀 바디 절단 기술의 잠재적인 사용 중 하나의 사용은 하향 인발 공정에서 성형된 유리 엣지 비드의 제거이다. 하향 인발 공정에 있어서, 유리 리본이 용융된 유리를 성형 몸체로 이동시킴으로써 성형되고, 용융된 유리가 성형 몸체로부터 내려간다. 용융된 유리의 하강이 중력과 별도로 가해진 인장력의 조합 또는 중력에 의한 것이다. 하향 인발 공정은 잘 알려진 슬롯 인발 공정을 포함하며, 이 공정에서 용융된 유리가 중공의 성형 몸체의 하부에서 성형된 슬롯으로부터 내려가고, 용융 성형이 처리되며, 이 경우 용융된 유리 성형 몸체의 면 상을 유동하고, 합쳐져 상기 성형 몸체의 하부로부터 내려한다.
도 6에 도시된 유리 시트를 성형하기 위한 전형적인 용융 하향 공정에 있어서, 용융된 유리(32)가 도관이나 또는 성형 몸체(34)로 유동되며, 상기 성형 몸체는 상기 성형 몸체의 상부에서 트로프(36)를 구비한다. 트로프가 개방되어, 용융된 유리가 상기 트로프의 벽부를 오버플로하고 별도의 스트림으로 성형 몸체의 외측면 상을 유동한다. 성형 몸체가 분리 스트림이 유동하는 외측 성형 표면(38, 40)을 포함한다. 성형 표면(38, 40)은 성형 몸체의 루트(42)나 또는 하부에서 만나, 재결합(용융)하여 유리(44)의 연속의 얇은 리본을 성형한다. 여러 외력 중에서, 리본이 루트 바로 아래에서 점성 상태인 경우 표면 장력에 의해 상기 리본이 내측으로 당겨져, 리본의 폭을 감소시키거나 줄이며, 또한 엣지(46)를 벌브형(bulbous) 형상(유리 리본의 단면도를 나타낸 도 7 참조)으로 두껍게 한다. 리본이 내려감에 따라, 상기 리본이 점탄성 상태로 변하여, 결론적으로 탄성 상태가 된다. 두꺼워진 엣지, 또는 비드가 리본으로부터 절단된 유리의 최종 마감된 시트의 두께 변화를 야기시키기 때문에, 비드가 시트로부터 제거된다. 리본이 루트로부터 롤러(48)를 당김으로써 당겨짐에 따라 하향 공정 동안에 비드가 상기 리본으로부터 제거되면 공정의 효율성이 달성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저(14)에 의해 방사된 레이저 빔(12)이 탄성 상태로 냉각되는 벌브형 엣지부 내측 리본(44) 위치를 향하여, 엣지부가 상기 실시예에 따른 리본의 나머지부로부터 분리된다. 그러나, 리본의 온도는 실내 온도(섭씨 수백도)보다 상당히 더 높다. 리본으로부터 충분한 열 손실을 얻기 위하여, 주위 분위기의 열 전도가 주위 분위기(50)의 열 전도도를 향상시킴으로써 향상될 수 있다. 예를 들면, 분위기의 헬륨의 퍼센티지가 향상될 수 있다. 헬륨은 0.142 W/m/K의 열 전도도를 가지며, 이 전도도는 대략 0.024 W/m/K인 공기의 열 전도도 보다 상당히 더 크다. 따라서, 여러 실시예에 있어서, 주위 분위기가 대략 0.024 W/m/K 이상이고 바람직하게는 대략 0.1 W/m/K 이상인 유리와 접촉한다. 실제로, 분위기는 예를 들면, 하나 이상의 여러 고 열 전도도 가스와 같은 100% 헬륨이, 단독으로 또는 조합하여 이루어지도록 증가되어, 리본의 표면으로부터 열을 제거하고 유리를 절단하는데 필요한 장력을 만든다.
실시예 1
일 실시예에 있어서, 12 와트(W) CO2 레이저가 사용되어 강제 냉각 없이 190㎛의 두꺼운 규산염 유리 기판을 분리시킨다. 작은 결함이 절단 레이저를 사용하여 유리의 엣지에서 먼저 개시되어, 2" 촛점 길이 평철(plano-convex) 구형 렌즈로 빔을 수정한다. 일단 초기 결함이 발생되면, 평철 및 평요(plano-concave) 원통형 렌즈가 빔 경로로 삽입되어 세장형 레이저 빔을 형성하고, 최종 세장형 빔 풋프린트와 기판 사이의 상대 이동이 45 mm/s의 최종 절단 속도로 증가된다. 분리 이후에 기판에 남아있는 잔여 스트레스가 절단 속도에서는 무시가능하다.
실시예 2
CO2 레이저는 강제 냉각 없이 0.63mm의 두께의 코닝의 EAGLE XG™ 유리 시트를 분리하는데 사용된다. 초기 결함이 6.5 와트에서 작동하는 CO2 레이저와 2" 촛점 길이 평철 구형 렌즈를 갖는 시트의 엣지에서 발생된다. 일단 초기 결함이 형성되면, 평요 및 평철 원통형 렌즈가 동일한 레이저를 사용해 세장형 빔을 형성하도록 사용된다. 빔이 9 mm의 풋프린트 길이(장축)와 0.6 mm의 풋프린트 폭(단축)으로 가늘고 길게 된다. 9 mm/s의 최종 절단 속도가 달성되고 기판이 세장형 빔 풋프린트의 단일의 패스로 성공적으로 분열된다.
실시예 3
통상적인 기계적으로 절결된 유리(스코어 및 굽힘 기술)의 엣지 강도를 본 발명의 일 실시예를 사용해 절단된 유리와 비교하면, 5 mm x 70 mm 유리 스트립의 3개의 뱃치는 두께가 0.63 mm인 모 시트로부터 준비된다. 모 시트의 열 팽창 계수(CTE)는 대략 32x10-7/℃이다. 샘플의 하나의 뱃치가 종래의 기계적 스코어링과 굽힘으로 준비되고, 하나의 뱃치가 강제 냉각으로(절단 레이저 빔의 세장형 풋프린트를 따른 물 제트에 의해) 준비되고 최종 뱃치가 강제 냉각 없이 레이저 절단에 의해 준비된다. 강제 냉각 없이 샘플을 만들기 위하여, 초기 결함이 6.5 와트에서 작동하는 CO2 레이저와 2" 촛점 길이의 평철 구형 렌즈를 사용해 모(parent) 유리에서 발생된다. 일단 초기 결함이 성형된다면, 평요 및 볼록 원통형 렌즈가 빔이 가늘고 길게 되도록 사용된다. 세장형 빔이 이후 소정의 절단 경로를 따라 모 유리 시트의 표면과 초기 결함 상에서 횡단된다. 이러한 구성이 비-강제 냉각 샘플에 대해 반복된다. 3개의 샘플 세트 중 각각의 샘플의 엣지 강도는 각각의 샘플을 4-점 굽힘 테스트를 실시함으로써 테스트 되었다. 이 결과는 고장 가능성 분포(와이불) 대 가해진 스트레스(MPa)의 분포로 나타나며 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 강도와 관련하여 냉각 물 제트로 절단된 샘플(뱃치 2 - 중앙 부분에서 삼각형으로 표시됨), 냉각 물 제트없이 절단된 샘플(뱃치 1 - 우측 부분에서 원으로 표시됨) 및 우수한 기계적 절단 샘플(뱃치 3 - 좌측 부분에서 정사각형으로 표시됨)을 도시한 그래프이다. 그러나, 레이저는 대략 380 MPa의 평균 강도를 나타낸 강제 냉각을 사용하지 않고도 샘플을 절단하는 한편, 레이저는 대략 240 MPa의 평균 강도를 나타내는 강제 냉각으로 샘플을 절단한다.
실시예 4
크기가 1" x 0.5"이고 두께가 0.7 mm인 소다-석회 유리 기판을 분리하는데 사용되는 CO2 레이저는 강제 냉각 없는 레이저 절단이다. 소다 석회 유리는 대략 80x10-7/℃의 열 팽창 계수(CTE)를 갖는다.
초기 결함은 6.5 와트 및 2" 촛점 길이 평철 및 평요 렌즈에서 작동하는 CO2 레이저로 생성된다. 초기 결함이 형성된 이후에, 평요 원통형 렌즈가 레이저 빔을 가늘고 길게 하도록 사용되고, 상기 빔이 소정의 절단 경로를 따라서 유리 기판의 표면과 초기 결함을 따라 횡단하여 풀 바디 크랙을 상기 절단 경로를 따라 전파시킨다. 25 mm/s의 최종 절단 속도가 달성되고 샘플이 성공적으로 분리된다.
실시예 5
이러한 실시예에 있어서, 도 5a의 실시예에 나타난 바와 같은 스캐닝 방법이 형상 절단 공정에 사용된다. 75 um의 코닝사의 코드 0211 유리가 모 기판으로 사용된다. 모 유리 기판은 대략적으로 120 x 150 mm의 치수를 갖는다. 레이저 빔이 CO2 레이저로부터 방출되고 단면 직경은 대략 2 mm이다. 레이저 파워가 대략 80 와트이고, 스캐닝 속도가 대략 1500 mm/s이다.
절단된 형상은 코너 반경이 5 mm이며, 대략 100 x 120 mm의 치수를 갖는다. 크랙 전파는 레이저 빔으로 스캐닝이 개시된 이후에 1초 이하로 관찰된다. 스캐닝 처리는 크랙 전파가 일단 관찰되면 정지된다.
일단 풀 바디 크랙이 소정의 경로를 따라서 전파되면, 시트(10)가 서브-시트(10a 및 10b)로 분리된다. 예를 들면, 하나의 서브-부품이 상기 기재된 바와 같은 그리고 도 8에 도시된 바와 같은 형상일 수 있다. 유전체 또는 반도체 재료와 같은 하나 이상의 층의 재료(52)가 이후 통상적인 증착 공정(예를 들면 증발, 동시-증발(co-evaporation), 스퍼터링, 등)에 따른 (일반적으로 직사각형 서브-부품과 같은) 서브-시트 중 하나의 시트에 증착될 수 있다. 재료의 층이 예를 들면, ITO나 또는 얇은 필름 트랜지스터와 같은 얇은 필름으로 이루어질 수 있고, 서브-부품이 디스플레이 장치와 같은 전자 장치에 사용될 수 있다.
선택적으로, 얇은 필름(또는 얇은 필름 장치)이 2개의 서브-시트로 분리되기 전에 유리 시트에 증착되고, 분리에 의해 서브-시트로 이루어진 얇은 필름(또는 얇은 필름 장치)이 모 시트의 나머지 부분과 분리된다.
유리 시트의 분리가 기재되어 있지만, 본 발명의 실시예는 세라믹, 유리 세라믹 또는 반도체 재료와 같은 여러 취성 재료를 분리하는데 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 기재한 실시예, 특히 임의의 "바람직한" 실시예는 단지 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해 설명된 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 상기 기재한 실시예에 대한 많은 변경 및 수정이 본 발명의 범주 내에서 실질적으로 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 모든 변경 및 수정이 본 명세서 및 본 발명의 범주 내에 포함되며 아래 청구범위로 보호받는다.

Claims (20)

  1. 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법으로서,
    제 1 표면(9), 반대쪽 제 2 표면(13) 및 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이의 대략 1 mm 이하의 두께로 이루어진 취성 재료(10)의 시트에, 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면을 교차시키는 풀 바디 크랙을 성형하는 단계;
    레이저 빔(12)으로 상기 풀 바디 크랙을 조사하는 단계; 및
    상기 풀 바디 크랙을 상기 소정의 경로에 따라 전파하고 상기 취성 재료의 상기 시트를 상기 취성 재료의 2개 이상의 서브-시트(10a, 10b)로 분리하기 위해, 소정의 경로(20)를 따라서 제 1 표면(9) 상에서 상기 레이저 빔을 횡단하는 단계;를 포함하고,
    상기 풀 바디 크랙은 상기 취성 재료의 상기 시트의 가압된 유체 냉각 없이 전파되는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔(12)은 대략 9 ㎛와 11 ㎛ 사이의 파장을 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 취성 재료의 상기 시트와 접촉하는 주위 분위기의 열 전도도는 대략 0.024 W/m/K 이상인 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 경로(20)와 평행한 상기 제 1 표면(9)에서의 빔의 길이는 (ρcpd2)/4k로 곱해진 횡단 속도보다 더 크며, 여기서 ρ은 상기 취성 재료의 상기 시트의 밀도이고, cp는 취성 재료의 상기 시트의 비열이고, k는 상기 취성 재료의 상기 시트의 열 전도도이고, 그리고 d는 상기 취성 재료의 상기 시트의 두께인 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    횡단 시 소정의 경로(20)에 수직하여 외부 인장력을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취성 재료(10)의 상기 시트는 유리 시트인 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 횡단하는 단계는 상기 소정의 경로(20)에 따른 단일의 패스를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 횡단하는 단계는 상기 소정의 경로(20) 상에서 복수의 패스를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취성 재료(10)의 상기 시트의 적어도 일부는 스풀(22)에 배치되는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 풀 바디 크랙은 복수의 패스 이후에만 소정의 경로(20)를 따라서 전파되는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취성 재료(10)의 상기 시트는 상기 시트에 증착된 얇은 필름(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 얇은 필름(11)은 ITO(indium tin oxide)로 이루어진 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  13. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취성 재료의 상기 2개 이상의 서브-시트(10a, 10b) 중 하나 이상의 서브-시트에 유전체나 또는 반도체 재료를 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 재료(10)의 얇은 시트를 분리하는 방법.
  14. 유리 시트(10) 분리 방법으로서,
    두께가 대략 1 mm 이하인 유리 시트(10)의 표면(9)에 초기 결함을 성형하는 단계;
    9 ㎛와 11 ㎛ 사이의 파장으로 이루어진 레이저 빔(12)으로써 상기 초기 결함을 조사하는 단계; 및
    강제 유체 냉각 없이 소정의 경로를 가열하기 위하여, 시작점(28)과 정지점(30) 사이에서 복수의 사이클로 소정의 경로(20)를 따라 상기 유리 시트의 상기 표면상에 상기 레이저 빔을 횡단하는 단계를 포함하고,
    풀 바디 크랙(17)은 복수의 사이클 이후에만 상기 소정의 경로를 따라 전파되고, 상기 유리 시트는 2개 이상의 서브-시트(10a, 10b)로 분리되는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 레이저 빔(12)은 사이클 사이에 소멸되는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  16. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    상기 레이저 빔(12)은 상기 유리 시트의 상기 표면(9)에 촛점이 맞춰지지 않는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  17. 청구항 14 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 경로(20)는 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  18. 청구항 14 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 경로(20)는 폐쇄 경로인 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  19. 청구항 14 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 서브-시트 중 하나 이상의 서브-시트에 반도체 재료나 유전체를 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
  20. 청구항 14 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 시트는 상기 유리 시트를 2개 이상의 서브-시트(10a, 10b)로 분리하기 전에 상기 유리 시트에 증착된 얇은 필름 층(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 시트(10) 분리 방법.
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