KR20120030458A - 고온에서의 유리의 레이저 스코어링 - Google Patents

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Abstract

개별적인 유리 시트들(45, 112) 및 유리 리본들(27)의 고온에서의 레이저 스코어링이 개시되어 있다. 균일한 벤트는 하한(11)이 초기 흠(111)의 전파를 유지하여 벤트를 형성하는데 요구되는 응력에 의해 정의되며, 상한(13)이 유리의 스트레인점 이하인 범위의 온도까지 레이저 빔에 의해 유리 표면을 가열함으로써, 의도된 스코어선(31, 115)을 따라 생성될 수 있다. 특정 실시예에서, 유리 온도 기울기에 역으로 변하는 스코어선(31, 115)을 따라 레이저(37)가 레이저 전력 프로파일을 생성하게 하는 제어기(35)에 의해 제공되는 유연한 레이저 전력 제어의 사용을 통해 유리의 배경 온도와 상관없이 레이저 빔(113) 하에서의 유리 온도는 이들 한도 내에 있다. 유리 온도 기울기는 검출기(33), 예를 들어 적외선 카메라를 사용하여 실시간으로 검출될 수 있다. 이 방법으로 레이저 빔 전력을 제어함으로써, 중요한 유리 온도 변화를 보이는 개별적인 유리 시트들(45, 112) 및 유리 리본들(27)을 스코어링하는 동안, 공정 마진이 상당히 증가할 수 있다.

Description

고온에서의 유리의 레이저 스코어링{LASER SCORING OF GLASS AT ELEVATED TEMPERATURES}
본 특허출원은 미국 특허법 35 USC 119(e)에 따라 출원일이 2009년 5월 27일이고, 출원번호가 61/181,473인 미국 가출원에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 유리 시트 및 리본의 레이저 스코어링에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 스코어선(score line)의 전부 또는 일부가 고온, 즉 상온 이상의 유리를 지나는 레이저 스코어링에 관한 것이다.
정의
표현을 용이하게 하기 위해, 특별히 표시된 경우를 제외하고, 다음의 상세한 설명 및 청구항에서, “유리 시트”라는 구문은 개별적인 유리 시트 및 유리 리본 모두를 지칭하는데 일반적으로 이용된다.
종래에는 유리의 스코어링이 기계적인 도구를 이용하여 달성되었다. 그러나, 레이저 방사, 예를 들어, 10.6 μm의 파장의 CO2 레이저 방사를 이용하여 유리를 가열하고 온도 기울기(temperature gradient)를 통해 인장하중(tensile stress)을 생성하는 대안이 존재한다. 유리 스코어링을 위한 레이저의 사용은 공통으로 할당되어 있는 발명의 명칭이 “취성 재료(brittle material)를 파괴하기 위한 방법 및 장치”이고 특허번호가 5,776,220인 미국 특허와 발명의 명칭이 “레이저 스코어링시 메디안 크랙(median crack)의 깊이 제어 방법”이고 특허번호가 6,327,875인 미국 특허에서 설명되어 있으며, 이들의 내용은 여기에 참조로서 전체적으로 통합되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 레이저 스코어링을 하는 동안, 메디안 크랙(또한, 부분적인 벤트(partial vent) 또는 간단히 벤트라고 공지되어 있음)이 스코어선(115)을 따라 유리 시트(112)의 주표면(114)에 생성된다. 벤트를 생성하기 위해, 작은 초기 흠(small initial flaw; 111)이 유리 표면의 어느 하나의 에지 부근에 형성되며, 그 다음 유리 표면 상의 빔(113)으로 형성되는 레이저 광(121)을 전파시킴으로써 벤트로 변환되며, 뒤이어 냉각 노즐(119)에 의해 냉각 영역이 생성된다. 레이저 빔으로 유리를 가열한 다음, 냉각제로 즉시 담금질하는 것은 열 기울기 및 이에 대응하는 응력장(stress field)을 생성하는데, 이는 초기 흠을 전파시켜 벤트를 형성하게 한다.
레이저 빔(113)과 냉각 영역(담금질 부위) 사이의 관계는 도 10에 더 상세히 도시되어 있으며, 여기서 유리 표면에서의 상대적인 냉각 영역 및 빔의 전파 방향은 도면 번호 17로서 도시되어 있다. 이 도면에서, 유리 표면 상의 레이저 빔의 길이는 “b”이고, 냉각 영역의 선단 에지 및 레이저 빔의 후단 에지 사이에 분리 거리는 “L”이다.
레이저 스코어링과 관련된 도전 과제들 중에는 유리 시트의 잔류 응력(residual stress)의 문제가 있다. 이러한 잔류 응력은 특히 디스플레이 디바이스에서 기판으로 사용되는 유리 시트들에서 더 치명적인 문제이다. TFT-LCD 패널 및 유기 발광 다이오드(OLED) 패널과 같은 여러 디스플레이 디바이스는 유리 기판 상에서 직접 제조된다. 생산율을 증가시키고 비용을 절감시키기 위해, 통상적인 패널 제조 공정은 기판의 서브-조간 또는 단일 기반 상에 다수의 패널을 동시에 생성한다. 이러한 공정들에서의 다양한 시점에서, 기판은 절단선들을 통해 여러 부분들로 기계적으로 분할된다.
이러한 기계적인 분할은 유리 내의 응력 분포, 특히 유리가 진공 평판인 경우에 보이는 평면-내 응력 분포를 변경시킨다. 더 구체적으로, 분할은 시트 내의 잔류 응력을 절단선에서 해소하게 하는데, 그 이유는 절단된 에지가 트랙션(traction)이 없는 상태가 되기 때문이다. 이러한 응력의 해소는 일반적으로 유리의 서브-조각들의 진공 평판 형상의 변화를 초래하는데, 디스플레이 제조업자들은 이러한 현상을 “왜곡(distortion)"이라고 지칭한다.
응력 해소의 결과로서 형상의 변화량이 통상적으로 상당히 작음에도, 최근 디스플레이에 사용되는 픽셀 구조의 측면에서, 대형 시트를 개별적인 패널들로 기계적으로 분할함으로 인해 발생하는 왜곡은 상상한 개수의 결함 있는(불량) 디스플레이를 초래하기에 충분히 클 수 있다. 따라서, 왜곡 문제는 디스플레이 제조업자에게 상당한 관심사이며, 허용 가능한 왜곡에 관한 사양은 2 마이크론 이하일 수 있다.
이러한 기계적 분할이 수행될 때 생성되는 왜곡의 양은 시트 내의 잔류 응력에 따라 다르며, 이 때 잔류 응력의 레벨이 작으면 왜곡도 조금 생성하게 된다. 레이저 스코어링이 유리를 가열하여 응력장을 생성하기 때문에, 충분한 열을 인가하여 충분한 응력을 생성하고, 이로써 재현 가능한 벤트를 획득하는 것과 가열보다는 스코어링된 유리 시트 내의 잔류 응력을 상당히 증가시키는 것 사이의 내재적인 상충관계가 존재한다.
왜곡 문제뿐 아니라, 레이저-스코어링된 유리 시트가 2개의 서브-조각들로 분할되는 경우 생성되는 에지들의 품질 측면에서 잔류 응력 또한 중요하다. 높은 레벨의 잔류 응력은 상대적으로 낮은 강도 및 나쁜 품질을 갖는 에지들, 예를 들어, 스플린터(splinter) 및 미세 크랙(crack)들과 관련되어 있다. 또한, 유리의 에지 주변의 높은 잔류 응력이 에지 품질의 점차적인 악화, 즉 치핑(chipping) 또는 박리(delamination)의 원인이 될 수도 있다고 알려져 있는데, 이는 스코어링하고 잠시 후에 나타나거나, 외부 충격에 의해 유발될 수도 있다.
유리의 레이저 스코어링이 실질적인 연구 및 개발의 노력들의 대상이었음에도 불구하고, 지금까지, 이러한 노력들은 시트들이 상온에 있는 경우 개별적인 유리 시트들을 스코어링하는 것으로 제한되어 있었다. 또한, 시트 내의 온도 분포는 균일하다. 따라서, 종래 기술은 고온 및 비-균일 온도 분포를 갖는 유리 시트들이 레이저를 이용하여 성공적으로 스코어링될 수 있는지에 관해 언급이 없었다. 실제로, 스코어링이 고온에서 수행되는 경우 레이저 빔 전력을 증가시켜야 하는지, 감소시켜야 하는지, 아니면 그대로 남겨두어야 하는지 여부에 관한 기본적인 질문에 대서 아무런 답변이 없었다.
이러한 정성적 질문 외에, 스코어링된 유리 시트가 고온인 경우, 상온 레이저 스코어링에 대해 행해져야 하는 변형 예들에 관한 정량적인 정보도 존재하지 않는다. 고온에서의 레이저 스코어링이 분리된 개별적인 시트들의 에지(비드(bead))들을 다듬고/거나 유리 리본으로부터 개별적인 유리 시트들을 분리시키는 것과 같은 분야에서 중요하기 때문에, 정량적 정보의 부족은 디스플레이 분야에서 기판으로서 사용되는 유리 시트와 같이, 유리 시트 제조에서 레이저 스코어링의 사용을 제한하였다.
본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점에 대해 다루고 있으며, 무엇보다도, 스코어링 속도, 스코어링 설비(예를 들어, 레이저 파장, 레이저 빔 사이즈, 레이저 빔 형상, 냉각 영역 사이즈, 냉각 영역 형상, 냉각 영역 온도, 레이저 빔-대-냉각 영역 공간배치 등), 유리 특성(예를 들어, 두께, CTE, 영률(Young's modulus), 화학적 조성 등), 및 유리 온도 및 온도 분포(예를 들어, 균일성, 선형성, 비-선형성, 및 이들의 조합)의 임의의 특정 조합에 관한 레이저 빔 전력 레벨들을 선택하기 위해 쉽게 사용할 수 있는 정량적인 기법을 제공한다.
본 발명은 레이저 빔을 사용하여 고온에서 스코어선(score line)을 따라 유리 시트를 스코어링하기 위한 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
레이저 빔(113)을 사용하여 스코어선(31, 115)을 따라 유리 시트(27, 45, 112)를 스코어링을 하는 방법으로서 상기 스코어선(31, 115)의 적어도 일부에 대해 상기 레이저 빔(113)을 적용하기 전의 상기 유리가 상온보다 높은 방법이 개시되어 있으며, 상기 방법은:
(a) 상기 스코어선(31, 115)을 따라 레이저 빔(113)을 이동시키는 단계(translating); 및
(b) 상기 레이저 빔(113)과 직렬로 상기 스코어선(31, 115) 상으로 냉각 영역(15)을 이동시키는 단계를 포함하며,
상기 레이저 빔(113)에 의한 가열은 상기 유리 시트(27, 45, 112)에서 벤트의 형성에 기여하고, 상기 레이저 빔(113)의 전력은:
(i) 상기 레이저 빔(113) 하의 유리 표면(114)의 온도가 상기 유리의 스트레인점 이하이고; 그리고
(ii) 상기 레이저 빔의 전력은 다음의 관계식: 0.85(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.10(α - βTprior(x))을 만족시키도록 선택되는데, x는 상기 스코어선(31, 115)에 따른 거리를 나타내고, P(x)는 상기 스코어선(31, 115)에 따른 상기 레이저 빔의 전력이고, Tprior(x)는 상기 레이저 빔(113)을 적용하기 전에 상기 스코어선(31, 115)에 따라 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 온도이고, x의 적어도 하나의 값을 위해 Tprior(x) > 25℃이고(예를 들어, 적어도 하나의 x 값에 관해 Tprior(x) ≥ 60℃이고), 그리고 α 및 β는 양의 상수이다.
스코어선(31, 115)을 따라 유리 시트(27, 45, 112)를 스코어링하는 장치로서, 상기 장치는:
(a) 레이저 빔(113)을 생성하는 레이저(37);
(b) 적어도 하나의 위치에서 상기 유리 시트(27, 45, 112)의 표면(114)의 온도를 검출하는 검출기(33); 및
(c) 상기 레이저(37) 및 상기 검출기(33)에 동작상 연결된(39, 41) 제어기(35)를 포함하며,
상기 제어기(35)는 상기 적어도 하나의 위치에서 상기 검출기(33)에 의해 검출된 상기 유리 시트(27, 45, 112)의 표면(114)의 온도에 기초하여 상기 레이저 빔(113)의 전력 P를 조정하는 장치가 개시되어 있다.
스코어선(31, 115)을 따라 유리 시트(27, 45, 112)를 스코어링하는 장치로서, 상기 장치는:
(a) 레이저 빔(113)을 생성하는 레이저(37); 및
(b) 상기 레이저(37)에 동작상 연결된(41) 제어기(35)를 포함하는데,
(i) 상기 제어기(35)는 상기 스코어선(31, 115)을 복수의 세그먼트들로 분할하고, (ii) 상기 제어기(35)는 상기 레이저 빔(113)의 목표 (특정) 전력이 상기 세그먼트들 각각에 관해 고정되도록 상기 목표 전력을 조정하는 장치가 개시되어 있다.
본 개시물의 다양한 양태들의 이상의 요약들에 사용된 도면 기호들은 단지 읽는 사람의 편의를 위한 것으로서 발명의 범위를 제한하는 것을 의도하고 그러한 것으로 해석되어서는 안 된다. 보다 일반적으로, 이전의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단순히 본 발명의 예시로서 본 발명의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요 또는 구조를 제공하려는 것이다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명에서 개시될 것이며, 여기에 설명된 바와 같이 본 발명을 실시함으로써, 부분적으로, 그 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백하거나 인식될 것이다. 첨부 도면들은 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 포함되어 있으며, 본 명세서의 일부에 통합되어 있거나 이를 구성한다. 본 명세서 및 도면에 개시된 발명의 다양한 특징들은 어느 하나 및 모든 조합에 사용될 수 있다고 이해되어야 한다.
비-제한적인 예를 통해, 실시예들의 다양한 특징들은 다음의 양태들에 개시된 바와 같이 결합될 수도 있다.
제1 양태에 따르면, 레이저 빔을 사용하여 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링을 하는 방법으로서, 상기 스코어선의 적어도 일부의 경우, 상기 레이저 빔을 적용하기 전에 상기 유리는 상온보다 높으며, 상기 방법은:
(a) 상기 스코어선을 따라 레이저 빔을 이동시키는 단계(translating); 및
(b) 상기 레이저 빔과 직렬로 상기 스코어선 상으로 냉각 영역을 이동시키는 단계를 포함하며,
상기 레이저 빔에 의한 가열은 상기 유리 시트에서 벤트의 형성에 기여하고, 상기 레이저 빔의 전력은:
(i) 상기 레이저 빔 하의 유리 표면의 온도가 상기 유리의 스트레인점 이하이고;
(ii) 상기 레이저 빔의 전력은 다음의 관계식: 0.85(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.10(α - βTprior(x))을 만족시키도록 선택되는데, x는 상기 스코어선에 따른 거리를 나타내고, P(x)는 상기 스코어선에 따른 상기 레이저 빔의 전력이고, Tprior(x)는 상기 레이저 빔을 적용하기 전에 상기 스코어선에 따라 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 온도이고, 적어도 하나의 x 값에 관해, Tprior(x) > 25℃이고, 그리고 α 및 β는 양의 상수인 방법이 제공된다.
제2 양태에 따르면, 상기 레이저 빔의 전력은 다음의 관계식: 0.90(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.05(α - βTprior(x))을 만족시키는 제1 양태의 방법이 제공된다.
제3 양태에 따르면, α 및 β는 복수의 유리 온도에서 반복 가능한 스코어링을 생성하는 최소 레이저 전력을 측정하고, 상기 측정된 레이저 전력을 선형 함수에 일치시킴으로써 결정되는 제1 양태의 방법이 제공된다.
제4 양태에 따르면, 상기 복수의 유리 온도는 상온 및 상온 이상의 적어도 2개의 온도를 포함하는 제3 양태의 방법이 제공된다.
제5 양태에 따르면, Tprior(x)는 상수인 제1 양태의 방법이 제공된다.
제6 양태에 따르면, Tprior(x)는 x의 선형 함수인 제1 양태의 방법이 제공된다.
제7 양태에 따르면, Tprior(x)는 x의 비선형 함수인 제1 양태의 방법이 제공된다.
제8 양태에 따르면,
(i) Tprior(x)는 고정되어 있지 않고,
(ii) 상기 레이저 빔 하의 상기 유리 표면의 온도는 실질적으로 고정되어 있는 제1 양태의 방법이 제공된다.
제9 양태에 따르면, Tprior(x)는 모든 x에 대해 다음의 관계식: Tstrain - Tprior(x) ≥ 100℃을 만족시키며, 상기 Tstrain는 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 스트레인점인 제1 양태의 방법이 제공된다.
제10 양태에 있어서, 상기 레이저 빔 하의 유리 표면의 온도 Tbeam(x)는 모든 x에 대해 다음의 관계식: Tbeam(x) - Tprior(x) ≥ 80℃을 만족시키며, 상기 Tbeam(x)는 섭씨도로 나타낸 제1 양태의 방법이 제공된다.
제11 양태에 따르면,
(i) 상기 스코어선은 복수의 세그먼트들로 분할되고;
(ii) 평균 온도 값은 상기 세그먼트 각각에 할당되어 있으며, 그리고
(iii) 상기 P(x)는 상기 세그먼트 각각에 고정되는 것을 목표로 하는 제1 양태의 방법이 제공된다.
제12 양태에 따르면,
(i) Tprior(x)는 적어도 하나의 x 값에 관해 시간에 따라 감시되고; 그리고
(ii) x의 적어도 하나의 값에 관해 P(x)의 값은 상기 Tprior(x)의 감시된 값에 기초하여 제어되는 제1 양태의 방법이 제공된다.
제13 양태에 따르면, 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링하는 장치로서,
(a) 레이저 빔을 생성하는 레이저;
(b) 적어도 하나의 위치에서 상기 유리 시트의 표면의 온도를 검출하는 검출기; 및
(c) 상기 레이저 및 상기 검출기에 동작상 연결된 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 위치에서 상기 검출기에 의해 검출된 상기 유리 시트의 표면의 온도에 기초하여 상기 레이저 빔의 전력 P를 조정하는 장치가 제공된다.
제14 양태에 따르면, 상기 제어기는 다음의 관계식: 0.85(α - βTprior) ≤ P ≤ 1.10(α - βTprior)을 만족시키기 위해 상기 레이저 빔의 전력을 조정하는데, Tprior는 상기 적어도 하나의 위치에서 상기 검출기에 의해 검출되며 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 온도이며, α 및 β는 양의 상수인 제13 양태의 장치가 제공된다.
제15 양태에 따르면, α 및 β는 복수의 유리 온도에서 반복 가능한 스코어링을 생성하는 최소 레이저 전력을 측정하고, 상기 측정된 레이저 전력을 선형 함수에 일치시킴으로써 결정되는 제14 양태의 장치가 제공된다.
제16 양태에 따르면, 상기 복수의 유리 온도는 상온 및 상온 이상의 적어도 2개의 온도를 포함하는 제15 양태의 장치가 제공된다.
제17 양태에 따르면,
(i) 상기 제어기는 상기 스코어선을 복수의 세그먼트들을 분할하고,
(ii) 상기 검출기는 상기 세그먼트들 각각을 위해 적어도 하나의 온도를 검출하고,
(iii) 상기 제어기는 상기 검출기에 의해 검출된 상기 세그먼트에 관한 적어도 하나의 온도에 기초하여 상기 세그먼트에 관한 상기 레이저 빔의 목표 전력을 조정하며, 상기 목표 레이저 빔 전력은 상기 세그먼트 상에서 고정되어 있는 제13 양태의 장치가 제공된다.
제18 양태에 따르면, 상기 세그먼트들은 동일한 길이를 갖는 제17 양태의 장치가 제공된다.
제19 양태에 따르면, 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링하는 장치로서,
(a) 레이저 빔을 생성하는 레이저; 및
(b) 상기 레이저에 동작상 연결된 제어기를 포함하는데,
(i) 상기 제어기는 상기 스코어선을 복수의 세그먼트들로 분할하고,
(ii) 상기 제어기는 상기 레이저 빔의 목표 전력이 상기 세그먼트들 각각에 관해 고정되도록 상기 목표 전력을 조정하는 장치가 제공된다.
제20 양태에 따르면, 상기 세그먼트들은 동일한 길이를 갖는 제19 양태의 장치가 제공된다.
제21 양태에 따르면, 유리 시트를 생성하는 방법으로서, 유리 리본을 생성하는 단계, 및 제1 양태의 방법에 따라 상기 유리 리본을 스코어링하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 레이저 빔을 사용하여 고온에서 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링할 수 있다.
도 1은 평균 레이저 빔 전력(수직 축: 와트) 대 Tprior 값(수평 축;℃)의 도표이다. 사각형 데이터 지점들은 오프-라인 실험값이며, 원형 데이터 지점들은 용융 드로우 기계(fusion draw machine (FDM))를 사용하여 온-라인에서 획득되었던 것이다.
도 2는 최대 Tbeam 값(수직 축:℃) 대 레이저 빔 전력(수평 축; 와트)의 도표이다. 데이터 지점들은 모델링된 값들이다.
도 3은 최대 Tbeam 값(수직 축:℃) 대 Tprior 값(수평 축;℃)의 도표이다. 데이터 지점들은 모델링된 값들이다.
도 4는 배경 유리 온도(밝은 음영 막대 부분)가 균일한 경우 레이저 스코어링하는 동안의 유리 표면 온도(수직 축; 임의 단위) 대 스코어선에 따른 거리(수평 축; 임의 단위)를 나타내는 도면이다. 레이저 빔으로부터의 유리 표면 온도에 대한 기여 부분은 어두운 음영 막대 부분으로 도시되어 있으며, 이 도면에서, 레이저 빔 기여 부분은 고정적이다.
도 5는 배경 유리 온도(밝은 음영 막대 부분)가 기울어져 있는 경우 레이저 스코어링하는 동안의 유리 표면 온도(수직 축; 임의 단위) 대 스코어선에 따른 거리(수평 축; 임의 단위)를 나타내는 도면이다. 레이저 빔으로부터의 유리 표면 온도에 대한 기여 부분은 어두운 음영 막대 부분으로 도시되어 있으며, 이 도면에서, 레이저 빔의 기여는 고정적이다.
도 6은 배경 유리 온도(밝은 음영 막대 부분)가 기울어져 있는 경우 레이저 스코어링하는 동안의 유리 표면 온도(수직 축; 임의 단위) 대 스코어선에 따른 거리(수평 축; 임의 단위)를 나타내는 도면이다. 레이저 빔으로부터의 유리 표면 온도에 대한 기여 부분은 어두운 음영 막대 부분으로 도시되어 있다. 이 도면에서, 레이저 빔의 기여 부분은 배경 유리 온도의 로컬 값에 기초하여 제어된다.
도 7은 배경 유리 온도(밝은 음영 막대 부분)가 임의적인 경우 레이저 스코어링하는 동안의 유리 표면 온도(수직 축; 임의 단위) 대 스코어선에 따른 거리(수평 축; 임의 단위)를 나타내는 도면이다. 레이저 빔으로부터의 유리 표면 온도에 대한 기여 부분은 어두운 음영 막대 부분으로 도시되어 있다. 이 도면에서, 레이저 빔의 기여 부분은 배경 유리 온도의 로컬 값에 기초하여 제어된다.
도 8은 유리 표면 온도를 탐지하고 레이저 빔 전력 값을 조정하는 제어 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 유리 시트의 레이저 빔 스코어링을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 레이저 빔(113)과 관련 냉각 영역(15) 사이의 유리 표면에서의 관계를 도식적으로 나타낸 도면이다.
실험적인 연구에 기초하여, 유리 시트의 온도는 레이저 스코어링 공정의 기본적인 공정 변수들에 영향을 미친다고 알려져 있으며, 여기에는 레이저 빔 전력, 담금질 효율, 스코어링 속도가 포함된다. 추가적으로, 유리가 고온인 경우, 그 온도 분포는 일반적으로 균일하지 않으며, 시간에 따라 변한다.
구체적으로, 유리가 냉각되는 경우, 유리의 온도는 무엇보다도, 유리 주변의 공기의 흐름 및 상이한 유리 두께와 같은 환경적인 요인들에 의해 불균일하게 떨어지는데, 예를 들어 오버플로우 용융 드로우 공정에 의해 생성된 유리 리본의 경우, 리본의 에지(비드)들이 중심 부위(품질 영역)보다 더 두껍다. 이러한 불-균일 질량 분포로 인한 온도 기울기는 유리에 응력 패턴을 생성하는데, 이는 인장 영역(tension area)들과 압축 영역(compression area)들의 복잡한 조합일 수도 있으며, 시간에 따라 변하고, 유리가 최종적으로 상온에 도달하는 경우 궁극적으로 잔류 응력을 초래한다.
예를 들어, 오버플로우 용융 드로우 공정에 의해 생성된 유리 리본은 통상적으로 약 1,000℃의 범위의 온도에서 형성되며, 이 온도는 리본이 개별적인 시트들의 스코어링 및 분리가 발생하는 드로우의 최하단에 도달할 때까지 약 700℃가 떨어져서, 예를 들어 약 300℃가 된다. 개별적인 시트들로부터 비드 부위를 제거하는 것도 유리의 기저 온도(base temperature) 및 시트의 상단 부위의 온도가 하단 부위보다 높다는 사실 모두의 측면에서 상온 초과 이슈들을 포함한다.
당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 레이저 스코어링에서의 역할을 수행하는 공정 변수들의 개수가 많으며, 이로 인해 고온에서의 사용을 위해 상온 조건 하에서 개발된 스코어링 공정을 변형하는 것은 곤란할 것이라는 점을 시사한다. 그러한, 본 발명에 따르면, 단일의 주요 변수, 구체적으로 레이저 빔 전경이 상온 스코어링으로부터 고온 스코어링으로 이행되는데 사용될 수 있다는 것을 알아냈다.
또한, 임의의 특정 유리 온도에 사용될 레이저 빔 전력의 값은 고온에서 스코어링될 수 있는 타입의 유리 시트들 및 레이저 스코어링 장비를 이용하여 수행되는 제한된 횟수의 실험들로부터 용이하게 판단될 수 있다, 실험에 사용되는 유리 시트들 및 장비는 고온(들)에서 사용될 것들과 동일할 필요는 없지만, 고온 장비 및 시트들을 대표해야 한다는 것에 주의해야 한다. 또한, 실험에 사용되는 스코어링 속도는 고온(들)에서 사용될 속도(들)에 가까워야 하는데, 예를 들어, 실험 속도가 고온(들)에서 사용될 속도(들)의 ±20%의 오차를 가져야 한다.
스코어링 속도의 경우, 스코어링 공정의 변수는 통상적으로 레이저 스코어링이 수행될 전후 사정에 좌우된다는 것에 더 주의해야 한다. 예를 들어, 레이저 스코어링이 리본으로부터 개별적인 유리 시트들을 분리하는 것과 관련하여 사용된다면, 스코어링은 개별적인 시트 생성의 바람직한 속도 및 리본 폭에 맞는 속도로 수행되어야 한다. 이러한 분야의 경우, 예를 들어, 스코어링 속도는 약 750 밀리미터/초이다. 고온의 유리에 의해 제기되고 있는 도전과제들을 취급한다는 측면에서, 스코어링 속도는 고정 파라미터로서, 이들 도전과제를 다루는 경우, 가능하다면 단지 약간만 변형될 수 있다.
놀랍게도, 레이저 빔 전력만을 변형시킴으로써, 고온에서의 유리 시트의 레이저 스코어링을 제공하는데 즉시 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 일반적으로, 냉각제 유동률은 고온 스코어링의 경우 증가되어야 하지만, 일단 한번 증가되면, 유동률이 고정되어 제어 변수로서 필요하지 않다는 것을 알게 되었다. 바람직한 실시예에서는 비록 레이저 빔 전력이 단독의 변형 변수로서 사용되지만, 다른 변수들, 예를 들어, 레이저 빔 길이(예를 들어, 도 10의 “b"), 레이저 빔 형상(예를 들어, 절단 대 비-절단(truncated versus non-truncated)), 냉각제 유동률, 냉각 영역, 및/또는 냉각 영역에 대한 레이저 빔의 공간배치(예를 들어, 도 10의 “L”)는 원한다면 레이저 빔 전력과 함께 사용될 수 있다. 다른 방법으로서, 레이저 빔 전력에 추가하여, 스코어링 속도, 레이저 빔 길이, 및 레이저 빔 형상의 결합 효과에 기초한 레이저 빔 지속 시간은 고온에서 성공적으로 스코어링을 수행하는데 사용될 수 있지만, 레이저 빔 전력은 여전히 바람직한 변형가능 변수로 남는다.
레이저 스코어링 공정에 대한 실시간 조정의 측면에서, 예를 들어, 스코어선의 길이에 따라 변하는 유리 시트 온도들을 수용하기 위해, 레이저 빔 전력은 전자기적으로 용이하게 변경될 수 있으며, 응답 시간은 다른 이용가능한 프로세서 변수들, 예를 들어, 냉각제 유동률보다 짧다는 이점을 갖는다. 응답 시간이 빠른 경우에도, 스코어선을 따라 획득 가능한 공간적 분해능(spatial resolution)에 여전히 제한이 있을 것이다. 그러나, 실제로, 고온 스코어링은 스코어선을 복수의 세그먼트들로 분할하고, 목표 레이저 빔 전력을 각 세그먼트에 대해 고정적으로 유지시킴으로써 성공적으로 획득될 수 있다는 것을 알아내었다. 세그먼트의 길이는 고정이거나 스코어선의 길이에 따라 변할 수도 있는데, 예를 들어, 세그먼트 길이는 유리 리본의 리드 부근에서와 같이 스코어선을 따라 온도 프로파일(temperature profile)이 급격하게 변하는 경우 더 짧을 수 있으며, 리본의 품질 부위 전반에서와 같이 온도 변화 특성이 더 느리게 변하는 경우 더 길 수 있다.
세그먼트 접근법의 경우, 레이저의 응답 시간은 레이저 빔 전력이 목표 (특정) 값, 예를 들어, 세그먼트의 처음 10% 내에 도달할 수 있다는 것을 보장하도록 세그먼트 길이의 하한을 설정함으로써 용이하게 수용될 수 있다. 레이저의 응답 시간을 수용하는 것에 추가하여, 세그먼트 접근법은 또한 레이저의 출력을 제어하기 위한 회로를 간략하게 한다.
레이저 빔 전력을 조정한다는 측면에서, 전력이 다음 관계식을 만족하도록 레이저 빔을 적용시키기 전의 유리 온도 Tprior(x)에 기초하여 스코어선의 길이 “x”에 따라 전력 P(x)를 조정함으로써 고온에서의 유리 시트의 스코어링은 성공적으로 수행될 수 있다.
0.85(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.10(α - βTprior(x)) 수식(1)
여기서, α 및 β는 양의 상수이다. 일정한 실시예에서, 전력은 다음 관계식을 만족한다.
0.90(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.05(α - βTprior(x)) 수식(2)
수식(1) 및/또는 수식(2)을 만족하는 것에 더하여, 레이저 빔 전력은 레이저 빔 하에서 유리 표면의 온도가 유리의 스트레인점(strain point)(예를 들어, 코닝 사의 Eagle XGTM 유리의 경우 666℃) 이상으로 상승할 레벨 미만으로 유지될 필요가 있다. 이 경우, 유리 표면의 과열이 방지된다. 이러한 과열은 유리를 융제(ablate)하고 에지 주변의 높은 잔류 응력을 생성할 수 있기 때문에 바람직하지 않은데, 이는 낮은 에지 강도, 에지 결함의 형성, 증가된 에지 굴곡도(waviness) 및 조도(roughness)를 수반할 수 있다.
바람직하게, α 및 β는 실제 레이저 스코어링을 수행하는데 이용될 스코어링 장비, 스코어링 속도, 및 이에 대응하는 유리를 사용하여 실험적으로 미리 정해져 있다. 그러나, 원한다면, 모델링이 실험적인 연구와 결합하거나 독자적으로 이러한 목적에 이용될 수 있다. 추가적인 대안으로서, α 및 β는 레이저 스코어링 장비 및/또는 스코어링될 유리를 이용한 이전 경험에 기초할 수도 있다. 수식(1) 및 수식(2)을 포함하는 개시된 청구항들은 채택된 레이저 전력 레벨이 α 및 β 값을 이용하여 선택되었는지와 무관하게 이들 수식을 만족하는 고온의 레이저 스코어링을 포함하는 것을 의도한다는 점에 주의해야 한다. 즉, 이들 청구항은 α 및 β 값이 스코어링 이전 또는 이후에 결정되는지와 무관하게 수식들을 만족하는 고온의 레이저 스코어링을 포함하려는 것이다.
도 1은 α 및 β 값을 결정하는 실험적 접근법을 나타내고 있다. 이 도면에서, 수평축은 Tprior를 섭씨도로 도표화하였고, 수직축은 레이저 빔 전력을 와트로 도표화하였다. 사각형 데이터 지점들은 스코어링 전의 온도가 20, 205, 270, 및 315℃였던 개별적인 유리 시트들에 수행된 실험실에서의 레이저 스코어링 실험들의 결과를 표현한 것이다. 이들 온도 각각의 경우, 반복 가능한 스코어링을 생성했던 최소 레이저 전력은 실험적으로 결정되며, 이들 전력(각각 590, 450, 405, 및 345 와트)은 도 1의 수직축을 따라 도표화되어 있다. 이 데이터(즉 도 1의 점선)에 직선에 일치시킴으로써, α 값이 609.4와트이고 β값이 0.8와트/℃로 결정되었다.
Tprior의 임의의 특정 값을 위해 채택될 레이저 빔 전력을 예측할 때의 수식(1) 및 수식(2)의 유효성은 상업적인 규모의 오버플로우 용융 드로우 기계(FDM)를 실험적으로 사용하여 확인되었다. 레이저 스코어링 시스템은 이 기계에 설치되었고, 유리 리본으로부터 개별적인 유리 시트들을 분리하는데 사용되었다. 레이저 스코어링 시스템 및 스코어링될 유리(코닝 사의 0.7 mm Eagle XG™ 유리)는 도 1의 실험들에 사용되는 것들에 대응되었다. FDM 테스트에서 채택한 스코어링 속도(750 mm/초)는 실험들에 사용된 것과 동일하였다. 스코어선의 위치에서, FDM에 의해 생산된 유리 리본은 300℃와 320℃ 사이의 온도를 가졌다. 이들 온도와 수식 (1)에서의 α 및 β의 상기 값들을 사용하면 다음과 같다.
Tprior = 300℃인 경우, 314 와트 ≤ P(x) ≤ 406 와트, 및
Tprior = 320℃인 경우, 300 와트 ≤ P(x) ≤ 389 와트 수식(3)
반면에 수식(2)은 다음과 같다.
Tprior = 300℃인 경우, 332 와트 ≤ P(x) ≤ 388 와트, 및
Tprior = 320℃인 경우, 318 와트 ≤ P(x) ≤ 371 와트 수식(4)
도 1에서 원형 데이터 지점들(박스(21) 참조)은 드로우의 최하단(BOD)에서 신뢰할 수 있는 스코어링을 생성하기 위해 알려진 대표적인 레이저 빔 전력들을 도시하고 있다. 박스(21)의 중심은 350 와트의 전력 및 310℃의 온도에 대응한다. 수식(3) 및 수식(4)의 범위 내에 있는 이 데이터의 비교는 Tprior가 높은 값을 갖는 경우 레이저 빔 전력 레벨들을 식별할 때 수식(1) 및 수식(2)의 유효성을 설명한다.
FDM에 의해 생성된 리본으로부터 분리된 개별적인 유리 시트들로부터 에지(비드)들을 다듬는데 레이저 스코어링을 이용했던 추가 실험들이 수행되었다. 이들 테스트의 경우 유리 온도는 리본 분리 테스트보다 낮았지만, 상온보다는 높았다. 예를 들어, 리본으로부터 개별적인 시트들을 분리하는 동안의 온도의 통상적인 범위는 300-400℃이며, 비드를 다듬는 경우, 개별적인 유리 시트들은 통상적으로 60-140℃ 범위의 온도를 갖는다. 또한, 비드를 다듬는 동안, 스코어선을 따른 온도는 개별적인 시트들의 상단으로부터 하단까지 50-100℃의 하강을 보인다. 이러한 온도 하강에 더하여, 비드 영역은 또한 이 영역에서의 유리의 두께가 비균일하기 때문에 보다 높은 레벨의 잔류 응력을 보이는 것으로 알려져 있다. 이렇게 높은 레벨의 잔류 응력은 스코어링 공정을 더 복잡하게 만든다. 그럼에도 불구하고, 수식(1) 및 수식(2)은 다듬질 과정에서 신뢰할 수 있게 작동되는 레이저 빔 전력들을 정확하게 예측한다는 것을 알아냈다.
종합적으로, 이 실험에서는 리본으로부터 개별적인 시트들을 분리할 때와 개별적인 시트들로부터 비드들을 다듬을 때, 수식(1) 및 수식(2)이 일관적인 고속 레이저 스코어링을 초래하는 빔 전력 레벨을 높은 수율, 우수한 에지 품질, 및 낮은 잔류 응력과 함께 정확하게 다룬다는 것을 입증했다.
전술한 바와 같이, 모델링은 α 및 β 값을 결정하기 위한 대체적인 접근법이다. 일반적으로, 레이저 스코어링 공정 동안 레이저 빔 하에서의 유리 온도(Tbeam)는 배경 (원래) 유리 온도(Tprior)와 레이저 빔에 대한 노출에 의해 유도되는 유리 온도 변화(ΔTlaser)의 합으로서 정의될 수 있다.
Tbeam = Tprior + ΔTlaser
Tprior는 유리 환경의 온도, 시트 형성 온도, 시트 형성 후의 시간, 냉각 속도, 냉각 효율, 유리 냉각의 균일성, 및 시트 두께에 의존하는 반면에, ΔTlaser는 레이저 빔 전력 밀도, 빔 모드 프로파일, 빔 잔류 시간(즉, 빔 사이즈 및 스코어링 속도의 조합), 및 내부 유리 특성에 의존하며, 여기에는 유리 표면의 반사율 및 레이저 파장에서의 광 흡수를 포함한다. 스코어링을 달성하기 위해, 레이저 빔은 Tbeam을 유리에서 충분한 응력을 생성시킬 값(최소 Tbeam)으로 상승시키는데 필요하며, 초기 흠을 계속 전파시켜 벤트를 형성하는데, 응력은 빔에 의해 수행되는 가열 및 후속 담금질의 결과이다. 최소 응력 레벨은 담금 효율 및 유리 특성, 즉 고온에서의 탄성률 및 열 팽창의 계수에 의존한다. 유리 및 레이저 빔/냉각재 조합 사이의 상호 작용은 또한 유리의 열 전도율 및 열 용량에 의존한다. 최소 Tbeam 이상인 것에 더하여, Tbeam은 또한 유리의 스트레인점 이하로 유지될 필요가 있으며, 이로써 과열로부터 발생하는 전술한 다양한 부정적 효과를 회피한다.
도 2는 이들 다양한 요인들을 모델링하여 레이저 빔 전력(수평 축: 와트)의 함수로서 최대 Tbeam 값(수직 축;℃)을 예측하는 결과를 도시하고 있다. 도 3은 최대 Tbeam 값(수직 축:℃) 대 Tprior 값(수평 축;℃)으로 재도표화되는 모델링된 데이터를 도시하고 있다. 도 2에서 원형, “x”, 삼각형, 사각형, 및 다이아몬드형 데이터 지점들은 각각 650, 550, 450, 350, 및 250℃의 Tprior 값들을 위한 것이며, 도 3에서 사각형, 다이아몬드형, 삼각형, 원형, 및 별표형 데이터 지점들은 각각 400, 300, 200, 100, 및 0와트의 레이저 빔 전력들을 위한 것이다. 또한, 도 2에서 수평 점선(13)은 유리의 스트레인점(예를 들어, 666℃)을 나타내며, 수직 점선(19)은 340 와트의 레이저 빔 전력을 나타내는데, 즉 전력 레벨은 도 1의 FDM 테스트에서 사용되는 것과 거의 동일하다. 비록 다른 상업적으로 이용가능하고/하거나 주문형 소프트웨어가 원하는 대로 이용될 수 있음에도 불구하고, 모델링된 데이터는 상업적으로 이용가능한 ANSYS 프로그램(펜실베니아주 캐넌즈버그 소재의 ANSYS사)을 이용하여 획득되었다.
도 2 및 도 3(또는 유사한 도표)의 데이터로부터, 레이저 빔 전력 범위들(α 및 β 값들)을 동작시키는 것이 결정될 수 있다. 이렇게 하는 경우, 다음의 가이드라인들을 따를 수 있다.
Tbeam(x) - Tprior(x) ≥ 80℃,
Tstrain - Tprior(x) ≥ 100℃,
여기서, 제1 가이드 라인은 레이저 빔이 초기 흠의 전파를 지시하기에 충분한 에너지를 제공하여 스코어선을 따라 벤트를 형성하는 것을 보장하며, 제2 가이드 라인은 유리의 스트레인점(Tstrain)을 초과하지 않고 제1 가이드 라인을 만족시킬 수 있게 한다.
α 및 β 값을 획득하기 위해 데이터 모델링의 사용의 일례로서, Tbeam 최소값은 고온(들)에서 사용되는 경우에 대응하는 스코어링 속도, 스코어링 장비, 및 유리 시트를 사용하여 상온에서 행해진 실험 연구에 기초하여 식별될 수 있다. 도 2 또는 도 3의 모델링 데이터 및 Tbeam 최소 값을 이용하여, 일련의 레이저 빔 전력들은 일련의 Tprior 값들에 관해 식별될 수 있는데, 예를 들어, 레이저 빔 전력들은 최소 Tbeam과 Tstrain의 중간에 Tbeam 값을 갖도록 결정될 수 있다. 그 다음, 이들 레이저 빔 전력 값들은 대응하는 Tprior 값들에 대해 도표화되어 도 1에 도시된 타입의 도표화된 데이터(이 경우에는 모델링된 데이터)를 생성할 수 있다. 그 다음, 이 데이터에 적합한 직선이 수식(1) 및 수식(2)에 사용하기 위한 α 및 β 값들을 부여한다.
그러나, α 및 β는 결정되는데, 이들이 일부인 고온 스코어링은 2개의 주요 카테고리들 중 하나에 속하는 것으로 관측될 수 있다. 제1 카테고리는 단지 작은 온도 변화를 갖는 시트 전체에 걸친 균일한 고온의 유리의 스코어링이다. 통상적으로, 이는 상대적으로 작은 폭 드로우 상의 유리 리본, 예를 들어, 젠(Gen) 5 또는 6 장의 유리 시트들까지 생성된 것을 스코어링하는 경우이다. 제2 카테고리는 중요한 온도 기울기를 갖는 유리의 스코어링을 포함하는데, 이는 스코어선을 따라 비균일한 유리 온도를 갖는 광폭 드로우 또는 특정 드로우 상에서 고온 또는 저온(예를 들어, 비드 제거 동안)에서 발생할 수 있다. 일반적으로, 2 개의 카테고리는 레이저 스코어링 공정의 구성 방식에 대한 상이한 접근법들을 포함한다.
따라서, 배경 유리 온도 변화가 상대적으로 작으면, 스코어링 공정은 고정 레이저 빔 전력으로 실행될 수 있다. 그러나, 냉각제에 의해 충분한 응력이 유리에서 생성되어 초기 흠을 전파시켜서 벤트를 형성하는 지점까지 유리의 저온 부위를 가열하기에 충분히 높도록 전력이 선택되어야 한다. 한편, 전력은 너무 높아서 유리의 고온 부위가 과열되어 유리의 스트레인 온도를 초과해서는 안 된다. 고정 레이저 빔 전력 접근법은 400-500℃까지의 유리 온도 및 100℃를 넘지 않는 온도 기울기를 갖는 대부분의 분야에 잘 적용된다. 이들 특별한 온도 값들은 예시적인 것으로서, 유리 특성 및 특정 스코어링 조건에 따라 다른 값들이 적용될 수도 있다.
도 4 및 도 5는 고정 레이저 빔 전력 카테고리의 2가지 예를 나타낸다. 도 4에서, 배경 유리 온도(Tprior)는 고정되어 있지만, 도 5에서는 시트의 폭(수평 축)을 따라 천천히 상승한다. 양 도면 모두에서, 신뢰할 수 있는 스코어링을 위한 레이저 빔 하에서의 최소 유리 온도(최소 Tbeam)는 선(11)에 의해 도시되어 있으며, 유리의 스트레인점은 선(13)에 도시되어 있다. 양 케이스에서 알 수 있는 바와 같이, 수직 바의 어두운 부위로 표현된 고정 레이저 빔 전력은 선(11)과 선(13) 사이에 위치하여 스코어링에 적합할 수 있는 레이저 하의 최대 유리 온도(수직 축)를 달성한다.
배경 유리 온도 기울기가 너무 크면(예를 들어, 100℃ 이상), 고정 레이저 빔 전력은 적합하지 않으며, 유연한 레이저 전력의 조정은 Tprior의 변화를 완화시키는데 중요하다. 유연한 레이저 전력은 다양한 방법으로 구현될 수 있으며, 이들 중 하나가 도 8에 도시되어 있다. 이 도면에서, 레이저(37)는 스코어선(31)을 따라 유리 리본(27)에 영향을 미치고 스코어링함으로써 개별적인 시트들(45)이 리본으로부터 분리되게 하는 레이저 광(121)을 생성한다. 예시적으로, 오버플로우 용융 드로우 공정이 도 8에 도시되어 있으며, 레이저 스코어링될 유리 리본(유리 시트)이 임의의 유리 형성 공정에 의해 생성될 수 있다고 이해되어야 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 오버플로우 용융 드로우 공정은 트라프(trough; 23) 내의 녹은 유리를 받는 형성 구조(아이소파이프(isopipe); 25)를 채택하고 있다. 녹은 유리는 아이소파이프의 측면 아래이고 트라프의 상단 위로 유출되어 아이소파이프의 루트(root; 43)에서 리본(27)을 형성한다. 풀링 롤러들(pulling rollers; 29)은 설정된 비율로 루트 밖으로 리본을 드로우하여, 리본의 두께를 결정한다.
도 8의 선(41)에 의해 도시된 바와 같이, 레이저(37)는 제어기(35), 예를 들어, 마이크로프로세서에 작동상 연결되어 있으며, 이는 레이저 빔의 전력 레벨을 제어한다. 도 8의 선(39)에 의해 도시된 바와 같이, 제어기(35)는 탐지기(33), 예를 들어, IR 카메라에 작동상 연결되어 있으며, 이는 스코어선(31)을 따라 하나 이상의 위치들의 온도에 관한 정보를 제어기에 제공한다. 전체 스코어 라인을 따라 온도 분포에 관한 정보가 요구된다면, 탐지기는 리본의 폭 전체에 걸쳐 스캐닝될 수 있으며, 검출기는 리본의 폭을 따라 복수의 위치들로부터 동시에 온도를 검출하도록 설계될 수 있다.
전술한 바와 같이, 유연한 레이저 전력 제어는 복수의 세그먼트들을 사용하여 구현될 수 있으며, 유리 샘플의 폭, 또는 다시 말해 스코어링 거리를 다수의 세그먼트들(1, 2, ..., N)로 분할한다. 이 경우에, 제어기(35)는 각 세그먼트 내의 레이저 빔의 위치를 레이저 방전 전류의 원인이 되는 명령 전압과 관련 지을 것이다. 세그먼트들의 개수(N) 및 이들의 길이(ΔL)는 유리 온도 프로파일에 의해 보여지는 온도 변화 및 명령 신호의 변화에 대한 레이저 응답 속도에 기초하여 선택된 변수들이다.
고정 유리 온도 또는 작은 온도 기울기를 갖는 유리의 경우, 유연 전력 제어가 요구되지 않는다면, 예를 들어, 도 4 및 도 5의 경우라면, 제어기는 일반적인 레이저 동작에 모든 세그먼트들에 동일하고 고정적인 전력을 단순히 제공한다. (예를 들어, 이하에서 설명하는 도 6 및 도 7뿐 아니라 도 4 및 도 5에서, 유리 시트의 폭은 21개의 세그먼트들로 분할되는 것으로 가정된다.
샘플 길이 전체에 걸친 유리 온도 프로파일이 중요한 온도 기울기를 갖는 경우, 고정 레이저 전력은 유리 시트를 따른 임의의 위치의 공정 윈도우 내의, 즉 도 4 내지 도 7에서의 선들(11 및 13) 사이의 유리 표면 온도를 유지하지 않을 수도 있다. 이 경우에, 제어기(35)는 유리의 배경 온도에 관한 정보, 예를 들어 검출기(33)로부터의 정보에 기초하여 레이저 전력을 변경시킨다. 온도 프로파일이 다른 이유들, 예를 들어, 장비의 이전 사용의 결과로서, 이미 공지되어 있기 때문에, 검출기(33)로부터의 정보는 일부 경우에 필요하지 않을 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 이러한 경우에, 제어기는 레이저 전력을 변화시켜서 검출기로부터의 실시간 정보에 대한 필요 없이 공지된 온도 프로파일을 보상하도록 프로그래밍될 수 있다.
도 6 및 도 7은 스코어선을 따라 온도 프로필의 큰 변화를 보상하기 위한 가변 레이저 전력의 사용의 2가지 예시를 도시한 것이다. 도 6에서, 고정 레이저 전력이 선(11) 상의 프로파일의 최저온 부위를 가져오는데 이용된 경우, 고온 부위들이 선(13) 상에 있도록 유리의 온도는 선형적이지만 충분히 빠른 속도로 증가한다. 이 경우, 제어기는 스코어 선을 따라 빔 스캔으로서 표면에 적용되는 레이저 빔 전력 양을 감소시키며, 이로써 레이저 빔 하에서의 유리 온도를 선(11)과 선(13)에 의해 표현되는 온도 사이 및 이 도면에 도시한 바와 같이 실질적으로 고정적으로 유지한다. (온도가 선(11)과 선(13)에 의해 표현되는 온도들 사이로 유지된다면, 실질적으로 고정적인 온도가 여러 분야에 바람직한 경우에도, 일반적으로 요구되지 않는다는 것에 주의한다)
도 7은 레이저 스코어링 프로세스가 복잡한 배경 유리 온도 프로파일을 갖는 유리 시트에 적용되는 일반적인 경우를 표현한 것이다. 이러한 프로파일들은 유리 리본의 수평 스코어링에 통상적인데, 여기서, 유리는 리본의 가장자리(비드)들로 향할수록 더 두꺼우며 이로 인해 온도가 더 높다. 이러한 타입의 프로파일의 경우, 예를 들어, 최종 온도 프로파일이 리본의 폭에 걸쳐 실질적으로 고정되어 있도록, 제어기(35)가 각 세그먼트에 상이한 전력 레벨을 제공한다.
앞서 설명한 바와 같이, 여기에 개시된 방법 및 장치는 스코어링 방향을 따라 임의의 온도와 응력 기울기를 갖는 넓은 온도 범위 내에서 고온 유리의 비-융제 레이저 스코어링을 달성하는데 이용될 수 있다. 본 방법 및 장치는 의도된 스코어선을 따라 균일한 벤트 생성을 달성할 수 있으며, 하한이 초기 흠의 전파를 유지하여 벤트를 형성하는데 요구되는 응력에 의해 정의되며, 상한이 유리의 스트레인점과 동일하거나 바람직하게는 더 작은 범위의 온도까지 레이저 빔에 의한 유리 표면을 가열하는 것에 기초한다. 특정 실시예에서, 유리 온도 기울기에 역으로 변하는 스코어선을 따라 레이저 전력 프로파일을 생성하는 유연한 레이저 전력 제어의 사용을 통해 유리의 배경 온도와 상관없이 레이저 빔 하에서의 유리 온도는 이들 한도 내에 있다. 예를 들어, 이러한 기울기는 적외선 카메라를 사용하여 실시간으로 검출될 수 있다. 이 경우, 중요한 유리 온도 변화를 보이는 유리 시트들을 스코어링하는 동안, 공정 마진이 상당히 증가될 수 있다.
당업자에게는 본 발명의 범위와 사상에서 벗어나지 않는 다양한 변형 예들이 앞선 설명으로부터 명백할 것이다. 다음의 청구항들은 여기에서 설명한 특정 실시예들과 이들의 변형 예, 변화, 및 균등물을 포함하려는 것이다.

Claims (21)

  1. 레이저 빔을 사용하여 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링을 하는 방법으로서, 상기 스코어선의 적어도 일부에 대해 상기 레이저 빔을 적용하기 전에 상기 유리가 상온보다 높으며, 상기 방법은:
    (a) 상기 스코어선을 따라 상기 레이저 빔을 이동시키는 단계(translating); 및
    (b) 상기 레이저 빔과 직렬로 상기 스코어선 상으로 냉각 영역을 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 레이저 빔에 의한 가열은 상기 유리 시트에서 벤트의 형성에 기여하고, 상기 레이저 빔의 전력은
    (i) 상기 레이저 빔 하의 유리 표면의 온도가 상기 유리의 스트레인점 이하이고;
    (ii) 상기 레이저 빔의 전력은 다음의 관계식: 0.85(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.10(α - βTprior(x))을 만족시키도록 선택되는데,
    x는 상기 스코어선에 따른 거리를 나타내고, P(x)는 상기 스코어선에 따른 상기 레이저 빔의 전력이고, Tprior(x)는 상기 레이저 빔을 적용하기 전에 상기 스코어선에 따라 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 온도이고, 적어도 하나의 x 값에 대해 Tprior(x) > 25℃이고, 그리고 α 및 β는 양의 상수인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 전력은 다음의 관계식: 0.90(α - βTprior(x)) ≤ P(x) ≤ 1.05(α - βTprior(x))을 만족시키는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    α 및 β는 복수의 유리 온도에서 반복 가능한 스코어링을 생성하는 최소 레이저 전력을 측정하고, 상기 측정된 레이저 전력을 선형 함수에 일치시킴으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 유리 온도는 상온 및 상온 이상의 적어도 2개의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    Tprior(x)는 상수인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    Tprior(x)는 x의 선형 함수인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    Tprior(x)는 x의 비선형 함수인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    (i) Tprior(x)는 고정되어 있지 않고,
    (ii) 상기 레이저 빔 하의 상기 유리 표면의 온도는 실질적으로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    Tprior(x)는 모든 x에 대해 다음의 관계식: Tstrain - Tprior(x) ≥ 100℃을 만족시키며, 상기 Tstrain는 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 스트레인점인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 하의 유리 표면의 온도 Tbeam(x)는 모든 x에 대해 다음의 관계식: Tbeam(x) - Tprior(x) ≥ 80℃을 만족시키며, 상기 Tbeam(x)는 섭씨도로 나타낸 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    (i) 상기 스코어선은 복수의 세그먼트들로 분할되고;
    (ii) 평균 온도 값은 상기 세그먼트 각각에 할당되어 있으며,
    (iii) 상기 P(x)는 상기 세그먼트 각각에 고정되는 것을 목표로 하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    (i) Tprior(x)는 x의 적어도 하나의 값에 관해 시간에 따라 감시되고; 그리고
    (ii) x의 적어도 하나의 값에 관해 P(x)의 값은 Tprior(x)의 감시된 값에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 방법.
  13. 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링하는 장치로서,
    (a) 레이저 빔을 생성하는 레이저;
    (b) 적어도 하나의 위치에서 상기 유리 시트의 표면의 온도를 검출하는 검출기; 및
    (c) 상기 레이저 및 상기 검출기에 동작상 연결된 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 위치에서 상기 검출기에 의해 검출된 상기 유리 시트의 표면의 온도에 기초하여 상기 레이저 빔의 전력 P를 조정하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어기는 다음의 관계식: 0.85(α - βTprior) ≤ P ≤ 1.10(α - βTprior)을 만족시키기 위해 상기 레이저 빔의 전력을 조정하는데, Tprior는 상기 적어도 하나의 위치에서 상기 검출기에 의해 검출되며 섭씨도로 나타낸 상기 유리의 온도이며, α 및 β는 양의 상수인 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    α 및 β는 복수의 유리 온도에서 반복 가능한 스코어링을 생성하는 최소 레이저 전력을 측정하고, 상기 측정된 레이저 전력을 선형 함수에 일치시킴으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 복수의 유리 온도는 상온 및 상온 이상의 적어도 2개의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  17. 제13 항에 있어서,
    (i) 상기 제어기는 상기 스코어선을 복수의 세그먼트들을 분할하고,
    (ii) 상기 검출기는 상기 세그먼트들 각각을 위해 적어도 하나의 온도를 검출하고,
    (iii) 상기 제어기는 상기 검출기에 의해 검출된 상기 세그먼트에 관한 적어도 하나의 온도에 기초하여 상기 세그먼트에 관한 상기 레이저 빔의 목표 전력을 조정하며, 상기 목표 레이저 빔 전력은 상기 세그먼트에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 세그먼트들은 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  19. 스코어선을 따라 유리 시트를 스코어링하는 장치로서,
    (a) 레이저 빔을 생성하는 레이저; 및
    (b) 상기 레이저에 동작상 연결된 제어기를 포함하며,
    (i) 상기 제어기는 상기 스코어선을 복수의 세그먼트들로 분할하고,
    (ii) 상기 제어기는 상기 레이저 빔의 목표 전력이 상기 세그먼트들 각각에 관해 고정되도록 상기 목표 전력을 조정하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 세그먼트들은 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 유리 시트 스코어링 장치.
  21. 유리 시트를 생성하는 방법으로서,
    유리 리본을 생성하는 단계, 및 제1 항의 방법에 따라 상기 유리 리본을 스코어링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 시트 생성 방법.
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