KR20120099387A

KR20120099387A - 기판 절단 방법 및 절단 장치

Info

Publication number: KR20120099387A
Application number: KR1020127007961A
Authority: KR
Inventors: 엔리꼬 스뚜라; 크리스티안 슈미트; 미셸 링더
Original assignee: 피코드릴 에스 아
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-09-10
Also published as: CN102574232A; JP2013505890A; WO2011038902A1; US20120181264A1; EP2483029A1

Abstract

본 발명은 열-기계 장력들을 도입함으로써 기판을 절단하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 구체화된 절단 방법을 이용한 기판 형태의 정밀 제작에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

Description

기판 절단 방법 및 절단 장치{A METHOD OF CUTTING A SUBSTRATE AND A DEVICE FOR CUTTING}

본 발명은 열기계 장력을 도입함으로써 기판을 절단하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 구체화된 절단 방법을 이용한 기판 형태의 정밀 제작에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.

많은 산업적 공정들과 물건들을 위해 유리와 같은 소성 파괴되는 재료에 대한 정밀한 제어식 절단이 필요하다.

전통적인 절단 방법들은 일반적으로 분리, 예를 들어 톱질이나 전통적인 레이저 절단을 위해, 깨끗하게 절단되지 않는 인접한 기판의 면과 가장자리를 오염시키는, 즉 이차적인 구조를 보여줌으로써 이상적인 절단면에서 떨어져 나가는 일부 재료를 제거할 필요가 있다. 이러한 표준적인 절단 가공의 일부는 기계적인 연삭 작업, 예를 들면 현재 대형 유리 제작에 사용되는 다이아몬드가 도포된 휠들이나 드릴 등에 의한 절단을 포함한다. 이러한 기법들은 절단 결과 얻은 가장자리의 규칙성/품질을 떨어뜨리고, 기판 표면들에 부정적인 영향을 주는 떨어져 나간 잔해 입자들을 방출하며, 종종 추가 세척이나 연마 단계들을 요구한다. 많은 수의 이러한 표준적인 절단 가공들은 또한 기계적인 응력이 인가될 때 육안으로 보이는 균열 및 기판 파괴의 시작점이 될 수 있는 절단(the cut)에 따른 미세한 균열을 유발할 수 있다.

보다 최근의 절단 방법들은 기판 위의 경로를 따라 가열하기 위해 레이저 빔을 사용하며, 그 뒤에는 소정의 균열을 유발하기 위해 액체나 가스 매체 또는 이들의 혼합물을 사용하는 냉각시스템이 뒤따른다. 하지만, 이러한 기법들은, 필요한 설비에 대한 고비용, 직접적인 그리고 반사된 레이저 노출 모두로부터 사람을 보호할 필요성, 상이한 유리 형태와 같은 상이한 재료들에 대한 레이저 빔의 파장에 대한 상이한 광학적 응답이라는 단점들이 있다. 더욱이, 레이저 절단은 제한된 범위의 재료 두께에만 유용하며, 너무 얇거나 두꺼운 기판들은 현재에는 표준적인 기법들을 사용하여 대부분 가공된다.

따라서, 본 발명의 목적은 기판의 제거되는 부분이 없이 재료를 절단하는 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 목적은 또한 얇고 두꺼운 기판들을 효과적으로 가공하여 기판의 똑바로 그리고 임의의 형상의 절단으로 절단하는 것을 가능하게 하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 절단 가공 중에 떨어져 나오는 어떠한 잔해라도 쌓이지 않게 하는 것이다. 나아가, 본 발명의 목적은 절단 영역 내에서 깨끗하고 평평한 표면을 얻고 절단 경계선을 따라 미세한 균열의 형성을 방지하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 재료를 절단하는 비싸지 않은 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 수행하기에 용이하고 상이한 두께의 재료들을 일정하게 절단할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이들 목적들은 모두 기판을 절단하는 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은,

a) 절단될 기판을 마련하는 단계,

b) AC 전압원에 연결되는 하나 이상의 전극(들)에 의해, 1 kHz 내지 10 GHz 범위의 주파수에서, AC 전압과 전류를 상기 기판의 소정의 영역에 인가함으로써 상기 기판에 전기 및 열 에너지를 인가하여 상기 소정의 영역을 가열하는 단계,

c) 상기 소정의 영역을 냉각하는 단계를 포함하고,

d) b) 단계를 수행하는 중에, 상기 소정의 영역은,

i) 상기 기판에 대하여 상기 전극(들)을 이동시키거나,

ii) 상기 전극(들)에 대하여 상기 기판을 이동시키거나, 또는

iii) 상기 전극(들)과 상기 기판 모두를 서로에 대하여 이동시킴으로써

상기 기판의 표면 상의 경로를 따라 이동되고,

상기 경로는 상기 기판의 가장자리를 따르지 않고 상기 기판을 완전히 또는 부분적으로 횡단한다.

일 실시예에서, 기판은 폐쇄형 전기 회로를 구성하는 반대전극으로 사용된다.

일 실시예에서, 반대전극은 절단될 기판의 반대편에 위치되어 폐쇄형 전기 회로를 구성한다.

일 실시예에서, 반대전극은 접지된다.

일 실시예에서, b) 단계 자체는 상기 전극(들)과 상기 소정의 영역 사이의 전기아크 형성으로 나타나고, 바람직하게는 상기 전기 아크(들)는 기판을 절단하는 데 사용된다.

일반적으로, 전류가 흐르기 위해서는 폐쇄형 루프(closed loop)가 필요하다. 본 발명에서 사용되는 용어 "전기 회로"는 흐르는 전류를 위한 복귀 경로를 제공하는 폐쇄형 루프를 가지는 전기 네트워크를 지칭함을 의미한다. 이러한 실시예들에서, 기판은 이러한 루프의 일부로서 작용한다. 이렇게 AC (고압 고주파) 전원공급장치를 떠난 전류는 전극, 전극과 기판 사이에 형성되는 아크, 그리고 기판 자체를 통하여 흘러 전원 공급장치로 되돌아온다. 이렇게 함으로써 이러한 실시예들에서, 기판은 반대전극과 복귀 경로로서 작용하고 있다. 그 구성은 AC 전원공급장치를 접지시킴으로써 더 단순해질 수 있다. 이렇게 함으로써 기판으로부터 전원공급장치에 이르는 전용 전도성 경로(예를 들면, 전선 등)를 생략할 수 있다. 기판은 따라서 단지 접지와 관련된 임의의 부분 상에 위치될 수 있다.

특히, 두꺼운 재료들에 있어서, 오직 하나의 전극만을 사용하는 것은 가끔 두께가 증가함에 따라 절단을 더욱 어렵게 만드는 기판 내의 비대칭적이고 불균일한 가열을 일으키기도 한다. 전류가 기판의 전체 두께를 통하여 동일하게 흐르게 하기 위해서, 몇몇 실시예들에서는, 접지로 이어지는 전용 복귀 경로를 제공하는 반대 전극이 사용된다. 기판을 경유하여 전원공급장치로 반대로 흘러가는 전류는 그런 상태로 상당히 감소된다. 어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 절단의 두 가지 긍정적인 효과는: (1) 전기 아크는 기판의 양면에서 형성될 수 있어서 양면에서부터의 외부의 열에 의해 기판이 가열될 수 있으며 (2) 기판 내부의 전기장은 증가되어 E=(인가된 전압)÷(기판 두께)까지 근접할 수 있는 방식으로 촉진된다. 이는 더욱이 유전 손실(dielectric loss)에 의해 내부 가열을 증가시킨다.

더욱이, 이러한 전극들의 배치에 의해 기판을 통하여 전류와 가열의 경로를 각각 어느 정도 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 기판의 가열은 상기 AC 전압 및/또는 전류의 주파수 및/또는 진폭 및/또는 전극(들)에서 기판까지의 거리를 조절함으로써 제어된다.

어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 유전 손실 현상에 의해 기판 내부로 소멸되는 전력은

이다.

이는 절단을 위한 사용자가 제어할 수 있는 매개변수들을 정의한다. 즉, (1) 주파수 ω를 상승시키는 것은 가열을 증가시켜, 더욱 신속한 가열 및 그에 따라 더욱 신속한 절단이나 더욱 두꺼운 재료들의 절단을 가능하게 한다. 그것은 또한 예를 들어 낮은 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)와 낮은 ε_γ와 같은 절단에 좋지 않은 유전 매개변수를 보상하는 수단을 제공한다. (2) 전압의 진폭을 상승시키는 것은 또한 유전 손실 및 그에 따라 절단 거동도 증가시킨다.

또한 전기 아크에 의한 외부에서의 가열은 절단에 있어 중요한 역할을 할 수 있으므로, 그 강도를 변경하는 것은 절단에 영향을 미친다. 전기 아크는 인가된 전압, 흐르는 전류, 주파수, 전극에서 기판까지의 거리에 좌우된다. 기판 재료에 따라, 이러한 매개변수들은 최적의 절단 조건을 정의하도록 변화될 수 있다.

일 실시예에서, 단계 b)를 수행하기 위하여, 상기 전극(들)은 상기 기판의 일면 또는 양면(들) 위에서 상기 기판까지 0mm 내지 100mm의 거리에 위치된다.

기판 내부의 열분포는 기판까지의 상이한 전극 거리를 이용하여 제어될 수 있다. 전기 아크가 전극 거리에 좌우됨에 따라, 전기 아크에 의한 기판의 가열은 양면에서 상이할 것이며, 이는 기판 내부의 수직 온도 분포에 의해 반영된다.

일 실시예에서, 단계 b)는 10V 내지 10⁷V, 바람직하게는 100V 내지 10⁶V, 더 바람직하게는 100V 내지 10⁵V의 범위의 진폭과, 1kHz 내지 10GHz, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz의 범위의 주파수를 가지는 전압을 인가함으로써 수행된다.

일 실시예에서, 상기 전기 아크의 특성들은 상기 전극(들)와 상기 기판을 둘러싸는 대기를 변경하여, 예를 들면, 10^-5 내지 10³bar의 범위의 압력, 바람직하게는 10^-3 내지 10bar의 범위의 압력에서 질소, 아르곤, 또는 육불화 황을 이용하여 제어된다.

주변 대기의 조성과 압력을 변경함으로써 전기 아크가 접촉하는 면적의 형상이나 크기는 물론이고 전기 아크의 형상이나 온도가 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 단계 c)에서, 상기 소정의 영역은,

i) 주변 환경과의 열전도 및/또는 대류를 통한 수동적인 방법,

ii) 열을 효율적으로 흡수할 수 있으며 능동 열펌프로서 선택적으로 기능하는 요소에 예를 들어 펠티어 요소에 상기 기판을 부착하는 방법,

iii) 가스, 액체, 가스와 액체의 혼합물, 또는 가스와 고체의 혼합물을 상기 소정의 영역의 근처에 또는 상기 소정의 영역에 직접 접촉시킴으로써 능동적으로 냉각하는 방법 중 어느 하나의 방법에 따라 냉각된다.

어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 본 발명의 발명자들은 절단이 절단 경로에 따른 열구배에 의한 것으로 추측한다. 사전 가열된 영역이 다시 냉각될 때 발생되는 기계적인 장력은 다시 각각 균열과 절단을 야기한다. 이러한 열구배들은 개선될 수 있으며, 그에 의해 이러한 사전 가열된 영역들의 냉각을 촉진함으로써 기계적인 장력을 유발하는 균열을 향상시킨다. 가장 단순한 경우, 사전 가열된 영역으로부터 기판의 나머지 벌크(bulk)로의 단순한 열전도에 의해 냉각이 이루어진다. 하지만, (1) 기판에 큰 열저장고를 부착시킴으로써 수동적인 냉각에 의한 열 제거를 증가시키고 (2) 예를 들어 열펌프를 사용하거나 기판에 부가된 냉각수(예를 들어, 가스나 액체 유동)를 사용하여 능동적으로 냉각시키는, 더욱 정교한 냉각 방식이 사용될 수 있다. 이러한 냉각 보조물(cooling aids)을 국부적으로 적용함으로써, 기판 내부의 분리 영역은 더욱 정확하게 정의될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 방법은, a2) 단계 b) 이전에 상기 소정의 영역을 냉각하는 단계를 더 포함한다.

(절단 속도, 절단 정밀도에 의해 측정된 바와 같은) 절단 성능을 개선하기 위해서, 사전 냉각 단계 a2)가 이용될 수 있으며, 이 경우 (1) 재료의 취성(brittleness)과 그에 따른 균열에 대한 경향이 증가되고 (2) 얻을 수 있는 최대 열구배가 증가될 수 있는 두 가지 주요 효과를 가지게 된다. 어떠한 이론에 의해 제한되려하지 않으면서, 보통은 더 이상 절단이 이루어 지지 않기 때문에, 이러한 것은 기판 내부의 최대 온도 T가 보통 T?T_melting로 제한된다는 사실에 의한 것으로 보인다. 따라서 더욱 낮은 온도(T)에서 이 과정을 시작하면 더욱 높은 온도 구배가 가능하다.

일 실시예에서, 단계 a2)에서, 상기 소정의 영역은 전술된 바와 같은 방법 i) 내지 iii) 중 어느 하나의 방법에 따라 냉각된다.

일 실시예에서, 상기 냉각, 바람직하게는 상기 능동적 냉각은 상기 소정의 영역이 이동될 때 상기 기판 상의 동일한 경로를 따라 이동된다.

일 실시예에서, 상기 능동적 냉각은, 상기 전극(들)과의 고정된 거리에 위치되는 하나 이상의 노즐(들)을 경유하여 실시되고, 상기 기판 상의 상기 냉각의 이동은

i) 상기 노즐(들)을 상기 기판에 대하여 이동시키거나,

ii) 상기 기판을 상기 노즐(들)에 대하여 이동시키거나, 또는

iii) 상기 노즐(들)과 상기 기판 모두를 서로에 대하여 이동시킴으로써 이루어진다.

일 실시예에서, 단계 b) 이전에 기판 내부의 장력들은 절단이 수행되려고 하는 경로를 따라 유발되거나 감소된다. 장력들의 경로에 따른 이러한 유발 또는 감소는 본 명세서에서 때때로 "다중 통행 공정(multiple pass process)"으로 지칭될 수 있다.

이러한 다중 통행 공정을 통해, 이미 높은 내부 장력을 가지는 기판에 대해 특히 중요한 절단을 위한 우선적인 경로가 도입될 수 있으며, 이는 이러한 방식으로 보상될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 AC 전압원은 10V 내지 10⁷V, 바람직하게는 100V 내지 10⁶V, 더욱 바람직하게는 100V 내지 10⁵V 범위의 진폭과, 1kHz 내지 10GHz, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더욱 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz 범위의 주파수를 가지는 AC 전압을 발생시킬 수 있는 고전압-고주파 장치이다.

일 실시예에서, 상기 고전압-고주파 장치는 테슬라(Tesla) 변압기, 플라이백(Flyback) 변압기, 고전력 무선주파수 발생기, 및 반도체에 기반한 고주파 고체 상태 쵸퍼와 같은 공진 변압기에서 선택된다.

일 실시예에서, 상기 고전압-고주파 장치는 바람직하게는, 예를 들면, 팔라듐, 백금 또는 금인 귀금속 같은 높은 녹는점 및 낮은 전기저항을 가지는 임의의 전도체로 제작되는 하나 이상의 전극(들)에 연결된다.

신뢰할만한 절단 성능을 위해, 전압 인가를 위해 사용되는 전극들은 안정되어야 한다. 내산화성인 높은 녹는 점(T) 재료가 바람직하다. 예를 들어, 백금, 팔라듐과 같은 귀금속들은 이러한 성질을 가진다.

일 실시예에서, 상기 전극(들)은 1 내지 300mm, 바람직하게는 2 내지 100mm, 더 바람직하게는 3 내지 50mm 범위의 길이와, 0.1 내지 20mm, 바람직하게는 0.2 내지 10mm, 더 바람직하게는 0.4 내지 4mm 범위의 평균 직경을 가진다.

누설 전류 및 그에 따른 전력 손실을 줄이기 위해서, 전극들은 가능한 짧아야 한다. 반면에, 긴 전극들은 뜨거운 영역으로부터의 더욱 나은 취급과 열 분리를 제공한다. 따라서, 실제 전극의 길이와 두께는 사용된 전력과 주파수에 크게 좌우되는 절충안이다.

일 실시예에서, 상기 전극(들)은 1μm 내지 5mm, 바람직하게는 10 μm 내지 1mm, 더욱 바람직하게는 20 μm 내지 0.5mm 범위 내의 곡률을 가지는 뾰족한 끝을 가진다.

어떠한 이론에 의해 제한되려하지 않으면서, 발명자들은 날카로운 전극의 끝이 전기 아크가 시작되는 지점을 더욱 잘 정의한다는 것을 관찰하였다. 따라서, 이는 신뢰할만한 작업에 있어서 중요하다.

일 실시예에서, 상기 기판은 예를 들면, 경화 유리, 이온 처리된 유리, 강화 유리인 유리, 용융 실리카, 석영, 다이아몬드, 알루미나, 사파이어, 질화 알루미늄, 지르코니아, 침정석, 세라믹과 같은 전기적으로 절연되는 재료, 도핑 실리콘과 결정 실리콘을 포함하는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소와 인화 인듐과 같은 화합물 반도체와 같은 전기적으로 반도체인 재료로 제작된다.

일 실시예에서, 상기 기판은, 일면 또는 양면에서, 산화인듐주석(ITO) 등의 부착되는 추가적인 도체층 또는 산화 금속과 같은 부도체층을 가진다.

일 실시예에서, 전압과 전력은 상대적 투과성, 전도성, 열팽창계수, 두께 등의 기판의 전기적 물리적 성질에 따라 조절된다.

어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 기판 내부에서의 방열은

이다.

온도의 증가는 핀(pin)에 비례한다. dT = (P_in/ρc)dt.

최적의 절단 조건들은 종종 정의된 열입력(heat entry)(dT/dt)을 필요로 한다. 따라서, (1) 재료 성질(예를 들어, ε, tanδ, ρ, c), (2) 속도(dt에 반비례함) 및 (3) 기하학적인 매개변수들(예를 들면, 두께)에 맞추기 위하여, 그에 따라 대개 전압과 주파수를 설정할 필요가 있다. 공정이 진행되는 동안 기판을 가로지르는 전압 강하 역시 절단 공정의 정의에 의해 변하게 되어 있는 그 T에 좌우되므로, 특정 임피던스의 전압원을 사용할 필요가 있을 수 있다.

일 실시예에서, 변압기 구동 회로를 가지는 공진 변압기는 AC 전압원으로 사용되고 기판은 폐쇄형 전기 회로의 일부가 되며 폐쇄형 전기 회로의 공진주파수에 영향을 미치게 되어, 변압기 구동 회로의 주파수는 기판의 치수 및 유전 성질과 같은 상기 기판의 물리적 성질에 따라 조절된다.

일반적으로 공진 변압기는 2차변압기 코일을 그 공진 주파수에서 또는 그 공진 주파수 근처에서 구동함으로써 작동된다. 기판을 이러한 2차 코일의 두 개의 말단 사이에 놓게 되면 그 공진 주파수가 변경될 것이며 따라서 2차 코일을 구동하는데 필요한 주파수가 변경될 것이다. 공진 주파수의 변경은 기판의 유전 성질과 기하학적 성질에 따라 달라지며, 최적의 작동을 위해 구동기의 상응하는 조절이 필요할 수 있다.

일 실시예에서, 공진 변압기는 상기 회로의 공진과 정합하도록 설정되는 고정된 주파수에 의해 구동되는 AC 전압원으로서 사용된다.

공진 변압기를 구동하는 회로는 변압기의 고유진동수나 공진 주파수를 찾아내도록 설계될 수 있다. 이는 예를 들어 재료나 기하학적인 기판의 매개변수들이 변경되는 경우에도 전원이 자동으로 동조될 수 있도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 공진 변압기는, 기판 내부의 유전 손실은 물론 전기 아크의 성질을 제어하기 위하여 공진 주파수에서 벗어나는 주파수로 구동되는 AC 전압원으로서 사용된다.

절단이 발생하는 조건이 심각하게 변하지 않는다면 전압원의 고정된 주파수를 사용하는 것이 사용될 수 있다. 또한, 주파수 선택에 의한 기판의 포커싱 및 가열은 물론 전기 아크 거동도 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 단계 b)가 진행되는 동안, 상기 소정의 영역 내의 기판 재료는 녹지 않고 상기 소정의 영역으로부터 제거되거나 배출되지 않게 된다.

일 실시예에서, 단계 b)가 진행되는 동안, 상기 소정의 영역 내의 기판 재료는 녹고/녹거나 상기 소정의 영역으로부터 제거된다.

일 실시예에서, 상기 경로는 직선, 곡선, 경사진 직선, 폐쇄형 라인(closed line), 또는 이들의 조합이며, 상기 경로는 상기 기판이 절단되는 곳을 정의한다.

일 실시예에서, 바람직하게는 상기 경로를 따라 이루어지는 기판의 분리는 기계적인 압축력 또는 장력을 기판에 인가함으로써 제어된다.

어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 본 발명의 발명자들은 절단은 기판의 균열과 분리를 야기하는 소정의 장력의 개입에 의해 발생한다고 믿는다. 외부에서 도입된 다른 장력과 이들 장력의 중첩은 절단 경로를 더욱 잘 제어하는 수단을 제공한다. 이는, 예를 들면, 기판을 누르거나 잡아당김으로써 그 경계에 힘을 인가함으로써 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 단계 b) 이전에, 제1 인공 균열과 같은 제1 균열 전구체가 기판 내부에 도입되고, 단계 b)가 상기 제1 균열 전구체에서 개시된다.

일 실시예에서, 단계 b) 이전에, 제2 인공 균열과 같은 제2 균열 전구체가 기판 내부로 도입되고, 단계 b)가 실행되어 분리 경로는 예를 들어 제2 인공 균열인 상기 제2 균열 전구체를 지나는 것으로 마무리된다.

절단의 마지막 부분을 안내하기 위해, 인공 균열 전구체가 절단의 마지막 부분에 도입될 수 있다. 이러한 균열 전구체는 예를 들어, 기판 자체보다 단단한 날카로운 요소를 사용하여 기계적으로 기판에 흠집을 내어 얻을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 기판 표면 상에서 상기 경로를 따라 상기 소정의 영역의 이동과 상기 기판 상에서 상기 냉각의 이동은 0.01mm/s 내지 10,000mm/s 범위의 속도로 발생한다.

일 실시예에서, 상기 기판 표면 상에서 상기 경로를 따라 상기 소정의 영역의 이동은 기판의 분리의 개시 부분 및 마지막 부분에서 상기 분리의 품질을 향상시키기 위해 개시 부분 및 마지막 부분 내에서 느려진다.

일 실시예에서, 전력 및/또는 전압 및/또는 주파수는, 예를 들어 일정한 속도/전력 비를 유지하기 위하여, 절단의 개시 부분 및 마지막 부분에서 감소된 속도를 보상하기 위해 조절된다.

기계적인 응력 조건들은 특히 절단하는 동안 기판의 벌크와 그 림 영역(rim area) 사이에서 달라진다. 절단이 진행되는 동안, 이러한 변화를 보상하기 위하여, 속도와 절단 전력을 변경할 필요가 있을 수 있다. 일 예는 절단 초기에 속도와 전력을 급격하게 상승시키고 절단 경로의 끝에 도달할 때 양 매개변수를 급격하게 하락시키는 것이다.

본 발명의 목적들은 또한 본 발명에 따른 방법을 실행하는 장치에 의해 해결되는데, 상기 장치는,

a) 1kHz 내지 10GHz 범위의 주파수에서 10V 내지 10⁷V 범위의 전압을 인가할 수 있는 AC 전압원,

b) 상기 AC 전압원에 연결되는 제1전극,

c) 절단될 기판을 파지하고 상기 기판의 일측면을 상기 제1전극에 노출시키는 홀딩 수단,

d) 상기 전극까지 고정된 거리에 정렬되어 기판을 냉각시키는 선택적인 냉각수단,

e) 선택적으로 존재한다면 상기 냉각 수단과 함께 그리고 상기 기판과 함께 서로에 대하여 상기 전극을 이동시키는 수단,

f) 단계 a), 존재한다면 단계 d), 및 단계 e)를 제어하는 제어 수단,

g) 기판의 반대편에 위치되는 선택적인 반대 전극, 및

h) 기판의 반대편에 위치되는 선택적인 냉각 노즐을 포함한다.

단계 a) 내지 c) 및 단계 e) 내지 f)는 필수적인 반면, 단계 d), g), 및 h)는 선택적이며 일부 실시예들에서 독립적으로 존재한다는 점에 주의해야 한다.

일 실시예에서, 상기 AC 전압원은 전력단(power stage)을 구동하는 주파수 발생기, 상기 전력단에 연결되는 테슬라 발전기로서의 공진 변압기의 1차 코일, 상기 제1 전극에 연결되는 상기 공진 변압기의 2차 코일, 및 상기 공진 변압기의 전력 출력을 제어/설정하는 피드백 기구를 포함한다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 상기 전극(들) 및/또는 상기 홀딩 수단에 의해 파지된 기판을 이동시킬 수 있는 수치적으로 제어되는 장비 및 감시카메라를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 제어 수단은 또한 상기 감시 카메라 및 상기 수치적으로 제어되는 장비에 의해 상기한 바와 같은 기판을 절단하는 방법의 실행을 제어한다.

일반적으로, 절단될 기판은 상기 기판에 열구배들을 도입함으로써 쉽게 분리될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의해 이루어지는 절단은 기판의 표면에 대하여 수직일 수 있음을 주의해야 한다. 하지만, 다른 실시예들에서는, 절단이 90°가 아닌 예들 들어, 95°, 100°, 105°와 같이 90°보다 큰 각도 또는 80°, 70°, 60° 등과 같이 90°보다 작은 각도에서도 이루어질 수 있다. 기판의 측면과 기판의 상단면 또는 바닥면 사이에 형성되는 이러한 모든 각도들이 본 발명에 포함된다.

본 명세서에 개시되는 본 발명의 특징들, 특허청구의 범위, 및/또는 첨부 도면들은 개별적이거나 조합하여 다양한 형태로 본 발명을 구현하기 위한 재료가 될 수 있다.

더욱이, 예시적인 실시예들로서 주어진 다음의 도면들이 참조된다.
구체적으로,
도 1은 재료(5)의 표면을 향하고 있는 전극(1)의 예시적인 실시예를 보여준다. 이러한 전극(1)은 접지되거나 되지 않을 수 있는 발전기(6)에 연결된다. 발전기(6)에 의한 전압의 인가/발전에 의해, 전기 아크(2)가 재료의 표면과 전극 사이에 형성된다. 냉각 시스템(3)은 전극에서 떨어져 고정된 거리에 위치하여 기체, 액체, 또는 에어로졸 형태가 될 수 있는 냉각제를 불어낸다. 전극(냉각 노즐이 뒤따른다)과 재료의 표면은 절단될 방향(4)으로 서로에 대하여 이동되어 절단될 표면을 전극에 노출시킨다. 선택적인 반대 전극(7)은 절단될 기판의 반대면에 따라올 수 있다. 점선은 절단될 것으로 예상되는 영역을 가리킨다.
도 2는 본 발명의 장치의 전기적인 부분, 즉, 테슬라 발전기의 일차코일(10)에 연결되는 전력단(9)을 구동하는 고주파 발생기(8)에 대한 가능한 실시예를 보여준다. 이차코일(11)은 아마도 접지된 반대전극(7)과 함께 기판에 근접하게 위치될 전극(1)에 연결된다. 선택적인 피드백(12)은 발전기에 의해 생산된 주파수를 동조시킨다.
도 3은 기판(5), 전압 공급장치(6)에 연결되는 전극(1), 전극(13)이나 기판(14)을 이동시키는 수치적으로 제어되는 장비, 가시광선, 적외선 또는 자외선 영역에서 작동되는 감시/피드백 카메라(15), 제어장치(16)를 구비하는 본 발명의 장치의 자동화를 위한 가능한 장치를 보여준다.
도 4는 2.5A, 3.85mm/s, 1bar의 차가운 공기, 500um의 표본-전극간 거리인 D263T 유리(두께: 0.7mm)로 만든 현미경 슬라이드를 보여준다.
도 5는 전기 아크가 절단 공정 중에 유리 표본과 전극 사이에 형성되는 것을 보여준다. 차가운 공기를 불어내는 노즐은 1cm 뒤에서 전극을 따라가면서 온도 프로파일(temperature profile)을 제어하고 무질서한 균열이 시작되는 것을 피한다.
도 6a 및 6b는 2.5A, 3.85mm/s, 1bar의 차가운 공기, 500um의 표본-전극간 거리인 경화유리(두께: 0.7mm)를 보여준다.

본 명세서에서 사용된 "상기 소정의 영역 근처에 인가된다"의 표현은, 상기 소정의 영역 주변의 구역에 상기 유동을 인가하는 것을 지칭함을 의미하며, 그 구역은 단계 b)에서 제공되는 열에 의해 영향을 받은 구역이다. 일 실시예에서, 상기 구역은 0.001cm² 내지 100cm², 바람직하게는 0.1cm² 내지 10cm², 더욱 바람직하게는 0.1cm² 내지 1cm²의 범위의 크기를 가진다. 하지만, 상기의 표현은 상기 유동을 소정의 영역에 직접적으로 인가하는 것을 포함하는 것도 의미한다.

본 명세서에서 사용된 표현 "상기 소정의 영역의 근처"는 "열에 영향을 받은 구역"을 지칭하는 것을 의미하거나 같은 의미로 사용되기도 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "테슬라 변압기"와 "테슬라 발전기"는 명세서 전체에 걸쳐 혼용 가능하게 사용된다.

본 발명에 다른 실시예들에서, 전압은 기판에 인가되어 AC 전압원에 연결되는 전극을 이용하여 상기 기판에 전류가 흐르게 한다. 일반적으로, 전류는 기판의 소정 상의 지점에서 기판 안으로 들어가며, 그 지점은 종종 상기 전류가 기판 내부로 들어가는 기판 상의 영역을 의미하는 "소정의 영역"을 지칭한다. 일 실시예에서, 전압과 전류를 상기 기판 상의 상기 소정의 영역에 인가하도록 사용되는 전극은 기판으로부터 0mm 내지 100mm 범위의 거리에 위치된다. 전극이 기판으로부터 0mm의 거리에 위치되면, 이는 전극이 상기 기판과 접촉하고 있음을 의미한다. 전극이 상기 기판에 0mm 보다 먼 거리에 위치되면, 이는 전극이 기판과 직접적으로 접촉하고 있지 않음을 의미한다. 전류가 흐르게 하려면, 전기 아크가 형성될 것이다. 당업자는, 소정의 영역에서 전극으로부터 기판으로 전류가 흐르기 시작하도록 하기 위해 전기 아크를 형성하는데 필요한 매개변수들을 결정하는 위치에 있을 것이다.

일반적으로, 본 발명에 따른 실시예들에서, 전류를 기판에 인가하는 것은 소정의 영역에서 기판을 국부적으로 가열하게 될 것이다. 이러한 가열은 기판의 소정의 영역 내에서 재료가 녹는 일은 발생되지 않고 또한 어떠한 재료도 소정의 영역에서 제거되거나 배출되지 않도록 정상적으로 수행되는 것을 주목해야 한다. 기판의 국부적인 용융은 그것이 절단에 간섭할 것이라는 점에서 대부분 비생산적이다.

바람직한 실시예들에서, 단계 b)에서 일어나는 가열은 상기한 바와 같이 전류를 기판에 인가함으로써, 보다 구체적으로 1kHz 내지 10GHz 범위의 주파수에서 전류를 인가함으로써 달성된다. 결론적으로, 이러한 실시예들에서, 유전 손실들은 기판을 가열하는데 도움을 주어 전기 아크에 의한 효과를 증대시킨다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상의 소정의 영역은 기판을 따라 이동된다. 이는 전압이 인가되고 따라서 전류가 기판으로 흐르는 지점이 정지하지 않고 이동된다는 것을 의미한다. 이러한 이동은 일반적으로 (i) 기판에 대한 전극의 이동, (ii) 전극에 대한 기판의 이동, 또는 (iii) 전극과 기판 모두의 서로에 대한 이동 중 하나에 의해 달성된다. 일반적으로, 상대적인 이동은 기판 표면 상의 하나의 경로를 따라 이루어진다. 이러한 경로는 기판이 절단되는 형상을 결정하기도 한다. 이러한 경로는, 본 발명에 따르면, 기판의 가장자리들 중 하나를 따라가지 않고 기판을 완전히 또는 적어도 부분적으로 가로지른다. 이러한 경로는 직선, 곡선, 경사진 직선, 또는 폐쇄형 라인이 될 수 있는데, 후자는 예를 들어 기판의 일부분이 기판의 내부에서 절단되어 나오게 되는 것이다.

본 발명에 따르면, 소정의 영역 내의 재료는 가열된다 하더라도 보통은 기판으로부터 제거되거나 배출되기는 커녕 녹지 않는다. 발생하게 될 임의의 용융은 절단의 정밀도 및/또는 품질에 간섭을 일으킬 것이다.

본 발명에 따른 실시예들에서, 단계 c), 즉 가열된 소정의 영역을 냉각하는 단계는 시작 영역에서 멀어지는 열대류 및/또는 열전도에 의해 수동적으로 발생된다. 다른 실시예들에서, 냉각은 능동적인 냉각의 형태로 대규모로 발생된다. 이러한 능동적인 냉각은 공기, 질소, 아르곤 등의 가스 유동, 또는 디클로로메탄, 클로로포름과 같은 액체 유동, 또는 기체와 액체의 혼합물, 에어로졸, 또는 예를 들어 이산화탄소 드라이 아이스인 고체와 기체의 혼합물의 유동을 인가함으로써 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 냉각은 또는 국소적인 성질이며, 즉 냉각은 상부의 소정의 영역이 이동되는 경로와 동일한 기판 상의 경로를 따라 발생되는 것이다. 이는, 예를 들면, 전극 및 냉각 노즐과 같은 냉각 수단을 서로에 대해 고정된 거리에 위치시키고 이러한 고정된 거리에서 냉각 수단이 전극을 뒤따르게 함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 발명자들은 냉각 장치가 그 경로를 따라 전극에 앞서는 실시예들도 예상한다. 이러한 실시예에서, 소정의 영역은 먼저 냉각될 것이고 뒤이어 가열될 것이며, 단계 b)와 c)의 순서는 사실상 반대로 될 것이며, 소정의 영역이 먼저 냉각되고, 이어서 전기 전압과 전류를 소정의 영역에 인가함으로 가열될 것이다. 가열 이전의 냉각 단계 그리고 가열 이후의 추가 냉각 단계가 이어지는 실시예들도 가능하다. 이러한 시나리오들 모두는 본 발명의 발명자에 의해 도모되는 것이며 본 발명에 속하는 것이다.

일반적으로, 전압과 전류가 기판에 인가되는 전극은 기판의 일면에 위치된다. 일부 실시예들에서, 제2 전극, 즉 기판의 반대면에 위치되는 반대전극이 있을 수 있다. 이러한 제2 전극은 제1 전극에 대한 전류 복귀 경로를 제공한다.

소정의 영역은 0.01mm/s 내지 10,000mm/s 범위의 속도로 이동된다. 이미 개략적으로 설명한 바와 같이, 이러한 이동은 기판에 대한 전극의 상대적인 이동에 의해, 또는 그 반대에 의해, 또는 서로에 대해 서로가 이동함으로써 이루어진다. 따라서, 전극과 기판 사이의 상대적인 속도는 0.01mm/s 내지 10,000mm/s 범위에 있어야 하고, 상기 이동의 경로는 가능성이 있는 둥근 형태(rounded profile)를 포함하는 0(각도들)부터 무한대(라인)의 범위의 임의의 곡률 반경을 가질 수 있다.

전형적으로, 인가되는 전압은 10²V 내지 10⁷V 범위에 있으며 1kHz 내지 10GHz 범위의 주파수를 가진다. 따라서, 인가된 고주파수는 (1) 기판 내부의 유전 손실을 유발하고 (2) 보통 기판의 소정의 영역에서 기판을 가열하는 전기 아크에 의해 나타나는 전류를 유발한다.

어떠한 이론에 의해 제한되려 하지 않으면서, 본 발명의 발명자들은 기판 안으로 들어가는 열이 기판 내부의 기계적인 장력을 유발시키며, 따라서 소정의 영역의 경로가 제어된 파손이나 제어된 분리를 잘 따르는 것으로 본다. 그 효과는 상기한 바와 같이 추가적인 냉각을 통해 장력을 유발하는 온도 구배들을 향상시킴으로써 더욱 개선될 수 있는데, 그러한 추가적인 냉각은 국부적인 가열 이전 또는 이후 또는 두 시점 모두에서 이루어질 수 있다.

제어된 파손과 분리는, 적합한 인발 또는 연마 수단이나 초음파 설비와 같은 적합한 수단에 의해 유발되는 기계적인 응력과 같은 추가적인 기계적인 수단에 의해 뒷받침될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예들에서, 전극/냉각 수단의 기판에 대한 상대적인 이동은 국부적으로 또는 원격으로 작동되는 수치적으로 제어되는 장비에 의해 일어날 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 전체적인 설정은 적절한 입력/출력 인터페이스를 구비한 개인 컴퓨터와 같은 적절한 컴퓨터 시스템, 또는 기판 및/또는 전극 이동의 제어를 위한 수치 제어 장비에 연결되는 독립적인 제어 장치, 또는 이러한 것들의 조합을 사용하여 제어될 수 있다. 위에서 개략적으로 추가 설명한 바와 같이, 냉각 수단은 기판에 대하여 전극과 함께 이동되는 것이 바람직하다. 이는, 예를 들어 냉각 수단을 전극으로부터 고정된 거리에 대체로 0.1mm 내지 100mm 범위에서 유지함으로써 달성된다.

본 발명에 적합한 유용한 고전압-고주파 장치들은 테슬라 변압기들, 플라이백 변압기들, 고전력 무선 주파수 발생기, 및 반도체에 기반한 고주파 고체 상태 쵸퍼이다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 장치 또는 방법을 수행하는 장치를 제공한다. 이러한 장치는:

a) 1kHz 내지 10GHz 범위의 주파수에서 10² 내지 10⁷V 범위의 전압을 인가할 수 있는 AC 전압원,

b) 상기 AC 전압원에 연결되는 제1전극,

d) 상기 전극까지 고정된 거리에 정렬되어 기판을 냉각시키는 선택적인 냉각 수단,

e) 냉각 수단과 함께 그리고 기판과 함께 서로에 대하여 전극을 이동시키는 수단,

f) 단계 a), d), 그리고 단계 e)를 제어하는 제어 수단,

g) 기판의 반대편에 위치되는 선택적인 반대 전극, 및

냉각 노즐 또는 반대 전극이 기판의 "반대편"에 위치되면, 이는 일반적으로 제1 전극이 위치되는 일측에 대한 것이다.

본 발명의 발명자들은 고주파 전압원에 의해 제공되는 전기 에너지를 사용하여 재료를 국부적으로 가열함으로써 재료의 제어된 분리를 야기하는 열적 장력들이 유발될 수 있음을 발견하였다. 나아가, 발명자들은 소정의 경로를 따라 이러한 가열을 인가함으로써 재료가 소정의 방식으로 절단될 수 있음도 관찰하였다.

본 발명의 실시예들에서, 전력 및/또는 화력을 기판에 국부적으로 도입하는 것은 고주파-고전압 원에 연결되는 전극을 절단될 영역에 인접하게 위치시킴으로써 발생될 수 있다. 그런 다음 소정의 절단은 기판에 대해 상대적으로 전극을 이동시키고 이에 따라 전류가 기판으로 들어가는 지점을 이동시킴으로써 시작될 수 있다. 이러한 이동은 전극 자체를 이동시키거나 전극에 대해 기판을 이동시키거나, 또는 둘 다 이동시킴으로써 가능해진다. 대부분, 가열은 (1) 기판 내부의 유전 손실과 (2) 전극(들)과 기판 사이에서 형성되는 전기 아크에 의한 열전달에 의해 이루어진다. 부도체 기판을 가로질러 흐르는 용량성 전류(capacitive current)와 같은 고주파 현상에 의해, 열은, 기판이 직접적으로 또는 간접적으로 접지에 연결될 때에만 하나의 전극을 이용하여, 또는 (예를 들어 캐패시터를 경유하여) 접지에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 다른 전극을 사용하여 도입될 수 있다. 상기 전극은, 전류가 흐르고 따라서 기판 내부의 가열이 사용자가 정한 우선 경로를 따르도록 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 인가된 전압은 10V 내지 10⁷V 범위의 진폭, 바람직하게는 100V 내지 10⁶V, 더욱 바람직하게는 100V 내지 10⁵V 범위의 진폭을 가진다. 또한, 일실시예에서, 전압원은 1kHz 내지 10GHz 범위, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더욱 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz 범위의 주파수를 가지는 고주파 전압 발생기이다. 일 실시예에서, 인가된 전압은 1kHz 내지 10GHz 범위, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더욱 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz 범위의 주파수를 가진다. 이러한 매개변수들은 평균 전류가 10^-9A 내지 10³A 범위, 더욱 바람직하게는 10^-7A 내지 10²A, 더욱 바람직하게는 10^-5 내지 1A 범위가 되도록 조정될 수 있다.

이러한 고전압들과 고주파들은, 예를 들어 테슬라 변압기나 상기 사양에 맞는 임의의 다른 고주파-고전압 공급장치를 사용하여 발생될 수 있다. 이러한 전압 공급장치는 출력 전압, 주파수, 전류, 및 임피던스에 관하여 동조될 수 있다. 전극과 기판 사이의 작업 거리는 가열 지점의 기하 구조에 영향을 주게 되어 기판의 가열된 영역의 공간적인 열 프로파일(thermal profile)을 제어한다. 일 실시예에서, 전극과 기판의 표면 사이의 거리는 0mm(접촉) 내지 10cm, 바람직하게는 0mm 내지 10mm, 더욱 바람직하게는 0.05mm 내지 5mm의 범위이다.

표면에 대한 전극의 상대속도를 변경함으로써, 기판으로 들어가서 기판을 가열하는 열에너지와 전기에너지의 양을 맞추는 것이 가능하다. 전극과 기판의 표면이 서로에 대하여 이동되는 속도는 일반적으로 0.01mm/s 내지 10,000mm/s, 바람직하게는 0.1mm/s 내지 100mm/s, 더욱 바람직하게는 1mm/s 내지 10mm/s의 범위가 된다.

본 발명에 따른 방법과 장치에서, 본 발명에 따른 전극은 어떠한 형상이어도 좋으나 기판의 표면 쪽으로 가리킬 수 있는 뾰쪽한 형상을 가질 수 있다. 이러한 전극은 다양한 재료로 만들어질 수 있으며, 백금이나 팔라듐 등과 같은 높은 녹는점을 가지는 귀금속들이 특히 잘 작동되는 것으로 알려져 있다.

고주파-고전압 공급장치로서, 테슬라 변압기가 사용될 수 있다. 일차 코일은, 최대 100권선, 바람직하게는 1 내지 10권선, 더욱 바람직하게는 1 내지 2 권선으로 이루어질 수 있으며, 이는 5mm 내지 1000mm, 바람직하게는 10mm 내지 100mm, 더욱 바람직하게는 10mm 내지 60mm 범위의 직경을 가지는 평면 또는 나선형으로 구현될 수 있다. 이러한 권선은 와이어/테이프의 형태나 증착층들의 형태의 고체 전도체(예를 들면, 구리, 알루미늄, 귀금속들)로부터 얻을 수 있다. 이차 코일은 0.01mm 내지 10mm, 바람직하게는 0.05mm 내지 5mm, 더욱 바람직하게는 0.1mm 내지 1mm 범위의 직경을 가지는 도체 와이어로 만들 수 있으며, 10 내지 10⁵권선수, 바람직하게는 50 내지 10⁴권선수, 더욱 바람직하게는 60 내지 1,000권선수 범위의 권선수를 가질 수 있다. 이러한 이차 코일 권선은 일차 코일과 다르지만 보통은 동심원 위치에, 예를 들면 일차 코일 위에, 내부에 또는 바로 근처에 위치될 수 있다.

사용된 예시적인 설정은 인쇄회로기판의 패터닝을 이용하여 ca 20mm의 직경을 가지는 평면 형상으로 구현되는 1 내지 2권선수의 일차 코일을 가지는 고주파 테슬라 변압기로 이루어진다. 100 내지 300권선수의 2차 권선은 0.1mm 내지 0.5mm 범위의 직경을 가지는 구리 와이어로 이루어지며 일차 코일 내부에 위치된다. 전극으로는, 백금과 팔라듐 모두가 0.5mm 내지 2mm의 직경을 가지는 뾰족한 로드 형상으로 사용된다. 일차 코일을 구동하는데 필요한 전력 전자장치는 저전력 기기(최대 50W)에 대해 IXYS의 IXDD414와 같은 모놀리식 MOS 게이트 드라이버, 고전력 기기에 대해 고주파 고전력 MOSFET(예를 들면, 최대 500W의 IXZ 2210N50L, DE275X2-102 N06A)과 같은 반도체에 기반한다. 그 시스템은 5V 내지 30V의 일차 코일용 공급 전압으로 2 내지 20MHz에서 작동된다. 이러한 매개변수들을 사용하면, 예를 들어 유리기판들과 같이 0.1mm 내지 2mm 범위의 두께를 가지는 상이한 기판들이 성공적으로 절단된다(도 4, 5, 6a 및 6b 참조).

열적 장력들과 후속하는 재료 분리의 형성이 가열 전 및/또는 가열 후 소정의 시간에 그리고 소정의 크기로 가열된 영역을 냉각하는 추가적인 냉각 장치를 사용하여 더 제어될 수 있음이 관측되었다. 이러한 개선의 가능한 실시예들은 기체 유동(예를 들어, 공기, 질소, 아르곤), 액체들(디클로로메탄, 클로로포름), 기체와 액체의 혼합물들(에어로졸들), 또는 기체와 고체의 혼합물들(예를 들면 이산화탄소 드라이 아이스)을 인가하여 냉각하는, 절단될 기판의 예비 냉각을 포함한다. 예를 들면, 상기한 테슬라 변압기 매개변수들에 대하여, 추가적인 냉각단계는, 예를 들어 기판의 표면에서 1mm 떨어진 거리에서 그리고 전극에 대하여 10mm 떨어진 거리에서 ~10°C에서 1bar의 상대적인 압력으로 1mm의 직경으로 공기를 분사하는 노즐을 이용하여 성공적으로 수행된다.

두께와 열팽창 계수와 같은 유리의 성질은 절단이 진행되는 동안 유리의 거동에 중대한 영향을 미치고 따라서 두꺼운 유리나 작은 열팽창계수를 가지는 유리는 전달되는 에너지의 양을 증가시키기 위해 절단 공정에 관하여 더욱 많은 전류 및/또는 더욱 느린 속도를 필요로 할 것이다.

본 발명은 유리(봉규산염, 플로트 유리, 소다 석회와 다른 형태들, 예를 들어 역시 경화 유리, 이온 처리되거나 플라즈마 처리된 유리, 강화 유리), 실리카, 용융 실리카, 사파이어, 특수한 유리 재료들(경화 유리, 이온처리되거나 강화된 유리), 그리고 소성파괴되는 경향이 있는 다층 재료들을 포함하는 상이한 균질한 또는 이질적인 재료들에 적용될 수 있다. 평평하지 않거나 뷸규칙한 표면을 가지는 기판들도 본 발명의 방법에 적합하다. 하지만, 이러한 조건들에서의 결과를 개선하기 위해서, 그 구성은 전극(들)이 기판 표면까지 소정의, 예를 들어 일정한 거리를 가지는 기판 표면을 따르는 식으로 변경될 수 있다. 기판 재료들의 전형적인 두께는 0.01mm 내지 5mm의 범위, 바람직하게는 0.1mm 내지 2mm의 범위 내에서 변한다. 일 실시예에서, 기판은, 하나 또는 양면에서, 산화인듐주석(ITO) 같은 도체나 산화 금속과 같은 부도체의 추가적인 부착 층을 가진다.

기판과 전극(들)을 서로에 대하여 선형, 즉 1차원적인 경로를 따라 이동시키면, 직선 절단 또는 분리가 일어날 것이다. 복잡한 형상을 가지는 기판들은, 전극(들)의 위치/이동을 기판 위의 요구된 형상을 따르는 방식으로 제어하면서 본 발명의 방법을 적용함으로써 얻을 수 있다. 시도된 배치에서, 둥근 가장자리들과 물결치는 절단선(도 1)을 가지는 사각형을 포함하는 복잡한 형상들이 용이하게 얻어진다.

정밀하게 절단된 기판을 얻기 위하여, 전극과 기판 사이의 상대적인 이동은 수치적으로 제어되는 전자기계적인 장비에 의해 제어될 수 있다. 가능한 구성에서, 전극(들)은 기판 위에 위치 설정 기계에 의해 이동되거나, 이와 달리, 전극(들)이 고정된 위치를 유지하면서 기판이 이동되는데, 이 두 가지 방법을 조합하는 것도 가능하다. (일반적으로 100ms 미만의 교정 중재 시간을 유지하면서) 적절히 짧은 시간에 전기적이고 기계적인 매개변수들을 제어하고 변경하기 위해서, 피드백 루프가 구현될 수 있다. 이러한 방식으로, 전류, 전압 및/또는 온도의 측정치들에 의거하여, 전압 발생기 매개변수들, 냉각시스템, 기판-전극(들) 거리 및/또는 속도를 실시간으로 조절하여 정규 공정을 유지하는 것이 가능하다.

이러한 구성들은, 적절한 입력/출력 인터페이스를 구비한 PC와 같은 적절한 컴퓨터 시스템 또는 기판 및/또는 전극 이동 또는 그 조합을 위한 수치 제어 장비에 연결되는, 단독으로 제어하는 장치에 의해 제어되고 구동될 수 있다.

절단 공정의 개시는 중대한 일이 될 수 있으므로, 절단 지점의 정확한 개시 지점을 결정함으로써 공정을 더욱 정밀하게 하기 위해, 근원이 되는 균열(또는 인위적인 불규칙성)이 도입될 수 있다. 이러한 불규칙성들은, 재료의 경계에서 시작되는 절단의 경우 기판의 가장자리에 또는 기판 그 자체 내에 위치될 수 있다. 이와 같이 기판 내부에 근원이 되는 균열은 기판 내부에 폐쇄형 절단의 경우에, 즉 바깥 경계를 가로지르지 않는 절단의 경우에 중요하다. 표본 내에 위치되는 복수의 불규칙성은 복잡한 분리 경로들을 사전에 정의하는 경우에 유용할 수 있다.

나아가, 설명을 위해 제공되었을 뿐 본 발명을 제한하지 않는 다음의 예들을 참조한다.

예

예 1

굴곡진 형상의 D263T 유리 현미경 슬라이드를 절단하기 위해, 전극과 공기 노즐이 뒤따르는 경로가 코드언어를 이용하여 프로그램되었다. 컴퓨터와 수치적으로 제어되는 전자기계 장비 사이의 인터페이스가 전극과 공기 노즐이 뒤따라야 하는 경로를 전달하는데 사용되었다.

현미경 슬라이드 유리의 두께는 0.7mm가 되고, 절단을 하기 위해 적용된 매개변수들은 3.85mm/s의 전극과 공기 노즐의 속도를 가지는 2.5A의 전류, 노즐로부터 나오는 1bar의 차가운 공기의 압력, 그리고 0.5mm의 전극과 유리 표본 사이의 거리이다. 결과적으로 얻은 절단은 도 4에 도시되어 있다.

예 2

경화유리를 절단하기 위하여, 전극과 공기 노즐이 뒤따르는 경로가 코드 언어를 이용하여 프로그램되었다. 컴퓨터와 수치적으로 제어되는 전자기계 장비 사이의 인터페이스가 전극과 공기 노즐이 뒤따라야 하는 경로를 전달하는데 사용되었다.

경화유리의 두께는 0.7mm가 되고, 절단을 하기 위해 적용된 매개변수들은 3.85mm/s의 전극과 공기 노즐의 속도를 가지는 2.5A의 전류, 노즐로부터 나오는 1bar의 차가운 공기의 압력, 그리고 0.5mm의 전극과 유리 표본 사이의 거리이다. 결과적으로 얻은 절단은 도 6a와 6b에 도시되어 있다.

Claims

기판을 절단하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
a) 절단될 기판을 마련하는 단계,
b) AC 전압원에 연결되는 하나 이상의 전극(들)에 의해, 1 kHz 내지 10 GHz 범위의 주파수에서, AC 전압과 전류를 상기 기판의 소정의 영역에 인가함으로써 상기 기판에 전기 및 열 에너지를 인가하여 상기 소정의 영역을 가열하는 단계,
c) 상기 소정의 영역을 냉각하는 단계를 포함하고,
d) b) 단계를 수행하는 중에, 상기 소정의 영역은,
i) 상기 기판에 대하여 상기 전극(들)을 이동시키거나,
ii) 상기 전극(들)에 대하여 상기 기판을 이동시키거나, 또는
iii) 상기 전극(들)과 상기 기판 모두를 서로에 대하여 이동시킴으로써
상기 기판의 표면 상의 경로를 따라 이동되고,
상기 경로는 상기 기판의 가장자리를 따르지 않고 상기 기판을 완전히 또는 부분적으로 횡단하는, 기판을 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판은 폐쇄형 전기 회로를 구성하는 반대전극으로 사용되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
반대전극이 절단될 상기 기판의 반대면에 위치되어 폐쇄형 전기 회로를 구성하는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반대전극은 접지되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b) 자체는 상기 전극(들)과 상기 소정의 영역 사이의 전기 아크 형성으로 나타나고, 바람직하게는 상기 전기 아크(들)는 상기 기판을 절단하는데 사용되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 상기 가열은 상기 AC 전압 및/또는 전류의 주파수 및/또는 진폭 및/또는 상기 기판까지의 상기 전극(들)의 거리를 조절함으로써 제어되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b)를 수행하기 위하여, 상기 전극(들)은 상기 기판의 일면 또는 양면(들) 위에서 상기 기판까지 0mm 내지 100mm의 거리에 위치되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b)는 10V 내지 10⁷V, 바람직하게는 100V 내지 10⁶V, 더 바람직하게는 100V 내지 10⁵V의 범위의 진폭과, 1kHz 내지 10GHz, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz의 범위의 주파수를 가지는 전압을 인가함으로써 수행되는, 기판을 절단하는 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 아크의 특성들은 상기 전극(들)와 상기 기판을 둘러싸는 대기를 변경하여, 예를 들면, 10^-5 내지 10³bar의 범위의 압력, 바람직하게는 10^-3 내지 10bar의 범위의 압력에서 질소, 아르곤, 또는 육불화 황을 이용하여 제어되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 c)에서, 상기 소정의 영역은,
i) 주변 환경과의 열전도 및/또는 대류를 통한 수동적인 방법,
ii) 열을 효율적으로 흡수할 수 있으며 능동 열펌프로서 선택적으로 기능하는 요소에 예를 들어 펠티어 요소에 상기 기판을 부착하는 방법,
iii) 가스, 액체, 가스와 액체의 혼합물, 또는 가스와 고체의 혼합물을 상기 소정의 영역의 근처에 또는 상기 소정의 영역에 직접 접촉시킴으로써 능동적으로 냉각하는 방법 중 어느 하나의 방법에 따라 냉각되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
a2) 단계 b) 이전에 상기 소정의 영역을 냉각하는 단계를 더 포함하는, 기판을 절단하는 방법.
제11항에 있어서,
단계 a2)에서, 상기 소정의 영역은 제10항에서 설명된 상기 방법들 중 어느 하나의 방법에 따라 냉각되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각, 바람직하게는 상기 능동적 냉각은 상기 소정의 영역이 이동될 때 상기 기판 상의 동일한 경로를 따라 이동되는, 기판을 절단하는 방법.
제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 능동적 냉각은 상기 전극(들)과의 고정된 거리에 위치되는 하나 이상의 노즐(들)을 경유하여 실시되고, 상기 기판 상의 상기 냉각의 이동은
i) 상기 노즐(들)을 상기 기판에 대하여 이동시키거나,
ii) 상기 기판을 상기 노즐(들)에 대하여 이동시키거나, 또는
iii) 상기 노즐(들)과 상기 기판 모두를 서로에 대하여 이동시킴으로써 이루어지는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b) 이전에 상기 기판 내부의 장력들은 절단이 수행되려고 하는 상기 경로를 따라 유발되거나 감소되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 AC 전압원은 10V 내지 10⁷V, 바람직하게는 100V 내지 10⁶V, 더 바람직하게는 100V 내지 10⁵V의 범위의 진폭과, 1kHz 내지 10GHz, 바람직하게는 10kHz 내지 1GHz, 더 바람직하게는 100kHz 내지 100MHz의 범위의 주파수를 가지는 전압을 발생시킬 수 있는 고전압-고주파 장치인, 기판을 절단하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 고전압-고주파 장치는 테슬라(Tesla) 변압기, 플라이백(Flyback) 변압기, 고전력 무선주파수 발생기, 및 반도체에 기반한 고주파 고체 상태 쵸퍼와 같은 공진 변압기들에서 선택되는, 기판을 절단하는 방법.
제16항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고전압-고주파 장치는 바람직하게는 예를 들면, 팔라듐, 백금 또는 금인 귀금속 같은 높은 녹는점 및 낮은 전기저항을 가지는 임의의 전도체로 제작되는 하나 이상의 전극(들)에 연결되는, 기판을 절단하는 방법.
제18항에 있어서,
상기 전극(들)은 1 내지 300mm, 바람직하게는 2 내지 100mm, 더 바람직하게는 3 내지 50mm 범위의 길이와, 0.1 내지 20mm, 바람직하게는 0.2 내지 10mm, 더 바람직하게는 0.4 내지 4mm 범위의 평균 직경을 가지는, 기판을 절단하는 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 전극(들)은 1μm 내지 5mm, 바람직하게는 10 μm 내지 1mm, 더욱 바람직하게는 20 μm 내지 0.5mm 범위 내의 곡률을 가지는 뾰족한 끝을 가지는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판은 예를 들면, 경화 유리, 이온 처리된 유리, 강화 유리인 유리, 용융 실리카, 석영, 다이아몬드, 알루미나, 사파이어, 질화 알루미늄, 지르코니아, 침정석, 세라믹과 같은 전기적으로 절연되는 재료, 도핑 실리콘과 결정 실리콘을 포함하는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소와 인화 인듐과 같은 화합물 반도체와 같은 전기적으로 반도체인 재료로 제작되는, 기판을 절단하는 방법.
제21항에 있어서,
상기 기판은, 일면 또는 양면에 부착되는, 산화인듐주석(ITO)과 같은 도체 재료 또는 산화 금속과 같은 부도체 재료의 추가층을 가지는, 기판을 절단하는 방법.
제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전압과 전력은 상대적인 투과성, 전도성, 열팽창계수, 두께와 같은 상기 기판의 전기적 물리적 성질에 따라 조절되는, 기판을 절단하는 방법.
제2항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
변압기 구동 회로를 가지는 공진 변압기는 AC 전압원으로 사용되고 상기 기판은 폐쇄형 전기 회로의 일부가 되며 상기 폐쇄형 전기 회로의 공진주파수에 영향을 미치게 되어, 상기 변압기 구동 회로의 주파수는 기판의 치수 및 유전 성질과 같은 상기 기판의 물리적 성질에 따라 조절되는, 기판을 절단하는 방법.
제24항에 있어서,
공진 변압기는 제24항에서 설명된 상기 회로의 공진과 정합하도록 설정되는 고정된 주파수에 의해 구동되는 AC 전압원으로서 사용되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
공진 변압기는, 상기 기판 내부의 유전 손실은 물론 상기 전기 아크의 성질을 제어하기 위하여 상기 공진 주파수에서 벗어나는 주파수로 구동되는 AC 전압원으로서 사용되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b)가 진행되는 동안, 상기 소정의 영역 내의 기판 재료는 녹지 않고, 상기 소정의 영역으로부터 제거되거나 배출되지 않게 되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제26항 중 어느 항에 있어서,
단계 b)가 진행되는 동안, 상기 소정의 영역 내의 기판 재료는 녹고/녹거나 상기 소정의 영역으로부터 제거되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경로는 직선, 곡선, 경사진 직선, 폐쇄형 라인(closed line), 또는 이들의 조합이며, 상기 경로는 상기 기판이 절단되는 곳을 정의하는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 상기 경로를 따라 이루어지는 상기 기판의 분리는 기계적인 압축력 또는 장력을 상기 기판에 인가함으로써 제어되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 b) 이전에, 인공 균열과 같은 제1 균열 전구체가 상기 기판 내부에 도입되고, 단계 b)가 상기 제1 균열 전구체에서 개시되는, 기판을 절단하는 방법.
제31항에 있어서,
단계 b) 이전에, 제2 인공 균열과 같은 제2 균열 전구체가 상기 기판 내부로 도입되고, 단계 b)가 실행되어 상기 분리 경로는 예를 들어 상기 제2 인공 균열인 상기 제2 균열 전구체를 지나는 것으로 마무리되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 표면 상에서 상기 경로를 따라 상기 소정의 영역의 이동과 상기 기판 상에서 상기 냉각의 이동은 0.01mm/s 내지 10,000mm/s 범위의 속도로 발생하는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 표면 상에서 상기 경로를 따라 상기 소정의 영역의 이동은 상기 기판의 분리의 개시 부분 및 마지막 부분에서 상기 분리의 품질을 향상시키기 위해 상기 개시 부분 및 마지막 부분 내에서 느려지는, 기판을 절단하는 방법.
제34항에 있어서,
상기 전력 및/또는 상기 전압 및/또는 상기 주파수는, 예를 들어 일정한 속도/전력 비를 유지하기 위하여, 상기 절단의 개시 부분 및 마지막 부분에서 감소된 속도를 보상하기 위해 조절되는, 기판을 절단하는 방법.
제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 상기 방법을 수행하는 장치에 있어서, 상기 장치는,
a) 1kHz 내지 10GHz 범위의 주파수에서 10V 내지 10⁷V 범위의 전압을 인가할 수 있는 AC 전압원,
b) 상기 AC 전압원에 연결되는 제1 전극,
c) 절단될 기판을 파지하고 상기 기판의 일측면을 상기 제1 전극에 노출시키는 홀딩 수단,
d) 상기 전극까지 고정된 거리에 정렬되어 상기 기판을 냉각시키는 선택적인 냉각 수단,
e) 선택적으로 존재한다면 상기 냉각 수단과 함께 그리고 상기 기판과 함께 서로에 대하여 상기 전극을 이동시키는 수단,
f) 단계 a), 존재한다면 단계 d), 및 단계 e)를 제어하는 제어 수단,
g) 상기 기판의 반대편에 위치되는 선택적인 반대 전극, 및
h) 상기 기판의 상기 반대편에 위치되는 선택적인 냉각 노즐을 포함하는, 장치.
제36항에 있어서,
상기 AC 전압원은 전력단(power stage)을 구동하는 주파수 발생기, 상기 전력단에 연결되는 테슬라 발전기로서의 공진 변압기의 1차 코일, 상기 제1 전극에 연결되는 상기 공진 변압기의 2차 코일, 및 상기 공진 변압기의 전력 출력을 제어/설정하는 피드백 기구를 포함하는, 장치.
제36항 또는 제37항에 있어서,
상기 전극(들) 및/또는 상기 홀딩 수단에 의해 파지된 기판을 이동시킬 수 있는 수치적으로 제어되는 장비, 및 감시카메라를 더 포함하는, 장치.
제38항에 있어서,
상기 제어 수단은 또한 상기 감시 카메라 및 상기 수치적으로 제어되는 장비에 의해 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 기판을 절단하는 방법의 실행을 제어하는, 장치.