KR20140075769A - 특수 에지 형성부를 갖는 얇은 유리의 절단 방법 - Google Patents

특수 에지 형성부를 갖는 얇은 유리의 절단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소정의 절단선을 따라 얇은 유리 시트, 특히 유리 필름을 분리하기 위한 방법에 관한 것으로서, 절단선은 250K보다 크고 얇은 유리 시트의 유리의 변태점(Tg) 이하인 작동 온도를 가지며, 본 발명의 분리 방법은 얇은 유리 시트를 분리시키도록 작용하는 레이저빔을 이용하여 절단선을 따라 에너지를 입력하는 단계를 포함한다.

Description

특수 에지 형성부를 갖는 얇은 유리의 절단 방법{METHOD FOR CUTTING THIN GLASS WITH SPECIAL EDGE FORMATION}
본 발명은 얇은 유리 시트, 특히 유리 필름을 분리하기 위한 레이저 기반 방법(laser based method)에 관한 것으로서, 분리 후에 유리 필름은 매우 매끄러우면서도 미세 균열이 없는 표면을 갖는 특수 형성 절단 에지를 갖는다.
전혀 다른 응용 분야들에서, 예컨대 반도체 모듈들에 대한, 유기 LED 광원들에 대한 또는 얇은 또는 곡면인 디스플레이 장치들에 대한 커버 유리로서 예컨대 가전 제품의 분야들에서 또는 예컨대 태양 전지처럼 재생 에너지 또는 에너지 기술의 분야들에서 얇은 유리의 사용이 점점 증가하고 있다. 이에 대한 예들은 터치 패널, 커패시터, 박형 배터리, 플렉시블 인쇄 회로 기판, 플렉시블 OLED, 플렉시블 태양광 전지 모듈 또는 전자 종이이다. 많은 응용 분야들에서 얇은 유리는 이의 우수한 물성들, 예컨대 화학 저항성, 내열 충격성 및 내열성, 기밀성, 높은 전기 절연성, 적절한 팽창 계수, 가요성, 광학적 고품질 및 광투과율 또는 얇은 유리 양 측면의 표면이 파이어 폴리시되어(fire polished) 거칠기가 매우 작은 우수한 표면 품질에 근거하여 점점 많은 관심을 받고 있다. 이때, 얇은 유리는 약 1.2mm이하의 두께를 갖는 유리 필름을 말한다. 가요성이 있기 때문에 얇은 유리는 특히 250㎛ 이하의 두께 범위에 있는 유리 필름으로서 갈수록 제조 후에 말려져 유리 롤로서 보관되거나 또는 완성을 위해 또는 후속 처리를 위해 이송된다. 롤투롤 공정(roll-to-roll process)에서 상기 유리 필름이 중간 처리 후에도, 예컨대 표면의 코팅 또는 완성 후에 다시 말려 추후 사용에 제공될 수 있다. 유리를 말아 놓으면 평면적으로 펼쳐 놓는 물자를 보관하고 이송하는 것에 비해 더 경제적이고 콤팩트한 보관, 이송 및 후속 처리 시 취급이라는 장점이 생긴다.
추후 가공에 있어서, 이러한 유리 롤로부터 또는 그 외에도 평면적으로 보관되는 물자로부터 유리 필름 영역들이 요구 조건들에 따라 더 작게 분리된다. 여러 응용 분야들의 경우에, 이러한 유리 필름 영역들 역시 다시 곡면(curved) 또는 말린(rolled) 유리로서 이용된다.
상기 모든 우수한 물성에 있어서 유리는 취성 재료로서 오히려 더 작은 인장 강도를 갖는데, 이것이 인장 응력에 대해 저항성이 떨어지기 때문이다. 유리를 휘는 경우 인장 응력이 곡면 유리의 외측 표면에서 발생한다. 이와 같은 유리 롤의 파손 없는 보관을 위해 그리고 파손 없는 이송을 위해 또는 더 작은 유리 필름 영역의 균열 없는 그리고 파손 없는 이용을 위해, 우선 에지들의 품질 및 무결성이 중요하므로, 말려 있는 또는 휘어져 있는 유리 필름 안에서 균열 또는 파손의 발생이 억제되어야 한다. 에지에서의 손상들, 예컨대 크랙, 예컨대 미세 균열이 유리 필름에서 더 큰 균열 또는 파손에 대한 원인 및 발생점이 될 수 있다. 또한, 말려진 또는 휘어진 유리 필름의 상측에서 인장 응력 때문에 스크래치, 그루브 또는 다른 표면 결함들로부터 표면의 무결성 및 자유도가 중요하므로, 말려 있는 또는 휘어진 유리 필름에서 균열 또는 파손의 발생이 억제되어야 한다. 셋째로, 말려 있는 또는 휘어진 유리 필름에서 균열 또는 파손의 발생을 억제하기 위해, 제조로 인한 유리 내부 응력 역시 가능한 한 작거나 또는 없어야 한다. 특히, 유리 필름 에지의 성질은 유리 필름의 균열 발생 또는 균열 전파 내지 파손과 관련하여 특히 중요하다.
종래 기술에 따르면 얇은 유리 또는 유리 필름은 특수 연삭된 다이아몬드로 또는 특수강 또는 텅스텐 카바이드로 이루어진 소형 휠로 기계적으로 스크래치되고 절취된다. 이 경우, 표면이 스크래치되면 분명히 유리 내에 응력이 발생한다. 그와 같이 생긴 틈(fissure)을 따라 유리가 통제 하에 압축, 인장 또는 굽힘을 통해 절취된다.
그 결과, 에지들에서 강한 거칠기, 다수의 미세 균열 및 스폴링 또는 에지 가장자리에서 스플린터(splinters)가 생긴다.
대개 이들 에지는 에지 강도를 높이기 위해 시임(seamed), 챔퍼 또는 연마 및 폴리싱되어 있다. 기계적인 에지 가공은 유리 필름에 있어서 유리에 대한 추가적 균열 위험 및 파손 위험을 보이지 않으면 특히 250㎛ 이하 두께의 범위에서 더 이상 구현될 수 없다.
더 양호한 에지 품질을 달성하기 위해, 열에 의해 발생된 기계 응력에 의해 유리 기판을 절취하기 위해, 개선된 종래 기술에 따르면 레이저 스크라이빙 방법이 이용되고 있다. 양 방법의 조합 역시 종래 기술에 이미 공지되어 있으며 널리 퍼져 있다. 상기 레이저 스크라이빙 방법의 경우, 집속된 레이저빔, 일반적으로 유리를 정확하게 정해진 선을 따라 가열하는 CO2 레이저빔으로 그리고 바로 이어 냉각 유체, 예컨대 압축 공기 또는 공기/액체 혼합물의 냉간 젯을 통해 큰 열응력이 유리 안에 생겨, 이것은 소정의 에지를 따라 절취될 수 있거나 절취된다. 이와 같은 레이저 스크라이빙 방법은 예컨대 DE 693 04 194 T2호, EP 0 872 303 B1호 및 US 6,407,360호에 기술되어 있다. 그러나 이러한 방법 역시 그에 상응하는 거칠기와 미세 균열을 갖는 파손 에지를 만든다. 에지 구조 내 홈과 미세 균열에서 시작하여, 특히 250㎛ 이하의 두께 범위에 있는 얇은 유리 필름을 휘거나 또는 말을 때 균열이 유리 안에 형성되고 전파될 수 있으며, 이들은 결국에는 유리의 파손을 일으킨다.
상기 에지 강도를 높이기 위해, 에지를 플라스틱으로 코팅하는 것이 다양한 방법들에 제안되어 있다. 그러므로 WO 99/46212호에는 얇은 유리 시트 에지를 고점성의 경화성 플라스틱으로 코팅하는 것이 제안되었다. 이와 같은 코팅은 유리 에지를 플라스틱 안에 담그고 UV광으로 경화하여 이루어질 수 있다.
그 후, 유리 시트의 외면 위에 있는 돌출 플라스틱이 제거된다. 본 발명의 방법은 0.1 내지 2mm 두께의 유리 시트에 대한 제안이다. 이때 단점으로서 본 발명의 방법은 복수의 복잡한 부가적인 방법 단계들을 포함하며 5 내지 250㎛의 범위에 있는 유리 필름에는 오히려 부적합하다. 특히 얇은 유리 필름의 경우에 돌출 플라스틱이 필름의 손상 없이 제거될 수 없다. 또한, 유리 에지의 코팅 및 미세 균열의 충전은, WO 99/46212호에 개시되어 있는 것처럼, 매우 제한적으로만 균열 발생 및 균열 전파를 억제한다. 고점성 플라스틱은, 거기에서 제안된 것처럼, 이의 인성 때문에 유리 시트 에지의 표면 구조 내 미세 균열을 표면적으로만 커버할 수 있다. 그 결과, 미세 균열이 인장 응력이 적절하게 작용하는 경우 항상 균열 성장에 대한 시작점으로서 작용할 수 있으며, 그런 경우 이것은 유리 시트의 파손까지 야기한다.
그 외에도, WO 2010/135614호에 0.6mm 이상 또는 0.1mm 이상의 두께 범위에 있는 유리 기판의 에지 강도를 높이기 위해 에지의 표면을 폴리머로 코팅하는 것이 제안되어 있다. 그러나 여기에서도 이와 같은 코팅이, 이 문헌에 설명된 것처럼, 매우 제한적으로만 에지로부터 균열의 발생 및 전파를 억제하는 데, 에지 표면 구조 내 미세 균열이 이의 깊이로부터 밖으로 제한 없이 균열 성장을 야기할 수 있기 때문이다. 또한, 플라스틱으로 에지를 이와 같이 코팅하는 방법은 5 내지 250㎛의 범위에 있는 얇은 유리 필름에서 매우 복잡하게만 실시될 수 있다. 또한, 특히 매우 얇은 필름인 경우 코팅 때문에 에지가 비대화(thickening) 되는 것을 피할 수 없으며, 이런 비대화는 필름에 대한 손상 위험 없이 제거될 수 없으며 유리 필름을 이용할 때 또는 말을 때 큰 손상을 보인다.
그러므로 바라기는 이와 같은 유리 필름이 완전히 분리되면, 파이어 폴리싱된, 매끈한, 미세 균열 없는 에지가 생긴다. 이를 위해 매우 작은 국지적 영역에서 온도를 상승시키는 장점을 갖는 레이저가 이용되면, 레이저빔 에너지가 반사되지만 대부분 유리에 의해 흡수되는 부분을 제외하고 파장에 일치하는 두께를 갖는 매우 얇은 표면층에서만 열로서 노출된다는 문제가 존재한다.
DE 35 46 001호에는 회전 대칭적인 유리 중공체에 대해 레이저를 이용하는 분리 방법이 기술되어 있으며, 이때 유리 중공체는 회전하면서 절단 지점에서 가스 버너로 유리의 연화점 이하까지 가열된다. 나중에, 절단 지점이 레이저로 조사되므로, 레이저빔을 따라 유리의 회전이 반복되어 점차 열응력 또는 온도 상승이 형성된다. 그 후, 인장력의 작용에 의해 절단하려는 부분이 제거된다. 그러나 얇은 유리 필름의 절단을 위한 어떤 해법도 제시되어 있지는 않다.
DE 196 16 327호에는 최고 0.5mm의 벽 두께를 갖는 유리관을 분리하기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있으며, 이때 유리관은 유리 변태 온도(Tg) 이상의 온도로 가열되어, 유리관이 레이저에 의해 완전히 분리될 수 있으며, 단부들의 품질이 우수하게 재생될 수 있다. DE 196 16 327호에는 얇은 유리 시트 또는 얇은 유리 스트랜드의 분리가 기술되어 있지는 않다. 또한, DE 196 16 327호에서 유리관이 항상 재가공되는, 즉 먼저 유리관들이 냉각되고 그 다음에 예컨대 비집속 레이저빔을 통해 레이저 절단 빔 직전에 예열되고 그 후 레이저 절단 빔을 통해 절단된다. 예컨대 연속적인 제조 공정의 범위에서 분리 공정이 DE 196 16 327호에 기술되어 있지 않다. 분리하려는 유리관의 벽 두께는 0.1mm의 범위에 있다. 절단하려는 유리관에 대한 비드로서 DE 196 16 327호에 공지된 방법에서 25㎛의 외측 비드 및/또는 내측 비드가 허용된다. 절단 공정을 통해 도입된 이런 불평탄성은 얇은 유리 시트의 절단에 대해 용납될 없는데, 그렇지 않으면 너무 큰 응력이 휠 때 발생하여 얇은 유리 시트의 파손을 일으켜 DE 196 16 327호에 따른 방법이 얇은 유리 시트에서 전혀 이용될 수 없기 때문이다.
JP 60251138호에는 CO2 레이저에 의한 유리, 특히 0.1mm 이상의 두께를 갖는 전통적인 유리 시트의 레이저 절단 역시 공지되어 있지만, 절단이 이루어지는 온도가 전혀 제시되어 있지 않으며, 단지 유리 시트가 일정한 온도에 예비 가열된다고 제시되어 있다. 그러므로 JP 60 25 11 38호에는, 레이저 절단 방법이 전통적인 시트에서 사용되는 대신에 얇은 유리 시트의 표면에서 비드 형성 없이 이용될 수 있다는 어떤 단서도 제공되어 있지 않다.
DE 10 2009 008 292호에는 다운드로우(downdraw)에서 또는 오버플로우 다운드로우 용융 공정(overflow downdraw fusion process)에서 제조된 유리층이 공지되어 있으며, 이때 유리층은 최대 50㎛의 두께를 가지며 커패시터에서 유전체로서 이용된다. DE 10 2009 008 292호에는, 레이저를 이용해 유리층을 개별 웹으로 절단하는 것이 공지되어 있지만 레이저 절단과 관련하여 어떤 온도 명세도 제공되어 있지 않다. 가장자리에서 나타나는 비드에 대해 어떤 정보도 제시되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복할뿐만 아니라, 얇은 유리, 특히 유리 필름의 완전한 분리를 가능하게 하며 얇은 유리를 휘거나 마는 것을 허용하는 얇은 유리의 절단 에지 품질을 제공하여 절단 에지로부터 균열의 발생을 광범위하게 또는 완전히 억제하는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 비드 형성 역시 가능한 한 억제된다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항의 구성요소에 의해 달성된다. 본 발명의 추가적인 유리한 개선안들이 종속항인 청구항 제2항 내지 제23항에 개시되어 있다.
본 발명에 따르면 소정의 절단선을 따라 얇은 유리 시트, 특히 유리 필름을 분리하기 위한 방법이 제공되며, 절단선이 분리 직전에 제1의 실시예에서 얇은 유리 시트의 유리의 변태점(Tg) 이하에서 250K(켈빈) 이상의 작동 온도를, 바람직하게는 Tg 이하에서 100K 이상의 작동 온도를 갖는다. 그외 일 개선점에서, 본 발명의 방법은 특히 바람직하게는 Tg 이상 및 이하에서 50K의 범위에서, 특히 바람직하게는 Tg 이상 및 이하에서 30K의 범위에서 작동 온도를 가지며, 상기 방법은 얇은 유리 시트의 분리 효과를 내는 절단선을 따라서 레이저빔을 이용해 에너지를 입력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 특히 최대 250㎛, 바람직하게는 최대 120㎛, 특히 바람직하게는 최대 55㎛, 특히 바람직하게는 최대 35㎛의 두께를 갖는 유리 필름의 형태인 얇은 유리에 적합하며 또한 적어도 5㎛, 바람직하게는 적어도 10㎛, 특히 바람직하게는 적어도 15㎛의 두께를 갖는 유리 필름에 적합하다. 유리 필름이란 5 내지 250㎛의 두께 범위에 있는 얇은 유리를 말한다. 그러나 본 발명에 따른 방법은 최고 1.2mm의 두께 범위에 있는 얇은 유리에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 특히 최대 2중량%의, 바람직하게는 최대 1중량%의, 더 바람직하게는 최대 0.5중량%의, 더 바람직하게는 최대 0.05중량%의, 특히 바람직하게는 최대 0.03중량%의 알칼리 산화물 함량을 갖는 유리 필름의 형태인 특히 얇은 유리 시트에도 적합하다.
또한, 본 발명의 방법은 하기의 성분들(산화물 기반하여 중량% 단위로)을 포함하는 유리로 이루어진 특히 유리 필름의 형태인 특히 얇은 유리 시트에 적합하다.
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
산화알칼리토류 0-30
알칼리 산화물 0-2
또한, 상기 방법은 하기의 성분들(산화물 기반하여 중량% 단위로)을 포함하는 유리로 이루어진 특히 유리 필름의 형태인 특히 얇은 유리 시트에 적합하다.
SiO2 45-70
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
산화알칼리토류 1-30
알칼리 산화물 0-1
본 발명의 일 개선점에서 특히 유리 필름 형태인 이와 같은 얇은 유리가 용융된, 특히 저알칼리 유리로 다운드로우 공정에서 또는 오버플로우 다운드로우 용융 공정에서 제조된다. 종래 기술에 일반적으로 공지되어 있는(비교, 다운드로우 공정에 대해 예컨대 WO 02/051757 A2호, 오버플로우 다운드로우 용융 공정에 대해 WO 03/051783 A1호) 양 방법들은, 250㎛ 이하, 바람직하게는 120㎛ 이하, 특히 바람직하게는 55㎛ 이하, 특히 바람직하게는 35㎛ 이하의 두께를 갖는 그리고 적어도 5㎛, 바람직하게는 적어도 10㎛, 특히 바람직하게는 적어도 15㎛의 두께를 갖는 얇은 유리 필름을 드로잉하는 데 적합하다.
기본적으로 WO 02/051757 A2호에 기술된 다운드로우 방법의 경우에 기포 없는 그리고 잘 균질화된 유리가 유리 리저버, 소위 드로잉 탱크(drawing tank) 안으로 흘러들어 간다. 이 드로잉 탱크는 귀금속, 예컨대 백금 또는 백금 합금으로 이루어져 있다. 슬롯 노즐을 포함하는 노즐 장치가 드로잉 탱크 아래에 배치되어 있다. 이 슬롯 노즐의 크기와 형상은 드로잉되는 유리 필름의 흐름 및 유리 필름의 폭에 대한 두께 분포를 결정한다. 유리 필름은 유리 두께에 따라 2 내지 110m/Min의 속도를 갖는 드로잉 롤을 사용하여 밑으로 당겨져 결국에는 드로잉 롤 다음에 있는 소둔로에 도달한다. 이 소둔로는 실온에 가까울 때까지 유리를 서서히 냉각하여 유리 내 응력을 억제한다. 드로잉 롤의 속도는 유리 필름의 두께를 결정한다. 드로잉 공정 후 유리는 후속 처리를 위해 수직 위치로부터 수평 위치로 휘어진다.
얇은 유리는 드로잉 후 평면적으로 펼쳐져 파이어 폴리싱된 하측 및 상측 표면을 갖는다. 이때 파이어 폴리싱이란 유리 표면이 유리의 응고 시에 열간 성형 동안 공기와의 경계면을 통해서만 형성되고 그 후 기계적으로도 화학적으로도 변하지 않는 것을 의미한다. 즉, 그와 같이 제조된 얇은 유리의 품질 범위는 열간 성형 동안 다른 고체 또는 액체 물질과 어떤 접촉도 하지 않는다. 위에서 언급한 양 유리 드로잉 방법은 670㎛의 측정 길이에서 측정할 때 최대 1나노미터, 바람직하게는 최대 0.8나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5나노미터, 전형적으로는 0.2 내지 0.4나노미터의 범위에 있는 제곱 평균 조도값(RMS)(Rq) 및 최대 2나노미터, 바람직하게는 최대 1.5나노미터, 특히 바람직하게는 최대 1나노미터, 전형적으로는 0.5 내지 1.5나노미터의 평균 표면 거칠기(average roughness depth)(Ra)를 갖는 유리 표면을 가져온다. 상기 제곱 평균 조도값(RMS)이란 기준 경로 내에서 규정된 방향에서 측정된, 기하학적으로 정의된, 평균적으로 실제 프로파일을 통해 배치된 선의 실제 프로파일의 모든 거리들의 제곱 평균값을 말한다. 상기 평균 표면 거칠기(Ra)란 5개의 인접하는 개별 측정 경로들의 개별 표면 거칠기들의 산술적 평균을 말한다.
드로잉된 얇은 유리의 가장자리들에서, 방법과 관련하여 비대 영역들, 보더들이 위치하고, 여기에 유리가 드로잉 탱크로부터 드로잉되어 유도된다. 유리 필름 형태인 얇은 유리를 공간 절약적으로 그리고 특히 더 작은 직경으로 말거나 또는 휠 수 있도록 하기 위해, 이들 보더를 분리하는 것이 유리하거나 또는 필요하다. 이를 위해 본 발명에 따른 방법이 유리한 데, 본 발명의 방법이 매끈하고 미세 균열 없는 절단 에지 표면을 보장하기 때문이다. 본 발명에 따르면 상기 방법은 연속적으로 이루어질 수 있다. 그러므로 이는 연속 공정 및 연속적인 온라인 공정으로서 제조 공정의 끝에서 보더들의 분리에 이용될 수 있다. 이때 이 분리 공정이 바람직하게는 실시되므로, 단지 비드 형성 및 표면 불평탄성이 작아진다. 바람직하게는 절단 공정을 통해 야기되는 에지들의 비대화는 유리 두께의 5% 이하, 바람직하게는 유리 두께의 10% 이하, 특히 유리 두께의 5% 이하이다. 아주 특별히 바람직하게는 절단 공정을 통해 야기되는 에지 비대화는 25㎛ 이하, 특히 10㎛ 이하이다.
유리한 일 실시예에서 소정의 절단선을 따라 얇은 유리의 분리는 얇은 유리의 제조 공정에 통합되도록, 열 에너지가 절단선의 최적 작동 온도 제공을 위해 전부 또는 부분적으로 유리의 성형 공정의 잔열에 근거한다. 이는 제조 공정에서 에너지 절감이라는 장점을 가지지만 본 발명의 방법과 관련하여 열응력의 인가 감소라는 장점도 갖는다.
또한, 얇은 유리 또는 유리 필름은 후속 단계에서 더 작은 부분 또는 포맷으로 절단될 수 있다. 유리 필름은 이의 제조 후에 롤에 감기고 나중에 완성을 위해 롤에서 풀린다. 이러한 완성에는, 에지 후처리(예컨대 롤투롤 모드에서) 또는 얇은 유리의 절단이 속할 수 있다. 이를 위해서도, 본 발명에 따른 방법이 적합한 데, 이는 연속 공정에서 유리 롤로부터 나오는 무한 루프를 더 작은 부분 및 포맷으로 절단하는 데에 이용될 수 있으며 매끈하고 미세 균열 없는 절단 에지 표면을 보장하기 때문이다.
기본적으로 이 경우 온라인 공정에서 성형 직후 이용할 때처럼 동일한 가공 속도들이 이용될 수 있지만 적절하게는 레이저 파장, 레이저 출력 및 작동 온도처럼 다른 공정 변수들과 관련하여 더 작은 가공 속도가 선택될 수도 있어, 절단 에지 표면 특성이 최적화될 수 있다. 이때 비대화 없는 절단 에지가 최적화되는, 즉 절단 에지의 두께는 얇은 유리의 두께에 상응하고 및 아주 매끈한 미세 균열 표면이 최적화된다.
마찬가지로, 본 발명에 따른 방법은 불연속적인 공정으로서 이용될 수 있으므로, 예컨대 평면적으로 보관되는 얇은 유리 보관 크기로부터 얇은 유리가 절단되거나 기존 에지들이 세척될 수 있다.
절단선의 작동 온도가 전공정, 예컨대 열간 성형 공정의 잔열로는 충분히 높지 않으면, 본 발명에 따라 실제 절단 전에 얇은 유리의 소정의 절단선이 작동 온도로 가열된다. 이 작동 온도는 절단선의 영역이 가지는 바로 그 온도이며, 이때 영역은 레이저 에너지 유입에 의해 분리된다. 본 발명에 따르면 작동 온도는 제1의 실시예에서 바람직하게는 얇은 유리 시트의 유리의 변태점(Tg) 이하에서 250K(켈빈) 이상의 온도이며, 바람직하게는 Tg 이하에서 100K 이상의 온도이다. 대안적 일 개선점에서 온도는 바람직하게는 Tg 이상 및 이하에서 50K의 범위에, 특히 바람직하게는 Tg 이상 및 이하에서 30K의 범위에 있다. 이때, 변태점(Tg)은 유리가 냉각 동안 소성 상태로부터 고체 상태로 전이하는 온도이다.
기본적으로 레이저 방사가 더 고온인 유리에 더 우수하게 결합하지만, 이 유리의 점도가 너무 낮으면, 표면 장력이 절단 에지에서 비대화의 형성 방향으로 작용하며, 이는 가능한 한 억제되거나 매우 작게 유지되어야 한다.
본 발명에 따르면 작동 온도는 나머지 변수들을 고려하여 선택되어, 비대화 없이 미세 균열 없는, 매우 매끈한 절단 에지 표면이 생긴다. 예컨대, 에지 비대화는 유리 두께의 25% 이하, 바람직하게는 15%, 특히 바람직하게는 5% 이하이어야 한다.
본 발명의 일 개선점에서 버너 또는 히터와 같은 열원에 의해 절단선 둘레에 있는 영역만이 가열된다. 에너지 유입은 바람직하게는 가스 화염에 의해 이루어진다. 이 화염은 대개 그을음 없이 연소하여야 한다. 기본적으로 모든 가연성 가스들, 예컨대 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에텐 또는 천연 가스들이 이에 적합하다. 이를 위해, 하나 또는 복수의 버너들이 선택될 수 있다. 이를 위해 화염이 다양하게 형성될 수 있는 버너들이 사용될 수 있으며, 특히 라인식 버너(line burner) 또는 개별적인 랜스 버너(lance burner)가 적합하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 얇은 유리의 전체 폭은 절단선을 따라 분리하는 영역에서 유리의 공급 방향에 대해 수직 방향으로 또는 레이저의 공급 방향에 대해 수직 방향으로 유리의 분리를 위해 작동 온도로 가열된다. 연속적인 공정의 실시 시에 얇은 유리는 이를 위해 가열 공정 및 분리 공정에 맞는 적절한 속도로 노를 통과한다. 노 안에서 얇은 유리는 버너들 또는 하나의 적외선 방사원에 의해 또는 열방사원으로서 가열 봉들에 의해 가열된다. 적절한 구조와 노 내 단열 및 의도한 온도 제어를 통해 얇은 유리에서 균일한 그리고 제어되는 온도 프로파일이 조절될 수 있으며, 이는 특히 유리 내 응력 분포에 양호하게 작용한다. 대안으로서, 불연속적인 공정에서 얇은 유리 시트가 노 안에 제공되어 균일하게 가열될 수도 있다.
본 발명에 따르면 얇은 유리의 실제 분리는 얇은 유리 시트의 분리가 이루어지고 연속적인 절단 에지가 생기는 효과를 내는 절단선을 따라 레이저빔을 이용해 에너지를 입력하는 단계를 통해 이루어진다. 이때, 레이저 스크라이빙 방법에서처럼 유리가 절취되지 않고 오히려 매우 협소한 영역에서 거의 완전히 용융된다. 이를 위해 유리하게는 CO2 레이저, 특히 9.2 내지 11.4㎛의 범위에 있는 파장, 바람직하게는 10.6㎛의 파장을 갖는 CO2 레이저 또는 이중 주파수 CO2 레이저가 적합하다. 이는 펄스(pulsed) CO2 레이저 또는 연속파 CO2 레이저(continuous wave CO2 laser)가 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해 CO2 레이저를 사용할 때 특히 절단 속도와 관련하여 500W이하, 바람직하게는 300W이하, 특히 바람직하게는 200W이하의 평균 레이저 출력(PAV)이 적합하다. 절단 에지 품질과 관련하여 100W이하의 평균 출력이 바람직하며, 이것은 우수한 절단 에지 품질을 형성하는 데 유리하지만 이때 절단 속도가 작다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해, 펄스 CO2 레이저를 사용할 때 5 내지 12kHz의 평균 레이저 펄스 주파수(frep)가, 특히 8 내지 10kHz의 평균 레이저 펄스 주파수(frep)가 바람직하다. 또한, 펄스 CO2 레이저를 사용할 때 0.1 내지 500㎲의 레이저 펄스 지속시간(tp), 특히 1 내지 100㎲의 레이저 펄스 지속시간(tp)이 바람직하다.
본 발명에 따르면 절단선을 따라 얇은 유리의 분리를 위해 에너지의 입력이 각각의 적절한 레이저로 이루어질 수 있다. CO2 레이저 외에도, 이를 위해 YAG 레이저가 바람직하고, 특히 1047 내지 1079nm(nanometer)의 범위에 있는 파장, 바람직하게는 1064nm의 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저(neodymium-doped yttrium-aluminium garnet solid-state laser)가 바람직하다. 또한, 1030nm의 범위에 있는 파장을 가지는 Yb:YAG 레이저(yttrium-doped yttrium-aluminium garnet solid-state laser)가 바람직하다. 양 레이저 유형은 주파수 배가(doubled) 또는 주파수 3배가(tripled)를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 특히 얇은 유리, 특히 유리 필름을 분리하기 위해 피코초 및 나노초 범위에 있는 높은 펄스 주파수를 갖는 YAG 레이저가 소정의 절단선을 따라 작동 온도에서 레이저 절삭 시에 사용된다. 마찬가지로 절단 에지 표면은 매우 매끈하지만, CO2 레이저로 유리를 분리하는 것에 비해 더 큰 굴곡을 갖는다. 마찬가지로, 절단 에지는 미세 균열을 가지지 않으며 2점 굽힘 시험에서 강도값의 낮은 분산을 보인다.
또한, 엑시머 레이저, 특히 F2 레이저(157nm), ArF 레이저(193nm), KrF 레이저(248nm) 또는 Ar 레이저(351nm)가 바람직하다.
이런 유형의 레이저들은 본 발명의 실시예에 따라 펄스 레이저 또는 연속파 레이저로서 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면 2 내지 110m/Min, 바람직하게는 10 내지 80m/Min, 특히 바람직하게는 15 내지 60m/Min의 가공 속도(vf)로 절단선을 따라 얇은 유리, 특히 유리 필름을 분리하기 위해 에너지의 입력이 이루어진다. 온라인 공정에서 상기 방법을 사용할 때 이 가공 속도는 제조 시 유리 스트랜드 속도 및 유리 두께에 따라 얇은 유리의 성형과 직접 관련되어 있다. 유리 체적과 상관하여 더 얇은 유리가 더 두꺼운 유리보다 더 빠르게 드로잉된다. 그러므로 이 가공 속도는 예컨대 100㎛의 얇은 유리에 대해 8m/Min이고, 15㎛의 얇은 유리에 대해 55m/Min이다. 롤투롤 모드에서 또는 플랫 제품인 얇은 유리의 절단과 관련하여 상기 방법을 사용할 때 15 내지 60m/Min의 가공 속도들이 바람직하다. 가공 속도란 절단선을 따라 분리 절단의 공급 속도를 말한다. 이때, 얇은 유리는 고정되어 있는 레이저를 따라 유도될 수 있거나 또는 레이저가 고정되어 있는 얇은 유리를 따라 이동하거나 또는 양자가 상대적으로 이동한다. 이때, 레이저는 소정의 절단선을 따라 연속적인 공급을 규정할 수 있거나 또는 레이저가 한번 또는 여러 번 절단선을 따라 왕복 스캐닝에 의해 앞으로 이동할 수 있다.
얇은 유리의 가열이 노 안에서 이루어지는 바람직한 실시에서, 레이저빔이 개구를 통해 또는 노의 커버에 있는 레이저 파장에 대한 투명 창을 통해 들어온다. 이런 점 때문에, 작동 온도의 유해한 영향으로부터 레이저를 보호하고 얇은 유리의 온도 분포가 특히 절단선의 영역에서 영향을 받지 않거나 혹은 단지 매우 작게 영향을 받으며 작동 온도의 확실한 제어가 가능하게 된다.
유리하게는 절단 에지가 분리 후 파이어 폴리싱된 표면을 가지지만, 표면 장력이 작용하기 때문에 전체 에지에서 이를 비대화하지 않는다. 이에 대해 중요한 점은 절단 에지 표면이 매우 작은 깊이에서만 용융되거나 또는 표면의 작은 영역들만이 용융된다는 것이다. 절단 에지에 있는 표면 영역이 너무 연화되면, 에지가 수축되고 세기가 강할수록 유리 필름으로서 얇은 유리를 이용할 때 또는 말을 때 그만큼 더 큰 손상을 보이는 비대화를 형성한다.
특히 이와 같은 절단 에지는 분리 후 최대 2나노미터, 바람직하게는 최대 1.5나노미터, 특히 바람직하게는 최대 1나노미터의 평균 표면 거칠기(Ra) 및 최대 1나노미터, 바람직하게는 최대 0.8나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5나노미터의 제곱 평균 조도값(RMS)(Rq)을 갖는다.
본 발명의 그외 일 개선점에서 얇은 유리가 노 안에서, 바람직하게는 연속로에서, 분리 공정 동안 생긴, 열에 의해 발생된 응력이 감소된다. 본 발명을 실시할 때 얇은 유리 안으로 열이 입력되기 때문에 응력이 발생할 수 있다. 이와 같은 응력들은 얇은 유리, 특히 유리 필름의 변형을 야기할 수 있거나 또는 유리를 휘거나 말을 때 파손 위험의 원인이 될 수도 있다. 이런 경우 유리 응력이 분리 후에 소둔로에서 감소된다. 이때, 유리 필름은 예컨대 온라인 공정에서 소정의 온도 프로파일로 가열되고 의도한 대로 냉각된다. 이때, 이런 가열은 분리를 위한 작동 온도의 제공과 관련하여 이루어질 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 분리 후 유리를 냉각할 때 응력의 발생을 억제하기 위해, 유리가 의도한 대로 특히 소둔로 안에서 냉각된다.
일례가 본 발명을 예시적으로 설명한다.
Mainz 소재 Schott AG사에 의해
Figure pct00001
명으로 제공된 것처럼, 50㎛의 두께를 갖는 유리 필름은 노 안에서 가열된다. 상기 유리 필름의 양측에서 25mm의 폭을 갖는 에지가 분리된다. 무알칼리 유리는 하기의 조성을 갖는다(중량%).

SiO2
61

Al2O3
18

B2O3
10

CaO
5

BaO
3

MgO
3
상기 유리의 변태 온도(Tg)는 717℃이다. 이의 밀도는 2.43g/cm3이다. 유리 필름의 상측 및 하측의 제곱 평균 조도값(Rq)은 0.4와 0.5nm 사이에 있다. 즉, 표면이 아주 매끈하다.
노는 상측 커버에서 2개의 위치에서 하나의 긴 호울을 가지며, 이것을 통해 각각의 경우에 레이저빔이 양 절단선을 따라 각 한 점에 포커싱되었다. 각 긴 호울은 그 아래에 있는 유리 필름의 에지들에 대해 병렬로 연장해 있으므로, 에지들이 적절하게 분리될 수 있다. 이것은 연속로이며, 이것을 통해서 유리 필름이 25m/Min의 속도로 이동한다. 노의 가열은 전기에 의해 이루어지므로, 양 절단선 각각의 작동 온도가 737±5℃였다. 각각의 경우에 에너지원으로서 10.6㎛의 파장을 가지는 펄스 CO2 레이저가 사용되었다. 에너지는 200W의 레이저 출력, 9kHz의 레이저 펄스 주파수 및 56㎲의 레이저 펄스 지속시간으로 입력되었다. 가공이 진행되는 동안 각각의 경우에 절단선을 따라 레이저빔의 일회 왕복이 이루어지므로, 절단선에서 각 점은 2회 레이저 에너지를 받았다. 그 후, 유리는 완전히 분리되었다. 절단 에지들은 완전히 파이어 폴리싱되었고 0.3 내지 0.4nm의 평균 표면 거칠기(Ra)(라인 측정 670㎛)를 갖는다. 에지 두께는 평균적으로 60㎛이었으므로, 10㎛의 비대화로 에지들이 20% 평균적으로 비대화되었으며, 이는 DE 196 16 327호에 따라 절단할 때 25㎛의 비대화 아래에 있다.
본 발명이 앞서 설명한 특징들의 조합에 한정되는 것은 아니며 오히려 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 당업자는 본 발명의 전체 특징들을, 유용하다면, 임의로 조합하거나 또는 단독으로 사용할 수 있음은 당연하다.

Claims (23)

  1. 소정의 절단선을 따라 얇은 유리 시트, 특히 유리 필름을 분리하기 위한 방법으로서,
    상기 절단선이 분리 직전에 250K보다 크고 얇은 유리 시트의 유리의 변태점(Tg) 이하인 작동 온도, 바람직하게는 100K보다 크고 Tg 이하인 작동 온도, 특히 바람직하게는 Tg 상하로 50K의 범위인 작동 온도, 특히 바람직하게는 Tg 상하로 30K의 범위인 작동 온도를 가지며,
    상기 분리 방법이 얇은 유리 시트를 분리시키도록 작용하는 레이저빔을 이용하여 절단선을 따라 에너지를 입력하는 단계를 포함하는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 얇은 유리 시트는 최대 250㎛, 바람직하게는 최대 120㎛, 특히 바람직하게는 최대 55㎛, 특히 바람직하게는 최대 35㎛의 두께를 갖는 유리 필름인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 얇은 유리 시트는 적어도 5㎛, 바람직하게는 적어도 10㎛, 특히 바람직하게는 적어도 15㎛의 두께를 갖는 유리 필름인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리 시트는 최대 2중량%, 바람직하게는 최대 1중량%, 보다 바람직하게는 최대 0.5중량%, 보다 더 바람직하게는 최대 0.05중량%, 특히 바람직하게는 최대 0.03중량%의 알칼리 산화물 함량을 갖는 유리 필름인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리 시트가
    SiO2 40-75
    Al2O3 1-25
    B2O3 0-16
    산화알칼리토류 0-30
    알칼리 산화물 0-2의
    성분들(산화물 기반하여 중량% 단위로)을 포함하는 유리로 이루어진 유리 필름인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리 시트가
    SiO2 45-70
    Al2O3 5-25
    B2O3 1-16
    산화알칼리토류 1-30
    알칼리 산화물 0-1의
    성분들(산화물 기반하여 중량% 단위로)을 포함하는 유리로 이루어진 유리 필름인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리의 전체 폭이 절단선을 따르는 분리 영역에서 유리 또는 레이저의 공급 방향에 대해 수직으로 작동 온도로 가열되는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 절단선을 따라 상기 얇은 유리를 분리하기 위한 에너지의 입력이 CO2 레이저에 의해, 특히 9.2 내지 11.4㎛의 범위인, 바람직하게는 10.6㎛의 파장을 갖는 CO2 레이저에 의해 또는 이중 주파수 CO2 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 에너지의 입력이 500W 미만의, 바람직하게는 300W 미만의, 특히 바람직하게는 200W 미만의 평균 레이저 출력(PAV)을 갖는 펄스 CO2 레이저에 의해 또는 연속파 CO2 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  10. 제8항에 있어서, 에너지의 입력이 5 내지 12kHz, 바람직하게는 8 내지 10kHz의 평균 레이저 펄스 주파수(frep)를 갖는 펄스 CO2 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  11. 제8항에 있어서, 에너지의 입력이 0.1 내지 500㎲, 바람직하게는 1 내지 100㎲의 레이저 펄스 지속시간(tp)을 갖는 펄스 CO2 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 절단선을 따라 상기 얇은 유리를 분리하기 위한 에너지의 입력이 YAG 레이저에 의해, 특히 1047 내지 1079nm의 범위인 파장, 바람직하게는 1064nm의 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저에 의해, 또는 이중 주파수 Nd:YAG 레이저에 의해 또는 삼중 주파수 Nd:YAG 레이저에 의해, 또는 1030nm의 범위인 파장을 갖는 Yb:YAG 레이저에 의해, 또는 이중 주파수 Yb:YAG 레이저에 의해 또는 삼중 주파수 Yb:YAG 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 절단선을 따라 상기 얇은 유리를 분리하기 위한 에너지의 입력이 엑시머 레이저, 특히 F2 레이저 또는 ArF 레이저 또는 KrF 레이저 또는 Ar 레이저에 의해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 절단선을 따라 상기 얇은 유리, 특히 유리 필름을 분리하기 위한 에너지의 입력이 2 내지 110m/Min, 바람직하게는 10 내지 80m/Min, 특히 바람직하게는 15 내지 60m/Min의 가공 속도(vf)로 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 절단선의 가열이 노 안에서 이루어지며, 절단선을 따라 상기 얇은 유리를 분리하기 위한 에너지의 입력이 레이저에 의해 개구를 통해 또는 레이저 파장에 대해 투과성인 노의 커버 내의 창을 통해 이루어지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절단 에지가 얇은 유리의 분리 후에 파이어 폴리싱된 표면을 갖도록, 레이저 파장, 레이저 출력, 작동 온도 및 가공 속도가 서로 맞춰지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 670㎛의 측정 길이에 걸친 상기 절단 에지가 얇은 유리의 분리 후에 최대 2 나노미터, 바람직하게는 최대 1.5 나노미터, 특히 바람직하게는 최대 1 나노미터의 평균 표면 거질기(Ra)를 갖도록, 레이저 파장, 레이저 출력, 작동 온도 및 가공 속도가 서로 맞춰지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 670㎛의 측정 길이에 걸친 상기 절단 에지가 얇은 유리의 분리 후에 최대 1 나노미터, 바람직하게는 최대 0.8 나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5 나노미터의 제곱 평균 표면 조도값(RMS)(Rq)을 갖도록, 레이저 파장, 레이저 출력, 작동 온도 및 가공 속도가 서로 맞춰지는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리, 특히 유리 필름이 다운드로우 공정에서 또는 오버플로우 다운드로우 용융 공정에서 제조된 다음 연속 공정에서 분리되는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 얇은 유리, 특히 유리 필름이 유리 롤로부터 풀린 다음 연속 공정에서 분리되는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 공정 동안 열에 의해 발생된 응력이 분리 후에 얇은 유리에서 감소되는, 바람직하게는 노 안에서, 특히 바람직하게는 연속로 안에서 감소되는, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 절단에 의해 야기된 에지들의 비대화가 유리 두께의 25% 미만, 바람직하게는 유리 두께의 10% 미만, 특히 바람직하게는 유리 두께의 5% 미만인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 절단에 의해 야기된 에지의 비대화가 25㎛ 미만, 특히 10㎛ 미만인, 얇은 유리 시트의 분리 방법.
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