KR20150037816A - 강화 유리판의 절단 방법 - Google Patents

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KR20150037816A
KR20150037816A KR20157000462A KR20157000462A KR20150037816A KR 20150037816 A KR20150037816 A KR 20150037816A KR 20157000462 A KR20157000462 A KR 20157000462A KR 20157000462 A KR20157000462 A KR 20157000462A KR 20150037816 A KR20150037816 A KR 20150037816A
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이사오 사이토
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

잔류 압축 응력을 갖는 표면층 및 이면층과, 양자간에 형성되어 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫)를 갖는 중간층을 구비하는 강화 유리판의 레이저광 조사에 의한 절단 방법. 표면층 및 이면층의 두께 DOL(㎛), 강화 유리판의 두께 t1(㎛), 영률 Y(㎫)를 사용하여 UCT={CT2×(t1-2×DOL)}/(2×Y)로 표현되는 변형 에너지 UCT를 2.5J/㎡ 이상으로 하고, 강화 유리판에 입사되는 레이저광의 출력 Pe(W), 주사 속도 v(㎜/s), 레이저광에 대한 강화 유리판의 흡수 계수 α(㎜-1), 강화 유리판의 두께 t2(㎜), 선팽창 계수 αL(K-1), 밀도 ρ(g/㎣), 비열 c(J/g/K)를 사용하여 K=Pe/v×exp(-α×t2)×(Y×αL)/(t2×ρ×c)로 표현되는 절단 지수 K를 150N/㎜ 이하로 한다.

Description

강화 유리판의 절단 방법{METHOD FOR CUTTING TEMPERED GLASS PLATE}
본 발명은 강화 유리판의 절단 방법에 관한 것으로, 특히 레이저광에 의한 내부 가열을 이용한 강화 유리판의 절단 방법에 관한 것이다.
휴대 전화나 휴대 정보 단말기(PDA: Personal Data Assistance) 등의 휴대 기기에서는, 디스플레이의 커버나 기판에 유리판이 사용되고 있다. 휴대 기기에 있어서의 박형화·경량화의 요구로부터, 유리판에 대해서도 강도가 높은 강화 유리판을 사용함으로써, 박형화·경량화가 도모될 수 있게 되었다.
그런데, 유리판의 절단은, 통상, 다이아몬드 등의 경질의 롤러나 칩에 의해, 주면에 기계적으로 스크라이브선을 도입하고, 이 스크라이브선을 따라 절곡력을 가함으로써 이루어진다. 이러한 방법에서는, 스크라이브선의 도입에 의해, 유리판의 절단 단부면에 다수의 미세 크랙이 생성되게 된다. 따라서, 강화 유리판임에도 불구하고, 절단 단부에 충분한 강도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.
이러한 문제에 대하여 최근 들어, 레이저광의 조사에 의해 강화 유리판의 내부를 가열하고, 강화 유리판의 주면이 아니라 단부면에 도입한 초기 크랙의 신전(伸展)을 제어함으로써, 강화 유리판을 절단하는 방법이 개발되었다. 이러한 레이저광을 사용한 절단에서는, 종래와 같이, 강화 유리판의 주면에 스크라이브선을 도입할 필요가 없다. 그로 인해, 절단 단부면에 상술한 미세 크랙이 생성되는 일도 없고, 고강도의 강화 유리판을 얻을 수 있다. 특허문헌 1에는, 레이저광에 의해 유리판을 절단하는 방법이 개시되어 있다.
국제 공개 제2010/126977호
발명자는, 레이저광을 사용한 강화 유리판의 절단에 관하여, 이하의 과제를 알아내었다.
발명자는, 레이저광에 의한 강화 유리판의 절단에 있어서, 강화 유리판의 내부에 잔류하는 인장 응력(내부 잔류 인장 응력 CT)에 의한 변형 에너지(내부 변형 에너지)에 착안하였다.
발명자는, 이 강화 유리판의 내부 변형 에너지가 어느 임계치보다도 작아지면, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙 신전의 영향이 작아지고, 절단에 필요한 레이저광의 조사 에너지가 급격하게 커짐과 함께, 정밀도 좋게 절단하기 어려워지는 것을 알아내었다.
본 발명은 상기한 것을 감안하여 이루어진 것으로서, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙 신전이 지배적이 되고, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 강화 유리판을 절단하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은,
잔류 압축 응력을 갖는 표면층 및 이면층과, 이 표면층 및 이면층 사이에 형성되고, 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫)를 갖는 중간층을 구비하는 강화 유리판을, 이 강화 유리판에 조사되는 레이저광의 조사 영역을 이동시킴으로써 절단하는 공정을 포함하는, 강화 유리판의 절단 방법으로서,
상기 표면층 및 상기 이면층의 두께 DOL(㎛), 상기 강화 유리판의 두께 t1(㎛), 영률 Y(㎫)를 사용하여, 하기 식으로 표현되는 상기 내부 잔류 인장 응력 CT에 기초하는 단위 면적당의 변형 에너지 UCT(J/㎡)를 2.5J/㎡ 이상으로 하고,
상기 강화 유리판에 입사되는 상기 레이저광의 출력 Pe(W), 상기 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s), 상기 레이저광에 대한 상기 강화 유리판의 흡수 계수 α(㎜-1), 상기 강화 유리판의 두께 t2(㎜), 영률 Y(㎫), 선팽창 계수 αL(K-1), 밀도 ρ(g/㎣), 비열 c(J/g/K)를 사용하여, 하기 식으로 표현되는 절단 지수 K(N/㎜)를 150N/㎜ 이하로 하는 것이다.
UCT={CT2×(t1-2×DOL)}/(2×Y)
K=Pe/v×exp(-α×t2)×(Y×αL)/(t2×ρ×c)
본 발명의 제2 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 형태에 있어서,
상기 레이저광의 빔 직경을 상기 강화 유리판의 두께 이하로 하는 것이다.
본 발명의 제3 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 또는 제2 형태에 있어서,
상기 강화 유리판에 조사되는 레이저광에 의해 상기 중간층을 서냉점 이하의 온도로 국소적으로 가열하고, 상기 중간층에 압축 응력을 발생시킴으로써, 상기 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙의 신전을 제어하면서, 상기 레이저광의 조사 영역을 이동시킴으로써 상기 강화 유리판을 절단하는 것이다.
본 발명의 제4 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태에 있어서,
상기 강화 유리판과 상기 레이저광이, 0<α×t2≤3.0의 조건을 만족하는 것이다.
본 발명의 제5 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 내지 제4 중 어느 하나의 형태에 있어서,
상기 레이저광의 파장을 250 내지 5000㎚로 하는 것이다.
본 발명의 제6 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제5 형태에 있어서,
상기 레이저광의 파장을 2500 내지 3500㎚로 하는 것이다.
본 발명의 제7 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 내지 제6 중 어느 하나의 형태에 있어서,
상기 강화 유리판의 상기 레이저광의 조사 영역에, 상기 레이저광의 입사측에서 기체를 분사하여 냉각하는 것이다.
본 발명의 제8 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 내지 제7 중 어느 하나의 형태에 있어서,
상기 내부 잔류 인장 응력 CT에 기초하는 단위 면적당의 변형 에너지 UCT를 60J/㎡ 이하로 하는 것이다.
본 발명의 제9 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법은, 상기 제1 내지 제8 중 어느 하나의 형태에 있어서,
상기 절단 지수 K를 5N/㎜ 이상으로 하는 것이다.
본 발명에 의해, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙 신전이 지배적이 되고, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 강화 유리판을 절단할 수 있다.
도 1은 레이저광을 조사하기 전의 강화 유리판의 단면도.
도 2는 레이저광을 조사하기 전의 강화 유리판의 잔류 응력의 분포를 도시하는 모식도.
도 3은 강화 유리판의 절단 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 4는 도 3의 A-A선을 따른 단면도.
도 5는 도 3의 B-B선을 따른 단면도.
도 6은 강화 유리판으로부터 강화 유리 패널을 잘라내는 방법의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 실시 형태 1에 따른 강화 유리판의 절단 방법에 사용하는 냉각 노즐의 단면도.
도 8은 강화 유리판에 관한 절단 결과를 나타내는 표.
도 9는 비강화 유리판에 관한 절단 결과를 나타내는 표.
도 10은 강화 유리판 및 비강화 유리판에 관한 절단 결과를 나타내는 표.
도 11은 레이저광을 사용하여 비강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력을 설명하기 위한 도면.
도 12는 레이저광을 사용하여 강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력의 일례를 도시하는 도면.
도 13은 레이저광을 사용하여 강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력의 다른 예를 도시하는 도면.
도 14는 실시예 1에 따른 절단 예정선의 형상을 도시하는 도면.
도 15는 샘플1 내지 21에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 임계 조사 에너지 Ec 및 양자를 도출하기 위한 여러 조건이 도시된 표.
도 16a는 도 15의 표에 나타낸 임계 조사 에너지 Ec의 내부 변형 에너지 UCT 의존성을 나타내는 그래프.
도 16b는 도 15의 표에 나타낸 임계 절단 지수 Kc의 내부 변형 에너지 UCT 의존성을 나타내는 그래프.
도 17은 샘플31 내지 33 및 41 내지 43에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 조사 에너지 E, 양자를 도출하기 위한 여러 조건, 이물로서의 흑색 마크의 유무, 절단 가부, 단면 성상(斷面性狀)이 도시된 표.
도 18은 샘플13, 51, 52에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 임계 조사 에너지 Ec, 양자를 도출하기 위한 여러 조건, 블랙 매트릭스(BM)막의 형성 유무, 절단 가부, 단면 성상이 도시된 표.
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 단, 본 발명이 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 설명을 명확히 하기 위해서, 이하의 기재 및 도면은, 적절히 간략화되어 있다.
(실시 형태 1)
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 강화 유리판의 구조 및 강화 유리판의 절단 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1, 도 2를 참조하여, 강화 유리판의 구조에 대하여 설명한다. 도 1은, 레이저광을 조사하기 전의 강화 유리판(10)의 단면도이다. 도 1에 있어서, 화살표 방향은, 잔류 응력의 작용 방향을 나타내고, 화살표 크기는, 응력의 크기를 나타낸다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판(10)은, 표면층(13) 및 이면층(15)과, 표면층(13)과 이면층(15) 사이에 형성된 중간층(17)을 갖는다. 표면층(13) 및 이면층(15)에는, 다음의 풍냉 강화법이나 화학 강화법에 의해 압축 응력이 잔류하고 있다. 또한, 그 반작용으로서, 중간층(17)에는 인장 응력이 잔류하고 있다.
강화 유리판(10)은, 예를 들어 풍냉 강화법이나 화학 강화법 등으로 제작된다. 강화용 유리의 종류는, 용도에 따라서 선택된다. 예를 들어, 자동차용 창 유리나 건축용 창 유리, PDP(Plasma Display Panel)용 유리 기판, 커버 유리의 경우, 강화용 유리로서는, 알칼리알루미노실리케이트 유리나 소다석회 유리가 사용된다.
풍냉 강화법은, 연화점 부근의 온도 유리를 표면 및 이면으로부터 급냉하고, 유리의 표면 및 이면과 내부 사이에 온도차를 생기게 함으로써, 압축 응력이 잔류하는 표면층 및 이면층을 형성한다. 풍냉 강화법은, 두꺼운 유리를 강화하기에 적합하다.
화학 강화법은, 유리의 표면 및 이면을 이온 교환하고, 유리에 포함되는 작은 이온 반경의 이온(예를 들어, Li 이온, Na 이온)을 큰 이온 반경의 이온(예를 들어, K 이온)으로 치환함으로써, 압축 응력이 잔류하는 표면층 및 이면층을 형성한다. 화학 강화법은, 알칼리알루미노실리케이트 유리나 소다석회 유리를 강화하기에 적합하다.
도 2는, 레이저광을 조사하기 전의 강화 유리판의 잔류 응력의 분포를 도시하는 모식도이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 표면층(13) 및 이면층(15)에 잔류하는 압축 응력(>0)은, 강화 유리판(10)의 표면(12) 및 이면(14)으로부터 내부를 향하여 서서히 작아지는 경향이 있다. 또한, 중간층(17)에 잔류하는 인장 응력(>0)은, 유리의 내부로부터 표면(12) 및 이면(14)을 향하여 서서히 작아지는 경향이 있다.
도 2에 있어서, CS는 표면층(13)이나 이면층(15)에 있어서의 최대 잔류 압축 응력(표면 압축 응력)(>0), CT는 중간층(17)에 있어서의 내부 잔류 인장 응력(중간층(17)의 잔류 인장 응력의 평균값)(>0), DOL은 표면층(13) 및 이면층(15)의 두께, t는 강화 유리판(10)의 두께를 각각 나타낸다. 따라서, 중간층(17)의 두께는, t-2×DOL이 된다.
또한, 강화 유리판의 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫)는, 통상, 표면 압축 응력 CS(㎫) 및 표면층(13) 및 이면층(15)의 두께 DOL(㎛)을 측정하고, 그 측정값과, 강화 유리판의 두께 t1(㎛)로부터 이하의 식 1을 사용하여 산출한다.
CT=(CS×DOL)/(t1-2×DOL) … 식 1
그리고, 내부 잔류 인장 응력 CT에 의한 단위 면적당의 변형 에너지(이하, 간단히 「내부 변형 에너지」라고 함) UCT(J/㎡)는 영률 Y(㎫)를 사용하여 이하의 식 2에 의해 구할 수 있다.
UCT={CT2×(t1-2×DOL)}/(2×Y) … 식 2
발명자는, 다양한 내부 변형 에너지 UCT를 갖는 강화 유리판에 대해서, 절단에 필요한 레이저광의 조사 에너지 E의 최솟값(이하, 임계 조사 에너지라고 함) Ec를 조사하였다. 그 결과, 강화 유리판의 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡로 하면, 절단 조건이 동일해도, 임계 조사 에너지 Ec가 급격하게(구체적으로는 몇배 정도) 상승함과 함께, 절단 정밀도도 악화되는 것을 알아내었다. 동시에, 발명자는, 강화 유리판의 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 하면, 강화 유리판의 재질, 두께 및 레이저 파장이 동일하면, 임계 조사 에너지 Ec는, 대략 일정값이 되고, 절단 정밀도도 향상되는 것을 알아내었다. 즉, 발명자는, 강화 유리판을 절단할 경우, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 함으로써, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙 신전이 지배적이 되고, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있는 것을 알아내었다. 한편, UCT가 너무 크면, 유리 내부의 미소한 기포 등의 결함이 기점이 되어 깨져버린다. 이로 인해, 최대 기포 사이즈를 일반적인 유리판의 품질 규격인 몇십㎛로 하면, UCT≤60J/㎡인 것이 바람직하다.
즉, 내부 변형 에너지 UCT=2.5J/㎡ 근방에 있어서, 절단 모드의 변환이 발생한 것이라고 생각된다. 구체적으로는, 강화 유리판을 절단하기 위한 크랙 신전 에너지로서, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡의 경우, 내부 변형 에너지 외에, 레이저광의 조사 에너지가 필요해지고, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡의 경우, 내부 변형 에너지만으로 된다. 그리고, UCT≥2.5J/㎡의 경우에는, 크랙을 신전시키기 위해서가 아니고, 반대로 크랙의 신전을 억제하고, 제어하기 위해서, 레이저광의 조사 에너지가 필요하게 된다.
여기서, 최대 잔류 압축 응력 CS나 내부 잔류 인장 응력 CT, 표면층(13) 및 이면층(15)의 두께 DOL은, 강화 처리 조건으로 조절 가능하다. 예를 들어, 최대 잔류 압축 응력 CS나 내부 잔류 인장 응력 CT, 표면층(13) 및 이면층(15)의 두께 DOL은, 풍냉 강화법의 경우, 유리의 냉각 속도 등으로 조절 가능하다. 또한, 최대 잔류 압축 응력 CS, 내부 잔류 인장 응력 CT, 표면층(13) 및 이면층(15)의 두께 DOL은, 화학 강화법의 경우, 유리를 처리액(예를 들어, KNO3 용융염)에 침지하여 이온 교환하므로, 처리액의 농도나 온도, 침지 시간 등으로 조절 가능하다. 또한, 본 실시 형태의 표면층(13) 및 이면층(15)은 동일한 두께 DOL 및 최대 잔류 압축 응력 CS를 갖지만, 다른 두께나 최대 잔류 압축 응력을 가져도 된다.
도 3은, 강화 유리판의 절단 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 레이저광(20)을 조사하고, 강화 유리판(10)의 표면(12) 상에서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)을 이동(주사)시킴으로써, 강화 유리판(10)에 응력을 인가하고, 강화 유리판(10)을 절단한다.
강화 유리판(10)의 단부에는, 절단 개시 위치에, 초기 크랙이 미리 형성되어 있다. 초기 크랙의 형성 방법은, 일반적인 방법이어도 되고, 예를 들어 커터나 줄, 레이저로 형성된다. 또한, 상술한 바와 같이, 레이저광을 사용한 내부 가열 절단에서는, 강화 유리판(10)의 표면(12)에, 절단 예정선을 따른 스크라이브선(홈선)을 형성할 필요가 없다.
강화 유리판(10)의 표면(12) 상에 있어서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)은, 강화 유리판(10)의 단부로부터 내측을 향해서, 절단 예정선을 따라, 직선 형상이나 곡선 형상으로 이동된다. 이에 의해, 강화 유리판(10)의 단부로부터 내측을 향하여 크랙(30)을 신전시켜, 강화 유리판(10)을 절단한다.
강화 유리판(10)의 표면(12) 상에 있어서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)을 이동시키기 위해서, 강화 유리판(10)을 지지하는 유지구를, 이동 또는 회전시켜도 되고, 레이저광(20)의 광원을 이동시켜도 된다. 또한, 레이저광(20) 경로의 도중에 설치되는 미러를 회전시켜도 된다.
강화 유리판(10)의 표면(12) 상에 있어서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)은, 강화 유리판(10)의 두께나, 최대 잔류 압축 응력 CS, 내부 잔류 인장 응력 CT, 표면층(13)이나 이면층(15)의 두께 DOL, 레이저광(20)의 광원 출력 등에 따른 속도로 이동된다.
레이저광(20)의 광원으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 UV 레이저(파장: 355㎚), 그린 레이저(파장: 532㎚), 반도체 레이저(파장: 808㎚, 940㎚, 975㎚), 파이버 레이저(파장: 1060 내지 1100㎚), YAG 레이저(파장: 1064㎚, 2080㎚, 2940㎚), 중적외광 파라메트릭 발진기를 사용한 레이저(파장: 2600 내지 3450㎚) 등을 들 수 있다. 레이저광(20)의 발진 방식에 제한은 없고, 레이저광을 연속 발진하는 CW 레이저, 레이저광을 단속 발진하는 펄스 레이저 모두 사용 가능하다. 또한, 레이저광(20)의 강도 분포에 제한은 없고, 가우스형이어도, 톱 해트형이어도 된다.
광원으로부터 출사된 레이저광(20)은 집광 렌즈 등으로 집광되고, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 결상된다. 레이저광(20)의 집광 위치는, 강화 유리판(10)의 표면(12)을 기준으로 하여, 레이저광원측이어도 되고, 이면(14) 측이어도 된다. 또한, 가열 온도가 너무 높아지지 않는, 즉 서냉점 이하를 유지할 수 있는 집광 면적이라면, 레이저광(20)의 집광 위치는 강화 유리판(10) 중이어도 된다.
레이저광(20)의 광축은, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 있어서, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 표면(12)과 직교하고 있어도 되고, 표면(12)과 비스듬히 교차하고 있어도 된다.
레이저광(20)에 대한 강화 유리판(10)의 흡수 계수를 α(㎜-1), 강화 유리판(10)의 두께를 t2(㎜)로 하여, 강화 유리판(10)과 레이저광(20)이 0<α×t2≤3.0인 식을 만족시키는 경우, 레이저광(20)만의 작용이 아니라, 중간층(17)의 잔류 인장 응력에 의한 크랙의 신전을 이용하여 강화 유리판(10)을 절단할 수 있다. 즉, 상기 조건에서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)에 있어서의 중간층(17)을 서냉점 이하의 온도로 가열함으로써, 중간층(17)에 내부 잔류 인장 응력의 값보다도 작은 인장 응력 또는 압축 응력을 발생시킴으로써 강화 유리판(10)에 발생하는 크랙(30)의 신전을 제어하여, 잔류 인장 응력에 의한 크랙(30)에 의해 강화 유리판(10)을 절단하는 것이 가능하게 된다. 또한, 중간층(17)을 서냉점 이하의 온도로 가열하는 것은, 서냉점을 초과하여 가열하면, 레이저광이 통과하는 단시간에도 유리가 고온이 되어 점성 유동이 발생하기 쉬운 상태가 되기 때문에, 이 점성 유동에 의해 레이저광에 의해 발생시킨 응력이 완화되기 때문이다. 또한, 강화 유리판(10)의 두께 t의 값 t2(㎜)는 식 1, 식 2에 있어서의 값 t1(㎛)과 단위만이 상이하다.
강화 유리판(10)에 입사하기 전의 레이저광(20)의 강도를 I0라고 하고, 강화 유리판(10) 중을 거리 L(㎜)만큼 이동했을 때의 레이저광(20)의 강도를 I라고 하면, 램버트-비어의 법칙에 의해 다음 식이 성립한다.
I=I0×exp(-α×L)
α×t2를 0보다 크고 3.0 이하로 함으로써, 레이저광(20)이 강화 유리판(10)의 표면에서 흡수되지 않고 내부에까지 도달하게 되기 때문에, 강화 유리판(10)의 내부를 충분히 가열할 수 있다. 그 결과, 강화 유리판(10)에 발생하는 응력은, 도 1에 도시하는 상태로부터, 도 4나 도 5에 도시하는 상태로 변화한다.
도 4는, 도 3의 A-A선을 따른 단면도이며, 레이저광의 조사 영역을 포함하는 단면도이다. 도 5는, 도 3의 B-B선을 따른 단면도이며, 도 4에 도시하는 단면보다도 후방의 단면이다. 여기서, 「후방」이란, 레이저광(20)의 주사 방향 후방을 의미한다. 도 4 및 도 5에 있어서, 화살표의 방향은, 응력의 작용 방향을 나타내고, 화살표의 길이는, 응력의 크기를 나타낸다.
레이저광(20)의 조사 영역(22)에 있어서의 중간층(17)에서는, 레이저광(20)의 강도가 충분히 높으므로, 온도가 주변에 비하여 높아지고, 도 1 및 도 2에 도시하는 잔류 인장 응력보다도 작은 인장 응력, 또는, 압축 응력이 발생한다. 잔류 인장 응력보다도 작은 인장 응력, 또는, 압축 응력이 발생하고 있는 부분에서는, 크랙(30)의 신전이 억제된다. 크랙(30)의 신전을 확실하게 방지하기 위해서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 압축 응력이 발생하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 레이저광(20)의 조사 영역(22)에 있어서의 표면층(13)이나 이면층(15)에서는, 도 1 및 도 2에 도시하는 잔류 압축 응력보다도 큰 압축 응력이 발생하고 있으므로, 크랙(30)의 신전이 억제되고 있다.
도 4에 도시하는 압축 응력과의 균형을 위해서, 도 4에 도시하는 단면보다도 후방의 단면에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 중간층(17)에 인장 응력이 발생한다. 이 인장 응력은, 잔류 인장 응력보다도 크고, 인장 응력이 소정값에 도달해 있는 부분에, 크랙(30)이 형성된다. 크랙(30)은, 강화 유리판(10)의 표면(12)으로부터 이면(14)까지 관통하고 있고, 도 3에 도시하는 절단은 소위 풀컷 절단이다.
이 상태에서, 레이저광(20)의 조사 영역(22)을 이동시키면, 조사 영역(22)의 위치에 추종하도록 크랙(30)의 선단 위치가 이동한다. 즉, 도 3에 도시하는 절단 방법에서는, 강화 유리판(10)을 절단할 때, 레이저광의 주사 방향 후방에 발생하는 인장 응력(도 5 참조)에 의해 크랙(30)의 신전 방향을 제어하고, 레이저광이 조사되고 있는 영역에 발생하는 압축 응력(도 4 참조)을 사용하여, 크랙(30)의 신전을 억제하면서 절단하고 있다. 즉, 레이저광(20)의 조사에 의해 발생하는 압축 응력을 사용하여 크랙(30)의 신전을 제어하고 있다. 이 결과, 크랙(30)이 절단 예정선에서 벗어나서 자주하는 것을 억제할 수 있다.
유리는, 용도에 따라서는, 높은 투명도가 요구되므로, 사용 레이저 파장이 가시광의 파장 영역에 가까울 경우, α×t2는 0에 가까울수록 좋다. 그러나, α×t2는, 너무 작으면 흡수 효율이 나빠지므로, 바람직하게는 0.0005 이상(레이저광 흡수율 0.05％ 이상), 보다 바람직하게는 0.002 이상(레이저광 흡수율 0.2％ 이상), 더욱 바람직하게는 0.004 이상(레이저광 흡수율 0.4％ 이상)이다.
유리는, 용도에 따라서는, 반대로 낮은 투명도가 요구되므로, 사용 레이저 파장이 가시광의 파장 영역에 가까울 경우, α×t2는 클수록 좋다. 그러나, α×t2가 너무 크면 레이저광의 표면 흡수가 커지므로 크랙 신전을 제어할 수 없게 된다. 이로 인해, α×t2는, 바람직하게는 3.0 이하(레이저광 흡수율 95％ 이하), 보다 바람직하게는 0.1 이하(레이저광 흡수율 10％ 이하), 더욱 바람직하게는 0.02 이하(레이저광 흡수율 2％ 이하)이다.
강화 유리판(10)의 두께 t2(㎜)는 용도에 따라서 설정되지만, 0.1 내지 2.0㎜인 것이 바람직하다. 화학 강화 유리의 경우, 두께 t2(㎜)를 2.0㎜ 이하로 함으로써, 내부 잔류 인장 응력 CT를 충분히 높일 수 있다. 한편, 두께 t2(㎜)가 0.1㎜ 미만이 되면, 유리에 화학 강화 처리를 실시하는 것이 어렵다. 두께 t2(㎜)는 보다 바람직하게는 0.3 내지 1.5㎜, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5㎜이다.
흡수 계수 α는, 레이저광(20)의 파장, 강화 유리판(10)의 유리 조성 등으로 정해진다.
예를 들어 1000㎚ 부근의 근적외선 파장 영역에서의 흡수 계수 α는, 강화 유리판(10) 중의 산화철(FeO, Fe2O3, Fe3O4를 포함함)의 함유량, 산화코발트(CoO, Co2O3, Co3O4를 포함함)의 함유량, 산화구리(CuO, Cu2O를 포함함)의 함유량이 많아질수록 커진다. 즉, 산화철 등의 함유량을 조절함으로써, α×t2의 값을 원하는 범위로 조절 가능하다. 강화 유리판(10) 중의 산화철의 함유량은, 강화 유리판(10)을 구성하는 유리의 종류에 의하지만, 소다석회 유리의 경우, 예를 들어 0.02 내지 1.0질량％이다. 단, 산화철 등의 함유량이 많아질수록, 강화 유리판(10)의 가시광 영역의 투명도는 저하된다.
1000㎚ 부근의 근적외선 파장 영역에서의 흡수 계수(α)는, 용도에 따라서 설정된다. 예를 들어, 자동차용 창 유리의 경우, 흡수 계수(α)는 0.3㎜-1 이하인 것이 바람직하다. 또한, 건축용 창 유리의 경우, 흡수 계수(α)는 0.06㎜-1 이하인 것이 바람직하다. 또한, 디스플레이용 유리의 경우, 흡수 계수(α)는 0.02㎜-1 이하인 것이 바람직하다.
또한, 희토류 원자의 흡수 파장 부근에서의 흡수 계수 α는, 강화 유리판(10) 중의 희토류 원소(예를 들어 Yb)의 산화물의 함유량이 많아질수록 커진다.
또한, 3000㎚ 부근의 중적외선 파장 영역에서의 흡수 계수 α는, 강화 유리판(10) 중의 OH기의 함유량이 많아질수록 커진다. 여기서, OH기의 함유량은, 가시광 영역의 투명도에 영향을 미치지 않는다.
레이저광(20)의 파장은, 250 내지 5000㎚이면 되지만, 2500 내지 3500㎚로 하는 것이 바람직하다. 레이저광(20)의 파장이 2500 내지 3500㎚(3000㎚ 근방)인 경우, 상술한 바와 같이, 가시광 영역의 투명도를 저하시키지 않고 흡수 계수 α를 높일 수 있다. 그 결과, 레이저광(20)에 의한 가열 효율을 높일 수 있다. 레이저광(20)의 파장은, 2700 내지 3200㎚로 하는 것이 더욱 바람직하다.
예를 들어 레이저광의 파장이 1000㎚ 근방인 경우, 산화철 함유량 0.04질량％의 강화 유리판의 흡수율은, 판 두께 t2(㎜)가 1㎜인 경우, 약 2％(투과율: 약 98％)이다. 그로 인해, 레이저광의 조사에 의한 가열 효율이 나쁘다. 또한, Fe 농도에 의해 흡수율이 변화되기 때문에, 강화 유리판의 조성에 의해 레이저광의 조사 조건을 대폭 변경할 필요가 있다.
이에 비해, 예를 들어 레이저광의 파장이 3000㎚ 근방인 경우, 산화철 함유량에 의하지 않고 강화 유리판의 흡수율은, 판 두께가 1㎜인 경우, 약 50％(투과율: 약 50％)이다. 그로 인해, 파장이 1000㎚ 근방인 경우에 비해, 가열 효율이 향상됨과 함께, 강화 유리판의 조성에 의해 레이저광의 조사 조건을 대폭 변경할 필요가 없다.
또한, 파장이 1000㎚ 근방으로 흡수율이 약 2％인 경우, 예를 들어 절단에 2W의 흡수 파워가 필요하면, 100W가 투입되고, 98W가 투과된다. 그로 인해, 레이저광이 통과되는 절단 예정선 아래에 테이블이 위치하고 있으면, 레이저광에 의해 테이블까지 손상을 받게 된다. 그로 인해, 강화 유리판으로부터 잘라내는 강화 유리 패널보다도 테이블을 한 사이즈 작게 하는 등의 연구가 필요하였다. 또한, 투과한 레이저광의 처리도 필요하였다. 또한, 투과율이 높기 때문에, 강화 유리판의 단부면에 있어서의 반사광이 악영향을 미치는 경우가 있었다. 또한, 표면 또는 이면에 부착된 이물에 의해 레이저광의 흡수율이 높아지면, 흡수량의 변화가 커서, 악영향을 미치는 경우가 있었다. 또한, Fe 농도에 의해 흡수율이 2％에서 1％로 1％밖에 변화되지 않은 경우에도, 투입하는 파워를 100W에서 200W로 100W나 변경할 필요가 있다.
이에 비해, 파장이 3000㎚ 근방에서 흡수율이 약 50％인 경우, 절단에 2W의 흡수 파워가 필요하면, 4W가 투입되고, 2W가 투과된다. 이와 같이, 파장이 1000㎚ 근방인 경우에 비해, 투입 파워를 극적으로 감소시켜, 가열 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 투과광도 극적으로 감소하므로, 레이저광이 통과되는 절단 예정선 아래에 테이블이 위치하고 있어도, 테이블이 손상을 받는 경우가 없다. 그로 인해, 절단하는 강화 유리판보다 큰 테이블에 강화 유리를 싣는 것에 의해, 보다 안정된 상태에서 절단할 수 있다. 또한, 투과한 레이저광의 처리도 불필요하게 된다. 또한, 강화 유리판의 단부면에 있어서의 반사광의 파워도 작아, 악영향을 미치기 어렵다. 또한, 표면 또는 이면에 부착된 이물에 의해 레이저광의 흡수율이 높아져도, 흡수량의 변화가 작아, 악영향을 미치기 어렵다. 또한, Fe 농도에 의한 흡수율의 변동도 없으므로, 가령 흡수율이 50％에서 40％로 10％나 감소한 경우에도, 투입하는 파워를 4W에서 5W로 1W만큼 변경하면 된다.
여기서, 도 6은, 강화 유리판으로부터 강화 유리 패널을 잘라내는 방법의 일례를 도시하는 도면이다. 도 6은, 강화 유리판(10)을 상면에서 본 도면이다. 또한, 강화 유리판(10)에 나타내는 파선은, 상기에서 설명한 절단 방법을 사용하여, 강화 유리판(10)으로부터 강화 유리 패널(40)을 잘라내기 위한 절단 예정선(235)을 나타내고 있다. 강화 유리 패널(40)은, 소정의 곡률 반경 R을 갖는 4개의 코너부(C1, C2, C3, C4) 및 직선부(41, 42, 43, 44)를 갖는 사각 형상이다. 또한, 도 6에 도시하는 강화 유리 패널(40)의 형상은 일례이며, 다른 임의의 형상의 강화 유리 패널(40)을 강화 유리판(10)으부터 잘라내는 경우에도, 본 실시 형태에 따른 강화 유리의 절단 방법을 사용할 수 있다.
강화 유리판(10)으로부터 강화 유리 패널(40)을 잘라낼 때는, 절단 예정선(235)을 통과하도록 레이저광을 주사한다. 구체적으로는, 직선부(41)의 연장상의 단부면에 위치하는 절단 개시 위치(45)로부터 레이저광의 주사를 개시한다. 그리고, 직선부(41), 코너부(C1), 직선부(42), 코너부(C2), 직선부(43), 코너부(C3), 직선부(44), 코너부(C4)를 경유하고, 코너부(C4)와 직선부(41)와의 접속점인 절단 종료 위치(46)까지 레이저광을 주사한다. 이때, 절단 개시 위치(45), 즉 강화 유리판(10)의 단부에는 초기 크랙이 미리 형성되어 있다. 초기 크랙은, 예를 들어 커터, 줄, 레이저로 형성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 강화 유리판의 절단 방법에서는, 레이저광(20)의 조사 영역(22)에 공기를 분사함으로써 냉각하고 있다. 도 7은, 실시 형태 1에 따른 강화 유리판의 절단 방법에 사용하는 냉각 노즐의 단면도이다. 도 7에 도시하는 냉각 노즐(28)에 의해, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 기체를 분사한다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 냉각 노즐(28)은 내부를 기체(공기나 질소 등)가 화살표 방향으로 흐르도록, 테이퍼 형상의 공동이 형성되어 있다. 여기서, 냉각 노즐(28)의 축은 레이저광의 광축과 일치하고 있고, 렌즈(25)로 집광된 레이저광(20)은, 냉각 노즐(28)의 내부를 통과하여, 냉각 노즐(28)의 선단에 설치된 직경φn의 개구부로부터 출사된다. 또한, 레이저광의 조사 영역의 이동과 동기해서(즉, 레이저광과 동일한 주사 속도로) 이동할 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 레이저 조사부가 기체에 의해 냉각된다. 이 냉각에 의해, 도 3에 도시한 크랙(30)의 선단 위치와, 레이저광(20)의 조사 영역(22) 사이의 거리가 짧아져, 절단 정밀도가 향상된다.
냉각 노즐(28)의 개구부 직경φn 및 냉각 노즐(28)의 선단과 강화 유리판(10)의 표면(12)과의 갭 G2는 임의로 결정할 수 있다. 여기서, 냉각 노즐(28)의 개구부 직경φn이 작을수록, 강화 유리판(10)에 분사되는 기체의 유속이 빨라져, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 있어서의 냉각 능력이 향상된다. 또한, 냉각 노즐(28)의 선단과 강화 유리판(10)의 표면과의 갭 G2가 작을수록, 강화 유리판(10)의 표면(12)에 있어서의 냉각 능력이 향상된다.
<참고예>
여기서, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 강화 유리판의 절단 방법과 비강화 유리판의 절단 방법은, 크랙의 신전 방법이 서로 상이하다는 것에 대하여 설명한다. 도 8은, 강화 유리판에 관한 절단 결과를 나타내는 표이다. 도 9는, 비강화 유리판에 관한 절단 결과를 나타내는 표이다. 도 10은, 강화 유리판(참고예) 및 비강화 유리판(비교예)에 관한 절단 결과를 나타내는 표이다. 도 10에 도시하는 절단 결과는, 도 8, 도 9에 나타낸 절단 결과보다도 레이저광의 스폿 직경을 작게 한 경우의 절단 결과이다.
참고예(101 내지 103, 106 내지 108)에서는 강화 유리판을 준비하고, 비교예(104 내지 105, 109 내지 110)에서는 비강화 유리판을 준비하였다. 참고예(101 내지 103, 106 내지 108)의 강화 유리판은, 비교예(104 내지 105, 109 내지 110)의 비강화 유리판과 동일 치수 형상(직사각형, 긴 변 100㎜, 짧은 변 60㎜, 판 두께 0.7㎜), 동일한 화학 조성의 유리판을 화학 강화법으로 강화하여 제작하였다. 강화 유리판은, 내부 잔류 인장 응력(CT) 30.4㎫, 최대 잔류 압축 응력(CS) 763㎫, 압축 응력층(표면층이나 이면층)의 두께(DOL) 25.8㎛를 갖고 있었다. 여기서, 내부 변형 에너지 UCT는 4.04J/㎡이었다.
참고예(101 내지 103, 106 내지 108), 비교예(104 내지 105, 109 내지 110)에서는, 유리판의 종류(강화, 비강화 이외), 광원의 출력 및 레이저 스폿 직경 이외, 동일한 조건 하에서 절단 실험을 행하였다.
<공통의 조건>
레이저광 광원: 파이버 레이저(파장 1070㎚)
레이저광의 유리판에의 입사각: 0°
레이저광의 집광각: 2.5°
레이저광의 집광 위치: 유리판의 표면으로부터 광원측으로 23㎜ 이격된 위치
유리판의 표면에 있어서의 레이저 스폿 직경: φ1㎜
레이저광에 대한 유리판의 흡수 계수 α: 0.09㎝-1(0.009㎜-1)
유리판의 판 두께 t: 0.07㎝(0.7㎜)
유리판의 영률 Y: 74000㎫
α×t: 0.0063
노즐의 출구 직경: φ1㎜
노즐로부터의 냉각 가스(실온의 압축 공기)의 유량: 30L/min
목표 절단 위치: 유리판의 짧은 변과 평행한 직선(한쪽의 짧은 변으로부터의 거리 10㎜, 다른 쪽의 짧은 변으로부터의 거리 90㎜)
절단 속도: 2.5㎜/s
도 8, 도 9에 도시하는 참고예(101 내지 103) 및 비교예(104 내지 105)에서는, 유리판의 표면에 있어서의 레이저 스폿 직경φ를 1㎜로 하였다. 또한, 도 10에 도시하는 참고예(106 내지 108) 및 비교예(109 내지 110)에서는, 유리판의 표면에 있어서의 레이저 스폿 직경φ를 0.1㎜로 하였다.
절단 후, 유리판의 절단면을 현미경으로 관찰하였다. 유리판의 절단면에서 관찰되는 줄무늬 모양은, 단속적으로 신전하는 크랙의 선단 위치의 경시 변화를 나타낸다. 줄무늬 모양의 각선의 형상으로부터, 크랙의 신전 모습을 알 수 있다. 도 8 내지 도 10에 도시하는 현미경 사진에 있어서, 줄무늬 모양의 대표적인 선을 굵은 백선으로 강조 표시한다.
또한, 유리판의 절단 도중에, 레이저 조사 및가스 냉각을 중단했을 때의 크랙 모습을 육안으로 관찰하였다.
각 실험 결과를 도 8 내지 도 10에 도시한다. 도 8 내지 도 10에 있어서, 유리판에 크랙이 형성된 경우(절단할 수 있었던 경우)를 「○」, 유리판에 크랙이 형성되지 않은 경우(절단할 수 없었던 경우)를 「×」로서 나타냈다.
도 8 내지 도 10의 절단면의 현미경 사진에 있어서의 줄무늬 모양의 선은, 어떤 시점에서의 크랙의 선단 위치를 나타낸다.
도 8 내지 도 10에 있어서의 「자주」란, 레이저 조사 등의 중단 후에, 유리판의 2개의 짧은 변 중, 절단 위치로부터 가까운 쪽의 짧은 변을 향하여 크랙이 신전하는 것을 의미한다.
볼록량 및 직선 오차량은, 유리판을 절단했을 때의 오차량을 나타내고 있다. 즉, 유리판을 상면측에서 봤을 때, 유리판의 절단선이 절단 예정선(그래프의 X축으로 나타냄)으로부터 어긋나 있는 양(그래프의 Y축으로 나타냄)을 나타내고 있다. 볼록량 및 직선 오차량(즉, Y축의 절댓값)이 작을수록, 유리판이 절단 예정선을 따라 절단되어 있다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 비교예(104 내지 105)에 따른 비강화 유리판의 절단에서는, 절단면의 현미경 사진으로부터 명확한 바와 같이, 유리판의 판 두께 방향 양단부가, 유리판의 판 두께 방향 중앙부보다도 먼저 깨지는 경향이 있었다. 또한, 절단의 도중에 레이저 조사 및 가스 냉각을 중단하면, 크랙의 신전이 정지되었다. 또한, 비강화 유리의 절단에서는, 큰 광원 출력이 필요하였다. 또한, 비강화 유리판의 절단에서는, 볼록량 및 직선 오차량이 커졌다.
이에 비해, 도 8에 도시하는 참고예(101 내지 103)에 따른 강화 유리판의 절단에서는, 절단면의 현미경 사진으로부터 명확한 바와 같이, 유리판의 판 두께 방향 중앙부가, 유리판의 판 두께 방향 양단부보다도 먼저 깨지는 경향이 있었다. 이것은, 원래 강화 유리판의 내부에 잔류 인장 응력이 존재하고 있고, 이 잔류 인장 응력에 의해 크랙이 신전하기 때문이다. 또한, 절단 도중에 레이저 조사 및 가스 냉각을 중단하면, 크랙이 의도하지 않은 방향으로 스스로 신전되었다. 이 결과로부터, 레이저광의 조사에 의해, 잔류 인장 응력에 의한 크랙의 신전이 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 강화 유리판의 절단에서는, 볼록량 및 직선 오차량이 비강화 유리판의 절단의 경우보다도 작았다. 도 10에 도시하는 참고예(106 내지 108)에 관한 강화 유리판의 절단에 있어서도 마찬가지의 결과로 되었다.
또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 레이저 스폿 직경을 작게 한 경우(참고예(106 내지 108)는 참고예(101 내지 103)보다도 작은 광원 출력으로 강화 유리판을 절단할 수 있었다. 또한, 참고예(106 내지 108)에서는, 도 8에 도시하는 참고예(101 내지 103)와 비교하여 볼록량 및 직선 오차량이 작아졌다. 즉, 참고예(106 내지 108)에서는, 참고예(101 내지 103)보다도 정밀도 좋게 강화 유리판을 절단할 수 있었다. 또한, 참고예(106 내지 108)에 도시하는 바와 같이, 광원 출력을 낮게 할수록, 볼록량 및 직선 오차량이 작아졌다. 특히 참고예(108)에서는, 볼록량이 15㎛로 매우 작은 값으로 되었다.
한편, 레이저 스폿 직경을 작게 한 경우에는, 비강화 유리판을 절단할 수 없었다. 즉, 비교예(109)에 도시하는 바와 같이, 광원의 출력을 200W로 한 경우에는 비강화 유리판이 용융되어, 절단할 수 없었다. 즉, 비강화 유리의 온도가 서냉점 이상으로 되어 절단할 수 없었다. 또한, 비교예(110)에 도시하는 바와 같이, 광원의 출력을 100W로 한 경우에는 비강화 유리판에 변화가 없었다. 따라서, 레이저 스폿 직경을 작게(예를 들어, 판 두께 미만) 한 경우에는, 광원의 출력에 의하지 않고 비강화 유리판을 절단할 수 없었다.
이와 같이, 강화 유리판의 절단 방법과 비강화 유리판의 절단 방법은, 절단의 메커니즘이 근본적으로 상이하고, 크랙의 신전 방법이 완전히 상이하다. 그로 인해, 본 발명에서는, 비강화 유리판의 절단 방법으로부터는 예측할 수 없는 효과가 얻어진다. 그 이유를 이하에 설명한다.
예를 들어, 비강화 유리판의 절단 방법에서는, 레이저광과 냉각제의 양쪽을 사용하여 유리판에 열 응력장을 형성하고, 절단에 필요한 인장 응력을 발생시킨다. 보다 구체적으로는, 레이저광을 유리판에 조사하여 유리판 내부에 열 응력을 발생시키고, 그 열 응력에 의해 발생한 압축 응력을 냉각제로 급냉하고, 인장 응력을 발생시켜서 크랙을 신전시킨다. 따라서, 크랙의 신전은, 레이저광의 조사 에너지만으로 행하여져, 유리판에 조사하는 레이저의 파워(W)를 크게 설정할 필요가 있다.
이러한 방법에서는, 유리판에 형성되는 할단(割斷) 균열의 선단 위치는, 유리판을 냉각하는 냉각제의 위치로 결정된다. 냉각제의 위치에 인장 응력이 발생하기 때문이다. 따라서, 절단 도중에, 레이저광에 의한 가열이나 냉각제에 의한 냉각을 중단하면, 크랙의 신전이 멈춘다.
도 11은, 레이저광을 사용하여 비강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력을 설명하기 위한 도면이다. 도 11에서는 비강화 유리판(110)의 상면도와, 비강화 유리판(110)의 판 두께 중심부에 발생하는 응력의 분포를 나타내고 있다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 비강화 유리판(110)에 레이저광을 조사하면, 레이저광의 조사 영역(122)에 압축 응력(133)이 작용한다. 이 압축 응력(133)은 레이저광의 조사에 의해 발생하는 열 응력이다. 그리고, 이 압축 응력(133)과 평형을 이루도록, 조사 영역(122)의 주사 방향 후방에 인장 응력(135)이 발생한다. 이 인장 응력(135)이 크랙(130)에 작용함으로써 비강화 유리판(110)이 절단된다.
도 11의 그래프에 도시하는 바와 같이, 비강화 유리판(110)에서는 내부 잔류 인장 응력 CT는 대략 제로이다. 이로 인해, 비강화 유리판(110)을 절단할 때 크랙(130)에 작용하는 인장 응력(135)은 레이저광의 조사에 의해서만 발생한다. 따라서, 인장 응력(135)을 크게 하기 위해서, 레이저광의 조사 에너지를 높게 하거나, 레이저 스폿 직경을 크게 할 필요가 있다. 이로 인해, 비강화 유리판(110)에서는, 레이저광의 흡수율이 작은 유리에서는 절단이 곤란해진다.
또한, 비강화 유리판(110)을 절단할 때는, 레이저광의 조사 에너지와 주사 속도로 크랙의 신전을 제어하고 있다. 이때, 레이저광의 조사 에너지가, 절단에 필요한 조사 에너지보다도 작으면 크랙의 신전이 정지된다. 즉, 도 11의 그래프에 도시하는 바와 같이, 크랙(130)을 신전시키기 위해서는, 크랙(130)의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 큰 인장 응력을 크랙(130)에 작용시킬 필요가 있다. 비강화 유리판(110)에서는 내부 잔류 인장 응력 CT가 대략 제로이기 때문에, 레이저광의 조사 에너지만으로 이 인장 응력 S_th 값보다도 큰 인장 응력을 발생시킬 필요가 있다.
이에 비해, 강화 유리판의 절단 방법에서는, 원래 유리판 내부에 내부 잔류 인장 응력이 존재하기 때문에, 비강화 유리판의 절단의 경우, 레이저광의 조사 에너지만으로 큰 인장 응력을 발생시킬 필요가 없다. 또한, 내부 잔류 인장 응력이 크랙의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 큰 인장 응력인 경우, 강화 유리판에 어떠한 힘을 작용시켜서 크랙을 발생시키면, 내부 잔류 인장 응력 때문에 크랙은 스스로 신전한다. 한편, 내부 잔류 인장 응력은 유리판 내부에 전체적으로 존재하고 있으므로, 크랙의 신전을 제어하지 않는 한, 크랙이 의도하지 않은 방향으로 신전되어버린다.
그로 인해, 본 발명에서는, 조사 영역의 중심에 있어서의 중간층에 내부 잔류 인장 응력의 값보다도 작은 인장 응력 또는 압축 응력을 발생시키고, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙의 신전을 억제하고 있다. 즉, 레이저광을 조사함으로써 강화 유리판의 중간층에 있어서의 잔류 인장 응력을 크랙의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 작게 하여, 크랙의 신전을 제어하고 있다.
도 12는, 레이저광을 사용하여 강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력의 일례를 도시하는 도면이다. 도 12에서는 강화 유리판(10)의 상면도와, 강화 유리판(10)의 판 두께 중심부에 발생하는 응력의 분포를 나타내고 있다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판(10)에 레이저광을 조사하면, 레이저광의 조사 영역(22)에 압축 응력(33)이 작용한다. 또한, 조사 영역(22)의 주사 방향 후방에 인장 응력(35)이 발생한다. 그리고, 이 인장 응력(35)에 내부 잔류 인장 응력이 가산됨으로써 크랙의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 큰 인장 응력이 발생하고, 크랙(30)에 작용함으로써 강화 유리판(10)이 절단된다. 이때, 압축 응력(33)에 의해 크랙(30)의 신전이 제어된다.
도 12의 그래프에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판(10)에는 내부 잔류 인장 응력 CT가 존재한다. 이로 인해, 크랙(30)의 신전에 필요한 인장 응력(35)은 작아도 된다. 환언하면, 인장 응력 S_th(크랙(30)의 신전에 필요한 인장 응력)보다도 큰 인장 응력을 크랙(30)에 작용시키기 위해 필요한 레이저광에 의해 발생시키는 압축 응력(33)을 작게 할 수 있다.
여기서, 강화 유리판(10)을 절단할 때 필요한 압축 응력(33)이나 인장 응력(35)은 비강화 유리판(110)을 절단할 때 필요한 응력보다도 작게 할 수 있기 때문에, 레이저광의 조사 에너지를 작게 하거나, 레이저 스폿 직경을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 절단 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 레이저광의 흡수율이 작은 유리라도 용이하게 절단할 수 있다.
도 13은, 레이저광을 사용하여 강화 유리판을 절단할 때 작용하는 응력의 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 13에서는 강화 유리판(10)의 상면도와, 강화 유리판(10)의 판 두께 중심부에 발생하는 응력의 분포를 나타내고 있다. 도 13에 도시하는 강화 유리판(10)에서는, 내부 잔류 인장 응력 CT가, 크랙(30)의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 크다. 즉, 도 13에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판(10)에 레이저광을 조사하면, 레이저광의 조사 영역(22)에는 내부 잔류 인장 응력 CT의 값보다도 작은 인장 응력(37)이 발생한다. 여기서, 인장 응력(37)은 레이저광의 조사에 의해 발생한 압축 응력(33)과 내부 잔류 인장 응력 CT와의 합력이다. 또한, 조사 영역(22)의 주사 방향 후방에는 인장 응력(35)이 발생한다. 이 경우에는, 내부 잔류 인장 응력 CT의 값보다도 작은 인장 응력(37)을 크랙(30)의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 작게 함으로써, 크랙(30)의 신전을 억제할 수 있다.
도 13에 도시하는 경우도, 강화 유리판(10)을 절단할 때 필요한, 내부 잔류 인장 응력 CT의 값보다도 작은 인장 응력(37)이나 인장 응력(35)은 비강화 유리판(110)을 절단할 때 필요한 응력보다도 작게 할 수 있기 때문에, 레이저광의 조사 에너지를 작게 하거나, 레이저 스폿 직경을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 절단 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 레이저광의 흡수율이 작은 유리라도 용이하게 절단할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 강화 유리판(10)을 절단할 때는, 내부 잔류 인장 응력 CT와 레이저광의 조사 에너지와 주사 속도의 밸런스를 유지함으로써, 크랙(30)을 자주시키지 않고 크랙(30)의 신전을 제어하고 있다. 따라서, 레이저광의 조사 에너지가 너무 작으면, 내부 잔류 인장 응력 CT의 값보다도 작은 인장 응력(37)이 크랙(30)의 신전에 필요한 인장 응력 S_th보다도 커져, 크랙(30)의 신전은 멈추지 않고 자주한다(도 13의 경우).
이와 같이, 강화 유리판의 절단 방법과 비강화 유리판의 절단 방법은, 절단의 메커니즘이 근본적으로 상이하고, 크랙의 신전 방식이 완전히 상이하다. 그로 인해, 본 발명에서는, 비강화 유리판의 절단 방법으로부터는 예측할 수 없는 효과가 얻어진다.
[실시예]
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 실시예 1에서는, 내부 변형 에너지 UCT와 절단 가능한 조사 에너지 E의 최솟값인 임계 조사 에너지 Ec와의 관계를 설명한다.
[실시예 1]
실시예 1에서는, 내부 변형 에너지 UCT가 상이한 21개의 샘플1 내지 21에 대해서, 임계 조사 에너지 Ec와의 관계를 조사하였다. 또한, 샘플18 내지 21은 비강화 유리판이다.
도 14는, 실시예 1에 따른 절단 예정선의 형상을 도시하는 도면이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 실시예 1에 따른 절단 예정선은, 2개의 직선부와, 크랭크 형상을 구성하는 2개의 코너부(곡률 반경 R=5㎜)를 구비하고 있다.
화학 강화용 유리판으로서, 복수 종류의 원료를 섞어서 조정한 유리 원료를 용해하고, 용해한 용융 유리를 판상으로 성형하였다. 이것을 실온 부근까지 서냉한 후, 절단, 절삭, 양면 경면 연마함으로써, 소정의 두께를 갖는 50㎜×50㎜의 유리판을 제작하였다. 유리 원료는, 유리판의 레이저광에 대한 흡수 계수 α가 원하는 값이 되도록, 동일한 배합비의 베이스재에 대한 산화철(Fe2O3)의 분말의 첨가량을 바꾸어서 제조하였다.
각 화학 강화용 유리판은, 산화물 기준의 질량％ 표시로, SiO2: 60.9％, Al2O3: 12.8％, Na2O: 12.2％, K2O: 5.9％, MgO: 6.7％, CaO: 0.1％, SrO: 0.2％, BaO: 0.2％, ZrO2: 1.0％를 함유하고 있고, 산화철(Fe2O3)을 외할(外割)로 소정량 함유하고 있었다.
각 강화 유리판은, 상기 화학 강화용 유리판을 KNO3 용융염에 침지하고, 이온 교환 처리한 후, 실온 부근까지 냉각함으로써 제작하였다. KNO3 용융염의 온도나 침지 시간 등의 처리 조건은, 내부 잔류 인장 응력 CT가 원하는 값이 되도록 설정하였다.
강화 유리판의 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫)은 표면 응력계 FSM-6000(오리하라 세이사꾸쇼제)로 표면 압축 응력 CS(㎫) 및 압축 응력층(표면층 및 이면층)의 두께 DOL(㎛)을 측정하고, 그 측정값과, 강화 유리판의 두께 t1(㎛)로부터 이하의 식 1을 사용하여 계산하였다.
CT=(CS×DOL)/(t1-2×DOL) … 식 1
내부 변형 에너지 UCT(J/㎡)는 강화 유리판의 영률 Y(㎫)를 사용하여 이하의 식 2에 의해 구하였다.
UCT={CT2×(t1-2×DOL)}/(2×Y) … 식 2
단위 조사 면적당의 레이저광의 조사 에너지(J/㎟)는, 강화 유리판에 반사되지 않고 입사되는 실효적인 레이저 출력을 Pe(W), 레이저광의 주사 속도를 v(㎜/s), 강화 유리판(10)에 조사되는 레이저광의 빔 직경을 φ(㎜)라고 하면, Pe/(v×φ)로 나타낼 수 있다. 여기서, 실효적인 레이저 출력 Pe(W)는 레이저 출력 P(W)와 강화 유리판에서의 반사율 r(％)을 사용하여, Pe=P×(1-r/100)로 나타낼 수 있다. 그러나, 절단성을 판단하기 위해서는, 이것에 빔 직경φ(㎜)를 곱한 단위 길이당의 레이저광의 조사 에너지 E(J/㎜)를 사용하는 것이 바람직하다. 상세한 이유에 대해서는 후술한다. 이 조사 에너지 E(J/㎜)를 이하의 식 3에 나타낸다.
E=Pe/v … 식 3
샘플1 내지 11에 관한 조사 에너지 E의 임계치인 임계 조사 에너지 Ec는, 조사 에너지 E를 약 1(J/㎜)씩 변화시켜서 절단을 반복함으로써 구하였다. 그 때, 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s)는 고정한 상태로, 레이저 출력 P(W)만을 2.5W씩 변화시켰다.
또한, 비강화 유리판의 샘플18 내지 21에 관한 임계 조사 에너지 Ec는, 조사 에너지 E를 약 4(J/㎜)씩 변화시켜서 절단을 반복함으로써 구하였다. 그 때, 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s)는 고정한 상태로, 레이저 출력 P(W)만을 10W씩 변화시켰다.
한편, 샘플12 내지 17에 관한 임계 조사 에너지 Ec는, 조사 에너지 E를 서서히 변화시켜서 절단을 반복함으로써 구하였다. 그 때, 레이저 출력 P(W)는 고정한 상태로, 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s)만을 0.25㎜/s씩 변화시켰다.
도 15는, 샘플1 내지 21에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 임계 조사 에너지 Ec 및 양자를 도출하기 위한 여러 조건이 도시된 표이다. 표의 좌열부터 순서대로, 레이저 파장 λ(㎚), 샘플 번호, 강화 유리판의 영률 Y(㎫), 선팽창 계수 αL(K-1), 밀도 ρ(g/㎣), 비열 c(J/g/K), 두께 t(㎜), 흡수 계수 α(㎜-1), 강화 유리판에서의 반사율 r(％), 표면 압축 응력 CS(㎫), 표면층 및 이면층의 두께 DOL(㎛), 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫), 내부 변형 에너지 UCT(J/㎡), 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s), 레이저광의 빔 직경φ(㎜), 레이저 출력 P(W), 실효적인 레이저 출력 Pe(W), 임계 조사 에너지 Ec(J/㎜), 임계 흡수 에너지 Ea(J/㎜), 임계 절단 지수 Kc(N/㎜)가 도시되어 있다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 샘플1 내지 11, 18 내지 21에 대해서는, 레이저광의 광원에 파이버 레이저(중심 파장대: 1070㎚)를 사용하고, 샘플12 내지 17에 대해서는, 레이저광의 광원에 중적외광 파라메트릭 발진기를 사용한 Cr:ZnSe 레이저(중심 파장대: 2950㎚)를 사용하였다.
또한, 어떠한 샘플도 재질은 동일하기 때문에, 도 15에 도시하는 바와 같이, 영률 Y=74000㎫, 선팽창 계수 αL=9.8×10-6K-1, 밀도 ρ=2.48×10-3g/㎣, 비열 c=0.918J/g/K로 공통이다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 샘플1 내지 11에 대해서는, 빔 직경φ=0.1㎜, 샘플12 내지 17에 대해서는, 빔 직경φ=0.2㎜로 하였다. 또한, 비강화 유리판의 샘플18에 대해서는 빔 직경φ=0.5㎜, 샘플19에 대해서는 빔 직경φ=0.8㎜, 샘플20에 대해서는 빔 직경φ=1.0㎜, 샘플21에 대해서는 빔 직경φ=2.0㎜로 하였다.
또한, 모든 샘플에 대해서, 레이저광 조사측에서 직경 1㎜φ의 노즐을 사용하여, 유량 15L/min의 공기를 분사하였다. 여기서, 강화 유리판과 노즐 선단과의 거리(갭)는 3㎜로 하였다.
도 16a는, 도 15의 표에 나타낸 임계 조사 에너지 Ec의 내부 변형 에너지 UCT 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 16a의 횡축은 내부 변형 에너지 UCT(J/㎡), 종축은 임계 조사 에너지 Ec(J/㎜)이다. 도 16a에 있어서, ●표시는 샘플1 내지 11, 18 내지 21(레이저 파장 λ=1070㎚), ○표시는 샘플12 내지 17(레이저 파장 λ=2950㎚)을 나타내고 있다.
도 15, 도 16a에 도시하는 바와 같이, 레이저 파장 λ=1070㎚의 경우, 강화 유리판의 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡에서는, 임계 조사 에너지 Ec=9 내지 15J/㎜로 안정되어 있다(샘플1 내지 10). 이에 비해, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡에서는, 임계 조사 에너지 Ec=56J/㎜까지 급격하게(구체적으로는 몇배 정도) 상승한다(샘플11). 이 임계 조사 에너지 Ec의 상승에 수반하여, 샘플11에서는, 절단 정밀도도 악화되었다. 이 결과로부터, 강화 유리판을 절단할 경우, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 함으로써, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있는 것을 알았다.
또한, 비강화 유리판의 샘플18에 대해서는 절단할 수 없었다. 즉, 판 두께 t(=0.7㎜) 이하의 빔 직경φ=0.5㎜에서는, 비강화 유리판의 샘플은 절단할 수 없었다. 그리고, 빔 직경φ=0.8㎜의 샘플19에 대해서는 임계 조사 에너지 Ec=83J/㎜, 빔 직경φ=1.0㎜의 샘플20에 대해서는 임계 조사 에너지 Ec=76J/㎜, 빔 직경φ=2.0㎜의 샘플21에 대해서는 임계 조사 에너지 Ec=65J/㎜이었다. 즉, 빔 직경의 증대와 함께, 임계 조사 에너지 Ec는 점차 감소하였다. 여기서, 빔 직경이 커질수록, 레이저광의 중심과 크랙의 선단 위치가 이격되기 때문에, 절단 정밀도가 저하된다. 그로 인해, 강화 유리판의 절단에 있어서, 빔 직경φ는 판 두께 t 이하로 하는 것이 바람직하고, 판 두께 t의 1/2 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 16a의 그래프로부터, 내부 변형 에너지 UCT=2.5J/㎡ 근방에 있어서, 절단 모드의 변환이 발생하고 있는 것이라고 생각된다. 구체적으로는, 강화 유리판을 절단하기 위한 크랙 신전 에너지로서, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡의 경우, 내부 변형 에너지 외에, 레이저광의 조사 에너지가 필요로 되고(도 12 참조), 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡의 경우, 내부 변형 에너지만으로 되는 것이라고 생각된다(도 13 참조).
또한, 레이저 파장 λ를 1070㎚에서 2950㎚로 변경함으로써, 강화 유리판의 흡수 계수 α가 0.011㎜-1에서 0.59㎜-1로 향상된다. 그로 인해, 도 15, 도 12에 도시하는 바와 같이, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡에 있어서, 임계 조사 에너지 Ec=9 내지 15J/㎜ 정도(샘플1 내지 10)에서 임계 조사 에너지 Ec=0.3 내지 0.5J/㎜(샘플12 내지 15)까지 2자리나 저감할 수 있다.
이와 같이, 레이저 파장을 3000㎚ 근방으로 함으로써, 투명도를 저하시키지 않고 흡수 계수 α를 높일 수 있고, 조사 에너지를 저감할 수 있다. 그로 인해, 가열 효율이 향상된다. 게다가, 강화 유리판의 조성에 의해 레이저광의 조사 조건을 대폭 변경할 필요가 없다.
또한, 상술한 바와 같이, 절단하는 강화 유리판보다 큰 테이블에 강화 유리를 얹고, 보다 안정된 상태에서 절단할 수 있다. 또한, 투과광이 극적으로 감소하기 때문에, 그 처리도 불필요하게 된다. 또한, 강화 유리판의 단부면에 있어서의 반사광도 극적으로 감소하기 때문에, 악영향을 미치기 어렵다.
또한, 레이저 파장 λ가 2950㎚인 경우도, 1070㎚의 경우와 마찬가지로, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡에서는, 임계 조사 에너지 Ec=0.9 내지 1.2J/㎜ 정도 또는 그 이상까지 급격하게 상승한다(샘플16, 17). 이 임계 조사 에너지 Ec의 상승에 수반하여, 샘플16, 17에서는, 절단 정밀도도 악화되었다. 이 결과로부터, 레이저 파장 λ=2950㎚로 강화 유리판을 절단하는 경우에도, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 함으로써, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있는 것을 알았다.
여기서, 임계 조사 에너지 Ec 중, 절단에 사용되는 에너지는 강화 유리판에 흡수되는 에너지(이하, 임계 흡수 에너지라고 함) Ea이다. 임계 흡수 에너지 Ea(J/㎜)는 임계 조사 에너지 Ec(J/㎜), 흡수 계수 α(㎜-1), 두께 t2(㎜)를 사용하여, 램버트-비어의 법칙으로부터 다음 식으로 나타낼 수 있다.
Ea=Ec×exp(-α×t2) … 식 4
도 15에 도시하는 바와 같이, 임계 흡수 에너지 Ea(J/㎜)의 값은, 레이저 파장 λ가 2950㎚인 경우와 1070㎚인 경우를 비교해도, 거의 차이가 없다.
강화 유리판의 두께나 재질에 의한 영향을 배제하고, 보다 일반화하기 위해서, 임계 흡수 에너지 Ea에서의 내부 가열(온도 변화ΔT)에 의해 발생하는 열 응력(임계 압축 응력)σc에 대하여 고찰한다. 이 임계 압축 응력σc는, 절단에 필요한 최소의 압축 응력이다. 여기서, 임계 압축 응력σc는, 내부 잔류 인장 응력 CT를 기준으로 한 경우에 압축 응력으로 되므로 「임계 압축 응력」이라고 표현하고 있다. 그러나, 도 12, 도 13에 도시하는 바와 같이, 강화 유리판의 판 두께 중심부에 발생하는 응력으로 고려한 경우에는, 내부 잔류 인장 응력 CT와 임계 압축 응력σc와의 합력으로 표현되므로, 인장 응력으로 되는 경우도 있다.
임계 압축 응력σc는, 도 12, 도 13에 도시하는 바와 같이, 가우스 분포와 같은 프로파일을 갖고 있다. 이 임계 압축 응력σc의 적분값(도 12, 도 13에 있어서의 사선부의 면적)이 절단 가부를 결정한다. 내부 변형 에너지 UCT가 동일하면, 임계 압축 응력σc의 적분값은, 강화 유리판의 두께 t, 재질에 의하지 않고 일정하다고 생각된다. 임계 압축 응력σc의 프로파일의 폭은, 빔 직경φ에 비례하기 때문에, 임계 압축 응력σc의 적분값도, σc×φ에 비례한다고 생각해도 된다.
여기서, 단순화를 위해서, 내부 가열에 의해서도 강화 유리판의 판 두께 t는 변화되지 않고, 표면층(13)과 이면층(15) 사이에서 구속됨으로써 이 임계 압축 응력σc가 발생하는 것으로 한다. 즉, 양단 구속 모델을 생각한다.
임계 압축 응력σc(㎫)는 영률 Y(㎫), 선팽창 계수 αL(K-1), 온도 변화ΔT(K)를 사용하여, 다음 식 5로 나타낼 수 있다.
σc=Y×αL×ΔT … 식 5
또한, 임계 흡수 에너지 Ea가 공급되는 것에 의한 강화 유리판의 온도 변화ΔT는, ΔT=(임계 흡수 에너지)/(레이저 조사부의 강화 유리판의 열용량)에 의해 구할 수 있다.
여기서, 레이저 조사 면적 S1(㎟)로 하면, (임계 흡수 에너지)는 임계 흡수 에너지 Ea(J/㎜)를 φ(㎜)로 나눈 단위 면적당의 임계 흡수 에너지 Ea/φ(J/㎟)를 사용하여, Ea×S1/φ(J)로 나타낼 수 있다.
또한, 강화 유리판에 있어서의 가열 영역의 면적 S2(㎟)로 하면, (레이저 조사부의 강화 유리판의 열용량)은 강화 유리판의 두께 t2(㎜), 밀도 ρ(g/㎣), 비열 c(J/g/K)를 사용하여, S2×t2×ρ×c(J/K)로 나타낼 수 있다.
따라서, 온도 변화ΔT(K)는 다음 식 6으로 나타낼 수 있다.
ΔT=Ea×S1/(S2×t2×ρ×c)/φ
=(S1/S2)×Ea/(t2×ρ×c)/φ … 식 6
식 5에 식 6을 대입함으로써, 임계 압축 응력σc(㎫)는 다음 식 7로 나타낼 수 있다.
σc=(S1/S2)×Y×αL×Ea/(t2×ρ×c)/φ … 식 7
여기서, 단순화를 위해서, S1/S2=일정하다고 생각하면, 구해야 할 임계 압축 응력σc의 적분값에 비례하는 σc×φ는 다음 식 8로 나타낼 수 있다.
σc×φ∝Ea×(Y×αL)/(t2×ρ×c)=Kc … 식 8
식 8의 Kc를 임계 절단 지수라고 명명한다. 절단 가능한 임계치를 나타내는 이 임계 절단 지수 Kc의 값이 작아질수록, 절단이 용이해지고, 임계 절단 지수 Kc의 값이 커질수록, 절단이 곤란해진다. 이와 같이, 절단성은, 식 3으로 나타내진 단위 길이당의 레이저광의 조사 에너지 E(J/㎜)에 의해 판단할 수 있다.
임계 절단 지수 Kc를 구성하는 영률 Y, 선팽창 계수 αL, 밀도 ρ, 비열 c는, 모두 온도 의존성을 갖지만, 어디까지나 지표로서 실온의 값을 사용하고 있다.
도 15의 최우측열에 임계 절단 지수 Kc(N/㎜)를 나타냈다.
도 16b는, 도 15의 표에 나타낸 임계 절단 지수 Kc의 내부 변형 에너지 UCT 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 16b의 횡축은 내부 변형 에너지 UCT(J/㎡), 종축은 임계 절단 지수 Kc(N/㎜)이다. 도 16b에 있어서, ●표시는 샘플1 내지 11, 18 내지 21(레이저 파장 λ=1070㎚), ○표시는 샘플12 내지 17(레이저 파장 λ=2950㎚)을 나타내고 있다.
도 15, 도 16b에 도시하는 바와 같이, 레이저 파장 λ에 의하지 않고, 강화 유리판의 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡에서는, 임계 절단 지수 Kc=50N/㎜ 근방으로 안정되어 있다(샘플1 내지 10, 12 내지 15). 이에 비해, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡에서는, 임계 절단 지수 Kc=150N/㎜(샘플16) 또는 200N/㎜ 근방이 된다(샘플11, 17). 또한, 비강화 유리판에서는 200N/㎜를 초과하게 된다(샘플18 내지 21). 여기서, 빔 직경이 작아질수록, 임계 절단 지수 Kc가 커지고, 빔 직경이 0.5㎜ 이하에서는 절단할 수 없게 된다(샘플18).
이 임계 절단 지수 Kc의 상승에 수반하여, 절단 정밀도도 악화되었다. 이 결과로부터, 강화 유리판을 절단하는 경우, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 함으로써, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있는 것을 알았다. 또한, 빔 직경이 커질수록, 레이저광의 중심과 크랙의 선단 위치가 이격되기 때문에, 절단 정밀도가 저하된다. 그로 인해, 빔 직경φ는 판 두께 t2(㎜) 이하로 하는 것이 바람직하고, 판 두께 t2(㎜)의 1/2 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
단위 조사 면적당의 조사 에너지 E(J/㎜)에서의 절단 지수 K는, 식 4에 있어서의 Ec를 E로 치환한 후에, 식 8에 있어서의 Ea에 대입함으로써, 다음 식 9로 나타낼 수 있다. 여기서, 절단 지수 K가 임계 절단 지수 Kc 이상이면 절단 가능하게 된다.
K=E×exp(-α×t2)×(Y×αL)/(t2×ρ×c) … 식 9
또한, 식 9에 식 3을 대입함으로써, 이하의 식 10이 얻어진다.
K=Pe/v×exp(-α×t2)×(Y×αL)/(t2×ρ×c) … 식 10
도 16b로부터, 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡이면, 임계 절단 지수 Kc가 50N/㎜ 정도이기 때문에, 절단 지수 K≤150N/㎜를 만족하는 조사 에너지 E로 충분히 절단할 수 있다. 한편, 도 16b로부터, 내부 변형 에너지 UCT<2.5J/㎡이면, 임계 절단 지수 Kc가 150N/㎜ 이상이 되기 때문에, 절단 지수 K≤150N/㎜를 만족하는 조사 에너지 E로는, 절단이 불가능 또는 곤란해진다. 내부 변형 에너지 UCT≥2.5J/㎡로 한 후에, 절단 지수 K≤150N/㎜를 만족하는 조사 에너지 E로 함으로써, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있다. 절단 지수 K≤100N/㎜를 만족하는 조사 에너지 E로 함으로써, 또한 작은 조사 에너지로 더욱 정밀도 좋게 절단할 수 있다. 한편, 절단 지수 K가 너무 작으면, 크랙 신전을 제어할 수 없기 때문에 절단할 수 없게 된다. 이로 인해, 절단 지수 K≥5N/㎜를 만족하는 조사 에너지 E로 함으로써, 안정되게 절단할 수 있다.
[실시예 2]
실시예 2에서는, 레이저광의 흡수율을 높이는 이물 부착에 대한 레이저 파장 λ의 영향을 조사하였다.
도 17은, 샘플31 내지 33 및 41 내지 43에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 조사 에너지 E, 양자를 도출하기 위한 여러 조건, 이물로서의 흑색 마크의 유무, 절단 가부, 단면 성상이 도시된 표이다. 구체적으로는, 표의 좌열부터 순서대로, 레이저 파장 λ(㎚), 샘플 번호, 영률 Y(㎫), 강화 유리판의 두께 t(㎛), 표면 압축 응력 CS(㎫), 표면층 및 이면층의 두께 DOL(㎛), 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫), 내부 변형 에너지 UCT(J/㎡), 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s), 빔 직경φ(㎜), 레이저 출력 P(W), 조사 에너지 E(J/㎜), 흑색 마크의 유무, 절단 가부, 단면 성상이 도시되어 있다. 내부 변형 에너지 UCT 및 조사 에너지 E는, 실시예 1과 마찬가지로 도출하였다. 단, 간이하게 평가하기 위해서, 반사율 r=0％로 하였다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 샘플31 내지 33에 대해서는, 레이저광의 광원에 파이버 레이저(중심 파장대: 1070㎚)를 사용하고, 샘플41 내지 43에 대해서는, 레이저광의 광원에 중적외광 파라메트릭 발진기를 사용한 Cr:ZnSe 레이저(중심 파장대: 2950㎚)를 사용하였다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 샘플31, 41에 대해서는, 강화 유리판의 표면(레이저광 입사측) 및 이면(레이저광 출사측) 중 어느 쪽에도 흑색 마크를 부여하지 않았다. 샘플32, 42에 대해서는, 표면에만 흑색 마크를 부여하였다. 샘플33, 43에 대해서는, 이면에만 흑색 마크를 부여하였다. 흑색 마크의 부착에는, 유성의 사인펜을 사용하였다.
또한, 도 17에 도시하는 바와 같이, 샘플31 내지 33에 대해서는 빔 직경φ=0.1㎜, 샘플41 내지 43에 대해서는 빔 직경φ=0.2㎜로 하였다. 또한, 도 17에는 기재되어 있지 않지만, 모든 샘플에 대해서, 레이저광 조사측에서 직경 1㎜φ의 노즐을 사용하여, 유량 15L/min의 공기를 분사하였다. 여기서, 강화 유리판과 노즐 선단과의 거리(갭)는 3㎜로 하였다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 레이저 파장 λ=1070㎚에서는, 조사 에너지 E=6J/㎜(샘플31 내지 33)인데 반해, 레이저 파장 λ=2950㎚에서는, 조사 에너지 E=2J/㎜(샘플41 내지 43로 저감할 수 있었다.
흑색 마크가 없는 샘플31, 41은, 레이저 파장에 의하지 않고, 모두 절단 가능하며, 단면 성상도 경면, 즉 양호하였다.
레이저 파장 λ=1070㎚의 샘플32에서는, 표면에 흑색 마크가 부여된 것에 의해, 그 부분에서의 레이저광의 흡수율이 높아져, 절단된 것의 단면에 결점이 발생하였다.
또한, 레이저 파장 λ=1070㎚의 샘플33에서는, 이면에 흑색 마크가 부여된 것에 의해, 절단조차 할 수 없었다.
이에 비해, 레이저 파장 λ=2950㎚의 샘플42, 43에서는, 흑색 마크가 부여되어 있음에도 불구하고, 모두 절단 가능하며, 단면 성상도 경면, 즉 양호하였다.
이와 같이, 레이저 파장을 3000㎚ 근방으로 함으로써, 레이저광의 흡수율이 높아진다. 그로 인해, 표면 또는 이면에 부착된 이물에 의해 레이저광의 흡수율이 높아져도, 흡수율의 변화 비율이 작기 때문에, 악영향을 미치기 어려운 것을 알았다.
[실시예 3]
실시예 3에서는, 레이저 파장 λ=2950㎚로 한 경우에 있어서, 블랙 매트릭스 막의 형성 유무가 임계 조사 에너지 Ec에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 실시예 1과 마찬가지로, 도 14에 도시한 절단 예정선을 따라 절단하였다.
도 18은, 샘플51, 52에 대해서, 레이저 파장 λ, 내부 변형 에너지 UCT, 임계 조사 에너지 Ec, 양자를 도출하기 위한 여러 조건, 블랙 매트릭스(BM)막의 형성 유무, 절단 가부, 단면 성상이 도시된 표이다. 또한, 비교를 위해서, 실시예 1의 샘플13에 관한 결과가 나열해서 도시되어 있다.
구체적으로는, 도 18의 표의 좌열부터 순서대로, 레이저 파장 λ(㎚), 샘플 번호, 영률 Y(㎫), 강화 유리판의 두께 t(㎛), 표면 압축 응력 CS(㎫), 표면층 및 이면층의 두께 DOL(㎛), 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫), 내부 변형 에너지 UCT(J/㎡), 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s), 빔 직경φ(㎜), 레이저 출력 P(W), 임계 조사 에너지 Ec(J/㎜), BM막의 형성 유무, 절단 가부, 단면 성상이 도시되어 있다. 내부 변형 에너지 UCT 및 임계 조사 에너지 Ec는, 실시예 1과 마찬가지로 도출하였다. 단, 간이하게 평가하기 위해서, 반사율 r=0％로 하였다.
임계 조사 에너지 Ec는, 조사 에너지 E를 서서히 변화시켜서 절단을 반복함으로써 구하였다. 그 때, 레이저 출력 P(W)는 고정한 상태로, 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s)만을 0.25㎜/s씩 변화시켰다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 레이저광의 광원에 중적외광 파라메트릭 발진기를 사용한 Cr:ZnSe 레이저(중심 파장대: 2950㎚)를 사용하였다. 샘플51에 대해서는, 표면에 BM막을 형성하고, 샘플52에 대해서는, 이면에 BM막을 형성하였다. 또한, 도 18에 나열하여 도시한 실시예 1의 샘플13과 마찬가지로, 레이저광 조사측에서 직경 1㎜φ의 노즐을 사용하여, 유량 15L/min의 공기를 분사하였다. 여기서, 강화 유리판과 노즐 선단과의 거리(갭)는 3㎜로 하였다.
도 18에 도시하는 바와 같이, BM막이 형성된 샘플51, 52는, 모두 임계 조사 에너지 Ec=0.41J/㎜이며, BM막이 형성되어 있지 않은 실시예 1의 샘플13의 임계 조사 에너지 Ec=0.43J/㎜와 차이가 없었다. 이 결과로부터, 레이저 파장 λ=2950㎚로 한 경우, 임계 조사 에너지 Ec는, BM막의 형성 유무 및 형성면에 영향을 받지 않고, BM막이 형성되어 있어도 낮은 조사 에너지로 정밀도 좋게 절단할 수 있는 것을 알았다.
이상, 본 발명을 상기 실시 형태에 입각하여 설명했지만, 상기 실시 형태의 구성에만 한정되는 것이 아니라, 본원 특허 청구 범위의 청구항의 발명의 범위 내에서 당업자라면 이룰 수 있는 각종 변형, 수정, 조합을 포함하는 것은 물론이다.
본 출원은, 2012년 7월 9일 출원된 일본 특허 출원 2012-153400, 2012년 11월 30일 출원의 일본 특허 출원 2012-261909에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
본 발명에 의해, 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙 신전이 지배적이 되고, 작은 조사 에너지로 정밀도 좋게 강화 유리판을 절단할 수 있다.
10 강화 유리판
12 표면
13 표면층
14 이면
15 이면층
17 중간층
20 레이저광
22 조사 영역
25 렌즈
28 냉각 노즐
30 크랙
40 강화 유리 패널
41 내지 44 직선부
45 절단 개시 위치
46 절단 종료 위치
235 절단 예정선
C1 내지 C4 코너부

Claims (9)

  1. 잔류 압축 응력을 갖는 표면층 및 이면층과, 이 표면층 및 이면층 사이에 형성되고, 내부 잔류 인장 응력 CT(㎫)를 갖는 중간층을 구비하는 강화 유리판을, 이 강화 유리판에 조사되는 레이저광의 조사 영역을 이동시킴으로써 절단하는 공정을 포함하는, 강화 유리판의 절단 방법으로서,
    상기 표면층 및 상기 이면층의 두께 DOL(㎛), 상기 강화 유리판의 두께 t1(㎛), 영률 Y(㎫)를 사용하여, 하기 식으로 표현되는 상기 내부 잔류 인장 응력 CT에 기초하는 단위 면적당의 변형 에너지 UCT(J/㎡)를 2.5J/㎡ 이상으로 하고,
    상기 강화 유리판에 입사되는 상기 레이저광의 출력 Pe(W), 상기 레이저광의 주사 속도 v(㎜/s), 상기 레이저광에 대한 상기 강화 유리판의 흡수 계수 α(㎜-1), 상기 강화 유리판의 두께 t2(㎜), 영률 Y(㎫), 선팽창 계수 αL(K-1), 밀도 ρ(g/㎣), 비열 c(J/g/K)를 사용하여, 하기 식으로 표현되는 절단 지수 K(N/㎜)를 150N/㎜ 이하로 하는, 강화 유리판의 절단 방법.
    UCT={CT2×(t1-2×DOL)}/(2×Y)
    K=Pe/v×exp(-α×t2)×(Y×αL)/(t2×ρ×c)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광의 빔 직경을 상기 강화 유리판의 두께 이하로 하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강화 유리판에 조사되는 레이저광에 의해 상기 중간층을 서냉점 이하의 온도로 국소적으로 가열하고, 상기 중간층에 압축 응력을 발생시킴으로써, 상기 내부 잔류 인장 응력에 의한 크랙의 신전을 제어하면서, 상기 레이저광의 조사 영역을 이동시킴으로써 상기 강화 유리판을 절단하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 유리판과 상기 레이저광이 0<α×t2≤3.0의 조건을 만족하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광의 파장을 250 내지 5000㎚로 하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저광의 파장을 2500 내지 3500㎚로 하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강화 유리판의 상기 레이저광의 조사 영역에, 상기 레이저광의 입사측에서 기체를 분사하여 냉각하는, 강화 유리판의 절단 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 잔류 인장 응력 CT에 기초하는 단위 면적당의 변형 에너지 UCT가 60J/㎡ 이하인, 강화 유리판의 절단 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절단 지수 K가 5N/㎜ 이상인, 강화 유리판의 절단 방법.
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