KR20170082649A

KR20170082649A - 정밀 레이저 스코어링

Info

Publication number: KR20170082649A
Application number: KR1020177018330A
Authority: KR
Inventors: 아나톨리 에이 앱라모브; 퀴 우; 내이유 조우
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2017-07-14
Also published as: WO2010108061A3; WO2010108061A2; TW201043588A; CN102686354A; KR20120004456A; JP6273231B2; CN102686354B; TWI490176B; JP2015221745A; US9302346B2; JP2012521339A; US20120000894A1

Abstract

시트 물질을 레이저 스코어링하기 위한 방법 및 장치. 너비 방향의 S-모드 세기 프로파일 및 길이 방향의 플랫-탑-모드 프로파일을 갖는 세장 레이저 빔은 고정밀 스코어링을 달성하기 위해 사용된다. 본 발명은 LCD 디스플레이용 대형-크기 유리 기판을 스코어링하기 위해 사용될 수 있다.

Description

정밀 레이저 스코어링 {PRECISION LASER SCORING}

본 출원은 2009년 3월 20자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/161980호 우선권을 주장한다.

본 발명은 레이저 절단 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 가열을 사용하여 유리 시트와 같은 무기 시트 물질을 절단하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 특히 LCD 유리 기판의 정밀 스코어링에 유용하다.

무기 물질의 조각의 분할 (splitting)은 기계적인 도구 및 방법, 예컨대 와이어 소 (wire saw), 밴드 소 등에 의해 수행될 수 있다. 유리 물질의 경우, 분할은 기계적인 스코어링 (즉, 표면에 스코어라인을 형성함) 후, 굽힘 (bending) 및 분할에 의해 수행될 수 있다. 기계적인 스코어링은 마찰을 통한 벌크 (bulk) 또는 표면 물질의 일부의 제거가 요구되며, 이는 입자의 형성을 초래한다. 이러한 입자는 절단할 물질의 표면을 오염시키거나 또는 심지어 손상시킬 수 있다. 게다가, 기계적인 스코어링 및 절단에 의해 제조된 유리 시트의 연부 품질 (edge quality)은 LCD 판넬의 제조와 같은 까다로운 적용의 엄격한 요건을 종종 만족시키지 않는다.

기계적인 스코어링 대신에 대안적인 절단 및 스코어링 기술로서 레이저 스코어링이 보고되고 있다. 파장이 약 10.6 μm인 CO₂ 레이저는, 흡수 유리 물질에 조사되었을 때, 노광된 영역의 온도를 상승시킬 수 있다. 냉각제 (coolant)의 도움과 함께 또는 냉각제의 도움 없이, 조사의 흡수로부터 생성된 열 구배에 의한 인장 응력은 유리 시트의 직접적인 분할, 또는 유리 시트가 기계적인 굽힘의 도움으로 그를 따라 분할될 수 있는 결함 ("벤트 (vent)")의 라인의 형성을 야기할 수 있다.

레이저 스코어링 공정 파라미터, 예컨대 속도, 레이저 출력, 공정 윈도우 (process window), 잔류 응력 등은 레이저 빔 특성 - 빔 형상, 크기 및 또한 그의 세기 프로파일 및 유리의 열적 특징을 비롯한 많은 요소에 따라 달라진다.

대형-크기 LCD 판넬 및 유리 기판을 이용하는 많은 다른 제품의 제조에 있어서, 유리 기판의 크기가 한 세대에서 다음 세대로 갈수록 커지더라도, 절단된 그대로의 유리 기판이 높은 연부 품질을 갖고 고속 및 고효율로 제조될 수 있는 것이 매우 바람직하다. 이는 전통적인 기계적인 및 레이저 스코어링 기술 모두에서 유의한 도전을 제시하였다.

따라서, 정밀 유리 절단 기술이 필요하다. 본 발명은 기존의 레이저 스코어링 기술에 대한 개선으로서, 상기 및 다른 필요성에 대한 해결책이다.

본 발명의 몇몇 양태가 본원에 개시되어 있다. 이러한 양태는 또다른 양태와 겹치거나 또는 겹치지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 하나의 양태의 일부가 또다른 양태의 범위 내일 수 있으며, 그 반대일 수 있다.

각각의 양태는 하나 이상의 구체적인 실시양태를 포함할 수 있는 다수의 실시양태로 예시한다. 이러한 실시양태는 서로 겹치거나 또는 겹치지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 하나의 실시양태의 일부, 또는 그의 구체적인 실시양태가 또다른 실시양태 또는 그의 구체적인 실시양태의 범위 내일 수 있거나 아닐 수 있으며, 그 반대일 수 있다.

본 발명의 제1 양태에 따라,

(I) 시트의 표면에 의해 차단될 경우 너비 W(LB) 및 길이 L(LB)를 갖고 너비에 따른 S-모드 에너지 분포 및 플랫-탑-모드 (flat-top-mode) 프로파일을 갖는 길이에 따른 에너지 분포를 갖는 세장 레이저 빔 (elongated laser beam)을 제공하는 단계;

(II) 스코어라인을 따라 시트의 표면의 일부를 레이저 빔에 노광시켜 노광된 영역의 온도를 상승시키는 단계 (여기서, 총 노광된 영역은 너비 W(EA) 및 길이 L(EA)를 갖고, W(EA)

W(LB) (특정한 실시양태에서는 W(EA)/W(LB) ≤ 1.4, 특정한 다른 실시양태에서는 W(EA)/W(LB) ≤ 1.3, 특정한 다른 실시양태에서는 W(EA)/W(LB) ≤ 1.2, 특정한 다른 실시양태에서는 W(EA)/W(LB) ≤ 1.1, 특정한 다른 실시양태에서는 W(EA)/W(LB) ≤ 1.05)이고, 스코어라인은 노광된 영역 내에 있으며 본질적으로 L(LB)에 평행함); 및

(III) 시트를 스코어라인을 따라 실질적으로 직선으로 분할하는 단계

를 포함하는, 시트를 분할하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제1 실시양태에서, 단계 (I)에서, 제공되는 레이저 빔은 약 10.6 μm 파장에서 작동하는 CO₂ 레이저와 같은 IR 레이저 빔이다. CO₂ 레이저는 LCD 유리 기판용 알루미노실리케이트 유리 물질과 같은 많은 무기 유리 물질에 의해 흡수될 수 있다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제2 실시양태에서, 단계 (II)는

(II-1) 레이저 빔을 시트의 표면상의 노광된 영역에서 스코어라인을 따라 L(LB)에 본질적으로 평행한 방향으로 전송 (translation)하는 단계

를 포함한다.

요약적으로 상기에 기재되어 있는 본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제2 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 단계 (II-1)에서, 레이저 빔의 전송 속도 (translation speed)는 300 mm/s 이상이다. 특정한 다른 실시양태에서, 단계 (II-1)에서, 레이저 빔의 전송 속도는 750 mm/s 이상이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제3 실시양태에서, 단계 (I)에서, 제공되는 레이저 빔은 종횡비가 30 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 40 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 50 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 80 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 100 이상, 특정한 실시양태에서는 200 이상, 특정한 실시양태에서는 400 이하, 특정한 다른 실시양태에서는 300 이하이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제4 실시양태에서, 단계 (I)에서, 제공되는 레이저 빔은 너비가 0.5 mm 내지 3 mm의 범위이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제5 실시양태에서, 시트는 본질적으로 무기 유리 물질, 유리-세라믹 물질 또는 세라믹 물질로 구성된다. 제5 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 시트는 본질적으로 무기 유리 물질로 구성된다. 제5 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 스코어라인을 따른 분할된 유리 시트의 연부는 총 파형 (waviness)이 50 μm 이하이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제7 실시양태에서, L(EA) ≥ 2000 mm, 특정한 구체적인 실시양태에서는 L(EA) ≥ 2400 mm, 특정한 구체적인 실시양태에서는 L(EA) ≥ 2800 mm, 특정한 다른 특정한 실시양태에서는 L(EA) ≥ 3000 mm이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제8 실시양태에서, 방법은 단계 (II) 및 단계 (III) 사이에

(IIa) 노광 즉시 노광된 영역의 적어도 일부를 유체로 냉각하는 단계

를 추가로 포함한다.

요약적으로 상기에 기재된 본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제8 양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 단계 (IIa)는 총 노광된 영역의 일부가 레이저 빔에 노광되는 동안 수행된다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제9 양태에서, 방법은 단계 (II) 및 단계 (III) 사이에

(IIb) 유리 시트를 스코어라인에 따라 굽히는 단계

를 추가로 포함한다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제10 양태에서, 단계 (I)는

(I-1) 직경 D(CLB)을 갖고 그의 임의의 직경에 따른 S-모드 에너지 분포를 갖는 원형 레이저 빔을 제공하는 단계; 및

(I-2) W(LB)에 따른 S-모드 에너지 세기 분포를 유지하면서 L(LB)에 따른 에너지 세기 분포를 S-모드에서 플랫-탑-모드 프로파일로 변형시키기에 적합한 광학 어셈블리에 원형 레이저 빔을 통과시킴으로써 원형 레이저 빔을 세장 레이저 빔으로 전환시키는 단계

를 포함한다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제10 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 단계 (I-2)에서, 광학 어셈블리는 W(LB)<D(CLB), 특정한 실시양태에서는 W(LB)≤0.8D(CLB), 특정한 실시양태에서는 W(LB)≤0.6D(CLB), 특정한 실시양태에서는 W(LB)≤0.5D(CLB), 특정한 실시양태에서는 W(LB)≤0.4D(CLB), 특정한 실시양태에서 W(LB)≤0.3D(CLB), 특정한 실시양태에서는 W(LB)≤0.2D(CLB), 특정한 다른 실시양태에서는 W(LB)≤0.1D(CLB), 특정한 다른 실시양태에서는 W(LB)≤0.05D(CLB), 특정한 다른 실시양태에서는 W(LB)≤0.03D(CLB)이도록 선택된다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제10 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 단계 (I-2)에서, 광학 어셈블리는 원형 레이저 빔의 W(LB) 방향 치수를 감소시키도록 작동하는 제1 렌즈 (예컨대, 원통형 집속 렌즈), 및 (a) 빔의 L(LB) 방향 치수를 증가시키고 (b) L(LB) 방향의 에너지 분포 프로파일을 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변형시키도록 작동하는 제2 렌즈 (예컨대, 변형된 원통형의 발산 렌즈)를 포함한다.

본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제10 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 단계 (I-2)에서, 광학 어셈블리는 (i) 원형 레이저 빔의 W(LB) 방향 치수를 감소시키고 (ii) L(LB) 방향의 에너지 분포 치수를 증가시키고 L(LB) 방향의 에너지 분포 치수를 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변형시키도록 작동하는 단일 렌즈를 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따라,

(A) 직경 D(CLB)를 갖고 그의 임의의 직경에 따른 S-모드의 에너지 분포를 갖는 원형 레이저 빔을 발생시키기에 적합한 레이저 발생기;

(B) 유리 시트의 표면에 의해 차단될 경우 너비 W(LB) 및 길이 L(LB)를 갖고 W(LB)의 방향에 따른 S-모드의 에너지 분포 및 L(LB)의 방향에 따른 플랫-탑-모드의 에너지 분포를 갖는 세장 레이저 빔으로 원형 레이저 빔을 전환시키기에 적합한 광학 어셈블리

를 포함하는, 유리 시트의 표면의 본질적으로 직선인 스코어라인을 따라 유리 시트를 분할하기 위한 장치가 제공된다.

본 발명의 제2 양태에 따른 장치의 제1 실시양태에서, 장치는

(C) 세장 레이저 빔에 노광되는 시트의 표면의 영역으로 냉각 유체의 스트림을 전달하기에 적합한 노즐

을 추가로 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따른 장치의 제2 실시양태에서, 장치는

(D) 유리 시트를 스코어라인에 따라 굽히고 분할하기 위한 기구

를 추가로 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따른 장치의 제3 실시양태에서, 광학 어셈블리 (B)는 원형 레이저 빔의 W(LB) 방향 치수를 감소시키기에 적합한 제1 렌즈, 및 (a) 빔의 L(LB) 방향 치수를 증가시키고 (b) L(LB) 방향의 에너지 분포 프로파일을 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변형시키기에 적합한 제2 렌즈를 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따른 장치의 제3 실시양태의 특정한 구체적인 실시양태에서, 제1 렌즈는 원통형 집속 렌즈이고, 제2 렌즈는 변형된 원통형의 발산 렌즈이다.

본 발명의 제2 양태에 따른 장치의 제4 실시양태에서, 광학 어셈블리 (B)는 (i) 원형 레이저 빔의 W(LB) 방향 치수를 감소시키고 (ii) 레이저 빔의 L(LB) 방향 치수를 증가시키고 레이저 빔의 L(LB) 방향의 에너지 분포를 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변형시키기에 적합한 단일 렌즈를 포함한다.

본 발명의 하나 이상의 양태의 하나 이상의 실시양태는 하기의 이점을 갖는다. 첫 번째, 너비 W(LB)에 따른 레이저 빔의 에너지 분포 프로파일로 인하여, 매우 정밀한 스코어링을 달성할 수 있다. 두 번째, 2000 mm 이상, 심지어 2400 mm 이상, 예컨대 2800 mm 초과, 또는 심지어 3000 mm 초과의 절단 너비를 갖는 대형 크기 유리 시트에 대해서도 정밀도를 얻을 수 있다. 세 번째, 지면에 대한, 예컨대 용융 다운-드로우 (fusion down-draw) 유리 제조 공정의 드로우 영역의 바닥에서, 스코어링의 방향에 수직인 방향으로 유리가 이동하는 동안 본 발명을 사용하여 750 mm/초 이상의 고속 절단을 수행할 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명에 제시될 것이고, 부분적으로는 이러한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백하거나 또는 첨부된 도면 뿐만 아니라, 본원의 명세서 및 특허청구범위에 기재된 본 발명을 실행함으로써 인지될 것이다.

상기의 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 본 발명을 단지 예시하며, 청구되는 본 발명의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 구성을 제공하도록 의도된 것을 이해하여야 한다.

수반하는 도면은 본 발명의 추가의 이해를 제공하도록 의도되고, 본 명세서의 일부에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성한다.

수반하는 도면에서:
도 1은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 레이저 스코어링 시스템의 구성을 도식적으로 나타내는 도형이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시양태에 따라 작동하는, 평면 유리 표면에 의해 차단될 경우의 레이저 빔의 치수 및 형상을 도식적으로 나타내는 도형이다.
도 3은 y축에 따른 가우스 (Gaussian) 빔의 에너지 세기 프로파일을 도식적으로 나타내는 도형이다.
도 4는 x축에 따른 D-모드의 에너지 세기 프로파일을 도식적으로 나타내는 도형이다.
도 5는 x축에 따른 플랫-탑-모드의 에너지 세기 프로파일을 도식적으로 나타내는 도형이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 빔 변형을 위한 광학 어셈블리의 작동 원리를 나타내는 도형이다.

달리 지시되지 않으면, 명세서와 특허청구범위에서 사용되는 특정한 물리적 특성에 대한 값, 치수 및 성분의 중량 퍼센트를 나타내는 숫자와 같은 모든 숫자는 모든 경우에서 용어 "약"에 의해 수식된 것으로 이해하여야 한다. 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 정확한 수치값은 본 발명의 추가적인 실시양태를 형성한다는 것을 또한 이해해야 한다. 실시예에 개시된 수치값을 정확히 나타내도록 노력하였다. 그러나, 임의의 측정된 수치값은 각각의 측정 기술에서 발견된 표준 편차로부터 초래하는 특정 오차를 본질적으로 함유할 수 있다.

본 발명을 기재하고 청구함에 있어서, 본원에서 사용된 단수 표현은 "하나 이상"을 의미하고, 명백하게 달리 지시되지 않으면, "단지 하나"인 것으로 제한해서는 안된다. 따라서, 예를 들면, 본원에서 분명하게 지시되지 않으면, "렌즈"는 2개 이상의 이러한 렌즈를 갖는 실시양태를 포함한다.

본 발명의 개시에서, "레이저 스코어링" 및 "레이저 절단"은 스코어라인에 따른 기계적인 굽힘과 같은 기계적인 도움과 함께 또는 도움 없이, 레이저 빔에 물질을 노광시킴으로써 유리 시트와 같은 벌크 물질을 분할하는 방법을 의미하며, 상호 교환하여 사용된다.

유리 시트의 연부의 총 파형은 (i) 유리 시트가 지면에 대해 본질적으로 정지된 상태로 유지되어 있는 동안 유리 시트를 레이저 스코어링하고 (ii) 스코어라인을 따른 기계적인 굽힘에 의해 유리 시트를 분할한 후 측정한다.

I. 일반적인 레이저 스코어링

유리 스코어링을 위한 CO₂ 레이저의 사용은 특히 콘드라텐코 (Kondratenko)의 미국 특허 제5,609,284호 (발명의 명칭 "비금속성 물질을 분할하는 방법") ('284 특허); 본원과 공동 명의인 알레어 (Allaire) 등의 미국 특허 제5,776,220호 (발명의 명칭 "취성 물질을 파괴하기 위한 방법 및 장치") ('220 특허); 오스텐다프 (Ostendarp) 등의 미국 특허 제5,984,159호 (발명의 명칭 "취성 물질, 특히 유리로 제조된 평면 작업편 관통 절단하기 위한 방법 및 장치") ('159 특허); 및 본원과 공동 명의인 알레어 등의 미국 특허 제6,327,875호 (발명의 명칭 "레이저 스코어링에서의 중간 크랙 깊이의 제어") ('875 특허); 2007년 9월 28자로 출원되고 본원과 공동 명의이며 공동 계류중인 미국 특허 출원 제11/904,697호 (발명의 명칭 "플랫 프로파일 빔을 갖는 레이저 스코어링") (하기에서 "'697 특허"로 지칭됨)에 논의되어 있다. 본원과 공동 명의인 '220, '875, '697 특허의 내용은 본원에 참조 문헌으로 완전히 포함된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저 스코어링 동안 중간 크랙 (115) (또한 부분적인 벤트 또는 간단히 벤트로서 공지됨)는 유리 시트 (112)의 주 표면 (114)에서 발생된다. 벤트를 발생시키기 위해, 작은 초기 흠 (111)을 연부 중 하나 근처 유리 표면에 형성하고, 이후 빔 (113)으로 형성되고 유리의 표면을 가로지르는, 냉각 노즐 (119)에 의해 공급되는 냉각 유체에 의해 생성되는 냉각 영역이 뒤따르는 레이저 광 (121)을 전파함으로써 벤트로 변형한다. 레이저 빔으로 유리를 가열하고 그 후 즉시 냉각제로 급냉하면, 상응하는 열 구배 및 응력 장이 생성되며, 이는 벤트의 전파를 초래한다.

다양한 형상 및 크기를 갖는 레이저 빔을 상기 언급된 특허에서 사용하였다.

레이저 스코어링은 전형적으로 10.6 μm의 파장에서 작동하는 이산화탄소 레이저를 이용하여 실행된다. 이러한 파장에서 산화물 유리의 흡수는 10⁵-10⁶ l/m을 초과할 수 있고, 이는 CO² 방사선의 효과적인 침투 깊이가 1-10 μm 미만이 되게 한다. 성공적인 스코어링을 위한 바람직한 벤트 깊이는 유리 두께의 10 내지 20%의 범위이며, 이는 0.7 밀리미터의 두께를 갖는 기판의 경우에 70 내지 140 μm에 상응한다. 이는 레이저 스코어링 동안 벤트의 형성이 주로 유리 표면 아래의 열의 열전도율에 따라 좌우된다는 것을 의미하며, 이는 상대적으로 느린 공정이다. 따라서, 유리의 높은 표면 흡수 및 열전도율은 공정 윈도우를 결정하고 스코어링 속도를 제한하는 2가지 중요한 요소이다.

벤트를 형성하기 위해 필요한 인장 응력에 도달하기 위해서, 빔의 출력 밀도는 유리 표면에서 충분한 온도 차이를 제공할 만큼 충분히 높아야 한다. 그러나, 출력 밀도가 너무 높으면, 노광 동안 스코어 라인을 따라 유리 표면 상의 각 지점에 전달되는 에너지는 유리의 융삭 (ablation) 또는 증발을 야기할 수 있다. 이러한 높은 출력 밀도는 또한 분리된 하위-조각의 연부 및 그에 인접한 영역 내 모두에서 높은 수준의 잔류 응력을 유발할 수 있다. 반면에, 노광 시간이 짧으면 (스코어링 속도가 높을 때), 유리에 전달되는 에너지가 표면 아래의 유리를 가열하고 깊은 벤트를 생성하기에 불충분할 수 있다.

본원에서 사용된 "S-모드"는 소정의 방향에 따른 레이저 빔의 에너지 세기 분포가 실질적으로 가우스 분포라는 것을 의미한다. 도 3은 y축에 따른 S-모드 분포를 나타낸다. 하나의 예시적인 S-모드는 횡단면의 임의의 직경에 따른 원형 CO₂ 레이저 빔의 TEM00-모드일 것이다.

본원에서 사용된 "플랫-탑-모드"는 소정의 방향에 따른 레이저 빔의 에너지 세기 분포가 실질적으로 비-가우스 분포이고 상대적으로 플랫 탑을 나타낸다는 것을 의미한다. 다양한 비율의 TEM00-모드 및 TEM01^*-모드의 조합인 D-모드는 플랫-탑-모드의 일 예이다. 2007년 9월 28일자로 출원되고 본원과 공동 명의이고 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제11/904,697호 (발명의 명칭 "플랫 프로파일 빔으로의 레이저 스코어링") (하기에서 "'697 특허"로 지칭함)에는 다수의 레이저 빔 플랫-탑-모드 모드가 개시되어 있고, 그의 관련된 부분은 참조문헌으로 본원에 완전히 포함된다. 예를 들면, 상기 특허 문헌에 개시된 하나의 예시적인 플랫-탑-모드는 하기의 수학적 표현으로 개산할 수 있는 프로파일을 갖는다.

여기서, I는 좌표 (x, y)를 갖는 위치에서의 레이저 빔 에너지 세기이고, ω_x는 빔 너비 파라미터이고, ω_y는 빔 길이 파라미터이며, A와 B는 레이저 빔의 형상 및 에너지를 결정하기 위한 상수이다. 구체적인 실시양태에서, A/B는 1/2이다.

상기에서 언급한 바와 같이, 레이저 스코어링은 이미 문헌에서 보고되어 있다. 빔 에너지 분포 프로파일 및 빔 형상은 레이저 스코어링 공정에 실질적인 영향을 미칠 수 있다. 통상적인 레이저 스코어링 공정에서는, TEM00-모드의 에너지 분포 프로파일을 갖는, 본질적으로 가우스 빔 (Gaussian beam)인 레이저 빔을 사용한다. 상기에서 언급된 '697 특허에는 D-모드 및 다른 플랫-탑-모드를 갖는 레이저 빔은 그의 변형 온도점을 초과하지 않으면서 유리를 가열함에 있어서 S-모드와 비교하였을 때 보다 효과적일 수 있고, 유리에서의 과도한 잔류 응력의 발생 없이 높은 스코어링 속도를 달성할 수 있게 한다고 교시되어 있다. 넓은 그리고 보다 균일한 세기 프로파일로 인하여, 플랫-탑-모드 세기 분포는 빔 내의 보다 낮은 평균 출력 밀도로 레이저 스코어링을 가능하게 하고, 그 결과 출력 변동의 관점에서 보다 넓은 공정 윈도우를 가능하게 한다. 따라서, 전송되는 세장 빔의 길이에 따른 플랫-탑-모드 분포가 바람직하다.

그러나, 빔의 너비에 따른 너비 및 세기 분포는 유리 표면상의 노광된 영역의 너비, 유리 표면이 도달하는 온도, 온도 구배 프로파일, 및 그에 따른 열 응력 프로파일을 결정한다. 레이저 스코어링 동안 열 응력 프로파일은 파형, 강도, 잔류 응력 등의 연부 품질에 큰 영향을 미친다. 레이저 빔의 너비에 따른 S-모드 에너지 세기 분포는 좁은 에너지 분포로 인하여 플랫-탑-모드보다 더욱 바람직한 온도 구배 및 그에 따른 더욱 바람직한 응력 프로파일을 생성한다. 따라서 레이저 빔의 너비에 따른 S-모드는 스코어링 연부에 따라 유리 시트의 보다 낮은 파형을 생성할 것이다.

본 발명은 다양한 물질의 정밀한 절단 또는 스코어링을 위해 사용할 수 있으나, 절단되거나 또는 스코어링되는 시트 물질이 본질적으로 무기 유리 물질로 구성되는 실시양태와 관련하여 하기에 예시될 것이다. 그러나, 통상의 당업자는 본 발명의 교시를 고려하여, 본 발명의 방법 및 장치를, 적절한 변경을 가하여, 다른 시트 물질, 예컨대 유기 중합체 시트 및 필름, 금속 시트 및 필름, 상이한 조성 및/또는 특성을 갖는 물질의 다중 시트를 포함하는 라미네이트 물질 등의 정밀 절단을 위해 개작할 수 있다는 것을 이해한다.

II. 시트 물질

본 발명은 2000 mm, 2400 mm, 2500 mm, 2800 mm 이상 또는 심지어 3000 mm 이상의 절단 너비를 갖는 LCD 유리 시트와 같은 대형-크기 유리 시트에 효과적으로 적용될 수 있다. 빔의 길이 방향의 플랫-탑-모드로 인하여, 특히 절단이 고속으로 수행될 수 있다. 빔의 빔 너비 방향의 S-모드로 인하여, 하기에 논의된 바와 같이, 절단은 고도의 정밀도로, 예컨대 절단 너비에 따른 50 μm 이하의 총 파형으로 수행될 수 있다.

본 발명은 예를 들면, 평균 두께가 2 mm 이하, 특정한 실시양태에서는 1.5 mm 이하, 특정한 실시양태에서는 1.0 mm 이하, 특정한 실시양태는 0.8 mm 이하, 특정한 다른 실시양태에서는 0.5 mm 이하인 얇은 두께를 갖는 유리 시트를 절단하는데 특히 유리하다.

III. 레이저 발생기

상기에서 언급된 바와 같이, 레이저 스코어링은 약 10.6 μm의 파장에서 작동하는 CO₂ 레이저를 이용하여 유리하게 수행된다. 이러한 파장의 방사선은 전형적인 많은 현재의 LCD 유리 기판의 알루미노실리케이트 유리 물질과 같은 다수의 유리 물질에 의해 흡수될 수 있다.

수백 와트 내지 최대 수십 킬로와트의 출력을 갖는 상업용 CO₂ 레이저 발생기는 상업적으로 구입할 수 있다. 많은 상업적으로 이용가능한 레이저 발생기는 원형 빔 형상 및 그의 임의의 직경에 따른 가우스 에너지 분포 프로파일을 갖는 레이저 빔을 제공한다. 이러한 원형 가우스 빔은 본 발명의 특정한 실시양태에서 고속 스코어링, 고정밀 스코어링 및 높은 스코어링 연부 품질을 얻기 위해 변형 사용될 수 있다.

IV. 레이저 빔의 형상 및 에너지 분포

본원에 기재한, 레이저 빔의 특징 및 치수는 스코어링되는 시트의 표면에 의해 차단될 경우의 빔의 특징 및 치수이다. 레이저 빔이, 그의 전파 통로의 다른 공간적 위치에서 상이한 형상, 특징 및 치수를 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

세장 레이저 빔이 본 발명에 특히 유리하다. 도 2는 본 발명의 특정한 실시양태에서 사용될 수 있는, 길이 L(LB) 및 너비 W(LB)를 갖는 세장 타원형 빔을 도식적으로 예시한다. 레이저 빔을 차단하는 유리 시트의 표면의 다양한 위치에서 빔의 치수 L(LB) 및 W(LB)가 본질적으로 일정한 것이 매우 바람직하다. 이를 위해, 유리 기판의 표면이 본질적으로 평평한 것, 즉, 빔의 길이 방향 (x 축)에서 그리고 빔의 너비 방향 (y 축)에서 모두 무시할만한 굴곡을 갖는 것이 매우 바람직하다. 스코어링 표면상의 실질적으로 일정한 레이저 빔 형상 및 치수는 실질적으로 일정한 레이저 에너지가 노광된 표면상의 부분에 전달될 수 있게 하고, 이에 따라, 높은 스코어링 연부 품질과 함께 성공적인 일정한 스코어링을 위해 요구되는 스코어라인에 따른 일정한 온도 구배를 가능하게 한다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 레이저 빔의 너비 (y 축)에 따른 가우스 에너지 분포 프로파일을 도식적으로 나타낸다. 프로파일은 너비에 따른 최대 세기 Imax(W) 및 너비 W(LB)를 나타낸다. 본 발명의 개시에서, 빔 너비 W(LB)는 Imax(W)·e^-2의 세기를 갖는 빔의 한 측면의 지점에서부터 Imax(W)·e^-2의 세기 (여기서 e는 오일러의 무리수 (Euler's irrational number)이다)를 갖는 반대 측면의 지점까지의 너비 방향의 직선 거리로서 규정된다.

높은 연부 품질의 유리 시트의 성공적인 스코어링에는 좁은 빔이 바람직하다. 따라서 본 발명의 특정한 실시양태에서, 노광된 표면에 의해 차단되는 레이저 빔은 너비 W(LB)가 0.5 mm 내지 3 mm, 특정한 실시양태에서는 0.5 mm 내지 2.5 mm, 특정한 실시양태에서는 0.8 내지 2.0 mm인 것이 바람직하다. 이러한 좁은 빔은 유리 표면에 좁고 일정한 벤트를 생성하기 위해 필요한 제한된 너비로 집중 레이저 에너지를 전달한다.

도 4는 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 레이저 빔의 길이 (x 축)에 따른 D-모드 에너지 분포 프로파일을 도식적으로 예시한다. 프로파일은 길이에 따른 최대 세기 Imax(L) 및 길이 L(LB)를 나타낸다. 본 발명의 개시에서, 빔 길이 L(LB)는 Imax(L)·e^-2의 세기를 갖는 빔의 한 말단의 지점에서부터 Imax(L)·e^-2의 세기를 갖는 반대쪽 말단의 지점까지의 길이 방향의 직선 거리로서 규정된다.

유사하게, 도 5는 본 발명의 또다른 실시양태에 따른 레이저 빔의 길이 (x 축)에 따른 플랫-탑-모드 분포 프로파일을 도식적으로 예시한다.

60 mm 내지 300 mm, 특정한 실시양태에서는 60 mm 내지 200 mm, 특정한 실시양태에서는 75 mm 내지 150 mm의 길이를 갖는 세장 레이저 빔은 300 mm/초 이상, 특정한 실시양태에서는 500 mm/초 이상, 특정한 실시양태에서는 600 mm/초 이상, 특정한 실시양태에서는 750 mm/초 이상의 스코어링 속도로 고속 레이저 스코어링을 얻기 위해 특히 바람직하다. 지면에 대한, 스코어라인에 수직인 방향으로 이동하는 유리 시트를 위해 (레이저 노광 공정 동안 스코어라인에 수직인 방향으로 레이저 빔이 시트 및/또는 스코어라인에 대해 실질적으로 정지된 상태로 유지될 수 있지만), 특히 업스트림 및 다운스트림 공정 단계에서 스코어링 공정의 영향을 최소화하기 위해 750 mm/초 이상의 레이저 스코어링 속도가 매우 바람직하다. 1000 mm/초, 특정한 실시양태에서는 1200 mm/초, 특정한 다른 실시양태에서는 1400 mm/초만큼 빠른 스코어링 속도를 달성하였다.

레이저 빔의 종횡비는 빔 길이 L(LB) 대 빔 너비 W(LB)의 비율로서 규정된다. 유리 시트의 고속 레이저 스코어링을 위해, 30 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 40 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 50 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 80 이상, 특정한 다른 실시양태에서는 100 이상, 특정한 실시양태에서는 200 이상, 특정한 실시양태에서는 400 이하, 특정한 실시양태에서는 300 이하의 종횡비가 바람직하다.

V. 빔 변형을 위한 광학 어셈블리

상업용 CO₂ 레이저는 그의 임의의 직경에 따른 가우스 에너지 분포 프로파일을 갖는 원형 레이저 빔을 전형적으로 제공한다. 레이저 공급원에 인접한 위치에서 빔은 빔 확대기 또는 다른 옵틱 (optic)으로 변형되어, 본 발명에서 사용하기 위한 직경 D(CLB)을 갖는 원형 레이저 빔을 얻을 수 있다.

직경 D(CLB)을 갖는 원형 레이저 빔은 광학 어셈블리에 의해 이후 추가로 변형되어 바람직한 빔 크기 및 에너지 분포 프로파일을 갖는다. 특정한 실시양태에서, 광학 어셈블리는 특히 하기의 2가지 기능을 제공한다: (i) 길이 방향의 세기 분포를 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변경하면서 빔을 길이 방향으로 세장시키고, (ii) 세기 프로파일을 S-모드로 유지하면서 스코어링되는 유리 시트의 표면으로 전달되는 빔의 너비 방향으로 빔을 집속한다. 상기 제1 기능은 빔의 길이 방향의 발산 표면을 갖는, 제1의 변형 원통형의 렌즈에 의해서 실행될 수 있다. 상기 제2 기능은 빔의 너비 방향의 집속 표면을 갖는 제2 원통형 렌즈에 의해서 실행될 수 있다. 제2 렌즈의 발산 표면이 완벽한 원통형이면, 빔은 S-모드 분포 프로파일을 유지하면서 빔이 발산할 것이다. 제2 렌즈의 발산 표면을 적절한 프로파일로 변형시킴으로써, 빔의 길이 방향의 플랫-탑-모드 세기 분포를 갖는 발산 출력 (output) 빔을 얻을 수 있다.

도 6는 본 발명의 하나의 실시양태의 광학 어셈블리의 작동 원리를 도식적으로 예시한다. 제1 렌즈 (LS1) 및 제2 렌즈 (LS2)를 통과하는 원형 레이저 빔을 도면에 나타냈다. x축에 수직인 렌즈의 횡단면은 xx선을 따라 나타나며, y축에 수직인 렌즈의 횡단면은 yy선을 따라 나타나며, z축에 수직인 빔의 횡단면 (즉, 레이저 빔의 전파 방향)은 zz선을 따라 나타난다. 따라서 렌즈 (LS1)는 빔 길이 L(LB)를 증가시키고 길이 방향의 세기 분포를 S-모드에서 플랫-탑-모드로 변경시키는 변형된 원통형의 발산 표면을 갖는다. 원통형 렌즈인 렌즈 (LS2)는, 너비 방향에서 S-모드를 유지하면서 좁은 빔을 얻기 위해, 레이저 빔을 너비 방향으로 단지 집속한다. 렌즈 (LS2)가 너비 방향 (y 축)의 빔 프로파일을 S-모드에서 또다른 S-모드로 변경시킬 수 있거나 변경시키지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 하나의 실시양태에서, 렌즈 (LS2)는 빔의 너비 방향의 가우스 프로파일을 좁혀서, 유리 표면으로 전달되는 보다 좁은 가우스 프로파일을 갖는 출력 빔을 얻는다.

상기에 기재된 기능 (i) 및 (ii) 모두를 실행하는 단일 렌즈를 제조하는 것이 또한 가능하다.

렌즈는 레이저 빔의 파장에 적합한 물질로 제조할 수 있다. CO₂ 레이저의 경우, 굴절 렌즈는 게르마늄, ZnSe 등으로 제조할 수 있다. 반사 렌즈 또는 광학 격자가 또한 본 발명에 사용될 수 있다.

옵틱 기술의 당업자는 본원에서의 교시를 고려하여 적절한 표면 프로파일, 치수, 물질 선택으로 렌즈를 설계 및 제조할 수 있으며, 이들을 조립하여 본 발명의 요구사항에 맞는 모듈 (module)로 만들 수 있다.

VI. 레이저 빔 및 노광의 이동 (motion)

스코어링 공정 동안 유리 시트의 표면의 단지 일부만 레이저 빔으로 노광된다. 노광된 표면은 길이 L(EA) 및 너비 W(EA)를 갖는다. 완전한 레이저 빔이 시트의 표면 내에 위치하면, 노광된 영역은 완벽하게 평평하고 레이저 전파 방향에 완벽하게 수직이고 레이저 빔에 대해 완벽하게 정지된 상태로 있는다 (L(EA)=L(LB) 및 W(EA)=L(LB)).

상기에서 논의된 바와 같이, 노광된 표면이 완벽한 평면에서 어느 정도 벗어나는 것은 절단 속도, 절단 정밀도 및 연부 품질에 대한 상당한 부정적인 영향 없이 허용가능하다. 따라서, 시트의 특정한 양의 만곡 (bow) 및 레이저 전파 방향으로의 시트 이동은 허용될 수 있다.

특정한 실시양태에서, 스코어링되는 시트의 표면에 대한 스코어라인을 따라 레이저 빔이 이동할 수 있으며, 이때 시트의 표면상의 노광된 영역은 레이저 이동 동안 레이저 빔이 지나간 총 영역이다. 따라서 레이저 빔이 스코어링 공정 동안 시트의 하나의 연부에서 다른 연부로 이동하면, 노광된 영역은 시트의 너비에 동일한 길이 L(EA)를 갖는다. 본 발명의 특정한 실시양태에서, 레이저 빔이 유리 시트의 표면상의 노광된 영역으로 전송되는 것이 바람직하다. 고품질 연부로 성공적이고 일정하며 정밀한 스코어링을 달성하기 위해, 노광된 영역의 너비 W(EA)가 레이저 빔의 너비 W(LB)와 비슷하도록, 즉, W(EA)

W(LB)도록, 전송 방향이 본질적으로 직선이고 레이저 빔의 길이 방향에 평행한 것이 바람직하다. 본 발명의 개시에서, "W(EA)

W(LB)"는 W(EA)/W(LB)의 비율이 1.5 이하라는 것을 의미한다. 특정한 실시양태에서, W(EA)/W(LB) ≤1.4; 특정한 다른 실시양태에서, W(EA)/W(LB) ≤ 1.3, 특정한 다른 실시양태에서, W(EA)/W(LB) ≤ 1.2, 특정한 다른 실시양태에서 W(EA)/W(LB) ≤ 1.1, 특정한 다른 실시양태에서 W(EA)/W(LB) ≤ 1.05이다.

스코어링되는 유리 시트의 표면에 대한 레이저 빔의 전송 속도는 스코어링 속도로서 규정된다. 본 발명의 특정한 실시양태에서, 성공적인 스코어링은, 지면에 대한 유리 시트의 속도가 본질적으로 0일 때, 예컨대 유리 시트가 오프더드로우 마감 (off-the-draw finishing)을 위한 정지 스테이지 (stationery stage)에 위치할 때, 300 mm/초 이상의 스코어링 속도에서 달성할 수 있다. 특정한 다른 실시양태에서, 성공적인 스코어링은 지면에 대한 유리의 속도가 0이 아닐 때, 예컨대 유리가 제조 라인 (예를 들면, 용융 다운-드로우 공정에서 드로우의 바닥에서)을 따라 이동할 때, 750 mm/초 이상의 스코어링 속도에서 달성할 수 있다.

높은 스코어링 속도는 특히, 레이저 빔의 긴 길이, 높은 종횡비, 및 레이저 빔의 길이 및 너비 방향 모두에서의 레이저 세기 분포의 정밀한 제어에 의해 가능하다.

유리 시트의 레이저 스코어링이 유리 시트의 하나의 연부 상 또는 근처에 있는 작은 흠으로부터 출발하는 것이 바람직하다. 바퀴 (wheel), 레이저 펄스 (pulse), 또는 다른 방법에 의한 연부에서의 기계적인 스크라이빙 (scribing)에 의해 생길 수 있는 흠은 레이저 빔에 의해 생성되는 벤트 라인의 개시점으로 작용한다.

단일-통과 (single-pass) 레이저 노광은 많은 실시양태에서 벤트의 성공적인 형성에 있어서 충분하지만, 보다 깊은 벤트를 얻기 위해 또는 하기에서 보다 자세히 기재된 추가의 굽힘 없이 유리 시트의 직접적인 분할을 얻기 위해, 특정한 실시양태에서는 레이저 노광의 다중 통과가 동일한 스코어라인을 따라 수행되는 것이 바람직하다. 다중 통과가 정확하게 반복될 수 있는 경우, 예컨대 유리 시트가 지면에 대해 실질적으로 정지 상태로 유지되는 경우, 다중 통과가 유리하게 사용될 수 있다.

VII. 냉각 유체 및 냉각 공정

상기에서 논의된 바와 같이, 특정한 실시양태에서, 항상 요구되지는 않으나, 레이저 노광 즉시 냉각 유체가 노광된 영역에 전달되는 것이 바람직하다. 냉각은 제어, 정밀도, 스코어링을 위해 필요한 레이저 벤트의 형성에 이롭다.

냉각 유체는 기체, 액체 또는 혼합물 또는 그의 조합일 수 있다. 바람직하게는, 냉각 유체는 유리 표면을 오염시키지 않으며, 이는 LCD 유리 기판에서 특히 중요하다. 따라서, 냉각 유체는 차가운 에어 제트 (air jet), 차가운 N₂ 제트, 워터 제트 등 일 수 있다. 냉각시, 유리 시트 표면상의 노광된 영역에서 바람직한 깊이를 갖는 스코어라인에 따른 벤트가 형성된다.

레이저 빔을 따르는 노즐을, 냉각 유체를 유리 표면에 전달하기 위해 사용할 수 있다.

VIII. 굽힘

상기에서 언급된 바와 같이, 냉각과 함께 또는 냉각 없이 레이저 노광시, 유리 시트는 스코어라인에 따라 깨지거나 또는 분할되어 유리의 2개의 분리된 조각을 형성할 수 있다. 그러나, 이는 항상 바람직하고 가능한 것은 아니며, 특히 레이저 노광의 다중 통과가 정확하게 수행될 수 없는 경우 그러하다. 스코어라인에 따른 벤트와 함께, 굽힘 모멘트를 적용하여 유리 시트의 분할을 달성할 수 있다.

IX. 분할

본 발명에 의해 달성할 수 있는 유리 시트의 분할 연부의 고품질은 낮은 총 파형을 특징으로 한다. 2000 mm 이상, 심지어 2500 mm 이상, 심지어 2800 mm 이상, 심지어 3000 mm 이상의 스코어링 연부를 갖는 유리 시트의 경우, 본 발명은 50 μm 이하, 특정한 실시양태에서는 40 μm 이하의 총 파형을 달성할 수 있다. 이는 부분적으로는, 레이저 빔의 너비 방향의 S-모드 세기 프로파일 및 길이 방향의 플랫-탑-모드 세기 프로파일에서 기인한 것으로 생각된다. 대형 크기 유리 시트에 대해, 스코어링된 연부의 하나의 말단에서부터 다른 말단까지의 총 파형이 50 μm 이하인 것이 상당한 기술적인 도전이다. 빔 프로파일의 선택에 의해 정밀도를 달성하는 본 발명은 이러한 엄격한 요건을 달성할 수 있다고 생각한다.

다양한 변형 및 변경이 본 발명의 범위 및 취지로부터 벗어남 없이 본 발명에 행해질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위 및 그의 등가물의 범위내인 한, 본 발명은 본 발명의 변형 및 변동을 포함하는 것을 의도한다.

Claims

(I) 시트의 표면에 의해 차단될 경우 너비 W(LB) 및 길이 L(LB)를 갖고 너비에 따른 S-모드 에너지 분포 및 플랫-탑-모드 (flat-top-mode) 프로파일을 갖는 길이에 따른 에너지 분포를 갖는 세장 레이저 빔 (elongated laser beam)을 제공하는 단계;
(II) 스코어라인을 따라 시트의 표면의 일부를 레이저 빔에 노광시켜 노광된 영역의 온도를 상승시키는 단계 (여기서, 총 노광된 영역은 너비 W(EA) 및 길이 L(EA)를 갖고, W(EA)
W(LB)이고, 스코어라인은 노광된 영역 내에 있으며 본질적으로 L(LB)에 평행함); 및
(III) 시트를 스코어라인에 따라 실질적으로 직선으로 분할하는 단계
를 포함하는, 시트를 분할하는 방법.