KR20170088371A - 가요성 유리 기판의 피드백 제어식 레이저 절단 - Google Patents

Abstract

얇은 가요성 유리 기판을 절단하는 방법은 유리 기판 상의 조사 구역에 대한 크랙 팁의 위치를 감시하도록 구성된 피드백 루프를 이용한다. 피드백 루프를 포함하는 공정 제어기는 크랙 팁과 조사 구역 사이의 거리에 기초하여 레이저 빔 파워, 레이저 속도 또는 냉각 유체 속도 중의 적어도 하나를 제어한다.

Description

가요성 유리 기판의 피드백 제어식 레이저 절단{FEEDBACK­CONTROLLED LASER CUTTING OF FLEXIBLE GLASS SUBSTRATES}

본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에서 원용되는 2014년 11월 20일자로 출원된 미국 특허 가출원 62/082383호의 우선권을 35 U.S.C.§119 하에서 주장한다.

본 발명은 전체적으로 취성 재료 절단에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 크랙 팁 위치를 감시 및/또는 제어하기 위해 피드백 루프를 이용하는 얇은 유리 기판의 분리에 관한 것이다.

비교적 두꺼운 유리 기판의 레이저 절단은 주지되어 있으며 연구되고 있지만, 아주 얇은 유리 시트의 가공은 주로 예컨대, 레이저에 의한 가열시 유리 시트의 두께를 통해 야기되는 급속한 열적 균등화로 인해 새로운 과제가 제기되고 있다. 예컨대 0.7㎜ 이상의 두께를 갖는 유리 시트에 대해 적용되는 통상적인 레이저 절단 작업에서, 레이저 빔은 미리 결정된 경로를 따라 유리를 가열하는데 이용된다. 냉각 유체가 가열된 경로에 대해 적용되고 그리고 그에 따른 응력장은 소형 크랙과 같은 기존 결함이 유리를 가로질러 연장 및 전파될 수 있게 한다. 일반적으로, 그런 공정은 입사 레이저 빔에 의해 발생된 열의 불능성으로 인해 유리 기판을 통해 부분적으로만 연장되는 크랙을 생성하고 그리고 후속 냉각을 이용하여 산업적 용례에 유가치한 속도로 필요 인장 응력장을 설정하도록 입사면 아래로 충분히 연장시키는데 이용된다. 그 결과는 스코어 라인(score line)이며, 스코어 라인은 표면의 적어도 대부분을 가로질러 연장되지만 유리의 두께를 통해 연장되지 않는 크랙이다. 최종 분리는 예컨대, 굽힘을 이용하여 스코어 라인에 수직으로 인장 응력을 인가함으로써 수행된다. 그에 따른 인장 응력은 부분적인 크랙을 유리 두께의 나머지 부분을 통해 진행시킴으로써 유리를 완전히 분리시킨다.

얇은 유리 시트, 예컨대 약 0.3 밀리미터(㎜) 이하의 두께를 갖는 기판은 가열과 후속 냉각이 유리 기판의 두께를 통해 급속히 확장된다는 이유로 인해 절단 작업 동안 다르게 거동하므로, 크랙 전파에 의해 생성된 신규 형성 에지 표면에 거울형 마무리부를 생성하기 위해선 다른 기술이 필요하다. 중요한 것은, 0.1 미터/초 이상의 크랙 전파 속도에선, 속도와 응력 세기 간의 관계가 대략 40의 기울기를 가지므로 응력 세기의 1x 변화는 크랙 속도의 40x 변화에 상당한다는 것이다.

결과적으로, 크랙 팁이 제어되고 있다는 것을 보장하는 것이 에지 품질과 분리에 중요하다.

본 개시내용은 얇은 가요성 유리 기판(예컨대, 약 0.3 밀리미터 이하의 두께를 갖는 유리 기판)을 절단하기 위한 레이저 절단 장치, 및 이 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다. 장치는 유리 기판의 주 표면에 입사하는 레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역(irradiation zone)에 대한 크랙 팁 위치에 기초하는 피드백 루프를 채용한다. 고속 이미지 획득 장치는 입사된 레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역에 대한 크랙 팁의 위치를 실시간으로 이미징하며 그리고 그런 정보를 공정 제어기에 제공한다. 디지털 이미지가 공정 제어기, 예컨대 컴퓨터 또는 다른 적절한 데이터 처리 장치에서 처리된다. 대안적으로, 이미지는 예컨대, 재구성가능 필드-프로그래밍가능한 게이트 어레이 기술을 이용하여 이미지가 취득되는 장소에서 처리될 수 있다. 조사 구역에 대한 크랙 팁 위치에 따라, 공정 제어기는 제어 신호를 레이저에 그리고 위치 신호를 레이저 빔 조향 장치에 전송할 수도 있다. 제어 신호는 예컨대, 레이저에 대한 제어 전압을 변경하여 레이저 파워를 조절함으로써, 조사 구역이 유리 기판 상의 미리 결정된 절단 경로를 따라 횡단할 때 크랙 팁을 조사 구역으로부터 대체로 일정한 거리로 전파시킬 수 있다. 그런 기술은 강도를 제한하는 크랙 불규칙부를 최소로 나타내거나 나타내지 않는 레이저 절단 에지를 생성할 수 있다.

일 실시예에선, 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 재료와 같은 취성 재료를 절단하는 방법으로서, 취성 재료가 조사 구역에서 가열되는 경우 취성 재료의 표면 상에 조사 구역을 형성하는 레이저 빔을 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계와, 가열 후에 냉각 유체를 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각함으로써, 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는 단계와, 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계와, 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와, 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 조사 구역의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함하는, 방법이 개시되어 있다. 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 이하일 수도 있다. 예컨대, 취성 재료의 두께(t)는 약 0.3 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.25 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.2 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.15 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 또는 약 0.05 밀리미터로부터, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함하는 범위일 수도 있다. 일례에서, 기준 장소는 조사 구역의 중간 지점이다. 그러나, 다른 예에서 기준 장소는 조사 구역의 선단 팁, 조사 구역의 후단 팁, 또는 조사 구역의 선단 팁과 후단 팁 사이의 임의의 지점일 수 있다. 미리 결정된 설정 거리는 약 0 밀리미터 내지 약 50 밀리미터의 범위, 예컨대 약 0 밀리미터 내지 약 45 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 40 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 30 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 25 밀리미터의 범위일 수 있고, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다.

크랙 팁을 검출하는 단계는 조명원을 이용하여 크랙을 조명하는 단계를 포함한다. 특정한 예에서, 조명원은 암시야 조명을 이용하여 크랙을 조명한다. 조명원은 라인 조명을 이용하여 크랙을 조명할 수도 있다.

크랙 팁을 검출하는 단계는 이미징 장치를 이용하여 크랙을 이미징하는 단계를 포함할 수도 있다.

다른 예에선, 취성 재료의 표면에 입사되는 레이저 빔을 이용하여 취성 재료의 표면 상의 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계를 포함하는 취성 재료 절단 방법이 개시되어 있다. 취성 재료는 유리 기판, 유리 세라믹 기판 또는 세라믹 기판일 수도 있다. 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 이하일 수도 있다. 예컨대, 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.25 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.2 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.15 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 또는 약 0.05 밀리미터로부터, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함하는 범위일 수도 있다. 레이저 빔은 취성 재료가 조사 구역에서 가열되는 경우 취성 재료의 표면 상에 이동 조사 구역을 형성한다. 방법은, 취성 재료의 표면에 입사되는 냉각 유체를 이용하여 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각하는 단계로서, 냉각 유체는 이동 조사 구역보다 뒤처져 있는 냉각 구역을 생성하여 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는 단계와, 이동 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다. 방법은 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와, 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 유리 기판의 표면에 대한 조사 구역의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다. 기준 장소는 조사 구역의 중간 지점일 수도 있다. 그러나, 다른 예에서 기준 장소는 조사 구역의 선단 팁, 조사 구역의 후단 팁, 또는 조사 구역의 선단 팁과 후단 팁 사이의 임의의 지점일 수 있다. 미리 결정된 설정 거리는 약 0 밀리미터 내지 약 50 밀리미터의 범위, 예컨대 약 0 밀리미터 내지 약 45 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 40 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 30 밀리미터의 범위, 약 0.05 밀리미터 내지 약 25 밀리미터의 범위일 수 있고, 이들 사이의 모든 범위와 부분 범위를 포함할 수 있다.

크랙 팁을 검출하는 단계는 암시야 조명을 이용하는 단계, 및 라인 조명을 이용하여 크랙을 조명하고 그리고 크랙 팁으로부터의 조명 반사광을 검출하는 단계를 포함할 수도 있다.

또 다른 실시예에선, 취성 재료가 조사 구역에서 가열되는 경우 취성 재료의 표면 상에 이동 조사 구역을 생성하는 레이저 빔을 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계를 포함하는 유리 기판 절단 방법이 개시되어 있다. 방법은 가열 후에 냉각 유체를 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각함으로써, 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는 단계와, 이동 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계와, 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와, 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 레이저 빔의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다.

취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 이하일 수도 있는데, 예컨대, 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.25 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.2 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 약 0.15 밀리미터 내지 약 0.05 밀리미터의 범위, 또는 약 0.05 밀리미터로부터, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함하는 범위일 수도 있다.

예에서, 크랙 팁 위치를 검출하는 단계는, 라인 레이저를 이용하여 크랙을 조명하고 그리고 크랙의 선단 팁에서 분기점을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 추가적인 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명에 기재되어 있으며, 그리고 부분적으로는 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이며 또는 이하의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부 도면을 포함하는 본 명세서에 개시된 실시예를 실시함으로써 알 수 있을 것이다.

상기 전반적인 설명과 이하의 상세한 설명은 청구된 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 체계를 제공하도록 의도된 실시예를 제공한다. 첨부 도면이 추가적인 이해를 제공하도록 포함되며, 그리고 본 명세서의 일부에 통합되어 이를 구성한다. 도면은 본 개시내용의 다양한 실시예를 도시하며, 그리고 상세한 설명과 함께 본 개시내용의 원리와 운용을 설명하는 역할을 한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 레이저 절단 장치의 사시도이다.
도 2는 파괴면 내의 강도 열화 이형부(화살표)를 도시하는 종래의 레이저 절단 공정에 의해 생성된 신규 형성 에지의 사진이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따라 전파 크랙을 이미징하는데 이용되는 예시적인 이미징 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따라 전파 크랙을 이미징하는데 이용되는 다른 예시적인 이미징 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따라 전파 크랙을 이미징하는데 이용되는 또 다른 예시적인 이미징 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 피드백 루프이다.
도 7은 피드백 제어가 없는 절단 공정에 대한 전파 크랙의 팁과 조사 구역의 기준 장소 사이의 거리(수직 축) 및 크랙의 전파 거리(수평 축)를 보여주는 도표이다.
도 8은 단거리에서 변화하는 크랙 팁 이탈을 보여주는 도 7의 도표의 일부분의 상세도이다.
도 9는 다양한 프로그래밍된 분리 거리를 위한 피드백 제어가 있는 절단 공정에 대한 전파 크랙의 팁과 조사 구역의 기준 장소 사이의 거리(수직 축) 및 크랙의 전파 거리(수평 축)를 보여주는 도표이다.
도 10은 조사 구역 내의 기준 장소로부터의 크랙 팁 이탈의 함수로서의 레이저 제어 전압의 도표이다.
도 11은 유리 에지 강도에 대한 피드백 제어식 레이저 절단 공정의 이익을 보여주는 파괴 강도의 함수로서의 파괴 확률의 도표(와이블 도표)이다.

첨부 도면에 도시된 예인 본 개시내용의 실시예에 대한 상세 사항을 이제 참조한다. 가능하면, 도면 전체에서 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부분을 나타내는데 이용된다.

이하의 개시내용은 유리 기판의 절단을 기술하고 있지만, 본 명세서에 개시된 방법은 취성 재료의 절단에 보다 광범위하게 적용될 수 있으며 그리고 유리 재료의 절단에 제한되어서는 안 된다.

약 0.3 밀리미터보다 큰 두께를 갖는 유리 기판은 레이저 스코어-파단 공정(laser score-and-break process)을 이용하여 레이저 절단될 수도 있다. 그런 공정에서, 레이저는 미리 결정된 절단 경로를 따라 유리 기판을 가열하는데 이용되며, 그 후 가열된 절단 경로를 따르는 후속적인 유체 담금질이 뒤따른다. 유체 담금질이 뒤따르는 가열은 기판 내에 기판의 파괴 강도를 초과하는 인장 응력을 유도함으로써, 절단 경로를 따라 크랙을 전파시킨다. 레이저 가열과 유체 담금질이 유리 기판을 스코어링하는데 이용되는 경우, 생성된 크랙은 유리 기판의 전체 두께를 통해 부분적으로만 연장되어 스코어 라인을 생성한다. 이는 적어도 부분적으로는 레이저에 의해 유리 기판의 표면에 도입된 열이 전도에 의해 유리의 두께를 통해 이동하는데 필요한 시간 때문이다. 비교적 두꺼운 유리에 있어선, 유리 기판의 표면에 유도된 응력은 기판의 두께를 통해 충분히 확장되지 않을 수도 있다. 통상적으로, 유리는 맨 먼저 레이저를 이용하여 스코어링된 후에, 손으로 또는 다른 기계적 수단으로 스코어에 수직인 인장 응력을 유도하는 굽힘 모멘트를 유리 기판에 인가함으로써 파단된다. 인장 응력은 기판 두께의 나머지 부분을 통해 크랙을 전파시킴으로써 유리 기판에 개별 부재로 분리한다.

유리 기판 두께가 예컨대, 약 0.3 밀리미터 이하의 두께로 감소될 때, 가열 조건 하의 기판의 거동은 더 두꺼운 유리와는 현저하게 다르다. 예컨대, 유리 강성은 유리 두께의 3제곱(두께³)에 비례하며 그리고 좌굴은 유리 두께의 2제곱(두께²)에 비례하므로, 레이저 가열 하에서 좌굴은 두께에 따라 변화되고 그리고 그 결과 레이저 빔에 필요한 평균 파워 및 파워 변조도 두께에 따라 변화된다. 또한, 레이저에 의해 도입된 열은 단축된 열전도 시간으로 인해 유리 두께를 통해 신속하게 평형화된다. 즉, 유리 두께의 감소는 유리 표면 대 체적 비율을 감소시키고 그리고 기판 표면의 열이 기판의 두께를 통해 전도되는데 걸리는 시간을 유리의 두께를 통한 급속한 온도 평형을 촉진하는데 충분한 정도로 단축시킨다. 유리를 통한 급속한 열적 평형과 유리로부터의 급속한 방사열 손실의 조합은 풀바디(full-body) 크랙 전파를 초래한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 풀바디 크랙 전파는 유리 기판의 전체 두께를 통해 연장되는 크랙과 관련되어 있는데, 그런 크랙은 유리 기판을 가로질러 전파된다. 유리 기판의 주 표면의 전체를 가로지르는 풀바디 크랙은 유리 기판의 완전한 분리를 초래한다. 예컨대, 단일 유리 기판은 제1 풀바디 절단 이후에 2개의 유리 기판이 된다.

이상적으로, 풀바디 크랙은 레이저 빔과 담금질 유체가 유리 기판을 횡단할 때 절단 경로를 따르는 레이저 빔의 상대 운동 및 절단 경로에 입사되는 담금질(냉각) 유체의 운동과 동기화되어 지속적으로 전진한다. 그러나, 전진하는 크랙은 본 명세서에 개시된 바와 같이 1) 얇은 가요성 유리는 쉽게 변형되기 때문에 레이저 가열 공정 중에 생성된 일시적인 응력이 좌굴을 유발할 수 있다는 것, 2) 좌굴이 레이저 빔과 크랙 팁 둘레의 응력 분포를 변경한다는 것, 및 3) 유리는 얇고 응력 집중 계수가 크랙 팁에서 높기 때문에 크랙 팁 둘레의 외부 응력장 변경이 크랙 팁에서의 인장 응력을 쉽게 왜곡한다는 것을 포함하여 적어도 몇 가지 이유 때문에 그런 얇은 가요성 유리의 레이저 절단 중에 일정한 속도로 거의 전파되지 않는다. 또한, 유리 기판의 양측에 있는 유리 절단 위치에서의 열 접촉부, 예컨대 지지 부재는 크랙 팁에서의 인장 응력의 크기를 변화시켜 절단 속도를 변화시킬 수 있다.

레이저 파워의 부조화, 냉각 유체 농도(효율적인 냉각은 지속적이고 균일한 냉각에 의존적임)와 같은 냉각 공정 파라미터의 편차, 레이저 절단 속도 및 다른 요인으로 인한 불안정한 크랙 전파는 단독으로 또는 조합적으로 크랙 정지(crack arrest) 또는 크랙 전파(절단 공정)의 지연(stalling)을 초래한다. 크랙 정지는 크랙 선단이 레이저 가열 지점 내부에 일반적으로 위치된 압축 응력 구역으로 전진할 때 야기된다. 크랙 팁이 레이저 빔에 의해 생성된 압축 구역으로 전진할 때, 크랙 팁은 중단되거나, 지연되거나, 또는 레이저 가열 지점 둘레의 응력장의 복잡한 형상으로 인해 절단 방향을 약간 이탈할 수도 있다. 이는 절단 에지 상에 크랙 정지부를 생성할 수 있다. 레이저 빔과 담금질 유체가 크랙 지연 또는 정지 위치로부터 멀어지게 이동될 때, 인장 응력은 크랙 정지부에서 전개되며 그리고 크랙 전파는 그 정지 위치로부터 다시 개시된다.

크랙 정지부, 및 크랙 정지에 의해 신규 형성 에지 표면에 형성되는 분기점과 갈라진 틈(hackle)은 레이저 절단 에지의 에지 강도를 열화시킬 수 있다. 크랙 지연은, 크랙 정지와 유사하게, 크랙에 수직인 인장이 크랙을 전파시키는데 충분하지 않고 그리고 그 효과가 크랙 정지의 효과와 유사한 경우에 야기된다. 그렇다면, 분리된 기판 부재의 에지 장도를 최대화하기 위해 그런 강도 제한 결함의 발생을 제거하거나 줄이는 것이 바람직하다.

크랙 지연 또는 크랙 정지를 방지하기 위해, 크랙 팁의 위치를 감시하고 그리고 유리 기판에 입사된 레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역과 전진하고 있는 크랙 팁 사이의 거리를 감시하도록 구성된 피드백 루프를 포함하는 방법이 이하에 개시되어 있다. 실제 거리와 공정 제어기의 메모리에 저장된 미리 결정된 거리 사이의 차이에 의해 생성된 에러 신호는 추후에 (예컨대, 레이저 구동 전압을 제어함으로써) 레이저 파워, 유리 기판 표면 위의 레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역의 횡단 속도, 및 유리 기판 상의 가열된 절단 경로에 걸친 냉각 유체 제트의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 제어하는데 이용될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어기는 조사 구역의 길이, 레이저 빔의 세기 프로파일, 레이저 빔의 방향, 또는 절단의 품질에 영향을 미치는 임의의 다른 적절한 제어가능 공정 파라미터를 제어할 수도 있다. 세기 프로파일이 의미하는 바는 레이저 빔의 종축에 수직인 방향으로의 레이저 빔을 가로지르는 거리의 함수로서의 레이저 빔의 세기이다. 예컨대, 레이저 빔의 종축에 수직인 원형 단면을 갖는 레이저 빔에 있어서, 세기 프로파일은 원형 단면의 직경을 가로지르는 거리의 함수로서의 세기이다. 통상적으로, 레이저 파워는 제어가 가장 용이한 파라미터이다.

도 1을 이제 참조하면, 유리 기판(16)으로 지향되는 레이저 빔(14)을 발생시키기 위한 레이저(12), 및 레이저 빔 조향 장치(18) 및/또는 레이저 빔 변경기(20), (도시 안 된) 냉각 유체 공급부에 의해 공급되는 냉각 유체(24)를 방출하기 위한 노즐 조립체(22), 공정 제어기(26), 미리 결정된 절단 경로(32)를 따라 유리 기판 내에서 전파되는 크랙(30)을 조명하도록 구성된 광원(28), 및 이미징 장치(34)를 임의로 포함하는 장치(10)가 도시되어 있다. 장치(10)는, 유리 기판(16)을 레이저 빔(14)에 상대적으로 이동시키고 그리고 레이저 빔(14)과 유리 기판(16) 사이의 상대 운동을 전개시키기 위한 (도시 안 된) 유리 기판 이송 장치를 또한 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 본 명세서에 개시된 유리 절단 방법은 리본이 유리 인출 작업에서 인출될 때 또는 스풀링된 유리 리본이 하나의 스풀(예컨대, 공급 스풀)에서 다른 스풀(예컨대, 권취 스풀)로 반송될 때 얇은 유리 리본에 적용될 수도 있다. 예컨대, 유리 리본의 에지부는 인출 작업 또는 스풀링 작업 중에 제거될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 유리 절단 방법은 적어도 약 84 밀리미터/초 내지 약 250 밀리미터/초의 범위인 절단 속도가 가능하다.

레이저(12)는 레이저 빔(14)을 유리 기판의 주 표면(38) 상으로 지향시킴으로써 유리 기판(16) 상에 조사 구역(36)을 생성하는데 적합하다. 레이저(12)에 의해 생성된 레이저 광은 유리의 가열을 위해 유리에 의해 충분히 흡수되는 파장을 가질 수 있다. 실리카계 유리에 대해, 적합한 레이저는 10.6 마이크로미터의 공칭 파장에서 레이저 광을 발생시키는 CO₂ 레이저이지만, 다른 레이저 소스 및 파장도 가능하다. 무선 주파수 여기 CO₂ 레이저의 통상적인 상승 및 하강 시간은 대략 100 마이크로초(㎲) 또는 0.1 밀리초(㎳)이며, 예컨대 약 1 밀리초 내에서 출력 파워의 급속한 변화를 가능하게 한다.

레이저 빔 조향 장치(18)는, 예컨대 하나 이상의 검류계 제어식 거울, 음향 광학 변조기 또는 편향기(AOM/AOD), 압전 액추에이터에 장착된 거울, 또는 이들의 조합체일 수도 있다. 레이저 빔 조향 장치(18)는 유리 기판(16)의 표면 위에서 레이저 빔(14)을 조향하여 레이저(12)를 이동시킬 필요 없이 레이저 빔에 의해 생성된 유리 기판 상의 조사 구역과 유리 기판 사이의 상대 운동을 발생시키는데 이용될 수도 있다. 예컨대, 이하에 보다 상세히 기술된 임의의 실시예에서, 유리 기판(16)은 고정되어 있고 그리고 레이저 빔(14)은 레이저 빔이 유리 기판의 주 표면을 횡단하도록 조향 장치(18)에 의해 조향될 수도 있다. 조사 구역은 유리 기판 표면에 입사되는 레이저 빔의 푸트프린트에 대응한다. 레이저 빔 조향 장치는 적어도 초당 1라디안이 가능하거나 또는 더 빠른 응답 시간이 가능해야 한다. 그에 따른 조향 속도는 대략 이분의 일 미터의 레이저 빔 경로 길이를 고려해 볼 때 초당 수 미터 정도이다. 레이저 절단 속도는 통상적으로 초당 1미터 미만이기 때문에, 그런 요건은 상용으로 입수가능한 장치에 의해 용이하게 충족될 수 있다.

몇몇 실시예에선, 유리 기판을 이동시키고 그리고 유리와 고정된 조사 구역 사이의 상대 운동을 발생시키기 위해 공기 베어링, 롤러 장착식 테이블 등과 같은 반송 장치를 이용하는 것이 보다 실용적일 수도 있다. 예컨대, 유리 기판은 공기 베어링 테이블과 같은 편평한 지지면 위에서 병진 운동될 수도 있다. 지지면은 채널을 포함할 수 있으며, 유리 기판은 절단 경로(32)가 채널 위에 놓이도록 위치설정된다. 그런 배열체에서, 레이저 빔은 유리 기판이 이동되는 동안 고정된 상태로 유지될 수도 있다. 이와 같은 배열체는 예컨대, 유리 기판이 리본을 연속적으로 이동시키는 공정에서 이용될 수도 있다. 예에서, 유리 리본의 에지부는 유리 리본이 레이저 빔에 상대적으로 횡단할 때 제거될 수도 있다. 예컨대, 인출된 유리 리본은 인출 공정 중에 유리의 수축에 의해 형성된 두꺼워진 에지부를 포함할 수도 있다. 비드로 지칭되는 그러한 두꺼워진 에지부는 제거될 수도 있다.

또 다른 실시예에서, 유리 기판과 레이저는 고정되어 있을 수도 있지만, 레이저 빔은 (도시 안 된) 레일 또는 유사한 장치를 따라 유리 기판의 표면 위에서 왕복 운동하는 이동식 헤드를 포함하는 조향 장치(18)로 지향된다. 레이저는 레이저 빔을 직접적으로 또는 하나 이상의 거울을 통해 이동식 헤드로 지향시키도록 구성될 수 있으며, 그리고 이동 헤드 상의 거울은 추후에 레이저 빔을 유리 기판 상으로 다시 지향시킨다. 따라서, 레이저 빔과 유리 기판 사이의 상대 운동은 이동식 헤드에 의해 발생된다. 레이저 빔과 유리 기판 사이의 상대 운동을 발생시키는 그런 방법은 관련 기술분야에 주지되어 있으므로 추가로 설명하지 않는다.

레이저 빔 변경기(20)는 유리 기판(16) 상에 세장형 조사 구역을 생성하기 위해 레이저 빔의 통상적으로 원형인 단면 프로파일을 세장형 단면 프로파일로 변경하는데 이용될 수 있다. 레이저 빔 변경기(20)는 예컨대, 세장형 레이저 빔 단면 및 유리 기판 상의 세장형 조사 구역을 생성하도록 구성된 원통형 렌즈와 같은 하나 이상의 렌즈를 포함할 수도 있으며, 조사 구역의 장축은 절단 경로(32)와 평행하다. 예로서, 평면 오목 렌즈는 일 축에서 레이저 빔을 확장하는데 이용될 수 있는 반면, 평면 오목 렌즈와 직교하는 광축을 갖는 다른 원통형 렌즈는 제2의 수직 축에서 레이저 빔을 집속하는데 이용될 수 있다. 통상적으로, 유리 기판에 입사되는 레이저 빔(및 그에 따른 조사 구역)은 길이가 수십 밀리미터이며 폭이 약 2 밀리미터이다. 레이저 빔 형상은 상용 레이저 빔 프로파일링 장비에 의해 또는 레이저 정렬 페이퍼, 예컨대 ZAP-IT®에서 생산된 레이저 정렬 페이퍼에 의해 측정될 수 있다. 레이저 정렬 페이퍼를 이용하기 위해선, 정렬 페이퍼를 레이저 빔의 경로에 위치설정하고 레이저를 간단히 키면 된다. 정렬 페이퍼 상의 레이저에 의해 생성된 탄 자국이 마이크로미터로 측정될 수 있다. 레이저 빔 변경기(20)는 또한 폴리곤 스캐너(polygonal scanner)일 수 있는데, 이 경우에는 단순화된 가우스 분포를 갖는 레이저 빔 프로파일이 획득될 수 있다. 대안적으로, 비대칭 비구면 렌즈가 단축(보조 축)과 장축(주요 축) 양자 모두에서 일정한 세기 분포를 갖는 직사각형 레이저 빔을 발생시키는데 이용될 수 있다.

레이저 빔(14)이 절단 경로(32)를 따라 유리 기판을 횡단할 때, 유리 기판(16)은 유리 기판 표면(38) 상의 레이저 빔(14)에 의해 생성된 조사 구역(36) 내에서 신속하게 가열된다. 조사 구역 내에서 발생된 가열은 조사 구역 내에서의 유리 기판의 팽창을 유발한다. 노즐 조립체(22)가 절단 경로 위에서 횡단 방향에 대해 조사 구역을 뒤따르며 그리고 냉각 유체(24)가 절단 경로를 따라 가열된 유리로 지향된다. 냉각 유체는 가스, 액체, 또는 이들의 조합체(예컨대, 분무 또는 에어로졸)일 수도 있다. 냉각 유체에 의해 발생된 신속 냉각은 유리 기판 내에 인장 응력을 발생시킨다. 가열과 냉각이 유리 내의 기존 결함, 예컨대 의도적으로 도입된 소형 크랙의 위치에서 시작되는 경우, 가열과 냉각에 의해 발생된 인장 응력은 레이저 빔과 냉각 유체가 뒤따르는 절단 경로를 따라 크랙 팁에서 기존 크랙을 전진시킨다.

불행하게도, 적어도 상술된 이유 때문에 크랙 지연 및/또는 크랙 정지가 야기될 수 있으며, 그리고 절단 경로를 따라 횡단할 때 크랙 선단의 진행에서의 그런 편차는 유리의 신규 형성 에지 표면에 불규칙부를 생성할 수 있다. 도 2는 크랙 정지에 의해 생성된 불규칙부(40)를 도시하는 유리 기판(16)의 절단 에지의 사진이다. 유리 기판은 실리카계 유리로 구성되었으며 그리고 100 마이크로미터의 두께 및 대략 35 x 10^-7/℃의 CTE를 가졌다. 38 밀리미터 길이 및 1.5 밀리미터 폭의 치수를 갖는 CO₂ 레이저 빔이 표면(38)(도 1)에서 유리 기판을 가열하는데 이용되었으며, 그리고 분무수가 가열된 절단 경로를 따라 유리 기판을 냉각하는데 이용되었다. 분무 제트와 레이저 빔의 후퇴(후단) 에지 사이의 거리는 대략 5 밀리미터였다. 대략 40 와트의 레이저 파워 및 초당 280 밀리미터의 레이저 절단 속도가 공정에 이용되었다. 불규칙부(40)는 크랙 정지시 크랙 선단의 형상을 나타낸다. 그런 불규칙부는 절단 작업에 의해 생성된 개별 유리 시트의 강도를 감소시킴으로써, 최종적인 개별 유리 기판의 신규 형성 에지가 예컨대 굽힘에 의해 인장된 상태로 배치되는 경우 크랙이 불규칙부에서 발생되어 유리 기판이 파손될 수도 있다. 불규칙부는 크랙 선단의 분기점을 포함할 수도 있다. 따라서, 약화된 그런 에지는 후속 제품, 특히 유리 기판이 굽힘을 겪을 수도 있는 제품에 통합되는 경우 불리할 것이다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 크랙 정지 및 크랙 지연 효과는 유리 기판의 표면 상의 레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역에 대한 크랙 팁의 위치에 기초하는 절단 공정의 피드백 제어 루프를 채용함으로써 최소화 또는 제거될 수 있다. 크랙 팁의 위치는 크랙 팁의 근방에서 취한 비디오 이미지의 실시간 처리에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 장치(10)는 크랙 팁이 이미징 장치(34)에 의해 이미징되도록 전진하고 있는 크랙을 충분히 조명하도록 구성된 광원(28)을 또한 포함한다. 광원(28)은 예컨대, 레이저(12)와 별개인 레이저일 수도 있으며, 광원(28)으로부터의 광은 절단 경로와 평행한 방향으로 연장되는 라인까지 연장된다. 광원(28)으로부터의 연장된 광(41)은 절단 경로(32)로 지향되며, 그리고 CO₂ 레이저 빔과 중첩될 수도 있다. 광원(28)으로부터의 광은 전진하고 있는 크랙에 의해 반사됨으로써, 이미징 장치(34)가 크랙을 이미징할 수 있게 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(28)은 유리 기판 표면(38)에 대한 임의의 각도로 광을 절단 경로로 지향시킬 수도 있다. 다른 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 광원(28)으로부터의 광은 크랙(30)으로부터 반사되어 투영 스크린(42)에 입사될 수도 있으며, 이미징 장치(34)는 투영 스크린으로부터 크랙을 이미징한다. 이미징 장치(34)는 이미징 센서를 포함할 수도 있으며, 이미징 센서는 광원으로부터 절단 경로의 반대쪽에 위치된다. 즉, 크랙(30)과 평행하게 교차하는 기판 표면(38)에 수직으로 연장되는 평면(44)의 반대쪽에 위치된다. 도 5에 도시된 또 다른 실시예에서, 광원(28)과 이미징 장치(34)(예컨대, 이미징 센서)는 도 5에 도시된 바와 같이 절단 경로(32)의 같은 쪽에[평면(44)의 같은 쪽에] 있을 수도 있어, 절단 경로는 암시야 조명에 의해 조명된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 암시야 조명은 크랙 또는 표면 결함과 같은 기형부가 없는 상태에서 유리 기판의 표면(38)으로부터 반사되는 광원으로부터의 광이 이미징 장치의 집속 렌즈에 반사광이 진입할 수 없게 하는 각도로 표면(38)으로부터 반사되는 경우에 발생된다. 즉, 이미징 장치는 어둠을 "관측"한다. 그러나, 이형부는 정상 반사각(이형부의 부재시의 반사각)과 다른 각도에서 광의 반사(예컨대, 산란)를 유발하여, 산란광이 이미징 장치에 의해 관측된다. LED 라인 광원이, 예컨대 크랙 팁에서 그리고 절단 방향을 따라 직사각형 영역의 암시야 조명을 발생시키는데 이용될 수 있다. 즉, 광원은 LED 광원 또는 광원들로부터의 라인 광으로 크랙을 조명한다. 또한, 이미징 시스템은 크랙(30)에 의해 반사된 광만을 픽업한다. 또 다른 실시예에서, 크랙 팁 위치 및 절단 경로를 따르는 진행은 절단 경로를 따라 배열된 하나 이상의 음향 검출기를 이용하여 결정될 수 있다.

레이저 절단 중에 조사 구역(36)에 대한 크랙 팁 위치의 검출에는 적절한 이미지 획득 및 처리 능력이 필요하다. 예컨대, 400 밀리미터/초의 절단 속도에서, 1 밀리미터의 크랙 팁 이동에는 대략 2 밀리초(㎳) 이하 내에서 응답하기 위한 피드백 루프가 필요하다. 이는 결국 예컨대, 약 1 밀리초 내의 이미지 획득 및 레이저 응답을 필요로 한다. 크랙 팁의 이미징은 크랙 팁의 진행이 결정될 수 있도록 실시간으로 이루어진다. 예컨대, 크랙 팁의 연속적인 이미지는 고주파수로 제작되어 크랙 팁 장소를 비교적 높은 공간 해상도로 추적할 수 있다. 현재의 최첨단 이미지 처리 유닛은 최대 초당 100만 프레임이 가능하다. 1 밀리초 시간 지연을 위해서는 이미지 처리 유닛이 초당 1000개의 이미지 프레임을 획득하여 처리할 필요가 있는데, 이는 현재의 이미지 획득 및 처리 기술에서 충분히 가능하다.

이미징 장치는 조사 구역의 위치, 보다 구체적으로는 조사 구역 내의 기준 장소를 알아내는데 또한 이용될 수도 있다. 예컨대, 조사 구역의 위치는 레이저 빔 조향 장치의 위치 센서를 이용하여 결정될 수 있다. 유리 기판 상의 조사 구역의 위치와 레이저 빔 조향 장치로부터의 정보를 연관시킴으로써, 조사 구역 또는 조사 구역의 임의의 부분이 결정될 수 있다. 유사하게, 위치 정보는 반송 장치가 유리 기판을 이동시키는데 이용되는 경우 반송 장치 상에 또는 내에 위치된 위치 센서로부터 얻을 수 있다.

레이저 빔에 의해 생성된 조사 구역이 정지되어 있고 그리고 유리 기판이 정지된 레이저 빔에 상대적으로 이동되는 경우, 조사 구역의 위치, 보다 구체적으로는 조사 구역 내의 기준 장소의 위치는 상술된 레이저 정렬 페이퍼를 이용하여 결정될 수 있다. 이런 구성에서, 기준 장소는 확인된 장소로서 고정되어 있어, 단지 크랙 팁 위치만이 감시될 필요가 있다.

크랙 팁이 이미징 장치(34)에 의해 획득되면, 크랙 팁의 위치는 공정 제어기(26)에서 이미징 장치의 출력을 필터링하고, 획득된 이미지의 강도 맵을 생성하고 그리고 임계치 검출 필터를 출력에 적용함으로써 검출될 수도 있다. 예컨대, 이미지 강도 출력은 공정 제어기(26)에 입력된, 예컨대 저장된 미리 결정된 임계값과 비교될 수 있다. 공정 제어기의 메모리에 저장된 미리 결정된 임계 강도 값을 초과하는 이미지 강도가 추후에 크랙 팁의 위치를 지정하는데 이용될 수 있다.

조사 구역 장소와 관련된 위치 정보와 크랙 팁 장소와 관련된 위치 정보 양자 모두가 공정 제어기(26)에 제공될 수 있다. 공정 제어기(26)는 추후에 조사 구역의 선택된 부분(예컨대, 기준 장소)과 크랙 팁 사이의 거리(D)를 계산하고 그리고 예컨대 입력 채널을 통해 공정 제어기에 제공된 또는 공정 제어기 메모리 내에 보유된 미리 결정된 거리 설정값과 계산된 거리를 비교하기 위해 저장된 명령어 집합을 이용할 수 있다. 조사 구역 내의 임의의 기준 위치, 예컨대 조사 구역의 선단 에지, 조사 구역의 후단 에지, 또는 조사 구역의 선단 에지와 후단 에지 사이의 임의의 지점이 크랙 팁과 조사 구역 사이의 거리를 결정하는데 이용될 수 있지만, 조사 구역의 중간 지점이 기준 장소로서 가장 용이하게 계속해서 결정 및 이용될 수도 있다.

크랙 팁과 조사 구역 기준 장소 사이의 거리가 계산되면, 공정 제어기(26)는 계산된 실제 거리와 설정값 거리 사이의 차이에 비례하는 에러 신호를 생성하며, 그리고 레이저 파워, 레이저 빔의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 제어하기 위해 에러 신호를 이용한다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 레이저(12)는 제어 회선(50)을 통해 공정 제어기(26)에 의해 제어될 수도 있으며, 레이저 빔 조향 장치(18)는 제어 회선(52)을 통해 제어될 수 있고, 레이저 빔 크기 및/또는 형상은 예컨대 레이저 빔 형상을 조절하는데 이용되는 렌즈의 배향을 변화시키는데 이용될 수 있는 제어 회선(54)을 통해 제어될 수 있으며, 그리고 냉각 유체(24)는 예컨대 노즐 조립체(22)의 횡단 속도를 제어하는데 이용될 수 있는 제어 라인(56)에 의해 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 노즐 조립체(22)는 냉각 유체와 조사 구역의 상대 위치가 변경될 수 있도록 장착될 수도 있다. 예컨대, 레이저 빔은 정지되어 있고 그리고 취성 재료가 레이저 빔에 상대적으로 이동되는 실시예에서, 노즐 조립체(22)는 절단 경로를 따르는 방향으로의 조사 구역과 냉각 유체 사이의 거리가 공정 제어기(26)에 의해 변경될 수 있도록 이동될 수 있다. 공정 제어기(26)에 의해 제어될 수도 있는 다른 공정 파라미터는 상기 또는 다른 제어 회선 기능을 통한 레이저 빔 및/또는 유리 기판의 조향 방향을 포함할 수 있다.

조사 구역에 대한 크랙 팁 위치를 이용하는 예시적인 피드백 루프가 도 6에 도시되어 있다. 레이저 파워, 냉각 및 레이저 절단 속도, 및 다른 공정 조건은 피드백 루프의 개입 이전에 사전설정된다. 절단 공정이 개시되면, 이미징 장치(34)는 크랙 팁의 위치를 검출하고 그리고 이미지 데이터를 저역 통과 필터를 통해 공정 제어기에 제공하는데 이용된다. 공정 제어기(26)는 컴퓨터 또는 독립형 제어 인터페이스일 수 있으며, 공정 제어기에 입력된 미리 결정된 목표 크랙 팁 위치와 크랙 팁의 위치를 비교한다. 비례 적분 미분(PID) 제어기가 본 명세서에 개시된 실시예와 함께 이용될 수도 있다. 공정 제어기(26)는, 예컨대 1) 필요에 따라 레이저 빔 파워를 조절하기 위한 레이저로의 신호를 그리고/또는 2) 필요에 따라 레이저 빔을 크랙 팁으로부터 멀어지게 또는 크랙 팁을 향해 후방으로 이동시키는 레이저 빔 조향 유닛으로의 신호를 생성 및 제공할 수도 있다. 크랙 팁이 레이저 빔에서 너무 멀리 뒤처져 있는 경우, 레이저 파워는 상향 조절될 수 있고 그리고/또는 레이저 빔은 크랙 팁을 향해 후방으로 조향될 수도 있다. 다른 한편으로, 크랙 팁이 레이저 빔의 후단(후퇴) 에지에 너무 근접하는 경우, 레이저 파워는 감소될 수 있고 그리고/또는 레이저 빔은 크랙 팁으로부터 멀어지게 조향될 수도 있다. 냉각 노즐 및 취성 재료의 표면 상의 냉각 유체의 입사 영역을 이용하여 유사한 이동을 수행할 수도 있다.

예

도 7은 피드백 제어가 없는 절단 장치의 절단 경로를 따르는 거리의 함수로서의 가열용 레이저 빔[즉, 레이저 빔(14)]의 기준 위치(조사 구역의 중간)에 대한 크랙 팁 위치의 도표이다. 도표는 크랙이 절단 경로를 따라 진행됨에 따라 크랙 팁과 기준 장소 사이의 거리가 급격하게 변동된다는 것을 보여준다. 도 8은 단지 2 밀리미터(예컨대, 수평 x축의 208 밀리미터 내지 210 밀리미터)의 전파 거리에 걸친 최대 6 밀리미터의 크랙 팁 이탈의 변동을 보여주는 도 7의 일부분의 고해상도 도표이다. 100 마이크로미터 두께의 재인출된 알루미노붕규산염 유리가 이 예에 이용되었다. Synrad에 의해 제작된 100W CO₂ 레이저인 Firestar t-100 모델이 이용되었다. 레이저 출력 파워는 40 와트였고 절단 속도는 60 밀리미터/초였다. 레이저 빔은 PRIMES에서 생산된 빔 모니터 HQ로 측정된 바에 따르면 유리 상에서 38 밀리미터 길이 x 1.5 밀리미터 폭의 세장형 형상을 가졌다. 길이 치수는 절단 경로와 평행하였다. 이 예에선 어떤 냉각 유체도 적용되지 않았다.

도 9는 피드백 개시 순간(수평 x축의 0 위치)부터 크랙 팁 진행의 함수로서 조사 구역 기준 장소(조사 구역의 중간)에 대한 크랙 팁 위치의 도표이다. 데이터는 크랙 팁의 대략 50 밀리미터 전파 이후에 일관된 크랙 팁 대 기준 장소 이탈을 보여준다. 또한, 데이터는 맨 아래에서 위쪽까지(도표의 우측에서 곡선을 참조하면) 0 밀리미터 이탈 내지 16 밀리미터 이탈을 보여준다. 이 예에서 피드백 제어는 CO₂ 레이저에 공급된 제어 전압을 변경시켜 레이저 빔의 출력 파워를 변경시킴으로써 수행되었다. 이 예에선 100 마이크로미터 두께의 재인출된 알루미노붕규산염 유리가 이용되었다. Synrad에 의해 제작된 100 와트 CO₂ 레이저인 Firestar t-100 모델이 이용되었다. 절단 속도는 40 밀리미터/초였다. 레이저 빔은 PRIMES에서 생산된 빔 모니터 HQ로 측정된 바에 따르면 유리 상에서 38 밀리미터 길이 x 1.5 밀리미터 폭의 세장형 형상을 가졌다. 크랙 팁 위치의 이미징은 도 5에 도시된 바와 같은 암시야 조명 기술을 이용하여 수행되었다. 비디오 이미지 획득은 이더넷 기반 영역 스캔 카메라(DALSA Genie HM640)를 이용하여 1000 ㎐의 프레임률에서 수행되었다. 이 예에선 어떤 냉각 유체도 적용되지 않았다.

도 10은 공정 제어기에 대한 크랙 팁 이탈 설정 입력의 함수로서의 레이저 제어 전압의 도표이다. 데이터는 크랙 팁 위치 설정(크랙 팁에서 기준 장소까지의 거리)과 상대 위치를 유지하는데 필요한 전압 사이의 대략 선형인 관계를 보여준다.

다른 예에서, 피드백 제어식 절단 방법을 이용하는 CO₂ 레이저 절단 시스템이 20 밀리미터 x 100 밀리미터의 치수와 130 마이크로미터 두께를 갖는 Corning® Willow® 유리를 절단하는데 이용되었다. 시스템은 Coherent Incorporated에 의해 제작된 CO₂ 레이저(E-150 모델)를 이용하였다. 레이저의 출력은 2.7 밀리미터 x 36 밀리미터의 치수를 갖는 타원형 형상으로 성형되었다. 유리는 기계가공된 슬롯을 갖춘 전이 스테이션 상으로 전이되었다. 슬롯 폭은 6.35 밀리미터였고 깊이는 신규 형성 유리 에지와 슬롯 바닥부의 접촉을 방지하기 위해 6.35 밀리미터였다. 레이저 절단은 슬롯 중심선을 따라 유리 기판에 대해 수행되었다. 1/8"(3.18 밀리미터)의 외경과 1/16"(1.59 밀리미터)의 내경을 갖는 냉각 공기 노즐이 레이저 빔의 중심으로부터 약 8 밀리미터 이격되어 배치되었다. 노즐을 통한 공기 유동은 약 20 분당 표준 입방 센티미터로 설정되었다. 도 5에 도시된 바와 같은 크랙 팁 이미징 시스템이 이용되었다. 이미지는 Basler Ace ACA2000-340km Camera 링크 카메라로 취득하였다. 이미지 획득률은 카메라가 미리 설정된 관심 영역으로 지향된 상태에서 2800 ㎐로 설정되었다. 크랙 팁 위치는 레이저 빔의 중심으로부터 6 밀리미터에 설정되었다.

도 11은 크랙 팁 위치의 피드백 제어 없는 상태에서 그리고 피드백 제어가 있는 상태에서 절단된 유리 기판의 샘플에 대한 메가파스칼 단위의 에지 파괴 강도의 와이블(Weibull) 도표이다. 피드백 제어 없이 절단된 총 33개의 샘플(정사각형, 좌측)이 시험되었으며 그리고 피드백 제어식 절단 방법에 따른 50개의 샘플(다이아몬드, 우측)이 시험되었다. 샘플은 두 지점 굽힘 시험에서 파괴되도록 시험되었는데, 샘플은 긴 에지(100 밀리미터 에지)가 수평 판에 수직으로 배열된 상태에서 2개의 평행 판에 수동으로 개별 부착되었다. 평행 판들 사이의 거리가 추후에 감소됨으로써, 샘플의 파괴가 야기될 때까지 100 밀리미터 에지를 따라 각각의 샘플의 굽힘 반경을 감소시켰다. 파괴 응력은 굽힘 반경 정보로부터 계산되었다. 데이터는 피드백 제어가 없는 절단에 비해 거의 400%의 에지 강도의 상승을 보여준다. 예컨대, 피드백 제어가 없는 절단은 10%의 파괴 확률에서 대략 260 메가파스칼(㎫) 에지 강도가 산출되었지만, 본 명세서에 개시된 피드백 제어를 이용하는 절단은 동일한 파괴 확률에서 대략 1000 메가파스칼의 에지 강도가 산출되었다.

다양한 변형예와 변경예가 본 개시내용의 기술사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 개시내용의 실시예에 대해 이루어질 수 있다는 것을 통상의 기술자는 알 것이다. 따라서, 본 개시내용은 그런 변경예와 변경예가 첨부된 청구범위 및 그 등가예의 범주 내에 있다면 그런 변형예와 변경예를 포함하는 것으로 의도되었다.

Claims (20)

1. 취성 재료 절단 방법이며,
   상기 취성 재료의 표면 상에 조사 구역을 형성하는 레이저 빔을 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계와,
   가열 후에 냉각 유체를 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각함으로써, 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는 단계와,
   상기 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계와,
   계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와,
   상기 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 조사 구역의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준 장소는 조사 구역의 중간 지점인, 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 설정 거리는 약 0 밀리미터 내지 약 50 밀리미터의 범위 내에 있는, 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 이하인, 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 취성 재료의 두께는 약 0.150 밀리미터 이하인, 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료는 유리 기판인, 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료는 세라믹을 포함하는, 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하는 단계는 조명원을 이용하여 크랙을 조명하는 단계를 포함하는, 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하는 단계는 크랙을 이미징하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 취성 재료 절단 방법이며,
    상기 취성 재료의 표면에 입사되는 레이저 빔을 이용하여 취성 재료의 표면 상의 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계로서, 레이저 빔은 취성 재료의 표면 상에 이동 조사 구역을 형성하는, 단계와,
    상기 취성 재료의 표면에 입사되는 냉각 유체를 이용하여 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각하는 단계로서, 냉각 유체는 이동 조사 구역보다 뒤처져 있는 냉각 구역을 생성하여 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는, 단계와,
    상기 이동 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계와,
    계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와,
    상기 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 레이저 빔의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 기준 장소는 조사 구역의 중간 지점인, 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 설정 거리는 약 0 밀리미터 내지 약 50 밀리미터의 범위 내에 있는, 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료의 두께는 약 0.3 밀리미터 이하인, 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 취성 재료의 두께는 약 0.150 밀리미터 이하인, 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료는 유리 기판인, 방법.
16. 제1항에 있어서, 상기 취성 재료는 세라믹을 포함하는, 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하는 단계는, 라인 조명을 이용하여 크랙을 조명하고 그리고 크랙의 선단 팁으로부터의 반사광을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
18. 유리 기판 절단 방법이며,
    취성 재료의 표면 상에 이동 조사 구역을 생성하는 레이저 빔을 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 가열하는 단계와,
    가열 후에 냉각 유체를 이용하여 미리 결정된 절단 경로를 따라 취성 재료를 냉각함으로써, 크랙을 절단 경로를 따라 전파시키는 단계와,
    상기 이동 조사 구역의 기준 장소에 대한 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하고 그리고 크랙 팁 위치와 기준 장소 사이의 거리를 계산하는 단계와,
    계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리를 비교하는 단계와,
    상기 계산된 거리와 미리 결정된 설정 거리 사이의 차이에 응답하여 레이저 빔의 파워, 레이저 빔의 횡단 속도 또는 냉각 유체의 횡단 속도 중의 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 유리 기판의 두께는 0.3 밀리미터 이하인, 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 크랙의 선단 팁의 위치를 검출하는 단계는, 라인 레이저를 이용하여 크랙을 조명하고 그리고 크랙의 선단 팁에서 분기점을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.

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