KR20170118935A - 레이저 손상 및 에칭에 의하여 유리 제품에서 채널의 제조방법 및 이로부터 제조되는 제품 - Google Patents
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Abstract
유리 제품을 형성하는 방법 및 대응하는 유리 제품이 제공된다. 유리 제품을 형성하는 방법은 유리 기판 시트를 제공하는 단계, 및 유리 기판 시트 상에 펄스화된 레이저 빔을 병진이동시키는 단계를 포함한다. 펄스화된 레이저는 유리 기판 시트의 제1 표면으로부터 유리 기판 시트의 중간-지점으로 확장하는 레이저 손상 영역을 형성한다. 상기 방법은 유리 기판 시트를 에칭제 용액과 접촉시키는 단계를 더욱 포함하여 레이저 손상 영역에서 채널을 형성하고, 상기 채널은 150㎛ 미만의 너비 및 깊이 치수를 갖는다. 유리 제품은 제1 표면, 제2 표면, 제1 표면으로부터 제1 표면 및 제2 표면 사이의 지점으로 확장하는 채널을 포함한다. 채널은 약 150 ㎛ 미만의 너비 및 높이 치수를 갖는다.
Description
본 개시는 일반적으로 유리 제품에서 채널을 제조하는 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 레이저 손상을 통해 채널을 생성하고 후속적으로 레이저 손상 영역을 에칭함으로써 유리 제품에서 채널을 제조하는 방법에 관한 것이다.
유리 제품은 디스플레이 장치를 덮기 위해 유리가 사용되는 전자 산업을 포함하여 다양한 산업에서 사용된다. 이러한 디스플레이 장치의 예는 액정 디스플레이 및 발광 다이오드 디스플레이, 예를 들어, 컴퓨터 모니터, 텔레비전 및 핸드헬드(handheld) 장치를 포함한다. 3-차원적 유리 제품은 그들의 미적으로 만족스러운 외관 및 촉감 때문에 점점 더 많이 사용되고 있다. 그러나, 유리는 개질 (reforming), 어닐링, 및 화학적 강화 단계 동안 치수적 변형을 갖기 때문에, 특히 성형 유리에서, 낮은 치수적 공차 (dimensional tolerances)를 충족하는 것은 쉽지 않다. 또한, 채널 (channels)과 같은 유리 제품에서 특징 (feature)을 생성하기 위해 사용된 종래의 컴퓨터 수치 제어 (computer numerical control : CNC) 기계가공 방법은, 만약 개질 단계 이전에 수행된다면, 유리제품의 표면의 굴곡 (waviness) 및 원치않는 변형을 유발할 수도 있는 불-균일한 가열을 유리 개질 동안 일으킬 것이다.
다양한 구체예에 따라, 유리제품의 형성 방법이 개시된다.
다양한 구체예에 따라, 유리제품의 형성 방법이 개시된다. 유리 제품을 형성하는 방법은 유리 기판 시트를 제공하는 단계, 및 상기 유리 기판 시트 상에 펄스화된 레이저 빔을 병진이동 (translating)시키는 단계를 포함한다. 펄스화된 레이저는 유리 기판 시트의 표면으로부터 상기 유리 기판 시트의 중간-지점으로 확장하는 레이저 손상 영역을 형성한다. 상기 방법은 유리 기판 시트를 에칭제 용액 (etchant solution)과 접촉시키는 단계를 더욱 포함하고, 상기 유리 기판 시트를 에칭제 용액과 접촉시키는 단계 이후에, 상기 레이저 손상 영역은 150 ㎛ 미만의 너비 및 깊이 치수를 갖는 채널을 형성한다.
다른 구체예에 따르면, 유리 제품이 제공된다. 유리 제품은 제1 표면, 제2 표면, 및 상기 제1 표면으로부터 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 지점으로 확장하는 적어도 하나의 채널을 포함한다. 상기 적어도 하나의 채널은 약 150 ㎛ 미만의 너비 및 높이 치수를 갖는다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 다양한 구체예들을 기재하고, 청구된 주제의 속성 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부로 병합되며 그 일부를 구성한다. 도면은 여기에 개시된 다양한 구체예를 예시하고, 발명의 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 평판 (flat) 유리 기판 시트 내에 레이저 손상 영역을 생성하기 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시하고;
도 2는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 초점화되고, 펄스화된 레이저 빔 및 평판 유리 기판 시트의 상부 사시도를 개략적으로 도시하고;
도 3은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 평판 유리 기판 시트 내의 레이저 손상 영역의 측면도를 개략적으로 도시하고;
도 4a는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 별도의 유리 웨이퍼 및 인터포저 (interposer)를 개략적으로 도시하고;
도 4b는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 조합된 유리 웨이퍼 및 인터포저를 개략적으로 도시하고;
도 5는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 인터포저의 확대도를 개략적으로 도시하고;
도 6은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 채널을 갖는 및 갖지 않는 인터포저의 세기를 그래프로 도시하고; 및
도 7은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 성형된 유리 제품을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 초점화되고, 펄스화된 레이저 빔 및 평판 유리 기판 시트의 상부 사시도를 개략적으로 도시하고;
도 3은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 평판 유리 기판 시트 내의 레이저 손상 영역의 측면도를 개략적으로 도시하고;
도 4a는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 별도의 유리 웨이퍼 및 인터포저 (interposer)를 개략적으로 도시하고;
도 4b는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 조합된 유리 웨이퍼 및 인터포저를 개략적으로 도시하고;
도 5는 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 인터포저의 확대도를 개략적으로 도시하고;
도 6은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 채널을 갖는 및 갖지 않는 인터포저의 세기를 그래프로 도시하고; 및
도 7은 여기에 기재되고 예시된 하나 이상의 구체예에 따른 성형된 유리 제품을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
이제, 유리 제품에서 특징 (features)을 형성하기 위해 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정을 사용하여 평판 유리 기판 시트로부터 유리 제품을 제조하는 방법의 구체예에 대하여 상세히 설명할 것이다. 일반적으로, 레이저 손상 영역은 원하는 유리 제품의 특징 (예를 들어, 채널, 슬롯, 등) 주위의 평판 유리 기판 시트 내에 형성된다. 구체예에 따르면, 레이저 손상 영역은, 유리 제품 또는 유리 기판 시트를 에칭제 용액에 도입하여, 침지 또는 분무와 같은 것에 의하여 에칭된다. 유리 기판 시트를 에칭하기 전에 및 레이저 손상 영역을 형성한 후에, 구체예에서, 평판 유리 기판 시트는 개질되어 하나 이상의 유리 제품의 원하는 3-차원 형상을 달성할 수 있다. 따라서, 몇몇 구체예에서, 레이저 손상 영역은 개질, 에칭, 및/또는 강화 공정 동안 평판 유리 기판 시트의 변화하는 형상에 대해 사전보상 (precompensate)하는 초기 기하학적 구조로 생성되어, 레이저 손상 영역은 개질, 에칭, 및/또는 강화 공정 이후에 원하는 기하하적 구조를 갖는다. 구체예에서, 유리 기판 시트는 그 다음에 에칭제 용액에 도입되어 특징으로부터 조각 (flakes)을 제거하고, 구체예에서, 특징의 에지를 매끄럽게 한다. 몇몇 구체예에서, 특징이 형성된 유리 제품 또는 유리 기판 시트는 이후 이온-교환 화학적 강화 공정과 같은 강화 공정에 도입될 수 있다. 평판 유리 기판 시트에서 특징을 형성하는 다양한 방법이 첨부된 도면을 구체적으로 참조하여 여기서 보다 상세히 기재될 것이다. 가능하다면, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위하여 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다. 그러나, 특징은 이하에 기재된 방법을 사용하여 다차원 및 상이한 기하학적 구조를갖는 유리에서 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
여기에 기재된 방법은 다양한 조성을 갖는 특징 유리 제품을 형성하는데 사용될 수 있지만, 몇몇 구체예에서, 평판 유리 기판 시트는 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 약 64 mol% 내지 약 68 mol% SiO2; 약 12 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 약 8 mol% 내지 약 12 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 3 mol% B2O3; 약 2 mol% 내지 약 5 mol% K2O; 약 4 mol% 내지 약 6 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 5 mol% CaO;를 포함하고, 여기서: 66 mol% ≤ SiO2 + B2O3 + CaO ≤ 69 mol%; Na2O + K2O + B2O3 + MgO + CaO + SrO > 10 mol%; 5 mol% ≤ MgO + CaO + SrO ≤ 8 mol%; (Na2O + B2O3) - Al2O3 ≥ 2 mol%; 2 mol% ≤ Na2O - Al2O3 ≤ 6 mol%; 및 4 mol% ≤ (Na2O + K2O) - Al2O3 ≤10 mol%이다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 약 60 mol% 내지 약 70 mol% SiO2; 약 6 mol% 내지 약 14 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 15 mol% B2O3; 0 mol% 내지 약 15 mol% Li2O; 0 mol% 내지 약 20 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 10 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 8 mol% MgO; 0 mol% 내지 약 10 mol% CaO; 0 mol% 내지 약 5 mol% ZrO2; 0 mol% 내지 약 1 mol% SnO2; 0 mol% 내지 약 1 mol% CeO2; 약 50 ppm 미만의 As2O3; 및 약 50 ppm 미만의 Sb2O3;를 포함하고 여기서 12 mol% ≤ Li2O + Na2O + K2O ≤ 20 mol% 및 0 mol% ≤ MgO + CaO ≤ 10 mol%이다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 SiO2 및 Na2O를 포함하고, 여기서 상기 유리는 유리가 35 킬로포아즈 (kpoise)의 점도를 갖는 온도인 T35kp 온도를 가지며, 여기서 지르콘이 파괴되어 ZrO2 및 SiO2를 형성하는 T파괴 (Tbreakdown) 온도는 T35kp보다 크다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 약 61 mol % 내지 약 75 mol% SiO2; 약 7 mol % 내지 약 15 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 9 mol % 내지 약 21 mol% Na2O; 0 mol % 내지 약 4 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 7 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 3 mol% CaO를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 적어도 50 mol% SiO2 및 알칼리 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 개질제를 포함하고, 여기서 [(Al2O3 (mol%) + B2O3 (mol%))/(Σ알칼리 금속 개질제 (mol%))] > 1이다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 50 mol% 내지 약 72 mol% SiO2; 약 9 mol% 내지 약 17 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 8 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 및 0 mol% 내지 약 4 mol% K2O를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 SiO2 및 알칼린 (alkaline) 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 개질제를 포함한다. 몇몇 구체예에서, 알칼린 금속 산화물 개질제는 MgO, CaO, SrO, BaO 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 알칼리 토 금속은 에칭제 (etchant) (예를 들어, HF)에서 다른 개질제보다 덜 용해성이며, 따라서, 알칼리 토 금속을 함유하는 유리는 느린 표면 에칭 속도를 가지며, 이것은 완성된 유리 제품의 감소된 굴곡을 가져올 수 있다고 믿어진다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 약 5 mol% 내지 약 14 mol% 알칼린(alkaline) 금속 산화물, 예를 들어 약 8 mol% 내지 약 12 mol% 알칼리 토 금속 (alkaline earth metal) 산화물을 포함한다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 50 mol% 내지 약 72 mol% SiO2; 약 9 mol% 내지 약 17 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 8 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 4 mol% K2O; 및 약 5 mol% 내지 약 14 mol% MgO + CaO + SrO를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 SiO2, Al2O3, P2O5, 및 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물 (R2O)을 포함하고, 여기서 0.75 ≤ [(P2O5(mol%) + R2O(mol%)) / M2O3 (mol%)] ≤ 1.2이고, 여기서 M2O3 = Al2O3 + B2O3이다. 몇몇 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는: 약 40 mol% 내지 약 70 mol% SiO2; 0 mol% 내지 약 28 mol% B2O3; 0 mol% 내지 약 28 mol% Al2O3; 약 1 mol% 내지 약 14 mol% P2O5; 및 약 12 mol% 내지 약 16 mol% R2O; 및, 어떤 구체예에서, 약 40 내지 약 64 mol% SiO2; 0 mol% 내지 약 8 mol% B2O3; 약 16 mol% 내지 약 28 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12% P2O5; 및 약 12 mol% 내지 약 16 mol% R2O를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 적어도 약 4 mol% P2O5를 포함하고, 여기서 (M2O3 (mol%)/RxO (mol%)) < 1이고, 여기서 M2O3 = Al2O3 + B2O3이고, 여기서 RxO는 알칼리 알루미노실리케이트 유리에서 존재하는 1가 및 2가 양이온 산화물의 합이다. 몇몇 구체예에서, 1가 및 2가 양이온 산화물은 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된다. 몇몇 구체예에서, 상기 유리는 0 mol% B2O3를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 적어도 약 50 mol% SiO2 및 적어도 약 11 mol% Na2O를 포함하고, 압축 응력은 적어도 약 900 MPa이다. 몇몇 구체예에서, 상기 유리는 Al2O3;와 B2O3, K2O, MgO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 -340 + 27.1·Al2O3 - 28.7·B2O3 + 15.6·Na2O - 61.4·K2O + 8.1·(MgO + ZnO) ≥ 0 mol%이다. 특정 구체예에서, 상기 유리는: 약 7 mol% 내지 약 26 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 9 mol% B2O3; 약 11 mol% 내지 약 25 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 2.5 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 8.5 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 1.5 mol% CaO를 포함한다.
몇몇 구체예에서, 전술한 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 리튬, 붕소, 바륨, 스트론튬, 비스무스, 안티몬, 및 비소 중 적어도 하나가 실질적으로 (substantially) 없다 (즉, 0 mol%를 함유). 다른 구체예에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 리튬, 붕소, 바륨, 스트론튬, 비스무스, 안티몬, 및 비소가 실질적으로 없다.
몇몇 구체예에서, 전술한 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 슬롯-인발, 융합 인발, 재-인발 (re-drawing) 등과 같은 통상적인 공정에 의해 다운-인발가능하고, 적어도 130 킬로포아즈의 액상 점도를 갖는다.
특정 유리 조성물이 위에서 기재되었지만, 구체예의 방법 및 유리 제품은 많은 다른 유형의 유리로부터 제조될 수 있고, 전술한 유리 조성물에 제한되지 않는다.
처음에, 도 1을 참조하면, 평판 유리 기판 시트 (130) 안으로 레이저 손상 영역을 유도하는 시스템 (120)이 개략적으로 도시되어 있다. 결합 광학계 (coupling optics) (126)에 의해 초점화되고 평판 유리 기판 시트 (130)로 향하는, 펄스화된 레이저 빔 (124)을 발생시키도록 작동 가능한 레이저 소스 (122)가 제공된다. 레이저 소스 (122)는 레이저 손상 영역을 유발할 수 있는 임의의 레이저 소스일 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 레이저 소스 (122)는 피코초 또는 나노초 펄스에서 작동되는 펄스화된 자외선 ("UV") 펄스화된 레이저 빔 (124) (예를 들어, 약 355 nm 파장)을 발생시킨다.
결합 광학계 (126)는, 평판 유리 기판 시트(130)에 대하여 원하는 위치에서 초점을 갖는 초점화된 레이저 내로 펄스화된 레이저 빔 (124)의 초점을 맞추는, 하나 이상의 렌즈로 배열 (configure)될 수 있다. 아래에서 보다 상세히 기재하는 바와 같이, 몇면 구현예에서, 결합 광학계 (126)의 초점은, 레이저 손상 영역을 평판 유리기판 시트 (130) 내에 형성하도록 제어가능하다.
펄스화된 레이저 빔 (124)은 평판 유리 기판 시트 (130) 상에서 스캔되어 원하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 배열될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 평판 유리 기판 시트 (130)는 컴퓨터-제어된 (computer-controlled) XYZ 스테이지 (미도시)에 결합되어, 평판 유리 기판 시트는 펄스화된 레이저 빔 (124)에 대하여 병진이동될 수 있다. 추가적으로, 구체예에서, 빔 스플리터 또한 (미도시)는 평판 유리 기판 시트 (130) 내에 복수의 레이저 손상 영역을 동시에 형성하기 위해, 레이저 소스 (122)에 의해 발생된 단일 레이저 빔 (124)을 복수의 레이저 빔으로 분할하도록 제공될 수 있다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 평판 유리 기판 시트 내의 직선형 레이저 손상 영역 (140)이 도시된다. 도 2는 평판 유리 기판 시트 (130) 및 결합 광학계 (126)에 의해 초점화된 펄스화된 레이저 빔 (124)의 사시도를 도시하고, 한편 도 3은 평판 유리 기판 시트 (130)의 측면도를 도시한다. 레이저 손상 영역 (140)은 평판 유리 기판 시트 (130)의 체적 (bulk) 내의 다른 깊이에서, 제1 표면 (131)과 제2 표면 (133)에서 및 그 사이에서 위치된 복수의 개별 레이저 손상 라인 (141)에 의해 한정된다. 예를 들어, 구체예에서, 레이저 손상 라인은 제1 표면 (131)으로부터 제1 표면 (131)과 제2 표면 (133) 사이의 중간-지점 (132)으로 확장할 수있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 중간-지점은 제1 표면 (131)과 제2 표면 (133) 사이의 임의의 위치를 지칭하며, 제1 표면과 제2 표면 사이의 기하학적 중간으로 제한되지 않는다. 도 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이, 개별 레이저 손상 라인 (141)은 x-축 상에 수직으로 배열된다. 각각의 개별 레이저 손상 라인 (141)은 펄스화된 레이저 빔 (124)의 하나 이상의 패스 (pass)에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저 손상 라인 (141)은 특징의 원하는 깊이와 일치하는 제2 표면 (133) (즉, 하부 표면) 위의 거리에서, 및 평판 유리 기판 시트 (130)의 제1 에지 (135)의 근처에서, 펄스화된 레이저 빔 (124)의 초점을 설정함으로써 형성될 수 있다. 그 다음, 제2 에지 (137)를 향해 거리 (d)에서 평판 유리 기판 시트 (130)에 걸쳐, 펄스화된 레이저 빔 (124)은 병진이동될 수 있다 (및/또는 평판 유리 기판 시트 (130)는 레이저에 대하여 병진이동될 수 있다). 그 다음, 펄스화된 레이저 빔 (124)의 초점 위치는, 결합 광학계 (126)를 조절하거나, 또는 평판 유리 기판 시트 (130)를 이동시켜, 평판 유리 기판시트 (130)의 제1 표면 (131)을 향해 점진적으로 이동된다. 그 다음, 제2 에지 (137)로부터 제1 에지 (135)를 향해, 또는 제1 에지 (135)로부터 제2 에지(137)를 향해, 펄스화된 레이저 빔 (124)은 유리 기판 시트에 걸쳐 다시 병진이동된다 (및/또는 평판 유리 기판 시트 (130)는 레이저에 대해 다시 병진이동될 수 있다). 상기 공정은, 펄스화된 레이저 빔 (124)이 제1 표면 (131) (즉, 상부 표면)에서 또는 그 바로 아래를 가로지름으로써, 레이저 손상 영역 (140)의 형성을 완료할 때까지 반복될 수 있다.
개별 레이저 손상 라인 (141)에 의해 형성된 미소균열 (microcrack)은 인접한 개별 레이저 손상 라인 (141)으로 확장함으로써, 미소균열 네트워크를 형성할 수 있다. 레이저 조사 공정 동안, 평판 유리 기판 시트 (130)의 제어할 수 없는 분할을 방지하기 위해, 몇몇 구체예에서, 개별 레이저 손상 라인 (141)은 유리 기판 시트의 에지 (예를 들면, 제1 및 제2 에지 (135, 137))를 접촉하지 않는다. 예를 들면, 개개의 손상 라인 (141)의 말단은 수 밀리미터 만큼 또는, 몇몇 구체예에서는, 수 백 마이크로미터 만큼, 평판 유리 기판 시트 (130)의 에지로부터 오프셋될 수 있다. 또한, 펄스화된 레이저 빔 (124)은 평판 유리 기판 시트 (130)의 제1 및 제2 표면 (131, 133) 내에 홈 (groove)을 형성하지 않도록 작동되어야 한다. 개별 레이저 손상 라인 (141) 사이의 피치 (pitch)는, 평판 유리 기판 시트 (130)가 레이저 손상 영역 (140)을 따라 조기에 균열하지 않도록 설정될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 개별 레이저 손상 라인 (141) 사이의 피치는 약 5.0 ㎛ 이하, 예를 들어, 약 1.0 ㎛ 내지 약 4.0 ㎛, 또는 약 2.0 ㎛ 내지 약 3.0 ㎛일 수 있다.
구체예에서, 레이저 소스는 약 60 kHz 내지 약 200 kHz, 예를 들어, 약 70 kHz 내지 약 190 kHz 범위의 반복 속도로 작동될 수 있다. 다른 구체예에서, 레이저 소스는 약 90 kHz 내지 약 170 kHz, 또는 약 100 kHz 내지 약 150 kHz 범위의 반복 속도로 작동될 수 있다. 레이저 소스의 출력 전력 및 결합 광학계의 초점 조정 조건은, 빔 초점의 에너지 및 세기가 평판 유리 기판 시트의 손상 임계값 (threshold)에 또는 그보다 약간 위에 있도록 해야 한다. 구체예에서, 레이저 소스의 출력 전력은 약 0.1 W 내지 약 2.0 W, 예를 들어, 약 0.5 W 내지 약 2.0 W일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 레이저 소스의 출력 전력은 약 0.75 W 내지 약 1.5 W, 예를 들어, 약 1.0 W 내지 약 1.25 W일 수 있다.
레이저 손상 영역의 선택적 에칭은 임의의 유리 두께를 갖는 유리 기판 시트로 수행될 수 있다. 그것은 컴퓨터 수치 제어 ("CNC") 및 다른 기계적 공정이 매우 낮은 수율을 갖는 더 얇은 유리 기판 시트 (예를 들어, 0.3 mm 미만)에 대하여 및 여기에 기재된 채널과 같은 작은 치수를 갖는 특징에 대하여 특히 유리할 수 있다.
본 개시의 구체예는 레이저-기록된 (laser-wriitten) 유리 기판 시트를 에칭 공정에 도입함으로써 특징으로부터 유리 조각 (flakes)을 제거하고, 특징의 에지를 매끄럽게 한다. 구체예에서, 에칭제 용액은, 에칭제 용액이 성형된 유리 기판 상에 분무되는 분무 방법에 의해, 또는 성형된 유리 기판 시트를 에칭제 용액의 욕 안으로 침지시키는 것에 의해 제공될 수 있다.에칭제를 유리 기판 시트에 적용시키기 위한 다른 공정들이 여기에 또한 포함된다는 것이 이해되어야 한다.
에칭제가 분무에 의해 적용되는 구체예에서, 분무 노즐은 약 0 진동/분 내지 약 40 진동/분, 예를 들어, 약 10 진동/분 내지 약 30 진동/분의 속도로 진동할 수 있다. 다른 구체예에서, 노즐은 약 15 진동/분 내지 약 25 진동/분의 속도로 진동할 수 있다. 노즐로부터 분무의 압력은 약 0.5 bar 내지 약 1.7 bar, 예를 들어, 약 0.75 bar 내지 약 1.5 bar일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 분무 노즐로부터 분무의 압력은 약 1.0 bar 내지 약 1.25 bar일 수 있다. 분무 노즐로부터 분무의 진동 및 압력은 깨끗한 특징이 유리 제품에서 형성되는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 진동이 너무 느리고 및/또는 노즐로부터 분무의 압력이 너무 낮으면, 에칭제는 고일 수 있고, 부정확한 특징을 초래할 수 있다. 그러나, 진동이 너무 빠르고 및/또는 노즐로부터 분무의 압력이 너무 높을 때에는, 유리 기판 시트가 너무 빨리 에칭될 수 있어, 덩어리 및 결함이 유리 표면 상에 및 특징 내에 형성되는 것을 초래할 수 있다.
어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이들 레이저 손상 영역 내의 미소균열의 존재 때문에, 에칭제 용액은 레이저 손상 영역을 에칭한다고 믿어진다. 레이저 손상 영역 및 비-손상된 영역 모두는 동시에 그러나 다른 에칭 속도로 에칭된다. 레이저 손상 영역에서 미소균열은 화학적 결합을 파괴하고, 에칭제가 유리 기판 시트 안으로 더 깊게 침투하도록 경로를 제공한다. 따라서, 레이저 손상 영역에서의 에칭 속도는 그 다음 비-손상된 영역보다 훨씬 빠르다.
에칭제 용액은 주된 에칭제로서 불산을 포함할 수 있다. 염산, 황산 및 질산과 같은 무기산은 에칭 공정을 보조할 수 있고, 에칭 속도를 가속 또는 감속시킬 뿐만 아니라 유리 제품의 표면 품질을 향상시키고 슬러지의 형성을 감소시킬 수 있다. 몇몇 구체예에서, 황산은 에칭제 용액에서 불산과 조합하여 사용된다. 몇몇 구체예에서, 에칭제 용액은 약 2 mol/L 내지 약 5 mol/L 불산 및 약 0.5 mol/L 내지 약 1.2 mol/L 황산, 예를 들어, 약 3 mol/L 불산 및 약 0.9 mol/L 황산을 포함한다.
또한, 계면활성제는 레이저 손상 영역으로 에칭제의 이동을 개선시킬 수 있기 때문에 에칭 공정에 이롭고, 에칭제 공정에 의해 생산된 부산물을 현탁 (suspend) 시킨다고 믿어진다. 비-제한적인 예로서, 계면활성제는 DuPont FS-10 일 수 있다. 다른 계면활성제도 사용될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 구체예에서, 계면활성제는 약 0.1 wt% 미만, 예를 들어, 약 0.05 wt% 미만, 또는 약 0.01 wt% 미만의 양으로 존재할 수 있다.
에칭제 용액 욕을 사용하는 구체예에서, 에칭제 용액 욕의 교반은 레이저 손상 영역의 에칭 속도 (etch rate)를 개선시킬 수 있다. 에칭제 용액 및 부산물 모두는 레이저 손상 영역 내의 미소균열의 좁은 채널을 통해 지속적으로 교환될 필요가 있다. 교반은 미소균열 내부의 물질 전달을 가속화할 수 있으며, 연속적인 에칭을 위해 레이저 손상 영역 표면을 리프레시 (refresh)할 수 있다. 초음파 교반은 에칭 시간, 표면 손실, 및 에칭비 (etch ratio)에 영향을 준다. 효과적인 교반은 레이저 손상 영역과 비-손상된 영역 사이의 에칭비를 증가시킬 수 있고, 결국, 유리 기판 시트의 표면 손실을 감소시키고 원료의 비용을 감소시킬 수 있다. 몇몇 구체예에서, 교반은 약 132 kHz 미만, 예를 들어, 약 125 kHz 미만의 주파수에서 한다. 다른 구체예에서, 교반은 100 kHz 미만, 또는 약 80 kHz 미만의 주파수에서 한다. 초음파 주파수의 감소는 각각 개개의 충격의 힘 및 스크러빙 효과를 증가시키기 때문에, 더 낮은 주파수 및 더 높은 진폭은 에칭제 및 부산물의 빠른 교환에 유리하고, 레이저 손상 영역에서 에칭 속도를 개선시킨다. 하나의 구체예에서, 초음파 교반 주파수는 약 40 kHz이다.
통상적으로 레이저 손상 영역의 원통형 균열 네트워크가 욕의 수직 이동과 수직이기 때문에, 초음파 교반과 조합하여 에칭제 용액 욕의 수직 이동은 에칭 속도를 개선시키지 않는다는 것이 밝혀졌다. 균열과 평행한 방향으로, 수직 이동의 속도는 거의 0이다. 결과적으로, 유리 기판 시트의 에칭비 및 최종 두께는, 수직 교반이 초음파 교반과 함께 적용될 때, 훨씬 더 낮아질 수 있다. 따라서, 구체예에서, 에칭 공정은 수직 교반을 포함하지 않는다.
더 높은 에칭 용액 온도는 일반적으로 에칭 속도를 증가시키고, 따라서 더 높은 에칭 용액 온도는 에칭 공정의 지속시간을 감소시키기 위해 사용될 수 있고, 또는, 반대로, 더 낮은 에칭 용액 온도는 에칭 속도를 느리게 하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 의해 레이저-손상된 영역으로부터 형성된 특징의 치수에 걸쳐서 보다 많은 제어를 허용할 수 있다. 에칭 용액의 온도가 분무 에칭 공정 동안 너무 높을 때, 산이 분무 동안 에칭 용액 밖으로 증발할 수 있다. 따라서, 구체예에서, 에칭 용액의 온도는 약 35 ℃, 예를 들어 약 30 ℃, 또는 심지어 약 25 ℃일 수 있다. 그러나, 더 높은 또는 더 낮은 온도가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 구체예에서, 에칭제 용액이 유리 기판 시트에 접촉되는 지속시간은 약 20 분 내지 약 50 분, 예를 들어, 약 25 분 내지 약 45 분일 수 있다. 다른 구체예에서, 에칭제 용액이 유리 기판 시트에 접촉되는 지속시간은 약 30 분 내지 약 40 분일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 에칭제 용액이 유리 기판 시트에 접촉되는 지속시간은 약 50 분, 예를 들어, 약 45 분, 또는 심지어 약 40 분일 수 있다. 에칭제 용액이 유리에 접촉되는 지속시간은 채널의 필요한 깊이, 에칭 농도 및 에칭 분무의 온도에 의존한다.
에칭제에 의한 유리 기판 시트의 표면 손실을 감소시키는 것으로는, 순수한 HF, 또는 HF와 무기산의 혼합물과 같은 에칭 용액에 내성인 코팅을 유리 기판 시트의 하나 이상의 표면에 적용하는 것이다. 몇몇 구체예에서, 내-산성 코팅이 선택되어, 레이저는 내-산성 코팅을 통해 통과하여 밑에 있는 유리 기판 시트에서 레이저 손상을 생성하도록 한다.
몇몇 구체예에 따르면, 내-산성 코팅은 물에 분산된 왁스 중합체 에멀젼 및 에틸렌 아크릴산을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 내-산성 코팅 조성물은 약 5 wt% 내지 약 60 wt% 고체/중합체, 예를 들어, 약 15 wt% 내지 약 46 wt% 고체/중합체를 갖는다. 왁스 중합체 및 에틸렌 아크릴산의 유형 및 양은 원하는 적용에 따라 변경될 수 있다. 내-산성 코팅은 임의의 적합한 방법에 의해 유리 기판 시트에 적용될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 내-산성 코팅은 딥 (dip) 코팅, 분무 코팅, 스핀 코팅, 또는 슬롯 코팅에 의해 유리 기판 시트에 적용될 수 있다. 일단 내-산성 코팅이 유리 기판 시트에 적용되면, 내-산성 코팅은 가열에 의해 건조될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 유리 기판 시트 상의 내-산성 코팅은 내-산성 코팅을 약 150℃ 내지 약 190℃, 예를 들어, 약 170℃의 온도로 가열하여 건조될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 건조 단계의 지속시간은 약 10 분 내지 약 40 분, 예를 들어, 약 15 분 내지 약 30 분일 수 있다. 다른 구체예에서, 건조 단계의 지속시간은 약 20 분일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 건조 단계에서의 가열은 왁스 중합체를 내-산성 코팅에서 블룸 (bloom)하게 하여 소수성 표면을 제공하는 것으로 믿어진다.
내-산성 코팅의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 예를 들어, 약 3 ㎛ 내지 약 8 ㎛일 수 있다. 내-산성 코팅은 초음파로 3 wt% Semi-Klean 용액에 의해 제거될 수 있다. 10 ㎛ 미만과 같은 내-산성 코팅의 얇은 층은 끓는 물에서 제거될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 구체예에서, 내-산성 코팅은 레이저가 내-산성 코팅을 통해 통과하여 밑에 있는 유리 기판 시트 상에 손상을 유도하는 것을 허용하도록 선택될 수 있다. 따라서, 구체예에서, 내-산성 코팅은 레이저 손상이 유도되기 전 또는 후에 적용될 수 있다. 하나의 구체예에서, 상기 코팅은, (아래에서 상세히 논의되는) 이온 교환과 같은 것에 의해 강화되었고 인듐 주석 산화물과 같은 투명 전도성 산화물 코팅을 갖는, 유리 기판 시트에 적용될 수 있다. 내-산성 코팅이 적용된 후에, 레이저 손상이, 위에서 상세히 논의된 바와 같이, 밑에 있는 유리 기판 시트에 유도될 수 있다. 그 다음, 유리 기판 시트는 에칭되고 분리될 수 있으며, 내-산성 코팅은 후속적으로 제거될 수 있다. 내-산성 코팅은 여기에 개시된 공정 내의 거의 모든 단계에서 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
몇몇 구체예에서, 유리 제품 또는 유리 기판 시트는 강화 공정에 의해 강화된다. 몇몇 구체예에서, 강화 공정은 특징이 유리 기판 시트에서 형성되기 전에 일어날 수 있다. 다른 구체예에서, 강화 공정은 특징이 유리 기판 시트에서 형성된 후에 일어날 수 있다. 유리 제품 또는 유리 기판 시트는, 유리의 표면층 내의 이온이 동일 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 대체되는, 이온 교환 공정에 의해서 화학적으로 강화될 수 있다. 하나의 특정 구체예에서, 상기 표면층 내의 이온 및 더 큰 이온은, Li+ (유리에서 존재할 때), Na+, K+, Rb+, 및 Cs+와 같은, 1가 알칼리 금속 양이온이다. 따라서, 예를 들어, 유리에 존재하는 Na+는 더 큰 K+ 이온으로 대체될 수 있다. 택일적으로, 표면층 내의 1가 양이온은 Ag+, Ti+, Cu+, 등과 같은, 알칼리 금속 양이온 이외의 1가 양이온으로 대체될 수 있다.
이온-교환 공정은 유리 제품 또는 유리 기판 시트의 표면에서 압축 응력을 생성한다. 이들 압축 응력은 유리 제품 또는 유리 기판 시트의 표면 아래의, 층의 깊이 (depth of layer (DOL))로 지칭되는, 소정의 깊이까지 확장한다. 압축 응력은, 유리 제품 또는 유리 기판 시트 내의 알짜 응력이 0이 되도록, (중심 인장이라고 지칭되는) 인장 응력의 층에 의해 균형을 이룬다. 성형된 유리 제품의 표면에서의 압축 응력의 형성은 유리를 강하게 만들고, 기계적 손상에 내성을 갖게 만들어서, 그 결과, 층의 깊이를 통해 확장하지 않는 결함 (flaw)을 위하여 성형된 유리 제품의 파손 (failure)을 경감시킨다.
하나의 구체예에서, 유리 제품 또는 유리 기판 시트가 이온 교환 욕에 놓여 있을 때, 유리 제품 또는 유리 기판 시트는, 유리의 표면 근처의 상대적으로 작은 나트륨 이온이 상대적으로 큰 칼륨 이온으로 교환되는, 이온-교환에 의해 화학적으로 강화된다. 더 큰 칼륨 이온으로 더 작은 나트륨 이온의 대체는, 압축 응력의 층이 유리 제품 또는 유리 기판 시트의 표면에서 발달하는 것을 야기한다. 압축 응력은 유리 제품 또는 유리 기판 시트의 표면 아래의 특정 층의 깊이 (압축 표면층)까지 확장한다. 압축 표면층은 상부 표면 및 하부 표면으로부터 층의 깊이까지 확장한다. 압축 표면층은 유리 제품 또는 유리 기판 시트의 중심에서 내부 장력층의 발달에 의해 균형을 이룬다.
여기에 기재된 구체예에서, 강화에 의해 성형된 유리 제품 또는 유리 기판 시트에서 발달한 층의 깊이 및 압축 응력은, 성형된 유리 제품 안으로 결함을 도입하는 위험 없이, (에지 마무리와 같은) 추가적인 공정을 또한 용이하게 하면서, 성형된 유리 제품의 손상 공차 (damage tolerance)를 개선하기에 충분하다. 하나의 구체예에서, 압축 응력은 약 200 MPa 내지 약 1000 MPa일 수 있다. 다른 구체예에서, 압축 응력은 약 500 MPa 내지 약 800 MPa일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 압축 응력은 약 650 MPa 내지 약 900 MPa일 수 있다. 하나의 구체예에서, 층의 깊이는 약 10 미크론 내지 약 80 미크론일 수 있다. 다른 구체예에서, 층의 깊이는 약 30 미크론 내지 약 60 미크론일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 층의 깊이는 약 40 미크론 내지 약 60 미크론일 수 있다.
구체예에서, 이온 교환과 같은 기타 형태의 화학적 강화가 유리 조성물과 맞지 않을 때, 에칭 공정이 강화 공정으로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 약 0.4 mm 두께보다 미만이거나 또는 약 0.3 mm 두께보다 훨씬 미만인 것과 같이 유리가 너무 얇기 때문에, 또는 유리 조성물이 이온 교환에 적합한 원소를 함유하지 않기 때문에, 이온 교환에 의해 강화될 수 없는 유리 제품 또는 유리 기판 시트에서, 에칭 공정은 유리 제품 또는 유리 기판 시트를 강화하기 위해 사용될 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 에칭 공정은 표면 결함 (defect)의 팁을 무디게 하고, 몇몇 구체예에서, 유리 제품 또는 유리 기판 시트를 약화시킬 수 있는 표면 결함의 깊이를 제거하거나 감소시킨다고 믿어진다. 구체예에서, 위에서 개시된 레이저 손상 및 에칭 방법에 의해 형성된 유리는 약 5 kg의 힘에서 약 50%의 파손율 (failure rate)을 가질 수 있거나, 또는 약 4 kg의 힘에서 약 20% 미만의 파손율을 가질 수 있다.
몇몇 구체예에서, 유리 기판 시트는 레이저 손상 및 에칭 단계 후에 강화된다 (예를 들어, 유리 제품은 강화된다). 그러나, 다른 구체예에서, 유리 기판 시트는 레이저 손상 및 에칭 단계 전에 강화될 수 있다.
유리 기판 시트가 레이저 손상 및 에칭 단계 전에 강화되는 구체예에서, 및 도 1를 참조하면, 레이저 소스 (122)는 약 60 ㎑ 내지 약 200 ㎑ 범위의 반복 속도로 작동될 수 있다. 레이저 소스 (122)의 출력 전력 및 결합 광학계 (126)의 초점 조정 조건은, 빔 초점 내의 에너지 플루언스 및 세기가 평판 유리 기판 시트의 손상 임계값에 있거나 또는 약간 위에 있어야 한다. 구체예에서, 레이저 소스 (122)의 출력 전력은 약 0.6 W이하, 예를 들어, 약 0.4 W 내지 약 0.6 W일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 레이저 소스 (122)의 출력 전력은 약 0.5 W일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 에지 조도는 0.6 W 이하의 출력 전력을 갖는 레이저 소스를 사용하여 1.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛로 감소될 수 있는 것으로 믿어진다. 특히, 에지 조도는, 약 0.4 W 내지 약 0.6 W의 레이저 소스 출력 전력에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리에서 상대적으로 일정한 것으로 보인다.
유리 기판 시트가 레이저 손상 및 에칭 단계 이후에 강화되는 구체예에서, 및 도 1을 다시 참조하면, 레이저 소스 (122)는 약 5 ㎑ 내지 약 40 ㎑ 범위, 예를 들어, 약 10 ㎑의 반복 속도로 작동될 수 있다. 구체예에서, 레이저 소스 (122)의 출력 전력은 유리 기판 시트의 압축 응력 및 두께에 따라 0.6 W 이하, 예를 들어, 약 0.1 W 내지 약 0.4 W, 예를 들어, 약 0.15 W 내지 약 0.3 W 일 수 있다. 몇몇 구체예에서, 레이저 소스 (122)의 출력 전력은 약 0.2 W 내지 약 0.25 W일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 유리 부피가 레이저 손상 영역에서 증가하도록, 레이저는 유리에서 다수의 미소-균열을 생성하는 것으로 믿어진다. 이런 팽창은 기존의 응력 패턴에서 중첩되는 (superimposed) 추가적인 압축 및 인장 응력을 형성하는 레이저-유도된 열 효과를 생성할 수 있다. 이런 추가적인 응력은 레이저 전력에 비례할 수 있고, 유리를 취약성 한계 (frangibility limit)에 더 가깝게 가져갈 수 있다. 레이저 파워가 너무 낮으면, 그것은 레이저 손상을 너무 얇게 만들고, 주변 유리에서 높은 응력에 대한 쿠션으로 작용하지 않는다. 레이저 전력이 너무 높으면, 그것은 레이저 손상에 의해 감소될 수 없는 강한 응력을 생성한다. 이들 경우 모두에서, 유리는 깨질 수 있다.
상기 구체예들 중 어느 하나에서 (즉, 유리 기판 시트가 레이저 손상 및 에칭 전에 또는 후에 강화되든지), 펄스화된 레이저 빔의 병진이동 속도는, 몇몇 구체예에서, 약 50 mm/s 내지 약 2m/s일 수 있다. 다른 구체예에서, 펄스화된 레이저의 병진이동 속도는 약 50 mm/s 내지 약 300 mm/s, 예를 들어 약 250 mm/s일 수 있다.
위에서 기재된 것들 이외의 레이저 파라미터가 레이저 손상 영역을 형성하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 레이저 펄스 에너지는, 유리 특성, 병진이동 속도, 레이저 반복 속도, 및 결합 광학계 (126)와 같은 파라미터에 따라, 5 μJ 내지 수백 마이크로줄에서 변할 수 있고, 결합 광학계 (126)는, 예를 들어, 0.15 내지 0.3 또는 그 이상의 개구수 (numerical aperture (NA))를 가질 수 있다.
몇몇 구체예에서, 전술한 레이저 손상 및 에칭은 유리 제품에서 채널을 형성하도록 사용된다. 여기에 사용된 바와 같이, 채널은 유리 기판 시트의 일 표면에서 만들어진, 유리 기판 시트의 다른, 맞은편 표면을 통해 관통하지 않는 함몰부 (depressions)이다. 채널은 임의의 형상 또는 기하학적 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다양한 구체예에서, 채너른 직선, 원형, 직사각형, 삼각형 등일 수 있다. 유리 제품에서 채널을 형성하는 것은, 예를 들어, 유체 오버플로우를 위한 저장조를 제공하고, 냉각 유체를 유리 제품을 통해 흐르게 하거나, 또는 유리 제품에 미적 디자인 요소를 제공하는 것과 같은 많은 이점을 제공할 수 있다. 그러나, 채널의 치수 (깊이 및 너비 모두)가 너무 크면, 유리 제품의 강도가 손상될 수 있다. 따라서, 구체예에서, 작은 치수를 갖는 채널이 바람직하다.
CNC 방법과 같은, 유리 제품에서 채널을 형성하기 위한 통상적인 방법은, CNC 기계의 물리적 속성에 의해 제한되기 때문에, 작은 치수를 갖는 채널을 형성하는 것이 어렵다. 예를 들어, 유리 제품에서 채널의 너비는 CNC에서 스크라이빙 (scribing) 메카니즘의 치수에 의해 제한되며, 반복된 사용을 통해서와 같이, 스크라이빙 메카니즘이 마모되면서, CNC 기계에 의해 형성될 수 있는 채널의 치수는 증가된다.
여기에 개시된 레이저 손상 및 에칭 방법을 사용하여 채널이 형성되는 구체예에서, 채널의 치수는 작게 남아 있고, 매우 좁은 공차 내에서 제어될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 여기에 개시된 레이저 손상 및 에칭 공정을 사용하여 형성된 채널은 약 150 ㎛ 미만, 예를 들어, 약 100 ㎛ 미만, 또는 약 75 ㎛ 미만의 치수 (너비 및 깊이)를 가질 수 있다. 구체예에서, 채널의 너비는 약 45 ㎛ 내지 약 125 ㎛, 예를 들어, 약 40 ㎛ 내지 약 120 ㎛일 수 있다. 다른 구체예에서, 채널의 너비는 약 45 ㎛ 내지 약 115 ㎛, 예를 들어,약 50 ㎛ 내지 약 110 ㎛일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 채널의 너비는 약 55 ㎛ 내지 약 105 ㎛, 예를 들어, 약 60 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 유사하게, 구체예에서, 채널의 깊이는 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 예를 들어, 약 35 ㎛ 내지 약 95 ㎛일 수 있다. 다른 구체예에서, 채널의 깊이는 약 40 ㎛ 내지 약 90 ㎛, 예를 들어, 약 45 ㎛ 내지 약 85 ㎛일 수 있다. 채널의 길이는 유리의 한 에지 표면으로부터 유리의 또 다른, 반대편 표면으로 확장할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
여기에 개시된 레이저 손상 및 에칭 공정은 매우 좁은 공차 내에서 상기 치수 (너비 및 깊이)를 또한 제공할 수 있다. 구체예에서, 채널의 너비 및 깊이는 약 ±35 ㎛ 미만, 예를 들어, 약 ±30 ㎛ 미만의 공차를 갖는다. 다른 구체예에서, 채널의 너비 및 깊이는 약 ±25 ㎛ 미만, 예를 들어, 약 ±20 ㎛ 미만의 공차를 갖는다. 따라서, 구체예에서, 채널의 너비 및 깊이는 약 ±10 ㎛ 내지 약 ±35 ㎛, 예를 들어, 약 ±15 ㎛ 내지 약 ±30 ㎛의 공차를 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 채널의 너비 및 깊이는 약 ±20 ㎛ 내지 약 ±25 ㎛, 예를 들어, 약 ±20 ㎛의 공차를 가질 수 있다.
구체예에서, 유리 제품은 마이크로전자기계 시스템 (microelectromechanical system (MEMS))에서의 사용을 위한 것과 같이, 인터포저 (interposer)로서 형성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 도 4a를 참조하면, 유리 웨이퍼 (410)는 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있고, 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 도 4a에서 도시된 유리 웨이퍼 (410)는 원형이지만, 유리 웨이퍼는 임의의 형상을 가질 수 있다. 반사방지 코팅은 특별히 제한되지 않으며, 구체예에서, 질화티타늄 또는 질화니오븀일 수 있고, 분무 코팅, 딥 코팅, 또는 수동 적용방법과 같은 임의의 적합한 방법에 의해 적용될 수 있다. 또한, 유리 웨이퍼 (410)는 예를 들어, 도 4a에서 나타낸 바와 같이 격자 패턴 (415)으로 패턴화될 수 있다. 격자 패턴 (415)은 에폭시, 우레탄, 및 폴리이미드와 같은 접착제로 형성될 수 있다. MEMS를 형성하기 위해, 인터포저 (420)가 형성될 수 있다. 도 4a에서 나타낸 바와 같이, 인터포저 (420)는 CNC 방법에 의해 또는 미국 특허 공보 제2014/0147624호에 개시된 레이저 손상 및 에칭 방법에 의해 형성된 관통 홀 (425)을 패턴화할 수 있고, 미국 특허 공보 제2014/0147624호는 참조로서 여기에 그 전체가 혼입된다. 관통 홀 (425)이 레이저 손상 및 에칭 공정에 의해 형성된 구체예에서, 채널 (427)에 해당하는 레이저 손상 영역은 관통 홀 (425)을 형성하는 것과 함께 형성될 수 있다. 예를 들어, 구체예에서, 레이저는 유리 기판 시트에서 관통 홀 (425)을 절단하기 위해 사용될 수 있고, 동일한 레이저가 유리 기판 시트의 일부를 횡단함으로써 채널 (427)에 해당하는 레이저 손상 영역을 형성하기 위해 사용될 수 있으며, 여기서 채널 (427)은, 관통 홀 (425)이 형성되는 유리 기판 시트의 일부보다 더 적은 레이저 패스로 형성될 수 있다. 예를 들어, 만약 X 넘버의 레이저 패스가 관통 홀 (425)에 해당하는 레이저 손상 영역을 형성하기 위해 요구된다면, 0.3X 패스가 채널 (427)에 해당하는 손상 영역을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 후속적으로, 동일한 에칭 공정이 최종 관통 홀 (425) 및 채널 (427)을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 4a에서 나타낸 관통 홀 (425)은 직사각형이고 유리 웨이퍼 (410) 상에 형성된 격자 패턴 (415)에 해당하여, 인터포저 (420)는 인터포저 (420)를, 도 4b에서 나타낸 바와 같이 MEMS 홀더 (430)을 형성하기 위해 접착제를 포함할 수 있는, 유리 웨이퍼 (410)와 접촉시킴으로써 유리 웨이퍼 (410)에 접착될 수 있다. 이제, 도 4a로부터 오려낸 A의 확대도를 도시하는, 도 5를 참조하면, 관통 홀 (425)에 더하여, 인터포저는 채널 (427)을 포함할 수 있다. 채널 (427)은 유리 웨이퍼 (410)의 격자 패턴 (415)에 접촉되는 인터포저의 사이드에서 형성됨으로써, 인터포저 (420)가 유리 웨이퍼 (410)에 접촉될 때, 유리 웨이퍼 (410)의 격자 패턴 (415)을 형성하는 과잉의 접착제는 채널 (427)을 채울 수 있다. 그렇게 함으로써, 유리 웨이퍼 (410)와 인터포저 (420)의 균일한 접촉이 용이해지면서, 또한 접착제가 인터포저의 관통 홀 (425)로 스며드는 것을 방지한다. 예를 들어, 도 5에서 나타낸 구체예에서, 인터포저 (420)의 각각의 수직으로 연장된 부분 (428)은 인터포저 (420)의 수직으로 연장된 부분 (428)으로 형성된 두 개의 채널 (427)을 가짐으로써, 채널 (427)은 관통 홀 (425)의 각각의 수직 컬럼 사이에 있다. 일단 유리 웨이퍼 (410) 및 인터포저 (420)가 접착되면, 도 4b에서 나타낸 바와 같이, MEMS는 인터포저 (420) 내의 관통 홀 (425) 안으로 삽입되어, 최종 제품에서 사용하기 적합한 장치를 형성할 수 있다.
여기에 개시된 채널 치수로 채널 (427)을 인터포저 (420)에서 형성함으로써, 채널의 존재는 인터포저의 강도에 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 도 6은 채널을 갖는 인터포저의 파손율 (퍼센트로) 및 채널을 갖지 않는 인터포저의 파손율 (퍼센트로)을 그래프로 나타낸다. 도 6에서 나타낸 인터포저의 채널 깊이 및 너비는 모두 30 ㎛ 내지 100 ㎛이다. 도 6에서, 퍼센트 파손은 y-축에서 제공되고, 힘은 MPa로 나타낸다. 채널을 갖지 않는 인터포저는 원으로 나타내어지고, 채널을 갖는 인터포저는 사각형으로 나타내어진다. 도 6의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 낮은 힘에서, 채널을 갖는 인터포저는 더 낮은 파손율을 갖는다. 예를 들어, 채널을 갖는 인터포저는 약 40 MPa에서 약 5%의 파손율을 갖고, 반면에 채널을 갖지 않는 인터포저는 약 27 MPa에서 약 5%의 파손율을 갖는다. 더 높은 힘 (예를 들어, 40 MPa 초과하는 힘)에서, 채널을 갖는 인터포저 및 채널을 갖지 않는 인터포저는 비슷한 (comparable) 파손율을 갖는다. 따라서, 인터포저의 강도는 더 낮은 힘에서 채널을 가짐으로써 향상되고, 더 높은 힘에서는 채널을 가진다고 해서 현저히 영향을 받지는 않는다.
몇몇 구체예에서, 전술한 레이저 손상 에칭 공정에 의해 형성된 홀 및/또는 특징을 포함하는 평판 유리 기판 시트는 추가적인 재성형 (reshaping) 없이 최종 제품에서 사용된다. 그러나, 아래에서 상세히 논의되는 다른 구체예에서, 레이저 손상 및 에칭 공정은, 성형된 유리 제품으로의 평판 유리 기판 시트를 후속 성형하는 것에 대한 사전-보상을 하기 위하여, 평판 유리 기판 시트 상에 수행된다.
이제 도 7을 참조하면, 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정에 의해 평판 유리 기판 시트로부터 유리 제품을 제조하는 흐름도가 나타나 있다. 먼저 도 7의 흐름도가 개괄적으로 기재될 것이고, 그 다음에 각각의 공정이 좀더 상세히 기재될 것이다. 블록 110에서, 레이저는 평판 유리 기판 시트에서 레이저 손상 영역을 유도하기 위해 사용된다. 레이저 손상 영역은 유리 기판 시트의 중간-지점으로부터 유리 기판 시트의 제2 표면으로 확장하고, 레이저-유도된 미소균열, 분광 결함, 및 이와 유사한 것에 의해 한정된다. 레이저 손상 영역은 블록 (113)의 에칭 공정 동안 비-손상된 영역과 비교하여 에칭된다.
구체예에서, 레이저 손상 영역은 블록 (111)에서의 개질 공정 동안 및/또는 에칭 공정 (113) 동안 평판 유리 기판 시트의 변형에 대해 사전보상하는 초기 기하학적 구조를 갖는다. 따라서, 특정 레이저 손상 영역의 초기 기하학적 구조는 성형된 유리 제품의 특징의 원하는 기하학적 구조와 다를 수 있다. 예를 들어, 에칭 전의 레이저 손상 영역의 너비 및 깊이는 에칭 후에 레이저 손상된 영역으로부터 형성된 채널의 너비 및 깊이보다 작을 수 있다. 다른 구체예에서, 유리 제품에서 채널을 제공하도록 의도된 특정 레이저 손상 영역은 곡선을 포함하는 초기 기하학적 구조를 가질 수 있으며; 그러나, 개질 및/또는 에칭 공정 다음에, 레이저 손상 영역은 형상을 직선으로 변화시킨다.
블록 (111)에서, 평판 유리 기판 시트는 개질 공정에 의해 선택적으로 개질된다. 개질 공정은 하나 이상의 성형된 유리 제품을 한정하기 위해 평판 유리 기판 시트를 3-차원적으로 개질 (reforming)할 수 있는 임의의 공정일 수 있다. 이러한 개질 공정은, 프레스 몰딩, 중력 새깅 (gravity sagging), 가압 성형 (pressure forming), 및 국부적인 가열 및 굽힘 (bending)을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 많은 적용에서, 개질 공정은 성형된 유리 제품의 곡선화된 둘레 영역을 생성한다. 예를 들어, 덮개 유리의 곡선화된 둘레 영역은 최종 사용자를 미적으로 기쁘게할 수 있다. 전술한 바와 같이, 유리가 원하는 형상으로 개질됨에 따라, 레이저 손상 영역의 초기 기하학적 구조는 원하는 기하학적 구조로 변한다. 유리 기판 시트 제조 공정 및/또는 개질 공정 동안 발달된 내부 응력을 제거하기 위해, 성형된 유리 기판 시트는 그 다음에 블록 (112)에서 어닐링 공정에 의해 어닐링될 수 있다. 어닐링 공정은 임의의 알려진 또는 아직은 개발되지 않은 어닐링 공정일 수 있다.
블록 (113)에서, 비-손상된 영역을 최소한으로 에칭하면서, 레이저 손상 영역을 우선적으로 에칭하기 위하여, 개질된 유리 기판 시트는 에칭제 용액에 도입된다. 에칭제 용액이 개질된 유리 기판 시트의 남아있는 비-손상 영역보다 레이저 손상 영역을 훨씬 더 효율적으로 에칭하기 때문에, 에칭은 상당한 양의 표면층을 제거하지 않고 레이저 손상된 영역의 에지를 매끄럽게 하고 조각을 제거한다. 몇몇 구체예에서, 불산은 염산, 황산 및/또는 질산과 같은 무기산을 또한 포함하는 에칭제 용액의 주된 에칭제이다. 더 상세하게 전술한 바와 같이, 에칭제 용액 및 에칭 공정은 에칭 시간을 감소시키고, 표면 굴곡을 감소시키고, 표면 조도를 감소시키고, 슬러지를 최소화하고, 두께 감소를 최소화하도록 제어될 수있다.
다음으로, 블록 (114)에서, 분리된 성형된 유리제품은 강화 공정에 의해 선택적으로 강화될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 성형된 유리 제품은 이온-교환 화학적 강화 공정에 의해 강화될 수 있다. 더 상세하게 전술한 바와 같이, 성형된 유리 제품의 표면층 내의 이온은 동일 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 대체됨으로써, 성형된 유리 제품의 각각의 표면 상에 압축 표면층을 형성한다. 압축 표면층은 스크래치에 저항할 수 있고, 성형된 유리 제품에 추가적인 강화를 제공할 수 있다.
블록 (115)에서, 에지 마감하기, 터치-감지층 (예를 들어, 인듐 주석 산화물층), 반사방지층, 및 이와 유사한 것을 적용하기와 같은, 추가적인 공정이 강화되고 성형된 유리 제품에 적용될 수 있다.
이제, 여기에 개시된 구현예는 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정을 사용하여 평판 유리 기판 시트로부터 유리 제품에서 채널을 제조하는 방법에 관한 것이라는 것이 이해되어야 한다. 레이저 손상 영역은 평판 유리 기판 시트 내에 형성되어 하나 이상의 원하는 유리 제품에서 채널을 형성한다. 평판 유리 기판 시트는 하나 이상의 유리 제품의 원하는 3-차원 형상을 달성하기 위해 개질될 수 있다. 레이저 손상 영역은, 레이저 손상 영역이 개질 공정 후에 원하는 기하학적 구조를 갖도록, 개질 공정 동안 평판 유리 기판 시트의 변화하는 형상에 대해 사전 보상하는 초기 기하학적 구조로 형성된다. 에칭 동안, 유리 기판 시트가 에칭제 용액에 도입될 때, 레이저 손상 영역은 비-손상 영역에 대해 우선적으로 에칭된다. CNC 가공과 비교하여, 레이저 손상 영역의 선택적인 에칭은 더 작고, 더 정밀하게 성형된 채널의 결과를 가져온다.
용어 "실질적으로 (substantially)" 및 "약 (about)"은 어떤 정량적 비교, 값, 측정, 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 고유한 정도의 불확실성을 나타내기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 이들 용어는 또한 정량적인 표현이 문제에서 주제의 기본 기능에서 변화를 초래하지 않고 명시된 기준으로부터 변할 수 있는 정도를 나타내기 위해 여기에 활용된다.
특정 구체예들이 여기에 예시되고 기재되어 있지만, 청구된 주제의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고, 다양한 다른 변화 및 변경이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 청구된 주제의 다양한 관점이 여기에 기재되어 있지만, 그와 같은 관점이 조합하여 사용될 필요는 없다. 그러므로 첨부된 청구항은 청구된 주제의 범주 내에 있는 그러한 모든 변화 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (22)
- 유리 제품을 형성하는 방법이며,
유리 기판 시트를 제공하는 단계;
상기 유리 기판 시트의 표면으로부터 상기 유리 기판 시트의 중간-지점으로 확장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리 기판 시트 상에 펄스화된 레이저 빔을 병진이동 (translating)시키는 단계; 및
상기 유리 기판 시트를 에칭제 용액과 접촉시키는 단계를 포함하고,
여기서 상기 유리 기판 시트를 에칭제 용액과 접촉시키는 단계 이후에, 상기 레이저 손상 영역은 150 ㎛ 미만의 너비 및 깊이 치수를 갖는 채널을 형성하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 채널은 약 25 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 너비를 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 채널은 약 25 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 깊이를 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 채널은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 너비 및 깊이를 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널의 너비 및 깊이 치수의 공차 (tolerance)는 약 ± 35 ㎛ 미만인 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널의 너비 및 깊이 치수의 공차는 약 ± 30 ㎛ 미만인 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 유리 기판 시트를 화학적으로 강화시키는 단계를 더욱 포함하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 유리 기판 시트는 상기 펄스화된 레이저 빔이 상기 유리 기판 시트 상에서 병진이동되기 전에 강화되고, 여기서 상기 펄스화된 레이저는 약 0.1W 내지 약 0.4W의 전력을 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 유리 기판 시트는 상기 펄스화된 레이저 빔이 상기 유리 기판 시트 상에서 병진이동된 후에 강화되고, 여기서 상기 펄스화된 레이저는 약 0.4W 내지 약 0.6W의 전력을 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스화된 레이저 빔이 유리 기판 시트 상에서 병진이동되기 전에, 내산성 (acid-resistant) 코팅이 유리 기판 시트에 적용되고,
상기 에칭제 용액이 유리 기판 시트에 적용된 후에 상기 내산성 코팅은 유리 기판 시트로부터 제거되는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판 시트는 약 5 mol% 내지 약 14 mol%의 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 손상 영역은 유리 기판 시트의 에지와 접촉하지 않는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에칭제 용액을 유리 기판 시트에 접촉시키는 단계는 에칭제 용액으로 유리 기판 시트에 분무하는 단계를 포함하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에칭제 용액을 유리 기판 시트에 접촉시키는 단계는 에칭제 용액의 욕에서 유리 기판 시트를 침지시키는 단계를 포함하고,
상기 에칭제 용액의 욕의 온도는 약 30 ℃ 미만이고,
상기 에칭제 용액의 욕은, 레이저 손상 영역에 대하여 유리 기판 시트의 일부가 실질적으로 제거될 때까지, 약 40 kHz의 초음파 교반 주파수로 교반됨으로써, 유리 제품을 형성하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스화된 레이저 빔은 자외선 스펙트럼의 파장 및 약 0.1W 내지 약 2.0W의 전력을 갖는 유리 제품을 형성하는 방법. - 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에칭제 용액은 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 황산을 포함하는 유리 제품을 형성하는 방법. - 제1 표면;
제2 표면; 및
상기 제1 표면으로부터 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 사이의 지점으로 확장하는 적어도 하나의 채널을 포함하고,
여기서 상기 적어도 하나의 채널은 약 150 ㎛ 미만의 너비 및 높이 치수를 갖는 유리 제품. - 청구항 17에 있어서,
상기 채널은 약 25 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 너비를 갖는 유리 제품. - 청구항 17에 있어서,
상기 채널은 약 25 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 깊이를 갖는 유리 제품. - 청구항 17에 있어서,
상기 채널은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 너비 및 깊이 치수를 갖는 유리 제품. - 청구항 17 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널의 너비 및 깊이 치수의 공차는 약 ± 35 ㎛ 미만인 유리 제품. - 청구항 17 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 제품은:
반사 방지 코팅을 갖는 표면을 포함하는 유리 웨이퍼; 및
상기 반사 방지 코팅을 포함하는 유리 웨이퍼의 표면에 부착된 인터포저 (interposer)를 포함하고, 상기 인터포저는 복수의 관통 구멍을 포함하며, 여기서
상기 적어도 하나의 채널은, 채널이 각각의 열 (column)의 관통 구멍 사이에서 확장하도록, 배열된 복수의 채널인 유리 제품.
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