KR20190003766A

KR20190003766A - 사파이어 절단 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20190003766A
Application number: KR1020187035592A
Authority: KR
Inventors: 슈에루이 유안; 시아오준 장; 링티안 디아오; 유구오 펭; 지안강 루; 시아오 리우; 구오동 마; 지안강 탕; 지안강 인; 윤펭 가오
Original assignee: 한스 레이저 테크놀러지 인더스트리 그룹 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2019-01-09
Also published as: EP3470166A1; JP2019513558A; EP3470166B1; US10981251B2; WO2017210899A1; US20190118306A1; CN106102986A; EP3470166A4; JP6705014B2; CN106102986B

Abstract

사파이어를 절단하는 방법에 관한 것으로, 사파이어는 사파이어 본체와 사파이어 상에 형성된 코팅층을 포함하고, 절단 방법은: 제1 경로를 따라 연장된 소정의 두께의 코팅층을 제거하도록 제1 CO₂ 레이저 빔은 CO₂ 포커싱 구성 요소을 통해 코팅층에 집속되는 단계; 코팅층을 제거하는 동시에, 코팅 제거 과정에서 나오는 먼지 및 쇄설을 제거하는 단계; 초고속 레이저 빔은 광학거리 형성 부품을 통해 사파이어 본체 상에 집속되어 사파이어를 관통하는 제2 경로를 따라 분포된 복수의 구조 조정 채널을 형성하는 단계; 사파이어를 구조 조정 채널에 따라 분할되도록, 제2 CO₂ 레이저 빔의 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 사파이어 본체 상의 스캔 경로가 제2 경로와 겹쳐지거나 제2경로에서 이탈하하는 단계를 포함한다.

Description

사파이어 절단 방법 및 그 장치

본 발명은 사파이어를 절단하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

사파이어는 높은 경도, 내스크래치성, 고온 내성 및 우수한 화학적 안정성 등 특징으로 인해 정밀 기기의 창, 정밀 부품 및 LED(Light Emitting Diode，발광 다이오드)의 기판으로 사용된다. 최근 몇 년 동안 소비 분야에 속하는 전자 제품 시장의 급속한 발전으로 소비 분야에 속하는 전저 제품 시장에서 사파이어의 사용이 급격하게 늘어나는 추세이다. 휴대폰 스크린, 카메라, 백 버튼 및 지문 인식 모듈 등의 유리 소재는 점차 사파이어로 대체되고 있다.

통상적인 사파이어 처리 공정은 사파이어의 베어 시트를 가공 한 후 다른 코팅 공정을 거치기 때문에 사파이어의 가공 공정이 번거롭고 효율이 보다 낮다. 시장 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 사파이어의 가공에서는 코팅층을 갖는 사파이어 복합재료에 대한 직접적인 가공 처리가 점차 나타나기 시작했다. 그러나, 일반적으로 코팅층을 갖는 사파이어 복합재료에 대한 직접 가공 후, 코팅층의 손상 영역이 큰 문제점이 존재한다.

이를 감안하여, 본 발면은 코팅층의 손상 영역이 작은 사파이어를 절단하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

사파이어 본체와 그 본체 상에 형성된 코팅을 포함하는 사파이어를 절단하는 방법에 관한 것으로서,

제1 경로를 따라 연장된 소정 두께의 코팅층을 제거하도록 제1 CO₂ 레이저 빔을 CO₂ 포커싱 구성 요소를 통해 상기 코팅층 상에 집속시키고, 상기 코팅층을 제거하는 동시에, 코팅층 제거 과정에서 생성되는 먼지 및 쇄설을 제거하는 단계;

상기 사파이어를 관통하는 복수개의 제2경로를 따라 분포된 구조 조정 채널을 형성하도록 초고속 레이저 빔을 광로 형성 구성 요소를 통해 상기 사파이어 본체 상에 집속시키고, 상기 제1 경로는 상기 제2 경로와 서로 겹치는 단계; 및

제2 CO₂ 레이저 빔은 검류계 포커싱 구성 요소를 통해 상기 사파이어 본체를 스캔하고, 상기 사파이어를 상기 구조 조정 채널에 따라 분할되도록 상기 제2 CO₂ 레이저 빔의 상기 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 상기 사파이어 본체 상의 스캔 경로가 상기 제2 경로와 겹쳐지거나 상기 제2경로에서 이탈하는 단계를 포함한다.

사파이어 절단용 장치에 관한 것으로서,

제1 CO₂ 레이저 빔을 생성하는 제1 CO₂ 레이저;

상기 제1 CO₂ 레이저 상에 설치되어, 제1 경로에 따라 연장된 소정 두께의 상기 코팅층을 제거하도록 상기 제1 CO₂ 레이저 빔을 상기 코팅층 상에 집속시키는 CO₂ 포커싱 구성 요소;

상기CO₂ 포커싱 구성 요소 상에 설치되어, 코팅층을 제거하는 동안 형성되는 먼지 및 쇄설을 날려버리기 위한 송풍 구성 요소;

상기 먼지 및 상기 쇄설을 추출하는 먼지 추출 구성 요소;

초고속 레이저 빔을 생성하는 초고속 레이저;

상기 초고속 레이저 상에 설치되어, 상기 사파이어를 관통하는 복수의 제2경로를 따라 분포된 구조 조정 채널을 형성하도록 상기 초고속 레이저 빔을 상기 사파이어 본체 상에 집속하기 위한 광로 형성 구성 요소;

제2 CO₂ 레이저 빔을 생성하는 제2 CO₂ 레이저; 및

상기 제2 CO₂ 레이저 상에 설치되어, 상기 사파이어를 상기 구조 조정 채널에 따라 분할되도록 상기 제2 CO₂ 레이저 빔을 이용하여 상기 사파이어 본체을 스캔하기 위한 검류계 포커싱 구성 요소를 포함한다.

본 발명의 실시예 또는 종래 기술의 기술적 방법을 보다 명확히 설명하기 위해, 이하에서 실시예 또는 종래 기술의 설명에 사용된 도면을 간단하게 설명하며, 이하의 도면은 단지 본 발명의 일부 실시예일 뿐이고, 당업자는 임의의 창조적인 작업없이 하기 도면에 따라 다른 도면을 얻을 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 사파이어의 단면도이다;
도2는 도1에 제시된 사파이어를 절단하는 방법의 흐름도이다;
도3은 도2에 제시된 방법에 따른 코팅층 제거를 도시하는 도면이다;
도4은 도3에 제시된 코팅층 제거 과정을 도시하는 도면이다;
도5은 도2에 제시된 방법에 따른 사파이어를 절단하는 것을 도시하는 도면이다;
도6은 도5에 제시된 사파이어를 절단하는 것에 따른 복수의 구조 조정 채널의 제2 경로를 따른 분포을 도시하는 도면이다;
도7은 도5에 제시된 사파이어를 절단하는 것에 따른 포커싱 스팟 에너지 밀도-스팟의 초점 심도의 관계도이다;
도8은 도5에 제시된 사파이어를 절단하는 것에 따른 사파이어 내부에서 복수의 구조 조정 채널의 분포를 도시하는 도면이다;
도9는 도2에 제시된 방법에 따른 사파이어를 분리하는 것을 도시하는 도면이다;
도10은 도9에 제시된 사파이어를 분리하는 것에 따른 포커싱 스팟은 구조 조정 채널에서 일탈하는 것을 도시하는 도면이다;
도11은 도1에 제시된 사파이어를 절단하는 방법에 따른 다른 하나의 흐름도이다;
도 12는 도1에 제시된 사파이어를 절단하는 방법에 따른 또 다른 하나의 흐름도이다; 및
도13은 도2에 제시된 방법에 따라 가공된 사파이어의 효과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 첨부된 도면을 참조하여사파이어 절단 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다. 사파이어 절단 방법 및 장치의 바람직한 실시예가 도면에 제시되어 있다. 그러나, 사파이어 절단 방법 및 장치는 본 명세서에 기재된 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 많은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 오히려, 이들 실시예는 사파이어 절단 방법 및 장치의 공개 내용이 철저하게 완전하게 이루어질 수 있도록 제공된다.

달리 특정되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술자에게 흔히 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서 사용되는 용어는 특정 실시형태를 기술할 목적만을 위한 것이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기서 사용되는 용어 “및/또는”은 관련 열거된 항목들 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

도1에서, 일 실시예의 사파이어(10)를 절단하는 방법을 도시하고 사파이어(10)는 코팅층(100) 및 사파이어 본체(200)를 포함하며, 사파이어 본체(200) 상에 코팅층(100)을 형성한다. 본 실시예에서, 사파이어(10)는 시트 형태를 갖는다. 사파이어(10)는 코팅층(100) 및 사파이어 본체(200)를 포함한다. 구체적으로, 사파이어 본체(200)는 기판이고, 사파이어 본체(200) 상에는 하나 또는 하나 이상의 코팅층(100)이 도금되고, 즉 코팅층(100)과 사파이어 본체(200)는사파이어(10)의 양측면에 각각 위치된다.

도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 사파이어를 절단하는 방법은 하기 단계를 포함한다.

S402단계: 제1 경로(미도시)를 따라 연장된 소정 두께의 코팅층(100)을 제거하도록 제1 CO₂ 레이저 빔(32)을 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)을 통해 사파이어(10)의 일측 면에 도포된 코팅층 상에 집속시킨다. 도4를 참조하면, 코팅층(100)을 제거하는 동시에, 코팅 제거 과정에서 형성되는 먼지 및 쇄설을 제거한다.

본 실시예에서, 도3에 도시된 바와 같이, 코팅층(100)으로 도금된 사파이어(10)의 한측은 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)의 하부에 위치한 가공 스테이지(미도시) 상에 설치되어, 코팅층(100)의 표면을 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)와 마주하도록 한다. 제 1 CO₂ 레이저 빔(32)은 CO₂ 포커싱 구성 요소(20) 의 상부에 위치된 제1 CO₂ 레이저(30)에 의해 생성된다. 송풍 구성 요소(22)은 CO₂ 포커싱 구성 요소(20) 상에 설치되고, 송풍 구성 요소 (22)에서 나오는 기체는 압축된 기체이다. 송풍 구성 요소(22)는 가공 표면에 생성되는 고온의 먼지와 쇄설을 날려버리도록 사용한다. 먼지 추출 구성 요소(40)은 가공 스테이지 상에 설치되고, 가공 표면 주위의 먼지 및 쇄설을 추출하도록 사용한다.

또한, 도4를 참조하면, 제1 CO₂ 레이저(30)가 작동할 때, 송풍 구성 요소 (22)와 먼지 추출 구성 요소(40)은 동시에 작동되며, 즉 제1 CO₂ 레이저 빔(32)이 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)을 통해 코팅층(100) 상에서 집속될 때, 송풍 구성 요소(22)와 먼지 추출 구성 요소는 동시에 작동되여 먼지 및 쇄설을 제거하여, 고온의 먼지와 쇄설이 코팅층(100)의 표면에 떨어져 코팅층(100)을 오염시키거나 태우는 것을 방지한다. 도4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, CO₂ 포커싱 구성 요소(20)는 송풍 구성 요소(22)와 동축으로 형성되어, 송풍 구성 요소(22)가 표면 가공 시 생성되는 먼지 및 쇄설을 보다 잘 날려버릴 수 있다. 제1 경로는 코팅층(100)의 절단 경로이고, 즉 코팅층(100)을 제거하는 경로이다.

일 실시예에서, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)이 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)에 의해 코팅층(100)에 집속되는 스팟은 가우시안 스팟 또는 플랫 탑 스팟(Flat top spot) 또는 M형 스팟이다. 일 실시예에서, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)이 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)에 의해 코팅층(100)에 집속되는 스팟들의 중첩율은 50%~90%이기에, 코팅층(100)을 보다 잘 제거할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)이 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)에 의해 코팅층(100)에 집속되는 스팟은 소정 두께의 코팅층(100)을 제거할 수 있다.

본 실시예에서, 제1 CO₂ 레이저(30)는 펄스 레이저이다. 제1 CO₂ 레이저 빔(32)의 출력은 10W~200W이고, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)의 주파수는 1KHz~20KHz이고, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)의 속도는 10mm/s~300mm/s이고, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)의 스팟 직경은 2㎛~100㎛이다. 합리적인 CO2 레이저 빔의 파라미터를 선택함으로써, 코팅층(100)에 집속되는 CO₂ 레이저의 에너지 밀도가 사파이어 본체(200)의 손상 역치(F_th)보다 작도록 하여, 소정 두께의 코팅 (100)를 효과적으로 제거할 수 있게 한다. 펄스 레이저인 경우, 두 개의 연속적인 펄스의 간격을 중첩량 또는 펄스 간격이라 칭한다. 하기에서 펄스 중첩비(중첩율)의 공식을 나타낸다.

공식에서, U_P은펄스 중첩비(중첩율)이고, ω는 스팟의 웨이스트 반경(waist radius)이고 단위는 ㎛이며; υ는 속도이고 단위는 mm/s이며; f는 주파수이고 단위는 KHz이다.

본 실시예에서, 제1 경로는 호형 곡선이고, 다른 실시예에서, 제1 경로는 다른 형상의 곡선일 수도 있다. 사파이어(10)는 흡착 또는 기계적 클램핑의 방법에 의해 지그(미도시) 상에 고정되고, 지그는 제1 XY 모션 플랫폼(미도시)에 설치되고, 제1 XY 모션 플랫폼은 지그를 구동하여 제1 경로를 따라 사파이어 (10)상의 코팅층(100)을 제거한다.

일 실시예에서, 소정의 두께는 10㎛~200㎛이다. 일 실시예에서, 소정의 두께는 코팅층(100)의 두께와 동일하다. 본 실시예에서, 제 1 CO₂ 레이저 빔(32)은 제 1 경로를 따라 코팅층(100)을 완전히 제거한다.

S404， 도5에 도시된 바와 같이, 초고속 레이저 빔(62)은 광로 형성 구성 요소(50)에 의해 사파이어(10)의 다른 일측의 사파이어 본체(200) 상에 집속되어, 동시에 도 6을 참조하면, 사파이어(10)를 관통하는 복수의 제2 경로(14)를 따라 분포된 구조 조정 채널(12)를 형성한다. 여기서, 제2 경로(14)는 제 1 경로와 서로 겹친다.

본 실시예에서, 도5에 도시된 바와 같이, 사파이어 본체(200)의 표면은 광로 형성 구성 요소(50)를 마주한다. 초고속 레이저 빔(62)은 광로 형성 구성 요소(50) 상부에 위치된 초고속 레이저(60)에 의해 생성되고, 초고속 레이저 빔(62)은 광로 형성 구성 요소(50)을 통해 가공 스테이지 상의 사파이어 본체(200)의 표면에 투사되어, 사파이어(10)를 관통하는 제2 경로(14)를 따라 분포된 구조 조정 채널(12)를 형성한다. 초고속 레이저(60)에 의해 생성된 초고속 레이저 빔(62)은 보다 짧은 레이저 펄스 및 보다 높은 최고 출력을 갖고, 초고속 레이저 빔(62)의 펄스 지속 시간은 몇 피코 초(ps) 또는 펨토 초(fs)일 뿐이며, 초고속 레이저 빔(62)의 펄스 폭은 50 ps보다 작다. 구체적으로, 본 실시예에서, 초고속 레이저(60)은 사파이어(10)에 대한 투과율이 보다 높은 적외선 피코 초 레이저이다.

제2 경로(14)는 사파이어 본체(200)의 절단 경로이고, 제1 경로와제2 경로(14)는 서로 겹친다. 사파이어(10) 상에 구조 조정 채널(12)을 형성하도록 광로 형성 구성 요소(50)에 의해 포커싱 된 초고속 레이저 빔(62)의 레이저 에너지 밀도는 사파이어 본체(200)의 손상 역치(F_th)보다 크다. 도7은 광로 형성 구성 요소에 의해 집속된 후의 유효 초점 심도를 나타내는 도면이고 , 도시된 횡좌표는 기호 Z로 표시된 스팟의 초점 심도이다. 도시된 종좌표는 기호 F로 표시된 포커싱 스팟의 에너지 밀도이다. 도7에 도시된 바와 같이, 초고속 레이저(60)의 가공 파라미터를 합리하게 조절하여 초고속 레이저 빔(62)의 광로 형성 구성 요소(50)에 의해 집속된 포커싱 스팟의 레이저 에너지 밀도(F)는 사파이어 본체(200)의 손상 역치(F_th)보다 크거나 동일하며, 스팟의 초점 심도의 길이(D)는 사파이어(10)의 두께보다 크거나 동일하도록 한다.

일 실시예에서, 초고속 레이저 빔(62)은 100fs~50ps의 펄스 폭을 갖는 적외선 레이저 빔 또는 녹색 레이저 빔이다.

일 실시예에서, 초고속 레이저 빔(62)은 하나 또는 하나 이상의 펄스열을 구비하는 레이저 빔이다. 하나 또는 하나 이상의 펄스열은 펄스 엔빌로프를 형성한다. 각각의 펄스 엔빌로프는 사파이어내에서 하나 또는 하나 이상의 구조 조정 채널(12)을 형성한다. 하나 또는 하나 이상의 구조 조정 채널(12)은 하나의 구조 조정 채널의 집합체를 형성한다. 도6 과 도8에 도시된 바와 같이, 구체적으로, 본 실시예에서, 각각의 펄스 엔빌로프는 2 개의 펄스열로 구성되고, 각각의 펄스 엔빌로프는 사파이어(10) 내부에서 2개의 구조 조정 채널(12)을 형성하고, 2개의 구조 조정 채널(12)은 하나의 구조 조정 채널의 집합체를 형성한다.

본 실시예에서, 사파이어(10)는 제2 XY 모션 플랫폼(미도시)상에 위치하고, 제2 XY 운동 플랫폼은 위치 트리거 기능에 기반하는 제2 서보 구동 시스템(미도시)을 더 구비한다. 제2 XY 모션 플랫폼은 일정한 거리로 이동할 경우, 제2 서보 구동 시스템은 초고속 레이저(60)으로 제2 제어 신호를 보내고, 초고속 레이저(60)는 제2 제어 신호에 따라 하나의 펄스 엔빌로프의 펄스 레이저 빔을 발사한다. 도6 에 도시된 바와 같이, 구체적으로, 제2 경로 (14)는 원호형 곡선을 갖는다. 제2 XY 모션 플랫폼은 이동할 때 사파이어(10)를 구동시켜 제2 경로(14)를 따라 이동하게 되고, 제2 모션 서보 구동 시스템은 제 2 모션 플랫폼의 모션 정보를 처리하여, 초고속 레이저 빔(62)을 이용하여 사파이어(10) 내부에서 형성된 동일 간격의 복수개의 구조 조정 채널 집합체를 형성하도록 한다. 구조 조정 채널 집합체가 3개 이상의 구조 조정 채널(12)로 구성되는 경우, 구조 조정 채널 집합체 내의 구조 조정 채널(12)은 균일하거나 불균일하게 분포될 수 있다. 본 실시예에서, 구조 조정 채널 집합체는 2 개의 구조 조정 채널(12)로 구성된다. 서로 인접한 2개의 구조 조정 채널 집합체 사이의 거리는 L로 표시하고, L은 3㎛~3 mm이다. 구조 조정 채널 집합체 내의 2개의 구조 조정 채널(12) 사이의 거리는 d로 표시하고, d는 0~3㎛이다.

도6 및 도8에 도시된 바와 같이, 제1 펄스 엔빌로프의 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 2 개의 구조 조정 채널(12)은 각각 제1 구조 조정 채널(121) 및 제2 구조 조정 채널(122)이고, 제1 구조 조정 채널(121) 및 제2 구조 조정 채널(122)은 제1 구조 조정 채널 집합체를 구성한다. 제2 펄스 엔빌로프의 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 2 개의 구조 조정 채널(12)은 각각 제3구조 조정 채널(123) 및 제4 구조 조정 채널(124)이고, 제3 구조 조정 채널(123) 및 제4 구조 조정 채널(124)은 제2 구조 조정 채널 집합체를 구성한다. 제1 구조 조정 채널(121) 과 제2 구조 조정 채널(122) 사이의 거리 및 제3 구조 조정 채널(123)과 제4 구조 조정 채널(124) 사이의 거리는 모두 d이다. 제1 구조 조정 채널 집합체와 제2 구조 조정 채널 집합체 사이의 거리는 L이고, 제1 구조 조정 채널(121)과 제3 구조 조정 채널(122) 사이의 거리 및 제2 구조 조정 채널(123)과 제4 구조 조정 채널(124) 사이의 거리는 모두 L이다. … …이런 방식으로 유추할 경우, n(n≥2)번째 펄스 엔빌로프의 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 2개의 구조 조정 채널은 각각 제2n-1구조 조정 채널 및 제2n 구조 조정 채널이고, 제 2n-1 구조 조정 채널과 제2n-1 구조 조정 채널은 제n 구조 조정 채널 집합체를 구성한다. 제2n-1 구조 조정 채널과 제2n 구조 조정 채널 사이의 거리는 d이고, 제2n-3 구조 조정 채널 과 제2n-1 구조 조정 채널 사이의 거리 및 제2n-2 구조 조정 채널과 제2n 구조 조정 채널 사이의 거리는 모두 L이다.

S406단계: 도9를 참조하면, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)은 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 사파이어 본체(200)를 스캔하며, 제2 CO2 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통한 사파이어 본체에 대한 스캔 경로는 제2 경로(14)와 서로 겹쳐지거나 제2경로(14)에서 이탈하여, 사파이어를 구조 조정 채널에 따라 분할되게 한다.

본 실시예에서, 검류계 포커싱 구성 요소(80)은 사파이어 본체(200)의 상부에 설치된다. 제2 CO₂ 레이저 빔(92)은 제2 CO₂ 레이저(90)에 의해 생성된다. 제2 CO₂ 레이저 빔(92)은 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 제2 경로(14)를 따라 사파이어 본체(200)의 표면을 스캔하고, 사파이어(10)는 제2 CO₂ 레이저의 에너지를 흡수하여 제2 경로(14)의 국부에 분포되는, 사파이어(10)가 제2 경로 (14)를 따라 분할될 수 있는 충분한 강도의 패턴 응력을 생성시켜, 절단 완제품을 폐기물로부터 자동으로 분리되도록 한다. 복수의 간격이 같은 구조 조정 채널(12)은 쌍으로 제2 경로(14)를 따라 균일하게 분포되기 때문에, 사파이어(10)의 제2 CO₂ 레이저 빔(92)에서 흡수되는 에너지가 팽창하여 생성된 응력 계조도는 제2 경로(14)를 따라 균일하게 분포되어, 사파이어(10)는 제2 경로(14)를 따라 균일하게 분할됨으로써, 사파이어 (10)의 절단면은 상대적으로 평탄하다.

도10에 도시된 바와 같이, 사파이어(10)의 분할 공정에서, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)은 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 사파이어 본체(200)의 표면에(92) 집속되고, 집속된 제 2 CO₂ 레이저의 스팟 중심은 제2 경로(14)로부터 일정 거리(r)를 두고스캔하고, 사파이어(10)는 제2 CO₂ 레이저의 에너지를 흡수하여 국부에서의 응력 패턴 분포를 형성한다. 제2 CO₂ 레이저 빔(92)은 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 사파이어 본체(200)에 집속되는 에너지가 사파이어 본체(200)를 손상시키지 않도록 합리적인 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 공정 파라미터를 선택하고, 사파이어(10)에서 제2 CO₂ 레이저 에너지를 흡수하여 생성된 응력은 사파이어(10)를 제2 경로(14)를 따라 분할시키며, 그 분할 속도는 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 스캔 속도와 서로 대응된다. 구체적으로, 본 실시예에서, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 사파이어 본체(200)에 집속되는 스팟의 중첩율은 70%~95%이고, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 주파수는 1kHz~15 KHz이고, 제 2 CO₂ 레이저 빔(92)의 속도는 10mm/s~500mm/s이다.

도10에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 사파이어(10)에서 제 2 CO₂ 레이저의 에너지 흡수로 인해전환된 열이 코팅층(100)의 재료를 파괴하지 않도록 확보하기 위해, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통한 사파이어 본체(200)에 대한 스캔 경로와 제2 경로(14) 사이의 편향 거리(r)는 2 mm 또는 이하이다.

일 실시예에서, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통해 사파이어 본체(200)상에서 포커싱된 스팟의 직경은 50㎛~3000㎛이다.

일 실시예에서, 사파이어(10)를 관통하는 구조 조정 채널(12)의 형성방법은 긴 초점 심도의(long focal-depth) 포커싱 시스템 방법 또는 레이저 필라멘트(laser filamentation) 처리 방법이다. 구체적으로, 본 실시예에서, 사파이어(10)를 관통하는 구조 조정 채널(12)를 형성하는 처리 방법은긴 초점거리를 가진 딥 포커스 시스템 방법이다. 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소을 통해 사파이어 본체 (200)의 표면에 포커싱 된 포커싱 스팟 에너지 밀도 값이 사파이어 본체 (200)의 손상 역치에 도달할 때, 사파이어 본체(200)은 일차성으로 절단된다. 일 실시예에서, 사파이어(10)를 관통하는 구조 조정 채널(12)를 형성하는 처리 방법은 레이저 필라멘트 처리 방법이고, 레이저 필라멘트 처리 방법에 의해 사파이어(10)의 내부에 플라즈마 채널을 형성한다.

도11에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)은 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)을 통해 코팅층(100) 상에 집속되어 제1 경로를 따라 연장된 소정 두께의 코팅층(100)을 제거하며; 코팅층(100)을 제거하는 동시에, 코팅층(100)을 제거하는 과정 중에 나오는 먼지와 쇄설을 제거하는 S402단계 전에 다음 단계를 포함한다.

S401단계: 사파이어 본체(200)로부터 떨어진 코팅층(100)의 일측 면에 보호 필름(300)을 부착한다. 보호 필름(300)은 코팅층(100)이 공기와 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여, 제1 CO₂ 레이저 빔(32)이 코팅층(100)을 불태워 제거하는 가열과정 중에 코팅층(100)이 산화되는 것을 방지함으로써, 코팅층(100)을 보호하는 역할을 한다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 보호 필름(300)은 사파이어 본체(200)로부터 떨어진 코팅층(100)의 일측 면에 부착된다. 보호 필름(300)의 재질은 PP(Polypropylene) 또는 PVC(Polyvinyl chloride) 또는 PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PE(Polyethylene) 또는 OPP(O-phenylphenol) 등이다.

도12에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 제2 경로(14)를 따라 분포되는 사파이어(10)를 관통하는 복수의 구조 조정 채널을 형성하도록 레이저 빔(62)은 광로 형성 구성 요소(50)을 통해 사파이어 본체(200) 상에 집속되는 S404단계 전에 다음 단계를 포함한다.

S403단계: 포지셔닝 시스템(미도시)을 통해 광로 형성 구성 요소(50)의 위치를 포지셔닝하여, 제1 경로와 제2 경로(14)가 겹쳐지도록 함으로써, 사파이어(10)의 가공 표면을 보다 평평하게 만들 수 있다.

사파이어(10)를 절단하는 장치는, 제1 CO₂ 레이저(30), CO₂ 포커싱 구성 요소(20), 송풍 구성 요소(22), 먼지 추출 구성 요소(40), 초고속 레이저(60), 광로 형성 구성 요소(50), 제2 CO₂ 레이저(90), 및 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 포함한다. 제1 CO₂ 레이저(30)는 제 1 CO₂ 레이저 빔을 생성하도록 사용된다. CO₂ 포커싱 구성 요소(20)은 제1 CO₂ 레이저(30) 상에 설치되고, 제1 경로에 따라 연장된 소정 두께의 코팅층(100)을 제거하기 위해 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)은 제1 CO₂ 레이저 빔을 코팅층(100) 상에 집속시키도록 사용된다. 송풍 구성 요소(22)은CO₂ 포커싱 구성 요소(20) 상에 설치되고, 코팅을 제거하는 동안 나오는 먼지와 쇄설을 날려날려버리도록 사용된다. 먼지 추출 구성 요소(40)은 먼지와 쇄설을 추출하도록 사용된다. 초고속 레이저(60)는 초고속 레이저 빔을 생성하도록 사용된다. 광로 형성 구성 요소(50)은 초고속 레이저(60) 상에 설치되고, 초고속 레이저 빔을 사파이어 본체(200)에 집속하여 사파이어(10)를 관통하는 복수의 제2 경로(14)에 따라 분포하는 구조 조정 채널을 형성하도록 사용된다. 제2 CO₂ 레이저(90)는 제2 CO₂ 레이저 빔을 생성하는 데 사용한다. 검류계 포커싱 구성 요소(80)은 제2 CO₂ 레이저(90) 상에 설치되고, 사파이어(10)이 구조 조정 채널을 따라 분할되도록 제2 CO₂ 레이저 빔을 사파이어 본체(200)로 스캔하는데 사용된다.

일 실시예에서, 송풍 구성 요소(22)은 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)과 동축으로 설치된다. 일 실시예에서, 사파이어(10)를 절단하는 장치는 제1 XY 모션 플랫폼과 제1 서보 구동 시스템을 더 포함하며, 제1 서보 구동 시스템은 제1 XY 모션 플랫폼 상에 설치되고, 제1 서보 구동 시스템은 제1 XY 운동 플랫폼의 제어 단부와 통신 접속되여 제1 XY 모션 플랫폼의 이동을 제어함으로써, 사파이어(10)는 제1 XY 운동 플랫폼에 의해 작동되여 제1 경로를 따라 이동하도록 한다.

일 실시예에서, 사파이어(10)를 절단하는 장치는 제2 XY 모션 플랫폼 및 제2 서보 구동 시스템을 더 포함하고, 제2 서보 구동 시스템은 제 2 XY 운동 플랫폼 상에 설치되고, 제2 서보 구동 시스템은 제2 XY 모션 플랫폼의 제어 단부와 통신 접속되여 제2 XY 모션 플랫폼의 이동을 제어함으로써, 사파이어(10)는 제2 XY 운동 플랫폼에 의해 작동되여 제2 경로를 따라 이동한다.

본 실시예에 따른 사파이어(10)를 절단하는 방법 및 그 장치는, 먼저 제1 CO₂ 레이저 빔(32)을 CO₂ 포커싱 구성 요소(20)을 통해 사파이어(10)의 코팅층(100)을 갖는 일측 상에 집속시켜 소정 두께의 코팅층(100)을 제거하면서, 가공 과정에서 나오는 먼지 및 쇄설을 제거하며, 이로써, 코팅층(100)을 제거할 때 생성하는 불꽃을 띤 쇄설 또는 먼지가 코팅층(100)의 표면 상에 떨어져 코팅층(100)을 오염시키거나 파괴하는 문제를 방지할 수 있다. 그 후, 초고속 레이저 빔(62)은 광로 형성 구성 요소(50)을 통해 형성되여 사파이어(10)의 코팅층(100)에서 떨어진 일측에 위치한 사파이어 본체(200) 상에 집속되어, 사파이어(10)를 관통하는 구조 조정 채널(12)을 형성함으로써 후속으로 레이저에 의해 가공된 표면이 보다편평하도록 한다. 마지막으로, 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 검류계 포커싱 구성 요소(80)을 통한 사파이어 본체(200)에서의 스캔 경로는 제2 경로(14)와 겹쳐지거나 제2경로(14)에서 이탈하고, 사파이어(10)는 제2 CO₂ 레이저 빔(92)의 에너지를 흡수한 후 팽창되면서 응력 계조도가 형성된다. 즉, 검류계 포커싱 구성 요소(80)의 사파이어 본체 (200)상에서 스캔 경로를 따라 균열이 발생하여, 최종적으로 사파이어(10)는 구조 조정 채널(12)을 따라 분할되어 절단된다. 전체 사파이어(10)는 절단된 후 코팅층(100)의 손상 영역은 보다 작기 때문에, 종래의 코팅층(100)을 갖는 사파이어(10)의 복합 재료에 대해 직접 가공할 경우 코팅층(100)의 손상 영역이 큰 문제를 해결할 수 있다. 통상적으로,코팅층(100)을 갖는 사파이어(10)의 복합 재료에 대한 직접적인 절단 가공 방법은 다초점의 포커싱 관통형 절단방식이고,이 방법은 이진 광학 기기 또는 상이한 발산각도 또는 다른 방법으로 다초점형 절단을 구현한다. 그러나, 다초점 사이의 에너지 분포가 균일하지 않고, 절단된 후 표면이 보다 거칠어, 가공된 사파이어(10)의 코팅층(100)의 강도는 보다 낮아지게 된다.

본 실시예에 따른 사파이어(10)를 절단하는 방법 및 그 장치의 공정 단계는, 코팅층(100)의 씨닝 처리（thinning process） 단계， 사파이어(10)의 절단 단계, 사파이어(10)의 분리 단계를 포함하며, 사파이어(10) 상의 코팅층(100)을 구비한 일측에서 사파이어(10)의 씨닝 처리를 진행하고, 사파이어의 본체(200)측에서 사파이어(10)의 절단 및 분리를 진행하므로, 사파이어 절단에서 일반적으로 발생하는 문제들을 해결할 수 있고, 코팅층(100)을 갖는 사파이어(10)의 복합 재료에 대한 절단을 구현하여 코팅층(100)을 갖는 사파이어(10)의 절단면의 거칠기를 작게 되고, 사파이어(10)의 강도가 보다 높아지며, 코팅층(100)을 갖는 사파이어(10) 복합 재료를 처리할 때 코팅층(100)이 변색되고 밀착성이 저하되는 문제를 해결한다. 사파이어(10)가 분리된 후, 사파이어(10)의 스크랩은 사파이어(10)의 완제품에서 분리되어, 도13에 도시된 바와 같이, 사파이어(10)의 양호한 절단면을 얻을 수 있고, 도면에서 코팅층(100)의 제거되는 소정 두께b는 코팅층(100) 두께의 절반과 동일하다.

전술한 실시 예의 기술적 특징은 임의로 조합 될 수있다. 설명의 간략 함을 위해, 상기 실시 예에서 기술적 인 특징의 모든 가능한 조합은 기술되지 않았지만, 이들 기술적 특징의 조합에 모순이 없는 한, 모든 것은이 명세서의 범위 내에있는 것으로 간주되어야한다.

전술한 실시예는 단지 본 발명의 몇몇 실시 예를 나타내며, 그 설명은보다 구체적이고 상세하게 기술되어 있지만, 본 발명의 특허 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 당업자라면, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 변형 및 개선이 이루어질 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다는 것을 알아야한다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부 된 청구 범위에 따라 달라질 것이다.

Claims

사파이어 본체와 그 본체 상에 형성된 코팅층을 포함하는 사파이어를 절단하는 방법에 있어서,
제1 경로를 따라 연장된 소정 두께의 코팅층을 제거하도록 제1 CO₂ 레이저 빔을 CO₂ 포커싱 구성 요소를 통해 상기 코팅층 상에 집속시키고, 상기 코팅층을 제거하는 동시에 코팅층 제거 과정에서 생성되는 먼지 및 쇄설을 제거하는 단계;
상기 사파이어를 관통하는 복수의 제2경로를 따라 분포된 구조 조정 채널을 형성하도록 초고속 레이저 빔을 광로 형성 구성 요소를 통해 상기 사파이어 본체 상에 집속시키며, 상기 제1 경로는 상기 제2 경로와 서로 겹치는 단계; 및
제2 CO₂ 레이저 빔은 검류계 포커싱 구성 요소를 통해 상기 사파이어 본체를 스캔하고, 상기 사파이어를 상기 구조 조정 채널을 따라 분할되도록 상기 제2 CO₂ 레이저 빔의 상기 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 상기 사파이어 본체 상의 스캔 경로가 상기 제2 경로와 서로 겹쳐지거나 상기 제2경로에서 이탈하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
제1 CO₂ 레이저 빔이 CO₂ 포커싱 구성 요소을 통해 상기 코팅층 상에 집속되기 전에, 상기 코팅층으로부터 떨어진 상기 사파이어 본체의 일측 면에 보호 필름을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 CO₂ 레이저 빔의 상기 CO₂ 포커싱 구성 요소를 통한 상기 코팅층 상에 집속되는 스팟은 가우시안 스팟 또는 플랫 탑 스팟 또는 M형 스팟인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 CO₂ 레이저 빔의 상기 CO₂ 포커싱 구성 요소를 통한 상기 코팅층 상에 집속되는 스팟의 중첩율은 50%~90%인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
제1 CO₂ 레이저 빔의 주파수는 1KHz~20KHz이고, 제1 CO₂ 레이저 빔의 속도는 10mm/s~500mm/s이고, 제1 CO₂ 레이저 빔의 스팟 직경은 2㎛~100㎛인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정의 두께는 10㎛~200㎛인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정의 두께는 상기 코팅층의 두께와 일치하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 초고속 레이저 빔이 광로 형성 구성 요소를 통해 상기 사파이어 본체 상에 집속되기 전에,상기 제1 경로와 상기 제2 경로가 서로 겹쳐지도록 포지셔닝 시스템을 통해 상기 광로 형성 구성 요소의 위치를 포지셔닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 경로 및 상기 제2 경로는 모두 호형 곡선인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
긴 초점 심도의 포커싱 시스템 방법 또는 레이저 필라멘트 처리 방법으로 상기 사파이어의 구조 조정 채널를 관통하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 초고속 레이저 빔은 100fs~50ps의 펄스 폭을 갖는 적외선 레이저 빔 또는 녹색 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 초고속 레이저 빔은 하나 또는 하나 이상의 펄스열을 구비하는 레이저 빔이고, 여기서 하나의 상기 펄스열의 초고속 레이저 빔은 하나의 상기 구조 조정 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 CO₂ 레이저 빔의 상기 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 상기 사파이어 본체에 집속되는 스팟의 중첩율은 70%~95%인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 CO₂ 레이저 빔의 상기 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 상기 사파이어 본체에 대한 스캔 경로는 상기 제2 경로에서 2mm 또는 이하의 거리만큼 편향되는 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 CO₂ 레이저 빔의 검류계 포커싱 구성 요소를 통한 상기 사파이어 본체로 포커싱 된 스팟의 직경은 50㎛~300㎛인 것을 특징으로 하는 사파이어를 절단하는 방법.
제1 CO₂ 레이저 빔을 생성하는 제1 CO₂ 레이저;
상기 제1 CO₂ 레이저 상에 설치되어, 제1 경로에 따라 연장된 소정 두께의 상기 코팅층을 제거하도록 상기 제1 CO₂ 레이저 빔을 상기 코팅층 상에 집속시키는 CO₂ 포커싱 구성 요소;
상기CO₂ 포커싱 구성 요소 상에 설치되어, 코팅층을 제거하는 동안에 형성되는 먼지 및 쇄설을 날려버리기 위한 송풍 구성 요소;
상기 먼지 및 상기 쇄설을 추출하는 먼지 추출 구성 요소;
초고속 레이저 빔을 생성하는 초고속 레이저;
상기 초고속 레이저 상에 설치되어, 상기 사파이어를 관통하는 복수의 제2경로를 따라 분포된 구조 조정 채널을 형성하도록 상기 초고속 레이저 빔을 상기 사파이어 본체 상에 집속하기 위한 광로 형성 구성 요소;
제2 CO₂ 레이저 빔을 생성하는 제2 CO₂ 레이저; 및
상기 제2 CO₂ 레이저 상에 설치되어, 상기 사파이어를 상기 구조 조정 채널을 따라 분할되도록 상기 제2 CO₂ 레이저 빔을 이용하여 상기 사파이어 본체을 스캔하기 위한 검류계 포커싱 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 절단용 장치.
제16항에 있어서,
상기 송풍 구성 요소는 상기 CO₂ 포커싱 구성 요소과 동축으로 설치되는 것을 특징으로 하는 사파이어 절단용 장치.