KR20190027310A - 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법 및 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판의 잔류 응력을 저감할 수 있도록 한다. 또, 높은 잔류 응력에 의해서 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있도록 한다.
[해결 수단] 유리 기판(G)의 잔류 응력 저감 방법은, 유리 기판(G)의 잔류 응력이 높은 부분에 레이저광을 조사하여 가열하는 레이저광 조사 스텝과, 레이저광이 조사되어 가열된 부분을 냉각하는 냉각 스텝을 가지고 있다.

Description

유리 기판의 잔류 응력 저감 방법 및 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치{A method for reducing residual stress in a glass substrate, and a system for reducing residual stress in a glass substrate}

본 발명은, 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법 및 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치에 관한 것이다.

유리의 기판을 제품 치수로 잘라 내기 위해서는, 유리 기판에 휠에 의해서 스크라이브 라인(scribe line)을 형성하고, 그리고 유리 기판을 구부림으로써 스크라이브 라인을 따라서 유리 기판을 분단하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조).

그러나, 휠 칼날에 의해 인가된 힘 및 분단시에 가해진 응력이 원인으로, 스크라이브 라인에는 잔류 응력이 남는다. 따라서, 유리 기판의 표면에 수평 방향으로 크랙이 자연 발생하기 쉽고, 또, 시간이 경과하면 크랙이 습기 등에 의해서 더 성장한다.

또, 유리 기판의 단면(端面)(엣지)에 레이저광을 조사하여 용융 면취(面取)를 행함으로써, 유리 기판의 단면의 강도를 향상시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2를 참조). 이 용융 면취에서는, 기판 엣지의 미세한 크랙이 소실(消失)되고, 단면 강도가 향상된다.

그러나 이 방법에서는, 용융부 근방에는 잔류 응력이 생긴다. 그리고, 잔류 응력에 의해서, 기판이 갈라질 가능성이 높아진다. 구체적으로는, 내부 결함의 경시(經時)적인 성장이나 후발적인 흠에 의한 파괴가 생길 가능성이 높아지고, 잔류 응력의 크기에 따라서는, 수십분 이내에 파괴가 생기는 경우가 있다.

특허 문헌 1 : 일본특허공개 평6－144875호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허 제5245819호 공보

이상을 고려하여, 종래부터 유리 기판의 엣지의 잔류 응력을 저감하는 방법이 개발되고 있다. 예를 들면, 유리 기판의 잔류 응력을 저감하는 방법에서는, 승온후에 서냉을 행한다. 구체적으로는, 먼저, 유리 기판 전체를 유리 전이점(轉移点) 이상의 온도까지 균일하게 가열하고, 다음으로 그것을 일정시간 유지하며, 마지막으로 상온까지 서냉한다. 일반적으로는, 가열·유지·서냉의 공정에 수시간 이상의 시간을 필요로 한다.

이 방법에서는, 유리 기판의 엣지의 잔류 응력을 거의 완전히 제거할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또, 로(爐)에서 복수개의 유리 기판을 동시 처리할 수 있다고 하는 이점이 있다.

그러나, 기판 전체를 유리 전이점 이상으로 가열하므로, 예를 들면 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 제품에는 적용할 수 없다. 도 30에는, 유리 기판(G)에 수지 재료(P1, P2)가 일체로 형성된 유리 제품을 나타내고 있다.

또, 1회의 잔류 응력 저감 처리에 수시간 이상의 시간이 걸리기 때문에, 잔류 응력이 발생한 직후에 잔류 응력을 저감시키는 것은 불가능하다. 그 때문에, 높은 잔류 응력에 의해서 수십분 이내에 파괴가 생기는 확률이 높은 유리 기판에 적용하는 것이 곤란하다.

본 발명의 제1 목적은, 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판의 잔류 응력을 저감할 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 제2 목적은, 높은 잔류 응력에 의해서 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있도록 하는 것에 있다.

이하에, 과제를 해결하기 위한 수단으로서 복수의 형태를 설명한다. 이들 형태는, 필요에 따라서 임의로 조합시킬 수 있다.

본 발명의 일견지에 관한 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법은, 하기의 스텝을 구비하고 있다.

◎ 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분에 레이저광을 조사하여 가열하는 레이저광 조사 스텝.

◎ 레이저광이 조사되어 가열된 부분을 냉각하는 냉각 스텝.

이 방법에서는, 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분이 가열되므로, 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판의 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다. 유리 기판 전체가 가열되지 않으므로, 수지 등에 열의 영향이 생기기 어렵기 때문이다.

또, 이 방법에서는, 유리 기판을 1피코초~100초 동안 정도 가열함으로써, 가열역(加熱域)에서 잔류 응력이 저감되므로, 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다.

「잔류 응력이 높은 부분이 가열된다」라고 하는 것은, 유리 기판에는 가열되지 않은 부분이 있는 것을 의미한다.

「잔류 응력을 저감한다」라고 하는 것은, 내부 결함의 경시적(經時的)인 성장이 억제되고, 외력을 가하지 않은 유리 기판이 기정(旣定)의 시간 내에 갈라지지 않을 정도까지 잔류 응력을 저감하는 것을 의미한다.

이 방법에서는, 레이저광이 조사되어 가열된 영역이 냉각되므로, 비교적 짧은 시간 간격으로 근접한 영역에 대한 가열을 순차적으로 행했고 해도, 그들 복수의 가열 영역에서 잔류 응력을 저감할 수 있다. 냉각함으로써, 고온이 되는 영역이 복수의 가열 영역의 배열 방향으로 퍼지지 않으므로, 잔류 응력 저감 효과가 유지되기 때문이다. 이 결과, 택트 타임이 단축된다.

냉각은 항상 행해지고 있어도 괜찮고, 레이저광 조사후에 행해져도 괜찮다.

냉각 개소는, 가열된 부분만이라도 좋고, 가열된 부분을 포함하는 유리 기판 전체라도 좋다.

레이저광 조사 스텝은, 복수의 레이저광을 복수 개소에 동시에 조사해도 괜찮다.

이 방법에서는, 단시간에 잔류 응력 저감을 실현할 수 있다.

상기 레이저광 조사 스텝은, 레이저광을 다른 개소에 조사하는 것을 반복하여 실행해도 괜찮다.

이 방법에서는, 레이저 조사되는 영역이 증가하는 결과, 잔류 응력이 저감 되는 영역의 면적이 증가한다.

본 발명의 다른 견지에 관한 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치는, 레이저 장치와, 냉각 장치를 구비하고 있다.

레이저 장치는, 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분에 레이저광을 조사하여 가열한다.

냉각 장치는, 레이저광이 조사되어 가열된 부분을 냉각한다.

이 장치에서는, 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분이 가열되므로, 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판의 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다. 유리 기판 전체가 가열되지 않으므로, 수지 등에 열의 영향이 생기기 어렵기 때문이다.

또, 이 장치에서는, 유리 기판을 1피코초~100초 동안 정도 가열함으로써, 가열역(加熱域)에서 잔류 응력이 저감되므로, 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다.

이 장치에서는, 레이저광이 조사되어 가열된 영역이 냉각되므로, 비교적 짧은 시간 간격으로 근접한 영역에 대한 가열을 순차적으로 행했다고 해도, 그들 복수의 가열 영역에서 잔류 응력을 저감할 수 있다. 냉각함으로써, 고온이 되는 영역이 복수의 가열 영역의 배열 방향으로 퍼지지 않으므로, 잔류 응력 저감 효과가 유지되기 때문이다. 이 결과, 택트 타임이 단축된다.

냉각은 항상 행해지고 있어도 괜찮고, 레이저광 조사후에 행해져도 괜찮다.

냉각 개소는, 가열된 부분만이라도 좋고, 가열된 부분을 포함하는 유리 기판 전체라도 좋다.

레이저 장치는, 복수의 레이저광을 복수 개소에 동시에 조사해도 괜찮다.

이 장치에서는, 단시간에 잔류 응력 저감을 실현할 수 있다.

레이저 장치는, 레이저광을 다른 개소에 조사하는 것을 반복하여 실행해도 괜찮다.

이 장치에서는, 레이저 조사되는 영역이 증가하는 결과, 잔류 응력이 저감 되는 영역의 면적이 증가한다.

본 발명에 의하면, 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판의 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다. 유리 기판 전체가 가열되지 않으므로, 수지 등에 열의 영향이 생기기 어렵기 때문이다. 게다가, 본 발명에 의하면, 높은 잔류 응력에 의해서 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다. 유리 기판의 1개소 또는 복수 개소를 1피코초~100초 동안 정도 가열하고, 이 가열을 1회 또는 가열 위치를 비켜놓으면서 복수회 행함으로써, 가열역에서 잔류 응력이 저감되기 때문이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 레이저 조사 장치의 모식도이다.
도 2는 레이저 스폿(spot)의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 3은 용융 면취된 유리 기판의 단면(斷面) 사진이다.
도 4는 용융 면취된 유리 기판의 단면(端面)으로부터 중앙측을 향한 리타데이션(retardation)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 6은 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 7은 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 8은 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 9는 레이저 스폿의 형상의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.
도 10은 레이저 스폿의 형상의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.
도 11은 레이저 스폿의 형상의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.
도 12는 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 13은 제2 실시 형태의 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 14는 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 15는 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 16은 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.
도 17은 가열 영역의 형상과 간격의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.
도 18은 가열 영역의 형상과 간격의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.
도 19은 회절 광학 소자 또는 투과형 공간 광 변조기를 이용한 레이저 스폿의 분기를 나타내는 모식도이다.
도 20는 반사형 공간 광 변조기를 이용한 레이저 스폿의 분기를 나타내는 모식도이다.
도 21은 실린드리칼 렌즈에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다.
도 22는 갈바노 스캐너에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다.
도 23은 폴리곤 미러에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다.
도 24는 차폐판과 유리 기판의 위치 관계를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 25는 차폐판과 유리 기판의 위치 관계를 나타내는 모식적 정면도이다.
도 26은 제2 실시 형태의 제2 변형예의 레이저 조사 장치의 모식적 평면도이다.
도 27는 레이저 조사 장치의 모식적 정면도이다.
도 28은 3점의 빔의 형성을 나타내는 모식도이다.
도 29는 시간에 대한 레이저 펄스와 광선(光線) 각도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 30은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 종래의 유리 제품의 모식적 평면도이다.

1. 제1 실시 형태

(1) 레이저 조사 장치

도 1에, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 레이저 조사 장치(1)의 전체 구성을 나타낸다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태의 레이저 조사 장치의 모식도이다.

레이저 조사 장치(1)는, 유리 기판(G)의 잔류 응력이 높은 부분을 가열함으로써 단면(端面) 근방 부분의 잔류 응력을 저감하는 기능을 가지고 있다.

유리 기판(G)은, 유리만으로 이루어지는 것과, 유리에 수지 등의 다른 부재가 조합된 것을 포함한다. 유리 종류의 대표적인 예로서는, 디스플레이나 계기판(instrument panel) 등에 사용되는 소다 유리, 무알칼리 유리를 들 수 있지만, 종류는 이들에 한정되지 않는다. 유리의 두께는, 구체적으로는, 3mm 이하이며, 예를 들면, 0.004~3mm의 범위, 바람직하게는 0.2~0.4mm의 범위이다.

레이저 조사 장치(1)는, 레이저 장치(3)를 구비하고 있다. 레이저 장치(3)는, 유리 기판(G)에 레이저광을 조사하기 위한 레이저 발진기(發振器)(15)와, 레이저 제어부(17)를 가지고 있다. 레이저 제어부(17)는 레이저 발진기(15)의 구동 및 레이저 파워를 제어할 수 있다.

레이저 장치(3)는, 레이저광을 후술하는 기계 구동계측으로 전송하는 전송 광학계(5)를 가지고 있다. 전송 광학계(5)는, 예를 들면, 집광 렌즈(19), 복수의 미러(도시하지 않음), 프리즘(도시하지 않음) 등을 가진다.

레이저 조사 장치(1)는, 집광 렌즈(19)의 위치를 광축 방향으로 이동시키는 것에 의해서, 레이저광의 스폿의 크기를 변경하는 구동 기구(11)를 가지고 있다.

레이저 조사 장치(1)는, 유리 기판(G)이 재치되는 가공 테이블(7)을 가지고 있다. 가공 테이블(7)은, 테이블 구동부(13)에 의해서 이동된다. 테이블 구동부(13)는, 가공 테이블(7)을 헤드(도시하지 않음)에 대해서 수평 방향으로 이동시키는 이동 장치(도시하지 않음)를 가지고 있다. 이동 장치는, 가이드 레일, 모터 등을 가지는 공지의 기구이다.

레이저 조사 장치(1)는, 제어부(9)를 구비하고 있다. 제어부(9)는, 프로세서(예를 들면, CPU)와 기억장치(예를 들면, ROM, RAM, HDD, SSD 등)와, 각종 인터페이스(예를 들면, A/D컨버터, D/A컨버터, 통신 인터페이스 등)를 가지는 컴퓨터 시스템이다. 제어부(9)는, 기억부(기억장치의 기억 영역의 일부 또는 전부에 대응)에 보존된 프로그램을 실행함으로써, 각종 제어 동작을 행한다.

제어부(9)는, 단일의 프로세서로 구성되어 있어도 괜찮지만, 각 제어를 위해서 독립한 복수의 프로세서로 구성되어 있어도 괜찮다.

제어부(9)는, 레이저 제어부(17)를 제어할 수 있다. 제어부(9)는, 구동 기구(11)를 제어할 수 있다. 제어부(9)는, 테이블 구동부(13)를 제어할 수 있다.

제어부(9)에는, 도시하지 않지만, 유리 기판(G)의 크기, 형상 및 위치를 검출하는 센서, 각 장치의 상태를 검출하기 위한 센서 및 스위치, 및 정보 입력 장치가 접속되어 있다.

도 1에는, 유리 기판(G)의 표측 또는 이측으로부터 분사 에어에 의해 기판을 냉각하는 기판 냉각 장치(35)가 나타내어져 있다. 기판 냉각 장치(35)는, 제어부(9)에 의해서 동작이 제어된다. 또, 냉각을 위한 냉각 매체는 특별히 한정되지 않는다.

기판 냉각 장치는, 유리가 놓여지는 테이블을 수냉 테이블로 함으로써 실현되어도 괜찮다.

레이저 조사 장치(1)에 기판 냉각 기구가 탑재되어도 괜찮다.

(2) 용융 면취 동작

유리 기판(G)에 잔류 응력이 생기는 가공의 예로서, 도 2~도 4를 이용하여, 유리 기판(G)의 단면을 용융 면취하는 동작을 설명한다. 도 2는, 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다. 도 3은, 용융 면취된 유리 기판의 단면 사진이다. 도 4는, 용융 면취된 유리 기판의 단면으로부터 중앙측을 향한 리타데이션(retardation)의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 유리 기판(G)에 대해서, 레이저광을, 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)에 조사하고, 또한 레이저 스폿(S)을 유리 기판(G)의 단면(20)을 따라서 주사한다. 이 때, 레이저 스폿(S)이, 유리 기판(G)의 단면(20)으로부터 기판 내측(중앙측)을 향해 예를 들면, 10μm~150μm 떨어진 위치에 오도록 셋팅한다.

이상과 같은 레이저 스폿(S)의 조사 및 주사에 의해서, 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)이 가열된다. 특히, 중적외광(中赤外光)의 레이저광을 조사하는 것에 의해서, 레이저광은 유리 기판(G)의 내부까지 투과되면서 흡수된다. 따라서, 유리 기판(G)의 단면(20)은, 레이저광의 조사면인 표면측만이 아니라, 유리 기판(G)의 내부 및 이면측의 전체에 걸쳐서 비교적 균일하게 가열된다. 이 때문에, 유리 기판(G)의 단면(20)은 기판 두께의 중앙부가 외측으로 부풀어 오르도록 용융되고, 그 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이, 단면(20)이 면취(面取)된다.

이상의 결과, 도 4에 나타내는 바와 같이, 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(예를 들면, 단면(20)으로부터 200μm의 영역)에서는, 리타데이션(nm)이 높게 된다. 리타데이션은, 물체를 투과한 광에 생기는 위상차이며, 물체 내에 작용하는 응력에 비례하는 값이다. 외력을 가하지 않은 물체의 리타데이션이 높다고 하는 것은, 잔류 응력이 높게 되어 있는 것을 의미한다. 　

(3) 잔류 응력 저감 처리

도 5~도 8을 이용하여, 잔류 응력 저감 처리를 설명한다. 도 5~도 8은, 제1 실시 형태의 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.

도 5에서는, 레이저 스폿(S1)이 단면 근방 부분(21)의 일점에 조사되고 있다.

도 6에서는, 레이저 스폿(S2)이 단면 근방 부분(21)의 다른 위치의 다른 일점에 조사되고 있다.

도 7에서는, 레이저 스폿(S3)이 단면 근방 부분(21)의 다른 위치의 다른 일점에 조사되고 있다.

도 8에서는, 레이저 스폿(S4)이 단면 근방 부분(21)이 다른 위치의 다른 일점에 조사되고 있다.

잔류 응력 발생 영역(Z) 상의 1점에 레이저 스폿이 소정 시간만큼 조사되어 유리 전이점 이상의 온도까지 가열되면, 그 영역에서 잔류 응력이 저감된다. 따라서, 도 5~도 8로부터 분명한 바와 같이, 1점을 소정 시간만큼 가열하는 것을 순차적으로 행함으로써, 레이저 스폿(S1~S4)은, 단면 방향으로 연속하여 인접한 위치에 조사되고, 결과로서 단면 근방 부분(21)에 전체적으로 조사된다.

다만, 레이저 스폿의 수(數), 위치, 조사되는 순서, 단면 근방 부분(21)에 차지하는 비율은, 이 실시 형태에 한정되지 않는다.

이 실시 형태에서는, 1점을 소정 시간만큼 가열하고, 위치를 비켜놓아 1점을 소정 시간만큼 가열하는 것을 반복함으로써, 잔류 응력 발생 영역(Z)(사선 영역)을 유리 전이점 이상의 온도로 하여, 단면 근방 부분(21) 전체의 잔류 응력을 낮춘다.

이 실시 형태에서는, 레이저 스폿(S)은, 최종적으로는 단면 근방 부분(21) 전체에 조사되어, 단면 근방 부분(21) 전체의 잔류 응력을 낮춘다. 그러나, 단면 근방 부분(21) 중 일부의 영역에서만 잔류 응력을 낮추는 경우에는, 레이저 스폿(S)은, 단면 근방 부분(21) 중 특정 영역에만 조사되어도 괜찮고, 단면 근방 부분(21) 전체의 절반 정도의 영역에만 조사되어도 괜찮다.

(4) 잔류 응력 저감 처리에서의 레이저 스폿의 형상

본 발명자들은, 실험에 근거하여, 잔류 응력 저감 처리에서는, 고온이 되는 영역을, 단면(20)을 따른 방향의 좁은 범위로 억제하는 것이 필요한 것을 찾아내어, 본 발명에 이르렀다.

이 실시 형태에서는, 단면 근방 부분(21) 중의 1점을 소정 시간만큼 가열함으로써, 가열된 영역의 잔류 응력을 저감한다. 도 9, 도 10 및 도 11은, 레이저 스폿(S)의 형상의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.

도 9에는, 원형의 레이저 스폿(S100)과, 단면(20)에 직교하는 방향으로 긴 타원형의 레이저 스폿(S101)이 나타내어져 있다. 도 10에는, 단면(20)을 따라서 긴 타원형의 레이저 스폿(S102, S103)이 나타내어져 있다. 도 11에는, 단면(20) 전체를 덮는, 단면(20)을 따라서 긴 형태의 레이저 스폿(S104)이 나타내어져 있다. 레이저 스폿(S100, S101, S102, S103)을 이용한 경우는, 레이저 출력 및 가열을 위한 소정 시간을 조정하면, 가열 영역에서의 잔류 응력이 저감되었다. 다만, 잔류 응력 저감 효과는, S100≒S101＞S102＞S103의 순서로 높았다. 레이저 스폿(S104)을 이용한 경우, 레이저 출력 및 가열을 위한 소정 시간을 조정해도, 잔류 응력이 저감되지 않았다.

이상으로 나타낸 실험 결과를 감안하여, 본 발명자들은, 잔류 응력 저감 처리에서는, 고온이 되는 영역을, 단면(20)을 따른 방향으로 좁은 범위로 억제하는 것이 필요한 것을 찾아내어, 본 발명에 이르렀다.

레이저 스폿(S)은, 원형의 경우, 예를 들면, 직경 4μm~20 mm인 것이 바람직하다. 레이저 스폿(S)의 직경은 클수록, 가열 1회당 처리 면적이 넓어지고, 소정 면적의 잔류 응력을 저감하는데 필요로 하는 시간이 단축된다.

도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 레이저 스폿(S)은 타원형이라도 좋다. 다만, 레이저 스폿(S)의 단면(20)을 따른 방향의 폭이 레이저 스폿(S)의 단면(20)에 교차하는 방향의 폭에 대해서 길수록, 잔류 응력 저감 효과가 저하된다. 레이저 스폿(S)의 단면(20)을 따른 방향의 폭은, 레이저 스폿(S)의 단면(20)에 교차하는 방향의 폭의 10배 이하인 것이 바람직하다.

가열을 위한 소정 시간은, 가열중의 가열역의 온도에 의존한다. 즉, 높은 출력으로 가열할수록, 가열역의 온도가 높아져, 단시간에 잔류 응력이 저감된다. 높은 출력으로 가열할수록, 가열을 위한 소정 시간이 짧아서 좋고, 택트 타임은 짧다.

가열을 위한 소정 시간은, 예를 들면, 1피코초~100초 정도가 바람직하다. 최소의 소정 시간은, 유리의 구조 완화에 필요로 하는 시간(완화 시간)의 최소값으로서 알려진 1피코초이다. 가열역의 온도가 낮은 경우일수록 완화 시간이 길어지고, 가열역의 온도가 유리 전이점 정도인 경우에는, 가열을 위한 소정 시간을 완화 시간인 100초 정도로 하는 것이 바람직하다.

가열을 위한 소정 시간을 극단적으로 짧게 하려면, 유리 기판(G)을 짧은 시간에 고온까지 가열할 필요가 있어, 필요한 출력이 큰 폭으로 증가하기 때문에, 실용상은, 택트 타임 단축의 메리트와 출력 상승에 의한 비용 증가의 균형으로 가열 조건이 결정된다.

레이저 출력은, 유리 전이점 이상까지 가열할 수 있는 값일 필요가 있다. 이것은, 레이저 스폿의 사이즈, 레이저 파장, 유리의 종류나 판 두께에 의해서 적절히 설정된다. 또, 유리 기판(G)의 가열부의 온도가 유리 전이점 정도인 경우, 가열부의 변형은 거의 확인되지 않는다. 가열부의 온도가 보다 높은 경우에는, 가열부가 용융하여, 형상이 변화된다. 레이저 출력이 높을수록, 가열부의 점도가 저하되어, 짧은 시간에 크게 변형한다. 본 발명에 의하면, 레이저 출력이 높아, 유리 기판(G)의 형상이 변형하는 경우라도, 잔류 응력이 저감된다. 다만, 유리 기판(G)의 허용할 수 있는 변형량에 제약이 있는 제품에 본 발명을 적용하는 경우에는, 유리 기판(G)의 점도가 저하되어 변형량이 허용값을 초과하지 않도록, 레이저 출력에 상한이 설정되어야 한다.

두께 200μm의 무알칼리 유리를 대상으로 하여 소정 시간 가열의 조건예를 설명한다. 스폿 사이즈 4mm의 CO₂ 레이저(파장 10.6μm)를 이용하여, 3W, 20s이다. 4W, 4s의 조건이라도 좋다. 6W, 2s의 조건이라도 괜찮다.

레이저의 종류(파장)는 특별히 한정되지 않는다.

유리 기판(G)으로의 입열 방향은 특별히 한정되지 않는다. 유리 기판(G)의 표면으로부터 입열되어도 좋고, 이면으로부터 입열되어도 괜찮으며, 단면(20)으로부터 입열되어도 좋다.

상기 실시 형태에서는 용융 면취가 끝난 후에 잔류 응력 저감 처리를 행하고 있었지만, 용융 면취 가공과 잔류 응력 저감 처리를 1개의 유리 기판(G)에서 병행하여 행해도 괜찮다. 구체적으로는, 2개의 레이저 빔을 이용함으로써 용융 면취 동작의 도중에 잔류 응력 저감 처리가 개시되고, 그것 이후는 양 처리가 동시에 행해진다. 그 경우는, 전체의 처리 시간이 짧아진다.

또, 복수의 레이저 빔을 이용하기 위해서는, 레이저 발진기를 복수 준비해도 괜찮고, 1개의 레이저 발진기로부터 레이저 빔을 분기시켜도 괜찮다.

이상의 결과, 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)(즉, 잔류 응력 발생 영역(Z))이 유리 전이점 이상까지 가열되고, 그 결과, 잔류 응력이 저감된다.

이 방법에서는, 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)이 가열되므로(즉, 유리 기판(G) 전체가 가열되지 않으므로), 수지와 같은 내열성이 낮은 재료와 일체로 된 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)의 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다. 수지 등에 열의 영향이 생기기 어렵기 때문이다. 게다가, 유리 기판을 1피코초~100초 동안 정도 가열하고, 이 가열을 1회 또는 위치를 비켜놓으면서 복수회 행함으로써, 가열역에서 잔류 응력이 저감되기 때문에, 높은 잔류 응력에 의해서 통상은 수십분 이내에 파괴가 생기는 유리 기판에 대해서도, 파괴가 생기기 전에 잔류 응력을 저감할 수 있게 된다.　

(5) 냉각에 의한 택트 타임의 단축

상기의 소정 시간 가열 방식을 위치를 비켜놓으면서 행하는 경우, 1회째 가열, 비켜놓고 2회째 가열, 비켜놓고 3회째 가열····로, 소정 시간 가열이 순차적으로 행해진다. 이 때, 택트 타임을 짧게 하기 위해서는, 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 필요가 있다. 그러나, 예를 들면 도 12에 나타내는 가열 위치의 순서에서는, 직전의 가열 영역에 인접하는 영역이 다음의 가열 영역으로 되어 있다. 이 경우, 예를 들면 2회째의 가열은, 1회째의 가열부의 온도가 저하될 때까지 기다릴 필요가 있다. 그 이유는, 예를 들면 2회째의 가열 영역이, 1회째의 가열 영역과 합쳐져, 전술한 「유리 기판(G)의 단면 근방부를 가열하는 경우 중 고온부가 단면을 따라서 길어지는 경우」에 대응하기 때문이다.

상술의 비켜놓음 조사를 행하는 경우, 기판의 냉각을 행함으로써 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 수 있다. 도 1에는, 유리 기판(G)의 표측 또는 이측으로부터 분사 에어에 의해 기판을 냉각하는 기판 냉각 장치(35)가 나타내어져 있다.

이 경우, 1회째의 가열 영역을 공냉 등에 의해 냉각시킨 후에 2회째의 가열을 행한다. 이것에 의해, 도 12에 나타내는 순서대로 가열하는 경우에도, 시간 간격을 짧게 할 수 있다.

상기와 같이 시간 간격을 짧게 할 수 있는 이유는, 레이저광이 조사되어 가열된 부분이 냉각된 후에 다음의 레이저광이 조사되므로, 먼저 가열된 부분의 근방에 다음의 레이저광을 조사했다고 해도, 고온이 되는 영역이 냉각에 의해서 단면에 따른 방향으로 퍼지지 않기 때문이다.즉, 이 경우는, 전술한 「유리 기판(G)의 단면 근방 부분을 가열하는 경우 중 고온부가 단면을 따라서 좁게 억제되는 경우」에 대응하고 있기 때문이다.

냉각은 항상 행해지고 있어도 괜찮고, 레이저광 조사후에 행해져도 괜찮다.

또, 냉각을 위한 냉각 매체는 특별히 한정되지 않는다.

기판 냉각 장치는, 유리가 놓여지는 테이블을 수냉 테이블로 함으로써 실현되어도 괜찮다.

레이저 조사 장치(1)에 기판 냉각 기구가 탑재되어도 괜찮다.

2. 제2 실시 형태

제1 실시 형태의 소정 시간 조사 방식은, 1점마다를 레이저 조사하는 1점 가열 방식을 채용하고 있었지만, 레이저 조사는 다점을 동시에 조사해도 괜찮다.

도 13~도 16을 이용하여, 그러한 예를 제2 실시 형태로서 설명한다. 이 다점 동시 조사 방식에서는, 실질적인 처리 속도가 빠르게 된다. 도 13~도 16은, 제2 실시 형태의 레이저 스폿의 이동을 나타내는 유리 기판의 모식도이다.

도 13에서는, 이산(離散)한 2개의 레이저 스폿(S1)이 단면 근방 부분(21)에 조사되고 있다.

도 14에서는, 도 13의 동작에 의해서 단면 근방 부분(21)에서 잔류 응력이 저감된 상황이 나타내어져 있다.

도 15에서는, 이산한 2개의 레이저 스폿(S2)이 단면 근방 부분(21)에 조사되고 있다. 이 때에, 2개의 레이저 스폿(S2)은 앞의 2개의 레이저 스폿(S1)과는 다른 위치에 즉 비켜놓아 조사되고 있다. 또, 2개의 레이저 스폿(S2)은, 남은 잔류 응력 발생 영역(Z)에 대응하고 있다.

도 16에서는, 도 15의 동작에 의해서 단면 근방 부분(21)에서 잔류 응력이 저감된 상황이 나타내어져 있다.

다점 동시 가열 방식에서는, 가열 영역의 수가 n점인 경우, 제1 실시 형태의 1점 가열 방식에 비해 n배의 출력이 필요하게 된다. 또, 후술하는 차폐 방식에서는, 차폐부의 면적에 따라 더 높은 출력이 필요하게 된다.

1점당 가열 조건은, 제1 실시 형태와 동일하다.

가열 영역 사이의 간격은, 가열 영역 1점의 폭의 0.5배 이상이 바람직하다.가열 영역 사이의 간격이 너무 좁은 경우, 복수의 가열역이 이어져, 잔류 응력 발생 영역(Z)을 따라서 긴 1개의 레이저 스폿을 조사하는 것과 동일하게 된다. 즉, 전술한 「가열역의 형상이 잔류 응력 발생 영역(Z)을 따라서 길어지는 경우」에 대응하고, 잔류 응력 저감 효과가 낮아진다. 도 17 및 도 18을 이용하여, 가열 영역의 형상과의 간격의 바리에이션을 나타낸다. 도 17 및 도 18은, 가열 영역의 형상과 간격의 바리에이션을 나타내는 모식적 평면도이다.

도 17에는, 3점의 원형의 레이저 스폿(S105)이 나타내어져 있다. 레이저 스폿(S105)은, 도 9의 레이저 스폿(S100)과 동일한 형상이며, 잔류 응력 저감 효과가 높다. 또, 레이저 스폿(S105)의 간격은, 레이저 스폿(S105)의 폭과 동일한 정도로 설정되어 있다.

도 18에는, 단면(20)에 교차하는 방향으로 긴 타원형의 3점의 레이저 스폿(S106)이 나타내어져 있다. 레이저 스폿(S106)은, 도 9의 레이저 스폿(S101)과 동일한 형상이며, 잔류 응력 저감 효과가 높다. 또, 레이저 스폿(S106)의 간격은, 레이저 스폿(S106)의 폭과 동일한 정도로 설정되어 있다.

레이저 스폿의 형상과 간격의 조합은 상기 이외에도 다수이다.

잔류 응력 저감 처리의 처리 속도는, 가열 영역의 수에 의해서 바뀐다. 예를 들면, 가열 영역의 폭 8mm, 10점 동시 가열, 가열 시간 1s, 가열 영역 1개당 잔류 응력 저하폭 4mm의 경우는, 조사 1회의 처리 속도는, 4mm x 10/1s = 40mm/s가 된다.

도 19 및 도 20을 이용하여, 광 분기 소자를 이용하여 다점 동시 가열을 행하는 방식을 설명한다. 도 19는, 회절 광학 소자 또는 투과형 공간 광 변조기를 이용한 레이저 스폿의 분기를 나타내는 모식도이다. 도 20은, 반사형 공간 광 변조기를 이용한 레이저 스폿의 분기를 나타내는 모식도이다.

도 19에서는, 회절 광학 소자(Diffractiｖe　Optical　Element, DOE)(31), 또는 투과형 공간 광 변조기(Spatial　Light　Modulator, SLM)(31)가 나타내어져 있다.

도 20에서는, 반사형 공간 광 변조기(SLM)(33)가 나타내어져 있다. 또, 2개의 미러(34)도 나타내어져 있다.

도 13~도 16에 나타낸 바와 같은, 다점 동시 가열 방식을 위치를 비켜놓으면서 행하는 경우, 1회째 가열, 비켜놓고 2회째 가열, 비켜놓고 3회째 가열····로, 소정 시간 가열이 순서대로 행해진다. 이 때, 택트 타임 단축을 위해서는, 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 필요가 있다. 그러나, 예를 들면 복수 개소의 2회째의 가열 영역 중 어느 하나가 복수 개소의 1회째의 가열 영역 중 어느 하나와 인접하는 영역이 되는 경우는, 그 2회째의 가열은, 1회째의 가열부의 온도가 저하될 때까지 기다릴 필요가 있다. 그 이유는, 예를 들면 2회째의 가열 영역이, 1회째의 가열 영역과 합쳐져, 전술한 「유리 기판(G)의 단면 근방 부분을 가열하는 경우 중 고온부가 단면을 따라서 길어지는 경우」에 대응하기 때문이다.

상술의 비켜놓음 조사를 행하는 경우, 기판의 냉각을 행함으로써 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 수 있다. 냉각에는, 제1 실시 형태의 도 1에 나타내는 바와 같이, 유리 기판(G)의 표측 또는 이측으로부터 분사 에어에 의해 기판을 냉각하는 기판 냉각 장치(35)를 이용한다. 이 경우, 1회째의 가열 영역을 공냉 등에 의해 냉각시킨 후에 2회째의 가열을 행하게 된다. 이것에 의해, 예를 들면, 2회째의 가열 영역이 1회째의 가열 영역과 인접하는 영역이 되는 경우에도, 시간 간격을 짧게 할 수 있다.

상기와 같이 시간 간격을 짧게 할 수 있는 이유는, 레이저광이 조사되어 가열된 부분이 냉각된 후에 다음의 레이저광이 조사되므로, 먼저 가열된 부분의 근방에 다음의 레이저광을 조사했다고 해도, 고온이 되는 영역이 냉각에 의해서 단면을 따른 방향으로 퍼지지 않기 때문이다. 즉, 이 경우는, 전술한 「유리 기판(G)의 단면 근방부를 가열하는 경우 중 고온부가 단면을 따라서 좁게 억제되는 경우」에 대응하기 때문이다.

냉각은 항상 행해지고 있어도 괜찮고, 레이저광 조사후에 행해져도 괜찮다.

제1 실시 형태와 마찬가지로, 냉각 장치의 구성, 냉각 수단, 배치 위치는 특별히 한정되지 않는다.

(1) 제1 변형예

제2 실시 형태에서는 광 분기 소자를 이용하여 다점 동시 가열을 행하는 방식을 설명했지만, 차폐 방식으로 다점 동시 가열을 행해도 괜찮다. 도 21~도 25를 이용하여, 차폐 방식으로 다점 동시 가열을 행하는 방법을 제1 변형예로서 설명한다. 도 21은, 실린드리칼 렌즈에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다. 도 22는, 갈바노 스캐너에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다. 도 23은, 폴리곤 미러에 의한 빔 형성을 나타내는 모식도이다. 도 24는, 차폐판과 유리 기판의 위치 관계를 나타내는 모식적 평면도이다. 도 25는, 차폐판과 유리 기판의 위치 관계를 나타내는 모식적 정면도이다.

실린드리칼 렌즈(41)(도 21)나 갈바노 스캐너(43)(도 22)나 폴리곤 미러(45)(도 23) 등에 의해 단면(20)을 따른 가늘고 긴 형상의 빔을 형성한다.

그리고, 도 24 및 도 25에 나타내는 바와 같이, 차폐판(47)을 이용하여, 레이저 빔(B)을 부분적으로 차폐함으로써, 복수의 레이저 스폿(S)을 형성한다. 차폐판(47)은, 단면 방향으로 간극을 두고 배치된 복수의 차폐부(47a)를 가지고 있다.

차폐판(47)은, 레이저광을 반사 또는 흡수하는 것이 필요하다. 흡수하는 경우는, 내열성을 가지는 것이 필요하다. 레이저광을 흡수하지만 충분한 내열성이 없는 경우는, 차폐판의 강제 냉각 기구를 구비할 필요가 있다.

또, 차폐판(47)을 유리 기판(G)의 단면 근방 부분(21)에 따라서 이동시키는 기구(도시하지 않음)가 마련되어 있어도 괜찮다. 이 경우는, 복수의 레이저 스폿(S)의 위치를 변경할 수 있고, 그것을 반복함으로써 단면 근방 부분(21) 전체에 레이저 스폿(S)을 조사할 수 있다.

제2 실시 형태의 제1 변형예에서도, 1회째의 가열 영역을 공냉 등에 의해 냉각시킨 후에 2회째의 가열을 행하는 것에 의해, 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 수 있어, 잔류 응력 저감 처리의 택트 타임을 단축할 수 있다.

(2) 제2 변형예

제2 실시 형태에서는 광 분기 소자를 이용하여 다점 동시 가열을 행하는 방식을 설명했지만, 레이저광을 1펄스씩 스캔하는 방식으로 다점 동시 가열을 행해도 괜찮다. 도 26~도 29를 이용하여, 레이저광을 1펄스씩 스캔하는 방식으로 다점 동시 가열을 행하는 방법을 제2 변형예로서 설명한다. 도 26은, 제2 실시 형태의 제2 변형예의 레이저 조사 장치의 모식적 평면도이다. 도 27은, 레이저 조사 장치의 모식적 정면도이다. 도 28은, 갈바노 스캐너(43)를 이용한, 3점의 레이저 스폿의 형성을 나타내는 모식도이다. 도 29는, 시간에 대한 레이저 펄스와 광선(光線) 각도의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 26 및 도 27에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사 장치(1A)는, 레이저 발진기(15), 빔 익스팬더(49), 집광 렌즈(19), 갈바노 스캐너(43)를 가지고 있다. 그리고, 레이저 조사 장치(1A)는, 갈바노 스캐너(43)를 이용하여, 레이저광의 1펄스씩 조사 위치를 제어하고, 레이저광을 복수 개소에 의사적(疑似的)으로 동시에 조사하여(정확히 동시에 조사하지 않지만, 실질적으로 동시에 조사하여), 다점이 동시에 가열되는 상태를 만든다.

도 28의 예에서는, 갈바노 스캐너에 의해서 레이저 빔의 광선 각도를 1˚ 바꿈으로써, 시료면에서 레이저 스폿의 위치가 10mm 이동한다. 도 29와 같이 500Hz로 발진하는 레이저 펄스에 동기시켜 광선 각도를 바꾼 경우, 레이저광은 주기 12밀리초로 20mm의 영역을 1왕복하고, 3점의 레이저 스폿의 각각은, 1주기(12밀리초) 중 2밀리초 동안만큼 레이저광이 조사된다. 또, 3점의 레이저 스폿끼리의 사이의 영역에는, 레이저광이 조사되지 않는다. 이 경우, 레이저광이 스캔되는 주기가 충분히 빠르기 때문에, 이 동작을 소정의 시간(예를 들면 1초 동안) 반복하여 계속하면, 3점이 소정 시간만큼 동시에 가열되게 된다.

제2 실시 형태의 제2 변형예에서도, 1회째의 가열 영역을 공냉 등에 의해 냉각시킨 후에 2회째의 가열을 행하는 것에 의해, 가열 동작끼리의 시간 간격을 짧게 할 수 있어, 잔류 응력 저감 처리의 택트 타임을 단축할 수 있다.

3. 다른 실시 형태

이상, 본 발명의 복수의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다. 특히, 본 명세서에 쓰여진 복수의 실시 형태 및 변형예는 필요에 따라서 임의로 조합 가능하다.

본 발명은 용융 면취가 행해지지 않은 경우도 적용된다.

본 발명은, 잔류 응력 발생 영역이 유리 기판(G)의 단면 근방 부분이 아닌 경우, 예를 들면 중앙 부분의 경우에도 적용된다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은, 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법 및 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치에 널리 적용할 수 있다.

1 : 레이저 조사 장치 3 : 레이저 장치
5 : 전송 광학계 7 : 가공 테이블
9 : 제어부 11 : 구동 기구
13 : 테이블 구동부 15 : 레이저 발진기
17 : 레이저 제어부 19 : 집광 렌즈
20 : 단면 21 : 단면 근방 부분
35 : 기판 냉각 장치 41 : 실린드리칼 렌즈
43 : 갈바노 스캐너 45 : 폴리곤 미러
47 : 차폐판 G : 유리 기판
S : 레이저 스폿 Z : 잔류 응력 발생 영역

Claims (6)

1. 유리 기판의 잔류 응력을 저감하는 방법으로서,
   상기 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분에 레이저광을 조사하여 가열하는 레이저광 조사 스텝과,
   상기 레이저광이 조사되어 가열된 부분을 냉각하는 냉각 스텝을 구비하고 있는 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저광 조사 스텝은, 복수의 레이저광을 복수 개소에 동시에 조사하는 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저광 조사 스텝은, 1개 또는 복수의 레이저광을 다른 개소에 조사하는 것을 순차적으로 실행하는 유리 기판의 잔류 응력 저감 방법.
4. 유리 기판의 잔류 응력을 저감하는 장치로서,
   상기 유리 기판의 잔류 응력이 높은 부분에 레이저광을 조사하여 가열하는 레이저 장치와,
   상기 레이저광이 조사되어 가열된 부분을 냉각하는 냉각 장치를 구비하고 있는 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 레이저 장치는, 복수의 레이저광을 복수 개소에 동시에 조사하는 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 레이저 장치는, 1개 또는 복수의 레이저광을 다른 개소에 조사하는 것을 순차적으로 실행하는 유리 기판의 잔류 응력 저감 장치.

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