KR20190083459A

KR20190083459A - 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치

Info

Publication number: KR20190083459A
Application number: KR1020180001116A
Authority: KR
Inventors: 김대일; 박경배; 이무호; 조유성
Original assignee: 주식회사 넵시스
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-01-04
Publication date: 2019-07-12
Also published as: KR102074737B1

Abstract

레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치는 절단 개시 지점에 미세 크랙이 형성된 대상물에 절단 예정선을 따라 레이저 스팟 빔을 조사하는 레이저 조사부를 구비한다. 레이저 조사부는 펄스 레이저 빔을 스캐닝하여 형성되는 스팟 빔을 중첩되게 이동시켜 형성되는 장공형 빔을 중첩되게 이동시킨다.

Description

레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치{Cutting Apparatus using Laser Spot Beam}

본 발명은 절단 장치에 관한 것으로, 상세하게는 레이저 스팟 빔을 이용하여 유리 기판 등을 절단하는 절단 장치에 관한 것이다.

종래에는 비결정질 비금속 재료를 절단할 때 유리 절단용 휠 등을 이용하거나 화학적 반응을 이용했으나, 최근에는 레이저를 이용한 물리, 화학적 가공 방법이 개발되어 산업 전반에 널리 이용되고 있다.

레이저를 이용한 가공법에는 광학계를 이용하여 레이저 광을 집속하고 이를 모재에 조사하여 물리-화학적 반응을 일으키는 직접가공 방식이 대표적이다. 이러한 레이저 직접가공 방식을 어블레이션(ablation) 가공법이라 하는데, 이는 모재의 분자 단위 구성을 끊어내는 광화학 반응을 수반한다.

한편, 레이저를 이용하는 가공법 중에는 레이저로 직접 가공하지 않고 열충격 메커니즘을 발생시키는 방식이 있다. 이러한 열충격 절단 공법은 비결정질 비금속 재료에 절단 예정선을 따라 레이저를 조사하여 절단 부위를 가열하고 이후 냉매를 분사하는 방식인데, 이러한 공정에 의해 절단 부위 표면에 응력이 발생하고, 그 결과로서 크랙(crack)이 절단 예정선을 따라 전파(유도)된다.

열충격 절단 공법으로 유리 모재를 절단하는 과정은, 크게 하프 컷팅 공정(Half Cutting)과 풀 컷팅 공정(Full Cutting)으로 나눌 수 있다.

하프 컷팅 공정은 미세 크랙이 형성된 유리 모재에 제1 레이저 빔(스크라이브 빔: Scribe beam)을 조사하여 모재 표면에 절단 크랙(Scribing Crack)을 형성하는 과정으로, 스크라이빙 공정이라고도 한다.

그런데, 유리 모재의 표면에 형성된 절단 크랙은 유리 모재의 두께만큼 깊이를 가지지 않아 유리 모재를 전단(완전 절단, full cutting)하지는 못하기 때문에, 유리 모재를 전단시키기 위한 후속 공정으로 풀 컷팅 공정을 진행한다. 풀 컷팅 공정은 브레이킹(Breaking) 공정이라고도 하는데, 하프 컷팅 공정에서 생성된 유리 표면의 절단 크랙을 유리 모재의 깊이 방향으로 확장시켜 유리 모재 전체에 크랙을 발생시킴으로써 유리 모재를 전단한다.

특허공개 제2009-0038691호(부분강화 빔 프로파일을 가지는 비금속판 절단방법 및 장치)는 스크라이브 빔의 빔 프로파일을 일부 변형하여, 즉 레이저 빔을 부분적으로 중첩시켜 일부가 절개된 타원 형상으로 구성하여 부분적으로 강화된 빔 프로파일을 제공함으로써 절단 능력을 향상시키고 있다.

특허등록 제1355807호(비금속 재료의 곡선 절단방법)는 비금속 재료의 모서리부를 곡선으로 절단하는 방법을 제시하고 있는데, 내용을 보면 초기의 미세 크랙을 이등분 센터 라인을 중심으로 곡선의 절단 예정선을 따라 대칭되게 형성하고 있다.

그런데, 종래기술에서는 여전히 하프 컷팅 공정과 풀 컷팅 공정을 모두 진행하고 있어 공정이 복잡하다. 특히, 종래기술에서는 냉매 분사 공정을 수반하는데, 이와 같이 냉매 분사 공정을 진행하면 유리 모재나 주변 환경이 오염될 가능성이 높아지고, 냉매 분자로 인한 광손실 등도 우려된다.

또한, 특허등록 제1355807호에서 곡선 절단을 개시하고 있기는 하지만, 사용되는 레이저 빔은 종래의 레이저 빔의 형태를 그대로 사용하고 있어 대상물의 임의 영역을 곡선 절단하는 것이 용이하지 않다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

첫째, 유리 등의 모재를 직선은 물론 곡선이 포함된 형태도 용이하게 절단할 수 있고,

둘째, 대상물이나 광학계에 오염을 야기할 수 있는 냉각 공정을 수행하지 않을 수 있으며,

셋째, 크랙의 전파를 용이하게 제어할 수 있어 두께, 재질 등을 달리하는 다양한 모재의 절단에 광범위하게 적용할 수 있는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절단 장치는 절단 개시 지점에 미세 크랙이 형성된 대상물에 절단 예정선을 따라 레이저 스팟 빔을 조사하는 레이저 조사부를 포함한다.

레이저 조사부는 펄스 레이저 빔을 스캐닝하여 형성되는 다수의 스팟 빔을 중첩되게 이동시켜 장공형 빔을 형성하고, 이러한 장공형 빔을 다시 다수 중첩되게 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 레이저 조사부는 스팟 빔의 주파수, 직경, 이동 속도, 에너지 중 적어도 하나와 장공형 빔의 길이, 이동 거리 중 적어도 하나를 조절하여 크랙의 전파를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 장공형 빔은 절단 예정선의 방향으로 장변을 갖는 형상일 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 장공형 빔은 최초 스팟 빔의 중심에서 최종 스팟 빔의 중심까지 거리가 스팟 빔의 직경의 2~3배가 되는 형상일 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 스팟 빔은 95.00 ~ 99.93%의 중첩률을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 스팟 빔은 1~3mm의 직경을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 스팟 빔은 장공형 빔을 형성할 때 100~500mm/s의 이동 속도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 스팟 빔은 10~50kHz의 주파수를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 절단 장치에서, 장공형 빔의 이동 거리는, 최초 스팟 빔의 중심에서 최종 스팟 빔의 중심까지 거리를 장공형 빔의 길이로 할 때, 장공형 빔 길이의 1/2 이하일 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치에 의하면, 스팟 빔의 주파수, 직경, 이동 속도, 에너지와 장공형 빔의 길이, 이동 거리 등을 조절하여 크랙의 전파 방향, 전파 정도 등을 제어할 수 있어, 직선 절단은 물론 곡선 절단도 용이하게 수행할 수 있고, 나아가 두께, 재질 등을 달리하는 다양한 재료의 절단에도 광범위하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치에 의하면, 레이저 스팟 빔이나 그로부터 형성되는 장공형 빔의 이동을 제어하여 가열과 냉각을 모두 수행할 수 있으므로, 별도의 냉각 장치가 필요하지 않고, 그 결과 냉매 사용으로 인한 대상물이나 광학계의 오염 염려를 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 절단 장치에서 다수의 스팟 빔을 중첩 이동시켜 직선 절단용 장공형 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.
도 3은 도 2에서 생성된 다수의 직선 절단용 장공형 빔을 중첩 이동시켜 직선용 절단 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 절단 장치에서 다수의 스팟 빔을 중첩 이동시켜 곡선 절단용 장공형 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.
도 5는 도 4에서 생성된 다수의 장공형 빔을 중첩 이동시켜 곡선용 절단 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 대상물은 비결정질 비금속 재료인데, 예를들어 유리 기판 등이 이에 속한다. 이하에서는, 유리 기판의 절단을 예로 하여 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치의 구성과 동작을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치는 유리 기판(100)을 지지하는 지지대(200), 유리 기판(100)에 스팟 빔을 스캐닝 조사하는 레이저 조사부(300) 등을 포함하여 구성할 수 있다.

유리 기판(100)은 레이저 조사부(300)로부터 출사되는 레이저 스팟 빔이 조사되는 대상물로서, 절단 개시 지점에 초기 미세 크랙(initial micro crack)을 미리 형성할 수 있다. 초기 미세 크랙을 형성하는 크래커로는 다이아몬드 휠(wheel), 유리 표면 가공용 레이저 등을 이용할 수 있다. 초기 미세 크랙은 0.2~0.5mm의 길이로 형성할 수 있다. 초기 미세 크랙의 길이는 레이저 스팟 빔에 의한 절단 반응의 조건을 형성할 수 있는데, 그 길이가 0.5 mm를 초과하여 길어지면 절단 반응은 좋아지지만 칩(Chip)이 많이 발생할 수 있다. 반대로, 초기 미세 크랙의 길이가 0.2mm 미만으로 짧아지면 크래커에 의한 칩은 줄어들지만 레이저 스팟 빔에 의한 절단 반응이 떨어질 수 있다. 따라서, 초기 미세 크랙의 길이는 절단 수율이 확보되는 조건 범위에서 가능한 짧게 형성하는 것이 제품의 품질 측면에서 유리할 수 있다.

지지대(200)는 유리 기판(100)을 지지하여 고정하거나 일측 방향으로 이동시킬 수 있다. 지지대(200)는 유리 기판(100)을 지지 고정하는 고정 지그 등을 구비하거나, 이송을 위해 이송 플레이트, 레일, 모터 등을 구비할 수도 있다.

레이저 조사부(300)는 유리 기판(100)의 절단 예정선(E)을 따라 레이저 스팟 빔을 조사하여 가열하는 것으로, 레이저 발진기(310), 빔 정형기(320), 릴레이 광학계(330), 스캐너(340), 집광 렌즈(350) 등으로 구성할 수 있다.

레이저 발진기(310)는 소정 주파수를 갖는 펄스 레이저 빔을 생성하여 출사할 수 있다. 펄스 레이저 빔은 적외선 파장대의 탄산가스 레이저를 사용하여 생성할 수 있다. 탄산가스 레이저는 10.6㎛의 적외선 파장을 가지며, 비결정질 유리 매질에서 90% 이상의 광흡수율(optical absorption rate)을 갖는다. 펄스 레이저 빔의 펄스 주파수는 10~50kHz 범위를 가질 수 있다.

빔 정형기(320)는 입사하는 펄스 레이저 빔을 원하는 형상으로 변형하는 것으로, 예를들어 빔 직경을 일정한 배율로 확대하는 빔 익스팬더(beam expander)일 수 있다. 빔 정형기(320)는 빔 단면의 광 강도 분포를 균일하게 하는 광학 소자, 빔 단면을 원형으로 만드는 광학 소자 등을 구비할 수 있다.

릴레이 광학계(330)는 입사하는 펄스 레이저 빔을 스캐너(340)로 이동시키는 것으로, 다수의 반사형 광학 소자를 포함할 수 있다.

스캐너(340)는 입사되는 펄스 레이저 빔을 유리 기판(100)의 절단 예정선(E) 을 따라 연속적으로 이동, 즉 스캐닝할 수 있다. 스캐너(340)는 펄스 레이저 빔으로부터 레이저 스팟 빔을 형성하여 이들을 중첩 이동시키면서 소정 거리를 이동시켜 장공형 빔을 1차로 형성할 수 있다. 이후, 스캐너(340)는 장공형 빔을 중첩되게 소정 거리를 이동시키면서 절단 빔을 형성할 수 있다. 스캐너(340)에 의해 다수의 스팟 빔으로부터 장공형 빔이 형성되는 과정과 다수의 장공형 빔으로부터 절단 빔이 형성되는 과정은 도 2~5를 참조하여 추후 상세히 설명한다.

집광 렌즈(350)는 스캐너(340)로부터 출사되는 레이저 스팟 빔을 유리 기판(100)의 절단 예정선(E)을 따라 집광시킬 수 있다.

제어부(미도시)는 레이저 발진기(310)에서 출사되는 펄스 레이저 빔의 주파수를 조절하여 유리 기판(100)에 입사하는 스팟 빔의 초당 갯수를 제어할 수 있다.

제어부(미도시)는 빔 정형기(320)를 제어하여 레이저 스팟 빔의 직경, 에너지 분포 등을 조절할 수 있다.

제어부(미도시)는 스캐너(340)를 제어하여 레이저 스팟 빔의 이동 속도, 장공형 빔의 길이, 장공형 빔의 이동 거리 등을 조절할 수 있다.

이와 같이, 제어부(미도시)는 스팟 빔의 주파수, 직경, 이동 속도, 에너지 등과 장공형 빔의 길이, 이동 거리 등을 조합하여 제어함으로써, 크랙의 전파, 즉 전파 깊이, 전파 속도 등을 제어할 수 있다. 특히, 제어부(미도시)가 스팟 빔의 직경을 줄여 장공형 빔의 길이를 작게 하면, 곡선 절단도 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 스팟 빔에 의해 유리 기판(100)이 절단되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

레이저 조사부(300)가 다수의 레이저 스팟 빔을 중첩 이동시켜 장공 형태의 빔을 형성하고, 이렇게 형성되는 장공형 빔 다수를 절단 예정선(E)을 따라 소정 거리만큼 연속적으로 중첩 이동시키면 유리 기판(100)에 조사하면, 절단 예정선(E) 영역의 유리 기판(100)의 표면이 국소적으로 빠르게 가열된다.

한편, 레이저 조사부(300)가 장공형 빔을 중첩시키는 과정에서 레이저 스팟 빔을 조사하지 않고 절단 예정선(E)을 따라 후방으로 이동하면, 장공형 빔에 의해 국소적으로 가열된 절단 예정선(E)의 유리 기판(100) 표면은 공기에 급격히 냉각된다. 공기에 의해 유리 기판(100)의 표면이 냉각되는 동안, 장공형 빔에 의해 전달된 열 에너지는 유리 기판(100)의 내부 하면 방향으로 전도된다. 이때, 유리 기판(100)의 표면에는 냉각으로 인해 인장력이 발생하고, 유리 기판(100) 내부에는 전도된 열에너지로 인해 압축응력이 발생한다.

이러한 스팟 빔에 의한 가열과 후방 이동에 따른 냉각을 거치면서 절단 예정선(E) 영역에서 열구배 수직분포에 편차가 발생하고, 표면과 내부의 온도 구배 편차에 따른 응력 변화는 표면의 절단 예정선(E) 영역에 수직 장력을 발생시키며, 결국 표면에서 발생한 인장력으로 인해 초기 미세 크랙은 하방으로 전파되어 수직 절단 크랙을 생성할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 절단 장치에서 다수의 스팟 빔을 중첩 이동시켜 직선 절단용 장공형 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 스캐너(340)는 0.2~0.5mm의 초기 미세 크랙(IC)의 영역을 기점으로 다수의 스팟 빔(SB-1~SB-n)을 절단 예정선(E)을 따라 이동시키면서 중첩 조사하여 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 형성할 수 있다.

스팟 빔(SB-1~SB-n)은 1~3mm의 직경을 가질 수 있다.

스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경이 1mm미만으로 작아지면 중첩률이 낮아진다. 빔 사이의 중첩 면적이 작고, 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 에너지 분포가 중심에서 높아 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 이동 거리 내에서 에너지 분포가 연속적이지 못하므로, 크랙 전파가 이루어지지 않거나 전파의 길이, 속도 등의 제어가 어려워 절단 반응이 떨어질 수 있다. 또한, 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 이동 거리 내에서 단위 면적당 에너지 밀도가 증가하여 유리 표면이 가공되는데 이는 칩핑이나 진행성 크랙을 발생시킬 수 있다. 중첩률을 보완하기 위해, 이동 속도를 감소시키거나 주파수를 증가시킬 수는 있지만, 이동속도를 감소시키면 단위 면적당 에너지 밀도가 좀더 증가되어 앞에서 언급한 유리 표면의 가공 현상이 심하게 발생할 수 있다. 또한, 주파수만 높이면 펄스 에너지가 작아져서 펄스에 의한 크랙 반응이 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해서 펄스 에너지를 높여야 하는데, 펄스 에너지를 높이게 되면 레이저의 출력을 증가시켜야 하고 이로 인해 장공형 빔에 전체 열입량이 증대되어 해당 면적의 유리 표면이 과하게 가열되면서 크랙 전파가 이루어지지 않거나 전파의 길이, 속도 등의 제어가 어려워 절단 반응이 떨어질 수 있다. 따라서, 크랙의 진행 제어를 위한 최적의 수율 확보 및 공정 조건은 극히 제한적인 절단 조건만을 갖게 된다.

스팟 빔(SB-1~SB-n)의 중첩률은 절단 수율을 결정하는 중요한 인자이다. 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 중첩률 변화는 단위 면적당 에너지와 직접 관련이 있으므로, 그 범위를 한정하여 관리하는 것이 필요한데, 다수의 절단 실험을 통해 95.00 ~ 99.93%의 중첩률이 유리 절단에서 최적 수율을 내는 것으로 확인하였다. 이러한 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 중첩률은 스팟 빔의 직경 외에 스팟 빔의 이동 속도, 주파수 등과도 관계가 있다.

반대로, 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경이 3mm를 초과하면, 단위 면적당 에너지가 낮아져 절단 반응이 떨어질 수 있다. 예를들어, 입사되는 에너지가 동일할 때, 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경을 1mm에서 3mm로 변경하면, 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 면적 차이가 9배가 되어 스팟 빔(SB-1~SB-n)에 의해 영향을 받는 면적은 증가하지만 단위 면적당 에너지는 낮아진다. 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경이 3mm이상으로 커질 경우 그 차이는 더 커질 것이다. 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경을 3mm이상으로 하면, 폭이 크기 때문에 크랙 반응이 일어날 때 절단 직진도의 품질 확보가 어렵고, 종(橫),횡(縱) 폭의 비율이 너무 작고 폭이 크기 때문에 라운드 형태의 이형 커팅 진행 시 사이즈의 제약을 받는다.

직선 절단용 장공형 빔(EB-1)은, 그 길이(EL)를 최초 스팟 빔(SB-1)의 중심에서 최종 스팟 빔(SB-n)의 중심까지 거리로 정의할 때, 그 길이(EL)는 스팟 빔 직경(SD)의 2~3배로 설정할 수 있다. 직선 절단용 장공형 빔의 길이(EL)는 스캐너(340)의 스캐닝 제어를 의해 달라질 수 있는데, 그 길이(EL)가 스팟 빔의 직경(SD)의 3배를 초과하여 길어지면 유리 기판(100)을 가열한 후 다음 가열까지 공기에 의한 냉각 시간이 길어져 충분한 가열이 일어나지 않을 수 있다. 반대로, 그 길이(EL)가 스팟 빔 직경(SD)의 2배 이하가 되면 유리 기판(100)을 가열한 후 다음 가열까지 시간이 짧아 과한 가열과 부족 냉각이 발생하고 그 결과 열충격(thermal shock) 유발이 충분하지 않을 수 있다.

직선 절단용 장공형 빔(EB-1)에 포함되는 스팟 빔(SB-1)의 개수는 직선 절단용 장공형 빔의 길이(EL), 스팟 빔(SB-1)의 주파수, 스팟 빔의 이동 속도 등에 관계될 수 있다. 스캐너(340)는 10~50kHz의 주파수를 갖는 스팟 빔을 100~500mm/s의 속도로 이동시키면서 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 형성할 수 있는데, 예를들어 직선 절단용 장공형 빔의 길이(EL)를 3mm, 스팟 빔(SB-1)의 이동속도를 500mm/s로 설정하면, 스캐너(340)가 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 형성하기 위해 스팟 빔(SB-1)을 이동시키는 시간은 6ms가 된다. 이 경우, 스팟 빔(SB-1)의 주파수가 20kHz이면, 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)에 포함된 스팟 빔(SB-1)의 개수는 120개, 즉 n이 120이 된다. 이것은 120개의 스팟 빔(SB-1~SB-n)이 중첩하면서 3mm를 이동하여 하나의 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 형성하는 것을 의미한다.

스캐너(340)가 동일 속도로 이동하면서 120개의 스팟 빔을 중첩하면, 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)은, 도 2의 도시와 같이, 절단 예정선(E) 방향을 따라 장변을 갖는 장공 형상을 가질 수 있다.

유리 기판(100)에 입사하는 에너지는 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)의 길이(EL), 스팟 빔(SB-1)의 주파수, 스팟 빔(SB-1)의 이동 속도로 결정되는 스팟 빔(SB-1)의 개수와 중첩 정도, 그리고 스팟 빔(SB-1)의 에너지, 직경 등에 따라 달라지므로, 이러한 인자들의 설정값에 따라 유리 기판(100)에서의 절단 반응도 다양하게 나타날 수 있다. 따라서, 유리 기판(100)의 재질, 두께 등을 고려하여 최적화된 스팟 빔(SB-1) 및 장공형 빔(EB-1)의 인자 설정값(조사 조건)을 선택할 수 있다.

유리 기판(100)을 직선 형태로 절단할 경우에는, 도 2의 도시와 같이, 스팟 빔(SB-1)의 직경(SD)을 크게 예를들어 3mm로, 그리고 직선 절단용 장공형 빔(EB-1)의 길이(EL)도 길게, 예를들어 스팟 빔 직경(SD)의 3배인 9mm로 설정할 수 있다.

도 3은 도 2에서 생성된 다수의 직선 절단용 장공형 빔을 중첩 이동시켜 직선용 절단 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 직선용 절단 빔은 도 2에서 생성한 장공형 빔(EB-1)을 절단 예정선(E)을 따라 중첩 이동시켜 형성할 수 있다. 직선용 절단 빔은 후방에 절단 크랙(BC)를 형성하면서 유리 기판(100)을 직선 형태로 절단할 수 있다.

스캐너(340)가 장공형 빔(EB-1)을 이동시킬 때 이동 거리(ED)를 제어할 수 있는데, 장공형 빔의 이동 거리(ED)는 크랙의 전파 정도를 조절하는 인자로 기능할 수 있다.

장공형 빔의 이동 거리(ED)는 장공형 빔 길이(EL)의 1/2 이하로 설정할 수 있다. 도 3과 같이, 절단 예정선(E)이 직선이 경우에는, 장공형 빔의 이동 거리(ED)를 상대적으로 크게, 예를들어 장공형 빔 길이(EL)의 30~50%로 설정할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 절단 장치에서 다수의 스팟 빔을 중첩 이동시켜 곡선 절단용 장공형 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 곡선 절단에서는 절단용 장공형 빔(EB-1)의 길이가 제한 요소가 될 수 있다.

스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경(SD)은 1~3 mm의 범위에서 선택하되, 곡선 절단을 위해서는 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경(SD)은 작게, 예를들어 1 ~ 1.5mm로 설정하는 것이 바람직하고, 나아가 곡선의 곡률 반경이 작을수록 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경(SD)을 1 mm에 가깝게 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 스팟 빔(SB-1~SB-n)의 직경이 크면, 종(橫),횡(縱) 폭의 비율이 너무 작고, 폭도 크기 때문에, 곡선 형태의 절단 진행 시 제약을 받을 수 있다.

도 4의 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)도 다수의 스팟 빔(SB-1~SB-n)을 중첩 이동시켜 형성할 수 있다. 다만, 장공형 빔의 길이(EL)를 스팟 빔 직경(SD)의 2~3배로 설정하되, 가능하면 작게, 즉 2배에 가깝게 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 직경(SD)이 작은 스팟 빔(SB-1~SB-n)을 사용하기 때문에, 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)의 길이(EL)는 도 2의 장공형 빔에 비해 상당히 작을 수 있다. 예를들어, 스팟 빔 직경(SD)을 1mm로 할 경우, 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)의 길이(EL)는 2mm까지 작아질 수 있다.

곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)에 포함되는 스팟 빔(SB-1)의 개수는 장공형 빔(EB-1)의 길이(EL), 스팟 빔(SB-1)의 주파수, 스팟 빔(SB-1)의 이동 속도 등에 관계될 수 있는데, 예를들어 장공형 빔의 길이(EL)를 2mm, 스팟 빔(SB-1)의 이동속도를 400mm/s로 설정하면, 스캐너(340)가 장공형 빔(EB-1)을 형성하기 위해 스팟 빔(SB-1)을 이동시키는 시간은 5ms가 된다. 이 경우, 스팟 빔(SB-1)의 주파수가 20kHz이면 장공형 빔(EB-1)에 포함된 스팟 빔(SB-1)의 개수는 100개가 되고, 이들 스팟 빔(SB-1, ...SB-n)이 중첩 이동하여 2mm 길이를 갖는 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 형성하게 된다.

도 4의 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)도 절단 예정선(E) 방향을 따라 장변을 갖는 장공 형상을 가질 수 있다.

도 5는 도 4에서 생성된 다수의 장공형 빔을 중첩 이동시켜 곡선용 절단 빔을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 곡선용 절단 빔은 도 4에서 생성한 곡선 절단용 장공형 빔을 절단 예정선(E)을 따라 중첩 이동시켜 형성할 수 있다. 곡선용 절단 빔은 후방에 절단 크랙(BC)를 형성하면서 유리 기판(100)을 곡선 형태로 절단할 수 있다.

스캐너(340)가 곡선 절단용 장공형 빔(EB-1)을 이동시킬 때 이동 거리를 제어할 수 있는데, 곡선 절단용 장공형 빔의 이동 거리는 곡선 절단용 장공형 빔 길이(EL)의 1/2 이하로 설정하되, 가능하면 작게, 예를들어 곡선 절단용 장공형 빔 길이(EL)의 10~30%로 설정할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스팟 빔을 이용한 절단 장치는 스팟 빔의 직경 등을 조절하여 크랙의 전파를 제어할 수 있어, 직선 절단은 물론 곡선 절단도 원활하게 수행할 수 있고, 나아가 절단면 상부에 칩 발생을 최소화 내지 차단할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 스팟 빔을 이용한 절단 장치는 스캐너를 통한 스팟 빔의 이동 제어만으로 유리 기판(100)을 가열하고 냉각시켜 유리 기판(100)을 절단하므로, 냉각 공정을 별도로 필요로 하지 않는다.

이상 본 발명을 여러 실시예에 기초하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 통상의 기술자라면, 위 실시예에 기초하여 그 형태를 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러나, 본 출원의 권리범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 결정되므로, 그러한 변형이나 수정이 아래의 특허청구범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.

100 : 유리 기판 200 : 지지대
300 : 레이저 조사부 310 : 레이저 발진기
320 : 빔 정형기 330 : 릴레이 광학계
340 : 스캐너 350 : 집광 렌즈
E : 절단 예정선 IC : 초기 미세 크랙
BC : 절단 크랙 SB-1,SB-2, ....SB-n : 스팟 빔
SD : 스팟 빔의 직경 EB-1,EB-2 : 장공형 빔
EL : 장공형 빔의 길이 ED : 장공형 빔의 이동 거리

Claims

절단 장치에 있어서,
절단 개시 지점에 미세 크랙이 형성된 대상물에 절단 예정선을 따라 레이저 스팟 빔을 조사하는 레이저 조사부를 포함하되,
상기 레이저 조사부는 펄스 레이저 빔을 스캐닝하여 형성되는 스팟 빔을 중첩되게 이동시켜 형성되는 장공형 빔을 중첩되게 이동시키는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제1 항에 있어서, 상기 레이저 조사부는
상기 스팟 빔의 주파수, 직경, 이동 속도, 에너지 중 적어도 하나와 상기 장공형 빔의 길이, 이동 거리 중 적어도 하나를 조절하여 크랙의 전파를 제어하는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제2 항에 있어서, 상기 장공형 빔은
상기 절단 예정선의 방향으로 장변을 갖는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제3 항에 있어서, 상기 장공형 빔은
최초 스팟 빔의 중심에서 최종 스팟 빔의 중심까지 거리가 스팟 빔의 직경의 2~3배인, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스팟 빔은
95.00 ~ 99.93%의 중첩률을 갖는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제5 항에 있어서, 상기 스팟 빔은
1~3mm의 직경과 10~50kHz의 주파수를 가지며,
상기 장공형 빔을 형성할 때 100~500mm/s의 속도를 이동하는, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.
제2 항에 있어서, 상기 장공형 빔의 이동 거리는
최초 스팟 빔의 중심에서 최종 스팟 빔의 중심까지 거리를 상기 장공형 빔의 길이로 할 때 상기 장공형 빔의 길이의 1/2 이하인, 레이저 스팟 빔을 이용한 절단 장치.