TW202247931A - 複合材料之切斷方法 - Google Patents

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矢野孝伸
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日商日東電工股份有限公司
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Abstract

本發明之課題在於提供一種於切斷後之脆性材料層之端面不易產生裂縫，且切斷後之複合材料獲得充分之彎曲強度之方法。 本發明係將積層有脆性材料層1與樹脂層2之複合材料10切斷之方法，且包含：脆性材料去除步驟，其將自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1自脆性材料層側沿著複合材料之切斷預定線DL照射而形成刻劃槽11；及樹脂去除步驟，其將自雷射光源30振盪之雷射光L2沿著切斷預定線照射至樹脂層而將形成樹脂層之樹脂去除。於脆性材料去除步驟中，將雷射光L1之焦點AF設定於樹脂層之與脆性材料層之界面附近，於雷射光L1之照射位置上之樹脂層之厚度為5 μm以上之狀態下振盪雷射光L1，而形成在樹脂層側開口且不貫通脆性材料層之上述刻劃槽。

Description

複合材料之切斷方法
本發明係關於一種將積層有脆性材料層與樹脂層之複合材料切斷之方法。尤其，本發明係關於不易於切斷後之脆性材料層之端面產生裂縫，且切斷後之複合材料(複合材料片)獲得充分之彎曲強度之方法。
於用於電視或個人電腦之圖像顯示裝置之最表面側，較多之情形時，配置有用以保護圖像顯示裝置之保護材。作為保護材，代表性地使用玻璃板。 然而，如用於智慧型手機、智慧型手錶、車載顯示器等之圖像顯示裝置般，隨著圖像顯示裝置之小型化、薄型化、輕量化，對兼備保護功能與光學功能之薄型保護材之要求提高。作為此種保護材，例如，可列舉積層有發揮保護功能之玻璃等脆性材料層與發揮光學功能之偏光膜等樹脂層之複合材料。該複合材料必須根據用途切斷為特定形狀、特定尺寸。
先前，作為將積層有脆性材料層與樹脂層之複合材料切斷之方法，提出有專利文獻1中所記載之方法。 專利文獻1中所記載之方法包含：樹脂去除步驟，其藉由將自CO 2雷射光源等雷射光源振盪之雷射光沿著複合材料之切斷預定線照射至樹脂層而將形成樹脂層之樹脂去除，而形成沿著切斷預定線之加工槽；及脆性材料去除步驟，其於樹脂去除步驟之後，藉由將自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光沿著切斷預定線照射至脆性材料層而將形成脆性材料層之脆性材料去除，而形成沿著切斷預定線之加工痕；加工痕為貫通脆性材料層之貫通孔。 根據專利文獻1中所記載之方法，由於使用自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光將形成脆性材料層之脆性材料去除，故可獲得於切斷後之脆性材料層之端面不易產生裂縫之優點。
又，於專利文獻1中所記載之方法中，切斷後之複合材料亦獲得特定之彎曲強度。然而，期望獲得更進一步充分之彎曲強度。
再者，非專利文獻1中記載有，於使用超短脈衝雷射光之加工技術中，利用超短脈衝雷射光之成絲(Filamentation)現象，或對超短脈衝雷射光源應用多焦點光學系統或貝索光束(Bessel beam)光學系統。 又，於非專利文獻2中，對薄玻璃基板之2點彎曲應力進行了記載。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2019-122966號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]John Lopez等人，''使用超短脈衝貝索光束之玻璃切斷(GLASS CUTTING USING ULTRASHORT PULSED BESSEL BEAMS)''，[online]，2015年10月，International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics(ICALEO)，[令和2年7月17日檢索]，網際網路(URL:https://www.researchgate.net/publication/284617626_GLASS_CUTTING_USING_ULTRASHORT_PULSED_BESSEL_BEAMS) [非專利文獻2]Suresh T. Gulati等人，''Two Point Bending of Thin Glass Substrate''，2011年，SID 11 DIGEST，p.652-654
[發明所欲解決之問題]
本發明係為了解決如上所述之先前技術之問題點而完成者，課題在於提供一種於切斷後之脆性材料層之端面不易產生裂縫，且切斷後之複合材料(複合材料片)獲得充分之彎曲強度之方法。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，本發明人等進行了銳意研究，結果發現，藉由於自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之照射位置上之樹脂層之厚度為特定值以上(5 μm以上)的狀態下，將雷射光之焦點設定於樹脂層之與脆性材料層之界面附近，自脆性材料層側沿著切斷預定線照射雷射光，而將脆性材料層之僅樹脂層側之脆性材料去除，形成沿著切斷預定線一體地連接之刻劃槽。而且，發現以該刻劃槽作為起點將複合材料切斷，於切斷後之脆性材料層之端面不易產生裂縫，且切斷後之複合材料獲得充分之彎曲強度。 本發明係基於上述本發明人等之見解而完成者。
即，為了解決上述問題，本發明提供一種複合材料之切斷方法，其係將積層有脆性材料層與樹脂層之複合材料切斷之方法，且包含：脆性材料去除步驟，其藉由將自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光自上述脆性材料層側沿著上述複合材料之切斷預定線照射而將形成上述脆性材料層之脆性材料去除，而形成沿著上述切斷預定線一體地連接之刻劃槽；及樹脂去除步驟，其將自雷射光源振盪之雷射光沿著上述切斷預定線照射至上述樹脂層而將形成上述樹脂層之樹脂去除；於上述脆性材料去除步驟中，將自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之焦點設定於上述樹脂層之與上述脆性材料層之界面附近，於自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之照射位置上之上述樹脂層之厚度為5 μm以上的狀態下自上述超短脈衝雷射光源振盪雷射光，形成在上述樹脂層側開口且不貫通上述脆性材料層之上述刻劃槽。
根據本發明之複合材料之切斷方法，於脆性材料去除步驟中，藉由照射自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光而將形成脆性材料層之脆性材料去除，而於脆性材料層形成刻劃槽，故而以該刻劃槽作為起點切斷複合材料，於切斷後之脆性材料層之端面(與複合材料之厚度方向(脆性材料層與樹脂層之積層方向)正交之方向的端面)不易產生裂縫。 又，根據本發明之複合材料之切斷方法，於脆性材料去除步驟中形成之刻劃槽於樹脂層側開口，且不貫通脆性材料層。換言之，於脆性材料去除步驟中，將脆性材料層之僅樹脂層側之脆性材料去除而形成刻劃槽。因此，以該刻劃槽作為起點切斷複合材料，如本發明人等所發現般，切斷後之複合材料可獲得充分之彎曲強度。 藉由本發明形成刻劃槽之機制未必明確，但本發明人等推測為藉由將雷射光之焦點設定於樹脂層之與脆性材料層之界面附近，而使雷射光之能量於樹脂層之與脆性材料層之界面附近被集中地吸收而發熱，該熱傳遞至脆性材料層，藉此將所傳遞之部位之脆性材料去除而形成刻劃槽。
再者，於本發明之複合材料之切斷方法中，所謂｢自上述脆性材料層側沿著上述複合材料之切斷預定線照射雷射光｣，係指自複合材料之厚度方向(脆性材料層與樹脂層之積層方向)觀察，自脆性材料層側沿著切斷預定線將雷射光照射至複合材料。又，於本發明之複合材料之切斷方法中，所謂｢將雷射光沿著上述切斷預定線照射至上述樹脂層｣，係指自複合材料之厚度方向觀察，沿著切斷預定線將雷射光照射至樹脂層。 又，於本發明之複合材料之切斷方法中，所謂「上述樹脂層之與上述脆性材料層之界面附近」，係指樹脂層與脆性材料層之界面本身，及接近界面之樹脂層之部位(例如，於複合材料之厚度方向上，距界面之距離為20 μm以下，較佳為10 μm以下之部位)。所謂「將自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之焦點設定於上述樹脂層之與上述脆性材料層之界面附近」，係指將複合材料之厚度方向上之雷射光之焦點之位置設定於樹脂層之與脆性材料層之界面附近。 進而，於本發明之複合材料之切斷方法中，樹脂去除步驟中所使用之雷射光源之種類只要為可利用振盪之雷射光將形成樹脂層之樹脂去除者，則並不特別限定。但是，自能夠提高雷射光相對於複合材料之相對移動速度(加工速度)之方面而言，較佳為使用振盪紅外區域之波長之雷射光的CO 2雷射光源或CO雷射光源。
於本發明之複合材料之切斷方法中，亦能夠於先執行樹脂去除步驟之後，執行脆性材料去除步驟。但是，該情形時，於樹脂去除步驟中，無法沿著切斷預定線將樹脂完全去除，必須殘留樹脂5 μm以上之厚度量。樹脂之殘量會依賴於樹脂去除步驟中自雷射光源振盪之雷射光之功率或雷射光相對於複合材料之相對移動速度(加工速度)等而變化，故而存在其調整需花費工夫，另一方面，若樹脂過度殘留則對複合材料之切斷造成障礙之虞。 因此，於本發明之複合材料之切斷方法中，較佳為於上述脆性材料去除步驟之後，執行上述樹脂去除步驟。 根據上述較佳之方法，藉由先執行之脆性材料去除步驟而形成刻劃槽，故而於形成有刻劃槽之後執行之樹脂去除步驟中，即便沿著切斷預定線將樹脂完全去除亦不會造成障礙。因此，能夠避免雷射光之功率等之調整花費工夫，或對複合材料之切斷造成障礙之虞。
較佳為，本發明之複合材料之切斷方法進而包含複合材料切斷步驟，該複合材料切斷步驟係於上述脆性材料去除步驟及上述樹脂去除步驟之後，藉由沿著上述切斷預定線施加外力，而切斷上述複合材料。 根據上述較佳之方法，能夠確實地切斷複合材料。
根據本發明人等之見解，刻劃槽之深度越小，切斷後之複合材料越可獲得充分之彎曲強度，另一方面，若刻劃槽之深度過小，則會對複合材料之切斷造成障礙。 因此，於本發明之複合材料之切斷方法中，上述刻劃槽之深度較佳為3 μm以上50 μm以下。下限更佳為5 μm以上，進而較佳為10 μm以上。上限更佳為30 μm以下，更佳為20 μm以下，更佳為18 μm以下，進而較佳為16 μm以下。 再者，於上述較佳之方法中，所謂「刻劃槽之深度」，係指刻劃槽之樹脂層側之端(刻劃槽之開口端)、與刻劃槽之脆性材料層側之底部(與刻劃槽之開口端相反側之端部)的距離。又，於上述較佳之方法中，所謂「上述刻劃槽之深度為3 μm以上50 μm以下」，係指沿著切斷預定線之刻劃槽之深度之平均值為3 μm以上50 μm以下。
又，於本發明之複合材料之切斷方法中，上述刻劃槽之深度較佳為上述脆性材料層之厚度之10%以上50%以下。下限更佳為15%以上。上限更佳為35%以下。
於本發明之複合材料之切斷方法中，自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之波長例如為500 nm以上2500 nm以下。
於本發明之複合材料之切斷方法中，自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之脈衝寬度例如為350飛秒以上10000飛秒以下。 [發明之效果]
根據本發明，於切斷後之脆性材料層之端面不易產生裂縫，且切斷後之複合材料能夠獲得充分之彎曲強度。
以下，適當參照隨附圖式，對本發明之一實施方式之複合材料之切斷方法(以下，適當簡稱為「切斷方法」)進行說明。 圖1及圖2係模式性地說明本發明之一實施方式之複合材料之切斷方法之順序的說明圖。圖1(a)係表示本實施方式之切斷方法之脆性材料去除步驟之剖視圖，圖1(b)係表示本實施方式之切斷方法之樹脂去除步驟之剖視圖，圖1(c)係表示本實施方式之切斷方法之複合材料切斷步驟之剖視圖。圖2(a)係表示本實施方式之切斷方法之脆性材料去除步驟後之複合材料的上俯視圖(自脆性材料層側觀察之俯視圖)，圖2(b)係表示本實施方式之切斷方法之樹脂去除步驟後之複合材料的下俯視圖(自樹脂層側觀察之俯視圖)。 本實施方式之切斷方法係將積層有脆性材料層1與樹脂層2之複合材料10於厚度方向(脆性材料層1與樹脂層2與之積層方向，圖1之上下方向，Z方向)切斷之方法。
脆性材料層1與樹脂層2係藉由任意之適當之方法而積層。例如，脆性材料層1與樹脂層2能夠藉由所謂卷對卷方式而積層。即，藉由一面將長條之脆性材料層1與長條之樹脂層2於長邊方向搬送，一面以相互之長邊方向對齊之方式相互貼合，能夠將脆性材料層1與樹脂層2積層。又，亦能夠將脆性材料層1與樹脂層2分別切斷為特定形狀之後積層。脆性材料層1與樹脂層2代表性地經由任意之適當之黏著劑或接著劑而積層。
作為形成脆性材料層1之脆性材料，可例示玻璃、及單晶或多晶矽。 作為玻璃，根據組成之分類，可例示鈉鈣玻璃、硼酸玻璃、鋁矽酸玻璃、石英玻璃、及藍寶石玻璃。又，根據鹼成分之分類，可例示無鹼玻璃、低鹼玻璃。玻璃之鹼金屬成分(例如，Na 2O、K 2O、Li 2O)之含量較佳為15重量%以下，更佳為10重量%以下。
脆性材料層1之厚度較佳為200 μm以下，更佳為150 μm以下，進而較佳為120 μm以下，特佳為100 μm以下。另一方面，脆性材料層1之厚度較佳為5 μm以上，更佳為20 μm以上，進而較佳為30 μm以上。若脆性材料層1之厚度為此種範圍，則能夠藉由卷對卷方式與樹脂層2積層。
於形成脆性材料層1之脆性材料為玻璃之情形時，脆性材料層1之波長550 nm時之透光率較佳為85%以上。於形成脆性材料層1之脆性材料為玻璃之情形時，脆性材料層1之波長550 nm時之折射率較佳為1.4～1.65。於形成脆性材料層1之脆性材料為玻璃之情形時，脆性材料層1之密度較佳為2.3 g/cm 3～3.0 g/cm 3，更佳為2.3 g/cm 3～2.7 g/cm 3。
於形成脆性材料層1之脆性材料為玻璃之情形時，作為脆性材料層1，可直接使用市售之玻璃板，亦可將市售之玻璃板研磨成為所期望之厚度後使用。作為市售之玻璃板，例如，可列舉康寧公司製造「7059」、「1737」或「EAGLE2000」、旭硝子公司製造「AN100」、NH TECHNO GLASS公司製造「NA-35」、日本電氣硝子公司製造「OA-10」、肖特公司製造「D263」或「AF45」。
作為樹脂層2，可例示由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等丙烯酸樹脂、環烯烴聚合物(COP)、環烯烴共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚胺酯樹脂、聚乙烯醇(PVA)、聚醯亞胺(PI)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、三乙醯纖維素(TAC)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、聚醯胺(PA)、矽酮樹脂、環氧樹脂、液晶聚合物、各種樹脂製發泡體等塑膠材料形成之單層膜、或包括複數個層之積層膜。
於樹脂層2為包括複數個層之積層膜之情形時，亦可於層間介置丙烯酸系黏著劑、聚胺酯系黏著劑、矽酮系黏著劑等各種黏著劑或環氧系接著劑等各種接著劑。又，亦可於樹脂層2之表面形成包括如上所述之黏著劑或接著劑之黏著劑層或接著劑層。 又，亦可於樹脂層2之表面形成氧化銦錫(ITO)、Ag、Au、Cu等導電性之無機膜。 本實施方式之切斷方法特別適宜用於樹脂層2為用於顯示器之偏光膜、表面保護膜、相位差膜等各種光學膜之情形時。 樹脂層2之厚度較佳為20～500 μm。
再者，於圖1所示之例子中，圖示了樹脂層2為包括由PET等形成之基材膜21及形成於基材膜21之單面之黏著劑層22的表面保護膜，複合材料10為經由黏著劑層22而積層有脆性材料層1與樹脂層2之構成之例子。
本實施方式之切斷方法包含脆性材料去除步驟、樹脂去除步驟、及複合材料切斷步驟。以下，依次對各步驟進行說明。
＜脆性材料去除步驟＞ 如圖1(a)及圖2(a)所示，於脆性材料去除步驟中，藉由將自超短脈衝雷射光源20振盪(脈衝振盪)之雷射光(超短脈衝雷射光)L1自脆性材料層1側沿著複合材料10之切斷預定線照射而將形成脆性材料層1之脆性材料去除，而形成沿著切斷預定線一體地連接之刻劃槽11。 於圖1及圖2所示之例子中，圖示了沿著複合材料10之面內(XY二維平面內)之正交之2個方向(X方向及Y方向)中之Y方向延伸之直線DL為切斷預定線的情形時。切斷預定線DL亦能夠作為視覺上能夠識別之顯示而實際上描繪於複合材料10，亦能夠對控制雷射光L1與複合材料10之XY二維平面上之相對位置關係的控制裝置(未圖示)預先輸入其座標。圖1及圖2所示之切斷預定線DL為對控制裝置預先輸入其座標，但實際上不描繪於複合材料10之假想線。再者，切斷預定線DL並不限定為直線，亦可為曲線。藉由根據複合材料10之用途來決定切斷預定線DL，能夠將複合材料10切斷為與用途對應之任意之形狀。
作為將雷射光L1沿著複合材料10之切斷預定線DL照射之態樣(掃描雷射光L1之態樣)，例如，考慮將單片狀之複合材料10載置並固定(例如，吸附固定)於XY雙軸載台(未圖示)，藉由來自控制裝置之控制信號而驅動XY雙軸載台，藉此變更相對於雷射光L1之複合材料10之XY二維平面上之相對位置。又，亦考慮將複合材料10之位置固定，使用藉由來自控制裝置之控制信號而驅動之檢流計鏡或多面鏡使自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1偏向，藉此變更照射至複合材料10之雷射光L1之XY二維平面上之位置。進而，亦能夠併用使用上述XY雙軸載台之複合材料10之掃描與使用檢流計鏡等之雷射光L1之掃描之兩者。
形成脆性材料層1之脆性材料藉由利用自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之成絲現象，或者對超短脈衝雷射光源20應用多焦點光學系統(未圖示)或貝索光束光學系統(未圖示)而去除。 再者，關於利用超短脈衝雷射光之成絲現象之情況或對超短脈衝雷射光源應用多焦點光學系統或貝索光束光學系統之情況，記載於上述非專利文獻1。又，由德國之Trumpf公司銷售與對超短脈衝雷射光源應用多焦點光學系統之玻璃加工相關之製品。如此，由於關於利用超短脈衝雷射光之成絲現象情況或對超短脈衝雷射光源應用多焦點光學系統或貝索光束光學系統之情況為公知，故而此處省略過多之詳細說明。
自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之波長於形成脆性材料層1之脆性材料為玻璃之情形時較佳為顯示較高之透光率之500 nm以上2500 nm以下。為了有效地產生非線性光學現象(多光子吸收)，故而雷射光L1之脈衝寬度較佳為100微微秒以下，更佳為50微微秒以下。雷射光L1之脈衝寬度例如設定為350飛秒以上10000飛秒以下。雷射光L1之振盪形態可為單脈衝振盪，亦可為叢發模(burst mode)之多脈衝振盪。
於脆性材料去除步驟中，將自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之焦點設定於樹脂層2之與脆性材料層1之界面附近。藉此，於脆性材料去除步驟中形成之刻劃槽11於樹脂層2側開口且不貫通(於與樹脂層2側相反之側不開口)脆性材料層1。換言之，於脆性材料去除步驟中，將脆性材料層1之僅樹脂層2側之脆性材料去除而形成刻劃槽11。 以下，對該點更具體地進行說明。
圖3係模式性地說明自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之焦點之設定方法之一例的說明圖。 於圖3所示之例子中，對超短脈衝雷射光源20應用多焦點光學系統。具體而言，圖3所示之多焦點光學系統由3個旋轉三稜鏡透鏡21a、21b、21c構成。如圖3所示，若將自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之空間強度分佈假定為高斯分佈，則於強度相對較高之點A至點B之範圍振盪之雷射光L1沿著圖3中虛線所示之光路，於焦點AF收束。於本實施方式之脆性材料去除步驟中，設定於樹脂層2之與脆性材料層1之界面附近之焦點為於點A至點B之強度相對較高之範圍振盪之雷射光L1收束的焦點AF。點A至點B之範圍例如為成為雷射光L1之空間強度分佈之最大強度之90%以上之強度的範圍。 於脆性材料去除步驟中，以該雷射光L1之焦點AF之位置成為樹脂層2之與脆性材料層1之界面附近，具體而言距界面為距離H之位置之方式，調整焦點AF與複合材料10之位置關係。該距離H較佳為設定為0 μm～20 μm，更佳為0 μm～10 μm。 焦點AF中之雷射光L1之點徑較佳為設定為5 μm以下，更佳為3 μm以下。
再者，於利用雷射光L1之成絲現象之情形時，於雷射光L1透過脆性材料層1時，藉由利用克爾效應自收束，而使得越前進則點徑越小。而且，於雷射光L1收束至脆性材料層1產生剝蝕之能量閾值為止時，會將脆性材料層1之脆性材料去除而形成刻劃槽11。如上所述，藉由將雷射光L1收束至產生剝蝕之能量閾值為止之位置(相當於上述焦點AF)設定於樹脂層2之與脆性材料層1之界面附近，能夠形成在樹脂層2側開口且不貫通脆性材料層1之刻劃槽11。
藉由調整自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之功率，能夠調整用於形成刻劃槽11(去除脆性材料)之能量之強弱(點A至點B之範圍之強度之大小)。藉此，能夠調整刻劃槽11之深度。 刻劃槽11之深度越小，則切斷後之複合材料10越可獲得充分之彎曲強度，另一方面，若刻劃槽11之深度過小，則會對於下述複合材料切斷步驟中之複合材料10之切斷造成障礙。 因此，刻劃槽11之深度較佳為3 μm以上50 μm以下。下限更佳為5 μm以上，進而較佳為10 μm以上。上限更佳為30 μm以下，更佳為20 μm以下，更佳為18 μm以下，進而較佳為16 μm以下。於脆性材料層1之厚度較小之情形時(例如，厚度為50 μm以下之情形時)，刻劃槽11之深度較佳為3 μm以上20 μm以下。 又，刻劃槽11之深度較佳為脆性材料層1之厚度之10%以上50%以下。下限更佳為15%以上。上限更佳為35%以下。
＜樹脂去除步驟＞ 本實施方式之樹脂去除步驟係於脆性材料去除步驟之後執行。 如圖1(b)及圖2(b)所示，於樹脂去除步驟中，將自雷射光源30振盪之雷射光L2沿著複合材料10之切斷預定線DL照射至樹脂層2而將形成樹脂層2之樹脂去除。藉此，形成沿著切斷預定線DL之加工槽23。 作為將雷射光L2沿著切斷預定線DL照射之態樣(掃描雷射光L2之態樣)，可採用與將上述雷射光L1沿著切斷預定線DL照射之態樣相同之態樣，故而此處省略詳細之說明。
於本實施方式中，使用振盪之雷射光L2之波長為紅外區域之9～11 μm之CO 2雷射光源，作為雷射光源30。 但是，本發明並不限定於此，亦能夠使用振盪之雷射光L2之波長為5 μm之CO雷射光源，作為雷射光源30。 又，亦能夠使用可見光及紫外線(UV)脈衝雷射光源，作為雷射光源30。作為可見光及UV脈衝雷射光源，可例示振盪之雷射光L2之波長為532 nm、355 nm、349 nm或266 nm(以Nd：YAG、Nd：YLF、或YVO4為介質之固體雷射光源之高次諧波)者，振盪之雷射光L2之波長為351 nm、248 nm、222 nm、193 nm或157 nm之準分子雷射光源，振盪之雷射光L2之波長為157 nm之F2雷射光源。 又，亦能夠使用振盪之雷射光L2之波長為紫外線區域以外，且脈衝寬度為飛秒或微微秒級別之脈衝雷射光源，作為雷射光源30。若使用自該脈衝雷射光源振盪之雷射光L2，則能夠誘發基於多光子吸收過程之剝蝕加工。 進而，亦能夠使用振盪之雷射光L2之波長為紅外區域之半導體雷射光源或光纖雷射光源，作為雷射光源30。 如上所述，於本實施方式中，使用CO 2雷射光源作為雷射光源30，故而，以下將雷射光源30稱為「CO 2雷射光源30」。
CO 2雷射光源30之振盪形態可為脈衝振盪亦可為連續振盪。雷射光L2之空間強度分佈亦可為高斯分佈，亦可為了抑制作為雷射光L2之去除對象外之脆性材料層1之損傷，使用繞射光學元件(未圖示)等，整形為平頂分佈。雷射光L2之偏光狀態並無限制，亦可為直線偏光、圓偏振光及隨機偏光之任一者。
藉由將雷射光L2沿著複合材料10之切斷預定線DL照射至樹脂層2(基材膜21及黏著劑層22)，而產生形成樹脂層2之樹脂中照射有雷射光L2之樹脂(基材膜21及黏著劑層22之照射有雷射光L2之部分)之伴隨紅外光吸收之局部性的溫度上升而該樹脂飛散，藉此將該樹脂自複合材料10去除，於複合材料10形成加工槽23。為了抑制自複合材料10去除之樹脂之飛散物再附著於複合材料10，較佳為於切斷預定線DL附近設置集塵機構。為了抑制加工槽23之槽寬變大，較佳為以向樹脂層2之照射位置上之點徑成為300 μm以下之方式將雷射光L2聚光，更佳為以點徑成為200 μm以下之方式將雷射光L2聚光。
再者，於以照射有雷射光L2之樹脂之伴隨紅外光吸收之局部性的溫度上升為原理之樹脂之去除方法之情形時，無論樹脂之種類或樹脂層2之層構造如何，均能夠根據樹脂層2之厚度，大概估算出形成加工槽23所需要之投入能量。具體而言，能夠基於樹脂層2之厚度，藉由以下之式(2)而估算出形成加工槽23所需要之以下之式(1)表示之投入能量。 投入能量[mJ/mm]＝雷射光L2之平均功率[mW]/加工速度[mm/sec]・・・(1) 投入能量[mJ/mm]＝0.5×樹脂層2之厚度[μm]・・・(2) 實際設定之投入能量較佳為設定為利用上述式(2)估算出之投入能量之20%～180%，更佳為設定為50%～150%。其原因在於，對如此估算出之投入能量設置範圍係考慮形成樹脂層2之樹脂之光吸收率(雷射光L2之波長中之光吸收率)，或藉由樹脂之熔點、分解點等熱物性之差異而形成加工槽23所需要之投入能量產生差異。具體而言，例如，只要準備應用本實施方式之切斷方法之複合材料10之樣品，利用上述較佳之範圍內之複數個投入能量進行於該樣品之樹脂層2形成加工槽23之預備試驗，決定適當之投入能量即可。
於本實施方式之樹脂去除步驟中，將自雷射光源30振盪之雷射光L2自樹脂層2側照射至樹脂層2。於圖1(a)、(b)所示之例子中，以與樹脂層2對向之方式，將CO 2雷射光源30相對於複合材料10配置於Z方向下側，以與脆性材料層1對向之方式，將超短脈衝雷射光源20相對於複合材料10配置於Z方向上側。而且，於在脆性材料去除步驟中利用自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1形成刻劃槽11之後，停止雷射光L1之振盪，於樹脂去除步驟中利用自CO 2雷射光源30振盪之雷射光L2形成加工槽23。 然而，本發明並不限定於此，亦能夠採用以下方法：將超短脈衝雷射光源20及CO 2雷射光源30相對於複合材料10均配置於相同之側(Z方向上側或下側)，以於脆性材料去除步驟中使脆性材料層1與超短脈衝雷射光源20對向，於樹脂去除步驟中使樹脂層2與CO 2雷射光源30對向之方式使複合材料10之上下反轉。
於樹脂去除步驟中，只要不會對下述複合材料切斷步驟中之複合材料10之切斷造成障礙，則所形成之加工槽23之底部亦可產生樹脂之殘渣。 但是，較佳為進而包含清洗步驟，其為了將複合材料10確實地切斷，藉由對樹脂去除步驟中所形成之加工槽23進行清洗，而將形成樹脂層2之樹脂之殘渣去除。 於清洗步驟中，能夠應用各種濕式方式及乾式方式之清洗方法。作為濕式方式之清洗方法，可例示藥液浸漬、超音波洗淨、乾冰噴射、微及奈米細泡沫洗淨。作為乾式方式之清洗方法，能夠使用雷射、電漿、紫外線、臭氧等。
＜複合材料切斷步驟＞ 如圖1(c)所示，於複合材料切斷步驟中，於脆性材料去除步驟及樹脂去除步驟之後，藉由沿著切斷預定線DL施加外力，而切斷複合材料10。於圖1(c)所示之例子中，複合材料10被切斷為複合材料片10a、10b。 作為對複合材料10附加外力之方法，可例示機械性斷裂(山褶線)、利用紅外區域雷射光之切斷預定線DL之附近部位之加熱、利用超音波輥之振動附加、利用吸盤之吸附及提昇等。於藉由山褶線而將複合材料10切斷之情形時，較佳為以將形成有刻劃槽11之脆性材料層1之樹脂層2側作為起點進行切斷之方式，以樹脂層2側成為凸部(脆性材料層1側成為凹部)之方式施加外力。
圖4係模式性地表示於本實施方式之切斷方法之複合材料切斷步驟中切斷之後之複合材料片10a、10b之構成的剖視圖。 如圖4所示，複合材料片10a、10b係其脆性材料層1之一個端面(切斷之端面)中之樹脂層2側之第1部位12之表面粗糙度大於上述一個端面中之與樹脂層2相反側之第2部位13之表面粗糙度。第1部位12相當於形成有刻劃槽11之部位，第2部位13相當於未形成刻劃槽11之部位。因此，第1部位12之厚度(沿著脆性材料層1之厚度方向(Z方向)之第1部位12之尺寸)較佳為脆性材料層1之厚度的10%以上40%以下。下限更佳為15%以上。上限更佳為35%以下。 複合材料片10a、10b之脆性材料層1之一個端面(切斷之端面)較樹脂層2之相同側之端面(切斷之端面)更向上述一個端面側(圖4之紙面左側)突出。其突出量14根據自CO 2雷射光源30振盪之雷射光L2向樹脂層2之照射位置上之點徑而變化，例如，為200 μm以下、100 μm以下、50 μm以下。突出量14之下限越小越好，例如為1 μm以上、5 μm以上。
根據以上所說明之本實施方式之切斷方法，於脆性材料去除步驟中，藉由照射自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1而將形成脆性材料層1之脆性材料去除，而於脆性材料層1形成刻劃槽11，故而於複合材料切斷步驟中，以該刻劃槽11作為起點將複合材料10切斷，切斷後之脆性材料層1之端面不易產生裂縫。 又，根據本實施方式之切斷方法，於脆性材料去除步驟中形成之刻劃槽11於樹脂層2側開口且不貫通脆性材料層1。換言之，於脆性材料去除步驟中，將脆性材料層1之僅樹脂層2側之脆性材料去除而形成刻劃槽11。因此，於複合材料切斷步驟中，以該刻劃槽11作為起點將複合材料10切斷，切斷後之複合材料片10a、10b可獲得充分之彎曲強度。
再者，於本實施方式中，於脆性材料去除步驟之後執行樹脂去除步驟，但本發明並不限定於此，亦能夠於樹脂去除步驟之後執行脆性材料去除步驟。換言之，亦能夠於形成加工槽23之後形成刻劃槽11。 但是，該情形時，於脆性材料去除步驟中，將自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之焦點AF設定於樹脂層2之與脆性材料層1之界面附近，故而必須於執行脆性材料去除步驟之時間點，於加工槽23之底部產生樹脂之殘渣。具體而言，必須於該樹脂之殘渣之厚度(即，自超短脈衝雷射光源20振盪之雷射光L1之照射位置上之樹脂層2之厚度)為5 μm以上之狀態下，執行脆性材料去除步驟。
以下，對進行使用本實施方式之切斷方法(實施例1、2)及比較例(比較例1、2)之切斷方法將複合材料10切斷之試驗之結果的一例進行說明。
＜實施例1＞ 圖5係模式性地說明實施例1之試驗之概要之圖。以下，適當參照圖1～圖3及圖5，對實施例1之試驗之概要進行說明。 於實施例1中所使用之複合材料10中，脆性材料層1由無鹼玻璃形成，厚度為30 μm。又，樹脂層2為表面保護膜，總厚度為58 μm。具體而言，該表面保護膜係將厚度38 μm之PET膜作為基材膜21，於其單面塗佈丙烯酸系黏著劑且使之乾燥，形成乾燥後之厚度為20 μm之黏著劑層(丙烯酸系黏著劑層)22者。複合材料10係經由黏著劑層22積層有脆性材料層1與樹脂層2之構成。如圖5(a)所示，複合材料10係面內(XY二維平面內)尺寸為150 mm×150 mm之正方形狀。圖5(a)中由虛線表示之直線為切斷預定線。
於實施例1中，首先，執行脆性材料去除步驟，其次，執行樹脂去除步驟，最後，執行複合材料切斷步驟。
於脆性材料去除步驟中，作為超短脈衝雷射光源20，使用Coherent公司製造「Monaco 1035-80-60」(振盪波長1035 nm，雷射光L1之脈衝寬度350～10000飛秒，脈衝振盪之重複頻率最大50 MHz，平均功率60 W)，將自超短脈衝雷射光源20以特定之輸出振盪之雷射光L1經由多焦點光學系統，自脆性材料層1側照射至複合材料10。雷射光L1之焦點AF(參照圖3)設定於樹脂層2之黏著劑層22之厚度方向中央(距與脆性材料層1之界面為10 μm之位置，即，距離H＝10 μm)。使雷射光L1相對於複合材料10之相對移動速度(加工速度)為125 mm/sec，使脈衝振盪之重複頻率為125 kHz，如圖5(a)所示，以可將面內尺寸為110 mm×60 mm之複合材料片10c切斷之方式，沿著切斷預定線掃描雷射光L1，結果於脆性材料層1形成深度(平均值)為10 μm、槽寬度為3 μm左右之沿著切斷預定線一體地連接之刻劃槽11(參照圖1(a)、圖2(a))。
其次，於樹脂去除步驟中，作為CO 2雷射光源30，使用Coherent公司製造「DIAMOND J-3-9.4」(振盪波長9.4 μm，脈衝振盪之重複頻率15 kHz，雷射光L2之功率13 W，高斯光束)，將自CO 2雷射光源30振盪之雷射光L2使用聚光透鏡聚光為點徑120 μm，照射至複合材料10之樹脂層2。使雷射光L2相對於複合材料10之相對移動速度(加工速度)為400 mm/sec，沿著切斷預定線掃描雷射光L2，結果於樹脂層2形成槽寬度150 μm之加工槽23(參照圖1(b)、圖2(b))。 再者，於實施例1之樹脂去除步驟中，藉由上述式(2)而估算出之投入能量為29 mJ/mm。相對於此，實際之投入能量根據上述式(1)為33 mJ/mm，為估算出之投入能量之114%。
最後，於複合材料切斷步驟中，沿著切斷預定線，以樹脂層2側成為凸部(脆性材料層1側成為凹部)之方式，利用人手將複合材料10進行山折，藉此切斷複合材料片10c。
＜實施例2＞ 於實施例2中所使用之複合材料10中，脆性材料層1由無鹼玻璃形成，厚度為100 μm。又，樹脂層2係於偏光膜之單面塗佈環氧系接著劑且使之乾燥，形成乾燥後之厚度為1 μm之接著劑層(環氧系接著劑層)者。作為偏光膜，使用自形成有接著劑層之側起依次具有TAC膜(厚度40 μm)/PVA系偏光元件(厚度5 μm)/丙烯酸系膜(厚度40 μm)/丙烯酸系黏著劑層(厚度30 μm)/隔離膜(PET膜，厚度38 μm)之構成者。複合材料10係經由接著劑層積層有脆性材料層1與樹脂層2之構成。實施例2中所使用之複合材料10亦與實施例1相同，係面內(XY二維平面內)尺寸為150 mm×150 mm之正方形狀。
實施例2中，於脆性材料去除步驟中，將雷射光L1之焦點AF設定於樹脂層2之接著劑層之厚度方向中央(距與脆性材料層1之界面為0.5 μm之位置，即，距離H＝0.5 μm)，除了該方面以外以與實施例1相同之條件，形成刻劃槽11。樹脂去除步驟及複合材料切斷步驟亦以與實施例1相同之條件執行，切斷複合材料片10c。
＜比較例1＞ 於比較例1中所使用之複合材料10中，脆性材料層1與實施例1相同，由無鹼玻璃形成，厚度為30 μm。又，樹脂層2係於TAC膜(厚度40 μm)之單面塗佈環氧系接著劑且使之乾燥，形成乾燥後之厚度為1 μm之接著劑層(環氧系接著劑層)者。複合材料10係經由接著劑層積層有脆性材料層1與樹脂層2之構成。比較例1中所使用之複合材料10亦與實施例1、2相同，係面內(XY二維平面內)尺寸為150 mm×150 mm之正方形狀。
於比較例1中，首先，執行樹脂去除步驟，其次，執行脆性材料去除步驟，最後，執行複合材料切斷步驟。
於樹脂去除步驟中，作為CO 2雷射光源30，使用Coherent公司製造「DIAMOND J-3-9.4」(振盪波長9.4 μm，脈衝振盪之重複頻率15 kHz，雷射光L2之功率18 W，高斯光束)，將自CO 2雷射光源30振盪之雷射光L2使用聚光透鏡聚光為點徑120 μm，照射至複合材料10之樹脂層2。使雷射光L2相對於複合材料10之相對移動速度(加工速度)為400 mm/sec，沿著切斷預定線掃描雷射光L2，結果於樹脂層2形成槽寬度150 μm之加工槽23。於加工槽23之底部未產生樹脂之殘渣。 再者，於比較例1之樹脂去除步驟中，藉由上述式(2)而估算出之投入能量為21 mJ/mm。相對於此，根據上述式(1) ，實際之投入能量為45 mJ/mm，係估算出之投入能量之214%。
其次，於脆性材料去除步驟中，作為超短脈衝雷射光源20，使用振盪波長1035 nm、雷射光L1之脈衝寬度8500飛秒、脈衝振盪之重複頻率125 kHz、平均功率13 W者，將自超短脈衝雷射光源20以特定之輸出振盪之雷射光L1經由多焦點光學系統，自與加工槽23相反之側(脆性材料層1側)照射至複合材料10。雷射光L1之焦點AF設定於距脆性材料層1與樹脂層2之界面向脆性材料層1側25 μm之位置。使雷射光L1相對於複合材料10之相對移動速度(加工速度)為125 mm/sec，沿著切斷預定線掃描雷射光L1，結果於脆性材料層1形成間距1 μm之縫線孔狀之貫通孔(直徑0.7～0.9 μm左右)，作為加工痕。
最後，於複合材料切斷步驟中，與實施例1、2相同，沿著切斷預定線，以樹脂層2側成為凸部(脆性材料層1側成為凹部)之方式，利用人手將複合材料10進行山折，切斷複合材料片10c。
＜比較例2＞ 比較例2中所使用之複合材料10之構成與實施例2相同。 又，比較例2中執行之樹脂去除步驟、脆性材料去除步驟及複合材料切斷步驟之條件與比較例1相同。
＜評估內容＞ 對以上所說明之實施例1、2及比較例1、2中所獲得之複合材料片10c，評估吸光度、彎曲強度及切斷良率。以下，對該等各評估項目之內容進行說明。
[吸光度] 對實施例1測定樹脂層2(總厚度58 μm)相對於超短脈衝雷射光源20之振盪波長1035 nm之吸光度。對實施例2、比較例1、2測定樹脂層2之接著劑層(厚度1 μm)相對於超短脈衝雷射光源20之振盪波長1035 nm之吸光度。 具體而言，自複合材料片10c取出上述測定部位(關於實施例1為樹脂層2，關於實施例2、比較例1、2為接著劑層)，使用日立公司製造分光光度計「U-4100」，照射波長1035 nm之光，測定透過率(I/I0)。而且，藉由以下之式(3)，算出吸光度A。 A＝-log 10(I/I0)・・・(3)
[彎曲強度] 於算出彎曲強度時，對複合材料片10c進行2點彎曲試驗。於2點彎曲試驗中，首先，如圖5(b)所示，於具備固定部40、可動部50a、50b之單軸載台之固定部40載置複合材料片10c，於可動部50a、50b之間夾入複合材料片10c。此時，如下所述，藉由使可動部50b移動，而以複合材料片10c之脆性材料層側成為凸部而彎曲之方式(即，以脆性材料層1側成為上側之方式)，於固定部40載置複合材料片10c。繼而，如圖5(c)所示，將可動部50a之位置固定，另一方面，使可動部50b以20 mm/min之速度朝向可動部50a移動，使彎曲應力作用於複合材料片10c。然後，根據複合材料片10c破壞時之可動部50a與可動部50b之間隔D之值，評估複合材料片10c之彎曲強度。
具體而言，將上述間隔D代入至非專利文獻2中所記載之式(3)(與以下之式(4)相同)，算出最大應力σ max，將其設為彎曲強度。 [數1]
Figure 02_image001
於上述式(4)中，E係指複合材料片10c之楊氏模數，t係指複合材料片10c之厚度，ϕ係指複合材料片10c之端部之接線與鉛直方向(Z方向)所成之角度。 作為複合材料片10c之楊氏模數E，使用脆性材料層1之楊氏模數即70 GPa。其原因在於，樹脂層2之楊氏模數與脆性材料層1之楊氏模數相比充分小，故而作為複合材料片10c之楊氏模數E，脆性材料層1之楊氏模數成為支配性的。 又，角度ϕ係於執行2點彎曲試驗之過程中，自圖5(c)所示之Y方向，以複合材料片10c之一端位於視野內之方式對複合材料片10c進行拍攝，基於複合材料片10c即將破壞之前之拍攝圖像而算出。
關於實施例1、2及比較例1、2，分別對10個複合材料片10c算出上述彎曲強度(最大應力σ max)，算出其平均值。
[切斷良率] 利用光學顯微鏡觀察複合材料片10c之端面之品質，於脆性材料層1之全部4個端面中，若產生之裂縫之長度為50 μm以下，則評估為「能夠切斷」，於任一個端面中，於產生長度大於50 μm之裂縫之情形時，評估為「無法切斷」。關於實施例1、2及比較例1、2，分別對10個複合材料片10c進行上述評估，藉由以下之式(5)算出切斷良率。 切斷良率＝「能夠切斷」之複合材料片10c之個數/10×100 ＝「能夠切斷」之複合材料片10c之個數×10[%]・・・(5)
＜試驗結果＞ 圖6係表示實施例1、2及比較例1、2之試驗之結果之圖。 如圖6所示，根據實施例1、2可知，將切斷良率維持為與比較例1、2同等之值(即，與比較例1、2同等地，於切斷後之脆性材料層1之端面不易產生裂縫)，切斷後之複合材料片10c之彎曲強度較比較例1、2提高。
1:脆性材料層 2:樹脂層 10:複合材料 10a,10b:複合材料片 10c:複合材料片 11:刻劃槽 12:第1部位 13:第2部位 14:突出量 20:超短脈衝雷射光源 21:基材膜 21a,21b,21c:旋轉三稜鏡透鏡 22:黏著劑層 23:加工槽 30:雷射光源(CO 2雷射光源) 40:固定部 50a,50b:可動部 AF:焦點 DL:切斷預定線 L1:雷射光 L2:雷射光
圖1(a)～(c)係模式性地說明本發明之一實施方式之複合材料之切斷方法之順序的說明圖。 圖2(a)、(b)係模式性地說明本發明之一實施方式之複合材料之切斷方法之順序的說明圖。 圖3係模式性地說明圖1所示之自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之焦點之設定方法之一例的說明圖。 圖4係模式性地表示於本發明之一實施方式之切斷方法之複合材料切斷步驟中切斷之後之複合材料片之構成的剖視圖。 圖5(a)～(c)係模式性地說明實施例1之試驗之概要之圖。 圖6係表示實施例1、2及比較例1、2之試驗之結果之圖。

Claims (8)

  1. 一種複合材料之切斷方法，其係將積層有脆性材料層與樹脂層之複合材料切斷之方法，且包含： 脆性材料去除步驟，其藉由將自超短脈衝雷射光源振盪之雷射光自上述脆性材料層側沿著上述複合材料之切斷預定線照射而將形成上述脆性材料層之脆性材料去除，而形成沿著上述切斷預定線一體地連接之刻劃槽；及 樹脂去除步驟，其將自雷射光源振盪之雷射光沿著上述切斷預定線照射至上述樹脂層而將形成上述樹脂層之樹脂去除； 於上述脆性材料去除步驟中，將自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之焦點設定於上述樹脂層之與上述脆性材料層之界面附近，於自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之照射位置上之上述樹脂層之厚度為5 μm以上的狀態下自上述超短脈衝雷射光源振盪雷射光，形成在上述樹脂層側開口且不貫通上述脆性材料層之上述刻劃槽。
  2. 如請求項1之複合材料之切斷方法，其中 於上述脆性材料去除步驟之後，執行上述樹脂去除步驟。
  3. 如請求項1或2之複合材料之切斷方法，其 進而包含複合材料切斷步驟，該複合材料切斷步驟係於上述脆性材料去除步驟及上述樹脂去除步驟之後，藉由沿著上述切斷預定線施加外力而切斷上述複合材料。
  4. 如請求項1或2之複合材料之切斷方法，其中 上述刻劃槽之深度為3 μm以上50 μm以下。
  5. 如請求項4之複合材料之切斷方法，其中 上述刻劃槽之深度為20 μm以下。
  6. 如請求項1或2之複合材料之切斷方法，其中 上述刻劃槽之深度為上述脆性材料層之厚度之10%以上50%以下。
  7. 如請求項1或2之複合材料之切斷方法，其中 自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之波長為500 nm以上2500 nm以下。
  8. 如請求項1或2之複合材料之切斷方法，其中 自上述超短脈衝雷射光源振盪之雷射光之脈衝寬度為350飛秒以上10000飛秒以下。
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