TWI494186B - 在高溫下雷射刻劃玻璃之方法與設備 - Google Patents

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TWI494186B
TWI494186B TW099117054A TW99117054A TWI494186B TW I494186 B TWI494186 B TW I494186B TW 099117054 A TW099117054 A TW 099117054A TW 99117054 A TW99117054 A TW 99117054A TW I494186 B TWI494186 B TW I494186B
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Naiyue Zhou
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Description

在高溫下雷射刻劃玻璃之方法與設備
本發明是有關玻璃板和帶的雷射刻劃，且特別是關於刻劃線部分或全部穿過處在升高溫度下(即高於室溫)的玻璃之雷射刻劃。
為便於說明，除非特別指明，否則以下敘述和申請專利範圍的措辭「玻璃板(glass sheet)」泛指個別玻璃板和玻璃帶兩者。
刻劃玻璃一般是使用機械工具完成。然另一現有方式為利用雷射輻射，例如波長10.6微米(μm)的CO2 雷射輻射，藉以加熱玻璃及透過溫度梯度產生拉伸應力。使用雷射刻劃玻璃描述於名稱為「斷裂脆性材料的方法和設備(Method and apparatus for breaking brittle materials)」且共同讓渡之美國專利第5,776,220號，和名稱為「控制雷射刻劃時的中間裂痕深度(Control of median crack depth in laser scoring)」之美國專利第6,327,875號，它們的全文以參照方式納入本文中。
如第9圖所示，雷射刻劃期間，中間裂痕(亦稱為局部裂口(partial vent)或簡稱裂口)沿著刻劃線115形成於玻璃板112的主要表面114。為了形成裂口，細小的初始裂縫(initial flaw) 111形成在靠近玻璃邊緣的表面，其接著藉由將雷射光121擴展形成跨越玻璃表面的光束113，繼之由冷卻噴嘴119產生的冷卻區域，而轉變成裂口。以雷射光束加熱玻璃，緊接著以冷卻劑使之淬熄將造成熱梯度和對應的應力場，導致初始裂縫擴展形成裂口。
第10圖詳細繪示雷射光束113與冷卻區域(淬熄區)間的關係，其中光束擴展方向和冷卻區域相對玻璃表面的方向以元件符號17表示。在此圖中，玻璃表面上的雷射光束長度為「b」，雷射光束之後緣與冷卻區域15之前緣的間隔為「L」。
雷射刻劃相關的挑戰在於玻璃板的殘留應力問題。此應力問題在玻璃板做為顯示裝置之基板的情況下尤其嚴重。許多顯示裝置，如薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)面板和有機發光二極體(OLED)面板，是直接製作在玻璃基板上。為提高生產率及降低成本，典型的面板製造製程同時於單一基板或分片基板上製造多個面板。在製程的不同階段，沿著切割線將基板機械分割成多個零件。
機械分割改變了玻璃內的應力分布，特別是當玻璃呈真空平坦時所見的平面應力分布(in-plane stress distrubution)。更特別地，因切割邊緣不具牽引力，故分割釋放了板上切割線處的殘留應力。應力釋放一般會造成玻璃分片的真空平坦形狀改變，顯示器製造業者將此現象稱為「畸變(distortion)」。
儘管應力釋放引起的形狀變化量通常很少，然考慮到現代顯示器所用的畫素結構，從大玻璃板機械分割個別面板所造成的畸變已足以構成大量的缺陷(拒收)顯示器。因此，顯示器製造業者相當關注畸變問題，且可容許的畸變規格低至2微米或以下。
機械分割產生的畸變量與板中的殘留應力有關，殘留應力越小，畸變越少。由於雷射刻劃仰賴加熱玻璃來形成應力場，故在施加充足的熱來產生足夠應力以產生可再現裂口，又不提供太多熱導致大幅提高待刻劃玻璃板中的殘留應力之間陷入兩難。
除了畸變問題外，殘留應力在將玻璃板雷射刻劃成二分片而形成的邊緣品質方面也很重要。大量殘留應力與相對低強度且品質不佳，例如碎片和微小裂縫，的邊緣有關。亦發現玻璃邊緣附近有高殘留應力會造成邊緣品質逐漸惡化，即剝落或分層，其本身在刻劃後的某時間點顯現，或可因外來衝擊所致。
雖然已致力於研究及開發雷射刻劃玻璃，但迄今仍受限於刻劃處於室溫的個別玻璃板。再者，板上的溫度分布均勻。此技藝未言明使用雷射是否能成功刻劃升溫及/或溫度分布不均勻的玻璃板。甚至，未解決升溫刻劃時，是否應提高、降低或維持雷射光束功率等基本問題。
除定性問題外，亦無修改室溫雷射刻劃，使之適合處於升溫之待刻劃玻璃板相關的量化資訊。對從玻璃帶分開個別玻璃板及/或修剪分開之各板邊緣(卷邊)的應用來說，在升溫下進行雷射刻劃很重要，故缺乏定量資訊會限制雷射刻劃用於製造玻璃板，例如玻璃板當作顯示器應用的基板。
本文著重在此技藝的不足，此外，還提出容易使用的定量技術，以選擇用於刻劃速度、刻劃設備(如雷射波長、雷射光束尺寸、雷射光束形狀、冷卻區域尺寸、冷卻區域形狀、冷卻區域溫度、雷射光束與冷卻區域的間隔等)、玻璃性質(如厚度、熱膨脹係數(CTE)、楊氏模數、化學組成等)及玻璃溫度與溫度分布(如均勻性、線性、非線性和其組合)等的任何特定組合之雷射光束功率大小。
在此揭露一種使用雷射光束(113)沿著刻劃線(31、115)刻劃玻璃板(27、45、112)的方法，其中就至少一部分的刻劃線(31、115)而言，在施加雷射光束(113)前，玻璃高於室溫，該方法包括下列步驟：
(a)　沿著刻劃線(31、115)移動雷射光束(113)；以及
(b)　隨著雷射光束(113)接連移動冷卻區域(12)越過刻劃線(31、115)；其中雷射光束(113)加熱以致在玻璃板(27、45、112)中形成裂口，且雷射光束(113)的功率經選擇，以使：
(i)　在雷射光束(113)下，玻璃表面(114)的溫度低於或等於玻璃的應變點；以及
(ii)　雷射光束(113)的功率符合下列關係式：
其中x代表沿著刻劃線(31、115)的距離，P(x)為沿著刻劃線(31、115)的雷射光束功率，T之前 (x)為施加雷射光束(113)前，沿著刻劃線(31、115)的玻璃攝氏溫度，就至少一x值而言，T之前 (x)>25℃(如就至少一x值而言，T之前 (x)60℃)，α和β為正的常數。
又，在此揭露一種沿著刻劃線(31、115)刻劃玻璃板(27、45、112)的設備，其包括：
(a)　雷射(37)，用以產生雷射光束(113)；
(b)　偵測器(33)，用以在至少一個位置處偵測玻璃板(27、45、112)之表面(114)的溫度；以及
(c)　控制器(35)，操作連接(39、41)至雷射(37)和偵測器(33)，控制器(35)依據偵測器(33)在該至少一個位置處所偵測之玻璃板(27、45、112)之表面(114)溫度，調整雷射光束(113)的功率P。
另外，在此揭露一種沿著刻劃線(31、115)刻劃玻璃板(27、45、112)的設備，其包括：
(a)　雷射(37)，用以產生雷射光束(113)；以及
(b)　控制器(35)，操作連接(41)至雷射(37)；其中：
(i)　控制器(35)將刻劃線(31、115)分成複數個線段；以及
(ii)　控制器(35)調整雷射光束(113)的目標(特定)功率，使各線段的目標功率為恆定不變。
發明內容之各種態樣提及的元件符號僅為便於讓讀者了解、而非用以限定本發明之範圍。更廣泛地說，當理解以上概略說明和以下詳細說明均為本發明之示例，供作理解本發明之本性和特徵的概觀或架構。
本發明之附加特徵結構和優點將詳述於後，熟諳此技藝者可從中了解或依此實行本發明。所附圖式讓人進一步理解本發明，故併為說明書的一部分。應理解說明書和圖式提及的各種特徵結構可用於任何和所有組合物。
做為非限定實例，實施例的各種特徵可按以下態樣結合。
根據第一態樣，茲提供一種使用雷射光束沿著刻劃線刻劃玻璃板的方法，其中就至少一部分的刻劃線而言，在施加雷射光束前，玻璃高於室溫，該方法包含下列步驟：
(a)　沿著刻劃線移動雷射光束；以及
(b)隨著雷射光束接連移動冷卻區域越過刻劃線；其中雷射光束加熱以致在玻璃板中形成裂口，且雷射光束的功率經選擇，致使：
(i)　在雷射光束下，玻璃表面的溫度低於或等於玻璃的應變點；以及
(ii)　雷射光束的功率符合下列關係式：
其中x代表沿著刻劃線的距離，P(x)為沿著刻劃線的雷射光束功率，T之前 (x)為施加雷射光束前，沿著刻劃線的玻璃攝氏溫度，就至少一x值而言，T之前 (x)>25℃，且α和β為正的常數。
根據第二態樣，提出第一態樣的方法，其中雷射光束的功率符合下列關係式：
根據第三態樣，提出第一態樣的方法，其中α和β是藉由在複數個玻璃溫度下測量產生可重複刻劃之最小雷射功率，並使測量之雷射功率擬合線性函數而測定。
根據第四態樣，提出第三態樣的方法，其中複數個玻璃溫度包括室溫和高於室溫的至少二個溫度。
根據第五態樣，提出第一態樣的方法，其中T之前 (x)為常數。
根據第六態樣，提出第一態樣的方法，其中T之前 (x)為x的線性函數。
根據第七態樣，提出第一態樣的方法，其中T之前 (x)為x的非線性函數。
根據第八態樣，提出第一態樣的方法，其中：
(i) T之前 (x)為非常數；以及
(ii)　在雷射光束下，玻璃表面的溫度為實質恆定不變。
根據第九態樣，提出第一態樣的方法，其中就所有x而言，T之前 (x)符合下列關係式：
其中T應變 為玻璃的攝氏應變點。
根據第十態樣，提出第一態樣的方法，其中就所有x而言，在雷射光束下，玻璃表面的溫度T光束 (x)符合下列關係式：
其中T光束 (x)為攝氏溫度。
根據第十一態樣，提出第一態樣的方法，其中：
(i)　刻劃線分成複數個線段；
(ii)　平均溫度值指定到各線段；以及
(iii) P(x)在各線段為恆定不變。
根據第十二態樣，提出第一態樣的方法，其中：
(i)　就至少一個x值而言，隨時間監測T之前 (x)；以及
(ii)　就至少一個x值而言，依據T之前 (x)之監測值，控制P(x)值。
根據第十三態樣，提出一種沿著刻劃線刻劃玻璃板的設備，包含：
(a)　雷射，用以產生雷射光束；
(b)　偵測器，用以在至少一個位置處偵測玻璃板表面的溫度；以及
(c)　控制器，操作連接至雷射和偵測器，控制器依據偵測器在至少一個位置處所偵測之玻璃板表面的溫度，調整雷射光束的功率P。
根據第十四態樣，提出第十三態樣的設備，其中控制器調整雷射光束的功率，使其符合下列關係式：
其中T之前 為偵測器在至少一位置處所偵測的玻璃攝氏溫度，且α和β為正的常數。
根據第十五態樣，提出第十四態樣的設備，其中α和β是藉由在複數個玻璃溫度下測量產生可重複刻劃之最小雷射功率，並使測量之雷射功率擬合線性函數而測定。
根據第十六態樣，提出第十五態樣的設備，其中複數個玻璃溫度包括室溫和高於室溫的至少二個溫度。
根據第十七態樣，提出第十三態樣的設備，其中：
(i)　控制器將刻劃線分成複數個線段；
(ii)　偵測器偵測各線段的至少一溫度；以及
(iii)　控制器依據偵測器所偵測之各線段的至少一溫度，調整用於各線段之雷射光束的目標功率，目標雷射光束功率在各線段為恆定不變。
根據第十八態樣，提出第十七態樣的設備，其中各線段為等長。
根據第十九態樣，提出一種沿著刻劃線刻劃玻璃板的設備，包含：
(a)　雷射，用以產生雷射光束；以及
(b)　控制器，操作連接至雷射；其中：
(i)　控制器將刻劃線分成複數個線段；以及
(ii)　控制器調整雷射光束的目標功率，使各線段的目標功率為恆定不變。
根據第二十態樣，提出第十九態樣的設備，其中各線段為等長。
根據第二十一態樣，提出一種製造玻璃板的方法，包括製造玻璃帶，以及依據第一態樣的方法刻劃玻璃帶。
基於實驗研究發現，玻璃板的溫度會影響雷射刻劃製程的基本製程變數，包括雷射光束功率、淬熄效率和刻劃速度。此外，當玻璃處於升溫時，其溫度分布通常不均勻，且分布隨時間變化。
明確地說，當玻璃冷卻時，其溫度因如圍繞玻璃之氣流和不同玻璃厚度等環境因素而不均勻下降，例如以溢流熔融抽伸製程(overflow fusion draw process)製造玻璃帶的情況下，帶的邊緣(卷邊)比中心區(質區)厚。不均勻質量分布引起的溫度梯度將於玻璃中產生應力圖案，其可為拉伸區域與壓縮區域的複雜組合物，其隨時間變化，並當玻璃最後達室溫時，最終造成殘留應力。
例如，以溢流熔融抽伸製程製造的玻璃帶一般是在約1000℃的溫度範圍下形成，且在帶抵達施行刻劃及分離個別板的抽伸底部(bottom of the draw,BOD)後，溫度下降約700℃至，例如，約300℃。對玻璃基底溫度和板之上部比底部高溫的實情來說，即便移除個別板的卷邊部分亦涉及高於室溫的問題。
熟諳此技藝者將理解，影響雷射刻劃的製程變數相當多，要把在室溫條件下開發的刻劃製程修改成適合升溫的製程是種奢望。然根據本發明，發現單一主要變數，特別是雷射光束功率，可將室溫刻劃轉變成升溫刻劃。
再者，利用雷射刻劃設備和在升溫下刻劃之玻璃板進行有限的實驗，即能輕易測定用於任何特殊玻璃溫度的雷射光束功率值。應注意實驗用的設備和玻璃板不需與將被用於升溫狀態下者相同，但應能代表升溫設備和板。又，實驗採行的刻劃速度應近似升溫採用的速度，例如實驗速度宜為升溫採用速度的±20%。
關於刻劃速度，更應注意此刻劃製程變數一般受控於雷射刻劃的施行條件。例如，若雷射刻劃用於從帶分離個別玻璃板，則刻劃需以配合帶的寬度和預定個別板生產率的速度進行。就此類應用而言，刻劃速度例如為750毫米/秒等級。在應付升高玻璃溫度引起的挑戰方面，刻劃速度實質上為固定參數，故即使在解決這些挑戰上也只能稍微更改。
驚人地發現，單單修改雷射光束功率可成功地在升溫下即時雷射刻劃玻璃板。通常，升溫刻劃時應提高冷卻劑流率，然一旦如此，流率即維持不變且不需當作控制變數。應注意雖然在較佳實施例中，雷射光束功率為唯一的更改變數，但諸如雷射光束長度(如第10圖的「b」)、雷射光束形狀(如截形對應非截形)、冷卻劑流率、冷卻區域及/或雷射光束與冷卻區域的間距(如第10圖的「L」)等其他變數，也可依需求結合雷射光束功率。換個方式來看，除了雷射光束功率外，雷射光束滯留時間(其以刻劃速度、雷射光束強度和雷射光束形狀的結合作用為基礎)可用於成功達成在升溫下刻劃，但雷射光束功率仍是較佳的可更改變數。
就即時調整雷射刻劃製程，以例如適應隨刻劃線長度變化的玻璃板溫度而論，雷射光束功率的優點在於其易透過電子手段改變，且其響應時間短於其他可用製程變數，例如冷卻劑流率。即使有較快的響應時間，沿著刻劃線可達到的空間解析度仍有限。但實際上發現，藉由將刻劃線分成複數個線段並使各線段的目標雷射光束功率維持恆定不變，可成功達成在升溫下刻劃。線段長度可為固定、或隨刻劃線長度變化，例如線段長度在沿著刻劃線之溫度輪廓變化最快處(如玻璃帶卷邊附近)較短；而在溫度輪廓變化較緩處(如遍及帶的質部)較長。
利用線段方式時，藉由設定線段長度的下限，可快速調適雷射的響應時間，以確保雷射光束功率能於其中(例如線段的最初10%內)達其目標(特定)值。除了調適雷射的響應時間外，線段方式還簡化了控制雷射輸出的電路。
就調整雷射光束功率而論，發現在施加雷射光束前，依據玻璃溫度T之間 (x)，調整沿著刻劃線長度”x”的功率P(x)，使功率符合下列關係式，可成功達成在高溫下刻劃玻璃板：
其中α和β為正的常數。在一些實施例中，功率符合下列關係式：
除了符合方程式(1)及/或方程式(2)外，雷射光束功率需保持小於在雷射光束下，致使玻璃表面溫度上升高於玻璃應變點(如康寧公司的Eagle XGTM 玻璃為666℃)的程度。如此可防止玻璃表面過熱。過熱是不合乎需求的，因其會削磨玻璃，並在邊緣附近產生高殘留應力，以致邊緣強度低、邊緣缺陷形成及邊緣起伏和粗糙度增加。
較佳地，利用刻劃設備、刻劃速度和用於實際雷射刻劃的對應玻璃，以憑實驗預先決定α和β。然也可依需求單獨進行模擬或結合實驗研究來決定。又或者，可基於使用雷射刻劃設備和待刻劃玻璃的先前經驗決定α和β。應注意後附包括方程式(1)或方程式(2)的申請專利範圍意圖涵蓋升溫下的雷射刻劃，其符合不論所用雷射功率是否按α和β值選擇的方程式。即，申請專利範圍意圖涵蓋升溫下的雷射刻劃，其符合不論α和β值是在刻劃前或後決定的方程式。
第1圖繪示用以決定α和β值的實驗方式。在此圖中，橫軸標繪T之前 (攝氏)，縱軸標繪雷射光束功率(瓦)。方形數據點表示實驗室處理個別玻璃板的雷射刻劃實驗結果，其溫度在刻劃前為20℃、205℃、270℃和315℃。對各溫度來說，造成可重複刻劃的最小雷射功率憑實驗判定，且這些功率(分別為590、450、405和345瓦)沿著第1圖縱軸繪製。接著以直線擬合數據而決定609.4瓦的α值和0.8瓦/℃的β值(即第1圖虛線)。
利用商業規模之溢流熔融抽伸機(FDM)，以憑實驗證實方程式(1)和(2)預測用於任何特殊T之前 值之雷射光束功率的效用。雷射刻劃系統安裝於機台，用以從玻璃帶分離個別玻璃板。雷射刻劃系統和待刻劃玻璃(康寧公司的0.7毫米(mm)Eagle XGTM 玻璃)對應用於第1圖的實驗室實驗。FDM測試採行的刻劃速度(750mm/秒)和實驗室實驗一樣。在刻劃線的位置，FDM製造的玻璃帶溫度為300℃至320℃。將溫度和上述α和β值代入方程式(1)可得：
代入方程式(2)則得：
第1圖的圓形數據點(參見方框21)顯示在抽伸底部(BOD)產生可靠刻劃的代表性雷射光束功率。方框21的中心對應350瓦之功率和310℃之溫度。此數據與方程式(3)和(4)相比可知方程式(1)和(2)識別用於高T之前 值之雷射光束功率大小的效用。
進行其他實驗，其中雷射刻劃用來修整從FDM製造之帶分開的個別玻璃板之邊緣(卷邊)。測試時的玻璃溫度比帶分離測試時還低，但仍高於室溫。例如，從帶分離個別板的典型溫度範圍為300至400℃，用於卷邊修整時，個別玻璃板的溫度一般為60至140℃。再者，卷邊修整期間，沿著刻劃線的溫度從個別板頂部到底部一般下降50至100℃。除了溫度下降外，尚知卷邊區域的玻璃厚度不均勻，以致呈現相當大的殘留應力。高殘留應力使得刻劃製程更為複雜。然再次發現方程式(1)和(2)能精確預測可靠運作修整程序的雷射光束功率。
總之，實驗結果證實在從帶分離個別板及修整個別板的卷邊時，方程式(1)和(2)可精確歸類光束功率大小，其產生一致的高速雷射刻劃且具高產率、良好邊緣品質和低殘留應力。
如上述，模擬為決定α和β值的另一方式。一般而言，雷射刻劃製程期間，在雷射光束下之玻璃溫度(T光束 )定義為背景(本質)玻璃溫度(T之前 )與曝照雷射光束引起之玻璃溫度變化(ΔT雷射 )的總和：
T光束 =T之前 +ΔT雷射 。
T之前 與玻璃環境溫度、板形成溫度、板形成後的時間、冷卻率與其效率、玻璃冷卻的均勻性和板厚度有關，ΔT雷射 與雷射光束功率密度、光束模態分布、光束滯留時間(即結合光束尺寸與刻劃速度)和內部玻璃性質有關，包括雷射波長下的光吸收和玻璃表面的反射率。為達成刻劃，雷射光束需將T光束 提高達某值(最小T光束 )，以於玻璃中產生足夠應力，使初始裂縫增長成裂口，其中應力為光束加熱及後續淬熄所致。最小應力大小取決於淬熄效率和玻璃性質，亦即，其熱膨脹係數和高溫下的彈性模數。玻璃與雷射光束/冷卻劑組合間的相互作用也取決於玻璃的導熱性及其熱容。除了高於最小T光束 外，T光束 還需保持低於玻璃的應變點，以防止上述過熱造成的各種不當影響。
第2圖顯示模擬不同因素以預測最大T光束 值(縱軸；℃)做為雷射光束功率(橫軸；瓦)之函數的結果。第3圖顯示模擬數據，其重新標繪成最大T光束 值(縱軸；℃)對應T之前 值(橫軸；℃)。在第2圖中，圓形、x形、三角形、方形和菱形數據點的T之前 值分別為650℃、550℃、450℃、350℃和250℃；而在第3圖中，方形、菱形、三角形、圓形和星形數據點的雷射光束功率分別為400瓦、300瓦、200瓦、100瓦和0瓦。此外，在第2圖中，水平虛線13代表玻璃的應變點(如666℃)，垂直虛線19代表340瓦之雷射光束功率，即約等於第1圖FDM測試所採用的功率。利用市售ANSYS程式(ANSYS公司，位於美國賓州Canonsburg)可獲得模擬數據，然也可依需求使用其他市售及/或訂製軟體。
從第2及3圖(或類似作圖)的數據可決定操作雷射光束功率範圍(α和β值)。如此，可依循下列準則：
其中第一準則確保雷射光束提供充足能量，來導引初始裂縫沿著刻劃線增長成裂口，第二準則確保在不超過玻璃之應變點(T應變 )的情況下符合第一準則。
在利用模擬數據以得α和β值的實例中，依據在室溫下使用相應升溫用之玻璃板、刻劃設備和刻劃速度所進行的實驗室研究，判定最小T光束 值。利用最小T光束 值及第2或3圖模擬數據，識別一連串的雷射光束功率用於一連串的T之前 值，例如T光束 值的雷射光束功率可判定為最小T光束 與T應變 間的一半。接著標繪雷射光束功率值對應T之前 ，以產生第1圖作圖數據(在此例為模擬數據)。接著線性擬合數據而提出用於方程式(1)和(2)的α和β值。
決定α和β後，升溫刻劃可看成落入二種主要類型之一。第一種類型為以既高又均勻遍及板的溫度刻劃玻璃，且溫度變化很小。此情況通常是以小寬度抽伸刻劃玻璃帶，例如製造高達第5或6代玻璃板者。第二種類型包括以明顯溫度梯度刻劃玻璃，其可在低溫下進行(如卷邊移除期間)，或在高溫下進行大寬度抽伸、或具不均勻玻璃溫度遍及刻劃線的特殊抽伸。此二種類一般涉及不同方式來建立雷射刻劃製程。
故若背景玻璃溫度變化相對較小，則刻劃製程可以恆定雷射光束功率施行。然而，功率需經選擇，致使其值夠大來加熱玻璃的較冷部分達某一程度，使得冷卻劑在玻璃中產生足夠應力而讓初始裂縫增長成裂口。另一方面，功率不宜太大，導致玻璃的較熱部分過熱而超過玻璃的應變溫度。恆定雷射光束功率方式對玻璃溫度高達400至500℃且溫度梯度不超過100℃的大部分應用有良好成效。這些特殊溫度值僅為舉例說明，其當可視玻璃性質和特定刻劃條件採取不同值。
第4及5圖繪示恆定雷射光束功率類型的二實例。在第4圖中，背景玻璃溫度(T之前 )是恆定的；但在第5圖中，其跨越板寬(橫軸)緩緩上升。在二圖中，雷射光束下用以可靠刻劃的最小玻璃溫度(最小T光束 )以線11表示，玻璃應變點則以線13表示。由此看出，在二情況下，恆定雷射光束功率(以直條的深色部分表示)在雷射下達到最大玻璃溫度(縱軸)，其落在線11與線13之間，故適用於刻劃。
若背景玻璃溫度梯度太大(如高於100℃)，則恆定雷射光束功率將不適用，彈性雷射功率調整對減緩T之前 變化變得很重要。彈性雷射功率可以各種方式實施，其一如第8圖所示。在此圖中，雷射37產生雷射光121，其照射並沿著刻劃線31刻劃玻璃帶27，以從帶分離成個別玻璃板45。為加以說明，第8圖繪示溢流熔融抽伸製程，應理解待雷射刻劃之玻璃帶(玻璃板)可以任何玻璃形成製程製造。如第8圖所示，溢流熔融抽伸製程採用形成結構(隔離管)25，其接收凹槽23中的熔融玻璃。熔融玻璃流出且溢出凹槽頂部、並沿著隔離管側邊往下而於隔離管根部43形成帶27。拉輥29按設定速率把帶抽離根部，故可測定帶的厚度。
如第8圖的線41所示，雷射37操作連接至控制器35，例如微處理器，其控制雷射光束功率大小。如第8圖的線39所示，控制器35亦操作連接至偵測器33，例如紅外線(IR)攝影機，其提供控制器沿著刻劃線31之一或多個位置的溫度相關資訊。若期望得到沿著整個刻劃線的溫度分布相關資訊，則偵測器可掃描整個帶寬，或者偵測器可設計同時偵測沿著帶寬之複數個位置的溫度。
如上述，彈性雷射功率控制可利用複數個線段實施，其把玻璃樣品寬度，或換言之，刻劃距離，分成多個線段(1、2、...、N)。在此情況下，控制器35將連結各線段內的雷射光束位置及響應雷射放電電流的指令電壓。線段數量N和其長度ΔL(或相當於其時域持續時間)則為變數，其依據雷射響應指令訊號改變的速度和玻璃溫度分布呈現的溫度變化來選擇。
若玻璃溫度為恆定或玻璃溫度梯度很小而不需彈性功率控制，例如第4及5圖的情況，則控制器只提供在所有線段中為恆定且相等的功率之標準雷射操作。為加以說明，在第4及5圖和下述第6及7圖中，假設玻璃板的寬度分成21個線段。
當遍及樣品長度的玻璃溫度輪廓有明顯溫度梯度時，恆定雷射功率無法維持製程視窗(即介於第4至7圖線11與線13之間)內沿著玻璃板各處的玻璃表面溫度。在此情況下，控制器35依據玻璃背景溫度相關資訊(如來自偵測器33的資訊)，改變雷射功率。應注意某些情況不需要來自偵測器33的資訊，因溫度輪廓已基於其他理由獲知，例如先前已使用此設備之結果。在此情況下，不需來自偵測器的即時資訊，控制器經程式化即可改變雷射功率，以補償已知溫度輪廓。
第6及7圖繪示使用可變雷射功率來補償溫度輪廓沿著刻劃線呈大變化的二實例。在第6圖中，玻璃溫度線性升高，但其速率夠快，以在恆定雷射功率導致分布的最冷部分高於線11時，使最熱部分高於線13。在此情況下，光束掃描越過刻劃線時，控制器減少施加表面的雷射光束功率量，進而將雷射光束下之玻璃溫度保持在線11與線13表示的溫度之間，並且如圖所示，其為實質恆定不變。注意雖然許多應用期望有實質恆定的溫度，但若溫度維持在線11與線13表示的溫度之間，則通常不需如此。
第7圖代表一般情況，其中雷射刻劃製程應用到具複雜背景玻璃溫度輪廓的玻璃板。此輪廓典型用於水平刻劃玻璃帶，其中玻璃越往帶的側邊(卷邊)越厚，故溫度越高。對此輪廓類型來說，控制器35提供各線段不同的功率大小，故橫越帶寬的最終溫度輪廓，例如，為實質恆定不變。
由前述可知，本文所揭露之方法和設備可於任意溫度和應力梯度下，在廣泛溫度範圍內，沿著刻劃方向非剝離式雷射刻劃熱玻璃。該方法和設備可沿著預定刻劃線均勻形成裂口，並依據雷射光束加熱玻璃表面達某一溫度範圍，其下限由維持初始裂縫增長成裂口所需的應力界定，而上限則等於、或較佳低於玻璃的應變點。在一些實施例中，不論利用彈性雷射功率控制的玻璃背景溫度為何，雷射光束下之玻璃溫度保持在這些限值內，其沿著刻劃線產生與玻璃溫度梯度呈反比的雷射功率分布。梯度例如由紅外線攝影機即時偵測。如此，可大幅提高割劃玻璃溫度顯著變化之玻璃板時的製程邊限。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11、13、19．．．線
15．．．冷卻區域
17．．．箭頭
21．．．方框
23．．．凹槽
25．．．形成結構
27．．．帶
29．．．拉輥
31．．．刻劃線
33．．．偵測器
35．．．控制器
37．．．雷射
39、41．．．線
43．．．根部
45．．．玻璃板
111．．．裂縫
112．．．玻璃板
113．．．光束
114．．．表面
115．．．刻劃線
119．．．噴嘴
121．．．雷射光
b．．．長度
L．．．間隔
第1圖為平均雷射光束功率(縱軸；瓦)對應T之前 值(橫軸；℃)的作圖。方形數據點為離線實驗值，圓形數據點為連線使用熔融抽伸機(FDM)而得。
第2圖為最大T光束 值(縱軸；℃)對應雷射光束功率(橫軸；瓦)的作圖。數據點為模擬值。
第3圖為最大T光束 值(縱軸；℃)對應T之前 值(橫軸；℃)的作圖。數據點為模擬值。
第4圖為針對均勻背景玻璃溫度(淺色長條)，雷射刻劃期間之玻璃表面溫度(縱軸；任意單位)對應沿著刻劃線之距離(橫軸；任意單位)的示意圖。雷射光束對玻璃表面溫度的貢獻以深色長條表示。在此圖中，雷射光束的貢獻是恆定的。
第5圖為針對梯度背景玻璃溫度(淺色長條)，雷射刻劃期間之玻璃表面溫度(縱軸；任意單位)對應沿著刻劃線之距離(橫軸；任意單位)的示圖。雷射光束對玻璃表面溫度的貢獻以深色長條表示。在此圖中，雷射光束的貢獻是恆定的。
第6圖為針對梯度背景玻璃溫度(淺色長條)，雷射刻劃期間之玻璃表面溫度(縱軸；任意單位)對應沿著刻劃線之距離(橫軸；任意單位)的示圖。雷射光束對玻璃表面溫度的貢獻以深色長條表示。在此圖中，雷射光束的貢獻受控於背景玻璃溫度的局部值。
第7圖為針對任意背景玻璃溫度(淺色長條)，雷射刻劃期間之玻璃表面溫度(縱軸；任意單位)對應沿著刻劃線之距離(橫軸；任意單位)的示圖。雷射光束對玻璃表面溫度的貢獻以深色長條表示。在此圖中，雷射光束的貢獻受控於背景玻璃溫度的局部值。
第8圖為控制系統的示意圖，其可用於偵測玻璃表面溫度及調整雷射光束功率值。
第9圖為雷射光束刻劃玻璃板的示意圖。
第10圖為在玻璃表面上雷射光束113與相關冷卻區域15的關係示意圖。
111．．．裂縫
112．．．玻璃板
113．．．光束
114．．．表面
115．．．刻劃線
119．．．噴嘴
121．．．雷射光

Claims (9)

  1. 一種使用一雷射光束沿著一刻劃線刻劃一玻璃板的方法，其中就至少一部分的該刻劃線而言，在施加該雷射光束前，該玻璃高於室溫，該方法包含下列步驟：(a)沿著該刻劃線移動一雷射光束；以及(b)隨著該雷射光束接連移動一冷卻區域越過該刻劃線；其中該雷射光束加熱以致在該玻璃板中形成一裂口，且該雷射光束的功率經選擇，致使：(i)在該雷射光束下，該玻璃之表面的溫度低於或等於該玻璃的應變點；以及(ii)該雷射光束的功率符合下列關係式： 其中x代表沿著該刻劃線的距離，P(x)為沿著該刻劃線的該雷射光束之功率，T之前 (x)為施加該雷射光束前，沿著該刻劃線之該玻璃的攝氏溫度，就至少一x值而言，T之前 (x)>25℃，且α和β皆為正的常數。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中就所有x而言，T之前 (x)符合下列一關係式： 其中T應變 為該玻璃以攝氏度為單位之該應變點。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中就所有x而言，在該雷射光束下，該玻璃之表面的一溫度T光束 (x)符合下列一關係式： 其中T光束 (x)以攝氏度為單位。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中α和β是藉由在複數個玻璃溫度下測量產生可重複刻劃之一最小雷射功率，並使測量之該等雷射功率擬合一線性函數而測定。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該複數個玻璃溫度包括室溫和高於室溫的至少二個溫度。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：(i)就至少一個x值而言，隨時間監測T之前 (x)；以及(ii)就至少一個x值而言，依據T之前 (x)之該監測值，控制P(x)值。
  7. 一種沿著一刻劃線刻劃一玻璃板的設備，該設備包含：(a)一雷射，用以產生一雷射光束；(b)一偵測器，用以在至少一個位置處偵測該玻璃板 之一表面的溫度；以及(c)一控制器，操作連接至該雷射和該偵測器，該控制器依據該偵測器在該至少一個位置處所偵測之該玻璃板之該表面的該溫度，調整該雷射光束的功率P；其中該控制器調整該雷射光束的該功率，使其符合下列關係式： 其中T之前 為該偵測器在該至少一個位置處所偵測之該玻璃的攝氏溫度，且α和β各為正的常數。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中α和β是藉由在複數個玻璃溫度下測量產生可重複刻劃之一最小雷射功率，並使測量之該等雷射功率擬合一線性函數而測定。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該複數個玻璃溫度包括一室溫和高於室溫的至少二個溫度。
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