JP2018525309A

JP2018525309A - 薄型のガラス層を切断する方法

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Publication number: JP2018525309A
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Inventors: ベーカーユアゲン; イェーリー−ヤー
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Abstract

本発明は、第１の表面（Ｉ）と第２の表面（ＩＩ）とを有したガラス層（１）を切断する方法であって、少なくとも、ａ）パルスレーザーにより生成される第１のレーザービーム（２）を切断線（Ｌ）に沿って動かし、このときに前記第１の表面（Ｉ）と前記第２の表面（ＩＩ）との間の前記ガラス層（１）の内部に材料改質（５）を生じさせるステップと、ｂ）第２のレーザービーム（３）を前記切断線（Ｌ）に沿って動かし、このときに前記ガラス層（１）をレーザー照射によって加熱するステップと、ｃ）前記ガラス層（１）を前記切断線（Ｌ）に沿って冷却し、このときに前記ガラス層（１）を前記切断線（Ｌ）に沿って破断するステップと、を有する、ガラス層（１）を切断する方法に関する。

Description

本発明は、薄型のガラス層を切断する方法、それに適した装置、および当該方法を用いて切断されたガラス層の使用に関する。

薄型のガラス層とは、典型的には約１．５ｍｍまでの厚さのガラス層を指すものとして、極薄ガラス層は約０．３ｍｍまでの厚さのガラス層を指すものとして理解されたい。しかしながら極薄ガラス層は０．１ｍｍ未満の厚さを有していてもよい。極薄ガラス層は、特に電子機器で使用され、例えばディスプレイのカバーとして使用される。薄型および極薄のガラス層は僅かな重量の他に、特にそれらの薄膜状の高い柔軟性によって優れている。したがって、極薄ガラス層は、特に柔軟な部品に、例えば柔軟な薄膜太陽電池に、ＯＬＥＤ素子に、または電気的に切り換え可能な特性を備えた薄膜状のアクティブなグレージング要素のために使用される。他の使用例は例えば、医療機器およびセンサである。

しかしながら、薄型および極薄のガラス層は、特に複層ガラスの構成部分として、窓ガラスの領域でも使用することができる。このような複層ガラスが車両分野で使用されると、車両重量を減じることができ、これにより例えば燃料またはバッテリ容量を節約することができる。

加工技術的な特性において厚いガラス板とは異なる、したがって従来の技術的ガラス切断法はしばしば適していない、薄型および極薄のガラス層のための加工法の必要性がある。このことは特に、切断によりマイクロクラックやその他の損傷を伴う粗い切断エッジが生じる恐れがあり、厚いガラス板では通常であるようなエッジの後処理はその僅かな厚さにより不可能である極薄ガラス層に特に当てはまる。レーザー切断法はより良好な結果をもたらし、レーザー切断法は例えば国際公開第２０１２／０６７０４２号（WO2012/067042A1）および国際公開第２０１３／０５０１６６号（WO2013/050166A1）のように薄型および極薄のガラス層にも適用されてきた。

米国特許出願公開第２０１３／０１２６５７３号明細書（US 2013/0126573 A1）には、ガラス層を切断する方法が開示されている。ガラス層の内部に集束されたパルスレーザーにより１００ｐｓ未満のパルス持続時間でガラス層を照射することにより、所望の切断線としての目標破断個所が形成される。レーザー照射は、ガラス層の微細構造の内部改質（いわゆるフィラメント）をもたらし、このような内部改質部は、切断線に沿って配置され、構造を脆弱にし、これにより目標破断個所が形成される。次いでガラス層の実際の破断が、機械的圧力により行われる。

機械的圧力によるガラスの破断は、通常は手作業で行わなければならないため、工業用大量生産プロセスに統合することが困難である。圧力をかけるために使用される工具は所望のように複雑に設計することができないので、切断線の最大曲率には限界がある。しかし、大きな板から様々な小さな板を切り出す場合、過剰な材料の浪費を避けるために、小さな曲率半径、および隣接する切断パターンの切断線間の小さな距離が必要である。極薄ガラスの場合このような困難性は、僅かなガラスの厚さに伴う脆弱性のために特に発生する。すなわち、ガラスに直接機械的に接触しないガラス分離プロセスが所望されている。

国際公開第２０１４／０７５９９５号（WO 2014/075995 A2）には、ガラス層の別の切断方法が開示されている。この場合、目標破断個所はいわゆるフィラメントの形態で形成される。フィラメント化に伴うガラス層の望ましくない損傷を回避するために、この方法を、低ＯＨイオン保護雰囲気中で実施することが提案される。

米国特許出願公開第２０１５／００３４６１３号明細書（US 2015/0034613 A1）には、ガラス層を切断する別の方法が開示されている。目標破断個所はこの場合も、ガラス層の外側で集束されるレーザーによるフィラメント化により形成される。ガラス層の実際の破断は別のレーザーの照射により行うことができる。しかしながらこの方法は、特に極薄のガラスには使用できない。何故ならば、第２のレーザーによる強力な加熱により、極薄ガラス層は曲げられてしまうからである。

したがって本発明の課題は、薄型または極薄のガラス層の改善された切断方法と、該方法に適した装置とを提供することである。この方法により、できるだけ平滑な切断縁が形成され、ガラス損傷の危険が殆どなく、高い曲率を有した切断線が可能となるのが望ましい。

本発明の課題は、本発明によれば、独立請求項１に記載のガラス層を切断する方法により解決される。好ましい構成は従属請求項に記載されている。

ガラス層は、第１の表面と第２の表面、ならびに周方向に延在する側縁を有している。本発明によるガラス層を切断する方法は、少なくとも以下の方法ステップ：
ａ）パルスレーザーにより生成される第１のレーザービームを切断線に沿って動かし、このときに第１の表面と第２の表面との間のガラス層の内部に材料改質を生じさせるステップと、
ｂ）第２のレーザービームを前記切断線に沿って動かし、このときにガラス層をレーザー照射によって加熱するステップと、
ｃ）ガラス層を前記切断線に沿って冷却し、このときにガラス層を前記切断線に沿って破断するステップと、を含む。

本発明による方法の利点は、機械的加工ステップ（機械的圧力による破断のような）なしに切断が行われることにある。これにより、ガラス層をきれいに切断することができ、これにより障害的損傷を有さない滑らかな切断縁が形成される。この方法は自動化された加工にも良好に適している。ガラス層の冷却により、ガラスにおいて十分な応力が生じ、同時に、第２のレーザービームによる過度の加熱が阻止されるので、極薄のガラス層の場合でも望ましくないガラス変形を効果的に防止することができる。ガラスの破断のために適当な工具により機械的圧力を加える必要がないので、切断されるガラス層の極めて小さな曲率半径を実現することができる。２ｍｍ未満の曲率半径を問題なく製造することができることが示されており、これは機械的な破断の場合には確実には行えないことである。相互間隔がごく僅かである切断線も実現することができる。大面積のガラス層から部分領域を切り出したい場合、このことはごく僅かな材料損失（切りくず）で可能である。

本発明により切断されたガラス縁部は、（当業者には公知の標準的な４点曲げテストによれば）約１００ＭＰａ〜２００ＭＰａの範囲の、例えば約１２０ＭＰａの縁部強度を有していて、したがってその安定性は、より厚いガラス板で通常であるような、従来の機械的に切断された縁部に匹敵する。したがって縁部の研磨のような後処理ステップは不要であり、これにより製造コストとガラス破損の危険とは減じられる。

好適な態様では、切断されたガラス層の輪郭は２ｍｍ未満の曲率半径を有している。さらに好適な構成では、異なる切断線の間隔は５ｍｍ未満である。このような値は、機械的な破断法によっては達成されない。

切断したいガラス層は好適には、１．５ｍｍ以下の厚さを有している（薄型ガラス）。このような厚さのガラス層は本発明による方法により問題なく切断することができる。好適な構成では、ガラス層は０．３ｍｍ以下の厚さを有していて（極薄ガラス）、例えば０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍの、または０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの、特に好適には０．１ｍｍ以下の厚さを有する。このような僅かな厚さの場合は、この方法の利点は特に重要である。機械的な加工ステップ、特にガラスの機械的破断を含む方法では、極薄ガラスの場合にはきれいな破断縁を得られず、続けて冷却を行わないレーザー切断による方法では、極薄ガラス層の場合は特に変形が生じる。

ガラス層は、熱的または化学的に予荷重され得ず、部分的に予荷重され得ず、または全く予荷重され得ない。好適な構成では、ガラス層は予荷重されていない。このようなガラス層では特に、破断させるためには、加熱および冷却により応力を発生させなければならない。

本発明による方法ではまず、パルスレーザーによりガラス層の内部に材料改質を生じさせる。このような材料改質は、いわゆるフィラメントとして公知である。個々のフィラメントは、切断線に沿って並んでいて、好適には互いに間隔を置いて位置している。フィラメント発生のメカニズムに関して、本発明者は、非線形のカー効果により、レーザービームの自己集束が生じ、これにより、より高い出力密度に達せられることを前提としている。このような高い出力密度により、フィラメントが、多光子イオン化、電界イオン化、および電子衝撃イオン化の結果として生じる。このようにして生成された電子プラズマは、自己集束との釣り合いを取って再びデフォーカスされる。フィラメントを生じさせるためにガラス層にレーザー照射を通す際に、集束とデフォーカスとが交互に生じることにより、各フィラメント構造は、レーザービームの照射方向に沿って、好適にはガラス層の表面に対して垂直に延在する、一連の交互の集束個所とデフォーカス個所とを有する。仮定されたメカニズムのより詳細な説明については、米国特許出願公開第２０１３／０１２６５７３号（US 2013/0126573 A1）明細書の、特に段落００４３〜００４８を参照されたい。またさらに、W. Watanabeによる「Femtosecond Filamentary Modifications in Bulk Polymer Materials」(Laser Physics、２００９年２月、 Vol. 19、 No. 2、342-345頁)、F. Piao、W. G. Oldham、E. E. Hallerによる「Ultraviolet-induced densification of fused silica」(J. of App. Phys., Vol. 87、 No. 7、２０００年)、F. Ahmed他による「Display glass cutting by femtosecond laser induced Single shot periodic void array」(Applied Physics A、２００８年、No. 93、189-192頁)、およびS. Rezaeiによる「Burst-train generation for femtosecond laser lamentation-driven micromachining」、２０１１年トロント大学修士論文も参照されたい。

第１のレーザービームにより形成された材料改質は、レーザービームの自己集束により生じる、特に高密度の局所的な領域を含んでいる。

第１のレーザービームは所望の切断線に沿って動かされる。この場合、レーザーは切断線に沿って材料脆弱部を形成し、この脆弱部はさらなる加工のための目標破断個所を成す。この場合、好適には、ガラス層の第１の表面と第２の表面とは損傷されず、すなわち掻き傷、溝、または類似のものは設けられない。第１のレーザービームは好適には、第１の表面および第２の表面において材料を除去しない。材料は除去せず、このレーザービームは、切断線に沿ったガラス層の内部における一連のミクロ構造の材料改質、いわゆる「フィラメント」を生じさせる。これらのフィラメントはそれぞれ一連のレーザーパルスにより形成される。レーザー照射を適切に制御することにより、切断線に沿ったレーザービームの移動中、適切な、通常は周期的な間隔で、このような一連のレーザーパルスがガラス層上に放射される。このような一連のレーザーパルスは、しばしばパルス列（pulse train）またはパルスバーストとも呼ばれる。パルス列はそれぞれ、ガラス層に１つのフィラメントを生じさせる。したがって、切断線に沿った一連のフィラメントが形成され、この場合、隣接するフィラメントは互いに対して間隔を有している。このような間隔を置いて位置するパルス列を形成する方法は当業者には公知であり、例えばいわゆるバースト発生器（Burst Generator）により形成される。パルスレーザー照射を動かすことにより、このように互いに間隔を置いて位置するフィラメントの軌跡が切断線に沿って形成され、これにより目標破断線が形成される。ガラス層はフィラメントによりいわば穴をあけられている。材料改質は、異なる屈折率に関連する局所的な高密度化とみなすこともできる。

好適な構成では、第１のレーザービームの焦点がガラス層の第１の表面と第２の表面との間に位置決めされてから、第１のレーザービームが切断線に沿って動かされる。したがって、表面を損傷させることなく、特に良好な内部のフィラメントを生じさせることができる。

好適な構成では、第１のレーザービームを、１００ｐｓ未満の、好適には１０ｐｓ未満の、特に好適には１ｐｓ未満の、極めて好適には５００ｆｓ未満のパルス長さを有するパルスレーザーにより生成する。このような短いパルスは、照射の自己集束に関して特に有利である。

内部の材料改質を生じさせるために、レーザー照射によるガラス層の貫通は重要であるので、好適には、ガラス層が実質的に透過性であるレーザー照射の波長が選択される。ガラス層は使用されるレーザー波長においては、好適には少なくとも８０％の、好適には少なくとも９０％の透過率を有している。通常のガラス層のためにはＵＶ範囲に近い可視範囲またはＩＲ範囲のレーザーを使用することができ、例えば３００ｎｍ〜２５００ｎｍの、好適には３００ｎｍ〜１１００ｎｍの、特に好適には３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のレーザーを使用することができる。特に好適な構成では、第１のレーザービームは、３００ｎｍ〜５００ｎｍの、好適には３２０ｎｍ〜４００ｎｍの、例えば３５５ｎｍの波長を有している。これは一方では、通常のガラス層の透過性の点で、他方では、適切かつ安価なレーザーシステムの商業的な入手しやすさの点で、有利である。第１のレーザービームは好適には、Ｑスイッチを備えた固体レーザーにより形成される。

第１のレーザービームの繰り返し率（パルス周波数）は、好適には１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、特に好適には２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、例えば２５ｋＨｚまたは１００ｋＨｚである。これにより良好な結果が得られる。しかしながら原則的には、より高い、例えば１００ＭＨｚまでのパルス周波数を使用することもできる。

第１のレーザービームを生成するためのレーザーの出力は、好適には５Ｗ〜２００Ｗ、特に好適には２０Ｗ〜１００Ｗである。パルスエネルギは好適には４μＪ〜５００μＪである。

パルス周波数および出力の選択により、どの程度の材料深さまでフィラメントが延在するかについて影響を与えることができる。好適には、レーザー照射がガラス層内に進入するガラス層の表面を起点として、ガラス層の厚さの少なくとも４０％以上に、特に好適には少なくとも５０％以上に、極めて特に好適には少なくとも６０％以上にフィラメントは延在している。これにより目標破断個所が好適にはっきりしており、続いて行われる材料分離に効果的である。薄型および極薄のガラス層では、フィラメントは好適にはガラス層の厚さ全体に沿って延在している。

好適には周期的に生じる一連のレーザーパルス（パルス列）は、各列がそれぞれ１つのフィラメントを形成するのであり、好適には１ｋＨｚ未満の、例えば２００Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲における繰り返し率で放射される。各パルス列は好適には少なくとも５パルスから成っており、例えば５〜１５パルスの範囲にある。

切断線に沿った第１のレーザービームの移動速度は好適には５０ｍｍ／秒〜１０００ｍｍ／秒、例えば１００ｍｍ／秒〜５００ｍｍ／秒である。

隣接するフィラメントの間隔は、レーザー照射の速度とパルス列の繰り返し率を選択することにより規定される。この間隔は好適には１ｍｍ未満であり、特に好適には１００μｍ未満であり、さらに特に好適には２０μｍ未満であり、例えば１μｍ〜１０μｍである。これにより好適な材料脆弱化が達せられる。間隔はこの場合、隣接するフィラメントの外側の境界部間の最小間隔を意味する。照射方向に対して垂直なフィラメントの延在は、例えば１μｍ〜５０μｍ、または２μｍ〜１０μｍである。

第１のレーザービームは、好適には光学エレメントまたは光学系によってガラス表面に集束される。照射方向に対して垂直な焦点の広がりは例えば１０μｍ、またはそれより小さくてよい。

適切でないプロセスが実施された場合、副作用として、切断縁に悪影響を与える気泡がガラス内に生じる恐れがあることが示されている。１つのパルス列のレーザーパルスのエネルギを一定に維持するのではなく、プロセス中に減じることにより、この危険を低減することができる。選択的にまたは付加的に、パルス間の時間間隔を一定に維持せずに、パルス列形成中に長くすることもできる。この場合、パルスエネルギは４μＪ〜５００μＪの範囲で動き、連続する２つのパルスの時間間隔は、パルス長さの５０倍〜５０００倍の範囲にあるのが望ましい。

第１のレーザービームにより目標破断線が形成された後、第２のレーザービームによりガラス層の実際の破断が行われる。第２のレーザービームは切断線に沿って第１の表面上を移動し、これにより切断線の領域でガラス層は加熱される。次いでガラス層を切断線に沿って冷却し、このときに生じた熱応力の結果、ガラス層を切断線に沿って破断する。第２のレーザービームと冷却との組み合わせにより、０．３ｍｍ未満の厚さの極薄のガラス層も切断するための十分な応力が生じる。

方法ステップの時間的順序は、第２のレーザーによる照射開始前に、第１のレーザーによる照射が切断線全体に沿って終了していなければならないと理解されるべきではなく、または冷却開始前に第２のレーザーによる照射が切断線全体に沿って終了していなければならないと理解されるべきではない。むしろ、第１のレーザービームがまだ切断線上を動いているときに既に、第２のレーザービームによって、第１のレーザービームにより既に照射された切断線の領域の照射が開始されてよい。また、第２のレーザービームがまだ切断線上を動いているときに既に、第２のレーザービームにより既に照射された切断線の領域の冷却が開始されてよい。特にこの最後に述べた態様は、第２のレーザービームによる加熱と迅速な冷却との間で長すぎる時間が経過せず、これにより必要な熱応力が生じるので有利である。好適には、移動方向で第２のレーザービームの後方に、冷却するための手段（装置）が配置されており、第２のレーザービームと冷却するための手段とは同じ速度で切断線に沿って移動する。

レーザー照射によりガラス層は切断線に沿って加熱される。したがって、ガラス層が高い吸収係数を有する波長を有したレーザー照射が特に適している。このような理由から、中赤外領域のレーザー照射が特に適している。レーザー照射は例えば、８００ｎｍ〜２０μｍの、好適には１μｍ〜２０μｍの、特に好適には５μｍ〜１５μｍの波長を有している。典型的には９．４μｍまたは１０．６μｍの波長を有するＣＯ_２レーザーが特に適している。良好な結果は例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーによっても得られる。しかしながら例えばダイオードレーザー、または固体レーザーを使用することもできる。

第２のレーザービームを生成するためのレーザーは好適には、連続発振モード（ＣＷ、continuous wave）で作動される。これによりガラス層の良好な加熱が得られることが示されている。さらに連続発振モードは、パルス作動よりも技術的に簡単に実現される。

好適な態様では、第２のレーザービームはガラス層の表面の一方に集束される。このような集束は、方法の実施を容易にする。しかしながら必要な加熱を得るために特に強い、または正確な集束は不要である。

第２のレーザービームは好適には光学エレメントまたは光学系によりガラス表面上に集束され、このとき好適には、伸長された、ほぼ楕円のビームプロファイルが、例えば円柱レンズにより形成される。伸長されたビームプロファイルの長軸はこの場合、好適には切断線の方向に向けられている。ガラス表面上のビームプロファイルの長さは、好適には１ｍｍ〜５０ｍｍであり、幅は好適には１００μｍ〜１ｍｍである。これにより、特にきれいな切断縁に関して、特に良好な結果が得られる。光学エレメントの焦点距離は例えば１００ｍｍ〜２５０ｍｍである。これにより良好な結果が得られる。伸長されたビームプロファイルはレーザースキャニングによっても得られる。別の、例えば円形のビームプロファイルも使用することができる。

第２のレーザービームは好適には、１ｍ／分〜３０ｍ／分の、特に好適には５ｍ／分〜２０ｍ／分の速度でガラス表面上を動かされ、特に好適には１０ｍ／分〜１５ｍ／分の速度でガラス表面上を動かされる。これにより特に良好な結果が得られる。

第２のレーザービームの出力（出射出力）は好適には３０Ｗ〜１ｋＷ、例えば５０Ｗ〜１００Ｗである。このような出力により、ガラス層の十分な加熱を達成することができる。しかしながら、より高い出力を使用することもできる。

第１のレーザービームと第２のレーザービームと冷却手段との切断線に沿った移動は原則的に、ガラス層の移動により、かつ／またはレーザー照射および冷却手段の移動により行われてよい。（特に定置の）ガラス層に沿ったレーザービームの移動のためには、公知のレーザースキャン装置が適していて、極めて簡単な場合には、１つ以上の傾動可能なミラーが適している。レーザー照射は例えば、光導波体の、例えばグラスファイバの、ガラス表面上の移動によって移動させることもできる。しかしながら、第１および第２のレーザービーム、ならびに冷却手段を固定位置に配置し、ガラス板のみを動かすのがより簡単であり、したがって有利である。

ガラス表面は加熱後、冷却される。連続して行われる加熱と冷却とにより、切断線に沿って熱応力が発生し、この熱応力により、薄型のまたは極薄のガラス層は自動的に所望の破断に到る。さらに、冷却により、加熱されたガラスの、特に極薄のガラス層における変形は阻止される。冷却は好適には、切断線に沿って、気体の、かつ／または液体の冷却媒体をガラス表面に供給することにより行われる。本発明は所定の冷却媒体に限定されるものではない。冷却されたガスおよび／または水は、このような冷却を簡単に実現でき、安価であるので、好適な冷却媒体である。適したガスは、例えば二酸化炭素または窒素である。

冷却媒体は好適にはノズルによって切断線に沿ってガラス表面上に供給される。ノズルは好適には、第２のレーザービームの後方を同じ速度でガラス表面上方を移動する。レーザービームによるガラス層の加熱とガラス層の冷却（「急冷」）との間の時間差は、好適には１０ｍｓ〜５００ｍｓ、特に好適には５０ｍｓ〜１００ｍｓである。これにより、きれいな破断縁を伴う効果的な破断につながる特に適切な熱応力が生じる。

本発明による方法の利点は、通常、出発状態では極薄のガラス層がロール状に巻かれている工業的な大量生産に、本発明による方法を簡単に組み込めることにある。したがって有利な構成では、極薄のガラス層は切断直前にロールから繰り出される。

ガラス層は、所定の形式のガラスに限定されない。むしろ、本発明による方法は基本的に、任意の組成のガラス層に使用可能である。ガラス層は例えば、ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスを含む。

本発明はさらに、第１の表面と第２の表面とを有したガラス層を切断する装置であって、少なくとも、
前記第１の表面と前記第２の表面との間の前記ガラス層の内部に材料改質を生じさせるために、切断線に沿って動かすのに適し、かつ前記切断線に沿って動かすために設けられた、第１のレーザービームを生成するためのパルスレーザーと、
前記ガラス層を加熱するために、前記切断線に沿って動かすのに適し、かつ前記切断線に沿って動かすために設けられた、第２のレーザービームを生成するためのレーザーと、
前記切断線に沿って前記ガラス層を冷却するための手段と、を有している装置を含む。

本発明による方法に関して上述した好適な態様は、装置にも同様に当てはまる。

この装置は、一方ではガラス層を、他方ではレーザービームおよび冷却手段を、互いに相対的に動かす手段を含む。このような相対移動は、ガラス層の移動、またはレーザービームおよび冷却手段の移動により行うことができる。

この装置は、好適な構成では、極薄のガラス層が設けられたロールを装着することができるロール保持体をさらに含む。この場合、ロール保持体は、ロールから繰り出されたガラスを、第１のレーザービーム、第２のレーザービーム、および冷却手段により処理することができるように配置されている。

本発明はさらに、本発明により切断されたガラス層を、薄膜太陽電池に、または切り換え可能な、特に電気的に切り換え可能な特性を有するアクティブなグレージングに、好ましくはエレクトロクロミック素子、ＰＤＬＣ素子（高分子分散型液晶）、エレクトロルミネッセンス素子、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）またはＳＰＤ素子（懸濁粒子デバイス）に使用する、ガラス層の使用を含む。ガラス層を、例えば自家用車、トラック、または列車や路面電車のようなレール車両の車両ガラスの構成部分として使用することもできる。ガラス層は例えば、積層されたサイドウィンドウの構成部分として、特に積層体の内側の板として使用することができる。

本発明を図面および実施例につき詳しく説明する。図面は概略図であって、正確な縮尺ではない。図面は本発明を限定するものではない。

本発明による方法の実施中におけるガラス層を示す斜視図である。切断線Ｌに沿ったガラス層の断面図である。本発明による方法の実施例をフローチャートで示した図である。

図１および図２には、ガラス層１を、例えば厚さ８０μｍの極薄のガラス層を切断する本発明による方法を概略的に示す図のそれぞれ１つの詳細が示されている。

まず、両ガラス表面Ｉ，ＩＩの間の、ガラス層１の内部に集束された第１のレーザービーム２を、所望の切断線Ｌに沿って動かす。第１のレーザービーム２はパルスレーザーにより形成され、例えば５００ｆｓのパルス長さ、例えば２５ｋＨｚのパルス周波数、例えば５０Ｗの出力、例えば３５５ｎｍの波長を有する。適切なレーザーは、例えば、Ｑスイッチ固体レーザー、特にダイオード励起固体レーザーである。ガラス層１は、第１のレーザービームの波長ではほぼ透過性である。しかしながら、高密度のレーザー放射は、ガラス材料の内部改質、いわゆる「フィラメント」５をもたらす。このような改質５はガラス内部に限定されており、ガラス表面Ｉ，ＩＩは変化しない、または損傷されない。材料改質５は切断線Ｌに沿って並んでいる。材料改質５に伴う、ガラス層の局所的な脆弱化は、切断線Ｌを目標破断個所として画定する。各フィラメントは、第１のレーザービーム２のパルス列により形成される。互いに分離されたパルス列はそれぞれ例えば５つのパルスを含み、いわゆるバースト発生器（Burst Generator）を用いて発生させられる。

次いで、第２のレーザービーム３を切断線Ｌに沿って動かす。第２のレーザービーム３は、例えば、波長１０．６μｍ、出力５０Ｗの連続発振モードのＣＯ_２レーザーのビームである。第２のレーザービーム３は、ビームプロファイルを伸長させる図示されていない円柱光学系を用いてガラス表面に集束される。ガラス表面上でこのプロファイルは、例えば３０ｍｍの長さと５００μｍの幅とを有する。ビームプロファイルは、切断線Ｌに沿って配向され、つまりビームプロファイルの長軸が切断線Ｌ上に置かれる。第２のレーザービーム３は、ガラス層１によって効果的に吸収され、これによってガラス層は切断線Ｌに沿って加熱される。

第２のレーザービーム３の後方では、ノズル４が切断線Ｌに沿って移動する。レーザービーム３とノズル４は、この場合同じ速度で移動する。ガラス層には、ノズル４を用いて冷却媒体、例えば冷却されたＣＯ_２が噴射される。加熱されたガラス層の迅速な冷却は、熱応力を引き起こし、この熱応力は、ガラス層１を、切断線Ｌに沿って破断させる。

図中に示されている矢印は、移動方向を表している。第１のレーザービーム２の移動速度ｖ₁は例えば１２５ｍｍ／ｓである。第２のレーザービーム３とノズル４とは、例えば２５０ｍｍ／ｓの速度ｖ_２で、直接前後して動く。

切断線Ｌは概略的に直線として示されている。しかしながら実際には極めて複雑な形状を実現することができる。例えば、大面積のガラス層から、ほぼ任意の形状を有するより小さい板を切り出すことができる。図示したように、ガラス層の破断は、熱応力に基づいて自動的に行われる。そのため圧力をかけることによる積極的な破断を省くことが可能である。これにより小さい曲率半径を実現することができ、材料の切りくずを減じることができる。さらにこの方法は、微細な亀裂のような障害的損傷なしで滑らかな切断縁部をもたらす。これは本発明の大きな利点である。

図３は、ガラス層を切断する本発明による方法の実施例を示している。

例１
５０μｍの厚さのガラス層に異なる切断方法を施し、分離効果を比較した。多数の例における方法条件および観察結果を表１にまとめる。

本発明による方法Ｂによってのみ、ガラス層の確実な分離が行われる。冷却なし（方法Ａ）では、極薄のガラス層の熱負荷が明らかに高く、これにより変形が生じる。

例２
５０μｍの厚さのガラス層から、異なる切断方法で、１．５ｍｍの曲率半径を有した形状を切り出した。多数の例における方法条件および観察結果を表２にまとめる。

本発明による方法Ｂにより、複雑な形状を問題なく切り出すことができる。機械的圧力を用いる比較方法Ａでは複雑な形状は分離の際に損傷された。

１ガラス層
２（Ｌに沿った目標破断線を形成するための）第１のレーザービーム
３（ガラス層１を分離するための）第２のレーザービーム
４ガラス層１を冷却するためのノズル
５フィラメント／局所的な内部の材料改質
ｖ_１第１のレーザービーム２の移動速度
ｖ_２第２のレーザービーム３の移動速度
Ｌ切断線
Ｉガラス層１の第１の表面
ＩＩガラス層１の第２の表面

Claims

第１の表面（Ｉ）と第２の表面（ＩＩ）とを有したガラス層（１）を切断する方法であって、少なくとも、
ａ）パルスレーザーにより生成される第１のレーザービーム（２）を切断線（Ｌ）に沿って動かし、このときに前記第１の表面（Ｉ）と前記第２の表面（ＩＩ）との間の、前記ガラス層（１）の内部に材料改質（５）を生じさせるステップと、
ｂ）第２のレーザービーム（３）を前記切断線（Ｌ）に沿って動かし、前記ガラス層（１）をレーザー照射によって加熱するステップと、
ｃ）前記ガラス層（１）を前記切断線（Ｌ）に沿って冷却し、前記ガラス層（１）を前記切断線（Ｌ）に沿って破断するステップと、
を有する、ガラス層（１）を切断する方法。
前記第１のレーザービーム（２）により生じた前記材料改質（５）は、好適にはレーザー照射の自己集束により生じる、高密度の局所的な領域を含んでいる、請求項１記載の方法。
前記第１のレーザービーム（２）の焦点を、前記第１の表面（Ｉ）と前記第２の表面（ＩＩ）との間に位置決めする、請求項１または２記載の方法。
前記ガラス層（１）は、１．５ｍｍ以下の、好適には０．３ｍｍ以下の、特に好適には０．１ｍｍ以下の厚さを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
前記第１のレーザービーム（２）を、１００ｐｓ未満の、好適には１０ｐｓ未満の、特に好適には１ｐｓ未満のパルス長さを有するパルスレーザーにより生成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
前記第１のレーザービーム（２）は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの、好適には３００ｎｍ〜５００ｎｍの波長を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
前記切断線（Ｌ）に沿って隣接する材料改質（５）は、１００μｍ未満の、好適には２０μｍ未満の間隔を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
各材料改質（５）は、連続したパルスのパルスエネルギが減少するパルス列によって生成され、前記パルスエネルギは、好ましくは４μＪ〜５００μＪである、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
各材料改質（５）は、連続したパルスの時間的間隔が大きくなるパルス列によって形成され、好ましくは前記時間的間隔はパルス長さの５０倍〜５０００倍である、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
前記第２のレーザービーム（３）は、１μｍ〜２０μｍの、好適には５μｍ〜１５μｍの波長を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
前記第２のレーザービーム（３）を、連続発振モードのレーザーにより生成する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
前記第２のレーザービーム（３）は、３０Ｗ〜１ｋＷの出力を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
前記ガラス層（１）の冷却を、気体および／または液体の冷却媒体を前記切断線（Ｌ）に沿って、好適にはノズル（４）によって供給することにより行う、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
第１の表面（Ｉ）と第２の表面（ＩＩ）とを有したガラス層（１）を切断する装置であって、少なくとも、
前記第１の表面（Ｉ）と前記第２の表面（ＩＩ）との間の前記ガラス層（１）の内部に材料改質を生じさせるために、切断線（Ｌ）に沿って動かすのに適し、かつ前記切断線に沿って動かすために設けられた、第１のレーザービーム（２）を生成するためのパルスレーザーと、
前記ガラス層（１）を加熱するために、前記切断線（Ｌ）に沿って動かすのに適し、かつ前記切断線に沿って動かすために設けられた、第２のレーザービーム（３）を生成するためのレーザーと、
前記切断線（Ｌ）に沿って前記ガラス層（１）を冷却するための手段と、
を有している、前記ガラス層（１）を切断する装置。
請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法を用いて切断されたガラス層（１）を、薄膜太陽電池に、または切り換え可能な、特に電気的に切り換え可能な特性を有するアクティブなグレージングに、好ましくはエレクトロクロミック素子、ＰＤＬＣ素子（高分子分散型液晶）、エレクトロルミネッセンス素子、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）またはＳＰＤ素子（懸濁粒子デバイス）に、または車両ガラスの構成部分として使用する、ガラス層（１）の使用。