KR100962823B1 - 부분강화 빔프로파일을 가지는 비금속판 절단방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크라이브빔의 빔프로파일을 일부 변형시켜서, 부분적으로 강화된 빔프로파일을 제공하여 비금속판의 절단능력을 향상시킬 수 있는 비금속판 절단방법 및 장치에 관한 것이다.

유리판 절단장치, 비금속판 절단장치, 스크라이브빔, 빔프로파일

Description

부분강화 빔프로파일을 가지는 비금속판 절단방법 및 장치{Glass-plate cutting method with partially-reinforced beam profile and device thereof}

본 발명은 비금속판 절단방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스크라이브빔의 빔프로파일을 일부 변형시켜서, 부분적으로 강화된 빔프로파일을 제공하여 비금속판의 절단능력을 향상시킬 수 있는 비금속판 절단방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 유리기판을 레이저빔을 이용하여 절단하는 장치에 관한 것으로, 특히 상세하게는 유리기판 절단공정 중 유리판을 레이저빔으로 절단하는 스크라이빙 공정에서 렌즈를 통과하여 유리에 조사되는 레이저 빔의 부적절한 에너지 분포로 인해 생기는 절단면의 품질 불량을 막기 위해 통상의 다중초점을 가지는 렌즈를 이용한 유리기판절단장치에 관한 것이다.

종래의 유리판의 절단방법으로는, 다이아몬드 등의 초경 재료에 의해 스크라이브라인을 생성한 후, 기계적 응력을 가하여 절단하는 절단 방법과, 이보다 다소 발전하여 상기의 스크라이브라인의 생성을 레이저빔에 의해 생성하고 기계적응력을 가하는 방법이 있다.

상기의 방법 중 전자는 절단면이 날카롭고 불규칙하여 액정과 같은 정밀한 제품에는 적합하지 않으며, 별도의 연마공정이 필요하다.

상기의 방법 중 발전된 후자의 경우에도 절단면의 신뢰성은 그다지 높지 않으며, 기계적응력에 의한 절단으로 인해 연마공정이 요구된다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 유리판의 레이저 커팅에 관한 발명(한국특허출원번호 제10-2000-0042313호)의 구성은 도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 비금속 재료의 절단이 시작되는 곳에 절단을 원하는 방향으로 초기 크랙을 형성하고, 절단하려고 하는 선을 따라 제1차가열빔을 조사하여 비금속 재료를 가열하고, 1차빔에 의하여 가열된 부분에 1차켄칭(quenching)을 하여 크랙을 전파시키고, 상기 크랙이 진행된 부분에 제2차가열빔을 조사하여 비금속 재료를 가열하고, 상기 제2차가열빔에 의하여 가열된 부분에 제2차켄칭을 하는 것을 특징으로 하는 비금속 재료 절단방법이다.

즉, 초기크랙생성과 스크라이빙공정 뿐만 아니라 브레이킹작업을 레이저빔에 의해 실현시키고 있다.

크래킹수단은 다이아몬드, 줄, 석영 유리 등의 초경도재료로 형성된 노칭크래커를 사용할 수 있다.

또한, 발진기(2)와 렌즈(3)가 구비된다.

발진기(2)로부터 나온 레이저빔은 렌즈(3)에 의해 집광되어 절단소재에 조사되어 초기크랙(21)을 낸다.

상기에서 레이저빔(5)은 발진기(도시생략)에 의해 발진되어 반사경(6)에 의해 반사되어 집광렌즈(7)에 의해 유리판에 조사된다.

제1냉각수단으로 상기 탄산가스레이저에 의하여 가열된 부분에 켄칭(quenching)을 하여 크랙을 발생시키는 켄처를 설치하고, 켄처의 바로 뒤에는 제1흡입장치를 마련한다.

켄처물질공급구(10)로 켄처물질이 주입되어 켄처물질유출구(9)로 배출되어 소재를 냉각시킨다.

제1흡입장치는 흡입구(11)와 흡입관(12)으로 구성된다.

브레이킹수단은 제2탄산가스레이저를 이용한다. 상기에서 레이저빔(13)은 발진기(도시생략)에 의해 발진되어 반사경(14)에 의해 반사되어 집광렌즈(15)에 의해 유리판에 조사된다.

도 1은 브레이킹수단이 가열광학기구만으로 이루어지는 경우이며, 도 2는 브레이킹수단이 가열광학기구와 켄처로 이루어지는 경우이다.

물론 도 1과 같이 켄처를 더 포함시키는 것이, 브레이킹수단에 의해 가열된 부분을 급냉시켜 큰 온도구배를 부여함으로써 발생되는 열충격에 의해 절단면을 매끄럽게 하고 절단효율을 높이는데 유리하다.

상기의 발명인 레이저를 이용한 유리절단은 크게 스크라이빙 공정과 브레이킹 공정 두 가지로 이루어진다. 스크라이빙 공정에서는 스크라이브빔과 냉각노즐에 의해 유리기판에 100 ~ 200 ㎛ 깊이의 스크라이브라인이 형성되고, 브레이킹 공정에서는 스크라이브라인을 기준으로 브레이크빔에 의하여 유리기판이 완전히 분리된다.

그러나, 종래기술에 의한 스크라이브빔은 프로파일이 타원형으로써, 예정선의 길이방향으로 장축이 배치되게 형성된다.

따라서, 상기 프로파일의 형상 때문에, 상기 스크라이브빔은 에너지밀도는 동일하므로 상기 예정선을 따라서 타원의 폭에 따른 에너지를 유리판(비금속판)에 공급하게 된다.

그러므로, 스크라이브빔이 예정선을 따라 움직일 때 유리판에 스크라이브라인을 형성하기 위해서는 상기 유리판이 부분적으로 가열되어 상기 스크라이빔 예정선에 직각방향으로 열응력이 발생되어야 하는데, 기존의 프로파일에서는 빔프로파일의 최초 진입부분의 에너지가 다른부분과 동일하므로, 스크라이브라인이 생성되기 위한 충분한 에너지가 공급되지 못하게 되므로, 스크라이브빔의 출력을 높여야 했다.

따라서, 빔프로파일의 최초 진입부분의 에너지밀도를 상승시킬 수 있으면, 보다 작은 출력의 레어저 발진장치 만으로도 스크라이브라인의 생성이 가능하다.

그러나, 이러한 빔프로파일의 부분적인 에너지밀도의 상승에 대해서는 아직 개발된 바 없다.

그러므로, 본 발명의 목적은 스크라이브빔의 빔프로파일의 에너지밀도를 부분적으로 변형시켜 같은 출력의 레이저빔에 의해서도 보다 높은 에너지밀도를 가지는 빔프로파일을 제공함으로써, 비금속판의 절단능력을 향상시킬 수 있는 비금속판 절단방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비금속판의 절단 방법에 있어서,

비금속 재료의 절단이 시작되는 곳에 절단을 원하는 방향으로 초기 크랙을 형성하는 크래킹단계; 절단하려고 하는 예정선을 따라 스크라이빙용 레이저빔을 이용하여 스크라이브 라인을 형성하는 스크라이빙 단계; 및 상기 스크라이브라인을 따라 브레이킹용 레이저빔을 이용하여 절단하는 브레이킹 단계를 포함하고, 상기 스크라이빙용 레이저빔은 부분적으로 중첩되어 일부가 절개된 타원형상을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판의 절단 방법이다.

상기 스크라이빙용 레이저빔의 중첩된 부분이 상기 예정선을 따라 선행하게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 스크라이빙용 레이저빔은 상기 예정선을 따라 장축이 위치하는 타원형상에서 상기 예정선의 길이방향으로 일단부가 제거된 형상인 것을 특징으로 한다.

또 다른 발명은, 비금속판의 절단개시점에 미소한 크랙을 부여하는 크래킹수단과, 적어도 하나의 레이저빔에 의한 스크라이빙수단과, 적어도 하나의 레이저빔조사후의 냉각유체에 의한 냉각수단과, 레이저빔에 의한 브레이킹수단을 포함하여 형성되며, 상기 스크라이빙 수단은 레이저발진기와 스크라이빙 집광렌즈를 포함하여 구성되는 유리기판절단장치에 있어서, 상기 스크라이빙 수단에는 출력되는 레이저빔의 일부를 중첩하도록 상기 스크라이빙 집광렌즈의 출력측에 중첩반사경을 더 설치한 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치이다.

상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 집광렌즈와 직각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 수단에서 상기 크랙킹 수단에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 수단에서 상기 냉각수단에 수단에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 중첩반사경은 수직방향으로 이동하여 상기 집광렌즈 사이의 거리를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 집광렌즈와 수직방향에 대해 경사지 게 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 스크라이빙용 레이저빔의 프로파일 및 에너지분포를 변화시켜서, 비금속판의 절단능력을 향상시킬 수 있다.

또, 반사경의 추가설치만이 요구되므로, 종래의 장치에 적용하기가 용이하며, 설치비용도 저렴하다.

또, 레이저빔의 출력이 낮은 레이저발진기로도 충분한 스크라이브라인의 형성이 가능하므로, 장비구비에 소요되는 비용이 절감될 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 종래기술에 따른 스크라이브라인(81) 및 이를 위한 집광렌즈(71)를 도시한 것이다.

상기 집광렌즈(71)는 레이저 발진기로부터 공급된 레이저빔을 집광하여, 에너지밀도를 높여 출력하는 것이며, 상기 집광렌즈(71)의 하부에는 출력되는 레이저 빔의 프로파일을 정확하게 하기 위해 마스크(72)가 설치된다.

종래기술에 따른 스크라이브빔 프로파일(81)은 장축의 길이를 a1으로 하는 타원형상이다.

즉, 상기 장축이 절단예정선과 일치하도록 배치되며, 우측방향으로 상기 스크라이브빔이 진행되면서, 스크라이브라인이 생성된다.

이러한 스크라이브빔 프로파일(81)의 에너지 준위는 도 5의 좌측 그래프에 도시된 바와 같이, 절단예정선을 따라 정규분포를 가지게 된다.

따라서, 상기 스크라이브빔의 초기진입위치에서의 에너지밀도가 낮아서, 이 부분에서 비금속판(유리판)의 충분한 가열이 어렵게 되며, 상기 스크라이브빔의 중간부분에 이르러야 스크라이브빔을 형성시킬 수 있는 열응력이 발생되는 가열이 개시될 수 있다.

그러므로, 상기 스크라이브빔의 초기진입위치에 공급되는 부분의 에너지는 스크라이브라인의 형성에 사용되지 못하고, 낭비될 가능성이 있다.

이에 본 발명은 상기 스크라이브빔의 초기진입위치에 공급되는 부분의 에너지를 중첩시켜 에너지밀도 프로파일의 변화를 꾀하고자 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스크라이브라인(82) 및 이를 위한 집광렌즈(73) 및 중첩반사경(75)를 도시한 것이다.

상기 집광렌즈(73)는 레이저 발진기로부터 공급된 레이저빔을 집광하여, 에너지밀도를 높여 출력하는 것이며, 상기 집광렌즈(73)의 하부에는 출력되는 레이저빔의 프로파일을 정확하게 하기 위해 마스크(74)가 설치된다.

그리고 상기 집광렌즈(73)의 하측으로 상기 스크라이브빔의 초기진입위치, 즉 크래킹수단에 가까운 부분에 중첩반사경(75)이 설치된다.

상기 중첩반사경(75)은 상기 집광렌즈(73)에 대하여 수직으로 설치되며, 빔프로파일을 고려하여, 상기 중첩반사경(75)으로부터 이격거리를 조절할 수 있다.

또한, 상기 중첩반사경(75)을 수직방향에 대해 경사지게 설치하면, 스크라이빔의 에너지프로파일을 원하는 형태로 조절할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 구성으로 형성되는 본 발명의 실시예에 따른 스크라이브빔 프로파일(82)은 장축의 길이를 a2으로 하는 반타원형상이다. 여기서, a2는 같은 집광렌즈(73)를 사용하는 경우라면, a1보다 짧게 된다.

상술하면, 상기 반타원형상은 상기 스크라이브빔의 초기진입부분이 그 이후의 부분으로 중첩되어, 타원의 일부가 절개된 형상을 가지게 된다.

따라서, 상기 중첩된 부분은 도 5의 우측그래프에 도시된 바와 같이, 에너지밀도가 증가된다.

즉, 스크라이브빔의 초기진입부분이, 종래의 스크라이브빔의 에너지 프로파일에서 최대값에 근접하게 된다. 또한, 이러한 높은 에너지 영역이 더 길어지게 된다.

그러므로, 상기 스크라이빔의 초기진입부분에서, 비금속판의 충분한 가열이 개시될 수 있으며, 같은 에너지의 레이저를 사용하면서도 스크라이브를 생성에 있어 유리하게 된다.

또한, 상기 중첩된 부분을 스크라이브빔의 종기(終期)부분에 위치하도록 상 기 집광렌즈(73)를 냉각수단에 근접하게 설치할 수 있다.

이 경우에는, 상기 스크라이브빔의 종기 부분이 상기 중첩된 부분의 높은 에너지로 인하여 온도가 상승되고, 후행되는 냉각수단에 의해 급격히 냉각시키면, 큰 온도구배에 의한 열충격에 따라 스크라이브라인의 형성이 유리하게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래기술의 실시장치 1의 개념도이다.

도 2는 종래기술의 실시장치 2의 개념도이다.

도 3은 종래기술의 집광렌즈 및 빔프로파일의 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집광렌즈 및 빔프로파일의 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2: 레이저 발진기 3: 집광렌즈

4: 레이저빔 5: 레이저빔

6: 반사경 7: 집광렌즈

8: 스크라이브빔 프로파일 9,31: 켄처물질 유출구

10,30: 켄처물질 공급구 11,33: 흡입구

12,32: 흡입관 13: 레이저빔

14: 반사경 15: 집광렌즈

16: 브레이킹빔 조사형태 17: 스크라이브라인

19: 절단 예정선 20: 유리판

21: 초기 크랙 22: 절단부　　

71,73: 집광렌즈 72,74: 마스크

75: 중첩반사경 81,82: 스크라이브빔 프로파일

Claims (10)

1. 비금속판의 절단 방법에 있어서,

   비금속 재료의 절단이 시작되는 곳에 절단을 원하는 방향으로 초기 크랙을 형성하는 크래킹단계; 및

   절단하려고 하는 예정선을 따라 스크라이빙용 레이저빔을 이용하여 스크라이브 라인을 형성하는 스크라이빙 단계;를 포함하고,

   상기 스크라이빙용 레이저빔은 레이저 발진기로부터 공급된 레이저빔이 집광렌즈에 의해 집광되고 상기 집광렌즈 하부에 설치된 마스크에 의해 타원형상을 이루며, 상기 마스크의 하측으로 설치된 중첩반사경에 의해 상기 마스크를 통과한 타원형상의 스크라이빙용 레이저빔의 일부가 반사돼서 상기 스크라이빙용 레이저빔의 나머지부분에 중첩되어 일부가 절개된 타원형상을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판의 절단 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스크라이빙용 레이저빔의 중첩된 부분이 상기 예정선을 따라 선행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판의 절단 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 스크라이빙용 레이저빔의 중첩된 부분이 상기 예정선을 따라 후행하게 배치되고, 상기 스크라이빙 단계 이후에 상기 스크라이브 라인을 냉각시키는 냉각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판의 절단 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 스크라이빙용 레이저빔은 상기 예정선을 따라 장축이 위치하는 타원형상에서 상기 예정선의 길이방향으로 일단부가 제거된 형상인 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판의 절단 방법.
5. 비금속판의 절단개시점에 미소한 크랙을 부여하는 크래킹수단과, 적어도 하나의 레이저빔에 의한 스크라이빙수단과, 적어도 하나의 레이저빔조사후의 냉각유체에 의한 냉각수단을 포함하여 형성되며,

   상기 스크라이빙 수단은 레이저발진기와 스크라이빙 집광렌즈를 포함하여 구성되는 유리기판절단장치에 있어서,

   상기 집광렌즈의 하측에는 상기 집광렌즈를 통과한 레이저빔을 타원형상으로 한정하는 마스크가 설치되고,

   상기 마스크의 하측에는 상기 마스크를 통과한 타원형상의 레이저빔의 일부를 반사시켜 나머지부분에 중첩시키는 것에 의해 스크라이빙 레이저빔의 형상이 일부가 절개된 타원형상을 이루도록 중첩반사경이 설치된 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 집광렌즈와 직각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙수단에서 상기 크랙킹 수단에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙수단에서 상기 냉각수단에 수단에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 중첩반사경은 수직방향으로 이동하여 상기 집광렌즈 사이의 거리를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.
10. 제5항에 있어서, 상기 중첩반사경은 상기 스크라이빙 집광렌즈와 수직방향에 대해 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔에 의한 비금속판 절단장치.

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