KR101107385B1

KR101107385B1 - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공품

Info

Publication number: KR101107385B1
Application number: KR1020097025177A
Authority: KR
Inventors: 간지 니시다; 나오유키 마츠오; 아츠시 히노
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2012-01-19
Also published as: EP2165795A1; JP5202876B2; CN101678503A; KR20100007955A; TWI477340B; US20100167076A1; JP2008302376A; CN101678503B; WO2008149949A1; TW200916245A; US9566663B2; EP2165795A4

Abstract

본 발명은 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여 레이저광을 이용한 가공을 실시할 때에, 절단 이물이 발생하는 것을 억제하고, 또한 피가공물 표면의 오염도 저감할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공품을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 레이저 가공 방법은 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여 레이저광을 이용하여 가공하는 레이저 가공 방법으로서, 상기 레이저광의 광축을 피가공물의 수직 방향에 대하여 소정 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킨 상태에서, 상기 레이저광을 피가공물에 조사하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공품{LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSED ARTICLE}

본 발명은 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여, 레이저광을 이용하여 절단 등의 가공을 수행하는 레이저 가공 방법 및 이 방법에 의해 얻어지는 레이저 가공품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저 가공 방법에 이용되는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

고분자 재료로 이루어진 피가공물을 절단하는 방법으로서는, 커터나 금형에 의한 것이 주류이다. 이 커터나 금형을 사용한 고분자 재료의 절단에서는, 절단시의 충격에 의해 피가공물로부터 절단 이물이 발생하거나, 그 절단면으로부터 이물이 탈락하는 경우가 있다. 이 때문에, 절단면의 가공 정밀도를 높여 가공품의 품질을 향상시킬 필요성이 있었다.

가공품의 품질을 향상시키는 절단 방법으로서는, 예컨대 레이저광에 의한 절단이 검토되고 있다. 레이저광에 의한 절단이라면, 커터 등을 이용한 경우에 발생하였던 절단 이물의 저감이 가능해진다. 그러나, 이 방법에서는, 레이저광이 조사된 고분자 재료가 열분해에 의해 기체로 변화되어 폭발과 비슷한 현상을 일으킨다. 그리고, 발생한 기체는 피가공물의 표면을 오염시킨다고 하는 문제가 있다.

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 피가공물(11)에 대하여 수직 방향에서 레이저광(12)을 조사한 경우, 고분자 재료의 분해에 의해 발생한 기체(13)는 피가공물(11)의 표면에 대하여 평행한 방향으로 확산된다. 이 때문에, 이 기체(13)에 의해 피가공물(11)의 표면이 오염된다.

또한, 하기 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 금속으로 이루어진 피가공물에 대하여, 절단 진행 방향과는 반대측에 소정 각도로 경사진 방향에서 레이저광을 조사하여 절단하는 방법도 고려되고 있다. 그러나, 이 방법에서는, 피가공물의 이면에 부착되는 용융물에 대한 개선 효과는 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속의 분해에 의해 발생한 기체는 피가공물의 표면에 대하여 평행한 방향으로 진행되어 확산된다. 따라서, 특허 문헌 1에 기재한 방법으로도 피가공물의 표면은 오염된다.

또한, 하기 특허 문헌 2에서는, 피가공물로서 플라스틱 재료로 이루어진 것을 이용하여 이면의 용융물의 개선을 검토한 절단 방법이 개시되어 있지만, 이 방법에 있어서도 피가공물 표면의 오염을 방지하는 것은 불가능하다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평성 제2-290685호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 제2001-262083호 공보

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여 레이저광을 이용한 가공을 실시할 때에, 절단 이물이 발생하는 것을 억제하고, 또한 피가공물의 표면 오염도 저감할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공품을 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명은 레이저 가공 방법에 이용되는 레이저 가공 장치를 제공하는 데에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본원 발명자들은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 레이저 가공 방법, 레이저 가공품 및 레이저 가공 장치에 대해서 검토하였다. 그 결과, 하기 구성을 채용함으로써 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

본 발명에 따른 레이저 가공 방법은, 상기한 과제를 해결하기 위해서, 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여 레이저광을 이용하여 가공하는 레이저 가공 방법으로서, 상기 레이저광의 광축을 피가공물의 수직 방향에 대하여 소정 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킨 상태에서. 상기 레이저광을 피가공물에 조사하는 것을 특징으로 한다.

레이저광을 고분자 재료로 이루어진 피가공물에 조사하면, 이 고분자 재료의 열분해에 따른 증발에 의해 폭발과 비슷한 현상이 일어나며, 기체가 발생한다. 본 발명에서는, 레이저광의 광축을 피가공물의 수직 방향에 대하여 소정 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킨 상태에서 레이저광이 조사된다. 그리고, 레이저광을 가공 진행 방향으로 경사시킴으로써, 레이저광을 피가공물에 대하여 수직 방향에서 조사하는 경우와 비교하여 상기 증발에 따른 기체를 확산시키는 공간을 넓게 할 수 있다. 즉, 상기 기체가 수평 방향으로 확산되는 것을 저감하고, 경사시킨 각도에 따라 상측으로 확산시킬 수 있다. 그 결과, 예컨대, 하프 컷에 의한 절단 가공을 수행하는 경우에도, 피가공물의 표면이 상기 기체에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 방법은 레이저광을 이용한 가공이기 때문에, 커터 등으로 절단했을 때에 생기는 피가공물의 절단 이물도 발생하지 않는다.

상기 방법에 있어서는, 상기 레이저광의 광축과 피가공물의 수직 방향이 이루는 각이 10°∼45°의 범위 내인 것이 바람직하다. 상기 레이저광의 광축과, 피가공물의 수직 방향이 이루는 각을 10° 이상으로 함으로써, 피가공물 표면의 오염을 한층 더 저감할 수 있다. 또한, 상기 이루는 각을 45° 이하로 함으로써, 피가공물에 대한 입사각이 지나치게 작아지는 것을 방지한다. 그 결과, 렌즈 초점에서의 레이저광의 조사가 곤란해지는 것을 방지하고, 절단 등의 가공 부분의 가공 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공품은 상기한 과제를 해결하기 위해 상기에 기재한 레이저 가공 방법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 상기한 과제를 해결하기 위해 상기에 기재한 레이저 가공 방법에 이용된다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 광축을 가공 진행 방향에 대하여 경사시킨 상태에서 레이저광을 조사하기 때문에, 고분자 재료의 열분해에 따른 증발에 의해 발생하는 기체가 피가공물의 표면을 오염시키는 것을 방지한다. 또한, 레이저광을 이용한 가공이기 때문에, 커터 등으로 절단하는 경우에 생기는 피가공물의 절단 이물도 발생하지 않는다. 즉, 본 발명에서는 수율을 향상시킨 레이저 가공을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 모식도로서, 도 1의 (a)는 레이저광을 피가공물에 조사하는 양태를 도시한 단면도이고, 도 1의 (b)는 그 평면도이다.

도 2는 종래의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 단면 모식도이다.

도 3은 종래의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 단면 모식도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 피가공물

2 : 레이저광

3 : 기체

발명을 실시하기 위한 최적의 형태

본 발명의 실시 형태에 대해서 도 1을 참조하면서 이하에 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 모식도로서, 도 1의 (a)는 레이저광을 피가공물에 조사하는 양태를 도시한 단면도이고, 도 1의 (b)는 그 평면도이다. 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법은 고분자 재료로 이루어진 피가공물(1)에 대하여 레이저광(2)을 이용하여 실시하는 가공 방법으로서, 상기 레이저광(2)의 광축을 피가공물(1)의 수직 방향에 대하여 소정 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킨 상태에서, 레이저광(2)을 조사한다.

본 발명의 레이저 가공 방법은, 예컨대 절단 가공, 마킹, 천공 가공, 홈 가공, 스크라이빙 가공 또는 트리밍 가공 등의 형상 가공을 수행하는 데 적합하다. 본 발명은 이들 가공 중 절단 가공에 적용하는 것이 바람직하다.

상기 절단 가공으로서는 하프 컷, 풀 컷 중 어느 것에도 적용할 수 있다. 단, 하프 컷인 경우에 본 발명의 효과가 한층 더 발휘된다.

피가공물(1)을 고정하고, 레이저광(2)을 스캐닝하여 절단 가공을 수행하는 경우, 레이저광(2)의 진행 방향에 대하여 같은 방향으로 레이저광(2)의 광축을 경사시킨다. 또한, 레이저광(2)을 고정하고, 피가공물(1)을 스캐닝하여 절단 가공을 수행하는 경우, 피가공물(1)의 진행 방향에 대하여 반대 방향으로 레이저광(2)의 광축을 경사시킨다. 이에 따라, 레이저광(2)의 광축을 피가공물(1)의 수직 방향에 대하여 소정 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킬 수 있다. 또한, 소정의 가공 라인을 따라 레이저 조사 위치를 이동시키는 수단으로서는, 예컨대 갈바노 스캔, X-Y 스테이지 스캔 등을 채용할 수 있다.

상기 레이저광(2)의 광축과, 피가공물(1)의 수직 방향이 이루는 각(입사각) θ는 10°∼45°가 바람직하고, 15°∼40°가 보다 바람직하다. 상기 θ가 10° 미만이면, 발생하는 기체(3)의 확산이 피가공물(1)의 표면에 대하여 평행한 방향으로 확산하게 되어 그 표면 오염이 증대되는 경향이 있다. 한편, 상기 θ가 45°를 초과하면, 피가공물(1)에 대한 입사각이 지나치게 작아진다. 이에 따라, 렌즈 초점에서의 레이저광(2)의 조사가 곤란해지고, 절단 가공 부분의 가공 정밀도가 저하한다. 또한, θ가 마이너스인 경우, 즉 레이저광(2)의 광축을 가공 진행 방향과는 반 대측으로 경사시킨 경우, 기체(3)가 수평 방향을 따라 확산되기 때문에, 피가공물 표면의 오염은 증대된다(도 3 참조).

계속해서, 본 실시 형태에서 사용하는 레이저광(2)에 대해서 설명한다. 이 레이저광(2)으로서는 특별히 한정되지 않고, 가공 방법에 따라 적절하게 선택된다. 구체적으로는, 예컨대 CO₂ 레이저, YAG 레이저, UV 레이저 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 피가공물의 두께 범위에 대하여 적용성이 높고, 균열이나 손상이 발생하지 않는 등의 점에서 CO₂레이저가 바람직하다. 상기 레이저 조사의 출력은, 예컨대, 10 W∼800 W의 범위 내이며, 1회의 조사로 피가공물을 절단하는 경우는 100 W∼350 W의 범위 내인 것이 바람직하고, 2회의 조사로 절단하는 경우는 50 W∼200 W의 범위 내인 것이 바람직하다.

상기한 각종 레이저로부터 발생되는 레이저빔은 기본적으로는, 레이저 스폿의 중심부에 빔 강도의 최대치를 갖는 가우스 빔으로서, 빔 강도가 가우스 분포를 따르기 때문에, 빔 스폿의 중심부에서의 빔 강도는 크지만, 중심부로부터 외측을 향함에 따라 서서히 빔 강도가 작아지는 특성을 갖고 있다. 따라서, 이러한 가우스 빔을 피가공물(1)의 절단에 사용하면, 우선 빔 스폿의 중심부에서 피가공물 성분의 분해 기화가 발생하여 절단되어 가지만, 빔 스폿의 중심부 외측을 향함에 따라 빔 강도가 작아지기 때문에, 피가공물 성분의 분해는 서서히 용융하여 분해되어 가게 된다. 이 때, 빔 스폿의 중심부에서 피가공물 성분이 분해 기화될 때에 외측을 향하는 응력이 발생하고, 이러한 응력에 기인하여 빔 스폿 중심부의 외측에서는, 아 직 분해 기화되지 않고 용융된 상태의 피가공물 성분이 외측으로 밀어 붙여진다. 이 결과, 피가공물(1)의 절단면에는, 그 용융 성분의 돌출부가 발생해 버리기 때문에, 예컨대, 피가공물로서의 광학 필름을 액정 패널 등에 내장할 때에는 액정 패널의 단(端) 가장자리부에서 접착 불량 등이 발생하거나, 또한, 광학적으로 각종 문제가 발생하게 된다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같은 가우스 빔의 파형을 직사각형 파형으로 정형하는 것이 바람직하다. 이러한 직사각형 파형은 예컨대 레이저 발생 장치에 회절 광학 소자(Diffraction Optical Element)를 설치함으로써 정형될 수 있다. 또한, 회절 광학 소자를 제어함으로써, 레이저빔의 직사각형 파형에 있어서의 빔 엣지로부터의 빔 강도 분포를 나타내는 상승 각도를 임의로 설정할 수 있다. 또한, 파형 정형된 레이저빔에 있어서의 직사각형 파형의 상태는, 그 직사각형 파형의 반치폭 내에서 레이저빔 중심의 강도를 1로 하여 빔 강도 분포를 σ값으로 나타낼 수 있다. 이러한 σ값은 작을수록 상승이 급한 직사각형 파형이 되고, 한편, 클수록 직사각형 파형이 완만해져 가우스 빔에 가까워진다.

레이저광(2)의 집광 직경은 피가공물(1)에 실시하는 가공의 종류에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 절단 가공의 경우, 절단폭이 레이저광(2)의 집광 직경과 거의 일치한다. 따라서, 집광 직경을 조절함으로써, 절단폭의 제어가 가능해진다. 집광 직경(절단폭)은 통상 50 ㎛∼500 ㎛가 바람직하고, 150 ㎛∼300 ㎛가 보다 바람직하다. 집광 직경이 50 ㎛ 미만이면, 절단 속도가 작아지는 경우가 있다. 한편, 500 ㎛를 초과하면, 부착물이 증가하는 경우가 있다.

레이저광(2)의 파워 밀도는 피가공물(1)의 물성이나, 절단 가공의 경우에는 그 절단 속도에 따라 적절히 설정될 수 있다. 피가공물(1)의 광흡수율은 레이저광(2)의 파장에 좌우된다. 레이저광(2)은 발진 매체나 결정을 선택함으로써 자외선으로부터 근적외선까지 파장을 발진시킬 수 있다. 따라서, 피가공물(1)의 광흡수 파장에 맞춘 레이저광(2)을 사용함으로써, 낮은 파워 밀도로 효율적으로 가공할 수 있다.

또한, 집광한 레이저광(2)과 동축 방향으로 어시스트 가스를 레이저 가공 부분에 고속으로 분사함으로써, 분해·용융물을 비산 제거하여도 좋다. 상기 어시스트 가스로서는, 예컨대 헬륨, 질소, 산소 등을 들 수 있다.

상기 피가공물(1)로서는 고분자 재료로 이루어진 것이면 특별히 한정되지 않고, 종래 공지된 것을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 각종 점착 필름이나 광학 필름 등을 들 수 있다.

상기 점착 필름으로서는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 아크릴계 점착제 등을 들 수 있다.

또한, 상기 광학 필름으로서는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 편광판 등을 들 수 있다.

실시예

이하에, 본 발명의 적합한 실시예를 예시적으로 상세히 설명한다.

(점착 필름)

본 실시예에서 사용하는 점착 필름은 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 점착제층이 형성된 구조이다. 세퍼레이터로서는, 각각 두께 75 ㎛의 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 기재를 이용하였다. 점착제층으로서는, 두께 200 ㎛의 아크릴계 점착제를 이용하였다.

(광학 필름)

본 실시예에서 사용하는 광학 필름은 편광판(니토덴코 가부시키가이샤에서 제조)의 한쪽 면에 표면 보호 필름이 설치되고, 다른 쪽 면에 점착제층을 통해 세퍼레이터가 적층된 구조이다. 표면 보호 필름은 PET 기재 상에 점착제를 도포한 필름으로 이루어지며, 그 두께는 약 63 ㎛이다. 점착제층으로서는 두께 23 ㎛의 아크릴계 점착제를 이용하였다. 세퍼레이터는 각각 두께 38 ㎛의 PET 기재로 이루어진다. 또한, 편광판의 두께는 약 200 ㎛이다.

(레이저광에 의한 절단 조건)

점착 필름의 절단 조건은 하기와 같다.

광원 : 탄산 가스 레이저

레이저광의 파장 : 10.6 ㎛

스폿 직경 : 150 ㎛

절단 속도 : 24 m/min

레이저광의 파워 : 43 W(하프 컷), 52 W(풀 컷)

광학 필름의 절단 조건은 하기와 같다.

광원 : 탄산 가스 레이저

레이저광의 파장 : 10.6 ㎛

스폿 직경 : 150 ㎛

절단 속도 : 24 m/min

레이저광의 파워 : 32 W(하프 컷), 41 W(풀 컷)

(실시예 1)

본 실시예에서는, 피가공물로서 상기 광학 필름 및 점착 필름을 이용하고, 절단 방법으로서 각각 하프 컷, 풀 컷에 의해 레이저 가공을 수행하였다. 또한, 레이저광의 광축을 광학 필름의 수직 방향에 대하여 10°의 입사 각도로 절단 진행 방향으로 경사시킨 상태에서 레이저광을 조사하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

(비교예 1)

비교예 1에 있어서는 입사 각도를 0°로 한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 광학 필름 및 점착 필름의 각각에 대해서 절단 가공을 수행하였다. 이들 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

(실시예 2 내지 실시예 6)

각 실시예 2 내지 실시예 6에 있어서는, 입사 각도를 하기 표 1에 나타내는 각도로 한 것 이외에는 각각 상기 실시예 1과 동일하게 하여 광학 필름 및 점착 필름을 절단 가공하였다. 이들 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

(평가 방법 및 결과)

<오염의 범위(㎜)>

오염의 범위란, 피가공물에 대한 절단 가공 후의 절단 부분의 근방에서, 이 절단 부분으로부터 분해물이 부착되어 있는 범위의 최대폭을 의미한다.

<돌출부의 높이(㎛)>

돌출부의 높이란, 피가공물에 대한 절단 가공 후의 절단 부분에서, 분해 기화되지 않고 용융하여 그 절단 부분의 외측으로 압출된 용융 성분의 돌출부의 최대 높이를 의미한다.

<결과>

절단 가공 후의 점착 필름 및 광학 필름의 표면(풀 컷의 경우는 이면도)의 오염 부착을 관찰하였다. 하기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저광의 입사 각도를 10°∼45°의 범위에서 레이저 가공을 수행하면, 피가공물의 표면 또는 이면에 대한 오염을 저감할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 입사 각도가 15°∼40°의 범위에서는, 피가공물 표면(풀 컷의 경우는 이면도)을 따라 확산되는 연기의 양을 저감할 수 있어 피가공물의 표면 또는 이면을 매우 청정한 상태로 유지할 수 있었다. 특히, 입사 각도가 20°∼40°의 범위에서는, 오염의 범위를 0.5 ㎜ 이하로 억제할 수 있고, 용융 성분의 돌출부의 높이도 30 ㎛ 이하로 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

이것에 대하여, 비교예 1에서는, 레이저광의 조사에 의해 발생한 연기가 피가공물 표면을 따라 확산되었기 때문에, 표면이 현저히 오염되었다. 또한, 입사 각도가 45°인 실시예 6의 경우에서는, 피가공물에 대한 입사각이 지나치게 커졌기 때문에, 렌즈 초점에서의 레이저광의 조사가 곤란해지고, 절단면의 가공 정밀도가 저하되었다.

또한, 오염의 범위가 0.5 ㎜ 이하이면, 절단 가공 후에 오염부의 제거 공정을 생략하는 것이 가능하여 제품으로서의 유효 면적을 크게 취할 수 있게 된다. 또한, 용융 성분의 돌출부의 높이가 30 ㎛ 이하이면, 예컨대, 광학 필름을 액정 표시 장치에 실장할 때에, 액정 패널의 단 가장자리부에서의 접착 불량의 회피를 충분히 도모할 수 있는 점에서 유리하다.

Claims

고분자 재료로 이루어진 피가공물에 대하여 레이저광을 이용하여 가공하는 레이저 가공 방법에 있어서,

상기 레이저광의 광축을 피가공물의 수직 방향에 대하여 미리 정해진 각도로 가공 진행 방향으로 경사시킨 상태에서, 상기 레이저광을 피가공물에 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저광의 광축과 피가공물의 수직 방향이 이루는 각도는 10°∼45°의 범위 내인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
제1항에 기재한 레이저 가공 방법에 의해 얻어지는 레이저 가공품.
제1항에 기재한 레이저 가공 방법에 이용되는 레이저 가공 장치.