KR101296030B1 - 취성 재료의 열응력 할단방법 - Google Patents

Abstract

레이저 발진기로부터 사출되는 레이저 빔 조사에 의해서 취성 재료를 가열하고, 열응력에 의해서 상기 취성 재료를 할단하는 취성 재료의 열응력 할단방법에 있어서, 취성 재료에 조사하는 레이저 빔을, 빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 배열한 초기 가열 및 온도 상승을 담당하는 가열 선두부와 가열후의 온도 유지를 담당하는 온도 유지부의 복수군으로 구성한다. 각각의 군에 대응하는 레이저 광강도를 변화시키고, 전체의 레이저 광강도 분포를 최적치로 제어한다. 이에 따라 취성 재료의 가열 온도를 증대시키지 않고, 할단 속도를 비약적으로 증대시킬 수 있다.

Description

취성 재료의 열응력 할단방법{HIGH SPEED LASER SCRIBING METHOD OF FRAGILE MATERIAL}

본 발명은 플랫 패널 디스플레이용 유리 등의 취성 재료를 열응력을 이용하여 고속으로 할단(割斷)하는 취성 재료의 열응력 할단방법에 관한 것이다. 이하, 취성 재료로서 유리를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 유리 외에도 석영, 세라믹, 반도체 등의 취성 재료 일반에 적용할 수 있다.

액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리의 할단은, 현재는 다이아몬드 커터로 행해지고 있으며, 할단후의 세정 공정의 필요성이나, 마이크로 크랙의 존재 등의 문제를 나타내고 있다.

또한, 자동차용 유리 부품은 곡선 가공이 많기 때문에, 현재는 기계적으로 직선 절단후에, 연마를 실시하고 있다. 이 때문에, 유리할단만으로 끝낼 수 있는 레이저 가공에의 기대는 크다.

유리는, 종래에는 다이아몬드칩 등의 초경 바이트를 사용한 기계적 방법으로 할단해 왔다. 유리에 대한 이 방법의 적용은, 과거 1세기 이상의 장기간에 걸쳐서 사용되어 온 방법이기도 하다.

그런데, 이러한 기계적 방법에는 다음에 설명하는 결점이 존재한다. 첫째는, 할단시에 파유리(cullet)로 불리는 작은 파편이 발생하여, 워크 표면을 더럽히는 것이다. 둘째는, 할단면 부근에 마이크로 크랙이 발생하고, 그것을 기점으로 하여 워크가 갈라질 위험이 있는 것이다. 셋째는, 최소로도 수백 ㎛ 정도의 절단 마진 (margin)이 존재하여, 워크 사이즈가 끝도 없이 미소화되고 있는 현재, 이 절단 마진의 존재를 무시할 수 없게 되는 것이다. 이 밖에도, 가공 속도의 한계, 소모품인 공구 비용 등, 산업상 무시할 수 없는 결점이 있다.

창유리의 할단 등은 종래 기술의 사용으로 문제없지만, 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등에 사용하는 파인글래스 할단의 경우, 마이크로 크랙의 대책을 위해서 할단면을 연마하고, 그 후 세정을 행하는 등의 후속 공정이 필요하게 되어 있다.

한편, 최근 장래성이 기대되어 온 레이저 할단법에는 다음에 설명하는 바와 같은 장점이 있으며, 다이아몬드칩법의 결점이 제거될 가능성이 있다. 첫째, 질량 손실이 제로(파유리 발생 없음)이고, 세정 등의 후속 공정이 불필요하다. 둘째, 할단면 부근에 마이크로 크랙 등의 파괴 결함이 발생하지 않고 고강도 단면(斷面)을 얻을 수 있으므로, 연마 등의 후속 공정이 불필요하다. 셋째, 면 거칠기가 1㎛이하인 경면(鏡面)을 얻을 수 있다. 넷째, 제품 외형 치수 정밀도가 ±25㎛이상이다. 다섯째, 대처할 수 있는 유리판두께에 하한치가 없어, 향후 유리판두께가 점차 얇아져 가는 액정 TV용 유리에 사용할 수 있다.

다음에, 레이저 할단법의 원리를 설명한다. 유리에 고에너지 밀도의 CO₂ 레이저 빔을 조사하면, 일반적으로는 조사 스폿에서 레이저 빔의 흡수가 일어나고, 급격한 가열 결과 방사상으로 크랙이 발생해 버려, 진행 방향으로만 할단을 진행시킬 수 없었다. 이 레이저 할단방법에 의하면, 기계 할단의 경우에는 후속 공정으로서 필요하였던 연마, 세정이 불필요하게 되어, 면 거칠기 1㎛이하의 경면이 얻어지고, 제품 외형 치수 정밀도는 ±25㎛이상이 된다. 게다가 유리판두께 0.05mm 까지의 얇은 두께에도 사용할 수 있어, 향후의 액정 표시기용 유리, 플라즈마 디스플레이용 유리, 휴대 전화 등의 휴대 표시기용 유리 등에 사용할 수 있다.

레이저 할단방법의 원리는 다음과 같다. 유리에 국소적으로 가열만이 발생하고, 기화, 용융이나 크랙이 발생하지 않는 정도의 레이저광 조사를 행한다. 이 때 유리 가열부는 열팽창하려고 하지만 주변 유리로부터의 반작용에 따라 충분한 팽창을 할 수 없어, 이 가열 영역에는 압축 응력이 발생한다. 주변의 비가열 영역에서도, 가열부로부터의 팽창에 눌려 주변에 대해서 일그러짐이 더 발생하고, 그 결과 압축 응력이 발생한다. 이러한 압축 응력은 가열 중심점을 원점으로 한 반경 방향의 것으로, 가열이 발생후 거의 음속으로 유리판 전역에 전파한다. 그런데 물체에 압축 응력이 있는 경우에는, 그 직교 방향에는 포아송 비에 비례한 인장응력이 발생한다. 여기서는, 그 방향은 접선 방향이다. 이 모습을 도 1에 도시한다.

도 1은, 원점에 중심을 두는 가우시안 분포의 온도 상승이 있는 경우의, 반경 방향 응력 성분 σ_x과 접선 방향 응력 성분 σ_y의 변화를 도시한 것이다. 반경 방향 응력 성분 σ_x는 종시(終始)압축 응력(도 1에서는 음의 값)이지만, 접선 방향 응력 성분 σ_y는 가열 중심(거리 r=0)에서는 압축 응력이지만, 가열 중심으로부터 멀어지면 인장 응력(도 1에서 양의 값)으로 변화한다.

이들 응력중에서, 할단에 관계되는 것은 인장 응력이다. 인장 응력이 재료 고유치인 파괴 인성치를 넘을 때에는, 파괴가 여기저기에 발생하여 제어 불능이다. 레이저 할단방법의 경우에는, 인장 응력을 이 파괴 인성치 이하로 선정해 두므로, 이러한 파괴는 발생하지 않는다.

그런데, 인장 응력 존재 위치에 균열이 있는 경우에는 이 균열 선단에서는 응력 확대가 발생하고, 이 확대된 응력이 재료의 파괴 인성치를 넘으면 균열이 확대한다. 즉, 균열 선단으로부터 가열 중심을 향하여 균열이 진전한다고 하는 제어된 할단이 생기게 된다. 따라서, 레이저 조사점을 선행 주사함으로써, 균열을 연장시켜 갈 수 있다. 이 레이저 할단방법에서는, 할단면은 결정의 벽개면(劈開面)에 유사한 것이 되므로, 마이크로 크랙도 파유리 발생도 없고, 상기한 기계적 방법의 결점을 일소할 수 있어, 유리의 가공 방법으로서 뛰어난 특성을 창출하는 것이다.

이 유리의 레이저 할단방법으로서 예를 들어 USP5609384가 알려져 있다. 이 특허에서는, 가열 영역 주변에 발생하는 인장 응력에 의해서만 할단을 실현시키는 것이 아니라, 인장 응력의 최대점 부근에 냉각을 행하여, 이 때 유리의 수축에 의해서 증폭되는 인장 응력이 할단 강화에 도움이 되는 것이 나타나 있다.

도 2에 USP5609384에 의한 레이저 할단방법의 원리를 도시한다. 가열용 레이 저광으로서는 CO₂ 레이저광이 사용된다. CO₂ 레이저광의 빔 스폿(1)에서의 에너지의 99%는, 유리판(6)의 깊이 3.7㎛의 유리 표면층에서 흡수되며, 유리판(6)의 전체 두께에 걸쳐서 투과하지 않는다. 이것은, CO₂ 레이저 파장에서의 유리의 흡수 계수가 현저하게 큰 점에 따른 것이다. 이 결과, 가열은 유리판(6)의 표면층에서만 발생하고, 이 가열 영역에서는 압축 응력(4)이 발생한다. 한편, 이 가열 영역으로부터 벗어난 위치인 냉각점(3)에서 냉각을 행한다. 이 때 인장 응력(2)이 발생하고, 이 냉각점(3)으로부터 후방에 첫 균열(8)을 출발점으로 하는 표면 스크라이브(5)가 발생한다. 이 스크라이브(5)의 깊이는, 유리판(6) 속의 열전도에 의해서 도움을 받는다 하더라도 통상 100㎛ 정도이다. 그러나, 유리판(6)은 취성이 강하고, 이 스크라이브선에 맞추어 구부림 응력을 인가하여 기계적으로 할단하는 것이 용이하다. 이 구부림 응력의 인가에 의해서 할단하는 프로세스를 브레이크라고 칭한다. 레이저 빔은 주사 방향(7)의 방향으로 주사된다. 이 방법은 종래 방법인 기계적 방법과 비교하면 수많은 장점이 있어, 플랫 패널 디스플레이 장치의 생산에 서서히 응용되어 오고 있다.

도 3은 일본 특허 제3792639호에 나타난 레이저 할단방법의 원리로서, 도 2에 도시한 레이저 빔(1)의 형상을 5점 빔에 의한 레이저 빔의 선형상 배열(9)로 한 것이다. 또한, 레이저 빔의 선형상 배열(9)에 의한 가열 영역(H)과 냉각점(3)간의 거리(G)를 고정이 아니라, 가변으로 하고 있다. 실험적으로 탐색된 최적 거리(G)의 선택에 의해서, 할단 특성이 한층 개선된다.

레이저 빔 선형상 배열(9)의 생성은 도 4에 도시하는 바와 같이, 레이저 발진기로부터 사출되어 빔 분할기(14)에 입사하는 레이저 빔(B)은, 무반사면(11)을 통과하여 빔 분할기(14)에 들어간다. 그 후, 부분 반사면(13)으로 반사되어, 사출광(b1)과 반사광이 된다. 반사광은 전반사면(10)으로 반사되고, 그 반사광은 부분 반사면(13)에 의해서, 마찬가지로 사출광(b2)과 반사광이 된다. 이것을 4회 반복한 후, 사출광(b5)은 5개째의 빔이 되어, 무반사면(12)을 투과한다. 이렇게 해서, 1개의 입사 레이저 빔(B)은 5개의 사출 빔(b1,b2,b3,b4,b5)으로 변환된다. 이러한 선형상 배열(9)에 의한 레이저 빔의 사용에 의해서 유리할단특성은 한층 개선되었다.

그런데, 유리의 열응력 할단의 실용화에서는, 가공 속도가 종래 기술을 능가하는 것이 요구되고 있다. 가공품질에서는, 문제없이 종래 기술을 크게 능가하고 있다. 가공 속도의 고속화에서는, 기본 프로세스간 처리시간의 단축도 중요하지만, 기본과정(elementary process)으로서의 할단속도의 고속화가 무엇보다도 중요할 것이다. 다른 조건을 일정하게 한 채로 레이저 주사 속도만을 증대시키면, 단위시간내의 조사 에너지가 저하하므로, 발생하는 열응력이 약해져 할단력이 약해져 버린다. 레이저 출력이 낮아도, 레이저 빔 스폿을 미소화하면 에너지 밀도는 저하하지 않고, 국소적인 가열 온도는 저하하지 않을 것이다. 이러한 생각으로 실험을 행했지만, 국소 온도가 상승해도 할단 속도는 증대할 수 없었다. 실은, 발생열응력은 가열 영역내에 가해진 에너지 전량에 의존하는 것으로서, 에너지 밀도에는 의존하지 않는 것이다.

따라서, 레이저 빔 단면적을 동일하게 한 채로, 레이저 출력과 주사 속도의 쌍방을 동률로 증대시키는 것을 시도했다. 이 경우는, 유리의 단위면적에 투입되는 레이저 에너지는 동일하고, 속도를 증대시켜도 열응력도 할단력도 저하하지 않는다. 이 의미에서는 할단속도를 증대할 수 있지만, 유리의 가열 온도가 증대하므로 플랫 패널 디스플레이 장치의 내구성을 고려하면 채용할 수 있는 방법은 아니다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하는 것으로, 유리의 가열 온도를 증대시키지 않고, 할단속도를 비약적으로 증대시킬 수 있는 취성 재료의 고속 열응력 할단방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 취성 재료의 고속 열응력 할단방법은, 상기의 결점을 없애기 위해서, 레이저 빔 형상을 주사 방향으로 가늘고 긴 형상으로 하여 최적화를 도모하고, 이 길이에 비례하여 레이저 출력과 주사 속도를 증대시킨다. 이 경우 유리의 단위면적당의 레이저 에너지와 조사시간은 동일하므로, 가열 온도도 변화하지 않고, 주사 속도를 증대시켜도 할단 성능은 저하하지 않을 것이다. 이러한 방법에 의해서, 레이저 빔 길이에 비례한 할단 속도의 달성을 기대할 수 있다.

이 경우, 다만 단순히 레이저 빔 형상을 최적화할 뿐만 아니라, 또한 최적화 형상내에서의 레이저 광강도 분포의 최적화을 꾀하는 것에 의하여 할단성능을 한층 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 취성 재료의 고속 열응력 할단방법은, 레이저 발진기로부터 사출되는 레이저 빔 조사에 의해서 취성 재료를 가열하여, 열응력에 의해서 상기 취성 재료를 할단하는 취성 재료의 열응력 할단방법에 있어서, 가열을 행하는 레이저 빔을 빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 배열한 복수군으로 구성하고, 각각의 군에 대응하는 레이저 광강도를 변화시켜 상기 레이저 빔의 광강도 분포를 제어하는 것이다. 이에 따라, 레이저 광강도 분포의 최적화를 도모하는 것에 의해서, 할단속도를 대폭 향상시킬 수 있다.

빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 배열한 복수군의 레이저 빔은 각각 복수의 독립한 레이저 발진기로부터의 사출 빔에 의해 발생시킬 수 있다.

또한, 복수군의 레이저 빔을 1개의 레이저 발진기로부터 사출된 레이저 빔을 빔 분할기에 입사하여 발생시킨 복수개의 사출광에 의해 형성할 수도 있다.

복수의 레이저 빔군은 적어도 주로 초기 가열 및 온도상승을 담당하는 군과, 주로 온도 유지를 담당하는 군으로 분류되어, 각각의 군에서 가열에 최적인 레이저 광강도 분포를 갖도록 한다.

복수의 레이저 발진기는, 각각 레이저 출력의 크기를 측정하는 파워 미터를 구비하고, 피드백 제어에 의해 출력을 안정화시키도록 제어한다.

또한, 레이저 빔 조사에 의해 가열된 취성 재료의 가열 위치로부터 빔 주사선상의 후방 위치에 물이나 공기 등의 냉각 매체를 분사하여 냉각함으로써 취성 재료의 열응력 할단을 촉진시킬 수 있다.

게다가, 레이저 빔 조사에 의해 가열된 취성 재료의 빔 주사선에 맞추어 구부림 응력을 인가함으로써 취성 재료의 열응력할단을 촉진시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 유리의 가열 온도를 증대시키지 않고, 할단속도를 비약적으로 증대시킬 수 있다.

이하 본 발명의 원리 및 실시예에 대하여 도면과 함께 상세하게 설명한다.

레이저 광조사에 의해서 유리를 가열하고, 유리를 할단하는 레이저 유리 스크라이브 기술에 있어서, 할단속도를 증대시켜 고속으로 할단하는 경우, 가열에 필요로 하는 레이저 출력을 증대시키는 것, 및, 가열 시간을 확보하기 위해서 가열 빔의 길이를 길게 하는 것은 물론이지만, 단순히 이 두가지 점의 변경만으로는, 할단에 유효한 가열을 얻는 것은 곤란하다. 그것은, 고속 주사가 되면 가열 선두 부분의 온도 상승이 늦어, 할단에 유효한 온도로 가열할 시간이 부족하기 때문이다.

이것을 해결하기 위해서는, 저속시의 처리를 행할 때보다도, 가열 선두부, 주로 초기 가열, 온도상승을 행하는 레이저 빔 에어리어의 레이저 광강도를 보다 상승시키면 좋고, 본 발명에서는, 이것을 가열하는 레이저 출력의 전후방향의 레이저 광강도 분포를 가변함으로써 행하는 것이다. 이를 위해서는, 가열을 행하는 레이저 빔을 빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 배열한 복수군으로 구성하고, 각각의 군에 대응하는 레이저 광강도를 변화시키는 것에 의해 행한다. 예를 들어, 본 발명에서는, 2개의 레이저 발진기를 사용하여, 각각의 레이저 발진기를 각각 빔 선두 부분인 주로 초기 가열, 온도상승을 행하는 초기 가열용의 레이저 발진기와, 중간으로부터 후반 부분의 주로 온도를 유지하여 열을 유리 내부에 침투시키는 온도 유 지용의 레이저 발진기로서 사용한다.

도 5는, 본 발명에 의한 유리의 고속 열응력 할단방법의 원리를 설명하는 개념도이다. 도 5A에서, 곡선 15는 레이저 광강도 분포를 도시한다. 이 레이저 광강도 분포(15)를 가진 레이저 빔을 정지(靜止) 유리 위를 조사하면서 도 5A에서 좌방으로 이동시킨다. 유리 온도는 실온이지만, 레이저 광조사에 의해서 가열된다. 도 5A에서, 곡선 16으로 도시하는 것이 유리 표면 온도 분포이고, 실온으로부터의 가열 온도분이다. 이 설명은 정지 유리 위를 레이저 빔이 주사하는 경우를 서술하고 있지만, 레이저 빔이 정지하고 있으며, 유리가 도 5A에서 우측으로 이동해 나가도 동일하다. 요점은, 유리와 레이저 빔의 위치가 상대적으로 이동하면 좋다.

실온의 유리가 레이저 광조사를 받으면, 서서히 가열이 진행하여 유리 표면 온도가 상승을 개시한다. 한편, 레이저광으로부터 유리로 이동한 열에너지는, 유리중의 열전도와 표면으로부터의 열복사에 의해서 상실되어 나간다. 이 만큼을 보충하는 입력 열량이 있으면, 유리 온도는 일정치를 유지할 수 있다. 이 모습을, 레이저 광강도 분포(15)와 유리 표면 온도 분포(16)가 도시하고 있다. 도 5A에 도시하는 바와 같이, 유리 표면 온도 분포(16)가 가능한 한 일정치를 취하기 위해서는, 실온 유리의 초기 가열 시기에는 레이저 광강도 분포(15)는 큰 값이 필요하고, 레이저 광강도 분포(15)에 도시한 초기 피크가 필요하다. 이 후의 유리 일정 온도 시기에서는, 필요로 하는 레이저 광강도 분포(15)는 저하해도 좋다. 이윽고 레이저 광강도가 제로가 되면 유리 표면 온도도 저하를 개시하여 실온으로 돌아온다. 이 위치에서 통상적으로는 냉각을 행하고, 유리 표면 온도는 실온 이하로 저하한다. 이 때 발생하는 인장 열응력이, 유리할단의 원동력이 되는 것이다.

이 조건하에서 주사 속도를 증대시킨 경우를 도 5B에 나타낸다. 이 때, 단위시간당의 입력 에너지가 저하하므로, 유리 표면 온도(16)는 도 5B에 도시하는 바와 같이 가열의 첫 시작이 늦다. 가열후의 유지 온도도, 입력 열에너지가 저하하는 만큼 저하하지만, 초기의 가열 시기에 비하면 그 영향을 주는 바는 작을 것이다. 따라서, 고속 주사시에도 저속 주사시와 동일한 가열을 실현하기 위해서는, 레이저 광강도 분포에서의 초기 가열에서의 초기 피크는, 도 5C의 곡선 17로 도시한 바와 같이 큰 값을 취할 필요가 있다. 이와 같이, 레이저 광강도 분포(17)에서의 초기 피크를 큰 값으로 함으로써, 유리 표면 온도 분포는 곡선 18로 도시한 바와 같이 저속 주사시와 변함없는 것이 된다.

실시예 1

도 6은 실시예 1에서의 유리의 레이저 고속 열응력 할단방법의 전체 구성을 도시한 개념도, 도 7A∼7C는 본 발명의 실시예 1에서의 레이저 빔 형상을 도시한 개념도이다. 도 6은 복수의 조사 레이저 빔(23,24)을 2개의 레이저 발진기(21,22)로 발생시키는 실시예이다. 레이저 발진기로서는, 유리 등의 취성 재료에 대해서 불투명한 레이저광을 발진하는 레이저 발진기, 예를 들어, CO₂ 레이저나 CO레이저 등이 사용된다. 2개의 레이저 발진기(21,22) 중의 레이저 발진기(21)로 발생시킨 레이저 빔(23)을 상기한 빔 선두 부분인 주로 초기 가열, 온도상승을 담당하는 초기 가열용으로서 사용하고, 레이저 발진기(22)로 발생시킨 레이저 빔(24)을 상기한 중간으로부터 후반 부분의 주로 온도를 유지하여 열을 유리 내부에 침투시키는 온도 유지용으로서 사용한다.

레이저 빔(23) 및 레이저 빔(24)의 레이저 광강도 분포를 곡선 19 및 20으로 도시한다. 이들 2개의 레이저 빔(23,24)은, 유리(25) 상에 조사되었을 때에 주사 방향에 대해서 동일선상에 전후하여 서로 겹치지 않도록 배열되고, 레이저 빔(23)의 레이저 광강도 분포(19)를 도 5A∼5C, 도 7A∼7C중에 도시한 가열 선두부에 충당시키고, 레이저 빔(24)의 레이저 광강도 분포(20)를 도 5A∼5C, 도 7A∼7C중에 도시한 온도 유지부에 충당시키는 방법이다. 가열 선두부는 도 5A∼5C에서의 레이저 광강도 분포(15,17)의 초기 피크에 상당한다.

2개의 레이저 발진기(21,22)는 각각 출력을 측정하는 파워 미터(25,26)를 구비하고, 파워 미터(25,26)에 의해서 모니터한 측정치를 기초로 레이저 발진기 (21,22)의 드라이버(27,28)의 구동 조건을 피드백 제어하여 2개의 레이저 빔 (19,20)의 빛 에너지 강도를 레이저광주사 속도에 따라 각각 독립하여 변화시켜 레이저 출력을 소요치로 안정화시킨다. 즉, 가열 선두부를 담당하는 레이저 발진기 (21)의 출력 파워를 온도 유지부를 담당하는 레이저 발진기(22)의 출력 파워 보다 약간 높게 하여 도 7A에서의 초기 피크를 갖도록 제어한다.

가열 선두부 레이저 빔(19) 및 온도 유지부 레이저 빔(20)으로 구성된 레이저 빔군(30)을 유리(29)의 표면에 조사하여 절단 예정선(31)을 따라서 주사 방향 (32)으로 주사시키면, 유리(29)의 표면은 표면 온도 분포(16)로 도시한 바와 같이 대략 일정한 온도로 가열되고, 유리 표면에 열응력에 의해 균열이 진행하여 스크라 이브선(33)이 형성된다. 균열은 유리의 열전도에 의해 유리(29)의 깊이 방향으로도 성장하여 균열이 유리의 이면에 도달하면 유리는 할단된다. 균열이 유리(29)의 이면에 도달하지 않는 경우는, 유리(29)의 빔 주사선(31)을 따라 형성된 스크라이브선(33)에 맞추어 구부림 응력을 인가함으로써 할단시킬 수 있다.

한편, 도 2와 같이, 레이저 빔 조사에 의해 가열된 유리의 가열 영역으로부터 빔 주사선(31) 상의 후방으로 이간한 위치(35)에 물이나 공기 등의 냉각 매체를 조사하여 냉각함으로써 열응력에 의한 균열의 진행을 촉진하고, 스크라이브선(33)의 형성을 한층 촉진시킬 수 있다.

도 7B는, 실시예 1을 저속 주사로 행하는 경우를 도시한다. 이 경우에는, 가열 선두부 레이저 빔(191)은 온도 유지부 레이저 빔(201)과 비교하여 상대적으로 에너지 강도가 그다지 높지 않아도, 유리 표면 온도 분포(16)가 대략 일정한 소망의 유리 표면 온도 분포(16)를 실현할 수 있다. 이렇게 가열 선두부 레이저 빔 강도를 컨트롤하는 것은, 상기한 레이저 출력 제어 기술로 실현할 수 있다. 할단방법은 도 7A의 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.

도 7C는, 실시예 1을 고속 주사로 행하는 경우이고, 본 발명의 본명적 사용의 경우이다. 이 경우는, 선두 가열부 레이저 빔(192)를 온도 유지부 레이저 빔 (202)와 비교하여 충분히 높은 에너지 강도로 하고, 유리 표면의 일정 온도 분포 (16)의 유지를 실현한다. 이 경우도, 상기한 레이저 출력 제어 기술이 사용된다. 할단방법은 도 7A 및 도 7B의 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.

우리는 레이저 출력 100W의 2개의 CO₂ 레이저 발진기를 사용한 도 6C의 레이저 강도 분포에 의한 방법에 의해, 종래 단독 레이저광으로 얻어지고 있던 400mm/ sec의 할단속도를 대폭 웃도는 800mm/sec 이상의 할단속도를 실현할 수 있었다.

한편, 이상의 설명으로는 레이저 발진기로서 2개의 레이저 발진기(21,22)를 사용하고, 레이저 발진기(21)로부터의 레이저 빔을 초기 가열용 레이저 빔으로서, 레이저 발진기(22)로 발생시킨 레이저 빔(24)을 온도 유지용 레이저 빔으로 사용한 경우에 대하여 설명했지만, 초기 가열용 레이저 발진기 및 온도 유지용 레이저 발진기를 각각 복수개의 레이저 발진기로 구성하여 초기 가열용 레이저 빔 및 온도 유지용 레이저 빔을 각각 복수개의 레이저 빔으로 작성하거나, 1개의 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 복수개로 분할하여, 분할된 복수개의 레이저 빔을 초기 가열용 레이저 빔과 온도 유지용 레이저 빔에 배분하여 사용해도 좋다.

실시예 2

본 실시예는 복수의 조사 레이저 빔을 도 4에 도시한 빔 분할기를 사용하여 발생시키는 실시예이다. 즉, 본 실시예에서의 선두 가열부 레이저 빔과 온도 유지부 레이저 빔의 쌍방에 도 4에 도시한 바와 같은 빔 분할기를 사용하여 다점(多点)배열로 구성할 수 있다. 이 경우, 다점배열은 도 4와는 달리 서로 겹치지 않도록 배열한다. 예를 들면, 1개의 레이저 발진기로부터 사출된 레이저 빔(B)을 빔 분할기(14)에 입사하여 8개의 사출광(b1∼b8)을 발생시키고, 도 7A∼7C에서의 선두 가열부 레이저 빔(19,191,192)은 3개의 사출광(b1∼b3)에 의한 3점, 온도 유지부 레 이저 빔(20,201,202)은 5개의 사출광(b4∼b8)에 의한 5점과 같이 설정하여 가열한다. 이 방식으로 일반적으로 선두 가열부 레이저 빔(19,191,192)에 대응하는 3개의 사출광(b1∼b3)를 온도 유지부 레이저 빔(20,201,202)에 대응하는 5개의 사출광(b4∼b8)보다 고에너지 밀도로 할 수 있다.

기타 구성 및 동작은 실시예 1과 동일하므로, 설명을 생략한다.

이러한 다점 배열에서는, 도 4에서의 부분 반사면(13)의 반사율이 일정하면 각 점에 있어서의 레이저 광강도는 차례차례 저하하지만, 부분 반사면(13)의 반사율을 제어하는 것에 의해서 각 점의 에너지 강도를 선택할 수도 있다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 열응력할단이 가지는 고품질을 실현하면서, 할단 속도를 종래 기술과 비교하여 대폭 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 출원인에 의한 종래의 유리 스크라이브 장치에서는, 최대 출력 100W의 CO₂ 레이저 발진기를 사용하여, 최대 스크라이브 속도는 400mm/sec였다. 이에 대해서, 본 발명에 의한 200W의 레이저 출력을 가진 장치에서는, 최대 스크라이브 속도는 800mm/sec를 웃도는 속도가 얻어졌다.

이상 요약하면, 본 발명에 의한 유리의 열응력 할단방법은 이하와 같은 특징을 가지고 있다.

(1) 유리나 기타 취성 재료의 열응력할단을 대폭 고속도로 행할 수 있다.

(2) 할단면 근방에 있어서의 마이크로 크랙 발생이 없다.

(3) 파유리의 부착이 없고 청정하다.

(4) 할단 위치 정밀도가 높다.

(5) 할단면이 유리 표면에 대해서, 충분히 수직이다.

(6) 할단면이 경면이고, 면 거칠기가 양호하다.

따라서, 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 등의 플랫 패널 디스플레이나, 휴대 전화 등의 휴대 표시기용 유리 등에 이용하는 유리의 할단, 혹은, 석영, 세라믹, 반도체 등의 고품질이 요구되는 취성 재료의 할단에 적용하기에 적합하다.

도 1은 레이저 할단방법의 열응력 발생 원리를 설명하기 위한, 원점에 중심을 두는 가우시안 분포의 온도 상승이 있는 경우에서의 반경 방향 응력 성분 σ_x와 접선 방향 응력 성분 σ_y의 변화를 도시한 특성도이다.

도 2는 종래의 CO₂ 레이저를 이용한 유리의 표면 스크라이브에 의한 할단을 설명하는 개념적 사시도이다.

도 3은 종래의 대표적인 레이저 할단방법을 설명하는 취성 부재의 평면도이다.

도 4는 도 3의 레이저 할단방법에 사용되는 레이저 빔 형상을 작성하기 위한 빔 분할기의 개념적 사시도이다.

도 5는 본 발명의 동작 원리를 설명하기 위한 레이저 광강도 분포 및 유리의 온도 분포의 개념적 특성도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에서의 유리의 레이저 고속 열응력 할단방법을 설명하기 위한 전체 구성을 도시한 개념도이다.

도 7은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 레이저 광강도 분포 및 유리 온도 분포의 개념적 특성도이다.

Claims (8)

1. 레이저 발진기로부터 사출되는 레이저 빔 조사에 의해서 취성 재료를 가열하고, 열응력에 의해서 상기 취성 재료를 할단하는 취성 재료의 열응력 할단방법에 있어서, 가열을 행하는 레이저 빔을 초기 가열, 온도 상승을 행하는 제1 레이저 빔 및 온도 유지를 행하는 제2 레이저 빔으로 구성하고, 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 상기 취성 재료의 조사 위치에서 서로 겹치지 않도록 빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 차례로 배열하고, 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 레이저 광강도 분포를 각각 독립하여 변화시켜 제어하는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 레이저 빔을 복수의 독립한 레이저 발진기로부터의 사출 빔에 의해 발생시키는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
3. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 레이저 빔은 1개의 레이저 발진기로부터 사출된 레이저 빔을 빔 분할기에 입사하여 발생시킨 복수개의 사출광에 의한 다점(多点) 빔 배치로 형성하는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
4. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 레이저 빔은 각각 독립한 레이저 발진기, 레이저 발진기 및 레이저 출력의 크기를 측정하는 파워 미터를 구비하고, 피드백 제어에 의해 출력을 안정화시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
5. 레이저 발진기로부터 사출되는 레이저 빔 조사에 의해서 취성 재료를 가열하고, 열응력에 의해서 상기 취성 재료를 할단하는 취성 재료의 열응력 할단방법에 있어서, 가열을 행하는 레이저 빔을 초기 가열 및 온도 상승을 행하는 제1 레이저 빔 및 온도 유지를 행하는 제2 레이저 빔으로 구성하고, 상기 제1 레이저 빔의 레이저 출력 강도가 제2 레이저 빔의 레이저 출력 강도보다 크게 설정하고, 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 상기 취성 재료의 조사 위치에서 서로 겹치지 않도록 빔 주사 방향에 대해서 동일선상에 차례로 배열한 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔 조사에 의해 가열된 취성 재료의 가열 위치로부터 빔 주사선상의 후방 위치를 냉각하는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔 조사에 의해 가열된 취성 재료의 빔 주사선에 맞추어 구부림 응력을 인가하는 것을 특징으로 하는 취성 재료의 열응력 할단방법.
8. 삭제

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