KR20170006489A - 유리 가공물 절단방법 - Google Patents

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KR20170006489A
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Abstract

레이저 빔을 이용한 유리 가공물 절단방법이 개시된다.
개시된 유리 가공물 절단방법은, 제1 레이저 빔을 상기 유리 가공물에 조사함으로써 유리 가공물을 절단하는 단계와, 제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 조사함으로써 상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 단계를 포함한다. 상기 제1 및 제2 레이저 빔은 서로 파장이 다르도록 구성된다.

Description

유리 가공물 절단방법{Method for cutting glass workpiece}
유리 가공물 절단방법에 관한 것으로, 레이저 빔을 이용하여 유리 가공물을 절단하고, 유리 가공물의 절단면을 강화하는 기술에 관한 것이다.
박판 유리의 가공 및 성형은 일반제품에서부터 첨단 정밀제품인 디스플레이장치의 화면을 보호하는 패널 등으로 산업 전반에 걸쳐 광범위하다. 상기 박판 유리는 스마트폰 또는 유사 휴대기기의 커버 글라스에 상용될 수 있으며, 적용되는 제품에 따라 박판 유리의 절단이 필요하다.
박판 유리 절단에는 크게 기계적 방식과 레이저 가공 방식이 적용될 수 있다. 기계적 방식에서는 절단 휠을 이용하여 박판 유리를 절단하는데, 이 경우, 유리의 절단면 모양을 곡면으로 만들기 어려운 단점이 있다. 또한, 레이저를 이용해 박판 유리를 절단하면 절단면의 표면 거칠기 값이 높고 절단면의 파손이 잘 일어나는 단점이 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 광원으로부터 조사되는 레이저 빔을 강도가 비교적 균일한 라인빔으로 만들어주는 레이저 빔 균일화 장치가 제공된다.
일 측면에 있어서,
레이저 빔을 이용한 유리 가공물 절단방법에 있어서,
제1 레이저 빔을 상기 유리 가공물에 조사함으로써 유리 가공물을 절단하는 단계;
제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 조사함으로써 상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 및 제2 레이저 빔은 서로 파장이 다른 유리 가공물 절단방법이 제공된다.
상기 제1 레이저 빔의 파장은 1030nm 내지 1080nm 일 수 있다.
상기 제2 레이저 빔의 파장은 9.4μm 내지 10.6μm일 수 있다.
상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 단계는, 상기 제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 2초 내지 3초 동안 조사할 수 있다.
상기 유리 가공물을 절단하는 단계는, 상기 유리 가공물의 절단면이 곡면이 되도록 상기 제1 레이저 빔을 곡선을 따라 조사할 수 있다.
상기 제 1 레이저 빔은 100ps~1fs의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저 빔일 수 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저 빔을 이용한 유리 가공물 절단장치에 있어서,
제1 레이저 빔을 상기 유리 가공물에 조사함으로써 유리 가공물을 절단하는 제1 광원; 및
제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 조사함으로써 상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 제2 광원;을 포함하는 유리 가공물 절단장치가 제공된다.
상기 제1 레이저 빔의 파장은 1030nm 내지 1080nm 일 수 있다.
상기 제2 레이저 빔의 파장은 9.4μm 내지 10.6μm일 수 있다.
상기 제2 광원은 CO2 레이저 광원일 수 있다.
상기 제 1 레이저 빔은 100ps~1fs의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저 빔일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 광원으로부터 조사된 레이저 빔이 강도분포가 거의 균일한 라인빔으로 바뀌게 되면서 레이저 가공의 품질이 향상될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 유리 가공물 절단방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 유리 가공물 절단방법을 실시하기 위한 유리 가공물 절단장치의 모습을 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 유리 가공물을 절단하는 단계에서 절단된 유리 가공물의 절단면을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 유리 가공물을 절단하는 단계에서 절단된 유리 가공물의 절단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 나타낸 유리 가공물의 절단면의 표면 거칠기를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에서 나타낸 유리 가공물의 절단면에 제2 레이저 빔이 조사되는 경우, 절단면 모양의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6에서 나타낸 유리 가공물의 절단면이 제2 레이저 빔에 의해 변한 예들을 나타낸 도면이다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 유리 가공물 절단방법의 흐름도이다. 또한, 도 2는 도 1에서 나타낸 유리 가공물 절단방법을 실시하기 위한 유리 가공물 절단장치의 모습을 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 유리 가공물 절단방법은 제1 레이저 빔을 유리 가공물(10)에 조사함으로써 유리 가공물(10)을 절단하는 단계(S110)를 포함할 수 있다. 유리 가공물(10)은 박판 유리, 유리판 등을 포함할 수 있다. 유리 가공물(10)의 절단모양과 크기는 유리 가공물(10)이 사용되는 제품의 종류에 따라 달라질 수 있다. 절단 및 가공된 유리 가공물(10)은 휴대폰의 커버 글라스 또는 디스플레이 장치의 패널 등에 사용될 수 있다.
유리 가공물(10)을 절단하는 단계(S110)에서는 유리 가공물 절단장치의 제1 광원(110a)을 이용할 수 있다. 제1 광원(110a)은, 1030nm 내지 1080nm의 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 방출할 수 있다. 이러한 제1 광원(110a)은, 예시적으로 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet; Nd:Y3Al5O12) 레이저로 구현될 수 있지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 광원(110a)은 제1 레이저 빔을 유리 가공물(10)에 조사함으로써, 유리 가공물(10)을 절단할 수 있다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 제1 광원(110a)과 유리 가공물(10) 사이에는 제1 빔 전달 광학계가 마련될 수 있다. 제1 빔 전달 광학계는 제1 광원(110a)에서 출사되는 제1 레이저 빔의 빔 사이즈와, 제1 레이저 빔이 유리 가공물(10)에 조사되는 위치를 조절해 줄 수 있다. 또한, 제1 빔 전달 광학계는 제1 레이저 빔을 유리 가공물(10) 상에 포커싱 하는 제1 집광유닛(120a)를 포함할 수 있다. 도 2에서 나타낸 제1 빔 전달 광학계의 구성은 예시적인 것에 불과하며, 제1 빔 전달 광학계에 포함될 수 있는 광학장치의 구성 및 개수는 달라질 수 있다.
또한, 제 1 광원에서 방출되는 제 1 레이저 빔은 초단 혹은 극초단 펄스 레이저 일 수 있다. 즉 펄스 레이저의 펄스 폭이 피코초(ps, pico second, 10-12 second, 초단)에서 펨토초(femto second, 10-15 second, 극초단) 일 수 있다. 또한,가공 대상인 유리 가공물의 두께 및 특성에 따라 제 1 레이저 빔의 펄스 폭이 수백 피코초에서 펨토초의 범위를 갖도록 선택할 수 있다. 보다 바람직하게는 1ps~1fs가 되도록 선택할 수도 있다. 초단 혹은 극초단의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저의 경우 고효율의 에너지를 전달하여 절단면이 매끄럽게 가공되도록 할 수 있다. 또한, 초단 혹은 극초단의 펄스 폭을 갖는 레이저 빔으로 유리 가공물을 가공할 경우, 가공영역 및 가공영역에 인접한 부분에만 영향을 미쳐, 추후 이루어질 수 있는 추가 가공에도 내구성을 제공할 수 있다. 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서는 다양한 모양으로 유리 가공물을 절단할 수 있다. 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서는 제1 레이저 빔을 이용해 유리 가공물(10)을 절단하므로, 유리 가공물(10)의 절단모양에 제한을 받지 않을 수 있다.
도 3은 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서 절단된 유리 가공물(10)의 절단면(S1)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서는 유리 가공물(10)의 절단면(S2)이 곡면이 되도록 할 수 있다. 이를 위해, 제1 광원(110a)은 유리 가공물(10) 상에서 곡선을 따라 제1 레이저 빔을 유리 가공물(10)에 조사할 수 있다.
도 4는 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서 절단된 유리 가공물(10)의 절단면(S1)의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 유리 가공물을 절단하는 단계(S110)에서는 유리 가공물(10)의 절단면(S1)이 평면이 되도록 할 수 있다. 이를 위해, 제1 광원(110a)은 유리 가공물(10) 상에서 직선을 따라 제1 레이저 빔을 유리 가공물(10)에 조사할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 나타낸 바와 같이, 제1 광원(110a)의 제1 레이저 빔을 이용해 유리 가공물(10)을 절단하면 유리 가공물(10)의 절단면 모양을 다양하게 변형시킬 수 있다. 즉, 절단 휠을 이용한 기계적 절단 방식과 달리 유리 가공물(10)의 절단모양을 변형하는데 제약을 받지 않을 수 있다. 이를 통해, 유리 가공물(10)이 적용되는 제품에 따라, 유리 가공물(10)의 가공모양을 쉽게 바꾸는 것이 용이해질 수 있다.
제1 광원(110a)을 이용하여 유리 가공물(10)을 절단하였을 때, 유리 가공물의 절단면(S1, S2)의 표면 거칠기 값(Roughness Average : Ra)이 높을 수 있다. 도 5는 도 4에서 나타낸 유리 가공물(10)의 절단면(S1)의 표면 거칠기를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 레이저 빔을 이용해 유리 가공물(10)을 절단하였을 때, 유리 가공물(10)의 절단면이 매끄럽지 않음을 알 수 있다. 유리 가공물(10)의 절단면 표면 거칠기 값이 높으면 다른 가공공정에서 파손의 염려가 있으며, 다른 부품과의 결합이 용이하지 않을 수 있다. 이를 위해, 제1 레이저 빔을 이용해 절단한 유리 가공물(10)의 절단면(S1, S2)을 가공할 필요가 있다.
유리 가공물(10)의 절단면(S1, S2)을 가공하는 예로 면취 설비를 이용하여 유리 가공물(10)의 절단면에 면취 공정을 실시하는 방법이 있을 수 있다. 하지만, 면취공정을 실시할 경우, 면취 설비를 셋팅하기 위해 추가적인 비용과 시간 및 면취 설비의 셋팅 공간이 필요할 수 있다. 또한, 면취 공정 중에 발생하는 분진 등에 의해 작업환경이 오염될 우려가 있으며, 면취 공정을 위해 유리 가공물(10)에 칠해지는 절삭유를 제거하기 위해 별도의 세정공정이 필요한 단점이 있다. 그리고, 면취공정 중에 유리 가공물(10)이 파손될 수 있어 수율의 저하가 일어날 수도 있다.
상기 면취공정을 거치지 않고 유리 가공물(10)의 절단면을 가공하기 위해 예시적인 실시예에 따른 유리 가공물 절단방법은 제2 레이저 빔을 이용해 유리 가공물(10)의 절단면을 가공할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 유리 가공물 절단방법은, 제2 레이저 빔을 유리 가공물(10)의 절단면에 조사함으로써 유리 가공물(10)의 절단면을 가공하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 유리 가공물(10)의 절단면을 가공하는 단계(S120)에서는 제2 레이저 빔에 의해 유리 가공물(10)에 열 반응이 일어남으로써, 유리 가공물(10)의 절단면 표면이 매끄러워질 수 있다. 또한, 유리 가공물(10)의 절단면 인장강도가 강화될 수 있다.
유리 가공물(10)의 절단면을 가공하는 단계(S120)에서는 유리 가공물 절단장치의 제2 광원(110b)을 이용할 수 있다. 제2 광원(110b)에서 출사되는 제2 레이저 빔은 제1 광원(110a)에서 출사되는 제1 레이저 빔과 다른 파장을 가질 수 있다. 제1 레이저 빔은 유리 가공물(10)에 포함된 화합물의 결합관계를 끊어 유리 가공물(10)을 절단하기에 적절한 파장을 가질 수 있다. 반면, 제2 레이저 빔은 유리 가공물(10)의 절단면에 열 반응을 일으킬 수 있는 파장을 가질 수 있다. 따라서, 제2 레이저 빔은 제1 레이저 빔과 다른 파장을 가질 수 있다.
예시적으로 제2 광원(110b)에서 출사되는 제2 레이저 빔의 파장은 대략 9.4μm 내지 10.6μm 일 수 있다. 제2 레이저 빔의 파장이 상기 파장범위 안의 값을 가지면, 제2 레이저 빔에 의해 유리 가공물(10)의 절단면 표면에서 열 반응이 일어날 수 있다. 그리고, 상기 열 반응을 통해 유리 가공물의 절단면이 매끄러워지고, 절단면의 인장강도가 강해질 수 있다.
상기 제2 레이저 빔의 파장 범위를 만족하기 위해, 예시적으로 제2 광원(110b)은 CO￢2 레이저 광원일 수 있다. 제2 광원(110b)과 제1 광원(110a)과 다른 매질에 의해 레이저 빔을 출사하도록 함으로써, 제1 및 제2 레이저 빔의 파장이 서로 달라질 수 있다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 제2 광원(110b)과 유리 가공물(10) 사이에는 제2 빔 전달 광학계가 마련될 수 있다. 제2 빔 전달 광학계는 제2 광원(110b)에서 출사되는 제2 레이저 빔의 빔 사이즈와, 제2 레이저 빔이 유리 가공물(10)에 조사되는 위치를 조절해 줄 수 있다. 또한, 제2 빔 전달 광학계는 제2 레이저 빔을 유리 가공물(10) 상에 포커싱 하는 제2 집광유닛(120b)를 포함할 수 있다. 도 2에서 나타낸 제2 빔 전달 광학계의 구성은 예시적인 것에 불과하며, 제2 빔 전달 광학계에 포함될 수 있는 광학장치의 구성 및 개수는 달라질 수 있다.
도 6은 도 5에서 나타낸 유리 가공물(10)의 절단면에 제2 레이저 빔이 조사되는 경우, 절단면 모양의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 제2 광원(110b)으로부터 제2 레이저 빔이 유리 가공물(10)의 절단면(S1)에 조사됨에 따라 유리 가공물(10)의 절단면(S1) 표면이 바뀔 수 있다. 제2 레이저 빔이 조사되는 방향 및 조사되는 시간에 따라 유리 가공물(10)의 절단면(S1) 표면이 다르게 변할 수 있다. 다만, 지나치게 장시간 제2 레이저 빔이 유리 가공물(10)에 조사되면, 유리 가공물의 물성이 변하거나 유리 가공물(10)의 절단면 모양이 제어가 안되게 변할 수 있다. 따라서, 제2 레이저 빔이 유리 가공물(10)의 절단면에 조사되는 시간은 대략 2초 내지 3초 정도로 조절될 수 있다. 또한, 제2 레이저 빔의 출력 파워는 대략 500W 이상으로 유지될 수 있다.
도 6에서 나타낸 바와 같이, 제2 레이저 빔의 조사량과 조사 방향에 따라, 유리 가공물(10)의 절단면(S1)은 제1 절단면(S3)처럼 곡면으로 변할 수도 제2 절단면(S4)처럼 평면으로 변할 수도 있다. 도 6에서 나타낸 절단면 모양의 변화예는 예시적인 것에 불과할 뿐, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 7 및 도 8은 도 6에서 나타낸 유리 가공물(10)의 절단면이 제2 레이저 빔에 의해 변한 예들을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 유리 가공물(10)의 절단면(S3)이 곡면이 될 수 있다. 또한, 유리 가공물(10)의 절단면(S3)의 표면 거칠기 값이 작아질 수 있다. 그리고, 도 8을 참조하면, 유리 가공물(10)의 절단면(S4)이 평면이 될 수 있다. 또한, 유리 가공물(10)의 절단면(S4)의 표면 거칠기 값이 작아질 수 있다. 도 7 및 도 8에서 나타낸 바와 같이, CO2 레이저로 구성된 제2 광원(110b)에서 제2 레이저 빔을 유리 가공물(10)의 절단면에 조사하게 되면, 유리 가공물(10)의 절단면(S3, S4) 표면 거칠기 값이 작아질 수 있다. 뿐만 아니라 유리 가공물(10)의 절단면(S3, S4) 인장강도가 강해질 수 있다.
이상에서 도 1 내지 도 8을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 유리 가공물 절단방법 및 장치에 관하여 설명하였다. 실시예들에 따르면, 제1 레이저 빔을 이용해 유리 가공물(10)을 절단한 후, 제1 레이저 빔과 파장이 다른 제2 레이저 빔으로 유리 가공물(10)의 절단면을 가공할 수 있다. 이를 통해, 유리 가공물(10)의 절단면 표면 거칠기 값과 인장강도를 개선할 수 있다.
이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10 : 유리 가공물
110a : 제1 광원
110b : 제2 광원
120a : 제1 집광유닛
120b : 제2 집광유닛

Claims (11)

  1. 레이저 빔을 이용한 유리 가공물 절단방법에 있어서,
    제1 레이저 빔을 상기 유리 가공물에 조사함으로써 유리 가공물을 절단하는 단계;
    제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 조사함으로써 상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 레이저 빔은 서로 파장이 다른 유리 가공물 절단방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔의 파장은 1030nm 내지 1080nm 인 유리 가공물 절단방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 파장은 9.4μm 내지 10.6μm인 유리 가공물 절단방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 단계는, 상기 제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 2초 내지 3초 동안 조사하는 유리 가공물 절단방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 가공물을 절단하는 단계는, 상기 유리 가공물의 절단면이 곡면이 되도록 상기 제1 레이저 빔을 곡선을 따라 조사하는 유리 가공물 절단방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔은 100ps~1fs의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저 빔인 유리 가공물 절단방법.
  7. 레이저 빔을 이용한 유리 가공물 절단장치에 있어서,
    제1 레이저 빔을 상기 유리 가공물에 조사함으로써 유리 가공물을 절단하는 제1 광원; 및
    제2 레이저 빔을 상기 유리 가공물의 절단면에 조사함으로써 상기 유리 가공물의 절단면을 가공하는 제2 광원;을 포함하는 유리 가공물 절단장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔의 파장은 1030nm 내지 1080nm 인 유리 가공물 절단장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 파장은 9.4μm 내지 10.6μm인 유리 가공물 절단장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 광원은 CO2 레이저 광원인 유리 가공물 절단장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔은 100ps~1fs의 펄스폭을 갖는 펄스 레이저 빔인 유리 가공물 절단장치.
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