TWI419853B - 利用平坦分佈光束作雷射劃線 - Google Patents

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TWI419853B TW097137411A TW97137411A TWI419853B TW I419853 B TWI419853 B TW I419853B TW 097137411 A TW097137411 A TW 097137411A TW 97137411 A TW97137411 A TW 97137411A TW I419853 B TWI419853 B TW I419853B
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Description

利用平坦分佈光束作雷射劃線
本發明係關於劃線及/或分離玻璃片之系統及方法，其包含具有平坦分佈之雷射光束。
。廣泛使用的方法包括：使用雷射來劃線並/或分割玻璃薄片。將雷射光束移動橫過玻璃薄片，在玻璃薄片表面上產生溫度梯度，這方法還可以由跟隨在雷射光束後面一段距離的冷卻劑(例如氣體或液體)來改進。具體地說，由雷射加熱玻璃薄片，而由冷卻劑冷卻玻璃薄片，在玻璃薄片中產生應力。以這種方式可以沿著玻璃薄片產生劃線。然後沿著此劃線分割玻璃薄片以將玻璃薄片分割成兩個較小的薄片。
有相當多的努力投注在發展使用雷射來劃線玻璃薄片的系統和方法，特別是用來製造平板顯示器(例如LCD)的玻璃薄片。為了以高劃線速度來劃線具有低膨脹係數的玻璃，需要非常高功率值的雷射。然而，所需要的雷射功率，通常會逼近或超過目前普遍使用之密封管CO2 雷射的功率值。
有方式採取改變雷射光束的分佈以增加劃線速度。標準雷射劃線使用TEM00模態產生典型高斯光束。同心圓環形，或"D-模態"分佈也已經發展出來，讓劃線速度稍微增加。雖然這些模態能夠以相當高的速度來劃線，但是仍然需要對處理的效率作進一步的改進，也就是以較低的雷射功率獲得較高的劃線速度。
因此，我們需要以高劃線速度來劃線玻璃薄片的方法和系統，同時還要使用較低功率的雷射，在劃線的玻璃薄片中產生足夠的應力。
本發明提供劃線並/或分割玻璃薄片的系統和方法。在一方面，提供劃線玻璃薄片的方法，包括將雷射光束移動橫過玻璃薄片產生劃線。在一方面，雷射光束的能量密度分佈，在沿著至少一部分的長度上，具有大體上均勻的尖峰能量密度。在又另一方面，雷射光束可以是雙模態，包含大約60-70%的TEM00模態，和大約30-40%的TEM01*模態。此方法可以進一步包括沿著劃線分割玻璃薄片。根據各方面，雷射光束可以由CO2 雷射產生。
本發明其他優點部份揭示於下列說明，部份可由說明清楚了解，或藉由實施下列說明而明瞭。下列所說明優點可藉由申請專利範圍所說明之元件及組合實現及達成。人們了解先前一般說明及下列詳細說明只作為範例性及說明性以及並非作為限制性。
提供本發明下列詳細說明作為以能夠以目前已知實施例最佳地揭示出本發明。關於此方面，熟知此技術者瞭解以及明瞭本發明在此所說明各項能夠作各種變化，同時仍然能夠得到本發明優點。人們本發明部份所需要優點能夠藉由選擇部份本發明特性而並不使用其他特性而達成。因而，業界熟知此技術者瞭解本發明可作許多變化及改變以及在特定情況中為需要的以及為本發明部份。因而，提供下列說明作為說明本發明原理以及並不作為限制用。
必需說明說明書及申請專利範圍中，單數形式之冠詞"a","an"以及"the"亦包含複數之含意，除非另有清楚地表示。例如"成份"包含該兩種或多種該成份等。
範圍能夠以"大約"為一個特定數值及/或至"大約"另一特定值表示。當以該範圍表示時，另一項包含由一個特定數值及/或至另一特定數值。同樣地，當數值藉由前面加上"大約"表示為近似值，人們瞭解該特定值形成另外一項。人們更進一步瞭解每一範圍之每一端點值表示與另一端點關係以及不受另一端點支配兩種意義。
如同上面簡單總結的，本發明提供劃線玻璃薄片，例如平板玻璃，的方法和系統。標準雷射模態包括TEM00模態(高斯或"S"模態)，TEM01＊模態(2偏振TEM01和TEM10模態)，和標準D-模態(大約60%TEM01＊模態和40%TEM00模態的混合)。由CO2 雷射產生之這些模態的模態強度分佈分別顯示在圖1-3中。由雷射所產生之標準D-模態雷射的強度(或能量密度)分佈和強度分佈，由Spiricon雷射光束分佈測量儀來測量分別顯示在圖4-5中。從圖中可以看出，含有最大值40%含量TEM00的標準D-模態產生兩個特殊尖峰和一個中心凹陷。
根據本發明的一項目提供了一個雷射，其配置所產生之雷射光束的能量密度分佈在沿著至少一部分的長度上具有大體上均勻的尖峰能量密度。在進一步項目中，此雷射光束可以是雙模態，例如但不局限於包含TEM00和TEM01＊模態的雙模態雷射光束。在一個特定項目中,TEM00和TEM01＊模態的比例是大約60-70%的TEM00模態，和大約30-40%的TEM01＊。例如，此比例可以是TEM00對TEM01＊分別為：60%/40%,65%/35%,或70%/30%,以及其他比例。
根據各項目，提出了一種方法用來劃線一個或多個平板玻璃。此方法包括將雷射光束移動橫過玻璃薄片以產生劃線線。如上面描述的，在各項目之雷射光束的能量密度分佈，在沿著至少一部分的長度上，具有大體上均勻的尖峰能量密度。在進一步項目中，雷射光束可以是雙模態包含大約60-70%的TEM00模態，和大約30-40%的TEM01＊模態。
根據本發明的各項目，提供用來分割一個或多個平板玻璃的方法。在一項目中，分割平板玻璃包括將雷射光束移動橫過玻璃薄片以產生劃線，並沿著此劃線分割玻璃薄片。我們可以使用在沿著至少一部分的長度上，具有大體上均勻之尖峰密度的雷射光束以產生劃線。此外，雷射光束可以是雙模態，包含大約60-70%的TEM00,和大約30-40%的TEM01＊模態。分割玻璃薄片可以透過在劃線之後，用機械折灣玻璃薄片來達成。或者，分割可以透過讓第二雷射光束跟隨產生劃線的第一雷射光束沿著玻璃薄片移動來達成。在另一項目中，透過產生穿透玻璃厚度的深層劃線，可以讓第一個雷射光束達到玻璃薄片的完全分割。其他分割玻璃薄片的方法也可以考慮，都視為在本發明的範圍內。
在一項目中，雷射光束可以由CO2 雷射產生。或者，雷射光束可以由功率在大約200和800瓦之間的雷射來產生。在進一步項目中，雷射光束可以由功率在大約450和550瓦之間的雷射來產生。在一特定項目中，使用功率大約500瓦的CO2 雷射以產生雷射光束。如底下將進一步描述的，使用具有大體上均勻之尖峰能量密度的雷射光束("平頂分佈"雷射光束)可以增加劃線玻璃薄片的效率。如此，在一項目中可以由足夠功率的任何雷射產生雷射光束以沿著玻璃薄片表面達到預定的劃線速度和/或溫度梯度。
根據本發明各項目，所產生的雷射光束在沿著至少一部分的長度上具有大體上均勻的尖峰能量密度，如圖7所示。此大體上均勻的尖峰能量密度，可以跟標準D-模態雷射光束的能量密度作比較，如圖6所示(顯示同心圓環形的能量密度分佈，在接近雷射光束中心的能量密度有相當的凹陷)。進一步參考圖7，雷射光束之能量密度分佈的長度比它對應的寬度還長。例如，雷射光束的能量密度分佈可以是大約1到2公釐寬和大約250到400公釐長。
在各項目中，所產生之光束的能量密度分佈特性可以由底下的方程式來描述：
其中I是雷射光束能量密度,ωx是光束寬度參數,ωy是光束長度參數，而A和B是決定雷射光束之形狀和能量密度的常數。在進一步項目中,A/B等於1/2。
在各項目中，雷射光束能夠以預定的劃線速度移動橫過玻璃薄片。此劃線速度可以變動決定於雷射功率，欲劃線之玻璃的熱膨脹係數和彈性模數。在一特定項目中，移動雷射光束的步驟包括以大約500和1000公釐/秒之間的速度移動雷射光束。此劃線速度可以是例如750公釐/秒。
最後，要瞭解的是雖然在這裡我們參考特定說明和特定實施例以詳細描述目前的發明，但是不應該被視為受限於此，因為可以有很多修改，卻不脫離附加聲明所定義之本發明的廣大精神和範圍。
範例：
為了顯示出本發明原理，揭示出下列範例以提供業界熟知此技術者完全揭示以及說明玻璃組成份，物體，裝置，以及方法如何達成以及加以評估。這些範例預期單純地作為本發明之範例以及並不預期限制本發明之範圍。已作嘗試以確保數目精確性(例如數量，溫度等)，不過其會產生一些誤差以及偏差。
我們進行了一項實驗，使用標準的D-模態雷射光束和有關本發明各項目所描述含有60-70%TEM00模態和30-40%TEM01*模態的雙模態雷射光束以劃線平板玻璃。實驗條件包括：大約750公釐/秒的劃線速度，功率大約500瓦的雷射，和10-14ccm的冷卻劑流動速率。所產生之光束的能量密度分佈特性，由底下的方程式來描述：
其中：I是雷射光束能量密度，ωx 是光束寬度參數，ωy 是光束長度參數，而A和B是決定雷射光束之形狀和能量密度的常數。對於標準D-模雷射光束，a/b比值為1/8，以及產生實質上圓圈狀強度分佈。對於後者雷射光束(60-70%TEM00模以及30-40%TEM01＊模)使用A/B比值為1/2以產生實質上頂部平坦之強度分佈。
圖8顯示此實驗的結果，顯示由標準D-模態雷射光束，和後者的平頂分佈模態所獲得之劃線沿線的溫度分佈。圖8顯示跟標準D-模態雷射比較起來，平頂分佈模態對玻璃薄片提供更均勻的加熱，可以更快速加熱到較高溫度。
可以確定的是，只要平頂分佈光束所達到的最大溫度，超過穩定劃線處理所需要的溫度就可以降低雷射的功率，例如大約20-25%。使用ANSYS FEA軟體所執行的應力計算，顯示出因為平頂分佈光束造成較高的玻璃表面溫度，因此它在相同的雷射功率下會比標準D-模態雷射光束產生較高的瞬時應力。因此，可以確定的是使用較低功率雷射所產生的平頂分佈光束，可以跟較高功率雷射所產生的標準D-模態光束，產生相等的應力。
圖1顯示TEM00模態之雷射光束的強度分佈。
圖2顯示TEM01＊模態之雷射光束的強度分佈。
圖3顯示標準D-模態(60%/40%的TEM01＊/TEM00混合)之雷射光束的強度分佈。
圖4顯示由CO2 雷射所產生之標準D-模態雷射光束的強度分佈。
圖5顯示圖4之標準D-模態雷射光束強度分佈的模態強度分佈。
圖6是標準D-模態雷射光束之強度分佈的模型圖。
圖7是根據本發明一方面，平頂D-模態雷射光束之強度分佈的模型圖。
圖8是根據本發明另一方面，標準D-模態和平頂D-模態雷射光束之劃線沿線的玻璃表面溫度(T)。

Claims (8)

  1. 一種用於在一平板玻璃薄片上劃線的方法，該方法包含以下步驟：將雷射光束移動橫過玻璃薄片以產生劃線，其中雷射光束的能量密度分佈在沿著至少一部分的長度上具有大體上均勻的尖峰能量密度，且其中雷射光束為雙模以及包含約60-70%TEM00模以及約30-40%TEM01 ＊模。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中雷射光束為雙模以及包含約65%TEM00模以及約35%TEM01 ＊模。
  3. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中雷射光束由具有輸出耦合器之雷射產生，該方法更進一步包含改變輸出耦合器以達成約60-70%TEM00模以及約30%-40%TEM01 ＊模之比值。
  4. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中移動雷射之步驟包含以500及1000mm/sec間之速度移動雷射光束。
  5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中雷射光束具有能量密度分佈特徵以下列公式表示： 其中I是雷射光束能量密度，ωx 是光束寬度參數，ωy 是光束長度參數，A和B是決定雷射光束之形狀和能量密度的常數，以及A/B等於1/2。
  6. 依據申請專利範圍第4項之方法，其中雷射光束之能量密度分佈寬度為1至2mm以及長度為250至400mm。
  7. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含沿著劃線分離玻璃片。
  8. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中雷射光束由CO2 雷射產生。
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