KR20170131586A - 디스플레이 유리 조성물의 레이저 절단 및 가공 - Google Patents
디스플레이 유리 조성물의 레이저 절단 및 가공 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 투명 물질의 박형 기판을 절단 및 분리하기 위한, 예를 들어, 박막 트랜지스터 (TFT) 장치의 제조에 주로 사용되는 디스플레이 유리 조성물의 절단을 위한 레이저 절단 기술에 관한 것이다. 기재된 레이저 공정은, 예를 들어, 0.25m/sec의 속도로, 직선 절단을 만들고, 뾰족한 반경 외부 코너 (<1mm)을 절단하며, 및 내부 구멍 및 슬롯을 형성하는 단계를 포함하여 임의의 만곡된 형상을 생성하는데 사용될 수 있다. 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재를 레이저 가공하는 방법은, 펄스된 레이저 빔을 초점 라인으로 초점 조정하는 단계를 포함한다. 펄스된 레이저는, 펄스 버스트 당 5-20의 펄스를 갖는 펄스 버스트 및 버스트 당 300-600 micro Joules의 펄스 버스트 에너지를 생성한다. 초점 라인은 유리 복합 피가공재로 향하게 되어 물질 내에 유도 흡수를 발생시킨다. 피가공재 및 레이저 빔은 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인을 형성하도록 서로에 대해 병진 이동되고, 인접한 결함 라인은 5-15 microns의 간격을 갖는다.
Description
본 출원은 2015년 3월 24일자로 출원된 미국 가 특허출원 제62/137,443호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 참고로 여기에 혼입된다.
본 개시는 디스플레이 유리 조성물의 레이저 절단 및 가공에 관한 것이다.
물질의 레이저 가공 영역은, 물질의 절단, 드릴링, 밀링, 용접, 용융, 등 및 다른 타입을 포함하는 매우 다양한 적용들을 포괄한다. 이러한 정용 중에서, 특히 관심이 있는 하나는, 예를 들어, 박막 트랜지스터 (TFT) 또는 디스플레이 유리 조성물을 분리하는 공정에 대해, 다른 타입의 기판을 절단하거나 또는 분리하는 것이다.
공정 개발 및 비용 관점으로부터, 유리 기판의 절단 및 분리에서 개선의 많은 기회가 있다. 오늘날 시장에서 현재 시행되고 있는 것보다 빠르고, 청결하며, 저렴하고, 더 반복 가능하며, 및 더 실현 가능한 유리 분리 방법을 얻는 것은 큰 관심사이다.
본 출원은 투명 물질의 박형 기판을 절단 및 분리하기 위한 레이저 절단 기술, 및 좀 더 구체적으로는 박막 트랜지스터 (TFT) 장치의 제조에 주로 사용되는 디스플레이 유리 조성물의 절단을 기재한다. 기재된 레이저 공정은, >1m/sec까지로 직선 절단 (straight cut)을 만들고, 뾰족한 반경 외부 코너 (<1mm)을 절단하며, 및 내부 구멍 및 슬롯을 형성하는 단계를 포함하여 임의의 만곡된 형상을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 대표적인 구체 예는, 스핀들 (spindle)이 삽입될 수 있는 내부 구멍을 갖는 원형 유리 메모리 디스크 (circular glass memory disk)를 형성하는데 사용될 수 있다.
본 출원은 또한 유리를 절단한 다음, 그 뒤에 절단 공정 단독으로 달성될 수 있는 것보다 훨씬 높은 수준으로 절단 유리 부분 (part)의 에지 강도 및 에지 충격 강도 (edge impact strength) 모두를 높이기 위해 다양한 방법으로 상기 부분을 가공하는 방법을 기재한다. 여기에 기재된 방법은 또한 단일 패스 (single pass)에서 이러한 유리의 스택 (stacks)을 절단하여, 공정 시간 및 기계 이용률을 개선할 수 있다.
하나의 구체 예에서, 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재를 레이저 가공하는 방법은, 펄스된 레이저 빔을 빔 전파 방향을 따라 지향된 레이저 빔 초점 라인 (laser beam focal line)으로 초점 조정하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 빔 초점 라인은 또한 유리 복합 피가공재로 향하게 되며, 상기 레이저 빔 초점 라인은 물질 내에 유도 흡수 (induced absorption)를 발생시키고, 및 상기 유도 흡수는 피가공재 내에 레이저 빔 초점 라인에 따라 결함 라인 또는 손상 트랙 (damage track)을 생성시킨다. 상기 방법은 또한 피가공재 및 레이저 빔을 윤곽선을 따라 서로에 대해 병진 이동 (translating)시키는 단계, 및 상기 피가공재 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인을 레이저 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 인접한 결함 라인들 사이에 간격 (또는 주기성)은 5 microns 내지 15 microns이다. 펄스된 레이저는 펄스 버스트 (pulse burst) 당 5-20의 펄스를 갖는 펄스 버스트 및 300-600 micro Joules의 펄스 버스트 에너지를 생성한다.
상기 피가공재 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인을 레이저 형성하는 단계는, 윤곽선에 의해 한정된 표면을 따라 피가공재를 분리하는 것을 용이하게 하여 분리된 표면을 형성할 수 있다. 상기 유도 흡수는, 약 0.5 micron 이하의 절단 및 분리된 에지의 Ra 표면 거칠기 (surface roughness)를 생성할 수 있다. 상기 유도 흡수는 또한 분리된 표면상에 3 microns 미만의 평균 직경을 갖는 입자를 생성할 수 있다.
몇몇 구체 예에 따르면, 유리 제품은 적어도 250 microns로 연장하는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 에지를 포함하는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합체를 포함하며, 상기 결함 라인 각각은, 5 microns 내지 15 microns의 거리만큼 분리된, 약 1 microns 이하의 직경을 갖는다. 몇몇 구체 예에 따르면, 적어도 하나의 에지는, 약 100 microns 이하의 깊이까지의 표면 손상 및/또는 약 0.5 microns 이하의 Ra 표면 거칠기를 갖는다. 몇몇 구체 예에서, 이 유리 제품은 0.5mm 내지 7mm의 두께를 갖는다. 개발된 레이저 방법은, 원하는 프로파일 (profile)을 열 응력 (thermal stressing)에 의해 완전한 레이저 분리를 위해 또는 패널 (panel)로부터 부분의 수동적 또는 기계적 분리를 위해 조정될 수 있다. 상기 방법은, 초-단 펄스 레이저 (ultra-short pulse laser)의 활용을 포함하고, 및 완전히 자동화된 분리를 위해, 고압 공기 흐름과 때때로 결합된, 열 응력을 생성하는 CO2 레이저가 뒤따를 수 있다.
전술한 내용은, 동일한 도면 부호가 다른 도들 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는, 수반된 도면에 예시된 바와 같은, 대표 구체 예의 다음의 좀 더 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 일정한 축척이 아니며, 대신에 대표적인 구체 예를 예시할 때 강조되는 경우가 있다.
도 1a-1c는, 변형 유리 (modified glass)의 균등한 간격의 결함 라인 또는 손상 트랙을 갖는 단층선 (fault line) (또는 절취선)의 예시이다.
도 2a 및 도 2b는, 레이저 빔 초점 라인의 위치 설정, 즉, 초점 라인을 따라 유도 흡수로 인한 레이저 파장에 대해 투명한 물질의 가공의 예시이다.
도 3a는 하나의 구체 예에 따른 레이저 공정을 위한 광학 어셈블리 (optical assembly)의 예시이다.
도 3b-1 내지 3b-4는, 기판에 대해 레이저 빔 초점 라인을 다르게 위치시켜 기판을 가공하는 다양한 방식의 예시이다.
도 4는 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제2 구체 예의 예시이다.
도 5a 및 5b는 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제3 구체 예의 예시이다.
도 6은 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제4 구체 예의 개략도이다.
도 7a-7c는, 물질의 레이저 가공을 위한 다른 레이저 강도 레짐 (intensity regimes)의 예시이다. 도 7a는, 초점을 맞추지 않는 (unfocused) 레이저 빔을 예시하고, 도 7b는 구면 렌즈로 집중된 레이저 빔 (condensed laser beam)을 예시하며, 및 도 7c는 액시콘 (axicon) 또는 회절 프레넬 렌즈 (diffractive Fresnel lens)로 집중된 레이저 빔을 예시한다.
도 8a는, 7의 펄스를 갖는 각 대표적인 펄스 버스트로, 시간에 대하여 대표적인 펄스 내에서 레이저 펄스의 상대 강도를 개략적으로 예시한다.
도 8b는, 9의 펄스를 함유하는 각 대표적인 펄스 버스트로, 대표적인 펄스 버스트 내에서 시간에 대하여 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 예시한다.
도 8c는 0.024 mm 및 0.134 mm 두께의, 박막 트랜지스터 (TFT) 유리의 직선 절단 스트립 (strips)의 절단 에지 이미지를 예시한다.
도 9a는 0.6 mm 두께의 Eagle XG® 유리의 직선 절단 스트립의 에지 이미지이다.
도 9b 및 9c는, 알칼리가 적거나 또는 없는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리에서 생성된 손상 트랙을 예시한다. 좀 더 구체적으로, 도 9b는 0.5㎜ 두께의 Eagle XG® 유리에서 손상 트랙을 예시하고 (평면도), 및 도 9c는 동일한 유리에서 손상 트랙을 예시한다 (저면도).
도 9d는, 9b 및 9c에 나타낸 0.5 mm 두께의 Eagle XG® 유리의 절단된 스트립의 에지 이미지이다.
도 9e는 버스트 당 다른 에너지 수준에 대하여 디스플레이 유리의 파괴 강도 (break strength) 대 버스트 에너지를 예시하는 그래프이다.
도 9f는, 디스플레이 유리의 하나의 구체 예에 대한 파괴 강도 대 천공 피치를 예시하는 그래프이다.
도 9g는 여기에 기재된 하나의 구체 예에 따른 CO2 빔 직경의 함수에 따른 속도의 증가를 예시한다.
도 10은 원자 이온화 에너지를 예시한다.
도 11은 기계적 또는 CO2 레이저 스코어링 (scoring)을 이용한 연속 퓨전 유리 제조 공정 (continuous fusion glass manufacturing process)에 대한 기존의 유리 절단 접근법을 예시한다.
도 12a는, 유리 플레이트 또는 시트가 수평 레이저 절단을 사용하여 인발 (draw)로부터 분리되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단의 방법을 예시한다.
도 12b는, 레이저가 유리 시트의 구역을 관통하여 절단하고 및 인발로부터 유리의 품질 섹션 (quality section)을 제거하는데 사용되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단의 방법을 예시한다.
도 13은 인발에서 높은 곳에 비드를 절단하고 및 인발에서 하부 시트를 수평으로 절단하는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단을 예시한다.
도 14는, 인발로부터 유리를 제거하기 위해 수평으로 절단하고, 유리 에지 비드를 제거하기 위해 별도의 수직 절단이 수반되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단을 예시한다.
도 15는 시트로부터 테두리 또는 폐유리를 제거하기 위해 인발로부터 떨어진 곳에서 유리의 레이저-기반 절단의 사용을 예시한다.
도 16은, 어닐링 점 (annealing point)에 가까운 온도에서 유리 시트를 수용하는 다-단 가열로 (multi-stage furnace)를 이용하여 인발시 절단의 레이저-기반 공정을 예시한다.
도 17은 인발시 절단된 유리 시트에 미리 정해진 온도 냉각 프로파일을 부여하도록 구성된 다단 가열로를 예시한다.
도 1a-1c는, 변형 유리 (modified glass)의 균등한 간격의 결함 라인 또는 손상 트랙을 갖는 단층선 (fault line) (또는 절취선)의 예시이다.
도 2a 및 도 2b는, 레이저 빔 초점 라인의 위치 설정, 즉, 초점 라인을 따라 유도 흡수로 인한 레이저 파장에 대해 투명한 물질의 가공의 예시이다.
도 3a는 하나의 구체 예에 따른 레이저 공정을 위한 광학 어셈블리 (optical assembly)의 예시이다.
도 3b-1 내지 3b-4는, 기판에 대해 레이저 빔 초점 라인을 다르게 위치시켜 기판을 가공하는 다양한 방식의 예시이다.
도 4는 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제2 구체 예의 예시이다.
도 5a 및 5b는 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제3 구체 예의 예시이다.
도 6은 레이저 가공을 위한 광학 어셈블리의 제4 구체 예의 개략도이다.
도 7a-7c는, 물질의 레이저 가공을 위한 다른 레이저 강도 레짐 (intensity regimes)의 예시이다. 도 7a는, 초점을 맞추지 않는 (unfocused) 레이저 빔을 예시하고, 도 7b는 구면 렌즈로 집중된 레이저 빔 (condensed laser beam)을 예시하며, 및 도 7c는 액시콘 (axicon) 또는 회절 프레넬 렌즈 (diffractive Fresnel lens)로 집중된 레이저 빔을 예시한다.
도 8a는, 7의 펄스를 갖는 각 대표적인 펄스 버스트로, 시간에 대하여 대표적인 펄스 내에서 레이저 펄스의 상대 강도를 개략적으로 예시한다.
도 8b는, 9의 펄스를 함유하는 각 대표적인 펄스 버스트로, 대표적인 펄스 버스트 내에서 시간에 대하여 레이저 펄스의 상대적 강도를 개략적으로 예시한다.
도 8c는 0.024 mm 및 0.134 mm 두께의, 박막 트랜지스터 (TFT) 유리의 직선 절단 스트립 (strips)의 절단 에지 이미지를 예시한다.
도 9a는 0.6 mm 두께의 Eagle XG® 유리의 직선 절단 스트립의 에지 이미지이다.
도 9b 및 9c는, 알칼리가 적거나 또는 없는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리에서 생성된 손상 트랙을 예시한다. 좀 더 구체적으로, 도 9b는 0.5㎜ 두께의 Eagle XG® 유리에서 손상 트랙을 예시하고 (평면도), 및 도 9c는 동일한 유리에서 손상 트랙을 예시한다 (저면도).
도 9d는, 9b 및 9c에 나타낸 0.5 mm 두께의 Eagle XG® 유리의 절단된 스트립의 에지 이미지이다.
도 9e는 버스트 당 다른 에너지 수준에 대하여 디스플레이 유리의 파괴 강도 (break strength) 대 버스트 에너지를 예시하는 그래프이다.
도 9f는, 디스플레이 유리의 하나의 구체 예에 대한 파괴 강도 대 천공 피치를 예시하는 그래프이다.
도 9g는 여기에 기재된 하나의 구체 예에 따른 CO2 빔 직경의 함수에 따른 속도의 증가를 예시한다.
도 10은 원자 이온화 에너지를 예시한다.
도 11은 기계적 또는 CO2 레이저 스코어링 (scoring)을 이용한 연속 퓨전 유리 제조 공정 (continuous fusion glass manufacturing process)에 대한 기존의 유리 절단 접근법을 예시한다.
도 12a는, 유리 플레이트 또는 시트가 수평 레이저 절단을 사용하여 인발 (draw)로부터 분리되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단의 방법을 예시한다.
도 12b는, 레이저가 유리 시트의 구역을 관통하여 절단하고 및 인발로부터 유리의 품질 섹션 (quality section)을 제거하는데 사용되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단의 방법을 예시한다.
도 13은 인발에서 높은 곳에 비드를 절단하고 및 인발에서 하부 시트를 수평으로 절단하는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단을 예시한다.
도 14는, 인발로부터 유리를 제거하기 위해 수평으로 절단하고, 유리 에지 비드를 제거하기 위해 별도의 수직 절단이 수반되는, 유리 인발시 유리의 레이저-기반 절단을 예시한다.
도 15는 시트로부터 테두리 또는 폐유리를 제거하기 위해 인발로부터 떨어진 곳에서 유리의 레이저-기반 절단의 사용을 예시한다.
도 16은, 어닐링 점 (annealing point)에 가까운 온도에서 유리 시트를 수용하는 다-단 가열로 (multi-stage furnace)를 이용하여 인발시 절단의 레이저-기반 공정을 예시한다.
도 17은 인발시 절단된 유리 시트에 미리 정해진 온도 냉각 프로파일을 부여하도록 구성된 다단 가열로를 예시한다.
대표적인 구체 예의 설명은 다음과 같다.
본 출원은, 예를 들어, 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물, 예를 들어, 유리의 기판 중에서 마감 부분을 구성하는, 디스플레이 및/또는 TFT (박막 트랜지스터) 유리 조성물과 같은, 유리 조성물의 정밀한 절단 및 분리를 위한 공정을 제공한다. 이러한 유리 또는 유리 조성물의 몇몇 예로는, 뉴욕의 코닝사 (Corning Incorporated)로부터 이용 가능한 Eagle XG®, Contego, Corning Lotus™, 및 Corning Lotus NXT™이 있다. 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물은, 박막 트랜지스터와 같은 전자 장치의 적용을 위한 기판으로 작용하기에 적합하도록 제형화될 수 있다. 이는 TFT 유리 조성물이 통상적으로 실리콘의 열팽창계수 (CTE)와 비슷한 열팽창계수 (바람직하게는 5ppm/℃ 이하, 바람직하게는 4ppm/℃ 미만, 예를 들어 대략 3ppm/℃, 또는 2.5-3.5 ppm/℃)를 갖고, 및 유리 내에 낮은 수준의 알칼리를 갖는다는 것을 의미한다. TFT 적용에 사용되는 유리에 대해 낮은 수준의 알칼리 (즉, 0-2%, 바람직하게는 < 1wt%, 예를 들어 < 0.5wt%)는 바람직한데, 이는 알칼리 도펀트 (alkali dopants)가, 몇몇 조건하에서, 유리 밖으로 침출될 수 있고, 및 실리콘 공정을 오염시킬 수 있기 때문이다. 레이저 절단 공정은, 에지에 대한 낮은 표면 아래의 손상 및 최소 결함 및 무시할 수 있는 파편을 갖는 조절 가능한 방식으로 유리 부분을 분리하여, 부분 강도를 보존한다. 개발된 레이저 방법은 선택된 레이저 파장에 대해 투명한 물질에 매우 적절하다. 이 파장은, 예를 들어, 1064, 532, 355 또는 266 nanometers일 수 있다. 피가공재 또는 TFT 유리 조성물은, 바람직하게는 선택된 레이저 파장에 대해 실질적으로 투명해야 한다 (즉, 물질 깊이의 mm당 약 10% 미만, 및 바람직하게는 약 1% 미만의 흡수). 이 방법의 실례는, 예를 들어, 0.025 mm 내지 0.7 mm 범위의 두께에서 Eagle XG® 조성물을 사용하여 만들어진다.
이하 기재된 공정 기본 단계는, 원하는 형상의 윤곽을 그리고, 및 균열 전파에 대한 최소 저항의 경로를 설정하여서 이의 기판 매트릭스로부터 형상의 분리 및 이탈시키는 수직 단층선을 만드는 데 있다. 레이저 분리 방법은, 원래의 기판에서 유리 형상의 수동 또는 기계적 분리, 부분 분리 또는 전체 분리가 가능하도록 조정 및 구성될 수 있다.
제1단계에서, 가공될 물체는, 기판의 두께를 통해 관통하는 높은 종횡비 라인 초점으로 집중되는 (1064 nm 이하의 파장에서) 초-단 펄스된 (100 psec 미만의 펄스 폭) 레이저 빔으로 조사된다. 높은 에너지 밀도의 이 부피 내에서 물질은 비선형 효과 (nonlinear effects)를 통해 변형된다. 이러한 높은 광 강도 없이, 비선형 흡수는 유발되지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이러한 강도 임계 값 아래에서, 물질은 레이저 방사선 (laser radiation)에 투명하며 및 이의 원래 상태로 유지된다. 원하는 라인이나 경로를 통해 레이저를 스캐닝함으로써, 본 발명자들은 좁은 결함 라인 또는 윤곽선 또는 경로 (수 microns의 폭)를 만들고, 및 다음 단계에서 분리될 경계 또는 형상을 한정한다.
레이저 소스 (laser source)는, 유리 복합 피가공재와 같이, 실질적으로 투명한 물질에서 다-광자 흡수 (MPA)를 만들 수 있다. MPA는, 하나의 상태 (보통 기저 상태)로부터 높은 에너지 전자 상태 (이온화)로 분자를 여기시키기 위해 동일하거나 또는 다른 주파수의 둘 이상의 광자의 동시 흡수이다. 분자의 관련된 하한 및 상한 상태 사이에 에너지 차이는, 두 광자의 에너지의 합과 같다. 또한, 유도 흡수라고도 불리는, MPA는, 예를 들어, 선형 흡수보다 몇 자릿수 배로 더 약한, 2-차 또는 3-차 공정 (third-order process) (또는 고차원)일 수 있다. 이는 2-차 유도 흡수의 강도가 광 강도의 제곱에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 다르고, 따라서 이것은 비선형 광학 공정이다.
수직 결함이나 천공으로 선이나 윤곽선이 생성되면, 분리는: 다음을 통해 일어날 수 있다: 1) 천공된 단층선 상에 또는 그 주위의 수동 또는 기계적 응력; 응력 또는 압력은 천공된 단층선의 양 측면을 당겨 떨어뜨리고 및 여전히 서로 결합된 구역을 파괴하는 장력을 생성해야 하며; 2) 열원을 사용하여, 단층선 주위에 응력 존을 생성하여 수직 결함 또는 천공된 단층선을 장력하에 놓아, 부분적 또는 전체적 분리를 유도한다. 두 경우 모두, 분리는, 레이저 스캔 속도, 레이저 출력, 렌즈의 파라미터, 펄스 폭, 반복률, 등과 같은, 몇 가지의 공정 파라미터에 의존한다.
이러한 레이저 절단 공정은, 다양한 유리 조성물의 몸체를 완전히 관통하도록 초점 라인을 발생시키는 광학 장치와 조합하여 초-단 펄스 레이저의 사용을 구성한다. 몇몇 구체 예에서, 개별적인 펄스의 펄스 지속시간은 약 1 picosecond 초과 내지 약 100 picoseconds 미만, 예컨대 약 5 picoseconds 초과 내지 약 20 picoseconds 미만의 범위이며, 개별 펄스의 반복률은, 약 10kHz 내지 650kHz의 범위와 같은, 약 1kHz 내지 4MHz의 범위일 수 있다.
전술한 개별 펄스 반복률에서 단일 펄스 작동에 부가하여, 상기 펄스는, 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 범위, 예를 들어, 약 20 nsec와 같은, 약 10 내지 약 30 nsec의 범위 내에 있는 버스트 내에 개별 펄스들 사이에 지속시간에 의해 분리된 2 펄스 이상 (예를 들어, 3 펄스, 4 펄스, 5 펄스, 10 펄스, 15 펄스, 20 펄스, 또는 그 이상)의 버스트에서 생성될 수 있고, 및 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 200 kHz의 범위일 수 있다. (펄스 버스트의 버스팅 또는 생성은, 펄스의 방출이 균일하고 안정된 스트림 (stream)이 아니라 오히려 펄스의 촘촘한 클러스터인 레이저 작동의 타입이다.) 펄스 버스트 레이저 빔은, 물질이 이 파장에서 실질적으로 투명하도록 선택된 파장을 가질 수 있다. 물질에서 측정된 버스트 당 평균 레이저 출력은, 물질의 mm 두께당 40 microJoules를 초과, 예를 들어, 40 microJoules/mm 내지 2500 microJoules/mm, 또는 500 내지 2250 microJoules/mm일 수 있다. 예를 들어, 0.5-0.7mm 두께의 Corning Eagle XG® 유리의 경우, 유리를 절단 및 분리하기 위해 300-600 μJ 펄스 버스트를 사용할 수 있고, 이는 428 μJ/mm 내지 1200 μJ/mm의 대표적인 범위 (예를 들어, 0.7 mm Eagle XG® 유리의 경우 300 μJ/0.7 mm, 및 0.5 mm Eagle XG® 유리의 경우 600 μJ/0.5 mm)에 상응한다.
유리는 레이저 빔에 대해 이동되어 (또는 레이저 빔이 유리에 대해 병진 이동되어) 임의의 원하는 부분의 형상을 그리는 절취선을 만든다. 레이저는, 직경이 대략 1 microns인 내부 개구부로, 유리의 전체 깊이를 관통하는 구멍-같은 결함 존 (또는 손상 트랙, 또는 결함 라인)을 생성한다. 디스플레이 또는 TFT 타입 유리에서, 이러한 천공, 결함 영역, 손상 트랙, 또는 결함 라인은 일반적으로 5 microns 이상의 간격 및 20 microns 이하의 간격, 바람직하게는 5-15 microns의 간격으로 서로 이격된다. 예를 들어, TFT/디스플레이 유리의 경우, 5-12 microns, 7-15 microns, 또는 7-12 microns이다.
여기에 정의된 바와 같이, 결함 라인의 직경 또는 내부 직경은, 유리 또는 피가공재 내에 개방 채널 또는 공기 구멍의 내부 직경이다. 예를 들어, 여기에 기재된 몇몇 구체 예에서, 결함 라인의 내부 직경은, <500 nm, 예를 들어 ≤400 nm, 또는 ≤300 nm이다. 더군다나, 결함 라인의 내부 직경은, 예를 들어, 레이저 빔 초점 라인의 스폿 직경 (spot diameter) 정도일 수 있다. 레이저 빔 초점 라인은, 약 0.1 micron 내지 약 10 microns, 바람직하게는 0.1 내지 5 microns, 예를 들어 1.5 내지 3.5 microns의 범위에서 평균 스폿 직경을 가질 수 있다. 피가공재 또는 유리 부분이 단층선 또는 윤곽선을 따라 분리되면, 절단 및 분리된 표면상의 결함 라인은, 잠재적으로 여전히 관찰될 수 있고, 및 예를 들어, 결함 라인의 내부 직경과 비슷한 폭을 가질 수 있다. 따라서, 여기에 기재된 구체 예의 방법에 의해 제조된 유리 제품의 절단 표면상의 결함 라인의 폭은, 예를 들어, 약 0.1 microns 내지 약 5 microns의 폭을 가질 수 있다.
단일 시트 유리 이외에도, 상기 공정은 또한 유리의 스택을 절단하는데 사용될 수 있으며, 및 단일 레이저 패스로 총 높이가 최대 몇 mm인 유리 스택을 완전히 천공할 수 있다. 유리 스택은 부가적으로 다양한 위치에서 공기 갭 (air gaps)을 가질 수 있고; 레이저 공정은, 여전히 단일 패스로, 이러한 스택의 상부 및 하부 유리 층 모두를 완전히 천공할 것이다.
유리가 천공되자마자, 유리가 충분한 내부 응력을 갖는다면, 균열은 절취선을 따라 전파되고 및 유리 시트는 원하는 부분으로 분리될 것이다. TFT 유리 조성물이 낮은 열팽창계수 (CTE <4ppm/℃) 및 낮은 내부 응력 (예를 들어, 디스플레이로서 사용된 경우 뒤틀림 (distortion) 또는 복굴절을 방지하기 위해 <10MPa, 예를 들어 <5MPa)을 갖는 유리이기 때문에, 부가적인 기계적 분리력 (separation force)은 유리 부분을 분리하기 위해 일반적으로 적용되는데, 예를 들어, 절취선을 따라 또는 가깝게 CO2 레이저의 후속 패스는, 열 응력을 생성하는 데 사용되어 동일한 사전-프로그래밍된 절취선을 따라 유리를 분리할 것이다.
마지막으로, 둥근 또는 모따기된 에지는, 가공 및 수송 동안에 필요한 높은 수준의 신뢰성으로 인해 TFT 디스플레이 유리 시트의 통상적인 요건이다. 이러한 기술로 생성된 절단 에지는, 필요한 높은 수준의 신뢰성을 제공할 수 있다. 부가적으로, 부가적인 에지 형상이 요구되는 경우, 여기에 기재된 레이저 절단 방법은, 에지 모따기를 가능하게 하며, 이는 에지 신뢰성 (응력시 및 에지 충격시 견딜 수 있는 능력)의 수준을 부가적으로 증가시킬 수 있다. 마지막으로, 직사각형인, 절단 에지 또는 모따기된 에지는, 부가적으로 미세하게 연마하거나 또는 터치-연마되어 에지 강도, 에지 충격 강도 또는 전반적인 에지 신뢰성을 더욱 개선할 수 있다. 유리의 절단은, (a) 퓨전 유리 제조 라인 인발 (즉, 온-라인)에서, 예를 들어, 이러한 제조 라인의 인발의 버텀에서, 또는 (b) 오프-라인 - 즉, 인발시가 아닌, 다른 곳에거 달성될 수 있고, 및 에지 모따기 또는 연마가 뒤따를 수 있다.
본 출원은, 에지 강도, 에지 충격 강도를 유지하고 및 높은 수준의 유리 에지 신뢰성을 가능하게 하는, 에지를 절단하는데 최소 손상 및 무시할 수 있는 파편으로, 조절 가능한 방식하에, 투명한 기판에서 임의의 형상의 정밀한 절단 및 분리를 위한, 좀 더 구체적으로는, Eagle XG®, Corning Lotus™, Contego 및 Corning Lotus NXT ™ 등과 같은, TFT 유리 조성물의 절단하기 레이저 방법 및 장치를 기재한다. 개발된 레이저 방법은, 깨끗하고 초기 상태의 표면 품질을 유지하는, 낮은 레이저 강도, 또는 선형 레짐에서 레이저 파장에 대한 물질 투명도, 및 레이저 초점 주변의 고강도의 구역에 의해 생성된 감소된 표면 아래의 손상에 의존한다. 본 공정의 주요 조력요소 중 하나는, 초-단 펄스된 레이저에 의해 생성된 결함 또는 결함 라인의 높은 종횡비이다. 이는 절단될 물질의 상단으로부터 하단으로 연장되는 단층선의 생성을 가능하게 한다. 원칙적으로, 이러한 결함은, 단일 펄스로 생성될 수 있으며, 및 필요한 경우, 부가적인 펄스는, 영향을 받는 구역 (깊이와 폭)의 확장을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 레이저 방법은, 스핀들이 삽입될 수 있는 내부 구멍을 갖는 원형의 유리 메모리 디스크를 형성하는데 사용될 수 있다. 이하 기재되는 바와 같이, CO2 레이저는 이러한 내부 구멍으로부터 절단된 유리를 방출하기 위해 사용될 수 있다. 여기에 기재된 레이저 방법이, 시작점 및 종료점이 원의 원주를 따라 만나지만 버 (burr)를 형성하지 않는, 원형의 형상, 등과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 임의의 형상을 생성하는데 사용될 수 있음을 예기치 않게 발견하였다. 당 업계에 알려진 바와 같이, 곡선으로 이루어진 형상을 위한 종래의 레이저 분리 방법은, 레이저 분리 기술의 시작점 및 레이저 분리 기술의 종료점 (보통 시작점과 동일하거나 실질적으로 동일한 위치)에서 다량의 용융 물질을 생성한다. 이러한 버는 최종 제품의 품질에 악영향을 미치거나 또는 버를 제거하기 위해 부가적인 그라인딩 또는 연마 기술에 적용되어야 한다. 그러나, 본 개시에 따른 대표적인 레이저 방법은, 이러한 버를 결과하지 않는 것을 예기치 않게 확인하였다.
레이저 빔 초점 라인은, 약 0.1mm 내지 약 10mm, 또는 약 0.5mm 내지 약 5mm의 범위, 예를 들어, 약 1mm, 약 2mm, 약 3mm, 약 4mm, 약 5mm, 약 6mm, 약 7mm, 약 8mm 또는 약 9mm의 길이, 또는 약 0.1mm 내지 약 2mm, 또는 0.1mm 내지 약 1mm의 범위의 길이, 및 약 0.1 microns 내지 약 5 microns의 범위에서 평균 스폿 직경을 가질 수 있다. 구멍 또는 결함 라인 각각은, 0.1 내지 10 microns, 예를 들어, 0.25 내지 5 microns (예를 들어, 0.2-0.75 microns)의 직경을 가질 수 있다.
라인 초점의 발생은, 가우스 레이저 빔을 액시콘 렌즈로 전송함으로써 수행될 수 있으며, 이 경우 가우스-베셀 빔 (Gauss-Bessel beam)으로 알려진 빔 프로파일은 생성된다. 이러한 빔은 가우스 빔보다 훨씬 더 천천히 회절한다 (예를 들어, 수십 microns 이하가 아니라 수백 microns 또는 millimeters의 범위에 대해 단일 미크론 스폿 크기를 유지할 수 있다). 그러므로, 초점의 깊이 또는 물질과의 강한 상호작용의 길이는, 가우스 빔만을 사용할 때보다 훨씬 클 수 있다. 에어리 빔 (Airy beams)과 같은, 다른 형태 또는 천천히 회절하거나 또는 회절하지 않는 빔은 또한 사용될 수 있다.
도 1a-1c에 예시된 바와 같이, 투명 물질, 좀 더 구체적으로는 TFT 유리 조성물을 절단 및 분리하는 방법은, 본질적으로는 초-단 펄스된 레이저 (140)로 가공될 물질 또는 피가공재 (130) 내에 복수의 수직 결함 라인 (120)으로 형성된 단층선 (110)의 생성에 기초한다. 결함 라인들 (120)은, 예를 들어, 유리 시트의 두께를 통해 연장되고, 및 유리 시트의 주 (편평한) 표면에 직각이다. 여기에서 "단층선"은 또한 여기서 "윤곽선"이라고도 한다. 단층선들 또는 윤곽선들은, 도 1a에 예시된 단층선 (110)과 같이, 선형일 수 있지만, 단층선 또는 윤곽선은 또한 곡률 (curvature)을 갖는 비선형일 수 있다. 만곡된 단층선 또는 윤곽선은, 예를 들어, 1차원 대신에 2차원으로 다른 것에 대해 피가공재 (130) 또는 레이저 빔 (140)을 병진 이동시켜 생성될 수 있다. 물질 (130)을 가공하기 위해 선택된 레이저 파라미터 및 물질 특성 (흡수, CTE, 응력, 조성물, 등)에 의존하여, 단층선 (110)의 생성은, 단독으로 자가-분리를 유도하는데 충분할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, CO2 레이저에 의해 생성된 열 응력 또는 인장력/굽힘력 (bending forces)과 같은, 2차 분리 공정은, 필요하지 않다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 복수의 결함 라인은 윤곽선을 한정할 수 있다. 결함 라인을 갖는 분리된 에지 또는 표면은 윤곽선에 의해 한정된다. 결함 라인을 생성하는 유도 흡수는, 3 microns 미만의 평균 직경으로 분리된 에지 또는 표면상에 입자를 생성할 수 있어서, 매우 깨끗한 절단 공정을 결과한다.
몇몇 경우에, 생성된 단층선 (110)은, 물질을 자발적으로 분리하기에 충분하지 않고, 2차 단계는 필요할 수 있다. 천공된 유리 부분은 오븐과 같은 챔버에 배치될 수 있어 유리 부분의 벌크 가열 또는 냉각을 생성하고, 결함 라인을 따라 상기 부분을 분리하기 위한 열 응력을 생성하는 반면에, 이러한 공정은 느릴 수 있고 및 많은 제품 또는 큰 조각 또는 천공된 유리를 수용하기 위해 큰 오븐 또는 챔버가 요구될 수 있다. 원하는 경우, 제2 레이저는, 예를 들어, 열 응력을 생성하여 이를 분리하는데 사용될 수 있다. TFT 또는 디스플레이 유리 조성물의 경우에, 분리는, 단층선의 생성 후에, 물질의 힘 분리 및 열 응력을 생성하기 위해, 기계적 힘의 적용에 의해 또는 열 소스 (예로서, 적외선 레이저, 예를 들어, CO2 레이저)를 이용하여 달성될 수 있다. 또 다른 옵션은 오직 CO2 레이저로 분리를 시작한 다음 수동으로 분리를 마감하는 것이다. 선택적인 CO2 레이저 분리는, 예를 들어, 10.6 microns에서 방출되는 초점을 맞추지 않는 연속파 (cw) 레이저로, 및 작동주기 (duty cycle)를 조절하여 조정된 출력으로, 달성된다. 초점 변화 (즉, 초점을 맞춘 스폿 크기를 포함 및 까지의 초점을 맞추지 않는 정도)는, 스폿 크기를 변화시켜 유도된 열 응력을 변화시키는데 사용된다. 초점을 맞추지 않는 레이저 빔은, 대략 레이저 파장의 크기의 최소, 회절-제한 스폿 크기보다 큰 스폿 크기를 생성하는 레이저 빔을 포함한다. 예를 들어, 1 내지 20mm, 예를 들어, 1 내지 12mm, 3 내지 8mm의 스폿 크기를 갖는 CO2 레이저는 활용될 수 있으며, 예를 들어, CO2 10.6㎛ 파장 레이저는, 천공된 유리 상에 이러한 스폿 크기로 빔을 형성할 수 있다. CO2 레이저 스폿 직경의 몇 가지 예로는, 2mm, 5mm, 7mm, 10mm, 및 20mm이 있다. 9-11 microns 범위에서 방출하는 파장을 갖는 레이저와 같이, 방출 파장이 또한 유리에 의해 흡수되는, 다른 레이저는, 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 100 내지 400 Watts의 출력 수준을 갖는 CO2 레이저는 사용될 수 있고, 및 빔은 결함 라인을 따라 또는 인접하게 50-500 mm/sec의 속도로 스캐닝될 수 있으며, 이는 분리를 유도하기에 충분한 열 응력을 생성한다. 특정 범위 내에서 선택된 정확한 출력 수준, 스폿 크기, 및 스캔 속도는, 물질 사용, 이의 두께, 열팽창계수 (CTE), 탄성 계수에 의존할 수 있는데, 이는 이러한 요인 모두가 주어진 공간 위치에서 특별한 에너지 침착의 속도에 의해 부여된 열 응력의 양에 영향을 미치기 때문이다. 스폿 크기가 너무 작거나 (즉, <1mm), 또는 CO2 레이저 출력이 너무 높거나 (>400W), 또는 스캔 속도가 너무 느리면 (10mm/sec 미만), 유리는 과열될 수 있어, 유리에서 삭마 (ablation), 용융 또는 열적으로 발생된 균열을 생성하며, 이는 이들이 분리된 부분의 에지 강도를 감소시키기 때문에 바람직하지 않다. 바람직하게는, CO2 레이저 빔 스캐닝 속도는, 효율적이고 신뢰할 수 있는 부분 분리를 유도하기 위해, >50 mm/sec이다. 그러나, CO2 레이저로 생성된 스폿 크기가 너무 크거나 (>20mm), 또는 레이저 출력이 너무 낮거나 (<10W, 또는 몇몇 경우에서 <30W), 또는 스캔 속도가 너무 빠르면 (>500mm/sec), 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물 (디스플레이 및/또는 TFT 유리)에서 신뢰성 있는 부분 분리를 유도하기에 너무 낮은 열 응력을 결과하는 불충분한 가열이 발생한다.
예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 전술된 psec 레이저로 천공된, 0.7mm 두께의 Corning Eagle XG® 유리에 대해 부분 분리를 유도하기 위해, 대략 6mm의 유리 표면에서의 스폿 직경 및 250mm/sec의 스캐닝 속도로, 200 Watts의 CO2 레이저 출력은 사용될 수 있다. 예를 들어, 더 두꺼운 Corning Eagle XG® 유리 기판은, 더 얇은 Eagle XG® 기판보다 분리하는데 단위 시간당 더 많은 CO2 레이저 열 에너지를 요구할 수 있거나, 또는 더 낮은 CTE를 갖는 유리는 더 높은 CTE를 갖는 유리보다 분리하는데 더 많은 CO2 레이저 열 에너지를 요구할 수 있다. 절취선에 따른 분리는, CO2 스폿이 주어진 위치를 통과한 후에, 매우 빠르게 (1초 미만), 예를 들어, 100 milliseconds 내, 50 milliseconds 내, 또는 25 milliseconds 내에서 발생할 것이다.
몇몇 유리의 경우, 단층선 (110)의 방향을 따라 인접한 결함 라인들 (120) 사이에, 거리 또는 주기성은, 0.1 microns 초과 또는 약 20 microns 이하일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 유리의 경우, 인접한 결함 라인 (120) 사이에 주기성은, 0.5 내지 15 microns, 또는 3 내지 10 microns, 또는 0.5 microns 내지 3.0 microns일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 유리에서, 인접한 결함 라인 (120) 사이에 주기성은, 0.5 microns 내지 1.0 microns일 수 있다. 그러나, 여기에 개시된 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물, 특히 0.5mm 두께의 더 큰 두께인 경우, 인접한 결함 라인들 (120) 사이에 주기성은, 바람직하게는 >5 microns, 및 더욱더 바람직하게는 5-15 microns일 수 있다.
결함 라인을 생성하는 몇 가지 방법이 있다. 라인 초점을 형성하는 광학적 방법은, 고강도의 선형 영역을 형성하기 위해, 도넛형 레이저 빔 및 구형 렌즈, 액시콘 렌즈, 회절 소자, 또는 다른 방법을 사용하여, 다중 형태를 취할 수 있다. 비선형 광학 효과를 통해, 기판 물질 또는 유리 피가공재의 파괴를 생성하도록 초점의 영역에서 기판 물질의 파괴를 생성하기에 충분한 광학 강도가 도달하는 한, 레이저 (피코초, 펨토초, 등) 및 파장 (IR, 녹색, UV, 등)의 타입은 또한 변화될 수 있다. 바람직하게는, 레이저는 주어진 버스트 내의 펄스의 수를 조정하여 시간에 따른 에너지 침착의 조절을 가능하게 하는 펄스 버스트 레이저이다.
본 출원에서, 초-단 펄스된 레이저는, 일관성 있고, 조절 가능하며 및 반복 가능한 방식으로, 높은 종횡비의 수직 결함 라인을 생성하는데 사용된다. 이 개념의 핵심은, 광학기기를 사용하여 투명한 부분 내에 고강도 레이저 빔의 라인 초점을 생성하는 데 있다. 이 개념의 하나의 버전은, 초-단 (picoseconds 또는 femtosecond 지속기간) 베셀 빔을 사용하여 높은 종횡비의, 테이퍼-없는 마이크로채널 (taper-free microchannels)의 영역을 생성하도록 광학 렌즈 어셈블리에서 액시콘 렌즈 소자를 사용하는 데 있다. 다시 말하면, 액시콘은 원통형 및 높은 종횡비 (가늘고 긴 길이 및 작은 직경)의 고강도 영역으로 레이저 빔을 집중시킨다. 집중된 레이저 빔으로 생성된 고강도로 인해, 레이저의 전자기장과 기판 물질의 비선형 상호작용은 일어나고 및 레이저 에너지는 기판으로 전달되어 단층선을 구성하는 결함의 형성을 달성한다. 그러나, 레이저 에너지 강도가 높지 않은 물질의 구역 (예를 들어, 중심 수렴선 (convergence line)을 감싸는 기판의 유리 부피)에서, 물질은 레이저에 투명하고 및 레이저로부터 물질로 에너지를 전달하기 위한 메커니즘이 없다는 것을 인식하는 것이 중요한다. 결과적으로, 레이저 강도가 비선형 임계값 아래에 있을 때, 유리 또는 피가공재는 아무런 변화가 없다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 물질을 레이저 가공하는 방법은, 펄스된 레이저 빔 (2)을 빔 전파 방향을 따라 지향된 레이저 빔 초점 라인 (2b)으로 초점 조정하는 단계를 포함한다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 레이저 (3) (미도시)는, 광학 어셈블리 (6)에 입사되는 부분 (2a)을 갖는, 레이저 빔 (2)을 방출한다. 광학 어셈블리 (6)는 입사된 레이저 빔을 빔 방향을 따라 한정된 확장 범위 (초점 라인의 길이 l)에 걸쳐 출력 측에서 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)으로 전환시킨다. 평면 기판 (1)은, 레이저 빔 (2)의 레이저 빔 초점 라인 (2b)이 적어도 부분적으로 중첩되도록 빔 경로 내에 위치된다. 레이저 빔 초점 라인은 기판 내로 이렇게 향하게 된다. 참조 번호 (1a)는 광학 어셈블리 (6) 또는 레이저와 각각 마주하는 평면 기판의 표면을 지명하며, 참조 부호 (1b)는 기판 (1)의 뒷면을 지명한다. 치수를 갖는 기판 또는 피가공재 두께 (본 실시 예에서, 평면 (1a 및 1b), 즉, 기판 평면에 수직으로 측정됨)는 d로 표시된다. 기판 또는 피가공재는 또한 물질로 언급될 수 있으며, 및 예를 들어, 레이저 빔 (2)의 파장에 대해 실질적으로 투명한 유리 제품일 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판 (1) (또는 유리 복합 피가공재)은, 종 방향의 빔 축에 수직으로, 따라서 광학 어셈블리 (6) (기판은 도면의 평면에 수평)에 의해 생성된 동일한 초점 라인 (2b) 뒤에 정렬된다. 초점 라인은 빔 방향을 따라 지향되거나 정렬되며, 기판은 초점 라인 (2b)이 기판의 표면 (1a) 전에 시작하여 기판의 표면 (1b) 전에 정지하는 방식으로, 즉, 여전히 초점 라인 (2b)이 기판 내에서 종결되고 표면 (1b)을 넘어 연장되지 않는 방식으로, 초점 라인 (2b)에 대해 위치된다. 기판 (1)과 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 중첩 구역, 즉, 초점 라인 (2b)에 의해 덮인 기판 물질에서, 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)은, (레이저 빔 초점 라인 (2b)을 따라 적절한 레이저 강도가, 길이 (l)의 섹션, 즉, 길이 (l)의 라인 초점 상에 레이저 빔 (2)의 초점 조정에 의해 보장되는, 전제하에서) 유도 흡수가 기판 물질에서 발생되는, (길이방향의 빔 방향을 따라 정렬된) 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)을 발생시킨다. 유도 흡수는 섹션 (2c)를 따라 기판 물질에서 결함 라인 형성을 생성한다. 결함 라인은, 다중 레이저 펄스의 단일의 고에너지 버스트를 사용하여 발생된 실질적으로 투명한 물질, 기판, 또는 피가공재 내에 초소형의 (예를 들어, 직경이 >100 nm 및 <0.5 microns) 가늘고 긴 "구멍" (또한, 소위 천공 또는 결함 라인이라 한다)이다. 개별 천공은, 예를 들어, 수백 kilohertz (초당 수십만 개의 천공)의 속도로 생성될 수 있다. 소스와 물질 사이의 상대적인 이동으로, 이러한 천공은, 서로 인접하게 배치될 수 있다 (원하는 대로 서브-microns으로부터 수 microns까지 변화하여 공간 분리됨). 이 공간 분리 (피치)는, 물질 또는 피가공재의 분리를 용이하게 하기 위해 선택될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 결함 라인은, 실질적으로 투명한 물질의 상부에서 하부로 연장된 구멍 또는 개방 채널인, "관통 구멍 (through hole)"이다. 결함 라인 형성은, 국소적일 뿐만 아니라 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)의 전체 길이에 걸쳐있다. (레이저 빔 초점 라인 (2b)과 기판 (1)의 중첩의 길이에 상응하는) 섹션 (2c)의 길이는, 참조번호 L로 표시된다. 유도 흡수의 섹션 (2c) (또는 결함 라인이 형성되는 기판 (1)의 물질 내에 섹션)의 평균 직경 또는 범위는 참조 번호 D로 표시된다. 이 평균 넓이 (D)는, 기본적으로 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 평균 직경 (δ), 즉, 약 0.1 microns 내지 약 5 microns의 범위에서 평균 스폿 직경에 상응한다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, (레이저 빔 (2)의 파장 (λ)에 대해 투명한) 기판 물질은, 초점 라인 (2b) 내의 레이저 빔의 고강도와 관련된 비선형 효과로 발생하는 초점 라인 (2b)을 따라 유도 흡수에 기인하여 가열된다. 도 2b는, 가열된 기판 물질이 결국 확장하여서 상응하는 유도된 장력이, 표면 (1a)에서 가장 높은 장력으로, 미세-균열 형성을 유도하는 것을 예시한다.
레이저 소스의 선택은, 투명한 물질에서 다-광자 흡수 (MPA)를 생성하는 능력에 기인하게 된다. MPA는, 하나의 상태 (보통 기저 상태)로부터 높은 에너지 전자 상태 (이온화)로 분자를 여기시키기 위해 동일하거나 다른 주파수의 둘 이상의 광자의 동시 흡수이다. 분자의 관련된 하단 및 상단 상태 사이에 에너지 차이는 두 광자의 에너지의 합과 같을 수 있다. 또한, 유도 흡수라고도 불리는 MPA는, 예를 들어, 선형 흡수보다 수 자릿수 배로 더 약한, 2차 또는 3차 공정, 또는 고-차 공정일 수 있다. MPA는, 유도 흡수의 강도가, 예를 들어, 빛의 강도 자체에 비례하지 않고, 빛의 강도의 제곱 또는 세제곱 (또는 더 높은 거듭 제곱식 (power law))에 비례할 수 있다는 점에서 선형 흡수와 다르다. 따라서, MPA는 비선형 광학 공정이다.
초점 라인 (2b)을 발생하기 위해 적용될 수 있는, 대표적인 광학 어셈블리들 (6), 뿐만 아니라 이들 광학 어셈블리들이 적용될 수 있는, 대표적인 광학 장비 (setups)는 이하 기재된다. 모든 어셈블리 또는 장비는, 전술된 설명을 기반으로 하므로, 동일한 구성요소 또는 특색들 또는 기능이 동일한 것에 대해 동일한 참조 번호가 사용된다. 따라서, 이하 차이점만 기재된다.
분리가 발생하는, 분리된 부분의 표면의 (파괴 강도, 기하학적 정밀도, 거칠기 및 재-가공 요건의 회피와 관련한) 고품질을 보장하기 위해, 분리의 선을 따라 기판 표면상에 위치된 개별 초점 라인은, 후술하는 광학 어셈블리 (이후, 광학 어셈블리는 선택적으로 레이저 광학기기라고도 함)를 사용하여 발생되어야 한다. 분리된 표면 (또는 절단 에지)의 거칠기는, 특히 초점 라인의 스폿 크기 또는 스폿 직경으로부터 결과한다. 예를 들어, 0.25 내지 1 microns일 수 있는, 분리된 (절단된) 표면의 거칠기는, 예를 들어, Ra 표면 거칠기 통계 (초점 라인의 스폿 직경으로부터 결과하는 범프 (bumps)의 높이를 포함하는, 샘플 표면의 높이의 절대 값의 거칠기 산술 평균)을 특징으로 할 수 있다. (기판 (1)의 물질과 상호작용하는) 레이저 (3)의 주어진 파장 (λ)의 경우에서, 예를 들어, 0.5 microns 내지 2 microns의 작은 스폿 크기를 달성하기 위해서, 특정 요건은 보통 레이저 광학기기 (6)의 개구 수 (numerical aperture)에 대해 부과되어야 한다. 이러한 요건은 하기 기재된 레이저 광학기기 (6)에 의해 충족된다.
요구된 개구 수를 달성하기 위해, 광학 기기는, 한편으로는, 공지된 아베 (Abbe) 공식에 따라, 주어진 초점 길이에 대해 요구되는 개구부 (opening)를 없애야 한다 (N.A. = n sin (theta), n: 가공될 유리 또는 복합 피가공재의 굴절률, sin: 개구 각도의 반; 및 theta = arctan (D/2f); D: 유효 구경, f: 초점 거리). 반면에, 레이저 빔은, 통상적으로 레이저와 초점 조정 광학기기 사이에 확대된 망원경을 사용하여 빔 확대의 수단에 의해 달성될 수 있는, 요구된 애퍼처 (aperture)까지 광학기기를 조명해야 한다.
초점 라인을 따라 균일한 상호작용의 목적을 위해 스폿 크기는 너무 강하게 변하지 않아야 한다. 이는, 예를 들어, 빔 개구부 및 그에 따른 개구 수의 퍼센트가 약간만 변하도록, 작은 원형 구역에서만 초점 조정 광학기구를 조명하여 (이하 구체 예를 참조) 보장될 수 있다.
도 3a에 따르면 (레이저 방사선 (2)의 레이저 빔 번들 내에 중심 빔의 수준에서 기판 평면에 수직인 단면; 여기에서, 역시, 레이저 빔 (2)은 기판 평면에 수직으로 입사, 즉, 초점 라인의 입사각은, 유도 흡수 (2c)의 넓은 범위에 걸친 섹션 또는 초점 라인 (2b)이 기판 법선과 평행하도록, 약 0°임), 레이저 (3)에 의해 방출된 레이저 방사선 (2a)은, 먼저 사용된 레이저 방사선에 대해 완전히 불투명한 원형 개구 (8) 상으로 향하게 된다. 개구 (8)는, 종 방향의 빔 축에 수직으로 지향되고 및 도시된 빔 번들 (2a)의 중심 빔에 대해 중심에 둔다. 개구 (8)의 직경은, 빔 번들 (2a)의 중심 근처의 빔 번들 또는 중심 빔 (여기서는 2aZ로 표기됨)이 상기 개구를 타격하고 및 그것에 의해 완전히 흡수되는 방식으로 선택된다. 빔 번들 (2a)의 외부 둘레 범위 (여기에서 2aR로 표시된, 주변 광선 (marginal rays))에서 빔만이 빔 직경에 비해 감소된 개구 크기로 인해 흡수되지 않고, 개구 (8)를 측면으로 통과하며, 및 이 구체 예에서, 구형으로 절단된, 양면 볼록 렌즈 (7)로서 설계된, 광학 어셈블리 (6)의 초점 조정 광학 소자의 주변 지역 (marginal areas)을 타격한다.
도 3a에 예시된 바와 같이, 레이저 빔 초점 라인 (2b)은, 레이저 빔에 대한 단일 초점뿐만 아니라, 레이저 빔 내에 다른 광선에 대한 일련의 초점이다. 일련의 초점은, 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 길이 (l)로서 도 3a에 나타낸, 한정된 길이의 가늘고 긴 초점 라인을 형성한다. 렌즈 (7)는, 중심 빔 상에 중심을 두고 있으며, 및 보통, 구형 절단 렌즈의 형태로 비-교정된, 양면 볼록 초점 조정 렌즈로서 설계된다. 이러한 렌즈의 구면 수차 (spherical aberration)는 유리할 수 있다. 선택적으로, 이상적인 초점을 형성하지는 않지만, 한정된 길이의 뚜렷하고, 가늘고 긴 초점 라인을 형성하는, 이상적으로 보정된 시스템으로부터 벗어난 비구면 또는 다중-렌즈 시스템은 또한 사용될 수 있다 (즉, 단일 초점을 갖지 않는 렌즈 또는 시스템). 따라서, 렌즈의 존들은, 렌즈 중심으로부터의 거리를 조건으로, 초점 라인 (2b)을 따라 초점을 맞춘다. 빔 방향을 가로지르는 개구 (8)의 직경은, (피크 강도의 1/e로 감소하는데 빔의 강도에 대해 요구된 거리로 한정된) 빔 번들의 직경의 약 90%이고 및, 광학 어셈블리 (6)의 렌즈의 직경의 약 75%이다. 따라서, 중심에서 빔 번들을 차단하여 발생된 비-수차-보정된 구면 렌즈 (7)의 초점 라인 (2b)은 사용된다. 도 3a는 중심 빔을 통한 일 평면 내에 섹션을 나타내고, 및 도시된 빔이 초점 라인 (2b) 주변으로 회전될 때 완전한 3차원 번들은 보일 수 있다.
이 타입의 초점 라인의 하나의 잠재적인 단점은, 초점 라인을 따라 (따라서 물질의 원하는 깊이를 따라) 변할 수 있고, 및 따라서 원하는 타입의 상호작용 (균열 형성까지 열-소성 변형, 유도 흡수, 용융 없음)은, 초점 라인의 선택된 부분에서만 발생할 수 있다. 이것은 결국 아마 입사되는 레이저 광의 일부만이 기판 물질에 의해 원하는 방식으로 흡수될 수 있음을 의미한다. 이러한 방식으로, 공정의 효율 (원하는 분리 속도에 대해 요구된 평균 레이저 출력)은 손상될 수 있고, 및 레이저 광은 또한 원하지 않는 영역 (기판 또는 기판 고정 치공구에 부착된 부분 또는 층)으로 전달될 수 있으며, 및 원하지 않는 방식 (예를 들어, 가열, 확산, 흡수, 원치 않는 변형)으로 이들과 상호작용할 수 있다.
도 3b-1 내지 도 3b-4는, 레이저 빔 초점 라인 (2b)의 위치가 기판 (1)에 대해 광학 어셈블리 (6)를 적절하게 위치 설정하고 및/또는 정렬하여 뿐만 아니라 광학 어셈블리 (6)의 파라미터를 적절히 선택하여 조절될 수 있음을 (도 3a에서의 광학 어셈블리뿐만 아니라 기본적으로 임의의 다른 적용 가능한 광학 어셈블리 (6)에 대해) 나타낸다. 도 3b-1에 예시된 바와 같이, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 그것이 기판 두께 (d) (여기서 2배 만큼)를 초과하는 방식으로 조정될 수 있다. 기판 (1)이 초점 라인 (2b)의 중심에 (종 방향의 빔 방향으로 보았을 때) 배치되면, 유도 흡수 (2c)의 넓은 범위에 걸친 섹션은, 전체 기판 두께에 걸쳐 발생된다. 레이저 빔 초점 라인 (2b)은, 예를 들어, 약 0.01mm 내지 약 100mm 범위 또는 약 0.1mm 내지 약 10mm의 범위에서 길이 (l)를 가질 수 있다. 다양한 구체 예는, 예를 들어, 약 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm 내지 5mm, 예를 들어, 0.5mm, 0.7mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 또는 5mm의 길이 (l)를 갖도록 구성될 수 있다.
도 3b-2에 나타낸 경우에서, 기판 두께 (d)에 거의 상응하는, 길이 (l)의 초점 라인 (2b)은, 발생된다. 기판 (1)은, 라인 (2b)이 기판 외부의 지점에서 시작하는 방식으로 라인 (2b)에 대해 위치되기 때문에, (기판 표면으로부터 한정된 기판 깊이까지 연장되지만, 반대 기판 (1b)까지 연장되지 않는) 유도 흡수의 넓은 범위에 걸친 섹션 (2c)의 길이 (l)는, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)보다 작다. 도 3b-3은, 도 3b-2에서와 같이, 라인 (2b)의 길이 (l)가 기판 (1) 내에 유도 흡수의 섹션 (2c)의 길이 (L)보다 크도록, (빔 방향에 수직인 방향을 따라 본) 기판 (1)이, 초점 라인 (2b)의 시작점 위에 위치된 경우를 나타낸다. 따라서, 초점 라인은, 기판 내에서 시작하고 및 반대 표면 (1b)을 넘어 연장된다. 도 3b-4는, - 입사의 방향에서 본 초점 라인에 대한 기판의 중심 위치 결정의 경우 - 초점 라인이 기판 내에 표면 (1a) 근처에서 시작하고 및 기판 내에 표면 (1b) 근처에서 끝나도록 (예를 들어, l = 0.75·d), 초점 라인 길이 (l)가 기판 두께 (d)보다 작은 경우를 나타낸다.
이것은, 유도 흡수의 섹션 (2c)이 기판의 적어도 하나의 표면에서 시작되도록, 표면 (1a, 1b) 중 적어도 하나가 초점 라인에 의해 덮여지는, 방식으로 초점 라인 (2b)을 위치시키는데 특히 유리하다. 이러한 방식에서, 표면에서 삭마, 페더링 (feathering) 및 미립자화 (particulation)를 피하면서 사실상 이상적인 절단을 달성하는 것이 가능하다.
도 4는 또 다른 적용 가능한 광학 어셈블리 (6)를 도시한다. 기본 구성은 도 3a에 기재된 것을 따르고, 이하 차이점들만이 하기에 기재된다. 도시된 광학 어셈블리는 한정된 길이 (l)의 초점 라인이 형성되는 방식으로 형성된, 초점 라인 (2b)을 발생하기 위해 비-구면 자유 표면을 갖는 광학기기의 사용을 기반으로 한다. 이 목적을 위해, 비구면은 광학 어셈블리 (6)의 광학 소자로서 사용될 수 있다. 도 4에서, 예를 들어, 액시콘으로 종종 언급되는, 소위 원추 프리즘 (conical prism)은 사용된다. 액시콘은, 광학 축을 따라 선상에 스폿 소스를 형성하는 (또는 레이저 빔을 링으로 변환시키는) 특수, 원뿔형 절단 렌즈이다. 이러한 액시콘의 레이아웃은, 일반적으로 당업자에게 공지되어 있고; 본 실시 예에서 콘 각 (cone angle)은 10°이다. 액시콘 원뿔 각도의 다른 범위는 또한 활용될 수 있다. 여기서 참조 번호 9로 표시된 액시콘의 정점은, 입사 방향으로 향하게 되고 및 빔 중심에 중심을 둔다. 액시콘 (9)에 의해 생성된 초점 라인 (2b)이 그 내부에서 시작되기 때문에, (여기서 주 빔 축에 수직으로 정렬된) 기판 (1)은 액시콘 (9) 바로 뒤에 있는 빔 경로에 위치될 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 초점 라인 (2b)의 범위 내에 머물면서 액시콘의 광학 특성으로 인해 빔 방향을 따라 기판 (1)을 이동시키는 것도 가능하다. 따라서, 기판 (1)의 물질에서 유도 흡수의 섹션 (2c)은 전체 기판 깊이 (d)에 걸쳐 연장된다.
그러나, 도시된 레이아웃은, 다음과 같은 제한 사항을 조건으로 한다: 액시콘 (9)에 의해 형성된 초점 라인 (2b)의 영역은 액시콘 (9) 내에서 시작되기 때문에, 레이저 에너지의 상당 부분은, 액시콘 (9)과 기판 또는 유리 복합 피가공재 물질 사이에 구분이 있는 위치에서, 물질 내 위치된, 초점 라인 (2b)의 유도 흡수의 섹션 (2c)으로 집중되지 않는다. 더군다나, 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 액시콘 (9)의 굴절률 및 콘 각을 통한 빔 직경과 관련된다. 그래서, 상대적으로 얇은 물질 (수 millimeters)의 경우, 전체 초점 라인은 기판 또는 유리 복합 피가공재 두께보다 훨씬 길어서, 레이저 에너지의 상당 부분이 물질에 집중되지 않는 효과를 갖는다.
이러한 이유 때문에, 액시콘 및 초점 조정 렌즈 (focusing lens)를 모두 포함하는 광학 어셈블리 (6)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 도 5a는 이러한 광학 어셈블리 (6)를 도시하며, 여기서 넓은 범위에 걸친 레이저 빔 초점 라인 (2b)을 형성하도록 설계된 비-구형 자유 표면을 갖는 제1 광학 소자는 레이저 (3)의 빔 경로 내에 위치된다. 도 5a에 나타낸 경우에서, 이 제1 광학 소자는, 5°의 콘 각을 갖는 액시콘 (10)이고, 이는 빔 방향에 수직하게 배치되고 및 레이저 빔 (3)상에 중심을 둔다. 액시콘의 정점은 빔 방향으로 지향된다. 제2, 초점 조정 광학 소자, 여기서 평면-볼록 렌즈 (11) (이의 곡률은 액시콘으로 지향됨)는, 액시콘 (10)으로부터 거리 (z1)에서 빔 방향 내에 위치된다. 이 경우에서 대략 300mm인, 거리 (z1)는, 액시콘 (10)에 의해 형성된 레이저 방사선이 렌즈 (11)의 외부 방사상 부분에 원형으로 입사하는 방식으로 선택된다. 렌즈 (11)는, 이 경우 1.5 mm인, 한정된 길이의 초점 라인 (2b)상에, 이 경우 렌즈 (11)로부터 약 20 mm인, 거리 (z2)에서 출력 측에 원형 방사선을 집중시킨다. 렌즈 (11)의 유효 초점 길이는, 이 구체 예에서, 25 mm이다. 액시콘 (10)에 의한 레이저 빔의 원형 변환은 참조 번호 SR로 표시된다.
도 5b는, 도 5a에 따른 기판 (1)의 물질에서 초점 라인 (2b) 또는 유도 흡수 (2c)의 형성을 도시한다. 양 소자 (10, 11)의 광학 특징뿐만 아니라 이들의 위치 설정은, 빔 방향에서 초점 라인 (2b)의 길이 (l)가 기판 (1)의 두께 (d)와 정확히 일치하는 방식으로 선택된다. 결과적으로, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 빔 방향을 따라 기판 (1)의 정확한 위치 설정은, 기판 (1)의 두 표면들 (1a 및 1b) 사이에서 정확히 초점 라인 (2b)을 위치시키기 위해 요구된다.
따라서, 초점 라인이 레이저 광학기기로부터 특정 거리에 형성되고, 및 레이저 방사선의 대부분이 초점 라인의 원하는 단부까지 집중되는 경우에 유리하다. 기재된 바와 같이, 이는, 한편으로는, 요구된 개구 수 및 따라서 요구된 스폿 크기를 실현하는 역할을 하며, 및, 그러나, 다른 한편으로는, 기본적으로 원형 스폿이 형성됨에 따라, 확산의 원이, 스폿의 중심에서 매우 짧은 거리 이상의 요구된 초점 라인 (2b) 이후에 강도가 감소하는, 특정 외부 방사상 영역에 걸쳐 오직 원형 (환형)으로 주로 초점조정 소자 (11) (렌즈)를 조명함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 결함 라인 형성은 요구된 기판 깊이에서 짧은 거리 내에서 정지된다. 액시콘 (10) 및 초점 조정 렌즈 (11)의 조합은 이러한 요건을 충족시킨다. 액시콘은 두 가지 다른 방식으로 작용한다: 액시콘 (10)으로 인해, 보통 둥근 레이저 스폿이 링의 형태로 초점 조정 렌즈 (11)에 보내지며, 및 액시콘 (10)의 비구면성 (asphericity)은, 초점 라인이 초점 평면에서 초점 대신에 렌즈의 초점 평면을 넘어 형성되는 효과를 갖는다. 초점 라인 (2b)의 길이 (l)는, 액시콘에 대한 빔 직경을 통해 조정될 수 있다. 다른 한편으로는, 초점 라인을 따라 개구 수는, 거리 (z1) 액시콘-렌즈 및 액시콘의 콘 각을 통해 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 레이저 에너지는 초점 라인에 집중될 수 있다.
결함 라인 형성이 기판의 뒷면으로 계속되도록 의도된다면, 원형 (환형) 조명은 여전히, (1) 대부분의 레이저 광이 초점 라인의 요구된 길이에서 집중되는 의미에서 레이저 출력은 최적으로 사용되고, 및 (2) 다른 광학 기능의 수단에 의해 설정된 원하는 수차 (aberration)와 연관하여 원형으로 조명된 존에 기인하여 초점 라인을 따라 균일한 스폿 크기를 달성하는 것이 가능하고 - 및 따라서 초점 라인을 따라 기판으로부터 부분의 균일한 분리를 달성하는 것이 가능한 - 장점을 갖는다.
도 5a에 도시된 평면-볼록 렌즈 대신에, 초점 조정 메니스커스 렌즈 (meniscus lens) 또는 다른 고도로 보정된 초점 조정 렌즈 (비구면, 다중-렌즈 시스템)를 사용하는 것이 또한 가능하다.
도 5a에 도시된 액시콘 및 렌즈의 조합을 사용하여 매우 짧은 초점 라인 (2b)을 발생하기 위해, 액시콘에 입사되는 레이저 빔의 매우 작은 빔 직경을 선택하는 것이 필요할 것이다. 이것은 액시콘의 정점으로 빔의 중심 맞춤이 매우 정확해야 하며, 및 그 결과가 레이저의 방향 변화 (빔 드리프트 안정도 (beam drift stability))에 매우 민감한 실질적인 단점을 갖는다. 더군다나, 촘촘히 조준된 (tightly collimated) 레이저 빔은 매우 발산적인데, 즉, 광 편향으로 인해 빔 번들은 짧은 거리에 걸쳐 흐릿해진다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 두 영향은, 광학 어셈블리 (6)에서, 또 다른 렌즈인, 조준 렌즈 (12)를 포함하여 회피될 수 있다. 부가적인 정의 렌즈 (positive lens) (12)는, 초점 조정 렌즈 (11)의 원형 조명을 매우 촘촘히 조정하는 역할을 한다. 조준 렌즈 (12)의 초점 길이 (f')는, (f')과 동일한, 원하는 원형 직경 (dr)이 액시콘으로부터 조준 렌즈 (12)까지의 거리 (z1a)로부터 결과하는 방식으로 선택된다. 링의 원하는 폭 (br)은, (조준 렌즈 (12)로부터 초점 조정 렌즈 (11)까지의) 거리 (z1b)를 통해 조정될 수 있다. 순수 기하학의 문제로서, 작은 폭의 원형 조명은, 짧은 초점 라인을 초래한다. 최소값은 거리 (f')에서 달성될 수 있다.
따라서, 도 6에 도시된 광학 어셈블리 (6)는, 도 5a에 도시된 것에 기초하며, 이하 오직 차이점만이 기재된다. (빔 방향을 향하여 이의 곡률을 갖는) 평면-볼록 렌즈로서 여기에 또한 설계된, 조준 렌즈 (12)는, 일 측면 상에, (빔 방향을 향하여 이의 정점을 갖는) 액시콘 (10)과, 다른 측면 상에, 평면-볼록 렌즈 (11) 사이에 빔 경로에서 중심으로 부가적으로 배치된다. 액시콘 (10)으로부터 조준 렌즈 (12)의 거리는 z1a로 지칭되며, 조준 렌즈 (12)로부터 초점 조정 렌즈 (11)의 거리는 z1b로, 및 초점 조정 렌즈 (11)로부터 초점 라인 (2b)의 거리는 z2 (항상 빔 방향에서 본)로 지칭된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 조준 렌즈 (12)에 대한 원형 직경 (dr) 아래로 분기적으로 입사되는, 액시콘 (10)에 의해 형성된 원형 방사선 (SR)은, 초점 조정 렌즈 (11)에서 적어도 대략 일정한 원형 직경 (dr)에 대해 거리 (z1b)를 따라 요구된 원형 폭 (br)으로 조정된다. 나타낸 경우에서, 매우 짧은 초점 라인 (2b)은, 렌즈 (12)에서 대략 4mm의 원형 폭 (br)이 렌즈 (12)의 초점 조정 특성에 기인하여 (원형 직경 (dr)은 본 실시 예에서 22mm임) 렌즈 (11)에서 대략 0.5 mm로 감소되는 것으로 발생되도록 의도된다.
도시된 실시 예에서, 2mm의 통상적인 레이저 빔 직경, 초점 길이 (f) = 25mm를 갖는 초점 조정 렌즈 (11), 초점 길이 (f') = 150 mm를 갖는 조준 렌즈, 및 선택 거리 Z1a = Z1b = 140 mm 및 Z2 = 15 mm을 사용하여, 0.5 mm 미만의 초점 라인 (l)의 길이를 달성하는 것이 가능하다.
또한, 도 7a-7c는, 다른 레이저 강도 레짐에서 레이저-물질 상호작용 (laser-matter interaction)을 예시한다. 도 7a에 나타낸, 제1 경우에서, 초점을 맞추지 않는 레이저 빔 (710)은, 기판에 임의의 변형을 도입하지 않고 투명 기판 (720)을 통과한다. 이 특정 경우에서, 비선형 효과는 레이저 에너지 밀도 (또는 빔에 의해 조사되는 단위 면적당 레이저 에너지)가 비선형 효과를 유도하는데 필요한 임계치 이하이기 때문에 존재하지 않는다. 에너지 밀도가 높을수록, 전자기장의 강도는 높아진다. 따라서, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔이 구면 렌즈 (730)에 의해 더 작은 스폿 크기로 초점 조정되는 경우, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 조명된 구역은 감소되고, 및 에너지 밀도는 증가하여, 물질을 변형시키는 비선형 효과를 촉발시켜 그 조건이 만족되는 용적에서 오직 단층선의 형성을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 초점 조정된 레이저 (focused laser)의 빔 허리 (beam waist)가 기판의 표면에 위치되면, 표면의 변형은 발생할 것이다. 대조적으로, 초점 조정된 레이저의 빔 허리가 기판의 표면 아래에 위치되는 경우, 에너지 밀도는 비선형 광학 효과의 임계값 아래에 있어 표면에서 아무 일도 일어나지 않는다. 그러나, 기판 (720)의 벌크에 위치된 초점 (740)에서, 레이저 강도는 다-광자 비-선형 효과를 유발할 정도로 충분히 높아서, 따라서 물질에 손상을 유도한다. 마지막으로, 도 7c에 나타낸 바와 같은, 액시콘의 경우에서, 액시콘 렌즈 (750), 또는 선택적으로 프레넬 액시콘의 회절 패턴은, 베셀-형상 강도 분포 (고강도의 실린더형 (760))를 발생하는 간섭을 생성하고, 및 오직 그 용적에서 충분히 높은 강도가 물질 (720)에 대한 변형 및 비선형 흡수를 생성한다. 베셀-형상 강도 분포가 물질에 대한 변형 및 비선형 흡수를 생성하기에 충분히 높은, 실린더형 (760)의 직경은 또한, 여기서 언급된 바와 같은, 레이저 빔 초점 라인의 스폿 직경이다. 베셀 빔의 스폿 직경 (D)은 D = (2.4048λ)/(2πB)로 표시될 수 있는데, 여기서 λ는 레이저 빔 파장이고 및 B는 액시콘 각도의 함수이다.
레이저 및 광학 시스템.
몇몇 대표적인 구체 예에 따르면, 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 조성물을 절단하기 위한 목적으로, 라인-초점 빔 (line-focus beam) 형성 광학기기와 조합하여 다중 펄스의 버스트를 생성하는 피코초 펄스 레이저 (예를 들어, 1064 nm 또는 532 nm 피코초 펄스 레이저)는, 유리 조성물에 손상의 라인 (결함 라인)을 생성하는데 사용될 수 있다 (그러나, 다른 펄스 레이저가 또한 활용될 수 있음에 주의해야 한다).
예를 들어, 최대 0.7 mm의 두께를 갖는 디스플레이/TFT 유리 조성물은, 그것이 광학기기에 의해 생성된 초점 라인의 영역 내에 있도록 위치된다. 약 1mm 길이의 초점 라인, 유리 조성물에서 측정된 200kHz의 버스트 반복률 (약 120 microJoules/버스트 이상)에서 약 24W 이상의 출력을 생성하는 1064 nm 피코초 레이저를 사용하여, 초점 라인 영역에서 광학 강도는, 유리 조성물에서 비-선형 흡수를 생성하는데 충분히 높다. 펄스된 레이저 빔은, 물질의 두께 mm당 40 microJoules 초과의, 물질에서, 측정된 평균 레이저 버스트 에너지를 가질 수 있다. 몇몇 유리의 경우, 에너지 밀도가, 절취선 또는 절단 에지에 직각인 미세균열의 정도를 최소화하면서, 유리를 통해 빈틈없는 손상 트랙을 만들기에 충분히 강하기 때문에, 사용된 평균 레이저 버스트 에너지는, 물질의 mm 두께당 2500 μJ 만큼 높은, 예를 들어, 40-2500 μJ/mm, 디스플레이/TFT 타입유리에 대해 바람직하게는 400-1300 μJ/mm (및 좀 더 바람직하게는 550 내지 1000 μJ/mm)일 수 있다. 이러한 mm당 "평균 펄스 버스트 레이저 에너지"는 또한, 버스트-당, 평균의, 선형 에너지 밀도, 또는 물질 두께 mm당 레이저 펄스 버스트 당 평균 에너지를 의미할 수 있다. 유리 조성물 내에서 손상, 삭마, 기화, 또는 변형된 물질의 영역은, 대체로 레이저 빔 초점 라인에 의해 생성된 높은 광학 강도의 선형 영역을 따라 생성된다.
여기에 기재된 이러한 피코초 레이저의 통상적인 작동은, 펄스 (500A)의 "버스트" (500)를 생성하는 점에 주의된다 (예를 들어, 도 8a 및 8b 참조). 각 "버스트" (여기서 또한 "펄스 버스트" (500)라고도 함)는, 매우 짧은 지속기간의 다수의 개별 펄스들 (500A) (적어도 5 펄스, 적어도 7 펄스, 적어도 8 펄스, 적어도 9 펄스, 적어도 10 펄스, 적어도 15 펄스, 적어도 20의 펄스, 또는 그 이상의 펄스)를 함유한다. 즉, 펄스 버스트는 펄스의 "포켓 (pocket)"이며, 버스트는, 각 버스트 내에서 개별적으로 인접한 펄스의 분리보다 더 긴 지속시간에 의해 서로 분리된다. 본 발명자들은 디스플레이 유리/TFT 유리 조성물을 절단 또는 천공하기 위해 버스트 당 펄스의 수가 5-20이 바람직할 수 있다는 것을 발견했다. 펄스 (500A)는 100 psec까지 (예를 들어, 0.1 psec, 5 psec, 10 psec, 15 psec, 18 psec, 20 psec, 22 psec, 25 psec, 30 psec, 50 psec, 75 psec 또는 이들 사이)의 펄스 지속시간 (Td)를 갖는다. 버스트 내에 각 개별 펄스 (500A)의 에너지 또는 강도는, 버스트 내에 다른 펄스의 것과 같지 않을 수 있으며, 버스트 (500) 내에 다중 펄스의 강도 분포는, 종종 레이저 설계에 의해 지배되는 시간에서 지수적 감쇠 (exponential decay)를 따른다. 바람직하게는, 여기에 기재된 대표적인 구체 예의 버스트 (500) 내에 각 펄스 (500A)는 1 nsec 내지 50 nsec (예를 들어, 레이저 캐비티 설계에 의해 지배도는 시간인, 10-50nsec, 또는 10-30nsec)의 지속시간 (Tp)에 의해 버스트의 후속 펄스로부터 시간에서 분리된다. 주어진 레이저에 대해, 버스트 (500) 내에 인접한 펄스들 사이에 시간 분리 (time separation) (Tp) (펄스-대-펄스 분리)은 비교적 균일하다 (± 10%). 예를 들어, 몇몇 구체 예들에서, 버스트 내에 각 펄스는, 후속 펄스로부터 약 20nsec (50MHz)만큼 시간에서 분리된다. 예를 들어, 약 20nsec의 펄스 분리 (Tp)를 생성하는 레이저의 경우, 버스트 내에 펄스 대 펄스 분리 (Tp)는 약 ±10%, 또는 약 ±2nsec 내에서 유지된다. 펄스들의 각 "버스트" 사이의 시간 (즉, 버스트들 사이에 시간 분리 (Tb))은 훨씬 길어질 것이다 (예를 들어, 0.25 ≤ Tb ≤1000 microseconds, 예를 들어 1-10 microseconds, 또는 3-8 microseconds). 여기에 기재된 레이저의 몇몇의 대표적인 구체 예에서, 시간 분리 (Tb)는 약 200kHz의 주파수 또는 버스트 반복률을 갖는 레이저에 대해 약 5 microseconds이다. 레이저 버스트 반복률은 버스트에서 첫 번째 펄스와 후속 버스트의 첫 번째 펄스 사이에 시간 (Tb)과 관련된다 (레이저 버스트 반복률 = 1/Tb). 몇몇 구체 예에서, 레이저 버스트 반복 주파수는 약 1 kHz 내지 약 4 MHz의 범위일 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 레이저 버스트 반복률은, 예를 들어, 약 10 kHz 내지 650 kHz의 범위일 수 있다. 각 버스트에서 제1 펄스와 후속 버스트에서 제1 펄스 사이의 시간 (Tb)은, 0.25 microsecond (4MHz 버스트 반복률) 내지 1000 microsecond (1kHz 버스트 반복률), 예를 들어 0.5 microsecond (2MHz 버스트 반복률) 내지 40 microsecond (25 kHz 버스트 반복률), 또는 2 microsecond (500 kHz 버스트 반복률) 내지 20 microseconds (50kHz 버스트 반복률)일 수 있다. 정확한 타이밍, 펄스 지속시간, 및 버스트 반복률은, 레이저 설계에 의존하여 변할 수 있지만, 고강도의 짧은 펄스 (Td <20 psec, 및 바람직하게는 Td≤15 psec)는 특히 잘 작동하는 것으로 나타났다.
물질을 변형시키는데 필요한 에너지는, 버스트 에너지 - 버스트 내에 함유된 에너지 (각 버스트 (500)는 일련의 펄스 (500A)를 함유함), 또는 단일 레이저 펄스 (이의 다수는 버스트를 포함할 수 있음) 내에 함유된 에너지의 관점에서 기재될 수 있다. 버스트 당 에너지는 25-750 μJ일 수 있고, 다수의 비 디스플레이/비 TFT 유리 조성물의 경우, 50-500 μJ 또는 50-250 μJ일 수 있다. 몇몇 비 디스플레이, 비 TFT 유리에서, 버스트 당 에너지는 100-250 μJ이다. 그러나, 디스플레이 또는 TFT 유리 조성물의 경우, 버스트당 에너지는, 특별한 디스플레이/TFT 유리 조성물에 의존하여, 예를 들어, 300 내지 500 μJ 또는 400 내지 600 μJ로, 더 높아야 한다. 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 펄스 버스트 내에 개별 펄스의 에너지는, 작을 것이고, 정확한 개별 레이저 펄스 에너지는, 펄스 버스트 (500) 내에 펄스 (500A)의 수 및 시간에 따른 레이저 펄스의 감쇠율 (예를 들어, 지수 감쇄율)에 의존할 것이다. 예를 들어, 일정한 에너지/버스트의 경우, 펄스 버스트가 10개의 개별 레이저 펄스 (500A)를 함유한다면, 그 다음 각 개별 레이저 펄스 (500A)는, 동일한 펄스 버스트 (500)가 단지 2개의 개별 레이저 펄스를 갖는 경우보다 적은 에너지를 함유할 것이다.
이러한 펄스 버스트를 발생할 수 있는 레이저의 사용은, 투명한 물질, 예를 들어, 유리를 절단 또는 변형시키는데 유리하다. 단일-펄스된 레이저의 반복률에 의해 시간에서 이격된 단일 펄스의 사용과는 대조적으로, 버스트 (500) 내에 빠른 일련의 펄스에 걸쳐 레이저 에너지를 확산시키는 펄스 버스트 시퀀스 (sequence)의 사용은, 단일-펄스 레이저로 가능한 것보다 물질과 고강도 상호작용의 더 큰 시간척도 (timescales)에 접근을 가능하게 한다. 단일-펄스가 시간에서 확장될 수 있는 반면, 이렇게 하면 펄스 내에 강도는 펄스 폭에 대해 대략 1만큼 떨어져야 한다. 따라서, 10 psec 단일 펄스가 10 nsec 펄스로 확장되면, 강도는 거의 3 자릿수 만큼 떨어진다. 이러한 감소는, 비선형 흡수가 더 이상 의미 있지 않으며, 및 가벼운 물질 상호작용이 더 이상 절단을 허용할 정도로 충분히 강하지 않은 지점으로 광학 강도를 감소시킬 수 있다. 대조적으로, 펄스 버스트 레이저를 사용하여, 버스트 (500) 내에 각 펄스 (500A)가 - 예를 들어, 대략 10nsec 만큼 시간에서 이격된 3개의 10psec 펄스들 (500A)로 매우 높게 유지될 수 있는 강도는 여전히, 단일 10 psec 펄스의 것보다 대략 3배 높게 각 펄스 내에 강도를 허용하고, 반면에, 레이저는 현재 3 자릿수 더 큰 시간척도에 걸쳐 물질과 상호작용을 가능하게 한다. 또한, 예를 들어, 대략 10 nsec 만큼 시간에서 이격된 10개의 10 psec 펄스 (500A)는, 여전히 단일 10 psec 펄스의 강도보다 약 10배 더 높게 각 펄스 내에 강도를 가능하게 하고, 반면에, 레이저는 현재 10배까지의 범위인 더 큰 시간척도에 걸쳐 물질과 상호작용을 가능하게 한다. 버스트 내에 다중 펄스 (500A)의 이러한 조정은, 따라서 기존의 플라즈마 플룸 (plasma plume)과의 다소의 광 상호작용 (light interaction), 초기 또는 이전의 레이저 펄스에 의해 미리-여기된 원자 및 분자와의 다소의 광-물질 상호작용, 및 미세균열의 조절된 성장을 촉진할 수 있는 물질 내에서 다소의 가열 효과를 용이하게 할 수 있는 방식으로 레이저-물질 상호작용의 시간-척도의 조작을 가능하게 한다. 물질을 변형시키기 위해 요구되는 버스트 에너지의 양은, 기판 물질 조성물 및 기판과 상호작용하는데 사용되는 라인 초점의 길이에 의존할 것이다. 상호작용 영역이 길수록, 더 많은 에너지가 퍼지고, 및 더 많은 버스트 에너지는 요구될 것이다. 정확한 타이밍, 펄스 지속시간, 및 버스트 반복률은, 레이저 설계에 의존하여 변화할 수 있지만, 고강도의 짧은 펄스 (<15 psec, 또는 ≤10 psec)는 이 기술로 잘 작동하는 것으로 나타난다. 결함 라인 또는 구멍은, 펄스의 단일 버스트가 유리 상에 동일한 위치를 필수적으로 부딪치는 경우, 물질 내에 형성된다. 즉, 단일 버스트 내에 다중 레이저 펄스는, 유리 내에 단일 결함 라인 또는 구멍 위치에 상응한다. 물론, 유리가 (예를 들면, 일정하게 이동하는 스테이지 (stage)에 의해) 이동되기 때문에 (또는 빔이 유리에 대해 이동되기 때문에), 버스트 내에 개별 펄스는 정확히 유리의 동일한 공간 위치에 있을 수 없다. 그러나, 이들은 서로 1㎛ 이내에 알맞게 있다 - 즉, 이들은 필수적으로 동일한 위치에서 유리를 부딪친다. 예를 들어, 이들은 서로 간격 (sp), 여기서 0 < sp ≤ 500 nm에서 유리를 부딪칠 수 있다. 예를 들어, 유리 위치가 20 펄스의 버스트로 타격을 받는 경우, 버스트 내에 개별 펄스는 서로 250nm 내에서 유리를 부딪친다. 따라서, 몇몇 구체 예에서, 1 nm < sp < 250 nm이다. 몇몇 구체 예에서, 1 nm < sp < 100 nm이다.
구멍 또는 손상 트랙 형성:
유리 기판이 충분한 응력을 갖는다면 (예를 들어, 이온 교환된 유리), 그 다음 부분은 레이저 공정에 의해 윤곽이 그려진 천공된 손상의 경로를 따라 자발적으로 균열 및 분리될 것이다. 그러나, TFT 또는 디스플레이 유리 (예를 들어, Corning Eagle XG® 또는 Lotus, Corning Lotus NXT™ 또는 Contego 조성물)의 경우와 같이, 기판에 내재하는 많은 응력이 없으면, 그 다음 피코초 레이저는 피가공재에 손상 트랙을 간단히 형성한다. 이들 손상 트랙은 일반적으로 약 0.1-1.5 microns, 또는 0.2 microns 내지 2 microns (예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 0.2 내지 0.7 microns, 또는 0.3 내지 0.6 microns)의 내부 치수를 갖는 구멍의 형태를 취한다. 바람직하게는, 상기 구멍은 치수 (즉, 폭 또는 직경)가 매우 작다 (1 microns 이하).
구멍 또는 결함 라인은 물질의 전체 두께를 관통할 수 있으며, 및 물질의 깊이 전체에 걸쳐 연속적인 개구일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 도 9a는 600 micron 두께의 Eagle XG® 기판의 피가공재의 전체 두께를 관통하는 이러한 트랙 또는 결함 라인의 실시 예를 나타낸다. 천공 또는 손상 트랙은 절개된 에지의 측면을 통해 관찰된다. 물질을 통과하는 트랙은 필수적으로 쓰루-홀 (through-holes)이 아니다. 구멍을 막는 유리의 영역이 종종 있지만, 일반적으로 크기가, 예를 들어, 대략 microns로 작다.
또한, 유리의 스택된 시트를 천공하는 것은 가능하다. 이 경우, 초점 라인 길이는 스택 높이보다 길어야 한다. 구멍 또는 결함 라인들 사이에 측면 간격 (피치)은, 기판이 초점 조정된 레이저 빔 하부로 이동됨에 따라 레이저의 펄스 속도 (pulse rate)에 의해 결정된다. 오직 단일 피코초 레이저 펄스 버스트가 보통 전체 구멍을 형성하는데 필요하지만, 원한다면 다중 버스트는 사용될 수 있다. 다른 피치에서 구멍을 형성하기 위해, 레이저는 더 길거나 또는 더 짧은 간격으로 발사하도록 작동될 수 있다. 절단 작업의 경우, 레이저 작동 (laser triggering)은 일반적으로 빔 아래에 피가공재의 스테이지 구동 이동과 동시에 발생하므로, 레이저 펄스 버스트는, 예를 들어, 매 1 microns 또는 매 5 microns, 또는 매 7-15 microns과 같이, 고정된 간격으로 작동된다. 단층선의 방향을 따라 인접한 천공들 또는 결함 라인들 사이에, 거리 또는 주기성은, 예를 들어, 몇몇 유리 구체 예들에 대해 0.1 micron 초과 및 약 20 microns 이하일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 유리의 경우, 인접한 천공 또는 결함 라인 사이에 간격 또는 주기성은, 0.5 microns 만큼 낮거나 또는 0.5 micron 내지 3.0 microns 정도로 적을 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 주기성은 0.5 micron 내지 1.0 micron일 수 있다. 디스플레이 또는 TFT 타입 유리의 경우, 통상적으로 5-15 microns이다.
인접한 천공 또는 결함 라인 사이에 정확한 간격은, 기판에 응력 수준을 고려해 볼 때, 천공된 구멍에서 천공된 구멍으로 균열이 전파되는 것을 용이하게 하는 물질 특성에 의해 결정된다. 그러나, 기판을 절단하는 것과는 대조적으로, 물질을 단지 천공하기 위해 동일한 방법을 사용하는 것이 또한 가능하다. 여기에 기재된 방법에서, 구멍 또는 결함 라인 (또는 손상 트랙, 또는 천공)은 더 큰 간격 (예를 들어, 5 micron 피치, 또는 7 micron 피치 이상)으로 분리될 수 있다.
(초점 라인 길이 및 그에 따른 출력 밀도를 결정하는) 레이저 출력 및 렌즈 초점 길이는, 유리의 완전 관통 및 낮은 미세-균열을 보장하는 것이 특히 중요한 파라미터이다. 일반적으로, 이용 가능한 레이저 출력이 높을수록, 상기 공정으로 물질을 더 빨리 절단할 수 있다. 여기에 개시된 공정은 0.25 m/sec 이상의 절단 속도로 유리를 절단할 수 있다. 절단 속도 (또는 절단하는 속도)는 투명 물질 (예를 들어, 유리)의 표면에 대해 레이저 빔이 다수의 구멍 또는 변형된 영역을 생성하면서 이동하는 비율이다. 예를 들어, 400mm/sec, 500mm/sec, 750mm/sec, 1m/sec, 1.2m/sec, 1.5m/sec, 또는 2m/sec, 또는 3.4m/sec 내지 4m/sec과 같은, 빠른 절단 속도는, 종종 제조를 위한 자본 투자를 최소화하고, 및 장비 가동률을 최적화하는데 요구된다. 레이저 출력은, 버스트 에너지에 레이저의 버스트 반복 주파수 (반복률)를 곱한 것과 같다. 일반적으로, 빠른 절단 속도로 유리 물질을 절단하기 위해, 손상 트랙은 통상적으로 1-25 microns만큼 이격되어 있고, 몇몇 구체 예에서, 손상 트랙 사이의 간격 (즉, 피치)은, 바람직하게는 3 microns 이상 - 예를 들어 3-12 microns, 또는 예를 들어 5-10 microns이다. 디스플레이 또는 TFT 유리의 경우, 손상 트랙은 5 microns 초과 (예를 들어, 5-15 microns)로 분리되어야 한다. 디스플레이 또는 TFT 유리의 몇몇 유리 조성물의 경우, 손상 트랙은 7-15 microns, 7-12 microns, 또는 9-15 microns으로 분리된다.
예를 들어, 몇몇 비 디스플레이 유리의 경우, 300mm/sec의 선형 절단 속도를 달성하기 위해, 3 microns 구멍 피치는 적어도 100kHz 버스트 반복률을 갖는 펄스 버스트 레이저에 상응한다. 600mm/sec 절단 속도의 경우, 3 microns 피치는 적어도 200kHz 버스트 반복률을 갖는 버스트-펄스된 레이저에 상응한다. 200kHz에서 적어도 40μJ/버스트를 생성하고, 및 600mm/s 절단 속도에서 절단하는 펄스 버스트 레이저는, 적어도 8 Watts의 레이저 출력을 가져야 한다. 빠른 절단 속도는 통상적으로 더 높은 레이저 출력을 요구한다. 증가된 버스트 펄스 반복률은 또한 속도 및 레이저 출력을 결과할 수 있다.
예를 들어, 디스플레이/TFT 유리의 경우, 5 micron 피치로 100 kHz 레이저는 최대 500 mm/s로 절단할 것이고; 7 micron 피치가 활용되는 경우 700 mm/s의 최대 속도; 10 micron 피치로 1000 mm/s의 최대 속도; 12 microns 피치로 1200mm/s의 최대 속도; 15 microns 피치로 1500 mm/s의 최대 속도로 절단될 것이다. 동일한 레이저 반복률의 경우, 300μJ/버스트는 30W 평균 출력을 요구하고, 400μJ/버스트에 대해 40W 평균 출력을 요구하며, 500μJ/버스트는 50W 평균 출력을 요구하고, 및 600μJ/버스트는 60W 평균 출력을 요구한다.
따라서, 바람직하게는 펄스 버스트 ps 레이저의 레이저 출력은 바람직하게는 적어도 10W 이상이다. 손상 트랙과 정확한 버스트 에너지 사이에 최적 피치는 물질 의존성이며, 및 경험적으로 결정될 수 있다. 그러나, 레이저 펄스 에너지를 높이거나 또는 더 가까운 피치로 손상 트랙을 만드는 것이 항상 기판 물질을 더 잘 분리하거나 또는 에지 품질을 향상시키는 조건이 아니라는 점에 주의해야 한다. 손상 트랙 사이에 피치 (예를 들어, <0.1 microns, 몇몇 대표적인 구체 예에서 <1 ㎛, 또는 몇몇 구체 예에서는 <2 ㎛)가 너무 조밀하면, 때때로 인근의 후속 손상 트랙의 형성을 억제할 수 있고, 및 종종 천공된 윤곽선 주변에서 물질의 분리를 억제할 수 있으며, 및 또한 유리 내에서 원치않는 미세균열을 증가시킬 수 있다. 너무 긴 피치 (> 50 ㎛, 몇몇 유리에서 >25 ㎛ 또는 심지어 >20 ㎛)는, "조절되지 않은 미세균열"을 결과할 수 있는데, 즉, 여기서 미세균열이 구멍에서 구멍으로 전파되는 대신에 다른 경로를 따라 전파되고, 유리를 다른 (바람직하지 않은) 방향으로 균열시킨다. 이는, 잔여 미세균열이 유리를 약화시키는 흠으로 작용하기 때문에, 분리된 유리 부분의 강도를 궁극적으로 낮출 수 있다. 각 손상 트랙을 형성하는데 사용되는 너무 높은 버스트 에너지 (예를 들어, >2500 μJ/버스트, 및 몇몇 구체 예에서 >600 μJ/버스트)는, 인접한 손상 트랙의 이미 형성된 미세균열의 "메움 (healing)" 또는 재-용융을 야기할 수 있으며, 이는 유리의 분리를 억제할 것이다. 따라서, 버스트 에너지는 <2500 μJ/버스트, 예를 들어, ≤600 μJ/버스트인 것이 바람직하다. 또한, 너무 높은 버스트 에너지를 사용하면, 매우 큰 미세균열이 형성될 수 있으며, 및 분리 후에 부분의 에지 강도를 감소시키는 흠을 생성할 수 있다. 버스트 에너지가 너무 낮으면 (<40 μJ/버스트), 유리 내에 형성된 상당한 손상 트랙이 결과하지 않아, 매우 높은 분리 강도를 결과하거나 또는 천공된 윤곽선을 따라 분리할 수 없게 된다.
예를 들어, 0.7mm 두께의 비-이온 교환된 코닝 코드 2319 또는 코드 2320 Gorilla 유리를 절단하기 위해, 본 발명자들은 3-5 microns의 피치가 약 150-250 μJ/버스트의 펄스 버스트 에너지, 및 바람직하게는 5 이하 (예를 들어, 3 또는 4)의 버스트 펄스 수 t (버스트 당 펄스의 수)로, 잘 작동되는 것을 관찰하였다.
그러나, 본 발명자들은 훨씬 더 높은 (5 내지 10배 높은) 용적 측정 펄스 에너지 밀도 (μJ/μ㎥)가 높은 함량의 알칼리를 갖는 Corning Gorilla®과 같은, 유리에 대한 것과 비교하여 알칼리가 없거나 또는 적은 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리를 천공 또는 절단하는데 요구된다는 것을 발견하였다. 적거나 없는 알칼리를 함유하는 유리에서 손상 트랙을 생성하기 위한 레이저 기계에 대해, 더 높은 펄스 에너지와 함께 많은 수의 펄스는 각 레이저 펄스 버스트에서 요구된다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 피코초 레이저는 고 에너지 펄스 및 더 많은 수의 펄스를 허용하는 100 KHz에서 작동된다. 이는, 버스트 당 적어도 5 및 좀 더 바람직하게는 적어도 7 이상의 펄스, 및 더더욱 바람직하게는 버스트 당 적어도 8 펄스를 갖는 펄스 버스트 레이저를 활용하여 알칼리가 적거나 또는 없는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리를 천공 또는 절단하는 단계, 및 약 0.05μJ/μ㎥ 이상, 예를 들어, 적어도 0.1 μJ/μ㎥, 예를 들어, 0.1-0.5 μJ/μ㎥의 (알칼리가 적거나 또는 없는) 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 내에 용적 측정 에너지 밀도를 제공하는 단계에 의해 바람직하게 달성된다.
알칼리가 적거나 또는 없는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 (즉, 디스플레이 또는 TFT 유리)를 천공 또는 절단하기 위해, 레이저가 미리 결정된 윤곽선을 따라 쉬운 유리 분리, 미리 결정된 윤곽선을 이외의 방향에서 유리 균열의 적거나 또는 없는 발생, 및 낮은 표면 거칠기를 갖는 에지를 갖는 것을 가능하도록 버스트 당 적어도 9 펄스로 펄스 버스트를 생성하는 것이 더욱 바람직하다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 펄스된 레이저는 10W-150W (예를 들어, 10-100W)의 레이저 출력을 가지며, 버스트 당 적어도 5, 및 바람직하게는 적어도 9 펄스 (예를 들어, 버스트 당 10-20 펄스)로 펄스 버스트를 생성한다. 몇몇 구체 예들에서, 펄스된 레이저는 25W-65W (예를 들어, 25-60W)의 출력을 가지며, 및 버스트 당 적어도 10-20 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고, 및 레이저 버스트에 의해 생성된 인접한 결함 라인들 사이에 거리 또는 주기성은 5-10 microns 또는 5 내지 15 microns이다. 몇몇 구체 예에서, 펄스된 레이저는 10W-100W의 레이저 출력을 가지며, 및 버스트 당 적어도 9 펄스로 펄스 버스트를 생성하고, 및 피가공재 및 레이저 빔은 적어도 0.25m/sec의 속도로 서로에 대해 병진 이동된다. 몇몇 구체 예에서, 피가공재 및/또는 레이저 빔은, 적어도 0.3m/sec, 또는 적어도 0.35m/sec, 또는 적어도 0.4m/sec의 속도로 서로에 대해 병진 이동된다.
1m/sec의 절단 속도에서, (뉴욕 코닝의, Corning Incorporated로부터 이용 가능한) Eagle XG® 유리의 절단은, 통상적으로 15-84 Watts의 레이저 출력의 활용을 요구하는데, 종종 30-45 Watts도 충분하다. 2.7 m/s에서 Eagle XG® (500㎛ 두께) 유리의 절단은, 8.8 ㎛ 피치로 약 220 μJ/버스트를 갖는 65W Watts 버스트 펄스 레이저를 사용하여 입증된다. 유리는 그 다음 기계적으로 분리된다.
일반적으로, 다양한 유리 조성물 및 다른 투명 물질 전체에 걸쳐, 본 발명자들은 10 내지 100W의 레이저 출력이 0.2-1 m/sec의 절단 속도를 달성하는데 바람직하고, 다수의 유리에 대해 25-60 Watts의 레이저 출력이 충분 (및 최적)하다는 것을 발견했다. TFT/디스플레이 타입 유리의 경우에, 0.4m 내지 5m/sec의 절단 속도에 대해, 레이저 출력은 바람직하게는 300-600 μJ/버스트의 버스트 에너지, 버스트 당 5-20 펄스 (절단된 물질에 의존함), 및 5-15 ㎛, 및 몇몇 유리 조성물에 대해 7-12 ㎛의 구멍 분리 (또는 결함 라인 사이에 피치)로, 10W-150W이어야 한다. 피코초 펄스 버스트 레이저의 사용은, 이들이 고출력 및 버스트 당 펄스의 요구된 수를 발생하기 때문에, 이러한 절단 속도에 대해 바람직하다. 따라서, 몇몇 대표적인 구체 에에 따르면, 펄스된 레이저는 10-100W의 출력, 예를 들어, 25W 내지 60 Watts를 생성하고, 및 버스트 당 적어도 5-20 펄스로 펄스 버스트를 생성하며, 및 결함 라인 사이에 거리는 5-15 microns이고; 및 레이저 빔 및/또는 피가공재는 적어도 0.25 m/sec, 몇몇 구체 예에서, 적어도 0.4 m/sec, 예를 들어, 0.5 m/sec 내지 5 m/sec 이상의 속도로 서로에 대해 병진 이동된다.
좀 더 구체적으로, 예를 들어, Eagle XG 또는 Contego 유리와 같은, 디스플레이 또는 TFT 유리에 대하여 손상 트랙을 생성하기 위해, 도 9b-9c에 나타낸 바와 같이, 버스트 에너지, 버스트 당 펄스의 수, 및 결함의 피치의 올바른 시너지 효과는 사용되어야 한다. 다른 타입의 유리에 사용되는 범위는, 디스플레이 또는 TFT 유리에서 작동하지 않거나, 또는 만족스럽지 않은 (느린) 절단 속도를 결과한다. 좀 더 구체적으로, 도 9b는 코닝사로부터 이용 가능한 0.5mm Eagle XG 유리에서 초-단 레이저 펄스에 의해 생성된 (표면 평면도, 레이저 입사 측) 천공을 나타낸다. 상기 도는 용이한 분리를 위한 구멍을 연결하는 균열을 유도하는 열 영향 존의 중간에서 천공을 예시한다. 도 9c는 동일 기판의 하부 표면의 이미지이며, 및 상부 표면과 동일한 특성을 나타낸다. 도 9b 및 도 9c의 대표적인 구체 예에 대해, 레이저 버스트에서 총 에너지는 450 μJ이다. 이 에너지는 버스트에서 다수 펄스들 사이에 분포된다. 처음 두 개의 펄스는, 유리의 표면에서 시작하여 손상 트랙을 따라 플라스마를 발생시키기에 충분히 에너지가 풍부하고 (충분한 출력을 가짐), 및 후속 펄스는 플라즈마와 상호작용하여 벌크를 통해 손상 트랙을 길게 하지만, 또한 천공 주변의 열 영향 존을 생성한다. 도 9d는 CO2 빔 처리 후에 완전히 분리된, 9b 및 9c에 나타낸 0.5㎜ 두께의 Eagle XG® 유리의 절단된 스트립의 에지 (측면) 이미지이다.
초점 구역 주변의 열 영향 존 및 결함을 연결하는 균열은, 연속적인 펄스로부터 에너지가 초점 용적에 및 주변에 축적되어, 구조적 변화를 생성함으로, 시간에 걸쳐 형성된다. 일련의 레이저 펄스는, 유리의 벌크 내에 초점 스폿에서 점열원 (point source of heat)을 구성한다. 많은 수의 펄스는 초점 주변에서 더 높은 온도로 변환되어 더 큰 열 영향 존을 생성한다. 이 가열된 존이 냉각됨에 따라, 잔류 응력은 유리 표면에서 인장 응력의 형태로 유도된다. 그 응력은 결국 천공을 연결하는 파단을 촉진하는 그 다음의 버스트의 손상 존과 상호작용한다. 본 발명자들은 디스플레이/TFT 유리에 대해 레이저 절단 공정 작업을 만들고, 및 손상 트랙을 따라 유리를 분리하는데 요구된 힘을 낮추기 위한 다양한 조건을 발견했다. 이 힘은 또한 내파괴성 (또는 파괴력)이라 지칭되며, 및 수동으로 유리를 분리하는데 필요한 힘의 양이고; 4점 굽힘 시험을 통해 측정될 수 있으며, 및 MPa의 단위를 갖는다. 20MPa 이하, 바람직하게는 15MPa 이하의 내파괴성은, 250mm/s를 초과하는 속도에서 CO2 빔으로 디스플레이 또는 TFT 유리의 분리를 가능하게 한다. 내파괴성이 더 크면, 그 다음 CO2 분리 속도는 비례하여 느려진다. 디스플레이 또는 TFT 유리에 대한 이 목표 내파괴성은, 하기 3가지 파라미터에 대해 하기 지정된 범위 내에서 작동한 다음, 이들 특정 범위 내에서 특정 디스플레이 또는 TFT 유리 조성물에 대해 최적화하여 얻어진다.
1. 펄스 버스트 에너지: 디스플레이 또는 TFT 유리를 절단하거나 분리할 목적을 위해, 본 발명자들은 펄스 버스트 에너지가 버스트 당 300μJ 내지 600μJ 이어야 한다는 것을 발견하였다. 이 범위를 벗어나서 작업하면, 다른 유리를 성공적으로 분리할 수 있지만, 디스플레이 (또는 TFT) 유리는 분리되지 않는다. 몇몇 디스플레이 타입의 유리의 경우, 이상적인 범위는 300 μJ 내지 500 μJ이며, 다른 디스플레이 타입 유리의 경우, 이것은 400 μJ 내지 600 μJ이다. 400μJ 내지 500μJ의 펄스 버스트 에너지는, 모든 디스플레이 타입 유리에 대해 잘 작동된다. 라인 초점 내에 에너지 밀도는, 특정 디스플레이 또는 TFT 유리에 대해 최적화되어야 하며, 예를 들어, Eagle XG 및 Contego 유리의 경우, 펄스 버스트 에너지의 이상적인 범위는 300 내지 500 μJ이며, 라인 초점은 1.0 내지 1.4 mm이다 (라인 초점 길이는 광학적 구성에 의해 결정된다).
본 발명자들은, 에너지 밀도가 너무 낮으면 (300 μJ 미만), 그 다음 천공 및 열 손상이 원하는 대로 형성되지 않으며, 및 구멍들 사이의 파단이 쉽게 실현되지 않아서, 디스플레이 유리에서 증가된 내파괴성 (또한, 여기에서 파괴 강도라 함)을 유도한다는 것을 발견하였다. 에너지 밀도가 너무 높으면 (> 600 μJ, 및 많은 디스플레이 유리의 경우 >500 μJ), 열 손상이 커져서, 천공을 연결하는 균열은 벗어나게 되고 및 원하는 경로를 따라 형성되지 못하며, 및 디스플레이 (또는 TFT) 유리의 내파괴성 (파괴 강도)은 극적으로 증가할 것이다. 도 9e는 버스트 당 다른 에너지 수준에 대하여 디스플레이 유리의 파괴 강도 대 버스트 에너지를 예시한다. 이 도는 펄스 버스트 에너지가 300μJ에 도달하는 경우 파괴 강도 (내파괴성)가 극적으로 증가함을 보여준다. 이것은 또한 펄스 버스트 에너지가 약 400μJ인 경우, 이 디스플레이 유리가 더 낮은 내파괴성을 갖는다는 것을 예시한다.
2. 버스트 당 펄스: 본 발명자들은 버스트 당 5-22 (예를 들어 5-20) 개의 펄스의 수를 갖는 것이 또한 디스플레이 및/또는 TFT 유리의 낮은 또는 이상적인 내파괴성에 중요하다는 것을 발견했다. 몇몇 디스플레이 유리의 경우, 버스트 당 펄스 수는 5-15이며, 다른 디스플레이 유리의 경우, 버스트 당 9-20 또는 10-20이다. 이 명시된 범위를 벗어나서 작업하면, 많은 유리 (예를 들어, Gorilla 유리)가 분리되지만, 통상적인 디스플레이 또는 TFT 유리는 양호하게 또는 효율적으로 분리되지 않는다. Contego 및 Eagle XG 유리의 경우, 버스트 당 많은 수의 펄스는 필요하다. 예를 들어, Eagle XG 유리를 성공적으로 천공 및/또는 절단하기 위해, 버스트 당 펄스의 수는 7 내지 20, 바람직하게는 9 내지 20, 더욱 바람직하게는 10-20이다. 범위는 Contego 유리의 경우 더 작고; Contego 유리를 성공적으로 천공 및/또는 절단하기 위해, 버스트 당 펄스 수는 15 내지 20이다. 비교로서, 버스트 당 2 내지 4 펄스는, 강화된 및 비-강화된 Gorilla 유리를 천공 및 분리하는데 충분하지만, 이들 두 디스플레이 유리 (Contego 및 Eagle XG)에 대해 4 펄스는 요구된 손상 트랙 및 열 영향 존을 생성하기에 충분하지 않다. (표면 아래의 손상 및/또는 바람직하지 않은 균열 전파를 최소화하면서) 디스플레이 유리의 효율적인 절단을 가능하게 하기 위해, 여기에 기재된 버스트 당 펄스의 요구된 수는 300μJ 내지 600μJ, 및 바람직하게는 400-500μJ의 버스트 에너지로, (TFT/디스플레이 유리 조성물에 기초하여 버스트 당 5 또는 7 또는 10 또는 15 펄스) 활용되어야 한다.
3. 천공 사이에 피치 또는 거리.
천공 사이에 피치 또는 거리는 중요한 또 다른 파라미터이다. 디스플레이 또는 TFT 타입 유리의 경우, 천공 사이에 피치 또는 거리는 바람직하게는 5-15 microns이어야 한다. 예를 들어, Eagle XG의 경우, 가장 낮은 내파괴성에 대한 이상적인 피치는 5 내지 15 microns이다. 내파괴성은 피치가 이 범위를 벗어나는 경우, 빠르게 증가한다. Contego 타입 유리의 경우, 이상적인 피치는 7 내지 11 microns이다. Contego 타입 유리에 대한 내파괴성 (파괴 강도)은 이 범위를 벗어나 증가하여, 유리를 절단하거나 분리하기가 더 어려워진다. 5 microns 미만의 피치로 Eagle XG 타입 유리의 레이저 가공은, 균열이 단층선에서 벗어나고 및 다수의 상호연결 균열을 형성하여 더 높은 유리 내파괴성을 결과한다. 예를 들어, 도 9f는, 10 microns으로부터 4 microns으로 피치가 변화함에 따라, 디스플레이 유리의 구체 예에 대하여 급속한 파괴 강도 증가를 예시한다. 좀 더 구체적으로, 파괴 강도는 급속히 증가하고 (유리는 분리되기가 더 어려워짐) 및 천공 피치가 4 microns 대 10 microns일 때 최소 3 배 이상이다. Contego 타입 유리에서 >15 microns의 천공 피치에 대해, 균열은 구멍에서 구멍으로 연결되지 않는다. 디스플레이 또는 TFT 유리의 경우, 전술된 바와 같이, 명시된 범위 (5-15microns) 내에서 피치를 선택하는 것은, 펄스 버스트 내에 펄스 수 및 에너지 밀도 모두에 대한 요건을 동시에 만족시키면서 수행되어야 한다.
따라서, 몇몇 구체 예에 따르면, 디스플레이 또는 TFT 유리 피가공재 (또한, 여기서 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재라 한다)를 레이저 가공하는 방법은: 빔 전파 방향을 따라 지향되고 및 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재로 향하는 레이저 빔 초점 라인으로 펄스된 레이저 빔을 초점 조정하며, 상기 레이저 빔 초점 라인은 물질 내에 유도 흡수를 발생시키고, 및 상기 유도 흡수는 피가공재 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함 라인을 생성하는, 초점 조정 단계; 및 상기 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재 및 레이저 빔을 윤곽선을 따라 서로에 대해 병진 이동시키고, 이에 의해 상기 피가공재 내에 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인들을 레이저 형성하는, 병진 이동 단계를 포함하며, 여기서, 인접한 결함 라인들 사이에 간격은 5 micron 내지 15 microns이고; 버스트 에너지는 300-500 micro Joules이며, 및 버스트 당 펄스의 수는 9 내지 20, 및 바람직하게는 10-20이다.
몇몇 구체 예에 따르면, 인접한 결함 라인 사이에 주기성은 5 micron 내지 15 microns이며, 버스트 에너지는 300-500 micro Joules이고, 및 버스트 당 펄스 수는 9-20이다. 다른 구체 예에 따르면, 인접한 결함 라인 사이에 주기성은 7 micron 내지 12 microns이고, 버스트 에너지는 400-600 micro Joules이며, 및 버스트 당 펄스의 수는 5-15이다.
하기 표 1은, Eagle XG 및 Contego 유리에서 구멍들 사이에 균열을 성공적으로 생성하고 및 천공하는데 사용되는 펄스된 레이저의 대표적인 조건을 나타낸다. 상기 공정의 두 번째 단계는, 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 천공을 따라 스캔하기 위해 열원으로 CO2 레이저를 사용하여 유리를 완전히 분리시키는 것이다.
| 레이저 파라미터 | Eagle EXG 유리 | Contego 유리 | |
| 펄스된 레이저 |
피치 | 10 ㎛ | 10 ㎛ |
| 에너지/버스트 | 450 μJ | 450 μJ | |
| 천공 속도 | 300 mm/s | 250 mm/s | |
| 버스트 당 펄스의 # | 10 | 15 | |
| CO2 레이저 |
평균 출력 | 240 W | 200 W |
| 스폿 크기 | 6 mm | 7 mm | |
| 스캔 속도에 대한 범위 | 100-300 mm/s | 100-250 mm/s |
저-알칼리 또는 비-알칼리 유리의 절단 및 분리.
도 8c 및 도 9a에 나타낸 바와 같이, 넓은 범위의 기판 두께에 대해, 선형 절단 또는 좀 더 복잡한 형상을 갖는, 유리, 예를 들어, Eagle XG®의 분리를 가능하게 하는 다른 조건은 확인되었다. 도 8c에서 이미지는, Eagle XG® 유리의 0.024mm 두께의 조각 (상부 이미지), 및 Eagle XG® 유리의 0.134mm 두께의 조각 (하부 이미지)의 절단 에지를 보여준다. Eagle XG®는 박막 트랜지스터 (TFT) 기판으로 사용하기 위해 고안된 유리 조성물이어서, ℃당 약 3ppm의 적절한 열팽창계수 (CTE)를 가짐으로써, 실리콘 (silicon)의 열팽창계수와 대략 일치하도록 한다. 본 레이저 공정은 또한, 유사한 TFT 유리 조성물, 즉, Eagle XG®에 유사한 CTE (예를 들어, 2ppm/℃ 내지 5ppm/℃의 CTE)를 갖는 것뿐만 아니라, 다른 조성물 및 CTEs의 다른 유리들을 절단 및 분리하는데 사용될 수 있다.
몇몇 대표적인 조성물은 높은 어닐링 점 및 높은 영률을 소유하는 알칼리가-없는 유리이어서, TFT의 제조 동안, 유리가 우수한 치수 안정성 (즉, 저 압축)을 보유하는 것이 가능하여, TFT 공정 동안 가변성을 감소시킨다. 높은 어닐링 점을 갖는 유리는, 유리 제조 다음에 열처리 동안 압축/수축으로 인한 패널 뒤틀림을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 부가적으로, 본 개시의 몇몇 구체 예는 빠른 에칭 속도를 가져서, 백플레인 (backplane)의 경제적 얇게 함 (economical thinning) 뿐만 아니라 비정상적으로 높은 액상 점도를 허용하고, 따라서 상대적으로 차가운 형성 맨드릴 (forming mandrel)에서 실투의 가능성을 감소시키거나 또는 제거한다. 이들 조성물의 특정 상세의 결과로서, 대표적인 유리는, 매우 낮은 수준의 가스 함유물, 및 귀금속, 내화물 및 산화주석 전극 물질에 대한 최소 침식으로 우수한 품질로 용융된다.
하나의 구체 예에서, 실질적으로 알칼리가-없는 유리는, 높은 어닐링 점을 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 어닐링 점은 약 785℃, 790℃, 795℃ 또는 800℃를 초과한다. 작동의 어떤 특정 이론에 제한 없이, 이러한 높은 어닐링 점은 저-온 폴리실리콘 공정에서 백플레인 기판으로 사용될 대표적인 유리에 대해 낮은 완화의 속도 (rates of relaxation) - 따라서 비교적 소량의 압축 -를 결과하는 것으로 믿어진다.
또 다른 구체 예에서, 약 35,000 poise (T35k)의 점도에서 대표적인 유리의 온도는 약 1340℃ 이하, 1335℃, 1330℃, 1325℃, 1320℃, 1315℃, 1310℃, 1300℃ 또는 1290℃ 이하이다. 특정 구체 예에서, 유리는 약 1310℃ 미만에서 약 35,000 poise (T35k)의 점도를 갖는다. 다른 구체 예에서, 약 35,000 poise (T35k)의 점도에서 대표적인 유리의 온도는, 약 1340℃, 1335℃, 1330℃, 1325℃, 1320℃, 1315℃, 1310℃, 1300℃ 또는 1290℃ 미만이다. 다양한 구체 예에서, 유리 제품은 약 1275℃ 내지 약 1340℃의 범위, 또는 약 1280℃ 내지 약 1315℃의 범위에서 T35k를 갖는다.
유리의 액상선 온도 (Tliq)는 유리와 평형 상태로 공존할 수 있는 결정질 상이 없는 온도 이상이다. 다양한 구체 예에서, 유리 제품은 약 1180℃ 내지 약 1290℃의 범위, 또는 약 1190℃ 내지 약 1280℃의 범위에서 Tliq를 갖는다. 또 다른 구체 예에서, 유리의 액상선 온도에 상응하는 점도는, 약 150,000 poise 이상이다. 몇몇 구체 예에서, 유리의 액상선 온도에 상응하는 점도는, 약 175,000 poise, 200,000 poise, 225,000 poise 또는 250,000 poise 이상이다.
다른 구체 예에서, 대표적인 유리는 T35k-Tliq > 0.25T35k-225℃를 제공할 수 있다. 이것은 퓨전 공정의 형성 맨드릴에 대해 실투하는 경향을 최소화시킨다.
하나 이상의 구체 예에서, 실질적으로 알칼리가-없는 유리는, 산화물 기준에 대한 몰 퍼센트로: SiO2 60-80; Al2O3 5-20; B2O3 0-10; MgO 0-20; CaO 0-20; SrO 0-20; BaO 0-20; ZnO 0-20을 포함하고; 여기서 Al2O3, MgO, CaO, SrO 및 BaO는 각각의 산화물 성분의 몰%를 나타낸다.
몇몇 구체 예에서, 실질적으로 알칼리가-없는 유리는, 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 65-75; Al2O3 10-15; B2O3 0-3.5; MgO 0-7.5; CaO 4-10; SrO 0-5; BaO 1-5; ZnO 0-5를 포함하고; 여기서 1.0 ≤ (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3 < 2 및 0 < MgO/(MgO+Ca+SrO+BaO) < 0.5이다.
어떤 구체 예에서, 실질적으로 알칼리가-없는 유리는, 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 67-72; Al2O3 11-14; B2O3 0-3; MgO 3-6; CaO 4-8; SrO 0-2; BaO 2-5; ZnO 0-1을 포함하고; 여기서 1.0 ≤ (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3 < 1.6 및 0.20 < MgO/(MgO+Ca+SrO+BaO) < 0.40이다.
다른 구체 예에서, 유리는 약 785℃ 이상의 어닐링 온도; 약 81 GPa 이상의 영률; 약 1750℃ 이하의 T200P; 약 1340℃ 이하의 T35kP; 및 0.5 nm 미만의 원자력 현미경에 의해 측정된 평균 표면 거칠기를 포함한다. 이 유리는 약 2.7 g/cc 이하의 밀도를 포함할 수 있으며, 및 비 탄성계수 (specific modulus)는 약 34 미만이다. 다른 구체 예에서, 비 탄성계수는 30 내지 34이다. 다른 구체 예에서, (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3는 약 1.0 내지 1.6의 범위이다. 몇몇 구체 예에서, T200P는 약 1700℃ 이하이다. 몇몇 구체 예에서, T35kP는 약 1310℃ 이하이다. 이 유리는 또한 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 60-80, Al2O3 5-20, B2O3 0-10, MgO 0-20, CaO 0-20, SrO 0-20, BaO 0-20, 및 ZnO 0-20을 포함할 수 있다.
몇몇 구체 예에서, 유리는 (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3가 약 1.0 내지 1.6의 범위, T (Ann) >785℃, 밀도 <2.7 g/cc, T(200P) <1750℃, T(35kP) <1340℃, 영률 >81 GPa을 포함한다. 이 유리는 또한 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 60-80, Al2O3 5-20, B2O3 0-10, MgO 0-20, CaO 0-20, SrO 0-20, BaO 0-20, 및 ZnO 0-20을 포함할 수 있다.
다른 구체 예에서, 유리는 (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3가 약 1.0 내지 1.6의 범위, T (Ann) >785℃, 밀도 <2.7 g/cc, T(200P) <1750℃, T (35kP) >1270℃, 영률 >81 GPa를 포함한다. 이 유리는 또한 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 60-80, Al2O3 5-20, B2O3 0-10, MgO 0-20, CaO 0-20, SrO 0-20, BaO 0-20 및 ZnO 0-20을 포함할 수 있다.
제1 방법은 피코초 (펄스 버스트) 레이저를 사용하여 결함 라인 또는 구멍을 생성하고, 및 원하는 형상에 따라 다중 손상 트랙의 단층선을 형성한 다음, 기계적 분리를 수행하는 것이다. 결함 라인 또는 구멍의 형성 후에, 유리의 기계적 분리는, 파괴 플라이어 (breaking pliers)를 사용하거나, 손으로 또는 전용 도구로 부분을 구부리거나, 또는 천공된 단층선을 따라 분리를 개시하고 및 전파하는데 충분한 장력을 생성시키는 임의의 방법을 사용하여 수동으로 달성될 수 있다.
또 다른 방법은 피코초 (펄스 버스트) 레이저를 활용하여 결함 라인 또는 구멍을 생성하고 및 원하는 형상을 따라 다수의 구멍 (또는 다중 손상 트랙)의 단층선을 형성한다. 이 단계는 그 다음 열 분리의 단계, 바람직하게는 CO2 레이저가 수반되고, 여기서 상기 CO2 빔은 손상 트랙의 단층선을 따라 스캔된다. 몇몇 구체 예에서, 레이저 방법은 스핀들 (spindle)이 메모리 디스크의 작동 동안 삽입될 수 있는 내부 구멍을 갖는 원형 유리 메모리 디스크를 형성하는데 사용될 수 있다. CO2 레이저는 이 내부 구멍으로부터 절단 유리를 방출하는데 사용될 수 있다. 여기에 기재된 레이저 방법이, 원형 형상, 등과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 임의의 형상을 생성하는데 사용될 수 있고, 여기서 시작 및 종료 지점은 원형의 원주를 따라 만날 수 있지만 버 (burr)를 형성하지 않는다는 것을 예기치 않게 발견했다. 당 업계에 공지된 바와 같이, 곡선형 형상에 대한 종래의 레이저 분리 방법은, 레이저 분리 기술의 시작점 및 종료점 (보통 시작점과 동일하거나 또는 실질적으로 동일한 위치)에서 다량의 용융 물질을 생성한다. 이 버는 최종 제품의 품질에 악영향을 미치거나 또는 버를 제거하기 위해 부가적인 그라인딩 또는 연마 기술을 적용해야만 한다. 그러나, 본 개시에 따른 대표적인 레이저 방법은, 이러한 버를 결과하지 않는다는 것을 예기치 않게 발견하였다.
CO2 레이저 빔은 목표로 하는 유리 표면의 온도를 빠르게 증가시키는 조절된 열원이다. 이 급속 가열은 유리 표면층에 압축 응력을 형성한다. 가열된 유리 표면이 유리 기판의 전체 표면적에 비해 상대적으로 작기 때문에, 급속히 냉각되고 및 이 온도 구배 (temperature gradient)는 유리를 통해 및 절단 방향을 따라 (즉, 천공을 따라) 존재하는 균열을 전파할 정도로 충분히 높은 인장 응력을 유도하여, 완전한 유리 분리를 결과한다. 이러한 전체 유리 분리 기술은, 절단 조각, 예를 들어, 메모리 디스크 또는 이와 유사한 것의 둘레 또는 원주를 따라, 또는 내부 구멍 또는 다른 기하학적 형상, 또는 둘 다의 내부 원주/둘레를 따라 사용될 수 있다. 도 9g는 CO2 빔 직경의 함수에 따른 속도의 증가를 나타낸다. 좀 더 구체적으로, 이 도는 CO2 빔 직경 (가우스 빔 프로파일)의 4개의 대표적인 구체 예에 대하여 분리 속도 (절단 속도)의 함수에 따른 파괴 강도를 예시한다. 이 도는 또한 파괴 강도가 증가하면 분리 또는 절단 속도가 감소하는 것을 예시한다 (즉, 유리를 분리하는데 요구된 힘의 양이 감소함에 따라 분리 속도가 증가함). 이 도는 또한 가우스 타입의 레이저 빔의 경우, CO2 빔 직경이 작아짐에 따라 유리의 분리 속도가 증가하는 것을 예시한다. CO2 빔의 직경이 너무 작으면, 그 다음 유리가 열 손상될 수 있다는 점에 주의된다. 이러한 조절된 가열은 다중 CO2 빔 형상 및 빔 강도 분포를 사용하여 달성될 수 있다. 표 1의 구체 예에서, 레이저 강도 분포는 Eagle XG 유리에 대해 6 mm 직경 및 Contego 유리에 대해 7 mm 직경의 원형 스폿을 갖는 가우스이다. 이 빔 형상 (원형) 및 강도 분포 (가우스)의 경우, 표 1의 구체 예에 대하여, 유리 분리 속도 (절단 속도)는 Eagle XG®에 대해 300 mm/s, 및 Contego에 대해 250 mm/s에서 최적화된다. 몇몇 구체 예에서, CO2 레이저의 출력은 100-400W이다. 원형 CO2 레이저 빔으로 달성된 분리 속도에 대하여 비슷한 값은 또한, 다른 형상의 레이저 빔을 사용하여 얻을 수 있다. 예를 들어, "탑 햇 (top hat)" 레이저 빔은, CO2 레이저 열원으로 활용될 수 있다 - (즉, 가우스 형상의 레이저 빔 강도 프로파일 대신에 직사각형). 탑 햇 레이저 빔의 피크 강도가 가우스 레이저 빔의 피크 강도의 절반이기 때문에, 레이저 빔 직경은 유리의 과열 없이 더욱 감소될 수 있다. 레이저 빔 직경의 감소는 분리 속도를 증가시킨다. 부가적으로, 탑 햇 프로파일은 열 구배를 증가시키며, 따라서 유리의 과열 없이 유리에 유도된 열 응력을 증가시킨다. 이것은 또한 분리 속도의 증가를 허용한다. "탑 햇" 빔 CO2 레이저 프로파일은 다음 기술 중 하나를 사용하여 달성될 수 있다: 회절 레이저 빔 쉐이퍼 (shapers), 비구면 렌즈, 또는 (레이저 출력을 잃어가며) 정사각형 또는 원형 개구의 사용. 탑 햇 CO2 빔 프로파일은 Eagle XG® 유리의 경우 >300mm/s, 및 Contego 유리의 경우 250mm/s 이상의 유리 분리 속도를 달성한다. CO2 레이저의 출력은, 예를 들어, 100W-400W (예를 들어, 200-400W)이다.
또 다른 접근법에서, 본 발명자들은 CO2 레이저와 함께 갈바노미터 (galvanometer)를 사용하여 레이저 천공된 - (즉, (가우스 대신에) 직사각형 형상의 레이저 빔 프로파일) Eagle XG® 및 Contego 유리를 분리시켰다. 이들 구체 예에서, CO2 레이저 빔은 절취선을 따라 이동하는 동안 손상 트랙에 수직으로 래스터된다 (rastered). 2mm의 빔 직경을 갖는 레이저 빔은 실험에 사용된다. 수직 래스터링의 (즉, 단층선을 가로지르는) 크기는 4 mm이다. 약 20%의 절단 속도 증가는, 6 mm 직경의 가우스 CO2 레이저 빔을 사용하여 달성된 절단 (분리) 속도에 대해 관찰된다. CO2 레이저의 출력은, 예를 들어, 100W-400W (예를 들어, 200-400W)이다.
더 빠른 분리 속도는, 예를 들어, 20mm의 축 길이로 절단 방향을 따라 이의 장축 (major axis) 및 6mm로 설정된 이의 단축으로, 빔 스폿을 갖는 CO2 레이저로, 타원형 레이저 가열원을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 500mm/s의 분리 속도는, 226W의 출력을 갖는 CO2 레이저로 손상 트랙을 따라 정렬된, 타원형 빔 6mm x 8mm으로 얻어진다.
분리 전에 결함 라인의 직경 또는 내부 직경은, 유리 물질 또는 피가공재에서 개방 채널 또는 공기 구멍의 내부 직경이다. 피가공재가 분리되자마자, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 결함 라인들은 여전히 가시적일 수 있다. 분리된 피가공재에서 볼 수 있는 개별 결함 라인의 폭은, 예를 들어, 현미경을 사용하여 측정될 수 있으며, 및 상기 폭은 분리 전에 결함 라인의 내부 직경과 비슷할 수 있다. 예를 들어, 결함 라인 직경이 0.1 micron 내지 5 microns인 경우, 그 다음 절단 후에 분리된 표면상에 개별 결함 라인들의 상응하는 폭은, 약 0.1 micron 내지 5 microns의 범위일 수 있다.
Eagle XG® 유리 및 저 또는 비-알칼리 유리의 계열로부터 비슷한 조성물은, "파괴"에 높은 펄스 에너지를 요구하는 강한 분자 및 원자 결합에 기인하여 레이저 유도 분리 접근법에 대해 문제 제기를 야기한다. 도 10은 원자 이온화 에너지를 나타낸다. 통상적인 알칼리 유리 조성물 (예를 들어, Corning Gorilla® 유리)에서 흔히 사용되는 것과 비교하여 Na, Ca, K 및 비슷한 원소의 환원 (reduction)은, 저 이온화 원소를 제거하여 (투명 레짐에서 레이저 파장에 노출된 경우) 이온화를 위해 다-광자 흡수를 요구하는 비례적으로 더 많은 원소를 남긴다. 이 구체 예는 물질의 작은 실린더형 용적에 충분한 레이저 에너지를 균일하게 조사하는 수단을 제공하여 원자 및 분자 결합을 해리시켜 적은 파편 및 적은 표면 아래의 손상을 결과한다.
디스플레이 유리 조성물과 Gorilla 유리 조성물 사이에 차이점은 다음과 같다:
- Eagle XG® 및 다른 디스플레이 유리:
i. CTE는 더 낮은, 약 3ppm/℃임
ⅱ. 무 알칼리 (또는 오직 미량)
ⅲ. 낮은 열 확산도
- Corning Gorilla® 및 다른 이온-교환 가능한 유리:
i. CTE는 일반적으로 약 7-9 ppm/℃임
ⅱ. 조성물에서 나트륨과 같은 많은 양의 알칼리를 가짐 (이온 교환이 가능하게 한다)
ⅲ. 더 높은 열 확산도.
TFT 유리 조성물의 낮은 열팽창 및 낮은 열 확산도는, 열 균열 전파에 대한 응력을 생성 및 관리하기 위한 필요성으로 인해, 이러한 유리가 불투명한 레짐 (예를 들어, 10.6 microns에서 CO2)에서 작동하는 레이저로 전적으로 절단되는 경우, 어려운 열 관리 문제를 생성한다. 예를 들어, TFT 유리는 10.6 microns 파장에 투명하지 않으며, 및 이러한 레이저의 에너지는, 유리의 높은 층 (유리 내부에서 멀지 않은 곳)에 의해 흡수된다. 그러나, 본 발명자들은 절취선의 생성이 균열을 시작, 전파 및 유도하는 데 요구된 레이저 에너지의 양을 줄임으로써 열 관리 문제를 단순화하고, 및 유리를 가열하기 위해 10.6 micron 레이저에서 CO2와 같은 IR 레이저의 사용은, 유리가 피코초 펄스 레이저로 천공된 후에, 유리하게는 결함 라인들 사이에서 빠르고, 효율적으로 및 조절된 균열 전파를 결과하며, 따라서 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리의 신속하고 효율적인 절단을 결과한다.
이들 유리의 레이저 파라미터의 부가적인 미세 조정에 대한 필요성을 결과하는 디스플레이 유리의 타입에서 조성적 차이가 있다. 예를 들어, Eagle XG® (또한, 여기서 EXG라 함)는 높은 고유 내손상성 유리 (예를 들어, Contego)보다 출력, 피치 및 펄스 수에 대한 더 넓은 범위의 값을 갖는다. 두 유리 모두는 3-4ppm/℃의 범위에서 낮은 CTE를 보유한다. 2개의 유리의 조성은 하기 표 2에 열거된다.
| mol% | 7607(Contego) | EXG |
| SiO2 | 67.02 | 67.2 |
| Al2O3 | 6.29 | 10.97 |
| B2O3 | 19.82 | 10.21 |
| MgO | 0.51 | 2.28 |
| CaO | 4.89 | 8.74 |
| SrO | 0.51 | 0.52 |
| BaO | 0.01 | 0 |
| SnO2 | 0.05 | .06 |
| ZrO2 | 0.02 | .01 |
| Fe2O3 | 0.01 | .01 |
| Na2O | 0.87 | 0 |
| 합계 | 100.00 | 100.00 |
따라서, 여기에 기재된 방법은, (연속 퓨전 유리 제조 공정 - 소위 "인발-시"에 의해 요구되는 바와 같은) 연속 방식뿐만 아니라 플레이트 또는 시트에서 임의의 형상으로 무-알칼리 유리를 절단하는 효과적인 수단을 제공한다. 작은 (예를 들어, Corning Willow® 유리) 두께 (약 100-200 microns, 또는 100-150 microns)의 피코초 레이저 천공은, 예를 들어, 1 microns 내지 20 microns의 펄스 간격으로 200-300 mm/sec의 속도에서 입증된다 (더 빠른 속도도 가능함).
인발-시 유리를 절단
Mechanical scoring & breaking은 연속 퓨전 유리 제조 공정을 위한 전통적인 유리 절단 방식이다. 직선 절단의 경우 1m/s를 빠르게 달성할지라도, 이 공정은 느린 속도, 유리 에지 칩핑 (chipping), 절단 에지의 높은 거칠기, 등에 기인하여 이러한 적용에 큰 어려움이 있기 때문에 윤곽선 유리 형상을 절단하는 경우 매우 제한적이다. 이들 적용은 표면 아래의 손상 (SSD)을 줄이기 위해 다중 그라인딩 및 연마 단계뿐만 아니라 세척 단계를 요구하는데, 이는 낮은 수율로 인한 비용 증가 및 높은 자본 수요로 인해 공정에 비용이 추가될 뿐만 아니라 단순히 기술 요건을 충족시킬 수도 없다.
이산화탄소 (CO2) 레이저 스코어 (score) 및 파괴 접근법은 디스플레이 유리 조성물을 절단하기 위해 시도되었다. 이 기술은 CO2 열적 유도 레이저 균열 전파를 수반하는 기계적 균열 개시에 의존한다. 대부분의 경우, 10.6 microns의 파장에서 CO2 레이저 방사선은, 열 충격을 일으키고 및 직선을 따라 균열을 전파하기 위해 냉각제 분사가 수반되는 정밀 열원 (precision heat source)으로 사용된다. 이 접근법의 어려움은, 특히 윤곽선 주위에서, 이러한 균열의 방향 및 전파 속도를 조절하는 데 있다. 기계적 또는 CO2 레이저 스코어 및 파괴 기술에 의한 직선 절단이 몇몇 적용에 잘 작동될지라도, 매우 정밀하고, 깨끗하며 및 유연한 (즉, 직선을 따라 단순 절단이 아님) 유리 절단 해법은 요구된다.
기계적 및 CO2 기반 스코어링 모두의 어려움 중 하나의 예로는, 액정 디스플레이 (LCD) 유리 퓨전 인발 공정이다. LCD 퓨전 인발 공정에서, 얇은 평면 유리의 연속적인 리본 (ribbon)은 형성되어, 높은 인발 타워에서 방출된다. 이 얇은 유리는 0.050mm 내지 2mm의 두께 및 24인치 내지 150인치의 폭 (60.96cm 내지 381cm의 폭)으로 형성되는 것이 가장 일반적이다. 이 유리의 리본은 유리창을 스코어링 또는 절단하는 것과 비슷한 기계적 스코어링 휠에 의해 스코어링된다. 이 스코어링된 유리는 그 다음 리본으로부터 기계적으로 굽혀지고 절단되어, 예를 들어, 인발 타워의 하부에서 24인치 내지 150인치의 폭 (약 61cm 내지 381cm의 폭) x 24인치 내지 150인치의 높이 (즉, 약 61cm 내지 381cm의 높이)인 시트를 이룬다. 유리의 시트가 기계적으로 맞물리고 및 가장 바깥 말단의 롤러에 의해 잡아 당겨지기 때문에, 이러한 시트는 시트의 우측 및 좌측 면들 상에 매우 거칠고 두꺼운 섹션을 가질 것이고, 이들 섹션은 "비드 (beads)" 또는 "에지 비드"로 불린다. 기계적 스코어링은, 유리 시트의 두꺼운 비드 섹션이 아닌, 유리 시트의 품질 구역에서 오직 수행될 수 있다. 로봇은 유리의 시트를 잡고, 구부린 다음, 유리의 리본으로부터 스코어링된 시트를 절단시킨다. 이 파괴 작용은 리본 위의 인발 타워 내로 높은 진폭 진동 (amplitude vibration)을 야기하여 최종 시트에 평탄도 변화를 형성되게 된다. 또한, 진동이 인발 위쪽으로 미세-균열을 진행할 수 있기 때문에, 연속 시트 형성 공정의 심각한 혼란 또는 "루비콘 (rubicons)"을 야기할 수 있다. 유리의 기계적으로 스코어링 및 절단은 또한 매우 작고 가벼운 유리 칩을 생성할 수 있고, 및 유리 칩은 공기를 통해 운반되어 근처의 표면에 침착될 수 있으며, 이들 유리 칩은 때때로 10-200 microns 크기 및 3-20 microns 두께이다. 이들 유리 칩은 기계적 스코어링에 의해 생산되어 인발 타워 위쪽으로 부유하고 및 시트의 표면에 부착한다. "클램-쉘 (clam-shell)" 유리 칩이라고 불리는, 이들 입자의 일부는, 매우 평평한 면을 가져서, 다른 유리 표면에 단단히 들러붙으며, 및 리본 유리 표면에 영구적으로 부착될 수 있다. 기계적 스코어링에 의해 생성된 이러한 부착된 유리 칩은, 유리 시트의 불량 섹션을 결과하는데, 이는 이러한 오염이 세척하기가 매우 어렵고 및 LCD 및 TFT 적용에 요구된 유리 상에 코팅 및 패터닝을 방해할 수 있기 때문이다.
인발 후, 이 유리 시트는 그 다음 리본 구역에서 2차 절단 구역으로 이동되며, 여기서 유리 시트는 종종 수직 비드 스코어링 기계로 불리는 또 다른 기계 상에 배치되고, 및 유리 또는 비-품질 구역의 비드 섹션은 그 다음 기계적으로 스코어링되고, 및 그 다음 비드 섹션은 모 시트에서 기계적으로 절단된다. 다시 말하면, 작은 클램-쉘 유리 칩은, 시트의 결함 구역 상으로 날아 흩어질 수 있어, 유리의 불량 섹션을 결과한다.
모든 시트는 그 다음 몇몇 경우에서 상자로 포장되고 및 마감 위치로 운송된다. 다시, 클램-쉘 유리 칩은, 유리의 에지로부터 표면으로 이동하여, 유리의 불량 색션을 결과할 수 있다. 이 유리 상자는 내려지고 및 마감 라인에 배치되며, 여기서 시트는 기계적 또는 CO2 스코어되고 및 약간 더 작은 유리 시트로 기계적으로 절단된다. 이 오프-라인 스코어링 공정은 인발-시 스코어 공정보다 훨씬 더 정밀하다. 다시 말하면, 더 많은 클램-쉘 유리 칩은, 유리 표면 위로 흩어져, 이들 유리 시트의 불량 섹션을 결과한다.
이러한 시트는 그 다음, 최종 길이 및 폭으로 얇은 유리 시트를 거칠고 미세하게 그라인딩하고, 및 또한 원하는 에지 프로파일 또는 사면을 발생하는데 사용될 수 있는 에지 그라인더로 이동된다. 그 다음, 시트는 네 모서리를 그라인딩할 다른 그라인더로 이동된다. 다음으로, 시트는 크랩 쉘 입자를 제외한 가장 느슨한 입자의 표면을 세정하는 인라인 세정기로 이동한다.
전통적인 기계 스코어 및 파괴 방법과 달리, 여기에 개시된 레이저 유리 절단 기술은, 얇은 유리와 같은 유리를 미리 결정된 윤곽선을 따라 매우 정확하고, 매우 고속으로, 및 크거나 또는 상당한 수의 유리 칩을 생성하지 않고, 유리하게 절단할 수 있다. 또한, 유리는 매우 빠른 속도 (예를 들어, 1-2m/sec)로 천공될 수 있다. 테스트 경우에서, 칩은 유리 에지에 관찰되지 않는다. 레이저 공정은 큰 유리 시트에서 휴대폰 크기 (70mm x 150mm)와 같은 작은 유리 제품을 천공 및 분리할 수 있다. 이 얇은 유리의 천공 및 분리 공정은, 에지에 400 nm 미만의 표면 거칠기 (Ra) 및 <60 microns의 표면-아래의 미세-균열을 남긴다. 이 에지 품질은 유리의 그라운드 시트 (ground sheet)의 품질에 가깝다. 이 역량을 고려해 볼 때, 고온의 유리는 얇은 유리 시트를 만드는 퓨전 인발 공정에서 레이저로 절단될 수 있다. 따라서, 여기에 기재된 기술의 구체 예는 유리하게는, 유리가 인발 라인 (또는 원한다면, 마감 라인의 바로 직후)에서 최종 형상으로 절단되도록 함으로써 수율 개선, 감소된 또는 존재하지-않는 미립자 발생, 및 비용 개선을 제공한다).
도 11은 연속 퓨전 유리 제조 공정을 위한 기존의 유리 절단 접근법을 예시한다. 기존 공정에서, 유리 시트 (1164)는 인발 타워 (1162)로부터 아래로 흐른다. 유리 시트 (1164)의 더 어두운 음영은 더 높은 온도를 나타낸다. 유리 시트가, 예를 들어, 퓨전 인발 기계에서 형성되는 경우, 고온의 부드러운 유리 시트는 유리 시트의 두 개의 외부 에지 상에 자국을 형성하는 롤러와 같은 그레스핑 메커니즘 (grasping mechanism)에 의해 당겨진다. 자국난 에지는 소위 "비드"라고 불리고, 이들 에지는 유리 시트의 전체 길이로 연장된다. 이들 비드 구역이 종종 유리 시트의 중심 섹션에 비해 왜곡되고 평평하지 않기 때문에, 비드 (또는 비드 구역)의 제거는, 유리가 최종 장치를 만드는데 활용되기 전 수행된다. 인발 이동 (1165)에 의해 예시된 바와 같이, 유리 시트는 유리 시트 (1164)의 에지를 따라 유리 비드 (1166)를 생성하는 롤러 휠을 사용하여 다운 인발된다. 기계적 또는 CO2 레이저 스코어는, 스코어 라인 (1168)을 따라 적용되어, 유리 시트 (1164)로부터 스코어링된 시트 (1170)의 절단을 용이하게 한다.
여기에 기재된 방법은 온라인 및 오프-라인 모두의 유리 절단 필요를 위한 디스플레이 유리 조성물용 유리 절단 해법을 제공한다. 온라인에서, 이들 방법은, 인발에서 나옴에 따라, 특히 인발의 하부 (BOD)로 알려진, 유리가 이의 형성 온도로부터 냉각되기 시작하는, 구역에서, 유리 시트의 절단 및 비드 제거 모두에 대해 적용될 수 있다. 유리 시트가, 예를 들어, 퓨전 인발 기계에서 형성될 때, 고온의 부드러운 유리 시트는, 유리 시트의 두 개의 외부 에지 상에 자국을 형성하는 롤러와 같은 그레스핑 메커니즘에 의해 당겨진다. 자국난 에지는 "비드"라고 불리며, 이들 에지는 유리 시트의 전체 길이로 연장한다. 이들 비드 구역이 종종 유리 시트의 중심 섹션에 비해 왜곡되고 평평하지 않기 때문에, 유리가 최종 장치를 만드는데 활용되기 전에 비드 (또는 비드 구역)의 제거는 수행된다. 여기에 기재된 방법은, 유리 시트의 전체 두께를 통해 전신 (전체-두께) 천공을 결과할 수 있는 유리 절단 해법을 제공한다. 일련의 전체-두께 천공은, 단층선을 따라 시트를 분리할 때, 유리 시트에서 매우 정밀하고 조절 가능한 절단을 형성할 수 있는, 단층선을 형성할 수 있다.
도 12a-12b는, 도 2-6과 관련하여 여기에 기재된 것과 같은 레이저 광학 시스템을 활용하여, 여기에 기재된 방법에 따라 인발시 레이저 유리 절단의 2가지 방법을 예시한다. 레이저 절단 공정 (1200A)에 따르면, 일련의 결함 라인들로 이루어진 레이저 절단 라인 (1168')은, 인발 타워 (1162)에 의해 형성된 유리 시트 (1164)에 적용된다. 공정 (1200A)에서, 레이저 (도시되지 않음)는 유리 시트 (1164)의 전체 두께를 통해 절단하도록 구성된다. 레이저 절단 라인 (1168')은, 유리 리본을 진동시키지 않거나 또는 어떤 유리 칩 또는 입자를 생성하지 않고, 비드 (1166)를 절단하는 것을 포함하여, 인발시 새롭게 형성된 유리 시트 (1164)의 전체 폭을 가로질러 연장된다.
도 12b는 인발시 레이저 유리 절단의 선택적인 방법 (1200B)을 예시하고, 여기서 레이저는 유리 시트의 품질 구역을 통해 절단하고, 및 유리의 더 큰 직사각형 시트 (1170')를 제거하는데 사용된다. 폐유리 (1172)는 인발 구역의 하부 (1172)에서 유리 시트로부터 제거된다. 다른 구체 예에서, 제거된 유리 시트 (1170')가 직사각형일 필요는 없다는 것은 인식되어야 한다. 유리 시트 (1170')는 정사각형 또는 원형일 수 있거나, 또는 요구된 임의의 다른 형상일 수 있다.
도 13은 인발시 레이저 유리 절단의 또 다른 선택적인 방법을 예시한다. 도 13에서, 수직 레이저 절단 라인 (1168')은 인발 경로에서 상대적으로 높은 유리 비드 (1166)에 인접하게 적용된다. 그 다음, 인발 경로에서 상대적으로 더 낮은, 수평 레이저 절단 라인 (1168')이 인발로부터 유리 시트 (1170')를 절단하고 제거하도록 적용된다.
도 14는 인발시 레이저 유리 절단의 또 다른 선택적인 방법을 예시한다. 도 14에서, 수평 레이저 절단 라인 (1168')은 레이저 절단 시트 (1170')를 인발로부터 제거하기 위해, 유리 시트 (1164)의 전체 폭을 가로질러, 인발시 적용된다. 이후에, 수직 레이저 절단 라인 (1168')은 절단된 시트 (1170')에 적용되어 인발의 하부에서 절단 시트로부터 비드를 제거한다.
도 15는 인발에서 벗어난 시트 (1170')로부터 테두리 또는 폐유리를 제거하기 위해 여기에 기재된 레이저 방법의 사용을 예시한다. 마감 구역에서, 수평 및 수직 레이저 절단 라인들 (1168')은, 레이저 절단 유리 시트 (1170')로부터 폐유리 (1172)의 수평 및 수직 조각을 제거하기 위해 적용된다.
여기에 개시된 레이저 유리 가공 기술은, 얇은 유리를 매우 정확하고, 매우 빠르며, 유리 칩을 생성하지 않고 절단할 수 있다. 레이저-기반 기술은 매우 작은 구멍 (예를 들어, <1 micron의 직경) 및 짧은 피치 간격 (예를 들어, 1 micron)으로 유리를 관통할 수 있다. 또한, 여기에 개시된 방법은 초고속 (예를 들어, 1 내지 2 meters/sec)으로 유리를 천공하는데 사용될 수 있다. 칩은 유리 에지 상에 보이지 않는다. 휴대폰용과 같은 소형 유리 제품 (예를 들어, 70mm x 150mm)은 더 큰 유리의 시트에서 천공 및 제거될 수 있다. 이 얇은 유리의 천공 및 분리 공정은, 400 nm Ra 미만의 거칠기 및 <60 microns에서 표면 아래의 미세-갈라진 금 또는 미세-균열을 갖는 에지를 남긴다. 이 엣지 품질은 유리 그라운드 시트 (ground sheet)의 품질에 가깝다. 이러한 특성을 고려할 때, 레이저-기반 공정은 얇은 유리 시트를 만드는 퓨전 인발 공정에서 고온 유리를 절단하는데 사용될 수 있다.
유리 응력은 또한, 몇몇 적용, 특히 높은 응력을 갖는 적층 유리 시트 또는 유리 시트를 갖는 적용의 경우 특히 우려될 수 있다. 이러한 상황하에서 전통적인 방법으로 시트의 절단은, 상당한 어려움을 야기한다. 예를 들어, 상당한 양의 응력은, 퓨전 인발 공정 동안에 LCD 유리 시트의 인발 동안 유도된다. 시트 및 비드 계면에서 응력은, 시트와 비드 사이의 두께 차이 및 상기 차이에 연관된 냉각 속도 때문에, 유리 냉각 동안 훨씬 더 크다. 응력 수준은, 퓨전 인발 적층 시트의 경우에 상당히 클 수 있고 (>300 MPa), 여기서 인접한 시트 층들 사이에 점도 및 CTE 차이는 매우 높은 외부 층 압축 응력을 결과한다. 이 높은 압축 응력 층 특성은, 적층 유리 시트의 유리 강도를 상당히 개선할 수 있다. 그러나, 전통적인 방법으로 유리 시트의 절단은, 높은 응력 수준을 갖는 시트에서 어려울 수 있다.
기술 분야에서 이해되는 바와 같이, 퓨전 인발 공정으로 제조된 LCD 유리 시트는, 유리가 그 연화점 이상으로부터 그 변형점 훨씬 아래로 냉각됨에 따라 유도되는 높은 응력을 갖는다. 응력은 또한 두께 및 열 질량의 차이로 인해 유리 비드 계면에서 상당히 높다. 응력은 적층 유리 시트의 경우에 훨씬 더 높고 (>300 MPa), 여기서 유리 층의 CTE 및 점도에서 불일치는, 강화 유리 적용을 위해 요구된 높은 압축 응력을 유도할 수 있다. 이들 높은 수준의 응력은 유리의 변형점 (<300℃)보다 훨씬 낮은 온도에서 유리 시트를 절단하는 것을 매우 어렵게 만든다.
유리 시트의 두께를 통한 단발 (single shot) 관통을 수반하는 레이저 기술을 사용하여 시트를 절단하고 및 시트로부터 비드를 분리하는 방법 및 다른 구체 예는 개시된다. 여기에 개시된 방법은, 비드의 인발 및 분리시 시트의 레이저-기반 절단을 가능하게 하여 퓨전 인발 공정의 제조 효율을 개선한다. 더군다나, 몇몇 구체 예에서, 단일 층 시트 및 적층 시트는, (유리의 어닐링 점에 가까운) 고온에서 절단될 수 있어, 유도된 응력을 훨씬 더 작게 만든다. 고온에서 시트를 절단하고 및 규정된 온도 프로파일을 통해 시트를 후-가공하는 능력은 또한, 더 낮은 유리 수축률 (glass compaction), 더 낮은 잔류 응력, 별도의 마감 단계 비용을 제거할 가능성, 더 높은 변형점의 유리를 가공할 능력, 및 유리가 어닐링 온도에서 더 오래 머무르기 때문에 증가된 생산량으로 시트를 수용할 수 있다.
도 16은 어닐링 점에 가까운 온도에서 (절단될) 유리 시트 부분 (1170')을 유지하도록 설계된 다-단 가열로 (1671)를 사용하는 대표 공정을 예시한다. 인발의 하부에서, (절단될) 유리 시트 (1170')는 유리의 어닐링 온도 부근에서 유지되는 가열로 (1671a)로 도입된다. 어닐링 점 근처의 상승된 온도에서 더 낮은 응력 수준은, 시트의 절단에 도움이 된다. 시트 (1164)는, 수평 레이저 빔 병진 이동 (1676)을 수행하는 인발에서 레이저 빔 (1674)에 의해 수평으로 먼저 절단되어, 유리 내에 복수의 결함 라인을 생성한다.
유리 시트 (1170')는 그 다음 유리의 어닐링 온도에서 또한 유지되는, 가열로 (1671b)로 병진 이동된다. 유리 비드 (1166)는, 비드 (1166)에 인접한 유리 시트 (1170')를 레이저 스코어링하기 위해 수직 병진 이동 (1674)을 수행하도록 구성된, 레이저 빔 (1674)을 사용하여 분리된다. 수평 및 수직 절단 단계는, 레이저-손상 윤곽선을 따라 인장 또는 굽힘 응력을 적용하여 유리를 인발로부터 분리하고 및 필요하다면 절단된 유리 시트 (1170')로부터 유리 비드를 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 응력은, 예를 들어, 로봇을 사용하여 적용될 수 있다.
유리 비드의 제거 후에, 절단 유리 시트 (1170')는 제3 가열로 (1671c)로 병진 이동되고, 여기서 열원 (1680)은 유리 플레이트 (1170')의 절단 에지에 열을 전달하기 위해 수직 병진 이동 (1682)을 수행한다. 열은 절단된 수직 에지를 매끄럽고 둥글게 하기 위해 적용되는 반면, 도 16에 나타내지는 않았지만, 열은 또한 플레이트 (1170')의 수평 절단 에지를 매끄럽고 및 둥글게 하기 위해 적용될 수 있다. 열원은 가스 화염, CO2 레이저, 등을 포함할 수 있다.
유리 시트 (1164)는, CTE, 등과 같은 다른 물질 특성을 각각 갖는, 다층으로 구성된 적층 시트일 수 있다. 이러한 적층 시트는, 각 아이소파이프 (isopipe)가 적층의 다른 층에 대해 유리를 제공하기 위해 사용되는 이중-아이소파이프 인발 타워를 사용하여 형성될 수 있다. 적층의 유리 층들 사이에 CTE의 차이는, 유리 시트가 연화점 이상으로부터 변형점 훨씬 아래로 냉각됨에 따라 도입된 상당한 양의 응력을 결과한다. 예를 들어, 400 MPa 초과의 압축 응력은, (예를 들어, 전체적인 내용이 참고로 여기에 혼입된, 미국 공개특허 제2011/0318555호에 기재된 바와 같은) 0.8 내지 1 범위의 총 적층 두께에 대한 내부 층의 두께의 비로, 60 x 10-7/℃ 초과의 내부 및 표면층 사이에 CTE 차이를 가져서 적층 시트 표면의 표면상에서 유도될 수 있다.
유리 시트 (1164)가 적층인 경우, 가열로 (1671a 및 1671b)는 적층의 두 층의 어닐링 온도 사이에 온도에서 적층을 유지하도록 구성될 수 있다. 높은 표면 압축 응력이 요구되는 적용 (고강도 적용을 위한 적층 유리)의 경우, 어닐링 온도에서 제공되는 시간은 응력 크기를 감소시킬 것이어서, 레이저 빔 (1674)을 사용하는 절단을 용이하게 한다. 이들 경우에서, 높은 응력은 여전히 절단-후 냉각 동안에 유리를 퀀칭 (quenching)시켜 마감된 유리 시트에서 달성될 수 있다.
도 17은, 점진적으로 더 차가운 단계 (1771a, 1771b, 및 1771c)를 갖는 다단계 가열로 (1771)을 통해 시트를 물리적으로 횡단시켜 유리의 변형점보다 훨씬 더 낮은 온도로 시트 (1170')가 냉각되는 공정을 예시한다. 일련의 가열로는, 규정된 온도 프로파일을 적용하여 잔류 응력을 최소화하고, 형성-후 수축률을 최소화하며, 유리 시트 속성을 개선하고, 및 유리 특성을 조절한다. 유사한 조절 냉각 프로파일은 시-변 온도 프로파일을 갖는 단일-단계 가열로 (single-stage furnace)를 사용함으로써 다른 구체 예에서 달성되는 것으로 이해되어야 한다.
다른 구체 예에서, 레이저 천공은, 유리의 어닐링 점 이상의 높은 온도에서, 결함 라인들 사이에 특정 분리로, 인발 내에 유리로 만들어진다. 이것은 이 인발 위치에서 유리 강도에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나, CTE 응력이 인발시 다운스트림 위치에서 발생되는 경우 (예를 들어, 적층 유리), 이는, 자발적인 분리 또는 단지 약한 외부 섭동으로 분리되는 유리 시트를 결과할 수 있다. 자발적인 분리, 또는 약한 외부 섭동으로 분리는, 유리 비드의 제거 및 유리 수집에 유용할 수 있다.
고온에서 시트를 절단하고 규정된 온도 프로파일을 통해 시트를 후-가공하는 능력은 또한, 더 낮은 유리 수축률 및 더 낮은 잔류 응력을 갖는 시트를 가능하게 할 수 있다. 이러한 능력은 또한 별도의 마감 단계의 비용을 없애고, 변형점이 더 높은 유리의 가공을 허용하며, 어닐링 온도에서 유리가 오래 머무르기 때문에 생산량을 증가시킬 수 있다.
전체-두께 절단에 따른 유리 분리는 두 결함 라인 사이에 피치에 의해 조절된다. 피치를 조절하는 능력은 또한, 이것이 레이저 펄스 주파수 또는 버스트 반복률, 버스트 모드 내에 펄스의 수 및 펄스당 및/또는 버스트당 이용 가능한 평균 에너지에 의해 또한 영향을 받는, 절단 속도를 결정하기 때문에 중요한다.
관통된 결함 라인의 구멍 주변의 미세-균열이 그 다음 가장 가까운 구멍을 향한 지향되는 경우, 이는, 하나의 구멍으로부터 절단 방향으로 그 다음 가장 가까운 구멍까지의 균열 전파가 절단의 라인을 따라 미세-균열에 의해 부가적으로 향상된다는 의미에서 유리 절단을 돕는다.
박막 트랜지스터 (TFT)와 같은, 연속 퓨전 유리 제조 공정 및 디스플레이 적용은, 유리를 특정 형상, 치수 및 특정 에지 마감으로 절단하는 단계를 요구한다. 예를 들어, 디스플레이 유리 시트를 고객에게 보내기 전에 둥근 에지 (bullnose edge)로 마무리하는 것은 업계 표준이다. 이는, 수송 동안 종종 이러한 마감 처리가 없는 유리 에지가 파손됨에 따라, 신뢰성의 이유로 바람직하다. 여기에 기재된 방법은, 수송 동안 높은 신뢰성을 또한 제공하지만, 고가의 기계적 그라인딩 및 연마 공정을 요구하지 않는, 에지 프로파일, 모따기 (chamfer)로 디스플레이 유리 시트를 절단 및 마감처리하는 것을 가능하게 한다. 최대한, 이러한 에지는 높은 신뢰도 산업 표준을 달성하기 위해 미세한 터치 연마만이 요구될 수 있다.
최종적으로, 여기에 기재된 방법은 0.025 mm 또는 더 얇은 두께로부터 수 mm 두께의 유리 시트, 또는 퓨전 공정에 의해 생산된 유리 시트의 스택의 다양한 두께의 TFT 유리 조성물을 완전히 분리/절단할 수 있다. 이러한 TFT 유리 조성물의 피가공재는, 예를 들어, 약 0.01mm 내지 7mm (예를 들어, 0.5mm 내지 7mm, 또는 0.5mm 내지 5mm)의 범위에서 두께를 가질 수 있다. 도 2-6에 기재된 장치에 의해 발생된 레이저 빔 초점 라인은, 예를 들어, 필요에 따라 전체 피가공재 두께에 통해 연장하는 결함 라인을 형성하기 위해 피가공재의 두께의 범위를 포함하는 범위에서 길이를 가질 수 있다.
본 출원은 향상된 레이저 가공 역량 및 비용 절감 및 그에 따른 더 낮은 제조비로 전환될 수 있는 다음의 이점을 제공한다. 현 구체 예에서, 절단 공정은 다음을 제공한다:
감소된 레이저 출력으로 절단되는 부분의 완전 분리: 개시된 구체 예는 0.025 mm 또는 더 얇은 두께로부터 수 mm 두께의 유리 시트, 또는 퓨전 공정에 의해 생산된 유리 시트의 스택의 다양한 두께의 TFT 유리 조성물을 완전히 분리/절단할 수 있다.
감소된 표면 결함: 레이저와 물질 사이에 초-단 펄스 상호작용으로 인해, 열 상호작용이 거의 없고, 따라서 바람직하지 않은 응력 및 미세-균열을 결과할 수 있는 열 영향 존이 최소로 존재한다. 부가적으로, 레이저 빔을 유리에 집중하거나 또는 초점 조정하는 광학기기는, 부품의 표면상에 통상적으로 직경이 2-5 microns인 결함 라인을 생성한다. 분리 후에, 표면 아래의 결함은 100 microns 미만, 예를 들어 <75 microns, <50 microns, <30 microns, 또는 심지어 20 microns 이하이다. 이것은, 강도가 결함의 수, 및 크기 및 깊이의 관점에서 이들의 통계적 분포에 의해 지배받음에 따라, 부품의 에지 강도에 큰 영향을 미친다. 이 수치가 높을수록, 부분의 에지는 약해질 것이다. 여기에 개시된 구체 예들에 의해 가능한 공정은 20 microns 이하의 절단 에지의 표면 아래의 손상을 제공한다.
임의의 절단 공정에 의해 야기되고, 및 절단 표면에 거의 수직으로 지향된 작은 미세균열 및 물질 변형, 또는 표면 아래의 손상은, 유리 또는 기타 취성 물질의 에지 강도에 대해 중요한 것이다. 표면 손상의 깊이는, 수 nm의 광학 해상도를 갖는, 공초점 현미경 (confocal microscope)을 사용하여 절단 표면을 관찰함으로써 측정될 수 있다. 표면 반사는 무시되고, 균열은 물질 아래에서 찾아내며, 균열은 밝은 선으로 나타난다. 현미경은 그 다음 더 이상 "스파크"가 없어질 때까지, 즉, 산란 피쳐가 관찰되지 않을 때까지, 물질에 초점을 맞춰서, 일정한 간격으로 이미지를 수집한다. 이미지는 그 다음 균열을 찾아 유리의 깊이를 통해 추적하여 수동으로 가공하여 표면 아래의 손상의 (통상적으로 microns으로 측정된) 최대 깊이를 얻는다. 통상적으로 수천 개의 미세균열이 있으므로, 통상적으로 가장 큰 미세균열만 측정된다. 이 절차는 통상적으로 절단 에지의 약 5개 위치에서 반복된다. 미세균열이 절단 표면에 거의 직각일지라도, 절단 표면에 정확히 직각인 임의의 균열은 이 방법으로 검출되지 않을 수 있다.
공정 청결도 (Process cleanliness): 여기에 기재된 방법은 Eagle XG®, Corning Lotus™, Corning Lotus NXT™ 및 기타와 같은, TFT 유리 조성물을 깨끗하고 조절된 방식으로 분리 및/또는 절단을 가능하게 한다. 공정 청결도: 여기에 기재된 방법은 가능하게 한다. 종래의 박피 (ablative) 또는 열 레이저 공정을 사용하는 것은, 다수의 더 작은 조각으로 기판의 단편화 및 미세-균열을 유도하는 열 영향 존을 촉발시키는 경향이 있기 때문에 매우 어렵다. 개시된 방법의 물질과 유도된 상호작용 및 레이저 펄스의 특성은, 매우 짧은 시간 규모로 발생하고, 및 레이저 방사선에 대한 기판 물질의 투명도가 유도된 열 효과를 최소화하기 때문에, 이러한 문제점 모두를 피한다. 결함 라인이 기판 내에서 생성되기 때문에, 절단 단계 동안 파편 및 미립자 물질의 존재는 실질적으로 제거된다. 생성된 결함 라인으로부터 결과하는 임의의 미립자가 있는 경우, 이들은 부분이 분리될 때까지 잘 함유된다. 여기에 기재된 레이저-기반 방법에 의해 절단되고 분리된 표면상의 입자는, 약 3 microns 미만의 평균 직경을 가질 수 있다.
다른 크기의 형상 및 복잡한 프로파일을 절단
본 레이저 가공 방법은, 다른 경쟁 기술의 한계점인, 다양한 형태 및 형상에 따라 유리, 사파이어, 및 다른 기판 및 유리 피가공재를 절단/분리할 수 있게 한다. 촘촘한 반경은 TFT 유리 조성물에서 절단될 수 있어 (예를 들어, <2mm), 곡면 에지를 허용하고, 및 또한 (휴대폰 적용에서 스피커/마이크로폰에 대해 요구되는 바와 같은) 작은 구멍 및 슬롯을, 예를 들어, 본 방법으로 약 5mm 미만으로 만들 수 있다. 또한, 결함 라인이 임의의 균열 전파의 위치를 강력하게 조절하기 때문에, 본 방법은 절단의 공간 위치를 크게 조절할 수 있으며, 수백 microns 정도의 작은 구조 및 피쳐를 절단 및 분리할 수 있다.
공정 단계의 제거
유입되는 유리 패널로부터 최종 크기 및 형상으로 유리 플레이트를 제작하기 위한 공정은, 패널을 절단, 크기로 절단, 마감 및 에지 형상화, 부분을 목표 두께로 얇게 함, 및 TFT 유리 조성물의 연마를 포괄하는 여러 단계를 포함한다. 이들 단계 중 어떤 하나의 제거는, 공정 시간 및 기업 비용의 측면에서 제조비를 개선할 것이다. 제시된 방법은, 예를 들어, 다음과 같이 단계 수를 줄일 수 있다:
* 감소된 파편 및 에지 결함 발생 - 세척 및 건조 스테이션의 잠재적 제거.
* 샘플을 최종 크기, 모양 및 두께로 직접 절단 - 마감 라인의 필요성을 제거.
* 인발시 직접 유리 절단 - 마감 라인의 필요성을 제거.
여기에 인용된 모든 특허, 공개된 출원 및 참고 문헌의 관련 교시는 그 전체가 참조로서 혼입된다.
대표적인 구체 예가 여기에 개시되었지만, 첨부된 청구 범위에 포괄되는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고, 형태 및 상세에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
Claims (33)
- 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법에서, 상기 방법은:
유리 피가공재로 향하고 및 빔 전파 방향을 따라 지향된 레이저 빔 초점 라인으로 펄스된 레이저 빔을 초점 조정하며, 상기 레이저 빔 초점 라인은 물질 내에 유도 흡수를 발생시키고, 및 상기 유도 흡수는 피가공재 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함 라인을 생성하는, 초점 조정 단계; 및
상기 유리 피가공재 및 레이저 빔을 제1 윤곽선을 따라 서로에 대해 병진 이동시키고, 이에 의해 상기 피가공재 내에 제1 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인들을 레이저 형성하는, 병진 이동 단계를 포함하며, 여기서, 인접한 결함 라인들 사이에 간격은 5 microns 내지 15 microns이고; 및 여기서, 상기 펄스된 레이저는 펄스 버스트 당 300 내지 600 micro Joules의 펄스 버스트 에너지로, 펄스 버스트 당 5-20의 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재를 레이저 가공하는 방법에서, 상기 방법은:
알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재로 향하고 및 빔 전파 방향을 따라 지향된 레이저 빔 초점 라인으로 펄스된 레이저 빔을 초점 조정하며, 상기 레이저 빔 초점 라인은 물질 내에 유도 흡수를 발생시키고, 및 상기 유도 흡수는 피가공재 내에서 상기 레이저 빔 초점 라인을 따라 결함 라인을 생성하는, 초점 조정 단계; 및
상기 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합 피가공재 및 레이저 빔을 제1 윤곽선을 따라 서로에 대해 병진 이동시키고, 이에 의해 상기 피가공재 내에 제1 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인들을 레이저 형성하는, 병진 이동 단계를 포함하며, 여기서, 인접한 결함 라인들 사이에 간격은 5 microns 내지 15 microns이고; 및 여기서, 상기 펄스된 레이저는 펄스 버스트 당 300 내지 600 micro Joules의 펄스 버스트 에너지로, 펄스 버스트 당 5-20의 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하는, 유리 복합 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 펄스된 레이저는, 펄스 버스트 당 9-20의 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고, 및 상기 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 300-500 micro Joules인, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 인접한 결함 라인들 사이에 간격은, 7 microns 내지 12 microns이며, 여기서, 상기 펄스된 레이저는 펄스 버스트 당 5-15 펄스를 갖는 펄스 버스트를 생성하고 및 상기 펄스 버스트 에너지는 펄스 버스트 당 400-600 micro Joules인, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 2, 3 또는 4에 있어서,
상기 펄스된 레이저는, 10W-150W, 바람직하게는 10W-100W, 예를 들어, 25W-60W의 레이저 출력을 갖는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 2, 3 또는 4에 있어서,
상기 펄스된 레이저는, 10W-100W의 레이저 출력을 가지며 및 상기 피가공재 및 상기 레이저 빔은, 적어도 0.25m/sec의 속도로 서로에 대해 병진 이동되는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 2, 3 또는 4에 있어서,
(i) 상기 펄스된 레이저는, 10W-100W의 레이저 출력을 가지며; (ⅱ) 상기 피가공재 및 레이저 빔은 적어도 0.4m/sec, 바람직하게는 적어도 1m/sec의 속도로 서로에 대해 병진 이동되는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 윤곽선을 따라 피가공재를 분리시키는 단계를 더욱 포함하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 윤곽선을 따라 피가공재를 분리시키는 단계는, (i) 기계적 힘을 적용하는 단계; (ⅱ) 이산화탄소 (CO2) 레이저 빔을 제1 윤곽선을 따라 또는 윤곽선에 가깝게 피가공재 내로 향하는 단계; 및/또는 (ⅲ) 제1 윤곽선의 내부에 있는 제2 윤곽선을 따라 상기 피가공재 내로 이산화탄소 (CO2) 레이저 빔을 향하는 단계를 포함하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 제1 또는 제2 윤곽선을 따라 피가공재를 분리시키는 단계는: (i) 타원형의 이산화탄소 (CO2) 레이저 빔을 제1 또는 제2 윤곽선을 따라 또는 윤곽선에 가깝게 피가공재 내로 향하는 단계, 여기서 상기 CO2 레이저 출력은 100-400W임;
또는 (ⅱ) 균일한 강도 빔 프로파일 (탑 해트 프로파일)의 이산화탄소 (CO2) 레이저 빔을 제1 또는 제2 윤곽선을 따라 또는 윤곽선에 가깝게 피가공재 내로 향하게 하여 각각의 윤곽선을 따라 피가공재의 열 응력 유도 분리를 용이하게 하는, 향하는 단계를 포함하고; 여기서 CO2 레이저 출력은 100-400W인, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공재는, 복수의 디스플레이 유리 복합 기판들의 스택을 포함하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 복수의 디스플레이 유리 복합 기판 중 적어도 둘은, 에어 갭에 의해 분리되는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 펄스의 지속시간은, 약 1 picosecond 초과 내지 약 100 picoseconds 미만, 바람직하게는 1 nsec 내지 약 50 nsec, 보다 바람직하게는 약 5 picoseconds 초과 내지 약 20 picoseconds 미만의 범위인, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 청구항 1, 2, 또는 13에 있어서,
상기 버스트들은 약 10kHz 내지 약 650kHz의 범위에 있는 반복률을 갖는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 상기 레이저 빔 초점 라인은 약 0.1 microns 내지 약 10 microns의 범위에서 평균 스폿 직경을 가지며; 및/또는 (ⅱ) 상기 유도 흡수는, 피가공재 내에서 약 100 microns 이하의 깊이까지 표면 손상을 생성하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공재 내에 제1 또는 제2 윤곽선을 따라 복수의 결함 라인을 레이저 형성하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 복수의 결함 라인을 레이저 형성하는 단계는, 각각의 윤곽선에 의해 한정된 표면을 따라 피가공재의 분리를 달성하여 분리된 표면을 형성하고, 및 상기 분리된 표면은: (i) 약 0.5 microns 이하의 Ra 표면 거칠기를 가지며; 또는 (ⅱ) 3 microns 미만의 평균 직경을 갖는, 표면 입자를 포함하는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피가공재는 약 0.01mm 내지 약 7mm의 범위에서 두께를 갖는, 유리 피가공재를 레이저 가공하는 방법. - 전술한 청구항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 유리 제품.
- 적어도 250 microns으로 연장되는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 에지를 포함하는 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리 복합체를 포함하는 유리 제품으로서, 상기 결함 라인 각각은, 5 microns 내지 15 microns의 거리만큼 분리된, 약 1 microns 이하의 직경을 갖는, 유리 제품.
- 청구항 19에 있어서,
상기 적어도 하나의 에지는, 약 100 microns 이하의 깊이까지 표면 손상을 갖는, 유리 제품. - 청구항 19 또는 20에 있어서,
상기 적어도 하나의 에지는, 약 0.5 microns 이하의 Ra 표면 거칠기를 갖는, 유리 제품. - 청구항 19, 20, 또는 21에 있어서,
0.01mm 내지 7mm의 두께를 갖는, 유리 제품. - 알칼리토 보로-알루미노실리케이트 유리를 포함하고 및 적어도 250 microns으로 연장되는 복수의 결함 라인을 갖는 적어도 하나의 에지를 갖는, 미리 결정된 기하학적 구조를 갖는 유리 제품으로서, 상기 결함 라인 각각은, 5 microns 내지 15 microns의 거리만큼 분리된, 약 1 microns 이하의 직경을 갖는, 유리 제품.
- 청구항 23에 있어서,
상기 미리 결정된 기하학적 구조는 내부 구멍을 갖는 원형인, 유리 제품. - 청구항 24에 있어서,
상기 내부 구멍은 원형인, 유리 제품. - 청구항 23에 있어서,
상기 적어도 하나의 에지는, 약 100 microns 이하의 깊이까지 표면 손상을 갖는, 유리 제품. - 청구항 23에 있어서,
상기 적어도 하나의 에지는, 약 0.5 microns 이하의 Ra 표면 거칠기를 갖는, 유리 제품. - 청구항 23에 있어서,
0.01 mm 내지 약 7 mm의 두께를 갖는, 유리 제품. - 청구항 23에 있어서,
상기 유리는, 약 1.0 및 1.6의 범위에 있는 (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3, T (ann) > 785℃, 밀도 < 2.7 g/cc, T(200P) < 1750℃, T(35kP) < 1340℃, 영률 > 81GPa를 포함하는, 유리 제품. - 청구항 29에 있어서,
상기 유리는, 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 60-80, Al2O3 5-20, B2O3 0-10, MgO 0-20, CaO 0-20, SrO 0-20, BaO 0-20, 및 ZnO 0-20을 더욱 포함하는, 유리 제품. - 청구항 23에 있어서,
상기 유리는, 약 1.0 및 1.6의 범위에 있는 (MgO+CaO+SrO+BaO)/Al2O3, T (ann) > 785℃, 밀도 < 2.7 g/cc, T(200P) < 1750℃, T(35kP) < 1270℃, 영률 > 81GPa를 포함하는, 유리 제품. - 청구항 31에 있어서,
상기 유리는, 산화물 기준에 대한 몰%로: SiO2 60-80, Al2O3 5-20, B2O3 0-10, MgO 0-20, CaO 0-20, SrO 0-20, BaO 0-20, 및 ZnO 0-20을 더욱 포함하는, 유리 제품. - 청구항 18-32 중 어느 한 항의 유리 제품을 포함하는 메모리 디스크.
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Legal Events
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