(57)【要約】      （修正有）【課題】基板の切断する品質を高めるレーザー切断装置を提供する。【解決手段】基板に予切断線を形成する予切断システム７８と、前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生するレーザー光システムと、前記熱膨張した基板を冷却する冷却システム７９と、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、前記レーザー光システムは、前記レーザー光を発生するレーザー腔体７と、光路距離調整システム７５と、を含み、前記光路距離調整システムは、前記レーザー光が前記基板に照射する光路に配置され、前記光路距離を調整するために利用される。該レーザー切断装置は、レーザー光路に該レーザー光が基板に照射する光点の大きさを調整するための光路距離調整システムを配置することによって、異なる切断要求を満足することができる。【選択図】図２
2007175773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に予切断線を形成する予切断システムと、
前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、
前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、
前記レーザー光システムは、
前記レーザー光を発生するレーザー腔体と、
光路距離調整システムと、を含み、
前記光路距離調整システムは、前記レーザー光が前記基板に照射する光路に配置され、
前記光路距離を調整するために利用されることを特徴とするレーザー切断装置。
【請求項２】
前記光路距離調整システムは、それぞれ相対する二対の反射鏡を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー切断装置。
【請求項３】
前記二対の反射鏡は、移動可能であるように設置されることを特徴とする、請求項２に記載のレーザー切断装置。
【請求項４】
前記レーザー光システムは、前記レーザー光の焦点を集めて前記基板に照射させるフォーカスレンズ組立体を更に含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のレーザー切断装置。
【請求項５】
前記レーザー光システムは、前記レーザー腔体に設置され、前記レーザー光の通過
又は遮断をコントロールする光遮断器を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のレーザー切断装置。
【請求項６】
前記レーザー光システムは、前記レーザー光を、フォーカスレンズ組立体を通ることができる平行な光線に変換するコリメーターを更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のレーザー切断装置。
【請求項７】
基板に予切断線を形成する予切断システムと、
前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、
前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、
前記レーザー光システムは、
前記レーザー光を発生するレーザー腔体、及び
前記レーザー腔体に設置され、レーザー光通過又は遮断をコントロールする光遮断器を含むことを特徴とするレーザー切断装置。
【請求項８】
前記レーザー光システムは、前記レーザー光の焦点を集めて前記基板に照射させるフォーカスレンズ組立体を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載のレーザー切断装置。
【請求項９】
前記基板は、多孔性材料の真空チャックを介して吸い付けて載置台に取り付けられることを特徴とする、請求項１または請求項７に記載のレーザー切断装置。
【請求項１０】
前記予切断システムは、Ｚ軸に沿って移動できる切削ユニットであることを特徴とする、請求項１または請求項７に記載のレーザー切断装置。
【請求項１１】
前記切削ユニットは、
ボイスコイルモーターと、
前記ボイスコイルモーターに取り付け、前記基板を切断し、予め切断線を形成する切削カッターヘッドと、を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のレーザー切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー切断装置に関して、特に、例えば、液晶表示装置のガラス面板などの脆性材料の切断に利用するレーザー切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示技術の発展につれて、液晶表示装置は、自身の性質によって従来の陰極線管(Cathode Ray Tube)の表示装置に取って代わり、消費領域に広く応用されている。
【０００３】
液晶表示装置は、一般的に二つのガラス基板、該二つのガラス基板の間に収容される液晶、及び複数の回路から成る。液晶は、電界の影響を受けて配向方式を変えることによって表示を行う。寸法が異なる液晶面板を製造するためには、大きい液晶面板を切断することにより、異なる寸法の液晶面板の需要を満足する必要がある。
【０００４】
従来、ガラス基板をレーザー切断装置で切断する時には、ホイールカッター又はダイヤモンドカッターでガラス基板表面に予め切断線を形成した後に、レーザー光で前記基板表面を加熱し、冷却液で前記基板表面を冷却する。前記基板は、急激な温度差で応力の変化が生じるので、その表面に形成された予め切断線から生じた亀裂が伸展して基板断面を貫通し、これによって該基板が完全に分離される。
【０００５】
図１は、従来のレーザー切断装置の構成を示す概略図である。該レーザー切断装置は、二酸化炭素レーザー光を発生する二酸化炭素レーザー光ユニット１と、反射鏡２と、フォーカスレンズ組立体３と、ホイールカッター４と、冷却システム５と、を含む。切断方向Ａに沿って、基板６を切断する時には、ホイールカッター４が基板６の表面に切断を行い、所定の深さの予め切断線を形成する。反射鏡２とフォーカスレンズ組立体３を介して、基板６の表面に照射する二酸化炭素レーザー光は、前記予め切断線に沿って基板を加熱した後、冷却システム５が加熱された予め切断線に沿って前記基板を冷却する。加熱した直後に冷却することにより、ガラス面板には温度差が生じる。この温度差によってガラス面板の内部に生じる応力が、基板を完全に分離させる。基板６は金属の真空チャックに載置台に吸い付けられる。
【０００６】
図１によって、伝統的なレーザー切断装置において、レーザー光の光路構成システムが固定光路であり、レーザー光がレーザー光ユニット１から出射し、所定の距離Ｌ１を通って反射鏡２に入射した後に、所定の距離Ｌ２を通ってフォーカスレンズ３に反射した後、基板６に照射することがわかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述光路構成システムにおいて、Ｌ１とＬ２が所定の距離に構成されるので光学素子が簡単であるが、基板６の寸法が変化する場合に、上述光路構成システムは基板６の変化によってレーザー光点の大きさ及び形状を適時に調整できず、切断特性の要求を満足できない。
【０００８】
伝統的なホイールカッター４は、大体において、気圧によって直接に駆動され、ホイールカッター４を使用して基板６を切断する時には、基板の平坦性の影響を受けて切断深さは均一ではない。気体が圧縮性を有し、且つコントロールの始動より遅れるので、気圧に駆動されるホイールカッター４は基板表面の平坦性に対する敏感度が低い。従って、切断深さを均一になすことができない。
【０００９】
また、伝統的な金属の真空チャックが基板を吸着する吸着力は真空源の位置によって均一ではないので、基板が変形しやすい。従って、基板の切断深さを均一にならせる。その他には、伝統的な金属の真空チャックは、切断の過程で残る冷却液を速く排除できない。
【００１０】
本発明の目的は、基板の切断品質を高めるレーザー切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のレーザー切断装置は、基板に予切断線を形成する予切断システムと、前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、前記レーザー光システムは、前記レーザー光を発生するレーザー腔体と、光路距離調整システムと、を含み、前記光路距離調整システムは、前記レーザー光が前記基板に照射する光路に配置され、前記光路距離を調整するために利用される。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術と比べて、本発明に係るレーザー切断装置は、レーザー光路に該レーザー光が基板に照射する光点の大きさを調整するための光路距離調整システムを配置することによって、異なる切断要求を満足することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２及び図３を参照すれば、本発明のレーザー切断装置は、脆性基板を切断するために利用される。該装置は、予め切断システム７８、レーザー光システム、及び冷却システム７９を含む。該レーザー光システムは、レーザー光を発生するレーザー腔体７と、第一反射鏡７１と、光遮断器７２と、第二反射鏡７３と、コリメーター(collimator)７４と、光路距離調整システム７５と、第三反射鏡７６と、フォーカスレンズ組立体７７と、を含む。本実施形態において、レーザー腔体７から発生した二酸化炭素レーザー光が第一反射鏡７１に反射された後、光遮断器７２を通し、第二反射鏡７３の反射及びコリメーター７４の作用によって生成した平行な光線が、光路距離調整システム７５及び第三反射鏡７６の反射によって、フォーカスレンズ組立体７７を通して基板に入射する。多孔性材料の真空チャック８０が前記基板を吸い付けて該基板が載置台に取り付けられる。また、多孔性材料の真空チャック８０を採用するから、冷却システム７９で冷却する時には、残される冷却液を有効に排除でき、切断品質を高める。
【００１４】
本発明の実施形態において、冷却システム７９は、単一液体、単一気体と単一液体の混合物又は一種以上の気体と液体の混合物などである。例えば、空気、純水、冷却油、液体の窒素又は液体のヘリウムなどである。
【００１５】
図２及び図３を参照すれば、切断方向に沿って、冷却システム７９と、レーザー光システムと、予切断システム７８と、が順に並べられている。基板を切断する時には、まず、前記予切断システム７８で予切断線を基板に形成し、その後、前記フォーカスレンズ組立体７７によってレーザー光のエネルギーを予切断線に沿って非フォーカスレンズ方式で基板表面に照射し、基板を熱膨張させると、これにより、基板内部で圧縮応力が生じる。
【００１６】
前記レーザー光で基板の予切断線を加熱した後、冷却システム７９を利用して加熱された予切断線に沿って基板に霧状の冷却液を急速に噴射する。従って、前記基板表面の温度が急速に下がり、基板の内部が収縮して引張応力が生じる。
【００１７】
前記基板は、局部が短時間において急激な応力変化を発生するので、前記レーザー光から形成される予切断線に沿って亀裂を形成する。前記亀裂が切断面に沿って伸展するから、基板を完全に分離させる。これにより、基板の切断を実現する。
【００１８】
基板を分離させる要因は多いが、主には、ガラスの内部で発生する応力である。該応力が下記の公式で表わされる。
【００１９】
【数１】
2007175773.tif 000003
【００２０】
【数２】
2007175773.tif 000004
【００２１】
ここで、σはガラス面板内部で発生する応力の大きさ、αはガラス面板内部の熱膨張係数、Ｅはガラス面板の縦弾性係数、Ｔ１はレーザー切断装置に加熱されたガラス面板の温度、Ｔ２は冷却された後のガラス面板の温度である。
【００２２】
数１と数２とによって、ガラス面板内部の応力の大きさは、材料の熱膨張係数、縦弾性係数、及びレーザーと冷却システムとによってガラス面板に形成する温度差に対して正比例することがわかる。Ｔ１の最大値は、ガラス面板の気化温度より大きくない。
【００２３】
レーザー加熱装置と冷却システムとが基板に形成する応力が基板材料の破壊靭性より大きい場合には、基板表面に亀裂が形成される。前記亀裂は、製造方法によって、ガラスの表面に、例えば、基板が完全に分離するなどの異なる成長形態を呈する。
【００２４】
レーザー切断装置からのレーザー光が基板を照射する光点の大きさは、レーザー切断の特性に大きくの影響を及ぼす。切断する時の光点の大きさは、レーザー光の出射光線の間の角度、レーザー光の出射端での光点の直径、及び光路の長さによって決まり、下記の公式で表わされる。
【００２５】
【数３】
2007175773.tif 000005
【００２６】
ここで、Ｄはレーザー光が光路距離Ｌを通った光線の直径、ｄはレーザー光の出射端での光点の直径、θはレーザー光の出射光線の間の角度、Ｌは光路距離である。θの単位はＲａｄである。これによって、光路距離Ｌの大きさを調整して、レーザー光の光点の大きさを変えるにより、切断の要求を満足することができる。
【００２７】
図２、図３及び図４を参照すると、本実施形態において、光路距離調整システム７５は、第四反射鏡７５１と、第五反射鏡７５２と、第六反射鏡７５３と、第七反射鏡７５４と、を含む。レーザー光は、第四反射鏡７５１と、第五反射鏡７５２と、第六反射鏡７５３と、第七反射鏡７５４と、を通った後、光路距離調整システム７５から出射する。第四反射鏡７５１と、第五反射鏡７５２と、第六反射鏡７５３と、第七反射鏡７５４と、が移動可能に設置される。
【００２８】
図２を参照すると、レーザー光は、レーザー腔体７の出射端から第一反射鏡７１までの光路距離がＬ１であり、第一反射鏡７１から第二反射鏡７３までの光路距離がＬ２であり、第二反射鏡７３から第四反射鏡７５１までの光路距離がＬ３であり、第四反射鏡７５１から第五反射鏡７５２までの光路距離がＬ４であり、第五反射鏡７５２から第六反射鏡７５３までの光路距離がＬ５であり、第六反射鏡７５３から第七反射鏡７５４までの光路距離もＬ４であり、第七反射鏡７５４から第三反射鏡７６までの光路距離がＬ６であり、第三反射鏡７６からフォーカスレンズ組立体７７までの光路距離がＬ７である。レーザー光がレーザー腔体７から出射し始め、フォーカスレンズ組立体７７に入射する光路距離はＬである。すなわち、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋２＊Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７となる。
【００２９】
図３を参照すれば、光路距離調整システム７５において、第四反射鏡７５１と、第五反射鏡７５２との距離、及び第六反射鏡７５３と第七反射鏡７５４との距離を同時に調整する。即ち、第四反射鏡７５１と第五反射鏡７５２の光路距離Ｌ４及び第六反射７５３と第七反射鏡７５４の光路距離Ｌ４を光路距離Ｌ４´に調整する。この時に、レーザー光がレーザー腔体７から出射し始め、フォーカスレンズ組立体７７に入射する光路距離はＬ´である。すなわち、Ｌ´＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋２＊Ｌ４´＋Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７となる。
【００３０】
本実施形態において、光路距離を増加するために、Ｌ４´がＬ４より大きいように設ける。もちろん、要求に応じて光路距離を縮小してもよい。
【００３１】
Ｌ４´がＬ４より大きいので、光路距離Ｌ´が光路距離Ｌより大きくなる。第四反射鏡７５１、第五反射鏡７５２がそれぞれ第七反射鏡７５４、第六反射鏡７５３に対する距離を同時に調整し、即ち、第四反射鏡７５１と第七反射鏡７５４との光路距離Ｌ５及び第五反射７５２と第六反射鏡７５３との光路距離Ｌ５を光路距離Ｌ５´に調整する。レーザー光がレーザー腔体７から出射し始め、フォーカスレンズ組立体７７に入射する光路距離はＬ´である。すなわち、Ｌ´＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋２＊Ｌ４´＋Ｌ５´＋Ｌ６＋Ｌ７となる。
【００３２】
【数３】
2007175773.tif 000006
【００３３】
によって、図３に示す光束の直径Ｄ´が図２に示す光束の直径Ｄより大きいことが分かる。光路距離調整システム７５によって光路距離を変えることによって、基板に照射する光点の大きさを変えることができる。このようにすると、異なる切断要求を満足できる。
【００３４】
また、図２、図３、図５、及び図６を参照すれば、レーザー光が閉じられる状態から、激励される状態、及び安定的に出力する状態まで時間をかかるので、レーザー光を安定的に出力させるために、レーザー光の光路に光遮断器７２を設置する。図５に示すように、光遮断器７２が閉じられる状態に、レーザー光が光遮断器７２に遮断され、第二反射鏡７３に入射されない。図６に示すように、光遮断器７２が開く状態に、レーザー光が通ることができる。前記光遮断器７２は、レーザー光が通過又は遮断されるスイッチとして、レーザー光が工作物体の表面に出力するかどうかをコントロールする。製造過程において、レーザー腔体７をコントロールせず、光遮断器７２の開閉だけをコントロールし、レーザー光の出力をコントロールできる。
【００３５】
図７を参照すれば、本実施形態において、予切断システム７８は切削ユニットであり、もちろん、レーザーシステムでもある。切削ユニットは、モーター７８１と、ブレーキ７８２と、を含む。モーター７８１とブレーキ７８２とが協力して、切削ユニットをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って移動させる。該切削ユニットは、ブレーキ７８２に設置されるボイスコイルモーター(voice-coil motor)７８３、及び該ボイスコイルモーター７８３に取り付ける切削カッターヘッド７８４を更に含む。該ボイスコイルモーター７８３は、切削カッターヘッド７８４の動力伝送工具として使用され、何れかの機械背隙はないので、出力をコントロールすることが精確で、速くなる。従って、基板の平坦性に対する敏感度が良く、切削カッターヘッド７８４の予切断深さの均一性を良くコントロールできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術のレーザー切断装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態のレーザー切断装置の構成を示す概略図である。
【図３】図２の光路距離が増加するレーザー切断装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態のレーザー切断装置の光路距離調整システムの立体図である。
【図５】本発明の実施形態のレーザー切断装置の光遮断器が閉じる状態にある立体図である。
【図６】本発明の実施形態のレーザー切断装置の光遮断器が開く状態にある立体図である。
【図７】本発明の実施形態のレーザー切断装置の切削モジュールの立体図である。
【図８】本発明の実施形態のレーザー切断装置の真空チャックの立体図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  レーザー光ユニット
２  反射鏡
３  フォーカスレンズ組立体
４  ホイールカッター
５  冷却システム
６  基板
７  レーザー腔体
７１  第一反射鏡
７２  光遮断器
７３  第二反射鏡
７４  コリメーター
７５  光路距離調整システム
７５１  第四反射鏡
７５２  第五反射鏡
７５３  第六反射鏡
７５４  第七反射鏡
７６  第三反射鏡
７７  フォーカスレンズ組立体
７８  予め切断システム
７８１  モーター
７８２  ブレーキ
７８３  ボイスコイルモーター
７８４  切断カッターヘッド
７９  冷却システム
８０  多孔性材料の真空チャック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007175773.tif 000010
【図５】
2007175773.tif 000011
【図６】
2007175773.tif 000012
【図７】
2007175773.tif 000013
【図８】
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