취성 재료의 열응력 할단방법 document_id A220623111479

액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 등의 플랫 패널 디스플레이에 이용하는 유리의 할단은, 현재는 다이아몬드 커터로 행해지고 있으며, 할단후의 세정 공정의 필요성이나, 마이크로 크랙의 존재 등의 문제를 나타내고 있다. 또한, 자동차용 유리 부품은 곡선 가공이 많기 때문에, 현재는 기계적으로 직선 절단후에, 연마를 실시하고 있다. 이 때문에, 유리할단만으로 끝낼 수 있는 레이저 가공에의 기대는 크다. 유리는, 종래에는 다이아몬드칩 등의 초경 바이트를 사용한 기계적 방법으로 할단해 왔다. 유리에 대한 이 방법의 적용은, 과거 1세기 이상의 장기간에 걸쳐서 사용되어 온 방법이기도 하다. 그런데, 이러한 기계적 방법에는 다음에 설명하는 결점이 존재한다. 첫째는, 할단시에 파유리(cullet)로 불리는 작은 파편이 발생하여, 워크 표면을 더럽히는 것이다. 둘째는, 할단면 부근에 마이크로 크랙이 발생하고, 그것을 기점으로 하여 워크가 갈라질 위험이 있는 것이다. 셋째는, 최소로도 수백 ㎛ 정도의 절단 마진 (margin)이 존재하여, 워크 사이즈가 끝도 없이 미소화되고 있는 현재, 이 절단 마진의 존재를 무시할 수 없게 되는 것이다. 이 밖에도, 가공 속도의 한계, 소모품인 공구 비용 등, 산업상 무시할 수 없는 결점이 있다. 창유리의 할단 등은 종래 기술의 사용으로 문제없지만, 액정 디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등에 사용하는 파인글래스 할단의 경우, 마이크로 크랙의 대책을 위해서 할단면을 연마하고, 그 후 세정을 행하는 등의 후속 공정이 필요하게 되어 있다. 한편, 최근 장래성이 기대되어 온 레이저 할단법에는 다음에 설명하는 바와 같은 장점이 있으며, 다이아몬드칩법의 결점이 제거될 가능성이 있다. 첫째, 질량 손실이 제로(파유리 발생 없음)이고, 세정 등의 후속 공정이 불필요하다. 둘째, 할단면 부근에 마이크로 크랙 등의 파괴 결함이 발생하지 않고 고강도 단면(斷面)을 얻을 수 있으므로, 연마 등의 후속 공정이 불필요하다. 셋째, 면 거칠기가 1㎛이하인 경면(鏡面)을 얻을 수 있다. 넷째, 제품 외형 치수 정밀도가 ±25㎛이상이다. 다섯째, 대처할 수 있는 유리판두께에 하한치가 없어, 향후 유리판두께가 점차 얇아져 가는 액정 TV용 유리에 사용할 수 있다. 다음에, 레이저 할단법의 원리를 설명한다. 유리에 고에너지 밀도의 CO2 레이저 빔을 조사하면, 일반적으로는 조사 스폿에서 레이저 빔의 흡수가 일어나고, 급격한 가열 결과 방사상으로 크랙이 발생해 버려, 진행 방향으로만 할단을 진행시킬 수 없었다. 이 레이저 할단방법에 의하면, 기계 할단의 경우에는 후속 공정으로서 필요하였던 연마, 세정이 불필요하게 되어, 면 거칠기 1㎛이하의 경면이 얻어지고, 제품 외형 치수 정밀도는 ±25㎛이상이 된다. 게다가 유리판두께 0.05mm 까지의 얇은 두께에도 사용할 수 있어, 향후의 액정 표시기용 유리, 플라즈마 디스플레이용 유리, 휴대 전화 등의 휴대 표시기용 유리 등에 사용할 수 있다. 레이저 할단방법의 원리는 다음과 같다. 유리에 국소적으로 가열만이 발생하고, 기화, 용융이나 크랙이 발생하지 않는 정도의 레이저광 조사를 행한다. 이 때 유리 가열부는 열팽창하려고 하지만 주변 유리로부터의 반작용에 따라 충분한 팽창을 할 수 없어, 이 가열 영역에는 압축 응력이 발생한다. 주변의 비가열 영역에서도, 가열부로부터의 팽창에 눌려 주변에 대해서 일그러짐이 더 발생하고, 그 결과 압축 응력이 발생한다. 이러한 압축 응력은 가열 중심점을 원점으로 한 반경 방향의 것으로, 가열이 발생후 거의 음속으로 유리판 전역에 전파한다. 그런데 물체에 압축 응력이 있는 경우에는, 그 직교 방향에는 포아송 비에 비례한 인장응력이 발생한다. 여기서는, 그 방향은 접선 방향이다. 이 모습을 도 1에 도시한다. 도 1은, 원점에 중심을 두는 가우시안 분포의 온도 상승이 있는 경우의, 반경 방향 응력 성분 σx과 접선 방향 응력 성분 σy의 변화를 도시한 것이다. 반경 방향 응력 성분 σx는 종시(終始)압축 응력(도 1에서는 음의 값)이지만, 접선 방향 응력 성분 σy는 가열 중심(거리 r=0)에서는 압축 응력이지만, 가열 중심으로부터 멀어지면 인장 응력(도 1에서 양의 값)으로 변화한다. 이들 응력중에서, 할단에 관계되는 것은 인장 응력이다. 인장 응력이 재료 고유치인 파괴 인성치를 넘을 때에는, 파괴가 여기저기에 발생하여 제어 불능이다. 레이저 할단방법의 경우에는, 인장 응력을 이 파괴 인성치 이하로 선정해 두므로, 이러한 파괴는 발생하지 않는다. 그런데, 인장 응력 존재 위치에 균열이 있는 경우에는 이 균열 선단에서는 응력 확대가 발생하고, 이 확대된 응력이 재료의 파괴 인성치를 넘으면 균열이 확대한다. 즉, 균열 선단으로부터 가열 중심을 향하여 균열이 진전한다고 하는 제어된 할단이 생기게 된다. 따라서, 레이저 조사점을 선행 주사함으로써, 균열을 연장시켜 갈 수 있다. 이 레이저 할단방법에서는, 할단면은 결정의 벽개면(劈開面)에 유사한 것이 되므로, 마이크로 크랙도 파유리 발생도 없고, 상기한 기계적 방법의 결점을 일소할 수 있어, 유리의 가공 방법으로서 뛰어난 특성을 창출하는 것이다. 이 유리의 레이저 할단방법으로서 예를 들어 USP5609384가 알려져 있다. 이 특허에서는, 가열 영역 주변에 발생하는 인장 응력에 의해서만 할단을 실현시키는 것이 아니라, 인장 응력의 최대점 부근에 냉각을 행하여, 이 때 유리의 수축에 의해서 증폭되는 인장 응력이 할단 강화에 도움이 되는 것이 나타나 있다. 도 2에 USP5609384에 의한 레이저 할단방법의 원리를 도시한다. 가열용 레이저광으로서는 CO2 레이저광이 사용된다. CO2 레이저광의 빔 스폿(1)에서의 에너지의 99%는, 유리판(6)의 깊이 3.7㎛의 유리 표면층에서 흡수되며, 유리판(6)의 전체 두께에 걸쳐서 투과하지 않는다. 이것은, CO2 레이저 파장에서의 유리의 흡수 계수가 현저하게 큰 점에 따른 것이다. 이 결과, 가열은 유리판(6)의 표면층에서만 발생하고, 이 가열 영역에서는 압축 응력(4)이 발생한다. 한편, 이 가열 영역으로부터 벗어난 위치인 냉각점(3)에서 냉각을 행한다. 이 때 인장 응력(2)이 발생하고, 이 냉각점(3)으로부터 후방에 첫 균열(8)을 출발점으로 하는 표면 스크라이브(5)가 발생한다. 이 스크라이브(5)의 깊이는, 유리판(6) 속의 열전도에 의해서 도움을 받는다 하더라도 통상 100㎛ 정도이다. 그러나, 유리판(6)은 취성이 강하고, 이 스크라이브선에 맞추어 구부림 응력을 인가하여 기계적으로 할단하는 것이 용이하다. 이 구부림 응력의 인가에 의해서 할단하는 프로세스를 브레이크라고 칭한다. 레이저 빔은 주사 방향(7)의 방향으로 주사된다. 이 방법은 종래 방법인 기계적 방법과 비교하면 수많은 장점이 있어, 플랫 패널 디스플레이 장치의 생산에 서서히 응용되어 오고 있다. 도 3은 일본 특허 제3792639호에 나타난 레이저 할단방법의 원리로서, 도 2에 도시한 레이저 빔(1)의 형상을 5점 빔에 의한 레이저 빔의 선형상 배열(9)로 한 것이다. 또한, 레이저 빔의 선형상 배열(9)에 의한 가열 영역(H)과 냉각점(3)간의 거리(G)를 고정이 아니라, 가변으로 하고 있다. 실험적으로 탐색된 최적 거리(G)의 선택에 의해서, 할단 특성이 한층 개선된다. 레이저 빔 선형상 배열(9)의 생성은 도 4에 도시하는 바와 같이, 레이저 발진기로부터 사출되어 빔 분할기(14)에 입사하는 레이저 빔(B)은, 무반사면(11)을 통과하여 빔 분할기(14)에 들어간다. 그 후, 부분 반사면(13)으로 반사되어, 사출광(b1)과 반사광이 된다. 반사광은 전반사면(10)으로 반사되고, 그 반사광은 부분 반사면(13)에 의해서, 마찬가지로 사출광(b2)과 반사광이 된다. 이것을 4회 반복한 후, 사출광(b5)은 5개째의 빔이 되어, 무반사면(12)을 투과한다. 이렇게 해서, 1개의 입사 레이저 빔(B)은 5개의 사출 빔(b1,b2,b3,b4,b5)으로 변환된다. 이러한 선형상 배열(9)에 의한 레이저 빔의 사용에 의해서 유리할단특성은 한층 개선되었다. 그런데, 유리의 열응력 할단의 실용화에서는, 가공 속도가 종래 기술을 능가하는 것이 요구되고 있다. 가공품질에서는, 문제없이 종래 기술을 크게 능가하고 있다. 가공 속도의 고속화에서는, 기본 프로세스간 처리시간의 단축도 중요하지만, 기본과정(elementary process)으로서의 할단속도의 고속화가 무엇보다도 중요할 것이다. 다른 조건을 일정하게 한 채로 레이저 주사 속도만을 증대시키면, 단위시간내의 조사 에너지가 저하하므로, 발생하는 열응력이 약해져 할단력이 약해져 버린다. 레이저 출력이 낮아도, 레이저 빔 스폿을 미소화하면 에너지 밀도는 저하하지 않고, 국소적인 가열 온도는 저하하지 않을 것이다. 이러한 생각으로 실험을 행했지만, 국소 온도가 상승해도 할단 속도는 증대할 수 없었다. 실은, 발생열응력은 가열 영역내에 가해진 에너지 전량에 의존하는 것으로서, 에너지 밀도에는 의존하지 않는 것이다. 따라서, 레이저 빔 단면적을 동일하게 한 채로, 레이저 출력과 주사 속도의 쌍방을 동률로 증대시키는 것을 시도했다. 이 경우는, 유리의 단위면적에 투입되는 레이저 에너지는 동일하고, 속도를 증대시켜도 열응력도 할단력도 저하하지 않는다. 이 의미에서는 할단속도를 증대할 수 있지만, 유리의 가열 온도가 증대하므로 플랫 패널 디스플레이 장치의 내구성을 고려하면 채용할 수 있는 방법은 아니다.