Personal mobile electronic devices such as smartphones and tablets commonly rely on chemically strengthened glass to attain the surface strength against scratches and breakage needed for their display modules. However, it is difficult to cut such a glass into pieces by conventional machining methods using abrasive diamond wheels or water jet. Meanwhile, efforts are being made to adopt high-power lasers for cutting such difficult-to-cut glass by laser-induced ablation leading to localized melting and subsequent vaporization. Glass in itself is transparent to most lasers with low resonance absorption, so the average laser power needs to be kept as much as 100 W to cut by ablation using continuous-wave or nanosecond lasers of visible or infrared light. The glass surface after cutting consequently turns out to be heat-affected by excessive laser fluence. On the other hand, ultrashort lasers emitting pulses in the picosecond or femtosecond regime are able to provide very high peak intensities, of ~$10^{13} W/cm^2$ or stronger, with small average power of just a few W. Such high laser intensities lead to strong nonlinear absorption underneath the transparent glass surface by means of multiphoton effects, which permits ablation with minimal thermal damage using low laser fluence.
In this study, an attempt is made to cut chemically strengthened glass using femtosecond laser pulses. Specifically, laser irradiation conditions are set to induce sub-surface cracks below the glass surface by nonlinear multiphoton absorption and subsequent creation of tensile residual stresses upon re-solidification. The resulting sub-surface cracks are guided to propagate in the up-down vertical direction instantly and then gradually follow the lateral movement of the laser beam laterally to complete line cutting. The laser feed speed is optimized to induce sufficient tensile residual stresses without voids formation so that the cutting plane maintains a mirror-like surface quality without significant heat-affected zones or micro-cracks.
최근 보급이 활발히 이루어지고 있는 스마트 폰과 같은 모바일 장치를 중심으로 화학 강화 글래스의 사용이 증가하고 있다. 그러나 다이아몬드 휠 등을 사용하는 기존의 가공 방법으로는 이러한 글래스의 절단이 어려워, 레이저를 이용해서 절단하려는 시도가 최근 많이 이루어지고 있다. 일반적으로 CW 레이저 또는 나노초 펄스 레이저를 사용해서 글래스를 절단하기 위해서는 100 W 이상의 평균 출력이 필요로 한다. 결과적으로 절단 후의 단면은 과도한 에너지에 의한 열 영향이 남게 된다. 한편 펨토초 레이저는 $10^{13} W/cm^2$ 이상의 매우 높은 첨두 출력을 단지 수 W의 평균 출력으로 만들 수 있다. 이러한 높은 첨두 출력은 글래스 내부에서 강한 비선형 효과를 유도하며, 낮은 출력에서도 열 손상을 최소화한 가공이 이루어진다.
본 연구에서는 펨토초 레이저를 사용하여 화학 강화 글래스를 절단하려는 실험을 수행하였다. 구체적으로는 글래스 내부에서 펨토초 레이저 조사에 의한 비선형 흡수를 유도하고, 인장 응력을 생성하도록 하였다. 그 결과, 레이저 빔의 초점이 위치하였던 영역 주변에 균열이 생성되었고, 이 균열은 레이저 빔의 측면 이동을 따라가면서 글래스의 절단을 완료하였다. 최종적으로 절단 단면에 열 영향이나 미세 균열이 없는 매끄러운 경면으로 글래스를 절단하는데 성공하였다.
