ディスプレイ製造におけるレーザー：セルと偏光板の切断
ディスプレイのセルや偏光板を、コスト効率の高い大量生産に必要な速度とエッジ品質で切断できるのは、CO2レーザーだけです。
2022年10月4日、Coherent
世界最大のディスプレイメーカーでは、1日に100万枚以上のディスプレイを製造しています。そのためには、極めて高速な製造・加工プロセスが必要です。
この高いスループットは、製造の初期段階においてより容易に実現できます。なぜなら、フラットパネルディスプレイの製造サイクルの最初の段階は、100枚以上のディスプレイを含むマザーガラス上で行われるからです。これにより、マザーガラス上のすべてのディスプレイを1回の工程で同時に加工するELAやLLOといった工程が可能になります。
しかし、その大きなパネルを「セル」に分割するとなると、状況は変わります。「セル」に分割するとは、個々のディスプレイに分割すること、あるいは時には数個のグループに分割することを意味します。このセル分割作業は、その性質上、パネル全体に対して同時に行うことはできません。連続的な作業なのです。
もちろん、メーカーはセルの切断が製造のボトルネックになることを望んでいません。この加工工程は、他の製造工程と歩調を合わせる必要があります。
ディスプレイ製造におけるレーザーに関する本シリーズの他のブログ記事もぜひご覧ください |
|||
最も穏やかな切断
少なくとも理論的には、薄くて柔軟な有機ELディスプレイの切断は、さまざまな方法を用いて容易に実現できる可能性があります。ただし、この応用には、いくつかの特有の課題があります。
まず、各ディスプレイはパネル上で隣のディスプレイとわずか数ミリしか離れていません。次に、ディスプレイは異なる材料が積層された構造であり、それぞれの層が異なる切断特性を持っている可能性があります。そして最後に、ディスプレイは比較的繊細な電子機器であるという点です。これらは熱などによって損傷を受け、各層が物理的に完全に分離していない状態になることがあります。
CO2レーザーは、こうした制約の中で、切断を最適化するための最良の手段を提供します。このレーザーは高出力の赤外線を照射し、有機ELスタックの各材料によく吸収されるため、各層を効率的に切断することができます。さらに、ディスプレイの外観や機能に影響を与える削りくずや、その除去に必要な余分な製造工程を必要としない点も特長です。
セルや偏光板の切断においては、通常、集光したCO2ビームを高速かつ高精度なスキャンシステムで照射します。これにより、必要なスループットを確保し、狭いカーフ幅のストレートカットを実現します。
セル切断は多層構造の問題である
しかし、高速切断を可能にする高いレーザー出力は、時に過剰になることもあります。なぜなら、CO₂レーザーの赤外線は、熱メカニズムによって切断を行うからです。つまり、素材が蒸発してしまうほど加熱してしまう場合があるのです。切断時に熱を加えすぎると、熱影響部が拡大し、表示回路が損傷する恐れがあります。
また、柔軟な有機ELディスプレイは、下層と上層の両方がポリマーでできています。切断中にこのプラスチックに熱を加えると、材料の一部は溶けますが、蒸発はしません。そして、溶けた材料は流れ出し、再固化して「ビード」になる傾向があります。これは、端にある少し厚くなっているリップ部分のことです。
このリップは、その後の製造工程、特に有機ELディスプレイ上にコントラスト向上のための偏光板を追加する際に問題となります。この偏光板もCO2レーザーで切断されているため、同様にエッジが厚くなる問題が発生する可能性があります。
CWCO₂レーザーによる表示セルの切断における問題点を示す模式図。
これら2つの部品を重ねると、エッジのリップによって層間に気泡や隙間が生じることがあります。これは非常に好ましくありません。
変調CO2レーザーが一段と進化
切断エッジにバリが生じないようにする方法は、CO₂レーザーの変調です。つまり、ビームのオンとオフを高速に切り替えます。これにより、材料を蒸発させるのに十分な熱量が供給されます。しかし、熱が基板の奥深くまで伝わり、材料を完全に溶かすほど、レーザーが長時間照射されることはありません。
CO₂レーザーの変調には2つの方法があります。1つは、連続波を出力するレーザーを、外部の音響光学変調器を用いてパルスに変換する方法です。これがCoherent社のDIAMOND Cx10LDE+であり、現在、フラットパネルディスプレイ業界において、セルや偏光板の切断に最も広く使用されているレーザーです。
CX10-LDE+が広く採用されている理由の一つは、変調器を直接内蔵している点にあります。このアプローチにより、レーザーと変調器の制御電子回路を完全に統合し、システム全体の性能を最適化することができます。これは、フラットパネルディスプレイメーカーが求める加工の一貫性と再現性を実現するために不可欠な、パルス制御と出力安定性の精度を確保する上で重要です。
CO₂レーザーの変調方法の2つ目は、Qスイッチングです。この方法では、レーザー共振器内部に変調器を配置し、レーザーを連続モードではなく、パルス発振で動作させます。これは、レーザーの動作に大きな違いをもたらします。つまり、外部変調器ではマイクロ秒単位のパルス幅が得られるのに対し、Qスイッチングではナノ秒単位の短いパルス幅が得られ、しかもピークパルス出力が飛躍的に増大します。
パルスがより短くなることで、熱影響部がさらに減少し、切断加工方法の精度と制御が向上します。そのため、多くのフラットパネルディスプレイメーカーがこの技術に移行しています。Coherent DIAMOND Cx-10LQS+は、市販されている唯一のQスイッチCO2レーザです。
高い信頼性によりコストを削減
また、Coherent社のレーザーがセルや偏光板の切断に広く採用されている理由は、その寿命と信頼性に加え、世界的なサービス体制が整っているためです。フラットパネルディスプレイメーカーは膨大な量の製品を継続的に製造しているため、レーザーの修理や交換に伴う製造停止時間は、生産性とコストに大きな影響を及ぼします。これらのレーザーの寿命は通常10,000時間から20,000時間の範囲にあり、高品質なフラットパネルディスプレイを途切れることなく供給することができます。また、レーザーの交換が必要な場合でも、Coherentの世界各地の在庫と迅速な対応を行うサービスチームにより、遅滞なく交換を行うことができます。
当社のディスプレイ製造用レーザーソリューションの詳細をご覧ください。
