3. Mai 2017

Laser und Glas – das passt


				
					Laser und Glas

Ob in der Bearbeitung ultradünner Gläser, beim Schneiden, Schweißen und Umformen von Glas oder bei der Herstellung hoch auflösender Polysilizium-Displays: Laser sind das Mittel der Wahl.

Gläser, die kaum dicker als ein menschliches Haar sind, halten Einzug in die Elektronik. Dort dienen die bis zu 30 µm dünnen, biegsamen Glasschichten mal als Abdeckung von Fingerprintsensoren, Kamerachips und Linsen in Smartphones und Tablets, mal als Basis für mikroelektronische Sensorsysteme in Autos oder Industrieanlagen.

Traditionelle mechanische Glasbearbeitung ist mit dem hauchdünnen Glas überfordert. Unter dem Einfluss von Sägeblättern oder Diamant-besetzten Rollen bilden sie Mikrorisse oder brechen ganz. Selbst der Flammdruck von Glasbrennern ist oft zu viel für das µm-Material. Das Mittel der Wahl sind darum Laser. Weil sie mit exakt steuerbarem Energieeintrag, masselos und ohne Werkzeug arbeiten, sind gerade und gebogene Schnitte ebenso machbar, wie saubere Bohrungen. Forschungen am Laser Zentrum Hannover zeigen, dass sich Kantenausbrüche dabei mithilfe variierend kurzer Laserpulse komplett vermeiden lassen. Passende Prozessparameter ermitteln die Forscher mithilfe immer exakterer numerischer Simulation.

Schlüsseltechnologie für hoch auflösende Displays

Nicht nur die präzise Laserbearbeitung ultradünner Gläser ist in der Fertigung hochauflösender Smartphone-Displays und OLED-Bildschirme gefragt. Um die Displays so leicht und schlank wie möglich zu fertigen, bauen die Hersteller die µm-dünnen funktionalen Schichten statt auf Glas auf einer Polymerbasis auf. Doch im Prozess bleibt Glas gefragt: es dient als stabilisierendes Trägermaterial, auf dem die Displays schichtweise aufgebaut werden. Anschließend lösen kurzwellige Excimer-Laser das empfindliche Funktionssandwich schonend vom Glasträger. Coherent hat diesen „kalten“ Laser-Lift-Off-Prozess so optimiert, dass wenige tausend ultrakurzer Laserpulse genügen, um eine Fläche mit fünf Dutzend 5-Zoll-Displays vom gläsernen Substrat zu lösen.

Doch Laser sind aus einem weiteren Grund unverzichtbar für die Displayhersteller. Um neue, hochauflösende Bildschirme zu realisieren, dient hochreines Polysilizium als Basis. Erzeugt wird es in einem Laserprozess, in dem ein mit amorphem Silizium beschichteter Glasträger per Hochleistungs-UV-Laser belichtet wird. Dabei wirken 308 Nanometer-Lichtwellen in Nanosekunden kurzen Pulsen auf das Material ein, lassen es schmelzen und kristallisieren. Ergebnis sind feinste polykristalline Siliziumschichten, die 2000 Mal dünner sind, als ein menschliches Haar. Coherent baut für diesen Prozess so genannte Vyper/LineBeam-Systeme, von denen jedes einzelne monatlich einer Fläche belichtet, die drei Fußballfeldern entspricht. Ohne die Technologie gäbe es laut Coherent keine TFT-Displays auf Polysiliziumbasis - und damit weder ultrahochauflösende (Ultra HD)-Displays noch Marktperspektiven für die brillante, energieeffiziente OLED-Technik.

Laser heben Qualitäts- und Kostenpotentiale in der Glasbearbeitung

Aber auch beim Bohren, Schneiden oder zum Umformen und Schweißen von Flach- und Rohrglas sorgen Laser für steigende Produktivität und Qualität. Bisher waren spezifische Prozessgase nötig, um verschiedene Glastypen auf die jeweils nötige Prozesstemperatur zu erhitzen; bei Quarzglas etwa teurer, energieintensiver Wasserstoff. Mit Lasern sind die Temperaturen einfacher und meist auch schneller erreicht. Zudem lässt sich die Bearbeitung durch variierende Fokussierung und Laserpulsdauern präziser steuern. Im Zusammenspiel mit berührungslosen Temperaturfühlern ebnen Laser den Weg zu geschlossenen Regelkreisen in der Glasbearbeitung. Sie legen also die Basis für Prozessautomation, die bis zum definierten Abkühlen reicht. Letzteres hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenspannungen im bearbeiteten Glas. Üblicherweise hält per Laser bearbeitetes Glas zwei bis dreimal höheren mechanischen Belastungen stand, als mechanisch bearbeitete Gläser.

Neben der hohen, jederzeit reproduzierbaren Qualität haben automatisierte Laserprozesse weitere Vorteile: Da Laser keinerlei chemischen Einfluss auf das Glas haben und auf Anhieb bruchfreie Kanten hinterlassen, entfallen oft mehrere Reinigungs- und Nachbearbeitungsschritte. In der Summe sorgen die steigende Produktivität und der Wegfall von Prozessgasen dafür, dass sich Lasersysteme in der Glasbearbeitung schnell amortisieren.

 
 
 
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