KR101774290B1 - Method and apparatus of processing brittle material with laser pin beam and optical system for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저를 이용한 취성 소재 가공방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 피코초 내지 펨토초 펄스폭을 갖는 펄스파 레이저를 광축 부근에 초고밀도로 집속된 핀 빔(pin beam)으로 변환하고, 이를 이용하여 취성 소재를 가공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for processing a brittle material using a laser, and more particularly, to a method and apparatus for processing a brittle material using a laser, in which a pulsed laser having a pulse width of a picosecond to a femtosecond pulse is converted into a pin beam focused at an ultra- To a method and apparatus for processing a brittle material.
레이저 가공장치는 연속파 또는 펄스파 레이저를 광학계를 통해 집속시켜 재료를 절단하거나 홀을 형성하는 장치이다. 최근에는 유리 등의 투명 소재를 가공하는 분야에서 필라멘테이션(filamentation) 현상을 일으킬 수 있는 펄스파 레이저를 많이 사용하고 있다.A laser processing apparatus is a device for cutting a material or forming a hole by focusing a continuous wave or a pulsed wave laser through an optical system. Recently, a pulsed laser is used which can cause filamentation in the field of processing transparent materials such as glass.
필라멘테이션 현상이란 유리 등의 투명 소재에 피코초 내지 펨토초의 펄스폭을 갖는 초단파 펄스 레이저 빔을 조사하면 커효과(Kerr effect)로 인해 자기집속(Self Focusing)과 디포커싱이 연속적으로 발생하고, 이로 인해 투명 소재 내부에서 빔의 조사방향을 따라 플라스마 스팟이 수 내지 수십 레일리거리(Rayleigh length)에 걸쳐 연속적으로 발생하는 현상을 말한다. Filamentation phenomenon is a phenomenon in which a self-focusing (self-focusing) and defocusing are consecutively generated due to Kerr effect when an ultra-short pulse laser beam having a pulse width of picosecond to femtosecond is irradiated to a transparent material such as glass, This means that the plasma spots continuously occur in the transparent material over the irradiation length of several to several tens of Rayleigh lengths along the irradiation direction of the beam.
이와 같이 투명 소재 내부에 플라즈마 스팟이 발생하면 해당 부분의 굴절률이 커지게 되고, 손상 임계점을 초과하면 해당 부분이 영구적으로 개질되면서 균열 및/또는 공동이 발생하므로 이 부분을 따라 소재를 분리할 수 있다.When a plasma spot is generated in the transparent material, the refractive index of the plasma spot is increased. If the plasma spot is over the damage threshold, the portion is permanently modified and cracks and / or cavities are generated. .
한편 유리 등의 취성 소재는 절단면에 균열이 있거나 매끄럽지 않으면 약간의 충격에도 절단면에서부터 크랙이 전파되어 제품 불량이 초래되는 경우가 많다. 이 때문에 수 내지 수백 마이크로미터 정도의 얇은 유리기판을 사용하는 디스플레이 분야에서는 절단면의 거칠기(roughness)에 대한 요구가 매우 엄격하다.On the other hand, if a brittle material such as glass has cracks on the cut surface or is not smooth, cracks propagate from the cut surface even after a slight impact, resulting in product failure. For this reason, in the field of displays using thin glass substrates of several to several hundreds of micrometers, there is a very strict requirement for the roughness of the cut surfaces.
종래에는 이러한 요구를 충족하기 위하여 가공 후에 절단면을 기계적으로 연마하거나 화학적으로 식각하는 후속공정을 진행하기도 하였으나, 최근에는 레이저 빔의 에너지 분포, 빔 형상 등을 조절하여 거칠기를 개선하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다.Conventionally, in order to meet such a demand, a subsequent process of mechanically polishing or chemically etching the cut surface after processing has been carried out. However, in recent years, studies have been actively made to improve the roughness by controlling the energy distribution and beam shape of the laser beam have.
예를 들어 특허문헌 1과 특허문헌 2는 가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저 빔(이하 '가우시안 빔'이라 한다)을 이용하여 취성 소재를 가공할 때의 문제점을 개선하기 위하여 제안된 것이다.For example,
일반적으로 가우시안 빔은 진행할수록 빔이 확산되면서 에너지 밀도와 첨두출력이 크게 낮아지기 때문에 재료 가공을 위해서는 고가의 고출력 레이저 광원을 사용해야 하고, 소재 내부에서 에너지 분포가 불균일하기 때문에 절단면이 매우 거친 것으로 알려져 있다.In general, as the Gaussian beam advances, the energy density and the peak power are greatly reduced as the beam is diffused. Therefore, it is known that a high-power laser light source should be used for material processing and the cut surface is very rough because the energy distribution inside the material is uneven.
특허문헌 1, 2는 이러한 문제를 해결하기 위하여 가우시안 빔을 그대로 사용하지 않고, 가우시안 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 다수의 링 형태의 에너지 분포를 갖는 베셀빔(bessel beam)으로 변환하고 이를 이용하여 취성 소재를 가공하는 기술을 소개하고 있다.In order to solve this problem,
이하에서는 도 1을 참조하여 베셀빔을 이용하는 레이저 가공기술을 설명한다. 참고로 도 1의 (a)는 광학계 구성을 나타낸 것이고, 도 1의 (b)와 (c)는 광학계의 여러 위치에서 레이저 빔의 단면 형상과 에너지 밀도 분포를 나타낸 것이다.Hereinafter, a laser processing technique using a vessel beam will be described with reference to FIG. 1 (a) shows the optical system configuration, and (b) and (c) in FIG. 1 show the cross-sectional shape and the energy density distribution of the laser beam at various positions of the optical system.
도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저 광원(도면에는 나타내지 않았음)으로부터 전달된 초단파 가우시안 빔(1)은 액시콘 렌즈(axicon lens)(10)를 통과한 후 베셀빔으로 변환된다. 베셀빔은 광축에서 에너지 밀도가 가장 크고 광축 주변에 다수의 동심원 형태의 에너지 밀도 분포를 가진다.1, the microwave
이러한 베셀빔은 액시콘 렌즈(10)의 초점심도를 지나면서 디포커싱되며, 따라서 초점심도로부터 일정 거리 진행한 이후에는 광축 부근에는 에너지 분포가 없고 주변부에만 링 형태로 에너지가 집중된 링 빔으로 변환된다.This vessel beam is defocused by passing through the depth of focus of the
베셀빔이 디포커싱되면서 형성된 링 빔은 콜리메이터 렌즈(collimator lens)(20)에 의해 광축과 실질적으로 평행한 방향으로 진행하여 포커싱렌즈(30)로 입사하며, 포커싱렌즈(30)는 입사된 링 빔을 집속시켜 다시 베셀빔으로 변환한다. The ring beam formed by defocusing the Beessel beam travels in a direction substantially parallel to the optical axis by a
포커싱렌즈(30)에 의해 형성된 베셀빔은 액시콘 렌즈(10)에 의해 형성된 베셀빔에 비하여 빔의 직경이 매우 작기 때문에 에너지 밀도가 매우 높다. 또한 베셀빔은 초점심도 내에 진행방향을 따라 다수의 초점을 포함하므로 도 2에 나타낸 바와 같이 대략 마름모 형상의 에너지 집중영역이 나타나게 된다. 이하에서는 초점심도 구간과 그 주변에 형성되는 에너지 집중영역을 편의상 초점빔(1a)이라 한다.The beam diameter of the vessel lens formed by the focusing
특허문헌 1, 2는 이러한 초점빔(1a)을 이용하여 재료를 가공하는 기술에 관한 것인데, 특허문헌 1은 도 2에 나타낸 바와 같이 초점빔(1a)을 취성 소재(50)의 내부에 형성하여 가공하는 기술에 관한 것이고, 특허문헌 2는 도 3에 나타낸 바와 같이 초점빔(1a)을 취성 소재(50)의 외부에 형성하여 가공하는 기술에 관한 것이다.
그런데 이러한 초점빔(1a)은 마름모에 가까운 형상을 가지므로 진행 방향을 따라 폭이 일정하지 않고, 베셀빔이기 때문에 광축 주변에 상당한 잔류 에너지가 존재한다. 따라서 특허문헌 1과 같이 초점빔(1a)을 재료의 내부에 위치시키면 재료의 두께 방향을 따라 일정한 직경의의 에너지 분포를 구현하는데 한계가 있다. However, since the
반면에 특허문헌 2에서는 재료의 외부에 초점빔(1a)이 위치하므로 잔류 에너지에 의한 영향을 줄일 수 있다. 또한 초점빔(1a)이 약간 디포커싱된 상태로 재료에 입사하기는 하지만 초점빔(1a)의 종단에 에너지가 집중된 상태에서 재료에 입사하므로 특허문헌 1에 비해서는 소재의 두께 방향을 따라 비교적 일정한 직경의 에너지 분포를 구현할 수 있다.On the other hand, in Patent Document 2, since the
이러한 이유로 특허문헌 2에 따른 방법으로 절단하면 특허문헌 1에 비해 훨씬 매끄러운 절단면을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.For this reason, it is known that when cut by the method according to Patent Document 2, a cut surface that is much smoother than that of
그런데 특허문헌 1, 2의 가공기술은 공통적으로 베셀빔 형상의 초점빔(1a)을 이용하여 재료를 가공하는 것으로서, 이러한 초점빔(1a)의 주변에는 잔류에너지가 폭넓게 존재하므로 재료의 두께방향을 따라 일정한 직경의 에너지분포를 구현하기가 어렵다. 이로 인해 절단면의 거칠기를 개선하는데 일정한 한계가 있고, 에너지 효율을 높이는데도 한계가 있다. However, in the processing techniques of
또한 포커싱렌즈(30)가 상대적으로 큰 직경의 링 빔을 집속하여 베셀빔 형상의 초점빔(1a)을 형성하므로 초점빔(1a)의 직경을 줄이는데 한계가 있고, 이로 인해 가공 정밀도를 높이는데도 한계가 있다.In addition, since the focusing
또한 절단면의 멜팅이나 크랙으로 인해 절단공정 후에 소재를 분리할 때 손상이 발생하거나 쉽게 분리되지 않는 현상이 발생하는 문제가 있다.Further, there is a problem that when the material is separated after the cutting process due to the melting or cracking of the cutting surface, damage occurs or the material is not easily separated.
또한 종래의 가공기술은 2개 이상의 기판이 겹쳐진 합판을 절단할 때 1회 공정으로 절단하는데 어려움이 있다. 따라서 일부 절단과 뒤집기 그리고 나머지 절단의 순으로 합판 절단을 진행해야 하므로 가공 생산성을 높이는데 한계가 있다.Further, in the conventional processing technique, it is difficult to cut the plywood having two or more substrates stacked one by one when cutting the plywood. Therefore, there is a limit to increase the productivity of the plywood because cutting the plywood in order of cutting, flipping, and other cutting in order.
한편 최근 들어 기판의 두께가 더욱 얇아질 뿐만 아니라 곡면 디스플레이의 등장으로 인해 절단면의 거칠기에 대한 기술적 요구가 더욱 엄격해지고 있기 때문에 이러한 추세에 대응하여 경면(mirror surface) 절단이 가능한 새로운 가공기술을 개발할 필요성이 커지고 있다.In recent years, not only the substrate thickness has become thinner but also the technical requirements for the roughness of the cut surface have become more strict due to the appearance of the curved surface display. Therefore, there is a need to develop a new machining technology capable of cutting the mirror surface .
본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 취성 소재를 레이저로 가공할 때 멜팅, 깨짐, 크랙이 전혀 없이 경면(mirror surface) 절단이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such conventional problems, and it is an object of the present invention to enable mirror surface cutting without any melting, cracking or cracking when a brittle material is processed by a laser.
또한 종래에 비해 훨씬 미세한 선폭으로 재료를 가공할 수 있고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 레이저 가공기술을 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a laser processing technique capable of processing a material with a much smaller line width than conventional ones and improving energy efficiency.
또한 2개의 이상의 합판을 절단하는 경우에도 각 합판을 동일한 품질로 경면 절단할 수 있는 레이저 가공기술을 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a laser processing technique capable of mirror-cutting a plurality of plywoods with the same quality even when two or more plywoods are cut.
또한 절단공정 이후에 소재를 보다 쉽게 분리할 수 있는 레이저 가공기술을 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a laser processing technique that can more easily separate a material after a cutting process.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 레이저 발생부로부터 전달된 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축과 광축 주변의 다수의 동심원 상에 에너지가 분포하는 베셀빔으로 변환하는 제1 광학계; 상기 베셀빔 또는 상기 베셀빔으로부터 분산된 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계; 상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계를 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to provide a microwave pulse laser beam transmitted from a laser generation unit, the beam having an energy distribution on an optical axis and a plurality of concentric circles around the optical axis, Into a first optical system; A second optical system for focusing a beam dispersed from the vessel beam or the vessel beam and generating a pin beam having a spot-like energy concentrated on an optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction; And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material.
본 발명의 일 양상에 따른 레이저용 광학계에서, 상기 제1 광학계의 초점심도의 종단과 상기 제2 광학계의 입사면 사이의 거리(d)는 0 내지 0.1mm일 수 있다.In the optical system for a laser according to an aspect of the present invention, the distance d between the end of the depth of focus of the first optical system and the incident surface of the second optical system may be 0 to 0.1 mm.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 레이저용 광학계에서, 상기 제1 광학계는 액시콘 렌즈(axicon lens)를 포함하고, 상기 제2 광학계는 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)를 포함할 수 있다.Further, in the optical system for a laser according to an aspect of the present invention, the first optical system includes an axicon lens, and the second optical system includes a collimator lens or an aspheric lens .
본 발명의 다른 양상은, 레이저 발생부로부터 전달된 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축을 중심으로 링 형상의 에너지 분포를 갖는 링 빔으로 변환하는 제1 광학계; 상기 링 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계; 상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus comprising: a first optical system for converting an ultra-violet pulsed laser beam transmitted from a laser generation unit into a ring beam having a ring-shaped energy distribution about an optical axis with respect to a cross- A second optical system for converging the ring beam and generating a pin beam having energy concentrated in a spot shape on an optical axis based on a cross section orthogonal to the progress direction; And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material.
본 발명의 다른 양상에 따른 레이저용 광학계에서, 상기 제2 광학계의 입사면은 상기 제1 광학계의 초점심도의 내부에 위치할 수 있다.In the optical system for laser according to another aspect of the present invention, the incident surface of the second optical system may be located inside the depth of focus of the first optical system.
또한 본 발명의 다른 양상에 따른 레이저용 광학계에서, 상기 제1 광학계는 보텍스 렌즈(vortex lens)를 포함하고, 상기 제2 광학계는 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)를 포함할 수 있다.In addition, in the optical system for laser according to another aspect of the present invention, the first optical system may include a vortex lens, and the second optical system may include a collimator lens or an aspheric lens. have.
본 발명의 일 양상 또는 다른 양상에 따른 레이저용 광학계에서, 상기 제3 광학계는, 초점심도가 0.1 내지 3 ㎛ 이고, 개구수(NA값)가 0.1 내지 1.0 이며, 투과율이 50% 내지 99% 이며, 배율은 20 내지 100 일 수 있다.In the optical system for a laser according to one or more aspects of the present invention, the third optical system has a depth of focus of 0.1 to 3 占 퐉, a numerical aperture (NA value) of 0.1 to 1.0, a transmittance of 50% to 99% , And the magnification may be from 20 to 100.
본 발명의 또 다른 양상은, 레이저 발생부로부터 전달된 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축과 광축 주변의 다수의 동심원 상에 에너지가 분포하는 베셀빔으로 변환하는 단계; 상기 베셀빔 또는 상기 베셀빔으로부터 분산된 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 단계; 상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 취성 소재 가공 방법을 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of modulating a microwave pulsed laser beam, comprising: converting a microwave pulsed laser beam transmitted from a laser generating unit into a Beesel beam having an energy distribution on an optical axis and a plurality of concentric circles around an optical axis, Focusing a dispersed beam from the vessel beam or the vessel beam to generate a pin beam focused on an optical axis in a spot shape on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction; And focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material.
본 발명의 또 다른 양상은, 레이저 발생부로부터 전달된 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축을 중심으로 링 형상의 에너지 분포를 갖는 링 빔으로 변환하는 단계; 상기 링 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 단계; 상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 취성 소재 가공 방법을 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a microwave pulse laser, comprising the steps of: converting an ultra-short pulse laser beam transmitted from a laser generation unit into a ring beam having a ring-shaped energy distribution about an optical axis with respect to a cross- Focusing the ring beam to generate a pin beam having energy concentrated in a spot shape on an optical axis with respect to a cross section orthogonal to the traveling direction; And focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material.
본 발명에 따른 취성 소재 가공방법은, 상기 취성소재의 절단면으로부터 떨어진 양측에서 절단면으로부터 멀어지는 힘을 가하거나, 상기 취성소재의 절단면으로부터 떨어진 양측에서 출사면을 누르는 힘을 가하는 동시에 절단면의 부근에서 입사면을 누르는 힘을 가하여 절단면을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The brittle material processing method according to the present invention is characterized in that the brittle material processing method comprises applying a force to the brittle material away from the cut surface on both sides away from the cut surface or applying a force pressing the outgoing surface from both sides away from the cut surface of the brittle material, And applying a pressing force to the cut surface to separate the cut surface.
본 발명에 따르면, 초단파 펄스 레이저 빔을 광축 부근에 초고밀도로 집속하여 빔의 진행방향을 따라 빔 직경의 변동이 매우 적은 핀 빔(pin beam)을 형성하고, 이러한 레이저 핀 빔을 취성 소재에 입사시켜 가공함으로써 멜팅, 깨짐, 크랙이 전혀 없는 경면(mirror surface) 절단을 구현할 수 있다.According to the present invention, a microwave pulse laser beam is focused at a very high density in the vicinity of an optical axis to form a pin beam having a very small variation in beam diameter along the advancing direction of the beam, A mirror surface cutting without melting, cracking or cracking can be realized.
또한 본 발명에 따르면, 핀 빔으로 절단된 절단면이 매우 깨끗하기 때문에 절단된 재료를 더욱 쉽게 분리할 수 있고, 분리과정에서 크랙 등의 손상을 방지할 수 있다. 또한 취성 소재의 내부에 형성되는 핀 빔의 직경이 매우 작기 때문에 가공정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.Further, according to the present invention, since the cut surface cut by the pin beam is very clean, the cut material can be easily separated, and damage such as cracks can be prevented in the separation process. In addition, since the diameter of the pin beam formed inside the brittle material is very small, the machining accuracy can be greatly improved.
또한 본 발명에 따른 레이저 핀 빔은 베셀빔이나 가우시안 빔에 비하여 광축에서의 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 상대적으로 저출력의 레이저 광원을 사용할 수 있어 에너지 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.Also, since the laser pin beam according to the present invention has a very high energy density at the optical axis compared to the vessel beam or the Gaussian beam, it can use a relatively low-power laser light source, thereby improving energy efficiency and productivity.
또한 본 발명에 따르면 취성 소재의 두께와 유사하거나 더 긴 길이를 갖는 핀 빔을 형성할 수 있으며, 따라서 포커싱 렌즈의 초점을 조절하지 않고도 소재 내부 전체를 절단할 수 있을 뿐만 아니라 1회 공정만으로 2장 이상의 합판을 동일한 품질로 한꺼번에 절단할 수 있다.In addition, according to the present invention, a pin beam having a length similar to or longer than the thickness of a brittle material can be formed. Therefore, the entirety of the material can be cut without adjusting the focus of the focusing lens, The above plywood can be cut at the same quality with the same quality.
도 1은 종래의 레이저 가공장치의 구성도
도 2는 베셀빔 형상의 초점빔을 투명 소재 내부에 형성하여 가공하는 모습을 나타낸 도면
도 3은 베셀빔 형상의 초점빔을 투명 소재 외부에 형성하여 가공하는 모습을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성도
도 5는 제2 광학계의 위치를 나타낸 도면
도 6은 가우시안 빔, 베셀빔 및 핀 빔의 초점빔 형상을 대비한 도면
도 7은 제2 광학계와 제3 광학계의 간격을 조절하는 모습을 나타낸 도면
도 8은 제1 광학계와 제2 광학계의 간격을 조절하는 모습을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 취성 소재 가공 방법의 흐름도
도 10은 절단면을 나타낸 사진
도 11은 절단 후 분리 방법을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 가공장치의 구성도1 is a block diagram of a conventional laser machining apparatus
2 is a view showing a state in which a focus beam in the form of a vessel beam is formed in a transparent material and processed
3 is a view showing a state in which a focus beam in the form of a vessel beam is formed on a transparent material and processed
4 is a diagram showing the configuration of a laser machining apparatus according to the first embodiment of the present invention
5 is a view showing the position of the second optical system
FIG. 6 is a view for comparing the focus beam shapes of a Gaussian beam, a vessel beam, and a pin beam;
7 is a view showing a state in which the interval between the second optical system and the third optical system is adjusted;
8 is a view showing a state in which the interval between the first optical system and the second optical system is adjusted;
9 is a flowchart of a brittle material processing method according to the first embodiment of the present invention
10 is a cross-sectional view
11 is a view showing a separation method after cutting;
12 is a configuration diagram of a laser machining apparatus according to a second embodiment of the present invention
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
참고로 본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없다면 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 구별되는 의미가 아닌 한 복수의 의미를 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에 첨부된 도면에는 이해의 편의를 위하여 실제와 다른 치수, 비율 또는 형상으로 나타낸 부분이 있는데 이로 인해 본 발명의 범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 됨은 물론이다.It is to be noted that the term " including any element " in this specification means that the element may include other elements instead of excluding other elements, unless specifically stated otherwise. Also, the singular presentation may include plural meanings unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that the drawings are not intended to limit the scope of the present invention in any way.
제1 실시 예First Embodiment
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이다. 도 4의 (a)는 광학계 구성을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)와 (c)는 각각 광학계의 여러 위치에서 레이저 빔의 단면 형상과 에너지 밀도 분포를 나타낸 것이다.4 is a schematic diagram of a laser processing apparatus for brittle material processing according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the optical system configuration, and FIGS. 4B and 4C show the cross-sectional shape and the energy density distribution of the laser beam at various positions of the optical system, respectively.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 발생부(도면에는 나타내지 않았음), 제1 광학계(110), 제2 광학계(120) 및 제3 광학계(130)를 포함한다. 도면에는 나타내지 않았으나, 레이저 발생부와 제1 광학계(110)의 사이에는 미러, 조리개, 스플리터 등의 선택적 조합으로 이루어진 전달광학계가 위치할 수 있다.The laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a laser generating unit (not shown in the figure), a first
레이저 발생부는 초단파 펄스 레이저 빔을 생성한다. 예를 들어 펨토초(FS) 내지 피코초(PS)의 펄스 폭을 갖는 초단파 펄스 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 레이저 파장 영역은 예를 들어 515nm ~ 1550nm 일 수 있다. 다만 펄스폭이나 파장대가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The laser generating unit generates a microwave pulse laser beam. For example, a microwave pulse laser beam having a pulse width of femtosecond (FS) to picosecond (PS), and the laser wavelength region may be, for example, 515 nm to 1550 nm. However, the pulse width and the wavelength band are not limited thereto.
한편 레이저 발생부는 버스트 모드(burst mode)가 아닌 싱글모드(single mode)의 펄스 레이저를 출력하는 것이 바람직하다. 버스트 모드(burst mode)의 펄스 레이저는 싱글모드에 비해서 첨두 출력이 낮기 때문에 핀 빔의 에너지 밀도를 높이는데 한계가 있기 때문이다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 출력이나 가공조건에 따라서는 버스트 모드 레이저를 사용할 수도 있다.On the other hand, the laser generator preferably outputs a single mode pulse laser instead of a burst mode. Pulse lasers in burst mode have a lower peak output than single mode, which limits the energy density of the pin beam. However, the present invention is not limited to this, and a burst mode laser may be used depending on the laser output or processing conditions.
제1 광학계(110)는 레이저 발생부로부터 전파되는 가우시안 빔을 베셀빔으로 변환하는 것으로서, 예를 들어 액시콘 렌즈(axicon lens)로 이루어지거나 액시콘 렌즈를 포함할 수 있다. The first
제1 광학계(110)에 의해 생성된 베셀빔은 도면에 나타낸 바와 같이 광축에서 에너지 밀도가 가장 크고 광축 주변에는 다수의 동심원 형상의 에너지 밀도 분포를 갖는다.As shown in the drawing, the Beessel beam generated by the first
제2 광학계(120)는 제1 광학계(110)로부터 전달된 레이저 빔을 초점에 집속하여 핀 빔(pin beam)을 형성하는 것으로서, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)로 이루어지거나, 콜리메이터 렌즈 또는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다.The second
제2 광학계(120)는 제1 광학계(110)의 초점에 매우 근접한 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 제1 광학계(110)에 의해 생성된 베셀빔에 집중된 에너지가 분산되지 않고 제2 광학계(120)의 초점 부근에 집속됨으로써 초고밀도의 핀 빔이 형성될 수 있다.It is preferable that the second
제2 광학계(120)의 초점은 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)의 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 도면에는 제2 광학계(120)의 초점이 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)의 중간에 위치하는 것으로 나타나 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 제2 광학계(120)의 초점 부근에 제3 광학계(130)의 입사면을 위치시킬 수도 있다.The focal point of the second
제2 광학계(120)의 초점에 형성되는 핀 빔의 에너지 밀도 분포는, 도면에 나타낸 바와 같이, 광축에 대부분의 에너지가 집중되고 그 주변에는 무시할 수 있을 정도의 잔에너지(extra energy)가 존재한다. 따라서 전체적으로 중앙에 에너지가 집중되어 핀과 유사한 에너지 밀도 분포를 갖는다.As shown in the figure, the energy density distribution of the pin beam formed at the focus of the second
다른 관점에서 보면, 제2 광학계(120)의 초점에 형성되는 핀 빔은 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 점(spot) 형상으로 이루어진다. In another aspect, the pin beam formed at the focal point of the second
제2 광학계(120)에 의해 형성된 핀 빔은 제2 광학계(120)의 초점을 지나면서 약간 발산되어 베셀빔과 유사한 형태로 변형되어 제3 광학계(130)에 입사될 수 있다.The pin beam formed by the second
한편 도 5는 제1 광학계(110)에 대한 제2 광학계(120)의 위치를 예시한 것인데, 제2 광학계(120)의 입사면이 제1 광학계(110)의 초점심도(Z)의 종단으로부터 거리(d)만큼 이격된 모습을 나타내고 있다. 5 illustrates the position of the second
거리(d)는 제1 광학계(110)와 제2 광학계(120)의 광학 특성이나 제1 광학계(110)에 입사하는 레이저 빔의 직경 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.The distance d can be appropriately selected depending on the optical characteristics of the first
실험에 따르면, 거리(d)가 0 내지 0.1mm 인 경우에 제2 광학계(120)의 초점에 형성되는 핀 빔의 광축 부근 에너지 밀도가 가장 높은 것으로 나타났다. According to the experiment, when the distance d is 0 to 0.1 mm, the energy density near the optical axis of the pin beam formed at the focal point of the second
이는 베셀빔의 에너지는 초점심도(z)의 종단에 강하게 집중되는 경향이 있으므로 베셀빔이 분산되어 링 빔으로 변환되기 전에 제2 광학계(120)가 이를 집속하면 핀 빔의 에너지 밀도를 극대화시킬 수 있기 때문이다.Since the energy of the vessel beam tends to be strongly concentrated at the end of the focus depth z, it is possible to maximize the energy density of the pin beam when the second
다만 레이저 출력특성이나 취성소재의 특정에 따라서는 제2 광학계(120)의 입사면을 제1 광학계(110)의 초점심도(Z)의 종단보다 약간 앞쪽(즉, 거리(d))가 음수가 되는 곳)에 위치시키거나, 초점심도(Z)의 종단으로부터 0.1mm 이상 이격시킬 수도 있다.However, depending on the laser output characteristic or the specification of the brittle material, the incident surface of the second
제3 광학계(130)는 일종의 포커싱 렌즈(Focusing lens)로서, 제2 광학계(120)에 의해 형성된 핀 빔을 취성소재 내부의 특정 위치에 집속시키는 역할을 한다. 즉, 제3 광학계(130)의 초점은 가공 대상인 투명 취성 소재의 내부에 위치한다. The third
전술한 바와 같이 제2 광학계(120)에 의해 형성된 핀 빔은 진행과정에서 베셀빔과 유사한 형태로 변형되어 제3 광학계(130)에 입사될 수 있다. 그러나 제3 광학계(130)에 입사되는 베셀빔은 제1 광학계(110)에 의해 형성된 베셀빔 보다 직경이 훨씬 작기 때문에 제3 광학계(130)를 통해 다시 집속시키면 취성소재의 내부에 초고밀도의 핀 빔을 형성할 수 있다.As described above, the pin beam formed by the second
실험에 의하면, 제3 광학계(130)의 초점심도는 0.1 내지 3 ㎛ 것이 바람직하다. 또한 제3 광학계(130)의 개구수(numerical aperture; NA)는 0.1 내지 1.0 의 사이, 바람직하게는 0.5 내지 0.99 사이다. 또한 제3 광학계(130)의 투과율은 50% 내지 99 %이하의 범위인 것이 바람직하다. 또한 제3 광학계(130)의 배율은 20 에서 100 까지의 배율 중에서 선택되는 것이 바람직하다.According to the experiment, it is preferable that the depth of focus of the third
한편 소재 내부의 초점 위치를 나타낸 도 6을 참조하면, 가우시안 빔은 소재의 중앙에 대부분의 에너지가 집중되고(도 6(a)), 베셀빔은 대략 다이아몬드 형태이긴 하지만 가우시안 빔과 마찬가지로 소재의 중앙에 대부분의 에너지가 집중된다(도 6(b)). 반면에 본 발명에 따른 레이저 핀 빔은, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 소재의 두께 방향을 따라 매우 일정한 폭으로 에너지가 분포된다. 6, which shows the focal position of the Gaussian beam, most of the energy is concentrated at the center of the material (Fig. 6 (a)), and the vessel beam is roughly diamond-shaped, but like the Gaussian beam, (Fig. 6 (b)). On the other hand, in the laser pin beam according to the present invention, energy is distributed with a very constant width along the thickness direction of the work, as shown in Fig. 6 (c).
또한 가우시안 빔으로 소재 내부에 초점을 형성하는 경우에는 초점빔의 직경이 20~35㎛ 정도이고, 베셀빔으로 소재 내부에 초점을 형성하는 경우에는 초점빔의 직경이 10~15㎛ 정도인 것으로 알려져 있다.Also, it is known that when the focus is formed in the material by a Gaussian beam, the diameter of the focus beam is about 20 to 35 mu m, and when the focus is formed by the vessel beam, the diameter of the focus beam is about 10 to 15 mu m have.
반면에 본 발명의 실시 예에 따라 생성된 레이저 핀 빔의 초점빔은 그 직경이 0.5~1.8㎛ 정도이므로 가우시안 빔이나 베셀빔에 비하여 훨씬 작은 선폭으로 재료를 정밀하게 가공할 수 있다. 또한 소재의 두께 방향으로 훨씬 균일한 에너지 분포를 가지므로 레이저 빔의 입사면에서 출사면에 이르기까지 균일한 절단이 가능하고, 에너지 불균형으로 인한 멜팅, 크랙 등이 최소화되므로 종래 보다 훨씬 매끄러운 경면절단이 가능하다.On the other hand, according to the embodiment of the present invention, since the focal beam of the generated laser pin beam has a diameter of about 0.5 to 1.8 탆, the material can be precisely processed with a line width much smaller than that of a Gaussian beam or a vessel beam. In addition, since the laser beam has a much more uniform energy distribution in the thickness direction of the material, it is possible to uniformly cut the laser beam from the incident surface to the emission surface and to minimize the melting and cracking due to energy unbalance, It is possible.
보다 구체적으로 설명하면, 피코 초 내지 펨토 초 레이저는 매우 짧은 펄스폭과 높은 피크(peak) 에너지를 가지므로 극소부위에 고밀도 에너지 중첩 현상을 발생시킨다. More specifically, the picosecond to femtosecond lasers have very short pulse widths and high peak energies, resulting in high-density energy superimposition in a very small area.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 핀 빔은 베셀빔이나 가우시안 빔에 비하여 매우 좁은 영역에 순간적으로 고밀도 에너지가 집중된 것이므로 펄스에너지가 서로 중첩되면서 취성 소재에 전달되고 중첩된 펄스에너지는 열에너지로 전환된다.Particularly, since the laser beam beam according to the embodiment of the present invention has high density energy instantaneously concentrated in a very narrow region compared with the vessel beam or the Gaussian beam, the pulse energy is transferred to the brittle material while overlapping each other, do.
또한 취성 소재의 내부로 입사된 초단파 펄스는 매우 짧은 시간 동안 열을 발생하고 사라지기 때문에 재료의 재융착이나 다른 부분의 열적 변형을 최소화할 수 있고 이를 통해 아주 매끄러운 절단면을 얻을 수 있다.In addition, the microwave pulses incident into the brittle material generate heat and disappear for a very short period of time, minimizing the re-fusion of the material and the thermal deformation of other parts, thereby achieving a very smooth cut surface.
또한 레이저 핀 빔의 고밀도 펄스 에너지는 극소 부위에 아주 강하게 집중되면서 강한 직진성을 가지게 되고, 이로 인해 취성 소재 내부에는 핀 형상의 에너지 집중영역(초점빔)이 진행방향을 따라 길게 형성된다. In addition, the high-density pulse energy of the laser pin beam is strongly concentrated in a very small area and has a strong straightness. As a result, a pin-shaped energy focused area (focus beam) is formed along the traveling direction inside the brittle material.
즉, 제3 광학계(130)의 초점심도는 0.1 내지 3 ㎛ 정도에 불과하지만, 취성 소재의 내부에서는 전술한 펄스에너지 중첩에 의한 열 흡수(heat accumulation)와 레이저 플라즈마 상호작용(Laser Plasma Interaction)이 복합적으로 발생함에 따라 매우 길고 일정한 직경의 초점빔이 형성된다.That is, although the depth of focus of the third
예를 들어 500㎛ 두께의 유리 중간에 레이저 핀 빔의 초점을 형성하면 초점빔이 약 200㎛ 정도의 길이로 형성되며, 이와 같이 길고 균일하게 형성된 초점빔에 의해 매우 깨끗한 절단면을 얻을 수 있다.For example, if the focus of the laser pin beam is formed in the middle of the glass having a thickness of 500 탆, the focus beam is formed to have a length of about 200 탆, and a very clean cut surface can be obtained by such a long and uniformly formed focus beam.
특히 초점 빔에 강하게 중첩된 에너지가 레이저 핀 빔의 진행경로를 따라 입사면과 출사면으로 전달되면서 초점 빔의 앞쪽과 뒤쪽 영역에서도 경면 절단이 이루어지며, 이를 통해 전체 두께에 걸쳐 완벽한 경면 절단이 가능하다.In particular, the energy which is superimposed strongly on the focus beam is transmitted to the incident surface and the exit surface along the path of the laser pin beam, so that the mirror surface is cut in the front and rear of the focus beam. Do.
한편 실험에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 가공장치를 사용하여 300㎛ 유리를 펄스폭 10~15 피코초, 펄스에너지 200μJ의 레이저로 절단하면 경면절단이 가능하고, 1~10 피코초 펄스레이저를 사용하면 300~500㎛ 유리를 경면절단할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 펄스폭이 짧고 펼스에너지가 클수록 보다 두꺼운 유리를 경면절단할 수 있음을 알 수 있다.According to the experiment, when the laser processing apparatus according to the embodiment of the present invention is used to cut a 300 μm glass with a laser having a pulse width of 10 to 15 picoseconds and a pulse energy of 200 μJ, mirror-surface cutting is possible, It was shown that 300 ~ 500μm glass can be mirror-cut using laser. Therefore, it can be seen that the thicker the glass, the shorter the pulse width and the larger the energy of the expansion is, the mirror-surface can be cut.
본 발명의 실시 예에 따른 레이저 핀 빔은 소재의 두께 방향을 따른 에너지 분포가 매우 균일하므로 단판이 아닌 합판을 절단할 때도 뒤집기(flip) 없이 1번의 가공으로 합판을 동시에 경면 절단할 수 있다.Since the energy distribution along the thickness direction of the material of the laser pin beam according to the embodiment of the present invention is very uniform, the plywood can be simultaneously mirror-cut at one time without flipping even when cutting the plywood rather than the single plywood.
실험에 따르면 각각 0.005mm~1.0mm 정도의 두께를 갖는 2개의 유리기판을 0.005mm~0.1mm의 에어 갭을 사이에 두고 부착한 상태에서 절단공정을 진행한 결과 2개의 유리기판이 거의 동일한 품질로 경면 절단되는 것을 확인할 수 있었다.According to the experiment, two glass substrates each having a thickness of about 0.005 mm to 1.0 mm were attached with an air gap of 0.005 mm to 0.1 mm interposed therebetween. As a result, the two glass substrates had almost the same quality It was confirmed that the mirror surface was cut.
또한 베셀빔을 이용하여 소재를 가공하는 경우에는 12~20W 정도의 레이저출력이 필요하지만, 본 발명에 따르면 핀 빔의 높은 에너지 밀도로 인해 1~5W 정도의 레이저 출력만으로도 가공이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에 따르면 에너지 효율을 종래보다 크게 개선할 수 있고 공정비용을 크게 절감할 수 있는 이점이 있다.In addition, when a material is processed using a vessel beam, a laser output of about 12 to 20 W is required. However, according to the present invention, it is possible to process only a laser output of about 1 to 5 W due to a high energy density of a pin beam. Therefore, according to the present invention, there is an advantage that the energy efficiency can be greatly improved as compared with the prior art, and the process cost can be greatly reduced.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 가우시안 빔을 이용하는 레이저 어블레이션(Laser Ablation)이나 베셀빔을 이용하는 종래의 방법에 비하여 취성소재의 가공품질과 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the machining quality and productivity of the brittle material can be greatly improved as compared with the conventional method using the laser ablation using the Gaussian beam or the vessel beam.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 가공장치는 취성소재에 입사되는 핀 빔의 폭과 길이를 조절할 수도 있다. 구체적으로는, 제1 광학계(110)로 입사되는 가우시안 빔의 빔 폭을 조절하거나, 제1 광학계(110)와 제2 광학계(120)의 간격을 조절하거나, 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)의 간격을 조절함으로써 레이저 핀 빔의 폭과 길이를 조절할 수 있다.The laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention may adjust the width and length of the pin beam incident on the brittle material. More specifically, the beam width of the Gaussian beam incident on the first
일 예로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 광학계(110)와 제2 광학계(120)를 지지하는 제1 스테이션(210)을 광축 방향을 따라 이동시키면서 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)의 거리를 변화시키면 제3 광학계(130)에 입사되는 빔의 폭이 달라지므로 이를 통해 재료에 입사되는 핀 빔의 길이나 폭을 조절할 수 있다.7, the
다른 예로서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)를 지지하는 제2 스테이션(220)을 광축 방향을 따라 이동시키면서 제1 광학계(110)와 제2 광학계(120)의 거리를 변화시키면 제2 광학계(120)에 입사되는 빔의 폭이 달라지므로 이를 통해 재료에 입사되는 핀 빔의 길이나 폭을 조절할 수 있다.8, the
또 다른 예로서, 제1 광학계(110)로 입사되는 레이저 빔의 빔 폭을 조절하는 동시에 제1 스테이션(210) 및/또는 제2 스테이션(220)을 이용하여 각 렌즈(110,120,130) 간의 거리를 조절하면서 재료에 입사되는 핀 빔의 길이나 폭을 조절할 수도 있다.As another example, it is possible to control the beam width of the laser beam incident on the first
도면에는 나타내지 않았으나, 제1 스테이션(210)은 제1 광학계(110)와 제2 광학계(120)를 일정 거리 이격시켜서 고정시키는 케이스나 지지봉 등의 지지구조를 포함할 수 있다. 또한 제1 스테이션(210)을 이동시키는 이송레일과 모터 등의 구동수단을 포함할 수 있다. Although not shown in the figure, the
마찬가지로 제2 스테이션(210)도 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)를 일정 거리 이격시켜서 고정시키는 지지구조를 포함할 수 있고, 이송레일, 모터 등의 구동수단을 포함할 수 있다.Similarly, the
이하에서는 도 9의 흐름도를 참조하여 본 발명에 따른 취성 소재 가공 방법을 설명한다.Hereinafter, a brittle material processing method according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
먼저 레이저 발생부에서 생성된 초단파 레이저 빔은 전달광학계를 거쳐 가우시안 에너지 분포를 갖는 가우시안 빔 형태로 제1 광학계(110)에 입사한다. (S10)First, the microwave laser beam generated by the laser generation unit is incident on the first
제1 광학계(110)는 입사된 레이저 빔을 회절시켜 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 다수의 동심원 형태의 에너지 분포를 갖는 베셀빔으로 변환한다.(S20)The first
베셀빔은 제1 광학계(110)의 초점심도 종단에 근접 설치된 제2 광학계(120)를 거치면서 제2 광학계(120)의 초점에 집속되며 광축에 에너지가 고밀도로 집중된 핀 빔으로 변환된다. (S30)The Beessel beam is focused on the focal point of the second
제2 광학계(120)에 의해 생성된 핀 빔은 제3 광학계(130)에 의해 취성 소재의 내부에 핀 빔으로 다시 집속되며, 핀 빔의 입사 방향을 따라 취성 소재가 가공된다. (S40,S50) The pin beam generated by the second
도 10은 종래 기술에 의한 유리 가공 결과를 나타낸 사진(a, b)과 본 발명의 실시 예에 따른 유리 가공 결과를 나타낸 사진(c,d)이다.10 is a photograph (a, b) showing the result of the glass processing according to the prior art and a photograph (c, d) showing the result of the glass processing according to the embodiment of the present invention.
도 10(a)는 가우시안 빔의 필라멘테이션을 이용하여 유리를 절단한 경우를 나타낸 것으로서, 절단면의 거칠기가 0.4㎛~0.5㎛ 정도로 매끄럽지 못하고 미세한 크랙들이 존재한다.10 (a) shows a case where a glass is cut using the Gaussian beam filaments, and the roughness of the cut surface is not smooth to about 0.4 탆 to 0.5 탆, and fine cracks exist.
도 10(b)는 베셀빔을 이용하여 유리를 절단한 경우를 나타낸 것으로서, 도 10(a)에 비하여 절단면이 매끄럽기는 하지만 거철기가 0.2㎛~0.3㎛ 정도로 충분히 매끄럽지 못하다. 또한 베셀빔의 에너지가 집중된 영역에서만 비교적 매끄럽게 절단되고 주변영역에서는 제대로 절단이 이루어지지 않기 때문에 분리 공정 중에 깨지는 현상이 나타난다.10 (b) shows a case where glass is cut by using a vessel beam. Although the cut surface is smooth as compared with Fig. 10 (a), it is not smooth enough to be 0.2 micrometers to 0.3 micrometers. In addition, cracking occurs during the separation process because the vessel is cut relatively smoothly in the concentrated region of the energy of the beam and the surrounding region is not cut properly.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따라 레이저 핀 빔을 이용하여 유리를 절단하면, 절단면의 거칠기를 0.01㎛ 이하로 낮출 수 있고 최대 0.001㎛ 까지 낮추는 것도 가능하다. 따라서 본 발명에 따르면 도 10(c)에 나타낸 바와 같이, 위 (a), (b)에 비해 훨씬 매끄러운 절단면을 얻을 수 있울 뿐만 아니라 크랙이 전혀 존재하지 않는 경면 절단을 할 수 있다.On the other hand, according to the embodiment of the present invention, when the glass is cut by using the laser pin beam, the roughness of the cut surface can be lowered to 0.01 탆 or less and down to a maximum of 0.001 탆. Therefore, according to the present invention, as shown in Fig. 10 (c), it is possible to obtain a smoother cut surface as compared with the above (a) and (b), as well as a mirror-surface cut without cracks at all.
또한 도 10(d)에 나타낸 바와 같이 중간에 에어갭이 있는 합판을 절단한 경우에도 2개의 합판이 거의 동일한 품질로 매끄럽게 절단되는 것을 알 수 있다.10 (d), even when the plywood having an air gap in the middle is cut, it can be seen that the two plywood are cut smoothly with almost the same quality.
한편 레이저 핀 빔을 이용하는 절단 방법이 취성소재에 가장 효율적으로 에너지를 전달하여 절단하는 방법이기는 하지만, 소재 내부에서의 빔의 굴절 및 난반사와 핀 빔 가장자리의 잔 에너지(extra energy)가 입사면(top surface)보다 출사면(bottom surface)에 더 많은 영향을 주기 때문에 절단면 전체에 걸쳐 에너지를 완벽하게 균일하게 배분하는 것은 불가능하다. On the other hand, although the cutting method using the laser pin beam is the method of cutting energy by transmitting the energy most efficiently to the brittle material, the refraction and diffuse reflection of the beam inside the material and the extra energy of the edge of the pin beam it is impossible to distribute the energy perfectly uniformly throughout the section because it has a greater impact on the bottom surface than on the surface.
이러한 이유로 레이저 핀 빔을 이용하여 취성 소재를 경면 절단하더라도 이를 분리할 때는 방향성을 고려할 필요가 있다.For this reason, even if a brittle material is mirror-finished using a laser pin beam, it is necessary to consider the directionality when separating the brittle material.
예를 들어 레이저 핀 빔을 이용하여 도 11(a)와 같은 형상으로 경면 절단을 하였다고 가정하면, 도 11의 (b)에서처럼 절단면에 수직한 방향으로, 즉, 절단면으로부터 멀어지는 방향으로 힘을 가하면 쉽게 분리가 되고 절단면이 매끄럽게 될 수 있다.For example, assuming that mirror-surface cutting is performed using the laser pin beam as shown in FIG. 11 (a), if force is applied in a direction perpendicular to the cutting surface, that is, in a direction away from the cutting surface as shown in FIG. 11 And the cut surface can be made smooth.
또한 도 11의 (c)에 나타낸 바와 같이, 절단면 부근에서 취성소재의 상면(입사면)에 대해 아래쪽으로 누르는 힘을 가하는 동시에 절단면으로부터 떨어진 양측에서 취성소재의 하면(출사면)에 대해 위쪽으로 들어올리는 힘을 가하면 쉽게 분리가 되며 절단면이 매끄럽게 된다. Further, as shown in Fig. 11 (c), a downward pressing force is applied to the upper surface (incident surface) of the brittle material in the vicinity of the cut surface, and at the same time, When you apply the force to lift, it is easily separated and the cut surface becomes smooth.
반면에, 도 11의 (d)에 도시된 바와 같이, 절단면 부근에서 취성소재의 하면(출사면)에 대해 위쪽으로 들어올리는 힘을 가하는 동시에 절단면으로부터 떨어진 취성소재의 양측에서 상면(입사면)에 대해 아래로 누르는 힘을 가하면 쉽게 분리가 되지 않을 뿐만 아니라 분리가 되어도 절단면이 매끄럽지 않게 된다.On the other hand, as shown in Fig. 11 (d), a force for lifting upward the lower surface (emergent surface) of the brittle material is applied in the vicinity of the cut surface and at the same time, If the downward pressing force is applied, not only can not easily be separated, but the cut surface is not smooth even if it is separated.
다시 말하면, 절단공정을 마친 취성소재를 분리할 때 양측 절단면의 하단(출사면쪽 단부)이 서로 접촉하거나 서로에 대해 간섭을 하지 않는 방향으로 힘을 가하면서 분리하면 원하는 유닛을 스크랩으로부터 훨씬 손쉽게 분리할 수 있다. In other words, when the brittle material having been subjected to the cutting process is separated, the lower end (the exit surface end) of the two side cut surfaces comes into contact with each other or the force is applied in a direction that does not interfere with each other to separate the desired unit from the scrap more easily .
제2 실시 예Second Embodiment
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공장치를 나타낸 것으로서, 도 12의 (a)는 광학계 구성을 나타낸 것이고, 도 12의 (b)와 (c)는 각각 광학계의 여러 위치에서 레이저 빔의 단면 형상과 에너지 밀도 분포를 나타낸 것이다.12 (a) and 12 (b) show the optical system configuration, and FIGS. 12 (b) and 12 (c) Sectional shape and energy density distribution of the laser beam at various positions of the laser beam.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 가공장치는, 제1 광학계(110a), 제2 광학계(120) 및 제3 광학계(130)를 포함한다. 또한 제1 실시 예와 마찬가지로, 도면에는 나타내지 않았으나, 레이저발생부를 포함하며, 레이저발생부와 제1 광학계(110)의 사이에는 미러, 조리개, 스플리터 등의 선택적 조합으로 이루어진 전달광학계가 위치할 수 있다.As shown in the drawings, the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a first optical system 110a, a second
본 발명의 제1 실시 예에서는 제1 광학계(110)가 레이저 발생부로부터 전달된 가우시안 빔을 베셀빔으로 변환하였으나, 본 발명의 제2 실시 예는 제1 광학계(110a)가 가우시안 빔을 링 빔으로 변환하여 제2 광학계(120)로 입사시키는 점에서 제1 실시 예와 차이가 있다.In the first embodiment of the present invention, the first
제1 광학계(110a)는 예를 들어 보텍스 렌즈(vortex lens)이거나 보텍스 렌즈를 포함하며, 보텍스 렌즈는 입사된 가우시안 빔의 경로를 광축을 중심으로 나선형으로 회전하면서 진행하도록 변경시킨다. 따라서 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 볼 때 보텍스 렌즈를 통과한 레이저 빔은 나선형의 에너지 분포를 가진다.The first optical system 110a may be, for example, a vortex lens or a vortex lens, and the vortex lens changes the path of the incident Gaussian beam so as to proceed while rotating helically about the optical axis. Therefore, the laser beam passing through the vortex lens has a helical energy distribution with respect to the cross section orthogonal to the traveling direction.
그런데 보텍스 렌즈의 초점에서는 에너지 밀도 분포가 나선형에서 링 형으로 변환되며, 따라서 광축 부근에는 에너지 분포가 없고 주변부에만 링 형상으로 에너지가집중된 링 빔이 형성된다.However, in the focus of a Vortex lens, the energy density distribution is converted from a helical shape to a ring shape, so that there is no energy distribution in the vicinity of the optical axis, and a ring beam is formed in which energy is concentrated only in the periphery.
제1 실시 예에서는 제1 광학계(110)에 의해 형성된 베셀빔이 분산되어 링 빔으로 변환되기 전에 제2 광학계(120)로 집속하여 핀 빔을 형성하는 것이 바람직하다고 하였는데, 베셀빔이 분산되면서 형성되는 링 빔은 그 직경이 크기 때문에 핀 빔으로 변환하면 에너지 밀도가 낮아질 수 있기 때문이다.In the first embodiment, it is preferable that the vessel beam formed by the first
그러나 보텍스 렌즈의 초점에 형성되는 링 빔은 제1 실시 예에서 베셀빔이 분산되면서 형성되는 링 빔에 비하여 직경이 매우 작을 뿐만 아니라 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 제2 광학계(120)를 이용하여 초고밀도의 핀 빔으로 변환할 수 있다.However, since the ring beam formed at the focal point of the vortex lens has a very small diameter as well as a very high energy density as compared with the ring beam formed by dispersing the vessel beam in the first embodiment, To the pin beam of FIG.
제2 광학계(120)는 제1 광학계(110a)의 초점에 형성된 링 빔을 집속하여 핀 빔으로 형성하는 역할을 하며, 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)이거나, 콜리메이터 렌즈 또는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. The second
제2 광학계(120)의 입사면은 제1 광학계(110a)의 초점심도 내에 위치하는 것이 바람직하며, 이렇게 하면 제1 광학계(110a)의 초점에 형성된 링 빔의 에너지가 분산되기 전에 제2 광학계(120)를 통해 핀 빔으로 집속 될 수 있다.It is preferable that the incident surface of the second
제1 실시 예와 마찬가지로 제2 광학계(120)의 초점은 제2 광학계(120)와 제3 광학계(130)의 사이에 위치하는 것이 바람직하다. It is preferable that the focal point of the second
제1 광학계(110)에 의해 생성된 링 빔이 제2 광학계(120)의 초점에 집속 되면 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 볼 때 광축 부근에 대부분의 에너지가 집중된 점(spot) 형상의 고밀도 핀 빔으로 변환된다. When the ring beam generated by the first
제3 광학계(130)는 포커싱 렌즈(Focusing lens)로서, 제2 광학계(120)에 의해 형성된 핀 빔을 취성소재의 내부로 집속시킨다. 제3 광학계(130)의 초심심도, 개구수, 투과율 등은 제1 실시 예에서 설명한 바와 같다.The third
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시 예에 한정되지 않고 구체적인 적용과정에서 다양하게 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시 예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments.
50: 취성 소재 110: 제1 광학계,
120: 제2 광학계 130: 제3 광학계,
210: 제1 스테이션 220: 제2 스테이션.50: brittle material 110: first optical system,
120: second optical system 130: third optical system,
210: first station 220: second station.
Claims (12)
상기 베셀빔 또는 상기 베셀빔으로부터 분산된 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계
를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계A first optical system for converting a microwave pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from a laser generating unit into a Beessel beam having an energy distribution on an optical axis and a plurality of concentric circles around the optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction;
A second optical system for focusing a beam dispersed from the vessel beam or the vessel beam and generating a pin beam having a spot-like energy concentrated on an optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction;
And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
An optical system for laser for brittle material processing
상기 제1 광학계의 초점심도의 종단과 상기 제2 광학계의 입사면 사이의 거리(d)는 0 내지 0.1mm인 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계.The method according to claim 1,
Wherein a distance d between an end of the depth of focus of the first optical system and an incident surface of the second optical system is 0 to 0.1 mm.
상기 제1 광학계는 액시콘 렌즈(axicon lens)를 포함하고, 상기 제2 광학계는 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first optical system includes an axicon lens and the second optical system includes a collimator lens or an aspheric lens.
상기 링 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계
를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계.A first optical system for converting a microwave pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from a laser generator into a ring beam having a ring-shaped energy distribution about an optical axis with respect to a cross section orthogonal to a traveling direction;
A second optical system for converging the ring beam and generating a pin beam having energy concentrated in a spot shape on an optical axis based on a cross section orthogonal to the progress direction;
And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
And an optical system for laser processing for processing a brittle material.
상기 제2 광학계의 입사면은 상기 제1 광학계의 초점심도의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계5. The method of claim 4,
And the incident surface of the second optical system is located inside the focal depth of the first optical system.
상기 제1 광학계는 보텍스 렌즈(vortex lens)를 포함하고, 상기 제2 광학계는 콜리메이터 렌즈(collimator lens) 또는 비구면 렌즈(aspheric lens)를 포함하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계The method according to claim 4 or 5,
Characterized in that the first optical system comprises a vortex lens and the second optical system comprises a collimator lens or an aspheric lens.
상기 제3 광학계는, 초점심도가 0.1 내지 3 ㎛ 이고, 개구수(NA값)가 0.1 내지 1.0 이며, 투과율이 50% 내지 99% 이며, 배율은 20 내지 100 인 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저용 광학계The method according to claim 1 or 4,
Wherein the third optical system has a focal depth of 0.1 to 3 占 퐉, a numerical aperture (NA value) of 0.1 to 1.0, a transmittance of 50% to 99%, and a magnification of 20 to 100 Optical system for laser
상기 레이저 발생부로부터 전달된 가우시안 에너지 분포를 갖는 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축과 광축 주변의 다수의 동심원 상에 에너지가 분포하는 베셀빔으로 변환하는 제1 광학계;
상기 베셀빔 또는 상기 베셀빔으로부터 분산된 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계
를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치A laser generator for generating a microwave pulse laser beam;
A first optical system for converting an ultra-short pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from the laser generator into a Bezel beam having an optical axis and a plurality of concentric circles around the optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the progress direction;
A second optical system for focusing a beam dispersed from the vessel beam or the vessel beam and generating a pin beam having a spot-like energy concentrated on an optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction;
And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
A laser processing apparatus for processing a brittle material
상기 레이저 발생부로부터 전달된 가우시안 에너지 분포를 갖는 초단파 펄스 레이저 빔을 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축을 중심으로 링 형상의 에너지 분포를 갖는 링 빔으로 변환하는 제1 광학계;
상기 링 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 제2 광학계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 제3 광학계
를 포함하는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치.A laser generator for generating a microwave pulse laser beam;
A first optical system for converting a microwave pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from the laser generator into a ring beam having a ring-shaped energy distribution around an optical axis with respect to a cross section orthogonal to the traveling direction;
A second optical system for converging the ring beam and generating a pin beam having energy concentrated in a spot shape on an optical axis based on a cross section orthogonal to the progress direction;
And a third optical system for focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
And a laser processing device for processing a brittle material.
상기 베셀빔 또는 상기 베셀빔으로부터 분산된 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 단계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 단계
를 포함하는 레이저를 이용한 취성 소재 가공 방법Converting a microwave pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from a laser generating part into a Bezel beam having an optical axis and a plurality of concentric circles around the optical axis on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction;
Focusing a dispersed beam from the vessel beam or the vessel beam to generate a pin beam focused on an optical axis in a spot shape on the basis of a cross section orthogonal to the traveling direction;
Focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
A brittle material processing method using laser comprising
상기 링 빔을 집속하여 진행방향에 직교하는 단면을 기준으로 광축에 점(spot) 형상으로 에너지가 집중된 핀 빔(pin beam)을 생성하는 단계;
상기 핀 빔 또는 상기 핀 빔으로부터 분산된 빔을 취성 소재의 내부에 집속시키는 단계
를 포함하는 레이저를 이용한 취성 소재 가공 방법Converting a microwave pulse laser beam having a Gaussian energy distribution transmitted from a laser generating unit into a ring beam having a ring-shaped energy distribution around an optical axis with respect to a cross section orthogonal to the traveling direction;
Focusing the ring beam to generate a pin beam having energy concentrated in a spot shape on an optical axis with respect to a cross section orthogonal to the traveling direction;
Focusing the dispersed beam from the pin beam or the pin beam into the brittle material
A brittle material processing method using laser comprising
상기 취성소재의 절단면으로부터 떨어진 양측에서 절단면으로부터 멀어지는 힘을 가하거나, 상기 취성소재의 절단면으로부터 떨어진 양측에서 출사면을 누르는 힘을 가하는 동시에 절단면의 부근에서 입사면을 누르는 힘을 가하여 절단면을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성 소재 가공 방법.The method according to claim 10 or 11,
Applying a force away from the cut surface at both sides away from the cut surface of the brittle material or applying a force pressing both sides of the brittle material at both sides away from the cut surface and applying a force pressing the incident surface near the cut surface to separate the cut surface Further comprising the steps of: (a)
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Legal Events
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---|---|---|---|
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GRNT | Written decision to grant |