KR100356379B1 - 레이저 가공방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

투명매질을 가공하기 위한 레이저 가공방법 및 장치에 관해 개시된다.

개시된 레이저 가공방법은, 레이저 광원 장치로 부터의 레이저 광을 투명 매질의 가공부분에 집속시키는 단계; 상기 투명매질을 투과한 레이저 광을 반사하여 상기 투명매질의 가공부분에 집속시키는 단계;를 포함한다.

투명매질에 입사되는 레이저 광 중 낮은 에너지 밀도에 의해 투명 매질을 가공하지 못하고 투과하는 레이저 광을 다시 투명매질로 반사하여 이를 레이저 가공에 재사용함으로써 에너지 효율이 높아지고, 결과적으로 레이저 광원으로 부터의 레이저 출력을 높일 수 있고 따라서 소비전력도 낮출 수 있게 된다.

Description

레이저 가공방법 및 장치{Laser machinning method and the apparatus adopting the same}

본 발명은 레이저 가공방법 및 장치에 관한 것으로, 상세히는 투명한 매질의 레이저 가공방법 및 장치에 관한 것이다.

투명한 매질을 가공하는 기술에는 기계적인 가공방법과 광학적인 가공방법이 있는데, 기계적인 가공방법은 다이아몬드 팁(diamond tip)이나 다이아몬드 블레이드(blade)에 의해 가공대상물을 기계적으로 가공하는 것이며, 광학적인 방법은 레이저(laser) 등에 의한 열에너지를 이용하여 가공대상물을 가공하는 것이다.

기계적인 가공방법은 주로 절단 가공에 적용되며, 광학적인 가공방법은 절단가공 뿐 아니라 가공대상물에 부분적인 절삭에 의해 소정 패턴의 문양 또는 글씨등을 새기는데 사용된다.

광학적인 가공방법에 의해 투명한 매질의 가공할때의 문제는 낮은 에너지 밀도에서는 레이저 빔이 투명 매질을 가공하지 못하고 투과한다는 것이다.

도 1은 투명매질의 광학적인 가공을 위한 레이저 가공장치의 개략적 구성도이다.

도 1을 참조하면, 레이저 광원으로서의 공진기(resonator, 1)로 부터의 레이저 광이 미러장치(2)를 통해 대물렌즈장치(3)로 입사한 후, 가공대상물인 투명매질(4)에 초점을 맺는다.

따라서, 투명매질(4)에서 레이저 광이 집중 된 부분에서 고에너지의 집중에 의해 손상, 즉 가공이 일어난다. 이때에 투명매질(4)에서 레이저 광이 고밀도로 집중된 경우에만 광의 흡수가 일어나고 그렇지 않은 경우 광은 대부분 투과한다.

투명한 매질로서는 유리나 사파이어(sapphire), 탄화규소(Siliconcarbide, SiC) 등 경도가 높고 빛의 흡수가 잘 안되는 재료등을 들수 있는데, 이러한 투명한 매질은 낮은 에어지 밀도에서는 90%의 빛을 투과시키고 그 나머지 10% 는 반사 산란으로 손실된다.

이와 같이 투명매질을 가공하기 위해서는 입사된 에너지가 투명매질을 손상시킬 수 있는 정도의 에너지 밀도를 가져야 하므로 실제 투명매질에 조사되는 광에너지 밀도는 매우 높아야 하며, 따라서 고출력의 레이저 광원이 사용되어야 한다.

한편, 한국특허출원번호 98-30620호에는 투명매질을 가공함에 있어서, 투명매질의 하부에 레이저 광을 흡수하는 지지물을 두어서, 지지물에서 발생된 불꽃을 이용해 투명매질을 가공하는 기술이 개시되어 있다.

이와 같이 불꽃에 의한 투명매질의 가공은 소모성 지지물이 요구되고, 지지물로 부터 발생된 파티클에 의한 오염 및 이에 의한 가공부분의 잘못된 가공등의 우려가 있다. 또한 이러한 가공법은 투명매질의 절단등에는 어느 정도 효과적으로 사용될 수 있지만, 투명매질의 표면 또는 투명매질의 내부에 패턴을 형성하기에는 부적합한 단점이 있다.

본 발명의 목적은 광이용효율의 증대로 낮은 레이저 출력에 의해서 투명매질에 대한 레이저 가공이 가능한 레이저 가공방법 및 이를 적용한 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 일반적인 레이저 가공장치의 개략적 구성도를 보인다.

도 2는 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치에 따른 제1실시예의 개략적 구성을 보인다.

도 3은 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치에 따른 제2실시예의 개략적 구성을 보인다.

도 4는 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치에 따른 제2실시예의 개략적 구성을 보인다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

레이저 광원 장치로 부터의 레이저 광을 투명 매질의 가공부분에 집속시키는 단계;

상기 투명매질을 투과한 레이저 광을 반사하여 상기 투명매질의 가공부분에 집속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법이 제공된다.

상기 본 발명의 레이저 가공방법에 있어서, 상기 투명매질을 상기 레이저 광의 진행축에 수직인 X-Y 평면상을 이동시켜, 상기 투명매질에 대한 가공부위를 변경하도록 하는 것이 바람직하다.

또는, 상기 투명매질로 진행하는 레이저 광원의 진행축을 그 진행축에 수직이며, 상기 투명매질의 평면에 나란한 제1방향으로 이동시키는 단계; 상기 투명매질을 상기 제1방향에 수직이며 투명매질의 평면에 나란한 제2방향으로 이동시키는 단계;를 더 포함하여, 상기 투명매질에 대한 가공부위를 변경하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

레이저 광원과;

상기 레이저 광원으로 부터의 레이저 광에 의해 가공되는 투명매질이 장착되는 가공 테이블과;

상기 레이저 광원 장치로 부터의 레이저 광을 투명매질의 소정 부위에 집속시키는 대물렌즈 장치;를 구비하며,

상기 투명매질을 중심으로 상기 대물렌즈 장치의 반대편에 위치하여 상기 투명매질을 투과한 레이저 빔을 상기 투명매질의 초점부분에 집속시키는 반사미러장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치가 제공된다.

상기 본 발명의 레이저 가공장치에 있어서, 상기 대물렌즈 장치와 상기 레이저 광원의 사이에 레이저 광원으로 부터의 레이저 광을 상기 대물렌즈 장치로 반사하는 미러장치가 더 구비되어 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 가공 테이블을 그 평면에 나란한 X-Y 평면 상을 이동시키는 X-Y 이동장치가 구비되거나, 상기 미러장치, 대물렌즈장치 및 반사미러 장치를 상기 미러장치로 입사하는 레이저 광의 제1진행축상을 이동시키는 제1이동장치와; 상기 가공테이블을 상기 제1진행축에 수직이며 상기 투명매질의 평면에 나란한 제3진행축상을 이동시키는 제2이동장치를 구비하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 가공방법이 적용되는 레이저 가공장치의 개략적 구성도이다.

도 2를 참조하면, 가공대상물이 투명매질(40)이 가공테이블(50) 상에 장착되어 있다. 가공테이블(50)은 투명매질(40)을 투과한 레이저 광이 통과하는 개구부(51)를 갖는다.

상기 투명매질(40)의 상방에는 대물렌즈장치(30)가 위치한다. 대물렌즈장치(30)는 레이저 광원인 공진기(10)로 부터의 레이저 광은 투명매질(40)의 가공부위(41)에 집속시킨다.

상기 공진기(10)와 대물렌즈장치(30)의 사이에는 레이저 광을 반사시키는 미러장치(20)가 위치한다. 제1미러장치(20)는 대부분의 레이저 가공장치에 적용되는 것으로서 공진기(10)로 부터의 레이저 광의 진행경로을 목적하는 방향으로 변경시키기 위한 것이다.

한편, 본 발명을 특징지우는 것으로서, 상기 가공테이블(50)의 하부에 반사미러 장치(60)가 마련된다. 반사미러 장치(60)는 상기 투명매질(40)을 투과한 레이저광을 상기 투명매질(40)의 가공부위(41)에 재집속시킨다. 이러한 반사미러 장치(60)는 발산하는 레이저 광을 반사시켜 상기 가공부위(41)에 집속하여야 하므로 오목거울 또는 이와 등가적인 거울이다.

이상과 같은 본 발명의 레이저 광원 장치는 투명매질(40)의 가공시 낮은 에너지 밀도에서 필연적으로 일어나는 레이저 광의 투과, 즉 투명매질(40)의 집속부분 즉 가공부위(41)에서 흡수되지 않고 투과하는 레이저 광을 반사미러장치(60)에 의해 투명매질(40)의 가공부위(41)로 재집속시켜 가공부위에서의 에너지 밀도를 높인다.

전술한 바와 같이 투명매질에 입사되는 레이저 광 중 투과하는 90% 이상의 레이저 광을 상기 반사미러장치(60)에 의해 재사용가능하게 됨으로써 에너지 효율이 높아진다. 결과적으로 레이저 광원으로 부터의 레이저 출력을 높일 수 있고 따라서 소비전력도 낮출 수 있게 된다.

위의 실시예에서는 투명매질(40)에 대한 레이저 광원의 집속부분, 즉 가공부위의 변경에 관한 구조는 설명되지 않았다.

가공부위의 변경은 투명매질(40)에 대한 목적하는 패턴을 가공하기 위해 수반되어야 하는 것으로서 아래에서 설명되는 구조에 의해 얻어질 수 있다.

도 3은 가공대상물인 투명매질(40)의 위치를 변경함으로써 투명매질(40)에 소정 패턴의 레이저 가공이 가능하게 된 레이저 가공장치의 다른 실시예를 보인다.

도 3을 참조하면, 투명매질(40)이 장착된 가공 테이블(50)이 X-Y이동장치(52)에 연결되어 레이저 광의 진행 축에 수직인 평면방향으로 이동되는 구조를 가진다. 이는 소위 X-Y 좌표계를 이동하는 일반적인 구조에 의해 구현될 수 있다.

이러한 구조에서는 투명매질로 향하는 레이저 광의 진행축의 변화는 없고, 투명매질(40)의 위치를 변경함으로써 투명매질(40)에 대한 레이저 광의 집속위치 즉 가공부위를 변경할 수 있다.

도 4는 투명매질로 향하는 레이저 광의 진행축과 투명매질(40)의 위치를 같이 변경시켜 투명매질(40)에 대한 레이저 광의 집속위치 즉 가공부위를 변경하는 구조를 가지는 본 발명의 레이저 가공장치의 또 다른 실시예를 보인다.

도 4를 참조하면, 대물렌즈 장치(30) 및 대물렌즈 장치(30)로 레이저 광을 반사하는 미러장치(20) 및 가공테이블(50)의 하부에 위치하는 반사미러장치(60)들을 공히 공진기(10)로 부터의 레이저 광의 제1진행축(111, X)상으로 이동시키는 제1이동장치(52b)가 마련되고, 그리고 가공테이블(50)에는 제1진행축 및 대물렌즈장치(30)를 통과하는 레이저 광의 제2진행축에 수직인 제3진행축(Y)상을 이동시키는 제2이동장치(52a)가 마련됨으로써, 가공테이블(50) 상에 장착된 투명매질(40)의 평면방향에 대해 대물렌즈 장치(40)가 상대적으로 이동할 수 있게 되면 따라서 목적하는 패턴으로 상기 투명매질(40)을 가공할 수 있게 된다.

도 4에서 X 방향의 제1진행축(111)은 공진기(10)로 부터의 레이저 광축에 일치될 수 있으나, 공진기(10)와 상기 미러장치(20)의 사이에 추가적인 광학장치, 예를 들어 광진행축을 변경하기 위한 미러장치가 추가되는 경우에 있어서는 그렇지않다. 여기에서 제1진행축(111)은 대물렌즈장치(30)에 가장 인접한 미러장치에 대한 레이저 광 진행축을 의미한다.

이상과 같은 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치는 레이저 광의 집속 위치에 따라 투명매질의 표면 또는 투명 매질의 몸체 안쪽 부분에 소망하는 패턴을 형성할 수 있고, 충분한 가공시간을 허용함으로써 투명매질을 절단할 수 도 있다.

이상과 같은 본 발명의 레이저 가공방법 및 장치는 광학기기, 액정디스플레이나 플라즈마디스플레이, 발광소자(light emitting diode), 레이저다이오드(laser diode) 등의 광소자 그리고 트랜지스터등과 같은 전자소자의 기판 등을 가공하는데 적합하며, 특히 투명매질을 절단하지 않고, 투명매질에 소정의 패턴이나 글자를 새기는 공정에 적합하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다

Claims (7)

1. 레이저 광원 장치로 부터의 레이저 광을 투명 매질의 가공부분에 집속시키는 단계;

   상기 투명매질을 투과한 레이저 광을 반사하여 상기 투명매질의 가공부분에집속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명매질을 상기 레이저 광의 진행축에 수직인 X-Y 평면상을 이동시켜, 상기 투명매질에 대한 가공부위를 변경하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명매질로 진행하는 레이저 광원의 진행축을 그 진행축에 수직이며, 상기 투명매질의 평면에 나란한 제1방향으로 이동시키는 단계;

   상기 투명매질을 상기 제1방향에 수직이며 투명매질의 평면에 나란한 제2방향으로 이동시키는 단계;를 더 포함하여,

   상기 투명매질에 대한 가공부위를 변경하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
4. 레이저 광원과;

   상기 레이저 광원으로 부터의 레이저 광에 의해 가공되는 투명매질이 장착되는 가공 테이블과;

   상기 레이저 광원 장치로 부터의 레이저 광을 투명매질의 소정 부위에 집속시키는 대물렌즈 장치;를 구비하며,

   상기 투명매질을 중심으로 상기 대물렌즈 장치의 반대편에 위치하여 상기 투명매질을 투과한 레이저 빔을 상기 투명매질의 초점부분에 집속시키는 반사미러장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 대물렌즈 장치와 상기 레이저 광원의 사이에 레이저 광원으로 부터의 레이저 광을 상기 대물렌즈 장치로 반사하는 미러장치가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 가공 테이블을 그 평면에 나란한 X-Y 평면 상을 이동시키는 X-Y 이동장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 미러장치, 대물렌즈장치 및 반사미러 장치를 상기 미러장치로 입사하는 레이저 광의 제1진행축상을 이동시키는 제1이동장치와;

   상기 가공테이블을 상기 제1진행축에 수직이며 상기 투명매질의 평면에 나란한 제3진행축상을 이동시키는 제2이동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.