KR100364403B1 - 물품 가공용 광헤드장치 - Google Patents

물품 가공용 광헤드장치 Download PDF

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Abstract

미세 스케일 패턴을 갖는 물품에 조사되는 레이저 광의 스폿크기를 줄임과 아울러 가공상태를 모니터링할 수 있도록 된 구조의 물품 가공용 광헤드장치가 개시되어 있다.
이 개시된 물품 가공용 광헤드장치는, 레이저 광을 조사하는 제1광원과; 제1광원에서 조사된 광의 위상을 지연시켜, 직선편광의 광을 원편광으로 바꾸어주는 위상지연판과; 입사된 발산광을 집속시키고 입사광의 단면 크기를 소정 배율로 확장시키는 제1빔확장수단과; 제1빔확장수단에 대해 이격 배치되며, 제1빔확장수단에 의해 확장된 광을 소정 배율로 재차 확장시키는 제2빔확장수단과; 제1광원에서 조사되고 상기 제1 및 제2빔확장수단을 경유하여 입사된 광을 집속시켜 가공대상물에 광스폿이 맺히도록 하는 포커싱렌즈유니트와; 가공대상물의 가공상태를 모니터링하기 위한 모니터링수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

물품 가공용 광헤드장치{Optical head apparatus for fabricating of articles}
본 발명은 레이저를 이용하여 미세 스케일 패턴을 갖는 물품을 가공하는 물품 가공용 광헤드장치에 관한 것으로서, 상세하게는 가공대상물품에 조사되는 레이저 광의 스폿크기를 줄임과 아울러 가공상태를 모니터링할 수 있도록 된 구조의 물품 가공용 광헤드장치에 관한 것이다.
일반적으로, 물품 가공용 광헤드장치는 2차원 또는 3차원 가공테이블에 움직임 가능하게 설치된 스텐츠(stents), 스텐실(stencil) 등의 가공대상물품에 레이저 광을 조사하여, 그 가공대상물품을 소망하는 미세 스케일 패턴으로 가공하는 장치이다. 여기서, 스텐츠는 혈관 협착에 의한 질병 치료에 사용되는 것으로, 보조기구물에 의해 직경이 대략 9mm에서 35mm로 확장 가능하도록 그물형의 패턴을 갖는 원통형상의 구조물이다. 이 스텐츠는 혈관에 손상을 주지 않도록 하기 위해서는 패턴이 폐곡선 형상으로 되어 있어야 하므로, 그 가공이 어렵다. 스텐실은 인쇄회로기판 생산시 납 페이스트(paste) 도포를 위한 사용되는 것으로, 납 페이스트가 도포될 위치에 대응되는 패턴이 형성된 인쇄 플레이트를 말한다.
도 1을 참조하면, 종래의 물품 가공용 광헤드장치는 레이저 광을 조사하는 광원(11)과, 빔확장 망원광학계(12)와, 입사광을 집속시켜 테이블(5)에 설치된 가공대상 물품(1)에 광스폿이 맺히도록 하는 포커싱렌즈유니트(15)를 포함한다. 상기 빔확장 망원광학계는(11) 발산하면서 입사된 레이저 광을 콜리메이팅 광으로 바꾸어줌과 아울러 단면 직경을 6배 정도의 직경을 갖는 광으로 확장시킨다. 여기서, 포커싱렌즈유니트(15)에 의해 집속된 광스폿의 크기는 광원(11)에서 조사된 광의 파장, 광의 발산각, 빔확장 망원광학계(12)의 배율 및, 광경로에 의해 결정된다.
한편, 종래의 물품 가공용 광헤드장치는 소정 배율을 갖는 일 빔확장 망원광학계를 이용하여 입사빔을 확장함으로써 광스폿 크기를 작게 하는데 한계가 있어서, 레이저 커팅을 통하여 스텐츠 및 스텐실에 미세 패턴을 형성하기가 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 물품 가공용 광헤드장치는 2차원 또는 3차원 가공테이블(5)의 동작 및 레이저 광원의 모듈레이션에 따라 가공되는 대상물(1)의 가공상태를 파악하기 위한 비젼(vision) 시스템이 구비되어 있지 않다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 가공대상물에 맺히는 광스폿의 크기를 수십 마이크로미터 크기로 줄일 수 있도록 함과 아울러, 가공대상물의 가공상태를 용이하게 파악할 수 있도록 된 물품 가공용 광헤드장치를 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래의 물품 가공용 광헤드장치의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물품 가공용 광헤드장치의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면.
도 3은 도 2의 제1빔확장수단의 광학적 배치를 보인 도면.
도 4는 도 2의 제2빔확장수단의 광학적 배치를 보인 도면.
도 5는 도 2의 포커싱렌즈유니트의 광학적 배치를 보인 도면.
도 6a 및 도 6b 각각은 포커싱렌즈유니트에 의해 대상물에 집속된 광의 X, Y 부분 프로파일을 보인 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21...제1광원 25...위상지연판 30...제1빔확장수단
40...제2빔확장수단 50...포커싱렌즈유니트 60...모니터링수단
61...제2광원 62...이색미러 63...집광렌즈유니트
65...디스플레이유니트 66...촬상소자 67...모니터
100...가공대상물
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 물품 가공용 광헤드장치는, 레이저 광을 조사하는 제1광원과; 상기 제1광원에서 조사된 광의 위상을 지연시켜, 직선편광의 광을 원편광으로 바꾸어주는 위상지연판과; 입사된 발산광을 집속시키고 입사광의 단면 크기를 소정 배율로 확장시키는 제1빔확장수단과; 상기 제1빔확장수단에 대해 이격 배치되며, 상기 제1빔확장수단에 의해 확장된 광을 소정 배율로 재차 확장시키는 제2빔확장수단과; 상기 제1광원에서 조사되고 상기 제1 및 제2빔확장수단을 경유하여 입사된 광을 집속시켜 가공대상물에 광스폿이 맺히도록 하는 포커싱렌즈유니트와; 상기 가공대상물의 가공상태를 모니터링하기 위한 모니터링수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 물품 가공용 광헤드장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물품 가공용 광헤드장치는 레이저 광을 조사하는 제1광원(21)과, 이 제1광원(21)에서 조사된 레이저 광을 소정 배율로 확장시키는 제1 및 제2빔확장수단(30)(40)과, 입사광을 집속시켜 가공대상물(100)에 광스폿이 맺히도록 하는 포커싱렌즈유니트(50)와, 상기 가공대상물(100)의 가공상태를 모니터링하기 위한 모니터링수단(60)을 포함하여 구성된다.
상기 제1광원(21)은 대략 4.5W 내지 7.5W의 출력을 내는 저출력 레이저로 TEM00모드의 일 직선편광의 광을 조사한다. 이 제1광원(21)으로는 상기 대상물의 재질에 따라 Nd:YAG 펄스 레이저, CO2레이저 또는 자외선(UV) 레이저 등이 사용된다. Nd:YAG 펄스 레이저는 장파장 레이저로 대상물 재질이 SUS 계열에 이용되고, UV 레이저는 단파장 레이저로 대상물이 폴리이미드(Polyimide) 필름인 경우에 이용된다. 그리고, CO2레이저는 원적외선 레이저로 대상물이 SUS 계열인 경우에 이용되거나 대상물을 용접하는데 이용된다. 이 제1광원(21)에서 조사된 광은 제1 및 제2빔확장수단(30)(40)에서 확장되고 포커싱렌즈유니트(50)에 의해 집속됨으로써 대상물에맺히는 광은 그 파워 PO가 대상물을 소정 패턴으로 커팅하는데 필요한 대략 100W 내지 150W를 가진다.
여기서, 제1광원(21)과 상기 제1빔확장수단(30) 사이의 광로 상에는 이 제1광원(21)에서 조사된 광의 위상을 지연시키는 위상지연판(25)이 구비된다. 이 위상지연판(25)은 제1광원(21)에서 조사된 광의 파장에 대해 1/4파장만큼 지연시키는 1/4파장판으로, 상기 제1광원(21) 쪽에서 입사된 직선편광의 광을 원편광으로 바꾸어준다.
상기 제1빔확장수단(30)은 상기 위상지연판(25)과 상기 제2빔확장수단(40) 사이의 광로 상에 마련되며, 입사된 발산광을 집속시키고 입사광의 단면 크기를 소정 배율로 확장시킨다.
도 3을 참조하면, 상기 제1빔확장수단(30)은 입사광의 단면폭을 두 배로 확장시킴과 아울러 발산각을 1/2로 줄이는 2배 빔확장 망원광학계이다. 이 2배 빔확장 망원광학계는 상기 제1광원(21)쪽으로부터 순차로 배치되며, 입사광을 확장시키는 음의 굴절력을 갖는 제1렌즈(31)와, 이 확장된 광을 집속시켜 평행광이 되도록 하는 양의 굴절력을 갖는 제2렌즈(33)를 구비한다. 여기서, 상기 제1 및 제2렌즈(31)(33)는 대략 1000nm 내지 1110nm 영역의 광에 대해서는 대략 99.8% 이상 투과시키고, 632nm의 광에 대해서는 대략 90% 이상 투과시키도록 다중 코팅되어 있다. 상기 2배 빔확장 망원광학계의 설계 데이터 예는 하기의 표 1에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 제2빔확장수단(40)은 상기 제1빔확장수단(30)에 의해 두 배로 확장된 광을 재차 확장시키기 위한 것으로, 입사광의 단면폭을 네 배로 확장시키는 4배 빔확장 망원광학계이다. 이 4배 빔확장 망원광학계는 상기 제1빔확장수단(30) 쪽으로부터 순차로 배치되며, 입사광을 확장시키는 음의 굴절력을 갖는 제3렌즈(41)와, 이 확장된 광을 집속시키는 양의 굴절력을 갖는 제4 및 제5렌즈(43)(45)를 구비한다. 여기서, 제3 내지 제5렌즈(41)(43)(45)는 대략 1000nm 내지 1110nm 영역의 광에 대해서는 대략 99.8% 이상 투과시키고, 632nm의 광에 대해서는 대략 90% 이상 투과시키도록 다중 코팅되어 있다. 이 4배 빔확장 망원광학계의 설계 데이터 예는 하기의 표 1에 나타내었다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 포커싱렌즈유니트(50)는 상기 제1광원(21)에서 조사되고 상기 제1 및 제2빔확장수단(30)(40)을 경유하여 입사된 광을 집속시켜 가공대상물(100)에 광스폿이 맺히도록 한다. 이 포커싱렌즈유니트(50)는 음의 굴절력을 갖는 제6렌즈(51)와, 양의 굴절력을 갖는 제7렌즈(53) 및 상기 제7렌즈(53)와 상기 가공대상물(100) 사이에 배치되어 상기 제6 및 제7렌즈(51)(53)을 보호하는 커버글래스(55)를 포함한다.
여기서, 제6 및 제7렌즈(51)(53) 각각의 광 입,출사면은 상기 제1광원(21) 쪽에서 조사된 광은 대략 99.8% 이상 투과시키고, 후술하는 제2광원(61)에서 조사된 가시광선의 광은 대략 90% 이상 투과시키도록 다중 코팅된 것이 바람직하다.
표 1은 도 2 내지 도 5에 도시된 제1 및 제2빔확장수단과, 포커싱렌즈유니트의 광학적 데이터 및 광학적 배치의 일 예를 보인 것이다. 여기서, r1내지 r16은 각 렌즈의 입사면 또는 출사면의 곡률반경을 나타낸 것이고, d1내지 d15는 각 렌즈의 두께또는 각 렌즈 사이의 간격을 나타낸 것이다.
렌즈군 종류 곡률반경[mm] 렌즈 두께 및 렌즈 사이의 간격[mm] 굴절률
제1빔확장렌즈유니트 제1렌즈 r1= -18.18500 d1= 2.0 1.7274
r2= ∞ d2= 23.44
제2렌즈 r3= 35.95000 d3= 5.00 1.5067
r4= -85.47800 d4= 841.00
제2빔확장렌즈유니트 제3렌즈 r5= -24.06200 d5= 2.00 1.6019
r6= 70.06000 d6= 76.59
제4렌즈 r7= -900.00000 d7= 5.00 1.5067
r8= -134.00000 d8= 1.50
제5렌즈 r9= -900.00000 d9= 7.00 1.5067
r10= -82.50000 d10=1060.00
포커싱렌즈유니트 제6렌즈 r11= -23.23200 d11= 3.70 1.5067
r12= -34.88900 d12= 0.55
제7렌즈 r13= 53.75000 d13= 10.40 1.7275
r14= -96.24500 d14= 10.00
커버글래스 r15= ∞ d15= 3.90 1.5067
r16= ∞
도 6a 및 도 6b를 살펴볼 때, 포커싱렌즈유니트에 의해 집속된 광의 X, Y 단면 각각에 대한 빔 프로파일은 TEM00의 단일모드 특성을 가짐과 아울러, 유효 광스폿의 직경 d1, d2각각이 대략 10㎛로 미세 패턴을 형성한다.
도 2를 참조하면, 모니터링수단(60)은 제2광원(61)과, 이색미러(62)와, 집광렌즈유니트(63) 및, 디스플레이유니트(65)를 포함하여 구성된다.
상기 제2광원(61)은 상기 가공대상물(100)의 주변에 마련되는 것으로, 대략 600nm 내지 700nm 대역의 가시광선 영역의 광을 조사한다. 이 제2광원(61)에서 조사된 광은 상기 가공대상물(100)에서 반사된 후, 상기 이색미러(62) 쪽으로 향한다.
상기 이색미러(62)는 상기 제2빔확장수단(40)과 상기 포커싱렌즈유니트(50) 사이의 경로 상에 마련되는 것으로, 입사된 레이저 광과 가시광선 영역의 광을 분기시켜 가시광선 영역의 광만이 디스플레이유니트(65)로 향하도록 한다. 즉, 상기 가공대상물(100) 쪽에서 입사되는 광 중 레이저 광은 반사시키고, 가시광선 영역의 광을 투과시킨다. 상기 집광렌즈유니트(63)는 상기 이색미러(62)와 디스플레이유니트(65) 사이에 마련되는 것으로, 상기 이색미러(62)를 경유하여 입사된 광을 집속시킨다. 상기 디스플레이유니트(65)는 상기 집광렌즈유니트(63)를 통해 집속된 광을 촬상 및 디스플레이한다. 이 디스플레이유니트(65)는 입사광을 수광하여 레이저 광에 의해 패터닝된 가공대상물(100)의 형상을 촬상하여 영상정보를 출력하는 촬상소자(66)와, 입력된 영상신호를 디스플레이하는 모니터(67)를 포함하여 구성된다. 여기서, 디스플레이유니트(65)는 촬상소자(66) 및 모니터(67) 없이 직접 육안으로 관찰할 수 있는 구조로 되어도 무방하다. 이와 같이, 모니터링수단(60)을 마련함으로써, 상기 제1광원(21)에서 조사된 레이저 광에 의한 가공대상물(100)의 가공상태 및, 가공대상물이 설치된 2차원 또는 3차원 가공테이블(110) 상에서의 가공대상물(100)의 자세를 가공과 동시에 살펴볼 수 있다는 이점이 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 물품 가공용 광헤드 장치는 제1 및 제2빔확장수단을 독립적으로 마련하여 입사빔의 배율을 조정함으로써 가공대상물에 맺히는 광스폿의 크기를 수 십 마이크로미터 크기로 줄일 수 있도록 함과 아울러,최적화된 포커싱렌즈유니트를 통하여 가공 대상물에 맺히는 광의 파워를 높임으로써 낮은 파워를 갖는 제1광원으로 고 파워의 스폿광을 구현할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 모니터링수단을 마련하여 가공대상물의 가공상태를 용이하게 파악할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (8)

  1. 레이저 광을 조사하는 제1광원과;
    상기 제1광원에서 조사된 광의 위상을 지연시켜, 직선편광의 광을 원편광으로 바꾸어주는 위상지연판과;
    입사된 발산광을 집속시키고 입사광의 단면 크기를 확장시키도록, 음의 굴절력을 가지는 렌즈와 양의 굴절력을 가지는 렌즈를 포함하여 복수의 렌즈로 이루어진 제1빔확장수단과;
    상기 제1빔확장수단에 대해 이격 배치되며, 상기 제1빔확장수단에 의해 확장된 광을 재차 확장시키도록, 음의 굴절력을 가지는 렌즈와 양의 굴절력을 가지는 렌즈를 포함하여 복수의 렌즈로 이루어진 제2빔확장수단과;
    상기 제1광원에서 조사되고 상기 제1 및 제2빔확장수단을 경유하여 입사된 광을 집속시켜 가공대상물에 광스폿이 맺히도록 하는 포커싱렌즈유니트와;
    상기 가공대상물의 가공상태를 모니터링하기 위한 모니터링수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1빔확장수단은,
    상기 제1광원쪽으로부터 순차로 배치되며, 입사광을 확장시키는 음의 굴절력을 갖는 제1렌즈와, 이 확장된 광을 집속시켜 평행광이 되도록 하는 양의 굴절력을 갖는 제2렌즈를 구비하며, 입사광의 단면폭을 두 배로 확장시키는 2배 빔확장 망원광학계인 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2빔확장수단은,
    상기 제1빔확장수단 쪽으로부터 순차로 배치되며, 입사광을 확장시키는 음의 굴절력을 갖는 제3렌즈와, 이 확장된 광을 집속시키도록 양의 굴절력을 갖는 두 매의 제4 및 제5렌즈를 구비하여, 입사광의 단면폭을 네 배로 확장시키는 4배 빔확장 망원광학계인 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포커싱렌즈 유니트는,
    상기 제1 및 제2빔확장수단을 경유하여 입사된 광을 발산 및 집속시키도록 음의 굴절력을 갖는 제6렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제7렌즈와, 상기 제7렌즈와 상기 가공대상물 사이에 배치되어 상기 제6 및 제7렌즈를 보호하는 커버글래스를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제6 및 제7렌즈 각각의 입,출사면은,
    상기 제1광원 쪽에서 조사된 광은 99.8% 이상 투과시키고, 가시광선의 광은 90% 이상 투과시키도록 다중 코팅된 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링수단은,
    상기 가공대상물 주변에 마련되어 가시광선 영역의 광을 조사하는 제2광원과;
    상기 제2빔확장수단과 상기 포커싱렌즈 유니트 사이의 경로 상에 마련되어, 입사된 레이저 광과 가시광선 영역의 광을 분기시키는 이색미러와;
    상기 제2광원에서 조사되고 상기 이색미러를 경유하여 입사된 광을 집속시키는 집광렌즈유니트와;
    상기 집광렌즈유니트를 통해 집속된 광을 촬상하고, 이를 디스플레이하는 디스플레이 유니트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1광원은,
    가공대상물의 재질에 따라, Nd:YAG 펄스 레이저, CO2레이저 또는 UV 레이저중 에서 선택된 어느 한 레이저인 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1광원에서 조사되고, 상기 제1 및 제2빔확장수단과, 포컹싱렌즈유니트에 의해 집속되어 상기 가공대상물에 맺히는 광의 파워 Po가 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 물품 가공용 광헤드장치.
    <조건식>
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