KR100660113B1 - 집속렌즈 교체수단을 구비한 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

집속렌즈 교체수단을 구비한 레이저 가공장치가 개시된다. 본 발명에 따른 레이저 가공장치는, 초점거리가 상이한 집속렌즈들이 복수 개 설치되는 집속렌즈 교체수단을 포함하고, 이에 의하여 집속렌즈가 교체됨으로써, 집속렌즈의 초점거리와 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭이 신속하게 조절된다.

집속렌즈 교체수단, 레이저 가공장치, 원판

Description

집속렌즈 교체수단을 구비한 레이저 가공장치{LASER machining apparatus including a changer of focusing lenses}

도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 측단면도.

도 2는 본 발명에 따른 집속렌즈 교체수단과 그 작용을 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...대상물 103...전극

110...이송테이블 121...지지대

122...레이저 헤드아암 130...레이저 발진기

140...레이저 헤드 141...콜리메이터

142...원판 143...집속렌즈

145...집속렌즈 교체수단 150...광섬유

170...제어수단 200, 201...레이저빔

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭이 가변되는 레이저 가공장치에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 가공 대상물의 재질에 상관없이, 비 접촉식으로 고정밀도의 가공이 가능하다. 소정 직경의 좁은 스폿점에 집속된 레이저빔으로 가공하므로 가공 대상물의 열 안정성이 확보되며, 가공 영역의 크기에 제약을 받지 않고 초정밀 가공을 수행할 수 있다.

레이저 가공을 위하여는 레이저를 출사하는 레이저 발진기와, 상기 레이저를 스폿에 집속시켜 피가공물에 조사하는 레이저 헤드와, 레이저 발진기 및 레이저 헤드를 연결하는 연결광학계가 필요하다. 질량이 큰 작동체는 수 마이크로미터 범위에서 제어하기가 매우 곤란하다.

따라서, 레이저 헤드의 무게와 부피, 및 질량(회전) 관성 모멘트를 최소로 줄여야 미세한 이송거리를 이동하며 초정밀 가공을 할 수 있다. 플렉시블(flexible)한 연결광학계가 개재되면, 부피와 무게가 큰 레이저 발진기와 레이저 헤드를 별도로 분리 설치할 수 있다.

한편, 레이저 가공시 레이저빔은 매우 높은 에너지 강도를 가지며 가공 대상물에 입사하게 되는데, 가공 대상물 표면에 입사된 레이저빔은 가공 대상물의 반사율에 따라 일부가 반사되고, 반사되지 않은 나머지 레이저빔은 가공 대상물 표면에서부터 광의 강도가 지수적으로 감소하면서 가공 대상물에 흡수된다. 이 때 흡수된 레이저빔은 열 에너지로 변환되면서 가공 대상물의 급속한 온도 상승과 함께 가공 대상물의 열 변형이 일어나 절단, 용접 등의 레이저 가공이 가능하게 된다.

가공 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭의 크기에 따라 대상물이 가공되는 폭의 크기도 결정된다. 다양한 두께의 대상물을 가공하고, 가공 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭을 변경시키려면 레이저빔의 초점거리가 변화되어야 한다.

따라서, 가공 대상물의 크기와 가공하려는 선폭의 다양성, 및 가공 조건이 빈번하게 변경되는 다품종 소량생산의 경향에 비추어 볼 때, 신속하게 레이저빔의 광폭과 초점거리를 변경시킬 수 있는 레이저 가공장치가 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 레이저 헤드의 경량화와 아울러 가공 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭과 초점거리를 신속하게 변경시킬 수 있는 레이저 가공장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 가공장치는,

레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;

상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 전송하는 광섬유;

상기 광섬유에서 전송된 레이저빔을 집속시켜 대상물에 조사하며 각각의 초점거리가 상이한 집속렌즈들이 복수 개 설치되는 집속렌즈 교체수단;

상기 광섬유의 일 단부와 상기 집속렌즈 교체수단이 설치되는 레이저 헤드; 를 포함하며,

상기 집속렌즈 교체수단에 의하여 상기 집속렌즈가 교체됨으로써, 상기 집속렌즈의 초점거리와 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭이 신속하게 조절되는 것을 특징으로 한다.

상기 집속렌즈 교체수단은,

상기 집속렌즈가 각각 장착되는 복수의 결합공이 천공된 회전 가능한 원판을 포함하며, 상기 원판은 상기 레이저 헤드에 회전 가능하게 고정되어, 상기 원판의 회전에 의하여 상기 집속렌즈가 교체되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 레이저 가공장치의 일 실시예는,

상기 대상물을 지지하는 이송테이블을 더 포함하며, 상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드 중 적어도 하나가 서로 다른 축방향으로 이동 가능하게 설치되어, 그 이동에 의해 상기 대상물이 소정의 가공위치에 위치하게 된다.

아울러, 상기 집속렌즈 교체수단과, 상기 이송테이블과, 상기 레이저 헤드가 연결되는 제어수단이 구비되고,

상기 제어수단은, 가공 조건에 따라, 상기 집속렌즈 교체수단의 동작을 제어하여 상기 집속렌즈를 교체하며, 상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드 중 적어도 하나를 서로 다른 축방향으로 이동시킴으로써 상기 이송테이블 및 레이저 헤드의 위치를 제어하는 레이저 가공장치의 실시가 가능하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 집속렌즈 교체수단과 그 작용을 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 레이저빔(200)을 출사하는 레이저 발진기(130)가 구비되고, 레이저 발진기(130)에서 출사되는 레이저빔(200)은 광섬유(150)에 의하여 레이저 헤드(140)로 전송된다. 플렉시블(flexible)한 광섬유(150)는 레이저 헤드(140)의 이송운동을 구속하지 않으면서, 레이지 발진기에서 출사된 레이저빔(200)을 광모드의 변동 없이 그대로 레이저 헤드(140)에 전송한다. 광섬유(150)는 광경로가 길어지더라도 광모드, 광수차의 변동이나 광 에너지의 손실없이 레이저빔(200)을 레이저 헤드(140)로 전송한다.

레이저 헤드(140)는 레이저 헤드아암(122)에 X축 이동 가능하게 지지된다. 레이저 헤드아암(122)은 지지대(121)에 Z축 이동 가능하게 지지된다. 가공 대상물(100)은 이송테이블(110)에 로딩(loading)되며, 이송테이블(110)은 Y축으로 이동 가능하다. 레이저 헤드(140)의 X축 이동과 이송테이블(110)의 Y축 이동을 위하여 리니어(linear) 모터(미도시)가 설치되며, 이는 제어수단(170)에 의하여 동작이 제어된다. 레이저 헤드아암(122)의 Z축 이동을 위하여는 스텝(step) 모터(미도시)가 설치되고, 역시 제어수단(170)에 의하여 동작이 제어된다. 각각의 위치를 실시간으로 제어하기 위하여 제어수단(170)은 디지탈 신호 처리(DSP) 방식의 구동칩(미도시)을 포함한다. 상술한 바에 국한되지 않고, 이송테이블(110)과 레이저 헤드(140) 중 적어도 하나가 서로 다른 축방향으로 이동 가능하게 설치되는, 다양한 실시예가 가능함은 물론이다.

레이저 헤드(140)에는, 광섬유(150)에서 전송된 레이저빔(200)을 평행광으로 만드는 콜리메이터(141)가 구비되는 것이 바람직하고, 콜리메이터(141)를 통과한 평행광은 집속렌즈(143)에 의하여 소정 직경의 스폿에 집속되어 가공 대상물(100)에 조사된다. 도시되지는 않았지만. 광경로를 바꾸기 위한 다수의 미러와 레이저빔(200)의 광폭을 변화시키는 빔 익스팬더(beam expander)를 더 구비할 수 있다.

도 1에 점선으로 표시된 참조부호 201은, 실선으로 표시된 참조부호 200의 레이저빔이 초점거리가 상대적으로 긴 집속렌즈에 의하여 가공 대상물(100)에 조사됨을 도시한다. 이에 따라, 대상물(100)의 가공 폭이 d1에서 d2로 증가되었다.

가공 대상물(100)은 어떠한 것이든 무방하나, 취성재료나 넓은 가공영역에서 수 마이크로 미터 단위의 초정밀 가공을 할 경우에 레이저 가공이 매우 효과적이다. 도 2는 수 십인치의 크기로 대형화된 PDP, LCD 등의 평판 디스플레이 패널에 형성된 수 마이크로 미터의 전극(103)을 절단하는 경우를 예로서 도시한다. 평판 디스플레이 패널의 전극(103)은 반도체 노광 공정을 이용하여 패널 상에 미소 박막을 형성하여 제조되므로, 이 전극(103)들을 절단 가공하기 위하여 마이크로 미터 단위의 정밀한 레이저 가공장치가 필요하다.

초점거리가 서로 다른 복수 개의 집속렌즈(143)는 집속렌즈 교체수단(145)에 마련된다. 집속렌즈 교체수단(145)은 집속렌즈(143)들이 설치되는 원판(142)을 포함하며, 원판(142)은 레이저 헤드(140)에 회전가능하게 고정되고, 제어수단(170)에 연결된다. 제어수단(170)은 가공 조건의 변경을 감지하고 원판(142)을 회전시켜, 변경된 가공 조건에 알맞은 초점거리를 가진 집속렌즈(143)로 교체한다. 원판(142)의 회전을 위하여 미도시된 구동원과 기타의 동력전달부품이 구비되는 것이 바람직하다. 이에 국한되지 않고, 집속렌즈 교체수단(145)의 다양한 실시예가 가능하다.

집속렌즈 교체수단(145)에 의하여 초점거리가 상대적으로 긴 집속렌즈로 교체되면, 참조부호 200의 레이저빔은 점선으로 표시된 참조부호 201의 형태로 초점거리와 광폭이 확장되어 가공 대상물(100)에 조사된다. 가공 대상물(100)인 평판 디스플레이 패널의 전극(103)은 가공되는 선폭이 d1에서 d2로 변경되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 집속렌즈 교체수단을 구비한 레이저 가공장치는, 광섬유에 의하여 레이저빔이 전송되므로 레이저빔을 조사하는 레 이저 헤드의 소형경량화와 아울러 광 전송경로가 길어져도 광손실이나 광왜곡없이 레이저빔을 전송할 수 있으며, 집속렌즈 교체수단에 의하여 신속하게 집속렌즈가 교체되므로 가공 조건의 변화시에 즉각적으로 레이저빔의 광폭을 조절할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;

   상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 전송하는 광섬유;

   상기 광섬유에서 전송된 레이저빔을 집속시켜 대상물에 조사하며 각각의 초점거리가 상이한 집속렌즈들이 복수 개 설치되는 집속렌즈 교체수단;

   상기 광섬유의 일 단부와 상기 집속렌즈 교체수단이 설치되는 레이저 헤드; 를 포함하며,

   상기 집속렌즈 교체수단에 의하여 상기 집속렌즈가 교체됨으로써, 상기 집속렌즈의 초점거리와 대상물에 조사되는 레이저빔의 광폭이 신속하게 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 집속렌즈 교체수단은, 상기 집속렌즈가 각각 장착되는 복수의 결합공이 천공된 회전 가능한 원판을 포함하며,

   상기 원판은 상기 레이저 헤드에 회전 가능하게 고정되어,

   상기 원판의 회전에 의하여 상기 집속렌즈가 교체되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 대상물을 지지하는 이송테이블을 더 포함하며,

   상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드 중 적어도 하나가 서로 다른 축방향으로 이동 가능하게 설치되어, 그 이동에 의해 상기 대상물이 소정의 가공위치에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 레이저 헤드에는, 상기 광섬유에서 전송된 레이저빔을 평행광으로 만들어서 상기 집속렌즈 방향으로 통과시키는 콜리메이터가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 집속렌즈 교체수단과, 상기 이송테이블과, 상기 레이저 헤드가 연결되는 제어수단이 구비되고,

   상기 제어수단은, 가공 조건에 따라 상기 집속렌즈 교체수단의 동작을 제어하여 상기 집속렌즈를 교체하며, 상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드 중 적어도 하나를 서로 다른 축방향으로 이동시킴으로써 상기 이송테이블 및 레이저 헤드의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.

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