KR100850093B1 - 레이저 가공 장치 및 그 조정 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치 및 그 조정 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 가공 장치(1001)는 레이저 광(301)을 발생하는 레이저 발생부(101)와, 그 레이저 광(301)을 피가공물(106)에 대하여 상대적으로 이동시켜서 레이저 광(301)을 피가공물(106)에 조사시키는 구동부(105)를 구비한다. 그 레이저 광(301)은, 길이 방향을 갖는 스폿을 갖는 복수의 레이저 펄스를 갖는다. 구동부(105)는 복수의 레이저 펄스가 서로 오버랩하도록, 레이저 광(301)을 길이 방향으로 피가공물(206)에 대하여 상대적으로 이동시킨다. 이 레이저 가공 장치(1001)는, 높은 생산성으로 고품질로 피가공물을 가공할 수 있다.

Description

레이저 가공 장치 및 그 조정 방법{LASER MACHINING APPARATUS AND METHOD OF ADJUSTING THE SAME}
본 발명은 레이저 광으로 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치 및 그 조정 방법에 관한 것이다.
최근, 복합 재료를 가공할 때에 재료에 응력이 가해지지 않는 레이저 가공이 요망되고 있다. 복합 재료가 무를 경우, 다이싱 등의 기계 가공에서는 마이크로 마모나 응력에 의해 복합 재료의 일부가 박리되는 경우가 있다.
도 6a, 도 6c 및 도 7은 피가공물(206)의 종래의 가공 방법을 도시한다. 도 6b와 도 6d는 각각 도 6a, 도 6c의 부분 확대도이다.
피가공물(206)은 기재(203)와, 기재(203) 위에 라미네이트 또는 증착된 무른 재료(202)를 갖는 복합 재료로 이루어진다. 레이저 광(201)에 의해 피가공물(206)에 홈(204)이 형성된다. 홈(204)을 형성하기 위해 피가공물(206)의 재료(202)에 절단 휠(205)을 누르면, 마이크로 마모나 응력에 의해 재료(202)가 기재(203)로부터 박리되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해, 우선 도 6a와 도 6b에 도시한 바와 같이, 레이저 광(201)에 의해 재료(202)의 홈(204)에 대응하는 부분만을 제거하여 기재(203)를 노출시킨다. 그 후, 도 6c와 도 6d에 도시한 바와 같이, 기재(203)에 절단 휠(205)을 눌러서 홈(204)을 형성한다.
도 7은, 도 6a에서 도시한 바와 같이, 무른 재료(202)에 레이저 광(201)으로 홈을 형성하는 종래의 레이저 가공 장치(5001)의 구성도이다. 레이저 가공 장치(5001)는 레이저 발진기(101)와, 콜리메이터 유닛(102)과, 밴드 미러(103)와, 집광 렌즈(104)와, X-Y 이동 테이블(105)과, 피가공물(206)을 고정하는 가공 테이블(106)을 구비한다. 레이저 발진기(101)로부터 출력된 레이저 광은, 콜리메이터 유닛(102)에서 소정의 빔 직경을 갖는 레이저 광으로 변환된다. 그 레이저 광은, 밴드 미러(103)를 통과시켜서 집광 렌즈(104)로 유도된다. 집광 렌즈(104)는 가공 테이블(106)에 고정된 피가공물(206)에 레이저 광(201)을 조사하여, 피가공물(206)의 재료(202)의 일부를 가열해서 제거한다. 레이저 광(201)을 조사하고 있을 때에, X-Y 이동 테이블(105)은 피가공물(206)을 이동시켜, 선 형상의 홈(204)을 재료(202)에 형성한다. 이때, 재료(202)는 무르므로, 표면에 가해지는 열 응력을 피하기 위해서 레이저 발진기(101)는 레이저 광으로서 펄스 레이저를 발생한다.
펄스 레이저에 의해, 재료(202)의 단위 면적에 가해지는 열을 세심하게 제어하는 것이 가능해, 피가공물(206)에 가해지는 열 응력을 필요 최소한으로 하여 가공 품질을 확보할 수 있다. 레이저 광(201)은 펄스 레이저이며, 펄스 레이저는 소정의 시간 간격으로 발생하는 레이저 펄스로 이루어진다. 그 레이저 펄스는 피가공물(206) 위에 원형의 스폿을 형성한다. 연속된 홈(204)을 형성할 경우에는, 어 떤 레이저 펄스의 스폿과, 그 다음의 레이저 펄스의 스폿을 오버랩시키는 것이 필요하다.
도 8a와 도 8b는 도 7에 도시하는 종래의 레이저 가공 장치(5001)에서의 레이저 펄스의 스폿(201A)과 재료(202)의 온도를 도시한다. 도 3에 있어서, 횡축은 홈(204)에서의 홈(204)이 연장되는 방향의 위치를 나타내고, 종축은 피가공물(206)[재료(202)]의 온도를 나타낸다. 도 8a에서는 레이저 펄스의 스폿(201A)은 서로 거리 D11만큼 떨어져 있으며, 거리 D1만큼 서로 오버랩하고 있다. 도 8b에서는 스폿(201A)은 거리 D11보다 짧은 거리 D21만큼 서로 떨어져 있으며, 거리 D1보다 짧은 거리 D2만큼 서로 오버랩하고 있다. 도 8a에서는 거리 D1이 길게 스폿(201A)의 간격이 개방되어 있으며, 장소에 따른 온도차(Δｔｈ1)가 발생한다. 도 8b에서는 스폿(201A)의 간격이 도 8a에 도시하는 간격보다 좁게, 장소에 따른 온도차(Δｔｈ2)가 발생한다. 온도차(Δｔｈ1)는 온도차(Δｔｈ2)보다 커, 그 결과 도 8a에 도시하는 스폿(201A)에서는 재료(202)에 가해지는 국소적인 열 팽창 응력에 차가 발생하여, 재료(202)의 박리나 마이크로 마모가 생기기 쉽다. 도 8b에 도시한 바와 같이, 스폿(201A)의 간격이 짧으면, 장소에 따른 온도차(Δｔｈ2)가 작아, 재료(202)의 온도 분포가 균일해진다. 따라서 재료(202)에 열 응력이 균일하게 가해져, 재료(202)의 박리나 마이크로 마모는 발생하기 어렵다. 또한, 레이저 발진기(101)에 의해 발생하는 레이저 펄스는 가공에 필요한 에너지와 펄스 주파수에는 한계가 있으므로, 스폿(201A)을 넓은 면적으로 오버랩시키면, 홈(20)을 형성할 때의 생산성이 현저하게 저하된다. 즉, 레이저 광에 의한 종래의 가공 방법에서는, 가공 품질과 생산성이 상반되는 관계에 있어 양립하지 않는다.
발명의 요약
레이저 가공 장치는, 레이저 광을 발생하는 레이저 발생부와, 그 레이저 광을 피가공물에 대하여 상대적으로 이동시켜서 레이저 광을 피가공물에 조사시키는 구동부를 구비한다. 그 레이저 광은, 길이 방향을 갖는 스폿을 각각 갖는 복수의 레이저 펄스를 갖는다. 구동부는 복수의 레이저 펄스가 서로 오버랩하도록, 레이저 광을 길이 방향으로 피가공물에 대하여 상대적으로 이동시킨다.
이 레이저 가공 장치는, 높은 생산성으로 고품질로 피가공물을 가공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 구성도,
도 2a는 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치에서의 피가공물의 가공 방법을 도시한 도면,
도 2b는 도 2a의 부분 확대도,
도 2c는 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치에서의 피가공물의 가공 방법을 도시한 도면,
도 2d는 도 2c의 부분 확대도,
도 3은 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 레이저 펄스의 스폿과 피가공물의 온도를 도시한 도면,
도 4는 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 조정 방법을 도시한 도면,
도 5a는 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 다른 레이저 펄스의 스폿을 도시한 도면,
도 5b는 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치의 또 다른 레이저 펄스의 스폿을 도시한 도면,
도 6a는 피가공물의 종래의 가공 방법을 도시한 도면,
도 6b는 도 6a의 부분 확대도,
도 6c는 피가공물의 종래의 가공 방법을 도시한 도면,
도 6d는 도 6c의 부분 확대도,
도 7은 종래의 레이저 가공 장치의 구성도,
도 8a는 종래의 레이저 가공 장치의 레이저 펄스의 스폿과 피가공물의 온도를 도시한 도면,
도 8b는 종래의 레이저 가공 장치의 레이저 펄스의 스폿과 피가공물의 온도를 도시한 도면.
부호의 설명
301 : 레이저 광 301A : 스폿
301B : 스폿의 길이 방향 301C : 레이저 펄스
1001 : 레이저 가공 장치 2001 : 레이저 발생부
2002 : 구동부
도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치(1001)의 구성도이다. 도 2a와 도 2c는 레이저 가공 장치(1001)에서의 피가공물(206)의 가공 방법을 도시한다. 도 2b와 도 2d는 각각 도 2a, 도 2c의 부분 확대도이다.
피가공물(206)은 기재(203)와, 기재(203) 위에 라미네이트 또는 증착된 무른 재료(202)를 갖는 복합 재료로 이루어진다. 레이저 광(301)에 의해 피가공물(206)에, 방향(204A)으로 연장되는 홈(204)이 형성된다. 홈(204)을 형성하기 위해서 피가공물(206)의 재료(202)에 절단 휠(205)을 누르면, 마이크로 마모나 응력에 의해 재료(202)가 기재(203)로부터 박리되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해서, 우선 도 2a와 도 2b에 도시한 바와 같이, 레이저 광(301)에 의해 재료(202)의 홈(204)에 대응하는 부분(202A)만을 제거해서 기재(203)의 부분(203A)을 노출시킨다. 그 후, 도 2c와 도 2d에 도시한 바와 같이, 기재(203)의 부분(203A)에 절단 휠(205)을 눌러서 홈(204)을 형성한다.
레이저 가공 장치(1001)는 레이저 발생부(2001)와 구동부(2002)를 구비한다. 구동부(2002)는 X-Y 이동 테이블(105)과, 피가공물(206)을 고정하는 가공 테이블(106)을 구비한다. 레이저 발생부(2001)는 레이저 발진기(101)와, 콜리메이터 유닛(102)과, 밴드 미러(103)와, 집광 렌즈(104)와, 광학 정형부(1)를 구비한다. 레이저 발진기(101)로부터 출력된 레이저 광은, 콜리메이터 유닛(102)에서 소정의 빔 직경을 갖는 레이저 광으로 변환된다. 그 레이저 광은 밴드 미러(103)를 통과시켜서 광학 정형부(1)로 유도된다. 광학 정형부(1)로부터 나온 레이저 광은 집광 렌즈(104)로 유도된다. 집광 렌즈(104)는 가공 테이블(106)에 고정된 피가공물(206)에 레이저 광(301)을 조사하여, 피가공물(206)의 재료(202)의 일부를 가열해서 제거한다. 레이저 광(301)을 조사하고 있을 때에, X-Y 이동 테이블(105)은 피가공물(206)을 레이저 광(301)에 대하여 상대적으로 방향(204A)으로 이동시켜, 선 형상의 홈(204)을 재료(202)에 형성한다. 이때, 재료(202)는 무르므로, 표면에 가해지는 열 응력을 피하기 위해서 레이저 발진기(101)는 레이저 광으로서 펄스 레이저를 발생한다. 제어부(2)는 광학 정형부(1)의 각도를 회전 기구에 의해 제어한다.
펄스 레이저에 의해, 재료(202)의 단위 면적에 가해지는 열을 세심하게 제어하는 것이 가능해서, 피가공물(206)에 가해지는 열 응력을 필요 최소한으로 해서 가공 품질을 확보할 수 있다. 레이저 광(301)은 펄스 레이저이며, 펄스 레이저는 소정의 시간 간격으로 발생하는 복수의 레이저 펄스로 이루어진다. 연속된 홈(204)을 형성할 경우에는, 어떤 레이저 펄스의 스폿과, 그 다음의 레이저 펄스의 스폿을 오버랩시키는 것이 필요하다.
도 3은 레이저 가공 장치(1001)의 레이저 펄스의 스폿과 피가공물(206)의 온도를 도시한다. 레이저 광(301)은 복수의 레이저 펄스(301C)로 이루어진다. 각각의 레이저 펄스(301C)는 길이 방향(301B)을 갖는 타원형의 스폿(301A)을 갖고, 피가공물(206) 위에 스폿(301A)을 형성한다. 도 3에 있어서, 횡축은 홈(204)에서의 방향(204A)의 위치를 나타내고, 종축은 피가공물(206)(재료(202))의 온도를 나타낸다. 스폿(301A)의 길이 방향(301B)은 홈(204)이 연장되는 방향(204A)과 일치하고 있다.
도 8b에 도시하는 원형의 스폿(201A)을 갖는 레이저 광(201)을 이용한 종래의 가공 방법에서는, 고품질의 홈(204)을 형성하기 위해서 다수의 스폿(201A)이 필요하다. 따라서 피가공물(206)의 이동 속도가 작아, 생산성은 저하된다.
도 3에 도시하는 실시 형태에 의한 가공 방법에서는, 스폿(301A)은 방향(204A)과 일치하는 길이 방향(301B)을 갖는다. 따라서 레이저 펄스(301C)의 스폿(301A)과 그 다음 레이저 펄스(301C)의 스폿(301A)은 거리 D21보다 긴 거리 D31만큼 서로 떨어져 있지만, 거리 D2보다 긴 거리 D3만큼 서로 길이 방향(301B)에서 오버랩하고 있다. 이로써, 장소에 따른 온도차(Δｔｈ3)는 온도차(Δｔｈ2)와 마찬가지로 작아, 피가공물(206)의 재료(202)의 온도 분포를 균일하게 할 수 있어, 열 응력은 균일하게 재료(202)에 가해진다. 따라서 재료(202)의 박리나 마이크로 마모는 발생하기 어렵다. 레이저 광(301)의 레이저 펄스(301C)의 스폿(301A)은 홈(204)이 연장되는 방향(204A)과 동일한 길이 방향(301B)을 갖는 타원형이므로, 스폿(301A) 간의 거리 D31을 길게 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 서로 인접하는 스폿(301A)이 오버랩하고 있는 거리 D3을 길게 할 수 있으므로, 홈(204)의 전체 길이에 걸쳐 에너지 밀도를 일정하게 할 수 있다. 홈(204)의 전체 길이에 걸쳐 에너지 밀도를 일정하게 하도록 스폿(301A)의 에너지를 선택함으로써, 높은 생산성으로 고품질의 홈(204)을 피가공물(206)에 형성할 수 있다. 즉, 스폿(301A)은 타원의 진 직경과 짧은 직경의 비율의 배수분만큼 생산성은 원형의 스폿(201A)보다 향상된다. 스폿(301A)의 길이 방향(301B)에 빔 강도 분포를 갖게 함으로써, 여열과 서냉 효과에 의해 피가공물(206)[재료(202)]에의 극단적인 열 충격을 완화할 수 있어, 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 1에 도시하는 Ｘ-Y 이동 테이블(105)을 구비한 레이저 가공 장치(1001)의 조정 방법을 도시한다. X-Y 이동 테이블(105)은 X 방향과 Y 방향을 규정하기 위한 기준 방향 RX(예를 들면 X축)를 갖는다. 최초의 시험 가공 시에, 홈(204) 즉 가공 흔적(mark)의 폭(W204)을 검출하고, 폭(W204)이 최소가 되도록 제어부(2)는 광학 정형부(1)를 제어해서 스폿(301A)의 길이 방향(301B)의 기준 방향 RX에 대한 각도 θ를 조정한다. 가공 흔적의 폭(W204)에 의해, 스폿(301A)이 상대적으로 이동할 때에 발생하는 이동 방향 이외의 방향의 요동의 영향을 검출할 수 있다. 홈(204)이 곡선인 경우에는, 방향(204A)이 변경되었을 때에 제어부(2)는 광학 정형부(1)를 제어해서 스폿(301A)의 길이 방향(301B)을 회전시켜서 길이 방향(301B)을 항상 방향(204A)과 동일하게 한다. 또한, X-Y 이동 테이블(105)은 피가공물(206)을 이동시키고, 또한 회전시킬 수 있는 Ｘ-Y-Θ 테이블이라도 좋다. 이 경우는, 스폿(301A)의 길이 방향(301B)을 고정하고, 테이블(105)로 길이 방향(301B)을 상대적으로 바꾸어서 방향(204A)과 일치시킬 수 있다.
도 5a와 도 5b는, 각각 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 장치(1001)의 다른 레이저 펄스의 스폿(1301A)과, 또 다른 레이저 펄스의 스폿(2301A)을 도시한다. 실시 형태에 의한 레이저 가공 장치(1001)에 있어서, 길이 방향(301B)을 갖는 타원형의 스폿(301A)의 레이저 펄스(301C) 대신에, 길이 방향(1301B)을 갖는 타원형의 스폿(1301A), 또는 길이 방향(2301B)을 갖는 직사각형의 스폿(2301A)의 레이저 펄스를 이용해도 좋다. 길이 방향(1301B, 2301B)은 길이 방향(301B)과 같이, 홈(204)이 연장되는 방향(204A)과 일치시킴으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 스폿(301A)은 길이 방향을 갖는 다른 형상이라도 좋다.
본 발명에 의한 가공 장치는, 높은 생산성으로 고품질로 피가공물을 가공할 수 있고, 그 피가공물에 홈을 형성하는 레이저 가공 장치로서 유용하다.

Claims (10)

  1. 길이 방향을 갖는 스폿을 갖는 복수의 레이저 펄스를 갖는 레이저 광을 발생하는 레이저 발생부와,
    상기 복수의 레이저 펄스가 서로 오버랩하도록, 상기 레이저 광을 상기 길이 방향으로 피가공물에 대하여 상대적으로 이동시켜서 상기 레이저 광을 상기 피가공물에 조사시키는 구동부를 구비한
    레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스폿은 타원형인
    레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스폿은 장원형인
    레이저 가공 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스폿은 직사각형인
    레이저 가공 장치.
  5. 길이 방향을 갖는 스폿을 갖는 복수의 레이저 펄스를 갖는 레이저 광을 발생하는 레이저 발생부를 구비한 레이저 가공 장치의 조정 방법에 있어서,
    상기 레이저 광을 피가공물에 대하여 상대적으로 이동시킴으로써 상기 레이저 광을 상기 피가공물에 조사시켜서, 상기 피가공물에 가공 흔적(mark)을 형성하는 단계와,
    상기 가공 흔적의 폭을 검출하는 단계와,
    상기 검출된 폭을 기초로 하여 상기 스폿의 상기 길이 방향의 각도를 조정함으로써 상기 가공 흔적의 폭을 최소로 하는 단계를 포함하는
    레이저 가공 장치의 조정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스폿은 타원형인
    레이저 가공 장치의 조정 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스폿은 장원형인
    레이저 가공 장치의 조정 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 스폿은 직사각형인
    레이저 가공 장치의 조정 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 레이저 광을 상기 피가공물에 조사하여 가공 흔적을 형성하고, 상기 스폿의 상기 길이 방향의 각도를 조정함으로써 상기 가공 흔적의 폭을 최소로 하는
    레이저 가공 장치.
  10. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피가공물에 상기 가공 흔적을 형성하는 단계는 상기 레이저 광을 피가공물에 대하여 상기 길이 방향으로 상대적으로 이동시키면서 상기 레이저 광을 상기 피가공물에 조사시켜서, 상기 피가공물에 가공 흔적을 형성하는 단계를 포함하는
    레이저 가공 장치의 조정 방법.
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