KR101088354B1 - 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치 - Google Patents

멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티 포커스 렌즈를 이용하여 가공시간을 단축하며 다양한 간격의 광학패턴 라인을 형성할 수 있는 도광판 레이저 가공장치에 관한 것으로, 레이저 헤드로부터 레이저빔을 도광판으로 조사하여 상기 도광판에 광학패턴을 형성하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저 헤드에 배치되어 상기 레이저빔의 광축 상에 놓이며 초점이 2개 이상인 멀티 포커스 렌즈를 포함하여 이루어진다.

Description

멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치 {APPARATUS FOR PROCESSING LIGHT GUIDE PLATE WITH LASER USING MULTI-FOCUS LENS}
본 발명은 도광판 레이저 가공장치에 관한 것으로, 멀티 포커스 렌즈를 이용하여 가공시간을 단축하며 다양한 간격의 광학패턴 라인을 형성할 수 있는 도광판 레이저 가공장치에 관한 것이다.
액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)는 자기발광성이 없으므로 별도로 발광원이 필요하게 된다. 이와 같은 발광원은 액정패널의 후면에 배치되어 액정패널을 투과하여 빛을 조사하므로, 흔히 백라이트 유닛(Back Light Unit, BLU)이라고 불린다.
백라이트 유닛은 면광원으로서 기능하는 것이 이상적이지만, 전면에 걸쳐 균일한 휘도를 가진 면광원을 구현하는 것은 기술적으로 어려운 일이므로, 냉음극 형광램프(CCFL)나 발광다이오드(LED)와 같은 선광원 또는 점광원에 유사한 광원으로부터 조사되는 빛을 확산시켜 면광원에 가까운 상태로 조정하는 방식이 사용된다. 여기서 빛의 확산을 위해 중요한 역할을 하는 것이 도광판(Light Guide Plate, LGP)이다.
도광판은 보통 합성수지로 된 판재로서, 측면 또는 저면에 배치된 광원으로부터 조사되는 빛이 전면을 향해 균일하게 확산되도록 소정의 광학패턴이 형성되어 있다. 이 광학패턴은 빛을 반사하거나, 굴절시킴으로써 소기의 목적을 달성하게 되는데, 광학패턴의 형태에 따라 도광판 전면에서의 휘도 균일성이 결정된다. 따라서 도광판의 광학패턴은 점차 복잡하고 정밀한 것이 요구되고 있으며, 표시장치의 대면적화에 따라 광학패턴 형성에 소요되는 시간을 단축하는 것도 시급한 과제로 대두되고 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위해 레이저빔를 이용하여 합성수지 판재에 광학패턴을 형성하는 기술들이 개발되고 있다.
도 6은 종래 기술에 따라 레이저로 도광판에 광학패턴을 형성하는 도광판 가공장치의 일례를 나타낸 개략 사시도이다. 레이저빔을 자체적으로 발진하거나 외부로부터 전달받아 최종적으로 도광판을 향해 조사하는 레이저 헤드(20)는 프레임(10)에 대해 직선방향으로 왕복이송되도록 설치되어 있다. 이동하는 정반(30)에 지지된 도광판(40)은 레이저 헤드(20)의 하방에 위치하며, 정반(30)에 의해 이송되는데, 이때 정반(30)의 이송방향은 레이저 헤드(20)의 이송방향을 가로지르는 방향이다. 예컨대 레이저 헤드(20)가 좌우방향, 즉 도 1의 화살표 X 방향으로 이송된다면, 정반(30)은 전후방향, 즉 도 1의 화살표 Y 방향으로 이송되는 식이다. 좀 더 구체적으로 보자면, 정반(30)이 일시 정지한 상태에서 레이저 헤드(20)가 X 방향을 따라 좌에서 우로 1회 이송되면서 레이저를 조사하여 미리 설정된 규칙에 따라 레이저를 조사하여 도광판(40)에 광학패턴을 형성한 뒤, 정반(30)은 프레임(10)측으로 Y 방향을 따라 미리 정해진 거리만큼 이송된 후 다시 정지하고, 레이저 헤드(20)는 X 방향을 따라 이번엔 우에서 좌로 1회 이송되면서 또한 광학패턴을 형성하는 식이다. 이런 방식은 도광판 가공장치의 소형화 및 가공시간의 단축을 위해 매우 효율적인 레이아웃이며, 아울러 작동신뢰도 또한 높아서 널리 활용되고 있는 추세이다.
이런 방식으로 광학패턴을 형성하면, 도 7에 예시된 바와 같이 도광판(41)에 형성된 광학패턴(50)은, 일렬로 배치된 도트(dot)나 대쉬(dash)들이 다시 복열로 반복된 형태로 나타난다. 즉, 도 6에서는 복수의 대쉬들이 좌우방향, 즉 X 방향으로 나란히 배열되어 있다. 한편 각 광학패턴의 각 열 사이의 Y 방향에 따른 간격(G)은 정반(30)이 Y 방향을 따라 1회 이송되는 거리에 의해 결정된다.
종래기술의 다른 예에서는 레이저 헤드(20)가 X 방향은 물론 Y 방향으로도 가동되며 대신 정반(30)은 정지해 있는 구성도 있다.
어느 구성으로 된 종래기술이든, 예컨대 하나의 도광판에 200라인의 광학패턴을 형성하기 위해서는 레이저 헤드가 X 방향으로 100회 왕복하여야 하며, 이 동안 정반 또는 레이저 헤드가 Y 방향으로 적어도 199회 이송되어야 한다. 레이저 헤드가 X 방향으로 이송되는 속도를 높이는 데에는 물리적으로 한계가 있으므로, 이는 곧 도광판 가공에 소요되는 시간을 단축하는 데에도 한계가 있음을 의미한다. 나아가서 잦은 왕복이송에 따라 레이저 헤드를 X 방향으로 이송시키는 구동장치의 수명도 짧아진다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 각 광학패턴의 Y 방향으로의 간격은 정반 또는 레이저 헤드가 Y 방향으로 1회 이송되는 거리에 따라 결정되는데, 이 간격을 조절하기 위해서는 정반 또는 레이저 헤드를 Y 방향으로 이송하는 구동장치의 작동을 특별히 제어해야할 필요가 있다. 현실적으로 이는 곧 당해 구동장치를 제어하는 프로그램의 데이터를 수정해야함을 의미하는데, 이 작업을 수시로 수행하는 것이 쉽지 않은 만큼, 예컨대 처음 설계되는 크기의 도광판에 다양한 간격으로 광학패턴을 형성하면서 그 광학적 특성을 계측해볼 필요가 있는 경우이거나, 서로 다른 크기의 도광판을 번갈아 가공하면서 각각의 도광판에 맞추어 정해진 간격으로 광학패턴을 형성하여야 하는 경우 등과 같이 광학패턴의 간격을 자주 변경하여야 하는 상황일수록 레이저 가공장치의 효율성이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 레이저 헤드의 이송속도를 높이지 않고서도 가공 시간을 단축할 수 있는 도광판 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 정반 또는 레이저 헤드를 이송하는 구동장치의 작동을 조절할 필요 없이 광학패턴의 각 라인 사이의 간격을 조절할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치는, 레이저 헤드로부터 레이저빔을 도광판으로 조사하여 상기 도광판에 광학패턴을 형성하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저 헤드에 배치되어 상기 레이저빔의 광축 상에 놓이며 초점이 2개 이상인 멀티 포커스 렌즈를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치에 있어서, 상기 멀티 포커스 렌즈의 2개 이상의 초점은 상기 광축을 가로지르는 일직선 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이때 2개 이상의 초점 사이의 거리는 도광판에 형성되는 각 광학패턴 라인 사이의 간격이 된다.
또한 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치에 있어서, 상기 멀티 포커스 렌즈의 상기 광축을 가로지르는 면 중 한 면은 적어도 일부가 볼록한 곡면이고, 다른 한 면은 서로 반대 방향으로 경사진 한 쌍의 경사면을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치에 있어서, 상기 멀티 포커스 렌즈는 상기 광축을 중심축으로 하여 회전가능하게 설치된 것이 더욱 바람직하다. 이 경우 멀티 포커스 렌즈를 회전시키는 것만으로 도광판에 형성되는 광학패턴 라인 사이의 간격을 변경하여 형성할 수 있다.
본 발명은 레이저 헤드가 1회 이송되는 동안 2개 이상의 광학패턴 라인을 한꺼번에 형성할 수 있으므로, 레이저 헤드의 이송속도를 높이지 않은 상태에서 전체적인 가공 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 멀티 포커스 렌즈가 회전가능하게 설치될 수 있는데, 이를 통해 광학패턴의 각 라인 사이의 간격을 손쉽게 조절할 수도 있다. 이 과정에서 도광판을 지지한 정반이나 레이저 헤드를 이송하는 구동장치의 작동을 특별히 다르게 조절할 필요가 없다는 점도 장점이다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치의 일실시예의 사시도,
도 2는 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 단면도,
도 3은 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 작용을 도시한 설명도,
도 4는 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 일 상태에서의 평면도,
도 5는 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 다른 상태에서의 평면도,
도 6은 종래 기술에 따라 레이저로 도광판에 광학패턴을 형성하는 도광판 가공장치의 일례를 나타낸 개략 사시도,
도 7은 도광판에 형성되는 광학패턴의 일례를 나타낸 평면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치의 일실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 단면도이며, 도 3은 도 1의 실시예의 멀티 포커스 렌즈의 작용을 도시한 설명도이다.
프레임(110)은 이하에서 설명될 다른 구성들을 지지하기 위한 것으로, 그 목적하는 범위 이내라면 여하한 형태나 구조 또는 재질로 변경될 수 있다.
도광판(140)은 광학패턴을 형성하기 위한 가공대상물로서 정반(130)에 의해 지지된다. 이때 정반(130)은 레이저 헤드(120)의 이송방향과 교차하는 방향, 예컨대 도면에 화살표로 표시된 Y 방향으로 도광판(140)을 이송시킨다.
레이저 헤드(120)는 레이저빔을 최종적으로 조사하여 정반(130) 상에 지지된 도광판(40)에 광학패턴을 형성하기 위한 것으로, 도 1에 화살표로 표시된 X 방향, 즉 프레임(110)의 길이방향을 따라 직선왕복이송될 수 있도록 설치된다. 레이저 헤드(120)는 레이저빔을 생성하기 위한 레이저 발진기를 내부에 구비할 수도 있으며, 외부에 구비된 레이저 발진기로부터 반사경 등의 광학 장치을 통해 레이저빔을 전달받을 수도 있다.
레이저 헤드(120)에는 멀티 포커스 렌즈(150)가 구비되어 있는데, 이 멀티 포커스 렌즈(150)는 레이저 헤드(120) 내부에 설치되거나 또는 그 외부에 별도로 마련된 레이저 발진기로부터의 레이저빔의 광축 상에 그 중심이 맞춰져 있다. 멀티 포커스 렌즈(150)는 초점이 2개 이상인 렌즈를 의미하는데, 도 2에서는 초점이 2개인 예를 도시하고 있다. 예컨대, 멀티 포커스 렌즈(150)의 광축(Lx)를 가로지르는 면 중 어느 한 면, 예컨대 입사면(Si)이 볼록한 곡면이고, 반대측 면 즉 출사면(So)이 한 쌍의 경사면(So1, So2)으로 형성되어 있는 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이 입사면(Si) 측에서 입사된 레이저빔(Li)은 출사면(So)의 한 쌍의 경사면(So1, So2) 측에서 두 갈래의 레이저빔(Lo1, Lo2)으로 나뉘어져 진행하며, 입사면(Si)이 볼록한 곡면이므로 이들 두 갈래의 레이저빔(Lo1, Lo2)은 한 쌍의 초점(F1, F2)으로 각각 집중되게 된다. 따라서 레이저 헤드(120)가 X 방향으로 1회 이송될 때 도광판(140) 상에는 두 라인의 광학패턴이 한꺼번에 형성된다. 도 4는 멀티 포커스 렌즈(150)의 평면도이다. 멀티 포커스 렌즈(150)의 한 쌍의 초점(F1, F2)이 레이저빔의 광축을 가로지르는 방향 중에서 정반(130)의 이송방향, 즉 도 1의 Y 방향을 따라 거리 G 만큼(도 7 참조) 떨어져 있는 상태로 배치되어 있고, 정반(130)의 이송이 1회에 Y 방향으로 2G의 거리만큼 이루어진다면, 도 7에 예시한 바와 동일한 광학패턴을 가진 도광판을 가공할 수 있다. 이때 도 7에 예시한 바와 같은 광학패턴을 가진 도광판을 종래 기술에 따라 가공하는 데에 걸리는 시간을 1이라고 한다면, 본 발명에 따른 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치에서는 레이저 헤드의 이송속도를 종래 기술에 비해 더 높이지 않고도 가공시간은 1/2로 줄일 수 있다.
앞서 도 2에 예시한 바와 같이, 멀티 포커스 렌즈(150)의 기하학적인 중심이 도 3에서와 같이 입사되는 레이저빔(Li)의 광축(Lx) 상에 놓여 있을 경우에는 각 초점(F1, F2)에 도달하는 두 갈래의 레이저빔(Lo1, Lo2)의 에너지가 서로 동일하겠지만, 그렇지 않은 경우에는 두 갈래의 레이저빔(Lo1, Lo2)이 서로 다른 에너지를 갖게 된다. 이 경우 한 번에 형성되는 두 라인의 광학패턴 중 한쪽은 상대적으로 더 깊거나 길고 한쪽은 상대적으로 덜 깊거나 짧은 형태를 가지게 되며, 필요에 따라 의도적으로 이와 같은 형태의 광학패턴을 형성하게 할 수도 있다.
멀티 포커스 렌즈(150)의 다른 예로서 입사면(Si)이 하나의 평면으로 이루어진 것을 이용할 수도 있다. 이 경우에도 출사면(So)에서 출사되는 레이저 빔은 두 가닥으로 분할되게 되는데, 입사면(Si)이 볼록한 곡면일 때 볼록렌즈로서 작용할 수 있는 점과 대비해 볼 때 집광효과를 얻을 수 없다는 단점은 있으나, 정교한 곡면 가공의 필요가 없어지는 장점이 있다. 또한 집광효과를 얻기 위해 별도의 볼록렌즈를 조합하여 사용할 수도 있다. 필요에 따라서는 입사면(Si)에 평면과 곡면을 혼재시킬 수도 있는데, 예컨대 가장자리 부분은 평면이고 중앙부는 볼록한 곡면이 되도록 구성할 수 있다. 이때 평면인 가장자리 부분은 다른 장치에 멀티 포커스 렌즈(150)를 설치하기 위한 지지부로 활용할 수 있다.
도 5는 멀티 포커스 렌즈(150)의 다른 상태의 평면도이다. 이는 도 4의 상태에 비해 도시한 화살표 방향으로 멀티 포커스 렌즈(150)를 회전시킨 상태에 해당한다. 즉, 멀티 포커스 렌즈(150)를 레이저 헤드(120)에 회전가능하게 설치하면, 이와 같이 멀티 포커스 렌즈(150)를 회전시켜서 사용할 수 있는데, 회전 각도에 따라서 한 쌍의 초점(F1, F2) 사이의 Y 방향에 따른 거리가 G'에 상당하는 거리만큼으로 변화하게 되며, 이대로 X 방향을 따라 레이저 헤드를 이송시키는 경우 광학패턴의 이웃하는 한 쌍의 라인 사이의 간격이 G'으로 형성된다. 따라서 광학패턴의 각 라인 사이의 간격을 다양하게 변형하는 것이 멀티 포커스 렌즈(150)를 회전시키는 단순한 동작에 의해 구현될 수 있다.
이상에서는 멀티 포커스 렌즈(150)에 대해 초점이 2개인 경우를 예시하여 설명하였으나, 3개 이상의 초점을 가진 멀티 포커스 렌즈를 사용하는 것도 가능하다. 예컨대 3개의 초점을 가진 멀티 포커스 렌즈는 일면이 볼록한 곡면이고 타면이 서로 잇대어진 3개의 경사면으로 이루어질 수 있다. 여기서 3개의 경사면 중 이웃하는 한 쌍의 경사면은 서로 반대방향으로 경사져 있으면 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (4)

  1. 레이저 헤드로부터 레이저빔을 도광판으로 조사하여 상기 도광판에 광학패턴을 형성하는 레이저 가공장치에 있어서,
    상기 레이저 헤드에 배치되어 상기 레이저빔의 광축 상에 놓이며 초점이 2개 이상인 멀티 포커스 렌즈를 포함하고,
    상기 멀티 포커스 렌즈의 2개 이상의 초점은 상기 광축을 가로지르는 일직선 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 포커스 렌즈의 상기 광축을 가로지르는 면 중 한 면은 적어도 일부가 볼록한 곡면이고, 다른 한 면은 서로 반대 방향으로 경사진 한 쌍의 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 멀티 포커스 렌즈는 상기 광축을 중심축으로 하여 회전가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 멀티 포커스 렌즈를 이용한 도광판 레이저 가공장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111185665A (zh) * 2020-01-21 2020-05-22 武汉铱科赛科技有限公司 一种线路结构蚀刻方法、装置、系统与设备

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