KR101203448B1 - 음향광학변조기의 온도 제어장치 - Google Patents

음향광학변조기의 온도 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음향광학변조기의 온도 제어장치에 관한 것으로서, 전기적 신호가 인가되면 입사되는 레이저빔을 회절시켜 출사시키는 음향광학변조기(Acousto-Optic Modulator, AOM); 상기 음향광학변조기를 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 음향광학변조기에 공급하는 펌프; 상기 음향광학변조기를 경유하여 복귀되는 냉각수를 냉각시키고, 상기 냉각수를 다시 상기 펌프에 공급하는 열교환부; 상기 음향광학변조기에 설치되어 상기 음향광학변조기의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 음향광학변조기의 온도를 피드백받아, 상기 펌프의 토출량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

음향광학변조기의 온도 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF ACOUSTO-OPTIC MODULATOR}
본 발명은 음향광학변조기의 온도 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음향광학변조기의 온도를 균일하게 유지하기 위한 음향광학변조기의 온도 제어장치에 관한 것이다.
음향광학변조기(acousto-optic modulator, AOM)는 흔히 레이저빔을 분할 또는 변조하는데 사용된다. 음향광학변조기의 기본 원리에 따르면 응력을 받는 음향광학 매질요소는 굴절률이 변한다. 응력이 압전 변환기(piezoelectric transducer)에 의해 발생될 수 있는 것과 같은 고주파의 RF신호인 경우, 굴절률은 주기적으로 변한다. 주기적인 굴절 패턴은 브래그 회절(Bragg diffraction)이라 불리는 회절 격자(diffraction grating)를 발생시키는 역할을 한다. RF신호가 인가되지 않은 상태에서 음향광학변조기를 통과하면서 회절되지 않은 빔을 0차 회절빔(zeroth order beam)이라고 부르고, RF신호가 인가된 상태에서 음향광학변조기를 통과하면서 첫 번째 회절 빔을 1차 회절빔(first order beam)이라고 부른다.
도 1은 종래의 음향광학변조기를 통과한 레이저빔의 진행 경로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 구동회로로부터 RF신호(R)가 음향광학변조기(1)에 인가되면, 음향광학변조기(1)는 음향광학 매질요소 내에 음향파면(A1)을 발생시킨다. 이때 RF신호(R)가 인가되지 않으면, 입사된 레이저빔(L)은 회절되지 않은 채 입사된 방향과 동일한 방향으로 0차 회절빔(L0)으로 출사된다. 또한, RF신호(R)가 인가되면, 입사된 레이저빔(L)의 대부분은 음향파면(A1)에서 브래그 반사되어 1차 회절빔(L1)으로 출사된다. 물론, RF신호(R)가 인가된 상태에서도 입사된 레이저빔(L)의 미소한 일부는 음향파면(A1)에서 회절되지 않은 채 0차 회절빔(L0)으로 출사되기는 하지만, 이는 논외로 한다.
그러나, 이와 같이 레이저빔을 제어하는 음향광학변조기(1)의 온도가 적절히 제어되지 못하면, 음향광학변조기(1)의 온도가 레이저 가공 작업 동안 주기적인 변동하게 된다. 음향광학변조기의 온도 변동은 음향광학변조기를 경유하는 레이저빔에 영향을 미쳐 레이저빔의 퀄러티를 불균일하게 하고, 이는 레이저빔이 조사되는 가공대상물의 품질을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저빔을 회절시켜 가공대상물의 원하는 위치에 조사시키는 음향광학변조기의 온도를 항상 균일하게 유지시킴으로써, 음향광학변조기를 경유하는 레이저빔의 상태를 항상 균일하게 유지하여 레이저 가공의 품질을 향상시킬 수 있는 음향광학변조기의 온도 제어장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 전기적 신호가 인가되면 입사되는 레이저빔을 회절시켜 출사시키는 음향광학변조기(Acousto-Optic Modulator, AOM); 상기 음향광학변조기를 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 음향광학변조기에 공급하는 펌프; 상기 음향광학변조기를 경유하여 복귀되는 냉각수를 냉각시키고, 상기 냉각수를 다시 상기 펌프에 공급하는 열교환부; 상기 음향광학변조기에 설치되어 상기 음향광학변조기의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 음향광학변조기의 온도를 피드백받아, 상기 펌프 내에 장착된 회전자의 회전수를 제어함으로써 상기 펌프의 토출량을 변동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 열교환부는 하나 마련되고, 상기 펌프와 상기 음향광학변조기와 상기 온도 측정부는 복수 개 마련되며, 상기 냉각수는, 하나의 열교환부로부터 복수의 펌프에 분기되어 공급되고, 각각의 펌프로부터 각각의 음향광학변조기에 공급되고, 각각의 음향광학변조기를 경유하여 하나의 열교환부에 복귀되며, 각각의 온도 측정부는 각각의 음향광학변조기에 설치된다.
본 발명에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 온도 측정부는, 상기 음향광학변조기에 접촉되게 설치되는 열전대를 포함한다.
삭제
본 발명에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는, 복수의 온도 측정부로부터 각각의 음향광학변조기의 온도를 피드백받아, 상기 복수의 펌프 내에 장착된 회전자의 회전수를 개별적으로 제어함으로써, 상기 펌프의 토출량을 개별적으로 변동시킨다.
본 발명에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 복수의 펌프는 상기 열교환부와 분리되어 각각 설치된다.
삭제
본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치에 따르면, 향광학변조기로부터 출사되는 레이저빔의 상태를 항상 균일하게 유지하여 레이저 가공의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치에 따르면, 음향광학변조기의 온도를 직접적으로 그리고 신속하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치에 따르면, 도광판의 출사면 전체에서 균일한 광산란이 이루어져 도광판의 품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치에 따르면, 가공대상물에 조사되는 복수의 레이저빔의 상태를 균일하게 하여 가공대상물의 전체에 걸쳐 가공 품질을 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치에 따르면, 전체 장치의 구성을 간소화하고, 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 음향광학변조기를 통과한 레이저빔의 진행 경로를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치를 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 3은 도 2의 음향광학변조기의 온도 제어장치를 이용하여 도광판에 패턴을 가공한 일례를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2의 음향광학변조기의 온도 제어장치를 이용하여 도광판에 패턴을 가공한 일례를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 음향광학변조기의 온도 제어장치(100)는, 음향광학변조기의 온도를 균일하게 유지하기 위한 것으로서, 음향광학변조기(110)와, 음향광학변조기 컨트롤러(111)와, 펌프(120)와, 열교환부(130)와, 온도 측정부(140)와, 제어부(150)를 포함한다.
상기 음향광학변조기(Acousto-Optic Modulator, AOM)(110)는, 음향광학변조기 컨트롤러(111)로부터 전기적 신호가 인가되면 입사되는 레이저빔(L)을 회절시켜 출사시킨다. 전기적 신호, 즉 RF신호가 음향광학변조기(110)에 인가되지 않으면 입사된 레이저빔(L)은 회절되지 않은 채 입사된 방향과 동일한 방향으로 0차 회절빔으로 출사되고, RF신호가 음향광학변조기(110)에 인가되면 입사된 레이저빔(L)의 대부분은 음향광학변조기(110) 내부의 음향파면에 의해 브래그 반사되어 1차 회절빔으로 출사된다.
상기 음향광학변조기 컨트롤러(111)는, 전기적 신호, 즉 RF신호를 생성하여 음향광학변조기(110)에 전송한다. 음향광학변조기 컨트롤러(111)에서 생성된 RF신호에 따라 음향광학변조기(110)를 통과하는 레이저빔(L)의 회절각이 변경될 수 있다.
상기 펌프(120)는, 음향광학변조기(110)를 냉각시키기 위한 냉각수를 음향광학변조기(110)에 공급한다. 펌프(120)로부터 토출된 냉각수가 흐르는 냉각 유로(10)는 펌프, 음향광학변조기 컨트롤러(111), 음향광학변조기(110), 열교환부(130), 펌프(120)를 연결하는 순환 유로로 구성된다. 펌프(120)로부터 토출된 냉각수는 냉각 유로(10)를 경유하여 음향광학변조기 컨트롤러(111)와, 음향광학변조기(110)를 냉각시키고, 열교환부(130)로 복귀된다.
도 2에서 본 실시예의 펌프(120)는 열교환부(130) 내부에 설치되는 것으로 도시되었으나, 펌프(120)는 열교환부(130) 외부에 별도로 설치될 수도 있다.
상기 열교환부(130)는, 음향광학변조기(110)를 경유하여 복귀되는 냉각수를 냉각시키고, 냉각수를 다시 펌프(120)에 공급한다. 음향광학변조기 컨트롤러(111)와 음향광학변조기(110)를 경유하면서 음향광학변조기 컨트롤러(111)와 음향광학변조기(110)의 열을 빼앗아 뜨거워진 냉각수는 열교환부(130) 내부의 차가운 유체로 열을 전달하면서 다시 냉각되고, 소정의 온도까지 냉각된 냉각수는 다시 펌프(120)에 공급되어 냉각 유로(10)를 순환하게 된다.
상기 온도 측정부(140)는, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)에 각각 설치되어, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도를 각각 측정한다.
본 실시예에서는, 온도 측정부(140)로 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)에 접촉되게 설치되는 열전대(Thermocouple)를 이용한다. 열전대는 열전기쌍 혹은 열전쌍이라고도 불리우며, 서로 다른 종류의 금속을 접속한 것으로 열전 효과를 일으키는 금속선이다.
상기 제어부(150)는, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도를 각각 피드백받아, 펌프(120)의 토출량을 제어한다.
음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)가 정상적으로 동작할 수 있는 정상작동온도가 제어부(150)에 미리 설정되고, 레이저 가공 작업 중 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도가 설정 범위(예컨대, 정상작동온도의 ±5%) 밖으로 상승 또는 하강하면, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)를 경유하는 냉각수의 양을 조정함으로써 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도가 다시 정상작동온도로 복귀될 수 있도록 한다.
이때, 제어부(150)는 펌프(120) 내에 장착된 회전자의 회전수를 제어함으로써 펌프(120)의 토출량을 변동시킨다. 즉, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도가 정상작동온도를 벗어나 지나치게 상승하면, 제어부(150)는 펌프(120) 내에 장착된 회전자의 회전수를 증가시켜 펌프(120)의 토출량을 늘린다. 늘어난 펌프(120)의 토출량으로 인해 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)에는 더 많은 양의 냉각수가 공급되어 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도는 하강하게 된다.
마찬가지로, 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도가 정상작동온도로부터 벗어나 지나치게 하강하면, 제어부(150)는 펌프(120) 내에 장착된 회전자의 회전수를 감소시켜 펌프(120)의 토출량을 줄인다. 줄어든 펌프(120)의 토출량으로 인해 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)에는 더 적은 양의 냉각수가 공급되어 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 온도는 상승하게 된다.
본 발명의 음향광학변조기의 온도 제어장치(100)는 도광판(2)에 음각 패턴을 형성하는 가공에 이용된다. 입사되는 광을 산란시키기 위하여 도광판(2)의 표면에 광산란용 라인 형태의 패턴을 형성하는데, 음향광학변조기(110)를 이용하여 레이저빔(L)을 스위칭하면서 레이저 가공을 수행할 수 있다. 도광판(2)에 형성되는 음각 패턴은 직선부(3a)와 공백부(3b)가 반복되면서 진행하는 은선 형태를 보이게 되는데, 직선부(3a)와 공백부(3b)를 만들기 위하여 음향광학변조기(110)를 이용하여 레이저빔(L)을 스위칭한다. 예컨대, 0차 회절빔을 이용하여 레이저빔(L)을 도광판(2)에 전달하여 직선부(3a)를 형성하고, 1차 회절빔으로 스위칭하여 레이저빔(L)이 도광판(2)에 전달되는 것을 차단하여 공백부(3b)를 형성할 수 있다.
도광판(2)에 형성된 패턴은 백라이트 유닛 내의 광원으로부터 발산되는 빛을 액정디스플레이 패널 전체 면에 균일하게 전달하는 기능을 수행한다. 도광판(2)에 패턴을 형성하기 위해 조사되는 레이저빔(L)은, 일반적으로 PMMA 또는 PC 재질로 제작되는 도광판(2)의 가공에 적합하도록 CO2 레이저부에 의해 생성되는 적외선(infra-red) 파장의 레이저빔(L)이 이용된다. 레이저빔(L)은 용도에 따라 연속파(continuous wave) 레이저빔 또는 펄스발진된 레이저빔이 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 직선부(3a)와 공백부(3b)를 반복적으로 형성하는 공정에서 음향광학변조기(110)의 온도를 일정하게 유지시킴으로써, 음향광학변조기(110)를 경유하는 레이저빔(L)은 음향광학변조기(110)의 온도 변화에 따른 영향을 받지 않고 항상 동일한 특성을 유지할 수 있다. 도광판(2)에 음각 패턴을 형성하는 레이저빔(L)은 균일한 발산각, 초점거리 등의 특성을 가지게 되어, 음각 패턴은 균일한 단면 깊이 및 형상을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 레이저빔을 회절시켜 가공대상물의 원하는 위치에 조사시키는 음향광학변조기의 온도를 항상 균일하게 유지시킴으로써, 음향광학변조기를 경유하는 레이저빔의 상태를 항상 균일하게 유지하여 레이저 가공의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 음향광학변조기의 온도 변화에 따라 음향광학변조기를 냉각시키는 냉각수의 양을 조절함에 따라, 음향광학변조기의 온도를 직접적으로 그리고 신속하게 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 항상 균일한 온도를 유지하는 음향광학변조기로부터 출사되는 레이저빔을 이용하여 도광판에 음각 패턴을 형성함으로써, 도광판의 출사면 전체에서 균일한 광산란이 이루어져 도광판의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4에 있어서, 도 2 및 도 3에 도시된 부재들과 동일한 부재번호에 의해 지칭되는 부재들은 동일한 구성 및 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 음향광학변조기의 온도 제어장치(200)는, 복수의 음향광학변조기의 온도를 개별적으로 제어하기 위한 것으로서, 복수의 음향광학변조기(110)와, 복수의 음향광학변조기 컨트롤러(111)와, 복수의 펌프(220)와, 단일의 열교환부(230)와, 복수의 온도 측정부(140)와, 제어부(250)를 포함한다.
도광판(2)에 음각 패턴을 형성하는 공정에서 공정 시간을 단축시키기 위하여 복수의 레이저빔(L)을 이용하여 도광판(2)을 가공할 수 있다. 본 실시예의 음향광학변조기의 온도 제어장치(200)는 복수의 레이저빔(L)을 이용하는 경우, 각각의 레이저빔(L)의 경로를 스위칭하는 복수의 음향광학변조기(110)의 온도를 개별적으로 제어하기 위한 것으로서, 2개의 음향광학변조기(110)가 설치된 경우를 예로 들어 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 냉각수는 서로 다른 냉각 유로(21,22)를 통해 단일의 열교환부(230)로부터 복수의 펌프(220)로 분기된다. 이때, 복수의 펌프(220)는 열교환기(230)와 분리되어 각각 설치된다. 각각의 펌프(220)로부터 토출된 냉각수는 각각의 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)에 공급되고, 공급된 냉각수는 음향광학변조기 컨트롤러(111) 및 음향광학변조기(110)의 열을 흡수한다. 이후, 냉각수는 단일의 열교환부(230)에 복귀되어 차가워진 후, 다시 각각의 펌프(220)로 공급된다.
각각의 온도 측정부(140)는 각각의 음향광학변조기 컨트롤러(111)와 음향광학변조기(110)에 설치되고, 제어부(250)는 복수의 온도 측정부(140)로부터 각각의 음향광학변조기 컨트롤러(111)와 음향광학변조기(110)의 온도를 피드백받는다.
제어부(250)는 피드백받은 온도와 미리 설정된 음향광학변조기(110)의 정상작동온도를 비교하여 복수의 펌프(220) 내에 장착된 회전자의 회전수를 개별적으로 제어함으로써, 펌프(220)의 토출량을 개별적으로 변동시킨다. 이와 같이, 펌프(220)의 토출량을 개별적으로 변동시킴으로써, 음향광학변조기(110)에 공급되는 냉각수의 양을 개별적으로 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 복수의 음향광학변조기에 각각 대응하는 복수의 펌프를 마련하고 각각의 음향광학변조기에 공급되는 냉각수의 양을 개별적으로 제어하여 복수의 음향광학변조기가 일정한 온도를 유지하도록 함으로써, 가공대상물에 조사되는 복수의 레이저빔의 상태를 균일하게 하여 가공대상물의 전체에 걸쳐 가공 품질을 균일하게 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 음향광학변조기의 온도 제어장치는, 열교환부를 복수 개 마련하지 않고, 단일의 열교환부에 복수의 펌프를 공용으로 사용함으로써, 전체 장치의 구성을 간소화하고, 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110 : 음향광학변조기
120 : 펌프
130 : 열교환부
140 : 온도 측정부
150 : 제어부

Claims (7)

  1. 전기적 신호가 인가되면 입사되는 레이저빔을 회절시켜 출사시키는 음향광학변조기(Acousto-Optic Modulator, AOM);
    상기 음향광학변조기를 냉각시키기 위한 냉각수를 상기 음향광학변조기에 공급하는 펌프;
    상기 음향광학변조기를 경유하여 복귀되는 냉각수를 냉각시키고, 상기 냉각수를 다시 상기 펌프에 공급하는 열교환부;
    상기 음향광학변조기에 설치되어 상기 음향광학변조기의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
    상기 음향광학변조기의 온도를 피드백받아, 상기 펌프 내에 장착된 회전자의 회전수를 제어함으로써 상기 펌프의 토출량을 변동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향광학변조기의 온도 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 하나 마련되고, 상기 펌프와 상기 음향광학변조기와 상기 온도 측정부는 복수 개 마련되며,
    상기 냉각수는, 하나의 열교환부로부터 복수의 펌프에 분기되어 공급되고, 각각의 펌프로부터 각각의 음향광학변조기에 공급되고, 각각의 음향광학변조기를 경유하여 하나의 열교환부에 복귀되며,
    각각의 온도 측정부는 각각의 음향광학변조기에 설치되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조기의 온도 제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온도 측정부는,
    상기 음향광학변조기에 접촉되게 설치되는 열전대를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향광학변조기의 온도 제어장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    복수의 온도 측정부로부터 각각의 음향광학변조기의 온도를 피드백받아,
    상기 복수의 펌프 내에 장착된 회전자의 회전수를 개별적으로 제어함으로써, 상기 펌프의 토출량을 개별적으로 변동시키는 것을 특징으로 하는 음향광학변조기의 온도 제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 펌프는 상기 열교환부와 분리되어 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조기의 온도 제어장치.
  7. 삭제
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