KR101230616B1 - 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법 - Google Patents

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공대상물에 열적 데미지가 발생되는 문제점과, 융발(Ablation)시 발생되는 오염물질이 잔존하게 되는 문제점을 해결할 수 있도록 구조가 개선된 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 가공대상물이 장착되는 스테이지와, 가공대상물을 가공하기 위한 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과, 출사된 레이저 광을 가공하며, 가공된 레이저 광을 가공대상물로 집광(集光)하는 광학계와, 레이저 광이 집광되는 집광점의 위치가 가공대상물의 두께 방향으로 진동되도록, 광학계를 진동시키는 진동유닛을 포함한다.

Description

레이저 가공장치 및 레이저 가공방법{Laser processing apparatus and laser processing method}
본 발명은 레이저 광을 조사하여 가공대상물을 가공하는 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관한 것이다.
현재 보급된 레이저 가공장치는, 융발 즉 Ablation 방식으로 가공대상물을 가공한다. Ablation 방식의 가공원리를 설명하면 도 1과 같다.
즉, 시편(가공대상물)(s)의 표면에 융발 문턱값(ablation threshold) 이상의 세기를 가진 레이저가 조사되면, 레이저가 집광된 중심부에는 플라즈마(1)가 발생하고, 그 주위로 복사열(2)과 충격파(3)가 발생된다. 그리고, 이때 발생되는 고온의 복사열에 의해 시편(s)의 표면이 용융되는 형태로 가공된다.
하지만, 종래의 경우에는 시편이 고온에 의해 용융되는 형태로 가공되므로, 시편에 열적 데미지가 발생하게 되고, Ablation되면서 발생되는 다량의 오염 물질 등이 시편 표면에 잔존하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 가공대상물에 열적 데미지가 발생되는 문제점과, 융발(Ablation)시 발생되는 오염물질이 시편에 잔존하게 되는 문제점을 해결할 수 있도록 구조가 개선된 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 가공대상물이 장착되는 스테이지와, 상기 가공대상물을 가공하기 위한 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과, 상기 출사된 레이저 광을 가공하며, 상기 가공된 레이저 광을 상기 가공대상물로 집광(集光)하는 광학계와, 상기 레이저 광이 집광되는 집광점의 위치가 상기 가공대상물의 두께 방향으로 진동되도록, 상기 광학계를 진동시키는 진동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광학계는 상기 가공된 레이저 광을 집광하는 집광부를 포함하며, 상기 진동유닛은, 상기 집광부에 결합되는 제1자석과, 상기 제1자석과 이격되게 배치되며 상기 제1자석과의 사이에 자기력을 형성하는 제2자석을 포함하되, 상기 제1자석 및 상기 제2자석 중 적어도 하나의 자석은 전자석인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 제1자석은 영구자석이며, 상기 제2자석은 전자석으로 이루어지며 상기 제1자석의 양측에 하나씩 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 가공대상물에 조사되는 레이저 광의 세기는 상기 가공대상물의 융발 문턱값(ablation threshold) 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 레이저 가공방법은, 가공대상물로 레이저 광을 조사하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공방법에 있어서, 상기 레이저 광이 상기 가공대상물에 조사될 때 발생되는 충격파가 상기 가공대상물의 두께 방향으로 전달되어 상기 가공대상물이 가공되도록, 상기 레이저 광이 집광되는 집광점을 상기 가공대상물의 두께 방향으로 진동시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 가공된 시편에 열적 데미지가 발생하거나 융발시 발생되는 불순물이 시편에 잔존하게 되는 것이 방지된다. 또한, 휨 상태가 큰 시편도 균일하게 가공할 수 있다.
도 1은 종래 Ablation 방식의 레이저 가공원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 빔 포커스 쉐이크 모듈의 구성도이다.
도 4는 전자석으로 인가되는 전류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 빔 포커스 쉐이크 모듈을 진동시킴으로써 발생하는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법에 관하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 빔 포커스 쉐이크 모듈의 구성도이며, 도 4는 전자석으로 인가되는 전류의 파형을 나타내는 도면이며, 도 5는 빔 포커스 쉐이크 모듈을 진동시킴으로써 발생하는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공장치(100)는 스테이지(10)와, 레이저 광원(20)과, 광학계(30)와, 진동유닛을 포함한다.
스테이지(10)는 시편과 같은 가공대상물(s)이 장착되는 곳이다. 스테이지(10)는 평판 형상으로 형성되며, 구동원(도면 미도시)에 연결되어 평면 상에서 2축 방향(X,Y축) 방향으로 이동가능하다.
레이저 광원(20)은 레이저 광을 출사하는 것이다. 레이저 광원(20)으로는 CO2 레이저, Ar 레이저 및 Excimer 레이저 등 다양한 종류가 사용될 수 있다. 이때, 레이저 광원은 시편(s)의 융발 문턱값(ablation threshold) 미만이면서 가장 큰 세기를 가지는 것이 바람직하다. 이는, 레이저 광의 세기가 레이저의 융발 문턱값 보다 큰 경우에는 시편에서 융발 현상이 발생하여, 열적 데미지가 발생하고 융발 현상시 발생하는 불순물이 시편의 표면에 부착되기 때문이다. 그리고, 레이저 광의 세기가 너무 약하면 충격파가 발생하기 않기 때문이다. 여기서, 융발 문턱값이란 시편에 융발(ablation)이 발생되기 위해 필요한 에너지 크기를 의미하며, 이는 시료의 종류에 따라 결정된다.
광학계(30)는 출사된 레이저 광을 가공하여 이를 시편(s)으로 조사하기 위한 것이다. 본 실시예의 경우, 광학계는 레이저 광을 콜리메이션(collimation) 하는 시준기(collimator)(40)와, 레이저 광의 에너지밀도를 균일하게 하는 빔 쉐이퍼(beam shaper)(50)와, 레이저 광의 경로를 변경시키기 위한 미러(60)로 구성된다. 또한, 광학계(30)는 가공된 레이저 광을 집광하여 시편으로 조사하는 집광부(70)를 구비하는데, 이 집광부(70)는 집광렌즈나 포커스 렌즈(focus lens)로 구성될 수 있다.
진동유닛(80)은 레이저 광이 집광되는 집광점의 위치를 시편의 두께 방향(가공되는 깊이 방향), 즉 Z축 방향으로 진동시키기 위한 것이다. 본 실시예의 경우, 진동유닛(80)은 광학계의 집광부(70)와 함께 빔 포커스 쉐이크 모듈을 구성하는데, 이하 그 구성 및 원리에 관하여 상세하게 설명한다.
본 실시예의 경우 진동유닛은 제1자석(81)과 제2자석(82)과 제어부(도면 미도시)로 구성된다. 제1자석(81)은 영구자석으로, 집광부(70)에 결합된다. 제2자석(82)은 전자석으로, 제1자석(81)의 상측 및 하측에 하나씩 배치된다. 그리고, 제1자석과 제2자석 사이에는 공기 댐퍼층이 형성되어 있다. 제어부는 제2자석(82)으로 공급되는 전류의 양을 제어한다. 이와 같이 구성된 진동유닛(80)에 있어서, 제2자석(82)으로 공급되는 전류(전류의 세기나 방향)를 변화시키면, 제1자석(81)과 제2자석(82) 사이에 작용하는 자기력이 변화하게 된다. 이때, 전자석으로 위상이 주기적으로 변화하는 전류, 즉 도 4에 도시된 펄스파 또는 정현파 형태의 전류를 공급하면, 제1자석(81)과 제2자석(82) 사이에 작용하는 자기력이 주기적으로 변하게 되며, 이에 따라 제1자석(81) 및 이에 결합된 집광부(70)가 Z축 방향으로 진동하게 되어 집광점이 Z축 방향으로 진동된다. 그리고, 이와 같이 구성된 빔 포커스 쉐이크 모듈은 구동장치(도면 미도시)에 연결되어, Z축 방향으로 이동 가능하게 설치된다.
그리고, 이와 같이 레이저 광의 집광점을 진동시키면, 레이저 광에 의해 발생하는 충격파가 방향성을 가지게 되는 효과와, 레이저 광의 초점심도(DOF : depth of focus)가 확장되는 효과가 발생하게 된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 시편(s)의 표면에 레이저 광이 조사되면 열과 함께 충격파(p)가 발생하게 된다. 이때, 집광점을 Z축 방향, 즉 시편의 두께 방향으로 진동시키면 충격파가 발생되는 지점이 Z축 방향으로 진동하게 되고, 그 결과 충격파가 Z축 방향으로 방향성을 가지는 효과(즉, 충격파가 시편의 두께 방향으로 응집되는 효과)가 발생하게 된다. 그리고, 이와 같이 발생되는 Z축 방향의 충격파에 의해 시편(s)이 가공된다.
그리고, 레이저 광의 집광점을 고속으로 진동시키는 경우, 레이저 광의 DOF가 진동폭 만큼 확장되는 효과가 발생하게 된다. 즉, 집광점이 도 5의 A 위치일 때 DOF 영역이 a이고, 집광점이 B 위치일 때 DOF 영역이 b라고 할 때, 집광점이 A와 B사이에서 고속으로 진동하면 DOF의 영역이 A와 B사이 즉 진동폭 만큼 확장되는 효과가 발생한다. 그리고, 이와 같이 DOF 영역이 확장되면 얇은 두께를 가지는 시편을 가공할 때 매우 우수한 효과를 가지게 된다. 즉, 두께가 얇은 시편(예를 들어 100um)은 얇은 두께로 인하여 가공물의 휨 정도가 매우 크다. 그런데, 일반적으로 이용되는 포커스 렌즈의 DOF는 10~30um 이내로 매우 작다. 따라서, 시편을 길이방향으로 절단 또는 스크라이빙 가공할 때, 시편의 표면이 포커스 렌즈의 DOF 영역을 벗어나게 되는 현상이 발생하게 되는데, 이와 같이 DOF 영역을 벗어난 상태에서 가공되는 경우에는 가공 정도가 불균일하게 되는 문제점이 있다. 하지만, 본 실시예의 경우에는 DOF 영역이 확장되는 효과가 발생되므로, 휨 상태가 큰 시편도 균일하게 가공할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예의 경우에는 1개의 영구자석과 2개의 전자석을 이용하여 진동유닛을 구성하였으나, 다른 형태로 진동유닛을 구성할 수 있다. 예를 들어, 집광부에 전자석을 결합하고 전자석의 상측 또는 하측에 영구자석을 배치할 수도 있다. 그리고, 모든 자석을 전자석으로 이용할 수도 있다. 또한, 자석을 이용하지 않고 다른 형태로 진동유닛을 구성할 수 있다. 예를 들어, 집광부를 압전소자에 결합하고, 압전소자에 인가되는 전류를 변화시킴으로써 집광부를 진동시킬 수 있으며, 모터의 회전에 연동되어 집광부가 진동하도록 구성할 수도 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 레이저 가공장치를 이용하여 시편을 가공하는 과정에 관하여 설명한다.
먼저, 시편의 특성에 따라 사용할 레이저 광원을 결정한다. 레이저 광원이 결정되면, 레이저 광의 세기를 결정한다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이 시편의 융발을 방지하는 상태에서 가장 큰 충격파를 얻을 수 있는 세기가 바람직하다. 이후, 레이저의 가공상태를 결정한다. 레이저 광의 가공상태를 결정하는 방식은, 시편의 표면에 레이저 광을 조사한 후, 충격파에 의해 발생한 시편의 균열 상태를 현미경으로 확인하고, 균열 상태에 따라서 레이저 광의 출력, 조사 빈도 등을 결정한다. 이후, 시편으로 레이저 광을 조사하면서 집광부를 진동시키면, 충격파에 의해 시편이 가공된다. 이때, 집광부를 Z축 방향으로 이동시켜 시편의 가공깊이를 조절하며, 스테이지를 수평 방향으로 이동시켜 가공위치(가공되는 방향)를 결정한다. 한편, 이와 같이 시편을 가공한 후, 시편의 가공상태를 분석하여 시편을 가장 균일하게 가공할 수 있는 레이저 출력, 레이저 조사 빈도, 빔 포커스 쉐이킹 모듈의 진동수 및 스테이지의 이동속도 등을 조절하며, 이후의 공정에서는 최적하된 조건으로 가공을 수행한다.
상술한 바와 같이, 종래의 경우에는 고온에 의한 융발 현상에 의해 시편이 가공되었으므로, 시편에 열적 데이지가 발생하고, 융발시 발생되는 파티클이 시편에 잔존하게 되는 문제점이 있었다. 하지만, 본 실시예의 경우에는 충격파에 의해 시편을 가공하므로, 시편에 열적 데미지가 발생하는 것이 방지되고, 파티클이 시편에 잔존하게 되는 현상이 방지된다.
또한, 레이저 광의 DOF가 확장되는 효과가 발생하므로, 두께가 얇아서 휨 정도가 큰 시편도 균일한 상태로 가공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100...레이저 가공장치 10...스테이지
20...레이저 광원 30...광학계
40...시준기 50...빔 쉐이퍼
60...미러 70...집광부
80...진동유닛 81...제1자석
82...제2자석

Claims (6)

  1. 가공대상물이 장착되는 스테이지;
    상기 가공대상물을 가공하기 위한 레이저 광을 출사하는 레이저 광원;
    상기 출사된 레이저 광을 가공하며, 상기 가공된 레이저 광을 상기 가공대상물로 집광(集光)하는 광학계; 및
    상기 레이저 광이 집광되는 집광점의 위치가 상기 가공대상물의 두께 방향으로 진동되도록, 상기 광학계를 진동시키는 진동유닛;을 포함하며,
    상기 가공대상물에 조사되는 레이저 광의 세기는 상기 가공대상물의 융발 문턱값(ablation threshold) 미만으로, 상기 레이저 광의 조사시 발생되는 충격파에 의해 상기 가공대상물이 가공되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는 상기 가공된 레이저 광을 집광하는 집광부를 포함하며,
    상기 진동유닛은, 상기 집광부에 결합되는 제1자석과, 상기 제1자석과 이격되게 배치되며 상기 제1자석과의 사이에 자기력을 형성하는 제2자석을 포함하되, 상기 제1자석 및 상기 제2자석 중 적어도 하나의 자석은 전자석인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1자석은 영구자석이며, 상기 제2자석은 전자석으로 이루어지며 상기 제1자석의 양측에 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  4. 삭제
  5. 가공대상물로 레이저 광을 조사하여 상기 가공대상물을 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
    상기 가공대상물에 조사되는 레이저 광의 세기는 상기 가공대상물의 융발 문턱값(ablation threshold) 미만이며, 상기 레이저 광이 상기 가공대상물에 조사될 때 발생되는 충격파가 상기 가공대상물의 두께 방향으로 전달되어 상기 가공대상물이 가공되도록, 상기 레이저 광이 집광되는 집광점을 상기 가공대상물의 두께 방향으로 진동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  6. 삭제
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JP2001030089A (ja) * 1999-07-19 2001-02-06 Sumitomo Electric Ind Ltd レーザ溶接方法
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