KR101273462B1 - 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 부가 공정 없이 단시간 내에 고종횡비를 가지는 형상이나 종래 레이저 가공에서보다 더욱 미세한 형상을 높은 정밀도로 가공할 수 있는, 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치는, 레이저 가공을 수행하는 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)에서 발생된 빔을 분광하여 상기 가공 대상물(500) 측으로 보내는 빔 스플리터(beam splitter, 120); 상기 빔 스플리터(120)에서 보내진 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 대물 렌즈(130); 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 놓여지며, 제어부(150)에 의하여 x, y, z 3축 방향으로 이동 가능하도록 형성되는 스테이지(140); 상기 대물 렌즈(130)에 연결 구비되며, 상기 제어부(150)에 의하여 제어되어 상기 대물 렌즈(130)에 진동을 가하는 진동자(160); 를 포함하여 이루어지며, 상기 레이저 광원(110)은 펄스폭이 펨토초 이하의 레이저를 발생시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치 {Hybrid Laser Machining System using Vibrating Element}
본 발명은 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
최근 IT(Information Technology), NT(Nano Technology), BT(BioTechnology) 등의 산업이 발달하면서, 수십 ㎛ ~ 수십 mm 크기의 소형 정밀 부품의 수요가 급증하고 있으며, 이를 가공하기 위한 다양한 가공법의 개발과 상용화도 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 정밀 부품의 정밀도는 점차 나노 급까지 내려가고 있으며, 이에 따라 정밀 부품의 제작에 있어 MEMS, NEMS 기술을 이용하는 방법이 확산되고 있다. 기존의 선삭, 밀링, 성형과 같은 기계 가공 방식을 사용할 경우 이러한 정밀 부품에서 요구하는 정밀도를 실현할 수 없는 한계가 발생되는 바, 정밀도 향상을 위한 장비의 초정밀화, 초미세화 기술에 대한 개발 요구가 더욱 높아져 가고 있다. 이러한 기술로서 현재 널리 사용되는 것 중 하나가 레이저 미세 가공 기술로서, 레이저 미세 가공 기술은 전기, 전자, 반도체 또는 디스플레이 산업 등에서 폭넓게 사용되고 있다.
현재 레이저 가공 기술에 사용되는 레이저는 일반적으로 나노초 레이저이다. 나노초 레이저란 수~수100ns(10-9초)의 펄스폭을 가지는 레이저 광을 출력하는 레이저를 말하는데, 이러한 나노초 레이저를 사용하면 가공 폭이 2~3㎛ 정도가 된다. 한편, 종래에는 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT의 경우 회로 선폭이 4㎛ 정도로 생산되었으나, 상술한 바와 같이 집적 기술 향상 및 제품의 고정밀/고정세화 추세에 따라 배선 간격이 1㎛ 이하 수준으로, 특히 결정질 실리콘(Poly-Si) TFT의 경우 0.5㎛ 정도 수준으로 생산되고 있는 실정이다. 이에 따라 종래의 나노초 레이저를 사용하여 결함 수정 등과 같은 가공을 수행할 시 주변부에 손상이 발생될 위험성이 높은 문제점이 있다. 특히 나노초 레이저의 경우, 레이저 조사 부위에서 충격파가 발생하여 표면이 왜곡되고 마이크로크랙이 부품 내부로 전파될 뿐만 아니라, 또한 레이저 조사 부위가 매우 고온이 되어 기판 물질 일부가 녹는 용융층이 발생됨에 따라 열에 의해 주변 재료가 변질되는 문제 또한 발생하게 된다. 나노초 레이저보다 좀더 개선된 피코초 레이저(수~수100ps(10-12초)의 펄스폭을 가지는 레이저 광을 출력하는 레이저) 가공 기술에서도 역시, 나노초 레이저 기술과 마찬가지로 상술한 바와 같은 가공 중 열 발생 문제 등의 문제를 해소하지 못하고 있는 실정이다.
현재 레이저 가공의 문제점은 가공된 가공 형상에 대해 평탄도, 종횡비(또는 '세장비'라고도 함, Aspect Ratio), 표면 조도 등 가공물에 물질을 제어할 수 있는 기술, 종횡비(Aspect ratio)를 제어할 수 있는 기술은 전무하다는 것이며, 이에 대한 개선 연구 및 시스템에 대한 연구도 미비한 실정이다. 상술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 레이저 가공 기술로는, 가능한 가공 형상의 사이즈나 종횡비에 한계가 있다는 문제점, 가공된 부위의 재료 열변형 등으로 인한 정밀도가 저하된다는 문제점 등 극복해야 할 문제점들이 많다.
한국공개특허 제2001-0042981호("레이저를 이용한 피가공물의 가공 방법", 이하 선행기술 1)에서는, 도 1(A)에 도시되어 있는 단계들로 알 수 있는 바와 같이, 레이저 가공에서 높은 종횡비의 가공 구멍을 형성할 수 있도록, 레이저광을 조사하여 선행 구멍을 형성하고, 이방성 에칭을 행하여 상기 선행 구멍을 확대하는 피가공물의 가공 방법을 개시하고 있다. 상기 선행기술 1에 의하면 상당히 높은 정밀도로 고종횡비의 형상을 가공할 수 있다는 장점은 있으나, 가공 방법 자체의 특성으로 인하여 통공 형태의 형상만이 가공 가능하다는 점, 그리고 에칭에 의하여 가공이 가능한 재질이어야 한다는 점 등의 한계가 존재한다는 문제점이 있다. 도 1(B)는 선행기술 1에 의하여 만들어진 가공 구멍의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1(B)의 가장 좌측의 사진은 레이저 입사 부위, 가운데의 사진은 레이저 출사 부위를 각각 보여주며, 가장 우측의 사진은 레이저 조사에 의해 만들어진 선행 구멍에 이방성 에칭까지 수행하여 최종적으로 만들어진 가공 구멍의 절단면을 보여주고 있다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 에칭 단계를 수행하기 전에는 레이저 입사 및 출사 부위에서 가공 대상물의 재질이 파손되어 가공 부위 주변이 지저분하게 되는 것을 알 수 있으며, 이로써 선행기술 1에 의해서 얻을 수 있는 가공 정밀도에도 한계가 있음을 알 수 있다.
한국등록특허 제0338667호("레이저를 이용한 다이아몬드 막의 가공 방법", 이하 선행기술 2)에서는, 도 1(C)에 도시된 바와 같이, 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공에 있어서, 저 열전달 밑판으로서 알루미나, 염화칼륨, 실리카, 유리, 내화벽돌, 용융실리카, 지르코니아, 뮬라이트, 스피넬, 마그네시아, 베릴리아, 탄화규소, 스텐레스강 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성되는 밑판을 다이아몬드막의 밑면에 위치시켜 다이아몬드막과의 열전달이 억제되도록 하고, 일정한 가공분위기 하에서 레이저빔을 상기 다이아몬드막의 표면에 초점이 형성되도록 하여 다이아몬드막을 가공하고, 가공이 진행됨에 따라 상기 레이저빔의 초점이 형성되는 위치를 밑으로 이동하며 레이저빔을 주사하는 것으로 이루어지는 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공 방법이 개시되어 있다. 도 1(D)는 선행기술 2에 의하여 만들어진 가공 형상의 두 실시예를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 어느 정도 고종횡비를 가지는 형상을 만들 수는 있겠으나, 특히 가공 대상물의 재질적인 한계가 존재한다는 문제가 있어, 다양한 분야로의 확대 적용이 어렵다.
이와 같이 종래의 레이저 가공 기술의 문제점을 극복하기 위하여 여러 기술들이 개발되어 왔지만, 레이저 가공을 수행한 후 부가 공정을 수행해야 한다거나, 가공 대상물의 재질에 제한이 있는 등 여러 한계가 있어, 다양한 분야로의 확대가 어려운 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 부가 공정 없이 단시간 내에 고종횡비를 가지는 형상이나 종래 레이저 가공에서보다 더욱 미세한 형상을 높은 정밀도로 가공할 수 있는, 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치는, 레이저 가공을 수행하는 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원(110); 상기 레이저 광원(110)에서 발생된 빔을 분광하여 상기 가공 대상물(500) 측으로 보내는 빔 스플리터(beam splitter, 120); 상기 빔 스플리터(120)에서 보내진 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 대물 렌즈(130); 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 놓여지며, 제어부(150)에 의하여 x, y, z 3축 방향으로 이동 가능하도록 형성되는 스테이지(140); 상기 대물 렌즈(130)에 연결 구비되며, 상기 제어부(150)에 의하여 제어되어 상기 대물 렌즈(130)에 진동을 가하는 진동자(160); 를 포함하여 이루어지며, 상기 레이저 광원(110)은 펄스폭이 펨토초 이하의 레이저를 발생시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 진동자(160) 및 상기 제어부(150)와 연결되어, 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 사용하여 상기 진동자(160)를 직접 제어하는 진동 제어부(165); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 진동 제어부(165)는 압전소자를 포함하여 이루어져 진동을 증폭시켜 진동 신호를 상기 진동자(160)로 전달하는 PZT 증폭기(161), 상기 제어부(150)와 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달된 제어 신호를 사용하여 진동 신호를 발생시켜 상기 PZT 증폭기(161)로 전달하는 함수 발생기(162)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 진동 제어부(165)는 상기 제어부(150)와 상기 함수 발생기(162) 사이에 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 관측 가능하도록 출력하는 신호 관측부(163)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 신호 관측부(163)는 오실로스코프로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 가공 대상물(500)로 조사되어 반사되어 나온 빔을 입사받아 상기 가공 대상물(500)의 영상을 취득하는 이미지 센서(170); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제어부(150)는 상기 이미지 센서(170)와 연결되어, 상기 이미지 센서(170)에서 취득된 영상을 사용하여 상기 스테이지(140)의 이동 정도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 이미지 센서(160)는 CCD 카메라로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 출력 여부 또는 정도를 조절하도록, 개폐 여부에 따라 레이저 빔의 출력 여부를 조절하는 셔터(181); 레이저 빔의 출력 정도를 조절하는 ND 필터(neutral density filter, 182); 레이저 빔의 출력 정도를 조절하는 어퍼쳐(aperture, 183); 중 선택되는 적어도 어느 하나를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 광경로를 조절하는 적어도 하나 이상의 미러를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 레이저 가공 기술에서 가공 형상의 사이즈나 종횡비, 가공 대상물의 재질 등에 한계가 있었던 문제를 극복하는 큰 효과가 있다. 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 장치는 대상 재질의 상관없이 모든 재료에 있어 가공이 가능한 장점이 있으며, 부가 공정 없이 하이브리드(펨토초 레이저 + 진동자) 초정밀 공정으로 단시간 내에 고종횡비 홀(hole), 선(line) 형상을 얻을 수 있는 장점이 있고, 또한 광학계 진동자의 진동 범위에 의하여 가공물의 가공 깊이를 조절할 수 있는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 종래의 단독 레이저 가공의 경우 가공 형상(선 폭, 홀 직경, 가공 깊이)의 사이즈 수준 한계를 극복하는 효과 뿐만 아니라, 가공의 고품질화(고세장비 증대/가공 깊이 조절) 또한 얻을 수 있다. 더불어 본 발명에 의하면, 동일한 에너지를 조사하면서도 진동자에 의하여 가공 깊이를 크게 향상시킬 수 있어, 가공 효율을 극대화할 수 있는 큰 효과가 있다.
도 1은 종래의 레이저 가공 기술들의 예시.
도 2는 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치.
도 3은 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치의 가공 원리.
도 4는 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치에 의한 가공 형상.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치를 간략하게 도시한 것이다. 본 발명의 레이저 가공 기술을 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치(100)는, 상술한 바와 같이 기판 상 박막이 형성된 형태의 가공 대상물(500)의 박막을 선택적으로 제거하여 가공 또는 수정 공정을 수행하는 장치로서, 도시된 바와 같이 레이저 광원(110), 빔 스플리터(beam splitter, 120), 대물 렌즈(130), 스테이지(140), 제어부(150) 및 진동자(160) 등을 포함하여 이루어지게 된다. 본 발명은 상기 레이저 광원(110)이 펨토초 급의 레이저를 발생시킨다는 점과, 또한 상기 대물 렌즈(130)에 구비되어 있는 상기 진동자(160)를 이용하여 가공 시 진동을 발생시킨다는 점이 특징이다.
레이저 가공은 비접촉식 가공이며 고속 가공이 가능하다는 장점이 있으나, 종래의 레이저 가공 기술에서는 정밀도에 한계가 있고 가공 부위에 열변형, 잔류 응력이 생기고 버(burr)가 발생하는 등의 문제점이 있다. 한편 진동 가공의 경우 고품질의 가공면을 얻을 수 있고, 매우 경도가 높은 재질에도 적용이 가능하며, 버 제거 효율이 높다는 장점이 있지만, 기본적으로 접촉식 가공이기 때문에 생기는 한계들이 있을 뿐만 아니라 가공 효율이 낮아 널리 적용하기 어려운 문제가 있다. 본 발명에서는, 레이저 가공 및 진동 가공을 결합한 형태의 하이브리드 레이저 가공 장치를 제시한다. 즉, 레이저로 가공을 수행하되 레이저 초점이 맞추어지는 부분에 진동을 줌으로써 두 가지 가공 방식의 장점들을 모두 얻을 수 있도록 하는 것이다. 이하에서 각각에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 레이저 광원(110)은 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시키는데, 특히 본 발명에서는 상기 레이저 광원(110)이 펄스폭이 펨토초 이하의 레이저를 발생시키도록 형성되는 것이 하나의 특징이다. 근본적으로 극초단 펄스 레이저를 이용한 미세 가공은 비열적(non-thermal)가공이다. 즉 펄스폭이 극단적으로 짧기 때문에 레이저 빔에 의한 열영향부를 최소한 할 수 있어, 수 마이크로 급의 패턴 가공에서부터 서브 마이크로미터 크기의 가공이 가능하다. 또한, 재료 무의존성을 가지고 있기 때문에 어떠한 재료도 가공할 수 있는 장점이 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 나노초 레이저 정도만 해도 재료의 열변형이 극심하여 가공의 정밀도를 높이기 어렵고 가공 대상의 재질 등을 크게 고려해야 하는 등의 제약이 컸다. 그러나 본 발명에서는, 상기 레이저 광원(110)이 펨토초 이하의 펄스폭을 가지는 극초단 펄스 레이저를 발생시키도록 함으로써, 종래의 레이저 가공에서의 이러한 한계를 원천적으로 극복할 수 있다. 현재 펨토초 레이저는 어느 정도 상용화되어 사용되고 있으며, 펨토초 이하 즉 아토초 레이저는 아직 연구 단계에 있는 바, 가장 바람직하게는 상기 레이저 광원(110)은 펨토초 레이저인 것이 좋다.
본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치(100)는 상술한 바와 같이 비열적 가공이기 때문에 기존의 레이저 가공보다 더욱 미세한 가공이 가능하며, 또한 비열적이라는 특성 때문에 상기 가공 대상물(500)의 재질에 거의 영향을 받지 않는다. 이 때 상술한 바와 같이 현재 디스플레이 등 다양한 전자 부품의 구조로서 널리 채용되고 있는 구조에 본 발명의 장치가 적용될 때 특히 그 효과를 높일 수 있다.
여기에, 본 발명은 상기 진동자(160)가 구비된다는 점이 또 하나의 큰 특징이다. 도 3은 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치의 가공 원리를 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 가공 장치(100)는, 상기 대물 렌즈(130)에 구비되어 있는 상기 진동자(160)를 이용하여 상기 대물 렌즈(130)를 상하로 진동시켜 주게 된다. 상기 가공 대상물(500)에서는, 상기 대물 렌즈(130)에 의하여 집광되어 형성되는 초점의 위치 부위에서 가공이 일어난다. 따라서 상기 대물 렌즈(130)의 상하 위치가 변화됨으로써 상기 대물 렌즈(130)에 의하여 집광되어 형성되는 초점의 위치 또한 상하로 변동되면, 진동이 없을 때에 비하여 훨씬 깊은 위치까지 가공을 수행할 수 있다. 즉 본 발명의 장치를 이용함으로써, 종래보다 훨씬 높은 종횡비를 가지는 형상을 가공할 수 있는 것이다. 도 3에서는 상기 진동자(160)에 의한 진동 변위가 0 ~ 20㎛ 정도, 진동수가 1 ~ 500Hz 정도인 것으로 기재되어 있으나 이는 하나의 실시예일 뿐으로, 가공하고자 하는 형상의 사이즈, 형상, 정밀도 등에 따라 진동 변위나 진동수 또는 그 외 여러 진동 특성을 결정하는 변수들 등은 적절히 변경 결정될 수 있음은 당연하다.
이와 같이 상기 진동자(160)에서 상기 대물 렌즈(130)에 가하는 진동의 특성은 상기 가공 대상물(500)의 재질적 특성이나 가공하고자 하는 형상의 사이즈, 형태, 원하는 정밀도 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 진동자(160) 및 상기 제어부(150)와 연결되어, 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 사용하여 상기 진동자(160)를 직접 제어하는 진동 제어부(165); 를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 물론 상기 제어부(150)에서 직접 진동 신호를 만들어 전달하도록 할 수도 있는데, 이는 상기 진동 제어부(165)가 상기 제어부(150)에 일체화되거나 내장되어 형성되는 경우로 간주할 수 있다.
상기 진동 제어부(165)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 압전소자를 포함하여 이루어져 진동을 증폭시켜 진동 신호를 상기 진동자(160)로 전달하는 PZT 증폭기(161), 상기 제어부(150)와 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달된 제어 신호를 사용하여 진동 신호를 발생시켜 상기 PZT 증폭기(161)로 전달하는 함수 발생기(162)를 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제어부(150)에 연결된 상기 함수 발생기(162)에서 적절한 진동 신호를 발생시키고, 상기 함수 발생기(162)에서 발생된 진동 신호를 상기 PZT 증폭기(161)에서 증폭시켜서 상기 진동자(160)로 전달함으로써 상기 대물 렌즈(130)의 진동이 이루어지게 되는 것이다. 이 때, 상기 진동 제어부(165)는 역시 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 제어부(150)와 상기 함수 발생기(162) 사이에 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 관측 가능하도록 출력하는 신호 관측부(163)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 신호 관측부(163)는 신호를 관찰할 수 있도록 디스플레이해주는 장치라면 어떤 것이든 될 수 있는데, 예를 들어 상기 신호 관측부(163)는 오실로스코프로 구현될 수 있다.
상기 레이저 가공 장치(100)에서, 상술한 바와 같이 특징이 되는 두 부분(펨토초 급 정도의 레이저를 발생시키는 레이저 광원, 대물 렌즈를 진동시켜 주는 진동자) 이외의 나머지 부분에 대해 설명한다.
상기 빔 스플리터(120)는 상기 레이저 광원(110)에서 발생된 빔을 분광하여 상기 가공 대상물(500) 측으로 보내며, 상기 대물 렌즈(130)는 상기 빔 스플리터(120)에서 보내진 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하게 된다. 이와 같이 상기 대물 렌즈(130)에 의하여 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에 초점이 맞추어짐으로써 해당 부분에서 가공이 일어나게 되는 것이다.
상기 스테이지(140)는 상기 가공 대상물(500)이 그 위에 놓여지게 되며, 상기 제어부(150)에 의하여 x, y, z 3축 방향으로 이동 가능하도록 형성되어 상기 대물 렌즈(130)에서 집광되는 레이저 빔의 초점 위치에 상기 가공 대상물(500)의 가공을 원하는 부위가 맞추어져 배치될 수 있도록 움직이게 된다.
여기에, 상기 하이브리드 레이저 가공 장치(100)는, 상기 가공 대상물(500)로 조사되어 반사되어 나온 빔을 입사받아 상기 가공 대상물(500)의 영상을 취득하는 이미지 센서(170); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 이미지 센서(170)는 일반적으로 이러한 용도로 널리 사용되는 CCD 소자 등으로 구현될 수 있다. 또한 이 때, 상기 제어부(150)는 상기 이미지 센서(170)와 연결되어, 상기 이미지 센서(170)에서 취득된 영상을 사용하여 상기 스테이지(140)의 이동 정도를 조절하도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 즉 상기 이미지 센서(170)에서 취득된 영상을 통하여 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에서의 가공이 어떻게 이루어지고 있는지를 명확히 확인할 수 있는 바, 이 영상 이미지를 사용하여 상기 제어부(150)가 상기 스테이지(140)를 이동시킴으로써 상기 가공 대상물(500)에서의 가공 작업을 보다 정확하게 수행할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치(100)는 상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 출력 여부 또는 정도를 조절하도록 도 2에 도시된 셔터(181), ND 필터(neutral density filter, 182), 어퍼쳐(aperture, 183) 등과 같은 다양한 광학 부품들을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 셔터(181)는 개폐 여부에 따라 레이저 빔의 출력 여부를 조절하는 것으로, 상기 레이저 광원(110)에서는 빔이 연속적으로 계속 출력되고 있으므로 상기 셔터(181)를 여닫음으로써 한 가공 부위에서 다른 가공 부위로 이동하는 동안에는 레이저 빔이 출력되지 않고, 가공 부위에 도착하면 레이저 빔이 출력되도록 하는 등의 동작을 용이하게 수행할 수 있다.
상기 ND 필터(182)란 빛의 양을 줄여 주는 것으로서, 이를 통해 레이저 빔의 출력 정도를 조절할 수 있다. 상기 어퍼쳐(183)는 말하자면 카메라의 조리개와 같은 것으로, 조리개 구멍의 여닫음 정도를 조절함으로써 역시 레이저 빔의 출력 정도를 조절할 수 있다.
더불어, 상기 하이브리드 레이저 가공 장치(100)는 역시 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 광경로를 조절하는 적어도 하나 이상의 미러를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 하이브리드 레이저 가공 장치에 의한 가공 형상들을 도시하고 있다. 보다 구체적으로는, 동일한 레이저를 조사하되 진동을 가하지 않은 경우(F: No Vib. / D: 0㎛), 진동수 400Hz / 변위 3.45㎛인 진동을 가한 경우(F: 400Hz / D: 3.45㎛), 진동수 100Hz / 변위 15.75㎛인 진동을 가한 경우(F: 100Hz / D: 15.75㎛), 진동수 50Hz / 변위 16.20㎛인 진동을 가한 경우(F: 50Hz / D: 16.20㎛), 이 4가지 경우에 대한 실제 가공 형상들이 도 4에 도시되어 있다. 위쪽의 도면은 4가지 형상들을 한꺼번에 보여 주고 있으며, 아래쪽의 도면은 각각을 보다 확대한 것이다.
도시되어 있는 바와 같이, 진동을 가하지 않고 레이저만으로 가공을 수행한 경우(F: No Vib. / D: 0㎛)에는 가공 형상의 종횡비가 1.26 정도 되었다. 반면 진동수 400Hz / 변위 3.45㎛인 진동을 가한 경우(F: 400Hz / D: 3.45㎛)에는 가공 형상의 종횡비가 1.54, 진동수 100Hz / 변위 15.75㎛인 진동을 가한 경우(F: 100Hz / D: 15.75㎛)에는 가공 형상의 종횡비가 1.94, 진동수 50Hz / 변위 16.20㎛인 진동을 가한 경우(F: 50Hz / D: 16.20㎛)에는 가공 형상의 종횡비가 1.90 정도로서, 진동을 가하지 않은 경우에 비하여 훨씬 높은 종횡비를 가지는 형상을 가공할 수 있음을 확연히 알 수 있다. 또한, 버가 거의 생기지 않으며 가공면이 매우 깨끗하게 형성되는 것 또한 도 4를 통해 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 레이저 가공 장치(100)를 사용하여 레이저 가공 및 진동 가공의 장점을 융합함으로써, 가공 형상의 지름이 500nm 이하인 초미세가공이 가능하고, 가공분해능 역시 100nm 이하로 줄일 수 있으며, 열변형 및 버 발생이 억제되어 가공 부위의 정밀도 및 품질을 높일 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 장치는 펨토초 급 레이저를 사용하는 바 재질에 영향을 거의 받지 않으므로 삭제가 어려운 재질의 극미세 가공이 가능하며, 도 4에서 확인할 수 있듯이 진동 변수를 적절히 조절함으로써 고종횡비의 형상을 가공하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 하이브리드 레이저 가공 장치
110: 레이저 광원 120: 빔 스플리터
130: 대물 렌즈 140: 스테이지
150: 제어부 160: 진동자
165: 진동 제어부 161: PZT 증폭기
162: 함수 발생기 163: 오실로스코프
170: 이미지 센서
181: 셔터 182: ND 필터
183: 어퍼쳐
500: 가공 대상물

Claims (10)

  1. 레이저 가공을 수행하는 레이저 가공 장치(100)에 있어서,
    펄스폭이 펨토초 이하의 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원(110);
    상기 레이저 광원(110)에서 발생된 빔을 분광하여 상기 가공 대상물(500) 측으로 보내는 빔 스플리터(beam splitter, 120);
    상기 빔 스플리터(120)에서 보내진 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 대물 렌즈(130);
    상기 가공 대상물(500)이 그 위에 놓여지며, 제어부(150)에 의하여 x, y, z 3축 방향으로 이동 가능하도록 형성되는 스테이지(140);
    상기 대물 렌즈(130)에 연결 구비되며, 상기 제어부(150)에 의하여 제어되어 상기 대물 렌즈(130)에 진동을 가하는 진동자(160);
    상기 진동자(160) 및 상기 제어부(150)와 연결되어, 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 사용하여 상기 진동자(160)를 직접 제어하는 진동 제어부(165);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 진동 제어부(165)는, 압전소자를 포함하여 이루어져 진동을 증폭시켜 진동 신호를 상기 진동자(160)로 전달하는 PZT 증폭기(161), 상기 제어부(150)와 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달된 제어 신호를 사용하여 진동 신호를 발생시켜 상기 PZT 증폭기(161)로 전달하는 함수 발생기(162)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 진동 제어부(165)는
    상기 제어부(150)와 상기 함수 발생기(162) 사이에 연결되어 상기 제어부(150)에서 전달되는 제어 신호를 관측 가능하도록 출력하는 신호 관측부(163)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 신호 관측부(163)는
    오실로스코프로 구현되는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 가공 장치(100)는
    상기 가공 대상물(500)로 조사되어 반사되어 나온 빔을 입사받아 상기 가공 대상물(500)의 영상을 취득하는 이미지 센서(170);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제어부(150)는
    상기 이미지 센서(170)와 연결되어, 상기 이미지 센서(170)에서 취득된 영상을 사용하여 상기 스테이지(140)의 이동 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 이미지 센서(160)는
    CCD 카메라로 구현되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기술을 이용한 기판 상 박막의 선택적 제거 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 가공 장치(100)는
    상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 출력 여부 또는 정도를 조절하도록,
    개폐 여부에 따라 레이저 빔의 출력 여부를 조절하는 셔터(181);
    레이저 빔의 출력 정도를 조절하는 ND 필터(neutral density filter, 182);
    레이저 빔의 출력 정도를 조절하는 어퍼쳐(aperture, 183);
    중 선택되는 적어도 어느 하나를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 가공 장치(100)는
    상기 레이저 광원(110)에서 발생되는 빔의 광경로를 조절하는 적어도 하나 이상의 미러를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동자를 이용한 하이브리드 레이저 가공 장치.
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