KR101287950B1 - 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법 - Google Patents

레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법에 관한 것으로, 레이저 발진기에서 발진된 선형편광 레이저빔을 피가공물에 조사하여 피가공물의 특정위치를 균일하게 가공하는 레이저 가공장치에서, 레이저빔을 원형 또는 타원편광시키는 λ/4 파장판; λ/4 파장판을 회전시켜 원형편광 조건을 맞추거나 혹은 타원편광 조건을 맞추거나 둘 중 하나의 조건을 맞추어 원하는 편광 형태를 갖도록 제어하는 회전디바이스;를 포함하되, 상기 λ/4 파장판과 회전디바이스는 하우징 내에 조립되어 하나의 유니트로 이루어지며; λ/4 파장판은 원형상으로 형성되고, 반원형상의 지지가이드에 의해 회전가능하게 지지되며, 상기 λ/4 파장판의 하단면에는 편광과 간섭되지 않는 범위에서 하방향으로 돌출된 연결부재가 형성되고, 상기 λ/4 파장판과 간격을 두고 회전모터가 구비되며, 상기 연결부재와 회전모터는 동력전달부재를 통해 동력전달가능하게 서로 연결되어 제어신호에 따라 상기 회전모터가 구동되면서 상기 λ/4 파장판을 일정각도로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 선형편광된 레이저빔 혹은 무편광 레이저빔을 간단 용이하게 원형 또는 타원편광으로 변환시킬 수 있어 가공품질을 높이고, 정밀 가공성을 향상시키며, 불량율을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

Description

레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법{CIRCULAR OR ELLIPTICAL POLARIZATION CONVERSION DEVICE FOR LASER PROCESS AND METHOD FOR PROCESSING LASER USING THAT}
본 발명은 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저의 선형편광을 원형 또는 타원편광으로 쉽게 변환하거나 혹은 무편광 발진 레이저빔을 원형 또는 타원편광으로 쉽게 변환할 수 있도록 하여 다양한 가공특성을 얻을 수 있도록 개선된 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 레이저 가공은 위상이 매우 일치된 단색광을 발생시키고, 그것을 집광 렌즈로 집광함으로써 얻어지는 고밀도의 에너지를 갖는 레이저 빔을 피가공물의 극소부분에 조사하여 절단(Cutting), 절제(제거)(Ablation), 증발, 용융 등의 작업을 수행하는 가공 방법을 말한다.
이러한 레이저 가공에 사용되는 레이저 빔은 제어성이 양호하므로 수치 제어 장치를 통해 제어함으로써 복잡한 형상의 가공이나 정밀 미세 가공이 가능하다.
보편적인 레이저 가공장치는 레이저를 생성하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 가공 작업위치로 유도하고 집속하기 위한 광학유닛, 상기 광학유닛을 통해 집속된 레이저 빔을 피가공물의 원하는 위치에 도달시키기 위한 위치제어기로 구성된다.
이와 같은 구성을 갖는 레이저 가공장치는 상술한 편의성과 정밀 가공성 때문에 주로 반도체 제조분야, 평면디스플레이 제조분야 등에서 널리 사용되어 왔다.
특히, LCD를 포함한 평면디스플레이 분야에서는 화소의 보정을 위한 리페어 수단으로 많이 활용되어 왔는데, 이를 테면 등록특허 제0981306호에는 '편광을 이용한 액정표시패널의 리페어 방법'이 개시되어 있고, 등록특허 제0607737호에는 '편광 광선 발생용 편광자 장치'가 개시되어 있으며, 등록특허 제0702420호에는 '광각 편광빔 스플리터를 이용한 반사 LCD 투사형 시스템'이 개시되어 있다.
그런데, 개시된 상기 선행 기술들은 편광변환에 있어 좀 복잡한 구성을 가지고 있어 개선의 필요성이 있다.
무엇보다도, LCVD 공정에서 메탈가스를 균일하게 증착시키기 위해서는 화소 혹은 전극 형성을 위한 지점 등의 전체면이 균일하게 가공되어야만 하는데, 이를 위해 선형편광으로 조사된 레이저빔을 원형 또는 타원편광으로 쉽게 변환시킬 수 있는 간단하면서도 조작하기 쉽고 정밀한 제어가 가능한 수단의 필요성이 급증하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 효과 있게 해결할 수 있도록 창출된 것으로, 매우 간단한 구조의 레이저 편광방향 변환수단을 채용하여 무편광 레이저빔을 원형 또는 타원편광으로 쉽고 간단하면서도 정확하게 변환시킬 수 있고, 또한 선형 레이저빔을 원형 또는 타원편광으로 쉽고 간단하게 변환시킬 수 있는 수단을 제공하여 가공품질을 높이고 제품의 불량율을 낮출 수 있도록 한 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 레이저 발진기에서 발진된 선형편광 레이저빔을 피가공물에 조사하여 피가공물의 특정위치를 균일하게 가공하는 레이저 가공장치에서, 레이저빔을 원형 또는 타원편광시키는 λ/4 파장판; λ/4 파장판을 회전시켜 원형편광 조건을 맞추거나 혹은 타원편광 조건을 맞추거나 둘 중 하나의 조건을 맞추어 원하는 편광 형태를 갖도록 제어하는 회전디바이스;를 포함하되, 상기 λ/4 파장판과 회전디바이스는 하우징 내에 조립되어 하나의 유니트로 이루어지며; λ/4 파장판은 원형상으로 형성되고, 반원형상의 지지가이드에 의해 회전가능하게 지지되며, 상기 λ/4 파장판의 하단면에는 편광과 간섭되지 않는 범위에서 하방향으로 돌출된 연결부재가 형성되고, 상기 λ/4 파장판과 간격을 두고 회전모터가 구비되며, 상기 연결부재와 회전모터는 동력전달부재를 통해 동력전달가능하게 서로 연결되어 제어신호에 따라 상기 회전모터가 구동되면서 상기 λ/4 파장판을 일정각도로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 제공한다.
이때, 상기 지지가이드는 길이방향을 따라 'ㄷ' 형상의 곡선홈이 형성되고, 상기 λ/4 파장판의 테두리 일부는 상기 곡선홈에 삽입된 채로 회전가능하게 지지되는 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 지지가이드 반대쪽에는 하우징에 고정된 다수의 롤러가 구비되고, 상기 롤러는 상기 λ/2 파장판의 테두리에 접촉지지되게 배치되어 상기 λ/2 파장판을 회전가능하게 지지하는 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 레이저 발진기에서 발진된 무편광 레이저빔을 피가공물에 조사하여 피가공물의 특정위치를 균일하게 가공하는 레이저 가공장치에서, 레이저빔을 선형 편광시키는 λ/2 파장판; 선형 편광된 레이저빔을 원형 또는 타원편광시키는 λ/4 파장판; λ/4 파장판을 회전시켜 원형편광 조건을 맞추거나 혹은 타원편광 조건을 맞추거나 둘 중 하나의 조건을 맞추어 원하는 편광 형태를 갖도록 제어하는 회전디바이스;를 포함하되, 상기 λ/4 파장판과 회전디바이스는 하우징 내에 조립되어 하나의 유니트로 이루어지며; λ/4 파장판은 원형상으로 형성되고, 반원형상의 지지가이드에 의해 회전가능하게 지지되며, 상기 λ/4 파장판의 하단면에는 편광과 간섭되지 않는 범위에서 하방향으로 돌출된 연결부재가 형성되고, 상기 λ/4 파장판과 간격을 두고 회전모터가 구비되며, 상기 연결부재와 회전모터는 동력전달부재를 통해 동력전달가능하게 서로 연결되어 제어신호에 따라 상기 회전모터가 구동되면서 상기 λ/4 파장판을 일정각도로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기에 기재된 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 이용하여 레이저 가공할 때, 선형편광된 레이저빔의 전기장에 대해 수직한 수평편광성분과 수직편광성분의 위상차가 π/4를 유지하도록 상기 λ/4 파장판의 회전각을 제어하여 원형편광을 만들거나 혹은 상기 위상차가 π/4를 제외하고 0 보다 크고 π 보다 작게 유지되도록 상기 λ/4 파장판의 회전각을 제어하여 타원편광을 만들도록 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 이용한 레이저 가공방법도 제공한다.
본 발명에 따르면, 선형편광된 레이저빔 혹은 무편광 레이저빔을 간단 용이하게 원형 또는 타원편광으로 변환시킬 수 있어 가공품질을 높이고, 정밀 가공성을 향상시키며, 불량율을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치에 사용되는 λ/4 파장판(Waveplate)의 예시적인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치의 예시적인 요부 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 하나의 유니트로 구성한 예를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치의 적용예를 보인 예시도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다.
이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.
본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 원형 또는 타원편광 형성장치는 λ/4 파장판(100'')을 포함한다.
이때, 상기 λ/4 파장판(100'')의 두께는 굴절률과 파장을 고려하여 적용 분야에 맞게 이론적인 계산을 통해 계산한 후 피가공물에 따라 다수회에 걸친 반복적인 실험을 거쳐 최적의 두께로 설정할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 공지된 λ/4 파장판(100'')을 당해 분야에 적용하여 최대의 효과를 얻을 수 있도록 전에 없던 새로운 개념의 구성을 갖춘 것이다.
이 경우, 상기 λ/4 파장판(100')은 도시와 같이, 오른쪽에서 왼쪽으로 진행하는 선형 편광되거나 혹은 무편광된 레이저빔(110')을 원형 또는 타원편광 형태로 변환시켜 준다.
여기에서, 상기 λ/4 파장판(100')은 편광 형태를 바꿔주는 것으로서, 이를 테면 원형 또는 타원편광을 선형편광으로, 선형편광을 원형 또는 타원편광으로 바꾸어 주는 공지된 부재이며, 무편광의 경우는 선형편광으로 바꾼 다음 바뀐 선형편광을 다시 원형 또는 타원편광으로 편광 형태를 바꿀 수 있다.
이때, 타원편광과 원형편광의 정의는 편광되어 있는지의 여부에 상관없이 빛의 전기장 방향을 서로 수직한 두 직선편광 성분으로 항상 분해하여 나타내었을 때 둘 중 한 방향을 수직편광성분이라 하고, 나머지 방향을 수평편광성분으로 부르는데, 이러한 편광성분 중에서 수직편광성분과 수평편광성분이 갖는 빛의 위상차가 없거나 π이면 직선편광이고, 그밖의 위상차를 가지는 편광은 타원편광이며, 타원편광 중에서 특별히 위상차가 π/4인 경우를 원형편광이라 한다.
본 발명에서는 이를 구현하기 위해 도 2 및 도 3에서와 같이, λ/4 파장판(100')의 전단에 이를 회전시킬 수 있는 회전디바이스(Rotary Device)(200')를 더 구비하고, 이 회전디바이스(200')의 동력을 전달받아 상기 λ/4 파장판(100')이 일정각도 내에서 회전 구동될 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 본 발명에서는 도 3과 같은 형태로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 설치와 제어의 편의성을 위해 λ/4 파장판(100')은 원형상으로 형성되고, 하단면에는 편광기능에 방해를 주지 않는 범위내에서 하향연장된 연결부재(102)가 구비된다.
그리고, 상기 λ/4 파장판(100')의 외테두리는 반원형상의 지지가이드(220)에 의해 접촉지지된다.
아울러, 상기 지지가이드(220)의 중심은 연결대(222)와 일체로 연결고정되고, 상기 연결대(222)는 고정판(224)에 일체로 고정된다.
또한, 상기 λ/4 파장판(100')과 간격을 두고 회전모터(210)가 구비되고, 상기 회전모터(210)의 회전축, 즉 구동축과 상기 연결부재(102)는 동력전달부재(230)에 의해 동력전달 가능하게 연결된다.
따라서, 상기 회전모터(210)가 회전하면 상기 동력전달부재(230)가 구동되면서 상기 λ/4 파장판(100')을 회전시키게 되므로 앞서 설명한 회전각 제어방식으로 제어될 수 있다.
이때, 상기 동력전달부재(230)는 특별히 한정할 필요가 없으나 벨트, 기어 등의 동력전달수단을 채용함이 바람직하다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 상기 λ/4 파장판(100')을 축고정하는 형태로 회전가능하게 구성하는 구조가 아니라, 상기 λ/4 파장판(100')이 상기 지지가이드(220)의 곡선홈(H)에 삽입된 상태를 유지하여 이를 따라 안내되게 함으로써 회전구동시킬 수 있는데, 도시된 예는 개념을 보이기 위해 개략적으로 도시한 것일 뿐이고 사실은 이들이 하나의 유니트(Unit)를 구성하여 하우징 내에 세팅되는 형태로 구비됨이 바람직하다.
즉, 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만 하우징(400, 도 4 참조) 내부에 상기 λ/4 파장판(100')이 안착될 때 상기 지지가이드(220)와 대향되는 절반의 호형 가이드는 이미 하우징에 마련된 상태이고, λ/4 파장판(100')을 하우징에 먼저 설치한 다음 상기 지지가이드(220)로 끼워 조립하는 형태로 조립되면 간단하면서도 원활한 회전지지 구조를 갖출 수 있게 된다.
다른 예로, 도 4에서와 같이, 지지가이드(220) 반대쪽에서 다수의 롤러(R)를 통해 λ/4 파장판(100')의 테두리면을 접촉지지하는 형태로 회전가능하게 지지할 수도 있다.
그리고, 도 5에 예시한 바와 같은 형태의 레이저 가공장치에 상기 유니트를 탑재하여 사용할 수 있다.
즉, 도 5에서와 같이 피가공물(500)이 안착되는 스테이지(510)가 구비되고, 상기 스테이지(510)의 가로길이와 세로길이 방향으로 각각 X축가이드(520) 및 Y축가이드(530)가 구비되며, 이를 따라 이동가능한 헤드부(540)가 구비된 레이저 가공장치에서 상기 헤드부(540)에 본 발명 형성장치가 탑재되어 사용될 수 있다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 방식으로 레이저 가공에 활용된다.
예컨대, 평판디스플레이의 LCVD 공정에서 증착면의 균일 가공을 위해 원형 또는 타원편광된 레이저빔(110')의 조사가 요구된다.
반면, 메탈층을 레이저빔으로 가공할 때 무편광의 레이저빔(110')을 그대로 사용할 경우에는 가공면이 거칠어지기 때문에 균일한 증착을 유도하기 어렵게 된다.
이때, 무편광 레이저빔(110')을 본 발명에 따른 편광 형성장치를 통해 간편 용이하게 원형 또는 타원편광으로 변환시켜 사용함으로써 가공면을 고르고 균일하게 레이저 가공할 수 있게 된다.
이 경우는 후술하는 바와 같이, 무편광 상태를 선형편광 상태로 전환할 필요가 있는데, 이를 위해 선형편광 변환장치가 사용될 수 있다.
그리고, 선형편광된 레이저빔(110')은 지금까지 설명하였듯이, 본 발명에 따른 편광 변환장치를 통과하면서 자연스럽게 원형 또는 타원편광으로 변환되게 됨으로써 균일한 레이저 가공면을 얻을 수 있도록 해 준다.
즉, 회전모터(210)의 제어를 통해 λ/4 파장판(100')의 회전각을 조절하여 앞서 설명한 타원편광 조건을 갖출 경우에는 타원편광을 얻을 수 있고, 원형편광 조건을 갖출 경우에는 원형편광을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 앞서 설명한 무편광 레이저빔(110')의 경우, 일단 먼저 선형편광으로 변환시킨 다음 선형 편광된 레이저빔(110')을 다시 원형 또는 타원편광으로 변환시키는 형태를 가짐으로써 편광형태를 바꿀 수 있게 된다.
이때, 본 발명의 가장 주된 특징은 구조가 복잡하거나 제어가 어렵지 않고 회전모터(210)의 간단한 조작만으로도 쉽고 편리하게 편광 형태를 바꿀 수 있다는데 있다.
이렇게 함으로써, 간편하고 편리하면서도 자유롭고 고르고 균일한 레이저 가공면을 갖는 레이저 가공(Cutting, Ablation)이 가능하게 된다.
100' : λ/4 파장판 110' : 레이저빔
200 : 회전디바이스 210 : 회전모터
220 : 지지가이드 230 : 동력전달부재
300 : 레이저 발진기 400 : 하우징

Claims (5)

  1. 레이저 발진기에서 발진된 선형편광 레이저빔을 피가공물에 조사하여 피가공물의 특정위치를 균일하게 가공하는 레이저 가공장치에서,
    레이저빔을 원형 또는 타원편광시키는 λ/4 파장판; λ/4 파장판을 회전시켜 원형편광 조건을 맞추거나 혹은 타원편광 조건을 맞추거나 둘 중 하나의 조건을 맞추어 원하는 편광 형태를 갖도록 제어하는 회전디바이스;를 포함하되,
    상기 λ/4 파장판과 회전디바이스는 하우징 내에 조립되어 하나의 유니트로 이루어지며; λ/4 파장판은 원형상으로 형성되고, 반원형상의 지지가이드에 의해 회전가능하게 지지되며, 상기 λ/4 파장판의 하단면에는 편광과 간섭되지 않는 범위에서 하방향으로 돌출된 연결부재가 형성되고, 상기 λ/4 파장판과 간격을 두고 회전모터가 구비되며, 상기 연결부재와 회전모터는 동력전달부재를 통해 동력전달가능하게 서로 연결되어 제어신호에 따라 상기 회전모터가 구동되면서 상기 λ/4 파장판을 일정각도로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치.
  2. 청구항 1에 있어서;
    상기 지지가이드는 길이방향을 따라 'ㄷ' 형상의 곡선홈이 형성되고, 상기 λ/4 파장판의 테두리 일부는 상기 곡선홈에 삽입된 채로 회전가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치.
  3. 청구항 2에 있어서;
    상기 지지가이드 반대쪽에는 하우징에 고정된 다수의 롤러가 구비되고, 상기 롤러는 상기 λ/4 파장판의 테두리에 접촉지지되게 배치되어 상기 λ/4 파장판을 회전가능하게 지지하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치.
  4. 레이저 발진기에서 발진된 무편광 레이저빔을 피가공물에 조사하여 피가공물의 특정위치를 균일하게 가공하는 레이저 가공장치에서,
    레이저빔을 선형 편광시키는 λ/2 파장판; 선형 편광된 레이저빔을 원형 또는 타원편광시키는 λ/4 파장판; λ/4 파장판을 회전시켜 원형편광 조건을 맞추거나 혹은 타원편광 조건을 맞추거나 둘 중 하나의 조건을 맞추어 원하는 편광 형태를 갖도록 제어하는 회전디바이스;를 포함하되,
    상기 λ/4 파장판과 회전디바이스는 하우징 내에 조립되어 하나의 유니트로 이루어지며; λ/4 파장판은 원형상으로 형성되고, 반원형상의 지지가이드에 의해 회전가능하게 지지되며, 상기 λ/4 파장판의 하단면에는 편광과 간섭되지 않는 범위에서 하방향으로 돌출된 연결부재가 형성되고, 상기 λ/4 파장판과 간격을 두고 회전모터가 구비되며, 상기 연결부재와 회전모터는 동력전달부재를 통해 동력전달가능하게 서로 연결되어 제어신호에 따라 상기 회전모터가 구동되면서 상기 λ/4 파장판을 일정각도로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 기재된 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 이용하여 레이저 가공할 때,
    선형편광된 레이저빔의 전기장에 대해 수직한 수평편광성분과 수직편광성분의 위상차가 π/4를 유지하도록 상기 λ/4 파장판의 회전각을 제어하여 원형편광을 만들거나 혹은 상기 위상차가 π/4를 제외하고 0 보다 크고 π 보다 작게 유지되도록 상기 λ/4 파장판의 회전각을 제어하여 타원편광을 만들도록 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공용 원형 또는 타원편광 형성장치를 이용한 레이저 가공방법.
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