KR101311898B1 - 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치 - Google Patents

빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치에 관한 것으로서, 절단 대상 기판에 열에너지를 제공하기 위한 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하기 위하여, 상기 레이저 광원로부터 입력받은 레이저 빔을 상기 기판 상에 주사하는 스캐너부; 상기 기판 상의 절단 예정 라인을 따라 냉각 유체를 분사하는 냉각부; 상기 기판 상에 마이크로 크랙을 형성하는 마이크로 크랙 발생부; 상기 기판을 지지하며, x축 및 y축 방향으로 이동 가능하도록 설치되는 스테이지;를 포함하는 것을 레이저 커팅 장치가 제공된다.

Description

빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치 {Laser cutting equipment using adjustable beam shape and energy distribution}
본 발명은 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절단 재료의 종류, 두께 및 형태 등 다양한 조건에 적합하도록 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치에 관한 것이다.
최근의 전자통신기술의 눈부신 발전에 힘입어 이들 각종 모바일단말기들의 기능이 급속도로 향상되고 있는데, 휴대전화를 일례로 들면 최근 들어 이의 기능은 인터넷 접속은 물론 디지털 카메라가 장착되어 사진 및동영상의 촬영과 이의 무선전송이 가능하고, 메모리 확대에 의해 일정관리나 문서의 편집/저장과 같은 소형 데이터베이스의 기능을 갖춘 제품이 출시되고 있다. 한편, 이 같은 이동통신 단말기의 디스플레이 화면은 우수한 콘트라스트(contrast)와 색 재현성을 제공하며 대량생산이 가능한 액정표시장치(Liquid Crystal Display device : LCD)로 구성되며, 최근에는 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diodes : OLED)로 구성된다. 또한, 이동통신 단말기는 디스플레이 화면 즉, 액정표시장치나 유기발광다이오드를 보호하기 위하여 윈도우 플레이트를 포함한다. 윈도우 플레이트는 주로 유리로 형성되며, 최근 이동통신 단말기의 박형화, 터치 스크린 적용 등으로 인하여 윈도우 플레이트 역시 점차 박형화되어 가고 있는 추세이다.
또한, LCD, PDP 및 OLED 등과 같은 평판 표시 장치들을 제조하는 과정에서 셀 공정의 합착 공정 후에 원판의 유리 기판을 각 모듈의 크기에 맞게 절단하거나, 또는 합착 기판에 있어서 선택적으로 상판의 유리 기판만을 절단하는 공정이 수행된다.
위의 공정들에 있어서 레이저를 이용하여 윈도우 플레이트나 유리 기판을 절단하게 되는데, 레이저 커팅의 기본 원리는 레이저를 이용하여 절단 기판을 연화점(softening point) 이하로 가열 후 냉각시켜 절단 기판 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시켜 재료의 손실을 최소화하여 절단하는 방식이다.
이러한 레이저 열 절단법은 크게 레이저 풀 커팅(laser full cutting) 방식과 스크라이빙 및 레이저 브레이킹(scribing and laser breaking)방식으로 구분될 수 있다.
위의 레이저 절단 방식들을 이용하여 기판을 절단할 때, 기판 상에 조사되는 레이저 빔 형태는 스폿형태, 타원형, U자형 곡선 또는 V자형 곡선 등 다양하게 활용되고 있다.
레이저를 이용하여 기판을 절단할 때, 절단될 기판의 재료, 두께, 절단 라인의 형태, 가공 속도 및 절단면 품질 등 다양한 조건에 따라 레이저 빔의 형태와 에너지 분포는 각각 상이하게 적용되어야 한다.
해당 조건에 맞는 레이저 빔의 형태와 에너지 분포가 결정되면 이를 구현하기 위해서는 이러한 조건에 맞게 설계된 광학계를 이용하여 해당 조건에 맞는 레이저 빔의 형태와 에너지 분포를 얻을 수 있다.
그러나, 절단된 기판의 재료, 두께, 크기, 요구되는 가공 속도, 절단면 품질 등 절단 조건은 다양한 파라미터에 의해서 가변되기 쉬우며, 이와 같이 절단 조건이 가변되면 그에 따라 레이저 빔의 형태와 에너지 분포 역시 조절되어야만 기판을 최적의 품질로 절단할 수 있게 된다.
한편, 종래 기술에 따른 고정된 구조의 광학계를 이용하게 되면 절단 조건이 변화되면 레이저 빔의 형태와 에너지 분포를 변화시키기 위하여 광학계를 교체해야 하는 번거로운 점이 발생하게 된다.
또한, 다양한 레이저 빔의 형태와 에너지 분포를 획득하기 위해서 다수개의 레이저 빔을 이용해야 하는데, 이러한 경우에는 다수개의 레이저 빔을 얼라인하는데 어려움이 존재한다.
따라서, 절단 조건이 변화하더라도 광학계를 교체하지 않고, 레이저 빔의 형태와 에너지 분포의 조절이 가능한 레이저 커팅 장치에 대한 요구가 절실한 상황이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 절단될 기판의 재료, 두께, 절단 라인의 형태, 가공 속도 및 절단면 품질 등의 절단 조건이 변화될 때 광학계의 교체없이도 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 절단 대상 기판에 열에너지를 제공하기 위한 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하기 위하여, 상기 레이저 광원로부터 입력받은 레이저 빔을 상기 기판 상에 주사하는 스캐너부; 상기 기판 상의 절단 예정 라인을 따라 냉각 유체를 분사하는 냉각부; 상기 기판 상에 마이크로 크랙을 형성하는 마이크로 크랙 발생부; 상기 기판을 지지하며, x축 및 y축 방향으로 이동 가능하도록 설치되는 스테이지;를 포함하는 것을 레이저 커팅 장치가 제공된다.
상기 스캐너부는 미리 설정된 레이저 빔의 단면 영역 내에서 소정 방향으로 레이저 빔을 주사함으로써 원하는 레이저 빔의 단면 형태를 등가적으로 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 스캐너부는 레이저 빔의 주사 반복 회수 또는 레이저 빔의 주사 속도를 통하여 레이저 빔의 에너지 분포를 조절한다.
상기 레이저 광원의 후단에 설치되며, 상기 레이저 광원으로부터 레이저 빔을 입력받아, 레이저 빔의 강도를 조절하여 출력하는 빔 강도 조절부를 더 포함한다.
상기 레이저 광원으로 출력된 레이저 빔을 입력 받아 상기 스캐너부로 반사시키는 미러부를 더 포함한다.
상기 스테이지 상에서 x축 방향 및 y축 방향으로 이송 가능하도록 설치되며, 상기 냉각부, 스캐너부 및 마이크로 크랙 발생부가 설치되는 이송부를 더 포함한다.
상기 스캐너부에서 출력된 레이저 빔이 상기 기판의 깊이를 따라 다양한 깊이로 초점이 형성될 수 있도록, 레이저 빔의 초점을 조절하는 초점 조절부를 더 포함한다.
상기 마이크로 크랙 발생부는 휠과 바디 사이에 삽입 설치된 스프링 부재 또는 저마찰 공압실린더; 및 상기 휠을 회전시키기 위한 구동 모터를 포함한다.
상기 냉각부는 수용 공간 내에 냉각 유체를 저장하는 냉각 바디; 상기 냉각 유체가 분사되는 냉각 노즐; 및 상기 냉각 바디 및 냉각 노즐을 z축 기준으로 상하 이동시키고, z축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 좌우로 틸트될 수 있도록 구동시키는 냉각부 이송유닛을 포함한다.
본 발명에 따르면, 절단될 기판의 재료, 두께, 절단 라인의 형태, 가공 속도 및 절단면 품질 등의 절단 조건이 변화될 때, 광학계의 교체없이도 기판 상에 조사되는 레이저의 빔의 형태 및 에너지 분포를 해당 절단 조건에 최적이 되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 커팅 장치의 기능 블록도이다.
도 3는 본 발명에 따른 레이저 커팅 장치를 이용하여 생성한 변형 가능한 레이저 빔의 형태를 나타낸 도이고, 도 4a 및 도 4b는 레이저 빔 형상에 따른 에너지 분포를 구현한 도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 개략적인 사시도이다.
도 6은 레이저 커팅 장치의 마이크로 크랙 발생부의 개략적인 측면도이다.
도 7은 레이저 커팅 장치의 냉각부의 개략적인 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 개략적인 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 레이저 커팅 장치의 기능 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 장치(1000)는 레이저 광원(100), 빔 강도 조절부(200), 미러부(300), 스캐너부(400), 냉각부(500), 마이크로 크랙 발생부(600), 스테이지(700), 초점조절부(800) 및 제어부(900)를 포함한다.
레이저 광원(100)은 절단 재료에 열에너지를 제공하는 레이저 빔을 생성한다. 본 실시예에서 레이저 광원(100)은 9.4㎛~10.6㎛의 파장대를 갖는 CO2 레이저 빔을 생성하는 CO2 레이저 광원을 사용한다.
빔 강도 조절부(200)는 레이저 광원(100)의 후단에 설치된다. 빔 강도 조절부(200)는 레이저 광원(100)으로부터 레이저 빔을 입력받아, 레이저 빔의 강도를 조절하여 출력한다.
미러부(300)는 빔 강도 조절부(200)로부터 출력된 레이저 빔을 입력받아 스캐너부(400)로 반사한다. 본 실시예의 경우, 미러부(300)는 제1 미러(310), 제2 미러(320) 및 제3 미러(330)를 포함한다. 제1 미러(310)는 빔 강도 조절부(200)로부터 입력된 레이저 빔을 제2 미러(320)로 반사하며, 제2 미러(320)는 제1 미러(310)로부터 입력된 레이저 빔을 제3 미러(330)로 반사하고, 제3 미러(330)는 제2 미러(320)로부터 입력된 레이저 빔을 스캐너부(400)로 반사시킨다.
스캐너부(400)는 미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하기 위하여, 미러부(300)로부터 입력받은 레이저 빔을 절단 기판 상에 주사하는 기능을 수행한다.
본 실시예의 경우, 스캐너부(400)는 미리 설정된 레이저 빔의 단면 영역 내에서 소정 방향으로 레이저 빔을 주사함으로써 원하는 레이저 빔의 단면 형태를 등가적으로 구현한다.
또한, 레이저 빔의 에너지 분포는 레이저 빔의 주사 반복 회수를 통하여 조절하거나 또는 레이저 빔의 주사 속도를 통하여 조절한다. 동일 영역에 레이저 빔을 한 번만 주사한 경우와 여러 번 반복해서 주사한 경우에 한 번만 주사한 경우에 에너지 강도가 낮으며, 여러 번 반복해서 주사한 경에는 에너지 강도가 높게 형성된다. 그리고, 레이저 빔의 주사 속도를 빠르게 주사한 경우는 레이저 빔의 주사 속도를 느리게 한 경우 보다 에너지 강도가 낮게 형성된다.
종래 기술의 경우에는 고정된 구조의 광학계를 이용하여 레이저 빔의 형태와 에너지 분포가 조절된 레이저 빔을 생성하기 때문에, 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포를 변화시키기 위해서는 광학계를 교체해야했다. 그러나, 본 발명에 따르면 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포 조건이 변화되더라도, 광학계의 교체 없이 스캐너부의 레이저 빔 주사 패턴 및 주사 속도를 변경함으로써 레이저 빔의 단면형태와 에너지 분포 조건을 가변시킬 수 있게 된다.
냉각부(500)는 절단 예정 라인을 따라 냉각 유체를 분사함으로써, 절단 예정 라인의 온도를 급속히 낮춤으로써 크랙을 형성하여 기판을 절단한다.
마이크로 크랙 발생부(600)는 기계적으로 절단 기판 상에 마이크로 크랙을 형성한다. 스테이지(700)는 절단 기판을 지지하는 기능을 수행하며, 2축 방향 즉, x축 및 y축 방향으로 이동 가능하도록 설치된다.
이송부(미도시)는 스테이지(700) 상부 상에서 x축 방향 및 y축 방향으로 이송 가능하도록 설치된다. 이송부에는 냉각부(500), 스캐너부(400) 및 마이크로 크랙 발생부(600)가 설치되며, 냉각부(500), 스캐너부(400) 및 마이크로 크랙 발생부(600)는 스테이지(700) 상에서 x축 및 y축 방향으로 이동가능하게 된다.
초점조절부(800)는 스캐너부(400)에서 출력된 레이저 빔의 초점을 조절하는 기능을 수행한다. 즉, 초점조절부(800)는 레이저 빔이 절단 기판의 깊이를 따라 다양한 깊이로 초점이 형성될 수 있도록 조절한다.
절단 기판의 절단 예정 라인을 중심으로 레이저 빔의 평면상의 에너지 분포 즉, x축 및 y축 상의 에너지 분포도 중요하지만, 절단 기판의 깊이에 따른 에너지 분포 즉, 절단 기판의 두께(z축)을 기준으로 한 에너지 분포 역시 중요하다. 레이저 빔이 절단 기판의 특정 깊이 예를 들면 표면에만 집중적으로 조사될 경우 표면은 절단 기판의 연화점을 초과하여 용융될 정도로 에너지 강도가 집중되지만, 절단 기판의 표면 하부측 깊이에서는 연화점에 미치지 못하게 되어, 절단 기판의 깊이에 따라 에너지 분포가 균일하지 못하게 된다. 이러한 경우 기판의 절단면 품질이 저하될 수도 있다.
또한, 절단 기판의 깊이에 따라 레이저 빔의 에너지 분포를 균일하게 형성해야하는 경우도 있으나, 이와는 달리 다양한 조건에 따라 절단 기판의 깊이에 따라 레이저 빔의 에너지 분포를 다양한 형태로 형성해야 되는 경우도 발생하게 된다. 초점조절부(800)는 미리 설정된 레이저 빔의 에너지 분포에 따라 절단 기판에 조사되는 레이저 빔을 절단 기판에 다양한 깊이로 초점을 변화하여 조사될 수 있도록 조절하게 된다.
제어부(900)는 레이저 광원(100), 빔 강도 조절부(200), 스캐너부(400), 냉각부(500), 마이크로 크랙 발생부(600), 스테이지(700) 및 초점조절부(800)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 동작을 살펴본다.
스테이지(700) 상에 절단될 기판(10)이 로딩되면, 마이크로 크랙 발생부(600)는 절단 예정 라인을 따라 기판(10) 상에 마이크로 크랙을 형성한다.
레이저 광원(100)은 레이저 빔을 생성하여 출력하고, 빔 강도 조절부(200)는 레이저 빔의 강도를 조절하며, 스캐너부(400) 및 초점조절부(800)는 절단될 기판(10)의 조건에 적합하도록 미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하도록 기판(10) 상의 절단 예정 라인에 레이저 빔을 주사한다.
냉각부(500)는 기판의 절단 예정 라인을 따라 냉각 유체를 분사하여 2차 크랙을 유발하여 기판을 절단하게 된다.
도 3는 본 발명에 따른 레이저 커팅 장치를 이용하여 생성한 변형 가능한 레이저 빔의 형태를 나타낸 도이고, 도 4a 및 도 4b는 레이저 빔 형상에 따른 에너지 분포를 구현한 도이다.
본 발명에 따른 레이저 커팅 장치의 스캐너부는 미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하기 위하여, 미리 설정된 레이저 빔의 단면 영역 내에서 소정 방향으로 레이저 빔을 주사함으로써 원하는 레이저 빔의 형태를 등가적으로 구현한다.
도 3를 살펴보면, 전체적으로 타원 형태의 단면 형태를 갖는 레이저 빔을 구현하기 위하여 타원의 장축 방향으로 레이저 빔을 주사한 실시예가 도시된다. 이외에도 레이저 빔의 주사 방향은 다양하게 조절될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 절단 기판의 절단 예정 라인을 중심으로 레이저 빔의 평면상의 에너지 분포도가 개시된다. 이러한 에너지 분포는 본 발명에 따라 레이저 빔 주사 방법에 따라 빔 길이와 빔폭을 다양하게 조절할 수 있으며 이에 따른 에너지 분포를 변화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 개략적인 사시도이며, 도 6은 레이저 커팅 장치의 마이크로 크랙 발생부의 개략적인 측면도이고, 도 7은 레이저 커팅 장치의 냉각부의 개략적인 사시도이다. 본 실시예에 따른 레이저 커팅 장치는 위의 실시예와 비교하여 냉각부 및 마이크로 크랙 발생부의 구성이 상이하며, 나머지 구성은 유사한 바 이하에서는 상이한 구성을 위주로 상술한다.
본 실시예에 따른 레이저 커팅 장치의 마이크로 크랙 발생부(600)는 바디(610), 휠(620), 스프링 부재 또는 저마찰 공압실린더(630) 및 구동 모터(640)를 포함한다. 휠(620)과 바디(610) 사이에 스프링 부재 또는 저마찰 공압실린더(630)가 삽입 설치된다. 스프링 부재 또는 저마찰 공압실린더(630)는 기판 상에 휠(620)이 작용하는 압력이 균일하게 제공되도록 보조하는 역할을 수행한다. 본 실시예에서 구동 모터(640)로 스테핑 모터가 이용되며, 스테핑 모터는 휠(620)이 정위치에서 회전 및 정지될 수 있도록 보다 정교한 회전력을 제공한다.
냉각부(500)는 냉각 바디(510), 냉각 노즐(520) 및 냉각부 이송유닛(미도시)을 포함한다. 냉각 바디(510)는 수용 공간 내에 냉각 유체를 저장하며, 냉각 노즐(520)은 냉각 유체가 분사되는 토출구이다. 냉각부(500)는 x축 및 y축 상에서 이송가능하도록 이송부(미도시)에 설치되며, 냉각부 이송유닛은 냉각 바디(510) 및 냉각 노즐(520)를 z축을 기준으로 상하 이동시키고, z축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 좌우로 틸트될 수 있도록 구동된다. 이와 같이, 냉각부(500)를 조절하게 되면 절단 예정 라인 상에 분사되는 냉각 유체의 양을 정밀하게 조정할 수 있게 되어 절단 예정 라인 상의 기판의 온도 저하 분포를 보다 정밀하게 조정할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 : 레이저 광원
200 : 빔 강도 조절부
300 : 미러부
400 : 스캐너부
500 : 냉각부
600 : 마이크로 크랙 발생부
700 : 스테이지
800 : 초점조절부
900 : 제어부

Claims (9)

  1. 빔의 형태 및 에너지 분포 조절이 가능한 레이저 커팅 장치에 있어서,
    절단 대상 기판에 열에너지를 제공하기 위한 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
    미리 설정된 레이저 빔의 단면 형태와 에너지 분포에 상응하는 레이저 빔을 형성하기 위하여, 상기 레이저 광원로부터 입력받은 레이저 빔을 상기 기판 상에 주사하는 스캐너부;
    상기 기판 상의 절단 예정 라인을 따라 냉각 유체를 분사하는 냉각부;
    상기 기판 상에 마이크로 크랙을 형성하는 마이크로 크랙 발생부;
    상기 기판을 지지하며, x축 및 y축 방향으로 이동 가능하도록 설치되는 스테이지; 및
    상기 스캐너부에서 출력된 레이저 빔이 상기 기판의 깊이를 따라 다양한 깊이로 초점이 형성될 수 있도록, 레이저 빔의 초점을 조절하는 초점 조절부를 포함하며,
    상기 마이크로 크랙 발생부는 휠과 바디 사이에 삽입 설치된 스프링 부재 또는 공압 실린더; 및 상기 휠을 회전시키기 위한 구동 모터를 포함하되, 상기 구동 모터는 스테핑 모터를 이용하며,
    상기 레이저 광원은 9.4㎛~10.6㎛의 파장대를 갖는 CO2 레이저 빔을 생성하는 CO2 레이저 광원을 사용하고,
    상기 스캐너부는 미리 설정된 레이저 빔의 단면 영역 내에서 소정 방향으로 레이저 빔을 주사함으로써 원하는 레이저 빔의 단면 형태를 등가적으로 구현하고, 상기 스캐너부는 레이저 빔의 주사 반복 회수 또는 레이저 빔의 주사 속도를 통하여 레이저 빔의 에너지 분포를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 장치.
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  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    수용 공간 내에 냉각 유체를 저장하는 냉각 바디;
    상기 냉각 유체가 분사되는 냉각 노즐; 및
    상기 냉각 바디 및 냉각 노즐을 z축 기준으로 상하 이동시키고, z축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 좌우로 틸트될 수 있도록 구동시키는 냉각부 이송유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 커팅 장치.


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