KR101480162B1

KR101480162B1 - 포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR101480162B1
Application number: KR1020130092015A
Authority: KR
Inventors: 노지환; 손현기; 강희신
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-01-09

Abstract

별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공한다. 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 빔 스플리터, 집속 렌즈, 및 빔 프로파일러를 포함한다. 빔 스플리터는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키고, 집속 렌즈는 투과 빔을 가공 대상물로 집속시킨다. 빔 프로파일러는 가공 대상물에서 반사되어 집속 렌즈와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정한다.

Description

포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 {LASER PROCESSING DEVICE WITH FOCUS FINDING FUNCTION AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

가공 대상물에 레이저를 조사하여 가공 대상물의 표면에 홈을 형성하거나, 가공 대상물의 내부에 변질층을 형성하거나, 가공 대상물에 열을 가하여 물질 특성을 변화시키는 등의 다양한 레이저 가공 방법이 사용되고 있다. 그런데 대부분의 경우 레이저 가공 장치와 포커스 측정용 레이저 설비를 따로 구비하고 있으므로 전체 시스템 구성이 복잡해지고, 설비 가격이 상승하게 된다.

본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 빔 스플리터, 집속 렌즈, 및 빔 프로파일러를 포함한다. 빔 스플리터는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 집속 렌즈는 투과 빔을 가공 대상물로 집속시킨다. 빔 프로파일러는 가공 대상물에서 반사되어 집속 렌즈와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정한다.

레이저 가공 장치는 빔 스플리터와 집속 렌즈 사이에 선택적으로 배치되는 제2 빔 프로파일러를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 측정하는 제1 단계와, 레이저 빔으로 제1 가공 대상물을 가공하여 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계와, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하여 포커스 직경을 구하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.

제1 가공 대상물은 시험편일 수 있고, 제2 가공 대상물은 실제 가공이 이루어지는 제품일 수 있다. 제3 단계에서 구한 포커스 직경과 포커스 위치는 복수의 제2 가공 대상물의 위치 선정에 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 빔 스플리터와 집속 렌즈 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러를 배치하는 제1 단계와, 제2 빔 프로파일러에 입사한 레이저 빔의 직경을 측정하는 제2 단계와, 제2 단계에서 측정된 레이저 빔의 직경과 제2 빔 프로파일러에서 빔 프로파일러에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 빔 스플리터, 미러, 집속 렌즈, 차단판, 및 빔 프로파일러를 포함한다. 빔 스플리터는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 미러는 반사 빔을 제공받아 빔 스플리터로 재반사시킨다. 집속 렌즈는 투과 빔을 가공 대상물로 집속시킨다. 차단판은 빔 스플리터와 집속 렌즈 사이에 선택적으로 위치한다. 빔 프로파일러는 미러에서 반사되어 빔 스플리터를 통과한 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 프로파일을 측정한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 미러를 이용하여 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계와, 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔의 직경을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제3 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 미러를 이용하여 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계와, 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔의 직경을 측정하는 제2 단계와, 제2 단계에서 측정된 레이저 빔의 직경과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.

제3 단계는, 빔 스플리터와 집속 렌즈 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러를 배치하고, 제2 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔의 직경을 계산하는 단계와, 계산된 제2 빔 프로파일러의 레이저 빔의 직경, 제2 빔 프로파일러와 빔 프로파일러 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치에서, 레이저 광원은 무질서 편광 상태의 레이저 빔을 방출하고, 빔 스플리터는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킬 수 있다.

다른 한편으로, 레이저 광원은 P파와 S파를 포함하는 레이저 빔을 방출하고, 빔 스플리터는 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킬 수 있다. 레이저 가공 장치는 빔 스플리터와 집속 렌즈 사이에 위치하는 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다.

레이저 가공 장치는 레이저 광원과 빔 스플리터 사이에 위치하는 레이저 파워 조절부를 더 포함할 수 있다. 레이저 파워 조절부는 빔 프로파일러를 구성하는 전하결합소자(CCD)의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워를 조절할 수 있다. 레이저 파워 조절부는 적어도 하나의 선형 편광판과 반파장판을 포함하거나, 적어도 하나의 중성 농도 필터를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 발산각을 고려한 경우를 나타낸 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 13은 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 레이저 가공 장치의 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 1을 참고하면, 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 스플리터(beam splitter)(20), 집속 렌즈(30), 및 빔 프로파일러(beam profiler)(40)를 포함한다.

레이저 광원(10)은 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 실제 가공에 사용되는 가공용 레이저 빔이다. 빔 스플리터(20)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 빔 스플리터(20)의 반사 빔을 점선으로 도시하였고, 투과 빔을 실선으로 도시하였다.

레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 출력되는 에너지의 전자기장 벡터가 시간에 따라 일정한 방향성을 가지지 않는 무질서 편광(random polarization) 상태일 수 있다. 이 경우 빔 스플리터(20)는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 나눌 수 있으며, 이때 투과 빔의 파워는 반사 빔의 파워보다 높다.

집속 렌즈(30)는 투과 빔의 경로 상에 위치하여 투과 빔을 가공 대상물(50)로 집속시킨다. 가공 대상물(50)에 조사된 투과 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 집속 렌즈(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된다. 그리고 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔이 빔 프로파일러(40)에 제공된다.

빔 프로파일러(40)는 복수의 전하결합소자(charge coupled device, CCD)를 내장한 수광 센서로서, 제공받은 레이저 빔의 프로파일을 측정한다. 이때 가공 대상물(50)은 집속 렌즈(30)와의 거리가 변하도록 움직일 수 있으며, 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 크기가 변한다. 빔 프로파일러(40)는 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따른 빔 프로파일(직경)의 변화를 측정한다.

도 1의 (a)는 가공 대상물(50)이 집속 렌즈(30)의 포커스 위치에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 평행 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터에서 분할된 반사 빔도 평행 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. (a)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔의 직경(포커스 직경)을 D_focus로 표시하였다.

도 1의 (b)는 가공 대상물(50)이 집속 렌즈(30)의 포커스 위치보다 앞쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 발산 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 발산 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. (b)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔의 직경을 D_front로 표시하였으며, D_front는 D_focus보다 큰 값을 가진다.

도 1의 (c)는 가공 대상물(50)이 집속 렌즈(30)의 포커스 위치보다 뒤쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 수렴 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 수렴 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. (c)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔의 직경을 D_back으로 표시하였으며, D_back은 D_focus보다 작은 값을 가진다.

도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 레이저 가공 방법은 빔 프로파일러(40)에서 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 측정하는 제1 단계(S10)와, 레이저 빔으로 제1 가공 대상물(51)을 가공하여 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 레이저 가공 방법은 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물(51)의 위치를 포커스 위치로 선정하여 포커스 직경을 구하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물(52)을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

제1 가공 대상물(51)은 포커스 직경을 구하기 위한 시험편(specimen)이며, 제2 가공 대상물(52)은 실제 가공이 이루어지는 제품이다. 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 한번 포커스 직경을 구한 다음에는 복수의 제2 가공 대상물(52)에 대해 포커스 직경을 다시 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 집속 렌즈의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 그리고 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시키고, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 데이터 저장부로 전송한다. 이때 레이저 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(51)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.

도 3은 도 2에 도시한 제1 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1과 도 3을 참고하면, 제1 가공 대상물(51)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 직경이 변한다. 즉 포커스 위치를 기준으로 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 앞쪽에 위치할수록 레이저 빔의 직경이 커지고, 포커스 위치보다 뒤쪽에 위치할수록 레이저 빔의 직경이 작아진다. 집속 렌즈(30)의 배율이 정해진 경우라도 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)의 포커스 위치(Z1)와 포커스 직경(D_focus)을 알 수 없다.

제2 단계(S20)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)에 레이저 빔을 조사하여 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 레이저 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다.

도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.

도 4의 (a)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 앞쪽에 있는 경우를 나타내고, (b)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 있는 경우를 나타낸다. 그리고 (c)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 뒤쪽에 위치하는 경우를 나타낸다. 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 가까울수록 가공 홈(55)은 작은 선폭을 가지며, 깊고 날카로운 단면 형상을 나타낸다. 도 4의 (b)에서 최소 가공 선폭을 d_min으로 나타내었다.

도 5는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참고하면, 제2 단계(S20)에서 측정되는 가공 선폭은 제1 가공 대상물(51)이 특정 위치(Z1)일 때 최소 값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가진다.

제3 단계(S30)에서는 제2 단계(S20)에서 측정한 가공 선폭의 데이터를 이용하여 가공 선폭이 최소가 되는 위치(Z1)를 포커스 위치로 선정한다. 그리고 제1 단계(S10)에서 측정한 레이저 빔의 직경 변화 데이터로부터 포커스 직경을 구한다. 즉 도 3의 그래프에서 Z1에 대응하는 레이저 빔의 직경을 포커스 직경(D_focus)으로 구한다.

제4 단계(S40)에서, 제2 가공 대상물(52)을 레이저 가공 장치에 장착하고, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시킨다. 그리고 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물(52)을 움직이며, 포커스 직경이 측정되는 위치(포커스 위치)에 제2 가공 대상물(52)을 정지시킨다. 이어서 포커스 위치에 놓여진 제2 가공 대상물(52)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 제2 가공 대상물(52)을 가공한다.

제3 단계(S30)에서 구한 포커스 직경(D_focus)과 포커스 위치(Z1)는 복수의 제2 가공 대상물(52)의 위치 선정에 동일하게 적용된다. 즉 제4 단계(S40) 이후 다른 제2 가공 대상물(52)을 가공하고자 할 때, 제4 단계(S40)에서 지정된 포커스 위치(Z1)에 제2 가공 대상물(52)을 바로 장착시키거나, 위치 조정이 필요한 경우 빔 프로파일러(40)에서 새로 장착된 제2 가공 대상물(52)에 대한 빔 프로파일을 측정하고, 포커스 직경(D_focus)이 측정되는 위치(Z1)에 제2 가공 대상물(52)을 정지시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 레이저 가공 장치(100) 및 방법에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(100)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 6을 참고하면, 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)는 미러(61)와 차단판(62)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

도 6을 참고하면, 미러(61)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔의 경로 상에 위치한다. 미러(61)와 빔 프로파일러(40)는 빔 스플리터(20)를 사이에 두고 도면의 수직 방향을 따라 나란히 위치한다. 차단판(62)은 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(30) 사이에 위치하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 투과 빔을 흡수한다. 차단판(62)은 포커스를 측정하는 단계에서만 선택적으로 위치한다.

미러(61)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)를 향해 재반사시키며, 빔 스플리터(20)에 제공된 반사 빔의 대부분은 빔 스플리터(20)를 투과하여 빔 프로파일러(40)에 입사한다. 따라서 빔 프로파일러(40)가 수광하는 레이저 빔은 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔이 아닌 미러(61)에서 반사된 레이저 빔이다.

제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)는 집속 렌즈(30)의 배율을 모르는 경우에 적용될 수 있으며, 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 가정할 수 있다.

전술한 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 실시예에서 가공 대상물(50)이 포커스 위치에 있을 때 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 평행 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 평행 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다.

따라서 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)에서 반사 빔의 발산각이 극히 작은 값을 가지거나 0으로 가정해도 무방할 경우, 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 가정할 수 있다.

도 7은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 레이저 가공 방법은 미러(61)를 이용하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)로 재반사시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(20)에 입사된 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계(S20)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제3 단계(S30)를 포함한다. 차단판(62)은 제1 단계(S10)와 제2 단계(S20)에서 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(30) 사이에 위치하며, 제3 단계(S30)에서는 레이저 가공 장치(200)에서 제거된다.

제1 단계(S10)와 제2 단계(S20)에서 미러(61)와 빔 프로파일러(40)를 이용하여 포커스 직경을 구한다. 제3 단계(S30)에서 가공 대상물(50)을 레이저 가공 장치(200)에 장착하고, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 움직인다. 그리고 포커스 직경이 측정되는 위치(포커스 위치)에 가공 대상물(50)을 정지시키고, 가공 대상물(50)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 가공 대상물(50)을 가공한다. 제2 단계(S20)에서 구한 포커스 직경과 포커스 위치는 복수의 가공 대상물(50)의 위치 선정에 동일하게 적용된다.

도 8은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 발산각을 고려한 경우를 나타낸 개략도이다. 도 8에서 차단판은 생략하였다.

도 8을 참고하면, 레이저 광원(10)에서 방출된 레이저 빔은 소정의 발산각을 가지며, 레이저 빔이 광원(10)에서 빔 스플리터(20)로 입사할 때, 빔 스플리터(20)에서 반사 빔으로 분리될 때, 미러(61)에서 반사 빔이 반사될 때, 빔 스플리터(20)를 투과한 레이저 빔이 빔 프로파일러(40)에 도달할 때 점진적으로 발산된다. 한편, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 집속 렌즈(30)에서 빔 스플리터(20)로 입사할 때, 빔 스플리터(20)에서 빔 프로파일러(40)로 입사할 때 점진적으로 수렴된다.

따라서 미러(61)를 통해 빔 프로파일러(40)에 입사한 레이저 빔의 직경(D_mirror)은 포커스 위치의 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔의 직경(D_specimen)과 다르며, D_mirror를 포커스 직경으로 가정할 수 없다. 레이저 빔의 발산각과 수렴각은 레이저 빔의 종류가 정해지면 알 수 있는 값이다. 빔 프로파일러(40)에 입사한 레이저 빔의 직경(D_mirror)과 레이저 빔의 발산각 및 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.

도 9는 도 8에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 8과 도 9를 참고하면, 레이저 가공 방법은 미러(61)를 이용하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)로 재반사시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에 입사된 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 측정하는 제2 단계(S20)와, 레이저 빔의 직경(D_mirror)과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

가공 대상물(50)이 포커스 위치에 존재하는 경우, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔의 경로는 가공 대상물(50)로 입사된 레이저 빔의 경로와 동일하다. 이 원리를 이용하여 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.

구체적으로, 제3 단계(S30)는 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(30) 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러(45)를 배치하고, 제2 빔 프로파일러(45)에 입사하는 레이저 빔의 직경을 계산하는 단계와, 계산된 제2 빔 프로파일러(45)의 레이저 빔 직경, 제2 빔 프로파일러(45)와 빔 프로파일러(40) 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 단계를 포함한다.

제2 단계(S20)에서 D_mirror를 측정하여 이 값을 알고 있고, 레이저 빔의 발산각도 알고 있으며, 광원(10)에서 제2 빔 프로파일러(45)에 이르는 광 경로 길이(광원(10)과 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 제2 빔 프로파일러(45) 사이의 거리 합)를 알고 있으므로, 이들로부터 가상의 제2 빔 프로파일러(45)에 입사하는 레이저 빔의 직경을 계산할 수 있다.

그리고 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이(제2 빔 프로파일러(45)와 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 빔 프로파일러(40) 사이의 거리 합)와 레이저 빔의 수렴각을 알고 있으므로, 이들로부터 빔 프로파일러(40)에 도달하는 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.

다른 한편으로, 광원(10)에서 빔 스플리터(40)에 이르는 레이저 빔의 경로를 직선으로 도식화하면 제2 단계(S20)에서 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 계산으로 구할 수 있다.

구체적으로, 광원(10)으로부터 직선 경로에 빔 스플리터(20), 미러(61), 빔 스플리터(20), 및 빔 프로파일러(40)를 차례로 배치하고, 각 부재들 사이의 거리를 도 8과 동일하게 설정하면, 레이저 빔의 발산각을 알고 있으므로 이로부터 빔 프로파일러(40)에 입사하는 레이저 빔의 직경(D_mirror)을 계산할 수 있다.

제4 단계(S40)에서 가공 대상물(50)을 레이저 가공 장치(200)에 장착한다. 그리고 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 움직이고, 포커스 직경이 측정되는 위치(포커스 위치)에 가공 대상물(50)을 정지시킨다. 이어서 포커스 위치에 놓여진 가공 대상물(50)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 가공 대상물(50)을 가공한다. 제3 단계(S30)에서 계산된 포커스 직경과 포커스 위치는 복수의 가공 대상물(50)의 위치 선정에 동일하게 적용된다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 10을 참고하면, 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(30) 사이에 제2 빔 프로파일러(45)가 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다. 제2 빔 프로파일러(45)는 포커스 직경을 계산할 때에만 선택적으로 위치하며, 가공 대상물(50)을 실제로 가공하는 단계에서는 생략된다.

도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 11을 참고하면, 레이저 가공 방법은 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(30) 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러(45)를 배치하는 제1 단계(S10)와, 제2 빔 프로파일러(45)에 입사한 레이저 빔의 직경을 측정하는 제2 단계(S20)와, 측정된 레이저 빔의 직경과 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

가공 대상물(50)이 포커스 위치에 존재하는 경우, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔의 경로는 가공 대상물(50)로 입사된 레이저 빔의 경로와 동일하다. 제3 단계(S30)에서는 제2 단계(S20)에서 측정한 레이저 빔의 직경과, 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이(즉 제2 빔 프로파일러(45)와 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 빔 프로파일러(40) 사이의 거리 합) 및 레이저 빔의 수렴각을 알고 있으므로, 이들로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 12를 참고하면, 제4 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 레이저 광원(10)과 빔 스플리터(20) 사이에 레이저 파워 조절부(70)가 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 12에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

도 13은 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.

도 13을 참고하면, 레이저 빔은 가우시안 형태를 이루며, 보통 레이저 진폭(Eo)을 자연상수 e로 나눈 지점(Eo/e)의 직경을 레이저 빔의 직경으로 정의한다. 도 13에서 w는 레이저 빔의 반경을 나타낸다. 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔의 직경을 정확하게 측정하기 위해서는 레이저 빔의 파워를 CCD의 임계값에 따라 최적으로 조절해 주어야 한다.

도 13의 (a)는 CCD의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워가 최적값을 가지는 경우 레이저 빔의 프로파일을 보여주고 있다. (b)는 레이저 빔의 파워가 최적값보다 큰 경우를 나타내고, (c)는 레이저 빔의 파워가 최적값보다 작은 경우를 나타낸다. 같은 레이저 광원(10)을 사용하는 경우라도 레이저 빔의 파워에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 직경이 다르게 된다.

다시 도 12를 참고하면, 레이저 파워 조절부(70)는 레이저 빔의 피크 값이 빔 프로파일러(40)를 구성하는 CCD의 임계값과 동일하도록 레이저 빔의 파워를 조절하는 작용을 한다. 따라서 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 그 결과 포커스 측정과 레이저 가공의 정밀도를 높일 수 있다.

레이저 파워 조절부(70)는 제1 선형 편광판(71)과 반파장판(half-wave plate)(72) 및 제2 선형 편광판(73)을 포함할 수 있다. 제1 선형 편광판(71)은 제공받은 레이저 빔을 자신의 광축과 나란한 선형 편광으로 변환시키고, 반파장판(72)은 제공받은 선형 편광을 180도 위상 지연시킨다. 제2 선형 편광판(73)은 반파장판(72)을 투과한 레이저 빔 중 자신의 광축과 나란한 선형 편광 성분만을 투과시킨다.

제1 선형 편광판(71)의 광축과 제2 선형 편광판(73)의 광축이 교차하는 각도에 따라 레이저 빔의 파워를 적절하게 조절할 수 있다. 두 개의 선형 편광중(71, 73) 하나는 생략 가능하다.

다른 한편으로, 레이저 파워 조절부(70)는 전술한 구성 대신 단일 또는 복수개의 중성 농도(neutral density, ND) 필터(도시하지 않음)로 구성될 수 있다. ND 필터는 입사광의 스펙트럼 특성을 변화시키지 않고 휘도 만을 감소시키는 필터로서, 레이저 빔의 파워를 CCD의 임계값에 맞게 적절하게 낮출 수 있다.

전술한 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)에 레이저 파워 조절부(70)가 추가되는 경우, 도 2에 도시한 레이저 가공 방법에서 제1 단계(S10)를 수행하기 이전, 빔 프로파일러(40)의 CCD 임계값에 맞추어 레이저 빔의 파워를 조절하는 단계가 추가된다.

전술한 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)에 레이저 파워 조절부(70)가 추가되는 경우, 도 7에 도시한 레이저 가공 방법 및 도 9에 도시한 레이저 가공 방법에서 제1 단계(S10)를 수행하기 이전, 빔 프로파일러(40)의 CCD 임계값에 맞추어 레이저 빔의 파워를 조절하는 단계가 추가된다.

도 14는 본 발명의 제5 실시예에 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 14를 참고하면, 제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 편광이 있는 레이저 빔을 사용함과 더불어 빔 스플리터(20)와 집속 렌즈(40) 사이에 1/4 파장판(quarter-wave plate)(80)이 추가되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예 중 어느 한 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 14에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

레이저 광원(10)에서 방출되는 레이저 빔은 P파와 S파를 포함하며, 이때 P파의 광량은 S파의 광량보다 높다. 빔 스플리터(20)는 전술한 실시예들과 달리 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킨다. 즉 P파를 투과시키고 S파를 반사시키는 빔 스플리터(20)가 사용될 수 있다. 1/4 파장판(80)은 제공받은 레이저 빔을 90도 위상 지연시킨다.

보다 구체적으로, 빔 스플리터(20)를 투과한 P파는 1/4 파장판(80)을 통과하면서 특정 방향의 원 편광으로 변환되고, 집속 렌즈(30)를 거쳐 가공 대상물(50)에 도달한다. 원 편광된 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사될 때 반대 방향의 원 편광으로 변환되며, 1/4 파장판(80)을 통과하면서 S파로 변환된다. 그리고 빔 스플리터(20)에 제공된 S파는 빔 스플리터(20)에서 반사되어 빔 프로파일러(40)에 입사한다.

제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 전술한 실시예들 대비 편광이 있는 레이저 빔과, 레이저 빔의 편광에 따라 투과 빔과 반사 빔을 나누는 빔 스플리터(20)와, 제공받은 레이저 빔을 90도 위상 지연시키는 1/4 파장판(80)을 사용하는 것을 특징으로 한다.

따라서 제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 전술한 실시예들 대비 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 세기를 높일 수 있으므로, 측정 효율을 높일 수 있고, 레이저 빔의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200, 300, 400, 500: 레이저 가공 장치
10: 레이저 광원 20: 빔 스플리터
30: 집속 렌즈 40: 빔 프로파일러
50, 51, 52: 가공 대상물 61: 미러
62: 차단판 70: 레이저 파워 조절부
80: 1/4 파장판

Claims

레이저 광원;
상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 집속 렌즈;
상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 집속 렌즈와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러; 및
상기 빔 스플리터와 상기 집속 렌즈 사이에 선택적으로 배치되는 제2 빔 프로파일러
를 포함하는 레이저 가공 장치.
삭제
제1항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 측정하는 제1 단계;
레이저 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계;
상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하여 포커스 직경을 구하는 제3 단계; 및
상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1 가공 대상물은 시험편이고, 상기 제2 가공 대상물은 실제 가공이 이루어지는 제품이며,
상기 제3 단계에서 구한 포커스 직경과 포커스 위치는 복수의 제2 가공 대상물의 위치 선정에 동일하게 적용되는 레이저 가공 방법.
제1항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
상기 빔 스플리터와 상기 집속 렌즈 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러를 배치하는 제1 단계;
상기 제2 빔 프로파일러에 입사한 레이저 빔의 직경을 측정하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 측정된 레이저 빔의 직경과 상기 제2 빔 프로파일러에서 상기 빔 프로파일러에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계; 및
상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
레이저 광원;
상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
상기 반사 빔을 제공받아 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 미러;
상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 집속 렌즈;
상기 레이저 빔을 이용한 포커스 측정 시에 상기 빔 스플리터와 상기 집속 렌즈 사이에 위치하고, 상기 레이저 빔을 이용한 실제 가공 시에 제거되는 차단판; 및
상기 미러에서 반사되어 상기 빔 스플리터를 통과한 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 프로파일을 측정하는 빔 프로파일러
를 포함하는 레이저 가공 장치.
제6항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
상기 미러를 이용하여 상기 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계;
상기 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔의 직경을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계;
상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제3 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제6항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
상기 미러를 이용하여 상기 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계;
상기 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔의 직경을 측정하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 측정된 레이저 빔의 직경과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계;
상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제8항에 있어서,
상기 제3 단계는,
상기 빔 스플리터와 상기 집속 렌즈 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러를 배치하고, 제2 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔의 직경을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 상기 제2 빔 프로파일러의 레이저 빔의 직경, 상기 제2 빔 프로파일러와 상기 빔 프로파일러 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 레이저 광원은 무질서 편광 상태의 레이저 빔을 방출하고,
상기 빔 스플리터는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시키는 레이저 가공 장치.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 레이저 광원은 P파와 S파를 포함하는 레이저 빔을 방출하고,
상기 빔 스플리터는 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시키는 레이저 가공 장치.
제11항에 있어서,
상기 빔 스플리터와 상기 집속 렌즈 사이에 위치하는 1/4 파장판을 더 포함하는 레이저 가공 장치.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 레이저 광원과 상기 빔 스플리터 사이에 위치하는 레이저 파워 조절부를 더 포함하며,
상기 레이저 파워 조절부는 상기 빔 프로파일러를 구성하는 전하결합소자(CCD)의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워를 조절하는 레이저 가공 장치.
제13항에 있어서,
상기 레이저 파워 조절부는 적어도 하나의 선형 편광판과 반파장판을 포함하거나, 적어도 하나의 중성 농도 필터를 포함하는 레이저 가공 장치.