KR101482784B1

KR101482784B1 - 고속 레이저 가공 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101482784B1
Application number: KR20130062107A
Authority: KR
Inventors: 허진
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2015-01-16
Also published as: WO2014193134A1; KR20140141792A

Abstract

레이저 가공 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공 방법 및 장치는, 스테이지에 가공 대상물을 탑재하고, 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 렌즈로 집광하여 탑재된 가공 대상물에 조사하며, 스테이지와 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 가공 대상물을 가공한다.

Description

고속 레이저 가공 방법 및 장치{Method and apparatus for high speed laser processing}

레이저 가공 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공 속도를 증대시킬 수 있는 고속 레이저 가공 방법 및 장치에 관한 것이다.

레이저 가공은 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 집광 렌즈로 포커싱하여 가공 대상물에 조사되는 위치를 변화시키면서 진행된다. 이러한 레이저 가공을 위해, 가공 대상물은 스테이지에 탑재되며, 스테이지를 이동시키거나, 집광 렌즈를 이동시켜, 레이저빔이 가공 대상물에 조사되는 위치를 변화시키게 된다.

이러한 레이저 가공 방식에서, 가공 속도는 스테이지나 집광 렌즈의 이동 속도에 한정될 수밖에 없다.

가공 대상물이 탑재되는 스테이지의 이동 속도나 집광 장치의 이동 속도보다 가공 속도를 증대시킬 수 있는 고속 레이저 가공 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 방법은, 스테이지에 가공 대상물을 탑재하는 단계와; 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 장치로 집광하여 탑재된 상기 가공 대상물에 조사하는 단계와; 상기 스테이지와 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 상기 가공 대상물을 가공하는 단계;를 포함한다.

상기 레이저 광원부는 위치가 고정될 수 있다.

상기 가공 대상물을 가공하는 단계에서, 상기 스테이지와 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시킬 수 있다.

상기 집광 장치를 이동시키는 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면에 조정용 레이저빔을 조사하는 단계와; 상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여 상기 집광 장치를 롤링 축을 중심으로 조정하여 집광 장치 이동부의 롤링을 상쇄하거나 롤링 축 및 피칭 축을 중심으로 조정하여 집광 장치 이동부의 롤링 및 피칭을 상쇄하는 단계;를 더 포함하여, 레이저 가공 동안 롤링이나 피칭에 기인한 가공 오차를 줄이도록 마련될 수 있다.

상기 조정용 레이저빔은, 상기 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 빔분할기를 이용하여 일부 분할하여 얻어진 빔일 수 있다.

상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 단계와; 상기 가공용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여, 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 조정하여 상기 집광 장치 이동부가 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동함으로서 발생하는 가공 오차를 줄이는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 단계와; 상기 가공용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여, 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 조정하여 상기 집광 장치를 이동시키는 집광 장치 이동부가 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동함으로서 발생하는 가공 오차를 줄이는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 광원부에 대해 위치 고정된 광센서로 가공용 레이저빔을 수광하는 단계와; 상기 가공용 레이저빔이 상기 광센서의 중심에 오도록 오차 상쇄 미러를 회전시키는 단계;를 포함하며, 포인팅 안정도가 향상된 가공용 레이저빔으로 가공이 이루어지도록 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는, 가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와; 가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와; 상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와; 가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와; 가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기 레이저 광원부는 위치가 고정될 수 있다.

상기 집광 장치 이동부 및 스테이지는 상기 가공 대상물과 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시키도록 마련될 수 있다.

상기 집광 장치에 탑재되며, 상기 레이저 광원부로부터 입사되는 가공용 레이저빔을 집광 장치쪽으로 진행하도록 광경로를 대략 90도 방향으로 꺾어주는 미러 부재;를 더 포함할 수 있다.

상기 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면과; 상기 기준면에 조정용 레이저빔을 제공하는 조정광빔 제공부와; 상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔을 검출하는 제1광센서와; 상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제1광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 기준면에서 반사되는 조정용 레이저빔이 상기 제1광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 롤링 축을 중심으로 조정하는 롤링 상쇄 장치;를 더 포함할 수 있다.

상기 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면과; 상기 기준면에 조정용 레이저빔을 제공하는 조정광빔 제공부와; 상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔을 검출하는 제1광센서와; 상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제1광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 기준면에서 반사되는 조정용 레이저빔이 상기 제1광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 롤링 축 및 피칭 축을 중심으로 조정하는 롤링 및 피칭 상쇄 장치;를 더 포함할 수 있다.

상기 조정광빔 제공부는, 상기 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 일부 분할하여 조정용 레이저빔을 얻도록 된 빔분할기일 수 있다.

상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 제2광센서와; 상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제2광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 가공용 레이저빔이 상기 제2광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동시키는 오차 상쇄 직진 장치;를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 광원부에 대해 위치 고정되어 가공용 레이저빔을 수광하는 제3광센서와; 상기 가공용 레이저빔이 상기 제3광센서의 중심에 오도록 회전되는 오차 상쇄 미러;를 더 포함하여, 포인팅 안정도가 향상된 가공용 레이저빔으로 가공이 이루어지도록 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 방법 및 장치에 따르면, 스테이지에 탑재된 가공 대상물과 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 가공 대상물을 레이저 가공한다. 이와 같이, 레이저빔의 이동 방향과 가공 대상물(W)의 이동 방향을 반대로 함으로써, 레이저빔의 이동 속력과 가공 대상물(W)의 이동 속력을 더한 속력으로 레이저 가공이 가능하다. 따라서, 스테이지에 탑재된 가공 대상물의 이동 속도나 집광 장치의 이동 속도보다 가공 속도를 크게 증대시킬 수 있다.

또한, 레이저빔의 이동시 집광 장치 이동부의 원치 않는 롤링 오차, 롤링 및 피칭 오차 및 가공 축에 크로스되는 방향 예컨대, x축 방향 이동 오차를 동적으로 제거함으로써 고정도 레이저 가공을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치의 전체 시스템을 개략적으로 보여준다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고속 레이저 가공 장치의 동작 상태를 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치를 개략적으로 보여준다.
도 4는 4분할 광센서를 개략적으로 보여준다.
도 5는 도 4의 4분할 광센서의 감도를 예시적으로 보여준다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 방법 및 장치를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위해 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치의 전체 시스템을 개략적으로 보여준다. 도 1에서는 고속 레이저 가공 장치의 가공 축 방향이 y축과 나란한 방향인 경우를 예시한다. 이하에서는 가공 축 방향이 y축 방향과 나란한 것으로 예를 들어 설명한다.

도 1을 참조하면, 고속 레이저 가공 장치는, 가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부(10)와, 상기 레이저 광원부(10)로부터 제공되는 가공용 레이저빔을 가공 대상물(W)에 집광시키는 집광 장치(50)와, 상기 집광 장치(50)을 x,y 평면내에서 적어도 일축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부(30)와, 가공 대상물(W)이 탑재되는 스테이지(70)와, 상기 집광 장치 이동부(30)와 스테이지(70) 및 레이저 광원부(10)를 제어하는 제어부(90)를 포함하여 구성된다.

상기 레이저 광원부(10)는 가공용 레이저빔을 출사하는 레이저 광원(11)을 포함하며, 가공 대상물(W)에 적절한 가공 레이저빔을 조사할 수 있도록 다양한 광학적 구성을 가질 수 있다. 상기 레이저 광원부(10)는 위치가 고정될 수 있다.

상기 집광 장치(50)는 적어도 1개 이상의 집광 렌즈(55)를 포함하며 입사되는 레이저빔을 가공 대상물(W)의 소정 위치에 집광시킨다. 상기 집광 장치(50)는 레이저 광원부(10)로부터 입사되는 가공용 레이저빔을 집광 렌즈(55)쪽으로 진행하도록 광경로를 대략 90도 방향으로 꺾어주는 미러 부재(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 집광 렌즈(55)로는, 상기 미러 부재(40)에서 반사되어 입사되는 가공용 레이저빔을 가공 대상물(W)에 집광시키는 텔레센트릭 렌즈를 구비할 수 있다. 이와 같이 집광 렌즈(55)로 텔레센트릭 렌즈를 구비하는 경우, 소정 각도 범위 이내로 입사되는 레이저 빔을 가공 대상물(W)에 수직으로 입사시킬 수 있다. 여기서, 상기 집광 장치(50)의 집광 렌즈(55)로는 입사 각도에 따라 집광점의 위치가 선형적으로 결정되는 에프-세타 텔레센트릭 렌즈를 구비할 수도 있다.

상기 집광 장치 이동부(30)는, 집광 장치(50)를 가공 방향인 y축을 포함하여 적어도 1개 이상의 방향으로 이동시키도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 집광 장치 이동부(30)는 레이저 가공에 의해 형성할 가공 라인과 나란한 방향으로 집광 장치(50)를 이동시키도록 마련될 수 있다. 도 1에서는 가공 라인(즉, 가공 축)이 y축에 나란하고, 하나의 가공 라인을 따르는 레이저 가공시, 집광 장치(50) 및 가공 대상물(W)이 y축을 따라 서로 반대 방향으로 움직이도록 된 경우를 예시적으로 보여준다. 가공 라인이 x축에 나란한 경우, 집광 장치(50) 및 가공 대상물(W)은 x축을 따라 서로 반대 방향으로 움직이도록 마련될 수 있다.

상기 집광 장치 이동부(30)에는 미러 부재(40)를 포함하는 집광 장치(50)가 탑재될 수 있다. 즉, 집광 장치 이동부(30)에는 미러 부재(40)와 집광 장치(50)가 탑재될 수 있다.

이때, 상기 미러 부재(40)는 레이저 광원부(10)로부터 입사되는 가공용 레이저빔을 편향시키는 스캐너로서 마련될 수도 있다. 이와 같이 미러 부재(40)로 스캐너를 사용하는 경우, 필요에 따라 가공 대상물(W)에 레이저빔을 조사하는 위치를 보다 정밀하게 조정할 수 있다.

상기와 같이, 집광 장치 이동부(30)에 미러 부재(40)를 포함하는 집광 장치(50)를 탑재하여 레이저 광원부(10)로부터 입사되는 가공용 레이저빔을 미러 부재(40)에 의해 대략 90도 방향으로 꺾어 집광 렌즈로 입사시키므로, 집광 장치 이동부(30)에 의해 집광 장치(50)가 x,y 평면내에서 일 축 방향 예컨대, y축을 따라 이동되어도, 가공용 레이저빔이 집광 장치(50)의 입사 렌즈면에 입사되는 위치는 일정하며, 집광 장치(50)에 의해 집속되어 가공 대상물(W)에 조사될 수 있다.

여기서, 집광 장치(50)에 미러 부재(40)를 구비하는 대신에, 집광 장치 이동부(30)에 의한 집광 장치(50)의 x,y 평면내에서 일축 방향을 따른 이동에 맞추어 레이저빔의 위치를 변경하여 집광 장치(50)로 입사시킬 수 있도록 레이저 광원부(10)를 구성할 수도 있다.

상기 스테이지(70)에는 가공 대상물(W)이 탑재된다. 스테이지(70)에는 가공 대상물(W)을 고정할 수 있는 고정구조물(미도시)이 마련될 수 있다. 상기 고정구조물은 예를 들어 진공 척(chuck)일 수 있다. 스테이지(70)는 가공 대상물(W)을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 스테이지(70)는 가공 대상물(W)을 x,y축 방향 또는, x,y,z 축 방향으로 이동 및 z축을 중심으로 회전시키도록 마련될 수 있다.

예를 들어, x,y축 중 어느 한 축 예컨대, y축이 가공 라인과 나란할 때, 상기 집광 장치 이동부(30)는 집광 장치(50)를 y축을 따라 이동시키도록 마련되며, 스테이지(70)는 일 가공 라인을 따라 레이저 가공시에는 y축 방향으로 가공 대상물(W)을 움직일 수 있다. 물론, 스테이지(70)는 가공 라인을 변경할 때에는 가공 대상물(W)을 x축 방향으로 위치 이동시킬 수 있다. 이와 같이, 집광 장치 이동부(30)가 집광 장치(50)를 가공 라인과 나란 방향으로 이동시킬 수 있도록 마련된 경우, 집광 장치 이동부(30)와 스테이지(70)는 집광 장치(50)와 가공 대상물(W)을 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대 방향으로 이동시키면서, 레이저 가공을 진행하는 것이 가능하게 된다.

상기 제어부(90)는, 가공 대상물(W)에 레이저빔을 조사하여 가공시, 가공 대상물(W)과 집광 장치(50)가 서로 반대 방향으로 이동하도록 집광 장치 이동부(30)와 스테이지(70)를 제어한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치에 따르면, 먼저, 스테이지(70)에 가공 대상물(W)을 탑재하고, 레이저 광원부(10)로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 장치(50)로 집광하여 탑재된 가공 대상물(W)에 조사한다. 그리고, 상기 가공 대상물(W)과 집광 장치(50)를 서로 반대방향으로 이동시키면서 가공 대상물(W)을 가공한다.

이때, 스테이지(70)와 집광 장치(50)는 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동하게 된다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 고속 레이저 가공 장치의 동작 상태를 보여준다. 도 2a는 도 1에서 가공 대상물(W)의 A 지점을 가공 할 때를 보여주며, 도 2b는 도 1에서 가공 대상물(W)의 B 지점을 가공할 때를 보여준다.

A 지점에서 B 지점까지의 가공 라인 길이를 L이라 할 때, 예를 들어, 집광 장치(50)와 가공 대상물(W)이 동일 속력으로 서로 반대방향으로 움직인다면, 가공 라인 길이 L을 레이저 가공하는데, 집광 장치(50)는 고정되어 있고 가공 대상물(W)만이 이동하는 경우에 비해, 가공 시간이 절반으로 줄어들므로, 가공 속도는 2배로 향상되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 방법 및 장치에 따르면, 스테이지(70)에 탑재되는 가공 대상물(W)과 가공용 레이저빔을 포커싱하여 가공 대상물(W)에 조사하는 집광 장치(50)를 서로 반대 방향으로 움직임으로써, 가공 속도를 적어도 배 이상으로 증대시킬 수 있다. 즉, 레이저빔의 이동 방향과 가공 대상물(W)의 이동 방향을 반대로 함으로써, 레이저빔의 이동 속력과 가공 대상물(W)의 이동속력을 더한 속력으로 레이저 가공이 가능하다. 가공 대상물(W)이 탑재되는 스테이지(70)는, 가속, 등속, 감속 구간들을 가지며 정해진 동작 범위 (예컨대, 약 1미터)에서 등속 구간의 최대 속력에 한계가 있다. 가공 대상물(W)에 조사되는 레이저빔의 이동을 위한 집광 장치 이동부(30)와 가공 대상물(W)의 이동을 위한 스테이지(70)가 서로 반대 방향으로 움직임으로서 상대속도를 증대시켜 가공속도를 증대시킬 수 있다.

실질적으로 집광 장치 이동부(30)가 스테이지(70)에 비해 전체 무게가 작을 수 있기 때문에, 집광 장치 이동부(30)의 이동 속력을 스테이지(70) 이동 속력에 비해 빠르게 할 수 있어, 레이저 가공 속도를 스테이지(70)만을 이동시킬 때에 비해 2배 또는 그 이상으로 증대시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 방법 및 장치에 따르면, 가감속 약 2배 이상, 등속구간 최대 약 2배 이상, 등속구간 길이 약 2배를 실현할 수 있다. 또한 집광 장치 이동부(30)와 스테이지(70)가 서로 반대로 움직이기 때문에, 가감속시 진동 요소를 크게 감소시킬 수 있다. 즉, 집광 장치 이동부(30)와 스테이지(70)가 서로 반대로 움직일 때, 진동은 대략적으로 "(가공 대상물을 포함하는 스테이지의 질량 - 집광 렌즈 이동부 질량)/가공 대상물을 포함하는 스테이지의 질량"으로 주어질 수 있다. 따라서, (가공 대상물을 포함하는 스테이지의 질량 - 집광 렌즈 이동부 질량)을 거의 0(zero)으로 하면, 가속도를 증가시켜도 진동은 크게 줄어들 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치에 따르면, 고속으로 레이저 가공이 가능하지만, 집광 장치(50)가 완전한 직선 운동을 하지 않음으로써 발생하는 가공 오차나, 집광 장치(50)가 집광 장치 이동부(30)의 이동 축에 평행한 롤링축을 기준으로 회전 진동하는 롤링에 의해 가공 오차, 또는 롤링 뿐만 아니라 이동 축에 수직한 피치 축을 기준으로 회전 진동하는 피치에 의해 가공 오차가 초래될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는, 도 3에서와 같이, 이러한 가공 오차를 줄이도록 변경될 수 있으며, 이러한 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는 고속으로 고정도(high precision)로 레이저 가공을 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치를 개략적으로 보여준다. 도 3에서는, 집광 장치(50)가 완전한 직선 운동을 하지 않음으로써 발생하는 가공 오차, 집광 장치(50)가 집광 장치 이동부(30)의 이동 축에 평행한 롤링축을 기준으로 회전 진동하는 롤링에 의해 초래되는 가공 오차, 롤링 뿐만 아니라 이동 축에 수직한 피칭 축을 기준으로 회전 진동하는 피칭에 의해 초래될 수 있는 가공 오차를 줄일 수 있는 구성을 모두 포함하는 경우를 보여주나, 이는 예시적으로 보인 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는, 필요에 따라 이러한 집광 장치(50)의 비 직선 운동, 롤링 및 피칭에 의해 초래될 수 있는 가공 오차 중 적어도 어느 하나를 줄일 수 있는 구성을 포함할 수 있으며, 이러한 다양한 변형예는 도 3으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 여기서는 변형예들에 대해서는 그 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는, 롤링에 의한 가공 오차를 극복하도록, 집광 장치 이동부(30)의 이동 방향과 평행한 기준면(45), 기준면(45)에 조정용 레이저빔을 조사하는 조정광빔 제공부(53)와, 제1광센서(54)를 더 포함할 수 있다. 또한, 집광 장치 이동부(30)에 제1상쇄 장치(31)를 더 포함할 수 있다. 상기 조정광빔 제공부(53) 및 제1광센서(54)는 집광 장치(50)에 마련될 수 있다. 상기 제1광센서(54)는 롤링 제어를 위해 2분할 광센서 또는 4분할 광센서를 구비할 수 있다. 또한, 상기 제1광센서는 롤링 및 피칭 제어를 위해 4분할 광센서를 구비할 수 있다.

상기 조정 광빔 제공부(53)는 가공용 레이저빔의 일부를 조정용 레이저빔으로 사용하도록 마련될 수 있다. 즉, 조정 광빔 제공부(53)는 레이저 광원부(10)로부터 출력되는 가공용 레이저빔의 광로 상에 배치된 빔 분할기일 수 있다. 이러한 조정 광빔 제공부(53)는 가공용 레이저빔의 일부를 반사시켜 기준면(45)을 향하도록 할 수 있다.

롤링에 의한 오차를 극복하기 위한 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 제1상쇄 장치(31)는 롤링 상쇄 장치로서 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1상쇄 장치(31)는 롤링 상쇄 장치로서 제1광센서(54)의 검출신호를 이용하여 제어된다. 상기 제1상쇄 장치(31)는, 조정광빔 제공부(53)에서 출사되어 기준면(45)에서 반사되는 레이저빔을 제1광센서(54)의 중심에 도착하도록 집광 장치(50)를 롤링 축을 중심으로 기울인다(회전시킨다). 조정광빔 제공부(53)에서 출사되어 기준면(45)에서 반사되는 레이저빔이 집광 장치 이동부(30)의 롤링에 의해 제1광센서(54)의 중심에서 미세하게 벗어나면 2분할 또는 4분할 광센서인 제1광센서(54)의 좌우 광량차에 의한 롤링 오차 전압이 발생한다. 롤링 오차 전압을 증폭하여 제1상쇄 장치(31)를 구동하되 롤링 오차 전압이 0이 되도록 제1상쇄 장치(31)를 제어함으로써 집광 장치 이동부(30)의 롤링을 상쇄하여 가공 축에 크로스되는 방향 예컨대, x축 방향 가공 오차를 없앨 수 있다.

롤링 및 피칭에 의한 오차들을 극복하기 위한 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 제1상쇄장치(31)는 롤링 및 피칭 상쇄 장치로서 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1상쇄 장치(31)는 롤링 및 피칭 상쇄 장치로서 제1광센서(54)의 검출신호를 이용하여 제어된다. 상기 제1상쇄 장치(31)는 조정광빔 제공부(53)에서 출사되어 기준면(45)에서 반사되는 레이저빔이 제1광센서(54)의 중심에 도착하도록 집광장치(50)를 롤링축 및 피칭축을 중심으로 기울인다(회전시킨다). 조정광빔 제공부(53)에서 출사되어 기준면(45)에서 반사되는 레이저빔이 집광 장치 이동부(30)의 롤링 및 피칭에 의해 제1광센서(54)의 중심에서 미세하게 벗어나면 제1광센서(54)의 좌우 광량차에 의한 롤링 오차 전압 및 상하 광량차에 의해 피치 오차 전압이 발생한다. 롤링 오차 전압 및 피칭 오차 전압 각각을 증폭하여 제1상쇄 장치(31)의 롤링 및 피칭 채널을 각각 구동하되 롤링 오차 전압 및 피칭 오차 전압 각각 0이 되도록 제1상쇄장치(31)를 제어함으로써 집광 장치 이동부(30)의 롤링 및 피칭을 상쇄하여 롤링에 의한 x축 방향 가공 오차 및 피칭에 의한 z축 방향 가공 오차들을 없앨 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 가공 축을 y축과 나란하다고 가정할 때, 집광 장치(50)가 원치 않는 x 방향이나 x 및 z 방향으로 직진 이동함으로써 발생하는 가공 오차를 극복하도록, 집광장치(50)에 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 제2광센서(56)을 더 포함하고, 집광 장치 이동부(30)에 오차 상쇄 직진 장치(33)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2광센서(56)는 x방향 오차 검출용 2분할 또는 4분할 광센서이거나, x 및 z 방향 오차 검출용 4분할 광센서일 수 있다. 가공용 레이저빔의 일부가 제2광센서(56)로 향하도록 미러부재(40)는 입사되는 빔의 일부를 투과시키도록 마련될 수 있다.

집광 장치(50)가 원치 않는 x 방향 즉, 가공축에 크로스되는 방향으로 이동함으로써 발생하는 가공 오차를 극복하기 위한 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는 x축 방향 오차 상쇄 직진 장치로서 구성될 수 있다. 즉, 상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는 x축 방향 오차 상쇄 직진 장치로서 제2광센서(56)의 검출신호를 이용하여 제어된다. 상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는, 가공용 레이저빔의 일부가 x방향 오차 검출용 2분할 또는 4분할 광센서로 마련된 상기 제2광센서(56)의 중심에 수신되도록 집광 장치(50)를 가공축에 크로스되는 방향 예컨대, x축을 따라 직진 이동시킨다.

집광 장치 이동부(30)가 가공 축 즉, y축을 따라 이동하면서 x 방향으로 미세하게 움직여서 가공용 레이저빔이 제2광센서(56)의 중심에서 벗어나게 되면 제2광센서(56) 좌우 광량차에 의한 x 방향 오차 전압이 발생하게 된다. x 방향 오차 전압은 증폭되어 오차 상쇄 직진 장치(33)를 구동하는데 사용되며 오차 상쇄 직진 장치(33)는 x 방향 오차 전압이 0이 되도록 x축 방향을 따라 집광 장치(50)을 이동시킨다.

집광 장치(50)가 원치 않는 x 및 z 방향으로 이동함으로써 발생하는 가공 오차를 극복하기 위한 장치 구성 원리를 설명하면 다음과 같다.

상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는 x축 및 z축 방향 오차 상쇄 직진 장치로서 구성될 수 있다. 즉, 상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는 x축 및 z축 방향 오차 상쇄 직진 장치로서 제2광센서(56)의 검출신호를 이용하여 제어된다. 상기 오차 상쇄 직진 장치(33)는 가공용 레이저빔의 일부가 x축 방향 오차 및 z축 방향 오차 검출용 4분할 광센서로 마련된 제2광센서(56)의 중심에 수신되도록 집광 장치(50)를 가공축에 크로스되는 x축 및 z축을 따라 각각 직진 이동시킨다. 집광 장치 이동부(30)가 y축을 따라 이동하면서 x 및 z 방향으로 미세하게 움직여서 가공용 레이저빔의 일부가 제2광센서(56)의 중심에서 벗어나게 되면 제2광센서(56)의 좌우 광량차에 의해 x 방향 오차 전압이 발생하게 되고 상하 광량차에 의해 z 방향 오차 전압이 발생하게 된다. x 방향 및 z 방향 오차 전압들은 증폭되어 각각 x 방향 오차 및 z 방향 오차를 상쇄하도록 상기 오차 상쇄 직진 장치(33)를 구동하는데 사용되며, x 축 및 z 방향 오차 전압들이 각각 0이 되도록 x축 및 z축 방향들을 따라 집광 장치(50)을 직진 이동시킨다.

여기서, 상기 제2광센서(56)의 크기는 반사되어 도착한 가공용 레이저빔의 크기보다 크고, 그 분할 간격들은 반사되어 도착한 가공용 레이져빔의 크기보다 작은 것이 정확도 향상에 요구된다.

도 4는 4분할 광센서를 개략적으로 보여주며, 도 5는 도 4의 4분할 광센서의 감도를 예시적으로 보여준다.

대략 355nm 파장에서 약 0.11mA/mW 감도를 가지는 4분할 광센서의 중심으로부터 5mW의 원형 레이져빔이 1um 정도 벗어났을 때 발생하는 좌우 광량차를 계산하면 다음과 같다.

원형빔을 같은 크기의 사각빔으로 근사하면 1um 정도 벗어났을 때 발생하는 좌우 광량차는 대략 0.004727mW/um(전압으로 나타내면, 53.99571mV/um)이고, 이 광량차에 의한 x 방향 오차 전류는 예컨대, 약 0.0005199mA이다. 따라서, 검지용 100k 오옴 저항 Rf 양단의 x 방향 오차 전압은 약 52.0 mV 정도로 계산된다.

통상 x 방향 오차 전압을 증폭하여 오차 전압을 0이 되도록 x 방향 오차 상쇄 장치를 피드백 제어하는 디지털 제어 방식에서, x 방향 오차 상쇄 장치의 최소 이동 전압이 예컨대, 약 0.1mV이면 x 방향 오차는 약 2nm 이내로 제어될 수 있다. 오차 전압을 100배 증폭하여 오차 전압을 0이 되도록 상용 x 오차 상쇄 장치를 피드백 제어하는 아날로그 제어 방식에서는 디지털 제어 방식의 x 오차는 100배 작은 0.02nm 이내가 된다.

한편, 레이저빔의 방향 변화 최대값은 포인팅 안정도(pointing stability)로 나타내는데, 통상 50urad 수준이다. 따라서, 레이저빔을 이용하는 본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치도, 레이저빔의 방향 변화에 따라 오차를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 레이저 가공 장치는, 도 3에서와 같이, 이러한 가공용 레이저빔의 방향 변화를 최소화하기 위해, 가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부(10)에 위치가 고정된 레이저 광원(11) 외에 고정된 포인팅 오차 검출용 4분할 제3광센서(12)와, 서로 수직한 2개의 고정된 축들을 중심으로 회전 가능한 포인팅 오차 상쇄 미러(13)와, 고정된 레이져 광원(11)에서 출사되어 포인팅 오차 상쇄 미러(13)에 의해 반사된 가공용 레이저빔의 일부가 고정된 포인팅 오차 검출용 4분할 제3광센서(12)의 중심에 오도록 포인팅 오차 상쇄 미러(13)를 회전시키는 포인팅 오차 상쇄부(14)를 더 포함할 수 있다. 또한, 레이저 광원(11)에서 출사된 가공용 레이저빔의 대부분은 집광 장치(50)로 향하고, 일부만이 4분할 제3광센서(12)로 수신되도록 하는 빔 분할기(15)를 더 포함할 수 있다.

가공용 레이저빔의 방향 변화를 극소화하여 포인팅 안정도가 향상된 가공용 레이저빔으로 레이저 가공을 하기 위한 장치의 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.

고정된 레이져 광원(11)에서 출사되는 레이저빔의 방향이 변화함에 따라 가공용 레이저빔의 일부가 고정된 포인팅 오차 검출용 4분할 제3광센서(12)의 중심에서 벗어나게 되어 상하 및 좌우 오차 광량차들이 생긴다. 이 광량차들에 상응하는 상하 및 좌우 오차 전압들을 각각 증폭하여 포인팅 오차 상쇄 미러(13)의 상하 및 좌우 채널들을 각각 구동하여 상하 및 좌우 오차 전압들을 0이 되도록 하면, 포인팅 오차 상쇄 미러(13)에 의해 반사된 가공용 레이저빔의 방향 변화가 극소화되거나 없어지도록 할 수 있다.

디지털 제어에서, 포인팅 오차 상쇄 미러(13)의 최소 동작 전압을 예컨대, 약 0.1mV이라 하고, 포인팅 오차 상쇄 미러(13)의 동작 계수를 에컨대, 약 0.25 ㅅrad/mV 이라 하면, 포인팅 오차는 매우 작은 약 25 nrad 로 계산된다. 오차 전압을 100배 증폭하여 오차 전압을 0이 되도록 x방향 오차 상쇄 장치를 피드백 제어하는 아날로그 제어에서는, 포인팅 오차가 디지털 제어의 포인팅 오차 보다 100배 작은 약 0.25 nrad 이내로 예측된다. 이러한 포인팅 오차는 1000미터 진행시 약 0.25 ㅅm이내의 x 방향 오차를 달성할 수 있게 한다.

10...레이저 광원부 11...레이저 광원
12…포인팅 오차 4분할 제1광센서 13…포인팅 오차 상쇄 미러
30...집광 장치 이동부 31…제1상쇄 장치
33…오차 상쇄 직진 장치 40...미러 부재
45…기준면 50...집광 장치
55…집광 렌즈 70...스테이지
90...제어부 W...가공 대상물

Claims

스테이지에 가공 대상물을 탑재하는 단계와;
레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 장치로 집광하여 탑재된 상기 가공 대상물에 조사하는 단계와;
상기 스테이지와 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 상기 가공 대상물을 가공하는 단계와;
상기 집광 장치를 이동시키는 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면에 조정용 레이저빔을 조사하는 단계와;
상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여 상기 집광 장치를 롤링 축을 중심으로 조정하여 집광 장치 이동부의 롤링을 상쇄하거나 롤링 축 및 피칭 축을 중심으로 조정하여 집광 장치 이동부의 롤링 및 피칭을 상쇄하는 단계;를 포함하여, 레이저 가공 동안 롤링이나 피칭에 기인한 가공 오차를 줄이도록 된 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 조정용 레이저빔은, 상기 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 빔분할기를 이용하여 일부 분할하여 얻어진 빔인 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 단계와;
상기 가공용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여, 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 조정하여 상기 집광 장치 이동부가 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동함으로서 발생하는 가공 오차를 줄이는 단계;를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
스테이지에 가공 대상물을 탑재하는 단계와;
레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 장치로 집광하여 탑재된 상기 가공 대상물에 조사하는 단계와;
상기 스테이지와 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 상기 가공 대상물을 가공하는 단계와;
상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 단계와;
상기 가공용 레이저빔의 검출 신호를 이용하여, 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 조정하여 상기 집광 장치를 이동시키는 집광 장치 이동부가 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동함으로서 발생하는 가공 오차를 줄이는 단계;를 포함하는 레이저 가공 방법.
스테이지에 가공 대상물을 탑재하는 단계와;
레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 집광 장치로 집광하여 탑재된 상기 가공 대상물에 조사하는 단계와;
상기 스테이지와 집광 장치를 서로 반대방향으로 이동하면서 상기 가공 대상물을 가공하는 단계와;
상기 레이저 광원부에 대해 위치고정된 광센서로 가공용 레이저빔을 수광하는 단계와;
상기 가공용 레이저빔이 상기 광센서의 중심에 오도록 오차 상쇄 미러를 회전시키는 단계;를 포함하며, 포인팅 안정도가 향상된 가공용 레이저빔으로 가공이 이루어지도록 하는 레이저 가공 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 광원부는 위치가 고정되어 있는 레이저 가공 방법.
제6항에 있어서, 상기 가공 대상물을 가공하는 단계에서, 상기 스테이지와 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시키는 레이저 가공 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 대상물을 가공하는 단계에서, 상기 스테이지와 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시키는 레이저 가공 방법.
가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와;
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와;
상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와;
가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와;
가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부와;
상기 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면과;
상기 기준면에 조정용 레이저빔을 제공하는 조정광빔 제공부와;
상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔을 검출하는 제1광센서와;
상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제1광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 기준면에서 반사되는 조정용 레이저빔이 상기 제1광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 롤링 축을 중심으로 조정하는 롤링 상쇄 장치;를 포함하는 고속 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서, 상기 조정광빔 제공부는, 상기 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 일부 분할하여 조정용 레이저빔을 얻도록 된 빔분할기인 고속 레이저 가공 장치.
가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와;
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와;
상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와;
가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와;
가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부와;
상기 집광 장치 이동부의 이동 방향과 평행한 기준면과;
상기 기준면에 조정용 레이저빔을 제공하는 조정광빔 제공부와;
상기 기준면에서 반사된 조정용 레이저빔을 검출하는 제1광센서와;
상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제1광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 기준면에서 반사되는 조정용 레이저빔이 상기 제1광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 롤링 축 및 피칭 축을 중심으로 조정하는 롤링 및 피칭 상쇄 장치;를 포함하는 고속 레이저 가공 장치.
제11항에 있어서, 상기 조정광빔 제공부는, 상기 레이저 광원부로부터 출사된 가공용 레이저빔을 일부 분할하여 조정용 레이저빔을 얻도록 된 빔분할기인 고속 레이저 가공 장치.
가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와;
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와;
상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와;
가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와;
가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부와;
상기 가공용 레이저빔의 일부를 수광하는 제2광센서와;
상기 집광 장치에 결합되며, 상기 제2광센서의 검출신호를 이용하여 제어되며, 상기 가공용 레이저빔이 상기 제2광센서의 중심에 수신되도록 상기 집광 장치를 상기 레이저 가공이 이루어지는 가공축에 크로스되는 방향으로 직진 이동시키는 오차 상쇄 직진 장치;를 포함하는 고속 레이저 가공 장치.
가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와;
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와;
상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와;
가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와;
가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부와;
상기 레이저 광원부에 대해 위치 고정되어 가공용 레이저빔을 수광하는 제3광센서와;
상기 가공용 레이저빔이 상기 제3광센서의 중심에 오도록 회전되는 오차 상쇄 미러;를 포함하여, 포인팅 안정도가 향상된 가공용 레이저빔으로 가공이 이루어지는 고속 레이저 가공 장치.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 광원부는 위치가 고정되어 있는 고속 레이저 가공 장치.
제15항에 있어서, 상기 집광 장치 이동부 및 스테이지는 상기 가공 대상물과 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시키도록 마련된 고속 레이저 가공 장치.
제9항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 장치 이동부 및 스테이지는 상기 가공 대상물과 집광 장치를 그 사이의 간격을 유지하면서 서로 반대방향으로 이동시키도록 마련된 고속 레이저 가공 장치.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 장치에 탑재되며, 상기 레이저 광원부로부터 입사되는 가공용 레이저빔을 집광 장치쪽으로 진행하도록 광경로를 90도 방향으로 꺾어주는 미러 부재;를 더 포함하는 고속 레이저 가공 장치.
가공용 레이저빔을 제공하는 레이저 광원부와;
가공용 레이저빔을 집광하여 가공 대상물에 조사하는 집광 장치와;
상기 집광 장치를 x,y 평면내에서 적어도 일 축을 따라 이동시키는 집광 장치 이동부와;
가공 대상물이 탑재되며, 가공 대상물을 적어도 x,y축 방향으로 이동시키도록 마련된 스테이지와;
가공 대상물에 레이저빔을 조사하여 가공시, 상기 가공 대상물과 집광 장치가 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 집광 장치 이동부와 스테이지를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 스테이지와 상기 집광 장치의 질량 차가 제로가 되도록 마련된 고속 레이저 가공 장치.
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