KR101651214B1 - 패터닝용 레이저 가공 장치 - Google Patents

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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

정속 이송 장치(3)로 워크(5)를 소정 속도로 일 방향으로 이송하면서 워크(5)의 이송 방향과 교차하는 방향으로 조사 시작 측(S)으로부터 조사 종료 측(E)을 향해 1개의 레이저 빔(70)을 워크(5)의 박막층(6)에 대해 주사하는 빔 헤드(22,23)를 갖는 빔 헤드 유닛(20)과, 빔 헤드(22,23)에 레이저 빔(70)을 조사하는 레이저 발진기(21)와, 빔 헤드(22,23)로부터 조사되는 레이저 빔(70)의 주사 속도와 워크(5)의 이송 속도를 상대적으로 제어하여 소정 속도로 이송되는 워크에 형성되는 가공 라인(11)을 제어하는 제어 장치(60)를 구비하며, 제어 장치(60)는, 가공 라인(11)을 가공하는 빔 헤드(22,23)를 절환하여 가공 라인(11)을 교대로 가공하도록 구성된다. 이로써 소정 속도로 워크를 이송하면서 그 워크의 박막층에 가공 라인을 고효율로 형성하도록 한다.

Description

패터닝용 레이저 가공 장치{LASER PROCESSING DEVICE FOR PATTERNING}
본 발명은, 박막계 태양전지나 플렉서블(flexible) 태양전지 등의 제조 공정에 있어서의 패터닝(patterning)에 사용되는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래, 태양광 발전을 위한 태양전지로서, 예를 들어 박막 실리콘이나 CIGS 태양전지(이 명세서 및 특허청구범위에서는 총칭하여 "박막 태양전지"라고 한다)가 있다. 이 박막 태양전지는, 유리 기판의 한 면에 금속막이나 실리콘막 등의 반도체를 성막("적층(deposition)" 또는 "막 형성(film formation)")하여 박막층(예를 들어, 수백 ㎚ ~ 수십 ㎛ 정도)을 형성하고, 그 박막층에 패터닝 가공이 처리된 것이 사용된다. 이하, 이 박막 태양전지의 기판(이하, 간단히 "워크"라고도 한다)을 예로 들어 설명한다.
박막 태양전지 기판의 제조 공정으로서는, , 예를 들면, 도 8a ~ 도 8g에 도시된 바와 같이, 유리 기판(110)(도 8a)의 상면에 투명 전극층(박막층)(111)을 성막하고(도 8b), 그 투명 전극층(111)에 레이저 가공 장치로부터 레이저 빔(115)을 조사함으로써 투명 전극층(111)을 부분적으로 제거하여 직선형 가공 라인(112A)이 패터닝 가공된다(도 8c). 투명 전극층(111)에 가공 라인(112A)이 형성된 기판(110)은, 투명 전극층(111)의 상면에 광전 변환층(113)이 성막되고(도 8d), 그 광전 변환층(113)에 레이저 가공 장치로부터 레이저 빔(115)을 조사하여 가공 라인(112B)이 패터닝 가공된다(도 8e). 그 다음에, 이 광전 변환층(113)에 가공 라인(112B)이 형성된 기판(110)에는, 광전 변환층(113)의 상면에 후면 전극층(박막층)(114)이 성막된다(도 8f). 그리고 이 후면 전극층(114)에, 레이저 가공 장치로부터 레이저 빔(115)을 조사하여 가공 라인(112C)이 패터닝 가공된다(도 8g). 이와 같이 패터닝 가공된 기판(110)이, 모듈화된 태양전지가 된다.
이러한 레이저 가공 장치(100)로서, 예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 레이저 발진기(101)로부터의 레이저 빔(102)(이하, 간단히 "빔"이라고도 한다)을 빔 분광기(103)로 복수로 분광하고, 이러한 빔을 도광 미러(104)로 워크(106)를 향해 방향 변환한다. 그리고 빔 집광 렌즈(105)로 그 빔(102)의 초점 거리를 워크(106)의 박막층(107)에 맞춰 조사함으로써 박막층(107)을 벗겨 가공 라인(108)을 형성하는 것이 있다.
이 레이저 가공 장치(100)에 의한 패터닝 가공은, 워크 이송 장치(109)의 테이블에 워크(106)를 고정하고, 그 워크(106)를 X 방향으로 이송하여, 그 워크(106)에 대해 레이저 빔(102)을 조사하여 가공 라인(108)을 형성한다. 그 다음에, 워크(106)를 Y 방향으로 소정량(가공 라인 피치(pitch) 만큼) 이송한 후, 그 워크(106)를 상기 이송과 반대 방향으로 X 방향으로 이송하여, 그 워크(106)에 대해 레이저 빔(102)을 조사하여 가공 라인(108)을 형성한다. 그리고 이 작업을 반복함으로써 워크(106)에 순차적으로 가공 라인(108)이 형성된다. 즉, 워크(106)는, X 방향으로 이송하여 가공 라인(108)을 형성하는 작업과, Y 방향으로 이송되는 작업이 간헐적으로 반복된다.
한편, 이러한 선행 기술로서, 예를 들면, 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔을 미러로 분광하고, 이러한 레이저 빔을 집광 렌즈를 통해 태양전지의 박막층에 조사함으로써 가공 라인을 형성하도록 한 것이 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조).
또한, 다른 선행 기술로서, 실린더형 렌즈로 횡단면 세선(細線)형의 레이저 빔을 생성하고, 이 세선형의 레이저 빔에 의해 일부가 겹쳐진 상태로 거듭하여 세선형의 가공 흔적을 형성함으로써 기판의 이송 속도를 빠르게 하고, 이로써 레이저 가공의 택트(tact)를 단축하려고 한 것이 있다(예를 들면, 특허문헌2 참조).
일본국 특개 2004-170455호 공보 일본국 특개 2010-221274호 공보
그런데 최근, 자연 에너지에 의한 발전이 더욱 주목받고, 태양전지의 생산성 향상 등에 의한 저비용화에 의해 한층 더 촉진을 도모하려고 하는 움직임이 있다. 그 때문에, 태양전지의 생산 공정에서의 한층 더 택트(1공정당 작업시간)의 단축화(고속화)가 요구되고 있다.
그렇지만, 상기한 바와 같이, 워크(106)의 전면을 워크 이송 장치(109)의 테이블에 고정하고 레이저 가공을 실시하는 경우, 워크(106)를 이송 방향으로 몇 번이나 왕복시키며 가공을 실시하기 때문에, 1장의 워크(106)를 가공 완료할 때까지 다음 공정으로 이송할 수 없다. 그 때문에, 가공에 많은 시간을 필요로 하여 효율이 나쁘다.
또한, 레이저 발진기(101)로부터의 레이저 빔(102)을 분광하여 배분한 복수의 빔(102)으로 가공하기 때문에, 각 빔 품질에 불균일을 일으키기 쉬고 가공 품질이 안정되지 않는다. 만일 복수의 레이저 발진기(101)를 탑재하여 안정된 복수의 빔을 사용할 수 있도록 하려고 하면, 큰 스페이스가 필요해지는 동시에 레이저 가공 장치(100)가 고비용이 된다.
그 때문에, 이러한 레이저 가공 장치(100)에 있어서 가공 시간의 길이나 고비용 등이, 태양전지의 저비용화에 방해가 되고 있다. 아울러, 상기 특허문헌1에 기재된 발명도 같은 과제를 가진다.
또한, 상기 특허문헌2에 기재된 선행 기술에 의한 가공 시간의 단축화는 빔의 가공 방향 길이에 의한 것이기 때문에, 단축할 수 있는 시간은 한정되어 있고, 가일층의 가공 시간 단축에 의한 가공 효율의 향상이 바람직하다 .
따라서 본 발명은, 소정 속도로 워크를 이송하면서 그 워크의 박막층에 가공 라인을 고효율로 형성할 수 있는 패터닝용 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 워크에 형성된 박막층에 레이저 빔으로 가공 라인을 형성하는 패터닝용 레이저 가공 장치로서, 상기 워크를 소정의 이송 속도로 일 방향으로 이송하는 정속 이송 장치와, 상기 정속 이송 장치로 워크를 소정 속도로 이송하면서 또는 워크의 이송 속도를 검출하여 이송하면서, 상기 워크의 이송 방향과 교차하는 방향으로 조사 시작 측으로부터 조사 종료 측을 향해 1개의 레이저 빔을 워크의 박막층에 대해 주사하는 복수의 빔 헤드를 갖는 빔 헤드 유닛과, 상기 빔 헤드에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기와, 상기 빔 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 주사 속도와 상기 워크의 이송 속도를 상대적으로 제어하여 소정 속도로 이송되는 워크에 형성되는 가공 라인을 제어하는 제어 장치를 구비하며, 상기 제어 장치는, 상기 가공 라인을 가공하는 빔 헤드를 절환하여 상기 가공 라인을 동시에 또는 교대로 가공하도록 구성되어 있다.
이 구성에 의해, 워크를 정확한 위치에서 지지하고 이송하면서 빔 헤드 유닛에서 1개의 레이저 빔을 워크의 박막층에 대해 주사하여 워크의 이송 방향에 대해 교차하는 방향으로 가공 라인을 형성할 수 있으므로, 워크의 박막층에 가공 라인을 고효율로 가공하는 것이 가능해진다. 아울러, 복수의 빔 헤드를 절환함으로써 거의 연속적으로 효율적으로 레이저 빔을 조사하여 가공 라인을 형성하므로 태양전지의 생산 공정에 있어서 한층 더 택트의 단축화를 도모하여 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 워크의 속도를 검출해서 피드백 제어하여 레이저 빔의 주사 타이밍을 조정하는 방식을 이용함으로써 롤 투 롤 제법 등 연속적으로 흐르는 워크에 대응할 수도 있다.
또한, 상기 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔을 상기 복수의 빔 헤드 중 어느 하나에 조사할 것인지를 절환하는 절환기를 가지며, 상기 빔 헤드 유닛은, 1개 이상의 빔 헤드가 조사 시작 측으로부터 조사 종료 측을 향해 이동하여 레이저 가공을 하고 있는 동안에 1개 이상의 빔 헤드를 상기 조사 시작 측으로 되돌리는 왕복동작식으로 구성되고, 상기 제어 장치는, 상기 절환기를 절환하여 레이저 가공을 하는 빔 헤드에 레이저 빔을 조사하도록 구성되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성하면, 1개의 빔 헤드에 의한 레이저 가공 동작 중에 다른 빔 헤드를 조사 시작 측으로 되돌리므로, 레이저 가공이 중단되는 시간을 아주 적게 하여 가공 시간의 택트 단축을 도모할 수 있다.
또한, 상기 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 빔 헤드에 조사되는 것을 차단하는 차단기를 가지며, 상기 빔 헤드 유닛은, 1개 이상의 빔 헤드가 조사 시작 측에서부터 조사 종료 측을 향해 이동하여 레이저 가공을 하고 있는 동안에, 1개 이상의 빔 헤드를 상기 조사 시작 측으로 되돌리는 순환식으로 구성되고, 상기 제어 장치는, 상기 차단기를 제어하여 레이저 가공을 행하는 빔 헤드에 레이저 빔을 조사하도록 구성되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성하면, 1개의 빔 헤드에 의한 레이저 가공 동작 중에 다른 빔 헤드를 조사 시작 측으로 되돌리므로, 레이저 가공이 중단되는 시간을 아주 적게 하여 가공 시간의 택트 단축을 도모할 수 있다.
또한, 상기 빔 헤드 유닛은, 상기 복수의 빔 헤드를 수평 방향 또는 수직 방향으로 순환시키는 순환 기구를 갖고 있어도 좋다.
이와 같이 구성하면, 사용 조건 등에 따라 빔 헤드를 수평 방향 또는 수직 방향으로 순환시켜, 1개의 빔 헤드로 조사 시작 측에서부터 조사 종료 측을 향해 레이저 가공을 실시하면서 다른 빔 헤드를 조사 종료 측에서부터 조사 시작 측을 향해 되돌리므로, 레이저 가공을 거의 연속적으로 할 수 있고 레이저 가공의 택트를 단축한 효율이 좋은 레이저 가공을 할 수 있다.
또한, 상기 빔 헤드 유닛은, 상기 복수의 빔 헤드에 조사하는 레이저 빔의 광로 길이 일정 기구를 구비하고 있어도 좋다.
이와 같이 구성하면, 조사 시작 측으로부터 조사 종료 측을 향해 이동시키는 빔 헤드로부터 워크에 조사되는 레이저 빔의 강도를 일정하게 할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 복수의 빔 헤드의 배치와, 레이저 가공하는 1개의 빔 헤드와, 워크의 이송 속도로부터 워크에 대한 이송 방향의 주사 위치를 결정하도록 구성되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성하면, 복수의 빔 헤드에 의한 워크에 대한 주사 위치를 미리 제어 장치로 결정하므로, 복수의 빔 헤드에 의해 워크에 대해 정확한 패터닝 가공을 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 소정 속도로 워크를 이송하면서 그 워크에 1개의 레이저 빔으로 워크의 이송 방향에 대해 교차하는 가공 라인을 거의 연속적으로 효율 좋게 가공할 수 있으므로 패터닝 가공을 대폭적으로 고속화하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 장치에 의한 가공 라인을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 레이저 가공 장치의 측면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 레이저 가공 장치에 구비된 광로 길이 일정 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 8a는 레이저 가공 장치에 의한 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8b는 도 8a에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8c는 도 8b에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8d는 도 8c에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8e는 도 8d에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8f는 도 8e에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 8g는 도 8f에 후속하는 박막 태양전지의 제조 단계를 나타내는 측단면도이다.
도 9는 종래의 레이저 가공 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 근거하여 설명한다. 이하의 실시예에서는, 유리 기판(7)에 박막층(6)이 형성된 워크(5)를 예로 들어 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 레이저 가공 장치(1)는, 워크(5)의 가공 기준 위치(단면 등)를 검출하는 카메라(2)와, 위치 검출된 워크(5)를 이송 방향(Y 방향, 이하 "Y"로 나타낸다)으로 정확하게 이송하는 정속 이송 장치(3)를 구비하고 있다. 이 실시예의 정속 이송 장치(3)는, 워크 척(4)으로 워크(5)를 파지하여 워크 지지 기구(8)의 롤러(9) 위에서 이송하는 워크 척 대차 방식으로 되어 있다.
이 정속 이송 장치(3)는, 워크 척(4)에 평면 방향의 회전축(θ축) 및 필요한 경우에는, X축(이송 방향과 교차 방향)/Y축(이송 방향과 평행 방향)의 구동축을 설치하여 정속 이송 장치(3)의 이송과 동기화시켜, 워크(5)에 발생하는 비틀림을 억제하는 방향으로 보정하면서 가공할 수 있게 되어 있다. 이 정속 이송 장치(3)로서는, 예를 들어, 컨베이어 방식, 구동 롤러 컨베이어 방식 등 다른 구성이어도 좋다. 또한, 이 실시예에서는, 정속 이송 장치(3)로 이송되는 워크(5)는, 박막층(6)을 상면으로 한 상태에서 유리 기판(7)을 아래쪽에서 지지한 상태로 이송된다. 아울러, 상기 워크 지지 기구(8)로서는, 상기 롤러(9) 이외에, 예를 들면, 프리 베어링, 비접촉 에어 흡착 유닛(워크(5)를 아래쪽에서 에어에 의해 끌어당기는 끌어당김 기구 등) 등을 사용할 수 있다.
그리고 상기 정속 이송 장치(3)로 이송되는 워크(5)의 이송 방향 소정 위치에는, 이송되는 워크(5)에 대해 패터닝 가공을 실시하는 빔 헤드 유닛(beam head unit)(20)이 설치되어 있다. 빔 헤드 유닛(20)은, 워크(5)의 이송 방향(Y)과 교차하는 주사 방향(X 방향, 이하 "X"로 나타낸다)으로 레이저 빔(70)을 주사하도록 배치되어 있다. 도시하는 왼쪽이 조사 시작 측(S)이고, 오른쪽이 조사 종료 측(E)이다. 이와 같이 빔 헤드 유닛(20)을 소정 위치에 배치하고, 이 빔 헤드 유닛(20)으로부터 레이저 빔(70)을 정확하게 조사하고 있다. 이로써 상기 정속 이송 장치(3)에 의해 정확하게 이송되는 워크(5)에 대해 정밀하게 가공 라인(스크라이브 라인)(11)을 형성할 수 있도록 하고 있다. 이러한 정속 이송 장치(3)에 의한 워크(5)의 이송이나 레이저 빔(70)의 조사는, 제어 장치(60)에 의해 제어되고 있다.
빔 헤드 유닛(20)에는, 레이저 발진기(21)로부터 조사된 레이저 빔(70)을 굴절시켜 워크(5)를 향해 조사함으로써 패터닝 가공을 실시하는 복수의 빔 헤드(도 3, 도 4, 도 6, 도 7)(22,23)가 구비되어 있다. 이 빔 헤드 유닛(20)으로부터 워크(5)를 향해 조사되는 레이저 빔(70)은, 레이저 발진기(21)로부터 조사된 1개의 레이저 빔(70)을 워크(5)를 향해 조사하도록 되어 있다. 빔 헤드 유닛(20)의 자세한 내용은 후술한다.
한편, 상기 빔 헤드 유닛(20)이 설치된 가공부(10)에는, 정속 이송 장치(3)로 이송되는 워크(5)를 정확한 위치(레벨)에 지지하여 이송하는 워크 위치 유지 장치(도시 생략)를 구비할 수 있다. 이 워크 위치 유지 기구로서는, 예를 들어 워크(5)를 위쪽에서 비접촉으로 누르는 에어 블로우나 누름 롤러 등으로 누르는 워크 누름 기구 등이 채용된다. 이 워크 누름 기구와, 상기 워크 지지 기구(8)의 롤러(9)에 의해 빔 헤드 유닛(20)의 부분에서 워크(5)가 정확한 위치로 이송된다. 이러한 워크 누름 기구 및 워크 지지 기구(8)는 공지의 기술을 채용할 수 있다.
이와 같이, 워크(5)의 아래쪽에 워크 지지 기구(8)를 설치하고, 위쪽에 워크 누름 기구(도시 생략)를 설치함으로써 가공부(10)에 있어서 이송 방향(Y)으로 이송되는 워크(5)의 상하 방향 위치(레벨)가 변동하지 않도록 하면, 워크(5)를 이송하면서 가공 라인(11)을 가공하는 레이저 빔(70)의 초점이 어긋나지 않도록 할 수가 있다.
한편, 상기 워크(5)의 위쪽에, 가공 라인(11)의 형성 시에 제거된 박막이나 증산물을 흡입하는 흡입 덕트(도시 생략)를 설치하면, 제거된 박막이나 증산물이 박막층(6) 등에 재부착하지 않도록 할 수가 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 가공 장치(1)에 의한 워크(5)를 워크 이송 방향(Y)으로 이송하면서 레이저 빔(70)을 조사하여 행하는 패터닝 가공은, 레이저 주사 위치는 고정으로 하고 있다. 그리고 레이저 빔(70)을 일정 간격 시간에 조사 시작 측(S)으로부터 조사 종료 측(E)을 향해 주사 방향(X)으로 주사하고, 이 레이저 빔(70)에 의해 소정 속도로 이송되는 워크(5)에 패터닝 가공을 실시하도록 하고 있다.
이 경우, 레이저 빔 주사 방향(X)과 워크 이송 방향(Y)의 합성 속도에 의한 가공 라인(11)이 이송 방향(Y)에 대해 직각이 되도록, 워크(5)의 이송 속도와 레이저 빔(70)의 주사 속도가 상대적으로 제어 장치(60)로 제어된다.
구체적으로는, 워크(5)의 이송 속도를 "이송 속도(VY)", 지면에서 본 주사 방향을 "대지 주사 방향(XG)", 지면에 대한 주사 속도를 "대지 주사 속도(VXG)", 워크(5)의 폭 방향인 주사 방향을 "상대 주사 방향(XW)", 워크(5)의 폭 방향으로 주사하는 속도를 "상대 주사 속도(VXW)"라고 하고, 수평면 내에서 대지 주사 방향(XG)과 상대 주사 방향(XW)이 이루는 각도를 "경사각(φ)"이라고 한다. 그리고 이송 속도(VY)를 대지 주사 속도(VXG)로 나누면, 경사각(φ)의 사인을 얻을 수 있다(sinφ = VY/VXG). 또한, 대지 주사 속도(VXG)에 경사각(φ)의 코사인을 곱하면, 상대 주사 속도(VXW)를 얻을 수 있다(VXW = VXG×cosφ). 아울러, 워크(5) 이송 방향에서의 가공 라인(11)끼리의 간격(LY)을, 워크(5)의 폭 방향에서의 가공 라인(11)의 길이(LX)로 나누면, 경사각(φ)의 탄젠트로서 얻을 수 있다(tanφ = LY/LX ).
따라서 이러한 관계로부터 소정의 이송 속도(VY)로 이송하는 워크(5)에 대해 대지 주사 속도(VXG)로 대지 주사 방향(XG)으로 레이저 빔(70)을 주사하면, 워크(5)에 대해서는 상대적 주사 방향(XW)으로, 평행한 가공 라인(11)을 소정 간격(LY)으로 연속적으로 형성할 수 있다. 이러한 워크 이송 속도(VY)와 레이저 빔 주사 속도(VXG)의 상대적인 제어는, 제어 장치(60)(도 1)에 의해 이루어진다.
그리고 이러한 가공을 레이저 가공 장치(1)로 연속적으로 실시함에 따라, 이송 방향(Y)으로 워크(5)를 한 번 이송함으로써 패터닝 가공이 완료된다. 또한, 워크(5)를 일 방향으로 한 번 이송함으로써 패터닝 가공이 완료되므로 소정 길이의 워크(5)의 가공뿐만 아니라, 롤 투 롤 방식과 같은 연속체의 워크에 대해서도 패터닝 가공이 가능해진다.
한편, 상기 레이저 빔(70)으로서는, 편평 빔(라인 빔 등을 포함한다)을 사용함으로써 가공 라인(11)을 보다 고속으로 가공할 수 있다. 편평 빔으로서는, 가공 라인(11)이 워크 이송 방향(Y)에 대해 직각이 되도록 편평 빔의 방향이 제어되어 조사된다.
다음으로, 도 3, 도 4에 기초하여 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 설명한다. 여기서, 상기 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성에는 동일 부호를 부여하고 설명한다.
이 레이저 가공 장치(30)는, 복수의 빔 헤드(22,23)를 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E) 사이에서 왕복시키는 왕복동작식의 예이다. 이 실시예에서는 2개의 빔 헤드(22,23)가 구비되고, 이러한 제1 빔 헤드(22)와 제2 빔 헤드(23)를 반대 방향으로 왕복 동작시키는 패러럴 방식으로 하고 있다.
도시한 바와 같이, 정속 이송 장치(3)로 이송되는 워크(5)의 위쪽에, 이 워크(5)의 이송 방향(Y)과 교차하는 주사 방향(X)으로 연장되는 레일(31)이 설치되어 있다. 이 레일(31)의 양쪽에는, 상기 제1 빔 헤드(22)와 제2 빔 헤드(23)가 각각 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E) 사이에서 왕복 이동하도록 설치되어 있다. 이 빔 헤드(22,23)를 왕복 이동시키는 구성으로는, 예를 들어, 레일(31)을 따라 설치된 리니어 가이드(도시 생략)에 안내되도록 하고, 구동 모터 등으로 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E)의 사이를 왕복 운동시키는 등속 구동 기구 등을 채용할 수가 있다. 이 빔 헤드(22,23)를 왕복 이동시키는 구성으로서는, 다른 구성이어도 좋다.
또한, 상기 레일(31)의 조사 시작 측(S)에 상기 레이저 발진기(21)가 설치되어 있다. 이 레이저 발진기(21)는, 빔 헤드(22,23)의 이동 방향과 평행하게 레이저 빔(70)을 조사하도록 배치되어 있다. 이 레이저 발진기(21)로부터 조사된 레이저 빔(70)은, 제1 벤드 미러(24)에 의해 직교 방향으로 굴절된다. 이 굴절된 레이저 빔(70)은, 제2 벤드 미러(25 또는 26)에 의해 직교 방향으로 굴절되어 상기 빔 헤드(22,23)에 조사된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 상기 제1 벤드 미러(24)는, 상하 방향으로 2개의 벤드 미러(24A,24B)가 배치되어 있다. 한 쪽의 벤드 미러(24A)는, 레이저 빔(70)을 한 쪽의 제2 벤드 미러(25)를 향해 정확하게 굴절되도록 배치되어 있다. 다른 쪽의 벤드 미러(24B)는, 레이저 빔(70)을 다른 쪽의 제2 벤드 미러(26)를 향해 정확하게 굽히도록 배치되어 있다.
그리고 이러한 벤드 미러(24A,24B)는, 일체적으로 상하 방향으로 이동되어 절환 가능하게 되어 있다. 이러한 벤드 미러(24A,24B)를 일체적으로 상하 운동시키는 구성(예를 들어, 유압 실린더 등)이 절환기(29)이다. 이 제1 벤드 미러(24)의 절환은, 상기 제어 장치(60)(도 1)에 의해 제어된다.
한편, 이 실시예에서는 2개의 벤드 미러(24A,24B)를 설치하여 절환하도록 하고 있지만, 1개의 벤드 미러(24)를 각도 제어하여 레이저 빔(70)을 정확하게 제2 벤드 미러(25,26) 각각을 향해 굴절되도록 하여도 좋다.
아울러, 상기 빔 헤드(22,23)에는, 수평 방향으로 조사된 레이저 빔(70)을 아래를 향해 굴절시키는 제3 벤드 미러(27)와, 이 제3 벤드 미러(27)로 굴절된 레이저 빔(70)을 집광하는 집광 렌즈(28)가 각각 설치되어 있다.
그리고 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 빔 헤드(22)에 의해 레이저 가공을 실시하는 경우, 상기 제1 벤드 미러(24A)로 굽어진 레이저 빔(70)은, 제2 벤드 미러(25)에 의해 제1 빔 헤드(22)의 주사 방향으로 굴절되어 제1 빔 헤드(22)에 조사된다. 이 제1 빔 헤드(22)에 조사된 레이저 빔(70)은, 제1 빔 헤드(22)에 설치된 제3 벤드 미러(27)에 의해 워크(5)를 향해 굴절되어 집광 렌즈(28)로부터 워크(5)를 향해 조사된다. 이 레이저 빔(70)에 의해 워크(5)에 가공 라인(11)이 형성된다.
또한, 제1 빔 헤드(22)와는 레일(31)의 반대 측면에 설치된 제2 빔 헤드(23)에 의해 레이저 가공을 실시하는 경우, 상기 절환기(29)에 의해 제1 벤드 미러(24)가 벤드 미러(24A)에서 벤드 미러(24B)로 절환되어 레이저 빔(70)이 제2 벤드 미러(26)를 향해 굴절된다. 이 제2 벤드 미러(26)에 조사된 레이저 빔(70)은, 제2 벤드 미러(26)로부터 제2 빔 헤드(23)에 조사된다. 이 제2 빔 헤드(23)에 조사된 레이저 빔(70)은, 상기 제1 빔 헤드(22)와 마찬가지로, 제2 빔 헤드(23)에 설치된 제3 벤드 미러(27)에 의해 워크(5)를 향해 굴절되어 집광 렌즈(28)로부터 워크(5)를 향해 조사된다. 이 레이저 빔(70)에 의해 워크(5)에 가공 라인(11)이 형성된다.
한편, 이 제1 실시예에서는 2개의 빔 헤드(22,23)를 구비한 예를 설명했지만, 3개 이상의 빔 헤드를 구비시키는 경우, 도 3에 이점쇄선으로 도시된 바와 같이, 상기 레일(31)을 워크 이송 방향(Y)으로 병설하고, 그 레일(31B)에 제3 빔 헤드(22B)(필요에 따라 제4 빔 헤드(도시 생략))를 구비시키면 좋다. 이 경우, 새로 레일(31B)을 설치하는 방향의 제2 벤드 미러(25)를 상하 방향으로 이동 가능하게 하여, 제3 빔 헤드(22B)에 의한 레이저 가공 시에는 제2 벤드 미러(25)를 내려 레이저 빔(70)을 통과시키고, 새로 설치한 제2 벤드 미러(25B)에 의해 제3 빔 헤드(22B)를 향해 굴절되도록 하면 좋다.
또한, 3개 이상의 빔 헤드를 구비시켰을 경우, 복수의 빔 헤드를 절환하여 실시하는 교대 가공을 하면, 일부의 빔 헤드에 의한 동시 가공을 조합하여 실시함으로써 한층 더 가공 시간의 단축화도 가능하다.
한편, 상기한 바와 같이 빔 헤드(22,23)를 이동시킬 경우, 레이저 발진기(21)로부터의 거리가 변화하여 빔 강도가 변화한다. 그 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이, 빔 헤드(22,23)의 이동량에 관계없이 레이저 빔(70)을 동일 광로 길이로 빔 헤드(22,23)에 조사하는 광로 길이 일정 장치(40)를 설치해도 좋다. 도 5는, 제1 빔 헤드(22) 측을 예로 하고 있다.
도 5에 도시된 광로 길이 일정 장치(40)는, 제2 벤드 미러(25(26))로 굴절시켰던 레이저 빔(70)을, 빔 헤드(22(23))의 이동 방향 전방에 설치된 제4, 제5 벤드 미러(41,42)를 가진 반사 미러 유닛(43)을 통해 빔 헤드(22(23))에 조사하는 구성으로 되어 있다. 이 광로 길이 일정 장치(40)의 제4, 제5 벤드 미러(41,42)는, 제2 벤드 미러(25(26))로부터의 레이저 빔(70)을 180°반대 방향으로 반사하도록 설치되어 있다. 이 광로 길이 일정 장치(40)는, 반사 미러 유닛(43)을 빔 헤드(22(23))의 이동량의 절반의 거리로 이동시키도록 되어 있다.
이러한 광로 길이 일정 장치(40)에 따르면, 빔 헤드(22(23))의 이동량의 절반으로 반사 미러 유닛(43)을 동일 방향으로 이동시킴으로써 레이저 빔(70)의 광로 길이를 일정하게 유지하고 빔 헤드(22(23))에 조사할 수 있다. 이 광로 길이 일정 장치(40)는 일예이며, 링크, 파이버 등을 이용한 다른 구성으로 레이저 빔(70)의 광로 길이를 일정하게 해도 좋다.
이상과 같은 제1 실시예의 레이저 가공 장치(1)에 따르면, 복수의 빔 헤드(22,23)를 구비한 빔 헤드 유닛(20)에 의해, 한 쪽의 빔 헤드(22(23))로 레이저 가공을 실시하고 있을 때에 다른 쪽의 빔 헤드(23(22))를 조사 시작 측(S)으로 이동시킬 수 있다. 따라서 양 빔 헤드(22,23)를 동일 속도로 반대 방향으로 이동시키면, 한 쪽의 빔 헤드(22(23))가 가공 종료 위치에 도달할 때에, 다른 쪽의 빔 헤드(23(22))를 가공 시작 위치에 배치할 수 있다.
그 때문에, 양 빔 헤드(22,23)로 교대로 레이저 가공을 실시함으로써 거의 연속된 레이저 가공을 할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 [1]의 가공 라인(11)은 제1 빔 헤드(22)에 의해 가공하고, [2]의 가공 라인(11)은 제2 빔 헤드(23)에 의해 가공하며, 그 가공을 교대로 반복함으로써 거의 연속된 레이저 가공이 가능해진다. 그 때문에, 예를 들어 10 ~ 20m/sec로 빔 헤드(22,23)를 이동시켜 거의 연속된 레이저 가공을 효율적으로 할 수 있다.
따라서 워크(5)를 이송 방향(Y)을 향해 일 방향으로 이송하면서 가공 라인(11)을 가공함으로써 가공 라인 형성 작업의 택트를 크게 단축할 수 있고 태양전지 등의 생산성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 이로써 태양전지의 저비용화를 도모할 수 있고 태양전지 이용의 촉진을 도모할 수 있다.
도 6은, 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치(50)의 요부를 나타내는 도면이다. 이 제2 실시예의 레이저 가공 장치(50)는, 복수의 빔 헤드를 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E) 사이에서 순환시키는 순환식으로 한 예이다. 즉, 복수의 빔 헤드를 동일 방향으로 순환시키는 리턴 방식으로 동작시키도록 한 예이다. 한편, 이 실시예에서는, 빔 헤드 유닛(51)에 관한 구성을 설명하고, 상기 도 3, 도 4에 도시된 구성과 동일한 구성에는 동일 부호를 부여하여 설명한다. 또한, 이 제2 실시예에서는, 빔 헤드 유닛(51)을 워크(5)의 하부에 배치한 예로 설명한다.
도시한 바와 같이, 이 실시예의 레이저 가공 장치(50)도 2개의 빔 헤드(22,23)가 구비되어 있다. 이러한 빔 헤드(22,23)는, 구동 방식을 제외하면 상기 도 3, 도 4에 도시된 빔 헤드(22,23)와 동일한 구성이다.
이러한 실시예의 빔 헤드(22,23)는, 타이밍 풀리(52)로 구동되는 타이밍 벨트(53)에 의해 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E) 사이를 이동하게 되고, 양단부에서 수평 방향으로 선회시킴으로써 순환하게 된다.
또한, 도시한 바와 같이, 타이밍 벨트(53)의 한 쪽에서, 조사 시작 측(S)으로부터 조사 종료 측(E)을 향해 이동하는 측(도시하는 좌측)에는, 연장선 상에 레이저 발진기(21)가 배치되어 있다. 이 레이저 발진기(21)는, 조사 시작 측(S)으로부터 조사 종료 측(E)을 향해 이동하는 빔 헤드(22(23))를 향해 정확하게 레이저 빔(70)을 조사하도록 배치되어 있다.
아울러, 이 레이저 발진기(21)와 빔 헤드(22,23) 사이에는, 빔 헤드(22,23)가 단부에서 선회하고 있는 소정의 사이에는 레이저 빔(70)을 차단하는 빔 셔터(54)가 설치되어 있다. 빔 셔터(54)로서는, 전기식 셔터나 기계식 셔터 등이 사용된다. 이 빔 셔터(54)에 의해, 소정 속도로 순환되는 빔 헤드(22,23)가 레이저 빔 주사 방향(X)으로 이동하는 소정 범위에서, 레이저 발신기(21)로부터 조사되는 레이저 빔(70)을 빔 헤드(22,23)에 조사하여 레이저 가공을 실시하도록 제어한다. 빔 셔터(54)의 개폐는, 예를 들어, 상기 타이밍 풀리(52)를 구동하는 스테핑 모터 등의 정보에 기초하여 제어된다.
또한, 빔 헤드(22,23)는, 상기 도 3, 도 4와 동일하지만, 이 실시예에서는, 워크(5)의 하부에 빔 헤드(22,23)가 설치되고, 이러한 빔 헤드(22,23)에서 위쪽으로 레이저 빔(70)을 조사하는 것을 예로 하고 있다. 레이저 발진기(21)로부터 조사된 레이저 빔(70)은, 빔 헤드(22(23))의 제3 벤드 미러(27)에 의해 워크(5)를 향해 굴절되어 집광 렌즈(28)로부터 워크(5)를 향해 조사된다.
이 제2 실시예의 레이저 가공 장치(50)의 경우, 한 쪽의 빔 헤드(22(23))로 조사 시작 측(S)에서부터 레이저 가공을 실시하고 있을 때에, 조사 종료 측(E)에서부터 다른 쪽의 빔 헤드(23(22))를 조사 시작 측(S)을 향해 이동시킬 수 있다.
도 7은, 상기 도 6에 도시된 제2 실시예의 레이저 가공 장치(50)의 변형예인 제3 실시예의 레이저 가공 장치(55)이다. 상기 도 6에 도시된 제2 실시예와 동일한 구성에는 동일 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다.
이 실시예의 레이저 가공 장치(55)는, 상기 빔 헤드(22,23)를 조사 시작 측(S)과 조사 종료 측(E) 사이에서 이동시키고 양단부에서 수직 방향으로 선회시켜 순환하도록 되어 있다. 이 실시예도, 조사 시작 측(S)에서부터 조사 종료 측(E)을 향해 이동하는 측(도시하는 좌측)에는, 연장선 상에 레이저 발진기(21)가 배치되어 있다. 이 레이저 발진기(21)는, 조사 시작 측(S)에서부터 조사 종료 측(E)을 향해 이동하는 빔 헤드(22,23)를 향해 레이저 빔(70)을 조사하도록 배치되어 있다.
아울러, 이 실시예에서도, 레이저 발진기(21)와 빔 헤드(22(23)) 사이에, 빔 헤드(22(23))가 단부에서 선회하고 있는 사이에 레이저 빔(70)을 차단하는 셔터(54)가 설치되어 있다. 그 외에는, 상기 제2 실시예와 동일하기 때문에 설명은 생략한다.
이 제3 실시예의 레이저 가공 장치(55)의 경우도, 한 쪽의 빔 헤드(22(23))로 조사 시작 측(S)에서부터 레이저 가공을 실시하고 있을 때에, 조사 종료 측(E)에서부터 다른 쪽의 빔 헤드(23(22))를 조사 시작 측(S)을 향해 이동시킬 수 있다.
한편, 이러한 제2, 제3 실시예에 있어서 광로 길이 일정 장치를 설치할 경우, 상술한 광로 길이 일정 장치(40)와는 달리, 예를 들면 링크식 광로 길이 일정 장치가 채용된다.
또한, 이러한 제2, 제3 실시예와 같이 워크(5)의 하부로부터 레이저 빔(70)을 조사할 경우, 워크(5)의 유리 기판(7)을 투과하여 상면에 형성된 박막층(6)에서 초점이 맞도록 레이저 빔(70)이 조사된다.
이상과 같은 제2, 제3 실시예의 레이저 가공 장치(50,55)에 의해서도, 복수의 빔 헤드(22,23)를 구비한 빔 헤드 유닛(51)에 의해 한 쪽의 빔 헤드(22(23))로 조사 시작 측(S)에서부터 조사 종료 측(E)을 향해 레이저 가공을 실시하고 있을 때에 다른 쪽의 빔 헤드(23(22))를 조사 시작 측(S)을 향해 이동시킬 수 있으므로 거의 연속된 레이저 가공을 효율적으로 실시할 수 있다.
따라서 워크(5)를 이송 방향(Y)을 향해 일 방향으로 이송하면서 가공 라인(11)을 가공함으로써 가공 라인 형성 작업의 택트를 크게 단축할 수 있으며, 태양전지 등의 생산성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 이로써 태양전지의 저비용화를 도모할 수 있고, 태양전지 이용의 촉진을 도모할 수 있다.
이상과 같이, 상기 레이저 가공 장치(1,50,55)에 따르면, 이송 방향(Y)으로 워크(5)를 일정 속도로 연속 이송(또는 일정 간격으로 간헐 이송)하면서 이 이송 방향(Y)에 대해 교차하는 주사 방향(X)으로 레이저 빔(70)을 소정의 주사 속도로 주사한다. 그리고 이러한 워크(5)의 이송 속도와 레이저 빔(70)의 주사 속도를, 1개의 레이저 빔(70)의 가공 라인(11)이 워크(5)의 이송 방향(Y)에 대해 직각이 되도록 제어 장치(60)에 의해 상대적으로 제어하므로 박막층(6)에 고속으로 패터닝 가공을 실시할 수 있다. 그리고 이송 방향(Y)으로 워크(5)를 소정 속도로 1회 이송함으로써 레이저 가공이 완료되므로 짧은 시간에 1개의 워크(5)에 대한 가공을 완료할 수 있다.
아울러, 워크(5)를 일 방향으로 이송하면서 레이저 빔(70)을 주사하여 가공 라인(11)을 형성함으로써 레이저 가공이 완료되므로, 기판마다 워크(5)의 가공뿐만 아니라, 플렉서블 태양전지의 롤 투 롤 제법의 연속된 워크에서도 고속의 연속 가공이 가능해진다.
아울러, 상술한 도 8a ~ 도 8g에 도시된 바와 같이, 복수의 성막층에 가공 라인(11)을 형성하는 경우에도, 상기 레이저 가공 장치(1)와 성막기(도시 생략)를 이송 방향으로 복수대 병설하면, 워크(5)를 일방향으로 이송하면서 연속적으로 패터닝 가공을 실시할 수 있고, 패터닝 가공의 택트를 크게 단축하여 태양전지 등의 생산성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 이로써 태양전지의 저비용화를 도모할 수 있고, 태양전지 이용의 촉진을 도모할 수 있다.
또한, 분광·배분·복수 발진기 탑재에 의한 복수의 빔을 사용하는 일이 없으므로 가공 품질이 안정된 태양전지를 제작할 수 있는 레이저 가공 장치(1)를 저비용으로 제작하는 것도 가능해진다.
한편, 상기 실시예에서는, 워크(5)를 일정 속도로 이송 방향(Y)으로 연속적으로 이송하면서 가공하는 예를 설명했지만, 워크(5)의 이송은 가공 조건 등에 따라 일정 간격으로 간헐적으로 이송하면서 가공하도록 하여도 좋고, 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에서는, 레이저 발진기(21)를 빔 헤드(22,23)와 별체로 구성하고 있지만, 소형 경량의 레이저 발진기(21)의 경우라면 헤드 유닛(22,23)과 일체적으로 이동시키도록 구성하여도 좋다.
아울러, 상술한 실시예는 일예를 나타내고 있으며, 본 발명의 요지를 해치지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하고, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 박막 태양전지나 플렉서블 태양전지(롤 투 롤 제법)의 제조 공정에 있어서 이용할 수 있다.
1: 레이저 가공 장치
3: 정속 이송 장치
5: 워크
6: 박막층
7: 기판(유리 기판)
11: 가공 라인(스크라이브 라인)
20: 빔 헤드 유닛
21: 레이저 발진기
22: 제1 빔 헤드
23: 제2 빔 헤드
24: 제1 벤드 미러
24A,24B: 벤드 미러
25,26: 제2 벤드 미러
27: 제3 벤드 미러
28: 집광 렌즈
29: 절환기
30: 레이저 가공 장치
31: 레일
32: 빔 주사 유닛
40: 광로 벤드 미러
42: 제5 벤드 미러
43: 반사 미러 유닛
50: 레이저 가공 장치
51: 빔 헤드 유닛
54: 빔 셔터
55: 레이저 가공 장치
60: 제어 장치
70: 레이저 빔
S: 조사 시작 측
E: 조사 종료 측
X: 레이저 빔 주사 방향
Y: 워크 이송 방향

Claims (6)

  1. 워크에 형성된 박막층에 레이저 빔으로 가공 라인을 형성하는 패터닝용 레이저 가공 장치로서,
    상기 워크를 소정의 이송 속도로 이송 방향으로 이송하는 정속 이송 장치와,
    상기 이송 방향과 교차하는 주사 방향으로 조사 시작 측으로부터 조사 종료 측을 향해 1개의 레이저 빔을 워크의 박막층에 조사하여 레이저 가공을 행하는 복수의 빔 헤드를 갖는 빔 헤드 유닛과,
    상기 빔 헤드에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기와,
    상기 빔 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 주사 속도와 상기 이송 속도의 합성 속도가 상기 이송 방향에 대하여 직각으로 향하도록 상기 주사 속도와 상기 이송 속도를 상대적으로 제어하여, 상기 이송 속도로 이송되는 워크에 형성되는 가공 라인을 상기 이송 방향에 대하여 직각으로 연장되도록 제어하는 제어 장치를 구비하며,
    상기 복수의 빔 헤드는 상기 주사 방향으로 이동 가능한 제1 빔 헤드 및 제2 빔 헤드를 포함하고, 상기 제1 빔 헤드 및 상기 제2 빔 헤드 중 한쪽이 상기 조사 시작 측으로부터 상기 조사 종료 측을 향하여 이동하는 사이에 상기 제1 빔 헤드 및 상기 제2 빔 헤드 중 다른 쪽이 상기 조사 종료 측으로부터 상기 조사 시작 측으로 돌아가고,
    상기 제1 빔 헤드에 조사되는 레이저 빔의 광로와 상기 제2 빔 헤드에 조사되는 레이저 빔의 광로를 절환하여, 상기 레이저 발진기로부터 조사된 레이저 빔을 상기 제1 빔 헤드 및 상기 제2 빔 헤드 중 상기 조사 시작 측으로부터 상기 조사 종료 측으로 이동하고 있는 빔 헤드에 조사하도록 구성된 절환기를 더 구비하며,
    상기 제어 장치는, 상기 절환기를 제어하여 상기 가공 라인을 가공하는 빔 헤드를 절환함으로써, 상기 이송 속도로 워크를 이송하면서 해당 워크에 상기 가공 라인을 상기 제1 빔 헤드와 상기 제2 빔 헤드로 교대로 가공하도록 구성되고,
    상기 빔 헤드 유닛은, 상기 절환기로부터 상기 제1 빔 헤드까지의 광로에 설치되어 광로의 길이를 일정하게 유지하는 제1 광로 길이 일정 장치와, 상기 절환기로부터 상기 제2 빔 헤드까지의 광로에 설치되어 광로의 길이를 일정하게 유지하는 제2 광로 길이 일정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 패터닝용 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 빔 헤드 및 제2 빔 헤드의 배치와, 레이저 가공하는 1개의 빔 헤드와, 워크의 이송 속도로부터 워크에 대한 이송 방향의 주사 위치를 결정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 패터닝용 레이저 가공 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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