KR101828242B1

KR101828242B1 - 선형 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101828242B1
Application number: KR1020160095704A
Authority: KR
Inventors: 문진배
Original assignee: 주식회사 필옵틱스
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-12
Also published as: KR20180012626A

Abstract

본 발명은, 레이저 광원부에 인접하여 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 일 방향(또는 Y축)에서 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 빔 형성 광학계;와, 빔 형성 광학계와 빔 경로 상에서 마주하도록, 일 면에 비스듬하게 경사지는 복수의 계단을 가지며 복수의 계단을 따라 레이저 변형 형상 빔을 입사 받아 복수의 계단을 통해 복수의 레이저 층간 형상 빔을 반사시키는 계단식 미러와, 반사 면을 통해 복수의 레이저 층간 형상 빔을 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 따라 입사 받아 반사 면을 통해 복수의 레이저 조각 형상 빔을 반사시키는 평면 미러를 갖는 빔 조작 광학계를 포함한다.

Description

선형 레이저 가공 장치{LINEAR LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 광원부로부터 가공물의 가공 면 상에 레이저 빔을 조사시키는 선형 레이저 가공 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 레이저 광원부로부터 방출되는 가우션 프러파일의 레이저 원시 형상 빔을 플랫-탑 프러파일의 레이저 라인 빔으로 형성하고 레이저 라인 빔을 포커싱하여 만들어진 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키는 선형 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)의 제조 방법에서, 사파이어 기판으로부터 절연막(GaN 막 또는 AlN 막)을 분리하는 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Life Off) 공정과, 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display))의 제조 방법에서, 유리 기판 상에 비정질 실리콘층의 증착후 비정질 실리콘층의 결정화 공정에 Eximer 레이저 빔이나 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 빔이 사용된다.

이 경우에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가공물의 가공 면에 고 에너지의 레이저 빔으로 빠른 시간에 조사되어야 하는데, 이를 위해, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 빔 스팟(beam spot)의 크기를 줄이고 빔의 진행 방향에 직각인 방향에서 빔 세기(beam intensity, 또는 빔 강도)를 일정하게 하는 플랫-탑 프러파일(flat-top profile)을 이루도록 형상화되어야 고 에너지를 가지도록 용이하게 균질화 처리될 수 있다.

상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가우션 프러파일로 형상화되어 빔 중심으로부터 거리에 따라 빔 세기를 작게 가지기 때문에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 가우션 프러파일을 플랫-탑 프러파일로 형상화하여 작은 크기의 빔 스팟을 구현하고 작은 크기의 빔 스팟을 통해 가공물의 가공 면에 높은 에너지로 조사되기 위해 부가적인 광학계를 필요로 한다.

여기서, 상기 부가적인 광학계는 내부에서 적어도 두 개의 미러를 구비하며 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔을 적어도 두 개의 미러에 복수 회 반사시켜 빔 형상을 조작하여 빔 스팟을 작게 하는 라인 빔을 형성하나, 적어도 두 개의 미러에 레이저 빔의 복수 회의 반사로 인해 미러에 의한 광 손실과 내부 온도의 증가로 인해 구성 요소의 열화를 동시에 수반하여 목적하는 광학적 특성을 사용 시간에 따라 보여줄 수 없게 한다. 한편, 상기 부가적인 광학계는 미국 등록특허번호 제7286308호에 종래기술로써 개시된다.

상기 종래 기술은 복수의 삼각형 프리즘을 적층하여 다이오드 바(diode bar)로부터 복수의 삼각형 프리즘에 레이저 빔을 조사하고 개개의 삼각형 프리즘을 통해 레이저 빔에서 개개의 광선에 대응하는 서브 빔을 회전시켜 목적하는 방향으로 서브 빔의 단면적을 작게 하여 합성 빔을 개시한다. 그러나, 하나의 삼각형 프리즘은 복수의 면을 통해 해당하는 서브 빔과 4 번의 접촉을 하여 프리즘의 내부 온도를 증가시키며 레이저 빔의 크기를 줄이지 않아서 서브 빔의 빔 스팟에 따른 빔 에너지를 증가시키는데 한계를 갖는다.

미국 등록특허번호 제7286308호

본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 레이저 광원부로부터 가공물을 향해 조사되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔의 형상을 레이저 광원부와 가공물 사이에 위치되는 빔 조작 광학계를 통해 가공하여 레이저 원시 형상 빔 대비 가공물의 가공 면에 고 에너지의 레이저 빔을 적용함에도 불구하고 빔 조작 광학계의 내부 온도를 증가시키지 않도록 하는데 적합한 선형 레이저 가공 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 선형 레이저 가공 장치는, 레이저 광원부로부터 시작되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔을 여러 개의 조각으로 분리시켜 레이저 빔으로 형성하여 상기 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키도록, 상기 레이저 광원부에 인접하여 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 일 방향(또는 Y축)에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 빔 형성 광학계;와 상기 빔 형성 광학계와 빔 경로 상에서 마주하도록, 일 면에 비스듬하게 경사지는 복수의 계단을 가지며 상기 복수의 계단을 따라 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사 받아 상기 복수의 계단을 통해 복수의 레이저 층간 형상 빔을 반사시키는 계단식 미러와, 반사 면을 통해 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 따라 입사 받아 상기 반사 면을 통해 복수의 레이저 조각 형상 빔을 반사시키는 평면 미러를 갖는 빔 조작 광학계를 포함한다.

상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 일 방향을 따라 상기 계단식 미러에서 상기 복수의 계단의 최 하부측과 최 상부측 사이의 수직 높이에 대응하는 크기를 갖는다.

상기 계단식 미러는 3차원 좌표에서 상기 진행 방향과 상기 일 방향으로 한정되는 면(또는 Y-Z 평면)에 대해 소정 각을 이룬다.

상기 계단식 미러는 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면의 높이와 수평 계단 면의 폭을 크기 관점에서 동일한 길이를 갖는다.

하나의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 높이에 대응하여 형성된다.

하나의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수평 계단 면과 수평을 이룬다.

상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면으로 상기 레이저 변형 형상 빔을 순차적으로 잘라 형성된다.

상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단과 동일한 개수로 이루어진다.

상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단으로부터 동일 각도로 반사된다.

개개의 레이저 층간 형상 빔은 상기 계단식 미러와 상기 평면 미러 사이에 하나의 빔 경로를 따라 흐른다

상기 평면 미로는 상기 반사 면 상에서 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔을 동일 높이의 수평 레벨에 순차적으로 배열시킨다.

상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 반사 면 상에서 상기 복수의 레이저 층간 형성 빔과 동일한 개수로 이루어진다.

상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수평 계단 면의 폭에 의해 이격된다.

상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 평면 미러의 상기 반사 면으로부터 동일 각도로 반사되어 서로에 대해 평행을 이룬다.

상기 레이저 변형 형상 빔에서 상기 일 방향에 최하부 점으로부터 시작하여 최 하부측 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 입사 점(또는 반사 점)을 지나 상기 평면 미러에서 일 측부에 최외각 레이저 조각 형상 빔의 중심 점을 이어서 형성되는 하부 삼각형과,

상기 레이저 변형 형상 빔에서 상기 일 방향에 최상부 점으로부터 시작하여 최 상부측 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 입사 점(또는 반사 점)을 지나 상기 평면 미러에서 타 측부에 최외각 레이저 조각 형상 빔의 중심 점을 이어서 형성되는 상부 삼각형은, 삼각형의 닮은 꼴을 유지한다.

상기 선형 레이저 가공 장치는, 상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계;와 상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모제나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고, 상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고, 상기 호모제나이저 광학계는 상기 일 방향과 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시켜 레이저 라인 빔을 형성하고, 상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성한다.

본 발명은 레이저 광원부과 가공물 사이에 레이저 광원부의 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 일 방향으로 증가시켜 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 빔 형상 광학계, 그리고 빔 형상 광학계 주변에 계단식 미러와 평면 미러를 포함하는 빔 조작 광학계를 구비하므로 계단식 미러를 통해 레이저 변형 형상 빔을 계단의 개수만큼 잘라내어 개개의 계단에 레이저 조각 형상 빔을 형성하고 개개의 계단과 평면 미러 사이에 레이저 조각 형상 빔의 광 경로를 하나로 유지시켜 빔 조작 광학계의 내부 온도를 줄일 수 있다.

본 발명은 레이저 광원부과 가공물 사이에 빔 형상 광학계와 빔 조작 광학계를 순차적으로 배열하여 빔 형상 광학계에서 레이저 광원부의 레이저 원시 형상 빔의 형상을 변형시켜 레이저 변형 형상 빔을 형성하고 빔 조작 광학계에서 레이저 변형 형상 빔을 입사 받아 계단식 미러의 복수의 계단으로 레이저 변형 형상 빔을 잘라 복수의 계단을 따라 복수의 레이저 층간 형상 빔을 형성하므로 복수의 레이저 층간 형상 빔을 평면 미러에 동일 레벨의 수평 방향으로 입사시켜 평면 미러에서 일렬로 배열되는 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하여 빔 스팟의 크기를 용이하게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선형 레이저 가공 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계의 광학적인 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 3a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 레이저 광원부의 레이저 원시 형상 빔을 3차원 좌표에서 보여주는 빔 프러파일이다.
도 3b는 도 3a의 레이저 원시 형상 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.
도 4a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 X축 및 Y축에서 보여주는 빔 프러파일이다.
도 4b는 도 4a의 레이저 변형 형상 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.
도 5는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 빔 경로를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 5의 빔 경로를 3차원 좌표에서 기하학적으로 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 평면 미러에 형성되는 복수의 레이저 조각 형상 빔을 3차원 좌표에 보여주는 개략도이다.
도 8a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 호모제나이저 광학계를 이용하여 도 7의 복수의 레이저 조각 형상 빔을 라인 형으로 처리한 후에 X축 및 Y축에서 레이저 라인 빔을 보여주는 빔 프러파일이다.
도 8b는 도 8a의 레이저 라인 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 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 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 선형 레이저 가공 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이고, 도 2는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 선형 레이저 가공 장치(100)는, 레이저 광원부(10), 릴레이 광학계(20), 빔 형성 광학계(30), 빔 조작 광학계(70), 호모제나이저 광학계(80)와 포커싱 광학계(90)를 포함한다. 상기 레이저 광원부(10)는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔(도 3a 및 도 3b의 62)을 형성하여 레이저 원시 형상 빔(62)을 릴레이 광학계(20)에 전달한다.

상기 레이저 원시 형상 빔(62)이 릴레이 광학계(20)에 전달된 후, 상기 릴레이 광학계(20)는 레이저 원시 형상 빔(도 3a의 62)에서 빔 크기와 빔 퍼짐성에 동요 없이 레이저 원시 형상 빔(62)을 빔 형성 광학계(30)에 전달한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(62)이 빔 형성 광학계(30)에 계속하여 전달된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 원시 형상 빔(62)의 형상을 변형시켜 레이저 변형 형상 빔(도 4a 및 도 4b의 64)을 형성한다.

상기 레이저 변형 형상 빔(64)이 빔 형성 광학계(30)에서 형성된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 변형 형상 빔(64)을 빔 조작 광학계(70)에 전달한다. 상기 레이저 변형 형상 빔(64)이 빔 조작 광학계(70)에 전달된 후, 상기 빔 조작 광학계(70)는 레이저 변형 형상 빔(64)을 입사 받아 내부에 빔 경로(P)를 형성한다.

여기서, 상기 빔 조작 광학계(70)는 빔 경로(P) 상에서 마주하는 계단식 미러(40)와 평면 미러(50)를 포함한다. 상기 계단식 미러(40)는 복수의 계단(42)을 포함하며 복수의 계단(42)을 통해 레이저 변형 형상 빔(64)에 대응하는 복수의 레이저 층간 형상 빔(도 5의 66)을 형성한다. 상기 복수의 계단(42)은 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)으로 한정된다.

상기 수직 계단 면(44)의 높이(H1)는 복수의 계단(42)을 오르거나 내려가는 방향을 따라 크기 관점에서 수평 계단 면(48)의 폭(W)과 동일한 길이를 갖는다. 상기 평면 미러(50)는 빔 경로(P)를 따라 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)을 입사 받아 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)에 대응하는 복수의 레이저 조각 형상 빔(도 5, 내지 7의 68)을 형성하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)을 호모제나이저 광학계(80)에 전달한다.

상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)이 호모제나이저 광학계(80)에 전달된 후, 상기 호모제나이저 광학계(80)는 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)에 대응하는 레이저 라인 빔(69)을 형성하여 포커싱 광학계(90)에 전달한다. 상기 레이저 라인 빔(69)이 포커싱 광학계(90)에 전달된 후, 상기 포커싱 광학계(90)는 레이저 라인 빔(69)을 목적하는 방향으로 포커싱하여 빔 스팟을 줄여 고 에너지의 레이저 빔(도면에 미 도시)을 가공물(110)의 가공 면(A)에 조사한다.

도 3a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 레이저 광원부의 레이저 원시 형상 빔을 3차원 좌표에서 보여주는 빔 프러파일이고, 도 3b는 도 3a의 레이저 원시 형상 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 레이저 광원부(10)는 레이저 원시 형상 빔(62)을 방출한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(62)은 3차원 좌표에서X축, Y축 및 Z축에 가우션 프러파일로 형상화된다. 여기서, 상기 Z축은 레이저 원시 형상 빔(62)의 진행 방향으로 지칭하고, 상기 Y축은 진행 방향(또는 Z축)에 직각인 일 방향으로 지칭하며, 상기 X축은 일 방향에 직각인 타 방향으로 지칭하기로 한다.

상기 레이저 원시 형상 빔(62)은 가우션 프로파일로 형성화되기 때문에 빔 중심(O)으로부터 거리에 따라 빔 세기를 점진적으로 작게 가지고, X축, Y축 및 Z축에서 볼 때에 빔 피크(bean peak)를 빔 중심(O)에서 첨점으로 갖는다. 따라서, 상기 레이저 원시 형상 빔(62)은 빔 중심(O)으로부터 빔 주변을 향해 빔 세기를 가파르게 가지므로 원래 형상을 이용하여 빔 스팟을 줄여도 가공물(도 1의 110)의 가공 면(A)을 오랜 시간에 걸쳐 가공하거나 가공 면(A)을 불균일하게 가공한다.

상기를 이유로 해서, 상기 레이저 원시 형상 빔(62)은 X축 및 Y축에서 빔 중심(O)으로부터 빔 주변을 향해 소정 폭으로 빔 세기를 일정하게 갖게 하는 빔 균질화 처리를 적용받을 필요가 있다. 여기서, 상기 레이저 원시 형상 빔(62)은 빔 스팟과 빔 퍼짐성에서 아래의 수학식으로 규정 받는다.

<수학식 1>

(단, 2ｗ₀; 빔 스팟의 크기, λ; 레이저 파장, D; 빔 크기, F; 렌즈 초점거리, M²; 빔질 인자(beam quality factor))

상기 수학식 1을 고려해 볼 때, 상기 빔 스팟의 크기(2ｗ₀)가 렌즈에 입사되는 빔 크기(D)의 증가로 줄어드나, 상기 빔 크기의 증가는 렌즈 수차의 증가를 수반한다. 또한, 상기 빔 스팟의 크기(2ｗ₀)가 초점 거리(F)가 짧은 렌즈의 이용으로 줄어드나, 상기 초점 거리가 짧은 렌즈의 이용은 렌즈 수차의 증가를 수반한다. 따라서, 본 발명은 빔 크기(D)와 초점 거리(F)를 일정하게 유지하면서 빔질 인자(M²)를 통해 빔 스팟의 크기와 함께 빔 퍼짐성도 줄이는 방법을 제시한다.

<수학식 2>

(단, Θ; 빔 퍼짐성(beam divergence), BPP; 확산 정도(beam parameter product))

<수학식 3>

상기 빔질 인자(M²)는 완벽한 가우션 형태 싱글 모드(single mode)에 레이저 원시 형상 빔(62)의 근접 정도를 나타내는 지표이다. 상기 모드는 TEM(Transverse Electro-Magnetic) 모드로 표기하며, TEM_XY 로 표기한다. 예를 들어, TEM₀₀ (M²= 1)은 싱글 모드로 가우션 형태의 빔 프러파일을 가지며, TEM₀₁ (M²> 1)은 화산 분화구 형태의 빔 프러파일을 갖는다.

상기 수학식 2와 수학식 3을 고려해 볼 때, 상기 빔질 인자(M²)가 작으면, 빔 퍼짐성이 작게 되고, 상기 빔 퍼짐성이 작게 되면, 상기 빔 스팟의 크기도 물리적으로 작게 된다. 한편, 일반적인 펄스 레이저의 단일 펄스의 세기는 피크파워(peak power)라는 개념으로 나타내는데, 상기 빔 스팟의 크기가 작게 되면, 상기 피크파워는 아래의 수학식 4 에 의해 크게 할 수 있다.

<수학식 4>

피크파워(W)=펄스에너지(J)÷펄스폭(s)

(단, 펄스폭(s)은 빔 스팟의 크기(2ｗ₀)에 비례함)

도 4a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 X축 및 Y축에서 보여주는 빔 프러파일이고, 도 4b는 도 4a의 레이저 변형 형상 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 빔 형성 광학계(20)는 도 1의 릴레이 광학계(20)로부터 레이저 원시 형상 빔(62)을 전달받고, 레이저 원시 형상 빔(62)의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 일 방향(또는 Y축)에서 레이저 원시 형상 빔(62)의 빔 크기를 늘리며 레이저 원시 형상 빔(62)의 빔 퍼짐성을 줄여 레이저 변형 형상 빔(64)을 형성한다.

상기 레이저 변형 형상 빔(64)은 일 방향(또는 Y축)에 직각인 타 방향(또는 X축)으로 빔 크기와 빔 퍼짐성에 있어서 레이저 원시 형상 빔(62)과 동일하다. 또한, 상기 레이저 변형 형상 빔(64)은 일 방향(또는 Y축)을 따라 도 2의 계단식 미러(40)에서 복수의 계단(42)의 최 하부측과 최 상부측 사이의 수직 높이(H2)에 대응하는 크기를 갖는다.

도 5는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 빔 경로를 보여주는 개략도이고, 도 6은 도 5의 빔 경로를 3차원 좌표에서 기하학적으로 보여주는 개략도이다. 또한, 도 7은 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 평면 미러에 형성되는 복수의 레이저 조각 형상 빔을 3차원 좌표에 보여주는 개략도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 빔 조작 광학계(70)는 빔 경로(P) 상에서 빔 형성 광학계(도 1의 30)와 마주하며, 일 면에 비스듬하게 경사지는 복수의 계단(42)을 갖는다. 상기 빔 조작 광학계(70)는 계단식 미러(40)와 평면 미러(50)를 포함한다. 상기 계단식 미러(40)는 3차원 좌표에서 레이저 원시 형상 빔(도 3a 및 도 3b의 62) 또는 레이저 변형 형상 빔(64)의 진행 방향(또는 Z축)과 일 방향(또는 Y축)으로 한정되는 면(또는 Y-Z 평면)에 대해 소정 각을 이룬다.

상기 계단식 미러(40)는 복수의 계단(42)을 통해 빔 형성 광학계(30)의 레이저 변형 형상 빔(64)을 빔 경로(L10 ... Ln0)를 따라 입사 받아 복수의 계단(42)을 따라 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)을 형성하여 복수의 계단(42)을 통해 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)을 반사시킨다. 여기서, 하나의 레이저 층간 형상 빔(66)은 계단식 미러(40)의 복수의 계단(42)을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수직 계단 면(44)의 높이(H1)에 대응하여 형성된다.

상기 하나의 레이저 층간 형상 빔(66)은 계단식 미러(40)의 복수의 계단(42)을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수평 계단 면(48)과 수평을 이룬다. 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)은 복수의 계단(42)을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수직 계단 면(44)으로 레이저 변형 형상 빔(64)을 순차적으로 잘라 형성된다.

상기 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)은 복수의 계단(42)과 동일한 개수로 이루어진다. 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)은 복수의 계단(42)으로부터 동일 각도로 반사된다. 개개의 레이저 층간 형상 빔(66)은 계단식 미러(40)와 평면 미러(50) 사이에 하나의 빔 경로(L11 ... 또는 Ln1)를 따라 흐른다. 한편, 상기 평면 미러(50)는 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 따라 반사 면(55)을 통해 계단식 미러(40)로부터 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)을 입사 받아 반사 면(55)을 통해 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)을 형성하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)을 빔 경로(L12 ... Ln2)를 따라 반사시킨다.

상기 평면 미로(50)는 반사 면(55) 상에서 복수의 레이저 층간 형상 빔(66)을 동일 높이의 수평 레벨에 순차적으로 배열시킨다. 상기 복수의 레이저 조각 형성 빔(68)은 반사 면(55) 상에서 복수의 레이저 층간 형성 빔(66)과 동일한 개수로 이루어진다. 상기 복수의 레이저 조각 형성 빔(68)은 계단식 미러(40)의 복수의 계단(42)을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수평 계단 면(48)의 폭(W)에 의해 이격된다.

상기 복수의 레이저 조각 형성 빔(68)은 평면 미러(50)의 반사 면(55)으로부터 동일 각도로 빔 경로(L12 ... Ln2)를 따라 반사되어 서로에 대해 평행을 이룬다. 전체적으로, 상술한 바를 고려하면, 상기 빔 변형 광학계(30)와 빔 조작 광학계(70)는, 도 5 및 도 6에서, 3차원 좌표 상에, 예를 들면, 선택된 빔 경로들(L10, L11, Ln0, Ln1)의 벡터 조합을 통해 삼각형의 닮은 꼴을 이루는 하부 삼각형(T1)과 상부 삼각형(T2)을 형성한다.

상기 하부 삼각형(T1)은 빔 변형 광학계(30)의 레이저 변형 형상 빔(64)에서 일 방향에 최하부 점(A)으로부터 시작하여 최 하부측 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수직 계단 면(44)의 입사 점(또는 반사 점, B)을 지나 평면 미러(50)에서 일 측부에 최외각 레이저 조각 형상 빔(68)의 중심 점(C)을 이어서 형성된다.

상기 상부 삼각형(T2)은 빔 변형 광학계(30)의 레이저 변형 형상 빔(64)에서 일 방향에 최상부 점(A')으로부터 시작하여 최 상부측 계단(42)을 한정하는 수직 계단 면(44)과 수평 계단 면(48)에서 수직 계단 면(44)의 입사 점(또는 반사 점, B')을 지나 평면 미러(50)에서 타 측부에 최외각 레이저 조각 빔(68)의 중심 점(C')을 이어서 형성된다.

이 경우에, 상기 평면 미러(40)는 타 방향(X축)으로 도 7과 같이 위치되어 일 측부에서 최외각 레이저 조각 형상 빔(68)의 중심 점(C)과 타 측부에서 최외각 레이저 조각 형상 빔(68)의 중심 점(C) 사이에 도시되지는 않지만 순차적으로 배열되도록 레이저 조각 형상 빔(68)들을 형성한다. 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)은 일 방향(또는 Y축)에서 레이저 변형 형상 빔(64)을 계단식 미러(40)의 복수의 계단(42)으로 잘려져 형성되므로 일 방향에서 플랫-탑(flat-top) 프로파일을 갖는다.

도 8a는 도 1의 선형 레이저 가공 장치에서 호모제나이저 광학계를 이용하여 도 7의 복수의 레이저 조각 형상 빔을 라인 형으로 처리한 후에 X축 및 Y축에서 레이저 라인 빔을 보여주는 빔 프러파일이다. 또한, 도 8b는 도 8a의 레이저 라인 빔을 2차원 좌표에서 보여주는 이미지이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 호모제나이저 광학계(80)는 타 방향(또는 X축)에서 복수의 레이저 조각 형상 빔(도 8의 68)에 플랫-탑 프로파일을 형상화시켜 레이저 라인 빔(69)을 형성한다. 여기서, 상기 호모제나이저 광학계(80)는 시준기(도면에 미도시)를 이용하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)을 광학적으로 처리하는 동안 복수의 레이저 조각 형상 빔(68)을 타 방향(또는 X축)으로 합쳐지게 하며, 타 방향(또는 X축)으로 플랫-탑 프로파일을 갖는 레이저 라인 빔(69)을 방출한다.

이후로, 도 8a 및 도 8b에 도시되지 않았지만, 도 1의 포커싱 광학계(90)는 레이저 라인 빔(69)을 일 방향 또는 타 방향에서 포커싱하여 레이저 라인 빔(69)을 목적하는 길이, 예를 들면 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 사이의 길이를 가지는 빔 스팟으로 집속 또는 축소 결상하여 레이저 빔(도면에 미 도시)을 형성하고 레이저 빔을 가공물(도 1의 110)의 가공 면(A)에 조사한다.

10; 레이저 광원, 20; 릴레이 광학계
30; 빔 형성 광학계, 40; 계단식 미러
50; 평면 미러, 62; 레이저 원시 형상 빔
64; 레이저 변형 형상 빔, 66; 레이저 층간 형상 빔
68; 레이저 조각 형상 빔, 69; 레이저 라인 빔
70; 빔 조작 광학계, 80; 호모제나이저 광학계
90; 포커싱 광학계, 100; 선형 레이저 가공 장치
110; 가공물

Claims

레이저 광원부로부터 시작되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔을 여러 개의 조각으로 분리시켜 레이저 빔으로 형성하여 상기 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키는 선형 레이저 가공 장치에 있어서,
상기 레이저 광원부에 인접하여 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향에 직각을 이루는 일 방향에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 빔 형성 광학계;와
상기 빔 형성 광학계와 빔 경로 상에서 마주하도록, 일 면에 비스듬하게 경사지는 복수의 계단을 가지며 상기 복수의 계단을 따라 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사 받아 상기 복수의 계단을 통해 복수의 레이저 층간 형상 빔을 반사시키는 계단식 미러와, 반사 면을 통해 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향을 따라 입사 받아 상기 반사 면을 통해 복수의 레이저 조각 형상 빔을 반사시키는 평면 미러를 갖는 빔 조작 광학계를 포함하고,
상기 레이저 변형 형상 빔에서 상기 일 방향에 최하부 점으로부터 시작하여 최 하부측 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 입사 점으로부터 반사되어 상기 평면 미러에서 일 측부에 최외각 레이저 조각 형상 빔의 중심 점을 이어서 형성되는 하부 삼각형과,
상기 레이저 변형 형상 빔에서 상기 일 방향에 최상부 점으로부터 시작하여 최 상부측 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 입사 점으로부터 반사되어 상기 평면 미러에서 타 측부에 최외각 레이저 조각 형상 빔의 중심 점을 이어서 형성되는 상부 삼각형은, 삼각형의 닮은 꼴을 유지하는 것을 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 일 방향을 따라 상기 계단식 미러에서 상기 복수의 계단의 최 하부측과 최 상부측 사이의 수직 높이에 대응하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 계단식 미러는 3차원 좌표에서 상기 진행 방향과 상기 일 방향으로 한정되는 면에 대해 소정 각을 이루는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 계단식 미러는 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면의 높이와 수평 계단 면의 폭을 크기 관점에서 동일한 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
하나의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면의 높이에 대응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
하나의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 하나의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수평 계단 면과 수평을 이루는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수직 계단 면으로 상기 레이저 변형 형상 빔을 순차적으로 잘라 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단과 동일한 개수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 층간 형상 빔은 상기 복수의 계단으로부터 동일 각도로 반사되는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
개개의 레이저 층간 형상 빔은 상기 계단식 미러와 상기 평면 미러 사이에 하나의 빔 경로를 따라 흐르는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 평면 미러는 상기 반사 면 상에서 상기 복수의 레이저 층간 형상 빔을 동일 높이의 수평 레벨에 순차적으로 배열시키는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 반사 면 상에서 상기 복수의 레이저 층간 형성 빔과 동일한 개수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 복수의 계단을 오르거나 내려가는 방향을 따라 개개의 계단을 한정하는 수직 계단 면과 수평 계단 면에서 상기 수평 계단 면의 폭에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 레이저 조각 형성 빔은 상기 평면 미러의 상기 반사 면으로부터 동일 각도로 반사되어 서로에 대해 평행을 이루는 선형 레이저 가공 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계;와
상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모제나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고,
상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고,
상기 호모제나이저 광학계는 상기 일 방향과 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시켜 레이저 라인 빔을 형성하고,
상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 가공 장치.