KR101845750B1 - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 - Google Patents

Abstract

피가공물에 가공 테이퍼를 형성할 수 있으며, 피가공물의 가공 테이퍼 각도나 가공 폭(종횡비) 등을 다양하게 조절하여 다목적으로 사용 가능한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 레이저를 피가공물까지 전달하기 위한 제1 워터젯을 생성하는 제1 워터젯 생성부; 및 제1 워터젯의 주위에 제2 워터젯을 생성하는 제2 워터젯 생성부를 포함한다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법{LASER PROCESSING APPARATUS AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

산업이 발전함에 따라 다양한 분야에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다. 특히, 발전용 엔진, 항공기 엔진, 산업장비의 터빈 엔진, 선박용 터빈 엔진 등의 주요 부품에 대한 정밀 가공이 필요한 상황이다. 에너지 및 항공 우주 산업의 핵심 부품인 터빈 블레이드의 냉각 홀 뿐만 아니라 임펠러, 블리스크 및 기타 구조적으로 복잡한 부품에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다.

이러한 정밀 가공을 위하여 레이저 가공 기술이 개발되고 있다. 종래의 레이저 가공 기술의 경우에는 레이저 빔을 집속시키기 위하여 광학 렌즈를 사용하는데 레이저 빔의 발산 성질 때문에 유효한 작업 거리가 불과 수 mm 정도밖에 되지 않는다. 따라서, 피가공물이 두꺼울 경우에는 이를 절단하기 어렵고, 작업 거리를 늘리기 위하여 레이저의 출력을 높이게 되면 열 손상 영역(heat affected zone)이 커지게 된다. 또한, 레이저 가공 과정에서 피가공물의 가공면에서 발생하는 찌꺼기가 가공면 주위에 남아서 가공물에 대한 오염 및 인체에 유해한 물질이 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 종래의 레이저 가공 기술의 경우, 피가공물의 가공 테이퍼 각도나 가공 폭(종횡비) 등을 조절하는 것이 제한되었다.

한국등록실용신안공보 제20-0164249호 (1999. 10. 06)

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 방법은 피가공물을 액체로 가이드 된 레이저(예를 들어, 레이저 워터젯)로 피가공물을 가공할 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 방법은 피가공물에 가공 테이퍼를 형성할 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 방법은 피가공물의 가공 테이퍼 각도나, 가공 폭(종횡비) 등을 다양하게 조절하여 다목적으로 사용 가능한 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 방법은 워터젯을 사용하여 작업 거리를 늘일 수 있으며, 레이저에 의한 가공면의 가열을 방지하도록 효율적으로 가공면을 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 장치는 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 제1 워터젯을 생성하는 제1 워터젯 생성부; 및 상기 제1 워터젯의 주위에 제2 워터젯을 생성하는 제2 워터젯 생성부를 포함한다.

상기 제2 워터젯은 상기 제1 워터젯보다 굴절률이 낮을 수 있다.

상기 제2 워터젯은 상기 제1 워터젯보다 낮은 압력으로 분사될 수 있다.

상기 제2 워터젯을 이루는 액체는 상기 제1 워터젯을 이루는 액체보다 굴절률이 낮을 수 있다.

상기 제2 워터젯 생성부는, 상기 제2 워터젯을 생성하기 위한 액체를 수용하는 챔버; 상기 챔버에 액체를 공급하는 공급부; 상기 챔버 내의 액체를 상기 제1 워터젯을 감싸도록 분사하여 상기 제2 워터젯을 형성하는 분사부; 및 상기 액체의 분사 압력 및 온도 중의 적어도 하나를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 피가공물에 가공되는 테이퍼의 각도는 상기 제2 워터젯의 압력 및 상기 액체의 온도 중의 적어도 하나에 따라 조절될 수 있다.

상기 레이저 가공 장치는 상기 레이저의 주위에 보조 가스를 분사하는 가스 생성부를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 워터젯 및 상기 보조 가스는 선택적으로 분사될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 몸체; 상기 몸체 내에 구비되고, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 상기 몸체 내에 구비되어 제1 액체를 수용하는 제1 챔버와, 상기 제1 액체를 제1 압력으로 분사하여 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 제1 워터젯을 생성하는 노즐을 포함하는 제1 워터젯 생성부; 및 상기 몸체 내에서 상기 제1 챔버의 하부에 구비되어 제2 액체를 수용하는 제2 챔버와, 상기 몸체의 하단부에 구비되고 상기 제2 챔버 내의 제2 액체를 제2 압력으로 분사하여 상기 몸체와 상기 피가공물의 사이에 상기 제1 워터젯을 감싸는 제2 워터젯을 생성하는 분사부를 포함하는 제2 워터젯 생성부;를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

상기 제2 압력은 상기 제1 압력보다 낮을 수 있다.

상기 제2 액체는 상기 제1 액체보다 굴절률이 낮을 수 있다.

상기 제2 워터젯 생성부는 상기 제2 액체의 분사 압력 및 온도 중의 적어도 하나를 조절하여 상기 피가공물에 가공되는 테이퍼의 각도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 가공 장치는 상기 제2 챔버 내의 상기 제2 액체를 보조 가스로 전환하여 상기 분사부와 상기 피가공물의 사이에 상기 제1 워터젯을 감싸도록 보조 가스를 분사하는 가스 생성부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 단계; 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 제1 워터젯을 생성하는 단계; 및 상기 제1 워터젯의 주위에 제2 워터젯을 생성하는 단계를 포함하는 레이저 가공 방법이 제공된다.

상기 레이저 가공 방법은 상기 제2 워터젯의 압력, 온도, 상기 레이저의 파워 및 상기 제2 워터젯의 두께 중의 적어도 하나를 조절하여 상기 피가공물에 가공되는 테이퍼의 각도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 가공 방법은 상기 제1 워터젯과 동일한 굴절률을 갖도록 상기 제2 워터젯을 생성하여 상기 피가공물의 가공 폭을 확장시킬 수 있다.

상기 레이저 가공 방법은 상기 제2 워터젯을 보조 가스로 전환하는 단계 및 상기 제1 워터젯의 주위에 분사되는 상기 보조 가스를 상기 제2 워터젯으로 전환하는 단계 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 액체로 가이드 된 레이저(예를 들어, 레이저 워터젯)로 피가공물을 가공할 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 피가공물에 가공 테이퍼를 형성할 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 피가공물의 가공 테이퍼 각도나, 가공 폭(종횡비) 등을 다양하게 조절하여 다목적으로 사용 가능한 레이저 가공 장치 및 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 워터젯을 사용하여 작업 거리를 늘일 수 있으며, 레이저에 의한 가공면의 가열을 방지하도록 효율적으로 가공면을 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제2 워터젯이 제1 워터젯 주변에 형성된 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 A-A' 단면을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 B-B' 선에 따른 굴절률 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 B-B' 선에 따른 레이저의 에너지 분포를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 피가공물의 레이저 가공이 이루어지는 중간 상태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피가공물의 레이저 가공이 이루어진 최종 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피가공물의 다양한 가공 형태를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다.
도 10은 도 9의 실시예에 따라 보조 가스가 제1 워터젯 주변에서 압력을 가하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 9의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 가공 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 빔 모드 제어를 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 빔 모드를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 몸체(110), 레이저 발생부(120), 제1 워터젯 생성부(140) 및 제2 워터젯 생성부(150)를 포함한다.

레이저 발생부(120)는 피가공물(S)을 가공하기 위한 레이저(L)를 발생시킨다. 일 실시예에서, 레이저 발생부(120)는 몸체(110) 내에 장착되는 콜리메이터(collimator)(122)와 포커스 렌즈(focus lens)(124)를 포함될 수 있다. 콜리메이터(122)는 평행 광선의 레이저를 출력한다. 포커스 렌즈(124)는 레이저의 초점을 형성한다.

콜리메이터(122)와 포커스 렌즈(124)를 통과한 레이저는 몸체(110) 내에 장착된 윈도우(window)(130)를 통해 제1 워터젯 생성부(140)의 제1 챔버(142)를 지날 수 있다. 일 실시예로, 윈도우(130)는 사파이어와 같은 물질로 형성될 수 있다.

제1 워터젯 생성부(140)는 레이저(L)를 피가공물(S)까지 전달하기 위한 제1 워터젯(10)을 생성한다. 일 실시예로, 제1 워터젯 생성부(140)는 제1 워터젯(10)을 생성하기 위한 제1 액체(LQ1)인 물 등을 수용하도록 몸체(110) 내에 마련되는 제1 챔버(142)와, 제1 챔버(142)에 제1 액체(LQ1)를 공급하는 제1 공급부(144), 및 제1 챔버(142) 내의 제1 액체(LQ1)를 피가공물(S) 측으로 분사하는 노즐(146)을 포함할 수 있다.

일 실시예로, 노즐(146)은 사파이어 또는 다이아몬드와 같은 물질로 형성될 수 있다. 제1 공급부(144)에는 펌프(pump)가 연결되고, 펌프의 압력에 의해 제1 액체(LQ1)가 제1 챔버(142) 내에 공급될 수 있다. 제1 챔버(142)에 공급되는 제1 액체(LQ1)는 물일 수 있는데, 레이저(L)가 통과하는 제1 워터젯(10)을 형성하기 때문에 제1 챔버(142)에 공급되는 물은 순도가 높은 물(예를 들어, De-ionized Water)일 수 있다.

제1 워터젯(10)은 레이저에 의해 가열된 피가공물(S)의 가공면을 효율적으로 냉각시킬 수 있어서 재료의 물리적 손상이나 열 손상을 방지할 수 있고 가공의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 슬래그(slag) 처리, 그라인딩(grinding)과 같은 후처리가 필요하지 않아서 가공 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 그리고, 레이저 가공 중 발생하는 불순물을 제1 워터젯(10)에 의해 씻어내어 제거할 수도 있다. 실시예에서, 제1 워터젯(10)의 압력은 대략 1 내지 1000 Bar로 형성될 수 있다.

노즐(146)을 통과한 레이저(L)는 제2 워터젯 생성부(150)의 제2 챔버(152)를 통과할 수 있다. 제2 워터젯 생성부(150)는 제1 워터젯(10)의 주위에 제2 워터젯(20)을 생성한다. 제2 워터젯 생성부(150)는 제2 워터젯(20)을 생성하기 위한 제2 액체(LQ2)를 수용하도록 몸체(110) 내에서 제1 챔버(142)의 하부에 마련되는 제2 챔버(152), 제2 챔버(152)에 제2 액체(LQ2)를 공급하는 제2 공급부(154), 제2 챔버(152) 내의 제2 액체(LQ2)를 제1 워터젯(10)을 감싸도록 분사하여 제2 워터젯(20)을 형성하도록 제2 챔버(152)의 하부 측에 제공되는 분사부(158) 및 제2 액체(LQ2)의 분사 압력(제2 워터젯의 압력) 및/또는 온도를 조절하기 위한 제어부(156)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 분사부(158)는 대략 원추 형상의 노즐로 제공될 수 있다. 분사부(158)의 노즐 직경은 제1 워터젯(10)의 직경보다 크게 제공될 수 있다. 제2 워터젯 생성부(150)에 의해, 몸체(110)의 선단부에 설치되는 분사부(158)와 피가공물(S)의 사이에 제1 워터젯(10)을 감싸는 제2 워터젯(20)이 생성될 수 있다. 제어부(156)는 펌프의 공급 압력을 제어하여 제2 워터젯(20)의 압력을 조절하거나, 가열 또는 냉각 수단(도시 생략)을 이용하여 제2 액체(LQ2)의 온도를 조절하여 제2 워터젯(20)의 굴절률을 제어할 수 있다.

제2 워터젯(20)을 이루는 제2 액체(LQ2)는 제1 워터젯(10)을 이루는 제1 액체(LQ1)와 동일한 액체(예를 들어, 물)일 수도 있고, 다른 액체일 수도 있다. 여기서, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)은 동일한 액체이면서 압력 및 온도 중 하나 이상을 달리할 수 있고, 이 뿐만 아니라, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)은 서로 다른 액체이면서 압력이 같거나 다를 수 있다. 한편, “서로 다른 액체”란 성분이 동일한 액체로서 혼합물(예를 들어, 알코올)로 인해 실질적으로 다른 것으로 볼 수 있는 액체도 포함한다. 나아가, 피가공물(S)의 가공 목적에 따라, 제2 워터젯(20)의 굴절률은 제1 워터젯(10)의 굴절률과 같은 경우도 있을 수 있으며, 이하에서는, 제2 워터젯(20)의 굴절률이 제1 워터젯(10)의 굴절률보다 낮은 경우를 주로 하여 설명한다.

일 실시예에서, 제2 워터젯(20)은 제1 워터젯(10)보다 낮은 압력으로 분사될 수 있다. 제2 워터젯(20)의 굴절률은 제2 액체(LQ2)의 분사 압력과 제2 액체(LQ2)의 온도에 따라 변화한다. 즉, 제2 액체(LQ2)의 온도가 일정할 경우, 제2 액체(LQ2)의 분사 압력이 낮아질수록 제2 워터젯(20)의 굴절률이 감소한다. 따라서, 제2 액체(LQ2)의 분사 압력을 낮게 하여 제1 워터젯(10)보다 낮은 굴절률의 제2 워터젯(20)을 형성할 수 있다.

또한, 제2 워터젯(20)의 굴절률은 제2 액체(LQ2)의 온도에 따라서 변화할 수도 있는데, 제2 액체(LQ2)의 분사 압력이 일정할 경우, 제2 액체(LQ2)의 온도가 높을수록 제2 워터젯(20)의 굴절률이 감소한다. 따라서, 제2 액체(LQ2)의 온도를 증가시켜 제1 워터젯(10)보다 낮은 굴절률의 제2 워터젯(20)을 형성할 수 있다. 나아가, 제2 워터젯(20)의 분사 압력과 온도를 동시에 조절하여 제2 워터젯(20)의 굴절률을 조절할 수도 있다.

다른 실시예에서, 제2 워터젯(20)을 이루는 제2 액체(LQ2)는 제1 워터젯(10)을 이루는 제1 액체(LQ1)보다 굴절률이 낮을 수 있다. 이 경우, 제2 워터젯(20)의 압력을 제1 워터젯(10)보다 낮게 하거나 제2 액체(LQ2)의 온도를 높이지 않더라도, 제1 워터젯(10)보다 낮은 굴절률의 제2 워터젯(20)을 형성하는 것이 가능하다. 이 때, 제1 액체(LQ1)는 물(순수)이고, 제2 액체(LQ2)는 알코올이 혼합된 물일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제2 워터젯이 제1 워터젯 주변에 형성된 모습을 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1의 A-A' 단면을 보여주는 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제2 워터젯(20)은 제1 워터젯(10)을 감싸는 링(ring) 형태로 형성된다. 제2 워터젯(20)은 도시된 바와 같이 제1 워터젯(20)의 외주연과 접촉되는 형태로 제공될 수도 있고, 제1 워터젯(10)과 사이에 얇은 공기층이 개재된 상태로 형성될 수도 있다.

제1 워터젯(10)은 고속으로 분사되는 물기둥으로서, 제1 워터젯(10) 내에 제1 임계각 이하의 입사각으로 입사된 제1 레이저(L1)는 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20) 간의 제1 경계면(BS1)에서 전반사가 일어날 수 있다. 이에 따라, 제1 워터젯(10) 내에서 가이드되는 제1 레이저(L1)가 피가공물(S)까지 전달될 수 있다. 상기 제1 임계각은 제1 워터젯(10) 및 제2 워터젯(20)의 굴절률에 따라 결정될 수 있다.

제1 워터젯(10)이 피가공물(S)까지 유지되는 한 제1 레이저(L1)는 외부로 발산되지 않고 피가공물(S)까지 전달될 수 있다. 제1 워터젯(10)은 머리카락 굵기 정도의 미세한 물기둥일 수 있다. 따라서, 그 내부에서 전달되는 제1 레이저(L1)도 미세하게 형성될 수 있어서 이를 이용하여 절단(cutting), 그루빙(grooving), 스크라이빙(scribing), 드릴링(drilling) 등의 다양한 공정을 행할 수 있다.

피가공물(S)에 테이퍼 가공을 하려는 경우, 제1 경계면(BS1)에서 제1 레이저(L1)의 전반사가 일어나도록 하기 위하여 제2 워터젯(20)의 굴절률을 제1 워터젯(10)의 굴절률보다 낮게 할 필요가 있다. 다른 예로, 피가공물(S)에 테이퍼 가공을 하지 않고, 피가공물(S)의 가공 폭을 확장시키려는 경우 또는 액체의 과량 공급을 통해 주위에 액체 점프(hydraulic jump)를 유도함으로써 장벽을 형성하여 비산물의 비산 차단을 하고자 하는 경우, 제2 워터젯(20)의 굴절률이 제1 워터젯(10)의 굴절률과 동일하게 되어도 무방하다. 예컨대, 동일한 액체를 사용하여 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)을 동일 압력으로 분사시킬 경우, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)의 굴절률은 동일할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 제2 워터젯(20)에 의해 제1 워터젯(10)의 생성 초기에 발생하는 난류(turbulence)가 억제되기 때문에 워터젯의 물줄기를 안정화할 수 있다. 또한, 제2 워터젯(20)에 의해 제1 워터젯(10)의 물기둥 길이(분사 거리)를 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 레이저의 가공 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 피가공물(S)의 두께가 증가하는 경우에도 피가공물(S)의 가공이 가능하다. 또한, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)에 의해서 레이저(L)가 긴 거리를 발산 없이 전달될 수 있어서 작업 거리(working distance)를 늘일 수도 있다.

또한, 제2 워터젯(20)은 레이저(L)에 의해 가공되는 피가공물(S)에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. 제1 워터젯(10)에 의해 발생하는 피가공물(S) 표면의 온도 구배는 제2 워터젯(20)에 의해 완화될 수 있다. 제1 워터젯(10)은 그 두께가 얇기 때문에 피가공물(S) 표면 중 냉각시키는 범위가 협소하게 될 수 있다. 그에 따라 냉각 부위와 그 주변 부위 간의 온도 구배가 발생할 수 있는데, 제2 워터젯(20)이 제1 워터젯(10)에 의한 냉각 부위 주변을 냉각시킴으로써 피가공물(S) 표면의 온도 구배를 완화시킬 수 있다. 이에 따라서 취성이 높은 실리콘 웨이퍼 같은 소재(예컨대, SiC 등)에서 발생하기 쉬운 크랙(crack) 등의 손상을 방지할 수 있다. 결과적으로, 레이저에 의한 가공 품질이 향상될 수 있다.

또한, 제2 워터젯(20)의 굴절률이 제1 워터젯(10)보다 낮은 경우, 제2 워터젯(20)의 압력(굴절률)에 따라 피가공물(S)에 가공되는 테이퍼(taper)의 각도가 조절될 수 있다. 제1 워터젯(10) 내에 상기 제1 임계각보다 큰 입사각으로 조사된 레이저 중의 일부인 제2 레이저(L2)는 제1 경계면(BS1)에서 전반사되지 않고 제1 경계면(BS1)을 투과하여 제2 워터젯(20)으로 유입될 수 있다.

제2 워터젯(20)으로 투과된 제2 레이저(L2)는 제2 워터젯(20)과 외부의 물질인 공기(30) 간의 제2 경계면(BS2)에서 전반사되거나, 일부가 반사된다. 제2 워터젯(20)은 공기(30)보다 굴절률이 높기 때문에, 제2 임계각 이하의 입사각으로 제2 경계면(BS2)에 입사된 제2 레이저(L2)는 제2 경계면(BS2)에서 전반사된다. 상기 제2 임계각은 제2 워터젯(20)과 공기(30)의 굴절률에 따라 결정된다. 또한, 제2 레이저(L2)는 제1 경계면(BS1)에서 일부는 반사되어 제2 워터젯(20) 내에서 전달되고, 나머지 일부는 제1 경계면(BS1)을 투과하여 제1 워터젯(10)으로 유입된다.

제2 워터젯(20) 내의 제2 경계면(BS2)에서 전반사된 제2 레이저(L2)와, 제2 워터젯(20) 내의 제1 경계면(BS1)에서 반사되는 제3 레이저(L3)는 제2 워터젯(20)에 의해 가이드되어 피가공물(S)로 전달된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 제2 워터젯(20)의 굴절률이 제1 워터젯(10)의 굴절률과 동일한 경우, 제2 워터젯(20) 만큼 피가공물(S)의 가공 폭(예를 들어, 가공 홀의 직경)이 확장되며, 이 경우 피가공물(S)에 가공 테이퍼가 형성되지 않을 수 있다.

만약, 제2 워터젯(20)의 굴절률을 제1 워터젯(10)보다 낮게 할 경우, 제1 워터젯(10)에서 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 감소하여 피가공물(S)의 테이퍼 각도가 증가하고, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)의 굴절률 차이에 따라 피가공물(S)에 테이퍼진 형태의 가공이 이루어질 수 있다.

제2 워터젯(20)의 굴절률(압력)이 일정 수준 이상으로 감소하여 공기(30)의 굴절률에 근접해지게 되면, 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 0으로 수렴하게 되고, 레이저의 대부분이 제1 워터젯(10)에 가두어지게 되어, 피가공물(S)의 테이퍼 각도가 다시 감소하게 된다.

제2 워터젯 생성부(150)에서 제2 워터젯(20)을 분사하지 않는 경우, 제1 워터젯(10)에 의해 레이저가 가이드되어, 레이저의 에너지 분포가 제1 워터젯(10) 내에 집중되며, 이 경우 고종횡비의 가공이 가능하다.

도 4는 도 3의 B-B' 선에 따른 굴절률 변화를 보여주는 도면이다. 도 5는 도 3의 B-B' 선에 따른 레이저의 에너지 분포를 보여주는 도면이다. 도 4 내지 도 5를 참조하면, 제2 워터젯(20)의 굴절률(n2)은 제1 워터젯(10)의 굴절률(n1)보다 낮고, 공기(30)의 굴절률(n3)보다 클 수 있다.

일 실시예에서, 제1 워터젯(10)의 굴절률(n1)은 1.3 내지 1.4 범위 내의 값(예를 들어, 1.33 내지 1.34)으로 제공될 수 있다. 제2 워터젯(20)의 굴절률(n2)은 공기(30)의 굴절률(n3)인 1보다 크고 제1 워터젯(10)의 굴절률보다 작게 제공될 수 있다.

제1 워터젯(10)에 의해 가이드되는 레이저의 제1 에너지 분포(E1)는 도 5에 일점 쇄선으로 도시되어 있으며, 제2 워터젯(20)에 의해 가이드되는 레이저의 제2 에너지 분포(E2)는 점선으로 도시되어 있다. 제1 워터젯(10) 및 제2 워터젯(20)에 의해 가이드되는 레이저의 전체 에너지 분포(E3)는 제1 에너지 분포(E1)와 제2 에너지 분포(E2)를 합한 형태로서, 도 5에 실선으로 도시되어 있다. 도시와 같이, 레이저의 전체 에너지 분포(E3)는 제1 워터젯(10)에 집중되고, 일부 에너지는 제2 워터젯(20)에 링 형태로 분산된 형태가 된다. 또한, 레이저(L)의 제1 워터젯(10)에 대한 오프셋(offset) 및 각편향(angular deflection) 중 적어도 하나에 의해 제1 워터젯(10) 및 제2 워터젯(20)에 의해 가이드되는 레이저의 전체 에너지 분포를 조절할 수 있으며, 이를 이용하여 절단(cutting), 그루빙(grooving), 스크라이빙(scribing), 드릴링(drilling), 용접(Welding) 등의 다양한 공정의 품질을 조절할 수 있다. 즉, 레이저(L)의 제1 워터젯(10)에 대한 오프셋과 각편향을 조절하기 위하여 레이저 발생부(120)의 위치 및 각도 중 적어도 하나를 변경함으로써, 횡방향 오프셋 및 각편향을 조절할 수 있고, 레이저 발생부(12) 내의 포커스 렌즈를 조절하여 레이저의 포커스를 변경함으로써, 종방향 오프셋을 조절할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 변경부가 레이저 발생부(120)의 위치를 종방향으로 이동시킴으로써 종방향 오프셋을 조절하는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 피가공물의 레이저 가공이 이루어지는 중간 상태를 보여주는 도면이다. 제1 워터젯(10)에 의해 가이드되는 제1 레이저(L1)에 의해 피가공물(S)의 표면상에 홈이 형성된다. 이때, 제2 레이저(L2)가 제1 워터젯(10)을 둘러싸는 제2 워터젯(20)에 의해 가이드되어 피가공물(S)의 홈 가장자리 부분(E)으로 전달되므로, 홈 가장자리 부분(E)에도 추가적으로 가공이 이루어지게 된다. 제2 레이저(L2)의 에너지 분포는 홈 가장자리 부분(E) 중에서도 가운데 부분에 집중되므로, 홈 가장자리 부분(E)은 도시와 같이 경사진 형태로 가공이 이루어진다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피가공물의 레이저 가공이 이루어진 최종 결과를 보여주는 도면이다. 본 실시예에 따라 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)에 의해 레이저를 가이드하여 피가공물(S)을 지속적으로 가공함에 따라, 도 7의 도시와 같이 테이퍼 각도(θ)가 형성된 상광하협(上廣下協)의 절두원추형 홈이 피가공물(S)에 형성된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피가공물의 다양한 가공 형태를 보여주는 도면이다. 도 8의 상부에는 레이저의 에너지 분포가 도시되고, 하부에는 해당 레이저에 의해 피가공물이 가공된 형태가 도시된다.

제1 워터젯(10)의 주위에 제2 워터젯(20)을 형성하지 않을 경우, 도 8의 (a)와 같이 제1 워터젯(10)에 의한 레이저 가이드 효과에 의해 레이저는 폭이 좁은 제1 워터젯(10) 내에 집중되며, 그 결과 빔 폭(W1)이 좁은 레이저가 피가공물(S)에 전달되어 가공 폭(D1)이 좁으면서 높은 종횡비를 갖는 홀(H1)이 피가공물(S)에 형성된다.

제1 워터젯(10)의 주위에 제1 워터젯(10)보다 낮은 굴절률의 제2 워터젯(20)을 형성하는 경우, 도 8의 (b)와 같이 제1 워터젯(10) 및 제2 워터젯(20)에 의한 레이저 가이드 효과에 의해 제1 워터젯(10)에 집중되어 있던 레이저의 에너지 일부가 링 형태의 제2 워터젯(20)으로 분산되고, 앞서 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 원리에 따라 테이퍼 각도를 갖는 홀(H2)이 피가공물(S)에 형성된다.

제1 워터젯(10)의 주위에 제1 워터젯(10)과 같은 굴절률의 제2 워터젯(20)을 형성하는 경우, 도 8의 (a)보다 워터젯의 직경이 제2 워터젯(20)만큼 확장되는 효과가 생기며, 그 결과 도 8의 (c)와 같이 빔 폭(W2)이 확장된 레이저가 피가공물(S)에 전달되어 가공 폭(D2)이 넓은 홀(H3)이 피가공물(S)에 형성된다.

도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 워터젯(20)의 분사 여부와 제2 워터젯(20)의 굴절률을 조절함으로써 피가공물(S)을 다양한 형태로 가공할 수 있으며, 피가공물(S)에 가공되는 홀의 직경 및 테이퍼 각도를 조절할 수 있다.

피가공물(S)에 가공되는 테이퍼의 각도(도 7의 도면부호 θ)는 제2 워터젯(20)의 압력(굴절률)(제1 워터젯과 제2 워터젯의 압력 차이), 레이저의 파워(power) 및 제2 워터젯(20)의 두께(TH) 등에 따라 조절될 수 있다.

제2 워터젯(20)과 제1 워터젯(10)의 굴절률 차이가 커질수록, 제1 워터젯(10)에서 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 감소하여 피가공물(S)에 완만한 경사의 테이퍼가 형성될 수 있다.

만약, 제2 워터젯(20)의 굴절률이 더욱 감소하여 공기(30)의 굴절률에 근접해지게 되면, 제2 워터젯(20)과 제1 워터젯(10)의 굴절률 차이가 일정 수준 이상으로 커지게 되어 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 0으로 수렴하게 되고, 레이저의 대부분이 제1 워터젯(10)에 가두어지게 되는 결과, 피가공물(S)에 테이퍼가 없는 가공 홀이 형성될 수 있다.

레이저의 파워가 커질수록 제2 워터젯(20)으로 전달되는 에너지가 증가하여 피가공물(S)의 가공 테이퍼 각도(θ)가 감소하게 되고, 레이저의 파워가 감소할수록 가공 테이퍼 각도(θ)가 증가할 수 있다.

또한, 제2 워터젯(20)의 두께(도 7의 도면부호 TH)가 증가할수록 제2 워터젯(20)의 두께만큼 레이저 에너지가 분산되어 피가공물(S)의 가공 테이퍼 각도(θ)가 증가하고, 제2 워터젯(20)의 두께(TH)가 감소할수록 가공 테이퍼 각도(θ)가 감소할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 9의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략될 수 있다. 도 9의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 가스 생성부(160)를 더 포함한다.

가스 생성부(160)는 제1 워터젯(10)에 의해 가이드되는 레이저 주위에 보조 가스(assist gas)(G)를 분사하도록 제공될 수 있다. 실시예에서, 가스 생성부(160)는 헬륨(He)과 같은 보조 가스(G)를 수용하기 위한 챔버(chamber)(제2 챔버, 152)와, 챔버에 보조 가스(G)를 공급하는 가스 공급부(164, 166) 및 가스 챔버의 보조 가스를 피가공물로 분사하기 위한 노즐(nozzle)(분사부, 158)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가스 생성부(160)는 제2 워터젯 생성부(150)의 제2 챔버(152) 내에 제2 액체를 보조 가스로 전환하여 분사부(158)를 통해 분사하도록 구성될 수 있다.

도 10은 도 9의 실시예에 따라 보조 가스가 제1 워터젯 주변에서 압력을 가하는 모습을 나타낸 도면이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 보조 가스(G)는 그 압력을 통해 워터젯 생성 초기에 발생하는 난류(turbulence)를 억제할 수 있고, 레이저(L)에 의해 가공되는 피가공물(S)에서 발생되는 열을 냉각할 수 있으며, 레이저 워터젯의 길이를 조절하여 작업거리를 조절할 수 있다.

제1 워터젯(10)의 주위에 보조 가스(G)가 분사되는 경우, 보조 가스(G)에 의해 제1 워터젯(10)에서 발생하는 난류가 억제되기 때문에 제1 워터젯(10)의 유지 길이가 증가하고, 그에 따라 레이저의 가공 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 피가공물의 두께가 증가하는 경우에도 적절하게 가공할 수 있다.

또한, 제1 워터젯(10)에 의해 발생하는 피가공물(S) 표면의 온도 구배가 보조 가스(G)에 의해 완화될 수 있다. 제1 워터젯(10)은 그 두께가 얇기 때문에 피가공물(S) 표면 중 냉각시키는 범위가 협소하게 될 수 있다. 그에 따라 냉각 부위와 그 주변 부위 간의 온도 구배가 발생할 수 있는데, 보조 가스(G)가 제1 워터젯(10)에 의한 냉각 부위 주변을 냉각시킴으로써 피가공물(S) 표면의 온도 구배를 완화시킬 수 있다. 이에 따라서 취성이 높은 실리콘 웨이퍼 같은 소재에서 발생하기 쉬운 크랙(crack) 등의 손상을 방지할 수 있다. 결과적으로, 레이저에 의한 피가공물(S)의 가공 품질이 향상될 수 있다.

본 실시예에 따라, 제2 워터젯 및 보조 가스(G)는 선택적으로 분사될 수 있다. 일 실시예로, 제2 워터젯 생성부(150)와 가스 생성부(160)는 제2 챔버(152)와 분사부(158)의 노즐을 공유할 수 있다. 제2 챔버(152)에 저장되는 유체를 제2 액체 또는 보조 가스로 전환하여, 도 1의 도시와 같이 제1 워터젯(10)의 주위에 제2 워터젯(20)을 생성하거나, 도 9의 도시와 같이 제1 워터젯(10)의 주위에 보조 가스(G)를 분사할 수 있다.

일 실시예에서, 피가공물(S)에 높은 종횡비의 홀을 가공하려는 경우, 제1 워터젯(10)의 둘레에 제2 워터젯(20) 대신 보조 가스(G)를 분사할 수 있다. 이에 따라, 보조 가스(G)에 의해 피가공물(S)의 가공면의 온도구배를 완화하여 취성이 높은 취성이 높은 피가공물(S)에 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지하면서 높은 종횡비의 가공 폭이 좁은 홀을 피가공물(S)에 형성할 수 있다. 또한, 노즐로부터 분사된 제1 워터젯(10)의 초기 요동을 보조 가스(G)에 의해 제거하여 워터젯의 물줄기를 안정화하고 물기둥 길이를 길게 형성할 수 있다.

피가공물(S)에 가공 폭이 넓은 홀 또는 테이퍼 각도를 갖는 홀을 형성하려는 경우, 제1 워터젯(10)의 둘레에 보조 가스(G) 대신 제2 워터젯(20)을 분사할 수 있다. 이 경우, 노즐로부터 분사된 제1 워터젯(10)의 초기 요동을 제2 워터젯(20)에 의해 제거하여 워터젯의 물기둥 길이를 길게 형성할 수 있다. 또한, 제2 워터젯(20)에 의해 피가공물(S)의 가공면의 온도구배를 완화하여 취성을 갖는 피가공물(S)을 크랙 없이 가공할 수 있을 뿐 아니라, 제2 워터젯(20)의 압력(굴절률)을 조절하여 피가공물(S)의 가공 테이퍼의 각도를 조절할 수 있게 된다.

만약, 제2 워터젯(20)과 보조 가스(G)를 모두 분사하지 않는 경우에는 제1 워터젯(10)에 의해 레이저가 가이드되어 레이저의 에너지가 좁은 폭으로 집중되고, 그에 따라 피가공물(S)에 대해 고종횡비의 가공이 가능하다.

도 11은 도 9의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 가공 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 11을 참조하면, 레이저 가공 장치(100)는 물(WT) 속의 피가공물(S)에 대하여 레이저 가공을 행할 수 있다. 레이저 가공 장치(100)의 제1 워터젯(10)은 고압에 의해 분사되기 때문에, 물(WT) 속에서도 제1 워터젯(10)이 피가공물(S)에 도달할 수 있다. 그에 따라서 레이저(L)가 제1 워터젯(10)을 따라 피가공물(S)에 전달될 수 있으며, 물(WT) 속이라도 피가공물(S)에 대한 가공이 가능하다.

이는 피가공물(S)이 이미 물속에 위치하는 장치여서 어쩔 수 없이 물속에서 레이저 가공이 이루어져야 하는 경우뿐만 아니라 방사선 노출의 위험이 있는 피가공물(S)에 대한 가공이 이루어져야 하는 경우에 대해서도 사용될 수 있다. 물은 방사선 물질에 대한 차폐를 행할 수 있기 때문에, 방사선 노출의 위험이 있는 피가공물(S)을 물속에 위치시키고 그에 대하여 레이저 가공을 행하게 되면 방사선이 물 외부까지 방사되지 않고 물에 의해 차폐됨으로써 안전하게 레이저 가공을 행할 수 있다.

이때, 제1 워터젯(10)과 동시에 보조 가스(G) 또는 제2 워터젯(20)을 분사함으로써, 보조 가스(G) 또는 제2 워터젯(20)의 압력에 의해 물(WT) 속에서 레이저 가공 장치(100)에서 피가공물(S)까지 레이저를 멀리까지 가이드할 수 있으며, 보조 가스(G) 또는 제2 워터젯(20)을 사용하여 피가공물(S)의 가공 형태를 다양하게 제어할 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 12의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략될 수 있다. 도 12의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 제2 워터젯 생성부(150) 및 가스 생성부(160)를 밸브부(V)에 의해 전환하도록 구성된다. 밸브부(V)는 피가공물(S)의 가공 목적에 따라서 제1 워터젯(10)의 주위에 선택적으로 제2 워터젯(20) 또는 보조 가스(G)를 생성할 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 13의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략될 수 있다. 도 13의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 제2 워터젯(20)의 직경을 조절하기 위한 조절부(170)를 더 포함하여 구성된다.

일 실시예에서, 조절부(170)는 분사부(158) 부분에 장착될 수 있다. 조절부(170)는 개구 크기가 조절 가능한 조리개(aperture) 또는 밸브(valve) 등의 수단으로 제공될 수 있다. 조절부(170)는 제2 워터젯(20)의 폭(두께)을 조절하여 피가공물(S)에 형성되는 테이퍼의 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 조절부(170)에 의해 제2 워터젯(20)의 폭을 증가시킬 경우, 레이저 에너지가 넓은 폭의 제2 워터젯(20)으로 분산되는 결과, 제2 워터젯(20)의 폭에 비례하여 피가공물(S)에 형성되는 테이퍼 경사가 완만해진다. 반대의 경우에는 제2 워터젯(20)에 분산되는 에너지가 증가하여 피가공물(S)에 형성되는 테이퍼 경사가 가파르게 형성된다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 14의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략될 수 있다. 도 14의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 제2 워터젯 생성부(150)가 굴절률이 상이한 복수 개의 액체들을 전환하여 제2 워터젯을 생성할 수 있도록 구성된다.

일 실시예에서, 제2 워터젯 생성부(150)는 적어도 두 개의 워터젯 공급부(150a, 150b)를 포함할 수 있다. 복수 개의 워터젯 공급부(150a, 150b)는 서로 다른 굴절률을 갖는 액체들을 공급하여 제2 워터젯(20)을 생성하도록 제공될 수 있다.

예를 들어, 테이퍼 각도를 감소시켜 가파른 형태의 테이퍼 홀을 피가공물(S)에 형성하려는 경우, 제1 워터젯 공급부(150a)에 의해 굴절률이 낮은 액체를 챔버(152)에 공급하여 제2 워터젯(20)을 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)의 굴절률 차이가 커지기 때문에, 제1 워터젯(10)에서 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 감소하게 되어, 가파른 형태의 테이퍼 홀이 피가공물(S)에 형성된다.

반대로, 테이퍼 각도를 증가시켜 완만한 형태의 테이퍼 홀을 피가공물(S)에 형성하려는 경우에는 제2 워터젯 공급부(150b)에 의해 굴절률이 높은 액체를 챔버(152)에 공급하여 제2 워터젯(20)을 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 워터젯(10)과 제2 워터젯(20)의 굴절률 차이가 작아지기 때문에, 제1 워터젯(10)에서 제2 워터젯(20)으로 유입되는 레이저의 에너지가 증가하게 되어, 완만한 형태의 테이퍼 홀이 피가공물(S)에 형성된다. 도시된 예에서는 제2 워터젯 생성부(150)가 2개의 워터젯 공급부(150a, 150b)로 구성되어 있으나, 3개 이상의 워터젯 공급부로 구성하는 것도 가능하다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 단면도이다. 도 15의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략될 수 있다. 도 15의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 보조 분사부(180)를 더 포함하여 구성된다.

보조 분사부(180)는 워터젯을 생성하기 위한 액체와 별도로 제3 액체를 피가공물(S)로 분사할 수 있다. 보조 분사부(180)는 제3 액체를 수용하도록 몸체(110)의 하단부에 구비되는 제3 챔버(182)와, 제3 챔버(182)에 제3 액체를 공급하는 공급부(184), 제3 챔버(182) 내의 제3 액체를 피가공물(S) 측으로 분사하는 분사부(186)(노즐)를 포함할 수 있다. 보조 분사부(180)에 의해 피가공물(S)로 분사되는 제3 액체(40)는 피가공물(S)에서 발생되는 가공 부산물을 제거하거나 피가공물(S) 표면을 개질하는 등의 다양한 역할을 수행할 수 있다.

제3 액체는 디이오나이즈드 워터(deionized water), 에칭액(etchant) 및 일반 수도(city water) 중에서 선택될 수 있다. 이러한 제3 액체에 대한 선택은 가공 목적에 따라 결정될 수 있다. 디이오나이즈드 워터는 초순수 워터로서 레이저 등에 의해 발생되는 열에 의해 영향을 받지 않으므로 냉각하는데 유리하게 사용될 수 있으며, 피가공물에서 발생되는 부산물을 제거하는데에도 용이하게 사용될 수 있다.

에칭액은 레이저와 독립적으로 또는 레이저와 융합적으로 사용됨으로써 레이저에 의한 가공을 보조하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 피가공물의 표면을 개질하여 레이저에 의한 가공에 시너지 효과가 나타나도록 하거나 드릴링 등에 있어서 보다 가공이 용이하게 되도록 피가공물 표면에 작용할 수 있다. 일반 수도는 가공 조건이 정밀할 필요가 없는 경우에 비용을 줄이면서 피가공물에서 발생되는 부산물을 제거하기 위하여 사용될 수 있다.

제3 액체와 제1 워터젯(10)을 이루는 제1 액체는 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 만약 제1 액체와 제3 액체가 서로 같은 경우에는 동일한 펌프(미도시됨)에 의해 공급될 수도 있다. 하지만 이에 한정되지는 않고 제1 액체와 제3 액체가 동일한 경우에도 서로 다른 펌프를 사용할 수도 있다. 만약 제1 액체와 제3 액체가 서로 다른 경우에는 각각 별개의 펌프를 사용함이 바람직할 것이다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 빔 모드 제어를 설명하는 도면이다. 레이저 가공 장치(100)의 빔 모드 제어는 레이저(L)의 제1 워터젯(10)에 대한 오프셋(offset) 및 각편향(angular deflection) 중 적어도 하나에 의해 행해질 수 있다.

오프셋은 워터젯(200)의 중심축을 종방향이라고 할 때, 횡방향 오프셋(transverse offset) 및 종방향 오프셋(longitudinal offset)을 포함할 수 있다. 도 16에 있어서, 횡방향 오프셋은 부호 r로 표시되고, 종방향 오프셋은 부호 h로 표시된다. 즉, 횡방향 오프셋은 제1 워터젯(10)의 중심축과 레이저(L)의 중심축 간의 편차이고, 종방향 오프셋은 노즐과 레이저(L)의 포커스 간의 편차일 수 있다.

각편향은 도 16에서 부호 θ로 표시되어 있는데, 이는 제1 워터젯(10)의 중심축과 레이저(L) 중심축 간의 사이각을 나타낼 수 있다. 이와 같이, 레이저(L)의 제1 워터젯(10)에 대한 오프셋과 각편향을 조절하기 위하여 변경부(미도시됨)가 사용될 수 있다. 변경부는 레이저 발생부의 위치 및 각도 중 적어도 하나를 변경함으로써, 횡방향 오프셋 및 각편향을 조절할 수 있고, 레이저 발생부 내의 포커스 렌즈를 조절하여 레이저의 포커스를 변경함으로써, 종방향 오프셋을 조절할 수도 있다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니고 변경부가 레이저 발생부의 위치를 종방향으로 이동시킴으로써 종방향 오프셋을 조절하는 것도 가능하다. 그리고, 변경부를 통해 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 제어하기 위한 제어부(미도시됨)가 레이저 가공 장치(100)에 포함될 수도 있다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 빔 모드를 나타내는 도면이다. 도 17을 참조하면, 레이저(L)의 제1 워터젯(10)에 대한 오프셋과 각편향을 조절함으로써, 피가공물에 도달하는 레이저 빔의 모드를 다양하게 변경할 수 있다. 도 17에서 나타내는 레이저의 빔 모드는 예시이며 이에 한정되는 것은 아니다.

도 17의 (a), (b), (c) 각각의 도면의 상측은 피가공물에 도달하는 워터젯 내의 레이저 형상의 평면도이고, 각각의 도면의 하측은 레이저 빔의 위치에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.

도 17의 (a)는 레이저 빔 모드 중 링 모드를 나타낸다. 링 모드에서는 레이저의 에너지 분포가 다른 부분보다 중심에서 낮게 될 수 있다. 링 모드는 피가공물에 대한 패턴을 형성하는데 유리할 수 있다.

도 17의 (b)는 레이저 빔 모드 중 가우시안 모드를 나타낸다. 가우시안 모드에서는 레이저의 에너지 분포가 가우시안 분포를 나타낼 수 있다. 가우시안 모드는 피가공물에 대한 가공 중 드릴링 가공에 유리하게 사용될 수 있다.

도 17의 (c)는 레이저 빔 모드 중 플랫 탑(flat top) 모드를 나타낸다. 플랫 탑 모드는 가공을 통해 피가공물의 형상을 형성하거나 테이퍼를 최소화하여 가공하는데 유리하게 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 제1 워터젯
20: 제2 워터젯
30: 공기
40: 제3 액체
100: 레이저 가공 장치
110: 몸체
120: 레이저 발생부
130: 윈도우
122: 콜리메이터
124: 포커스 렌즈
140: 제1 워터젯 생성부
142: 제1 챔버
144: 제1 공급부
146: 노즐
150: 제2 워터젯 생성부
152: 제2 챔버
154: 제2 공급부
156: 제어부
158: 분사부
160: 가스 생성부
170: 조절부
180: 보조 분사부
182: 제3 챔버
184: 제3 공급부
186: 분사부
L: 레이저
S: 피가공물
LQ1: 제1 액체
LQ2: 제2 액체
G: 보조 가스
V: 밸브부

Claims (19)

1. 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부;
   상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위해 제1 액체로 제1 워터젯을 생성하는 제1 워터젯 생성부; 및
   상기 제1 워터젯의 주위에 제2 액체로 제2 워터젯을 생성하는 제2 워터젯 생성부;를 포함하고,
   상기 제2 액체의 온도를 조절하여 상기 제2 워터젯의 굴절률을 상이하게 제어할 수 있으며,
   상기 제1 액체 및 상기 제2 액체 중 하나는 물이고, 다른 하나는 알코올 및 물이 혼합된 혼합물인, 레이저 가공 장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 워터젯은 상기 제1 워터젯보다 굴절률이 낮은 레이저 가공 장치.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 워터젯은 상기 제1 워터젯보다 낮은 압력으로 분사되는 레이저 가공 장치.
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 액체는 상기 제1 액체보다 굴절률이 낮은 레이저 가공 장치.
   
5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 워터젯 생성부는,
   상기 제2 액체를 수용하는 챔버;
   상기 챔버에 액체를 공급하는 공급부;
   상기 제2 액체를 상기 제1 워터젯을 감싸도록 분사하여 상기 제2 워터젯을 형성하는 분사부; 및
   상기 제2 액체의 분사 압력 및 온도를 조절하여 상기 제2 워터젯의 굴절률을 제어하는 제어부를 포함하는, 레이저 가공 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제2 워터젯의 압력 및 상기 제2 액체의 온도에 따라 상기 피가공물에 가공되는 테이퍼의 각도가 조절 가능한, 레이저 가공 장치.
   
7. 제1 항에 있어서,
   상기 레이저의 주위에 보조 가스를 분사하는 가스 생성부를 더 포함하고,
   상기 제2 워터젯 및 상기 보조 가스는 선택적으로 분사되는 레이저 가공 장치.
8. 몸체;
   상기 몸체 내에 구비되고, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부;
   상기 몸체 내에 구비되어 제1 액체를 수용하는 제1 챔버와, 상기 제1 액체를 제1 압력으로 분사하여 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 제1 워터젯을 생성하는 노즐을 포함하는 제1 워터젯 생성부; 및
   상기 몸체 내에서 상기 제1 챔버의 하부에 구비되어 제2 액체를 수용하는 제2 챔버와, 상기 몸체의 하단부에 구비되고 상기 제2 챔버 내의 제2 액체를 제2 압력으로 분사하여 상기 몸체와 상기 피가공물의 사이에 상기 제1 워터젯을 감싸는 제2 워터젯을 생성하는 분사부를 포함하는 제2 워터젯 생성부;를 포함하고,
   상기 제2 액체의 온도를 조절하여 상기 제2 워터젯의 굴절률을 상이하게 제어할 수 있으며,
   상기 제1 액체 및 상기 제2 액체 중 하나는 물이고, 다른 하나는 알코올 및 물이 혼합된 혼합물인, 레이저 가공 장치.
   
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제2 압력은 상기 제1 압력보다 낮은 레이저 가공 장치.
10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 제2 액체는 상기 제1 액체보다 굴절률이 낮은 레이저 가공 장치.
11. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 제2 워터젯 생성부는 상기 제2 액체의 분사 압력 및 온도를 조절하여 상기 피가공물에 가공되는 테이퍼의 각도를 조절하는 제어부를 더 포함하는, 레이저 가공 장치.
12. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 제2 챔버 내의 상기 제2 액체를 보조 가스로 전환하여 상기 분사부와 상기 피가공물의 사이에 상기 제1 워터젯을 감싸도록 보조 가스를 분사하는 가스 생성부를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 액체의 온도를 조절하여 상기 제2 워터젯의 굴절률을 제어함으로써 상기 제1 워터젯의 굴절률과 상기 제2 워터젯의 굴절률을 상이하게 제어하는, 레이저 가공 장치.
19. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 액체의 온도를 조절하여 상기 제2 워터젯의 굴절률을 제어함으로써 상기 제1 워터젯의 굴절률과 상기 제2 워터젯의 굴절률을 상이하게 제어하는, 레이저 가공 장치.

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