KR102046015B1 - 대면적 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

대면적 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 대면적 레이저 제거 가공 장치는, 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와 상기 레이저 빔을 빔 디자인부로 전송하는 빔 전송계와 상기 전송된 레이저 빔을 반사하고 형상화하는 광학계와 상기 광학계를 이송시키는 이송부를 포함하는, 빔 디자인부와 일정 속도로 회전하며 상기 반사된 레이저 빔을 가공 대상으로 조사하는 폴리곤 미러와 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 반사거리가 제1 반사거리에서 제2 반사거리로 변경되도록 상기 광학계를 이송시킴으로써, 상기 조사되는 레이저 빔의 형상이 디자인되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

대면적 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법{APPARETUS FOR LASER REMOVAL PROCESSING ON LARGE SURFACE AREA AND METHOD THEREOF}

본 발명은, 레이저 빔을 이용한 재료 가공 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은, 고출력 레이저 빔을 이용하여 대면적의 재료의 표면의 물질을 제거 가공하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

산업현장에서 다양한 재료에 대하여 용접, 절단, 천공 등 다양한 가공을 제공하는 레이저 가공 장치가 제공되고 있다. 레이저 가공 장치는, 높은 열에너지를 사용하면서도 재료의 손상을 최소화하여, 가공 품질을 정밀하고 높은 수준으로 유지시킨다. 특히, 최근 IR 레이저, 파이버 발진 방식을 중심으로 과거에는 상상치 못할 정도의 수십 kW급의 높은 출력을 생성하는 레이저 출력 장치가 제공되고 있다.

이 같은 고출력 레이저 출력 장치는, 대면적에 대한 장시간 가공이 필요한 조선 분야와, 고온, 수증기, 분진 등 열악한 환경으로 인하여 긴 공정거리가 필요한 철강 분야에서 특히 수요가 증가하고 있다. 그러나, 이와 같은 고출력 레이저 출력 장치를 기존의 광학계에 적용하는 경우, 레이저 가공 장치의 연속 가동 시간에 제약이 발생한다. 고출력 레이저 빔의 출력 시간이 길어지면, 레이저 빔을 이송하고 집광하는 광학계도 변형이 되고 손상을 입게 되기 때문이다. 이 같은 문제점은, 광학계가 투과형 렌즈인 경우뿐만 아니라, 갈바노 미러와 같이 구조상 직접 냉각 방식의 적용이 어려운 레이저 빔 이송 기기에도 동일하게 발생한다.

그럼에도, 장시간 연속 조사되는 고출력 레이저 출력 장치의 출력을 감당할 수 있고, 긴 공정 거리를 확보할 수 있는 대면적 레이저 가공 장치는 제공되지 않고 있다.

한국공개특허 제 2008-0111962 호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고출력 레이저 빔이 적용된 대면적 레이저 제거 가공 장치를 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고출력 레이저 빔이 연속 가동될 수 있는 광학계가 적용된 레이저 제거 가공 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있는 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 가공 대상의 길이, 면적 또는 원하는 가공 수준을 기초로 요구되는 형상의 빔을 생성하는 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고출력 레이저 빔을 이용한 표면가공으로 수증기 및 분진 등의 입자들이 발생하더라도, 긴 공정거리를 유지하고 대면적의 제거 가공을 수행할 수 있는 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 입자들을 빔 경로상에서 제거함으로써, 입자로 인한 산란을 최소화시키는 레이저 제거 가공 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 대면적 레이저 제거 가공 장치는, 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와 상기 레이저 빔을 빔 디자인부로 전송하는 빔 전송계와 상기 전송된 레이저 빔을 반사하고 형상화하는 광학계와 상기 광학계를 이송시키는 이송부를 포함하는, 빔 디자인부와 일정 속도로 회전하며 상기 반사된 레이저 빔을 가공 대상으로 조사하는 폴리곤 미러와 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 반사거리가 제1 반사거리에서 제2 반사거리로 변경되도록 상기 광학계를 이송시킴으로써, 상기 조사되는 레이저 빔의 형상이 디자인되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 이송부를 제어하여, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 반사각도가 변경되도록 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 디자인된 레이저 빔의 단면이, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분 및 상기 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수직성분으로 구성되도록, 상기 광학계를 이송시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 가공 대상의 표면 상에 상기 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 상기 폴리곤 미러를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율만큼 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분을 상기 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 이상으로 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수평성분을 상기 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 미만으로 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분 및 상기 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수직성분을 상기 디자인된 레이저 빔을 단면의 구성요소로 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면의 중첩 영역이 미리 설정된 에너지 밀도를 가지도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 가공 대상의 길이 정보를 기초로, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 중첩되는 상기 미리 설정된 비율을 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 가공 대상의 표면 상에 상기 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면, 제2 조사 단면 및 제3 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 상기 폴리곤 미러를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 제1 비율만큼 중첩되고, 상기 제2 조사 단면 및 상기 제3 조사 단면이 상기 제1 비율과 다른, 미리 설정된 제2 비율만큼 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 조사되는 레이저 빔에 의해 상기 가공 대상의 표면에서 제거 가공이 수행됨에 따라 발생하는 물질을 제거하기 위한 에어 나이프부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 에어 나이프부는, 상기 가공 대상으로부터 제1 수직거리에서 공기를 분출하는 제1 에어 나이프와 상기 제1 수직거리와 다른 제2 수직거리에서 공기를 분출하는 제2 에어 나이프를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 에어 나이프부는, 제1 각도로 공기를 분출하는 제1 에어 나이프와 상기 제1 각도와 다른 제2 각도로 공기를 분출하는 제2 에어 나이프를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 광학계는, 상기 전송된 레이저 빔을 제1 반사하는 제1 미러와 상기 제1 반사된 레이저 빔을 상기 폴리곤 미러로 제2 반사하는 제2 미러를 포함할 수 있으며, 제1 미러 및 제2 미러는 빔 형상화 기능을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 레이저 제거 가공 장치는 고출력 레이저 빔을 가공 대상에 대하여 장시간 연속 가동할 수 있는 장점을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 레이저 제거 가공 장치는, 기존의 복잡한 광학계 조합 구조를 적용하지 않더라도 긴 공정 거리가 확보되어, 대면적의 가공대상에 대한 제거 가공을 수행 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 레이저 제거 가공 장치를 이용하면, 기존의 투과형 집광렌즈 (f-θ 렌즈 등)를 사용하지 않고, 매우 간단한 광학구성으로 생성하며 이로 인해 긴 공정거리를 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 대면적 레이저 제거 가공 장치는, 레이저 빔 경로 상의 입자를 제거함으로써, 레이저 가공에 의해 발생하는 환경요인을 최소화하고, 균일한 제거 가공품질을 제공하는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 레이저 제거 가공 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 대면적 레이저 제거 가공 장치에 의해 결정되는 빔 구성요소를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 결정된 빔 구성요소에 의해 디자인되는 빔 형상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 대면적 레이저 제거 가공 장치의 가공 대상에 따른 가공 면적의 조절 기능을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 가공 대상의 영역 별 가공처리 요구수준에 따른 빔 형상 변경 기능을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7 은 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 가공 대상의 구간 별 대면적 레이저 제거 가공 장치의 빔 형상 변경 기능을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 대면적 레이저 제거 가공 장치에 적용되는 에어 나이프의 예시도이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 복수개의 반사 및 빔 형상화 미러를 포함하는 광학계의 예시이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 레이저 가공장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는, 레이저 발진기(10), 빔 전송계(15), 빔 디자인부(25), 폴리곤 미러(30) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.

레이저 발진기(10)는 연속파 또는 펄스파 레이저 빔을 발생시키며, 특히, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 발진기(10)는 고출력의 빔을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 발진기(10)는 수십W~100 kW 급의 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.

발진기(10)는 10um 파장 대의 탄산가스 레이저, 1um 파장 대의 파이버(Fiber) 레이저, 디스크(Disk) 레이저, 다이오드(Diode) 레이저, 다이오드 펌핑 고체 레이저(DPSSL·Diode Pumped Solid State Laser Systems) 중 어느 하나 일 수 있다.

또한, 레이저 발진기(10)는 그린(Green) 레이저, 블루(Blue) 레이저, UV 레이저 중 어느 하나일 수도 있으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 레이저 발진기(10)는 수십 Kw 급의 고출력 레이저 빔을 발생시키는, 본 발명이 속한 기술 분야에서 널리 알려진 다양한 레이저 중 어느 하나일 수 있다.

빔 전송계(15)는, 레이저 발진기(10)에 의해 생성된 레이저 빔을 이송하는 광 파이버일 수 있다. 또는, 반사 미러를 구비한 빔 전송계일 수도 있다. 빔 전송계(15)는 레이저 빔을 빔 디자인부(25)로 이송할 수 있다.

빔 디자인부(25)는 빔의 형상에 대한 디자인을 수행한다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 디자인부(25)는, 광학계(20), 빔 전송계(15)로부터 광학계(20)까지 전송되는 빔을 연계하는 연계 디바이스(미도시) 및 이송 장치(미도시)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 빔 전송계(15)가 광 파이버인 경우 연계 디바이스는, 광 파이버 커넥터(17)일 수 있다. 특히, 도 1에서, 광 파이버 커넥터(17)를 통해, 레이저 빔(11)이 출력되어, 빔 디자인부(25)의 광학계(20)로 전송되는 경우가 예로써 도시되었다. 광학계(20)로 전송되는 레이저 빔(11)을 후술할 레이저 빔과 구별하기 위해 제1 레이저 빔이라 칭하기로 한다.

다음으로, 광학계(20)는 폴리곤 미러(30)로 전송된 제1 레이저 빔(11)을 반사한다. 이 같이, 광학계(20)에서 반사되는 레이저 빔을 전송된 제1 레이저 빔(11)과 구별하기 위해, 제2 레이저 빔(21)이라 칭하기로 한다.

폴리곤 미러(30)는 반사된 제2 레이저 빔(21)을 가공 대상(200)을 향하여 반사시킴으로써, 가공 대상에 레이저 빔을 조사한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리곤 미러(30)는 수 백 m/s의 매우 빠른 스캐닝속력으로 가공 대상(200)을 스캐닝할 수 있다. 즉, 폴리곤 미러(30)는 고속 회전하며, 광학계(20)에 의해 반사되는 레이저 빔을 다시 반사하고, 가공 대상에 다시 반사된 레이저 빔을 조사할 수 있다.

이때, 가공 대상(200)으로 조사되는 레이저 빔을, 제1 레이저 빔(11) 및 제2 레이저 빔(21)과 구별하기 위해, 제3 레이저 빔(31)이라 칭하기로 한다.

상기에서, 레이저 발진기(10)를 통해 출력된 동일한 레이저 빔을, 설명의 편의를 위해, 레이저 빔의 진행 경로에 존재하는 광학계(20) 및 폴리곤 미러(30)를 경계로 제1 레이저 빔(11), 제2 레이저 빔(21) 및 제3 레이저 빔(31)으로 구분하였다.

한편, 일 실시예에 따르면, 광학계(20)는 반사형 직접 냉각구조를 갖는 반사형 미러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사형 미러는 금속 미러일 수 있다. 반사형 미러는, 레이저 빔을 맞는 부분의 후면을 직접 냉각할 수 있다.

광학계(20)로 투과형 렌즈가 적용되는 경우, 레이저 빔을 맞는 부위를 직접 냉각할 방법이 없어, 고출력의 레이저 빔이 장시간 조사되면 빔을 통과시키는 렌즈에 열 렌즈 효과가 발생하게 된다. 이 같은 열 렌즈 효과는, 레이저 제거 가공 장치의 연속가동 시, 가공 품질의 저하를 초래한다. 가공 품질의 저하를 방지하기 위해, 레이저 제거 가공 장치는 광학계 냉각 시간이 요구된다.

광학계(20)로 갈바닉 스캐너의 반사 미러가 사용되는 경우에도, 레이저 제거 가공 장치에 구조 및 속력 문제로 직접 냉각방식을 적용하는 것이 어렵다. 즉, 갈바닉 스캐너의 반사 미러가 이용되는 경우에도, 투과형 렌즈의 고출력 레이저 빔 이송 경우와 마찬가지로, 레이저 제거 가공 장치의 연속 가동이 곤란한 문제점을 노출한다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 광학계(20)는 고출력의 빔에 장시간 노출되어도 직접 냉각구조를 가짐으로써, 열적 변형 발생을 사전에 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 수십 시간 이상의 연속 가동이 가능한 장점이 있다.

일 실시예에 따르면, 광학계(20)가 폴리곤 미러(30)와의 관계에서 이송 장치에 의해 이동 또는 각도 변경됨으로써, 빔 형상이 디자인될 수 있다. 이송 장치는 각도 및 광학계(20)의 위치를 이동시키기 위한 전동기 및 기계 구조를 포함할 수 있다. 도 1에서, 특히, 이송 장치에 의해 광학계(20)가 이동되어, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30)의 거리가 거리(27)인 경우가 예로써 도시되었다.

거리(27)는 광학계(20)가 이동됨으로써 변경될 수 있으며, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 빔 디자인부(25) 내에 거리(27) 변경을 지원하기 위한, 이송 장치 및 잔여 공간을 구비할 수 있다.

이송 장치는, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30) 사이의 거리 및 각도 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있다. 이송 장치는 광학계(20)를 직선 운동으로 이동시키는 것뿐만 아니라, 제2 레이저 빔(21)이 폴리곤 미러(30)로 반사되는 각도를 조절할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 레이저 제거 가공의 효율성을 위한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 레이저 제거 가공 장치(100)는 빔 출구(40), 에어 나이프부(111, 112) 및 집진장치(120) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

빔 출구(40)는 폴리곤 미러(30)를 통해 반사되는, 제3 레이저 빔(31)이 가공 대상(200)으로 향하는 경로 상에 위치하며, 제3 레이저 빔(31)을 통과시키는 개방형 구조물일 수 있다.

예를 들어, 가공 대상(200)의 표면에 존재하는 입자를 제거하는 가공이 수행되는 경우, 제3 레이저 빔(31)이 조사됨에 따라 발생하는 입자에 의해 오염환경이 발생할 수 있다. 즉, 가공 대상(200)의 표면에서 레이저 제거 가공에 의해 입자가 떨어져 나오고, 제3 레이저 빔(31)의 진행 경로를 포함하는 공간을 입자가 부유할 수 있다. 이 경우, 이러한 입자가 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)에 유입되거나, 제3 레이저 빔(31)의 광을 산란시키는 것을 방지하기 위해 빔 출구(40)는 개방형이 아닌 평탄면을 갖는 윈도우 구조로 적용될 수도 있다.

이 같이, 폴리곤 미러(30) 후단의 경로 상에 집광 광학계가 사용되지 않으므로, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 폴리곤 미러(30)의 스캔 구간에서 열에 의한 빔 편차에 상대적으로 자유로울 수 있다. 또한, 고출력의 레이저 빔을 사용함으로써 큰 초점을 사용하더라도 공정 효율이 유지될 수 있다. 즉, 제3 레이저 빔(31)의 집광거리를 길게 하여 집광도를 다소 완화하여도, 제3 레이저 빔(31)이 고출력의 레이저 빔이므로 상기 넓은 면적에 유효한 에너지 밀도가 배분되어 제거 가공이 수행될 수 있다. 더구나 빔 형상 디자인을 통해 가공 대상(200)에 인입되는 유효 에너지 밀도를 제어할 수 있어 추가적으로 공정거리를 늘릴 수 있다. 구체적인 실시예에 대하여, 도 5에 대한 설명에서 후술한다. 이를 통해, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 종래 레이저 가공 장치 대비 상대적으로 긴 공정 거리를 확보할 수 있다.

에어 나이프부(111, 112)는, 상기 예에서 제3 레이저 빔(31)의 진행 경로를 포함하는 공간에 입자가 부유하는 경우, 상기 부유 중인 입자를 제거할 수 있다.

일 실시예에서, 에어 나이프부(111, 112)는 제1 에어 나이프(111), 제2 에어 나이프(112)를 포함할 수 있다. 제1 에어 나이프(111) 및 제2 에어 나이프(112)는 특정 방향으로 에어를 분출함으로써, 에어 커튼 기능을 제공할 수 있다. 상기 에어 커튼 기능은 제1 에어 나이프(111) 및 제2 에어 나이프(112)를 포함 다중 레이어의 에어 나이프에 의해 제공될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은, 도 9에 대한 설명에서 후술하도록 한다.

집진장치(120)는 가공 대상(200)에서 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)에 의한 제거 가공으로 발생하는 분진을 제거한다. 구체적으로, 집진 장치(120)는 가공 대상(200)에 제3 레이저 빔(31)이 조사됨에 따라 발생하는 분진을 흡입할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 가공 대상(200)에서 미리 설정된 인접 거리 상에 집진장치(120)가 구비될 수 있다. 가공 대상(200) 표면에서 발생한 분진 등 입자가 제3 레이저 빔(31)의 경로 상에서 부유하는 것을 방지하기 위해, 가공 대상(200) 표면의 인접 거리에서 집진장치(120)가 분진을 흡입하도록 하기 위함이다.

제어부(50)는, 대면적 레이저 제거 장치(100)의 각 구성요소의 전반적인 동작 및 기능을 제어한다. 이를 위해, 제어부(50)는 하나 이상의 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 제어부(50)은 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), 또는 본 발명의 기술 분야에 잘 알려진 임의의 형태의 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 제어부(50)는 메모리, 예를 들어 RAM을 구성으로 포함할 수도 있다. 또한, 제어부(50)는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 실행하기 위한 적어도 하나의 애플리케이션 또는 프로그램을 저장할 수도 있다.

일 실시예에서, 제어부(50)는 이송부를 이동시키기 위한 프로그램을 저장하고, 이를 실행할 수 있다. 제어부(50)가 상기 프로그램을 실행함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 이송부가 이동되고, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30) 사이의 레이저 빔 반사거리가 변경될 수 있다. 또한, 폴리곤 미러(30)를 향하여 광학계(20)가 레이저 빔을 반사하는 각도가 변경될 수도 있다.

도 1에서 도시되지 않았으나, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는, 레이저 빔이 연속적으로 조사됨에 따라, 미리 설정된 방향으로 가공 대상(200)의 표면에 제거 가공이 수행되도록, 가공 대상(200)을 이동시키는 이동장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 1에서 가공 대상(200)의 제1 표면 영역에 레이저 빔이 제1 조사된 경우를 예를 들어 설명한다. 이동장치가 가공 대상(200)을 오른쪽으로 미리 설정된 거리만큼 이동시키면, 상기 제1 표면 영역의 왼쪽에 위치하는, 제2 표면 영역에 레이저 빔이 제2 조사될 수 있다. 이때, 제1 표면 영역의 중심부와 제2 표면 영역의 중심부 사이의 거리는, 이동장치가 가공 대상(200)을 오른쪽 방향으로 이동시킨 미리 설정된 거리와 같다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)에 의해 선택되는 빔 구성요소를 설명하기 위한 예시도이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광학계(20)는 직접 냉각구조를 갖는 반사형 미러일 수 있다. 특히, 일 실시예에서, 상기 반사형 미러는 빔 전송계(15)로부터 전송된 레이저 빔의 진행방향이 Z축일때, 이에 수직한 X축, Y축 방향의 집속(Focusing) 거리를 달리하도록, 미러 면이 구성될 수 있다.

예를 들어, 미러 면은 오목 또는 볼록 면 중 어느 하나의 형태를 갖거나, 영역 별로 오목한 부분 및 볼록한 부분이 혼재되어 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광학계(20)의 미러 면은, 구형의 오목 볼록이 아닌 쌍곡선형, 포물선 형 및 이들이 조합된 구조를 가질 수도 있다. 이 같은 구조의 미러 면을 구비함으로써, 광학계(20)는 반사되는 레이저 빔을 형상화할 수 있다.

도 2에서, 그래프의 수평방향(오른쪽 화살표)은 레이저 빔의 Z축 진행 방향이며, X축(수평성분) 그래프(210)와, Y축(수직성분) 그래프(230)가 도시되었다. 이하, 레이저 빔은, 도 1에서 참조되는 제2 레이저 빔(21)과 제 3 레이저빔(31)인 것으로 가정한다.

상기 광학계(20)이 반사형 미러인 경우, 미러 면이 레이저 빔의 X축과 Y축의 집속 거리가 다르도록 구성되므로, 도 2에서 특히 그래프(210)과 그래프(230)은 서로 수평방향의 길이가 다르게 도시되었다.

그래프(210)를 참조하면, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 X축 구성요소는, 제1 수평성분(211), 제2 수평성분(213) 및 제3 수평성분(215)를 포함할 수 있다. 그래프(230)를 참조하면, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 Y축 구성요소는, 제1 수직성분(231), 제2 수직성분(233) 및 제3 수직성분(235)를 포함할 수 있다.

도 2에서, 제1 수평성분(211)과 제1 수직성분(231)은 같은 수직선 상에 위치하고 있으나, 이것이 제1 수평성분(211)과 제1 수직성분(231)이 하나의 동일한 레이저 빔의 구성요소임을 의미하는 것은 아니다.

구체적으로, 레이저 빔의 X축 구성요소는, 그래프(210) 상의 어느 하나의 수평성분으로 결정될 수 있고, 레이저 빔의 Y 축 구성요소는, 그래프(230) 상의 어느 하나의 수직성분으로 결정될 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(50)의 이송부에 대한 제어에 의해 광학계(20)가 이송될 수 있다, 구체적으로, 이송부의 이송으로 광학계(20)가 이동되며, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30) 사이의 거리가 변경된다. 이에 따라, 그래프(210) 상의 어느 하나의 수평성분이 결정되고, 그래프(230) 상의 어느 하나의 수직성분이 결정된다. 상기 결정된 수평성분과 수직성분은 레이저 빔의 구성요소가 되며, 각 구성요소의 길이에 따라, 레이저 빔의 단면 형상이 디자인될 수 있다.

예를 들어, 제1 수평성분(211)과 제2 수직성분(233)이 하나의 레이저 빔의 구성요소가 될 수 있으며, 제어부(50)는 광학계(20)가 이송되도록 이송부를 제어하여, 상기 구성요소를 갖는 레이저 빔을 디자인할 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(50)는, 이송부를 제어하여, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 반사각도가 변경되도록 제어할 수도 있다. 구체적으로, 제어부(50)는 이송부를 제어하여, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30) 사이의 거리뿐만 아니라, 광학계(20)가 폴리곤 미러(30)를 향하는 방향을 변경시킬 수 있다. 상기 방향의 변경에 의해, 폴리곤 미러(30)의 특정 면에 레이저 빔이 닿는 위치 및/또는 레이저 빔 반사 면적이 조절됨으로써 레이저 빔의 형상이 디자인될 수도 있다.

대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 입력부를 구비하고, 사용자의 입력에 따라, 레이저 빔의 세기 및 폴리곤 미러의 스캐닝 면적을 조절할 수 있으며, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수도 있다. 즉, 원하는 강도로, 원하는 제거 가공 시간을 사용자가 결정하면, 이에 따라, 제어부(50)는 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)의 각 구성요소를 제어함으로써, 요구되는 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 결정된 빔 구성요소에 의해 디자인되는 빔 형상을 설명하기 위한 예시도이다.

도 3에서, 디자인된 레이저 빔의 단면이 수평성분 X, 수직성분 Y에 대한 평면의 그래프(300) 상에 도시되었다.

그래프(300)을 참조하면, 제어부(50)는, 광학계(20)를 이송시킴으로써, 레이저 빔을 디자인할 수 있다. 도 3에서, 디자인된 레이저 빔의 단면의 예로써, 제1 디자인 빔 단면(301), 제2 디자인 빔 단면(303) 및 제3 디자인 빔 단면(305)이 도시 되었다.

제1 디자인 빔 단면(301)은, 수직성분(311) 및 수평성분(321)로 구성된다. 수직성분(311)이 수평성분(321) 보다 길기 때문에, 제1 디자인 빔 단면(301)은 세로 방향으로 긴 단면을 갖도록 디자인되었다. 예를 들어, 도 2의 제1 수직성분(231) 및 제1 수평성분(211)이 구성요소로 결정된 경우에, 제1 디자인 빔 단면(301)이 디자인될 수 있다.

제2 디자인 빔 단면(303)은, 수직성분(313) 및 수평성분(323)로 구성된다. 수직성분(313) 및 수평성분(323)의 길이가 유사하기 때문에, 제2 디자인 빔 단면(303)은 원형에 가까운 단면을 갖도록 디자인되었다. 예를 들어, 도 2의 제2 수직성분(233) 및 제2 수평성분(213)이 구성요소로 결정된 경우에, 제2 디자인 빔 단면(303)이 디자인될 수 있다.

제3 디자인 빔 단면(305)은, 수직성분(315) 및 수평성분(325)로 구성된다. 수직성분(315)이 수평성분(325) 보다 짧기 때문에, 제3 디자인 빔 단면(305)은 세로 방향으로 긴 단면을 갖도록 디자인되었다. 예를 들어, 도 2의 제3 수직성분(235) 및 제3 수평성분(215)이 구성요소로 결정된 경우에, 제3 디자인 빔 단면(305)이 디자인될 수 있다.

도 4는, 제어부(50)에 의해 디자인되는 레이저 빔의 다양한 단면 형상의 예시이다. 도 4를 참조하면, 제어부(50)는, 요구되는 에너지 밀도, 레이저 제거 가공 속도, 가공 대상(200)의 면적 관련 정보를 기초로, 다양한 형상의 레이저 빔(401, 403, 405, 407, 409)을 디자인할 수 있다. 구체적으로, 제어부(50)가 이송부를 제어함에 따라 광학계(20)가 이동됨으로써, 광학계(20)와 폴리곤 미러(30) 사이의 거리가 변동된다. 이에 따라, 가로방향 타원, 원, 세로방향 타원 등 다양한 형상의 레이저 빔(401, 403, 405, 407, 409)이 디자인될 수 있다.

다음으로, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 다양한 형상의 레이저 빔이 가공 대상(200)에 조사되는 경우에 대하여 자세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)의 가공 대상(200)에 따른 가공 면적의 조절 기능을 설명하기 위한 예시도이다.

도 5를 참조하면, 제어부(50)는 가공 대상(200)의 표면의 제거대상의 제거가 용이한지 여부에 따라, 레이저 빔을 다양한 형태로 디자인할 수 있다. 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 디자인된 레이저 빔을 가공 대상(200)의 표면에 조사하여, 표면의 제거 대상을 제거할 수 있다.

구체적으로, 제어부(50)는, 가공 대상(200)의 표면 상에 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 폴리곤 미러(30)를 제어할 수 있다. 여기에서 제1 조사 단면은 레이저 빔이 가공 대상(200)에 조사됨에 따라, 가공 대상(200)의 표면에 형성되는 레이저 빔의 단면을 말한다. 제2 조사 단면은, 제1 조사 단면이 조사된 후, 폴리곤 미러(30)가 회전됨에 따라 반사되는 시간 간격에 의해 가공 대상(200)의 표면에 순차적으로 조사되는 조사 단면일 수 있다.

제어부(50)는, 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율만큼 중첩되도록, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다. 미리 설정된 비율은, 가공 대상(200)에 대하여 요구되는 가공 수준 또는 가공 속력에 따라 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 대면적 레이저 빔 제거 가공 장치(100)는 사용자 입력부를 통해 요구되는 가공 수준, 요구되는 가공 속력 및 가공 대상(200)의 면적 중 적어도 하나에 대한 정보를 입력 받을 수 있다. 제어부(50)는 이를 기초로 최적의 레이저 빔 중첩률을 연산할 수 있다.

구체적으로, 제어부(50)는 입력 받은 정보를 기초로, 제거 대상을 가공 대상(200)으로부터 제거하기 위한 에너지 수준을 결정할 수 있다. 제어부(50)는 결정된 에너지 수준을 생성하기 위하여 중첩되어야 하는 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면의 중첩 에너지량을 연산할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제어부(50)는 동일한 형상으로 연속적으로 조사되는 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 중첩되는 영역의 에너지 수준이 상기 연산된 중첩 에너지량의 에너지 수준을 만족시키기 위한 빔 형상을 디자인할 수 있다.

이와 같이, 제어부(50)는 레이저 빔의 조사 단면의 중첩률 및 이를 위한 빔 단면의 형상을 디자인할 수 있으며, 이에 따라, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)의 제거 가공의 속력을 증가 또는 감소시킬 수 있다.

또한, 제어부(50)는, 제거 가공이 용이한지 여부에 따라, 레이저 펄스를 여러 번 중첩해 제거 가공성을 올릴 수 있다. 제어부(50)는, 가공 대상의 크기, 두께, 표면 상태에 따라, 레이저 빔의 형상을 용이하게 변경시킬 수 있다.

제1 가공처리(501) 및 제2 가공처리(503)를 예로 들어 설명한다.

일 실시예에 따르면, 제어부(50)는, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분을 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정할 수 있다. 제어부(50)는 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 이상으로 중첩되도록, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

제1 가공처리(501)를 참조하면, 가공 대상(200)이 제거가 비교적 잘되는 가공물인 경우, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 도 4의 레이저 빔(401)과 같이 레이저 빔을 디자인하고, 가공 대상(200)에 연속 조사할 수 있다. 이에 따라, 세로방향으로 긴(511) 타원 형상의 레이저 빔이 가공 대상(200)에 조사됨으로써 넓은 면적(515)에 대한 제거 가공이 수행된다. 이에 따라, 가공 대상(200)에 대한 공정 속력이 향상될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제어부(50)는, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수평성분을 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정할 수 있다. 제어부(50)는, 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 미만으로 중첩되도록, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

제2 가공처리(503)를 참조하면, 가공 대상(200)이 제거가 용이하지 않아 여러 번 중첩하여 레이저 빔이 조사되어야 하는 가공물인 경우, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 도 4의 레이저 빔(409)과 같이 레이저 빔을 디자인하고, 가공 대상(200)에 연속 조사할 수 있다. 가로방향으로 길고, 세로 방향으로 짧은(521) 타원 형상의 레이저 빔이 가공 대상(200)에 조사됨으로써 좁은 면적(525)에 대한 고밀도 에너지가 제공될 수 있다. 가로방향으로 긴 빔 형상을 사용하여 실질 중첩률을 높임으로써, 제거가 용이하지 않은 가공 대상(200)의 표면에 대한 제거 공정이 수행될 수 있다.

이와 같은 빔 중첩률에 대한 제어를 통해, 가공 대상(200)의 가공성 차이에 따른 효율성을 높이는 것뿐만 아니라, 공정 거리를 늘리는 데도 큰 효과를 볼 수 있다.

도 5의 제2 가공처리(503)에 사용되는 빔 형상은 제1 가공처리 (501)에서 사용되는 빔의 형상보다 더 긴 공정거리를 갖는다.

빔 중첩률 제어에 따라, 같은 시간당 가공하는 면적이 제1 가공처리(501)보다 제2 가공처리(503)가 작은 대신, 평균적인 입사 에너지 밀도가 커질 수 있다. 이에 따라, 가공 대상(200)에 대한 제거 가공을 제1 가공처리(501)와 같은 에너지 밀도로 수행하는 경우, 제2 가공처리(503)의 제거 가공 공정은 제1 가공처리(501) 보다 먼 거리에서 수행될 수 있다.

도 5의 제1 가공처리(501) 및 제2 가공처리(503)에 대한 설명에서 하나의 가공 대상(200)에 고정된 레이저 빔이 조사되는 경우에 대하여 예시되었다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는, 하나의 가공 대상(200)에 대한 제거 가공 공정이 수행되는 동안, 레이저 빔의 형상을 다양한 형상으로 디자인할 수도 있다. 즉, 복수의 서로 다른 레이저 빔의 형상이 제거 가공 공정 중에 디자인될 수 있으며, 제어부(50)는 조사되는 레이저 빔의 조사 단면이 변경되도록 제어할 수 있다.

도 6는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 가공 대상(200)의 영역 별 가공처리 요구수준에 따른 빔 형상 변경 기능을 설명하기 위한 예시도이다. 도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 가공 대상의 구간 별 대면적 레이저 가공장치의 빔 형상 변경 기능을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 가공 대상(200)이 이동장치에 의해 왼쪽으로 이동되며, 폴리곤 미러(30)에 의해 오른쪽 방향으로 스캐닝될 수 있다. 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 가공 대상(200)의 레이어에 따라, 서로 다른 형상의 레이저 빔을 조사할 수 있다.

가공 대상(200)의 영역 별로 요구되는 제거 가공 수준이 다른 경우, 각 영역에 다른 에너지 밀도의 레이저 빔이 조사되어야 한다. 제어부(50)는, 세로 방향이 긴 타원형 레이저 빔(601), 원형의 레이저 빔(603), 가로 방향이 긴 타원형 레이저 빔(605)과 같은 서로 다른 형상의 레이저 빔을 디자인할 수 있다.

이에 따라, 제어부(50)는 가공 대상(200)에 대한 빠른 속력의 제거 가공이 필요하거나 상대적으로 제거 가공이 용이한 제1 영역에, 레이저 빔(601)이 디자인되어 조사되도록 제어하고, 중첩률(611)이 적게 연속 조사할 수 있다. 도 6에서 상기 제1 영역이 가공 대상(200)에서 제거 가공이 필요한 상단 영역일 수 있다.

다음으로, 제어부(50)는 가공 대상(200)에 대한 제거 가공 속력이 제1 영역 보다 빠르지 않아도 되지만, 제거 가공 수준은 더욱 요구되는 제2 영역에, 레이저 빔(603)이 디자인되어 조사되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 제어부(50)는 중첩률(613)이 중첩류(611)보다 크게 디자인할 수 있다. 도 6에서 상기 제2 영역은, 가공 대상(200)에서 제거 가공이 필요한 중단 영역일 수 있다.

또한, 제어부(50)는, 가공 대상(200)에 대한 제거 가공 속력이 중요하지 않고 높은 수준의 제거 가공이 요구되는 제3 영역에, 레이저 빔(605)이 디자인되어 조사되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 제어부(50)는 중첩률(615)가 중첩률(613), 중첩률(611) 보다 크게 디자인할 수 있다. 중첩률(615)이 큰 만큼 레이저 빔(605)이 중첩되는 영역의 에너지 밀도가 높으므로, 높은 수준의 제거 가공이 가능하다.

제어부(50)는 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면의 중첩 영역이 미리 설정된 에너지 밀도를 가지도록, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다. 이때, 제어부(50)는, 상기 에너지 밀도를 구성할 수 있도록, 광학계(20)에서 폴리곤 미러(30)로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분 및 제2 수직성분을 레이저 빔의 구성요소로 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제어부(50)는, 가공 대상(200)의 면적 정보를 기초로, 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 중첩되는 비율을 결정할 수도 있다.

예를 들어, 가공 대상(200)의 면적이 면적 A인 경우, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 면적 A에 대한 정보를 수신하고, 이를 기초로, 제어부(50)가 면적 A에 요구되는 가공 수준에 따른 레이저 빔의 에너지 밀도를 연산할 수 있다.

다음으로, 제어부(50)는, 연산된 에너지 밀도를 기초로, 면적 A의 가공 대상(200)에 대하여 요구되는 제거 가공 속력을 기초로, 가공 대상(200)에 대한 레이저 빔의 조사 빈도를 결정할 수 있다. 즉, 가공 대상(200)에 조사되는 레이저 빔의 조사 단면의 개수가 결정될 수 있다.

예를 들어, 제1 길이의 대면적 레이저 가공 장치에 제2 에너지 밀도가 조사되어야 하는 경우, 제어부(50)는 제2 에너지 밀도를 중첩 영역을 최소화하면서 생성할지, 중첩 영역을 높여 생성할지 결정할 수 있다. 제어부(50)는 미리 가공 속력에 대한 설정이 수신된 경우, 이를 기초로 중첩 영역의 크기를 결정할 수 있다. 제어부(50)는 결정된 중첩 영역의 크기를 기초로, 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다.

높은 수준의 제거 가공이 필요한 경우, 제어부(50)는 제2 에너지 밀도 생성에 높은 중첩률을 결정하고, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)에 의해, 레이저 빔의 조사 단면이 높은 빈도수로 조사되도록 제어할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제어부(50)는, 가공 대상(200)의 표면 상에 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면, 제2 조사 단면 및 제3 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 폴리곤 미러(30)를 제어할 수 있다.

제어부(50)는 가공 대상(200)에 요구되는 제거 가공 수준을 기초로, 구간(702)에 조사될 레이저 빔의 형상을 디자인할 수 있다. 구체적으로, 제어부(50)는 조사될 레이저 빔의 에너지 밀도 및 레이저 빔의 중첩률을 결정하고 이를 기초로, 레이저 빔을 디자인할 수 있다.

도 7을 참조하면, 가공 대상(200)이 이동되며 디자인된 레이저 빔이 조사될 때, 가공 대상(200)의 조사 시작 및 종료 영역은 중간 영역 대비 중첩되는 횟수가 적게 조사된다. 이 경우, 가공 대상(200)의 조사 시작 및 종료 영역은 제거 가공 수준을 만족시키기 위해 최초 결정된 에너지 밀도로 조사되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.

이 같은 문제점을 해결하기 위해, 제어부(50)는 구간(701)에 조사되는 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 미리 설정된 제1 비율(711)만큼 중첩되도록 제어할 수 있다.

다음으로, 제어부(50)는 구간(702)에 조사되는 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 미리 설정된 제2 비율(611)만큼 중첩되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 구간(703)에 조사되는 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 미리 설정된 제3 비율(721)만큼 중첩되도록 제어할 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(50)는 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면의 단면 형상이 다르도록 디자인할 수도 있다. 또한, 제어부(50)는 제2 조사 단면의 레이저 빔이 조사된 후, 또 다시 조사 단면의 형상이 다른 제3 조사 단면이 조사되도록 레이저 빔의 형상을 디자인할 수도 있다. 이 경우, 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면의 중첩 비율과, 제2 조사 단면 및 제3 조사 단면의 중첩 비율은 서로 다를 수 있다.

상술한 바와 같이, 조사 단면을 가공 대상(200)의 구간 별로 다르게 디자인함으로써, 제어부(50)는 동일한 제거 가공 수준이 적용되어야 하는 가공 대상(200)에 실질적으로 균등한 에너지 밀도의 레이저 빔이 조사되도록 제어할 수 있다.

실질적으로 균등한 에너지 밀도의 레이저 빔이 조사되기 위해서는, 레이저 빔의 진행 경로 상에 미세 입자 등 레이저 빔을 산란시키는 요소가 없어야 한다. 그럼에도, 레이저 빔이 조사되면, 가공 대상(200)에서 제거된 물질, 분진 등이 발생하여 레이저 빔을 산란시킬 수 있다. 이 같은 산란 현상을 방지하기 위해, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)는 에어 나이프부를 포함할 수 있다. 또한, 에어 나이프부는, 빔 출구(40)가 개구부 구조를 가지는 경우, 가공 대상(200)에서 제거된 물질이 광학계(20)를 손상시키는 것을 방지할 수도 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 대면적 레이저 제거 가공 장치에 적용되는 에어 나이프의 예시도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 에어 나이프부는, 이중의 에어 나이프(111, 112)를 포함할 수 있다. 이중의 에어 나이프(111, 112)는 커튼 기능을 제공하여, 빔 출구(40)의 구조와 무관하게 광학계(20) 및 폴리곤 미러(30)를 보호할 수 있다.

도 8에서 제1 에어 나이프(111)와 제2 에어 나이프(112)가 서로 높이를 달리하는 경우가 예로써 도시되었다. 제1 에어 나이프(111)는 가공 대상(200)으로부터 제1 수직 거리 위에 위치하고, 제2 에어 나이프(112)는 가공 대상(200)으로부터 제2 수직 거리 위에 위치함으로써, 제1 에어 나이프(111)와 제2 에어 나이프(112)가 서로 다른 높이에 위치한다.

서로 다른 높이에서 제1 에어 나이프(111)는 제1 방향(801), 제2 에어 나이프(112)는 제2 방향(802)으로 에어를 분사할 수 있으며, 예를 들어, 제1 방향(801) 및 제2 방향(802)는 서로 반대 방향일 수 있다.

도 9를 참조하면, 제1 에어 나이프(111)와 제2 에어 나이프(112)가 빔 출구(40)의 형상을 따라 에어 나이프에서 아래 방향으로 에어를 분출할 수 있다.

제어부(50)는 제1 에어 나이프(111)가 제1 각도로, 제2 에어 나이프(112)가 제2 각도로 에어를 분출시킴으로써, 에어 커튼을 형성시킬 수 있다. 이를 통해, 내부 광학계(20) 및 폴리곤 미러(30)가 보호될 수 있다.

도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에서 참조되는, 복수개의 미러를 포함하는 광학계의 예시이다. 복수개의 미러는 각각 다른 빔 형상화 기능을 포함할 수 있다.

지금까지, 빔 디자인부(25)의 광학계(20)가 단일 미러를 포함하는 경우를 본 발명의 실시예로서 설명하였으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 즉, 광학계(20)는 복수 개의 미러를 포함할 수 있으며, 도 10에서, 2개의 미러를 포함하는 빔 디자인부(25)가 예로써 도시되었다. 도 10에서, 대면적 레이저 가공 장치(100)의 일부 구성은 생략되어 도시되었다.

도 10을 참조하면, 빔 디자인부(25)는, 레이저 발진기(10)에서 빔 전송계(15)를 통해 전송된 레이저 빔을(11)을 제1 반사하는 제1 미러(20)와 제1 반사된 레이저 빔을 폴리곤 미러(30)로 제2 반사하는 제2 미러(28)를 포함할 수 있다.

상기 전송된 레이저 빔(11)이 제1 미러(20)를 통해 제1 반사되고, 제1 반사된 레이저 빔(21)이, 다시 제2 미러(28)를 통해 제2 반사되어, 폴리곤 미러(30)로 레이저 빔(29)가 전달된다. 이를 통해, 가공 대상을 향해 레이저 빔(31)이 조사될 수 있다.

이 같은, 구조를 통해, 레이저 빔의 x축 방향, y축 방향의 집광도가 변화하며, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)가 폴리곤 미러(30)의 반사면 영역을 선택함으로써, 동일한 에너지 밀도에도 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)의 공정 거리가 길어질 수 있다. 이에 따라, 대면적 레이저 제거 가공 장치(100)의 스캔 영역이 넓어 질 수도 있다.

지금까지 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예에 따른 제어부(50)의 결정 및/또는 연산 방법들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현된 컴퓨터프로그램의 실행에 의하여 수행될 수 있다. 상기 컴퓨터프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 제1 컴퓨팅 장치로부터 제2 컴퓨팅 장치에 송신되어 상기 제2 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 제2 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다. 상기 제1 컴퓨팅 장치 및 상기 제2 컴퓨팅 장치는, 서버 장치, 데스크탑 PC와 같은 고정식 컴퓨팅 장치, 노트북, 스마트폰, 태블릿 피씨와 같은 모바일 컴퓨팅 장치를 모두 포함한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 레이저 발진기
15 빔 전송계
20 광학계
25 빔 디자인부
30 폴리곤 미러
40 빔 출구
50 제어부
100 대면적 레이저 제거 가공 장치
111, 112 에어 나이프부
120 집진장치
200 가공 대상

Claims (12)

1. 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기;
   상기 레이저 빔을 빔 디자인부로 전송하는 빔 전송계;
   상기 전송된 레이저 빔을 반사하고 형상화하는 광학계와 상기 광학계를 이송시키는 이송부를 포함하는, 빔 디자인부;
   일정 속도로 회전하며 상기 반사된 레이저 빔을 가공 대상으로 조사하는 폴리곤 미러; 및
   상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 반사각도가 변경되도록 상기 이송부를 제어하고, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 반사거리가 제1 반사거리에서 제2 반사거리로 변경되도록 상기 광학계를 이송시킴으로써, 상기 조사되는 레이저 빔의 형상이 디자인되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는, 상기 가공 대상의 영역 별로 표면의 제거 가공 수준이 조절되도록, 상기 가공 대상의 길이방향의 구간 별로 상기 레이저 빔의 형상이 변경되도록 제어하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 디자인된 레이저 빔의 단면이, 상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분 및 상기 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수직성분으로 구성되도록, 상기 광학계를 이송시키는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 가공 대상의 표면 상에 상기 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면 및 제2 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 상기 폴리곤 미러를 제어하되,
   상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율만큼 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
5. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분을 상기 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정함으로써,
   상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 이상으로 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
6. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수평성분을 상기 디자인된 레이저 빔의 단면의 구성요소로 결정함으로써,
   상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 비율 미만으로 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
7. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 광학계에서 상기 폴리곤 미러로 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제1 수평성분 및 상기 반사되는 레이저 빔의 진행경로 상의 제2 수직성분을 상기 디자인된 레이저 빔을 단면의 구성요소로 결정함으로써,
   상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면의 중첩 영역이 미리 설정된 에너지 밀도를 가지도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
8. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 가공 대상의 길이 정보를 기초로, 상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 중첩되는 상기 미리 설정된 비율을 결정하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
9. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 가공 대상의 표면 상에 상기 디자인된 레이저 빔의 제1 조사 단면, 제2 조사 단면 및 제3 조사 단면이 순차적으로 조사되도록, 상기 폴리곤 미러를 제어하되,
   상기 제1 조사 단면 및 상기 제2 조사 단면이 미리 설정된 제1 비율만큼 중첩되고, 상기 제2 조사 단면 및 상기 제3 조사 단면이 상기 제1 비율과 다른, 미리 설정된 제2 비율만큼 중첩되도록, 상기 레이저 빔의 형상을 디자인하는,
   대면적 레이저 제거 가공 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 조사되는 레이저 빔에 의해 상기 가공 대상의 표면에서 제거 가공이 수행됨에 따라 발생하는 물질을 제거하기 위한 에어 나이프부를 더 포함하고,
    상기 에어 나이프부는,
    상기 가공 대상으로부터 제1 수직거리에서 공기를 분출하는 제1 에어 나이프; 및
    상기 제1 수직거리와 다른 제2 수직거리에서 공기를 분출하는 제2 에어 나이프를 포함하는,
    대면적 레이저 제거 가공 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 조사되는 레이저 빔에 의해 상기 가공 대상의 표면에서 제거 가공이 수행됨에 따라 발생하는 물질을 제거하기 위한 에어 나이프부를 더 포함하고,
    상기 에어 나이프부는,
    제1 각도로 공기를 분출하는 제1 에어 나이프; 및
    상기 제1 각도와 다른 제2 각도로 공기를 분출하는 제2 에어 나이프를 포함하는,
    대면적 레이저 제거 가공 장치.
12. 제1 항에 있어서, 상기 광학계는,
    상기 전송된 레이저 빔을 제1 반사하고 형상화하는 제1 미러; 및
    상기 제1 반사된 레이저 빔을 상기 폴리곤 미러로 제2 반사하고 형상화하는 제2 미러를 포함하는,
    대면적 레이저 제거 가공 장치.
    

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