KR102254339B1 - 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법 - Google Patents

펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대면적 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 장치로서, 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와; 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와; 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하고, 상기 플래닝 공정 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및, 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 상기 플래닝 가공을 위한 면데이터(SD)로 변환하고, 상기 면데이터(SD)에 의해 결정된 가공영역에 대하여 입력된 가공 파라미터들을 적용하여 상기 레이저가공부(300)가 플래닝하도록 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.

Description

펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법{Precision surface planing-polishing apparatus femtosecond pulse laser and a method thereof}
본 발명은 펨토초 펄스 레이저를 이용하는 플래닝-폴리싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층형 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형과 같은 대면적 평면가공물의 평탄도를 구현하는 플래닝 공정을 수행한 다음에 대면적의 평면가공물의 표면거칠기(surface roughness)를 향상시키기 위한 폴리싱 공정을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
넓은 의미의 연삭가공은 피가공물의 표면형상을 다양한 방법에 의해 평활하게 하고 표면거칠기를 향상시키는 가공방법을 말한다.
이 중에 피가공물의 표면을 평활하게 하는 연삭은 미세한 숫돌입자의 마찰에 의한 그라인딩(grinding)을 통해 이루어지고, 표면의 조도를 향상시키는 방법으로는 천, 가죽, 펠트 등으로 만들어진 버프(buff)에 연마재를 사용하는 폴리싱(polishing)작업을 통해 이루어지는 것이 일반적이다.
특히, 폴리싱작업은 기계적, 전기적 또는 화학적 메카니즘을 통해 이루어진다.
기계적 폴리싱 방법은 작업가능한 피가공물의 형상이 제한적이고, 작업소요시간이 길며, 연삭숫돌에 칩이 끼는 눈메움(loading) 현상에 의해 피가공물의 표면 거칠기가 불균일하게 되고, 사용되는 가공유에 의해 작업환경을 악화시키고, 가공유의 폐기처리로 인한 환경오염을 발생시킬 뿐만 아니라, 향후 환경문제로 인한 법적 규제의 강화로 작업비용이 크게 증가할 가능성이 높다.
기계적 폴리싱 방법 이외에 전기적 또는 화학적 방법이 있으나, 이는 선택적 영역만을 폴리싱할 수 없으며, 원하는 표면 거칠기를 얻기 위한 정밀한 작업에 제약이 따르고, 사용되는 화학약품에 의해 작업환경을 악화시키고 환경오염문제가 여전히 발생하기 때문에 최근에는 정밀한 공정이 가능하고 작업시간도 단축시킬 수 있으면서도 친환경적인 레이저를 이용한 폴리싱 시스템이 주목을 받고 있다.
이러한, 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱 방법으로서, 특허문헌 1 (한국특허공보 제10-1594688호. 2016.02.17. 공고)의 레이저 폴리싱에 의한 전자소자용 금속기판의 표면처리방법, 특허문헌 2 (한국특허공보 제10-1358332호. 2014.02.06. 공고)의 레이저를 이용한 금속 표면 폴리싱 방법, 특허문헌 3 (한국특허공보 제10-2094556호. 2020.03.30. 공고)의 레이저 폴리싱 시스템이 개시된 바 있다.
특허문헌 1의 레이저 폴리싱 방법은, 전자소자로 사용되는 기판의 표면거칠기를 향상시키기 위해 레이저를 사용하는 방법으로서, 압연 공정을 거쳐 제조된 금속기판의 표면거칠기(Rz)를 측정하는 단계; 및 금속기판의 표면에 수직방향으로 레이저를 10 내지 500 mm/sec의 진행속도로 조사하여 금속기판의 표면을 평탄화하는 단계를 포함하고, 레이저는 파장이 100 nm 이상이고, 측정한 금속기판의 표면거칠기 미만인 것을 특징으로 한다.
특허문헌 2의 레이저를 이용한 금속표면 폴리싱 방법은, 금속 표면에 산화방지를 위한 코팅막을 형성하는 단계; 코팅막의 형성 후 상기 코팅막을 경화하는 단계; 코팅된 금속 표면에 금속 표면의 융용이 일어나도록 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 금속 표면의 용융 후 금속 표면으로부터 후 상기 코팅막을 제거하는 단계;를 포함하여 산화방지를 위해 사용하는 불활성가스의 분사를 위한 챔버를 생략할 수 있는 장점이 있다.
또한, 특허문헌 3의 레이저 폴리싱 시스템은, 가열 수단에 의해 유리 생산 및 제조에 적합한 적정 온도로 예열된 유리 기판의 온도를 일정하게 제어하며 유리 엣지면의 연마를 가능하게 가열수단을 갖춘 레이저 폴리싱 시스템에 관한 것이다.
그러나, 위 특허문헌 1 내지 3 등의 종래기술들은 폴리싱을 위해 레이저를 사용하고는 있으나, 공통적으로 레이저가 피가공물의 표면에 조사(irradiation)되면서 발생하는 열에 의해 피가공물의 표면요철을 용융시켜 산과 골의 높이차를 줄이는 메카니즘으로 표면 거칠기를 향상시키고 있다.
따라서, 위와 같은 종래의 레이저 폴리싱은 표면이 열에 의해 녹기 때문에 용융(melting)된 금속이 다시 재결정화(recrystallization)가 되면서 표면의 미세조직과 표면의 경도(hardness)가 변하고 표면의 잔류응력이 발생하기 때문에 높은 하중이 반복적으로 인가되는 가압금형에는 적용할 수 없다는 기술적 한계가 있다.
특히, 사용목적에 맞는 경도, 강도, 인성, 연성 등을 포함한 기계적 성질을 생성시킨 후에 마무리 공정으로서 표면에 대한 폴리싱 작업을 수행하는 경우라면, 표면의 기계적 성질 및 표면의 잔류응력 생성은 사용상의 치명적인 결함이 될 수 밖에 없다.
종래의 레이저 폴리싱 작업에 의하면, 표면 거칠기의 측정값인 Ra나 Ry값 등은 어느 정도의 향상을 기대할 수 있지만 피가공물의 표면에 거시적인 굴곡이 있는 경우, 예를 들면 표면 연삭공정에서 기계적 오차에 의해 피가공물의 표면형상이 등고선적으로 산과 골이 형성된 굴곡이 형성된 경우라면 표면의 거칠기만을 어느 정도 향상시킬 수 있을 뿐이고 마이크로 스케일 정도의 평탄도에 대한 향상은 전혀 기대하기 어렵다는 한계가 있다.
다만, 피가공물의 표면에 등고선적인 굴곡이 있는 경우라도 거시적인 산부분만을 선택적으로 높은 출력의 레이저로 조사하는 방법이 가능할 수는 있겠지만, 조사되는 레이저의 초점을 산부분에만 정확하게 집중시키는 초점제어가 현실적으로 어려울 뿐만 아니라 이 또한 높은 출력의 레이저빔에 의해 금속표면을 용융시킴으로써 열적변형을 발생시키는 것이므로 기계적 성질의 변화, 표면 잔류응력 생성 등에 의한 크랙 발생 및 치수변화 등 피가공물의 성능에 치명적인 문제를 야기할 수 있는 문제점은 여전히 해결하지 못한다.
특히, 이러한 문제점은 적층형 전자세라믹 부품을 생산하기 위해 사용되는 버큠플레이트(vacuum plate) 금형과 같이, 수십톤-수백톤의 하중이 수십만번-수백만번에 걸쳐 반복적으로 작용하는 대면적의 평면가공물이라면, 레이저 폴리싱 과정에서 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력이 생성되어서는 아니되고, 이와 더불어 고도의 평탄도 및 표면 거칠기가 요구되기 때문에 종래의 레이저 폴리싱 방법에 의한 표면 거칠기의 향상만으로 도저히 대처할 수 없는 실정에 이르렀다.
-특허문헌 1: 한국특허공보 제10-1594688호. 2016.02.17. 공고. -특허문헌 2: 한국특허공보 제10-1358332호. 2014.02.06. 공고. -특허문헌 3: 한국특허공보 제10-2094556호. 2020.03.30. 공고.
본 발명은 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 피코초나 펨토초 펄스 레이저와 같은 펨토초를 갖는 레이저를 사용하여 비교적 대면적의 평면가공물의 표면을 평활하게 하는 플래닝 작업과, 표면거칠기를 향상시키는 폴리싱을 수행하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 레이저 폴리싱과 같이 금속표면을 용융시켜 표면거칠기를 향상시키는 것이 아니라 펨토초를 갖는 레이저를 금속표면에 조사함으로써 피가공물의 표면에 열적변형이 없이 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그뿐만 아니라, 표면의 미시적인 요철만을 가공하여 표면거칠기만을 향상시키는 것이 아니라, 금속표면에 조사되는 레이저의 출력을 간단하게 제어하는 것에 의해, 거시적인 등고선적 굴곡도 선택적으로 가공하여 표면의 평탄도를 신속하게 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이 또다른 본 발명의 목적이다.
상기와 같은 기술적 목적을 가진 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치는, 대면적의 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 장치로서, 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와; 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와; 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하고, 상기 플래닝 공정 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및, 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 상기 플래닝 가공을 위한 면데이터(SD)로 변환하고, 상기 면데이터(SD)에 의해 결정된 가공영역에 대하여 입력된 가공 파라미터들을 적용하여 상기 레이저가공부(300)가 플래닝하도록 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 표면형상 측정부(200)는, 레이저빔을 상기 피가공물(P) 표면의 상기 측정지점에 조사하여 반사되는 레이저빔의 상태를 판독하여 상기 측정지점에서의 높낮이를 측정하는 레이저변위센서인 것이 바람직하다.
또한, 상기 표면형상 측정부(200)에서 측정한 표면형상 데이터(ZD)는 다수의 측정지점에서의 Z축(높이)상의 변위 데이터로서, 상기 제어부(400)는 상기 표면형상 데이터(ZD)를 상기 다수의 측정지점 중 높이가 같은 점들을 이어 만든 가상의 단층면을 높이방향인 Z축방향으로 일정한 간격으로 배열한 상태로 두고 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 영역을 상기 플래닝 가공영역으로 결정하는 면데이터(SD)로 변환하며, 상기 면데이터(SD)를 기초로 하여 상기 플래닝가공을 위해 입력된 상기 가공 파라미터를 상기 레이저가공부(300)에 전송하고 구동을 제어한다.
여기서, 상기 레이저가공부(300)에서 상기 플래닝 공정시 조사하는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
또한, 상기 플래닝가공은, 최상층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝가공영역부터 최하층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝가공영역까지 순차대로 가공하되, 상기 레이저가공부(300)가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지(110)가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 가공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저가공부(300)의 일측에는, 상기 위치고정부(100)에 안착되는 상기 피가공물(P)의 정렬상태와, 상기 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의한 가공 상태를 실시간으로 육안확인할 수 있는 광학카메라(CA)가 더 구비될 수 있으며, 상기 피가공물(P)의 상부에는 상기 레이저조사부(300)에 의한 레이저 가공시에 사용되는 공정가스를 제어하여 공급하는 공정가스공급장치(G)가 더 구비될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 피가공물에 대하여 상기 레이저조사부에 의한 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 더 구비되는 것이 바람직하며, 상기 분진제거장치(D)는, 상기 스테이지(110) 상의 상기 피가공물(P) 주변에 음압을 형성시키는 음압발생장치(D1)와, 상기 음압에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 필터(D2)를 포함하는 것일 수 있다.
게다가, 상기 스테이지(110)에는 외부의 진동을 상쇄시키기 위한 탄성을 가진 방진패드(V)가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 레이저 폴리싱 가공에서 사용되는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이며, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
또다른 일시예에 의한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법으로서, 대면적 피가공물의 표면을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 평탄화하는 레이저 플래닝 이후에 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱을 수행하는 방법에 있어서, 대면적의 피가공물의 표면을 가공하기 위해 상기 피가공물을 스테이지 상의 가공 원점에 위치시키고 고정시키는 가공준비단계(S1)와; 상기 피가공물 표면의 평활한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물 표면 중 설정된 다수 지점의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)와;상기 표면형상측정 단계를 거쳐 획득한 상기 표면형상 데이터를 기초로 하여 높이가 동일한 점들을 이어 생기는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한 다수개의 면데이터로 변환하고, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분을 플래닝 가공영역으로 결정하고, 상기 플래닝 가공을 위한 가공 파라미터를 결정하여 입력하는 단계(S3)와; 상기 면데이터를 기초로 결정되는 상기 플래닝가공영역에 대하여 상기 가공 파라미터를 적용하여 소정의 패턴으로 레이저빔을 조사함으로써 피가공물의 표면을 평탄화하는 레이저 플래닝 단계(S4); 및 상기 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용된 레이저빔에 비해 낮은 출력의 레이저빔을 조사하여 상기 피가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키는 레이저 폴리싱 단계(S5);를 포함하여 구성된다.
상기 가공준비단계, 상기 표면형상측정단계, 상기 레이저 플래닝단계 및 상기 레이저 폴리싱단계는, 레이저빔이 상기 피가공물(P)에 조사되는 상태를 광학카메라를 통해 실시간으로 육안확인하면서 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 레이저 플래닝단계는, 상기 레이저가공부가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 상기 다수개의 면데이터에서 최상층의 면데이터 상의 상기 플래닝가공영역으로부터 최하층의 면데이터 상의 플래닝가공영역까지 차례대로 수행하는 것이 바람직하며, 상기 레이저 플래닝단계의 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
이때, 상기 레이저 플래닝단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 음압에 의해 제거하면서 수행할 수 있고, 상기 피가공물이 적층용 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형인 것일 수 있다.
상기 레이저 플래닝 단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생할 수 있는 피가공물 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력의 생성을 방지하기 위한 공정가스를 공급하면서 수행할 수 있으며, 상기 레이저 폴리싱단계에서 사용하는 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 플래닝-폴리싱 장치에 따르면, 피코초나 펨토초 펄스 레이저와 같은 펨토초의 펄스길이를 갖는 레이저를 사용하여 비교적 대면적의 평면가공물의 표면을 평활하게 하는 플래닝 작업과, 표면거칠기를 향상시키는 폴리싱을 함께 수행하므로 가공오차를 획기적으로 줄이면서도 생산성을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 레이저 폴리싱과 같이 금속표면을 용융시켜 표면거칠기를 향상시키는 것이 아니라 펨토초의 펄스길이를 갖는 레이저를 금속표면에 조사함으로써 피가공물의 표면에 열적변형이 없이 표면거칠기를 향상시킬 수 있다.
그뿐만 아니라, 표면의 미시적인 요철만을 가공하여 표면거칠기만을 향상시키는 것이 아니라, 금속표면에 조사되는 레이저의 출력을 간단하게 제어하는 것에 의해, 거시적인 등고선적 굴곡도 높은 부분만을 선택적으로 가공하여 표면의 평탄도를 신속하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
-도 1은 종래의 레이저 폴리싱 장치에 의해 구현되는 폴리싱 전후의 단면상태를 보여주는 모식도이고,
-도 2는 도 1과 대비되는 본 발명에 따른 플래닝-폴리싱 장치에 의해 구현되는 공정 전후의 단면상태를 보여주는 모식도이고,
-도 3은 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 4는 도 3의 흐름도에 따른 가공프로세스를 보여주는 모식도이며,
도 5는 본 발명의 플래닝-폴리싱 장치에 사용되는 레이저가공부의 사시도,
도 6는 본 발명의 플래닝-폴리싱 장치의 전체 구성의 연결상태를 보여주는 구성도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이며, 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용하는 플래닝(planing)이라 함은 거시적인 등고선적 높낮이를 평탄화하는 과정을 의미하는 것으로서 본 출원인이 폴리싱공정과 구별되도록 만든 조어적 용어이며, 미시적 관점에서의 요철에 대한 Ra값 및 Ry값을 감소시키는 폴리싱과는 다른 의미로 사용됨을 밝혀둔다.
통상적으로 정밀연삭의 정밀도를 기준으로 보면, 본 발명의 플래닝 공정에서의 가공정도는 10 ㎛ 내외이며, 폴리싱 공정은 0.8 ㎛ 내외의 가공정도를 갖는 것으로 양 공정은 엄밀히 구분되어 사용된다.
도 1은 종래의 레이저 폴리싱 작업에 의한 공정 전후의 소재 단면의 상태를 보여주는 모식도이며, 도 2는 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치에 의한 가공 전후의 소재 단면의 상태를 도 1과 대비하여 보여주는 모식도이다.
도 1의 (a)는 대면적 평면을 갖는 피가공물의 형상을 나타내고 있으며, 일부분을 점선으로 표시하였다.
점선부분을 과장하여 확대하여 보면 도 1의 (b)와 같이, 중앙부분이 높게 형성되어 있으므로 거시적으로 굴곡이 형성되어 있음을 보여준다. 이러한 경우를 본 출원에서는 평탄도가 저하된 상태라고 한다.
도 1의 (b)에는, 임의의 두 지점(A)에서의 미시적인 표면상태를 과장해서 나타내었다. 즉, A부분을 확대해서 보면, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철이 형성되어 있음을 보여준다.
이 A부분에 형성된 요철은 도 1의 (b)에 도시한 등고선적인 높낮이에 무관하게 피가공물의 표면 전체에 걸쳐 형성되어 있으며, 기계적 연삭공정에서 필연적으로 발생할 수밖에 없다.
도 1의 (c)는 종래의 레이저 폴리싱 공정을 거치고 난 이후에 A부분에 형성된 요철이 크게 감소한 상태를 A'로 표현하고 있다.
레이저 폴리싱 공정 이전의 A부분에서 요철의 산부분이 레이저빔의 조사에 의한 열용융으로 인하여 녹아내림으로써 골부분을 메우게 되어 전체적으로 산과 골의 높이차가 줄게 되고 표면거칠기를 결정하는 Ra값과 Ry값이 적어진다.
그러나, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 폴리싱으로 인하여 표면거칠기는 상당히 향상되었지만, 거시적인 관점에서의 등고선적인 높낮이는 거의 변하지 않아 평탄도는 여전히 저하된 상태임을 알 수 있다.
도 1의 (d)는 종래의 레이저 폴리싱공정 전후의 A부분의 변화만를 단적으로 비교하여 보여주고 있으며, 실선으로 나타낸 부분이 레이저 폴리싱으로 요철이 감소된 상태를 보여주는 것이고, 점선으로 나타낸 부분이 레이저 폴리싱 이전에 존재하였던 요철부분이다.
도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 폴리싱 공정은, 미시적 관점에서의 요철(A) 중 산부분이 용융되면서 골부분을 메우는 메카니즘으로 요철을 감소시켜 표면거치리기를 향상시키고 있으므로 요철 중 산부분과 골부분이 완만한 곡선형태(A')로 변하는 것을 확인할 수 있으며, 용융으로 인한 피가공물의 표면이 열적변형에 의해 경도와 강도의 변화 및 표면의 잔류응력을 발생시키게 됨은 앞서 설명한 바와 같다.
도 2의 (a) 내지 (d)는 도 1과 대비되도록 도시한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치와 방법에 의해 달성되는 대면적 평면 피가공물의 표면변화를 도시한 도면이다.
도 2의 (a)와 (b)는 도 1의 (a) 및 (b)와 같이, 가공 이전의 상태를 도시하였으므로 중복설명은 생략한다.
도 2의 (c)는 도 1의 (c)와는 달리, 거시적 관점에서의 등고선적인 높낮이를 본 발명에 따른 플래닝가공에 의해 평탄화가 되어 있으며, 플래닝 가공에 의한 평탄화 이후에는 미시적 관점에서의 요철부분에 대한 레이저 폴리싱에 의해 표면거칠기를 향상시키고 있음을 알 수 있다.
도 2의 (c)에서 B'부분은 도 1의 (c)에서 A'부분과 달리 산부분이 열용융에 의해 녹아내려 골부분을 메우는 것이 아니라, 산부분이 깍여나간 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 레이저 폴리싱은 펨토초 펄스 레이저를 조사하기 때문에 열의 발생이 최소화되고 물리적인 타격에 의해 산부분이 떨어져 나가는 메카니즘이라는 점에서 종래의 레이저 폴리싱공정과는 확실히 구별된다.
이러한 메카니즘은 도 2의 (d)에 극단적으로 표현된 것과 같이, 산부분이 열용융에 의해 골을 메우는 것이 아니라 산부분이 깍여나간 형상임을 보여준다.
따라서, 열발생이 최소화되므로 피가공물의 표면에 열적변형이 거의 생기지 않고, 피가공물의 기계적 성질이 거의 변하지 않을 뿐만 아니라 열에 의한 잔류응력이 발생하지 않는 것이 본 발명의 가장 큰 특징이다.
이하, 도 2에 도시된 피가공물의 표면변화를 이루기 위한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 편의상 먼저 설명한 다음에 장치의 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 단계별로 기재한 흐름도이고, 도 4는 각 단계별 프로세서를 모식적으로 보여주는 도면이다.
먼저, 대면적의 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)을 스테이지(110) 상의 가공 원점에 위치시키고 고정함으로써 가공을 준비(S1)한다.
스테이지(110)는 피가공물(P)이 안착될 수 있는 직사각형으로서 내각이 직각이므로 가공원점을 세팅하기에 수월하다.
스테이지(110) 상의 가공원점에 피가공물을 안착시키고 고정지그(120, 미도시)를 이용하여 피가공물의 위치를 고정함으로써 가공 중에 피가공물의 위치가 변하지 않도록 한다.
또한, 스테이지(110)를 X축, Y축 및/또는 Z축(높이)방향으로 이동시킬 수 있는 이동수단(130)이 있으나, 본 출원의 실시예에서는 스테이지(110)를 이동시키는 대신에 레이저가공부(300)가 X축, Y축 및/또는 Z축(높이)방향으로 이동하는 경우로 설명한다.
고정지그(120)는 스테이지(110) 상에 피가공물의 위치를 고정시킬 수 있는 수단이면 구체적인 형상이나 재질 등은 특별히 한정되지 않는다.
스테이지(110)는 고도의 평탄도를 가지는 평면가공물로서 강도와 경도가 높은 금속재질이지만 세라믹 재질과 같이 온도 등에 영향을 받지 않는 재질이면 특별히 한정되지 않는다.
실질적인 가공의 첫단계로서, 피가공물(P) 표면의 평탄한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물(P) 표면의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)로부터 시작한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 표면형상의 측정단계(S2)는, 피가공물(P)의 표면 전체에 걸쳐 임의로 결정된 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하고 이 측정값을 데이터화하여 표면형상에 대한 데이터를 취득하는 단계이다.
도 4의 (a)에서는 가로축 상에서 8개 지점과 세로축으로 3개의 지점으로서 총 24개의 지점을 임의로 지정하여 그 지점에서의 Z축 상의 높이를 측정한다.
Z축 상의 높이는 레이저변위센서에 의해 레이저빔을 피가공물의 표면에 조사하여 반사되는 레이저빔을 관측하여 높이를 측정하고, 그 결과 우측 그림과 같은 표면형상 데이터값을 취득한다.
이 표면형상 데이터(ZD)값은 Z축(높이방향축) 상의 좌표와 유사한 개념인 것으로, 0, 1, 3, 5, 9 등과 같은 단순한 Z축 상의 높이를 나타낸다.
이 데이터값은 가공량이나 정밀도 등의 조건에 따라 이미 설정된 범위에서 반올림, 버림, 올림 등의 연산을 통해 단순한 디지털 수치로 환산한 것이다.
본 발명의 이해를 돕고자 피가공물의 중앙부분이 다소 과장되게 볼록한 표면형상을 취득한 것으로 도시하였으나, 실제로는 기계적 연삭공정의 정밀도를 감안하면 10 마이크로 내외의 미세한 높이차이다.
본 발명에서는 이러한 표면형상을 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이로 표현하며, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철과는 전혀 다른 개념이다.
본 발명의 중요한 특징 중 하나가 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하는 공정과, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철을 완화하는 공정이 동일한 장치에 의해 순차적으로 이루어진다는 점이다.
다음은, 위에서 설명한 표면형상 데이터(ZD)를 기초로 하여, 대면적의 평면 피가공물의 표면에 대한 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하기 위한 플래닝 가공영역의 결정단계(S3)과 레이저 플래닝 공정(S4)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 표면형상측정 단계(S2)를 거쳐 획득한 상기 표면형상 데이터(ZD)를 기초로 하여 Z축상의 높이가 동일한 2개 이상의 점들을 포함하는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한다.
본 발명에서는 이 단층면을 면데이터로 칭한다.
이 가상의 단층면 사이의 간격은 피가공물의 필요정밀도에 따라 설정할 수 있으며, 가상의 단층면 자체의 두께도 임의로 설정할 수 있다.
다수개로 적층 배열된 면데이터로 변환한 후, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분이 거시적인 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하기 위한 플래닝가공영역이 되는 것이고, 플래닝 가공영역의 크기나 두께 등의 제반 사정을 고려하여 레이저가공을 위한 파라미터를 결정한다.
위 가공 파라미터의 예로는, 레이저 파장, 반복율, 평균출력, 레이저 중첩율빔초점의 거리, 빔의 직경, 초점의 품질, 스캔속도, 피가공물의 이송속도 등이다.
상기 플래닝 가공영역은 위 다수개의 면데이터 상에서 돌출된 영역으로서 제어부의 입력 프로그램에 의해 자동으로 결정되며, 이 정보들은 플래닝 가공을 직접 수행하는 레이저가공부로 전송된다.
제어부(400)는 위에서 설명한 바와 같이 생성된 면데이터를 기준으로 플래닝 가공영역을 결정하며, 결정된 플래닝 가공영역으로 레이저 가공부(300)가 이동할 수 있도록 플래닝 가공영역을 X축, Y축 상의 좌표로 계산하여 해당 위치로 레이저 가공부(300)를 이동시키는 구동을 제어한다.
여기서, 각 면데이터 상의 플래닝 가공영역은 각기 다를 수 있기 때문에 각 면데이터 상의 가공영역이 되는 X축, Y축상의 좌표는 제어부(400)에 의해 각기 계산하여 변할 수 있는 것이다.
본 실시예에서는, 가공 파라미터를 결정하여 입력하면, 그 정보와 가공영역을 제어부에서 레이저 가공부로 전송하는 것으로 예시하였으나, 초기 가공조건에 관한 사항을 입력하면 제어부 자체의 프로그램에 의해 최적의 가공파라미터를 스스로 결정하고 조절할 수도 있을 것이다.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 가공부는 위 단계(S3)로 결정되는 플래닝 가공영역에 대하여 소정의 가공 파라미터를 적용하여 레이저빔을 일정 패턴으로 조사함으로써 피가공물의 표면에 대한 등고선적 높낮이를 평탄화하는 레이저 플래닝 공정(S4)을 수행한다.
도 4의 (c)의 왼쪽 그림은 레이저 플래닝 공정(S4) 시 다수의 면데이터 중 어느 하나의 면데이터를 기준으로 해당 영역으로 레이저 가공부(300)를 구동시켜 라인 패턴으로 레이저를 조사하여 가공하는 모습을 도시한 것이다.
레이저빔의 조사 패턴은 다양하게 변경할 수 있으며, 최상측의 면데이터로부터 최하측의 면데이터에 이르기까지 순차적으로 플래닝 공정을 수행한다.
이때, 각 면데이터 사이의 설정된 한개 면의 두께만큼씩 Z축상으로 이동하면서 플래닝 공정이 이루어지도록 설정할 수도 있고, 각 면데이터 사이의 간격만큼 이동하면서 이루어질 수 있도록 레이저 가공부(300)가 하강하거나 스테이지(110)가 상승한다.
본 실시예는 레이저의 초점거리가 일정하게 유지하는 경우로서 레이저 가공부가 면데이터 사이의 간격만큼 하강하는 경우이다.
도 4의 (c)의 우측 그림은 레이저 플래닝 공정(S4)가 완료되어 표면형상이 제거됨으로써 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이가 평탄화된 상태를 모식적으로 보여주고 있다.
레이저 플래닝 공정(S4)에 조사되는 레이저빔은, 본 발명이 피가공물을 용융시키는 메카니즘이 아닌 펨토초 펄스 레이저에 의한 물리적 탈락을 일으키는 메카니즘의 가공이므로 펨토초 펄스 레이저를 주로 사용한다.
본 실시예에서 사용하는 레이저빔은 피가공물 표면에 열적변형을 최소화하기 위해 IR영역을 제외한 580 nm이하인 515 nm의 파장을 가지고 있으며, 270 fs 내지는 700 fs의 펄스길이를 갖는 펨토초 펄스 레이저 중에 700 fs인 펨토초 펄스 레이저가 사용되었다.
또한, 반복률은 250 kHz 내지 450 kHz이며, 빔 사이즈는 2.5 mm 내지 3.5 mm의 직경을 가지고, 펄스당 에너지는 200 μJ 내지 500 μJ 의 가공파라미터를 적용하였다.
이때, 레이저 가공부의 일측에 설치된 광학카메라(CA)를 통해 레이저 플래닝 공정이 진행되는 동안 실시간으로 가공상태를 육안으로 관찰할 수 있으며, 필요에 따라서는 가공의 정도나 가공 파라미터 등의 가공조건을 조절할 수 있게 된다.
도 4의 (d)에 도시한 바와 같이, 레이저 플래닝 공정(S4) 이후에, 상기 피가공물의 표면 거칠기를 향상시키기 위해 미시적 관점에서의 요철을 감소시키기 위한 레이저폴리싱 단계(S5)를 수행한다.
본 발명에서의 레이저 폴리싱 단계(S5) 또한, 레이저 가공부의 레이저빔의 조사에 의해 이루어지며, 레이저 폴리싱 단계(S5)에서 사용되는 레이저빔은 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용되는 레이저빔과는 동일하지 않다.
즉, 레이저 폴리싱에 사용되는 레이저 빔은, 플래닝 공정에서 사용하는 레이저빔과는, 출력과 반복률을 변경함으로써 가공량이 훨씬 적고 정밀한 작업인 것이다.
통상적으로 폴리싱 공정은, Ra값으로 0.8 ㎛ 이하의 표면거칠기를 구현하는 공정을 말한다.
이 레이저 폴리싱 단계(S5)는 위 플래닝 공정에 의해 표면의 평탄화가 이미 이루어진 상태에서 후공정으로 진행되는 정밀 마무리 공정인 것이므로 가공의 정도가 매우 미세하다.
본 발명의 특징 중에 또 다른 중요한 특징이, 미시적 관점에서의 요철을 감소시키는 공정이면서도 요철 중에 산부분만을 선택적으로 깍아냄(식각)으로서 이루어진다는 것이 종래의 레이저 폴리싱과는 구별되는 점이다.
이로써, 거시적 관점에서의 높낮이를 평탄화하고, 미시적 관점에서의 요철의 산부분만을 선택적으로 제거하는 공정에 의해 피가공물의 기계적 성질을 변화시키지 않으면서 평탄도 및 표면거칠기를 모두 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치에 대하여 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5의 장치의 연결구조를 보여주는 계통도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치는, 피가공물(P)의 위치를 고정하기 위한 위치고정부(100)에 의해 견고하게 고정된 채로 레이저가공과 이송이 된다.
위 위치고정부(100)는 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120,미도시)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130,미도시)으로 이루어져 있다.
본 실시예에서의 이동수단(130)은, X축, Y축 방향으로 이동시킬 수 있도록 각 축을 따라 이동시키는 리니어모터를 사용하고, Z축(높이) 방향으로는 서보모터를 사용하고 있으나, 이동수단(130)의 구체적인 사양이나 종류는 얼마든지 변형 가능하다.
위 이동수단(130)은 레이저가공부(300)를 이동시킬 수도 있으며, 경우에 따라서는 스테이지(110)를 이동시킬 수도 있다.
본 실시예에서의 피가공물(P)은 대면적의 표면을 갖는 육면체형상으로서 적층형 전자세라믹, 예컨데, MLCC적층용 금형을 도시한 것이다.
피가공물(P)의 상측에는 레이저빔을 조사하는 레이저 가공부(300)가 위치하고 있다.
레이저 가공부(300)는, 레이저 빔을 발생시키는 제너레이터(310)와, 빔 익스펜더(320), 제1반사경(330a), 제2반사경(330b), 위 반사경(330a,330b)들 사이에 배치된 빔셔터(340) 및 레이저빔을 피가공물(P)에 조사하는 스캐너(350)로 구성되어 있다.
제너레이터(310)는 레이저 빔을 발생시키는 구성으로서 본 실시예에서의 레이저빔의 파장대는 피가공물(P)로의 열흡수율을 최대한 억제할 수 있는 515 nm인 그린 영역의 파장대를 가지고 있다.
현재 통상적으로 사용되는 레이저빔은 1064 nm 정도의 파장을 갖는 근적외선(NIR)영역의 레이저인데, 열영향이 높아 본 발명에서 사용하는 레이저는 위 근적외선 영역에 해상하는 레이저 파장의 1/2 정도인 530 nm 내외의 파장을 가진다.
따라서, 본 출원인은 580 nm 이하의 파장대를 갖는 레이저가 열영향이 확연히 적은 것을 확인하였으며, 향후 레이저 기술의 발전에 따라서는 이 보다 짧은 파장의 레이저를 사용하는 것이 더 유리할 것이라고 예측하고 있다.
레이저빔은 제너레이터(310)로부터 빔 익스펜더(320)으로 출사되는데, 빔 익스펜더(320)는 레이저빔의 크기를 확대하거나 축소할 수 있는 조절이 가능하며, 빔 익스펜더(320)을 통해 크기가 조절된 레이저빔은 제1반사경(330a)과 제2반사경(330b)을 통해 직각방향으로 반사되며 스캐너(350)로 출사된다.
스캐너(350)의 내부에는 교환식 f렌즈가 구비되어 있으며, Z축(높이)상으로 이동하면서 Δf값(초점계수)을 보상함으로써 선명한 레이저빔을 출사할 수 있게 된다.
한편, 제1반사경(330a)와 제2반사경(330b) 사이에는 온/오프 기능을 갖는 빔셔터(340)가 구비되어 있으며 제1반사경(330a)을 통해 출사되는 레이저빔을 차단하거나 통과시키는 기능을 수행함으로써 레이저빔을 정렬시킬 수 있다.
스캐너(350)의 일측에는 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)인 레이저변위센서가 구비되어 있다.
이 레이저변위센서는 레이저빔의 직진성을 이용하여 출사된 레이저빔과 반사된 레이저빔의 상태변화를 인식하여 기준점으로부터 측정지점까지의 거리를 측정하는 구성으로서 본 실시예에서 사용한 레이저변위센서의 거리정밀도는 0.1 ㎛ 정도이다.
이 레이저변위센서는 피가공물 표면의 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 측정하는 구성으로서 이미 설정된 다수개의 측정지점에서의 Z축상의 상대적 높이로써 디지털화하여 제어부(400)로 전송한다.
제어부(400)는 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 그 데이터(ZD)상의 동일한 높이의 두개 이상의 점들을 포함하는 다수개의 면데이터(SD)를 생성하게 되며, 이 면데이터(SD)들로부터 돌출된 영역을 플래닝 가공영역으로 결정한다.
면데이터(SD)의 개수는 표면형상 데이터(ZD)값에 기초하여 그 편차와 가공의 정밀도, 가공의 정도 등에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
예를 들면, 측정된 표면형상 데이터(ZD) 상으로 최하점과 최상점 사이가 10 ㎛라고 가정하면, 1 ㎛씩 10등분하여 10개의 면데이터(SD)를 생성할 수도 있고, 2 ㎛씩 5개의 면데이터(SD)를 생성할 수도 있다.
따라서, 제어부(400)는 면데이터(SD)로 인하여 동일한 돌출높이를 가진 다수개의 플래닝 가공영역을 결정하게 되고, 이 가공영역에 대한 정보를 레이저가공부(300)에 전송함과 동시에, 기입력된 가공 파라미터들을 레이저가공부(300)에 전송함으로써 플래닝 공정을 수행하게끔 레어저가공부(300)의구동을 제어한다.
제어부(400)는 위에서 설명한 바와 같이 생성된 면데이터를 기준으로 플래닝 가공영역을 결정하며, 결정된 플래닝 가공영역으로 레이저 가공부가 이동할 수 있도록 플래닝 가공영역을 X축, Y축 상의 좌표로 계산하여 해당 위치로 레이저 가공부를 이동시키는 구동을 제어한다.
여기서, 각 면데이터 상의 플래닝 가공영역은 각기 다를 수 있기 때문에 각 면데이터 상의 가공영역이 되는 X축, Y축상의 좌표는 제어부(400)에 의해 각기 계산하여 변할 수 있는 것이다.
본 실시예에서의 레이저플래닝공정에 사용되는 레이저빔은, 파장이 515 nm 정도로서, 금속에의 열흡수율이 높고 공진주파수 대역인 근적외선(NIR)영역을 회피하였으며, 그 중 515 nm의 파장을 가진 그린 영역의 가시광선이고, 270 fs 내지는 700 fs의 펄스길이를 가지는 펨토초 펄스 레이저가 사용되었다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 레이저빔의 파장대는 상한이 580 nm이며, 파장이 짧을 수록 유리할 것으로 예상된다.
상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 생성된 면데이터(SD)로 결정되는 플래닝 가공영역에만 펨토초 펄스 레이저빔을 선택적으로 소정의 패턴으로 조사함으로써 피가공물(P)의 표면을 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하는 것이다.
위 레이저플래닝 공정은 최상층의 면데이터로부터 최하층의 면데이터에 이르기까지 정해진 가공깊이로 순차적으로 수행된다.
Z축을 따라 순차적으로 위 레이저플래닝공정이 수행되기 때문에 레이저가공부(300)가 순차적으로 하강하거나, 스테이지(110)가 순차적으로 승강하는 경우가 모두 가능하지만, 본 실시예에서는 레이저가공부(300)가 하강하면서 진행한다.
이 레이저가공부(300)에 의해 플래닝공정이 완료되면, 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이가 평탄화된 상태로, 미시적 관점에서의 요철을 감소시켜 표면거칠기를 향상시키는 레이저폴리싱 공정이 이어진다.
이 또한, 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의해 이루어지는데, 상기 레이저플래닝공정에 비해서는 가공의 정도가 매우 미세하기 때문에 조사되는 레이저빔의 펄스당 에너지 및 출력은 확연히 작다.
본 발명의 레이저 폴리싱은 종래의 레이저폴리싱과는 달리, 열용융에 의해 산을 녹여 골을 메우는 메카니즘이 아니라, 금속표면의 입자를 열융융시키는 것이 아니라 물리적으로 탈락시키는 펨토초 펄스 레이저를 사용하기 때문에 산부분만을 선택적으로 식각함으로써 요철을 감소시키는 메카니즘이다.
피가공물(P)이 예를 들어, MLCC적층용 정밀금형과 같이 큰 하중이 반복적으로 작용하는 경우에는 피가공물의 표면의 열적변형이나 기계적 성질의 변화는 사용상 치명적인 결함이 될 수 있으므로 본 발명에 따른 장치는 당업계에서 매우 획기적으로 인정받을 것이다.
도 6의 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치의 전체 구성에 대한 연결상태를 보여주는 구성도이다.
앞서 설명한 구성에 대해서는 중복설명을 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 위치고정부(100)의 스테이지(110)를 X축, Y축, Z축으로 각각 이동시킬 수 있도록 2개의 리니어모터(LM)와 1개의 서보모터가 연결되어 있으며, 외부로부터의 진동을 상쇄시키기 위한 고무재질의 방진패드(V)가 연결되어 있다.
방진패드(V)는 반드시 고무재질일 필요는 없고, 에어서스펜션과 같이 진동을 흡수하고 상쇄시킬 수 있다면 무방하다.
또한, 피가공물(P)의 상측에는 레이저가공시 발생할 수 있는 화학적 변화를 방지하기 위해 헬률이나 아르곤과 같은 비활성기체나, 질소, 산소 및 공기와 같은 공정가스를 공급하기 위한 공급가스공급장치(G)가 더 구비되어 있고, 이 공급가스공급장치(G)는 가스를 블로우하는 블로우어와 공급가스의 공급을 제어하기 위한 밸브를 포함하고 있다.
그뿐만 아니라, 스테이지(110)의 하부에는 가공시에 발생할 수 있는 분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 구비되어 있으며, 본 실시예에서는 피가공물(P)의 주변에 음압을 형성하여 분진을 흡입할 수 있는 진공펌프인 음압발생장치(D1)과, 진공펌프에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 분진필터(D2)를 포함하며, 진공펌프에 의한 음압을 제어하기 위한 밸브도 포함되어 있다.
한편, 도 6에 도시된 레이저가공부(300)는, 빔셔터(340)가 제2반사경(330b)과 스캐너(350) 사이에 배치된 것으로 도시되어 도 5와는 다소 다르지만, 빔셔터(340)는 레이저빔을 차단 또는 통과시키기 위한 구성으로서 반사경의 사용유무 및 위치에 따라 얼마든지 변형 가능한 것이다.
이상, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕고자 하는 것일뿐이고 본 발명의 기술적 범위를 한정하고자 하는 것이 아니다.
본 발명의 기술적 범위는 오직 특허청구범위에 의해서만 정해지는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고서도 당업자의 입장에서 다양한 변형이나 개조가 가능하며, 이러한 변형이나 개조 또한 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 물론이다.
100:위치고정부 110:스테이지
120:고정지그 130:이동수단
200:표면형상측정부 300:레이저가공부
310:제너레이터 320:빔익스펜터
330a:제1반사경 330b:제2반사경
340:빔셔터 350:스캐너
400:제어부 P:피가공물
CA:광학카메라 G:공정가스공급장치
V:방진패드 D:분진제거장치
D1:음압발생장치 D2:분진필터

Claims (19)

  1. 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치(1)에 있어서,
    피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와;
    상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와;
    상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 가공을 수행하고, 상기 플래닝 가공 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및,
    상기 표면형상 측정부(200)에서 측정한 표면형상 데이터(ZD)는 다수의 측정지점에서의 Z축(높이)상의 변위 데이터로서, 상기 표면형상 데이터(ZD)를 상기 다수의 측정지점 중 높이가 같은 점들을 이어 만든 가상의 단층면을 높이방향으로 일정한 간격으로 배열한 상태로 두고 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 영역을 플래닝 가공영역으로 결정하는 면데이터(SD)로 변환하며, 상기 면데이터(SD)를 기초로 하여 상기 플래닝 가공을 위해 입력된 가공 파라미터를 상기 레이저 가공부(300)에 전송하고 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면형상 측정부(200)는, 레이저빔을 상기 피가공물(P) 표면의 상기 측정지점에 조사하여 반사되는 레이저빔의 상태를 판독하여 상기 측정지점에서의 높낮이를 측정하는 레이저변위센서인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 가공부(300)에서 상기 플래닝 가공시에 조사하는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플래닝 가공은, 최상층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝 가공영역부터 최하층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝 가공영역까지 순차대로 가공하되, 상기 레이저 가공부(300)가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지(110)가 Z축방향으로 순차적으로 승강하면서 가공하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저가공부(300)의 일측에는, 상기 위치고정부(100)에 안착되는 상기 피가공물(P)의 정렬상태와, 상기 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의한 가공 상태를 실시간으로 육안확인할 수 있는 광학카메라(CA)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물(P)의 상부에는 상기 레이저 가공부(300)에 의한 레이저 가공시에 사용되는 공정가스를 제어하여 공급하는 공정가스공급장치(G)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물에 대하여 상기 레이저 가공부(300)에 의한 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분진제거장치(D)는, 상기 스테이지(110) 상의 상기 피가공물(P) 주변에 음압을 형성시키는 음압발생장치(D1)와, 상기 음압에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 필터(D2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지(110)에는 외부의 진동을 상쇄시키기 위한 탄성을 가진 방진패드(V)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 폴리싱 가공에서 사용되는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이며, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  12. 평면가공물의 표면을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 평탄화하는 레이저 플래닝 이후에 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱을 수행하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법에 있어서,
    피가공물의 표면을 가공하기 위해 상기 피가공물을 스테이지 상의 가공 원점에 위치시키고 고정시키는 가공준비단계(S1)와;
    상기 피가공물 표면의 평활한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물 표면 중 설정된 다수 지점의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)와;
    상기 표면형상측정 단계를 거쳐 획득한 표면형상 데이터를 기초로 하여 높이가 동일한 점들을 이어 생기는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한 다수개의 면데이터로 변환하고, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분을 플래닝 가공영역으로 결정하고, 플래닝 가공을 위한 가공 파라미터를 결정하여 입력하는 단계(S3)와;
    상기 면데이터를 기초로 결정되는 상기 플래닝 가공영역에 대하여 레이저 가공부에서 상기 가공 파라미터를 적용하여 소정의 패턴으로 레이저빔을 조사함으로써 피가공물의 표면을 평탄화하는 레이저 플래닝 단계(S4); 및
    상기 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용된 레이저빔에 비해 낮은 출력의 레이저빔을 조사하여 상기 피가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키는 레이저 폴리싱 단계(S5);를 포함하여 구성되는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가공준비단계, 상기 표면형상측정단계, 상기 레이저 플래닝단계 및 상기 레이저 폴리싱단계는, 레이저빔이 상기 피가공물(P)에 조사되는 상태를 광학카메라를 통해 육안확인하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계는, 레이저 가공부가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 상기 다수개의 면데이터에서 최상층의 면데이터 상의 상기 플래닝 가공영역으로부터 최하층의 면데이터 상의 플래닝가공영역까지 차례대로 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계의 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 음압에 의해 제거하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 피가공물이 적층용 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝 단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생할 수 있는 피가공물 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력의 생성을 방지하기 위한 공정가스를 공급하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 폴리싱단계에서 사용하는 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.

















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