KR102349328B1 - Laser assisted micro-machining system and method for micro-machining using the same - Google Patents

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KR102349328B1
KR102349328B1 KR1020200038259A KR20200038259A KR102349328B1 KR 102349328 B1 KR102349328 B1 KR 102349328B1 KR 1020200038259 A KR1020200038259 A KR 1020200038259A KR 20200038259 A KR20200038259 A KR 20200038259A KR 102349328 B1 KR102349328 B1 KR 102349328B1
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Abstract

레이저 보조 미세가공 시스템 및 이를 이용한 미세가공 방법에서, 상기 미세가공 시스템은 레이저 전달부, 가공유닛 및 공작물 이송부를 포함한다. 상기 레이저 전달부는 레이저 빔을 공작물로 조사하여, 상기 공작물을 가열한다. 상기 가공유닛은 상기 레이저 빔에 의해 가열된 공작물을 가공하는 공구부를 포함한다. 상기 공작물 이송부는 상기 공작물을 고정 및 이송한다. 상기 레이저 빔은 상기 공구부보다 소정 거리 선행되어 가공 영역을 통과하며 상기 공작물을 가열한다. In a laser-assisted micromachining system and a micromachining method using the same, the micromachining system includes a laser transfer unit, a processing unit, and a workpiece transfer unit. The laser transmission unit irradiates a laser beam to the workpiece to heat the workpiece. The processing unit includes a tool part for processing the workpiece heated by the laser beam. The workpiece transport unit holds and transports the workpiece. The laser beam passes through a machining area ahead of the tool part by a predetermined distance to heat the workpiece.

Description

레이저 보조 미세가공 시스템 및 이를 이용한 미세가공 방법{LASER ASSISTED MICRO-MACHINING SYSTEM AND METHOD FOR MICRO-MACHINING USING THE SAME}LASER ASSISTED MICRO-MACHINING SYSTEM AND METHOD FOR MICRO-MACHINING USING THE SAME

본 발명은 미세가공 시스템 및 이를 이용한 미세가공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔을 이용하여 국부적으로 가열한 후 공구를 이용하여 미세가공을 수행함으로써, 유리 등의 공작물에 대한 가공을 보다 효과적으로 수행할 수 있는 레이저 보조 미세가공 시스템 및 이를 이용한 미세가공 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfabrication system and a micromachining method using the same, and more particularly, by performing micromachining using a tool after local heating using a laser beam, processing of a workpiece such as glass more effectively It relates to a laser-assisted micromachining system capable of performing and a micromachining method using the same.

최근 유리가 가진 재료의 투명성, 기계적 안전성, 화학적 안전성, 생체 친화성, 내열성 등의 우수한 물리적 성질로 광학산업은 물론, 전자산업이나 바이오산업 등 다양한 산업 분야에의 활용이 확대되고 있다. Due to the excellent physical properties of glass materials such as transparency, mechanical safety, chemical safety, biocompatibility, and heat resistance, the use of glass is expanding not only in the optical industry, but also in various industrial fields such as the electronics industry and bio industry.

그러나, 유리는 경도가 크고 취성이 강하여 종래의 전통적인 가공기술을 적용하는 경우, 크랙(crack)의 발생이 심하여 미세 홈을 포함한 미세 구조의 가공이 어려운 단점이 있다. However, since glass has high hardness and strong brittleness, when a conventional processing technique is applied, cracks are severe and it is difficult to process a microstructure including microgrooves.

즉, 종래기술로서, 비접촉식 가공 기술인 반도체 공정이나 극초단 펄스 레이저를 이용하여 가공하는 기술의 경우, 재료 제거율이 매우 낮으며 복잡한 공정이나 고가의 장비가 요구되는 한계가 있으며, 접촉식 가공 기술인 연성영역가공(ductile-regime machining)은 크랙을 방지할 수는 있으나 역시 재료 제거율이 매우 낮아 산업적 활용이 어려운 한계가 있다. That is, as a prior art, in the case of processing using a semiconductor process or ultra-short pulse laser, which is a non-contact processing technology, the material removal rate is very low, and there is a limitation in that a complicated process or expensive equipment is required, and the contact processing technology is a flexible area. Although ductile-regime machining can prevent cracks, the material removal rate is very low, so it is difficult to use industrially.

나아가, 유리의 가공에 사용되는 공구로서 상용 엔드밀(end mill)을 사용하는 경우 크랙의 발생이 매우 용이하여 사용이 거의 불가능하며, 무수한 작은 날(edge)을 갖도록 와이어 방전가공(wire electrical discharge machining)으로 주문 제작된 공구가 사용되기는 하나 실험실 차원에서의 연구 목적으로의 사용이 가능할 뿐, 상용화된 기술은 현재까지 없는 상황이다.Furthermore, when a commercial end mill is used as a tool used for processing glass, cracks are very easy to use, making it almost impossible to use, and wire electrical discharge machining to have countless small edges. ), a custom-made tool is used, but it can only be used for research purposes at the laboratory level, and there is no commercialized technology so far.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0032650호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0032650

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 레이저 빔을 이용하여 국부적으로 가열한 후 공구를 이용하여 미세가공을 수행함으로써, 유리 등의 공작물에 대한 가공을 보다 효과적으로 수행할 수 있는 레이저 보조 미세가공 시스템을 제공하는 것이다. Accordingly, the technical problem of the present invention has been conceived in this regard, and an object of the present invention is to perform micromachining using a tool after local heating using a laser beam, thereby more effectively processing a workpiece such as glass It is to provide a laser-assisted micromachining system that can do this.

본 발명의 다른 목적은 상기 미세가공 시스템을 이용한 미세가공 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a microfabrication method using the microfabrication system.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 미세가공 시스템은 레이저 전달부, 가공유닛 및 공작물 이송부를 포함한다. 상기 레이저 전달부는 레이저 빔을 공작물로 조사하여, 상기 공작물을 가열한다. 상기 가공유닛은 상기 레이저 빔에 의해 가열된 공작물을 가공하는 공구부를 포함한다. 상기 공작물 이송부는 상기 공작물을 고정 및 이송한다. 상기 레이저 빔은 상기 공구부보다 소정 거리 선행되어 가공 영역을 통과하며 상기 공작물을 가열한다. A microfabrication system according to an embodiment for realizing the object of the present invention includes a laser transfer unit, a processing unit and a workpiece transfer unit. The laser transmission unit irradiates a laser beam to the workpiece to heat the workpiece. The processing unit includes a tool part for processing the workpiece heated by the laser beam. The workpiece transport unit holds and transports the workpiece. The laser beam passes through a machining area ahead of the tool part by a predetermined distance to heat the workpiece.

일 실시예에서, 상기 레이저 전달부는, 상기 공작물로 조사되는 레이저 빔을 디포커싱(defocusing)하여, 상기 레이저 빔에 의해 상기 공작물로 제공되는 출력을 감소시키는 레이저 스테이지를 포함할 수 있다. In one embodiment, the laser transmission unit, by defocusing the laser beam irradiated to the work piece (defocusing), may include a laser stage to reduce the output provided to the work piece by the laser beam.

일 실시예에서, 상기 레이저 빔은 상기 공작물의 용융 온도보다 낮은 온도의 출력을 가지며 상기 공작물로 조사될 수 있다. In one embodiment, the laser beam may be irradiated to the workpiece with an output of a temperature lower than the melting temperature of the workpiece.

일 실시예에서, 상기 레이저 빔은 CO2 레이저 빔일 수 있다. In one embodiment, the laser beam may be a CO 2 laser beam.

일 실시예에서, 상기 레이저 빔의 파장은 9μm 내지 11μm이고, 상기 레이저 빔의 디포커싱에 따른 스폿의 직경은 200μm 내지 500μm일 수 있다. In an embodiment, the wavelength of the laser beam may be 9 μm to 11 μm, and the diameter of the spot according to the defocusing of the laser beam may be 200 μm to 500 μm.

일 실시예에서, 상기 레이저 전달부는, 상기 레이저 빔이 경사진 방향으로 상기 공구부보다 선행되며 조사되고, 상기 레이저 빔이 상기 공구부와 간섭되지 않도록 상기 레이저 빔의 조사 방향을 제어하는 스캐너를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the laser transmission unit, the laser beam is irradiated ahead of the tool unit in an inclined direction, and a scanner that controls the irradiation direction of the laser beam so that the laser beam does not interfere with the tool unit may include

일 실시예에서, 상기 레이저 빔의 중심은 상기 공구부보다 50μm 내지 500μm 만큼 선행될 수 있다. In one embodiment, the center of the laser beam may precede the tool portion by 50 μm to 500 μm.

일 실시예에서, 상기 공작물은 유리(glass)이며, 상기 공구부는 엔드밀(end mill)일 수 있다. In one embodiment, the workpiece may be glass, and the tool part may be an end mill.

일 실시예에서, 상기 공구부의 직경은 10μm 내지 1,000μm 이고, 상기 공구부는 40,000RPM 이상으로 회전할 수 있다. In an embodiment, the diameter of the tool part is 10 μm to 1,000 μm, and the tool part may rotate at 40,000 RPM or more.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 미세가공 방법에서, 레이저 빔을 생성하여 전달하고, 상기 전달되는 레이저 빔을 디포커싱(defocusing)하고, 상기 디포커싱된 레이저 빔을 공작물로 조사하여 상기 공작물을 가열하고, 상기 가열된 공작물을 공구부를 이용하여 가공한다. 이 경우, 상기 레이저 빔은 상기 공구부보다 소정 거리 선행되어 가공 영역을 통과하며 상기 공작물을 가열한다. In a micromachining method according to an embodiment for realizing another object of the present invention, a laser beam is generated and transmitted, and the transmitted laser beam is defocused (defocused), and the defocused laser beam is applied to a workpiece. The workpiece is heated by irradiating it with a furnace, and the heated workpiece is processed using a tool part. In this case, the laser beam passes through the machining area ahead of the tool part by a predetermined distance to heat the workpiece.

본 발명의 실시예들에 의하면, 유리 등과 같이 경도가 크고 취성이 매우 강한 재료에 대하여, 엔드밀과 같은 공구로 직접 가공하는 경우의 문제를 해결하여, 레이저 빔의 선행 조사로 가공 영역을 선 가열한 후 엔드밀 가공을 수행함으로써, 우수한 가공 품질로 효과적인 미세 가공을 수행할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, the problem of direct processing with a tool such as an end mill for a material with high hardness and very strong brittleness, such as glass, is solved, and the processing area is pre-heated by prior irradiation of a laser beam. By performing post-end milling, effective micromachining can be performed with excellent machining quality.

특히, 레이저 빔의 직접적인 가공 영역의 조사시, 과도한 출력으로 가공 영역이 용융되는 것을 방지하기 위해, 레이저 빔을 디포커싱하여 출력을 감소시킴으로써, 용융되지 않고 가열만 되는 범위 내로의 선행 가공을 수행할 수 있다. In particular, when irradiating the laser beam directly to the processing area, in order to prevent the processing area from being melted due to excessive power, by defocusing the laser beam to reduce the output, pre-processing within the range of only heating without melting. can

또한, 레이저 빔이 선행적으로 가공 영역을 통과하되, 후속되는 공구부와의 간섭을 방지함으로써, 모든 가공 영역에서의 효과적인 가공을 수행할 수 있다. In addition, effective machining can be performed in all machining areas by allowing the laser beam to pass through the machining area in advance, but by preventing the subsequent interference with the tool part.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 보조 미세가공 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 공작물에서의 가공 상태를 확대하여 도시한 확대 모식도이다.
도 3a는 도 2의 공구부를 도시한 이미지이고, 도 3b는 도 2의 레이저 조사 상태를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 미세가공 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 종래기술과 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 레이저 보조 미세가공을 수행한 경우의 가공면의 형상과 표면 거칠기를 비교한 그래프들이다.
도 6a는 종래기술을 이용한 유리 가공의 가공면을 도시한 이미지이고, 도 6b는 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 레이저 보조 미세가공을 수행한 경우의 가공면을 도시한 이미지이다. 1 is a schematic diagram showing a laser-assisted micromachining system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged schematic diagram illustrating a processing state in the work piece of FIG. 1 on an enlarged scale.
3A is an image illustrating the tool part of FIG. 2 , and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating the laser irradiation state of FIG. 2 .
4 is a flowchart illustrating a microfabrication method using the micromachining system of FIG. 1 .
5A and 5B are graphs comparing the shape and surface roughness of a machining surface when laser assisted micromachining using the micromachining system of FIG. 1 is performed with the prior art.
Figure 6a is an image showing the processing surface of the glass processing using the prior art, Figure 6b is an image showing the processing surface in the case of performing laser-assisted micromachining using the micromachining system of FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. Since the present invention can have various changes and can have various forms, embodiments will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms.

상기 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. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In this application, terms such as "comprises" or "consisting of" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 보조 미세가공 시스템을 도시한 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a laser-assisted micromachining system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 레이저 보조 미세가공 시스템(10, 이하, 미세가공 시스템이라 함)은 레이저 전달부(100), 가공유닛(200), 공작물 이송부(300) 및 제어부(400)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , the laser-assisted micromachining system 10 (hereinafter, referred to as micromachining system) according to this embodiment includes a laser delivery unit 100 , a processing unit 200 , a workpiece transfer unit 300 , and a control unit 400 . ) is included.

상기 레이저 전달부(100)는 공작물(500)로 레이저 빔(170)을 조사하는 것으로, 구체적으로는 소스부(110), 확장부(120), 광학계(130), 스캐너(140), 틸팅지그(150) 및 레이저 스테이지(160)를 포함한다. The laser delivery unit 100 irradiates a laser beam 170 to the work piece 500 , specifically, the source unit 110 , the extension unit 120 , the optical system 130 , the scanner 140 , and the tilting jig. 150 and a laser stage 160 .

상기 소스부(110)는 상기 레이저 빔(170)을 생성하는 소스로서, 본 실시예의 경우 고출력 레이저는 필요 없으며 대략 30W 출력의 저출력 소스이면 충분하다. 또한, 상기 출력되는 레이저 빔(170)의 파장은 9μm 내지 11μm 범위 일 수 있다. The source unit 110 is a source for generating the laser beam 170. In this embodiment, a high-power laser is not required, and a low-power source of approximately 30W output is sufficient. In addition, the wavelength of the output laser beam 170 may be in the range of 9 μm to 11 μm.

상기 확장부(120)는 상기 레이저 빔(170)의 직경을 확장시켜 상기 광학계(130)로 제공하며, 상기 광학계(130)는 상기 제공된 레이저 빔(170)을 상기 스캐너(140)로 전달한다. The extension unit 120 expands the diameter of the laser beam 170 and provides it to the optical system 130 , and the optical system 130 transmits the provided laser beam 170 to the scanner 140 .

한편, 상기 확장부(120)에 의해 상기 레이저 빔(170)의 직경이 확장되므로 후술되는 상기 스캐너(140)에 의한 상기 레이저 빔(170)의 조사시, 미세한 직경을 가지도록 집속을 보다 효과적으로 수행할 수 있다. On the other hand, since the diameter of the laser beam 170 is expanded by the extension part 120 , when the laser beam 170 is irradiated by the scanner 140 to be described later, focusing is more effectively performed to have a fine diameter. can do.

상기 스캐너(140)는 상기 틸팅 지그(150) 상에 고정된 상태에서, 상기 레이저 스테이지(160) 상에서 이동하게 된다. The scanner 140 moves on the laser stage 160 while being fixed on the tilting jig 150 .

특히, 본 실시예의 경우, 상기 레이저 빔(170)이 후술되는 공구부(210)와 간섭되지 않도록 조사되어야 하므로, 상기 스캐너(140)는 상기 경사진 방향으로 상기 공작물(500)의 가공 영역을 향하여 조사되며, 이러한 상기 스캐너(140)의 경사진 방향을 상기 틸팅 지그(160)에 의해 고정하게 된다. In particular, in the case of this embodiment, the laser beam 170 should be irradiated so as not to interfere with the tool part 210 to be described later, so that the scanner 140 is directed toward the processing area of the workpiece 500 in the inclined direction. is irradiated, and the inclined direction of the scanner 140 is fixed by the tilting jig 160 .

한편, 상기 레이저 스테이지(160)는 상기 스캐너(140)의 상하 방향(Z 방향)으로의 위치를 제어하는 것으로, 이를 통해, 상기 레이저 빔(170)의 작동거리(working distance)를 변경하게 된다. Meanwhile, the laser stage 160 controls the position in the vertical direction (Z direction) of the scanner 140 , thereby changing the working distance of the laser beam 170 .

즉, 본 실시예의 경우, 상기 공작물(500)의 가공 영역으로 조사되는 상기 레이저 빔(170)의 초점이 디포커싱(defocusing)되어 조사되는 것으로, 이러한 디포커싱을 통해 상기 레이저 빔(170)의 단위 면적당 출력(intensity)을 감소시키는 것을 특징으로 한다. That is, in the present embodiment, the focus of the laser beam 170 irradiated to the processing area of the workpiece 500 is defocused and irradiated, and the unit of the laser beam 170 through this defocusing. It is characterized in that the intensity per area is reduced.

이에 따라 상기 공작물(500)의 가공 영역이 용융되지 않는 범위 내에서, 단순히 가열만 되어, 후속되는 상기 공구부(210)의 가공이 효과적으로 수행된다. Accordingly, within the range in which the machining area of the work 500 is not melted, it is simply heated, and the subsequent machining of the tool part 210 is effectively performed.

즉, 이상과 같은 상기 레이저 빔(170)의 디포커싱을 위해서는, 상기 스캐너(140)의 상하 방향으로의 위치 제어가 필요하며, 이러한 위치 제어가 상기 레이저 스테이지(160)를 통해 수행된다. That is, in order to defocus the laser beam 170 as described above, vertical position control of the scanner 140 is required, and this position control is performed through the laser stage 160 .

이상과 같이, 상기 레이저 빔(170)이 상기 공작물(500)의 가공 영역을 향해 디포커싱되어 조사된다. As described above, the laser beam 170 is defocused toward the processing area of the workpiece 500 is irradiated.

상기 가공유닛(200)은 상기 공작물(500)을 가공하는 상기 공구부(210), 스핀들(220) 및 공구 스테이지(230)를 포함한다. The machining unit 200 includes the tool unit 210 , a spindle 220 , and a tool stage 230 for machining the work piece 500 .

상기 공구부(210)는 상기 공작물(500)을 직접 접촉식으로 가공하는 볼 엔드밀(ball endmill), 플랫 엔드밀(flat endmill), 와이어 방전 가공된 엔드밀 등의 엔드밀이며, 상기 공구부(210)의 회전을 위해 상부에는 상기 스핀들(220)이 구비된다. The tool part 210 is an end mill such as a ball end mill, a flat end mill, and a wire electric discharge machined end mill for processing the workpiece 500 in a direct contact type, and the tool part The spindle 220 is provided at an upper portion for rotation of the 210 .

이 경우, 상기 엔드밀의 형상은 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 공구부(210)의 직경은 10μm 내지 1,000μm일 수 있다. In this case, the shape of the end mill is not limited, and, for example, the diameter of the tool part 210 may be 10 μm to 1,000 μm.

한편, 본 실시예의 경우, 상기 공작물(500)은 유리 등과 같이 경도가 크고, 취성이 강한 재료인 것으로, 상기 레이저 빔(170)에 의한 조사가 선행된다 하더라도 상기 엔드밀 등의 공구부(210)를 통한 가공시 날당 미가공 칩두께(undeformed chip thickness)는 매우 작게 제어될 필요가 있다. On the other hand, in the present embodiment, the workpiece 500 is made of a material with high hardness and strong brittleness, such as glass, and even if irradiation with the laser beam 170 is preceded, the tool part 210 of the end mill, etc. The undeformed chip thickness per tooth needs to be controlled very small when machining through.

이에 따라, 상기 스핀들(220)은 약 40,000RPM 이상의 고속으로 회전하는 것이 필요하다. Accordingly, the spindle 220 needs to rotate at a high speed of about 40,000 RPM or more.

또한, 상기 공구부(210)의 상하 방향(Z)으로의 이송을 위해 상기 공구 스테이지(230)가 상기 스핀들(220)에 연결될 수 있다. In addition, the tool stage 230 may be connected to the spindle 220 to transfer the tool part 210 in the vertical direction (Z).

상기 공작물 이송부(300)는 상부에 위치한 상기 공작물(500)을 고정한 상태에서 상기 공작물(500)을 수평 방향(X-Y 평면)으로 이송 또는 회전시키는 것으로, 공작물 지그(310) 및 공작물 스테이지(320)를 포함한다. The workpiece transfer unit 300 transfers or rotates the workpiece 500 in the horizontal direction (XY plane) in a state in which the workpiece 500 located on the upper part is fixed, and the workpiece jig 310 and the workpiece stage 320 are provided. include

상기 공작물 지그(310)는 상면에 상기 공작물(500)을 고정하며, 상기 공작물 스테이지(320)는 상기 공작물 지그(310)의 하면에 위치하여, 상기 공작물(500)을 수평 방향으로 소정의 위치로 연속적으로 또는 단속적으로 이송시키거나, 상기 공구부(210)의 회전 중심과 동일한 회전 중심으로 연속적으로 또는 단속적으로 회전킬 수 있다. The work jig 310 fixes the work 500 on the upper surface, and the work stage 320 is located on the lower surface of the work jig 310 to move the work 500 to a predetermined position in the horizontal direction. It may be transferred continuously or intermittently, or may be rotated continuously or intermittently with the same rotation center as the rotation center of the tool unit 210 .

이를 통해, 상기 공작물(500)에는, 상기 레이저 빔(170)과 상기 공구부(210)에 의한 가공이 연속적으로 수행될 수 있으며, 다양한 형상 및 구조를 가지는 미세패턴이 형성될 수 있다. Through this, processing by the laser beam 170 and the tool unit 210 may be continuously performed on the work 500 , and fine patterns having various shapes and structures may be formed.

상기 제어부(400)는, 상기 레이저 전달부(100), 상기 가공유닛(200) 및 상기 공작물 이송부(300)의 전반적인 동작을 제어하는 것으로, 예를 들어, 상기 레이저 빔(170)의 출력, 조사 주파수, 조사 속도, 조사 경로, 조사 위치, 상기 스캐너(170)의 경사나 위치, 상기 스핀들(220)의 회전수, 상기 공구부(210)의 위치, 절입 깊이, 상기 공작물 스테이지(320)의 구동 및 위치 등을 제어할 수 있다. The control unit 400 controls the overall operation of the laser transfer unit 100 , the processing unit 200 and the workpiece transfer unit 300 , for example, the output and irradiation of the laser beam 170 . Frequency, irradiation speed, irradiation path, irradiation position, inclination or position of the scanner 170 , the number of revolutions of the spindle 220 , the position of the tool part 210 , the depth of cut, and driving of the workpiece stage 320 . and location can be controlled.

도 2는 도 1의 공작물에서의 가공 상태를 확대하여 도시한 확대 모식도이다. 도 3a는 도 2의 공구부를 도시한 이미지이고, 도 3b는 도 2의 레이저 조사 상태를 도시한 모식도이다.FIG. 2 is an enlarged schematic diagram illustrating a processing state in the work piece of FIG. 1 on an enlarged scale. 3A is an image illustrating the tool part of FIG. 2 , and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating the laser irradiation state of FIG. 2 .

도 2 내지 도 3b를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 빔(170)은 상기 공구부(210)보다 소정 거리(d) 만큼 선행되어 가공 영역(S)에 우선 조사되며, 상기 레이저 빔(170)은 상기 가공 영역(S)에 대하여 소정 각도 경사진 방향으로 조사된다. 2 to 3B, as described above, the laser beam 170 precedes the tool part 210 by a predetermined distance d and is first irradiated to the processing area S, and the laser beam ( 170) is irradiated in a direction inclined at a predetermined angle with respect to the processing area (S).

이 경우, 상기 레이저 빔(170)의 중심은, 상기 공구부(210)보다 예를 들어, 50μm 내지 500μm 만큼 선행될 수 있다. In this case, the center of the laser beam 170 may precede the tool part 210 by, for example, 50 μm to 500 μm.

또한, 상기 레이저 빔(170)의 가공을 별도로 모니터링 하기 위한 촬상부(180)가 추가로 구비될 수 있으며, 이를 통해 상기 레이저 빔(170)이 상기 공구부(210)와 간섭되지 않으며, 소정의 경사를 가지도록 디포커싱되어 조사되는 지의 여부가 실시간으로 모니터링될 수 있다. In addition, an imaging unit 180 for separately monitoring the processing of the laser beam 170 may be additionally provided, through which the laser beam 170 does not interfere with the tool unit 210 , and a predetermined Whether the irradiation is defocused to have an inclination may be monitored in real time.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 경우, 상기 레이저 빔(170)은 디포커싱되어 상기 공작물(500)로 조사되며, 이러한 디포커싱에 의해 상기 레이저 빔(170)의 직경(spot size)(171)은 증가하게 되고, 이에 따라 상기 공작물(500)에 조사되는 상기 레이저 빔(170)의 단위면적당 출력이 감소하게 된다. On the other hand, as described above, in the present embodiment, the laser beam 170 is defocused and irradiated to the workpiece 500 , and a spot size 171 of the laser beam 170 by this defocusing. ) is increased, and accordingly, the output per unit area of the laser beam 170 irradiated to the work 500 is reduced.

이 경우, 상기 출력은 상기 공작물(500)이 용용되지 않고 가열되는 범위까지 감소하도록 유지될 수 있다. In this case, the output can be maintained to decrease to the extent that the workpiece 500 is heated without melting.

한편, 상기 레이저 빔(170)의 포커싱 위치로부터 작동 거리 변화량(L)에 따른 상기 공작물(500)에 제공되는 레이저 빔의 단위면적당 출력(I)은 하기 식 (1)로 나타낼 수 있다. Meanwhile, the output I per unit area of the laser beam provided to the work 500 according to the change amount L of the working distance from the focusing position of the laser beam 170 may be expressed by Equation (1) below.

Figure 112020032992371-pat00001
식 (1)
Figure 112020032992371-pat00001
Equation (1)

이 경우, I0는 포커싱 위치에서 단위면적당 출력이며, L0는 포커싱 위치에서의 빔 직경(W0)과 레이저 빔의 파장(λ)으로 결정되는 레일리 길이로 하기 식 (2)와 같이 정의된다. In this case, I 0 is the output per unit area at the focusing position, and L 0 is the Rayleigh length determined by the beam diameter (W 0 ) at the focusing position and the wavelength (λ) of the laser beam. It is defined as in Equation (2) below. .

Figure 112020032992371-pat00002
식 (2)
Figure 112020032992371-pat00002
Equation (2)

도 4는 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 미세가공 방법을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a microfabrication method using the micromachining system of FIG. 1 .

도 4를 참조하면, 상기 미세가공 방법에서는, 우선, 상기 레이저 전달부(100)에서 앞서 설명한 바와 같이 상기 레이저 빔(170)을 생성하여, 상기 스캐너(140)까지 전달한다(단계 S10). Referring to FIG. 4 , in the micromachining method, first, the laser beam 170 is generated as described above in the laser transmission unit 100 and delivered to the scanner 140 (step S10 ).

이 후, 상기 레이저 스테이지(160)는 상기 전달된 레이저 빔(170)의 디포커싱을 위해, 상하 방향(Z)으로 상기 스캐너(140)를 이동시키고, 이를 통해 상기 레이저 빔(170)은 요구되는 출력에 부합되도록 제어된다(단계 S20).After that, the laser stage 160 moves the scanner 140 in the vertical direction (Z) for defocusing the delivered laser beam 170, and through this, the laser beam 170 is It is controlled to match the output (step S20).

본 실시예에서는, 상기 레이저 빔(170)을 상기 스캐너(140)로 전달한 후, 상기 레이저 빔(170)에 대한 디포커싱을 수행하는 것을 설명하였으나, 이와 달리, 상기 레이저 빔(170)에 대한 디포커싱을 선행적으로 수행한 후, 상기 스캐너(140)로 레이저 빔을 전달하는 단계로 수행될 수도 있다. In this embodiment, it has been described that defocusing is performed on the laser beam 170 after delivering the laser beam 170 to the scanner 140 . After focusing is performed in advance, the step of transmitting the laser beam to the scanner 140 may be performed.

이 후, 상기 스캐너(140)를 통해 상기 레이저 빔(170)은 상기 공작물(500)로 조사된다(단계 S30). After that, the laser beam 170 is irradiated to the workpiece 500 through the scanner 140 (step S30).

이 때, 상기 레이저 빔(170)의 조사는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 공구부(210)와 간섭되지 않기 위해 경사진 방향으로 조사되며, 상기 공구부(210)보다 소정 거리 전방에 조사됨으로써, 상기 공작물(500)의 가공 영역에 대하여 선행적으로 가열한다. At this time, as described above, the laser beam 170 is irradiated in an inclined direction so as not to interfere with the tool part 210, and is irradiated in a predetermined distance forward than the tool part 210, The processing area of the workpiece 500 is heated in advance.

이 후, 상기 공구부(210)는 상기 공작물(500)의 가공 영역에 대하여 직접 가공을 수행하며, 이를 통해, 상기 공작물(500)에는 다양한 미세패턴이나 미세 형상 등이 구현될 수 있다(단계 S40). Thereafter, the tool unit 210 directly performs machining on the machining area of the work piece 500 , and through this, various micro patterns or micro shapes can be implemented on the work piece 500 (step S40 ). ).

도 5a 및 도 5b는 종래기술과 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 레이저 보조 미세가공을 수행한 경우의 가공면의 형상과 표면 거칠기를 비교한 그래프들이다. 5A and 5B are graphs comparing the shape and surface roughness of a machining surface when laser-assisted micromachining using the micromachining system of FIG. 1 is performed with the prior art.

이 경우, 상기 도 5a 및 도 5b의 비교 실험에서는, 30μm의 절삭 깊이(depth of cut)를 가지며, 100μm/s의 이송속도(feedrate)로 가공한 결과의 가공면의 실제 형상 및 표면 거칠기를 비교한 결과들이다. In this case, in the comparative experiment of FIGS. 5A and 5B, the actual shape and surface roughness of the machined surface as a result of having a depth of cut of 30 μm and processing at a feed rate of 100 μm/s were compared are the results

도 5a에 도시된 바와 같이, 종래기술과 같이 레이저 빔을 이용한 선행 가열을 수행하지 않은 상태에서 가공을 수행한 결과의 가공면의 형상과 비교하여, 도 1의 미세가공 시스템을 이용하여 동일한 가공을 수행한 결과의 가공면의 형상이 형상 정밀도의 측면에서 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5A, as in the prior art, the same processing is performed using the microfabrication system of FIG. It can be confirmed that the shape of the processed surface as a result of the execution is very excellent in terms of shape precision.

마찬가지로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 종래기술과 같이 레이저 빔을 이용한 선행 가열을 수행하지 않은 상태에서 가공을 수행한 결과의 가공면의 표면 거칠기(surface roughness)와 비교하여, 도 1의 미세가공 시스템을 이용하여 동일한 가공을 수행한 결과의 가공면의 표면 거칠기가 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. Similarly, as shown in FIG. 5B, in comparison with the surface roughness of the processed surface as a result of processing without performing prior heating using a laser beam as in the prior art, the micromachining of FIG. 1 It can be seen that the surface roughness of the processed surface as a result of performing the same processing using the system is very good.

도 6a는 종래기술을 이용한 유리 가공의 가공면을 도시한 이미지이고, 도 6b는 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 레이저 보조 미세가공을 수행한 경우의 가공면을 도시한 이미지이다. Figure 6a is an image showing the processing surface of the glass processing using the prior art, Figure 6b is an image showing the processing surface in the case of performing the laser-assisted micromachining using the micromachining system of FIG.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 동일한 가공 조건으로 가공한 가공면의 경우에도, 종래기술을 이용한 가공면과 대비하여 도 1의 미세가공 시스템을 이용한 가공면이 표면의 품질은 물론, 전체적인 패턴 또는 형상도 우수하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 6A and 6B , even in the case of a processed surface processed under the same processing conditions, the processed surface using the microfabrication system of FIG. It can be seen that the shape is also excellently formed.

본 발명의 실시예들에 의하면, 유리 등과 같이 경도가 크고 취성이 매우 강한 재료에 대하여, 엔드밀과 같은 공구로 직접 가공하는 경우의 문제를 해결하여, 레이저 빔의 선행 조사로 가공 영역을 선 가열한 후 엔드밀 가공을 수행함으로써, 우수한 가공 품질로 효과적인 미세 가공을 수행할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, the problem of direct processing with a tool such as an end mill for a material with high hardness and very strong brittleness, such as glass, is solved, and the processing area is pre-heated by prior irradiation of a laser beam. By performing post-end milling, effective micromachining can be performed with excellent machining quality.

특히, 레이저 빔의 직접적인 가공 영역의 조사시, 과도한 출력으로 가공 영역이 용융되는 것을 방지하기 위해, 레이저 빔을 디포커싱하여 출력을 감소시킴으로써, 용융되지 않고 가열만 되는 범위 내로의 선행 가공을 수행할 수 있다. In particular, when irradiating the laser beam directly to the processing area, in order to prevent the processing area from being melted due to excessive power, by defocusing the laser beam to reduce the output, pre-processing within the range of only heating without melting. can

또한, 레이저 빔이 선행적으로 가공 영역을 통과하되, 후속되는 공구부와의 간섭을 방지함으로써, 모든 가공 영역에서의 효과적인 가공을 수행할 수 있다. In addition, effective machining can be performed in all machining areas by allowing the laser beam to pass through the machining area in advance, but by preventing the subsequent interference with the tool part.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that you can.

10 : 레이저 보조 미세가공 시스템
100 : 레이저 전달부 140 : 스캐너
170 : 레이저 빔 200 : 가공유닛
210 : 공구부 300 : 공작물 이송부
400 : 제어부 500 : 공작물10: laser-assisted micromachining system
100: laser transfer unit 140: scanner
170: laser beam 200: processing unit
210: tool unit 300: workpiece transfer unit
400: control unit 500: work piece

Claims (10)

레이저 빔을 공작물로 조사하여, 상기 공작물을 가열하는 레이저 전달부;
상기 레이저 빔에 의해 가열된 공작물을 가공하는 공구부를 포함하는 가공유닛; 및
상기 공작물을 고정 및 이송하는 공작물 이송부를 포함하며,
상기 레이저 빔은 상기 공구부보다 소정 거리 선행되어 가공 영역을 통과하며 상기 공작물을 가열하며,
상기 레이저 전달부는, 상기 공작물로 조사되는 상기 레이저 빔을 디포커싱(defocusing)하여, 상기 레이저 빔에 의해 상기 공작물로 제공되는 레이저 빔의 단위 면적당 출력을 감소시키는 레이저 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. A laser transmission unit for heating the work by irradiating a laser beam to the work;
a processing unit including a tool part for processing the workpiece heated by the laser beam; and
It includes a work transfer unit for fixing and transferring the work piece,
The laser beam passes through a processing area ahead of the tool part by a predetermined distance to heat the workpiece,
The laser transmission unit, by defocusing the laser beam irradiated to the work piece, characterized in that it comprises a laser stage to reduce the output per unit area of the laser beam provided to the work piece by the laser beam processing system. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 레이저 빔은 상기 공작물의 용융 온도보다 낮은 온도의 출력을 가지며 상기 공작물로 조사되는 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. According to claim 1,
The laser beam has an output at a temperature lower than the melting temperature of the workpiece and is irradiated to the workpiece. 제3항에 있어서,
상기 레이저 빔은 CO2 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. 4. The method of claim 3,
The laser beam is a CO 2 microfabrication system, characterized in that the laser beam. 제4항에 있어서,
상기 레이저 빔의 파장은 9μm 내지 11μm이고,
상기 레이저 빔의 디포커싱에 따른 스폿의 직경은 200μm 내지 500μm인 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. 5. The method of claim 4,
The wavelength of the laser beam is 9 μm to 11 μm,
The micromachining system, characterized in that the diameter of the spot according to the defocusing of the laser beam is 200 μm to 500 μm. 제1항에 있어서, 상기 레이저 전달부는,
상기 레이저 빔이 경사진 방향으로 상기 공구부보다 선행되며 조사되고, 상기 레이저 빔이 상기 공구부와 간섭되지 않도록 상기 레이저 빔의 조사 방향을 제어하는 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. According to claim 1, wherein the laser transmission unit,
The laser beam is irradiated ahead of the tool part in an inclined direction, and the micromachining system further comprises a scanner for controlling the irradiation direction of the laser beam so that the laser beam does not interfere with the tool part. 제5항에 있어서,
상기 레이저 빔의 중심은 상기 공구부보다 50μm 내지 500μm 만큼 선행되는 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. 6. The method of claim 5,
The center of the laser beam is micromachining system, characterized in that 50μm to 500μm preceding the tool portion. 제1항에 있어서,
상기 공작물은 유리(glass)이며, 상기 공구부는 엔드밀(end mill)인 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. According to claim 1,
The work piece is glass, and the tool part is an end mill. 제7항에 있어서,
상기 공구부의 직경은 10μm 내지 1,000μm 이고,
상기 공구부는 40,000RPM 이상으로 회전하는 것을 특징으로 하는 미세가공 시스템. 8. The method of claim 7,
The diameter of the tool part is 10 μm to 1,000 μm,
The micromachining system, characterized in that the tool portion rotates at 40,000RPM or more. 레이저 빔을 생성하여 전달하는 단계;
상기 전달되는 레이저 빔을 디포커싱(defocusing)하는 단계;
상기 디포커싱된 레이저 빔을 공작물로 조사하여 상기 공작물을 가열하는 단계; 및
상기 가열된 공작물을 공구부를 이용하여 가공하는 단계를 포함하며,
상기 레이저 빔은 상기 공구부보다 소정 거리 선행되어 가공 영역을 통과하며 상기 공작물을 가열하고,
레이저 전달부는, 상기 공작물로 조사되는 상기 레이저 빔을 디포커싱(defocusing)하여, 상기 레이저 빔에 의해 상기 공작물로 제공되는 레이저 빔의 단위 면적당 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 미세가공 방법. generating and delivering a laser beam;
defocusing the transmitted laser beam;
heating the workpiece by irradiating the defocused laser beam onto the workpiece; and
Including the step of processing the heated workpiece using a tool part,
The laser beam passes through a processing area ahead of the tool part by a predetermined distance to heat the workpiece,
The laser transmission unit defocuses the laser beam irradiated to the workpiece, and reduces the output per unit area of the laser beam provided to the workpiece by the laser beam.
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