KR102390050B1 - 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공장비를 이용하여 워크피스를 가공할 때 워크피스를 정확한 방향으로 얼라인먼트할 수 있도록 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 가공장비의 스테이지에 직간접적으로 안착되어 워크피스의 방향을 얼라인먼트하기 위한 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치로서, 스테이지에 직간접적으로 장탈착되는 하부판; 모터본체가 상기 하부판에 고정결합되고 돌출된 회전축이 하기 상부웜휠의 기어에 치합되는 웜인 액추에이터; 상기 하부판에 회전 가능하도록 수직축에서 결합되고 상기 액추에이터의 웜과 치합되는 기어가 형성된 웜휠;을 포함하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치 및 이를 포함하는 회전 얼라인먼트 시스템에 관한 것이다.

Description

레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템{Workpiece Rotation Alignment System for Laser Processing Equipment}

본 발명은 레이저 가공장비를 이용하여 워크피스를 가공할 때 워크피스를 정확한 방향으로 얼라인먼트할 수 있도록 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템에 관한 것이다.

1960년 최초 레이저가 개발된 이후, 레이저는 통신, 계측, 의료, 재료가공 등 매우 넓은 산업분야에 응용되어 과학기술 발전에 공헌을 해왔다. 레이저를 이용한 가공에서 직접 재료와 상호작용하는 것은 '빛'이기 때문에 다른 가공법에서는 볼 수 없는 고분해능, 비접촉 원거리가공, 드라이공정 등의 장점이 있다. 이러한 이유로 자동차, 조선, 항공우주, 전자, 반도체 등 다양한 산업분야에서 용접, 절단, 표면처리, 마킹 등의 분야에 활용되어 왔다.

펨토초 레이저(극초단 펄스 레이저)를 이용한 미세가공은 열손상이 거의 없는 비열적(non-thermal) 가공이다. 즉, 펄스폭이 극단적으로 짧기 때문에 레이저빔에 의한 열영향을 최소화할 수 있어 sub-μm급 가공이 가능하다. 또한, 극초단 펄스 레이저의 비선형(non-linear) 흡수현상으로 인한 재료 무의존성(independency)을 가지고 있기 때문에 어떠한 재료도 레이저 파장에 상관없이 가공할 수 있는 장점이 있다. 또한 재료의 성질이 뛰어나나 기존의 방법으로는 가공하기 어려운 난삭재 일지라도 극초단 펄스 레이저의 높은 순간출력으로 인하여 가공이 용이하다

이렇듯 HAZ(heat affected zone)와 버(burr) 없이 워크피스(work-piece; 가공 대상물)를 초미세 가공할 수 있기 때문에 펨토초 레이저는 태양전지, 광메모리, 반도체, 평판 디스플레이 등과 같이 고도의 정밀성을 요구하는 전자부품 및 광 부품의 마이크로 또는 나노급 드릴, 커팅, 패터닝, 스크라이빙 가공 등에 응용되고 있다.

펨토초 레이저 가공장비(이하 '레이저장비'라 함)는 워낙 고가이기 때문에 자동화라인에 내재되어 동일한 가공공정을 반복적으로 수행하게 되는 대규모 생산라인(예를 들면 삼성전자 반도체 생산라인 등)에 사용되는 경우를 제외하고는 필요할 때마다 다른 워크피스를 가공하는 '다품목 소량가공' 형식으로 활용되는 것이 일반적이다.

재질과 가공내용이 다른 새로운 워크피스를 가공하기 위해서는 워크피스를 가공설계도에 일치되도록 레이저장비의 스테이지에 세팅하는 작업이 먼저 이루어져야 한다. '다품목 소량가공'을 위해서 세팅자동화장치를 구비하는 것은 비효율적이기 때문에 결국 가공할 때마다 오퍼레이터가 워크피스를 수작업으로 세팅(얼라인먼트)할 수밖에 없다.

레이저장비 구조에 대해 간단히 살펴보고, 수작업으로 세팅하는 과정의 일예를 보여주는 사진(도 1a)을 참조하여 설명한다.

본 발명과 관련하여 제한적으로 보면, 레이저장비는 크게 고정된 레이저조사부(LL)와, 그 아래에 워크피스가 안착되는 수평의 스테이지로 구성된다. 이때 스테이지는 수평면(X-Y 평면)상에서 정밀하게 X-축과 Y-축으로 제어된다. 필수적인 것은 아니지만 스테이지와 가공 워크피스 사이에 '베이스판'이 개재되는 것이 보통이다. 즉, 워크피스가 베이스판에 고정되고, 베이스판이 스테이지의 적절한 위치에 적절한 방향으로 고정되는 것이 일반적이다. 이때 손상없이 워크피스를 베이스판에 고정시키기 위해 예를 들면 진공척(vacuum chuck)과 같은 고정구가 사용될 수 있다.

먼저, 워크피스가 고정된 베이스판을 스테이지의 적당한 위치에 고정시킨 다음 고정구를 얹고 고정구 위에 워크피스를 안착시킨다(도면에서 A). 이때 회전축이 될 수 있도록 고정구는 한점에서만 임시 고정하는 것이 좋다. 이어서 오퍼레이터가 현미경 화면을 보면서 워크피스가 올바르게 정렬되어 있지 않으면(도면에서 B) 워크피스의 방향이 오차범위에 들어올 때까지(도면에서 D) 손이나 간단한 도구를 이용하여 고정구의 방향을 조정한다(도면에서 C). 정렬이 이루어지면(도면에서 D) 나사로 고정구를 베이스판에 고정한다(도면에서 E). 이때 고정하는 과정에서도 정렬이 어긋날 수 있는데, 그러면 다시 조정하는 작업을 반복한다. 다음 스테이지를 X-축과 Y-축으로 조정하여 워크피스의 기준점과 레이저부의 초점이 일치되도록 하여 세팅을 완료한다. 물론 워크피스의 기준점을 레이저의 초점에 먼저 일치시킨 다음 방향을 조정하여 고정하는 방법도 있으나 전자에 비해 더 어렵게 진행된다.

도면에서는 이해의 편의를 위해 임시 고정된 고정구가 회전되는 각도를 눈에 띄게 크게 하였으나 실제 조정되는 각도편차는 0.1°~0.001° 수준으로 정확하게 조정되어야 하기 때문에 실제로는 숙련된 오퍼레이터가 현미경 영상을 관찰하면서 직접 고정구를 미세하게 건드리면서 조정하게 된다. 즉, 현미경 영상을 봤다가 워크피스 보고 조정하고 다시 현미경 영상을 보고.... 하는 과정을 반복해야 하는 것이다.

따라서 종래 얼라인먼트의 경우 시간과 노력이 과도하게 소요되고 오퍼레이터에 따라 정확도가 달라지며, 경우에 따라서는 조정하는 과정에서 워크피스에 이물질이 묻는 상황도 발생한다. 이는 레이저장비 사용의 고비용화, 가공물의 품질저하 등의 문제로 남게 된다.

공개특허 10-2020-0002916는 가공장치의 스테이지(=탑테이블)가 수직축(Z-축)을 중심으로 진동하는 요잉(yawing) 현상을 제어하기 위한 수단이 추가된 레이저 가공장치를 제시하고 있다(도 1b 참조). 상기 문헌은 스테이지 작동의 정확성을 유지하고자 하는 것으로서 이를 위해 추가되는 수단과 처리방법이 복잡할 뿐 아니라, 여전히 워크피스가 스테이지에 안착되었을 때 정확한 방향을 조정하는 얼라인먼트가 필요하다.

공개특허 10-2020-0002916

본 발명은 레이저 가공장비를 이용하여 워크피스를 가공할 때 워크피스를 스테이지 상에 정확한 방향으로 얼라인먼트할 수 있도록 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

레이저 가공장비의 스테이지에 직간접적으로 안착되어 워크피스의 방향을 얼라인먼트하기 위한 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치로서,

스테이지에 직간접적으로 장탈착되는 하부판;

모터본체가 상기 하부판에 고정결합되고 돌출된 회전축이 하기 상부웜휠의 기어에 치합되는 웜인 액추에이터;

상기 하부판에 회전 가능하도록 수직축에서 결합되고 상기 액추에이터의 웜과 치합되는 기어가 형성된 웜휠;을 포함하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치 및 이를 포함하는 회전 얼라인먼트 시스템인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 레이저 가공장비에 안착된 워크피스의 각도 얼라인먼트를 자동 또는 반자동으로 정교하게 수행할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 워크피스의 레이저 가공을 보다 신속하고 정확하게 할 수 있으며, 오퍼레이터가 워크피스를 손으로 직접 다루는 것이 최소화되므로 세팅 중에 워크피스의 깨끗한 관리가 가능하게 된다.

도 1a는 종래 레이저장비에 가공 워크피스를 세팅하는 과정을 보여주는 사진.
도 1b는 선행문헌에서 스테이지에 요잉현상이 발생한 상태를 보여주는 평면 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치의 개념적 구성도.
도 3a, 3b는 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치의 외관 사시도의 예.
도 4a, 4b는 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치를 레이저 가공장비의 스테이지에 장착한 상태사진.
도 5는 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 시스템의 구성 및 관계를 보여주는 개념도.
도 6a, 6b는 본 발명에 의한 시스템의 작동과정을 보여주는 표시부 및 제어부를 위한 입력창의 예.

이하 첨부된 도면과 제작예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 제작예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

이하에서 '워크피스'란 레이저 가공의 대상이 되는 피가공물을, '기준점'이란, 레이저 가공을 위한 기준이 되는 워크피스에 있는 점을, '기준선'은 워크피스에 표시된 선 또는 두 점을, '참조선'은 표시부의 영상에 표현되는 스테이지의 X-축 또는 Y-축에 평행한 선을 의미한다. 기준점, 기준선, 참조선은 특정할 수 있으면 되므로 실제 워크피스나 스테이지에 표시되어 있지 않을 수도 있다.

(1) 전술하였듯이 본 발명은, 하부판(11), 액추에이터(12) 및 웜휠(13)을 포함하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치의 개념적 구성도를 도 2에, 외관 사시도의 예를 도 3a, 3b에, 제작된 장치를 레이저 가공장비의 스테이지(S)에 장착한 상태사진을 도 4a, 4b에 각각 도시하였다.

본 발명에서 상기 하부판(11)는, 스테이지(S)에 직간접적으로 장탈착되며, 액추에이터(12)의 모터본체가 고정결합되고, 웜휠(13)의 수직 회전축이 회전가능하도록 결합되는 기초판이다. 하부판(11) 아래에 수평면 조정을 위한 베이스판(16)이 추가될 수 있으나 필수적인 것은 아니다. 도 3b~4b에는 베이스판(16)이 추가된 것이 도시되어 있다. 하부판(11)은 모터본체와 웜휠(13)이 결합되고 직간접적으로 스테이지(S)에 장탈착되는 것이라면 어떠한 구조와 형상, 규격이라도 가능할 것이다.

본 발명에서 상기 액추에이터(12)는, 모터본체와 웜 구조의 돌출 회전축으로 구성되어 후술되는 제어부에 의해 작동되는 것으로서, 모터본체는 상기 하부판(11)에 고정결합되고, 돌출 회전축의 웜은 웜휠(13)과 치합관계로 연결된다. 감속모터(geared motor)를 사용하면 모터 회전축의 회전을 감속시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 웜휠(13)은, 하부판(11)에 회전 가능하도록 수직축에서 결합되고 상기 액추에이터(12)의 웜과 치합되는 기어가 형성된 원형판 형상이다. 제작예에서는 치합되는 부분이 노출될 경우 불순물에 의해 작동오류가 발생할 수 있기 때문에 웜휠(13)과 액추에이터(12)의 웜을 커버부재 내부에 내장하였다.

뒤에서 설명되듯이 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치의 제어는 자동 또는 반자동으로 이루어질 것이지만 얼라인먼트 장치의 회전 정도를 육안으로 직접 확인할 수 있도록 하는 것도 좋다. 이를 위해, 도 2 및 4a에 예시된 것처럼, ㉮ 상기 웜휠(13)의 상면 외곽부에 각도눈금이 형성되어 있거나, 상기 웜휠(13)의 상면 외곽부에 각도눈금이 형성되어 있는 상부판(14)을 추가로 가지며, ㉯ 상기 각도눈금에 인접하여 하부판(11)에 고정된 기준눈금판을 추가할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치는 일체가 되어 레이저 가공장비의 스테이지(S)에 장착되고, 얼라인먼트 장치 위에 워크피스가 안착된 다음 정렬된다. 이때 다양한 형상과 규격의 워크피스가 잘 안착되도록 상기 웜휠(13)의 상면에 고정결합되거나 장탈착되는 소정의 고정구(15)를 추가로 가질 수 있다. 도 3b, 4b는 고정구(15)로서 진공척(vacuum chuck)이 추가된 예이다.

본 발명에서 액추에이터(12)의 회전축(웜)과 웜휠(13)은 '웜과 웜기어' 구조이기 때문에 액추에이터(12)의 작동에 따라 소정의 감속비로 웜휠(13)이 회전축을 중심으로 시계방향↔반시계방향으로 회전된다. 제작예에서는 감속비가 큰 감속모터를 사용하여 모터 1펄스당 웜휠(13) 0.001°, 회전축(웜) 1회전에 웜휠(13) 0.2° 회전되도록 하여 정밀도와 정확도를 담보하였다. 웜휠(13) 또는 치합되는 부분이 노출될 경우 불순물에 의해 작동오류가 발생할 수 있기 때문에 웜휠(13)과 액추에이터(12)의 웜을 커버부재 내부에 내장하였다. 따라서 첨부된 도면에는 웜휠(13)과 웜이 보이지 않는다.

본 발명에 의한 장치에서, 도 2에 각각 청색과 적색으로 표시된 '웜휠(13)-상부판(14)-고정구(15)'와 '베이스판(16)-하부판(11)-액추에이터(12)'는 각각 한 덩어리로 움직이며, 후자는 고정 전자가 회전된다.

이상과 같은 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 장치(도 2에 예시된 모든 구성이 구비되어 있고, 액추에이터(12)의 작동을 제어하는 제어부는 단순히 정역회전 조정기인 것으로 가정)의 가장 단순한 사용예를 설명한다. 상황에 따라서 실제 수행되는 몇몇의 순서가 달라지더라도 동일한 결론에 이를 수 있다.

① 본 발명에 의한 장치를 레이저 가공장비의 스테이지(S)에 최대한 방향을 맞추어 장착한다.

② 베이스판(16)을 조작하여 고정구(15)의 상면을 수평면(엄밀히 표현하면, 레이저 조사광에 직각인 면)이 되도록 조정한다.

③ 고정구(15) 위에 워크피스를 최대한 방향을 맞추어 안착시킨다.

④ 현미경카메라 영상을 보면서 기준선(SL)과 참조선(RL) 사이의 상대각이 소정값이 될 수 있도록 조정기를 이용하여 액추에이터(12)를 미세조정한다. (반자동 얼라인먼트)

(2) 또 다른 본 발명은, 전술한 회전 얼라인먼트 장치, 현미경카메라부, 표시부, 제어부를 포함하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템에 관한 것이다. 도 5에 본 발명에 의한 회전 얼라인먼트 시스템의 구성 및 관계를 보여주는 개념도를, 도 6a, 6b에 본 발명에 의한 시스템의 작동과정을 보여주는 표시부 및 제어부를 위한 입력창(제어창)의 예를 도시하였다.

본 발명에서 상기 현미경카메라부는, 상기 얼라인먼트 장치의 상면에 안착된, 워크피스를 확대 촬영하여 영상을 표시부로 제공하는 역할을 한다(도시 생략). 워크피스에는 기준점과 기준선이 있거나 가상으로 존재한다.

본 발명에서 상기 표시부는, 상기 현미경카메라에 의해 획득된 영상을 레이저 가공장비 스테이지(S)의 X-축 또는 Y-축에 평행한 참조선(RL)과 함께 디스플레이한다. 이때 참조선(RL)은 표시부 영상에만 나타날 수 있으며, 선분이나 직선 또는 십자선일 수 있다. 도 6a, 6b에서는 화면 오른쪽 아래에 축척선이 참조선(도면에서는 X-축에 평행) 기능을 한다.

본 발명에서 상기 제어부는, 표시부에 나타난 상기 기준선(SL)과 참조선(RL)의 상대각도가 입력된 작업각도와 일치되도록 상기 회전 얼라인먼트 장치의 액추에이터(12)를 구동한다. 이때 제어부는 기준선(SL)과 참조선(RL)의 상대각도를 자동으로 측정하고, 상대각도가 작업각도와 같아지도록 액추에이터(12)를 작동시켜 결국 워크피스를 회전시킨다.

도 6a의 화면에서 기준선(SL)은 워크피스 표면에 형성된 회로에 의해 형성된 선인데, 참조선(RL)과 비교하여 반시계방향으로 약 1.2° 즉, 상대각도 약 1.2°로 기울어져 있다. 따라서 제어부는 웜휠(13)이 시계방향으로 1.2° 회전되도록 액추에이터(12)를 조정한다. 전술하였듯이 액추에이터(12) 모터의 펄스와 웜휠(13)의 회전각이 소정의 비율로 정밀하게 대응되므로 웜휠(13)을 정확히 회전시키는 것이 가능하게 된다. 기준선(SL)과 참조선(RL)의 상대각도가 작업각도(도면에서는 0°)와 일치되면 기준선(도 6b의 화면에서 수평이 된 회로의 선)은 참조선과 평행한 상태가 된다.

S : 스테이지
LL : 레이저조사부
SL : 기준선 RL : 참조선
11. 하부판 12. 액추에이터 13. 웜휠
14. 상부판 15. 고정구 16. 베이스판

Claims (5)

1. 레이저 가공장비의 스테이지에 직간접적으로 안착되어 워크피스의 방향을 얼라인먼트하기 위한 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치로서,
   스테이지에 직간접적으로 장탈착되는 하부판;
   모터본체가 상기 하부판에 고정결합되고 돌출된 회전축이 하기 웜휠의 기어에 치합되는 웜인 액추에이터;
   상기 하부판에 회전 가능하도록 수직축에서 결합되고 상기 액추에이터의 웜과 치합되는 기어가 형성된 웜휠;을 포함하며,
   상기 웜휠의 상면 외곽부에 각도눈금이 형성되어 있거나, 상기 웜휠의 상면 외곽부에 각도눈금이 형성되어 있는 상부판이 추가되고,
   상기 각도눈금에 인접하여 하부판에 고정된 기준눈금판이 추가되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 웜휠의 상면에 장탈착되며 그의 상면에 워크피스가 안착되는 고정구를 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부판 아래에 수평면 조정을 위한 베이스판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 장치.
   
5. 청구항 1, 3 또는 4 중 어느 한 항에 의한 회전 얼라인먼트 장치;
   상기 얼라인먼트 장치의 상면에 안착된 워크피스를 확대하여 촬영하는 현미경카메라부;
   상기 현미경카메라에 의해 획득된 영상을 레이저 가공장비 스테이지의 X-축 또는 Y-축에 평행한 참조선과 함께 디스플레이하는 표시부;
   기준선과 참조선의 상대각도가 입력된 작업각도와 일치되도록 상기 회전 얼라인먼트 장치의 액추에이터를 구동하는 제어부;를
   포함하는 레이저 가공장비용 워크피스 회전 얼라인먼트 시스템.

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