KR102461737B1

KR102461737B1 - 하이브리드 레이저-연마 가공기 및 이를 이용한 레이저-연마 가공 방법

Info

Publication number: KR102461737B1
Application number: KR1020200033015A
Authority: KR
Inventors: 김민철; 방상민; 김동현; 이현택; 안성훈
Original assignee: 서울대학교 산학협력단
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2022-11-02
Also published as: KR20210116883A

Abstract

하이브리드 레이저-연마 가공기는 스테이지, 상기 스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드, 상기 스테이지 상에 배치되고, 스핀들을 포함하는 헤드부, 레이저를 발생하여, 상기 헤드부에 상기 레이저를 공급하는 레이저 발생기, 상기 스핀들에 샤프트를 통해 연결되는 하이브리드 툴, 및 상기 베드 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함한다. 상기 하이브리드 툴은 몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마 패드를 포함한다. 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성된다.

Description

하이브리드 레이저-연마 가공기 및 이를 이용한 레이저-연마 가공 방법 {Hybrid Laser-polishing machine and Laser-polishing method using the same}

본 발명은 경도와 취성이 높아 가공이 힘든 난삭 재료의 가공 생산성을 향상시킨 하이브리드 레이저-연마 가공기 및 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 레이저-연마 가공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보조 열에너지를 이용하여 재료제거율이 향상된 하이브리드 레이저-연마 가공기, 및 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용하여 공정이 간소화되고, 우수한 표면 품질 달성 등의 다양한 생산성 향상에 효율적인 레이저-연마 가공 방법에 관한 것이다.

레이저는 그 자체로 레이저 커팅 공정 등의 재료 제거 공정에 사용되고 있다. 또한, 다양한 공작기계 및 재료 제거 공정(예를 들면 터닝, 밀링, 그라인딩 등)에 보조 에너지원으로 접목되어 가공 생산성 향상을 목적으로 사용되고 있다.

터닝, 밀링, 그라인딩 등의 기존의 재료 제거 공정으로는 세라믹 등의 난삭 재료 가공이 불가능하여, 레이저의 열에너지를 이용해 재료를 연화시켜 제거하려는 연구와 특허들이 제시 된 바 있다. 그러나, 레이저 보조 가공은 보조 열원을 이용하는 공정으로 냉각수 등을 사용하는데 한계가 있다.

한편, 연마 공정에서는 연마 입자를 포함하는 액체(슬러리)가 필수적이므로, 레이저 보조 연마 가공은 제시된 바가 없다.

레이저에 의한 재료 표면의 변화 (surface modification)에 대한 연구들이 발표되고, 변화된 표면의 연마가공 시 재료 제거율을 올릴 수 있다는 연구들이 나오고 있으나, 별도의 레이저와 별도의 연마 가공을 따로 수행하는 기술에 관한 것이었다(serial process).

한편, 재료 표면에 레이저를 조사하기 위한 방법으로 광파이버를 이용하는 방법을 사용할 수 있으나, 광파이버와 조성이 비슷한 실리콘 및 실리콘화합물 등의 재료 표면에 레이저를 조사할 때는 광파이버를 사용할 수 없는 한계점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0119241호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0012641호 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0036784호 일본 공개특허공보 제1993-7001804호

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 연마 공정의 재료제거율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 레이저-연마 가공기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 레이저-연마 가공 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저-연마 가공기는 스테이지, 상기 스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드, 상기 베드 상에 배치되고, 스핀들을 포함하는 헤드부, 레이저를 발생하여, 상기 헤드부에 상기 레이저를 공급하는 레이저 발생기, 몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마 패드를 포함하고, 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성되고, 상기 레이저 통로와 연결되는 공기 유입부가 형성되고, 상기 스핀들에 샤프트를 통해 연결되는 하이브리드 툴, 상기 하이브리드 툴에 유입되는 압축공기를 형성하는 에어 공급부, 상기 베드 상의 상기 연마 대상물의 표면에 액체 기반 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함하고, 상기 에어 공급부에서 형성된 압축공기가 상기 공기 유입부를 통해 상기 레이저 통로로 유입되게 하여 상기 연마 대상물의 표면상의 상기 액체 기반 슬러리를 국소 영역에서 일시적으로 밀어냄으로써 상기 헤드부를 거쳐 상기 레이저 통로를 통해 유입되는 레이저가 상기 연마 대상물의 표면에 직접 조사되어 내부 균열 유도를 통해 연화될 수 있게 하는 작업과, 상기 헤드부에 의해 상기 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마패드를 상기 연마 대상물과 접촉한 상태로 회전시키면서 상기 액체 기반 슬러리를 공급하여 상기 연마 대상물의 표면을 연마하는 작업을 동시에 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 툴의 상기 몸체에는 상기 레이저가 입사되는 레이저 입사부가 형성되고, 상기 레이저 입사부는 상기 레이저 통로와 연결될 수 있다. 상기 레이저 입사부와 상기 레이저 통로가 연결되는 부분에 미러가 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 통로에는 상기 레이저의 에너지 밀도를 높이기 위한 포커스 렌즈가 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연마 패드의 하면은 곡면일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 발생기는 상기 액체 기반 슬러리가 순환되는 환경에서 연마가 일어나는 동안 상기 하이브리드 툴의 회전을 검출하여 상기 레이저 입사부의 위치와 상기 레이저 발생기에서 레이저의 조사가 동기화 되어 레이저가 조사 되도록 펄스 형태로 레이저를 조사할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스핀들이 회전함에 따라, 상기 샤프트에 연결된 상기 하이브리드 툴이 상기 레이저 통로를 따라 형성되는 회전축을 기준으로 회전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 툴의 서로 직교하는 X축 방향(X), Y축 방향(Y), 그리고 Z축 방향(Z)으로의 이동을 제어하도록 구성된 스테이지 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 하이브리드 툴을 포함하는 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법은 스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드 상에 배치되고 스핀들을 포함하는 헤드부에 레이저 발생기가 레이저를 공급하는 단계, 몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마패드를 포함하고, 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성되며, 상기 스핀들에 연결되는 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마 패드를 상기 연마 대상물로 접촉한 상태로 회전시키는 단계, 상기 베드 상의 상기 연마 대상물의 표면에 액체 기반 슬러리를 공급하는 단계, 에어 공급부에서 형성된 압축공기가 상기 하이브리드 툴에 형성된 공기 유입부를 통해 상기 레이저 통로로 유입되게 하여 상기 연마 대상물의 표면상의 상기 액체 기반 슬러리를 국소 영역에서 일시적으로 밀어냄으로써 상기 헤드부를 거쳐 상기 레이저 통로를 통해 유입되는 레이저가 상기 연마 대상물의 표면에 직접 조사되어 내부 균열 유도를 통해 연화될 수 있도록 레이저를 조사하는 레이저 조사 단계, 상기 레이저 조사 단계와 동시에 수행되며, 상기 헤드부에 상기 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마패드를 상기 연마 대상물과 접촉한 상태로 상기 액체 기반 슬러리와 상기 연마 패드를 이용한 상기 연마 대상물의 표면을 연마하는 작업을 수행하는 연마 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법은 상기 레이저 조사 단계 및 상기 연마 단계의 수행 전에, 압축공기와 레이저를 이용하여 상기 연마 대상물의 표면의 산화 및 미세 크랙 생성을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저를 공급하는 단계는, 연마를 위해 시간에 따라 회전하는 상기 하이브리드 툴의 회전을 검출하는 단계, 상기 하이브리드 툴의 상기 몸체에 형성되어 상기 몸체와 함께 회전하는 레이저 입사부의 위치와 상기 레이저의 조사가 동기화 되도록 상기 레이저 발생기에서 펄스 형태로 상기 레이저를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법은 상기 레이저 발생기에서 조사된 레이저의 진행방향을 상기 레이저 입사부와 상기 레이저 통로가 연결되는 부분에 배치된 미러로 변환하여 상기 레이저가 상기 레이저 통로에 배치된 포커스 렌즈를 통해 상기 연마 대상물에 조사되도록 하여 레이저의 에너지 밀도를 높이는 레이저 집속단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저에 의한 표면의 산화 및 미세 크랙 유도는 연마 공정의 재료제거율을 향상시키는 효과가 있다. 슬러리가 있는 환경에서도 레이저를 재료 표면까지 집속 도달하도록 장치를 구성함으로써 레이저 보조 연마 가공기의 시제품을 제작하였다.

특히, 본 발명의 실시예들에 따르면, 두 개의 연속 (serial) 공정이 아닌 동시에 일어나는 융복합 (Hybrid) 공정을 제공하고, 연속 공정과 융복합 공정을 함께 이용하여 실리콘 및 실리콘 화합물 재료 또는 취성 난삭 재료의 재료제거율을 최대화할 수 있는 공정 조합을 제공할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저-연마 가공기를 나타낸 도면이다.
도 2a는 도 1의 하이브리드 레이저-연마 가공기의 하이브리드 툴(Hybrid tool)의 일 실시예를 나타낸 단면도들이다.
도 2b는 도 1의 하이브리드 레이저-연마 가공기의 하이브리드 툴의 다른 실시예를 나타낸 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 레이저-연마 가공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정의 재료준비 및 공정 설계에 관한 도면들이다.
도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정에 따른 표면 재료 제거율 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 도 5a의 정규화된 재료 제거율 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정에 따른 표면 거칠기 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 의한 표면의 산화 및 미세 크랙 유도와 이에 대응하는 연마 공정의 사진을 나타낸 도면이다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 레이저-연마 가공기를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 하이브리드 레이저-연마 가공기는 스테이지(100), 다이나모미터(101), 베드(102), 헤드부(110), 연결부(120), 지지부(130), 스테이지 제어부(200), 슬러리 공급부(300), 에어 공급부(400), 제어부(500), 레이저 발생부(600), 빔 익스팬더(610), 제1 미러(M1), 제2 미러(M2), 제3 미러(M3), 스핀들(112), 및 하이브리드 툴(114)을 포함할 수 있다.

상기 스테이지(100)는, X축 방향(X) 및 상기 X축 방향(X)과 수직한 Y축 방향(Y)이 이루는 평면상에 배치될 수 있다.

상기 다이나모미터(101)는 상기 스테이지(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 다이나모미터(101)는 상기 하이브리드 툴(114)의 수직방향 힘을 측정하기 위한 구성으로, 상기 하이브리드 툴(114)과 연마 대상물이 닿는 면적을 이용해 압력을 일정하게 유지시켜주기 위한 구성으로 사용될 수 있다.

상기 베드(102)는 상기 스테이지(100) 상에 배치되며, 상기 베드(102) 상에는 연마 대상물(10)이 배치될 수 있다. 상기 연마 대상물(10)은 취성이 높아 가공이 힘든 난삭 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC)를 포함할 수 있다.

상기 헤드부(110)는 상기 베드(102) 상에 위치할 수 있다. 상기 헤드부(110)는 상기 스핀들(112)에 연결되는 상기 하이브리드 툴(114)을 상기 X축 방향(X), 상기 Y축 방향(Y) 및 상기 X축 방향(X) 및 상기 Y축 방향(Y)과 수직한 Z축 방향(Z)으로 이동시키며, 연마 위치를 결정할 수 있다. 예를 들면, 상기 스테이지와 연결되는 지지부(130) 및 상기 지지부(130)와 상기 헤드부(110)를 연결하는 상기 연결부(120) 및 상기 스핀들(112)과 상기 하이브리드 툴(114) 사이의 샤프트(도 2a의 113)를 이용하여, 상기 하이브리드 툴(114)을 상기 X축 방향(X), 상기 Y축 방향(Y) 및 상기 Z축 방향(Z)으로 이동시킬 수 있다.

상기 스테이지 제어부(200)는 상기 하이브리드 툴(114)의 상기 X축 방향(X), 상기 Y축 방향(Y) 및 상기 Z축 방향(Z)으로의 이동을 제어할 수 있다.

상기 슬러리 공급부(300)는 상기 베드(102) 상의 상기 연마 대상물(10)에 슬러리를 공급(Slurry in)할 수 있다. 상기 베드(102) 상에 공급된 상기 슬러리는 상기 스테이지(100) 상의 수용부(150)에 의해 수용되어, 상기 슬러리 공급부(300)에 재공급될 수 있다.

상기 에어 공급부(400)는 압축 공기를 형성하여 상기 하이브리드 툴(114)의 공기 유입부(도 2a의 AI 참조)에 제공할 수 있다.(air in) 상기 압축 공기는 상기 슬러리를 일시적으로 밀어내어, 상기 연마 대상물(10)에 후술할 레이저(L)가 직접 도달하도록 하기 위한 것이다.

상기 제어부(500)는 상기 슬러리 공급부(300), 상기 스테이지 제어부(200), 상기 에어 공급부(400) 및 상기 레이저 발생부(600)를 제어할 수 있다.

상기 레이저 발생부(600)는 레이저를 발생하여, 상기 헤드부(110)에 상기 레이저(L)를 공급할 수 있다. 상기 레이저 발생부(600)는 YAG 또는 CO₂ 레이저일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 기체 레이저, 고체 레이저 등 알려진 다양한 레이저 광원이 사용될 수 있다.

상기 빔 익스팬더(610)는 상기 레이저 발생부(600) 및 상기 헤드부(110) 사이에 배치될 수 있다. 상기 빔 익스팬더(610)는 레이저에서 나오는 빛과 같은 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변화하기 위해서 초점 위치를 일치시킨 복수의 렌즈로 구성된 장치를 말하며, 상기 레이저 발생부(600)로부터 발생된 상기 레이저(L)를 적절한 형태로 가공할 수 있다.

상기 제1 미러(M1)는 상기 빔 익스팬더(610)와 상기 헤드부(110) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 미러(M1)는 상기 레이저(L)의 진행 방향을 상기 X축 방향(X)과 평행한 방향에서 상기 Z축 방향(Z)과 평행한 방향으로 변환시킬 수 있다.

상기 제2 미러(M2)는 상기 제1 미러(M1) 하부에 위치할 수 있으며, 상기 레이저(L)의 진행 방향을 상기 Z축 방향(Z)과 평행한 방향에서 상기 X축 방향(X)과 평행한 방향으로 변환시킬 수 있다.

상기 제3 미러(M3)는 상기 하이브리드 툴(114)이 회전축에 중첩하게 배치될 수 있으며, 상기 레이저(L)의 진행 방향을 상기 X축 방향(X)과 평행한 방향에서 상기 Z축 방향(Z)과 평행한 방향으로 변환시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저(L)가 상기 베드(102) 상의 상기 연마 대상물(10)에 조사될 수 있다.

여기서 상기 제1 내지 제3 미러(M1, M2, M3)의 위치 및 구성은 상기 하이브리드 툴(114)의 회전축에 대응하도록, 상기 레이저(L)의 광 경로를 변형하기 위한 것으로, 본 실시예에 도시된 형태 외에도 다양하게 변형될 수 있을 것이다.

상기 스핀들(112)이 상기 헤드부(110) 내에 배치될 수 있다. 상기 스핀들(112)은 축단(軸端)이 공작물 또는 절삭 공구의 장착에 사용되는 회전축을 말하며, 본 실시예에서는, 상기 스핀들(112)은 상기 샤프트(113)에 연결되어, 상기 샤프트(113)의 하부에 연결되는 상기 하이브리드 툴(114)을 회전시킬 수 있다.

상기 하이브리드 툴(114)에 대한 자세한 설명은 도 2a에서 후술한다.

도 2a는 도 1의 하이브리드 레이저-연마 가공기의 하이브리드 툴(Hybrid tool)의 일 실시예를 나타낸 단면도들이다.

도 1 및 2a를 참조하면, 상기 하이브리드 툴(114)은 몸체(114a) 및 상기 몸체(114a)의 하부에 연결되는 연마 패드(PD)를 포함한다.

상기 하이브리드 툴(114)은 상기 샤프트(113)에 연결되며, 상기 스핀들(112)이 회전함에 따라, 상기 샤프트(113)에 연결된 상기 하이브리드 툴(114)의 상기 몸체(114a)는 레이저 통로(PS)를 따라 형성되는 회전축을 기준으로 회전할 수 있다.

상기 연마 패드(PD)는 상기 몸체(114a)의 하부에 연결될 수 있다.

상기 연마 패드(PD)를 관통하도록, 상기 몸체(114a) 내부에 레이저 통로(ps)가 형성될 수 있다.

상기 하이브리드 툴(114)의 상기 몸체(114a)에는 상기 레이저(L)가 입사되는 레이저 입사부(LI)가 형성되고, 상기 레이저 입사부(LI)는 상기 레이저 통로(PS)와 연결될 수 있다. 상기 레이저 입사부(LI)와 상기 레이저 통로(PS)가 연결되는 부분에 상기 제3 미러(M3)가 배치될 수 있다. 상기 제3 미러(M3)는 상기 X방향(X) 및 상기 Y방향(Y)에 대해 45도 경사지게 배치될 수 있다.

상기 레이저 통로(PS)에는 상기 레이저(L)의 에너지 밀도를 높이기 위한 포커스 렌즈(LN)가 배치될 수 있다. 즉, 측면에서 조사된 레이저가 연마 대상물인 재료 표면에 수직한 방향으로 꺾여 상기 재료 표면으로 레이저가 조사 될 수 있도록 했고, 그 경로(레이저 통로 PS) 가운데에 레이저 집속을 위한 포커스 렌즈(LN)를 삽입하여 조사되는 레이저의 에너지 밀도를 높이는 구조를 구현할 수 있다.

한편, 상기 하이브리드 툴(114)에는 상기 에어 공급부(400)에서 형성된 상기 압축공기가 유입되는 공기 유입부(AI)가 형성되고, 상기 공기 유입부(AI)는 상기 레이저 통로(PS)와 연결될 수 있다. 상기 공기 유입부(AI)를 통해 유입된 상기 압축 공기는 상기 레이저 통로(PS) 및 상기 재료 표면상의 슬러리를 밀어내며, 이에 따라 상기 레이저(L)가 상기 재료 표면까지 도달하는 경로에 슬러리 등이 위치하여 레이저 조사 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 연마 중 상기 하이브리드 툴(114)의 회전을 검출하여(예를 들면, 포토인터럽트 센서(미도시)이용), 레이저 입사부(LI)의 위치와 레이저의 조사가 동기화 되어 레이저가 조사 되도록 함으로써, 공구의 손상 및 레이저 에너지의 손실을 방지 할 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 툴(114)의 회전에 따라 상기 레이저가 펄스 형태로 조사될 수 있다.

상기 연마 패드 하면(PDa)은 평평한 면일 수 있다. 한편, 상기 연마 패드의 하면은 곡면일 수 도 있다. (도 2b 참조) 상기 연마 패드(PD)는 엘라스토머(elastomer)를 포함할 수 있다.

도 2b는 도 1의 하이브리드 레이저-연마 가공기의 하이브리드 툴의 다른 실시예를 나타낸 단면도들이다.

도 2b를 참조하면, 상기 하이브리드 툴은 패드 하면(PDa)이 곡면인 것을 제외하고 도 2a의 하이브리드 툴과 실질적으로 동일하다. 따라서 반복되는 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 레이저-연마 가공 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 상기 레이저-연마 가공 방법은 레이저를 공급하는 단계(S100), 하이브리드 툴을 회전시키는 단계(S200), 베드 상에 슬러리를 공급하는 단계(S300), 및 레이저 조사 및 연마를 동시에 수행하는 단계(S400)를 포함한다. 이때 사용되는 하이브리드 레이저-연마 가공기는 스테이지, 상기 스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드, 상기 스테이지 상에 배치되고, 스핀들을 포함하는 헤드부, 레이저를 발생하여, 상기 헤드부에 상기 레이저를 공급하는 레이저 발생기, 상기 스핀들에 샤프트를 통해 연결되는 하이브리드 툴, 및 상기 베드 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함한다. 상기 하이브리드 툴은 몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마 패드를 포함한다. 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성된다.

상기 하이브리드 툴의 상기 몸체에는 상기 레이저가 입사되는 레이저 입사부가 형성되고, 상기 레이저 입사부는 상기 레이저 통로와 연결되며, 상기 레이저 입사부와 상기 레이저 통로가 연결되는 부분에 미러가 배치되고, 상기 레이저 통로에는 상기 레이저의 에너지 밀도를 높이기 위한 포커스 렌즈가 배치된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 본 발명은 기존 레이저 보조 가공 기술과는 다르게 액체 기반의 슬러리가 순환되고 있는 연마 공정 중에 레이저 보조 열원을 사용하여 재료 제거 향상 효과를 얻을 수 있다.

이는 두 개의 연속 (serial) 공정이 아닌 동시에 일어나는 융복합 (Hybrid) 공정으로 기존에 제시된 바 없는 새로운 공정에 해당한다.

또한, 연속 공정과 융복합 공정을 함께 이용하여 실리콘 및 실리콘 화합물 재료 또는 취성 난삭 재료의 재료제거율을 최대화할 수 있는 공정 조합을 제시하고 있다.

또한, 취성 난삭 재료의 연마 가공 생산성을 향상시키기 위한 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 연마 가공과 동시에 취성 재료 표면에 레이저를 조사하여 재료 내부 균열을 유도를 통한 재료 제거율이 향상될 수 있다. 이와 함께, 레이저에 의한 고속 가공과 표면 품질 향상을 위한 연마 공정을 하나의 장비에서 가능하게 하여 공정이 간소화 될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정의 재료준비 및 공정 설계에 관한 도면들이다.

도 4를 참조하면, 레이저 보조 연마 공정 설계 및 시료 준비과정은 다음과 같다. 도면상에서 As-received sample은 레이저처리를 하지 않은 샘플을 말하며, Crack+Oxidation sample는 레이저를 이용한 크랙 생성 샘플로, 보조가스로 압축공기를 사용(산화 동시 생성) 한 경우이다. Crack sample는 레이저를 이용한 크랙 생성 샘플로 보조가스로 아르곤을 사용(산화 억제)한 경우이다. 재료 제거율 비교 검증은 다음과 같다. 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 26% 재료 제거율 향상 효과가 있음을 확인하였다. 크랙 생성 후 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 79% 재료 제거율 향상 효과가 있음을 확인하였다.

표면 거칠기 비교 검증은 다음과 같다. 최종 표면 거칠기, Ra < 20 nm

도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정에 따른 표면 재료 제거율 데이터를 설명하기 위한 도면이다. 도 5b는 도 5a의 정규화된 재료 제거율 데이터를 설명하기 위한 도면이다.

도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정에 따른 표면 거칠기 데이터를 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 5b를 참조하면, 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 26% 재료 제거율 향상 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 크랙 생성 후 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 79% 재료 제거율 향상 효과가 있었다.

또한, 도 5c를 참조하면, 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 동일한 공정 시간 동안 표면 거칠기가 낮아져, 효율적인 연마가 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 크랙 생성 후 레이저 보조 연마 수행한 경우 일반 연마 대비 동일한 공정 시간 동안 표면 거칠기가 낮아져, 효율적인 연마가 진행되는 것을 확인할 수 있었다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 의한 표면의 산화 및 미세 크랙 유도와 이에 대응하는 연마 공정의 사진을 나타낸 도면이다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 공정에 따라, 최종 표면 거칠기, Ra < 20 nm 및 Rpv < 100 nm 를 달성하였다.

본 발명은 공작기계산업, 모바일기기산업, 반도체산업, 광부품제작에 이용될 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 스테이지 101: 다이나모미터
102: 베드 110: 헤드부
112: 스핀들 114: 하이브리드 툴
120: 연결부 130: 지지부
200: 스테이지 제어부 300: 슬러리 공급부
400: 에어 공급부 500: 제어부
600: 레이저 발생부 610: 빔 익스팬더
M1: 제1 미러 M2: 제2 미러
M3: 제3 미러

Claims

스테이지;
상기 스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드;
상기 베드 상에 배치되고, 스핀들을 포함하는 헤드부;
레이저를 발생하여, 상기 헤드부에 상기 레이저를 공급하는 레이저 발생기;
몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마 패드를 포함하고, 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성되고, 상기 레이저 통로와 연결되는 공기 유입부가 형성되고, 상기 스핀들에 샤프트를 통해 연결되는 하이브리드 툴;
상기 하이브리드 툴에 유입되는 압축공기를 형성하는 에어 공급부; 및
상기 베드 상의 상기 연마 대상물의 표면에 액체 기반 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 포함하고,
상기 에어 공급부에서 형성된 압축공기가 상기 공기 유입부를 통해 상기 레이저 통로로 유입되게 하여 상기 연마 대상물의 표면상의 상기 액체 기반 슬러리를 국소 영역에서 일시적으로 밀어냄으로써 상기 헤드부를 거쳐 상기 레이저 통로를 통해 유입되는 레이저가 상기 연마 대상물의 표면에 직접 조사되어 내부 균열 유도를 통해 연화될 수 있게 하는 작업과, 상기 헤드부에 의해 상기 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마패드를 상기 연마 대상물과 접촉한 상태로 회전시키면서 상기 액체 기반 슬러리를 공급하여 상기 연마 대상물의 표면을 연마하는 작업을 동시에 수행할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제1 항에 있어서,
상기 하이브리드 툴의 상기 몸체에는 상기 레이저가 입사되는 레이저 입사부가 형성되고, 상기 레이저 입사부는 상기 레이저 통로와 연결되며,
상기 레이저 입사부와 상기 레이저 통로가 연결되는 부분에 미러가 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제2 항에 있어서,
상기 레이저 통로에는 상기 레이저의 에너지 밀도를 높이기 위한 포커스 렌즈가 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제1 항에 있어서,
상기 연마 패드의 하면은 곡면인 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제2 항에 있어서,
상기 레이저 발생기는,
상기 액체 기반 슬러리가 순환되는 환경에서 연마가 일어나는 동안 상기 하이브리드 툴의 회전을 검출하여 상기 레이저 입사부의 위치와 상기 레이저 발생기에서 레이저의 조사가 동기화 되어 레이저가 조사되도록 펄스 형태로 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제1 항에 있어서,
상기 스핀들이 회전함에 따라, 상기 샤프트에 연결된 상기 하이브리드 툴이 상기 레이저 통로를 따라 형성되는 회전축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
제1 항에 있어서,
상기 하이브리드 툴의 서로 직교하는 X축 방향(X), Y축 방향(Y), 그리고 Z축 방향(Z)으로의 이동을 제어하도록 구성된 스테이지 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기.
스테이지 상에 배치되고 연마 대상물이 배치되는 베드 상에 배치되고, 스핀들을 포함하는 헤드부에 레이저 발생기가 레이저를 공급하는 단계, 몸체 및 상기 몸체의 하부에 연결되는 연마 패드를 포함하고, 상기 연마 패드를 관통하여 상기 몸체 내부에 레이저 통로가 형성되며, 상기 스핀들에 연결되는 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마 패드를 상기 연마 대상물과 접촉한 상태로 회전시키는 단계, 상기 베드 상의 상기 연마 대상물의 표면에 액체 기반 슬러리를 공급하는 단계, 에어 공급부에서 형성된 압축공기가 상기 하이브리드 툴에 형성된 공기 유입부를 통해 상기 레이저 통로로 유입되게 하여 상기 연마 대상물의 표면상의 상기 액체 기반 슬러리를 국소 영역에서 일시적으로 밀어냄으로써 상기 헤드부를 거쳐 상기 레이저 통로를 통해 유입되는 레이저가 상기 연마 대상물의 표면에 직접 조사되어 내부 균열 유도를 통해 연화될 수 있도록 레이저를 조사하는 레이저 조사 단계, 상기 레이저 조사 단계와 동시에 수행되며, 상기 헤드부에 상기 하이브리드 툴을 이동시켜 상기 연마패드를 상기 연마 대상물과 접촉한 상태로 상기 액체 기반 슬러리와 상기 연마 패드를 이용한 상기 연마 대상물의 표면을 연마하는 작업을 수행하는 연마 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법.
제8 항에 있어서,
상기 레이저 조사 및 연마를 동시에 수행하는 단계 전에,
상기 레이저에 의한 상기 연마 대상물의 표면의 산화 및 미세 크랙 유도하는 크랙생성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공 방법.
제8 항에 있어서,
상기 레이저를 공급하는 단계는,
연마를 위해 시간에 따라 회전하는 상기 하이브리드 툴의 회전을 검출하는 단계, 상기 하이브리드 툴의 상기 몸체에 형성되어 상기 몸체와 함께 회전하는 레이저 입사부의 위치와 상기 레이저의 조사가 동기화 되도록 상기 레이저 발생기에서 펄스 형태로 상기 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법.
제10 항에 있어서,
상기 레이저 발생기에서 조사된 상기 레이저의 진행방향을 상기 레이저 입사부와 상기 레이저 통로가 연결되는 부분에 배치된 미러로 변환하여 상기 레이저가 상기 레이저 통로에 배치된 포커스 렌즈를 통해 상기 연마 대상물에 조사되도록 하여 상기 레이저의 에너지 밀도를 높이는 레이저 집속단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저-연마 가공기를 이용한 하이브리드 레이저-연마 가공 방법.