KR102522756B1 - 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 레이저 빔을 발생하는 복수의 레이저 발생기, 각 레이저 빔의 형상을 유지 또는 실시간으로 변형하는 복수의 빔 변형기, 상기 복수의 빔 변형기에 의해 변형된 복수의 레이저 빔을 결합하는 빔 결합기 및 가공 대상물의 가공 조건에 기초해서 각 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 각 레이저 발생기와 빔 변형기의 구동을 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 단일 가공 대상물이나, 동일 또는 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공할 수 있다.

Description

복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법{PROCESSING APPARATUS AND METHOD USING MULTI LASERS}

본 발명은 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저를 이용해서 가공 대상물을 가공하는 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법에 관한 것이다.

이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하고, 방전되었을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로서, 니켈-카드뮴, 리튬 이온, 니켈-수소 및 리튬 폴리머 등 다양한 종류가 있다.

이러한 이차전지는 전극 집전체의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고, 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착되며, 상기 전극 조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 함침시키거나, 고체 전해질을 사용하여 제조된다.

그래서 이차전지는 분리막에 의해 절연된 양극과 음극 사이에 투입되는 전해질의 이온이 양극과 음극 사이를 이동하도록 함으로써 충전과 방전이 이루어진다.

이러한 이차전지의 양극 및 음극에 사용되는 전극은 전극을 구성하는 전극체와 전극체 상에 도포된 전극 활물질을 포함한다. 상기 전극체는 일반적으로 알루미늄(Al), 구리(Cu)와 같은 전도성이 우수한 금속을 시트(Sheet), 박판(Thin plate), 포일(Foil) 형태로 가공한 것일 수 있다. 전극조립체를 형성하기 위한 전극 필름은 일부분에 활물질이 도포되고, 나머지 부분에서는 전극체를 노출시킨 형태로 제조된다. 상기 전극체가 노출된 노출부는 전극조립체(양극, 음극 및 세퍼레이트)의 구성시 양극과 음극을 외부와 연결하기 위한 전극단자의 기능을 하도록 가공된다.

이러한 전극 필름은 절삭 과정을 거쳐 양극 및 음극의 단자부가 형성되고, 전극조립체의 크기에 적합한 길이로 절단되어 분할된다. 이와 같은 전극 필름의 절삭 작업에는 노칭장치가 이용된다.

상기 노칭장치는 전극 필름을 절삭하여 단자부를 형성하는 장치로서, 전극 필름의 노출부와 활물질이 도포된 부분 일부를 프레스나 레이저를 이용하여 절삭한다.

종래에는 펀칭을 이용한 노칭 장치가 주로 이용되었으나, 최근에는 레이저를 이용한 장치가 노칭을 위해 사용되고 있으며, 전극의 손상이 펀칭에 비해 적고 효율적인 생산이 가능하여 레이저 빔을 이용한 노칭장치의 이용 비중이 증대되고 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 레이저 빔을 이용한 레이저 노칭장치 구성이 개시되어 있다.

상기 레이저 노칭장치는 기존 펀칭 장치와는 달리, 레이저 빔의 경로를 고려하여 효율적인 작업의 배치가 이루어져야 하나, 종래의 레이저 노칭장치는 이러한 고려가 되지 않아 레이저 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 작업 대상 이외에 부분에 레이저 빔이 노출되는 경우가 빈번하게 발생되어 작업기의 고장이 빈번하게 발생하고, 이를 관리하기 위한 비용이 불필요하게 증가하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 하기의 특허문헌 3에는 레이저 빔과 노칭 대상이 되는 전극 필름을 수직 이동 방식으로 배치하여 레이저 빔에 의한 노칭이 이루어지는 전극 노칭 장치구성이 개시되어 있다.

한편, 전극 필름과 같은 가공 대상물은 전극 필름의 일면 또는 양면에 전극층이 형성됨에 따라, 단일 파장의 레이저 빔만으로는 전극 필름과 활성층을 동시에 절삭하기 어렵다.

이에 따라, 종래에는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사하는 복수의 레이저 빔을 순차적으로 배치해서 활성층과 전극 필름, 또는 활성층과 전극필름 및 활성층을 순차적으로 절삭 가공해야만 하였다.

이로 인해, 절삭 가공 작업의 작업성이 저하되고, 레이저 가공장치의 구성이 복잡해지며, 제조 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

따라서 단일 가공 대상물이나, 이차 전지의 전극 필름과 같이 서로 다른 재질 또는 동일한 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 한 번에 절삭 가공할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 특허 등록번호 10-1761973호(2017년 7월 26일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-1958881호(2019년 3월 15일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-2270797호(2021년 6월 30일 공고)

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 층을 갖는 가공 대상물이나 복수의 층으로 적층된 가공 대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공할 수 있는 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가공 대상물의 표면과 내부에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물의 레이저 빔 반사율을 낮추고 흡수율을 높여서 가공 효율을 향상시킬 수 있는 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치는 복수의 레이저 빔을 발생하는 복수의 레이저 발생기, 각 레이저 빔의 형상을 유지 또는 실시간으로 변형하는 복수의 빔 변형기, 상기 복수의 빔 변형기에 의해 변형된 복수의 레이저 빔을 결합하는 빔 결합기 및 가공 대상물의 가공 조건에 기초해서 각 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 각 레이저 발생기와 빔 변형기의 구동을 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 가공 조건은 가공 대상물의 재질, 적층된 층의 개수 및 가공 상태를 모니터링한 결과 정보를 포함하고, 상기 레이저 빔의 조사 조건은 각 레이저 빔의 온, 오프, 각 레이저 빔의 출력과 주파수, 각 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 포함하며, 상기 빔 변형기는 상기 복수의 레이저 발생기에서 발생한 각 레이저 빔을 변형하는 하나 이상의 빔 변형기와, 상기 빔 결합기에 의해 결합된 레이저 빔을 변형하는 별도의 빔 변형기를 포함하여 가공 대상물의 표면에 흡수되는 파장의 레이저 빔과 가공 대상물의 내부에 흡수되는 다른 파장의 레이저 빔을 동일한 중심 또는 서로 다른 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합하고, 결합된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 가공 대상물의 표면 및 내부를 가열하여 레이저 빔의 반사율을 낮추고 레이저 빔의 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 복수 레이저를 이용한 가공방법은 (a) 제어부에서 가공 대상물의 가공 조건에 기초해서 레이저 빔의 조사 조건을 설정하는 단계, (b) 복수의 레이저 발생기에서 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계, (c) 복수의 빔 변형기를 이용해서 상기 복수의 레이저 빔을 변형하는 단계, (d) 빔 결합기를 이용해서 변형된 복수의 레이저 빔을 결합하여 가공 대상물에 조사해서 가공하는 단계 및 (e) 상기 제어부에서 가공 대상물의 가공 상태를 모니터링하고, 모니터링한 결과에 기초해서 상기 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 가공하는 단계를 포함하며, 상기 가공 조건은 가공 대상물의 재질, 적층된 층의 개수 및 가공 상태를 모니터링한 결과 정보를 포함하고, 상기 레이저 빔의 조사 조건은 각 레이저 빔의 온, 오프, 각 레이저 빔의 출력과 주파수, 각 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 포함하여 가공 대상물의 표면에 흡수되는 파장의 레이저 빔과 가공 대상물의 내부에 흡수되는 다른 파장의 레이저 빔을 동일한 중심 또는 서로 다른 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합하고, 결합된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 가공 대상물의 표면 및 내부를 가열하여 레이저 빔의 반사율을 낮추고 레이저 빔의 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공하는 것을 특징으로 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법에 의하면, 가공 대상물을 가공할 수 있는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공할 수 있다는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 단일 가공 대상물, 동일 재질이나 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 용접, 절삭 및 패터닝 등 다양한 가공을 할 수 있는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 동일한 중심 또는 서로 다른 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합된 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물의 표면과 내부를 동시에 가공함으로써, 가공 속도를 향상시키고, 기공면의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 가공 대상물의 표면과 내부에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물의 레이저 빔 반사율을 낮추고 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공함으로써, 가공 속도 및 가공 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치 의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 가공장치를 이용해서 가공 대상물을 가공하는 상태를 보인 도면,
도 3은 가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 흡수도를 보인 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수의 레이저를 이용한 가공장치의 가공방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 5는 서로 다른 재질의 재료를 겹치기 용접하는 구성의 예시도,
도 6은 도 5에 도시된 겹치기 용접 결과를 보인 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치 의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가공장치를 이용해서 가공 대상물을 가공하는 상태를 보인 도면이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수 레이저를 이용한 가공장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 레이저 빔(11 내지 13)을 발생하는 복수의 레이저 발생기(21 내지 23), 각 레이저 빔(11 내지 13)의 형상을 유지 또는 실시간으로 변형하는 복수의 빔 변형기(31 내지 34), 각 빔 변형기(31 내지 34)에 의해서 변형된 복수의 레이저 빔(11 내지 13)을 결합하는 빔 결합기) 및 가공 대상물(60)의 가공 조건에 기초해서 각 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 각 레이저 발생기(21 내지 23)와 빔 변형기(31 내지 33)의 구동을 실시간으로 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

상기 가공 조건은 가공 대상물(60)의 재질, 층의 개수, 카메라나 센서를 이용해서 가공 대상물(60)의 가공 상태를 모니터링한 결과 정보를 포함할 수 있다.

예를 들어, 본 실시 예에서는 서로 다른 파장을 갖는 3개의 레이저 빔을 이용해서 서로 다른 재질의 재료가 3개의 층으로 적층된 가공 대상물(60)을 절삭 가공하는 가공장치(10)의 구성을 설명한다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 절삭 가공뿐만 아니라, 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 용접, 패터닝 등 다양한 가공을 수행하도록 변경될 수 있다.

또한, 본 발명은 2개 또는 4개 이상으로 적층된 가공 대상물(60)을 절삭 가공할 수 있으며, 복수, 즉 2개 이상의 레이저 빔을 이용하도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 실시 예에서 이차 전지의 전극 필름은 양면에 각각 활성층이 적층되어 총 3개의 층으로 마련된 것으로 설명한다.

이와 같이, 가공 대상물(60)이 3개, 즉 제1 내지 제3 층(61 내지 63)으로 적층된 전극 필름인 경우, 레이저 발생기는 3개로 마련될 수 있다.

즉, 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23)는 각각 제어부(50)의 제어신호에 따라 서로 다른 파장의 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)을 발생할 수 있다.

도 3은 가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 흡수도를 보인 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전극 필름에서 전극체를 구성하는 구리(동, Cu)는 레이저 빔의 파장이 약 0.5㎛인 경우 약 0.6의 흡수율을 보인다. 그리고 구리는 레이저 빔의 파장이 약 0.6㎛ 이상으로 길어지면 흡수율이 급격하게 낮아진다.

반면, 전극 필름에 적용되는 알루미늄(Al)은 레이저 빔의 파장이 약 1㎛인 경우 약 0.2 이상의 최대 흡수율을 보인다. 그리고 알루미늄은 레이저 빔의 파장이 약 1㎛보다 짧아지거나 길어지면 흡수율이 완만하게 낮아진다.

이와 같이, 가공 대상물(60)이 각 층(61 내지 63)에 조시된 레이저 빔이 흡수되는 흡수율이 서로 다른 특성을 갖는 재질의 재료로 구성됨에 따라, 단일 파장의 레이저 빔을 이용해서는 절삭 가공하기 어렵다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 실시 예에서는 각 층(61 내지 63)을 가공할 수 있는 파장을 갖는 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)을 발생하는 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23)가 마련된다.

그래서 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23)에서 각각 발생된 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)은 각각의 이동 경로를 형성하는 광케이블을 통해 제1 내지 제3 빔 변형기(31 내지 33)로 각각 전달될 수 있다.

제1 내지 제3 빔 변형기(31 내지 33)는 각각 제어부(50)의 제어 신호에 따라 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23)에서 발생된 각 레이저 빔(11 내지 13)의 형상, 크기 및 출력 중에서 하나 이상을 변형할 수 있다.

예를 들어, 제1 빔 변형기(31)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 빔(11)의 직경을 미리 설정된 제1 직경이 되도록 확장하고, 제1 레이저 빔(11)의 단면을 중앙부가 빈 대략 링 형상으로 변형할 수 있다.

제2 빔 변형기(32)는 제2 레이저 빔(12)의 직경을 상기 제1 직경보다 작게 설정된 제2 직경이 되도록 확장하고, 제2 레이저 빔(12)의 단면을 대략 원 형상으로 변형할 수 있다.

제3 빔 변형기(33)는 제3 레이저 빔(13)의 직경을 상기 제2 직경보다 작게 설정된 제3 직경이 되도록 축소하고, 제3 레이저 빔(13)의 단면을 대략 원 형상으로 변형할 수 있다.

이와 같이, 제1 내지 제3 변형기(31 내지 33)에서 변형된 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)은 각각 제1 내지 제3 빔 결합기(41 내지 43)를 거치면서 동일한 중심에서 서로 다른 직경을 갖는 제4 레이저 빔(14)으로 결합된 상태에서 가공 대상물(60)로 조사될 수 있다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 레이저 빔을 링 형상이나 원 형상뿐만 아니라, 타원 형상이나 점, 직선, 또는 곡선 형상으로 변형시켜 조사하도록 변경될 수 있다.

또한, 본 발명은 복수의 레이저 빔을 서로 동일한 내부 레이저 빔을 외부 레이저 빔의 축 상에서 일측으로 이동된 위치에 배치하도록 변경될 수도 있다.

겹치기 용접을 하는 경우, 내부 레이저 빔을 외부 레이저 빔과 가공대상물의 상대 이송 방향에서 후측에 위치시키면, 겹치기 용접하고자 하는 용접모재의 상부와 하부에 시차가 발생한다.

이러한 용접모재의 상부와 하부에서 발생하는 시차로 인해, 본 발명은 서로 다른 재질의 용접모재를 더욱 효과적으로 겹치기 용접할 수 있다.

여기서, 제1 빔 결합기(41)는 제1 레이저 빔을 반사하는 반사미러로 마련될 수 있다.

제2 빔 결합기(42)와 제3 결합기(43)는 각각 상부에서 전달되는 레이저 빔과 빔 변형기(32,33)에서 전달되는 레이저 빔을 결합하는 빔 스플리터(beam splitter)로 마련될 수 있다.

한편, 가공 대상물(60)과 제3 빔 결합기(43) 사이에는 제4 레이저 빔(14)의 형상, 크기 및 출력 중에서 하나 이상을 변형하는 제4 빔 변형기(34)가 더 마련될 수 있다.

그래서 제4 레이저 빔(14)은 도 2에 도시된 바와 같이 가공 대상물(60)의 제1 내지 제3 층(61 내지 63)에 조시되고, 각 층을 순차적으로 절삭 가공할 수 있다.

제어부(50)는 복수의 레이저 발생기(21 내지 23) 및 빔 변형기(31 내지 34)의 구동을 제어하는 중앙처리유닛으로 마련될 수 있다.

이러한 제어부(50)는 가공 대상물(60)의 가공 조건에 따라 각 레이저 빔의 조사 조건을 설정하고, 가공 상태를 모니터링 결과에 따라 실시간으로 변경해서 설정하는 설정부(51) 및 설정부(51)에서 설정된 조사 조건에 따라 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23) 및 빔 변형기(31 내지 33)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 신호 발생기(52)를 포함할 수 있다.

이와 함께, 제어부(50)는 가공장치(10)를 구동하는 구동 프로그램과, 가공 대상물(60)의 가공 조건에 대응되는 레이저 빔의 조사 조건을 저장하는 저장부(53)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 레이저 빔의 조사조건은 각 레이저 빔의 온, 오프, 각 레이저 빔의 출력과 주파수, 각 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 각 층을 절삭할 수 있는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 절삭 가공할 수 있다.

그리고 본 발명은 동일한 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합된 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물을 이루는 각 층을 동시에 가공함으로써, 가공 속도를 향상시키고, 가공면의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

다음, 도 4를 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수의 레이저를 이용한 가공장치의 가공방법을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복수의 레이저를 이용한 가공장치의 가공방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

도 4의 S10단계에서 가공장치(10)에 마련된 전원 스위치(도면 미도시)가 온 조작되면, 전원 공급부(도면 미도시)는 가공장치(10)에 마련된 각 장치에 전원을 공급한다.

그러면, 제어부(50)는 메모리(53)에 저장된 구동 프로그램을 로딩하고, 각 장치를 초기화해서 가공작업을 준비한다.

이때, 제어부(50)의 설정부(51)는 입력부(도면 미도시)를 통해 작업자로부터 가공하고자 하는 가공 대상물의 정보가 입력되면, 입력된 정보에 대응되는 가공 대상물(60)의 가공 조건에 따라 레이저 빔의 조사 조건을 설정한다.

S12단계에서 신호 발생부(52)는 설정된 레이저 빔의 조사 조건에 따라 복수의 레이저 발생기(21 내지 23) 및 빔 변형기(31 내지 34)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생한다.

이에 따라, 제1 내지 제3 레이저 발생기(21 내지 23)는 상기 제어신호에 따라 서로 다른 파장의 제1 내지 3 레이저 빔(11 내지 13)을 발생한다.

S14단계에서 제1 내지 제3 빔 변형기(31 내지 33)는 각각 상기 제어신호에 따라 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)을 변형한다.

그리고 S16단계에서 제1 내지 제3 빔 결합기(41 내지 43)는 제1 내지 제3 레이저 빔(11 내지 13)을 순차적으로 전달받아 동일한 중심에서 서로 다른 직경 및 초점 거리를 갖는 제4 레이저 빔(14)으로 결합한다.

이때, 제4 빔 변형기(34)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 제4 레이저 빔(14)을 변형할 수 있다.

이와 같은 과정을 통해 결합 및 변형된 제4 레이저 빔(14)은 가공 대상물(60)에 조사되어 가공 대상물(60)을 이루는 각 층(61 내지 63)을 절삭 가공한다(18).

이때, 제어부(50)는 카메라를 이용해서 가공 대상물(60)을 촬영한 영상이나 각종 센서를 이용해서 감지한 결과를 포함하는 가공 대상물(60)의 가공 상태를 모니터링하고, 모니터링한 결과에 따라 실시간으로 레이저 빔의 조사 조건을 변경하도록 제어할 수 있다.

즉, S20단계에서 제어부(50)는 가공 대상물(60)의 가공 상태를 모니터링한 결과, 레이저 빔의 조사 조건을 변경할 필요가 있는지를 검사한다.

만약, S20단계의 검사결과 레이저 빔의 조사 조건을 변경할 필요가 있는 경우, 설정부(51)는 모니터링된 결과, 즉 가공 대상물(60)의 가공 조건에 따라 레이저 빔의 조사 조건, 즉 레이저 빔의 온, 오프, 레이저 빔의 출력과 주파수, 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 변경 설정한다(S22).

그러면, 신호 발생부(52)는 설정부(51)에서 변경 설정된 레이저 빔의 조사 조건에 따라 제어신호를 발생하고, S12단계로 진행해서 이후 과정을 반복 수행한다.

한편, S20단계의 검사결과 레이저 빔의 조사 조건을 변경할 필요가 없는 경우, S24단계에서 제어부(50)는 가공 대상물(60)의 가공 작업이 완료되었는지를 검사하고, 가공 작업이 완료될 때까지 S12단계 내지 S24단계를 반복 수행한다.

반면, S24단계의 검사결과 가공 대상물(60)의 가공 작업이 완료되면, 제어부(50)는 각 장치의 구동을 중지하고 종료한다.

예를 들어, 도 5는 서로 다른 재질의 재료를 겹치기 용접하는 구성의 예시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 겹치기 용접 결과를 보인 도면이다.

도 5에는 약 1㎜ 두께의 알루미늄과 약 1.5㎜ 두께의 구리를 상부와 하부에 각각 겹쳐서 겹치기 용접하는 구성이 예시되어 있고, 도 6에는 본 발명과 비교 대상의 겹치기 용접 결과가 예시되어 있다.

종래기술에 따라 단일 레이저를 사용해서 서로 다른 재질, 즉 알루미늄과 구리 재질의 모재를 겹치기하는 경우, 용융점이 낮은 알루미늄은 쉽게 기화되나, 용융점이 높은 구리는 용융이 어려움에 따라, 겹치기 용접 결과 품질이 저하되는 문제점이 있었다.

즉, 비교 대상인 단일 레이저 조건은 약 4㎾의 출력을 갖는 자외선 레이저 빔을 이용해서 일반적인 용접 조건으로 용접하였으나, 용접 강도가 낮아 겹쳐진 용접모재가 서로 분리되고, 용접 시 많은 스파크가 발생되어서 제품 품질도 저하되며, 주변의 불량 원인이 될 수 있는 스파크 파티클들이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

반면, 상기한 실시 예에 따라, 알루미늄에 흡수가 잘 되는 약 4㎾의 출력을 갖는 적외선 레이저 빔을 링 형상으로 형성해서 겹치기 용접하고자 하는 용접부위의 외곽부를 조사하도록 광학부를 조절하고, 내부에는 구리에 흡수가 잘되는 약 2㎾의 출력을 갖는 가시광선 레이저 빔을 이용해서 상기 용접부위의 내부를 조사하여 용접하면, 좀 더 고품질의 겹치기 용접이 가능하다.

여기서, 외부 레이저 빔과 내부 레이저 빔이 동축 상에 배치될 수 있으나, 내부 레이저 빔을 외부 레이저 빔의 축 상에서 일측으로 이동된 위치에 배치할 수 있다.

이와 같이, 내부 레이저 빔을 외부 레이저 빔과 가공대상물의 상대 이송 방향에서 후측에 위치시키면, 겹치기 용접하고자 하는 용접모재의 상부와 하부에 시차가 발생한다.

이러한 용접모재의 상부와 하부에서 발생하는 시차로 인해, 본 발명은 서로 다른 재질의 겹치기 용접을 더욱 효과적으로 수행할 수 있다.

즉, 용접 초기에는 약 4㎾ 출력 적외선 레이저 빔의 출력을 약 70% 이상 이용해서 상부에 배치된 알루미늄을 통과해서 하부에 배치된 구리에 내부 가시광선 레이저 빔이 충분히 도달시킬 수 있다.

이와 같은 초기 용접 시작 구간을 지나서 본 용접을 수행하는 구간에서는 적외선 레이저빔의 출력은 약 50%를 유지하고, 가시광선 레이저 빔은 약 90% 이상의 출력으로 조사해서 고 강도의 용접을 구현할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 각 층을 용접, 절삭 및 다양한 가공을 할 수 있는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공할 수 있다.

특히, 본 발명은 이차 전지 제조시 이용되는 이형 금속 용접이나 이차 전지의 활성층이 있는 전극 절단 등 다양한 가공 분야에 활용될 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 각 층을 절삭할 수 있는 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 절삭 가공할 수 있다.

그리고 본 발명은 동일한 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합된 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물을 이루는 각 층을 동시에 절삭 가공함으로써, 가공 속도를 향상시키고, 기공면의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 상기의 실시 예에서는 가공 대상물이 서로 다른 재질의 재료를 이용해서 적층된 상태에서 절삭 가공하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 절삭 가공뿐만 아니라, 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 용접, 패터닝 등 다양한 가공을 수행하도록 변경될 수 있다.

특히, 본 발명은 서로 다른 재질의 재료가 적층된 가공 대상물뿐만 아니라, 서로 동일한 재질의 재료가 적층된 가공 대상물이나, 단일층을 갖는 단일 가공 대상물에 대해서도 절삭, 용접 패터닝 등 다양한 가공 작업을 수행할 수 있다.

예를 들어, 전자기기에 적용되는 금속판의 경우, 금속판은 대부분의 레이저 빔을 약 95% 이상 반사하나, 도 3을 참조해서 설명한 바와 같이 파장에 따라 흡수도가 변화하는 금속판의 특성에 따라, 특정 파장의 레이저 빔은 금속판에 흡수됨에 따라, 흡수율이 높다. 예컨대, 구리의 경우, 녹색(green) 파장의 레이저 빔의 흡수도가 가장 높다.

그러나, 상기한 특정 파장의 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기 및 조사장치는 고가이고, 고출력을 만들기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상대적으로 저가이고 고출력 구현이 가능한 일반 레이저 발생기를 가공장치에 적용해서 저비용 및 고품질 가공이 가능하게 한다.

즉, 본 발명은 금속판의 표면을 특정 파장의 레이저 빔을 조사해서 금속판의 표면을 녹히면서, 금속판에 흡수되는 파장을 갖는 일반 레이저 빔을 조사해서 절삭이나 용접, 패터닝 등의 가공을 용이하게 할 수 있다.

이는 모든 금속이 용융시에 거의 모든 레이저 빔의 파장에 대해서 흡수율이 약 90% 이상으로 상승하는 물리적인 현상을 가지기 때문이다.

따라서, 본 발명은 레이저 빔의 반사율이 높은 금속판을 절단하거나, 동일 재질 또는 서로 다른 재질의 재료를 복수의 층으로 적층한 가공 대상물에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 동시에 조사해서 원하는 가공 작업을 수행할 수 있다.

즉, 본 발명은 금속판의 표면에 흡수되는 특정 파장의 레이저 빔을 금속판, 즉 가공 대상물의 표면에 조사해서 레이저 빔의 반사율을 낮추고, 금속판의 내부에 흡수되는 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 금속판의 표면 및 내부를 가열하여 가공 대상물을 절단하거나, 복수의 층으로 적층된 가공 대상물을 용융시켜서 용접 가공하도록 변경될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 가공 대상물의 표면과 내부에 서로 다른 파장의 레이저 빔을 조사해서 가공 대상물의 레이저 빔 반사율을 낮추고 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공함으로써, 가공 속도 및 가공 효율을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 단일 가공 대상물이나, 서로 다른 재질 또는 동일한 재질의 재료가 적층된 가공 대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공하는 복수의 레이저를 이용한 가공장치 및 방법 기술에 적용된다.

10: 레이저 가공장치
11 내지 14: 제1 내지 제4 레이저 빔
21 내지 23: 제1 내지 제3 레이저 발생기
31 내지 34: 제1 내지 제4 빔 변형기
41 내지 43: 제 1 내지 제3 빔 결합기
50: 제어부
51: 조건 설정부
52: 신호 발생부
53: 저장부
60: 가공 대상물
61 내지 63: 제1 내지 제3 층

Claims (4)

1. 복수의 레이저 빔을 발생하는 복수의 레이저 발생기,
   각 레이저 빔의 형상을 유지 또는 실시간으로 변형하는 복수의 빔 변형기,
   상기 복수의 빔 변형기에 의해 변형된 복수의 레이저 빔을 결합하는 빔 결합기 및
   가공 대상물의 가공 조건에 기초해서 각 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 각 레이저 발생기와 빔 변형기의 구동을 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 가공 조건은 가공 대상물의 재질, 적층된 층의 개수 및 가공 상태를 모니터링한 결과 정보를 포함하고,
   상기 레이저 빔의 조사 조건은 각 레이저 빔의 온, 오프, 각 레이저 빔의 출력과 주파수, 각 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 포함하며,
   상기 빔 변형기는 상기 복수의 레이저 발생기에서 발생한 각 레이저 빔을 변형하는 하나 이상의 빔 변형기와,
   상기 빔 결합기에 의해 결합된 레이저 빔을 변형하는 별도의 빔 변형기를 포함하여
   가공 대상물의 표면에 흡수되는 파장의 레이저 빔과 가공 대상물의 내부에 흡수되는 다른 파장의 레이저 빔을 동일한 중심 또는 서로 다른 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합하고, 결합된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 가공 대상물의 표면 및 내부를 가열하여 레이저 빔의 반사율을 낮추고 레이저 빔의 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공하며,
   상기 가공 대상물은 단일 층을 갖는 단일 가공 대상물이거나, 서로 다른 재질 또는 동일한 재질의 재료를 적층해서 복수의 층을 갖는 가공 대상물이고,
   상기 복수의 레이저 빔은 가공하고자 하는 부위에 동일한 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 조사되거나,
   상기 복수의 레이저 빔이 조사되는 시차를 발생하도록, 가공하고자 하는 부위에 서로 다른 중심에서 서로 다른 형상으로 조사되는 것을 특징으로 하는 복수의 레이저를 이용한 가공장치.
2. 삭제
3. 제1항에 기재된 복수의 레이저를 이용한 가공장치의 가공방법에 있어서,
   (a) 제어부에서 가공 대상물의 가공 조건에 기초해서 레이저 빔의 조사 조건을 설정하는 단계,
   (b) 복수의 레이저 발생기에서 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계,
   (c) 복수의 빔 변형기를 이용해서 상기 복수의 레이저 빔을 변형하는 단계,
   (d) 빔 결합기를 이용해서 변형된 복수의 레이저 빔을 결합하여 가공 대상물에 조사해서 가공하는 단계 및
   (e) 상기 제어부에서 가공 대상물의 가공 상태를 모니터링하고, 모니터링한 결과에 기초해서 상기 레이저 빔의 조사 조건을 변경해서 가공하는 단계를 포함하며,
   상기 가공 조건은 가공 대상물의 재질, 적층된 층의 개수 및 가공 상태를 모니터링한 결과 정보를 포함하고,
   상기 레이저 빔의 조사 조건은 각 레이저 빔의 온, 오프, 각 레이저 빔의 출력과 주파수, 각 레이저 빔의 형상과 초점 위치 중에서 하나 이상을 포함하여
   가공 대상물의 표면에 흡수되는 파장의 레이저 빔과 가공 대상물의 내부에 흡수되는 다른 파장의 레이저 빔을 동일한 중심 또는 서로 다른 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 결합하고, 결합된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사해서 가공 대상물의 표면 및 내부를 가열하여 레이저 빔의 반사율을 낮추고 레이저 빔의 흡수율을 높여서 가공 대상물을 가공하며,
   상기 가공 대상물은 단일 층을 갖는 단일 가공 대상물이거나, 서로 다른 재질 또는 동일한 재질의 재료를 적층해서 복수의 층을 갖는 가공 대상물이고,
   상기 복수의 레이저 빔은 가공하고자 하는 부위에 동일한 중심에서 서로 다른 직경을 갖도록 조사되거나,
   상기 복수의 레이저 빔이 조사되는 시차를 발생하도록, 가공하고자 하는 부위에 서로 다른 중심에서 서로 다른 형상으로 조사되는 것을 특징으로 하는 복수의 레이저를 이용한 가공방법.
4. 삭제

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