KR102563889B1 - Laser surface treatment method and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 표면처리 장치에 관한 것으로, 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 생성하는 레이저 빔의 크기를 확대하는 빔 확장부; 상기 빔 확장부로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절하는 빔 각도 조절부; 상기 빔 각도 조절부로부터 입사되는 레이저 빔을 3차원 대상체로 집속하는 빔 집속부; 상기 3차원 대상체를 회전하는 회전부; 및 상기 레이저 빔에 의해 상기 3차원 대상체의 표면처리가 가능하도록, 상기 빔 각도 조절부 및 회전부를 제어하는 제어부를 포함한다.The present invention relates to a laser surface treatment device, comprising: a laser generating unit; a beam expander for enlarging the size of the laser beam generated by the laser generator; a beam angle adjusting unit for adjusting a focal position of the laser beam output from the beam expanding unit; a beam concentrating unit for concentrating the laser beam incident from the beam angle adjusting unit to a 3D object; a rotation unit that rotates the 3D object; and a control unit controlling the beam angle adjustment unit and the rotation unit so that the surface of the 3D object can be treated by the laser beam.
Description
본 발명은 레이저 표면처리 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펨토초 레이저 빔(femtosecond laser beam)을 이용하여 3차원 대상체를 표면 처리하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser surface treatment method and apparatus, and more particularly, to a method and apparatus for surface treatment of a 3D object using a femtosecond laser beam.
임플란트(implant)는 인체에 무해한 재료를 이용해 충치나 잇몸병으로 없어진 치아, 사고 또는 종양 등으로 뼈와 잇몸이 없는 부분 등에 대해 미용뿐 아니라 기능까지 회복시키는 치료를 의미한다. 즉, 상실된 치근을 대신할 수 있도록 인체에 거부반응이 없는 재질로 만든 픽스쳐(fixture)를 치아가 빠져나간 치조골에 심은 뒤, 인공 치아를 고정시켜 치아의 기능을 회복하도록 하는 기술이다.An implant is a treatment that uses materials harmless to the human body to restore function as well as beauty to teeth lost due to tooth decay or gum disease, or parts without bones and gums due to accidents or tumors. That is, after planting a fixture made of a material that does not have a rejection reaction to the human body to replace the lost root, it is a technology to restore the function of the tooth by fixing the artificial tooth after planting it in the alveolar bone.
일반 보철물이나 틀니의 경우 시간이 지나면 주변 치아와 뼈가 상하지만, 임플란트는 주변 치아조직의 손상을 방지할 수 있으며 이차적인 충치 발생요인이 없이 때문에 안정적으로 사용할 수 있다. 또한, 임플란트는 자연 치아와 동일한 구조를 가지므로 잇몸의 통증 및 이물감이 전혀 없으며, 관리만 잘하면 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.In the case of general prosthetics or dentures, the surrounding teeth and bones are damaged over time, but the implant can prevent damage to the surrounding dental tissue and can be used stably because there is no secondary caries occurrence factor. In addition, implants have the same structure as natural teeth, so there is no pain and foreign body sensation in the gums, and there is an advantage that they can be used semi-permanently if managed well.
이러한 임플란트에 사용되는 재료는 인간의 생체 조직에 대하여 매우 안정적인 생체 친화 재료로 제작되어야 할 뿐만 아니라 인체 부작용, 기타 화학적 또는 생화학적 반응성이나 인체 거부 반응이 없어야 한다. 또한, 반복되는 하중 및 순간적인 압력 작용 시에도 변형이나 파괴가 일어나지 않도록 기계적 강도가 매우 높아야 하기 때문에 적절한 소재를 선택하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 임플란트의 적절한 소재로서 다양한 금속 및 합금의 개발이 시도되고 있으나, 현재는 티타늄 금속이나 티타늄 합금이 주로 이용되고 있다. 이는 티타늄 금속 또는 티타늄 합금이 가공이 용이할 뿐만 아니라 인간의 생체 조직에 대한 높은 생체 친화성, 높은 기계적 강도 및 생체 불활성을 가지고 있기 때문이다.Materials used for such implants should be made of biocompatible materials that are very stable with respect to human biological tissues, and should not have side effects on the human body, other chemical or biochemical reactivity, or rejection by the human body. In addition, it is very important to select an appropriate material because mechanical strength must be very high so that deformation or destruction does not occur even under repeated loads and momentary pressures. Therefore, although various metals and alloys have been attempted to be developed as suitable materials for implants, currently titanium metal or titanium alloys are mainly used. This is because titanium metal or titanium alloy is easy to process and has high biocompatibility, high mechanical strength, and bioinertness to human living tissue.
그런데, 티타늄 금속 또는 티타늄 합금 자체는 인체 이식 시 골융합(osseointegration)에 오랜 시간이 걸리고, 산화 피막이 생성되어 타 금속에 비해 안정성이 확보되긴 하지만 최근 들어서 이보다 더욱 개선된 인체 안정성에 대한 필요성이 요구되고 있다. 이에 따라, 나노초, 피코초 또는 펨토초 레이저를 이용하여 임플란트 재료를 표면 처리함으로써 빠른 시간 내에 골융합을 강화할 수 있는 기술들이 개발 및 적용되고 있다.By the way, titanium metal or titanium alloy itself takes a long time for osseointegration when transplanted into the human body and secures stability compared to other metals due to the formation of an oxide film, but recently there is a need for more improved human body stability. . Accordingly, technologies capable of enhancing osseointegration in a short time by surface treatment of implant materials using nanosecond, picosecond, or femtosecond lasers are being developed and applied.
종래의 레이저 표면처리 기술들은 미리 결정된 파장 대역의 레이저를 고밀도로 집속하여 초 미세 영역의 가공을 통해 임플란트 재료를 표면 처리함으로써, 우수한 표면처리 품질을 획득할 수 있다. 하지만, 이러한 표면처리 기술들은 대면적 표면처리 시 느린 처리 속도로 인해 매우 긴 표면처리시간이 소요되는 문제점이 있다.Conventional laser surface treatment techniques can obtain excellent surface treatment quality by surface treatment of an implant material through ultra-fine region processing by concentrating a laser of a predetermined wavelength band at high density. However, these surface treatment technologies have a problem in that a very long surface treatment time is required due to a slow treatment speed when treating a large area surface.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 펨토초 레이저 빔을 조사하여 3차원 대상체를 표면 처리하는 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.The present invention aims to solve the foregoing and other problems. Another object is to provide a method and apparatus for surface treatment of a 3D object by irradiating a femtosecond laser beam so as to have a uniform surface treatment area within a focal depth region corresponding to a traveling direction of the laser beam.
또 다른 목적은 이차원 스캔 미러부 및 스테핑 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 빠른 속도로 표면 처리하는 레이저 표면처리 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.Another object is to provide a laser surface treatment method and apparatus for surface treatment of a 3D object at high speed using a 2D scan mirror unit and a stepping rotation unit.
또 다른 목적은 단축 스캔 미러부 및 연속 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 빠른 속도로 표면 처리하는 레이저 표면처리 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.Another object is to provide a laser surface treatment method and apparatus for surface treatment of a 3D object at high speed using a single-axis scan mirror unit and a continuous rotation unit.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 생성하는 레이저 빔의 크기를 확대하는 빔 확장부; 상기 빔 확장부로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절하는 빔 각도 조절부; 상기 빔 각도 조절부로부터 입사되는 레이저 빔을 3차원 대상체로 집속하는 빔 집속부; 상기 3차원 대상체를 회전하는 회전부; 및 상기 레이저 빔에 의해 상기 3차원 대상체의 표면처리가 가능하도록, 상기 빔 각도 조절부 및 회전부를 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 표면처리 장치를 제공한다.According to one aspect of the present invention to achieve the above or other object, the laser generator; a beam expander for enlarging the size of the laser beam generated by the laser generator; a beam angle adjusting unit for adjusting a focal position of the laser beam output from the beam expanding unit; a beam concentrating unit for concentrating the laser beam incident from the beam angle adjusting unit to a 3D object; a rotation unit that rotates the 3D object; and a controller for controlling the beam angle adjuster and the rotation unit so that the surface of the 3D object can be treated by the laser beam.
좀 더 바람직하게는, 상기 빔 각도 조절부는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 이용하여 이차원 스캐닝 동작을 수행하는 이차원 스캔 미러부임을 특징으로 한다. 또한, 상기 회전부는 3차원 대상체를 표면처리 단계별로 미리 결정된 각도만큼 회전하는 스테핑 회전부임을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어부는 3차원 대상체의 일 영역에 대한 표면처리를 모니터링하고, 상기 일 영역에 대한 표면처리 완료 시, 스테핑 회전부를 제어하여 3차원 대상체를 미리 결정된 각도만큼 회전시킨 다음, 해당 대상체의 다른 영역에 대한 표면처리를 제어하는 것을 특징으로 한다. More preferably, the beam angle adjusting unit is a two-dimensional scanning mirror unit that performs a two-dimensional scanning operation using an X-axis scan mirror and a Y-axis scan mirror. In addition, the rotation unit may be a stepping rotation unit that rotates the 3D object by a predetermined angle for each surface treatment step. In addition, the control unit monitors the surface treatment of one area of the 3D object, and upon completion of the surface treatment of the one area, controls the stepping rotation unit to rotate the 3D object by a predetermined angle, and then rotates the 3D object by a predetermined angle. It is characterized by controlling the surface treatment of the region.
좀 더 바람직하게는, 상기 빔 각도 조절부는 X축 스캔 미러 또는 Y축 스캔 미러를 이용하여 일차원 스캐닝 동작을 수행하는 단축 스캔 미러부임을 특징으로 한다. 또한, 상기 회전부는 3차원 대상체를 연속적으로 회전하는 연속 회전부임을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어부는 연속 회전부를 제어하여 3차원 대상체를 미리 결정된 속도로 회전시킴과 동시에, 레이저 발생부 및 단축 스캔 미러부를 제어하여 3차원 대상체에 대한 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the beam angle adjustment unit is a single-axis scan mirror unit that performs a one-dimensional scanning operation using an X-axis scan mirror or a Y-axis scan mirror. In addition, the rotation unit is characterized in that it is a continuous rotation unit that continuously rotates the 3D object. Also, the control unit controls the continuous rotation unit to rotate the 3D object at a predetermined speed, and at the same time controls the laser generator and the single-axis scan mirror unit to perform surface treatment on the 3D object.
좀 더 바람직하게는, 상기 레이저 표면처리 장치는 연속 회전부의 하부에 배치되어, 상기 연속 회전부를 일정 각도만큼 회전하는 베이스 회전 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 3차원 대상체는 임플란트 픽스쳐임을 특징으로 한다. More preferably, the laser surface treatment apparatus is characterized in that it further comprises a base rotation stage disposed below the continuous rotation unit to rotate the continuous rotation unit by a predetermined angle. Also, the 3D object is characterized in that it is an implant fixture.
좀 더 바람직하게는, 상기 레이저 표면처리 장치는 3차원 대상체의 표면처리 영역이 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 레이저 표면처리 장치는 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖는 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 조건은 레이저 빔의 초점에서의 피크 세기()를 3차원 대상체의 표면처리 임계 세기()의 4배로 설정하는 조건임을 특징으로 한다.More preferably, the laser surface treatment apparatus is characterized in that the surface treatment area of the 3D object is located within a depth of focus region (DOF) corresponding to the traveling direction of the laser beam. In addition, the laser surface treatment apparatus is characterized in that it is configured to satisfy the condition of having a uniform surface treatment area within a depth of focus region (DOF) corresponding to the traveling direction of the laser beam. Here, the condition is the peak intensity at the focus of the laser beam ( ) to the surface treatment critical intensity of the 3D object ( ) It is characterized in that the condition is set to 4 times of.
본 발명의 실시 예들에 따른 레이저 표면처리 방법 및 그 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effects of the laser surface treatment method and the device according to embodiments of the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 이차원 스캔 미러부 및 스테핑 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 매우 빠른 속도로 레이저 표면 처리할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, there is an advantage in that a 3D object can be subjected to laser surface treatment at a very high speed using the 2D scan mirror unit and the stepping rotation unit.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 단축 스캔 미러부 및 연속 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 매우 빠른 속도로 레이저 표면 처리할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, there is an advantage in that a 3D object can be subjected to laser surface treatment at a very high speed using the single-axis scan mirror unit and the continuous rotation unit.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 레이저 표면처리 방법 및 그 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the laser surface treatment method and the device according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are the technical fields to which the present invention belongs from the following description. will be clearly understood by those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 이차원(XY) 스캔 미러부를 이용하여 3차원 대상체의 상부면을 수평 방향으로 레이저 스캐닝하는 과정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 이차원(XY) 스캔 미러부를 이용하여 3차원 대상체의 상부면을 사선 방향으로 레이저 스캐닝하는 과정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 스테핑 회전부를 통해 3차원 대상체를 단계별로 회전한 다음 해당 대상체를 레이저 빔으로 표면 처리하는 과정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 6은 단축(X) 스캔 미러부를 이용하여 3차원 대상체의 상부면을 사선 방향으로 표면 처리하는 과정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 단축(X) 스캔 미러부를 이용하여 3차원 대상체의 상부면을 수평 방향으로 표면 처리하는 과정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 8은 일반적인 가공 방법으로 표면 처리한 임플란트 픽스쳐와 펨토초 레이저 빔으로 표면 처리한 임플란트 픽스쳐를 서로 비교한 도면;
도 9 및 도 10은 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 하는 레이저 표면처리 장치를 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전부의 구성을 나타내는 도면;
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전부의 구성을 나타내는 도면;
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 회전부의 구성을 나타내는 도면;
도 14 및 도 15는 복수의 회전부를 구비하는 레이저 표면처리 장치를 나타내는 도면.1 is a view showing the configuration of a laser surface treatment apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is a view referenced to explain a process of laser scanning an upper surface of a 3D object in a horizontal direction using a 2D (XY) scan mirror unit;
3 is a view referenced to explain a process of laser scanning an upper surface of a 3D object in an oblique direction using a 2D (XY) scan mirror unit;
4 is a view referenced to explain a process of rotating a 3D object step by step through a stepping rotation unit and then treating the surface of the object with a laser beam;
5A and 5B are diagrams showing the configuration of a laser surface treatment apparatus according to another embodiment of the present invention;
6 is a view referenced to explain a process of surface treatment of an upper surface of a 3D object in an oblique direction using a single-axis (X) scan mirror unit;
7 is a view referenced to explain a process of surface treatment of an upper surface of a 3D object in a horizontal direction using a single-axis (X) scan mirror unit;
8 is a view comparing an implant fixture surface-treated with a general processing method and an implant fixture surface-treated with a femtosecond laser beam;
9 and 10 are views referenced to explain a method of implementing a laser surface treatment apparatus to have a uniform surface treatment area within a depth of focus region corresponding to a traveling direction of a laser beam;
11 is a view showing the configuration of a rotation unit according to an embodiment of the present invention;
12 is a view showing the configuration of a rotation unit according to another embodiment of the present invention;
13 is a view showing the configuration of a dual rotation unit according to an embodiment of the present invention;
14 and 15 are diagrams illustrating a laser surface treatment apparatus having a plurality of rotating parts.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are given the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used together in consideration of ease of writing the specification, and do not have meanings or roles that are distinct from each other by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
본 발명은 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 펨토초 레이저 빔을 조사하여 3차원 대상체를 표면 처리하는 방법 및 그 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 이차원 스캔 미러부 및 스테핑 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 빠른 속도로 표면 처리하는 레이저 표면처리 방법 및 그 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 단축 스캔 미러부 및 연속 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 빠른 속도로 표면 처리하는 레이저 표면처리 방법 및 그 장치를 제안한다.The present invention proposes a method and apparatus for surface treatment of a 3D object by irradiating a femtosecond laser beam to have a uniform surface treatment area within a focal depth region corresponding to a traveling direction of the laser beam. In addition, the present invention proposes a laser surface treatment method and apparatus for surface treatment of a 3D object at high speed using a 2D scan mirror unit and a stepping rotation unit. In addition, the present invention proposes a laser surface treatment method and apparatus for surface treatment of a 3D object at high speed using a single-axis scan mirror unit and a continuous rotation unit.
이하, 본 명세서에서는, 레이저 표면처리의 대상이 되는 3차원 대상체로 '임플란트 픽스쳐(implant fixture)'를 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 나노초/피코초/펨토초 레이저 빔을 이용하여 표면처리가 가능한 모든 물체를 포함한다. 또한, 본 명세서에서는, 이차원 스캔 미러부와 단축 스캔 미러부를 통칭하는 용어로 '빔 각도 조절부'를 사용하도록 하고, 스테핑 회전부와 연속 회전부를 통칭하는 용어로 '회전부'를 사용하도록 한다.Hereinafter, in the present specification, an 'implant fixture' is exemplified as a 3D object to be subjected to laser surface treatment, but is not necessarily limited thereto, and surface treatment using nanosecond/picosecond/femtosecond laser beams is exemplified. Include all possible objects. In addition, in this specification, 'beam angle adjuster' is used as a general term for the two-dimensional scan mirror unit and the single-axis scan mirror unit, and 'rotation unit' is used as a general term for the stepping rotation unit and the continuous rotation unit.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a laser surface treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치(100)는 레이저 발생부(110), 빔 확장부(120), 이차원 스캔 미러부(130), 빔 집속부(140), 스테핑 회전부(150) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구성요소들은 레이저 표면처리 장치를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 레이저 표면처리 장치는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.Referring to FIG. 1 , a laser
레이저 발생부(110)는 3차원 대상체(50)의 표면처리를 위한 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이를 위해, 레이저 발생부(110)는 펄스화된 레이저 소스(laser source)를 사용할 수 있다. 상기 레이저 발생부(110)에서 펄스 단위로 생성된 레이저 빔은 빔 확장부(120), 이차원 스캔 미러부(130) 및 빔 집속부(140)를 순차적으로 경유하여 3차원 대상체(50)에 조사될 수 있다.The
레이저 발생부(110)는 나노초(nanosecond), 피코초(picosecond) 및 펨토초(femtosecond) 중 어느 하나의 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 펨토초 레이저 빔을 생성할 수 있다. 여기서, 펨토초 레이저 빔이란 1 내지 1000 펨토초의 펄스 지속시간(pulse duration time)을 갖는 극 초단파 레이저 빔이다. 이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 발생부(110)는 펨토초 범위 내의 펄스 지속시간을 갖는 펄스화된 레이저 빔을 생성할 수 있다. 여기서, 펄스 반복률(pulse repetition rate)은 수 내지 수백 kHz 범위 내에 있거나 혹은 MHz 범위 내에 있을 수 있다. 레이저 빔의 파장은 적외선 영역에서부터 자외선 영역까지의 범위 내에 위치하는 레이저 파장 전부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 파장은 적외선 파장, 가시광선 파장 및 자외선 파장 등을 포함할 수 있다.The
빔 확장부(120)는 레이저 발생부(110)에서 펄스 단위로 생성된 레이저 빔의 크기를 조절할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 빔 확장부(120)는 레이저 빔의 크기를 확대할 수 있다. 또한, 빔 확장부(120)는 레이저 빔을 분산이나 집중이 적은 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 생성할 수 있다. 이로써, 레이저 발생부(110)에서 생성된 레이저 빔은 빔 확장부(120)를 통해 그 크기가 확대됨과 동시에 콜리메이트 빔으로 변환될 수 있다.The
빔 확장부(120)는 레이저 발생부(110)에서 생성된 레이저 빔의 직경을 변경하고, 상기 변경된 레이저 빔을 이차원 스캔 미러부(130) 방향으로 출력할 수 있다. 이때, 상기 빔 확장부(120)는 레이저 빔의 크기를 수동 또는 자동으로 조절할 수 있다.The
이차원 스캔 미러부(또는 XY 스캔 미러부, 130)는, 두 개의 축으로 구성된 빔 각도 조절부로서, 빔 확장부(120)로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 즉, 이차원 스캔 미러부(130)는, 제어부(160)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체(50)에 조사되는 레이저 빔의 초점 위치, 즉 X축 및 Y축에서의 초점 위치를 조절할 수 있다.The two-dimensional scan mirror unit (or XY scan mirror unit 130) is a beam angle adjusting unit composed of two axes and can adjust the focal position of the laser beam output from the
이차원 스캔 미러부(130)는 X축 스캔 미러(미도시) 및 Y축 스캔 미러(미도시)를 구비하여, 이차원 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 X축 스캔 미러와 Y축 스캔 미러는 갈바노미터(galvanometer) 방식을 갖는 한 쌍의 스캔 미러로 구성되고, 이 한 쌍의 스캔 미러들은 각각 X-Y 평면을 가로지르는 축들 중의 하나의 방향으로 레이저 빔을 편향시킬 수 있다.The 2D
이차원 스캔 미러부(130)는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 통해 레이저 표면처리를 위한 방향으로 레이저 빔을 반사시켜 3차원 대상체(50)의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. 또한, 이차원 스캔 미러부(130)는 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 통해 레이저 빔을 3차원 대상체(50)의 상부면을 따라 X축 및 Y축 방향으로 미세하게 제어할 수 있다.The 2D
가령, 일 실시 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 이차원 스캔 미러부(130)는, 제어부(160)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체에 해당하는 임플란트 픽스쳐(50)의 상부면을 수평 방향(즉, 임플란트 픽스쳐의 길이 방향)으로 미리 결정된 제1 스캐닝 경로(10)에 따라 레이저 빔을 조사할 수 있다. 여기서, 임플란트 픽스쳐(50)의 상부면은 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 미리 결정된 제1 스캐닝 경로(10)는 제어부(160)에서 이차원 스캔 미러부(130)로 제공되는 이차원 초점 위치 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.For example, as an example, as shown in FIG. 2 , the 2D
한편, 다른 실시 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 이차원 스캔 미러부(130)는, 제어부(160)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체에 해당하는 임플란트 픽스쳐(50)의 상부면을 사선 방향으로 미리 결정된 제2 스캐닝 경로(20)에 따라 레이저 빔을 조사할 수 있다. 마찬가지로, 미리 결정된 제2 스캐닝 경로(20)는 제어부(160)에서 이차원 스캔 미러부(130)로 제공되는 이차원 초점 위치 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.Meanwhile, as another embodiment, as shown in FIG. 3 , the 2D
빔 집속부(140)는, 이차원 스캔 미러부(130)의 하부에 배치되어, 상기 이차원 스캔 미러부(130)를 통과한 레이저 빔을 3차원 대상체(50)로 집속할 수 있다. 또한, 빔 집속부(140)는, 이차원 스캔 미러부(130)로부터 소정의 각도를 가지고 입사하는 레이저 빔을 3차원 대상체(50)의 길이 방향에 수직한 방향으로 변경할 수 있다. The
빔 집속부(140)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric F-theta lens) 또는 에프-세타 렌즈(F-theta lens)를 포함할 수 있다. 이로써, 상기 빔 집속부(140)는 마이크로 또는 나노 크기 단위의 레이저 표면처리를 3차원 대상체(50)의 상부면에 수행할 수 있다.The
스테핑 회전부(150)는 3차원 대상체(50)가 레이저 빔의 진행 방향, 즉 빔 집속부(140)의 하부에 위치하도록 해당 대상체(50)를 고정할 수 있다. 또한, 스테핑 회전부(150)는, 제어부(160)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체(50)를 표면처리 단계별로 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 회전시킬 수 있다.The stepping
제어부(160)는 레이저 표면처리 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 메모리(미도시)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여 상술한 구성요소들(110~150) 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 더 나아가, 제어부(160)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 레이저 표면처리 장치(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.The
좀 더 구체적으로, 제어부(160)는 레이저 발생부(110)를 제어하여 상기 레이저 발생부(110)에서 펄스 단위로 생성되는 레이저 빔의 파장, 펄스 지속시간 및 펄스 반복률 등을 조절할 수 있다.More specifically, the
또한, 제어부(160)는 곡면 형상의 상부면을 갖는 3차원 대상체(50)를 표면처리하기 위한 레이저 빔의 이차원 초점 위치 데이터(즉, X축 및 Y축의 초점 위치 데이터)를 포함하는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 이차원 스캔 미러부(130)로 제공할 수 있다. 상기 이차원 스캔 미러부(130)는 제어부(160)로부터 수신된 제어 신호에 포함된 이차원 초점 위치 데이터에 기초하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.In addition, the
또한, 제어부(160)는 3차원 대상체(50)의 일 영역에 대한 레이저 표면처리 과정을 실시간으로 모니터링하고, 상기 일 영역에 대한 표면처리 완료 시, 스테핑 회전부(150)를 제어하여 상기 3차원 대상체(50)를 단계별로 미리 결정된 각도만큼 회전시킨 다음 해당 대상체(50)의 다른 영역에 대한 레이저 표면처리를 제어할 수 있다. In addition, the
일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(160)는 레이저 발생부(110) 및 이차원 스캔 미러부(130)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)의 제1 상부면(51)에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 상기 제1 상부면(51)에 대한 표면 처리 완료 시, 제어부(160)는 스테핑 회전부(150)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)를 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 시계 또는 반 시계 방향으로 회전시킨 다음, 레이저 발생부(110) 및 이차원 스캔 미러부(130)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)의 제2 상부면(52)에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 상기 제2 상부면(52)에 대한 표면 처리 완료 시, 제어부(160)는 스테핑 회전부(150)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)를 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 동일 방향으로 회전시킨 다음, 레이저 발생부(110) 및 이차원 스캔 미러부(130)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)의 제3 상부면(53)에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 이러한 단계별 회전 과정을 통해, 임플란트 픽스쳐(50)를 매우 빠른 속도로 표면 처리할 수 있다.For example, as shown in FIG. 4 , the
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 다른 예로, 3차원 대상체의 형태에 따라, 상술한 3 단계의 표면처리 과정보다 적거나 혹은 더 많은 단계의 표면처리 과정을 거치도록 구성할 수 있다. 또한, 단계별로 동일한 각도가 아닌, 단계별로 서로 다른 각도만큼 회전하도록 구성할 수도 있다. Meanwhile, although not shown in the drawing, as another example, it may be configured to undergo a surface treatment process of fewer or more steps than the three-step surface treatment process described above, depending on the shape of the 3D object. In addition, it may be configured to rotate by different angles for each step instead of the same angle for each step.
제어부(160)는 레이저 발생부(110), 이차원 스캔 미러부(130) 및 스테핑 회전부(150)의 동작이 서로 동기화되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(160)는 레이저 발생부(110)에서 조사되는 레이저 빔의 발생 주기에 기초하여 이차원 스캔 미러부(130)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 레이저 발생부(110) 및 이차원 스캔 미러부(130)를 통해 3차원 대상체(50)를 표면 처리하는 시간과 동기화를 맞추어 스테핑 회전부(150)를 제어할 수 있다.The
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치는 이차원 스캔 미러부 및 스테핑 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 매우 빠른 속도로 레이저 표면 처리할 수 있다. As described above, the laser surface treatment apparatus according to an embodiment of the present invention can perform laser surface treatment on a 3D object at a very high speed using the 2D scan mirror unit and the stepping rotation unit.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.5A and 5B are diagrams showing the configuration of a laser surface treatment apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치(200)는 레이저 발생부(210), 빔 확장부(220), 단축 스캔 미러부(230), 빔 집속부(240), 연속 회전부(250) 및 제어부(260)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 표면처리 장치(200)는 실시 형태에 따라 베이스 회전 스테이지(270)를 추가로 포함할 수 있다.5A and 5B, a laser
이러한 레이저 표면처리 장치(200)의 레이저 발생부(210), 빔 확장부(220) 및 빔 집속부(240)는 상술한 도 1의 레이저 발생부(110), 빔 확장부(120) 및 빔 집속부(140)와 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.The
레이저 발생부(210)는 3차원 대상체(50)의 표면처리를 위한 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이때, 상기 레이저 발생부(210)는 나노초(nanosecond), 피코초(picosecond) 및 펨토초(femtosecond) 중 어느 하나의 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 펨토초 레이저 빔을 생성할 수 있다.The
빔 확장부(220)는 레이저 발생부(210)에서 펄스 단위로 생성된 레이저 빔의 크기를 확대함과 동시에 콜리메이트 빔으로 생성할 수 있다. 빔 확장부(220)는 상기 생성된 콜리메이트 빔을 단축 스캔 미러부(230) 방향으로 출력할 수 있다.The
단축 스캔 미러부(230)는, 한 개의 축으로 구성된 빔 각도 조절부로서, 빔 확장부(220)로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 즉, 단축 스캔 미러부(230)는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체(50)로 조사되는 레이저 빔의 초점 위치, 즉 X축 또는 Y축에서의 초점 위치를 조절할 수 있다.The short-axis
단축 스캔 미러부(230)는 X축 스캔 미러(미도시) 또는 Y축 스캔 미러(미도시)를 구비하여, 일차원 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 이하, 본 실시 예에서, 단축 스캔 미러부(230)는 X축 스캔 미러를 구비하는 것을 예시하여 설명하도록 한다. 상기 X축 스캔 미러는 갈바노미터(galvanometer) 방식을 갖는 스캔 미러로 구성되고, 상기 스캔 미러는 X축 방향으로 레이저 빔을 편향시킬 수 있다.The single-axis
단축 스캔 미러부(230)는 X축 스캔 미러를 통해 레이저 표면처리를 위한 방향으로 레이저 빔을 반사시켜 3차원 대상체(50)의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. 또한, 단축 스캔 미러부(230)는 X축 스캔 미러를 통해 레이저 빔을 3차원 대상체(50)의 상부면을 따라 X축 방향으로 미세하게 제어할 수 있다.The single-axis
가령, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 단축 스캔 미러부(230)는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체에 해당하는 임플란트 픽스쳐(50)의 상부면을 수평 방향(즉, X 축 방향)으로 왕복하는 스캐닝 경로(30)에 따라 레이저 빔을 조사할 수 있다. 여기서, 상기 임플란트 픽스쳐(50)의 상부면은 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 스캐닝 경로(30)는 제어부(260)에서 단축 스캔 미러부(230)로 제공되는 일차원 초점 위치 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.For example, as shown in FIGS. 6 and 7 , the short axis
빔 집속부(240)는, 단축 스캔 미러부(230)의 하부에 배치되어, 상기 단축 스캔 미러부(230)를 통과한 레이저 빔을 3차원 대상체(50)로 집속할 수 있다. 또한, 빔 집속부(240)는, 단축 스캔 미러부(230)로부터 소정의 각도를 가지고 입사하는 레이저 빔을 3차원 대상체(50)의 길이 방향에 수직한 방향으로 변경할 수 있다.The
연속 회전부(250)는 3차원 대상체(50)가 레이저 빔의 진행 방향, 즉 빔 집속부(240)의 하부에 위치하도록 해당 대상체(50)를 고정할 수 있다. 또한, 연속 회전부(250)는, 제어부(260)의 제어 신호에 따라, 3차원 대상체(50)를 미리 결정된 속도로 360도만큼 회전시킬 수 있다.The
베이스 회전 스테이지(270)는 연속 회전부(250)의 하부에 배치되어, 상기 연속 회전부(250) 및 3차원 대상체(50)를 미리 결정된 각도만큼 회전시킬 수 있다. 이는 단축 스캔 미러부(230) 및 연속 회전부(250)를 이용하여 3차원 대상체(50)를 수평 방향으로 표면처리하기 위함이다.The
제어부(260)는 레이저 표면처리 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(260)는 메모리(미도시)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여 상술한 구성요소들(210~250, 270) 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 더 나아가, 제어부(260)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 레이저 표면처리 장치(200)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.The
좀 더 구체적으로, 제어부(260)는 레이저 발생부(210)를 제어하여 상기 레이저 발생부(210)에서 펄스 단위로 생성되는 레이저 빔의 파장, 펄스 지속시간 및 펄스 반복률 등을 조절할 수 있다.More specifically, the
또한, 제어부(260)는 곡면 형상의 상부면을 갖는 3차원 대상체(50)를 표면처리하기 위한 레이저 빔의 일차원 초점 위치 데이터(즉, X축 초점 위치 데이터)를 포함하는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 단축 스캔 미러부(230)로 제공할 수 있다. 상기 단축 스캔 미러부(230)는 제어부(260)로부터 수신된 제어 신호에 포함된 일차원 초점 위치 데이터에 기초하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.In addition, the
또한, 제어부(260)는 연속 회전부(250)를 제어하여 3차원 대상체(50)를 미리 결정된 속도로 회전시킴과 동시에 레이저 발생부(210) 및 단축 스캔 미러부(230)를 제어하여 3차원 대상체(50)에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(260)는 연속 회전부(250)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)를 미리 결정된 속도로 시계 또는 반 시계 방향으로 연속 회전시킴과 동시에, 레이저 발생부(210) 및 단축 스캔 미러부(230)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)에 대해 수평 왕복 방향의 레이저 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 임플란트 픽스쳐(50)의 표면에는 사선 방향의 레이저 표면처리가 수행될 수 있다.In addition, the
또한, 제어부(260)는 연속 회전부(250) 및 베이스 회전 스테이지(270)를 제어하여 일정 각도로 경사진 3차원 대상체(50)를 미리 결정된 속도로 회전시킴과 동시에 레이저 발생부(210) 및 단축 스캔 미러부(230)를 제어하여 3차원 대상체(50)에 대한 레이저 표면처리를 수행할 수 있다. 가령, 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(260)는 베이스 회전 스테이지(270)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)를 미리 결정된 각도로 기울여 배치하고, 연속 회전부(250)를 제어하여 일정 각도로 경사진 임플란트 픽스쳐(50)를 미리 결정된 속도로 시계 또는 반 시계 방향으로 연속 회전시킴과 동시에, 레이저 발생부(210) 및 단축 스캔 미러부(230)를 제어하여 임플란트 픽스쳐(50)에 대해 수평 왕복 방향의 레이저 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 임플란트 픽스쳐(50)의 표면에는 수평 방향의 레이저 표면처리가 수행될 수 있다. 이러한 연속 회전 과정을 통해, 임플란트 픽스쳐(50)를 매우 빠른 속도로 표면 처리할 수 있다. In addition, the
제어부(260)는 레이저 발생부(210), 단축 스캔 미러부(230) 및 연속 회전부(250)의 동작이 서로 동기화되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(160)는 레이저 발생부(210)에서 조사되는 레이저 빔의 발생 주기에 기초하여 단축 스캔 미러부(230) 및 연속 회전부(250)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 레이저 발생부(210) 및 단축 스캔 미러부(230)를 통해 3차원 대상체(50)를 표면 처리하는 시간과 동기화를 맞추어 연속 회전부(250)를 제어할 수 있다.The
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치는 단축 스캔 미러부 및 연속 회전부를 이용하여 3차원 대상체를 매우 빠른 속도로 레이저 표면 처리할 수 있다.As described above, the laser surface treatment apparatus according to another embodiment of the present invention can perform laser surface treatment on a 3D object at a very high speed using the single-axis scan mirror unit and the continuous rotation unit.
도 8은 일반적인 가공 방법으로 표면 처리한 임플란트 픽스쳐와 펨토초 레이저 빔으로 표면 처리한 임플란트 픽스쳐를 서로 비교한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 펨토초 레이저 빔으로 임플란트 픽스쳐를 표면 처리한 경우, 해당 임플란트 픽스쳐의 표면에는 일정 패턴(810)이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 일정 패턴(810)은, 임플란트 픽스쳐를 인체에 삽입 시, 해당 픽스쳐의 주변에서 발생하는 뼈의 회복 작용 즉, 골융합을 빠르게 촉진시킬 수 있다.8 is a view comparing an implant fixture surface-treated with a general processing method and an implant fixture surface-treated with a femtosecond laser beam. As shown in FIG. 8 , when the surface of the implant fixture is treated with a femtosecond laser beam, it can be confirmed that a predetermined pattern 810 is formed on the surface of the implant fixture. Such a certain pattern 810, when the implant fixture is inserted into the human body, can rapidly promote bone recovery, that is, bone fusion occurring around the fixture.
도 9 및 도 10은 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 하는 레이저 표면처리 장치를 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 9 and 10 are views referenced to explain a method of implementing a laser surface treatment apparatus to have a uniform surface treatment region within a depth of focus region corresponding to a traveling direction of a laser beam.
좀 더 구체적으로, 도 9는 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 하는 레이저 표면처리 장치를 구현하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 빔 집속부(140, 240)에서 레이저 빔을 3차원 대상체(50) 방향으로 조사하는 경우, 상기 레이저 빔의 진행 방향의 위치에 따라 서로 다른 레이저 세기 분포도를 갖는다. 예컨대, 제1 그래프(1010)는 초점(f0)에서의 레이저 세기 분포도이고, 제2 그래프(1020)는 초점(f0)에서 레일레이 길이(ZR)만큼 떨어진 지점에서의 레이저 세기 분포도이며, 제3 그래프(1030)는 초점(f0)에서 레일레이 길이(ZR)의 1/2만큼 떨어진 지점에서의 레이저 세기 분포도이다. 그리고, 제4 그래프(1040)는 3차원 대상체(50)의 재질 및 표면상태에 따라 레이저 표면 처리가 가능한 임계 세기(FLIAT)를 나타낸다. 여기서, 제1 그래프(1010)의 피크 세기(플루언스) 값(1.0)을 제4 그래프(1040)의 임계 세기(플루언스) 값(0.25)의 4배로 설정하는 경우, 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에서 균일한 표면처리 영역()을 갖도록 3차원 대상체(50)를 표면 처리할 수 있음을 확인할 수 있다. 이하에서는, 미리 결정된 레이저 세기 조건과, 해당 조건 하에서 레이저 펄스 당 표면처리 영역의 지름()과, 동일한 표면처리 영역을 갖기 위한 초점 심도 영역(DOF)을 수학적으로 정의하도록 한다.More specifically, FIG. 9 is a diagram referenced to explain a method of implementing a laser surface treatment apparatus to have a uniform surface treatment region within a depth of focus region corresponding to a traveling direction of a laser beam. As shown in FIG. 9 , when a laser beam is radiated from the
먼저, 레이저 빔(또는 레이저 펄스)의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖기 위한 조건은 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.First, a condition for having a uniform surface treatment area within a depth of focus area (DOF) corresponding to a traveling direction of a laser beam (or laser pulse) may be defined as in Equation 1 below.
여기서, 는 레이저 빔의 초점에서의 피크 세기(fluence)이고, 는 3차원 대상체의 표면처리 임계 세기임. 상기 플루언스(fluence)는 레이저 세기의 단위로서 임.here, is the peak intensity (fluence) at the focus of the laser beam, is the critical intensity of surface treatment of a 3D object. The fluence is a unit of laser intensity lim.
초점에서의 레이저 빔 반지름()과, 레이저 빔의 세기 분포도(F(r, z))와, 레이저 빔의 피크 세기(Fpeak(0, z))는, 일반적 레이저 광학 공식으로서, 아래 수학식 2 내지 4와 같이 정의될 수 있다.The laser beam radius at the focal point ( ), the intensity distribution of the laser beam (F(r, z)), and the peak intensity of the laser beam (F peak (0, z)) are general laser optical formulas, which are defined as Equations 2 to 4 below. can
여기서, NA는 광학 시스템의 개구수(Numeral Aperture)이고, 는 레이저 빔의 중심 파장이고, 은 레이저 빔의 품질임. Here, NA is the numerical aperture of the optical system, is the central wavelength of the laser beam, is the quality of the laser beam.
여기서, 는 레이저 빔의 피크 세기이고, R은 레이저 펄스 반복률이고, P는 레이저 빔의 평균 출력임.here, is the peak intensity of the laser beam, R is the laser pulse repetition rate, and P is the average power of the laser beam.
여기서, R은 레이저 펄스 반복률이고, P는 레이저 빔의 평균 출력임.where R is the laser pulse repetition rate and P is the average power of the laser beam.
위 수학식 2와 4를 위 수학식 1에 대입하여, 아래 수학식 5와 같이 정리할 수 있다.By substituting Equations 2 and 4 above into Equation 1 above, it can be rearranged as Equation 5 below.
위 수학식 5를 위 수학식 3에 대입하여, 레이저 펄스 당 표면처리 영역의 반지름(r)을 아래 수학식 6과 같이 정리할 수 있다.By substituting Equation 5 into Equation 3 above, the radius r of the surface treatment area per laser pulse can be arranged as Equation 6 below.
따라서, 레이저 펄스 당 표면처리 영역의 지름()은 아래 수학식 7과 같이 정의될 수 있고, 일정한 표면처리 영역을 갖는 초점 심도 영역(DOF)은 아래 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.Therefore, the diameter of the surface treatment area per laser pulse ( ) may be defined as in Equation 7 below, and a depth of focus area (DOF) having a constant surface treatment area may be defined as in Equation 8 below.
이처럼, 상술한 조건들을 이용하여, 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖도록 하는 레이저 빔을 조사하는 레이저 표면처리 장치를 구현할 수 있다. 이러한 레이저 조사 방식을 통해, 3차원 대상체의 형상에 따라 레이저 빔의 초점거리를 조절할 필요 없이, 상기 레이저 빔의 초점 위치만을 조절하여 3차원 대상체를 전체적으로 균일하게 표면 처리할 수 있다.As such, by using the above conditions, it is possible to implement a laser surface treatment device that irradiates a laser beam to have a uniform surface treatment area within a depth of focus region corresponding to the traveling direction of the laser beam. Through this laser irradiation method, the entire surface of the 3D object can be uniformly treated by adjusting only the focal position of the laser beam without the need to adjust the focal length of the laser beam according to the shape of the 3D object.
한편, 본 실시 예에서는, 단위 레이저 펄스에 의해 생성되는 표면처리 영역이 원형으로 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않는다. 따라서, 상기 레이저 표면처리 영역은 레이저 빔의 패턴에 따라 다른 모양으로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in this embodiment, it is exemplified that the surface treatment area generated by a unit laser pulse is formed in a circular shape, but is not necessarily limited thereto. Accordingly, it will be apparent to those skilled in the art that the laser surface treatment area can be formed in different shapes according to the pattern of the laser beam.
도 10은 3차원 대상체를 표면처리하기 위한 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역의 적절한 위치를 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 빔 집속부(140, 240)에서 레이저 빔을 3차원 대상체(50) 방향으로 조사하는 경우, 상기 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(Depth Of Focus, DOF)은 레일레이 길이(rayleigh length, ZR)의 2배에 해당한다. 여기서, 레일레이 길이(ZR)는 레이저 빔의 초점(f0)에서부터 상기 레이저 빔의 반지름이 초점에서의 반지름()보다 배 되는 지점까지의 거리를 지칭한다.FIG. 10 is a diagram referenced to explain an appropriate position of a depth of focus region corresponding to a traveling direction of a laser beam for surface treatment of a 3D object. As shown in FIG. 10, when a laser beam is radiated from the
이와 같이 레이저 빔의 진행 방향에 대응하여 생성되는 초점 심도 영역(DOF)은 표면처리의 대상이 되는 부분, 즉 곡면 형상을 갖는 3차원 대상체(50)의 상부면에 위치하여야 한다. 이는 표면처리의 대상이 되는 부분이 레이저 빔의 초점 심도 영역(DOF) 내에 위치하는 경우에만 초점거리(즉, 빔 집속부와 초점 사이의 거리)를 조절할 필요 없이 균일한 표면처리가 가능하기 때문이다. 따라서, 빔 집속부(140, 240)와 3차원 대상체(50) 간의 거리를 조절하거나 혹은 빔 집속부(140, 240)의 광학적 특성을 조절함으로써, 곡면 형상을 갖는 3차원 대상체(50)의 상부면이 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에 위치하도록 하는 레이저 표면처리 장치(100, 200)를 구현할 수 있다.In this way, the depth of focus area (DOF) generated corresponding to the traveling direction of the laser beam must be located on a portion to be subjected to surface treatment, that is, on the upper surface of the
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전부의 구성을 설명하는 도면이다.11 is a diagram for explaining the configuration of a rotation unit according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전부(1100)는 회전 구동부(1110), 회전축(1120), 자석 부재(1130), 커플링 부재(1140) 및 회전 지그(1150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11 , a
회전 구동부(1110)는, 제어부(160, 260)의 제어 신호에 따라, 회전축(1120)을 구동할 수 있다. 회전축(1120)은 자석 부재(1130) 및 회전 지그(1150)에 회전력을 전달할 수 있다.The
자석 부재(1130)는 회전축(1120)의 일 단에 배치되며, 회전 지그(1150)를 자력으로 끌어당겨 고정시킬 수 있다. 커플링 부재(1140)는 회전축(1120)과 자석 부재(1130)를 둘러싸도록 배치되어, 상기 회전축(1120) 및 자석 부재(1130)를 일체로 결합할 수 있다.The
회전 지그(1150)는 자석 부재(1130)의 일 측면에 탈/부착되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 회전 지그(1150)는 자성 물체와 탈/부착 가능한 재질로 형성될 수 있다. The
회전 지그(1150)는 임플란트 픽스쳐(50)를 단단히 고정하는 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 도면에 도시된 바와 같이, 회전 지그(1150)는 'ㄷ'자 모양의 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 임플란트 픽스쳐(50)의 내부 공간으로 삽입 가능하도록 형성될 수 있다.The
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전부(1100)는 자석 부재(1130) 및 회전 지그(1150)를 이용하여 임플란트 픽스쳐(50)를 단계별 또는 연속적으로 회전시킬 수 있다.As such, the
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전부의 구성을 나타내는 도면이다.12 is a view showing the configuration of a rotation unit according to another embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전부(1200)는 회전 구동부(1210), 메인 회전축(1220), 복수의 서브 회전축(1230), 복수의 자석 부재(미도시), 복수의 커플링 부재(미도시) 및 복수의 회전 지그(1240)를 포함할 수 있다. 여기서, 메인 회전축(1220)과 복수의 서브 회전축(1230)은 헬리컬 기어(미도시)를 통해 연결될 수 있다.Referring to FIG. 12 , a
회전 구동부(1210)는, 제어부(160, 260)의 제어 신호에 따라, 메인 회전축(1220)을 구동할 수 있다. 상기 메인 회전축(1220)은 헬리컬 기어를 통해 회전력을 복수의 서브 회전축(1230)으로 전달할 수 있다.The
각각의 서브 회전축(1230)은 메인 회전축(1220)으로부터 전달받은 회전력을 각각의 회전 지그(1240)로 전달할 수 있다. 각각의 자석 부재는 서브 회전축(1230)의 일 단에 배치되어, 회전 지그(1240)를 고정시킬 수 있다. 각각의 커플링 부재는 서브 회전축(1230) 및 자석 부재를 둘러싸도록 배치되어, 상기 서브 회전축(1230) 및 자석 부재를 일체로 결합할 수 있다.Each of the sub
각각의 회전 지그(1240)는 자석 부재의 일 측면에 탈/부착되도록 형성될 수 있다. 또한, 각각의 회전 지그(1240)는 임플란트 픽스쳐(50)를 단단히 고정하는 역할을 수행할 수 있다.Each
이와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전부(1200)는 복수의 회전 지그(1240)를 이용하여 복수의 임플란트 픽스쳐(50)를 단계별 또는 연속적으로 회전시킬 수 있다.In this way, the
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 회전부의 구성을 나타내는 도면이다.13 is a diagram showing the configuration of a dual rotation unit according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 회전부(1300)는 제1 회전부(1200a) 및 제2 회전부(1200b)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 회전부(1200a, 1200b)는 상술한 도 12의 회전부(1200)와 동일한 구조로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 회전부(1200a, 1200b)의 구성에 관한 자세한 설명은 생략하도록 한다. Referring to FIG. 13 , a
제1 회전부(1200a)와 제2 회전부(1200b)는 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 회전부(1200a)의 복수의 회전 지그에 결합된 복수의 임플란트 픽스쳐들(50)은 각각 제2 회전부(1200b)의 복수의 회전 지그에 결합된 복수의 임플란트 픽스쳐들(50) 사이에 배치되도록 구성될 수 있다.The
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 회전부(1300)는 동일한 구조의 회전부를 서로 마주보도록 배치하여 제한된 공간 내에서 보다 많은 개수의 임플란트 픽스쳐들(50)을 단계별 또는 연속적으로 회전시킬 수 있다.In this way, the
도 14 및 도 15는 복수의 회전부를 구비하는 레이저 표면처리 장치를 나타내는 도면이다. 14 and 15 are diagrams illustrating a laser surface treatment apparatus having a plurality of rotating parts.
일 실시 예로, 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치(1400)는 하나의 제어부(160, 260)를 통해 독립적으로 제어 가능한 복수의 회전부(1410_1~1410_N)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 레이저 표면처리 장치(1400)에서 제1 회전부에 장착된 임플란트 픽스쳐(50)를 표면 처리한 후 제2 회전부에 장착된 임플란트 픽스쳐(50)를 표면 처리하는 경우, 상기 제1 회전부를 미리 결정된 각도(가령, 120도)만큼 회전하여 다음 표면처리 단계를 준비할 수 있다. 이러한 회전부 구성을 통해, 레이저 표면처리를 위한 전체 공정 시간을 단축할 수 있다. As one embodiment, as shown in FIG. 14, the laser
한편, 다른 실시 예로, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 표면처리 장치(1500)는 하나의 제어부(160, 260)를 통해 독립적으로 제어 가능한 복수의 회전부(1510_1~1510_2N)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 복수의 회전부(1510_1~1510_2N)는 두 개의 그룹으로 분류될 수 있고, 제1 그룹의 회전부들(1510_1~1510_N)과 제2 그룹의 회전부들(1510_N+1~1510_2N)은 서로 마주보도록 배치될 수 있다. Meanwhile, as another embodiment, as shown in FIG. 15, the laser
제1 그룹의 회전부들(1510_1~1510_N)에 장착된 복수의 임플란트 픽스쳐들(50)은 각각 제2 그룹의 회전부들(1510_N+1~1510_2N)에 장착된 복수의 임플란트 픽스쳐들(50) 사이에 배치되도록 구성될 수 있다. 이러한 회전부 구성을 통해, 레이저 표면처리를 위한 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 제한된 공간 내에서 보다 많은 개수의 임플란트 픽스쳐들(50)을 동시에 표면 처리할 수 있다.The plurality of
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been described above, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.
100: 레이저 표면처리 장치 110: 레이저 발생부
120: 빔 확장부 130: 이차원 스캔 미러부
140: 빔 집속부 150: 스테핑 회전부
160: 제어부100: laser surface treatment device 110: laser generator
120: beam expansion unit 130: two-dimensional scan mirror unit
140: beam focusing unit 150: stepping rotation unit
160: control unit
Claims (12)
상기 레이저 발생부에서 생성하는 레이저 빔의 크기를 확대하는 빔 확장부;
상기 빔 확장부로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절하는 빔 각도 조절부;
상기 빔 각도 조절부로부터 입사되는 레이저 빔을 3차원 대상체로 집속하는 빔 집속부;
상기 3차원 대상체를 회전하는 회전부; 및
상기 레이저 빔에 의해 상기 3차원 대상체의 표면처리가 가능하도록, 상기 빔 각도 조절부 및 회전부를 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 빔 각도 조절부는, 상기 제어부로부터 수신된 이차원 초점 위치 데이터를 기반으로 X축 스캔 미러 및 Y축 스캔 미러를 제어하여 이차원 스캐닝 동작을 수행하는 이차원 스캔 미러부이고,
상기 회전부는, 상기 3차원 대상체를 표면처리 단계별로 미리 결정된 각도만큼 회전하는 스테핑 회전부임을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.a laser generator generating a femtosecond laser beam;
a beam expander for enlarging the size of the laser beam generated by the laser generator;
a beam angle adjusting unit for adjusting a focal position of the laser beam output from the beam expanding unit;
a beam concentrating unit for concentrating the laser beam incident from the beam angle adjusting unit to a 3D object;
a rotation unit that rotates the 3D object; and
A control unit for controlling the beam angle adjustment unit and the rotation unit so that the surface of the 3D object can be treated by the laser beam,
The beam angle adjustment unit is a two-dimensional scan mirror unit that performs a two-dimensional scanning operation by controlling an X-axis scan mirror and a Y-axis scan mirror based on the two-dimensional focus position data received from the controller,
The laser surface treatment apparatus, characterized in that the rotation unit is a stepping rotation unit that rotates the three-dimensional object by a predetermined angle for each surface treatment step.
상기 제어부는, 상기 레이저 발생부에서 조사되는 레이저 빔의 발생 주기에 기초하여 상기 이차원 스캔 미러부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1,
The controller controls the two-dimensional scan mirror unit based on the generation cycle of the laser beam emitted from the laser generator.
상기 제어부는, 상기 레이저 발생부 및 이차원 스캔 미러부를 통해 상기 3차원 대상체를 표면 처리하는 시간과 동기화를 맞추어 상기 스테핑 회전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1,
The laser surface treatment apparatus according to claim 1 , wherein the control unit controls the stepping rotation unit in synchronization with a time for surface treatment of the 3D object through the laser generator and the two-dimensional scan mirror unit.
상기 제어부는, 상기 3차원 대상체의 일 영역에 대한 표면처리를 모니터링하고, 상기 일 영역에 대한 표면처리 완료 시, 상기 스테핑 회전부를 제어하여 상기 3차원 대상체를 미리 결정된 각도만큼 회전시킨 다음, 해당 대상체의 다른 영역에 대한 표면처리를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1,
The control unit monitors the surface treatment of one region of the 3D object, and upon completion of the surface treatment of the one region, controls the stepping rotation unit to rotate the 3D object by a predetermined angle, and then rotates the 3D object by a predetermined angle. A laser surface treatment device characterized in that for controlling the surface treatment for other areas of the.
상기 레이저 발생부에서 생성하는 레이저 빔의 크기를 확대하는 빔 확장부;
상기 빔 확장부로부터 출력되는 레이저 빔의 초점 위치를 조절하는 빔 각도 조절부;
상기 빔 각도 조절부로부터 입사되는 레이저 빔을 3차원 대상체로 집속하는 빔 집속부;
상기 3차원 대상체를 회전하는 회전부; 및
상기 레이저 빔에 의해 상기 3차원 대상체의 표면처리가 가능하도록, 상기 빔 각도 조절부 및 회전부를 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 빔 각도 조절부는, 상기 제어부로부터 수신된 일차원 초점 위치 데이터를 기반으로 X축 스캔 미러 또는 Y축 스캔 미러를 제어하여 일차원 스캐닝 동작을 수행하는 단축 스캔 미러부이고,
상기 회전부는, 상기 3차원 대상체를 연속적으로 회전하는 연속 회전부이며,
상기 3차원 대상체의 표면처리 영역이 상기 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(Depth Of Focus, DOF) 내에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.a laser generator generating a femtosecond laser beam;
a beam expander for enlarging the size of the laser beam generated by the laser generator;
a beam angle adjusting unit for adjusting a focal position of the laser beam output from the beam expanding unit;
a beam concentrating unit for concentrating the laser beam incident from the beam angle adjusting unit to a 3D object;
a rotation unit that rotates the 3D object; and
A control unit for controlling the beam angle adjustment unit and the rotation unit so that the surface of the 3D object can be treated by the laser beam,
The beam angle adjusting unit is a single-axis scan mirror unit that performs a one-dimensional scanning operation by controlling an X-axis scan mirror or a Y-axis scan mirror based on the one-dimensional focus position data received from the controller,
The rotation unit is a continuous rotation unit that continuously rotates the 3-dimensional object,
The laser surface treatment apparatus, characterized in that the surface treatment area of the three-dimensional object is configured to be located within a depth of focus (DOF) corresponding to the traveling direction of the laser beam.
상기 제어부는, 상기 레이저 발생부에서 조사되는 레이저 빔의 발생 주기에 기초하여 상기 단축 스캔 미러부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 5,
The control unit controls the short-axis scan mirror unit based on the generation cycle of the laser beam emitted from the laser generation unit.
상기 제어부는, 상기 레이저 발생부 및 단축 스캔 미러부를 통해 상기 3차원 대상체를 표면 처리하는 시간과 동기화를 맞추어 상기 연속 회전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 5,
The controller controls the continuous rotation unit in synchronization with a time for surface treatment of the 3D object through the laser generator and the single-axis scan mirror unit.
상기 제어부는, 상기 연속 회전부를 제어하여 상기 3차원 대상체를 미리 결정된 속도로 회전시킴과 동시에, 상기 레이저 발생부 및 단축 스캔 미러부를 제어하여 상기 3차원 대상체에 대한 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 5,
The control unit controls the continuous rotation unit to rotate the 3D object at a predetermined speed and at the same time controls the laser generator and the short-axis scan mirror unit to perform surface treatment on the 3D object. Laser surface treatment device.
상기 3차원 대상체는 임플란트 픽스쳐임을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1 or 5,
The laser surface treatment device, characterized in that the three-dimensional object is an implant fixture.
상기 3차원 대상체의 표면처리 영역이 상기 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(Depth Of Focus, DOF) 내에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1,
The laser surface treatment apparatus, characterized in that the surface treatment area of the three-dimensional object is configured to be located within a depth of focus (DOF) corresponding to the traveling direction of the laser beam.
상기 레이저 빔의 진행 방향에 대응하는 초점 심도 영역(DOF) 내에서 균일한 표면처리 영역을 갖는 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 1 or 5,
The laser surface treatment apparatus, characterized in that configured to satisfy the condition of having a uniform surface treatment area within a depth of focus region (DOF) corresponding to the traveling direction of the laser beam.
상기 조건은, 상기 레이저 빔의 초점에서의 피크 세기()를 상기 3차원 대상체의 표면처리 임계 세기()의 4배로 설정하는 조건임을 특징으로 하는 레이저 표면처리 장치.According to claim 11,
The condition is, the peak intensity at the focus of the laser beam ( ) to the surface treatment critical intensity of the 3D object ( ) Laser surface treatment apparatus, characterized in that the condition set to four times.
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