KR19990066180A - 초단 펄스폭 및 높은 평균 전력을 갖는 레이저를 사용한 금속스케일 제거 - Google Patents

초단 펄스폭 및 높은 평균 전력을 갖는 레이저를 사용한 금속스케일 제거 Download PDF

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카를로스 엠. 헤르난데즈
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Abstract

본 발명은 중력이 작용하는 수직한 방향으로 적어도 10 m/분의 속도로 이동하는 고온 압연된 또는 소둔된 강 스트립(40)으로부터 산화물 층(스케일)을 기화시켜서 제거하기 위해 레이저 복사를 사용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 방법은 레이저 복사가 금속 스트립 표면과의 접촉점에서 적어도 약 5 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 자유 전자 레이저와 같은 높은 전력 레이저로부터의 전자기 복사를 사용하는 것을 포함한다. 이 복사는 스트립을 가로질러 완전하게 교차하는 직선에 복사를 집속시키기 위해 정렬된 렌즈 또는 거울로 된 광학 시스템을 통과한다. 이 복사는 100 피코초 이하의 펄스폭과, 10 MHz 이상의 펄스 반복도, 및 적어도 10 KW의 높은 평균 전력을 갖는다. 복사 비임(56)은 복사를 선형 횡단 방향으로 확장시키기 위해서 선형의 발산 렌즈(74)를 갖는 균일화기(60)를 통과한다. 복사는 원통형의 수렴성 렌즈(78) 또는 긴 원통형의 거울(132)를 통과하며 하나 이상의 공간상의 긴 레이저 펄스의 상호 작용에 의한 기화에 의해서 산화물을 제거하기 위해 스트립의 폭을 완전히 가로질러 투사된 직선 라인 비임에 집속되어 산화물이 없는 표면을 형성한다.
밀봉된 상호작용 챔버(90)는 비산화 가스(108)와, 산화된 스트립을 수납하기 위한 홈이 형성된 입구(91)와, 정화된 스트립의 경로를 위한 홈이 형성된 출구(92)와, 복사 비임을 챔버로 수용시키기 위한 적어도 하나의 긴 윈도우(93)와, 산화물 파편이 있는 비산화 가스를 챔버로부터 제거하기 위한 배기관(94)과, 가스로부터 산화물 분말을 제거하기 위한 필터(106)를 포함한다. 비산화 가스는 플라즈마 플룸(112)의 바로 위 및 긴 슬롯형 가스 노즐(114)을 통해 입사하는 집속된 밀봉 비임(36) 바로 아래 지점에서 챔버로 향하게 된다. 챔버를 주변 대기로부터 밀봉된 상태로 유지하고 비산화 가스를 플라즈마 상호작용 영역 및 정화된 금속 표면에 인접하게 유지함으로써 정화된 금속 표면의 재산화가 방지될 수 있다.

Description

초단 펄스폭 및 높은 평균 전력을 갖는 레이저를 사용한 금속 스케일 제거
본 발명은 금속으로부터 산화물을 제거하기 위해 전자기 복사를 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 각각의 펄스로 산화물의 분자층을 기화시킴으로써 금속의 스케일(scale)을 제거하기 위해 초단 펄스폭과, 초고속의 펄스 반복도 및 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시키기 위해 펄스형 레이저를 사용하는 것을 포함한다.
금속 제조 산업에서 비교적 환경 관련적인 작업 중 하나는 고온 스트립 밀 상에서의 단조, 압연, 소둔과 같이 고온 가공 동안에 형성된 산화물 또는 스케일을 제거하기 위한 강과 같은 금속에 대한 습식 산성 피클링(pickling)이다. 이러한 스케일을 제거하기 위한 기술은 금세기 초부터 거의 변하지 않았다. 대부분의 저탄소 및 전기강 스트립은 약 250 m/분의 스트립 속도에서 염산에 잠김 피클링된다. 스테인레스강은 좀더 밀접하게 부착된 스케일을 가지며 산성 피클링에 앞서 스케일을 느슨하게 하고 분해시키기 위해서 쇼트 블라스팅 또는 롤러 레벨링(leveling)을 필요로 할 수 있다. 또한, 스테인레스 강 피클링은 플루오르화 수소, 황산 또는 질산과 같이 좀더 강산을 필요로 하며 좀더 긴 잠김 시간을 필요로 하고 약 30 내지 100 m/분의 스트립 가공 라인 속도를 요구한다. 이러한 형식의 스케일 제거 과정을 개선하고 제거하기 위한 중요한 동기는 피클링과 관련한 산성 물질(acid)의 자본적 및 환경적 처리 비용에 있다. 단일 생산 라인과 관련한 연간 비용은 해로운 산성 물질만을 처리하는 것에 대해 적어도 8백만 달러일 수 있다. 화학적 스케일 제거 공정의 주요한 단점은 피클링에 사용되는 화학물의 처리와 관련된 환경 문제이다.
레이저를 사용하여 강으로부터 스케일을 제거하는 것을 제거하거나 또는 제거를 보조하는 것은 공지되어 있다. 예컨대, 미국 특허 제4,063,063호는 산화물 막에 대해 빠르고 강한 국부열을 발생시키기 위해서 금속 표면에 충분한 강도의 CO2레이저 비임(laser beam)을 조사시킴으로써 금속 생산물의 스케일 제거를 위한 방법에 관한 것이다. 이 발명에서 설명된 레이저는 최대 10 KW의 비임 전력을 가질 수 있다. 그렇지만, 연속 작업은 펄스형 또는 연속 웨이브 CO2레이저를 사용해서는 산성 피클링에 의해서 얻어진 것과 상응한 라인 속도로 산화물 스케일을 완전하게 제거하는 것이 불가능하다는 것을 밝혔다. 오직 터무니없이 크고 비싼 많은 레이저들만이 상응하는 스케일 제거 속도를 달성할 수 있었다.
일본 특허 출원 제2-197558호는 강으로부터 스케일 또는 러스트를 제거하기 위한 방법에 관한 것이다. 강 상의 스케일 또는 러스트는 스케일 또는 러스트의 미세한 균열을 일으키기 위해서 200 nsec 이하의 펄스 지속 시간 동안 100 내지 400 nm 파장을 갖는 엑시머(excimer) 레이저 비임과 같은 전자기 스펙트럼의 자외선 파장 영역에서 레이저 비임으로 조사된다. 엑시머 레이저의 전력은 약 300 와트(Watt)로 제한되고 펄스 반복율은 1 KHz로 제한되기 때문에, 실용적인 라인 속도로 강의 스케일 제거를 위해서 너무 크고 비싼 많은 엑시머 레이저들을 갖는 것도 또한 필요하게 될 것이다.
CO2, Nd:YAG, 및 엑시머 레이저는 원적외선(10.6미크론에서의 CO2)에서 근적외선(1.064 미크론에서의 Nd:YAG)까지의 파장 영역을 넘어 자외선 엑시머(0.308미크론에서의 XeCl, 0.248미크론에서의 KrF, 및 0.193미크론에서의 ArF)까지 대부분의 공통적인 높은 평균 전력 산업용 레이저를 나타낸다. 높은 스케일 제거 속도를 얻기 위해서, 매우 높은 전력의 레이저를 사용하는 것이 필요하다. 예컨대, 1 KW 이상의 많은 높은 평균 전력의 상업용 레이저는 연속 웨이브(CW) 모드에서 작동한다. CW 작동은 제거된 원자적 요소에 의해서 발생된 플라즈마 플룸(plume)에 의한 입사 레이저 비임의 흡수로 인한 스케일 제거에서의 문제를 제공한다. 이것은 CW 레이저 가공과 관련된 비교적 긴 지체 시간에 의해서 야기된다. 이것은 1994년 10월 17-20일자 플로리다주 올란도, 회보 ICALEO 94의 제목이레이저 복사에 의한 오스테나이트 강의 스케일 제거인 논문에 개시된 슐루터(Schluter) 등의 작업에 의해서 확인되고 있다. 동일 논문에서는 많은 펄스 존속 기간은 발생된 레이저 비임이 생성된 플라즈마 플룸과 상호작용하기에 충분히 긴 시간이고 따라서 발생 레이저 에너지가 이러한 플라즈마에 의해서 흡수되어 다른 산화물을 제거하지 않도록 하기 때문에 펄스형 CO2레이저도 산화물 제거에 비효율적이라는 것을 보여주는 데이터(data)를 제공한다. 단위 결과는 낮은 스케일 제거 속도이다. 베흐너(Wehner) 등은 회보 ECLAT 90, 제2판, 917쪽의 제목이엑시머 레이저 복사에 의한 금속 표면 상의 산화물 층 제거인 논문에서 엑시머 레이저로부터 예컨대, 10 내지 250 나노초의 짧은 펄스가 산화물층의 제거에는 좀더 효율적이지만, 이들 층은 예컨대, 250 W 이하의 낮은 전력, 및 1 KHz 이하의 낮은 반복도에서만 유용하다는 것을 개시하고 있다. 산화물 층의 기화열을 넘어서는 것에 근거한 출원인의 단순 "볼 파크(ball park)" 계산은 31 m/분의 속도로 이동하는 1 m 폭의 알루미늄 표면의 한 측면에서 5미크론 두께의 알루미늄 산화물 층을 제거하기 위해서는 100 KW의 평균 레이저 전력을 필요로 한다는 것을 보여주고 있다. 비록 45 KW의 CO2레이저가 트란스 테크/컨버젼트 에너지(Trans Tec/Convergent Energy)로부터 상업상 판매되고는 있지만, 이것은 CW 모드에서 작동한다. 따라서, 이들 45KW의 레이저 중 2개가 1m 폭의 알루미늄 표면을 덮는 데 사용되는 경우에도, 소정의 스케일 제거 속도는 CW 또는 방금 상술한 긴 펄스폭의 레이저와 관련된 플라즈마 흡수 문제로 인해서 달성될 수 없을 것이다. 짧은 펄스폭의 엑시머 레이저로부터 이러한 종류의 전력을 얻는 것은 각각 소정의 전체 폭 재료의 일부만을 처리하는 예컨대 400개의 많은 레이저를 사용함으로써만 가능하다. 따라서, 종래의 산업용 레이저는 강의 산화물 층을 경제적으로 제거하는데 적합하지 않다.
이들 종래 기술의 레이저 스케일 제거 공정의 중요한 단점은 고속으로 이동하는 강 스트립으로부터 완전히 스케일을 제거하는 것이 불가능하다는 것이었다. 또한, 종래의 레이저 기술에 따라서 완전한 스케일 제거를 위해 필요한 낮은 스트립 속도는 이러한 종류의 스케일 제거를 사용하는 것을 경제적으로 정당화하지 않는다.
따라서, 환경적 처리 문제를 야기시키는 산성 물질의 사용을 필요로 하지 않는 금속 산화물 제거 공정에 대한 요구가 남아있다. 고속으로 이동하는 산화된 금속 스트립은 스케일을 완전히 제거하기 위해서 스케일을 느슨하게 하는 쇼트 블라스팅 예비 처리가 행해질 필요가 없는 스케일 제거 공정에 대한 요구가 있다. 스케일 층을 경제적으로 제거할 수 있는 레이저 가공이 요구된다. 이것을 달성하기 위해서 레이저는 금속 스트립으로부터 금속 스케일을 제거하는 것을 보조하기 위해서 산성물질 및/또는 쇼트 블라스팅을 사용하는 것을 필요로 하지 않고도 종래의 산성 피클링으로 얻어지는 것과 상응한 라인 속도로 산화물을 제거할 수 있도록 큰 평균 전력을 가져야만 한다. 최소수의 레이저 광자가 요구되도록 하기 위해 산화물의 제거에 효율적인 레이저에 대한 요구가 있다. 이것을 달성하기 위해서, 레이저는 초단 펄스폭과, 높은 반복도 및 최고의 스케일 제거 속도를 제공하도록 선택될 수 있는 파장을 가져야만 한다. 공정의 경제성을 정당화시키기에 합리적인 레이저의 자본 및 작용 비용에 대한 요구가 있다.
도1은 본 발명의 금속 스트립을 스케일 제거하기 위해 집속된 라인을 제공하는 광학 시스템의 사시도.
도2는 본 발명의 일반 비임 균일화기의 개략도.
도3은 도2의 비임 균일화기에 사용된 스텝-인덱스형 파이버의 개략적 사시도.
도4a는 균일한 강도를 갖는 라인에 복사를 집속시키기 위한 본 발명의 광학 시스템의 사시도.
도4b는 투사된 라인의 길이를 따라서 도4a의 복사의 강도 분포를 도표로 나타내는 도면이다.
도5는 금속 스트립의 스케일 제거를 위한 레이저 시스템을 설명하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 사시도.
도6은 본 발명의 기화된 스케일 제거 챔버의 상세한 사시도.
도7은 불활성 가스에 의해서 일소된 기화된 스케일을 도시하는 도7의 비임 작용 영역 둘레의 상세한 사시도.
도8은 도6의 작용 영역의 측면도.
도9는 본 발명의 금속 스트립을 스케일 제거하기 위해 라인에 복사를 집속시키기 위한 거울 광학 시스템을 도시하는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도10a는 금속 스트립으로부터 스케일을 제거하기 위해 국부에 레이저 복사를 집속시키기 위한 굴절형 편평 전계 렌즈 래스터 주사 시스템을 도시하는 본 발명의 스케일 제거 광학 시스템의 다른 실시예의 사시도이다.
도10b는 금속 스트립으로부터 스케일을 제거하기 위해 국부에 레이저 복사를 집속시키기 위한 원거리 집속식 반사 거울 래스터 주사 시스템을 도시하는 본 발명의 스케일 제거 광학 시스템의 다른 실시예의 사시도이다.
도10c는 도10b의 입사 집속된 타원형 국부의 상세도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 전자기 펄스 복사
22 : 발산형 구형 렌즈
24, 28, 32 : 시준된 비임
26 : 발산형 원통형 렌즈
30 : 제2 원통형 렌즈
34 : 제3 원통형 렌즈
36 : 입사 비임
38 : 라인
40 : 강 스트립
90 : 챔버
93 : 윈도우
94 : 배기관
96 : 필터 유닛
98 : 운반관
100 : 블로우어
102 : 가스 복귀관
104 : 복귀관
112 : 플라즈마 플룸
본 발명의 근본적인 목적은 제거되는 산화물(스케일)의 체적당 최소의 주입 에너지를 갖고 금속의 표면 산화물을 제거하기 위해서 레이저 복사를 사용하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속으로부터 산화물 막을 완전하게 제거할 수 있는 스케일 제거 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
다른 목적은 고속(예컨대, 30 m/분 이상)으로 이동하는 금속 스트립으로부터 산화물 막을 완전히 제거할 수 있는 스케일 제거 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
계속해서 본 발명의 다른 목적은 화학물에 대한 요구와, 화학적 처리에 대한 요구와, 산화물막에 대한 쇼트 블라스팅에 대한 요구와, 크고 비싼 습식 산성 피클링 라인에 대한 요구를 제거한 스케일 제거 장치 및 방법을 포함한다.
본 발명은 금속으로부터 산화물 스케일을 제거하기 위해서 레이저 복사를 사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 방법은 초단 펄스폭과, 아주 높은 펄스 반복도 및 아주 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 사용하는 것을 포함한다. 레이저 복사는 금속 표면과 접하는 지점에서 적어도 약 5 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 입사 비임으로 복사를 집속시키기 위해서 적어도 하나의 광학 요소를 통과한다. 집속된 복사 비임은 금속의 산화물이 덮힌 표면을 횡단식으로 완전히 가로질러 연장되어 하나 이상의 레이저 펄스에 의해서 산화물을 기화시킴으로써 제거하여 산화물이 없는 표면을 형성한다.
본 발명의 다른 특성은 자외선 영역의 광파장을 갖는 상술한 레이저 복사에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 렌즈, 거울 또는 이들의 조합으로 된 상술한 광학 요소들에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 정렬된 요소들의 조합으로 된 상술한 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 복사 비임을 다수의 집속된 보조 비임으로 나누기 위한 수단을 포함하는 요소에 대한 것으로서, 각각의 보조 비임은 레이저에서 나오는 원형 비임의 전력보다 작은 전력을 갖는다.
본 발명의 다른 특성은 집속된 비임을 가로질러서 비교적 균일한 공간 전력 분포를 제공하기 위해서 각각의 보조 비임을 균일화하기 위한 수단을 포함하는 상술한 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 스텝-인덱스형 광 파이버와 이 파이버의 한 단부에 복사 비임을 집속시키기 위한 렌즈를 포함하는 상술한 균일화 수단에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 정점에 날카로운 반경을 갖는 선형 발산 렌즈를 포함하는 상술한 균일화 수단에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 금속 표면의 전체 폭을 횡단식으로 가로질러 연장된 적어도 하나의 라인에 집속되거나 또는 금속 표면의 전체 폭에 걸쳐서 횡단되는 상태에 있는 국부에 집속된 상술한 보조 비임에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 금속 표면에 10도 내지 75도의 예각으로 접촉하는 상술한 보조 비임에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 기화된 산화물을 분말로 수집하기 위한 다른 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특성은 금속 표면 접촉점과 산화물이 없는 표면을 비산화 가스로 보호하기 위한 또 다른 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특성은 100 피코초(picosecond) 이하의 상술한 레이저 펄스폭에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 적어도 1 KHz의 상술한 레이저 펄스 반복도에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 적어도 1 KW의 상술한 레이저 평균 전력에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 레이저 비임 펄스 반복도와 같은 속도로 이동하는 고온 압연된 또는 소둔된 스트립인 상술한 금속에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 적어도 1 m/분의 속도로 이동하는 스트립인 상술한 금속에 대한 것이다.
본 발명에 따르는 장치는 초단 펄스폭과, 고속의 펄스 반복도 및 적어도 약 5 MW/cm2의 표면 전력 비임 밀도를 갖는 전자기 복사를 발생시킬 수 있는 레이저와, 복사를 입사 비임에 집속시키기 위한 적어도 하나의 광학 요소 및 산화물이 덮힌 이동하는 금속 스트립을 처리하기 위한 것으로 산화물 파편을 제거하고 앞서 정화된 스트립 표면을 보호하기 위한 비산화 가스를 함유하고 있는 밀봉된 상호작용 챔버를 포함한다. 이 챔버는 또한 산화물이 피복된 스트립을 수납시키기 위한 홈이 형성된 입구와, 정화된 스트립의 통과를 위한 홈이 형성된 출구와, 복사 비임을 챔버에 수용하기 위한 적어도 하나의 긴 윈도우(window)와, 챔버로부터 기화된 산화물을 제거하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 특성은 자외선 영역의 광파장을 갖는 상술한 레이저 복사에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 기화된 산화물 파편을 갖는 비산화 가스를 챔버로부터 제거하기 위한 배기관과, 가스로부터 파편을 분말로써 제거하기 위한 필터와, 정화된 가스를 챔버로 복귀시키기 위한 복귀관을 포함하는 상술한 챔버에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 정화된 가스를 복귀관을 통해서 복귀시키기 위한 블로우어(blower)를 포함하는 상술한 챔버에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 가스를 챔버로 향하게 하기 위한 노즐을 포함하는 챔버에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 렌즈, 거울 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 상술한 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 다수의 정렬된 요소인 상술한 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 복사 비임을 다수의 집속된 보조 비임으로 분리시키기 위한 수단을 포함하는 상술한 광학 요소와, 대응하는 수의 윈도우를 포함하는 챔버에 대한 것으로서, 각각의 윈도우는 복사의 보조 비임 중 하나를 수용한다.
본 발명의 다른 특성은 집속된 비임을 가로질러서 비교적 균일한 공간 전력 분포를 제공하기 위해서 복사를 균일화하기 위한 수단을 포함하는 상술한 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 정점에 날카로운 반경을 갖는 선형 발산 렌즈를 포함하는 상술한 균일화 수단을 포함하는 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 스텝-인덱스형 광 파이버와 이 파이버의 한 단부에 복사 비임을 집속시키기 위한 렌즈를 갖는 상술한 균일화 수단을 포함하는 광학 요소에 대한 것이다.
본 발명의 다른 특성은 라인에 집속된 상술한 복사 비임에 대한 것이다.
본 발명의 중요한 장점은 금속으로부터 스케일을 제거하기 위해 습식 산성 피클링을 하지 않는 것을 포함한다. 본 발명의 다른 장점은 산화물 파편이 용이하게 수집 처리되도록 산화물을 기화시키는 스케일 제거 공정을 제공하는 것이다. 다른 장점은 높은 평균 레이저 전력과, 높은 펄스 반복도와, 초단 펄스폭의 조합과, 최적의 레이저 파장을 선택할 수 있는 능력으로 인해서 다른 공지된 레이저 제거 방법보다 빠른 레이저 스케일 제거 공정을 포함한다. 이들 레이저의 모든 특성은 높은 평균 전력 자유 전자 레이저로부터 얻을 수 있다.
본 발명의 상술한 및 다른 목적들, 특성들, 장점들은 상세한 설명과 첨부된 도면을 고려하여 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 따르는 방법은 강 스트립과 같은 금속으로부터 예컨대 스케일과 같은 산화물을 제거하기 위해서 레이저를 사용하는 것과 관련된다. 방법은 초단 펄스폭과, 아주 높은 펄스 반복도 및 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 사용하는 것과, 이동하는 금속 스트립을 횡단식으로 완전히 가로질러 투사되는 국부(spot)에 비임을 집속시키기 위해서 원통형 렌즈, 거울 또는 이들의 조합과 같이 일련의 정렬된 요소를 통해서 복사 비임을 통과시키는 것을 포함한다. 또는, 복사는 우선 균일한 강도를 갖는 복사 비임을 형성하기 위해 균일화 수단을 통해서 통과될 수 있다. 그후, 균일화된 비임은 이동하는 금속 스트립을 횡단식으로 완전하게 가로질러 투사된 직선의 라인으로 비임을 집속시키기 위해서 정렬된 광학 요소를 통해서 통과하게 된다. 산화물이 덮힌 스트립 표면과 레이저 복사와의 입사 접촉점에서의 표면 영역 전력 밀도는 적어도 5 MW/cm2이다. 레이저 비임의 평균 전력에 따라서, 비임은 낮은 전력을 갖는 일련의 보조 비임으로 분리될 수 있으며, 그 각각은 그 길이/직경이 전체 스트립 폭보다 작은 라인 또는 국부에 집속된다. 그렇지만, 전체 스트립 폭이 이들 일련의 횡단식으로 연속하여 집속된 보조 비임으로 덮혀서 스트립의 이들 횡단 폭을 따라서 산화물이 덮힌 표면이 각각의 복사 펄스 동안에 산화물의 분자 층을 기화시킴으로써 완전하게 스케일 제거되도록 충분한 수의 비임 분리기 및 원통형 집속 광학물(opctics) 또는 국부 주사 광학물이 있게 된다. 복사 비임을 보조 비임으로 각각 분할하는 것은 보조 비임 수의 역수만큼 원래의 주 비임의 전력을 저감시킨다.
밀봉된 장치가 기화된 산화물 파편을 제거하여 입자들이 스케일 제거된 정화된 표면 상에 다시 쌓이지 않도록 한다. 장치는 기화된 금속 산화물 입자를 운반하여 없애기 위해서 집속된 비임 작용 영역 또는 비임 표면 접촉부를 가로질러 송취된 예컨대, 헬륨 또는 아르곤과 같은 비산화 보호성 가스를 함유한다. 또한, 궁극적인 제거를 위해 파편이 분말로서 쌓이는 필터를 통해 기화된 파편을 운반하는 불활성 가스를 불러들이는 스케일 제거 챔버에서 나온 진공 배기관이 있다. 불활성 가스는 챔버로 재순환된다. 충돌하는 집속된 레이저 비임의 입사각은 양호하게는 스트립 표면에 수직하지는 않지만, 기화된 파편에 의해서 발생되는 비임 풀룸과 입사하는 레이저 복사와의 상호작용 및 가능성있는 흡수를 줄이기 위해 어느 정도의 예각을 이룬다.
산화물 층의 전체 깊이를 제거하는 것은 동일한 집속된 비임 위치에 많은 레이저 복사의 펄스를 전달함으로써 달성된다. 각각의 펄스는 기부 금속층이 도달될 때까지 분자 산화물 층을 기화시킨다. 이것은 집속된 레이저 비임의 길이만큼 이동하는 스트립 표면의 라인 속도 및 펄스 반복도에 의해 결정되는 각각의 위치에서 비임의 지체 시간에 의해 제어된다. 제거된 산화물의 깊이는 또한 고정된 펄스 반복도에 대해 각 펄스에서 전달된 에너지 및 가변형 감쇠기를 통해서 전체 레이저 평균 전력을 조절함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 레이저는 최소의 레이저 수로 경제적으로 매력적인 흡인 속도에서 금속 산화물(스케일) 제거를 가능하게 하는 독특한 특성을 갖는다. 레이저는 예컨대, 1 나노초 이하의 초단 펄스폭과, 예컨대 1 백만 펄스/초 이상의 아주 높은 펄스 반복도, 및 예컨대 1 내지 1000 KW의 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시킨다. 이러한 종류의 레이저의 한 예는 자유 전자 레이저(FEL)이다. 자유 전자 레이저의 다른 장점은 스펙트럼의 근자외선 영역, 가시광선, 및 근적외선 영역의 넓은 파장 범위 내에서 작동하도록 조절될 수 있다는 것이다. 예컨대, 스펙트럼의 자외선 영역의 짧은 파장은 스케일 층에 의해서 좀더 효율적으로 흡수되며 따라서 더 높은 스케일 제거 속도를 유도하게 되다고 여겨지기 때문에, 본 발명의 자유 전자 레이저는 복사가 자외선 영역의 광파장을 갖도록 작동될 수 있다. 그렇지만, 레이저는 전자기 스펙트럼의 가시광선, 근적외선 영역 및 중간 적외선 영역의 파장에서 작동될 수 있으며 충분한 스케일 제거를 달성할 수 있는 것으로 여겨진다.
자유 전자 레이저는 작동을 위해 전자 비임 가속기를 필요로 한다. 일단의 전자들이 가속기로 주입된다. 채택된 방법은 타겟트 재료 상에 충격을 가하고 이에 의해서 전자를 해제시키기 위해서 여기에서 설명되며 텍사스주 델라스 1995년 가공 입자 가속기 회의의 발명의 명칭이CEBAF에서 가속기 보급형 광전 음극 드라이브 레이저의 발전인 벤슨(Benson) 등의 논문에 개시된 것과 같은 낮은 평균 전력 레이저를 사용하는 것이다. 이러한 광전 음극 방법은 다양한 초전도성 RF 모듈에 의해서 빛의 속도에 거의 가까운 속도로 가속되는 전자 다발을 발생시킨다. 이들 상대성 에너지 전자 다발은 각각 전자 다발의 이동 방향에 수직한 로렌쯔 힘을 발생시키는 교차식으로 배향된 고정된 자기장으로 이루어진 "위글러(wiggler)" 구역을 통해서 이동한다. "위글러"에서 만나게 되는 다음 자기장은 이것에 앞선 자기장에 반대 방향으로 향하는 자기장을 발생시킴으로써 전자 다발은 이동방향에 수직하지만 방금 만났던 것으로부터 180도 방향의 로렌쯔 힘을 받게된다. 따라서 전자 다발의 궤도는 "위글러"를 통해서 이동하는 기본 방향을 따라서 전후로 "구불구불"하게 된다. 전자는 대전된 입자이기 때문에, 전자가 위글러를 통과하게 됨에 따라 전자 다발이 받게되는 횡파 가속은 전자기 복사의 방출을 야기시킨다. 이러한 복사는 전자 다발의 이동 방향으로 적절하게 위치된 거울에 의해서 증폭된다. 이러한 복사는 횡방향으로 가속된 자유 이동하는 전자 다발에 의해서 발생된 실제 레이저 비임을 발생시킨다. 매력적인 산업상의 장치로서는, 레이저로부터의 높은 평균 전력이 달성될 수 있도록 이들 다발들을 연속적으로 생산할 수 있어야 한다. 각각의 "위글러" 자석을 통과하는 각각의 전자 다발들은 레이저 복사의 펄스를 발생시킨다. 다발에서 전자가 많으면, 방출되는 레이저 펄스당 에너지는 더 높으며, 다발이 많을 수록, 펄스 반복도는 더 높으며, 따라서 평균 레이저 전력은 더 높다. 따라서, 높은 평균 전력 레이저의 핵심은 높은 평균 전자 비임 전류이다. 이것은 레이저 광전 음극이 가능한 높은 반복도에서 가능한 각 다발당 많은 전자를 발생시켜야함을 의미한다. 이것이 연속적인 토대 위에서 행해진다면, 높은 펄스 반복도를 갖는 높은 평균 전력 레이저가 발생될 수 있다. 비록 많은 자유 전자 레이저가 세계에서 이루어져 왔지만, 어떠한 것도 높은 평균 전력을 발생시키지 않고 있으며 연속적인 장기간의 작업을 할 수 있는 것은 없다. 연속 작업 100 KW의 평균 FEL은 레이저 스케일 제거이 경제적으로 매력적인 속도에서 수행되도록 한다.
스케일 층은 각각의 펄스로 산화물의 분자층을 기화시킴으로써 제거된다. 기화에 의한다는 것은 레이저 펄스가 융해열을 넘어 산화물의 기화열까지 산화물의 온도를 기화 온도까지 상승시키기에 충분한 에너지를 전달한다는 것을 의미한다. 기화 스케일 제거는 또한 폭발적 충격파에 의해서 산화물을 제거하는 것과, 금속 기판으로부터 자유로운 산화물 층을 송풍시키기 위한 결합 산소의 기상 해제, 또는 이러한 종류의 레이저에 의해서 발생되는 초단 펄스폭 및 높은 피크 전력으로부터 이익을 얻을 수 있는 다른 기구에 의해서 산화물을 제거하는 것을 포함한다. 초단 펄스폭 및 높은 피크 전력의 잠재적 장점은 충격파 기구 또는 몇몇 다른 기구들, 예컨대 산화물의 결합 산소를 기상으로 해제하는 것이 단순한 열적인 동기만에 의해 예측될 수 있는 것보다 더 높은 스케일 제거 속도를 허용한다.
본 발명에서 사용되는 종류의 FEL 레이저는 토마스 제퍼슨 국립 가속기 장치(제퍼슨 LAB)에서 제작되었다. 레이저는 여기에서 인용 설명되는 제목이산업용 자유전자 레이저인 1995년 5월, 제1판의 에너지 논평부에서 설명되었다. 제퍼슨 LAB은 버지니아주 뉴포트 뉴스에 위치해 있으며 남서부 대학 연구소(SURA)에 의해서 DOE 용으로 작동된다. 다른 FEL과 달리 이 레이저의 2가지 핵심적 특성은 연속 작업 및 높은 평균 전력이다. 이들 특성은 이러한 레이저를 레이저 스케일 제거와 같은 임의의 연속 고속 산업용 공정에 사용하는 데 중요하다.
본 발명에서, 초단 펄스폭은 1 나노초 이하의 시간 지속, 양호하게는 100 피코초 이하, 좀더 양호하게는 10 피코초 이하, 가장 양호하게는 6 피코초 이하의 시간 지속을 의미한다는 것을 알 수 있다. 1 펨토초(pemtosecond) 만큼 초단 펄스폭도 가능할 수 있다. 이러한 초단 펄스폭는 충분한 스케일 제거를 위해 필요한 핵심적 특징이다. 레이저 복사로 임의의 재료를 기화시키는 능력은 충분히 높은 표면 영역 전력 밀도, 즉 5백만 watt/cm2(5 MW/cm2) 이상을 운반하는 것에 달려있다. 펄스당 전력은 펄스폭으로 펄스 에너지를 나누는 것에 의해서 계산된다. 펄스당 표면 영역 전력 밀도는 집속된 레이저 국부의 영역으로 펄스 전력을 나눔으로써 결정된다. 따라서, 펄스폭이 작을 수록, 기화를 발생시키기 위해 충분한 표면 전력 밀도를 얻기위해 요구되는 펄스당 에너지는 낮다. 물론, 각각의 펄스에 의해서 기화된 재료의 양은 각각의 레이저 펄스의 전체 에너지에 의해서 결정된다. 예컨대, 30 MHz/sec의 펄스 반복도로 작동하는 1 KW 레이저로부터의 단일 펄스 내에 단지 33.3 micrjoule이 있는 경우, 2 cm2의 표면 영역 위의 5 미크론 두께의 산화철층을 제거하기 위해서 십만 펄스를 취할 수 있다. 그렇지만, 반복도가 너무 높기 때문에, 이러한 2 cm2의 영역은 1/30 초에서 5미크론 두께로 스케일이 제거된다. 레이저 평균 전력이 커지게 되면, 각각의 펄스에는 더 많은 에너지가 있게 되며, 따라서 각각의 펄스는 큰 체적의 산화물을 제거함으로써 전체 스케일 제거 속도를 증가시키게 된다. 평균 레이저 전력이 100 KW까지 증가되면, 200 cm2의 표면 영역을 동일한 1/30 초에서 동일한 5미크론 두께로 스케일 제거하는 것이 가능하다.
초단 펄스폭에 의해서 실현되는 다른 핵심적 장점은 발생하는 레이저 펄스의 상당 부분을 흡수해서 스케일이 표면으로부터 제거될 수 있는 속도를 감소시키는 플라즈마 플룸이 발달될 수 있는 충분한 시간 전에 펄스로부터 나오는 에너지로 산화물 층을 효율적으로 제거할 수 있다는 것이다. 산화물의 분자층은 피코초 시간 틀(frame)에서 제거되고 다음 레이저 펄스가 다음의 분자 산화물 층을 제거하기 위해 도달하기 전에 불활성 가스 일소에 의해서 일소된다. 이것은 전체 평균 레이저 전력이 플라즈마와 상호작용하는 비임으로 인한 에너지 손실도 없이 산화물 제거에 사용되도록 한다. 이것은 연속파(CW) 레이저 작업을 넘어선 장점이다. 펄스폭은 1 펨토초 내지 1 피코초의 영역에 있다.
본 발명에서, 아주 높은 펄스 반복도는 바람직하게는 약 1 MHz(초당 1백만 펄스)에서 적어도 1 KHz의 속도를 의미한다. 양호하게는, 펄스당 에너지가 자유전자 레이저의 위글러를 통과하는 각 전자 다발에서의 전자의 수에 의해서 제한되기 때문에 10 MHz 이상의 펄스 주파수가 제시된다. 좀더 양호하게는, 펄스 반복도는 적어도 30 MHz이며 가장 양호하게는 적어도 40 MHz 내지 1 GHz가 사용될 수 있다. 레이저 비임에서의 높은 평균 전력은 이것이 스케일 제거 속도를 결정하기 때문에 바람직하다. 계산 결과는 경제적 속도의 스케일 제거를 위해서 대략 100 KW의 레이저 비임 전력이 요구된다. 따라서, 펄스당 에너지에 의해서 증가되는 펄스 반복도는 레이저 비임의 평균 전력과 같다. 예컨대, 펄스당 에너지가 3.33 microjoule (0,00333주울)이면, 펄스 반복도는 전체 비임 전력이 100 KW가 되도록 30 MHz가 되어야 한다. 펄스당 에너지가 전자 가속기에서 선회하는 각각의 다발에 훨씬 많은 수의 전자를 주입하는 것에 의해서 증가될 수 있게 되면, 펄스 반복도는 30 KHz로 떨어질 수 있으며 계속해서 100 KW의 전체 평균 비임 전력을 달성하게 된다.
본 발명에서, 높은 전력은 적어도 1 KW의 전력을 의미한다는 것을 이해하여야 한다. 양호하게는, 전력은 1 KW 이상이며, 좀더 양호하게는 적어도 10 KW이고, 가장 양호하게는 100 KW이다. 100 KW의 전력은 매력적인 경제적 공정에서 산화물 층의 레이저 제거를 만드는 데 바람직하다. 비록 낮은 평균 레이저 전력도 산화물 층을 제거하게 되지만, 이것은 낮은 제거 속도를 갖게 해서 높은 제거 속도를 얻기 위해서는 많은 수의 레이저를 사용하게 한다.
본 발명에서, 금속은 단조, 고온 압연, 소둔과 같은 고온 공정 동안에 산화될 수 있는 임의의 금속을 의미한다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 금속은 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강과 같은 철계 재료, 니켈 합금강, 크롬 합금강, 스테인레스강, 전기강 및 니켈, 알루미늄, 구리, 티타늄과 같은 비철계 금속과 이들의 합금을 포함할 수 있다. 금속은 주철이거나 또는 연속 스트립, 시트, 포일(foil), 바(bar), 빌렛(billet), 슬래브, 와이어, 주물 등과 같은 가공 조건에 있을 수 있다. 철계 금속에서, 금속 산화물 또는 스케일은 거의 철 산화물이다.
도1에서, 인용 부호 20은 제1 발산형 구형 렌즈(22)와 같은 하나 이상의 광학 렌즈 상에 입사하는 전자기 펄스형 복사를 지시한다. 비록 펄스형 복사(20)의 단면이 육면체로 도시되지만, 원래의 집속되지 않은 비임은 직사각형, 곡면형, 타원형 등과 같은 다른 단면을 가질 수 있음을 이해하여야 한다. 이하에서 좀더 상세하게 논의되는 바와 같이, 복사 비임(20)이 비임의 공간 범위를 가로질러서 균일한 강도 분포를 갖는다는 것은 중요하다. 발산형 전자기 복사 비임(24)은 그후 수직한 x-방향(48)으로 시준된 비임(28)으로 비임(24)을 시준하기 위한 제1 원통형 렌즈(26)를 통과한다. 수직하게 시준됨 비임(28)은 그후 비임을 수평한 y-방향(50)의 비임(32)으로 시준하기 위한 제2 원통형 렌즈(30)를 통과한다. 여기에서 비임(32)은 렌즈(22, 26, 30)의 조합에 의해 발생된 왜상의 상향 시준기에 의해서 수직 및 수평 방향 모두로 시준된다. 이들 3개의 렌즈들의 초점 길이 및 공간을 합당하게 선택함으로써, 요소(30)를 나오는 비임(32)의 수평 시준의 수평적 크기 및 정도와 수직 시준의 수평적 크기 및 정도를 독립적으로 조절할 수 있다. 비임(32)은 화살표(42)에 의해서 지시된 이동 방향을 갖는 금속 스트립(40)의 먼지 및 산화물이 덮힌 표면(44)을 횡단식으로 완전히 가로질러 투사된 직선(38)으로 집속된 입사 비임(36)에 비임(32)을 집속시키기 위해서 제3 원통형 렌즈(34)를 통과한다. 입사 비임(36)은 스트립 표면(44)을 깨끗하게 하여 산화물이 없는 표면(46)을 형성한다. 횡단식으로 집속된 라인(38)의 길이는 정렬된 광학 요소(30, 34)의 물리적 횡방향 길이 및 초점 길이의 선택 및 정렬된 광학 요소(22, 26, 30)의 공간에 의해서 제한되는 임의의 소정 값을 가질 수 있다. 양호하게는, 스트립(40)은 중력 상으로 수직한 방향으로 이동한다.
도1은 스트립(40)의 오직 한 면으로부터 제거된 스케일을 도시하고 있다. 정상적으로는, 금속 스트립은 정화될 필요가 있는 양면과 함께 다른 면 상의 스케일을 갖게 된다. 스트립의 한 면은 도1에서 도시된 바와 같은 레이저 광학 시스템으로 정화될 수 있으며, 스트립은 코일로 권취되고 그후 이 코일은 스트립의 다른 면을 정화하기 위해서 정화 시스템을 통과하게 될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 도1에서 도시된 바와 같은 2개의 레이저 광학 시스템은 스트립의 한면으로 입사하는 한 시스템의 복사 및 스트립의 다른 면으로 입사하는 다른 시스템의 복사로 동시에 스트립의 양면을 정화하도록 위치될 수 있다.
본 발명의 다른 중요한 특성은 집속된 레이저 라인의 길이는 그 길이를 가로질러서 균일한 강도 분포를 갖는다는 것이다. 이것은 모든 산화물 두께가 집속된 라인의 길이를 따라서 균일하게 제거되는 것을 보장한다. 이러한 균일 제거를 달성하는 데 사용될 수 있는 것은 많은 방법이 있으며 어떤 종류의 광학 시스템이 사용될 수 있는가에 달려있다. 포괄적인 비임 균일화기가 도2에 도시되어 있다. 전체 전력 레이저 비임(56)은 가우시안 분포(58)(TEM0)와, 도넛 모드(TEM1), 또는 몇몇 더 높은 차원의 모드 공간 전력 분포를 갖는다. 비임 균일화기(60)의 기능은 비임(56)을 비임의 공간 범위를 가로질러서 균일한 에너지 강도 분포를 갖는 비임(62)으로 변이시키는 것이다. 이것은 정사각형 또는 상부 모자 분포(64)이다. 이것을 달성하기 위한 한 방법은 비임을 스텝-인덱스형 광 파이버로 집속시키는 것이다.
도3은 레이저(54)로부터 시준된 원형 비임(56)을 도시하고 있으며 렌즈(66)에 의해서 스텝-인덱스형 광 파이버(68)의 단부에 집속된다. 비임이 파이버의 길이를 따라서 전파해나감에 따라 발생하는 다겹 내반사는 서로 겹쳐서 파이버로부터 나오는 균일한 전력 분포(70)를 발생시킨다. 파이버의 출구에는, 다른 렌즈(72)가 비임을 재시준하기 위해서 위치된다. 자유 전자 원형 레이저 비임(56)이 비임 분해기에 의해서 예컨대 각각 단지 10 KW의 적당한 전력으로 분리되게 되면, 각각의 보조 비임은 균일한 공간 전력 분포를 얻기 위해서 파이버에 집속될 수 있다. 그렇지만, 자유 전자 레이저는 상당히 큰 파장 범위에서 조절될 수 있다. 레이저 파장이 스펙트럼의 근자외선 부분, 가시광선 부분, 및 근적외선 부분에 있게 되면, 낮은 감쇠를 갖는 적당한 가격의 파이버가 오직 실용적이다. 양호하게는, 복사는 자외선 영역의 광파장을 갖는다.
라인 투사(line prjection)를 사용하는 레이저 복사 비임을 균일화시키기 위한 양호한 방법이 도4a에 도시되어 있다. 이 광학 시스템은 정점에서 비교적 날카로운 반경을 갖는 프리즘 외양을 갖는 특별하게 설계된 선형 발산 렌즈(74)를 사용한다. 이러한 렌즈는 여기에서 인용 설명과 합체된 미국 특허 제4,826,299호에서 개시되어 있다. 이것은 레이저 비임(20)을 오직 한 방향으로만 확장시켜서 그 횡방향 또는 y 방향(50)을 따라서 균일한 강도 분포를 갖는 레이저 복사(76)의 웨지(wedge)가 형성되게 된다. 라인 길이(86)는 복사가 렌즈로부터 z 방향(52)으로 발산함에 따라 y 방향으로 선형으로 증가한다. 라인 길이를 따르는 강도 분포(82)는 완전하게 균일한 것은 아니지만 도4b에 도시된 것과 같이 몇몇 변형(84)을 갖는다. 또다른 평철형 원통 렌즈(78)가 투사된 레이저 라인(80)에 의해서 조명되어 레이저 비임이 제거되는 산화물 층의 표면 상에 라인(38)으로 날카롭게 집속된다. 발산 렌즈(74)의 설계는 레이저 비임의 입사 직경을 포함하여야만 한다. 라인 투사기 렌즈는 이것을 통과하는 레이저 복사의 파장에 기초한 적절한 재료로 제작되어야 한다. 이것은 레이저 복사가 투광기 렌즈에 의해서 굴절됨에 따라 레이저 복사의 흡수를 방지하기 위한 것이다. 예컨대, 자유 전자 레이저 파장이 스펙트럼의 근자외선 부분에서 1 미크론으로 조절되게 되면, 융해된 산화 실리콘 또는 BK7은 레이저 라인 투사기를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이 재료는 또한 레이저 파장에 대해서 무반사 코팅되어야 한다. 레이저 파장이 중간 자외선에서 2 내지 7미크론 영역에 있게 되면, 플루오르화 칼슘, 플루오르화 마그네슘, 황산 아연, 셀렌화 아연이 레이저 라인 투광기 렌즈로 사용될 수 있다. 최종의 집속 렌즈(78)는 동일 재료로 제작될 수 있으며 흡수성 및 반사성 레이저 손실을 각각 최소화시키기 위해서 무반사 피복되어 있다. 집속된 레이저 라인의 폭은 이 최종 집속 렌즈(78)의 초점 길이에 의해서 제어된다. 레이저 라인의 길이는 라인 투사 렌즈(74)의 길이가 최종의 산화물이 피복된 금속 표면으로부터 얼마나 떨어져 있는가에 의해서 제어된다. 최종의 원통형 집속 렌즈(78)는 레이저 복사의 라인을 재배향하기 위한 긴 직사각형의 편평 거울(168)과 도10b에 도시된 것과 같은 최종 원통형 오목 집속 거울(170)의 조합에 의해서 교체될 수 있다.
굴절형 렌즈 방법에 의해서 예컨대 100 KW의 레이저 비임의 전체 전력이 다수의 보조 비임으로 분리될 수 있다. 도5는 금속 스트립(40)의 전체 폭을 덮는 한쌍의 보조 비임을 도시하고 있으며 각각의 비임은 스트립 폭의 1/2을 덮는다. 이 개념은 임의의 수의 보조 비임을 포함하는 것으로 확장될수 있음을 알아야 한다. 예컨대, 비임이 10개의 보조 비임으로 분리되게 되면, 각각의 보조 비임은 금속 스트립 폭의 1/10을 스케일 제거하게 된다. 도5의 실시예는 스트립(40)을 수납하기 위한 밀봉된 입구와, 밀봉된 출구 및 비임(36)이 챔버를 통과하도록 하는 윈도우(93)를 갖는 밀봉된 상호작용 챔버(90)를 포함한다. 챔버(90)는 또한 제거된 스케일 파편을 필터 유닛(96)으로 운반하기 위한 배기관(94)과, 운반관(98)과, 비산화 가스를 가스 복귀관(102)을 통해 챔버(90) 내의 복귀관(104)으로 순환시키기 위한 블로우어(100)를 포함한다. 가스는 필터에 침착된 스케일 파편을 집어올리기 위해서 블로우어(100)에 재순환되어 챔버(90)로 복귀된다. 각각의 보조 비임(20)은 도1에서 상술한 바와 같은 왜상 상향 시준기[렌즈(22, 26, 30)] 또는 도9에서 도시된 바와 같은 거울 중 하나를 통해서 이동되며 원통형 렌즈(34)(또는 오목 거울)에 의해서 집속된다.
도6 내지 도8은 레이저 비임(36)의 입사점 및 그 인접한 곳의 작용 영역과 챔버(90) 내의 금속 표면(44)에 대한 좀더 상세한 도면이다. 챔버(90)는 헬륨 또는 아르곤과 같이 저장소(110)에서 공급되는 비산화 가스(108)를 함유한다. 이러한 불활성 가스 매개물은 작용 영역을 보호하고 기화된 산화물 입자(118)를 상호작용 챔버로부터 전달하는 데 사용된다. 입사 비임(36)은 이동하는 금속 스트립 표면(44) 상에 집속된 수렴하는 직사각형 파동의 전방으로서 도시된다. 양호하게는, 비임(36)은 어느정도 경사지게, 예컨대 예각으로 스트립 표면(44) 상에 입사한다. 예각에 의한다는 것은 금속 표면에 수직한 것으로부터 측정된 바와 같이 10도 내지 75도 범위의 적합한 각도를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 좀더 적합한 범위는 25도 내지 60도이며 가장 적합한 각은 30도이다. 기화된 파편에 의해서 발생된 플라즈마 플룸(112)은 스트립 표면에 수직한 방향에서 가장 높은 강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 입사하는 집속된 복사의 방향을 표면에 수직한 방향으로부터 멀어지게 향하게 함으로써, 플라즈마(112)에 의해서 발생된 입사하는 비임(36)의 흡수가 작게 된다. 이것은 산화물 층을 제거하는 데 높은 효율을 발생시키게 된다. 플룸(112) 위 및 비임(36)의 집속된 직사각형 파장 전방 바로 아래에는 불활성 가스(108)를 발생된 플라즈마(112) 상으로 향하게 하기 위한 긴 슬롯형 가스 노즐(114)이 장착된다. 본 발명의 중요한 특성은 플라즈마 생성 플룸뿐만 아니라 정화된 금속 표면(46)의 재산화를 방지하기 위해서 금속 표면(46)을 비산화 대기로 둘러싸는 것이다. 플룸과 정화된 금속 표면 둘레에서 비산화 가스의 충분한 압력을 유지하고 챔버를 주변으로부터 밀봉 유지함으로써, 주변 대기, 즉 산소는 플라즈마 플룸에 바로 인접한 레이저 상호작용 영역으로부터 떨어져서 유지될 수 있다. 노즐(114)은 집속된 라인(38)의 전체 길이만큼 연장된다. 배기관(94)의 배기구(116)는 입사 비임(36)이 들어가는 곳에서 대향하는 챔버의 측면 상에 위치하며 파편 산화물 입자(118)가 있는 불활성 가스를 배기관(94)으로 철회시킨다. 배기관(94) 및 가스 노즐(114)은 양호하게는 챔버의 입구 측면 상에, 즉 먼지 스트립 표면(44)에 인접하여 장착된다. 이것은 정화된 금속 스트립 상에 놓일 수도 있는 파편의 양을 최소화하여 깨끗하게 스케일 제거된 표면(46)을 다시 오염시키지 않도록 한다. 대신에, 파편 입자(118)는 처리되지 않은 표면(44) 상으로 낙하해서 이것이 다시 기화되는 입사 비임(36)으로 되돌려진다. 파편 산화물 (스케일) 입자(118)는 화살표(180)의 방향에 의해서 지시된 바와 같이 챔버의 입구 측으로 인출되어서 미크론 크기의 입자들을 제거하는 필터 유닛(96) 내에 위치된 필터(106)에 침착된다. 이것은 특히 스트립(40)이 중력이 작용하는 수직방향으로 이동해서 파편 입자가 스트립에서 배기구(116)로 떨어지도록 하게되면 정확하다. 필터 유닛(96)은 또한 파편 입자들이 필터 아래에 위치된 수집 용기(도시 안됨)에 침착될 수 있도록 진동 기구를 포함한다. 불활성 가스(108)은 필터(106)를 통해서 인출되어 블로우어(100)에 의해서 재순환되며 좀더 많은 파편(118)들을 들어올리기 위해서 노즐(114)을 통해서 진공 챔버(90)로 다시 들어간다. 가스 저장소(110)는 임의의 손실 가스를 보충하기 위해서 신선한 불활성 가스(108)를 복귀관(102)으로 주기적으로 사출한다. 노즐의 압력 게이지(120)는 가스 압력을 점검하며 가스 저장소 상의 솔레노이드 밸브(122)를 제어하는 데 사용된다. 이것은 불활성 가스의 유동 패턴과 유동에 의해서 들어 올려지는 파편 입자(118) 및 입자들이 배기구(116)로 전달되는 경로를 보여준다. 동일한 노즐 및 배기 시스템은 도10a 및 도10b에 도시된 바와 같은 주사된 집속식 국부 시스템과 사용될 수 있다. 이러한 경우, 집속된 라인은 여기에서 집속된 국부에 주사되는 주사 영역 폭이다.
본 발명의 다른 중요한 특성이 도8에서 도시되어 있다. 도8은 주변 대기가 챔버(90)로 진입하는 것을 방지하는 것의 중요성을 도시하고 있다. 챔버(90) 내에 보호성 대기를 유지하는 것과 함께, 챔버를 적절하게 밀봉시키는 것도 중요하다. 예컨대, 비록 원통형 렌즈(34)가 챔버(90) 내부에 또는 외부에 위치될 수 있지만, 양호하게는 렌즈(34)는 윈도우(93) 내에 장착되어 이에 의해서 밀봉을 형성한다. 스트립(40)을 수용하기 위한 입구(91)(도6) 및 출구(92) 모두는 양호하게는 폴리프로필렌과 같은 가요성 재료(178)로 밀봉된다. 배기구(116)를 향하는 가스 속도 성분을 갖도록 가스 노즐(114)을 소정의 각도로 금속 표면(44)을 향하게 함으로써, 파편 산화물 입자(118)가 실린 불활성 가스가 배기관(94) 쪽으로 향하게 된다. 배기관(94) 및 가스 노즐(114)을 먼지 스트립 표면(44) 위의 챔버의 입구 측면 상에 위치시키게 되면 정화된 금속 스트립 상에 다시 놓이게 될지도 모르는 파편이 깨끗하게 스케일 제거된 표면(46)을 다시 오염시키는 것을 방지하게 된다.
금속 이동 방향(42)에서 집속된 라인(38)의 폭은 최종 집속 렌즈(34)의 초점 길이, 달성된 상향 시준의 정도, 및 왜상 상향 시준기의 제1 렌즈(22) 상에 입사된 비임(20)의 발산에 의해서 결정된다. 집속된 라인(38)의 폭을 대략 0.1 mm 내지 수 cm의 범위로 제어하는 것은 가능하다. 실제 값은 집속된 라인의 길이 및 펄스당 에너지에 따른다. 예컨대, 레이저(54)로부터의 100 KW 원형 비임(raw beam)(14)이 각각 10 KW의 10개의 보조 비임으로 분리되고 1 m 너비의 금속 스트립을 스케일 제거하는 것이 요구되면, 10개의 집속된 라인에서 각각은 10 cm 길이이고 각각에 대해서 대략 2 mm의 폭으로 집속된다. 레이저가 30 MHz 반복도 및 2 피코초의 펄스폭으로 작동을 하게되면, 각각 10 KW 보조 비임에서 각각의 펄스는 333 microjoule의 에너지를 갖게되며 대략 83 MW/cm2의 집속된 표면 전력 밀도를 갖게 된다. 본 발명의 중요한 특성은 표면 전력 밀도(watt/cm2)가 금속 스트립 상의 산화물의 기화를 발생시키기에 충분하게 높다는 것이다. 이러한 필요조건은 집속된 라인의 길이 및 폭을 결정하는 데 기본적이며 따라서 이 라인 위로 전달되는 펄스당 단위 시간당 레이저 에너지는 적어도 5 MW/cm2의 표면 전력 밀도에 이르는 이러한 공식을 만족한다.
이러한 것들을 고려하면, 금속 이동 방향(42)을 가로지르는 집속된 라인의 길이는 1 mm 내지 2 m만큼 넓을 수 있고, 집속된 라인의 폭은 상기의 표면 전력 밀도가 유지되는한 0.1 mm 내지 10 cm일 수 있다. 예컨대, 도9에 도시된 바와 같은 반사 모드 시스템에서 100 KW 평균 전력 레이저 비임을 갖는 레이저 라인의 길이는 1m이고 이것은 금속 스트립의 전체 폭을 완전히 가로질러 연장되며 집속된 라인(38)의 폭은 2 mm이다. 3.33 microjoule의 펄스 에너지와 2 피코초의 펄스폭에서, 이것은 굴절 렌즈 시스템에 의해서 집속되는 각각 10 cm 길이 섹션에서 얻어지는 상술한 83 MW/cm2의 동일한 펄스당 표면 전력 밀도를 제공한다. 따라서 동일한 전체 금속 표면 스케일 제거 능력이 전체 100 KW를 집속시키는 단일 광학 시스템이나, 또는 각각 10 KW를 집속시키는 10개의 보조 시스템이나, 또는 심지어 각각 1 KW를 집속시키는 100개의 보조 시스템에 의해서 얻어질 수 있다. 어느 광학 시스템이 사용될 것인가에 대한 상세한 것은 상대적 가격 및 광학 요소의 능력과 같은 다른 문제에 따른다.
산화물 필름은 기화되어서 금속 스트립의 전체 표면 영역으로부터 제거되어 다른 기계적 또는 화학적 도움없이도 사실상 어떠한 산화물도 없는 깨끗한 금속 표면(46)을 형성한다. 예컨대, 스케일을 부수고 해제하기 위해 쇼트 블라스팅 또는 롤러 레벨링과 같은 예비 처리가 레이저 처리에 앞서 요구되지 않으며, 잠금 산성 피클링과 같은 조잡한 사후 처리가 레이저 처리 후의 스케일의 잔량을 용해시키기 위해 거의 필요하지 않다. 본 발명의 스케일 제거 공정은 해로운 피클 용액의 처리를 더이상 필요로 하지 않기 때문에 중요한 환경적 장점을 갖게 된다.
금속 스트립 표면(44)은 기지 금속까지 산화물 두께를 완전하게 제거하는 데 필요한 펄스 반복도 및 펄스 에너지와 동일한 속도의 비율로 집속된 라인(38) 아래에서 이동한다. 금속 스트립은 적어도 10 m/분, 양호하게는 적어도 30 m/분 및 가능하게는 수백 m/분의 라인 속도로 수직 방향으로 연속해서 이동하기 때문에, 예컨대 30 MHz의 높은 펄스 반복도는 다수의 펄스들이 동일한 위치를 강타한다는 것을 의미한다. 단지 하나의 펄스는 스케일 층을 제거하기에 충분한 에너지를 함유하고 있지 않기 때문에 이것이 필요하다. 각각의 펄스는 몇개의 분자층을 제거하며 따라서 기부 금속까지 스케일 층을 완전하게 제거하기 위해서는 동일한 위치에 많은 수의 펄스들이 요구된다.
비록 렌즈(또는 거울) 광학 조합을 스케일 제거를 필요로 하기 쉬운, 예컨대, 약 2 m의 최대 폭의 금속 스트립의 폭을 덮기에 충분한 크기로 제작할 수 있지만, 렌즈들 또는 거울들의 다중 조합이 더 나은 방법일 수 있는 다른 제안이 있다. 거울 광학 시스템으로는, 단일 세트의 거울로 1 m 폭의 구역을 덮는 것이 가능하다. 거울 광학 요소는 통상적으로 굴절 요소보다 반사면 상에서 더 높은 전력 밀도를 수용할 수 있다. 굴절 요소들은 어느 정도의 복사 흡수를 가지며 이것은 상승된 온도로 가열되도록 한다. 평균 전력이 10 KW보다 높을 때, 광학 요소의 가열은 비임 직경에 의존하는 중요한 효과일 수 있다. 치수적으로 큰 굴절 요소들은 또한 이들의 반사 대응부보다 좀더 비쌀 수 있으며 특히 선택된 파장이 예컨대 셀렌화 아연과 같이 비싼 굴절 재료를 필요로 할 때 그러하다. 본 발명은 또한 레이저 복사를 횡단 라인에 집속시키기 위해서 편평하고, 볼록한, 그리고 오목한 거울들의 조합을 사용할 수도 있음을 알아야 한다.
도9는 레이저 복사를 라인에 집속시키기 위해 사용되는 편평하고, 볼록한, 그리고 오목한 거울들의 조합을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 입사하는 원형 레이저 비임(20)은 비임을 x 방향(48) 및 y 방향(50)의 발산형 비임(24)으로 발산시키는 볼록한 거울(124)의 표면을 강타한다. 발산하는 비임(24)은 그후 비임을 x 방향의 시준된 비임(28)으로 시준시키는 역할을 하는 원통형의 오목한 거울(126)에 의해서 차단된다. 현재의 비임(28)은 이것이 비임을 y 방향으로 비임(32)으로 시준시키는 역할을 하는 원통형의 오목한 거울(128)을 강타할 때까지 y 방향으로 계속해서 확장된다. 시준된 비임(32)은 여기에서 그 단면 치수가 거울(124, 126, 128)의 초점 거리 및 간격에 의해서 제어되는 직사각형 형상을 갖는다. 이 사각형 형상의 단면의 y 방향의 길이는 본 발명의 광학 시스템에 의해서 처리된 금속 스트립(40)의 소정 폭에 의해서 결정된다. 스트립 표면의 전체 폭을 덮기 위해서 다중 광학 시스템이 있게 되면, 광학 시스템의 길이는 전체 폭의 일부이다. 따라서 비임(32)은 소정의 최종 집속된 라인(38)과 동일한 길이를 갖는 긴 최종의 집속 원통형의 오목한 거울(132)까지 직사각형 편평 거울(130)에 의해서 반사된다.
주사형 집속식 국부 광학 비임 전달 방법은 또한 산화물 층을 제거하는 데 사용될 수 있다. 본 실시예를 위한 굴절형 계열의 광학 시스템이 도10a에서 도시되어 있다. 전체 전력 레이저 비임(56)이 좀더 작은 보다 조절가능한 전력의 보조 비임(57)으로 분리될 수 있으며 각각의 보조 비임은 금속 스트립의 전체 폭의 소정 분량 위로 주사되는 상태이다. 그후 하나의 비임(57)이 비임의 직경을 증가시키고 비임의 발산을 감소시키는 상향 시준기(134)를 통해서 지나간다. (낮은 발산성을 갖는 더 큰 직경의 비임이 레이저에 의해서 생성되는 경우, 비임 직경을 좀더 제어가능한 크기로 감소시키기 위해서 비임을 하향 시준시키는 것이 필요할 수 있다. 100 KW FEL 레이저로부터의 비임 직경은 하향 시준이 필요하도록 회절 제한된 발산성을 갖는 수 cm의 직경일 수 있다.) 상향 시준된(또는 하향 시준된) 비임(136)은 비임(142)을 적절한 각도로 다각형 또는 회전 거울(146)을 회전시킬 수 있는 주사 기구(144)로 향하게 하는 한쌍의 거울(138, 140)을 통해서 지나간다. 그후 비임(148)은 시준된 비임(148)을 스케일 제거되는 금속 스트립(40)의 표면 상에 소정의 국부 크기(154)로 시준시키는 편평한 전계 집속 렌즈(150)를 통해서 지나간다. 주사된 집속 국부 시스템의 장점은 들어오는 레이저 비임을 가로지르는 강도 분포가 공간적으로 균일하게되도록 하는 것을 필요로 하지 않는다는 것이다. 즉, 균일화기(60)가 요구되지 않는다. 다른 장점은 주사 기구가 집속된 국부가 산화물이 덮힌 표면(44)을 횡단식으로 가로질러 주사되도록 해서 금속 스트립(40)이 횡단식으로 주사 집속된 레이저 국부를 통해서 계속해서 지나감에 따라 부착된 스케일 층이 주사 라인(182)을 따라서 각각의 지점에서 레이저 복사의 하나 이상의 펄스에 의해서 제거된다는 것이다. 도4a에서 도시된 투사되고 집속된 레이저 라인의 단점은 또다른 레이저 에너지 손실에 대해 더 많은 광학 표면을 부가하고 이것이 기계적으로 이동하는 요소를 갖는다는 것이다.
또한, 도10a의 편평 전계 집속 렌즈(150)가 회전 거울(146)의 앞에 위치된 사전 주사 집속 렌즈와 교체될 수 있다. 사전 주사 집속 렌즈는 편평 금속 표면 상에 국부 집속된 것을 유지하기 위해서 거울의 주사 속도와 동조를 이루며 비임 전달 방향으로 전후 이동한다.
도10b는 주사 전계 폭에 걸쳐 균일한 주사 크기를 유지시키기 위해서 원거리 집속식 주사 시스템을 제공하기 위해서 집속 렌즈를 구비한 거울을 사용하는 광학 주사 국부 시스템에 대한 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 레이저 비임(136)은 비임(158)을 재배향시키기 위해서 회전하는 주사 다각형(146)의 앞에 위치된 렌즈(156) 상으로 입사된다. 그후 수렴하는 비임(159)이 소정의 주사 전계의 대부분만큼 연장된 긴 직사각형의 편평 거울(160)로 향한다. 거울(160)은 주사된 비임(162)을 주사 필드의 전체 폭만큼 연장된 만곡된 포물선 거울(164)쪽으로 재배향시킨다. 이 만곡된 거울은 이것이 주사 필드를 가로질러 비임이 집속되는 곳에 관계없이 소정의 각도로 표면 상으로 입사하도록 수렴하는 비임(166)을 재배향시킨다. 비임은 주사 필드의 모든 길이를 따라서 동일한 국부 크기에 집속된다. 이 시스템은 대부분의 광학 시스템이 굴절 요소의 흡수 손실을 갖지 않는 거울이라는 점에서 도10a에 도시된 굴절 시스템보다 나은 장점을 갖는다. 이것은 경제적인 완전 생산 레이저 스케일 제거 시스템에 대해서 필수적인 높은 전력이기 때문에 유리하다. 긴 편평 직사각형 거울(168)은 집속된 복사를 긴 원통형의 집속 거울(170)로 향하게 해서 스트립 이동 방향(42)으로 집속된 국부의 또다른 압축을 제공하기 위해서 복사를 수렴성 비임(172)으로 수렴시킨다. 완전 횡단 폭 수렴성 원통형 렌즈(35)가 비임을 작은 하향 웨브 치수에 집속시키기 위해서 거울(168, 170) 대신에 사용될 수 있었다. 이것은 도10c에서 상세하게 도시된 바와 같이 집속된 국부의 긴 방향이 주사 방향(176)인 상태로 타원형 국부(174)가 되게 한다.
예
본 발명의 실효성을 설명하기 위해서 한 예가 제공될 것이다. 알루미늄 스트립 상에서 5 미크론 두께의 알루미늄 산화물, 즉 Al2O3을 기화시키는 데 필요한 에너지 양 및 투사된 스트립 가공 속도가 계산될 수 있다. 이 산화물 층은 4 g/cm3의 밀도와, 2050℃의 용융 온도와, 2980℃의 기화 온도와, 255 cal/g의 융해열과, 1138 cal/g의 기화열 및 0.32 cal/g/℃의 열용량을 갖는 것으로 추정된다. 이러한 데이터의 공급원은 여기에서 인용 설명과 합체된미국 레이저 연구소 핸드북(Laser Institute of American Handbook): 레이저에 의한 재료 가공 안내, 1979년 제2판, 9-3쪽이다. 예컨대, 도4a에 도시된 바와 같은 투사된 레이저 라인 시스템이 레이저 복사를 라인으로 집속시키는 데 사용되는 것으로 추정된다. 또한, 전체 1 m 너비의 스트립을 스케일 제거하기 위해서 일렬로 향하게 된 10개의 이러한 시스템이 있는 것으로 추정된다. 또한 100 KW의 FEL은 각각 10 KW의 레이저 복사의 보조 비임으로 비임 분할을 발생시키며 이들 보조 비임은 그후 각각 2 mm 너비에 10 cm 길이의 라인으로 집속된 것으로 추정된다. 5 미크론 두께의 스케일 층과 2 mm 너비에 10 cm 길이의 집속된 라인이 있는 것으로 추정되는 경우, 기화되어야 하는 산화 알루미늄의 체적 V = (0.0005 cm)(10 cm)(0.2 cm) = 0.001 cm3이다. 이 체적을 기화시키는 데 필요한 에너지는 E = (4 g/cm3)(0.001 cm3)[(0.32 cal/g/℃)(2960℃) + 255 cal/g + 1138 cal/g] = 39.2 J이다. 만일 각각의 10개의 보조 비임이 10 KW의 평균 전력을 전달하게 되면, 30 MHz의 펄스 반복도당 에너지는 333 microjoule/pulse이다. 따라서, 39.2 J의 에너지를 운반하는 데 요구되는 펄스의 수는 N = 39.2 J/(0.000333 J/pulse) = 117,720 펄스이다. 따라서 30 MHz의 레이저 비임으로부터 117,720 펄스를 운반하기 위한 이 지점에서의 비임의 지체 시간은 T = (117,720 펄스)/(30,000,000 펄스/초) = 0.00392초이다. 5미크론 두께의 층을 제거하는 데 필요한 라인 속도를 결정하기 위해서는, 산화물 층을 구비한 알루미늄 스트립이 전체 117,720 펄스를 운반시키기 위해서 드는 시간 내에 단지 집속된 레이저 라인의 폭, 즉 2 mm를 이동시킬 수 있을 것을 요구한다. 따라서, 라인 속도 V = [0.002 m/0.00392초](60 초/분) = 30.6 m/분이다. 따라서, 각각 10 cm 횡단 길이의 라인에 집속되고 각각 도5에서 도시된 바와 같은 양식에 인접한 횡단 폭으로 향하게 된 10 KW의 10개의 보조 비임이 있게 되면, 전체 1 m 폭의 알루미늄 스트립이 30.6 m/분의 속도로 한면으로부터 제거되는 5 미크론 두께의 산화물 층을 가질 수 있다. 산화물 제거율은 단폭 펄스 및 높은 표면 전력 밀도로 인해서 작동될 수 있는 다른 기구의 스케일 제거로 인해서 더 높다. 그렇지만, 단지 열 기화 기구에 기초한 이러한 계산에 의해서, 200 KW FEL 레이저가 1 m 폭의 알루미늄 스트립의 양면을 30.6 m/분의 속도로 스케일 제거하는 데 요구된다.
본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 본 발명에 대해서 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 따라서 본 발명의 제한은 첨부된 청구의 범위로부터 판단되어야 한다.
따라서 본 발명은 고속으로 이동하는 강 스트립으로부터 완전히 스케일을 제거할 수 있으며, 또한 화학물에 대한 요구와, 화학적 처리에 대한 요구와, 산화물막에 대한 쇼트 블라스팅에 대한 요구와, 크고 비싼 습식 산성 피클링 라인에 대한 요구를 필요로 하지 않는 스케일 제거 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Claims (21)

  1. 금속의 표면에서 산화물을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    초단 펄스폭과, 초고속 펄스 반복도와, 아주 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시키기 위해 레이저를 사용하는 단계와,
    복사를 발생시키는 단계와,
    금속 표면과의 접촉 지점에서 적어도 약 5 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 입사 비임 내에 상기 복사를 집속시키기 위해서 적어도 하나의 광학 요소를 통해서 상기 복사를 통과시키는 단계와,
    하나 이상의 레이저 펄스의 상호작용에 의한 기화에 의해서 산화물을 제거시켜 산화물이 없는 표면을 형성하기 위해 집속된 복사 비임을 산화물이 덮힌 금속 표면을 횡단해서 완전하게 가로지르도록 지나가게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 레이저 펄스폭이 1 나노초 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 레이저 펄스 반복도가 적어도 1 KHz인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 레이저 평균 전력이 적어도 1 KW인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 산화물 층의 표면으로 전달되는 레이저 펄스당 단위 영역에 대한 표면 전력이 적어도 10 × 106watt/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 광학 요소가 적어도 하나의 렌즈와 적어도 하나의 거울의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소가 복사 비임을 다수의 집속된 보조 비임으로 분리하고, 각각의 보조 비임은 레이저에서 나오는 비임의 전력보다 작은 전력을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 집속된 비임을 가로질러서 비교적 균일한 공간적 전력 분포를 제공하기 위해서 복사를 균일화하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 복사 비임이 금속 표면의 전체 폭을 횡단하여 가로질러서 연장된 균일한 전력 분포로 된 적어도 하나의 라인에 집속된 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 복사 비임이 국부에 집속되고, 금속 표면의 전체 폭을 횡단하여 가로지르는 국부를 횡단함으로써 산화물이 하나 이상의 복사 펄스에 의해서 제거되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 복사 비임이 금속 표면에 예각을 이루며 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 접촉부와 산화물이 없는 표면을 보호하는 단계와,
    산화물 파편을 비산화 가스로 쓸어버리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 조합이 시준 렌즈인 제1 광학 요소와,
    시준된 비임을 배향시키기 위한 적어도 하나의 방향 설정 거울인 제2 요소, 및
    시준된 비임을 주사시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 광학 요소는 또한 편평한 전계 주사 렌즈를 포함하며, 상기 주사 수단은 편평한 전계 렌즈의 입구 동공을 가로질러 시준된 비임을 반복적으로 주사시키기 위해 회전하는 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제6항에 있어서, 상기 조합은 원거리 집속식 시스템으로서, 상기 시스템은 비임을 주사하기 위한 회전하는 거울과,
    주사 필드를 가로질러 비임이 표면에 집속되는 곳에 관계없이 동일한 각도로 표면에 주사된 비임을 재배향시키기 위한 포물선형 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 금속 스트립의 표면으로부터 산화물을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    10 피코초 이하의 펄스폭과, 적어도 10 MHz의 펄스 반복도, 및 10 KW 이상의 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시키기 위해 레이저를 사용하는 단계와,
    복사를 발생시키는 단계와,
    스트립 표면과의 접촉 지점에서 적어도 약 10 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 입사 비임에 상기 복사를 집속시키기 위해서 적어도 하나의 광학 요소를 통해서 상기 레이저 복사를 통과시키는 단계와,
    하나 이상의 공간적으로 긴 형상의 레이저 펄스의 상호작용에 의한 기화에 의해서 산화물을 제거하여 산화물이 없는 층을 형성하기 위해 복사의 집속된 집속된 라인을 통해서 산화물이 덮힌 금속 표면을 횡단해서 완전하게 가로지르도록 스트립을 지나가게 하는 단계를 포함하며,
    상기 광학 요소는 복사를 균일화시키기 위한 수단과 비임을 적어도 하나의 직선에 집속시키기 위해 긴 원통형 수렴성 렌즈 또는 긴 원통형 오목한 거울 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 금속 스티립의 표면에서 산화물을 제거하기 위한 장치에 있어서,
    초단 펄스폭과, 초고속 펄스 반복도와, 아주 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시키기 위해 레이저와,
    스트립 표면과의 접촉 지점에서 적어도 약 5 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 입사 비임에 상기 복사를 집속시키기 위한 적어도 하나의 광학 요소와,
    상기 금속 스트립으로부터 산화물을 제거하기 위한 밀봉된 상호작용 챔버를 포함하며,
    상기 상호작용 챔버는,
    비산화 가스와,
    산화물이 피복된 표면을 갖는 이동하는 금속 스트립을 수납하기 위한 홈이 형성된 입구와,
    표면으로부터 산화물이 제거된 금속 스트립의 통과를 위한 홈이 형성된 출구와,
    복사를 챔버 내에 수용하기 위한 적어도 하나의 긴 윈도우를 포함하고, 이에 의해서 상기 복사는 기화에 의해 산화물을 제거하기 위하여 산화물이 피복된 표면을 횡단하여 완전하게 지나갈 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광학 요소는 윈도우 내에 위치된 렌즈인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 광학 요소는 복사 비임을 다수의 집속된 보조 비임으로 분리하기 위한 수단을 포함하며 상기 챔버는 대응하는 수의 윈도우를 포함하고, 각각의 윈도우는 보조 비임 중 하나를 수용하기 위한 것임을 특징으로 하는 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 광학 요소는 복사를 국부에 집속시키기 위한 편평한 필드 집속 렌즈와, 스트립의 표면을 완전하게 가로지르도록 윈도우의 폭을 따라 횡단하는 복사 국부를 가로지르기 위한 수단을 포함하며, 이에 의해서 스트립이 챔버를 통해서 연속적으로 통과함에 따라 산화물이 하나 이상의 복사 펄스에 의해서 제거되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 금속 스트립의 표면에서 산화물을 제거하기 위한 장치에 있어서,
    초단 펄스폭과, 초고속 펄스 반복도와, 아주 높은 평균 전력을 갖는 전자기 복사를 발생시키기 위해 레이저와,
    금속 스트립 표면과의 접촉 지점에서 적어도 약 10 MW/cm2의 표면 전력 밀도를 갖는 입사 비임에 상기 복사를 집속시키기 위한 다수의 정렬된 광학 요소와,
    상기 금속 스트립으로부터 산화물을 제거하기 위한 밀봉된 상호작용 챔버와,
    복사를 보조 비임들로 분할하는 분리기를 포함하며,
    상기 상호작용 챔버는,
    비산화 가스와,
    산화물이 피복된 표면을 갖는 이동하는 금속 스트립을 수납하기 위한 홈이 형성된 입구와,
    산화물이 표면으로부터 제거된 금속 스트립의 통과를 위한 출구와,
    복사의 각 보조 비임을 챔버로 수용하기 위한 긴 윈도우를 포함하고, 이에 의해서 상기 복사 보조 비임은 기화에 의해 산화물을 제거하기 위하여 산화물이 피복된 표면을 횡단하여 완전하게 지나갈 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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KR101359605B1 (ko) * 2008-01-21 2014-02-11 삼성전자주식회사 Ｓｍｔ 시스템

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