KR20060005808A - 레이저 절단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 노즐 내부로 이물질이 침투하는 것을 방지할 수 있으며 취성재료의 표면을 냉각시키는 냉각기를 별도로 구비시키지 않는 레이저 절단장치에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 레이저 절단장치는 레이저 빔을 출사시키는 빔 발생부;와, 상기 레이저 빔의 크기와 형태를 변형시키는 역할을 수행하는 광학부;와, 상기 광학부의 하단에 구비되어 상기 광학부를 투과한 레이저 빔이 통과되는 빔 홀이 형성되어 있는 레이저 노즐;과, 상기 레이저 노즐 일측에 구비되어 상기 레이저 노즐 내부로 소정 압력을 갖는 보호 기체를 공급하도록 하는 보호 기체 투입구를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
레이저, 절단, 취성, 타원

Description

레이저 절단장치{Cutting apparatus with laser}
도 1은 종래 기술에 따른 레이저 절단장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 사시도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 레이저 절단장치에 있어서의 기하학적 상관 관계를 설명하기 위한 참고도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
201 : 빔 발생부 202 : 반사체
203 : 레이저 노즐 203a : 빔 홀
203b : 보호 기체 투입구 210 : 광학부
211 : 원통형 렌즈 212 : 제 1 렌즈 홀더
213 : 집광 렌즈 214 : 제 2 렌즈 홀더
본 발명은 레이저 절단장치에 장착되는 레이저 노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 노즐 내부로 이물질이 침투하는 것을 방지하며 동시에 렌즈를 냉각시키는 레이저 노즐이 장착된 레이저 절단장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저(laser)를 이용하여 유리, 웨이퍼, 세라믹 등의 취성재료를 절단함에 있어, 레이저 가공시 발생하는 분진이나 열 충격에 따른 잔류 열응력을 최소화하며 고품질의 청정 가공을 수행하는 방법 중 레이저 열 절단법(laser thermo-cleaving)이 널리 사용되고 있다.
상기 레이저 열 절단법의 기본 원리는 취성재료를 연화점(softening point) 이하로 가열 후 냉각시켜 취성재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시킴으로써 재료의 손실 없이 절단하는 것으로, 특수한 경우에는 냉각 과정 없이 레이저 가열만으로도 절단을 수행할 수 있다.
도 1은 종래의 레이저 절단장치의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 절단장치는 레이저 빔을 출사시키는 빔 발생부(101)와, 상기 빔 발생부(101)에서 조사된 레이저 빔의 방향을 전환하게 하는 반사체(102)와, 상기 반사체(102)에 의해 방향 전환된 레이저 빔을 투과시켜 레이저 빔을 집속시키는 광학부(111)를 거친 레이저 빔이 통과되고 렌즈홀더(112)에 있는 워킹가스홀(113)을 통해질소 및 산소를 높은 압력으로 공급하여 빔 홀을 구비한 레이저 노즐을 포함하여, 스테이지(도시하지 않음) 상에 안착되어 일정 속도로 이동하는 취성재료(104)를 절단한다.
여기서, 레이저 빔을 집속시키는 광학부(111)는, 반사체(102)에 의해 반사되 어 하향 진행하는 레이저 빔의 진행방향과 동일한 축선을 갖도록 설치되며, 원통형상의 렌즈 홀더(112) 상단부에 설치되는 원통형 렌즈(111)는 일체형으로 설치되어 빔을 집속시키고 워킹가스 홀(113)을 통해 공급된 가스와 함께 가공물에 조사되어 취성재료를 가공하였다.
레이저을 이용한 절단은 레이저가 발명된 이후로 산업체에서 널리 이용되어 왔다. 이방식은 레이저 빔을 원형 형태로 집속시켜서 재료를 용융 및 기화 시켜서 재료를 제거하면서 절단 공정을 수행했고, 이때 집광시킨 빔은 광학부를 보호하고 용융된 재료를 제거 하기 위해서 레이저노즐을 사용한다
신형 레이저 노즐은 레이저 빔을 타원 형태로 변형시켜서 재료를 가열시키는데 이때의 타원형 빔의 형상은 단축이 수mm 장축이 수십mm로 변형시켜서 사용한다.
LCD 유리는 복판 유리로 구성되고 양산공정을 위해서는 상하방에서 레이저 빔을 조사시킬 필요성이 있고, 또한 레이저 빔을 쿨링시킬수 있는 액체가 위아래로 분사되므로 광학부의 손상을 막고 집 속되어 가열된 렌즈를 냉각 시킬수 있어서 본 레이저 노즐을 발명하였다.
종래의 레이저 절단장치를 이용하여 취성재료를 절단하는 과정에 있어서, 빔 발생부(101)에서 발생된 레이저 빔은 반사체(102), 광학부(110) 및 레이저 노즐(103)의 빔 홀(103a)을 거쳐 최종적으로 스테이지 상에 안착되어 일정 속도로 이동하는 취성재료의 표면에 조사되어 상기 취성재료를 절단하게 되는데, 이 때 취성재 료의 분진 또는 이물질 등이 발생되어 상기 레이저 노즐(103)의 빔 홀(103a)을 통해 레이저 노즐(103)의 내부로 상기 이물질 등이 투입될 가능성이 상존한다.
상기 이물질 등이 레이저 노즐(103) 내부에 투입되면 광학부(111)의 형성된 원형 형상의 단면을 갖는 레이저 빔의 초점이 흐려지는 문제점 등이 발생되어 안정적인 취성재료 절단을 담보할 수 없게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 레이저 노즐 내부로 이물질이 침투하는 것을 방지할 수 있는 레이저 절단장치를 제공하는 것을 목적으로 하며 가열된 렌즈를 냉각시켜주는 기능을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 절단장치는 레이저 빔을 출사시키는 빔 발생부;와, 상기 레이저 빔의 크기와 형태를 변형시키는 역할을 수행하는 광학부;와, 상기 광학부의 하단에 구비되어 상기 광학부를 투과한 레이저 빔이 통과되는 빔 홀이 형성되어 있는 레이저 노즐;과, 상기 레이저 노즐 일측에 구비되어 상기 레이저 노즐 내부로 소정 압력을 갖는 보호 기체를 공급하도록 하는 보호 기체 투입구를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광학부는 타원형 빔을 형성하는 수단으로써 원통형 렌즈와 집광 렌즈를 구비한다.
바람직하게는, 상기 빔 홀은 일자형의 형상을 갖는다.
바람직하게는, 상기 레이저 노즐의 보호 기체 투입구는 보호 기체 공급관과 연결되어 있으며, 상기 보호 기체 공급관은 보호 기체 공급 펌프와 연결된다.
본 발명의 특징에 따르면, 레이저 노즐 일측에 질소 또는 청정 공기 등과 같은 불활성 기체를 소정 압력으로 공급할 수 있는 보호 기체 투입구를 구비시킴에 따라, 광학부의 집광 렌즈를 투과한 레이저 빔이 통과하는 레이저 노즐의 빔 홀을 통해 침투되는 이물질 등을 효과적으로 배출할 수 있게 되며, 상기 보호 기체 투입구를 통해 공급된 소정 압력을 갖는 기체가 가열된 렌즈를 냉각시키는 기능을 갖고 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 절단장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 사시도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 레이저 절단장치에 있어서의 기하학적 상관 관계를 설명하기 위한 참고도이다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 절단장치는 크게 빔 발생부(201), 광학부(210) 및 레이저 노즐(203)로 구성된다. 상기 빔 발생부(201)는 레이저 빔을 발생시키는 역할을 수행하며 상기 빔 발생부(201)와 상기 광학부(210) 사이에는 하나 이상의 반사체(202)가 구비될 수 있다.
상기 광학부(210)는 렌즈 홀더1,2(212,214)(lens holder)라는 몸체부를 구비하며 상기 렌즈 홀더1,2(212,214) 내에 원통형 렌즈(211)(cylindrical lens)와 집광 렌즈(213)(spherical lens)가 장착되어 있다. 두개의 렌즈를 통해 나오는 레이저 빔 형태는 타원형으로 조사되어 나오며 취성재료을 절단하기 위해서는 일자형 빔을 절단선에 일치하기 위해서는 렌즈 홀더2(214)에 장착되어있는 CYLINDRICAL LENS 을 회전시켜 절단선 에 일치시킬 수 있는 회전기능이 있다.
상기 레이저 노즐(203)이 절단재료로부터 발생하는 이물질의 광학부(210)로의 침투를 방지하기 위한 1차적인 이물질 차단 역할을 수행함에도 불구하고 종래 기술의 문제점에서 기술한 바와 같이, 상기 레이저 노즐(203) 하단에 구비되어 있는 빔 홀(203a)을 통해 이물질이 상기 레이저 노즐(203) 내부로 침투하는 현상이 발생된다.
본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 상기 레이저 노즐(203) 일측에 보호 기체 투입구(203b)를 구비시킨다. 상기 보호 기체 투입구(203b)는 소정의 보호 기체 공급관(도시하지 않음)과 연결되어 상기 보호 기체 투입구(203b)를 통해 상기 레이저 노즐(203) 내부로 소정 압력을 갖는 기체 예를 들어, 질소 또는 공기와 같은 불활성 기체가 공급될 수 있다. 여기서, 상기 보호 기체는 상기 보호 기체 공급관과 연결된 보호 기체 공급 펌프(도시하지 않음)로부터 공급될 수 있다.
상기 보호 기체 투입구(203b)를 통해 레이저 노즐(203) 내부로 소정 압력을 갖는 불활성 기체가 공급됨에 따라 상기 빔 홀(203a)을 통해 침투되는 이물질은 상기 불활성 기체에 의해 재차 역류되어 빔 홀(203a) 외부로 배출된다. 즉, 상기 빔 홀(203a)은 레이저 빔의 통과의 역할뿐만 아니라 이물질의 배출구의 역할을 동시에 수행한다. 또한, 상기 보호 기체 투입구(203b)를 통해 소정 압력의 기체가 공급되어 상기 빔 홀(203a)을 통해 해당 기체가 배출됨에 따라 상기 빔 홀(203a) 하부의 절단재료(204) 즉, 취성재료를 절단 과정의 진행과 함께 냉각시키는 효과를 얻을 수 있게 되어 종래와 같이 별도의 냉각기가 필수적으로 구비될 필요가 없다.
상기 빔 홀(203a)은 타원 형상의 단면을 갖는 레이저 빔을 통과시키기 위해 일자형으로 형성되는데, 상기 빔 홀(203a)의 기하학적 크기는 다음과 같은 상관 관계를 고려하여 결정된다.
먼저, 도 3a를 참고하여 보면, 상기 빔 홀(203a)의 Y축 방향의 길이(A)는 레이저 빔의 길이(D)와 관련이 있으며, 빔 홀(203a)의 X축 방향의 길이(B)는 레이저 빔의 폭(C)과 관계가 있다. 구체적으로, 도 3b를 참고하면 X축 방향에서의 상기 원통형 렌즈(211)와 집광 렌즈(213)의 조합에 의한 초점 거리(F2)는 다음의 <수학식 1>의 유효초점거리 계산식에 의해 계산되며 계산된 초점 거리(F2)는 상기 레이저 노즐(203)과 광학부(210) 사이의 거리(E)를 결정하는데 이용된다.
1/f = 1/f1 + 1/f2 + ..... + 1/fn
상기 <수학식 1>에서 f는 얇은 렌즈의 조합에 의한 유효초점거리(effective focal length)이고, fn은 각 렌즈의 초점거리이다.
다음으로, 도 3c를 참고하면, Y축 방향에서는 집광 렌즈(213)에 의해서 초점거리(F1)가 결정되며 계산된 초점거리(F1)에 의해 빔 홀(203a)의 Y축 방향 길이(A)가 결정된다.
상기 빔 홀(203a)의 면적에 비례해서 기체의 유량이 증가하고 레이저 노즐 (203) 내부의 압력은 반비례함에 따라 상기 빔 홀(203a)의 기하학적 크기에 따라 상기 보호 기체 투입구(203b)에 공급되는 기체의 압력이 결정된다.
이와 같은 빔 홀(203a) 크기의 결정 조건을 고려하여 본 발명의 일 실시예로써 다음과 같은 구체적인 수치를 갖는 레이저 절단장치를 제시한다.
초점거리 50mm의 원통형 렌즈(211)와, 초점거리 190mm의 집광 렌즈(213)로 구성되는 광학부(210)를 구성하여, 상기 집광 렌즈(213)를 투과하여 최종적으로 절단재료(204) 표면 상에 조사되는 타원형 빔을 단축(C) 2mm, 장축(D) 50mm로 형성한다. 또한, 상기 집광 렌즈(213)를 투과한 레이저 빔이 통과하는 레이저 노즐(203)의 빔 홀(203a)은 X축 길이(A)는 2mm, Y축 길이(B)는 16mm로 가공한다. 이와 같은 상태에서, 상기 레이저 노즐(203)의 보호 기체 투입구(203b)에 공급되는 기체의 바람직한 압력은 4bar 정도이다.
본 발명에 따른 레이저 절단장치는 다음과 같은 효과가 있다.
레이저 노즐 일측에 질소 또는 청정 공기 등과 같은 불활성 기체를 소정 압력으로 공급할 수 있는 보호 기체 투입구를 구비시킴에 따라, 광학부의 집광 렌즈를 투과한 레이저 빔이 통과하는 레이저 노즐의 빔 홀을 통해 침투되는 이물질 등을 효과적으로 배출할 수 있게 된다.
또한, 상기 보호 기체 투입구를 통해 공급된 소정 압력을 갖는 기체가 상기 빔 홀을 통해 절단 재료 표면을 향해 배출되어 절단 과정의 진행과 함께 해당 절단 재료를 냉각시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 이에, 종래의 기술과 같은 별도의 냉각기를 구비시킬 필요가 없게 된다.

Claims (5)

  1. 레이저 빔을 출사시키는 빔 발생부;
    상기 레이저 빔의 크기와 형태를 변형시키는 역할을 수행하는 광학부;
    상기 광학부의 하단에 구비되어 상기 광학부를 투과한 레이저 빔이 통과되는 빔 홀이 형성되어 있는 레이저 노즐;
    상기 레이저 노즐 일측에 구비되어 상기 레이저 노즐 내부로 소정 압력을 갖는 보호 기체를 공급하도록 하는 보호 기체 투입구를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학부는 타원형 빔을 형성하는 수단으로써 원통형 렌즈와 집광 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 홀은 일자형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 노즐의 보호 기체 투입구는 보호 기체 공급 관과 연결되어 있으며, 상기 보호 기체 공급관은 보호 기체 공급 펌프와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 노즐은 회전 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
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