KR20060088277A - 광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치 - Google Patents

광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치 Download PDF

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KR20060088277A KR1020050009112A KR20050009112A KR20060088277A KR 20060088277 A KR20060088277 A KR 20060088277A KR 1020050009112 A KR1020050009112 A KR 1020050009112A KR 20050009112 A KR20050009112 A KR 20050009112A KR 20060088277 A KR20060088277 A KR 20060088277A
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Abstract

광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치가 개시된다. 본 발명의 레이저 가공방법 및 가공장치는, 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔이 광섬유를 통하여 레이저 헤드에 전송되고, 상기 광섬유는 광 전송경로를 형성하는 코어(core)를 다수 포함하며, 상기 레이저빔이 다수의 스폿에 집속되어, 대상물의 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되도록 한다.
따라서, 레이저 발진기와 레이저 헤드를 광섬유 등의 소형 경량화된 연결광학계로 연결하여 대상물의 초정밀 가공이 가능하고, 다수의 스폿에 레이저빔을 집속시켜 대상물을 사다리꼴 형상으로 가공함으로써 크랙 발생을 억제할 수 있다.
광섬유, 다수의 코어, 레이저 가공방법, 레이저 가공장치, 멀티 횡모드

Description

광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치{LASER machining method and apparatus using optical fiber for transmitting LASER}
도 1은 종래의 실시예로서 광섬유에 1개의 코어가 구비된 경우에 레이저 가공방법을 도시한 설명도.
도 2는 본 발명의 실시예로서 광섬유에 복수 개의 코어가 구비된 경우에 레이저 가공방법을 도시한 설명도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 가공장치에서 평판 디스플레이 패널이 이송테이블에 장착된 상태를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 가공장치에서 평판 디스플레이 패널이 가공되는 상태를 도시한 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...대상물 103...전극
105...에이징(aging)용 전극 110...이송테이블
121...지지대 122...레이저 헤드아암
130...레이저 발진기 140...레이저 헤드
141...콜리메이터 142...빔 익스팬더(beam expander)
143...집속렌즈 150...광섬유
151...클래딩(cladding) 152...코어(core)
170...제어유니트 190...스폿
200...출력강도
본 발명은 레이저 가공방법 및 가공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 헤드에 광섬유를 통하여 레이저를 전송하고, 이를 집속시켜 대상물을 가공하는 광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치에 관한 것이다.
레이저 가공을 위하여는 레이저를 출사하는 레이저 발진기와, 상기 레이저를 스폿에 집속시켜 피가공물에 조사하는 레이저 헤드와, 레이저 발진기 및 레이저 헤드를 연결하는 연결광학계가 필요하다. 초정밀 가공을 위하여 레이저 헤드는 수 마이크로미터 이내에서 정밀하게 위치 제어되어야 한다. 레이저 헤드는 일반적으로 다수의 미러, 콜리메이터, 및 집속렌즈 등으로 구성되며, 한정된 작업/설치공간을 고려하여 효과적으로 이들을 조합시키는 것이 필요하다. 즉, 레이저 헤드는 무게와 부피가 작고 질량(회전) 관성 모멘트가 최소로 되도록 설치될 필요가 있다.
레이저 발진기와 피가공물간의 거리를 고려하면, 레이저 헤드는 물론 연결광학계도 소형 경량화되어야 한다. 소형 경량화된 연결 광학계로서, 광섬유를 이용하여 레이저 발진기와 레이저 헤드를 연결시킬 수 있다.
도 1은, 종래의 실시예로서 광섬유에 1개의 코어가 구비된 경우에 레이저 가공방법을 도시한다. 광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다. 일반적인 구조는 유리로 된 중앙의 코어(core)(52) 부분과, 이를 감싸는 클래딩(cladding)(51) 부분을 포함한 이중 원기둥 형상이다. 클래딩(51)의 외부에는 광섬유(50)를 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 재질의 보호피복(미도시)을 1∼2차례 입힌다. 코어(52) 부분의 굴절률이 클래딩(51)의 굴절률보다 높게 되어 있어, 광이 코어(52)와 클래딩(51)의 경계면에서 전(全)반사되므로, 코어(52)는 광 전송경로를 형성한다.
코어(52)를 통하여 전송된 레이저빔은 집속렌즈(43)에 의하여 직경 S1 의 스폿(명확한 설명을 위하여 확대 도시함)에 집속된다. 이 레이저빔은 참조부호 20에 집중된 출력강도를 가지며, 대상물(10)에 폭 d1 의 첨단부를 형성시킨다. 상기 첨단부는 대상물(10)의 가공면에 크랙(crack)(33)을 유발시켜 대상물(10)의 피로 파괴 가능성을 증대시킨다.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 레이저 발진기와 레이저 헤드를 광섬유 등의 소형 경량화된 연결광학계로 연결하고, 연결광학계의 구조를 개선하여 레이저 가공 단면에서 크랙 발생을 억제할 수 있는 레이저 가공방법 및 레이저 가공장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저 가공방법은,
레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔이 광섬유를 통하여 레이저 헤드에 전송되고, 상기 레이저 헤드는 상기 레이저빔을 소정 직경의 스폿에 집속시키며, 상기 스폿에 집속된 레이저빔에 의하여 대상물이 가공되는 레이저 가공방법에 있어서, 상기 광섬유는 복수의 코어(core)를 포함하며, 상기 코어들은 복수의 광 전송경로를 형성하여 복수의 스폿에 집속된 레이저빔으로 대상물이 가공됨으로써, 상기 대상물의 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되는 것을 특징으로 한다.
상기 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되면, 상기 가공 단면의 크랙(crack) 발생을 억제할 수 있다.
상기 레이저는 Nd:YAG 레이저 또는 CO2 레이저가 바람직하다.
본 발명에 따른 레이저 가공장치는,
레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;
상기 출사된 레이저빔을 레이저 헤드로 전송하며, 클래딩(cladding) 내부에는 복수의 광 전송경로를 형성하도록 복수의 코어(core)가 구비되는 광섬유;
상기 복수의 코어를 통하여 전송된 레이저빔을 소정 직경의 복수의 스폿에 집속시켜 대상물에 조사하는 레이저 헤드; 를 포함하여,
상기 대상물의 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 헤드는,
상기 광섬유로 전송된 레이저빔을 평행광으로 만드는 콜리메이터;
상기 콜리메이터를 통과한 레이저빔의 크기를 조절하여 초점이 맺히는 거리를 변화시키는 빔 익스팬더(beam expander);
상기 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔을 집속시키는 집속렌즈;를 포함한다.
본 발명의 레이저 가공장치의 일 실시예에 따르면, 상기 대상물을 지지하는 이송테이블을 더 포함하며, 상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드의 상대 운동에 의하여 상기 대상물이 가공위치로 이송된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예로서 광섬유에 복수 개의 코어가 구비된 경우에 레이저 가공방법을 도시한 설명도이다. 도 3은 본 발명에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 4는 대상물이 이송테이블에 장착된 상태를 도시한 사시도이며, 도 5는 대상물이 가공되는 상태를 도시한 사시도이다.
레이저 발진기와 레이저 헤드를 일체로 설치하면, 장치의 무게와 부피의 장대함으로 인하여 수 마이크로 미터 단위의 초정밀 구동이 어렵다. 따라서, 본 발명에서는, 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기(130)와, 출사된 레이저빔을 집속시켜 대상물에 조사하는 레이저 헤드(140)가 분리되어 설치되며, 레이저 헤드(140)와 대상물(100)의 상대운동에 의하여 대상물(100)이 가공지점으로 이송되고, 레이저 헤드(140)와 레이저 발진기(130)를 연결하는 연결광학계로는 플렉시블(flexible)한 광섬유(150)가 구비되어 레이저 헤드(140)의 초정밀 구동이 용이하다.
또한, 도 1에 도시된 클래딩(51) 내부에 한개의 코어(52)를 구비한 종래의 경우처럼 한 개의 지점에 광에너지가 집중되는 것이 아니라, 도 2에 도시된 본 발 명에서는 레이저 발진기(130)와 레이저 헤드(140)를 연결하는 광섬유(150)가 클래딩(151) 내부에 다수의 코어(152)를 구비하여 다수의 스폿점에 광에너지가 집중되므로 대상물(100)의 가공 단면이 사다리꼴에 가까운 형상을 가진다. 이는, 도 1에 도시된 종래의 가공단면이 쐐기 형상의 첨단부를 가질 때 자주 발생하는 가공 단면에서의 크랙(33) 발생을 방지하여 반복하중에 의한 대상물(100)의 피로 파괴를 방지한다.
레이저 출력단에서 레이저 광속(光束)의 수직단면의 강도분포를 횡(橫)모드또는 공간모드라 한다. 횡모드는 레이저 발진기(130)의 구조나 형상에 의하여 발생하는 회절이나 간섭현상에 기인한다. 횡모드의 상태가 단순하고, 광강도가 스폿 중심부에 집중되는 가우스 분포이며, 광강도가 스폿 중심부에서 멀어질수록 확률분포적으로 작아지는 모드를 싱글(single) 횡모드라 하고 TEM00 로 표기한다. 싱글(single) 횡모드 TEM00 의 레이저빔은 시/공간적으로 가장 코히런스(coherence)가 우수하고 집광성이 좋다는 것이 알려져 있다. 그 이외의 모드는 멀티(multi) 횡모드라 한다.
이상적인 가우스 분포의 레이저빔을 볼록렌즈로 집속시켜도 기하학적으로 한 점에 모이는 것이 아니고, 스폿 초점 위치에서 잘록한 허리부를 가진다. 레이저빔을 집광시켰을 때, 스폿 직경 S는 다음 식과 같다.
S = 2 * (λ / π) * (f / D)
S : 스폿직경
λ: 파장
f : 집속렌즈(143)의 초점거리
D : 입사 레이저빔 직경
스폿 직경(S)은 입사되는 레이저빔의 직경(D)이 크며, 집속렌즈(143)의 초점거리(f)가 짧을수록, 입사되는 레이저빔의 파장(λ)이 짧을수록 작아진다. 동일한 레이저 발진기와 동일한 초점거리의 집속렌즈를 사용하였다고 가정하면 f 와 λ가 동일하므로, 도 1과 도 2에서 스폿 직경(S)은 입사되는 레이저빔의 직경(D)에 반비례한다. 따라서, 도 1의 코어(52)로 전송되는 레이저빔은 스폿 직경 S1 을 가지는데 비하여, 도 2의 코어(152)로 전송되는 레이저빔은 상대적으로 작은 스폿 직경 S2 를 가진다.
레이저빔의 출력강도의 관점(단, 가우스 분포의 피크값의 크기 차이는 무시)에서볼 때, 도 1에서는 참조부호 20의 피크점 한 곳에 출력강도가 집중되나. 도 2에서는 참조부호 200으로 표시된 다수의 스폿에 다수의 광출력 강도 피크점이 분산된다. 상술한 광출력 강도의 피크점 갯수 증가는 오로지 코어(152)의 갯수 증가에 기인하므로, 레이저빔이 싱글(single) 횡모드 또는 멀티(multi) 횡모드인지 여부에 관계 없다.
레이저 발진기에서 멀티 횡모드의 레이저빔을 출사하고 이를 도 1에 도시된 종래의 한 개의 코어(52)로 전송하여 한개의 스폿 직경(S1) 범위내에서 광출력을 분 산시킬 수도 있다. 이에 비하여, 본 발명의 광섬유(150) 구조는 복수의 코어(152)에 의하여 광강도의 피크점(200)을 분산시키므로, 레이저빔이 싱글(single) 횡모드 또는 멀티(multi) 횡모드인지 여부에 관계없이 안정적으로 사다리꼴 형상의 가공단면을 얻을 수 있다.
본 발명의 광섬유(150) 구조로 인하여, 대상물(100)의 가공단면은 d2 의 완화된 첨단부를 가지는 사다리꼴 형상으로 가공된다. 이는 가공단면에서의 크랙 발생 가능성을 줄이므로, 대상물(100)의 가공단면이 반복 하중에 의하여 피로 파괴될 우려를 저감한다.
도 3에 도시된 본 발명의 레이저 가공장치에는, 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기(130)와, 레이저 발진기(130)로부터 전송된 레이저빔을 평판 디스플레이 패널(100) 표면의 소정 위치에 조사하는 레이저 헤드(140)가 마련된다. 레이저 발진기(130)로부터 레이저 헤드(140)까지의 레이저빔의 전송은 광섬유(150)를 통해 이루어진다.
레이저 헤드(140)에는 콜리메이터(141), 빔 익스팬더(142), 및 집속렌즈(143)가 설치된다. 광섬유(150)를 통해 전송된 레이저빔은 콜리메이터(141)에 의해 평행광으로 만들어지며, 상기 평행광은 초점 거리 조절을 위하여 빔 익스팬더(142)에 의해 소정 크기로 배율이 조정되며, 집속렌즈(143)에 의하여 소정 직경의 스폿에 집속된다. 도 3에 점선으로 표시된 레이저빔은 빔 익스팬더(142)에 의하여 레이저빔의 크기가 축소되고, 초점이 맺히는 거리가 감소된 경우를 일례로 도시한다.
대상물(100)의 두께에 따라 레이저빔의 초점 거리를 조절해야 하는데, 빔 익스팬더(142)가 설치되지 않은 경우에는 레이저 헤드(140)의 수직이동에 의하여 초점이 맺히는 거리를 조절할 수 있다. 반사 미러가 더 구비되면, 광섬유(150)가 레이저 헤드(140)에 장착되는 위치에 상관없이 광섬유(150)의 단부에서 조사되는 레이저빔의 광경로를 콜리메이터(141) 방향으로 지향시킬 수 있다.
레이저 발진기(130)의 레이저빔 출사와 레이저 헤드(140) 및 이송테이블(110)의 이동을 제어하는 제어유니트(170)가 마련된다. 제어유니트(170)에는 DSP칩이 구비되어 레이저빔 출사와 레이저 헤드(140) 및 이송테이블(110)의 이동을 초고속으로 실시간 제어할 수 있다.
대상물(100)의 종류는 어떠한 것이든 무방하나, 도 4 내지 도 5에서는 LCD, PDP등의 평판 디스플레이 패널(100)의 에이징(aging)용 전극(103)을 본 발명의 레이저 가공장치로 절단하는 실시예를 설명한다.
레이저 가공장치는, 수 십인치의 크기의 평판 디스플레이 패널(100)을 장착하는 이송테이블(110)을 구비한다. 이송테이블(110)은 고정되고 레이저 헤드(140)가 X-Y 양축을 이동하며 레이저빔을 조사하거나, 레이저 헤드(140)가 고정되고 이송테이블(110)이 X-Y 양축을 이동하거나, 레이저 헤드(140)가 X축 또는 Y축 중 어느 한 축을 이동하고 이송테이블(110)이 나머지 한 축을 이동하며 레이저빔을 조사하는 등의 다양한 실시예가 가능하다. 그 중에서, 장대한 크기의 평판 디스플레이 패널(100)과 이송테이블(110)이 이동되는 것보다, 상대적으로 작은 크기의 레이저 헤드(140)가 X-Y 양축을 이동하며, 평판 디스플레이 패널(100)이 가공위치로 이송 되는 것이 더욱 바람직하다.
평판 디스플레이 패널(100)은 모든 단위 셀들이 오랜 시간 동안 제대로 작동하는지의 여부를 검사하는 에이징 공정을 거치게 되는데, 에이징 공정은 평판 디스플레이 패널(100)의 가장자리에 다수 배치된 전극(103)들 위에 에이징용 전극(105)을 인쇄하여 전극(103)들을 모두 쇼트(short)시킨 상태에서 전압을 인가함으로써 행해진다. 상기한 에이징 공정이 완료된 후에는 쇼트되어 있는 전극(103)들을 쇼트되기 전 상태인 각 전극(103)들이 서로 단절된 상태로 만들어 주어야 한다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에서는, 레이저 헤드(140)가 레이저빔을 조사하여 전극(103)들 각각의 일부분을 제거한다.
CCD 카메라 등의 비젼(vision)센서가 구비되어, 평판 디스플레이 패널(100)의 가공상태 및 X-Y좌표 이동을 센싱(sensing)하고, 이 측정값을 제어유니트(170)에 피드백(feed-back)하는 것이 바람직하다.
레이저빔으로는 파장이 200㎚ 내지 2,000㎚인 비교적 고출력의 레이저빔이 사용될 수 있다. 대상물(100)의 재질에 따라 Nd:YAG 펄스 레이저, CO2 레이저 또는 자외선(UV) 레이저 등이 사용된다. Nd:YAG 펄스 레이저는 장파장 레이저로 대상물(100) 재질이 SUS 계열에 이용되고, UV 레이저는 단파장 레이저로 대상물(100)이 폴리이미드(Polyimide) 필름인 경우에 이용된다. 그리고, CO2 레이저는 원적외선 레이저로 대상물(100)이 SUS 계열인 경우에 이용되거나 대상물(100)을 용접하는데 이용된다. 본 발명의 전극(103) 절단용으로는 고체 레이저인 네오디윰 야그(Nd:YAG) 레이저와 기체 레이저인 이산화탄소(CO2) 레이저가 바람직하다.
조사되는 레이저빔은 그 에너지가 전극(103)의 절단부위에 집중될 수 있도록 빔 익스팬더(142)의 조절 또는 레이저 헤드(140)의 수직이동에 의해 초점이 맺히는 거리가 조절된다. 레이저빔이 조사된 전극(103)의 일부분만 완전히 제거되고 기판 자체는 거의 손상이 없도록 가공 단면은 사다리꼴 형상으로 가공된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 전송 레이저를 이용한 레이저 가공방법 및 가공장치는 레이저 발진기와 레이저 헤드를 광섬유 등의 소형 경량화된 연결광학계로 연결하여 대상물의 초정밀 가공이 가능하고, 연결광학계의 구조를 개선하여 다수의 스폿에 레이저빔을 집속시켜 대상물을 사다리꼴 형상으로 가공함으로써 레이저 가공 단면에서 크랙 발생을 억제할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔이 광섬유를 통하여 레이저 헤드에 전 송되고, 상기 레이저 헤드는 상기 레이저빔을 소정 직경의 스폿에 집속시키며, 상기 스폿에 집속된 레이저빔에 의하여 대상물이 가공되는 레이저 가공방법에 있어서,
    상기 광섬유는 복수의 코어(core)를 포함하며,
    상기 코어들은 복수의 광 전송경로를 형성하여, 복수의 스폿에 집속된 레이저빔으로 대상물이 가공됨으로써, 상기 대상물의 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되어, 상기 가공 단면의 크랙(crack) 발생이 억제되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 레이저는 Nd:YAG 레이저 또는 CO2 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.
  4. 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;
    상기 출사된 레이저빔을 레이저 헤드로 전송하며, 클래딩(cladding) 내부에는 복수의 광 전송경로를 형성하도록 복수의 코어(core)가 구비되는 광섬유;
    상기 복수의 코어를 통하여 전송된 레이저빔을 소정 직경의 복수의 스폿에 집속시켜 대상물에 조사하는 레이저 헤드; 를 포함하여,
    상기 대상물의 가공 단면이 사다리꼴 형상에 근접되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레이저 헤드는,
    상기 광섬유로 전송된 레이저빔을 평행광으로 만드는 콜리메이터;
    상기 콜리메이터를 통과한 레이저빔의 크기를 조절하여 초점이 맺히는 거리를 변화시키는 빔 익스팬더(beam expander);
    상기 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔을 집속시키는 집속렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 대상물을 지지하는 이송테이블을 더 포함하며,
    상기 이송테이블과 상기 레이저 헤드의 상대 운동에 의하여 상기 대상물이 가공위치로 이송되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 레이저는 Nd:YAG 레이저 또는 CO2 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100912181B1 (ko) * 2007-09-20 2009-08-14 노승백 레이져 표면처리단계를 이용한 납오름 방지용 부분도금방법
KR100985913B1 (ko) * 2007-11-27 2010-10-08 주식회사 엘티에스 레이저 스크라이빙 방법
CN114769620A (zh) * 2018-05-18 2022-07-22 Ii-Vi 特拉华有限公司 利用光纤阵列激光源和自适应多光束整形的金属中的增材制造

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