KR20070042293A - 레이저 패턴 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저빔 스캐닝 방식을 이용하여 다층코팅된 가공대상물의 일부층을 제거함으로써 그 제거된 일부층에 문자 또는 문양을 패터닝 할 수 있는 다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치에 관한 것이다.

레이저, 패터닝, 다층코팅재료, 듀얼헤드

Description

다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치{Dual head laser patterning device of multilayer coating materials}

도 1은 본 발명에 따른 레이저 패터닝 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 패터닝 장치의 빔 변환부를 통해 빔의 형태가 다양하게 변화된 상태를 나타낸 것이다.

도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 레이저 패터닝 장치를 통해 가공대상물의 일부층이 제거된 상태를 개념적으로 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 공진기 2 : 레이저 빔 분할부

2a : 빔분할광학계 2b : 광학부품

3 : 반사 미러 4,5 : 레이저 빔 크기 조절부

6,7 : 레이저 빔 변환부 8,9 : 레이저 조사부

8a : Y축 반사미러 8b : X축 반사미러

8c : 스캔렌즈 8d : 가공대상물

10 : 장치 제어부

본 발명은 레이저를 이용한 패턴 형성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스캔방식으로 두 개의 헤드를 가지면서 스캔 형태도 원형이나 다각형 등 다양화 시킨 다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 패턴 형성은 레이저빔의 에너지를 열로 전환하여 사용하는 열적인 물질가공의 한 분야로서, 레이저의 높은 에너지밀도를 이용하여 물체의 표면을 각인 또는 변색시켜 문자, 도형 등을 영구 형성하는 것을 말한다.

이러한 레이저 패터닝 장치는 제품과 레이저 발진기의 사이에 마스크를 끼워 넣고 제품을 이동시키면서 고출력으로 레이저빔을 발진시킴으로써 마스크를 통과한 부위에만 패턴이 형성되게 하는 마스크형과, 제품의 마킹 위치에만 레이저빔을 주사하여 원하는 형태로 패턴을 형성하는 스캔형으로 구분할 수 있는데, 마스크형의 경우 제품을 이동시키면서 패턴을 형성함으로써 생산량의 증대를 꾀힐 수는 있으나 레이저빔 발진시의 펄스용량이 클 수밖에 없어 소비전력 및 가격이 상승하게 되고 소음이 발생하는 단점이 있으며, 스캔형의 경우 제품의 원하는 위치에 맞게 레이저 빔을 주사하게 되므로 소비전력과 가격을 낮출 수 있으나 제품을 일단 멈추어 놓은 상태에서 패턴을 실시해야 하지만, 최근에는 제품을 이송하면서 그 이송 속도값을 감안하여 패턴 위치를 실시간으로 수정하면서 패턴을 형성함으로써 주사형의 장점 인 소비전력 및 가격의 절감을 이룰 수 있었다.

그러나 패턴 형성장치는 패턴 형성원인 레이저 발진이 한 곳에서만 발생되므로 제반 조건이 향상되어도 생산성 향상에는 한계가 있었고, 빔의 형태도 단순하여 패턴 형성의 다양성을 확보하지 못했다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 가공조건을 조절하여 다층코팅된 재료의 일부층을 제거하여 문자 또는 문양을 이용하여 레이저 패터닝 방법과 원통형 렌즈 혹은 회절광학계(Diffractive Optical Element) 등을 이용하여 레이저 공진기로부터 방출된 레이저 빔을 원형, 타원형, 라인형태, 사각형 등의 빔으로 전환시킴으로써 X-Y 축 스캐닝 방식에 의한 다층코팅층을 가진 가공 대상물의 표면 혹은 일부층에 여러가지 모양의 문자 및 문양의 패턴을 매우 빠른 속도로 수행할 수 있는 스캐닝 방식을 이용한 다층코팅 재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 1064㎚ 의 파장을 갖는 레이저, 제2차고조파를 추출함으로써 획득되는 532㎚ 의 파장을 갖는 레이저, 제3차고조파를 추출함으로써 획득되는 355㎚의 파장을 갖는 레이저, 제4차고조파를 추출함으로써 획득되는 266㎚의 파장을 갖는 레이저를 사용한다.

상기 레이서 소스를 채택하는 주된 이유는, 첫째, 동일한 진폭의 경우 파장이 짧아짐에 따라 레이저 에너지가 상대적으로 증가하고, 둘째, 코팅 혹은 증발 등의 과정을 겪게 되어 재료의 특성이 변화되거나 제거되며, 셋째, 레이저 파장이 짧아짐에 따라 렌즈의 집속에 의해 작은 스폿 직경을 얻을 수 있다.

본 발명에서 특정 파장을 가진 충분히 높은 에너지가 집속된 레이저 빔이 재료표면에 주사될 경우, 레이저 에너지가 재료 내에 흡수되어 표면온도가 용융점 이상으로 증가 되어 용융 및 증발 등의 과정을 겪게 되어 재료의 특성이 변화되거나 제거된다. 이러한 현상은 레이저의 특성(파장,세기,펄스 폭 등)뿐만 아니라, 재료의 흡수율, 반사율, 투과율, 열전도도 등의 특성에 따라 다르다.

또한, 본 발명은 다층 코팅된 재료의 일부층 내에 레이저 패터닝을 할 경우 다층코팅된 재료의 깊이방향으로 레이저 스폿이 조사되도록 코팅층의 두께 범위내에서 제어되어야 한다. 이러한 제어는 레이저 스폿의 초점 위치를 변화시킬 수 있는 광학 시스템이 컴퓨터에 의해 정확하게 제어되는 레이저 조사장치를 사용하여 정확하게 수행될 수 있다.

상기 레이저 조사 장치에서 사용되는 레이저 파장은, 파장이 짧아짐에 따라 레이저의 에너지가 증가하는 관점에서 바람직하게는 더 짧다. 그러나 레이저 에너지 밀도는 스폿 직경을 축소함으로써 또한 향상될 수 있다.

상기 다층으로 코팅되어 있는 재료의 패터닝 조건을 만족시키는 파장의 레이저 소스를 사용함으로써, 원하는 코팅층의 물질을 신속하게 제거함으로써 일부층에 문자 및 문양 등을 패터닝 할 수 있다. 이 경우, 조사된 레이저의 유형은 임의의 연속적 유형 및 펄스 유형일 수도 있다.

또한, 본 발명은 레이저 공진기로부터 발진된 빔을 동일한 레이저 세기를 갖도록 두 방향으로 분할하여 전달하는 레이저 빔 분할부와, 이로부터 분할된 레이저 빔을 반사미러에 의하여 가공 대상물까지 방향을 전환시키고, 방향 전환된 레이저 빔의 크기를 조절하는 레이저 빔 크기조절부와 이로부터 크기 조절되어 전달된 레이저 빔을 X-Y 축 스캐너 및 스캔렌즈를 통하여 집속시키는 레이저빔 조사부와, 다층으로 코팅되어 있는 가공 대상물의 위치를 이동시키는 이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 스캐닝 방식을 이용한 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치 및

레이저 공진기로부터 발진된 레이저 빔을 동일한 레이저 세기를 갖도록 두 방향으로 분할하여 전달하는 레이저 빔 분할부와, 이로부터 분할된 레이저 빔을 반사미러에 의하여 다층으로 코팅되어 있는 가공 대상물까지 방향을 전환시키고, 방향 전환된 레이저 빔의 크기를 조절하는 레이저 빔 크기조절부와 이로부터 크기 조절되어 전달된 레이저 빔을 원통형 렌즈 혹은 회절광학계를 이용하여 원형, 타원형, 라인형태, 사각형 등의 빔으로 전환시킴으로써 X-Y축 스캐너 및 스캔렌즈를 통하여 집속시키는 레이점 빔 조사부와 다층으로 코팅되어 있는 가공 대상물의 위치를 이동시키는 이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 스캐닝 방식을 이용한 레이저 패터닝 장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 공진기(1)로 부터 발진된 레이저 빔을 동 일한 레이저 세기를 갖도록 두 방향으로 분할하여 전달하는 레이저 빔 분할부(2)로 진입한다. 상기 레이저 빔 분할부(2)은 사용된 레이저 파장에 대하여 무반사 코팅 및 반사코팅이 되어 있는 빔분할광학계(2a)와 분할된 레이저 빔의 세기를 조절하는 광학부품(2b)으로 구성된다.

또한, 상기 레이저 빔의 세기를 조절하는 광학부품(2b)은 레이저 빔의 특성에 따라 무반사 코팅이 되어 있거나 전혀 되어 있지 않은 광학부품, λ/2 파장판(Waveplate), 편광판(Polarizwe), ND필터 등을 선택적으로 적용될 수 있다. 따라서 레이저 빔 분할부(2)로 진입한 레이저 빔은 동일한 레이저 세기로 두 방향으로 분할되어 반사 미러(3)등을 통하여 레이저빔 크기 조절부(4,5)로 진입하게 된다.

상기 레이저빔 크기 조절부(4,5)는 오목렌즈 및 블록렌즈로 구성된 빔확대기로 빔확대기 내의 렌즈들의 위치를 제어함으로써 빔의 크기뿐만 아니라 레이저 빔 조사부(8,9)의 집속된 레이저 스폿의 초점길이를 조정하는 것이 가능하다. 또한 레이저 빔 크기조절부(4,5)는 스크류 방식 혹은 리니어 방식의 선형가이드에 축결합된 구동모터가 장착되어 있는 빔확대기를 사용할 경우, 레이저 패터닝 장치 제어부(10)에 빔 확대기의 내부 렌즈들의 위치를 정확하게 제어함으로써 레이저 빔의 크기 및 레이저 조사부(8,9)의 집속된 레이저 스폿의 초점길이를 정밀 제어하는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이, 크기 조절된 레이저 빔은 레이저 빔 조사부(8,9)로 진입하게 된다. 상기 레이저 빔 조사부(8,9)는 레이저 빔의 위치를 조절하는 X-Y축 스캐너(8a,8b), 전달된 레이저 빔을 작은 스폿을 갖도록 집속하는 스캔렌즈(8c), 다 층으로 코팅되어 있는 가공 대상물의 위치를 이동시키는 이동부(미도시)로 구성된다. 종래의 X-Y축 스캐너 장치의 작동과 유사하게 레이저 빔의 크기가 조절되어 전달된 레이저 빔은 X축 반사미러(8b)에 의하여 반사된 다음 Y축 반사미러(8a)에 의하여 디사 반사되어 스캔렌즈(8c)를 통과한 집속된 레이저 빔이 다층으로 코팅되어 있는 가공 대상물(8d)의 표면으로 유도된다.

또한, 본 발명은 원통형 렌즈 혹은 회절광학계를 적용한 레이저 빔 변환부(6,7)를 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 빔(12)을 원형(12a), 사각형(12b), 라인형태(12c), 스폿어레이형태(12d), 문자형태(12e), 타원형(12f) 등의 빔으로 전환시킴으로써 X-Y축 스캐너(8a,8b) 및 스캔렌즈(8c)를 통하여 집속시켜 다층으로 코팅되어 있는 가공 대상물(8d)의 표면에 다양한 모양의 패터닝이 가능하다.

또한, 본 발명은 도 3a와 도 3b에 도시한 바와 같이 다층으로 코팅되어 있는 가공대상물(8d) 표면에 여러가지 레이저 가공조건으로 레이저 빔(12)을 적용함으로써 일부층을 제거하거나 변화시킬 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 듀얼 헤드 레이저 패터닝 제조장치는 다층으로 코팅 혹은 도금되어 있는 금속공구물, 반도체 소자, 전자 소자, PCB 기판, 평판 디스플레이, 의료용 기구, 바이오 소자 등의 정밀 패터닝 공정에 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 다층코팅재료의 듀얼 헤드 패터닝 장치는 레이저 가공조건을 조정하는 것과 더불어 원통형 렌즈 혹은 회절광학계 등을 이용하여 레이저 공진기로부터 방출된 레이저 빔을 원형, 타원형, 라인형태, 사각형 등의 빔으로 전환시킴으로써 X-Y축 스캐닝 방식에 의한 다층의 코팅층을 가진 가공 대상물의 표면 혹은 일부층이 여러가지 모양의 문자 및 문양의 패터닝을 기존 싱글 헤드 레이저 패터닝 방법과 비교해 매우 빠른 속도로 레이저 패터닝을 수행할 수 있다.

Claims (3)

1. 레이저 빔을 발진시키는 레이저 공진기와; 상기 레이저 공진기로 부터 발진된 레이저 빔을 동일한 레이저 세기를 갖도록 두 방향으로 분할하여 전달하는 레이저 빔 분할부와; 상기 레이저 빔 분할부로 진입한 레이저 빔을 반사시켜 방향전환시키는 미러와; 상기 레이저 빔 분할부와 상기 반사미러를 통과하여 진입된 레이저의 크기를 각각 조절하는 레이저 빔 크기 조절부와; 상기 레이저 빔 크기 조절부를 통해 진입된 레이저 빔의 형태를 다양한 형태로 변화시켜주는 레이저 빔 변환부와; 상기 레이저 빔 변환부를 통해 진입된 레이저 빔을 빔의 위치를 조절하는 X-Y축 스캐너와 전달된 레이저 빔을 작은 스폿을 갖도록 집속하는 스캔렌즈로 구성된 레이저 빔 조사부; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 빔 변환부는 원통형 렌즈 또는 회절광학계로 이루어지며, 변환된 레이저 빔 형태는 원형, 사각형, 라인형태, 스폿어레이형태, 문자형태, 타원형 중의 하나인 것을 특징으로 하는 다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 빔 분할부는 무반사 코팅 및 반사코팅이 되어 있는 빔분할광학계와 분할된 레이저 빔의 세기를 조절하는 광학부품으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층 코팅재료의 듀얼 헤드 레이저 패터닝 장치.

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