KR20070054270A - 레이저를 이용한 취성재료 절단장치 - Google Patents

레이저를 이용한 취성재료 절단장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 취성재료를 절단하는 취성재료 절단장치에 관한 것이다.
본 발명은, 레이저를 이용한 취성재료 절단장치에 있어서, 레이저를 발생시키는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에서 발생된 레이저 빔을 증폭, 확대, 굴절시키는 광학계; 레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈를 수용하는 렌즈 유닛; 상기 렌즈 유닛을 수평 방향으로 구동시켜 X축 렌즈 또는 Y축 렌즈가 상기 레이저 빔의 조사 위치로 이동시키는 렌즈 유닛 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치를 제공한다.
유리기판, 취성재료, 레이저, 절단, 절단장치

Description

레이저를 이용한 취성재료 절단장치{GLASS LASER CUTTING SYSTEM}
도 1은 종래의 취성 재료 절단장치의 구조를 도시하는 측면도이다.
도 2는 취성 재료 절단을 위한 빔 모양을 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 유닛 및 렌즈 유닛 구동부의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 취성재료 절단장치의 구조 및 작동 방법을 도시하는 작동도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 종래의 취성재료 절단장치
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 취성재료 절단장치
10, 110 : 광원 20, 120 : 광학계
30 : 빔 방향 변경부 130 : 렌즈 유닛
140 : 렌즈 유닛 구동부 40, 150 : 취성재료 탑재대
S : 취성재료 B, BX, BY : 레이저 빔
본 발명은 레이저를 이용하여 취성재료를 절단하는 취성재료 절단장치에 관한 것이다.
일반적으로 유리, 세라믹 등의 깨지기 쉬운 취성재료는 액정표시장치(LCD) 및 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등 평판표시소자의 기판으로 사용되는 것으로, 그 절단 가공은 통상 기계적인 노치(notch)를 형성하고, 열 또는 기계적인 힘을 가함으로써 노치를 따라 이루어진다.
기계적인 노치는 다이아몬드 커터로 취성재료의 표면을 긁음에 의해 일정 깊이로 형성되는 것으로, 노치 형성시 부스러기가 발생한다. 이때 발생한 부스러기는 주위를 오염시키는 원인이 되므로, 세정 공정을 통하여 제거할 필요가 있다. 한편, 세정공정은 다단계로 이루어지는 것으로, 이 세정공정에 필요한 장비가 큰 공간을 차지하므로 공간활용 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 또한 제거되지 않고 남은 부스러기는 타 공정에도 부정적인 영향을 준다.
따라서 이러한 부스러기가 발생하지 않는 레이저를 이용한 절단방법이 개시되고 있다. 종래의 레이저를 이용한 절단장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(레이저 소스, 10), 광학계(20), 빔 방향 변경부(30) 등을 포함하여 구성된다. 먼저 광원(10)은 최초로 레이저를 발생시키는 구성요소로서 공정에 필요한 일정한 레이저를 발생시킨다.
다음으로 광학계(20)는, 상기 광원(10)에 의하여 발생된 레이저빔을 증폭, 확대 및 굴절시키는 등의 기능을 수행하는 구성요소이다. 상기 광원(10)에서 발생된 레이저는 그 상태 그대로 취성재료의 절단에 사용되는 것이 아니라, 그 경로 파장 강도 등이 공정에 적합하게 변경되어 사용된다. 따라서 이 광학계(20)가 레이저빔을 공정에 적합하도록 변경한다.
그리고 빔 방향 변경부(30)는 경통(32) 및 이 경통(32) 내부에 배치되어 빔 모양을 변경하는 집광렌즈(34)로 구성된다. 이 빔 방향 변경부(30)는 최종적으로 취성재료의 절단 위치에 조사되는 레이저빔의 방향을 변경하는 구성요소이다. 레이저 빔의 모양(B)을 취성재료의 절단 방향과 동일하게 하여, 고에너지 집적 부분이 취성재료의 절단 방향과 일치하도록 하는 것이다. 즉 취성재료(S)를 X축 방향으로 이동시키면서 절단 작업을 진행하는 경우에는 빔의 모양을, X축과 일치하는 장축을 가지는 타원형 모양(BX)으로 변경하고, 취성 재료(S)를 Y축 방향으로 이동시키면서 절단 작업을 진행하는 경우에는 빔의 모양을, Y축과 일치하는 장축을 가지는 타원형 모양(BY)으로 변경하는 것이다. 이렇게 레이저 빔의 모양을 절단 방향과 일치시키면 취성재료에 고에너지를 가지는 빔이 더 오래동안 조사되므로 취성재료가 용이하게 절단된다.
그리고 이러한 레이저를 이용한 취성재료 절단장치에는 레어저 빔 조사에 의하여 가열된 취성재료의 절단 부위를 냉각시키기 위한 냉각부(도면에 미도시) 등이 더 마련된다.
그런데 취성 재료의 절단 작업은 한 방향으로만 진행되는 것이 아니라 다른 방향으로 변경되기도 한다. 따라서 이 빔 방향 변경부(30)를 회전시켜 절단 작업 진행 방향과 빔 모양을 일치시키는 작업이 필요하다. 그러므로 이 빔 방향 변경부(30)에는 경통(32)을 회전시키는 경통 회전부(36)가 더 마련된다. 이 경통 회전부(36)는 X축 방향의 절단 작업이 마무리되면 경통(32)을 90°회전시켜 Y축 방향의 절단 작업을 진행할 수 있도록 한다.
그러나 이렇게 경통 회전부(36)를 이용하여 집광렌즈(34)의 방향을 변경하는 것은 레이저 빔의 정확한 위치 결정이 용이하지 않은 문제점이 있다. 즉, 정확한 절단 작업을 위해서는 경통 회전부(36)가 집광렌즈(34)를 정확한 각도로 회전시켜야 하고, 레이점 빔의 경로를 따라서 렌즈가 정확한 수평 상태를 유지하여야 하는데, 이를 조절하기가 매우 어려운 것이다. 이로 인해 종래의 절단장치는 절단 작업의 안정성 및 재현성 확보가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 또한 집광렌즈(34)가 경통(32) 내부에 배치되므로, 집광렌즈를 교체 또는 수리하기 위해서는 경통 전체를 분해해야 하는 번거로움도 있다.
본 발명의 목적은 조사되는 빔의 방향을 용이하게 변경하여 절단 작업의 방향을 용이하게 변경할 수 있는 취성재료 절단장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 레이저를 이용한 취성재료 절단장치에 있어서, 레이저를 발생시키는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에서 발생된 레이저 빔을 증폭, 확대, 굴절시키는 광학계; 레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈를 수용하는 렌즈 유닛; 상기 렌즈 유닛을 수평 방향으로 구동시켜 X축 렌즈 또는 Y축 렌즈가 상기 레이저 빔의 조사 위치로 이동시키는 렌즈 유닛 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 렌즈 유닛은, 레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈; 상기 각 렌즈를 소정 간격 이격된 상태로 분리하여 수용하는 렌즈 수용 프레임;을 포함하여 구성되는 것이, 정확한 각도로 미리 세팅된 렌즈를 사용하므로 정확한 방향의 레이저 빔을 사용할 수 있어서 바람직하다.
이때 상기 렌즈 수용 프레임은, 상기 X축 렌즈 및 Y축 렌즈를 동일한 높이에서 수용하는 것이, 취성재료의 절단 작업에 있어서 공정의 동일성을 확보할 수 있어서 바람직하다.
그리고 렌즈 유닛 구동부는, 상기 렌즈 수용 프레임과 결합하여 렌즈 수용 프레임의 수평 이동 방향을 안내하는 가이드; 상기 렌즈 수용 프레임의 일측에 배치되어 상기 렌즈 수용 프레임을 수평 방향으로 이동시키는 동력수단;을 포함하여 구성되는 것이, 렌즈의 이동 경로를 정확하게 제어할 수 있어서 바람직하다.
그리고 동력수단은, 상기 렌즈 수용 프레임의 수평 위치를 미세하게 조정할 수 있는 엑츄에이터(actuator)인 것이 바람직하다.
또한 상기 렌즈 유닛에는, 상기 렌즈 수용 프레임 상에 배치된 각 렌즈의 배치 각도를 조정할 수 있는 렌즈 각도 조절수단이 더 마련되는 것이, 빔 방향을 미세하게 조정할 수 있어서 바람직하다.
한편 상기 X축 렌즈와 Y축 렌즈가 각각 별도의 렌즈 유닛에 배치되고, 각 렌즈 유닛은 별도의 렌즈 유닛 구동부에 의하여 구동되는 것도, 각 렌즈를 독립적으로 구동 제어할 수 있어서 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 레이저를 이용한 취성재료 절단장치(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 소스(110); 광학계(120); 렌즈 유닛(130); 렌즈 유닛 구동부(140);를 포함하여 구성된다. 이하에서는 각 구성요소의 구조 및 기능을 상세하게 설명한다.
먼저 레이저 소스(110)는 레이저를 발생시키는 구성요소이며, 광학계(120)는 이 레이저 소스(110)에서 발생된 레이저 빔을 증폭, 확대, 굴절시키는 구성요소이다. 이들은 종래의 취성재료 절단장치의 그것들과 동일한 구조 및 기능을 가지므로 여기에서 반복하여 설명하지 않는다.
다음으로 렌즈 유닛(130)은, 레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈를 수용하는 구성요소이다. 즉, 취성재료를 X축 방향으로 절단하기 위하여 조사되는 레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 조정하는 X축 렌즈와, 취성 재료를 Y축 방향으로 절단하기 위하여 조사되는 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 조정하는 Y축 렌즈를 동시에 수용하고, 각 렌즈의 위치를 이동가능하게 배치하는 것이다. 본 실시예에서는 이 렌즈 유닛을(130), 도 3에 도시된 바와 같이, X축 렌즈(132); Y축 렌즈(134); 렌즈 수용 프레임(136);으로 구성한다. X축 렌즈(132)와 Y축 렌즈(134)는 전술한 바와 같고, 렌즈 수용 프레임(136)은, 상기 각 렌즈(132, 134)를 소정 간격 이격된 상태로 분리하여 수용하는 구성요소이다. 이때 각 렌즈(132, 134)는 렌즈 수용 프레임(136)에서 탈착이 용이하도록 고정된다. 그리고 렌즈가 렌즈 수용 프레임에 고정된 상태에서는 움직임이 전혀 발생하지 않도록 견고하게 고정된다. 렌즈가 렌즈 수용 프레임 상에서 움직이는 경우에는 레이저 빔의 조사 방향이 변동되어 절단 작업의 재현성이 저하될 수 있기 때문이다.
그리고 렌즈 유닛 구동부(140)는, 상기 렌즈 유닛(130)을 수평 방향으로 구동시켜 X축 렌즈 또는 Y축 렌즈가 상기 레이저 빔의 조사 위치로 이동시키는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 렌즈 유닛 구동부(140)를, 도 3에 도시된 바와 같 이, 가이드(142)와 동력수단(144)으로 구성한다. 먼저 가이드(142)는, 상기 렌즈 수용 프레임(136)과 결합하여 렌즈 수용 프레임(136)의 수평 이동 방향을 안내하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 가이드(142)를 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 직선 방향의 이동 경로를 제공하는 리니어 가이드로 구성한다. 다음으로 동력수단(144)은, 상기 렌즈 수용 프레임(136)의 일측에 배치되어 상기 렌즈 수용 프레임을 수평 방향으로 이동시키는 구성요소이다. 즉, 이 동력수단(144)은, 상기 렌즈 유닛(130)의 양 측 또는 일 측에 마련되어 렌즈 유닛을 수평 방향으로 밀어서 이동시키는 것이다. 이때 상기 동력수단(144)은, 상기 렌즈 수용 프레임(136)의 수평 위치를 미세하게 조정할 수 있는 엑츄에이터(actuator)인 것이 바람직하다.
그리고 상기 가이드(142)에는, 상기 렌즈 수용 프레임(136)이 조사 위치에서 정지하도록 이동 경로를 한정하는 스토퍼(도면에 미도시)가 더 마련되는 것이 바람직하다. 이 스토퍼는, 상기 가이드(142) 중 렌즈 수용 프레임(136)이 정지할 지점에 배치되어 렌즈 수용 프레임이 정확한 위치에서 정지하게 한다. 이때 렌즈 수용 프레임의 정지할 지점은, 수용되어 있는 렌즈가 조사 위치에 정확하게 위치되는 지점을 말한다. 그리고 본 실시예에서 사용하는 '조사 위치'라 함은 광학계를 통과한 레이저 빔의 광 경로를 말하는 것이다.
또한 상기 렌즈 유닛(130)에는, 상기 렌즈 수용 프레임(136) 상에 배치된 각 렌즈를 수평면상에서 회전시켜 렌즈의 배치 각도를 조정할 수 있는 렌즈 각도 조절수단(138)이 더 마련되는 것이 바람직하다. 이 렌즈 각도 조절수단(138)은, 취성 재료의 위치 변경 또는 작업 방향의 변경에 대응하기 위한 것으로, 렌즈를 수평면 상에서 회전시켜 레이저 빔의 조사 방향을 변경시키게 된다.
한편 본 실시예에서는, 상기 X축 렌즈(132)와 Y축 렌즈(134)가 각각 별도의 렌즈 유닛에 배치되고, 각 렌즈 유닛은 별도의 렌즈 유닛 구동부에 의하여 구동될 수도 있다. 이 경우에는 각 렌즈를 별도로 구동 및 제어할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 취성재료 절단장치(100)를 사용하여 취성재료를 절단하는 과정을 설명한다.
먼저 취성재료(S)를 로딩한 후, 도 4a에 도시된 바와 같이, 취성 재료(S)를 X축 방향으로 절단하기 위하여 상기 렌즈 유닛 구동부(140)를 이용하여 렌즈 수용 프레임(136)의 일 측에 배치되어 있는 X축 렌즈(132)를 조사 위치로 이동시킨다. 그리고 나서 광원(110)에서 레이저를 발생시켜 취성 재료를 X축 방향으로 절단한다. 이때 취성 재료(S)가 일정한 방향으로 수평 이동하면서 연속적인 절단 작업이 진행된다.
X축 방향의 절단 작업이 완료되면 렌즈 유닛 구동부(140)를 이용하여 렌즈 수용 프레임(136)의 타 측에 배치되어 있는 Y축 렌즈(134)를 조사 위치로 이동시킨다. 그리고 나서 다시 레이저를 취성 재료(S)에 조사하여 Y축 방향으로 절단한다.
본 발명에 따르면 취성 재료의 절단 방향 전환에 따른 레이저 빔의 방향 전환이 매우 자유로우며, 정확한 방향 전환 작업이 가능한 장점이 있다.
또한 집광렌즈의 유지 보수 작업이 용이하여 장치의 사용 효율성이 제고되는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 레이저를 이용한 취성재료 절단장치에 있어서,
    레이저를 발생시키는 레이저 소스;
    상기 레이저 소스에서 발생된 레이저 빔을 증폭, 확대, 굴절시키는 광학계;
    레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈를 수용하는 렌즈 유닛;
    상기 렌즈 유닛을 수평 방향으로 구동시켜 X축 렌즈 또는 Y축 렌즈가 상기 레이저 빔의 조사 위치로 이동시키는 렌즈 유닛 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 유닛은,
    레이저 빔의 방향을 X축 방향으로 변경하는 X축 렌즈와 레이저 빔의 방향을 Y축 방향으로 변경하는 Y축 렌즈;
    상기 각 렌즈를 소정 간격 이격된 상태로 분리하여 수용하는 렌즈 수용 프레임;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 렌즈 수용 프레임은,
    상기 X축 렌즈 및 Y축 렌즈를 동일한 높이에서 수용하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 렌즈 유닛 구동부는,
    상기 렌즈 수용 프레임과 결합하여 렌즈 수용 프레임의 수평 이동 방향을 안내하는 가이드;
    상기 렌즈 수용 프레임의 일측에 배치되어 상기 렌즈 수용 프레임을 수평 방향으로 이동시키는 동력수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 동력수단은,
    상기 렌즈 수용 프레임의 수평 위치를 미세하게 조정할 수 있는 엑츄에이터(actuator)인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 가이드에는,
    상기 렌즈 수용 프레임이 조사 위치에서 정지하도록 이동 경로를 한정하는 스토퍼가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 렌즈 유닛에는,
    상기 렌즈 수용 프레임 상에 배치된 각 렌즈의 배치 각도를 조정할 수 있는 렌즈 각도 조절수단이 더 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 X축 렌즈와 Y축 렌즈가 각각 별도의 렌즈 유닛에 배치되고,
    각 렌즈 유닛은 별도의 렌즈 유닛 구동부에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취성재료 절단장치.
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