KR20090112282A - 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 광섬유를 통하여 전송되는 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물에 조사하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저빔을 생성하는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에 연결되어 상기 레이저빔을 상기 대상물 측으로 전송하는 다수의 가공용 광섬유와, 기판에 의해 반사되어 입사하는 레이저빔을 전송하는 모니터링용 광섬유를 구비하는 광섬유 번들; 상기 모니터링용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하는 측정부; 및 측정 파워값이 상기 가공용 광섬유의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 상기 레이저빔의 생성을 중단시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법{LASER MANUFACTURING APPARATUS AND LASER MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유 또는 레이저 소스의 손상을 방지하기 위해 광섬유의 출력단으로 재입사되는 레이저빔의 파워값을 모니터링할 수 있는 레이저 가공장치및 이를 이용하는 레이저 가공방법에 관한 것이다.

통상적으로, 광섬유는 광신호의 전송 매체가 되는 코어와, 코어 내에서 전송되는 광신호를 가두기 위하여 코어를 둘러싸는 클래드를 포함한다. 코어는 클래드보다 큰 굴절률을 가지므로, 코어를 통해 입사된 광신호는 코어와 클래드의 경계면에서 전반사를 반복하며 코어의 길이 방향으로 진행하게 된다.

산업적으로 레이저빔은 재료의 가공이나 표면처리 등에 널리 사용되는데, 이러한 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물까지 전송하는 원격 전송은 광섬유를 이용하면 용이하게 실현될 수 있다. 이와 같은 광섬유를 이용한 레이저빔의 전송은 하나의 광섬유가 전송할 수 있는 최대 전송 에너지가 제한되는 문제점이 있었는데, 다수의 광섬유를 다발로 형성한 광섬유 번들을 이용하여 전송 에너지의 제한문제를 해결하고 있다.

도 1을 참조하면, 광섬유 번들(30)을 통해 전송된 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물(10)에 조사하는 과정에서 대상물(10) 외의 나머지 영역을 레이저빔으로부터 보호하기 위하여 마스크(20)를 사용하는 것이 일반적이다. 마스크(20)에는 대상물(10)의 위치에 대응하도록 형성된 개구부(21)가 마련되며, 광섬유 번들(30)로부터 출사된 레이저빔(1a)은 개구부(21)를 통과하여 대상물(10)에 조사된다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 마스크(20)의 개구부(21)와 광섬유 번들(30)이 일직선으로 위치하지 못한 경우, 광섬유 번들(30)로부터 출사된 레이저빔(1a)은 금속 재질 등으로 제조된 마스크(20)에 의해 반사되어 다시 광섬유 번들(30)로 입사될 수 있다. 이러한 경우 재입사한 레이저빔(1b)에 의해 광섬유의 클래드 등이 손상되고 레이저빔의 파워값이 아주 큰 경우에는 광섬유와 연결된 레이저 소스까지 손상되는 문제점이 있다. 특히 전송 에너지를 증가시키기 위해 다수의 광섬유를 번들로 구성한 광섬유 번들(30)을 이용하면서, 반사되어 재입사하는 레이저빔에 의해 광섬유 및 레이저 소스가 손상되는 위험성이 한층 더 증대되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마스크 등에 의해 반사되어 광섬유 번들로 재입사하는 레이저빔의 파워값을 감지하여 레이저 소스의 작동을 제어함으로써, 레이저빔을 전송하는 광섬유 또는 레이저빔을 생성하는 레이저 소스의 손상을 방지할 수 있는 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저 가공장치는, 광섬유를 통하여 전송되는 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물에 조사하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저빔을 생성하는 레이저 소스; 상기 레이저 소스에 연결되어 상기 레이저빔을 상기 대상물 측으로 전송하는 다수의 가공용 광섬유와, 기판에 의해 반사되어 재입사하는 레이저빔을 전송하는 모니터링용 광섬유를 구비하는 광섬유 번들; 상기 모니터링용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하는 측정부; 및 측정 파워값이 상기 가공용 광섬유의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 상기 레이저빔의 생성을 중단시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서, 바람직하게는, 가시광선 파장대의 레이저빔을 생성하는 가이드용 레이저 소스를 더 포함하고, 상기 광섬유 번들은, 상기 가이드용 레이저 소스에 연결되어 상기 가시광선 파장대의 레이저빔을 상 기 대상물 측으로 전송하는 가이드용 광섬유를 더 포함한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 가이드용 광섬유는 상기 광섬유 번들의 중앙부에 배치되고, 상기 다수의 가공용 광섬유는 상기 가이드용 광섬유를 둘러싸도록 배치되며, 상기 모니터링용 광섬유는 상기 광섬유 번들의 가장자리부에 배치된다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 측정부는 포토 다이오드를 포함한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 측정부에 의해 측정되는 레이저빔의 파워값은, 상기 기판에 의해 반사되어 상기 광섬유 번들로 재입사하는 레이저빔의 파워값의 1% 내지 5% 이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저 가공방법은, 가공용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물 측으로 조사하는 단계; 기판에 의해 반사되어 재입사하는 레이저빔을 모니터링용 광섬유를 통해 전송하는 단계; 상기 모니터링용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하는 단계; 및 측정 파워값이 상기 가공용 광섬유의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 상기 레이저빔의 생성을 중단시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 마스크 등에 의해 반사되어 광섬유 번들로 재입사하는 레이저빔의 파워값을 감지하여 레이저빔의 생성을 제어함으로써, 레이저빔을 전송하 는 광섬유 또는 레이저빔을 생성하는 레이저 소스의 손상을 방지하여, 장치의 안정적인 운용 및 손상시 부품 교체에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 가시광선 파장대의 레이저빔을 가공용 레이저빔과 함께 대상물에 조사시킴으로써, 대상물 상에서 레이저빔의 조사위치를 육안으로 확인할 수 있고, 이로 인해 레이저 가공의 위치정밀도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 구성도이고, 도 3은 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들의 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 레이저 가공장치(100)는 광섬유 번들의 출력단으로 재입사하는 레이저빔의 파워값을 모니터링할 수 있는 것으로서, 레이저 소스(111)와, 광섬유 번들(120)과, 측정부(130)와, 제어부(140)를 포함한다.

상기 레이저 소스(111)는 대상물의 가공조건에 맞게 선택된 일정 파장대의 레이저빔을 생성하는 것으로서, 본 실시예에서는 적외선 파장대인 808nm 정도의 파장을 가지는 레이저빔을 생성하는 레이저 다이오드를 포함한다. 본 실시예에서는 적외선 파장대의 레이저빔을 생성하는 레이저 다이오드가 한 쌍 마련된다.

상기 레이저 가공장치(100)는 상술한 레이저 소스(111) 외에 가시광선 레이 저빔을 생성하는 가이드용 레이저 소스(113)를 더 포함한다. 적외선 파장대의 레이저빔을 이용하여 가공하는 경우, 광섬유 번들(120)의 출력단에서 출력되는 레이저빔이 가공하고자 하는 대상물에 정확히 조사되는지 여부를 확인하기가 곤란하다. 따라서 가이드용 레이저 소스(113)로부터 생성되는 가시광선 파장대의 레이저빔을, 레이저 가공용의 적외선 파장대의 레이저빔과 함께 출사시킴으로써, 대상물 상에서 레이저빔의 조사위치를 육안으로 확인할 수 있다. 본 실시예의 가이드용 레이저 소스(113)로서, 가시광선 파장대의 파장을 가지는 레이저빔을 생성하는 레이저 다이오드가 이용된다.

상기 광섬유 번들(120)은 레이저 소스(111)로부터 생성된 레이저빔을 전송하기 위한 광섬유와 그 출력단으로 재입사하는 레이저빔을 전송하기 위한 광섬유가 다발로 묶여진 것으로서, 가공용 광섬유(121)와, 가이드용 광섬유(123)와, 모니터링용 광섬유(125)를 포함한다.

상기 가공용 광섬유(121)는 레이저 소스(111)에 연결되어 레이저 소스(111)로부터 생성된 적외선 파장대의 레이저빔을 대상물 측으로 전송한다. 가공용 광섬유(121)는 광섬유 번들(120) 내에 다수 개 마련되며, 다수의 가공용 광섬유(121)는 후술할 가이드용 광섬유(123)를 둘러싸도록 배치된다. 다수의 가공용 광섬유(121)는 2개의 그룹으로 구분되며, 제1그룹의 가공용 광섬유(121)는 하나의 레이저 다이오드에, 제2그룹의 가공용 광섬유(121)는 다른 하나의 레이저 다이오드에 각각 연결된다. 가공용 광섬유(121)를 통해 전송되는 적외선 파장대의 레이저빔은 대상물을 가공하는데 이용된다.

상기 가이드용 광섬유(123)는 가이드용 레이저 소스(113)에 연결되어 가이드용 레이저 소스(113)로부터 생성된 가시광선 파장대의 레이저빔을 대상물 측으로 전송한다. 가이드용 광섬유(123)는 광섬유 번들(120)의 중앙부에 배치된다. 가이드용 광섬유(123)를 통해 전송되는 가시광선 파장대의 레이저빔은 대상물을 가공하기에 충분한 파워를 가지지 못하고, 단지 작업자의 육안 관찰용으로만 이용된다.

상기 모니터링용 광섬유(125)는 대상물에 의해 반사되어 광섬유 번들(120)의 출력단으로 재입사하는 레이저빔을 전송한다. 모니터링용 광섬유(125)는 광섬유 번들(120)의 가장자리부에 배치되고, 후술할 측정부(130)가 결합되는 반사 포트(150)에 연결된다.

상기 측정부(130)는 모니터링용 광섬유(125)를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 포토 다이오드가 이용된다. 통상적으로 포토 다이오드는 빛의 유무를 감지하여 그 빛의 광강도에 비례하는 전류를 출력하는 소자이다. 포토 다이오드는 반사 포트(150)에 결합되어 모니터링용 광섬유(125)와 반사 포트(150)를 통해 전송되는 레이저빔의 파워값을 측정한다.

본 실시예의 측정부(130)에 의해 측정되는 레이저빔의 파워값은 바람직하게는, 대상물에 의해 반사되어 광섬유 번들(120)의 출력단으로 재입사하는 레이저빔의 파워값의 1% 내지 5% 이다. 예컨대, 광섬유 번들(120)의 출력단으로 재입사하는 레이저빔의 파워값이 1 W라면, 측정부(130)에 의해 측정되는 레이저빔의 파워값은 10 mW 내지 50 mW 이다. 더욱 바람직하게는, 측정부(130)에 의해 측정되는 레이저빔의 파워값은 대상물에 의해 반사되어 광섬유 번들(120)의 출력단으로 재입사 하는 레이저빔의 파워값의 1.5% 정도이다.

상기 제어부(140)는 측정부(130)에서 측정된 레이저빔의 파워값이 가공용 광섬유(121)의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 레이저 소스(111)로부터 레이저빔의 생성을 중단시킨다. 본 실시예의 제어부(140)는 측정 파워값이 기준 파워값 이상인 때 이를 감지하여 레이저 다이오드에 공급되는 전원을 차단하게 된다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 가공장치(100)를 이용하는 레이저 가공방법에 대하여, 가공하고자 하는 대상물로서 유기 전계 발광표시장치의 프릿(frit)(67)을 성형하는 과정을 예로 들어 개략적으로 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 레이저 가공방법은 유기 전계 발광표시장치의 프릿(67)을 성형하는 방법으로 한정되는 것은 아니고, 레이저 가공이 수행되는 다양한 분야에 활용 가능하다.

도 4는 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들이 마스크의 개구부와 일직선이 된 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들이 마스크의 개구부와 일직선이 되지 않은 상태를 도시한 도면이다.

일반적으로 유기 전계 발광표시장치는 주변 환경으로부터 수분이나 산소가 소자 내부로 유입될 경우, 전극 물질의 산화, 박리 등으로 소자 수명이 단축되고, 발광 효율이 저하될 뿐만 아니라 발광색의 변질 등과 같은 문제점들이 발생한다. 따라서, 유기 전계 발광표시장치의 제조에 있어서, 소자를 외부로부터 격리시켜 수분이 침투하지 못하도록 밀봉(sealing) 처리가 통상적으로 수행되고 있는데, 외부 와 소자 내부를 격리시키는 밀봉재로 프릿을 사용하여 소자 기판과 캡 간의 방습성을 향상시키는 캡슐 봉합 방법이 고안되어 활용되고 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제1기판(61)은 적어도 하나의 유기 전계 발광소자(65)가 형성된 화소 영역과, 화소 영역 외연에 형성된 비화소 영역으로 형성된다. 제1기판(61)의 화소 영역을 밀봉시키기 위해 제1기판(61)의 화소 영역 외곽 영역 즉, 제1기판(61)의 비화소 영역과 대응되는 제2기판(63)에 프릿(67)을 도포하고, 제2기판(63)을 제1기판(61) 상에 합착시킨다.

이후, 합착된 제1기판(61)과 제2기판(63) 상부에 마스크(70)를 위치시킨다. 마스크(70)는 마스크 기판(71)과 반사막(73)을 포함한다. 마스크 기판(71)은 반사막(73)을 지지하는 지지기판이며, 마스크(70) 상부에서 조사된 레이저빔이 프릿(67)에 조사될 수 있도록 레이저빔이 투과되는 유리 또는 석영(Quartz) 등의 투명한 절연 기판으로 형성된다. 한편, 반사막(73)은 마스크 기판(71) 상에 형성되며, 프릿(67)과 대응되는 영역을 노출시키는 개구부(75)가 형성된다. 이러한 반사막(73)은 마스크(70) 상부에서 레이저빔(1a)이 조사될 때, 제1기판(61) 상에 형성된 유기 전계 발광소자(65)를 보호하기 위한 층으로 크롬(Cr) 또는 구리(Cu) 등과 같은 금속 재질로 형성된다.

이후, 마스크(70) 상부에 레이저빔(1a)을 조사하여 프릿(67)을 성형한다. 마스크(70) 상에 조사된 레이저빔은 마스크 기판(71) 및 반사막(73)의 개구부(75)를 통해 프릿(67)에 조사된다. 이에 따라, 프릿(67)은 용융되어 제1기판(61)과 제2기판(63)을 접착시킨다.

그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 위치정밀도의 오차 또는 장치의 오작동으로 인해 광섬유 번들(120)의 출력단과 개구부(75)가 일직선에 위치하지 않는 경우, 광섬유 번들(120)의 출력단으로부터 출사된 레이저빔(1a)은 마스크(70) 즉, 반사막(73)에 의해 반사되어 광섬유 번들(120)의 출력단으로 다시 입사하게 된다. 이때, 광섬유 번들(120)의 출력단으로 재입사한 레이저빔(1b)은 모니터링용 광섬유(125)를 통해 전송되며, 포토 다이오드에 의해 전송된 레이저빔의 파워값이 측정된다. 측정된 레이저빔의 파워값이 가공용 광섬유(121)를 손상시킬 정도의 파워값인 경우, 제어부(140)에 의해 적외선 파장대의 레이저빔을 생성하는 레이저 소스(111)로 공급되는 전원이 차단되어 레이저 소스(111)로부터 레이저빔의 생성이 중단되게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법은, 가공하고자 하는 대상물 이외의 부분 예컨대 마스크 등에 의해 반사되어 광섬유 번들로 재입사하는 레이저빔의 파워값을 감지하고 이를 통해 레이저빔의 생성을 제어함으로써, 레이저빔을 전송하는 광섬유 또는 레이저빔을 생성하는 레이저 소스의 손상을 방지하여, 장치의 안정적인 운용 및 손상시 부품 교체에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 가공장치 및 이를 이용하는 레이저 가공방법은 가시광선 파장대의 레이저빔을 가공용 레이저빔과 함께 대상물에 조사시킴으로써, 대상물 상에서 레이저빔의 조사위치를 육안으로 확인할 수 있고, 이로 인해 레이저 가공의 위치정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에 있어서 레이저 소스는 적외선 파장대의 레이저빔을 생성하지만, 가공하고자 하는 대상물에 따라 자외선 파장대의 레이저빔 또는 가시광선 파장대의 레이저빔 등 다양한 파장대의 레이저빔을 생성하는 레이저 소스가 선택될 수 있다.

본 실시예에 있어서 측정부는 포토 다이오드가 이용되지만, 레이저빔의 파워에 따라 내부의 저항값이 변경되어 그 저항값에 상응하는 전압을 출력하는 저항가변식 디텍터, 예컨대 열전대열 센서(thermopile sensor)가 이용될 수도 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 종래의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 가공을 수행하는 일례를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 구성도이고,

도 3은 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들의 단면도이고,

도 4는 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들이 마스크의 개구부와 일직선이 된 상태를 도시한 도면이고,

도 5는 도 2의 레이저 가공장치의 광섬유 번들이 마스크의 개구부와 일직선이 되지 않은 상태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

61: 제1기판 63: 제2기판

65: 유기 전계 발광소자 67: 프릿(대상물)

70: 마스크 100: 레이저 가공장치

111: 레이저 소스 113: 가이드용 레이저 소스

120: 광섬유 번들 121: 가공용 광섬유

123: 가이드용 광섬유 125: 모니터링용 광섬유

130: 측정부 140: 제어부

Claims (6)

1. 광섬유를 통하여 전송되는 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물에 조사하는 레이저 가공장치에 있어서,

   상기 레이저빔을 생성하는 레이저 소스;

   상기 레이저 소스에 연결되어 상기 레이저빔을 상기 대상물 측으로 전송하는 다수의 가공용 광섬유와, 기판에 의해 반사되어 재입사하는 레이저빔을 전송하는 모니터링용 광섬유를 구비하는 광섬유 번들;

   상기 모니터링용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하는 측정부; 및

   측정 파워값이 상기 가공용 광섬유의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 상기 레이저빔의 생성을 중단시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
2. 제1항에 있어서,

   가시광선 파장대의 레이저빔을 생성하는 가이드용 레이저 소스를 더 포함하고,

   상기 광섬유 번들은, 상기 가이드용 레이저 소스에 연결되어 상기 가시광선 파장대의 레이저빔을 상기 대상물 측으로 전송하는 가이드용 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가이드용 광섬유는 상기 광섬유 번들의 중앙부에 배치되고,

   상기 다수의 가공용 광섬유는 상기 가이드용 광섬유를 둘러싸도록 배치되며,

   상기 모니터링용 광섬유는 상기 광섬유 번들의 가장자리부에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 측정부는 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 측정부에 의해 측정되는 레이저빔의 파워값은,

   상기 기판에 의해 반사되어 상기 광섬유 번들로 재입사하는 레이저빔의 파워값의 1% 내지 5% 인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
6. 가공용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔을 가공하고자 하는 대상물 측으로 조사하는 단계;

   기판에 의해 반사되어 재입사하는 레이저빔을 모니터링용 광섬유를 통해 전송하는 단계;

   상기 모니터링용 광섬유를 통해 전송된 레이저빔의 파워값을 측정하는 단계; 및

   측정 파워값이 상기 가공용 광섬유의 손상을 방지하기 위해 설정된 기준 파워값 이상인 때, 상기 레이저빔의 생성을 중단시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공방법.

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