KR20100008048A - 레이저 절단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 취성 재료를 레이저 빔으로 절단하는 공정에서 레이저 빔의 에너지 분포로 인한 절단면의 불량을 막기 위해 빔의 강도를 균일한 에너지 분포로 형성한 레이저 절단장치에 관한 것이다.

일반적인 레이저 절단장치는 가공하고자 하는 취성 재료에 조사되는 빔의 에너지 준위가 절단 예정선을 중심으로 가우시안 분포를 따르게 되어, 절단 예정선에서 최대값을 가지며 그 양 외측으로 갈수록 에너지 준위가 감소하는 형태로 나타난다. 또한 레이저 빔의 초점이 표면으로만 맞추어짐으로써 초점 부분을 지나는 z-축 상에서 두께 부분의 온도 분포가 불균일한 형태로 나타난다.

따라서, 절단 예정선이 주위의 온도보다 높아져 절단면이 연화되거나 용융점에 가까워지면서 취성 재료 표면에 열 크랙 및 절단 불량이 발생하고 절단선의 직진성 및 절단면의 평탄도가 저하되므로, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 레이저 빔을 광학계를 거쳐 균일화함으로써 절단 가공에 필요한 최적의 레이저 빔을 생성하여 취성 재료의 열손상을 최소화하고 절단된 단면의 모양을 평탄하고 균일하게 형성시킬 수 있어 단면의 품질을 극대화시킬 수 있다.

상기의 발명을 통해 취성 재료의 절단 시 절단된 단면의 모양을 평탄하고 균일하게 형성시킬 수 있어 단면의 품질을 극대화시킬 수 있다.

레이저 절단장치, 균일화, 에너지 분포, 광학계, 취성 재료

Description

레이저 절단장치 {Laser Cutting Method}

본 발명은 취성 재료를 레이저 빔으로 절단하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리판을 비롯한 취성 재료 기판을 레이저 빔으로 절단하는 공정에서 레이저 빔의 불균일한 에너지 분포로 인한 절단면의 불량을 막기 위해 레이저 빔의 강도를 균일한 에너지 분포로 형성한 레이저 절단장치에 관한 것이다.

일반적으로 유리, 웨이퍼, 세라믹 등의 취성 재료의 절단 방법으로는, 다이아몬드 등의 초경 재료에 의해 스크라이브 라인을 생성한 후, 기계적 응력을 가하여 절단하는 방법과, 이보다 다소 발전하여 레이저를 이용하여 연화점(Softening Point) 이하로 가열 후, 냉각시켜 재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시킴으로써 재료의 손실 없이 절단하는 방법이 있다.

상기의 방법 중 전자는 절단면이 날카롭고 불규칙하여 액정과 같은 정밀한 제품에는 적합하지 않으며, 별도의 연마공정이 필요하다.

상기의 방법 중 발전된 후자의 경우에도 레이저 가공 시 발생하는 분진이나 열 충격에 따른 잔류 열 응력으로 절단면의 신뢰성은 그다지 높지 않으며, 기계적 응력에 의한 절단으로 인해 연마공정이 요구된다.

레이저 빔을 이용하여 취성 재료를 절단하는 경우, 취성 재료에 조사되는 일반적인 레이저 빔 모드는 TEM(Transverse Electro-Magnetic) 모드이다. 도 1은 TEM 모드 중 가장 일반적으로 사용되는 TEM00 모드의 출력 분포를 기판 표면에서 절단 예정선의 좌우 거리에 따라 나타낸 것이다. 가운데 점선은 절단하려는 절단 예정선을 의미하는 것으로 레이저 빔은 원형의 에너지 분포를 가지며 절단 예정선에 있는 빔의 중심에 에너지가 집중되어 중심으로부터 멀어질수록 서서히 출력이 감소하는 가우시안(Gaussian) 형태의 에너지 분포를 갖는다. TEM01 모드의 출력분포는 레이저 빔의 횡단면의 원주상에 에너지가 집중되고 중심에는 에너지가 거의 존재하지 아니하는 고리상의 횡단면 형태를 갖는다. TEM10 모드의 출력분포는 레이저 빔의 중심축 및 횡단면의 원주상에 에너지가 집중되는 형태를 갖는다.

레이저 절단장치는 상술한 바와 같은 출력모드 중 어느 하나의 출력모드로 레이저 빔을 조사한다. 출력된 레이저 빔은 그 출력이 특정 부분에 집중되어 있어, 고속 및 고출력 절단 시 레이저 빔이 조사된 중심의 취성 재료의 표면부 온도가 연화점 이상으로 가열되어 재료 표면에 열 크랙 및 절단불량을 발생시키는 문제점을 발생시킨다. 도 1에서와 같은 에너지 분포에서는 절단 예정선이 주위의 온도보다 높게 형성되어 절단면이 연화되거나 심지어는 용융점에 가까워져 절단면이 매끄럽지 못하고, 용융되어 흐른 흔적이 남게 된다.

도 2는 레이저 절단장치에서 일반적인 초점 렌즈를 사용하였을 경우에 기판 의 표면에서 수직 하방의 z-축 상으로 두께 부분인 절단 예정 단면부 주위의 온도 분포를 나타낸 것이다. 레이저 빔 발생부로부터 방출된 레이저 빔은 일반적인 초 점 렌즈를 거쳐 기판 표면에서 레이저 빔의 초점이 맞추어진다. 초점이 맞추어진 부분을 중심으로 빔에 의한 열이 화살표와 같이 사방으로 전달되면서 도 2와 같은 구면파 형태의 가열 구역(Heating Zone)이 형성된다. 구면상에서는 등온이며 구의 중심이 되는 초점 부분으로부터 멀어질수록 온도가 낮은 온도 분포를 이루게 된다. 도 2에서와 같은 온도 분포에서는 z-축 상에서 두께 부분의 온도 분포가 불균일하고 표면의 초점 부분 온도가 아래의 온도보다 높게 형성되어 절단면이 연화되거나 심지어는 용융점에 가까워져 절단면이 매끄럽지 못하고, 용융되어 흐른 흔적이 남게 되고, 더욱이 기판의 가열 및 냉각이라는 레이저 절단장치의 핵심 공정 자체가 절단면 상에서 불균일하게 되어 절단면의 평탄도가 저하된다.

상기와 같은 이유로 일반적인 레이저 절단장치에서는 절단선의 직진성이 저하되며, 절단면의 평탄도를 저하시켜 재료의 외관과 품질을 해치게 된다.

상기의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 레이저 빔을 이용한 취성 재료의 절단 시 절단면의 품질을 극대화시킬 수 있도록 절단 예정선에서의 에너지 집중을 완화하고 레이저 빔의 강도를 균일한 에너지 분포로 형성하여 재료 표면에 도달할 빔의 크기와 초점을 제어하는 광학계를 장착한 레이저 절단장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 절단장치는, 제 1 실시 예에서 레이저 빔을 반사시키는 복수의 미러와, 레이저 빔의 형상을 정사각형 혹은 직사각형의 형태로 가공하는 텔레스코프와, 형상이 결정된 빔의 강도를 균일한 에너지 분포로 형성하는 균질기와, 절단하고자 하는 취성 재료 기판의 표면에 도달할 레이저 빔의 크기와 초점을 조절하는 초점 광학계로 이루어지는 균질화 광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 절단장치는, 제 2 실시 예에서 레이저 빔의 초점 위치를 z-축 상으로 조절가능하며, 레이저 빔의 초점 위치를 절단하고자 하는 재료의 z-축 상에서 두께 부분으로 왕복 스캔을 하여 절단 예정 단면부를 균일하게 가열하는 스캔빔 광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 절단장치는 레이저 빔을 광학계를 거쳐 균일화함으로써 절단가공에 필요한 최적의 레이저 빔을 생성하여 재료의 열손상을 최소화하고 절단선의 직진성과 절단면의 평탄도를 향상시켜 재료의 품질을 극대화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면, 도 3은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 제 1 실시 예 구성을 설명하기 위한 도면이다.

제 1 실시 예에 따른 레이저 절단장치는 광학계의 장착으로 절단 단면의 품질을 극대화하는 것으로, 이하 본 발명에 따른 제 1 실시 예를 도 3에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제 1 실시 예는 도 3에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔 발생부(31)에서 출사되는 레이저 빔(32)이 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)에 조사되기 전에 균질화 광학계(300)를 거치게 되어 있다. 균질화 광학계(300)는 레이저 빔(32)을 가공하여 레이저 빔(32)이 미리 설정된 형상 및 에너지 분포를 가지도록 한다. 도 3에 나타낸 실시 예에서 균질화 광학계(300)는 레이저 빔(32)을 반사시키는 복수의 미러(33, 35, 38)와, 레이저 빔(32)의 형상을 정사각형 혹은 직사각형의 형태로 가공하는 텔레스코프(34)와, 형상이 결정된 빔의 강도를 균일한 에너지 분포로 형성하는 균질기(36)와, 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)의 표면에 도 달할 레이저 빔(32)의 크기와 초점을 조절하는 초점 광학계(37)로 이루어진다.

상기 초점 광학계(37)는 필드 렌즈(field lens)와, 레이저 빔의 회절 현상에 의해 형성되는 빔을 차단하는 마스크와, 레이저 빔의 초점을 조절하는 프로젝션 렌즈로 이루어진다. 초점 광학계(37)는 레이저 빔(32)의 크기와 초점을 조절하는 기능을 구비하고 일반적으로 사용되는 광학 장치를 이용한다.

상기와 같이 균질화 광학계(300)를 거쳐 취성 재료 기판(30) 쪽으로 출사되는 레이저 빔(32)은 강도가 균일한 에너지 분포를 형성하며, 절단 예정선의 온도가 주위의 바로 절단 예정선 좌우의 온도와 같게 형성된다.

도 4는 절단 예정선 주위의 레이저 빔 에너지 분포를 나타낸 것이다. 도 4와 같은 균일한 에너지 준위는 절단 예정선에 대해서 수직 방향 및 수평 방향으로 발생한다.

이와 같이, 본 발명의 레이저 절단장치는 제 1 실시 예에서 강도가 균일한 에너지 분포를 가진 레이저 빔을 출력함으로, 절단 예정선과 같은 특정 영역에 출력이 지나치게 집중되는 현상이 방지된다. 이에 따라, 조사되는 빔의 에너지 분포가 균일하도록 조절하여 취성 재료 기판(30) 표면의 절단 예정선 주위의 온도를 안정적으로 유지함으로써, 절단 단면의 품질이 극대화된 절단 작업을 수행할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 절단 방법의 제 1 실시 예는, 레이저로 빔을 방출하는 제 1단계와; 균질화 광학계를 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 도달하는 레이저 빔의 에너지 준위를 균일한 에너지 분포로 가공하는 제 2단계와; 레이저 빔을 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판을 연화점 이하로 가열하는 제 3단계; 및 가열된 부분을 냉각시켜 재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시켜 절단하는 제 4단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

첨부한 도면, 도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 제 2 실시 예 구성을 설명하기 위한 도면이다.

제 2 실시 예에 따른 레이저 절단장치는 스캔빔 광학계의 장착으로 절단 단면의 품질을 극대화하는 것으로, 이하 본 발명에 따른 제 2 실시 예를 도 5에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제 2 실시 예는 도 5에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔 발생부(31)에서 출사되는 레이저 빔(32)이 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)에 조사되기 전에 스캔빔 광학계(500)를 거치게 되어 있다. 스캔빔 광학계(500)는 레이저 빔(32)을 가공하여 미리 설정된 형상 및 초점 위치를 가지도록 한다. 도 5에 나타낸 실시 예에서 스캔빔 광학계(500)는 레이저 빔 발생부(31)로부터의 레이저 빔(32)의 초점 위치를 z-축 상으로 조절가능하며, 레이저 빔(32)을 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)에서 z-축 상의 두께 부분을 왕복 스캔하여 절단 예정 단면부를 균일하게 가열하는 광학 장치로 이루어진다.

도 5의 (a)에서 레이저 빔(32)의 초점은 취성 재료 기판(30)의 표면에 맞추어져 있다. 도 5의 (b)에서 스캔빔 광학계(500)의 작동으로 레이저 빔(32)의 초점을 z-축 상으로 이동하여 취성 재료 기판(30)의 표면보다 아래에 형성한다. 레이저 빔(32)의 초점은 계속 z-축 상으로 아래로 이동하여 마침내 도 5의 (c)에서는 취성 재료 기판(30)의 밑면에 도달한다. 스캔빔 광학계(500)의 제어부(도시하지 않음)에서 레이저 빔(32)의 초점이 취성 재료 기판(30)의 밑면에 도달하였음을 인식하고 레이저 빔(32)의 초점을 z-축 상으로 이동하여 도 5의 (d)에서와 같이 취성 재료 기판(30)의 밑면보다 위로 형성한다. 레이저 빔(32)의 초점은 계속 z-축 상으로 위로 이동하여 마침내 도 5의 (e)에서는 취성 재료 기판(30)의 표면에 도달하여 도 5의 (a)와 같은 상태로 돌아온다. 도 5의 (a) -> (b) -> (c) -> (d) -> (e)와 같은 일련의 공정이 스캔빔 광학계(500)에서 레이저 빔(32)을 두께 부분으로 왕복 스캔하는 한 주기가 된다. 일반적으로는 스캔 주기가 짧을수록 빔 에너지가 z-축 상의 두께 부분에서 균일하게 되지만 빔 에너지 흡수와 관련되는 변수가 있으므로 스캔 주기는 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)의 종류에 따라 최적값으로 조절할 수 있다.

상기 스캔빔 광학계(500)는 레이저 빔(32)을 가공하여 미리 설정된 형상을 가지도록 하고, 레이저 빔(32)의 초점 위치를 z-축 상으로 조절하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판(30)의 z-축 상에서 두께 부분을 왕복 스캔하는 기능을 구비하고 일반적으로 사용되는 광학 장치를 이용한다.

상기와 같이 스캔빔 광학계(500)를 거쳐 취성 재료 기판(30) 쪽으로 출사되는 레이저 빔(32)은 빔의 초점이 왕복 스캔되는 z-축 상의 두께 부분으로 강도가 균일한 에너지 분포를 형성하며 z-축 상에서 취성 재료 기판(30)의 표면에서부터 밑면까지의 온도가 균일하게 형성된다.

도 6은 레이저 빔(32)의 초점이 스캔되는 z-축 상의 두께 부분에서 절단 예정 단면부 주위의 온도 분포를 나타낸 것이다. z-축을 중심으로 빔에 의한 열이 화살표와 같이 사방으로 전달되면서 평면파 형태의 가열 구역이 형성된다. Z-축으로부터 수평 방향으로 멀어질수록 온도가 낮아지며 z-축 상에서는 온도가 균일한 분포를 이루게 된다.

이와 같이, 본 발명의 레이저 절단장치는 제 2 실시 예에서 z-축 상에서 두께 부분에 걸쳐 균일한 온도 분포를 가지도록 레이저 빔의 초점을 스캔함으로, 표면에만 레이저 빔(32)의 초점이 맞추어져 특정 영역에 출력이 지나치게 집중되는 현상이 방지된다. 이에 따라, 조사되는 빔의 에너지 분포가 z-축 상에서 두께 부분으로 균일하도록 조절하여 취성 재료 기판(30) 표면의 절단 예정 단면부 주위의 온도를 안정적으로 유지함으로써, 절단 단면의 품질이 극대화된 절단 작업을 수행할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 절단 방법의 제 2 실시 예는, 레이저로 빔을 방출하는 제 1단계와; 스캔빔 광학계를 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 도달하는 레이저 빔이 기판에 수직인 z-축 상에서 두께 부분에 형성하는 에너지를 균일한 에너지 분포로 가공하는 제 2단계와; 레이저 빔을 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판을 연화점 이하로 가열하는 제 3단계; 및 가열된 부분을 냉각시켜 재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시켜 절단하는 제 4단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 레이저 빔을 사용하였을 경우에 절단 예정선 주위의 레이저 빔 에너지 분포도,

도 2는 종래 기술에 의한 일반적인 초점 렌즈를 사용하였을 경우에 z-축 상의 두께 부분 주위의 온도 분포도,

도 3은 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 제 1 실시 예,

도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 절단 예정선 주위의 레이저 빔 에너지 분포도,

도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단장치의 제 2 실시 예,

도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 z-축 상의 두께 부분 주위의 온도 분포도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

30 : 취성 재료 기판 31 : 레이저 빔 발생부

32 : 레이저 빔 33 : 제 1미러

34 : 텔레스코프 35 : 제 2미러

36 : 균질기 37 : 초점 광학계

38 : 제 3미러 300 : 균질화 광학계

Claims (8)

1. 레이저 절단장치에 있어서,

   상기 레이저 빔이 절단하고자 하는 취성 재료 기판의 표면에서 절단 예정선 주위에 형성하는 에너지 준위를 균일한 에너지 분포로 가공하기 위한 균일화 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 균일화 광학계는 레이저 빔을 반사시키는 복수의 미러와;

   상기 레이저 빔의 형상을 정사각형 혹은 직사각형의 형태로 가공하는 텔레스코프와;

   상기 레이저 빔의 강도를 가우시안에서 균일한 에너지 분포로 형성하는 균질기 및;

   상기 취성 재료 기판의 표면에 도달할 레이저 빔의 크기와 초점을 조절하는 초점 광학계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
3. 레이저 절단장치에 있어서,

   상기 레이저 빔이 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 수직인 z-축 상에서 두께 부분에 형성하는 에너지 준위를 균일한 에너지 분포로 가공하기 위한 스캔빔 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 스캔빔 광학계는 레이저 빔의 초점 위치를 표면에 수직한 z-축 상으로 조절하여 z-축 상에서 두께 부분으로 왕복 스캔을 함에 따라 z-축을 따른 표면에서 밑면까지의 온도를 균일하게 형성하는 광학장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
5. 레이저 절단장치에 있어서,

   상기 제 1항의 균일화 광학계와 상기 제 3항의 스캔빔 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단장치.
6. 레이저 절단 방법에 있어서,

   레이저로 빔을 방출하는 제 1단계와;

   균질화 광학계를 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 도달하는 레이저 빔의 에너지 준위를 균일한 에너지 분포로 가공하는 제 2단계와;

   레이저 빔을 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판을 연화점 이하로 가열하는 제 3단계; 및

   가열된 부분을 냉각시켜 재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시켜 절단하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
7. 레이저 절단 방법에 있어서,

   레이저로 빔을 방출하는 제 1단계와;

   스캔빔 광학계를 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 도달하는 레이저 빔이 기판에 수직인 z-축 상에서 두께 부분에 형성하는 에너지를 균일한 에너지 분포로 가공하는 제 2단계와;

   레이저 빔을 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판을 연화점 이하로 가열하는 제 3단계; 및

   가열된 부분을 냉각시켜 재료 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화시켜 절단하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 제 2단계는,

   스캔빔 광학계를 이용하여 절단하고자 하는 취성 재료 기판에 도달하는 레이저 빔이 기판에 수직인 z-축 상에서 두께 부분에 형성하는 에너지를 균일한 에너지 분포로 가공하는 제 5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.

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