KR20110129791A

KR20110129791A - 레이저 가공 시스템 및 이를 이용한 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR20110129791A
Application number: KR1020100049372A
Authority: KR
Inventors: 이제훈; 김경한; 노지환; 박중호; 정 서
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-02
Also published as: KR101186245B1

Abstract

본 발명에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치, 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔이 제1 궤적을 스캐닝하도록 하는 레이저 스캐너, 상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되며 소정 궤적을 그리며 이동하는 스테이지를 포함하며, 상기 스테이지의 이동에 의해 상기 레이저 빔은 상기 소정 궤적의 반대 방향 궤적인 제2 궤적을 스캐닝하고, 상기 레이저 스캐너는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 복수개의 압전 소자를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 가공 시스템은 스캐닝 모터없이 적어도 3개 이상의 압전 소자를 가진 레이저 스캐너를 구동하거나, 적어도 2개 이상의 압전 소자를 가지는 제1 레이저 스캐너와 적어도 2개 이상의 압전 소자를 가지는 제2 레이저 스캐너를 구동하여 대상물의 가공 폭에 대응하는 제1 궤적을 스캐닝할 수 있으므로 제1 궤적의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

Description

레이저 가공 시스템 및 이를 이용한 레이저 가공 방법{LASER PROCESSING SYSTEM AND LASER PROCESSING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 레이저 가공 시스템 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼, 금속, 플라스틱 등과 같은 다양한 재료를 이용하여 물품을 제조하기 위해서는 절단, 그루빙, 용접, 열처리 등과 같은 가공 절차가 필요하며, 이러한 가공 절차를 위하여 레이저가 이용되고 있다. 레이저를 이용한 대상물 가공 시에는 대상물을 이동시키거나, 레이저를 이동시키면서 가공을 수행한다. 이때, 레이저의 가공 속도를 단축시키기 위한 여러가지 방법이 제안되고 있다.

레이저를 이용한 용접 공정 경우, 대상물의 용융부의 유동 및 가스 방출을 용이하게 하기 위해 두 개의 레이저 빔을 발생시키고, 하나의 레이저 빔은 레이저 스캐너를 이용하여 예열 및 용융부의 폭을 넓히는 역할을 하고, 다른 하나의 레이저 빔은 가공면을 따라 이동하게 함으로써 용접부 상단의 용융부의 폭을 넓히는 역할을 하게 하여 레이저의 가공 속도를 단축시킨다.

또한, 레이저를 이용한 열처리 공정 경우, 레이저 스캐너를 이용하여 레이저 빔을 제1 궤적으로 이동시키면서 동시에 레이저 빔을 이동 방향과 다른 제2 궤적으로 왕복 또는 회전시켜 열처리 면적을 넓혀준다. 따라서, 레이저의 가공 속도를 단축시킬 수 있다. 또한, 레이저 스캐너로 레이저 빔을 제2 궤적으로 스캐닝하면서 동시에 스테이지를 제1 궤적과 반대 방향으로 이동시켜 결국 레이저 빔을 제1 궤적으로 이동시킨다. 이 경우 취성이 큰 대상물의 가공 시 발생하는 열 충격으로 인한 크랙을 최소화할 수 있다.

그러나, 하나의 레이저 스캐너를 이용하여 레이저 빔을 제2 궤적으로 스캐닝할 경우 레이저 스캐너의 빠른 스캐닝 주파수와 장시간 사용으로 인하여 레이저 스캐너의 구동 모터에 이상이 발생하기 쉽다.

한편, 최근에는 레이저 스캐너를 사용하지 않고, 스테이지를 이동시켜 레이저빔이 제1 궤적으로 이동하도록 하면서 트래파닝 광학계를 고속으로 회전시켜 레이저 빔이 제2 궤적으로 이동하게 하여 원형을 그리게 하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 경우 레이저 빔의 제2 궤적이 원형에 한정되며, 트래파닝 광학계의 부피가 크고 무거워서 기존의 시스템에 적용하기가 어려운 점이 있다. 또한, 트래파닝 광학계의 정렬이나 관리가 어렵고, 다수의 광학 부품을 사용하기 때문에 에너지의 손실이 크다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 스캐너의 이상없이 고속으로 레이저 가공을 할 수 있는 레이저 가공 시스템 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치, 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔이 제1 궤적을 스캐닝하도록 하는 레이저 스캐너, 상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되며 소정 궤적을 그리며 이동하는 스테이지를 포함하며, 상기 스테이지의 이동에 의해 상기 레이저 빔은 상기 소정 궤적의 반대 방향 궤적인 제2 궤적을 스캐닝하고, 상기 레이저 스캐너는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 복수개의 압전 소자를 포함할 수 있다.

상기 레이저 스캐너는 상기 복수개의 압전 소자의 일 단부를 지지하는 지지판, 상기 복수개의 압전 소자의 타 단부에 연결되어 있는 반사판을 더 포함할 수 있다.

상기 복수개의 압전 소자는 적어도 3개 이상이며, 상기 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절할 수 있다.

상기 레이저 빔의 스캐닝과 상기 스테이지의 이동은 동시에 이루어져 상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝할 수 있다.

상기 제2 궤적은 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이며, 상기 제1 궤적은 상기 제2 궤적에 접하는 원 궤적이고, 혼합 궤적은 스프링 형상일 수 있다.

상기 제2 궤적은 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이며, 상기 제1 궤적은 상기 제2 궤적에 수직한 방향으로 왕복하는 선형 궤적이고, 상기 혼합 궤적은 톱니 형상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 빔 발생 장치에서 레이저 빔을 조사하는 단계, 복수개의 압전 소자를 가지는 레이저 스캐너가 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔은 제2 궤적을 스캐닝하는 동시에 상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시켜 상기 레이저 빔은 제1 궤적을 스캐닝하는 단계를 포함하고, 상기 복수개의 압전 소자의 각각의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 반사각을 조절할 수 있다.

상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치, 상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되는 스테이지, 상기 레이저 발생 장치에서 발생한 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기레이저 빔이 제1 궤적을 스캐닝하도록 하는 제1 레이저 스캐너 및 제2 레이저 스캐너, 상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너를 각각 이동시켜 상기 레이저 빔의 제2 궤적을 스캐닝하는 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터를 포함할 수 있다.

상기 제2 레이저 스캐너는 상기 제1 레이저 스캐너와 소정 간격 이격되어 있으며, 상기 제2 레이저 스캐너는 상기 제1 레이저 스캐너에서 반사된 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시킬 수 있다.

상기 제1 레이저 스캐너는 제1 지지판, 상기 제1 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제1 압전 소자, 상기 복수개의 제1 압전 소자에 연결되어 있는 제1 반사판을 포함하고, 상기 제2 레이저 스캐너는 제2 지지판, 상기 제2 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제2 압전 소자, 상기 복수개의 제2 압전 소자에 연결되어 있는 제2 반사판을 포함할 수 있다.

상기 복수개의 제1 압전 소자는 적어도 2개 이상이며, 상기 제1 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제1 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절할 수 있다.

상기 복수개의 제2 압전 소자는 적어도 2개 이상이며, 상기 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제2 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절할 수 있다.

상기 제1 레이저 스캐너는 제1 지지판, 상기 제1 지지판 위에 배치되어 있는 제1 반사판을 포함하고, 상기 제2 레이저 스캐너는 제2 지지판, 상기 제2 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제2 압전 소자, 상기 복수개의 제2 압전 소자에 연결되어 있는 제2 반사판을 포함할 수 있다.

상기 복수개의 제2 압전 소자는 적어도 3개 이상이며, 상기 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제2 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절할 수 있다.

상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너의 스캐닝 및 상기 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터의 스캐닝은 동시에 이루어져 상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저 발생 장치에서 레이저 빔을 조사하는 단계, 제1 레이저 스캐너 및 제2 레이저 스캐너가 상기 레이저 발생 장치에서 발생한 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔은 제1 궤적을 스캐닝하는 단계, 상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너에 각각 연결된 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터가 상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너를 이동시켜 상기 레이저 빔의 제2 궤적을 스캐닝하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 레이저 스캐너의 적어도 2개 이상의 제1 압전 소자 및 상기 제2 레이저 스캐너의 적어도 2개 이상의 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 제1 궤적을 조절할 수 있다.

상기 제2 레이저 스캐너의 적어도 3개 이상의 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 제1 궤적을 조절할 수 있다.

본 발명에 따르면, 스캐닝 모터없이 적어도 3개 이상의 압전 소자를 가진 레이저 스캐너를 구동하거나, 적어도 2개 이상의 압전 소자를 가지는 제1 레이저 스캐너와 적어도 2개 이상의 압전 소자를 가지는 제2 레이저 스캐너를 구동하여 대상물의 가공 폭에 대응하는 제1 궤적을 스캐닝할 수 있으므로 제1 궤적의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

또한, 복수개의 압전 소자를 가진 레이저 스캐너 및 스테이지를 동시에 이용하거나, 복수개의 제1 압전 소자를 가진 제1 레이저 스캐너, 복수개의 제2 압전 소자를 가진 제2 레이저 스캐너, 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터를 동시에 이용하여 레이저 빔의 제1 궤적 및 제2 궤적을 조절할 수 있다.

이와 같이, 레이저 빔의 제1 궤적 및 제2 궤적을 조절하여 대상물의 가공 면적을 넓힘으로써 고속으로 레이저 가공을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 레이저 스캐너의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 원 궤적을 스캐닝하는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 선형 궤적을 스캐닝하는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 레이저 빔의 혼합 궤적의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 레이저 빔의 혼합 궤적의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 제1 레이저 스캐너의 평면도이다.
도 9는 도 7의 제2 레이저 스캐너의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템에 대하여 도 1 내지 도 5를 참고로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 레이저 스캐너의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 원 궤적을 스캐닝하는 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 선형 궤적을 스캐닝하는 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 레이저 빔의 혼합 궤적의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 6은 도 1의 레이저 빔의 혼합 궤적의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 빔(10)을 발생시키는 레이저 발생 장치(100), 레이저 빔(10)을 소정 각도로 반사시켜 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 스캐닝하도록 하는 레이저 스캐너(200), 레이저 빔(10)이 조사되는 대상물(1)이 탑재되는 스테이지(300)를 포함한다. 스테이지(300)에는 스테이지(300)를 이동시키는 스테이지 구동 장치(400)가 연결되어 있으며, 레이저 스캐너(200)와 스테이지(300) 사이에는 레이저 빔(10)의 초점 거리를 조절하여 레이저 빔(10)의 크기를 확대 또는 축소하는 광학계(500)가 설치되어 있다.

레이저 발생 장치(100)는 레이저 빔(10)을 레이저 스캐너(200)로 조사하고 레이저 스캐너(200)는 레이저 빔(10)을 반사하여 대상물(1)로 조사한다.

스테이지(300)는 스테이지 구동 장치(400)에 의해 소정 궤적(3)을 그리며 이동한다. 따라서, 실질적으로 레이저 빔(10)은 소정 궤적(3)과 반대 방향으로 향하는 제2 궤적(30)을 대상물(1)에 스캐닝하게 된다. 제2 궤적(30)은 레이저 빔(10)이 대상물(1)을 가공하며 진행하는 궤적으로서, 선형 궤적, 원형 궤적 등 다양한 궤적이 가능하다. 제2 궤적(30)을 따라 레이저 빔(10)은 진행하며 대상물(1)을 가공하게 된다. 따라서, 제2 궤적(30)의 진행 방향을 따라 대상물(1)을 순차적으로 가공하게 된다.

레이저 스캐너(200)는 지지판(201), 지지판(201) 위에 일단부가 부착되어 있는 복수개의 압전 소자(PZT, pizoelectric element device)(206), 압전 소자(206)의 타 단부에 연결되어 있는 반사판(207)을 포함한다.

압전 소자(206)는 압전기를 이용하여 구동력을 제공하는 소자로서, 본 실시예에서는 수직 방향 압전 구동력을 제공하는 4개의 압전 소자(206)를 예시하고 있으며 각 압전 소자(206)의 길이(d1)를 조절함으로써 이에 연결된 반사판(207)의 각도를 상하좌우 4방향으로 조절할 수 있다. 압전 소자(206)가 적어도 3개 이상 있는 경우 다각형의 궤적을 그릴 수 있다.

복수개의 압전 소자(206)는 서로 이격되어 있는 제1 축 압전 소자(202), 제2 축 압전 소자(203), 제3 축 압전 소자(204) 및 제4 축 압전 소자(205)를 포함한다. 제1 축 압전 소자(202) 및 제2 축 압전 소자(203)는 제1 궤적(20)의 상하 궤적(21)을 조절한다.

제1 축 압전 소자(202)의 길이(d1)를 길게 하고 제2 축 압전 소자(203)의 길이(d1)를 짧게 하는 경우 길이가 짧은 제2 축 압전 소자(203) 쪽으로 반사판(207)이 기울어지게 된다. 따라서, 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 기울어지기 전에 비해 아래쪽으로 이동하게 된다. 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 아래쪽으로 최대한 경사질 때까지, 즉 반사판(207)의 하측 최대 경사각까지 아래쪽으로 계속 이동하게 된다. 또한, 제1 축 압전 소자(202)의 길이(d1)를 짧게 하고 제2 축 압전 소자(203)의 길이(d1)를 길게 하는 경우 길이가 짧은 제1 축 압전 소자(202) 쪽으로 반사판(207)이 기울어지게 된다. 따라서, 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 기울어지기 전에 비해 위쪽으로 이동하게 된다. 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 위쪽으로 최대한 경사질 때까지, 즉 반사판(207)의 상측 최대 경사각까지 상측으로 계속 이동하게 된다. 이와 같이, 레이저 스캐너(200)의 제1 축 압전 소자(202) 및 제2 축 압전 소자(203)의 길이를 변경시키는 수직 방향 압전 구동력에 의해 레이저 빔(10)은 상측과 하측을 왕복하는 상하 궤적(21)을 스캐닝하게 된다.

또한, 제3 축 압전 소자(204) 및 제4 축 압전 소자(205)는 제1 궤적(20)의 좌우 궤적(22)을 조절한다. 제3 축 압전 소자(204)의 길이(d1)를 길게 하고 제4 축 압전 소자(205)의 길이(d1)를 짧게 하는 경우 길이가 짧은 제4 축 압전 소자(205) 쪽으로 반사판(207)이 기울어지게 된다. 따라서, 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 기울어지기 전에 비해 오른쪽으로 이동하게 된다. 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 오른쪽으로 최대한 경사질 때까지, 즉 반사판(207)의 우측 최대 경사각까지 오른쪽으로 계속 이동하게 된다. 또한, 제3 축 압전 소자(204)의 길이(d1)를 짧게 하고 제4 축 압전 소자(205)의 길이(d1)를 길게 하는 경우 길이가 짧은 제3 축 압전 소자(204) 쪽으로 반사판(207)이 기울어지게 된다. 따라서, 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 기울어지기 전에 비해 왼쪽으로 이동하게 된다. 반사판(207)에서 반사된 레이저 빔(10)은 반사판(207)이 왼쪽으로 최대한 경사질 때까지, 즉 반사판(207)의 좌측 최대 경사각까지 왼쪽으로 계속 이동하게 된다. 이와 같이, 레이저 스캐너(200)의 제3 축 압전 소자(204) 및 제4 축 압전 소자(205)의 길이를 변경시키는 수직 방향 압전 구동력에 의해 레이저 빔(10)은 좌측과 우측을 왕복하는 좌우 궤적(22)을 스캐닝하게 된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)은 상하 궤적(21) 및 좌우 궤적(22)을 혼합하여 형성되는 원 궤적이거나 타원 궤적일 수도 있으며, 도 4에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)은 선형 궤적일 수도 있다. 제1 궤적(20)은 상기에서 언급한 궤적에 한정되지 않고 다양한 궤적이 가능하다.

이러한 제1 궤적(20)의 크기는 반사판(207)의 좌측 최대 경사각과 우측 최대 경사각의 차이 또는 반사판(207)의 상측 최대 경사각과 하측 최대 경사각의 차이에 비례한다. 즉, 도 3에 도시한 원 궤적의 직경(r1)은 반사판(207)의 상측 최대 경사각과 하측 최대 경사각의 차이에 비례하며, 도 4에 도시한 선형 궤적의 길이(r2)는 반사판(207)의 상측 최대 경사각과 하측 최대 경사각의 차이에 비례한다.

이와 같이, 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 따라 스캐닝하므로 레이저 빔(10)의 가공 폭을 넓힐 수가 있다. 따라서, 대상물(1)의 가공 폭이 레이저 빔(10)의 초점보다 큰 경우에 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 따라 스캐닝함으로써 레이저 빔(10)의 가공 폭을 넓혀 대상물(1)의 가공 폭을 넓힐 수 있다. 또한, 레이저 스캐너(200)의 복수개의 압전 소자(206)를 이용하여 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)을 스캐닝하므로 스캐닝 모터를 이용하여 제1 궤적(20)을 스캐닝하는 경우에 비해 제1 궤적(20)의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

한편, 스테이지(300)의 이동과 레이저 스캐너(200)에 의한 레이저 빔(10)의 스캐닝은 동시에 이루어진다. 따라서, 레이저 빔(10)은 레이저 스캐너(200)에 의한 제1 궤적(20)과 스테이지(300)의 이동에 의한 제2 궤적(30)이 혼합된 혼합 궤적(40)을 그리게 된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 제2 궤적(30)이 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이고, 제1 궤적(20)이 제2 궤적(30)에 접하는 원 궤적일 경우, 혼합 궤적(40)은 스프링 형상을 그리게 된다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 궤적(30)이 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이고, 제1 궤적(20)이 제2 궤적(30)에 수직한 방향으로 왕복하는 선형 궤적일 경우, 혼합 궤적(40)은 톱니 형상을 그리게 된다.

도 5에 도시된 혼합 궤적(40)의 경우, 제2 궤적(30)의 이동 속도와 제1 궤적(20)의 1 회전 주기의 역수인 제1 궤적 주파수에 의해 혼합 궤적(40)의 중첩 면적(A)의 크기가 결정된다. 제2 궤적(30)의 이동 속도가 제1 궤적(20)의 제1 궤적 주파수보다 클 경우에는 혼합 궤적(40)의 중첩 면적(A)의 크기가 작고, 제2 궤적(30)의 이동 속도가 제1 궤적(20)의 제1 궤적 주파수보다 작을 경우에는 혼합 궤적(40)의 중첩 면적(A)의 크기가 크다.

혼합 궤적(40)의 폭(d2)은 광학계(500)와 레이저 스캐너(200)의 반사판(207)의 상측 최대 경사각과 하측 최대 경사각의 차이에 의해 조절된다. 즉, 광학계(500)에 의해 레이저 빔(10)의 크기를 확대 또는 축소할 수 있고, 반사판(207)의 상측 최대 경사각과 하측 최대 경사각의 차이에 의해 제1 궤적(20)의 직경을 조절할 수 있으므로, 이에 의해 혼합 궤적(40)의 폭을 조절할 수 있다. 이러한 혼합 궤적(40)의 폭은 수 마이크로 미터(㎛) 내지 수 밀리 미터(㎜)일 수 있다.

이와 같이, 레이저 빔(10)은 혼합 궤적(40)을 따라 진행하므로 대상물(1)의 가공 면적을 넓히면서 동시에 대상물(1)의 모든 가공 영역을 순차적으로 가공하게 된다.

상기 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 대상물(1)을 가공하는 레이저 가공 방법에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 우선, 레이저 발생 장치(100)에서 레이저 빔(10)을 레이저 스캐너(200)로 조사한다.

다음으로, 복수개의 압전 소자(206)를 가지는 레이저 스캐너(200)가 레이저 빔(10)을 소정 각도로 반사시켜 레이저 빔(10)은 제1 궤적(20)을 스캐닝한다. 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 스캐닝하는 동시에 레이저 빔(10)이 조사되는 대상물(1)이 탑재되는 스테이지(300)가 소정 궤적(3)을 그리며 이동한다. 결국, 레이저 빔(10)은 소정 궤적(3)과 반대 방향 궤적인 제2 궤적(30)을 스캐닝하게 된다.

이 때, 복수개의 압전 소자(206) 중 서로 이격되어 있는 제1 축 압전 소자(202) 및 제2 축 압전 소자(203)의 길이를 조절하여 제1 궤적(20) 중 상하 궤적(21)을 조절하고, 제3 축 압전 소자(204) 및 제4 축 압전 소자(205)의 길이를 조절하여 제1 궤적(20) 중 좌우 궤적(22)을 조절한다. 이러한 상하 궤적(21) 및 좌우 궤적(22)을 혼합하여 제1 궤적(20)을 스캐닝한다.

그리고, 레이저 빔(10)은 제1 궤적(20)과 제2 궤적(30)이 혼합된 혼합 궤적(40)을 스캐닝한다. 제2 궤적(30)이 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이고, 제1 궤적(20)이 제2 궤적(30)에 접하는 원 궤적일 경우, 혼합 궤적(40)은 스프링 형상을 그리게 된다. 또한, 제2 궤적(30)이 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이고, 제1 궤적(20)이 제2 궤적(30)에 수직한 방향으로 왕복하는 선형 궤적일 경우, 혼합 궤적(40)은 톱니 형상을 그리게 된다.

이와 같이, 레이저 스캐너(200)의 복수개의 압전 소자(206)를 이용하여 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)을 스캐닝하므로 스캐닝 모터를 이용하여 레이저 스캐너(200)를 구동하는 경우에 비해 제1 궤적(20)의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

한편, 상기에서는 제1 축 내지 제4 축 압전 소자(202, 203, 204, 205)를 포함하는 레이저 스캐너(200) 및 스테이지(300)를 이용하여 레이저 빔(10)의 혼합 궤적(40)을 조절하였으나, 제1 축 및 제2 축 압전 소자를 포함하는 제1 레이저 스캐너, 제3 축 및 제4 축 압전 소자를 포함하는 제2 레이저 스캐너, 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터를 이용하여 레이저 빔(10)의 혼합 궤적(40)을 조절할 수도 있다.

그러면 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템에 대하여 도 7 내지 도 9를 참고로 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 제1 레이저 스캐너의 평면도이고, 도 9는 도 7의 제2 레이저 스캐너의 평면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 빔(10)을 발생시키는 레이저 발생 장치(100), 레이저 빔(10)이 조사되는 대상물(1)이 탑재되는 스테이지(300), 레이저 발생 장치(100)와 스테이지(300) 사이의 레이저 빔(10)의 경로 상에 위치하며 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20) 중 상하 궤적(21)을 스캐닝하게 하는 제1 레이저 스캐너(210) 및 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20) 중 좌우 궤적(22)을 스캐닝하게 하는 제2 레이저 스캐너(220), 제1 레이저 스캐너(210)에 연결되어 제1 레이저 스캐너(210)를 이동시키는 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 레이저 스캐너(220)에 연결되어 제2 레이저 스캐너(220)를 이동시키는 제2 스캐닝 모터(700)를 포함한다. 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 스캐닝 모터(700)는 함께 구동하여 레이저 빔(10)의 제2 궤적(30)을 스캐닝한다.

제2 레이저 스캐너(220)와 스테이지(300) 사이에는 레이저 빔(10)의 초점 거리를 조절하여 레이저 빔(10)의 크기를 확대 또는 축소하는 광학계(500)가 설치되어 있다.

레이저 발생 장치(100)는 레이저 빔(10)을 제1 레이저 스캐너(210)로 조사하고 제1 레이저 스캐너(210)는 레이저 빔(10)을 반사하여 제2 레이저 스캐너(220)로 조사하며, 제2 레이저 스캐너(220)는 레이저 빔(10)을 반사하여 대상물(1)로 조사한다.

제1 레이저 스캐너(210)는 제1 지지판(211), 제1 지지판(211) 위에 일단부가 부착되어 있는 복수개의 제1 압전 소자(214), 제1 압전 소자(214)의 타 단부에 연결되어 있는 제1 반사판(215)을 포함한다. 본 실시예에서는 수직 방향 압전 구동력을 제공하는 2개의 제1 압전 소자(214)를 예시하고 있으며 각 제1 압전 소자(214)의 길이를 조절함으로써 이에 연결된 제1 반사판(215)의 각도를 조절할 수 있다. 제1 압전 소자(214)는 적어도 2개 이상인 것이 바람직하다.

복수개의 제1 압전 소자(214)는 서로 이격되어 있는 제1 축 압전 소자(212) 및 제2 축 압전 소자(213)를 포함한다. 제1 축 압전 소자(212)의 길이와 제2 축 압전 소자(213)의 길이를 조절함으로써 제1 반사판(211)에서 반사되는 레이저 빔(10)이 상측과 하측을 왕복하는 상하 궤적(21)을 스캐닝하게 된다.

제2 레이저 스캐너(220)는 제2 지지판(221), 제2 지지판(221) 위에 일단부가 부착되어 있는 복수개의 제2 압전 소자(224), 제2 압전 소자(224)의 타 단부에 연결되어 있는 제2 반사판(225)을 포함한다. 본 실시예에서는 수직 방향 압전 구동력을 제공하는 2개의 제2 압전 소자(224)를 예시하고 있으며 각 제2 압전 소자(224)의 길이를 조절함으로써 이에 연결된 제2 반사판(225)의 각도를 조절할 수 있다.

복수개의 제2 압전 소자(224)는 서로 이격되어 있는 제3 축 압전 소자(222) 및 제4 축 압전 소자(223)를 포함한다. 제3 축 압전 소자(222)의 길이와 제4 축 압전 소자(223)의 길이를 조절함으로써 제2 반사판(221)에서 반사되는 레이저 빔(10)이 좌측과 우측을 왕복하는 좌우 궤적(22)을 스캐닝하게 된다.

이와 같이, 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 따라 스캐닝하므로 레이저 빔(10)의 가공 폭을 넓힐 수가 있다. 따라서, 대상물(1)의 가공 폭이 레이저 빔(10)의 초점보다 큰 경우에 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 따라 스캐닝함으로써 레이저 빔(10)의 가공 폭을 넓혀 대상물(1)의 가공 폭을 넓힐 수 있다. 또한, 제1 레이저 스캐너(210)의 복수개의 제1 압전 소자(214)와 제2 레이저 스캐너(220)의 복수개의 제2 압전 소자(224)를 이용하여 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)을 스캐닝하므로 스캐닝 모터를 이용하여 제1 궤적(20)을 스캐닝하는 경우에 비해 제1 궤적(20)의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

한편, 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 스캐닝 모터(700)에 의한 제2 궤적(30)의 스캐닝, 제1 레이저 스캐너(210)에 의한 상하 궤적(21)의 스캐닝 및 제2 레이저 스캐너(220)에 의한 좌우 궤적(22)의 스캐닝은 동시에 이루어진다. 따라서, 레이저 빔(10)은 제1 레이저 스캐너(210)에 의한 상하 궤적(21)과 제2 레이저 스캐너(220)에 의한 좌우 궤적(22)이 혼합된 제1 궤적(20)을 그리고, 스캐닝 모터(600)에 의해 제2 궤적(30)을 그리게 되므로 제1 궤적(20)과 제2 궤적(30)이 혼합된 혼합 궤적(40)을 그리게 된다.

상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 대상물(1)을 가공하는 레이저 가공 방법에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 우선, 레이저 발생 장치(100)에서 레이저 빔(10)을 제1 레이저 스캐너(210)로 조사한다.

다음으로, 복수개의 제1 압전 소자(214)를 가지는 제1 레이저 스캐너(210)가 레이저 빔(10)을 소정 각도로 반사시켜 레이저 빔(10)은 제1 궤적(20) 중 상하 궤적(21)을 스캐닝한다. 그리고, 복수개의 제2 압전 소자(224)를 가지는 제2 레이저 스캐너(220)가 제1 레이저 스캐너(210)에서 반사된 레이저 빔(10)을 소정 각도로 반사시켜 레이저 빔(10)은 제1 궤적(20) 중 좌우 궤적(22)을 스캐닝한다. 그리고, 제1 레이저 스캐너(210)에 연결된 제1 스캐닝 모터(600)가 제1 레이저 스캐너(210)를 이동시키고, 제2 레이저 스캐너(220)에 연결된 제2 스캐닝 모터(700)가 제2 레이저 스캐너(220)를 이동시켜 레이저 빔(10)의 제2 궤적(30)을 스캐닝한다. 제2 궤적(30)은 레이저 빔(10)이 대상물(1)을 가공하며 진행하는 궤적으로서, 선형 궤적, 원형 궤적 등 다양한 궤적이 가능하다.

제1 레이저 스캐너(210)의 스캐닝, 제2 레이저 스캐너(220)의 스캐닝, 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 스캐닝 모터(700)의 스캐닝은 동시에 이루어진다. 이 때, 복수개의 제1 압전 소자(214) 중 서로 이격되어 있는 제1 축 압전 소자(212) 및 제2 축 압전 소자(213)의 길이를 조절하여 제1 궤적(20) 중 상하 궤적(21)을 조절하고, 제3 축 압전 소자(222) 및 제4 축 압전 소자(223)의 길이를 조절하여 제1 궤적(20) 중 좌우 궤적(22)을 조절한다. 이러한 상하 궤적(21) 및 좌우 궤적(22)을 혼합하여 제1 궤적(20)을 스캐닝한다.

이와 같이, 제1 레이저 스캐너(210)의 복수개의 제1 압전 소자(214)와 제2 레이저 스캐너(220)의 복수개의 제2 압전 소자(224)를 이용하여 레이저 빔(10)의 제1 궤적(20)을 스캐닝하므로 스캐닝 모터를 이용하여 제1 레이저 스캐너(210)를 구동하는 경우에 비해 제1 궤적(20)의 스캐닝 동작이 빠르고 레이저 가공 시스템의 오류가 적다.

도 7에 도시한 실시예에서는 2개의 제1 압전 소자(214)를 가진 제1 레이저 스캐너(210)와 2개의 제2 압전 소자(224)를 가진 제2 레이저 스캐너(220)를 이용하여 제1 궤적을 스캐닝하였으나, 적어도 3개 이상의 제2 압전 소자(224)를 가진 제2 레이저 스캐너(220) 하나만을 이용하여 제1 궤적을 스캐닝할 수도 있다.

그러면 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템에 대하여 도 10을 참고로 상세하게 설명한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 레이저 발생 장치(100)와 스테이지(300) 사이의 레이저 빔(10)의 경로 상에 위치하며 레이저 빔(10)을 제2 레이저 스캐너(220)으로 반사시키는 제1 레이저 스캐너(210) 및 레이저 빔(10)이 제1 궤적(20)을 스캐닝하게 하는 제2 레이저 스캐너(220), 제1 레이저 스캐너(210)에 연결되어 제1 레이저 스캐너(210)를 이동시키는 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 레이저 스캐너(220)에 연결되어 제2 레이저 스캐너(220)를 이동시키는 제2 스캐닝 모터(700)를 포함한다. 제1 스캐닝 모터(600) 및 제2 스캐닝 모터(700)는 함께 구동하여 레이저 빔(10)의 제2 궤적(30)을 스캐닝한다.

제1 레이저 스캐너(210)는 제1 지지판(211), 제1 지지판(211) 위에 부착되어 있는 제1 반사판(215)을 포함한다. 제1 반사판(215)은 제1 스캐닝 모터(600)에 의해 이동된다.

제2 레이저 스캐너(220)는 제2 지지판(221), 제2 지지판(221) 위에 일단부가 부착되어 있는 복수개의 제2 압전 소자(224), 제2 압전 소자(224)의 타 단부에 연결되어 있는 제2 반사판(225)을 포함한다. 본 실시예에서는 수직 방향 압전 구동력을 제공하는 4개의 제2 압전 소자(224)를 예시하고 있으며 각 제2 압전 소자(224)의 길이를 조절함으로써 이에 연결된 제2 반사판(225)의 각도를 조절할 수 있다.

복수개의 제2 압전 소자(224)는 서로 이격되어 있는 제1 축 압전 소자(228), 제2 축 압전 소자(229), 제3 축 압전 소자(222) 및 제4 축 압전 소자(223)를 포함한다. 제1 축 압전 소자(228) 및 제2 축 압전 소자(229)는 제1 궤적(20)의 상하 궤적(21)을 조절하고, 제3 축 압전 소자(222) 및 제4 축 압전 소자(223)는 제1 궤적(20)의 좌우 궤적(22)을 조절한다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10: 레이저 빔 100: 레이저 발생 장치
200: 레이저 스캐너 210: 제1 레이저 스캐너
220: 제2 레이저 스캐너 300: 스테이지
400: 스테이지 구동 장치 500: 광학계
600: 제1 스캐닝 모터 700: 제2 스캐닝 모터

Claims

레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치,
상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔이 제1 궤적을 스캐닝하도록 하는 레이저 스캐너,
상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되며 소정 궤적을 그리며 이동하는스테이지
를 포함하며,
상기 스테이지의 이동에 의해 상기 레이저 빔은 상기 소정 궤적의 반대 방향 궤적인 제2 궤적을 스캐닝하고,
상기 레이저 스캐너는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 복수개의 압전 소자를 포함하는 레이저 가공 시스템.
제1항에서,
상기 레이저 스캐너는
상기 복수개의 압전 소자의 일 단부를 지지하는 지지판,
상기 복수개의 압전 소자의 타 단부에 연결되어 있는 반사판
을 더 포함하는 레이저 가공 시스템.
제2항에서,
상기 복수개의 압전 소자는 적어도 3개 이상이며, 상기 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 레이저 가공 시스템.
제3항에서,
상기 레이저 빔의 스캐닝과 상기 스테이지의 이동은 동시에 이루어져 상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝하는 레이저 가공 시스템.
제4항에서,
상기 제2 궤적은 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이며, 상기 제1 궤적은 상기 제2 궤적에 접하는 원 궤적이고, 혼합 궤적은 스프링 형상인 레이저 가공 시스템.
제4항에서,
상기 제2 궤적은 소정 방향으로 진행하는 선형 궤적이며, 상기 제1 궤적은 상기 제2 궤적에 수직한 방향으로 왕복하는 선형 궤적이고, 상기 혼합 궤적은 톱니 형상인 레이저 가공 시스템.
레이저 빔 발생 장치에서 레이저 빔을 조사하는 단계,
복수개의 압전 소자를 가지는 레이저 스캐너가 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔은 제2 궤적을 스캐닝하는 동시에 상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되는 스테이지를 이동시켜 상기 레이저 빔은 제1 궤적을 스캐닝하는 단계
를 포함하고,
상기 복수개의 압전 소자의 각각의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 레이저 가공 방법.
제7항에서,
상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝하는 레이저 가공 방법.
레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치,
상기 레이저 빔이 조사되는 대상물이 탑재되는 스테이지,
상기 레이저 발생 장치에서 발생한 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기레이저 빔이 제1 궤적을 스캐닝하도록 하는 제1 레이저 스캐너 및 제2 레이저 스캐너,
상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너를 각각 이동시켜 상기 레이저 빔의 제2 궤적을 스캐닝하는 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터
를 포함하는 레이저 가공 시스템.
제9항에서,
상기 제2 레이저 스캐너는 상기 제1 레이저 스캐너와 소정 간격 이격되어 있으며, 상기 제2 레이저 스캐너는 상기 제1 레이저 스캐너에서 반사된 상기 레이저 빔을 소정 각도로 반사시키는 레이저 가공 시스템.
제10항에서,
상기 제1 레이저 스캐너는
제1 지지판,
상기 제1 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제1 압전 소자,
상기 복수개의 제1 압전 소자에 연결되어 있는 제1 반사판
을 포함하고,
상기 제2 레이저 스캐너는
제2 지지판,
상기 제2 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제2 압전 소자,
상기 복수개의 제2 압전 소자에 연결되어 있는 제2 반사판
을 포함하는 레이저 가공 시스템.
제11항에서,
상기 복수개의 제1 압전 소자는 적어도 2개 이상이며, 상기 제1 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제1 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 레이저 가공 시스템.
제12항에서,
상기 복수개의 제2 압전 소자는 적어도 2개 이상이며, 상기 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제2 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 레이저 가공 시스템.
제10항에서,
상기 제1 레이저 스캐너는
제1 지지판,
상기 제1 지지판 위에 배치되어 있는 제1 반사판
을 포함하고,
상기 제2 레이저 스캐너는
제2 지지판,
상기 제2 지지판 위에 배치되어 있는 복수개의 제2 압전 소자,
상기 복수개의 제2 압전 소자에 연결되어 있는 제2 반사판
을 포함하는 레이저 가공 시스템.
제14항에서,
상기 복수개의 제2 압전 소자는 적어도 3개 이상이며, 상기 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 제2 반사판에서 반사되는 상기 레이저 빔의 반사각을 조절하는 레이저 가공 시스템.
제15항에서,
상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너의 스캐닝 및 상기 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터의 스캐닝은 동시에 이루어져 상기 레이저 빔은 상기 제1 궤적과 상기 제2 궤적이 혼합된 혼합 궤적을 스캐닝하는 레이저 가공 시스템.
레이저 발생 장치에서 레이저 빔을 조사하는 단계,
제1 레이저 스캐너 및 제2 레이저 스캐너가 상기 레이저 발생 장치에서 발생한 레이저 빔을 소정 각도로 반사시켜 상기 레이저 빔은 제1 궤적을 스캐닝하는 단계,
상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너에 각각 연결된 제1 스캐닝 모터 및 제2 스캐닝 모터가 상기 제1 레이저 스캐너 및 상기 제2 레이저 스캐너를 이동시켜 상기 레이저 빔의 제2 궤적을 스캐닝하는 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제17항에서,
상기 제1 레이저 스캐너의 적어도 2개 이상의 제1 압전 소자 및 상기 제2 레이저 스캐너의 적어도 2개 이상의 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 제1 궤적을 조절하는 레이저 가공 방법.
제17항에서,
상기 제2 레이저 스캐너의 적어도 3개 이상의 제2 압전 소자의 길이를 조절하여 상기 레이저 빔의 제1 궤적을 조절하는 레이저 가공 방법.