KR20120119101A - 빔 덤프 - Google Patents

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KR20120119101A
KR20120119101A KR1020110036861A KR20110036861A KR20120119101A KR 20120119101 A KR20120119101 A KR 20120119101A KR 1020110036861 A KR1020110036861 A KR 1020110036861A KR 20110036861 A KR20110036861 A KR 20110036861A KR 20120119101 A KR20120119101 A KR 20120119101A
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beam dump
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강태민
곽노민
김선호
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삼성디스플레이 주식회사
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/353—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being a shutter, baffle, beam dump or opaque element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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Abstract

레이저 빔이 입사되는 빔 덤프는 상기 레이저 빔이 입사되는 흡수 공간을 형성하는 하우징 및 상기 흡수 공간 내에서 상호 이격되어 배치되어 있으며 상기 레이저 빔이 입사되는 방향으로 각각이 테이퍼(taper)진 복수의 흡수체를 포함한다.

Description

빔 덤프{BEAM DUMP}
본 발명은 빔 덤프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프에 관한 것이다.
빔 덤프는 커팅(cutting), 용접(welding), 솔더링(soldering) 및 어닐링(annealing) 등 다양한 공정에 널리 사용되는 레이저 빔(laser beam)을 공정 후 흡수하여 차단하는 장치이다.
종래의 빔 덤프는 레이저 빔을 흡수하는 흡수체를 포함하였다. 그런데, 종래의 빔 덤프는 흡수체가 레이저 빔을 장시간 흡수할 경우 흡수체의 온도가 지나치게 상승하여 빔 덤프 자체가 손상되거나, 빔 덤프에서 발생하는 복사열로 인해 빔 덤프 주변 기구물의 변형이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 빔을 흡수할 때, 냉각 효율이 향상된 빔 덤프를 제공하고자 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 레이저 빔이 입사되는 빔 덤프에 있어서, 상기 레이저 빔이 입사되는 흡수 공간을 형성하는 하우징, 및 상기 흡수 공간 내에서 상호 이격되어 배치되어 있으며, 상기 레이저 빔이 입사되는 방향으로 각각이 테이퍼(taper)진 복수의 흡수체를 포함하는 빔 덤프를 제공한다.
상기 흡수체는 동일한 두께를 가지도록 일 방향으로 연장된 몸체부, 및 상기 몸체부로부터 상기 레이저 빔이 입사되는 방향으로 테이퍼진 블레이드부를 포함할 수 있다.
상기 블레이드부는 이등변 삼각형 형상을 가지며, 상기 빔 덤프는 아래의 수학식을 만족할 수 있다.
(수학식)
G > T*sin(a/2)/{1-sin(a/2)}
여기서, 상기 G는 이웃하는 상기 흡수체 간의 간격이고, 상기 T는 상기 몸체부의 두께이며, 상기 a는 상기 블레이드부의 단부에 대응하는 상기 이등변 삼각형의 내각임.
상기 하우징은 상기 흡수 공간을 형성하는 하우징 본체, 및 상기 흡수 공간을 커버하며, 상기 레이저 빔이 최초 입사되는 표면에 반사 방지층이 코팅된 윈도우를 포함할 수 있다.
상기 흡수 공간 내에 위치하며, 상기 흡수체와 접촉하는 냉각 유체를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 하우징 본체의 일 측에 배치되어 상기 흡수 공간과 연통하며, 상기 냉각 유체가 상기 흡수 공간으로 유입되는 통로인 제1 채널, 및 상기 하우징 본체의 타 측에 배치되어 상기 흡수 공간과 연통하며, 상기 냉각 유체가 상기 흡수 공간으로부터 유출되는 통로인 제2 채널을 더 포함할 수 있다.
상기 흡수 공간 내에 배치되어 있으며, 상기 흡수 공간 내로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 흡수체 방향으로 반사하는 반사 미러를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 과제 해결 수단의 일부 실시예 중 하나에 의하면, 레이저 빔을 흡수할 때, 냉각 효율이 향상된 빔 덤프가 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프의 일 부분을 확대한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프에 포함된 흡수체를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 덤프를 나타낸 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.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프(1000)는 커팅(cutting), 용접(welding), 솔더링(soldering) 및 어닐링(annealing) 등 다양한 공정에 널리 사용되는 레이저 빔(laser beam)을 흡수하며, 하우징(100), 흡수체(200) 및 냉각 유체(300)를 포함한다.
하우징(100)은 레이저 빔(LB)이 입사되는 흡수 공간(AS)을 형성하며, 하우징 본체(110), 윈도우(120), 제1 채널(130) 및 제2 채널(140)을 포함한다.
하우징 본체(110)는 일 부분이 개방되어 흡수 공간(AS)을 형성한다. 하우징 본체(110)는 레이저 빔(LB)이 입사할 수 있도록 하우징 본체(110)를 이동시킬 수 있는 스테이지(미도시)에 지지되어 있을 수 있다. 하우징 본체(110)가 형성하는 흡수 공간(AS)에는 냉각 유체(300)가 위치하며, 이 냉각 유체(300)는 제1 채널(130) 및 제2 채널(140)을 통해 흡수 공간(AS) 내를 순환한다. 하우징 본체(110)의 개방된 일 부분에는 윈도우(120)가 위치하고 있다. 하우징 본체(110)는 알루미늄(Al) 등과 같은 금속성 물질을 포함할 수 있으며, 흡수 공간(AS)과 접촉하는 하우징 본체(110)의 내부 표면에는 알루미나(Al2O3) 등과 같은 산화막이 코팅될 수 있다.
윈도우(120)는 하우징 본체(110)와 결합되어 흡수 공간(AS)을 커버하고 있다. 윈도우(120)와 하우징 본체(110) 사이에는 오링(O-ring) 등과 같은 밀폐 부재가 위치할 수 있으며, 윈도우(120) 및 하우징 본체(110)에 의해 흡수 공간(AS)은 밀폐된다. 윈도우(120)는 외부로부터 입사되는 레이저 빔(LB)이 최초로 입사되는 부분이며, 레이저 빔(LB)이 입사될 수 있도록 아크릴, 석영 및 유리 등의 광투과성 재료를 포함할 수 있다. 레이저 빔(LB)이 최초 입사되는 윈도우(120)의 표면에는 반사 방지층(121)(anti reflection layer)이 코팅되어 있다.
반사 방지층(121)은 윈도우(120)로 입사되는 레이저 빔(LB)의 반사를 억제함으로써, 윈도우(120)에 대한 레이저 빔(LB)의 투과율을 향상시킨다. 반사 방지층(121)은 유기 재료, 무기 재료 및 폴리머 등 중 하나 이상의 재료로 이루어질 수 있으며, 굴절율이 서로 다른 재료가 혼합되거나 적층되거나 또는 표면에 규칙적 또는 불규칙적인 패턴이 형성될 수 있다. 일례로서, 반사 방지층(121)은 서로 교호적으로 적층된 동시에 서로 다른 두께를 가지는 티타늄 산화물(TiO2)층 및 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 반사 방지층(121)이 레이저 빔(LB)이 최초로 입사되는 윈도우(120)의 표면에 코팅됨으로써, 윈도우(120) 자체에 의해 레이저 빔(LB)이 반사되는 것이 억제되기 때문에, 의도치 않게 윈도우(120)에 의해 반사되는 레이저 빔(LB)에 의해 빔 덤프(1000) 주변의 구조물이 변형되는 것이 방지된다. 이는 레이저 빔(LB)에 대한 빔 덤프(1000)의 흡수 효율을 향상시키는 요인 및 빔 덤프(1000)의 신뢰성을 향상시키는 요인으로서 작용한다.
제1 채널(130)은 하우징 본체(110)의 일 측에 배치되어 흡수 공간(AS)과 연통하고 있다. 제1 채널(130)을 통해 외부로부터 냉각 유체(300)가 유체 흐름(WF) 방향으로 이동하여 흡수 공간(AS)에 위치하게 된다.
제2 채널(140)은 하우징 본체(110)의 타 측에 배치되어 흡수 공간(AS)과 연통하고 있다. 제2 채널(140)을 통해 흡수 공간(AS)으로부터 냉각 유체(300)가 유체 흐름(WF) 방향으로 이동하여 외부로 배출된다.
즉, 제1 채널(130) 및 제2 채널(140)을 통해 냉각 유체(300)가 흡수 공간(AS)을 순환하고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프의 일 부분을 확대한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 흡수체(200)는 하우징(100)이 형성하는 흡수 공간(AS) 내에 복수개가 상호 이격되어 배치되어 있다. 복수의 흡수체(200)는 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향으로 각각이 테이퍼(taper)져 있으며, 윈도우(120)를 거쳐 흡수체(200)로 조사되는 레이저 빔(LB)을 흡수한다. 복수의 흡수체(200)는 레이저 빔(LB)을 흡수하는 광 흡수성 재료를 포함할 수 있다. 일례로서, 흡수체(200)는 알루미늄(Al) 등과 같은 금속성 재료의 코어(core) 및 이 금속성 재료의 표면에 코팅된 알루미나(Al2O3) 등과 같은 산화막을 포함할 수 있다. 복수의 흡수체(200)는 볼트(bolt) 등과 같은 체결 부재에 의해 하우징(100) 내에 지지될 수 있다.
흡수체(200)는 몸체부(210) 및 블레이드부(220)를 포함한다.
몸체부(210)는 동일한 두께를 가지도록 레이저 빔(LB)이 입사되는 일 방향으로 연장되어 있으며, 블레이드부(220)는 몸체부(210)로부터 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향으로 테이퍼져 있다. 상호 이격되어 배치되어 복수의 흡수체(200)로 윈도우(120)를 통한 레이저 빔(LB)이 입사되면, 이 레이저 빔(LB)은 이웃하는 흡수체(200) 사이를 지그재그(zigzag) 형태로 반사되어 이웃하는 흡수체(200)에 완전히 흡수된다. 이 때, 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리는 복수의 흡수체(200)로 입사되는 레이저 빔(LB)이 이웃하는 흡수체(200) 사이에서 반사되도록 블레이드부(220)의 테이퍼진 각도 및 몸체부(210)의 두께를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
일례로서, 블레이드부(220)가 이등변 삼각형 형상을 가질 경우에 이웃하는 흡수체(200) 사이의 이격 거리를 설정하는 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프에 포함된 흡수체를 나타낸 도면이다. 도 3에서 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프에 포함된 이웃하는 흡수체를 나타낸 도면이며, (b)는 비교예에 따른 빔 덤프에 포함된 이웃하는 흡수체를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리(G)는 블레이드부(220)의 테이퍼진 각도 및 몸체부(210)의 두께를 고려하여 아래의 수학식을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.
(수학식)
G > T*sin(a/2)/{1-sin(a/2)}
여기서, G는 이웃하는 흡수체(200) 간의 간격인 이격 거리이고, T는 몸체부(210)의 두께이며, a는 블레이드부(220)의 단부에 대응하는 이등변 삼각형의 내각이다.
이러한 수학식을 만족하도록 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리를 설정한 경우, 흡수체(200)로 입사된 레이저 빔(LB)은 도 3의 (a)와 같은 경로를 따라 이웃하는 흡수체(200) 사이에서 반사되어 흡수체(200)에 의해 완전히 흡수된다.
반면에, 블레이드부(220)의 테이퍼진 각도 및 몸체부(210)의 두께를 고려하지 않고 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리를 설정한 경우, 흡수체(200)로 입사된 레이저 빔(LB)은 도 3의 (b)와 같은 경로를 따라 흡수체(200)에 의해 반사되어 외부로 조사될 수 있다. 이 경우, 의도치 않게 외부로 조사된 레이저 빔(LB)에 의해 빔 덤프(1000) 또는 빔 덤프(1000) 주변의 구조물이 변형될 우려가 있다.
이와 같이, 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리가 블레이드부(220)의 테이퍼진 각도 및 몸체부(210)의 두께를 고려하여 설정됨으로써, 흡수체(200)로 조사되는 레이저 빔(LB)이 흡수체(200)에 의해 완전히 흡수된다. 이는 레이저 빔(LB)에 대한 빔 덤프(1000)의 흡수 효율을 향상시키는 요인 및 빔 덤프(1000)의 신뢰성을 향상시키는 요인으로서 작용한다.
한편, 복수의 흡수체(200)가 레이저 빔(LB)을 흡수하면서 흡수체(200)의 온도가 상승될 수 있는데, 이는 흡수 공간(AS)을 순환하는 냉각 유체(300)에 의해 최소화된다.
다시, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 유체(300)는 흡수 공간(AS) 내에 위치하며, 복수의 흡수체(200) 각각과 직접 접촉하고 있다. 냉각 유체(300)는 상술한 바와 같이, 제1 채널(130) 및 제2 채널(140)을 통해 흡수 공간(AS)을 순환하면서 복수의 흡수체(200) 각각과 직접 접촉하고 있다. 상세하게, 냉각 유체(300)는 흡수 공간(AS)을 순환하면서 도 2에 도시된 유체 흐름(WF) 방향을 따라 이웃하는 흡수체(200) 사이를 통과하면서 흡수체(200)와 직접 접촉하여 흡수체(200)와 열 교환을 수행한다. 또한, 냉각 유체(300)가 흡수 공간(AS)에 위치함으로써, 윈도우(120)를 통한 레이저 빔(LB)의 일부가 냉각 유체(300)에 의해 흡수될 수 있다.
이와 같이, 냉각 유체(300)가 흡수 공간(AS)을 순환하면서 흡수체(200)와 직접 접촉함으로써, 냉각 유체(300)는 레이저 빔(LB)에 의해 온도가 상승된 흡수체(200)와 열 교환을 수행하여 흡수체(200)의 온도가 상승되는 것을 억제한다. 이러한 냉각 유체(300)에 의해 직접적으로 흡수체(200)의 열 교환이 수행되는 동시에 레이저 빔(LB)의 일부가 냉각 유체(300)에 의해 흡수되기 때문에, 빔 덤프(1000)의 냉각 효율 및 흡수 효율이 향상된다. 이는 빔 덤프(1000)의 신뢰성을 향상시키는 요인으로서 작용한다.
이상과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프(1000)는 반사 방지층(121)이 레이저 빔(LB)이 최초로 입사되는 윈도우(120)의 표면에 코팅됨으로써, 윈도우(120) 자체에 의해 레이저 빔(LB)이 반사되는 것이 억제되기 때문에, 의도치 않게 윈도우(120)에 의해 반사되는 레이저 빔(LB)에 의해 빔 덤프(1000) 주변의 구조물이 변형되는 것이 방지된다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프(1000)는 이웃하는 흡수체(200)의 이격 거리가 블레이드부(220)의 테이퍼진 각도 및 몸체부(210)의 두께를 고려하여 설정됨으로써, 흡수체(200)로 조사되는 레이저 빔(LB)이 흡수체(200)에 의해 완전히 흡수된다. 즉, 흡수 효율 및 신뢰성이 향상된 빔 덤프(1000)가 제공된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 덤프(1000)는 냉각 유체(300)가 흡수 공간(AS)을 순환하면서 흡수체(200)와 직접 접촉함으로써, 레이저 빔(LB)에 의해 온도가 상승된 흡수체(200)가 냉각 유체(300)와 열 교환을 수행하여 흡수체(200)의 온도가 상승되는 것이 억제한다. 즉, 냉각 유체(300)에 의해 직접적으로 흡수체(200)에 대한 열 교환이 수행되기 때문에, 냉각 효율이 향상된 빔 덤프(1000)가 제공된다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 덤프를 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 덤프에 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 덤프(1002)는 하우징(100), 흡수체(200), 냉각 유체(300) 및 반사 미러(400)를 포함한다.
반사 미러(400)는 하우징(100)이 형성하는 흡수 공간(AS) 내에 배치되어 있으며, 흡수 공간(AS)으로 입사되는 레이저 빔(LB)을 흡수체(200) 방향으로 반사한다. 반사 미러(400)는 알루미늄(Al) 등과 같은 금속 물질을 포함할 수 있으며, 표면을 경면으로 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 덤프에서 반사 미러의 표면을 곡면으로 형성하여 반사 미러로 입사되는 레이저 빔을 분산시켜 흡수체로 반사할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 덤프(1002)는 반사 미러(400)에 의해 흡수체(200)와 윈도우(120)가 동일한 연장선 상에 위치할 필요가 없으므로, 흡수체(200) 및 윈도우(120)의 배치를 자유롭게 할 수 있다.
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.
하우징(100), 하우징 본체(110), 윈도우(120), 흡수체(200), 몸체부(210), 블레이드부(220)

Claims (7)

  1. 레이저 빔이 입사되는 빔 덤프에 있어서,
    상기 레이저 빔이 입사되는 흡수 공간을 형성하는 하우징; 및
    상기 흡수 공간 내에서 상호 이격되어 배치되어 있으며, 상기 레이저 빔이 입사되는 방향으로 각각이 테이퍼(taper)진 복수의 흡수체
    를 포함하는 빔 덤프.
  2. 제1항에서,
    상기 흡수체는,
    동일한 두께를 가지도록 일 방향으로 연장된 몸체부; 및
    상기 몸체부로부터 상기 레이저 빔이 입사되는 방향으로 테이퍼진 블레이드부
    를 포함하는 빔 덤프.
  3. 제2항에서,
    상기 블레이드부는 이등변 삼각형 형상을 가지며,
    아래의 수학식을 만족하는 빔 덤프:
    (수학식)
    G > T*sin(a/2)/{1-sin(a/2)}
    여기서, 상기 G는 이웃하는 상기 흡수체 간의 간격이고, 상기 T는 상기 몸체부의 두께이며, 상기 a는 상기 블레이드부의 단부에 대응하는 상기 이등변 삼각형의 내각임.
  4. 제1항에서,
    상기 하우징은,
    상기 흡수 공간을 형성하는 하우징 본체; 및
    상기 흡수 공간을 커버하며, 상기 레이저 빔이 최초 입사되는 표면에 반사 방지층이 코팅된 윈도우
    를 포함하는 빔 덤프.
  5. 제4항에서,
    상기 흡수 공간 내에 위치하며, 상기 흡수체와 접촉하는 냉각 유체를 더 포함하는 빔 덤프.
  6. 제5항에서,
    상기 하우징은,
    상기 하우징 본체의 일 측에 배치되어 상기 흡수 공간과 연통하며, 상기 냉각 유체가 상기 흡수 공간으로 유입되는 통로인 제1 채널; 및
    상기 하우징 본체의 타 측에 배치되어 상기 흡수 공간과 연통하며, 상기 냉각 유체가 상기 흡수 공간으로부터 유출되는 통로인 제2 채널
    을 더 포함하는 빔 덤프.
  7. 제1항에서,
    상기 흡수 공간 내에 배치되어 있으며, 상기 흡수 공간 내로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 흡수체 방향으로 반사하는 반사 미러를 더 포함하는 빔 덤프.
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