KR20130128242A - 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈 - Google Patents

레이저빔 주사를 위한 광학 모듈 Download PDF

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KR20130128242A
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김석환
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Abstract

미러의 편심을 보상할 수 있는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈을 제공한다. 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈은 미러 마운트와, 미러 마운트의 중앙에 결합되는 회전축과, 미러 마운트의 일측 단부에 결합되어 미러 마운트의 단부를 전후 방향으로 진동시키는 진동 부재와, 미러 마운트에 고정되고 미러 마운트와 함께 회전축을 중심으로 왕복 회동 운동을 하여 레이저빔을 주사하는 미러와, 회전축을 사이에 두고 위치하는 미러 마운트 상의 일측 및 타측 가운데 적어도 한 곳에 배치되어 미러의 편심을 보상하는 무게 추를 포함한다.

Description

레이저빔 주사를 위한 광학 모듈 {OPTICAL MODULE FOR LASER BEAM SCAN}
본 발명은 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미러의 편심을 보상할 수 있는 광학 모듈에 관한 것이다.
레이저는 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다. 예를 들어, 액정 표시장치 또는 유기발광 표시장치의 박막 트랜지스터에 다결정 실리콘이 사용되는데, 레이저를 이용한 어닐링(annealing) 방법으로 다결정 실리콘을 형성할 수 있다. 또한, 레이저빔 프린터와 스캐너 및 투사형 표시장치(프로젝터) 등에도 레이저가 사용된다.
레이저빔 주사를 위한 광학 모듈은 광원에서 출사된 레이저빔을 제공받아 이를 주사하기 위한 미러와, 미러를 지지하는 미러 마운트를 포함한다. 미러 마운트의 중심 또는 한쪽 단부에 회전축이 설치되고, 미러 마운트의 반대쪽 단부에 진동 장치가 설치될 수 있다. 이 경우 미러는 진동 장치와 연결된 단부가 진동하면서 회전축을 중심으로 왕복 회동 운동을 한다.
전술한 광학 모듈은 모터 또는 피에조 작동기와 같은 기계적인 진동 장치를 이용하여 미러를 진동시키고, 미러의 진동을 이용하여 레이저빔을 주사한다. 그런데 이러한 기계적 방법은 미러의 편심을 유발하여 미러의 회동 평형을 저해할 수 있다. 미러가 회동 평형을 유지하지 못하면 레이저빔의 정밀한 주사가 불가능해지며, 레이저빔을 재정렬해야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 미러의 편심을 보상하여 미러의 회동 평형을 유지함으로써 레이저빔의 정밀한 주사를 가능하게 하는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈은 미러 마운트와, 미러 마운트의 중앙에 결합되는 회전축과, 미러 마운트의 일측 단부에 결합되어 미러 마운트의 단부를 전후 방향으로 진동시키는 진동 부재와, 미러 마운트에 고정되고 미러 마운트와 함께 회전축을 중심으로 왕복 회동 운동을 하여 레이저빔을 주사하는 미러와, 회전축을 사이에 두고 위치하는 미러 마운트 상의 일측 및 타측 가운데 적어도 한 곳에 배치되어 미러의 편심을 보상하는 무게 추를 포함한다.
무게 추는 미러 마운트 상의 일측에 하나가 배치될 수 있다.
다른 한편으로, 무게 추는 미러 마운트 상의 일측과 타측에 각각 배치되는 제1 무게 추와 제2 무게 추를 포함할 수 있다. 제1 무게 추와 제2 무게 추는 서로 다른 질량을 가질 수 있다.
다른 한편으로, 미러 마운트의 일측과 타측에 볼트가 고정되고, 무게 추는 볼트에 체결된 너트로 구성될 수 있다. 무게 추는 미러 마운트의 일측과 타측에 각각 배치되며 서로 다른 질량을 가지는 제3 무게 추와 제4 무게 추를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 무게 추는 미러 마운트의 일측과 타측에 각각 배치되는 제3 무게 추와 제4 무게 추를 포함하며, 제3 무게 추와 제4 무게 추는 같은 질량을 가지면서 미러 마운트와의 이격 거리가 서로 다르게 설치될 수 있다.
다른 한편으로, 무게 추는 미러 마운트 상의 일측과 타측 가운데 적어도 한 곳에서 미러 마운트의 폭 방향을 따라 복수개로 배치될 수 있다. 무게 추는 미러에 대한 거리가 서로 다른 제5 무게 추와 제6 무게 추를 포함할 수 있다. 제5 무게 추와 제6 무게 추는 서로 다른 질량을 가질 수 있다.
미러는 회전축의 설치 방향에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
미러 마운트는, 미러를 고정시키며 회전축의 설치 방향에 대해 경사지게 배치된 내측 마운트와, 내측 마운트 가운데 미러가 고정된 면을 제외한 나머지 면을 둘러싸며 회전축 및 진동 부재와 결합되는 외측 마운트를 포함할 수 있다.
외측 마운트는 상부면을 포함하고, 미러 마운트 상의 일측과 타측은 각각 상부면의 좌측 단부와 우측 단부일 수 있다.
본 실시예의 광학 모듈은 무게 추를 이용하여 미러와 미러 마운트의 편심을 보정할 수 있다. 따라서 광학 모듈은 미러의 회동 평형을 유지하여 레이저빔을 정밀하게 주사할 수 있다. 광학 모듈은 비정질 실리콘층의 결정화 장치에 적용될 수 있으며, 이 경우 다결정 실리콘층의 제조 품질을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 광학 모듈 중 미러 마운트의 사시도이다.
도 3은 도 1의 I-I선을 기준으로 절개한 광학 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 광학 모듈 중 미러의 기능을 설명하기 위해 도시한 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제1 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 6a는 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제2 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 6b는 도 6a에 도시한 무게 추를 나타낸 부분 평면도이다.
도 7은 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제3 변형예를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈(이하, 편의상 '광학 모듈'이라 한다)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 광학 모듈 중 미러 마운트의 사시도이며, 도 3은 도 1의 I-I선을 기준으로 절개한 광학 모듈의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 광학 모듈(100)은 미러(10)와, 미러(10)를 고정 지지하는 미러 마운트(20)와, 미러 마운트(20)의 중앙에 결합되는 회전축(30)과, 미러 마운트(20)의 일측 단부에 결합되는 진동 부재(40)를 포함한다. 또한, 광학 모듈(100)은 미러(10)의 편심을 보상하여 미러(10)의 회동 평형을 유지시키는 적어도 하나의 무게 추(50)(도 2 참조)를 포함한다.
미러(10)는 소정의 길이와 폭을 가지는 직사각 미러로 형성될 수 있다. 미러(10)의 길이 방향은 수평 방향(x축 방향)과 나란하고, 미러(10)의 폭 방향은 높이 방향(z축 방향)과 나란할 수 있다.
다른 한편으로, 미러(10)는 레이저빔을 방출하는 출사 광학계(도시하지 않음) 및 레이저빔을 조사받는 대상(도시하지 않음)과의 정렬을 위하여 그 폭 방향이 높이 방향(z축 방향)에 대해 소정 각도로 기울어지게 배치될 수 있다. 도 3에서 높이 방향(z축 방향)에 대한 미러(10)의 경사각(틸트각)을 α로 표시하였다.
미러 마운트(20)는 미러(10)를 고정시키는 내측 마운트(21)와, 내측 마운트(21)를 둘러싸며 회전축(30)에 결합되는 외측 마운트(22)로 구성될 수 있다. 그리고 광학 모듈(100)은 미러 마운트(20)를 둘러싸는 하우징(60)을 포함할 수 있다.
내측 마운트(21)는 조정 볼트(23)(도 3 참조)와 같은 결합 부재에 의해 외측 마운트(22)에 일체로 결합될 수 있다. 또한, 내측 마운트(21)는 높이 방향(z축 방향)에 대해 소정 각도로 기울어지게 배치되어 미러(10)가 α의 경사각을 갖도록 할 수 있다. 외측 마운트(22)는 내측 마운트(21)의 상부와 하부 및 후방을 둘러싸도록 구성될 수 있다.
회전축(30)은 미러 마운트(20)의 중앙에서 외측 마운트(22)의 상부면(221)과 하부면(222)에 한 쌍으로 결합되며, 한 쌍의 회전축(30)은 높이 방향(z축 방향)을 따라 같은 위치에 설치된다. 회전축(30)은 내륜이 외측 마운트(22)에 결합되어 회전하는 내륜 회전형 크로스 롤러 링으로 구성될 수 있다.
진동 부재(40)는 미러 마운트(20)의 일측 단부에 결합되어 미러 마운트(20)의 단부를 전후 방향(도 2에서 a-a 화살표 방향)으로 진동시킨다. 따라서 미러 마운트(20)와 여기에 장착된 미러(10)는 회전축(30)을 중심으로 왕복 회동 운동을 한다. 도 2에서 미러 마운트(20)와 미러(10)의 회동 방향을 b-b 화살표로 나타내었다.
진동 부재(40)는 모터 또는 피에조 작동기와 같은 통상의 기계 장치로 구성될 수 있다. 도 1과 도 2에서는 미러 마운트(20)의 일측 단부에 축(24)이 설치되고, 축(24)을 전후 방향으로 진동시키는 피에조 작동기(41)가 축(24)에 결합된 경우를 예로 들어 도시하였다. 미러 마운트(20)와 진동 부재(40)의 구조는 도시한 예로 한정되지 않는다.
그리고 상기에서는 미러 마운트(20)가 내측 마운트(21)와 외측 마운트(22)로 구성된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 미러 마운트(20)의 구조 또한 도시한 예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 미러 마운트(20)는 그 전체가 수평 방향(x축 방향)으로 긴 대략적인 직육면체로 형성될 수 있다. 그리고 이러한 미러 마운트(20)는 미러(10)가 장착되는 앞면을 경사면으로 형성하여 미러(10)가 α의 경사각을 갖도록 할 수 있다.
본 실시예에서 미러 마운트(20)와 회전축(30) 및 진동 부재(40)는 각자의 기능(즉, 미러 마운트(20)는 미러(10)를 고정시키고, 회전축(30)은 미러 마운트(20)의 회동을 지지하며, 진동 부재(40)는 미러 마운트(20)의 단부를 전후 방향으로 진동시키는 기능)을 수행할 수 있는 구성이면 전술한 광학 모듈(100)에 모두 적용 가능하다.
도 4는 도 1에 도시한 광학 모듈 중 미러의 기능을 설명하기 위해 도시한 개략적인 구성도이다.
도 4를 참고하면, 미러(10)의 전방에는 레이저빔(LB)을 출사하는 출사 광학계(70)가 배치된다. 출사 광학계(70)는 레이저빔(LB)을 방출하는 광원과, 복수의 렌즈 및 광 변조기 등을 포함할 수 있다. 복수의 렌즈와 광 변조기는 레이저빔(LB)의 경로와 밀도를 조절하는 기능을 한다.
미러(10)는 전술한 진동 부재(40)에 의해 레이저빔(LB)의 주사 각도(β) 내에서 왕복 회동 운동을 한다. 따라서 미러(10)는 제공받은 레이저빔(LB)을 반사하여 기판(S) 상에 레이저빔(LB)을 주사한다. 기판(S)은 비정질 실리콘층이 형성된 기판일 있으며, 레이저빔을 제공받아 영상을 표시하는 스크린으로도 대체될 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 미러(10)와 미러 마운트(20)는 고속으로 왕복 회동하는 과정에서 편심이 발생할 수 있다.
예를 들어, 광학 모듈(100)의 제조 과정에서 가공 오차에 의해 미러(10)와 미러 마운트(20)의 좌, 우측 무게에 편차가 발생할 수 있다. 그리고 미러(10)와 내측 마운트(21)의 경사각(틸트각)에 따라 무게 중심이 변경되므로 이에 따른 편심이 발생할 수 있다. 또한, 미러(10)와 미러 마운트(20)가 고속으로 회동하는 과정에서 양측 단부가 상하 방향으로 흔들리는 요잉(yawing) 현상 등이 발생할 수 있다.
미러(10)와 미러 마운트(20)의 편심과 의도하지 않은 진동 등은 미러(10)의 회동 평형을 저해한다. 광학 모듈(100)은 미러 마운트(20)에 적어도 하나의 무게 추(50)를 설치하여 미러(10)의 편심을 보상하고 진동을 억제하며, 그 결과 미러(10)의 회동 평형을 유지시킨다.
구체적으로, 무게 추(50)는 회전축(30)을 사이에 두고 위치하는 미러 마운트(20) 상의 일측 및 타측 가운데 적어도 한 곳에 배치된다. 도 2를 기준으로 할 때 미러 마운트(20) 상의 일측과 타측은 미러 마운트(20), 즉 외측 마운트(22) 상부면(221)의 좌측 단부와 우측 단부일 수 있다.
미러 마운트(20)의 좌측 단부와 우측 단부 중 편심 보정이 필요한 한 곳에 하나의 무게 추(50)가 고정될 수 있다. 도 2에서는 미러 마운트(20)의 우측 단부에 하나의 무게 추(50)가 고정된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 무게 추(50)의 위치는 도시한 예로 한정되지 않는다. 무게 추(50)의 질량과 고정 위치는 미러(10) 및 미러 마운트(20)의 편심 정도에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제1 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참고하면, 무게 추(51, 52)는 미러 마운트(20)의 좌측 단부와 우측 단부 모두에 고정될 수 있다. 이때 미러 마운트(20)의 좌측 단부에 위치하는 제1 무게 추(51)와 미러 마운트(20)의 우측 단부에 위치하는 제2 무게 추(52)는 서로 다른 질량을 가진다. 제1 및 제2 무게 추(51, 52)의 질량 차이와 고정 위치는 미러(10) 및 미러 마운트(20)의 편심 정도에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
도 6a는 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제2 변형예를 나타낸 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 도시한 무게 추를 나타낸 부분 평면도이다.
도 6a와 도 6b를 참고하면, 미러 마운트(20)는 좌측 단부와 우측 단부에 고정된 볼트(26)를 포함하며, 무게 추(53, 54)는 볼트(26)에 체결된 너트로 구성된다. 볼트(26)는 외측 마운트(22)의 상부면(221)과 평행한 방향을 따라 외측 마운트(22)에 고정 장착된다. 미러 마운트(20)의 좌측 단부에 위치하는 제3 무게 추(53)와 미러 마운트(20)의 우측 단부에 위치하는 제4 무게 추(54)는 서로 다른 질량을 가질 수 있다.
다른 한편으로, 제3 무게 추(53)와 제4 무게 추(54)는 같은 질량을 가지면서 미러 마운트(20)와의 이격 거리가 서로 다르게 설정될 수 있다. 무게 추(53, 54)는 미러 마운트(20)와의 이격 거리에 따라 미러 마운트(20)에 가하는 질량을 변화시킬 수 있으므로 서로 다른 질량의 무게 추를 고정시킨 것과 동일한 작용을 한다.
도 6a와 도 6b에서는 제3 무게 추(53)와 제4 무게 추(54)가 같은 질량을 가지면서 미러 마운트(20)와의 이격 거리가 다르게 설정된 경우를 예로 들어 도시하였다. 도 6b에서 미러 마운트(20)에 대한 제3 무게 추(53)의 이격 거리를 G1으로 표시하고, 미러 마운트(20)에 대한 제4 무게 추(54)의 이격 거리를 G2로 표시하였다.
도 7은 도 2에 도시한 미러 마운트와 무게 추의 제3 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 7을 참고하면, 미러(10)와 미러 마운트(20)는 회전축(30)이 위치하는 높이 방향(z축 방향)에 대해 α의 각도로 틸트되어 있으므로 고속으로 왕복 회동하는 과정에서 그 전체가 상하 방향으로 떨리는 진동이 발생할 수 있다.
제3 변형예에서, 무게 추(55, 56)는 미러 마운트(20)의 좌측 단부와 우측 단부 중 적어도 한 곳에서 미러 마운트(20)의 폭 방향(y축 방향)을 따라 복수개로 설치된다. 도 7에서는 미러 마운트(20)의 좌측 단부와 우측 단부 모두에 2개의 무게 추(55, 56)가 설치된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 무게 추(55, 56)의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.
미러 마운트(20)의 폭 방향(y축 방향)을 따라 설치되는 복수의 무게 추(55, 56)는 서로 다른 질량을 가진다. 예를 들어, 미러(10)와 가깝게 위치하는 제5 무게 추(55)와 미러(10)와 멀리 떨어져 위치하는 제6 무게 추(56)는 서로 다른 질량을 가진다. 제5 및 제6 무게 추(55, 56)의 질량 차이와 고정 위치는 미러(10) 및 미러 마운트(20)의 편심 정도에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
전술한 제1 변형예 내지 제3 변형예에서 무게 추(51, 52, 53, 54, 55, 56)가 배치되는 미러 마운트(20) 상의 좌측 단부와 우측 단부는 회전축(30)으로부터 같은 거리를 유지한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 광학 모듈(100)은 전술한 무게 추(50, 51, 52, 53, 54, 55, 56)를 이용하여 미러(10)와 미러 마운트(20)의 편심을 보정할 수 있다. 따라서 광학 모듈(100)은 미러(10)의 회동 평형을 유지하여 레이저빔을 정밀하게 주사할 수 있다. 전술한 광학 모듈(100)은 비정질 실리콘층의 결정화 장치에 적용될 수 있으며, 이 경우 다결정 실리콘층의 제조 품질을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 광학 모듈 10: 미러
20: 미러 마운트 21: 내측 마운트
22: 외측 마운트 23: 조정 볼트
30: 회전축 40: 진동 부재
50~56: 무게 추 60: 하우징
70: 출사 광학계

Claims (11)

  1. 미러 마운트;
    상기 미러 마운트의 중앙에 결합되는 회전축;
    상기 미러 마운트의 일측 단부에 결합되어 상기 미러 마운트의 단부를 전후 방향으로 진동시키는 진동 부재;
    상기 미러 마운트에 고정되고, 상기 미러 마운트와 함께 상기 회전축을 중심으로 왕복 회동 운동을 하여 레이저빔을 주사하는 미러; 및
    상기 회전축을 사이에 두고 위치하는 상기 미러 마운트 상의 일측 및 타측 가운데 적어도 한 곳에 배치되어 상기 미러의 편심을 보상하는 무게 추
    를 포함하는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러 마운트 상의 일측에 하나가 배치되는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러 마운트 상의 일측과 타측에 각각 배치되는 제1 무게 추와 제2 무게 추를 포함하며,
    상기 제1 무게 추와 상기 제2 무게 추는 서로 다른 질량을 가지는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미러 마운트의 일측과 타측에 볼트가 고정되고,
    상기 무게 추는 상기 볼트에 체결된 너트로 구성되는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러 마운트의 일측과 타측에 각각 배치되며 서로 다른 질량을 가지는 제3 무게 추와 제4 무게 추를 포함하는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러 마운트의 일측과 타측에 각각 배치되는 제3 무게 추와 제4 무게 추를 포함하며,
    상기 제3 무게 추와 상기 제4 무게 추는 같은 질량을 가지면서 상기 미러 마운트와의 이격 거리가 서로 다르게 설치되는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러 마운트 상의 일측과 타측 가운데 적어도 한 곳에서 상기 미러 마운트의 폭 방향을 따라 복수개로 배치되는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무게 추는 상기 미러에 대한 거리가 서로 다른 제5 무게 추와 제6 무게 추를 포함하며,
    상기 제5 무게 추와 상기 제6 무게 추는 서로 다른 질량을 가지는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미러는 상기 회전축의 설치 방향에 대해 경사지게 배치되는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 미러 마운트는,
    상기 미러를 고정시키며 상기 회전축의 설치 방향에 대해 경사지게 배치된 내측 마운트; 및
    상기 내측 마운트 가운데 상기 미러가 고정된 면을 제외한 나머지 면을 둘러싸며 상기 회전축 및 상기 진동 부재와 결합되는 외측 마운트
    를 포함하는 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외측 마운트는 상부면을 포함하고,
    상기 미러 마운트 상의 일측과 타측은 각각 상기 상부면의 좌측 단부와 우측 단부인 레이저빔 주사를 위한 광학 모듈.
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