KR20130130813A

KR20130130813A - 광 주사 장치 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR20130130813A
Application number: KR1020137022778A
Authority: KR
Inventors: 모리마사 쿠게; 히데유키 타나카; 무츠히로 나카자와; 카즈노리 타카하라; 오사미 오오구시
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-12-02
Also published as: CN103384580A; CN103384580B; JP5401629B2; JPWO2012120892A1; KR101494564B1; TW201250292A; WO2012120892A1; TWI453461B; EP2684636B1; EP2684636A1; US9604309B2; US20140036331A1; EP2684636A4

Abstract

광 주사 장치(32)가, 광을 등속으로 각(角) 이동시키면서 방사하는 투광 수단(65)과, 투광 수단(65)에서 방사된 광을 반사하여 소정의 주사선(52) 상의 임의의 피조사점으로 안내하기 위한 광반사 수단(66)을 구비한다. 광반사 수단(66)은, 복수의 반사부(71,72)를 가지며 투광 수단(56)에서 방사된 광을 2번 이상 반사하여 임의의 피조사점에 안내한다. 각 반사부(71,72)가 복수의 반사면(77,78)으로 구성된다. 투광 수단(65)에서 피조사점까지의 광로 길이가, 주사선(52) 상의 모든 피조사점에 걸쳐 거의 일정하고, 또한 투광 수단(65)에서 방사된 광의 주사선(52) 상에서의 주사 속도가 거의 일정하다.

Description

광 주사 장치 및 레이저 가공 장치{OPTICAL SCANNING DEVICE AND LASER MACHINING DEVICE}

본 발명은, 레이저 빔(laser beam) 등의 광을 주사선을 따라 주사하는 광 주사 장치 및 이러한 광 주사 장치를 구비한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

레이저 빔을 직선 모양의 주사선을 따라 주사하는 기술이, 레이저 프린터나, 팩스, 레이저 가공 장치 등에 널리 이용되고 있다. 예를 들면, 태양 광 발전을 위한 태양 전지로서 박막계 태양 전지나 플렉서블(flexible) 태양 전지 등(이후, 편의상 「박막계 태양 전지」라고 총칭한다)이 알려져 있는 바, 박막계 태양 전지는, 그 제조 공정에 있어서, 기판의 한 면에 금속막이나 실리콘막 등의 반도체를 성막하여 이루어지는 워크(work)에, 레이저 빔으로 패터닝(patterning) 가공을 하는 레이저 가공 장치가 이용되고 있다. 워크의 기판에는, 소정 길이를 가진 직사각 형상의 글라스(glass) 기판이나 롤투롤(roll-to-roll) 제조방법에서 사용되는 플렉서블 기판 등이 포함된다. 레이저 가공 장치를 이용한 패터닝 가공에서는, 워크에 설정되는 주사선을 따라 레이저 빔을 주사하고, 주사선을 따라 박막층을 부분적으로 벗기고, 그에 의해 가공 라인을 형성한다. 패터닝 가공 후에 남겨진 박막층으로 박막계 태양 전지가 구성된다. 또한, 일반적으로, 패터닝용 레이저 장치에서는, 미세 가공의 용이성과 열적 영향의 억제 효과 등에 비추어 보아서 레이저 빔에 펄스 레이저(pulse laser)가 적용된다. 레이저 빔에 펄스 레이저를 적용하였을 경우, 어떤 타이밍에서 발진된 레이저의 조사 영역을 1펄스폭만큼 전에 발진된 레이저의 조사 영역과 워크 상에서 부분적으로 오버랩(overlap)시키도록 하여 펄스 레이저가 주사되고, 그에 의해 공정 라인의 연속성을 담보한다. 또한, 인접한 2펄스의 레이저 빔 조사 영역끼리가 오버랩하는 영역은 「중첩 부분」이라고도 불린다.

이와 같이 레이저 가공 장치나 레이저 프린터 등에는, 레이저 빔을 주사하는 광 주사 장치가 적용된다. 광 주사 장치는, 기본적으로는, 레이저 발진기 등의 광원에서 출사된 레이저 광을, 폴리곤 미러(polygonal mirror)나 갈바노 미러(galvanometer mirror) 등의 편향기로 각(角) 이동시키고, 각 이동하는 레이저 빔을 피조사면에 조사한다. 이에 의해 레이저 빔이 피조사면 상에서 직선 모양으로 주사된다. 편향기는, 동작 신뢰성을 높이기 위하여, 일반적으로 등속으로 구동되고, 이에 의해 레이저광도 등속으로 각 이동한다. 그러나 직선 모양의 주사선을 따라 주사하는 경우, 그 상태에서는 주사선의 끝점 부근과 중간 부분에서 레이저 빔의 주사 속도에 차이가 생긴다. 레이저 가공 장치에 있어서는, 이러한 주사 속도의 차이가 중첩 부분의 크기 변화로 나타나고, 이로 인하여 가공 불균일을 생기게 해버린다. 이러한 차이를 해소하는 광학 소자로서 fθ렌즈가 잘 알려져 있지만, fθ 렌즈의 설계에는 고도의 노하우를 필요로 하고, 제조 설비 또는 제조 공구의 사이즈의 제약으로 대형화가 곤란하다. 그래서 종래에, fθ 렌즈 대신에 편향기의 등속 동작 및 레이저광의 등속 주사를 동시에 실현하기 위한 광학 소자가 여러 가지 개발되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1은, 레이저 프린터 또는 팩스용 광 주사 장치에 fθ 렌즈 대신에 설치되는 광학 소자로서, 1매의 구면(球面) 미러를 개시하고 있다. 편향 장치로부터의 레이저 빔은, 해당 구면 미러에서 반사되어 감광체 면상에 집광된다. 이러한 구면 미러를 적용함으로써 레이저 빔의 주사 속도를 주사선의 연장 방향으로 균등하게 보정하거나, 집광면에서 넓은 화각에 걸쳐 양호한 왜곡 특성 및 양호한 상면(像面) 평탄성을 얻거나 하는 것이 도모되고 있다.

한편, 레이저 가공 장치에서는, 레이저 빔이 주사선 상의 어느 위치에서도 포커싱 가능함이나 레이저 빔이 워크에 최대한 수직으로 입사함이 가공 불균일의 억제에 유효하다. 또, 전술한 바와 같이 fθ 렌즈를 레이저 가공 장치에 적용하는 것은 현실적으로 곤란하다. 그래서 특허문헌 2는, 레이저 가공 장치용 광학 주사 장치에 fθ 렌즈 대신에 설치되는 광학 소자로서, 대략 포물면을 이루도록 나란히 놓인 복수의 미러를 개시하고 있다. 편향기로부터의 레이저 빔은, 미러에서 반사되어 워크에 낙사(落射)된다. 이와 같이 배치된 미러를 적용함으로써 편향기의 회전각에 관계없이 레이저 빔이 워크에 최대한 수직으로 입사한다. 또, 편향기의 회전각에 관계없이 편향 중심에서 워크까지의 광로 길이를 최대한 일정하게 할 수 있어서, 주사 중에 레이저 빔을 워크 상에서 계속 포커싱시킬 수 있다.

특개평 1-200220호 공보 특개 2011-000625호 공보

그러나 특허문헌 1에 개시된 광 주사 장치에서는, 구면 미러가 연속면이기 때문에 대형화가 곤란하다. 따라서 레이저 가공 장치와 같이 레이저 빔의 주사 범위가 비교적 큰 용도에는 적용하는 것이 곤란하다.

한편, 특허문헌 2에 개시된 레이저 가공 장치에서는, 복수의 미러가 나란히 배치되기 때문에 특허문헌 1과 같이 사이즈의 제약을 받지는 않지만, 편향기의 동작 속도를 등속으로 하였을 경우 레이저 빔의 주사 속도의 차이를 해소할 수는 없다. 해당 레이저 장치에서 주사 속도의 차이를 억제하려면, 편향기를 속도 가변으로 구동할 수밖에 없어, 레이저 가공 장치의 동작 신뢰성을 보장하는 것이 곤란하다.

따라서, 본 발명은 편향 동작을 등속으로 하면서 포커싱 상태를 유지함과 함께 레이저를 등속으로 주사시키고, 또한 이와 같은 레이저 빔 등의 광을 주사하는 광 주사 장치의 제조 및 대형화를 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 이루어진 것이다. 본 발명에 따른 광 주사 장치는, 광을 등속으로 각(角) 이동시키면서 방사하는 투광 수단과, 상기 투광 수단으로부터 방사된 빛을 반사하여 소정의 주사선 상의 임의의 피조사점으로 안내하기 위한 광반사 수단을 구비하고, 상기 광반사 수단은 복수의 반사부를 갖가지며 상기 투광 수단으로부터 방사된 광을 2번 이상 반사하여 상기 임의의 피조 점에 안내하고, 상기 반사부의 각각이 복수의 반사면으로 구성되며, 상기 투광 수단에서 상기 피조사점까지의 광로 길이가 상기 주사선 상의 모든 피조사점에 걸쳐 거의 일정하고, 또한 상기 투광 수단으로부터 방사된 광의 상기 주사선 상에서의 주사 속도가 거의 일정하다.

상기 구성에 의하면, 투광 수단이 광을 등속으로 각 이동시키면서 방사하기 때문에 광의 편향 동작을 단순화할 수 있다. 또, 투광 수단에서 피조사점까지의 광로 길이가 주사선 상의 모든 피조사점에 거의 대략 일정하고 또한 투광 수단에서 방사된 광의 주사선의 주사 속도가 거의 일정하다. 따라서 광의 편향각에 관계없이 포커싱 상태를 유지하면서 레이저 빔을 등속으로 이동시킬 수 있다. 광반사 수단이 복수의 반사부를 가지며 투광 수단으로부터 방사된 광을 2번 이상 반사하여 임의의 피조사점에 안내하고, 각 반사부가 복수의 반사면으로 구성되기 때문에, 광반사 수단의 제조 및 대형화를 용이하게 하면서 상기 작용 효과를 실현할 수 있다.

상기 반사면 중 1개 이상이 평면이어도 좋다. 상기 구성에 의하면, 광반사 수단을 더욱 용이하게 제조할 수 있다.

상기 투광 수단이 등속으로 회전하는 회전다면경을 가지고 있어도 좋다. 상기 구성에 의하면, 광을 등속으로 각 이동시키면서 방사하는 것을 실현할 수 있다.

상기 회전다면경이 7개 이상의 반사면을 가지고 있어도 좋다. 상기 구성에 의하면, 광을 등속으로 각 이동시키면서 방사하고, 또한 전술한 작용을 실현할 수 있다.

상기 주사선이 직선이어도 좋다. 상기 투광 수단이 펄스 레이저를 방사하여도 좋다. 펄스 레이저를 편평하게 만드는 원통형 렌즈를 더 구비하여도 좋다.

또, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 전술한 바와 같은 광 주사 장를 구비하여 워크에 형성된 박막층에 레이저 빔으로 가공 라인을 형성한다.

상기 구성에 의하면, 편향 동작을 단순화하면서 포커싱 상태를 유지함과 동시에 워크를 최대한 등속으로 이동시킬 수 있다.

상기 워크를 일정한 반송 속도로 일 방향으로 반송하는 반송 장치와, 상기 레이저 빔으로 워크에 가공 라인을 형성하는 가공부에서 그 워크를 정확한 위치에 지지하는 워크 위치 고정 장치와, 상기 광 주사 장치 및 상기 반송 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하며, 상기 광 주사 장치가, 상기 반송 장치로 반송하는 워크에 대하여 반송 방향과 교차하는 방향으로 레이저 빔을 조사하고, 상기 제어 장치가, 상기 반송 장치로 워크를 상기 반송 속도로 반송하거나 워크의 반송 속도를 검출하여 반송하면서 상기 광 주사 장치에서 워크의 반송 방향과 교차하는 방향으로 1개의 레이저 빔을 주사하고, 이 1개의 레이저 빔의 가공 라인이, 소정의 반송 속도로 반송되는 워크의 반송 방향에 대하여 직각이 되도록 워크의 반송 속도와 레이저 빔의 주사 속도를 상대적으로 제어하여도 좋다.

상기 구성에 의하면, 워크를 정확한 위치에서 지지하며 반송하면서 광 주사 장치에서 1개의 레이저 빔을 주사하여 워크의 반송 방향에 대하여 직각이 되는 가공 라인을 박막층에 형성할 수 있다. 이 때문에, 워크의 박막층에 가공 라인을 고속으로 1회 통과에 따라 패터닝 가공할 수 있고, 가공을 효율적으로 할 수 있다. 또, 워크의 속도를 검출하고 피드백 제어하여 레이저 빔의 주사 타이밍을 조정하는 방식을 이용함으로써 롤투롤 제조방법 등 연속적으로 이동하는 워크에 대응하는 것도 가능하다. 따라서 태양 전지의 생산 공정에 있어서 한층 더 택트 타임(tact time)의 단축화를 도모하여 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.

상기 정속 반송 장치는, 일 방향으로 반송하는 워크와 레이저 빔의 평면 방향 상대 각도를 조정하는 비틀림 보정 기능을 구비하고 있어도 좋다.

상기 구성에 따르면, 워크의 비틀림을 억제하도록 워크와 레이저 빔의 평면 방향 상대 각도를 조정하면서 가공을 할 수 있다.

상기 레이저 빔은, 주사 방향으로 긴 편평한 빔이어도 좋다.

상기 구성에 의하면, 1개의 편평한 빔을 고속으로 주사시킴으로써 가공 라인을 고속으로 가공할 수 있어서 한층 더 택트 타임의 단축화에 따른 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.

상기 워크는, 글라스 기판에 박막을 증착한 것이고, 상기 레이저 빔은 투과 레이저 빔이며, 상기 투과 레이저 빔을 글라스 기판의 박막층 반대방향에서 조사하여 박막층에 가공 라인을 형성하도록 구성하여도 좋다.

상기 구성에 의하면, 광 주사 장치의 반대 조사측에서 박막층에 마이크로익스플로전(micro-explosion) 효과를 생기게 하여 저출력으로 가공 효율을 높인 가공 라인의 형성을 할 수 있다.

상기 워크 위치 고정 기구는, 상기 박막층을 상면으로 하고 반송하는 워크의 아래쪽에 설치된 워크 지지 기구와, 워크의 위쪽에 설치된 비접촉식 워크 압압 기구를 갖고 있어도 좋다.

상기 구성에 의하면, 워크의 반송 때에 박막층에 접촉하는 구조를 제거하여 워크의 박막층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

상기 워크의 박막층 방향으로 제거막 흡입 수단을 설치하여도 좋다.

상기 구성에 의하면, 레이저 빔으로 벗겨진 막을 흡입 수단으로 흡입시켜 걷어냄에 따라 레이저 빔으로 제거한 막이 박막층에 다시 부착하는 것을 방지할 수 있다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 편향 동작을 등속으로 하면서 포커싱 상태를 유지함과 함께 레이저를 등속으로 주사시킬 수 있다. 또한, 레이저 빔 등의 광을 주사하는 광 주사 장치의 제조 및 대형화를 용이하게 할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에서의 레이저 빔의 주사 방향을 나타내는 개념도이다.
도 3은, 도 1에 도시한 빔 주사 유닛의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 4는, 도 3에 도시한 편향 중심, 일차 반사면, 이차 반사면 및 주사선의 위치 관계를 나타내는 개념도이다.
도 5a는, 도 3에 도시한 이차 미러의 구조의 일예를 나타내는 부분 측면도이다.
도 5b는, 도 3에 도시한 이차 미러의 구조의 일예를 나타내는 부분 측면도이다.
도 6은, 도 3에 도시한 폴리곤 미러의 부분 단면도이다.
도 7은, 도 3에 도시한 빔 주사 유닛으로부터 조사되는 펄스 레이저의 중첩 부분을 나타내는 개념도이다.
도 8은, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치의 가공부를 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 9는, 도 8에 도시한 가공부를 확대하여 모식적으로 나타내는 부분 측면도이다.
도 10은, 도 8에 도시한 가공부에서의 레이저 빔의 조사 작용을 나타내는 부분 측면도이다.
도 11a는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 박막층을 성막하기 전의 글라스 기판의 측단면도이다.
도 11b는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11a에 도시한 글라스 기판에 투명전극층을 성막하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.
도 11c는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11b에 도시한 워크에 가공 라인을 형성하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.
도 11d는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11c에 도시한 가공 라인 형성 후에 광전교환층을 성막하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.
도 11e는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11d에 도시한 워크에 가공 라인을 형성하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.
도 11f는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11e에 도시한 가공 라인 형성 후에 후면전극층을 성막하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.
도 11g는, 도 1에 도시한 레이저 가공 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도로서, 도 11f에 도시한 워크에 가공 라인을 형성하는 공정을 나타내는 워크의 측단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 동일하거나 대응하는 요소에는 모든 도면에 걸쳐 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 상세한 설명을 생략한다. 또, 이하의 설명에서는, 레이저 가공 장치(1)가 박막계 태양 전지를 제조할 때의 패터닝 가공에 사용되고, 워크(5)가 기판(7)에 박막층(6)을 형성하여 이루어지는 박막계 태양 전지의 중간 제품인 경우를 예시한다.

[레이저 가공 장치의 전체 구성]

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1)를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공 장치(1)는, 반송 장치(3), 레이저 빔 유닛(30) 및 제어 장치(60)를 구비하고 있다.

반송 장치(3)는, 박막층(6)을 위로 향하게 한 수평 자세로 워크(5)를 지지하면서 워크(5)를 수평한 일 방향인 반송 방향(Y)으로 정속으로 반송한다. 한편, 워크(5)의 세로 방향은 반송 방향(Y)을 평행하게 향하게 되고 워크(5)의 폭 방향은 반송 방향(Y)에 직교하는 수평 방향을 향하게 된다. 반송 장치(3)는, 연직 방향의 Z축 주위로 워크(5)의 자세를 바로 잡는 워크 파지부(12)를 구비하고 있다. 이 워크 파지부(12)의 동작에 의해 워크(5)의 폭 방향과 레이저 빔(50)의 주사선과의 평면 방향 상대 각도를 조정하여 워크(5)의 세로 방향과 반송 방향(Y)의 정합성을 담보할 수 있다.

레이저 빔 유닛(30)은, 레이저 발진기(31) 및 빔 주사 유닛(32)을 가지고 있다. 레이저 발진기(31)는, 킬로 헬츠 ~ 메가 헬츠 오더(order)의 일정 주파수로 펄스 레이저를 순차적으로 발진하고, 생성된 펄스 레이저를 빔 주사 유닛(32)에 순차적으로 출사한다. 빔 주사 유닛(32)은, 레이저 발진기(31)로부터의 레이저 빔(50)을 편향하면서 워크(5)에 조사한다. 이에 의해, 레이저 빔(50)이 워크(5) 상에서 반송 방향(Y)과 교차하는 방향으로 주사된다.

워크(5)에 입사한 레이저 빔(50)은, 기판(7)을 투과하여 박막층(6)에서 포커싱된다. 본 실시예에서는, 박막층(6)을 위로 향하게 하고 있으므로, 빔 주사 유닛 (32)이 반송 장치(3)의 아래쪽에 배치되고, 레이저 빔(50)은, 빔 주사 유닛(32)의 빔 조사구(34)를 위쪽으로 통과하여 워크(5)에 아래로부터 입사한다. 레이저 빔(50)이 주사되면, 박막층(6)이 레이저 빔(50)의 주사선을 따라 벗겨져서 선 모양의 홈(이후, 「가공 라인(52)」이라고 칭한다)이 박막층(6)에 형성된다. 레이저 빔(50)의 주사선은 워크(5)의 폭 방향으로 직선으로 연장하고, 가공 라인(52)도 워크(5)의 폭 방향으로 연장하도록 형성된다. 1개의 워크(5)에는, 워크(5)의 세로 방향으로 간격을 두고 나란히 놓인 복수개의 가공 라인이 형성된다.

레이저 가공 장치(1)에는, 반송 방향(Y)에 대하여 빔 주사 유닛(32)이 설치되어 있는 부분 근방에서 가공부(33)가 설치되고, 이 가공부(33)에, 워크 위치 고정 기구(20)가 설치되어 있다. 워크 위치 고정 기구(20)는, 워크(5)를 정확한 위치에 지지한다. 더욱 구체적으로는, 워크 위치 고정 기구(20)는, 반송 방향(Y)에 대하여 적어도 빔 주사 유닛(32)이 설치되어 있는 부분 근방에서, 워크(5)의 반송 방향(Y) 이동을 허용하면서 워크(5)의 위치를 상하 방향으로 구속한다. 이에 따라, 레이저 빔(50)의 초점이, 원하는 위치에서 상하 방향(대체로 레이저 빔(50)의 광로 방향과 일치)으로 어긋나는 것을 억제할 수 있다.

제어 장치(60)는, 반송 장치(3), 레이저 빔 유닛(30), 워크 파지부(12) 및 워크 위치 고정 기구(20)를 제어한다. 제어 장치(60)는, 1개의 가공 라인을 형성하는 동안에 펄스 레이저가 일정한 주파수로 발진되도록 레이저 발진기(31)를 제어한다. 제어 장치(60)는, 1개의 가공 라인을 형성하는 동안에 레이저 빔(50)이 정속으로 주사되도록 빔 주사 유닛(32)을 제어한다.

레이저 가공 장치(1)는, 워크(5)를 반송하면서 가공 라인(52)을 형성하여도 좋고, 가공 라인(52)을 형성하는 동안에 워크(5)의 반송을 정지시켜도 좋다. 워크(5)를 반송하면서 가공 라인(52)을 형성하는 경우, 제어 장치(60)는, 필요한 수의 가공 라인(52)을 형성하는 동안에 워크(5)가 반송 방향(Y)으로 정속으로 또는 부등속으로 연속적으로 계속 반송하도록 반송 장치(3)를 제어한다.

도 2를 참조하여, 워크(5)를 정속으로 반송하면서 가공 라인(52)을 형성하는 경우에서의 레이저 빔(50)의 주사 방향에 대하여 간략하게 보충 설명한다. 이 경우, 레이저 빔(50)의 주사선은, 반송 방향(Y)으로 반송되고 있는 워크(5)에서 보았을 때에, 워크(5)의 폭 방향에 평행하게 직선으로 연장되는 것이 요구된다. 한편, 빔 주사 유닛(32)은 반송 방향(Y)으로 이동하지 않고, 워크(5)는 반송 방향(Y)으로 정속으로 병진하고, 레이저 빔(50)은 후술하는 바와 같이 정속으로 주사되려고 시도된다. 따라서 레이저 빔(50)의 주사선은, 빔 주사 유닛(32)을 설치한 지면(地面)에서 보았을 때에, 워크(5)의 세로 방향과 워크(5)의 폭 방향에 경사진 수평한 방향으로 직선으로 연장되어 있는 것이 요구된다.

이하의 설명에서는, 레이저 빔(50)의 주사 방향을, 지상에서 바라본 것이라고 명확하게 하는 경우에 「대지 주사 방향(XG)」이라고 칭하고, 반송 방향(Y)으로 반송되고 있는 워크(5)에서 본 것이라고 명확하게 하는 경우에 「상대 주사 방향 (XW)」이라고 칭한다. 레이저 빔(50)의 주사 속도에 대해서도, 지상에서 본 것이라고 명확하게 하는 경우에 「대지 주사 속도(VXG)」, 반송 방향(Y)으로 반송되고 있는 워크(5)에서 본 것이라고 명확하게 하는 경우에 「상대 주사 속도(VXW)」라고 칭한다. 또한, 상대 주사 방향(XW)은 워크(5)의 폭 방향에 해당한다.

상대 주사 속도(VXW)는, 수평면 내에서 대지 주사 속도(VXG) 및 워크(5)의 반송 속도(VY)의 합성 속도에 해당한다. 상대 주사 방향(XW)은, 반송 방향(Y)에 대하여 직교한다. 여기서, 수평면 내에서 상대 주사 방향(XW)과 대지 주사 방향(XG)이 이루는 각을 경사각(φ)이라고 한다. 반송 속도(VY)를 대지 주사 속도(VXG)로 나누면 경사각(φ)의 사인을 얻을 수 있다 (sinφ = VY／VXG). 또, 대지 주사 속도(VXG)에 경사각(φ)의 코사인을 곱하면 상대 주사 속도(VXW)를 얻을 수 있다 (VXW = VXG×cosφ).

또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시예에서는, 폴리곤 미러가 한 방향으로 연속 회전하고, 이에 따라 레이저 빔(50)을 주사한다. 여기서, 레이저 빔(50)이 폴리곤 미러의 어떤 모서리부에 입사하고 나서 다음의 모서리부에 입사할 때까지 폴리곤 미러가 회전하면 1개의 가공 라인(52)이 형성되고, 해당 어떤 모서리부에서 방사된 레이저 빔(50)이 해당 1개의 가공 라인(52)의 시작점을 형성하고, 해당 다음의 모서리부에서 방사된 레이저 빔(50)이 해당 1개의 가공 라인(52)의 끝점을 형성한다고 가정한다. 이 경우, 워크(5)의 세로 방향에서의 가공 라인(52)끼리의 간격(LY)을, 워크(5)의 폭 방향에서의 가공 라인(52)의 길이(LXW)로 나누면 경사각(φ)의 탄젠트를 얻을 수 있다 (tanφ = LY／LXW).

[빔 주사 유닛]

다음으로, 상기 레이저 가공 장치(1)에 적용된 빔 주사 유닛(32)의 구성 및 작용에 대하여 설명한다. 또한, 이후의 설명에서는 레이저 빔(50)의 주사 방향을 워크(5)의 반송 방향과 관계없이 일반화할 목적으로, 관점을 워크(5)에 두기로 한다. 즉, 이후의 설명에서는, 「주사 방향(X)」은, 특별히 언급하지 않는 한 상대 주사 방향(XW)이고, 「주사선」은, 특별히 언급하지 않는 한 상대 주사 방향(XW)에 있어서의 주사선이고, 「주사 속도(VW)」는, 특별히 언급하지 않는 한 상대 주사 속도(VXW)이다. 상기 식(sinφ = VY／VXG, VXW = VXG×cosφ, tanφ = LY／LXW)을 이용하면, 이후의 워크 기준에서의 설명을, 워크(5)를 일정한 반송 속도(VY)로 연속적으로 반송하면서 가공 라인(52)을 형성하는 경우에서의 지면 기준에서의 설명으로 바꿀 수 있다.

또한, 워크(5)의 반송 속도가 일정하지 않은 경우에 있어서는, 상기 식을 그대로 사용할 수는 없지만, 반송 속도와 함께 경시(經時) 변화하는 경사각 및 대지 주사 속도를 시간에 따라 도출하는 것은 가능하다. 따라서 시간에 따라 도출된 경사각 및 대지 주사 속도를 이용하면, 이후의 워크 기준에서의 설명을 지면 기준에서의 설명으로 바꿀 수 있다. 워크(5)의 반송을 멈추고 가공 라인을 형성하는 경우에 있어서는, 상대 주사 방향이 대지 주사 방향과 일치하고, 상대 주사 속도가 대지 스캔 속도와 일치한다.

이와 같이, 이후에 설명하는 빔 주사 유닛(32)은, 워크(5)의 반송 방법에 관계없이 박막계 태양 전지의 패터닝 가공을 하는 레이저 장치(1)에 적합하게 적용 가능하다. 또한, 이후에 설명하는 빔 주사 유닛(32)은, 박막계 태양 전지 이외의 패터닝 가공에 사용할 수 있고, 패터닝 가공 이외의 레이저 주사에 사용할 수도 있다.

도 3은, 빔 주사 유닛(32)의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빔 주사 유닛(32)은, 레이저 빔(50)을 주사하는 광학계를 구성하는 광학 소자 또는 광학 유닛으로서, 레이저 빔(50)의 광로를 따라 빔 발진기(31)로부터 차례로 렌즈(61), 프리즘(62), 제1 반사 미러(63), 제2 반사 미러(64), 투광부(65), 광반사부(66) 및 원통형 렌즈(67)를 구비하고 있다. 빔 주사 유닛(32)은, 상기 광학 소자 및 광학 유닛의 일부를 내장하는 케이스(69)를 구비하고 있다.

도 3은, 케이스(69)가 제2 반사 미러(64), 투광부(65), 광반사부(66) 및 원통형 렌즈(67)를 수용하는 경우를 예시하고 있지만, 이것은 일예에 지나지 않고, 렌즈(61), 프리즘(62) 및 제1 반사 미러(63)가 케이스(69)에 수용되어 있어도 좋고, 원통형 렌즈(68)가 케이스(69) 밖에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 전술한 빔 조사구(34)는, 케이스(69)의 상면에 마련되어 있다. 레이저 빔 (50)은, 빔 조사 구(34)를 통하여 케이스(69)의 내부에서 외부로 위쪽으로 출사된다.

렌즈(61)는, 레이저 발진기(31)에서 생성된 레이저 빔(50)이 초점을 맺는 것을 가능하게 하는 광학 소자이다. 프리즘(62), 제1 반사 미러(63) 및 제2 반사 미러(64)는, 렌즈(61)를 통과한 레이저 빔(50)을 폴리곤 미러(65)로 안내한다. 또, 이러한 소자(62~64)들은, 폴리곤 미러(65)보다 광로 상류측에서, 레이저 빔(50)을 워크(5)에서 포커싱시키기 위하여 필요한 광로 길이를 확보하기 위해 광로를 절곡하는 광학 유닛을 구성한다. 이러한 소자(62~64)들은 적절히 생략 가능하고, 다른 프리즘 또는 미러가, 렌즈(61)와 폴리곤 미러(65) 사이에 적절하게 추가되어도 좋다.

투광부(65)는, 제2 반사 미러(64)에서 입사한 레이저 빔(50)을 등속으로 각(角) 이동시키도록 하여 방사한다. 광반사부(66)는, 투광부(65)에서 방사된 광을 반사하여 주사선 상의 모든 피조사점에 안내한다. 투광부(65)의 동작에 의해 피조사점이 워크(5) 상의 주사선을 따라 주사 방향(X)으로 순차적으로 이동한다. 투광부(65)에서 피조사점까지의 광로 길이는 모든 피조사점에 걸쳐 거의 일정하다. 또, 투광부(65)에서 방사된 레이저 빔(50)의 주사선 상에서의 주사 속도(VX)는 거의 일정해진다. 이하, 이를 실현하도록 구성된 투광부(65) 및 광반사부(66)에 대하여 설명한다.

본 실시예에 따른 투광부(65)는, 폴리곤 미러(회전다면경)(70) 및 편향 액추에이터(75)를 구비하고 있다. 폴리곤 미러(70)는, 케이스(69) 내에 회전 가능하게 설치된 편향기이며, 폴리곤 미러(70)의 회전축선은, 주사 방향(X)과 직교하는 수평한 방향을 향하게 되어 있다. 편향 액추에이터(75)는, 예를 들어 전기 모터이며, 폴리곤 미러(70)를 정속으로 한 방향으로 회전 구동한다. 이에 의해, 폴리곤 미러(70)로부터의 레이저 빔(50)이 등속으로 각 이동한다. 편향 액추에이터(75) 및 폴리곤 미러(70)의 해당 동작 및 그에 따라 발생하는 레이저 빔(50)의 해당 편향 작용은, 제어 장치(60)(도 1 참조)에 의해 제어된다.

폴리곤 미러(70)는, 전체적으로 정다각 기둥 모양으로 형성되어 있으며, 그 측면 각각에 설치된 복수의 반사면을 가지고 있다. 레이저 빔(50)은, 회전하고 있는 폴리곤 미러(70)의 측부에 입사하고, 그 때의 폴리곤 미러(70)의 회전 각도 위치에 따른 반사각으로 반사된다. 레이저 빔(50)이 폴리곤 미러(70)의 모서리부에서 반사하고 나서 다음의 모서리부에서 반사할 때까지의 동안에, 폴리곤 미러(70)는, 360／N[deg] 회전한다(N: 폴리곤 미러의 반사면수). 그 동안, 폴리곤 미러(70)에서 반사된 레이저 빔 (50)은, 폴리곤 미러(70)의 회전각의 2배(즉, 720／N[deg])만큼 폴리곤 미러(70) 상의 반사점(즉, 편향 중심)을 중심으로 각 이동한다. 또한, 편향 중심의 위치는, 폴리곤 미러(70)의 회전각에 따라 약간 이동하지만 이후의 설명에서는, 폴리곤 미러(70)의 회전각에 따른 편향 중심의 이동을 무시한다. 반대로 말하면, 본 명세서에서는, 엄밀한 의미에서 편향 중심의 이동 범위 전체를 가리키며 「편향 중심」이라고 칭한다.

본 실시예에서는, 레이저 빔(50)이 폴리곤 미러(70)의 어떤 모서리에서 반사하고 나서 다음의 모서리부에서 반사할 때까지의 동안(즉, 레이저 빔(50)이 해당 2개의 모서리부 사이에 놓인 반사면을 통과하는 동안)에, 레이저 빔(50)이 워크(5) 상에서 1개의 주사선을 따라 주사된다. 해당 어떤 모서리부에서 반사된 레이저 빔의 피조사점은, 주사선의 시작점이며, 해당 다음의 모서리부에서 반사된 레이저 빔(50)의 피조사점은 주사선의 종점이다.

본 실시예에 따른 빔 주사 유닛(32)은, 폴리곤 미러(70)의 회전각에 따라 레이저 빔(50)의 초점 거리를 바꾸는 수단을 구비하고 있지 않다(다만, 본 발명에 따른 광 주사 장치가 이러한 수단을 구비하여도 괜찮다). 만일, 광반사부(66)가 존재하지 않으면, 레이저 빔(50)의 초점은 원호 모양의 궤적을 그린다. 그 궤적의 중심은 편향 중심이며, 그 궤적의 반경은 해당 편향 중심에서 초점까지의 광로 길이이다. 한편, 주사선은, 원호 모양의 궤적과 달리 주사 방향(X)으로 직선으로 연장된다. 그러면, 주사선 상의 임의의 피조사점에서 초점까지의 거리가, 해당 피조사점의 위치(즉, 레이저 빔(50)의 편향각 또는 폴리곤 미러(70)의 회전각)에 따라 바뀌어 버린다. 따라서 폴리곤 미러(70)에서 주사선 상의 임의의 피조사점까지의 광로 길이가, 모든 피조사점에 걸쳐 일정해지지 않고 해당 피조사점의 위치에 따라 달라진다. 또, 레이저 빔(50)이 등속으로 각 이동하고 있으면, 레이저 빔(50)의 주사선 상에서의 스캔 속도도 일정해지지 않는다.

광반사부(66)는, 이런 문제를 해소하기 위하여, 투광부(65)로부터의 레이저 빔(50)을 적어도 2번 반사하고 나서 워크(5)로 안내한다. 광반사부(66)는, 투광부(65)에서 워크(5) 상의 주사선 상의 임의의 피조사점까지의 광로 길이가 모든 피조사점에 걸쳐 거의 일정해지도록, 또 레이저 빔(50)이 등속으로 각 이동하고 있어도 레이저 빔(50)의 주사 속도가 거의 일정해지도록, 복수의 반사부를 가지고 있다.

본 실시예에 따른 광반사부(66)는, 투광부(65)(폴리곤 미러(70))로부터의 레이저 빔(50)을 반사하는 일차 반사부(71)와, 일차 반사부(71)로부터의 레이저 빔(50)을 더 반사하는 이차 반사부(72)를 가지며, 투광부(65)(폴리곤 미러(70))로부터의 레이저 빔(50)을 2번 반사한다. 바꾸어 말하면, 본 실시예에 따른 빔 주사 유닛(32)은, 레이저 빔(50)을 주사하는 광학계를 구성하는 광학 소자로서, 폴리곤 미러(70)와 원통형 렌즈(67) 사이에, 상기 일차 반사부(71)를 구성하는 일차 미러(73)와, 상기 이차 반사부(72)를 구성하는 이차 미러(74)를 구비하고 있다. 광반사부(66)는, 이러한 일차 미러(73) 및 이차 미러(74)로 구성되고, 케이스(69) 내에서 고정되어 있다. 단, 광반사부(66)는, 3개 이상의 반사부를 가지고 있어도 좋다.

본 실시예에서는, 광반사부(66)가 레이저 빔을 2번 반사함과 동시에 레이저 빔(50)이 워크(5)로 아래에서 입사한다. 따라서 제2 반사 미러(64)로부터의 레이저 빔(50)은, 대체로 하향으로 폴리곤 미러(70)에 입사한다. 폴리곤 미러(70)는 입사된 레이저 빔(50)을 대체로 상향으로 반사한다. 일차 미러(73)는, 폴리곤 미러(70)보다 위쪽에 배치되어, 폴리곤 미러(70)로부터의 레이저 빔(50)을 대체로 하향으로 반사한다. 이차 미러(74)는, 일차 미러(73)보다 아래에 배치되어, 일차 미러(73)로부터의 레이저 빔(50)을 대체로 상향으로 반사한다.

도 4는, 편향 중심(C), 일차 반사부(71), 이차 반사부(72) 및 주사선(52)의 위치 관계를 나타내는 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(50)이 폴리곤 미러(70)의 1개의 반사면을 통과하는 동안에, 레이저 빔(50)이 1개의 주사선(52)을 따라 워크(5) 상에서 주사 방향(X)으로 이동한다. 만일, 일차 미러(73) 및 이차 미러(74)가 존재하지 않으면, 레이저 빔(50)의 초점은, 편향 중심(C)을 중심으로 한 원호(VA)(이하, 「가상 원호(VA)」라고 칭한다)를 그리게 된다. 가상 원호(VA)의 반경(R)은 편향 중심(C)에서 초점까지의 광로 길이이다. 일차 미러(73) 및 이차 미러(74)는, 편향 중심(C)에서 초점까지의 광로를 절곡하고, 이에 의해 가상 원호(VA)를 워크(5) 상에서 주사 방향(X)(워크(5)의 폭 방향)으로 직선 모양으로 연장하도록 배치 전환한다. 이와 같이 가상 원호(VA)를 주사선(52)에 일치시키도록 배치 전환하려면, 가상 원호(VA)의 길이가 주사선(52)의 길이와 같을 것이 요구된다. 주사선(52)의 길이는, 전술한 바와 같이, 워크(5)의 폭 방향에서의 가공 라인(52)의 길이(LXW)에 해당한다. 이후, 이것들을 모두 라인 길이(LXW) 라고 칭한다.

폴리곤 미러(70)의 반사면수를 N이라고 하면, 가상 원호(VA)의 중심각(즉, 레이저 빔(50)의 각 이동 범위)은, 720／N[deg]이다. 원주율을 π, 가상 원호(VA)의 반경을 R이라고 하면, 가상 원호(VA)의 길이는, 2Rπ／{360×(N／720)}이고, 이것이 라인 길이(LXW)와 같다. 한편, 기하학적으로 라인 길이(LXW)는 가상 원호(VA)의 직경보다 길어질 수 없다. 이상으로부터 수학식1의 부등식(1)을 유도할 수 있다.

…(1)

식(1)로부터, 본 실시예에 따른 폴리곤 미러(70)는, 7개 이상의 반사면을 갖고 있는 것이 요구된다(N은 정수). 단, 반사면수(N)는, 짝수인 것이 바람직하다. 짝수이면, 도 4의 세로축을 대칭축으로 하여 광반사부(66)(본 실시예에서는, 더욱 구체적으로는 일차 반사부(71) 및 이차 반사부(72))를 용이하게 배치 가능해지기 때문이다. 또, 반사면수(N)가 커지면, 주사선 1개분에 대응한 폴리곤 미러(70)의 회전각 및 가상 원호(VA)가 줄어들어 라인 길이(LXW)를 길게 하는 것이 어려워진다. 따라서 폴리곤 미러(70)는, 8개의 반사면을 갖고 있는 것이 바람직하다. 도 4는, 폴리곤 미러(70)의 반사면수가 8인 경우를 예시하고 있으며, 반사면 1개 통과분의 편향 범위가 90도로 되어 있다. 단, 폴리곤 미러(70)의 반사면수는 반드시 7 이상이 아니어도 좋고, 예를 들면 반사면 1면을 모두 사용하여 레이저 빔(50)을 편향시키지 않는 경우 등에는, 적절히 폴리곤 미러(70)의 반사면수를 6 이하로 하는 것도 가능하다.

가상 원호(VA)를 주사선(52)에 일치시키도록 배치 전환하기 위한 구체적인 방법론을 설명하면, 먼저, 가상 원호(VA)를 등간격으로 분할함에 따라 복수의 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)를 얻는다. 그리고 복수의 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…) 각각에 대응한 복수의 가상 현(VC1,VC2,…)을 얻는다. 그리고 복수의 가상 현(VC1,VC2,…)이 워크(5) 상에서 주사 방향(X)으로 순차적으로 직선 모양으로 늘어서도록 하여 복수의 가상 현(VC1,VC2,…)을 배치 전환한다. 이에 의해, 워크(5) 상에 배치 전환된 복수의 가상 현(VC1',VC2',…)으로 주사선(52)이 형성된다.

이와 같이 주사선(52)을 형성하면, 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)의 양단 2점이 주사선(52) 상에 배치 전환되고, 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)(즉, 해당 2점 사이를 연결하는 곡선)가 주사선(52)보다 광축 방향 하류 측으로 배치 전환된다. 초점은, 이 배치 전환 후의 가상 분할 원호(DVA1',DVA2',…)를 따라 각 이동하려고 한다. 배치 전환 후의 가상 분할 원호(DVA1',DVA2',…)는, 배치 전환 후의 가상 현(VC1',VC2',…)과 마찬가지로, 주사 방향(X)에서 순차적으로 연속한다.

가상 원호(VA)를 분할하여 복수의 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)를 얻으면, 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)는, 이에 대응한 가상 현(VC1,VC2,…)에 양호하게 근사한다. 이 때문에, 폴리곤 미러(70)의 편향 중심(C)에서 주사선(52) 상의 임의의 피조사점까지의 광로 길이는, 모든 초점에 걸쳐 거의 일정해진다. 또, 레이저 빔(50)이 등속으로 각 이동하고 있으면, 초점은 배치 전환 후의 가상 분할 원호(DVA1',DVA2',…)를 따라 정속으로 각 이동하려고 한다. 가상 분할 원호(DVA1',DVA2',…)는, 대응하는 가상 현(VC1',VC2',…)과 양호하게 근사하고 있으므로 초점의 거동은, 주사선(52)에 따른 등속 직선 이동과 양호하게 근사하다.

이상과 같이, 본 실시예에서는, 광반사부(66)가, 투광부(65)로부터의 레이저 빔을 반사하는 일차 반사부(71)와, 일차 반사부(71)로부터의 레이저 빔(50)을 다시 반사하는 이차 반사부(72)를 가지며, 투광부(65)로부터의 레이저 빔(50)을 적어도 2번 반사하고, 광반사부(66)가 존재하지 않는다고 가정하지 않는 경우에는 투광부(65)에서 방사된 레이저 빔(50)의 초점이 편향 중심(C)을 중심으로 하는 가상 원호(VA)를 그리는 바, 광반사부(66)는 레이저 빔(50)을 (적어도) 2번 반사하는 것보다 가상 원호(VA)를 분할하는 것에 의해 얻을 수 있는 복수의 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…) 각각에 대응한 복수의 가상 현(VC1,VC2,…)을 워크(5) 상에서 연속하도록 배치하고, 워크(5)에 안내된 레이저 빔(50)이 배치 전환된 복수의 가상 현(VC1',VC2',…)으로 형성되는 주사선(52)을 따라 주사된다. 이에 의해, 폴리곤 미러(70)의 동작을 단순화하면서 레이저 빔(50)을 워크(5) 상에서 최대한 계속 포커싱하면서 레이저 빔(50)을 최대한 등속으로 주사 방향(X)으로 이동시킬 수 있다. 이 때문에, 빔 주사 유닛(32)의 동작 신뢰성을 높이는 것, 가공 효율을 향상시키는 것, 및 가공 불균일을 억제하는 것을 동시에 달성할 수 있다. 또, 폴리곤 미러(70)의 회전각에 따라 레이저 빔(50)의 초점 거리를 바꾸는 특별한 수단을 이용할 필요성도 없어진다.

가상 분할 원호(DVA1,DVA2,ㅇㅇㅇ)의 분할수가 증가하면 증가할수록 가상 현(VC1,VC2,ㅇㅇㅇ)의 중간점과 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,ㅇㅇㅇ)의 중간점 사이의 거리가 줄어들고, 초점이 가상 현(VC1,VC2,ㅇㅇㅇ)에 접근한다. 이 때문에, 광로 길이의 일정성을 높게 유지할 수 있고, 레이저 빔(50)의 등속성을 높게 유지할 수 있다. 분할수는, 빔 주사 유닛(32) 및 레이저 가공 장치에 허용되는 오차에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 폴리곤 미러(70)의 반사면수(N)가 8인 경우에서, 분할수가 8(가상 분할 원호의 중심각이 11.25도)이면, 가상 분할 원호 및 가상 현의 오차(길이 기준)가 1.98%가 된다. 분할수를 도시한 것보다 증가하였을 경우, 예를 들면 분할수가 16(가상 분할 원호의 중심각이 5.625도)이면, 동 오차가 0.63%가 되고, 분할수가 36(가상 분할 원호의 중심각이 2.5도)이면, 동 오차가 0.10%가 된다.

가상 현(VC1,VC2,…)을 워크(5) 상에 배치 전환하려면, 해당 가상 현(VC1,VC2,…)에 대응하는 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)가 구성하는 부채꼴을 2번 절곡하면 된다. 그러면, 2개의 접은 곳이 부채꼴로 형성된다. 그 중 1번째(1회째) 접은 곳이 일차 반사부(71)를 구성하는 복수의 반사면(77) 중 하나에 해당하고, 2번째(2회째) 접은 곳이 이차 반사부(72)를 구성하는 복수의 반사면(78) 중 하나에 해당한다. 부채꼴을 2번 이상 절곡하지 않으면, 복수의 가상 현(VC1,VC2,…)을 직선을 따라 다시 나란히 놓을 수 없다. 이 때문에, 광반사부(66)에서는, 복수의 반사부(본 실시예에서는, 일차 반사부(71) 및 이차 반사부(72)의 2종류의 반사부)가 있다.

가상 현(VC1,VC2,…)을 순차적으로 연속시키려면, 인접한 부채꼴의 1번째 접은 곳끼리가 겹치지 않는 것이 바람직하다. 즉, 어느 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)에 대응한 일차 반사부(71)의 반사면(77)이, 이에 인접한 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)에 대응한 일차 반사부(71)의 반사면(77)과 겹치지 않는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 2번째 접은 곳(즉, 이차 반사부(72)를 구성하는 반사면(78))을, 이에 대응하는 배치 전환 후의 가상 현(VC1',VC2',…)과 주사선(52)의 직교 방향으로 나란히 놓을 수 있다. 이에 따라, 이차 반사부(72)에서 반사된 레이저 빔(50)을 대체로 수직으로 워크(5)에 입사시킬 수 있다. 이 때문에, 가공 효율이 향상되고 가공 불균일을 억제할 수 있다. 특히, 인접한 부채꼴의 1번째 접은 곳의 단부끼리(즉, 일차 반사부(71)를 구성하는 복수의 반사면(77) 중 인접한 2개의 반사면의 단부끼리)가 연속하고 있는 것이 바람직하다. 그러면 일차 반사부(71)의 전체를 최대한 소형으로 형성할 수 있다.

또한, 일차 반사부(71)를 이와 같이 구성하여도 2번째 접은 곳은 인접한 접은 곳과 연속하지 않는다. 즉, 이차 반사부(72)를 구성하는 복수의 반사면(78) 중 인접한 2개의 반사면끼리는 연속하지 않는다. 단, 가상 분할 원호(DVA1,DVA2,…)의 분할수가 증가하면 할수록 2번째 접은 곳의 단부가 인접한 접은 곳의 단부와 근접하여 간다.

본 실시예에서는, 직선인 가상 현(VC1,VC2,…)을 주사 방향(X)으로 연장하는 직선을 따르도록 배치 전환하므로 2개의 접은 곳을 모두 직선으로 할 수 있다. 요컨대, 어떤 가상 현에 대응하는 일차 반사부(71)의 반사면(77)과 이차 반사부(72)를 구성하는 반사면(78)이 모두 평면이 된다. 특히, 이차 반사부(72)에 있어서는, 어떤 가상 현에 대응하는 반사면(78)이, 인접한 가상 현에 대응하는 반사면(78)과 떨어져서 배치된다.

도 5a 및 도 5b는, 이차 미러(74A,74B)의 구조를 나타내는 부분 측면도이다. 이차 미러(74)는, 상기와 같이 이차 반사부(72)의 반사면(78)을 배치 가능한 구성이면, 어떠한 구조를 가지고 있어도 좋다. 예를 들면, 도 5a에서는, 광반사부(66)가, 서로 떨어져서 배치된 복수의 이차 미러(74A)를 구비하고, 각 이차 미러(74A)의 미러 본체(76A)에, 부채꼴의 절곡에 의해 얻어진 복수의 반사면(78)을 개별적으로 설치하고 있다. 또, 도 5b에 도시된 이차 미러(74B)와 같이, 하나의 미러 본체(76B)에 복수의 반사면(78)을 필요한 위치에 설치하여 일체화하는 구성으로 하여도 좋다. 또, 도 5a 및 도 5b에서는, 이차 미러(74)에 대하여 예시하였지만, 일차 미러(73)에 대해서도 마찬가지이다. 이와 같이, 각 반사부(71,72)가, 비연속으로 늘어서는 복수의 반사면(78)으로 구성되므로 하나의 비평면 미러로 광반사부를 실현하였을 경우와 대비하여 광반사부(66)를 용이하게 제조 및 대형화할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 모든 반사면(77,78)이 평면이기 때문에, 광반사부(66)를 한층 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 단, 반드시 모든 반사면을 평면으로 하지 않아도 좋다.

도 6은, 폴리곤 미러(70)의 부분 단면도이다. 먼저, 도 3을 참조하면, 레이저 빔(50)은 케이스(69) 내에서 상하로 복수회 굴절되지만, 각 소자(64,70,73,74)는 광로와 간섭하지 않도록 배치되는 것을 요구받는다. 그래서 도 6에 도시된 바와 같이 폴리곤 미러(70)의 측부에는, 45도 프리즘(81)이 설치되어 있다. 45도 프리즘(81)은, 입사된 레이저 빔(50)을 입사 방향과 평행한 방향으로 출사하고 또한 출사 광로를 입사 광로로부터 폴리곤 미러(70)의 회전축(82)의 축선 방향(도 3에서는 지면 직교 방향)으로 떼어놓을 수 있다. 이에 의해, 폴리곤 미러(70)에서 출사되는 레이저 빔(50)을 제2 반사 미러(64)와 간섭하지 않고 일차 반사부(71)로 안내할 수 있다. 아울러, 도 3의 지면에 대하여 경사진 평면 상에 광로를 배치할 필요가 없어지고, 광학 소자의 설치 작업이 간편해진다. 이 45도 프리즘은, 일차 반사부(71) 및 이차 반사부(72)에 적용되어 있어도 좋다.

도 3에 도시된 바와 같이, 빔 주사 유닛(32)은, 전술한 바와 같이 원통형 렌즈(67)를 구비하고 있다. 원통형 렌즈(67)는, 이차 반사부(72)에서 반사된 레이저 빔(50)을 편평하게 한다.

도 7은, 편평하게 된 펄스 레이저를 이용한 가공 라인의 형성을 설명하는 개념도이다. 본 실시예에 따른 레이저 발진기(31)는 펄스 레이저를 생성한다. 펄스 레이저는 작은 직경의 원 형상인 바, 원통형 렌즈(67)를 통과한 펄스 레이저 (51)는, 주사 방향으로 장척화하고 주사 방향과 직교하는 방향으로 단척화하여 타원 모양으로 편평해진다. 편평한 각 펄스 레이저(51)의 조사 영역은, 1펄스폭만큼 전에 발진된 펄스 레이저(51)의 조사 영역과 부분적으로 겹친다. 이와 같이 하여 중첩 부분(59)이 형성되도록 펄스 레이저(51)를 조사함으로써 레이저 빔(50)에 펄스 레이저(51)를 적용하여도 가공 라인(52)의 연속성을 담보할 수 있다. 본 실시예에 따른 빔 주사 유닛(32)은, 레이저 빔(50)의 주사 속도(VX)를 거의 일정하게 할 수 있기 때문에, 중첩 부분(59)의 크기가 고르지 못한 것을 억제할 수 있다.

이와 같이 편평한 펄스 레이저(51)를 사용하면, 그만큼 주사 속도를 빠르게 할 수 있어 유익하다. 또, 편평하게 하지 않는 경우와 대비하여 워크(5)의 세로 방향으로 요철이 작으면서도 좁은 가공 라인(52)을 형성할 수 있다. 또한, 워크(5)를 반송하면서 가공 라인(52)을 형성함과 동시에 편평한 펄스 레이저(51)를 적용하는 경우에는, 편평한 펄스 레이저(51)의 길이 방향 치수 및 워크(5)의 반송 속도(VY)를 고려하여 펄스 레이저(51)의 선단측을 반송 방향(Y)으로 조금 나오는 듯 한 단차를 갖게 하고 조사하여도 좋다.

지금까지 본 발명의 실시예에 따른 빔 주사 유닛에 대하여 대해 설명하였지만, 상기 구성은 적절하게 변경 가능하다. 투광부는, 폴리곤 미러에 한정되지 않고, 예를 들면 갈바노미터 미러 등 다른 편향기를 적용하여도 좋다. 광반사부는, 3개 이상의 반사부를 가지고 있어도 좋다.

[레이저 가공 장치 이외의 구성]

도 8은, 도 1에 도시한 가공부(33)를 모식적으로 나타내는 측면도이다. 도 9는, 도 8에 도시한 가공부(33)를 확대하여 모식적으로 나타내는 부분 측면도이다. 도 10은, 도 8에 도시한 가공부(33)에서의 레이저 빔의 조사 작용을 모식적으로 나타내는 부분 측면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 워크 위치 고정 기구(20)는, 빔 주사 유닛(32)과 함께 워크(5)의 아래쪽에 배치되는 워크 지지 기구(21)와, 워크(5)의 위쪽에 배치되는 워크 압압 기구(22)를 구비한다. 요컨대, 빔 주사 유닛(32) 및 워크 지지 기구(21)는 가공부(33)의 하부에 설치되고, 워크 압압 기구(22)는 가공부(33)의 상부에 설치된다.

워크 지지 기구(21)에는, 예를 들면 롤러, 프리 베어링, 비접촉식 에어 흡착 유닛(워크(5)를 아래쪽에서 에어에 의해 끌어당기는 끌어당김 기구 등) 등이 사용된다. 이 예에서는, 워크 지지 기구(21)에 비접촉식 에어 흡착 유닛(23)이 적용되어 있고, 워크(5)는, 도 2에 도시된 바와 같이 워크(5)와 비접촉식 에어 흡착 유닛(23)의 사이에 간극이 형성된 상태에서, 비접촉식 에어 흡착 유닛(23)에 의해 아래로 흡착된다. 이에 따라, 반송 방향(Y)으로 반송되는 워크(5)의 상하 방향 위치(레벨)가 적어도 레이저 빔 조사 부분에서 변동하는 것을 억제할 수 있다.

워크(5)는, 박막층(6)의 표면이 워크(5)를 기준으로 빔 조사구(34)와는 반대측의 면(즉, 상면)이 되는 자세로 반송된다. 이 때문에, 빔 조사구(34)로부터의 레이저 빔(50)은, 기판(7)을 상향으로 투과하여 박막층(6)에서 초점이 맞도록 조사된다.

이와 같이 레이저 빔(50)이 박막층(6)에서 포커싱함으로써 박막층(6)을 제거하여 가공 라인(52)을 형성할 수 있다. 레이저 빔(50)이 박막층(6)과는 반대측에서 워크(5)를 조사하기 때문에, 벗겨진 박막(10)(도 10도 참조)이나 증산물(蒸散物)(11)(도 10도 참조)과 광학계(빔 주사 유닛(32) 등)의 사이에 기판(7)이 존재ㅎ하게 된다. 따라서 기판(7)에 의해 벗겨진 박막(10)이나 증산물(11)로부터 광학계를 보호할 수 있다.

한편, 워크 압압 기구(22)에는, 예를 들면 워크(5)를 위쪽에서 비접촉으로 압압하는 에어 블로워(air blower)(24)나 압압 롤러 등이 사용된다. 이 예에서는, 워크 압압 기구(22)에 에어 블로워(24)가 적용되어 있다. 이와 같은 워크 지지 기구(21) 및 워크 압압 기구(22)를 가공부(33)에 설치함으로써 반송 방향(Y)으로 반송되는 워크(5)의 상하 방향 위치(레벨)가 적어도 가공부(33) 부근에서 변동하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 레이저 빔(50)의 초점이 원하는 위치에서 벗어나는 것을 억제할 수 있어 가공 정밀도가 향상된다.

또한, 가공부(33)에는, 벗겨진 박막(10)이나 증산물(11)을 흡입하는 흡입 덕트(25)가 설치되어 있다. 흡입 덕트(25)는, 워크(5)를 기준으로 빔 주사 유닛(32)과 반대측, 즉 워크(5)의 위쪽이며 가공부(33)의 상부에 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 흡입 덕트(25)가, 상기 워크 압압 기구(22)에 적용된 에어 블로워(24)와 일체적으로 설치되어 있다. 이에 의해, 에어 블로워(24)로부터의 공기를 흡입 덕트(25)에서 흡입하기 쉬워진다. 따라서 벗겨진 박막(10)을 에어 블로워(24)로 불어 날려버린 후, 그 박막(10)을 흡입 덕트(25)에서 더욱 확실하게 흡입할 수 있다. 이때, 증산물(11)도 더욱 확실하게 흡입할 수 있다. 이에 따라, 벗겨진 박막(10)이나 증산물(11)이 박막층(6)에 다시 부착하는 것을 억제할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 워크(5)를 기판(7)에 박막층(6)이 형성된 성막 글라스로 하고, 박막층(6)이 상면으로 된 상태로 반송되는 워크(5)에 박막층 반대측에서 레이저 빔(50)을 조사하여 기판(7)과 박막층(6) 사이에 마이크로익스플로전 효과를 일으키게 한다. 마이크로익스플로전 효과를 일으키게 함으로써 박막층(6)에 저출력으로 가공 라인(52)을 형성하여 가공 효율을 높이고 있다. 즉, 레이저 빔(50)에 의해 박막층(6)과 기판(7) 사이에 기화하여 박리하는 부분을 발생시켜 도 10에 도시된 바와 같이, 그 기화된 부분에 마이크로익스플로전 효과를 생기게 하여 박막층(6)을 박리시킴으로써 저출력으로 효율적으로 박막층(6)에 고속으로 패터닝 가공을 할 수 있다.

아울러, 워크(5)의 반송 방향(Y)에 대하여 직각으로 가공 라인(52)을 형성 할 수 있도록, 레이저 빔(50)을 주사하는 빔 주사 유닛(32)을 배치하여 고속으로 연속적으로 가공할 수 있도록 함으로써 기판마다의 워크(5)의 가공뿐만 아니라 플렉서블(flexible) 태양 전지의 롤투롤 제조방법의 연속된 워크에서도 고속의 연속 가공이 가능해진다.

도 11a 내지 도 11g는, 도 1에 도시한 레이저 장치에 의한 태양 전지의 제조 순서를 나타내는 측단면도이다. 상기 구성으로 이루어지는 레이저 가공 장치(1)에 의한 대표적인 박막계 태양 전지(40)의 제조 순서를 설명한다. 먼저, 도 11a에 도시된 기판(7) 상에, 도 11b에 도시된 바와 같이 투명전극층(6A)을 성막한다. 다음에, 도 11c에 도시된 바와 같이, 투명전극층(6A)에 가공 라인(52A)을 형성한다. 이 가공 라인(52A)은, 워크(5)를 반송 방향(Y)으로 정속으로 반송하면서 레이저 빔(50)을 주사 방향(X)으로 정속으로 주사함에 따라 형성된다. 이와 같이 투명전극층(6A)에 가공 라인(52A)의 형성이 끝난 워크(5)에는, 도 11d에 도시된 바와 같이, 광전변환층(6B)이 성막된다. 그리고 도 11e에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 가공 장치(1)에 의한 가공 라인(52)의 가공과 마찬가지로, 광전변환층(6B)에 가공 라인(52B)이 형성된다. 이 가공 라인(52B)은, 레이저 가공 장치(1)에 의한 초점 거리가 광전변환층(6B)에 맞게 되어 있기 때문에, 광전변환층(6B)에 소정의 가공 라인(52B)이 형성되도록 광전변환층(6B)이 벗겨진다. 그리고 광전변환층(6B)에 가공 라인(52B)을 형성한 후, 도 11f에 도시된 바와 같이 후면전극층(6C)이 성막된다. 후면전극층(6C)도, 도 11g에 도시된 바와 같이, 상기 가공 라인(52A,52B)의 형성과 같은 가공 방법에 따라, 후면전극층용 레이저 장치(1)에 의해 가공 라인(52C)이 형성된다. 이와 같이 하여 모듈화된 태양 전지(40)가 제작된다.

이상과 같이 복수의 성막층에 가공 라인(52,53,54)을 형성하는 경우에도, 상기 레이저 가공 장치(1)에 의하면, 워크(5)를 반송 방향(Y 방향)으로 반송하면서 반송 방향과 교차하는 X 방향으로 가공 라인(52,53,54)을 고속으로 형성할 수 있기 때문에, 워크(5)의 반송을 정지시키지 않고 연속적으로 가공 라인(52,53,54)을 패터닝할 수 있다.

따라서 워크(5)에 가공 라인(52A~52C)을 형성하는 작업의 택트 타임을 크게 단축할 수 있으며, 태양 전지 등의 생산성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다. 또, 이에 따라 태양 전지(40)의 저비용화를 도모할 수 있으며, 태양 전지 이용의 촉진을 도모할 수 있다. 아울러, 상기 실시예의 레이저 가공 장치(1)에 의하면, 고정밀도의 직선적인 가공 라인(52A~52C)을 정확하게 형성할 수 있으므로 발전 면적의 향상으로 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 태양 전지(40)를 안정적으로 제작하는 것이 가능해진다. 게다가, 분광ㅇ배분ㅇ복수 발진기 탑재에 의한 복수의 빔을 사용하는 것이 없기 때문에 가공 품질이 안정된 태양 전지(40)를 제작할 수 있는 레이저 가공 장치(1)의 비용 절감을 도모하는 것도 가능해진다.

또한, 상기 실시예에서는, 워크(5)를 일정 속도로 반송 방향(Y)으로 연속적으로 반송하는 예를 설명하였지만, 워크(5)의 반송은 가공 조건 등에 따라 일정 간격으로 간헐적으로 반송하도록 하여도 좋고, 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또, 상술한 실시예는 일예를 나타내고 있고, 본 발명의 요지를 해치지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은, 편향 동작을 등속으로 하면서 포커싱 상태를 유지함과 동시에 레이저를 등속으로 주사할 수 있고, 또한 레이저 빔 등의 광을 주사하는 광 주사 장치의 제조 및 대형화가 용이해진다는 현저한 작용 효과를 나타내는 것으로, 다양한 광 주사에 적용 가능하며, 특히 박막 태양 전지나 플렉서블 태양 전지 등 박막계 태양 전지의 제조에 이용하면 유리하다.

1: 레이저 가공 장치
3: 반송 장치
5: 워크
30: 레이저 빔 유닛
31: 레이저 발진기
32: 빔 주사 유닛
50: 레이저 빔
51: 펄스 레이저
52: 주사선
52A~52C: 가공 라인
60: 제어 장치
65: 투광부
66: 광반사부
67: 원통형 렌즈
68: 편향 액추에이터
69: 케이스
70: 폴리곤 미러
71: 일차 반사부
72: 이차 반사부
73: 일차 미러
74: 이차 미러
C: 편향 중심
VA: 가상 원호
DVA1,DVA2,…: 가상 분할 원호
VC1,VC2,…: 가상 현
VC1', VC2',…: 배치 전환 후의 가상 현
DVA1', DVA2',…: 배치 전환 후의 가상 분할 원호

Claims

광을 등속으로 각(角) 이동시키면서 방사하는 투광 수단과,
상기 투광 수단으로부터 방사된 광을 반사하여 소정의 주사선 상의 임의의 피조사점으로 안내하기 위한 광반사 수단을 구비하며,
상기 광반사 수단은 복수의 반사부를 가지며 상기 투광 수단으로부터 방사된 광을 2번 이상 반사하여 상기 임의의 피조사점으로 안내하고, 상기 반사부의 각각이 복수의 반사면으로 구성되며,
상기 투광 수단에서 상기 피조사점까지의 광로 길이가 상기 주사선 상의 모든 피조사점에 걸쳐 거의 일정하고, 또한 상기 투광 수단으로부터 방사된 광의 상기 주사선 상에서의 주사 속도가 거의 일정한 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제1항에 있어서,
상기 반사면 중 1개 이상이 평면인 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제1항에 있어서,
상기 투광 수단이 등속으로 회전하는 회전다면경을 갖는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제3항에 있어서,
상기 회전다면경이 7개 이상의 반사면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제1항에 있어서,
상기 주사선이 직선인 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제1항에 있어서,
상기 투광 수단이 펄스 레이저를 방사하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제6항에 있어서,
펄스 레이저를 편평하게 만드는 원통형 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광 주사 장치를 구비하여 워크에 형성된 박막층에 레이저 빔으로 가공 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제8항에 있어서,
상기 워크를 소정의 반송 속도로 일 방향으로 반송하는 정속 반송 장치와,
상기 레이저 빔으로 워크에 가공 라인을 형성하는 가공부에서 그 워크를 정확한 위치에 지지하는 워크 위치 고정 기구와,
상기 광 주사 장치 및 상기 정속 반송 장치를 제어하는 제어 장치를 구비하며,
상기 광 주사 장치가, 상기 정속 반송 장치로 반송하는 워크에 대하여 반송 방향과 교차하는 방향으로 레이저 빔을 조사하고,
상기 제어 장치가, 상기 정속 반송 장치로 워크를 소정 속도로 반송하거나 워크의 반송 속도를 검출하여 반송하면서, 상기 광 주사 장치로부터 워크의 반송 방향과 교차하는 방향으로 1개의 레이저 빔을 주사하고, 이 1개의 레이저 빔의 가공 라인이, 소정의 반송 속도로 반송되는 워크의 반송 방향에 대하여 직각이 되도록 워크의 반송 속도와 레이저 빔의 주사 속도를 상대적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서,
상기 정속 반송 장치는, 일 방향으로 반송하는 워크와 레이저 빔의 평면 방향 상대 각도를 조정하는 비틀림 보정 기능을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서,
상기 레이저 빔은, 주사 방향으로 긴 편평한 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서,
상기 워크는 글라스 기판에 박막을 성막한 것이고, 상기 레이저 빔은 투과 레이저 빔이며,
상기 투과 레이저 빔을 글라스 기판의 박막층 반대방향에서 조사하여 박막층에 가공 라인을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서,
상기 워크 위치 고정 기구는, 상기 박막층을 상면으로 하여 반송되는 워크의 아래쪽에 설치한 워크 지지 기구와, 워크의 위쪽에 설치한 비접촉식 워크 압압 기구를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
제9항에 있어서, 상기 워크의 박막층 방향으로 제거막 흡입 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.