KR20140008102A - 파이버 레이저 가공 장치 - Google Patents

파이버 레이저 가공 장치 Download PDF

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KR20140008102A
KR20140008102A KR1020120075176A KR20120075176A KR20140008102A KR 20140008102 A KR20140008102 A KR 20140008102A KR 1020120075176 A KR1020120075176 A KR 1020120075176A KR 20120075176 A KR20120075176 A KR 20120075176A KR 20140008102 A KR20140008102 A KR 20140008102A
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성진우
박상영
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주식회사 이오테크닉스
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Abstract

파이버 레이저 가공장치가 개시된다. 개시된 파이버 레이저 가공장치는, 파이버 레이저 발진기와, 상기 파이버 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 평행하게 하는 것으로, 초점거리를 변화시키는 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛과, 상기 줌 콜리메이팅 유닛으로부터 나오는 레이저빔을 집속하여 가공대상물 상에 조사하는 포커싱렌즈를 포함한다.

Description

파이버 레이저 가공 장치{Fiber laser processing apparatus}
레이저 가공 장치에 관한 것으로, 상세하게는 파이버 레이저 가공장치에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 가공장치는 레이저빔을 가공하자고 하는 가공 대상물 상에 조사함으로써 드릴링(drilling), 마킹(marking), 커팅(cutting), 솔더링(soldering) 등과 같은 가공작업을 수행하는 장치를 말한다. 최근에는 이러한 레이저 가공장치로 파이버 레이저 발진기를 구비한 파이버 레이저 가공장치의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 파이버 레이저 발진기는 광파이버를 공진기로 이용하여 레이저빔을 발진시키는 레이저 발진기로서, 상기 광파이버는 이득매질이 도핑된 파이버 코어를 포함한다.
도 1에는 파이버 레이저 발진기(11)를 구비한 종래 파이버 레이저 가공장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파이버 레이저 발진기(11)로부터 발생된 레이저빔(L)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens,12)에 의해 평행광으로 된 다음, 포커싱렌즈(13)에 의해 집속되어 가공 대상물(W) 상에 조사된다. 이러한 파이버 레이저 가공장치에서, 상기 가공 대상물(W) 상에 레이저빔(L)이 집속되어 형성된 스폿(spot)의 크기는 파이버 레이저 발진기(11) 내에 마련된 파이버 코어의 크기와 콜리메이팅 렌즈(12)와 포커싱렌즈(13)로 구성된 광학계의 배율에 의해 결정된다. 여기서, 상기 광학계의 배율은 (포커싱 렌즈(13)의 초점거리)/(콜리메이팅 렌즈(12)의 초점거리)로 정의된다. 예를 들어, 포커싱 렌즈(13)의 초점거리가 100mm 이고, 콜리메이팅 렌즈(12)의 초점거리가 50mm 인 경우, 광학계의 배율은 2배가 된다. 이 경우, 파이버 코어의 직경이 100㎛ 라면, 가공 대상물(W) 상에 형성된 스폿의 직경은 200㎛가 된다.
상기와 같은 종래 파이버 레이저 가공장치(10)에서는 콜리메이팅 렌즈(12) 및 포커싱렌즈(13)의 정해진 초점거리들에 의해 광학계의 배율이 고정되게 된다. 따라서, 가공 대상물(W) 상의 가공 영역을 넓히기 위해서는 콜리메이팅 렌즈(12)와 포커싱렌즈(13)를 포함하는 광학계를 디포커싱(defocusing)하여야 하는데, 이는 가공 대상물(W) 상에 형성되는 레이저빔(L)의 스폿 이미지를 흐려지게 함으로써 레이저빔의 에너지 밀도 및 균일도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 광학계의 배율을 조절할 수 있는 줌 콜리메이팅 유닛을 포함하는 파이버 레이저 가공장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
파이버 레이저 발진기;
상기 파이버 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 평행하게 하는 것으로, 초점거리를 변화시키는 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛(zoom collimating unit); 및
상기 줌 콜리메이팅 유닛으로부터 나오는 레이저빔을 집속하여 가공대상물 상에 조사하는 포커싱렌즈;를 포함하는 파이버 레이저 가공장치가 제공된다.
상기 줌 콜리메이팅 유닛은 상기 렌즈군들의 위치를 조절하여 초점거리를 변화시킴으로써 상기 가공대상물 상에 형성되는 스폿의 사이즈를 변화시킬 수 있다.
상기 포커싱 렌즈는 일정한 초점거리를 가질 수 있다. 그리고, 상기 파이버 레이저 발진기는 적어도 하나의 파이버 코어(fiber core)를 포함할 수 있다.
상기 파이버 레이저 발진기는 복수의 파이버 코어를 포함하며, 상기 파이버 코어들은 원형으로 배치되어 도우넛 형태를 이룰 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
파이버 레이저 발진기와, 상기 파이버 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 평행하게 하는 것으로 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛과, 상기 줌 콜리메이팅 유닛으로부터 나오는 레이저빔을 집속하여 가공대상물 상에 조사하는 포커싱렌즈를 포함하는 파이버 레이저 가공장치를 이용한 레이저 가공방법에 있어서,
상기 줌 콜리메이팅 유닛이 상기 렌즈군들의 위치를 조절하여 초점거리를 변화시킴으로써 상기 가공대상물 상에 형성되는 스폿의 사이즈를 변화시키는 레이저 가공방법가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 초점거리를 조절할 수 있는 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛을 이용함으로써 광학계의 배율을 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 가공대상물 상에 형성되는 스폿을 다양한 크기로 조절할 수 있으며, 또한 정확한 크기와 균일한 에너지 밀도를 가지는 스폿을 형성할 수 있다.
도 1은 종래 파이버 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 콜리메이팅 유닛에 의해 광학계의 배율을 조절하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 가공 대상물 상에 도우넛 모양의 가공 영역을 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 가공 영역을 가공하기 위한 것으로, 파이버 레이저 발진기 내에 원형으로 배치된 복수의 광 파이버를 도시한 것이다.
도 6a는 도 5에 도시된 파이버 코어들을 포함하는 종래 파이버 레이저 가공장치에 의해 가공 대상물 상에 조사되는 레이저빔의 스폿들 이미지를 도시한 것이다.
도 6b는 도 5에 도시된 광 파이버들을 포함하는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치에 의해 가공 대상물 상에 조사되는 레이저빔의 스폿들 이미지를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)는 레이저빔(L)을 발진시키는 파이버 레이저 발진기(110)와, 레이저빔(L)을 평행하게 하는 동시에 초점거리를 변화시킬 수 있는 줌 콜리메이팅 유닛(zoom collimating unit,120)과, 레이저빔(L)을 집속하여 가공대상물(W) 상에 조사하는 포커싱렌즈(focusing lens,130)를 포함한다. 본 실시예에서는 레이저빔(L)을 발진하는 장치로서 파이버 레이저 발진기(110)가 사용된다. 상기 파이버 레이저 발진기(110)는 광 파이버를 공진기로 이용하여 레이저빔(L)을 발생시키는 레이저 발진기로서, 이러한 광 파이버 내에는 이득매질이 도핑된 코어가 마련되어 있다. 한편, 본 실시예에서, 상기 파이버 레이저 발진기(110)는 하나 또는 2개 이상의 광 파이버를 포함할 수 있다. 상기 파이버 레이저 발진기(110)가 복수의 광 파이버를 포함하는 경우에는 상기 광 파이버들은 소정 간격으로 일정한 형태를 가지고 배치될 수 있다. 여기서, 상기 광 파이버들 각각으로부터 레이저빔이 발진됨으로써 가공대상물(W) 상에는 광 파이버들의 배치 형태에 대응하는 스폿들의 이미지가 형성될 수 있다.
상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)은 파이버 레이저 발진기(110)로부터 발진되어 발산하는 레이저빔(L)을 평행하게 하는 역할을 한다. 그리고, 이와 더불어 상기 콜리메이팅 유닛(120)은 초점거리를 변화시킴으로써 파이버 레이저 발진기(110)로부터 출사된 레이저빔(L)의 크기를 조절할 수 있고, 이에 따라 줌 콜리메이팅 유닛(120)과 포커싱 렌즈(130)로 구성된 광학계의 배율을 조절하는 역할도 수행하게 된다. 이를 위해서 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)은 복수의 렌즈군(121,122)를 포함한다. 여기서, 상기 렌즈군들(121,122) 각각은 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 줌 콜리메이팅 유닛(120)에서, 파이버 레이저 발진기(110)로부터 출사되어 발산되는 레이저빔(L)은 제1 렌즈군(121)으로 입사하게 되고, 이러한 제1 렌즈군(121)을 통과하면서 발산되는 레이저빔(L)이 굴절되어 제2 렌즈군(122)에 입사된다. 그리고, 상기 제2 렌즈군(122)에 입사된 레이저빔은 제2 렌즈군(122)을 통과하면서 소정 직경을 갖는 평행한 레이저빔(L)으로 변화하게 된다. 여기서, 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122)의 위치를 변화시키면 제2 렌즈군(122)으로부터 나오는 평행한 레이저빔의 직경을 조절할 수 있으며, 이에 따라, 줌 콜리메팅 유닛(120)의 초점을 가변시킬 수 있다.
도 2에는 상기 렌즈군들(121,122) 각각이 하나의 렌즈를 포함하는 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 이외에도 상기 렌즈군들(121,122) 각각은 2개 이상의 렌즈를 포함하는 것도 가능하다. 이러한 줌 콜리메이팅 유닛(120)은 후술하는 바와 같이 렌즈군들(121,122)을 레이저빔(L)의 경로 상의 소정 위치에 배치함으로써 가공대상물(W) 상에 형성되는 스폿의 크기를 조절할 수 있다. 한편, 도 2에는 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)이 2개의 제1 및 제2 렌즈군(121,122)을 포함하는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)은 3개 이상의 렌즈군을 포함하는 것도 가능하다.
상기 포커싱렌즈(130)는 줌 콜리메이팅 유닛(120)을 통과한 레이저빔(L)을 집속하여 가공대상물(W) 상에 조사하게 된다. 여기서, 상기 포커싱렌즈(130)는 일정한 초점거리를 가질 수 있다. 이러한 포커싱렌즈(130)에 의해 가공대상물(W) 상에는 레이저빔(L)이 집속되어 소정 크기의 스폿(spot)이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 가공대상물(W) 상에 형성되는 스폿의 크기는 파이버 레이저 발진기(110) 내에 마련된 광 파이버(구체적으로는, 코어)의 직경과, 줌 콜리메이팅 유닛(120)과 포커싱렌즈(130)로 구성된 광학계의 배율의 곱에 의해 결정된다. 여기서, 상기 광학계의 배율은 (포커싱렌즈(130)의 초점거리)/(줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점거리)로 정의된다. 본 실시예에서는 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점거리를 변화시킴으로써 광학계의 배율을 조절할 수 있으며, 이에 따라 가공대상물(W) 상에 형성되는 스폿의 크기도 조절할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 줌 콜리메이팅 유닛(120)에 의해 광학계의 배율을 조절하는 과정을 예시적으로 도시한 것이다. 이하에서는 줌 콜리메이팅 유닛(120)이 제1 및 제2 렌즈군(121,122)을 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 도 2에 도시된 줌 콜리메이팅 유닛(120)에서 제1 및 제2 렌즈군(121,122)이 레이저빔(L)의 경로 상의 소정 위치에 배치되어 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122) 사이의 간격을 d1이 되도록 하면, 제1 렌즈군(121)으로 입사되는 발산하는 레이저빔(L)은 제2 렌즈군(122)을 통하여 소정 직경을 갖는 평행한 레이저빔(L)으로 출사되며, 이때, 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점거리는 f1이 될 수 있다. 따라서, 예를 들어 상기 포커싱 렌즈(130)의 초점거리가 100mm인 경우, 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122)의 위치를 변화시켜 상기 줌 콜리메이팅 유닛(121)의 초점 거리 f1을 50mm 으로 조절하게 되면, 본 실시예에 따른 파이저 레이저 가공장치(100)의 광학계의 배율은 2배가 된다. 이 때, 광 파이버의 직경이 100㎛ 라면, 가공 대상물(W) 상에 형성된 스폿의 직경은 200㎛가 된다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 도 2에 도시된 줌 콜리메이팅 유닛(120)에서 제1 및 제2 렌즈군(121,122)이 레이저빔(L)의 경로 상의 소정 위치에 배치되어 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122) 사이의 간격을 d1 보다 작은 d2가 되도록 하면, 제1 렌즈군(121)으로 입사되는 발산하는 레이저빔(L)은 제2 렌즈군(122)을 통하여 도 3a에 도시된 직경보다 작은 직경을 갖는 평행한 레이저빔(L)으로 출사되며, 이때, 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점거리는 f2가 될 수 있다. 예를 들어, 상기 포커싱 렌즈(130)의 초점거리가 100mm인 경우, 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122)의 위치를 변화시켜 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점 거리 f2을 33.3mm 으로 조절하게 되면, 본 실시예에 따른 파이저 레이저 가공장치(100)의 광학계의 배율은 대략 3배가 된다. 이 때, 광 파이버의 직경이 100㎛ 라면, 가공 대상물(W) 상에 형성된 스폿의 직경은 대략 300㎛가 된다.
그리고, 도 3c는를 참조하면, 도 2에 도시된 줌 콜리메이팅 유닛(120)에서 제1 및 제2 렌즈군(121,122)이 레이저빔(L)의 경로 상의 소정 위치에 배치되어 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122) 사이의 간격을 d2 보다 작은 d3으로 하면, 제1 렌즈군(121)으로 입사되는 발산하는 레이저빔(L)은 제2 렌즈군(122)을 통하여 도 3b에 도시된 직경보다 직경을 갖는 평행한 레이저빔(L)으로 출사되며, 이때, 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점거리는 f3가 될 수 있다. 예를 들어, 상기 포커싱 렌즈(130)의 초점거리가 100mm인 경우, 상기 제1 및 제2 렌즈군(121,122)의 위치를 변화시켜 상기 줌 콜리메이팅 유닛(120)의 초점 거리 f3을 25mm 으로 조절하게 되면, 본 실시예에 따른 파이저 레이저 가공장치(100)의 광학계의 배율은 4배가 된다. 이 때, 광 파이버의 직경이 100㎛ 라면, 가공 대상물(W) 상에 형성된 스폿의 직경은 400㎛가 된다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)에서는 줌 콜리메이팅 유닛(120) 내에 마련된 복수의 렌즈군(121,122)의 위치를 조절함으로써 광학계의 배율을 조절할 수 있고, 이에 따라 가공대상물(W) 상에 형성되는 스폿의 크기도 다양하게 조절할 수 있다.
도 4는 가공대상물(W) 상에 형성된 도우넛 모양의 가공 영역(252)을 예시적으로 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 가공대상물(W) 상에 형성된 레이저 가공 작업이 수행되는 가공 영역(252)은 비가공 영역(251)을 둘러싸는 도우넛 형태를 가지고 있다. 한편, 상기 비가공 영역(251)에 영향을 주지않고 도우넛 형태의 가공영역(252)에 레이저 가공 작업, 예를 들면 솔더링(soldering) 공정을 하고자 하는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 도우넛 형태로 배치된 복수의 광 파이버(311)를 포함하는 파이버 레이저 발진기(310)가 사용될 수 있다. 여기서, 상기 광 파이버들(311)은 원형으로 배치됨으로써 가운데가 비어있는 도우넛 형태를 가질 수 있다. 도 5에 도시된 파이버 레이저 발진기(310)를 사용하게 되면 가공대상물(W) 상에는 가공 영역(252)에 대응하는 형상으로 스폿들의 이미지가 형성될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 가공대상물(W)에서 비가공 영역(251)이 커지게 되면, 이에 대응하여 도우넛 형태의 가공 영역(252)의 크기도 커지게 된다. 그러나, 이러한 크기가 커진 도우넛 형태의 가공 영역(252)은 종래 파이버 레이저 가공장치(도 1의 10)로는 가공작업(예를 들면, 솔더링 공정)을 할 수 없게 된다. 즉, 크기가 커진 도우넛 형태의 가공 영역(252)을 가공하기 위해서 종래 파이버 레이저 가공장치(10)의 광학계를 디포커싱(defocusing)하게 되면, 도 6a에 도시된 바와 같이 가공대상물(W) 상에 형성되는 스폿들의 이미지가 번져젼 형태로 형성됨으로써 크기가 커진 도우넛 형상의 가공 영역(252)에 가공작업을 수행할 수 없게 된다. 도 6a에는 도 5에 도시된 광 파이버들(311)을 포함하는 종래 파이버 레이저 가공장치(10)의 광학계를 디포커싱(defocusing)함으로써 가공대상물(W) 상에 형성된 번져진 레이저빔의 스폿들 이미지를 도시한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)에서는 콜리메이팅 유닛(120) 내에 마련된 복수의 렌즈군(121,122) 각각의 위치를 조절하여 광학계의 배율을 조절함으로써 도 6b에 도시된 바와 같이 가공대상물(W) 상에 크기가 커진 도우넛 형상의 가공 영역(252)에 대응하는 크기를 가지는 스폿들의 이미지를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 스폿들 각각은 균일한 에너지 밀도를 가지게 된다. 도 6b에는 도 5에 도시된 광 파이버들(311)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)의 광학계 배율을 증가시킴으로써 가공대상물(W) 상에 형성되는 레이저빔의 스폿들의 이미지를 도시한 것이다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 파이버 레이저 가공장치(100)에서는 도 4에 도시된 비가공 영역(251) 및 가공영역(252)의 크기가 변화하여도 이에 대응하여 광학계의 배율을 조절함으로써 레이저 가공작업을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100... 파이버 레이저 가공장치 110... 파이버 레이저 발진기
120... 줌 콜리메이팅 유닛 121,122,123... 렌즈군
130... 포커싱 렌즈 W... 가공대상물

Claims (7)

  1. 파이버 레이저 발진기;
    상기 파이버 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 평행하게 하는 것으로, 초점거리를 변화시키는 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛(zoom collimating unit); 및
    상기 줌 콜리메이팅 유닛으로부터 나오는 레이저빔을 집속하여 가공대상물 상에 조사하는 포커싱렌즈;를 포함하는 파이버 레이저 가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 줌 콜리메이팅 유닛은 상기 렌즈군들의 위치를 조절하여 초점거리를 변화시킴으로써 상기 가공대상물 상에 형성되는 스폿의 사이즈를 변화시키는 파이버 레이저 가공장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는 일정한 초점거리를 가지는 파이버 레이저 가공장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이버 레이저 발진기는 적어도 하나의 파이버 코어(fiber core)를 포함하는 파이버 레이저 가공장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파이버 레이저 발진기는 복수의 파이버 코어를 포함하며, 상기 파이버 코어들은 원형으로 배치되어 도우넛 형태를 이루는 파이버 레이저 가공장치.
  6. 파이버 레이저 발진기와, 상기 파이버 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저빔을 평행하게 하는 것으로 복수의 렌즈군을 포함하는 줌 콜리메이팅 유닛과, 상기 줌 콜리메이팅 유닛으로부터 나오는 레이저빔을 집속하여 가공대상물 상에 조사하는 포커싱렌즈를 포함하는 파이버 레이저 가공장치를 이용한 레이저 가공방법에 있어서,
    상기 줌 콜리메이팅 유닛이 상기 렌즈군들의 위치를 조절하여 초점거리를 변화시킴으로써 상기 가공대상물 상에 형성되는 스폿의 사이즈를 변화시키는 레이저 가공방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 파이버 레이저 발진기는 적어도 하나의 파이버 코어를 포함하는 레이저 가공방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014207624A1 (de) * 2014-04-23 2015-10-29 Siemens Aktiengesellschaft Faserlasersystem mit Zoom-Optiksystem zur Materialbearbeitung

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