KR20140029168A - 광섬유, 광섬유 장치 및, 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20140029168A
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슈이치 이노우에
마사나오 무라카미
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미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 간단한 구성으로 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 얻는다.
(해결 수단) 이 광섬유는, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 광섬유로서, 원형 코어를 갖는 제1 섬유와, 제1 섬유의 단면(端面)에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 제2 섬유를 갖고 있다.

Description

광섬유, 광섬유 장치 및, 레이저 가공 장치{OPTICAL FIBER, OPTICAL FIBER DEVICE, AND LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 광섬유(optical fiber), 특히, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 광섬유 및, 이 광섬유를 포함하는 광섬유 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 이상의 광섬유 또는 광섬유 장치를 갖고, 워크(work)를 가공하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
예를 들면 박막 태양 전지를 제조하는 경우는, 우선, 유리 등의 기판 상에 몰리브덴(Mo)막으로 이루어지는 하부 전극막이 형성되고, 그 후, 하부 전극막이 단책(短冊) 형상으로 분할된다. 다음으로, 하부 전극막 상에 CIGS막 등의 칼코파이라이트(chalcopyrite) 구조 화합물 반도체막을 포함하는 화합물 반도체막이 형성된다. 그리고 추가로, 이들 반도체막의 일부가 스트라이프(stripe) 형상으로 제거되어 단책 형상으로 분할되고, 이들을 덮도록 상부 전극막이 형성된다. 그리고 마지막으로, 상부 전극막의 일부가 스트라이프 형상으로 박리되어 단책 형상으로 분할된다.
이상과 같이, 박막 태양 전지를 제조할 때에는, 기판 상에 형성된 금속막을 절연 분리할 필요가 있으며, 이 절연용의 홈을 형성하기 위해 레이저 가공 장치가 이용되고 있다.
예를 들면 특허문헌 1에서는, 직사각형 형상의 레이저광을 워크에 조사함과 함께, 이 레이저광을 일정한 방향으로 소정의 중복률로 주사하고, 스크라이브 가공을 행함으로써 절연용의 홈이 형성된다.
또한, 이상과 같은 레이저 가공에 있어서, 높은 가공 효율을 얻기 위한 장치가 특허문헌 2에 나타나 있다. 이 장치에서는, 워크에 조사되는 레이저광의 강도 분포를 균일하게 하기 위해, 광섬유의 코어(core)의 단면(斷面) 형상을, 원형의 일부가 절결(cut-away)된 D형 형상, 장방형 형상, 별모양 형상으로 하는 것이 나타나 있다.
일본공개특허공보 소62-168688호 일본공개특허공보 2006-278525호
특허문헌 1의 장치에서는, 직사각형 형상의 레이저광을 워크에 조사하기 때문에, 원형의 레이저광을 조사하는 경우에 비교하여, 효율 좋게 홈을 가공할 수 있으며, 또한 단락(短絡) 등의 가능성이 낮은 절연용의 홈을 형성할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1의 장치에 있어서, 레이저광의 강도 분포를 균일하게 하기 위해서는, 멀티 모드의 레이저광을 이용할 필요가 있어, 범용성이 부족하다.
또한, 특허문헌 2의 장치에서는, 광섬유의 코어의 단면 형상을 특수한 형상으로 할 필요가 있다.
본 발명의 과제는, 간단한 구성으로 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 얻는 것에 있다.
본 발명의 제1 측면에 따른 광섬유는, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 광섬유로서, 원형 코어를 갖는 제1 섬유와, 제1 섬유의 단면(端面)에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 제2 섬유를 갖고 있다.
본 건 발명자들은, 원형 코어의 광섬유와 직사각형 코어의 광섬유를 융착 등에 의해 접속함으로써, 직사각형 형상이고 그리고 균일한 강도 분포의 레이저광이 얻어지는 것을 발견했다. 이러한 광섬유는, 싱글 모드의 레이저광을 이용한 경우라도, 직사각형 코어의 섬유로부터 출사된 레이저광은, 강도 분포가 균일해진다.
본 발명의 제2 측면에 따른 광섬유는, 제1 섬유는 레이저 광원으로부터의 레이저광이 입사되는 것이고, 제2 섬유는 제1 섬유로부터 입사된 레이저광을 전송한다.
여기에서는, 상기와 동일하게, 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 얻을 수 있으며, 이 광섬유를 이용하여 레이저 가공 장치를 구성함으로써, 가공 효율이 향상되고, 또한 정밀도가 높은 홈을 형성할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따른 광섬유는, 제1 섬유와 제2 섬유는 서로의 단면이 융착되어 있다.
본 발명의 제4 측면에 따른 광섬유 장치는, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 장치로서, 원형 코어를 갖는 제1 섬유와, 직사각형 코어를 갖는 복수의 제2 섬유와, 섬유 스플리터(fiber splitter)를 구비하고 있다. 섬유 스플리터는, 입력측에 제1 섬유가 접속되고, 출력측에 복수의 제2 섬유가 접속되어 있다.
여기에서는, 상기와 동일하게, 각각의 제2 섬유의 출력측에, 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 얻을 수 있다. 또한, 섬유 스플리터는 원형 코어의 섬유를 갖고 있다.
섬유 스플리터를 이용함으로써, 1개의 레이저광으로부터 복수의 직사각형 형상의 레이저광을 얻을 수 있다. 따라서, 이 광섬유 장치를 레이저 가공 장치에 이용함으로써, 가공 효율을 높일 수 있다. 　
본 발명의 제5 측면에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저광을 조사하여 워크를 가공하는 장치로서, 워크가 올려놓여지는 테이블과, 레이저광을 출력하는 레이저 헤드와, 레이저광을 집광하는 제1 집광 렌즈와, 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저광이 입사되는 원형 코어를 갖는 제1 섬유와, 제1 섬유의 단면에 접속되고 직사각형 코어를 갖는 제2 섬유와, 제2 섬유로부터 출력된 직사각형 형상의 레이저광을 테이블 상의 워크에 대하여 집광하는 제2 집광 렌즈와, 워크를 레이저광에 대하여 상대적으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고 있다.
이 장치에서는, 레이저 헤드로부터 출력된 레이저광은 제1 집광 렌즈에서 집광 되어 원형 코어의 제1 섬유로 유도되고, 추가로 직사각형 코어의 제2 섬유로 유도된다. 그리고, 제2 섬유로부터는 직사각형 형상의 레이저광이 출력된다. 이 직사각형 형상의 레이저광은 제2 집광 렌즈를 통하여 테이블 상의 워크에 조사된다.
여기에서는, 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 워크에 조사할 수 있어, 가공 효율이 향상됨과 함께 가공 품질이 양호한 홈을 워크에 형성할 수 있다.
본 발명의 제6 측면에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저광을 조사하여 워크를 가공하는 장치로서, 워크가 올려놓여지는 테이블과, 레이저광을 출력하는 레이저 헤드와, 레이저광을 집광하는 제1 집광 렌즈와, 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저광이 입사되는 원형 코어를 갖는 제1 섬유와, 입력측에 제1 섬유가 접속된 섬유 스플리터와, 섬유 스플리터의 출력측에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 복수의 제2 섬유와, 제2 섬유로부터 출력된 직사각형 형상의 레이저광을 테이블 상의 워크에 대하여 집광하는 복수의 제2 집광 렌즈와, 워크를 레이저광에 대하여 상대적으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고 있다.
이 장치에서는, 레이저 헤드로부터 출력된 레이저광은 제1 집광 렌즈에서 집광되어 원형 코어의 제1 섬유로 유도된다. 그 후, 레이저광은 섬유 스플리터에 의해 분기되어 직사각형 코어의 복수의 제2 섬유로 유도된다. 그리고, 복수의 제2 섬유로부터는 직사각형 형상의 레이저광이 출력된다. 이 직사각형 형상의 레이저광은 제2 집광 렌즈를 통하여 테이블 상의 워크에 조사된다.
여기에서는, 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 복수의 레이저광을 워크에 조사할 수 있어, 가공 효율이 향상됨과 함께 가공 품질이 양호한 홈을 워크에 형성할 수 있다.
본 발명의 제7 측면에 따른 레이저 가공 장치는, 제5 또는 제6 측면의 장치에 있어서, 레이저 헤드는 싱글 모드의 레이저광을 출력한다.
원형 코어의 제1 섬유에 직사각형 코어의 제2 섬유를 접속하여, 레이저광을 전송함으로써, 싱글 모드의 레이저광을 이용한 경우라도, 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 워크에 조사할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에서는, 간단한 구성으로 강도 분포가 균일한 직사각형 형상의 레이저광을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 레이저 가공 장치에 이용되는 광섬유 장치의 개략 구성도이다.
도 3a는 제2 실시 형태의 장치의 직사각형 코어 섬유로부터 출사된 레이저광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 3b는 100㎛×100㎛의 직사각형 코어 섬유에 레이저광을 입사한 경우의 출사 레이저광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4a는 원형 코어 섬유를 갖는 섬유 스플리터의 출사 레이저광의 강도 분포를 측정하기 위한 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 4b는 도 4a에 있어서 섬유 스플리터를 형성하지 않는 경우의(원형 코어 섬유에만 의한) 섬유의 출사 레이저광의 강도 분포를 측정하기 위한 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 5a는 도 4a의 레이저광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 4b의 레이저광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
[제1 실시 형태]
본 발명의 제1 실시 형태에 의한 레이저 가공 장치를 도 1에 나타낸다. 이 레이저 가공 장치는, 일 예로서, Mo 박막 부착의 유리 기판에 레이저광을 조사함과 함께, 홈 예정 라인을 따라 레이저광을 조사하여, 홈 예정 라인의 Mo 박막을 제거하는 것이다. 레이저 가공 장치는, 레이저 발진기 등을 포함하는 레이저 헤드(1)와, 광학계(2)와, 주사 기구(3)를 구비하고 있다.
레이저 헤드(1)는 싱글 모드의 펄스 레이저광을 출사한다. 레이저 헤드(1)에 설치된 레이저 발진기는, YAG 레이저, IR 레이저 등의 주지(周知)의 펄스 레이저광의 발진기이면, 특별히 한정되는 것은 아니다.
광학계(2)는, 제1 렌즈(제1 집광 렌즈)(5), 제2 렌즈(6), 제3 렌즈(제2 집광 렌즈)(7) 및, 광섬유(8)를 갖고 있다. 광섬유(8)는, 레이저 헤드(1)측에 배치된 제1 렌즈(5)와 주사 기구(3)측에 배치된 제2 렌즈(6)와의 사이에 배치되어 있다. 또한, 이 광섬유(8)는, 직경이 예를 들면 105㎛인 원형 코어의 제1 섬유(8a)와, 1변이 예를 들면 100㎛인 직사각형 코어의 제2 섬유(8b)를, 서로의 단면을 융착함으로써 형성되어 있다.
이 광학계(2)에 있어서는, 제1 렌즈(5)를 통과한 레이저광은, 원형 코어의 제1 섬유(이하, 「원형 코어 섬유」라고 기재함)(8a)에 도입되어, 직사각형 코어의 제2 섬유(이하, 「직사각형 코어 섬유」라고 기재함)(8b)로부터 출사된다. 이 직사각형 코어 섬유(8b)로부터 출사된 직사각형 형상의 레이저광은, 제2 렌즈(6)에서 평행광이 되고, 추가로 제3 렌즈(7)로 집광되어 기판(G)에 조사된다. 물론, 1개의 렌즈에 의해 직접 유리 기판(G) 상에 레이저광을 집광하도록 해도 좋다.
주사 기구(3)는, X방향으로 이동 가능한 주사 스테이지(10)와, X방향과 직교 하는 Y방향으로 소정의 피치마다 이동 가능한 피치 이송 스테이지(11)를 갖고 있다. 그리고, 피치 이송 스테이지(11)에 유리 기판(G)을 올려놓고, 각 스테이지(10, 11)를 이동시킴으로써, 유리 기판(G)과 레이저광과의 상대 위치를 자유롭게 변경할 수 있다. 가공시의 주사 스테이지(10)의 이동 속도는, 도시하지 않는 제어부에 의해 제어되고, 이에 따라 레이저광이 소정의 중복률로 유리 기판(G) 상에 조사되게 된다.
이상의 레이저 가공 장치를 이용하여 유리 기판(G)의 Mo막을 박리하는 경우는, 레이저 헤드(1)로부터 펄스 레이저광이 출사되고, 이 레이저광은, 광학계(2)에 의해, 빔 형상이 직사각형이 되고, 추가로 집광되어 유리 기판(G)의 홈 예정 라인 상에 조사된다. 다음으로, 이 레이저광은, 주사 스테이지(10)를 이동함으로써 홈 예정 라인을 따라 주사된다. 그리고, 1개의 홈 가공이 종료되면, 피치 이송 스테이지(11)가 1피치만큼 이송되고, 동일한 처리에 의해 다른 홈이 가공된다. 이와 같이 하여, 홈 예정 라인의 Mo막이 용융 제거된다.
[제2 실시 형태]
도 2에 본 발명의 제2 실시 형태에 이용되는 광섬유 장치(20)를 나타내고 있다. 또한, 이 광섬유 장치(20)는, 제1 실시 형태의 광섬유(8)를 대신하여 이용되는 것이다.
이 광섬유 장치(20)는, 1개의 원형 코어의 섬유(이하, 「원형 코어 섬유」라고 기재함)(21)와, 제1∼제3 섬유 스플리터(22a, 22b, 22c)와, 4개의 직사각형 코어의 제1∼제4 섬유(이하, 「 제1∼제4 직사각형 코어 섬유」라고 기재함)(23a, 23b, 23c, 23d)를 갖고 있다. 각 섬유 스플리터(22a∼22c)는 원형 코어의 섬유에 의해 형성되어 있다. 또한, 여기에서는, 입력측 및 출력측에, 각각 2개의 커플러를 구비한 섬유 스플리터를 이용하고 있지만, 입력측에 1개의 커플러를 갖는 섬유 스플리터를 이용해도 좋은 것은 물론이다.
원형 코어 섬유(21)는, 제1 섬유 스플리터(22a)의 한쪽의 입력측에 접속되어 있으며, 제1 렌즈(5)로부터의 레이저광이 도입된다. 제1 섬유 스플리터(22a)의 출력측에는, 제2 섬유 스플리터(22b) 및 제3 섬유 스플리터(22c)의 각각의 입력측의 한쪽이 접속되어 있다. 그리고, 제2 섬유 스플리터(22b)의 출력측에는, 제1 직사각형 코어 섬유(23a) 및 제2 직사각형 코어 섬유(23b)가 접속되어 있다. 또한, 제3 섬유 스플리터(22c)의 출력측에는, 제3 직사각형 코어 섬유(23c) 및 제4 직사각형 코어 섬유(23d)가 접속되어 있다.
또한, 도 2에 있어서, 「×」는 각 섬유의 접속부를 나타내고 있다. 이들 접속부는, 각 섬유의 단면을 융착함으로써 접속되어 있다. 또한, 이 제2 실시 형태에서는, 일 예로서, 원형 코어 섬유(21)는 코어 직경이 105㎛, 각 섬유 스플리터(22a∼22c)는 코어 직경이 100㎛, 제1∼제4 직사각형 코어 섬유(23a∼23d)는 코어의 1변이 100㎛이다.
이 제2 실시 형태에서는, 도시하고 있지 않지만, 제1∼제4 직사각형 코어 섬유(23a∼23d)의 출력측에, 각각 제1 실시 형태와 동일한 제2 렌즈 및 제3 렌즈가 배치되어 있다. 다른 구성 및 가공 동작은 제1 실시 형태와 동일하다.
[실험예]
도 3a에, 제2 실시 형태의 각 직사각형 코어 섬유로부터 출사된 레이저광의 강도 분포를 나타내고 있다. 또한, 도 3b에, 1변이 100㎛인 직사각형 코어 섬유만을 이용한 경우의 레이저광(레이저광을, 원형 코어 섬유를 통하는 일 없이 직사각형 코어 섬유에 입사하여, 그 직사각형 코어 섬유로부터 출사된 레이저광)의 강도 분포를 나타내고 있다.
이들 도면으로부터 분명한 바와 같이, 제2 실시 형태의 구성, 즉, 원형 코어 섬유＋섬유 스플리터＋직사각형 코어 섬유를 이용함으로써, 직사각형 코어 섬유로부터 출사되는 레이저광의 강도 분포가 보다 균일하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b에 나타내는 구성으로, 각 원형 코어 섬유로부터 출사되는 레이저광의 강도 분포를 측정했다.
도 4a의 장치는, 레이저 헤드(25)와, 복수의 반사 미러(26a, 26b, 26c)와, 집광 렌즈(27)와, 원형 코어의 섬유로 구성된 섬유 스플리터(28)로 구성되어 있다. 그리고, 섬유 스플리터(28)로부터 출사된 레이저광의 강도 분포를 측정기(29a, 29b)로 측정한 결과를, 도 5a에 나타내고 있다.
또한, 도 4b의 장치는, 레이저 헤드(25)와, 복수의 반사 미러(26a, 26b, 26c)와, 집광 렌즈(27)와, 원형 코어 섬유(30)로 구성되어 있다. 그리고, 원형 코어 섬유(30)로부터 출사된 레이저광의 강도 분포를 측정기(31)로 측정한 결과를, 도 5b에 나타내고 있다.
또한, 도 4a 및 도 4b의 장치에서 이용한 섬유 스플리터(28) 및 원형 코어 섬유(30)의 코어 직경은 모두 105㎛이다.
도 5a 및 도 5b의 강도 분포를 관찰하면, 섬유 스플리터(28)를 통과한 레이저광은, 강도 분포의 균일성은 약간의 개선이 보이기는 하지만, 대폭적인 개선이라고는 인정할 수 없다.
[실험 결과의 정리]
이상의 실험 결과로부터, 직사각형 형상이고, 그리고 균일한 강도 분포를 갖는 레이저광을 얻기 위해서는, 레이저광을 원형 코어 섬유로 입사하여, 이 원형 코어 섬유에 접속된 직사각형 코어 섬유로부터 레이저광을 출사하면 좋은 것을 알 수 있다. 그리고, 이러한 경향은, 섬유 스플리터의 유무에 영향을 주지 않는 것도 알 수 있다.
[다른 실시 형태]
본 발명은 이상과 같은 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변형 또는 수정이 가능하다.
1 : 레이저 헤드
2 : 광학계
3 : 주사 기구
8, 20 : 광섬유 장치
8a, 21 : 원형 코어 섬유
8b, 23a∼23d : 직사각형 코어 섬유
10 : 주사 스테이지
11 : 피치 이송 스테이지
22a∼22c : 섬유 스플리터

Claims (7)

  1. 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 광섬유로서,
    원형 코어를 갖는 제1 섬유와,
    상기 제1 섬유의 단면(端面)에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 제2 섬유를 갖는 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유는 상기 레이저 광원으로부터의 레이저광이 입사되는 것이고,
    상기 제2 섬유는 상기 제1 섬유로부터 입사된 레이저광을 전송하는 광섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유는 서로의 단면이 융착되어 있는 광섬유.
  4. 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전송하기 위한 광섬유 장치로서,
    원형 코어를 갖는 제1 섬유와,
    직사각형 코어를 갖는 복수의 제2 섬유와,
    입력측에 상기 제1 섬유가 접속되고, 출력측에 상기 복수의 제2 섬유가 접속된 섬유 스플리터를 구비한 광섬유 장치.
  5. 레이저광을 조사하여 워크를 가공하는 레이저 가공 장치로서,
    워크가 올려놓여지는 테이블과,
    레이저광을 출력하는 레이저 헤드와,
    상기 레이저광을 집광하는 제1 집광 렌즈와,
    상기 제1 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저광이 입사되는 원형 코어를 갖는 제1 섬유와,
    상기 제1 섬유의 단면에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 제2 섬유와,
    상기 제2 섬유로부터 출력된 직사각형 형상의 레이저광을 상기 테이블 상의 워크에 대하여 집광하는 제2 집광 렌즈와,
    상기 워크를 레이저광에 대하여 상대적으로 이동시키는 이동 기구를 구비한 레이저 가공 장치.
  6. 레이저광을 조사하여 워크를 가공하는 레이저 가공 장치로서,
    워크가 올려놓여지는 테이블과,
    레이저광을 출력하는 레이저 헤드와,
    상기 레이저광을 집광하는 제1 집광 렌즈와,
    상기 제1 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저광이 입사되는 원형 코어를 갖는 제1 섬유와,
    입력측에 상기 제1 섬유가 접속된 섬유 스플리터와,
    상기 섬유 스플리터의 출력측에 접속되고, 직사각형 코어를 갖는 복수의 제2 섬유와,
    상기 제2 섬유로부터 출력된 직사각형 형상의 레이저광을 상기 테이블 상의 워크에 대하여 집광하는 복수의 제2 집광 렌즈와,
    상기 워크를 레이저광에 대하여 상대적으로 이동시키는 이동 기구를 구비한 레이저 가공 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 레이저 헤드는 싱글 모드의 레이저광을 출력하는 레이저 가공 장치.
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