KR20150039646A - 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150039646A
KR20150039646A KR20130118068A KR20130118068A KR20150039646A KR 20150039646 A KR20150039646 A KR 20150039646A KR 20130118068 A KR20130118068 A KR 20130118068A KR 20130118068 A KR20130118068 A KR 20130118068A KR 20150039646 A KR20150039646 A KR 20150039646A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser beam
lens
members
multiple members
focus
Prior art date
Application number
KR20130118068A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101528344B1 (ko
Inventor
최지연
강희신
손현기
임선종
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020130118068A priority Critical patent/KR101528344B1/ko
Publication of KR20150039646A publication Critical patent/KR20150039646A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101528344B1 publication Critical patent/KR101528344B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B23K26/0861—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane in at least in three axial directions
    • 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
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법이 개시된다. 다중 부재의 접합 방법은, 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재를 스테이지 위에 배치하는 단계와, 레이저 광원으로부터 극초단 펄스 레이저 빔을 발진하는 단계와, 초점 가변형 렌즈와 집속 렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 이용하여 다중 부재의 계면 주위에서 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직이는 단계와, 다중 부재 내에서 비선형 흡수 현상에 의해 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법 {BONDING DEVICE USING LASER AND BONDING METHOD OF MULTIPLE MEMBER USING THE DEVICE}
본 발명은 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적층된 부재들 사이의 계면에 극초단 펄스 레이저를 조사하여 다중 부재를 일체로 접합시키는 접합 장치 및 접합 방법에 관한 것이다.
다중 부재는 상호 적층된 복수의 투명 부재를 포함한다. 복수의 투명 부재는 모두 기판의 형태를 갖추거나, 복수의 투명 부재 중 어느 하나는 기판의 형태를 갖추고 다른 하나는 소자의 형태를 갖출 수 있다. 다중 부재를 일체로 접합시키기 위해 적층된 투명 부재들 사이의 계면을 따라 레이저 빔을 조사하여 계면을 용융시키는 방법이 연구되고 있다.
레이저를 이용한 종래의 접합 장치는 레이저 빔을 발진하는 레이저 광원과, 레이저 빔을 전달하는 전달 광학계와, 레이저 빔을 집속하는 집속 렌즈와, 다중 부재를 이동시키는 정밀 스테이지 등으로 구성된다. 그런데 이러한 접합 장치는 다중 부재 내부에서 단일 초점의 레이저 빔을 발생시키므로 다중 부재의 계면에 레이저 초점을 정확하게 위치시키기 어렵고, 용접부의 길이가 작아 접합 강도가 낮다.
본 발명은 접착층이나 레이저 흡수층 없이 다중 부재의 계면을 직접 용융시킬 수 있고, 용접부의 길이를 늘려 다중 부재의 접합 강도를 높이며, 계면의 초점 형성 난이도를 낮출 수 있는 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 접합 과정에서 다중 부재의 내부에 발생하는 온도 경도차를 낮추어 스트레스를 완화시킴으로써 용접부 주변의 미세 크랙 발생을 억제할 수 있는 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접합 장치는 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재의 접합을 위한 것으로서, 레이저 광원과 렌즈 조립체를 포함한다. 레이저 광원은 극초단 펄스 레이저 빔을 발진한다. 렌즈 조립체는 시간 흐름에 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키는 초점 가변형 렌즈와, 레이저 빔을 집속시키는 집속 렌즈를 구비한다. 렌즈 조립체는 다중 부재의 계면 주위에서 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직여 용접부를 형성한다.
복수의 부재는 레이저 빔의 파장 대역에서 선형 흡수가 없는 투명 부재를 포함할 수 있으며, 투명도가 높은 순서대로 렌즈 조립체에 가깝게 위치할 수 있다. 레이저 빔은 피코초 또는 펨토초의 펄스 지속 시간을 가질 수 있고, 다중 부재 내에서 다광자 흡수, 터널링 이온화, 및 애벌런치 흡수 중 어느 하나의 비선형 흡수 현상을 일으키는 에너지 강도를 제공할 수 있다.
초점 가변형 렌즈는 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시킬 수 있으며, 집속 렌즈는 초점 가변형 렌즈를 통과한 레이저 빔을 다중 부재의 계면 주위로 집속시킬 수 있다.
초점 가변형 렌즈는 내부에 매질이 채워진 렌즈 하우징과, 매질에 초음파를 전달하는 압전기와, 압전기에 연결된 주파수 조절부를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 초점 가변형 렌즈는 투명 커버와, 투명 커버에 부착된 탄성 멤브레인과, 투명 커버와 탄성 멤브레인 사이에 채워진 광학 유체와, 탄성 멤브레인에 부착된 액츄에이터를 포함할 수 있다.
접합 장치는 다중 부재를 지지하면서 수평 방향과 수직 방향으로 이동이 가능한 스테이지를 더 포함할 수 있다. 접합 장치는, 복수의 부재 각각의 표면 영상을 획득하고 획득한 영상 정보에 따라 스테이지의 이동을 제어하는 머신 비전 이미징 장치를 더 포함할 수 있다. 스테이지는 용접부 형성에 필요한 시간과 레이저 펄스의 중첩률을 만족하는 이동 속도로 수평 방향으로 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 부재의 접합 방법은, 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재를 스테이지 위에 배치하는 단계와, 레이저 광원으로부터 극초단 펄스 레이저 빔을 발진하는 단계와, 초점 가변형 렌즈와 집속 렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 이용하여 다중 부재의 계면 주위에서 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직이는 단계와, 다중 부재 내에서 비선형 흡수 현상에 의해 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.
다중 부재의 접합 방법은 레이저 빔을 발진하는 단계 이전에, 머신 비전 이미징 장치를 이용하여 복수의 부재 각각의 표면 영상을 획득하고, 획득한 영상 정보에 따라 스테이지를 제어하여 접합 위치에 레이저 빔의 초기 초점을 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
복수의 부재는 레이저 빔의 파장 대역에서 선형 흡수가 없는 투명 부재를 포함할 수 있으며, 투명도가 높은 순서대로 렌즈 조립체에 가깝게 위치할 수 있다. 레이저 빔은 피코초 또는 펨토초의 펄스 지속 시간을 가질 수 있고, 다중 부재 내에서 다광자 흡수, 터널링 이온화, 및 애벌런치 흡수 중 어느 하나의 비선형 흡수 현상을 일으키는 에너지 강도를 제공할 수 있다.
초점 가변형 렌즈는 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시킬 수 있으며, 집속 렌즈는 초점 가변형 렌즈를 통과한 레이저 빔을 다중 부재의 계면 주위로 집속시킬 수 있다.
초점 가변형 렌즈는 내부에 매질이 채워진 렌즈 하우징과, 매질에 초음파를 전달하는 압전기와, 압전기에 연결된 주파수 조절부를 포함할 수 있으며, 초음파의 주파수를 변화시켜 레이저 빔의 초점 거리를 변화시킬 수 있다.
다른 한편으로, 초점 가변형 렌즈는 투명 커버와, 투명 커버에 부착된 탄성 멤브레인과, 투명 커버와 탄성 멤브레인 사이에 채워진 광학 유체와, 탄성 멤브레인에 부착된 액츄에이터를 포함할 수 있고, 액츄에이터의 작동으로 탄성 멤브레인을 변형시켜 레이저 빔의 초점 거리를 변화시킬 수 있다.
용접부를 형성하는 단계에서 스테이지는 용접부 형성에 필요한 시간과 레이저 펄스의 중첩률을 만족하는 이동 속도로 수평 방향으로 움직일 수 있다.
본 실시예에 따르면 종래의 단일 빔 초점의 경우보다 용접부의 길이를 늘려 접합 강도를 높일 수 있다. 그리고 용접부 길이가 늘어남으로 인해 다중 부재의 계면에 레이저 초점을 용이하게 위치시킬 수 있으므로, 계면의 초점 형성 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 레이저 빔의 초점 거리 변화량에 따라 용접부의 길이를 쉽게 조절할 수 있으며, 다중 부재의 계면에서 폭이 일정한 용접부를 형성하여 접합 품질을 높일 수 있다. 또한, 초점 거리를 주기적으로 바꾸어줌으로써 용접부에 과도한 열이 누적되는 것을 막을 수 있으며, 그 결과 접합 과정에서 다중 부재의 내부에 발생하는 온도 경도차를 낮추어 스테레스를 완화시킴으로써 용접부 주변의 미세 크랙 발생을 억제할 수 있다. 이러한 접합 방법은 접착제나 레이저 흡수층을 필요로 하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 접합 장치를 이용한 다중 부재의 접합 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 1에 도시한 접합 장치 중 초점 가변형 렌즈의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시한 접합 장치 중 다중 부재의 확대 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 초점 가변형 렌즈의 제1 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시한 매질의 밀도 변화를 나타낸 개략도이다.
도 7은 도 1에 도시한 초점 가변형 렌즈의 제2 실시예를 나타낸 개략도이다.
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 접합 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 접합 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 전송부(20), 초점 가변형 렌즈(31)와 집속 렌즈(32)로 구성된 렌즈 조립체(30), 다중 부재(40)를 지지하는 스테이지(50), 및 머신 비전 이미징 장치(60)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시한 접합 장치를 이용한 다중 부재의 접합 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2를 참고하면, 다중 부재의 접합 방법은 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재를 스테이지 위에 배치하는 제1 단계(S10)와, 머신 비전 이미징 장치를 이용하여 다중 부재의 표면 영상을 획득하고, 획득한 영상 정보에 따라 스테이지를 제어하는 제2 단계(S20)를 포함한다.
또한, 다중 부재의 접합 방법은 레이저 광원으로부터 극초단 펄스 레이저 빔을 발진하는 제3 단계(S30)와, 초점 가변형 렌즈와 집속 렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 이용하여 다중 부재의 계면 주위에서 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직이는 제4 단계(S40)와, 다중 부재 내에서 비선형 흡수 현상에 의해 용접부를 형성하는 제5 단계(S50)를 포함한다.
도 1과 도 2를 참고하면, 레이저 광원(10)은 다중 부재(40)를 접합하기 위한 극초단 펄스 레이저 빔을 발진한다. 레이저 빔은 피코초(picosecond) 또는 펨토초(pemtosecond)의 펄스 지속 시간을 가질 수 있다.
극초단 펄스 레이저는 짧은 펄스 폭과 이로 인해 얻어지는 높은 첨두 출력으로 인해 투명 재질 안에서 비선형 흡수 현상을 쉽게 일으킬 수 있다. 물질에 흡수된 에너지는 흡수된 영역에서 굴절률과 밀도 변화 등의 물리화학적 성질 변화를 일으키며, 이러한 변화는 레이저 강도에 비례하는 비선형 광학 현상의 특성상 집광된 초점 부근에서 더욱 크게 일어나므로 에너지 전달을 국소화할 수 있다.
따라서 극초단 펄스 레이저는 열전달 계수가 높은 물질 또는 광 흡수율이 낮은 물질 등 다양한 재질의 다중 부재(40)를 단일 공정으로 용이하게 접합시킬 수 있고, 펄스 지속 시간이 짧아 다중 부재(40)를 접합시키는 동안 열 누적량을 정밀하게 제어할 수 있으므로 과도한 열 확산에 의한 물리화학적 변형 및 접합 정밀도 저하가 발생하지 않는다.
빔 전송부(20)는 레이저 광원(10)에서 발진된 레이저 빔의 경로 상에 위치한다. 빔 전송부(20)는 다양한 광학 장치들로 구성되는데, 예를 들어 레이저 빔의 폭을 증가시키는 빔 확장기와, 빔 확장기에서 확장된 레이저 빔의 에너지 강도를 조절하는 감쇄기 등을 포함할 수 있다. 이 경우 레이저 빔은 빔 전송부(20)를 거치면서 폭과 에너지 강도가 조절된다.
스테이지(50)는 렌즈 조립체(30) 아래에 위치하며 다중 부재(40)를 지지한다. 스테이지(50)는 수평 방향과 수직 방향의 이동이 가능한 3차원 정밀 스테이지로 구성될 수 있다. 도시하지 않은 제어부가 레이저 광원(10), 빔 전송부(20), 초점 가변형 렌즈(31), 및 스테이지(50)와 연결되어 이들을 제어할 수 있다.
다중 부재(40)는 상호 적층된 복수의 부재를 포함한다. 복수의 부재는 모두 기판의 형태를 갖추거나, 복수의 부재 중 어느 하나는 기판의 형태를 갖추고 다른 하나는 소자의 형태를 갖출 수 있다. 도 1에서는 기판 형태로 이루어진 제1 부재(41)와 제2 부재(42)가 상호 적층된 경우를 예로 들어 도시하였다.
다중 부재(40)는 레이저 빔의 파장 대역에서 선형 흡수가 없는 적어도 하나의 투명 부재를 포함하며, 투명도가 높은 순서대로 렌즈 조립체에 가깝게 정렬될 수 있다. 즉 제1 부재(41)와 제2 부재(42) 모두 투명 부재로 이루어지거나, 렌즈 조립체(30)와 가까운 제2 부재(42)가 투명 부재로 이루어지고, 제1 부재(41)는 불투명 또는 반투명 부재로 이루어질 수 있다. 투명 부재는 유리 또는 석영 등으로 형성될 수 있다.
도 1에서는 제1 부재(41)와 제2 부재(42)로 구성된 다중 부재를 도시하였으나, 적층된 부재들의 개수는 세 개 이상이 될 수도 있다. 이 경우에도 복수의 부재는 투명도가 높은 순서대로 렌즈 조립체(30)에 가깝게 위치한다.
제1 부재(41)와 제2 부재(42)는 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된다. 즉 제1 부재(41)와 제2 부재(42) 사이에 접착층이 존재하지 않으며, 레이저 흡수를 돕는 레이저 흡수층도 존재하지 않는다.
씨씨디(CCD)를 포함하는 머신 비전 이미징 장치(60)는 제1 부재(41)와 제2 부재(42)의 표면 영상 정보를 획득하고, 획득한 영상 정보에 따라 스테이지(50)를 제어하여 접합 위치에 레이저 빔의 초기 초점을 위치시키는 기능을 한다. 이를 위해 머신 비전 이미징 장치(60)와 스테이지(50)는 모두 제어부에 전기적으로 연결된다.
보다 구체적으로, 머신 비전 이미징 장치(60)를 이용하여 접합하려는 부위를 찾고, 스테이지(50)를 수평으로 이동시켜 접합 부위에 레이저 초점을 위치시킬 수 있다. 또한, 머신 비전 이미징 장치(60)를 이용하여 제1 부재(41)와 제2 부재(42)의 표면을 검출하고, 스테이지(50)를 수직으로 이동시켜(높이를 조절하여) 제2 부재(42)의 표면으로부터 가공 깊이(계면 깊이)까지 레이저 초점을 수직으로 이동시킬 수 있다.
이때 가공 깊이는 제2 부재(42)의 두께를 제2 부재(42)의 굴절률로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 부재(41)와 제2 부재(42)가 모두 1mm 두께의 유리 기판(굴절률 1.5)인 경우, 머신 비전 이미징 장치(60)를 이용하여 제1 부재(41)와 제2 부재(42)의 표면을 검출하고, 수직 방향에 따른 스테이지(50)의 이동 거리를 0.667mm(1/1.5)로 산출할 수 있다. 즉 제2 부재(42)의 표면 좌표가 0일 때, 계면 좌표는 -1이 아닌 -0.667이 된다. 이는 물리적 길이와 광학적 길이가 다르기 때문이다.
도 1에서 부호 61은 다이크로익 미러를 나타낸다. 다이크로익 미러(61)는 빔 전송부(20)와 렌즈 조립체(30) 사이에 위치하여 레이저 빔의 경로를 변화시킨다. 다이크로익 미러(61)는 적용된 레이저 빔의 파장대 대부분을 반사할 수 있도록 이 파장대에서 반사 효과가 우수한 물질로 코팅될 수 있다. 빔 전송부(20)와 렌즈 조립체(30)가 일직선 상에 위치하는 경우 다이크로익 미러(61)는 생략된다.
레이저 가공 장치(100)는 조명 광원(62)과 빔 스플리터(63) 및 모니터(65)를 포함할 수 있다. 조명 광원(62)에서 방출된 빛은 빔 스플리터(63)를 거쳐 다중 부재(40)로 조사되고, 머신 비전 이미징 장치(60)가 다중 부재(40)를 촬영하며, 모니터(64)는 머신 비전 이미징 장치(60)가 촬영한 영상 정보를 표시한다. 도 1에서 부호 65는 경통을 나타낸다.
렌즈 조립체(30)는 초점 가변형 렌즈(31)와 집속 렌즈(32)를 포함한다. 초점 가변형 렌즈(31)와 집속 렌즈(32)는 레이저 빔의 진행 방향을 따라 일렬로 위치한다. 초점 가변형 렌즈(31)는 시간 흐름에 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키며, 집속 렌즈(32)는 초점 가변형 렌즈(31)를 통과한 레이저 빔을 다중 부재(40)의 계면 주위로 집속시킨다.
도 3은 도 1에 도시한 접합 장치 중 초점 가변형 렌즈의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 초점 가변형 렌즈(31)는 시간 흐름에 따라 레이저 빔의 초점 거리를 기 설정된 주기 내에서 반복적으로 변화시킨다. 도 3의 그래프에서 FL0은 기준 초점 거리를 나타내고, FL1과 FL2는 각각 최대 초점 거리와 최소 초점 거리를 나타낸다. 초점 가변형 렌즈(31)는 기 설정된 초점 거리 변화량과 기 설정된 주기 내에서 레이저 빔의 초점 거리를 지속적으로 변화시킨다.
초점 가변형 렌즈(31)는 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점 거리를 변화시킨다. 즉 레이저 빔의 초점 거리가 커지거나 작아지는 방향은 다중 부재(40)의 두께 방향과 일치한다. 도 1에서 초점 가변형 렌즈(31)에 의한 초점 거리 변화 방향을 A 화살표로 나타내었다.
도 4는 도 1에 도시한 접합 장치 중 다중 부재의 확대 단면도이다.
도 1과 도 4를 참고하면, 집속 렌즈(32)는 초점 가변형 렌즈(31)를 통과한 레이저 빔을 다중 부재(40)의 계면 주위로 집속시켜 레이저 초점을 형성한다. 이때 초점 가변형 렌즈(31)가 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키므로, 레이저 초점은 다중 부재(40)의 계면 주위에서 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 일정 주기로 움직인다.
도 4의 (A)에서 P0은 초점 가변형 렌즈(31)의 초점 거리가 FL0일 때의 초점 위치를 나타내고, P1과 P2는 각각 초점 가변형 렌즈(31)의 초점 거리가 FL1과 FL2일 때의 초점 위치를 나타낸다. P1과 P2는 P0에 대해 같은 거리를 유지하며, P0은 제1 부재(41)와 제2 부재(42)의 접합 계면에 최대한 가깝게 위치할 수 있다. 이를 위해 스테이지(50)를 상승 또는 하강시켜 초점 위치를 정밀하게 조정할 수 있다.
레이저 빔의 초점 거리 변화량과 초점을 변화시키는 주기는 레이저 가공 파라미터, 즉 조사되는 레이저 빔의 펄스 파장, 에너지 강도, 펄스의 반복률, 및 집속 렌즈의 초점 심도에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
레이저 초점이 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 일정 주기로 움직이는 것은 렌즈 조립체(30)가 레이저 빔을 시분할하여 다중 부재(40)의 계면 주위로 다중 초점을 형성하는 것을 의미한다. 이는 렌즈 조립체(30)가 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 레이저 빔을 스캔하는 것으로도 이해될 수 있다.
다중 부재(40)가 레이저 빔의 파장 범위에서 선형 흡수가 없는 투명 부재를 포함하고, 레이저 빔은 다중 부재(40) 내에서 다광자 흡수(multiphoton absorptrion), 터널링 이온화(Tunneling ionization), 및 애벌런치(avalanche) 흡수 중 어느 하나의 비선형 흡수 현상을 일으키는 레이저 강도를 제공한다. 따라서 다중 부재의 계면 주위가 용융되면서 용접부가 형성되며, 제1 부재(41)와 제2 부재(42)의 접합이 이루어진다.
도 4의 (B)에 용접부(45)를 도시하였다. 용접부(45)의 길이는 레이저 초점의 이동 거리에 대응하며, 용접부(45)의 형상은 다중 부재(40)의 두께 방향을 따라 긴 타원형일 수 있다. 다중 부재(40)를 지지하는 스테이지(50)는 용접부(45) 형성에 필요한 시간과 레이저 펄스의 중첩률을 만족하는 이동 속도로 수평 방향으로 움직일 수 있다. 따라서 접합 장치(100)는 다중 부재(40)의 계면을 따라 용접부(45)를 연속으로 형성할 수 있다.
전술한 접합 장치(100)에서 초점 가변형 렌즈(31)는 음향 경도 굴절률 렌즈(acoustic gradient index lens) 또는 절연성 탄성 중합체 액츄에이터(dielectric elastomer actuator)를 이용한 전기적 형상 가변 렌즈로 구성될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시한 초점 가변형 렌즈의 제1 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 6은 도 5에 도시한 매질의 밀도 변화를 나타낸 개략도이다.
도 5와 도 6을 참고하면, 초점 가변형 렌즈는 음향 경도 굴절률 렌즈(311)로 구성될 수 있다. 음향 경도 굴절률 렌즈(311)는 내부에 매질(33)이 채워진 렌즈 하우징(34)과, 매질(33)에 초음파를 전달하는 압전기(351)와, 압전기(351)에 연결된 주파수 조절부(352)를 포함한다. 매질(33)은 투명 오일과 같은 광학 유체로 이루어지며, 레이저 빔을 집속시키는 액체 렌즈로 기능한다.
압전기(351)가 매질(33)에 초음파를 전달하면 매질(33) 내부에 정상파(standing wave)가 발생하고, 그 파장에 따라 매질(33) 밀도의 분포가 달라지며, 이로 인해 매질(33) 내부의 굴절률 분포가 변한다. 이러한 굴절률 변화는 일반 유리로 형성된 렌즈의 곡률을 변화시키는 것과 같은 효과를 유발한다.
그리고 초음파의 주파수를 바꾸면 매질(33) 안에 형성되는 정상파의 파장이 달라지고, 밀도 분포와 이에 따른 굴절률 분포가 변한다. 따라서 음향 경도 굴절률 렌즈(311)는 주파수에 따라 실시간으로 변화하는 곡률을 가질 수 있으며, 일정 주기로 주파수를 가변시킴으로써 시간 흐름에 따라 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시킬 수 있다.
도 5의 (B)는 주파수가 0인 시점을 나타내고 있으며, (A)와 (C)는 각각 주파수 변화로 수렴형 렌즈로 작동하는 시점과 발산형 렌즈로 작동하는 시점을 나타내고 있다. 주파수 변화에 따라 레이저 빔의 초점 거리가 실시간으로 변하며, 이러한 레이저 빔은 집속 렌즈(32)에 의해 다중 부재(40)의 계면 주위로 집속되어 일정 주기로 움직이는 레이저 초점을 형성한다.
도 7은 도 1에 도시한 초점 가변형 렌즈의 제2 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 7을 참고하면, 초점 가변형 렌즈(312)는 투명 커버(36)와, 투명 커버(36)에 부착된 탄성 멤브레인(37)과, 투명 커버(36)와 탄성 멤브레인(37) 사이에 채워진 광학 유체(38)와, 탄성 멤브레인(37)에 부착된 액츄에이터(39)를 포함한다. 탄성 멤브레인(37)은 액츄에이터(39)와 접하는 구동부(371)와, 구동부(371)의 내측에 위치하는 가변 렌즈부(372)로 구성될 수 있다.
액츄에이터(39)의 작동으로 탄성 멤브레인(37)의 구동부(371)가 변형하면 광학 유체(38)에 압력을 가하게 되고, 광학 유체(38)에 가해진 압력은 가변 렌즈부(372)의 변형으로 이어진다.
도 7의 (B)와 같이 구동부(371)가 투명 커버(36)를 향해 변형하면 가변 렌즈부(372)는 바깥을 향해 볼록하게 변형하고, 광학 유체(38)를 통과하는 레이저 빔은 집속된다(수렴형 렌즈). 반대로 도 7의 (C)와 같이 구동부(371)가 투명 커버(36)로부터 멀어지는 방향으로 변형하면 가변 렌즈부(372)는 투명 커버(36)를 향해 볼록하게 변형하고, 광학 유체(38)를 통과하는 레이저 빔은 발산된다(발산형 렌즈).
액츄에이터(39)는 일정 주기로 작동하여 탄성 멤브레인(37)의 가변 렌즈부(372)를 일정 주기로 반복 변형시킴으로써 레이저 빔의 초점 거리를 실시간으로 변화시킨다. 그리고 이러한 레이저 빔은 집속 렌즈(32)에 의해 다중 부재(40)의 계면 주위로 집속되어 일정 주기로 움직이는 레이저 초점을 형성한다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 접합 장치(100)에서 초점 가변형 렌즈(31)는 도 5 및 도 7에 도시한 구성에 한정되지 않으며, 실시간으로 초점을 변화시킬 수 있는 렌즈 구성이면 모두 적용 가능하다.
또한, 상기에서는 초점 가변형 렌즈(31)가 시간 흐름에 따라 발산형과 수렴형을 반복하는 경우를 설명하였으나, 본 실시예는 전술한 예시로 한정되지 않는다. 즉 초점 가변형 렌즈(31)는 발산형 렌즈이면서 발산 정도를 조절하여 레이저 빔의 초점 거리를 변화시키거나, 수렴형 렌즈이면서 수렴 정도를 조절하여 레이저 빔의 초점 거리를 변화시킬 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 접합 장치(100) 및 접합 방법에 따르면, 다중 부재(40)의 계면 주위에서 레이저 초점을 일정 주기로 움직임으로써 종래의 단일 빔 초점의 경우보다 용접부(45)의 길이를 늘려 접합 강도를 높일 수 있다. 그리고 용접부(45) 길이가 늘어남으로 인해 다중 부재(40)의 계면에 레이저 초점을 용이하게 위치시킬 수 있으므로, 계면의 초점 형성 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 레이저 빔의 초점 거리 변화량에 따라 용접부(45)의 길이를 쉽게 조절할 수 있으며, 다중 부재(40)의 계면에서 폭이 일정한 용접부(45)를 형성하여 접합 품질을 높일 수 있다. 이러한 접합 방법은 다중 부재(40)의 계면을 레이저로 직접 녹이는 것이므로 접착제나 레이저 흡수층을 필요로 하지 않는다.
또한, 도 4의 (B)를 참고하면, 레이저 초점이 움직임에 따라 집속된 빔과 집속되지 않은 빔이 동일한 지점을 순차적으로 조사하게 된다. 다중 부재(40) 가운데 집속된 빔의 초점 중심을 조사받은 부위는 용융되어 용접부(45)를 형성하고, 집속된 빔의 초점 주변 부위는 용접부(45) 주변의 온도를 상승시킨다. 도 4의 (B)에서 부호 46은 용접부(45)를 둘러싸는 온도 상승부를 나타낸다.
온도 상승부(46)는 용융이 일어나지 않으면서 다중 부재(40)의 다른 부위보다 높은 도를 가지는 부분으로서, 용접부(45)와 그 바깥 부위의 온도 경도차를 낮추는 역할을 한다. 일반적으로 레이저 접합 시 용융이 되었다가 식은 부분(용접부)과 용융되지 않은 부분 사이에는 스트레스가 발생하여 미세 크랙이 발생할 수 있다. 본 실시예에서는 온도 상승부(46)에 의해 용접부(45)와 그 바깥 부위의 온도 경도차를 낮출 수 있으므로, 스트레스를 완화시켜 미세 크랙을 효과적으로 예방할 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: 접합 장치 10: 레이저 광원
20: 빔 전송부 31: 초점 가변형 렌즈
32: 집속 렌즈 30: 렌즈 조립체
40: 다중 부재 50: 스테이지
60: 머신 비전 이미징 장치

Claims (17)

  1. 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재의 접합 장치에 있어서,
    극초단 펄스 레이저 빔을 발진하는 레이저 광원; 및
    시간 흐름에 따라 상기 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키는 초점 가변형 렌즈와, 상기 레이저 빔을 집속시키는 집속 렌즈를 구비한 렌즈 조립체
    를 포함하며,
    상기 렌즈 조립체는 상기 다중 부재의 계면 주위에서 상기 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직여 용접부를 형성하는 접합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 부재는 상기 레이저 빔의 파장 대역에서 선형 흡수가 없는 투명 부재를 포함하며, 투명도가 높은 순서대로 상기 렌즈 조립체에 가깝게 위치하는 접합 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 피코초 또는 펨토초의 펄스 지속 시간을 가지며, 상기 다중 부재 내에서 다광자 흡수, 터널링 이온화, 및 애벌런치 흡수 중 어느 하나의 비선형 흡수 현상을 일으키는 에너지 강도를 제공하는 접합 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 상기 다중 부재의 두께 방향을 따라 상기 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키며,
    상기 집속 렌즈는 상기 초점 가변형 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 다중 부재의 계면 주위로 집속시키는 접합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 내부에 매질이 채워진 렌즈 하우징과, 매질에 초음파를 전달하는 압전기와, 압전기에 연결된 주파수 조절부를 포함하는 접합 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 투명 커버와, 투명 커버에 부착된 탄성 멤브레인과, 투명 커버와 탄성 멤브레인 사이에 채워진 광학 유체와, 탄성 멤브레인에 부착된 액츄에이터를 포함하는 접합 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 다중 부재를 지지하며, 수평 방향과 수직 방향으로 이동이 가능한 스테이지를 더 포함하는 접합 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 부재 각각의 표면 영상을 획득하고, 획득한 영상 정보에 따라 상기 스테이지의 이동을 제어하는 머신 비전 이미징 장치를 더 포함하는 접합 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 용접부 형성에 필요한 시간과 레이저 펄스의 중첩률을 만족하는 이동 속도로 수평 방향으로 움직이는 접합 장치.
  10. 표면이 서로 맞닿도록 상호 적층된 복수의 부재를 포함하는 다중 부재를 스테이지 위에 배치하는 단계;
    레이저 광원으로부터 극초단 펄스 레이저 빔을 발진하는 단계;
    초점 가변형 렌즈와 집속 렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 이용하여 상기 다중 부재의 계면 주위에서 상기 다중 부재의 두께 방향을 따라 레이저 빔의 초점을 일정 주기로 움직이는 단계; 및
    상기 다중 부재 내에서 비선형 흡수 현상에 의해 용접부를 형성하는 단계
    를 포함하는 다중 부재의 접합 방법.
  11. 제10항에 있어서
    상기 레이저 빔을 발진하는 단계 이전에,
    머신 비전 이미징 장치를 이용하여 상기 복수의 부재 각각의 표면 영상을 획득하고, 획득한 영상 정보에 따라 상기 스테이지를 제어하여 접합 위치에 상기 레이저 빔의 초기 초점을 위치시키는 단계를 더 포함하는 다중 부재의 접합 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 부재는 상기 레이저 빔의 파장 대역에서 선형 흡수가 없는 투명 부재를 포함하며, 투명도가 높은 순서대로 상기 렌즈 조립체에 가깝게 위치하는 다중 부재의 접합 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 피코초 또는 펨토초의 펄스 지속 시간을 가지며, 상기 다중 부재 내에서 다광자 흡수, 터널링 이온화, 및 애벌런치 흡수 중 어느 하나의 비선형 흡수 현상을 일으키는 에너지 강도를 제공하는 다중 부재의 접합 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 상기 다중 부재의 두께 방향을 따라 상기 레이저 빔의 초점 거리를 일정 주기로 변화시키며,
    상기 집속 렌즈는 상기 초점 가변형 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 다중 부재의 계면 주위로 집속시키는 다중 부재의 접합 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 내부에 매질이 채워진 렌즈 하우징과, 매질에 초음파를 전달하는 압전기와, 압전기에 연결된 주파수 조절부를 포함하며, 초음파의 주파수를 변화시켜 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변화시키는 다중 부재의 접합 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 초점 가변형 렌즈는 투명 커버와, 투명 커버에 부착된 탄성 멤브레인과, 투명 커버와 탄성 멤브레인 사이에 채워진 광학 유체와, 탄성 멤브레인에 부착된 액츄에이터를 포함하며, 액츄에이터의 작동으로 탄성 멤브레인을 변형시켜 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변화시키는 다중 부재의 접합 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 용접부를 형성하는 단계에서 상기 스테이지는 상기 용접부 형성에 필요한 시간과 레이저 펄스의 중첩률을 만족하는 이동 속도로 수평 방향으로 움직이는 다중 부재의 접합 방법.
KR1020130118068A 2013-10-02 2013-10-02 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법 KR101528344B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130118068A KR101528344B1 (ko) 2013-10-02 2013-10-02 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130118068A KR101528344B1 (ko) 2013-10-02 2013-10-02 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150039646A true KR20150039646A (ko) 2015-04-13
KR101528344B1 KR101528344B1 (ko) 2015-06-12

Family

ID=53029860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130118068A KR101528344B1 (ko) 2013-10-02 2013-10-02 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101528344B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116423048A (zh) * 2023-06-09 2023-07-14 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光电控焦激光焊接装置
WO2024207673A1 (en) * 2023-04-03 2024-10-10 Cui Yuzhu Weld assembly with weld-aid coating and preparation method for the weld assembly

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3918583B2 (ja) * 2002-03-01 2007-05-23 株式会社デンソー 高密度エネルギー加工装置及び高密度エネルギー加工方法
EP2075082B1 (en) * 2006-09-22 2015-11-11 NEC SCHOTT Components Corporation Substance joining method
JP5860228B2 (ja) * 2011-06-13 2016-02-16 株式会社ディスコ レーザー加工装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024207673A1 (en) * 2023-04-03 2024-10-10 Cui Yuzhu Weld assembly with weld-aid coating and preparation method for the weld assembly
CN116423048A (zh) * 2023-06-09 2023-07-14 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光电控焦激光焊接装置
CN116423048B (zh) * 2023-06-09 2023-08-15 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种光电控焦激光焊接装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR101528344B1 (ko) 2015-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9156238B2 (en) Method and apparatus for three dimensional large area welding and sealing of optically transparent materials
DK2747984T3 (en) A method and apparatus for laser welding two plastic parts to be joined
TWI595953B (zh) Laser processing device and control method thereof, control method and adjustment method of laser device
CN106312314B (zh) 双激光束焊接系统及方法
KR102380747B1 (ko) 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법
TWI487222B (zh) 用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的方法及系統
TW201919805A (zh) 使用遠焦光束調整組件以雷射處理透明工件的設備與方法
KR20110099091A (ko) 레이저 가공장치
KR20140137437A (ko) 연장된 깊이 가식을 이용한 가공소재 레이저 스크라이빙
KR20150136062A (ko) 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법
KR20140113878A (ko) 라인 빔들을 이용한 향상된 열처리 방법
CN106913417A (zh) 通过光学辐射的方式在透明物质中制造切面
JP5863891B2 (ja) レーザ加工装置、レーザ加工装置の制御方法、レーザ装置の制御方法、及び、レーザ装置の調整方法
CN113199143A (zh) 基于光束整形的双光路超快激光焊接装置及加工方法
US20210276128A1 (en) Butt welding with ultrashort pulse laser beams, and optical elements joined together from individual parts
KR101528344B1 (ko) 레이저를 이용한 접합 장치 및 이를 이용한 다중 부재의 접합 방법
KR20160010041A (ko) 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공 방법 및 이를 위한 레이저 가공 장치
TW201334902A (zh) 雷射加工方法
US8569648B2 (en) Apparatus and system for improving depth of focus
KR101453855B1 (ko) 극초단 펄스 레이저를 이용한 다중 부재의 접합 방법
WO2020038693A1 (en) Mitigating low surface quality
KR100892905B1 (ko) 액적 구동장치 및 구동방법
US20080217312A1 (en) Method for fabricating workpiece and laser processing apparatus
CN107199400B (zh) 一种激光焊接装置
JP2021138610A5 (ko)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180416

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 6