KR20150057522A - 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템 및 레이저 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 기재의 레이저 가공시스템은, 레이저빔을 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 롤 표면을 가공하는 레이저 가공시스템으로서, 상기 레이저빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기, 상기 레이저빔을 기 설정된 각도로 반사시켜 상기 롤 표면에 상기 레이저빔을 스캔하며 조사하는 갈바노미터 스캐너, 상기 롤을 탑재하여 지지하면서 회전축을 기준으로 상기 롤을 회전시키는 로터리 스테이지, 상기 가공패턴을 따라 상기 레이저빔을 스캔하도록 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 로터리 스테이지의 구동을 제어하며, 상기 롤 표면으로 조사되는 레이저빔의 중심경로에 수직하면서 상기 롤의 표면에 접하는 기준가공평면과 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 회전축을 향해 상기 레이저빔의 초점깊이(DOF)만큼 이격된 초점깊이 가상평면 사이의 영역 이내에서 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역이 위치하도록 설정하는 가공제어기를 포함한다.

Description

연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템 및 레이저 가공방법{LASER PROCESSING SYSTEM AND LASER PROCESSING METHOD FOR CONTINUOUS ROLL PATTERNING}

본 발명은 레이저 가공시스템 및 레이저 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템 및 레이저 가공방법에 관한 것이다.

인쇄 롤 패턴은 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel, PDP), 유기발광표시장치(Organic Light Emitting Diode, OLED), 태양전지, 트랜지스터, RFID 등에 이용되고 있으며, 최근 평판 디스플레이의 대형화 추세에 따라 기존의 롤 표면에 대면적이고 연속적인 인쇄방법이 필요하게 되었다.

전자소자를 제작하거나 금속 배선 등을 제조하기 위해서는 몰드 표면에 미세한 패턴을 형성하는 것이 중요하며, 패턴을 형성하는 방법으로는 보통 에칭방식, E-빔 가공, 다이아몬드 선반가공, 레이저 가공 등이 있다.

에칭 방식의 경우, 금속과 감광제를 코팅하고 포토리소그래피 공정을 한 후 금속을 식각, 에칭하여 패턴을 형성하므로 깊이가 한정되어 있다는 한계가 있다. E-빔 가공의 경우는 초 미세 패턴의 형성이 가능하나 가공시간이 길고 가공 양에 한계가 있어 대면적의 미세패턴을 형성할 수 없는 문제가 있다. 다이아몬드 선반가공의 경우, 가공 특성상 2차원 자유 형상가공이 어려운 문제가 있다.

현재까지 레이저를 이용한 롤 가공은 주로 2가지 형태로 진행되었는데, 첫째는 고속으로 롤을 회전시키면서 초점렌즈를 활용하여 가공하거나, 둘째는 롤을 정지 후 스캐너를 이용하여 스캔 영역 내에서 가공하는 방식으로 진행되었다. 그러나 첫째 방식은 초점렌즈를 이용하여 가공부위를 점 가공하는 방식이고 롤의 회전축과 초점렌즈를 탑재한 1축 스테이지를 이용한 가공이므로 속도가 느린 문제점이 있었다. 둘째 방식은 스테이지가 정지하는 동안 스캐너가 이동하며 가공하고, 가공 후 다시 스테이지가 스텝 이송을 하는 스텝 앤 스캐닝 방식으로, 스캔 영역의 경계부에 불연속점이 생기므로 낮은 가공품질을 유발할 뿐만 아니라 가공속도가 느린 문제점이 있어 대면적의 미세 패터닝을 수행하기 어렵다.

따라서 대면적의 롤 표면을 불연속점이 발생하지 않으며 빠른 속도로 가공할 수 있도록 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방식이 요구된다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명의 일 측면은 갈바노미터 스캐너와 로터리 스테이지의 구동을 연동 제어함으로써 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있는 레이저 가공시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 일 측면은 가변초점 조절기와 갈바노미터 스캐너를 구비하여 x-y 평면방향뿐만 아니라 z축 방향으로 레이저빔의 초점을 가변하면서 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있는 레이저 가공시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 또 다른 일 측면은 레이저빔의 초점을 가변 제어함과 동시에 롤의 회전을 상기 레이저빔의 z축 방향 초점 제어와 연동함으로써 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있는 레이저 가공시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 또 다른 일 측면은 갈바노미터 스캐너와 로터리 스테이지의 구동을 연동 제어함으로써 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있는 레이저 가공방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 또 다른 일 측면은 x-y 평면방향뿐만 아니라 z축 방향으로 레이저빔의 초점을 가변 제어하면서 이러한 움직임을 롤의 회전 움직임과 연동함으로써 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있는 레이저 가공방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템은, 레이저빔을 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 롤 표면을 가공하는 레이저 가공시스템으로서, 상기 레이저빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기, 상기 레이저빔을 기 설정된 각도로 반사시켜 상기 롤 표면에 상기 레이저빔을 스캔하며 조사하는 갈바노미터 스캐너, 상기 롤을 탑재하여 지지하면서 회전축을 기준으로 상기 롤을 회전시키는 로터리 스테이지, 상기 가공패턴을 따라 상기 레이저빔을 스캔하도록 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 로터리 스테이지의 구동을 제어하며, 상기 롤 표면으로 조사되는 레이저빔의 중심경로에 수직하면서 상기 롤의 표면에 접하는 기준가공평면과 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 회전축을 향해 상기 레이저빔의 초점깊이(DOF)만큼 이격된 초점깊이 가상평면 사이의 영역 이내에서 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역이 위치하도록 설정하는 가공제어기를 포함한다.

상기 롤가공 스캔영역은 상기 초점깊이 가상평면이 상기 롤의 표면과 만나는 2개의 경계선 사이의 롤 표면 영역에 형성될 수 있다.

상기 가공제어기는, 상기 갈바노미터 스캐너의 스캔영역 내의 구동을 제어하는 스캐너 제어보드와, 상기 갈바노미터 스캐너의 상기 롤의 회전축을 중심으로 한 선회구동과 상기 로터리 스테이지의 회전구동을 제어하는 로터리 모션보드를 포함하고, 상기 로터리 모션보드는 상기 로터리 스테이지의 구동정보를 상기 스캐너 제어보드에 전달하도록 구성될 수 있다.

상기 레이저빔의 경로 상에 위치하고, 상기 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔의 초점거리를 가변하는 가변초점 조절기를 더 포함할 수 있다.

상기 로터리 모션보드는, 상기 가변초점 조절기의 가변 z축 드라이버에 연결되어 상기 가변초점 조절기의 렌즈 간격을 조절하도록 구성될 수 있다.

상기 로터리 모션보드는 상기 로터리 스테이지의 구동정보를 상기 가변초점 조절기의 가변 z축 드라이버에 전달하도록 구성될 수 있다.

Z_{d , cr}는 상기 가변초점 조절기로 조절 가능한 최대 단차이며, 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 가공 표면까지의 단차를 Z_d라고 할 때, 초점깊이 < Z_d ≤ Z_{d , cr}의 조건을 만족하면, 상기 로터리 모션보드는 상기 가변 z축 드라이버를 구동하고, Z_d > Z_{d , cr}의 조건을 만족하면, 상기 로터리 모션보드는 상기 갈바노미터 스캐너의 선회구동을 제어하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법은, 레이저빔을 롤 표면에 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 가공하는 레이저 가공방법으로서, 상기 레이저빔을 생성하여 출력하는 단계, 갈바노미터 스캐너를 이용하여 상기 레이저빔을 기 설정된 각도로 반사시켜 상기 레이저빔을 스캔하며 상기 롤 표면에 조사하는 단계, 상기 롤의 회전축을 기준으로 상기 롤을 회전시키는 단계, 상기 가공패턴을 따라 상기 레이저빔을 스캔하도록 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 롤의 회전을 연동하여 제어하며, 상기 롤 표면으로 조사되는 레이저빔의 중심경로에 수직하면서 상기 롤의 표면에 접하는 기준가공평면과 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 회전축을 향해 상기 레이저빔의 초점깊이(DOF)만큼 이격된 초점깊이 가상평면 사이의 영역 이내에서 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역이 위치하도록 설정하는 가공제어단계를 포함한다.

상기 롤가공 스캔영역은 상기 초점깊이 가상평면이 상기 롤의 표면과 만나는 2개의 경계선 사이의 롤 표면 영역에 형성되도록 설정할 수 있다.

상기 가공제어단계는, 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역 내에서 상기 레이저빔을 스캔하도록 구동하고, 상기 갈바노미터 스캐너를 상기 롤의 회전축을 중심으로 선회하도록 구동할 수 있다.

상기 레이저 가공방법은, 가변초점 조절기를 이용하여 상기 레이저빔의 초점거리를 가변하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 가공제어단계는, 상기 갈바노미터 스캐너의 x축과 y축의 구동을 제어하고, 상기 가변초점 조절기의 렌즈 간격을 조절하여 상기 레이저빔의 z축 변위를 제어할 수 있다.

상기 가공제어단계는, 상기 롤의 회전 구동을 제어하고, 상기 롤의 회전 구동에 대한 정보에 기반하여 상기 가변초점 조절기의 가변 z축과 상기 갈바노미터 스캐너의 x축과 y축을 제어할 수 있다.

Z_{d , cr}는 상기 가변초점 조절기로 조절 가능한 최대 단차이며, Z_d는 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 가공 표면까지의 단차라고 할 때, 상기 가공제어단계는, 초점깊이 < Z_d ≤ Z_{d , cr} 의 조건을 만족하면, 상기 z축을 가변하도록 제어하고, Z_d > Z_{d , cr} 의 조건을 만족하면, 상기 갈바노미터 스캐너를 선회구동 하도록 제어할 수 있다.

상기한 바와 같은 레이저 가공시스템에 의하면, 갈바노미터 스캐너와 로터리 스테이지의 구동을 연동 제어함으로써 롤 표면에 연속적으로 패턴을 가공할 수 있다.

또한 가변초점 조절기와 갈바노미터 스캐너를 이용하여 x-y 평면방향뿐만 아니라 z축 방향으로 레이저빔의 초점을 가변하면서 롤 표면에 연속적인 레이저 패터닝을 할 수 있다.

아울러 레이저빔의 초점을 가변 제어함과 동시에 롤의 회전을 상기 레이저빔의 z축 방향 초점 제어와 연동함으로써 롤 표면에 연속적인 레이저 패터닝을 할 수 있다.

나아가 롤 표면에 연속적인 레이저 패터닝을 수행함으로써, 대면적 가공 시 연속적인 가공의 결과로 고속화 공정이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 이용한 롤 표면의 가공 시 스캔 영역을 설정하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템이 롤의 회전축과 나란한 방향으로 이송되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 이용하여 롤의 표면에 가공할 예시적인 가공패턴을 도시한 도면으로, (A)는 롤을 도시한 도면이고, (B)는 롤의 표면에 가공할 가공패턴을 펼쳐서 나타낸 도면이며, (C)는 스텝 앤 스캐닝 방식으로 가공하는 경우 스캔 영역 별로 구획한 도면이고, (D)는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템에서 스캐너의 이송 경로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 가공제어기 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 롤의 역방향 회전이 필요한 가공패턴을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7의 (A)와 (B)는 가공대상물인 롤의 기준 좌표를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 z축 단차 보상방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 9의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 가변초점 조절기의 구동을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 10의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 일 실시에에 따른 레이저 가공시스템의 가공 시나리오를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명에 있어서 "~상에"라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공시스템(100)은 레이저빔(L)을 롤(50) 표면에 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 가공하는 시스템으로, 레이저 발진기(10), 가변초점 조절기(20), 갈바노미터 스캐너(30), 에프-쎄타 렌즈(40)를 포함하여 구성된다. 상기 에프-쎄타 렌즈(40) 대신 텔레센트릭 렌즈를 적용할 수도 있다. 레이저 발진기(10)에서 레이저빔(L)을 생성하여 출력하면, 상기 레이저빔(L)은 가변초점 조절기(20)를 지나 갈바노미터 스캐너(30)에 전달된다. 갈바노미터 스캐너(30)는 입사된 레이저빔(L)을 반사시켜 롤(50)의 기준가공평면을 향해 조사하고, 이 때 레이저빔(L)은 에프-쎄타 렌즈(40)를 통과하면서 등속주사가 이루어진다. 여기서 '기준가공평면'은 상기 갈바노미터 스캐너(30)를 거쳐 롤(50)을 향해 조사되는 레이저빔(L)의 중심 경로에 수직하면서 상기 롤(50) 표면에 접하는 평면으로 정의될 수 있다.

가변초점 조절기(20)는 상기 레이저 발진기(10)로부터 출력되는 레이저빔(L)의 경로 상에 위치하며, 내부에 구비된 오목렌즈(23)와 볼록렌즈(25)의 간격을 조절하여 상기 레이저빔(L)의 초점 위치를 z축 방향(기준가공평면에 수직한 방향)으로 가변시킨다. 예를 들어, 상기 볼록렌즈(25)를 고정시킨 상태에서 상기 오목렌즈(23)를 상기 레이저빔(L)의 경로를 따라 왕복시키면, 상기 롤(50)의 표면에 도달하는 레이저빔(L)의 초점이 z축 방향으로 가변된다. 가공 조건에 따라 가변초점 조절기(20)를 구동하지 않고 레이저 가공할 수 있으며, 상기 레이저 가공시스템(100)의 구성에서 생략될 수도 있다. 가변초점 조절기의 구동에 대해서는 후술한다.

갈바노미터 스캐너(30)는 롤(50) 표면의 가공패턴에 대한 레이저 가공 데이터를 입력 받아 상기 레이저빔(L)의 스캔 위치를 제어할 수 있도록 2개의 갈바노미터(301, 303)를 적용할 수 있다. 상기 갈바노미터(301, 303)는 서보 모터(301a, 303a)와 이에 연결된 미러(301b, 303b)를 이용하여 레이저빔(L)의 스캔 위치를 x-y 평면상에서 이동하도록 제어할 수 있다. 상기 서보 모터(301a, 303a)에는 서보 모터(301a, 303a)의 회전에 따른 미러(301b, 303b)의 위치를 검출하여 피드백 신호를 출력하는 엔코더(미도시)가 연결될 수 있다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 이용한 롤 표면의 가공 시 스캔 영역을 설정하기 위하여 도시한 도면이다.

레이저 가공시스템(100)의 갈바노미터 스캐너(30)는 일정한 평면가공 스캔 영역(S)을 가지고 있으며, 갈바노미터(301, 303)는 상기 평면가공 스캔 영역(S) 내에서 미러(301b, 303b)를 이용하여 레이저빔(L)을 움직여 가공한다. 평면가공 스캔 영역(S)은 제1 폭(x축 방향의 폭)이 a ㎜, 제2 폭이 b ㎜인 직사각형의 영역으로 형성될 수 있으며, 통상 평면 가공 시에 정사각형 영역(a=b일 때)으로 형성된다.

롤 표면과 같은 곡면 가공 시에는 평면 가공 시보다 롤의 회전축에 수직한 방향(도면의 x축 방향)으로 더 축소된 영역으로 스캔 영역이 형성된다. 즉, 레이저빔(L)은 강도가 가장 강한 초점을 중심으로 일정 범위의 초점 깊이(DOF, depth of focus)를 가지며, 레이저 가공은 이러한 초점 깊이(DOF) 범위 내에서 이루어진다. 일반적으로 초점 깊이(DOF)는 초점에서의 강도를 I_max라고 할 때, 강도 I_max·(1/e)가 되는 거리로 정의된다. 따라서 롤 표면을 따라 가공하는 경우, 기준 가공평면에 대하여 초점 깊이(DOF)만큼 롤의 회전축을 향한 방향으로 이격된 범위 내에 속하는 영역으로 스캔 영역이 설정될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 기준 가공평면으로부터 초점 깊이(DOF)만큼 롤의 회전축을 향해 이격된 가상의 평면(이하, "초점깊이 가상평면"이라 함)과 롤의 표면이 만나는 2개의 경계선(도 2a에서는 경계점)이 형성될 수 있으며 상기 2개의 경계선 사이의 영역 내에서 롤가공 스캔 영역(S')이 정의된다. 즉, 상기 2개의 경계선 사이의 직선 거리를 a'이라고 할 때, 롤가공 스캔 영역(S')의 제1 폭(x축 방향의 폭)이 a'이 되며, 제2 폭(y축 방향의 폭)은 상기 평면가공 스캔 영역(S)의 세로폭과 동일하게 b가 된다.

롤가공 스캔 영역(S')은 롤(50)의 반경(r) 크기에 따라 달라질 수 있는데, 동일한 평면가공 스캔 영역(S)을 기준으로 할 때 롤(50)의 반경(r)이 클수록 롤가공 스캔 영역(S')의 제1 폭 a'이 커지게 된다. 그러나 롤(50)의 반경(r)이 충분히 커서 기준 가공평면과 DOF 가상평면 사이의 영역 내에 상기 평면가공 스캔 영역(S)이 포함되는 경우에는 롤가공 스캔 영역(S')과 스캔 영역(S)이 동일하게 된다.

한편, 롤가공 스캔 영역(S')의 제1 폭 a'의 크기는 롤(50)의 반경(r)과 레이저빔(L)의 초점 깊이(DOF)에 따라 아래 수학식 1 및 수학식 2의 관계를 갖는다.

여기서, r은 롤의 반경이고, θ_DOF는 DOF 가상평면이 롤 표면과 만나는 경계선과 기준 가공평면이 롤 표면과 만나는 선 사이의 중심각이다.

즉, 상기 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 롤가공 스캔 영역(S')의 제1 폭 a'의 크기를 롤(50)의 반경(r)과 레이저빔(L)의 초점 깊이(DOF)로부터 구할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 롤가공 스캔 영역(S')의 제1 폭 a'이 평면가공 스캔 영역(S)의 제1 폭 a 보다 작은 경우에는 롤가공 스캔 영역(S')은 통상 롤의 회전축 방향으로 더 길게 이루어지는 직사각형의 형상을 갖게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템이 롤의 회전 회전축과 나란한 방향으로 이송되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저 가공시스템(100)의 스캐너(30)는 리니어 모터(35)를 이용하여 롤(50)의 회전축과 나란한 방향(Y축 방향)으로 이송될 수 있다. 상기 Y축은 상기 갈바노미터 미러에 의한 레이저빔(L)의 구동축인 y축과 나란한 방향이나, 스캐너(30)의 이송축임을 구분하기 위하여 Y축으로 표기한다.

즉, 본 실시예에 따른 레이저 가공시스템(100)의 스캐너(30)는 스캔 영역 내에서 x축 및 y축 방향으로 레이저빔(L)을 스캔하여 가공할 수 있고, 상기 스캐너(30)를 Y축 방향으로 이동시켜 가공영역을 확장할 수 있다. 즉, 갈바노미터 스캐너(30)에 의한 스캔 영역 내에서는 갈바노미터(301, 303)에 의해 레이저빔(L)을 y축 방향으로 구동할 수 있고, 상기 갈바노미터 스캐너(30)가 이동하는 영역 내에서는 상기 리니어 모터(35)에 의해 Y축 방향으로 상기 갈바노미터 스캐너(30)를 이동시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템을 이용하여 롤의 표면에 가공할 예시적인 가공패턴을 도시한 도면으로, (A)는 롤을 도시한 도면이고, (B)는 롤의 표면에 가공할 가공패턴을 펼쳐서 나타낸 도면이며, (C)는 스텝 앤 스캐닝 방식으로 가공하는 경우 스캔 영역 별로 구획한 도면이고, (D)는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템에서 스캐너의 이송 경로를 나타낸 도면이다.

도 4의 (B)에 나타낸 가공패턴(F)을 상기 도 4의 (A)에 도시한 롤(50)의 표면에 레이저 가공하기 위해서 스캔 영역(S)을 설정할 수 있으며, 스텝 앤 스캐닝 방식으로 가공하는 경우에는 도 4의 (C)와 같이 전체 영역을 스캔 영역(S)으로 구획하고 상기 스캔 영역(S) 별로 순차적으로 스캐너를 이동시킨다(스텝 앤 스캐닝 방식).

스캐너의 이동과 갈바노미터 스캐너의 미러에 의한 레이저빔(L)의 스캔 제어를 연동시키는 경우에는 도 4의 (D)와 같이 가공패턴(F) 형태에 따라 스캐너의 이송 경로(K)가 설정될 수 있다. 상기 도 4의 (D)에 나타낸 스캐너의 이송 경로(K)는 스캐너의 Y축 구동, 롤(50)의 회전 구동(R축 구동)이 연동되어 조합된 경로에 의해 설정될 수 있다. 이와 같이 스캐너가 이송 경로(K)를 따라 이동하는 동안 갈바노미터는 가공패턴(F)을 따라 움직이며 가공할 수 있도록 레이저빔(L)을 스캔 영역 내에서 제어한다.

상기 가공패턴(F)은 미리 설계되어 CAD 데이터로 준비될 수 있으며, 가공 제어기에 입력되어 스캐너 및 롤의 구동 제어 기준이 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 가공제어기 구성을 도시한 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 가공제어기는 스캐너 제어보드(130), Y축 스테이지 모션보드(140)와 로터리 모션보드(150)를 포함한다. 스캐너 제어보드(130)는 갈바노미터 스캐너(30)의 x축 드라이버(131)와 y축 드라이버(133)에 연결되어 각각 갈바노미터 x축(135)과 y축(137) 구동을 제어한다. 갈바노미터 x축 및 y축 제어신호는 스캐너 헤드(30)에 x축 및 y축 엔코더에 입력된다. Y축 스테이지 모션보드(140)는 스캐너 헤드(30)에 Y축 구동신호를 입력하여 Y축 방향 이동을 제어한다. Y축 구동신호는 상기 스캐너 제어보드(130)에도 공급되어 상기 갈바노미터 x축 및 y축 구동신호와 조합되어 스캐너 헤드(30)를 구동하게 된다.

로터리 모션보드(150)는 가공 대상물인 롤(50)의 회전 구동(R축 구동)을 제어하고, 상기 R축 구동신호를 가변 z축 드라이버(151)에 전달하여 가변초점 조절기(20)의 오목렌즈(23) 구동을 제어함으로써 레이저빔(L)의 초점 위치를 z축 방향으로 가변할 수 있다. 그리고 상기 로터리 모션보드(150)는 상기 스캐너 제어보드(130)에 로터리 스테이지의 회전 구동신호인 R축 구동신호를 전달하여 상기 갈바노미터 x축 및 y축 구동신호와 조합될 수 있다. 또한 상기 로터리 모션보드(150)는 T축 모션 드라이버(153)에 연결되어 스캐너 헤드(30)의 T축 방향 회전 구동을 제어한다. 상기 T축 방향 회전구동을 제어하는 T축 구동신호는 상기 가변 z축 드라이버(151)와 상기 스캐너 제어보드(130)에 전달되어 각각 갈바노미터 x축, y축 구동신호 및 가변 z축 구동신호와 조합되어 스캐너 헤드(30) 또는 가변초점 조절기(20)의 구동을 연동하여 제어할 수 있다.

이하에서는 도 6 내지 도 9를 참조하여 가공영역에 따라 구분되어 적용되는 가공제어방법을 설명한다.

도 6은 롤의 역방향 회전이 필요한 가공패턴을 예시적으로 나타낸 도면이며, 도 7의 (A)와 (B)는 가공대상물인 롤의 기준 좌표를 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하여 갈바노미터 스캐너를 롤의 회전방향을 따라 회전시키며 가공 영역을 추가로 확장한 롤 표면가공에 대해 설명한다.

도 7을 참조하면, T축 방향은 롤(50)의 회전축에 대해 수직하면서 롤(50) 표면에 접하는 방향으로 정의될 수 있고, z축 방향은 레이저빔(L)의 중심경로가 상기 롤(50)의 횡단면 중심(C)을 향하는 방향으로 정의될 수 있다. 그리고 y축 방향은 롤(50)의 회전축에 나란한 방향이고, x축 방향은 y-z 평면에 수직한 방향으로 정의될 수 있다.

도 6에서와 같이 A부분을 연속적으로 가공하기 위해서 이상적으로는 롤(50)의 회전방향을 역으로 변환하여야 하는데, 그 대신에 도 7에서와 같이 롤(50)을 최소의 속도로 정방향 회전시키거나 정지시킨 상태에서 갈바노미터 스캐너(30)를 T축을 따라 일정 각도 회전시켜 스캔영역(S)을 이동하면서 연속적인 가공이 가능하게 할 수 있다. 따라서 이 때 롤의 회전방향인 R축, 롤의 회전축과 나란한 Y축 및 갈바노미터 스캐너(30)의 선회방향인 T축의 위치정보가 스캐너에 전달되어 R, Y, T축의 위치, 방향 변화량을 계산하여 가공패턴 데이터와 비교한 후 보정된 지령을 스캐너 제어보드에서 갈바노미터 스캐너(30)로 전달하여 가공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 z축 단차 보상방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 8을 참조하여 갈바노미터 스캐너를 이용하는 기본적인 롤의 표면가공과 갈바노미터 스캐너와 함께 가변초점 조절기를 이용하여 스캔 영역을 확장한 롤 표면가공에 대해 설명한다.

평면 가공 시에 스캐너의 가공영역(스캔영역)은 에프-쎄타 렌즈(또는 텔레센트릭 렌즈)에 의해 크기가 결정되지만, 롤 가공 시에는 롤의 직경에 따라 스캐너의 가공영역이 달라지게 된다. 일반적으로 레이저 가공은 초점 깊이(Depth of Focus, DOF) 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하며, 가공패턴(예를 들어, 미리 설계된 CAD 도면)을 롤 표면에 연속적으로 가공하기 위해서는 롤의 직경에 따른 z축 방향 최대 변화량이 초점 깊이(DOF)보다 작거나 같은 범위를 만족하도록 스캔영역의 x축 방향(롤의 회전축과 레이저빔의 중심경로에 수직한 방향) 크기를 설정하여 스캐너가 상기 설정된 x-y 평면 범위에서 구동하도록 제어할 수 있다. 따라서 기본적인 롤 표면 가공 시 스캔영역은 롤 직경이 작을수록 평면 가공에 비해 작아지게 된다.

로터리 스테이지(롤이 탑재되어 회전하는 스테이지)와 Y축 스테이지의 실시간 위치 정보(R축 구동정보 및 Y축 구동정보)를 스캐너 제어보드의 x, y축 엔코더에서 전달받아 상기 가공패턴의 좌표와 비교하여 스캐너에서 보정하면서 가공을 수행하게 된다.

이와 같이 롤 표면 가공 시 스캔영역이 작아지는 것을 보완하여 스캔영역을 확장시키기 위하여 가변초점 조절기(20)를 적용할 수 있다. 즉, 상기 레이저빔(L)의 초점 깊이(DOF)를 벗어나는 영역에서 갈바노미터 스캐너에 의해 상기 롤 표면에 조사되는 레이저빔(L)의 초점을 가변시킴으로써 x축 방향으로 스캔영역을 확장시켜 가공할 수 있다.

도 8을 참조하면, 갈바노미터 스캐너(30)에 의해 스캐닝된 레이저빔(L)은 에프-쎄타 렌즈(40)를 통과하여 등속주사가 이루어진다. 그러나 롤(50) 표면이 곡면으로 이루어짐에 따라 중심경로를 벗어난 레이저빔(L)은 기준가공평면으로부터 소정의 거리(Z_d)만큼 이격된 가공 표면에 도달하게 된다. 따라서 기준가공평면을 기준으로 초점이 설정된 레이저빔(L)은 상기 가공 표면에서 초점이 맞지 않게 되므로 이격된 거리 Z_d에 따라 레이저빔(L)의 초점을 가변시킬 필요가 있다. 롤(50)의 반경을 r이라고 하고, 레이저빔(L)이 도달한 가공 표면 지점의 중심경로에 대한 중심각을 θ 라고 하면, 기준가공평면으로부터 가공 표면까지의 거리 Z_d는 하기 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

이 때, 가변초점 조절기(20)로 조절 가능한 최대 단차를 Z_{d , cr} 이라고 할 때, 기준가공평면으로부터 가공표면까지의 이격 거리 Z_{d , cr} 에 대응하는 중심각은 θ_cr 로 정의될 수 있다.

한편, 롤 회전축은 가감속이 매우 크고 역회전 시에 오차가 발생하거나 기계적으로 부하가 많이 걸리는 편이다. 따라서 상대적으로 무게가 가벼운 갈바노미터 스캐너가 고정되어 있는 축(T축)을 부가적으로 추가하여 가공패턴의 형상이 롤의 역회전이 있어야 가공이 가능한 경우 T축 방향으로 상기 갈바노미터 스캐너를 구동하여 가공할 수 있다. 이 때, T축은 롤의 회전축을 중심으로 상기 스캐너가 롤 주변을 선회하는 축을 의미한다.

한편, 로터리 모션보드(150)는 상기 롤(50)의 기준가공평면으로부터 롤(50)의 가공 표면까지의 거리 Z_d의 크기에 따라 선택적으로 상기 가변 z축 드라이버(151)를 구동하여 z축을 가변하거나 T축 모션 드라이버(153)를 구동하여 갈바노미터 스캐너를 선회구동 하도록 설정된다.

즉, Z_d가 초점 깊이(DOF)보다 크고 가변초점 조절기(20)로 조절 가능한 최대 단차인 Z_{d , cr}보다 더 작거나 같으면 (초점깊이 < Z_d ≤ Z_{d , cr}) 상기 로터리 모션보드(150)는 가변 z축 드라이버(151)를 구동하고, Z_d가 Z_{d , cr}보다 더 크면 (Z_d > Z_{d , cr}) 상기 로터리 모션보드(150)는 T축 모션 드라이버(153)를 구동한다. 따라서 롤(50)의 기준가공평면으로부터 롤(50)의 가공 표면까지의 거리가 상기 가변초점 조절기(20)로 조절 가능한 최대 단차(Z_{d , cr}) 이내이면(Z_d ≤ Z_{d , cr}), 롤(50)을 고정하거나 저속으로 회전하는 상태에서 상기 가변초점 조절기(20)와 갈바노미터 스캐너(30)를 구동하여 x-y-z축으로 레이저빔(L)을 스캐닝하면서 상기 롤(50)의 표면을 패터닝할 수 있다. 그리고 기준가공평면으로부터 가공 표면까지의 거리가 상기 가변초점 조절기(20)로 조절 가능한 최대 단차(Z_{d , cr})를 벗어나게 되면, 롤(50)을 회전시키면서 상기 가변초점 조절기(20)와 갈바노미터 스캐너(30)를 구동하여 레이저빔(L)을 스캐닝하면서 상기 롤(50) 표면을 패터닝할 수 있다.

이상과 같은 구동제어를 위해 T축 모션 드라이버(153)는 T축 모션 구동신호를 가변 z축 드라이버(151)에 전달하고, 상기 가변 z축 드라이버(151)는 상기 T축 모션 구동신호를 반영하여 가변 z축 구동을 제어할 수 있다. 아울러 로터리 모션보드(150)는 로터리 스테이지의 R축 모션 구동신호를 스캐너 제어보드(130)에 전달하고, T축 모션 드라이버(153)는 T축 모션 구동신호를 상기 스캐너 제어보드(130)에 전달하여 가공기준평면에 대한 가공 표면의 거리를 반영하여 갈바노미터 스캐너(30)의 x축 및 y축 구동을 제어할 수 있다.

도 9의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공시스템의 가변초점 조절기의 구동을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 가변초점 조절기(20)의 원리는 오목렌즈(23)와 볼록렌즈(25)의 거리 d값을 기구적으로 변화시켜 초점거리 f값을 변화시키는 것이다. 일반적으로 d가 길어지면 초점거리 f는 짧아지는 편이며, 실험적으로 d와 f (또는 Z_d) 값의 비례식을 구해서 원하는 Z_d만큼 d를 변화시킨다.

가변초점 조절기(20)는 볼록렌즈(25) 1개와 오목렌즈(23) 1개의 거리를 조절하는 기능만 포함하는 경우 d를 조절하는 범위에 한계가 있다. 따라서 Z_d > Z_{d , cr}) 일 때에는 T축 모션 드라이버(153)를 구동하여 스캐너(30)를 θ_cr 만큼 회전시켜 Z_d =0으로 만든 후 다시 가공하는 방식을 선택할 수 있다.

도 10의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 일 실시에에 따른 레이저 가공시스템의 가공 시나리오를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

본 실시예의 레이저 가공시스템에서 롤(50)을 회전시키는 로터리 스테이지의 회전방향과 갈바노미터 스캐너(30)의 가공방향이 도 10의 (A)와 같을 때, 실제 가공경로 벡터

는 하기 수학식 2와 같이 로터리 스테이지의 회전경로 벡터

와 스캐너(30)의 가공경로 벡터

의 벡터합으로 계산될 수 있다(도 10의 (B)참조).

여기서,

는 스캐너(30)의 x축 경로 벡터

와 y축 경로 벡터

의 합이다.

만약 로터리 스테이지와 1축 초점렌즈가 탑재된 스테이지만으로 구성된다면, 가공경로는 단축되고 가공속도도 감소된다(도 10의 (C)참조).

도 10의 (C)에서

는 오브젝티브 렌즈의 1축 방향(y축 방향) 가공경로 벡터이다.

한편, 가공방향이 롤(50)의 회전방향과 반대 방향일 때, 기존에는 롤(50)을 역으로 회전시켜야 했으나, 본 실시예에 따른 레이저 가공시스템에서는 롤(50)을 역회전 시킬 필요 없이, 로터리 스테이지의 회전속도를 줄이거나 정지시킨 상태에서, 스캐너(30)를 T축 경로를 따라 상기 로터리 스테이지의 회전방향과 반대로 구동시키면 된다. 도 10의 (D)를 참조하면 T축 경로를 따라 스캐너(30)가 로터리 스테이지의 회전방향과 반대로 회전함에 따라 스캐너(30)의 x축 경로 벡터

는 상대적으로 음의 방향으로 움직이게 되고, 로터리 스테이지 회전방향과 반대 방향의 가공 경로를 구성할 수 있다.

이상을 통해 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: 레이저 가공시스템 L: 레이저빔
10: 레이저 발진기 20: 가변초점 조절기
23: 오목렌즈 25: 볼록렌즈
30: 갈바노미터 스캐너 35: 리니어 모터
40: 에프-쎄타 렌즈 50: 롤
130: 스캐너 제어보드 131: x축 드라이버
133: y축 드라이버 135: 갈바노미터 x축
137: 갈바노미터 y축 150: 로터리 모션보드
151: z축 드라이버 153: T축 모션 드라이버
301, 303: 갈바노미터 스캐너 301a, 303a: 서보 모터
301b, 303b: 미러 F: 가공 패턴
K: 이송 경로 S: 스캔 영역

Claims (14)

1. 레이저빔을 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 롤 표면을 가공하는 레이저 가공시스템에 있어서,
   상기 레이저빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기;
   상기 레이저빔을 기 설정된 각도로 반사시켜 상기 롤 표면에 상기 레이저빔을 스캔하며 조사하는 갈바노미터 스캐너;
   상기 롤을 탑재하여 지지하면서 회전축을 기준으로 상기 롤을 회전시키는 로터리 스테이지;
   상기 가공패턴을 따라 상기 레이저빔을 스캔하도록 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 로터리 스테이지의 구동을 제어하며, 상기 롤 표면으로 조사되는 레이저빔의 중심경로에 수직하면서 상기 롤의 표면에 접하는 기준가공평면과 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 회전축을 향해 상기 레이저빔의 초점깊이(DOF)만큼 이격된 초점깊이 가상평면 사이의 영역 이내에서 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역이 위치하도록 설정하는 가공제어기
   를 포함하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 롤가공 스캔영역은 상기 초점깊이 가상평면이 상기 롤의 표면과 만나는 2개의 경계선 사이의 롤 표면 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가공제어기는,
   상기 갈바노미터 스캐너의 스캔영역 내의 구동을 제어하는 스캐너 제어보드와,
   상기 갈바노미터 스캐너의 상기 롤의 회전축을 중심으로 한 선회구동과 상기 로터리 스테이지의 회전구동을 제어하는 로터리 모션보드를 포함하고,
   상기 로터리 모션보드는 상기 로터리 스테이지의 구동정보를 상기 스캐너 제어보드에 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 레이저빔의 경로 상에 위치하고, 상기 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔의 초점거리를 가변하는 가변초점 조절기를 더 포함하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 로터리 모션보드는,
   상기 가변초점 조절기의 가변 z축 드라이버에 연결되어 상기 가변초점 조절기의 렌즈 간격을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 로터리 모션보드는 상기 로터리 스테이지의 구동정보를 상기 가변초점 조절기의 가변 z축 드라이버에 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   Z_{d , cr}는 상기 가변초점 조절기로 조절 가능한 최대 단차이며,
   상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 가공 표면까지의 단차를 Z_d라고 할 때,
   초점깊이 < Z_d ≤ Z_{d , cr}의 조건을 만족하면, 상기 로터리 모션보드는 상기 가변 z축 드라이버를 구동하고,
   Z_d > Z_{d , cr}의 조건을 만족하면, 상기 로터리 모션보드는 상기 갈바노미터 스캐너의 선회구동을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공시스템.
8. 레이저빔을 롤 표면에 스캔하면서 기 설정된 가공패턴을 따라 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
   상기 레이저빔을 생성하여 출력하는 단계;
   갈바노미터 스캐너를 이용하여 상기 레이저빔을 기 설정된 각도로 반사시켜 상기 레이저빔을 스캔하며 상기 롤 표면에 조사하는 단계;
   상기 롤의 회전축을 기준으로 상기 롤을 회전시키는 단계;
   상기 가공패턴을 따라 상기 레이저빔을 스캔하도록 상기 갈바노미터 스캐너 및 상기 롤의 회전을 연동하여 제어하며, 상기 롤 표면으로 조사되는 레이저빔의 중심경로에 수직하면서 상기 롤의 표면에 접하는 기준가공평면과 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 회전축을 향해 상기 레이저빔의 초점깊이(DOF)만큼 이격된 초점깊이 가상평면 사이의 영역 이내에서 상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역이 위치하도록 설정하는 가공제어단계
   를 포함하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 롤가공 스캔영역은 상기 초점깊이 가상평면이 상기 롤의 표면과 만나는 2개의 경계선 사이의 롤 표면 영역에 형성되도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공제어단계는,
    상기 갈바노미터 스캐너의 롤가공 스캔영역 내에서 상기 레이저빔을 스캔하도록 구동하고,
    상기 갈바노미터 스캐너를 상기 롤의 회전축을 중심으로 선회하도록 구동하는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    가변초점 조절기를 이용하여 상기 레이저빔의 초점거리를 가변하는 단계를 더 포함하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가공제어단계는,
    상기 갈바노미터 스캐너의 x축과 y축의 구동을 제어하고,
    상기 가변초점 조절기의 렌즈 간격을 조절하여 상기 레이저빔의 z축 변위를 제어하는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가공제어단계는,
    상기 롤의 회전 구동을 제어하고,
    상기 롤의 회전 구동에 대한 정보에 기반하여 상기 가변초점 조절기의 가변 z축과 상기 갈바노미터 스캐너의 x축과 y축을 제어하는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.
14. 제 11 항에 있어서,
    Z_{d , cr}는 상기 가변초점 조절기로 조절 가능한 최대 단차이며,
    Z_d는 상기 기준가공평면으로부터 상기 롤의 가공 표면까지의 단차라고 할 때,
    상기 가공제어단계는,
    초점깊이 < Z_d ≤ Z_{d , cr} 의 조건을 만족하면, 상기 z축을 가변하도록 제어하고,
    Z_d > Z_{d , cr} 의 조건을 만족하면, 상기 갈바노미터 스캐너를 선회구동 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 연속적인 롤 패터닝이 가능한 레이저 가공방법.

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