KR20160001818U - 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치로서, 초단파 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부로부터 전파되는 레이저 빔을 회절시켜 직교하는 단면상으로 링 형태의 레이저 회절빔을 형성시키는 제1 광학계; 상기 레이저 회절빔을 수렴 또는 확산시켜 상기 레이저 회절빔의 길이를 조절하는 제2 광학계; 및 길이가 조절된 상기 레이저 회절빔을 집속하면서 가공할 취성소재의 상부 공기층 상에서 초점을 형성시켜 상기 취성소재로 입사시키는 제3 광학계를 포함하며, 상기 레이저 회절빔에 의한 상기 취성소재 내부에서의 필라멘테이션을 이용하여 상기 취성소재를 가공하는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치이며, 이와 같은 본 고안에 의하면 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용하여 취성 소재 가공함으로써 가공면이 매끄럽고 크랙이 발생되지 않도록 취성 소재의 가공이 가능하게 한다.

Description

레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치 {Apparatus for processing of brittle material with filamentation of laser diffraction beam}
본 고안은 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빔을 회절시켜 직교하는 단면상으로 링 형태를 갖는 레이저 회절빔을 생성하고, 생성된 레이저 회절빔을 투명 취성소재의 상부에 초점을 형성시켜 입사시킴으로써 생기는 필라멘테이션 현상을 이용하여 취성 소재를 가공하기 위한 레이저 가공 장치에 대한 것이다.
투명 재료 내부의 레이저 직접 가공은 공정시간을 줄여줄 뿐만 아니라 기존 공정에서 발생할 수 있는 자재 표면 손상에 따른 미세균열 발생, 레이저 가공후 제단 선의 불 일치등 불안요소를 제거할 수 있기 때문에 유용하게 이용되고 있다. 허나 물질 내부 가공이므로 가공에 사용할 장비는 특수 레이저로 국한되는데, 일반적인 레이저를 사용하는 경우에 열 영향 때문에 재료의 특성 변화 및 미세균일이 발생할 수 있고 또한 표면부터 흡수가 일어나기 때문에 표면부와 반대쪽 면의 가공 면 정도에 차이, 자재 표면의 손상에 따른 미세 균열 발생등 문제점으로 인해 가공 신뢰성이 낮다.
이와 같은 문제를 해결하면서 유리 내부에 미세 가공을 하기 위해서는 유리가 투과하는 가시광선, 근적외선 영역의 파장을 갖으며 펄스폭이 짧은 펨토초 레이저를 사용하는 것이 효과적이다.
펨토초 레이저를 유리 내부에 집속하면 특정 조건에서 수 ~ 수십 레일리거리(Rayleigh length) 이상으로 길게 플라즈마가 발생하는 현상이 일어난다. 이러한 현상을 필라멘테이션(Filamentation)이라 하는데, 투명한 유리처럼 커효과(Kerr effect)를 갖는 재료에서 집속된 레이저 펄스가 자기집속이 일어나기 위해서는 임계값 이상의 펄스가 조사되어야 한다. 자기집속 이후 플라즈마 분산 현상이 발생하며, 자기집속에 의해 더욱 더 집속된 빔은 국부적으로 손상임계점을 초과할만큼 크지만 아발란체 이온화를 일으킬만큼 펄스폭이 길지 않아 이온화가 일어나되 재료에 영구적인 손상을 주지 않는다. 이러한 자기집속과 플라즈마 분산이 균형을 이루며 연속적으로 발생하면, 그 길이가 수 레일리거리(Rayleigh length)에 걸쳐 연속적인 굴절률변화가 일어나게 되며, 이러한 현상을 필라멘테이션이라 한다.
도 1은 종래기술에 따른 투명 취성소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도를 도시한다.
일반적인 레이저 가공 장치는 레이저 발생부와 빔 전달용 광학계, 빔 감쇠기, 셔터, 3축 스테이지와 집속렌즈를 포함하여 구성되며, 추가적으로 CCD 카메라를 포함할 수 있다.
레이저 발생부에서 나온 레이저 빔이 전달용 광학계와 출력조절용 빔 감쇠기 거쳐서 집속렌즈까지 도달하여 가공할 취성소재로 입사된다. 3축 스테이지를 통해 취성소재 시편에 조사되는 좌표를 설정하고 사용자의 의도에 따라 레이저를 조사할 수 있도록 셔터를 조작한다. 가공 초점을 설정하고 가공 상황을 실시간으로 CCD 카메라를 통해 관찰할 수 있다.
이와 같은 레이저 가공 장치에 펨토초 레이저를 적용하여 유리 등의 취성소재 내부에서의 필라멘테이션으로 취성소재의 가공이 가능해진다.
특히, 디스플레이분야에서는 커버에 들어가는 유리를 정밀하게 절단해야할 필요가 있기에 두께가 수십 ~ 수백 마이크로미터의 유리를 절단하는데 있어서 양산과 품질유지 측면에서 어려움이 있다. 필라멘테이션을 이용하면 한점의 레이저 조사로 수십 ~ 수백 마이크로미터 스케일의 굴절률 개질, 균열발생, 공동의 발생 등을 선 형태로 만들 수 있어 유리 등의 취성소재 가공에 적용하기 위한 여러 방안이 강구되고 있다.
펄스 형태로 발진되는 펄스 레이저의 경우, 펄스 하나가 가지고 있는 에너지를 펄스 에너지라 하는데, 펄스 에너지 하나만으로 레이저 가공에 있어서 큰 의미를 띄지 못하며 펄스폭, 반복률, 스폿 사이즈 등의 파라메터에 따라 재료에 입사되는 에너지 양이 결정된다.
일반적으로 적용되는 펄스 레이저의 경우 첨두 출력을 사용하였을 때, 취성소재 내부에서 자기 집속 효과가 일어나는 현상이 미비하기 때문에 임계값 이상의 펄수를 조사한다. 도 2의 펄스 레이저 출력을 참고하여 살펴보면, 상기 도 2의 (a)와 같이 제일 첫번째 펄스의 출력이후 다음 주기의 펄스의 출력전까지 급격하게 펄스의 출력이 감소되며, 이와 같은 펄스 출력이 감소되는 문제를 해결하고자 반복적으로 발생되는 펄스들을 타임 쉬프트하여 재배치함으로써 상기 도 2의 (b)와 같이 첨부 출력만으로 펄스 레이저를 구현하는 버스트 모드(Burst Mode) 방식이 제시되었다.
그러나 버스트 모드 방식으로 투명 취성소재 내부에서 필라멘테이션을 이용하여 취성소재를 가공하는 경우에 펄스 레이저의 반복적인 주입에 따라 취성소재의 가공되는 면이 펄스 간격에 대응하여 매끄럽지 못하고 또한 미세한 크랙을 유발시킨다. 이와 같은 미세한 크랙들이 가공면 상에 존재함으로써 가공된 취성소재에 외부 충격이 가해지는 경우에 크랙으로부터 균열이 유도되어 가공된 취성소재의 강도가 떨어지는 문제점이 있다.
국내 공개번호 : 1020000035145
본 고안은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 종래 펨토초 레이저를 이용하는 방식의 경우에 반복적인 펄스 레이저를 주입하여 투명 취성소재 내부에서 필라멘테이션 현상을 발생시킴에 따라 취성소재의 가공되는 면이 펄스 간격에 대응하여 매끄럽지 못하고 미세한 크랙이 발생되는 문제점을 해결하고자 한다.
나아가서 가공된 취성소재의 가공면 상에 미세한 크랙이 존재함에 따라 외부 충격이 가해지는 경우에 크랙으로부터 균열이 유도되어 가공된 취성소재의 강도가 떨어지는 문제점을 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치는, 초단파 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부로부터 전파되는 레이저 빔을 회절시켜 직교하는 단면상으로 링 형태의 레이저 회절빔을 형성시키는 제1 광학계; 상기 회절빔을 수렴 또는 확산시켜 상기 레이저 회절빔의 길이를 조절하는 제2 광학계; 및 길이가 조절된 상기 레이저 회절빔을 집속하면서 가공할 취성소재의 상부 공기층 상에서 초점을 형성시켜 상기 취성소재로 입사시키는 제3 광학계를 포함하며, 상기 레이저 회절빔에 의한 상기 취성소재 내부에서의 필라멘테이션을 이용하여 상기 취성소재를 가공하는 것을 특징으로 한다.
나아가서 상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계를 이격시켜 지지하는 제1 스테이트; 및 상기 제1 스테이트를 레이저 빔의 진행 방향을 따라 이동시키는 제1 이동수단을 더 포함하며, 상기 제1 스테이트의 이동에 따라 상기 제2 광학계와 상기 제3 광학계 간의 이격 거리가 조절될 수 있다.
또는 상기 제2 광학계와 상기 제3 광학계를 이격시켜 지지하는 제2스테이트; 및 상기 제2 스테이트를 레이저 빔의 진행 방향을 방향을 따라 이동시키는 제2 이동 수단을 더 포함하며, 상기 제2 스테이트의 이동에 따라 상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계 간의 이격 거리가 조절될 수 있다.
이와 같은 본 고안에 의하면, 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용하여 취성 소재 가공함으로써 가공면이 매끄럽고 크랙이 발생되지 않도록 취성 소재의 가공이 가능하게 된다.
특히, 가우시안 레이저 빔의 경우 레이저 빔의 집속된 점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 선폭이 확산되면서 첨두 형태가 완전히 변형되지만, 본 고안에서는 레이저 회절빔을 이용하여 레이저 빔이 집속된 점으로부터 거리가 멀어져도 첨두 형태가 유지됨으로써 취성 소재의 내부에서 필라멘테이션을 이용하여 디포커싱(Defocusing)시에 빔의 형태와 파워가 유지되기 때문에 더욱 효과적으로 취성 소재를 가공할 수 있다.
나아가서 레이저 회절빔의 빔 길이를 용이하게 조절함으로써 다양한 취성소재에 적합한 가공을 수행할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 투명 취성소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도를 도시하며,
도 2는 종래기술에 따른 일반 펄스 레이저 출력과 버스트 모드 방식의 펄스 레이저 출력을 도시하며,
도 3은 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제1 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시하며,
도 4는 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치에서 제1 광학계로부터 생성되는 레이저 회절빔을 도시하며,
도 5는 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치에서 제3 광학계로부터 투명 취성소재로 입사되는 입사빔의 길이 조절에 대한 개념도를 도시하며,
도 6은 가우시안 레이저 빔과 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 파워 밀도 그래프를 도시하며,
도 7은 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제2 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시하며,
도 8은 상기 제2 실시예에 따라 레이저 회절빔의 초점 빔 길이가 조절되는 실시예를 도시하며,
도 9는 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제3 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시하며,
도 10은 상기 제2 실시예에 따라 레이저 회절빔의 초점 빔 길이가 조절되는 실시예를 도시하며,
도 11은 상기 제2 실시예를 적용하면서 레이저 빔의 빔 폭을 조절하여 레이저 회절빔의 초점 빔 길이가 조절되는 실시예를 도시하며,
도 12은 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공 방법의 흐름도를 도시하며,
도 13은 종래기술에 따른 유리 가공 결과와 본 고안에 따른 유리 가공 결과를 도시한다.
본 고안과 본 고안의 동작상의 이점 및 본 고안의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 고안을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 고안을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 고안은 가우시안 파워 밀도를 갖는 초단파 레이저 빔을 회절시킨 후, 레이저 회절빔으로 필라멘테이션 현상을 이용하여 취성소재를 가공하는 방법과 이를 구현하기 위한 레이저 가공 장치를 개시한다.
먼저 본 고안에 따른 레이저 가공 장치를 설명하고 본 고안에 따른 레이저 가공 장치를 이용하여 취성소재를 가공하는 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제1 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.
본 고안에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 발생부(100), 제1 광학계(200), 제2 광학계(300) 및 제3 광학계(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 발생부(100)는 초단파 레이저 빔을 발생시키는데, 바람직하게는 펨토초(FS) 내지 피코초(PS)의 펄스 폭을 갖는 초단파 레이저 빔을 생성할 수 있다.
제1 광학계(200)는 레이저 발생부(100)로부터 전파되는 레이저 빔을 회절시켜 직교하는 단면상으로 링 형태의 레이저 회절빔을 형성시키는데, 일례로서 엑시콘 렌즈(Axicon lens)가 적용될 수 있다.
제1 광학계(200)를 통해 레이저 회절빔을 생성하는 일례로서, 도 4는 가우시안 레이저 빔과 본 고안에 레이저 회절빔에 대한 파워 밀도 분포를 도시하는데, 상기 도 4의 (a)에 도시된 가우시안 레이저 빔의 경우에 전파 거리가 멀어질수록 빔이 확산되어 퍼져나가는 형태로서 그만큼 빔의 파워가 분산됨에 따라 파워 밀도가 급격하게 떨어지게 된다.
이와 대비하여 상기 도 4의 (b)에 도시된 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 파워 밀도 분포를 살펴보면, 레이저 발생부(100)로부터 생성된 초단파 레이저 빔은 가우시안 파워 밀도를 갖고 있는데, 이와 같은 초단파 레이저 빔은 제1 광학계(200)를 통해 회절되어 레이저 회절빔으로 생성되며, 레이저 회절빔의 초점 상에서는 중심부로부터 퍼져나가는 물결 형태의 파워 밀도가 형성되고, 초점을 지나서는 직교하는 단면 상으로 링 형태의 파워 밀도를 갖는 레이저 회절빔이 생성된다. 상기 도 4에서는 레이저 회절빔이 링 형태의 파워 밀도를 갖는 것으로 도시되었으나, 제1 광학계(200)를 조절함으로써 변형된 형태의 파워 밀도를 갖는 레이저 회절빔으로 변형될 수도 있다.
본 고안에서는 레이저 발생부(100)에서 발생되는 가우시안 빔 형태의 레이저 빔을 제1 광학계(200)를 통해 레이저 회절빔으로 생성하여 레이저 회절빔으로 취성소재를 가공함으로써 보다 안정적인 파워 밀도를 유지시킬 수 있는데, 이에 대해서는 이하에서 살펴볼 실시예를 통해서 자세히 설명하기로 한다.
다시 상기 도 3의 제1 실시예에 대한 구성도로 회귀하여 계속적으로 살펴보면, 제2 광학계(300)는 제1 광학계(200)로부터의 레이저 회절빔을 수렴 또는 확산시켜 상기 레이저 회절빔의 길이를 조절하는데, 이를 위해 일종의 콜리메이션 렌즈(Collimation lens)를 포함할 수 있다.
제3 광학계(400)는 제2 광학계(300)를 통해 길이가 조절된 상기 레이저 회절빔을 집속하면서 가공할 취성소재(10)의 상부 공기층 상에서 초점을 형성시켜 취성소재(10)로 입사시키며, 일종의 포커싱 렌즈(Focusing lens)를 포함할 수 있다.
나아가서 본 고안에서는 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리 또는 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리를 조절하여, 취성소재(10)로 입사되는 입사빔의 빔 길이를 조절하는데, 제1 광학계(200)에 의해 생성된 레이저 회절빔이 제2 광학계(300)를 통과하여 제3 광학계(400)로 입사될 때, 광학계 간의 이격 거리값에 따라 취성소재(10)로 입사되는 빔의 빔 길이에 차이가 발생한다. 이는 입사되는 빔의 폭이 달라지기 때문인데, 도 5에 도시된 입사 빔에 따른 빔 길이 개념도를 참조하여 살펴보면, 일종의 포커싱 렌즈인 제3 광학계(400)를 통해 집속되는 입사 빔은 상기 도 5에 도시된 바와 같이 제3 광학계(400)로 입사되는 입력 빔의 폭이 DO이고, 빔의 주파수가 f이고 파장이 λ라 할 때, 집속 빔의 폭(2WO)은 하기 [식 1]로 나타낼 수 있다. 여기서 M2는 레이저 빔이 완벽한 가우시안(Gaussian) 형태의 싱글 모드(single mode)에 얼마나 근접하고 있는지를 나타내는 지표로서, 이 값이 낮으면 낮을수록 더 완벽한 싱글 모드(Single Mode)에 가깝다고 볼 수 있다.
Figure utm00001
[식 1]
상기 [식 1]에 기초하여 집속 빔의 폭(2WO)이 빔의 폭 DO 크기에 반비례하므로, 빔 길이는 빔의 폭 DO 크기에 따라 결정된다. 이때 빔은 제2 광학계(300)에 의한 수렴 및 확산에 따라 빔의 폭 DO가 결정된다.
이와 같은 빔 특성을 근거로 각 광학계(200, 300, 400) 간의 이격 거리 조절에 따른 빔의 수렴 또는 확산을 통하여 빔의 집속 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 취성 소재 내로 입사된 빔의 커효과(Kerr effect)를 향상시켜 자기 집속 효과를 끌어올릴 수 있게 된다.
이와 같은 구성을 통해 본 고안에서는 레이저 회절빔에 의한 취성소재(10) 내부에서의 필라멘테이션을 이용하여 취성소재(10)를 가공하면서, 종래 기술에서 이용하는 가우시안 빔 형태의 레이저 빔보다 취성 소재를 더욱 효과적으로 가공할 수 있는데, 이에 대하여 도 6에 도시된 가우시안 레이저 빔과 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 파워 밀도 그래프를 참조하여 살펴보기로 한다.
상기 도 6의 (a)는 레이저 빔의 전파 거리가 0mm에서의 파워 밀도를 도시하고, 상기 도 6의 (b), (c), (d) 및 (e)는 레이저 빔의 전파 거리가 500mm씩 멀어질때 파워 밀도를 도시한다.
상기 도 6의 (a)와 같이 레이저 빔의 전파 거리가 0mm에서는 가우시안 레이저 빔과 레이저 회절빔 간에 파워 밀도의 차이가 거의 나타나지 않으나, 상기 도 6의 (b)와 (c)에서 보는 바와 같이 레이저 빔의 전파 거리가 점차 멀어질 수록 가우시안 레이저 빔은 첨두 출력이 급격하게 감소되지만 레이저 회절빔은 첨두 출력의 형태를 계속적으로 유지하고 있으며, 상기 도 6의 (d)와 (e)에서 보는 바와 같이 레이저 빔의 전파 거리가 1500mm 이상으로 멀어지게 되면, 가우시안 레이저 빔은 선폭이 확산되어서 더욱 굵어지고 첨두 형태가 완전히 변형되어 버리지만, 레이저 회절빔은 비록 파워 밀도는 낮아지지만 첨두 형태를 계속적으로 유지하고 있다.
이와 같은 레이저 빔의 전파 거리 결과에 따라서 본 고안에서 레이저 회절빔을 적용함에 따라 취성 소재의 내부에서 필라멘테이션을 이용하여 디포커싱(Defocusing)시켜 취성 소재를 가공할 때 빔의 형태와 파워 밀도가 유지되기 때문에 가우시안 레이저 빔을 적용하는 경우보다 더욱 효과적으로 취성 소재를 가공할 수 있다.
나아가서 앞서 상기 도 5를 통해 본 고안에서 레이저 회절빔의 빔 길이를 조절하는 개념에 대하여 살펴보았는데, 본 고안에서는 레이저 회절빔의 빔 길이를 더욱 용이하게 조절하기 위한 방안을 추가적으로 제시하며 이와 관련하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 7은 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제2 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.
상기 도 7의 제2 실시예에서는 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300)를 이격시켜 지지하는 제1 스테이트(500)를 구성시켜, 레이저빔의 진행 방향을 따라 이동시켜 제 3광학계(400)에 입사되는 빔의 폭을 조정하여서 빔 길이를 조절한다.
상기 도 7의 제2 실시예에서는 다양한 변형을 고려하여 제1 스테이트(500)를 개념적으로 도시하였는데, 제1 스테이트(500)는 제1 광학계(200)에서 제2 광학계(300)를 일정 거리 이격시켜서 고정시키는 케이스나 지지봉 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 나아가서 상기 도 7에 도시되지 않았으나 제1 스테이트(500)를 레이저 빔의 진행 방향을 따라 이동시키는 제1 이동수단(미도시)이 구성될 수 있으며, 상기 제1 이동수단은 레이저 빔의 진행방향과 평행한 이송레일과 상기 이송레일을 따라 제1 스테이트(500)를 지지시키면서 이동시키는 모터 등의 구동장치를 포함하여 제1 스테이트(500)를 이송레일 상에서 이동시킬 수 있다.
상기 도 7의 제2 실시예에 따라 레이저 회절빔의 길이가 조절되는 일례로서 빔 길이 조절 시뮬레이션 결과를 도 8을 참조하여 살펴보면, 상기 도 8에서는 제1 광학계(200)의 렌즈 각도 α를 1도로 설정하고, 제2 광학계(300)의 초점 길이 F는 200mm로 설정하고, 제3 광학계(400)의 초점길이 F는 20mm로 설정한 후 제1 스테이트(500)를 통해 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리 A를 265mm로 고정시킨 상태에서 제1 광학계(200)로 빔의 직경이 4mm인 레이저 빔을 입사시켰다.
제1 광학계(200)를 통해 링 형태의 레이저 회절빔이 생성되는데, 이때 상기 레이저 회절빔의 링 부분의 양쪽 직경이 각각 2mm로 형성되고 상기 레이저 회절빔의 전체 빔 직경은 8.696mm로 형성된다.
이와 같은 조건에서 상기 도 8의 (a)에서는 제1 스테이트(500)를 통해 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격거리 B1을 240mm로 조절하였으며, 이에 따라 제3 광학계(400)로부터 취성 소재(10)로 입사되는 입사빔의 초점 빔 길이 C11은 0.371mm로 조절되었다.
그리고 상기 도 8의 (b), (c) 및 (d)에서는 상기 도 8의 (a)와 동일한 레이저 회절빔을 형성시키고 각각 제1 스테이트(500)를 통해 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격거리 B2, B3 및 B4를 217mm, 210mm및 203mm로 점차 감소시켰다.
그 결과 상기 도 8의 (b), (c) 및 (d)에서 제3 광학계(400)로부터 취성 소재(10)로 입사되는 입사빔의 초점 빔 길이 C12, C13 및 C14는 0.328mm, 0.316mm 및 0.305mm로 조절되었다.
이와 같이 상기 도 7의 제2 실시예를 통해 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리는 고정시킨 상태에서 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리를 용이하게 조절함으로써 필요로 하는 입사빔의 초점 빔 길이 조절이 가능하다.
도 9는 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 제3 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.
상기 도 9의 제3 실시예에서는 제2 광학계(300)와 제4 광학계(400)를 이격시켜 지지하는 제2 스테이트(600)를 구성시켜, 제2 스테이트(600)를 레이저 빔의 진행 방향을 따라 이동시켜 빔 길이를 조절한다.
상기 도 9의 제3 실시예에서는 다양한 변형을 고려하여 제2 스테이트(600)를 개념적으로 도시하였는데, 제2 스테이트(600)는 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400)를 일정 거리 이격시켜서 고정시키는 케이스나 지지봉 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 나아가서 상기 도 9에 도시되지 않았으나 제2 스테이트(600)를 레이저 빔의 진행 방향을 따라 이동시키는 제2 이동수단(미도시)이 구성될 수 있으며, 상기 제2 이동수단은 레이저 빔의 진행방향과 평행한 이송레일과 상기 이송레일을 따라 제2 스테이트(600)를 지지시키면서 이동시키는 모터 등의 구동장치를 포함하여 제2 스테이트(600)를 이송레일 상에서 이동시킬 수 있다.
이와 같은 상기 도 9의 제3 실시예에 따라 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400)간의 이격거리는 고정된 상태에서 제2 스테이트(600)가 이동함에 따라 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리가 조절될 수 있게 된다.
상기 도 9의 제3 실시예에 따라 레이저 회절빔의 길이가 조절되는 일례로서 빔 길이 조절 시뮬레이션 결과를 도 10을 참조하여 살펴보면, 상기 도 10에서는 제2 스테이트(600)를 통해 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리 B를 200mm로 고정시킨 상태에서, 상기 도 7의 실시예와 동일하게 제1 광학계(200)로 빔의 직경이 4mm인 레이저 빔을 입사시킨 후, 제2 스테이트(600)를 레이저 빔의 진행방향으로 이동시켰다.
이와 같은 조건에서 상기 도 10의 (a)에서는 제2 스테이트(600)를 통해 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격거리 A1을 264.7mm로 조절하였으며, 이에 따라 제3 광학계(400)로부터 취성 소재(10)로 입사되는 입사빔의 빔 길이 C21은 0.305mm로 조절되었다.
그리고 상기 도 10의 (b), (c) 및 (d)에서는 각각 제2 스테이트(600)를 통해 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격거리 A2, A3 및 A4를 274.5mm, 281.5mm 및 293.7mm로 점차 증가시켰다.
그 결과 상기 도 10의 (b), (c) 및 (d)에서 제3 광학계(400)로부터 취성 소재(10)로 입사되는 입사빔의 초점 빔 길이 C22, C23 및 C24는 0.290mm, 0.277mm 및 0.255mm로 조절되었다.
이와 같이 상기 도 9의 제3 실시예를 통해 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리는 고정시킨 상태에서 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리를 용이하게 조절함으로써 필요로 하는 입사빔의 빔 길이 조절이 가능하다.
나아가서 본 고안에서는 제1 광학계(200)로 입사되는 레이저 빔의 빔 폭을 조절하여 취성소재로 입사되는 입사빔의 초점 빔 길이를 조절할 수 있는데, 이때 상기 입사빔의 초점 빔 길이를 보다 용이하게 조절하기 위해서 앞서 살펴본 바와 같이 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 거리 및 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리를 조절할 수도 있다.
바람직하게는 제1 광학계(200)로 입사되는 레이저 빔의 빔 폭을 조절하면서 동시에 상기 도 7의 제1 스테이트(500)를 배치하여 각 광학계 간의 이격 거리를 조절할 수도 있고, 또는 상기 도 9의 제2 스테이트(600)를 배치하여 각 광학계 간의 이격 거리를 조절할 수도 있다.
레이저 빔의 빔 폭을 조절하면서 상기 도 9의 제2 스테이트(600)를 배치하여 입사빔의 초점 빔 거리를 조절한 시뮬레이션 결과로서, 도 11은 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 레이저 빔의 빔 폭 조절에 따른 레이저 회절빔의 길이가 조절되는 실시예를 도시한다.
도 11의 (a), (b), (c)에서는 상기 도 9와 동일한 구성의 레이저 가공 장치를 적용하는데, 이때 제1 광학계(200)로 입사시키는 레이저 빔의 빔 폭을 조절함으로써 제1 광학계(200)를 통과한 후 빔의 콜리메이션 위치가 각각 다르게 변경됨에 따라서 제 2 광학계(300)의 이격 거리가 달라진다. 따라서 제 2 스테이트(600)를 통해 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리를 조절하였으며, 제2 스테이트(600)를 통해 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400)의 이격 거리 217mm로 고정하였다.
그리고 상기 도 11의 (a), (b) 및 (c)에서 제1 광학계(200)로 입사되는 빔의 폭 D1, D2 및 D3를 각각 8mm, 6mm 및 4mm로 조절하였고, 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300)간의 이격거리 A5, A6 및 A7을 각각 332.7mm, 294.7mm 및 264.7mm로 조절하였다.
그 결과 상기 도 11의 (a), (b) 및 (c)에서 제3 광학계(400)로부터 취성 소재(10)로 입사되는 입사빔의 초점 빔 길이 C31, C32 및 C33은 각각 2.169mm와 1.627mm 및 1.084mm로 조절되었다.
이와 같이 본 고안에서는 제1 광학계(200)에 입사되는 빔의 폭을 조절함으로써 필요로 하는 입사빔의 초점 빔 길이의 조절이 가능하다.
이상에서 살펴본 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치를 통해 크랙이 발생하지 않는 깨끗한 가공면을 갖는 투명 취성소재를 제공할 수 있으며 나아가서 강도를 향상시킬 수 있는데, 이하에서는 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치를 이용하여 취성 소재를 가공하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 12는 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공 방법의 흐름도를 도시한다.
본 고안에 따른 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공 방법은, 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치를 이용하므로 앞서 살펴본 본 고안에 따른 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치의 실시예들을 같이 참조하기로 한다.
레이저 발생부(100)가 초단파 레이저 빔을 발생(S10)시키는데, 바람직하게는 펨토초(FS) 내지 피코초(PS)의 펄스 폭을 갖는 초단파 레이저 빔을 생성한다.
레이저 발생부(100)로부터 발생된 초단파 레이저 빔은 제1 광학계(200)에서 회절시켜 직교하는 단면상으로 링 형태의 레이저 회절빔으로 생성(S20)한다.
그리고 제1 광학계(200)로부터의 레이저 회절빔은 바로 제3 광학계(300)를 통해 가공할 취성소재로 입사될 수 있으나 보다 바람직하게는 제1 광학계(200)로부터의 레이저 회절빔을 수렴 또는 확산시켜서 레이저 회절빔의 빔 길이를 조절(S30)한다.
여기서 레이저 회절빔의 빔 길이 조절은 상기 도 7의 제2 실시예를 적용하여 상기 도 8에서와 같이 요구되는 레이저 회절빔의 초점 빔 길이에 대응하여 제1 스테이트(500)를 이동시켜 제2 광학계(300)와 제3 광학계(400) 간의 이격 거리의 조절로서 레이저 회절빔의 초점 빔 길이를 조절할 수도 있고, 또는 상기 도 9의 제3 실시예를 적용하여 상기 도 10에서와 같이 제2 스테이트(600)를 이동시켜 제1 광학계(200)와 제2 광학계(300) 간의 이격 거리 조절로서 레이저 회절빔의 초점 빔 길이를 조절할 수도 있다. 또한 제1 광학계(200)에 입사되는 빔의 폭을 선택함으로써 상기 도 11에서와 같이 회절빔의 초점 빔 길이를 조절할 수도 있다.
이와 같이 빔 길이가 조절된 레이저 회절빔을 제3 광학계(400)를 통해 취성소재(10)로 입사시키는데, 이때 제3 광학계(400)는 레이저 회절빔을 집속시키면서 가공할 취성 소재(10)의 상부면으로부터 이격된 공기층 상에 초점을 형성시켜서 취성 소재(10)의 내부로 레이저 빔을 입사(S40)시킨다.
그러면 취성 소재(10)의 내부에서는 레이저 회절빔의 입사 방향을 따라서 형성되는 필라멘테이션으로 취성 소재를 가공(S50)할 수 있다.
도 13은 종래기술에 따른 유리 가공 결과와 본 고안에 따른 유리 가공 결과를 도시하는데, 종래기술에 따른 가우시안 레이저 빔의 필라멘테이션을 이용하여 유리를 가공하는 경우에 상기 도 13의 (a)에서 보는 바와 같이 유리의 가공면이 매끄럽지 못하고 미세한 크랙들이 존재하는 것을 볼 수 있으나 본 고안에 따른 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용하여 유리를 가공하는 경우에 상기 도 13의 (b)에서 보는 바와 같이 유리의 가공면이 매끄러우면서 크랙이 존재하지 않는 것을 볼 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에서는 레이저 회절빔의 필라멘테이션을 이용한 취성 소재 가공 방안을 제안하며, 이를 통해 종래 반복적인 펄스 레이저를 주입하여 투명 취성소재 내부에서 필라멘테이션 현상을 발생시킴에 따라 취성소재의 가공되는 면이 펄스 간격에 따라 매끄럽지 못하고 미세한 크랙이 발생되는 문제점을 해결하여, 가공된 면이 매끄럽고 크랙이 발생되지 않는 가공이 가능하며, 나아가서 가공된 취성소재의 가공면 상에 미세한 크랙이 존재함에 따라 외부 충격이 가해지는 경우에 크랙으로부터 균열이 유도되어 가공된 취성소재의 강도가 약해지는 문제점을 해결할 수 있다.
이상의 설명은 본 고안의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 고안에 기재된 실시예들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 레이저 발생부, 200 : 제1 광학계,
300 : 제2 광학계, 400 : 제3 광학계,
500 : 제1 스테이트, 600 : 제2 스테이트.

Claims (3)

  1. 초단파 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부로부터 전파되는 레이저 빔을 회절시켜 초점 상에서는 중심부로부터 퍼져나가는 물결 형태의 파워 밀도가 형성되고, 초점을 지나서는 직교하는 단면 상으로 링 형태의 파워 밀도를 갖는 레이저 회절빔을 생성하는 제1 광학계;
    상기 레이저 회절빔을 수렴 또는 확산시켜 상기 레이저 회절빔의 초점 길이를 조절하는 제2 광학계; 및
    상기 초점 길이가 조절된 상기 레이저 회절빔을 집속하면서 가공할 취성소재의 상부 공기층 상에서 초점을 형성시켜 상기 취성소재로 입사시키는 제3 광학계를 포함하며,
    상기 레이저 회절빔에 의한 상기 취성소재 내부에서의 상기 레이저 회절빔이 진행하는 방향을 따라서 상기 표면으로부터 일정 깊이에서 형성된 필라멘테이션을 이용하여 상기 취성소재를 가공하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제3 광학계로 입사되는 입력 레이저 회절빔의 폭이 DO이고, 레이저 회절빔의 주파수가 f이고 파장이 λ라 할 때, 그리고, M2는 레이저 회절빔이 가우시안(Gaussian) 형태의 싱글 모드(single mode)에 얼마나 근접하고 있는지를 나타내는 지표라 할때, 레이저 회절빔의 집속 빔의 폭 2WO는 하기 [식 1]로 나타낼 수 있으며,
    Figure utm00002
    [식 1]

    상기 [식 1]에 기초하여 레이저 회절빔의 집속 빔의 폭 2WO이 레이저 회절빔의 폭 DO 크기에 반비례하므로, 레이저 회절빔의 초점 길이는 레이저 회절빔의 폭 DO 크기에 따라 결정되고, 이때 레이저 회절빔은 제2 광학계에 의한 수렴 및 확산에 따라 레이저 회절빔의 폭 DO가 결정되는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계를 이격시켜 지지하는 제1 스테이트; 및
    상기 제1 스테이트를 레이저 빔의 진행 방향을 따라 이동시키는 제1 이동수단을 더 포함하며,
    상기 제1 스테이트의 이동에 따라 상기 제2 광학계와 상기 제3 광학계 간의 이격 거리가 조절되는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 광학계와 상기 제3 광학계를 이격시켜 지지하는 제2 스테이트; 및
    상기 제2 스테이트를 레이저 빔의 진행 방향을 방향을 따라 이동시키는 제2 이동 수단을 더 포함하며,
    상기 제2 스테이트의 이동에 따라 상기 제1 광학계와 상기 제2 광학계 간의 이격 거리가 조절되는 것을 특징으로 하는 취성 소재 가공을 위한 레이저 가공 장치.
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