KR20160009092A - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공장치가 개시된다. 본 발명의 레이저 가공장치는, 복수의 파장을 동시에 발진시켜 레이저 첩 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 레이저 발생부에서 발생된 레이저를 증폭시키는 레이저 증폭부; 레이저 증폭부에서 출력되는 레이저의 첩과 펄스폭을 조절하는 색분산 조절부; 및 색분산 조절부에서 첩과 펄스폭이 조절된 레이저의 초점깊이를 조절하여 가공체에 조사하는 광학집적부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공장치{LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 색수차와 색분산을 통해 각 파장의 초점의 위치와 도달하는 시간을 조절함으로써 원하는 만큼의 긴 초점 깊이(Depth Of Focus)를 갖는 것과 같은 효과를 구현할 수 있고, 초점의 이동방향과 속도를 가공공정의 특성에 맞게 조절할 수 있음으로써 높은 종횡비를 갖는 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 고정밀도의 미세 구조가 요구되는 구조 대상물을 정확하게 가공하기 위해 자외선 레이저를 이용하는 레이저 가공 방법은 알려져 있다.

엑시머 레이저는 희류 가스 및 할로겐의 혼합 가스의 방전 여기에 의해 단펄스(15 내지 35 ns)의 자외선 광을 발진시킬 수 있다. 그 발진 에너지는 100 mJ/pulse이고, 펄스 반복 주파수는 10 내지 500 Hz이다. 이 때, 엑시머 레이저와 같은 고명도 자외선 광이 수지 중합체의 표면에 방사될 때, 그 부분이 플라즈마 방사 및 충격 노이즈와 함께 분산되어 분해되도록 융삭 광분해(APD; ablative photodecomposition) 가공이 실시됨으로써, 중합체 수지의 소위 레이저 융삭(ablation) 가공이 실시될 수 있게 된다.

일반적으로 레이저 가공으로서 사용되는 YAG 레이저에 의하면, 드릴링이 가능하기는 하지만 에지 면들이 거칠게 되는 경향이 있다. 또한, 적외선인 CO2레이저는 각각의 구멍의 원주에 크레이터가 만들어지는 단점이 있다.

여기서, 레이저 가공 유형은 광 에너지를 열 에너지로 변형하여 수행되는 소위 레이저 열 가공이다. 결과적으로, 그렇게 가공된 형상은 붕괴되기 쉬워서 정밀한 가공을 어렵게 만든다. 반면에, 엑시머 레이저를 사용하는 융삭 가공은 탄소 원자의 공유 결합을 끊는 광화학적 반응에 의한 승화 에칭을 실시한다. 그러므로, 가공된 형상은 쉽게 붕괴되지 않고 매우 정밀한 가공을 가능하게 한다.

여기서, 융삭 가공은 액상의 상태를 조정함 없이 레이저 사용에 의해 승화 가공을 수행하는 방법을 의미한다.

특히, 잉크 제트 기술학 및 그 기술 분야에서, 레이저 융삭 가공의 실제적인 이용이 최근 몇 년 동안 현저하게 발전됨으로써 본 기술 분야의 당업자에게 신선하게 각인되었다.

또한, 엑시머 레이저를 이용하는 레이저 가공이 실시되면서, 다음 사항들이 알려졌다. 즉, 방사된 레이저의 발진 펄스는 엑시머 레이저(즉, 전술한 자외선 레이저)에 대해 대략 펄스 당 수십 나노초이고, YAG 레이저의 자외선 조화 발진은 대략 100 피코초 내지 수 나노초이다. 그러나, 작업편에 방사된 레이저 빔의 광 에너지는 원자들의 공유 결합을 절단하는 데 전부 사용되는 것은 아니다.

이 때, 원자들의 공유 결합을 절단하는데 사용되지 않는 광 에너지가 존재하므로, 작업편의 레이저 가공 부분은 완전히 분해되기 전에 분산된다. 따라서, 그 가공 부분의 원주에는 부산물이 생성된다.

또한, 원자들의 공유 결합을 절단하는데 사용되지 않은 광 에너지의 일부는 열 에너지로 변환된다. 엑시머 레이저의 에너지 밀도는 발진 펄스에 비추어 최대로서 단지 100 메가와트 수준에 도달한다. 따라서, 높은 열전달율을 갖는 금속, 세라믹 및 (실리콘과 같은) 광물과 낮은 광흡수율을 갖는 석영 및 유리를 가공하는 것은 어렵다. 주로, 유기 수지 재료들은 승화 융삭 방법을 이용함으로써 처리될 수 있다.

이러한 것들은 엑시머 레이저를 사용할 때 발생될 수 있는 필연적인 현상이 되었다. 그러므로, 실제 사용되는 기록 헤드 상에 불리한 영향이 미치지 않도록 다양한 가공 기술들이 제안되었다.

또한, 열 에너지로 변환된 광 에너지의 일부에 의해, 작업편이 가공될 때 팽창될 수도 있고 부분적으로 용융되기 쉬운 우려가 있다. 그러므로, 높은 유리 전이점을 갖는 재료 또는 낮은 가공 피치를 갖는 재료가 사용되어야 한다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2001-0007596호(2001. 01. 26. 공개, 발명의 명칭 : 레이저 가공 방법, 그 방법을 이용하여 잉크 제트 기록헤드를 제조하는 방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 잉크 제트 기록 헤드)에 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 색수차와 색분산을 통해 각 파장의 초점의 위치와 도달하는 시간을 조절함으로써 원하는 만큼의 긴 초점 깊이(Depth Of Focus)를 갖는 것과 같은 효과를 구현할 수 있고, 초점의 이동방향과 속도를 가공공정의 특성에 맞게 조절할 수 있음으로써 높은 종횡비를 갖는 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공장치는, 복수의 파장을 동시에 발진시켜 레이저 첩 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 레이저 발생부에서 발생된 레이저를 증폭시키는 레이저 증폭부; 레이저 증폭부에서 출력되는 레이저의 첩과 펄스폭을 조절하는 색분산 조절부; 및 색분산 조절부에서 첩과 펄스폭이 조절된 레이저의 초점깊이를 조절하여 가공체에 조사하는 광학집적부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 제어부의 제어에 따라 레이저 발생부와 색분산 조절부에서 출력되는 레이저의 펄스수와 간격을 선택하기 위한 펄스 픽커;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 레이저 발생부는, 단일모드 광섬유를 이용하여 복수의 파장을 동시에 발진시키고, 복수의 파장간 위상차를 설정값으로 모드락킹하여 피코초 이하의 펄스폭을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 색분산 조절부는, 투과형 색분산 매질이나 광학 그레이팅 장치 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 색분산 조절부는, 레이저의 각 파장이 물체에 도달하는 시간을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광학집적부는, 색분산 매질을 포함하는 광학계인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 광학집적부는, 렌즈의 색수차나 레이저의 광학 개구경 수치를 조절하여 레이저의 초점깊이를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치는 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 색수차와 색분산을 통해 각 파장의 초점의 위치와 도달하는 시간을 조절함으로써 원하는 만큼의 긴 초점 깊이(Depth Of Focus)를 갖는 것과 같은 효과를 구현할 수 있고, 초점의 이동방향과 속도를 가공공정의 특성에 맞게 조절할 수 있음으로써 높은 종횡비를 갖는 형상을 가공할 수 있을 뿐만 아니라 레이저 가공 중에 발생되는 부산물의 생성을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 색수차에 따른 초점깊이의 조절상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 레이저 빔의 크기에 따른 초심깊이의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치를 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 색수차에 따른 초점깊이의 조절상태를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 레이저 빔의 크기에 따른 초심깊이의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 레이저 발생부(10), 색분산 조절부(40) 및 광학집적부(30)를 비롯하여 레이저 증폭부(20), 펄스 픽커(50) 및 제어부(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

레이저 발생부(10)는 복수의 파장을 동시에 발진시켜 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖는 극초단파 레이저를 발생시킨다.

이때 레이저 발생부(10)는 단일모드 광섬유를 이용하여 상대적으로 긴 공진기 길이(cavity length)를 통해 복수의 파장을 동시에 발진시키고, 복수의 파장간 위상차를 설정값으로 모드락킹(mode locking)시켜 피코초 이하의 펄스폭을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시킨다.

또한, 극초단파(Ultra Short Pulsed)의 레이저를 스트레칭(Stretching) 또는 오버컴프레션(Over-Compression)시켜 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖도록 한다.

레이저 첩은 레이저의 펄스폭 내에 존재하는 복수의 파장이 장파장에서 단파장 순으로 정렬(Up-Chirp)되거나 단파장에서 장파장 순으로 정렬(Down-Chirp)된 상태를 말한다. 따라서, 레이저 첩 특성을 갖는 레이저를 물체에 조사할 경우 정렬된 파장의 순서에 따라 도달되는 시간의 차이가 발생하게 된다.

레이저 증폭부(20)는 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저를 증폭 광섬유를 통해 증폭시킨다.

색분산 조절부(40)는 레이저 발생부(10)에서 출력되는 레이저의 첩(chirp)과 펄스폭을 조절한다.

이때 색분산 조절부(40)로는 투과형 색분산 매질이나 광학 그레이팅 장치가 적용될 수 있다.

즉, 레이저 발생부(10)에서 출력되는 레이저는 레이저 첩 특성을 갖기 때문에 투과형 색분산 매질이나 광학 그레이팅 장치를 통과하게 되면 매질이나 장치에서의 색분산(chromatic dispersion) 현상으로 인해 파장별 속도차가 발생하게 된다.

따라서, 색분산 조절부(40)에서 투과형 색분산 매질에서의 색분산 현상을 조절하거나 광학 그레이팅 장치를 통해 광의 반사 및 진행 경로를 조절함으로써 레이저의 펄스폭 내에 존재하는 복수의 파장들이 조사되는 순서를 조절하거나 파장들간 시간 간격을 조절하여 첩과 펄스폭을 조절할 수 있게 된다.

즉, 색분산 조절부는 레이저의 각 파장이 물체에 도달하는 시간을 조절할 수 있다.

광학집적부(30)는 색분산 조절부(40)에서 첩과 펄스폭이 조절된 레이저를 집광하여 가공체(70)에 조사한다.

이때 광학집적부(30)가 색분산 매질을 포함하는 광학계로 구성됨에 따라 레이저 첩 특성을 갖는 레이저가 색분산 매질을 통과할 경우 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 파장들의 초점이 광학계(37)의 색수차에 의해 다른 지점에 집적된다.

즉, 펄스폭을 구성하는 대표 파장 λ₀, λ₁, λ₂ 에 의해 형성되는 초점(31, 32, 33)이 시간적으로 시차를 두고 상이한 위치에 형성된다. 또한, 각 초점(31, 32, 33)에서의 에너지는 각 파장 λ₀, λ₁, λ₂ 에 의한 에너지 합으로써 해당 파장을 제외한 파장들은 공간적으로 주변에 분포되기 때문에 직접적으로 가공에 미치는 영향은 미비하게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 레이저 첩 특성을 갖는 레이저에 의한 초점은 펄스폭을 구성하는 복수의 파장에 의해 초점의 위치가 상이한 초점깊이(34)를 형성하게 된다. 또한, 시간적으로도 시차를 갖고 초점이 형성된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 광학집적부(30)를 구성하는 렌즈의 색수차나 레이저의 빔 크기를 조절하여 레이저의 초점깊이(34, 38)를 조절한다.

즉, (가)에 도시된 광학계(37)에서 레이저 확장직경(35)을 (나)에 도시된 광학계(37)의 레이저 확장직경(36)으로 변경할 경우, 두 광학계(37)의 초점 확장도를 살펴보면 (가)에 의한 광학계(37)를 통해 형성된 초점깊이(33)와 (나)에 의한 광학계(30)를 통해 형성된 초점깊이(38)는 초점 이동거리(39)만큼 진행하여 형성된다.

이때 광학계(37)에 사용된 렌즈의 색수차의 정도를 선택하여 조절할 경우 초점깊이(34, 38)를 조절할 수 있다.

또한 초점깊이(34,38)는 광학계(37) 내부에서 형성되는 레이저 확장직경(35, 36)을 조절함으로써 즉, 레이저 개구경 수치(Laser Numerical Aperture)를 변경함으로써도 초심깊이(34, 38)의 초점 이동거리(stroke: 39)를 조절할 수 있다.

이와 같이 레이저 첩 특성을 갖는 레이저에 대해 색수차와 색분산을 통해 각 파장의 초점의 위치와 도달하는 시간을 조절함으로써 원하는 만큼의 긴 초점 깊이(Depth Of Focus)를 갖는 것과 같은 효과를 구현할 수 있고, 또한, 초점의 이동방향과 속도를 가공공정의 특성에 맞게 조절할 수 있음으로써 높은 종횡비를 갖는 형상을 가공할 수 있다.

펄스 픽커(Pulse Picker, 50)는 레이저 발생부(10)와 색분산 조절부(40)에서 출력되는 레이저의 펄스수와 간격을 선택하여 선택적으로 가공체(70)에 레이저가 조사될 수 있도록 한다.

제어부(60)는 가공해야할 가공체(70)를 올려놓는 테이블인 서보 스테이지(80)를 이동시킴으로써 서보 스테이지(80)에 올려진 가공체(70)와 레이저와의 상대위치를 자유롭게 조절한 후 펄스 픽커(50)를 제어하여 레이저의 조사 시점을 제어하여 가동체(70)를 가공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치에 따르면, 레이저 첩(chirped laser) 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 색수차와 색분산을 통해 각 파장의 초점의 위치와 도달하는 시간을 조절함으로써 원하는 만큼의 긴 초점 깊이(Depth Of Focus)를 갖는 것과 같은 효과를 구현할 수 있고, 초점의 이동방향과 속도를 가공공정의 특성에 맞게 조절할 수 있음으로써 높은 종횡비를 갖는 형상을 가공할 수 있을 뿐만 아니라 레이저 가공 중에 발생되는 부산물의 생성을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 레이저 발생부 20 : 레이저 증폭부
30 : 광학집적부 37 : 광학계
40 : 색분산 조절부 50 : 펄스 픽커
60 : 제어부 70 : 가공체
80 : 서보 스테이지

Claims (7)

1. 복수의 파장을 동시에 발진시켜 레이저 첩 특성을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시키는 레이저 발생부;
   상기 레이저 발생부에서 발생된 상기 레이저를 증폭시키는 레이저 증폭부;
   상기 레이저 증폭부에서 출력되는 상기 레이저의 첩과 펄스폭을 조절하는 색분산 조절부; 및
   상기 색분산 조절부에서 상기 첩과 상기 펄스폭이 조절된 상기 레이저의 초점깊이를 조절하여 가공체에 조사하는 광학집적부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 발생부는, 단일모드 광섬유를 이용하여 상기 복수의 파장을 동시에 발진시키고, 상기 복수의 파장간 위상차를 설정값으로 모드락킹하여 피코초 이하의 펄스폭을 갖는 극초단파의 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 색분산 조절부는, 투과형 색분산 매질이나 광학 그레이팅 장치 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 색분산 조절부는, 상기 레이저의 각 파장이 물체에 도달하는 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 광학집적부는, 색분산 매질을 포함하는 광학계인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 광학집적부는, 렌즈의 색수차나 레이저의 광학 개구경 수치를 조절하여 상기 레이저의 초점깊이를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   
7. 제 1항에 있어서, 제어부의 제어에 따라 상기 레이저 발생부와 상기 색분산 조절부에서 출력되는 상기 레이저의 펄스수와 간격을 선택하기 위한 펄스 픽커;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
   

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