KR20160015107A

KR20160015107A - 포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR20160015107A
Application number: KR1020140097628A
Authority: KR
Inventors: 노지환; 강희신; 손현기
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-02-12
Also published as: KR101628947B1

Abstract

본 발명은 레이저 광원과, 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 회절 소자와, 회절 소자에서 방출된 축 빔 및 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터와, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 가공 대상물에서 반사되어 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치를 제공한다.

Description

포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법{LASER PROCESSING DEVICE WITH FOCUS FINDING FUNCTION AND LASER PROCESSING METHOD}

본 발명은 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

가공 대상물에 레이저를 조사하여 가공 대상물의 표면에 홈을 형성하거나, 가공 대상물의 내부에 변질층을 형성하거나, 가공 대상물에 열을 가하여 물질 특성을 변화시키는 등의 다양한 레이저 가공 방법이 사용되고 있다. 그런데 대부분의 경우 레이저 가공 장치와 포커스 측정용 레이저 설비를 따로 구비하고 있으므로 전체 시스템 구성이 복잡해지고, 설비 가격이 상승하게 된다.

본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이 저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 동시에 가공 중 가공 대상물의 포커스 위치를 일정하게 조정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 레이저 광원, 상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고, 비축 빔을 회절시키는 회절 소자, 상기 회절 소자에서 방출된 상기 축 빔 및 상기 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

이때, 상기 광 집속부는 집속 렌즈일 수 있다.

이때, 상기 광 집속부는 광 스캐너일 수 있다.

이때, 레이저 가공 장치는 상기 회절 소자와 상기 광 집속부 사이에 배치되어 상기 비축 빔 중 일부를 차단하는 차단판을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 차단판은 2 이상이 상기 회절 소자와 상기 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다.

이때, 상기 차단판은 상기 회절 소자를 기준으로 상, 하, 좌, 우 방향에 각각 배치될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 측면에 따르면, P파 편광된 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원, 위상차를 발생시켜 상기 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시키는 1/4 파장판, 상기 1/4 파장판에서 방출된 레이저 빔 중 P파를 통과시키고, S파를 굴절시키는 복굴절 소자, 상기 복굴절 소자에서 방출된 P파와 S파를 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 집속 렌즈와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

한편, 본 발명의 제1 측면에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서, 상기 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계, 상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계, 상기 축 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계, 상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하는 제4 단계, 상기 제1 가공 대상물이 상기 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계 및 제2 가공 대상물을 상기 포커스 위치에 배치하고, 상기 축 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계를 포함하는 레이저 가공 방법이 제공된다.

이때, 레이저 가공 방법은 상기 광 집속부를 이동시켜 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 기준 위치는 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 중심점 좌표일 수 있다.

이때, 상기 기준 위치는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격일 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중에도 가공 대상물이 포커스 위치를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 상기 레이저 가공 장치의 (a) 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

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 참고부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 레이저 가공 장치의 (a) 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.

도 1을 참고하면, 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 스플리터(beam splitter)(20), 광 집속부(30), 빔 프로파일러(beam profiler)(40) 회절 소자(diffraction element)(90) 및 차단판(62)을 포함한다.

레이저 광원(10)은 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 실제 가공에 사용되는 가공용 레이저 빔이다. 회절 소자(90)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 레이저 빔 중 축 빔(0차 회절 빔)은 직진 통과시키되, 비축 빔(±n차 회절 빔, n은 자연수)은 회절시킨다.

빔 스플리터(20)는 회절 소자(90)를 거친 축 빔과 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 회절 소자(90)에 의해 통과되는 축 빔을 실선으로, 회절되는 비축 빔을 점선으로 각각 도시하였고, 빔 스플리터(20)의 반사 빔을 일점쇄선으로 도시하였다. 한편, 본 발명에서는 비축 빔을 편의 상 +1차 회절 빔(축 빔의 상부로 회절)과 -1차 회절 빔(축 빔의 하부로 회절)까지만 도시하였으나, 반드시 이러한 차수에 제한되는 것은 아니다.

레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 출력되는 에너지의 전자기장 벡터 가 시간에 따라 일정한 방향성을 가지지 않는 무질서 편광(random polarization) 상태일 수 있다. 이 경우, 회절 소자(90)를 통과한 축 빔은 회절된 비축 빔들에 비해 더 큰 빔 직경을 가질 수 있으며, 본 발명에서는 축 빔을 이용하여 가공 대상물(50)을 가공한다.

광 집속부(30)는 투과 빔의 경로 상에 위치하여 투과 빔을 가공 대상물(50)로 집속시킨다. 가공 대상물(50)에 조사된 투과 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 광 집속부(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된다. 그리고 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔이 빔 프로파일러(40)에 제공된다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에서는 광 집속부(30)로 집속 렌즈를 사용하나, 반드시 본 발명의 범위가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 광 집속부(30)는 레이저를 집속할 수 있는 다양한 광학 집속 수단일 수 있다.

빔 프로파일러(40)는 복수의 전하결합소자(charge coupled device, CCD)를 내장한 수광 센서로서, 제공받은 레이저 빔의 프로파일을 측정한다. 이때 가공 대상물(50)은 광 집속부(30)와의 거리가 변하도록 움직일 수 있으며, 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 크기가 변한다. 빔 프로파일러(40)는 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따른 빔 프로파일(직경)의 변화를 측정한다.

차단판(62)은 회절 소자(92)와 광 집속부(30) 사이에 배치된다. 차단판(62)은 축 빔의 조사방향과 수직 방향으로 이동하여 비축 빔 중 일부를 차단한다. 차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(92)와 빔 스플리터(20) 사이 또는 빔 스플리터(20)와 광 집속부(30) 사이에 배치될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 레이저 가공 방법은 회절 소자(90)에서 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에서 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 축 빔으로 제1 가공 대상물(51)을 가공하여 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계(S30)와, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물(51)의 위치를 포커스 위치(L_Focus)로 선정하는 제4 단계(S40)와, 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계(S50)와, 제2 가공 대상물(52)을 포커스 위치(L_Focus)에 배치하고 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계(S60) 및 광 집속부(30)를 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계(S70)를 포함한다.

가공 대상물(50)은 실제 가공이 이루어지는 제품으로, 본 발명의 가공 대상물(50)은 가공 전 가공 대상 표면에 단차 또는 경사가 형성된 구조체일 수 있다. 한편, 가공 대상물(50)은 제1 가공 대상물(51) 및 제2 가공 대상물(52)을 포함할 수 있다. 제1 가공 대상물(51)은 시험편(specimen)일 수 있고, 제2 가공 대상물(52)은 실제 가공이 이루어지는 제품일 수 있다. 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 한번 포커스 위치(L_Focus) 및 기준 위치를 구한 다음에는 복수의 제2 가공 대상물(52)에 대해 포커스 위치(L_Focus) 또는 기준 위치를 재차 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 집속 렌즈의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 그리고 레이저 광원(10)에서 회절 소자(90)를 향해 레이저 빔을 발진시키고, 회절 소자(90)는 도 1(a)와 같이 레이저 빔 중 축 빔을 직진 통과시키되, 비축 빔을 회절시킨다.

제2 단계(S20)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 도 1(a)와 같이 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 회절 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 데이터 저장부로 전송한다. 이때 축 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(50)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.

한편, 제1 가공 대상물(51)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 변한다. 즉 포커스 위치(L_Focus)를 기준으로 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)보다 앞쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 커지고, 포커스 위치(L_Focus)보다 뒤쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 작아진다. 광 집속부(30)의 배율이 정해진 경우라도 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)의 포커스 위치(L_Focus)를 알 수 없다.

제 3단계(S30)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)에 축 빔을 조사하여 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 축 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다.

도 3은 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.

도 3의 (a)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 앞쪽에 있는 경우를 나타내고, (b)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 있는 경우를 나타낸다. 그리고 (c)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 뒤쪽에 위치하는 경우를 나타낸다. 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 가까울수록 가공 홈(55)은 작은 선폭을 가지며, 깊고 날카로운 단면 형상을 나타낸다. 도 3의 (b)에서 최소 가공 선폭을 d_min으로 나타내었다.

도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3과 도 4를 참고하면, 상기 측정된 가공 선폭은 제1 가공 대상물(51)이 광 집속부(30)의 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 최소값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가짐을 알 수 있다.

제4 단계(S40)에서는 제3 단계(S30)에서 측정한 가공 선폭의 데이터를 이용하여 가공 선폭이 최소가 되는 위치를 포커스 위치(F_Focus)로 선정한다. 데이터 저장부는 상기의 포커스 위치(L_Focus)를 저장한다.

도 5는 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.

제5 단계(S50)에서, 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)에 해당 위치 정보를 저장한다. 저장된 위치 정보는 제1 가공 대상물(51)의 포커스 위치(L_Focus)에 따른 기준 위치로 설정된다.

이 때, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 5(a)에서와 같은 좌표 정보일 수 있다. 도 5(a)에서 기준 좌표는 축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P1(a,b) 및 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P2(c,d)와 P3(e,f)로 설정될 수 있다.

한편, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 6(a)에서와 같은 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 정보일 수도 있다. 도 6(a)에서 기준 간격은 빔 프로파일러(40)에 도달한 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격(포커스 직경, D_Focus)으로 설정될 수 있다.

제6 단계(S60)에서, 레이저 가공 장치에서 제1 가공 대상물(51)을 제거한 후, 제2 가공 대상물(52)을 장착하고, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시킨다.

이때, 제2 가공 대상물(52)은 제1 포커스 위치(L_focus)에 바로 장착될 수 있고, 임의의 위치에 장착된다고 해도 빔 프로파일러(40)에서 새로 장착된 제2 가공 대상물(52)에 대한 빔 프로파일을 측정하고, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 오도록 제2 가공 대상물(52)의 위치를 조정하여 최종적으로 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 오도록 조정될 수 있다.

이후, 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 제2 가공 대상물(52)을 도 1(b)과 같이 이동시키면 광 집속부(30)와 제2 가공 대상물(52)의 거리에 변화가 발생하여 제2 가공 대상물(50)이 포커스 위치(L_Focus)로부터 벗어나게 된다. 이 때, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정한다.

이때, 차단판(62)은 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 아래로 이동할 경우 비축 빔 중 +1차 회절 빔을 차단하고, 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 위로 이동할 경우 -1차 회절 빔을 차단할 수 있다. 이를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지의 구분이 용이하다.

본 발명에서는 제2 가공 대상물(52)이 위로 이동함에 따라 차단판(62)이 -1차 회절 빔을 차단하여 도 5(b) 및 도 6(b)와 같이 빔 프로파일러(40) 상에 비축 빔 이미지 중 +1차 회절 빔 이미지만 표시되나, 이러한 이미지는 제2 가공 대상물(52)의 이동 방향에 맞게 차단판(62)의 차단 대상을 달리함으로써 달리 표시될 수 있는 것이다.

한편, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도는 빔 프로파일러(40) 상에 도 5(b)와 같이 좌표 (c', d')로 표시되거나, 도 6(b)와 같이 간격(D'_Focus)으로 표시될 수 있다.

제7 단계(S70)에서, 광 집속부(30)를 도 1(c)에서와 같이 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치 상에 도달하도록 조정한다. 본 발명에서는 제2 가공 대상물(52)에 도 1(c)과 같이 단차가 형성된 경우, 광 집속부(30)를 빔 스플리터(20) 쪽으로 후퇴시켜 제2 가공 대상물(52)이 포커스 위치(L_Focus)에 위치하도록 조정할 수 있다.

이 때, 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 이미지의 좌표는 도5(c)와 같이 P1(a,b)로, 비축 빔 이미지 좌표는 P2(c,d)로, 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격은 6(c)와 같이 D_Focus로 각각 회귀하게 된다. 이때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경은 제2 가공 대상물(52)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경과 동일하다.

다만, 제 1 실시예가 도 5 및 도 6에서 예시한 바와 같이 제2 가공대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우에만 적용되는 것은 아니며, 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에도 얼마든지 적용될 수 있다.

특히 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에는 제2 가공 대상물(52)의 이동에 따라 축 빔 이미지의 좌표가 기준 좌표로부터 벗어나는 정도를 중점적으로 측정하고, 축 빔 이미지의 좌표를 기준 좌표로 회귀시킴으로써 제2 가공대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 레이저 가공 장치(100) 및 방법에 따르면, 별도의 포 커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공대상면에 단차 또는 경사가 형성된 가공 대상물(50)의 포커스 위치(L_Focus)를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중에도 가공 대상물(50)이 포커스 위치(L_Focus)를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(100)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.

도 7을 참고하면, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(200)는 3차원 상에서 회절 소자(90)에 의해 방사되는 비축 빔 중 어느 하나를 제외한 나머지 비축 빔들을 차단판으로 차단하는 점을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

회절 소자(90)의 중심부에는 슬릿(91)이 형성될 수 있다. 슬릿(91)은 레이저 광원(10)으로부터 발진된 레이저 빔 중 축 빔은 직진시키되, 비축 빔은 3차원 상에서 축 빔의 진행 방향(도 7의 x축 방향)을 향해 방사하도록 회절시킬 수 있다.

차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(90)와 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다. 차단판(62)은 상기 회절 소자(90) 및 빔 스플리터와 이격되어 배치될 수 있다. 제1 변형예에서 차단판(62)은 도 7의 x축에서 바라볼 때 슬릿(91)을 기준으로 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d) 방향에 각각 배치되어, 각각의 방향으로 방사되어온 비축 빔을 차단할 수 있다.

즉, 상부 차단판(62a)은 xz 평면상에서 x축보다 위로 방사되어 온 비축 빔을, 하부 차단판(62b)은 xz평면 상에서 x축보다 아래로 방사되어 온 비축 빔을, 좌측 차단판(62c)은 xy 평면상에서 x축보다 좌측으로 방사되어 온 비축 빔을, 우측 차단판(62d)은 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔을 각각 차단할 수 있다.

제1 변형예에서는 예를 들어 가공 대상물이 y축 방향으로 이동할 경우 도 7에서와 같이 우측 차단판(62d)을 제외한 나머지 차단판을 이용해 각각 비축 빔들을 차단하여 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔만 빔 스플리터에 입사되도록 조절함으로써, 3차원 상에서 빔 프로파일러 상에 2 이상의 비축 빔 이미지가 표시되는 것을 방지할 수 있다.

다만, 이러한 차단판들의 이동이 반드시 도 7에 도시된 바와 같이 한정되는 것은 아니며, 가공 대상물의 이동 방향에 따라 얼마든지 차단판들의 조작을 달리할 수 있는 것임은 자명하다.

이와 같은 제1 변형예를 통하여, 전술한 제1 실시예의 가공 대상물과 광 집속부를 3차원적으로 이동시킬 경우에도 용이하게 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별해낼 수 있다.

즉, 전술한 도 1은 가공 대상물(50)과 광 집속부(30)가 2차원적으로 이동할 경우 차단판(62)을 이용하여 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하는 방법을 제공하나, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(200)는 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d)측 차단판을 이용하여 3차원 상에서 방사되는 비축 빔을 차단하는 방법을 제공함으로써, 가공 대상물과 광 집속부가 3차원적으로 이동할 경우에도 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하기 용이한 장점이 있다.

도 8은 본 발명의 제2 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 8을 참고하면, 제2 변형예의 레이저 가공 장치(300)는 광 집속부(30)로 광 스캐너를 사용하는 것과 가공 대상물로 가공 전 가공대상면에 곡면 경사가 형성된 가공 대상물(54)을 사용하는 것을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 8에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

도 9는 도 8에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.

제2 변형예의 레이저 가공 장치(300)는 광 집속부(30) 중 광 스캐너를 통해 가공 대상물(54)에 축 빔 및 비축 빔을 조사하는데, 광 스캐너와 가공 대상물(54) 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러(40) 상 축 빔과 비축 빔 간 간격 변화는 도 9에서와 같이 서로 비례한다.

이와 같이 제2 변형예에서는 데이터 계산부(도시하지 않음)에 의해 도 9 그래프의 기울기인 스케일 계수(scale parameter)가 계산되어 데이터 저장부(도시되지 않음)에 추가 저장될 수 있는 바, 가공 대상물(54)의 위치 변화에 따라 재설정된 포커스 위치(L_Focus)을 검산할 수 있는 바, 레이저 가공 장치(300)의 포커스 측정 및 가공 정밀성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.

도 10을 참고하면, 제2 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 레이저 광원(10)에서 P파로 편광된 레이저 빔이 발진되고, 제1 실시예의 회절 소자(90) 대신 1/4 파장판 (quarter-wave plate)(80)이, 1/4 파장판(80)과 빔 스플리터(20) 사이에 복굴절 소자 (birefringence element)(60)가 추가되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 10에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

1/4 파장판(80)은 P파 편광된 레이저 빔에 위상차를 발생(90도 위상 지연)시켜 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시킨다.

복굴절 소자(60)는 도 10에서처럼 1/4 파장판(80)로부터 방출된 P파와 S파가 입사된다. 복굴절 소자(60)는 레이저 빔 간 위상차를 이용, 도 10에서와 같이 P파는 통과시키고 S파는 굴절시킨다. 이 때, 제2 실시예에서는 통과된 P파를 가공용 축 빔으로, 굴절된 S파를 측정용 비축 빔으로 각각 이용할 수 있다.

한편, 제2 실시예의 복굴절 소자(60)는 도 10에서와 같이 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있으며, 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)에 따라 S파의 굴절 정도가 달라질 수 있다. 즉, 제2 실시예는 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)를 조절하여 복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파간 간격을 조절할 수 있다.

복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파는 제1 실시예에서와 같이 빔 스플리터(20) 및 광 집속부(30)를 거쳐 가공 대상물(50)에 조사되고, 다시 가공 대상물(50)로부터 반사되어 빔 스플리터(20)를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시된다.

빔 프로파일러(40)상에는 전술한 도 5(a)와 같이 축 빔 이미지의 위치에 P파가, 비축 빔 이미지의 위치에 S파가 각각 표시된다. 제2 실시예에서는 1/4 파장판(80)을 회절시켜 레이저 빔의 입사 각도를 조절함으로써 P파와 S파의 출력을 조절할 수 있다. 이를 통해 빔 스플리터(20)나 가공 대상물(50)의 반사율(reflectivity)에 따라 S파의 출력을 적정 수준으로 조절할 수 있다.

이와 같이 제2 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 전술한 실시예들 대비 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 세기를 높일 수 있으므로, 측정 효율을 높일 수 있고, 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔(P파 및 S파) 이미지의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

이상에서 본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

100, 200, 300, 400: 레이저 가공 장치
10: 레이저 광원
20: 빔 스플리터
30: 광 집속부
40: 빔 프로파일러
50, 51, 52, 54: 가공 대상물
55: 가공 홈
60: 복굴절 소자
62 (62a, 62b, 62c, 62d): 차단판
80: 1/4 파장판
90: 회절 소자
91: 슬릿

Claims

레이저 광원;
상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고, 비축 빔을 회절시키는 회절 소자;
상기 회절 소자에서 방출된 상기 축 빔 및 상기 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부; 및
상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러
를 포함하는 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 집속부는 집속 렌즈인 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 집속부는 광 스캐너인 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 회절 소자와 상기 광 집속부 사이에 배치되어 상기 비축 빔 중 일부를 차단하는 차단판을 더 포함하는 레이저 가공 장치.
제4항에 있어서,
상기 차단판은 2 이상이 상기 회절 소자와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되는 레이저 가공 장치.
제5항에 있어서,
상기 차단판은 상기 회절 소자를 기준으로 상, 하, 좌, 우 방향에 각각 배치되는 레이저 가공 장치.
P파 편광된 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원;
위상차를 발생시켜 상기 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시키는 1/4 파장판;
상기 1/4 파장판에서 방출된 레이저 빔 중 P파를 통과시키고, S파를 굴절시키는 복굴절 소자;
상기 복굴절 소자에서 방출된 P파와 S파를 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부; 및
상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 집속 렌즈와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러
를 포함하는 레이저 가공 장치.
제1항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
상기 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계;
상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계;
상기 축 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계;
상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하는 제4 단계;
상기 제1 가공 대상물이 상기 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계; 및
제2 가공 대상물을 상기 포커스 위치에 배치하고, 상기 축 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.
제8항에 있어서,
상기 광 집속부를 이동시켜 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계
를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
제8항에 있어서,
상기 기준 위치는 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 레이저 가공 방법.
제8항에 있어서,
상기 기준 위치는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격인 레이저 가공 방법.