KR20160050666A - 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로, 레이저 빔과 유리 뒷면의 금속이온 전해질이 반응을 통해 형상을 간접적으로 가공하는 가운데 초음파를 이용하여 금속이온 전해질을 가진시킴으로써 레이저 가공시 발생하는 형상 찌꺼기와 기포의 제거가 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상 모서리 깨짐의 현상을 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 레이저 빔과의 가열 반응을 통해 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 가공대상물인 유리 하부면을 용융시키는 금속이온 전해질이 저수되는 용액저수조; 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질에 유리의 하부면만이 침수되도록 하는 유리 고정지그; 유리 고정지그를 지지하여 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질 상에 유리의 하부면이 침수되도록 하는 지그 고정암; 용액저수조의 하부 일측에 설치되어 금속이온 전해질에 초음파 진동을 부여하는 초음파 가진기; 및 지그 고정암과 유리 고정지그를 통해 고정된 유리의 상부면에 레이저 빔을 조사하여 금속이온 전해질과의 반응을 통해 유리의 하부로부터 상부로 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 모듈을 포함한 구성으로 이루어진다.
Description
본 발명은 레이저를 이용한 유리 형상 가공 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔이 가공물인 유리를 투과해 유리 뒷면에 있는 금속이온 전해질과의 반응을 통해 구멍과 같은 형상을 간접적으로 가공하는 가운데 초음파를 통해 찌꺼기나 기포의 용이한 제거를 통해 형상 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유리는 일반 금속과는 다른 화학적·물리적·광학적 특징을 나타내기 때문에 디스플레이, 바이오 칩, 통신 및 광학장비 등의 분야에서 널리 사용되고 있음은 주지하는 바와 같다.
그러나, 전술한 유리는 경도가 대단히 높은 재료이므로 일반적인 범용가공으로는 정밀한 형상 가공이 매우 어렵다. 이에 현재까지 연구된 유리의 미세가공 방법들로는 화학적 에칭, 초음파 가공, 전해방전 가공 및 레이저 가공 등이 있다.
한편, 전술한 바와 같이 유리의 미세가공 방법 중 레이저 가공은 특정파장의 광을 조사하여 가공하기 때문에 공구가 불필요하여 타 가공기법에 비해 속도도 빠른 편이다. 이처럼 레이저를 이용한 유리 가공법 중 많은 연구들이 초단펄스 단파장 레이저를 이용하고 있다.
전술한 바와 같은 극초단펄스 폭은 유리와 같이 선형 흡수가 거의 없는 매질에서도 비선형 광학흡수를 일으켜 가공을 가능하게 함은 물론, 좁은 영역에 에너지를 효과적으로 전달할 수 있기 때문에 열적 손상을 일으키지 않고 가공 품질을 향상시킬 수가 있다는 장점이 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 초단펄스 단파장 레이저를 이용한 유리의 미세가공 방법은 형상 정밀도는 좋지만 가공량이 매우 작아 속도가 느려지기 때문에 생산성이 떨어진다는 문제가 있음은 물론, 높은 장비 가격으로 인하여 고가의 가공이 된다는 단점을 가지고 있다.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 간접 가공인 레이저 습식 후면 식각기법(Laser-induced backside wet etching : LIBWE)이 제안되었다. 이러한 레이저 습식 후면 시각기법을 이용하면 펄스 폭이 길어 시간당 에너지 밀도가 낮은 경우에도 가공이 가능하다는 연구결과가 있다. 이는 레이저 빔이 유리에 흡수되어 직접 가공하는 것이 아닌 유리 후면의 액체를 폭발시킨 힘으로 유리를 가공하기 때문이다.
한편, 전술한 레이저 습식 후면 식각기법은 레이저 빔이 가공물인 유리를 투과해 유리 뒷면에 있는 흡광성 용액(또는 금속이온 용액)과 반응하여 폭발을 일으키고 그 에너지를 이용하여 간접적으로 가공하는 방법이다. 이러한 레이저 습식 후면 식각공정은 직접적인 가공열에 의한 재료 손상이나 광흡수율 문제를 해결할 수 있어 많은 장점을 지니고 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 레이저 습식 후면 식각기법을 통해 구멍 등의 형상을 가공하는 경우 발생하는 찌꺼기 및 기포 등으로 인하여 형상의 가공에 따른 정밀도가 저하되는 문제가 있다.
또한, 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 레이저 습식 후면 식각기법을 통해 구멍 등의 형상을 가공하는 경우 찌꺼기의 재응고로 인하여 형상 가공에 따른 정밀도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 레이저 빔과 유리 뒷면의 금속이온 전해질이 반응을 통해 형상을 간접적으로 가공하는 가운데 초음파를 이용하여 금속이온 전해질을 가진시킴으로써 레이저 가공시 발생하는 형상 찌꺼기와 기포의 제거가 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상의 모서리 깨짐 현상을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 및 가공방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 레이저 가공시 발생하는 형상 찌꺼기와 기포의 제거가 초음파를 통해 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상의 모서리 깨짐 현상을 방지할 수 있도록 함으로써 유리 형상의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 기술의 또 다른 목적은 레이저 가공시 초음파 가진을 통해 기포와 찌꺼기의 원활한 제거가 이루어질 수 있도록 함으로써 불필요한 가공에 의한 에너지 손실을 최소화할 수 있도록 하여 더 작은 크기의 면적당 에너지로도 효과적인 유리의 형상 가공이 이루어질 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치는 레이저 빔과의 가열 반응을 통해 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 가공대상물인 유리 하부면을 용융시키는 금속이온 전해질이 저수되는 용액저수조; 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질에 유리의 하부면만이 침수되도록 하는 유리 고정지그; 유리 고정지그를 지지하여 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질 상에 유리의 하부면이 침수되도록 하는 지그 고정암; 용액저수조의 하부 일측에 설치되어 금속이온 전해질에 초음파 진동을 부여하는 초음파 가진기; 및 지그 고정암과 유리 고정지그를 통해 고정된 유리의 상부면에 레이저 빔을 조사하여 금속이온 전해질과의 반응을 통해 유리의 하부로부터 상부로 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 모듈을 포함한 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 구성에서 용액저수조의 재질은 저수되는 금속이온 전해질에 의해 부식을 방지하기 위해 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 재질로 이루어짐이 보다 양호하다.
그리고, 본 발명을 구성하는 유리 고정지그는 유리의 안착이 이루어지는 유리 안착홈과 유리 안착홈 중심에 상하로 관통 형성되어 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질에 유리 하부면의 침수가 이루어지도록 하는 침수홈 및 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 하부 고정홈이 구비된 하부 고정지그; 침수홈에 대응하여 중심에 레이저 빔의 조사가 이루어질 수 있도록 상하로 관통 형성된 빔 투과홈과 하부 고정홈에 대응하여 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 상부 고정홈이 구비된 상부 고정지그; 및 하부 고정지그와 상부 고정지그의 테두리 상에 형성된 하부 고정홈과 상부 고정홈의 일치된 고정홈 상에 체결되어 하부 고정지그와 상부 고정지그 사이의 유리 안착홈 상에 유리를 고정시키는 체결수단의 구성으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 유리 고정지그를 구성하는 하부 고정지그의 재질은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있고, 유리 고정지그를 구성하는 상부 고정지그의 재질은 아크릴로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 구성에서 초음파 가진기의 진동 주파수는 20∼40kHz의 범위로 가진되는 구성으로 이루어질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 구성에서 레이저 모듈을 통해 유리의 표면에 레이저 빔의 조사시 스캔헤드의 스캔속도는 50∼2,000mm/s의 속도로 스캔하는 구성으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 용액저수조는 프레임을 통해 형성된 일정 높이의 고정다이 상부에 설치 고정될 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 본 발명의 구성에서 지그 고정암은 용액저수조 양측의 고정다이 상부에 방진패드를 통해 설치 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 특징인 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법은 레이저 습식 후면 식각기법을 통해 가공대상물인 유리에 형상을 가공하는 방법에 있어서, (a) 유리의 하부면이 금속이온 전해질에 침수되도록 배열하는 단계; (b) 단계(a) 과정의 금속이온 전해질에 하부면이 침수되도록 배열된 유리의 가공할 부위 상부면에 레이저 빔을 조사하는 단계; (c) 단계(b) 과정의 유리의 가공할 부위에 레이저 빔을 조사하는 가운데 금속이온 전해질에 초음파 진동을 부여하는 단계; 및 (d) 단계(c) 과정의 초음파 진동을 통해 레이저 빔과 금속이온 전해질의 가열 반응에 의해 용융되는 유리 하부면의 기포와 찌꺼기의 제거가 이루어지면서 가공되는 형상이 유리 하부면으로부터 상부로 가공되도록 하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다.
본 발명의 기술에 따르면 레이저 빔과 유리 뒷면의 금속이온 전해질이 반응을 통해 형상을 간접적으로 가공하는 가운데 초음파를 이용하여 금속이온 전해질을 가진시킴으로써 레이저 가공시 발생하는 형상 찌꺼기와 기포의 제거가 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상의 모서리 깨짐 현상을 방지할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 기술은 레이저를 이용한 유리 형상의 가공시 금속이온 전해질의 초음파 가진을 통해 형상 찌꺼기와 기포의 제거가 초음파를 통해 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상 모서리 깨짐의 현상을 방지할 수 있도록 함으로써 유리 형상의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 발현된다.
아울러, 본 발명에 따른 기술은 레이저 가공시 초음파 가진을 통해 기포와 찌꺼기의 원활한 제거가 이루어질 수 있도록 함으로써 불필요한 가공에 의한 에너지 손실을 최소화할 수 있도록 하여 더 작은 크기의 면적당 에너지로도 효과적인 유리 형상의 가공이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 발현된다.
도 1 은 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치를 보인 단면 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치를 구성하는 유리 고정지그를 보인 단면 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치의 레이저 가공시 유리 형상의 가공을 설명하기 위한 설명도.
도 4 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법을 보인 블록도.
도 5 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치에 의해 가공된 유리 형상을 확대 비교하여 보인 확대도.
도 2 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치를 구성하는 유리 고정지그를 보인 단면 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치의 레이저 가공시 유리 형상의 가공을 설명하기 위한 설명도.
도 4 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법을 보인 블록도.
도 5 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치에 의해 가공된 유리 형상을 확대 비교하여 보인 확대도.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 및 가공방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치를 보인 단면 구성도, 도 2 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치를 구성하는 유리 고정지그를 보인 단면 구성도, 도 3 은 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치의 레이저 가공시 유리 형상의 가공을 설명하기 위한 설명도이다.
먼저, 본 발명에 따른 기술은 레이저 빔과 금속이온 전해질의 반응에 의한 금속이온 전해질의 가열을 통해 금속이온 전해질이 고온의 열에너지를 지니게 함으로써 순간적인 기화를 통해 급격히 팽창하면서 유리 표면을 용융시켜 유리 형상의 가공이 이루어질 수 있도록 하는 레이저 습식 후면 식각기법을 응용한 기술이다.
한편, 전술한 바와 같이 고온의 열에너지를 지닌 금속이온 전해질이 순간적인 기화를 통해 급격히 팽창하면서 유리 표면을 용융시키는 과정에서 본 발명에서는 금속이온 전해질에 초음파 진동을 가진시켜 유리 표면의 용융 과정에서 발생되는 기포와 찌꺼기를 제거하여 가공되는 형상 모서리의 깨짐 현상을 방지할 수 있도록 하였다. 이하에서 본 발명에 따른 기술을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치(100)는 금속이온 전해질(112)이 저수되는 용액저수조(110), 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112)에 유리(10)의 하부면만이 침수되도록 하는 유리 고정지그(120), 유리 고정지그(120)를 지지하여 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112) 상에 유리의 하부면이 침수되도록 하는 지그 고정암(130), 용액저수조(110)의 하부 일측에 설치되어 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 부여하는 초음파 가진기(140) 및 지그 고정암(130)과 유리 고정지그(120)를 통해 고정된 유리(10)의 상부면에 레이저 빔을 조사하여 금속이온 전해질(112)과의 반응을 통해 유리(10)의 하부로부터 상부로 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 모듈(150)을 포함한 구성으로 이루어진다.
그리고, 전술한 바와 같은 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치(100)를 구성하는 용액저수조(110)는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 프레임을 통해 형성된 일정 높이의 고정다이(160) 상부에 설치 고정된다. 그리고, 본 발명을 구성하는 지그 고정암(130)은 용액저수조(110) 양측의 고정다이(160) 상부에 방진패드(132)를 통해 설치 고정된다.
따라서, 전술한 바와 같이 용액저수조(110) 양측의 고정다이(160) 상부에 방진패드(132)를 통해 설치 고정되는 지그 고정암(130)은 방진패드(132)를 통해 고정다이(160)로부터 전해지는 초음파 진동이 지그 고정암(130)을 통해 유리(10)에 전달되는 것을 방지한다. 이에 따라, 가공대상물인 유리(10)에 진동이 전달되지 않기 때문에 타켓으로하는 위치에 정확하게 레이저 빔을 조사할 수가 있다.
한편, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치(100)를 이용한 유리 형상의 가공은 먼저, 유리 고정지그(120) 상에 유리(10)를 고정하여 유리 고정지그(120)를 지그 고정암(130)에 고정시킨다. 이때, 지그 고정암(130)에 고정된 유리 고정지그(120)는 유리(10)의 하부면이 용액저수조(110)의 내부에 저수된 금속이온 전해질(112) 상에 잠길 수 있도록 침수된다.
다음으로, 전술한 바와 같이 유리 고정지그(120)를 지그 고정암(130)에 고정시켜 유리(10)의 하부면이 금속이온 전해질(112) 상에 침수될 수 있도록 한 다음에는 레이저 모듈(150)을 통해 유리(10) 상부면의 형상을 가공할 부위에 레이저 빔을 조사하는 가운데 용액저수조(110) 하부의 초음파 가진기(140)를 가진시킴으로써 금속이온 전해질(112)의 초음파 진동이 이루어질 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이 유리(10) 상부면의 형상을 가공할 부위에 레이저 빔을 조사하는 가운데 용액저수조(110)에 초음파 가진기(140)를 가진시키게 되면 도 3 의 (a)와 (b)에서와 같이 레이저 빔이 유리(10)에 거의 흡수되지 않고 그대로 통과하여 유리(10) 후면의 금속이온 전해질(112)에서 반응을 일으킴으로써 형상의 가공이 이루어질 수 있도록 한다.
다시 말해서, 전술한 레이저 모듈(150)에 의해 유리(10) 상부면에 조사된 레이저 빔이 유리(10) 후면의 금속이온 전해질(112)과 접촉하게 되면 부분적으로 빠르게 가열되어 고온의 열에너지를 지니게 된다. 이때, 고온의 열에너지를 지니게 된 금속이온 전해질(112)은 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 유리(10) 하부의 표면을 용융시켜 형상의 가공이 이루어질 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이 고온의 열에너지를 지니게 된 금속이온 전해질(112)이 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 유리(10) 하부의 표면을 용융시킬 때 발생하는 기포 및 충격파는 용융된 유리(10)를 물리적으로 제거하여 식각 가공을 원활하게 하지만 발생되는 기포나 찌꺼기의 배출이 원활하지 않게 되면 발생된 기포에 의해 형상 모서리의 깨짐 현상과 찌꺼기의 재응고 현상 등이 발생하여 가공 정밀도를 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명에서는 레이저 빔을 조사하는 가운데 초음파 가진기(140)의 작동을 통해 용액저수조(110) 내부에 저수된 금속이온 전해질(112)을 가진시킴으로써 금속이온 전해질(112)의 초음파 진동은 유리(10)의 용융과정에서 발생되는 기포를 용이하게 제거함은 물론, 용융되는 부분에서 발생되는 가공 찌꺼기의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 함으로써 가공 정밀도를 향상시키게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 기술은 유리(10)의 상부 표면상에 레이저 빔을 조사하는 가운데 초음파 가진기(140)를 통해 용액저수조(110)를 가진시킴으로써 레이저 빔과 금속이온 전해질의 반응에 의해 유리(10) 하부 표면의 용융과정에서 발생하는 기포의 제거와 찌꺼기의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치(100)를 구성하는 각각의 구성요소를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명을 구성하는 용액저수조(110)는 금속이온 전해질(112)을 저수하기 위한 것으로, 이러한 용액저수조(110)는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 프레임을 통해 형성된 일정 높이의 고정다이(160) 상부에 설치 고정된다.
전술한 바와 같이 구성된 용액저수조(110) 상에 저수되는 금속이온 전해질(112)은 레이저 빔을 흡수하는 흡광용액 또는 금속파우더가 혼합된 용액으로, 이러한 금속이온 전해질(112)은 레이저 빔과의 가열 반응을 통해 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 가공대상물인 유리 하부면을 용융시켜 형상을 가공하게 된다.
다시 말해서, 레이저 빔이 유리(10) 하부면에 있는 흡광용액인 금속이온 전해질(112)과 만나는 순간 금속이온 전해질(112)이 국부적으로 가열되고, 그 결과 고온의 열에너지를 지니게 된 금속이온 전해질(112)은 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 유리표면을 용융시킨다. 이때, 발생하는 기포 및 충격파는 용융된 유리(10)를 물리적으로 제거하여 식각공정을 원활하게 한다.
한편, 전술한 바와 같은 과정이 반복적으로 발생하면서 상당히 많은 양의 기포가 서로 뭉쳐져 점차 발달하게 되고, 이렇게 커진 기포는 가공이 진행될수록 가공을 방해하게 된다. 이에 따라 본 발명에서는 깊은 형상 가공을 위해 초음파의 사용을 통해 기포성장을 방지하여 유리 식각공정을 원활하게 하였다.
전술한 바와 같은 용액저수조(110)는 저수되는 금속이온 전해질(112)에 의해 부식되는 것을 방지하기 위해 본 발명에서는 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 재질로 용액저수조(110)을 제조하였다.
다음으로, 본 발명을 구성하는 유리 고정지그(120)는 유리(10)를 고정시키기 위한 것으로, 이러한 유리 고정지그(120)는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112)에 유리의 하부면만이 침수되도록 하는 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같은 유리 고정지그(120)는 유리(10)의 안착이 이루어지는 유리 안착홈(122a)과 유리 안착홈(122a) 중심에 상하로 관통 형성되어 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112)에 유리 하부면의 침수가 이루어지도록 하는 침수홈(122b) 및 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 하부 고정홈(122c)이 구비된 하부 고정지그(122), 침수홈(122b)에 대응하여 중심에 레이저 빔의 조사가 이루어질 수 있도록 상하로 관통 형성된 빔 투과홈(124a)과 하부 고정홈(122c)에 대응하여 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 상부 고정홈(124b)이 구비된 상부 고정지그(124) 및 하부 고정지그(122)와 상부 고정지그(124)의 테두리 상에 형성된 하부 고정홈(122c)과 상부 고정홈(124b)의 일치된 고정홈(122c, 124b) 상에 체결되어 하부 고정지그(122)와 상부 고정지그(124) 사이의 유리 안착홈(122a) 상에 유리(10)를 고정시키는 체결수단(126)의 구성으로 이루어진다. 이때, 체결수단(126)은 통상의 볼트와 너트이다.
한편, 전술한 바와 같은 유리 고정지그(120)의 구성에서 유리 고정지그(120)를 구성하는 하부 고정지그(122)의 재질은 알루미늄(Al)으로 이루어지고, 유리 고정지그(120)를 구성하는 상부 고정지그(124)의 재질은 아크릴로 이루어진다.
전술한 바와 같이 구성된 유리 고정지그(120)는 하부 고정지그(122)의 유리 안착홈(122a) 상에 유리(10)를 안착시킨 상태에서 하부 고정지그(122)의 상부면으로 상부 고정지그(124)를 커버하여 일치된 하부 고정홈(122c)과 상부 고정홈(124b)을 통해 볼트와 너트로 이루어진 체결수단(126)으로 체결 고정하게 된다. 이때, 유리 고정지그(120)에 의해 고정된 유리(10)의 상·하부 중심 부분은 하부 고정지그(122)와 상부 고정지그(124) 각각에 형성된 침수공(122c)과 빔 투과홈(124a)을 통해 외기에 노출된 상태이다.
다음으로, 본 발명을 구성하는 지그 고정암(130)은 유리(10)가 안착 고정된 유리 고정지그(120)를 지지하기 위한 것으로, 이러한 지그 고정암(130)은 도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 유리 고정지그(120)를 지지하여 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112) 상에 유리(10)의 하부면이 침수되도록 한다.
전술한 바와 같이 구성되는 지그 고정암(130)은 용액저수조(110)가 설치 고정되는 고정다이(160)에 방진패드(132)를 통해 설치 고정된다. 즉, 지그 고정암(130)은 용액저수조(110) 양측의 고정다이(160) 상부에 방진패드(132)를 통해 설치 고정된다. 이처럼 설치된 지그 고정암(130)의 양측 끝단에는 유리 고정지그(120)의 양단이 결합 고정되어진다.
한편, 전술한 바와 같이 지그 고정암(130)의 양측 끝단에 결합 고정된 유리 고정지그(120)는 용액저수조(110)에 저수된 금속이온 전해질(112) 상에 절반 정도가 침수되어 유리 고정지그(120)에 의해 고정된 유리(10)의 하부면이 금속이온 전해질(112)에 침수되어 있게 된다.
아울러, 전술한 바와 같은 지그 고정암(130)에 후술하는 초음파 가진기(140)의 초음파 진동이 전달되지 않도록 하는 방진패드(132)는 용액저수조(110) 양측의 고정다이(160) 상부면 상에 고정되어 상부를 통해 지그 고정암(130) 각각의 후단부를 고정하여 초음파의 진동이 유리(10)로 전달되는 것을 방지함으로써 레이저 빔의 조사시 유리(10)가 흔들리지 않도록 한다.
따라서, 전술한 바와 같이 지그 고정암(130)을 방진패드(132)를 통해 고정다이(160) 상부면 상에 설치 고정함으로써 초음파의 진동이 유리(10)로 전달되는 것을 방지할 수 있어 레이저 빔의 안정적인 조사가 이루어질 수 있도록 함은 물론, 이로 인하여 형상의 가공 정밀도를 향상시킬 수가 있다.
다음으로, 본 발명을 구성하는 초음파 가진기(140)는 용액저수조(110)를 가진시켜 저수된 금속이온 전해질(112)을 가진시키기 위한 것으로, 이러한 초음파 가진기(140)는 도 1 및 도 3 에 도시된 바와 같이 용액저수조(110)의 하부 일측에 설치되어 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 부여하는 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같이 용액저수조(110)의 하부 일측에 설치되어 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 부여하는 초음파 가진기(140)는 금속이온 전해질(112)을 가진시킴으로써 레이저 빔과 금속이온 전해질(112)의 반응에 의해 유리(10) 하부면에 용융이 이루어지는 과정에서 발생하는 기포가 서로 뭉치는 것을 방지함은 물론, 찌꺼기의 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 형상의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한다.
다시 말해서, 본 발명을 구성하는 초음파 가진기(140)는 용융과정이 반복적으로 발생하면서 상당히 많은 양의 기포가 서로 뭉치는 것을 방지하여 형상의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 이러한 초음파 가진기(140)는 형상의 깊은 가공을 위해 초음파의 사용을 통해 기포성장을 방지함은 물론, 용융되는 부분에서 발생되는 가공 찌꺼기의 원활한 배출을 통해 재응고를 방지하여 형상의 가공 정밀도를 향상시키게 된다.
한편, 전술한 바와 같은 초음파 가진기(140)의 진동 주파수는 20∼40kHz의 범위로 가진되어진다.
다음으로, 본 발명을 구성하는 레이저 모듈(150)은 유리(10)의 상부면에 레이저 빔을 조사하기 위한 것으로, 이러한 레이저 모듈(150)은 도 1 및 도 3 에 도시된 바와 같이 지그 고정암(130)과 유리 고정지그(120)를 통해 고정된 유리(10)의 상부면에 레이저 빔을 조사하여 금속이온 전해질(112)과의 반응을 통해 유리(10)의 하부로부터 상부로 형상을 가공할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 레이저 모듈(150)의 레이저 빔은 유리(10)의 상부면에 조사되면 레이저가 그대로 유리(10)를 투과하여 유리(10) 하부면에 있는 광흡수성이 우수한 흡광용액인 금속이온 전해질(112)과 반응을 일으켜 간접적으로 유리(10)에 형상을 가공하게 된다.
전술한 바와 같이 구성된 레이저 모듈(150)을 통해 유리(10)의 표면에 레이저 빔의 조사시 레이저 모듈(150)을 구성하는 스캔헤드의 스캔속도는 50∼2,000mm/s의 속도로 스캔하는 구성으로 이루어진다.
도 4 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법을 보인 블록도이다.
도 4 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 기술의 유리 형상의 가공은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법은 (a) 유리(10)의 하부면이 금속이온 전해질(112)에 침수되도록 배열하는 과정(S100), (b) 금속이온 전해질(112)에 하부면이 침수되도록 배열된 유리(10)의 가공할 부위 상부면에 레이저 빔을 조사하는 과정(S110), (c) 유리(10)의 가공할 부위에 레이저 빔을 조사하는 가운데 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 부여하는 과정(S120) 및 (d) 초음파 진동을 통해 레이저 빔과 금속이온 전해질(112)의 가열 반응에 의해 용융되는 유리(10) 하부면의 기포와 찌꺼기의 제거가 이루어지면서 가공되는 형상이 유리(10) 하부면으로부터 상부로 가공되도록 하는 과정(S130)으로 이루어진다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공과정은 유리(10)의 하부면이 금속이온 전해질(112) 상에 침수되도록 한 상태에서 레이저 빔을 유리(10)의 상부면에 조사하는 가운데 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 가하게 된다.
전술한 바와 같이 레이저 빔을 유리(10)의 상부면에 조사하는 가운데 금속이온 전해질(112)에 초음파 진동을 가하게 되면 유리(10) 하부면에서 레이저 빔과 금속이온 전해질(112)의 반응에 의한 유리(10) 하부면의 용융시 발생되는 기포를 제거하여 기포의 성장을 방지함은 물론, 용융 찌꺼기의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 하여 찌꺼기의 재응고를 방지하게 된다.
따라서, 전술한 바와 같이 초음파 진동을 통해 유리(10) 하부면의 용융시 발생되는 기포를 제거하여 기포의 성장을 방지함은 물론, 용융 찌꺼기의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 하여 찌꺼기의 재응고를 방지함으로써 가공되는 유리 형상의 가공 정밀도를 향상시키게 된다.
도 5 는 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치에 의해 가공된 유리 형상을 확대 비교하여 보인 확대도이다.
도 5 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치 및 방법에 의한 유리 형상의 가공시 초음파의 적용하에 스캔속도를 높여 형상을 개선시킨 모습이다. 이처럼 초음파 사용으로 인해 가공성이 좋아지는 것을 확인하였으므로, 기준 속도인 50mm/s 이상으로 증가시키며 실험해보았다. 이때, 본 발명에서 사용한 레이저 모듈(150)은 비교적 저렴한 장비인 1064nm의 장파장 레이저를 이용하였다.
즉, 스캔속도 100∼250mm/s 까지는 가공시간 7분 이하에서 가공 형상을 얻을 수 있었지만, 300mm/s에서는 12분 이상의 시간이 소요되며 관통이 원활하지 않거나 관통되더라도 도 5 의 (e)와 (f)에서 보듯이 의도했던 크기의 원형 형상이 완전하게 가공되지 않는 경우가 빈번하였다.
또한, 도 6 의 (a)와 (b) 그리고 도 6 의 (c)와 (d)를 비교해 볼 때, 스캔속도가 증가할수록 가공 에너지가 분사되어 입출구 형상이 개선되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 출구부의 형상이 크게 개선되었다. 표 1 은 도 6 에서 보인 형상의 직경과 진원도를 각각 측정한 것이다. 진원도는 최소 외접원 방식을 이용하여 ㎛단위로 계산하였다. 스캔속도 250mm/s 일 때가 200mm/s에 비해서 입구부는 직경이나 진원도 측면에서 큰 개선이 없었지만 출구부는 크게 개선되었음을 볼 수 있다. 이에 초음파를 부가하면서 습식 후면 식각 기법을 수행하는 경우 스캔속도는 250mm/s에서 비교적 깨끗한 관통 형상을 얻을 수 있었다.
한편, 가공 프로그램 상에서 의도한 스캔 직경은 130㎛이며, 레이저 빔의 스팟 사이즈가 지름 60∼70㎛이므로 최종적으로는 지름이 200㎛가 되는 관통 형상을 목표로 하였다. 그리고, 실제 가공결과 입구 도 6 의 (c)에서 지름은 약 228㎛, 출구 도 6 의 (d)에서는 약 237㎛가 측정되었다. 입구의 크기는 목표에 근접한 값으로 얻을 수 있었지만 입출구의 측정값을 보면 입구부가 출구부보다 크기가 작았다.
전술한 바와 같이 출구가 더 크게 나온 이유는 입구 부분에 레이저의 초점이 맞춰졌기 때문에 입구에서 멀어질수록 초점의 사이즈가 커지면서 테이퍼가 발생한 것으로 보인다. 앞선 실험결과들과 전체적인 형상을 비교해보면 과도한 크랙 뿐만아니라 재응고층 및 형상 찌꺼기가 줄어들어 이전보다 훨씬 깨끗하게 가공되었음을 관찰할 수 있다. 이를 통해 근적회선 파장의 레이저에서도 유리(10)의 미세 형상 가공이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.
| Figure No. | 도6(a) | 도6(b) | 도6(c) | 도6(d) | 도6(e) | 도6(f) |
| 직경 | 231 | 197 | 228 | 237 | 181 | 121 |
| 진원도 | 42 | 49 | 58 | 20 | 49 | 15 |
결론적으로, 유리의 미세 형상 가공시 가공비 및 샌산성을 개선하기 위해 본 발명에서는 레이저 습식 후면 식각기범에 비교적 저렴한 장비인 1064nm의 장파장 레이저를 이용하였다. 이를 통해 지름 200㎛ 전후의 크기를 가진 미세 형상의 관통 가공을 목표로 하여 가능한 빠르고 양호한 형상이 나오는 조건을 찾기 위해 펄스폭과 갈바노 스캔속도에 따른 가공양상을 관찰하였다. 우선 기존에 수행되던 방법과 동이하게 레이저 습식 후면 시각기법을 수행하여 기준되는 조건을 잡았으나, 미세 형상 가공시 내부의 가공 찌꺼기와 기포 배출이 원활하지 못하여 가공 입구 부분이 크게 깨져 형상이 일그러지는 문제점을 확인하였다.
우선, 기존에 수행되던 방법과 동일하게 레이저 습식 후면 식각기겁을 수행하여 기준되는 조건을 잡았으나, 미새 형상 가공시 내부의 가공 찌꺼기와 기포 배출이 원활하지 못하여 가공 입구 부분이 크게 깨져 형상이 일그러지는 문제점을 확인하였다. 따라서, 형상 정밀도를 낮추는 원인인 기포와 가공 찌꺼기 제거를 원활히 하기 위하여 초음파를 적용하여 형상 개선 효과를 비교해 보았다. 본 발명에서 적용된 초음파는 용액의 미세 진동으로 좁은 틈새에서도 기포가 잘 제거되는 기포로 인해 생기는 불규칙적인 큰 폭발을 막아 입구 부분이 깨지는 현상을 개선할 수 있었다.
또한, 형상 내부에서 발생된 찌꺼기를 원활하게 배출함으로써 좀 더 정확한 형상의 미세가공을 가능하게 하였다. 결과적으로 적외선 레이저를 이용한 유리가공 기술에 있어서 고속 저비용으로 생산성을 높일 수 있다는 가능성을 확인하였다.
본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
10. 유리
100. 유리 형상 가공장치 110. 용액저수조
112. 금속이온 전해질 120. 유리 고정지그
122. 하부 고정지그 122a. 유리 안착홈
122b. 침수홈 122c. 하부 고정홈
124. 상부 고정지그 124a. 빔 투과홈
124b. 상부 고정홈 126. 체결수단
130. 지그 고정암 132. 방진패드
140. 초음파 가진기 150. 레이저 모듈
160. 고정다이
100. 유리 형상 가공장치 110. 용액저수조
112. 금속이온 전해질 120. 유리 고정지그
122. 하부 고정지그 122a. 유리 안착홈
122b. 침수홈 122c. 하부 고정홈
124. 상부 고정지그 124a. 빔 투과홈
124b. 상부 고정홈 126. 체결수단
130. 지그 고정암 132. 방진패드
140. 초음파 가진기 150. 레이저 모듈
160. 고정다이
Claims (10)
- 레이저 빔과의 가열 반응을 통해 순간적으로 기화하여 급격히 팽창하면서 가공대상물인 유리 하부면을 용융시키는 금속이온 전해질이 저수되는 용액저수조;
상기 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질에 상기 유리의 하부면만이 침수되도록 하는 유리 고정지그;
상기 유리 고정지그를 지지하여 상기 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질 상에 상기 유리의 하부면이 침수되도록 하는 지그 고정암;
상기 용액저수조의 하부 일측에 설치되어 상기 금속이온 전해질에 초음파 진동을 부여하는 초음파 가진기; 및
상기 지그 고정암과 유리 고정지그를 통해 고정된 상기 유리의 상부면에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속이온 전해질과의 반응을 통해 상기 유리의 하부로부터 상부로 형상을 가공할 수 있도록 하는 레이저 모듈을 포함한 구성으로 이루어진 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 용액저수조의 재질은 저수되는 금속이온 전해질에 의해 부식을 방지하기 위해 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유리 고정지그는 상기 유리의 안착이 이루어지는 유리 안착홈과 상기 유리 안착홈 중심에 상하로 관통 형성되어 상기 용액저수조에 저수된 금속이온 전해질에 상기 유리 하부면의 침수가 이루어지도록 하는 침수홈 및 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 하부 고정홈이 구비된 하부 고정지그;
상기 침수홈에 대응하여 중심에 레이저 빔의 조사가 이루어질 수 있도록 상하로 관통 형성된 빔 투과홈과 상기 하부 고정홈에 대응하여 테두리 상에 일정 간격으로 관통 형성된 다수의 상부 고정홈이 구비된 상부 고정지그; 및
상기 하부 고정지그와 상부 고정지그의 테두리 상에 형성된 상기 하부 고정홈과 상부 고정홈의 일치된 고정홈 상에 체결되어 상기 하부 고정지그와 상부 고정지그 사이의 유리 안착홈 상에 상기 유리를 고정시키는 체결수단의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치. - 제 3 항에 있어서, 상기 유리 고정지그를 구성하는 상기 하부 고정지그의 재질은 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 유리 고정지그를 구성하는 상기 상부 고정지그의 재질은 아크릴로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 가진기의 진동 주파수는 20∼40kHz의 범위로 가진되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 모듈을 통해 상기 유리의 표면에 레이저 빔의 조사시 스캔헤드의 스캔속도는 50∼2,000mm/s의 속도로 스캔하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용액저수조는 프레임을 통해 형성된 일정 높이의 고정다이 상부에 설치 고정된 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 지그 고정암은 상기 용액저수조 양측의 상기 고정다이 상부에 방진패드를 통해 설치 고정된 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공장치.
- 레이저 습식 후면 식각기법을 통해 가공대상물인 유리에 형상을 가공하는 방법에 있어서,
(a) 상기 유리의 하부면이 금속이온 전해질에 침수되도록 배열하는 단계;
(b) 단계(a) 과정의 상기 금속이온 전해질에 하부면이 침수되도록 배열된 상기 유리의 가공할 부위 상부면에 레이저 빔을 조사하는 단계;
(c) 단계(b) 과정의 상기 유리의 가공할 부위에 레이저 빔을 조사하는 가운데 상기 금속이온 전해질에 초음파 진동을 부여하는 단계; 및
(d) 단계(c) 과정의 초음파 진동을 통해 레이저 빔과 금속이온 전해질의 가열 반응에 의해 용융되는 상기 유리 하부면의 기포와 찌꺼기의 제거가 이루어지면서 가공되는 형상이 유리 하부면으로부터 상부로 가공되도록 하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파 진동과 레이저 습식 후면 에칭을 이용한 유리 형상 가공방법.
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