KR20160057568A - 레이저 조사 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 조사 장치 및 방법을 개시한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사 장치 및 방법은, 레이저 빔을 생성하는 빔 생성부; 상기 빔 생성부로부터 전달된 상기 레이저 빔의 방향을 조절하는 스캔 미러부; 및 상기 스캔 미러부를 통해 방향이 조절된 상기 레이저 빔을 반사시키는 회전 미러;를 포함하고, 상기 회전 미러는, 상기 방향이 조절된 상기 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광을 형성하며 조사되도록 회전 가능 하도록 마련되는 것을 포함한다.

Description

레이저 조사 장치 및 방법{LASER IRRADIATION DEVICE AND LASER IRRADIATION METHOD USING THEREOF}
본 발명은 레이저 조사 장치 및 방법에 관한 것으로, 신속하게 레이저 조사를 하기 위한 레이저 조사 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저 조사를 이용한 공정으로, 3차원 입체 형상을 가진 제품을 제작하기 위한 3차원 프린팅, 표면처리, 반도체 디본딩 공정 등이 있다.
종래에는, 3차원의 입체 형상을 가진 제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작방식과, CNC 밀링에 의한 제작방식 등을 이용했다.
그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치 제어가 어렵고, 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치 제어가 가능하지만 공구 간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다. 따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 만들어낸 3차원 모델링에서 생성된 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린터가 개발되어 사용되고 있다.
3차원 프린터를 사용할 경우 제작비용과 시간을 절감할 수 있으며, 개인 맞춤형 생산이 가능하고, 복잡한 형상 제작이 가능해 상당한 사회적·경제적 파급효과를 가져올 것으로 예상되고 있다. 예를 들면, 시제품 제작 시 손쉽게 디자인을 수정할 수 있을 뿐 아니라 제작비·재료비·인건비 등을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 시제품 사내 제작을 통해 시제품 제작의 외부 용역으로 인한 기밀 유출의 사전 차단이 가능하고, 완제품 제작 시 제조공정이 간소화되므로 인건비·조립비 등을 절감할 수 있다. 또한, 공정 간소화 및 일체형 생산에 따라 시간도 단축할 수 있다. 아울러, 소량 생산하더라도 3차원 디자인 파일만 있으면 매번 디자인이 다른 제품을 생산하더라도 추가비용이 거의 발생하지 않아, 개인 맞춤형 생산이 용이하다. 아울러, 복잡하고 내부가 비어있는 형상을 제작하기 쉽고, 가공 후 버리는 재료도 크게 감소하게 된다.
이러한 3차원 프린터는, 3차원 설계도면에 따라 입체적인 물체를 적분하는 것처럼 가로로 매우 얇게 잘라 분석하고 레이저 빔을 조사하여 얇은 막을 한 층씩 바닥부터 쌓아 올려 물건의 형태를 완성한다. 적층 방식에는 압출, 분사, 강경화, 파우더, 소결, 인발, 시트 접합 등의 방법이 있다.
3차원 프린팅을 하기 위한 종래의 레이저 빔을 조사하는 방법은, X축과 Y축을 조절하는 복수개의 스캔 미러를 이용하여 원하는 지점에 조사하는 것으로, 가공 대상물 전체를 많은 해칭 라인으로 레이저를 조사하여야 하기 때문에 속도가 느리고 공정시간이 늘어난다. 예를 들면, 2.5mm 두께의 플라스틱 실물을 인쇄하는데 대략 2시간 가량 걸린다.
대한민국 등록특허 10-0847425호(2008.07.21)
본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사 장치는 레이저 빔의 조사 속도를 상승시키고, 공정소요 시간도 단축시키기 위한 것이다.
또한, 다양한 레이저 해칭 방식을 지원하여 조사 영역별로 최적화된 해칭을 사용할 수 있기 때문에 레이저 공정 품질이 최적화 할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 레이저 조사 장치는, 레이저 빔을 생성하는 빔 생성부; 빔 생성부로부터 전달된 레이저 빔의 방향을 조절하는 스캔 미러부; 및 스캔 미러부를 통해 방향이 조절된 레이저 빔을 반사시키는 회전 미러;를 포함하고, 회전 미러는, 방향이 조절된 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광을 형성하며 조사되도록 회전 가능하게 마련되는 것을 포함한다.
이 때, 스캔 미러부는, 가공 대상물의 가공면에 평행한 제 1 방향으로 레이저 빔의 시작점을 조절하는 제 1 스캔 미러, 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절하는 제 2 스캔 미러 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 빔 생성부는, 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 갖을 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 레이저 빔을 플랫-탑 서큘러(flat-top circular) 빔 프로파일, 플랫-탑 스퀘어(flat-top square) 빔 프로파일 또는 플랫-탑 라인(flat-top line) 빔 프로파일 중 어느 하나의 빔 프로파일로 변환하는 빔 변환부를 더 포함할 수 있다.
아울러, 레이저 조사 장치는, 라인 해칭, 지즈재그 해칭, 서큘러 해칭, 스파이럴 해칭, 크로스 해칭 중 어느 하나의 해칭 방식으로 레이저 빔을 상기 가공 대상물에 조사할 수 있다.
이때, 레이저 조사 장치는, 가공 대상물에 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정 중 어느 하나를 수행하기 위해 레이저 빔을 조사할 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 레이저 빔의 조사 대상인 가공 대상물이 위치하고 가공 대상물을 기 저장된 방향으로 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함할 수 있다.
아울러, 레이저 조사 장치는, 레이저 빔의 조사 대상인 가공 대상물이 위치하고 가공 대상물을 기 저장된 방향으로 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함하고, 스테이지는, 제 2 방향으로 조절하는 제 2 스캔 미러와 연동되어 가공 대상물을 이송할 수 있다.
이 때, 스테이지는, 가공 대상물을 고정시키기 위한 고정부를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 빔 조사부를 제어하여 해칭 방식을 선택하고, 레이저 빔이 기 저장된 스캔 미러부의 반사면의 위치에 위치하지 않아 오차가 발생하는 경우 또는 회전 미러의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우 중 어느 한 경우에 기 분석된 오차값에 따라 레이저 빔의 방향을 조절하여 에러를 보상하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
아울러, 제어부는, 위치 검출기를 이용하여 레이저 조사 장치의 오차 및 에러를 보상할 수 있다.
이 때, 레이저 조사 장치는, 레이저 빔을 생성하기 위한 복수개의 빔 생성부가 마련되고, 복수개의 빔 생성부에서 생성된 서로 다른 레이저 빔을 융합하기 위한 빔 조합 광학계를 더 포함할 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 스캔 미러부와 회전 미러를 포함하는 빔 조사부가 이동 가능하도록 빔 조사 장치를 더 포함할 수 있다.
아울러, 빔 조사 장치는, 빔 조사 장치는 상기 빔 조사부의 레이저 빔을 가공 대상물에 반사하여 조사하기 위한 빔 변환부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 빔 조사 장치는, 가공 대상물을 위치 시키는 스테이지; 및 스테이지에 뿌려진 분말을 고르게 피기 위한 파우더 롤러;를 더 포함할 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 빔 생성부로부터 발생된 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분리 및 전달시키는 하프 미러; 복수개의 하이브리드형 스캔 헤드;를 포함하고 하이브리드형 스캔 헤드는, 스캔 미러부 및 회전 미러를 포함할 수 있다.
아울러, 레이저 조사 장치는, 복수개의 하이브리드형 스캔 헤드;를 포함하고 하이브리드형 스캔 헤드는, 스캔 미러부 및 회전 미러를 포함하며, 빔 생성부는 복수개가 구비되어 각각의 하이브리드형 스캔 헤드에 복수개의 빔 생성부에서 생성한 각각의 레이저 빔을 조사할 수 있다.
또한, 레이저 조사 장치는, 대면적, 높은 생산성을 위한 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정이 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
이 때, 레이저 조사 장치는, 가공 대상물을 위치 시키는 스테이지; 및 스테이지에 뿌려진 분말을 고르게 피기 위한 파우더 롤러;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 조사 방법은, 빔 생성부에서 레이저 빔이 생성되고, 빔 생성부로부터 전달된 레이저 빔의 방향이 스캔 미러부에서 조절되고, 스캔 미러부를 통해 방향이 조절된 레이저 빔이 회전 미러에 의해 반사되어 가공 대상물에 레이저 빔이 조사 되는 레이저 조사 방법이고, 회전 미러는, 회전을 통해 상기 방향이 조절된 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광으로 조사되도록 한다.
또한, 스캔 미러부는, 가공 대상물의 가공면에 평행한 제 1 방향으로 레이저 빔의 시작점을 조절하는 제 1 스캔 미러, 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절하는 제 2 스캔 미러 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 레이저 조사 방법은, 가공 대상물에 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정 중 어느 하나를 수행하기 위해 레이저 빔을 조사할 수 있다.
이 때, 제어부는, 빔 조사부를 제어하여 해칭 방식을 선택하고, 레이저 빔이 기 저장된 상기 스캔 미러부의 반사면의 위치에 위치하지 않아 오차가 발생하는 경우 또는 상기 회전 미러의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우 중 어느 한 경우에 기 분석된 오차값에 따라 상기 레이저 빔의 방향을 조절하여 에러를 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 레이저 조사 장치는 레이저 빔의 조사 속도를 현저히 상승시킬 수 있다.
더불어, 3차원 프린팅, 표면처리 또는 디본딩 공정 등의 공정시간도 크게 단축시키는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 다양한 레이저 해칭 방식을 지원하여 조사 영역별로 최적화된 해칭을 사용할 수 있기 때문에 레이저 공정 품질이 최적화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치의 구성도를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출기를 이용한 에러 보상 방법에 대한 흐름도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조사부 및 스테이지의 구성도를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 미러를 이용한 빔 조사를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치를 구성하는 빔 변환부에 입사되는 레이저 빔과 출사되는 레이저 빔의 빔 프로파일을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 빔 조사 장치 및 스테이지를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 빔 조사 장치 및 스테이지를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 빔 조사 장치 및 스테이지를 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 빔 조사 장치 및 스테이지를 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 레이저 조사 장치의 구성도를 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도
이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 레이저 조사 장치의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하, 본 발명의 실시예에 레이저 조사 장치의 각 구성을 설명함에 있어서, 레이저 조사 장치에 포함되는 구성의 위치 또는 상호 관계 등을 설명하기 위한 방향을 특정할 때, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 조사 장치(100)는, 빔 생성부(110), 빔 경로 변경부(120), 빔 변환부(130), 빔 익스팬더(beam expander)(140), 빔 모니터링부(150), 빔 조사부(160), 스테이지(170) 및 제어부(180) 등을 포함할 수 있다.
빔 생성부(110)로부터 생성된 레이저 빔은 빔 경로 변경부(120), 빔 변환부(130), 빔 익스팬더(beam expander)(140), 빔 모니터링부(150)를 거쳐 빔 조사부(160)를 통해 스테이지(170)에 위치되는 가공 대상물(10)에 조사될 수 있다. 이 때, 빔 조사부(160)는 빔 생성부(110)로부터 전달된 레이저 빔의 방향을 조절하는 스캔 미러부(162) 및 스캔 미러부(162)를 통해 방향이 조절된 레이저 빔을 반사시키는 회전 미러(164)를 포함할 수 있다. 여기서, 회전 미러(164)는 스캔 미러부(162)를 통해 조절된 레이저 빔이 가공 대상물(10)에 선형 레이저 광을 형성하며 조사되도록 회전이 가능할 수 있다. 상기의 각각의 구성에 대해 이하에서 구체적으로 설명한다.
빔 생성부(110)는 가공 대상물(10)에 3차원 프린팅, 표면처리 또는 디본딩 공정 등을 수행하기 위한 레이저 빔을 생성한다. 이러한 빔 생성부(110)에 의해 생성된 레이저 빔은 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 가질 수 있다.
빔 경로 변경부(120)는 빔 생성부(110)에 의해 생성된 레이저 빔의 경로를 변경하여 빔 변환부(130)로 입사되도록 할 수 있다. 이러한 빔 경로 변경부(120)는 복수의 반사 미러(121, 123)를 빔 경로 상에 배치하여 빔의 경로를 변경할 수 있다.
빔 변환부(130)는 빔 생성부(110)에 의해 생성된 레이저 빔이 빔 경로 변경부(120)를 통해 입사되면 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 에너지 분포가 균일한 플랫-탑 빔 프로파일(flat-top beam profile)로 변환하여 플랫-탑 빔 프로파일을 가지는 레이저 빔이 빔 익스팬더(140)로 입사되도록 할 수 있다.
이러한 빔 변환부(130)는 레이저 빔을 플랫-탑 서큘러(flat-top circular) 빔 프로파일, 플랫-탑 스퀘어(flat-top square) 빔 프로파일 또는 플랫-탑 라인(flat-top line) 빔 프로파일 중 어느 하나의 빔 프로파일을 가지도록 변환할 수 있다. 여기서, 플랫-탑은 레이저 빔 프로파일의 상부층 형상에 관한 것이고, 서큘러, 스퀘어 및 라인은 상부층 형상을 제외한 주변부의 형상을 삼차원적으로 표현한 것일 수 있다.
빔 익스팬더(140)는 빔 경로 변경부(120)로부터 입사 될 수 있는 레이저 빔의 가는 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변환하여 출사시킬 수 있다. 이러한 빔 익스팬더(140)는 빔 변환부(130)의 전단 측과 후단 측 중에서 하나 이상의 위치에 배치될 수 있다. 또는 레이저 빔의 광선속이 충분히 굵은 경우에는 두 곳 모두에 배치되지 않을 수도 있다.
빔 모니터링부(150)는 빔 변환부(130)에 의해 변환된 레이저 빔에 대해 빔 프로파일과 레이저 파워 레벨 중에서 하나 이상을 인지할 수 있도록 표시할 수 있다. 또한 빔 생성부(110)에 기 설정한 레이저 파워 레벨과 인지된 레이저 파워 레벨과 차이가 있을 경우, 자동적으로 레이저 파워 레벨을 보상하여 빔 생성부(110)에서 기 설정된 레이저 파워 레벨로 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 이러한 빔 모니터링부(150)는 빔 변환부(130)와 빔 조사부(160) 사이의 광경로 상에 레이저 빔의 일부는 반사하고 일부는 투과하는 하프 미러(152)를 포함할 수 있으며, 하프 미러(152)에 의해 반사된 레이저 빔의 빔 프로파일 및 레이저 파워 레벨을 측정하고, 그 측정 결과를 하프 미러(152)의 특성을 감안해 보정하여 외부표시장치(154)를 통해 외부에 표시할 수 있다.
빔 조사부(160)는 레이저 빔을 가공 대상물(10)에 조사하여 3차원 프린팅, 표면 처리 및 본딩된 점착제의 점착력을 저하시키는 디본딩 공정 등을 할 수 있다.
빔 조사부(160)는 라인 해칭(line hatching), 지그재그 해칭(zigzag hatching), 서큘러 해칭(circular hatching), 스파이럴 해칭(spiral hatching) 또는 크로스 해칭(cross hatching)을 포함하는 복수의 해칭 방식 중 하나 이상의 해칭 방식으로 레이저 빔을 가공 대상물(10)의 전체면 또는 일부 영역에 조사할 수 있다.
빔 조사부(160)는 복수의 스캔 미러(162a, 162b)를 포함하는 스캔 미러부(162)와 스캔 미러부(162)로부터 반사된 레이저를 가공 대상물(10)에 신속하게 조사하기 위한 회전 미러(164)를 포함하는 하이브리드형 스캔 헤드로 구성될 수 있다. 여기서, 하이브리드형 스캔 헤드란, 스캔 미러부(162)와 회전 미러(164)를 포함하는 것을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 빔 조사부(60)는 레이저 빔이 가공 대상물(10)까지 도달하도록 하는 스캔 렌즈(166)를 더 포함할 수도 있다. 스캔 미러부(162)는 2개 이상의 스캔 미러(162a, 162b)를 포함할 수 있다. 빔 조사부(160)는 스캔 미러(162a, 162b)의 회전으로 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 위치를 조정 및 변경할 수 있다. 예를 들어, 제 1 스캔미러(162a)는 도 1의 지면상에서 돌출되어 나오는 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 1 스캔 미러(162a)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 X축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔의 시작점을 조절할 수 있다. 또한, 제 2 스캔 미러(162b)는 도 1의 지면상에서 제 2 스캔 미러(162b)의 좌우 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 2 스캔 미러(162b)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 Y축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절할 수 있다. 여기서, 제 1 스캔 미러(162a)는, X축 조사 방향을 조절하고 제 2 스캔 미러(162b)는 Y축 조사 방향을 조절하는 것으로 설명하였으나, 제 1 스캔 미러(162a) 및 제 2 스캔 미러(162b)가 회전되는 회전축의 설정에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제 1 스캔미러(162a)는 도 1의 지면상에서 지면상에서 제 1 스캔 미러(162a)의 좌우 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 1 스캔 미러(162a)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 Y축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 제 2 스캔 미러(162b)는 도 1의 지면상에서 돌출되어 나오는 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 2 스캔 미러(162b)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 X축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔의 시작점을 조절할 수 있다. 또한, 빔 조사부(160)는 제어부(180)의 제어에 따라 이송되어 레이저 빔의 시작점 및 간격을 조정할 수도 있다.
빔 조사부(160)의 스캔 미러부(162)와 회전 미러(164)의 구조상 위치 및 레이저 조사를 위한 진행 순서는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 하프 미러(152)를 통과한 레이저 빔이 회전 미러(164)를 지난 후, 스캔 미러부(162)로 반사되어 가공 대상물(10)에 조사될 수 있다. 또는, 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 빔이 스캔 미러부(162)를 통과한 후, 회전 미러(164)에 의해 가공 대상물에 조사 되도록 할 수 있다. 이 경우 기 조정된 레이저 빔을 회전 미러(164)에 입사되도록 하여 레이저 빔의 위치 조정 후 회전 미러(160)에 의해 선형 레이저 광을 형성할 수 있도록 할 수 있어 빔의 정확성이 더욱 향상될 수 있다.
스테이지(170)는 레이저 빔이 조사되는 가공 대상물(10)이 놓일 수 있도록 마련될 수 있다. 스테이지(170)는 다각형 또는 원형 중 어느 하나의 모양일 수 있다. 스테이지(170)는 가공 대상물(10)을 고정하기 위한 고정부(172)를 포함할 수 있다. 고정부(172)는 레이저 빔이 조사되는 동안 가공 대상물(10)이 움직이지 않도록 할 수 있다. 또한, 스테이지(170)는 제어부(180)의 제어에 따라 이송될 수 있다.
제어부(180)는 이와 같이 구성된 레이저 조사 장치(100)를 제어하게 되며, 컴퓨터 등의 장치에 프로그램 형태로 포함되어 구현될 수 있다. 제어부(180)의 제어에 따라 3차원 프린팅, 표면처리 또는 디본딩 공정 등을 수행할 수 있으며, 이러한 제어부(180)는 빔 생성부(110)와 빔 조사부(160)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(180)의 제어에 의하여 빔 조사부(160)는 가공 대상물(10)의 재질에 따라 기 설정된 복수의 해칭 방식 중 어느 한 해칭 방식을 사용하여 레이저 빔을 조사할 수 있다. 아울러, 제어부(180)는 스테이지(170)의 이송, 빔 조사부(160)의 이송 또는 스캔 미러부(162)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 가공 대상물(10)에 레이저 빔 조사 시, 레이저 빔이 스캔 헤드(162)의 반사면 중앙에 정확히 위치하지 않거나 회전 미러부(164)의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우, 스캔 미러부(162)의 제어를 통해 회전 미러(164)로 입사되는 레이저 빔의 방향으로 기 분석된 오차값에 따라 조정함으로써, 레이저 조사 장치(100)의 에러를 보상할 수 있다. 예를 들어, 위치 검출기(PSD : Position Sensitivity Detector)를 이용하여 레이저 조사 장치의 에러를 보상할 수 있다. 상기의 위치 검출기를 이용한 에러 보상 방법은 이하의 도2에 대한 설명에서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출기를 이용한 에러 보상 방법에 대한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 위치 검출기를 이용한 에러 보상 방법은, 스테이지(170)위에 가공 대상물(10) 대신 복수의 위치 검출기를 포함하는 기판을 고정하는 단계(S110)와, 레이저 빔이 기판의 중앙에 위치하도록 스테이지(170)를 이송하는 단계(S120)와, 제 1 위치 검출기의 중앙에 레이저 빔이 위치하도록 빔 조사부(160)를 이동시키는 단계(S130)와, 제 1 위치 검출기로부터 출력된 신호를 검출하고, 검출된 신호를 토대로 제 1 위치 검출기의 현재 위치값을 확인하는 단계(S140)와, 제 1 위치 검출기의 현재 위치값과 기 설정된 위치 검출기의 위치 값을 비교하여 에러 여부를 비교하는 단계(S150)와, 비교 여부를 통해 오차를 확인하는 단계(S160)와, 확인된 에러 위치가 기 설정된 위치 검출기의 위치 값과 일치하도록 보정하는 단계(S170)와, 모든 위치 검출기의 보정을 완료하는 단계(S180)와, 다음 위치 검출기의 중앙으로 이동 후 원점으로 인식하는 단계(S190)를 포함한다.
제 1 위치 검출기의 현재 위치값과 기 설정된 위치 검출기의 위치 값을 비교하여 에러 여부를 비교하는 단계(S150)를 통해, 에러 여부를 판단할 수 있다. 에러가 발생된 것으로 판단된 경우에는 확인된 에러 위치가 기 설정된 위치 검출기의 위치 값과 일치하도록 보정하는 단계(S170)로 진행하여 빔 조사부(160)를 보정된 원점에 일치할 때까지 1LSB 만큼씩 이동시켜 에러를 보정할 수 있다. 에러 보정이 완료된 경우 또는 에러 여부를 비교하는 단계(S150)에서 에러가 발생되지 않은 경우에는, 모든 위치 검출기의 보정을 완료하는 단계(S180)로 진행하여, 에러에 대한 모든 위치 검출기의 보정 완료 여부를 확인할 수 있다. 아직 모든 위치 검출기의 보정이 완료되지 않은 경우에는 제 2 위치 검출기의 중앙으로 이동 후 원점으로 인식하는 단계(S190)로 진행하여 제 2 위치 검출기의 중앙 위치로 빔 조사부를 기 설정된 거리만큼 이동시켜 원점을 인식시킬 수 있다. 상기의 동작을 통해 모든 위치 검출기의 보정을 완료하는 단계(S180)에서 모든 위치 검출기에 대한 이동 및 보정이 완료된 경우에는 에러 보정을 종료할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조사부 및 스테이지를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 빔 조사부(160)는 스캔 미러부(162), 회전 미러(164), 스캔 렌즈(166)를 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는, 스캔 미러부(162)에 2개의 스캔 미러(162a, 162b)가 포함되는 경우에 대하여 주로 설명하나, 3개 이상의 스캔 미러가 포함될 수도 있음은 물론이다.
스캔 미러부(162)는 복수의 스캔 미러(162a, 162b)를 포함할 수 있다. 스캔 미러부(162)는 스캔 미러(162a, 162b)의 회전으로 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 위치를 조정 및 변경할 수 있다. 예를 들어, 제 1 스캔미러(162a)는 도 1의 지면상에서 돌출되어 나오는 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 1 스캔 미러(162a)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 X축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔의 시작점을 조절할 수 있다. 또한, 제 2 스캔 미러(162b)는 도 1의 지면상에서 제 2 스캔 미러(162b)의 좌우 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 2 스캔 미러(162b)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 Y축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절할 수 있다. 여기서, 제 1 스캔 미러(162a)는, X축 조사 방향을 조절하고 제 2 스캔 미러(162b)는 Y축 조사 방향을 조절하는 것으로 설명하였으나, 제 1 스캔 미러(162a) 및 제 2 스캔 미러(162b)가 회전되는 회전축의 설정에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제 1 스캔미러(162a)는 도 1의 지면상에서 지면상에서 제 1 스캔 미러(162a)의 좌우 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 1 스캔 미러(162a)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 Y축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 제 2 스캔 미러(162b)는 도 1의 지면상에서 돌출되어 나오는 방향을 회전축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이를 통해, 제 2 스캔 미러(162b)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 X축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔의 시작점을 조절할 수 있다. 따라서, 스캔 미러부(162)는 복수의 스캔 미러(162a, 162b)를 이용해 레이저 빔의 조사 위치가 가공 대상물(10)의 면 상의 모든 위치가 될 수 있도록 할 수 있다.
회전 미러(164)는 다각형 또는 원형으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 3의 지면 방향으로 다각형 또는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 회전 미러(164)는 스캔 미러부(162)를 통해 입사된 레이저 빔을 반사시켜 가공 대상물(10)에 도달하도록 할 수 있다. 회전 미러(164)는 레이저 빔을 신속하게 조사하여 3차원 프린팅, 표면처리 또는 디본딩 공정 등을 하기 위하여, 고속으로 회전할 수 있다. 회전속도는 회전모터의 성능에 따라 100m/s ~ 300m/s 사이의 값일 수 있다. 바람직하게는, 회전 미러(164)의 회전속도는 160m/s ~ 200m/s 사이의 값일 수 있다. 또한, 회전 미러(164)의 회전 방향은 시계 방향 또는 시계 반대방향일 수 있다. 회전 미러(164)의 회전을 통해 레이저 빔이 가공 대상물에 신속하고 불연속적으로 빔을 조사할 수 있다. 회전 미러(164)는 고속 회전을 이용해, 불연속적으로 조사된 빔을 선형 레이저 광으로 조사되도록 할 수 있다. 선형 레이저 광으로 조사되도록 하기 위한 레이저 빔의 조사 진행 방향은 왼편에서 오른편으로의 방향일 수도 있고, 오른편에서 왼쪽으로의 방향일 수도 있다. 또한, 진행 방향이 일정치 않고 왼편에서 오른편, 오른편에서 왼편이 불규칙하게 섞여 선형 레이저 광을 생성할 수 도 있다. 회전 미러(164)에 대한 설명은 도 4에 더 자세히 상술한다.
스캔 렌즈(166)는 회전 미러(164)에 의해 방향이 전환된 레이저 빔을 집속 또는 변경 시킬 수 있다. 예를 들어, 스캔 렌즈(166)의 초점면에서 플랫-탑 모양을 가진 스폿사이즈를 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 범위 내에서 변경시킬 수 있다. 또한, 스캔 렌즈(166)는 레이저 조사를 위해 응용목적에 따라 스캔 미러부(162)의 앞이나 회전 미러(164)의 다음에 배치될 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물(10)의 크기가 크거나, 레이저가 조사하고자 하는 면이 대면적일 경우, 스캔 렌즈(166)는 스캔 미러부(162)의 앞에 배치될 수 있다. 즉, 스캔 렌즈(166)를 스캔 미러부(162)의 앞에 배치함으로써, 넓은 대면적에 레이저를 조사할 수 있다. 이 때, 빔 익스팬더(140)를 이용해 빔의 크기를 변경할 수 있다. 아울러, 가공 대상물의 크기가 작거나, 레이저가 조사하고자 하는 면이 비교적 좁을 경우, 스캔 렌즈(166)는 회전 미러(164)의 다음에 배치될 수 있다. 스캔 렌즈(166)가 회전 미러(164)의 다음에 배치됨으로써, 고품질의 가공품을 만들어 낼 수 있다. 스캔 렌즈(166)는 빔 크기의 변경 범위에 따라 교체 할 수 있다.
스테이지(170)는 레이저 빔이 조사되는 동안 가공 대상물(10)을 이송할 수 있다. 이송하는 방향은 X축 방향 또는 Y축 방향이 될 수 있다. 예를 들어, 회전 미러(164)의 회전에 의해 형성되는 선형 레이저 광에 수직한 방향일 수 있다. 또한, 스테이지(170)의 이동 속도는 스캔 미러부(162)에서 레이저 빔이 조사되는 Y축 방향의 위치를 조정함으로써 조사되는 레이저 간의 Y축 방향 간격을 조정하는 제 2 스캔 미러(162b)와 연동 될 수 있다. 예를 들어, 스테이지(170)가 이송하는 속도는 제 2 스캔 미러(162b)가 회전하는 속도보다 상대적으로 느릴 수 있으므로, 스테이지(170)가 가공 대상물(10)을 이송하는 동안, 제 2 스캔 미러(162b)의 회전을 통해 레이저 간의 간격을 미세하게 조정할 수 있다. 또한, 일정 구간 내에서 반복적으로 레이저를 조사할 수 있다. 스테이지(170)와 제 2 스캔 미러(162)의 연동을 통해, 스테이지(170)만 이동하여 간격을 조절할 때 보다 빠른 속도로 레이저를 조사할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 미러를 이용한 빔 조사를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 회전 미러(164)는 회전을 통해 레이저 빔의 반사 방향을 X축의 방향으로 이동시키며 조사할 수 있다. 이하의 설명에서는, 회전 미러(164)의 단면이 육각형인 형태에 대하여 주로 설명하나, 다각형 또는 원형(또는 타원형)으로 형성될 수 있음은 물론이다. 즉, 회전 미러(164)는, 도 4의 지면 방향으로 다각형 또는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
회전 미러(164)는 입사된 레이저 빔을 반사시켜 가공 대상물(10)에 도달하도록 할 수 있다. 회전 미러(164)는 도 4의 지면방향을 축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 고속 회전할 수 있다. 회전속도는 회전모터의 성능에 따라 100m/s ~ 300m/s 사이의 값일 수 있다. 바람직하게는, 회전 미러(164)의 회전속도는 160m/s ~ 200m/s 사이의 값일 수 있다. 회전 미러(164)의 고속 회전을 통해 레이저 빔이 가공 대상물(10)에 선형 레이저 광으로 조사될 수 있도록 할 수 있다. 선형 레이저 광으로 조사되도록 하기 위한 레이저 빔의 조사 진행 방향은 왼편에서 오른편으로의 방향일 수도 있고, 오른편에서 왼쪽으로의 방향일 수도 있다. 또한, 진행 방향이 일정치 않고 왼편에서 오른편, 오른편에서 왼편이 불규칙하게 섞여 선형 레이저 광을 생성할 수도 있다.
구체적으로 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 미러(164)에 입사되어 가공 대상물(10) 측으로 반사되는 레이저 빔은 회전 미러(164)에 입사되는 지점에 따라, 반사되어 가공 대상물(10)에 도달되는 위치가 상이할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 미러(164)에 입사되는 레이저 빔(LB)의 방향이 일정하다는 가정 하에, 회전 미러(164)의 회전 위치에 따라 가공 대상물(10)에 레이저 빔(LB)이 도달되는 위치가 상이함을 확인할 수 있다. 도 4에서 실선으로 도시된 회전 미러(164)의 회전 위치(RM1)와 파선으로 도시된 회전 미러(164)의 회전 위치(RM2)에 있어서, 동일한 레이저 빔(LB)이 회전 미러(164)에 의해 반사되는 방향이 다르게 되며(LB1 및 LB2), 이는 가공 대상물(10)에 레이저 빔이 도달되는 위치가 서로 상이하게 되는 것을 의미한다. 한편, 이러한 회전 미러(164)가 고속으로 회전(도 4의 지면에서 나오는 방향을 회전축으로 하여 회전)하게 되면, 회전 미러(164)에 의해 반사되는 레이저 빔(LB)이 가공 대상물(10) 상에 연속적 또는 불연속적으로 특정 선형 라인 상에 조사됨으로써, 선형 레이저 광의 형태를 형성하게 된다.
나아가, 회전 미러(164)의 단면 형상이 육각형 또는 다각형으로 형성되는 경우, 회전 미러(164)에 입사되는 레이저 빔(LB)이 육각형 또는 다각형의 변(단면을 기준으로 설명하므로 ??으로 표현하였으나, 실제로는 면의 형태를 가짐)에 입사되는 경우, 레이저 빔(LB)이 상기 선형 라인 상에서 연속적인 형태로 위치가 변하게 된다. 또한, 레이저 빔(LB)이 육각형 또는 다각형의 꼭지점(단면을 기준으로 설명하므로 ?읒痴?으로 표현하였으나, 실제로는 선의 형태를 가짐) 전후에서는 육각형 또는 다각형의 변의 각도가 불연속적으로 변하게 되는 바, 레이저 빔(LB)이 상기 선형 라인 상에서 불연속적인 형태로 변하게 된다.
다만, 상술한 회전 미러(164)가 고속 회전을 하게 되므로, 이러한 연속적 또는 불연속적인 레이저 빔(LB)의 조사는 선형 레이저 광의 형성에 있어서 영향을 미치지 않는다. 즉, 회전 미러(164)의 고속 회전에 의해 레이저 빔(LB)이 선형 라인 상의 서로 다른 위치에 연속적 또는 불연속적으로 조사되면서 선형 레이저 광을 형성되게 된다.
더불어, 회전 미러의 단면이 원형으로 형성되는 경우 회전 미러의 회전 축은 원형의 중심과 편심되어 있을 수 있으며, 이로써 선형 레이저 광이 형성될 수 있다. 또한, 회전 미러의 단면이 타원형으로 형성되는 경우, 회전 미러의 회전 축은 타원형의 중심과 동심 또는 편심되어 있을 수 있다.
레이저가 회전을 통해 레이저 빔과 접촉하는 지점의 변경을 통해, 레이저 빔이 가공 대상물(10)에 반사되는 반사각이 변경되어 레이저 빔이 조사할 수 있다. 아울러, 회전 미러(164)의 고속 회전을 통해 접촉하는 지점의 변경이 고속으로 이루어 지면서, 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔은 선형 광으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법은, 제어부(180)에서 제어 파라미터를 설정하는 단계(S210)와, 빔 생성부(110)에서 레이저 빔을 생성하고 방출하는 단계(S220)와, 스캔 미러부(162)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S230)와, 회전 미러(164)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S240)와, 스테이지(170)을 이동 시키는 단계(S250)와, 레이저 빔의 오차 값을 판단하는 단계(S260)와, 가공 대상물에 레이저를 조사하는 단계(S270)를 포함한다.
제어부(180)에서 제어 파라미터를 설정하는 단계(S210)를 통해, 조사하고자 하는 레이저 빔의 특성에 따라, 레이저 파장, 레이저 펄스 및 레이저 발진 방법 등을 설정할 수 있다.
빔 생성부(110)에서 레이저 빔을 생성하고 방출하는 단계(S220)를 통해, 제어부에서 설정된 값으로 레이저 빔을 생성하고 방출할 수 있다. 빔 생성부(110)에 의해 생성된 레이저 빔은 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 가질 수 있다.
스캔 미러부(162)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S230)에서는, 빔 생성부(110)로부터 전달된 레이저 빔의 방향이 조절되어 반사될 수 있도록 할 수 있다. 스캔 미러부(162)는 복수의 스캔 미러(162a, 162b)를 포함할 수 있다. 제 1 스캔 미러(162a)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 X축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔의 시작점을 조절할 수 있다. 제 2 스캔 미러(162b)는 가공 대상물(10)에 조사되는 레이저 빔의 Y축 조사 방향을 조정하여 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절할 수 있다.
회전 미러(164)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S240)에서는, 스캔 미러부(162)를 통해 방향이 조절된 레이저 빔을 가공 대상물(10)에 반사될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 회전 미러(164)는 회전을 통해 방향이 조절된 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광으로 조사되도록 할 수 있다. 회전 미러(164)의 회전을 통해 레이저 빔이 가공 대상물에 신속하고 불연속적으로 빔을 조사하게 된다. 회전 미러(164)는 고속 회전을 이용해, 불연속적으로 조사된 빔을 선형 레이저 광으로 조사되도록 한다. 선형 레이저 광으로 조사되도록 하기 위한 레이저 빔의 조사 진행 방향은 왼편에서 오른편으로의 방향일 수도 있고, 오른편에서 왼쪽으로의 방향일 수도 있다. 또한, 진행 방향이 일정치 않고 왼편에서 오른편, 오른편에서 왼편이 불규칙하게 섞여 선형 레이저 광을 생성할 수 도 있다.
스테이지(170)을 이동시키는 단계(S250)에서, 스테이지(170)는 레이저 빔이 조사되는 동안 가공 대상물(10)을 이송할 수 있다. 스테이지(170)는 다각형 또는 원형 중 어느 하나의 모양일 수 있다. 스테이지(170)가 가공 대상물을 이송하는 방향은 X축 방향 또는 Y축 방향이 될 수 있다. 예를 들어, 회전 미러(164)의 회전에 의해 형성되는 선형 레이저 광에 수직한 방향일 수 있다. 또한, 스테이지(170)의 이동 속도는 스캔 미러부(162)에서 레이저 빔의 Y축을 조정하여 레이저 간의 간격을 조정하는 스캔 미러(162b)와 동기화 될 수 있다. 스테이지(170)는 가공 대상물(10)을 고정하기 위한 고정부(172)를 포함할 수 있다. 고정부(172)는 스테이지(170)가 이동하는 동안 가공 대상물(10)이 움직이지 않도록 할 수 있다.
레이저 빔의 오차 값을 판단하는 단계(S260)에서, 제어부는, 가공 대상물(10)에 레이저 빔 조사 시, 레이저 빔이 스캔 미러부(162)의 반사면 중앙에 정확히 위치하지 않거나 회전 미러(164)의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우, 스캔 미러부(162)의 제어를 통해 회전 미러(164)로 입사되는 레이저 빔의 방향으로 기 분석된 오차값에 따라 조정함으로써, 레이저 조사 장치(100)의 에러를 보상할 수 있다.
가공 대상물에 레이저를 조사하는 단계(S270)는, 스테이지(170)의 고정부(172)에 위치한 가공 대상물(10)에 레이저를 조사할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사 방법은 레이저 조사 장치를 구성하는 구성요소들의 배치 관계에 따라 빔 경로를 변경하는 단계나 레이저 빔의 가는 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변환하는 단계 등을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치를 구성하는 빔 변환부(도 1의 130)에 입사되는 레이저 빔과 출사되는 레이저 빔의 빔 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 (a)는 빔 변환부로 입사되는 레이저 빔의 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 나타낸 것이며, (b)는 빔 변환부에서 출사되는 레이저 빔의 플랫-탑 서큘러 빔 프로파일을 나타낸 것이고, (c)는 빔 변환부에서 출사되는 레이저 빔의 플랫-탑 스퀘어 빔 프로파일을 나타낸 것이다. 이외에도, 빔 변환부는 입사되는 레이저 빔의 가우시안 서큘러 빔 프로파일을 플랫-탑 라인 빔 프로파일을 가지도록 변환할 수 있다.
빔 변환부에 의해 빔 프로파일이 변환된 레이저 빔이 빔 익스팬더(도 1의 140)로 입사되며, 빔 익스팬더는 입사되는 레이저 빔의 가는 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변환시킨다.
여기서, 빔 모니터링부(도 1의 150)는 빔 변환부에 의해 변환된 레이저 빔에 대해 그 빔 프로파일 및 레이저 파워 레벨을 사용자 등이 인지할 수 있도록 외부에 표시할 수 있다. 또한 빔 생성부(110)에 기 설정한 레이저 파워 레벨과 인지된 레이저 파워 레벨과 차이가 있을 경우, 자동적으로 레이저 파워 레벨을 보상하여 빔 생성부(110)에서 기 설정된 레이저 파워 레벨로 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 즉, 빔 모니터링부는 빔 변환부와 빔 조사부(도 1의 160) 사이의 광경로 상에 배치된 하프 미러(도 1의 152)에 의해 반사된 레이저 빔의 빔 프로파일 및 레이저 파워 레벨을 측정하며, 그 측정 결과를 하프 미러의 특성을 감안해 보정하여 외부표시장치(도 1의 154)를 통해 외부에 표시할 수 있다. 이러한 빔 모니터링부에 의해 표시된 정보를 인지한 사용자 등은 레이저 조사 장치(도 1의 100)가 정상적으로 구동되고 있는지를 쉽게 확인할 수 있다.
다음으로, 빔 조사부는 빔 프로파일이 변환되어 플랫-탑 빔 프로파일을 가지는 레이저 빔을 가공 대상물(도 1의 10)에 조사하여 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 본딩된 점착제의 점착력을 저하시킬 수 있다. 이러한 빔 조사부에 의한 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하는 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정 등은 컴퓨터 등의 제어부(도 1의 180)의 제어에 수행될 수 있다.
여기서, 빔 조사부는 스캔 미러부(도 1의 162)를 구성하는 스캔 미러(도 1의 162a, 162b)의 배치 각도를 조절하여 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 위치를 조정 및 변경하며, 이러한 연속적인 위치 조정 및 변경을 통해 라인 해칭, 지그재그 해칭, 서큘러 해칭, 스파이럴 해칭 또는 크로스 해칭을 포함하는 복수의 해칭 방식 중 어느 한 해칭 방식으로 레이저 빔을 가공 대상물의 전체면 또는 가장자리 영역에 조사할 수 있다.
도 7과 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 빔 조사 장치 및 스테이지를 나타낸 도면이다.
도 7과 도 8을 참조하면, 빔 조사 장치(200)는 빔 경로 변경부(230), 빔 조사부(260), 파우더 롤러(290)를 포함할 수 있다.
여기서, 빔 조사부(260)의 각각의 구성 및 효과는 상기 도 1 내지 도 5에서 상술한 바와 같으며, 빔 조사부(260)의 각각의 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
빔 조사 장치(200)는 내부에 빔 조사부(260)를 위치시키고 있고, 빔 조사부(260)를 중심으로 X축 방향의 양 끝에 레이저 빔의 방향을 바꾸기 위한 빔 경로 변경부(230)를 위치 시킬 수 있다. 또한, 빔 조사 장치(200)는 X축 방향을 중심으로 전진 방향 및 후진 방향 중 어느 한 방향으로 이동 할 수 있다. 빔 조사 장치(200)가 X축 전진 방향으로 이동 시, 빔 조사부(260)는 스캔 미러부(도 1의 162)의 구동을 통해 레이저 빔을 이동하는 방향의 반대방향, 즉, X축을 중심으로 후진 방향으로 레이저 빔을 조사할 수 있다. 이 때, 빔 조사 장치(200)의 빔 경로 변경부(230)는 빔 조사부(260)를 통해 조사된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사할 수 있다. 빔 조사 장치(200)가 X축 후진 방향으로 이동 시, 빔 조사부(260)는 스캔 미러부의 구동을 통해 레이저 빔을 이동하는 방향의 반대방향, 즉, X축을 중심으로 전진 방향으로 레이저 빔을 조사할 수 있다. 이 때, 빔 조사 장치(200)의 빔 경로 변경부(230)는 빔 조사부(260)를 통해 조사된 레이저 빔을 가공 대상물에 조사할 수 있다.
파우더 롤러(290)는 원기둥 형태로 빔 조사 장치(200)의 하단에 설치될 수 있다. 파우더 롤러(290)는 빔 조사 장치(200)가 이동할 때, 스테이지(270)에 뿌린 분말을 고르게 펴면서 이동될 수 있다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 빔 조사 장치를 나타낸 도면이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 빔 조사 장치(300)는 빔 조사부(360, 370), 파우더 롤러(390)를 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는, 빔 조사부(360, 370)는 2개가 포함된 경우에 대하여 주로 설명하나, 3개 이상의 빔 조사부가 포함될 수도 있음은 물론이다. 여기서, 빔 조사부(360, 370)의 각각의 구성 및 효과는 상기 도 1 내지 도 5에서 상술한 바와 같으며, 빔 조사부(360, 370)의 각각의 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
빔 조사부(360, 370)는 도 1 내지 도 5에 상술한 각각의 구성에, 하프 미러(368, 378)를 더 포함할 수 있다.
빔 조사부(360)는 빔 조사 경로 상에 설치될 수 있다. 빔 조사부(360)간의 이격 거리는 사용자의 편의대로 조절 할 수 있다.
제 1 하프 미러(368)는 레이저 빔을 받아, 레이저 빔을 나누어 반사시킬 수 있다. 즉, 일부는 제 1 빔 조사부(360)에 반사시키고, 일부는 제 2 하프 미러(378)에 반사시킬 수 있다. 제 2 하프 미러(378)에 조사된 레이저 빔은 빔을 나누어, 제 2 빔 조사부(370) 및 제 3 하프 미러(미도시)에 빔을 반사시킬 수 있다. 상기와 같은 방식으로 빔 조사부의 개수를 늘릴 수 있으며, 이를 통해 대면적에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 즉, 빔 조사부(360, 370)의 개수를 늘릴수록 더 넓은 면적에 레이저 빔을 조사할 수 있다.
파우더 롤러(390)는 원기둥 형태로 빔 조사 장치(300)의 하단에 설치될 수 있다. 파우더 롤러(390)는 빔 조사 장치(300)가 이동할 때, 스테이지(미도시)에 뿌린 분말을 고르게 펴면서 이동될 수 있다. 파우더 롤러(390)의 길이는 빔 조사부(360)의 개수에 따라 달라지며, 사용자의 편의로 조절 또는 교체가 가능할 수 있다.
상기의 경우는 하나의 빔 생성부(310)에서 조사되는 레이저 빔을 하프 미러(368, 378)을 이용해 나누어 복수의 빔 조사부(360, 370)에 반사시키는 경우에 대해 설명했으나, 도 7과 같이, 복수의 빔 생성부(320, 330)를 이용해, 복수의 빔 조사부(360, 370)에 각각 빔을 전달하여 대면적에 레이저 빔을 조사하는 것도 포함될 수 있음은 물론이다. 이 때, 빔 생성부(320, 330)에서 방출되는 각각의 레이저 빔은 레이저 파장, 레이저 펄스 등이 상이할 수 있다. 이를 통해, 대면적에 레이저 빔을 조사할 수 있음은 물론이고, 고품질의 가공품을 생산할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 레이저 조사 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 레이저 조사 장치는 레이저 조사 장치(500)는, 빔 생성부(510, 610), 빔 경로 변경부(520, 620, 660), 빔 변환부(530. 630), 빔 익스팬더(beam expander)(540, 640), 빔 모니터링부(550, 650), 빔 조사부(560), 스테이지(570), 제어부(580) 및 빔 조합 광학계(590) 등을 포함한다.
빔 생성부(510, 610)는 서로 상이한 레이저 파장, 레이저 펄스 등을 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있다. 또한, 레이저 발진 방법 등이 다른 레이저를 적용할 수 있다.
빔 조합 광학계(590)는 레이저 품질을 개선하기 위한 것으로, 복수개의 빔 생성부(510, 610)에서 방출된 레이저 빔을 융합하여 빔 조사부(560)에 방출할 수 있다. 서로 다른 복수개의 레이저 빔의 융합을 통해 보다 균일하고 품질이 우수한 레이저 가공 공정을 만들 수 있다. 또한, 가공 대상물의 재료에 따라 우수한 가공 품질을 얻기 위해서 서로 다른 복수개의 레이저 빔 중에 필요 없는 빔의 파장을 제거할 수 있다.
그 외에 빔 생성부(510, 610), 빔 경로 변경부(520, 620, 660), 빔 변환부(530. 630), 빔 익스팬더(beam expander)(540, 640), 빔 모니터링부(550, 650), 빔 조사부(560), 스테이지(570) 및 제어부(580)는 상기 일 실시예와 동일한 역할 및 구조를 갖는다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12에 도시된 바와 같이 레이저 조사 장치에 의한 레이저 조사 방법은, 제어부(580)에서 제어 파라미터를 설정하는 단계(S310)와, 복수의 빔 생성부(510, 610)에서 레이저 빔을 생성하고 방출하는 단계(S320)와, 복수의 레이저 빔을 빔 조합 광학계(590)를 이용하여 조합하는 단계(S330)와, 스캔 미러부(562)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S340)와, 회전 미러(564)가 레이저 빔을 반사하는 단계(S350)와, 스테이지(170)을 이동 시키는 단계(S360)와, 레이저 빔의 오차 값을 판단하는 단계(S370)와, 가공 대상물에 레이저를 조사하는 단계(S380)를 포함한다.
복수의 레이저 빔을 빔 조합 광학계(590)를 이용하여 조합하는 단계(S330)에서는, 복수개의 빔 생성부(510, 610)에서 방출된 레이저 빔을 융합하여 빔 조사부(560)에 방출할 수 있다. 빔 조합 광학계(590)를 이용해 레이저 빔을 융합하기 때문에, 복수개의 빔 생성부(510, 610)에서 방출되는 레이저 빔은 각각 레이저 파장, 레이저 펄스 등이 상이할 수 있다. 또한, 레이저 발진 방법 등이 다른 레이저를 적용할 수 있다. 빔 조합 광학계(590)는 서로 다른 복수개의 레이저 빔의 융합을 통해 보다 균일하고 품질이 우수한 레이저 가공 공정을 만들 수 있다. 또한, 가공 대상물의 재료에 따라 우수한 가공 품질을 얻기 위해서 서로 다른 복수개의 레이저 빔 중에 필요 없는 빔의 파장을 제거할 수 있다.
그 외에 제어부(580)에서 제어 파라미터를 설정하는 단계(S310)와, 복수의 빔 생성부(510, 610)에서 레이저 빔을 생성하고 방출하는 단계(S320)와, 스캔 미러부(562)가 레이저를 반사하는 단계(S340)와, 회전 미러(564)가 레이저를 반사하는 단계(S350)와, 스테이지(570)을 이동 시키는 단계(S360)와, 레이저 빔의 오차 값을 판단하는 단계(S370)와, 가공 대상물에 레이저를 조사하는 단계(S380)는 일 실시예와 동일한 방법으로 실시 된다.
이러한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 조사 방법은 레이저 조사 방법은 레이저 조사 장치를 구성하는 구성요소들의 배치 관계에 따라 빔 경로를 변경하는 단계나 레이저 빔의 가는 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변환하는 단계 등을 더 포함할 수 있다.
10 : 가공 대상물
100, 200, 300, 500 : 레이저 조사 장치
110, 310, 320, 330, 510, 610 : 빔 생성부
120, 230, 520, 620, 660 : 빔 경로 변경부
130, 530, 630 : 빔 변환부
140, 540, 640 : 빔 익스펜더
150, 550, 650 : 빔 모니터링부
152, 552, 652 : 하프미러
154, 554, 654 : 외부표시장치
160, 260, 360, 370, 560 : 빔 조사부
162, 562 : 스캔 미러부
162a, 562a : 제 1 스캔미러
162b, 562b : 제 2 스캔미러
164, 564 : 회전 미러
166, 566 : 스캔 랜즈
170, 270, 570 : 스테이지
172, 572 : 고정부
180, 580 : 제어부
290, 390 : 파우더 롤러
590 : 빔 조합 광학계

Claims (23)

  1. 레이저 빔을 생성하는 빔 생성부;
    상기 빔 생성부로부터 전달된 상기 레이저 빔의 방향을 조절하는 스캔 미러부; 및
    상기 스캔 미러부를 통해 방향이 조절된 상기 레이저 빔을 반사시키는 회전 미러;를 포함하고,
    상기 회전 미러는, 상기 방향이 조절된 상기 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광을 형성하며 조사되도록 회전 가능하게 마련되는, 레이저 조사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스캔 미러부는,
    상기 가공 대상물의 가공면에 평행한 제 1 방향으로 상기 레이저 빔의 시작점을 조절하는 제 1 스캔 미러, 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 상기 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절하는 제 2 스캔 미러 중 하나 이상을 포함하는, 레이저 조사 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 생성부는,
    가우시안 서큘러 빔 프로파일을 갖는, 레이저 조사 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 레이저 빔을 플랫-탑 서큘러(flat-top circular) 빔 프로파일, 플랫-탑 스퀘어(flat-top square) 빔 프로파일 또는 플랫-탑 라인(flat-top line) 빔 프로파일 중 어느 하나의 빔 프로파일로 변환하는 빔 변환부를 더 포함하는, 레이저 조사 장치
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    라인 해칭, 지즈재그 해칭, 서큘러 해칭, 스파이럴 해칭, 크로스 해칭 중 어느 하나의 해칭 방식으로 상기 레이저 빔을 상기 가공 대상물에 조사하는, 레이저 조사 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    가공 대상물에 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정 중 어느 하나를 수행하기 위해 레이저 빔을 조사하는, 레이저 조사 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 레이저 빔의 조사 대상인 상기 가공 대상물이 위치하고 상기 가공 대상물을 기 저장된 방향으로 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 레이저 빔의 조사 대상인 상기 가공 대상물이 위치하고 상기 가공 대상물을 기 저장된 방향으로 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함하고,
    상기 스테이지는,
    상기 제 2 방향으로 조절하는 상기 제 2 스캔 미러와 연동되어 상기 가공 대상물을 이송하는, 레이저 조사 장치.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 스테이지는,
    상기 가공 대상물을 고정시키기 위한 고정부를 포함하는, 레이저 조사 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 빔 조사부를 제어하여 해칭 방식을 선택하고, 상기 레이저 빔이 기 저장된 상기 스캔 미러부의 반사면의 위치에 위치하지 않아 오차가 발생하는 경우 또는 상기 회전 미러의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우 중 어느 한 경우에 기 분석된 오차값에 따라 상기 레이저 빔의 방향을 조절하여 에러를 보상하기 위한 제어부를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부는,
    위치 검출기를 이용하여 상기 레이저 조사 장치의 오차 및 에러를 보상하는, 레이저 조사 장치.

  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 레이저 빔을 생성하기 위한 복수개의 빔 생성부가 마련되고,
    상기 복수개의 빔 생성부에서 생성된 서로 다른 레이저 빔을 융합하기 위한 빔 조합 광학계를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 스캔 미러부와 상기 회전 미러를 포함하는 빔 조사부가 이동 가능하도록 빔 조사 장치를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 빔 조사 장치는,
    상기 빔 조사 장치는 상기 빔 조사부의 레이저 빔을 가공 대상물에 반사하여 조사하기 위한 빔 변환부를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 빔 조사 장치는,
    가공 대상물을 위치 시키는 스테이지; 및
    스테이지에 뿌려진 분말을 고르게 펴기 위한 파우더 롤러;를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    상기 빔 생성부로부터 발생된 레이저 빔을 복수개의 레이저 빔으로 분리 및 전달시키는 하프 미러;
    복수개의 하이브리드형 스캔 헤드;를 포함하고
    상기 하이브리드형 스캔 헤드는, 상기 스캔 미러부 및 상기 회전 미러를 포함하는, 레이저 조사 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    복수개의 하이브리드형 스캔 헤드;를 포함하고
    상기 하이브리드형 스캔 헤드는, 상기 스캔 미러부 및 상기 회전 미러를 포함하며,
    상기 빔 생성부는 복수개가 구비되어 각각의 상기 하이브리드형 스캔 헤드에 상기 복수개의 빔 생성부에서 생성한 각각의 레이저 빔을 조사하는, 레이저 조사 장치.
  18. 청구항 16 내지 17에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    대면적, 높은 생산성을 위한 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정이 중 어느 하나를 수행하기 위한, 레이저 조사 장치.
  19. 청구항 16 내지 17에 있어서,
    상기 레이저 조사 장치는,
    가공 대상물을 위치 시키는 스테이지; 및
    스테이지에 뿌려진 분말을 고르게 펴기 위한 파우더 롤러;를 더 포함하는, 레이저 조사 장치.
  20. 빔 생성부에서 레이저 빔이 생성되고,
    상기 빔 생성부로부터 전달된 레이저 빔의 방향이 스캔 미러부에서 조절되고,
    상기 스캔 미러부를 통해 방향이 조절된 상기 레이저 빔이 회전 미러에 의해 반사되어 가공 대상물에 레이저 빔이 조사 되는 레이저 조사 방법이고,
    상기 회전 미러는, 회전을 통해 상기 방향이 조절된 상기 레이저 빔이 가공 대상물 상에 선형 레이저 광으로 조사되도록 하는, 레이저 조사 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 스캔 미러부는,
    상기 가공 대상물의 가공면에 평행한 제 1 방향으로 상기 레이저 빔의 시작점을 조절하는 제 1 스캔 미러, 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 상기 레이저 빔간의 간격을 일정하게 조절하는 제 2 스캔 미러 중 하나 이상을 포함하는, 레이저 조사 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 레이저 조사 방법은,
    가공 대상물에 3차원 프린팅, 표면 처리 또는 디본딩 공정 중 어느 하나를 수행하기 위해 레이저 빔을 조사하는, 레이저 조사 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    제어부는,
    상기 빔 조사부를 제어하여 해칭 방식을 선택하고, 상기 레이저 빔이 기 저장된 상기 스캔 미러부의 반사면의 위치에 위치하지 않아 오차가 발생하는 경우 또는 상기 회전 미러의 반사면이 불균일하여 오차가 발생하는 경우 중 어느 한 경우에 기 분석된 오차값에 따라 상기 레이저 빔의 방향을 조절하여 에러를 보상하는 단계를 더 포함하는, 레이저 조사 방법.
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