KR20160102667A

KR20160102667A - 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치

Info

Publication number: KR20160102667A
Application number: KR1020150025017A
Authority: KR
Inventors: 정재일
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-31
Also published as: KR101667556B1

Abstract

본 발명은 빔의 조사를 통해 가공물을 가공하면서 가공물의 다방향으로 이동시켜 정밀가공할 수 있으며, 진공챔버 내부의 과열을 방지하여 정밀도 향상을 도모할 수 있는 비접촉 가공장치에 관한 것으로, 내부에 진공압을 제공하는 진공챔버; 상기 진공챔버에 내장되어 빔을 하부로 조사하는 빔조사기; 상기 빔조사기의 하부에 설치된 상태로 표면에 가공물이 고정되며, 틀체형태로 형성되어 상기 빔조사기의 빔을 관통시키는 픽스쳐; 상기 픽스쳐의 하부에 설치되어 상기 진공챔버에 고정되고, 상기 픽스쳐를 다방향으로 이송시키면서 상기 가공물을 설정된 패턴으로 가공시키는 다방향이송기; 및 상기 빔조사기의 빔이 도달하는 상기 진공챔버의 바닥면을 냉매의 순환을 통해 냉각시켜서 상기 진공챔버 내부의 과열을 방지하는 바닥쿨러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치{CONTACTLESS MACHINING APPARATUS WITH MULTIDRECTIONAL CONTROLLING AND RADIATING STRUCTURE}

본 발명은 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빔의 조사를 통해 가공물을 가공하면서 가공물의 다방향으로 이동시켜 정밀가공할 수 있으며, 진공챔버 내부의 과열을 방지하여 정밀도 향상을 도모할 수 있는 비접촉 가공장치에 관한 것이다.

글라스(glass), 실리콘, 세라믹 등의 취성 기판을 절단하여 분리시키기 위해 스크라이빙(scribing), 블레이드 다이싱(blade dicing), 레이저 절단, 스텔스 다이싱(stealth dicing), TLS(Thermal Laser Separation) 및 전기 방전 가공(Electrical discharge machining, EDM)등의 방법을 사용할 수 있다.

이 중 스크라이빙과 블레이드 다이싱은 기계적인 절단 방법이기 때문에 가공물에 다량의 칩과 잔류 응력을 남기게 되는 문제점이 있어서 박막을 가공할 경우에는 레이저빔이나 전자비접촉 가공장치를 사용하게 된다.

통상의 비접촉 가공장치는 대상 가공물을 고정다이에 고정시킨 상태로 스테이지를 통해 이동시키면서 가공물의 상부에서 빔조사기로 빔을 조사함으로써 가공물을 설정된 패턴으로 가공한다.

그런데, 상기와 같은 통상의 종래기술은 스테이지의 수평이동만이 가능할 뿐이어서 가공물의 높이를 조절할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같은 종래기술은 가공물을 관통한 빔이 고정다이나 스테이지에 조사되면서 열기에 의해 가공물이 가열됨은 물론 전체장치가 과열됨에 따라 가공의 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.

특히, 전자빔에 경우에는 진공에서 사용되기 때문에 열전달에 의한 과열문제가 레이저빔보다 심각하다.

예컨대, 대한민국 등록특허공보 제10-1210653호에 제안된 가공장치를 살펴보면, 가공물을 다방향(특히, 수직방향)으로 이동시킬 수 없어서 가공물의 높이를 조절할 수 없으며, 가공물을 지지하는 가공 스테이지에 빔이 조사됨에 따라 가공 스테이지가 과열됨과 아울러 가공물 또한 과열되어 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1210653호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 가공물이 고정되는 픽스쳐를 수평방향으로 정밀이동시킴으로써 가공물을 정밀하게 가공시킬 수 있으며, 이와 동시에 픽스쳐를 수직이동시킴으로써 가공물의 높이를 정밀 조절할 수 있는 비접촉 가공장치를 제공하는 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 가공물을 관통한 빔이 도달하는 진공챔버의 바닥면을 냉각시킴으로써 진공챔버 내부의 과열을 방지하여 가공의 정밀도 향상을 도모할 수 있는 비접촉 가공장치를 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치는, 내부에 진공압을 제공하는 진공챔버; 상기 진공챔버에 내장되어 빔을 하부로 조사하는 빔조사기; 상기 빔조사기의 하부에 설치된 상태로 표면에 가공물이 고정되며, 틀체형태로 형성되어 상기 빔조사기의 빔을 관통시키는 픽스쳐; 상기 픽스쳐의 하부에 설치되어 상기 진공챔버에 고정되고, 상기 픽스쳐를 다방향으로 이송시키면서 상기 가공물을 설정된 패턴으로 가공시키는 다방향이송기; 및 상기 빔조사기의 빔이 도달하는 상기 진공챔버의 바닥면을 냉매의 순환을 통해 냉각시켜서 상기 진공챔버 내부의 과열을 방지하는 바닥쿨러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

예컨대, 상기 다방향이송기는, 상기 픽스쳐의 하부 외곽을 따라 복수를 이루면서 상기 진공챔버에 설치되어 상기 픽스쳐의 하부를 이동가능하게 지지하고, 상기 픽스쳐를 X축방향, Y축방향으로 이동시키면서 상기 픽스쳐를 수직승강시키는 3축 스테이지;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

예컨대, 상기 바닥쿨러는, 상기 바닥면에 설치되면서 상기 빔이 도달하는 부위의 외측면에 설치되고, 냉매를 관류시키면서 상기 바닥면을 냉매와 열교환시키는 쿨링챔버; 및 상기 쿨링챔버에 냉매를 순환시키면서 상기 쿨링챔버에서 열교환된 냉매를 저온상태로 재공급하는 냉매순환펌프;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 픽스쳐의 상부면을 따라 설치되면서 상기 픽스쳐와 가공물의 사이에 개재되어 열전달을 차단하는 열차단패드;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

전술한 해결수단에 의한 본 발명에 따른 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치는, 다방향이송기를 구성하는 3축 스테이지가 픽스쳐의 하부 외곽에 설치되어 가공물을 X축방향 및 Y축방향으로 정밀이동시키므로 가공물을 설정된 패턴으로 정밀하게 가공시킬 수 있으며, 아울러 3축 스테이지가 픽스쳐를 수직방향으로 정밀이동시키므로 가공물의 높이에 따라 픽스쳐의 높이를 정밀조절할 수 있다.

또한, 진공챔버의 바닥면이 바닥쿨러에 의해 냉각되므로 진공챔버 내부의 과열이 방지되면서 가공의 정밀도가 향상될 수 있다.

구체적으로, 바닥쿨러를 구성하는 쿨링챔버가 빔이 도달하는 부위에 설치되어 냉매순환펌프에서 공급된 냉매를 통해 냉각하므로 바닥면의 열기가 원활하게 냉각될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치를 나타내는 일부절개사시도.
도 2는 본 발명에 따른 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치를 나타내는 종단면도.
도 3은 픽스쳐 및 다방향이송기를 나타내는 분해사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 진공챔버(100), 빔조사기(200), 픽스쳐(300), 다방향이송기(400) 및 바닥쿨러(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

진공챔버(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 함체형으로 구성되어 후술되는 빔조사기(200), 픽스쳐(300), 다방향이송기(400)를 수용하면서 내부에 진공을 형성한다.

이러한 진공챔버(100)는 미도시된 진공펌프에 연결되어 내부에 진공을 형성하며, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 픽스쳐(300)의 이동을 허용할 수 있는 크기를 갖는다.

여기서, 진공챔버(100)는 바닥면(110)의 재질이 벽면보다 열전도성이 높은 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이는 후술되는 빔조사기(200)에 의한 바닥면(110)의 열기를 바닥쿨러(500)를 통해 원활하게 냉각시키기 위함이다.

빔조사기(200)는 가공물의 절단과 같은 가공을 위한 빔을 가공물에 조사하는 구성요소로서, 도 2에 도시된 바와 같이 진공챔버(100)의 상부에 내장되어 빔을 하부로 조사하면서 가공물(1)을 가공한다.

여기서, 본 발명에 적용되는 빔은 예컨대 레이저빔이나 전자빔 또는 이온빔과 같이 비접촉 가공분야에 사용되는 빔이 적용될 수 있다.

즉, 빔조사기(200)는 빔의 종류에 따라 레이저발생기나 전자빔가속기 또는 이온빔가속기 등으로 구성될 수 있다.

픽스쳐(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 가공물(1)의 고정부위를 이루는 구성요소로서, 빔조사기(200)의 하부에 배치되면서 후술되는 다방향이송기(500)에 고정되고, 상면에 가공물(1)이 분리가능하게 설치된다.

이러한 픽스쳐(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 틀체형으로 형성되면서 외곽을 따라 고정구(310)가 구비되어 후술되는 다방향이송기(400)의 고정블록(410)에 분리가능하게 고정된다.

또한, 픽스쳐(300)는 가공물(1)을 고정하기 위한 미도시된 가공물고정부재가 마련되어 상면에 가공물(1)을 분리가능하게 고정한다.

여기서, 가공물고정부재는 예컨대 가공물(1)을 관통하여 픽스쳐(300)에 체결되면서 가공물(1)을 고정하거나 가공물(1)을 가압하여 고정하는 방식 등 본 발명이 속하는 분야에 알려진 임의의 구성이 채택될 수 있다.

다방향이송기(400)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 진공챔버(100)에 고저오딘 상태로 픽스쳐(300)의 하부에 설치되어 픽스쳐(300)를 수평방향 및 수직방향으로 이동시키면서 가공물(1)을 설정된 패턴으로 가공시키는 구성요소이다.

즉, 다방향이송기(400)는 픽스쳐(300)를 X축 및 Y축방향의 수평방향으로 이동시키면서 가공물(1)을 가공시키는 동시에 픽스쳐(300)를 수직방향으로 이동시켜서 가공물(1)에 부합되는 높이로 픽스쳐(300)의 높이를 제어한다.

이러한 다방향이송기(400)는 도 3에 도시된 바와 같이 고정블록(410), 수직이동가이드(420), X축이동가이드(430) 및 Y축이동가이드(400)로 구성되어 X축 및 Y축방향으로 수평이동하면서 수직방향으로 승강하는 3축 스테이지로 구성될 수 있다.

구체적으로, 고정블록(410)은 픽스쳐(300)가 분리가능하게 고정되며, 수직이동가이드(420)는 고정블록(410)을 수직이동시킨다. 그리고 X축이동가이드(430)는 수직이동가이드(420)를 X축방향으로 수평이동시키며, Y축이동가이드(440)는 X축이동가이드(430)를 Y축방향으로 수평이동시킨다.

즉, 픽스쳐(300)는 고정블록(410)에 고정된 상태로 고정블록(410)과 함께 수직이동가이드(420)를 따라 승강하고, 수직이동가이드(420)와 함께 X축이동가이드(430)를 따라 X축방향으로 이동하며, X축이동가이드(430)와 함께 Y축이동가이드(440)를 따라 Y축방향으로 이동한다.

이에 따라, 픽스쳐(300)는 수직이동을 통해 가공물(1)의 높이에 부합되는 높이로 조절된 후, 수평이동을 통해 설정된 패턴으로 가공된다.

여기서, 다방향이송기(400)는 리니어가이드 및 리니어모터 방식으로 작동하면서 이동할 수 있으며, 볼스크류 및 서보모터방식으로 작동하면서 이동할 수도 있다. 이와 달리, 다방향이송기(400)는 랙기어 및 피니어기어와 구동모터방식으로 작동하면서 이동할 수도 있다.

또한, 다방향이송기(400)는 전술한 구성 이외에도 각 구성품을 직선운동시킬 수 있는 구성이라면 어떠한 구성도 무방하다.

한편, 다방향이송기(400)는 도 3에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 픽스쳐(300)의 하부 외곽을 따라 설치되어 미도시된 컨트롤러에 의해 작동할 수 있다.

바닥쿨러(500)는 가공물(1)을 관통한 빔이 진공챔버(100)의 바닥면(110)으로 안내됨에 따라 빔이 도달한 바닥면(110)을 냉각시켜서 진공챔버(100) 내부의 과열을 방지하는 구성요소이다.

예컨대, 바닥쿨러(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 쿨링챔버(510) 및 냉매순환펌프(520)를 포함하여 구성될 수 있다.

쿨링챔버(510)는 도 2에 도시된 바와 같이 빔이 도달하는 부위의 바닥면(110) 외측에 설치된 상태로 냉매를 관류시키면서 냉매와의 열교환을 통해 바닥면(110)을 냉각시킨다.

냉매순환펌프(520)는 도 2에 도시된 바와 같이 쿨링챔버(510)에 연결되며, 쿨링챔버(510)에서 열교환된 냉매를 저온상태로 재공급하면서 진공챔버(100)의 바닥면을 지속적으로 냉각시킨다.

즉, 바닥쿨러(500)를 구성하는 쿨링챔버(510)와 냉매순환펌프(520)는 통상의 냉동사이클을 이루면서 냉매와의 열교환을 통해 진공챔버(100)의 바닥면(110)을 냉각시킨다.

이때, 진공챔버(100)의 바닥면(110)은 열전도성이 높은 재질로 구성됨에 따라 좀 더 원활하게 바닥쿨러(500)에 의해 냉각될 수 있다.

한편, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 열차단패드(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

열차단패드(740)는 픽스쳐(300)와 가공물(1) 사이의 열전달을 차단하기 위한 구성요소로서, 도 4에 도시된 바와 같이 픽스쳐(300)의 상면에 부착되어 가공물(1)과의 사이에 개재된다.

이러한 열차단패드(740)는 픽스쳐(300)보다 열전도성이 낮은 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 픽스쳐(300)는 열차단패드(740)에 의해 가공물(1)과의 열전달이 차단됨에 따라 가공물(1)에 조사된 빔의 열기가 차단될 수 있으므로 더욱 과열이 방지될 수 있다.

한편, 전술한 본 발명의 구성품은 도 4에 도시된 바와 같이 고정판(700)에 설치된 상태로 진공챔버(100)의 바닥면(110)에 고정될 수도 있다.

즉, 픽스쳐(300) 및 다방향이송기(400)는 진공챔버(100)의 외부에서 고정판(700) 위에 조립된 후, 진공챔버(100)의 내부에 일괄적으로 설치될 수 있다.

상기와 같은 구성요소를 포함하는 본 발명의 작동 및 작용을 설명한다.

다방향이송기(400)는 가공물(1)의 높이에 따라 조절되면서 픽스쳐(300)를 설정된 높이로 조절시킨다.

이때, 다방향이송기(400)는 수직이동가이드(420)를 통해 고정블록(410)을 이동시키면서 픽스쳐(300)의 높이를 조절한다.

가공물(1)은 픽스쳐(300)의 표면에 고정된 상태로 다방향이송기(400)에 의해 설정된 패턴으로 수평이동하면서 빔조사기(200)의 빔에 의해 가공된다.

구체적으로, X축이동가이드(430)는 수직이동가이드(420)를 X축방향으로 수평이동시키면서 픽스쳐(300)를 X축방향으로 이동시키고, Y축이동가이드(440)는 X축이동가이드(430)를 Y축방향으로 수평이동시키면서 픽스쳐(300)를 Y축방향으로 이동시킴으로써 가공물(1)을 설정된 패턴으로 가공시킨다.

이때, 가공물(1)을 관통한 빔은 진공챔버(100)의 바닥면(110)으로 안내되며, 진공챔버(100)의 바닥면(110)은 하부에 마련된 쿨링챔버(410)로 냉매순환펌프(420)의 냉매가 순환함에 따라 가열됨이 없이 냉각된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치는, 다방향이송기(400)를 구성하는 3축 스테이지가 픽스쳐(300)의 하부 외곽에 설치되어 가공물(1)을 X축방향 및 Y축방향으로 정밀이동시키므로 가공물(1)을 설정된 패턴으로 정밀하게 가공시킬 수 있으며, 아울러 3축 스테이지가 픽스쳐(300)를 수직방향으로 정밀이동시키므로 가공물(1)의 높이에 따라 픽스쳐(300)의 높이를 정밀조절할 수 있다.

또한, 진공챔버(100)의 바닥면(110)이 바닥쿨러(500)에 의해 냉각되므로 진공챔버(100) 내부의 과열이 방지되면서 가공의 정밀도가 향상될 수 있다.

구체적으로, 바닥쿨러(500)를 구성하는 쿨링챔버(510)가 빔이 도달하는 부위에 설치되어 냉매순환펌프(520)에서 공급된 냉매를 통해 냉각하므로 바닥면(110)의 열기가 원활하게 냉각될 수 있다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

1 : 가공물 100 : 진공챔버
110 : 바닥면 200 : 빔조사기
300 : 픽스쳐 400 : 다방향이송기
410 : 고정블록 420 : 수직이동가이드
430 : X축이동가이드 440 : Y축이동가이드
500 : 바닥쿨러 510 : 쿨링챔버
520 : 냉매순환펌프 600 : 열차단패드
700 : 고정판

Claims

내부에 진공압을 제공하는 진공챔버;
상기 진공챔버에 내장되어 빔을 하부로 조사하는 빔조사기;
상기 빔조사기의 하부에 설치된 상태로 표면에 가공물이 고정되며, 틀체형태로 형성되어 상기 빔조사기의 빔을 관통시키는 픽스쳐;
상기 픽스쳐의 하부에 설치되어 상기 진공챔버에 고정되고, 상기 픽스쳐를 다방향으로 이송시키면서 상기 가공물을 설정된 패턴으로 가공시키는 다방향이송기; 및
상기 빔조사기의 빔이 도달하는 상기 진공챔버의 바닥면을 냉매의 순환을 통해 냉각시켜서 상기 진공챔버 내부의 과열을 방지하는 바닥쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 다방향이송기는,
상기 픽스쳐의 하부 외곽을 따라 복수를 이루면서 상기 진공챔버에 설치되어 상기 픽스쳐의 하부를 이동가능하게 지지하고, 상기 픽스쳐를 X축방향, Y축방향으로 이동시키면서 상기 픽스쳐를 수직승강시키는 3축 스테이지;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 바닥쿨러는,
상기 바닥면에 설치되면서 상기 빔이 도달하는 부위의 외측면에 설치되고, 냉매를 관류시키면서 상기 바닥면을 냉매와 열교환시키는 쿨링챔버; 및
상기 쿨링챔버에 냉매를 순환시키면서 상기 쿨링챔버에서 열교환된 냉매를 저온상태로 재공급하는 냉매순환펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 픽스쳐의 상부면을 따라 설치되면서 상기 픽스쳐와 가공물의 사이에 개재되어 열전달을 차단하는 열차단패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공물의 다방향 제어구조 및 방열구조를 갖는 비접촉 가공장치.