KR20170060471A - 레이저 초점 조정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 최적의 초점 위치를 결정할 수 있는 레이저 초점 조정 장치 및 방법에 관한 것으로, 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판; 상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및 상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함한다.

Description

레이저 초점 조정 장치 및 방법{LASER FOCUSING DEVICE AND METHOD THE SAME}
본 발명 실시 예는 최적의 초점 위치를 결정할 수 있는 레이저 초점 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.
높은 품질의 강판에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 강판의 표면을 가공하는 기술이 개발되었다.
예를 들어, 자구미세화 기술은 강판에 레이저를 조사하여, 강판 표면에 홈을 형성한다. 이 때, 레이저는 연속파(Continuous Wave; CW) CO2 레이저, 펄스형(Pulse) CO2 레이저, 고체 YAG 혹은 Fiber 레이저 등을 이용한다. 더욱이, 근래에 들어 높은 품질의 강판에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 레이저의 크기를 20㎛ 이하의 고정도로 제어하는 공정이 요구되고 있다. 이를 위해서는 온라인으로 레이저 크기를 추정하고 최소한으로 제어하는 것이 필수적이다.
종래에는 레이저를 강판 표면에 조사할 때 발생하는 빛의 세기와 폭을 측정하여 폭이 최소가 되는 위치에 초점을 결정하였으나, 레이저의 크기가 최소가 되는 위치는 반사광의 세기가 가장 큰 부분이거나 아니면 반사광 신호의 폭이 가장 작은 부분이 된다.
그런데, 강판 표면에서 반사되는 레이저의 세기와 폭을 이용하여 초점을 최적화하는 상기 방식은 레이저의 크기가 100㎛ 이상일 때는 적용 가능하나, 크기가 20㎛ 이하의 정밀 가공에는 적용하기 어렵다. 이는, 레이저 조사시 강판의 흔들림으로 인해 강판 표면에 조사되는 레이저의 균일성을 확보하기 어려우며, 특히, 강판 제조 공정에서 기본적인 강판의 진동이 수십 ㎛에 이르기 때문이다.
따라서, 수 ㎛의 정밀도로 레이저의 세기나 폭 방향 분포를 정확하게 판별하기가 쉽지 않아, 강판의 정밀 가공 시 레이저의 초점을 최적화하기 매우 어려운 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복사광의 스펙트럼을 이용하여 레이저의 크기가 최소가 되는 지점을 초점 위치로 결정할 수 있는 초점 조정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판; 상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및 상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함한다.
본 발명 실시 예의 레이저 초점 조절 방법은 서포트롤 상에 강판을 위치시킨 후, 상기 강판과 레이저 발생부의 간격을 달리하면서 상기 강판에 레이저를 조사하는 단계; 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계; 상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계; 및 상기 초점 위치에 상기 강판을 위치시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 레이저 초점 조정 장치 및 방법은 레이저를 이용하여 강판의 표면을 가공할 때, 복사광의 스펙트럼을 분석하여 정밀하게 초점 위치를 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 온도에 따른 파장의 복사광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예의 시편 부식 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 서포트롤(10) 상에 배치된 강판(30)과 레이저를 발생하는 레이저 발생부(20) 사이의 간격을 조절하여 레이저의 초점 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 2와 같이, 본 발명 실시 예의 레이저 초점 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부(20), 레이저 발생부(20)에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판(30), 강판(30)의 위치를 변경하여 레이저 발생부(20)와 강판 사이의 거리(d)를 조절하는 서포트롤(10) 및 강판(30)의 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기(40)를 포함한다.
구체적으로, 강판(30)은 방향성 전기 강판일 수 있다. 방향성 전기 강판은 압연방향으로 {110}<001>방위의 집합조직을 발달시킨 것으로, 철손을 감소시키기 위해 레이저를 이용하여 강판(30)의 표면을 가공하여 홈을 형성할 수 있다. 홈이 인공적으로 자구폭을 세분화하므로, 높은 품질의 강판(30)을 제공할 수 있다.
그런데, 종래에는 레이저를 조사할 때 강판(30)이 흔들려 강판(30) 표면에 조사되는 레이저의 균일성을 확보하기 어려우며, 특히, 강판(30) 제조 공정에서 기본적인 강판(30)의 진동이 수십 ㎛에 이르므로, 레이저의 크기를 감소시키기 어려워, 홈을 정밀하게 형성하기 어렵다. 또한, 강판(30)에서 반사되는 반사광의 세기를 이용하여 초점을 조절하므로, 강판(30)의 표면에 이물질이나 돌기가 형성된 경우, 이물질이나 돌기에 의해 반사광의 세기가 정확하지 않은 문제가 있다.
따라서, 본 발명 실시 예는 반사광이 아닌 복사광의 스펙트럼을 이용하여 레이저의 크기를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 레이저 발생부(20)에서 강판(30)으로 레이저를 조사한다. 이 때, 강판(30)은 서포트롤(10)에 의해 위, 아래로 움직이며, 이에 따라 레이저 발생부(20)와 강판(30) 사이의 거리(d)가 달라진다. 레이저가 조사된 영역의 강판(30)에서는 레이저가 반사되며, 동시에 복사광이 발생한다. 종래에는 반사되는 레이저의 세기를 비교하여 초점을 조정하였으나, 이 경우, 상술한 바와 같이, 정밀 가공에는 적용하기 어렵다.
따라서, 본 발명 실시 예는 분석기(40)를 이용하여 복사광의 스펙트럼을 분석하여, 빔 크기가 최소가 되는 지점을 판단함으로써 초점 위치를 결정할 수 있다. 복사광은 다양한 파장대의 스펙트럼을 가질 수 있다. 분석기(40)는 스펙트럼에서 500㎚이하의 단파장이 최대가 될 때를 추출하고, 이 때의 강판(30)의 위치를 초점 위치로 결정할 수 있다.
즉, 강판(30)과 레이저 발생부(20)의 간격을 변경시키면서 강판(30)에 레이저를 조사하고, 분석기(40)는 강판(30)의 복사광의 스펙트럼을 입력받고 이를 분석하여, 최적의 초점 위치를 결정한다. 그리고, 서포트롤(10)은 결정된 위치로 강판(30)을 위치시킬 수 있다.
단파장이 최대가 될 때를 초점 위치로 결정하는 것은 다음과 같은 원리로 이루어질 수 있다.
제 1 크기의 레이저가 조사된 강판(30)의 온도는 제 1 크기보다 큰 제 2 크기의 레이저가 조사된 강판(30)의 온도보다 높다. 이는, 레이저의 크기가 작은 경우, 레이저의 에너지가 밀집되기 때문이다. 따라서, 강판(30)의 온도가 높을수록 레이저의 크기가 작다고 판단할 수 있다.
그리고, 강판(30)의 온도가 높을수록 더 많은 복사광이 발생한다.
도 3은 온도에 따른 파장의 복사광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3과 같이, 온도가 1000°에 이르면 500㎛이하의 단파장에서 복사광이 존재하기 시작하며 온도가 올라갈수록 같은 파장에서 복사광의 양이 증가하며, 온도가 올라갈수록 낮은 파장에서 복사광의 양이 증가한다.
즉, 온도가 올라갈수록 단파장의 복사광이 많이 발생하는 것으로, 레이저 빔의 크기가 최소화될 때, 레이저가 조사된 강판(30)의 온도가 가장 높아져 복사광의 단파장 성분이 최대가 된다.
따라서, 본 발명 실시 예는 강판(30)의 복사광의 스펙트럼을 분석함으로써, 레이저 크기가 최소화되는 강판(30)의 위치를 초점 위치로 결정할 수 있다. 이 경우, 강판(30)의 진동 등과 같은 외부 환경이나 강판(30)의 표면 상태에 영향을 받지 않아 온라인으로 초점을 판단하고 실시간으로 제어할 수 있다.
특히, 본 발명 실시 예는 레이저의 반사광의 영향을 배제하고 순수한 복사광의 스펙트럼을 분석하기 위해, 너치 필터(50)를 배치하여 레이저의 반사광 성분을 제거할 수 있다. 너치 필터(50)는 강판(30)과 분석기(40) 사이에 배치되어, 분석기(40)는 반사광이 제거된 복사광의 스펙트럼만을 분석할 수 있다.
또한, 분석기(40)에 의해 분석되는 복사광은 광섬유 등과 같은 포집 장치(40a)에 의해 포집될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 서포트롤 20: 레이저 발생부
30: 강판 40: 분석기
40a: 광섬유 50: 너치필터

Claims (9)

  1. 레이저를 발생하는 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판;
    상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및
    상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함하는 레이저 초점 조정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 스펙트럼 중 500㎚ 이하의 파장의 세기가 가장 세게 측정될 때 상기 강판의 위치를 초점 위치로 설정하는 레이저 초점 조정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 서포트롤은 상기 초점 위치로 상기 기판을 위치시키는 레이저 초점 조정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판의 표면에서 반사되는 반사광을 제거하는 너치 필터를 더 포함하는 레이저 초점 조정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 너치 필터는 상기 분석기와 상기 강판 사이에 배치되는 레이저 초점 조정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사광은 광 섬유에 의해 포집되는 레이저 초점 조정 장치.
  7. 서포트롤 상에 강판을 위치시킨 후, 상기 강판과 레이저 발생부의 간격을 달리하면서 상기 강판에 레이저를 조사하는 단계;
    상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 초점 위치에 상기 강판을 위치시키는 단계를 포함하는 레이저 초점 조정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계 이전에,
    상기 강판의 표면에서 반사되는 반사광을 제거하는 단계를 더 포함하는 레이저 초점 조정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계는 상기 스펙트럼 중 500㎚ 이하의 파장의 세기가 가장 세게 측정될 때 상기 강판의 위치를 초점 위치로 설정하는 레이저 초점 조정 방법.
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