KR20170069705A

KR20170069705A - 레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법

Info

Publication number: KR20170069705A
Application number: KR1020150177257A
Authority: KR
Inventors: 곽성호
Original assignee: 에이피시스템 주식회사
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-21

Abstract

본 발명에 따른 레이저 클래딩 장치는 상부에 기판이 안착되는 스테이지, 스테이지의 상측에 위치하여, 기판을 향해 레이저를 조사하고, 클래딩층 형성 재료를 분사하는 조사 유닛, 클래딩층의 높이 방향으로 나열 배치되어, 상기 클래딩층으로부터 발생된 열 에너지를 받아 온도로 검출하는 복수의 측온기가 마련된 측정 유닛, 측정 유닛의 복수의 측온기에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여, 클래딩층의 높이 변화를 모니터링하는 모니터링 유닛을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시형태에 의하면, 복수의 측온기를 가지는 측정 유닛을 이용하여 클래딩층의 온도를 측정하여, 클래딩층의 높이 변화를 실시간으로 모니터링함으로써, 실시간으로 공정 제어가 가능하며, 이에 안정적으로 클래딩층을 형성할 수 있다. 또한, 온도 측정 방식으로 클래딩층의 높이를 모니터링함으로써, 종래에 비해 짧은 시간에 모니터링이 가능하며, 보다 신뢰성 있게 클래딩층의 높이 변화를 모니터링 할 수 있다.

Description

레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법{APPARATUS AND METHODS FOR LASER CLADDING AND METHOD FOR FORMING OF CLADDING LAYER}

본 발명은 레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클래딩층 높이를 실시간으로 모니터링이 가능하도록 함으로써, 안정적으로 조형이 가능한 레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법에 관한 것이다.

레이저 직접 금속 조형 기술(laser-aided direct metal manufacturing)은 금속, 합금 금속, 세라믹 등의 재료를 3차원 형상 정보에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여, 3차원 형상의 제품 또는 제품 생산에 필요한 구성품들을 빠른 시간에 제작하는 기술이다.

일반적인 레이저 클래딩 공정에 대해 설명하면, 시편 표면에 레이저 빔을 조사하여 시편 상에 국부적으로 용융풀(metal pool)을 형성한다. 이때, 동시에 파우더 형태이며 금속, 합금 세라믹 등의 클래딩 소재를 공급하여, 시편 표면에 새로운 클래딩층을 형성시킨다.

한편, 컴퓨터에 저장된 3차원 형상에 따른 높이로 클래딩층을 형성해야 하는데, 클래딩층의 단면 형상의 경우 그 제어가 용이하나, 클래딩층의 높이는 레이저 빔의 크기, 시편의 이동 속도, 클래딩 분말의 특성, 분말의 공급량, 분말의 낙하속도, 보조 가스의 종류 및 공급 유량 등에 영향을 받는다.

이에, 목적하는 클래딩층의 높이를 얻기 위해서는, 클래딩층의 높이를 실시간으로 모니터링하여, 모니터링 결과에 따라 클래딩층 높이에 영향을 주는 공정 변수들을 실시간으로 제어해야 한다.

클래딩층의 높이를 모니터링 하기 위한 방법 중 하나로, 한국공개특허 KR 2003-0039929A에서와 같이, 이미지 촬영 방법이 있다. 이 경우, 이미지의 촬영 및 이미지 프로세싱을 위해 소요되는 시간에 의해 사실상 실시간 제어가 힘든 문제가 있다.

따라서, 클래딩층을 형성하면서, 실시간으로 클래딩층의 높이를 모니터링할 수 있는 기술 개발이 요구된다.

한국공개특허 KR 2003-0039929A

본 발명은 클래딩층 높이를 실시간으로 모니터링할 수 있는 레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 클래딩층 높이의 모니터링 시간이 짧고, 모니터링이 용이한 레이저 클래딩 장치 및 이를 이용한 클래딩층 형성 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 레이저 클래딩 장치는 상부에 기판이 안착되는 스테이지; 상기 스테이지의 상측에 위치하여, 상기 기판을 향해 레이저를 조사하고, 클래딩층 형성 재료를 분사하는 조사 유닛; 상기 클래딩층의 높이 방향으로 나열 배치되어, 상기 클래딩층으로부터 발생된 열 에너지를 받아 온도로 검출하는 복수의 측온기가 마련된 측정 유닛; 상기 측정 유닛의 복수의 측온기에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여, 클래딩층의 높이 변화를 모니터링하는 모니터링 유닛;을 포함한다.

상기 측정 유닛은, 내부 공간을 가지는 측정 바디; 및 상기 측정 바디 내부에 설치되어, 상기 클래딩층으로부터 발생된 열 에너지의 광을 포커싱시키는 렌즈;를 포함하고, 상기 복수의 측온기는 상기 측정 바디 내부에서 상기 렌즈의 후방에 설치된다.

상기 복수의 측온기는 제 1 측온기, 상기 제 1 측온기의 상측에 위치한 제 2 측온기 및 상기 제 1 측온기의 하측에 위치한 제 3 측온기를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 측온기는 상하 방향으로 나열되어 배치된다.

상기 모니터링 유닛은 상기 제 1 내지 제 3 측온기에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여, 가장 높은 온도가 검출된 측온기를 탐색하여 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮거나, 높은지 판단한다.

상기 모니터링 유닛은, 중심에 위치한 상기 제 1 측온기의 온도가 제 2 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는 것으로 판단하고, 제 2 측온기의 온도가 제 1 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단하고, 제 3 측온기의 온도가 제 1 및 제 2 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단한다.

상기 조사 유닛으로 레이저를 제공하는 레이저 발생 유닛; 상기 조사 유닛으로 파우더를 공급하는 파우더 공급부; 상기 스테이지를 수평 이동시키거나, 상기 조사 유닛 및 측정 유닛을 수평 이동시키는 수평 이동 수단; 상기 레이저 발생 유닛, 파우더 공급부 및 수평 이동 수단의 동작을 제어하는 제어 유닛;을 포함하고,

상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮거나 높은 것으로 판단되는 경우, 상기 제어 유닛은 클래딩층의 높이가 기준 높이가 되도록 상기 레이저 발생 유닛, 파우더 공급부 및 수평 이동 수단의 동작을 제어한다.

상기 복수의 측온기는 제 1 내지 제 3 측온기 외에 다른 복수의 측온기를 포함하며, 상기 다른 복수의 측온기 중 적어도 하나는 상기 제 1 내지 제 3 측온기의 일 측방향 및 타 측방향에 위치한다.

상기 복수의 측온기는 상기 제 1 측온기를 중심으로 하여 방사형으로 배치된다.

상기 모니터링 유닛은, 상기 제 1 내지 제 3 측온기의 일 측방향 또는 타 측방향에 위치한 측온기에서의 온도가 다른 측온기들에 비해 높은 경우, 클래딩층이 기준 위치에 비해 일 측방향 또는 타 측방향으로 치우쳐 형성된 것으로 판단한다.

상기 측온기는 파이로미터(pyrometer)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 클래딩층 형성 방법은 스테이지 상에 기판을 안착시키는 과정; 상기 스테이지 상측에 위치한 조사 유닛을 이용하여 상기 기판에 레이저를 조사하여 용융풀을 형성하고, 클래딩층 형성용 재료를 분사하여 클래딩층을 형성하는 과정; 상기 기판 상에 클래딩층의 형성 중에, 상기 기판의 상측에서 상기 클래딩층의 높이 방향으로 나열 배치된 복수의 측온기로 검출된 온도를 상대적으로 비교하는 과정; 상기 복수의 측온기 중, 가장 높은 온도가 검출된 측온기를 탐색하여, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는지 또는 기준 높이에 비해 낮거나, 높은지 판단하는 모니터링 과정;을 포함한다.

상기 복수의 측온기는 제 1 측온기, 상기 제 1 측온기의 상측에 위치한 제 2 측온기 및 상기 제 1 측온기의 하측에 위치한 제 3 측온기를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 측온기는 상하 방향으로 나열되어 배치되며, 상기 모니터링 과정에 있어서, 중심에 위치한 상기 제 1 측온기의 온도가 제 2 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는 것으로 판단하고, 제 2 측온기의 온도가 제 1 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단하고, 제 3 측온기의 온도가 제 1 및 제 2 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단한다.

상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단되는 경우, 상기 레이저 조사량 및 파우더 분사량 중 어느 하나를 증가시키거나, 상기 스테이지 또는 측정 유닛의 이동 속도를 감소시킨다.

상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단되는 경우, 상기 레이저 조사량 및 파우더 분사량 중 어느 하나를 감소시키거나, 상기 스테이지 또는 측정 유닛의 이동 속도를 증가시킨다.

본 발명의 실시형태에 의하면, 복수의 측온기를 가지는 측정 유닛을 이용하여 클래딩층의 온도를 측정하여, 클래딩층의 높이 변화를 실시간으로 모니터링함으로 써, 실시간으로 공정 제어가 가능하며, 이에 안정적으로 클래딩층을 형성할 수 있다. 또한, 온도 측정 방식으로 클래딩층의 높이를 모니터링함으로써, 종래에 비해 짧은 시간에 모니터링이 가능하며, 보다 신뢰성 있게 클래딩층의 높이 변화를 모니터링 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치를 개념적으로 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조사 유닛을 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛을 개념적으로 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛의 측온기의 배치 상태를 도시한 횡단면도
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛 및 모니터링 유닛을 이용한 클래딩층 높이 측정 방법을 설명하기 위한 예시를 나타낸 도면

이하, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치를 개념적으로 도시한 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조사 유닛을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛을 개념적으로 나타낸 단면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛의 측온기의 배치 상태를 도시한 횡단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 상부에 기판(S)이 안착되며, 기판(S)을 수평 이동시키는 스테이지(100), 스테이지(100) 상측에 설치되어, 기판(S)을 향해 레이저를 조사하고, 클래딩층(C) 형성을 위한 파우더를 분사하는 조사 유닛(300), 레이저를 발생시키는 레이저 발생 유닛(200), 레이저 발생 유닛(200)에서 발생한 레이저를 조사 유닛으로 이동시키는 레이저 이송부(210) 및 스테이지(100) 상측에 위치하여 실시간으로 기판(S) 상에 형성된 클래딩층(C)의 온도를 측정함으로써, 형성되는 클래딩층(C)의 높이를 실시간으로 모니터링하는 측정 유닛(410)을 포함하는 모니터링 모듈(400), 모니터링 모듈(400)에서의 클래딩층(C) 높이 모니터링 결과에 따라 조사 유닛(300)으로부터의 레이저 출력, 스테이지(100)의 이동, 파우더의 공급량 등을 제어하는 제어 유닛(600)을 포함한다.

또한, 조사 유닛(300)으로 클래딩층(C) 형성을 위한 파우더를 공급하는 파우더 공급부(500), 목적하는 클래딩층(C)의 형상 정보가 저장되며, 이를 제어 유닛(600)으로 제공하는 디자인 유닛(700)을 포함한다.

기판(S)은 클래딩층(C)을 형성하기 위해 용융 풀(melt pool)을 형성하는 기본 재료로서, 다양한 금속 재료의 플레이트의 적용이 가능하다. 파우더는 클래딩층(C) 형성을 위한 재료로, 실시예에서는 스테인레스 또는 티타늄(Ti)을 사용하나, 이에 한정되지 않고, 제조하고자하는 클래딩층에 따라, 다양한 소재의 금속, 합금, 세라믹 등의 적용이 가능하다.

디자인 유닛(700)에는 제조하고자 하는 클래딩층(C)의 3차원 형상 정보가 저장되어 있다. 3 차원 형상 정보는 3차원 CAD 데이터, 3 차원 스캐너로 등으로 측정된 디지털 데이터를 말한다. 예컨대, 레이저 클래딩 공정을 통해 제조하고자하는 3 차원 형태의 제품은 다이(Die) 또는 몰드(mold) 등일 수 있으며, 물론 이에 한정되지 않고, 제조하고자 하는 다양한 제품에 적용될 수 있다.

스테이지(100)는 피처리 대상물인 기판이 안착되는 장치로서, 실시예에 따른 스테이지(100)는 수평 이동하지 않고 고정되어 있으며, 조사 유닛(300)이 수평 이동하면서 레이저를 조사한다. 물론 이에 한정되지 않고, 조사 유닛(300)이 고정되어 있고, 스테이지(100)를 수평 이동시키도록 구성할 수도 있다.

파우더 공급부(500)는 조사 유닛(300)으로 클래딩층 재료인 파우더를 공급하는 수단으로, 파우더가 저장된 파우더 저장부(510), 파우더의 이동을 도와주는 캐리어 가스가 저장된 캐리어 가스 저장부(520), 일단이 파우더 저장부(510) 및 캐리어 가스 저장부(520)에 연결되고, 타단이 조사 유닛(300)에 연결된 파우더 공급 라인(530)을 포함한다.

실시예에 따른 파우더 저장부(510)에 저장된 파우더는 스테인레스 또는 티타늄(Ti)이나, 이에 한정되지 않고 제조하고자 하는 물품에 따라 다른 금속, 합금 및 세라믹등 다양한 재료가 저장될 수 있다.

캐리어 가스 저장부(520)는 파우더 공급 라인(530)으로 캐리어 가스를 공급하여 고체 상태의 파우더가 파우더 공급 라인(530) 및 조사 유닛(300)으로 원활하게 이동, 공급될 수 있도록 한다. 실시예에 따른 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂)이나, 이에 한정되지 않고, 다양한 비활성(불활성) 가스가 적용 가능하다.

조사 유닛(300)은 스테이지(100) 상측에 위치하며, 레이저 이송부(210) 및 파우더 공급부(500)와 연결되어, 기판(S)을 향해 레이저를 조사하고, 파우더를 분사한다. 보다 구체적으로 조사 유닛(300)은 도 2에 도시된 바와 같이, 바디(이하, 조사 바디(310)), 조사 바디(310) 내부에 마련되며, 일단이 레이저 이송부(210)와 연통되고, 타단이 조사 바디(310) 하부 끝단에 위치하도록 형성되어, 기판(S)을 향해 레이저를 조사하는 레이저 조사부(320), 조사 바디(310) 내부에서 레이저 조사부(320) 주위에 마련되며, 일단이 파우더 공급부(500)와 연통되고, 타단이 조사 바디(310) 하부 끝단에 위치하도록 형성되어 파우더 공급부(500)로부터 제공된 파우더를 기판(S)을 향해 분사하는 파우더 분사부(330)를 포함한다.

조사 바디(310)는 조사 유닛(300)의 외관을 형성하는 것으로, 실시예에 따른 조사 바디(310)는 상하 방향의 중반 이후 구간부터 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상이다. 물론 이에 한정되지 않고, 조사 바디(310)의 형상은 레이저의 조사 및 파우더의 분사가 가능한 다양한 형태로 변경 가능하다.

레이저 조사부(320)는 레이저의 통과 또는 이동이 가능하도록 조사 바디(310)에 마련된 빈 공간으로서, 도 2에 바와 같이, 조사 바디(310)의 폭 방향 중심에서 상하 방향으로 연장 형성된다. 그리고, 레이저 조사부(320)의 일단은 조사 바디(310)의 상부면에 마련된 개구로서, 레이저 이송부(210)와 연결 또는 연통된다. 또한, 레이저 조사부(320)의 하측 타단은 조사 바디(310)의 하부면에서 스테이지(100) 또는 기판(S)을 향해 개방된 개구이다.

파우더 분사부(330)는 파우더 공급부(500)로부터 제공된 파우더 및 캐리어 가스가 이동하는 통로 또는 빈 공간 형태이다. 실시예에 따른 파우더 분사부(330)는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(320)의 주위를 둘러싸도록 형성되며, 하측으로 갈수록 그 내경이 좁아지는 형태이다. 그리고, 파우더 분사부(330)의 상부의 적어도 일부는 파우더 공급 라인(530)과 연통되고, 파우더 분사부(330)의 하부 끝단은 조사 바디(310)의 하부에 마련된 개구 형태이다. 이때, 파우더 분사부(330)의 하부 끝단은 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(320)의 하부 끝단의 외측 둘레에 위치하도록 마련되는 것이 바람직하다.

이와 같은 형태의 조사 유닛(300)에 의하면, 레이저 발생 유닛(200)으로부터 제공된 레이저는 조사 유닛(300)의 레이저 조사부(320)를 따라 이동하여 레이저 조사부(320)의 하측 끝단으로부터 기판(S)을 향해 조사된다. 또한, 동시에 파우더 공급부(500)로부터 제공된 파우더 및 캐리어 가스는 조사 유닛(300)의 파우더 분사부(330)로 공급되어, 상기 파우더 분사부(330)의 하측 끝단을 통해 기판(S)을 향해 분사된다. 이렇게 조사 유닛(300)으로부터 조사된 레이저에 의해 금속 기판(S)이 용융되어 용융풀을 형성되며, 동시에 분사되는 파우더에 의해 용융풀이 부풀어 올라 소정 높이의 클래딩층(C)을 형성한다.

모니터링 모듈(400)은 스테이지(100) 상측에 위치하여 클래딩층의 온도를 측정하는 측정 유닛(410), 측정 유닛(410)에서 측정된 온도에 따라 클래딩층(C)의 높이 상태를 판단 또는 모니터링하는 모니터링 유닛(420)을 포함한다.

도 3을 참조하면, 측정 유닛(410)은 내부 공간을 가지는 바디(이하, 측정 바디(411)), 측정 바디(411)의 일측 개구를 폐쇄하도록 설치된 보호 부재(412), 측정 바디(411) 내부에서 보호 부재(412)와 이격 설치되어, 열에 의해 발생되는 파장을 측정하여 온도를 측정하는 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g), 측정 바디(411) 내부에서 보호 부재(412)와 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g) 사이에 위치하여, 기판(S)으로부터 전달된 열 에너지를 포커싱 또는 집광 또는 집열하는 렌즈(414)를 포함한다.

이하에서는 측정 유닛(410)에 있어서, 보호 부재(412)가 위치한 방향을 전방, 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g)가 위치한 방향을 후방으로 정의하여 명명한다.

측정 바디(411)는 상술한 바와 내부 공간을 가지는 통 형상이다. 기판(S)을 향하는 측정 바디(411)의 선단에는 보호 부재(412)가 설치되어 측정 바디(411)의 내부를 폐쇄함으로써, 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지한다. 또한, 보호 부재(412)는 광의 투과가 가능하도록 투광성의 재료 예컨대 쿼츠로 이루어진다.

렌즈(414)는 기판(S) 또는 클래딩층으로부터 방사되는 광 에너지를 포커싱 또는 집광하는 것으로, 전면 및 배면이 볼록한 볼록 렌즈형태의 포커싱 렌즈일 수 있다.

측온기(413: 413a 내지 413g)는 가열되는 피처리물에 대해 온도를 측정하도록 일반적인 파이로미터(PYROMETER)로서, 파이로미터는 열에 의해 발생되는 파장을 측정하여 기판(S)의 에너지로 산출하고, 수식 1에 의해 절대 온도 T를 검출한다.

수식 1) E = 3/2 * nRT

E : 에너지

n : 몰수

R : 기체상수

T: 절대 온도

이러한 측온기(413)는 복수개로 마련되며, 복수개의 측온기(413: 413a 내지 413g) 중 적어도 일부는 상하 방향으로 나열 배치된다. 즉, 복수개의 측온기(413: 413a 내지 413g)는 기판(S) 상에 형성되는 클래딩층(C)의 높이 방향과 대응하는 방향으로 나열 배치된다. 실시예에서는 상하 방향으로 3개의 측온기(413a 내지 413c)가 나열 배치된다. 설명의 편의를 위하여 이하에서는 상하 방향으로 나열된 3개의 측온기(413a 내지 413c) 중 중심에 위치한 측온기를 제 1 측온기(413a), 제 1 측온기(413a)의 상측에 위치한 측온기를 제 2 측온기(413b), 제 1 측온기(413a) 하측에 위치한 측온기를 제 3 측온기(413c)로 명명한다. 실시예에서는 상하 방향으로 3개의 측온기(413a 내지 413c)가 나열 설치되나, 이에 한정되지 않고, 2개 또는 3개 이상의 측온기가 설치되도록 변경될 수 있다.

또한, 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g)는 도 4에 도시된 바와 같이 방사형으로 배치되도록 구성될 수 있다. 즉, 중심의 측온기를 제 1 측온기(413a)라고 할 때, 제 1 측온기(413a)의 주위에 복수의 측온기(413b 내지 413g)가 원 형태로 나열 배치될 수 있다. 실시예에서는 7개의 측온기(413: 413a 내지 413g)가 방사형으로 설치되는데, 제 1 측온기(413a)s를 중심으로하여, 상기 제 1 측온기(413a)의 상측 및 하측에 제 2 및 제 3 측온기(413b, 413c)가 위치하고, 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c)의 양 측방향에 제 4 내지 제 7 측온기(413d 내지 413g)가 설치된다.

상기에서는 7개의 측온기(413: 413a 내지 413g)가 방사형으로 배치되는 것을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 5개 또는 7개 이상의 측온기가 방사형으로 배치될 수도 있다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 복수의 측온기(413a 내지 413g)가 상하 방향으로 나열 배치된 측정 유닛(410)을 이용하여 기판(S)의 온도를 실시간으로 측정한다. 다른 말로 하면 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g)를 이용하여 클래딩층(C)의 높이 변화를 검출 모니터링한다.

이하에서는 도 5 내지 도 10을 참조하여, 복수의 측온기(413: 413a 내지 413g)를 이용한 클래딩층(C) 높이의 모니터링 방법을 설명한다.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 측정 유닛 및 모니터링 유닛을 이용한 클래딩층 높이 측정 방법을 설명하기 위한 예시를 나타낸 도면이다.

렌즈(414)는 기판(S)의 방사 열 에너지 파장을 집광 또는 포커싱하며, 이는 복수의 측온기(413a 내지 413g)로 전달된다. 즉, 기판(S)에 형성된 클래딩층(C)으로부터 방사된 열 에너지는 렌즈(414)로 입사하여 집광되어 복수의 측온기(413a 내지 413g) 방향으로 전달되는데, 클래딩층(C)의 높이에 따라 렌즈(414)에서의 굴절 위치가 다르고, 그 굴절 위치에 따라 상하로 나열된 복수의 측온기(413a 내지 413g)에서의 온도가 다르다. 다른 말로 하면, 클래딩층(C)의 높이에 따라 상하로 나열된 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중 가장 높은 온도를 가지는 측온기가 다르다.

예컨대, 중심에 제 1 측온기(413a), 제 1 측온기(413a) 상측에 제 2 측온기(413b), 제 1 측온기(413a) 하측에 제 3 측온기(413c)가 위치될 때, 가장 높은 온도가 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중 어느 측온기이냐에 따라 클래딩층(C)의 높이가 기준 높이에 비해 높은지 낮은지 여부를 알 수 있다.

기준 높이(H1)는 작업자가 제조하고자 하는 높이 또는 두께로서, 클래딩층(C)이 기준 높이로 형성될 때, 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중 가장 높은 온도를 보이는 측온기가 중심에 위치한 제 1 측온기가 되도록 측정 유닛을 구성한다.

이에, 클래딩층(C)이 기준 높이로 형성되고 있을 경우, 클래딩층(C)의 열 에너지가 렌즈(414)에 의해 굴절, 집광되어, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)를 향하도록 전달된다. 따라서, 복수의 측온기(413a 내지 413g)의 온도를 검출하면, 열 에너지가 집광된 제 1 측온기(413a)의 온도가 가장 높으며(도 6 참조), 모니터링 유닛(420)은 이 온도 결과를 근거로 클래딩층(C)이 기준 높이(H1)로 형성되고 있다고 판단한다.

다른 예로, 도 7에 도시된 바와같이 클래딩층(C)이 기준 높이(H1)에 비해 낮은 높이(H2)로 형성되고 있을 경우, 클래딩층(C)의 열 에너지가 렌즈(414)에 의해 굴절, 집광되어 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중, 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)의 상측에 위치한 제 2 측온기(413b)를 향하도록 전달된다. 따라서, 복수의 측온기(413a 내지 413g)의 온도를 검출하면, 열 에너지가 집광된 제 2 측온기(413b)의 온도가 가장 높으며(도 8 참조), 모니터링 유닛(420)은 이 온도 결과를 근거로 클래딩층(C)이 기준 높이(H1)에 비해 낮은 높이(H2)로 형성되고 있다고 판단한다.

또 다른 예로, 도 8에 도시된 바와같이 클래딩층(C)이 기준 높이(H1)에 비해 높은 높이(H3)로 형성되고 있을 경우, 클래딩층(C)의 열 에너지가 렌즈(414)에 의해 굴절, 집광되어 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중, 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)의 하측에 위치한 제 3 측온기(413b)를 향하도록 전달된다. 따라서, 복수의 측온기(413a 내지 413g)의 온도를 검출하면, 열 에너지가 집광된 제 3 측온기(413c)의 온도가 가장 높으며(도 8 참조), 모니터링 유닛(420)은 이 온도 결과를 근거로 클래딩층(C)이 기준 높이(H1)에 비해 높은 높이(H3)로 형성되고 있다고 판단한다.

또한, 본 발명에 따른 측정 유닛(410)은 복수의 측온기(413a 내지 413g)가 클래딩층(C)의 높이 방향(즉, 상하 방향) 뿐만아니라, 클래딩층(C)의 폭 방향 또는 기판(S)의 폭 방향으로도 나열되어 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 유닛(410)이 폭 방향의 중심에 위치한 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c)의 일 측방향에 제 4 및 제 6 측온기(413d 및 413f)가 배치되고, 타 측방향에 제 5 및 제 8 측온기(413e 및 413g)가 배치되어 있다. 이에, 복수의 측온기(413a 내지 413g) 각각의 온도를 상대적으로 비교하여, 클래딩층(C)의 높이뿐만 아니라, 폭 방향으로의 위치 이동도 상대적으로 비교가 가능하다.

예컨대, 복수의 측온기(413a 내지 413g) 중 가장 높은 온도를 보이는 측온기가 제 4 또는 제 6 측온기(413d 내지 413g)인 경우, 클래딩층(C)이 기준 위치로로부터 일측으로 치우쳐 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 반대로 복수의 측온기(413a 내지 413g) 중 가장 높은 온도를 보이는 측온기(413a 내지 413g)가 제 5 또는 제 7 측온기(413a 내지 413g)인 경우, 클래딩층(C)이 기준 위치로부터 타측으로 치우쳐 형성되고 있는 것을 알 수 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 클래딩층 높이를 실시간으로 모니터링하는 방법을 설명한다.

먼저, 스테이지(100) 상에 금속 소재의 기판(S)을 안착시킨다. 그리고 레이저 발생 유닛(200)으로부터 레이저를 발진시키면, 레이저는 레이저 이송부(210)를 따라 조사 유닛(300)으로 이동하여, 레이저 조사부(320)를 통해 기판(S)으로 조사된다. 이에, 조사되는 레이저에 의해 기판(S)이 용융되어 용융풀을 형성한다. 또한, 레이저 조사와 동시에, 파우더 저장부(510)의 파우더 및 캐리어 가스 저장부의 캐리어 가스를 파우더 공급 라인으로 공급하면, 예컨대 스테인레스 파우더가 캐리어 가스에 의해 조사 유닛(300)의 파우더 분사부(330)로 이송되어 기판(S)의 용융풀로 분사된다. 이에, 기판(S) 상에 클래딩층(C)이 형성된다.

이때, 스테이지(100) 또는 조사 유닛(300)을 클래딩층 형성 방향으로 수평 이동시키면서 클래딩층(C)을 형성한다. 스테이지(100)가 이동하는 경우, 조사 유닛(300) 및 측정 유닛(410)은 고정된 상태이며, 조사 유닛(300)이 수평 이동하는 경우, 조사 유닛(300)과 동기화하여 측정 유닛(410)이 수평 이동하며, 스테이지(100)는 고정된 상태이다.

한편, 기판(S)으로 조사되는 레이저에 의해 기판이 가열, 용융되어 클래딩층(C)이 형성되므로, 상기 클래딩층(C)은 소정의 온도를 가지고 있다. 본 발명에서는 클래딩층(C)의 온도를 이용하여 클래딩층(C)의 높이를 실시간으로 모니터링 한다. 즉, 모니터링 유닛(420)에서는 복수의 측온기(413a 내지 413g)에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여, 클래딩층(C)이 기준 높이로 형성되고 있는지, 기준 높이에 비해 두껍게 또는 얇게 형성되고 있는지 모니터링 한다.

예컨대, 복수의 측온기(413a 내지 413g)에서 측정된 온도를 상대적으로 비교하였을 때, 클래딩층(C)의 높이 방향 즉, 상하 방향으로 나열된 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중, 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)의 온도가 제 2 및 제 3 측온기(413b 및 413c)에 비해 높은 경우(도 5 및 도 6 참조), 현재 클래딩층(C)의 높이가 기준 높이(H1)로 형성되고 있다고 판단한다. 이에 모니터링 유닛(420)은 현재의 클래딩층의 형성 조건을 변경하지 않고 유지시킨다.

다른 예로, 복수의 측온기(413a 내지 413g)에서 측정된 온도를 상대적으로 비교하였을 때, 제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중, 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)의 상측에 위치한 제 2 측온기(413b)의 온도가 제 1 및 제 3 측온기(413a 및 413c)에 비해 높은 경우(도 7 및 도 8 참조), 현재 클래딩층(C)의 높이(H2)가 기준 높이에 낮게 형성되고 있다고 판단한다. 이에 모니터링 유닛(420)은 클래딩층(C)의 높이가 기준 높이가 되도록, 레이저 발생 유닛(200)의 전력을 상승시키거나, 파우더의 분사량을 증가시키거나, 스테이지(100) 또는 조사 유닛(300)의 이동 속도를 낮추는 등 공정 조건을 변경한다.

또 다른 예로, 복수의 측온기(413a 내지 413g)에서 측정된 온도를 상대적으로 비교하였을 때,제 1 내지 제 3 측온기(413a 내지 413c) 중, 중심에 위치한 제 1 측온기(413a)의 하측에 위치한 제 3 측온기(413c)의 온도가 제 1 및 제 2 측온기(413a 및 413b)에 비해 높은 경우(도 9 및 도 10 참조), 현재 클래딩층(C)의 높이(H3)가 기준 높이(H1)에 높게 형성되고 있다고 판단한다. 이에 모니터링 유닛(420)은 클래딩층(C)의 높이가 기준 높이(H1)가 되도록, 레이저 발생 유닛(200)의 전력을 감소시키거나, 파우더의 분사량을 감소시키거나, 스테이지(100)의 이동 속도를 높이는 등 공정 조건을 변경한다.

이와 같이 본 발명에서는 복수의 측온기(413a 내지 413g)를 가지는 측정 유닛(410)을 이용하여 클래딩층(C)의 온도를 측정하여, 클래딩층(C)의 높이 변화를 실시간으로 모니터링함으로 써, 실시간으로 공정 제어가 가능하며, 이에 안정적으로 클래딩층(C)을 형성할 수 있다. 또한, 온도 측정 방식으로 클래딩층(C)의 높이를 모니터링함으로써, 종래에 비해 짧은 시간에 모니터링이 가능하며, 보다 신뢰성 있게 클래딩층(C)의 높이 변화를 모니터링 할 수 있다.

100: 스테이지 200: 레이저 발생 유닛
210: 레이저 이송부 300: 조사 유닛
310: 조사 바디 320: 레이저 조사부
330: 파우저 분사부 410: 측정 유닛
411; 측정 바디 412: 보호 부재
413: 측온기 414: 렌즈

Claims

상부에 기판이 안착되는 스테이지;
상기 스테이지의 상측에 위치하여, 상기 기판을 향해 레이저를 조사하고, 클래딩층 형성 재료를 분사하는 조사 유닛;
상기 클래딩층의 높이 방향으로 나열 배치되어, 상기 클래딩층으로부터 발생된 열 에너지를 받아 온도로 검출하는 복수의 측온기가 마련된 측정 유닛;
상기 측정 유닛의 복수의 측온기에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여, 클래딩층의 높이 변화를 모니터링하는 모니터링 유닛;
을 포함하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 유닛은,
내부 공간을 가지는 측정 바디; 및
상기 측정 바디 내부에 설치되어, 상기 클래딩층으로부터 발생된 열 에너지의 광을 포커싱시키는 렌즈;
를 포함하고,
상기 복수의 측온기는 상기 측정 바디 내부에서 상기 렌즈의 후방에 설치되는 레이저 클래딩 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 측온기는 제 1 측온기, 상기 제 1 측온기의 상측에 위치한 제 2 측온기 및 상기 제 1 측온기의 하측에 위치한 제 3 측온기를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 측온기는 상하 방향으로 나열되어 배치된 레이저 클래딩 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 모니터링 유닛은 상기 제 1 내지 제 3 측온기에서 검출된 온도를 상대적으로 비교하여,
가장 높은 온도가 검출된 측온기를 탐색하여 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮거나, 높은지 판단하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 모니터링 유닛은,
중심에 위치한 상기 제 1 측온기의 온도가 제 2 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는 것으로 판단하고,
제 2 측온기의 온도가 제 1 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단하고,
제 3 측온기의 온도가 제 1 및 제 2 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 조사 유닛으로 레이저를 제공하는 레이저 발생 유닛;
상기 조사 유닛으로 파우더를 공급하는 파우더 공급부;
상기 스테이지를 수평 이동시키거나, 상기 조사 유닛 및 측정 유닛을 수평 이동시키는 수평 이동 수단;
상기 레이저 발생 유닛, 파우더 공급부 및 수평 이동 수단의 동작을 제어하는 제어 유닛;
을 포함하고,
상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮거나 높은 것으로 판단되는 경우,
상기 제어 유닛은 클래딩층의 높이가 기준 높이가 되도록 상기 레이저 발생 유닛, 파우더 공급부 및 수평 이동 수단의 동작을 제어하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 복수의 측온기는 제 1 내지 제 3 측온기 외에 다른 복수의 측온기를 포함하며,
상기 다른 복수의 측온기 중 적어도 하나는 상기 제 1 내지 제 3 측온기의 일 측방향 및 타 측방향에 위치하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 측온기는 상기 제 1 측온기를 중심으로 하여 방사형으로 배치된 레이저 클래딩 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 모니터링 유닛은,
상기 제 1 내지 제 3 측온기의 일 측방향 또는 타 측방향에 위치한 측온기에서의 온도가 다른 측온기들에 비해 높은 경우, 클래딩층이 기준 위치에 비해 일 측방향 또는 타 측방향으로 치우쳐 형성된 것으로 판단하는 레이저 클래딩 장치.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 있어서,
상기 측온기는 파이로미터(pyrometer)인 레이저 클래딩 장치.
스테이지 상에 기판을 안착시키는 과정;
상기 스테이지 상측에 위치한 조사 유닛을 이용하여 상기 기판에 레이저를 조사하여 용융풀을 형성하고, 클래딩층 형성용 재료를 분사하여 클래딩층을 형성하는 과정;
상기 기판 상에 클래딩층의 형성 중에, 상기 기판의 상측에서 상기 클래딩층의 높이 방향으로 나열 배치된 복수의 측온기로 검출된 온도를 상대적으로 비교하는 과정;
상기 복수의 측온기 중, 가장 높은 온도가 검출된 측온기를 탐색하여, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는지 또는 기준 높이에 비해 낮거나, 높은지 판단하는 모니터링 과정;
을 포함하는 클래딩층 형성 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 복수의 측온기는 제 1 측온기, 상기 제 1 측온기의 상측에 위치한 제 2 측온기 및 상기 제 1 측온기의 하측에 위치한 제 3 측온기를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 측온기는 상하 방향으로 나열되어 배치되며,
상기 모니터링 과정에 있어서,
중심에 위치한 상기 제 1 측온기의 온도가 제 2 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 포함되는 것으로 판단하고,
제 2 측온기의 온도가 제 1 및 제 3 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단하고,
제 3 측온기의 온도가 제 1 및 제 2 측온기에 비해 높은 경우, 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단하는 클래딩층 형성 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 낮은 것으로 판단되는 경우,
상기 레이저 조사량 및 파우더 분사량 중 어느 하나를 증가시키거나, 상기 스테이지 또는 측정 유닛의 이동 속도를 감소시키는 클래딩층 형성 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 모니터링 유닛에서 클래딩층의 높이가 기준 높이에 비해 높은 것으로 판단되는 경우,
상기 레이저 조사량 및 파우더 분사량 중 어느 하나를 감소시키거나, 상기 스테이지 또는 측정 유닛의 이동 속도를 증가시키는 클래딩층 형성 방법.