KR20180027179A - 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 가공 장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공 장치는, 제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 제1 레이저 빔이 입사되며, 상기 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔과 상기 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔을 출사하는, 파장 변환 광학 유닛; 상기 제2 레이저 빔을 가공 대상물의 가공 영역에 조사하는 제1 레이저 조사 유닛; 및 상기 제3 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공 영역의 주변 영역에 조사하는 제2 레이저 조사 유닛;을 포함한다.

Description

레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법{Laser processing apparatus and laser processing method using the same}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
레이저 가공 장치란 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물을 가공하기 위한 장치를 말한다. 이러한 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 이용하여 가공 대상물을 절단할 수 있다.
레이저 빔을 이용한 절단은, 좁은 공간에 높은 에너지를 조사하여 빠른 시간 내에 가공이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 가공 대상물의 가공 영역, 예를 들어, 절단 라인에 레이저 빔을 조사하는 과정에서, 레이저의 광학적 특성으로 인하여, 주변 영역이 열에 의한 영향을 받게 되거나, 가공 영역에서 떨어져 나온 입자(particle)가 레이저 플라즈마 효과에 의해 주변 영역에 증착된다.
이와 같이, 레이저 빔을 이용한 절단 과정에서 레이저의 광학적 특성으로 인해 발생되는 가공 품질의 저하를 개선하기 위하여, 주변 영역에 세정을 위한 레이저 빔을 조사할 수 있다.
이러한 세정을 위한 레이저 빔을 조사하기 위해서, 절단을 위한 레이저 광원과 별개의 레이저 광원이 사용된다. 그러나, 이러한 별개의 레이저 광원을 사용하는 경우, 그로 인한 비용 증가 및 크기 증가로 이어질 수 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 장치는,
제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
상기 제1 레이저 빔이 입사되며, 상기 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔과 상기 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔을 출사하는, 파장 변환 광학 유닛;
상기 제2 레이저 빔을 가공 대상물의 가공 영역에 조사하는 제1 레이저 조사 유닛; 및
상기 제3 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공 영역의 주변 영역에 조사하는 제2 레이저 조사 유닛;을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 파장은 적외선 영역에 해당되며, 상기 제2 파장은 가시광선 영역 또는 자외선 영역에 해당될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 파장 변환 광학 유닛은 조화파 발생기(harmonic generation)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 파장 변환 광학 유닛은 제2 조화파 발생기(second harmonic generation)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 레이저 빔의 제2 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작으며, 상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워의 40 % ~ 70 %일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 방법은,
제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 생성하는 단계;
상기 제1 레이저 빔을, 상기 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔과 상기 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계;
상기 제2 레이저 빔을 가공 대상물의 가공 영역에 조사하는 단계; 및
상기 제3 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공 영역의 주변 영역에 조사하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 파장은 적외선 영역에 해당되며, 상기 제2 파장은 가시광선 영역 또는 자외선 영역에 해당될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔 및 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서는, 제2 레이저 빔의 제2 파장이 제1 레이저 빔의 제1 파장의 1/2로 변환될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔 및 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서는, 상기 제2 레이저 빔의 제2 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작으며, 상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워의 40 % ~ 70 %일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법은, 파장 변환 광학 유닛에 의해 레이저 빔의 파장을 변환시키는 과정에서 발생되는 빔 특성이 열화된 레이저 빔을 세정 공정에 이용함으로써, 가공 품질을 개선하면서도, 비용 증가 및 크기 증가를 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 파장 변환 광학 유닛이 제2 조화파 발생기인 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 레이저 가공 장치에 의해 가공 대상물을 가공하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 비교예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물의 상태를 나타낸 사진이며, 도 5는 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물의 상태를 나타낸 사진이다.
도 6은 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공 대상물을 레이저 가공하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 가공 대상물(10)에 대한 레이저 가공 작업을 수행하는 장치로서, 레이저 광원(100), 파장 변환 광학 유닛(200) 및 레이저 조사 유닛(310, 320)을 포함한다.
레이저 광원(100)은 제1 파장 및 제1 파워를 가지는 제1 레이저 빔(L1)을 생성할 수 있다. 제1 파장은 적외선(IR) 영역에 해당할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장은 1064 nm일 수 있다.
도면상 도시되지 않았으나, 레이저 광원(100)은 레이저 다이오드(미도시) 및 레이저 공진기(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 레이저 광원(100)의 구성은 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다.
제1 레이저 빔(L1)이 적외선 영역에 해당할 경우, 그 자체로는 가공 대상물(10)에 대한 절단 공정에 사용하기에 부적합할 수 있다. 왜냐하면, 가공 대상물(10)에 대한 절단 공정에는 가시광선 영역 또는 자외선(UV) 영역에 해당하는 레이저 빔이 사용되기 때문이다.
파장 변환 광학 유닛(200)은 레이저 광원(100)에서 생성된 제1 레이저 빔(L1)을 레이저 가공 공정의 절단 공정에 사용하기에 적합한 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔(L2)으로 변환시키는 기능을 수행한다. 제2 파장은 제1 파장보다 작다. 예를 들어, 제1 파장이 적외선 영역에 해당하는 파장일 경우, 제2 파장은 가시광선 영역 또는 자외선 영역에 해당하는 파장일 수 있다.
파장 변환 광학 유닛(200)은 조화파 발생기(Harmonic Generation)일 수 있다. 예를 들어, 파장 변환 광학 유닛(200)은 제2 조화파 발생기(201)(SHG, Second Harmonic Generation)일 수 있다.
도 2는 파장 변환 광학 유닛(200)이 제2 조화파 발생기(201)인 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 파장 변환 광학 유닛(200)이 제2 조화파 발생기(201)일 경우, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파장은 제1 파장의 1/2일 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파장이 1064 nm일 때, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파장은 532 nm 일 수 있다.
제2 레이저 빔(L2)은 제1 파워보다 작은 제2 파워를 가진다. 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파워가 100 W일 때, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파워는 50 W일 수 있다.
파장 변환 광학 유닛(200)에서, 제1 레이저 빔(L1)이 입사되어 제2 레이저 빔(L2)이 출사되는 과정에서, 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔(L3)이 발생하게 된다. 예를 들어, 1064 nm의 파장을 가지며, 50 W의 파워를 가지는 제3 레이저 빔(L3)이 발생한다.
다만, 파장 변환 광학 유닛(200)에서 출사되는 제3 레이저 빔(L3)의 빔 모드는 제1 레이저 빔(L1)의 빔 모드에 비해, 깨진 상태일 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저 빔(L1)의 빔 모드가 가운데가 볼록한 가우시안(Gaussian) 형태를 가지더라도, 제3 레이저 빔(L3)의 빔 모드는 가우시안 분포가 찌그러진 형태를 가질 수 있다. 이러한 제3 레이저 빔(L3)은 절단 공정에 사용되기 어려울 수 있다.
종래에는, 이러한 제3 레이저 빔(L3)의 빔 특성으로 인해, 제3 레이저 빔(L3)을 레이저 가공 공정에 사용하지 않고, 덤퍼(dumper) 등을 이용하여 소멸시켜왔다. 그러나, 이러한 제3 레이저 빔(L3)의 제3 파워는 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파워의 40 % ~ 70 %에 해당한다. 그에 따라, 제3 레이저 빔(L3)을 사용하지 않을 경우, 레이저 가공 장치의 효율이 낮을 수 있다.
실시예에 따른 레이저 가공 장치에서는, 이러한 제3 레이저 빔(L3)을 레이저 가공 공정 중 세정 공정에 사용할 수 있는 구조를 제공하고자 한다.
도 1을 다시 참조하면, 레이저 가공 장치는 제2 레이저 빔(L2)을 가공 대상물(10)의 가공 영역(11)에 조사하는 제1 레이저 조사 유닛(310)과, 제3 레이저 빔(L3)을 가공 대상물(10)의 가공 영역(11)의 주변 영역(12)에 조사하는 제2 레이저 조사 유닛(320)을 포함한다.
제1 레이저 조사 유닛(310) 및 제2 레이저 조사 유닛(320) 각각은, 빔을 집속하는 집속 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 레이저 조사 유닛(310) 및 제2 레이저 조사 유닛(320)은 빔 확대기(미도시)를 포함할 수 있다. 다만, 빔 확대기는 선택적인 구성으로, 필요에 따라, 생략될 수 있음은 물론이다
도 3a 및 도 3b는 도 1의 레이저 가공 장치에 의해 가공 대상물(10)을 가공하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 레이저 조사 유닛(310)에 의해 제2 레이저 빔(L2)이 가공 영역(11)에 조사되는 과정에서, 가공 영역(11)의 주변 영역(12)이 열에 의해 영향을 받게 된다. 또한, 가공 영역(11)에 대한 가공 과정에서 발생한 입자(particle)가 레이저 플라즈마 효과에 의해 주변 영역(12)에 증착된다.
도 3b를 참조하면, 제2 레이저 조사 유닛(320)에 의해 제3 레이저 빔(L3)을 가공 대상물(10)의 주변 영역(12)에 조사할 수 있다. 제2 레이저 조사 유닛(320)은 제3 레이저 빔(L3)을 디포커스(de-focus)하여 조사할 수 있다. 제3 레이저 빔(L3)은 가공 대상물(10)의 주변 영역(12)을 세정하는 기능을 수행할 수 있다.
상술한 것처럼, 제3 레이저 빔(L3)은 빔 모드가 깨진 상태일지라도, 가공 대상물(10)에 대한 세정 공정은 절단 공정에 비해 빔 모드에 민감하지 않기 때문에, 세정 공정에 유용할 수 있다.
제3 레이저 빔(L3)은 적외선 영역에 해당하는 파장을 가지기 때문에, 주변 영역(12)을 절단하지 아니하고, 증착된 이물질을 기화시키거나 열 영향을 완화시킬 수 있다.
도 4는 비교예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물(10)의 상태를 나타낸 사진이며, 도 5는 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물(10)의 상태를 나타낸 사진이다.
비교예에 따른 레이저 가공 장치는 제1 레이저 빔(L1)의 파장과 다른 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔(L2)을 가공 영역(11)에 조사하며, 파장 변환 과정에서 발생한 제3 레이저 빔(L3)을 주변 영역(12)에 조사하지 않고 소멸시키는 구조를 가진다. 그에 반해, 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 제1 레이저 빔(L1)의 파장과 다른 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔(L2)을 가공 영역(11)에 조사하고, 파장 변환 과정에서 발생한 제1 파장을 가지는 제3 레이저 빔(L3)을 주변 영역(12)에 조사하는 구조를 가진다.
도 4를 참조하면, 비교예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물(10)은, 가공 영역(11)에 제2 레이저 빔(L2)이 조사됨에 따라 검게 나타난다. 제2 레이저 빔(L2)이 조사되는 과정에서, 가공 영역(11)의 주변 영역(12)은 열에 의한 영향 및 증착된 입자에 의해 가공 영역(11)과의 경계선이 명확하지 않게 나타난다.
그에 반해, 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 가공 대상물(10)은, 가공 영역(11)에 제2 레이저 빔(L2)이 조사되며, 주변 영역(12)에 제3 레이저 빔(L3)이 조사된다. 제3 레이저 빔(L3)이 주변 영역(12)에 조사되는 과정에서, 열에 의한 영향이 완화되며, 증착된 입자가 기화됨에 따라, 주변 영역(12)과 가공 영역(11)의 경계선이 명확하게 나타난다.
상기와 같이, 비교예에 따른 레이저 가공 장치는, 제3 레이저 빔(L3)을 사용하지 않기 때문에, 주변 영역(12)을 세정하기 위한 별도의 추가적인 레이저 광원(100)이 필요하게 된다. 그에 따라, 비용이 증가하게 되며, 장치의 크기 역시 증가하게 된다.
그에 반해, 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 기존에 사용하지 않고 소멸시켰던 제3 레이저 빔(L3)을 세정 공정에 사용함으로써, 추가적인 레이저 광원(100) 없이도, 레이저 가공 품질을 향상시킬 수 있다. 그에 따라, 레이저 가공 장치의 비용을 줄일 수 있으며, 장치의 크기 역시 줄일 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공 대상물(10)을 레이저 가공하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 레이저 광원(100)은 제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔(L1)을 생성한다(S100). 제1 레이저 빔(L1)은 적외선 영역에 해당하는 제1 파장을 가진다.
제1 레이저 빔(L1)은 파장 변환 광학 유닛(200)에 입사된다. 파장 변환 광학 유닛(200)은 제1 레이저 빔(L1)을 제2 레이저 빔(L2)과 제3 레이저 빔(L3)으로 변환한다(S200). 제2 레이저 빔(L2)은 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지며, 제3 레이저 빔(L3)은 제1 레이저 빔(L1)의 제1 파장과 동일한 파장을 가진다.
일 예로서, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파장은 가시광선 영역에 해당할 수 있다. 다른 예로서, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파장은 자외선 영역에 해당할 수 있다.
이러한 제2 레이저 빔(L2)을 이용하여, 가공 대상물(10)에 대한 절단 공정을 진행할 수 있다(S310). 가공 대상물(10)의 가공 영역(11)에 제2 레이저 빔(L2)이 조사되어, 가공 영역(11)이 제거될 수 있다.
이 때, 가공 영역(11)의 주변 영역(12)이 다양한 요인에 의해 열화될 수 있다. 예를 들어, 가공 영역(11)에 제2 레이저 빔(L2)이 조사되는 과정에서 주변 영역(12)이 열에 의해 영향을 받을 수 있으며, 가공 영역(11)에 대한 가공 과정에서 발생한 입자(particle)가 레이저 플라즈마 효과에 의해 주변 영역(12)에 증착될 수 있다.
제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔(L3)을 이용하여, 가공 대상물(10)을 세정할 수 있다(S320). 예를 들어, 주변 영역(12)에 제3 레이저 빔(L3)을 조사하여, 주변 영역(12)에 작용한 열에 의한 영향을 완화시키고, 증착된 입자를 기화시킬 수 있다. 그에 따라, 레이저 가공 품질을 개선할 수 있다.
한편, 상술한 실시예들에서는, 파장 변환 광학 유닛(200)이 제2 조화파 발생기(201)인 예를 중심으로 설명하였으나, 파장 변환 광학 유닛(200)은 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 파장 변환 광학 유닛(200)은 제3 조화파 발생기(THG, Third Harmonic Generator)일 수도 있다. 이 경우, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 파장은 제1 파장의 1/3일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 레이저 광원
200 : 파장 변환 광학 유닛
201 : 제2 조화파 발생기
310 : 제1 레이저 조사 유닛
320 : 제2 레이저 조사 유닛
L1 : 제1 레이저 빔
L2 : 제2 레이저 빔
L3 : 제3 레이저 빔

Claims (11)

  1. 제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
    상기 제1 레이저 빔이 입사되며, 상기 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔과 상기 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔을 출사하는, 파장 변환 광학 유닛;
    상기 제2 레이저 빔을 가공 대상물의 가공 영역에 조사하는 제1 레이저 조사 유닛; 및
    상기 제3 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공 영역의 주변 영역에 조사하는 제2 레이저 조사 유닛;을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적외선 영역에 해당되며,
    상기 제2 파장은 가시광선 영역 또는 자외선 영역에 해당되는, 레이저 가공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 변환 광학 유닛은 조화파 발생기(harmonic generation)인, 레이저 가공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 파장 변환 광학 유닛은 제2 조화파 발생기(second harmonic generation)인, 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 제2 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작으며,
    상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작은, 레이저 가공 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워의 40 % ~ 70 %인, 레이저 가공 장치.
  7. 제1 파장을 가지는 제1 레이저 빔을 생성하는 단계;
    상기 제1 레이저 빔을, 상기 제1 파장보다 작은 제2 파장을 가지는 제2 레이저 빔과 상기 제1 파장과 동일한 파장을 가지는 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계;
    상기 제2 레이저 빔을 가공 대상물의 가공 영역에 조사하는 단계; 및
    상기 제3 레이저 빔을 상기 가공 대상물의 상기 가공 영역의 주변 영역에 조사하는 단계;를 포함하는, 레이저 가공 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적외선 영역에 해당되며,
    상기 제2 파장은 가시광선 영역 또는 자외선 영역에 해당되는, 레이저 가공 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔 및 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서는, 제2 레이저 빔의 제2 파장이 제1 레이저 빔의 제1 파장의 1/2로 변환되는, 레이저 가공 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔 및 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서는, 상기 제2 레이저 빔의 제2 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작으며, 상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워보다 작은, 레이저 가공 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제3 레이저 빔의 제3 파워는, 상기 제1 레이저 빔의 제1 파워의 40 % ~ 70 %인, 레이저 가공 방법.
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