KR20200094334A

KR20200094334A - 레이저 홀 가공장치

Info

Publication number: KR20200094334A
Application number: KR1020190011684A
Authority: KR
Inventors: 황남구; 선상필; 유승협; 최세규
Original assignee: (주) 큐알에스
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-07

Abstract

본 발명의 일실시예는 레이저빔을 이용하여 고종횡비(High Aspect Ratio)의 홀을 가공할 수 있는 레이저 홀 가공장치를 제공한다. 여기서, 홈 가공장치는 레이저빔을 조사하여 기판에 홀을 가공하기 위한 레이저 홀 가공장치로서, 제1렌즈, 집광렌즈 그리고 제2렌즈를 포함할 수 있다. 제1렌즈는 오목한 출사평면을 가지며, 출사평면에서 출사되는 레이저빔이 링 형태의 단면 형상을 가지도록 성형하고 출사평면에서 멀어질수록 지름이 증가되도록 할 수 있다. 집광렌즈는 제1렌즈에서 출사된 후 입사되는 레이저빔이 기판에 형성되는 초점위치에서 초점이 맺히도록 할 수 있다. 제2렌즈는 볼록한 입사평면을 가지고 집광렌즈 및 초점위치의 사이에 구비되며, 집광렌즈에서 출사되는 레이저빔이 초점위치보다 전방에서 교차하도록 경로를 수정하여 레이저빔이 지름이 증가하는 빔 경로를 가지며 링 형태의 단면 형상을 이루도록 할 수 있다.

Description

레이저 홀 가공장치{APPARATUS FOR DRILLING HOLE USING LASER}

본 발명은 레이저 홀 가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저빔을 이용하여 고종횡비(High Aspect Ratio)의 홀을 가공할 수 있는 레이저 홀 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 재료에 홀을 형성하는 방법에는 기계식 천공법, 건식 또는 습식 식각법, 레이저 천공법 등이 있다. 이 중에서 레이저 천공법은 기계식 천공법에 비해서는 분진발생이 적으면서도 절단면이 훨씬 매끄러운 이점이 있고, 식각법에 비해서는 공정시간이 짧을 뿐만 아니라 공정장치 등이 간단한 이점이 있다.

이에 따라 최근에는 반도체, 디스플레이 등과 같이 정밀가공이 요구되는 분야에서 실리콘, 유리, 세라믹 등의 재료에 홀을 형성하거나 절단할 때 레이저 가공장치를 이용하는 경우가 늘어나고 있다.

레이저 가공장치는 레이저광원에서 출사된 레이저빔을 포커싱 렌즈를 통해 재료에 집속시켜 재료를 가공한다.

도 1 및 도 2는 종래의 레이저 천공법을 나타낸 예시도이다.

먼저, 도 1의 (a) 및 (b)에서 보는 바와 같이, 기판(10)에 형성하고자 하는 홀(11)의 지름(D1)이 레이저빔(20)의 초점 지름(D2)보다 큰 경우, 레이저빔(20)을 홀(11)의 지름방향으로 왕복 이동시켜 가공하게 된다. 그런데 레이저빔(20)은 초점의 상측으로 갈수록 지름이 증가하기 때문에, 레이저빔(200)이 홀(11)의 가장자리면(12)이 지속적으로 닿게 되면서 레이저빔(20)의 에너지 손실이 발생될 수 있다. 그리고 이러한 에너지 손실에 의해 결과적으로 도 1의 (c)에서 보는 바와 같이, 홀(11)이 테이퍼(13) 지게 형성되게 된다. 이에 따라 홀(11)의 하단부에서는 원하는 지름(D1)보다 작은 지름(D3)이 형성되고 고종횡비(High Aspect Ratio)의 홀을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

이를 극복하기 위한 방법으로 도 2의 (a)에서 보는 바와 같은 트리패닝(Trepanning) 가공 광학계가 소개되었다.

트래패닝 가공 광학계는 복수의 웨지(Wedge)(31,32)가 마련되어 레이저빔(20)의 경로를 주기적으로 변경하여 레이저빔(20)이 홀(11)에 외측방향으로 입사되도록 하여 기판(10)에 홀(11)을 가공하게 된다.

그러나, 이러한 가공방식은 웨지(31,32)를 회전시키기 위한 회전구성이 필요하고, 이러한 회전구성의 구조적 특징으로 인해 발생하는 진동의 영향을 받게 된다. 이 결과, 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이, 비록 홀(11)은 정원(正圓)으로 형성이 되더라도 홀(11)의 가장자리면이 불규칙한 형태를 가지게 되거나, 또는, 도 2의 (c)에서 보는 바와 같이, 홀(11)이 타원 형상을 가지게 되어 가공 품질이 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2018-0108086호(2018.10.04. 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이저빔을 이용하여 고종횡비(High Aspect Ratio)의 홀을 가공할 수 있는 레이저 홀 가공장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 레이저빔을 조사하여 기판에 홀을 가공하기 위한 레이저 홀 가공장치로서, 오목한 출사평면을 가지며, 상기 출사평면에서 출사되는 레이저빔이 링 형태의 단면 형상을 가지도록 성형하고 상기 출사평면에서 멀어질수록 지름이 증가되도록 하는 제1렌즈; 상기 제1렌즈에서 출사된 후 입사되는 상기 레이저빔이 상기 기판에 형성되는 초점위치에서 초점이 맺히도록 하는 집광렌즈; 그리고 볼록한 입사평면을 가지고 상기 집광렌즈 및 상기 초점위치의 사이에 구비되며, 상기 집광렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 상기 초점위치보다 전방에서 교차하도록 경로를 수정하여 상기 레이저빔이 지름이 증가하는 빔 경로를 가지며 링 형태의 단면 형상을 이루도록 하는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초점위치는 상기 기판의 두께방향으로 이동되고, 상기 홀은 상기 초점위치에 맺히는 상기 레이저빔에 의해 상기 기판이 선가공되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2렌즈는 상기 집광렌즈와의 거리가 가변되도록 구비되고, 상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 가까워질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 교차하는 교차위치는 상기 초점위치로부터 멀어지고 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면 형상의 지름은 커지고, 상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 멀어질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 교차하는 교차위치는 상기 초점위치에 가까워지고 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면 형상의 지름은 작아질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1렌즈는 상기 집광렌즈와의 거리가 가변되도록 구비되고, 상기 제1렌즈 및 상기 집광렌즈 사이의 거리가 가까워질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔의 수렴각은 작아지고, 상기 제1렌즈 및 상기 집광렌즈 사이의 거리가 멀어질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔의 수렴각은 커질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1렌즈로 입사되는 상기 레이저빔의 출력을 제어하는 출력제어부를 더 포함하고, 상기 출력제어부는 상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 가까워져 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면의 지름이 커질수록 상기 레이저빔의 출력을 크게 하고, 상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 멀어져 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면의 지름이 작아질수록 상기 레이저빔의 출력을 작게 하여 상기 초점위치에서 상기 레이저빔의 에너지 밀도가 일정해지도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기판에 조사되는 레이저빔은 링 형태의 단면 형상을 가지기 때문에, 기판에는 초점위치에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름에 대응되는 지름으로 홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판에 조사되는 레이저빔은 링 형태의 단면 형상의 지름이 증가되는 형태를 이루기 때문에, 홀 가공 시에 종래에서와 같이 레이저빔이 홀의 바닥면의 모서리 부분에만 닿게 된다. 따라서, 홀의 가장자리면에서 레이저빔의 에너지 손실을 줄일 수 있고, 홀의 가장자리면이 깨끗한 형태를 이루도록 할 수 있으며, 고종횡비의 홀을 가공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 집광렌즈와 제2렌즈 사이의 거리를 조절하여 기판에 형성하고자 하는 홀의 지름에 맞게 초점위치에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름을 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 레이저빔의 지름을 조절하기 위한 별도의 광학계의 추가 구성이나, 광학계의 교체가 불필요하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1렌즈와 집광렌즈 사이의 거리를 조절하여 제2렌즈에서 출사되는 레이저빔의 수렴각을 조절할 수 있다. 따라서, 기판의 두께가 너무 두꺼워서 기판에 홀 가공을 하는 과정에서 레이저빔의 교차위치가 기판의 내측에 위치되더라도, 제2렌즈에서 출사되는 레이저빔의 수렴각을 작게 하여 제2렌즈와 교차위치 사이의 레이저빔이 홀의 가장자리에 의해 간섭받지 않도록 하고 에너지 손실이 발생하지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 출력제어부는 초점위치에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름이 커질수록 레이저빔의 출력을 크게 하고, 초점위치에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름이 작아질수록 레이저빔의 출력을 작게 할 수 있다. 이를 통해, 초점위치에서 레이저빔의 지름이 다르게 되더라도 레이저빔의 에너지 밀도는 일정해질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1렌즈와 집광렌즈 사이의 거리를 조절하여 제2렌즈에서 조사되는 레이저빔의 수렴각을 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 레이저빔의 수렴각을 조절하기 위한 별도의 광학계의 추가 구성이나, 광학계의 교체가 불필요한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 및 도 2는 종래의 레이저 천공법을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 홀 가공장치를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 레이저빔의 단면형상을 나타낸 예시도이다.
도 5는 도 3의 레이저 홀 가공장치를 이용한 홀 가공예를 나타낸 예시도이다.
도 6은 도 3의 레이저 홀 가공장치의 작동예를 나타낸 예시도이다.
도 7은 도 3의 레이저 홀 가공장치의 다른 작동예를 나타낸 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

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 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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 홀 가공장치를 개략적으로 나타낸 예시도이고, 도 4는 도 3의 레이저빔의 단면형상을 나타낸 예시도인데, 도 4의 (a)는 도 3의 A-A’선 단면형상을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 도 3의 B-B’선 단면형상을 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 홀 가공장치는 제1렌즈(100), 집광렌즈(200) 그리고 제2렌즈(300)를 포함할 수 있다.

제1렌즈(100)는 오목한 출사평면(110)을 가질 수 있다. 제1렌즈(100)는 출사평면(110)에서 출사되는 레이저빔(20)이 링 형태의 단면 형상을 가지도록 성형할 수 있다. 즉, 제1렌즈(100)는 제1렌즈(100)로 입사되는 레이저빔(20)이 속이 찬 단면 형상을 가지더라도(도 4의 (a) 참조), 제1렌즈(100)의 출사평면(110)에서 출사되는 레이저빔(20)은 링 형태의 단면 형상을 가질 수 있다(도 4의 (b) 참조).

또한, 제1렌즈(100)는 출사평면(110)에서 출사되는 레이저빔(20)이 출사평면(110)에서 멀어질수록 지름이 증가되도록 할 수 있다.

집광렌즈(200)는 제1렌즈(100)에서 출사된 후 입사되는 레이저빔(20)이 초점위치(P1)에서 초점이 맺히도록 할 수 있다. 즉, 제1렌즈(100)에서 출사되는 레이저빔(20)의 초점위치(P1)는 집광렌즈(200)에 의해 결정될 수 있다.

제2렌즈(300)는 집광렌즈(200) 및 초점위치(P1)의 사이에 구비될 수 있으며, 볼록한 입사평면(310)을 가질 수 있다.

제2렌즈(300)는 집광렌즈(200)에서 출사되는 레이저빔(20)이 초점위치(P1)보다 전방에서 교차하도록 레이저빔(20)의 경로를 수정할 수 있다. 즉, 제2렌즈(300)에 의해 경로가 수정되는 레이저빔(20)은 초점위치(P1)보다 전방에 서로 교차하는 교차위치(P2)가 마련될 수 있다. 이후, 레이저빔(20)은 교차위치(P2)에서 멀어질수록 지름이 증가되다가 초점위치(P1)에서 초점이 맺힐 수 있다. 그리고, 레이저빔(20)은 초점위치(P1)에서도 링 형태의 단면 형상을 가질 수 있다.

제1렌즈(100) 및 제2렌즈(300)는 액시콘(Axicon) 렌즈일 수 있다.

집광렌즈(200)는 제1렌즈(100)에서 출사되는 레이저빔(20)이 수렴되어 초점위치(P1)에서 초점이 맺히도록 하기 때문에, 제2렌즈(300)가 없다면 레이저빔(20)은 지름이 감소하는 빔 경로를 가질 수 있다. 그러나, 제2렌즈(300)가 레이저빔(20)의 수렴각을 집광렌즈(200)에 의해 레이저빔(20)이 수렴되는 수렴각보다 더욱 작아지도록 함으로써, 초점위치(P1)의 전방에서 레이저빔(20)이 교차되도록 할 수 있다. 따라서, 교차위치(P2)를 지나는 레이저빔(20)은 지름이 증가하는 빔 경로를 가질 수 있다.

도 5는 도 3의 레이저 홀 가공장치를 이용한 홀 가공예를 나타낸 예시도이다.

도 5를 더 포함하여 설명하면, 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 지름(D4)은 기판(10)에 형성하고자 하는 홀(11)의 지름에 대응되도록 설정될 수 있다.

초점위치(P1)에서 레이저빔(20)은 링 형태의 단면 형상을 가지기 때문에, 기판(10)에 레이저빔(20)이 조사되면 기판(10)은 레이저빔(20)이 조사되는 부분에서만 가공이 되고, 레이저빔(20)의 내측에 위치되는 부분(15)에서는 가공이 발생하지 않게 된다. 그리고, 초점위치(P1)는 기판(10)의 두께방향으로 이동될 수 있으며, 홀(11)은 초점위치(P1)에 맺히는 레이저빔(20)에 의해 기판(10)이 선가공되어 형성될 수 있다(도 5의 (a) 및 (b) 참조).

따라서, 레이저빔(20)에 의한 가공이 완료되면, 레이저빔(20)의 내측에 위치되는 부분(15)이 기판(10)으로부터 떨어져 나와 홀(11)이 형성되게 된다.

본 실시예에 따르면, 처음부터 기판(10)에 조사되는 레이저빔(20)은 링 형태의 단면 형상을 가지기 때문에, 기판(10)에는 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 지름(D4)에 대응되는 지름으로 홀(11)이 형성될 수 있다.

그리고, 기판(10)에 조사되는 레이저빔(20)은 지름이 증가되는 형태를 이루기 때문에, 홀 가공 시에 종래와 달리 레이저빔(20)은 홀의 가장자리면에 닿지 않게 된다. 따라서, 홀(11)의 가장자리면(12)에서 레이저빔의 에너지 손실을 줄일 수 있고, 홀(11)의 가장자리면(12)은 깨끗한 형태를 이루며, 고종횡비의 홀이 가공될 수 있다.

또한, 기판(10)에 가공하고자 하는 홀의 지름에 맞도록 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름을 조절해놓고, 이 상태의 레이저빔(20)이 기판(10)의 두께방향으로만 조사되도록 하면 원하는 지름의 홀을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에서는 레이저빔으로 기판을 선가공하여 홀을 생성하게 되며, 이렇게 하면 도 1에서 설명한 바와 같이 레이저빔을 홀의 지름방향으로 왕복 이동시켜야 하는 공정이 생략될 수 있기 때문에, 홀을 가공하는데 소요되는 시간도 짧아질 수 있다.

도 6은 도 3의 레이저 홀 가공장치의 작동예를 나타낸 예시도이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 홀 가공장치에서는 제2렌즈(300)가 집광렌즈(200)와의 거리가 가변되도록 구비될 수 있다.

집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300) 사이의 거리가 가까워질수록, 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)이 교차하는 교차위치(P2)는 초점위치(P1)로부터 멀어질 수 있다. 즉, 집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300) 사이의 거리가 가까워질수록, 교차위치(P2)는 더욱 전방으로 이동될 수 있다. 그리고, 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름은 점점 커질 수 있다.

도 6의 (a)와 도 6의 (b)를 비교했을 때, 제2렌즈(300)가 집광렌즈(200)에 가까워지도록 이동하면, 교차위치(P2)는 집광렌즈(200) 방향으로 이동된다. 그리고, 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 지름은 제1지름(D4)에서 제2지름(D5)으로 커지게 된다.

마찬가지로, 도 6의 (b)와 도 6의 (c)를 비교했을 때, 제2렌즈(300)가 집광렌즈(200)에 더욱 가까워지도록 이동하면, 교차위치(P2)는 집광렌즈(200) 방향으로 더욱 이동된다. 그리고, 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 지름은 제2지름(D5)에서 제3지름(D6)으로 더욱 커지게 된다.

이처럼, 본 발명은 집광렌즈(200)와 제2렌즈(300) 사이의 거리를 조절하여 기판에 형성하고자 하는 홀의 지름에 맞게 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름을 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 레이저빔의 지름을 조절하기 위한 별도의 광학계의 추가 구성이나, 광학계의 교체가 불필요한 이점도 있다.

초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름을 줄이는 것은 제2렌즈(300)와 집광렌즈(200) 사이의 거리가 점점 멀어지도록 함으로서 구현될 수 있다. 즉, 집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300) 사이의 거리가 멀어질수록 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)이 교차하는 교차위치(P2)는 초점위치(P1)에 가까워질 수 있고, 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름은 작아질 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 레이저 홀 가공장치는 출력제어부(400)를 더 포함할 수 있다.

출력제어부(400)는 조사부(90)에서 조사되어 제1렌즈(100)로 입사되는 레이저빔(20)의 출력을 제어할 수 있다.

출력제어부(400)는 집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300) 사이의 거리가 가까워져 초점위치(P1)에서 레이저빔(20)의 링 형태의 단면 형상의 지름이 커질수록 레이저빔(20)의 출력을 크게 할 수 있다. 그리고, 출력제어부(400는 집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300) 사이의 거리가 멀어져 초점위치(P1)에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름이 작아질수록 레이저빔의 출력을 작게 할 수 있다.

이를 통해, 초점위치(P1)에서 레이저빔의 링 형태의 단면 형상의 지름이 다르게 되더라도 레이저빔의 에너지 밀도는 일정해질 수 있다.

도 7은 도 3의 레이저 홀 가공장치의 다른 작동예를 나타낸 예시도이다.

도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 홀 가공장치에서는 제1렌즈(100)가 집광렌즈(200)와의 거리가 가변되도록 구비될 수 있다.

제1렌즈(100) 및 집광렌즈(200) 사이의 거리가 멀어질수록, 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)이 수렴하는 수렴각은 커질 수 있다.

즉, 집광렌즈(200) 및 제2렌즈(300)와의 사이 거리가 일정한 경우, 초점위치(P1) 및 교차위치(P2)는 일정할 수 있다. 그런데, 제1렌즈(100)와 집광렌즈(200) 사이의 거리가 멀어지게 되면 제1렌즈(100)에서 출사되는 레이저빔(20)이 집광렌즈(200)에 입사될 때의 지름도 커지게 된다. 따라서, 집광렌즈(200)에서 출사되는 레이저빔(20)의 수렴각은 커지게 된다. 한편, 제2렌즈(300)는 집광렌즈(200)에서 출사되는 레이저빔(20)이 교차위치(P2)에서 교차되도록 해야 하기 때문에 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)의 수렴각은 더 커지게 된다.

즉, 도 7의 (a)와 도 7의 (b)를 비교했을 때, 제1렌즈(100)가 집광렌즈(200)로부터 멀어지도록 이동하면, 제2렌즈(300)에서 출사되는 수렴각은 제1수렴각(CA1)에서 제2수렴각(CA2)으로 커지게 된다.

마찬가지로, 도 7의 (b)와 도 7의 (c)를 비교했을 때, 제1렌즈(100)가 집광렌즈(200)로부터 더욱 멀어지도록 이동하면, 제2렌즈(300)에서 출사되는 수렴각은 제2수렴각(CA2)에서 제3수렴각(CA3)으로 더욱 커지게 된다.

제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)의 수렴각을 작게 하는 것은 제1렌즈(100)와 집광렌즈(200) 사이의 거리가 점점 가까워지도록 함으로서 구현될 수 있다.

이처럼, 본 발명은 제1렌즈(100)와 집광렌즈(200) 사이의 거리를 조절하여 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)의 수렴각을 조절할 수 있다. 기판의 두께가 너무 두꺼워서 기판에 홀 가공을 하는 과정에서 교차위치(P2)가 기판의 내측에 위치되어야 하는 경우, 제2렌즈(300)와 교차위치(P2) 사이의 레이저빔(20)은 홀의 가장자리면에 의해 간섭받을 수 있다. 이 경우, 제2렌즈(300)에서 출사되는 레이저빔(20)의 수렴각을 작게 하여 제2렌즈(300)와 교차위치(P2) 사이의 레이저빔(20)에 의해 기판이 가공되지 않도록 할 수 있으며, 이를 통해, 레이저빔(20)의 에너지 손실을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 제1렌즈(100)와 집광렌즈(200) 사이의 거리를 조절하여 제2렌즈(300)에서 조사되는 레이저빔(20)의 수렴각을 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 레이저빔의 수렴각을 조절하기 위한 별도의 광학계의 추가 구성이나, 광학계의 교체가 불필요한 이점도 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 기판
11: 홀
12: 가장자리면
20: 레이저빔
100: 제1렌즈
110: 출사평면
200: 집광렌즈
300: 제2렌즈
310: 입사평면
400: 출력제어부

Claims

레이저빔을 조사하여 기판에 홀을 가공하기 위한 레이저 홀 가공장치로서,
오목한 출사평면을 가지며, 상기 출사평면에서 출사되는 레이저빔이 링 형태의 단면 형상을 가지도록 성형하고 상기 출사평면에서 멀어질수록 지름이 증가되도록 하는 제1렌즈;
상기 제1렌즈에서 출사된 후 입사되는 상기 레이저빔이 상기 기판에 형성되는 초점위치에서 초점이 맺히도록 하는 집광렌즈; 그리고
볼록한 입사평면을 가지고 상기 집광렌즈 및 상기 초점위치의 사이에 구비되며, 상기 집광렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 상기 초점위치보다 전방에서 교차하도록 경로를 수정하여 상기 레이저빔이 지름이 증가하는 빔 경로를 가지며 링 형태의 단면 형상을 이루도록 하는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 초점위치는 상기 기판의 두께방향으로 이동되고, 상기 홀은 상기 초점위치에 맺히는 상기 레이저빔에 의해 상기 기판이 선가공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 제2렌즈는 상기 집광렌즈와의 거리가 가변되도록 구비되고,
상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 가까워질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 교차하는 교차위치는 상기 초점위치로부터 멀어지고 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면 형상의 지름은 커지고,
상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 멀어질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔이 교차하는 교차위치는 상기 초점위치에 가까워지고 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면 형상의 지름은 작아지는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 제1렌즈는 상기 집광렌즈와의 거리가 가변되도록 구비되고,
상기 제1렌즈 및 상기 집광렌즈 사이의 거리가 가까워질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔의 수렴각은 작아지고,
상기 제1렌즈 및 상기 집광렌즈 사이의 거리가 멀어질수록 상기 제2렌즈에서 출사되는 상기 레이저빔의 수렴각은 커지는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 제1렌즈로 입사되는 상기 레이저빔의 출력을 제어하는 출력제어부를 더 포함하고,
상기 출력제어부는
상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 가까워져 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면의 지름이 커질수록 상기 레이저빔의 출력을 크게 하고,
상기 집광렌즈 및 상기 제2렌즈 사이의 거리가 멀어져 상기 초점위치에서 상기 링 형태의 단면의 지름이 작아질수록 상기 레이저빔의 출력을 작게 하여 상기 초점위치에서 상기 레이저빔의 에너지 밀도가 일정해지도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 홀 가공장치.