KR20200103044A - 레이저 투과 공작물의 표면 구조화를 위한 방법 및 레이저 가공 기계 - Google Patents

레이저 투과 공작물의 표면 구조화를 위한 방법 및 레이저 가공 기계 Download PDF

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죄렌 리히터
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물(laser-transparent workpiece)(2) 상에 표면 구조(10)를 생성하기 위한 방법에 관한 것으로서, 여기서 하나 이상의 USP 레이저 펄스(5)는 공작물 표면(11)을 통해 레이저 투과 공작물(2) 내로 포커싱되어(focused), 포커스 볼륨(focus volume)을 가열함으로써 공작물 내의 변형부(modification)(12)를 용융시키며, 여기서 하나 이상의 USP 레이저 펄스(5)의 펄스 파라미터(pulse parameters) 및 공작물(2)에서의 레이저 포커스의 깊이는, 용융된 변형부(12)의 최상단 부분이 공작물 표면(11)에 거의 접촉하고 공작물 표면(11)이 외향으로 돌출되어 용융된 변형부(12)의 열 재료 팽창에 의해 볼록한 표면 구조(10)를 형성하는 방식으로 선택된다.

Description

레이저 투과 공작물의 표면 구조화를 위한 방법 및 레이저 가공 기계
본 발명은 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물(laser-transparent workpiece) 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
재료 가공을 위해 펄스 지속 시간이 10 ps 미만인 초단 펄스(Ultrashort pulsed)(USP) 레이저 방사선이 점점 더 많이 사용되고 있다. USP 레이저 방사선을 이용한 재료 가공의 특별한 특징은 공작물과 레이저 방사선의 짧은 상호 작용 시간에 있다. 초단 펄스(USP) 레이저 펄스(laser pulses)를 사용하는 레이저 투과 유리의 레이저 용접은 추가 재료의 사용 없이 안정적인 연결을 가능하게 하지만, 그러나 레이저에 의해 유도된 일시적인 그리고 영구적인 응력에 의해 제한된다. 이에 대한 배경은 초단 레이저 펄스를 사용한 재료의 국부적인 용융이다. 초단 레이저 펄스가 유리, 예를 들어 용융 실리카(fused silica)의 볼륨(volume)에 포커싱되면(focused), 포커스에 존재하는 높은 강도는 비선형 흡수 공정으로 이어지고, 그 결과, 레이저 파라미터에 따라, 다양한 재료 변형부(modifications)가 유도될 수 있다. 시간적 펄스 간격이 유리의 전형적인 열 확산 시간보다 짧은 경우, 포커스 영역의 온도는 매 펄스마다 증가하여(소위 열 축적), 국소적 용융을 발생시킬 수 있다. 변형부가 2 개의 유리의 경계면에 위치되면, 용융물의 냉각에 의해 2 개의 샘플의 안정적인 연결이 생성된다.
죄렌 리히터(Soeren Richter)의 문헌(article) "광학 접촉 없는 유리의 레이저 용접에 관하여"(Appl. Phys. A 2015) 및 죄렌 리히터의 논문 "높은 반복률(high repetition rates)의 초단 레이저 펄스를 사용한 투명 재료의 직접 레이저 본딩"(FSU 유니버시티 예나(University Jena))으로부터, 레이저 본딩에서, 다른 본딩 파트너의 본딩 표면에 대한 점착성 연결이 달성될 때까지 하나의 본딩 파트너의 본딩 표면으로부터 외부로 돌출되는(bulge) 레이저 유도 변형부에 의해 서로 중첩되는 2 개의 유리판 사이의 간극을 브리징하는(bridge) 것이 알려져 있다.
본 발명은 높이가 수 μm이고 추가 하부 구조 없이, 특히 구형 세그먼트 및 그 유도체의 형상의 재현 가능하고 안정적인 표면 구조를 레이저 투과 공작물 상에서 생성하고 그리고 이에 적합한 레이저 가공 기계를 특정하는 문제를 해결한다.
이러한 문제는 본 발명에 따르면 USP 레이저 펄스 형태의 펄스형 레이저 빔을 사용하여, 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법에 의해 해결되고, 여기서 적어도 하나의 USP 레이저 펄스는 공작물 표면을 통해 레이저 투과 공작물 내로 포커싱되어(focused), 포커스 볼륨(focus volume)을 가열함으로써 공작물 내부에서 변형부를 용융시키고, 여기서 적어도 하나의 USP 레이저 펄스의 펄스 파라미터(pulse parameters) 및 공작물에서의 레이저 포커스의 깊이는, 용융된 변형부의 최상단 부분이 공작물 표면에 거의 접촉하고 공작물 표면은 외향으로 돌출되어 용융된 변형부의 열 재료 팽창에 의해 볼록한 표면 구조를 형성하는 방식으로 선택된다. 단일 USP 레이저 펄스의 경우, 본 발명에 따르면, 변형부는 열 축적 없이 생성되며, 여기서 펄스 에너지는 이 경우 매우 잘 매칭되어야 한다. 너무 낮으면, 단지 굴절률 변형만이 발생하고, 너무 높으면, 유도 응력이 너무 높아, 모든 것이 파괴된다.
특히 바람직하게는, 복수의 USP 레이저 펄스가 공작물 표면을 통해 레이저 투과 공작물 내로 포커싱되어, 포커스 볼륨을 단계적으로 가열함으로써 공작물 내부의 변형부를 용융시키고, 여기서 복수의 USP 레이저 펄스의 펄스 파라미터 및 공작물에서의 레이저 포커스의 깊이는, 용융된 변형부의 최상단 부분이 공작물 표면에 거의 접촉하고 공작물 표면은 외향으로 돌출되어 용융된 변형부의 열 재료 팽창에 의해 볼록한 표면 구조를 형성하는 방식으로 선택된다. 본 발명에 따르면, 낮은 시간 펄스 간격을 갖는 복수의 초단 레이저 펄스가 공작물 내부 재료 내로 포커싱되고, 비선형 상호 작용 및 연속적인 레이저 펄스의 열 축적으로 인해, 포커스 볼륨이 가열되고, 공작물 내에 전형적으로 드롭 형상의(drop-shaped) 변형부가 형성된다. 침착된 에너지(펄스 에너지, 펄스 지속 시간, 펄스 간격, 포커싱, 파장에 의해 제공됨)가 적절하게 선택되고 변형부가 올바르게 위치 결정되면, 이것은 변형부의 최상단 부분이 공작물 표면에 거의 접촉한다는 것을 의미한다. 그러면 열 재료 팽창으로 인해 표면이 외향으로 돌출하게 된다.
ns 범위의 펄스 간격의 경우, 이전 레이저 펄스의 잔류 열이 여전히 공작물에 존재하므로 포커스 볼륨이 단계적으로 가열된다. 주변 재료도 또한 열 확산에 의해 가열된다. 열 전자(볼츠만 분포(Boltzmann distribution)에 대응함)는 높은 국소적 온도에 의해 생성된다. 존재하는 자유 전자는 다음 레이저 펄스가 더 이상 반드시 비선형 다광자 과정(nonlinear multiphoton processes)에 의존하지는 않도록 보장한다. 따라서, 흡수 확률이 증가하고, 다음 레이저 펄스는 이미 (공작물 표면 또는 레이저 광학 유닛의 방향으로) 추가로 흡수된다. 따라서 흡수 포인트는 공정 중에 상향으로 시프트된다. 주변 재료로의 열 확산으로 인해, 액적 형상의 기하학적 구조가 형성된다. 예를 들어 레이저가 스위치 오프되거나, 산란으로 인해 에너지가 더 이상 도달하지 않는 것이 보장되거나, 또는 레이저 포커스가 멀리 이동하기 때문에, 레이저 가열이 중지되면, 용융된 재료는 다시 응고된다. 응고 공정이 용융 공정보다 상당히 더 빠르기 때문에, 재료는 더 높은 가상 온도에서 동결된다. 이러한 "변형부"(재료 및 공정 파라미터에 따라, 높이가 약 100 μm이고, 폭이 10 μm임)는 원래의 볼륨 재료와 비교하여 약간 다른 특성을 갖는다. 용융된 변형부 내에는, 방사형 온도 분포가 존재한다. 대략, 내부는 매우 뜨겁고(2000 ℃ 초과), 외부는 실온에 가깝다. 따라서, 재료의 점도는 또한 온도에 따라 변하는데, 즉, 차가운 외부 재료는 매우 점성이 있는 반면, 뜨거운 내부 물질은 더 유동적이다. 또한, 온도가 증가함에 따라, 유리의 열 팽창도 또한 존재한다.
가열 공정 동안 볼륨 변형부가 이제 공작물 표면에 가깝게 배치되면(설명된 바와 같이, 변형부가 공정 동안 상향으로 성장함), 뜨거운 내부 재료의 열 팽창으로 인해 재료가 외향으로 돌출되는 것이 보장된다. 동시에, 높은 점도는 모든 뜨거운 재료의 누출을 막는다. 여기서, 변형부의 위치는 절대적으로 중요하다. 너무 뜨거운 재료가 공작물 표면에 부딪치면, 점도(및 이에 따라 표면 장력)는 뜨거운 재료가 외향으로 제어되지 않는 방식으로 팽창/폭발하는 것을 방지하기에 더 이상 충분하지 않다. 제어되지 않은 폭발에서, 미세 섬유 및 많은 다른 응고 형성물이 형성된다. 재료의 정의된 돌출에서는, 표면 장력으로 인해, 거칠기가 최소인 매우 균일한 구형 표면이 형성된다. 응고하는 동안, 재료의 상태가 동결된다. 본 발명에 따르면, 도입된 레이저 에너지는, (화산의 경우에서와 같은) 제어되지 않은 팽창/폭발이 발생하지 않는 방식으로 제어되고, 재료에서의 레이저 포커스의 깊이(z 위치)는, (화산의 경우에서와 같은) 제어되지 않은 팽창/폭발이 발생하지 않는 방식으로 설정된다. 반대로, 표면 상의 벌지(bulge) 크기는 주어진 펄스 개수 및 펄스 에너지에 대한 레이저 포커스의 z 위치에 의해 매우 정확하게 정의될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 재료를 추가로 증착하거나 또는 제거하지 않고, 표면 구조를 형성하기 위해 볼륨으로부터 공작물 재료를 재성형하는 단계를 포함한다. 용융된 재료를 응고시키는 공정은 표면 장력으로 인해 매끄럽거나 또는 균질한 표면 구조로 이어진다.
바람직하게는, 공작물 내로 포커싱된 레이저 빔의 빔 단면은 표면 구조의 원하는 단면에 따라 형성된다. 일반적으로 높은 개구수(NA > 0.1)를 갖는 대물 렌즈가 이러한 목적을 위해 사용되므로, 필요한 높은 에너지 밀도가 달성되고, 따라서 비선형 흡수 메커니즘(다광자 흡수, 전계 이온화 또는 터널 이온화)이 발생한다. 충분한 펄스 에너지를 갖는 레이저 빔이 이용 가능한 경우, 그러나, (위에 언급된 대물 렌즈 대신에 또는 이에 추가로) 공간 펄스 및 빔 성형을 위해, 예를 들어 원통형 렌즈, SLM(공간 광 변조기) 변조기 또는 회절 광학 요소와 같은 빔 성형 요소를 사용하는 것도 또한 가능하여, 재료에 다른 변형부를 생성하고 이에 따라 표면 상에 다른 구조를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 공작물 표면 상의 개별적인 구형 벌지 대신에, 예를 들어 "소프트 포커스(soft-focus)" 라인들, 십자형들, 후크들 등과 같은 선형 표면 구조 또는 영역 표면 구조, 또는 피라미드 구조도 복수의 벌지로 제조된 순차적 구조에 의해 생성될 수 있다. 복수의 표면 구조의 동시 구성을 위한 스케일링(scaling)이 공간 빔 성형(렌즈 어레이, 회절 광학 요소(DOEs))에 의해 이루어지고, 그 결과, 복수의 레이저 스폿이 동시에 서로 옆에 생성되고, 따라서 복수의 변형부 및 표면 구조가 동시에 생성된다.
바람직하게는, 레이저 포커스는, 공작물 내부에서 구형 상단면을 가지며 종 방향 단면이 드롭 형상인 변형부를 용융시키기 위해, 점 형상 또는 가우시안이거나 또는 빔 축에 대해 직각으로 선형으로 진행된다.
복수의 USP 레이저 펄스는 예를 들어 100 ns 이하, 바람직하게는 50 ns 이하, 특히 바람직하게는 20 ns 이하의 일정한 펄스 간격을 가질 수 있거나 또는 레이저 버스트(laser burst) 형태로 공작물 내로 포커싱될 수 있다. 후자의 경우, 각각의 레이저 버스트를 형성하는 USP 레이저 펄스는 2 개의 레이저 버스트들 사이의 버스트 간격(수 ms)보다 작은 펄스 간격(ns 범위)을 갖는다. 이러한 레이저 버스트에 의해, 용융된 변형부를 신장시키고, 그 결과, 일정한 펄스 간격에 비해 표면 구조를 공작물 표면으로부터 약간 더 인출(draw out)시킬 수 있다. 바람직하게는, 레이저 버스트는 100 ns 이하, 바람직하게는 50 ns 이하, 특히 바람직하게는 20 ns 이하의 펄스 간격으로, 10 USP 이하의 레이저 펄스, 특히 5 USP 이하의 레이저 펄스를 갖는다. 버스트 반복률은 공작물에 열이 축적될 수 있도록 하기 위해 충분히 높아야 한다. 다시 말해, 대략 100 kHz의 버스트 반복률에 대해, 예를 들어, 10 μJ의 펄스 에너지가 필요하다. 1 MHz의 버스트 반복률에 대해서는, 1 μJ의 펄스 에너지로 이미 충분하다. 평균 펄스 출력이 높을수록 어떤 경우에도 공작물에 더 큰 용융 볼륨이 생성된다.
바람직하게는, USP 레이저 펄스 또는 펄스들은 0.1 μJ 내지 100 μJ, 바람직하게는 1 μJ 내지 20 μJ, 특히 바람직하게는 대략 10 μJ의 펄스 에너지를 갖는다.
선형 표면 구조를 생성하기 위해, 바람직하게는 레이저 빔은 공작물 위로 이동되고, 따라서 레이저 포커스는 공작물 내부를 통해 이동된다. 예를 들어, 실리카 유리에서, - 불균일성 및 변형부의 열적으로 유도된 굴절률 프로파일에서의 산란으로 인해 - 공작물을 통한 레이저 빔의 이러한 연속적인 이동에 의해, 변형부가 완전히 균일할 수는 없는데, 즉, 예를 들어, 내접 라인은 높이가 같을 수 없다. 균일한 변형부들은 붕규산 유리와 같은 매우 균일한 재료 및 적절한 공정 모니터링을 통해서만 달성될 수 있다.
하나의 방법 변형예에서, 동일한 고정된 미리 결정된 펄스 파라미터에 의해 상이한 위치들에서 각각 동일한 표면 구조들이 생성된다. 레이저 포커스가 재료를 통해 연속적으로 이동하는 대신에, 지점별 절차(point-by-point procedure)가 사용된다. 여기에는 먼저 일 지점으로 이동하여 거기에서 고정적으로 정의된 에너지(펄스 에너지 * 펄스 개수)로 재료를 조사하는 단계를 포함하고, 이에 따라 벌지가 형성된다. 그 후, 동일한 정의된 에너지에 의해 다른 위치에서 동일한 벌지가 생성된다.
대안적인 또는 추가적인 방법 변형예에서, 표면 구조를 생성할 때, 공작물 표면은 복수의 USP 레이저 펄스들 사이에서 측정되고, 원하는 표면 구조에 대응하는 벌지 높이가 달성될 때, 레이저 빔이 스위치 오프되거나 또는 더 이동된다. 대응하는 센서 시스템이 없다면, 해당 표면 구조에 대해 필요한 에너지의 양이 실험적으로 미리 결정되어야 한다.
바람직하게는, USP 레이저 펄스는 50 ps 미만, 바람직하게는 1 ps 미만, 특히 바람직하게는 대략 500 fs 이하의 펄스 지속 시간을 갖는다.
추가의 양태에서, 본 발명은 또한 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 레이저 가공 기계에 관한 것으로서, USP 레이저 펄스 형태의 펄스형 레이저 빔을 생성하기 위한 USP 레이저를 포함하고, 레이저 빔을 공작물 상으로 포커싱하는 포커싱 유닛을 포함하며, 그리고 최상단 부분이 공작물 표면에 거의 접촉하는 변형부가 포커스 볼륨의 단계적 가열에 의해 공작물 내에서 용융되는 방식으로, USP 레이저 및 포커싱 유닛을 제어하도록 프로그래밍된 기계 제어기를 포함한다.
바람직하게는, USP 레이저 펄스의 공간적 펄스 성형 및 빔 성형을 위한 빔 성형 유닛이 펄스형 레이저 빔의 빔 경로에 배치되는데, 예를 들어 높은 개구수(NA > 0.1)를 갖는 대물 렌즈, 원통형 렌즈, 회절 광학 요소 또는 SLM 변조기와 같은 것들이 배치된다. 높은 개구수에 의해, 더 낮은 펄스 에너지가 사용될 수 있고, 변형부의 크기는 더 작게 유지될 수 있다.
더 바람직하게는, 레이저 가공 기계는 예를 들어 레이저 가공 헤드에 배치된 거리 센서의 형태로, 공작물 표면을 측정하기 위해 기계 제어기에 연결된 센서 시스템을 포함하고, 이 센서는 공작물 표면까지의 거리를 광학적으로 또는 용량적으로 측정한다. 원하는 표면 구조에 대응하는 벌지 높이가 달성되면, 레이저 빔은 스위치 오프되거나 또는 더 이동된다.
공작물에 대해 레이저 빔을 이동하기 위해, 레이저 가공 기계는 공작물 위로 레이저 빔을 편향시키기 위한 스캐너, 또는 그 밖에 레이저 빔이 빠져나가는 레이저 가공 헤드를 이동시키기 위한 그리고/또는 공작물을 이동시키기 위한 이동 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 주제의 추가 장점 및 유리한 실시예는 상세한 설명, 청구 범위 및 도면으로부터 명백하다. 마찬가지로, 위에서 언급된 특징들 및 아래에 제시된 특징들은 각각의 경우에 그 자체로 또는 복수로 임의의 원하는 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예는 완전한 열거인 것으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특징이다.
도 1은 펄스형 레이저 빔을 사용하여 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 레이저 가공 기계를 개략적으로 도시한다.
도 2는 펄스형 레이저 빔의 진행 방향을 따라 생성된 복수의 표면 구조를 갖는 공작물을 통한 종단면도를 도시한다.
도 1에 도시된 레이저 가공 기계(1)는 펄스형 레이저 빔(3)을 사용하여 (융합 실리카) 유리로 제작된 레이저 투과 공작물(2) 상에 표면 구조(10)를 생성하는 역할을 한다. 예로서, 유리만이 다음에서 논의된다. 그러나, 제시된 공정들은 또한 다른 레이저 투과 재료들, 특히 플라스틱에 대해서도 고려될 수 있다.
레이저 가공 기계(1)는 10 ps 미만, 바람직하게는 펨토초(femtosecond) 범위의 펄스 지속 시간을 갖는 USP 레이저 펄스(5) 형태의 레이저 빔(3)을 생성하기 위한 USP 레이저(4), 레이저 빔(3)이 공작물(2)을 향해 포커싱된 방식으로 빠져나가는 높은 개구수(NA > 0.1)의 대물 렌즈(7)를 가지며 Z 방향으로 높이 조정 가능한 레이저 가공 헤드(6), 공작물(2)이 놓여있으며 X-Y 방향으로 조정 가능한 공작물 테이블(8), 및 USP 레이저(4)의 레이저 파라미터, 레이저 가공 헤드(6)의 Z 위치 및 공작물 테이블(8)의 X-Y 이동을 제어하는 기계 제어기(9)를 포함한다.
표면 구조(10)를 생성하기 위해, 복수의 USP 레이저 펄스(5)는 공작물 표면(11)을 통해 공작물(2) 내로 포커싱되어, 포커스 볼륨을 단계적으로 가열함으로써 공작물 내부에서 구형 상단면을 가지며 공작물 표면(11)을 향해 볼록한 드롭 형상의 변형부(12)를 용융시킨다. 이러한 방식으로, 복수의 USP 레이저 펄스(5)의 펄스 파라미터(펄스 에너지, 펄스의 개수, 펄스 지속 시간, 시간 펄스 간격, 파장, 포커싱에 의해 제공됨) 및 공작물(2)에서의 레이저 포커스의 깊이는, 용융된 변형부(12)의 최상단 부분이 공작물 표면(11)에 거의 접촉하는 방식으로 선택된다(도 2). 이 경우, 공작물 표면(11)은 용융된 변형부(12)의 열 재료 팽창에 의해 구형 세그먼트 형상의 표면 구조(10)를 형성하도록 외향으로 돌출된다. 이러한 방식으로, 레이저 포커스의 Z 위치는 공작물 표면(11) 상의 구형 표면 구조(10)의 직경의 크기를 결정한다.
복수의 USP 레이저 펄스(5)는, 도 1의 상세부(A)가 도시하는 바와 같이, 일정한 펄스 간격 또는 일정한 반복률을 갖거나 또는, 도 1의 상세부(B)가 도시하는 바와 같이, 복수의 레이저 버스트(13)로 그룹화되며, 여기서 각각의 레이저 버스트(13)를 형성하는 USP 레이저 펄스들(5)은 ns 펄스 간격을 가지며, 이 ns 펄스 간격은 따라서 2 개의 레이저 버스트(13) 사이의 ms 버스트 간격보다 상당히 더 작다. 이러한 레이저 버스트(13)에 의해, 용융된 변형부(12)를 Z 방향으로 신장시킬 수 있고, 그 결과, 상세부(A)에 도시된 일정한 펄스 간격에 비해 표면 구조(10)를 공작물 표면(11)으로부터 약간 더 인출시킬 수 있다. 버스트 반복률은 공작물(2)에 열이 축적될 수 있도록 충분히 높아야 한다. 이를 위해, 예를 들어, 대략 100 kHz의 버스트 반복률을 위해서는 10 μJ의 펄스 에너지가 필요한 반면, 1 MHz의 버스트 반복률을 위해서는 1 μJ의 펄스 에너지로 이미 충분하다. 평균 전력이 높을수록 공작물(2)에서 더 큰 용융 볼륨이 생성된다.
높은 개구수(NA > 0.1)의 대물 렌즈(7) 대신에, USP 레이저 펄스(5)의 공간 펄스 및 빔 성형을 위해 레이저 빔(3)의 빔 경로에 다른 빔 성형 유닛이 배치될 수도 있는데, 예를 들어 원통형 렌즈, 회절 광학 요소 또는 SLM 변조기가 배치될 수 있어, 재료에서의 다른 변형부(12) 및 이에 따라 다른 표면 구조(10)를 생성할 수 있다.
선형 표면 구조(10)를 생성하기 위해, 레이저 빔(3)은 진행 방향(v)으로 공작물(2) 위로 연속적으로 이동되고, 따라서 레이저 포커스는 공작물 내부를 통해 연속적으로 이동된다. 대조적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 진행 방향(v)으로의 레이저 빔(3)의 순차적 이동에 의해, 동일한 고정된 미리 결정된 펄스 파라미터에 의해 각각 다른 위치에서 동일한 표면 구조(10)가 생성될 수 있다. 표면 구조(10)를 생성할 때, 공작물 표면(11)은 예를 들어 레이저 가공 헤드(6)에 부착된 센서 시스템(14)을 사용하여 복수의 USP 레이저 펄스들(5) 사이에서 측정될 수 있으므로, 기계 제어기(9)는 원하는 표면 구조(10)에 대응하는 벌지 높이(h)가 달성되는 즉시 레이저 빔(3)을 스위치 오프하거나 또는 더 이동시킬 수 있다. 따라서 표면 구조(10)는 순차적 접근에 의해 또는 자동 공정 모니터링에 의해, 제어된 방식으로 생성될 수 있다.
재료의 열 팽창과 함께, 벌지를 발생시키는 다른 공정들도 또한 적합할 수 있다는 점을 고려할 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어, 의도된 벌지의 영역 주변의 재료는 벌지를 유발하는 내부 응력이 생성되도록 변형될 수 있다.
다음의 파라미터로 수행된 실험들에서는 우수한 품질을 갖는 표면 구조(10)가 발생되었다.
평균 레이저 출력: 8 W
포커싱: NA 0.2
포커스 길이: 11 mm
공작물 상의 레이저 스폿 직경: 약 4 μm
펄스 지속 시간: 500 fs
펄스 간격이 20 ns인 4 개의 레이저 펄스를 갖는 레이저 버스트
버스트 반복률: 200 kHz
펄스 에너지: 10 μJ

Claims (17)

  1. USP 레이저 펄스(USP laser pulses)(5) 형태의 펄스형 레이저 빔(3)을 사용하여, 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물(laser-transparent workpiece)(2) 상에 표면 구조(10)를 생성하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 USP 레이저 펄스(5)는 상기 공작물 표면(11)을 통해 상기 레이저 투과 공작물(2) 내로 포커싱되어(focused), 포커스 볼륨(focus volume)을 가열함으로써 상기 공작물 내부에서 변형부(modification)(12)를 용융시키고,
    상기 적어도 하나의 USP 레이저 펄스(5)의 펄스 파라미터(pulse parameters) 및 상기 공작물(2)에서의 상기 레이저 포커스의 깊이는, 상기 용융된 변형부(12)의 최상단 부분이 상기 공작물 표면(11)에 거의 접촉하고 상기 공작물 표면(11)은 외향으로 돌출되어(bulges) 상기 용융된 변형부(12)의 열 재료 팽창에 의해 볼록한 표면 구조(10)를 형성하는 방식으로 선택되는 것인, 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수의 USP 레이저 펄스(5)가 상기 공작물 표면(11)을 통해 상기 레이저 투과 공작물(2) 내로 포커싱되어, 상기 포커스 볼륨을 단계적으로 가열함으로써 상기 공작물 내부의 변형부(12)를 용융시키고,
    상기 복수의 레이저 펄스(5)의 상기 펄스 파라미터 및 상기 공작물(2)에서의 상기 레이저 포커스의 상기 깊이는, 상기 용융된 변형부(12)의 상기 최상단 부분이 상기 공작물 표면(11)에 거의 접촉하고 상기 공작물 표면(11)은 외향으로 돌출되어 상기 용융된 변형부(12)의 열 재료 팽창에 의해 볼록한 표면 구조(10)를 형성하는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 USP 레이저 펄스(5)는 일정한 펄스 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스 간격은 100 ns 이하, 바람직하게는 50 ns 이하, 특히 바람직하게는 20 ns 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 USP 레이저 펄스(5)는 레이저 버스트(laser burst)(13)의 형태로 상기 공작물(2) 내로 포커싱되고, 각각의 레이저 버스트(13)를 형성하는 상기 USP 레이저 펄스(5)는 2 개의 레이저 버스트들(13) 사이의 버스트 간격보다 작은 펄스 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 레이저 버스트(13)는 10 개 이하의 USP 레이저 펄스(5), 특히 5 개 이하의 USP 레이저 펄스(5)를 가지며, 100 ns 이하, 바람직하게는 50 ns 이하, 특히 바람직하게는 20 ns 이하의 펄스 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    버스트 반복률(burst repetition rate)은 10 kHz 내지 10 MHz, 바람직하게는 100 kHz 내지 1 MHz, 특히 바람직하게는 대략 200 kHz인 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 USP 레이저 펄스 또는 펄스들(5)은 0.1 μJ 내지 100 μJ, 바람직하게는 1 μJ 내지 20 μJ, 특히 바람직하게는 대략 10 μJ의 펄스 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공작물(2) 내로 포커싱된 상기 레이저 빔(3)의 빔 단면은 상기 표면 구조(10)의 원하는 단면에 따라 성형되는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(3)은, 상기 공작물 내부에서 구형 상단면을 가지며 종 방향 단면이 드롭 형상인(drop-shaped) 변형부(12)를 용융시키기 위해, 빔 축에 대해 직각으로 진행되는 점 형상의 레이저 포커스 또는 가우시안 레이저 포커스(Gaussian laser focus) 또는 선형 레이저 포커스를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    선형 표면 구조(10)를 생성하기 위해, 상기 레이저 빔(3)은 상기 공작물(2) 위로 이동되고, 이에 따라 상기 레이저 포커스는 상기 공작물 내부를 통해 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일한 고정된 미리 결정된 상기 펄스 파라미터에 의해 상기 공작물 표면(11)의 상이한 위치들에서 각각 동일한 표면 구조들(10)이 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면 구조(10)를 생성할 때, 상기 공작물 표면(11)은 상기 복수의 USP 레이저 펄스들(5) 사이에서 측정되고, 상기 레이저 빔(3)은 원하는 상기 표면 구조(10)에 대응하는 벌지 높이(bulge height)(h)가 달성되는 즉시 스위치 오프(switch off)되거나 또는 더 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 USP 레이저 펄스(5)는 50 ps 미만, 바람직하게는 1 ps 미만, 특히 바람직하게는 대략 500 fs 이하의 펄스 지속 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 투과 공작물 상에 표면 구조를 생성하기 위한 방법.
  15. 특히 유리 또는 플라스틱으로 제작된 레이저 투과 공작물(2) 상에 표면 구조(10)를 생성하기 위한 레이저 가공 기계(1)로서,
    USP 레이저 펄스(5)의 형태로 펄스형 레이저 빔(3)을 생성하기 위한 USP 레이저(4)를 포함하고,
    상기 레이저 빔(3)을 상기 공작물(2) 상으로 포커싱하는 포커싱 유닛(7)을 포함하며, 그리고
    최상단 부분이 공작물 표면(11)에 거의 접촉하는 변형부(12)가 포커스 볼륨의 가열에 의해 상기 공작물 내부에서 용융되는 방식으로, 상기 USP 레이저(4) 및 상기 포커싱 유닛(7)을 제어하도록 프로그래밍된 기계 제어기(9)를 포함하는,
    레이저 가공 기계.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 USP 레이저 펄스(5)의 공간 펄스 성형 및 빔 성형을 위한 빔 성형 유닛(7)이 상기 펄스형 레이저 빔(3)의 빔 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 공작물 표면(11)을 측정하기 위해, 상기 기계 제어기(9)에 연결된 센서 시스템(14)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
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