KR20230093894A - 베셀 빔을 이용한 절단 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베셀 빔을 이용한 절단 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 베셀 빔을 이용하여 절단 대상물을 절단하기 위한 시스템으로서, 베셀 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 베셀 빔 시스템; 및 상기 절단 대상물의 높이 변화를 감지하며, 상기 베셀 빔 시스템에서 상기 베셀 빔의 광학 작용에 관련된 구성들을 포함하는 구조물에 대한 높이가 상기 감지된 높이 변화에 따라 조절되도록 작용하는 레이저 오토 포커스 시스템;을 포함한다.

Description

베셀 빔을 이용한 절단 시스템{CUTTING SYSTEM USING BESSEL BEAM}

본 발명은 레이저 기반의 절단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베셀 빔(Bessel Beam)을 이용하여 3D 절단(3-dimension cutting)이 가능한 시스템에 관한 것이다.

유리 등에 대한 절단 시스템(cutting system)은 스텔스 다이싱(Stealth Dicing), 필라멘테이션(Filamentation), 또는 베셀 빔(Bessel Beam) 등의 절단 방식을 사용한다. 그 중에서 베셀 빔의 절단 방식이 최근의 산업 현장에서 가장 많이 사용되고 있다.

이러한 베셀 빔(Bessel Beam)은 초점의 심도를 길게 하면서 동시에 분해능을 향상시킬 수 있는 비-회절빔(non-diffracting beam)에 해당하며, 일반적으로 원뿔 형태의 파면(Wavefront)의 간섭을 통해 형성된다. 이때, 원뿔 파면은 액시콘 렌즈(axicon lens)를 통과하는 가우시안 빔(Gaussian beam)의 회절에 의해 형성될 수 있다. 이러한 베셀 빔을 기반으로 하는 커팅 시스템은 길고 균일한 내부 구조를 가지고 있어 가공 면 품질에 유리한 이점을 가진다.

한편, 레이저 기반 절단 시스템은 2D(2-dimension) 평판의 절단 대상물에 대해 Z축의 변화 없이 X축 및 Y축의 평면에 대한 직선 가공이 가능하다. 다만, 높이 변화가 필요한 3D(3-dimension) 절단 가공의 경우, 가공 품질 유지 및 분단성을 향상시키기 위하여 Z축에 대한 조절이 추가적으로 필요하며, 이러한 Z축 조절을 위해 높이 측정용 센서 등이 활용될 수 있다.

종래의 레이저 기반 절단 시스템(이하, “종래 기술”이라 지칭함)은 높이 정보를 획득한 다음에 레이저 빔의 절단 가공을 수행하는 방식을 사용한다. 이에 따라, 종래 기술은 높이 정보 획득의 시간이 소요되므로, 그 가공 신속성이 저하되면서 생산량이 떨어질 수 있다.

다만, 상술한 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 기 공개된 기술에 해당하는 것은 아니다.

KR 10-2019-0082831 A

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 베셀 빔 시스템과 레이저 오토 포커스 시스템을 동축으로 일치시켜 절단 대상물에 대한 높이 변화 측정과 이를 반영한 절단 가공이 신속하게 이루어지는 절단용 베셀 빔 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 멀티 베셀 빔(Multi Bessel Beam)을 하나로 결합시켜 베셀 빔 절단 가공 영역을 확장함으로써, 절단 대상물의 높이 변화가 심한 경우에도 충분히 대응이 가능한 절단용 베셀 빔 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 베셀 빔을 이용하여 절단 대상물을 절단하기 위한 시스템으로서, 베셀 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 베셀 빔 시스템; 및 상기 절단 대상물의 높이 변화를 감지하며, 상기 베셀 빔 시스템에서 상기 베셀 빔의 광학 작용에 관련된 구성들을 포함하는 구조물에 대한 높이가 상기 감지된 높이 변화에 따라 조절되도록 작용하는 레이저 오토 포커스 시스템;을 포함한다.

상기 베셀 빔 시스템은, 레이저 빔을 출사하는 레이저 광원부; 및 상기 출사된 빔이 통과하면서 광축을 따라 교차됨으로써 상기 베셀 빔을 형성하는 액시콘 렌즈;를 포함할 수 있다.

상기 베셀 빔 시스템은 상기 액시콘 렌즈를 통과한 빔에 대한 광학 작용을 통해 베셀 빔의 가공 영역의 위치를 변경하고 그 가공 영역의 에너지 밀도를 조절하는 이미지 광학계를 더 포함할 수 있다.

상기 베셀 빔 시스템은, 상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및 상기 평평한 형태로 진행하는 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;를 더 포함할 수 있다.

상기 베셀 빔 시스템은 상기 더블렛 렌즈의 입사면의 전단부, 상기 더블렛 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈의 사이, 또는 상기 포커싱 렌즈의 출사면의 후단부 중에 배치된 적어도 하나의 광학 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 광원부는 편광 레이저를 출사하며, 상기 베셀 빔 시스템은, 상기 레이저 광원부에서 출사된 편광 레이저 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기; 및 상기 발산각이 확장된 편광 레이저 빔을 반사하거나 투과시키는 편광 빔 스플리터;를 더 포함하고, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사 또는 투과된 빔이 상기 액시콘 렌즈로 전달될 수 있다.

상기 레이저 광원부는 편광 레이저를 출사하며, 상기 베셀 빔 시스템은, 상기 레이저 광원부에서 출사된 편광 레이저 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 레이저 빔의 편광 종류를 변경하는 파장판; 상기 편광 종류가 변경된 레이저 빔을 반사하거나 투과시키는 편광 빔 스플리터;를 더 포함하고, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사 또는 투과된 빔이 상기 액시콘 렌즈로 전달될 수 있다.

상기 베셀 빔 시스템은, S편광 레이저 빔인 제1 빔을 출사하는 제1 레이저 광원부; S편광 레이저 빔인 제2 빔을 출사하는 제2 레이저 광원부; 상기 제1 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기; 상기 제2 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 P편광으로 변경하는 파장판; 상기 발산각이 확장된 제1 빔을 반사하고 상기 P편광으로 변경된 제2 빔을 투과시키는 편광 빔 스플리터; 상기 반사된 제1 빔과 상기 투과된 제2 빔이 동일한 광축을 따라 통과하면서 광축을 따라 교차하는 액시콘 렌즈; 상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 제1 및 제2 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및 상기 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 제1 및 제2 빔에 따른 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;를 포함할 수 있다.

상기 제1 빔에 따른 베셀 빔과 상기 제2 빔에 따른 베셀 빔은 광축을 따라 서로 이어지는 형태의 가공 영역을 형성함으로써 가공 영역을 확장할 수 있다.

상기 베셀 빔 시스템은, 상기 더블렛 렌즈을 통과하여 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔을 상기 레이저 오토 포커스 시스템에서 출사되는 레이저 빔인 제3 빔의 방향을 향하도록 반사하는 미러; 및 상기 미러에 의해 반사된 제1 및 제2 빔과, 레이저 오토 포커스 시스템에서 출사된 상기 제3 빔이 입사되는 위치에 배치되어, 제1 및 제2 빔을 반사하고 제3 빔을 투과하거나, 제3 빔은 반사하고 제1 및 제2 빔은 투과하여, 제1 내지 제3 빔이 모두 절단 대상물로 입사되게 하는 다이크로익 미러(dichroic mirror);를 더 포함할 수 있다.

상기 다이크로익 미러를 거친 제1 내지 제3 빔은 동축 상에서 진행하면서 절단 대상물의 동일 부위에 도달할 수 있다.

상기 레이저 오토 포커스 시스템은 상기 동일 부위에 대한 높이 변화를 감지하여, 그 감지된 높이 변화에 따라 상기 구조물의 높이를 조절할 수 있다.

상기 레이저 오토 포커스 시스템은, 레이저 빔인 제3 빔을 출사하는 레이저 광원부; 상기 절단 대상물에서 조사된 후 반사된 제3 빔을 센싱하는 센서; 상기 센서의 센싱 값을 상기 절단 대상물의 높이 변화를 판단하며, 판단된 높이 변화에 따른 상기 구조물의 높이를 변화시키기 위한 보정 정보를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부의 보정 정보에 따라 상기 구조물의 높이를 변화시키는 이동부;를 포함할 수 있다.

상기 제3 빔은 상기 베셀 빔 보다 작은 파장 대역 및 작은 세기를 가질 수 있다.

상기 베셀 빔과 상기 제3 빔은 절단 대상물의 동일 부위에 도달하며, 상기 레이저 오토 포커스 시스템은 상기 동일 부위에 대한 높이 변화를 감지하여, 그 감지된 높이 변화에 따라 상기 구조물의 높이를 조절할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시스템은 베셀 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 시스템으로서, S편광 레이저 빔인 제1 빔을 출사하는 제1 레이저 광원부; S편광 레이저 빔인 제2 빔을 출사하는 제2 레이저 광원부; 상기 제1 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기; 상기 제2 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 P편광으로 변경하는 파장판; 상기 발산각이 확장된 제1 빔을 반사하고 상기 P편광으로 변경된 제2 빔을 투과시키는 편광 빔 스플리터; 상기 반사된 제1 빔과 상기 투과된 제2 빔이 동일한 광축을 따라 통과하면서 광축을 따라 교차하는 액시콘 렌즈; 상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 제1 및 제2 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및 상기 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 제1 및 제2 빔에 따른 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;를 포함한다.

상기 제1 빔에 따른 베셀 빔과 상기 제2 빔에 따른 베셀 빔은 광축을 따라 서로 이어지는 형태의 가공 영역을 형성함으로써 가공 영역을 확장할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 베셀 빔 시스템과 레이저 오토 포커스 시스템을 동축으로 일치시켜 절단 대상물에 대한 높이 변화 측정과 이를 반영한 절단 가공이 신속하게 이루어지게 구현됨에 따라 그 생산량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 멀티 베셀 빔(Multi Bessel Beam)을 하나로 결합시켜 베셀 빔 절단 가공 영역을 확장함으로써, 절단 대상물의 높이 변화가 심한 경우에도 대응할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 절단 가공 폭이 긴 베셀 빔을 활용하고, 절단 대상물의 높이 변화를 실시간으로 보정할 수 있는 레이저 오토 포커스를 적용하므로, 높이 변화가 있는 절단 대상물에 대한 3D 절단 가공에 유리한 이점이 있다.

특히, 본 발명은 절단 대상물의 두께보다 더 큰 길이의 가공 영역을 가지는 멀티 베셀 빔을 이용함에 따라, 높이 변화 반영에 따라 발생할 수 있는 시간 지연 문제를 쉽게 해결할 수 있는 이점이 있다.

즉, 본 발명은 멀티 베셀 빔을 통해 가공 영역을 확장할 수 있기 때문에, 3D 형상의 절단 대상물의 두께에 따른 영향을 줄일 수 있으며, 절단 대상물의 높이 변화에 따른 각도가 큰 경우에도 적용이 가능한 이점이 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템(10)의 개략적인 블록 구성도를 나타낸다.
도 2 내지 도 6은 베셀 빔 시스템(100)의 제1 내지 제5 실시예를 나타낸다.
도 7은 제5 실시예의 베셀 빔 시스템(100E)을 기반으로 구현된 절단 시스템(10)을 나타낸다.
도 8은 3D 형상을 가지는 절단 대상물의 절단 가공에 대한 모식도를 나타낸다.
도 9는 도 8에서 절단 대상물의 특정 두께에 따른 상세 모식도를 나타낸다.
도 10은 절단 대상물의 두께에 따른 최대 각도의 계산에 관련된 항목의 값들을 나타낸다.

본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “A 또는 B”“A 및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.

본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.

본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템(10)의 개략적인 블록 구성도를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절단 시스템(10)은 베셀 빔(Bessel Beam)을 이용하여 절단 대상물을 절단 가공하는 시스템으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 베셀 빔 시스템(100) 및 레이저 오토 포커스 시스템(200)을 포함한다. 일례로, 절단 대상물은 유리일 수 있다. 이에 한정되지 않고, 절단 대상물은 다양한 재질의 기판 등일 수 있으며, 또한, 절단 대상물은 평판 형상일 수 있으며, 그 외에 다양한 높이를 가지는 3D 형상을 가질 수도 있다.

도 2 내지 도 6은 베셀 빔 시스템(100)의 제1 내지 제5 실시예를 나타낸다. 또한, 도 7은 제5 실시예의 베셀 빔 시스템(100E)을 기반으로 구현된 절단 시스템(10)을 나타낸다.

먼저, 베셀 빔 시스템(100)은 베셀 빔을 발생시켜 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 작용을 한다. 이러한 베셀 빔 시스템(100)은 제1 내지 제5 실시예 중 하나로 구현될 수 있고, 바람직하게는 제2 실시예 내지 제5 실시예 중에 하나로 구현될 수 있다. 물론, 베셀 빔 시스템(100)은 더 바람직하게는 제3 실시예 내지 제5 실시예 중 하나로 구현될 수 있으며, 가장 바람직하게는 제5 실시예로 구현될 수 있다.

다만, 베셀 빔 시스템(100)의 제1 내지 제5 실시예는 제1 실시예를 기반으로 새로운 구성이 차례로 추가되는 방식으로 구현된다. 이에 따라, 각 구성에 대한 파악의 용이성을 위해, 각 실시예에서 동일 또는 유사 기능을 가지는 구성은 도 2 내지 도 7에서 동일한 부호로 표시하였다. 특히, 도 2 내지 도 7에서, 붉은색 선 부분은 레이저 빔의 가장 자리 부분을 나타내며, 이러한 2개의 붉은색 선 사이에 레이저 빔이 채워져 그 광축 방향을 따라 진행될 수 있다.

또한, 도 7에서 제5 실시예의 베셀 빔 시스템(100E)을 기반으로 구현된 절단 시스템(10)을 나타냈으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 7에 따른 설명은 다른 제1 내지 제4 실시예의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100A)은 레이저 광원부(101) 및 액시콘 렌즈(axicon lens, 102)를 포함한다.

레이저 광원부(101)는 레이저 빔(laser beam)을 생성하여 출력하는 구성이다. 즉, 레이저 광원부(101)는 필요에 따라 레이저 빔을 발생시키는 장치로서, 연속(continuous wave; CW) 동작, 준연속(quasi-CW; QCW) 동작 또는 펄스(Pulse) 동작의 레이저를 출력할 수 있다. 가령, 레이저 광원부(101)는 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저, 플래쉬 LPSS(lamp pumped solid state) 레이저 등을 생성할 수 있다. 또한, 레이저 광원부(101)에서 생성되는 레이저는 파장이 900nm 내지 1200nm일 수 있으며, 바람직하게는 1064nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 레이저 광원부(101)는 S편광(S-Polarizing) 레이저 및 P편광(P-Polarizing) 레이저 중에 어느 하나의 편광 레이저를 출사할 수도 있으며, 이를 위해, 편광판이 구비될 수도 있다.

액시콘 렌즈(102)는 레이저 광원부(101)에서 출사된 레이저 빔이 베셀 빔(bessel beam)이 되도록 광학 작용하는 구성이다. 액시콘 렌즈(102)는 레이저 빔이 입사되는 입사면과 입사된 레이저 빔을 한 방향으로 모아 출사하는 출사면을 포함하는데, 출사면으로 출사된 빔은 액시콘 렌즈(102)의 출사면 이후에 에너지 강도가 집중되는 베셀 빔(bessel beam)으로 출사된다.

액시콘 렌즈(102)는 원추 형태의 프리즘으로서, 빔의 광축을 교차하게 함으로써 베셀 빔을 형성한다. 레이저 빔이 이러한 액시콘 렌즈(102)을 통과하면서 액시콘 렌즈(102)의 원추 형상의 꼭지점 위치에 대응하는 광축 상의 위치에 베셀 빔이 형성된다. 즉, 레이저 광원부(101)에서 출사된 레이저의 빔이 원추 모양의 액시콘 렌즈(102)를 통과하면서 빔은 광축을 교차하게 되며, 이러한 교차하는 지점에서 레이저 빔의 중첩 영역이 발생한다. 이러한 중첩 영역은 간섭 현상을 일으키고, 이는 초점 심도(Depth of Focus; DOF)를 길게 하여 절단 대상물에 대한 빔의 가공 영역을 확장시킬 수 있다. 즉, 중첩 영역에서 가늘고 긴 초점 라인이 형성되며, 이러한 중첩 영역에서 절단 대상물에 대한 절단 가공이 가능하다.

일례로, 액시콘 렌즈(102)는 입사면이 평면 형상으로 형성되고, 출사면이 원추 형상으로 돌출된 형상으로 형성될 수 있으며, 입사면과 출사면 사이에 소정의 두께가 형성될 수 있다.

한편, 액시콘 렌즈(102)만을 사용하게 되면 빔의 에너지 밀도가 부족하다. 이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100B)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에서 이미지 광학계(103)를 더 포함한다. 이때, 이미지 광학계(103)는 레이저 빔에 대한 다양한 광학 작용을 통해 빔의 가공 영역의 에너지 밀도(면적 당 에너지)를 조절할 수 있다. 즉, 이미지 광학계(103)는 액시콘 렌즈(102)의 출사면 측에 위치하고, 액시콘 렌즈(102)에서 굴절된 베셀 빔이 입사되어 에너지 밀도를 높이는 역할을 한다. 이러한 이미징 광학계(103)를 이용하여 빔의 에너지 밀도를 증가시킨 후 절단 가공을 진행한다.

일례로, 이미징 광학계(103)는 서로 이격 배치된 더블렛 렌즈(Doublet lens, 104) 및 포커싱 렌즈(Focusing lens, 105)를 포함할 수 있다. 일례로, 포커싱 렌즈는 볼록 렌즈일 수 있다.

이때, 더블렛 렌즈(104)는 확장 진행 중인 빔이 평평하게 되도록 광학 작용하며, 포커싱 렌즈(105)는 평평한 형태 진행하는 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용한다. 즉, 액시콘 렌즈(102)에서 교차되어 점점 확장되는 형태의 빔은 더블렛 렌즈(104)를 투과하면서 평행하게 진행하게 된다. 이후, 평평하게 진행하던 빔은 포커싱 렌즈(105)를 투과하면서 포커싱되는 형태로 진행하게 된다. 이에 따라, 포커링 렌즈(105)의 출사면 이후 영역에 빔의 중첩 영역이 다시 발생하게 생기게 되고, 이러한 중첩 영역에 베셀 빔이 다시 형성되면서 절단 대상물에 대한 가공 영역으로 작용할 수 있다.

즉, 레이저 광원부(101)에서 출사된 빔이 액시콘 렌즈(102)를 통과하면서 제1 중첩 영역이 발생하게 되며, 이러한 제1 중첩 영역을 지나면서 빔은 확장 형태(퍼지는 형태)로 진행한다. 이러한 확장 형태의 빔이 이미지 광학계(103)를 통과하면서 다시 포커싱되어 제2 중첩 영역이 발생하게 되며, 이러한 제2 중첩 영역에서 절단 대상물에 대한 절단 가공이 이루어질 수 있다. 액시콘 렌즈(102) 하나만 사용하게 되면 가공 영역의 에너지 밀도가 부족하기 때문에, 이를 보완하기 위해 이미징 광학계(103)를 이용하여 가공 영역의 에너지 밀도를 조절하여 절단 가공을 수행할 수 있다.

다만, 이미지 광학계(103)는 더블렛 렌즈(104) 및 포커싱 렌즈(105) 외에 추가 광학 장치가 더 포함될 수도 있다. 예를 들어, 추가 광학 장치는 다양한 종류의 미러(mirror) 또는 렌즈(lens)일 수 있으며, 더블렛 렌즈(104)의 입사면의 전단부, 이들 구성의 사이 또는 포커싱 렌즈(105)의 출사면의 후단부 중에 적어도 하나가 구비될 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100C)은 빔 확장기(Beam Expander, 106), 미러(107) 및 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter, 108)를 더 포함할 수 있다.

제3 실시예에서, 레이저 광원부(101)는 편광 레이저를 출사한다. 즉, 레이저 광원부(101)는 S편광(S-Polarizing) 레이저 및 P편광(P-Polarizing) 레이저 중에 어느 하나의 편광 레이저를 출사할 수 있다. 즉, 도 4에서, 레이저 광원부(101)는 S편광 레이저를 출사하는 것으로 표시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, P편광 레이저를 출사할 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위해, 레이저 광원부(101)가 S편광을 출사하는 것으로 가정하여, 이하 제3 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

빔 확장기(106)는 레이저 광원부(101)에서 출사된 편광 레이저 빔을 확장시키는 구성이다. 즉, S편광 레이저 빔은 빔 확장기(106)를 통과하면서 그 발산각이 확대된다. 이때, 발산각의 정도에 따라 베셀 빔이 형성되는 위치가 변화될 수 있다. 빔 확장기(106)는 S편광 레이저 빔의 발산각을 조절할 수 있으며, 해당 조절에 따라 베셀 빔의 위치가 조절될 수 있다.

편광 빔 스플리터(108)는 발산각이 확장된 S편광 레이저 빔을 대부분(거의 100%)을 반사하는 역할을 한다. 또한, 편광 빔 스플리터(108)는 P편광 레이저 빔에 대해서는 대부분(거의 100%) 투과하는 역할을 한다. 이러한 편광 빔 스플리터(108)를 거천 S편광 레이저 빔은 액시콘 렌즈(102)로 전달된다. 즉, 편광 빔 스플리터(108)는 전달 목적 대상이 되는 편광을 가지는 레이저 빔만을 액시콘 렌즈(102)로 전달하는 기능을 가진다.

물론, 빔 확장기(106)과 편광 빔 스플리터(108)의 사이에는 적어도 하나의 미러(107)가 더 구비될 수도 있다. 이러한 미러(107)는 발산각이 확장된 S편광 레이저 빔을 반사하여 그 진행 경로를 변경한다. 또한, 경우에 따라, 편광 빔 스플리터(108)는 일반적인 미러일 수도 있다.

이후, 상술한 액시콘 렌즈(102) 및 이미지 광학계(103)의 작용에 따라 S편광 레이저 빔에 의해 발생되는 제2 중첩 영역에 베셀 빔을 형성되면서 해당 베셀 빔에 의해 절단 대상물이 절단될 수 있다. 이러한 액시콘 렌즈(102) 및 이미지 광학계(103)의 구체적은 작용은 대상 레이저 빔이 S편광 레이저 빔인 것을 제외하면 제1 및 제2 실시예에서 상술한 바 같으므로, 이하 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100D)은 파장판(λ/2 Waveplate, 109) 및 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter, 108)를 더 포함할 수 있다.

제4 실시예에서, 레이저 광원부(101)는 편광 레이저를 출사한다. 즉, 레이저 광원부(101)는 S편광(S-Polarizing) 레이저 및 P편광(P-Polarizing) 레이저 중에 어느 하나의 편광 레이저를 출사할 수 있다. 즉, 도 4에서, 레이저 광원부(101)는 S편광(S-Polarizing) 레이저를 출사하는 것으로 표시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, P편광(P-Polarizing) 레이저를 출사할 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위해, 레이저 광원부(101)가 S편광(S-Polarizing)을 출사하는 것으로 가정하여, 이하 제4 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

파장판(109)은 레이저 광원부(101)에서 출사된 편광 레이저 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 해당 레이저 빔의 편광 종류를 변경한다. 즉, 레이저 광원부(101)에서 출사된 S편광 레이저 빔은 파장판(109)을 통과하면서 P편광 레이저 빔로 변경된다.

편광 빔 스플리터(108)는 파장판(109)에 의해 변경된 P편광 레이저 빔을 대부분(거의 100%) 투과하는 역할을 한다. 또한, 편광 빔 스플리터(108)는 P편광에 대해서는 대부분(거의 100%)을 반사하는 역할을 한다. 이러한 편광 빔 스플리터(108)를 거천 P편광 레이저 빔은 액시콘 렌즈(102)로 전달된다. 즉, 편광 빔 스플리터(108)는 전달 목적 대상이 되는 편광을 가지는 레이저 빔만을 액시콘 렌즈(102)로 전달하는 기능을 가진다.

물론, 빔 확장기(106)과 편광 빔 스플리터(108)의 사이에는 추가적으로 미러가 더 구비될 수도 있다.

이후, 상술한 액시콘 렌즈(102) 및 이미지 광학계(103)의 작용에 따라 P편광 레이저 빔에 의해 발생되는 제2 중첩 영역에 베셀 빔을 형성되면서 해당 베셀 빔에 의해 절단 대상물이 절단될 수 있다. 이러한 액시콘 렌즈(102) 및 이미지 광학계(103)의 구체적은 작용은 대상 레이저 빔이 P편광 레이저 빔인 것을 제외하면 제1 및 제2 실시예에서 상술한 바 같으므로, 이하 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.

다음으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100E)은 빔 확장기(Beam Expander, 106), 미러(107), 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter, 108), 파장판(λ/2 Waveplate, 109) 및 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter, 108)를 더 포함할 수 있다.

이때, 빔 확장기(106), 미러(107) 및 편광 빔 스플리터(108)는 제1 레이저 광원부(101a)에서 출사된 S편광 레이저 빔에 대해 제3 실시예에서 상술한 바와 같이 작용한다. 즉, 제1 레이저 광원부(101a)에서 출사된 S편광 레이저 빔은 빔 확장기(106)를 통과하면서 그 발산각이 확대되고, 미러(107)에 의해 그 진행 경로가 변경되며, 이후 편광 빔 스플리터(108)에 의해 대부분(거의 100%)을 반사되어 액시콘 렌즈(102)로 전달된다. 이하, 이와 같이 액시콘 렌즈(102)로 전달된 S편광 레이저 빔을 “제1 빔”이라 지칭한다.

또한, 파장판(λ/2 Waveplate, 109) 및 편광 빔 스플리터(108)는 제2 레이저 광원부(101b)에서 출사된 S편광 레이저 빔에 대해 제4 실시예에서 상술한 바와 같이 작용한다. 즉, 제2 레이저 광원부(101a)에서 출사된 S편광 레이저 빔은 파장판(109)에 의해 P편광 레이저 빔이 변경되며, 이후 변경된 P편광 레이저 빔은 편광 빔 스플리터(108)에 의해 대부분(거의 100%) 투과되어 액시콘 렌즈(102)로 전달된다. 이하, 이와 같이 액시콘 렌즈(102)로 전달된 P편광 레이저 빔을 “제2 빔”이라 지칭한다. 제1 및 제2 빔은 액시콘 렌즈(102)의 입사면에 대해 동축으로 진행하면서 입사된다.

일례로, 제1 레이저 광원부(101a) 및 제2 레이저 광원부(101b)에서 출사되는 편광 레이저 빔은 동일한 파장 대역을 가지는 레이저 빔일 수 있다.

제1 및 제2 빔은 액시콘 렌즈(102)를 투과하면서 빔의 광축이 교차하게 되고, 제1 및 제2 빔은 각각 중첩 영역을 형성한다.

이하, 제1 빔에 의해 액시콘 렌즈(102)과 이미지 광학계(103) 사이에 형성된 제1 중첩 영역을 “S편광 제1 중첩 영역”이라 지칭하며, 제2 빔에 의해 액시콘 렌즈(102)과 이미지 광학계(103) 사이에 형성된 제1 중첩 영역을 “P편광 제1 중첩 영역”이라 지칭한다. 또한, 제1 빔에 의해 이미지 광학계(103)의 후단부에 형성된 제2 중첩 영역을 “S편광 제2 중첩 영역”이라 지칭하며, 제2 빔에 의해 이미지 광학계(103) 후단부에 형성된 제2 중첩 영역을 “P편광 제2 중첩 영역”이라 지칭한다.

빔 확장기(106)는 제1 레이저 광원부(101a)에서 출사된 S편광 레이저 빔의 발산각을 조절함으로써, P편광 제1 중첩 영역에 대한 S편광 제1 중첩 영역의 상대적인 위치를 조절할 수 있으며, 특히 S편광 제2 중첩 영역과 P편광 제2 중첩 영역이 광축을 따라 연속으로 이어지도록 조절할 수 있다. 즉, S편광 제2 중첩 영역과 P편광 제2 중첩 영역이, 광축을 따라 서로 겹치지 않으면서 연속으로 이어지게 하거나, 광축을 따라 일정 이하만이 겹치면서 연속으로 이어지게 함으로써, 가공 영역이 종래보다 광축 상에서 보다 확장시킬 수 있다.

이와 같이 S편광 제2 중첩 영역과 P편광 제2 중첩 영역이 광축을 따라 연속으로 형성됨으로써 가공 영역이 광축 상에서 확장된 가공 영역에서의 제1 및 제2 빔을 “멀티 베셀 빔”이라 지칭한다. 즉, 본 발명은 이러한 멀티 베셀 빔을 이용함에 따라 가공 영역을 확장함으로써, 3D 형상을 가지는 절단 대상물 등과 같이 절단 대상물의 두께 변화 또는 높이 변화가 심한 경우에도 쉽게 대응할 수 있는 이점이 있다.

특히, 도 7을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 베셀 빔 시스템(100E)은 액시콘 렌즈(102) 및 이미지 광학계(103) 사이에 미러(111, 112)를 더 포함할 수 있다.

이때, 미러(111)는 일반적인 광학용 미러로서, 대부분 파장 대역의 광을 반사한다. 즉, 미러(111)는 더블렛 렌즈(104)을 통과하면서 평행하게 진행하는 제1 및 제2 빔을 후술할 레이저 오토 포커스 시스템(200)에서 출사되는 빔(제3 빔)의 방향으로 반사한다.

반면, 미터(112)는 특정 파장 대역의 광만을 반사하고, 그 외 대역의 광은 투과하는 다이크로익 미러(dichroic mirror)이다. 이때, 미러(112)는 미러(111)에 의해 반사된 제1 및 제2 빔과, 후술할 레이저 오토 포커스 시스템(200)에서 출사되는 제3 빔이 모두 입사될 수 있는 위치에 배치된다. 즉, 미러(112)는 제1 및 제2 빔의 파장 대역은 반사하고, 제3 빔은 투과하여, 제1 내지 제3 빔이 모두 절단 대상물로 입사되도록 한다(제1 경우). 물론, 미러(112)는 제3 빔의 파장 대역은 반사하고, 제1 및 제2 빔은 투과하여, 제1 내지 제3 빔이 모두 절단 대상물로 입사되도록 할 수도 있다(제2 경우). 다만, 설명의 편의를 위해, 제1 경우로 한정하여 설명하도록 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 미러(112)에 의해 반사된 제1 및 제2 빔과, 미러(112)에 의해 투과된 제3 빔은 절단 대상물에 대해 동축으로 진행한다. 즉, 미러(112)를 거친 제1 내지 제3 빔은 동축 상에서 진행하면서 절단 대상물의 표면의 동일 부위에 도달한다.

한편, 레이저 오토 포커스 시스템(200)은 절단 대상물의 높이 변화를 감지하여, 그 감지된 높이 변화에 따라 Z축(광축)에서의 베셀 빔 시스템(100)의 구성들을 포함하는 구조물에 대한 위치를 조절하는 작용을 한다. 즉, 해당 구조물은 베셀 빔 시스템(100) 및 레이저 오토 포커스 시스템(200)의 일부 구성을 포함하는 하우징(11)이 둘러싸는 부분일 수 있다. 즉, 절단 대상물의 높이 변화에 따라 해당 하우징(11) 내 구성의 Z축에서의 위치(즉, 높이)가 모두 동시에 변화될 수 있다.

이를 위해, 레이저 오토 포커스 시스템(200)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 광원부(201), 카메라(202), 조명(203), 센서(204), 제어부(205), 이동부(206) 및 미러(207, 208, 209)를 포함한다.

제3 레이저 광원부(201)는 레이저 빔(laser beam)(즉, 제3 빔)을 생성하여 출력하는 구성이다. 이때, 제3 빔은 베셀 빔 시스템(100)의 제1 및 제2 레이저 광원부(101a, 101b)보다 작은 파장 대역 및 작은 세기를 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 빔의 파장은 600nm 내지 800nm일 수 있다. 이러한 제3 빔은 미러(208, 209)를 거쳐 절대 대상물로 조사될 수 있다.

카메라(202)는 절단 대상물 표면의 포커스 상태 여부를 확인하기 위해 촬영하는 것으로서, 이를 위해 조명(203)에서 발생된 빛이 필요하다. 조명(203)의 빛은 미러(207)에 의해 반사되어 절단 대상물로 조사된 후, 반사되어 카메라(202)로 입사될 수 있다. 이와 같이 카메라(202)로 입사된 빛을 이용하여 절단 대상물의 포커스 상태(On Focus) 또는 디포커스 상태(Defocus)를 확인할 수 있다.

센서(204)는 절단 대상물에서 반사되어 입사된 제3 빔을 센싱(가령, 빔 세기를 센싱)한다. 즉, 제3 레이저 광원부(201)의 제3 빔은 절단 대상물의 조사된 후 반사되어 센서(204)로 입사되어 그 세기 값이 센싱되어, 제어부(205)로 전달된다. 이때, 제3 레이저 광원부(201)에서 절단 대상물로 전달되는 과정, 이후 절단 대상물에서 반사되어 센서(204)로 전달되는 과정에서 미러(208, 209)에 의한 다수 반사될 수 있다. 또한, 미러(208)는 제3 빔에 대해 반사 작용 또는 투과 작용을 하는 특수한 미러일 수 있다.

일례로, 제3 레이저 광원부(201)에서 출사된 제3 빔은 미러(208, 209)에서 반사되고 다이크로닉 미러(112)에서 투과되어 절단 대상물로 조사된다. 이후, 절단 대상물 및 미러(209)에서 차례로 반사된 제3 빔은 다이크로닉 미러(112)에서 투과되고 미러(209)에서 반사되며 미러(208)를 투과한 후 센서(204)로 입사될 수 있다.

제어부(205)는 센서(204)의 센싱 값을 이용하여 절단 대상물의 높이 변화를 측정할 수 있다. 즉, 제어부(205)는 해당 센싱 값으로부터 절단 대상물에서 반사된 제3 빔의 피크(Peak) 신호 값을 추적하여 절단 대상물 표면의 Z축 높이 변화 정보를 실시간으로 감지한다.

이를 위해, 제어부(205)는 상술한 기능 수행을 위한 정보를 저장한 메모리와, 해당 메모리의 저장 정보를 이용하여 상술한 기능의 수행을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(205)는 컴퓨팅이 가능한 하나의 전자 장치일 수도 있다. 이 경우, 전자 장치는 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 태블릿 PC(tablet personal computer) 등과 같은 범용의 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 그 외에도 상술한 기능 구현을 위해 임베디드 리눅스(Embeded Linux) 등을 기반으로 구현된 전용의 임베디드 시스템일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 멀티 베셀 빔을 이용하여 절단 대상물에 대한 절단 가공 중에 절단 대상물의 높이 변화가 발생하면, 센서(204)의 센싱 값은 해당 높이 변화에 따라 변화된다. 물론, 이 경우에, 카메라(202)에서는 포커스 상태(On Focus)였던 절단 대상물의 표면이 높이 변화에 따라 디포커스 상태(Defocus)가 된다.

센싱 값을 전달받은 제어부(205)는 변환된 센싱 값을 이용하여 절단 대상물의 높이 변화 정보를 판단한다. 즉, On Focus 지점을 벗어나 Defocus된 영역에서의 변위량을 위치 추적하면 Z축 변화에 따른 센서(204)의 센싱 값의 변화에 데이터를 확보할 수 있으며, 이를 제어부(205)에서의 판단을 위한 데이터로 활용할 수 있다.

이후, 제어부(205)는 판단된 높이 변화 정보에 따라 하우징(11)에 따른 구조물의 높이를 변화시키기 위한 정보(즉, Z축 보정 정보)를 이동부(206)로 전달한다. 이에 따라, 이동부(206)는 수신한 Z축 보정 정보에 따라 모터 구동함으로써 실시간으로 하우징(11)에 따른 구조물의 높이를 변화시킨다.

일례로, 이동부(206)는 Z축 보정 정보에 따라 모터를 구동하는 구동부와, 구동부의 구동에 따라 하우징(11)에 따른 구조물의 Z축 이동에 대한 동력을 제공하는 모터를 포함할 수 있다.

즉, 제어부(205)는 절단 대상물의 높이가 Z축의 + 방향으로 증가한 만큼의 해당 높이 변화 정보를 이동부(206)에 전달하며, 이에 따라 이동부(206)는 하우징(11)에 따른 구조물이 해당 + 방향의 증가만큼의 위치를 가지도록 그 높이를 이동시킨다. 반면, 제어부(205)는 절단 대상물의 높이가 Z축의 - 방향으로 감소한 만큼의 해당 높이 변화 정보를 이동부(206)에 전달하며, 이에 따라 이동부(206)는 하우징(11)에 따른 구조물이 해당 - 방향의 감소만큼의 위치를 가지도록 그 높이를 이동시킨다. 이와 같은 과정을 반복하면서, 본 발명은 절단 대상물에 대해서 실시간으로 연속해서 절단 가공할 수 있으며, 멀티 베셀 빔의 가공 영역이 절단 대상물의 표면을 기준으로 일정한 위치가 되도록 유지할 수 있다.

즉, 본 발명은 베셀 빔 시스템(100)의 제1 및 제2 빔과, 레이저 오토 포커스 시스템(200)의 제3 빔을 동축으로 일치시킴으로써, 절단 대상물에 대한 높이 변화 측정과 이를 반영한 절단 가공이 신속하게 이루어지게 구현되며, 그 결과 절단 대상물에 대한 절단 가공의 생산량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 절단 가공 폭이 긴 베셀 빔을 활용하면서, 동시에 절단 대상물의 높이 변화를 실시간으로 보정할 수 있는 레이저 오토 포커스를 적용하므로, 높이 변화가 있는 절단 대상물에 대한 3D 절단 가공에 유리한 이점이 있다.

한편, 하우징(11)에 따른 구조물은 제1 내지 제3 빔에 대해 광학 작용에 관련된 구성들과, 카메라(202)의 촬영을 위해 광학 작용하는 구성들을 포함할 수 있다. 일례로, 하우징(11)에 따른 구조물은 빔 확장기(106), 미러(107), 편광 빔 스플리터(108), 파장판(109), 이미지 광학계(103), 미러(111, 112, 207, 208, 209), 카메라(202), 조명(203) 및 센서(204)를 포함할 수 있다. 물론, 하우징(11)에 따른 구조물은 제1 및 제2 레이저 광원부(101a, 101b)를 더 포함할 수 있으며, 제3레이저 광원부(201)를 더 포함할 수 있다.

도 8은 3D 형상을 가지는 절단 대상물의 절단 가공에 대한 모식도를 나타내며, 도 9는 도 8에서 절단 대상물의 특정 두께에 따른 상세 모식도를 나타낸다. 또한, 도 10은 절단 대상물의 두께에 따른 최대 각도의 계산에 관련된 항목의 값들을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 3D 형상의 절단 대상물에 대한 절단 가공 중 높이 변화가 없는 구간에서, 하우징(11)에 따른 구조물은 절단 대상물의 표면에서 일정한 Z축 상의 위치(즉, 높이)를 유지하면서 멀티 베셀 빔을 이용한 절단 가공(이하, “제1 가공”일 지칭함)이 진행된다.

물론, 레이저 오토 포커스 시스템(200)은 실시간으로 절단 대상물의 표면의 Z축 상에서의 변화를 감지할 수 있다. 이때, 절단 대상물의 표면의 높이 변화가 발생하면, 레이저 오토 포커스 시스템(200)에서, 제어부(205)는 센서(204)의 센싱 값을 기반으로 높이 변화 정보를 판단하여, 그에 따른 Z축 보정 정보를 이동부(206)에 적용한다. 이에 따라, 하우징(11)에 따른 구조물에 대한 높이 변화가 진행되면서 절단 가공(이하, “제2 가공”이라 지칭함)이 진행되며, 절단 대상물의 표면의 높이 변화 구간을 지난 후, 절단 대상물의 표면의 높이 변화가 없는 구간이 나오면 다시 상술한 제1 가공이 이루어진다.

상술한 가공 과정이 반복되면서, 3D 형상의 절단 대상물에 대한 실시간 가공이 신속하게 이루어질 수 있다. 특히, 본 발명은 절단 대상물의 두께보다 더 큰 길이의 가공 영역을 가지는 멀티 베셀 빔(즉, 광축을 따라 연속으로 형성된 S편광 제2 중첩 영역 및 P편광 제2 중첩 영역의 길이가 절단 대상물의 두께보다 큰 길이를 가짐)을 이용함에 따라, 상술한 높이 변화 반영에 따라 발생할 수 있는 시간 지연 문제를 쉽게 해결할 수 있는 이점이 있다.

예를 들어, 도 9를 참조하면, 레이저 오토 포커스 시스템(200)의 높이 변화 반영의 업데이트 속도가 20kHz이고, 출력 데이터 속도가 1.7kHz이면, 총 0.638ms의 업데이트 시간이 소요된다. 베셀 빔 시스템(100)이 가공 이동 속도(즉, 하우징(11)에 따른 구조물의 일 방향으로의 가공 이동 속도)가 120mm/s인 것으로 가정했을 때, 상술한 업데이트 및 데이터 출력이 진행되는 동안 하우징(11)에 따른 구조물은 해당 일 방향으로 0.077mm를 이동하게 된다.

즉, 제2 가공 구간이 발생(즉, 절단 대상물의 표면의 높이 변화가 있는 구간이 발생)되면, 레이저 오토 포커스 시스템(200)이 데이터를 출력할 때까지 0.077mm를 가공하는 동안 하우징(11)에 따른 구조물은 높이 변화 없이 일 방향으로 계속 절단 가공을 진행한다. 즉, 높이 변화 구간에서부터 가로 0.077mm를 이동하고 나서야, 레이저 오토 포커스 시스템(200)에서 절단 대상물의 변화된 높이 정보가 반영되어 하우징(11)에 따른 구조물의 높이가 보정된다.

절단 대상물의 가공 부위의 품질 유지를 위해, 가공 영역의 가운데에서 절단 대상물의 절단 가공이 진행되는데, 절단 대상물의 두께에 따른 높이 변화에 제한이 생긴다.

절단 대상물의 두께가 0.3mm이고 베셀 빔(멀티 또는 단일 베셀 빔)의 가공 영역의 길이가 1.1mm인 것으로 가정하면, 해당 가공 영역의 마진(즉, 가공 품질 유지를 위한 마진으로서, 베셀 빔 가공 영역의 길이에서 절단 대상물의 두께를 뺀 후 절반으로 나눈 값)이 Z축 상에서 그 상하로 ±0.4 mm이므로, 본 발명은 최대 79° 경사를 가진 0.3mm 두께의 절단 대상물의 절단 가공에 적용할 수 있다. 즉, 79°를 초과하는 경사에서는 절단 대상물의 높이 변화를 보정하는 속도가 절단 대상물의 높이 변화를 따라가지 못하게 된다. 즉, 절단 대상물의 표면의 높이가 가공 영역의 마진 ±0.4 mm를 벗어나게 되므로, 절단 대상물의 일부분의 가공이 되지 않으면서 비가공 부위가 발생할 수 있다.

Z축 보정 정보가 업데이트된 후 하우징(11)에 따른 구조물은 절단 대상물의 높이 변화에 따라 Z축을 이동하게 되고, 절단 대상물은 다시 베셀 빔의 가공 영역의 센터에 위치하게 된다.

한편, 도 10을 참조하면, 베셀 빔의 가공 영역의 길이를 고려하였을 때, 절단 대상물의 두께에 따른 높이 변화의 최대 각도를 계산한 것을 나타낸다. 이때, 최대 각도는 절단 대상물의 비가공 부위 발생 없는 경우의 가장 큰 각도를 나타낸다.

즉, 절단 대상물의 높이 변화에 따른 레이저 오토 포커스 시스템(200)의 Z축 보정 정보의 업데이트 및 데이터 출력 시간(오토 포커스 반응 시간)은 0.638ms이고, 하우징(11)에 따른 구조물의 일 방향의 가공 속도를 120mm/s라 가정했을 때, Z축 보정 정보의 데이터가 출력되는 동안 해당 구조물은 그 가공 속도와 데이터 출력까지의 시간을 곱한 0.077mm를 이동하게 된다.

각 절단 대상물의 두께가 0.3mm, 0.5mm, 0.7mm 및 0.9mm인 경우, 가공 영역의 마진은 각각 ±0.4mm, ±0.3mm, ±0.2mm, ±0.1mm가 된다. 즉, 이러한 수치는 하우징(11)에 따른 구조물이 일 방향으로 0.077mm를 이동하는 동안 절단 대상물의 비가공 부위 발생 없는 경우의 높이 한계에 해당한다.

예를 들어, 0.3mm의 두께인 절단 대상물을 가공할 때 가공 영역의 마진은 (1.1mm - 0.3mm)/2 = ±0.4 mm이다.

표 1에서, 가로 길이는 오토 포커스의 반응 시간과 하우징(11)에 따른 구조물의 가공 속도를 곱한 값이 되고, 높이 한계는 베셀 빔의 가공 영역의 길이에서 절단 대상물의 두께 뺀 후 2로 나눈 값이 된다. 0.3mm 두께의 절단 대상물의 최대 각도 변화를 삼각함수 계산식을 이용하여 계산하면 79°가 된다.

이러한 삼각함수 계산식은 다음 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있음.

[수학식 1]

여기서, 가로 길이 = 오토 포커스 반응시간 × 가공 속도이며, 높이 한계 = (베셀 빔의 가공 영역 - 글래스 두께)/2)이다.

표 1에 따르면, 각 절단 대상물의 두께가 각각 0.3mm, 0.5mm, 0.7mm 및 0.9mm일 때, 가공 품질을 유지하면서(즉 비가공 영역이 없이) 가공할 수 있는 최대 각도는 각각 79°, 75°, 68° 및 52°이다.

특히, 본 발명은 단일 베셀 빔일 경우에 보다 쉽게 발생하는 높이 한계 등에 대응하기 위해, 멀티 베셀 빔을 통해 가공 영역을 확장한다. 이에 따라, 본 발명은 3D 형상의 절단 대상물의 두께에 따른 영향을 줄일 수 있으며, 절단 대상물의 높이 변화에 따른 각도가 큰 경우에도 쉽게 적용(대응)이 가능한 이점이 있다.

한편, 절단 대상물은 스테이지 상에 배치되어 베셀 빔의 광축(Z축)에 대해 직교하는 평면(즉, X축 및 Y축의 평면) 방향의 스테이지의 이동에 따라 이동하거나, 하우징(11)에 따른 구조물이 해당 평면 방향을 따라 이동함으로써 절단 가공이 이루어질 수 있다. 이때, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 달리, 스테이지가 이동할 경우, 해당 이동을 수행하는 추가적인 이동부가 더 포함될 수 있다. 또는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하우징(11)에 따른 구조물이 이동할 경우, 이동부(206)가 X축 및 Y축의 평면 방향에서 하우징(11)에 따른 구조물의 이동을 위해 구동하는 모터를 더 포함할 수 있다. 또한, 하우징(11)에 따른 구조물은 X축 방향 및 Y축 방향 중 어느 한 방향에 대해서는 스테이지의 이동에 따라 이동할 수 있으며, X축 방향 및 Y축 방향 중 다른 한 방향에 대해서는 이동부(206)의 모터 구동에 의해 이동할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 베셀 빔 시스템과 레이저 오토 포커스 시스템을 동축으로 일치시켜 절단 대상물에 대한 높이 변화 측정과 이를 반영한 절단 가공이 신속하게 이루어지게 구현됨에 따라 그 생산량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 멀티 베셀 빔(Multi Bessel Beam)을 하나로 결합시켜 베셀 빔 절단 가공 영역을 확장함으로써, 절단 대상물의 높이 변화가 심한 경우에도 대응할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 절단 가공 폭이 긴 베셀 빔을 활용하고, 절단 대상물의 높이 변화를 실시간으로 보정할 수 있는 레이저 오토 포커스를 적용하므로, 높이 변화가 있는 절단 대상물에 대한 3D 절단 가공에 유리한 이점이 있다. 특히, 본 발명은 절단 대상물의 두께보다 더 큰 길이의 가공 영역을 가지는 멀티 베셀 빔을 이용함에 따라, 높이 변화 반영에 따라 발생할 수 있는 시간 지연 문제를 쉽게 해결할 수 있는 이점이 있다. 즉, 본 발명은 멀티 베셀 빔을 통해 가공 영역을 확장할 수 있기 때문에, 3D 형상의 절단 대상물의 두께에 따른 영향을 줄일 수 있으며, 절단 대상물의 높이 변화에 따른 각도가 큰 경우에도 적용이 가능한 이점이 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 절단 시스템 100: 베셀 빔 시스템
200: 레이저 오토 포커스 101, 201: 레이저 광원부
102: 액시콘 렌즈 103: 이미지 광학계
104: 더블렛 렌즈 105: 포커싱 렌즈
106: 빔 확장기 107, 111, 112, 207, 208, 209: 미러
108: 편광 빔 스플리터 109: 파장판
202: 카메라 203: 조명
204: 센서 205: 제어부
206: 이동부

Claims (17)

1. 베셀 빔을 이용하여 절단 대상물을 절단하기 위한 시스템으로서,
   베셀 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 베셀 빔 시스템; 및
   상기 절단 대상물의 높이 변화를 감지하며, 상기 베셀 빔 시스템에서 상기 베셀 빔의 광학 작용에 관련된 구성들을 포함하는 구조물에 대한 높이가 상기 감지된 높이 변화에 따라 조절되도록 작용하는 레이저 오토 포커스 시스템;
   을 포함하는 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 베셀 빔 시스템은,
   레이저 빔을 출사하는 레이저 광원부; 및
   상기 출사된 빔이 통과하면서 광축을 따라 교차됨으로써 상기 베셀 빔을 형성하는 액시콘 렌즈;
   를 포함하는 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 베셀 빔 시스템은 상기 액시콘 렌즈를 통과한 빔에 대한 광학 작용을 통해 베셀 빔의 가공 영역의 위치를 변경하고 그 가공 영역의 에너지 밀도를 조절하는 이미지 광학계를 더 포함하는 시스템.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 베셀 빔 시스템은,
   상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및
   상기 평평한 형태로 진행하는 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;
   를 더 포함하는 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 베셀 빔 시스템은 상기 더블렛 렌즈의 입사면의 전단부, 상기 더블렛 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈의 사이, 또는 상기 포커싱 렌즈의 출사면의 후단부 중에 배치된 적어도 하나의 광학 장치를 더 포함하는 시스템.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 레이저 광원부는 편광 레이저를 출사하며,
   상기 베셀 빔 시스템은,
   상기 레이저 광원부에서 출사된 편광 레이저 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기; 및
   상기 발산각이 확장된 편광 레이저 빔을 반사하거나 투과시키는 편광 빔 스플리터;를 더 포함하고,
   상기 편광 빔 스플리터에서 반사 또는 투과된 빔이 상기 액시콘 렌즈로 전달되는 시스템.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 레이저 광원부는 편광 레이저를 출사하며,
   상기 베셀 빔 시스템은,
   상기 레이저 광원부에서 출사된 편광 레이저 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 레이저 빔의 편광 종류를 변경하는 파장판;
   상기 편광 종류가 변경된 레이저 빔을 반사하거나 투과시키는 편광 빔 스플리터;를 더 포함하고,
   상기 편광 빔 스플리터에서 반사 또는 투과된 빔이 상기 액시콘 렌즈로 전달되는 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 베셀 빔 시스템은,
   S편광 레이저 빔인 제1 빔을 출사하는 제1 레이저 광원부;
   S편광 레이저 빔인 제2 빔을 출사하는 제2 레이저 광원부;
   상기 제1 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기;
   상기 제2 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 P편광으로 변경하는 파장판;
   상기 발산각이 확장된 제1 빔을 반사하고 상기 P편광으로 변경된 제2 빔을 투과시키는 편광 빔 스플리터;
   상기 반사된 제1 빔과 상기 투과된 제2 빔이 동일한 광축을 따라 통과하면서 광축을 따라 교차하는 액시콘 렌즈;
   상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 제1 및 제2 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및
   상기 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 제1 및 제2 빔에 따른 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;
   를 포함하는 시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 빔에 따른 베셀 빔과 상기 제2 빔에 따른 베셀 빔은 광축을 따라 서로 이어지는 형태의 가공 영역을 형성함으로써 가공 영역을 확장하는 시스템.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 베셀 빔 시스템은,
    상기 더블렛 렌즈을 통과하여 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔을 상기 레이저 오토 포커스 시스템에서 출사되는 레이저 빔인 제3 빔의 방향을 향하도록 반사하는 미러; 및
    상기 미러에 의해 반사된 제1 및 제2 빔과, 레이저 오토 포커스 시스템에서 출사된 상기 제3 빔이 입사되는 위치에 배치되어, 제1 및 제2 빔을 반사하고 제3 빔을 투과하거나, 제3 빔은 반사하고 제1 및 제2 빔은 투과하여, 제1 내지 제3 빔이 모두 절단 대상물로 입사되게 하는 다이크로익 미러(dichroic mirror);
    를 더 포함하는 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 다이크로익 미러를 거친 제1 내지 제3 빔은 동축 상에서 진행하면서 절단 대상물의 동일 부위에 도달하는 시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 오토 포커스 시스템은 상기 동일 부위에 대한 높이 변화를 감지하여, 그 감지된 높이 변화에 따라 상기 구조물의 높이를 조절하는 시스템.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 오토 포커스 시스템은,
    레이저 빔인 제3 빔을 출사하는 레이저 광원부;
    상기 절단 대상물에서 조사된 후 반사된 제3 빔을 센싱하는 센서;
    상기 센서의 센싱 값을 상기 절단 대상물의 높이 변화를 판단하며, 판단된 높이 변화에 따른 상기 구조물의 높이를 변화시키기 위한 보정 정보를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부의 보정 정보에 따라 상기 구조물의 높이를 변화시키는 이동부;
    를 포함하는 시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 빔은 상기 베셀 빔 보다 작은 파장 대역 및 작은 세기를 가지는 시스템.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 베셀 빔과 상기 제3 빔은 절단 대상물의 동일 부위에 도달하며,
    상기 레이저 오토 포커스 시스템은 상기 동일 부위에 대한 높이 변화를 감지하여, 그 감지된 높이 변화에 따라 상기 구조물의 높이를 조절하는 시스템.
    
16. 베셀 빔을 절단 대상물로 조사함으로써 절단 대상물을 절단하는 시스템으로서,
    S편광 레이저 빔인 제1 빔을 출사하는 제1 레이저 광원부;
    S편광 레이저 빔인 제2 빔을 출사하는 제2 레이저 광원부;
    상기 제1 빔의 발산각을 확장시키는 빔 확장기;
    상기 제2 빔의 위상을 반파장(λ/2)만큼 변경하여 P편광으로 변경하는 파장판;
    상기 발산각이 확장된 제1 빔을 반사하고 상기 P편광으로 변경된 제2 빔을 투과시키는 편광 빔 스플리터;
    상기 반사된 제1 빔과 상기 투과된 제2 빔이 동일한 광축을 따라 통과하면서 광축을 따라 교차하는 액시콘 렌즈;
    상기 액시콘 렌즈를 통과하여 확장 진행 중인 제1 및 제2 빔이 평평한 형태로 진행하도록 광학 작용하는 더블렛 렌즈; 및
    상기 평평한 형태로 진행하는 제1 및 제2 빔이 포커싱이 되도록 광학 작용하여 제1 및 제2 빔에 따른 베셀 빔의 가공 영역을 형성하는 포커싱 렌즈;
    를 포함하는 시스템.
    
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 빔에 따른 베셀 빔과 상기 제2 빔에 따른 베셀 빔은 광축을 따라 서로 이어지는 형태의 가공 영역을 형성함으로써 가공 영역을 확장하는 시스템.

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