KR20230117243A - 재료를 절단하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명 재료를 포함하는 공작물(1)을 절단하는 방법에 관한 것으로서, 여기서 초단 펄스 레이저의 초단 레이저 펄스에 의해 절단 라인(4)을 따라 공작물(1)의 투명 재료에 재료 변형(5)이 도입되고, 그 후 공작물(1)의 재료는, 절단 단계에서, 생성된 재료 변형 영역(50)을 따라 절단되며, 레이저 펄스는 어택 앵글(α)로 공작물(1)에 인가되고, 재료 변형(5)은 공작물(1)의 재료의 균열 형성과 관련된 유형 Ⅲ 변형이다.

Description

재료를 절단하는 장치 및 방법

본 발명은 초단 레이저 펄스를 이용하여 재료를 절단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안 펄스 길이가 매우 짧은 레이저, 특히 1 나노초 미만의 펄스 길이, 및 특히 킬로와트 범위의 높은 평균 출력을 갖는 레이저의 개발로 인해, 새로운 유형의 재료 가공이 이루어졌다. 짧은 펄스 길이 및 높은 펄스 피크 출력 또는 수 마이크로줄 내지 100 μJ의 높은 펄스 에너지는 재료에서 펄스 에너지의 비선형 흡수로 이어질 수 있으므로, 사용되는 레이저 광 파장에 대해 실제로 투명하거나 또는 본질적으로 투명한 재료가 또한 가공될 수 있다.

이러한 레이저 방사선의 특별한 적용 분야는 공작물의 절단 및 가공이다. 이 경우, 재료의 표면에서의 반사 손실이 최소화되므로, 레이저 빔은 수직 입사로 재료에 도입되는 것이 바람직하다. 예컨대, 재료 에지를 모따기하기 위해 특정 어택 앵글로 재료를 가공하거나, 또는 30°초과의 어택 앵글을 갖는 챔퍼(Chamfer) 및/또는 베벨(Bevel) 구조를 생성하는 경우, 특히 재료 에지에서의 높은 어택 앵글은 레이저 빔의 강한 수차를 유발하므로 재료에 의도된 에너지 부여가 일어나지 않기 때문에, 여전히 미해결 문제로 남아 있다.

공지된 종래 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 공작물을 절단하는 개선된 장치, 및 대응하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본원의 청구항 제1항의 특징을 갖는 공작물을 절단하는 방법에 의해 해결된다. 본 방법의 유리한 추가 실시예는 본 명세서 및 도면뿐만 아니라 종속 청구항으로부터 명확해진다.

따라서, 투명 재료를 포함하는 공작물을 절단하는 방법이 제안되고, 여기서 초단 펄스 레이저의 초단 레이저 펄스에 의해 절단 라인을 따라 공작물의 투명 재료에 재료 변형이 도입되고, 그 후 공작물은 절단 단계에서, 생성된 재료 변형 영역을 따라 절단된다. 본 발명에 따르면, 레이저 펄스는 어택 앵글로 공작물의 투명 재료에 인가되고, 재료 변형은 투명 재료의 균열 형성과 관련된 유형 Ⅲ 변형이다.

여기서 초단 펄스 레이저는 초단 레이저 펄스를 제공한다. 여기서 초단파는 예컨대 펄스 길이가 500 피코초 내지 10 펨토초, 특히 10 피코초 내지 100 펨토초임을 의미할 수 있다. 따라서 초단 레이저 펄스는 이에 의해 형성된 레이저 빔을 따라 빔 전파 방향으로 이동한다.

초단 레이저 펄스가 공작물의 재료에 포커싱되면, 초점 체적의 강도는 예컨대 다중 광자 흡수 및/또는 전자 애벌랜시 이온화 프로세스에 의한 비선형 흡수로 이어질 수 있다. 이러한 비선형 흡수는 전자 이온 플라즈마 생성으로 이어지고, 여기서 냉각될 때 공작물의 재료에 영구적인 구조적 변화가 유도될 수 있다. 비선형 흡수에 의해 에너지가 재료의 체적으로 수송될 수 있기 때문에, 이러한 구조적 변화는, 공작물의 표면에 영향을 미치지 않고, 샘플 내부에서 생성될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "투명 재료"라는 용어는, 초단 펄스 레이저의 레이저 빔의 파장에 대해 실질적으로 투명한 재료를 의미하는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 "재료" 및 "투명 재료"라는 용어는 상호 교환적으로 사용되며 - 따라서 본 명세서에서 언급되는 재료는 항상 초단 펄스 레이저의 레이저 빔에 대해 투명한 재료로 이해되어야 한다.

초단 레이저 펄스에 의해 투명 재료에 도입되는 재료 변형은 3개의 상이한 클래스로 나뉜다(K. Itoh 외, "투명 재료의 벌크 변형을 위한 초고속 공정" MRS Bulletin, vol. 31 p. 620 (2006) 참조): 유형 Ⅰ은 등방성 굴절률 변화이고; 유형 Ⅱ는 복굴절 굴절률 변화이며; 유형 Ⅲ은 소위 보이드 또는 캐비티이다. 생성되는 재료 변형은 이 경우 레이저의 펄스 지속 시간, 파장, 펄스 에너지 및 반복 주파수와 같은 레이저 파라미터, 특히 전자 구조 및 열팽창 계수와 같은 재료 특성, 그리고 초점의 개구 수(NA)에 따라 달라진다.

유형 Ⅰ 등방성 굴절률 변화는 레이저 펄스에 의한 국부적인 용융 및 투명 재료의 빠른 재응고에 기인한다. 예컨대 용융 실리카의 경우, 용융 실리카가 고온에서 빠르게 냉각되면, 재료의 밀도 및 굴절률이 더 높아진다. 따라서 초점 체적의 재료가 녹았다가 그 후 빠르게 냉각되면, 용융 실리카는 변형되지 않은 영역보다 재료 변형된 영역에서 더 높은 굴절률을 갖게 된다.

유형 Ⅱ의 복굴절 굴절률 변화는 예컨대 초단 레이저 펄스와, 레이저 펄스에 의해 생성된 플라즈마의 전기장 사이의 간섭으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 간섭은 전자 플라즈마 밀도의 주기적인 변조로 이어져, 투명 재료가 응고될 때 복굴절 특성, 즉 방향에 따른 굴절 지수를 발생시킨다. 유형 Ⅱ의 변형은 예컨대 소위 나노 격자의 형성을 동반한다.

유형 Ⅲ 변형의 보이드(캐비티)는 예컨대 높은 레이저 펄스 에너지로 생성될 수 있다. 이 경우, 보이드의 형성은 초점 체적으로부터 주변 재료로 고도로 여기되고 기화된 재료가 폭발적으로 팽창하기 때문이다. 이러한 과정을 미세 폭발이라고도 한다. 이러한 팽창은 재료의 벌크 내에서 발생하기 때문에, 미세 폭발은 압축된 재료 쉘로 둘러싸인 밀도가 낮은 또는 중공 코어(보이드) 또는 서브 미크론 범위 또는 원자 규모의 미세한 결함을 남긴다. 미세 폭발의 충격 전면에서의 압축은 투명 재료에 응력을 생성하여, 자발적인 균열 형성을 유발하거나, 또는 균열 형성을 촉진할 수 있다.

특히, 보이드의 형성은 유형 Ⅰ 및 유형 Ⅱ 변형과 관련될 수 있다. 예컨대, 도입된 레이저 펄스 주변의 응력이 적은 영역에서 유형 Ⅰ 및 유형 Ⅱ 변형이 발생할 수 있다. 따라서 유형 Ⅲ 변형의 도입에 대해 언급될 때, 어떤 경우에도 밀도가 낮은 또는 중공 코어 또는 결함이 존재한다. 예컨대, 사파이어의 경우 유형 Ⅲ 변형은 미세 폭발로 인해 중공 공간을 생성하는 것이 아니라, 밀도가 낮은 영역을 생성한다. 유형 Ⅲ 변형에서 발생하는 재료 응력으로 인해, 이러한 변형은 종종 균열 형성을 동반하거나 또는 적어도 균열 형성을 촉진한다. 유형 Ⅲ 변형이 도입될 때 유형 Ⅰ 및 유형 Ⅱ 변형의 형성을 완전히 방지하거나 또는 피할 수는 없다. 따라서 "순수한" 유형 Ⅲ 변형이 발견될 가능성은 낮다.

레이저의 높은 반복률에서는 펄스 사이에 재료가 완전히 냉각되지 않으므로, 펄스에서 펄스로 유입된 열의 누적 효과가 재료 변형에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 레이저의 반복 주파수는 재료의 열 확산 시간의 역수보다 높을 수 있으므로, 재료의 용융 온도에 도달할 때까지, 레이저 에너지의 연속적인 흡수를 통해 초점 영역에서 열 축적이 발생할 수 있다. 또한, 초점 영역 주변 영역으로 열 에너지가 열적으로 수송되기 때문에, 초점 영역보다 더 넓은 영역이 용융될 수 있다. 초단 레이저 펄스가 도입된 후, 가열된 재료는 급속히 냉각되므로, 고온 상태의 밀도 및 다른 구조적 특성이 효과적으로 재료에 동결된다.

재료 변형은 절단 라인을 따라 재료에 도입된다. 절단 라인은 공작물의 표면에 대한 레이저 빔의 충돌 라인을 나타낸다. 피드를 통해, 예컨대 레이저 빔 및 공작물은 피드 속도로 서로에 대해 변위되므로, 시간이 경과함에 따라 공작물의 표면에서 레이저 펄스의 충돌 위치가 달라진다. 레이저의 피드 속도 및/또는 반복률은, 공작물의 재료에서의 재료 변형이 겹치지 않고 재료에서 서로 분리되어 존재하도록 선택된다. 여기서 서로에 대해 변위가 가능하다는 것은, 레이저 빔이 고정된 공작물에 대해 병진 변위될 수 있을 뿐만 아니라, 공작물이 레이저 빔에 대해 변위될 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 또한, 공작물과 레이저 빔이 모두 이동될 수 있다. 공작물 및 레이저 빔이 서로에 대해 이동하는 동안, 초단 펄스 레이저는 반복 주파수로 공작물의 재료에 레이저 펄스를 방출한다.

빔이 전파되는 방향으로 재료 변형이 부여되기 때문에, 모든 재료 변형이 위치하고 절단 라인을 따라 공작물의 표면과 교차하는 영역이 공작물의 재료에 생성된다. 재료 변형이 위치하는 영역을 재료 변형 영역이라고 한다. 특히 재료 변형 영역은 곡선형일 수 있으므로, 예컨대 원통형 또는 원뿔형의 외측면을 형성하는 재료 변형도 재료 변형 영역 내에 위치한다.

레이저 펄스는 소위 어택 앵글로 공작물의 재료에 도입된다. 어택 앵글은 여기서 레이저 빔과, 절단될 공작물의 표면 법선 사이의 각도 차이로 주어진다. 어택 앵글이 0이 아닌 경우, 재료 변형 영역도 마찬가지로 공작물의 표면 법선에 대해 기울어진다. 여기서 주목해야 할 점은, 어택 앵글이 사라지지 않는 경우, 레이저 빔은 주변 매질, 바람직하게는 공기 및 공작물의 재료의 굴절률의 함수로서 스넬의 굴절 법칙에 따라 굴절된다는 점이다. 그 결과, 공작물의 재료에서의 빔 전파 방향은 공작물의 재료에 입사하기 전의 빔 전파 방향에서 벗어날 수 있다. 특히, 이로 인해, 재료 변형 영역이 표면 법선에 대한 충돌각이 아닌 다른 각도로 경사질 수 있다.

본 경우에, 재료에 미리 정해진 파단점을 생성하거나, 또는 재료 변형 영역을 따라 재료를 유사 천공하기 위해 유형 Ⅲ 변형이 사용된다. 보이드에 의해 촉진되는 균열 형성은 아래에서 자세히 설명하는 바와 같이 인접한 재료 변형 사이에서 균열 전파가 일어날 수 있도록 한다. 바람직하게는, 이러한 균열 형성은 재료 변형 영역에서 발생하여, 재료 변형 영역이 절단 영역이 된다.

재료 변형 영역을 따라 절단하는 것은 절단 단계에 의해 수행되므로, 공작물은 공작물의 벌크 부분 및 소위 섹션으로 나뉜다.

절단 단계는 기계적 절단 및/또는 에칭 공정 및/또는 열 처리 및/또는 자체 절단 단계를 포함할 수 있다.

열 처리는 예컨대 재료 또는 절단 라인의 가열일 수 있다. 예컨대, 절단 라인은 연속파 CO2 레이저를 통해 국부적으로 가열되어, 재료 변형 영역의 재료는 처리되지 않은 또는 변형되지 않은 재료와 비교하여 상이하게 팽창할 수 있다. 그러나, 뜨거운 공기 흐름에 의해 또는 핫 플레이트에서 베이킹함으로써 또는 오븐에서 재료를 가열함으로써 열 처리를 구현할 수 있다. 특히 절단 단계에서는 온도 구배가 또한 적용될 수 있다. 그 결과, 재료 변형에 의해 촉진되는 균열이 균열 성장을 겪게 되어, 연속적이고 끊어지지 않는 절단 영역이 형성될 수 있고, 이 절단 영역을 통해 공작물의 부분들이 서로 절단된다.

기계적 절단은 인장 응력 또는 굽힘 응력을 인가하여 생성될 수 있는데, 예컨대, 절단 라인에 의해 분리된 공작물의 부분에 기계적 하중을 가함으로써 생성될 수 있다. 예컨대, 재료 평면에서 절단 라인에 의해 분리된 공작물의 부분에 각각 절단 라인에서 멀어지는 방향을 가리키는 반대되는 힘이 하나의 힘 적용 지점에서 작용하는 경우, 인장 응력이 가해질 수 있다. 힘이 서로 평행으로 또는 반평행으로 정렬되지 않으면, 이는 굽힘 응력의 발생에 기여할 수 있다. 인장 또는 굽힘 응력이 절단 라인을 따라 재료의 결합력보다 커지는 즉시, 공작물은 절단 라인을 따라 절단된다. 특히 절단할 부분에 펄스와 같은 작용을 가하여 기계적 변화를 일으킬 수 있다. 예컨대, 충격에 의해 재료에 격자 진동이 생성될 수 있다. 격자 원자의 편향에 의해, 균열 형성을 트리거할 수 있는 인장 및 압축 응력이 마찬가지로 생성될 수 있다.

재료는 습식 화학 용액으로 에칭함으로써 절단될 수 있고, 여기서 에칭 공정은 바람직하게는 재료에서 재료 변형부, 즉 의도된 재료 약화부에서 개시된다. 바람직하게는 재료 변형에 의해 약화된 공작물의 부분을 에칭함으로써, 이는 절단 영역을 따라 공작물의 절단을 유도한다.

특히, 재료에서의 재료 변형의 배향을 통한 의도된 균열 유도를 통해 소위 자체 절단을 수행할 수 있다. 이 경우 재료 변형부로부터 재료 변형부로의 균열 형성을 통해, 추가 절단 단계를 수행할 필요 없이도, 공작물의 두 부분을 전체 표면에서 절단할 수 있다.

이는 공작물의 각각의 재료에 대해 이상적인 절단 방법이 선택될 수 있으므로, 공작물의 절단 시 높은 품질의 절단 에지가 수반된다는 장점이 있다.

특히, 재료 변형이 교차 평면에 있는 공작물의 2개의 측면을 관통하여, 절단 단계에 의해 바람직하게는 챔퍼 및/또는 베벨과 같은 성형된 에지를 생성할 수 있는 것이 제공될 수 있다.

평면의 표면 법선이 서로 평행하게 정렬되지 않은 경우, 2개의 측면은 교차 평면에 놓인다. 예컨대 직육면체에서, 2개의 측면이 직육면체의 에지에 의해 연결될 수 있는 경우, 2개의 측면은 교차 평면에 놓인다. 디스크 모양의 재료의 경우, 디스크의 원주면은 사실상 디스크의 상면과 하면의 교차 평면에 놓인다. 적어도 국부적으로 볼 때, 디스크에서 레이저 빔의 입사 평면에 직사각형 단면이 형성된다.

재료 변형부는 인접한 양쪽 측면을 관통한다. 여기서 관통이라 함은, 재료 변형부가 한쪽 측면에서 시작하여 빔 전파 방향으로 다른 쪽 측면에서 끝나는 것을 의미한다. 그러나, 표면의 재료 브레이크-아웃을 피하기 위해, 재료 변형이 공작물의 재료 내에서만 실행된다는 의미일 수 있다. 그러나 이 경우 2개의 측면 사이의 레이저 경로의 상당 부분이 재료 변형에 의해 변형되어야 한다. 예컨대, 재료에 재료 변형부를 전략적으로 유용하게 위치시킴으로써, 경로의 1/3에만 재료 변형을 도입하는 것으로 충분할 수 있다. 그러나, 재료 변형이 측면들 사이의 전체 경로에 걸쳐 연속적일 수 있다.

이렇게 하면 입사 빔과 굴절 빔이 놓이는 레이저 빔의 입사 평면에, 공작물의 섹션이 생성된다. 예컨대 직육면체의 경우 이러한 섹션은 삼각형이 될 수 있다. 공작물의 삼각형 섹션에는 절단될 에지의 반대편에 있는 소위 빗변이 있다. 여기서 빗변의 길이는 공작물의 재료 변형부의 길이에 의해 주어진다. 또한, 섹션의 빗변에 인접한 측면의 거리는 절단 라인에서 공작물 에지까지의 거리로 주어진다.

재료 변형부가 재료의 2개의 측면을 관통함으로써, 전체 빗변 길이에 걸쳐 미리 정해진 파단점이 도입된다. 결과적으로 공작물은 후속 절단 단계에서 재료 변형 영역을 따라 절단된다.

절단 후 재료 변형 영역은 소위 재료의 성형된 에지가 된다. 공작물의 성형된 에지는 소위 챔퍼와 베벨로 세분화된다. 여기서 공작물의 챔퍼라 함은, 직육면체의 원래 에지가 2개의 에지로 대체되는 모따기로 이해된다. 이러한 방식으로 원래 에지가 매끄러워지거나, 또는 직육면체의 제1 측면으로부터 제2 측면으로 전이 영역이 생성된다. 반면에 베벨은, 섹션의 빗변이 공작물의 에지와 일치할 때 또는 일반적으로 삼각형 섹션의 한 변이 이에 평행하게 연장되는 공작물의 적어도 한 변 길이와 일치할 때 생성된다.

예컨대, 챔퍼 및/또는 베벨의 빗변은 크기가 50 ㎛ 내지 5000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 이다.

이를 통해 공작물이 시각적으로 특히 매력적이고 고품질의 방식으로 모따기될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 이에 따라, 두꺼운 공작물도 모따기될 수 있다. 또한, 성형된 에지, 챔퍼 또는 베벨을 제공함으로써, 최종 고객이 추가 가공, 설치 또는 사용하는 동안 90° 각도를 갖는 에지와 같이 쉽게 부서지지 않는 보다 안정적인 에지가 얻어질 수 있다.

레이저 빔은 비-회절 레이저 빔일 수 있다.

비-회절 빔 및/또는 베셀형 빔이라 함은, 특히 횡방향 강도 분포가 전파 불변인 빔을 의미하는 것으로 이해된다. 특히, 비-회절 빔 및/또는 베셀형 빔의 경우, 횡방향 강도 분포는 빔의 종방향 및/또는 전파 방향을 따라 실질적으로 일정하다.

횡방향 강도 분포라 함은, 빔의 종방향 및/또는 전파 방향에 수직으로 배향된 평면에 놓인 강도 분포를 의미하는 것으로 이해된다. 또한, 강도 분포라 함은, 항상 레이저 빔의 강도 분포에서 재료의 변형 임계값보다 큰 부분으로 이해된다. 이는 예컨대, 비-회절 빔의 일부 또는 약간의 강도 최대값만이 공작물의 재료에 재료 변형을 도입할 수 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 강도 분포의 이 부분이 의도적으로 제공되고 강도 분포 형태의 강도 증가가 포커싱에 의해 달성된다는 것을 나타내기 위해, 초점 영역이라는 단어가 강도 분포에 대해 사용될 수 있다.

비-회절 빔의 정의 및 특성에 대해서는 "구조화된 광 필드: 광학 트래핑, 조작 및 조직화에서의 적용", M. Woerdemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1을 참조하도록 한다. 이것은 명시적으로 전체 내용을 참조한다.

따라서, 비-회절 레이저 빔은, 강도 분포의 횡방향 치수보다 훨씬 더 큰 빔 전파 방향으로 연장된 강도 분포를 가질 수 있다는 장점이 있다. 특히, 이를 통해 빔 전파 방향으로 연장된 재료 변형이 생성되어, 공작물의 2개의 측면을 특히 쉽게 관통할 수 있다.

레이저 빔은 비(非)-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 가질 수 있으며, 여기서 횡방향 강도 분포는 제2 축에 비해 제1 축으로 연장되어 나타나며, 여기서 제2 축은 제1 축에 수직이다.

이와 관련하여, 비-방사상 대칭이라 함은, 횡방향 강도 분포가 광축으로부터의 거리뿐만 아니라, 적어도 빔 전파 방향 주변의 극각에도 의존함을 의미한다. 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 예컨대, 횡방향 강도 분포가 예컨대 십자형 또는 삼각형, 또는 예컨대 오각형과 같은 N-각형임을 의미할 수 있다. 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 또한 회전 대칭 및 거울 대칭 빔 단면을 더 포함할 수 있다. 특히, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 타원형 형태를 가질 수 있고, 여기서 타원형은 장축(A) 및 이에 수직인 단축(B)을 갖는다. 따라서, 비(A/B)가 1보다 큰 경우, 특히 A/B = 1.5인 경우에, 타원형 횡방향 강도 분포가 존재한다. 레이저 빔의 타원형 횡방향 강도 분포는 이상적인 수학적 타원에 해당할 수 있다. 그러나, 비-회절 레이저 빔의 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 단순히 위에서 언급된 긴 주축과 짧은 주축의 비를 가질 수 있지만, 다른 윤곽 - 예컨대, 근사 수학적 타원형, 덤벨 모양 또는 수학적으로 이상적인 타원형으로 둘러싸인 다른 대칭 또는 비대칭 윤곽 - 을 가질 수 있다.

특히, 비-회절 빔을 통해 타원형 비-회절 빔이 생성될 수 있다. 타원형 비-회절 빔은 이 경우 빔 강도의 분석에서 나타나는 특수한 특성을 가지고 있다. 예컨대, 타원형 준 비-회절 빔은 빔의 중심과 일치하는 주 최대값을 갖는다. 빔의 중심은 여기서 주축이 교차하는 위치에 의해 주어진다. 특히, 타원형 준 비-회절 빔은 복수개의 강도 최대값이 중첩되어 발생할 수 있으며, 이 경우 관련된 강도 최대값의 엔벨로프만이 타원형이다. 특히 개별 강도 최대값이 타원형 강도 프로파일을 가질 필요는 없다.

비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포로 인해, 재료에서의 빔 전파 방향에 수직인 단면에서의 재료 변형도 마찬가지로 방사상 대칭이 아니다. 오히려, 재료 변형의 모양은 공작물의 재료에서 비-회절 빔의 강도 분포에 대응된다.

비-회절 빔의 경우, 특히 재료와 상호 작용하여 재료 변형을 도입하는 고강도 영역, 및 변형 임계값 미만에 있는 영역이 존재한다. 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 여기서 변형 임계값 초과에 있는 강도 최대값을 나타낸다.

따라서 비-방사상 대칭의 유형 Ⅲ 재료 변형은 재료 변형의 연장 축과 평행하게 연장되는 우세한 방향을 갖는다. 이에 따라, 일반적으로 균열 형성 또는 균열 유도는 이 경우 이러한 우세한 방향을 따라 발생한다. 예컨대, 균열 전파는 주로 타원형 유형 Ⅲ 재료 변형의 장축 방향으로 발생하는데, 이는 재료 변형의 윤곽이 더 작은 곡률을 가지므로, 응력 피크가 우선적으로 균열의 형태로 재료로 이완되기 때문이다.

특히, 따라서, 의도된 균열 유도가 재료에서 비-방사상 대칭의 재료 변형의 상응하는 배향에 의해 촉진될 수 있으므로, 예컨대 균열 형성은 우세한 방향의 배향으로 인해 절단 라인에 접선 방향으로 배향된다.

예컨대, 회절되지 않은 레이저 빔과 공작물 사이의 피드 방향이 횡방향 강도 분포의 단축에 평행한 경우, 균열 형성이 바람직하게는 피드 방향에 수직으로 연장되기 때문에, 인접한 재료 변형의 균열이 만날 가능성이 낮아진다. 반면에 피드 방향이 균열 형성이 우선적으로 발생하는 장축과 평행한 경우, 인접한 재료 변형의 균열이 만나서 결합할 가능성이 높다. 따라서 빔 단면 및/또는 공작물의 배향은 곡선형 절단 라인의 경우에도 절단 라인의 전체 길이를 따라 의도된 균열 유도를 보장할 수 있다. 따라서, 임의의 형태의 절단 라인을 따라 재료를 절단할 수 있다.

비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 공작물의 표면에 투사할 때, 제1 축 및 제2 축은 어택 앵글을 통해 동일한 크기로 보일 수 있다.

비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 공작물의 표면에 어택 앵글로 수학적 방식으로 투사하면 강도 분포가 왜곡될 수 있다. 예컨대, 원래 타원형 강도 분포가 공작물에서 원형 강도 분포가 될 수 있다. 그러나, 특히 이 경우, 원래 원형 강도 분포로부터 타원형 투사가 공작물의 표면에 구현될 수 있다. 이렇게 하면, 재료의 표면에 어택 앵글로 투사된 결과로서 생기는 강도 분포를 갖는 재료 변형이 재료에 도입된다.

그러나, 이를 통해 또한, 이전에 선택된 우세한 방향의 투사에 의해 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포가 왜곡되어 우세한 방향이 실제 유효 강도 분포에서 벗어날 수 있다.

따라서 일 실시예에서, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 어택 앵글로 인해 원형으로 나타나는 것이 바람직하다. 특히, 이는 원래 타원형인 횡방향 강도 분포의 경우 투사를 통해 타원의 장축(A) 및 단축(B)이 크기가 동일하게 나타난다는 것을 의미한다. 따라서 원형 강도 분포는 효과적으로 재료 변형을 생성하는 역할을 한다.

비-방사상 대칭의 강도 분포를 공작물의 표면에 투사하는 경우 피드 방향으로 연장될 수 있다.

이를 통해, 유효 빔 프로파일의 우세한 방향이 피드 방향을 가리키도록 공작물의 표면에 강도 분포를 투사함으로써 왜곡을 제어할 수 있다. 우세한 방향이 피드 방향을 가리키고 따라서 절단 라인과 평행하게 연장되도록 함으로써, 공작물은 생성된 재료 변형 영역을 따라 특히 쉽게 그리고 특히 높은 품질로 절단될 수 있다.

비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포의 제1 축과 제2 축의 비는 어택 앵글의 코사인의 역수보다 클 수 있다.

레이저 빔이 표면에 어택 앵글로 입사된다고 가정하고, 여기서 횡방향 강도 분포의 제1 축은 공작물의 표면에 평행하게 연장되고 레이저 빔의 입사 평면에 수직이며 제2 축은 입사 평면에 있다. 또한, 제1 축을 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포의 장축으로 하고, 제2 축을 단축으로 한다. 그런 다음 제2 축을 공작물의 표면에 투사함으로써, 유효 길이가 어택 앵글의 역수만큼 증가한다.

예컨대 제2 축의 크기가 10 ㎛이고 어택 앵글이 60°인 경우, 공작물의 표면 상에 제2 축이 투사되면 크기가 10 ㎛ / cos (60°) = 20 ㎛이다.

또한, 횡방향 강도 분포의 제1 축은, 입사 평면에 수직이기 때문에, 투사에 의해 확대되지 않는다. 따라서, 빔 프로파일은 동일한 크기의 제1 축을 갖는다.

예컨대, 위 예에서 제1 축이 크기가 20 ㎛인 경우, 투사 후에도 마찬가지로 20 ㎛의 크기가 된다. 그러나, 전체적으로 보면 공작물의 표면에 둥근 빔 모양이 생성된다.

예컨대 위 예에서 제1 축이 크기가 15 ㎛인 경우, 투사 후에도 마찬가지로 15 ㎛의 크기이지만, 그러나 제2 축은 20 ㎛로 커진다. 따라서, 레이저 빔의 입사 평면에 놓이는 우세한 방향을 갖는 재료 변형이 생성된다. 특히, 투사에 의해 제1 축에서 제2 축으로 우세한 방향은 회전되었다.

따라서, 어택 앵글의 코사인의 역수보다 큰 제1 축과 제2 축의 비를 선택함으로써, 빔이 공작물의 표면 상에 투사될 때에도 원래 의도한 강도 분포의 정렬이 유지되는 것이 보장된다.

제1 축과 제2 축의 비는 √2보다 클 수 있다.

이렇게 하면 특히 45°의 어택 앵글에서, 원래 의도한 횡방향 강도 분포의 정렬이 유지되는 것이 보장된다. 특히 1/cos(45°) = √2이므로, 축 비가 그에 따라 선택된다. 결과적으로, 빔이 공작물의 표면 상에 투사될 때에도 재료 변형에 의해 우세한 방향이 유지된다.

재료 변형 영역은 공작물의 표면에 대해 최대 35°의 각도로 경사질 수 있다.

스넬의 굴절 법칙에 따르면, 주변 매질의 굴절률과 어택 앵글의 사인의 곱은 재료의 굴절률과 굴절각의 사인의 곱에 대응된다. 따라서, 굴절률에 따라, 어택 앵글은 재료 변형 영역이 공작물의 표면에 대해 최대 35°경사지도록 선택될 수 있다. 특히, 각도의 지정은 재료 변형이 위치하는 재료 변형 영역과 관련되므로, 이 각도는 굴절각에 직접적으로 대응한다.

레이저 펄스의 펄스 에너지는 크기가 10 μJ 내지 5 mJ일 수 있고, 및/또는 평균 레이저 출력은 크기가 1 W 내지 1 ㎾일 수 있고, 및/또는 레이저 펄스는 단일 레이저 펄스이거나 또는 레이저 버스트의 일부일 수 있고, 및/또는 레이저의 파장은 크기가 300 ㎚ 내지 1500 ㎚일 수 있고, 특히 크기가 1030 ㎚일 수 있다.

이는 다양한 재료에 대해 최적의 레이저 파라미터가 제공될 수 있다는 장점이 있다.

예컨대, 초단 펄스 레이저는 펄스 에너지가 100 μJ인 단일 레이저 펄스를 제공할 수 있고, 여기서 평균 레이저 출력은 5 W이고 레이저의 파장은 크기가 1030 ㎚이다.

레이저 버스트는 2 내지 20개의 레이저 펄스를 포함할 수 있고, 여기서 레이저 버스트의 레이저 펄스는 10 ㎱ 내지 40 ㎱, 바람직하게는 20 ㎱의 시간 간격을 갖는다.

예컨대, 레이저 버스트는 10개의 레이저 펄스를 포함할 수 있고, 레이저 펄스의 시간 간격은 20 ㎱일 수 있다. 이 경우, 레이저 펄스의 반복 주파수는 50 ㎒이다. 이 경우, 레이저 버스트는 100 ㎑ 정도의 개별 레이저 펄스의 반복 주파수로 방출될 수 있다.

레이저 버스트를 사용하면, 재료별 열 특성을 처리할 수 있으므로, 특히 높은 표면 품질을 갖는 성형된 에지가 생성될 수 있다.

입사된 레이저 빔은 입사 평면과 평행하게 편광될 수 있다.

주변 매질로부터 재료로 전이되는 동안 레이저 빔의 굴절은 어택 앵글 및 굴절률의 영향을 받는다. 또한 여기서 레이저 빔의 편광도 중요한 역할을 한다. 소위 프레넬 방정식을 사용하면, 입사 평면에 평행하게 편광된 레이저 빔이 재료를 통과하는 투과율이 어택 앵글이 10°초과일 경우 입사 평면에 수직으로 편광된 레이저 빔의 투과율보다 항상 더 크다는 것을 알 수 있다.

특히, 레이저 빔의 반사 손실은 재료에서의 절단 공정에서 최적의 에너지 수율을 구현하기 위해 P-편광을 통해 최소화될 수 있다. 또한, 레이저 빔이 브루스터 각도로 입사될 때 재료에 특히 유리한 에너지 커플링-인을 달성할 수 있다.

위의 언급된 목적은 본원의 청구항 제9항의 특징을 갖는 공작물 절단 장치에 의해 추가적으로 해결된다. 유리한 추가 실시예는 종속 청구항, 본 설명 및 도면으로부터 명확해진다.

따라서, 초단 레이저 펄스를 제공하도록 설정된 초단 펄스 레이저, 레이저 펄스를 공작물의 투명 재료에 도입하도록 설정된 가공 광학 장치, 및 레이저 펄스로부터의 레이저 빔 및 공작물을 피드에 의해 절단 라인을 따라 서로에 대해 이동시키고 가공 광학 장치의 광축을 공작물의 표면에 대한 어택 앵글로 배향하도록 설정된 피드 장치를 포함하는, 투명 재료를 포함하는 공작물을 절단하기 위한 장치가 제안된다. 본 발명에 따르면, 레이저 펄스는 공작물의 투명 재료에 어택 앵글로 도입되고, 여기서 재료 변형은 공작물의 재료의 균열 형성과 관련된 유형 Ⅲ 재료 변형이다.

예컨대, 가공 광학 장치는 광학 이미징 시스템일 수 있다. 예컨대, 가공 광학 장치는 하나 이상의 구성요소로 이루어질 수 있다. 예컨대, 구성요소는 렌즈, 또는 광학 이미징 자유 형태 표면 또는 프레넬 존 플레이트일 수 있다. 특히, 가공 광학 장치는 공작물의 재료에 대한 강도 분포의 침투 깊이를 결정하는 데 사용될 수 있다. 어떤 의미에서, 빔 전파 방향에서 초점 영역의 배치가 조정될 수 있다. 예컨대, 가공 광학 장치를 조정함으로써, 초점 영역이 공작물의 표면에 배치되거나, 또는 바람직하게는 공작물의 재료에 배치될 수 있다. 예컨대, 이를 통해, 초점 영역은 레이저 빔이 인접한 2개의 측면을 관통하도록 조정될 수 있으므로, 절단 단계를 통해 공작물의 전체 표면을 절단할 수 있는 재료 변형이 생성될 수 있다.

피드 장치는 여기서 예컨대 레이저 펄스가 공작물에 충돌하는 위치를 변경하기 위한 XY 또는 XYZ 테이블일 수 있다. 피드 장치는 여기서 재료 변형이 절단 라인을 따라 공작물의 재료에 나란히 도입될 수 있도록 공작물 및/또는 레이저 빔을 이동시킬 수 있다.

또한, 피드 장치는 각도 조정 기능을 가지고 있어, 공작물 및 레이저 빔이 서로에 대해 모든 오일러 각도만큼 회전될 수 있다. 이를 통해 특히, 어택 앵글이 전체 절단 라인을 따라 유지되는 것이 보장될 수 있다.

특히, 여기서 어택 앵글은 가공 광학 장치의 광축과 공작물의 재료의 표면 법선 사이의 각도로도 이해된다. 예컨대 가공 광학 장치의 광축과 표면 법선 사이의 어택 앵글은 여기서 0 내지 60°일 수 있다.

빔 성형 광학 장치는 레이저 빔으로부터 비-회절 레이저 빔을 형성할 수 있고, 비-회절 레이저 빔의 횡방향 강도 분포는 비-방사상 대칭일 수 있고, 여기서 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포는 제2 축에 비해 제1 축으로 연장될 수 있고, 여기서 제2 축은 제1 축에 수직이다.

빔 성형 광학 장치는 예컨대 회절 광학 요소(DOE), 반사 또는 굴절 설계의 자유 형태 표면 또는 액시콘 또는 마이크로 액시콘으로 형성되거나, 또는 이러한 복수의 구성요소 또는 기능의 조합을 포함할 수 있다. 빔 성형 광학 장치가 가공 광학 장치 상류에서 레이저 빔으로부터 비-회절 레이저 빔을 형성하는 경우, 가공 광학 장치의 포커싱을 통해 재료에 대한 강도 분포의 삽입 깊이를 결정할 수 있다. 그러나, 빔 성형 광학 장치는 비-회절 레이저 빔이 가공 광학 장치에 의해 이미징함에 의해서만 생성되도록 설계될 수 있다.

회절 광학 요소는 하나 이상의 특성에서 2개의 공간 차원에서 입사 레이저 빔에 영향을 미치도록 설정된다. 회절 광학 요소는 입사 레이저 빔으로부터 비-회절 레이저 빔의 강도 분포를 정확히 생성하는 데 사용될 수 있는 고정 부품이다. 일반적으로 회절 광학 요소는 특수하게 성형된 회절 격자이고, 여기서 회절은 입사된 레이저 빔을 원하는 빔 모양으로 형성하는 데 사용된다.

액시콘은 입사된 가우시안 레이저 빔이 통과할 때 비-회절 레이저 빔을 형성하는 원추형으로 연마된 광학 요소이다. 특히 액시콘은 빔 입사면으로부터 원뿔형의 외측면까지 계산되는 원뿔각(α)을 갖는다. 그 결과 가우시안 모양의 레이저 빔의 에지 빔은 축에 가까운 빔과 다른 초점으로 굴절된다. 특히, 이로 인해, 빔 전파 방향으로 연장된 강도 분포가 얻어진다.

가공 광학 장치는 레이저 빔을 축소 및/또는 확대 방식으로 공작물의 재료에 도입하도록 설정된 텔레스코프 시스템을 포함할 수 있다.

레이저 빔 또는 그 횡방향 강도 분포의 확대 및/또는 축소를 통해, 레이저 빔 강도를 큰 또는 작은 초점 영역에 분산시킬 수 있다. 레이저 에너지를 큰 또는 작은 영역에 분산시킴으로써 강도를 조정하여, 특히 확대 및/또는 축소를 통해 변형 유형 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 중에서 선택할 수 있다.

특히, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 확대 또는 축소함으로써 공작물의 재료에 확대된 또는 축소된 재료 변형이 또한 도입될 수 있다. 예컨대 타원형 횡방향 강도 분포가 축소되어 재료에 도입됨으로써, 이에 의해 도입된 재료 변형의 곡률 반경도 또한 감소된다. 즉, 주어진 곡률이 감소에 의해 더 예리해진다. 이는 공작물의 재료의 균열 형성을 촉진할 수 있다. 또한, 확대 또는 축소를 통해 광학 시스템을 주어진 가공 조건에 맞게 조정할 수 있으므로, 장치는 보다 유연하게 사용될 수 있다.

피드 장치는, 가공 광학 장치 및 공작물을 3개의 공간 축을 따라 병진 이동시키고 적어도 2개의 공간 축 주위로 서로에 대해 회전 이동시키도록 설정된 축 장치 및 공작물 홀더를 포함할 수 있다.

축 장치는 예컨대 5-축 장치일 수 있다. 예컨대, 축 장치는 레이저 빔을 공작물을 통해 안내하거나 또는 공작물을 레이저 빔에 대해 이동시키는 로봇 암일 수 있다.

레이저 빔 및 공작물을 서로에 대해 이동시켜, 절단 라인을 따라 재료 변형을 도입할 수 있게 함으로써, 절단 라인에 대한 어택 앵글을 유지하기 위해, 레이저 빔 또는 공작물이 국부적으로 회전되는 것이 필요하다. 따라서, 곡선형 절단 라인을 사용하면, 재료 변형 영역이 항상 공작물의 표면에 대해 동일한 각도를 가질 수 있다.

특히, 이러한 축 장치는 또한 동시에, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 절단 라인에 대해 배향하는 것을 가능하게 하여, 절단 라인에 평행하게 연장되고 이를 따라 균열 형성을 촉진하는 우세한 방향을 갖는 재료 변형이 생성되도록 할 수 있다.

축 장치는 또한, 공작물 홀더가 상응하는 개수의 축을 중심으로 이동될 수 있는 한, 5개 미만의 이동 가능한 축을 더 포함할 수 있다. 예컨대 축 장치가 XYZ 방향으로만 변위될 수 있는 경우, 공작물 홀더는 예컨대 레이저 빔에 대해 공작물을 회전시키기 위해 2개의 회전 축을 가질 수 있다.

레이저 빔의 빔 성분은 공작물의 표면 법선에 대해 최대 80°의 입사각으로 공작물에 충돌할 수 있다.

가공 광학 장치를 통해 레이저 펄스는 광축으로 수렴하며, 이 광축은 공작물의 표면 법선에 대한 어택 앵글로 배향된다. 이 경우 빔 번들의 부분 레이저 빔은 가공 광학 장치의 광축에 대한 각도를 갖는다. 특히, 이러한 각도는 개구 수를 통해 매우 큰 또는 매우 작은 각도를 가질 수 있다.

레이저 빔 번들의 이러한 감싸는 부분 레이저 빔이 80°초과의 각도로 공작물의 표면에 입사하지 않음으로써, 큰 반사 손실을 회피할 수 있다. 프레넬 공식에 따르면, 공작물의 표면에서 레이저 빔의 반사 및 투과는 충돌각 및 굴절률에 따라 달라진다. 레이저 빔이 스쳐 지나가는 방식으로 입사하면, 약간의 레이저 광만이 재료에 커플링-인할 수 없으므로, 효과적인 재료 가공이 불가능하다. 또한 이를 통해 비-회절 빔의 형태가 부정적인 영향을 받을 수 있다.

바람직하게는 편광자 및 파장판을 포함하는 편광 광학 장치는 레이저 빔의 입사 평면에 대한 레이저 빔의 편광을 조정하도록 설정될 수 있는데, 바람직하게는 입사 평면에 평행하게 조정하도록 설정될 수 있다.

파장판, 특히 소위 λ/2 판이, 선형 편광된 광의 편광 방향을 선택 가능한 각도만큼 회전시킬 수 있다. 이를 통해 레이저 빔을 원하는 편광으로 만들 수 있다.

편광자는 예컨대 박막 편광자일 수 있다. 박막 편광자는 특정 편광의 레이저 방사선만을 투과시킨다.

따라서, 파장판과 편광자의 조합은 항상 레이저 방사선의 편광 상태를 제어할 수 있다.

프레넬 공식에 따르면, 입사 평면에 평행한 레이저 빔의 편광은, 10°초과의 입사각에 대한 투과율이 레이저 빔이 입사 평면에 수직으로 편광될 때보다 항상 더 크다는 장점이 있다. 특히 평행하게 편광된 레이저 빔의 투과율은 수직으로 편광된 광보다 넓은 범위의 입사각에 걸쳐 더 일정하고 더 균일하다. 이를 통해 또한 큰 개구 수를 갖는 가공 광학 장치가 사용될 수 있다. 수직으로 편광된 레이저 빔을 사용하면 공작물의 표면에 비대칭 빔 반사가 발생하여, 광학 수차로 인해 재료 변형 및 이에 따른 절단 영역의 품질이 저하될 수 있다.

빔 안내 장치는 레이저 빔을 공작물로 안내하도록 설정될 수 있고, 여기서 빔 안내는 미러 시스템 및/또는 광섬유, 바람직하게는 중공 코어 섬유를 통해 이루어진다.

소위 자유 빔 안내는 미러 시스템을 사용하여, 상이한 공간 차원의 고정된 초단 펄스 레이저의 레이저 빔을 빔 성형 광학 장치로 안내한다. 자유 빔 안내는, 전체 광 경로에 접근할 수 있으므로, 예컨대 편광자 및 파장판과 같은 추가 요소를 문제없이 설치할 수 있다는 장점이 있다.

중공 코어 섬유는 초단 펄스 레이저의 레이저 빔을 빔 성형 광학 장치로 유연하게 전송할 수 있는 광섬유이다. 중공 코어 섬유는 미러 광학 장치를 조정할 필요가 없다.

제어 전자 장치는 레이저 빔과 공작물의 상대적 위치에 따라 초단 펄스 레이저의 레이저 펄스 방출을 트리거하도록 설정될 수 있다.

곡선형 또는 각진 피드 궤적의 경우, 피드 속도를 국부적으로 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 레이저의 반복 주파수가 일정하면, 이로 인해, 인접한 재료 변형이 겹치거나 또는 재료가 의도치 않게 가열되거나 또는 용융될 수 있다. 이러한 이유로 인해, 제어 전자 장치는 레이저 빔과 공작물의 상대적 위치에 따라 펄스 방출을 조절할 수 있다.

예컨대, 피드 장치는, 피드 장치와 레이저 빔의 위치를 측정하는 위치 확인 인코더를 가질 수 있다. 위치 정보를 기반으로, 제어 전자 장치의 상응하는 트리거 시스템을 통해, 초단 펄스 레이저에서 레이저 펄스의 펄스 방출이 트리거될 수 있다.

펄스 트리거를 구현하기 위해, 특히 컴퓨터 시스템이 사용될 수 있다. 예컨대, 재료가 가공되기 전에 각각의 절단 라인에 대해 레이저 펄스 방출 위치가 결정될 수 있으므로, 절단 라인을 따라 재료 변형의 최적 분포가 보장된다.

이를 통해, 피드 속도가 변하는 경우에도, 재료 변형부들 사이의 거리가 항상 동일하게 유지된다. 특히 이를 통해, 균일한 절단 영역을 생성할 수 있고 챔퍼 또는 베벨의 표면 품질이 높은 것을 보장한다.

공작물 홀더는 레이저 빔을 비-반사 및/또는 비-산란시키는 표면을 가질 수 있다.

이를 통해 특히, 레이저 빔이 재료를 관통한 후 다시 재료 안으로 안내되어 여기에서 다시 재료 변형을 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 특히 비-반사 및/또는 비-산란 표면은 작업 안전성을 또한 높일 수 있다.

본 발명의 바람직한 추가 실시예는 다음의 도면 설명에 의해 보다 상세히 설명된다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d, 도 1e는 본 방법의 개략적인 표현을 도시한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 챔퍼 및 베벨 구조의 개략적인 표현을 도시한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e, 도 3f는 챔퍼 및 베벨 구조의 추가 개략적인 표현을 도시한다.
도 4a, 도 4b는 비-회절 레이저 빔의 개략적인 표현을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e는 비-회절 레이저 빔의 추가 개략적인 표현을 도시한다.
도 6a, 도 6b는 재료 변형부 주변의 균열 형성의 개략적인 표현을 도시한다.
도 7a, 도 7b는 재료 표면 상의 빔 투사의 개략적인 표현을 도시한다.
도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d는 재료 표면 상의 빔 투사의 추가 개략적인 표현을 도시한다.
도 9는 편광 및 어택 앵글의 함수로서 투과율을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 10은 본 방법을 수행하기 위한 장치의 개략적인 표현을 도시한다.
도 11a, 도 11b, 도 11c는 본 방법을 수행하기 위한 장치의 추가 개략적인 표현을 도시한다.

이하에서는 도면에 기초하여 바람직한 실시예를 설명한다. 이러한 맥락에서, 동일한, 유사한, 또는 동일하게 작용하는 요소들은 상이한 도면들에서 동일한 참조 부호가 제공되며, 중복을 피하기 위해, 이러한 요소들에 대한 반복적인 설명은 부분적으로 생략된다.

도 1은 투명 재료를 포함하는 공작물(1)을 절단하는 방법을 개략적으로 보여준다. 도 1a는 초단 펄스 레이저(2)의 레이저 빔(20)이 입사하는 공작물(1)의 단면을 보여준다. 레이저 빔(20)은 여기서 후술하는 가공 광학 장치(3)의 광축에 대응되는 어택 앵글(α)로 공작물(1)에 인가된다.

레이저 빔(20)은, 공작물(1)로 전이될 때, 스넬의 굴절 법칙에 따라 공작물(1)의 표면(10)에서 굴절되어, 레이저 빔(20)은 표면 법선(N)에 대해 각도(β)로 공작물(1)의 재료 내에서 계속 진행하게 된다. 레이저 펄스를 레이저 빔(20)을 통해 공작물(1)에 도입함으로써, 공작물(1)의 재료는 레이저 빔(20)의 초점 영역(220)에서 가열된다. 이 과정에서 초점 영역에 있는 공작물(1)의 재료는 기화되어, 이러한 플라즈마 상태가 공작물(1)의 주변 재료로 폭발적으로 확장된다. 이러한 소위 미세 폭발의 충격 전면에서의 압축으로 인해 여기에서 재료 응력이 발생하는 반면, 레이저 빔의 원래 초점 영역(220)에는 밀도가 낮은 또는 빈 공간(보이드)이 남아 있게 된다. 초점 영역(220)에서 공작물(1)의 재료를 변형하는 것을 재료 변형(5)이라고 하며, 여기서 재료 변형(5)은 특히 유형 Ⅲ의 재료 변형이다. 재료 응력의 결과로서, 결국 공작물(1)의 재료에 균열 형성이 촉진된다.

레이저 펄스의 펄스 에너지는 이 경우 크기가 10 μJ 내지 5 mJ일 수 있고, 및/또는 평균 레이저 출력은 크기가 1 W 내지 1 ㎾일 수 있고, 및/또는 레이저 펄스는 단일 레이저 펄스이거나 또는 레이저 버스트의 일부일 수 있고, 및/또는 레이저의 파장은 크기가 300 ㎚ 내지 1500 ㎚일 수 있다. 또한, 레이저 버스트는 2 내지 20개의 레이저 펄스를 포함할 수 있고, 여기서 레이저 버스트의 레이저 펄스는 10 ㎱ 내지 40 ㎱, 바람직하게는 20 ㎱의 시간 간격을 갖는다.

초단 펄스 레이저(2)가 레이저 펄스를 방출하는 동안, 레이저 빔(20) 및 공작물(1)은 도 1b에 도시된 바와 같이 피드(V)로 서로에 대해 이동된다. 이러한 피드(V)는 공작물(1)이 상면(10)에서 절단될 위치를 결정하는 절단 라인(4)을 따라 안내된다. 레이저 빔(20)이 각도(β)로 공작물(1)의 재료에서 전파됨에 따라, 재료 변형(5)도 마찬가지로 각도(β)로 공작물(1)의 재료에 도입된다. 특히, 재료 변형(5)은 초점 영역(220)의 범위 및 형상 또는 강도 분포에 따라 상이하게 형성될 수 있으며, 특히 빔 전파 방향으로 연장될 수 있다.

빔 전파 방향으로 연장된 재료 변형(5)의 경우, 레이저 빔(20)의 동시 피드(V)에 의해 공작물(1)의 재료에 재료 변형(5)이 위치하는 소위 재료 변형 영역(50)이 생성된다. 여기서, 재료 변형(5)이 겹치지 않고 서로 분리되어 있다는 점을 고려해야 한다. 재료 변형 영역(50)에 의해 공작물(1)은 소위 벌크 공작물(1') 및 소위 섹션(12)으로 분리된다. 예컨대, 재료 변형 영역(50)은 공작물(1)의 표면(10)에 대해 최대 35°의 각도(β)로 경사질 수 있다.

재료 변형 영역(50)의 재료 변형(5)을 통해, 공작물(1)의 재료는 사실상 천공되어, 공작물(1) 및 섹션(12)은 이 재료 변형 영역(50)을 따라 특히 쉽게 절단될 수 있다.

실제 절단은 특정 절단 단계에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 섹션(12)에 대한 기계적 작용에 의해 자발적인 균열 성장이 시작되어, 섹션(12)이 벌크 공작물(1')로부터 평평하게 절단될 수 있다.

또한, 섹션(12)은 도 1c에 도시된 바와 같이, 화학 수조 내에서 벌크 공작물(1')로부터 절단될 수 있다. 예컨대, 도입된 재료 변형(5)은 특히 에칭 용액에 민감하여, 재료 변형 영역(50)에서의 에칭 공정이 벌크 공작물(1')로부터 섹션(12)을 절단하는 것일 수 있다.

예컨대, 섹션(12)은 도 1d에 도시된 바와 같이, 열 작용에 의해 벌크 공작물(1')로부터 절단될 수 있다. 이를 위해, 공작물(1)은 예컨대 가열판(42) 또는 가열 레이저(도시 생략)로 가열되어, 공작물(1)의 열팽창이 발생한다. 공작물(1)의 열팽창은 재료 변형 영역(50)에 이미 존재하는 재료 응력으로 인해 균열 형성을 일으킬 수 있으므로, 벌크 공작물(1') 및 섹션(12)은 평평하게 서로 절단된다.

마찬가지로, 공작물(1)은 자발적인 균열 형성, 소위 자체 절단으로 인해 외부 영향 없이 절단될 수 있다. 유형 Ⅲ의 재료 변형으로 인해 재료 응력이 공작물(1)에 도입되며, 이는 이미 균열 형성 자체와 관련이 있다. 결과적으로, 이러한 자발적인 균열 형성은 벌크 공작물(1) 및 섹션(12)을 이미 절단할 수 있다.

위에서 설명한 절단 단계는 도 1e에 도시된 바와 같이 벌크 공작물(1')에 소위 챔퍼 및/또는 베벨을 생성한다. 마찬가지로, 공작물(1)의 모따기는 공작물(1)의 성형된 에지로 알려져 있다. 챔퍼 또는 베벨은 재료 변형 영역(50)에 의해 형성되므로, 레이저 빔(20)의 어택 앵글(α), 주변 매질 및 공작물(1)의 굴절 지수에 의해 굴절각(β)이 발생하고, 따라서 재료 변형(5) 및 궁극적으로 챔퍼 또는 베벨의 배향도 또한 발생한다.

성형된 에지(14)를 생성하기 위해서는, 재료 변형(5)이 모따기될 에지를 형성하는 공작물(1)의 측면들을 관통하는 것이 유리하다. 예컨대, 도 1a에서, 측면(10) 및 측면(11)은 모따기될 에지(110)를 형성한다. 특히, 공작물(1)의 측면(10) 및 측면(11)은 서로 교차하는 공간 평면에 놓여 있고, 여기서 평면의 교차 라인은 공작물(1)의 에지(110)이다.

도 2a 내지 도 2c는 재료의 다양한 가능한 성형된 에지를 보여준다. 도 2a에서, 재료 변형 영역(50)은 공작물(1)과 교차하고, 여기서 챔퍼의 높이는 측면(11)의 높이보다 작고, 챔퍼의 폭은 측면(10)보다 작다. 따라서, 에지(110)는 모따기에 의해 2개의 에지(110' 및 110")로 대체된다. 따라서, 특히 원래의 에지(110)는 뭉퉁하게 되거나 또는 평평하게 된다.

도 2b에서, 재료 변형 영역(50)은 공작물(1)과 교차하고, 여기서 섹션(12)의 높이는 측면(11)의 높이에 대응하고, 재료 변형 영역(50)과, 공작물(1)의 하면(13) 및 측면(11)에 의해 형성된 에지(130)는 일치한다. 이 예에서는 에지의 개수는 일정하게 유지되지만, 그러나 측면(13) 및 측면(11)이 만나는 각도는 더욱 예각이 된다. 따라서, 베벨(12)을 형성함으로써, 공작물(1)은 날카롭게 및/또는 뾰족하게 될 수 있다.

도 2c에서, 재료 변형 영역(50)은 공작물(1)과 교차하며, 여기서 재료 변형 영역은 공작물(1)의 상면(10) 및 하면(13)과 모두 교차한다. 이는 공작물(1)의 전체적인 길이 범위를 감소시키고, 또한 도 2b에서와 같이 공작물(1)의 날카로움을 달성한다.

도시된 각각의 경우에, 재료의 재료 변형의 길이는 섹션(12)의 소위 빗변(H)을 제공한다.

이전 설명이 직육면체의 절단으로 축소되었지만, 이 방법을 사용하여 둥근 재료(1) 또는 원형화된 재료를 절단하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 3a, 도 3b는 디스크 형태의 공작물(1)을 보여준다. 어택 앵글(α)로 입사되는 레이저 빔(20) 및 각도(β)로 굴절되는 레이저 빔(20)에 의해 소위 입사 평면이 정해진다. 이러한 입사 평면에서 이전 설명이 그대로 적용될 수 있다.

도 3c는 또한 도 3a 및 도 3b에서 디스크의 모따기가 원추형 테이퍼 요소를 생성하므로, 도입된 재료 변형(5)을 통해 성형된 에지에 다양한 형태를 생성하는 것이 가능함을 보여준다.

추가적인 예가 도 3d에 도시되어 있다. 공작물(1)에 주변 방향으로 재료 변형(5)이 도입되고, 여기서 절단 라인(4)이 만곡되고, 입사 평면에서의 어택 앵글(α)은 항상 일정하게 유지된다. 그 결과, 절단 단계 후에 둥근 챔퍼 또는 베벨이 생성되어, 높은 광학 품질을 갖게 된다.

또 다른 예는 도 3e에 도시되어 있다. 여기에서는 도 3d와 달리 둥근 절단 라인(4)이 사용되지 않는다. 공작물(1)은 4개의 측면 모두에서 연속적으로 모따기되어, 절단 단계 후에 공작물(1)의 모서리에 결정 모양의 챔퍼가 생성된다. 따라서 이 방법은 공작물(1)에 특히 고품질의 인상을 부여하는 데에도 적합하다.

도 3f는 도 3d 및 도 3f에서의 재료(1)의 단면을 보여준다. 단면은 챔퍼(14)의 형성을 명확하게 보여준다.

적어도 부분적으로 공작물(1)을 관통하는 재료 변형(5)을 특히 간단한 방식으로 생성하기 위해, 소위 비-회절 레이저 빔(20)이 적합하다. 비-회절 빔(20)은 빔 전파 방향으로 연장된 길이(L)의 초점 영역(220)을 갖는 것이 바람직하다. 초점 영역(220)의 길이(L)는 섹션(12)의 원하는 빗변(H)의 길이보다 크게 함으로써, 공작물(1)을 특히 쉽고 효과적으로 모따기할 수 있다.

도 4a는 빔 성형 광학 장치에 의해 처리된 레이저 빔(20)을 개략적으로 나타낸 것이다. 레이저 빔(20)의 부분 레이저 빔(200)은 광축(30)에 대해 각도(α')로 공작물(1)에 입사하며, 여기서 각각의 부분 레이저 빔(200)은 광축(30)에 대한 각도(α')에 따라 굴절된다. 그러나 전반적으로, 레이저 빔(20)의 이러한 예에서 광축(30)은 공작물(1)의 표면(10)에 수직이므로, 어택 앵글은 0°가 된다. 공작물(1)에서, 부분 레이저 빔(200)은 중첩되어, 길이(L)를 갖는 연장된 초점 영역(220)을 갖는 비-회절 빔을 형성한다.

레이저 빔(20)이 비스듬히 입사되면, 즉 소실되지 않은 어택 앵글(α)로 입사되면, 빔의 상반부는 각도(α+α')로 그리고 빔의 하반부는 각도(α-α')로 공작물(1)에 입사하기 때문에, 재료에 수차가 발생한다. 그 결과, 초점 영역(220)은 α = 15°의 어택 앵글에 대해 도 4b에 도시된 바와 같이 단축되거나 또는 왜곡될 수 있다. 그러나, 수차 보정 없는 레이저 빔으로도, 방법에 의해 재료 변형(5)을 생성하는 것이 또한 가능하고, 여기서 챔퍼 및/또는 베벨의 빗변(H)은 크기가 50 ㎛ 내지 5000 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 200 ㎛이다.

도 5a는 비-회절 레이저 빔(20)의 횡방향 강도 분포 또는 초점 영역(220)을 나타낸다. 비-회절 레이저 빔(20)은 소위 베셀-가우시안 빔이고, 여기서 x-y 평면에서의 횡방향 강도 분포는 방사상 대칭이므로, 비-회절 레이저 빔(20)의 강도는 광축(30)에 대한 방사상 거리에만 의존한다. 특히, 횡방향 강도 분포의 직경은 크기가 0.25 ㎛ 내지 10 ㎛이다. 도 5b는 종방향 빔 단면, 즉 종방향 강도 분포를 보여준다. 종방향 강도 분포는 약 3 ㎜ 크기의 연장된 고강도 영역을 갖는다. 따라서, 초점 영역(220)의 종방향 범위는 횡방향 범위보다 훨씬 더 크다.

도 5c에서는, 도 5a와 유사하게, 비-회절 레이저 빔이 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 갖는 것을 나타낸다. 특히, 횡방향 강도 분포는 y 방향으로 신장되어 거의 타원형에 가깝게 나타난다. 도 5d는 레이저 빔(20)의 종방향 강도 분포를 도시하고, 여기서 초점 영역(220)은 다시 L = 3 ㎜의 범위를 갖는다. 도 5e는 도 5c에서 횡방향 강도 분포의 확대된 부분을 도시하고, 여기서 상이한 강도 최대값은 상이한 부분 레이저 빔(200)의 중첩으로 인한 결과이다. 특히, 초점 영역(220)은 수직 방향(B)에 비해 수평 방향(A)으로 명확하게 연장되어 있고, 여기서 양방향이 서로 수직이다.

이러한 초점 영역(220)을 갖는 레이저 빔(20)이 공작물(1)에 도입되면, 이로부터 생성된 재료 변형(5)은 동일한 형상을 갖는다. 이는 도 6a에 도시되어 있다. 특히, 재료 변형(5)은 이를 통해 뾰족한 측면 및 평평한 측면을 갖고, 여기서 뾰족한 측면은 장축(A)의 방향에서 발견되고 뭉툭한 측면은 단축(B)의 방향에서 발견된다. 따라서 재료 변형(5)에 의한 균열 형성(52)은 장축(A)의 방향으로 이루어지는데, 여기에서 응력 피크가 가장 크기 때문이다.

결과적으로, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포의 장축(A)은 절단 라인(4)을 따라 배향되는데, 예컨대 절단 라인(4)에 접선 방향으로 배향되어, 유도된 균열 형성이 절단 라인(4)을 따르는 것이 바람직하다. 이제 도 6b에서와 같이 인접한 재료 변형들(5)의 균열(52)이 겹쳐지도록 재료 변형들(5)이 절단 라인(4) 상에 배향되면, 이 경우 절단 단계에 의해 절단이 특히 용이하게 수행될 수 있다.

둥근 또는 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포를 갖는 레이저 빔(20)이 어택 앵글(α)로 공작물(1)의 표면(10) 상에 투사되면, 입사 평면에 강도 분포의 왜곡이 발생한다. 이는 도 7에 도시되어 있다. 도 7a 및 도 7b에서 레이저 빔(20)은 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포로 공작물(1)의 표면(10)에 입사된다. 예컨대, 빔 프로파일의 장축(A)은 피드 방향(V)과 평행하게 위치하는 반면, 단축(B)은 입사 평면에 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 균열 형성(52)이 바람직하게는 피드 방향(V)으로 진행되는 것을 달성할 수 있다. 그러나, 단축(B)을 표면(10) 상에 투사함으로써, 단축(B)의 강도는 길이(B/cosα)에 걸쳐 분포되므로, 증가하는 어택 앵글로 투사함으로써 단축(B)은 더 길어지게 된다. 특히, 이를 통해, 단축(B)의 투사가 장축(A)의 길이에 상응하는 경우가 달성될 수 있다. 그러면, 생성된 재료 변형(5)은 더 이상 균열 형성을 위한 우세한 방향을 갖지 않는다.

예컨대 45°의 어택 앵글에서 단축은 √2B로 증가한다. 따라서, 투사 전 비(A/B)가 √2보다 크면, 절단 라인(4)에 대한 장축(A)의 배향은 투사 중에 유지된다.

도 8은 투사의 영향에 대한 추가 예를 도시한다. 도 8a는 도 5a의 베셀 가우시안 빔이 공작물(1)의 표면(10)에 수직으로 입사된 모습을 보여준다. 도 8b에 도시된 소실되지 않는 어택 앵글(α)에서, 공작물(1)의 표면(10) 상의 방사상 대칭의 강도 분포로부터, 한 방향으로 연장된 강도 분포가 형성되어, 이로부터 생성된 재료 변형(5)이 우세한 방향을 갖는다. 레이저 빔(20)을 공작물(1)의 표면(10) 상에 투사함으로써, 그에 상응하게 재료 변형(5)의 우세한 방향이 조정되거나 또는 변경될 수 있다. 도 8c는 도 5c의 베셀 빔을 도시한다. 공작물(1)의 표면(10) 상에 투사함으로써, 장축(A)의 정렬은 유지되므로, 이로부터 생성된 재료 변형(5)의 균열 전파의 우세한 방향의 배향은 변경되지 않는다. 여기서 A/B는 어택 앵글(α)의 코사인의 역수보다 작다.

레이저 빔(20)은 특히 반사 손실을 최소화하기 위해 편광될 수 있는데, 바람직하게는 입사 평면에 평행하게 편광될 수 있다. 도 9는 또한 프레넬의 공식에 따라 입사 평면에 평행 및 수직 편광 시 공작물(1)을 통한 레이저 방사선의 투과율을 보여준다. 여기서, 특히 어택 앵글(α)은 X-축에 표시되어 있지만, 부분 레이저 빔(20)은 도 4a에 따르면 광축(30)에 대한 수렴각(α')을 갖는다.

예컨대, 어택 앵글(α) = 50° 및 수렴각(α') = 20°인 경우, 부분 레이저 빔(200)은 α-α' = 30° 내지 α+α' = 70°의 각도 범위에서 공작물(1)의 표면(10)에 입사한다. 그 결과, 평행 입사 시 투과율은 96% 내지 94%에서 변화하는 반면, 수직 입사 시에는 95% 내지 70%에서 변한다. 따라서, 입사 평면에 수직으로 편광된 레이저 빔(20)에 대한 변동은 입사 평면에 평행하게 편광된 광의 경우보다 훨씬 더 크다. 따라서, 반사 손실을 감소시키기 위해, 부분 레이저 빔(200)이 표면 법선(N)에 대해 80°미만의 각도로 공작물(1)에 충돌하는 것이 특히 유리하다.

도 10은 본 방법을 수행하기 위한 장치의 실시예를 나타낸다. 여기서, 레이저 펄스는 초단 펄스 레이저(2)에 의해 제공되며, 편광 광학 장치(32)에 의해 빔 성형 광학 장치(34)를 통해 유도된다. 빔 성형 광학 장치(34)로부터 레이저 빔(20)은 텔레스코프 시스템(36)을 통해 공작물(1)로 유도되고, 여기서 가공 광학 장치(3)의 광축(30)은 공작물(1)의 표면 법선(N)에 대해 어택 앵글(α)로 배향된다.

편광 광학 장치(32)는 여기서, 초단 펄스 레이저(2)에 의해 방출된 레이저 빔(20)을 편광하여 잘 정해진 편광만을 갖도록 편광자를 포함할 수 있다. 후속하는 λ/2 판(2)은 레이저 빔(20)이 바람직하게는 입사 평면에 평행하게 편광되어 공작물(1)에 도입될 수 있도록 레이저 빔(20)의 편광을 궁극적으로 회전시킬 수 있다.

도시된 예에서, 빔 성형 광학 장치(34)는 입사 레이저 빔(20)을 비-회절 레이저 빔으로 형성하기 위한 액시콘이다. 그러나, 액시콘은 비-회절 빔을 생성하기 위해 다른 요소로 대체될 수 있다. 액시콘은, 바람직하게는 시준된 입력 빔으로부터, 원추형으로 테이퍼지는 레이저 빔(20)을 생성한다. 빔 성형 광학 장치(34)는 또한 입사 레이저 빔(20)에 비-방사상 대칭의 강도 분포를 부여할 수 있다. 레이저 빔(20)은 궁극적으로, 여기서 2개의 렌즈(360, 362)로 구성되는 텔레스코프 광학 장치(36)를 통해 공작물(1)에 이미징될 수 있고, 여기서 이미징은 확대 또는 축소 이미징일 수 있다. 텔레스코프 광학 장치(36)의 일부, 특히 렌즈(360)는 또한 빔 성형 광학 장치(34)에 통합될 수 있다. 예컨대, 굴절 자유 형태 표면 또는 구면으로 연마된 후면을 갖는 액시콘은 렌즈(360)의 렌즈 기능 및 빔 성형 광학 장치(34)의 빔 성형 기능을 둘 모두 가질 수 있다.

도 11a는 가공 광학 장치(3) 및 공작물(1)을 3개의 공간 축을 따라 병진 이동시키고 2개의 공간 축을 중심으로 회전 이동시키도록 설정된 피드 장치(6)를 나타낸다. 초단 펄스 레이저(2)의 레이저 빔(20)은 가공 광학 장치(3)를 통해 공작물(1)로 유도된다. 공작물(1)은 여기서 피드 장치(6)의 지지 표면 상에 배치되고, 여기서 지지 표면은 재료가 흡수하지 않는 레이저 에너지를 반사하거나 흡수하지 않고, 레이저 에너지를 공작물(1)로 강하게 다시 산란시키지 않는 것이 바람직하다.

특히, 레이저 빔(20)은 빔 안내 장치(38)에 의해 가공 광학 장치(3)에 커플링-인될 수 있다. 이 경우, 빔 안내 장치는 도 11a에 도시된 바와 같이 렌즈 및 미러 시스템을 갖는 자유 공간 경로일 수 있다. 그러나, 빔 안내 장치(38)는 도 11b에 도시된 바와 같이 커플링-인 및 커플링-아웃 광학 장치가 있는 중공 코어 섬유를 나타낼 수 있다.

도 11a에 도시된 예에서, 레이저 빔(20)은 미러 구조에 의해 공작물(1)을 향해 유도되고, 가공 광학 장치(3)에 의해 공작물(1)에 도입된다. 레이저 빔(20)은 공작물(1)에서 재료 변형(5)을 발생시킨다. 가공 광학 장치(3)는 피드 장치(6)를 사용하여 재료에 대해 이동 및 조정될 수 있으므로, 예컨대 레이저 빔(20)의 횡방향 강도 분포의 우세한 방향 또는 대칭 축이 피드 궤적 및 이에 따라 절단 라인(4)에 맞게 조정될 수 있다.

이 경우, 피드 장치(6)는, 레이저 빔(20)이 원하는 절단 라인(4)을 따라 재료 변형(5)을 도입하도록, 레이저 빔(20) 아래로 공작물(1)을 피드(V)로 이동시킬 수 있다. 특히, 도시된 도 11a에서, 피드 장치(6)는, 공작물(1)을 XYZ 축을 따라 이동시키고, 필요한 경우, 회전시킬 수 있는 제1 축 시스템(60)을 포함한다. 특히, 피드 장치(6)는 또한 공작물(1)을 유지하도록 설정된 공작물 홀더(62)를 포함할 수 있다. 필요한 경우, 공작물 홀더는, 빔 전파 방향에 수직인 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포의 장축이 항상 원하는 절단 라인(4)에 접선 방향으로 배향될 수 있도록, 이동 자유도를 가질 수 있다.

이를 위해, 피드 장치(6)는 또한 제어 전자 장치(64)에 연결될 수 있고, 여기서 제어 전자 장치(64)는 장치의 사용자의 사용자 명령을 피드 장치(6)에 대한 제어 명령으로 변환한다. 특히, 미리 정해놓은 절단 패턴은 제어 전자 장치(64)의 메모리에 저장될 수 있으며, 제어 전자 장치(64)에 의해 공정이 자동으로 제어될 수 있다.

제어 전자 장치(64)는 특히 초단 펄스 레이저(2)에 연결될 수 있다. 이 경우, 제어 전자 장치(64)는 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 트레인의 출력을 요청하거나 또는 트리거할 수 있다. 제어 전자 장치(64)는 또한 언급된 다른 구성요소에 연결될 수 있으며, 따라서 재료 가공을 조정할 수 있다.

특히, 위치 제어 펄스 트리거링은 이러한 방식으로 구현될 수 있고, 여기서 예컨대, 피드 장치(6)의 축 인코더(600)가 판독되고, 축 인코더 신호가 제어 전자 장치(64)에 의해 위치 정보로서 해석될 수 있다. 따라서, 제어 전자 장치(64)는, 예컨대 이동 거리를 더하는 내부 가산 유닛이 특정 값에 도달하고 도달 후 0으로 재설정될 때, 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 트레인의 방출을 자동으로 트리거하는 것이 가능하다. 따라서, 예컨대 일정한 간격으로 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 트레인이 공작물(1)에 자동으로 방출될 수 있다.

피드 속도(V) 및 피드 방향 그리고 그에 따른 절단 라인(4)도 제어 전자 장치(64)에서 처리될 수 있으므로, 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 트레인의 자동화된 방출이 이루어질 수 있다.

제어 전자 장치(64)는 또한 측정된 속도 및 레이저(2)에 의해 제공되는 기본 주파수에 기초하여, 레이저 펄스 트레인 또는 레이저 펄스가 방출될 거리 또는 위치를 계산할 수 있다. 이러한 방식으로, 특히 공작물(1)에서의 재료 변형(5)이 중첩되지 않도록 달성될 수 있다.

레이저 펄스 또는 펄스 트레인의 방출은 위치 제어가 가능하기 때문에, 절단 프로세스의 비용이 드는 프로그래밍이 생략된다. 또한, 자유롭게 선택될 수 있는 프로세스 속도를 쉽게 구현할 수 있다.

도 11c는 또한, 가공 광학 장치가 5-축 암을 통해 공작물(1) 위로 안내되어 공작물(1)에 재료 변형(5)을 도입하는 피드 장치(6)를 보여준다. 회전 암의 조합을 통해, 가공 광학 장치를 3개의 공간 축을 따라 변위시키고 2개의 공간 축을 중심으로 회전시키는 것이 가능하다.

적용 가능한 한, 실시예들에 도시된 모든 개별 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 서로 조합되고 및/또는 교환될 수 있다.

1 : 공작물 1' : 벌크 공작물
10 : 표면 11 : 상면
110 : 에지 12 : 섹션
13 : 하면 130 : 에지
14 : 성형된 에지, 챔퍼, 베벨 2 : 초단 펄스 레이저
20 : 레이저 빔 200 : 부분 레이저 빔
220 : 초점 영역 3 : 가공 광학 장치
30 : 광축 32 : 편광 광학 장치
34 : 빔 성형 광학 장치 36 : 텔레스코프
38 : 빔 안내 장치 360 : 제1 렌즈
362 : 제2 렌즈 4 : 절단 라인
40 : 화학 수조 42 : 가열판
5 : 재료 변형 50 : 재료 변형 영역
52 : 균열 6 : 피드 장치
60 : 축 장치 62 : 공작물 홀더
64 : 제어 전자 장치 α : 어택 앵글
β : 굴절각 A : 제1 축
B : 제2 축 N : 표면 법선
V : 피드 H : 빗변

Claims (14)

1. 투명 재료를 포함하는 공작물(1)을 절단하는 방법으로서,
   초단 펄스 레이저(2)의 초단 레이저 펄스에 의해 절단 라인(4)을 따라 상기 공작물(1)의 투명 재료에 재료 변형(5)이 도입되고, 그 후 상기 공작물(1)의 재료는, 절단 단계에서, 생성된 재료 변형 영역(50)을 따라 절단되며,
   상기 레이저 펄스는 어택 앵글(α)로 상기 공작물(1)에 인가되고, 상기 재료 변형(5)은 상기 공작물(1)의 재료의 균열 형성과 관련된 유형 Ⅲ 변형이며, 상기 재료 변형(5)은 교차 평면에 있는 상기 공작물(1)의 2개의 측면을 관통하고, 상기 절단 단계에 의해 챔퍼 및/또는 베벨이 생성되고, 상기 챔퍼(14) 및/또는 상기 베벨(14)의 빗변(H)은 크기가 50 ㎛ 내지 5000 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 절단 단계는 기계적 절단 및/또는 에칭 공정 및/또는 열 처리 및/또는 자체 절단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 레이저 빔(20)은 비-회절 레이저 빔이고, 및/또는
   - 상기 레이저 빔(20)은 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)를 갖고, 상기 횡방향 강도 분포(220)는 제2 축(B)에 비해 제1 축(A)으로 연장되어 나타나고, 상기 제2 축(B)은 상기 제1 축(A)에 수직인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   - 상기 공작물(1) 상에 상기 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)가 투사될 때, 상기 제1 축(A) 및 상기 제2 축(B)은 상기 어택 앵글(α)로 인해 크기가 동일하게 나타나고, 및/또는
   - 상기 공작물(1) 상에 상기 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)가 투사되면 피드 방향(V)으로 연장되고, 및/또는
   - 상기 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)의 상기 제1 축(A) 대 상기 제2 축(B)의 비는 상기 어택 앵글(α)의 코사인의 역수보다 크고, 및/또는
   - 상기 제1 축(A) 대 상기 제2 축(B)의 비는 √2보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔퍼(14) 및/또는 상기 베벨(14)의 상기 빗변(H)은 크기가 100 ㎛ 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 펄스의 펄스 에너지는 크기가 10 μJ 내지 5 mJ이고, 및/또는
   평균 레이저 출력은 크기가 1 W 내지 1 ㎾이고, 및/또는
   상기 레이저 펄스는 단일 레이저 펄스 또는 레이저 버스트의 일부이며, 레이저 버스트는 2 내지 20개의 레이저 펄스를 포함하고, 상기 레이저 버스트의 상기 레이저 펄스는 10 ㎱ 내지 40 ㎱, 바람직하게는 20 ㎱의 시간 간격을 가지며, 및/또는
   상기 레이저의 파장은 크기가 300 ㎚ 내지 1500 ㎚, 특히 1030 ㎚인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 입사 레이저 빔(20)은 입사 평면에 평행하게 편광되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 투명 재료를 포함하는 공작물(1)을 절단하는 장치로서,
   초단 레이저 펄스를 제공하도록 설정된 초단 펄스 레이저(2), 상기 공작물(1)의 재료에 상기 레이저 펄스를 도입하도록 설정된 가공 광학 장치(3), 및 피드(V)에 의해 절단 라인(4)을 따라 레이저 펄스로부터의 레이저 빔(20) 및 상기 공작물(1)을 서로에 대해 이동시키고, 상기 가공 광학 장치(3)의 광축(30)을 상기 공작물(1)의 표면(10)에 대해 어택 앵글(α)로 배향시키도록 설정된 피드 장치(6)를 포함하고,
   상기 레이저 펄스는 어택 앵글(α)로 상기 공작물(1)에 도입되고, 재료 변형(5)은 상기 공작물(1)의 재료의 균열 형성과 관련된 유형 Ⅲ 변형이고, 상기 재료 변형(5)은 교차 평면에 있는 상기 공작물(1)의 2개의 측면을 관통하고, 절단 단계에 의해 챔퍼 및/또는 베벨이 생성되고, 상기 챔퍼(14) 및/또는 상기 베벨(14)의 빗변(H)은 크기가 50 ㎛ 내지 5000 ㎛인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 빔 성형 광학 장치(34)가 상기 레이저 빔(20)으로부터 비-회절 레이저 빔(20)을 형성하고, 상기 비-회절 레이저 빔(20)의 횡방향 강도 분포(220)는 비-방사상 대칭이며, 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)는 제2 축(B)에 비해 제1 축(A)으로 연장되고, 상기 제2 축(B)은 상기 제1 축(A)에 수직인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    - 상기 가공 광학 장치(3)는 상기 공작물(1)에 상기 레이저 빔(20)을 축소 및/또는 확대 방식으로 도입하도록 설정된 텔레스코프 시스템(36)을 포함하고, 및/또는
    - 상기 피드 장치(6)는, 상기 가공 광학 장치(3) 및 상기 공작물(1)을 3개의 공간 축을 따라 병진 이동시키고 적어도 2개의 공간 축을 중심으로 상대적으로 회전 이동시키도록 설정된 축 장치(60) 및 공작물 홀더(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 가공 광학 장치(3)의 상기 어택 앵글(α)은 0 내지 60°이고, 및/또는
    - 상기 레이저 빔(20)의 부분 레이저 빔(200)은 상기 공작물(1)의 표면 법선(N)에 대해 최대 80°의 입사각으로 상기 공작물(1)에 충돌하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 바람직하게는 편광자 및 파장판을 포함하는 편광 광학 장치(32)는 상기 레이저 빔(20)의 편광을 상기 레이저 빔(20)의 입사 평면에 대해 조정하도록, 바람직하게는 상기 입사 평면에 평행하게 조정하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 피드 방향(V)을 따라 상기 비-방사상 대칭의 횡방향 강도 분포(220)의 장축(A)을 정렬하기 위해, 상기 축 시스템(62)은 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 빔 안내 장치(38)가 상기 레이저 빔(20)을 상기 공작물(1)로 안내하도록 설정되고, 상기 빔 안내는 미러 시스템 및/또는 광섬유, 바람직하게는 중공 코어 섬유를 통해 수행되고, 및/또는
    - 제어 전자 장치(64)가 레이저 빔(20)과 공작물(1)의 상대 위치에 기초하여 상기 초단 펄스 레이저(2)의 레이저 펄스 방출을 트리거하도록 설정되고, 및/또는
    - 상기 공작물 홀더(62)는 상기 레이저 빔(20)을 비-반사 및/또는 비-산란시키는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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