WO2017090853A1 - 레이저 초점 조정 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 초점 조정 장치 및 방법 Download PDF

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WO2017090853A1
WO2017090853A1 PCT/KR2016/006048 KR2016006048W WO2017090853A1 WO 2017090853 A1 WO2017090853 A1 WO 2017090853A1 KR 2016006048 W KR2016006048 W KR 2016006048W WO 2017090853 A1 WO2017090853 A1 WO 2017090853A1
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laser
steel sheet
spectrum
focal position
analyzer
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PCT/KR2016/006048
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French (fr)
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박현철
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Original Assignee
Posco Co Ltd
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a laser focusing apparatus and method capable of determining an optimal focus position.
  • magnetic domain micronization technique irradiates a steel plate with a laser, and forms a groove
  • the laser uses a continuous wave (CW) CO 2 laser, a pulsed CO 2 laser, a solid YAG or a fiber laser.
  • CW continuous wave
  • CO 2 laser a pulsed CO 2 laser
  • a process for controlling the size of the laser beam spot with a high precision of 20 ⁇ m or less is required. To do this, estimating and minimizing the laser size online is essential.
  • the focus is determined at the position where the width is minimum by measuring the intensity and width of light generated when the laser is irradiated onto the surface of the steel sheet, but the position where the size of the laser beam spot is minimum is the portion where the intensity of the reflected light is the greatest. Or, the width of the reflected light signal is the smallest part.
  • An object of the present invention is to provide a laser focusing apparatus and method that can determine the point where the size of the laser beam spot is minimized by using the spectrum of the radiation as the focus position.
  • Laser focusing apparatus of an embodiment of the present invention comprises a laser generator for generating a laser; A steel sheet to which the laser generated by the laser generator is irradiated; A support trolley for controlling a distance between the laser generating unit and the steel sheet by changing a position of the steel sheet; And an analyzer for analyzing the spectrum of the radiation of the laser irradiated region of the steel sheet.
  • Laser focus adjustment method after positioning the steel plate on the support trolley, irradiating the laser to the steel sheet while varying the distance between the steel sheet and the laser generating unit; Acquiring a spectrum of radiation of an area irradiated with the laser; Analyzing the spectrum to determine a focal position; And positioning the steel sheet in the focal position.
  • the laser focusing apparatus and method of the present invention can precisely determine the focus position by analyzing the spectrum of radiant light when processing the surface of the steel sheet using a laser.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a laser focusing apparatus of an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating in detail a laser focusing apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing the radiation spectrum of the wavelength with temperature.
  • 4A is a photograph of a groove formed on the surface of the steel sheet before laser focusing.
  • Figure 4b is a photograph of the groove formed on the surface of the steel sheet after adjusting the laser focus using the embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a laser focusing apparatus of an embodiment of the present invention.
  • the laser focusing apparatus of the embodiment of the present invention adjusts a distance between the steel plate 30 disposed on the support trolley 10 and the laser generating unit 20 generating the laser to precisely adjust the focus position of the laser. Can be controlled.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating in detail a laser focusing apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the laser focusing apparatus of the embodiment of the present invention changes the position of the laser generating unit 20 for generating a laser, the steel sheet 30, irradiated with the laser generated from the laser generating unit 20, the steel sheet 30 And a supporter 10 for adjusting the distance d between the laser generator 20 and the steel sheet, and an analyzer 40 for analyzing the spectrum of the radiation of the laser irradiated region of the steel sheet 30.
  • the steel sheet 30 may be a grain-oriented electrical steel sheet.
  • the grain-oriented electrical steel sheet develops an aggregate structure in the ⁇ 110 ⁇ ⁇ 001> direction in the rolling direction, and may form a groove by processing the surface of the steel sheet 30 using a laser to reduce iron loss. Since the groove artificially subdivides the domain width, it is possible to provide the steel sheet 30 of high quality.
  • the embodiment of the present invention can determine the focal position of the laser using the spectrum of the radiation rather than the reflected light and reduce the size of the laser beam spot.
  • the laser is irradiated from the laser generating unit 20 to the steel sheet 30.
  • the steel sheet 30 is moved up and down by the support trolley 10, so that the distance (d) between the laser generating unit 20 and the steel sheet 30 is changed.
  • the laser is reflected by the steel sheet 30 in the region to which the laser is irradiated, and at the same time, the surface temperature of the steel sheet 30 increases to generate radiant light.
  • the focus is adjusted by comparing the intensity of the reflected laser, in this case, as described above, it is difficult to apply to precision processing.
  • the surface temperature of the steel sheet 30 in the region irradiated with the laser should reach the melting point of the steel sheet 30 to form the groove in the steel sheet 30.
  • the focal point of the laser beam irradiated onto the steel sheet 30 deviates within 1 mm from the focus position, the surface temperature of the steel sheet 30 in the region to which the laser is irradiated may rise to the boiling point of the steel sheet 30.
  • the surface temperature of the steel sheet 30 in the region to which the laser is irradiated is between the melting point of iron (1535 °C) and the boiling point of iron (2730 °C) At this time, a groove may be formed in the steel sheet 30.
  • Radiation light generated by laser irradiation to the steel sheet 30 may have a spectrum of various wavelength bands.
  • the change of the radiation is most severe in the wavelength band of 500 nm or less of the spectrum of the various wavelength band of the radiation.
  • the exemplary embodiment of the present invention may determine the focus position by analyzing the spectrum of the radiant light using the analyzer 40 to determine a point where the beam size is minimum.
  • Radiant light may have a spectrum of various wavelength bands.
  • the analyzer 40 extracts when the short wavelength of 500 nm or less is maximized in the spectrum, and determines the position of the steel sheet 30 at this time as the focal position.
  • the analyzer 40 may extract when the short wavelength of 200 nm to 500 nm or less is maximized in the spectrum of radiant light.
  • the laser beam is irradiated to the steel sheet 30 while changing the distance between the steel sheet 30 and the laser generating unit 20, the analyzer 40 receives the spectrum of the radiation of the steel sheet 30 and analyzes it, Determine the focus position.
  • the support trolley 10 may position the steel plate 30 at the determined position.
  • the determination of the focal position when the short wavelength is maximized can be accomplished by the following principle.
  • the temperature of the steel sheet 30 irradiated with the laser of the first size is higher than the temperature of the steel sheet 30 irradiated with the laser of the second size larger than the first size. This is because the energy of the laser is concentrated when the size of the laser is small. Therefore, it can be determined that the size of the laser is smaller as the temperature of the steel sheet 30 is higher.
  • the intensity distribution of the radiant light also varies for each wavelength.
  • 3 is a graph showing the radiation spectrum of the wavelength with temperature.
  • the radiation of the short wavelength is generated more.
  • the temperature of the steel sheet 30 to which the laser is irradiated is the highest, so that the short wavelength component of the radiation is maximized.
  • the position of the steel sheet 30 in which the laser size is minimized may be determined as the focal position. In this case, it is not influenced by the external environment such as vibration of the steel sheet 30 or the surface state of the steel sheet 30, so that the focus can be determined online and controlled in real time.
  • the embodiment of the present invention may remove the reflected light component of the laser by arranging the nugget filter 50 to exclude the influence of the reflected light of the laser and analyze the spectrum of pure radiant light.
  • the notch filter 50 may be disposed between the steel plate 30 and the analyzer 40.
  • the analyzer 40 may analyze only the spectrum of the radiation from which the reflected light is removed.
  • the radiated light analyzed by the analyzer 40 may be collected by a collecting device 40a such as an optical fiber or the like.
  • a collecting device 40a such as an optical fiber or the like.
  • the wavelength selection mirror 55 may be further disposed between the collecting device 40a and the notch filter 50.
  • the wavelength selective mirror 55 can remove the reflected light component of the laser that is not removed by the naught filter 50, thereby eliminating the interference of the reflected light on the laser focus adjustment.
  • the wavelength selection mirror 55 may reflect the reflected light that is the same as the wavelength of the laser, and transmit the radiation corresponding to the remaining wavelengths.
  • the radiation passing through the wavelength selection mirror 55 may be collected by the collecting device 40a.
  • the inclination angle of the wavelength selection mirror 55 may be adjusted to adjust the traveling direction of the light reflected from the wavelength selection mirror 55.
  • the wavelength selection mirror 55 has an inclination angle ⁇ of 45 ° with respect to the nucleus filter 50
  • the reflected light reflected by the wavelength selection mirror 55 may have a lengthwise direction with respect to the nucleus filter 50. It can proceed in parallel directions.
  • Figure 4a is a photograph of the groove formed on the surface of the steel sheet before the laser focus adjustment
  • Figure 4b is a photograph of the groove formed on the surface of the steel sheet after adjusting the laser focus using the embodiment of the present invention.
  • the depth d1 of the groove of FIG. 4A when the depth d1 of the groove of FIG. 4A is 4.9 ⁇ m, the depth d2 of the groove of FIG. 4B may be 15,5 ⁇ m. That is, by precisely controlling the focus position, grooves having a sufficient depth can be formed in the steel sheet, and variations in the depths of the plurality of grooves formed in the steel sheet can be reduced.
  • the depth d2 of the groove formed in the steel sheet 30 may be 0.05 to 0.08 of the thickness of the steel sheet, but is not limited thereto.
  • the depth d2 of the groove may be 11.5 ⁇ m to 18.4 ⁇ m.
  • the size of the laser beam may be 15 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m or less.
  • the intensity of the laser beam may be easily changed, and the energy density of the laser beam may be about 1.1 J / cm 2 , but is not limited thereto.

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Abstract

실시 예는 최적의 초점 위치를 결정할 수 있는 레이저 초점 조정 장치 및 방법에 관한 것으로, 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판; 상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및 상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함한다.

Description

레이저 초점 조정 장치 및 방법
본 발명 실시 예는 최적의 초점 위치를 결정할 수 있는 레이저 초점 조정 장치 및 방법에 관한 것이다.
높은 품질의 강판에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 강판의 표면을 가공하는 기술이 개발되었다.
예를 들어, 자구미세화 기술은 강판에 레이저를 조사하여, 강판 표면에 홈을 형성한다. 이 때, 레이저는 연속파(Continuous Wave; CW) CO2 레이저, 펄스형(Pulse) CO2 레이저, 고체 YAG 혹은 Fiber 레이저 등을 이용한다. 더욱이, 근래에 들어 높은 품질의 강판에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 레이저 빔 스팟의 크기를 20㎛ 이하의 고정도로 제어하는 공정이 요구되고 있다. 이를 위해서는 온라인으로 레이저 크기를 추정하고 최소한으로 제어하는 것이 필수적이다.
종래에는 레이저를 강판 표면에 조사할 때 발생하는 빛의 세기와 폭을 측정하여 폭이 최소가 되는 위치에 초점을 결정하였으나, 레이저 빔 스팟의 크기가 최소가 되는 위치는 반사광의 세기가 가장 큰 부분이거나 아니면 반사광 신호의 폭이 가장 작은 부분이 된다. 그런데, 강판 표면에서 반사되는 레이저의 세기와 폭을 이용하여 초점을 최적화하는 상기 방식은 레이저의 크기가 100㎛ 이상일 때는 적용 가능하나, 크기가 50㎛ 이하의 정밀 가공에는 적용하기 어렵다. 이는, 레이저 조사시 강판의 흔들림으로 인해 강판 표면에 조사되는 레이저 빔 스팟의 정확한 세기의 분포를 확보하기 어려우며, 특히, 강판 제조 공정에서 기본적인 강판의 진동이 수십 ㎛에 이른다.
따라서, 수 ㎛의 정밀도로 레이저 빔 스팟의 세기나 폭 방향 분포를 정확하게 판별하기가 쉽지 않아, 강판의 정밀 가공 시 레이저의 초점을 최적화하기 매우 어려운 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복사광의 스펙트럼을 이용하여 레이저 빔 스팟의 크기가 최소가 되는 지점을 초점 위치로 결정할 수 있는 레이저 초점 조정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판; 상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및 상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함한다.
본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 방법은 서포트롤 상에 강판을 위치시킨 후, 상기 강판과 레이저 발생부의 간격을 달리하면서 상기 강판에 레이저를 조사하는 단계; 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계; 상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계; 및 상기 초점 위치에 상기 강판을 위치시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 레이저 초점 조정 장치 및 방법은 레이저를 이용하여 강판의 표면을 가공할 때, 복사광의 스펙트럼을 분석하여 정밀하게 초점 위치를 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 온도에 따른 파장의 복사광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 레이저 초점 조정 전, 강판 표면에 형성된 홈의 사진이다.
도 4b는 본 발명 실시 예를 이용하여 레이저 초점을 조정한 후, 강판 표면에 형성된 홈의 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치는 서포트롤(10) 상에 배치된 강판(30)과 레이저를 발생하는 레이저 발생부(20) 사이의 간격을 조절하여 레이저의 초점 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명 실시 예의 레이저 초점 조정 장치를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 2a와 같이, 본 발명 실시 예의 레이저 초점 장치는 레이저를 발생하는 레이저 발생부(20), 레이저 발생부(20)에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판(30), 강판(30)의 위치를 변경하여 레이저 발생부(20)와 강판 사이의 거리(d)를 조절하는 서포트롤(10) 및 강판(30)의 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기(40)를 포함한다.
구체적으로, 강판(30)은 방향성 전기 강판일 수 있다. 방향성 전기 강판은 압연방향으로 {110}<001>방위의 집합조직을 발달시킨 것으로, 철손을 감소시키기 위해 레이저를 이용하여 강판(30)의 표면을 가공하여 홈을 형성할 수 있다. 홈이 인공적으로 자구폭을 세분화하므로, 높은 품질의 강판(30)을 제공할 수 있다.
그런데, 종래에는 레이저를 조사할 때 강판(30)이 흔들려 강판(30) 표면에 조사되는 레이저 빔 스팟의 균일성을 확보하기 어려우며, 특히, 강판(30) 제조 공정에서 기본적인 강판(30)의 진동이 수십 ㎛에 이르므로, 레이저 빔 스팟의 세기 분포를 정밀하게 판단하기 어렵다. 또한, 강판(30)에서 반사되는 반사광의 세기를 이용하여 초점을 조정하므로, 강판(30)의 표면에 이물질이나 돌기가 형성된 경우, 이물질이나 돌기에 의해 반사광의 세기가 정확하지 않은 문제가 있다. 그리고, 이에 따라 레이저의 초점 위치를 정확하게 결정할 수 없다.
따라서, 본 발명 실시 예는 반사광이 아닌 복사광의 스펙트럼을 이용하여 레이저의 초점 위치를 결정하고 레이저 빔 스팟의 크기를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 레이저 발생부(20)에서 강판(30)으로 레이저를 조사한다. 이 때, 강판(30)은 서포트롤(10)에 의해 위, 아래로 움직이며, 이에 따라 레이저 발생부(20)와 강판(30) 사이의 거리(d)가 달라진다. 레이저가 조사된 영역의 강판(30)에서는 레이저가 반사되며, 동시에 강판(30)의 표면 온도가 증가하여 복사광이 발생한다. 종래에는 반사되는 레이저의 세기를 비교하여 초점을 조정하였으나, 이 경우, 상술한 바와 같이, 정밀 가공에는 적용하기 어렵다.
일반적으로, 레이저를 조사하여 강판(30)에 홈을 형성하는 경우, 레이저가 조사된 영역의 강판(30)의 표면 온도는 강판(30)의 녹는점을 도달 해야 강판(30)에 홈이 형성될 수 있다. 강판(30)으로 조사된 레이저의 초점이 초점 위치에서 1㎜ 이내로 벗어나는 경우, 레이저가 조사된 영역의 강판(30)의 표면 온도는 강판(30)의 끓는점까지는 상승할 수 있다.
예를 들어, 강판(30)이 철(Fe)을 포함하는 경우, 레이저가 조사되는 영역의 강판(30)의 표면 온도가 철의 녹는점(1535℃)과 철의 끓는점(2730℃) 사이일 때, 강판(30)에 홈이 형성될 수 있다.
강판(30)에 레이저가 조사되어 발생하는 복사광은 다양한 파장대의 스펙트럼을 가질 수 있다. 특히, 복사광의 다양한 파장대의 스펙트럼 중 500㎚ 이하의 파장대에서 복사광의 변화가 가장 심하다. 따라서, 본 발명 실시 예는 분석기(40)를 이용하여 복사광의 스펙트럼을 분석하여, 빔 크기가 최소가 되는 지점을 판단함으로써 초점 위치를 결정할 수 있다. 복사광은 다양한 파장대의 스펙트럼을 가질 수 있다. 분석기(40)는 스펙트럼에서 500㎚이하의 단파장이 최대가 될 때를 추출하고, 이 때의 강판(30)의 위치를 초점 위치로 결정할 수 있다. 예를 들어, 분석기(40)는 복사광의 스펙트럼에서 200㎚ 내지 500㎚이하의 단파장이 최대가 될 때를 추출할 수 있다.
즉, 강판(30)과 레이저 발생부(20)의 간격을 변경시키면서 강판(30)에 레이저를 조사하고, 분석기(40)는 강판(30)의 복사광의 스펙트럼을 입력받고 이를 분석하여, 최적의 초점 위치를 결정한다. 그리고, 서포트롤(10)은 결정된 위치로 강판(30)을 위치시킬 수 있다.
단파장이 최대가 될 때를 초점 위치로 결정하는 것은 다음과 같은 원리로 이루어질 수 있다.
제 1 크기의 레이저가 조사된 강판(30)의 온도는 제 1 크기보다 큰 제 2 크기의 레이저가 조사된 강판(30)의 온도보다 높다. 이는, 레이저의 크기가 작은 경우, 레이저의 에너지가 밀집되기 때문이다. 따라서, 강판(30)의 온도가 높을수록 레이저의 크기가 작다고 판단할 수 있다.
그리고, 강판(30)의 온도가 높을수록 더 많은 복사광이 발생하며 파장별로 복사광의 세기 분포 역시 달라진다.
도 3은 온도에 따른 파장의 복사광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3과 같이, 온도가 1000°에 이르면 500㎛이하의 단파장에서 복사광이 존재하기 시작하며 온도가 올라갈수록 같은 파장에서 복사광의 양이 증가하며, 온도가 올라갈수록 낮은 파장에서 복사광의 양이 증가한다.
즉, 온도가 올라갈수록 단파장의 복사광이 많이 발생하는 것으로, 레이저 빔의 크기가 최소화될 때, 레이저가 조사된 강판(30)의 온도가 가장 높아져 복사광의 단파장 성분이 최대가 된다.
따라서, 본 발명 실시 예는 강판(30)의 복사광의 스펙트럼을 분석함으로써, 레이저 크기가 최소화되는 강판(30)의 위치를 초점 위치로 결정할 수 있다. 이 경우, 강판(30)의 진동 등과 같은 외부 환경이나 강판(30)의 표면 상태에 영향을 받지 않아 온라인으로 초점을 판단하고 실시간으로 제어할 수 있다.
특히, 본 발명 실시 예는 레이저의 반사광의 영향을 배제하고 순수한 복사광의 스펙트럼을 분석하기 위해, 너치 필터(50)를 배치하여 레이저의 반사광 성분을 제거할 수 있다. 너치 필터(50)는 강판(30)과 분석기(40) 사이에 배치될 수 있다. 분석기(40)는 반사광이 제거된 복사광의 스펙트럼만을 분석할 수 있다.
또한, 분석기(40)에 의해 분석되는 복사광은 광섬유 등과 같은 포집 장치(40a)에 의해 포집될 수 있다. 포집 장치(40a)로 광섬유를 이용하는 경우, 포집된 복사광의 경로를 용이하게 변경할 수 있다.
한편, 도 2b와 같이, 포집 장치(40a)와 너치 필터(50) 사이에 파장 선택 미러(55)가 더 배치될 수 있다.
파장 선택 미러(55)는 너치 필터(50)에 의해 제거되지 않은 레이저의 반사광 성분을 제거하여, 반사광이 레이저 초점 조정에 미치는 간섭을 제거할 수 있다. 파장 선택 미러(55)는 레이저의 파장과 동일한 반사광은 반사시키고, 나머지 파장에 해당하는 복사광은 투과시킬 수 있다. 그리고, 파장 선택 미러(55)를 통과한 복사광은 포집 장치(40a)에 의해 포집될 수 있다.
이 때, 파장 선택 미러(55)의 경사각을 조절하여, 파장 선택 미러(55)에서 반사되는 광의 진행 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어, 파장 선택 미러(55)가 너치 필터(50)에 대해 45°의 경사각(θ)을 갖는 경우, 파장 선택 미러(55)에 의해 반사되는 반사광은 너치 필터(50)의 길이 방향과 평행한 방향으로 진행할 수 있다.
도 4a는 레이저 초점 조정 전, 강판 표면에 형성된 홈의 사진이며, 도 4b는 본 발명 실시 예를 이용하여 레이저 초점을 조정한 후, 강판 표면에 형성된 홈의 사진이다.
도 4a와 같이, 일반적으로 강판에 레이저를 조사할 때, 강판의 흔들림으로 인해 강판 표면에 조사되는 레이저 빔 스팟의 정확한 세기의 분포를 확보하기 어렵다. 특히, 강판 제조 공정에서 기본적인 강판의 진동이 수십 ㎛에 이른다. 따라서, 강판에 형성되는 홈의 깊이(d1)가 매우 얕다. 반면에, 실시 예의 방법으로 레이저의 초점을 조정한 후 강판에 레이저를 조사하면, 도 4b와 같이, 충분한 깊이(d2)를 갖는 홈을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 4a의 홈의 깊이(d1)가 4.9㎛인 경우, 도 4b의 홈의 깊이(d2)는 15,5㎛일 수 있다. 즉, 초점 위치를 정밀하게 제어함으로써, 강판에 충분한 깊이를 갖는 홈을 형성할 수 있으며, 강판에 형성되는 복수 개의 홈의 깊이의 편차가 감소할 수 있다.
한편, 강판(30)에 형성되는 홈의 깊이(d2)는 강판의 두께의 0.05 내지 0.08일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 강판의 두께가 230㎛인 경우, 홈의 깊이(d2)는 11.5㎛ 내지 18.4㎛일 수 있다.
레이저 빔의 크기가 너무 큰 경우, 강판(30)에 조사되는 레이저의 에너지가 분산될 수 있으므로, 레이저 빔의 크기는 15㎛ × 50㎛ 이하일 수 있다. 그리고, 레이저 빔의 세기는 용이하게 변경 가능하며, 레이저 빔의 에너지 밀도는 ~1.1J/cm2일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 레이저를 발생하는 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 발생하는 레이저가 조사되는 강판;
    상기 강판의 위치를 변경하여 상기 레이저 발생부와 상기 강판 사이의 거리를 조절하는 서포트롤; 및
    상기 강판의 상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 분석하는 분석기를 포함하는 레이저 초점 조정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 스펙트럼 중 500㎚ 이하의 파장의 세기가 가장 세게 측정될 때 상기 강판의 위치를 초점 위치로 설정하는 레이저 초점 조정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 서포트롤은 상기 초점 위치로 상기 기판을 위치시키는 레이저 초점 조정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판의 표면에서 반사되는 반사광을 제거하는 너치 필터를 더 포함하는 레이저 초점 조정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 너치 필터는 상기 분석기와 상기 강판 사이에 배치되는 레이저 초점 조정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 너치 필터와 상기 분석기 사이에 배치된 파장 선택 미러를 더 포함하는 레이저 초점 조정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사광은 광 섬유에 의해 포집되는 레이저 초점 조정 장치.
  8. 서포트롤 상에 강판을 위치시킨 후, 상기 강판과 레이저 발생부의 간격을 달리하면서 상기 강판에 레이저를 조사하는 단계;
    상기 레이저가 조사된 영역의 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 초점 위치에 상기 강판을 위치시키는 단계를 포함하는 레이저 초점 조정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복사광의 스펙트럼을 획득하는 단계 이전에,
    상기 강판의 표면에서 반사되는 반사광을 제거하는 단계를 더 포함하는 레이저 초점 조정 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 스펙트럼을 분석하여 초점 위치를 결정하는 단계는 상기 스펙트럼 중 500㎚ 이하의 파장의 세기가 가장 세게 측정될 때 상기 강판의 위치를 초점 위치로 설정하는 레이저 초점 조정 방법.
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