WO2018117609A1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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WO2018117609A1
WO2018117609A1 PCT/KR2017/015042 KR2017015042W WO2018117609A1 WO 2018117609 A1 WO2018117609 A1 WO 2018117609A1 KR 2017015042 W KR2017015042 W KR 2017015042W WO 2018117609 A1 WO2018117609 A1 WO 2018117609A1
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laser
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workpiece
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최병찬
안두백
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에이티아이 주식회사
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a laser processing apparatus. More particularly, it relates to a laser processing apparatus for delivering a laser to a workpiece using a fluid jet.
  • Laser processing technology has been developed for such precision processing.
  • an optical lens is used to focus the laser beam, but the effective working distance is only a few mm because of the divergence of the laser beam. Therefore, when the workpiece is thick, it is difficult to cut it, and when the output of the laser is increased to increase the working distance, the heat affected zone becomes large.
  • debris generated on the processing surface during laser processing is left around the processing surface to generate contamination of the workpiece and harmful substances to the human body.
  • Embodiments of the present invention provide a laser processing apparatus capable of selectively using a first fluid jet and a second fluid jet according to a process.
  • embodiments of the present invention to provide a laser processing apparatus that can extend the working distance using a fluid jet.
  • embodiments of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of cooling the processing surface efficiently to prevent the heating of the processing surface by the laser.
  • embodiments of the present invention are to provide a laser processing apparatus capable of efficiently removing impurities generated during processing.
  • embodiments of the present invention is to provide a laser processing apparatus that can safely work even if there is a risk of radiation exposure.
  • a laser generator for generating a laser for processing a workpiece; And a first fluid jet generator configured to generate and spray the first fluid jet into the first fluid to deliver the laser to the workpiece. And a second fluid jet generator for injecting a second fluid jet into a second fluid around the laser, wherein the first fluid jet and the second fluid jet are simultaneously sprayed or selectively sprayed.
  • the first fluid jet may be a liquid, and the second fluid jet may be a gas.
  • one of the first fluid jet and the second fluid jet may be a liquid, and the other may be a liquid including water.
  • the first fluid generating unit may further include: a first fluid chamber accommodating a first fluid for generating the first fluid jet; A water supply unit supplying a first fluid to the first fluid chamber; And a nozzle through which the first fluid of the first fluid chamber is sprayed onto the workpiece.
  • the second fluid jet generation unit the second fluid chamber for receiving the second fluid
  • a second fluid supply unit supplying a second fluid to the second fluid chamber
  • a second fluid nozzle through which the second fluid of the second fluid chamber is injected.
  • the apparatus may further include an injection unit for injecting an auxiliary fluid into the workpiece separately from the first fluid jet.
  • the injection unit an auxiliary fluid chamber for receiving the auxiliary fluid;
  • An auxiliary fluid supply unit supplying an auxiliary fluid to the auxiliary fluid chamber;
  • an auxiliary fluid discharge part for injecting the auxiliary fluid into the workpiece.
  • the second fluid may include one of deionized water, etchant, alcohol, and city water.
  • first fluid and the auxiliary fluid may be the same fluid.
  • first fluid and the auxiliary fluid may be different fluids.
  • the workpiece can be located in water.
  • a plurality of second fluid jets may be formed to inject liquid and gas, respectively, and may selectively inject one of the liquid and gas.
  • liquid containing water may be a liquid mixed with alcohol and water.
  • a laser processing apparatus capable of variously changing a beam mode of a laser that reaches a workpiece by adjusting at least one of offset and angular deflection of the laser to the fluid jet.
  • the laser processing apparatus which can cool the process surface heated by the laser efficiently by using a fluid jet can be provided.
  • the embodiment of the present invention by performing the laser processing in the state where the workpiece is placed in water, it is possible to provide a laser processing apparatus that can safely work even when there is a risk of radiation exposure.
  • FIG. 1 is a view showing a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 illustrates a fluid jet generated in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining beam mode control of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a laser processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the present invention can assist laser processing through a fluid guiding a laser and a fluid injected around the fluid.
  • a fluid guiding the laser is assumed to be a first fluid
  • the fluid injected around the first fluid is assumed to be a second fluid, which will be described below.
  • the second fluid will be described in the gas state and the liquid state.
  • the second fluid When the second fluid is in a liquid state, it may be the same liquid as the first fluid or may be a heterogeneous fluid.
  • the first fluid may be water
  • the second fluid may be a liquid mixed with an alcohol series.
  • the first fluid is located in the center (core) and the second fluid is positioned so as to surround the first fluid in a ring shape.
  • the controller controls the temperature and the injection pressure of each fluid by the controller, it is possible to adjust the angle (refractive index) formed in the fluid when the laser is guided. That is, NA (Numerical Aperture) can be adjusted. Thereby, it can be set differently according to the angle of the taper shape processed to a base material (workpiece).
  • NA (Numerical Aperture) is a numerical value that determines an angle of incidence that influences the propagation of a laser in a fluid (water stem), and NA (Numerical Aperture) is determined to be within a range where total reflection is possible. . Therefore, since the refractive index of the fluid may vary with respect to the properties (viscosity, etc.) that vary depending on the type of fluid as well as the temperature and injection pressure of the fluid described above, the numerical aperture can be adjusted through this.
  • the degree of freedom in design is increased when the range of the angle at which the laser is incident is increased according to the type of fluid, the temperature and the injection pressure, the medium through which the laser can pass (for example, the first fluid and the first fluid).
  • the fluid information type, temperature and injection pressure
  • the second fluid injected toward the base material may be injected with a fluid in a gaseous state or a liquid state, but a fixed fluid may be injected, or a fluid in another state may be selectively injected.
  • FIG. 1 is a view showing a laser processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser generating unit for generating a laser L for processing a workpiece, and a first fluid as a first fluid to transfer the laser L to the workpiece S. It may include a first fluid jet generating unit for generating a fluid jet (jet jet of the first fluid).
  • the laser generation unit may include a collimator 110 using the laser beam as parallel light and a focus lens 120 forming a focal point of the laser. The laser passing through the collimator 110 and the focus lens 120 may pass through the first fluid jet generating unit through the window 130.
  • the first fluid jet generating unit may include a first fluid chamber 140 containing water, which is a fluid, and a water supply unit 145 supplying fluid to the first fluid chamber 140. And a nozzle 150 in which the fluid in the first fluid chamber is injected to the work S side.
  • the first fluid jet may be formed by spraying the first fluid contained in the first fluid chamber 140.
  • the laser By the first fluid jet, the laser can be transmitted without emitting a long distance, thereby increasing the working distance.
  • the first fluid jet can efficiently cool the processing surface of the workpiece S heated by the laser, thereby preventing physical damage or thermal damage to the material and improving the quality of processing. As a result, post-processing such as slag processing and grinding may not be necessary, thereby saving cost and time.
  • the first fluid jet may also function as a rust preventive agent for washing away impurities generated during processing.
  • the window 130 may be formed of a material such as sapphire, and the nozzle 150 may be formed of a material such as sapphire or diamond.
  • One end of the water supply unit 145 which is omitted in the drawing, may be connected to a pump (not shown), and fluid may be supplied to the first fluid chamber 140 by the pressure of the pump.
  • the fluid supplied to the first fluid chamber 140 may be water.
  • the fluid (eg, water) supplied to the first fluid chamber 140 may have a purity because the laser L forms a fluid jet therethrough. High is preferred. If impurities are included in the water, they may adversely affect the laser (L) by reacting with the laser passing through the inside.
  • the laser L passing through the nozzle 150 may pass through the second fluid jet generating unit.
  • the second fluid jet generating unit includes a second fluid chamber 160 for receiving a gas such as an assist gas such as helium, and a second fluid supply part 165 for supplying a second fluid to the second fluid chamber. And a nozzle 167 through which the second fluid of the second fluid chamber 160 is injected.
  • the second fluid may suppress turbulence generated at the beginning of the first fluid jet generation through the injection pressure, and cool the heat generated in the workpiece S processed by the laser L,
  • the working distance can be adjusted by adjusting the length of the laser water (fluid) jet. By injecting not only helium, but also other inert gas, the heat generated by the laser processing portion can be made to suppress oxidation around the processing portion of the workpiece S.
  • the first fluid jet generated by the first fluid jet generator and the second fluid jet injected by the second fluid jet generator are injected to locate the second fluid jet around the first fluid jet, and the laser (L) May be delivered to the workpiece S, or the laser L may be delivered to the workpiece S by selectively spraying one of the first fluid jet and the second fluid jet. This may be such that laser processing is performed in an appropriate manner depending on the purpose of processing, the type of workpiece S, and the like.
  • FIG 2 is a view showing a state in which the second fluid is pressured around the first fluid jet 200 in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the holding length of the first fluid jet 200 can be increased, and accordingly, the laser L The processing length of) may increase. Therefore, it can process suitably also when the thickness of a to-be-processed object increases.
  • the temperature gradient of the workpiece surface generated by the first fluid jet 200 can be alleviated by the auxiliary gas G in the present embodiment, which is the second fluid. Since the first fluid jet 200 is thin in thickness, a cooling range of the workpiece surface may be narrow.
  • a temperature gradient may occur between the cooling portion and the surrounding portion, and the auxiliary gas G may reduce the temperature gradient on the surface of the workpiece by cooling the peripheral portion of the cooling portion by the first fluid jet 200.
  • the auxiliary gas G may reduce the temperature gradient on the surface of the workpiece by cooling the peripheral portion of the cooling portion by the first fluid jet 200.
  • the laser processing apparatus 100 may further include an auxiliary injection unit for injecting an auxiliary fluid into the workpiece S separately from the fluid for generating the first fluid jet 200.
  • the auxiliary injection unit includes an auxiliary fluid chamber 170 for accommodating the auxiliary fluid, an auxiliary fluid supply part 175 for supplying the auxiliary fluid to the auxiliary fluid chamber 170, and an auxiliary fluid discharge part for injecting the auxiliary fluid toward the workpiece S. 180).
  • the auxiliary fluid injected into the workpiece S by the auxiliary fluid discharge unit 180 may perform various roles such as removing processing by-products generated from the workpiece S or reforming the surface of the workpiece S. have.
  • the second fluid or the auxiliary fluid described above may include, for example, one or more of deionized water, etchant and city water.
  • deionized water for example, one or more of deionized water, etchant and city water.
  • auxiliary fluid can be made depending on the processing purpose.
  • DI ionized water is ultrapure water, which is not affected by heat generated by a laser, and thus can be advantageously used for cooling, and can be easily used to remove by-products generated from a workpiece. Can be.
  • the etching solution may serve to assist processing by the laser by being used independently of the laser or in fusion with the laser.
  • the surface of the workpiece can be modified to act on the surface of the workpiece so that a synergistic effect can be exhibited in the machining by the laser or the machining can be made easier in drilling or the like.
  • Common tap water can be used to remove by-products from the workpiece while reducing costs when the processing conditions need not be precise.
  • the first fluid and the auxiliary fluid may be the same as or different from each other. If the first fluid and the auxiliary fluid are the same, they may be supplied to the first fluid supply part 145 and the auxiliary fluid supply part 175 by the same pump (not shown). However, the present invention is not limited thereto, and even if the first fluid and the auxiliary fluid are the same, different pumps may be used. If the first fluid and the auxiliary fluid are different from each other, it is preferable to use separate pumps.
  • FIG 3 is a view for explaining a processing method of the laser processing apparatus 100a according to another embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 100a can perform laser processing with respect to the to-be-processed object S in the water W. As shown in FIG. Since the first fluid jet of the laser processing apparatus 100a is injected by a high pressure, the first fluid jet may reach the workpiece S even in the water W. Accordingly, the laser L may be transmitted to the workpiece S along the first fluid jet, and the workpiece S may be processed even in the water W. FIG.
  • FIG. 4 is a view showing a laser processing apparatus 100b according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 An embodiment of the present invention illustrated in FIG. 4 is a different example from the embodiment illustrated in FIG. 1, and illustrates a case where the second fluid is a liquid.
  • the first fluid and the second fluid may be the same liquid or different liquids.
  • the first fluid located at the core of the water column may be water
  • the second fluid may be a mixed liquid in which water and alcohol (including ethanol) are mixed.
  • the refractive indexes of the laser L may vary depending on different viscosities.
  • the refractive index may be controlled differently according to the injection pressure and the temperature.
  • the control may be controlled by the controller 190 connected to the chamber 160 or 140.
  • the second fluid is controlled by controlling one or more of the injection pressure and the temperature of the second fluid.
  • the controller 190 connected to the chamber 160 is illustrated.
  • the control unit 190 when the control unit 190 is connected to the first fluid chamber 140, one or more of the injection pressure and the temperature of the first fluid may be controlled, and the first fluid may be connected to each of the chambers 140 and 160, respectively. And at least one injection pressure and a temperature of the second fluid.
  • the controller 190 may include or be connected to a pump (not shown), a cooling and heating means (not shown), and a sensor (not shown) capable of detecting pressure or temperature.
  • the fluid for example, helium gas contained in the auxiliary fluid chamber 170 may be further injected into the workpiece S through the auxiliary fluid discharge part 180.
  • 100, 100a, 100b laser processing device
  • control unit 190 control unit

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및 레이저를 피가공물까지 전달하기 위해 제1유체로 제1유체젯을 생성·분사하는 제1유체젯 생성부; 및 레이저 주위에 제2유체로 제2유체젯을 분사하는 제2유체젯 생성부를 포함하고, 제1유체젯 및 제2유체젯은 동시에 분사되거나 선택적으로 분사되는, 레이저 가공 장치가 제공된다.

Description

레이저 가공 장치
본 발명의 실시예는 레이저 가공 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 유체젯을 사용하여 레이저를 피가공물로 전달하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 다양한 분야에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다. 특히, 발전용 엔진, 항공기 엔진, 산업장비의 터빈 엔진, 선박용 터빈 엔진 등의 주요 부품에 대한 정밀 가공이 필요한 상황이다. 특히 가스 터빈의 경우에는 고효율화, 고출력화를 위하여 터빈의 에너지 변환 효율이 향상되어야 하며 이를 위하여 터빈의 소재가 고온 내식성 및 내열성이 요구되는 소재가 필요하다. 에너지 및 항공 우주 산업의 핵심 부품인 터빈 블레이드의 냉각 홀 뿐만 아니라 임펠러, 블리스크 및 기타 구조적으로 복잡한 부품에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다.
이러한 정밀 가공을 위하여 레이저 가공 기술이 개발되고 있다. 종래의 레이저 가공 기술의 경우에는 레이저 빔을 집속시키기 위하여 광학 렌즈를 사용하는데 레이저 빔의 발산 성질 때문에 유효한 작업 거리가 불과 수 mm 정도 밖에 되지 않는다. 따라서, 피가공물이 두꺼울 경우에는 이를 절단하기 어렵고, 작업 거리를 늘리기 위하여 레이저의 출력을 높이게 되면 열 손상 영역(heat affected zone)이 커지게 된다. 또한, 레이저 가공 중 가공면에서 발생하는 찌꺼기가 가공면 주위에 남아서 가공물에 대한 오염 및 인체에 유해한 물질이 발생하게 된다.
이를 해소하기 위한 새로운 레이저 가공 기술 개발이 필요하며, 특히 다양한 가공 공정에 대응할 수 있도록 레이저 빔의 에너지 분포 형상 조절 뿐만 아니라 제1유체젯 및 제2유체젯을 선택적으로 사용 가능한 레이저 가공 장치 개발이 필요하다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국등록실용신안공보 제20-0164249호 (1999. 10. 06)
본 발명의 실시예들은, 공정에 따라 제1유체젯 및 제2유체젯을 선택적으로 사용가능한 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 유체젯을 사용하여 작업 거리를 늘일 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 레이저에 의한 가공면의 가열을 방지하도록 효율적으로 가공면을 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 가공 중에 발생하는 불순물을 효율적으로 제거할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 방사선 노출의 위험이 있는 경우에도 안전하게 작업을 행할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및 레이저를 피가공물까지 전달하기 위해 제1유체로 제1유체젯을 생성·분사하는 제1유체젯 생성부; 및 레이저 주위에 제2유체로 제2유체젯을 분사하는 제2유체젯 생성부를 포함하고, 제1유체젯 및 제2유체젯은 동시에 분사되거나 선택적으로 분사되는, 레이저 가공 장치가 제공된다.
그리고, 제1유체젯은 액체(liquid)이고, 상기 제2유체젯은 가스(gas)일 수 있다.
또한, 제1유체젯 및 제2유체젯 중 하나는 물이고, 다른 하나는 물을 포함하는 액체일 수 있다.
또한, 제1유체 생성부는, 제1유체젯을 생성하기 위한 제1유체를 수용하는 제1유체 챔버; 제1유체 챔버에 제1유체를 공급하는 워터 공급부; 및 제1유체 챔버의 제1유체가 피가공물로 분사되는 노즐;을 포함할 수 있다.
또한, 제2유체젯 생성부는, 제2유체를 수용하는 제2유체 챔버; 제2유체 챔버에 제2유체를 공급하는 제2유체 공급부; 및 제2유체 챔버의 제2유체가 분사되는 제2유체 노즐;을 포함할 수 있다.
또한, 제1유체젯과 별도로 보조유체를 피가공물로 분사하는 분사부를 더 포함할 수 있다.
또한, 분사부는, 보조유체를 수용하는 보조유체 챔버; 보조유체 챔버에 보조유체를 공급하는 보조유체 공급부; 및 보조유체를 피가공물로 분사하는 보조유체 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 제2유체는, 다이오나이즈드 워터(deionized water), 에칭액(etchant), 알코올 및 수도(city water) 중 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제1유체와 상기 보조유체는 동일한 유체일 수 있다.
또한, 제1유체와 상기 보조유체는 서로 다른 유체일 수 있다.
또한, 피가공물은 물 속에 위치할 수 있다.
또한, 제2유체젯은 액체 및 기체를 각각 분사할 수 있도록 복수 개 형성되고, 액체 및 기체 중 하나를 선택적으로 분사할 수 있다.
또한, 물을 포함하는 액체는 알코올과 물이 혼합된 액체일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 레이저의 유체젯에 대한 오프셋 및 각 편향 중 적어도 하나를 조절하여 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 다양하게 변경할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 유체젯을 사용함으로써 피가공물에 대한 작업 거리를 늘일 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 유체젯을 사용함으로써 레이저에 의해 가열된 가공면을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 유체젯을 사용하여 가공 중에 발생하는 불순물을 효율적으로 제거할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 피가공물이 물 속에 위치한 상태에서 레이저 가공을 행할 수 있음으로써 방사선 노출의 위험이 있는 경우에도 안전하게 작업을 행할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는 유체젯을 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 빔 모드 제어를 설명하는 도면
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타내는 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
본 발명을 설명하기 위해 예시로 이하에서 도시한 도면을 참조하여 후술하기 전에 본 발명을 간략히 설명하자면, 본 발명은 레이저를 안내하는 유체 및 상기 유체 주변에 분사되는 유체를 통해 레이저 가공을 보조할 수 있는 내용을 포함하고 있다. 여기서 레이저를 안내하는 유체는 제1유체, 상기 제1유체 주변에 분사되는 유체는 제2유체라고 전제하고 이하에서 설명을 하기로 한다.
그리고, 이하에서는 크게는 두 가지 예시를 통해 본 발명을 설명하는데, 제2유체가 기체상태인 경우와 액체상태인 경우에 대하여 설명한다. 제2유체가 액체상태인 경우에는 제1유체와 동일한 액체일 수도 있고 이종유체일 수도 있다. 예를 들면 제1유체는 물이고, 제2유체는 알코올 계열을 혼합한 액체일 수 있다.
즉, 제1유체가 중심(core)에 위치하고 제2유체가 제1유체를 링형태로 둘러싸고 있도록 위치되는 것을 의미한다. 상기와 같이 동종 또는 이종 유체를 분사하는 것뿐만 아니라, 각 유체의 온도 및 분사압력을 제어부에 의해 제어함으로써, 레이저가 안내될 때 유체 내에서 형성되는 각도(굴절률)를 조절할 수 있다. 즉, NA(Numerical Aperture)를 조절할 수 있다. 이로써, 모재(피가공물)에 가공되는 테이퍼 형상의 각도에 따라 달리 설정될 수 있다.
여기서 NA(Numerical Aperture; 이하, 개구수)란, 유체(물줄기) 내의 레이저의 전파(propagation)를 좌우하는 입사각을 결정하는 수치로, 상기 NA(Numerical Aperture)는 전반사가 가능한 범위 내에서 결정되도록 한다. 따라서, 앞서 설명한 유체의 온도 및 분사압력 뿐만 아니라, 유체의 종류에 따라 달라지는 성질(점도 등)과 관련해서도 유체가 지닌 굴절률이 달라질 수 있으므로, 이를 통해 개구수를 조절할 수 있다.
이 때, 유체의 종류, 온도 및 분사압력 등에 따라 레이저가 입사되는 각도의 범위를 보다 넓게 확보하는 경우에 설계 자유도가 증가하므로, 레이저가 통과될 수 있는 매질(예를 들어, 제1유체 및 제2유체 또는, 제1유체 및 분사유체 등) 간의 유체정보(종류, 온도 및 분사압력)를 제어하여 설계자유도 등을 보다 유리하게 획득할 수 있다.
또한, 모재를 향해 분사되는 제2유체는 앞서 설명한 바와 같이 기체상태 또는 액체상태의 유체가 분사되되 분사되는 유체가 고정적으로 분사될 수도 있고, 다른 상태의 유체가 선택적으로 분사될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 가공 장치(100)는 피가공물을 가공하기 위한 레이저(L)를 발생시키는 레이저 발생부 및 레이저(L)를 피가공물(S)까지 전달하기 위해 제1유체로 제1유체젯을 생성(제1유체를 분사(jet))하는 제1유체젯 생성부를 포함할 수 있다. 레이저 발생부는 레이저 광선을 평행광선으로 하는 콜리메이터(110) 및 레이저의 초점을 형성하는 포커스 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 콜레메이터(collimator)(110)와 포커스 렌즈(120)를 통과한 레이저는 윈도우(130)를 통해 제1유체젯 생성부를 지날 수 있다. 제1유체젯 생성부는 제1유체젯을 생성하기 위한 일 예로써, 유체인 물 등을 수용하는 제1유체 챔버(140), 제1유체 챔버(140)에 유체를 공급하는 워터 공급부(145) 및 제1유체 챔버 내의 유체가 피가공물(S) 측으로 분사되는 노즐(150)을 포함할 수 있다. 예를 들어 제1유체 챔버(140) 내에 수용된 제1유체를 분사하여 제1유체젯을 형성할 수 있다.
제1유체젯에 의해서 레이저가 긴 거리를 발산 없이 전달될 수 있어서 작업 거리(working distance)를 늘일 수 있다. 또한, 제1유체젯은 레이저에 의해 가열된 피가공물(S)의 가공면을 효율적으로 냉각시킬 수 있어서 재료의 물리적 손상이나 열 손상을 방지할 수 있고 가공의 품질을 향상시킬 수 있다. 그에 따라 슬래그(slag) 처리, 그라인딩(grinding)과 같은 후처리가 필요하지 않아서 비용 및 시간을 절약할 수도 있다. 그리고, 제1유체젯에 의해 가공 중 발생하는 불순물을 씻어내는 방청의 기능을 할 수도 있다.
여기에서 윈도우(130)는 사파이어와 같은 물질로 형성될 수 있으며, 노즐(150)은 사파이어 또는 다이아몬드와 같은 물질로 형성될 수 있다. 도면에서 생략된 워터 공급부(145)의 일단은 펌프(미도시됨)와 연결되고, 펌프의 압력에 의해 유체가 제1유체 챔버(140) 측으로 공급될 수 있다. 제1유체 챔버(140)에 공급되는 유체는 물일 수 있는데, 레이저(L)가 통과하는 유체젯을 형성하기 때문에 제1유체 챔버(140)에 공급되는 유체(예를 들어, 물)는 순도가 높은 것이 바람직하다. 만약 물에 불순물이 포함되어 있을 경우에는 그 내부를 통과하는 레이저와 반응하는 등에 의해 레이저(L)에 악영향을 미칠 수 있다.
노즐(150)을 통과한 레이저(L)는 제2유체젯 생성부를 통과할 수 있다. 제2유체젯 생성부는 헬륨(He)과 같은 보조 가스(assist gas) 등의 가스를 수용하는 제2유체 챔버(160), 제2유체 챔버에 제2유체를 공급하는 제2유체 공급부(165) 및 제2유체 챔버(160)의 제2유체가 분사되는 노즐(167)을 포함할 수 있다. 제2유체는 분사 압력을 통해 제1유체젯 생성 초기에 발생하는 난류(turbulence)를 억제할 수 있고, 레이저(L)에 의해 가공되는 피가공물(S)에서 발생되는 열을 냉각할 수 있으며, 레이저 워터(유체)젯의 길이를 조절하여 작업거리를 조절할 수 있다. 헬륨뿐만 아니라 다른 불활성 기체를 분사함으로써 레이저 가공부에 의해 발생하는 열에 의해 피가공물(S)의 가공부 주변의 산화가 억제될 수 있도록 할 수도 있다.
여기에서, 제1유체젯 생성부에서 생성되는 제1유체젯과 제2유체젯 생성부에서 분사되는 제2유체젯은 분사되어 제1유체젯 주변에 제2유체젯이 위치하며 레이저(L)를 피가공물(S)로 전달할 수도 있고, 제1유체젯과 제2유체젯 둘 중에 하나를 선택적으로 분사하여 레이저(L)를 피가공물(S)로 전달할 수도 있다. 이는 가공의 목적이나 피가공물(S)의 종류 등에 따라서 적절한 방식으로 레이저 가공이 행하여지도록 함일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제2유체가 제1유체젯(200) 주변에서 압력을 가하는 모습을 나타낸 도면이다.
제2유체가 제2유체젯으로 분사됨에 따라 제1유체젯(200)에서 발생하는 난류가 억제될 수 있기 때문에 제1유체젯(200)의 유지 길이가 증가할 수 있고, 그에 따라 레이저(L)의 가공 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 피가공물의 두께가 증가하는 경우에도 적절하게 가공할 수 있다. 또한, 제1유체젯(200)에 의해 발생하는 피가공물 표면의 온도 구배가 제2유체인 본 실시예에서의 보조가스(G)에 의해 완화될 수 있다. 제1유체젯(200)은 그 두께가 얇기 때문에 피가공물 표면 중 냉각시키는 범위가 협소하게 될 수 있다. 그에 따라 냉각 부위와 그 주변 부위 간의 온도 구배가 발생할 수 있는데, 보조 가스(G)가 제1유체젯(200)에 의한 냉각 부위 주변을 냉각시킴으로써 피가공물 표면의 온도 구배를 완화시킬 수 있다. 이에 따라서 취성이 높은 실리콘 웨이퍼 같은 소재에서 발생하기 쉬운 크랙(crack) 등의 손상을 방지할 수 있다. 결론적으로, 가공 품질이 향상될 수 있다.
다시 도 1에 관한 설명으로 돌아가면, 레이저 가공 장치(100)는 제1유체젯(200)을 생성하기 위한 유체와 별도로 보조유체를 피가공물(S)로 분사하는 보조분사부를 더 포함할 수 있다. 보조분사부는 보조유체를 수용하는 보조유체 챔버(170), 보조유체 챔버(170)에 보조유체를 공급하는 보조유체 공급부(175), 보조유체를 피가공물(S) 측으로 분사하는 보조유체 배출부(180)를 포함할 수 있다. 보조유체 배출부(180)에 의해 피가공물(S)로 분사되는 보조유체는 피가공물(S)에서 발생되는 가공 부산물을 제거하거나 피가공물(S) 표면을 개질하는 등의 다양한 역할을 수행할 수 있다.
앞서 설명한 제2유체나 보조유체는 예를 들어, 디이오나이즈드 워터(deionized water), 에칭액(etchant) 및 일반 수도(city water) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 보조유체에 대한 선택은 가공 목적에 따라서 이루어질 수 있다.
보조유체의 종류를 예로 설명하면, 디이오나이즈드 워터는 초순수 워터로서 레이저 등에 의해 발생되는 열에 의해 영향을 받지 않으므로 냉각하는데 유리하게 사용될 수 있으며, 피가공물에서 발생되는 부산물을 제거하는데에도 용이하게 사용될 수 있다.
에칭액은 레이저와 독립적으로 또는 레이저와 융합적으로 사용됨으로써 레이저에 의한 가공을 보조하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 피가공물의 표면을 개질하여 레이저에 의한 가공에 시너지 효과가 나타나도록 하거나 드릴링 등에 있어서 보다 가공이 용이하게 되도록 피가공물 표면에 작용할 수 있다.
일반 수도는 가공 조건이 정밀할 필요가 없는 경우에 비용을 줄이면서 피가공물에서 발생되는 부산물을 제거하기 위하여 사용될 수 있다.
여기에서 제1유체젯(200)을 이루는 유체를 제1유체라고 한다면, 제1유체와 보조유체는 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 만약 제1유체와 보조유체가 서로 같은 경우에는 동일한 펌프(미도시됨)에 의해 각각 제1유체 공급부(145)와 보조유체 공급부(175)로 공급될 수 있다. 하지만 이에 한정되지는 않고 제1유체와 보조유체가 동일한 경우에도 서로 다른 펌프를 사용할 수도 있다. 만약 제1유체와 보조유체가 서로 다른 경우에는 각각 별개의 펌프를 사용함이 바람직할 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100a)의 가공 방식을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저 가공 장치(100a)는 물(W) 속의 피가공물(S)에 대하여 레이저 가공을 행할 수 있다. 레이저 가공 장치(100a)의 제1유체젯이 고압에 의해 분사되기 때문에 물(W) 속에서도 제1유체젯이 피가공물(S)에 도달할 수 있다. 그에 따라서 레이저(L)가 제1유체젯을 따라서 피가공물(S)에 전달될 수 있으며, 물(W) 속이라도 피가공물(S)에 대한 가공이 행하여질 수 있다.
이는 피가공물(S)이 이미 물 속에 위치하는 장치여서 어쩔 수 없이 물 속에서 레이저 가공이 이루어져야 하는 경우 뿐만 아니라 방사선 노출의 위험이 있는 피가공물(S)에 대한 가공이 이루어져야 하는 경우에 대해서도 사용될 수 있다. 물은 방사선 물질에 대한 차폐를 행할 수 있기 때문에, 방사선 노출의 위험이 있는 피가공물(S)을 물 속에 위치시키고 그에 대하여 레이저 가공을 행하게 되면 방사선이 물 외부까지 방사되지 않고 물에 의해 차폐됨으로써 안전하게 레이저 가공을 행할 수 있다.
본 실시예에서도, 제2유체를 제1유체와 함께 분사함으로써 제2유체의 압력에 의해 물(W) 속에서 레이저 가공 장치(100a)에서 피가공물(S)까지 빈 공간을 형성할 수 있다. 따라서, 제2유체를 사용하여 피가공물(S)에 대한 레이저 가공이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100b)를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예는 도 1을 통해 예시한 실시예와는 다른 예로써, 제2유체가 액체인 경우를 도시하였다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 경우에는 제1유체 및 제2유체가 동일한 액체일수 도 있고, 다른 액체일 수도 있다. 일 예로써는, 물기둥의 중심(core)에 위치되는 제1유체는 물일수 있고, 제2유체는 물과 알코올 계열(에탄올을 포함)이 섞인 혼합액체일 수 있다.
제1유체와 제2유체가 이종 유체인 경우에는 서로 상이한 점도 등에 따라 레이저(L)의 굴절률이 달라질 수가 있다. 또한, 분사 압력 및 온도 등에 따라 굴절률을 달리 제어할 수 있다. 상기 제어는 챔버(160 또는 140)와 연결된 제어부(190)에 의해 제어될 수 있는데 본 발명의 일 실시예의 경우에는 제2유체의 분사압력 및 온도 중 하나 이상을 제어하는 실시예이므로, 제2유체 챔버(160)와 연결된 제어부(190)를 도시하였다.
즉, 제1유체 챔버(140)에 제어부(190)가 연결된 경우에는 제1유체의 분사압력 및 온도 중 하나 이상을 제어할 수 있고, 각 챔버(140, 160)와 각각 연결된 경우에는 제1유체 및 제2유체 중 하나 이상의 분사압력 및 온도를 제어할 수 있다. 이러한 제어를 위해 제어부(190)는 펌프(미도시), 냉각 및 가열수단(미도시)과 압력 또는 온도를 감지할 수 있는 센서(미도시)를 포함 또는 연결될 수 있다. 나아가, 보조유체 챔버(170)에 수용된 유체(예를 들어, 헬륨 가스)가 보조유체 배출부(180)를 통해 피가공물(S)에 더 분사될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
100, 100a, 100b : 레이저 가공 장치
110 : 콜리메이터
120 : 포커스 렌즈
130 : 윈도우
140 : 제1유체 챔버
145 : 제1유체 공급부
150 : 노즐
160 : 제2유체 챔버
165 : 제2유체 공급부
167 : 제2유체 노즐
170 : 보조유체 챔버
175 : 보조유체 공급부
180 : 보조유체 배출부
190 : 제어부
200 : 제1유체젯

Claims (13)

  1. 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및
    상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위해 제1유체로 제1유체젯을 생성·분사하는 제1유체젯 생성부; 및
    상기 레이저 주위에 제2유체로 제2유체젯을 분사하는 제2유체젯 생성부를 포함하고,
    상기 제1유체젯 및 상기 제2유체젯은 동시에 분사되거나 선택적으로 분사되는,
    레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유체젯은 액체(liquid)이고, 상기 제2유체젯은 가스(gas)인, 레이저 가공 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유체젯 및 상기 제2유체젯 중 하나는 물이고, 다른 하나는 물을 포함하는 액체인, 레이저 가공 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유체젯 생성부는,
    상기 제1유체젯을 생성하기 위한 상기 제1유체를 수용하는 제1유체 챔버;
    상기 제1유체 챔버에 상기 제1유체를 공급하는 워터 공급부; 및
    상기 제1유체 챔버의 상기 제1유체가 상기 피가공물로 분사되는 노즐;을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2유체젯 생성부는,
    상기 제2유체를 수용하는 제2유체 챔버;
    상기 제2유체 챔버에 상기 제2유체를 공급하는 제2유체 공급부; 및
    상기 제2유체 챔버의 상기 제2유체가 분사되는 제2유체 노즐;을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유체젯과 별도로 보조유체를 상기 피가공물로 분사하는 분사부를 더 포함하는, 레이저 가공 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 분사부는,
    상기 보조유체를 수용하는 보조유체 챔버;
    상기 보조유체 챔버에 상기 보조유체를 공급하는 보조유체 공급부; 및
    상기 보조유체를 상기 피가공물로 분사하는 보조유체 배출부를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2유체 또는 상기 보조유체는,
    디이오나이즈드 워터(deionized water), 에칭액(etchant), 알코올 및 수도(city water) 중 하나를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1유체와 상기 보조유체는 동일한 유체인, 레이저 가공 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1유체와 상기 보조유체는 서로 다른 유체인, 레이저 가공 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 피가공물은 물 속에 위치하는, 레이저 가공 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2유체젯은 액체 및 기체를 각각 분사할 수 있도록 복수 개 형성되고, 상기 액체 및 상기 기체 중 하나를 선택적으로 분사하는, 레이저 가공장치.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 물을 포함하는 액체는 알코올과 물이 혼합된 액체인, 레이저 가공장치.
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