WO2020226444A1 - 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치 - Google Patents

세라믹 임플란트 레이저 가공 장치 Download PDF

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WO2020226444A1
WO2020226444A1 PCT/KR2020/006057 KR2020006057W WO2020226444A1 WO 2020226444 A1 WO2020226444 A1 WO 2020226444A1 KR 2020006057 W KR2020006057 W KR 2020006057W WO 2020226444 A1 WO2020226444 A1 WO 2020226444A1
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ceramic implant
femtosecond laser
mirror
processing apparatus
femtosecond
Prior art date
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PCT/KR2020/006057
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이종훈
이찬우
이규복
황준호
김현덕
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경북대학교 산학협력단
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    • A61C13/0003—Making bridge-work, inlays, implants or the like
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/52—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic implant laser processing apparatus, and more particularly, to a ceramic implant laser processing apparatus that improves the surface roughness of a ceramic implant by using a femtosecond laser.
  • the degree of interest and market demand for various fields related to the milling processing technology using such a laser is increasing every year.
  • the advantage of laser milling is that it is possible to manufacture a more precise dental prosthesis because there is no vibration of the tool such as vibration due to the overload of the spindle motor than tool milling. In addition, it does not require compressed air required for rotation, and has an economic advantage that does not incur replacement costs due to the provision of various tools for each type and tool consumption through processing through laser beam size adjustment.
  • interest in improving the precision of dental prosthesis and processing various materials through the development of laser milling technology that compensates for the disadvantages of milling using an existing tool is increasing.
  • ceramic implants there is a problem in that the incidence of cracks and defects is high due to the material characteristics of the ceramic, and the surface treatment takes a long time due to the progress of the post process.
  • the present invention is to provide a ceramic implant laser processing device that enables precise processing without carbonization and cracking, improves surface roughness of ceramic implants by adjusting pattern spacing and depth, and shortens processing time since no post-processing is required. will be.
  • a ceramic implant laser processing apparatus is a ceramic implant laser processing apparatus for processing a surface of a ceramic implant, wherein the ceramic implant is rotatable around a first direction parallel to a central axis of the ceramic implant.
  • a femtosecond laser generator for generating a first femtosecond laser beam having a first beam width in a femtosecond period;
  • a beam expander configured to output a second femtosecond laser beam having a second beam width by changing a beam width of the first femtosecond laser beam generated from the femtosecond laser generator;
  • a scanner head disposed on the support and outputting the second femtosecond laser beam to the surface of the ceramic implant;
  • An optical fiber connected between the beam expander and the scanner head and transmitting the second femtosecond laser beam from the beam expander to the scanner head;
  • a scanning unit installed on the scanner head and configured to adjust an irradiation position of the second femtosecond
  • the scanning unit may include: a first scan mirror including a first mirror reflecting the second femtosecond laser beam transmitted through the optical fiber, and a first mirror driver configured to adjust an angle of a reflection surface of the first mirror; A second scan mirror including a second mirror reflecting a second femtosecond laser beam incident from the first scan mirror, and a second mirror driver configured to adjust an angle of a reflection surface of the second mirror; And a planar field lens condensing a second femtosecond laser beam incident from the second scan mirror to the ceramic implant.
  • the scanning unit may further include a driving unit for moving the planar field lens along the first direction.
  • the controller may control the beam expander and the scan unit so that a ratio of the depth to the width of the groove portion processed on the surface of the ceramic implant is 0.2 to 1.5.
  • the controller may control the beam expander to adjust the second beam width according to the position and shape of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant.
  • the controller may control the femtosecond laser generator to adjust the wavelength and output of the first femtosecond laser according to the shape of the groove.
  • FIG. 1 is a side view showing a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a scanning unit constituting a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a conceptual diagram showing a dot pattern processed on the surface of a ceramic implant by the ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is an exemplary view of a dot pattern processed on the surface of a ceramic implant by the ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing a line pattern processed on a surface of a ceramic implant by a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary view of a line pattern processed on the surface of a ceramic implant by the ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a ceramic implant laser processing apparatus 100 is for processing the surface of a ceramic implant 10, and a support 110, a femtosecond laser generator 120, and a beam expander ( 130), an optical fiber 140, a scanner head 150, a scan unit 160, and a control unit 170.
  • the support 110 supports the ceramic implant 10, and may support the ceramic implant 10 rotatably around the first direction X parallel to the central axis of the ceramic implant 10.
  • the support 110 may include a rotation driving unit 112 that rotates the ceramic implant 10 in the first direction X.
  • the support 110 may be provided as a 3-axis stage capable of adjusting the position of the ceramic implant 10 in the 3-axis direction by, for example, a driving means such as a motor or a cylinder.
  • the femtosecond laser generator 120 may generate a first femtosecond laser beam having a first beam width in a femtosecond period.
  • the femtosecond laser generator 120 may generate a first femtosecond laser beam having a pulse of 10 -15 seconds or more.
  • the beam output, output time (pulse width), and beam output period of the femtosecond laser generator 120 may be controlled by the controller 170.
  • the beam expander 130 outputs a second femtosecond laser beam having a second beam width by changing a beam width (beam diameter or beam size) of the first femtosecond laser beam generated from the femtosecond laser generator 120 can do.
  • the beam expander 130 includes an expansion lens that expands the first femtosecond laser beam, and a condensing lens that condenses the femtosecond laser beam expanded by the expansion lens to output a second femtosecond laser beam having a second beam width. It may include.
  • the beam expander 130 may be controlled by the controller 170. For example, the beam expander 130 adjusts the distance between the expansion lens and the condensing lens, or changes any one of a plurality of expansion lenses or a plurality of condensing lenses having different focal lengths on the path of the first femtosecond laser beam. The second beam width can be adjusted.
  • the beam expander 130 may include a driving means such as a motor for adjusting the distance between the expanding lens and the condensing lens or changing the expanding lens and/or the condensing lens.
  • the optical fiber 140 is connected between the beam expander 130 and the scanner head 150.
  • the optical fiber 140 transmits the second femtosecond laser beam incident from the beam expander 130 to the scanner head 150.
  • the optical fiber 140 may be designed to have a diameter corresponding to the shape, width, depth, etc. of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant.
  • the optical fiber 140 may be fixedly connected between the beam expander 130 and the scanner head 150, or may be provided in a detachable manner to be separated/replaced.
  • the scanner head 150 may be disposed on the support 110.
  • the scanner head 150 outputs the second femtosecond laser beam transmitted through the optical fiber 140 to the surface of the ceramic implant 10 supported on the support 110.
  • the scan unit 160 may be installed on the scanner head 150.
  • the scan unit 160 may be provided to adjust the irradiation position of the second femtosecond laser beam in the first direction X.
  • the scan unit 160 includes a first scan mirror including a first mirror 161 and a first mirror driving unit 162, and a second mirror 163 and a second mirror driving unit ( A second scan mirror including 164 and a driving unit 166 driving the planar field lens 165 and the planar field lens 165 in the first direction X may be included.
  • the driving unit 166 may be provided as a driving means such as a motor, but is not limited thereto.
  • the first mirror 161 may reflect the second femtosecond laser beam LB transmitted through the optical fiber 140.
  • the first mirror driver 162 may adjust the angle of the reflective surface of the first mirror 161.
  • the second mirror 163 may reflect the second femtosecond laser beam LB incident from the first scan mirror.
  • the second mirror driver 164 may adjust the angle of the reflective surface of the second mirror 163.
  • the planar field lens 165 may condense the second femtosecond laser beam LB incident from the second scan mirror to the ceramic implant 10.
  • the driving unit 166 may move the planar field lens 165 along the first direction X.
  • the first mirror driving unit 162 and the second mirror driving unit 164 are centered on an axis in a direction (second direction) perpendicular to the incident direction of the second femtosecond laser beam LB and perpendicular to the first direction X.
  • the first mirror 161 and the second mirror 163 may be rotated.
  • the first mirror driving unit 162 and the second mirror driving unit 164 may be provided as driving means such as a motor, but are not limited thereto.
  • the irradiation position and irradiation direction of the second femtosecond laser beam LB by the first mirror driver 162 and the second mirror driver 164 may be moved at predetermined intervals along the first direction X.
  • the controller 170 may control the beam expander 130 and the scan unit 160 according to the period and width of the groove to be processed in the ceramic implant 10.
  • the groove pattern (pattern period, groove width, groove depth, etc.) to be processed in the ceramic implant 10 may be input by a user through a user interface unit (not shown) or may be input as a 3D design drawing.
  • the controller 170 may control the beam expander 130 and the scan unit 160 so that the ratio of the depth to the width of the groove processed on the surface of the ceramic implant 10 is 0.2 to 1.5.
  • the grooves processed on the surface of the ceramic implant 10 may be formed in a dot (circular) pattern, a line (linear) pattern, or the like.
  • a circular, linear, etc. pattern is formed along the circumference of the side surface of the ceramic implant 10 by a femtosecond laser beam. It can be processed to improve the surface roughness.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a dot pattern processed on the surface of a ceramic implant by a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a ceramic implant using a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • It is an exemplary diagram of a dot pattern processed on the surface of.
  • 5 is a conceptual diagram showing a line pattern processed on the surface of a ceramic implant by a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a ceramic implant using a ceramic implant laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram of a line pattern processed on the surface of.
  • the controller 170 may control the femtosecond laser generator 120 to adjust the wavelength and output of the first femtosecond laser according to the shape of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant 10.
  • the controller 170 may control the beam expander 130 to adjust the second beam width according to the position and shape of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant 10.
  • the processing speed of the femtosecond laser may be adjusted in the range of 0.1mm/s to 3mm/s, and the wavelength may be adjusted in the range of 355nm to 1064nm.
  • the intensity of the femtosecond laser can be adjusted in the range of 0.1W to 10W.
  • the ceramic implant processed by the laser processing apparatus according to the embodiment of the present invention may have a pattern spacing of 1 to 35 ⁇ m, and has a surface roughness of 0.6 to 2.0 ⁇ m for a dot pattern and 1.0 to 3.0 ⁇ m for a linear pattern. Surface can be processed
  • the controller 170 determines the second beam width of the femtosecond laser in proportion to the width of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant 10, and a second femtosecond laser beam having the corresponding second beam width is generated.
  • the beam expander 130 can be controlled.
  • the controller 170 controls the scan unit 160 to adjust the output, pulse period, and wavelength of the femtosecond laser according to the depth of the groove to be processed on the surface of the ceramic implant 10 and rotates the ceramic implant 10 It is possible to control the support 110 so that the speed is adjusted.
  • the ceramic implant by controlling the beam width, laser output, laser wavelength, pulse time, period, etc. of a femtosecond laser according to the pattern to be processed on the surface of the ceramic implant, the ceramic implant without carbonization and cracking By precisely processing the surface of the implant, the desired surface roughness characteristics of the implant can be obtained.
  • the processing time can be shortened, and the ceramic implant can be processed in a large area by the scanning unit 160 and the rotation driving unit 112.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치는, 세라믹 임플란트의 표면을 가공하기 위한 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 세라믹 임플란트의 중심축과 나란한 제1 방향을 중심으로 상기 세라믹 임플란트를 회전 가능하게 지지하는 지지대; 제1 빔 폭을 가지는 제1 펨토초 레이저 빔을 펨토초 주기로 발생하는 펨토초 레이저 발생기; 상기 펨토초 레이저 발생기로부터 발생된 상기 제1 펨토초 레이저 빔의 빔 폭을 변화시켜 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔을 출력하는 빔 확장기; 상기 지지대의 상부에 배치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 세라믹 임플란트의 표면으로 출력하는 스캐너 헤드; 상기 빔 확장기와 상기 스캐너 헤드 사이에 연결되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 빔 확장기로부터 상기 스캐너 헤드로 전달하는 광섬유; 상기 스캐너 헤드에 설치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔의 조사 위치를 상기 제1 방향으로 조절하는 스캔부; 및 상기 세라믹 임플란트에 가공될 홈부의 주기 및 폭에 따라 상기 빔 확장기 및 상기 스캔부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

세라믹 임플란트 레이저 가공 장치
본 발명은 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펨토초 레이저(Femtosecond Laser)를 이용하여 세라믹 임플란트의 표면 조도를 개선하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
디지털 치과 의료기술의 발전에 따라 대다수의 치과 병원 및 의원에서 첨단 진료 시스템을 구축하고 있으며, 치과치료를 원하는 환자들 또한 CAD(computer-aided design)/CAM(computer-aided manufacturing) 시스템의 중요성을 인식하고 있다. 심미적인 욕구의 증가, 소재의 개발과 발전 등과 함께 CAD/CAM 시스템을 이용한 치과용 보철물은 날로 발전하고 있다. 현재 치과 보철물을 제작하는 CAD/CAM 시스템은 공구(Tool)를 이용한 밀링 방식을 이용하고 있으며, 이는 기존 주조 형태의 가내 수공업으로 제작된 방식보다 생산 효율이 높은 공정 기술이다. 최근 공구를 사용하는 밀링 기술보다 절삭 도구를 레이저로 대체한 밀링 가공기술이 정밀도 향상 및 공정 개선을 통한 제조 혁신을 기대할 수 있는 차세대 가공 기술로써 주목받고 있다. 이러한 레이저를 이용한 밀링 가공 기술과 관련된 다양한 분야별 관심도 및 시장의 요구가 매년 높아지고 있다. 레이저 밀링의 장점으로는 공구 밀링 보다 스핀들 모터의 과부하로 인한 진동 등 툴의 흔들림이 없기에 보다 정밀한 치과 보철물을 제작하는 것이 가능하다. 또한, 회전 등에 필요한 컴프레셔 에어가 필요 없으며 레이저 빔사이즈 조절을 통한 가공으로 종류별로 다양한 툴의 구비 및 툴 소모로 인한 교체 비용이 발생치 않는 경제적인 장점을 가지고 있다. 최근 치과 보철물 제작에 있어 기존 공구(tool)를 이용한 밀링의 단점을 보완한 레이저 밀링 기술 개발을 통한 치과보철물 정밀도 향상 및 다양한 소재 가공에 대한 관심이 높아지고 있다. 세라믹 임플란트의 경우, 세라믹의 소재 특성으로 인해 깨짐 및 불량 발생률이 높고, 후공정 진행으로 인해 표면 처리에 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 탄화 및 균열 현상 없이 정밀한 가공이 가능하고, 패턴 간격 및 깊이 조절을 통해 세라믹 임플란트의 표면 조도 개선이 가능하며, 후 공정이 필요 없어 가공 시간 단축이 가능한 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치는 세라믹 임플란트의 표면을 가공하기 위한 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 세라믹 임플란트의 중심축과 나란한 제1 방향을 중심으로 상기 세라믹 임플란트를 회전 가능하게 지지하는 지지대; 제1 빔 폭을 가지는 제1 펨토초 레이저 빔을 펨토초 주기로 발생하는 펨토초 레이저 발생기; 상기 펨토초 레이저 발생기로부터 발생된 상기 제1 펨토초 레이저 빔의 빔 폭을 변화시켜 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔을 출력하는 빔 확장기; 상기 지지대의 상부에 배치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 세라믹 임플란트의 표면으로 출력하는 스캐너 헤드; 상기 빔 확장기와 상기 스캐너 헤드 사이에 연결되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 빔 확장기로부터 상기 스캐너 헤드로 전달하는 광섬유; 상기 스캐너 헤드에 설치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔의 조사 위치를 상기 제1 방향으로 조절하는 스캔부; 및 상기 세라믹 임플란트에 가공될 홈부의 주기 및 폭에 따라 상기 빔 확장기 및 상기 스캔부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 스캔부는, 상기 광섬유를 통해 전달된 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 반사시키는 제1 미러와, 상기 제1 미러의 반사면 각도를 조절하는 제1 미러 구동부를 포함하는 제1 스캔 미러; 상기 제1 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔을 반사시키는 제2 미러와, 상기 제2 미러의 반사면 각도를 조절하는 제2 미러 구동부를 포함하는 제2 스캔 미러; 및 상기 제2 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 세라믹 임플란트로 집광하는 평면 필드 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 스캔부는, 상기 평면 필드 렌즈를 상기 제1 방향을 따라 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 세라믹 임플란트의 표면에 가공되는 상기 홈부의 폭에 대한 깊이의 비율이 0.2 내지 1.5가 되도록, 상기 빔 확장기 및 상기 스캔부를 제어할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 세라믹 임플란트의 표면에 가공될 상기 홈부의 위치 및 형상에 따라 상기 제2 빔 폭이 조절되도록 상기 빔 확장기를 제어할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 홈부의 형상에 따라 상기 제1 펨토초 레이저의 파장 및 출력이 조절되도록 상기 펨토초 레이저 발생기를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 탄화 및 균열 현상 없이 정밀한 가공이 가능하고, 패턴 간격 및 깊이 조절을 통해 세라믹 임플란트의 표면 조도 개선이 가능하며, 후 공정이 필요 없어 가공 시간 단축이 가능한 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치가 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치를 보여주는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치를 구성하는 스캔부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 도트 패턴을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 도트 패턴의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 라인 패턴을 보여주는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 라인 패턴의 예시도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치를 보여주는 측면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치(100)는 세라믹 임플란트(10)의 표면을 가공하기 위한 것으로, 지지대(110), 펨토초 레이저 발생기(120), 빔 확장기(130), 광섬유(140), 스캐너 헤드(150), 스캔부(160) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
지지대(110)는 세라믹 임플란트(10)를 지지하는 것으로, 세라믹 임플란트(10)의 중심축과 나란한 제1 방향(X)을 중심으로 세라믹 임플란트(10)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 지지대(110)는 세라믹 임플란트(10)를 제1 방향(X)을 중심으로 회전시키는 회전 구동부(112)를 구비할 수 있다. 지지대(110)는 예를 들어, 모터, 실린더 등의 구동수단에 의해 3축 방향으로 세라믹 임플란트(10)의 위치 조절이 가능한 3축 스테이지로 제공되는 것도 가능하다.
펨토초 레이저 발생기(120)는 제1 빔 폭을 가지는 제1 펨토초 레이저 빔을 펨토초 주기로 발생할 수 있다. 펨토초 레이저 발생기(120)는 10-15초 이상의 펄스를 가지는 제1 펨토초 레이저 빔을 발생할 수 있다. 펨토초 레이저 발생기(120)의 빔 출력, 출력시간(펄스폭), 빔 출력주기는 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다.
빔 확장기(beam expander)(130)는 펨토초 레이저 발생기(120)로부터 발생된 제1 펨토초 레이저 빔의 빔 폭(빔 직경 또는 빔 크기)을 변화시켜 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔을 출력할 수 있다. 실시예에서, 빔 확장기(130)는 제1 펨토초 레이저 빔을 확장시키는 확장렌즈와, 확장렌즈에 의해 확장된 펨토초 레이저 빔을 집광하여 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔을 출력하는 집광렌즈를 포함할 수 있다.
빔 확장기(130)는 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 빔 확장기(130)는 확장렌즈와 집광렌즈 간의 거리를 조절하거나, 상이한 초점거리를 가지는 복수의 확장렌즈 또는 복수의 집광렌즈 중 어느 하나를 제1 펨토초 레이저 빔의 경로 상에 변경시킴으로써 제2 빔 폭을 조절할 수 있다. 빔 확장기(130)는 확장렌즈와 집광렌즈 간의 거리를 조절하거나 확장렌즈 및/또는 집광렌즈를 변경시키기 위한 모터 등의 구동수단을 포함할 수 있다.
광섬유(140)는 빔 확장기(130)와 스캐너 헤드(150) 사이에 연결된다. 광섬유(140)는 빔 확장기(130)로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔을 스캐너 헤드(150)로 전달한다. 광섬유(140)는 세라믹 임플란트의 표면에 가공될 홈부의 형상, 폭, 깊이 등에 대응되는 직경을 가지도록 설계될 수 있다. 광섬유(140)는 빔 확장기(130)와 스캐너 헤드(150) 사이에 고정식으로 연결될 수도 있고, 분리/교체될 수 있도록 착탈식으로 제공될 수 있다.
스캐너 헤드(150)는 지지대(110)의 상부에 배치될 수 있다. 스캐너 헤드(150)는 광섬유(140)를 통해 전달된 제2 펨토초 레이저 빔을 지지대(110) 상에 지지된 세라믹 임플란트(10)의 표면으로 출력한다. 스캔부(160)는 스캐너 헤드(150)에 설치될 수 있다. 스캔부(160)는 제2 펨토초 레이저 빔의 조사 위치를 제1 방향(X)으로 조절하도록 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치를 구성하는 스캔부의 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 스캔부(160)는 제1 미러(161) 및 제1 미러 구동부(162)를 포함하는 제1 스캔 미러와, 제2 미러(163) 및 제2 미러 구동부(164)를 포함하는 제2 스캔 미러와, 평면 필드 렌즈(165) 및 평면 필드 렌즈(165)를 제1 방향(X)으로 구동하는 구동부(166)를 포함할 수 있다. 구동부(166)는 모터 등의 구동수단으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
제1 미러(161)는 광섬유(140)를 통해 전달된 제2 펨토초 레이저 빔(LB)을 반사시킬 수 있다. 제1 미러 구동부(162)는 제1 미러(161)의 반사면 각도를 조절할 수 있다. 제2 미러(163)는 제1 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔(LB)을 반사시킬 수 있다. 제2 미러 구동부(164)는 제2 미러(163)의 반사면 각도를 조절할 수 있다. 평면 필드 렌즈(165)는 제2 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔(LB)을 세라믹 임플란트(10)로 집광할 수 있다. 구동부(166)는 평면 필드 렌즈(165)를 제1 방향(X)을 따라 이동시킬 수 있다.
제1 미러 구동부(162)와 제2 미러 구동부(164)는 제2 펨토초 레이저 빔(LB)의 입사 방향에 수직한 동시에 제1 방향(X)에 수직한 방향(제2 방향)의 축을 중심으로 제1 미러(161)와 제2 미러(163)을 회전시킬 수 있다. 제1 미러 구동부(162)와 제2 미러 구동부(164)는 모터 등의 구동수단으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 제1 미러 구동부(162)와 제2 미러 구동부(164)에 의해 제2 펨토초 레이저 빔(LB)의 조사 위치 및 조사 방향은 제1 방향(X)을 따라 소정 간격으로 이동될 수 있다.
제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)에 가공될 홈부의 주기 및 폭에 따라 빔 확장기(130) 및 스캔부(160)를 제어할 수 있다. 세라믹 임플란트(10)에 가공될 홈부 패턴(패턴 주기, 홈 폭, 홈 깊이 등)은 사용자 인터페이스부(도시 생략)를 통해 사용자에 의해 입력되거나, 3차원 설계도면 등으로 입력될 수 있다. 실시예에서, 제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공되는 홈부의 폭에 대한 깊이의 비율이 0.2 내지 1.5가 되도록, 빔 확장기(130) 및 스캔부(160)를 제어할 수 있다. 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공되는 홈부는 도트(원형) 패턴, 라인(선형) 패턴 등의 형상으로 형성될 수 있다.
실시예에서, 회전 구동부(112)에 의해 세라믹 임플란트(10)를 제1 방향(X)을 중심으로 회전시키면서 펨토초 레이저 빔에 의해 세라믹 임플란트(10)의 측면 둘레를 따라 원형, 선형 등의 패턴을 가공하여 표면 조도를 개선할 수 있다. 이때 스캔부(160)에 의해 펨토초 레이저의 조사 위치를 조절함과 동시에, 지지대(110) 상에서 세라믹 임플란트(10)를 3축 방향으로 이동시키면서 펨토초 레이저 가공을 하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 도트 패턴을 보여주는 개념도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 도트 패턴의 예시도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 라인 패턴을 보여주는 개념도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 의해 세라믹 임플란트의 표면에 가공된 라인 패턴의 예시도이다.
제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공될 홈부의 형상에 따라 제1 펨토초 레이저의 파장 및 출력이 조절되도록 펨토초 레이저 발생기(120)를 제어할 수 있다. 제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공될 홈부의 위치 및 형상에 따라 제2 빔 폭이 조절되도록 빔 확장기(130)를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 펨토초 레이저의 가공속도는 0.1mm/s 내지 3mm/s 범위에서 조절될 수 있으며, 파장은 355nm 내지 1064nm 범위에서 조절될 수 있다. 펨토초 레이저의 강도는 0.1W 내지 10W 범위에서 조절될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 의해 가공된 세라믹 임플란트는 1 ~ 35 ㎛ 패턴 간격을 가질 수 있으며, 도트 패턴의 경우 0.6 ~ 2.0 ㎛, 선형 패턴의 경우 1.0 ~ 3.0 ㎛의 표면 조도를 가지도록 표면 가공될 수 있다.
실시예에서, 제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공될 홈부의 폭에 비례하여 펨토초 레이저의 제2 빔 폭을 결정하고, 해당 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔이 생성되도록, 빔 확장기(130)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 세라믹 임플란트(10)의 표면에 가공될 홈부의 깊이에 따라 펨토초 레이저의 출력, 펄스 주기, 파장 등이 조절되도록 스캔부(160)를 제어하고 세라믹 임플란트(10)의 회전 속력이 조절되도록 지지부(110)를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 세라믹 임플란트의 표면에 가공될 패턴에 따라 펨토초 레이저(Femtosecond Laser)의 빔 폭, 레이저 출력, 레이저 파장, 펄스 시간, 주기 등을 제어하여, 탄화 및 균열 현상 없이 세라믹 임플란트의 표면을 정밀하게 가공하여 원하는 임플란트 표면 조도 특성을 얻을 수 있다. 또한, 펨토초 레이저에 의해 세라믹 임플란트 가공 후 별도의 후공정을 할 필요가 없어 가공 시간 단축이 가능하고, 스캔부(160)와 회전 구동부(112)에 의해 세라믹 임플란트를 대면적 가공할 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
<부호의 설명>
10: 세라믹 임플란트
100: 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치
110: 지지대
120: 펨토초 레이저 발생기
130: 빔 확장기
140: 광섬유
150: 스캐너 헤드
160: 스캔부
170: 제어부

Claims (6)

  1. 세라믹 임플란트의 표면을 가공하기 위한 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 세라믹 임플란트의 중심축과 나란한 제1 방향을 중심으로 상기 세라믹 임플란트를 회전 가능하게 지지하는 지지대;
    제1 빔 폭을 가지는 제1 펨토초 레이저 빔을 펨토초 주기로 발생하는 펨토초 레이저 발생기;
    상기 펨토초 레이저 발생기로부터 발생된 상기 제1 펨토초 레이저 빔의 빔 폭을 변화시켜 제2 빔 폭을 가지는 제2 펨토초 레이저 빔을 출력하는 빔 확장기;
    상기 지지대의 상부에 배치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 세라믹 임플란트의 표면으로 출력하는 스캐너 헤드;
    상기 빔 확장기와 상기 스캐너 헤드 사이에 연결되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 빔 확장기로부터 상기 스캐너 헤드로 전달하는 광섬유;
    상기 스캐너 헤드에 설치되고, 상기 제2 펨토초 레이저 빔의 조사 위치를 상기 제1 방향으로 조절하는 스캔부; 및
    상기 세라믹 임플란트에 가공될 홈부의 주기 및 폭에 따라 상기 빔 확장기 및 상기 스캔부를 제어하는 제어부를 포함하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캔부는,
    상기 광섬유를 통해 전달된 상기 제2 펨토초 레이저 빔을 반사시키는 제1 미러와, 상기 제1 미러의 반사면 각도를 조절하는 제1 스캔 미러;
    상기 제1 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔을 반사시키는 제2 미러와, 상기 제2 미러의 반사면 각도를 조절하는 제2 스캔 미러; 및
    상기 제2 스캔 미러로부터 입사되는 제2 펨토초 레이저 빔을 상기 세라믹 임플란트로 집광하는 평면 필드 렌즈를 포함하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스캔부는, 상기 평면 필드 렌즈를 상기 제1 방향을 따라 이동시키는 구동부를 더 포함하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 세라믹 임플란트의 표면에 가공되는 상기 홈부의 폭에 대한 깊이의 비율이 0.2 내지 1.5가 되도록, 상기 빔 확장기 및 상기 스캔부를 제어하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 세라믹 임플란트의 표면에 가공될 상기 홈부의 위치 및 형상에 따라 상기 제2 빔 폭이 조절되도록 상기 빔 확장기를 제어하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 홈부의 형상에 따라 상기 제1 펨토초 레이저의 파장 및 출력이 조절되도록 상기 펨토초 레이저 발생기를 제어하는 세라믹 임플란트 레이저 가공 장치.
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