WO2022169032A1 - 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법 - Google Patents

펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법 Download PDF

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김성환
강형식
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    • B23K37/0435—Clamps
    • B23K37/0443—Jigs

Definitions

  • the present invention relates to a planning-polishing apparatus and method using a femtosecond pulsed laser, and more particularly, to a planning process for realizing flatness of a large-area planar workpiece such as a precision mold used for manufacturing multilayer electronic ceramics.
  • the present invention relates to an apparatus and method for performing a polishing process for improving the surface roughness of a large-area planar workpiece.
  • Grinding in a broad sense refers to a processing method that smoothes the surface shape of the workpiece by various methods and improves the surface roughness.
  • grinding to smooth the surface of the workpiece is done through grinding by friction of fine abrasive grains, and as a method to improve the surface roughness, buffs made of cloth, leather, felt, etc. It is generally done through a polishing operation using an abrasive.
  • the polishing operation is performed through a mechanical, electrical or chemical mechanism.
  • the shape of the workable workpiece is limited, the operation time is long, the surface roughness of the workpiece becomes non-uniform due to the loading phenomenon in which chips are caught in the grinding wheel, and the operation is performed by the processing oil used.
  • the working cost will increase significantly due to the strengthening of legal regulations due to environmental problems in the future.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-1594688. Announced on February 17, 2016
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-1358332. Announced on February 6, 2014
  • Metal surface polishing method using a laser Patent Document 3 (Korean Patent Publication No. 10-2094556. Announced on March 30, 2020)
  • the laser polishing method of Patent Document 1 is a method of using a laser to improve the surface roughness of a substrate used as an electronic device, comprising: measuring the surface roughness (Rz) of a metal substrate manufactured through a rolling process; and planarizing the surface of the metal substrate by irradiating a laser in a direction perpendicular to the surface of the metal substrate at a traveling speed of 10 to 500 mm/sec, wherein the laser has a wavelength of 100 nm or more, and the measured surface of the metal substrate It is characterized by less than roughness.
  • the method of polishing a metal surface using a laser of Patent Document 2 includes: forming a coating film for preventing oxidation on a metal surface; curing the coating film after the formation of the coating film; irradiating a laser beam to the coated metal surface to cause melting of the metal surface; and removing the coating film from the metal surface after the melting of the metal surface; has the advantage that the chamber for spraying the inert gas used for oxidation prevention can be omitted.
  • the laser polishing system of Patent Document 3 is a laser polishing system equipped with a heating means to constantly control the temperature of a glass substrate preheated to an appropriate temperature suitable for glass production and manufacture by a heating means and to enable polishing of the glass edge surface. is about
  • the laser is used for polishing, but in common, the laser melts the surface irregularities of the workpiece by heat generated while irradiating the surface of the workpiece, thereby causing acid and Surface roughness is improved as a mechanism to reduce the height difference of the valleys.
  • Ra and Ry values which are measured values of surface roughness
  • the surface shape of the workpiece is contoured and the curves are formed with mountains and troughs, only the roughness of the surface can be improved to some extent, and there is a limit that it is difficult to expect any improvement in flatness at the micro-scale level.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-1594688. 2016.02.17. Announcement.
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-1358332. 2014.02.06. Announcement.
  • Patent Document 3 Korean Patent Publication No. 10-2094556. 2020.03.30. Announcement.
  • the present invention has been devised to solve the above technical problems, and using a laser having a femtosecond such as a picosecond or femtosecond pulse laser, a planning operation for smoothing the surface of a relatively large-area flat workpiece, and improving the surface roughness
  • a laser having a femtosecond such as a picosecond or femtosecond pulse laser
  • a planning operation for smoothing the surface of a relatively large-area flat workpiece and improving the surface roughness
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for performing polishing.
  • the present invention does not improve the surface roughness by melting the metal surface like the conventional laser polishing, but by irradiating the metal surface with a laser having a femtosecond to improve the surface roughness without thermal deformation on the surface of the workpiece. and to provide a method.
  • a planing-polishing apparatus using a femtosecond pulsed laser according to the present invention having the above technical object is a planing-polishing device of a large area using a femtosecond pulsed laser, followed by polishing to improve the surface roughness.
  • a position fixing unit 100 having a moving means 130 for moving the stage 110 in the X-axis and Y-axis;
  • the height at a plurality of measurement points determined on the surface of the workpiece (P) is measured, and the surface shape of the workpiece (P) is converted into data and transmitted.
  • a planning process of flattening by selectively irradiating the femtosecond pulse laser to only a processing area based on the surface shape data ZD obtained from the surface shape measuring unit 200 is performed, and after the planning process is formed on the surface of the workpiece a laser processing unit 300 that performs polishing to reduce irregularities by irradiating another femtosecond pulse laser of a predetermined output to improve surface roughness by reducing irregularities; And, it receives the surface shape data ZD obtained from the surface shape measurement unit 200, converts it into the surface data SD for the planning processing, and inputs the processing area determined by the surface data SD.
  • the control unit 400 for controlling the driving of the laser processing unit 300 to apply the processing parameters to the laser processing unit 300 to plan; is configured to include.
  • the surface shape measuring unit 200 irradiates a laser beam to the measuring point on the surface of the workpiece (P), reads the state of the reflected laser beam, and measures the height at the measuring point. It is preferable to be
  • the surface shape data ZD measured by the surface shape measuring unit 200 is displacement data on the Z-axis (height) at a plurality of measurement points
  • the control unit 400 receives the surface shape data ZD.
  • a plane in which a virtual fault plane made by connecting points of the same height among the plurality of measurement points is arranged at regular intervals in the Z-axis direction, which is the height direction, and an area protruding at the same height from the fault plane is determined as the planning processing area It is converted into data SD, and based on the surface data SD, the processing parameters input for the planning processing are transmitted to the laser processing unit 300 and driving is controlled.
  • the laser beam irradiated by the laser processing unit 300 during the planning process is preferably a femtosecond pulse laser having a wavelength of 580 nm or less and a pulse length of 270 fs to 700 fs.
  • the planning processing is sequentially processed from the planning processing area on the surface data SD of the uppermost layer to the planning processing area on the surface data SD of the lowest layer, but the laser processing part 300 is sequentially descending or It is preferable that the stage 110 is processed while ascending and descending sequentially in the Z-axis (height) direction.
  • the alignment state of the workpiece P seated on the position fixing part 100 and the processing state by the laser beam irradiated from the laser processing part 300 . may be further provided with an optical camera (CA) that can visually confirm the A gas supply device (G) may be further provided.
  • CA optical camera
  • a dust removal device (D) is further provided for removing processing dust generated during laser processing by the laser irradiation unit on the workpiece, and the dust removal device (D) is the stage It may include a negative pressure generating device (D1) for forming a negative pressure around the workpiece (P) on (110), and a filter (D2) for filtering the dust sucked by the negative pressure.
  • D1 negative pressure generating device
  • D2 filter
  • the stage 110 may further include a vibration-proof pad (V) having elasticity for canceling external vibration.
  • V vibration-proof pad
  • the laser beam used in the laser polishing process is preferably a femtosecond pulse laser having a wavelength of 580 nm or less and a pulse length of 270 fs to 700 fs.
  • laser polishing for improving surface roughness is performed after laser planning for planarizing the surface of a large-area workpiece using a femtosecond pulsed laser.
  • a method comprising: a processing preparation step (S1) of positioning and fixing a processing origin on a stage in order to process a surface of a large-area workpiece;
  • a surface shape measurement step (S2) of measuring the heights of a plurality of set points among the surface of the workpiece using a laser displacement sensor to measure the flatness, which is the smoothness of the surface of the workpiece, into data (S2);
  • the processing preparation step, the surface shape measurement step, the laser planning step, and the laser polishing step are performed while visually checking the state in which the laser beam is irradiated to the workpiece P in real time through an optical camera. .
  • the laser beam in the laser planning step is preferably a femtosecond pulse laser having a wavelength of 580 nm or less and a pulse length of 270 fs to 700 fs.
  • the laser planning step and the laser polishing step may be performed while removing processing dust generated during laser processing by negative pressure, and the workpiece may be a precision mold used for manufacturing electronic ceramics for lamination. .
  • the laser planning step and the laser polishing step may be performed while supplying a process gas to prevent a change in mechanical properties of the surface of the workpiece and generation of residual surface stress that may occur during laser processing, and the laser polishing step
  • the laser beam used may be a femtosecond pulse laser having a wavelength of 580 nm or less and a pulse length of 270 fs to 700 fs.
  • the present invention does not improve the surface roughness by melting the metal surface as in conventional laser polishing, but by irradiating the metal surface with a laser having a pulse length of femtoseconds to improve the surface roughness without thermal deformation on the surface of the workpiece.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional state before and after polishing implemented by a conventional laser polishing apparatus
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional state before and after the process implemented by the planning-polishing apparatus according to the present invention in contrast to Figure 1,
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a planning-polishing method using a femtosecond pulsed laser according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the processing process according to the flow chart of Figure 3,
  • FIG. 5 is a perspective view of a laser processing unit used in the planning-polishing apparatus of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing a connection state of the entire configuration of the planning-polishing apparatus of the present invention.
  • planing used in the present invention refers to the process of flattening the macroscopic contour height, and is a coined term made by the applicant to distinguish it from the polishing process, and Ra value and Ry for irregularities from a microscopic point of view Note that it is used in a different sense from polishing to decrease the value.
  • the processing precision in the planning process of the present invention is about 10 ⁇ m, and the polishing process has a processing precision of about 0.8 ⁇ m, and both processes are strictly separated and used.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the state of the material cross-section before and after processing by the conventional laser polishing operation
  • FIG. 2 is the state of the material cross-section before and after processing by the planning-polishing apparatus using the femtosecond pulse laser according to the present invention. It is a schematic diagram showing in comparison with
  • 1A shows the shape of a workpiece having a large-area plane, and a portion thereof is indicated by a dotted line.
  • the irregularities formed in the part A are formed over the entire surface of the workpiece regardless of the contour height shown in FIG. 1(b), and inevitably occur in the mechanical grinding process.
  • FIG. 1( c ) a state in which the unevenness formed in the portion A is greatly reduced after the conventional laser polishing process is expressed as A′.
  • the uneven mountain part melts due to heat melting by laser beam irradiation to fill the valley part, thereby reducing the overall height difference between the mountain and the valley, and the Ra and Ry values that determine the surface roughness this becomes less
  • part indicated by a solid line shows a state in which irregularities are reduced by laser polishing
  • the part indicated by a dotted line is laser polishing This is the concave-convex part that existed before.
  • the conventional laser polishing process improves the surface roughness by reducing the unevenness with a mechanism that fills the valleys while the acid part of the unevenness (A) is melted from a microscopic point of view. It can be seen that the mountain and valley parts of the unevenness change into a gentle curved shape (A'). as described.
  • FIG. 2 (a) to (d) are diagrams showing the surface change of a large-area planar workpiece achieved by the planning-polishing apparatus and method using the femtosecond pulse laser of the present invention shown to be contrasted with FIG. 1 .
  • Fig. 2 (c) unlike Fig. 1 (c), the contour height in a macroscopic point of view is flattened by the planning process according to the present invention, and after planarization by the planning process, the concavo-convex part in the microscopic point of view It can be seen that the surface roughness is improved by laser polishing.
  • the laser polishing according to the present invention is clearly distinguished from the conventional laser polishing process in that, since the femtosecond pulse laser is irradiated, the generation of heat is minimized and the acid part is separated by a physical blow.
  • Such a mechanism shows that the mountain part is not filled with the valley by heat melting, but the shape of the mountain part is cut out, as shown in the extreme in FIG. 2(d).
  • the greatest feature of the present invention is that heat generation is minimized, so that thermal deformation hardly occurs on the surface of the workpiece, the mechanical properties of the workpiece hardly change, and residual stress due to heat does not occur.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a planning-polishing method using a femtosecond pulse laser of the present invention step by step
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a process step by step.
  • the processing is prepared (S1) by positioning and fixing the workpiece (P) at the processing origin on the stage (110).
  • the stage 110 is a rectangle on which the workpiece P can be seated, and since the interior angle is a right angle, it is easy to set the processing origin.
  • the position of the workpiece is not changed during processing by seating the workpiece at the processing origin on the stage 110 and fixing the position of the workpiece using a fixing jig 120 (not shown).
  • a moving means 130 that can move the stage 110 in the X-axis, Y-axis and/or Z-axis (height) direction, but in the embodiment of the present application, instead of moving the stage 110, the laser A case in which the processing unit 300 moves in the X-axis, Y-axis and/or Z-axis (height) direction will be described.
  • the fixing jig 120 is a means capable of fixing the position of the workpiece on the stage 110 , a specific shape or material is not particularly limited.
  • the stage 110 is a planar workpiece having a high degree of flatness, and is a metal material having high strength and hardness, but is not particularly limited as long as it is a material that is not affected by temperature, such as a ceramic material.
  • the surface shape measurement step (S2) is to measure the height at a plurality of measurement points arbitrarily determined over the entire surface of the workpiece P, and dataize this measurement value. This is the step of acquiring data on the surface shape.
  • a total of 24 points are arbitrarily designated as eight points on the horizontal axis and three points on the vertical axis, and the height on the Z-axis at that point is measured.
  • the height on the Z-axis is measured by irradiating a laser beam on the surface of the workpiece by a laser displacement sensor, observing the reflected laser beam, and as a result, the surface shape data value as shown in the figure on the right is acquired.
  • This surface shape data (ZD) value is a concept similar to the coordinates on the Z-axis (height direction axis), and represents a simple Z-axis height such as 0, 1, 3, 5, 9, and the like.
  • This data value is converted into a simple digital number through calculations such as rounding, rounding off, and rounding up within the range already set according to conditions such as processing amount or precision.
  • the central part of the workpiece has a slightly exaggerated convex surface shape, but in reality, it is a minute height difference of about 10 micrometers in consideration of the precision of the mechanical grinding process.
  • such a surface shape is expressed in terms of contour height from a macroscopic point of view, which is a completely different concept from the unevenness from a microscopic point of view that determines the surface roughness.
  • One of the important features of the present invention is that the process of flattening the contour height from a macroscopic point of view and a process of alleviating irregularities from a microscopic point of view for determining surface roughness are sequentially performed by the same device.
  • a virtual virtual Arrange the fault planes so that they have regular intervals.
  • this tomographic plane is referred to as plane data.
  • the distance between the virtual tomographic planes can be set according to the required precision of the workpiece, and the thickness of the virtual tomographic plane itself can also be arbitrarily set.
  • the portion protruding at the same height from each of the tomographic surfaces becomes a planning processing area for flattening the contour height from a macroscopic point of view, and the size or thickness of the planning processing area Determine the parameters for laser processing in consideration of various circumstances such as
  • processing parameters include laser wavelength, repetition rate, average power, laser overlap rate, beam focal length, beam diameter, focal quality, scan speed, and processing speed.
  • the planning processing area is an area protruding from the plurality of surface data, and is automatically determined by the input program of the control unit, and this information is transmitted to the laser processing unit that directly performs the planning processing.
  • the control unit 400 determines the planning processing area based on the surface data generated as described above, and sets the planning processing area to the coordinates on the X and Y axes so that the laser processing unit 300 can move to the determined planning processing area. It calculates and controls the driving to move the laser processing unit 300 to the corresponding position.
  • the coordinates on the X-axis and the Y-axis, which are the processing areas on each surface data, may be calculated and changed by the controller 400, respectively.
  • the information and processing area are transmitted from the control unit to the laser processing unit. You will be able to decide and control yourself.
  • the laser processing unit applies a predetermined processing parameter to the planning processing area determined in the above step (S3) and irradiates a laser beam in a predetermined pattern on the surface of the workpiece.
  • a laser planning process (S4) for flattening the contour height is performed.
  • the left figure of FIG. 4 (c) is a laser planning process (S4) by driving the laser processing unit 300 to the corresponding area based on any one of the plurality of surface data during the laser planning process (S4) to irradiate the laser with a line pattern and process It shows how
  • the irradiation pattern of the laser beam can be variously changed, and the planning process is sequentially performed from the uppermost surface data to the lowermost surface data.
  • the planning process may be set to be performed while moving along the Z-axis by the thickness of one surface set between each surface data, and the laser processing unit 300 is lowered or staged so as to be performed while moving by the interval between each surface data. (110) rises.
  • the laser processing unit is lowered by the interval between the plane data.
  • FIG. 4(c) schematically shows a state in which the height of the contour line is flattened from a macroscopic point of view by the completion of the laser planning process (S4) and the removal of the surface shape.
  • the laser beam irradiated in the laser planning process (S4) is mainly used as a femtosecond pulse laser because the present invention is a processing mechanism that causes physical detachment by a femtosecond pulse laser, not a mechanism that melts the workpiece.
  • the laser beam used in this embodiment has a wavelength of 515 nm or less, which is 580 nm excluding the IR region, in order to minimize thermal deformation on the surface of the workpiece, and 700 fs among femtosecond pulse lasers having a pulse length of 270 fs to 700 fs.
  • a femtosecond pulsed laser was used.
  • the repetition rate is 250 kHz to 450 kHz
  • the beam size has a diameter of 2.5 mm to 3.5 mm
  • the energy per pulse is 200 ⁇ J to 500 ⁇ J of processing parameters.
  • the processing status can be observed in real time while the laser planning process is in progress, and processing conditions such as the degree of processing or processing parameters can be adjusted as necessary. be able to
  • a laser polishing step ( S5 ) for reducing microscopic irregularities in order to improve the surface roughness of the workpiece is performed.
  • the laser polishing step (S5) in the present invention is also made by irradiation of a laser beam of the laser processing unit, and the laser beam used in the laser polishing step (S5) is the same as the laser beam used in the laser planning step (S4) don't
  • the laser beam used for laser polishing is a more precise operation with a much smaller amount of processing than the laser beam used in the planning process by changing the output and repetition rate.
  • the polishing process refers to a process for implementing a surface roughness of 0.8 ⁇ m or less in terms of Ra.
  • this laser polishing step (S5) is a precision finishing process that is performed as a post-process in a state in which the surface has already been planarized by the above planning process, the degree of processing is very fine.
  • Another important feature of the present invention is that it is a process of reducing irregularities from a microscopic point of view, but it is distinguished from conventional laser polishing in that only the acid part is selectively cut (etched) out of the irregularities.
  • both the flatness and the surface roughness can be dramatically improved without changing the mechanical properties of the workpiece by the process of flattening the height from the macroscopic point of view and selectively removing only the mountain part of the unevenness from the microscopic point of view. do.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a planning-polishing apparatus using a femtosecond pulse laser according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a connection structure of the apparatus of FIG. 5 .
  • the planning-polishing apparatus using a femtosecond pulse laser of the present invention provides laser processing and transport while being firmly fixed by the position fixing unit 100 for fixing the position of the workpiece P. becomes this
  • the position fixing part 100 includes a stage 110 on which the workpiece P is seated, and a fixing jig 120 (not shown) for fixing the workpiece P on the stage 110, and the It consists of a moving means 130 (not shown) for moving the stage 110 in the X-axis and Y-axis.
  • the moving means 130 in this embodiment uses a linear motor that moves along each axis so as to be able to move in the X-axis and Y-axis directions, and uses a servo motor in the Z-axis (height) direction. Specific specifications or types of the means 130 can be modified as much as possible.
  • the moving means 130 may move the laser processing unit 300 , and in some cases may move the stage 110 .
  • the workpiece P in this embodiment is a hexahedral shape having a large-area surface, and shows a multilayer electronic ceramic, for example, a mold for laminating MLCC.
  • a laser processing unit 300 for irradiating a laser beam is positioned on the upper side of the object to be processed (P).
  • the laser processing unit 300 is disposed between the generator 310 for generating a laser beam, the beam expander 320, the first reflector 330a, the second reflector 330b, and the upper reflectors 330a and 330b. It is composed of a beam shutter 340 and a scanner 350 for irradiating a laser beam to the workpiece (P).
  • the generator 310 is a configuration for generating a laser beam, and the wavelength band of the laser beam in this embodiment has a wavelength band of a green region of 515 nm capable of maximally suppressing heat absorption to the workpiece P.
  • a laser beam commonly used is a laser in the near-infrared (NIR) region having a wavelength of about 1064 nm, and the laser used in the present invention has a high thermal effect, so the laser used in the present invention is 530, which is about 1/2 the wavelength of the laser that resolves in the near-infrared region. It has wavelengths around nm.
  • NIR near-infrared
  • the present applicant has confirmed that the laser having a wavelength of 580 nm or less has significantly less thermal effect, and predicts that it will be more advantageous to use a laser having a shorter wavelength according to the development of laser technology in the future.
  • the laser beam is emitted from the generator 310 to the beam expander 320, the beam expander 320 can be adjusted to enlarge or reduce the size of the laser beam, and the size is adjusted through the beam expander 320.
  • the laser beam is reflected in a right angle direction through the first reflector 330a and the second reflector 330b and is emitted to the scanner 350 .
  • An interchangeable f-lens is provided inside the scanner 350, and a clear laser beam can be emitted by compensating for the ⁇ f value (focal factor) while moving along the Z-axis (height).
  • a beam shutter 340 having an on/off function is provided between the first reflector 330a and the second reflector 330b, and a function of blocking or passing the laser beam emitted through the first reflector 330a. It is possible to align the laser beam by performing
  • a laser displacement sensor which is a surface shape measuring unit 200 that converts and transmits the shape into data, is provided.
  • This laser displacement sensor is configured to measure the distance from the reference point to the measurement point by recognizing the state change of the emitted laser beam and the reflected laser beam using the straightness of the laser beam.
  • Distance precision of the laser displacement sensor used in this embodiment is about 0.1 ⁇ m.
  • This laser displacement sensor is a component that measures the height of the contour line from a macroscopic point of view of the surface of the workpiece, digitized as a relative height on the Z-axis at a plurality of measurement points already set, and transmitted to the control unit 400 .
  • the control unit 400 receives the surface shape data ZD obtained from the surface shape measurement unit 200 and generates a plurality of surface data SD including two or more points of the same height on the data ZD. and the area protruding from the surface data SD is determined as the planning processing area.
  • the number of the surface data SD may be variously set based on the value of the surface shape data ZD according to the deviation thereof, the precision of processing, the degree of processing, and the like.
  • 10 surface data SD may be generated by dividing 1 ⁇ m into 10 equal parts, and 5 pieces of 2 ⁇ m each may be generated. Surface data SD may be generated.
  • control unit 400 determines a plurality of planning processing areas having the same protrusion height due to the surface data SD, and transmits information about the processing areas to the laser processing unit 300 and, at the same time, the writing force By transmitting the processing parameters to the laser processing unit 300 to control the driving of the laser processing unit 300 to perform the planning process.
  • the control unit 400 determines the planning processing area based on the surface data generated as described above, and calculates the planning processing area with coordinates on the X and Y axes so that the laser processing unit can move to the determined planning processing area, and the corresponding position Controls the drive that moves the laser processing unit.
  • the coordinates on the X-axis and the Y-axis, which are the processing areas on each surface data, may be calculated and changed by the controller 400, respectively.
  • the laser beam used in the laser planning process in this embodiment has a wavelength of about 515 nm, avoiding the near-infrared (NIR) region, which has a high heat absorption rate to metal and a resonant frequency band, of which green has a wavelength of 515 nm.
  • NIR near-infrared
  • a femtosecond pulse laser having a pulse length of 270 fs to 700 fs was used.
  • the upper limit of the wavelength band of the laser beam for achieving the object of the present invention is 580 nm, and it is expected that the shorter the wavelength, the more advantageous.
  • the workpiece To perform a planning process to planarize the surface of P.
  • the above laser planning process is sequentially performed with a predetermined processing depth from the surface data of the uppermost layer to the surface data of the lowest layer.
  • the laser processing unit 300 is sequentially descended or the stage 110 is ascended and descended sequentially, but in this embodiment, the laser processing unit 300 proceeds while descending.
  • a laser polishing process of improving surface roughness by reducing irregularities in a microscopic view is followed by flattening the contour height in a macroscopic point of view.
  • the laser polishing of the present invention uses a femtosecond pulse laser that physically exfoliates, rather than thermally melts, particles on the metal surface, rather than a mechanism that melts acid by thermal melting to fill the valleys. It is a mechanism for reducing irregularities by selectively etching only a portion.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing a connection state of the overall configuration of the planning-polishing apparatus using a femtosecond pulse laser according to the present invention.
  • two linear motors LM and one servo motor are connected to move the stage 110 of the position fixing unit 100 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively.
  • a rubber anti-vibration pad (V) for canceling vibration from the outside is connected.
  • the anti-vibration pad (V) does not necessarily have to be made of a rubber material, and as long as it can absorb and cancel vibrations like an air suspension, it is okay.
  • a supply gas supply device (G) for supplying an inert gas such as Hel rate or argon or a process gas such as nitrogen, oxygen and air to the upper side of the workpiece P to prevent chemical changes that may occur during laser processing is further provided, and the supply gas supply device (G) includes a blower for blowing gas and a valve for controlling supply of the supply gas.
  • a dust removal device (D) for removing dust that may be generated during processing is provided at the lower portion of the stage 110, and in this embodiment, a negative pressure is formed around the work piece (P) to form a dust It includes a negative pressure generator (D1), which is a vacuum pump that can suck in, a dust filter (D2) for filtering the dust sucked in by the vacuum pump, and a valve for controlling the negative pressure by the vacuum pump. .
  • the laser processing unit 300 shown in FIG. 6 is slightly different from FIG. 5 in that the beam shutter 340 is shown disposed between the second reflector 330b and the scanner 350, but the beam shutter 340 is a configuration for blocking or passing the laser beam, which can be modified as much as possible depending on the use and location of the reflector.

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Abstract

본 발명은 대면적 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 장치로서, 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와; 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와; 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하고, 상기 플래닝 공정 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및, 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 상기 플래닝 가공을 위한 면데이터(SD)로 변환하고, 상기 면데이터(SD)에 의해 결정된 가공영역에 대하여 입력된 가공 파라미터들을 적용하여 상기 레이저가공부(300)가 플래닝하도록 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.

Description

펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법
본 발명은 펨토초 펄스 레이저를 이용하는 플래닝-폴리싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층형 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형과 같은 대면적 평면가공물의 평탄도를 구현하는 플래닝 공정을 수행한 다음에 대면적의 평면가공물의 표면거칠기(surface roughness)를 향상시키기 위한 폴리싱 공정을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
넓은 의미의 연삭가공은 피가공물의 표면형상을 다양한 방법에 의해 평활하게 하고 표면거칠기를 향상시키는 가공방법을 말한다.
이 중에 피가공물의 표면을 평활하게 하는 연삭은 미세한 숫돌입자의 마찰에 의한 그라인딩(grinding)을 통해 이루어지고, 표면의 조도를 향상시키는 방법으로는 천, 가죽, 펠트 등으로 만들어진 버프(buff)에 연마재를 사용하는 폴리싱(polishing)작업을 통해 이루어지는 것이 일반적이다.
특히, 폴리싱작업은 기계적, 전기적 또는 화학적 메카니즘을 통해 이루어진다.
기계적 폴리싱 방법은 작업가능한 피가공물의 형상이 제한적이고, 작업소요시간이 길며, 연삭숫돌에 칩이 끼는 눈메움(loading) 현상에 의해 피가공물의 표면 거칠기가 불균일하게 되고, 사용되는 가공유에 의해 작업환경을 악화시키고, 가공유의 폐기처리로 인한 환경오염을 발생시킬 뿐만 아니라, 향후 환경문제로 인한 법적 규제의 강화로 작업비용이 크게 증가할 가능성이 높다.
기계적 폴리싱 방법 이외에 전기적 또는 화학적 방법이 있으나, 이는 선택적 영역만을 폴리싱할 수 없으며, 원하는 표면 거칠기를 얻기 위한 정밀한 작업에 제약이 따르고, 사용되는 화학약품에 의해 작업환경을 악화시키고 환경오염문제가 여전히 발생하기 때문에 최근에는 정밀한 공정이 가능하고 작업시간도 단축시킬 수 있으면서도 친환경적인 레이저를 이용한 폴리싱 시스템이 주목을 받고 있다.
이러한, 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱 방법으로서, 특허문헌 1 (한국특허공보 제10-1594688호. 2016.02.17. 공고)의 레이저 폴리싱에 의한 전자소자용 금속기판의 표면처리방법, 특허문헌 2 (한국특허공보 제10-1358332호. 2014.02.06. 공고)의 레이저를 이용한 금속 표면 폴리싱 방법, 특허문헌 3 (한국특허공보 제10-2094556호. 2020.03.30. 공고)의 레이저 폴리싱 시스템이 개시된 바 있다.
특허문헌 1의 레이저 폴리싱 방법은, 전자소자로 사용되는 기판의 표면거칠기를 향상시키기 위해 레이저를 사용하는 방법으로서, 압연 공정을 거쳐 제조된 금속기판의 표면거칠기(Rz)를 측정하는 단계; 및 금속기판의 표면에 수직방향으로 레이저를 10 내지 500 mm/sec의 진행속도로 조사하여 금속기판의 표면을 평탄화하는 단계를 포함하고, 레이저는 파장이 100 nm 이상이고, 측정한 금속기판의 표면거칠기 미만인 것을 특징으로 한다.
특허문헌 2의 레이저를 이용한 금속표면 폴리싱 방법은, 금속 표면에 산화방지를 위한 코팅막을 형성하는 단계; 코팅막의 형성 후 상기 코팅막을 경화하는 단계; 코팅된 금속 표면에 금속 표면의 융용이 일어나도록 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 금속 표면의 용융 후 금속 표면으로부터 후 상기 코팅막을 제거하는 단계;를 포함하여 산화방지를 위해 사용하는 불활성가스의 분사를 위한 챔버를 생략할 수 있는 장점이 있다.
또한, 특허문헌 3의 레이저 폴리싱 시스템은, 가열 수단에 의해 유리 생산 및 제조에 적합한 적정 온도로 예열된 유리 기판의 온도를 일정하게 제어하며 유리 엣지면의 연마를 가능하게 가열수단을 갖춘 레이저 폴리싱 시스템에 관한 것이다.
그러나, 위 특허문헌 1 내지 3 등의 종래기술들은 폴리싱을 위해 레이저를 사용하고는 있으나, 공통적으로 레이저가 피가공물의 표면에 조사(irradiation)되면서 발생하는 열에 의해 피가공물의 표면요철을 용융시켜 산과 골의 높이차를 줄이는 메카니즘으로 표면 거칠기를 향상시키고 있다.
따라서, 위와 같은 종래의 레이저 폴리싱은 표면이 열에 의해 녹기 때문에 용융(melting)된 금속이 다시 재결정화(recrystallization)가 되면서 표면의 미세조직과 표면의 경도(hardness)가 변하고 표면의 잔류응력이 발생하기 때문에 높은 하중이 반복적으로 인가되는 가압금형에는 적용할 수 없다는 기술적 한계가 있다.
특히, 사용목적에 맞는 경도, 강도, 인성, 연성 등을 포함한 기계적 성질을 생성시킨 후에 마무리 공정으로서 표면에 대한 폴리싱 작업을 수행하는 경우라면, 표면의 기계적 성질 및 표면의 잔류응력 생성은 사용상의 치명적인 결함이 될 수 밖에 없다.
종래의 레이저 폴리싱 작업에 의하면, 표면 거칠기의 측정값인 Ra나 Ry값 등은 어느 정도의 향상을 기대할 수 있지만 피가공물의 표면에 거시적인 굴곡이 있는 경우, 예를 들면 표면 연삭공정에서 기계적 오차에 의해 피가공물의 표면형상이 등고선적으로 산과 골이 형성된 굴곡이 형성된 경우라면 표면의 거칠기만을 어느 정도 향상시킬 수 있을 뿐이고 마이크로 스케일 정도의 평탄도에 대한 향상은 전혀 기대하기 어렵다는 한계가 있다.
다만, 피가공물의 표면에 등고선적인 굴곡이 있는 경우라도 거시적인 산부분만을 선택적으로 높은 출력의 레이저로 조사하는 방법이 가능할 수는 있겠지만, 조사되는 레이저의 초점을 산부분에만 정확하게 집중시키는 초점제어가 현실적으로 어려울 뿐만 아니라 이 또한 높은 출력의 레이저빔에 의해 금속표면을 용융시킴으로써 열적변형을 발생시키는 것이므로 기계적 성질의 변화, 표면 잔류응력 생성 등에 의한 크랙 발생 및 치수변화 등 피가공물의 성능에 치명적인 문제를 야기할 수 있는 문제점은 여전히 해결하지 못한다.
특히, 이러한 문제점은 적층형 전자세라믹 부품을 생산하기 위해 사용되는 버큠플레이트(vacuum plate) 금형과 같이, 수십톤-수백톤의 하중이 수십만번-수백만번에 걸쳐 반복적으로 작용하는 대면적의 평면가공물이라면, 레이저 폴리싱 과정에서 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력이 생성되어서는 아니되고, 이와 더불어 고도의 평탄도 및 표면 거칠기가 요구되기 때문에 종래의 레이저 폴리싱 방법에 의한 표면 거칠기의 향상만으로 도저히 대처할 수 없는 실정에 이르렀다.
선행기술문헌
특허문헌
특허문헌 1: 한국특허공보 제10-1594688호. 2016.02.17. 공고.
특허문헌 2: 한국특허공보 제10-1358332호. 2014.02.06. 공고.
특허문헌 3: 한국특허공보 제10-2094556호. 2020.03.30. 공고.
본 발명은 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 피코초나 펨토초 펄스 레이저와 같은 펨토초를 갖는 레이저를 사용하여 비교적 대면적의 평면가공물의 표면을 평활하게 하는 플래닝 작업과, 표면거칠기를 향상시키는 폴리싱을 수행하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 레이저 폴리싱과 같이 금속표면을 용융시켜 표면거칠기를 향상시키는 것이 아니라 펨토초를 갖는 레이저를 금속표면에 조사함으로써 피가공물의 표면에 열적변형이 없이 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그뿐만 아니라, 표면의 미시적인 요철만을 가공하여 표면거칠기만을 향상시키는 것이 아니라, 금속표면에 조사되는 레이저의 출력을 간단하게 제어하는 것에 의해, 거시적인 등고선적 굴곡도 선택적으로 가공하여 표면의 평탄도를 신속하게 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이 또다른 본 발명의 목적이다.
상기와 같은 기술적 목적을 가진 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치는, 대면적의 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 장치로서, 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와; 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와; 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하고, 상기 플래닝 공정 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및, 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 상기 플래닝 가공을 위한 면데이터(SD)로 변환하고, 상기 면데이터(SD)에 의해 결정된 가공영역에 대하여 입력된 가공 파라미터들을 적용하여 상기 레이저가공부(300)가 플래닝하도록 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 표면형상 측정부(200)는, 레이저빔을 상기 피가공물(P) 표면의 상기 측정지점에 조사하여 반사되는 레이저빔의 상태를 판독하여 상기 측정지점에서의 높낮이를 측정하는 레이저변위센서인 것이 바람직하다.
또한, 상기 표면형상 측정부(200)에서 측정한 표면형상 데이터(ZD)는 다수의 측정지점에서의 Z축(높이)상의 변위 데이터로서, 상기 제어부(400)는 상기 표면형상 데이터(ZD)를 상기 다수의 측정지점 중 높이가 같은 점들을 이어 만든 가상의 단층면을 높이방향인 Z축방향으로 일정한 간격으로 배열한 상태로 두고 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 영역을 상기 플래닝 가공영역으로 결정하는 면데이터(SD)로 변환하며, 상기 면데이터(SD)를 기초로 하여 상기 플래닝가공을 위해 입력된 상기 가공 파라미터를 상기 레이저가공부(300)에 전송하고 구동을 제어한다.
여기서, 상기 레이저가공부(300)에서 상기 플래닝 공정시 조사하는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
또한, 상기 플래닝가공은, 최상층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝가공영역부터 최하층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝가공영역까지 순차대로 가공하되, 상기 레이저가공부(300)가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지(110)가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 가공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저가공부(300)의 일측에는, 상기 위치고정부(100)에 안착되는 상기 피가공물(P)의 정렬상태와, 상기 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의한 가공 상태를 실시간으로 육안확인할 수 있는 광학카메라(CA)가 더 구비될 수 있으며, 상기 피가공물(P)의 상부에는 상기 레이저조사부(300)에 의한 레이저 가공시에 사용되는 공정가스를 제어하여 공급하는 공정가스공급장치(G)가 더 구비될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 피가공물에 대하여 상기 레이저조사부에 의한 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 더 구비되는 것이 바람직하며, 상기 분진제거장치(D)는, 상기 스테이지(110) 상의 상기 피가공물(P) 주변에 음압을 형성시키는 음압발생장치(D1)와, 상기 음압에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 필터(D2)를 포함하는 것일 수 있다.
게다가, 상기 스테이지(110)에는 외부의 진동을 상쇄시키기 위한 탄성을 가진 방진패드(V)가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 레이저 폴리싱 가공에서 사용되는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이며, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
또다른 일시예에 의한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법으로서, 대면적 피가공물의 표면을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 평탄화하는 레이저 플래닝 이후에 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱을 수행하는 방법에 있어서, 대면적의 피가공물의 표면을 가공하기 위해 상기 피가공물을 스테이지 상의 가공 원점에 위치시키고 고정시키는 가공준비단계(S1)와; 상기 피가공물 표면의 평활한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물 표면 중 설정된 다수 지점의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)와;상기 표면형상측정 단계를 거쳐 획득한 상기 표면형상 데이터를 기초로 하여 높이가 동일한 점들을 이어 생기는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한 다수개의 면데이터로 변환하고, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분을 플래닝 가공영역으로 결정하고, 상기 플래닝 가공을 위한 가공 파라미터를 결정하여 입력하는 단계(S3)와; 상기 면데이터를 기초로 결정되는 상기 플래닝가공영역에 대하여 상기 가공 파라미터를 적용하여 소정의 패턴으로 레이저빔을 조사함으로써 피가공물의 표면을 평탄화하는 레이저 플래닝 단계(S4); 및 상기 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용된 레이저빔에 비해 낮은 출력의 레이저빔을 조사하여 상기 피가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키는 레이저 폴리싱 단계(S5);를 포함하여 구성된다.
상기 가공준비단계, 상기 표면형상측정단계, 상기 레이저 플래닝단계 및 상기 레이저 폴리싱단계는, 레이저빔이 상기 피가공물(P)에 조사되는 상태를 광학카메라를 통해 실시간으로 육안확인하면서 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 레이저 플래닝단계는, 상기 레이저가공부가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 상기 다수개의 면데이터에서 최상층의 면데이터 상의 상기 플래닝가공영역으로부터 최하층의 면데이터 상의 플래닝가공영역까지 차례대로 수행하는 것이 바람직하며, 상기 레이저 플래닝단계의 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것이 바람직하다.
이때, 상기 레이저 플래닝단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 음압에 의해 제거하면서 수행할 수 있고, 상기 피가공물이 적층용 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형인 것일 수 있다.
상기 레이저 플래닝 단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생할 수 있는 피가공물 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력의 생성을 방지하기 위한 공정가스를 공급하면서 수행할 수 있으며, 상기 레이저 폴리싱단계에서 사용하는 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 플래닝-폴리싱 장치에 따르면, 피코초나 펨토초 펄스 레이저와 같은 펨토초의 펄스길이를 갖는 레이저를 사용하여 비교적 대면적의 평면가공물의 표면을 평활하게 하는 플래닝 작업과, 표면거칠기를 향상시키는 폴리싱을 함께 수행하므로 가공오차를 획기적으로 줄이면서도 생산성을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 레이저 폴리싱과 같이 금속표면을 용융시켜 표면거칠기를 향상시키는 것이 아니라 펨토초의 펄스길이를 갖는 레이저를 금속표면에 조사함으로써 피가공물의 표면에 열적변형이 없이 표면거칠기를 향상시킬 수 있다.
그뿐만 아니라, 표면의 미시적인 요철만을 가공하여 표면거칠기만을 향상시키는 것이 아니라, 금속표면에 조사되는 레이저의 출력을 간단하게 제어하는 것에 의해, 거시적인 등고선적 굴곡도 높은 부분만을 선택적으로 가공하여 표면의 평탄도를 신속하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
-도 1은 종래의 레이저 폴리싱 장치에 의해 구현되는 폴리싱 전후의 단면상태를 보여주는 모식도이고,
-도 2는 도 1과 대비되는 본 발명에 따른 플래닝-폴리싱 장치에 의해 구현되는 공정 전후의 단면상태를 보여주는 모식도이고,
-도 3은 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 4는 도 3의 흐름도에 따른 가공프로세스를 보여주는 모식도이며,
도 5는 본 발명의 플래닝-폴리싱 장치에 사용되는 레이저가공부의 사시도,
도 6는 본 발명의 플래닝-폴리싱 장치의 전체 구성의 연결상태를 보여주는 구성도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용하는 플래닝(planing)이라 함은 거시적인 등고선적 높낮이를 평탄화하는 과정을 의미하는 것으로서 본 출원인이 폴리싱공정과 구별되도록 만든 조어적 용어이며, 미시적 관점에서의 요철에 대한 Ra값 및 Ry값을 감소시키는 폴리싱과는 다른 의미로 사용됨을 밝혀둔다.
통상적으로 정밀연삭의 정밀도를 기준으로 보면, 본 발명의 플래닝 공정에서의 가공정도는 10 ㎛ 내외이며, 폴리싱 공정은 0.8 ㎛ 내외의 가공정도를 갖는 것으로 양 공정은 엄밀히 구분되어 사용된다.
도 1은 종래의 레이저 폴리싱 작업에 의한 공정 전후의 소재 단면의 상태를 보여주는 모식도이며, 도 2는 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치에 의한 가공 전후의 소재 단면의 상태를 도 1과 대비하여 보여주는 모식도이다.
도 1의 (a)는 대면적 평면을 갖는 피가공물의 형상을 나타내고 있으며, 일부분을 점선으로 표시하였다.
점선부분을 과장하여 확대하여 보면 도 1의 (b)와 같이, 중앙부분이 높게 형성되어 있으므로 거시적으로 굴곡이 형성되어 있음을 보여준다. 이러한 경우를 본 출원에서는 평탄도가 저하된 상태라고 한다.
도 1의 (b)에는, 임의의 두 지점(A)에서의 미시적인 표면상태를 과장해서 나타내었다. 즉, A부분을 확대해서 보면, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철이 형성되어 있음을 보여준다.
이 A부분에 형성된 요철은 도 1의 (b)에 도시한 등고선적인 높낮이에 무관하게 피가공물의 표면 전체에 걸쳐 형성되어 있으며, 기계적 연삭공정에서 필연적으로 발생할 수밖에 없다.
도 1의 (c)는 종래의 레이저 폴리싱 공정을 거치고 난 이후에 A부분에 형성된 요철이 크게 감소한 상태를 A'로 표현하고 있다.
레이저 폴리싱 공정 이전의 A부분에서 요철의 산부분이 레이저빔의 조사에 의한 열용융으로 인하여 녹아내림으로써 골부분을 메우게 되어 전체적으로 산과 골의 높이차가 줄게 되고 표면거칠기를 결정하는 Ra값과 Ry값이 적어진다.
그러나, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 폴리싱으로 인하여 표면거칠기는 상당히 향상되었지만, 거시적인 관점에서의 등고선적인 높낮이는 거의 변하지 않아 평탄도는 여전히 저하된 상태임을 알 수 있다.
도 1의 (d)는 종래의 레이저 폴리싱공정 전후의 A부분의 변화만를 단적으로 비교하여 보여주고 있으며, 실선으로 나타낸 부분이 레이저 폴리싱으로 요철이 감소된 상태를 보여주는 것이고, 점선으로 나타낸 부분이 레이저 폴리싱 이전에 존재하였던 요철부분이다.
도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 폴리싱 공정은, 미시적 관점에서의 요철(A) 중 산부분이 용융되면서 골부분을 메우는 메카니즘으로 요철을 감소시켜 표면거치리기를 향상시키고 있으므로 요철 중 산부분과 골부분이 완만한 곡선형태(A')로 변하는 것을 확인할 수 있으며, 용융으로 인한 피가공물의 표면이 열적변형에 의해 경도와 강도의 변화 및 표면의 잔류응력을 발생시키게 됨은 앞서 설명한 바와 같다.
도 2의 (a) 내지 (d)는 도 1과 대비되도록 도시한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치와 방법에 의해 달성되는 대면적 평면 피가공물의 표면변화를 도시한 도면이다.
도 2의 (a)와 (b)는 도 1의 (a) 및 (b)와 같이, 가공 이전의 상태를 도시하였으므로 중복설명은 생략한다.
도 2의 (c)는 도 1의 (c)와는 달리, 거시적 관점에서의 등고선적인 높낮이를 본 발명에 따른 플래닝가공에 의해 평탄화가 되어 있으며, 플래닝 가공에 의한 평탄화 이후에는 미시적 관점에서의 요철부분에 대한 레이저 폴리싱에 의해 표면거칠기를 향상시키고 있음을 알 수 있다.
도 2의 (c)에서 B'부분은 도 1의 (c)에서 A'부분과 달리 산부분이 열용융에 의해 녹아내려 골부분을 메우는 것이 아니라, 산부분이 깍여나간 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 레이저 폴리싱은 펨토초 펄스 레이저를 조사하기 때문에 열의 발생이 최소화되고 물리적인 타격에 의해 산부분이 떨어져 나가는 메카니즘이라는 점에서 종래의 레이저 폴리싱공정과는 확실히 구별된다.
이러한 메카니즘은 도 2의 (d)에 극단적으로 표현된 것과 같이, 산부분이 열용융에 의해 골을 메우는 것이 아니라 산부분이 깍여나간 형상임을 보여준다.
따라서, 열발생이 최소화되므로 피가공물의 표면에 열적변형이 거의 생기지 않고, 피가공물의 기계적 성질이 거의 변하지 않을 뿐만 아니라 열에 의한 잔류응력이 발생하지 않는 것이 본 발명의 가장 큰 특징이다.
이하, 도 2에 도시된 피가공물의 표면변화를 이루기 위한 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 편의상 먼저 설명한 다음에 장치의 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법을 단계별로 기재한 흐름도이고, 도 4는 각 단계별 프로세서를 모식적으로 보여주는 도면이다.
먼저, 대면적의 피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)을 스테이지(110) 상의 가공 원점에 위치시키고 고정함으로써 가공을 준비(S1)한다.
스테이지(110)는 피가공물(P)이 안착될 수 있는 직사각형으로서 내각이 직각이므로 가공원점을 세팅하기에 수월하다.
스테이지(110) 상의 가공원점에 피가공물을 안착시키고 고정지그(120, 미도시)를 이용하여 피가공물의 위치를 고정함으로써 가공 중에 피가공물의 위치가 변하지 않도록 한다.
또한, 스테이지(110)를 X축, Y축 및/또는 Z축(높이)방향으로 이동시킬 수 있는 이동수단(130)이 있으나, 본 출원의 실시예에서는 스테이지(110)를 이동시키는 대신에 레이저가공부(300)가 X축, Y축 및/또는 Z축(높이)방향으로 이동하는 경우로 설명한다.
고정지그(120)는 스테이지(110) 상에 피가공물의 위치를 고정시킬 수 있는 수단이면 구체적인 형상이나 재질 등은 특별히 한정되지 않는다.
스테이지(110)는 고도의 평탄도를 가지는 평면가공물로서 강도와 경도가 높은 금속재질이지만 세라믹 재질과 같이 온도 등에 영향을 받지 않는 재질이면 특별히 한정되지 않는다.
실질적인 가공의 첫단계로서, 피가공물(P) 표면의 평탄한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물(P) 표면의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)로부터 시작한다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 표면형상의 측정단계(S2)는, 피가공물(P)의 표면 전체에 걸쳐 임의로 결정된 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하고 이 측정값을 데이터화하여 표면형상에 대한 데이터를 취득하는 단계이다.
도 4의 (a)에서는 가로축 상에서 8개 지점과 세로축으로 3개의 지점으로서 총 24개의 지점을 임의로 지정하여 그 지점에서의 Z축 상의 높이를 측정한다.
Z축 상의 높이는 레이저변위센서에 의해 레이저빔을 피가공물의 표면에 조사하여 반사되는 레이저빔을 관측하여 높이를 측정하고, 그 결과 우측 그림과 같은 표면형상 데이터값을 취득한다.
이 표면형상 데이터(ZD)값은 Z축(높이방향축) 상의 좌표와 유사한 개념인 것으로, 0, 1, 3, 5, 9 등과 같은 단순한 Z축 상의 높이를 나타낸다.
이 데이터값은 가공량이나 정밀도 등의 조건에 따라 이미 설정된 범위에서 반올림, 버림, 올림 등의 연산을 통해 단순한 디지털 수치로 환산한 것이다.
본 발명의 이해를 돕고자 피가공물의 중앙부분이 다소 과장되게 볼록한 표면형상을 취득한 것으로 도시하였으나, 실제로는 기계적 연삭공정의 정밀도를 감안하면 10 마이크로 내외의 미세한 높이차이다.
본 발명에서는 이러한 표면형상을 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이로 표현하며, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철과는 전혀 다른 개념이다.
본 발명의 중요한 특징 중 하나가 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하는 공정과, 표면거칠기를 결정하는 미시적 관점에서의 요철을 완화하는 공정이 동일한 장치에 의해 순차적으로 이루어진다는 점이다.
다음은, 위에서 설명한 표면형상 데이터(ZD)를 기초로 하여, 대면적의 평면 피가공물의 표면에 대한 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하기 위한 플래닝 가공영역의 결정단계(S3)과 레이저 플래닝 공정(S4)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 표면형상측정 단계(S2)를 거쳐 획득한 상기 표면형상 데이터(ZD)를 기초로 하여 Z축상의 높이가 동일한 2개 이상의 점들을 포함하는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한다.
본 발명에서는 이 단층면을 면데이터로 칭한다.
이 가상의 단층면 사이의 간격은 피가공물의 필요정밀도에 따라 설정할 수 있으며, 가상의 단층면 자체의 두께도 임의로 설정할 수 있다.
다수개로 적층 배열된 면데이터로 변환한 후, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분이 거시적인 관점에서의 등고선적 높낮이를 평탄화하기 위한 플래닝가공영역이 되는 것이고, 플래닝 가공영역의 크기나 두께 등의 제반 사정을 고려하여 레이저가공을 위한 파라미터를 결정한다.
위 가공 파라미터의 예로는, 레이저 파장, 반복율, 평균출력, 레이저 중첩율빔초점의 거리, 빔의 직경, 초점의 품질, 스캔속도, 피가공물의 이송속도 등이다.
상기 플래닝 가공영역은 위 다수개의 면데이터 상에서 돌출된 영역으로서 제어부의 입력 프로그램에 의해 자동으로 결정되며, 이 정보들은 플래닝 가공을 직접 수행하는 레이저가공부로 전송된다.
제어부(400)는 위에서 설명한 바와 같이 생성된 면데이터를 기준으로 플래닝 가공영역을 결정하며, 결정된 플래닝 가공영역으로 레이저 가공부(300)가 이동할 수 있도록 플래닝 가공영역을 X축, Y축 상의 좌표로 계산하여 해당 위치로 레이저 가공부(300)를 이동시키는 구동을 제어한다.
여기서, 각 면데이터 상의 플래닝 가공영역은 각기 다를 수 있기 때문에 각 면데이터 상의 가공영역이 되는 X축, Y축상의 좌표는 제어부(400)에 의해 각기 계산하여 변할 수 있는 것이다.
본 실시예에서는, 가공 파라미터를 결정하여 입력하면, 그 정보와 가공영역을 제어부에서 레이저 가공부로 전송하는 것으로 예시하였으나, 초기 가공조건에 관한 사항을 입력하면 제어부 자체의 프로그램에 의해 최적의 가공파라미터를 스스로 결정하고 조절할 수도 있을 것이다.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 가공부는 위 단계(S3)로 결정되는 플래닝 가공영역에 대하여 소정의 가공 파라미터를 적용하여 레이저빔을 일정 패턴으로 조사함으로써 피가공물의 표면에 대한 등고선적 높낮이를 평탄화하는 레이저 플래닝 공정(S4)을 수행한다.
도 4의 (c)의 왼쪽 그림은 레이저 플래닝 공정(S4) 시 다수의 면데이터 중 어느 하나의 면데이터를 기준으로 해당 영역으로 레이저 가공부(300)를 구동시켜 라인 패턴으로 레이저를 조사하여 가공하는 모습을 도시한 것이다.
레이저빔의 조사 패턴은 다양하게 변경할 수 있으며, 최상측의 면데이터로부터 최하측의 면데이터에 이르기까지 순차적으로 플래닝 공정을 수행한다.
이때, 각 면데이터 사이의 설정된 한개 면의 두께만큼씩 Z축상으로 이동하면서 플래닝 공정이 이루어지도록 설정할 수도 있고, 각 면데이터 사이의 간격만큼 이동하면서 이루어질 수 있도록 레이저 가공부(300)가 하강하거나 스테이지(110)가 상승한다.
본 실시예는 레이저의 초점거리가 일정하게 유지하는 경우로서 레이저 가공부가 면데이터 사이의 간격만큼 하강하는 경우이다.
도 4의 (c)의 우측 그림은 레이저 플래닝 공정(S4)가 완료되어 표면형상이 제거됨으로써 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이가 평탄화된 상태를 모식적으로 보여주고 있다.
레이저 플래닝 공정(S4)에 조사되는 레이저빔은, 본 발명이 피가공물을 용융시키는 메카니즘이 아닌 펨토초 펄스 레이저에 의한 물리적 탈락을 일으키는 메카니즘의 가공이므로 펨토초 펄스 레이저를 주로 사용한다.
본 실시예에서 사용하는 레이저빔은 피가공물 표면에 열적변형을 최소화하기 위해 IR영역을 제외한 580 nm이하인 515 nm의 파장을 가지고 있으며, 270 fs 내지는 700 fs의 펄스길이를 갖는 펨토초 펄스 레이저 중에 700 fs인 펨토초 펄스 레이저가 사용되었다.
또한, 반복률은 250 kHz 내지 450 kHz이며, 빔 사이즈는 2.5 mm 내지 3.5 mm의 직경을 가지고, 펄스당 에너지는 200 μJ 내지 500 μJ 의 가공파라미터를 적용하였다.
이때, 레이저 가공부의 일측에 설치된 광학카메라(CA)를 통해 레이저 플래닝 공정이 진행되는 동안 실시간으로 가공상태를 육안으로 관찰할 수 있으며, 필요에 따라서는 가공의 정도나 가공 파라미터 등의 가공조건을 조절할 수 있게 된다.
도 4의 (d)에 도시한 바와 같이, 레이저 플래닝 공정(S4) 이후에, 상기 피가공물의 표면 거칠기를 향상시키기 위해 미시적 관점에서의 요철을 감소시키기 위한 레이저폴리싱 단계(S5)를 수행한다.
본 발명에서의 레이저 폴리싱 단계(S5) 또한, 레이저 가공부의 레이저빔의 조사에 의해 이루어지며, 레이저 폴리싱 단계(S5)에서 사용되는 레이저빔은 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용되는 레이저빔과는 동일하지 않다.
즉, 레이저 폴리싱에 사용되는 레이저 빔은, 플래닝 공정에서 사용하는 레이저빔과는, 출력과 반복률을 변경함으로써 가공량이 훨씬 적고 정밀한 작업인 것이다.
통상적으로 폴리싱 공정은, Ra값으로 0.8 ㎛ 이하의 표면거칠기를 구현하는 공정을 말한다.
이 레이저 폴리싱 단계(S5)는 위 플래닝 공정에 의해 표면의 평탄화가 이미 이루어진 상태에서 후공정으로 진행되는 정밀 마무리 공정인 것이므로 가공의 정도가 매우 미세하다.
본 발명의 특징 중에 또 다른 중요한 특징이, 미시적 관점에서의 요철을 감소시키는 공정이면서도 요철 중에 산부분만을 선택적으로 깍아냄(식각)으로서 이루어진다는 것이 종래의 레이저 폴리싱과는 구별되는 점이다.
이로써, 거시적 관점에서의 높낮이를 평탄화하고, 미시적 관점에서의 요철의 산부분만을 선택적으로 제거하는 공정에 의해 피가공물의 기계적 성질을 변화시키지 않으면서 평탄도 및 표면거칠기를 모두 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치에 대하여 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5의 장치의 연결구조를 보여주는 계통도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치는, 피가공물(P)의 위치를 고정하기 위한 위치고정부(100)에 의해 견고하게 고정된 채로 레이저가공과 이송이 된다.
위 위치고정부(100)는 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120,미도시)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130,미도시)으로 이루어져 있다.
본 실시예에서의 이동수단(130)은, X축, Y축 방향으로 이동시킬 수 있도록 각 축을 따라 이동시키는 리니어모터를 사용하고, Z축(높이) 방향으로는 서보모터를 사용하고 있으나, 이동수단(130)의 구체적인 사양이나 종류는 얼마든지 변형 가능하다.
위 이동수단(130)은 레이저가공부(300)를 이동시킬 수도 있으며, 경우에 따라서는 스테이지(110)를 이동시킬 수도 있다.
본 실시예에서의 피가공물(P)은 대면적의 표면을 갖는 육면체형상으로서 적층형 전자세라믹, 예컨데, MLCC적층용 금형을 도시한 것이다.
피가공물(P)의 상측에는 레이저빔을 조사하는 레이저 가공부(300)가 위치하고 있다.
레이저 가공부(300)는, 레이저 빔을 발생시키는 제너레이터(310)와, 빔 익스펜더(320), 제1반사경(330a), 제2반사경(330b), 위 반사경(330a,330b)들 사이에 배치된 빔셔터(340) 및 레이저빔을 피가공물(P)에 조사하는 스캐너(350)로 구성되어 있다.
제너레이터(310)는 레이저 빔을 발생시키는 구성으로서 본 실시예에서의 레이저빔의 파장대는 피가공물(P)로의 열흡수율을 최대한 억제할 수 있는 515 nm인 그린 영역의 파장대를 가지고 있다.
현재 통상적으로 사용되는 레이저빔은 1064 nm 정도의 파장을 갖는 근적외선(NIR)영역의 레이저인데, 열영향이 높아 본 발명에서 사용하는 레이저는 위 근적외선 영역에 해상하는 레이저 파장의 1/2 정도인 530 nm 내외의 파장을 가진다.
따라서, 본 출원인은 580 nm 이하의 파장대를 갖는 레이저가 열영향이 확연히 적은 것을 확인하였으며, 향후 레이저 기술의 발전에 따라서는 이 보다 짧은 파장의 레이저를 사용하는 것이 더 유리할 것이라고 예측하고 있다.
레이저빔은 제너레이터(310)로부터 빔 익스펜더(320)으로 출사되는데, 빔 익스펜더(320)는 레이저빔의 크기를 확대하거나 축소할 수 있는 조절이 가능하며, 빔 익스펜더(320)을 통해 크기가 조절된 레이저빔은 제1반사경(330a)과 제2반사경(330b)을 통해 직각방향으로 반사되며 스캐너(350)로 출사된다.
스캐너(350)의 내부에는 교환식 f렌즈가 구비되어 있으며, Z축(높이)상으로 이동하면서 Δf값(초점계수)을 보상함으로써 선명한 레이저빔을 출사할 수 있게 된다.
한편, 제1반사경(330a)와 제2반사경(330b) 사이에는 온/오프 기능을 갖는 빔셔터(340)가 구비되어 있으며 제1반사경(330a)을 통해 출사되는 레이저빔을 차단하거나 통과시키는 기능을 수행함으로써 레이저빔을 정렬시킬 수 있다.
스캐너(350)의 일측에는 상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)인 레이저변위센서가 구비되어 있다.
이 레이저변위센서는 레이저빔의 직진성을 이용하여 출사된 레이저빔과 반사된 레이저빔의 상태변화를 인식하여 기준점으로부터 측정지점까지의 거리를 측정하는 구성으로서 본 실시예에서 사용한 레이저변위센서의 거리정밀도는 0.1 ㎛ 정도이다.
이 레이저변위센서는 피가공물 표면의 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이를 측정하는 구성으로서 이미 설정된 다수개의 측정지점에서의 Z축상의 상대적 높이로써 디지털화하여 제어부(400)로 전송한다.
제어부(400)는 상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)를 전송받아 그 데이터(ZD)상의 동일한 높이의 두개 이상의 점들을 포함하는 다수개의 면데이터(SD)를 생성하게 되며, 이 면데이터(SD)들로부터 돌출된 영역을 플래닝 가공영역으로 결정한다.
면데이터(SD)의 개수는 표면형상 데이터(ZD)값에 기초하여 그 편차와 가공의 정밀도, 가공의 정도 등에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
예를 들면, 측정된 표면형상 데이터(ZD) 상으로 최하점과 최상점 사이가 10 ㎛라고 가정하면, 1 ㎛씩 10등분하여 10개의 면데이터(SD)를 생성할 수도 있고, 2 ㎛씩 5개의 면데이터(SD)를 생성할 수도 있다.
따라서, 제어부(400)는 면데이터(SD)로 인하여 동일한 돌출높이를 가진 다수개의 플래닝 가공영역을 결정하게 되고, 이 가공영역에 대한 정보를 레이저가공부(300)에 전송함과 동시에, 기입력된 가공 파라미터들을 레이저가공부(300)에 전송함으로써 플래닝 공정을 수행하게끔 레어저가공부(300)의구동을 제어한다.
제어부(400)는 위에서 설명한 바와 같이 생성된 면데이터를 기준으로 플래닝 가공영역을 결정하며, 결정된 플래닝 가공영역으로 레이저 가공부가 이동할 수 있도록 플래닝 가공영역을 X축, Y축 상의 좌표로 계산하여 해당 위치로 레이저 가공부를 이동시키는 구동을 제어한다.
여기서, 각 면데이터 상의 플래닝 가공영역은 각기 다를 수 있기 때문에 각 면데이터 상의 가공영역이 되는 X축, Y축상의 좌표는 제어부(400)에 의해 각기 계산하여 변할 수 있는 것이다.
본 실시예에서의 레이저플래닝공정에 사용되는 레이저빔은, 파장이 515 nm 정도로서, 금속에의 열흡수율이 높고 공진주파수 대역인 근적외선(NIR)영역을 회피하였으며, 그 중 515 nm의 파장을 가진 그린 영역의 가시광선이고, 270 fs 내지는 700 fs의 펄스길이를 가지는 펨토초 펄스 레이저가 사용되었다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 레이저빔의 파장대는 상한이 580 nm이며, 파장이 짧을 수록 유리할 것으로 예상된다.
상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 생성된 면데이터(SD)로 결정되는 플래닝 가공영역에만 펨토초 펄스 레이저빔을 선택적으로 소정의 패턴으로 조사함으로써 피가공물(P)의 표면을 평탄화하는 플래닝 공정을 수행하는 것이다.
위 레이저플래닝 공정은 최상층의 면데이터로부터 최하층의 면데이터에 이르기까지 정해진 가공깊이로 순차적으로 수행된다.
Z축을 따라 순차적으로 위 레이저플래닝공정이 수행되기 때문에 레이저가공부(300)가 순차적으로 하강하거나, 스테이지(110)가 순차적으로 승강하는 경우가 모두 가능하지만, 본 실시예에서는 레이저가공부(300)가 하강하면서 진행한다.
이 레이저가공부(300)에 의해 플래닝공정이 완료되면, 거시적 관점에서의 등고선적 높낮이가 평탄화된 상태로, 미시적 관점에서의 요철을 감소시켜 표면거칠기를 향상시키는 레이저폴리싱 공정이 이어진다.
이 또한, 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의해 이루어지는데, 상기 레이저플래닝공정에 비해서는 가공의 정도가 매우 미세하기 때문에 조사되는 레이저빔의 펄스당 에너지 및 출력은 확연히 작다.
본 발명의 레이저 폴리싱은 종래의 레이저폴리싱과는 달리, 열용융에 의해 산을 녹여 골을 메우는 메카니즘이 아니라, 금속표면의 입자를 열융융시키는 것이 아니라 물리적으로 탈락시키는 펨토초 펄스 레이저를 사용하기 때문에 산부분만을 선택적으로 식각함으로써 요철을 감소시키는 메카니즘이다.
피가공물(P)이 예를 들어, MLCC적층용 정밀금형과 같이 큰 하중이 반복적으로 작용하는 경우에는 피가공물의 표면의 열적변형이나 기계적 성질의 변화는 사용상 치명적인 결함이 될 수 있으므로 본 발명에 따른 장치는 당업계에서 매우 획기적으로 인정받을 것이다.
도 6의 본 발명에 따른 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치의 전체 구성에 대한 연결상태를 보여주는 구성도이다.
앞서 설명한 구성에 대해서는 중복설명을 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 위치고정부(100)의 스테이지(110)를 X축, Y축, Z축으로 각각 이동시킬 수 있도록 2개의 리니어모터(LM)와 1개의 서보모터가 연결되어 있으며, 외부로부터의 진동을 상쇄시키기 위한 고무재질의 방진패드(V)가 연결되어 있다.
방진패드(V)는 반드시 고무재질일 필요는 없고, 에어서스펜션과 같이 진동을 흡수하고 상쇄시킬 수 있다면 무방하다.
또한, 피가공물(P)의 상측에는 레이저가공시 발생할 수 있는 화학적 변화를 방지하기 위해 헬률이나 아르곤과 같은 비활성기체나, 질소, 산소 및 공기와 같은 공정가스를 공급하기 위한 공급가스공급장치(G)가 더 구비되어 있고, 이 공급가스공급장치(G)는 가스를 블로우하는 블로우어와 공급가스의 공급을 제어하기 위한 밸브를 포함하고 있다.
그뿐만 아니라, 스테이지(110)의 하부에는 가공시에 발생할 수 있는 분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 구비되어 있으며, 본 실시예에서는 피가공물(P)의 주변에 음압을 형성하여 분진을 흡입할 수 있는 진공펌프인 음압발생장치(D1)과, 진공펌프에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 분진필터(D2)를 포함하며, 진공펌프에 의한 음압을 제어하기 위한 밸브도 포함되어 있다.
한편, 도 6에 도시된 레이저가공부(300)는, 빔셔터(340)가 제2반사경(330b)과 스캐너(350) 사이에 배치된 것으로 도시되어 도 5와는 다소 다르지만, 빔셔터(340)는 레이저빔을 차단 또는 통과시키기 위한 구성으로서 반사경의 사용유무 및 위치에 따라 얼마든지 변형 가능한 것이다.
이상, 본 발명의 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕고자 하는 것일뿐이고 본 발명의 기술적 범위를 한정하고자 하는 것이 아니다.
본 발명의 기술적 범위는 오직 특허청구범위에 의해서만 정해지는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고서도 당업자의 입장에서 다양한 변형이나 개조가 가능하며, 이러한 변형이나 개조 또한 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 물론이다.

Claims (18)

  1. 평면가공물을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 플래닝(planing)한 후에 표면거칠기를 향상시키기 위한 폴리싱을 수행하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치(1)에 있어서,
    피가공물(P)의 표면을 가공하기 위해 피가공물(P)이 안착되는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110) 상에 상기 피가공물(P)을 고정하기 위한 고정지그(120)와, 상기 스테이지(110)를 X축, Y축으로 이동시키기 위한 이동수단(130)을 구비하는 위치고정부(100)와;
    상기 피가공물(P)의 표면 평탄도를 측정하기 위해 상기 피가공물(P)의 표면 상에 정해진 다수의 측정지점에서의 높낮이를 측정하여 상기 피가공물(P)의 표면형상을 데이터화하여 전송하는 표면형상 측정부(200)와;
    상기 표면형상 측정부(200)로부터 획득한 표면형상 데이터(ZD)에 기초하여 상기 펨토초 펄스 레이저를 가공영역에만 선택적으로 조사하여 평탄화하는 플래닝 가공을 수행하고, 상기 플래닝 가공 이후에 가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키기 위해 또다른 소정 출력의 펨토초 펄스 레이저를 조사하여 요철을 감소시키기 위한 폴리싱을 수행하는 레이저 가공부(300); 및,
    상기 표면형상 측정부(200)에서 측정한 표면형상 데이터(ZD)는 다수의 측정지점에서의 Z축(높이)상의 변위 데이터로서, 상기 표면형상 데이터(ZD)를 상기 다수의 측정지점 중 높이가 같은 점들을 이어 만든 가상의 단층면을 높이방향으로 일정한 간격으로 배열한 상태로 두고 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 영역을 플래닝 가공영역으로 결정하는 면데이터(SD)로 변환하며, 상기 면데이터(SD)를 기초로 하여 상기 플래닝 가공을 위해 입력된 가공 파라미터를 상기 레이저 가공부(300)에 전송하고 상기 레이저 가공부(300)의 구동을 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면형상 측정부(200)는, 레이저빔을 상기 피가공물(P) 표면의 상기 측정지점에 조사하여 반사되는 레이저빔의 상태를 판독하여 상기 측정지점에서의 높낮이를 측정하는 레이저변위센서인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 가공부(300)에서 상기 플래닝 가공시에 조사하는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플래닝 가공은, 최상층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝 가공영역부터 최하층의 면데이터(SD) 상의 상기 플래닝 가공영역까지 순차대로 가공하되, 상기 레이저 가공부(300)가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지(110)가 Z축방향으로 순차적으로 승강하면서 가공하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저가공부(300)의 일측에는, 상기 위치고정부(100)에 안착되는 상기 피가공물(P)의 정렬상태와, 상기 레이저가공부(300)에서 조사되는 레이저빔에 의한 가공 상태를 실시간으로 육안확인할 수 있는 광학카메라(CA)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물(P)의 상부에는 상기 레이저 가공부(300)에 의한 레이저 가공시에 사용되는 공정가스를 제어하여 공급하는 공정가스공급장치(G)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피가공물에 대하여 상기 레이저 가공부(300)에 의한 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 제거하기 위한 분진제거장치(D)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분진제거장치(D)는, 상기 스테이지(110) 상의 상기 피가공물(P) 주변에 음압을 형성시키는 음압발생장치(D1)와, 상기 음압에 의해 흡입되는 분진을 필터링하기 위한 필터(D2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지(110)에는 외부의 진동을 상쇄시키기 위한 탄성을 가진 방진패드(V)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 폴리싱 가공에서 사용되는 레이저빔은, 파장이 580 nm 이하이며, 펄스길이가 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱장치.
  11. 평면가공물의 표면을 펨토초 펄스 레이저를 이용하여 평탄화하는 레이저 플래닝 이후에 표면 거칠기의 향상을 위한 레이저 폴리싱을 수행하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법에 있어서,
    피가공물의 표면을 가공하기 위해 상기 피가공물을 스테이지 상의 가공 원점에 위치시키고 고정시키는 가공준비단계(S1)와;
    상기 피가공물 표면의 평활한 정도인 평탄도를 측정하기 위해 레이저변위센서를 이용하여 상기 피가공물 표면 중 설정된 다수 지점의 높낮이를 측정하여 데이터화하는 표면형상측정 단계(S2)와;
    상기 표면형상측정 단계를 거쳐 획득한 표면형상 데이터를 기초로 하여 높이가 동일한 점들을 이어 생기는 가상의 단층면을 일정한 간격을 갖도록 배열한 다수개의 면데이터로 변환하고, 각각의 상기 단층면으로부터 동일한 높이로 돌출된 부분을 플래닝 가공영역으로 결정하고, 플래닝 가공을 위한 가공 파라미터를 결정하여 입력하는 단계(S3)와;
    상기 면데이터를 기초로 결정되는 상기 플래닝 가공영역에 대하여 레이저 가공부에서 상기 가공 파라미터를 적용하여 소정의 패턴으로 레이저빔을 조사함으로써 피가공물의 표면을 평탄화하는 레이저 플래닝 단계(S4); 및
    상기 레이저 플래닝 단계(S4)에서 사용된 레이저빔에 비해 낮은 출력의 레이저빔을 조사하여 상기 피가공물의 표면에 형성된 요철을 감소시켜 표면 거칠기를 향상시키는 레이저 폴리싱 단계(S5);를 포함하여 구성되는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가공준비단계, 상기 표면형상측정단계, 상기 레이저 플래닝단계 및 상기 레이저 폴리싱단계는, 레이저빔이 상기 피가공물(P)에 조사되는 상태를 광학카메라를 통해 육안확인하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계는, 레이저 가공부가 순차적으로 하강하거나 상기 스테이지가 Z축(높이)방향으로 순차적으로 승강하면서 상기 다수개의 면데이터에서 최상층의 면데이터 상의 상기 플래닝 가공영역으로부터 최하층의 면데이터 상의 플래닝가공영역까지 차례대로 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계의 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생하는 가공분진을 음압에 의해 제거하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 피가공물이 적층용 전자세라믹 제조에 사용되는 정밀금형인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 플래닝 단계와 상기 레이저 폴리싱 단계는, 레이저 가공시에 발생할 수 있는 피가공물 표면의 기계적 성질의 변화 및 표면잔류응력의 생성을 방지하기 위한 공정가스를 공급하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 폴리싱단계에서 사용하는 레이저빔은 파장이 580 nm 이하이고, 펄스길이는 270 fs 내지 700 fs인 펨토초 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 방법.
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