KR100849820B1 - 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터 - Google Patents

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박준식
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Abstract

본 발명은 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터에 관한 것으로서,
빔을 출사하는 레이저 광원과 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터와 평행하게 배치되며, 상기 반사빔이 입사되는 반사미러를 포함하되, 상기 레이저 광원에서 출사된 빔은 상기 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 나아가 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터를 제공할 수 있다.
빔분할, 빔 스플리터, 광학계, 펨토초 레이저, 광 투과도

Description

다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터{MULTI BEAM LASER APPARATUS AND BEAM SPLITTER}
도 1에는 종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 빔 스플리터의 광투과도를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 빔 스플리터의 일반적인 형태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
도 6은 레이저 빔의 입사각과 출력 빔 개수와의 관계를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21 : 반사미러 22 : 빔 스플리터
63 : 집광렌즈
본 발명은 다중 빔 레이저 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반사미러와 함께 하나의 빔 스플리터 만을 사용하여 레이저 빔으로부터 복수의 출사 빔을 얻을 수 있으며, 나아가 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터에 관한 것이다.
최근에는 액정 디스플레이 등에 사용되는 박막 트랜지스터에서는 채널층에 캐리어 이동도가 높은 폴리실리콘막이 사용되고 있다. 박막 트랜지스터의 폴리실리콘막은 일반적으로, 유리 기판 상에 비정질(amorphous) 실리콘을 성막하고, 그 비정질 실리콘에 레이저 빔을 조사함으로써 제조된다.
이 경우, 공정의 효율성을 제고하기 위해, 레이저 빔을 많은 수의 빔으로 분할할 수 있는 다중 빔 레이저 장치가 요구된다.
도1에는 종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치가 도시되어 있다.
도1을 참조하면, 다중 빔 레이저 장치(10)는 광원에서 출사된 레이저 빔(11)이 제1 및 제2 빔 스플리터(12a,12b)를 거치면서 3개의 빔으로 분할되며, 제2 빔 스플리터(12b)를 통과한 빔은 반사미러(13)에 의해 반사된다.
이에 따라, 상기 레이저 빔(11)은 3개의 빔으로 나누어 유리 기판 등의 대상물(15)에 조사될 수 있는 것이다. 이 경우, 상기 3개의 빔을 집광할 수 있는 렌즈 등의 집광 수단(14)이 상기 빔 분할 수단(12a,12b,13)과 대상물(15) 사이에 위치된다.
종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치(10)는 1개의 빔을 3개의 빔으로 분할하여 레이저 어닐링 등의 효율성을 높이기는 하나, 분할하고자 하는 빔의 수만큼의 분할 수단이 필요하다. 즉, 도1의 경우와 같이, 3개의 빔으로 분할하고자 하는 경우에는 2개의 빔 스플리터와 1개의 반사미러, 즉, 3개의 광학 수단이 필요한 것이다.
이에 따라, 필요한 빔의 수가 많을수록 광학계의 구조가 복잡해지고 정밀한 제어가 어렵게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 나아가 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,
빔을 출사하는 레이저 광원과 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터 및 상기 빔 스플리터와 평행하게 배치되며, 상기 반사빔이 입사되는 반사 미러를 포함하되, 상기 레이저 광원에서 출사된 빔은 상기 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도가 서로 동일한 것이 바람직하다.
한편, 상기 반사미러에서 반사된 빔이 상기 빔 스플리터에 n번째로 입사되는 영역의 광 투과도(Tn)는 다음의 식에 의해 정해지며,
Figure 112007027722528-pat00001
,
여기서, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같을 수 있다.
이 경우, 상기 빔 스플리터의 복수의 영역 중 인접한 영역은 서로 반사 코팅의 정도를 달리하여 광 투과도가 조절될 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수의 출력 빔은 인접한 빔 간의 거리가 서로 동일할 수 있다.
상기 레이저 광원에서 출사하는 빔은 펨토초 레이저 빔인 것이 가공 속도 향 상 측면에서 바람직하다.
추가적으로, 상기 복수의 출력 빔의 진행 방향에 배치되는 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터에 있어서,
길이 방향으로 순차적으로 형성된 복수의 입사 영역을 가지되, 상기 복수의 입사 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 빔 스플리터를 제공한다.
이 경우, 순차적으로 형성된 상기 복수의 입사 영역 중 n번째 입사 영역의 광 투과도(Tn)는 다음의 식에 의해 정해지며,
Figure 112007027722528-pat00002
,
여기서, N은 외부로 출력되는 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치에 대한 개략도이다.
본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 레이저 광원(L), 반사미러(21), 빔 스플리터(22)를 갖추어 구성된다. 여기서, 상기 반사미러(21)와 빔 스플리터(22)는 서로 평행하게 형성된다. 다만, 상기 구성 요소들(21,22)이 서로 평행을 이루지 않는 경우라도, 출력 빔(LOUT)들이 서로 평행하지 않게 될 수는 있으나, 빔을 분할하는 기능에는 문제가 없으므로, 본 발명은 본 실시 형태의 배치 구조에만 한정되는 것은 아니며, 빔을 분할하여 외부에 출력할 수 있는 어떠한 배치도 가능할 수 있다.
이하, 상기 다중 빔 레이저 장치(20)에서 빔이 분할되어 복수의 빔으로 출력되는 원리를 설명한다.
우선, 입력 광원인 레이저 광원으로부터 출사된 빔(L)은 소정의 입사각(θ)으로 반사미러(21)에 입사되며, 대응하는 반사각을 갖고 반사된다. 이후, 반사된 빔은 빔 스플리터(22)를 향하여 진행되어 입사되고, 상기 빔 스플리터(22)에 의해 투과 및 반사 빔으로 분할된다. 이 경우, 상기 투과 빔은 외부로 출력되며, 반사 빔은 다시 상기 반사미러(21)를 향해 진행된다.
즉, 상기 레이저 광원에서 출사된 빔(L)은 상기 반사미러(21)에 의해 상기 빔 스플리터(22)를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔(LOUT)으로 출력될 수 있는 것이다.
한편, 상기 빔 스플리터(22)는 상기 반사미러(21)로부터 입사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지며, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역은 광 투과도가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 빔 스플리터(22)의 광 투과도를 영역에 따라 적절히 조절하면 외부 출력 빔(LOUT)들의 강도를 서로 동일하게 할 수 있다.
이하, 상기 빔 스플리터(22)의 광 투과도의 조절에 관한 사항을 도3을 함께 참조하여 설명한다. 도3은 도2의 빔 스플리터(22)를 보다 상세히 나타낸 단면도이다.
도3을 참조하면, 상기 빔 스플리터(22)는 단면을 기준으로 할 때, 길이방향으로 형성된 복수의 레이저빔 입사 영역(22a,22b,22c)을 가지되, 상기 복수의 입사 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다르게 형성된다. 여기서, 길이방향은 레이저 빔이 상기 반사미러(21)와 빔 스플리터(22)를 거치면서 외부로 출력되기 위해 진행하는 방향을 말하며, 이는 도3의 빔 스플리터(22)에서는 좌측에서 우측 방향에 해당한다. 이 경우, 도 2의 배치 구조와 레이저 빔의 진행 경로를 살펴보면, 레이 저 빔은 상기 반사미러(21)에 의해 반사되어 상기 입사 영역(22a,22b,22c)에 순차적으로 입사된다.
구체적으로, 출력 빔의 강도를 동일하게 하기 위해 상기 레이저빔 입사 영역(22a,22b,22c)은 각각 25%, 33.3%, 50%의 광 투과도를 갖는다.
따라서, 상기 빔 스플리터(22)에 첫 번째로 입사된 빔 중 투과되는 광의 강도는 최초 입사된 레이저 빔(L)의 강도에 대하여 25%가 된다. 이에 따라, 상기 빔 스플리터(22)에 의해 반사되어 상기 반사미러(21)에 다시 입사 및 반사되는 빔의 강도는 75%가 된다. 상기 75% 강도의 빔은 상기 빔 스플리터(22)의 두 번째 입사영역(22b)에 입사되면서 이 중 33.3%인 25%가 투과되어 외부로 출력된다. 마찬가지 방식으로 상기 입사영역(22b)에서 반사된 빔의 강도는 75%에서 25%를 제외한 50%가 되며, 상기 반사미러(21)에 의해 재차 반사되어 상기 빔 스플리터의 세 번째 입사 영역(22c)에 입사된다.
이 경우, 상기 입사 영역(22c)의 광 투과도는 50% 이므로, 이를 통하여 외부로 출력되는 빔의 강도는 25%가 된다. 여기서, 나머지 25%는 상기 입사 영역(22c)에서 반사되고, 다시 한번 상기 반사미러(21)에서 반사되어 외부로 출력된다. 이 경우, 마지막으로 외부로 출력되는 상기 빔의 강도는 25%가 됨을 알 수 있다.
한편, 상기 빔 스플리터(22)가 길이 방향으로 연장되어 4 개의 영역을 갖는 경우에는 마지막으로 4 번째 영역의 광 투과도는 100%가 되어야 하나, 이는 빔 스플리터가 배치되지 않은 구조와 동일하므로, 도2의 실시 형태가 보다 효율적이라 할 것이다.
상술한 설명을 정리하면, 하나의 레이저 빔(L)은 상기 다중 빔 레이저 장치(20)에 의해 4개의 출력 빔(LOUT)으로 분할되며, 이 경우, 상기 출력 빔(LOUT) 들의 광 강도는 상기 레이저 빔(L)에 대하여 모두 25%가 되는 것이다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 입사 빔을 복수의 빔으로 분할하여 이를 평행 하게 출력할 수 있는 것 외에, 출력 빔(LOUT)들의 광 강도를 모두 동일하게 할 수 있다.
본 실시 형태에서는 출력 빔(LOUT)이 4개인 경우를 설명하였으나, 레이저 빔(L)의 입사각(θ)을 조절하여 더 많은 수의 출력 빔을 얻을 수도 있으며, 이 경우, 출력 빔의 광 강도가 동일하게 되기 위해서 빔 스플리터의 광 투과도 패턴은 달라질 필요가 있다.
도4는 본 발명에 따른 빔 스플리터의 일반적인 광 투과도 패턴을 나타내는 단면도이다.
도4를 참조하면, 빔 스플리터(42)는 n개의 영역(a1,a2 … an -1, an)으로 구성되며, 도3의 경우와 마찬가지로 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다르다. 또한, 상기 빔 스플리터(42)를 투과하여 외부로 출력되는 빔들의 강도를 서로 동일하게 하 기 위해 상기 n개의 영역(a1,a2 … an -1, an)의 광 투과도는 적절히 조절될 수 있다.
이를 위한 상기 n개의 영역(a1,a2 … an -1, an)의 광 투과도는 다음의 수학식1과 같다.
Figure 112007027722528-pat00003
여기서, 상기 Tn은 상기 빔 스플리터(42)의 n번째로 입사되는 영역(an)의 광 투과도이며, 도2와 같은 광학계를 기준으로는 상기 빔 스플리터(42)에 n번째로 빔이 입사되는 영역의 광 투과도를 말한다. 또한, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 자연수이다. 상기 식을 살펴보면, 도2 및 도3에서 설명한 빔 스플리터의 광투과도는 N은 4이며, n은 3인 경우임을 알 수 있다.
도5를 참조하여 N이 20인 경우에 상기 빔 스플리터(42)의 영역별 광 투과도 패턴을 설명한다.
우선, n이 1인 경우, 즉, a1의 광투과도 T1은 100% / [(20-1)+1]를 계산하면, 5%가 된다.
마찬가지 방식으로 계산하면, T2 는 약 5.26% 가 되고, T3는 5.56% 가 된다.
또한, T18은 33.3% 이며, T19는 50%가 된다. 이와 같은 광 투과도를 패턴을 갖는 상기 빔 스플리터(42)에 의해, 19개의 빔이 동일한 강도를 가지고 출력될 수 있으며, 1개의 빔은 상기 빔 스플리터(42)의 19번째 영역 및 미도시된 반사미러에 의해 반사되어 외부로 출력된다. 이 경우, 마지막 1개의 빔의 강도가 다른 출력 빔들의 강도와 같음을 알 수 있다.
다만, 도5에서는 도시하지 않았으나, n이 20인 경우까지 상기 빔 스플리터(42)를 영역을 형성하는 경우에는 T20은 100%가 된다.
즉, n이 N과 같은 경우도 생각할 수 있으며, 이 경우, n번째 영역의 광 투과도는 100%가 된다. 그러나, 상술한 바와 같이, n이 N-1인 경우가 빔 스플리터의 길이를 줄일 수 있으며 제조 공정 면에서도 효율적이라 할 것이며, 이 경우에는 n번 째 영역의 광 투과도는 50%가 된다.
한편, 상기 빔 스플리터(42)에서 광 투과도가 서로 다른 복수의 영역을 형성하는 것은 표면에 반사 코팅의 정도를 순차적으로 조절하는 방법으로 수행될 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 레이저 빔(L)은 펨토초 레이저일 수 있으며, 이 경우, 투명 기판 가공 등에 있어서 효율성을 향상시킬 수 있다.
펄스 방식 레이저로서 펄스 방사 시간이 10-15초 대인 펨토초(femto second) 레이저는 극초단 펄스 방사 시간에 발진하므로 에너지의 발진 밀도가 매우 크다. 일반적으로 1 mJ의 광 에너지를 가지고 100 펨토초 이하의 펄스 방사시간을 가지면 레이저 빔의 에너지 밀도는 대략 10 기가 와트의 수준에 달해 어떠한 재질의 가공도 가능하게 된다. 또한, 이러한 극초단 펄스 레이저 빔을 가공물에 방사 하면 재료의 구성격자에 멀티 포톤 현상이 발생하고 이에 의한 원자의 들뜸 현상이 일어나는 동안 광자가 주위의 구성 격자에 열을 전달하는 시간보다 입사 펄스가 짧으므로 가공물이 가공되는 동안 열 확산으로 인한 가공 정밀도의 저하를 방지할 수 있으며, 재질의 물리, 화학적 변화와 가공물의 가공부위가 일부분 용융되는 문제점이 해결되어 고정밀도의 가공 수행이 가능하게 된다.
하지만 이러한 펨토초 레이저 빔을 사용한 가공은 펨토초 레이저의 낮은 반복률로 인하여 가공시간이 기존 나노초 레이저나 CO2 레이저 가공 등에 비해 가공 속도가 현저히 떨어져 상업화하는데 치명적인 장애가 있다. 가공에 사용되는 나노초 레이저의 반복률은 수 ~ 수십 MHz 이며, 펨토초 레이저가공에 일반적으로 사용되는 타이타늄 사파이어 레이저는 1KHz로 가공 속도를 비교하면 펨토초 레이저 가공속도가 104배 정도 떨어진다.
따라서, 본 발명과 같은 다중 빔 레이저 장치에 있어서 펨토초 레이저 빔을 사용하는 경우에는 원하는 개수의 출력 빔을 용이하게 조절하여 분할할 수 있으므로, 레이저 가공 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.
마지막으로, 도 6를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 설명한다.
본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(60)는 이전 실시 형태와 같이 레이저 빔(L), 반사미러(61), 빔 스플리터(62)를 갖추어 구성되며, 여기에, 출력 빔(LOUT)을 집광할 수 있는 집광렌즈(63)를 더 포함한다. 상기 빔 스플리터(62)는 도4의 빔 스플리터가 채용되며, 이에 따라, 출력 빔(LOUT) 각각의 강도를 동일하게 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 집광렌즈(63)가 포함됨에 따라 복수의 출력 빔(LOUT)을 투명 기판 등에 조사할 때 가공 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 나아가 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 빔을 출사하는 레이저 광원;
    입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터; 및
    상기 빔 스플리터와 평행하게 배치되며, 상기 반사빔이 입사되는 반사미러;를 포함하되,
    상기 레이저 광원에서 출사된 빔은 상기 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며,
    상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 반사미러에서 반사된 빔이 상기 빔 스플리터에 n번째로 입사되는 영역의 광 투과도(Tn)는 다음의 식에 의해 정해지며,
    Figure 112008017868798-pat00012
    ,
    여기서, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터의 복수의 영역 중 인접한 영역은 서로 반사 코팅의 정도가 다른 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 출력 빔은 인접한 빔 간의 거리가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원에서 출사하는 빔은 펨토초 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 출력 빔의 진행 방향에 배치되는 집광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
  8. 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터에 있어서,
    길이 방향으로 순차적으로 형성된 복수의 입사 영역을 가지되, 순차적으로 형성된 상기 복수의 입사 영역 중 n번째 입사 영역의 광 투과도(Tn)는 다음의 식에 의해 정해지며,
    Figure 112008017868798-pat00013
    ,
    여기서, N은 외부로 출력되는 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 입사 영역 중 인접한 영역은 서로 반사 코팅의 정도가 다른 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
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