KR101010600B1 - 회절광학소자를 이용한 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

가공 라인 간의 간격을 조절할 수 있는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)를 이용한 레이저 가공 장치를 제시한다.
본 발명에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부, 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부, 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 복수개로 분할하는 회절광학소자, 기 설정된 회전각에 따라 회절광학소자의 회전각을 제어하는 간격 조절부 및 회절광학소자에 의해 복수개로 분할된 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계를 포함하여, 적은 비용으로 다양한 형태로 대상물을 가공할 수 있다.
DOE, 회전

Description

회절광학소자를 이용한 레이저 가공 장치{Laser Processing Apparatus Using Diffractive Optical Element}
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 가공 라인 간의 간격을 조절할 수 있는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)를 이용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저를 이용하여 대상물을 가공할 때, 대상물에 복수의 레이저 빔을 동시에 조사하기 위하여 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element; DOE)가 이용된다.
DOE는 레이저 빔의 회절 현상을 이용하여 입사되는 하나의 레이저 빔을 복수개로 분기하여 출사하는 소자로서, N*M 어레이 구조(N, M은 자연수)로 형성된다. DOE를 이용하여 레이저 빔을 분기시키면 대상물의 복수의 지점에 복수의 레이저 빔을 동시에 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 아울러, 대상물의 가공 형태는 DOE의 디자인에 따라 결정된다.
도 1은 일반적인 회절광학소자를 이용한 레이저 빔의 분기 개념을 설명하기 위한 도면이다.
1*3 어레이 구조의 DOE(10)로 레이저 빔이 입사됨에 따라, 레이저 빔은 3개로 분할되어 출사되는데, 분할된 레이저 빔의 전체 각도는 θS이며, 각각의 레이저 빔은 등각도로 분할된다. 이후, 분할된 3개의 레이저 빔은 텔레센트릭 렌즈와 같은 광학계(12)에서 집광된 후, 대상물(14)에 수직 조사된다.
이와 같이 DOE(10)에 의해 분기하여 대상물(14)에 조사되는 레이저 빔의 간격(I) 및 배열은 DOE의 제작 형태에 따라 고정된 값을 갖는다.
따라서, 분할된 레이저 빔 간의 간격을 변경하기 위해서는 DOE(10)를 교체하는 작업이 불가피하다. 이에 따라 하나의 대상물을 다양한 간격으로 가공하고자 하는 경우, DOE를 자주 교체하여야 하는 번거로움이 있고, 이로 인해 가공 시간이 지연되는 문제점이 있다.
또한, 원하는 빔 분할 간격을 갖는 DOE가 존재하지 않는 경우 다른 방식으로 레이저 빔을 분할하거나 새로운 DOE를 제작하여야 하는 등, 대상물 가공 공정이 복잡해 지고 DOE 제작 비용이 추가로 소요되는 등의 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회절광학소자의 회전각을 변경시켜 레이저 빔 간의 간격을 조절할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 대상물의 가공 형태에 따라 회절광학소자의 회전각을 미리 설정해 두고, 대상물 가공시 회절광학소자의 회전에 의해 원하는 간격으로 레이저 빔을 분할할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부; 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부; 상기 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 복수개로 분할하는 회절광학소자; 기 설정된 회전각에 따라 상기 회절광학소자의 회전각을 제어하는 간격 조절부; 및 상기 회절광학소자에 의해 복수개로 분할된 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물로 조사하기 위한 광학계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 동일한 회절광학소자를 이용하여 레이저 빔을 다양한 간격으로 분할함으로써 회절광학소자의 교체 작업을 최소화할 수 있고, 이에 따라 레이저를 이용한 대상물 가공 시간을 단축시킬 수 있다. 아울러, 대상물 가공에 필요한 회절광학소자의 사용 개수를 최소화할 수 있어, 적은 비용으로 다양한 형태로 대상물을 가공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도시한 것과 같이, 본 발명에 의한 레이저 가공 장치는 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부(110), 제어 파라미터 및 제어 명령을 입력하고, 작동 상태 등의 정보를 표시하기 위한 사용자 인터페이스(120), 데이터 저장을 위한 메모리(130), 지정된 파워 및 구경의 레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부(140), 레이저 발생부(140)로부터 출사되는 레이저 빔을 복수개로 분할하는 DOE(150), DOE(150)의 회전각을 제어하여 DOE(150)로부터 출사되는 레이저 빔 간의 간격을 변경시키는 간격 조절부(160) 및 DOE(150)에서 분할된 레이저 빔을 각각 집속시켜 대상물(180)로 조사하기 위한 광학계(170)를 포함한다.
여기에서, 광학계(170)는 DOE(150)에 의해 분기된 레이저 빔을 각각 집광하여 대상물(180)의 가공 대상 영역으로 수직 조사하기 위한 것으로, 포커싱 렌즈, f-세타(f-theta) 렌즈 또는 f-세타 텔레센트릭 렌즈로 구성할 수 있다.
아울러, 대상물(180)은 스테이지(190)에 안착되어 스테이지 이송부(200)에 의해 지정된 방향으로 움직인다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서 간격 조절부(160)는 모터 구동되는 회전 스테이지(Motorized rotation stage), 또는 모터 구동되는 고니어미 터(Motorized goniometer)를 이용하여 구성할 수 있다.
도 2에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하여 대상물을 가공하기 위하여, 먼저 사용자 인터페이스(120)를 통해 제어 파라미터가 입력된다. 여기에서, 제어 파라미터는 가공 대상물의 종류 및 가공 형태에 따른 레이저 빔의 출력 파워, 가공 부위의 좌표, 가공 시간, 간격 조절부(160)에 의한 DOE(150)의 회전 각도 등이 포함될 수 있다.
아울러, 제어 파라미터 중 DOE(150)의 회전 각도는 대상물의 가공 부위에 따라 각기 다르게 설정될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 하나의 대상물을 가공할 때 DOE(150)를 교체할 필요 없이, 해당 가공 부위별로 설정된 회전 각도에 따라 DOE를 회전시켜 가공 부위별마다 설정된 간격으로 레이저 빔을 분할하여 대상물에 조사할 수 있게 된다.
레이저 가공 장치가 동작을 개시함에 따라, 간격 조절부(160)가 구동되어 DOE(150)를 지정된 각도로 회전시키고, 스테이지 이송부(200)는 지정된 방향으로 대상물(180)이 안착된 스테이지(190)를 이동시킨다. 아울러, 레이저 발생부(140)로부터 레이저 빔이 방출됨에 따라, DOE(150)는 레이저 빔을 분할하여 광학계(170)측으로 출사한다.
여기에서, DOE(150)는 대상물(180)과 평행하게 설치되고, 회전축(151)을 중심으로 대상물(180)에 대하여 수평 회전한다. 그리고, 광학계(170)에 의해 집광되어 대상물(180)로 조사되는 레이저 빔 간의 간격은 DOE(150)의 회전 각도에 따라 결정된다.
도 3 내지 도 5는 DOE의 회전 각도에 따른 가공 라인 간의 간격 변화를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3은 DOE(150)를 회전하지 않고 레이저 빔을 분할한 경우를 나타낸다.
도 3에 도시한 DOE(152)는 1*3 어레이 구조이며, DOE(152)에 의해 레이저 빔은 3개로 분할되고(156), 분할된 레이저 빔에 의해 대상물(180)에 조사되는 레이저 빔 간의 간격은 I이다.
다음, 도 4는 도 3에 도시한 DOE(152)를 회전축(154)을 중심으로 대상물(190)에 대하여 θ1만큼 수평 회전시킨 경우를 나타낸다.
도 3과 비교할 때, 대상물(180)에 조사된 빔 간의 간격(I1)이 좁아졌음을 알 수 있다.
도 5는 DOE(152)의 회전 각도가 θ2(>θ1)인 경우이며, 이 경우 대상물(180)에는 I2의 간격으로 3개의 레이저 빔이 조사되게 된다.
도 3 내지 도 5에서 알 수 있듯이, DOE(152)의 회전 각도가 90°하인 경우, 회전 각도가 증가할수록 레이저 빔 간의 간격(I2)이 좁아지게 됨을 알 수 있다.
여기에서, 대상물(180)에 조사되는 분할된 레이저 빔 간의 간격은 광학계(170)의 종류 및 DOE(150)로부터 출사되는 레이저 빔의 전체 각도(θs)에 따라 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 결정된다.
[수학식 1]
Figure 112008055484716-pat00001
[수학식 2]
Figure 112008055484716-pat00002
[수학식 1]은 광학계(170)로서 일반적인 포커싱 렌즈를 사용한 경우 빔 간의 간격을 나타내고 f1은 포커싱 렌즈의 초점거리이다. [수학식 2]는 f-세타(f-theta) 렌즈 또는 f-세타 텔레센트릭 렌즈를 사용한 경우 빔 간의 간격을 나타내고, f2는 f-세타 렌즈 또는 f-세타 텔레센트릭 렌즈의 초점거리이다.
[수학식 1] 및 [수학식 2]로부터, 광학계로 사용되는 렌즈의 초점거리를 알고 있는 경우 DOE로부터 출사되는 레이저 빔의 전체 각도를 변경함으로써 가공 라인 간의 간격을 변경할 수 있음을 알 수 있다. 나아가, 가공 라인 간의 간격이 이미 설정되어 있는 경우 DOE로부터 출사되는 레이저 빔 간의 각도를 결정할 수 있고, 이로부터 DOE의 회전 각도를 결정할 수 있게 된다. 아울러, 이와 같이 결정된 DOE의 회전 각도는 대상물을 가공하기 전 사용자 인터페이스를 통해 제어 파라미터로서 입력되게 된다.
이상에서는 1*3 어레이 구조의 DOE를 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 2*3 어레이 구조의 DOE 등 모든 구조의 DOE에 본 발명을 적용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사 상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에서는 DOE를 대상물에 대하여 수평 회전시켜, DOE의 회전각에 따라 DOE를 통해 분할되는 레이저 빔의 간격을 변경할 수 있다.
이에 따라, 대상물을 다양한 간격으로 가공할 때 DOE를 빈번하게 교체할 필요 없이 최소한의 DOE만을 이용하여 대상물을 고속으로 가공할 수 있다.
도 1은 일반적인 회절광학소자를 이용한 레이저 빔의 분기 개념을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 가공 장치의 구성도,
도 3 내지 도 5는 DOE의 회전 각도에 따른 가공 라인 간의 간격 변화를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
110 : 제어부 120 : 사용자 인터페이스
130 : 메모리 140 : 레이저 발생부
150 : DOE 160 : 간격 조절부
170 : 광학계 180 : 대상물
190 : 스테이지 200 : 스테이지 이송부

Claims (6)

  1. 레이저 가공 장치로서,
    레이저 빔을 출력하기 위한 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부로부터 출사되는 레이저 빔을 복수개로 분할하는 회절광학소자;
    기 설정된 회전각에 따라 상기 회절광학소자의 회전각을 제어하여, 상기 회절광학소자가 회전축을 중심으로 대상물에 대하여 수평회전하도록 하는 간격 조절부; 및
    상기 회절광학소자에 의해 복수개로 분할된 레이저 빔을 각각 집속시켜 상기 대상물로 조사하기 위한 광학계;
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 간격 조절부는, 모터 구동되는 회전 스테이지(Motorized rotation stage), 또는 모터 구동되는 고니어미터(Motorized goniometer)인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는 포커싱 렌즈, f-세타 렌즈, 또는 f-세타 텔레센트릭 렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는 포커싱 렌즈이며,
    상기 회절광학소자로부터 출사되는 레이저 빔의 전체 각도(θs)는 상기 대상물로 조사할 복수의 레이저 빔 간의 간격(I)과, 상기 포커싱 렌즈의 초점거리(f1)에 따라
    Figure 112008055484716-pat00003
    로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는 f-세타 렌즈 또는 f-세타 텔레센트릭 렌즈이며,
    상기 회절광학소자로부터 출사되는 레이저 빔의 전체 각도(θs)는 상기 대상물로 조사할 복수의 레이저 빔 간의 간격(I)과, 상기 f-세타 렌즈의 초점거리(f2) 또는 상기 f-세타 텔레센트릭 렌즈의 초점거리(f2)에 따라
    Figure 112008055484716-pat00004
    로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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