KR101787525B1 - 레이저 가공장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법 - Google Patents

Abstract

레이저 가공장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법이 개시된다. 개시된 레이저 가공장치는 가공대상물의 절단면 주위를 레이저 빔을 이용하여 가공하는 것으로, 상기 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원; 구동에 의하여 상기 레이저 빔을 제1 축 방향으로 이동시키는 스캐너; 및 상기 가공대상물이 적재되는 것으로, 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 움직이는 스테이지;를 포함하고, 상기 스캐너는 상기 레이저 빔을 상기 제1 축 방향을 따라 상기 가공대상물의 절단면 주위에 반복하여 이동시키고, 상기 스테이지는 상기 가공대상물을 상기 제2 축 방향을 따라 이동시킨다.

Description

레이저 가공장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법{Laser processing apparatus and laser processing method using the laser processing apparatus}

본 발명은 가공대상물의 절단면 주위의 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공장치 및 방법에 관한 것이다.

가공대상물의 절단면 주위의 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공하는 경우, 기존에는 2개의 편광 빔 스플리터(PBS; polarization beam splitter), 2개의 편광판 및 2개의 스캐너를 이용하여 하나의 레이저 빔을 두 개로 분할하여 가공대상물을 가공하였다. 이 경우, 나누어진 두 개의 레이저 빔은 편광 방향이 달라 가공대상물 가공 시, 가공성이 달라지는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 레이저 빔을 두 개로 나누었을 때 출력이 반으로 나누어지므로 레이저 빔의 최대 출력이 충분하지 않을 경우, 나누어진 레이저 빔의 출력이 가공대상물을 가공하기 위한 최소 가공 출력보다 작아지는 문제가 발생할 수 있었다.

또한, 레이저 빔의 광학적 특성으로 인해 가공대상물의 모서리 부분에 열영향부(HAZ)가 발생할 수 있는데, 레이저 빔이 가공대상물의 모서리 부분 한쪽을 연속적으로 가공하는 경우 열이 식을 수 있는 시간이 상대적으로 짧아서 가공대상물 표면의 열영향부가 넓어지는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가공대상물의 절단면 주위의 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공장치 및 이를 이용한 레이저 가공방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치는 가공대상물의 절단면 주위를 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원; 구동에 의하여 상기 레이저 빔을 제1 축 방향으로 이동시키는 스캐너; 및 상기 가공대상물이 적재되는 것으로, 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 움직이는 스테이지;를 포함하고, 상기 스캐너는 상기 레이저 빔을 상기 제1 축 방향을 따라 상기 가공대상물의 절단면 주위에 반복하여 이동시키고, 상기 스테이지는 상기 가공대상물을 상기 제2 축 방향을 따라 이동시킨다.

상기 제1 축과 상기 제2 축을 동시에 포함하는 평면은 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 가공대상물의 면과 평행일 수 있다.

상기 스캐너와 상기 가공대상물 사이에 마련되는 것으로, 상기 스캐너로부터 출사되는 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물에 집속시키는 집속렌즈;를 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 빔의 광 경로상에는 빔 전달 시스템이 마련될 수 있다.

상기 레이저 빔의 주파수는 200 kHz일 수 있다.

상기 스테이지의 이동속도는 200 mm/s일 수 있다.

상기 스캐너의 스캔속도는 8 m/s일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공방법은 가공대상물의 절단면 주위를 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서, 구동에 의하여 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물의 제1 축 방향을 따라 반복적으로 이동시키는 단계; 및 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물 상에 조사하는 동시에 상기 가공대상물이 적재되는 스테이지를 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 이동시키는 단계;를 포함한다.

상기 제1 축과 상기 제2 축을 동시에 포함하는 평면은 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 가공대상물의 면과 평행일 수 있다.

상기 레이저 빔의 주파수는 200 kHz일 수 있다.

상기 스테이지의 이동속도는 200 mm/s일 수 있다.

상기 레이저 빔의 스캔속도는 8 m/s일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 가공대상물의 절단면 주위의 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공 시, 레이저 빔을 제1 축 방향으로 이동시키는 스캐너와 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 이동하는 스테이지를 이용하여 가공대상물의 가공이 가능하다.

이 경우, 두 개의 레이저 빔을 생성하지 않고도 가공대상물을 가공할 수 있게 되어 두 개의 레이저 빔을 생성할 때 소요되던 장치들을 사용할 필요가 없어 적은 공간으로 가공이 가능하다.

또한, 가공대상물의 절단면 주위의 모서리 부분을 동일한 편광 방향을 갖는 레이저 빔으로 가공함으로써, 동일한 가공성을 나타낼 수 있다.

또한, 가공대상물의 양 쪽 모서리 부분을 번갈아 가며 가공함으로써, 한 쪽 모서리 부분에 가해지는 레이저 빔의 시간간격이 길어짐에 따라 열영향부가 면적이 감소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공장치를 이용하여 가공대상물에 레이저 빔을 조사하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 레이저 가공장치를 이용하여 가공대상물의 양 쪽 모서리 부분에 레이저 빔을 번갈아 조사하는 모습을 도시한 평면도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치(100)를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 레이저 가공장치(100)는 레이저 광원(110), 스캐너(120), 집속렌즈(130) 및 가공대상물(W)이 적재되는 스테이지(S)를 포함한다.

레이저 광원(110)은 레이저 빔(L)을 방출하는 수단을 말하는 것으로, 이러한 레이저 광원(110)은 레이저 빔(L)을 발생시키는 물질의 종류에 따라 기체, 액체, 고체 레이저 광원 들으로 다양하게 분류될 수 있다. 또한, 레이저 광원(110)은 예를 들면 펄스형 레이저 빔을 방출할 수 있다. 또한, 레이저 광원(110)으로부터 방출되는 레이저 빔(L)은 약 200 kHz의 주파수를 가질 수 있다.

스캐너(120)는 레이저 빔(L)을 가공대상물(W) 상에 스캔함으로써 가공대상물(W)에 소정의 가공 작업을 수행하는 역할을 한다. 스캐너(120)는 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)을 구동에 의하여 제1 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 도 1에서 제1 축은 x축이 될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 스캐너(120)는 레이저 빔(L)을 가공 영역에 위치시킬 수 있으며, 레이저 빔(L)의 제1 축 방향으로의 선 운동을 제어할 수 있다. 스캐너(120)의 스캔속도는 8 m/s가 될 수 있다.

레이저 빔(L)의 광 경로상에는 빔 전달 시스템(미도시)이 마련될 수 있다. 이러한 빔 전달 시스템은 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)을 소정의 진행 경로를 따라 전달하기 위한 것으로, 예를 들면 복수의 거울을 포함하거나 또는 광 케이블 등을 포함할 수 있다.

스캐너(120)와 가공대상물(W) 사이에는 집속렌즈(130)가 마련될 수 있다. 이러한 집속렌즈(130)는 스캐너(120)를 경유한 레이저 빔(L)이 가공대상물(W)의 원하는 위치에 포커싱 될 수 있도록 레이저 빔(L)의 초점을 조절하는 역할을 할 수 있다.

스테이지(S)는 가공대상물(W)이 적재되는 것으로, 스테이지(S)는 제2 축 방향으로 움직일 수 있다. 제2 축 방향은 제1 축 방향의 수직방향이 될 수 있으며, 도 1에서 제2 축은 y축이 될 수 있다. 제1 축과 제2 축을 동시에 포함하는 평면은 레이저 빔(L)이 조사되는 가공대상물(W)의 면과 평행을 이룰 수 있다. 스테이지(S)의 이동속도는 약 200 mm/s가 될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공장치(100)를 이용하여 가공대상물(W)에 레이저 빔(L)을 조사하는 모습을 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 가공용 레이저 빔을 이용하여 가공대상물(W)을 절단하면, 절단면(210) 주위로 두 개의 모서리 부분이 형성될 수 있다. 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)은 스캐너(120)에 의해 진행 경로가 변경된 후, 집속렌즈(130)을 경유하여 스테이지(S)에 적재된 가공대상물(W)의 가공하고자 하는 위치, 즉, 절단면(210) 주위의 모서리 부분에 조사될 수 있다.

또한, 가공용 레이저 빔을 이용하여 가공대상물(W)을 가공하기 전, 가공용 레이저 빔이 조사되는 부분에 레이저 광원(110)으로부터 방출되는 레이저 빔(L)을 조사할 수 있다. 가공용 레이저 빔만을 이용하여 가공대상물(W)을 가공하는 경우, 가공대상물(W)에 균열이 발생할 수 있고, 가공 과정에서 발생되는 부스러기 등이 가공대상물(W) 표면에 부착될 수 있다. 그러나, 가공 전 레이저 빔(L)을 이용한 모서리 부분의 그루빙(grooving) 공정을 통해 균열 및 부스러기의 발생을 방지할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 레이저 가공장치(100)를 이용하여 가공대상물(W)의 양 쪽 모서리 부분에 레이저 빔(L)을 번갈아 조사하는 모습을 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 스캐너(120)은 구동에 의하여 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저 빔(L)을 제1 축 방향, 즉, x축 방향으로 반복적으로 이동시킬 수 있다. 이와 동시에 스테이지(S)는 제1 축 방향과 수직인 제 2축 방향, 즉, y축 방향으로 가공대상물(W)을 이동시킬 수 있다. 레이저 빔(L)의 이동과 동시에 스테이지(S)가 이동하고, 제1 축과 제2 축은 서로 수직이므로, 레이저 빔(L)에 의해 형성되는 가공영역(h)은 도 3의 화살표를 따라 순차적으로 형성될 수 있다.

레이저 빔(L)의 주파수가 200 kHz이고, 절단면(210) 사이의 가공 폭(B)이 50μm이며, 가공영역(h)의 반지름(r)이 10 μm인 경우, 스테이지(S)의 이동속도를 200mm/s, 스캐너(120)의 스캔속도를 8 m/s로 설정하면 인접한 가공영역(h) 간의 중첩률은 80%가 될 수 있다. 또한, 가공하고자 하는 가공대상물의 종류에 따라 가공영역(h)의 중첩률은 변경될 수 있으며, 스테이지(S)의 이동속도 및 스캐너(120)의 스캔속도를 조절하여 원하는 중첩률을 얻을 수 있다.

기존에는 하나의 레이저 빔을 편광 빔 스플리터를 이용하여 두 개의 레이저 빔으로 분할하여 절단면 주위의 모서리 부분을 동시에 가공하였으나, 이 경우 양쪽 부분에 조사되는 레이저 빔의 편광 방향이 달라 가공성이 다르게 될 수 있었다. 그러나, 위 실시예에 따르면, 편광 방향이 동일한 하나의 빔으로 가공대상물(W)의 절단면(210) 주위의 모서리 부분을 가공하므로 동일한 가공성을 나타낼 수 있다.

또한, 레이저 빔의 광학적 특성으로 인해 가공대상물의 모서리 부분에 열영향부가 발생할 수 있다. 그러나, 위 실시예에 따르면, 가공대상물의 양 쪽 모서리 부분을 번갈아 가며 가공함으로써, 한 쪽 모서리 부분에 가해지는 레이저 빔의 시간간격이 길어짐에 따라 열영향부가 면적이 감소할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 … 레이저 가공장치
110 … 레이저 광원
120 … 스캐너
130 … 집속렌즈
W … 가공대상물
S … 스테이지
L … 레이저 빔
210 … 절단면
B … 가공 폭
h … 가공영역
r … 반지름

Claims (12)

1. 가공대상물의 절단면 주위의 양쪽 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,
   상기 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원;
   구동에 의하여 상기 레이저 빔을 제1 축 방향으로 이동시키는 스캐너; 및
   상기 가공대상물이 적재되는 것으로, 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 움직이는 스테이지;를 포함하고,
   상기 스캐너는 상기 레이저 빔을 상기 제1 축 방향을 따라 상기 가공대상물의 절단면 주위에 반복하여 이동시키고, 상기 스테이지는 상기 가공대상물을 상기 제2 축 방향을 따라 이동시키며,
   상기 레이저 빔은 상기 가공대상물의 절단면 주위의 상기 양쪽 모서리 부분을 번갈아 가공하는 레이저 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 축과 상기 제2 축을 동시에 포함하는 평면은 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 가공대상물의 면과 평행인 레이저 가공장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스캐너와 상기 가공대상물 사이에 마련되는 것으로, 상기 스캐너로부터 출사되는 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물에 집속시키는 집속렌즈;를 더 포함하는 레이저 가공장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 광 경로상에는 빔 전달 시스템이 마련되는 레이저 가공장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 주파수는 200 kHz인 레이저 가공장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 스테이지의 이동속도는 200 mm/s인 레이저 가공장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스캐너의 스캔속도는 8 m/s인 레이저 가공장치.
8. 가공대상물의 절단면 주위의 양쪽 모서리 부분을 레이저 빔을 이용하여 가공하는 레이저 가공방법에 있어서,
   구동에 의하여 상기 레이저 빔을 상기 가공대상물의 제1 축 방향을 따라 반복적으로 이동시키는 단계; 및
   상기 레이저 빔을 상기 가공대상물 상에 조사하는 동시에 상기 가공대상물이 적재되는 스테이지를 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향으로 이동시키는 단계;를 포함하고,
   상기 레이저 빔은 상기 가공대상물의 절단면 주위의 상기 양쪽 모서리 부분을 번갈아 가공하는 레이저 가공방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제1 축과 상기 제2 축을 동시에 포함하는 평면은 상기 레이저 빔이 조사되는 상기 가공대상물의 면과 평행인 레이저 가공방법.
10. [청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

    제 8 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 주파수는 200 kHz인 레이저 가공방법.
11. [청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

    제 10 항에 있어서,
    상기 스테이지의 이동속도는 200 mm/s인 레이저 가공방법.
12. [청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

    제 11 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 스캔속도는 8 m/s인 레이저 가공방법.

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