KR102584490B1 - 투명한 재료의 레이저 가공 방법 및 장치 - Google Patents

투명한 재료의 레이저 가공 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저, 특히 투명 재료의 레이저 가공 분야에 대한 것이며, 이는 초단파 펄스 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 사용하여, 유리, 화학적으로 강화된 유리, 사파이어 및 다른 결정질 재료와 같은 투명 재료의 커팅, 파괴 및 다른 종류의 가공을 위해 사용될 수 있다. 가우시안 강도 프로파일 초단파 펄스 레이저 빔은 광학 부재를 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔 경로에 삽입하여 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환된다. 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 비대칭은 워크피스에 국한된 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔이 레이저 빔의 전파 방향에서 그리고 상기 레이저 빔의 전파 방향의 수직한 평면에서 기다란 형상을 갖고 상응하게 상기 워크피스의 기다란 형상의 손상 영역을 유도하는 방식으로 광학 부재의 적절한 재료 및/또는 광학 부재의 변수 및/또는 광학 빔 경로에서의 광학 부재의 배치를 선정함으로써 설정된다.
상기 워크피스와 레이저 빔의 서로에 대한 제어된 변위는 원하는 수의 추가 기다란 형상의 손상 영역을 생성하고 이들을 워크피스의 커팅 및/또는 파괴 평면을 형성하는 미리 정해진 궤적을 따라 연이어 길이 방향으로 워크피스에 배치하도록 수행된다.

Description

투명한 재료의 레이저 가공 방법 및 장치
본 발명은 레이저 분야, 즉, 투명한 재료의 가공에 대한 것이며, 초단파 펄스 비대칭 가우스-바셀 강도 분포 레이저 빔(ultrashort pulse asymmetric Gauss-Bessel intensity distribution laser beam)의 사용을 통해, 유리, 화학적 템퍼링된 유리, 사파이어 및 다른 결정질 재료를 포함하는 투명한 재료의 커팅(cutting), 파괴, 및 다른 가공 처리를 위해 사용될 수 있다.
투명한 재료를 커팅, 스크라이빙(scribing) 또는 파괴하기 위한 대부분의 방법 및 장치는, 외력의 영향으로 인해 투명 재료가 분리 또는 파괴되게 하는, 투명 재료 내에 크랙을 형성하는, 투명 재료의 표면 상에 또는 벌크(bulk) 내의 레이저 소스(laser source)에 의해 발생된 레이저 빔의 포커싱에 기반한다.
국제 특허 출원 제WO2012006736호는 투명 재료의 사전-커팅을 위한 방법을 개시하고 있으며, 이는 워크피스(workpiece)에 초단파 펄스 레이저 빔을 지향시키고 그 내부에 포커싱하는 단계를 포함하며, 상기 워크피스 재료는 포커싱된 레이저 빔에 대해 투명하다. 상기 레이저 펄스 지속시간 및 에너지는 빔 전파 방향을 따라 워크피스를 통해 연장되는 실 같은 손상 영역(필라멘트(filament))을 형성하도록 선택된다. 상기 워크피스는 워크피스를 커팅하거나 또는 워크피스로부터 일부를 분리하기 위한 궤적을 형성하기 위해 포커싱된 레이저 빔에 대해 선별적으로 이동된다.
투명 재료의 가공에 대한 유사한 방법 및 장치는 국제 특허 출원 제WO 2014/079478 A1호에 개시되어 있다. 초단파 펄스 가우시안 강도 분포 레이저 빔을 이용하는 투명 재료를 가공하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 다음의 작업 순서를 포함한다: 초단파 펄스 가우시안 강도 분포 레이저 빔을 광학 시스템으로 지향시키는 단계, 광학 부재에 의해 워크피스에 지향되고 국한된, 가우스-베셀 강도 분포 레이저 빔을 형성하는 단계. 상기 워크피스의 재료는 국한된 가우스-베셀 강도 분포 레이저 빔에 대해 투명하며, 상기 레이저 펄스 지속시간 및 에너지는 상기 워크피스 재료의 광학적 손상 임계치를 초과하고 상기 포커싱된 레이저 빔의 전파 방향을 따라 상기 워크피스를 가로질러 연장된, 미세 크랙(micro cracks)을 구성하는, 손상 영역을 형성하기 위해 선택된다. 상기 포커싱된 레이저 빔에 대한 워크피스의 변위는 커팅/파괴 평면의 궤적을 형성하는, 추가 손상 영역의 형성을 허용한다.
워크피스의 일부 또는 전체 두께를 관통하기 위해 단일 펄스의 가우시안 또는 가우스-베셀 레이저 빔을 사용하는 투명 재료 가공 장치가 공지되어 있다. 공지된 방법 및 장치는 투명 워크피스에 가우스-베셀 강도 분포 레이저 빔을 국한시켜 레이저 빔의 전파 방향으로 연장되는 손상 영역을 형성한다. 상기 손상 영역은 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에 원 형상을 갖는다. 원 형상을 가진 손상 영역의 연속은 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적을 형성한다. 원에 가까운 형상을 가진 손상 영역을 구성하는, 상기 워크피스에 형성된 이러한 커팅 및/또는 파괴 평면은 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적에 대해 워크피스의 벌크 및 표면에서 무작위 방향 또는 여러 방향의 응력 및 크랙을 생성한다. 이는 특히 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적이 다양한 반경 커브로 구성될 때, 커팅 및/또는 파괴 품질에 대해 부정적인 영향을 미친다. 또한 의도된 커팅 궤적에서 벗어난 방향에서의 워크피스의 벌크 및 표면의 무작위적 크랙 및 응력의 형성은 가공된 워크피스의 기계적 강도를 감소시키며, 이는 결함 부품, 워크피스 재료의 더 많은 소모, 및 덜 효율적인 가공을 야기한다.
본 발명의 제1 관점에 따라, 청구항 제1항을 따른 투명 재료를 가공하는 방법이 제공된다.
다른 관점에서, 청구항 제19항을 따른 투명 재료를 가공하는 방법이 제공된다.
레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 유도된 손상 영역의 기다란 형상은 타원 형상과 유사할 수 있다.
상기 기다란 형상의 손상 영역들은 상기 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적을 따라 워크피스 내에서 서로 일정한 거리로 배치되며, 인접한 손상 영역들의 중심 간의 거리(dx)는 단일 손상 영역(18b)의 약 0.5 내지 약 15 길이 범위 내에 있고, 장축(18e)을 따른 손상 영역의 길이는 약 1㎛ 내지 약 20㎛이며, 장축을 따른 손상 영역의 길이는 단축을 따른 길이에 1.3배 내지 5배, 바람직하게는 2배 더 크다. 상기 워크피스의 투명 재료는 유리, 화학적 강화된 유리, 사파이어 또는 다른 결정질 재료로 구성된 그룹에서 선택된다.
상기 레이저 빔 전파 방향을 따라 투명한 워크피스에서 유도된 손상 영역의 길이는 플레이트 형상의 워크피스의 두께보다 더 짧을 수 있으며 플레이트 형상의 워크피스의 어떤 표면에도 인접하지 않을 수 있으며, 또는 손상 영역의 길이는 워크피스의 두께와 일치할 수 있고 플레이트 형상의 워크피스의 양쪽 표면 모두에 인접할 수 있으며, 또는 손상 영역의 길이는 플레이트 형상의 워크피스의 두께보다 더 짧을 수 있으며 표면 중 오직 하나에만 인접할 수 있다.
워크피스의 투명 재료는 (예컨대 열적으로 강화된 유리를 포함하는) 유리, 화학적으로 강화된 유리, 사파이어, 또는 다른 결정질 재료일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 청구항 제7항에 따른 투명 재료를 가공하는 장치가 제공된다.
또 다른 관점에서, 청구항 제24항에 따른 투명한 재료를 가공하는 장치가 제공된다.
광학 부재는 투명한 플레이트일 수 있으며, 상기 투명한 플레이트는 레이저 빔의 절반을 덮는 방식으로 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로 내에 배치되며, 상기 레이저 빔의 덮인 부분과 덮이지 않은 부분은 대칭이며 빔의 덮이지 않은 부분은 직접적으로 지나가며, 반면 빔의 덮인 부분은 투명 플레이트를 통해 지나간다.
광학 부재는 다른 두께의 제1 존 및 제2 존을 가진 투명 플레이트일 수 있으며, 이는 레이저 빔이 두 부분으로 분할되는 방식으로 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 배치되고, 상기 빔의 제1 부분은 상기 플레이트의 제1 존을 통해 지나가고 상기 빔의 제2 부분은 상기 플레이트의 제2 존을 통해 지나간다. 상기 두 부분은 동일한 대칭 부분일 수 있다.
광학 부재는 다른 굴절률의 제1 존 및 제2 존을 가진 투명 플레이트일 수 있으며, 이는 전술한 빔이 두 부분으로 분할되는 방식으로 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 배치되고, 상기 빔의 제1 부분은 상기 플레이트의 제1 존을 관통하고 상기 빔의 제2 부분은 상기 플레이트의 제2 존을 관통한다. 상기 두 부분은 동일한 대칭 부분일 수 있다.
제어된 배치 메커니즘(positioning mechanism)은 광학 부재가 부착된 로터리 스테이지, 및 워크피스가 부착된 선형 이동 스테이지를 포함할 수 있으며, 상기 스테이지들은 제어기에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제어기는 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적의 방향이 광학 부재를 회전시키는 스테이지에 의해 제어되는 방식으로 커팅 및/또는 파괴 평면의 미리 정해진 궤적에 따라 컴퓨터로부터 명령어를 수신하며, 일정한 변위 거리에서 워크피스의 손상 영역의 배치(positioning)는 워크피스를 선형으로 이동시키는 스테이지에 의해 제어된다.
상기 배치 메커니즘은 고정 광학 부재 뒤의 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 배치되고 상기 로터리 스테이지 및 상기 워크피스가 부착된 선형 운동 스테이지에 부착된 도브 프리즘(Dove prism)을 포함할 수 있으며, 상기 로터리 및 선형 운동 스테이지는 제어기에 의해 제어되고, 상기 제어기는 상기 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적의 방향이 도브 프리즘을 회전시키는 스테이지에 의해 제어되고, 일정한 변위 거리의 워크피스의 손상 영역의 배치는 선형 운동 워크피스에 의해 제어된다.
상기 레이저 소스의 레이저 방사선의 편광 상태를 선에서 원으로 변화시키기 위한 1/4 파장 위상 플레이트는 상기 레이저 빔 전파 방향을 따라 광학 부재의 앞 또는 뒤에 그리고 상기 도브 프리즘의 전방의 레이저 빔 경로에 배치될 수 있다.
상기 레이저 소스의 레이저 방사선의 동일한 편광 상태를 최소화하기 위한 1/2 파장 위상 플레이트는 레이저 빔 전파 방향을 따라 상기 광학 부재 뒤의 레이저 빔 경로에 그리고 도브 프리즘의 전방의 빔 경로에 배치되고 상기 도브 프리즘과 함께 위상 플레이트를 회전시키기 위한 스테이지에 부착된다.
투명 재료의 가공을 위한 제안된 방법 및 장치는 레이저 빔 전파 방향으로 그리고 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 기다란 (대칭의) 형태를 갖는 워크피스의 손상 영역의 형성을 야기한다. 레이저에 의해 워크피스에 형성된 손상 영역들 사이의 방향 및 거리는 워크피스의 원하는 커팅 및/또는 파괴를 형성하는데 필요한 커팅 및/또는 파괴의 궤도를 따른 제어된 위치에서 연이어 기다란 (대칭의) 손상 영역을 배치하는 배치 메커니즘에 의해 제어된다. 워크피스에 유도된 기다란 손상 영역은 바람직하게 타원과 유사한 형태를 갖는다. 이러한 기다란 손상 영역은 손상 영역의 세로로 긴 치수를 따라 손상 영역 내에서 크랙 전파를 야기할 것이다. 제안된 방법 및 장치에 따라, 기다란 손상 영역을 가진 파괴 및/또는 커팅 평면의 형성은 워크피스의 응력 또는 크랙 형성 방향을 제어함으로써, 커팅 궤적을 따른 응력 또는 크랙을 우선적으로 형성하여 커팅 궤적을 벗어난 워크피스의 벌크 또는 표면에서 무작위 방향으로의 크랙 및 응력을 최소화하거나 피한다.
일부 실시예에서, 이는 투명 재료의 가공 품질의 충분한 개선, 워크피스 재료 생산량의 개선, 가공 처리량 개선, 및 자유형 플레이트 형태의 투명 재료 워크피스의 가공 속도의 개선을 야기할 수 있다. 가공 품질, 처리량 및 가공 속도는 정돈된 미세 크랙의 안내 및 그 크기로 인해, 손상 영역의 연장으로 인해, 그리고 커팅 및/또는 파괴 평면의 궤적을 따른 미세 크랙의 정돈된 배열로 인해 개선될 수 있다.
도 1은 투명 재료의 가공을 위한 제안된 장치의 주요 블록 구성도이다.
도 2는 레이저 빔의 강도 프로파일의 대칭에 지장을 주기 위한 레이저 빔에 대한 광학 부재의 구성 및 변위이다.
도 3a는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 형성하는, 광학 부재가 로터리 스테이지에 부착되며 광학 부재 뒤의 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔 경로에 위치되는 실시예에 따른, 제안된 장치의 주요 광학적 레이아웃이다.
도 3b는 상기 광학 부재가 로터리 스테이지에 부착되고 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔 경로(두 가지 대안의 광학적 레이아웃이 도시됨)에 위치되는 하나의 실시예에 따른, 제안된 장치의 주요 광학적 레이아웃이다.
도 4a는 고정 광학 부재가 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 위치되고 그리고 그 뒤에 로터리 스테이지에 부착된 도브 프리즘이 위치되는 하나의 실시예에 따른, 제안된 장치의 주요 광학 레이아웃이다.
도 4b는 고정 광학 부재가 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 위치되고, 로터리 스테이지에 부착된 도브 프리즘이 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 위치되는 하나의 실시예에 따른, 제안된 장치의 주요 광학적 레이아웃이다.
도 5는 대칭 및 비대칭인 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔(윗 줄)에 의해 투명 재료 워크피스에 유도된 손상 영역(아랫 줄)의 사진의 모음이며, 여기서,
- 18a는 대칭의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔에 의해 투명 재료 워크피스의 벌크에 유도된 무작위 방향 크랙으로 둘러싸인 손상 영역이다(레이저 빔을 비대칭의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환시킬 어떤 광학 부재도, 광학 경로에 없다).
- 18b는 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔에 의해 투명 재료 워크시트의 벌크에 유도된 크랙을 가진 손상 영역이다(레이저 빔을 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환시키는 광학 부재가 레이저 빔의 광학 경로에 있다).
도 6은 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 따라 연이어 길이 방향으로 변위된, 타원 형태와 유사한, 기다란 형상의 레이저 유도된 변환을 나타내는 개략도이다.
도 7은 투명 재료 워크피스의 벌크에 유도된 손상 영역의 길이(18f) 및 배치에 대한 4개의 대안 실시예의 모음이다.
도 8은 광학 부재의 회전에 의한 크랙 방향에 대한 제어를 예시하는, 투명 재료 워크피스의 벌크에 유도된 손상 영역의 사진이다.
도면을 참고하여, 투명 재료의 레이저 가공을 위한 장치는 다음을 포함한다:
- 초단파 펄스 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)을 발생하는, 레이저 소스(1),
- 가우스-베셀 강도 프로파일 초단파 펄스 레이저 빔을 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환시키는, 광학 부재(3, 3', 3''),
- 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 형성하는 동안, 원하는 방향을 따라 손상 영역(18b)을 워크피스(7) 내에 지향시키는, 제어된 회전 장치(4a, 4b),
- 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 형성하고, 이를 국한된 레이저 빔에 대해 투명한 워크피스(7) 내에 국한시키는, 광학 시스템(5),
- 컴퓨터(9)로부터 제어 명령을 수신하는, 제어기(10)에 의해 제어되는, 선형 운동이 가능한, 스테이지(8),
- 공간 광 변조기(spatial light modulator), 원뿔형 렌즈(엑시콘(axicon))와 같은, 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는, 광학 부재(11),
- 워크피스(7)의 벌크 내에 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 국한시키는, 광학 구성요소의 셋업(12, 13),
- 광학 부재(3, 3', 3'')의 기능을 실행하기 위한 투명 플레이트(14a),
- 광학 부재(3, 3', 3'')의 기능을 실행하기 위한 다른 두께의 두 개의 존을 포함하는, 투명 플레이트(14b),
- 광학 부재(3, 3', 3'')의 기능을 실행하기 위한, 다른 굴절률의 두 존을 포함하는, 투명 플레이트(14c),
- 광학 부재(3, 3', 3'') 또는 도브 프리즘(16, 16')의 회전을 위한, 회전 운동이 가능한 스테이지(15, 15', 15'').
비대칭의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 형성을 위한 광학 셋업(19)은 광학 부재(3, 3', 3''), 제어된 회전 장치(4a, 4b), 및 광학 시스템(5)을 포함한다.
도 1은 투명 재료 가공을 위한 제안된 장치의 주요 블록 구성도이다. 플레이트형 워크피스의 재료는 레이저 소스(1)의 레이저 방사선(2)에 대해 투명하다.
일부 실시예에서, 손상 영역을 형성하는데 적합한 레이저 파장은 상기 파장에서 워크피스를 통한 흡수 및 산란으로 인한 결합된 손실들이 20%/mm 미만, 또는 15%/mm, 또는 10%/mm 미만, 또는 5%/mm 미만, 또는 1%/mm 미만인 파장이며, 여기서 "/mm" 단위는 레이저 빔의 전파 방향으로 워크피스 내의 거리 밀리미터 당을 의미한다. 워크피스가 레이저 파장에 대해 투명할 때, 레이저로부터 워크피스로의 에너지의 전달은 높은 강도의 초단파 펄스 방사선에 의해 가능한 비-선형 프로세스를 통해 주로 일어날 수 있다. 비-선형 프로세스는 2-광자 흡수와 같은 다중-광자 프로세스를 포함한다.
상기 방법은 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 형성을 위한 광학 셋업(19)을 선정함으로써 그리고 레이저 방사선의 변수들을 선정함으로써 구현되므로, 워크피스(7)의 재료와 펄스된 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔(6b)의 상호 작용은 레이저 빔 전파 방향으로 그리고 레이저 빔 전파 방향에 대해 수직한 평면에서 (비대칭의) 기다란 형상을 갖는 손상 영역(18b)을 워크피스 재료 내에 유도한다. 일련의 손상 영역(18c)을 길이 방향으로 형성하는 상기 유도된 손상 영역(18b)의 수와 배치는 워크피스(7)와 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 서로에 대해 변위시키도록 컴퓨터(9)에 의해 지시된 제어기(10)에 의해 제어된다. 상기 유도된 기다란 손상 영역(18b)은 파괴 평면(18d)에 대한 손상 영역의 둘레의 내부 응력의 축적으로 인해 유도된 미세-크랙 평면을 통해 궤적을 따라 상호 연결된다. 상기 워크피스 재료 내의 손상 영역(18b)의 크기와 규모는 레이저 펄스 지속시간, 평균 레이저 펄스 에너지, 레이저 파장 및 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔 원뿔각과 같은 펄스된 레이저 빔 특성의 선택을 통해 제어된다. 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에서, 장축(18e)을 따른 손상 영역(18b)의 통상적인 길이는 약 1㎛ 내지 약 20㎛이며, 장축을 따른 손상 영역의 길이는 워크피스 재료 타입, 두께, 및 만일 그러한 것을 갖는 경우 적층 구조에 따라, 단축을 따른 길이보다 1.3배 내지 5배, 바람직하게는 2배 더 크다.
상기 방법은 초단파 펄스 레이저에 의해 구현되며, 상기 초단파 펄스 레이저는 약 1 ps 내지 100 ps의 범위, 예컨대 10 ps 내지 100 ps의 펄스 지속시간을 갖는다. 워크피스 재료에서 측정된 평균 레이저 펄스 에너지는 약 1000μJ 미만, 예컨대 약 400μJ 미만이 되도록 설정된다. 레이저 소스의 파장은 레이저 파장의 단일 광자의 에너지가 워크피스 재료의 밴드 갭(band gap)보다 작고, 약 3㎛보다 작도록 선정된다. 광학 셋업(19)은 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 원뿔각(17)의 절반이 4도 내지 45도의 범위에, 예컨대, 4도 내지 20도의 범위에 있도록 한다. 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 타원과 유사한 기다란 형상을 가진, 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔(6b)과 플레이트형 워크시트(7)를, 서로에 대해 이동시킴으로써, 이후의 변환은 일정한 거리 (dx)만큼 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 따라 길이 방향으로 변위되며, 상기 거리는 워크피스 재료의 타입, 두께, 및 있는 경우 적층 구조에 따라서, 장축(18e)을 따른 단일 손상 영역의 길이에 0.5 내지 15를 곱한 범위에 있을 수 있다.
광학 셋업(5) 및 레이저 빔(2)의 특성은 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 타원과 유사한 기다란 형상를 가진 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔(6b)과 워크피스(7) 재료의 상호 작용이 레이저 빔 전파 방향을 따라 손상 영역(18b)을 유도하도록 선택되며, 여기서 상기 손상 영역(18b)의 길이(18f)는 플레이트형 워크피스(7)의 두께보다 더 짧고 플레이트형 워크피스의 어떤 표면에도 인접하지 않으며, 또는 손상 영역의 길이(18f)는 플레이트 형상의 워크피스의 두께와 일치하고 플레이트 형상의 워크피스의 양쪽 표면(7a, 7b) 모두에 인접하며, 또는 손상 영역의 길이(18f)는 플레이트 형상의 워크피스(7)의 두께보다 더 짧고 그 전방 표면(7a)에 인접하거나, 또는 손상 영역의 길이(18f)는 플레이트 형상의 워크피스(7)의 두께보다 더 짧고 그 후방 표면(7b)에 인접한다.
도 3a는 개시된 방법의 하나의 실시예의 주요 광학적 레이아웃이며, 초단파 펄스 레이저(1)에서 발생된 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)은 레이저 빔 대칭에 지장을 주기 위해 광학 부재(3)를 통해 지나간다. 상기 레이저 빔은 레이저 빔을 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 타원과 유사한 기다란 형상을 가진 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환하기 위해, 공간 광 변조기 또는 원뿔형 렌즈와 같은 통상적인 베셀-가우스 빔을 발생하는 광학 부재(11)를 또한 통해 지나간다. 상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 레이저 빔 이미징 광학 셋업(12, 13)에 의해 바뀔 수 있으며, 또는 워크피스(7)의 벌크에 국한될 수 있다. 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔 및 워크피스 재료의 상호 작용은 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 따라 재료(18d)에 미세 크랙 평면의 유도를 야기하는 손상 영역(18b)를 초래하며, 그 방향은 회전 장치(4a)에 의해 제어되고, 상기 광학 부재(3)는 로터리 스테이지(15)에 의해 회전된다. 일정한 펄스 대 펄스 거리에서의 연이은 레이저 펄스 XN -1, XN, XN +1 (18c)는 이동 스테이지(8) 및 로터리 스테이지(15)의 사용과 제어기(10)에 의해 재료 내에 배치되며, 이 모두는 미리 정해진 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 따라 컴퓨터(9)로부터 지시를 받는다. 대안으로서, 레이저 소스(1)를 가진 또는 레이저 소스(1) 없는 광학 셋업은 워크피스에 대해 이동되어 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 3b는 상기 방법의 다른 실시예의 주요 광학 레이아웃을 나타내며, 이는 첫번째 실시예에 기초한다. 로터리 스테이지(15', 15'')에 부착된 광학 부재(3', 3'')를 포함하는 제어된 회전 장치(4a)는 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 포함하는 동안 워크피스(7)에서 손상 영역(6b)의 크랙의 방향을 설정하는데 사용된다. 상기 제어된 회전 장치(4a)는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는, 레이저 빔 전파 방향으로 상기 광학 부재(11) 뒤의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 위치되거나, 또는 대안으로서 광학 부재(12, 13)들 사이에 위치된다.
도 4a는 상기 방법의 또 다른 실시예의 주요 광학 레이아웃을 나타내며, 상기 광학 레이아웃(19)은 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는데 사용된 광학 셋업(5)의 전방에 가우시안 강도 프로파일 빔(2)의 광학 경로에 위치된 제어된 회전 장치(4b)를 포함한다. 제어된 회전 장치(4b)는 광학 부재(3)와, 레이저 빔 전파 방향의 고정 광학 부재(3) 뒤의 로터리 스테이지(15)에 부착된 도브 프리즘(16)을 포함한다. 초단파 펄스 레이저(1)에서 발생된 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)은 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)의 광학 경로에 있는 빔 대칭에 지장을 주는 광학 부재(3)를 통해 지나가며, 이후 공간 광 변조기 또는 원뿔 렌즈와 같은, 통상적인 베셀-가우스 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는 광학 부재(11)를 통해 지나간다. 결과적인 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 레이저 빔 이미징 광학 셋업(12, 13)에 의해 변화될 수 있으며, 또는 워크시트(7)의 벌크에 국한될 수 있다. 상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔과 워크시트 재료의 상호작용은 재료(18d)에서 미세-크랙 평면 궤적의 유도로 이어지는 손상 영역(18b)를 초래하며, 그 방향은 광학 부재(3)를 관통하는 초단파 펄스 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)의 이미지를 회전시킴으로써 제어된다. 이는 상기 로터리 스테이지(15)로 상기 도브 프리즘(16)을 회전시킴으로써 실현된다. 상기 도브 프리즘 각도에 따른 반사의 변화를 극복하기 위해, 그러한 것이 발생하면, 1/4 파장 위상 플레이트(16b, 16b')는 레이저 방사선의 선형 편광을 원으로 변환시키는데 사용될 수 있으며, 또는 1/2 파장 위상 플레이트(16b'')는 상기 도브 프리즘(16)과 함께 회전되어 동일한 레이저 빔 편광 상태를 최소화시킬 수 있다. 일정한 펄스 대 펄스 거리에서의 연이은 레이저 펄스 XN -1, XN, XN +1 (18c)는 이동 스테이지(8)와 로터리 스테이지(15)의 사용 및 제어기(10)에 의해 재료 내에 배치되고, 그 모두는 미리 정해진 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적에 따라 컴퓨터(9)로부터 지시를 받는다. 대안으로, 레이저 소스(1)를 가지거나 또는 갖지 않은 광학 셋업은 동일한 효과를 얻기 위해 워크피스에 대해 이동될 수 있다.
도 4b는 상기 방법의 다른 실시예의 주요 광학 레이아웃을 나타내며, 이는 도 4a의 주요 광학 레이아웃에 의해 개시된 실시예에 기초한다. 이러한 실시예에서, 제어된 회전 장치(4b)는 가우시안 강도 프로파일 레이저 빔(2)의 광학 경로에 배치되는 고정 광학 부재(3)를 포함하며, 상기 광학 부재(3)의 후방 또는 전방에 1/4 파장 위상 플레이트(16b, 16b')가 배치되며, 이는 선형 편광 상태의 레이저 방사선을 원형으로 변경하기 위한 것이다. 도브 프리즘(16')은 상기 커팅 및/또는 파괴 평면 궤적을 유도하는 동안 워크피스(7)의 손상 영역(6b)의 크랙의 방향을 설정하기 위해 로터리 스테이지(15')에 부착된다. 도브 프리즘(16')은 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는 레이저 빔 전파 방향을 따라 광학 부재(11) 뒤의 가스우-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 위치된다.
도 2는 광학 부재(3)의 일부 실시예를 도시한다. 광학 부재(3)는 투명한 재료 플레이트이며, 그 재료는 유리, 결정(crystal), 또는 복굴절 결정, 및/또는 반사 방지 코팅과 같은 반사에 영향을 미치는 적층 구조일 수 있다. 제안된 발명의 실시예의 광학 부재(3)의 목적은 레이저 빔의 일부분에 대한 추가 광학 경로를 도입함으로써 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 비대칭을 생성하는 것이다. 도입된 레이저 빔의 비대칭으로 인해, 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 기다란, 바람직하게는 타원형의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔(6b)으로 변환된다.
광학 부재(3)는 여러 기술적 해법을 이용하여 실현될 수 있다. 광학 부재(3)는 레이저 빔의 일부분만을 덮는 유리 플레이트(14a)일 수 있다. 하나의 실시예에서, 유리 플레이트(14a)는 레이저 빔의 절반을 덮는 방식으로 가우시안 또는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 배치되며, 상기 레이저 빔의 덮인 부분과 덮이지 않은 부분은 대칭이다.
전술한 유리 플레이트(14a)에 의한 레이저 빔의 부분 덮음으로 인해, 레이저 빔의 다른 부분들 사이에 광학 경로 차이가 생성되며 레이저 빔의 강도 프로파일의 대칭은 지장을 받게 된다. 상기 플레이트(14a)의 두께는 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환시키기 위해, 예컨대 0.5mm로 선택된다.
광학 부재(3)의 다른 실시예는 다른 두께의 두 개의 존을 포함하는 투명 플레이트(14b)로서, 레이저 빔의 광학 경로에 배치될 때, 다른 존을 통과하는 레이저 빔의 부분들에 대해 다른 광학 경로 길이를 생성한다. 상기 언급된 두 개의 다른 두께의 존은 레이저 빔을 두 개의 동일한 대칭 부분으로 분할하며, 상기 빔의 제1 부분은 상기 플레이트(14b)의 제1 존을 통해 지나가며 상기 빔의 제2 부분은 상기 플레이트(14b)의 제2 존을 통해 지나간다.
광학 부재(3)의 다른 실시예는 다른 굴절률을 가진 두 개의 존을 포함하는 투명 플레이트(14c)로서, 레이저 빔의 광학 경로에 배치될 때, 다른 굴절률의 존을 통해 지나가는 레이저 빔의 부분들에 대해 다른 광학 경로 길이를 생성한다. 투명 플레이트(14c)는 상기 레이저 빔이 두 개의 동일한 대칭 부분들로 분할되는 방식으로 레이저 빔의 광학 경로에 배치되며, 상기 빔의 제1 부분은 상기 플레이트(14c)의 제1 굴절률 존을 통해 지나가며 상기 빔의 제2 부분은 상기 플레이트(14c)의 제2 굴절률 존을 통해 지나간다.
제안된 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 투명 플레이트(14a, 14b, 14c)는 전술한 비대칭의 덮인 레이저 빔 부분과 덮이지 않은 레이저 빔 부분에 따라, 상기 빔을 비대칭 부분으로 분할하고 다양한 형태의 손상 영역을 유도하는, 레이저 빔의 부분 덮음을 위해 레이저 빔의 광학 경로에 배치될 수 있다.
제안된 발명의 실시예에 따라, 통상적인 가우시안 강도 프로파일 초단파 펄스 레이저 빔(2)은 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에서 기다란 형상을 가진 비대칭의 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔으로 변환될 수 있으며, 투명한 플레이트 형태의 워크피스의 벌크에서 국한될 수 있고, 여기서 펄스 에너지는 비선형 프로세스를 통해 워크피스 재료로 전달되며 재료의 변형은 미세 크기의 크랙을 가진 손상 영역의 형태로 나타난다. 손상 영역의 변형된 재료의 밀도 변화로 인해, 재료의 내부 응력은 미세 크랙과 같은 평면을 형성하며, 그 방향은 비대칭/기다란 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 장축의 회전에 의해 제어된다. 미리 정해진 궤적을 따라 그러한 변환을 유도하는 것은 명확한 분리 경로를 생성하며, 이는 기계적인 힘, 열응력에 의해 유도된 힘, 또는 플레이트 형태의 워크피스 타입 및 적층 구조에 따른, 플레이트 형상의 워크피스에 존재하는 내부 응력으로 인해 생긴 시간 조절된 자체-파괴(a timed self-break)에 의해 미리 정해진 형상의 부분으로 워크피스를 분리하는데 사용된다.

Claims (31)

  1. 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 워크피스에 국한시키는 단계, 여기서 상기 워크피스의 재료는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔에 대해 투명하여 상기 워크피스에 손상 영역을 형성하고, 상기 손상 영역은 상기 레이저 빔의 전파 방향으로 연장됨; 및
    상기 워크피스의 커팅 평면 및 파괴 평면 중 적어도 하나를 형성하기 위해 미리 정해진 궤적으로 추가 인접 손상 영역을 생성하기 위해 상기 워크피스와 상기 레이저 빔의 서로에 대한 제어된 변위를 수행하는 단계;를 포함하며,
    여기서, 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는 단계는 상기 빔의 광학 경로에 광학 부재를 배치하여 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 발생하는 단계를 포함하며,
    상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 비대칭은 상기 레이저 빔의 전파 방향에 수직한 평면에 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 기다란 형상을 형성하기 위해 상기 빔의 광학 경로 내에 상기 광학 부재의 재료, 상기 광학 부재의 변수, 상기 광학 부재의 배치 중 적어도 하나를 선정함으로써 설정되며, 상기 기다란 형상은 장축 및 단축을 가지고, 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 상기 워크피스에서 상응하는 기다란 손상 영역을 유도하고,
    상기 워크피스 및 상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 서로에 대한 제어된 변위는 다수의 상기 유도된 기다란 형상의 손상 영역이 커팅 평면 및 파괴 평면 중 적어도 하나의 미리 정해진 궤적을 따라 연이어 길이방향으로 상기 워크피스에 배열되는 방식으로 수행되는, 투명한 재료를 가공하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 가우스 강도 프로파일 레이저 빔으로부터 발생되는, 투명한 재료를 가공하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기다란 손상 영역은 타원 형상을 갖는, 투명한 재료를 가공하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    다수의 상기 기다란 형상의 손상 영역은 커팅 평면 및 파괴 평면 중 적어도 하나의 궤적을 따라 서로 간에 거리(dx)로 위치되며,
    상기 인접한 기다란 손상 영역들의 중심들 간의 상기 거리(dx)는 장축을 따라 기다란 형상의 손상 영역의 길이의 0.5 내지 15 배의 범위에 있으며,
    상기 장축을 따른 기다란 형상의 손상 영역의 길이는 1 ㎛ 내지 20 ㎛이며, 상기 장축을 따른 기다란 형상의 손상 영역의 길이는 단축을 따른 기다란 형상의 손상 영역의 길이보다 1.3 내지 5배 더 큰, 투명한 재료를 가공하는 방법.
  5. 레이저 빔을 발생하기 위한 레이저 소스;
    빔 전파 방향을 따라 워크피스에 손상 영역을 형성하기 위해 상기 레이저 빔으로부터 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 형성하고 상기 워크피스에 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 국한시키기 위한 광학 시스템, 여기서 상기 워크피스는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔에 투명함; 및
    상기 워크피스의 커팅 평면 및 파괴 평면 중 적어도 하나를 형성하기 위해 미리 정해진 궤적으로 다수의 손상 영역이 생성되도록, 상기 워크피스와 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 서로에 대한 변위를 위해, 제어기에 의해 제어되는 배치 메커니즘;을 포함하며,
    여기서, 상기 워크피스에 국한되는 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 형성하기 위해 가우스-베셀 강도 프로파일 빔의 대칭을 방해하도록 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 경로에 광학 부재가 놓이고, 상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔은 상기 레이저 빔 전파 방향에 수직한 평면에 기다란 형상을 가진 손상 영역을 유도하며,
    상기 배치 메커니즘은 복수의 상기 기다란 형상의 손상 영역이 상기 워크피스의 커팅 평면 및 파괴 평면 중 적어도 하나의 미리 정해진 궤도를 따라 연이어 길이방향으로 유도되도록 상기 워크피스와 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 서로에 대한 제어된 변위를 수행하도록 구성되는, 워크피스를 가공하는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광학 부재는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 다른 부분에 대해 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 일부분을 위한 추가 광학 경로를 도입하여 상기 비대칭 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 형성하기 위해 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 비대칭을 생성하도록 배열된 투명 플레이트인, 워크피스를 가공하는 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 광학 부재는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔을 비대칭 부분으로 분할하도록 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 부분적인 덮음을 위해 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 놓인 투명한 플레이트인, 워크피스를 가공하는 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 광학 부재는 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 일부를 덮는 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로의 투명 플레이트이며, 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 덮인 부분과 덮이지 않은 부분은 대칭이므로, 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 덮이지 않은 부분은 상기 투명 플레이트를 지나쳐 직접 지나가는 반면 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 덮인 부분은 상기 투명 플레이트를 통해 지나가는, 워크피스를 가공하는 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 광학 부재는 다른 두께의 제1 존 및 제2 존을 가진 투명 플레이트로, 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔이 제1 부분 및 제2 부분으로 분할되도록 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 놓이는데, 상기 제1 부분은 상기 플레이트의 제1 존을 통해 지나가고 상기 제2 부분은 상기 플레이트의 제2 존을 통해 지나가는, 워크피스를 가공하는 장치.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 광학 부재는 다른 굴절률의 제1 존 및 제2 존을 가진 투명 플레이트로, 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔이 제1 부분 및 제2 부분으로 분할되도록 상기 레이저 빔 또는 상기 가우스-베셀 강도 프로파일 레이저 빔의 광학 경로에 놓이는데, 상기 제1 부분은 상기 플레이트의 제1 존을 통해 지나가고 상기 제2 부분은 상기 플레이트의 제2 존을 통해 지나가는, 워크피스를 가공하는 장치.
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