KR20180100003A - 레이저빔 성형 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 레이저 광원부와 마주하는 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 통해 광학적으로 이어지도록, 일 측에서 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 레이저 변형 형상 빔을 일 방향(또는 Y축)으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 내부에서 복수의 레이저 조각 형상 빔을 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동시키고, 타 측에서 복수의 레이저 조각 형상 빔을 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 빔 조작 광학계를 포함한다.

Description

레이저빔 성형 장치{LASER BEAM SHAPING APPARATUS}
본 발명은 레이저 광원부로부터 가공물의 가공 면 상에 레이저 빔을 조사시키는 레이저빔 성형 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 레이저 광원부로부터 방출되는 가우션 프러파일의 레이저 원시 형상 빔을 플랫-탑 프러파일의 레이저 라인 빔으로 형성하고 레이저 라인 빔을 포커싱하여 만들어진 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키는 레이저빔 성형 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)의 제조 방법에서, 사파이어 기판으로부터 절연막(GaN 막 또는 AlN 막)을 분리하는 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Life Off) 공정과, 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display))의 제조 방법에서, 유리 기판 상에 비정질 실리콘층의 증착후 비정질 실리콘층의 결정화 공정에 Eximer 레이저 빔이나 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 빔이 사용된다.
이 경우에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가공물의 가공 면에 고 에너지의 레이저 빔으로 빠른 시간에 조사되어야 하는데, 이를 위해, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 빔 스팟(beam spot)의 크기를 줄이고 빔의 진행 방향에 직각인 방향에서 빔 세기(beam intensity, 또는 빔 강도)를 일정하게 하는 플랫-탑 프러파일(flat-top profile)을 이루도록 형상화되어야 고 에너지를 가지도록 용이하게 균질화 처리될 수 있다.
상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가우션 프러파일로 형상화되어 빔 중심으로부터 거리에 따라 빔 세기를 작게 가지기 때문에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 가우션 프러파일을 플랫-탑 프러파일로 형상화하여 작은 크기의 빔 스팟을 구현하고 작은 크기의 빔 스팟을 통해 가공물의 가공 면에 높은 에너지로 조사되기 위해 부가적인 광학계를 필요로 한다.
여기서, 광학에서 공지된 지식에 따르면, 레이저의 빔퍼짐성(divergence)과 연관된 빔질(beam quality factor; M2)이 작을수록 렌즈에 집속되는 빔 직경을 작게 가질 수 있으며, 빔 직경(spot size 또는 beam waist)이 작을수록 레이저 에너지 밀도를 증가시킬 수 있으므로, 상기 부가적인 광학계는 광원으로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 라인 빔으로 형상화하여 라인 빔을 통해 원시 레이저 빔의 빔퍼짐성(divergence)을 목적하는 방향으로 줄인 후 라인 빔을 소정 크기로 분할하고 분할된 라인 빔의 가로 축 및 세로 축을 뒤바꿔 빔 직경을 줄이도록 구성된다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0082119호
본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고밀도 에너지의 라인 빔을 구성하는 레이저 광학계에서, 빔의 진행 방향(또는 Z축 방향)에서 볼 때, X축 방향으로 호모게나이저(homogenizer)를 이용하여 레이저 광학계에 부합하는 균일한 세기의 빔을 콜리메이션 해주고, Y축 방향으로 렌즈 별로 용이하게 빔 포커싱하여 빔 직경(spot size 또는 beam waist)을 줄이는데 적합한 레이저빔 성형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치는, 레이저 광원부로부터 시작되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔을 성형시켜 레이저 빔을 만들고 상기 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키도록, 상기 레이저 광원부와 마주하는 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 통해 광학적으로 이어지도록, 일 측에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 레이저 변형 형상 빔을 일 방형(또는 Y축)으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 내부에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동시키고, 타 측에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 빔 조작 광학계를 포함하고, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔은 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 조작 광학계는, 복수의 렌즈 셀(lens cell, 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지는 구면 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 입사면과 출사면은 개개의 렌즈 셀에서 입사 부분면과 출사 부분면을 가질 수 있다.
상기 복수의 렌즈 셀은 상기 개개의 렌즈 셀의 길이 방향으로 렌즈 셀 축을 가지고, 상기 개개의 렌즈 셀의 초점을 연결하는 초점 라인을 가지며, 상기 렌즈 셀 축에 대해 상기 초점 라인을 직각되게 하고, 상기 일 방향에 대해 상기 렌즈 셀 축과 상기 초점 라인을 45°로 경사시킬 수 있다.
상기 구면 렌즈 어레이는 상기 입사면에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면에 의해 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 상기 내부에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 초점을 통과시키는 동안 상기 초점을 기준으로 상기 레이저 조각 형상 빔을 대칭 반전시켜 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 이동시키고, 상기 출사면에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 출사 부분면을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성할 수 있다.
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면과 상기 출사 부분면 사이에서 상기 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전된다.
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 렌즈 셀 축 또는 상기 초점 라인을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전된다.
상기 빔 조작 광학계는, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈, 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이와 제2 실린더 렌즈로 이루어지고, 상기 실린더 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀을 가지며, 입사면과 출사면에서 개개의 렌즈 셀에 입사 부분면과 출사 부분면을 가질 수 있다.
상기 제1 실린더 렌즈 또는 상기 제2 실린더 렌즈는 상기 일 방향에 대해 렌즈 축을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 제1 실린더 렌즈 어레이는 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시킬 수 있다.
상기 빔 조작 광학계는 상기 제1 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 제1 실린더 렌즈의 렌즈 축을 향해 회전시켜 출사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 출사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이에서 개개의 렌즈 셀의 입사 부분면을 통해 상기 제1 실린더 렌즈의 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 상기 개개의 렌즈 셀의 렌즈 셀 축과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후 상기 개개의 렌즈 셀의 출사 부분면을 통해 상기 레이저 조각 형상 빔을 출사시키고, 상기 제2 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 실린더 렌즈 어레이의 상기 개개의 렌즈 셀로부터 상기 일 방향에서 상기 타 방향으로 위치 이동한 상기 레이저 조각 형상 빔을 입사받아 출사면을 통해 평행빔으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성할 수 있다.
상기 제1 실린더 렌즈로부터 출사되는 상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 실린더 렌즈 어레이에서 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 렌즈 셀 축과 직각을 이루고, 상기 실린더 렌즈 어레이로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔은 직사각형 또는 정사각형으로 성형될 수 있다.
상기 실린더 렌즈 어레이가 다수인 때, 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔은 개개의 실린더 렌즈 어레이의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가질 수 있다.
상기 실린더 렌즈 어레이는 제1 실린더 렌즈의 초점 거리에 위치될 수 있다.
상기 선형 레이저 가공 장치는 상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계; 및 상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모게나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고, 상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고, 상기 호모게나이저 광학계는 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시키고 상기 일 방향에서 빔 크기를 조절하여 레이저 라인 빔을 형성하고, 상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성할 수 있다.
상기 빔 형성 광학계는 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 상기 일 방향에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 상기 레이저 변형 형상 빔을 형성할 수 있다.
상기 레이저 원시 형상 빔은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 빔 조작 광학계에 구면 렌즈 어레이를 구비하거나 두 개의 실린더 렌즈 사이에 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이를 구비하여 구면 렌즈 어레이 또는 실린더 렌즈에 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔(또는 라인 빔)을 빔의 진행 방향에 직각을 이루는 일 방향(또는 Y축)으로 분할하지 않고 온전하게 입사시키므로 레이저 변형 형상 빔 관련하여 렌즈 별 정렬 작업을 생략하거나 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명은 빔 조작 광학계에서 구면 렌즈 어레이의 입사면과 출사면 사이에서 또는 실린더 렌즈 어레이에서 일 방향을 따라 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔(또는 라인 빔)을 복수로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후, 복수의 레이저 조각 형상 빔을 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동(예를 들면, X축 위치 변경에 따른 Y축 위치 변경에 관련된 순서쌍 좌표 이동)시켜 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 가지는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 계속해서 형성시키므로 빔 조작 광학계의 기능에 대한 작업자의 인식을 빠르게 도모하여 레이저 가공 작업을 편리하게 해줄 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 레이저 광원부로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 3차원 좌표 상에서 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 1의 빔 형성 광학계로부터 방사되는 레이저 변형 형상 빔을 보여주는 개략도이다.
도 4는 도 1의 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 5의 구면 렌즈 어레이에서 렌즈 셀 내 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 6의 렌즈 셀의 입사면과 출사면 사이에서 빔의 이동을 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 5의 빔 조작 광학계로부터 방사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 보여주는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이다.
도 10은 도 9의 빔 조작 광학계에서 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이고, 도 2는 도 1의 레이저 광원부로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 3차원 좌표 상에서 보여주는 개략도이다.
또한, 도 3은 도 1의 빔 형성 광학계로부터 방사되는 레이저 변형 형상 빔을 보여주는 개략도이고, 도 4는 도 1의 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치(170)는, 서로 마주하면서 광학적으로 이어지는 레이저 광원부(10), 릴레이 광학계(20), 빔 형성 광학계(30), 빔 조작 광학계(70), 호모제나이저 광학계(1500)와 포커싱 광학계(160)를 도 1과 같이 포함한다. 빔 경로를 구현하도록, 상기 레이저 광원부(10)는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔(도 2의 10B)을 형성하여 레이저 원시 형상 빔(10B)을 릴레이 광학계(20)에 전달한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(10B)은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔이다.
상기 레이저 원시 형상 빔(10B)은, 빔의 진행방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 평면에서 원형 횡단면을 가지나, 빔 모양을 단순화시키기 위해, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 5mm X 5mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.5°갖는다고 가정한다. 상기 빔퍼짐성은 아래의 수학식에 의해 빔질 인자(M2)와 비례한다.
Figure pat00001
(단, 2ｗ 0; 빔 스팟의 크기, λ; 레이저 파장, D; 빔 크기, F; 렌즈 초점거리, M2; 빔질 인자 (beam quality factor))
Figure pat00002
(단, Θ; 빔 퍼짐성(beam di vergence), BPP; 확산 정도(beam parameter product))
Figure pat00003
상기 레이저 원시 형상 빔(10B)이 릴레이 광학계(20)에 전달된 후, 상기 릴레이 광학계(20)는 레이저 원시 형상 빔(10B)에서 빔 크기와 빔 퍼짐성에 동요 없이 레이저 원시 형상 빔(10B)을 빔 형성 광학계(30)에 전달한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(10B)이 빔 형성 광학계(30)에 계속하여 전달된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 원시 형상 빔(10B)의 형상을 일 방향(또는 Y축)으로 변형시켜 레이저 변형 형상 빔(도 3의 30B)을 형성한다.
한편, 빔이 통상적인 광학계(예를 들면, 렌즈)를 통과하면,‘Etendue 보존법칙’(또는 Abb’s Sine condition)이 아래의 수학식 4와 같이 구현되는데, 즉,‘Etendue 보존법칙’에 따르면, 광원의 크기(또는 상의 크기; H1, H2)와 광원의 퍼짐 각도(θ1, θ2)의 곱은 항상 일정하다. 따라서, 상기 렌즈의 일 측부 또는 타 측부에서,‘Etendue 보존법칙’에 따르면, 빔 길이와 빔퍼짐성은 서로에 대해 반비례의 관계를 이룬다.
Figure pat00004
(단, N1 과 N2 는 광학계의 굴절률임)
상기 굴절률은 공기 중에서 1이다. 상기 레이저빔 성형 장치(170)에서, 가공물(180)의 가공면(A) 상에 빔의 스팟 크기를 줄이기 위해, 상기 포커싱 렌즈(160)가 수학식 1에 따라 입사되는 빔의 크기를 크게 가지거나 입사되는 빔의 빔질 또는 빔퍼짐성을 작게 가져야 하나, 상기 입사되는 빔은 포커싱 렌즈(160)를 통과한 후 빔 경로 상에 포커싱 렌즈(160)의 수차를 유발시켜 양호하게 포커싱되기 어렵고 DOF(depth of focus)에 악영향을 준다.
상기 포커싱 렌즈(160)의 광학적 부담을 해소하기 위해, 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)은, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 5mm X 25mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.1°갖는다. 따라서, 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)은 Y축으로 레이저 원시 형상 빔(10B) 대비 5배로 늘린 빔 길이를 가지는 때 Y축으로 레이저 원시 형상 빔(10B) 대비 1/5 비율로 줄어든 빔퍼짐성을 갖는다.
상기 레이저 변형 형상 빔(30B)이 빔 형성 광학계(30)에서 형성된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 변형 형상 빔(30B)을 빔 조작 광학계(70)에 전달한다. 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)이 빔 조작 광학계(70)에 전달된 후, 상기 빔 조작 광학계(70)는 레이저 변형 형상 빔(10B)을 입사 받아 복수의 레이저 조각 형상 빔(도 8의 70B)을 형성하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)을 호모게나이저 광학계(150)에 전달한다.
상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)은 이후에 좀 더 상세하게 설명하기로 한다. 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)이 호모게나이저 광학계(150) 에 전달된 후, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)에 대응하는 레이저 라인 빔(도면에 미 도시)을 형성하여 포커싱 광학계(160)에 전달한다. 상기 레이저 라인 빔이 포커싱 광학계(160) 에 전달된 후, 상기 포커싱 광학계(160)는 레이저 라인 빔을 목적하는 방향으로 포커싱하여 빔 스팟을 줄여 고 에너지의 레이저 빔(도면에 미 도시)을 가공물(180)의 가공 면(A)에 조사한다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이고, 도 6은 도 5의 구면 렌즈 어레이에서 렌즈 셀 내 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이며, 도 7은 도 6의 렌즈 셀의 입사면과 출사면 사이에서 빔의 이동을 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 5의 빔 조작 광학계로부터 방사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 보여주는 개략도이다. 여기서, 상기 Z축은 빔의 진행 방향으로 지칭하고, 상기 Y축은 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각인 일 방향으로 지칭하며, 상기 X축은 일 방향에 직각인 타 방향으로 지칭하기로 한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 빔 조작 광학계(70)는 빔 형성 광학계(30)와 함께 빔 경로 상에 위치하며, 구면 렌즈 어레이를 포함한다. 상기 구면 렌즈 어레이는 일 측에서 레이저 변형 형상 빔(30B)을 입사받아 레이저 변형 형상 빔(30B)을 일 방향으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 형성한다.
또한, 상기 구면 렌즈 어레이는 내부에서 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 일 방향(또는 Y축)에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위 치 이동(m)시키고, 타 측에서 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)을 형성한다. 상기 위치 이동(m)은 X축 위치 변경에 따른 Y축 위치 변경에 관련된 순서쌍 좌표 이동으로 지칭될 수 있다.
좀 더 구체적으로 구면 렌즈 어레이를 볼 때에, 상기 구면 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀(lens cell(49), 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 일 방향과 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면(50)과 출사면(60)을 갖는다.
상기 입사면(50)과 출사면(60)은 개개의 렌즈 셀(49)에서 입사 부분면(43)과 출사 부분면(46)을 갖는다. 상기 복수의 렌즈 셀(49)은 개개의 렌즈 셀(49)의 길이 방향으로 렌즈 셀 축(LA)을 가지고, 개개의 렌즈 셀(49)의 초점을 연결하는 초점 라인(FA)을 가지며, 렌즈 셀 축(LA)에 대해 초점 라인(FA)을 직각되게 하고, 일 방향에 대해 렌즈 셀 축(LA)과 초점 라인(FA)을 45°로 경사시킨다.
이에 따라, 상기 구면 렌즈 어레이의 광학적 역할을 설명하면, 상기 구면 렌즈 어레이는 입사면(50)에서 레이저 변형 형상 빔(30B)을 입사받아 개개의 렌즈 셀(49)의 입사 부분면(43)에 의해 레이저 변형 형상 빔(30B)을 일 방향으로 분할하여 레이저 조각 형상 빔(30C)을 형성한다.
또한, 상기 구면 렌즈 어레이는 내부에서 레이저 조각 형상 빔(30C)을 개개의 렌즈 셀(49)의 초점을 통과시키는 동안 초점을 기준으로 레이저 조각 형상 빔(30C)을 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')시켜 레이저 조각 형상 빔(30C)을 일 방향에 직각을 이루는 타 방향을 향해 이동시킨다.
더불어, 상기 구면 렌즈 어레이는 출사면(60)에서 레이저 조각 형상 빔(30C)을 타 방향에 배열하여 개개의 렌즈 셀(49)의 출사 부분면(46)을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔(70B)을 형성한다. 상기 레이저 조정 형상 빔(70B)은, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 25mm X 5mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.1°갖는다.
여기서, 상기 레이저 조정 형상 빔(70B)은 개개의 렌즈 셀(49)의 입사 부분면(43)과 출사 부분면(46) 사이에서 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')된다. 상기 레이저 조각 형상 빔(70B)은 개개의 렌즈 셀(49)에서 렌즈 셀 축 (LA) 또는 초점 라인(FA)을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')된다.
여기서, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)은 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(30B)보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(30B)과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는다. 여기서, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)은 일 방향에서 플랫-탑(flat-top) 프로파일을 갖는다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이고, 도 10은 도 9의 빔 조작 광학계에서 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다. 또한, 상기 Z축은 빔의 진행 방향으로 지칭하고, 상기 Y축은 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각인 일 방향으로 지칭하며, 상기 X축은 일 방향에 직각인 타 방향으로 지칭하기로 한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 빔 조작 광학계(140)는, 빔 경로 상에서 일 방향과 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈(80), 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈(120)로 이루어진다. 본 발명을 단순하게 설명하기 위해, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 하나를 이용하여 설명된다.
상기 입사면과 출사면은 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100), 또는 제2 실린더 렌즈(120)에서 빔 경로 상에 빔의 입사와 출사를 각각 담당한다. 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 복수의 렌즈 셀(95)을 가지며, 입사면과 출사 면에서 도 5, 도 6 또는 도 7과 유사하게 개개의 렌즈 셀(95)에 입사 부분면과 출사 부분면을 갖는다.
상기 제1 실린더 렌즈(80)와 제2 실린더 렌즈(120)는 렌즈 축들(A1, A3)을 각각 가지고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 제1 실린더 렌즈(80)의 초점 거리(F1)에 위치되고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 개개의 렌즈 셀(95)에서 렌즈 셀 축(A2)을 갖는다.
상기 제1 실린더 렌즈(80) 또는 제2 실린더 렌즈(120)는 일 방향에 대해 렌즈 축(A1 또는 A3)을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 개개의 렌즈 셀(95)에서 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축(A2)을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시킨다.
즉, 상기 제1 실린더 렌즈(80)의 렌즈 축(A1)과 제2 실린더 렌즈(120)의 렌즈 축(A3)은 실린더 렌즈 어레이(100)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이룬다. 이에 따라, 상기 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈 (120)의 광학적 역할은 다음과 같이 설명된다.
상기 제1 실린더 렌즈(80)는 입사면을 통해 빔 형성 광학계(도 4의 30)로부터 레이저 변형 형상 빔(80B)을 입사받아 렌즈 축(A1)을 향해 45°로 회전시켜 출사면을 통해 레이저 변형 형상 빔(80B)을 출사시킨다. 여기서, 상기 레이저 변형 형상 빔(80B)은 도 3의 레이저 변형 형상 빔(30B)과 동일한 빔의 특성을 갖는다.
상기 실린더 렌즈 어레이(100)는, 제1 실린더 렌즈(80)의 초점에 위치되므로, 개개의 렌즈 셀(95)의 입사 부분면을 통해 제1 실린더 렌즈(80)의 45°회전된 레이저 변형 형상 빔(80B)을 분할하여 개개의 렌즈 셀(95)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔(100B)을 형성한 후 개개의 렌즈 셀(95)의 출사 부분면을 통해 레이저 조각 형상 빔(100B)을 출사시킨다.
여기서, 상기 제1 실린더 렌즈(80)로부터 출사되는 레이저 변형 형상 빔(80B)은 실린더 렌즈 어레이(100)에서 개개의 렌즈 셀(95)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이루고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔(100B)은 사각형, 예를 들면 직사각형 또는 정사각형으로 성형된다.
상기 레이저 조각 형상 빔(100B)은 제1 실린더 렌즈(80)로부터 2배의 초점 거리에 이르는 동안 일 방향에서 타 방향으로 90°만큼 위치 이동하게 된다. 상기 제2 실린더 렌즈(120)는, 제1 실린더 렌즈(80)로부터 2배의 초점 거리에 위치되므로, 입사면에서 실린더 렌즈 어레이(100)로부터 레이저 조각 형상 빔(100B)를 입사받아 출사면을 통해 더 이상의 변형없이 평행으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔(120B)을 형성한다.
즉, 상기 제2 실린더 렌즈(120)를 통과한 레이저 조정 형상 빔(120B)은 도 5 내지 도 8에서 개시된 바와 같이 구면 렌즈 어레이를 통과한 레이저 조정 형상 빔과 동일하게 대칭 반전된다.
이를 통해서, 상기 레이저 변형 형상 빔(80B)은 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈(120)를 순차적으로 지나면서 일 방향에서 타 방향으로 위치 이동된 레이저 조정 형상 빔(120B)으로 변형된다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(120B)은 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(80B)보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(80B)과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는다.
따라서, 본 발명은‘Etendue 보존법칙’에 적용되지 않는 빔 조작 광학계(70 또는 140)를 개시하며, 상기 빔 조작 광학계(70 또는 140)가 일 방향으로 빔 크기를 줄이면서 빔퍼짐성을 동일하게 유지시키는 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)을 형성하므로, 상기 빔 조작 광학계(70 또는 140)는 일 방향으로 25mm 의 빔 크기와 0.1°의 빔퍼짐성을 갖는 레이저 변형 형상 빔(30B 또는 80B)을 이용하여 도 8 또는 도 10에 도시된 바와 같이 일 방향으로 5mm 의 빔 크기와 0.1°의 빔퍼짐성을 갖는 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)를 형성한다.
한편, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)가 다수인 때, 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(100B)은 개개의 실린더 렌즈 어레이(100)의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 타 방향(또는 X축)에서 복수의 레이저 조정 형상 빔(도 5의 70B, 또는 도 10의 120B)에 플랫-탑 프로파일을 형상화시켜 레이저 라인 빔(도면에 미도시)을 형성한다. 여기서, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 시준기(도면에 미도시)를 이용하여 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)을 광학적으로 처리하는 동안 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B 또는 120B)을 타 방향(또는 X축)으로 합쳐서 타 방향(또는 X축)에서 플랫-탑 프로파일을 가지고 일 방향에서 조절된 빔 크기를 가지는 레이저 라인 빔(도면에 미도시)을 방출한다.
이후로, 도 1에 도시되지 않았지만, 도 1의 포커싱 광학계(160)는 레이저 라인 빔을 일 방향에서 포커싱하여 레이저 라인 빔을 목적하는 길이, 예를 들면 수 ㎛ 내지 수 십 ㎛ 사이의 길이를 가지는 빔 스팟으로 집속 또는 축소 결상하여 레이저 빔(도면에 미도시)을 형성하고 레이저 빔을 가공물(도 1의 180)의 가공 면(A)에 조사한다.
10; 레이저 광원부, 20; 릴레이 광원계
30; 빔 형성 광학계, 70; 빔 조작 광학계
150; 호모게나이저 광학계, 160; 포커싱 광학계
170; 레이저빔 성형 장치, 180; 가공물

Claims (15)

  1. 레이저 광원부로부터 시작되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔을 성형시켜 레이저 빔을 만들고 상기 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키는 레이저빔 성형 장치에 있어서,
    상기 레이저 광원부와 마주하는 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 통해 광학적으로 이어지도록, 일 측에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 레이저 변형 형상 빔을 일 방향(또는 Y축)으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 내부에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동시키고, 타 측에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 빔 조작 광학계를 포함하고,
    상기 복수의 레이저 조정 형상 빔은 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 가지는 레이저빔 성형 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 조작 광학계는, 복수의 렌즈 셀 (lens cell, 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어 진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지는 구면 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 입사면과 출사면은 개개의 렌즈 셀에서 입사 부분면과 출사 부분면을 가지는 레이저빔 성형 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈 셀은 상기 개개의 렌즈 셀의 길이 방향으로 렌즈 셀 축을 가지고, 상기 개개의 렌즈 셀의 초점을 연결하는 초점 라인을 가지며, 상기 렌즈 셀 축에 대해 상기 초점 라인을 직각되게 하고, 상기 일 방향에 대해 상기 렌즈 셀 축과 상기 초점 라인을 45°로 경사시키는 레이저빔 성형 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 구면 렌즈 어레이는 상기 입사면에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면에 의해 상기 레이저 변형 형상 빔을 상기 일 방향으로 분할하여 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 상기 내부에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 초점을 통과시키는 동안 상기 초점을 기준으로 상기 레이저 조각 형상 빔을 대칭 반전시켜 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 이동시키고, 상기 출사면에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 출사 부분면을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면과 상기 출사 부분면 사이에서 상기 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전되는 레이저빔 성형 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 렌즈 셀 축 또는 상기 초점 라인을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전되는 레이저빔 성형 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 조작 광학계는, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈, 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이와 제2 실린더 렌즈로 이루어지고,
    상기 실린더 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀을 가지며, 입사면과 출사면에서 개개의 렌즈 셀에 입사 부분면과 출사 부분면을 가지는 레이저빔 성형 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 실린더 렌즈 또는 상기 제2 실린더 렌즈는 상기 일 방향에 대해 렌즈 축을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이는 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시키는 레이저빔 성형 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 빔 조작 광학계는 상기 제1 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 제1 실린더 렌즈의 렌즈 축을 향해 회전시켜 출사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 출사시키고,
    상기 실린더 렌즈 어레이에서 개개의 렌즈 셀의 입사 부분면을 통해 상기 제1 실린더 렌즈의 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 상기 개개의 렌즈 셀의 렌즈 셀 축과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후 상기 개개의 렌즈 셀의 출사 부분면을 통해 상기 레이저 조각 형상 빔을 출사시키고,
    상기 제2 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 실린더 렌즈 어레이의 상기 개개의 렌즈 셀로부터 상기 일 방향에서 상기 타 방향으로 위치 이동한 상기 레이저 조각 형상 빔을 입사받아 출사면을 통해 평행빔으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 실린더 렌즈로부터 출사되는 상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 실린더 렌즈 어레이에서 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 렌즈 셀 축과 직각을 이루고,
    상기 실린더 렌즈 어레이로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔은 직사각형 또는 정사각형으로 성형되는 레이저빔 성형 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈 어레이가 다수인 때,
    상기 복수의 레이저 조각 형상 빔은 개개의 실린더 렌즈 어레이의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가지는 레이저빔 성형 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈 어레이는 제1 실린더 렌즈의 초점 거리에 위치되는 레이저빔 성형 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계;와
    상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모게나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고,
    상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고,
    상기 호모게나이저 광학계는 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시키고 상기 일 방향에서 빔 크기를 조절하여 레이저 라인 빔을 형성하고,
    상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 형성 광학계는 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 상기 일 방향에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 상기 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 원시 형상 빔은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔인 레이저빔 성형 장치.
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