KR20180105805A - Multi modal laser machining system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus.
최근 IT(Information Technology), NT(Nano Technology), BT(BioTechnology) 등의 산업이 발달하면서, 수십 ㎛ ~ 수십 mm 크기의 소형 정밀 부품의 수요가 급증하고 있으며, 이를 가공하기 위한 다양한 가공법의 개발과 상용화도 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 정밀 부품의 정밀도는 점차 나노 급까지 내려가고 있으며, 이에 따라 정밀 부품의 제작에 있어 MEMS, NEMS 기술을 이용하는 방법이 확산되고 있다. 기존의 선삭, 밀링, 성형과 같은 기계 가공 방식을 사용할 경우 이러한 정밀 부품에서 요구하는 정밀도를 실현할 수 없는 한계가 발생되는 바, 정밀도 향상을 위한 장비의 초정밀화, 초미세화 기술에 대한 개발 요구가 더욱 높아져 가고 있다. 이러한 기술로서 현재 널리 사용되는 것 중 하나가 레이저 미세 가공 기술로서, 레이저 미세 가공 기술은 전기, 전자, 반도체 또는 디스플레이 산업 등에서 폭넓게 사용되고 있다.Recently, as the industries such as IT (Information Technology), NT (Nano Technology) and BT (BioTechnology) have developed, demand for small precision parts with a size of several tens of ㎛ to several tens mm has increased rapidly. Commercialization is being actively carried out. The accuracy of such precision parts is gradually decreasing to the nano level, and accordingly, methods of using MEMS and NEMS technology in the production of precision parts are spreading. When machining methods such as turning, milling, and molding are used, there is a limit that can not realize the precision required by these precision parts. Therefore, there is a demand for development of ultra precise and ultrafine technology for improving the precision It is getting higher. One such widely used technology is laser fine processing technology, and laser fine processing technology is widely used in electric, electronic, semiconductor or display industries.
레이저 가공 장치는, 레이저를 방출하는 광원 및 레이저 광이 가공 대상물로 조사되도록 광경로를 형성하는 광학계를 포함하여 이루어진다. 이러한 광학계에는 다양한 렌즈, 미러 등의 광학 부품이 포함되는데, 그 중에서도 가공 대상물에 직접 대면하여 광을 조사시키는 대물렌즈는 가장 기본적으로 포함되는 광학 부품이다. 또한 광경로 상에 구비되는 미러를 갈바노모터를 사용하여 정밀하게 회전시킴으로써 가공 대상물 상에 맺힌 초점을 수평 방향으로 2차원 이동시키는 스캐너 역시 레이저 가공 장치에 포함되는 대표적인 광학계이다.The laser processing apparatus includes a light source that emits a laser and an optical system that forms an optical path such that the laser light is irradiated to the object to be processed. Such an optical system includes optical components such as various lenses and mirrors. Among them, an objective lens that irradiates light directly to an object to be processed is the most basic optical component. Also, a scanner that moves a focus formed on an object two-dimensionally in a horizontal direction by precisely rotating a mirror provided on an optical path using a galvanometer motor is also a typical optical system included in a laser processing apparatus.
대물렌즈를 통해 가공 대상물 상에 초점이 맞춰진 상태에서 가공이 이루어질 때, 일반적으로 레이저 빔 위치는 정지한 상태로 두고 가공 대상물이 놓여 있는 스테이지를 움직임으로써 가공 대상물의 위치를 이동시키도록 이루어지는 경우가 많다. 대물렌즈를 사용하여 가공할 때에는 스폿 사이즈가 매우 작아서 높은 가공 정밀도를 달성할 수 있다는 큰 장점이 있다. 그런데, 예를 들어 가공하고자 하는 형상이 홀과 같은 점 형상인 경우라면 대물렌즈만 사용해서 가공을 수행하여도 높은 정밀도의 가공물을 얻을 수 있게 되겠지만, 가공하고자 하는 형상이 선 형상인 경우 다음과 같은 문제점이 있다. 대물렌즈로 가공 대상물 상에 초점을 맞추어 고정한 상태로 선 형상의 레이저 가공을 실현하기 위해서는, 상술한 바와 같이 가공 대상물이 놓인 스테이지를 2차원적으로 움직여 주어야 한다. 그런데 스테이지 자체의 질량 및 부피가 커서 관성의 작용이 커지는 등의 영향으로 인하여, 고속으로 스테이지를 이동시키면서 정확한 가공을 수행하기에는 물리적으로 한계가 있다.In general, when a workpiece is focused on an object to be processed through an objective lens, the position of the object is generally moved by moving a stage on which the object is placed while the laser beam is stationary . When the objective lens is used, the spot size is very small and high machining accuracy can be achieved. However, for example, in the case where the shape to be machined is a point shape such as a hole, a highly accurate workpiece can be obtained even if only the objective lens is used. However, if the shape to be machined is a linear shape, There is a problem. In order to realize linear laser processing with the object lens fixed in focus on the object to be processed, the stage on which the object is placed must be moved two-dimensionally as described above. However, due to a large mass and volume of the stage itself and a large inertia effect, there is a physical limitation to perform accurate machining while moving the stage at a high speed.
스캐너는 상술한 바와 같이 적어도 하나의 스캐닝미러를 포함하여 이루어진다. 스캐닝미러는 미러의 회전각을 정밀하게 회전각을 조절할 수 있도록 이루어진 장치를 칭하는 것이다. 구체적인 예시로서, 1개의 미러에 MEMS 공정으로 만들어지는 정밀구동 2축 액추에이터를 구비하여 2축 방향 모두에 대해 회전이 가능하도록 이루어질 수도 있고, 또는 1개의 미러에 1개의 갈바노모터를 구비한 세트를 2개 구비하여 2축 방향으로의 조절이 가능하도록 이루어질 수도 있다. 이처럼 스캐닝미러를 포함하여 이루어지는 스캐너는, 스캐닝미러의 고속 회전이 가능하기 때문에 고속 가공이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 일반적으로 스캐너에 포함되는 렌즈는 그 특성상 낮은 NA를 가지며, 이에 따라 대물렌즈와 비교할 때 상대적으로 가공 정밀도가 떨어진다는 한계가 있다.The scanner comprises at least one scanning mirror as described above. The scanning mirror refers to a device configured to precisely adjust the rotation angle of the mirror. As a specific example, a precision driving two-axis actuator made by a MEMS process may be provided in one mirror so as to be rotatable in both biaxial directions, or a set having one galvanometer motor in one mirror Two of them may be provided so as to be adjustable in the biaxial direction. The scanner including the scanning mirror has an advantage that high-speed processing is possible because the scanning mirror can be rotated at a high speed. However, in general, a lens included in a scanner has a low NA in terms of its characteristics, and therefore, there is a limit in that the processing precision is relatively lower than that of an objective lens.
한편, 일반적으로 레이저는 그 세기의 분포가 종 모양인 가우시안 빔 프로파일을 가지며, 가공 형상 역시 종 모양으로 이루어지게 된다. 그러나 여러 가지 재료의 얇은 박막이 여러층으로 겹쳐있는 재료를 가공하거나, 가공폭 방향으로 균일한 가공깊이를 얻고 싶을 때, 레이저 세기의 분포가 플랫한 프로파일 형태를 가지는 플랫탑 빔을 많이 사용한다. 이에 따라 가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 만들어서 사용하는데, 이를 위해서는 회절광학소자를 설계하거나 특수한 광학계를 설계하여 적용하고 있다. 한 예시로서, 한국특허공개 제2004-0070158호("극초단 펄스 레이저 빔을 이용한 초정밀 직접 패터닝 방법 및 장치", 이하 선행문헌 1)에는 가우시안 형태의 빔을 플랫탑 형태의 빔으로 바꾸기 위하여 사용되는 빔 균질기의 구성이 개시된다. 선행문헌 1에 개시된 빔 균질기는, 빔을 오목렌즈, 분할 및 집광렌즈, 콜리메이터 등이 순차적으로 배열된 광학계로 입사시켜 공간밀도분포를 균질하게 하여 출사시키도록 하고 있다. 종래에 가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 만들기 위해서는 바로 선행문헌 1에 개시된 바와 같은 특수한 광학계를 사용하여 왔다.On the other hand, in general, a laser has a bell-shaped Gaussian beam profile with a distribution of intensity thereof, and the processed shape also has a bell shape. However, when a thin film of various materials is stacked in layers, or when it is desired to obtain a uniform processing depth in the processing width direction, a flat top beam having a profile profile with a flat profile is used. Accordingly, a Gaussian beam is used as a flat top beam. For this purpose, a diffractive optical element is designed or a special optical system is designed and applied. As an example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0070158 ("Method and Apparatus for Ultra Precision Direct Patterning Using Ultrashort Pulsed Laser Beam ", hereinafter referred to as Prior Art 1), is used to convert a Gaussian beam into a flat beam A configuration of a beam homogenizer is disclosed. In the beam homogenizer disclosed in the prior art document 1, a beam is incident on an optical system in which a concave lens, a splitting and condensing lens, a collimator, and the like are successively arranged, so that a spatial density distribution is homogeneously emitted. Conventionally, in order to make a Gaussian beam into a flat top beam, a special optical system as disclosed in the prior art document 1 has been used.
이러한 방식은 물론 가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 만들기에 유용하기는 하지만, 상술한 바와 같이 복잡하고 다양하며 상대적으로 고가인 광학 부품들로 이루어지는 광학계를 사용할 경우 초점 이동 등이 용이하지 않으므로, 가공 시 스테이지를 이동시켜야 한다. 이 경우 앞서 대물렌즈를 사용하여 레이저 가공을 할 때 발생되는 문제점, 즉 고속으로 스테이지를 이동시키면서 정확한 가공을 수행하기에는 물리적으로 한계가 있다는 문제점이 동일하게 발생하게 된다.This method is of course useful for forming a Gaussian beam into a flat top beam. However, when an optical system composed of optical parts having a complex, various, and relatively high cost as described above is used, . In this case, there arises the same problem that occurs when laser processing is performed using the objective lens in advance, that is, there is a physical limitation in performing accurate machining while moving the stage at high speed.
가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 만드는 것과 관련하여, 본 출원인에 의하여 출원 및 등록된 한국특허등록 제1582455호("멀티 모달 레이저 가공 장치", 이하 선행문헌 2)에서 단순한 구성을 적용하면서도 다양하게 빔 쉐이핑을 실현할 수 있는 기술이 개시되어 있다. 선행문헌 2에 따르면 메인 슬릿을 이용하여 가우시안 빔 또는 플랫탑 빔 양쪽으로의 전환, 빔의 크기 및 형상 조절이 용이하게 이루어질 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 그런데, 선행문헌 2에서도 가공 대상물을 스테이지 상에 놓고 스테이지를 움직임으로써 가공 대상물을 이동시키도록 이루어져 있어, 여전히 고속 가공에는 한계가 있다. 따라서 선행문헌 2는 단편적인 점 형상의 가공에는 매우 효율적이나 선 형상을 고정밀 고속 가공을 하기에는 어려움이 있다. 더불어, 선행문헌 2에 의하면 수직 방향의 초점 조절이 용이하지 않아, 3차원적인 형상 가공을 하기에도 어려움이 있다.With regard to making a Gaussian beam into a flat top beam, a simple configuration is applied in Korean Patent Registration No. 1582455 ("Multimodal Laser Processing Apparatus", hereinafter referred to as Prior Art 2) filed and registered by the present applicant, Which is capable of realizing the above-described technology. According to the
이처럼 종래에 널리 사용되어 왔던 방식들의 경우 다들 한계점을 가지고 있다. 이에 따라, 높은 정밀도를 가지면서도 초고속으로 3차원 가공이 가능하며, 또한 플랫탑 빔을 사용하여 균일한 가공이 가능하도록 하는 레이저 가공 장치에 대한 요구가 당업자 사이에서 꾸준히 제기되어 왔다.In this way, the methods that have been widely used in the past have limitations. Accordingly, there has been a constant demand among those skilled in the art for a laser processing apparatus capable of performing three-dimensional processing at a high speed while achieving high precision and capable of uniform processing using a flat top beam.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가공용 레이저가 플랫탑 빔 프로파일을 가지며 또한 초고속 초정밀 가공이 가능하도록 하는, 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 제공함에 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 목적은, 대물렌즈의 장점인 초정밀 가공과 스캐너의 장점인 초고속 가공을 결합함과 동시에, 플랫탑 빔으로 빔 쉐이핑을 하며, z축 방향으로 초점위치를 고속으로 이동시킬 수 있도록 하여 3차원 가공을 실현하는, 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional high-speed precision laser machining method capable of processing a laser beam with a flat- Device. More specifically, it is an object of the present invention to provide an optical scanning device capable of combining ultrafine machining, which is an advantage of an objective lens, with ultrafast machining, which is an advantage of a scanner, beam shaping with a flat top beam, Dimensional high-speed precision laser processing apparatus for realizing three-dimensional machining.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 레이저 가공을 수행하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 레이저 광원에서 출사되어 가공 대상물(500)에 조사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되며, 렌즈를 포함하여 이루어져 빔의 발산각을 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 z축 방향으로 이동시키는 발산각 조절부(110); 상기 발산각 조절부(110)에서 출사된 빔을 통과시키면서 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환시키는 메인 슬릿부(120); 적어도 하나의 스캐닝미러를 포함하여 이루어져 상기 메인 슬릿부(120)에서 출사된 빔의 광경로를 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 x, y 2축 방향으로 이동시키는 스캐너(130); 상기 스캐너(130)에서 출사된 빔의 광경로 상에 순차적으로 이격 배치되는 제1렌즈(141) 및 제2렌즈(142)를 포함하여 이루어져 빔의 경로 및 발산각을 유지하면서 결상 위치를 옮겨주는 릴레이 렌즈(140); 상기 릴레이 렌즈(140)에서 출사된 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 대물렌즈(objective lens, 150); 를 포함하여 이루어질 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional high-speed precision laser machining apparatus (100) for performing laser machining, the apparatus comprising: And a divergence angle adjusting unit which is disposed on an optical path of the laser beam irradiated on the object to be processed 500 and includes a lens to adjust the divergence angle of the beam to move the processing point formed on the object to be processed 500 in the z- (110); A
이 때 상기 메인 슬릿부(120)는, 레이저 광원으로부터 진행되어 온 레이저 빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하며, 상기 구멍의 크기 및 형상이 변경 가능하도록 형성되는 메인 슬릿(121), 상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 배치되어 레이저 빔이 상기 가공 대상물(500) 상의 가공 부위에서 디포커싱(defocusing)되도록 레이저 빔을 집속하는 튜브 렌즈(tube lens, 122)를 포함하여 이루어질 수 있다.The
또한 이 때 상기 메인 슬릿부(120)는, 상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 상기 튜브 렌즈(122)를 배치시킴으로써 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환하도록 이루어질 수 있다.In this case, the
또한 상기 메인 슬릿(121)은, 상기 구멍의 크기가 가변되는 조리개 형태, 다수 개의 서로 다른 크기 및 형상의 구멍들이 교체 배치되는 교체식 형태, 상기 조리개 형태 및 상기 교체식 형태가 결합된 형태 중 선택되는 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있다.In addition, the
또한 상기 발산각 조절부(110)는, 렌즈(111A), 상기 렌즈(111A)에 구비되는 진동자(112A)를 포함하여 이루어져, 상기 진동자(112A)가 상기 렌즈(111A)에 진동을 가하여 굴절률을 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하도록 이루어질 수 있다.The divergent
또는 상기 발산각 조절부(110)는, 광경로 상에 고정적으로 배치되는 제1콜리메이터 렌즈(111B), 상기 광경로 상에 상기 제1콜리메이터 렌즈(111B)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2콜리메이터 렌즈(112B), 갈바노모터(113B), 상기 갈바노모터(113B)의 회전 운동을 선형 운동으로 전환하여 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B)로 전달하는 운동 변환부(114B)를 포함하여 이루어져, 상기 제1콜리메이터 렌즈(111B) 및 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하도록 이루어질 수 있다.Alternatively, the divergent
또는 상기 발산각 조절부(110)는, 광경로 상에 고정적으로 배치되는 오목렌즈(111C), 상기 광경로 상에 상기 오목렌즈(111C)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 볼록렌즈(112C), 압전소자를 이용하여 상기 볼록렌즈(112C)를 이동시키는 PZT 스테이지(113C)를 포함하여 이루어져, 상기 오목렌즈(111C) 및 상기 볼록렌즈(112C) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하도록 이루어질 수 있다.Alternatively, the divergent
또한 상기 릴레이 렌즈(140)는, 상기 제1렌즈(141)의 일측 초점거리, 상기 제1렌즈(141)의 타측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 일측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 타측 초점거리가 모두 동일하게 형성되며, 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 간 이격거리는 상기 초점거리의 2배로 형성될 수 있다.The
또한 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 스캐너(120)가 1축 스캐닝미러 2개로 이루어지되, 1개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되거나, 2개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 구비되되, 제1릴레이 렌즈(140a)가 상기 스캐너(120) 내 제1스캐닝미러(131) 및 제2스캐닝미러(132) 사이의 광경로 상에 배치되고, 제2릴레이 렌즈(140b)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되어 이루어질 수 있다.The three-dimensional high-speed precision
또한 상기 릴레이 렌즈(140)는, 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 각각이 색수차가 보정된 아크로매틱(achromatic) 렌즈 또는 아포크로매틱(apochromatic) 렌즈로 이루어질 수 있다.The
또한 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 스캐너(130) 및 상기 대물렌즈(150) 사이의 광경로 상에 배치되어, 상기 대물렌즈(150)의 손상을 방지하도록 상기 대물렌즈(150)로 입사되는 빔의 각도를 제한하는 서브 슬릿부(160); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The three-dimensional high-speed precision
이 때 상기 서브 슬릿부(160)는, 빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하는 서브 슬릿(161)을 포함하여 이루어질 수 있다.At this time, the
또한 상기 서브 슬릿부(160)는, 상기 스캐너(130) 및 상기 릴레이 렌즈(140) 사이의 광경로 상에 배치되거나, 상기 릴레이 렌즈(140) 내 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(142) 사이의 광경로 상에 배치될 수 있다.The
또한 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위 영상을 촬영하는 영상 획득부(170); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The three-dimensional high-speed precision
또한 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터(180); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The three-dimensional high-speed precision
또한 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에서의 반사 신호 세기를 측정하는 광측정기(190); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The three-dimensional high-speed precision
본 발명에 의하면, 레이저 가공에 있어서 가공용 레이저가 플랫탑 빔 프로파일을 가지게 함으로써 가공 균일도를 향상함과 동시에, 초정밀 초고속 가공이 가능하도록 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명은 대물렌즈의 장점인 초정밀 가공과 스캐너의 장점인 초고속 가공을 결합함으로써 초정밀 초고속 가공을 동시에 실현할 수 있다. 뿐만 아니라 플랫탑 빔으로 빔 쉐이핑을 하며, z축 방향으로 초점위치를 고속으로 이동시킬 수 있도록 이루어짐으로써, 3차원적인 초고속 초정밀 레이저 가공을 실현할 수 있는 효과가 있는 것이다.According to the present invention, in the laser machining, the machining laser has a flat top beam profile, thereby improving the machining uniformity and enabling the machining of ultra-high precision and high speed. More specifically, the present invention can simultaneously realize ultra-high-speed super-high-speed processing by combining super-precision processing, which is an advantage of an objective lens, and super-high-speed processing, which is an advantage of a scanner. In addition, beam shaping is performed with a flat top beam, and the focus position can be moved at a high speed in the z-axis direction, thereby realizing a three-dimensional ultra-high-precision ultra-precision laser processing.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면, CCD 카메라 및 스펙트로미터를 사용하여 가공 부위를 관찰함으로써, 가공되고 있는 형상 및 가공되고 있는 물질을 실시간으로 정확하게 판별 가능하도록 하는 큰 효과가 있다. 이에 따라 가공이 수행되고 있는 중 원하는 가공이 올바르게 이루어지고 있는지를 용이하면서도 신속하게 실시간으로 파악할 수 있게 하는 장점이 있으며, 이처럼 가공 상황을 실시간으로 모니터링함으로써 공정 상 및 양산 라인 상의 불량을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is a great effect that the shape being processed and the material being processed can be accurately discriminated in real time by observing the processing region using a CCD camera and a spectrometer. Accordingly, it is possible to easily and quickly grasp in real time whether the desired machining is being performed correctly during machining. By monitoring the machining situation in real time, it is possible to greatly reduce defects on the process and mass production lines It is effective.
이처럼 본 발명에 의하면, 초정밀 가공을 초고속으로 실현할 수 있다는 점에서 생산 품질 및 속도를 동시에 향상할 수 있다는 획기적인 효과가 있다. 더불어 상술한 바와 같이 가공 중 실시간 모니터링을 통해 불량률을 줄이는 효과와 연계하여, 결과적으로 레이저 가공에 의한 생산품의 생산 효율 및 경제성을 더욱 향상하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there is an epoch-making effect that both the production quality and the speed can be improved at the same time since super precision machining can be realized at an extremely high speed. In addition, as mentioned above, there is an effect of further improving the production efficiency and economical efficiency of the product by laser processing in conjunction with the effect of reducing the defect rate through real-time monitoring during processing.
도 1은 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치의 실시예.
도 2는 펄스폭에 따른 가공 시 차이점.
도 3은 레이저의 발산각에 따른 대물렌즈의 초점위치 변화 예시.
도 4는 TAG 렌즈를 이용한 발산각 조절 예시.
도 5는 렌즈 및 갈바노모터의 조합을 이용한 발산각 조절 예시.
도 6은 PZT 스테이지의 이동에 의한 빔의 발산각 조절 예시.
도 7은 메인 슬릿부에 의한 가우시안 빔에서 플랫탑 빔으로의 전환 원리.
도 8은 1축 또는 2축 스캐닝미러의 개략도.
도 9는 4f 시스템 릴레이 렌즈의 개략도.
도 10은 본 발명의 대물렌즈 스캐너의 구성예.
도 11은 1축 스캐닝미러 2개 사용 시 적용되는 릴레이 렌즈 구성예.
도 12는 색수차 보정 렌즈 사용 유무에 따른 초점위치 변화 예시.
도 13은 색수차 보정 렌즈를 사용한 본 발명의 대물렌즈 스캐너의 구성예.
도 14는 서브 슬릿부 위치의 여러 실시예.
도 15는 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치에 의한 가공 결과.
도 16은 종래의 가공 장치 및 본 발명의 가공 장치에 의한 가공 결과 비교.
도 17은 가우시안 빔 및 플랫탑 빔의 가공 결과 비교.1 is an embodiment of a three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus according to the present invention.
Fig. 2 shows the difference in processing according to the pulse width.
3 is an example of a change in focal position of an objective lens according to a divergence angle of a laser.
4 is an example of adjusting the divergence angle using the TAG lens.
5 is an example of adjusting the angle of divergence using a combination of a lens and a galvanometer motor.
6 is an example of adjusting the divergence angle of the beam by the movement of the PZT stage.
7 is a principle of switching from a Gaussian beam to a flat top beam by the main slit part.
8 is a schematic view of a single-axis or two-axis scanning mirror;
9 is a schematic view of a 4f system relay lens.
10 is a configuration example of an objective lens scanner of the present invention.
11 is an example of a relay lens configuration applied when using two single-axis scanning mirrors.
FIG. 12 is an example of change in focal position with or without chromatic aberration correction lens use.
13 is a configuration example of an objective lens scanner of the present invention using a chromatic aberration correction lens.
14 illustrates various embodiments of sub-slit portion positions.
Fig. 15 shows results of processing by the three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus of the present invention.
16 is a comparison of the machining results of the conventional machining apparatus and the machining apparatus of the present invention.
17 compares the machining results of a Gaussian beam and a flat top beam.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus according to the present invention having the above-described structure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치의 실시예를 도시한 것이다. 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저 빔을 가공 대상물(500)로 조사하여 가공을 수행하는 장치로서, 발산각 조절부(110), 메인 슬릿부(120), 스캐너(130), 릴레이 렌즈(140), 대물렌즈(150), 제어부(200) 등을 포함하여 이루어질 수 있으며, 보조적으로 서브 슬릿부(160)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 더불어 여기에 영상 획득부(170), 스펙트로미터(180), 광측정부(190)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 레이저 광원, 대물렌즈(150), 제어부(200) 등과 같은 각각의 부품은 일반적인 레이저 가공 장치에도 포함되는 것으로서, 이들에 대해서 먼저 간략히 설명하면 다음과 같다.Fig. 1 shows an embodiment of a three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the three-dimensional high-speed precision
레이저 광원은 가공에 사용될 레이저를 발생시키는 장치로서, 가공 대상물(500)이 어떤 물질인가, 또한 가공 요구 조건은 어떠한가 등에 따라 적절한 것이 사용될 수 있다. 일반적으로 현재 상용화되어 레이저 가공에 널리 사용되는 것은 펄스폭이 나노초 수준인 나노초 레이저인데, 나노초 레이저의 경우 가공 속도가 빠르고 안정적이며 파워가 높다는 장점이 있는 반면 가공 부위 주변에서의 열적 변형이 일어나는 문제가 있어 초정밀 가공에 사용되기에는 부족하다는 문제점이 지적되어 오고 있다. 이를 해결하기 위해 펄스폭이 펨토초 또는 그 이하인 초고속 레이저로서 펨토초 레이저, 아토초 레이저, 피코초 레이저 등이 현재 실험실 단계에서 사용되고 있는데, 이러한 초고속 레이저의 경우 비열적 가공이 가능하기 때문에 훨씬 초정밀의 가공이 가능한 대신 아직 가공 속도가 느리고 안정성이 떨어지며 파워가 낮은 등의 해결해야 할 문제가 있어 널리 상용화되어 있지는 않다. 도 2는 펄스폭에 따른 가공 시 차이점을 나타낸 것으로, 나노초 레이저와 펨토초 레이저의 가공 차이를 보여 주고 있다. 펨토초 레이저를 포함하는 극초단 레이저의 장점, 즉 비열적 초정밀 가공이 가능하다는 장점 때문에, 얇은 박막이 여러 층 적층되어 있는 가공 대상물을 가공하는 경우, 정밀한 가공 깊이의 조절이 필요한 경우, 서브 μm급 가공이 필요한 경우 등에 극초단 레이저의 사용이 확대되어 가고 있다.The laser light source is a device for generating a laser to be used for processing. What material is the object to be processed 500, and what are the processing requirements, etc., can be used as appropriate. In general, nanosecond laser with pulse width of nanosecond level is widely used for laser processing. Nanosecond laser has the advantages of fast processing speed, stable and high power, and thermal deformation around processing part. And it has been pointed out that it is insufficient to be used for ultra-precision processing. In order to solve this problem, a femtosecond laser, a Atoso laser, a picosecond laser, etc., which is a pulse laser having a pulse width of femtosecond or less, are currently used in the laboratory stage. In this ultra high speed laser, Instead, it is not widely commercialized due to problems such as slow processing speed, low stability, and low power. Fig. 2 shows the difference in processing according to the pulse width, and shows the processing difference between the nanosecond laser and the femtosecond laser. Due to the advantage of ultra-high-speed laser including femtosecond laser, that is, the advantage of being able to perform non-thermal super-precision machining, when machining an object with thin layers of multiple layers stacked, The use of ultra-fast laser is increasing.
상기 대물렌즈(objective lens, 150)는 상기 가공 대상물(500)에 직접 대면하는 광학 부품으로서, 즉 광원으로부터 출사된 광이 다양한 광학 부품들로 이루어진 광학계를 거쳐 상기 가공 대상물(500)로 조사되기 직전에 통과하는 부품이 바로 상기 대물렌즈(150)이다. 본 발명에서도 상기 대물렌즈(150)는 레이저 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 역할을 하며, 이와 같이 상기 대물렌즈(150)에 의하여 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에 초점이 맞추어짐으로써 해당 부분에서 가공이 일어나게 된다.The
상기 제어부(200)는 도 1에 간략히 표시되어 있는 바와 같이 상기 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)에 구비되는 다양한 구동부 또는 측정부들을 제어하는 역할을 한다.As shown in FIG. 1, the
본 발명의 가공 장치 특징 및 구성 요약Features and configuration summary of the machining apparatus of the present invention
본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)의 특징 및 이를 구현하기 위한 구성을 요약하자면 다음과 같다.The features of the three-dimensional high-speed precision
첫째, 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 레이저 빔의 발산각을 조절함으로써 상기 대물렌즈(150)에서 조사되는 빔의 초점, 즉 가공 대상물 상에 형성되는 가공점을 z축 방향으로 이동시켜, 궁극적으로는 초정밀 3차원 가공을 실현할 수 있다. 상기 발산각 조절부(110)가 이러한 기능을 주로 실현하는 장치로서, 다양한 실시예로 실현될 수 있다.(이하 제1특징 단락에서 보다 상세히 설명함)First, the three-dimensional high-speed precision
둘째, 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 가우시안 형태를 가진 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환시켜서 레이저 가공을 수행함으로써 가공 균일도 및 품질을 훨씬 향상할 수 있다. 상기 메인 슬릿부(120)가 이러한 기능을 주로 실현하는 장치로서, 상기 메인 슬릿부(120)는 빔 프로파일 형태를 전환함과 동시에 가공 영역의 크기, 형태 등도 변화시켜 가면서 레이저 가공을 수행할 수 있도록 이루어져 다양한 형태의 고품질 가공을 실현한다.(이하 제2특징 단락에서 보다 상세히 설명함)Second, the three-dimensional high-speed precision
셋째, 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 스캐너 및 대물렌즈의 조합을 통해 가공 속도 및 가공 정밀도를 훨씬 향상할 수 있다. 앞서도 설명한 바와 같이, 대물렌즈로 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하고 스테이지로 가공 대상물을 이동시키는 구성으로 된 기존의 레이저 가공 장치의 경우, 가공 정밀도는 높지만 스테이지 이동에 한계가 있어 가공 속도가 제한되는 문제가 있었고, 반면 스캐너를 이용하여 가공 대상물 상의 가공점을 2차원적으로 이동시키는 구성으로 된 기존의 레이저 가공 장치의 경우, 가공 속도는 높지만 스캐너에 사용되는 렌즈의 특성상 NA가 낮아 가공 정밀도가 제한되는 문제가 있었다. 본 발명에서는 스캐너(130) 구성과 대물렌즈(150) 구성을 결합함으로써 가공 속도 및 가공 정밀도를 모두 향상하는데, 이 때 단순히 대물렌즈(150) 광경로 상에 스캐너(130)를 배치하는 것이 아니라 그 사이에 릴레이 렌즈(140)를 더 배치함으로써 효과적인 결합이 이루어지도록 한다.(이하 제3특징 단락에서 보다 상세히 설명함)Third, the three-dimensional high-speed precision
넷째, 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 영상 획득부(170), 스펙트로미터(180), 광측정기(190) 등을 사용하여 실시간 모니터링 및 이를 통한 피드백 제어를 실현함으로써, 가공 품질 등을 훨씬 더 향상할 수 있다.(이하 제4특징 단락에서 보다 상세히 설명함)Fourth, the three-dimensional high-speed precision
이와 같이 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는 기존의 레이저 가공 장치와 차별적이고 특징적인 기능을 수행할 수 있으며, 이를 실현하기 위한 다양한 구성들을 포함하고 있다. 이하에서 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)의 각부에 대하여 보다 구체적으로 상세히 설명한다.As described above, the three-dimensional high-speed precision
제1특징 : 빔 발산각을 조절하여 가공점을 z축 방향으로 이동시킴으로써 3차원 초정밀 가공을 실현함First feature: 3 dimensional super precision machining is realized by moving the machining point in the z axis direction by adjusting the beam divergence angle.
상술한 바와 같은 제1특징을 실현하기 위한 구성이 바로 상기 발산각 조절부(110)이다. 상기 발산각 조절부(110)는, 레이저 광원에서 출사되어 가공 대상물(500)에 조사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되며, 렌즈를 포함하여 이루어져 빔의 발산각을 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 z축 방향으로 이동시킨다. 이하에서 상기 발산각 조절부(110)의 기능, 원리, 다양한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.The divergent
앞서 설명한 바와 같이, 기존의 레이저 가공 장치에서처럼 스테이지를 움직여서 3차원 가공을 수행할 경우, 스테이지 자체의 부피 및 질량이 크기 때문에 동적 특성이 나빠져서 가공 속도를 향상시키는 데 제한이 발생한다. 본 발명에서는, (이하 보다 상세히 설명될) 스캐너 및 대물렌즈의 조합을 이용하여 가공점의 2차원(즉 x, y축 방향)적인 고속 이동을 실현하고 있는데, 이 방식으로는 가공점의 z축 방향 이동은 구현할 수 없다. 한편 z축 방향 이동에만이라도 스테이지를 사용하는 해결책을 생각해 볼 수 있으나, 이 경우 역시 스테이지 이동 속도 한계 문제가 그대로 남아 있기 때문에, 2차원적으로는 초고속 초정밀 가공이 가능하여도 3차원적으로는 속도 및 정밀도 향상에 한계가 오게 된다. 본 발명에서는 바로 이러한 문제를 해결하기 위하여, 즉 z축 방향으로 가공점을 빠르고 정밀하게 이동시키기 위하여 레이저 빔의 발산각을 조절한다.As described above, when performing the three-dimensional machining by moving the stage as in the conventional laser machining apparatus, the dynamic characteristics are deteriorated due to the large volume and mass of the stage itself, thereby limiting the improvement of the machining speed. In the present invention, a two-dimensional (i.e., x- and y-axis direction) high-speed movement of a machining point is realized by using a combination of a scanner and an objective lens (which will be described in more detail below) Directional movements can not be implemented. On the other hand, a solution using the stage only in the z-axis direction can be considered. In this case, however, since the problem of the limit of the stage moving speed remains as it is, the two- And limitations in improving the precision. In order to solve this problem, in the present invention, the divergence angle of the laser beam is adjusted in order to move the machining point quickly and precisely in the z-axis direction.
도 3은 레이저의 발산각에 따른 대물렌즈의 초점위치 변화 예시를 도시하고 있다. 일반적으로 대물렌즈는 평행광의 레이저가 들어올 때를 산정하여 설계된 것으로, 평행광이 아닌 발산하는 레이저나 수렴하는 레이저가 들어오면 초점위치가 바뀌게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 평행광인 레이저와 비교하였을 때, 수렴하는 레이저의 경우 초점거리가 더 짧아지고, 발산하는 레이저의 경우 초점거리가 더 길어진다. 즉 레이저의 발산각을 조절함으로써 레이저의 초점, 즉 가공이 일어나는 가공점의 위치를 조절할 수 있음을 알 수 있다.FIG. 3 shows an example of the change of the focal position of the objective lens according to the divergence angle of the laser. In general, the objective lens is designed by estimating the time when a parallel laser beam enters. When an emitting laser beam or a converging laser beam is input instead of the parallel light beam, the focus position is changed. As shown in FIG. 3, the converging laser has a shorter focal distance, and the diverging laser has a longer focal length when compared with a laser, which is parallel light. That is, it can be seen that the focal point of the laser, that is, the position of the machining point where the machining occurs can be adjusted by adjusting the divergence angle of the laser.
레이저의 발산각을 조절하는 방법은, 렌즈에 초음파를 가진하여 렌즈 내부의 굴절률 변화를 통해 발산각을 조절하는 방법, 초점 조절 모듈 또는 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합의 빔 익스팬더에서 렌즈 하나의 위치 조절을 이용하는 방법이 있다. 전자는 빠른 발산각 조절이 장점이고, 후자는 조합에 따라 다양한 성능을 구현할 수 있도록 만들 수 있는 것이 장점이다.The method of adjusting the divergence angle of the laser is a method of adjusting the divergence angle by changing the refractive index of the lens by having an ultrasonic wave in the lens, a method of adjusting the position of the lens in the beam expander of the focus adjusting module or the combination of the concave lens and the convex lens . The former is advantageous in that the divergence angle is controlled fast, and the latter is advantageous in that it is possible to realize various performance according to the combination.
도 4는 TAG 렌즈를 이용한 발산각 조절 예시로서, 앞서의 설명에서 전자의 방법을 이용하는 것이다. 도 4의 실시예에 따른 상기 발산각 조절부(110)는, 렌즈(111A), 상기 렌즈(111A)에 구비되는 진동자(112A)를 포함하여 이루어져, 도 4(A)에 도시된 바와 같이 상기 진동자(112A)가 상기 렌즈(111A)에 진동을 가하여 굴절률을 조절함으로써 빔의 발산각을 조절한다. 이와 같은 구성이 TAG 렌즈라는 명칭으로 생산되고 있으며, 도 4(B)는 TAG 렌즈로 발산각이 조절되는 예시를 3차원적으로 도시한 것이다. TAG 렌즈는 초음파의 주파수나 세기에 따라 발산각이 바뀌며, 그 속도 또한 매우 빠르기 때문에 본 발명의 발산각 조절부(110)로 사용하기에 적합한 기능을 가지고 있다. 그러나 그 원리상 렌즈 자체를 사용하고자 하는 목적에 맞추어 제작하는 것이 어려운 단점이 있다.4 is an example of the divergence angle adjustment using the TAG lens, and the former method is used in the above description. The divergent
도 5는 렌즈 및 갈바노모터의 조합을 이용한 발산각 조절 예시로서, 앞서의 설명에서 후자의 방법 중 초점 조절 모듈을 이용하는 것이다. 도 5의 실시예에 따른 상기 발산각 조절부(110)는, 광경로 상에 고정적으로 배치되는 제1콜리메이터 렌즈(111B), 상기 광경로 상에 상기 제1콜리메이터 렌즈(111B)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2콜리메이터 렌즈(112B), 갈바노모터(113B), 상기 갈바노모터(113B)의 회전 운동을 선형 운동으로 전환하여 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B)로 전달하는 운동 변환부(114B)를 포함하여 이루어져, 상기 제1콜리메이터 렌즈(111B) 및 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절한다. 도7(A)는 상기 운동 변환부(114B)가 리니어 스케일로 구현되는 경우를 도시하고 있으며, 도 5(B)는 상기 운동 변환부(114B)가 크랭크 형태로 이루어지는 경우를 도시하고 있다. 상기 갈바노모터(113B)의 이동 속도는 280 mm/s 이상이며 위치 정밀도는 5 μm 수준이기 때문에, 발산각의 정밀, 고속제어에 적합하다는 장점이 있으나, 초음파 방식을 사용하는 도 4의 실시예에 비해서는 느린 편이다.5 is an example of the divergent angle adjustment using a combination of a lens and a galvanometer motor. In the above description, the focus adjustment module is used in the latter method. The
도 6은 PZT 스테이지의 이동에 의한 빔의 발산각 조절 예시로서, 앞서의 설명에서 후자의 방법 중 빔 익스팬더를 이용하는 것이다. 도 6의 실시예에 따른 상기 발산각 조절부(110)는, 광경로 상에 고정적으로 배치되는 오목렌즈(111C), 상기 광경로 상에 상기 오목렌즈(111C)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 볼록렌즈(112C), 압전소자를 이용하여 상기 볼록렌즈(112C)를 이동시키는 PZT 스테이지(113C)를 포함하여 이루어져, 상기 오목렌즈(111C) 및 상기 볼록렌즈(112C) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절한다. 도 6의 실시예 및 도 5의 실시예는 발산각 제어에 대한 원리는 같으며, 장점 및 단점 또한 유사하다. 다만 도 6의 실시예의 경우 PZT를 이용하는 방식이라 발산각의 보다 정밀한 제어가 가능하며, 또한 초점거리가 짧은 렌즈들을 사용 가능하여 광학계를 더욱 작게 만들 수 있다는 장점을 더 가지고 있다.Fig. 6 is an example of the divergence angle adjustment of the beam caused by the movement of the PZT stage. In the above description, the beam expander is used in the latter method. The divergent
제2특징 : 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환하여 균일도가 높은 고품질 가공을 실현함Second feature: High quality processing with high uniformity by converting beam profile into flat top
상술한 바와 같은 제2특징을 실현하기 위한 구성이 바로 상기 메인 슬릿부(120)이다. 상기 메인 슬릿부(120)는, 상기 발산각 조절부(110)에서 출사된 빔을 통과시키면서 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환시킨다. 이하에서 상기 메인 슬릿부(120)의 기능, 원리, 다양한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.The
일반적인 레이저 가공 장치들에서 가공 시 사용되는 레이저 빔의 프로파일은 대부분 종 모양으로 형성되는 레이저 빔 프로파일을 가지고 있으며, 이를 가우시안 빔 혹은 TEM00빔이라 한다. 이러한 빔 프로파일은 공기 중을 지나거나 여러 광학계를 지나도 그 형태를 유지한다. 즉, 렌즈에 의해 재료 표면에 작게 집속하여도 집속된 빔의 프로파일은 가우시안 형태를 유지하게 된다. 그러나 광학적 회절 한계에 의해 아무리 레이저 빔을 작게 집속하여도 사용하는 레이저의 파장 길이보다 작게 집속하는 것은 어려우며, 재료를 파장 길이보다 작은 폭으로 가공하는 것 또한 어렵다. 이와 같은 가우시안 형태의 프로파일을 가지는 레이저 빔으로 가공을 수행할 경우, 상면에서 볼 때에는 원형 형태를 가지고 측면에서 볼 때에는 (프로파일과 유사하게) 종 모양, 즉 중심 부분이 가장 깊고 가장자리로 갈수록 깊이가 얕아지는 형상의 구멍이 만들어진다.In general laser processing devices, the profile of the laser beam used in processing has a laser beam profile formed mostly in the form of a bell, which is called a Gaussian beam or a TEM 00 beam. These beam profiles maintain their shape through the air or across multiple optical systems. That is, the profile of the focused beam remains in the Gaussian form even if it is smallly focused on the material surface by the lens. However, even if the laser beam is focused by a small amount due to the optical diffraction limit, it is difficult to concentrate the laser beam to a wavelength smaller than the wavelength of the laser beam used, and it is also difficult to process the material to a width smaller than the wavelength. When a laser beam having such a Gaussian shape profile is processed, it has a circular shape when viewed from the top, and a bell shape when viewed from the side (similar to the profile), that is, the center portion is deepest, A hole with a loose shape is made.
한편 전체적으로 균일한 형태의 플랫탑 프로파일의 경우 측면에서 볼 때 전체적으로 균일한 깊이를 가지는 형상의 구멍을 만들 수 있다. 이러한 플랫탑 빔을 만들 때는 레이저에서 발진된 가우시안 빔의 직경을 광학적인 설계가 이루어진 광학계를 지나면서 원래 직경에 비해 큰 직경을 가지도록 직경을 넓힌다. 이 경우, 상대적으로 높은 에너지 분포를 가지는 부분의 레이저 강도가 가우시안 빔과는 달리 렌즈에 의해 집속되면 집속되기 전의 플랫탑 모양을 유지하기 어렵다. 따라서 원하는 위치에서 플랫탑이 나오도록 하는 광학적인 설계가 필요하다.On the other hand, in the case of a flat top profile of a uniform overall shape, it is possible to form holes having a uniform overall depth from the side view. When making such a flat-top beam, the diameter of the Gaussian beam emitted by the laser is enlarged so as to have a larger diameter than the original diameter, passing through the optically designed optical system. In this case, unlike the Gaussian beam, when the laser intensity of the portion having a relatively high energy distribution is focused by the lens, it is difficult to maintain the flat top shape before focusing. Therefore, there is a need for an optical design that allows the flat top to come out at the desired location.
더불어 앞서 설명한 바와 같이 최근 레이저를 이용한 가공이 응용되는 분야가 매우 넓고 다양해지고 있기 때문에, 레이저 가공 시 그 응용 분야에 따라 원형 가공, 사각 가공 등 가공 형상을 바꾸어야 할 필요가 있으며, 또한 깊이 방향으로 재료가 제거되는 정도도 균일하게 제거할 것인지, 가운데를 주변보다 더 깊게 제거할 것인지가 상황에 따라 다르게 요구될 수 있다. 종래에는 기본적으로 가우시안 빔이 발생되는 레이저 가공 장치가 사용되었으나, 플랫탑 빔이 요구되는 가공 수요가 많아짐에 따라 이를 위한 특별한 광학계가 구비된 레이저 가공 장치가 개발되어 사용되어 왔다. 그런데, 이처럼 종래에는 필요할 때마다 원하는 가공 형상과 빔 프로파일로 가공이 가능하게 하기 위해서는 레이저 가공 장치 자체를 바꾸어야 했기 때문에, 장비 설비에 드는 비용이 지나치게 높아지는 문제가 있었다.In addition, as described above, since the fields in which laser processing has recently been applied are very wide and diverse, it is necessary to change processing forms such as round processing and square processing depending on the application fields in laser processing, Whether to remove the degree of removal uniformly or to remove the center deeper than the periphery may be required differently depending on the situation. Conventionally, a laser processing apparatus in which a Gaussian beam is generated is used. However, a laser processing apparatus having a special optical system for this purpose has been developed and used as a demand for a flat top beam is increased. However, conventionally, in order to enable machining with a desired machining shape and beam profile whenever necessary, the laser machining apparatus itself has to be changed, resulting in a problem that the equipment cost is excessively high.
본 발명에서는 바로 상기 메인 슬릿부(120)를 이용하여 가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 전환하며, 또한 빔의 크기와 형상을 용이하고 자유롭게 변경할 수 있도록 구성된다. 종래에는 플랫탑 빔으로 전환 시 설계가 복잡하고 변경이 어려운 고가의 광학계를 사용하였으나, 본 발명에서는 보다 단순한 광학계를 사용하면서도 다양한 요구에 맞게 쉽게 가공 조건의 변경이 가능함과 동시에 요구에 부합하는 정도의 플랫탑 빔 프로파일을 얻을 수 있도록 하는 구성을 가지는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 제시한다.In the present invention, the
상기 메인 슬릿부(120)는 도 1에 도시된 실시예에서와 같이 메인 슬릿(121), 튜브 렌즈(tube lens, 122)를 포함하여 이루어질 수 있다. 간략하게는, 상기 메인 슬릿부(120)는, 상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 상기 튜브 렌즈(122)를 배치시킴으로써 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환하고, 상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에서 상기 튜브 렌즈(122)를 제거함으로써 빔 프로파일을 가우시안 형태로 전환하도록 구동될 수 있다. 먼저 각부에 대하여 설명하면 다음과 같다.The
상기 메인 슬릿(121)은 레이저 광원으로부터 진행되어 온 레이저 빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하며, 상기 구멍의 크기 및 형상이 변경 가능하도록 형성된다. 원래의 레이저 빔은 일반적으로 원형 형태에 상대적으로 큰 직경을 가지고 있으나, 그 중 일부만을 통과시키는 구멍이 구비된 슬릿이 배치됨으로써 사각 형태 등과 같은 다양하게 원하는 형태로 빔 형상을 바꾸어 줄 수 있다. 또한 구멍이 작은 슬릿을 사용하거나 구멍이 큰 슬릿을 사용함으로써 빔 크기도 원하는 대로 조절할 수 있다. The
이처럼 상기 메인 슬릿(121)은 다양한 빔 형상을 요구 조건에 맞게 원하는 대로 바꿀 수 있도록 구멍 크기 및 형상이 가변되도록 형성된다. 구체적으로는, 이러한 상기 메인 슬릿(121)의 구멍 가변 구조는, 상기 구멍의 크기가 가변되는 조리개 형태, 다수 개의 서로 다른 크기 및 형상의 구멍들이 교체 배치되는 교체식 형태, 상기 조리개 형태 및 상기 교체식 형태가 결합된 형태 등으로 실현될 수 있다.As described above, the
더불어 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 메인 슬릿(121)에 조명을 부가할 수 있도록, 상기 발산각 조절부(110) 및 상기 메인 슬릿(121) 사이의 레이저 빔 광경로 상에 메인 슬릿용 빔 스플리터(125)가 구비되고, 상기 메인 슬릿용 빔 스플리터(125)에 의해 상기 메인 슬릿(121) 상으로 조명을 비추어 주는 메인 슬릿용 조명부(illuminator, 126)가 더 구비될 수 있다.1, a light beam for a
상기 튜브 렌즈(tube lens, 122)는 상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 배치되어, 레이저 빔이 상기 가공 대상물(500) 상의 가공 부위에서 디포커싱(defocusing)되도록 레이저 빔을 집속하는 역할을 한다.The
도 7은 위와 같이 설명된 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치의 모드 전환기에서의 프로파일 모드 전환 예시를 도시하고 있다. 상기 튜브 렌즈(122)가 없을 경우, 즉 도 7(B)에 도시된 바와 같은 경우에는 상기 대물렌즈(150)에 의하여 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에 초점이 맞추어져서 일반적인 가우시안 빔의 레이저 가공과 같은 가공이 일어난다. 도 7(B)의 가공 부위에서의 프로파일(도 7(B)b)을 보면, 원래의 레이저 빔에서의 프로파일(도 7(B)a)에 상응하는 형태이되 훨씬 압축된 형상의 종 모양이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 상태에서 이루어지는 가공은 일반적인 레이저 가공 장치에서 수행되는 가공, 즉 가우시안 빔을 이용한 레이저 가공이 된다. 가우시안 빔을 이용한 레이저 가공은, 가공 깊이가 중심부에서 깊고 가장자리로 갈수록 얕아지는 형태의 가공 형상이 요구되는 경우, 가공 형상의 단면 형상이 그다지 중요하지 않은 홀 가공을 하는 경우, 높은 정밀도보다는 강한 인텐시티로 빠르게 가공이 이루어지는 것이 요구되는 경우 등에 유리하게 적용될 수 있으나, 앞서도 설명한 바와 같이 초정밀 가공을 수행하는 데에는 적합하지 않다.Fig. 7 shows an example of the profile mode switching in the mode converter of the three-dimensional high-speed precision laser machining apparatus of the present invention described above. In the absence of the
한편 이렇게 대물렌즈(150)에 의하여 초점이 맞추어진 상태에서 도 7(A)에 도시된 바와 같이 상기 튜브 렌즈(122)를 광경로 중간에 배치시키게 되면, 레이저 빔이 상기 튜브 렌즈(122)를 통과하면서 더 집속되기 때문에 초점은 상기 대물렌즈(150)와 상기 가공 대상물(500) 사이의 어느 위치에 형성되며, 정작 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에서는 초점 이탈, 즉 디포커싱(defocusing)이 일어나게 된다. 초점 부분에서의 프로파일(도 7(A)b)은 (슬릿에 의하여 종 모양의 프로파일 양쪽 끝단이 일부 잘려 있다는 점을 빼면) 가우시안 빔 가공 모드에서의 초점 부분에서의 프로파일(도 7(B)b)과 유사한 형태를 보인다. 한편 가공 대상물(500)의 가공 부위에서는 디포커싱에 의하여 인텐시티가 좀더 넓은 범위에 배분되어 분포되며, 따라서 가공 부위에서의 프로파일(도 7(A)c)은 중심 부분이 약간 볼록하나 전반적으로 평평한 형태로 나타난다.When the
이러한 프로파일이 엄밀히 말하면 완전한 플랫탑 형태인 것은 아니지만, 가우시안 빔과 비교하여 볼 때 대략적으로 플랫탑이라고 할 수 있다. 원래 가우시안 프로파일은 말하자면 종 모양으로 되어 있는 것으로, 중심에 가까워질수록 기울기가 수평에 가깝고 가장자리로 갈수록 기울기가 급격해지는 형태이다. 이러한 가우시안 프로파일이 슬릿에 의하여 양쪽 끝단이 일부 잘라내지고, 상술한 바와 같이 레이저 빔이 가공 부위에서 디포커싱되도록 함으로써 인텐시티가 가공 부위 면적 전체에 걸쳐 분포되면서, 원래의 가우시안 형태에 비해서는 훨씬 균일도가 높은 형태가 되는 것으로, 대략적인 플랫탑이라고 할 수 있는 수준이 되는 것이다.Although this profile is not strictly a complete flat top, it is roughly flat top compared to a Gaussian beam. The original Gaussian profile is in the form of a bell, which means that the closer to the center, the closer the slope is to horizontal, and the higher the slope toward the edge. As the Gaussian profile is partially cut off at both ends by the slit and the laser beam is defocused at the machining site as described above, the intensity is distributed throughout the machined area and is much more uniform than the original Gaussian profile It becomes a rough flat top.
이처럼 디포커싱에 의하여 도 7(A)c와 같이 대략적인 플랫탑 프로파일을 가지는 레이저 빔이 가공 대상물(500)의 가공 부위 상에 조사됨으로써, 결과적으로 가공 깊이가 균일하게 나타나는 형상을 보다 용이하게 가공할 수 있다. 실질적으로 기존에 복잡한 광학 부품들을 사용하여 만들어지는 플랫탑 빔이라 할지라도 완벽한 플랫탑 형태를 보이는 것은 아니며, 본 발명에서와 같은 대략적인 플랫탑 형태로도 현재 요구에 맞는 수준의 가공 깊이 균일도를 훌륭히 달성할 수 있다.By the defocusing, a laser beam having a rough flat-top profile as shown in FIG. 7 (A) c is irradiated onto the machining area of the object to be processed 500, resulting in a more easily processed can do. Even a flat top beam, which is produced using substantially complicated optical components, does not show a perfect flat top, and even in the flat top form as in the present invention, the uniformity of the processing depth Can be achieved.
다시 한 번 정리하자면 다음과 같다. 본 발명에서는, 대물렌즈(150)에 의하여 원래 가공 부위에서 초점이 맞추어지도록 되어 있는 상태에서, 광경로 상에 튜브 렌즈(122)를 더 배치시킴으로써 대물렌즈(150)와 가공 부위 사이의 어느 위치에 초점이 맺히도록 하고, 가공 부위에서는 디포커싱이 일어나도록 유도한다. 이 때 레이저 빔은 메인 슬릿(121)을 통과해 오는 과정에서 프로파일 양쪽 끝단의 급격하게 인텐시티가 줄어드는 부분은 이미 제거된 상태이며, 상술한 바와 같이 대물렌즈(150)와 튜브 렌즈(122)에 의하여 가공 부위에서 디포커싱됨으로써 인텐시티 분포가 보통의 가우시안 빔에 비해 훨씬 플랫하게 형성되어, 대략적으로 플랫탑 프로파일을 형성하게 된다. 이러한 레이저 빔으로 가공을 수행했을 경우, 기존의 플랫탑 빔으로 가공을 수행했을 경우에 상응하는 수준의 가공 깊이 균일도를 달성할 수 있다. 즉 본 발명의 장치에서 대물렌즈(150) 및 튜브 렌즈(122)를 함께 사용하여 디포커싱을 해 주는 경우는 플랫탑 모드가 되는 것으로, 앞서 설명한 바와 같이 가공 부위에서 가공 면적 전체에 걸쳐 가공 깊이가 균일하게 이루어질 것이 요구되는 경우에 있어 매우 유리하게 적용될 수 있다.Here is another summary: In the present invention, by further disposing the
제3특징 : 스캐너와 대물렌즈를 결합하여 고정밀 가공을 수행함과 동시에 x, y 2차원 고속 이동을 실현함Third Feature: Combine scanner and objective lens to realize high-precision machining and realize x, y two-dimensional high-speed movement
상술한 바와 같은 제3특징을 실현하기 위한 구성이 바로 상기 스캐너(130), 상기 릴레이 렌즈(140), 상기 대물렌즈(150)이다. 이하에서 상기 스캐너(130), 상기 릴레이 렌즈(140), 상기 대물렌즈(150) 각각 또는 그 조합의 기능, 원리, 다양한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.The
상기 스캐너(130)는, 상기 메인 슬릿부(120)에서 출사된 빔의 광경로를 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 x, y 2축 방향으로 이동시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 스캐너(130)는 적어도 하나의 스캐닝미러를 포함하여 이루어진다. 스캐닝미러란 앞서 설명한 바와 같이 갈바노모터 등과 같이 정밀 구동이 가능한 액추에이터에 미러를 결합한 것으로, 미러의 회전 각도를 정밀하게 조절할 수 있다.The
도 8은 1축 또는 2축 스캐닝미러의 개략도를 도시하고 있다. 도 8(A)은 1축 스캐닝미러 2개(131)(132)를 사용하여, 즉 미러 회전이 1축 방향으로만 가능한 스캐닝미러 2개를 사용함으로써 가공점의 2축 방향 이동을 실현하도록 이루어지는 예시를 나타내고 있다. 1축 스캐닝미러는 예시적으로 1개의 미러에 1개의 갈바노모터를 구비한 형태로 만들어질 수 있는데, 1축 스캐닝미러 2개를 사용하는 경우 미러의 형상이 자유롭고 고성능의 갈바노모터를 사용할 수 있어서 보다 고속의 가공이 가능하다는 장점이 있다. 다만 이 경우 상기 릴레이 렌즈(140)의 초점 위치에 스캐닝미러를 정확히 위치시킬 수 없어 약간의 수차가 발생한다.Figure 8 shows a schematic view of a single-axis or two-axis scanning mirror. 8 (A) is a view showing a state in which the two scanning mirrors 131 and 132 are used, that is, two scanning mirrors capable of mirror rotation in only one axial direction are used, For example. One-axis scanning mirrors can be made with one galvanometer motor as an example. If two single-axis scanning mirrors are used, the shape of the mirror is free and a high-performance galvanometer motor can be used. So that there is an advantage that higher speed processing is possible. However, in this case, the scanning mirror can not be accurately positioned at the focus position of the
한편 도 8(B)은 2축 스캐닝미러 1개, 즉 미러 회전이 2축 방향으로 가능한 스캐닝미러 1개를 사용함으로써 가공점의 2축 방향 이동을 실현하도록 이루어지는 예시를 나타내고 있다. 2축 스캐닝미러는 예시적으로 1개의 미러에 MEMS 공정으로 만들어지는 정밀구동 2축 액추에이터를 구비한 형태로 만들어질 수 있는데, 2축 스캐닝미러 1개를 사용하는 경우에는 상기 릴레이 렌즈(140)의 초점 위치에 정확히 스캐닝미러를 위치할 수 있으나, 2축 스캐닝미러의 특성상 조절 가능한 각도나 속도, 코팅 등의 제약이 발생한다.On the other hand, FIG. 8 (B) shows an example in which the two-axis scanning mirror, that is, one scanning mirror in which the mirror rotation is possible in two directions, is used to realize the biaxial movement of the processing point. The two-axis scanning mirror can be made in the form of a precisely driven two-axis actuator made by a MEMS process in one mirror. In the case of using one of the two-axis scanning mirrors, It is possible to position the scanning mirror precisely at the focal point, but there are restrictions on the angle, speed, and coating that can be adjusted due to the characteristics of the two-axis scanning mirror.
상기 대물렌즈(150)는, 상기 릴레이 렌즈(140)에서 출사된 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하여 실질적인 가공을 수행한다. 즉 레이저 가공 장치 내에서 레이저 광원으로부터 다양한 광학 부품들로 이루어지는 광학계를 통과하여 가공되어 온 레이저 빔이 상기 가공 대상물(500)에 조사되기 직전에 최종적으로 통과되는 것이 바로 상기 대물렌즈(150)이다.The
기존의 레이저 가공 장치의 경우 레이저 광이 대물렌즈로 입사되기 전 어떠한 형태로 이루어지든 크게 상관이 없고, 대물렌즈 초점이 가공 대상물 상에 맞기만 하면 무방하였다. 그러나 본 발명의 경우 앞서 설명한 바와 같이 상기 발산각 조절부(110)로 가공점의 z축 위치를, 상기 스캐너(130)로 가공점의 x, y축 위치를 조절하며, 또한 상기 메인 슬릿부(120)를 사용하여 빔 쉐이핑도 한다. 이와 같이 여러 부품들에 의해 가공점의 위치 및 형태가 조절되기 때문에, 단순히 상기 스캐너(130)에서 출사되는 빔의 광경로 상에 상기 대물렌즈(150)를 배치하기만 할 경우, 상기 스캐너(130)에 포함된 스캐닝미러에 의해 빔이 이동하는 경로가 달라진다. 이에 따라 발산각 조절량, 스캐너 회전량, 빔 쉐이핑 정도 등과 실제 가공점의 위치 및 크기 등의 연관관계를 도출하는 데에 상당히 많은 계산량이 소요된다. 즉 제어를 위한 계산 부하를 줄이고 가공점의 위치 및 크기 등을 원하는 대로 용이하게 제어하기 위해서는 상기 메인 슬릿(121)의 이미지가 그대로 상기 대물렌즈(150)로 옮겨지도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하기 위해서 구비되는 것이 바로 상기 릴레이 렌즈(140)이다. In the case of the conventional laser processing apparatus, there is no significant relation with what kind of laser light is made before entering the objective lens, and the objective lens focal point has only to fit on the object to be processed. However, in the present invention, as described above, the
상기 릴레이 렌즈(140)는, 상기 스캐너(130)에서 출사된 빔의 광경로 상에 순차적으로 이격 배치되는 제1렌즈(141) 및 제2렌즈(142)를 포함하여 이루어져 빔의 경로 및 발산각을 유지하면서 결상 위치를 옮겨주는 역할을 한다. 즉 상기 릴레이 렌즈(140)는 빔의 경로나 발산각 등이 바뀌지 않으면서 이미지를 연속으로 옮겨 주기만 하는 기능을 가지는 광학계이다. 이처럼 상기 릴레이 렌즈(140)는 상기 메인 슬릿(121)의 이미지가 그대로 상기 대물렌즈(150)로 옮겨지도록 해 주기 때문에, 상기 발산각 조절부(110) 및 상기 메인 슬릿부(120)를 조절하여 가공된 빔 형상이 상기 대물렌즈(150)로 옮겨지는 과정에서 더 일어나는 변형이 최소화되며, 결과적으로 제어를 위한 불필요한 계산량이 발생하는 것을 줄일 수 있다. 또한 상기 릴레이 렌즈(140)는, 이미지를 유지하면서 광경로의 필요 간격(여러 광학 부품들을 배치하기 위하여 필수적으로 필요한 공간을 위한 간격)을 확보할 수 있게 해 주는 역할도 한다.The
이와 같은 상기 릴레이 렌즈(140)는, 도 9에 도시되어 있는 바와 같은 4f 시스템으로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉 상기 제1렌즈(141)의 일측 초점거리, 상기 제1렌즈(141)의 타측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 일측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 타측 초점거리가 모두 동일하게 형성되며, 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 간 이격거리는 상기 초점거리의 2배로 형성되는 것이다. 도 9에 표시된 점선은 모두 초점면을 나타내는 것이다.The
도 10은 이와 같이, 스캐너 - 릴레이 렌즈 - 대물렌즈가 순차 배열되어 이루어지는 본 발명의 대물렌즈 스캐너의 구성예를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 먼저 상기 메인 슬릿(121)의 이미지가 상기 튜브 렌즈(122)에 의하여 (스캐닝미러로 이루어지는) 상기 스캐너(130)로 옮겨지고, 이 이미지가 다시 두 개의 렌즈들로 이루어지는 상기 릴레이 렌즈(140)에 의하여 상기 대물렌즈(150)까지 옮기게 된다. 보다 명확하게는, 상기 릴레이 렌즈(140)에서 옮겨진 이미지는 상기 대물렌즈(150)의 후방 초점면(back focal plane)에 맞춰지게 된다.Fig. 10 shows an example of the configuration of the objective lens scanner of the present invention in which the scanner-relay lens-objective lens is arranged in order as described above. As shown in the drawing, the image of the
상기 스캐너(130)에 포함된 스캐닝미러가 회전함에 따라 레이저 빔이 상기 대물렌즈(150)의 광축에 대해 각도를 형성하면서 입사되게 되는데, 이를 통해 상기 대물렌즈(150)의 초점(즉 가공점)을 2차원적으로 이동할 수 있기는 하나 이 과정에서 이미지의 왜곡이 일어나는 것을 완전히 피할 수는 없다. 그러나 상술한 바와 같이 상기 릴레이 렌즈(140)를 사용함으로써 이러한 이미지의 왜곡을 훨씬 줄일 수 있으며, 이 때 상기 튜브 렌즈(122)와 상기 릴레이 렌즈(140)가 구면수차가 최대한 없게 한다든가, 렌즈의 직경을 키워 렌즈의 중심부만 이용하여 구면수차를 최소화하는 등의 방법을 도입하여 이미지의 왜곡을 더욱 최소화할 수 있다.As the scanning mirror included in the
한편, 도 1의 실시예나 도 8(A)의 실시예에 보이는 바와 같이 상기 스캐너(130)는 1축 스캐닝미러 2개를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다. 이러한 경우 상기 릴레이 렌즈(140)는 도 1의 실시예나 도 10의 실시예에 보이는 바와 같이 1개만 구비될 수도 있고, 또는 2개가 구비될 수도 있다. 도 11은 1축 스캐닝미러 2개 사용 시 적용되는 릴레이 렌즈 구성예를 도시하고 있는데, 도 11(A)는 1개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되는 예시를 도시하고 있다. 이 경우 이미지의 왜곡이 일부 발생하기는 하지만 광학계를 단순화시킬 수 있으며 저렴하게 구성할 수 있다는 장점이 있다. 반면 도 11(B)는 2개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 구비되되, 제1릴레이 렌즈(140a)가 상기 스캐너(120) 내 제1스캐닝미러(131) 및 제2스캐닝미러(132) 사이의 광경로 상에 배치되고, 제2릴레이 렌즈(140b)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되는 예시를 도시하고 있다. 이 경우 광학계 부피가 커지고 구성비용이 증가하는 대신, 상기 메인 슬릿(121)의 이미지를 최대한 왜곡 없이 상기 대물렌즈(150)까지 전달할 수 있다. 즉 이미지 왜곡의 최소화와 광학계 부피 및 비용 절감의 두 가지 측면을 고려하여, 도 11(A), (B)의 예시 중에서 사용자가 자신의 목적에 적합한 구성을 적절히 선택할 수 있다.Meanwhile, as shown in the embodiment of FIG. 1 or the embodiment of FIG. 8A, the
한편, 앞서 극초단 레이저가 재료 가공 시 파장에 무관하다고 설명하기는 하였으나, 파장에 대한 흡수율을 포함한 기초적인 반응성에서의 차이는 존재한다. 또한 가공 경향성 또한 같은 극초단 레이저라 하여도 파장에 따라 분명한 차이가 있다. 따라서 레이저 가공 장치가 UV부터 IR까지 넓은 범위의 파장을 지원하도록 할 필요가 있다. 이를 위해 광학 부품의 코팅이나 색수차에 대한 보정, UV 파장에서 광학계의 투과율, 손상 여부 등 다양한 부분을 고려하여 넓은 범위의 파장에 대응 할 수 있도록 설계에 반영해야 한다.On the other hand, although it has been described that the ultrasound laser is not related to the wavelength at the time of processing the material, there is a difference in basic reactivity including the absorption rate to the wavelength. There is also a clear difference in wavelength depending on the fabrication tendency of the ultrafast laser. Therefore, it is necessary that the laser processing apparatus supports a wide range of wavelengths from UV to IR. For this purpose, it should be reflected in the design so that it can cope with a wide range of wavelength considering various factors such as coating of optical components, correction for chromatic aberration, transmittance of optical system at UV wavelength, damage and so on.
도 12는 색수차 보정 렌즈 사용 유무에 따른 초점위치 변화 예시를 도시한 것으로, 도 12로부터 색수차를 보정하지 않은 렌즈와 보정한 렌즈의 백색광원에 대한 집속성능의 차이를 명확히 확인할 수 있다. 일반적으로 색수차를 잡을 때는 렌즈에 다른 유리로 만들어진 렌즈를 덧대어 만들게 되는데, 즉 첫 번째 렌즈에 의해 파장에 따라 초점 위치가 바뀌어도 두 번째 렌즈로 보상을 하는 개념이다.Fig. 12 shows an example of change of the focal position according to the presence or absence of the chromatic aberration correction lens. From Fig. 12, it is possible to clearly confirm the difference in focusing performance between the lens without correction of chromatic aberration and the white lens of the corrected lens. Generally, when a chromatic aberration is caught, a lens made of another glass is attached to the lens. That is, even if the focus position is changed by the first lens, the second lens compensates the second lens.
도 13은 색수차 보정 렌즈를 사용한 본 발명의 대물렌즈 스캐너의 구성예를 도시한 것이다. 즉 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 각각이 색수차가 보정된 아크로매틱(achromatic) 렌즈 또는 아포크로매틱(apochromatic) 렌즈로 이루어지게 하는 것이다. 아크로매틱 렌즈란 초점거리나 렌즈 직경 등은 똑같지만 파장이 달라도 초점 위치는 동일하게 만들어진 렌즈를 말하는 것이며, 아포크로매틱 렌즈도 아크로매틱 렌즈보다 색수차 보정범위가 더 넓은 렌즈를 말하는 것이다. 도 13에는 릴레이 렌즈만 아크로매틱 렌즈로 이루어지는 예를 들었지만, 튜브렌즈를 비롯하여 대물렌즈를 제외한 장비에 들어가는 모든 '렌즈'는 아크로매틱 렌즈 또는 아포크로매틱 렌즈를 사용하게 할 수 있다.13 shows an example of the configuration of an objective lens scanner of the present invention using a chromatic aberration correction lens. That is, each of the
한편 상술한 바와 같이 레이저 빔이 (스캐닝미러를 포함하여 이루어지는) 상기 스캐너(130) 및 상기 릴레이 렌즈(140)를 통해 상기 대물렌즈(150)로 들어오는 과정에서, 스캐닝미러가 회전함에 따라 상기 대물렌즈(150)의 광축으로 정확하게 들어오지 않고 광축에 대해 각도를 가지고 들어올 수 있다. 일반적으로 대물렌즈는 특성상 광축에 대하여 레이저 빔이 들어올 수 있는 각도가 2.5ㅀ로 제한된다. 보다 상세히 설명하자면, 일반 비전용 백색광원의 경우 제한되는 각도 범위는 5ㅀ 가량 되지만, 레이저의 경우 2.5ㅀ가 넘으면 레이저 빔이 렌즈 가장자리로 지나가면서 손상이 발생될 우려가 있어 백색광원보다 훨씬 작은 각도인 2.5ㅀ로 제한되는 것이다. 그런데 본 발명과 같은 장치를 구성하였을 때, 리니어 리볼버에 의하여 다양한 배율의 대물렌즈가 교체되어 가면서 사용되고, 또한 스캐닝미러에 의해 빔이 지나가는 경로나 각도가 변하는 상황에서, 대물렌즈에 입사되는 빔의 각도가 2.5ㅀ 이상이 될 수 있다. 이는 대물렌즈의 수명을 줄이는 요인이 되기 때문에 이러한 현상이 발생하는 것을 방지해야 할 필요가 있지만, 소프트웨어 상으로 제한하기에는 경우의 수가 너무나 많아 어렵고 또한 직관적으로 어디까지 가공이 되는지를 알기 어렵다.As described above, in the course of the laser beam entering the
상기 서브 슬릿부(160)는 바로 이러한 문제를 해결하기 위해 구비되는 것이다. 앞서의 상기 메인 슬릿부(120)는 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환하고 또한 가공점의 형상이나 크기를 조절하기 위한 목적으로 구비되는 것이었다. 반면 상기 보조 슬릿부(160)는, 상술한 바와 같이 상기 대물렌즈(150)에 특정 각도 이상의 빔이 들어오는 것을 막기 위해 구비되는 것이다. 즉 상기 서브 슬릿부(160)는, 상기 스캐너(130) 및 상기 대물렌즈(150) 사이의 광경로 상에 배치되어, 상기 대물렌즈(150)의 손상을 방지하도록 상기 대물렌즈(150)로 입사되는 빔의 각도를 제한하는 역할을 한다.The
이를 위하여 상기 서브 슬릿부(160)는, 빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하는 서브 슬릿(161)을 포함하여 이루어진다. 상기 서브 슬릿(161)은 상술한 바와 같이 일정 각도 이상의 빔을 물리적으로 막아 버림으로써 사용자의 부주의 등에 의하여 상기 대물렌즈(150)가 손상될 가능성을 원천적으로 차단한다.To this end, the
상기 서브 슬릿부(160)에는 또한, 상기 서브 슬릿(161)으로 들어오는 레이저 빔 광경로 상에 서브 슬릿용 빔 스플리터(165)가 구비되고, 상기 서브 슬릿용 빔 스플리터(165)에 의해 상기 서브 슬릿(161) 상으로 조명을 비추어 주는 서브 슬릿용 조명부(illuminator, 166)가 더 구비될 수 있다. 이렇게 상기 서브 슬릿부(160)에 조명이 구비됨으로써, 이 슬릿의 조명에 의해 비전으로 가공이 가능한 영역이 표시되어 사용자 편의성을 높일 수 있다. 상기 서브 슬릿부(160)는, 도 13(A)에 도시된 바와 같이 상기 릴레이 렌즈(140) 내 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(142) 사이의 광경로 상에 배치될 수도 있고, 또는 도 13(B)에 도시된 바와 같이 상기 스캐너(130) 및 상기 릴레이 렌즈(140) 사이의 광경로 상에 배치될 수도 있다.The
제4특징 : 실시간 모니터링을 위한 다양한 보조 구성Fourth feature: Various auxiliary configurations for real-time monitoring
더불어 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위 영상을 촬영하는 영상 획득부(170)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 영상 획득부(170)로 반사빔을 보내 줄 수 있도록, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에는 영상 획득부용 빔 스플리터(175)가 구비되게 한다. 이와 같이 영상 획득부(170)를 더 구비함으로써, 가공 부위의 영상을 직접 실시간으로 확인하면서 원하는 대로 올바르게 가공이 이루어지고 있는지를 직관적으로 판단할 수 있다.In addition, the three-dimensional high-speed precision
이처럼 영상을 획득할 경우 영상을 보다 선명하게 얻을 수 있도록, 상기 영상 획득부(170)에 조명을 부가할 수 있는 구성이 더 구비될 수 있다. 즉 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 영상 획득부용 빔 스플리터(175)를 통해 상기 영상 획득부(170) 상으로 조명을 비추어 주는 영상 획득부용 조명부(illuminator, 166)가 더 구비될 수 있다. 더불어 더욱 선명한 영상을 얻기 위해서, 상기 영상 획득부(170)로 입사되는 레이저 빔 광경로 상의 전방에 배치되는 자동 초점 조절부(auto focusing module, 167)가 더 구비될 수도 있다.The
또한 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터(180)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 스펙트로미터(180)로 반사빔을 보내 줄 수 있도록, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에는 스펙트로미터용 빔 스플리터(185)가 구비되게 한다. 이와 같이 스펙트로미터(180)를 더 구비함으로써, 현재 가공되고 있는 물질이 무엇인지를 정확하게 실시간으로 파악할 수 있으며, 이에 따라 역시 가공이 원하는 대로 올바르게 진행되고 있는지를 실시간으로 모니터링할 수 있다.A three-dimensional high-speed precision
또한 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에서의 반사 신호 세기를 측정하는 광측정기(190)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 광측정기(190)로 반사빔을 보내 줄 수 있도록, 상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에는 광측정기용 빔 스플리터(195)가 구비되게 한다. 이와 같이 광측정기(190)를 더 구비함으로써, 현재 가공되고 있는 물질에서 반사되는 광의 세기를 측정하여, 반사도를 이용하여 가공되고 있는 물질이 무엇인지를 파악하거나 또는 가공 대상물의 평탄도를 측정함으로써 가공 상태를 파악하는 등의 실시간 파악을 통하여, 역시 가공이 원하는 대로 올바르게 진행되고 있는지를 실시간으로 모니터링할 수 있다.A three-dimensional high-speed precision
레이저 가공 시에 가공 장치에 가공 변수를 입력하고 가공을 실행하면, 이상적으로는 입력한 그대로의 가공이 이루어질 것이다. 그러나 실제 현장에서는 여러 가지 요인에 의해 입력한 대로 재료에 레이저가 집속되지 않는 경우가 많다. 레이저는 다양한 원인에 의해 서로 다른 펄스의 특성이 다를 수 있으며, 특히 24시간 365일 계속 가동되는 산업의 양산 라인에서는 장비 각부의 온도, 진동 등에 따른 각부의 정렬 상태 변동, 장비 노후화 등과 같은 요인이 무시할 수 없을 정도로 큰 오차를 불러올 수 있다. 즉 산업 양산 라인에서는 가공 조건의 균일성, 안정성 등이 크게 중요한데, 상술한 바와 같이 레이저 내부를 이루는 부품의 수명과 가공시스템을 이루는 부품의 수명에 따라 레이저의 특성이 변할 수 있기 때문에, 레이저에 대한 특성을 실시간으로 모니터링하는 것이 크게 중요하다.When the machining parameters are input to the machining apparatus during the laser machining and the machining is performed, ideally, the machining as it is inputted will be performed. However, there are many cases where the laser is not focused on the material as input by various factors in the actual field. The characteristics of different pulses of laser can be different due to various reasons. Particularly, in industrial mass production line which is continuously operated for 24 hours and 365 days, there are negligible factors such as fluctuation of alignment of each part due to temperature, It can bring about a big error that can not be done. That is, in the industrial mass production line, uniformity and stability of processing conditions are very important. As described above, since the characteristics of the laser may be changed according to the life of parts constituting the laser and the life of parts constituting the processing system, It is important to monitor the characteristics in real time.
본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치(100)는, 상술한 바와 같이 다양한 방식으로 실시간 모니터링이 이루어지게 한다. 이에 따라 본 발명의 장치를 사용하면, 실시간으로 레이저의 최초 출력, 모든 광학계를 통과한 후 재료에 집속되는 레이저의 출력, 레이저의 파장, 펄스폭, 빔 프로파일 등의 측정이 가능하며, 이러한 모든 측정치는 로그 파일에 기록되고 측정치가 레이저 가공변수에 피드백되어 내부 또는 외부 환경에 의한 변화가 있어도 입력한 가공 변수대로 레이저 특성이 유지되도록 할 수 있다. 이러한 실시간 레이저 모니터링 장치를 통해 재료로 집속되는 레이저의 특성을 알 수 있고, 원하는 값이 되도록 조절할 수 있으며, 더 나아가 가공 품질 관리, 레이저 상태 관리, 가공 장치 상태 관리 등이 가능하다.The three-dimensional high-speed precision
실제 가공 실험 결과Actual processing experiment result
도 15 내지 도 17에 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 이용한 ITO, AgNW/CNT에 대해 초고속, 초정밀 가공 실험 결과 사진을 나타내었다.15 to 17 are photographs of high-speed and ultra-precision machining test results for ITO and AgNW / CNT using the three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus of the present invention.
도 15에는 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 이용하여 ITO에 대해 고속 스캐닝 가공 실험을 한 결과를 나타내었다. 가공변수는 1027 nm, 100 kHz, 124.1 uJ, 2~4 um 선폭, 1~2 m/s이며, 각 그림에 따라 변수는 다르다. 상기 실험은 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 사용하여 슬릿을 이용한 선폭 조절과 고속 스캐닝가공을 테스트하기 위한 것으로서, 도 15로부터 이러한 다양한 선폭 조절 및 고속 가공이 훌륭하게 실현되고 있음을 확인할 수 있다.FIG. 15 shows a result of performing a high-speed scanning processing experiment on ITO using the three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus of the present invention. The processing parameters are 1027 nm, 100 kHz, 124.1 μJ, 2 to 4 μm line width, 1 to 2 m / s, and the parameters are different according to each figure. The above experiment is for testing the line width control and the high-speed scanning processing using the slit using the three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus of the present invention, and it can be seen from FIG. 15 that various line width control and high speed processing are well realized .
도 16에는 선행문헌 2에 따른 멀티 모달 레이저 가공 장치와의 차이점을 설명하기 위한 실험 결과이다. 도 16(A)는 멀티 모달 레이저 가공 장치를 사용한 실험 결과로서, 슬릿을 이용한 사각 플랫탑 빔 쉐이핑 기능을 통하여 점 가공을 수행한 실험 결과를 볼 수 있다. 상기 멀티 모달 레이저 가공 장치는 스테이지를 통하여 가공하는 장비로서 도 16(A)에 보이는 바와 같이 점 가공은 우수하게 수행할 수 있으나, 스테이지의 특성상 고속 가공에는 적합하지 않다. 한편 도 16(B)는 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치를 사용한 실험 결과로서, 슬릿을 이용한 사각 플랫탑 빔 쉐이핑 기능과 스캐닝미러를 이용한 고속 가공 기능을 동시에 구현하였다. 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치는 스테이지로는 구현할 수 없는 속도인 3 m/s까지 고속 가공이 가능하며, 스캐닝미러의 구성에 따라 더욱 빨라질 수 있다.16 is an experimental result for explaining a difference from the multimodal laser processing apparatus according to the
도 17에는 본 발명의 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치의 플랫탑 빔 프로파일과 일반적인 가우시안 빔의 가공성 차이를 나타낸 사진이다. 도 17(A)에 도시된 바와 같이 가우시안 빔은 가장자리로 갈수록 세기가 약해져, 가공 영역 - 비가공 영역 사이에 가공이 일부 이루어지기는 하다 제대로는 되지 않는 구간이 상당히 넓게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 즉 구체적인 예를 들자면, 가우시안 빔을 사용할 경우, 다층 박막의 선택적 가공 시에는 재료 제거가 불완전하게 이루어짐으로써 위, 아래 박막의 통전이 발생할 수 있고, 얇고 좁은 선 가공을 통해 구역을 두 부분으로 나누는 가공 시에는 전기적 절연이 이루어지지 않는 등의 문제가 발생할 수 있다. 더욱이 가우시안 빔을 사용할 경우 다층 박막 가공 시 빔 가운데 부분의 높은 에너지로 인해 가공하고자 하는 박막 아래의 기판이나 아래층 박막에 손상을 줄 가능성이 많다. 반면 도 17(B)에 도시된 바와 같이 플랫탑 빔은 중간과 가장자리의 에너지가 균일하여 제대로 가공되지 않은 영역이 매우 좁게 나타남을 알 수 있다. 즉 플랫탑 빔을 사용할 경우 가우시안 빔을 사용할 때 발생할 수 있었던, 앞서 설명한 바와 같은 다양한 문제들이 원천적으로 제거되어, 즉 가공 균일도 및 품질이 극대화될 수 있음을 확인할 수 있다.17 is a photograph showing the difference in workability between a flat top beam profile of a three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus of the present invention and a general Gaussian beam. As shown in FIG. 17 (A), the intensity of the Gaussian beam decreases as it goes to the edge, and it can be seen that there is a wide range in which the machining is not partially performed between the machining area and the non-machining area. For example, when a Gaussian beam is used, material removal is incompletely performed in the selective processing of the multilayer thin film, so that energization of the upper and lower thin films may occur. In addition, the thin- There is a possibility that electrical insulation may not be achieved. Furthermore, when a Gaussian beam is used, the high energy of the middle portion of the beam during multi-layer thin film processing is likely to cause damages to the substrate or underlying film under the thin film to be processed. On the other hand, as shown in FIG. 17 (B), the flat top beam has a very narrow area in which the energy of the middle and the edge is uniform and not properly processed. That is, it can be seen that various problems as described above that may occur when using the Gaussian beam when the flat top beam is used can be originally removed, that is, the uniformity and quality of the processing can be maximized.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.
100: (본 발명의) 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치
110: 발산각 조절부
111A: 렌즈
112A: 진동자
111B: 제1콜리메이터 렌즈
112B: 제2콜리메이터 렌즈
113B: 갈바노모터
114B: 운동 변환부
111C: 오목렌즈
112C: 볼록렌즈
113C: PZT 스테이지
120: 메인 슬릿부
121: 메인 슬릿
122: 튜브 렌즈
125: 메인 슬릿용 빔 스플리터
126: 메인 슬릿용 조명부
130: 스캐너
131: 제1갈바노모터
132: 제2갈바노모터
140: 릴레이 렌즈
141: 제1렌즈
142: 제2렌즈
160: 대물렌즈
160: 서브 슬릿부
161: 서브 슬릿
165: 서브 슬릿용 빔 스플리터
166: 서브 슬릿용 조명부
170: 영상 획득부
175: 영상 획득부용 빔 스플리터
176: 영상 획득부용 조명부
177: 자동 초점 조절부
180: 스펙트로미터
185: 스펙트로미터용 빔 스플리터
190: 광측정부
195: 광측정부용 빔 스플리터
200: 제어부
500: 가공 대상물100: Three-dimensional high-speed precision laser processing apparatus (of the present invention)
110: divergent angle adjusting unit
111A:
111B:
113B:
111C:
113C: PZT stage
120: main slit portion
121: main slit 122: tube lens
125: beam splitter for main slit 126: illumination part for main slit
130: Scanner
131: first galvano motor 132: second galvano motor
140: relay lens
141: first lens 142: second lens
160: Objective lens
160: sub slit part 161: sub slit part
165: beam splitter for sub slit 166: illumination part for sub slit
170: image acquisition unit 175: beam splitter for image acquisition unit
176: illumination unit for image acquisition unit 177: automatic focus adjustment unit
180: Spectrometer 185: Beam splitter for spectrometer
190: Optical measuring unit 195: Beam splitter for optical measuring unit
200: control unit 500: object to be processed
Claims (16)
레이저 광원에서 출사되어 가공 대상물(500)에 조사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되며, 렌즈를 포함하여 이루어져 빔의 발산각을 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 z축 방향으로 이동시키는 발산각 조절부(110);
상기 발산각 조절부(110)에서 출사된 빔을 통과시키면서 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환시키는 메인 슬릿부(120);
적어도 하나의 스캐닝미러를 포함하여 이루어져 상기 메인 슬릿부(120)에서 출사된 빔의 광경로를 조절하여 상기 가공 대상물(500) 상에 형성되는 가공점을 x, y 2축 방향으로 이동시키는 스캐너(130);
상기 스캐너(130)에서 출사된 빔의 광경로 상에 순차적으로 이격 배치되는 제1렌즈(141) 및 제2렌즈(142)를 포함하여 이루어져 빔의 경로 및 발산각을 유지하면서 결상 위치를 옮겨주는 릴레이 렌즈(140);
상기 릴레이 렌즈(140)에서 출사된 빔을 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위로 집광하는 대물렌즈(objective lens, 150);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
In a three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) for performing laser processing,
And a lens disposed on the optical path of the laser beam emitted from the laser light source and irradiating the object to be processed 500 and adjusting a divergence angle of the beam to move the processing point formed on the object to be processed 500 to a z- A divergence angle adjusting unit 110 for diverting the divergent angle?
A main slit part 120 for passing the beam emitted from the divergence angle adjusting part 110 and converting the beam profile into a flat top shape;
A scanner (not shown) which includes at least one scanning mirror and moves the processing point formed on the object 500 in x and y directions by adjusting the optical path of the beam emitted from the main slit part 120 130);
And a first lens 141 and a second lens 142 that are sequentially spaced apart from each other on the optical path of the beam emitted from the scanner 130. The optical system 140 moves the imaging position while maintaining the beam path and divergence angle, A relay lens 140;
An objective lens 150 for focusing the beam emitted from the relay lens 140 to a processing region of the object to be processed 500;
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
레이저 광원으로부터 진행되어 온 레이저 빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하며, 상기 구멍의 크기 및 형상이 변경 가능하도록 형성되는 메인 슬릿(121),
상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 배치되어 레이저 빔이 상기 가공 대상물(500) 상의 가공 부위에서 디포커싱(defocusing)되도록 레이저 빔을 집속하는 튜브 렌즈(tube lens, 122)
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
[2] The apparatus of claim 1, wherein the main slit portion (120)
A main slit 121 having a hole through which only a part of the laser beam proceeding from the laser light source is passed, the size and shape of the hole being changeable,
A tube lens 122 for focusing a laser beam such that the laser beam is defocused at a processing region on the object 500, the tube lens 122 being disposed on an optical path of the laser beam passing through the main slit 121, )
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
상기 메인 슬릿(121)을 통과하여 온 레이저 빔의 광경로 상에 상기 튜브 렌즈(122)를 배치시킴으로써 빔 프로파일을 플랫탑 형태로 전환하는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
[3] The apparatus of claim 2, wherein the main slit portion (120)
Wherein the beam profile is switched to a flat top shape by disposing the tube lens (122) on the optical path of the laser beam that has passed through the main slit (121).
상기 구멍의 크기가 가변되는 조리개 형태,
다수 개의 서로 다른 크기 및 형상의 구멍들이 교체 배치되는 교체식 형태,
상기 조리개 형태 및 상기 교체식 형태가 결합된 형태
중 선택되는 어느 하나의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
[3] The apparatus of claim 2, wherein the main slit (121)
A diaphragm shape in which the size of the hole is variable,
A replacement type in which a plurality of holes of different sizes and shapes are alternately arranged,
The diaphragm type and the interchangeable form combined form
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
렌즈(111A),
상기 렌즈(111A)에 구비되는 진동자(112A)
를 포함하여 이루어져,
상기 진동자(112A)가 상기 렌즈(111A)에 진동을 가하여 굴절률을 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
The apparatus according to claim 1, wherein the divergent angle adjuster (110)
The lenses 111A,
The vibrator 112A provided on the lens 111A,
, ≪ / RTI >
Wherein the vibrator (112A) adjusts the divergence angle of the beam by applying a vibration to the lens (111A) to adjust the refractive index.
광경로 상에 고정적으로 배치되는 제1콜리메이터 렌즈(111B),
상기 광경로 상에 상기 제1콜리메이터 렌즈(111B)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2콜리메이터 렌즈(112B),
갈바노모터(113B),
상기 갈바노모터(113B)의 회전 운동을 선형 운동으로 전환하여 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B)로 전달하는 운동 변환부(114B)
를 포함하여 이루어져,
상기 제1콜리메이터 렌즈(111B) 및 상기 제2콜리메이터 렌즈(112B) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
The apparatus according to claim 1, wherein the divergent angle adjuster (110)
A first collimator lens 111B fixedly disposed on the optical path,
A second collimator lens 112B disposed on the optical path and spaced apart from the first collimator lens 111B so as to be movable in a direction parallel to the optical path,
Galvano motors 113B,
A motion converting unit 114B that converts the rotational motion of the galvanometer motor 113B into a linear motion and transmits the linear motion to the second collimator lens 112B,
, ≪ / RTI >
Wherein a divergence angle of the beam is adjusted by adjusting a distance between the first collimator lens (111B) and the second collimator lens (112B).
광경로 상에 고정적으로 배치되는 오목렌즈(111C),
상기 광경로 상에 상기 오목렌즈(111C)와 이격되며 상기 광경로에 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 볼록렌즈(112C),
압전소자를 이용하여 상기 볼록렌즈(112C)를 이동시키는 PZT 스테이지(113C)
를 포함하여 이루어져,
상기 오목렌즈(111C) 및 상기 볼록렌즈(112C) 간 거리를 조절함으로써 빔의 발산각을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
The apparatus according to claim 1, wherein the divergent angle adjuster (110)
A concave lens 111C fixedly disposed on the optical path,
A convex lens 112C on the optical path separated from the concave lens 111C and disposed so as to be movable in a direction parallel to the optical path,
A PZT stage 113C for moving the convex lens 112C using a piezoelectric element,
, ≪ / RTI >
And the divergence angle of the beam is adjusted by adjusting the distance between the concave lens (111C) and the convex lens (112C).
상기 제1렌즈(141)의 일측 초점거리, 상기 제1렌즈(141)의 타측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 일측 초점거리, 상기 제2렌즈(142)의 타측 초점거리가 모두 동일하게 형성되며,
상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 간 이격거리는 상기 초점거리의 2배로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
The relay lens system according to claim 1, wherein the relay lens (140)
The focal length of one side of the first lens 141, the focal length of the other side of the first lens 141, the focal length of one side of the second lens 142, and the focal length of the other side of the second lens 142 are all the same Lt; / RTI >
Wherein the distance between the first lens (141) and the second lens (141) is twice the focal length.
상기 스캐너(120)가 1축 스캐닝미러 2개로 이루어지되,
1개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되거나,
2개의 상기 릴레이 렌즈(140)가 구비되되, 제1릴레이 렌즈(140a)가 상기 스캐너(120) 내 제1스캐닝미러(131) 및 제2스캐닝미러(132) 사이의 광경로 상에 배치되고, 제2릴레이 렌즈(140b)가 상기 스캐너(130)에서 출사되는 레이저 빔의 광경로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
2. The three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) according to claim 1,
The scanner 120 is composed of two single-axis scanning mirrors,
One relay lens 140 is disposed on the optical path of the laser beam emitted from the scanner 130,
The first relay lens 140a is disposed on the optical path between the first scanning mirror 131 and the second scanning mirror 132 in the scanner 120 and the second relay lens 140a is disposed on the optical path between the first scanning mirror 131 and the second scanning mirror 132, And a second relay lens (140b) is disposed on the optical path of the laser beam emitted from the scanner (130).
상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(141) 각각이 색수차가 보정된 아크로매틱(achromatic) 렌즈 또는 아포크로매틱(apochromatic) 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
The relay lens system according to claim 1, wherein the relay lens (140)
Characterized in that each of the first lens (141) and the second lens (141) comprises an achromatic lens or an apochromatic lens whose chromatic aberration is corrected.
상기 스캐너(130) 및 상기 대물렌즈(150) 사이의 광경로 상에 배치되어, 상기 대물렌즈(150)의 손상을 방지하도록 상기 대물렌즈(150)로 입사되는 빔의 각도를 제한하는 서브 슬릿부(160);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
2. The three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) according to claim 1,
And a sub-slit part 150 that is disposed on the optical path between the scanner 130 and the objective lens 150 and limits the angle of a beam incident on the objective lens 150 to prevent the objective lens 150 from being damaged. (160);
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
빔의 일부만을 통과시키는 구멍을 구비하는 서브 슬릿(161)
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
12. The apparatus of claim 11, wherein the sub-slit portion (160)
A sub-slit 161 having an aperture through which only part of the beam passes,
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
상기 스캐너(130) 및 상기 릴레이 렌즈(140) 사이의 광경로 상에 배치되거나,
상기 릴레이 렌즈(140) 내 상기 제1렌즈(141) 및 상기 제2렌즈(142) 사이의 광경로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
12. The apparatus of claim 11, wherein the sub-slit portion (160)
Disposed on the optical path between the scanner (130) and the relay lens (140)
Wherein the relay lens (140) is disposed on an optical path between the first lens (141) and the second lens (142) in the relay lens (140).
상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위 영상을 촬영하는 영상 획득부(170);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
2. The three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) according to claim 1,
An image acquiring unit 170 that receives a laser beam reflected from the object to be processed 500 between the relay lens 140 and the objective lens 150 and picks up an image of a processing region of the object to be processed 500, ;
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트로미터(180);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.
2. The three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) according to claim 1,
A spectrometer (180) for receiving a laser beam reflected from the object (500) between the relay lens (140) and the objective lens (150) and measuring a spectral spectrum of the object (500);
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
상기 릴레이 렌즈(140) 및 상기 대물렌즈(150) 사이에서 상기 가공 대상물(500)로부터 반사되어 온 레이저 빔을 입사받아, 상기 가공 대상물(500)의 가공 부위에서의 반사 신호 세기를 측정하는 광측정기(190);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치.2. The three-dimensional high-precision precision laser processing apparatus (100) according to claim 1,
An optical measuring device for receiving the laser beam reflected from the object to be processed 500 between the relay lens 140 and the objective lens 150 and measuring the intensity of the reflected signal from the object to be processed 500, (190);
Dimensional precision high-speed laser processing apparatus.
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|---|---|---|---|
| KR1020170032957A KR102050765B1 (en) | 2017-03-16 | 2017-03-16 | Multi modal laser machining system |
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