KR100400441B1 - 자외선 레이저 빔에 대한 유리의 마킹 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 디스플레이 장치 및 브라운관, 안경, 거울, 광학부품에 사용되는 유리의 표면이나 내부에 특정 글자나 모양을 가공하기 위한 유리의 마킹장치 및 그 방법에 관한 것으로서,

상기 빔확장부는 출력되는 레이저빔의 크기가 지속적으로 변동되도록 초점의 위치가 일정방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 구성되어, 고출력 자외선 레이저빔을 빔확장부에서 고속 반복 움직임을 통해 집광빔의 크기를 변화시켜 유리의 표면이나 내부 초점으로 출력시킴으로써 국부 융용이나 백화 현상이 연속 선 형태로 나타나게 되어 투명부분과 차이가 발생됨으로 인해 특정 글자나 모양이 형성될 수 있고, 빔 흡수율 개선으로 유리의 마킹 부분의 선명도가 향상되고, 유리의 표면은 증발 및 승화 현상으로 인해 크랙이 발생되지 않아 파손 또는 파괴의 우려가 줄어들며, 유리의 내부는 용융에 의한 구 형상으로 역시 크랙 발생이 없어질 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

자외선 레이저 빔에 대한 유리의 마킹 장치 및 그 방법{A Ultraviolet Ray using Glass Marking Device and a Method}

본 발명은 평판 디스플레이 장치 및 브라운관, 안경, 거울, 광학부품에 사용되는 유리의 표면이나 내부에 특정 글자나 모양을 가공하기 위한 유리의 마킹장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 Nd-YVO₄에 의한 고출력 자외선 레이저빔을 빔확장부에서 고속 반복 움직임을 집광빔의 크기를 변화시켜 유리의 표면이나 내부 초점으로 출력시킴으로써 국부 융용이나 백화 현상이 연속 선 형태로 나타나게 되어 투명부분과 차이가 발생됨으로 인해 특정 글자나 모양이 형성될 수 있는 유리의 마킹장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 유리의 마킹장치는 Nd-YAG에서 발생되는 기본파 및 제2 고조파, Nd-YLF에서 발생되는 기본파 및 제2 고조파 레이저빔과 광학계를 이용하여 유리의 표면 또는 내부에 크랙을 발생시켜 요구되는 글자나 모양을 마킹하게 된다.

또한, 대한민국 공개특허공보 1999-0083876호, 2000-0017732호에 기재된 기술에 의하면 레이저 광선을 수용할 수 있도록 산화납(PbO)이 22% 이상 함유된 크리스탈이 사격형이나 원형의 외형을 갖도록 가공되고, 서로 직교하는 3개의 운동축을 갖는 레이저 가공기의 작업대에 크리스탈을 고정시킨 상태에서 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저광을 2개로 분할하고, 이 분할된 2 방향의 레이저광이 상기 크리스탈의 내부에서 집속되도록 하여 이들 레이저광의 열적 작용으로 크리스탈에 함유된 산화납과 같은 불순물이 붕괴됨으로써 별 모양과 같은 형상의 도트들이 연속적으로 연결되어 3차원 형상을 만들게 됨을 알 수 있다.

상기와 같은 레이저 가공 방식은 유리나 크리스탈과 같은 투명재료의 표면이나 내부에 별 모양의 크랙으로 된 도트들을 형성시키고, 각 도트들을 연속적으로연결하여 원하는 모양을 형성하게 되므로 선명도가 낮고, 투명재료 내부에 형성되어 있는 별 모양의 도트에 크랙이 발생하여 진동 및 외부 충격에 의해 크랙이 계속적으로 진행되어 투명재료의 파손 또는 파괴의 잠재성이 항상 내포되어 있는 문제점이 있다.

그 외에도 1064㎚의 기본 파장을 갖는 YAG 레이저나 YLF 레이저의 제2 고조파(532㎚)를 이용해 얇은 유리의 내부 중심에 초점을 맞추어 레이저빔을 펄스형으로 조사하여 도트로 이은 것으로 내부 마킹을 실시하기도 한다.

그런데, 이 경우에 펄스 레이저에 의한 도트를 형성한 것은 유리가 단결정 물질이므로 그 내부 중심에 열이 집중되면 파손이나 크랙이 발생되고, 이런 유리의 파손이나 크랙이 외부 충격이나 다음 공정시 외부 압력에 의해 깨질 수 있고, 게다가 연속적으로 파손이나 크랙이 진행되어 결국 깨지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 YVO₄355㎚의 파장에 의해 조사되는 고출력 자외선 레이저빔을 빔확장부에서 고속 반복 움직임을 통해 집광빔의 크기를 변화시켜 유리의 표면이나 내부 초점으로 출력시킴으로써 국부 융용이나 백화 현상이 연속 선 형태로 나타나게 되어 투명부분과 차이가 발생됨으로 인해 특정 글자나 모양이 형성될 수 있고, 빔 흡수율 개선으로 유리의 마킹 부분의 선명도가 향상되고, 유리의 표면은 증발 및 승화현상으로 인해 크랙이 발생되지 않아 파손 또는 파괴의 우려가 줄어들며, 유리의 내부는 용융에 의한 구 형상으로 역시 크랙 발생이 없어지는 유리의 마킹장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유리의 마킹 장치의 구성이 도시된 블록도이고,

도 2는 도 1의 일부 구성요소인 빔확장부의 구성이 도시된 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 가공유리 11 : 빔발생부

20 : 빔확장부 21 : 바디부

22 : 이동수단 23 : 오목렌즈

24 : 확대렌즈 31, 32 : 미러

41, 42 : 미러 50 : 집광렌즈

51, 52 : 굴절렌즈

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 유리의 마킹장치의 특징에 따르면, 고출력 레이저빔을 생성 출력시키는 빔발생부와, 상기 빔발생부의 레이저빔을 전달받아 균질하게 확대된 레이저빔으로 출력시키는 빔확장부와, 상기 빔확장부를 통해 출력되는 레이저빔이 가공유리 상부로 조사되도록 빔이송경로를 결정하는 미러부와, 상기 미러부의 방향 및 각도를 조절시키기 위해 미러부를 이동시키는 모터와, 상기 미러부에 의해 이송되는 레이저빔은 초점크기가 변화되면서 가공유리의 표면이나 내부 초점으로 집광시킴으로써 가공유리의 특정 부위가 국부 용융 및 변색됨으로 인해 특정 형상을 형성시키는 집광부를 포함하여 구성된 유리의 마킹장치에 있어서, 상기 빔확장부는 출력되는 레이저빔의 크기가 지속적으로 변동되도록 초점의 위치가 일정방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 구성된다.한편, 본 발명에 따른 유리의 마킹방법의 특징에 따르면, 고출력 자외선 레이저빔이 조사되면 레이저빔을 확장시키되 상기 레이저빔의 초점거리가 일정 방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 하여 출력값을 변화시키며 출력시키는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 출력되는 레이저빔을 가공유리의 상부로 이송되도록 미러를 통해 빔이송경로를 결정하는 제2 단계와; 상기 제2 단계에서 이송되는 레이저빔을 가공유리의 표면이나 내부 초점을 향해 조사하여 연속되는 선 형태로 국부 용융됨으로써 특정 글자나 모양이 형성되는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유리의 마킹장치의 구성이 도시된 블록도로서 이를 참고하면 본 발명은 고출력 레이저빔을 생성 출력시키는 빔발생부(11)와, 상기 빔발생부(11)의 레이저빔을 전달받아 초점 크기가 변화시키도록 레이저빔을 확대 출력시키는 빔확장부(20)와, 상기 빔확장부(20)를 통해 확대 출력되는 레이저빔이 가공유리(10) 상부로 조사되도록 빔이송경로를 결정하는 미러부와, 상기 미러부의 방향 및 각도를 조절시키기 위해 미러부를 이동시키는 모터(41, 42)와, 상기 미러부에 의해 이송되는 레이저빔을 가공유리(10)의 표면이나 내부 초점으로 집광시킴으로써 가공유리(10)의 특정 부위가 국부 용융 또는 변색됨으로 인해 특정 형상을 형성시키는 집광부로 구성된다.

여기서, 상기 빔발생부(11)는 YAG 레이저나 YLF 레이저와 같은 고체 레이저의 기본파장(1064㎚) 및 제2고조파(532㎚)에서 제3고조파(355㎚)에 해당되는 자외선 레이저빔을 출사시키는 YVO₄(Yttrium Vandaduim Oxcide) 레이저로 형성된다.

특히, 상기 YVO4 레이저는 레이저빔 단면이 싱글모드로서 세밀하고 균일한 마킹이 가능해지고, Q 스위치 발진을 하여 짧고, 고출력의 펄스를 발광하게 되며 소형이면서 경량인 마크 헤드인데, 상기 Q 스위치는 레이저 공기기의 Q를 순간적으로 변화시켜 비발진 상태에서 갑자기 발진 상태로 이행시킴으로써 피크 출력이 큰 펄스상의 레이저광을 얻는 방법이다.또한, 상기 빔확장부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 바디부(21)에 레이저빔을 확대시키는 오목렌즈(23)가 전기적 또는 기구적으로 고속 왕복 운동시키는 이동수단이 설치되어, 상기 이동수단이 미세량 고속 왕복 운동을 일으킴에 따라 상기 오목렌즈(23)에 통과되는 레이저빔의 초점거리가 지속적으로 변동됨에 따라 상기 레이저빔의 출력값이 한곳으로 집중되지 않고 지속적으로 변동되도록 이루어진다.상기와 같이 출력값이 지속적으로 변동되는 레이저빔은 상기 오목렌즈에 의해 확장되는 상태로 입사하게 되고, 확대렌즈(24)를 통해 다시 수평방향으로 출사하게된다.이와 같이 출력값이 연속적으로 변동되는 레이저빔에 의해 초점이 맺히는 가공 유리(10)의 내부가 열화되게 상기 가공 유리(10) 상에 연속 선 형태로 출력되게 된다. 여기서 도 2에 도시된 'd1'과 'd2'는 확대렌즈(24)를 통한 레이저빔의 지름 크기를 나타낸다.(d1>d2)즉, 상기와 같이 오록렌즈가 이동수단에 의해 반복적으로 이동됨에 따라 단결정으로 이루어진 가공 유리에 에너지가 집중되는 것이 방지되게되어 크랙의 발생없이 열화가 가능하다.

상기 이동수단은 당업자 사이에서 다양한 변형이 가능하며, 일예를 들면 전자적으로 상기 이동수단(22)이 영구자석으로 이루어지고, 상기 바디부의 외측에 전자석이 배치되도록 하고 상기 전자석의 극성을 고속으로 교번시킴으로서 상기 이동수단이 고속이동되도록 구성되는 것도 가능하다.

한편, 상기 미러부는 빔확장부(20)에서 출력되는 레이저빔을 가공유리(10)쪽으로 이송시키기 위해 2개의 미러(31, 32)로 형성되고, 상기 각 미러(31, 32)의 각도나 방향을 2개의 모터(41, 42)가 이동시키게 된다.

상기 집광부는 각 미러(31, 32)를 통해 이송되는 레이저빔을 가공유리(10)의 표면이나 내부 초점으로 집광시키는 집광렌즈(50)만으로 형성될 수도 있고, 상기 집광렌즈(50)와 가공유리(10) 사이에 가공유리(10)의 초점 위치를 변화시켜 다중 가공이 가능토록 굴절렌즈(51, 52)가 추가될 수도 있다.

여기서, 상기 집광부가 도 3에 도시된 바와 같이 초점 길이가 서로 다르게 길어지도록 굴절률이 다른 2개의 굴절렌즈(51, 52)를 절환하여 2중 가공을 하게 되면 해상도가 우수한 글자나 도형이 형성되게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 단계별로 살펴보면, 제1 단계에서는 빔발생부(11)를 통해 고출력 자외선 레이저빔이 조사되면 이를 빔확장부(20)에서 전달받아 일정 방향으로 미세량 정해진 거리를 이동수단(22)을 이용해 통해 고속 반복 움직임으로써 오목렌즈(23)와 확대렌즈(24)를 거쳐 출력되는 레이저빔이 초점의 크기가 변화되면서 출력값이 지속적으로 변동되며 확장되게 된다.

그리고, 제2 단계에서는 상기 빔확장부(20)에서 출력되는 레이저빔을 가공유리(10)의 상부로 이송되도록 모터(41, 42)로 2개의 미러(31, 32)의 방향 및 각도를 적절히 조절하여 빔이송경로를 결정하게 된다.

이렇게, 제3 단계에서는 상기 제2 단계에서 이송되는 레이저빔이 집광부를 통해 가공유리(10)의 표면이나 내부 초점을 향해 조사되면 가공유리(10) 표면이나내부에는 연속되는 선 형태로 국부 용융됨으로써 특정 글자나 모양이 형성된다.

이때, 상기 제3 단계에서는 레이저빔이 가공유리의 표면 조사시 그 표면 일부가 증발 또는 승화되어 제거 가공이나 형상 묘사가 되도록 하고, 상기 레이저빔이 가공유리(10)의 내부 초점 조사시 밀폐된 내부 공간으로 인해 증발이나 승화가 방지되어 국부 용융이나 변색, 백화 현상이 진행되어 투명부분과 차이가 발생되어 특정 글자나 모양이 형성되게 된다.

그리고, 상기 집광렌즈를 통해 가공유리(10)로 조사되는 레이저빔의 초점 크기에 따라 1차 가공된 부분과 연이어 2차 가공된 부분이 중첩되면서 가공부분의 선명도는 더욱 증가하게 되며, 상기 집광부는 집광렌즈(50)에다가 레이저빔이 초점화되는 중심부분에 서로 굴절률이 다른 굴절렌즈(51, 52)를 다수개 절환 사용하여 다중 가공을 실시함으로써 해상도를 향상시키게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 유리의 마킹장치 및 그 방법은 상기 빔확장부는 출력되는 레이저빔의 크기가 지속적으로 변동되도록 초점의 위치가 일정방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 구성되어, 고출력 자외선 레이저빔을 빔확장부에서 고속 반복 움직임을 통해 집광빔의 크기를 변화시켜 유리의 표면이나 내부 초점으로 출력시킴으로써 국부 융용이나 백화 현상이 연속 선 형태로 나타나게 되어 투명부분과 차이가 발생됨으로 인해 특정 글자나 모양이 형성될 수 있고, 빔 흡수율 개선으로 유리의 마킹 부분의 선명도가 향상되고, 유리의 표면은 증발 및 승화 현상으로 인해 크랙이 발생되지 않아 파손 또는 파괴의 우려가 줄어들며, 유리의 내부는 용융에 의한 구 형상으로 역시 크랙 발생이 없어질 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 고출력 레이저빔을 생성 출력시키는 빔발생부와, 상기 빔발생부의 레이저빔을 전달받아 균질하게 확대된 레이저빔으로 출력시키는 빔확장부와, 상기 빔확장부를 통해 출력되는 레이저빔이 가공유리 상부로 조사되도록 빔이송경로를 결정하는 미러부와, 상기 미러부의 방향 및 각도를 조절시키기 위해 미러부를 이동시키는 모터와, 상기 미러부에 의해 이송되는 레이저빔은 초점크기가 변화되면서 가공유리의 표면이나 내부 초점으로 집광시킴으로써 가공유리의 특정 부위가 국부 용융 및 변색됨으로 인해 특정 형상을 형성시키는 집광부를 포함하여 구성된 유리의 마킹장치에 있어서,

   상기 빔확장부는 출력되는 레이저빔의 크기가 지속적으로 변동되도록 초점의 위치가 일정방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 유리의 마킹장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 빔발생부는 고체 레이저의 기본파장에서 제3고조파에 해당되는 자외선 레이저빔을 출사시키는 YVO₄레이저로 형성된 것을 특징으로 하는 유리의 마킹장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 집광부는 미러부를 통해 이송되는 레이저빔을 가공유리의 표면이나 내부 초점으로 집광시키는 집광렌즈로 형성된 것을 특징으로 하는 유리의 마킹장치.
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5. 고출력 자외선 레이저빔이 조사되면 레이저빔을 확장시키되 상기 레이저빔의 초점거리가 일정 방향으로 정해진 거리를 고속 반복 이동되도록 하여 출력값을 변화시키며 출력시키는 제1 단계와;

   상기 제1 단계에서 출력되는 레이저빔을 가공유리의 상부로 이송되도록 미러를 통해 빔이송경로를 결정하는 제2 단계와;

   상기 제2 단계에서 이송되는 레이저빔을 가공유리의 표면이나 내부 초점을 향해 조사하여 연속되는 선 형태로 국부 용융됨으로써 특정 글자나 모양이 형성되는 제3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유리의 마킹방법.
6. 삭제