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KR102375235B1 - 레이저 가공 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저 가공 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102375235B1
KR102375235B1 KR1020200114708A KR20200114708A KR102375235B1 KR 102375235 B1 KR102375235 B1 KR 102375235B1 KR 1020200114708 A KR1020200114708 A KR 1020200114708A KR 20200114708 A KR20200114708 A KR 20200114708A KR 102375235 B1 KR102375235 B1 KR 102375235B1
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optical unit
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황도연
남유진
류상길
유성주
최민환
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주식회사 필옵틱스
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은, 레이저 빔을 방출하는 레이저 유닛; 상기 레이저 빔의 진행 경로에 배치되어 입사되는 상기 레이저 빔이 베셀 빔으로 출사시키는 광학 유닛; 상기 광학 유닛에서 출사되는 베셀 빔으로 가공하는 피가공물이 장착되는 스테이지; 및 상기 레이저 유닛, 상기 광학 유닛, 및 상기 스테이지의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 광학 유닛은, 출사되는 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물에 위치시키며, 상기 피가공물에 위치된 초점 라인이 소정 범위 이동되도록 구성된다.

Description

레이저 가공 시스템 및 방법 {LASER PROCESSING SYSTEM AND LASER PROCESSING METHOD}
본 발명은 레이저를 이용하여 피가공물을 가공하는 가공 시스템 및 가공 방법에 관한 것이다.
레이저는 피가공물(가공 대상물)을 절단하거나 구멍을 형성하는 등의 가공을 할 때 널리 사용되고 있다.
일반적으로, 레이저를 이용한 가공에서는, 렌즈 등의 광학 소자를 이용하여 가공 작업에 적합하도록 원하는 형태의 레이저 빔으로 성형하고 성형된 레이저 빔을 피가공물에 조사한다.
특히, 투명한 유리 기판과 같이 가공이 어려운 취성 재료를 절단하거나 홀을 천공하는 등의 가공 작업에 레이저 빔이 효율적으로 사용될 수 있다. 다만, 유리 기판의 절단 작업 시에는 레이저에 의하여 피가공물에 크랙이 발생되고 크랙이 전파됨으로써, 피가공물의 절단이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 크랙이 불균일하게 생성될 수 있고 절단면이 고르지 못하게 되는 문제가 있다.
또한, 레이저를 이용한 대면적의 유리 기판의 절단에는 정밀한 가공이 여렵고 작업 시간이 많이 소요되므로, 자유 형상 가공에 어려움이 있다.
본 발명의 일 측면은 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 고속으로 가공할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은, 레이저 빔을 방출하는 레이저 유닛; 상기 레이저 빔의 진행 경로에 배치되어 입사되는 상기 레이저 빔이 베셀 빔으로 출사시키는 광학 유닛; 상기 광학 유닛에서 출사되는 베셀 빔으로 가공하는 피가공물이 장착되는 스테이지; 및 상기 레이저 유닛, 상기 광학 유닛, 및 상기 스테이지의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 광학 유닛은, 출사되는 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물에 위치시키며, 상기 피가공물에 위치된 초점 라인이 소정 범위 이동된다.
상기 광학 유닛은 상기 출사되는 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물의 가공면과 이루는 각도를 80~100도 범위로 유지시킬 수 있다.
상기 광학 유닛은, 상기 입사되는 레이저 빔을 베셀 빔으로 변조하는 제 1 광학 유닛, 및 상기 출사되는 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물 상에서 상기 초점 라인과 교차하는 방향으로 이동시키는 제 2 광학 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제 1 광학 유닛은, 상기 입사되는 레이저 빔을 베셀 빔으로 변조하는 제 1 광학 소자, 및 상기 제 1 광학 소자를 통과한 베셀 빔의 광축을 평행하게 진행시키는 제 2 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 제 2 광학 유닛은, 상기 제 1 광학 유닛을 통과한 베셀 빔의 경로를 이동시키는 스캐너, 및 상기 스캐너에서 출사된 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물에 위치시키는 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 출사된 베셀 빔의 초점 라인이 적어도 두 축 방향으로 이동하도록 상기 스캐너를 구동시키며 동시에 상기 스테이지를 상기 적어도 두 축 방향으로 구동시킬 수 있다.
상기 스캐너로 입사하는 베셀 빔의 직경은 3~30mm 일 수 있다.
상기 포커싱 렌즈의 초점 길이는 10~300mm 일 수 있다.
상기 스캐너에서 출사된 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물 상에서 이동되는 거리는 1μm~30mm 일 수 있다.
상기 스캐너는 상기 제어부에 의해 각도가 조절되는 복수의 미러를 포함할 수 있다.
상기 피가공물은 평판 형태일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 레이저 빔을 조사하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 레이저 빔의 진행 방향을 향해 보았을 때, 원형의 레이저 빔을 환형의 베셀 빔으로 변조하는 변조 단계; 및 상기 베셀 빔의 초점 라인이 피가공물에 위치되도록 상기 베셀 빔을 상기 피가공물에 조사하는 가공 단계;를 포함하며, 상기 가공 단계에서, 상기 피가공물에 위치된 상기 베셀 빔의 초점 라인을 이동시킨다.
상기 가공 단계에서, 상기 피가공물을 이동시키는 동시에 상기 베셀 빔의 초점 라인을 이동시킬 수 있다.
상기 가공 단계는, 상기 피가공물을 가공할 형상에 대응되는 가공 경로를 설정하는 단계, 상기 설정된 가공 경로를 상기 베셀 빔의 초점 라인이 이동하는 제 1 경로와 상기 피가공물이 이동하는 제 2 경로로 분리하는 단계, 및 상기 베셀 빔의 초점 라인을 상기 제 1 경로로 이동시키고 동시에 상기 피가공물을 상기 제 2 경로로 이동시켜서, 상기 피가공물을 가공 경로를 따라 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가공 단계에서, 상기 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물의 가공면과 이루는 각도를 80~100도 범위로 유지할 수 있다.
상기 가공 단계에서, 상기 피가공물에 위치된 상기 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물 상에서 이동되는 거리는 1μm~30mm 일 수 있다.
상기 가공 단계는, 상기 베셀 빔의 진행 경로에 위치된 미러의 각도를 조절하여 반사되는 베셀 빔의 경로를 이동시키는 스캐닝 단계, 및 상기 반사된 베셀 빔을 상기 피가공물에 집속시키는 포커싱 단계를 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 단계에서, 상기 미러에 입사하는 베셀 빔의 직경은 3~30mm 일 수 있다.
상기 포커싱 단계에서, 초점 길이는 10~300mm 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 빔을 베셀 빔으로 변조함으로써, 피가공물을 정밀하게 가공할 수 있다.
또한, 베셀 빔을 스캐닝하여 조사 영역을 확장함으로써, 피가공물을 고속으로 가공할 수 있다.
또한, 스캐닝되는 베셀 빔이 가공면에 입사되는 각도를 수직에 가깝게 유지시킴으로써, 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 베셀 빔과 피가공물의 이동을 각각 동시에 제어함으로써, 정밀한 형상을 가공할 수 있으며 가공 시간을 절약할 수 있다.
또한, 스캐너와 스테이지 간의 동기화 기술을 통하여 피가공물의 크기에 구애받지 않고 가공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템 중 광학 유닛을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템 중 광학 유닛을 통해 스캐닝되는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ 부분을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 통해 피가공물이 가공되는 과정을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "전방" 및 "후방"은 빔의 진행 방향을 기준으로 명명한 것으로, 피가공물에 접근하는 방향을 "후방"으로 정의한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(10)은 레이저 유닛(100), 광학 유닛(200), 스테이지(300), 및 제어부(400)를 포함한다.
레이저 가공 시스템(10)은 레이저 유닛(100)에서 방출되는 레이저 빔(LB)이 광학 유닛(200)을 통해 베셀 빔(BB) 형태로 변조되며, 베셀 빔(BB)이 스테이지(300)에 고정된 피가공물(50)에 조사되어 피가공물(50)을 가공한다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 피가공물(50)에 조사되는 베셀 빔(BB)은 피가공물(50)의 소정 범위를 스캐닝 하면서 피가공물(50)을 고속으로 가공할 수 있다. 또한, 제어부(400)에 의하여, 베셀 빔(BB)이 스캐닝 됨과 동시에 스테이지(300)가 함께 구동됨으로써, 고속이면서 정밀한 가공이 가능하다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(10)의 각 구성들을 상세히 설명한다.
레이저 유닛(100)은 피가공물(50)을 가공하기 위한 레이저 빔(LB)을 방출하는 구성으로, 펄스를 갖는 레이저 광을 생성하여 빔 형태로 방출할 수 있다. 이 때, 방출되는 레이저 빔(LB)은 피가공물(50)을 가공하기에 적합한 파장, 에너지, 및 지속시간을 갖는 펄스(예를 들어, 극초단 펄스) 또는 버스트 펄스를 가질 수 있다. 또한, 레이저 빔(LB)은 진행 방향으로 보았을 때 원형 형태 또는 가우시안 빔 형태를 가질 수 있다.
여기서 피가공물(50)은 평판 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 투명한 유리 기판일 수 있다. 그러나, 피가공물(50)이 투명한 유리 기판에 한정되는 것은 아니며 불투명한 기판, 금속 재료, 반도체 웨이퍼 등 다양한 재료를 모두 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템 중 광학 유닛을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템 중 광학 유닛을 통해 스캐닝되는 모습을 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 도 3의 Ⅳ 부분을 확대한 도면이다.
광학 유닛(200)은 레이저 유닛(100)에서 방출되는 레이저 빔(LB)의 진행 경로에 배치되어, 입사되는 레이저 빔(LB)을 베셀 빔(BB)으로 출사시키는 구성이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광학 유닛(200)은 출사되는 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 피가공물(50)에 위치시키면서, 피가공물(50)에 위치된 초점 라인(FL)이 소정 범위만큼 이동되도록 구성될 수 있다. 도 3 및 도 4을 참조하면, 본 명세서에서 '초점 라인(FL)'은 피가공물에 입사하는 베셀 빔이 집광 길이 또는 초점 심도(depth of focus)를 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광학 유닛(200)은 제 1 광학 유닛(210) 및 제 2 광학 유닛(220)을 포함할 수 있다.
제 1 광학 유닛(210)은 레이저 빔(LB)을 베셀 빔(BB)으로 변조하는 광학 유닛으로, 제 1 광학 소자(211) 및 제 1 광학 소자(211)의 후방에 배치된 제 2 광학 소자(212)를 포함할 수 있다.
제 1 광학 소자(211)는 레이저 빔(LB)을 베셀 빔(BB)으로 변조하기 위한 회절 소자일 수 있으며, 예컨대 원뿔형 프리즘 또는 액시콘 렌즈(axicon lens)일 수 있다. 따라서, 레이저 빔(LB)은 제 1 광학 소자(211)를 통과하면서 회절되면서, (빔 진행 방향으로 보았을 때) 환형(링형)의 베셀 빔(BB)으로 변조될 수 있다. 그러나, 제 1 광학 소자(211)는 원뿔형 프리즘 또는 액시콘 렌즈에 한정되는 것은 아니며, 레이저 빔(LB)을 베셀 빔(BB)으로 변조할 수 있는 다양한 광학 소자가 이용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 레이저 빔(LB)이 제 1 광학 소자(211)를 통과하여 베셀 빔(BL)으로 변조된 후, 피가공물(50)의 가공에 적합하도록 베셀 빔(BL)의 영역이 확대되는 것을 제한할 수 있는 제 2 광학 소자(212)가 제 1 광학 소자(211)의 후방에 구비될 수 있다. 즉, 제 2 광학 소자(212)는 제 1 광학 소자(211)에서 출사된 베셀 빔(BL)의 광축을 평행하게 진행시키기 위한 광학 소자일 수 있으며, 예를 들어, 시준 렌즈 또는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)일 수 있다. 제 2 광학 소자(212)를 통과한 베셀 빔(BB)의 광축이 평행하게 배열된 후, 제 2 광학 유닛(220)으로 입사될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전술한 제 1 광학 소자(211) 및 제 2 광학 소자(212)는 각각의 광학 성질, 배치 간격 등이 적절하게 선택 또는 조정됨으로써, 제 2 광학 소자(212)를 통과하여 제 2 광학 유닛(220)(또는 스캐너(221))에 입사하는 베셀 빔(BB)의 직경은 3~30mm 범위일 수 있다.
제 2 광학 유닛(220)은 출사되는 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 피가공물(50) 상에서 이동시키기 위한 구성으로, 스캐너(221) 및 포커싱 렌즈(222)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 광학 유닛(220)을 통해, 출사되는 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 피가공물(50) 상에 만들 수 있고, 초점 라인(FL)이 초점 라인(FL)과 교차하는 방향으로 이동됨으로써, 피가공물(50) 상에서 소정 범위만큼 베셀 빔(BB)을 스캐닝 하면서 가공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 스캐너(221)는 제 1 광학 유닛(210)을 통과한 베셀 빔(BB)의 경로를 이동시킬 수 있다. 보다 상세히, 스캐너(221)는 입사되는 베셀 빔(BB)의 광축 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경시킬 수 있으며, 이를 통해 출사되는 베셀 빔(BB)을 소정 영역 범위 내에서 스캐닝 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스캐너(221)는 각도가 조절되는 복수의 미러를 포함할 수 있다. 이에 따라, 스캐너(221)로 입사되는 베셀 빔(BB)이 복수의 미러에서 반사되고, 반사되는 베셀 빔(BB)은 반사 각도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 스캐너(221)는 적어도 두 축 방향으로 배열된 회전축을 따라 각각 회전 가능한 적어도 두 개의 미러를 포함할 수 있으며, 갈바노미러(Galvano Mirror)로 구성될 수 있다. 그러나 스캐너(221)가 갈바노미러에 한정되는 것은 아니며, 출사되는 베셀 빔(BB)을 소정 영역 범위 내에서 스캐닝할 수 있는 다양한 장치로 구성될 수 있다.
스캐너(221)를 통해 경로가 변경된 베셀 빔(BB)은 포커싱 렌즈(222)에 의하여 피가공물(50)에 집속될 수 있다. 포커싱 렌즈(222)는 스캐너(221)의 후방 및 피가공물(50)의 전방에 배치될 수 있으며, 스캐너(221)에서 출사된 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 피가공물(50)에 위치시킬 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 포커싱 렌즈(222)에 의해 베셀 빔(BB)이 집속되어, 초점 라인(FL)이 피가공물(50)의 가공면(BL)에 위치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 포커싱 렌즈(222)의 초점 길이는 10~300mm 범위로 구성될 수 있다. 이에 따라, 피가공물(50)은 포커싱 렌즈(222)의 초점 길이에 대응되는 거리만큼 이격되게 위치되어 가공될 수 있다.
도 2 내지 도 4에서 피가공물(50)의 가공면을 도면부호 BL로 표시하여 도시하였다. 여기서 가공면(BL)은 피가공물(50)의 가공이 시작되는 외측면을 의미하는 것은 아니며, 피가공물(50)에서 가공되는 부분 중 임의의 지점을 포함하는 가상의 면을 의미한다. 피가공물(50)은 소정의 두께를 가질 수 있는데, 가공 방식에 따라 피가공물(50)에 위치되는 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)은 피가공물(50)의 두께 전체에 걸쳐 위치될 수도 있고, 피가공물(50)의 두께의 일부에만 위치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광학 유닛(200)에서 출사된 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 피가공물(50)에 위치시킨 상태에서, 피가공물(50)에 위치된 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)을 이동시킴으로써, 피가공물(50)의 소정 범위를 스캐닝할 수 있다. 이 때, 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물(50) 상에서(또는 피가공면 상에서) 이동되는 거리는 1μm~30mm 범위일 수 있다. 여기서, 이동 거리는 일 방향(예를 들어, 도 5에서 x축 방향 또는 y축 방향)으로의 이동 거리이다. 예컨대, 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 두 축 방향(x축 및 y축 방향)으로 이동하는 경우, 베셀 빔(BB)은 피가공물(50)의 x, y축 상의 소정 범위를 스캐닝 하면서 가공할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 피가공물(50)에 위치된 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물의 가공면(BL)과 이루는 각도(θ)가 90도에 가까울 수 있다. 보다 상세하게는 본 발명의 실시예에 따르면, 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물의 가공면(BL)과 이루는 각도(θ)가 80~100도 범위로 유지될 수 있다.
즉, 스캐너(221)에 의하여 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물의 가공면(BL) 상에서 스캐닝 되지만, 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물의 가공면(BL)과 이루는 각도(θ)는 80~100도 범위가 유지될 수 있다. 다시 말해, 베셀 빔(BB)이 피가공물의 가공면(BL)에 수직에 가까운 각도로 입사되는데, 수직에서 벗어난 각도가 10도 이하의 범위로 유지될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(10)에서는, 회절 소자인 제 1 광학 소자(211)에 의해 발생된 베셀 빔(BB)이 소정의 가공 위치와 영역에서 간섭 효과를 일으키며 그 특성을 균일하게 유지하는 것이 가공 품질에 영향을 주게 된다. 따라서, 우수하고 균일한 가공 품질을 위해서는 피가공물(50)의 가공면에 입사되는 간섭 빔(베셀 빔)이 얼마나 수직한 정도가 유지되느냐가 중요하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 피가공물(50)에 위치된 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 피가공물의 가공면을 스캐닝 하면서도, 피가공물의 가공면(BL)과 이루는 각도(θ)가 80~100도 범위로 유지될 수 있기 때문에, 고속 가공을 진행하면서도 우수하고 균일한 가공 품질을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피가공물(50)은 스테이지(300)에 고정될 수 있다. 즉, 스테이지(300)는 피가공물(50)이 장착되어 피가공물(50)을 위치 고정시키는 부분이다.
도 1을 참조하면, 전술한 레이저 유닛(100), 광학 유닛(200), 및 스테이지(300)는 제어부(400)를 통해 제어될 수 있다.
제어부(400)는 레이저 유닛(100)에서 생성하는 레이저 빔(LB)의 파장, 에너지, 및 펄스의 지속시간 등을 피가공물(50)에 특성에 맞도록 조절할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 피가공물(50)에 입사되는 베셀 빔(BB)을 이동시킬 수 있도록 스캐너(221)를 구동시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(400)는 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 가공면(BL) 상에서 적어도 두 축(x축 및 y축) 방향으로 이동하도록 스캐너(221)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 스캐너(221)가 적어도 두 축 방향으로 배열된 회전축을 중심으로 피벗 회전하는 복수의 미러를 포함하는 경우, 제어부(400)는 복수의 미러 각각을 소정 각도 범위로 회전시키는 구동 수단(예컨대 구동 모터)을 제어할 수 있다. 이를 통해, 베셀 빔(BB)의 초점 라인(FL)이 가공면(BL) 상에서 x축 및 y축을 따라 이동됨으로써, 소정 범위를 스캐닝 할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 피가공물(50)이 고정된 스테이지(300)를 이동시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(400)는 스캐너(221)의 구동과 동시에 스테이지(300)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 스캐너(221)의 미러의 각도가 연속적으로 조절되도록 미러를 소정 각도 범위에서 고속으로 회전 시킴과 동시에, 스테이지(300)를 적어도 두 축(x축 및 y축) 방향으로 저속으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 스테이지(300)는 응답성이 느리고 저속으로 구동되며 넓은 가공 영역을 가질 수 있음에 비해, 스캐너(221)는 응답성이 빠르고 고속으로 구동되며 좁은 가공 영역을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 스테이지(300)와 스캐너(221)를 동시에 제어함으로써, 스테이지(300) 만을 이동시켜서 피가공물을 가공하는 종래의 방식에 비해, 보다 정밀한 가공이 가능하며 가공 시간을 절약할 수 있다. 또한, 스테이지(300)와 스캐너(221)를 동기화하여 동시에 제어함으로써, 피가공물의 크기에 구애받지 않고 가공할 수 있다.
이하, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 통해 피가공물이 가공되는 과정을 도시한 도면이다. 도 5에서는 예시적인 형상을 가공하는 과정을 도시한 것으로, 좌측에서 우측 방향으로 가공 과정이 진행됨을 도시하였다.
도 5를 참조하면, 피가공물(50)에서의 사각형 형태의 최종 가공 경로(PL)를 가공하기 위하여, 스캐너(221)의 구동을 통한 제 1 가공 경로(PL1)와 스테이지(300)의 구동을 통한 제 2 가공 경로(PL2)가 동시에 진행될 수 있다. 즉, 사각형 형태의 최종 가공 경로(PL)을 위하여 스테이지(300) 만을 이동시킬 경우에는, 제어부(400, 도 1 참조)에서 스테이지(300)로 제어 신호를 전달하더라도 응답성과 이동 속도(가속도) 등의 한계로 인하여, 사각형 최종 가공 경로(PL)의 모서리와 같은 영역은 가공 품질이 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(400)에서 넓은 가공 영역을 이동하는 스테이지(300)를 제어함과 동시에 상대적으로 좁은 가공 영역을 이동하면서 응답성과 이동 속도(가속도)가 빠른 스캐너(221)(예를 들어, 회전축을 중심으로 피벗 회전하는 미러)를 제어함으로써, 가공 시간을 줄이면서도 품질이 향상된 최종 가공 경로(PL)를 가공할 수 있다.
예를 들어, x축 및 y축의 2차원의 최종 가공 경로(PL)를 구현하기 위하여, 제어부(400)에서 스테이지(300) 및 스캐너(221)에 전달하는 전기적인 제어 신호를 필터를 통해 고주파 성분과 저주파 성분으로 분리할 수 있다. 여기서, 고주파 성분은 고속 이동 경로인 제 1 가공 경로(PL1)의 신호가 될 수 있으며, 스캐너(221)로 전달될 수 있다. 또한, 저주파 성분은 저속 이동 경로인 제 2 가공 경로(PL2)의 신호가 될 수 있으며, 스테이지(300)로 전달될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(400)에서 스캐너(221)와 스테이지(300)를 동시에 제어함으로써, 스캐너(221)를 통한 제 1 가공 경로(PL1)와 스테이지(300)를 통한 제 2 가공 경로(PL2)가 결합되어 최종 가공 경로(PL)를 가공할 수 있다.
한편, 스캐너(221)와 스테이지(300)가 동기화되어 동시에 제어됨으로써, 스캐너(221)의 시야(FOV: Field Of View)에 한정되지 않고 가공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 스테이지(300)와 스캐너(221)를 동기화하여 동시에 제어함으로써, 피가공물의 크기에 구애받지 않고 정밀하게 가공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 빔(LB)을 베셀 빔(BB)으로 변조함으로써, 유리 기판과 같은 피가공물(50)을 정밀하게 가공할 수 있다. 이 때, 피가공물(50)에 조사되는 베셀 빔(BB)을 스캐닝하여 조사 영역을 확장함으로써, 피가공물(50)을 고속으로 가공할 수 있다. 또한, 베셀 빔(BB)과 피가공물(50)의 이동을 각각 동시에 제어함으로써, 정밀한 형상을 가공할 수 있으며, 가공 시간을 절약할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 레이저 가공 시스템 50 피가공물
100 레이저 유닛 200 광학 유닛
210 제 1 광학 유닛 211 제 1 광학 소자
212 제 2 광학 소자 220 제 2 광학 유닛
221 스캐너 222 포커싱 렌즈
300 스테이지 400 제어부

Claims (19)

  1. 레이저 빔을 방출하는 레이저 유닛;
    상기 레이저 빔의 진행 경로에 배치되어 입사되는 상기 레이저 빔이 베셀 빔으로 출사시키는 광학 유닛;
    상기 광학 유닛에서 출사되는 베셀 빔으로 가공하는 피가공물이 장착되는 스테이지; 및
    상기 레이저 유닛, 상기 광학 유닛, 및 상기 스테이지의 동작을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 광학 유닛은,
    출사되는 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물에 위치시키며, 상기 피가공물에 위치된 초점 라인이 소정 범위 이동되도록 구성되고, 상기 출사되는 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물의 가공면과 이루는 각도를 80~100도 범위로 유지시키며,
    상기 제어부는,
    상기 스테이지 및 상기 광학 유닛을 동기화하여, 상기 출사된 베셀 빔의 초점 라인이 적어도 두 축 방향으로 스캐닝되도록 상기 광학 유닛을 구동시키며 동시에 상기 스테이지를 상기 적어도 두 축 방향으로 구동시키는, 레이저 가공 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은,
    상기 입사되는 레이저 빔을 베셀 빔으로 변조하는 제 1 광학 유닛, 및
    상기 출사되는 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물 상에서 상기 초점 라인과 교차하는 방향으로 이동시키는 제 2 광학 유닛을 포함하는, 레이저 가공 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 유닛은,
    상기 입사되는 레이저 빔을 베셀 빔으로 변조하는 제 1 광학 소자, 및
    상기 제 1 광학 소자를 통과한 베셀 빔의 광축을 평행하게 진행시키는 제 2 광학 소자를 포함하는, 레이저 가공 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 유닛은,
    상기 제 1 광학 유닛을 통과한 베셀 빔의 경로를 이동시키는 스캐너, 및
    상기 스캐너에서 출사된 베셀 빔의 초점 라인을 상기 피가공물에 위치시키는 포커싱 렌즈를 포함하는, 레이저 가공 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출사된 베셀 빔의 초점 라인이 적어도 두 축 방향으로 이동하도록 상기 스캐너를 구동시키며 동시에 상기 스테이지를 상기 스캐너와 동기화하여 상기 적어도 두 축 방향으로 구동시키는, 레이저 가공 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스캐너로 입사하는 베셀 빔의 직경은 3~30mm 인, 레이저 가공 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈의 초점 길이는 10~300mm 인, 레이저 가공 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 스캐너에서 출사된 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물 상에서 이동되는 거리는 1μm~30mm 인, 레이저 가공 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 스캐너는
    상기 제어부에 의해 각도가 조절되는 복수의 미러를 포함하는, 레이저 가공 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 피가공물은 평판 형태인, 레이저 가공 시스템.
  12. 레이저 빔을 조사하여 피가공물을 가공하는 방법으로서,
    레이저 빔의 진행 방향을 향해 보았을 때, 원형의 레이저 빔을 환형의 베셀 빔으로 변조하는 변조 단계; 및
    상기 베셀 빔의 초점 라인이 피가공물에 위치되도록 상기 베셀 빔을 상기 피가공물에 조사하는 가공 단계;
    를 포함하며,
    상기 가공 단계에서,
    상기 피가공물 및 상기 베셀 빔의 초점 라인의 이동을 동기화하여, 상기 피가공물을 이동시키는 동시에 상기 피가공물에 위치된 상기 베셀 빔의 초점 라인을 이동시키고,
    상기 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물의 가공면과 이루는 각도를 80~100도 범위로 유지하는, 레이저 가공 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 가공 단계는,
    상기 피가공물을 가공할 형상에 대응되는 가공 경로를 설정하는 단계,
    상기 설정된 가공 경로를 상기 베셀 빔의 초점 라인이 이동하는 제 1 경로와 상기 피가공물이 이동하는 제 2 경로로 분리하는 단계, 및
    상기 베셀 빔의 초점 라인을 상기 제 1 경로로 이동시키고 동시에 상기 피가공물을 상기 제 2 경로로 이동시켜서, 상기 피가공물을 가공 경로를 따라 가공하는 단계를 포함하는, 레이저 가공 방법.
  15. 삭제
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 가공 단계에서,
    상기 피가공물에 위치된 상기 베셀 빔의 초점 라인이 상기 피가공물 상에서 이동되는 거리는 1μm~30mm 인, 레이저 가공 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 가공 단계는,
    상기 베셀 빔의 진행 경로에 위치된 미러의 각도를 조절하여 반사되는 베셀 빔의 경로를 이동시키는 스캐닝 단계, 및
    상기 반사된 베셀 빔을 상기 피가공물에 집속시키는 포커싱 단계를 포함하는, 레이저 가공 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 스캐닝 단계에서, 상기 미러에 입사하는 베셀 빔의 직경은 3~30mm 인, 레이저 가공 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 포커싱 단계에서, 초점 길이는 10~300mm 인, 레이저 가공 방법.
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