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KR100887653B1 - 계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치 - Google Patents

계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치 Download PDF

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KR100887653B1
KR100887653B1 KR1020070059752A KR20070059752A KR100887653B1 KR 100887653 B1 KR100887653 B1 KR 100887653B1 KR 1020070059752 A KR1020070059752 A KR 1020070059752A KR 20070059752 A KR20070059752 A KR 20070059752A KR 100887653 B1 KR100887653 B1 KR 100887653B1
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South Korea
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scattering signal
laser beam
scattering
laser
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한재원
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

레이저 빔에 의해 가공되는 시편의 가공 공정을 정확히 분석할 수 있는 기능을 갖춘 스캔 타입 레이저 가공 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 시편에 스캔 타입으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 가공 장치로서, 상기 시편의 복수의 영역에서 발생되는 산란 신호 중 입사 레이저 빔에 의해 가공되는 시료에서 발생되는 산란 신호만을 선별하여 출력하는 어퍼처, 상기 어퍼처에서 제공되는 산란 신호의 경로만을 변경시키는 광 분할기, 상기 광 분할기에서 제공되는 산란 신호의 특정 파장 대의 신호를 추출하는 광학 필터, 및 상기 광학 필터에 의해 추출된 신호에 따라 시편의 가공 정보를 분석하는 분광부를 포함한다.
레이저, 가공, 마킹, 어퍼처, 광 분할기

Description

계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치{Scan Type Laser Processing Apparatus Having Measuring Unit}
도 1은 일반적인 스캔 타입 레이저 가공 장치를 보여주는 개략적인 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치를 보여주는 블록도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치를 보여주는 블록도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치를 보여주는 블록도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 계측 유닛을 구비한 스캔 타입 레이저 가공 장치를 보여주는 블록도, 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 어퍼처에 의한 산란 신호 선별 과정을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
120 : 스캐너 130 : 렌즈
140 : 시편 지지대 150 : 시편
160 : 어퍼처 170,250 : 광 분할기
200 : 계측 유닛 220, 260 : 광학 필터
230,270 : 분광부
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스캐너 방식으로 레이저 빔을 조사하는 스캔 타입 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저를 이용한 재료의 가공은 산업 전반에 걸쳐 적용 분야가 급속히 확대되어 가고 있다. 특히, 레이저 가공은 정밀성, 공정의 유연성, 비접촉 가공 및 최소의 열영향 측면에서 매우 우수하여, 마킹, 열처리, 용접 및 드릴링(drilling) 공정등에 두루 이용되고 있다.
그중, 레이저 마킹은 레이저 빔을 광원으로 이용하여 물체의 표면의 일부를 용융 및 식각하여 변색시킴으로써, 원하는 문자나 도형을 각인하는 기술이다. 이러한 레이저 마킹은 기존의 잉크젯 프린터나 실크 인쇄등에 의한 마킹 방식에 비하여, 레이저 빔을 직접적인 가공 수단으로 사용하기 때문에, 비접촉식이며 영구적인 마킹이 가능하고, 고정밀도로 선명하게 마킹할 수 있다.
일반적인 마킹 장치는 레이저 광원, 렌즈 및 시편 지지대로 구성될 수 있다. 레이저 광원은 시편을 향해 레이저 빔을 조사하고, 렌즈는 레이저 광원으로부터 제공된 빔을 시편으로 집속시킨다. 또한, 마킹 장치는 렌즈의 일측에 계측 유닛을 더 구비할 수 있다. 계측 유닛은 시편에서 방출되는 광학 신호를 계측하여, 시편의 가 공 상태를 검출하는 것으로, 이러한 계측 유닛의 설치에 의해 가공의 정밀도 및 가공 공정의 안정도를 높일 수 있다. 종래에는 레이저 광의 집속과 시편에서 방출되는 광 신호를 공초점 광학계에 의해 수집하고 있다.
한편, 마이크로 구조의 초정밀 가공이 요구됨에 의해, 보다 높은 가공 속도가 요구되고 있다. 이에, 시편(시편 지지대)을 고정시킨 상태에서, 상기 레이저 빔을 스캔 타입으로 조사하는 방안이 제안되었다.
스캔 타입의 레이저 마킹 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(10), 스캐너(20), 렌즈(30),시편 지지대(40)로 구성된다.
광원(10)으로부터 조사되는 레이저 빔(L1)은 스캐너(20)에 의해 그 경로가 변동되며, 렌즈(30)는 스캐너(20)에 의해 2차원적으로 움직이는 레이저 빔(L1)을 집속한다. 상기 렌즈(30)는 입사 각도의 변화에 대해 초점 거리가 변화되지 않는 에프쎄타(f-thata) 렌즈가 이용된다.
이와 같이 에프쎄타 렌즈를 이용하는 스캔 타입의 레이저 마킹 장치는 레이저 빔이 스캐너(20)에 의해 시편에 조사됨에 따라 고속마킹이 가능하다.
상기 스캔 타입의 레이저 마킹 장치 역시, 시편의 가공 상태를 검출하기 위하여, 계측 유닛이 필요하다. 그런데, 상기 스캔 타입의 레이저 마킹 장치는 레이저 빔이 고속 스캐너에 의해 이동됨에 따라, 레이저 빔이 시편에 집속되는 위치가 빠르게 변하게 된다. 그러므로, 고정 레이저 마킹 장치에서 사용되었던 공초점 광학계에 의한 시편(45) 분석은 사실상 불가능하다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 고정 레이저 마킹 장치의 경우, 레이저 빔 이 고정된 경로로 주입되어 시편에 도달되면, 상기 에프쎄타 렌즈는 상기 시편의 특정 부분에서 산란되는 광 신호를 수집하여 공초점 광학계에 제공하였다.
하지만, 스캔 타입의 레이저 마킹 장치의 경우, 레이저 빔이 스캐너에 의해 움직이므로, 시편에 도달되는 레이저 빔의 위치가 바뀌게 된다. 이에 따라, 에프쎄타 렌즈에 의해 산란신호의 수집 효율이 바뀌게 된다.
이와같이, 스캐너에 의한 레이저 빔의 경로 변경에 의해, 레이저 빔이 시료에 집속되는 위치가 바뀌게 되면 광학적으로 다음과 같은 문제점이 발생될 수 있다.
먼저, 시료 표면에서 발생되어 에프쎄타 렌즈로 입사 및 수집되는 산란신호의 수집각이 바뀌게 되어, 에프쎄타 렌즈에 의한 산란신호의 수집효율이 바뀌게 된다.
또한, 상기 에프세타 렌즈에서 발생된 신호는 레이저 빔의 파장 뿐만 아니라 다른 여러가지 파장의 빛이 혼재되어 있으므로, 종래의 공초점 광학계를 사용할 경우 파장에 따라 산란 신호의 수집효율이 바뀌게 된다.
또한, 일반적으로 에프쎄타 렌즈는 사용하는 레이저 광의 파장에 맞추어 설계되어 있다. 이에 따라, 상기 여러 가지 파장의 분광신호에 대해서 여러 종류의 광학 수차가 발생된다. 이로 인해 서로 다른 위치의 시료에서 발생된 산란신호를 한 점에서 모으기 위해서는 색수차가 보정된 에프쎄타 렌즈가 요구된다. 하지만, 레이저 공정 계측에 필요한 여러 가지 파장에서 색수차를 보정하는 에프쎄타 렌즈를 설계 제작하는 것은 사실상 매우 어려운 일이며, 특별히 제작을 하는 경우에도 아주 많은 비용이 소요된다. 즉, 작은 크기의 개구를 갖는 공간 필터(spatial filter)를 공초점 광학계와 같이 작은 크기의 개구로 공간휠터(spatial filter)를 사용하게 되면, 가공위치에 따라 신호의 측정효율이 변하는 문제가 발생한다.
이에 따라, 에프쎄타 렌즈를 이용하여 얻어지는 상기 광학 신호(산란 신호)는 시편(45)의 특정 부분의 가공 정보가 될 수 없다. 그러므로, 스캐너 타입 레이저 가공장치의 경우, 정확한 시편 분석을 수행할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 레이저 빔에 의해 가공되는 시편의 가공 결과를 정확히 분석할 수 있는 스캔 타입 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 가공 장치는, 레이저 빔을 조사하는 광원, 상기 레이저 빔의 진행 방향 및 입사 각도를 변경하는 스캐너, 상기 스캐너로부터 제공된 레이저 빔을 시편에 집속시키는 제 1 렌즈, 상기 시편의 다수 영역에서 방출되는 복수의 산란 신호를 제공받아, 해당 입사 레이저 빔에 대응되는 산란 신호를 선별하는 어퍼처, 및 상기 산란 신호에 의해 상기 시편의 가공 정보를 측정하는 계측 유닛을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시편에 스캔 타입으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 가공 장치로서, 상기 시편의 복수의 영역에서 발생되는 산란 신호 중 입사 레이저 빔에 해당하는 산란 신호만을 선별하여 출력하는 어퍼처, 상기 어퍼처에서 제공되는 산란 신호의 경로만을 변경시키는 광 분할기, 상기 광 분할기에 서 제공되는 산란 신호의 특정 파장 대의 신호를 추출하는 광학 필터, 및 상기 광학 필터에 의해 추출된 신호에 따라 시편의 가공 정보를 분석하는 분광부를 포함한다.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명은 계측 유닛을 갖는 스캔 타입 레이저 가공 장치를 개시할 것이다. 계측 유닛은 시편으로부터 피드백되는 산란 신호를 검출하여 시편의 가공 상태를 분석할 것이다. 이때, 레이저 조사가 스캔 타입으로 이루어짐에 따라, 시편의 다른 위치에서 발생되는 산란신호를 계측하기 위하여 , 계측 유닛과 시편 사이의 경로에 산란 신호의 수집각을 일정하게 조절할 수 있는 어퍼처를 설치하고 어퍼처에서 선별된 산란 신호를 계측 유닛에 전달하기 위한 광 분할기를 설치하므로써, 시편 특정 영역의 레이저 가공 정보를 정확히 측정할 수 있을 것이다.
이와 같은 스캔 타입 레이저 가공 장치에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 스캔 타입 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(110), 스캐너(120), 렌즈(130), 시편 지지대(140), 어퍼처(160), 광 분할기(splitter: 170) 및 계측 유닛(200)를 포함한다.
스캐너(120)는 광원(110)으로부터 조사되는 레이저 빔의 진행 경로 및 각도를 변화시킨다. 즉, 상기 스캐너(120)는 시편(150) 각 부분에 순차적으로 레이저 빔이 도달될 수 있도록 레이저 빔의 조사 위치를 변경한다.
렌즈(130)는 스캐너(120)로부터 제공되는 레이저 빔을 시편 지지대(140)상에 놓여있는 시편(150)에 집속시킨다. 상기 렌즈(130)로는 레이저 빔의 입사각의 크기와 상관없이 일정한 초점 거리를 갖는 에프쎄타 렌즈가 이용된다.
어퍼처(160)는 상기 스캐너(120)를 사용함에 의해, 시편(150)으로부터 방출되는 산란 신호의 발생 위치에 따라 신호 수집 효율이 가변됨을 방지하기 위하여, 레이저 진행 방향(입사 레이저 빔의 방향)과 반대로 진행하는 산란 신호의 수집각을 일정하게 하는 역할을 한다. 즉, 어퍼처(160)는 피드백되는 복수의 산란 신호(S1,S2,S3...)들 중, 해당 입사 레이저 빔의 방향과 반대로 진행하는 산란 신호(해당 입사 레이저 빔의 방향에 대응되는 산란 신호)를 선별한다.
광 분할기(170)는 산란 신호만을 계측 유닛(200)에 전달한다. 즉, 상기 광 분할기(170)에 산란 신호 및 레이저 빔이 동시에 입사될 수 있다. 이러한 경우, 상기 광 분할기(170)는 산란 신호가 계측 유닛(200)에 도달되도록 산란 신호의 경로를 변경하고, 상기 레이저 빔은 그대로 투과시킨다.
계측 유닛(200)은 광 분할기(170)로부터 전달받은 산란 신호를 분석하여, 시편(150)의 가공 정보를 예측한다. 이와 같은 계측 유닛(200)는 제 2 렌즈(210), 광학 필터(220) 및 분광부(230)로 구성된다.
제 2 렌즈(210)는 광 분할기(170)로부터 제공되는 산란 신호를 집속한다. 이때, 상기 제 2 렌즈(210)내에 도 3에 도시된 바와 같이, 산란 신호의 수집각을 일정하게 하는 추가의 어퍼처(215, 이하, 제 2 어퍼처)가 더 설치될 수 있다.
광학 필터(220)는 상기 제 2 렌즈(210)로부터 제공된 산란 신호 중 공정 계 측에 필요한 신호, 즉 특정한 파장의 광 신호만을 추출한다. 이때, 상기 렌즈들(130,210)들은 상기 레이저빔의 파장을 고려하여 설계된다. 그런데, 본 실시예에서의 렌즈들(130,210)은 시편(150)을 가공하기 위하여 사용하는 레이저 빔과 다른 파장의 산란 신호들(S1,S2,S3..)을 한 점으로 모으기 위해서는 색수차 보정이 필요하다. 이와 같은 색수차 보정이 이루어지지 않은 상태에서 산란 신호를 분석하게 되면, 가공 위치에 따라 신호 측정 효율이 변화된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 , 색수차를 보정하는 에프 쎄타 렌즈를 이용한 광학계를 구성할 경우에는 많은 비용이 요구된다. 하지만, 본 실시예에서는 계측 유닛(200)내에 광학 필터(220)를 설치하므로써, 렌즈의 색수차 보정 없이도, 여러 파장을 갖는 산란 신호를 일정한 수집효율로 검출할 수 있다.
한편, 시편(150)은 이종 이상의 화합물이거나 이종 접합 물질일 수 있으며, 이와 같은 경우, 각 물질 별로 가공 정보가 필요하다. 이러한 경우, 서로 다른 파장을 갖는 산란 신호를 동시에 계측하여야 한다. 이렇게 서로 다른 파장을 갖는 산란 신호를 동시에 계측하여야 하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 계측 유닛(200)내에 제 2 광 분할기(250), 제 2 광학 필터(260) 및 제 2 분광부(270)를 추가로 설치할 수 있다. 상기 제 2 광 분할기(250)는 제 2 렌즈(210)에 의해 집속된 산란 신호를 제 1 파장을 갖는 산란 신호(S1-1, 이하, 제 1 산란 신호) 및 제 2 파장을 갖는 산란 신호(S1-1, 이하, 제 2 산란 신호)로 분할하고, 제 1 산란 신호(S1-1)는 제 1 광학 필터(220)를 통해 제 1 분광부(230)에 전달되어, 시편(150)의 제 1 성분에 대한 공정 계측이 이루어지고, 제 2 산란 신호(S1-1)는 제 2 광학 필터(260)를 통해 제 2 분광부(270)에 전달되어 시편(150)의 제 2 성분에 대한 공정 계측이 이루어진다. 이때, 상기 제 2 광학 필터(260)는 제 1 광학 필터(220)와 동일한 역할을 하고, 제 2 분광부(270)는 제 1 분광부(230)와 동일한 역할을 한다.
상기 분광부(230)는 광학 필터(220)에서 제공된 광신호를 전달받아, 시편(150)의 레이저 가공 결과(정보)를 예측한다. 이러한 분광부(230)로는 광신호에 의해 분광 분포를 계측할 수 있는 분광 분석기(spectrometer)가 이용될 수 있다. 시편(150)으로부터 상기 계측 유닛(200)으로의 산란 신호 전달은 광 화이버(300)에 의해 전달될 수 있으며, 이러한 광 화이버(300)는 수차에 의한 신호 수집 효율을 개선할 수 있도록 도 5에 도시된 바와 같이 번들(bundle) 형태로 구성할 수도 있다. 도 5의 310은 번들 타입의 광 화이버를 나타낸다. 이때, 싱글(single) 혹은 번들 타입의 광 화이버(300,310)는 수차에 의한 신호 수집 효율을 한층 더 개선할 수 있도록 그것의 수광 부분의 직경이 1 내지 2 mm 직경을 가짐이 바람직하고, 특히 분광부(230,270)와 결합되는 부분은 수직으로 10-100 μm 두께로 얇게 제작하여, 분광부(230,270)의 분해능을 높일 수 있다.
이와 같은 본 실시예의 스캔 타입 레이저 가공 장치(100)의 동작은 다음과 같다.
광원(110)으로부터 레이저 빔(L1)이 조사되면, 광 분할기(170) 및 어퍼처(160)을 통과하여 스캐너(120)에 도달되고, 상기 스캐너(120)에 의해 레이저 빔(L1)의 경로가 변화된다.
스캔 타입으로 제공되는 레이저 빔(L1)은 렌즈(130)에 집속되어, 시편(150)의 다수의 영역에 조사된다. 상기 레이저 빔(L1)이 조사된 시편(150)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마가 발생되고, 상기 플라즈마의 발생 부분에서 산란 신호가 발생된다. 이때, 레이저 빔(L1)이 스캐너(120)에 의해 움직이면서 조사됨에 따라, 상기 산란 신호는 시편(150)의 다수의 영역에서 발생된다.
이렇게 다수의 영역에서 발생된 산란 신호는 레이저 빔(L1)의 입사 경로인 렌즈(130) 및 스캐너(120)를 통해 피드백된다. 이때, 시편(150)의 다수 영역의 정보를 가지고 있는 복수의 산란 신호들(S1-SN)은 도 6에 도시된 바와 같이, 어퍼처(160)를 통과하면서, 입사 레이저 빔(L1)에 대응되는 산란 신호(S1)가 선별된다.
선별된 산란 신호(S1)는 광 분할기(170)에 의해 계측 유닛(200)으로 전달된다. 상기 산란 신호(S1)는 계측 유닛(200)내 렌즈(210) 및/또는 렌즈(210)내의 어퍼처(220)의해 다시 집속되고, 광학 필터(220,260)에 의해 잡음 및 특정 파장의 산란 신호만을 추출한 다음, 분광부(230,270)에 의해 시편 특정 영역의 레이저 가공 처리 결과를 분석하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 국한되는 것만은 아니다.
본 실시예에서는 예컨대 계측 유닛(200)내에 한 개 또는 두개의 광학 필터 및 분광부가 설치된 것에 대해 예를 들어 설명하였지만, 시편의 성분을 고려하여 복수 개의 광학 필터 및 분광부를 설치할 수 있다.
또한 본 실시예에서는 레이저 마킹 장치를 일 예로 들어 설명하였지만, 여기에 한정되지 않고, 레이저를 이용하여 시편을 처리하는 모든 레이저 가공장치에 모 두 적용될 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 스캔 타입으로 레이저 빔이 조사되는 레이저 가공 장치의 레이저 빔에 의해 다른 위치에서 발생되는 산란 신호 를 일정한 수집효율로 계측하기 위한 어퍼처 및 산란 신호만을 시편의 가공 상태를 계측하는 계측 유닛으로 전달하는 광 분할기를 설치한다.
이에 따라, 특정 영역에 대한 정확한 산란 신호 검출할 수 있고, 이에 대한 분석을 행할 수 있어, 정확한 레이저 가공 처리 결과를 검출할 수 있다.

Claims (10)

  1. 레이저 빔을 조사하는 광원;
    상기 레이저 빔의 진행 방향 및 입사 각도를 변경하는 스캐너;
    상기 스캐너로부터 제공된 레이저 빔을 시편에 집속시키는 제 1 렌즈;
    상기 시편의 다수 영역에서 방출되는 복수의 산란 신호를 제공받아, 해당 입사 레이저 빔에 대응되는 산란 신호를 선별하는 어퍼처; 및
    상기 산란 신호에 의해 상기 시편의 가공 정보를 측정하는 계측 유닛을 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어퍼처와 상기 계측 유닛 사이에, 상기 산란 신호만을 상기 계측 유닛에 전달하는 광 분할기를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 유닛은,
    상기 산란 신호를 집속하는 제 2 렌즈;
    상기 제 2 렌즈에 의해 집속된 산란 신호의 특정 파장을 추출하는 광학 필터; 및
    상기 특정 파장이 추출된 산란 신호에 의해 시편의 특정 영역의 가공 정보를 분석하는 분광부를 포함하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시편이 이종 이상의 화합물이어서, 복수의 특정 파장을 갖는 산란 신호를 추출하여야 하는 경우,
    상기 제 2 렌즈로부터 집속되는 산란 신호를 추가 분할하기 위한 제 2 광 분할기;
    상기 제 2 광 분할기에 의해 분리된 산란 신호를 추출하기 위한 제 2 광학 필터; 및
    상기 제 2 광학 필터로부터 제공된 산란 신호를 분석하는 분광부를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈내에 제 2 어퍼처가 더 설치되는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 및 상기 산란 신호를 전달하는 광 화이버를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 화이버의 수광 부분은 1 내지 2mm 직경을 갖는 레이저 가공 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 화이버는 번들 형태를 갖는 레이저 가공 장치.
  9. 시편에 스캔 타입으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 가공 장치로서,
    상기 시편의 복수의 영역에서 발생되는 산란 신호 중 입사 레이저 빔에 해당하는 산란 신호만을 선별하여 출력하는 어퍼처;
    상기 어퍼처에서 제공되는 산란 신호의 경로만을 변경시키는 광 분할기; 및
    상기 광 분할기에서 제공되는 산란 신호의 특정 파장 대의 신호를 추출하는 광학 필터; 및
    상기 광학 필터에 의해 추출된 신호에 따라 시편의 가공 정보를 분석하는 분광부를 포함하는 레이저 가공 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분광부는 분광분석기(spectrometer)인 레이저 가공 장치.
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