[논문]초고속/초정밀/대면적의 레이저 가공시스템 설계

이제훈; 윤광호; 김경한

doi:10.7736/kspe.2012.29.6.640

초고속/초정밀/대면적의 레이저 가공시스템 설계
Laser Processing System Design of Ultrafast/High Precision/large Area 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.6, 2012년, pp.640 - 647

이제훈 (한국기계연구원) , 윤광호 (한국기계연구원) , 김경한 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Current electronic products are dominated by the laser processing and the application will be extended this time. Especially, demands for high precision laser processing with a large area has been increasing for a number of applications such as in solar cell battery, display parts, electronic component and automobile industry. In this paper we designed an on-the-fly system for ultrafast/high precision/large area laser processing. In addition, we have developed the path algorithm for large area. Expansion of the area in which laser processing is an important factor to handle the ultrafast/wide area processing, it will require a processing path. Processing path is path of 2- axis stage and stage of change in velocity can be smooth as possible. We proposed a path of the user concept using NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)method. Through our experiment with the chopper, was to prove the continuity of edge parts. Through basic shape experiments, we proved that large area can be processed using laser. We developed a simulation tool using Visual C++.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 논문에서 제안하는 방식은 스캐너-스테이지 연동(canner-stage on-thefly) 방법으로써, 스캐너와 스테이지를 동기화 하여 연속 가공이 가능하다. 본 논문에서는 이를 연동하기 위한 시스템을 설계하였으며, 초고속/초정밀의 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지의 사용자 패스 방법도 제안하였다. NURBS 보간을 이용하여 사용자가 직접 제어점(control point)를 입력함에 따라 유연한 패스를 얻을 수 있으며, 실제 산업현장에서 더 유연하게 사용할 수가 있었다.
이를 극복하기 위해 스탭 & 스캐닝 방식을 사용되어 왔지만, 스캐너 가공영역이 넘는 대면적 레이저 가공시 이음매 부분이 불균일하는 단점을 가졌다. 본 논문에서는 초고속/초정밀의 대면적 레이저 가공을 할 수 있는 시스템을 설계하였고, 스캐너와 스테이지가 서로 연동 할 수 있는 알고리즘도 개발하였다. 이를 확인하기 위하여 초퍼 실험을 통하여 스캐너 경계면 영역에서 연속적이고 불균일한 부분이 나타나지 않음을 알 수 있었다.

제안 방법

가공 부위가 스캐너 영역을 넘어서는 경우도 가공이 가능한 시스템이다. 그리고, 가공경로를 미리 계산하여 최적화하는 알고리즘을 도입하였다.^7-9
다른 한가지는 대면적의 도형을 레이저 조사한 후에 각 도형의 길이 및 각도를 측정하여 연동 정밀도를 알아보았다. 본 논문에서는 사각형 (100, 200, 350 mm), 삼각형 (100, 200, 300 mm), 원(100, 200, 300 mm)을 레이저로 조사한 후 Mitutoyo 사의 정밀 형상 측정기를 이용하여 정밀도를 측정하였다.
S4 는 가공속도에 맞는 스테이지 속도를 구하기 위하여 그림 6 처럼 제약조건을 만든다. 마우스를 이용하여 구간을 나누는 방식으로 속도변화가 있어야 할 부분에 구간을 나누어 준다. 구간에 대한 제약조건은 스테이지 패스에 마우스를 가져가면 패스 위에 포인트가 확대되며 이 포인트와 짝이 되는 CAD 상의 한 점을 찍을 수 있다.
다른 한가지는 대면적의 도형을 레이저 조사한 후에 각 도형의 길이 및 각도를 측정하여 연동 정밀도를 알아보았다. 본 논문에서는 사각형 (100, 200, 350 mm), 삼각형 (100, 200, 300 mm), 원(100, 200, 300 mm)을 레이저로 조사한 후 Mitutoyo 사의 정밀 형상 측정기를 이용하여 정밀도를 측정하였다.
그림 9 는 초퍼를 이용하여 1khz 의 펄스를 발생시킨 후 가공속도를 100, 200, 350 mm/s 로 할 때의 결과이다. 스캐너 작업영역인 부근을 포함하여 임의의 점 10 군데를 각각의 속도에 따라 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타내었다.
첫 번째는 스캐너 헤드 부분으로 리시버, 드라이버, 갈바노미터 모터로 구성된다. 스캔보드에서 신호를 받아 갈바노모터에 부착된 미러(mirror)를 이용하여 레이저를 조사하게 된다.
이 과정들은 다음 장에서 소개할 것이다. 우리는 스캐너와 스테이지간의 동기화를 위하여 스캔보드와 인터페이스 모듈 보드를 개발하였다.
한가지는 기존의 스텝 & 스캔 방법으로 대면적 레이저스캐너 조사를 할 때 생기는 문제점인 이음매 부분의 보장성을 확인하기 위해 기계적 쵸퍼를 설치하였다. 이 초퍼를 이용하여 저 반복율 펄스(1kHz)를 발생시켜 이음매 부분의 정밀도를 확인하였다.
표 5 는 지름의 크기가 100, 200, 300mm 의 원을 레이저로 조사 한 후 그 직경을 측정하였다. 원의 직경을 측정한 결과 원의 크기가 증가할수록 오차가 증대됨을 알 수 있으나, 300mm 직경인 원인 경우도 24.
한가지는 기존의 스텝 & 스캔 방법으로 대면적 레이저스캐너 조사를 할 때 생기는 문제점인 이음매 부분의 보장성을 확인하기 위해 기계적 쵸퍼를 설치하였다.
다수의 FPC/PCB 생산 업체들은 미국의 ESI사 장비를 구입하여 공정에 사용하고 있으며 국내에서 개발 수요가 늘어나는 현실이나 본격적인 연구는 전무한 상태에 있다. 현재 논문에서 제안하는 방식은 스캐너-스테이지 연동(canner-stage on-thefly) 방법으로써, 스캐너와 스테이지를 동기화 하여 연속 가공이 가능하다. 본 논문에서는 이를 연동하기 위한 시스템을 설계하였으며, 초고속/초정밀의 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지의 사용자 패스 방법도 제안하였다.

대상 데이터

스캐너는 Scanlab 사의 IntelliScan 10 을 사용하였으며, 스테이지는 최대 속도가 1.2 m/s, 최대가속도가 15m/s2, 정밀도(Accuracy)가 ±3 µm, 반복정밀도(Repeatability)가 ±1 µm, 직진도(Straightness)가 10 µm, 평탄도(Flatness)가 10 µm 인 리니어 모터를 사용하였다.
실험장치는 그림 7 과 같이 스테이지 2 축, 스캐너 갈바노미터 2 축으로 구성되어 있다. 레이저발진기 사양은 파워는 5[w], 파장은 355@30kHz, 반복율은 20~100(kHz), 빔 크기는 1 mm 이다.

성능/효과

NURBS 보간을 이용하여 사용자가 직접 제어점(control point)를 입력함에 따라 유연한 패스를 얻을 수 있으며, 실제 산업현장에서 더 유연하게 사용할 수가 있었다.¹⁰ 기계적 초퍼를 이용하여 저 반복율 펄스 실험을 통해 기존의 스텝과 스캐닝 연동 방식의 문제점인 스캐너 영역 사이의 이음매 부분에서 나타나는 낮은 품질 문제가 없음을 증명하였다. 또한 기본적인 도형을 테스트하여 초고속/초정밀/대면적의 레이저 가공이 가능함을 입증하였다.
작업 면적은 ESI 사 제품과 유사하게 533mm × 610mm 이고 정밀도 또한 ±20μm 이내이다. LPKF 사에서 제공하는 연동 알고리즘 관련 소프트웨어는 LPKFCAM 이며 최적 가공 경로를 생성하여 20%의 절단 시간을 절감하는 효과를 보여 주었다.
¹⁰ 기계적 초퍼를 이용하여 저 반복율 펄스 실험을 통해 기존의 스텝과 스캐닝 연동 방식의 문제점인 스캐너 영역 사이의 이음매 부분에서 나타나는 낮은 품질 문제가 없음을 증명하였다. 또한 기본적인 도형을 테스트하여 초고속/초정밀/대면적의 레이저 가공이 가능함을 입증하였다. 본 논문에서 개발한 시스템을 적용 시 가공품질과 가공속도가 증대 될 것이라고 기대한다.
이를 확인하기 위하여 초퍼 실험을 통하여 스캐너 경계면 영역에서 연속적이고 불균일한 부분이 나타나지 않음을 알 수 있었다. 또한 대면적의 기본 도형 실험을 통해 초고속/초정밀/대면적 레이저 가공이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과로 기존보다 훨씬 정교하고, 빠른 생산성을 기대할 수 있다.
또한 대면적의 기본 도형 실험을 통해 초고속/초정밀/대면적 레이저 가공이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과로 기존보다 훨씬 정교하고, 빠른 생산성을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 초고속/초정밀의 대면적 레이저 가공을 할 수 있는 시스템을 설계하였고, 스캐너와 스테이지가 서로 연동 할 수 있는 알고리즘도 개발하였다. 이를 확인하기 위하여 초퍼 실험을 통하여 스캐너 경계면 영역에서 연속적이고 불균일한 부분이 나타나지 않음을 알 수 있었다. 또한 대면적의 기본 도형 실험을 통해 초고속/초정밀/대면적 레이저 가공이 가능함을 보였다.

후속연구

또한 기본적인 도형을 테스트하여 초고속/초정밀/대면적의 레이저 가공이 가능함을 입증하였다. 본 논문에서 개발한 시스템을 적용 시 가공품질과 가공속도가 증대 될 것이라고 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 전자 부품들이 초소형화되고 있는 이유는 무엇인가?	최근 전자 부품들이 초소형화가 되는 것은 미세 공정기법이 발전하고 있기 때문이다. 특히 이러한 미세가공분야에서 레이저의 소스 개발과 짧은 펄스폭을 이용한 레이저 응용기술의 발달은 태양전지, 디스플레이, 전자부품, 자동차 산업에 그게 기여하고 있다.
	태양전지, 디스플레이, 전자부품, 자동차 산업에 레이저가 적용 가능한 예로 어떠한 것들이 있나?	특히 이러한 미세가공분야에서 레이저의 소스 개발과 짧은 펄스폭을 이용한 레이저 응용기술의 발달은 태양전지, 디스플레이, 전자부품, 자동차 산업에 그게 기여하고 있다. 1 이러한 산업에 레이저가 적용 가능한 예로 비아홀 천공(Via-hole drilling), FPCB 절단, 레이저 표면 패터닝 등이 있다. 1-3 최근 레이저 미세가공의 경향은 초정밀 형상 정밀도를 요구하면서 또한 대면적의 고속가공을 원하는 추세이다.
	레이저 가공의 스텝과 스캐닝 연동 방법의 한계점과 이를 극복하기 위해 연구자들은 어떤 노력을 하고 있는가?	레이저 가공법의 시초는 스캔영역 안에서만 가공하는 방법이였고, 그 다음은“스텝과 스캐닝 연동(Step & Scanning)” 방법으로스테이지가 정지하는 동안 스캐너가 가공하며, 가공 후 스테이지가 다시 스텝(Step) 이송을 하게 되는 방식이다. 이 방법은 연속 가공 방식이 아니라 피가공물의 이음매 등의 낮은 품질 발생가능성이 있으며 가공속도가 느리다. 이를 극복하기 위한 방법으로 리니어 스테이지와 스캐너의 연동을 통한 하이브리드 타입의 가공 방법이 개발되고 있다.5,6

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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