초록 ▼

최종목표
레이저 드릴링 및 복합/유연 가공 장비의 초정밀/초고속/대면적화를 위한 스캐너-스테이지-레이저 실시간 연동 플랫폼 및 빔 쉐이핑 모듈 개발 및 실용화

개발내용 및 결과
○본 기술개발의 목표를 달성하기 위하여, 스캐너-스테이지 연동 제어 요소기술, 연동 제어 시스템 구성, 연동 플랫폼을 제작하여 성능 평가를 완료하였다.
- 연동제어 요소기술은 제어주기가 스테이지 보다 100배 빠른 스캐너 제어보드에서 전체 제어를 담당하게 하였으며, 스캐너 제어보드와 연동기능을 구현하기 위한 MOTF(Marking

최종목표
레이저 드릴링 및 복합/유연 가공 장비의 초정밀/초고속/대면적화를 위한 스캐너-스테이지-레이저 실시간 연동 플랫폼 및 빔 쉐이핑 모듈 개발 및 실용화

개발내용 및 결과
○본 기술개발의 목표를 달성하기 위하여, 스캐너-스테이지 연동 제어 요소기술, 연동 제어 시스템 구성, 연동 플랫폼을 제작하여 성능 평가를 완료하였다.
- 연동제어 요소기술은 제어주기가 스테이지 보다 100배 빠른 스캐너 제어보드에서 전체 제어를 담당하게 하였으며, 스캐너 제어보드와 연동기능을 구현하기 위한 MOTF(Marking On the Fly) 보드를 제작하였다. 또한, 스캐너와 스테이지의 경로를 분리하고 동기화 시키기 위한 연동 경로 소프트웨어를 개발하였다. 이를 통해서 드릴링 또는 절단 가공용 CAD 도면에서부터 자동 또는 수동으로 스테이지 경로 및 속도를 추출하고 기계에 G 코드로 입력하게 하였다.
- 연동제어 시스템은 스테이지의 위치/속도 신호를 엔코더 신호로 입력 받은 후 이를 3가닥으로 분배하는 분배기를 선정하여, 각각 스테이지 모션 제어기, 스테이지 모터 및 스캐너 제어보드로 입력하여 실시간 동기화가 가능하도록 하였다.
또한, 스테이지와 스캐너의 위치 신호를 초고속 10 μs 속도로 입력 받을 수 있는 데이터 획득 보드를 제작하여 연동 제어 시스템의 오차 요인을 분석하였다.
- 상기의 개발된 기술을 활용하여, 1축 스테이지의 간이 연동시스템 및 2축 스테이지의 연동 플랫폼을 제작하여 성능 평가를 하였다. 간이 연동 시스템의 경우, Field division 방법, speed correction 방법을 적용하여 스테이지의 경로 및 속도를 생성하였다. 2축 연동 플랫폼에서는 정밀 보정을 위한 비젼 장비를 통한 스캐너 자동 보정 기술, 자동 초점을 찾는 오토 포커싱 기술, 장기간 가동시 발생하는 열문제를 해결하기 위한 스테이지 온도 보상 알고리즘 적용 기술, 스캐너 열보정 기술을 적용하여, 최종적으로 350×350 ㎟ 의 면적에 410 mm/s 속도로 가공하여 13 μm 의 정밀도를 평가하였다.
○ 빔쉐이핑 모듈을 개발하기 위하여 2개의 비구면 렌즈를 설계/제작하여, 가우시안 레이저빔을 플랫탑빔과 역가우시안 빔으로 변환하고, 드릴링 및 절단 공정에 적용하여 성능 평가를 완료하였다.
- 가우시안 빔을 위하여 비구면 렌즈 기반의 굴절 광학계를 활용하여 2매의 오목렌즈와 볼록렌즈의 설계 데이터를 확보하고 제작하였다.
- 빔쉐이핑 렌즈를 모듈화한 빔쉐이퍼를 제작하고, FPCB 재료인 폴리미드 재료에 반응 실험을 수행하였다. 특히, 역가우시안 빔 쉐이핑의 경우 우수한 가공 품질이 예상되었으며, 드릴링 공정 시뮬레이터와 가공 결과를 비교했을 때 약 7% 이내의 차이로 보여서 빔쉐이퍼의 설계/제작 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 특히, 개발된 빔쉐이핑 장치를 모듈화한 복합형 광학계를 개발하여 에너지 손실율이 3% 대로 작은면서도, 개별 빔쉐이 핑 장치를 1초 이내의 속도에서 안정적으로 교체할 수 있는 결과를 획득하였다.

기술개발 배경
○ 스캐너-스캐너 연동 기술은 기존의 스캐너 단독가공의 한계점인 가공영역의 한계와 스테이지와 연계시 가공하는 Step & Scanning 방식의 가공영역간 연결 불량을 해소할 수 있는 신개념 레이저 기술임
- 본 기술의 활용 분야는 스마트폰 등의 전자부품에 사용되는 FPCB(유연성 회로기판) 레이저 절단 공정, PDP Display나 태양전지 등에 들어가는 미세한 형상의 반복적인 정규패턴을 갖는 작업편을 가공할 때 용이한 기술임
- 특히 스캐너 가공영역보다 큰 대면적 제품의 고속, 연속가공이 필요한 경우 필수적인 핵심 기술임
- 레이저 가공분야에서 초고속 스캐너 사용시 적용면적을 확대 할수 있다면 기존의 화학적, 기계적 가공을 대체하는 친환경적인 생산공정으로 시장이 확대되며 적용분야는 매우 광범위 함
- 외국에서는 독일의 스캔랩사(Scanlab)에서 RTC4, RTC5 등의 스캐너보드 제작에 핵심 기술을 보유하고 있으며 연동기능을 옵션으로 제공하고 있지만 레이저 가공보다는 마킹(Marking)용도로 주로 전자부품의 형번이나 제조 연월일을 표지하는 것이 목적으로 용도가 제한적임
- 연동개념을 도입하여 레이저 가공에 응용한 경우는 미국의 ESI사가 독보적이며 FPCB 천공 및 절단 장비로 적용하고 있으나 이미 국내에도 많은 수의 ESI사 장비가 수입된 상태임
- 또한 미국의 Aerotech사 및 독일의 LPKF사에서도 유사한 스캐너
-스테이지 연동 레이저 가공 장비를 선보이고 있지만 아직은 초보적 단계에 있음
- 국내에서는 원격용접(Remote welding)을 이용한 연동개념의 연구가 수행 되어졌지만 초정밀 전자부품 응용에 관한 연구는 전무한 상태이며 하루 빨리 국산화 노력이 필요하여 연구가 시작됨
○ 빔쉐이핑 기술은 사용자가 가공목적에 맞게 빔의 공간적인 에너지 분포를 변화시키는 기술임
- 빔쉐이핑의 목적은 레이저 미세 가공에 있어서 보다 나은 품질의 가공부를 얻는 것임
- 그림은 가우시안 빔에서 플랫탑 빔으로 변화시 드릴링 공정시 가공 단면이 깨끗해짐을 나타내는 예임
- 현재 광학 부품은 무역역조가 심한 품목 중 하나로 대부분 외국에서 수입하고 있으며 본 과제를 통하여 광학 설계에 대한 원천 기술을 확보가 기대되어 레이저 미세가공 분야에 많은 기여가 가능함

핵심개발 기술의 의의
○ 스캐너-스테이지 연동 요소 기술을 위한 스캐너 제어보드 및 MOTF 보드는 현재 개발된 연동 보드의 신호주기가 10 μs 보다 빠른 5 μs로써 2배 빠르다. 이는 연동 오차를 2배 이상 감소시킬 수 있는 핵심 기술이며, 또한 제어보드를 2장으로 하여 스캐너의 계산 부하를 줄이고 고속 연산처리가 가능하도록 하였다.
○ 스캐너-스테이지 연동 요소 기술의 하나인 연동 경로 생성 소프트웨어는 세계에서 최초로 개발된 방법이다. 현재 산업계에서 사용되고 있는 방법은 연동 시스템에 내재화 되어 있어서 사용자의 접근이 불가능하다. 또한, 선진 연동 시스템 보다 우수한 자동 경로 생성 및 작업자가 수동으로 경로를 생성하고 변경할 수 있는 기능이 있다.
○ 개발된 연동 플랫폼은 자동초점 조절 장치, 비젼에 의한 스캐너 자동 캘리브레이션 기능, 온도 보상 유닛 등이 내재화 되어 있고, 스테이지의 다이나믹 특성이 우수하여 연동에 최적화 되어 있으며, 이에 따른 초고속/초정밀 가공이 가능하다.
○ 광학 설계 및 렌즈 제작 분야는 무역역조가 심한 분야로써, 본 기술 개발은 설계부터 시작하여 제작, 검증이 완료하여 빔쉐이핑 광학계의 상용화가 용이할 것으로 기대되어진다. 또한, 빔에너지 손실율 및 빔형상 정밀도는 세계 최고 수준임을 검증하였다.
○ 특히, 복합형 광학계 컨셉은 세계최초이며, 이를 활용하면 레이저 가공에서 고속으로 가공 조건에 맞는 빔쉐이퍼로 교체하면서 가공이 가능하리라 기대된다.

적용 분야
○ 대면적 레이저 가공을 위한 연동장비
- 대면적(스캐너 영역 초과) FPCB 절단 및 드릴링장비
- LED 스크라이빙 장비
- ITO 패터닝 장비
○ 최적 경로 생성 알고리즘 적용 소프트웨어
- 레이저 가공용 경로 생성 소프트웨어
- 범용 기계가공용 CAD file 변환 소프트웨어
○ 광학설계에 의한 빔쉐이핑 모듈
- 레이저 공정 예측을 위한 시뮬레이터
- 레이저 드릴링 및 절단 공정용 빔쉐이퍼
- 홀로그라피 영상용 빔쉐이퍼

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 16
• 목차 ... 21
• 제 1 장 서론 ... 22
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 22
• 제 2 절 국내 ․ 외 관련 기술의 현황 ... 24
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 ․ 경제적 파급 효과 ... 27
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 29
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 29
• 제 2 절 단계목표 및 평가 방법 ... 30
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 33
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 41
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 42
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 45
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 45
• 1. 당해 단계 연구개발 추진 일정 ... 45
• 2. 연구 개발 추진 실적 ... 47
• 3. 기술 개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 148
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 154
• 1. 주관 기관 ... 154
• 2. 참여기관 - KAIST ... 155
• 3. 참여기관 - 씨에스 캠 ... 155
• 4. 참여기관 - ㈜AST젯텍 ... 155
• 5. 참여기관 - LG전자/생산성 연구원 ... 156
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 157
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 158
• 제 5 절 자체 보안관리 진단표 ... 159
• 끝페이지 ... 160