KR20130103554A

KR20130103554A - 실린더의 종축을 중심으로 가공 헤드가 선회되는, 가요성 스트립에 각인하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130103554A
Application number: KR1020137012620A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 베르크펠트
Original assignee: 4제트 테크놀로기스 게엠베하
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-09-23
Also published as: DE102010038259B4; DE102010038259A1; CN103228395A; CN103228395B; JP2013541421A; JP5763201B2; WO2012052241A1; US20140144894A1; US9132509B2

Abstract

본 발명은 가요성 스트립(4)에 각인하는 방법 및 장치(1)에 관한 것으로서, 상기 장치는 스트립(4)의 종방향으로 스트립(4)을 이동시키는 전진 이송 장치와, 지지면(3)으로서의 실린더(2) 표면 세그먼트 상에서 실린더(2)의 원주 방향(10)으로 스트립(4)을 안내하는 안내 장치와, 지지면(3)을 향하는 하나 이상의 공구(6)를 이용해 스트립(4)에 각인하기 위한, 지지면(3)을 향하는 가공 헤드(5)와, 가공 헤드(5)를 움직이기 위한 구동 장치를 포함한다. 단일 가공 헤드(5)를 이용해 폐곡선을 각인하기 위해, 가공 헤드(5)가 구동 장치에 의해 실린더(2)의 종축(15)을 중심으로 선회할 수 있게 하는 점을 제안한다.

Description

실린더의 종축을 중심으로 가공 헤드가 선회되는, 가요성 스트립에 각인하기 위한 방법 및 장치 {PROCESS AND APPARATUS FOR ENGRAVING A FLEXIBLE STRIP, WITH PIVOTING OF THE WORKING HEAD ABOUT THE LONGITUDINAL AXIS OF A CYLINDER}

본 발명은 가요성 스트립에 각인하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 스트립의 종방향으로 스트립을 이동시키는 전진 이송 장치와, 지지면으로서의 실린더 표면 세그먼트 상에서 실린더의 원주 방향으로 스트립을 안내하는 안내 장치와, 지지면을 향하는 하나 이상의 공구를 이용하여 스트립에 각인하기 위한, 지지면을 향하는 가공 헤드와, 가공 헤드를 움직이기 위한 구동 장치를 포함한다.

앞서 언급한 유형의 방법 및 장치는 특히, 다중층 스트립으로서 롤러 위에 올려진 가요성 태양광 모듈을 연속 공정에서 구조화하는 데 사용된다. 개별 태양 전지들을 서로 또는 롤 재료의 에지 영역으로부터 분리하거나, 도체 트랙을 위한 트렌치를 구비하기 위해, 레이저 빔을 공구로 이용해 스트립의 하나 이상의 기능층을 제거한다.

앞서 언급한 유형의 방법 및 장치는 JP 10-27918 A호에 공지되어 있다. 거기에 제안된 장치의 가공 헤드는 실린더의 종축을 따라서 이동될 수 있다.

본 발명의 과제는 단일의 가공 헤드로 폐곡선에 각인하는 것이다.

종래의 방법에 근거하여 본 발명에서는, 가공 헤드를 구동 장치를 이용해 실린더의 종축을 중심으로 선회시키는 방법을 제안한다. 그럼으로써 가공 헤드는 매우 간단하게 지지면에 대해 일정한 간격으로 실린더의 원주 방향으로 및/또는 종방향으로 이동될 수 있다. 롤러에 의해 스트립이 일정하게 전진 이송되는 것과 동시에 가공 헤드가 원주 방향으로 운동하면, 스트립 위에서의 공구의 전진 이송이 국부적으로 가속되거나 감속된다. 레이저 빔을 공구로 이용할 경우, 레이저 파워가 일정할 때 각인력은 적절하게 약화되거나 강화된다. 실린더의 종방향으로의 가공 헤드의 운동과 결합시키면 어떠한 각인 형상도 가능하며, 예를 들어 가로 라인들 또는 루프 형상의 트랙들도 가능하다. 동시에 레이저 파워가 조정되거나 롤러의 가변적인 전진 이송을 이용하여 국부적으로 일정한 파워가 도입됨으로써도 그와 같은 임의의 각인 형상이 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시에서 하나 이상의 공구는 레이저 빔이다. 그 대안으로, 하나 이상의 공구로서 스트립의 기계적 스크라이빙을 위한 니들이 사용될 수도 있다.

특히 바람직하게는 그러한 본 발명에 따른 방법에서 레이저 빔은 먼저 실린더의 종축에서 안내되고, 그 후 방사 방향으로, 그 다음엔 실린더의 종방향으로 안내되며, 가공 헤드에서 지지면 쪽으로 편향된다. 먼저, 실린더 종축에서의 빔 가이드에 의해, 상기 종축을 중심으로 선회 가능한 가공 헤드의 평면으로의 편향이 용이해진다. 이를 위해서는 선회하는 유닛에 고정 연결된 단일의 편향 부재만이 필요하며, 가공 헤드는 선회될 수 있지만 레이저 빔이 능동적으로 추적될 필요는 없다. 방사 방향의 빔 가이드에 의해, 방사 방향으로 조정가능한 가공 헤드의 평면으로의 편향이 용이해진다. 방사 방향 조정 시에는 다음 편향 부재까지의 거리만이 확작된다. 실린더의 종방향으로 추가의 빔 가이드에 의해, 종방향으로 조정가능한 가공 헤드의 평면에서 지지면으로의 편향이 용이해진다. 종방향으로 조정 시에는 다시 다음 편향 부재까지의 거리만이 확장된다. 본 발명에 따른 방법에서는 요구 조건에 따라 레이저 빔 가이드의 이러한 3가지 버전이 개별적으로 이용될 수도 있다.

본 발명에 따른 방법의 매우 바람직한 한 변형예에서는 복수의 레이저 빔이 가공 헤드에서 분할되어 지지면 상으로 평행하게 배향된다. (예를 들어 DE 2007 034 644 A1호에 공지된 원리에 따라) 레이저 빔의 분할을 통해 모든 레이저 빔은 공통 광원에서 발생하며, 이 발생은 매우 간단하게 제어될 수 있다. 대안으로서 레이저 빔들 중 복수가 예를 들어 가공 헤드에서 별도로 발생하여 별도로 제어될 수 있다.

종래 장치에 근거하여 본 발명에서는, 가공 헤드(5)가 구동 장치에 의해 실린더(2)의 종축(15)을 중심으로 선회할 수 있도록 하는 점이 제안되었다. 본 발명에 따른 장치는 본 발명에 따른 방법의 실시를 가능하게 하고, 이 경우 실현되는 장점들을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 따른 장치에서 실린더는 실린더의 종축을 중심으로 회전가능하게 지지된다. 그와 같은 장치에서 실린더가 스트립에 의해 구동될 수도 있고, 실린더가 스트립을 구동할 수도 있다. 그런 경우 원주 속도는 각각 실질적으로 스트립의 전진 이송 속도에 상응한다. 그러므로 스트립은, 실린더의 표면에서 원주 속도로 "이리저리 움직이는" 지지면에 의해 매우 안전하게 안내된다. 그럼으로써 스트립 하부면의 "파열"에 의한 손상이 방지된다.

그와 같은 본 발명에 따른 장치를 이용하여 더 복잡한 기하학적 형상들이 스트립에 각인될 수 있다. 패턴이 스트립 방향으로 실린더와의 접촉면의 절반보다 더 길지 않은 한, 연속적으로 움직이는 스트립 상에 어떠한 패턴도 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 직사각형이 하나의 영역을 틈새 없이 감싸는 형태의 직사각형들의 패턴을 생성할 수 있다. 이 경우 가공 헤드의 각각의 공구는 하나의 가공 단계에서 동시에 동일한 패턴을 생성할 수 있다.

그와 같은 패턴은 특히 태양광 발전에서 중요한데, 그 이유는 그럼으로써 전기적으로 분리된 영역들, 특히 직사각형 영역들이 남도록 코팅층들이 제거될 수 있기 때문이다. 이러한 영역들은 추후에 태양 전지가 된다.

실린더의 원주 방향으로 가로 라인들의 생성을 위해, 헤드가 한번은 스트립보다 더 빠르게 전진 이송 방향으로 이동하고, 한번은 전진 이송방향 반대 방향으로 이동한다. 실린더의 종방향으로 세로 라인들의 생성을 위해, 헤드는 스트립의 전진 이송 속도와 같은 속도로 선회한다. 추가로 실린더의 종방향으로 운동이 실시된다. 특히 그와 같은 본 발명에 따른 장치는 실린더의 종방향으로의 이동 및/또는 방사 방향으로의 이동을 위한 구동 부재를 갖는다. 방사 방향으로의 이동에 의해 지지면에 대한 가공 헤드의 간격이 조정될 수 있다. 이는 특히 레이저 빔을 공구로 이용할 경우, 하나의 스트립을 상이한 두께로 가공할 때 스트립 위 레이저 스팟(laser spot)의 직경 또는 스트립에 가해지는 레이저 파워가 국부적으로 조정되어야 할 때 중요하다.

본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 실시예에서 공구는 지지면으로의 수직선에 대해 30 내지 60°의 입사각만큼 스트립의 전진 이송 방향 반대 방향으로 정렬된다. 레이저 빔을 공구로 사용할 경우, 레이저 빔은 상기 입사각 하에서 스트립에 충돌한다. 따라서, 각인 시 떨어져 나가는 재료가 레이저 빔 안으로 재안내되지 않고, 특히 거기에서 가열되거나, 증발되거나, 파열되지 않기 때문에 후속 가공에 영향을 미치지 않는다.

실린더 표면은 바람직하게, 레이저 방사에 의해 제거되거나, 그렇지 않은 경우 영구적으로 영향을 받지 않으며, 가공될 재료를 좋지 않게 손상시키는 방식으로 레이저 빔을 역반사하지도 않는 재료로 형성된다.

하기에서 실시예를 참고하여 본 발명을 개략적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 정면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 장치로 각인할 수 있는 패턴에 관한 도면이다.
도 3b는 패턴의 상세도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치(1)는 가요성 스트립(4)을 지지하는 지지면(3)을 가진 실린더(2)와, 지지면(3) 위로 평행하게 안내되는 9개의 레이저 빔을 공구(6)로 사용하여 스트립(4)에 각인하는 가공 헤드(5)를 포함한다. 스트립(4)은 태양광 모듈의 제조를 위한 30㎝ 폭(7)의 다중층 중간 제품이며, 제1 이완 롤러(8)로부터 밑에서 지지하는 가이드 롤러(9)를 거쳐 지지면(3) 위로 롤링되며, 실린더(2)의 원주 방향(10)으로 지지면(3)에 의해 안내되며, 각인된 후에 지지면(3) 뒤에서 밑에서 지지하는 또 다른 가이드 롤러(11)를 거쳐 제2의 구동 롤러(12)에 다시 감긴다.

실린더(2)는 30㎝의 직경(13) 및 중간 제품의 폭(7)보다 2 내지 4㎝ 더 큰 폭(14)을 가지며, 자신의 종축(15)을 중심으로 회전할 수 있도록 장치(1)에 지지되며 - 마치 가이드 롤러(9, 11)처럼 - 스트립(4)에 의해 종동된다. 제1 롤러(8)에 있는, 도시되지 않은 제동 장치에 의해 스트립(4)은 용이하게 장력을 유지한다. 실린더(2)의 표면(16)은 세라믹으로 코팅되며 능동 냉각된다.

가공 헤드(5) 역시 종축(15)을 중심으로 선회가능하도록 장치(1)에 지지되며, 선회 드라이브와, 실린더(2)의 방사 방향(17) 및 종방향(18)의 이동을 위한 각각의 드라이브를 갖는다. 가공 헤드(5)의 선회 드라이브와 상기 두 드라이브는 도시되어 있지 않다.

5 내지 20ps의 펄스 길이에서 1030 또는 1064㎚의 파장(λ)을 가지는, 도면에 도시되지 않은 적외선 피코초 펄스 레이저에 근거한 레이저 빔들은 공통 광원으로서 먼저 종축(15)으로 안내되고, 이어서 2개의 미러(19)를 이용해 방사 방향(17)으로 편향된 후, 최종적으로 다시 실린더(2)의 종방향(18)으로 편향된다. 가공 헤드(5)에서 레이저 빔들이 분할되어 지지면(3) 상으로 평행하게 안내된다. 가공 헤드(5)에서 개별 레이저 빔들은 도시되지 않은 개별 헤드들에 의해 상호 이동될 수 있다.

레이저 빔들은 스트립(4)의 전진 이송 방향에 대하여 지지면(3)으로의 수직선(21)에 대해 45°의 입사각(20)으로 정렬된다. 그러므로 스트립(4)으로부터 제거되는 재료가 레이저 빔 및 가공에 영향을 주는 것, 레이저 빔이 떨어져 나온 재료를 가열하여 이를 증발시키거나 계속 쪼개는 것, 그리고 부분 제품이 가공될 표면 위로 재공급되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 장치(1)는 스트립(4) 상에 레이저 빔이 충돌하는 곳 근처에 압축 공기, 불활성 가스 또는 공정 지원 가스를 분사하는, 도시되지 않은 가스 노즐들을 갖는다. 공정 진행 동안 가스는 레이저 빔의 영역 및 스트립(4)의 표면으로부터 제거된 재료의 배출을 돕는다. 레이저 빔의 다른 쪽에서는 흡입 개구가 배출된 재료 및 노즐을 통해 유입되는 가스를 흡입한다.

더 나아가서 본 발명에 따른 장치(1)는, 필름 상의 구조들(특히 전처리에서 형성된 에지들, 구조들 또는 마킹들)을 검출하는 도시되지 않은 검출 센서를 포함한다. 본 발명에 따른 장치(1)를 사용하여, 스트립(4) 상에 기존의 구조들에 매우 정밀하게 정렬된 구조들이 형성될 수 있다.

끝으로, 본 발명에 따른 장치(1)는 가공 헤드(5) 내에 갈바노 스캐너를 가지며, 이 갈바노 스캐너를 이용해 예를 들어 에지 제거가 "연동 방식으로(on the fly)", 즉 전진 운동 동안 전진 이송 방향에 대해 횡으로 이루어질 수 있으면서, 가공 간격은 바뀌지 않는다. 게다가 가공이 더 길어지면 재료 안에 도입되는 열이 롤러에 의해 배출될 수 있다.

본 발명에 따른 장치(1)는 파일럿 플랜트를 갖는다. 본 발명에 따른 또 다른 장치의 생산적 이용은 150㎝ 이하, 특히 120㎝의 폭을 가진 중간 제품 또는 30㎝의 다른 배수의 폭을 가진 중간 제품을 사용할 때 유용한 것으로 판단된다. 본 발명에 따른 또 다른 장치에서는, 한 편으로 중간 제품이 과도하게 휘어질 수 없게 하고, 다른 한편으로 실린더(2)의 중량이 취급 한계 내에서 유지되도록 하기 위해, 실린더(2)의 직경은 10㎝ 이상 100㎝이하로 선택되어야 한다.

본 발명에 따른 다른 장치들은 다른 레이저 변수들, 특히 다른 파장 및 펄스 지속 시간을 가질 수 있다. 제거하려는 층에서 흡수를 최대화하고 이와 동시에 남은 재료의 흡수는 최소화하기 위해, 하나의 레이어 시스템에 대해 상이한 파장들이 선택된다. 펄스 지속 시간에 의해 가공의 에지 영역들 내 열 영향부가 영향을 받을 수 있다. 펄스가 매우 짧으면(10피코초 이하) 특정 재료들에서 흡수가 다시 증가할 수 있다.

도 3a에는 본 발명에 따른 장치(1)로 각인될 수 있으며, 도시되지 않은, 모노리식 회로 내 가요성 모듈을 위한 패턴(22)이 도시되어 있다. 상기 패턴은, 원주 방향(10)으로 각 3개의 등거리 가로 라인(24, 25, 26) 및 실린더(2)의 종방향(18)으로 2개의 평행한 세로 라인(27, 28)을 가지는 9개의 블록들(23)로 이루어진다. 각각의 블록(23)은 도 3b에 도시된 가공 순서에 따라서 공구들(6) 중 정확히 하나의 공구로 각인되고, 가공 동안 스트립(4)은 실린더(2)를 이용해 전진 이송 방향(29)으로 연속으로 구동된다.

움직이는 스트립 위 시작 지점(a)에서 출발하여 공구(6)는 먼저 제2 지점(b)까지 제1 가로 라인(24)에 각인한다. 이제, 공구(6)는 제3 지점(c)으로 그대로 이동하여 거기서부터 제4 지점(d)까지 제2 가로 라인(25)에 각인한다. 이어서, 공구(6)는 제5 지점(e)으로 그대로 이동하여 거기서부터 제6 지점(f)까지 제1 세로 라인(27)에 각인한다. 그 다음 단계에서 공구(6)는 다시 제7 지점(g)으로 그대로 이동하여 제8 지점(h)까지 가로 라인(26)에 각인한다. 끝으로, 공구(6)는 제9 지점(j)으로 그대로 이동하여 제10 지점(k)까지 제2 세로 라인(28)에 각인한다.

제1 가로 라인(24)과 제3 가로 라인(26)의 각인 시에는, 가공 헤드(5)가 공구들(6)과 함께 전진 이송 방향(29) 반대 방향으로 선회하고, 제2 가로 라인(25)의 각인 시에는 전진 이송 방향(29)으로 선회한다. 세로 라인(27, 28)의 각인 시 그리고 각인 작업들 간 이동 시에는 가공 헤드(5)가 선회하는 동시에 실린더(2)의 종방향으로 또는 그 반대 방향으로 이동한다. 이어 가공 헤드(5)는 도시되지 않은, 전진 이송 방향(29) 반대 방향으로 후속하는 패턴(22)의, 역시 도시되지 않은 시작 지점(a)으로 공구(6)를 이동시킨다.

1 장치
2 실린더
3 지지면
4 스트립
5 가공 헤드
6 공구
7 폭
8 롤러
9 가이드 롤러
10 원주 방향
11 가이드 롤러
12 롤러
13 직경
14 폭
15 종축
16 표면
17 방사 방향
18 종방향
19 미러
20 입사각
21 수직선
22 패턴
23 블록
24 제1 가로 라인
25 제2 가로 라인
26 제3 가로 라인
27 제1 세로 라인
28 제2 세로 라인
29 전진 이송 방향
a - k 지점들

Claims

가요성 스트립(4)에 각인하는 방법으로서, 상기 방법에서 스트립(4)은 스트립(4)의 종방향으로 이동하며, 이때 지지면(3)으로서의 실린더(2) 표면 세그먼트 상에서 실린더(2)의 원주 방향(10)으로 안내되고, 가공 헤드(5)로부터 지지면(3)을 향하는 하나 이상의 공구(6)에 의해 각인되는, 가요성 스트립에 각인하는 방법에 있어서,
가공 헤드(5)는 지지면(3) 위쪽에서 실린더(2)의 종축(15)을 중심으로 선회되는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 방법.
제1항에 있어서, 하나 이상의 공구(6)는 레이저 빔인 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 방법.
제2항에 있어서, 레이저 빔은 먼저 실린더(2)의 종축(15)에서 안내되고, 그 후 방사 방향(17)으로, 그 다음에 실린더(2)의 종방향(18)으로 안내되며, 가공 헤드(5)에서 지지면(3) 쪽으로 편향되는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 복수의 레이저 빔이 가공 헤드(5)에서 분할되어 지지면(3) 상으로 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 방법.
스트립(4)의 종방향으로 스트립(4)을 이동시키는 전진 이송 장치와, 지지면(3)으로서의 실린더(2) 표면 세그먼트 상에서 실린더(2)의 원주 방향(10)으로 스트립(4)을 안내하는 안내 장치와, 지지면(3)을 향하는 하나 이상의 공구(6)를 이용하여 스트립(4)에 각인하기 위한, 지지면(3)을 향하는 가공 헤드(5)와, 가공 헤드(5)를 움직이기 위한 구동 장치를 포함하는, 가요성 스트립에 각인하는 장치(1)에 있어서,
가공 헤드(5)는 구동 장치에 의해 실린더(2)의 종축(15)을 중심으로 선회될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 장치.
제5항에 있어서, 실린더(2)는 장치(1)에서 실린더(2)의 종축(15)을 중심으로 회전가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 하나 이상의 공구(6)는 지지면(3)으로의 수직선(21)에 대해 30 내지 60°의 입사각(20)만큼 스트립(4)의 전진 이송 방향 반대 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는, 가요성 스트립에 각인하는 장치.