KR101049381B1

KR101049381B1 - 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR101049381B1
Application number: KR1020090026302A
Authority: KR
Inventors: 조성학; 박정규; 김재구; 장원석; 최두선; 유영은; 제태진; 전은채; 윤재성; 황경현
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2011-07-15
Also published as: KR20100107932A

Abstract

본 발명은 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 가공 시 초음파를 사용하여 가공 대상물 또는 집광렌즈를 진동시킴으로써 가공 품질을 향상시키는, 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치는, 펄스형 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(10); 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저의 경로를 스테이지(40) 상에 놓여진 대상물(200)을 향하도록 변경하는 편광판(20); 상기 편광판(20)으로부터 반사된 레이저를 집광하여 상기 대상물(200)을 향해 조사하는 집광렌즈(30); 를 포함하여 이루어지는 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 상기 레이저 발생부(10)로부터 상기 대상물(200)까지의 레이저 경로 길이의 연장 및 단축이 반복적으로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키는 진동 발생부(50); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

레이저, 초음파 진동, 하이브리드 가공, 마이크로 홀(micro hole), 드릴링(drilling), 고세장비 (high aspect ratio), 가공 홀 내부면 평탄화, 펨토초 레이저(femtosecond laser), 레이저 정밀 가공(laser precision machining)

Description

초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치 {Hybrid Laser Machining using Ultrasonic Vibration}

본 발명은 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

현재 나노 기술에 대한 필요와 관심이 높아짐에 따라, 미소 형상의 제조에 있어서 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다. 예를 들어 직경이 수십 ㎛ 정도 되는 미소 구멍 즉 마이크로 홀(micro-hole)은, 의료용 스텐트, PCB(Printed circuit Boards), 디스플레이 패널(display panel), 바이오 칩, 태양 전지, 연료 전지, 휴대폰, X-ray 형광판 등과 같은 장치 또는 이에 포함되는 첨단 미소 부품에 대하여, 현재 중요하게 사용 중이거나 향후 사용이 기대되는 구조 중 하나이다. 현재 산업 현장에서는 펄스 간격이 나노초(10^-9sec) 단위인 나노초 레이저 가공을 이용하여 직경이 20㎛ 정도 되는 마이크로 홀을 가공하는 것이 가능한 정도의 기술 수준을 갖추고 있다. 이와 같은 레이저 가공 기술은 비접촉식 가공 기술로서 초고속 및 초정밀 가공이 가능하며 공구의 마모가 없어 친환경적인 가공 기술이다.

그런데, 나노초 레이저 가공을 이용하여 가공된 마이크로 홀의 경우 가공 부위에서 열적 녹음(thermal melting) 현상에 의하여 파편(debris)이나 버(burr)가 발생하는 등, 가공 부위의 상태가 불량하게 되는 경우가 많은 실정이다. 나노초 레이저 가공의 이러한 문제점은, 최근 개발된 펨토초(10^-15sec) 레이저를 이용한 가공 기술에 의하여 해결될 수 있는 것으로 알려졌다. 펨토초 레이저는 나노초 레이저와 마찬가지로 펄스형 레이저인데, 펄스형 레이저란 주어진 에너지를 방출하는 시간 간격에 따라 분류되며, 짧은 시간 동안 매우 큰 출력을 얻을 수 있는 특성을 가진다. 이러한 특성에 의하여 펄스형 레이저는 짧은 시간 동안 벌어지는 물리 현상의 관측 분야뿐만 아니라 상술한 바와 같은 미소 형상의 제조에도 사용되고 있는데, 특히 펨토초 레이저의 경우 나노초 레이저에 비해 훨씬 짧은 레이저 펄스폭을 가지며, 보다 빠른 펄스를 사용할 경우 열적 손상이 적어지는 경향이 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 즉 펨토초 레이저에 의한 가공 시에는, 종래의 나노초 레이저에 의한 가공 시 열적 녹음 현상이 발생하던 것에 비하여 훨씬 열적 손상을 줄이는 비열적 가공이 가능하여, 종래의 나노초 레이저 가공에 비해 파편, 버 등의 발생이 훨씬 억제되며 이에 따라 보다 깨끗하고 정밀한 가공이 가능하다는 장점이 있다. 물론 펨토초 레이저 가공은 아직 산업 현장에서 널리 사용되는 것은 아니고 연구실에서 실험 단계에 있는 기술이지만, 이러한 장점 때문에 산업 현장으로의 도입을 위한 연구 및 개발이 급속히 진행되고 있다.

상술한 바와 같이 현재 산업 현장에서는 나노초 레이저 가공 장치가 널리 사용되고 있다. 나노초 레이저 가공 장치에는 YAG 레이저 가공 장치, 엑시머 레이저 가공 장치 등이 있다. 이들 중 산화알루미늄을 인공적으로 결정체로 만들어 레이저를 발생토록 하는 ND-YAG 레이저를 사용한 가공기의 경우, 가공된 측벽이 거칠게 되는 경향이 있다. 그리고 적외선계인 CO₂ 레이저는 가공 부위에 크레이터가 만들어지는 단점을 가지고 있기 때문에 ㎛ 단위 이상의 정밀도를 요구하는 미세 가공에서는 그 사용의 제약을 받고 있다. 또한, CO₂, ND-YAG 레이저는 파장이 길고 나노초 단위의 펄스폭을 가지기 때문에 가공 부위에 대한 열적 영향이 큰 문제점이 있다. 이외에 엑시머 레이저의 경우 파장이 짧아 미세 가공에 유리한 장점은 있으나, 역시 나노초 단위의 펄스폭을 가지므로 금속 가공의 경우 열적 영향이 크고, 유리 등의 절연체 가공에도 열응력에 의해 크랙 등이 발생하여 가공 품질이 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제점들은 상술한 바와 같이 펨토초 레이저 가공을 사용하면 대부분 극복이 가능하나, 펨토초 레이저 가공을 사용한다 해도 아래와 같은 문제점들이 남게 된다.

한편, 현재의 레이저 기술에 있어서, 레이저 가공된 마이크로 홀의 세장비(aspact ratio)는 레이저의 종류와 집광렌즈의 렌즈 개구수(Numerical Aperature, 이하 NA로 칭함), 조사 시간에 의해 정해지게 된다. (렌즈 개구수란 현미경의 밝은 정도나 해상력을 나타내는 수로서, 렌즈로 들어오는 광선이 광축과 이 루는 각의 최대값과 렌즈 및 관찰할 시료 사이의 매질의 굴절률로 그 값이 정의된다.) 단, 아무리 조사 시간을 길게 하더라도 기본적인 세장비는 레이저의 종류와 집광렌즈의 NA에 의해 결정된다. 따라서 기본적인 세장비를 벗어나는 형태의 마이크로 홀을 제조하는 것이 어려워, 결국 마이크로 홀 제조에 있어 형태적인 제한이 생기게 되는 문제점이 있다.

또한, 레이저 가공에 의해 제조된 마이크로 홀의 내부 단면 거칠기를 효과적으로 제어할 수 있는 기술에 대한 연구가 거의 이루어지지 않은 실정이다. 물론, 레이저 가공 종료 후에, 다이아몬드 분말과 같은 연삭제가 혼합된 물에 마이크로 홀이 가공된 부품을 담그고 초음파 진동을 가함으로써 가공 표면을 연마하는 초음파 습식 절삭 가공 기술을 사용할 수는 있겠으나, 이는 레이저 가공 종료 후 후공정으로서 사용될 수 있는 기술인 바 결과적으로는 전체 공정 시간을 늘리게 되고 프로세스가 복잡해지는 등의 문제가 있다. 또한 습식 프로세스에서 자연히 발생하게 되는 폐기물, 즉 사용되고 난 연삭제 등을 따로 처리 과정을 거치지 않고 폐기할 경우 환경에 매우 유해한 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해서는 폐기물 처리를 위한 공정이 따로 필요하게 되어 프로세스가 더욱 난해해지게 되는 문제도 있다. 뿐만 아니라 이러한 초음파 습식 절삭 가공 기술을 사용할 경우, 다수 개의 홀에 대하여 선택적으로 가공을 수행하는 것이 전혀 불가능하다.

나노초 레이저 사용 시에 비해 펨토초 레이저를 사용하면 열적 손상을 훨씬 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 펨토초 레이저를 사용한다 해도 상술한 바와 같은 문제점, 즉 마이크로 홀의 깊이가 어느 정도 제한되게 된다는 점, 내부 단면 거칠 기를 제어하기 어렵다는 점 등의 문제점을 여전히 해결할 수 없으며, 이러한 문제에 대한 해결 필요성이 당업자들에 의하여 꾸준히 제기되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 가공 시 초음파를 사용하여 가공 대상물 또는 집광렌즈를 진동시킴으로써 가공 품질을 향상시키는, 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치는, 펄스형 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(10); 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저의 경로를 스테이지(40) 상에 놓여진 대상물(200)을 향하도록 변경하는 편광판(20); 상기 편광판(20)으로부터 반사된 레이저를 집광하여 상기 대상물(200)을 향해 조사하는 집광렌즈(30); 를 포함하여 이루어지는 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 상기 레이저 발생부(10)로부터 상기 대상물(200)까지의 레이저 경로 길이의 연장 및 단축이 반복적으로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키는 진동 발생부(50); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 진동 발생부(50)는 상기 집광렌즈(30)에 연결되어 레이저 경로가 상기 집광렌즈(30)를 통과하는 방향과 나란한 방향으로 상기 집광렌즈(30)를 진동시키거나, 상기 스테이지(40)에 연결되어 레이저 경로가 상기 스테이지(40)에 놓 인 상기 대상물(200)과 만나는 방향과 나란한 방향으로 상기 스테이지(40)를 진동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 발생부(10)는 나노초(10^-9sec) 레이저보다 레이저 펄스폭이 작은 펄스형 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 레이저 발생부(10)는 아토초(10^-18sec) 레이저, 펨토초(10^-15sec) 레이저 또는 피코초(10^-12sec) 레이저 중에서 선택되는 어느 한 가지의 펄스형 레이저를 발생시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 진동 발생부(50)는 초음파 진동의 진동폭이 레이저 가공에 의해 형성되는 마이크로 홀의 직경의 5% 내지 30% 범위 내의 값을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 진동 발생부(50)는 초음파 진동의 진동폭이 레이저 가공에 의해 형성되는 마이크로 홀의 직경의 20%의 값을 가지도록 하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 레이저 가공 장치(100)는 상기 대상물(200)로부터 반사된 레이저가 상기 편광판(20)을 통과하여 진행하는 경로 상에 구비되어 상기 대상물(200) 표면 영상을 얻는 관찰부(60); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 관찰부(60)는 CCD 카메라를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래에 나노초 레이저를 사용하여 마이크로 홀을 제조할 경우 열적 손상 때문에 파편이나 버 등이 발생하는 문제점이 있었던 것과는 달리, 본 발명에서는 나노초 레이저에 비하여 훨씬 짧은 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 사용하여 마이크로 홀을 제조함으로써, 비열적 가공이 가능해지는바 파편, 버 등과 같은 열적 손상을 거의 억제할 수 있게 되는 큰 효과가 있다.

특히 본 발명에 의하면, 펨토초 레이저를 사용하여 마이크로 홀을 제조하는 과정에서 초음파를 사용하여 가공 대상물 또는 집광렌즈를 진동시킴으로써, 제조되는 마이크로 홀의 깊이를 종래에 비해 훨씬 늘릴 수 있게 하는 큰 효과가 있으며, 궁극적으로는 동일한 조건의 레이저를 사용하여 마이크로 홀의 깊이를 자유롭게 조절할 수 있게 되는 커다란 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 종래에 레이저 가공에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 내부 가공 표면의 거칠기를 전혀 제어할 수 없었던 것과는 달리, 초음파 진동을 도입함으로써 가공 품질이 비약적으로 향상되는 큰 효과가 있다.

이와 연계하여, 종래에는 레이저 가공 후 표면을 평탄화하기 위해 초음파 습식 절삭 가공 기술 등을 적용하여야 하였으나, 종래의 이러한 방법은 공정이 복잡해지고 전체적인 공정 시간이 늘어나게 되며, 선택적인 가공이 불가능하고 환경에 악영향을 끼치는 등 여러 가지 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 레이저 가공과 동시에 가공 표면의 평탄화가 이루어지기 때문에 표면 평탄화를 위한 부가적인 공정이 전혀 필요하지 않고, 이에 따라 공정 시간도 크게 절약할 수 있는 효과가 있다. 물론 본 발명은 습식 프로세스와는 달리 폐기물이 발생하지 않아 친환경적이라는 장점 또한 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 레이저 가공 장치를 간략하게 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 레이저 가공 장치(100)는, 펄스형 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(10); 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저의 경로를 스테이지(40) 상에 놓여진 대상물(200)을 향하도록 변경하는 편광판(20); 상기 편광판(20)으로부터 반사된 레이저를 집광하여 상기 대상물(200)을 향해 조사하는 집광렌즈(30); 를 포함하여 이루어져, 상기 집광렌즈(30)로 집광되어 조사되는 레이저로 상기 대상물(200) 표면에 마이크로 홀을 가공하게 된다. 이 때, 본 발명에서 상기 레이저 가공 장치(100)는, 초음파 진동을 발생시키는 진동 발생부(50); 를 포함하여 이루어진다.

상기 진동 발생부(50)는 상기 레이저 발생부(10)로부터 상기 대상물(200)까지의 레이저 경로 길이의 연장 및 단축이 반복적으로 이루어지도록 하는 진동을 발생시킨다. 이는, 상기 진동 발생부(50)가 상기 집광렌즈(30)에 연결되게 하거나 또는 상기 스테이지(40)에 연결되게 함으로써 쉽게 구현할 수 있다. 즉, 상기 진동발생부(50)는 상기 집광렌즈(30)에 연결되어 레이저 경로가 상기 집광렌즈(30)를 통과하는 방향과 나란한 방향으로 상기 집광렌즈(30)를 진동시키거나, 또는 상기 진 동발생부(50)는 상기 스테이지(40)에 연결되어 레이저 경로가 상기 스테이지(40)에 놓인 상기 대상물(200)과 만나는 방향과 나란한 방향으로 상기 스테이지(40)를 진동시키게 된다.

상기 레이저 발생부(10)는 펨토초(10^-15sec) 레이저 또는 피코초(10^-12sec) 레이저를 발생시키는 것이 바람직하다. 마이크로 홀을 형성하기 위한 레이저 가공을 수행함에 있어서, 종래에 나노초 레이저를 사용하여 가공할 경우 열적 손상으로 인하여 마이크로 홀의 가공 부위에 파편이나 버가 발생하는 경우가 많았다는 사실은 잘 알려져 있다. 또한 레이저의 펄스폭이 줄어들수록 이러한 열적 손상 역시 줄어든다는 사실 또한 잘 알려져 있다. 따라서 레이저 가공 시 열적 손상의 피해를 최소화하기 위하여, 본 발명에서는 상기 레이저 발생부(10)가 펨토초 레이저를 발생시키도록 하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 펨토초 레이저가 아니라 피코초 레이저를 사용할 수도 있고, 현재 상용화되어 있지는 않지만 아토초(10^-18sec) 레이저를 사용할 수도 있는 등, 나노초 레이저발생 장치보다 레이저 펄스폭이 작은 펄스형 레이저를 발생시킬 수 있는 장치라면 어떤 것을 사용하여도 무방하다.

상기 레이저 발생부(10)로부터 발생된 레이저의 경로는 다음과 같다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저는 상기 레이저 발생부(10)로부터 상기 편광판(20)으로 입사된다. 상기 편광판(20)으로 입사된 레이저는 상기 편광판(20)에 의해 반사되어 경로를 바꾸게 되는데, 결과적으로 상기 스테이지(40) 상에 놓여진 상 기 대상물(200)을 향하는 방향으로 진행되게 된다. 상기 편광판(20)으로부터 반사되어 나온 레이저는 상기 집광렌즈(30)에 의해 집광되어 상기 대상물(200)을 향해 조사되게 된다.

이 때, 상기 레이저 발생부(10)로부터 펄스형 레이저가 발생되기 때문에 상기 대상물(200)을 향해 조사되는 레이저는 매우 강한 세기를 가지게 되며 따라서 레이저가 조사되는 부분(즉 상기 집광렌즈(30)에 의해 초점이 맞추어진 부분)에 변형이 일어나서 마이크로 홀이 만들어지게 된다. 한편, 상기 대상물(200)로 조사된 레이저가 상기 대상물(200)로부터 반사되어 나오는 경로 상에 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 관찰부(60)를 구비하면, 상기 대상물(200)에서 레이저가 조사된 부분의 영상을 얻을 수 있다. 즉 상기 관찰부(60)는 상기 대상물(200)로부터 반사된 레이저가 상기 편광판(20)을 통과하여 진행하는 경로 상에 구비되어 상기 대상물(200) 표면 영상을 얻는 역할을 한다. 이는 일반적인 레이저 현미경에서 영상을 얻는 원리와 동일한데, 레이저의 경로에 대해 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 대상물(200)로부터 반사되어 나온 레이저가 상기 편광판(20)으로 입사되되, 상기 대상물(200)로부터 반사되면서 레이서의 위상이 변화되었기 때문에 이 때에는 레이저가 상기 편광판(20)에서 반사되지 않고 통과된다. 따라서 상기 편광판(20)의 후위에 상기 관찰부(60)를 구비시키면 상기 편광판(20)을 통과한 레이저를 받을 수 있고, 최종적으로는 상기 관찰부(60)에서 상기 대상물(200) 표면 영상을 얻을 수 있는 것이다. 상기 관찰부(60)는 일반적인 레이저 현미경에서 관찰부로서 사용되는 장치로서 어떤 것을 사용하여도 무방하다. 예를 들어 CCD 카메라로 이 루어질 수도 있고, 보다 선명한 영상을 얻기 위해 다른 종류의 편광판을 더 포함할 수도 있으며, 또는 설치가 용이하도록 경로를 조절하는 미러 등을 더 포함할 수도 있는 등, 상기 관찰부(60)는 레이저가 조사된 상기 대상물(200) 표면 영상을 얻을 수 있는 구성이라면 어떤 형태로 이루어져도 무방하다.

본 발명의 레이저 가공 장치에서는, 이와 같이 레이저 가공을 함과 동시에 초음파 진동을 하여 줌으로써 마이크로 홀의 깊이 및 가공 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

먼저 본 발명의 레이저 가공 장치에 의해 만들어지는 마이크로 홀의 깊이 향상에 대하여 설명한다. 도 2는 마이크로 홀의 입구 형상 사진이며, 도 3은 종래 및 본 발명의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 단면 형상을 도시한 것이다. 이 때 사용된 레이저 가공 장치는 파장이 790㎚, 펄스 에너지 3.5mJ/kHz, 펄스 간격 120fs, 빔 직경 8mm인 펨토초 레이저 가공 장치이며, 레이저 파워 500mW, 배율 10배, 레이저 펄스 반복 주파수(repetition rate) 1000Hz, 조사 시간(irradiation time) 10초로 하여 가공하였다. 또한 이 때 가공 대상물(200)은 Ni 금속 재질로 된 것을 사용하였다.

도 3(A)는 이와 같은 일반적인 종래의 펨토초 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 형상을 도시하고 있다. 상술한 바와 같은 조건으로 가공하였을 때, 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 대상물(200)에 형성되는 마이크로 홀은, 외부 직경 25㎛, 내부 직경 3㎛, 깊이 1.05mm로 만들어진다. 이 때, 주지 되다시피 마이크로 홀의 세장비는 레이저의 종류 및 집광렌즈의 NA에 의해 결정되므로, 종래의 레이저 가공 장치를 사용할 경우 동일한 조건에서는 항상 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같은 규격의 마이크로 홀밖에는 만들어질 수 없다.

도 3(B)는 본 발명의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 형상을 도시하고 있다. 이 경우, 도 3(A)에서 사용된 것과 동일한 펨토초 레이저를 사용하되, 상기 진동 발생부(50)를 사용하여 상기 대상물(200)이 놓여진 상기 스테이지(40)를 초음파 진동 강도(ultrasonic vibration intensity) 10%, 진폭 2.5㎛(진동폭 5㎛), 진동수 40000Hz인 초음파로 진동시키면서 레이저 가공을 수행하였다. 이와 같이 초음파 진동을 시키면서 레이저 가공을 수행하면, 도 3(B)에 도시된 바와 같이 외부 직경 26㎛, 내부 직경 3㎛, 깊이 1.35mm의 마이크로 홀을 만들 수 있게 된다.

외부 직경의 변화는 진동에 따른 미세 오류이므로 무시 가능한 부분이며 여기에서 중요하게 보아야 할 변화는 마이크로 홀의 깊이인데, 초음파 진동을 가하지 않았을 경우 즉 종래의 펨토초 레이저 가공 시(도 3(A))에는 마이크로 홀의 깊이가 1.05mm밖에 되지 않았는데, 초음파 진동을 가했을 경우 즉 본 발명의 레이저 가공 시(도 3(B))에는 마이크로 홀의 깊이가 1.35mm로, 획기적으로 마이크로 홀의 깊이 값을 늘릴 수 있게 된다. 그 원리를 간단히 설명하자면 다음과 같다. 도 3(B)의 경우에도 사용된 레이저 자체는 동일하기 때문에 초음파 진동이 없다면 10초간 조사하였을 때 1.05mm의 마이크로 홀이 만들어지게 될 것이다. 그런데, 초음파 진동에 의하여 상기 대상물(200)이 상하로 진동하게 되면, 도 4에 도시되어 있는 바와 같 이 레이저가 조사되는 깊이가 초음파 진동의 진폭에 따라 달라지게 된다. 즉, 고정되어 있을 때는 도 4(A) 또는 도 4(B)의 좌측과 같은 깊이로 레이저가 조사되겠으나, 초음파 진동에 따라 상기 대상물(200)이 진폭만큼 상승하였을 경우에는 도 4(A)처럼, 진폭만큼 하강하였을 경우에는 도 4(B)처럼 레이저가 조사된다. 이 때 도 4(A)와 같은 상태에서 레이저가 조사될 경우, 상기 대상물(200) 고정 시 원래 형성되어야 하는 깊이, 즉 도 4(A) 우측에서 점선으로 표시된 부분만큼의 깊이로 홀이 형성되게 되며, 즉 진폭만큼의 깊이가 추가적으로 더 파일 수 있게 되는 것이다. 초음파 진동의 진동폭이 5㎛로 매우 미세하나, 레이저를 10초간 조사하는 동안의 레이저 펄스 반복 주파수, 펄스 수, 초음파 진동수, 초음파 진동 강도 등에 따라, 최종적으로 0.2mm만큼의 추가적인 깊이가 더 파일 수 있게 된다. 이 때, 상기 진동 발생부(50)는 초음파 진동의 진동폭이 레이저 가공에 의해 형성되는 마이크로 홀의 직경의 5% 내지 30% 범위 내의 값을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 실험에서와 같이 초음파 진동의 진동폭이 마이크로 홀 직경의 25%의 값을 가지도록 하는 것이 가장 바람직하다.

즉, 본 발명의 레이저 가공 장치는, 상기 대상물(200) 또는 상기 집광렌즈(40)를 미세한 진폭으로 초음파 진동시킴으로써, 레이저 펄스가 조사될 때 진폭만큼의 깊이가 추가적으로 더 파일 수 있게 함으로써, 최종적으로는 원래 레이저 가공 시 형성할 수 있는 깊이보다 훨씬 깊은 깊이의 마이크로 홀을 형성할 수 있는 것이다. 따라서 본 발명에 의하면 궁극적으로는 레이저 및 초음파 진동의 특성을 조절함으로써 마이크로 홀의 깊이를 자유롭게 조절할 수 있게 된다.

다음으로 본 발명의 레이저 가공 장치에 의해 만들어지는 마이크로 홀의 가공 품질 향상에 대하여 설명한다. 도 5a는 종래의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 가공 표면 형상 사진이며, 도 5b는 본 발명의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 가공 표면 형상 사진이다.

도 5a 및 도 5b를 비교하여 보았을 때 확연히 알 수 있듯이, 본 발명의 레이저 가공 장치, 즉 초음파 진동을 가하면서 레이저 가공을 수행하는 본 발명의 장치를 사용하여 가공할 경우, 따로 표면 처리를 전혀 하지 않아도 표면이 훨씬 평탄하게 형성되는 것을 알 수 있다. 도 4의 설명에서와 같은 조건으로 실험했을 경우, 종래의 레이저 가공 장치에 의해 만들어지는 마이크로 홀의 가공 표면에 비해, 본 발명의 레이저 가공 장치에 의해 만들어지는 마이크로 홀의 가공 표면의 표면 평탄도가 10배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있다.

종래에는 마이크로 홀의 가공 표면의 평탄도를 높이기 위하여 연삭제를 이용한 습식 프로세스를 사용할 수밖에 없었다. 이 공정을 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 연삭제가 혼합된 물 속에 마이크로 홀이 가공된 대상물 전체를 담그고 초음파 진동을 가하면, 물과 섞여 마이크로 홀 내로 침투된 연삭제가 진동하게 되고, 이에 따라 연삭제와 접촉되어 있는 마이크로 홀의 가공 표면이 연삭되어 평탄화된다. 이후 대상물을 연삭제가 혼합된 물에서 건져내어 세척 및 건조하는 과정을 거쳐 평탄화 과정이 완료되게 된다. 이러한 종래의 평탄화 방법은, 대상물에 다수 개의 마이크로 홀이 형성되어 있을 경우 그 중 어떤 것을 선택하여 평탄화시키고 나머지는 그대로 두는 것과 같은 선택적인 작업은 당연히 불가능하였다. 또한 연삭 - 세척 - 건조 등의 과정들이 필요할 뿐만 아니라, 연삭 후 연삭제가 혼합된 물이 폐기물로 남게 되어 이를 처리하기 위한 과정이 또 필요하였다. 이와 같이 종래의 평탄화 방법을 사용할 경우여 공정이 난해해지고 전체 공정 시간이 증가되는 문제가 있었으며, 또한 폐기물을 제대로 처리하지 않을 경우 환경 오염의 위험성 또한 매우 크다는 문제점 또한 있었다.

그러나 본 발명에 의하면, 초음파 진동을 가하면서 레이저 가공을 함으로써, 레이저 가공과 동시에 표면 평탄화 공정이 진행되는 셈이 되어, 표면 평탄화 공정을 따로 수행할 필요가 없어지게 된다. 즉 본 발명의 장치를 사용하면 레이저 가공 자체에 필요한 공정으로부터 공정 수나 공정 시간이 전혀 늘어나지 않는 것으로, 평탄화 공정을 반드시 해야 할 경우라면 결과적으로 공정 수 및 공정 시간을 크게 단축하게 되는 것이다. 또한 본 발명에 의하면, 대상물에 마이크로 홀을 다수 개 형성할 경우라 하더라도, 어떤 마이크로 홀을 가공할 때에는 초음파 진동을 주고 다른 마이크로 홀을 가공할 때에는 초음파 진동을 주지 않거나 혹은 진폭을 달리 하는 등과 같이 함으로써, 종래와는 달리 선택적이고 세부적인 가공을 자유롭게 할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 본 발명에 의한 레이저 가공 장치.

도 2는 마이크로 홀의 입구 형상 사진.

도 3은 종래 및 본 발명의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 단면 형상.

도 4는 본 발명의 레이저 가공 장치의 원리.

도 5는 종래 및 본 발명의 레이저 가공 장치에 의하여 만들어지는 마이크로 홀의 가공 표면 형상 사진.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: (본 발명에 의한) 레이저 가공 장치

10: 레이저 발생부 20: 편광판

30: 집광렌즈 40: 스테이지

50: 진동 발생부 60: 관찰부

200: 대상물

Claims

펄스형 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(10); 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저의 경로를 스테이지(40) 상에 놓여진 대상물(200)을 향하도록 변경하는 편광판(20); 상기 편광판(20)으로부터 반사된 레이저를 집광하여 상기 대상물(200)을 향해 조사하는 집광렌즈(30); 를 포함하여 이루어지는 레이저 가공 장치(100)에 있어서,

상기 레이저 발생부(10)로부터 상기 대상물(200)까지의 레이저 경로 길이의 연장 및 단축이 반복적으로 이루어지도록 초음파 진동을 발생시키는 진동 발생부(50); 를 포함하여 이루어지며,

상기 진동 발생부(50)는 초음파 진동의 진동폭이 레이저 가공에 의해 형성되는 마이크로 홀의 직경의 5% 내지 30% 범위 내의 값을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
제 1항에 있어서, 상기 진동 발생부(50)는

상기 집광렌즈(30)에 연결되어 레이저 경로가 상기 집광렌즈(30)를 통과하는 방향과 나란한 방향으로 상기 집광렌즈(30)를 진동시키거나,

상기 스테이지(40)에 연결되어 레이저 경로가 상기 스테이지(40)에 놓인 상기 대상물(200)과 만나는 방향과 나란한 방향으로 상기 스테이지(40)를 진동시키는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발생부(10)는

나노초(10^-9sec) 레이저보다 레이저 펄스폭이 작은 펄스형 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
제 3항에 있어서, 상기 레이저 발생부(10)는

아토초(10^-18sec) 레이저, 펨토초(10^-15sec) 레이저 또는 피코초(10^-12sec) 레이저 중에서 선택되는 어느 한 가지의 펄스형 레이저를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
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제 1항에 있어서, 상기 진동 발생부(50)는

초음파 진동의 진동폭이 레이저 가공에 의해 형성되는 마이크로 홀의 직경의 20%의 값을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 가공 장치(100)는

상기 대상물(200)로부터 반사된 레이저가 상기 편광판(20)을 통과하여 진행하는 경로 상에 구비되어 상기 대상물(200) 표면 영상을 얻는 관찰부(60); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.
제 7항에 있어서, 상기 관찰부(60)는

CCD 카메라를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치.