KR101285717B1 - 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 매우 높은 수준의 순간 피크 강도를 얻을 수 있는 극초단 펄스 레이저인 펨토초 레이저를 이용하여 플라즈마를 발생시키고 이로써 형상 가공이 이루어지도록 함으로써 높은 정밀도로 고종횡비를 갖는 미세 형상을 가공할 수 있도록 하는, 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치는, 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서, 상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치 {Fine Application Apparatus for High Aspect Rate Shape using Ultrashort Pulse Laser}

본 발명은 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치에 관한 것이다.

최근 IT(Information Technology), NT(Nano Technology), BT(BioTechnology) 등의 산업이 발달하면서, 수십 ㎛ ~ 수십 mm 크기의 소형 정밀 부품의 수요가 급증하고 있으며, 이를 가공하기 위한 다양한 가공법의 개발과 상용화도 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 정밀 부품의 정밀도는 점차 나노 급까지 내려가고 있으며, 이에 따라 정밀 부품의 제작에 있어 MEMS, NEMS 기술을 이용하는 방법이 확산되고 있다. 기존의 선삭, 밀링, 성형과 같은 기계 가공 방식을 사용할 경우 이러한 정밀 부품에서 요구하는 정밀도를 실현할 수 없는 한계가 발생되는 바, 정밀도 향상을 위한 장비의 초정밀화, 초미세화 기술에 대한 개발 요구가 더욱 높아져 가고 있다. 뿐만 아니라, 특히 수요처인 IT, BT, NT 등의 분야에서는 자사의 기술 보안, 비용 등을 이유로 최소한의 공간에서 최대한의 정밀도를 달성하는 장비를 요구하고 있는 실정이다.

종횡비란 세로 깊이 대 가로 폭의 비를 말하는 것으로, 고종횡비 형상이란 즉 폭이 좁으면서 깊이가 깊은 형상을 말하는 것이다. 차세대 IT, ET, NT, BT 등 다양한 분야에서의 부품(예를 들어 미세금형, 약물전달 스텐트, LCD repair system, X-ray 형광판 등 미소 부품)의 각부에서 점차 이러한 고종횡비 형상이 요구되는 범위가 확대되어 가는 바, 고종횡비 형상 가공 기술은 이러한 분야의 정밀 부품 생산에 핵심기술이다. 그러나 기존의 일부 기계 가공의 경우 30mm 이하의 미세 홀 가공은 가공이 어려워 매우 비생산적이다. 또한, 기존의 레이저 가공 기술을 사용할 경우 최대 얻을 수 있는 종횡비는 2~3 이하 수준밖에 되지 않아, 충분한 고종횡비를 얻을 수 없는 한계가 있다는 점이 잘 알려져 있다.

상술한 바와 같이 기계적인 가공 기술을 이용할 경우 마이크로급 선폭의 형상을 가공하는 것이 절대 불가능하고, 종래의 레이저 가공 기술만으로는 2~3 이하 정도의 종횡비를 갖는 형상 제작만이 가능한 한계가 있다. 이에 따라 고종횡비를 가지는 형상을 가공하기 위하여 여러 기술들이 개발되어 왔다.

한국공개특허 제2001-0042981호("레이저를 이용한 피가공물의 가공 방법", 이하 선행기술 1)에서는, 도 1(A)에 도시되어 있는 단계들로 알 수 있는 바와 같이, 레이저 가공에서 높은 종횡비의 가공 구멍을 형성할 수 있도록, 레이저광을 조사하여 선행 구멍을 형성하고, 이방성 에칭을 행하여 상기 선행 구멍을 확대하는 피가공물의 가공 방법을 개시하고 있다. 상기 선행기술 1에 의하면 상당히 높은 정밀도로 고종횡비의 형상을 가공할 수 있다는 장점은 있으나, 가공 방법 자체의 특성으로 인하여 통공 형태의 형상만이 가공 가능하다는 점, 그리고 에칭에 의하여 가공이 가능한 재질이어야 한다는 점 등의 한계가 존재한다는 문제점이 있다. 도 1(B)는 선행기술 1에 의하여 만들어진 가공 구멍의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1(B)의 가장 좌측의 사진은 레이저 입사 부위, 가운데의 사진은 레이저 출사 부위를 각각 보여주며, 가장 우측의 사진은 레이저 조사에 의해 만들어진 선행 구멍에 이방성 에칭까지 수행하여 최종적으로 만들어진 가공 구멍의 절단면을 보여주고 있다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 에칭 단계를 수행하기 전에는 레이저 입사 및 출사 부위에서 가공 대상물의 재질이 파손되어 가공 부위 주변이 지저분하게 되는 것을 알 수 있으며, 이로써 선행기술 1에 의해서 얻을 수 있는 가공 정밀도에도 한계가 있음을 알 수 있다.

한국등록특허 제0338667호("레이저를 이용한 다이아몬드 막의 가공 방법", 이하 선행기술 2)에서는, 도 1(C)에 도시된 바와 같이, 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공에 있어서, 저 열전달 밑판으로서 알루미나, 염화칼륨, 실리카, 유리, 내화벽돌, 용융실리카, 지르코니아, 뮬라이트, 스피넬, 마그네시아, 베릴리아, 탄화규소, 스텐레스강 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성되는 밑판을 다이아몬드막의 밑면에 위치시켜 다이아몬드막과의 열전달이 억제되도록 하고, 일정한 가공분위기 하에서 레이저빔을 상기 다이아몬드막의 표면에 초점이 형성되도록 하여 다이아몬드막을 가공하고, 가공이 진행됨에 따라 상기 레이저빔의 초점이 형성되는 위치를 밑으로 이동하며 레이저빔을 주사하는 것으로 이루어지는 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공 방법이 개시되어 있다. 도 1(D)는 선행기술 2에 의하여 만들어진 가공 형상의 두 실시예를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 어느 정도 고종횡비를 가지는 형상을 만들 수는 있겠으나, 특히 가공 대상물의 재질적인 한계가 존재한다는 문제가 있어, 다양한 분야로의 확대 적용이 어렵다.

이와 같이 종래의 가공 기술로는, 가공 형상의 정밀도 및 고종횡비를 높이는데 한계가 있어, 고종횡비를 가지는 미세 홀이나 선 형상을 가공할 수 있는 기술에 대한 연구 및 개발이 시급한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 매우 높은 수준의 순간 피크 강도를 얻을 수 있는 극초단 펄스 레이저인 펨토초 레이저를 이용하여 플라즈마를 발생시키고 이로써 형상 가공이 이루어지도록 함으로써 높은 정밀도로 고종횡비를 갖는 미세 형상을 가공할 수 있도록 하는, 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치는, 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서, 상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 레이저 광원(1)은 펄스폭이 펨토초 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 종횡비 5 내지 100 범위의 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 공기 중의 환경에서 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래의 기계적인 가공 기술로는 30mm 정도 이하의 형상을 가공할 수 없고, 또한 종래의 레이저 가공 기술로는 종횡비 2~3 정도 이하의 형상밖에는 가공할 수 없었던 한계를 벗어나, 가공 구멍 또는 선의 폭이 마이크로 단위 이하이면서도 종횡비가 5에서 수십 이상이 될 만큼 고종횡비의 형상을, 매우 높은 정밀도로 용이하게 가공할 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다.

특히 본 발명의 가공 장치는, 그 장치 자체의 구조가 복잡하지 않고 필요한 부품이 많지 않아 구현이 용이하고 장치의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 장치 설치 등에 필요한 기반 비용을 절약할 수 있는 효과도 있다. 무엇보다도, 기술 보호를 위하여 장비의 노출을 피하고자 하는 기업 등의 생산 주체 입장에서, 이와 같이 장치의 부피를 줄임으로써 기술 보안이 훨씬 용이해지게 해 주는 큰 효과가 있다.

도 1은 종래의 레이저를 이용한 고종횡비 형상 가공 기술.
도 2는 플라즈마 자기집속 채널링 현상.
도 3은 종래 및 본 발명의 미세 형상 가공 원리의 비교.
도 4는 본 발명의 미세 형상 가공 장치.
도 5는 종래 및 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 비교.
도 6은 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 플라즈마 자기집속 채널링(Plasma Self-Channeling), 플라즈마 채널링, 또는 플라즈마 자기 필라멘트라고 불리는 현상(이하에서는 간략히 '플라즈마 채널링'이라고 통칭함)을 이용하여 레이저 가공을 수행하도록 하는 것이 특징이다. 플라즈마 채널링 현상은 광양자(Photon) 빔이 공기 중에서 집속될 때 발생되는 물리 현상으로, 빔이 확산되지 않고 일정한 간격을 유지하며 빔이 전달되는 현상을 말한다. 도 2에는 이와 같은 플라즈마 채널링 현상이 실제로 일어났을 때의 형태 사진이 도시되어 있다.

이러한 플라즈마 채널링 현상은, 공기 중의 경우 순간 피크 강도(Peak Intensity)가 10¹⁴W/cm² 이상에서 발생된다. 플라즈마 채널링의 발생 메카니즘을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 커 효과(Kerr effect)란 자기장 속에 놓인 물질에 광파가 입사했을 때, 반사광의 편광 상태 또는 반사율이 자기장 즉 자화의 크기에 따라 변화하는 현상을 말하는데, 레이저 빔이 공기 중에서 커 효과에 의하여 자기집속을 일으키고, 이에 따라 공기 중에 플라즈마가 발생하게 된다. 이 때 플라즈마의 밀도 증가에 따른 굴절률 저감에 따라 자기-포커싱(self-focusing) 및 자기-디포커싱(self-defocusing) 현상이 둘 다 발생한다. 이에 따라 공기 중에서 레이저 빔이 자기가 유도하는 플라즈마와 상호 작용으로 인하여 일정 길이만큼 빔이 확산되지 않고 빔이 전달되는 현상이 나타나게 되며, 이를 플라즈마 채널링이라고 말하는 것이다.

도 3은 종래 및 본 발명의 미세 형상 가공 원리를 각각 도시하고 있다. 도 3(A)에 도시된 것이 종래의 레이저 가공 원리인데, 도시된 바와 같이 렌즈에 의해 집광되어 만들어진 초점(P) 위치에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공이 수행되도록 한다. 즉 종래의 레이저 가공에서는, 초점(P)이 맺혀지는 위치에서 상기 가공 대상물(50)이 에너지를 받아서 변형이 일어나도록 하는 이러한 원리로부터 알 수 있듯이, 형상 가공을 수행하고자 하는 위치에 초점이 맺혀지지 않으면 가공이 제대로 수행될 수 없다. 종횡비가 높지 않은 형상을 가공할 경우라면 이러한 특성이 큰 문제가 되지 않겠으나, 가공하고자 하는 형상의 종횡비가 높을 경우 가공 중 형상의 깊이가 깊어질수록 가공 부위에 초점을 맺기가 점차로 어려워지게 될 것은 자명하다. 따라서 이러한 종래의 레이저 가공 기법으로는 어느 한계 이상의 종횡비를 갖는 형상을 가공하기 어려운 것이다. (실제로 종래의 레이저 가공 기법으로는 종횡비 2~3 이상의 형상을 가공할 수 없다는 점이 잘 알려져 있다.)

본 발명은 도 3(B)와 같이, 플라즈마 채널링(S)이 일어난 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공이 수행되도록 하고 있다. 즉, 플라즈마 채널링(S)이 일어난 영역의 길이에 따라 상기 가공 대상물(50)에 형성되는 형상의 종횡비가 결정될 수 있게 될 것은 쉽게 예상할 수 있다. 이 때, 플라즈마 채널링(S)이 일어나는 영역은 도 2의 예시에서만도 200mm 정도 되는 경우가 있을 정도로 매우 길며, 미세 형상 가공에 있어서라면 실질적으로 가공하고자 하는 형상의 종횡비에 제한이 없다고 할 수 있는 정도가 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 미세 형상 가공 장치를 간략히 도시하고 있다. 본 발명의 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치는, 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서, 상술한 바와 같이 상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서는 상기 레이저 광원(1)에서 나오는 빔의 경로를 조절해 주기 위한 미러(mirror)가 더 구비되는 것으로 도시되어 있는데, 실제로 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)를 구성함에 있어서, 빔의 특성이나 경로를 조절하기 위하여 적절한 광학 부품들을 얼마든지 더 구비해도 무방하다. 즉 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1)과 빔의 집광 및 플라즈마 채널링을 발생시키는 집광 렌즈(2), 이 두 가지만 갖추어져 있다면 본 발명의 기술 사상 범위 내에 있다고 볼 수 있으며, 다른 어떤 부품이 더 구비된다 해도 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.

이 때, 플라즈마 채널링 현상이 발생하기 위해서는 상술한 바와 같이 공기 중의 경우 순간 피크 강도(Peak Intensity)가 10¹⁴W/cm² 이상이 되어야 하며, 이러한 조건을 만족시키려면 상기 레이저 광원(1)은 펄스폭이 펨토초 이하가 되도록 하여야 한다. 현재 펨토초 레이저는 어느 정도 상용화되어 사용되고 있으며, 펨토초 이하 즉 아토초 레이저는 아직 연구 단계에 있는 바, 가장 바람직하게는 상기 레이저 광원(1)은 펨토초 레이저인 것이 좋다.

또한 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는 공기 중의 환경에서 형상 가공을 수행하는 것이 특징이다. 상술한 바와 같이 플라즈마 채널링은 공기 중 환경에서도 레이저가 적절한 수준 이상의 에너지를 가지는 경우라면 용이하게 일어날 수 있다. 즉 본 발명의 장치를 실제 작동시키기 위해서, 불활성 가스를 채운다든가 진공을 만든다든가 하는 특별한 환경을 만들어줄 필요가 없이, 그냥 공기 중에서 장치를 구동하면 되는 것이다. 다시 말해서 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 작동을 위한 특수한 환경을 만들어 주어야 하는 제약이 없어, 장치의 제작 및 운용에 있어 비용 면에서나 운용의 용이성 면 등의 측면에서 매우 유리한 장점이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 플라즈마 채널링을 이용하여 상기 가공 대상물(50)에 형상 가공을 수행하게 된다. 이 때 미세 형상의 일반적인 사이즈 범위에 비추어 생각해 보면, 200mm 이상 형성되는 플라즈마 채널링 영역의 길이로 볼 때 가공할 수 있는 종횡비의 한계가 없다고까지 말할 수 있다. 도 5는 종래 및 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상을 비교하여 도시하고 있는데, 도시되어 있는 바와 같이 종래의 레이저 가공 방법으로는 종횡비 2~3 정도의 형상을 가공하는 것이 보통이었으나, 본 발명에 의하면 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 종횡비 5 내지 100 범위의 형상 가공을 수행할 수 있다.

또한 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 플라즈마 채널링이 일어나는 영역에서 형상 가공이 수행되는 바, 플라즈마 채널링 현상이 일어나는 부분의 폭에 따라 가공 형상의 사이즈가 결정될 것임을 예측할 수 있다. 그런데 플라즈마 채널링 부분의 폭은 매우 좁기 때문에, 실제로 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)에 의하면 구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 실시예를 도시하고 있다. 각 경우에 대한 재질, 가공 형상 조건, 가공 시 조사된 레이저 특성 조건은 각각 다음과 같다.

[도 6(A)]

■ 가공 대상물 재질: 사파이어(Sapphire)

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 17:1

■ 가공 형상의 직경: 입구 부분 15㎛, 구멍 중간쯤 부분 5㎛

■ 가공 형상의 깊이: 250㎛

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):

f: 150mm, P: 380mJ/Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

[도 6(B)]

■ 가공 대상물 재질: 실리카 유리(Silica glass)

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 80:1

■ 가공 형상의 직경: 입구 부분 50㎛

■ 가공 형상의 깊이: 4mm

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):

f: 250mm, P: 380mJ/Pulse, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

[도 6(C)]

■ 가공 대상물 재질: 루비(Ruby)

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 50:1

■ 가공 형상의 직경: 35㎛

■ 가공 형상의 깊이: 1.75mm

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):

f: 220mm, P: 380mJ/Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

도 6의 각 실시예들에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는 가공 대상물의 재질이 무엇이든 관계없이, 종래와 비교하였을 때 수십:1 정도의 엄청난 고종횡비의 형상을 매우 깨끗하게 가공할 수 있다. 특히 도 6(A)나 도 6(B)에 보이는 가공 형상 입구 부분의 사진을 보면, 종래의 레이저 가공 방법을 사용하였을 경우의 한 예시인 도 1(B)과 비교하여 보았을 때, 본 발명의 장치에 의한 가공 형상 부위는 종래의 경우와는 비교할 수조차 없을 만큼 깨끗하다는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)에 의하면, 종래에 비해 비약적으로 높은 종횡비의 형상을, 또한 엄청나게 높은 정밀도로 깨끗하게 가공할 수 있다는 것을 도 6의 예시들과 같이 실제로 확인할 수 있다.

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.

10: (본 발명의) 미세 형상 가공 장치
1: 레이저 광원
2: 집광 렌즈
50: 가공 대상물

Claims (5)

1. 펄스폭이 펨토초 이하인 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서,
   상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 종횡비 10 내지 100 범위의 형상 가공을 공기 중의 환경에서 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는
   구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
   
5. 삭제

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