KR101556376B1 - 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법에 관한 것으로, 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치는 시드도금액을 수용하며, 상기 시드도금액의 농도를 일정하게 조정하는 시드도금액농도유지수단이 구성된 시드도금조; 상기 시드도금조에 수용된 시드도금액에 담기는 피도금체; 상기 시드도금조의 상측에 구성되어 극초단 펄스 레이저를 설정된 패턴으로 수직조사하는 레이저빔조사부;로 이루어져, 상기 레이저빔조사부에서 극초단 펄스 레이저가 설정된 패턴으로 수직조사되면, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역에 피도금체의 표면거칠기가 상승 됨과 동시에, 표면거칠기가 상승 된 피도금체의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드의 패턴 형성이 무발열 반응으로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법은 피도금체를 시드도금조로 공급하는 피도금체 공급단계; 극초단 펄스 레이저를 설정된 수직조사하여 균일투사체와 시드도금액을 순차적으로 수직 투과시킴으로써, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역의 피도금체의 표면거칠기를 발열이 생기기 전에 상승시키는 레이저빔 조사단계; 표면거칠기가 상승 된 피도금체의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드가 무발열 반응으로 형성되는 도금시드 형성단계; 도금시드가 형성된 피도금체를 성장도금조로 이동시킴으로써, 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 피도금체에 형성되어 있는 도금시드의 크기를 성장시키는 도금시드 성장단계;로 이루어지되, 상기 도금시드 성장단계에서 사용되는 성장도금조에는 성장도금액의 농도를 측정하여 성장도금액의 농도를 일정하게 유지시키는 성장도금액농도유지수단이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법{A Laser enhanced ultra precision micro selective plating device and the method}

본 발명은 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 피도금체의 분자간 열 전달시간인 피코초보다 짧은 펨토초 혹은 이와 비슷한 피코초의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 조사하여 피도금체의 부분도금이 이루어지는 미세영역에서 발열 없이 분자구조를 끊을 수 있도록 함으로써 극초단 펄스 레이저의 조사 영역인 분자구조가 끊겨진 부분에만 마이크로 단위의 국부적인 도금시드를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 극초단 펄스 레이저가 진행하는 방향에 따라 편광의 진동방향을 바꿔주는 편광제어장치와, 텔레센트릭 렌즈가 포함된 각도조정장치와, 시드도금액의 계면산란 및 굴절을 방지해주는 균일투사체와, 농도유지장치를 이용하여 기존의 방법으로는 구현할 수 없었던 수 마이크로 단위의 정밀 부분도금 패턴을 정확하고 균일하게 구현할 수 있으며, 도금시드가 형성된 피도금체를 성장도금조를 통과시키는 과정에서 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 도금시드의 성장을 이룰 수 있음은 물론, 시드도금액과 성장도금액의 농도를 농도유지수단을 통해 항상 일정하게 유지할 수 있는 것을 통해 도금시드의 두께를 원하는 두께로 균일하게 형성할 수 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법에 관한 것이다.

일반적으로 도금이란, 물건의 표면 상태를 개선할 목적으로 금속의 표면에 다른 금속 또는 합금의 얇은 층을 입히는 것을 말하며, 도금의 종류에는 전기도금, 양극 산화 피막처리, 인산염 피막처리, 무전해 도금 등이 있으나, 통상적으로 전기도금을 가리킨다.

그리고, 전기도금은 전기화학적 분해를 이용한 것으로 양극에는 도금시킬 금속재료를, 음극에는 도금될 제품을 전기적으로 연결시켜 양극에서의 용해와 음극에서의 금속이온을 석출시키는 방법이다.

한편, 물건의 표면 일부 영역에만 도금 처리를 하는 것을 선택적 도금 또는 부분 도금(selective plating)이라 칭하는데, 부분 도금을 위한 방식에는 피도금체를 부분적으로 도금 용액에 담그는 방식과, 노즐을 이용하여 부분적으로 도금용액을 분사하는 방식과, 부직포 등의 흡수체를 이용하여 도금 용액을 원하는 부위에 묻히는 방식과, 도금 패턴을 미리 마스크로 제작하여 노광, 에칭 공정에 의하는 방식이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 부분 도금 방식에 의하면 피도금체의 미세한 일부분을 도금 용액에 담그는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 노즐을 이용하여 미세한 선을 형성하도록 분사하는 것이 불가능하며, 흡수체를 이용하여 미세한 부분에 묻히는 것이 불가능하므로 복잡한 형상의 패턴, ㎛단위의 마이크로 패턴을 형성할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 일부 영역에만 도금 처리를 하기 위해 마스크를 제작하고, 피도금체를 노광, 현상, 에칭하는 등 복잡한 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었으며, 노광, 에칭 공정을 하는 경우 다양한 도금패턴을 형성하기 위해 마스크를 각 도금 패턴마다 별도로 다수 제작해야 하므로 비용이 많이 드는 문제점과 에칭액에 의한 환경 오염의 문제가 대두 되었다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하고자 등록특허공보 제10-1116783호와 같은 레이저를 이용한 부분 도금 장치 및 부분 도금 방법이 개발되었다.

그러나, 전술한 종래의 레이저를 이용한 부분 도금 장치 및 부분 도금 방법을 이용하면, 이송 부재에 의해 이송되는 피도금체로 인해 도금액의 출렁거림이 발생하기 때문에 수직으로 조사되는 레이저빔의 산란과 굴절이 발생되어 피도금체의 원하는 부분에 도금을 정확히 이루기 어려운 문제가 있었을 뿐만 아니라, 지속적인 도금에 의해 도금액의 농도가 저감되므로 도금이 균일하게 이루어지지 못하는 문제가 있었다.

또한, 전술한 종래의 기술은 도금이 일어나는 임계치 바로 아래로 설정하고 도금을 원하는 부위에 레이저를 주사하여 국부적인 온도상승으로 해당영역의 임계치를 떨어뜨려 구현하는 부분도금 방식으로, 열이 전달되는 영역이 초점 스팟 보다 항상 크기 때문에 미세 부분도금을 구현하는데 한계가 있었으며, 피도금체의 표면 상태에 따라 레이저의 흡수율이 달라지기 때문에 발열량의 차이에 의해 도금의 두께가 일정하게 유지되지 못하는 문제가 있었다.

그리하여, 본 출원인은 도금의 정확성과 균일성을 높일 수 있는 레이저를 이용한 마이크로 도금 장치를 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법은 피도금체의 분자간 열 전달시간인 피코초보다 짧은 펨토초 혹은 이와 비슷한 피코초의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 조사하여 피도금체의 부분도금이 이루어지는 미세영역에서 발열 없이 분자구조를 끊을 수 있도록 함으로써, 극초단 펄스 레이저의 조사 영역인 분자구조가 끊겨진 부분에만 마이크로 단위의 국부적인 도금시드를 형성할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 극초단 펄스 레이저가 진행하는 방향에 따라 편광의 진동방향을 바꿔주는 편광제어장치와, 텔레센트릭 렌즈가 포함된 각도조정장치와, 시드도금액의 계면산란 및 굴절을 방지해주는 균일투사체와, 농도유지장치를 이용하여 기존의 방법으로는 구현할 수 없었던 수 마이크로 단위의 정밀 부분도금 패턴을 정확하고 균일하게 구현할 수 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법을 제공하는데 목적이 있다.

아울러, 본 발명은 도금시드가 형성된 피도금체를 성장도금조를 통과시키는 과정에서 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 도금시드의 성장을 이룰 수 있고, 시드도금액과 성장도금액의 농도를 농도유지수단을 통해 항상 일정하게 유지할 수 있는 것을 통해 도금시드의 두께를 원하는 두께로 균일하게 형성할 수 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시드도금액을 수용하며, 상기 시드도금액의 농도를 일정하게 조정하는 시드도금액농도유지수단이 구성된 시드도금조; 상기 시드도금조에 수용된 시드도금액에 담기는 피도금체; 상기 시드도금조의 상측에 구성되어 극초단 펄스 레이저를 설정된 패턴으로 수직조사하는 레이저빔조사부;로 이루어져, 상기 레이저빔조사부에서 극초단 펄스 레이저가 설정된 패턴으로 수직조사되면, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역에 피도금체의 표면거칠기가 상승 됨과 동시에, 표면거칠기가 상승 된 피도금체의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드의 패턴 형성이 무발열 반응으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치를 제공한다.

더불어, 본 발명은 피도금체를 시드도금조로 공급하는 피도금체 공급단계; 극초단 펄스 레이저를 설정된 수직조사하여 균일투사체와 시드도금액을 순차적으로 수직 투과시킴으로써, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역의 피도금체의 표면거칠기를 발열이 생기기 전에 상승시키는 레이저빔 조사단계; 표면거칠기가 상승 된 피도금체의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드가 무발열 반응으로 형성되는 도금시드 형성단계; 도금시드가 형성된 피도금체를 성장도금조로 이동시킴으로써, 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 피도금체에 형성되어 있는 도금시드의 크기를 성장시키는 도금시드 성장단계;로 이루어지되, 상기 도금시드 성장단계에서 사용되는 성장도금조에는 성장도금액의 농도를 측정하여 성장도금액의 농도를 일정하게 유지시키는 성장도금액농도유지수단이 포함되어 구성되는 것을 특징이 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법을 제공한다.

본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치 및 부분도금방법을 이용하면, 피도금체의 분자간 열 전달시간인 피코초보다 짧은 펨토초 혹은 이와 비슷한 피코초의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 조사함으로써 피도금체의 부분도금이 이루어지는 미세영역에서 발열 없이 분자구조를 끊을 수 있으므로, 극초단 펄스 레이저의 조사 영역인 분자구조가 끊겨진 부분에만 마이크로 단위의 국부적인 도금시드를 형성할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 극초단 펄스 레이저가 진행하는 방향에 따라 편광의 진동방향을 바꿔주는 편광제어장치와, 텔레센트릭 렌즈가 포함된 각도조정장치와, 시드도금액의 계면산란 및 굴절을 방지해주는 균일투사체와, 농도유지장치를 이용하여 기존의 방법으로는 구현할 수 없었던 수 마이크로 단위의 정밀 부분도금 패턴을 정확하고 균일하게 구현할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명은 도금시드가 형성된 피도금체를 성장도금조를 통과시키는 과정에서 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 도금시드의 성장을 이룰 수 있고, 시드도금액과 성장도금액의 농도를 농도유지수단을 통해 항상 일정하게 유지할 수 있는 것을 통해 도금시드의 두께를 원하는 두께로 균일하게 형성할 수 있는 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 편광제어크리스탈의 각도 회전을 통해 편광각도를 제어하는 상태를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 위치제어장치를 이용하여 반사각을 변경시킴으로써 레이저를 수직 아래의 2차원 평면에 조사하는 원리도.
도 4는 사선으로 입사되는 레이저가 밀도 차이에 의해 진행각도가 변경되는 상태를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 피도금체에 수직방향으로 입사된 레이저가 밀도에 관계 없이 수직조사되는 상태를 도시한 개략도.
도 6, 7은 본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치에 시드도금액농도유지수단이 설치된 상태를 도시한 단면도.
도 8은 도 3은 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 도금 방법을 도시한 순서도.
도 9는 본 발명의 도금시드 성장단계를 도시한 개략도.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 레이저를 이용하여 초정밀 미세 부분도금을 이루는 설비 및 방법에 관한 것으로, 도 1 또는 도 6, 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치(100)는 시드도금조(10), 피도금체(20), 레이저빔조사부(30)로 이루어진다.

첫째, 시드도금조(10)는 내부에 시드도금액을 수용하기 위한 구성으로, 피도금체(20)의 입,출입은 물론 상기 피도금체(20)를 입구에서 출구방향으로 이동시키는 이송수단(미도시)의 설치 및 이동을 위해 서로 대향 되는 방향에 입구(미도시)와 출구(미도시)가 형성된다.

여기서, 상기 이송수단은 극초단 펄스 레이저와 시드도금액을 통해 초정밀 미세 부분도금이 이루어지는 피도금체(20)를 안전하게 이동시키기 위한 구성으로, 입구에서부터 출구까지 무한궤도 이동되는 통상의 컨베이어 등으로 용이하게 이룰 수 있을 것이다.

그리고, 상기 시드도금조(10)에 구성된 입구와 출구는 시드도금조(10)의 상부보다 높은 위치에 형성함으로써 시드도금조(10)의 상부까지 꽉 채워진 시드도금액이 입구와 출구를 통해 외부로 새는 것이 방지되도록 해야 할 것이다.

둘째, 피도금체(20)는 전술한 바와 같이 상기 시드도금조(10)의 내부에 수용되어 시드도금액에 담기는 구성으로, 이송수단을 통해 시드도금조(10)의 입구에서 출구방향으로 이동되며, 상기 이송수단을 통한 이동중에는 레이저빔조사부(30)에서 조사되는 극초단 펄스 레이저와 시드도금액에 의해 상기 극초단 펄스 레이저가 조사된 피도금체(20)의 부분에만 국부적인 미세 부분도금이 이루어진다.

셋째, 레이저빔조사부(30)는 상기 시드도금조(10)의 상측에 구성되어 극초단 펄스 레이저를 하측 방향으로 수직조사함으로써 시드도금액 내에 이동 또는 정지해 있는 피도금체(20)의 표면에 피도금체의 분자간 열 전달시간인 피코 초보다 짧은 펨토 초 혹은 이와 비슷한 피코 초의 펄스폭을 갖는 극초단 펄스 레이저를 미세한 초점으로 집광시켜주는 구성이다.

따라서, 레이저빔조사부(30)에서 극초단 펄스 레이저가 설정된 패턴으로 수직조사되면, 시드도금액을 투과한 극초단 펄스 레이저의 레이저펄스에너지에 의해 분자구조가 진동하고, 그 진동이 주변 분자로 전해지는 일련의 발열과정이 일어나기 전에 피도금체(20)에 조사된 레이저스팟의 영역 내에 있는 분자고리가 끊기게 된다.

그리고, 이와 같이 끊어진 분자구조에 의해 피도금체(20)의 레이저 피조사영역은 그 표면거칠기(Surface roughness)가 급격하게 상승하게 되어 표면거칠기가 급격히 상승된 피도금체(20)의 표면 사이로 시드도금액이 안착 되며, 이를 통해, 상기 피도금체(20)에 시드도금(1)이 설정된 패턴으로 형성되는 작용이 이루어진다.

이때, 극초단 펄스 레이저의 조사와 분자구조 끊어짐 및 끊어진 분자구조 사이에 시도드금액이 안착되는 것은 무발열 반응로 실시간으로 일어나기 때문에, 피도금체(20)에 도금시드를 형성할 때에 열에 의한 레이저스팟 주변부의 도금현상을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이를 통해 수 마이크로 단위의 미세 영역의 부분도금을 용이하게 이룰 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 상기 레이저빔조사부(30)는 극초단 펄스 레이저를 조사하는 통상의 레이저장치와 상기 레이저장치의 움직임을 제어할 수 있도록 하는 통상의 제어부를 포함하여 구성되어, 제어부를 통해 패턴을 입력하면, 입력된 패턴을 따라 레이저장치가 이동하면서 극초단 펄스 레이저를 수직조사하는 작용을 한다.

아울러, 상기 레이저빔조사부(30)에는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 극초단 펄스 레이저 발생장치(31)와, 편광제어크리스탈(33a)을 회전시키는 회전모터(33b)로 이루어져 편광각도를 제어해주는 편광제어장치(33)와, 극초단 펄스 레이저의 단면적을 증가시키는 빔모드제어장치(35)와, 수직으로 설치되는 제1, 2반사미러(37a, 37b)를 제1, 2정밀모터(37c, 37d)로 제어함으로써, 상기 제1, 2반사미러(37a, 37b)의 각도조절을 이루어 피도금체(20)에 조사되는 극초단 펄스 레이저의 위치를 조절하는 위치제어장치(37)와, 텔레센트릭 렌즈(39a)를 구성하여 조사되는 극초단 펄스 레이저를 수직방향으로 변경시켜 조사하는 각도보정장치(39);가 포함되어 구성된다.

따라서, 극초단 펄스 레이저 발생장치(31)로부터 나오는 극초단 펄스 레이저는 편광제어장치(33)와, 빔모드제어장치(35)와, 위치제어장치(37)와, 각보보정장치(39)의 집광 텔리센트릭 렌즈(39a)를 통해 피도금체(20)에 조사된다.

그리고, 상기와 같이 피도금체(20)에 조사된 극초단 펄스 레이저는 그 편광의 진동방향과 레이저의 진행방향의 각도가 서로 수직일 때는 시드 형성이 가장 용이하고, 서로 수평일 때에는 가장 낮은 시드 형성 결과를 얻었다.

때문에, 피도금체(20)의 모든 영역에서 동일한 품질의 시드를 얻기 위해서는 편광의 진동방향이 레이저의 진행방향과 항상 수직이 될 수 있도록 편광제어크리스탈(33a)의 각도를 회전시켜 편광각도를 제어해야 한다.

아울러, 편광제어크리스탈(33a)의 회전 각도에 따른 편광 진동방향의 각도 변화는 복굴절 성질에 의해 편광의 방향에 따라 각기 다른 굴절률을 갖는 물질로 제작된 편광제어크리스탈(33a)을 편광의 진동방향을 회전시키려는 방향(33c)의 각도(θ)에 절반(θ/2) 만큼 회전시키게 되면 레이저빔의 편광 진동방향의 각도는 그 두배 만큼의 회전각(θ)을 얻을 수 있다.

여기서, 편광제어크리스탈(33a)의 회전을 컨트롤하는 모터(33b)는 부분도금의 형상 정보가 있는 캐드 파일로부터 자동적으로 계산됨으로써 항상 레이저의 진행 방향과 수직방향으로 유지될 수 있도록 프로그램될 수 있을 것이다.

또한, 상기 편광제어장치(33)를 통과한 극초단 펄스 레이저는 빔모드제어장치(35)를 통해 단면적이 증가되게 되는데, 이는, 아래에 명시된 수식에 의해 계산될 수 있으며, 피도금체(20)에 원하는 크기 만큼의 부분도금을 얻기 위한 적절한 크기의 단면적으로 레이저빔을 확장시키게 된다. 그리고, 상기 편광제어장치에는 단면적 내의 에너지 분포가 중앙에만 집진 되지 않고 고르게 분포될 수 있도록 하는 통상의 빔 균질장치가 더 포함되어 구성될 수 있다.

d₀ = M²(4λ/πθ)

d₀ : 초점 스팟 사이즈 M² : 레이저 품질 팩트

λ : 레이저 파장 θ : 집광렌즈로 입사되는 레이저의 단면적

또한, 상기와 같이 빔모드제어장치(35)을 통과한 극초단 펄스 레이저는 그 진행방향과 수평으로 하부에 배치되어있는 피도금체(20)에 조사되기 위하여 2개의 반사미러(37a, 37b)를 수직으로 배열하고 이를 정밀모터(37c, 37d)에 각각 연결하여 각도를 변경함으로 2차원 평면에 빔을 조사시킬 수 있는 위치제어장치(37)로 입사되게 된다. 여기서 두 장의 반사미러(37a, 37b)를 수직을 배열하고 해당 반사미러(37a, 37b)를 정밀모터(37c, 37d)로 회전시킴으로 반사각을 변경시켜 레이저를 수직 아래의 2차원 평면에 조사하는 원리는 도 3에 도시하였다.

이는, 레이저를 사용하는 산업용 설비에서 통상적으로 사용하는 스켄헤드모듈이므로, 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 상기 위치제어장치(37)는 언급한 바와 같이 반사미러를 회전시켜 레이저빔의 반사각도를 변경시킴으로 피도금체(20)에 레이저를 조사하기 때문에 중앙부분의 레이저 조사각도와 외곽부의 레이저 조사각도는 서로 상이할 수밖에 없다.

아울러, 통상의 방법과 달리 본 발명에서는 레이저빔이 기체인 공기중에서 액체인 시드도금액(10a)을 통과하여 피도금체(20)에 조사되며, 이때 공기와 시드도금액(10a)의 계면에서 공기와 도금액의 서로 다른 밀도에 계면굴절현상이 일어나게 된다.

때문에 도 4에 도시된 바와 같이 사선으로 입사되는 레이저(31a)는 밀도가 공기와 상이한 시드도금액(10a)를 통과하면서 원래의 레이저 진행각도(31b)가 아닌 굴절된 각도(31c)로 변경되어 진행되어 지며, 이를 시드도금액(10a)의 밀도와 입사되는 각도를 수학적인 계산에 의해 굴절율을 찾아내어 조사지점을 보정할 수 있으나, 실시간으로 변화하고 있는 시드도금액(10a)의 농도를 감안할 때 수 마이크로 이내로 보정 하기란 현실적으로 불가능하다.

그러나, 도 5에 도시된 바와 같이 레이저(31a)가 수직으로 입사되면, 시드도금액(10a)의 밀도와 상관없이 항상 처음 목표로 했던 지점에 정확하게 레이저(31a)를 조사할 수 있으므로, 본 발명에서는 이와 같은 방식을 이용하여 도금액의 미세한 밀도변화에도 전혀 상관없이 항상 정밀한 위치에 레이저빔을 조사할 수 있도록 하였다.

전술한 방식을 구현하기 위해 각도제어방식으로 2차원 평면에 조사하는 위치제어장치(37)는 도 1에 도시된 바와 같이 레이저를 항상 수직으로 변경시켜 조사시킬 수 있는 각도보정장치(39)를 포함할 수 있으며, 이를 구현하기 위해서는 상기 각도보정장치는 복 수개로 구성된 텔레센트릭 렌즈(39a)를 사용할 수 있다.

한편, 상기와 같이 각도보정장치(39)를 통과한 극초단 펄스 레이저는 피도금체(20)에 수직으로 조사되고 있으나, 이송수단의 이송에 따른 시드도금액의 미세한 출렁거림으로 계면 산란이 일어난다. 또한 밀도가 낮은 공기중에서 밀도가 높은 액체로 레이저가 투과되기 때문에 계면에서 표면반사가 일어나게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 시드도금조(10)에 극초단 펄스 레이저가 시드도금액으로 조사되는 과정에서 계면산란, 굴절, 반사되지 않은 상태로 피도금체(20)에 조사될 수 있도록 하면이 시드도금액이 잠기게 설치되는 균일투사체를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 구성을 통하면, 발생할 수 있는 모든 오차가 상쇠되어 정밀한 위치에 조사되므로, 극초단 펄스 레이저가 조사되는 스팟 초점이 1마이크로에서 25마이크로 사이의 크기로 조사할 수 있게 된다.

그리고, 상기 균일투사체(40)는 극초단 펄스 레이저가 용이하게 투과할 수 있는 투명 석영유리로 구성되거나 이에 상응하는 밀도와 투과율을 가진 여타 다른 재질의 유리로 구성되는 것이 바람직한데, 상기와 같이 투명 석영유리로 구성된 균일투사체(40)의 양면에는 밀도가 낮은 공기중에서 밀도가 높은 유리로 레이저가 조사되면서 일어날 수 있는 계면 반사를 상쇠시키기 위한 무반사 코팅처리되는 것이 더욱 바람직하다.

아울러, 상기 균일투사체(40)는 피도금체와 항상 동일한 거리를 유지함으로 극초단 펄스 레이저가 시드도금액 내에서 진행되는 거리를 일정하게 유지시켜주는 것이 바람직한데, 이를 위하여 상기 균일투사체(40)는 시드도금조(10)에 고정설치되거나, 레이저빔조사부(30)에 고정되어 그 높이를 정밀하게 조절할 수 있도록 제작하는 것이 바람직하며, 이와 같은 구성은 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 구현할 수 있는 구성이므로, 자세한 설명은 생략한다.

더불어, 상기 균일투사체(40)를 투과한 극초단 펄스 레이저가 시드도금액을 많은 층을 투과한 후 피도금체(20)에 도달하게 되면, 시드도금액 내에서 흡수 및 손실되는 양에 의해 조사된 피도금체(20)에서 도금을 위한 최적을 시드 형성조건을 얻을 수 없으므로, 이를 방지하기 위하여 균일투사체(40)와 피도금체(20)와의 거리는 최소화되는 것이 바람직하다.

덧붙여, 본 발명의 레이저빔조사부(30)에서는 레이저 펄스의 반복 주파수를 단펄스에서부터 200kHz사이에서 변경될 수 있고, 펨토 초의 극초단 펄스 레이저의 비선형 흡수현상을 이용하므로, 피도금체(20)와 도금물질에 모두 흡수율이 좋은 파장의 레이저를 사용하는 종래의 기술보다 그 제한범위가 넓어 용이한 미세부분도금을 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 시드도금조(10)에는 시드도금액의 농도를 일정하게 조절하는 시드도금액농도유지수단(50)가 더 포함되어 구성되는 것이 바람직한데, 이와 같은 시드도금액농도유지수단(50)은 유입구(51)와 유출구(53)를 형성하여 시드도금조(10)에 수용된 시드도금액을 순환시키는 순환관(53)과, 상기 순환관(53)에 설치되는 농도유지장치(55)로 용이하게 구성할 수 있으며, 상기 농도유지장치(55)에는 시드도금액의 농도를 높일 수 있도록 도금원액을 공급하는 도금원액조(55a)와 상기 도금원액의 농도를 적정하게 희석하는 희석액조(55b)가 더 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.

따라서, 전술한 바와 같이 균일투사체(40)와 피도금체(20)의 거리가 최소화되어 균일투사체(40)와 피도금체(20) 사이에 시드도금액이 적게 형성된 것에 의해, 극초단 펄스 레이저를 이용한 도금시드 형성시, 시드도금액의 농도가 빠르게 낮아진다 하더라도 농도유지장치(55)을 통해 시드도금액의 농도가 항상 일정하게 유지되게 되며, 이와 같은 시드도금액의 농도유지에 의해 마이크로 부분 도금시드 형성이 모든 영역에서 지속적으로 균일하게 이루어지게 된다.

그리고, 상기 농도유지장치(50)에는 시드도금조(10) 또는 순환관(53)에 설치되어 시드도금액의 농도를 감지하는 농도측정센서(56)와, 연결호스(57)를 통해 상기 순환관(53)에 연결설치되는 보충도금액저장부(58)와, 상기 농도측정센서(56)의 감지에 따라 보충도금액저장부(58)에 저장된 보충도금액이 순환관(53)으로 공급되도록 작동하는 펌프(59)를 더 포함하여 구성함으로써 시드도금액의 순환에 따른 농도유지를 용이하게 이룰 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명이 작동되면, 통상의 이송수단을 통해 피도금체(20)가 시드도금조(10)로 투입되어 상기 피도금체(20)가 도금액에 담긴다.(S10)

그 후에는, 레이저빔조사부(30)의 작동을 통해 극초단 펄스 레이저가 설정된 패턴으로 수직조사되는 작용이 이루어지는데, 이와 같이 설정된 패턴으로 수직으로 조사되는 극초단 펄스 레이저는 균일투사체(40)와 도금액을 순차적으로 투과하여 피도금체(20)에 수직 조사된다.(S20)

그리고, 상기와 같이 극초단 펄스 레이저가 피도금체(20)에 설정된 패턴으로 수직 조사되면, 피도금체(20)에 조사된 극초단 펄스 레이저의 에너지에 의해 분자구조가 진동하는 작용이 이루어지고, 그 진동이 주변 분자로 전해지는 일련의 발열과정이 일어나기 전에 피도금체에 조사된 레이저스팟 영역 내에 있는 분자고리가 끊기게 된다.

아울러, 끊어진 분자구조에 의해 피도금체(20)의 레이저 피조사영역은 그 표면거칠기(Surface roughness)가 급격하게 상승하게 되므로, 표면거칠기가 급격히 상승된 피도금체(20)의 표면 사이로 시드도금액이 안착되는 작용이 이루어져, 상기 피도금체(20)에 시드도금(1)이 설정된 패턴으로 형성된다.(S30)

더불어, 극초단 펄스 레이저의 조사와 분자구조 끊어짐 및 끊어진 분자구조 사이에 시도드금액이 안착되는 것은, 무발열 반응로 실시간으로 일어나기 때문에, 피도금체(20)에 도금시드를 형성할 때에 열에 의한 레이저 스팟 주변부의 도금현상을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이를 통해 수 마이크로 단위의 미세 영역의 부분도금을 용이하게 이룰 수 있는 작용효과가 있다.

상기와 같이 피도금체(20)의 표면에 도금시드(1)를 패턴으로 형성한 후에는, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 피도금체(20)를 통상의 성장도금액이 수용되어 있는 성장도금조(60)로 이동시켜 통상의 전해도금 또는 무전해도금 공정을 거치게 함으로써, 상기 피도금체(20)에 형성된 도금시드(1)를 원하는 크기로 성장시켜 일정한 두께로 만든다.(S40)

여기서, 상기 도금시드성장단계(S40)에서는, 도금시드형성단계(S30)에서 피도금체(20)에 도금시드(1)가 심겨지기만 하면 도금시드(1)가 피도금체(20)에 심겨진 양에 상관없이 일정한 두께의 도금을 구형할 수 있기 때문에 원하는 일정 두께의 도금 패턴을 피도금체(20)에 용이하게 형성할 수 있는 작용효과가 있으며, 상기 도금시드(1)의 성장 크기는 무전해 도금을 행하는 시간 등의 조절을 통해 손쉽게 이룰 수 있다.

그리고, 상기 성장도금조(60)에는 시드도금조(10)와 마찬가지로 성장도금액의 농도를 일정하게 유지시킬 수 있는 성장도금액농도유지수단(70)이 더 포함되어 구성될 수 있는데, 상기 성장도금액농도유지수단(70)은 전술한 시드도금액농도유지수단(50)과 동일한 구성으로 이룰 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명에서는 피도금체(20)에 도금을 하기 전과, 도금을 이룬 후에는, 상기 피도금체(20)를 각각 깨끗이 세척하는 통상의 세척공정을 수행하는 것이 바람직한데, 피도금체(20)에 도금시드(1)가 형성된 이후에는, 세척과정에서 도금시드(1)가 보호될 수 있도록 초순수 또는 디아이워터(DEIONIZED WATER)를 통한 세척을 하는 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 성장도금조(60)를 거쳐 도금이 완료된 피도금체(20)는 또 한번의 세척과정을 거침으로써 피도금체(20)의 표면에 남아 있는 도금액을 완벽하게 제거하는 것이 바람직한데, 이때 세척과정은 세척효율의 증가 및 속도의 향상을 위해 고압 선형 분사노즐을 통해 분사되는 초수순 또는 디아이워터를 이용하는 것이 더욱 바람직하며, 피도금체(20)의 세척이 완료된 다음에는, 필요에 따라 도금 패턴을 수정한 후, 건조작업을 거치는 것으로 본 발명의 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법을 이용한 피도금체(20)의 도금을 완료할 수 있을 것이다.

더불어, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 기재한 것이지만, 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적인 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 변경하여 실시할 수도 있을 것이다.

1 : 도금시드
10 : 시드도금조 10a : 시드도금액 20 : 피도금체
30 : 레이저빔조사부 31 : 레이저 발생장치 31a : 레이저 31b : 원래의 레이저 진행각도 31c : 레이저가 굴절된 각도 33 : 편광제어장치 33a : 편광제어크리스탈 33b : 회전모터 33c : 편광의 진동방향을 회전시키려는 방향 35 : 빔모드제어장치 37 : 위체제어장치 37a, 37b : 제1, 2반사미러 37c, 37d : 제1, 2정밀모터 39 : 각도보정장치 39a : 텔레센트릭 렌즈
40 : 균일투사체
50 : 시드도금액농도유지수단 51 : 유입구 52 : 유출구 53 : 순환관 55 : 농도유지장치 55a : 도금원액조 55b : 희석액조 56 : 농도측정센서 57 : 연결호스 58 : 보충도금액저장부 59 : 펌프
60 : 성장도금조 70 : 성장도금액농도유지수단
100 : 레이저를 이용한 마이크로 도금 장치

Claims (10)

1. 시드도금액을 수용하며, 상기 시드도금액의 농도를 일정하게 조정하는 시드도금액농도유지수단(50)이 구성된 시드도금조(10);
   상기 시드도금조(10)에 수용된 시드도금액에 담기는 피도금체(20);
   상기 시드도금조(10)의 상측에 구성되어 극초단 펄스 레이저를 설정된 패턴으로 수직조사하는 레이저빔조사부(30);로 이루어져,
   상기 레이저빔조사부(30)에서 극초단 펄스 레이저가 설정된 패턴으로 수직조사되면, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역에 피도금체(20)의 표면거칠기가 상승 됨과 동시에, 표면거칠기가 상승 된 피도금체(20)의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드(1)의 패턴 형성이 무발열 반응으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저빔조사부(30)는,
   극초단 펄스 레이저를 발생시키는 극초단 펄스 레이저 발생장치(31);
   편광제어크리스탈(33a)을 회전시키는 회전모터(33b)로 이루어져 편광각도를 제어해주는 편광제어장치(33);
   극초단 펄스 레이저의 단면적을 증가시키는 빔모드제어장치(35);
   수직으로 설치되는 제1, 2반사미러(37a, 37b)를 제1, 2정밀모터(37c, 37d)로 제어함으로써, 상기 제1, 2반사미러(37a, 37b)의 각도조절을 이루어 피도금체(20)에 조사되는 극초단 펄스 레이저의 위치를 조절하는 위치제어장치(37);
   텔레센트릭 렌즈(39a)를 구성하여 조사되는 극초단 펄스 레이저를 수직방향으로 변경시켜 조사하는 각도보정장치(39);를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 시드도금조(10)에는, 극초단 펄스 레이저가 시드도금액으로 조사되는 과정에서 계면산란, 굴절, 반사되지 않은 상태로 피도금체(20)에 조사될 수 있도록, 하면이 시드도금액에 잠기는 균일투사체(40)가 더 포함되어 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 균일투사체(40)는 투명 석영유리에 무반사 코팅처리하여 제작되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치.
   
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 시드도금액농도유지수단(50)은,
   유입구(51)와 유출구(52)를 형성하여 시드도금조(10)에 수용된 시드도금액을 순환시키는 순환관(53);
   상기 시드도금조(10)에 설치되어 농도를 감지하는 농도측정센서(56)와, 연결호스(57)를 통해 상기 순환관(53)에 연결설치되는 보충도금액저장부(58)와, 상기 농도측정센서(56)의 감지에 따라 보충도금액저장부(58)에 저장된 보충도금액이 순환관(53)으로 공급되도록 작동하는 펌프(59)로 구성된 농도유지장치(55)로 이루어진 것에 특징이 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금장치.
   
7. 피도금체(20)를 시드도금조(10)로 공급하는 피도금체 공급단계(S10);
   극초단 펄스 레이저를 설정된 패턴으로 수직조사하여 균일투사체(40)와 시드도금액을 순차적으로 수직 투과시킴으로써, 극초단 펄스 레이저가 조사된 영역의 피도금체(20)의 표면거칠기를 발열이 생기기 전에 상승시키는 레이저빔 조사단계(S20);
   표면거칠기가 상승 된 피도금체(20)의 표면 사이로 시드도금액이 침투되어 도금시드(1)가 무발열 반응으로 형성되는 도금시드 형성단계(S30);
   도금시드(1)가 형성된 피도금체(20)를 성장도금조(60)로 이동시킴으로써, 전해도금 또는 무전해도금으로 상기 피도금체(20)에 형성되어 있는 도금시드(1)의 크기를 성장시키는 도금시드 성장단계(S40);로 이루어지되,
   상기 도금시드 성장단계(S40)에서 사용되는 성장도금조(60)에는 성장도금액의 농도를 측정하여 성장도금액의 농도를 일정하게 유지시키는 성장도금액농도유지수단(70)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 레이저빔 조사단계(S20)에서 조사되는 극초단 펄스 레이저는 정해진 패턴으로 조사되어 도금시드 형성단계(S30)에서 피도금체(20)에 형성되는 도금시드(1)가 패턴을 형성하는 것에 특징이 있는 레이저를 이용한 초정밀 미세 부분도금방법.
   
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