KR102363046B1 - 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극초단 펄스 레이저, 특히 펨토초 레이저를 이용하여 마이크로 홀을 가공하는 방법에 관한 것으로, 박막시트의 분리와 적층에 사용되는 진공플레이트에 형성되는 마이크로 홀 내면의 표면 거칠기를 향상시키면서도 진원도와 원통도를 확보하여 마이크로 홀의 품질을 높이고, 가공속도의 향상에 따른 생산성을 극대화할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀의 가공방법은, 박막 세라믹 시트, 박막 금속 시트, 박막 코팅 필름 등을 흡착하여 이송하고 적층하기 위한 상부금형에 형성되는 마이크로 홀의 가공방법에 있어서,
상기 상부금형의 두께방향으로 n(n은 2이상의 자연수)개의 단층을 설정하고, 상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 소정의 패턴으로 조사하여 차기의 단층까지의 두께로 홀을 2D 가공하고, Z축 방향으로 1/n 씩 상기 레이저의 초점을 하강시키면서 순차적으로 상기 단층에 상기 펨토초 레이저를 조사함으로써 홀을 천공하는 단계와;
상기 홀의 내면을 따라 상기 펨토초 레이저를 3D 형상으로 조사함으로써 가공할 상기 마이크로 홀의 직경치수를 맞추고 홀 내면의 표면거칠기를 향상시키는 보오링 단계와;
레이저 가공시에 발생할 수 있는 버(burr)의 생성 및 박막 시트의 눌림, 뜯김, 찢김현상 등의 박막 시트의 손상을 방지하기 위해 상기 홀의 입구측 가장자리 주변을 챔퍼링하거나 라운딩 가공하는 단계; 를 포함하여 구성된 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법을 제공한다.

Description

펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀 가공방법{A method for processing micro-hole of upper mold used for laminating a thin film sheet using femtosecond pulsed laser}

본 발명은 극초단 펄스 레이저, 특히 펨토초 레이저를 이용하여 박막 시트를 이송하거나 적층할 때 사용하는 상부금형의 마이크로 홀을 가공하는 방법에 관한 것으로, 박막시트의 분리와 적층에 사용되는 상부금형에 형성되는 마이크로 홀 내면의 표면 거칠기를 향상시키면서도 진원도와 원통도를 확보하여 마이크로 홀의 품질을 높이고, 가공속도의 향상에 따른 생산성을 극대화할 수 있는 방법에 관한 것이다.

박막 세라믹 시트, 박막 금속 시트, 박막 코팅 필름 등을 흡착하여 이송하고, 이를 정확한 위치에 순차적으로 적층하기 위한 목적으로 진공 플레이트인 상부금형이 사용된다.

이 상부금형에는 수천개에서 수십만개에 이르는 마이크로 홀이 형성되어 박막 시트를 흡착하기도 하고, 블로워에 의해 박막 시트를 이탈시키기도 하는데, 적층 세라믹 커패시터, 적층 세라믹 배리스터, 적층 세라믹 엑츄에이터 등의 적층형 전자부품 제조의 적층공정과 전기자동차를 포함한 각종 전자기기에 사용되는 적층형 배터리 제조의 적층공정 등에 적용된다.

위 박막 시트 적층용 상부금형의 대표적인 사용예를 도 1에 도시하였다.

도 1에 도시한 바와 같이, 일정한 회로가 형성된 박막 시트가 접착필름에 접착되어 언와인딩 롤러로부터 공급되면, 위 상부금형(vacuum plate)이 박막 시트(thin film sheet)의 상면에 접촉하고 진공압에 의해 박막 시트를 흡착한다. 위 상부금형이 박막 시트를 흡착한 상태로 진행하다가 박막 시트를 일정한 크기로 커팅한 다음에 박막 시트를 접착필름으로부터 박리하는 플레이킹(flaking) 단계를 거친 후, 계속하여 접착필름은 와인롤러에 의해 감겨 들어가는 한편, 플레이킹 된 박막 시트는 하부 금형(laminated plate mold)의 상면에 적층되고 상부금형으로부터 분리되면서 가압되어 라미네이팅되는 것이다.

위 공정에서 사용되는 상부금형에는 흡착과 분리를 위한 수천개에서 수십만개에 이르는 미세홀, 즉 마이크로 홀이 형성되어야 한다.

이러한 상부금형인 상부금형에 형성되는 마이크로 홀을 가공하는 방법으로는, 드릴링 머신에 의한 기계적방법과, 화학적 식각을 이용하는 방식도 있으나, 모두 표면 거칠기가 좋지 않고 홀 직경의 편차가 크기 때문에 150㎛ 이내의 마이크로 홀은 대부분 레이저를 이용하고 있다.

레이저를 이용하여 마이크로 홀을 가공하는 구체적인 방법으로는, 단일펄스 천공, 반복펄스 천공, 트리패닝 천공, 헬리컬 천공 방식 등이 있으나, 트리패닝 천공 방식이 가장 널리 사용되고 있다.

트리패닝 천공 방식은, 가공할 마이크로 홀 중심에 레이저 빔을 조사하여 관통시킨 후, 하부 스테이지를 원하는 홀의 직경만큼 회전시키는 홀 가공방식이다.

이러한 레이저를 이용한 다양한 방식의 천공방식에 있어서도, 상부금형에 형성되는 마이크로 홀은 기존의 트래패닝 방식이 스테이지가 회전하는 방식으로서 진원도를 확보하기가 어렵고 소재의 용융에 의한 가공 방법이기 때문에 홀 내부의 버(Burr)가 발생하여 표면 조도를 확보하기 힘들다.

또한, 마이크로 홀은 주변부에 용융돌출물과 파편성 입자가 발생하게 되는데 이를 제거하기 위해서는 2차적으로 ELID(ELectrolytic In-process Dressing, 전해 인프로세스 드레싱)와 같은 연삭 가공을 수행함으로써 해결되는 것처럼 보이지만 나노급의 미세한 입자들이 마이크로 홀 내부의 거친 표면에 머물고 있는 상태에서는 도저히 해결되지 않으며, 이는 박막 시트를 적층함에 있어 문제를 초래한다.

특히, 상부금형에서는 박막 시트가 수십에서 수백 만번 이상의 흡착과 분리 및 가압이 이루어지는데 이는 진원이 확보되지 않은 마이크로 홀에 석션(Suction)을 통해 박막 시트의 흡착과 분리에 의해 박막 시트의 미세한 입자들이 홀 내부의 버(Burr)로 인하여 머물게 되면서 홀의 막힘 현상이 나타나고 마이크로 홀 내부에 존재하는 미세한 입자들이 떨어져 나가면서 박막 시트의 영향을 주게 된다.

이러한 현상들로 인해 박막 시트가 눌리거나 찢기는 현상 등이 지속적으로 나타나면서 당해 기술 분야에서는 핵심적인 개선과제로 여겨지고 있는 것이다.

-특허문헌 1: 중국 특허공개공보 CN 111001941호. 2020.04.14.공개 -특허문헌 2: 한국 특허등록공보 제10-2189459호. 2020.12.04. 등록

본 발명은 상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 박막 시트의 적층용 상부금형에 형성되는 마이크로 홀이 입구측과 출구측의 직경편차가 거의 없고, 마이크로 홀 내면의 표면거칠기가 매우 우수하며, 마이크로 홀의 표면이 경사가 형성되어 박막 시트의 찢김이 생기지 않는 상부금형의 마이크로 홀을 가공하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 레이저로 마이크로 홀을 가공함에 있어서 홀의 진원도를 확보함과 동시에 파편성 입자들 제거하고, 마이크로 홀 내부를 막는 버(burr)의 발생을 방지함으로써 박막 시트의 손상을 최소화할 수 있는 상부금형의 마이크로 홀 가공방법을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

그뿐만 아니라, 본 발명은 막대한 하중이 반복적으로 작용하는 상부금형에 형성되는 마이크로 홀의 입구측의 형상을 챔퍼링 내지는 라운드 가공할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 가지는 본 발명에 의한 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀 가공방법은, 박막 세라믹 시트, 박막 금속 시트, 박막 코팅 필름 등을 흡착하여 이송하고 적층하기 위한 상부금형에 형성되는 마이크로 홀의 가공방법에 있어서, 상기 상부금형의 두께방향으로 n(n은 2이상의 자연수)개의 단층을 설정하고, 상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 소정의 패턴으로 조사하여 차기의 단층까지의 두께로 홀을 2D 가공하고, Z축 방향으로 1/n 씩 상기 레이저의 초점을 하강시키면서 순차적으로 상기 단층에 상기 펨토초 레이저를 조사함으로써 홀을 천공하는 단계와; 상기 홀의 내면을 따라 상기 펨토초 레이저를 3D 형상으로 조사함으로써 가공할 상기 마이크로 홀의 직경치수를 맞추고 홀 내면의 표면거칠기를 향상시키는 보오링 단계; 및, 레이저 가공시에 발생할 수 있는 버(burr)의 생성 및 박막 시트의 눌림, 뜯김, 찢김현상 등의 박막 시트의 손상을 방지하기 위해 상기 홀의 입구측 가장자리 주변을 챔버링하거나 라운딩하는 단계; 를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 조사하는 패턴이 일정한 피치를 가진 스파이럴 형태이며, 상기 보오링 단계에서의 상기 펨토초 레이저의 3D형상은 헬리컬 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스파이럴 형태의 펨토초 레이저의 조사는 갈바노미터 스캐너의 x-y축 모션을 상호 조합하는 제어를 통해 이루어지고, 상기 헬리컬 형상은 갈바노미터의 x-y축 모션과 빔익스펜더의 z축 모션을 상호 조합하는 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 펨토초 레이저의 파장은, 금속에서의 레이저 빔 흡수율을 고려하여 515nm 내지 532nm의 그린 영역대인 것이 바람직하다.

또한, 홀의 입구측에 형성하는 챔퍼링 내지는 라운드 가공은 갈바노미터의 x-y축 모션과 빔익스펜더의 z축 모션을 상호 조합하는 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 박막 시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀 가공방법에 의하면, 상부금형에 형성되는 마이크로 홀이 입구측과 출구측의 직경편차가 거의 없고, 마이크로 홀 내면의 표면거칠기가 매우 우수하며, 마이크로 홀의 입구측 가장자리에 챔퍼링 또는 라운드가 형성되기 때문에 박막 시트의 찢김이 생기지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법에 따르면, 레이저로 마이크로 홀을 가공함에 있어서 발생할 수 있는 용융돌출물, 표면의 굴곡, 파편성 입자의 발생을 방지하고, 홀의 진원도를 확보하고, 마이크로 홀 내부를 막는 버(burr)의 발생을 방지함으로써 박막 시트의 손상을 최소화할 수 있는 특유의 효과를 발휘한다.

-도 1은 본 발명의 마이크로 홀의 가공방법이 적용되는 박막 시트 적층용 상부금형의 사용예를 도시한 도면이고,
-도 2는 본 발명의 마이크로 홀의 가공방법을 실현하기 위한 마이크로 홀의 가공장치를 도시한 도면이고,
-도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 홀의 천공단계를 설명하기 위한 도면이고,
-도 4는 도 3에 도시한 천공단계에서의 갈바노미터 스캐너의 모션과 설정인자를 보여주는 도면이고,
-도 5(a)는 도 3에 도시한 천공방식에 의한 마이크로 홀의 입구와 종래의 레이저 가공방식에 의한 마이크로 홀의 입구를 비교한 사진이며, 도 5(b)는 각각의 출구측 사진이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보오링 단계에서의 3D 헬리컬 가공의 설정인자를 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 챔퍼링 가공 단계에서의 형상을 보여주는 도면이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 홀의 입구측에 대한 챔퍼링과 라운드 가공의 형상을 보여주는 도면이고,
도 9는 본 발명에 따른 가공방법에 의한 마이크로 홀의 입구와 출구측 형상과 종래의 레이저가공방법에 따른 마이크로 홀의 입구와 출구측 형상을 비교하기 위한 실제 사진이다.
도 10은 본 발명의 마이크로 홀 가공방법의 단계별 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명의 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀 가공방법을 실현하기 위한 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공장치(100)의 구성을 보여주는 시스템도이다.

도 2의 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공장치(100)는, 펨토초 레이저 소스(110)와, 레이저 빔 특성 제어 유닛(120)과, 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)과, 3축 정밀 스테이지 유닛(140) 및 통합제어 유닛(150)을 포함하여 구성되어 있다.

펨토초 레이저를 발생시키는 광원의 파장대는 금속에서의 가공속도(생산성)와 가공의 품질을 고려하여 금속에서의 열흡수율을 최소화하기 위해 515 ~ 532 nm의 그린 영역대의 파장을 가지고 있으며, 가공 대상물(P)의 재질에 따라 달라질 수도 있으나 일반적인 상부금형의 금속소재의 특성상 1 ~ 40 W의 출력이 적합하다.

펨토초 레이저 소스(110)에서는 통합제어 유닛(150)의 제어에 따라 주파수, 파워 정도(%)를 조절하여 펄스에너지(uJ), 평균 출력(W), 반복률을 변화시킬 수 있다.

레이저 빔 특성 제어 유닛(120)과 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)은 레어저 빔의 경로를 형성한다. 레이저 빔 특성 제어 유닛(120)은 펨토초 레이저 소스(110)로부터 발생된 레이저 빔이 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)에 도달하기 전에 레이저 빔의 세부 조정을 위한 것으로, 레어저 빔 익스펜터(121)와, 1/4λ 웨이브 플레이트(122) 및 1/2λ 웨이브 플레이트(123)로 구성되어 있다.

1/4λ 웨이브 플레이트(122)는 1/4 파장의 빠른 축에 대해 느린 축으로 가는 편광을 4분의 1파장만큼 차이가 나도록 하고 1/2λ 웨이브 플레이트(123)는 빠른 축에 대해 느린 축으로 가는 편광 방향의 빛을 1/2파장만큼 차이가 나도록 하며, 레이저 빔 익스펜더(121)는 입력되는 빔의 직경을 확장하여 필요한 직경을 가진 출력 빔이 되도록 하는 구성이다.

레이저 빔 경로 제어 유닛(130)은 레이저 빔 특성 제어 유닛(120)으로부터 세부 조정이 완료된 펨토초 레이저 빔을 받아 가공대상물(P)에 조사함으로써 레이저 가공을 수행한다.

위 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)은 능동 제어형 레이저 빔 익스펜더(131), 갈바노미터 스캐너(132) 및 이들의 구동을 제어하기 위한 광학시스템 구동부(133)를 포함한다.

레이저 빔 경로 제어 유닛(130)은 레이저 빔 경로 제어 유닛(130) 내에서의 마이크로 홀 가공위치, 2D 회전가공의 시작점, 2D 회전가공의 끝점, 2D 회전가공의 최상단의 Z축 위치, 2D 회전가공의 최하단의 Z축 위치, 2D 회전가공의 최하단 위치에서의 레이저 빔의 각도, 레이저 빔의 회전속도가 설정된 조건 하에서 레이저 빔의 가공반복횟수를 제어함으로써 가공의 정밀도 및 품질을 극대화하고 가공대상물의 전체공정의 수를 줄임으로써 생산성을 향상시킨다.

능동 제어형 레이저 빔 익스펜더(131)는 렌즈와의 거리를 조절하여 레이저 빔의 포커싱 위치를 가변시키는 기능을 수행하며, 최대

1 ㎜까지 가변할 수 있다.

또한, 갈바노미터 스캐너(132)는 출사되는 레이저 빔의 X,Y의 위치를 조절하는 구성으로 가공가능영역은 최대

2.5 ㎜이다.

광학시스템 구동부(133)는 상기의 능동 제어형 레이저 빔 익스펜더(131)와갈바노미터 스캐너(132)의 구동을 동시에 제어한다.

레이저 빔 경로 제어 유닛(130)에는 레이저의 초점거리를 보정하기 위한 레이저 변위센서(134)와, 가공대상물(P)의 안착 지점, 가공시작 지점, 가공된 마이크로 홀 좌표 및 가공품질을 실시간으로 파악할 수 있는 CCD 카메라(135)가 추가적으로 포함되어 있다.

레이저 변위센서(134)는 스캐너의 노즐 끝과 가공대상물(P)의 거리인 초점의 거리를 정확하게 센싱하고 이를 조절하기 위한 구성인데, 도 2의 마이크로 홀 가공장치의 노즐 끝에서 가공대상물의 거리는 3 ㎜로 설정되어 있으며, 레이저 변위센서(134)가 초점 거리를 실시간으로 확인할 수 있는 보조적 기능을 수행한다.

여기서, 레이저 빔 경로 제어 유닛(130) 내에 설치된 CCD 카메라는 가공대상물(P)에 이미 가공된 마이크로 홀의 품질을 확인하고 검사하는데 사용될 수도 있다.

한편, 3축 정밀 스테이지 유닛(140)은, 가공대상물(P)이 안착고정되는 3축 정밀 스테이지(141)과, 이 3축 정밀 스테이지(141)의 구동을 제어하기 위한 3축 정밀 스테이지 구동부(142)로 구성되어 있다.

3축 정밀 스테이지 구동부(142)는 위 3축 정밀 스테이지(141)를 X축, Y축 및 Z축으로의 이동을 제어한다.

또한, 통합 제어 유닛(150)은 펨토초 레이저 소스(110), 레이저 빔 경로 제어 유닛(130), 3축 정밀 스테이지 유닛(140)을 통합 제어한다.

먼저 통합 제어 유닛(150)에서 소프트웨어를 통해 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)의 상기의 가공 변수를 설정하고, 펨토초 레이저 소스(110)의 가공변수인 레이저 빔 출력, 펄스 에너지, 반복률을 설정한 뒤 가공경로 파일을 실행하면 이 데이터는 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)의 광학시스템 구동부(133)와 3축 정밀 스테이지 유닛(140)의 3축 정밀 스테이지 구동부(142)로 동시에 전송된다.

이때, 가공경로 정보를 전송시킨 다음 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)과 펨토초 레이저 소스(110)의 상기 가공변수를 설정하여도 무방하다.

펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공장치(100)의 작업 안정성을 확보하기 위하여 통합 제어 유닛(150)은 펨토초 레이저 소스(110)와 레이저 빔 경로 제어 유닛(130)을 먼저 연동하여 현재 상태에 대한 실시간 정보를 3축 스테이지 구동부(142)에 전송하고, 이를 받은 3축 스테이지 구동부(142)에서도 3축 정밀 스테이지(141)의 실시간 상태를 통합 제어 유닛(150)으로 전송하여, 3축 정밀 스테이지(141) 이송 중에는 레이저 또는 스캐너가 실행되지 않도록 설정한다.

이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법에 대해 설명하기로 한다.

도 3은 본 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀의 가공단계 중 마이크로 홀을 천공하는 방법을 모식적으로 보여주기 위한 마이크로 홀 모양의 개략도이고, 도 4는 도 3의 마이크로 홀을 천공하기 위해 2D 가공하는 조건을 설정하는 화면을 나타낸 도면이다.

도 3의 마이크로 홀은 높이 방향인 Z축 방향으로 3단으로 구획된 단층을 순차적으로 가공한 것을 예로 들었으며, 홀의 가공 정밀도나 가공대상물(P)의 재질에 따라 다양한 개수의 단층으로 구획할 수 있음은 물론이다.

도 4에 도시한 바와 같이 마이크로 홀을 천공하는 단계로서, 1) 가공대상물에 대한 마이크로 홀의 가공위치, 2) 2D 단층 가공의 X,Y에 대한 시작점, 3) 2D 단층 가공의 X,Y에 대한 끝점, 4) 2D 단층 가공의 Z축 위치, 5) 2D 단층 가공의 X,Y에 대한 피치(=간격), 6) 2D 단층 가공의 빔의 각도, 7) 2D 단층 가공의 빔의 각도에 대한 피치(=간격) 8) 스캔 속도 9) 반복횟수의 총 9가지의 가공조건을 설정하고 갈바노 미터를 제어한다.

도 3에 도시한 마이크로 홀을 형성함에 있어, 레어저 조사의 패턴은 대략적인 원의 모양(더욱 정확하게는 스파이럴 형태)을 선정하고, n(n은 2이상의 자연수)개의 단층을 설정한 뒤 상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 스파이럴 패턴으로 조사하여 차기의 단층까지의 두께로 홀을 2D 가공한다.

위와 같이, 제1단층을 2D가공한 후에 제2단층을 가공하기 전에 Z축 방향으로 홀 전체 깊이의 1/n 씩 상기 레이저의 초점을 하강시켜 놓은 상태로 제2단층에 대한 2D가공을 시행하는 방식으로 제3단층, 제4단층...제n-1단층, 제n단층에 대한 가공을 단속적으로 순차 가공하는 것이다.

그리고, 각 단층에 대한 가공은, 위 제1단층의 가공방법과 동일하게 2D가공하는 방식으로 n단층까지 해당 단층에 상기 펨토초 레이저를 조사함으로써 홀을 천공하는 것이다.

또한, 2D 가공에서의 X,Y 축의 피치(=간격)과, 후술할 3D 가공에서의 Z축의 피치를 조절하여 표면 거칠기를 제어할 수 있다.

Z축의 피치를 제어함으로써 제어량에 따라 품질과 생산성 사이에서 자유롭게 설정이 가능하며 스캐너의 가공 속도와 레이저의 파워, 그리고 피치(=간격)을 조절하여 최소 수십 nm부터 수십 mm 조절하여 가공이 가능하다.

도 3의 경우 가공속도는 0.01 mm/ms, 레이저 파워 3.3 W, 펄스 에너지는 8.3 uJ로, 2D 가공에서의 X,Y 축의 피치(=간격)은 0.001 mm이며, 후술하겠지만 3D 가공에서의 Z축의 피치는 0.001 mm로써 고품질의 마이크로 홀의 형성하기 위한 조건이다.

이와 같이, 전체 홀을 단일의 촛점거리로 가공하는 것이 아니라, 전체 홀을 일정한 간격을 가지도록 n단층으로 구획한 후에 각 단층마다 촛점을 하강시키면서 각 단층가공에 일정한 에너지가 가해지도록 하는 것에 의해 품질저하가 없이 일정한 깊이의 홀을 가공할 수 있게 되는 것이다.

만일, 본 발명과는 달리, 펨토초 레이저의 촛점을 홀의 표면 내지는 홀의 내부에 존재하는 임의의 지점을 기준으로 촛점을 고정시킨 상태로 일률적으로 가공을 하게 된다면, 레이저 빔의 촛점에서 멀어질수록 에너지의 밀도가 상당히 변하게 되어 홀의 가공 직경이 일정하지 않을 뿐더러 금속에의 열전달에 의해 용융이 발생하기 때문에 금속 용융잔여물이 생길 수 밖에 없으며 그 금속 용융잔여물은 홀의 내부 및 홀 주변에 잔존한 상태로 굳기 때문에 가공의 품질뿐만 아니라 홀의 형상 및 홀사이즈가 일정하지 않아 수만개의 홀이 형성되는 진공플레이트로서는 사용할 수 없게 된다.

도 5의 (a)는 일반적으로 사용되는 마이크로 홀 가공방법에 의해 촛점의 변경이나 조절이 없이 가공된 마이크로 홀의 상태를 단적으로 보여주는 실제 사진이고, 도 5의 (b)는 도 3에 도시한 본 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법에 의해 가공된 마이크로 홀의 실제사진이다.

도 5의 (a)에서 확인할 수 있듯이. 지름이 약 100㎛ 이하인 홀을 촛점의 변경이 없이 레이저로 가공하게 되면 레이저의 조사 각에 의해 입구측(input)과 출구측(output)의 지름이 다르고, 레이저 빔의 에너지가 일정하지 않기 때문에 입구측과 출구측의 가공상태가 매우 다르고, 특히 출구측의 홀의 형상은 금속용융잔여물로 인하여 박막시트의 흡착과 이송 등에 도저히 사용될 수 없는 상태인 것을 확인할 수 있다.

반면에 본 실시예에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법에 따라 가공된 마이크로 홀은 입구측(input)과 출구측(output)의 홀 형상은 매우 매끈하고 직경의 편차도 거의 없음을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법에 의하면, 이미 설정된 n개의 단층을 단속적으로 순차 가공함에 있어서, 각 단층의 가공시 마다 단층에 따른 레어저 빔의 촛점을 위 능동 제어형 레이저 빔 익스펜더(131)의 조절에 의해 해당 단층의 깊이가 다름에도 해당 단층마다의 촛점이 일정해지기 때문에 마이크로 홀 전체의 가공상태가 균일해지고, 펨토초 레이저라는 극초단 펄스 레이저의 특성상 금속에서의 열발생이 최소화되면서 용융잔여물이 생기지 않으며, 홀의 품질이 현저하게 상승하고, 홀의 직경 사이즈도 편차가 없이 일정하기 때문에 수십만번에서 수백만번 씩 수톤 내지는 수십톤의 하중이 작용하는 환경에서도 박막시트에 손상을 주지 않는다.

도 6은, 위에서 설명한 마이크로 홀의 천공단계 이후의 보오링 가공단계에서의 가공조건의 설정화면과 펨토초 레이저 빔의 경로를 보여주는 도면이다.

본 발명의 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법은 위에서 설명한 단층마다의 단속적인 순차가공 이외에도 마이크로 홀을 천공한 이후에 홀 내면의 표면거칠기 및 직경의 정밀도를 향상시키기 위한 보오링 단계에도 특징이 있다.

보오링 단계는 도 6에 도시한 바와 같이, 마이크로 홀의 직경 치수를 필요한 정밀도로 맞추고 홀 내면의 표면거칠기를 향상시키는 가공단계로서, 1) 가공대상물에 대한 마이크로 홀의 가공위치, 2) 3D 형상 가공의 평면도 상에서의 시작점와 끝점(동일), 4) 3D 형상 가공의 Z축 시작점 5) 3D 형상 가공의 Z축 끝점 6) 스캔 속도 7) 반복횟수의 설정 등 총 7가지의 설정단계를 거쳐 갈바노 미터 스캐너(132)와 능동 제어형 레이저 빔 익스펜더(131)의 조합모션에 의해 3D 형상을 제어함으로써 이루어진다.

즉, 이 보오링 단계는 절삭가공에서의 황삭에 비유될 수 있는 단층가공단계를 거친 후에 수행하는 정삭의 개념으로서 즉각적이고 연속적으로 수행된다.

이 보오링 단계는 2D가공인 단층가공과는 달리 Z축 방향으로의 피치가 있는 헬리컬 형상의 3D 가공이다.

본 발명에서의 보오링 단계는 펨토초 레이저를 이용하여 3D 헬리컬 궤적으로 가공을 하기 때문에 정밀도와 작업시간을 모두 조절할 수 있으며, 대량생산에 특히 적합하다.

도 7은 위에서 설명한 보오링 가공단계가 완료된 후에 마이크로 홀의 입구(상면) 측의 가장자리 주변을 챔버링하거나 라운딩 가공한 상태를 보여주는 도면이다.

도 7의 챔버링 또는 라운딩 가공은 펨토초 레이저를 X축, Y축 및 Z축으로의 조합모션 제어에 의해 가공할 수도 있으며, 각 축마다 순차적으로 가공할 수도 있다.

마이크로 홀의 입구 측 가장자리에 대한 챔버링 또는 라운딩 가공은 본 발명의 대상이 되는 박막시트의 흡착 및 이송에 사용되는 상부금형의 제조분야에서는 시도조차 할 수 없을 정도의 접근방식이다.

왜냐하면, 상부금형에 형성되는 마이크로 홀은 수 마이크로 단위의 미세한 홀이며, 그 개수가 수만개 내지는 수백만개가 형성되는데 그 홀마다 입구측의 가장자리를 일일이 기계적으로 챔버링하거나 라운딩 가공하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문이며, 본 발명에서와 같이 X축, Y축, Z축 제어가 가능한 본 발명에 따른 레이저가공장치의 제어에 의해서만이 가능하다는 결론에 이르렀다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 수많은 마이크로 홀을 천공한 뒤에 후공정으로서, 입구측에 대한 금속버를 제거하기 위한 목적으로 전체 면적에 대한 일률적인 연삭가공을 수행한 것이 전부인 실정이었으나, 이러한 일률적인 평면연삭으로는 금속 버(burr)가 제거되지 못하고 오히려 금속 버가 밀려서 마이크로 홀 입구를 막는 결과가 될 뿐이며, 마이크로 홀의 입구측의 엣지가 날카로울 수 밖에 없으므로 박막시트를 흡착하거나 이송 또는 박리할 때에 마이크로 홀의 입구측 엣지의 날카로움으로 인해 박막시트가 찢기거나 뜯기는 문제를 전혀 해결하지 못했다.

도 8은 본 발명의 챔퍼링 또는 라운딩 가공에 의해 형성될 수 있는 마이크로 홀의 입구측 형태를 표현한 도면으로서, h1은 챔버링 또는 라운딩 가공을 하지 않고 마이크로 홀을 천공한 상태를 보여주고, h2는 마이크로 홀의 입구측에 대한 챔퍼링 가공을 한 상태이며, h3는 마이크로 홀의 입구측에 대한 라운딩 가공을 한 상태를 나타낸다.

도 8에서 보는 바와 같이, h1의 입구측은 매우 날카로운 엣지가 형성되기 때문에 박막시트의 흡착과 이송 및 박리시에 박막시트가 마이크로 홀 내부로 빨려 들어갈때에 찢김과 뜯김이 발생하지만, h2 또는 h3는 하중이 분산되기 때문에 박막시트의 손상을 최대한 억제할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 마이크로 홀에 대한 천공과 보오링 이후에 챔퍼링 또는 라운딩 가공하는 것으로 설명하였으나, 챔퍼링 또는 라운딩 가공 이후에 천공과 보오링 가공이 수행될 수 있음은 물론이다.

챔퍼링 또는 라운딩 가공시의 가공 조건으로는, 펨토초 레이저 출력이 3 ~ 25 W, 반복률은 100 ~ 200 kHz, 펄스 에너지는 10 ~ 40 uJ, 갈바노 스캐너의 구동 빔의 피치 간격은 0.001 ~ 0.01 ㎜, 스캔 속도는 1 ~ 50 ㎜/s 구간에서 형성하는 것이 좋다.

특히, 도 8의 마이크로 홀(h1)을 형성한 후 레이저의 복수 운동을 통해 홀 주변부를 라운드(h2) 가공하기 위한 구동 방법으로는, 펨토초 레이저 출력은 3 ~ 20 W, 반복률은 100 ~ 200 kHz, 펄스 에너지는 10 ~ 30 uJ, 갈바노 스캐너의 구동 빔의 피치 간격은 0.001 ~ 0.01 ㎜, 스캔 속도는 10 ~ 100 ㎜/s 구간에서 형성할 수도 있다.

도 9의 (a)는 일반적인 종래의 레이저에 의한 마이크로 홀의 입구측과 출구측의 상태를 보여주는 실제 사진이고, 도 9의 (b)는 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀의 가공방법에 따라 가공된 진공플레이트의 마이크로 홀의 실제 사진이다.

도 9의 (a)와 (b)의 사진으로도 확인할 수 있듯이, 도 9의 (a)에 도시된 마이크로 홀은 종래에 널리 사용되고 있는 나노단위의 펼스폭을 가진 레이저에 의해 가공된 마이크로 홀로써 입구측과 출구측의 직경의 변화가 심하고, 금속용융잔여물이 마이크로 홀의 내부 및 외부에도 상당히 존재할 뿐만 아니라 입구측의 예리한 엣지형태로 인하여 박막시트의 흡착과 이송 및 박리에 사용할 수 없는 수준이며, 이와는 대비되는 도 9의 (b)에 도시된 마이크로 홀은 본 발명에 의한 펨토초 레이저를 이용한 가공방법에 의한 홀로써 입구측과 출구측의 직경이 차이가 없고, 금속용융잔여물이 거의 관찰되지 않으며, 입구측의 가장자리에 챔퍼링 또는 라운딩이 형성되므로 박막시트의 찢김이나 뜯김이 생길 수 없음을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀 가공방법을 각 단계별로 표현한 흐름도이며, 각 단계마다의 구체적인 조건과 방법도 함께 도시하였으며, 이에 대한 자세한 사항은 이미 위에서 상세하게 설명하였으므로 중복 설명은 생략하기로 한다.

이상, 본 발명에 따른 펨토초 레이저를 이용한 마이크로 홀의 가공방법을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕고자 하는 것이고 발명의 보호범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

당업자라면 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양한 형상의 변경이나 설계의 변경 내지는 치환이 가능할 것이지만 이 또한 본 발명의 기술적 범위 내에 있을 것이다.

예컨데, 마이크로 홀의 천공단계를 2D가공하여 각 단층을 순차적으로 가공하는데 있어서, 마이크로 홀의 형상이 반드시 원형인 것에 한정되지 않으며, 타원, 사각형 등 다양한 홀의 단면을 가질 수 있으며, 각 단층마다 순차적으로 가공하는데 있어서 도넛형태의 2D가공에 의해 천공을 해 나가는 방법도 가능할 것이다.

그뿐만 아니라, 챔퍼링 내지는 라운딩 가공하는데 있어서 모따기 또는 모깍기의 치수는 필요에 따라 다양하게 변경함은 너무나 당연하다.

100:마이크로 홀 가공장치 110:펨토초 레이저 소스
120:레이저 빔 특성 제어 유닛 121:레이저 빔 익스펜더
122:1/4λ웨이브 플레이트 123:1/2λ웨이브 플레이트
130:레이저 빔 경로 제어 유닛 131:능동 제어형 레이저 빔 익스펜더
132:갈바노 미터 스캐너 133:광학시스템 구동부
134:레이저 변위센서 135:CCD카메라
140:3축 정밀 스테이지 유닛 141:3축 정밀 스테이지
142:3축 정밀 스테이지 구동부 150:통합 제어 유닛

Claims (5)

1. 박막 세라믹 시트, 박막 금속 시트, 박막 코팅 필름 등을 흡착하여 이송하고 적층하기 위한 상부금형에 형성되는 마이크로 홀의 가공방법에 있어서,
   상기 상부금형의 두께방향으로 n(n은 2이상의 자연수)개의 단층을 설정하고, 상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 소정의 패턴으로 조사하여 차기의 단층까지의 두께로 홀을 2D 가공하고, Z축 방향으로 1/n 씩 상기 레이저의 초점을 하강시키면서 순차적으로 상기 단층에 상기 펨토초 레이저를 조사함으로써 홀을 천공하는 단계와;
   상기 홀의 내면을 따라 상기 펨토초 레이저를 3D 형상으로 조사함으로써 가공할 상기 마이크로 홀의 직경치수를 맞추고 홀 내면의 표면거칠기를 향상시키는 보오링 단계와;
   레이저 가공시에 발생할 수 있는 버(burr)의 생성 및 박막 시트의 눌림, 뜯김, 찢김현상 등의 박막 시트의 손상을 방지하기 위해 갈바노미터의 x-y축 모션과 빔익스펜더의 z축 모션을 조합하는 제어를 통해 상기 홀의 입구측 가장자리 주변을 챔퍼링하거나 라운딩 가공하는 단계; 를 포함하여 구성된 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀의 가공방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단층 표면에 펨토초 레이저를 조사하는 패턴이 일정한 피치를 가진 스파이럴 형태이며, 상기 보오링 단계에서의 상기 펨토초 레이저의 3D형상은 헬리컬 형상인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀의 가공방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스파이럴 형태의 펨토초 레이저 조사는 갈바노미터 스캐너의 x-y축 모션을 상호 조합하는 제어를 통해 이루어지고, 상기 헬리컬 형상의 패턴은 갈바노미터의 x-y축 모션과 빔익스펜더의 z축 모션을 조합하는 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀의 가공방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 펨토초 레이저의 파장은, 금속에서의 열흡수율을 고려하여 515nm 내지 532nm의 그린 영역대인 것을 특징으로 하는 펨토초 레이저를 이용한 박막시트 적층용 상부금형의 마이크로 홀의 가공방법.
   
   
   
   
5. 삭제

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