KR102459645B1 - 레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 형성하는 레이저 빔 조사부, 상기 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물을 비결정화하도록, 상기 레이저 빔의 형상을 조정하는 광학부, 상기 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 레이저 빔 조정부 및 내부에 수용된 반응 용액에 침전된 가공대상물의 비결정화된 영역에 형성된 가공 홀을 화학 반응을 통해 화학적으로 제거하는 화학반응로를 포함하고, 상기 가공 홀은 가공대상물의 두께 대 상기 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공되는 구성을 마련하여, 결정화된 가공대상물 내부에서 매우 미세한 3차원 형상과, 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가공대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다.

Description

레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법{MICRO PROCESSING APPARATUS AND METHOD USING LASER}
본 발명은 미세 가공 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용해서 가공대상물의 표면 및/또는 내부를 미세하게 가공하는 레이저를 이용한 미세가공 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유리, 석영(quartz), 사파이어 등과 같은 투명한 세라믹 재료는 취성, 내화학성, 비정질성, 비전도성 등의 특징을 가짐에 따라, 미세 가공하는 가공법이 매우 제한적이며, 특히 미세 형상의 경우 극초단파 레이저를 이용한 레이저 가공 등과 같은 소수의 가공공정만이 적용되었다.
그러나, 이러한 레이저 가공의 경우에도 크랙(crack)이 발생하거나 형상 오차가 증가하는 등의 문제로 인해, 효과적인 세라믹 재료에 대한 가공법의 개발은 용이하지 않은 상황이다.
이에 따라, 종래에는 세라믹 재료에 레이저를 조사해서 통해 홈이나 크랙을 가공하고, 반응 용액을 이용해서 가공된 부위를 에칭하여 미세 가공하는 방식이 이용되고 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1에는 유리 형상의 가공에서 레이저 습식 후면 에칭을 이용하는 공정으로서, 가공재인 유리를 관통하여 조사된 레이저가 가공재의 배면에 위치하는 금속이온 전해질을 가열하여 가공재를 간접적으로 가공하는 가공방법이 개시되어 있다.
하기의 특허문헌 2에는 유리에 대해 레이저를 이용한 간접 가공시, 레이저를 조사하는 조사 경로를 점 단위 또는 선 단위로 설정하고, 상기 점 단위 또는 선 단위가 랜덤화하여 분포되도록 설정해서 특정 패턴의 반복되는 조사 경로의 설정을 방지하며, 레이저와 기포의 상호작용을 줄여 가공 정밀도를 높이는 유리 형상 가공장치 구성이 기재되어 있다.
따라서 레이저와 에칭 방식을 이용해서 유리, 석영, 사파이어 등 투명한 세라믹 재료를 손상없이 원하는 형상으로 미세하게 가공할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 특허 등록번호 10-1625948호(2016년 5월 31일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-2382471호(2022년 4월 4일 공고)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 빔 및 가공대상물과 화학 반응을 일으키는 반응 용액을 이용해서 가공 대상물의 손상없이 원하는 형상으로 가공 홀을 미세하게 가공할 수 있는 레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치는 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 형성하는 레이저 빔 조사부, 상기 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물을 비결정화하도록, 상기 레이저 빔의 형상을 조정하는 광학부, 상기 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 레이저 빔 조정부 및 내부에 수용된 반응 용액에 침전된 가공대상물의 비결정화된 영역에 형성된 가공 홀을 화학 반응을 통해 화학적으로 제거하는 화학반응로를 포함하고, 상기 가공 홀은 가공대상물의 두께 대 상기 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 방법은 (a) 레이저 빔 조사부를 이용해서 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 형성하는 단계, (b) 광학부를 이용해서 상기 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물을 비결정화하도록, 상기 레이저 빔의 형상을 조정하는 단계, (c) 레이저 빔 조정부를 이용해서 상기 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 단계 및 (d) 반응 용액이 수용된 화학반응로에 가공대상물을 침전시켜 비결정화된 영역에 형성된 가공 홀을 상기 반응 용액에 의한 화학 반응을 통해 화학적으로 제거하는 단계를 포함하고, 상기 가공 홀은 가공대상물의 두께 대 상기 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법에 의하면, 레이저 빔이 투과하는 결정화된 재료로 이루어진 가공대상물에 단위부피당 고에너지를 가지고 펄스 폭이 매우 짧은 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 가공대상물 내부로 흡수되면서 결정화된 가공대상물의 내부를 비결정화시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
이로 인해, 본 발명에 의하면, 비결정화된 영역에서 강산성이나 강염기성 화학물질과 같은 반응 용액과의 화학 반응이 수행되는 반응 속도를 높임으로써, 가공대상물에 형성된 가공 홀을 화학적 반응에 의해 화학적으로 제거해서 미세한 가공 홀을 이용한 미세 패턴을 가공할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 결정화된 가공대상물 내부에서 매우 미세한 3차원 형상과, 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수 배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가공대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치의 구성도,
도 2는 고체로 마련되는 가공대상물을 배열의 규칙성에 따라 분류한 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 미세 가공된 가공대상물을 예시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 미세 가공된 가공대상물을 예시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치의 구성도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 실시 예에서는 일정 면적과 두께를 갖는 가공 대상물의 표면 및/또는 내부에 미세한 형상의 패턴을 형성하는 레이저를 이용한 미세 가공 장치 및 방법 구성을 설명한다.
그리고 본 실시 예에서는 유리, 석영, 사파이어 등 투명한 세라믹 재질의 재료로 마련되는 가공대상물을 가공하는 것으로 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘, 금속 등 다양한 재질의 가공대상물을 가공하도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.
이러한 가공대상물은 비결정화된 상태일 수 있으나, 본 실시 예에서는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공대상물을 비결정화시킨 상태에서 가공대상물의 표면이나 내부에 미세 패턴을 가공한 후, 강산성이나 강염기성 화학물질과 같은 반응 용액을 이용한 화학 반응을 통해 가공된 영역을 고속으로 제거하는 것으로 설명한다.
즉, 레이저 빔이 투과 가능한 결정화된 재료에 단위부피당 고에너지를 가지고 매우 짧은 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 조사하면, 해당 재료의 표면 및/또는 내부는 레이저 빔의 에너지를 흡수해서 비결정화된다.
반응 용액으로 이용되는 강산과 강염기는 결정화된 재료에서는 매우 느린 화학 반응에 의해 가공된 영역이 매우 느리게 제거된다.
반면, 비결정화된 재료에서는 강산이나 강염기와의 화학 반응에 의해 가공된 영역이 매우 고속 제거될 수 있다.
이러한 반응 속도 차이는 재료와 반응 용액으로 이용되는 화학약품의 종류, 농도 및 공정에 따라서 다르나, 수 배에서 수만 배까지 속도 차이가 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 결정화된 재료에 레이저 빔을 조사해서 비결화시킨 상태에서 미세 패턴을 형성하고, 반응 용액을 이용한 화학 반응을 통해 고속으로 미세 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가송대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물(11)에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 이용한 미세 패턴을 형성하는 레이저 빔 조사부(20), 상기 레이저 빔을 가공대상물(11)의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물(11)을 비결정화하도록, 레이저 빔의 형상을 조정하는 광학부(30), 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 레이저 빔 조정부(40) 및 내부에 수용된 반응 용액에 침전된 가공대상물(11)의 비결정화된 영역에서 화학적 반응을 통해 상기 가공 홀을 따라 화학적으로 제거하는 화학반응로(70)를 포함해서 결정화된 가공대상물(11)에 비해 수 배에서 수만 배 빠른 고속으로, 가공대상물(11)의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 장치(10)는 형성하고자 하는 미세 패턴을 따라 레이저 빔을 이동시키는 이송부(50) 및 각 장치의 구동을 제어하는 제어부(60)를 더 포함할 수 있다.
이송부(50)는 광학부(30)를 통해 출력되는 레이저 빔을 가공하고자 하는 형상을 따라 이동시키는 기능을 한다.
이를 위해, 이송부(50)는 광학부(30)만를 이동시키거나, 레이저 빔 조사부(20)와 광학부(30) 및 레이저 빔 조정부(40)를 전체적으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
제어부(60)는 가공대상물(11)의 가공 조건에 기초해서 레이저 빔의 형상과 레이저 빔의 펄스 폭 및 펄스 에너지를 변경해서 조사하도록, 레이저 빔 조사부(20)와 광학부(30)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생한다.
그러면, 레이저 빔 조정부(40)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 레이저 빔 조사부(20)와 광학부(30)를 구동할 수 있다.
가공대상물(11)은 유리, 석영, 사파이어 등 투명한 세라믹 재질의 재료로 마련될 수 있다. 물론, 가공대상물(11)은 실리콘이나 금속 재료로 마련될 수도 있다.
예를 들어, 도 2는 고체로 마련되는 가공대상물을 배열의 규칙성에 따라 분류한 예시도이다.
도 2의 (a) 내지 (c)에는 각각 단결정, 다결정, 비결정 상태의 가공대상물이 예시되어 있다.
유리, 석영, 사파이어, 실리콘, 금속 재료 등으로 마련되는 가공대상물(11)은 평상시에는 도 2의 (a) 또는 (b)에 도시된 바와 같이, 단결정 또는 다결정 상태로 존재한다.
이와 같은 결정화된 가공대상물(11)에 단위부피당 고에너지를 갖고 매우 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 조사하면, 가공대상물(11)은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 비결정화될 수 있다.
그리고 가공대상물(11)에서 비결정화된 영역은 강산성이나 강염기성 화학물질과 같은 반응 용액과의 화학 반응에 의해 매우 빠른 속도, 예컨대 결정화된 상태에서의 반응 속도보다 수 배에서 수만 배 빠른 고속으로 제거될 수 있다.
이를 위해, 레이저 빔 조사부(20)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 레이저 빔을 발생하는 레이저 빔 발생기로 마련될 수 있다.
광학부(30)는 레이저 빔 조사부(21)에서 발생한 레이저 빔을 집속해서 가공물(11)을 향해 조사하고, 레이저 빔의 형상을 조절하는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다.
그래서 레이저 빔은 레이저 빔이 투과 가능한 결정화된 가공대상물(11)의 표면 및/또는 내부를 국부적으로 비결정화하기 위해, 결정화된 가공대상물(11)에 단위부피당 고에너지를 가지고 매우 짧은 펄스폭을 갖도록 조사될 수 있다.
예를 들어, 레이저 빔은 약 10-4 초(second) 내지 10-15 초의 펄스 폭과 약 10μJ 내지 100μJ/㎛3의 에너지로 조사되고, 가공대상물(11)을 투과되지 않고 결정화된 가공대상물(11)의 내부를 국부적으로 비결정화시킬 수 있다.
또는, 레이저 빔은 약 10-4 초 내지 10-18 초의 펄스 폭으로 결정화된 가공대상물(11)의 내부를 국부적으로 비결정화시킬 수도 있다.
즉, 레이저 빔은 결정화된 가공대상물(11)을 국부적으로 비결정화시킬 수 있도록, 단위부피당 에너지 및 펄스 폭이 가공대상물(11)의 재질, 두께, 크기 등 다양한 조건에 따라 조절될 수 있다.
한편, 제어부(60)는 레이저 빔을 이용해서 미세 패턴이 형성된 가공대상물(11)에서 비결정화된 영역에 강산성이나 강염기성과 같은 화학물질과 같은 반응 용액을 활성화시키도록, 화학반응로(70)의 구동을 제어할 수 있다.
화학반응로(70)는 반응 용액이 수용되는 용기로 마련되고, 제어부(60)의 제어신호에 따라 구동되는 초음파 진동자(도면 미도시)와 가열 유닛(도면 미도시) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
즉, 제어부(60)는 레이저 빔 조사부(20)에서 조사되는 레이저 빔의 출력에 따라 화학반응로(70)에서 발생하는 초음파 진동의 주기와 강도, 방향을 조절하도록 상기 초음파 진동자의 구동을 제어하는 제어신호를 발생할 수 있다.
여기서, 상기 초음파 진동은 가공대상물(11)에 형성된 상기 가공 홀의 방향과 평행한 방향으로 가해질 수 있다. 또는, 상기 초음파 진동은 가공대상물(11)에 형성된 상기 가공 홀의 방향과 직각 방향으로 가해질 수도 있다.
그리고 제어부(60)는 상기 반응 용액을 가열해서 활성화시키기 위해, 반응 용액과 가열 대상물을 미리 설정된 온도로 가열하도록, 상기 가열 유닛의 구동을 제어하는 제어신호를 발생할 수 있다.
상기 설정온도는 상기 반응 용액에 포함된 화학 성분의 녹는점에 대응되도록 설정될 수 있다.
그래서 이송부(50)는 레이저 빔의 조사 위치를 이동시킬 수 있다.
물론, 본 발명은 화학반응로를 제거하고 가공대상물을 반응 용액에 침전시키는 대신에, 반응 용액을 가공대상물에 분사해서 가공대상물에 형성된 가공 홀을 화학적으로 제거해서 미세 가공할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 레이저 빔이 투과하는 결정화된 재료로 이루어진 가공대상물에 단위부피당 고에너지를 가지고 펄스 폭이 매우 짧은 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 가공대상물 내부로 흡수되면서 결정화된 가공대상물의 내부를 비결정화시킬 수 있다.
이로 인해, 본 발명은 비결정화된 영역에서 강산성이나 강염기성 화학물질과 같은 반응 용액과의 화학 반응이 수행되는 반응 속도를 높임으로써, 가공대상물에 형성된 가공 홀을 화학적 반응에 의해 화학적으로 제거해서 미세한 가공 홀을 이용한 미세 패턴을 가공할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 결정화된 가공대상물 내부에서 매우 미세한 3차원 형상과, 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가공대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다.
다음, 도 3 내지 도 5를 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저를 이용한 미세 가공 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
그리고 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 미세 가공된 가공대상물을 예시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 3차원 형상으로 미세 가공된 가공대상물을 예시한 도면이다. 도 4의 (a) 내지 (c)에는 미세 가공된 가공대상물의 평면과 단면 및 저면이 도시되어 있고, 도 5의 (a) 내지 (c)에는 3차원 형상으로 미세 가공된 가공대상물의 평면과 단면 및 저면이 도시되어 있다.
도 3의 S10단계에서 레이저 빔 조사부(20)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 설정된 출력으로 레이저 빔을 발생해서 가공대상물(11)을 향해 조사한다. 그러면, 광학부(30)는 조사되는 레이저 빔의 형상으로 조정한다.
이때, 상기 레이저 빔은 단위부피당 고에너지를 가지고 펄스 폭이 매우 짧은 레이저 빔일 수 있다.
그러면, 조사된 레이저 빔은 가공대상물(11)의 내부에 흡수되면서 가공대상물(11)의 내부를 비결정화시켜 비결정화 영역을 형성한다(S12).
이와 함께, S14단계에서 레이저 빔은 비결정화된 영역에 하나 이상의 가공 홀을 형성을 해서 미세 패턴을 형성한다.
상기 가공 홀은 매우 미세한 3차원 형상이나, 가공대상물(11)의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수 배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 가공 홀(12)은 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 조사되는 가공대상물(11)의 일면, 예컨대 상면에서 반대측면, 즉 하면을 향하는 직선 형상으로 형성될 수 있다.
그리고 가공 홀(12)은 직선 형상뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 가공대상물(11)의 표면과 평행하도록 수평으로 형성되는 하나 이상의 직각부(13) 또는 수평부를 포함해서 형성될 수 있다.
또한, 가공 홀(12)은 가공대상물(11)의 표면과 직각인 직선 형상뿐만 아니라, 미리 설정된 각도만큼 경사지게 형성될 수도 있다.
이와 같이, 가공 홀(12)은 형성하고자 하는 미세 패턴에 따라 다양한 3차원 형상으로 형성될 수 있다.
특히, 가공 홀(12)은 단면이 대략 원 형상으로 형성될 수도 있으나, 초음파 진동이 가해지는 방향에 따라 원 형상뿐만 아니라, 단면이 대략 타원 형상으로 형성될 수도 있다.
이와 같이 미세 패턴을 형성하는 과정에서, 제어부(60)는 가공대상물(11)의 가공 조건에 기초해서 레이저 빔의 형상과 레이저 빔의 펄스 폭 및 펄스 에너지를 변경해서 조사하도록, 레이저 빔 조사부(20)와 광학부(30)의 구동을 제어한다.
미세 패턴 형성 작업이 완료되면, S16단계에서 가공대상물(11)은 내부에 반응 용액이 수용된 화학반응로(70)에 침전된다.
S18단계에서 화학반응로(70)에 침전된 가공대상물(11)에서 비결정화 영역은 반응 용액과의 화학적 반응에 의해 가공 홀(12)을 화학적으로 제거해서 고속으로 미세 가공된다.
이때, 화학반응로(70)에 마련된 초음파 진동자는 제어부(60)의 제어신호에 따라 구동되어 미리 설정된 주기로 가공대상물(11)에 초음파 진동을 가할 수 있다.
그리고 제어부(60)는 레이저 빔 조사부(20)에서 조사되는 레이저 빔의 출력에 따라 화학반응로(70)에서 발생하는 초음파 진동의 주기와 강도, 방향을 조절하도록 상기 초음파 진동자의 구동을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 초음파 진동은 가공대상물(11)에 형성된 가공 홀(12)의 방향과 평행한 방향 또는 가공 홀(12)의 방향과 직각 방향으로 가해질 수 있다.
그리고 화학반응로에 마련된 가열 유닛은 상기 반응 용액을 가열해서 활성화시키기 위해, 제어부의 제어신호에 따라 구동해서 반응 용액과 가열 대상물이 미리 설정된 온도로 가열할 수 있다.
이를 위해, 제어부(60)는 반응 용액과 가열 대상물을 미리 설정된 온도로 가열하도록, 상기 가열 유닛의 구동을 제어하는 제어신호를 발생할 수 있다.
그리고 상기 설정온도는 상기 반응 용액에 포함된 화학 성분의 녹는점에 대응되도록 설정될 수 있다.
물론, 가공대상물(11)은 분사노즐을 이용해서 반응 용액을 분사하고, 화학적 반응에 의해 미세 가공될 수 있다.
상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 레이저 빔이 투과하는 결정화된 재료로 이루어진 가공대상물에 단위부피당 고에너지를 가지고 펄스 폭이 매우 짧은 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 가공대상물 내부로 흡수되면서 결정화된 가공대상물의 내부를 비결정화시킬 수 있다.
이로 인해, 본 발명은 비결정화된 영역에서 강산성이나 강염기성 화학물질과 같은 반응 용액과의 화학 반응이 수행되는 반응 속도를 높임으로써, 가공대상물에 형성된 가공 홀을 화학적 반응에 의해 화학적으로 제거해서 미세한 가공 홀을 이용한 미세 패턴을 가공할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 결정화된 가공대상물 내부에서 매우 미세한 3차원 형상과, 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가공대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다.
[실시 예 1]
가공대상물(11)은 약 0.1mm 두께의 석영으로 마련되고, 레이저 빔 조사부(20)는 약 100W의 출력을 낼 수 있는 피코 초 자외선 레이저(pico second UV laser) 빔을 조사한다.
레이저 빔의 펄스 폭은 1ps이고, 레이저 빔 조정부(40)는 레이저 빔과 레이저 빔이 겹치는 비율(over rate)을 약 50%로 설정하며, 레이저 빔은 약 10㎛의 직경으로 가공대상물(11)의 내부를 가공하였다.
그리고 황산(H2SO4)이나 염산(HCl)과 같은 강산성 반응 용액을 이용해서 레이저 빔에 의해 가공된 부위, 즉 비결정화 영역에 형성된 가공 홀(12)만을 화학적으로 제거하였다.
이에 따라, 가공대상물(11)에는 도 4의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 가공 홀(12)이 미세하게 가공됨을 확인할 수 있었다.
[실시 예 2]
가공대상물(11)은 약 1mm의 두께를 갖는 사파이어로 마련되고, 레이저 빔 조사부(20)는 약 30W의 출력을 낼 수 있는 펨토 초 자외선 레이저(femto second UV laser)을 조사한다.
레이저 빔의 펄스 폭은 10fs이고, 레이저 빔 조정부(40)는 레이저 빔과 레이저 빔이 겹치는 비율을 약 80%로 설정하며, 레이저 빔은 약 30㎛의 직경으로 가공대상물(11)의 내부를 가공하였다.
그리고 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화바륨(Ba(OH)2과 같은 강염기성 반응 용액을 이용해서 비결정화 영역에 의해 형성된 미세 패턴만을 화학적으로 제거하였다.
이에 따라, 가공대상물(11)에는 두께 대 홀의 지름이 30:1로 구현된 가공 홀(12)이 미세하게 가공됨을 확인할 수 있었다.
[실시 예 3]
가공대상물(11)은 약 730㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼로 마련되고, 레이저 빔 조사부(20)는 약 30W의 출력을 낼 수 있는 펨토 초 자외선 레이저(femto second UV laser) 빔을 조사한다.
레이저 빔의 펄스 폭은 30fs이고, 레이저 빔 조정부는 레이저 빔과 레이저 빔이 겹치는 비율을 약 10%로 설정하며, 레이저 빔은 약 7㎛의 직경으로 가공대상물의 내부를 가공하였다.
그리고 강산 용액을 이용해서 비결정화 영역에 형성된 미세 패턴만을 화학적으로 제거해서, 가공대상물(11)에는 두께 대 홀의 지름이 100:1로 구현된 가공 홀(12)이 미세하게 가공됨을 확인할 수 있었다.
한편, 상기의 실시 예들에서는 가공대상물에 직선 형상의 미세 홀을 가공하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 직선 형상의 미세 홀뿐만 아니라, 다양한 3차원 형상의 미세 패턴을 가공할 수 있다.
가공대상물(11)은 도 5에 도시된 바와 같이, 가로, 세로, 두께가 각각 약 50㎜인 유리로 마련되고, 레이저 빔 조사부(20)는 약 10W의 출력을 낼 수 있는 딥 자외선(Deep UV) 파장의 나노 초 레이저(nano second laser) 빔을 조사한다.
그리고 레이저 빔 조정부(40)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 레이저 빔의 파장, 펄스 폭 및 빔 모드를 조정하고, 광학부(30)는 레이저 빔의 빔 형상을 조정한다.
예를 들어, 상기 빔의 형상은 원형이나 타원형 등 다양한 형상으로 변경될 수 있다.
그리고 상기 빔 모드는 가우시언 빔 모드와 비가우시언 빔 모드를 포함할 수 있다.
여기서, 레이저 빔은 가우시언 빔 모드와 원형 빔 형상으로 가공대상물(11)을 전처리 가공하고, 약 5%의 강산 용액을 이용해서 약 2시간동안 에칭을 진행해서 비결정화 영역에 형성된 미세 패턴만을 화학적으로 제거하였다.
이에 따라, 지름 약 50㎛의 지름을 갖는 홀을 가로, 세로 방향을 따라 약 0.2㎜ 간격으로 48x48, 즉 총 2304개의 홀을 가공하고, 가공대상물(11)의 두께 대비 홀의 지름이 100:1로 구현된 가공 홀(12)을 이용한 미세 패턴을 가공하였다.
여기서, 가공 홀(12)은 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 상하 방향을 따르는 직선 형상뿐만 아니라, 가공대상물(11) 내부의 일정 깊이에서 좌우 방향을 따라 직각부(13)를 포함하도록 형성될 수도 있다.
즉, 본 발명은 레이저 빔의 초점거리를 제어해서 가공대상물의 내부에서 레이저 빔을 이동시키면서 가공대상물 내부에 상하 방향을 따르는 직선 형상뿐만 아니라, 좌우 방향을 따라 수평으로 하나 이상의 직각부를 갖는 가공 홀을 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 가공내상물의 일면에서 반대측면을 향해 미리 설정된 각도만큼 경사지게 가공 홀을 형성할 수 있다.
즉, 본 발명은 레이저 빔이 조사되는 깊이와 함께, 레이저 빔의 빔모드, 빔의 형상 등을 조절해서 다양한 직경 및 형상, 예를 들어 경사 방향을 따라 홀을 가공함으로써, 다양한 3차원 형상의 미세 패턴을 가공할 수도 있다.
예를 들어, 도 6 내지 도 8은 본 발명에 따라 미세 가공된 가공대상물을 예시한 도면이다.
도 6에서 가공대상물은 약 5㎜의 두께를 갖고, 가공대상물에 형성되는 가공 홀은 약 20㎛ 내지 80㎛의 직경으로 형성되었다.
도 7의 (a)에는 미세 가공된 가공대상물이 도시되어 있고, 도 7의 (b)에는 가공대상물에 형성된 한 쌍의 가공 홀을 확대한 단면도가 도시되어 있다.
도 7의 (a)와 (b)에서 가공대상물은 약 2㎜의 두께를 갖고, 가공대상물에 형형성되는 가공 홀은 약 40㎛의 직경으로 형성되었다.
도 8은 종래기술과 본 발명에 따라 가공되는 가공대상물을 비교한 도면이다.
도 8의 (a)에는 종래기술에 따라 가공 홀이 가공된 가공대상물의 단면이 도시되어 있고, 도 8의 (b)에는 본 발명에 따라 가공 홀이 가공된 가공대상물의 단면이 도시되어 있다.
종래기술에 따르면, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 레이저 가공된 가공 홀(12) 내부에 반응 용액이 충분히 투입되지 못함에 따라, 가공 홀(12)은 가공대상물(11)의 중앙 부분이 상단과 하단 부분에 비해 작은 직경으로 가공되어 대략 절구 형상으로 형성됨을 확인할 수 있었다.
반면, 본 발명에 따르면, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 투과하는 결정화된 재료로 이루어진 가공대상물(11)에 단위부피당 고에너지를 가지고 펄스 폭이 매우 짧은 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 가공대상물 내부로 흡수되면서 결정화된 가공대상물의 내부를 비결정화시키고, 비결정화된 영역에서 반응 용액과의 화학 반응이 수행되는 반응 속도를 높임으로써, 가공대상물(11)에 형성된 가공 홀(12)은 화학적 반응에 의해 화학적으로 제거되어 미세하게 가공됨을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명은 레이저 빔의 초점거리, 파장, 펄스 폭, 빔모드, 빔 형상을 제어해서 다양한 형상의 가공 홀을 형성하고, 에칭 용액과의 화학적 반응을 통해 미세 패턴을 화학적으로 제거해서 고속으로 다양한 3차원 형상의 패턴을 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 결정화된 가공대상물 내부에서 매우 미세한 3차원 형상과, 가공대상물의 두께 대 가공 홀의 직경의 비가 수배 내지 수만 배가 되는 매우 좁은 홀을 가공대상물의 크랙이나 손상을 최소화하면서 가공할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 결정화된 재료로 이루어진 가공대상물에 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔이 가공대상물 내부로 흡수되면서 결정화된 가공대상물의 내부를 비결정화시켜 비결정화된 영역에 형성된 미세 패턴을 화학적 반응에 의해 화학적으로 제거해서 고속으로 미세 가공하는 기술에 적용된다.
10: 레이저를 이용한 미세 가공 장치
11: 가공대상물
12: 가공 홀
13: 수평부
20: 레이저 빔 조사부
30: 광학부
40: 레이저 빔 조정부
50: 이송부
60: 제어부
70: 화학 반응로

Claims (14)

  1. 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 형성하는 레이저 빔 조사부,
    상기 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물을 비결정화하도록, 상기 레이저 빔의 형상을 조정하는 광학부,
    상기 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 레이저 빔 조정부,
    미세 패턴을 따라 상기 레이저 빔을 이동시키는 이송부 및
    각 장치의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여
    가공대상물의 비결정화된 영역에 형성된 가공 홀을 화학 물질을 이용한 화학 반응을 통해 화학적으로 제거해서 결정화된 가공대상물의 두께 대 상기 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공하며,
    상기 가공대상물은 투명한 세라믹 재질의 재료로 마련되거나, 실리콘 또는 금속 재질의 재료로 마련되고,
    상기 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 투과 가능한 결정화된 상기 가공대상물에 미리 설정된 단위부피당 에너지 및 펄스폭으로 조사되며,
    상기 제어부는 상기 가공대상물의 가공 조건에 기초해서 상기 레이저 빔의 형상과 레이저 빔의 펄스 폭 및 펄스 에너지를 변경해서 조사하도록, 상기 레이저 빔 조사부와 광학부의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하고,
    상기 가공대상물의 재질, 규격에 따라 상기 레이저 빔의 파장, 펄스 폭 및 빔 모드와, 레이저 빔의 빔 형상으로 조정하도록 제어하며,
    상기 가공 홀은 상기 레이저 빔이 조사되는 가공대상물의 일면에서 반대측면을 향하는 직선 형상으로 형성되거나, 하나 이상의 직각부를 포함해서 형성되거나, 미리 설정된 각도만큼 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학적 반응은 강산이나 강염기성 화학 물질을 이용해서 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    가공대상물을 침전시켜 화학 반응에 의해 상기 가공 홀을 가공하는 화학반응로를 더 포함하고,
    상기 화학반응로는 초음파 진동자를 이용해서 가공대상물에 미리 설정된 주기로 초음파 진동을 가하며,
    상기 초음파 진동은 가공대상물에 형성되는 상기 가공 홀의 방향와 평행한 방향으로 가해지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 화학반응로는 상기 반응 용액을 활성화하도록, 가열 유닛을 이용해서 상기 반응 용액과 가열 대상물을 미리 설정된 설정온도로 가열하고,
    상기 설정온도는 상기 반응 용액에 포함되는 화학 성분의 녹는점에 대응되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 장치.
  7. 삭제
  8. (a) 레이저 빔 조사부를 이용해서 레이저 빔이 투과하는 결정화된 가공대상물에 레이저 빔을 조사해서 가공 홀을 형성하는 단계,
    (b) 광학부를 이용해서 상기 레이저 빔을 가공대상물의 내부에 국부적으로 조사해서 결정화된 가공대상물을 비결정화하도록, 상기 레이저 빔의 형상을 조정하는 단계 및
    (c) 레이저 빔 조정부를 이용해서 상기 레이저 빔의 펄스 폭과 펄스 에너지를 조정하는 단계,
    (d) 반응 용액이 수용된 화학반응로에 가공대상물을 침전시켜 비결정화된 영역에 형성된 가공 홀을 상기 반응 용액에 의한 화학 반응을 통해 화학적으로 제거하는 단계 및
    (e) 이송부를 이용해서 상기 가공 홀을 형성하고자 하는 패턴에 상기 레이저 빔을 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 (a) 내지 (e)단계를 수행하는 과정에서 제어부를 이용하여 가공대상물의 가공 조건에 기초해서 상기 레이저 빔의 형상과 레이저 빔의 펄스 폭 및 펄스 에너지를 변경해서 조사하도록, 상기 레이저 빔 조사부와 광학부 및 이송부의 구동을 제어하며,
    상기 가공대상물은 투명한 세라믹 재질의 재료로 마련되거나, 실리콘 또는 금속 재질의 재료로 마련되고,
    상기 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 투과 가능한 결정화된 상기 가공대상물에 미리 설정된 단위부피당 에너지 및 펄스폭으로 조사되며,
    상기 (c)단게에서 상기 제어부는 상기 가공대상물의 재질, 규격에 따라 상기 레이저 빔의 파장, 펄스 폭 및 빔 모드와, 레이저 빔의 빔 형상으로 조정하도록 제어하며,
    상기 가공 홀은 가공대상물의 두께 대 상기 가공 홀의 직경의 비가 수 배에서 수만 배가 되도록 가공되며,
    상기 레이저 빔이 조사되는 상기 가공대상물의 일면에서 반대측면을 향하는 직선 형상으로 형성되거나, 하나 이상의 직각부를 포함해서 형성되거나, 미리 설정된 각도만큼 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 화학적 반응은 강산이나 강염기성 화학 물질을 이용해서 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 상기 화학반응로는 초음파 진동자를 이용해서 상기 가공대상물에 미리 설정된 주기로 초음파 진동을 가하고,
    상기 초음파 진동은 상기 가공대상물에 형성된 상기 가공 홀의 방향과 평행한 방향 또는 직각 방향으로 가해지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화학반응로는 상기 반응 용액을 활성화하도록, 가열 유닛을 이용해서 상기 반응 용액과 가열 대상물을 미리 설정된 설정온도로 가열하고,
    상기 설정온도는 상기 반응 용액에 포함되는 화학 성분의 녹는점에 대응되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 미세 가공 방법.
  14. 삭제
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