KR20030095693A - 자외선 레이저빔을 이용한 3차원 물품 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저빔를 이용한 3차원 형상을 갖는 물품의 제조방법에 관한 것으로서 특히 자외선 레이저빔을 이용하여 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기와, 가공소재를 고정하기 위한 가공물 설치대가 구비된 레이저가공 시스템에서, 고분자 플라스틱 수지의 공작물 재료에 레이저빔을 조사하여 미세부품을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 가공소재를 상기 가공물 설치대에 고정하는 단계와, 상기 가공소재의 앞쪽에 상기 레이저 빔이 통과하는 패턴구멍을 갖는 마스크를 설치하는 단계와, 상기 마스크를 회전축선을 중심으로 등속으로 회전시키는 동안 상기 패턴구멍을 통하여 레이저빔을 상기 가공소재에 계속 조사하는 단계를 포함하되, 상기 패턴구멍은 상기 회전축선으로부터 반경방향 거리가 변함에 따라 상기 패턴구멍의 원주방향 양끝 사이의 각도( θ)가 변하도록 형성함으로써, 반경방향에 따라 레이저빔 조사시간이 조절되고 이에 따라 가공깊이가 변하는 3차원 형상 물품의 제조방법이 제공된다.

Description

자외선 레이저빔을 이용한 3차원 물품 제조방법 {METHOD FOR MAKING A 3-DIMAENSIONAL PARTS USING UV LASER BEAM}

본 발명은 레이저빔를 이용한 3차원 형상을 갖는 물품의 제조방법에 관한 것으로서 특히 자외선 레이저빔을 이용하여 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

3차원 물품 특히, 3차원의 미세부품은 복잡한 기하학적 형상을 갖고 있으며 정밀도 또한 매우 엄밀히 요구된다.

이러한 3차원 미세부품을 제조하는 기존의 가공방법에는 LIGA(Lithographi, Galvanoformung Abformung; 독일어로 이루어진 명칭의 약자로서 그 뜻은 deep-etch lithography, electro-forming and molding을 뜻하는 것임), 실리콘표면 미세가공법(Silicon Surface Micro Machining), 실리콘벌크 미세가공법(Silicon Bulk Micro Machining), 방전가공(EMD; Electro-Discharge Machining) 등이 있었다.

이러한 방법들은 그 공정이 복잡하다. 그리고 여러 장비에 의한 여러 공정을 거쳐야만 미세부품을 제조할 수 있는 것이다. 한편, 완벽한 3차원 형상가공에 한계가 있으며, 엄밀히 말해서 2.5차원 형상일 뿐이다. 이러한 가공방법은 시제품 제작 시 또는 다품종 소량생산 시 적합하지 않고 환경문제를 유발할 수 있다는 문제점이 있었다.

이러한 점을 고려하여 본 발명의 목적은 시제품 제작 또는 다품종 소량생산 시 3차원 형상을 갖는 물품을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 레이저빔과 회전 마스크를 이용하여 3차원 형상을 가공하는 것으로서 그 공정이 간단한 제조방법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저빔을 이용하여 3차원 물품을 가공하는 시스템의 개략도

도2는 도1의 회전 마스크와 집속렌즈와 가공재료를 확대하여 도시한 사시도

도3의 (a)는 도2의 회전 마스크의 평면도이고, (b)는 (a)의 회전 마스크에 의해 가공된 초소형 렌즈 가공물의 평면도이고, (c)는 (b)의 렌즈 가공물을 A-A'선을 따라 절단하여 도시한 단면도

도4는 회전 마스크의 패턴구멍 설계시 사용되는 좌표계

도5는 초소형 렌즈 가공물의 좌표계

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 레이저가공 시스템 20 : 레이저 발진기

30 : 빔 조절기구 40 : 회전 마스크

42 : 패턴구멍 50 : 집속렌즈

60 : 가공소재 70 : 가공물 설치대

421 : 제1 곡면 422 : 제2 곡면

423 : 제3 곡면

본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기와, 가공소재를 고정하기 위한 가공물 설치대가 구비된 레이저가공 시스템에서, 고분자 플라스틱 수지의 공작물 재료에 레이저빔을 조사하여 미세부품을 제조하기 위한 방법으로서,

상기 가공소재를 상기 가공물 설치대에 고정하는 단계와,

상기 가공소재의 앞쪽에 상기 레이저 빔이 통과하는 패턴구멍을 갖는 마스크를 설치하는 단계와,

상기 마스크를 회전축선을 중심으로 등속으로 회전시키는 동안 상기 패턴구멍을 통하여 레이저빔을 상기 가공소재에 계속 조사하는 단계를 포함하되,

상기 패턴구멍은 상기 회전축선으로부터 반경방향 거리가 변함에 따라 상기 패턴구멍의 원주방향 양끝 사이의 각도( θ)가 변하도록 형성함으로써, 반경방향에 따라 레이저빔 조사시간이 조절되고 이에 따라 가공깊이가 변하는 3차원 형상 물품의 제조방법이 제공된다.

상기 패턴구멍은 상기 회전축선을 중심으로 하는 원호형의 제1 곡면와, 상기 제1 곡면의 양끝과 각각 연결되고 상기 회전축선에 대해 대칭인 제2 곡면와 제3 곡면을 구비할 수 있다.

상기 패턴구멍은 회전중심으로부터의 거리가 r인 위치에서, 상기 마스크의속도가 ω인 경우 식 π²r²- 2πθ+ θ²= 0을 만족하는 각도( θ)를 갖을 수 있다.

폴리머 재료에 자외선 레이저를 조사하면 전자적 여기(electronic excitation)과정을 거쳐 결합의 해체 및 화학적 분해가 일어난다. 이를 어블레이션(ablation)이라 한다. 자외선 레이저의 펄스 에너지가 증가하여 1J/㎠ 이상이 되는 경우 이러한 광학적 반응 이외에 열반응 효과가 지배적이지만, 폴리머의 경우에는 수백 mJ/㎠ 이하의 영역에서 가공이 완료되므로 광반응에 의한 미소 가공이 지배적으로 일어나며 결과적으로 가공 단면에 열흔이 거의 발생하지 않는다. 레이저 어블레이션 공정에서 발생되는 물질로는 원자, 분자, 폴리머의 파편 등이 있으며, 이것은 레이저 펄스 조사시 수십 ㎲ 사이에 모두 어블레이션이 완료된다. 그리고 어블레이션에서 발생되는 물질의 구성 비율은 어블레이션 공정과 레이저의 에너지 밀도에 따라 결정되며, 어블레이션 물질 중 일부는 이온화되어 가공 표면 위에서 플라즈마를 형성한다.

폴리머의 레이저 어블레이션 특성 중 가장 대표적인 것은 폴리머의 가공깊이를 레이저 펄스 수와 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 의해 최소 가공 단위로 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다. 또한 가공 소재에 레이저가 조사되는 시간을 달리함으로써 폴리머에 경사면이나 평행면을 가공할 수 있다. 이것은 가공깊이가 레이저빔의 펄스 수(펄스 수는 조사시간에 비례한다)에 비례한다는 특성을 이용한 것이다. 따라서 자외선 레이저빔의 조사시간을 조절함으로써 다양한 3차원 형상의 물품을 가공하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 자외선 레이저의 어블레이션 기능을 이용하여, 가공 대상에 레이저빔이 조사되는 시간을 조절함으로써 대기 중에서 화학용액을 사용하지 않고 3차원 형상의 물품을 가공하는 방법을 제공한다. 이러한 레이저빔 조사시간의 조절은 특정한 형태를 갖는 패턴구멍이 형성된 회전 마스크를 회전시킴으로써 이루어진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따라 레이저빔을 이용하여 3차원 미세부품을 가공하는 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 레이저가공 시스템(10)은 레이저 광선이 진행하는 방향으로 차례로 배치된 레이저 발진기(20)와 빔 조절기구(30)를 갖는다. 이어서 회전 마스크(40)가 배치된다. 회전 마스크(40)는 레이저빔의 진행축(25)을 중심으로 회전하도록 구동된다. 즉, 레이저빔의 진행축(25)이 회전 마스크(40)의 회전축선(28)이 된다. 회전 마스크(40)에는 후술하는 패턴구멍이 형성되어 있다. 회전 마스크(40) 다음에는 집속렌즈(focusing lens : 50)가 있어 회전 마스크(40)에 형성된 패턴구멍 형상을 후술하는 가공소재(60)로 축소 투영할 수 있다.

레이저가공 시스템(10)은 가공소재(60)를 설치하기 위한 가공물 설치대(70)를 갖는다. 가공소재(60)로는 폴리머 재료인 것이 바람직하다. 레이저가공 시스템(10)에는 레이저 에너지의 크기를 감시할 수 있는 감시장치(laser energy monitoring unit : 80)가 구비된다.

레이저 발진기(20)로는 자외선 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기를 사용하는 것이 바람직하며 엑사이머 레이저 발진기를 사용하는 것이 더 바람직하다. 엑사이머 천이를 이용하여 발진하는 매질의 조합은 많이 존재하나 통상 엑사이머 레이저라고 할 때에는 희귀원소가스(예를 들면, Ar, Kr, Xe)와 할로겐 가스(예를 들면, F, Cl)를 희석가스(Ne 또는 He) 안에 미량 혼합하여 사용한다. 엑사이머 레이저 발생시 방전 지속시간은 수십 ns(나노 초) 정도이고, 레이저의 발진시간도 20 ns 전후로 매우 짧으나, 펄스 에너지는 수백 mJ로 비교적 크다.

엑사이머 레이저는 어느 것이나 사용이 가능하며, 바람직하기로는 KrF 엑사이머 레이저를 광원으로 사용한다. KrF 레이저는 파장이 짧아 미소 구조물을 가공하는 데에 요구되는 해상도를 충분히 제공할 수 있으며, 발진되는 빔의 출력밀도가 균일하므로 광학계가 간단하다.

빔 조절기구(30)는 빔 어테뉴에이터(beam attenuator : 32)와 다수의 렌즈로 이루어진 빔 전달계(34)와 다이아프램(36)으로 이루어진다. 다이아프램(36)은 출력밀도가 낮은 가장자리 부분들을 제거하기 위한 것이다.

도2를 함께 참조하면, 회전 마스크(40)는 회전축선(28)을 중심으로 회전하도록 구동된다. 회전 마스크(40)에는 패턴(pattern)구멍(42)이 형성되어 있다. 이 패턴구멍(42)의 형상대로 레이저빔이 집속렌즈(50) 쪽으로 통과한다. 회전 마스크(40)의 패턴구멍의 형상을 변경함에 따라, 다른 형태의 3차원 형상을 제조할 수 있다. 도1 및 도2를 참조하면, 집속렌즈(50)는 회전 마스크(40)의 패턴구멍(42)의 형상을 가공소재(60)로 축소 투영한다. 축소 투영하면, 미소한 패턴을 가공할 수 있고 정밀도가 높아진다. 도2에서 해칭한 것은 마스크(40) 또는 집속렌즈(50)에도달하는 레이저 빔을 시각적으로 도시한 것이다. 미세부품을 형성할 가공소재(60)는 가공물 설치대(70)에 장착되어 고정된다.

다시 도1을 참조하면, 빔 에너지 감시장치(80)는 회전 마스크(40) 다음에 빔 스플리트 장치(beam split : 82)를 두고 일부(예를 들면 4%)의 레이저빔을 추출하여 회전 마스크(40)를 통과한 레이저빔 전체의 에너지를 모니터링한다.

도2와 도3의 (a)를 참조하면, 회전 마스크(40)에는 레이저빔이 통과하도록 형성된 패턴구멍(42)이 마련된다. 패턴구멍(42)은 회전축선(28)을 중심으로 반지름 R'을 갖는 반원형의 제1 곡면(421)과, 회전중심(420)으로부터 제1 곡면(421)의 양끝으로 각각 연결된 제2, 제3 곡면(422, 423)으로 형성된다. 제2, 제3 곡면(422, 423)은 서로 대칭으로서, 제1 곡면(421) 쪽으로 볼록하게 휘어져 있다. 본 실시예의 회전 마스크(40)에서는 제2, 제3 곡면(422, 423)은 반원인 것처럼 보이나 반원이 아니며, 제2, 제3 곡면(422, 423)의 정확한 형상 결정에 대해서는 추후에 상세히 설명한다. 이러한 형상의 패턴구멍(42)을 갖는 회전 마스크(40)에 의하면, 도3의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같은 형상의 렌즈(90)를 가공할 수 있다. 렌즈(90)의 볼록면 형태는 반지름 R을 갖는 반구형이다.

도1과 도2를 참조하여, 본 발명의 일측면에 따라 도3의 (b), (c)에 도시된 반구형의 렌즈를 제조하는 과정을 설명한다. 먼저 회전 마스크(40)와 집속렌즈(50)의 위치를 조절한다. 레이저 발진기(20)를 켜고 회전 마스크(40)의 위치를 조절하여 회전 마스크(40)의 패턴구멍(42)을 통과하는 레이저빔의 세기가 최대가 되도록 한다. 가공물 설치대(70)에 가공할 소재(60)를 장착하고 소재(60)와 집속렌즈(50)의 위치를 조절하여 소재에 가장 선명한 상이 생기도록 한다.

그 후 발진기(20)에서 가공을 위해 레이저빔을 생성한다. 레이저빔은 빔 조절기구(30)를 통과하고 집속렌즈(50)로 집속되어, 가공소재(60)에 축소 투영되어 조사된다. 이때 회전 마스크(40)의 팬턴구멍(42) 이외에 조사되는 레이저빔은 회전 마스크(40)의 스크린 면에 의해 차단되어 가공소재(60)까지 도달하지 못한다. 따라서 회전 마스크(40)의 패턴구멍(42)을 통과한 레이저빔만이 가공소재(60)에 도달하게 된다. 회전 마스크(40)의 패턴구멍(42)을 통과한 레이저빔은 가공소재(60) 표면에서 어블레이션 현상을 일으킨다.

도2를 참조하면, 회전 마스크(40)는 회전축선(28)을 중심으로 화살표 방향으로 일정한 속도로 회전한다. 회전 마스크(40)가 회전하게 되면, 레이저빔은 패턴구멍(42)을 통해 가공소재(60)로 조사되게 된다. 패턴구멍(42)의 형태상 회전축선(28)으로부터 멀어질수록 가공소재(60)에 가해지는 레이저빔의 조사시간이 길어지게 된다. 따라서, 가공소재(60) 상에서 레이저빔이 조사되는 부분 중 중심으로부터 반경방향으로 갈수록 조사시간이 길어져 가공깊이(식각깊이)가 커지게 된다. 따라서, 도3의 (b), (c)에 도시된 것과 같이 위로 볼록한 반원형의 렌즈를 가공할 수 있게 된다.

이제 도3, 도4, 도5를 참조하여, 도3의 (b), (c)에 도시된 반구형의 렌즈를 제작하기 위한 회전 마스크(40) 패턴구멍(42)의 형상을 결정하는 과정을 상세히 설명한다. 도4는 도3의 (a)에 도시된 회전 마스크(40)의 패턴구멍(42) 설계시 사용되는 좌표계이고, 도5는 가공될 렌즈의 좌표계이다. 도5를 참조하면, 반경(r)에 따른식각깊이 d는 다음과 같이 나타난다.

d(r) = R - y(r) = Ct ------------------- (1)

여기서 C는 비례상수이며, t는 레이저빔의 조사시간이다.

도4를 참조하면, 회전 마스크 좌표계에서 θ만큼 각도로 형성된 패턴구멍을 통해 통과하는 레이저빔의 조사시간은 다음과 같다.

t = θ/ω ------------------------------ (2)

여기서 ω는 회전 마스크의 각속도이다.

따라서, 상기 (1)식과 (2)식을 통해 렌즈의 형상 y(r)와 패턴구멍의 형상을 결정하는 각 θ와의 관계식은 다음과 같이 주어진다.

y(r) + Cθ/ω= R ----------------------- (3)

여기서, C, ω, R, y(r)는 주어지는 값이므로 θ는 r의 함수로 결정된다. 따라서, 반경(r)에 따른 제2, 제3 곡면(422, 423) 사이의 각 θ가 결정되므로 패턴구멍(42)을 정확한 수식으로 형상화할 수 있다.

렌즈가 위로 볼록한 반구형이므로 도5의 좌표계에서 렌즈면 y(r)는 다음의 식을 만족하게 된다.

y²(r) + r²= R²------------------------- (4)

여기에서 C =1, R = 1, ω= π라고 가정하고 상기 (3)식과 (4)식을 이용하면, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

π²r²- 2πθ+ θ²= 0

이를 도4에서 극좌표로 표현하기 위하여 Ψ= ( π- θ) / 2를 이용하여 나타내면 다음과 같이 표현된다.

r²+ ( 2ψ/ π)²= 1 ------------------- (5)

식(5)를 통하여 반구형 렌즈를 제작하기 위한 패턴구멍을 형상화 할 수 있다. 즉, 도3의 (a)와, 도4에 도시된 제2, 제3 곡면(422, 423)의 형상을 얻을 수 있다.

상기 실시예에서는 반구형의 렌즈를 제작하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 회전 마스크에 형성된 패턴구멍의 형상을 적절하게 설계함으로써 한 중심축에 대해 대칭인 3차원 형상의 임의의 조형물을 가공하는 것이 가능함을 당업자라면 이해할 것이다.

또한, 본 발명에 의하면 3차원 형상의 임의의 조형물뿐만 아니라, 회전 마스크에 마련된 패턴구멍의 형상에 따라 임의의 면을 정밀가공하는 것이 가능함을 당업자라면 이해할 것이다.

본 발명에 따른 레이저가공법을 사용하면, 하나의 중심축에 대해 대칭인 3차원 형상을 갖는 물품을 용이하게 제작할 수 있다. 레이저 어블레이션 현상을 이용하므로 정밀한 형상도 가공할 수 있다. 마스크를 회전시킴으로써 가공이 이루어지므로 가공공정이 간단하다.

이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기와, 가공소재를 고정하기 위한 가공물 설치대가 구비된 레이저가공 시스템에서, 고분자 플라스틱 수지의 공작물 재료에 레이저빔을 조사하여 미세부품을 제조하기 위한 방법으로서,

   상기 가공소재를 상기 가공물 설치대에 고정하는 단계와,

   상기 가공소재의 앞쪽에 상기 레이저 빔이 통과하는 패턴구멍을 갖는 마스크를 설치하는 단계와,

   상기 마스크를 회전축선을 중심으로 등속으로 회전시키는 동안 상기 패턴구멍을 통하여 레이저빔을 상기 가공소재에 계속 조사하는 단계를 포함하되,

   상기 패턴구멍은 상기 회전축선으로부터 반경방향 거리가 변함에 따라 상기 패턴구멍의 원주방향 양끝 사이의 각도( θ)가 변하도록 형성함으로써, 반경방향에 따라 레이저빔 조사시간이 조절되고 이에 따라 가공깊이가 변하는 3차원 형상 물품의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 패턴구멍은 상기 회전축선을 중심으로 하는 원호형의 제1 곡면와, 상기 제1 곡면의 양끝과 각각 연결되고 상기 회전축선에 대해 대칭인 제2 곡면와 제3 곡면을 구비하는 3차원 형상 물품의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 패턴구멍은 회전중심으로부터의 거리가 r인 위치에서,상기 마스크의 속도가 ω인 경우 식 π²r²- 2πθ+ θ²= 0을 만족하는 각도( θ)를 갖는 3차원 형상 물품의 제조방법.