KR20090005302A

KR20090005302A - 고품질 표면을 생성하기 위한 방법과 고품질 표면을 가진 제품

Info

Publication number: KR20090005302A
Application number: KR1020087023267A
Authority: KR
Inventors: 레이요 라팔라이넌; 베사 뮈뤼메키; 라세 풀리; 유하 메키탈로
Original assignee: 피코데온 리미티드 오와이
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2009-01-13
Also published as: CN101389439A; CN101389440B; RU2435871C2; CN101389440A; WO2007096461A2; US20090169871A1; FI20060177A0; IL193646A0; RU2008137493A; CN101389441B; CN101389441A; JP2009527642A; WO2007096461A3; CN101421071A; KR101367839B1; JP5437640B2; EP1991386A2; FI20060177L

Abstract

본 발명은 하나 이상의 표면을 구비하는 물체를 코팅하기 위한 레이저 삭마 방법에 관한 것으로서, 코팅된 물체, 즉 기판이 타겟을 삭마함으로써 코팅되고, 코팅된 물체에 부착되는 표면의 균일도가 ± 100 nm가 되게 된다. 코팅된 물체의 표면은 바람직하게는 미크론 크기의 입자가 없으며, 전형적으로는 개별 입자들의 크기가 기껏해야 ± 25 nm인 나노 기술 표면이다. 또한 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 제품에 관한 것이다.

레이저 삭마, 코팅, 기판, 균일도, 표면, 물체

Description

고품질 표면을 생성하기 위한 방법과 고품질 표면을 가진 제품{METHOD FOR PRODUCING HIGH-QUALITY SURFACES AND A PRODUCT HAVING A HIGH-QUALITY SURFACE}

본 발명은 고품질 표면들 생성하기 위한 레이저 삭마에 기초한 코팅 방법과 고품질 표면을 구비한 제품에 관한 것이다. 본 발명은 고품질 표면과 그러한 고품질 표면을 구비한 제품을 경제적으로 제조할 수 있게 한다. 본 발명은 서로 다른 코팅 재료를 가진, 따라서 서로 다른 특징을 가지는 다수의 상이한 제품들을 위한 고품질 표면을 경제적으로 생성할 수 있게 한다.

레이저 기술은 근래에 상당히 진보하였으며, 이제는 예를 들어서 냉간 삭마에 사용될 수 있는 용인 가능한 효율성을 가지는 섬유 기반 반도체 레이저 시스템들을 생성하는 것이 가능하다. 냉간 작업을 위한 이러한 레이저 중에서 피코초 레이저와 펨토초 레이저가 있다. 예를 들어서 피코초 레이저에서는, 냉간 작업은 100 피코초 이하의 펄스 길이일 때를 말한다. 또한 펄스 길이에 추가하여, 피코초 레이저들은 반복 주파수와 관련하여 펨토초 레이저와 상이하다. 근래의 상업적 피코초 레이저들의 반복 주파수는 1 내지 4 MHz인 반면에 펨토초 레이저들은 kHz로 측정되는 반복 주파수로 유지된다. 냉간 가공은 재료 증기화를 가능하게 하는 데 기껏해야 열 전달이 증기화(삭마)되는 재료 자체를 지향하지 않는데, 즉 펄스 에너지가 단지 각각의 펄스에 의해서 삭마된 재료를 향한다.

전적으로 섬유에 기반한 다이오드-펌프 반도체 레이저(diode-pumped semiconductor laser)가 램프 펌프 레이저 소스와 경합하고 있는데, 상기 레이저 소스는 레이저 빔이 일단 섬유 내로 전달되고나서 작업 부위로 전달된다. 본 출원의 우선일 당시에 본 출원인에게 이용가능한 정보에 따르면, 이러한 섬유 기반 레이저 시스템들은 그 당시에는 산업적 규모로 레이저 삭마 기반 생산을 하기 위한 유일한 방식이다.

현재 섬유 레이저들의 섬유와 결과적으로 낮게 유지되는 빔 출력은 증기화될 수 있는 재료를 제한하게 된다. 알루미늄은 그 자체로 중간 펄스 출력으로 증기화될 수 있는 반면에 구리, 텅스텐 등과 같은 증기화하기에 보다 어려운 재료들은 펄스 당 훨씬 큰 전력을 필요로 한다.

종래 기술의 다른 문제점은 레이저 빔의 스캐닝 폭이다. 일반적으로, 미러 필름 스캐너에서 선형 스캐닝이 적용되어 왔는데, 이 경우에, 예를 들어 약 70 mm의 공칭 스캔 라인 폭(scan line width)을 달성하는 것이 이론적으로 가능하지만, 실제로는 스캐닝 폭은 심지어 30 mm 이하에 유지되어 문제가 될 수 있어서, 이러한 경우에는 스캐닝 범위의 단부들이 품질이 비균질하게 유지될 수 있고, 그리고/또는 중앙 영역과 상이할 수 있다. 따라서 이와 같은 관점에서 작은 스캐닝 폭으로 인해서 대형의 광폭의 물체들의 코팅 작업에서 현재의 레이저 장비를 사용하는 것은 산업적으로 적합하지 못하고 또는 구현하기가 기술적으로 불가능하게 된다.

우선일 당시에 본 출원인에게 알려진 범위에서는, 종래 장비의 유효 성능은 삭마시 약 10 W에로 유지된다. 그리고 반복 주파수는 예를 들어서, 레이저에 의해서 단지 4 MHz 펄스 주파수로 제한될 수도 있다. 펄스 주파수를 더욱 증가시키려고 시도한다면, 종래 기술에 따른 스캐너들은 레이저 빔의 펄스의 상당 부분이 한편으로는, 레이저 장치의 벽 구조와, 또한 플라즈마 형태의 삭마된 재료로 통제할 수 없게 지향하게 되고, 네트 효과(net effect)로서 생산 속도와 삭마된 재료에 의해 부착된 표면 모두의 품질이 감소되고, 타겟을 타격하는 방사 선속(radiation flux)은 충분히 균일하지 않고, 이것은 생성된 플라즈마의 구조에서 볼 수 있으며, 그리고 코팅된 표면을 가격하는 경우 비균질한 품질을 가지는 표면을 형성할 수 있다. 이러한 문제점은 생성될 플라즈마 기둥(plasma plume)의 성장에 비례하여 악화된다.

생산 속도는 펄스 반복 주파수에 정비례한다. 다른 한편으로는, 공지의 왕복 미러 필름 스캐너(mirror film scanner)에 의해서, 운동이 계속 정지해 있다. 미러 필름 스캐너의 이러한 유형이 정지 이외에 새로운 감속과 정지 전에 감속과 가속(그리고 동시에 방향 변환)을 해야만 하기 때문에, 반복 주파수 향상을 통해서 생산 속도를 증가시키려는 경우, 펄스 주파수의 증가는 결과적으로 타겟의 펄스 공급이 불균일하고, 따라서, 특히 정지 위치 부근, 즉 스캐닝 범위의 단부들에서, 정지 위치들 사이에 있는 영역의 마모에 관하여 타겟 재료가 불균일하게 마모된다. 마찬가지로, 플라즈마 생산과 또한 이로써 형성되어야 하는 코팅의 품질이, 코팅의 균일한 품질이 요구되는 기구에 있어서 현저하고 위험하게 불균일할 수 있다. 또한, 타겟의 불균일한 마모는 일부 영역에서는 입자형 파편의 형성으로 귀결될 수 있고, 이것은 무엇보다도 가공 응용분야에서 가공 결과의 품질을 저하시키고, 가공 결과가 거칠어지며, 또한 가공 부위에 직접 인접하는 곳의 구조는 바람직하지 않은 방향으로 회전될 수 있다.

또한, 미러 필름 스캐너의 왕복 운동은, 미러 필름 스캐너의 구조에 다양하게 부담이 되고 체결 장치를 느슨하게 하는 관성력을 생성하는데, 이것이 의미하는 바는, 특히 정지해 있는 미러 필름 스캐너의 작동이 장치의 극단부에서 수행된다면, 시간이 흐르면 얼마간 구조가 드리프트(drift)하기 시작하다는 점이다. 그와 같은 경우에, 사실 관성력은 또한 미러 필름 스캐너의 운동과 그 작동 속도를 제한한다. 실속 미러 필름 스캐너(stalling mirror film scanner)의 정지는 또한, 타겟들로부터 삭마되는 플라즈마를 생성하는데 운동이 적절하고 균등한 것으로 생각될 수 있는 작동 사이클의 영역을 제한한다. 그와 같은 경우에, 작동 사이클은 얼마간 부족한 상태로 유지되고, 작동이 이미 상당히 느리다하더라도 그 일부만이 유효 성능에서 사용될 수 있다. 그리고 실속 미러 필름 스캐너들로부터의 결과는 단지 현저히 느린 플라즈마 생산과 결과적인 불안정성과 또한 플라즈마 내로 입자와 같은 것이 방출되는 것인데, 상기 방출은 코팅된 물체의 코팅 품질에서뿐만 아니라 가공된 물체 및/또는 타겟의 표면에서도 식별될 수 있다. 또한 타겟 표면 상의 유효 스캔 라인 폭(scan line width)은 현저하게 짧게 유지될 수 있다.

종래 기술에 따른 장치에 있어서, 또한 증기화된 재료에 대한 삭마 중심에서 레이저 빔의 초점 변화에 의해서, 플라즈마의 품질에 즉각적인 영향을 미치게 되는 문제가 야기되는데, 그 이유는 재료의 표면의 펄스의 에너지 밀도가 (보통) 감소하 게 되어서 증기화/플라즈마 생성이 더 이상 완전하지 않기 때문이다. 이것은 결과적으로 표면 형태의 변화와, 코팅의 부착 및/또는 코팅 두께의 변경 가능성뿐만 아니라 불필요하게 많은 양의 파편/입자와 저에너지 플라즈마로 귀결된다.

레이저 기술에서의 최근의 큰 발달은 반도체 섬유에 기초한 고전력 레이저 시스템에서 사용되는 수단을 제공하였으며, 따라서 냉간 삭마(cold ablation)에 기초한 방법의 개발을 지원한다.

그러나 종래의 섬유 레이저들의 섬유는 고전력의 사용을 허용하지 않으며, 펄스 형태의 레이저 복사는 충분한 네트 전력 레벨에서 작업 부위로 섬유를 따라서 전달된다. 작업부위에서 필요한 전력 레벨에서 보통의 섬유들은 흡수에 의해 유발된 전송 손실을 용인할 수 없다. 소스로부터 타겟까지 레이저 빔 전송에서 섬유 기술을 사용하는 한 이유는 외기 공간(free air space)을 통한 심지어 단일 빔의 전파도 산업적 작업 환경에서 상당한 위험이 되고 또한 완전히 불가능하지는 않지만 산업적 규모에서는 기술적으로 매우 어렵다.

본 출원의 우선일 당시에는 순전히 섬유에 기반한 다이오드-펌프 반도체 레이저(diode-pumped semiconductor laser)가 램프 펌프 레이저와 경합하고 있는데, 이와 같은 경우에 이들 둘 모두는 레이저 빔이 일단 섬유 내로 전달되고나서 작업 부위의 타겟으로 전달되도록 하는 특징을 가진다. 이러한 섬유 기반 레이저 시스템들은 산업적 규모로 레이저 삭마 기반 생산을 하는 유일한 방식이다.

섬유 레이저들의 현재 섬유와 결과적으로 제한된 빔 출력은 타겟 재료의 증기화/삭마에 있어서 사용될 수 있는 섬유 재료를 제한한다. 알루미늄은 저전력 펄 스에 의해서 증기화/삭마될 수 있는 반면에 구리, 텅스텐 등과 같은 증기화/삭마하기에 보다 어려운 재료들은 상당히 큰 펄스 출력을 필요로 한다. 동일한 공지 기술을 이용하여 새로운 화합물을 생산하는 것을 목표로 하는 경우에도 상기와 동일한 것이 적용된다. 여러 예 중에서 주목할 예로는 탄소로부터 직접 다이아몬드를 제조하는 것 또는 레이저 삭마 후의 조건에서 적절한 기체상 반응을 통해서 알루미늄과 산소로부터 직접 산화 알루미늄을 제조하는 것이다.

다른 한편으로는, 섬유 레이저 기술의 추가적 발달에 있어 가장 큰 장애 중의 하나는 섬유를 손상시키지 않고 레이저 빔 품질이 저하되지 않으면서 고출력 레이저 펄스를 섬유가 저항하도록 하는 것처럼 보인다.

코팅, 박막 제조 및 절단/부조/조각 등과 관련하여 품질과 생산 속도 양자의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 냉간 삭마를 사용하는 데 있어서, 주요 접근법은 레이저 출력을 키우고 타겟 표면에서 레이저 빔의 스폿 크기(spot size)를 감소시키는 것이었다. 그러나 출력 많은 부분은 소음으로 소모되었다. 일부 레이저 제조자들은 레이저 효율성과 관련된 문제점들을 해결하였음에도 품질과 생산 속도의 문제점들은 해결되지 않은 채 남아 있었다. 낮은 반복 주파수, 좁은 스캐닝 폭 및 긴 가공 시간에 의해서 코팅/박막과 절단/부조/조각 양자의 대표 샘플을 생산하는 것은 가능한데, 이것은 그 자체로 산업적 실행 가능성 밖에 있고, 특히 대형 물체의 경우에 그러하다.

펄스 에너지 용량으로 인해서, 펄스 출력이 커지고 펄스 지속시간은 동시에 짧아짐에 따라서 위와 같은 문제점은 짧은 지속 시간의 레이저 펄스에 대해서 보다 심각해진다. 문제점들이 냉간 삭마 방법들에는 그 자체로 적합하지는 않다하더라도 나노초(nanosecond) 펄스 레이저에 있어서 조차도 현저하게 위와 같은 문제가 발생한다.

펨토초(femtosecond) 또는 아토초(attosecond) 크기로 펄스 지속 시간을 단축한다면 위와 문제점을 거의 해결할 수 없도록 한다. 예를 들어서, 펄스 지속 시간이 10 내지 15 ps인 피코초(picosecond) 레이저 시스템에서, 펄스 에너지는 10 내지 30 ㎛ 스폿 크기에 대해서 5 μJ가 되어야 하며, 이때 레이저의 총 출력은 100 W이며 반복 주파수 20 MHz이다. 본 출원인이 확보한 정보에 의하면, 본 출원의 우선일 당시에는 그와 같은 펄스 출력을 버틸 수 있는 이용가능한 섬유가 없었다.

펄스가 짧을수록 주어진 특정 횡단면을 통해서 섬유를 가로질러서 섬유를 통해서 전달되는 주어진 시간 당 에너지는 높다. 펄스 지속 시간과 레이저 출력에 관한 상기와 같은 조건에서, 개개 펄스의 레벨은 약 400 kW의 출력에 상응할 수 있다. 본 출원인이 알고 있는 한에서는, 본 출원의 우선일까지는 200 kW까지 저항할 수 있고 15-ps 펄스가 최적 펄스 형상에서 왜곡되지 않으면서 통과할 수 있도록 하는 섬유를 제조하는 것은 가능하지 않았다.

모든 이용가능한 재료로부터 플라스마 제조의 가능성을 제한하는 것을 원하지 않는다면, 펄스 출력 레벨은 예를 들어서 200 kW와 80 MW 사이에서 자유롭게 선택될 수 있어야 한다. 현재의 섬유 레이저의 제한과 관련된 문제점들은 단지 섬유 자체로부터 발생하는 것이 아니라 또한 원하는 총 출력을 달성하려고 시도하는 경우 광학 커플러(optical coupler)를 통하여 별개의 별도의 다이오드 펌프 레이저 들을 상호결합하는 것과도 관련되어 있다. 그러한 종류의 결합된 빔은 종래 기술을 이용하여 작업 부위로 단일 섬유에서 전달된다.

결과적으로, 광학 커플러들은 작업 부위로 고전력 펄스를 전송하기 위하여 전송 버스(transmission bus)에 사용되는 경우 적어도 섬유 자체만큼의 출력은 저항하여야 한다. 통상적인 출력 레벨을 사용하는 경우에도, 적절한 광학 커플러의 제조는 매우 고가이며, 이의 작동이 상당 부분 불안전하며, 이들은 사용 시에 마모되어서 일정 기간 경과 후에는 교체되어야만 한다.

생산 속도는 반복 주파수 또는 속도(rate)에 정비례한다. 다른 한편으로는, 공지의 미러 필름 스캐너(mirror film scanner)(즉, 갈바노 스캐너(galvano scanner) 또는 상응하는 왕복 유형의 다른 스캐너)들은, 이들의 작동 사이클을 특징으로 하는 왕복 진동 운동을 특징으로 하고 있어서, 작동 사이클의 양 끝에서 미러를 정지시키는 것이 다소 문제가 되는 데, 이것은 마치 반환 지점과 관련된 가속 및 감속과 또는 이와 연관된 순간적 정지와 같은 것이며, 이들은 스캐너와 같은 이러한 종류의 미러의 사용성에 영향을 미치지만 특히 스캐닝 폭에도 영향을 미친다. 반복 주파수를 향상시킴으로써 산출량이 증가된다면, 가속과 감속이 결과적으로 복사의 불균등한 분배 또는 좁은 스캐닝 면적으로 귀결되게 되며, 따라서 복사선이 감속 및/또는 가속하는 미러를 통해서 타겟을 타격할 때 타겟의 플라즈마의 불균등한 분배 또는 좁은 스캐닝 면적으로 귀결된다.

단순히 펄스 반복 주파수를 증가시킴으로써 코팅/박막의 생산 속도를 증가시키려고 한다면, 상기의 공지의 스캐너들은 사전 제어가 불가능하게 kHz 영역의 이 미 낮은 펄스 주파수에 있는 타겟 영역의 겹치는 부위들에 펄스가 지향하게 한다.

동일한 문제점이 나노초 범위의 레이저들에 적용되는데, 이 경우는 펄스가 높은 에너지와 긴 지속 시간을 가지기 때문에 훨씬 심각하다. 따라서 단일 나노초 범위의 펄스조차도 타겟 재료에 심각한 부식을 야기하게 된다.

공지 기술에서, 타겟은 단지 불균일하게 소모될 수 있을 뿐만 아니라 손쉽게 부서질 수 있어서 이것은 플라즈마 품질을 저하시킨다. 따라서 그러한 기술을 이용하여 코팅된 표면은 또한 부정적인 플라즈마 관련 문제점들을 겪는다. 표면에는 파편들이 있을 수 있으며, 플라즈마는 불균일하게 분포될 수 있으며, 따라서 또한 파편이 형성된 표면 등을 형성하고, 이들은 정확성을 요구하는 응용분야에서는 문제되는 사항이지만 응용분야에 특정한 탐지 임계치를 초과하지 않는 단점들이 있는 예를 들어 페인트 또는 안료 응용분야에서는 반드시 문제되지는 않는다. 현재의 방법은 타겟을 단지 한 번만 이용해서는 동일한 타겟은 동일한 표면에서 재사용될 수 없다. 단지 처녀 타겟 표면을 사용하고, 타겟 및/또는 빔의 스폿을 적절하게 서로에 대해서 이동시킴으로써 이러한 문제점을 해결하려는 시도가 있어왔다.

가공 또는 작업 유형의 응용분야에서, 흐름 제어와 관련된 드릴링(drilling)과 연관된 경우에서 발생할 수 있는 바와 같이, 파편들을 포함하는 모든 폐기물 또는 나머지는 또한 불균등한 절단선으로 귀결될 수 있고, 이것은 결과적으로 허용될 수 없다. 또한, 표면들은 해제된 파편으로 인해서 불균일한 외형을 가질 수 있는데, 이것은 예를 들어서 특정 반도체를 제조하는 데에는 적합하지 않다.

또한, 미러 필름 스캐너(mirror film scanner)의 왕복 운동은 구조 자체에 부담을 주는 관성과, 또한 이러한 종류의 미러가 상기 미러를 이동하기 위하여 베어링에 의해 부착되는 위치들을 만들어 낸다. 그와 같은 관성은 점진적으로 미러의 체결 장치를 느슨하게 할 수 있고, 특히 그러한 미러가 설치물의 극단부 범위에 작동하는 경우에 그러하며, 또한 결국에는 설치물의 표류로 귀결될 수 있고, 이것은 그 자체로 생산 품질이 불균일하게 반복된다는 것을 나타낼 수 있다. 이동 방향과 속도의 정지 및 변경 때문에, 이와 같은 종류의 미러 필름 스캐너는 또한 삭마와 플라즈마 생산에 사용되는 스캐닝 폭이 극도로 제한된다. 전체 생산 사이클 길이에 대한 유효 생산 사이클은, 어느 경우에나 처음부터 작동이 느리다고 하더라도 짧다. 생산 증가의 관점에서, 미러 필름 스캐너를 사용하는 시스템은 불가피하게 플라즈마 생산에 대해서는 느리며, 스캐닝 폭이 좁고 결국 불안정하고 플라즈마에서 불리한 입자 방출과 충돌할 가능성이 아주 높아서, 이와 같은 경우에 결과적으로 생성된 가공 및/또는 코팅 제품에서 상응하는 특징을 가진다.

섬유 레이저 기술은 또한, 섬유가 용융 및/또는 분해되지 않거나 또는 레이저 빔의 품질이 섬유가 전송되는 고출력으로 인해서 변형될 때 실질적으로 저하되지 않으면서 광섬유를 통해서 다량의 에너지가 전달될 수 있는 것과 같은 문제점과 또한 연관된다. 10 J 펄스 출력도 섬유가 구조나 품질면에서 단점이 아주 작은 경우에도 섬유를 손상시킬 수 있다. 섬유 기술에서는, 특히 손상되기 쉬운 요소들은 ,예를 들어 다이오드 펌프(diode pump)와 같은 다수의 출력원을 결합하는 광섬유 커플러이다.

펄스가 짧을수록, 그 안의 에너지 양은 커지는데, 이것이 의미하는 바는, 동 일한 양의 에너지를 전송하기 위하여 레이저 펄스가 짧아질 때 이와 같은 문제점들이 보다 부각된다는 점이다. 나노초 펄스 레이저의 경우에는 이러한 문제점이 특히 현저하다.

펄스 지속 시간이 펨토초 또는 심지어 아토초 크기 이하로 축소되는 경우에는 문제점은 거의 해결 불가능하게 된다. 예를 들어서, 펄스 지속 시간이 10 내지 15 ps인 피코초 레이저 시스템에서는, 펄스 에너지는 10 내지 30 ㎛ 스폿에 대해서 5 μJ가 되어야 하며, 이때 레이저의 총 출력은 100 W이며 반복 주파수 20 MHz이다. 본 출원인은 본 출원의 우선일에는 그와 같은 펄스 출력을 버틸 수 있는 섬유에 대해서 알지 못하였다.

섬유 레이저 응용분야의 중요한 분야인 레이저 삭마에서, 그러나 최고의 최적 펄스 출력과 펄스 에너지를 얻는 것이 상당히 중요하다. 펄스 길이가 15 ps이고 펄스 에너지가 5 μJ이며 총 출력이 1000 W인 경우를 고려하면, 펄스의 에너지 레벨은 약 400,000 W(400 kW)이다. 본 출원에게 본 출원인 우선일 당시에 이용가능한 자료에 따르면, 펄스 길이가 15 ps이고 펄스가 최적 상태로 여전히 유지되고 펄스 형상이 최적으로 유지되고 있으면서 심지어 200-kW 펄스도 전송하는 섬유를 제조하는 데 성공한 사람이 없다.

어느 경우에나, 임의의 이용가능한 재료로부터 플라즈마 생산에서 무제한적인 가능성을 원한다면, 펄스 출력 레벨은 예를 들어서 200 kW와 80 MW 사이에서 상당히 자유롭게 선택될 수 있어야 한다.

그러나 현재의 섬유 레이저와 관련된 문제점들은 단지 섬유에 국한된 것이 아니며 또한 생성된 빔이 작업 스폿으로 단일 섬유를 통해서 전달될 수 있도록 원하는 총 출력을 얻을 수 있게 하기 위하여 광학 커플러를 통해서 분리된 다이오드 펌프들을 결합하는 것과 관련된다.

적용 가능한 광학 커플러(optical coupler)들은 고출력 펄스를 작업 부위에 전달하는 광섬유만큼의 출력을 저항할 수 있어야 한다. 또한, 펄스 형상이 레이저 빔의 모든 전파 단계에 걸쳐서 최적으로 유지되어야 한다. 현재 출력 값까지도 지탱하는 광학 커플러들은 제조 비용이 특히 고가이며, 상당히 신뢰성이 떨어지고 마모되는 요소이며 정기적으로 교체될 필요가 있다.

레이저 빔과 삭마를 기초로 한 종래 기술들은 출력 및 품질 문제와 관련되어 있어서, 예를 들어서 특히 스캐닝과 관련해서, 그리고 삭마 관점에서, 반복 주파수는 균일하고 양호한 생산 품질로 산업적 규모로 대량생산할 수 있도록 하는 수준으로 올려질 수 없다. 또한, 종래 기술에 따른 스캐너들은 증기화기 유닛(진공 챔버) 외측에 배치되어서 레이저 빔이, 항상 상당 정도 출력을 감소시키게 되는 광학 윈도우를 통해서 진공 챔버로 지향하게 되어야 한다.

본 출원인에게 알려진 자료에 따르면, 본 출원의 우선일 당시에 알려진 장비를 사용하는 경우 삭마의 유효 출력은 약 10 W이다. 그리고 또한 반복 주파수는 예를 들어서, 레이저로 단지 4 MHz 단속 주파수로 제한될 수도 있다. 펄스 주파수를 더욱 증가시키려고 시도한다면, 종래 기술에 따른 스캐너들은 레이저 빔의 펄스의 상당 부분이 레이저 장치, 또한 플라즈마 형태의 이미 삭마된 재료 내부의 벽 구조물을 통제할 수 없게 지향하게 되고, 생산 속도가 그러한 것처럼 생산될 표면의 품 질이 겪게 될 네트 효과(net effect)를 가진다. 더욱이, 타겟을 가격하는 방사 선속(radiation flux)은 충분히 균일하게 유지되지 않고, 이것은 플라즈마의 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 이것은 따라서 코팅된 표면의 타격 시에 불균일한 품질의 표면을 생성할 수 있다.

그러므로 타겟이 가공된 물체 및/또는 부품(part)인 가공 응용분야에서도, 그 표면이 형성되어야 하고, 절단 효율성과 절단 품질 모두가 영향 받게 되는 일이 용이하게 발생한다. 또한 코팅된 표면뿐만 아니라 절단 지점 주위의 표면에 착지하는 파편들과 스패터(spatter)들의 위험성이 상당하다. 게다가, 종래 기술에 따르는 경우, 여러 레이어에 반복된 표면 처리를 적용하는 것이 시간이 걸리고, 최종 결과의 품질이 반드시 충분히 균일하게 되지는 않는다.

본 출원인은 본 출원의 우선일 당시에 인식한 종래 기술에 따른 스캐너들에 있어서, 스캐닝 속도는 약 3 m/s로 유지되고, 이 때 조차도 스캐닝 속도는 완전히 일정하지는 않고 스캔 도중에 변동된다. 이것은 주로 종래 기술에 따른 스캐너들이, 스캐닝 거리를 따라 이동할 때 정지하고 나서 반대 방향으로 이동하고 다시 스캔하는 터닝 미러(turning mirror)에 기반하고 있기 때문이다. 또한 왕복 미러들은 공지되어 있지만, 이들은 운동의 비균일성과 관련된 동일한 문제점을 가지고 있다. 평탄 미러로 실행되는 삭마 기술은 미국 특허 제6,372,103호와 제6,063,455호에 기술되어 있다. 스캐닝 속도의 가속, 감속 및 정지로 인해서 스캐닝 속도가 일정하지 않기 때문에, 작업 부위에서 증기화를 통해서 생성된 플라즈마의 산출량 또한 타겟의 지점이 다르면 상이하고, 특히 스캐닝 영역의 극단부에서 그러한데, 이는 플라 즈마의 산출량과 또한 그 품질이 전적으로 스캐닝 속도에 의존하기 때문이다. 어느 정도는, 종래 기술에 따른 장치를 사용하는 경우 에너지 레벨이 높고 시간당 펄스 개수가 많을수록 문제점이 더 심각해진다는 것을 주요한 규칙으로 생각할 수 있다. 성공적인 삭마에서는 재료가 원자 입자들로 증기화된다. 그러나 교란이 발생하는 경우에는, 파편들이 타겟 재료로부터 유리/이탈될 수 있는데, 상기 파편들은 크기가 수 마이크로미터이고, 삭마에 의해서 생성된 표면의 품질에 자연히 영향을 미치게 된다.

현재의 스캐너들의 속도가 느리기 때문에, 펄스 주파수를 증가시키는 것은 결과적으로 미러 구조를 지향하는 에너지 레벨이 아주 높아서 레이저 빔이 스캐너에 도달하기 전에 팽창되지 않는다면 현재의 미러 구조가 용융/연소하게 된다. 따라서 스캐너와 삭마 타겟 사이에 추가적인 별도의 집광 렌즈(collecting lens) 장치가 요구된다.

기존 스캐너에 특징적인 주요한 작동 원칙은 이들이 가벼워야 한다는 점이다. 또한 이것이 의미하는 바는 이들 스캐너의 질량이 레이저 빔의 에너지를 흡수하기에는 상대적으로 작다는 점이다. 이와 같은 사실은 현재 삭마 응용분야에서 용융/연소의 위험성을 증가시킨다.

종래 기술 해법의 한 문제점은 스캐닝 폭이다. 이들의 해법들은 약 70 mm의 공칭 스캔 라인 폭(scan line width)을 이론적으로 달성할 수 있는 미러 필름 스캐너에서 라인 스캐닝(line scanning)을 이용하는 것인데, 실제로는 스캐닝 폭은 약 30 mm에 유지되어 문제가 될 수 있어서 스캐닝 영역의 단부 부분들이 중심 부분과 다르고 그리고/또는 질적으로나 불균일하게 남아 있을 수 있다. 아주 작은 스캐닝 폭은, 광폭의 큰 물체를 위한 표면 처리 응용분야의 현재의 레이저 장치의 사용이 산업적으로 이용 가능성이 없다거나 또는 기술적으로 실시 불가능하다는 사실을 뒷받침 한다.

레이저 빔이 초점 밖에 있는 종래 기술에 따른 상황이 발생한다면, 생성된 플라즈마는 품질이 상당히 열악할 수 있다. 또한 해제된 플라즈마는 타겟의 파편들을 포함할 수 있다. 동시에, 증기화 된 타겟 재료는 더 이상 사용될 수 없을 만큼 손상될 수 있다. 재료원으로서 너무 두꺼운 타겟을 사용하는 종래 기술에서 이와 같은 상황은 전형적이다. 초점을 최적으로 유지하기 위하여, 타겟은, 타겟이 소모되는 정도에 상응하는 거리에 대해서 레이저 빔의 입사 방향으로 이동되어야 한다. 그러나 문제점이 여전히 해결되지 않고 남아 있는데, 즉 타겟이 초점으로 다시 이동될 수 있다고 하더라도 표면 구조와 조성이 이미 변화되었을 수도 있는데, 그 변화 정도는 타겟으로부터 증기화된 재료 양에 비례한다. 종래 기술에 따른 두꺼운 타겟의 표면 구조는 이것이 마모됨에 따라서 또한 변한다. 예를 들어서, 타겟이 화합물 또는 합금이라면 문제점을 용이하게 인식할 수 있다.

종래 기술에 따른 장치에 있어서, 증기화된 재료에 대한 삭마 중간의 레이저 빔의 초점 변화는 플라즈마의 품질에 즉각적인 영향을 미치게 되는데, 그 이유는 재료 표면 상의 펄스의 에너지 밀도가 보통 감소하게 되어서 플라즈마의 증기화/생성이 더 이상 완전하지 않기 때문이다. 이것은 결과적으로 표면 형태의 변화와 코팅의 점착 및/또는 코팅 두께의 변경 가능성뿐만 아니라 불필요하게 많은 양의 파 편/입자와 저에너지 플라즈마로 귀결된다.

초점 조정에 의하여 상기의 문제점들을 완화하려는 시도가 있어왔다. 종래 기술에 따른 장비에서는 레이저 펄스의 반복 주파수가 낮고, 예를 들어서 200 kHz 이하이고, 스캐닝 속도가 미비하게도 3 m/s 이하이고, 플라즈마 강도의 변화 속도가 낮아서, 장비는 초점을 조절함으로써 플라즈마의 강도 변화에 반응할 시간을 가진다. 소위 실시간 플라즈마 강도 측정 시스템은 a) 표면 품질과 그 균일성이 중요하지 않고, b) 스캐닝 속도가 작은 경우에 사용될 수 있다.

결과적으로 본 출원의 우선일 당시에 본 출원인에게 이용가능한 정보에 따르면, 종래 기술에 따른 기술을 사용해서는 고품질의 플라즈마를 생산하는 것이 가능하지 않았다. 따라서 다수의 코팅들이 종래 기술에 따라서는 고품질 제품들로서 제조될 수 없다.

종래 기술에 따른 시스템들은 그 시스템에서 사용되어야만 하는 복잡한 시스템들을 필요로 한다. 현재의 공지된 방법에서, 타겟은 보통 두꺼운 바(bar) 또는 시트(sheet) 형태이다. 줌 포커싱 렌즈(zoom focusing lens)가 사용되어야만 하거나 또는 타겟이 소모됨에 따라서 타겟이 레이저 빔을 향해서 이동되어야만 한다. 심지어 이와 같은 것을 실제로 실시하는 것도 충분히 신뢰성 있는 방식으로 가능하다지 않을 뿐더러, 이미 기술적으로 비용이 아주 많이 들며 난해하고, 불필요하게 큰 품질 변화가 있어서, 정밀한 제어가 거의 불가능하고, 두꺼운 타겟의 제조가 가격이 비싼 등의 문제가 있다.

미국 문헌은 현재의 종래 기술의 기법이 레이저 펄스를, 랜덤 편광이 아닌 단지 우세 S 편극 또는 선택적으로 우세 P 편극 또는 원편극 광으로서 삭마 타겟으로 지향하게 할 수 있는 방법을 교시하고 있다.

레이저 삭마 또는 경합하는 다른 방법들을 기초로 한 현재의 코팅 방법은 표면 균일성이 나노 기술 스케일에서 또한 양호하게 되는 표면 제조를 가능하게 하지 않는다. 표면이 균일하지 않다는 사실과는 별개로, 표면들은 코팅 표면을 부분적으로 관통하거나 또는 상기 펴면 상부에 있는 전형적으로 항상 미크론 크기의 입자에 의해 덮여 있다. 상기 입자와 함께 표면의 불균일한 품질은 예를 들어 표면의 광학적 품질(투명성)을 저하시키거나 완전히 손상시키고, 상기 표면의 마찰 특성을 약화시키며 코팅된 기판의 생성 표면의 부착을 보통 약화시키기도 한다.

예를 들어 다이아몬드 코팅이 이미 약 50년 동안 적용되어 왔지만, 경화성의 긁힘 방지 표면의 산업적 제조는 장기간 기대되어 왔다. 오늘 날에도, 이것은 DLC 필름(다이아몬드 같은 탄소, DLC)으로 이해되고, 사용 최고 온도는 200 ℃이며, 이것은 적당하게 연하며 일 미크론 두께의 기존의 광학적 특징이 부족(블랙)하다.

몇 종류의 표면이 달성되는 경우, 이것은 보통 기판 표면으로부터 쉽게 이탈된다. 생성 표면의 두께는 조절하기 어렵다. 삼차원 물체의 코팅은 거의 불가능하고, 성공한다고 해도 적어도 극히 느리며, 높은 제조 비용 때문에 산업적으로 구현하기가 불가능하다. 삼차원 물체의 생성은 기술적으로 불가능했었다.

훌륭한 해법을 제시한다고 하여도 여러 다른 목적 때문에, 광학적으로 그리고 그 경도 특성 때문에, 예를 들어서 소규모 렌즈의 상부에 사파이어 표면(단결정 알루미늄 산화물)의 제조는 종래기술에서는 여전히 불가능하다.

본 발명은 하나 이상의 표면을 구비한 물체를 코팅하기 위한 레이저 삭마 방법에 관한 것인데, 코팅되는 물체, 즉 표면은 타겟을 삭마함으로써 코팅되고, 따라서 코팅되는 물체에 형성되는 표면의 균일도는 ± 100 nm이다. 또한 본 발명의 방법에 따라 제조된 물체 표면의 품질은 전형적으로, 마이크로 크기 (> 1 ㎛)의 입자를 포함하지 않도록, 바람직하게는 생성된 표면들이 100 nm 이상의 입자를 포함하지 않도록 된다. 최적하게는 생성된 표면들은 25 nm 이상의 크기의 입자를 포함하지 않는다. 이러한 종류의 표면들은 뛰어난 광학적 특성들, 균일한 품질 및 각 경우에 요구되는 다른 특징들을 가진다.

본 발명은 고품질이고 경제적으로 산업적으로 이용가능한 모든 평면 또는 삼차원 표면, 심지어 3차원 물체의 제조를 가능하게 한다.

추가적으로, 본 발명은 하나 이상의 표면을 구비한, 레이저 삭마 방법에 의하여 코팅된 물체에 관한 것인데, 상기 물체, 즉 기판은 코팅되는 물체에 부착된 표면의 균일도가 ± 100 nm이도록 타겟을 삭마함으로써 코팅된다.

본 발명은, 삼차원의 기하학적 물체와 평탄 기하학적 물체 모두가 훌륭한 기술적 특징(표면 균일성, 거칠기 특성, 경도, 필요 시 광학적 특징과 경도)과 산업적으로 이용가능한 제조 속도로 코팅될 수 있다는 놀라운 사실에 기초한다.

종래 기술에 따르면, 삭마되는 타겟 재료와 코팅된 기판과의 사이의 거리가 통상적으로 약 30 mm 내지 70 mm 이지만, 현재는 또한, 동일한 기술적으로 고품질의 표면들이 본 발명에 따라서 타겟과 기판 사이의 거리가 아주 짧도록, 즉 2 ㎛ 내지 10 mm 내의 범위에 있도록 제조될 수 있다는 놀다운 사실이 알려졌다. 본 발명과 관련하여, 또한 단지 상기의 짧은 거리에서 원하는 결과를 가지도록 코팅될 수 있는 제품들이 있다는 것이 알려졌다.

더욱이, 또한, 저진공에서 또는 심지어 통상의 대기압을 가지는 기체 대기에서의 특정 조건에서 동일한 기술적으로 고품질의 표면들이 본 발명에 따라서 또한 제조될 수 있다는 것이 알려졌다. 이것은 당연히 제품의 완성 속도가 증가할 뿐만 아니라 감소된 장비 요건(양호한 진공 챔버들)의 형태로 제조 비용을 급격하게 떨어뜨린다. 초기에는 레이저 삭마에 의한 일부 물체, 특히 대형 물체의 코팅은, 대형 물체의 경우 제조가 경제적으로 이익이 되지 않게 되는 아주 크고 느린 펌프 진공 챔버(pumped vacuum chamber)들을 구축하는 것이 필요하기 때문에 경제적으로 정확하게 구현하는 것이 불가능했다. 또한, 결정수(crystal water)를 포함하는 석재 재료와 같은 일부 제품들에 있어서는, 심지어 고진공(high vacuum)도 이러한 진공 공간 없이는 사용될 수 없어서, 특히 상승된 온도와 함께 석재에 포함된 결정수를 분해하고 동시에 석재 제품의 구조를 파괴를 야기한다.

본 발명에 따른 표면의 제조 속도는 종래 기술의 제조 속도에 비교해서 아주 크다. 종래 기술의 방법에 의한 일 캐럿(0.2 g) 다이아몬드의 제조는 24 시간이 소요되는데, 본 방법은 20 W의 레이저 출력으로 시간당 예를 들어 4 캐럿(0.8 g)을 생산한다. 본 발명에 따르면, 예를 들어 다이아몬드와 같은 원하는 재료의 품질 특성이 각 경우의 필요에 따라서 조절될 수 있다.

본 발명의 목표는 종래 기술과 관련된 문제점들을 해결하거나 적어도 이를 완화하는 표면 처리 장치를 도입하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목표는 본 출원의 우선일 당시의 종래 기술에서 알려진 것보다 고품질 표면을 가지고 보다 효과적으로 코팅된 타겟을 코팅하기 위한 방법, 장치 및/또는 배열을 도입하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목표는, 표면 처리 장치가 본 출원의 우선일 당시에 종래 기술에서 알려졌던 것보다 우수한 표면을 가진 물체를 반복적으로 코팅하는 데 사용되는 기술에 의하여 구현되는 3차원 프린팅 유닛(printing unit)을 개시하는 것이다. 본 발명의 이러한 목표들은 아래와 같은 다음 목적과 관련되어 있다.

본 발명의 제1 목적은, 타겟 재료가 플라즈마에서 어떠한 파편도 형성하지 않도록, 즉 순수 플라즈마이며 상기 파편들이 만약 있더라도 단지 드문드문 나타나고 상기 플라즈마가 상기 타겟을 삭마함으로써 형성되는 삭마 깊이보다 작은 크기를 가지도록 하는 방식으로 고품질의 정밀 플라즈마를 실질적으로 임의의 타겟으로부터 생산하는 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 가공된 타겟이 플라즈마에 혼합될 수 있는 어떠한 파편도 형성하지 않도록, 즉 플라즈마가 순수하며 또는 상기 파편들이 만약 있더라도 단지 드문드문 나타나고 상기 플라즈마가 상기 타겟을 삭마함으로써 형성되는 삭마 깊이보다 작은 크기를 가지도록 삭마 깊이만큼 타겟으로부터 재료를 제거하는 냉간 가공 방법에서 사용되는 정밀하고 균등한 절단 라인을 고품질 플라즈마를 유리시킴으로써 생성할 수 있는 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은, 입자형 파편을 전혀 포함하지 않는 고품질 플라즈마를 사용하여, 즉 플라즈마가 순수한 경우 또는 상기 파편들은 존재하더라도 단지 드문드문 존재하고 플라즈마가 상기 타겟을 삭마해서 생성되는 삭마 깊이보다 작은 크기를 가지는 그러한 고품질 플라즈마를 사용하여 기판으로서 역할 하는 영역의 표면을 코팅, 즉 실제로 임의의 재료로부터 생성될 수 있는 순수 플라즈마를 사용하여 기판의 표면을 코팅하는 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 제4 목적은, 파편들의 발생을 제한함으로써 또는 이들의 크기가 삭마 깊이보다 작도록 제한함으로써 입자형 파편들에서의 운동 에너지 소모가 감소되도록 하는 방식으로 기판 파지를 위한 양호한 부착 특성을 가지는 코팅을 고품질 플라즈마를 이용하여 얻을 수 있는 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다. 동시에, 파편들은 이들의 부재로 인해서 핵생성(nucleation)과 응축 현상을 통한 플라즈마 제트(plasma jet)의 균질성에 영향을 미칠 수 있는 저온 표면들을 생성하지 않게 된다. 추가적으로, 제4 목적에 따르면, 바람직하게는 짧은 복사 펄스, 즉 지속시간이 피코초 범위 펄스이거나 보다 짧고 두 펄스들 사이에서, 두 연속 펄스 사이의 특정 인터벌(interval)을 사용하는 경우 가열의 영향 영역이 최소화될 때 복사 에너지는 플라즈마 에너지로 효과적으로 변환된다.

본 발명의 제5 목적은 산업적 규모로 대형 물체를 위해서도, 고품질의 플라즈마와 넓은 코팅 폭을 가지면서 동시에 넓은 스캐닝 폭을 얻기 위한 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 제6 목적은 상기의 목표들과 병행해서 산업적 규모의 응용분야에서 사용되는 높은 반복 주파수를 달성하기 위한 방법에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 제7 목적은 제1 목표 내지 제6 목표와 병행하여 제품을 생산하고 표면을 코팅하기 위하여 고품질 플라즈마를 생성하되, 필요한 경우 동일한 품질의 재코팅/박막을 생성하기 위하여 코팅 단계들에서 사용되는 재료를 절약하는 것에 관한 과제를 해결하기 위한 적어도 새로운 방법 및/또는 관련 수단을 형성하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 그와 같은 제품들의 각각의 적절한 유형과 함께 표면을 냉간 가공 및/또는 표면 코팅하기 위한 방법에 관한 과제를 해결하기 위하여 상기 제1, 제2, 제3 제4 및/또는 제5 목표와 병행하는 방법 및 수단을 적용하는 것이다.

본 발명의 목적은 복사선의 사용에 기초한 표면 처리 장치에 의한 고품질 플라즈마 생성을 통해서 달성되는데, 상기 장치는 방출되는 복사의 전송 라인에 본 발명의 실시예에 따른 터빈 스캐너(turbine scanner)를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 표면 처리 장치를 사용하는 경우, 코팅의 생성 및/또는 처리될 표면으로부터 재료의 제거가 고품질 코팅에 필요한 수준으로, 더욱이 충분한 생산 속도와 복사 출력의 불필요한 제한 없이 향상될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예들은 종속항들에 예시적으로 개시된다. 본 발명의 실시예들은 적용 가능한 경우 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 코팅 및/또는 제품들의 제조에 사용될 수 있는데, 제품의 재료들은 다소 자유롭게 선택될 수 있다. 예를 들어서, 반도체 다이아몬드가 대량 생산 방식으로, 다량을 저비용으로 반복성이 양호하고 양호한 품질로 생산될 수 있다.

본 발명의 실시예 그룹에서는 표면 처리가 레이저 삭마에 기초하고 있어서, 터빈 스캐너를 가지는 복사 전송 라인을 통해 전송되는 빔을 위한 복사 소스(source)로서 거의 모든 레이저 소스를 사용하는 것이 가능하다. 그리고 적용 가능한 레이저 소스들은 CW 레이저, 반도체 레이저 및 펄스가 피코초, 펨토초 또는 아토초 단위인 펄스 레이저 시스템(pulsed laser system)과 같은 것이 있는데, 그 중 마지막 세 개의 펄스 길이들은 냉간 작업 방법에 적합한 길이를 대표한다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 레이저 소스를 제한하지는 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 위한 여러 가능한 응용분야를 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 삭마 코팅 장치를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장치에 형성된 멀티 레이어 기판을 도시한 도면.

도 4는 단결정 다이아몬드 빔이 레이저 삭마 장치에서 제조되는 본 발명의 실시예를 도시한 도면으로서, 상기 장치에서는 증기화된 탄소 재료(재료 프리폼 127)가 열분해 탄소(pyrolytic carbon)이고, 타겟과 기판 사이의 거리가 4 mm인 상 기 실시예의 도면.

도 5는 대형의 삼차원 형태를 가지는 본 발명에 따라 코팅된 물체로서, 이 경우에는 눈 밀개(snow pusher)를 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따라 코팅된 전기 통신 쉘 구조(telecommunication shell structure)를 도시한 도면.

도 7은 타겟이 테이프 공급방식(tape feed)으로서 공급되는 본 발명의 실시예에 다른 삭마 코팅 장치를 도시한 도면.

도 8은 레이저 빔을 스캔하기 위한 본 발명의 일부 실시예에서 사용되는 터빈 스캐너를 도시한 도면.

도 9는 삭마된 재료의 타겟으로 지향된 열 전달과 이로써 재료에서 야기된 손상과 관련하여 열간 작업(마이크로 및 나노초 펄스 레이저, 장 펄스를 가짐)과 냉간 작업(피코 및 펨토초 레이저, 단 펄스) 사이의 차이를 도시한 도면.

도 10은 석재 제품을 코팅하기 위한 본 발명에 따른 실시예를 도시한 도면.

도 11은 본 발명에 따라 코팅된 의학용 기구를 도시한 도면.

도 12는 본 발명에 따라 코팅된 의학용 제품을 도시한 도면.

도 13은 본 발명에 따라 코팅된 비행기 요소를 도시한 도면.

도 14는 본 발명에 따라서 산화 알루미늄으로 코팅된 광학 제품을 도시한 도면.

도 15는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 코팅 적용 예들을 도시한 도면.

본 발명은 하나 이상의 표면을 구비하는 물체를 코팅하기 위한 레이저 삭마 방법에 관한 것으로서, 코팅된 물체, 즉 기판이 타겟을 삭마함으로써 코팅되어서, 코팅된 물체의 균일도가 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM)으로 일 평방 마이크로미터 면적에서 측정했을 때 ± 100 nm가 되게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 코팅된 물체에 생성된 표면의 균일도는 ± 25 nm이고, 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는, 코팅된 물체에 생성된 표면의 균일도는 ± 2 nm이다.

생성된 표면의 균일도는 각 경우의 요건에 따라서 조절될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 코팅된 표면에는 1 ㎛ 이상의 직경을 가지는 입자는 없다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 코팅된 표면에는 100 nm 이상의 직경을 가지는 입자는 없다. 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 코팅된 표면에는 25 nm 이상의 직경을 가지는 입자는 없다.

본 발명에 따른 방법에서는, 생성된 표면의 두께는 제한되지 않는다. 본 발명에 따르면, 물체는 1 nm 위로부터 코팅될 수 있어서 항상, 예를 들어서, 심지어 아주 두꺼운 표면들 또는 삼차원 구조가 형성된다.

코팅된 물체, 즉 기판과 레이저 빔에 의해서 삭마되는 재료, 즉 타겟과의 사이의 거리는 종래 기술에 따르면 30 mm 내지 70 mm이고 바람직하게는 30 mm 내지 50 mm이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코팅된 물체, 즉 기판과 레이저 빔에 의해서 삭마되는 재료, 즉 타겟과의 사이의 거리는 1 mm 내지 10 mm이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 기판과 타겟과의 사이의 거리는 2 mm 내지 8 mm이고, 예를 들면 3 mm 내지 6 mm이다. 요구 거리는 코팅된 기판과, 원하는 표면의 품질 및/또는 기술적 특징에 따라 다르다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 타겟과 기판 사이의 거리는 2 ㎛ 내지 1 mm 사이로 짧다. 이와 같은 부류의 거리에 있어서, 본 발명에 따르면, 바늘과 칼 및 다양한 블레이드 에지(blade edge)와 같은 "날카로운" 타겟에 뛰어한 균일성의 표면들이 얻어진다. 얻어진 표면 경도는 또한 훌륭한 품질을 가진다. 본 발명의 일 실시예는 다이아몬드 코팅된 바늘, 칼 및 블레이드이고, 특히 이러한 것들 모두의 첨단(tip)이다. 또한 다이아몬드는 다른 경화성 코팅(hard coating)으로 대체될 수 있다.

본 방법의 바람직한 실시예에서는, 코팅된 표면은 하나의 단일 타겟으로부터 삭마된 재료로 형성된다.

본 방법의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 코팅된 표면이 여러 타겟으로부터 동시에 삭마된 재료로 부착된다.

또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 삭마된 재료로 생성된 플라즈마 기둥(plasma plume)에서, 플라즈마 기둥에 포함된 삭마된 재료와 반응하는 반응성 재료가 가져와지고 생성된 화합물 또는 화합물들은 기판 상에 형성된 표면을 형성하도록 코팅된 표면이 형성된다.

결과적으로, 레이저 펄스로 타겟을 삭마하는 경우, 분자 플라즈마 기둥이 생 성된다.

명료해지도록, 또한 원자 레벨 플라즈마는 적어도 부분적으로 이온화된 상태에 있는 기체를 의미하는데, 상기 기체는 또한 핵의 전기력에 의해 결합된 남아 있는 전자와 함께 원자 부분을 포함할 수 있다. 따라서 예를 들어서 한번 이온화된 네온은 원자 레벨 플라즈마로서 생각된다. 당연히, 또한 서로 분리되어 있는 전자와 순수 핵들을 포함하는 입자 그룹은 플라즈마로서 생각된다. 따라서 순수한 형태의 양호한 플라즈마는 단지 기체, 원자 레벨 플라즈마 및/또는 플라즈마를 포함하되, 예를 들어서 고체 파편들 및/또는 입자들은 포함하지 않는다.

펄스 레이저 부착(pulsed laser deposition, PLD) 응용분야를 사용하는 것과 관련하여서, PLD의 레이저의 펄스가 길수록, 펄스가 타겟을 타격할 때 타겟으로부터 증기화된 재료의 원자 속도와 플라즈마 에너지 레벨은 낮다는 점을 주목한다. 반대로, 펄스가 짧을수록, 증기화된 재료의 에너지 레벨이 높고 재료 제트(jet)의 원자 속도는 크다. 다른 한편으로는 또한 이것이 의미하는 바는, 증기화에서 얻어진 플라즈마는, 고체상 또는 액체상의 침전물 및/또는, 파편, 클러스터, 미립자(micro particles) 또는 조대 입자(macro particles)들과 같은 응축물이 없이 보다 균일하고 균질하다는 점이다. 즉, 펄스가 짧을수록 반복 주파수는 크고, 증기화 된 재료의 삭마 임계치가 초과된다면, 생성될 플라즈마의 품질은 더욱 우수하다.

재료의 표면을 타격하는 레이저 펄스로부터의 열 펄스(heat pulse)의 유효 깊이는 레이저 시스템에 따라서 상당히 달라진다. 이와 같은 영향 영역은 열 영향 구역(heat affected zone, HAZ)으로 호칭된다. 열 영향 구역은 레이저 펄스의 출력 과 지속시간에 의하여 실질적으로 결정된다. 예를 들어서, 나노초 펄스 레이저 시스템은 통상적으로 약 5 MJ 또는 그 이상의 펄스 출력을 생성하는 반면에, 피코초 레이저 시스템은 1 내지 10 μJ의 펄스 출력을 생성한다. 반복 주파수가 동일하다면, 1000 배 이상 큰 출력을 가지는 나노초 레이저 시스템에 의해 생성된 펄스의 열 영향 구역은 피코초 펄스의 열 영향 구역보다 상당히 깊다. 게다가, 상당정도 더 얇은 삭마된 레이어는 잠재적으로 기판으로부터 분리되게 되는 입자의 크기에 직접적인 영향을 미치고, 이것은 소위 냉간 삭마 방법의 장점이다. 나노 크기의 입자들은 보통, 입자들이 기판을 가격할 때 주로 구멍과 같은 큰 부착 손상을 야기하지 않는다.

본 발명의 실시예에서, 고체(또는 존재한다면 액체) 상의 파편들은 전기장에 의해서 추출된다. 이것은 수집 전기장(collecting electric field)에 의해서, 그리고 다른 한편으로는 낮은 전기 이동성으로 움직이는 파편들이 플라즈마 기둥의 플라즈마로부터 멀어질 수 있도록 타겟이 전기적으로 충전되도록 유지함으로써 달성될 수 있다. 자기 필터링은 플라즈마 제트를 일탈시킴으로써 상응하는 방식으로 작동하여서 입자들은 플라즈마로부터 분리된다.

본 발명에 따르면, "표면"이란 용어는 표면 또는 3차원 재료를 의미할 수 있다. 본 명세서에서, "표면"의 개념은 어떠한 기하학적 또는 삼차원적 제한을 받지 않는다.

본 발명에 따른 기판의 코팅은 물체의 전체 표면을 따라서 균일하고 핀홀(pinhole)이 없는 표면의 형성을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 기판은 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 종이, 판지, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체(oligomeric) 재료, 또는 하나 이상의 상기 기판의 조합으로 만들어질 수 있다.

유사하게, 타겟은 예를 들어서 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료, 또는 하나 이상의 상기 타겟의 조합으로 만들어질 수 있다.

본 명세서에서, 반합성 화합물은 예를 들어서, 개질된 천연 중합체 또는 이것을 포함하는 복합물을 의미한다.

결과적으로, 본 발명은 어떠한 주어진 기판 또는 타겟으로 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면, 금속은 예를 들어서, 다른 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

금속 화합물은 예를 들어서, 금속, 다른 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

유리는, 예를 들어서 금속, 금속 화합물, 다른 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중 합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

석재는 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 다른 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

세라믹은, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 다른 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

종이는, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

합성 중합체는, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 다른 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

또한, 반합성 중합체는, 본 발명에 따르면, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 다른 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재 료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

또한, 천연 중합체는, 본 발명에 따르면, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 다른 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

또한, 복합 재료는, 본 발명에 따르면, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 다른 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

복합물(composite)의 한 가지 정의는, 다른 것들 중에서, 중합체 과학 사전(Polymer Science Dictionary)(알거(Alger), 엠. 에스. 엠(M.S.M), 엘스위어 응용 과학(Elsewier Applied Science), 1990, p.81)에서 찾아볼 수 있는데, 이것은 복합 재료를, "두 가지 이상의 단순(또는 단일)재료의 재료 조합으로 형성된 고체물질, 개별 구성요소는 이들의 개별적인 동일성을 유지함; 복합 재료는 그 개별 구성요소 재료들과 다른 특징을 가진다; '복합물'이라는 개념의 사용은 보통 개선된 물리적 특징을 의미하는데, 그 이유는 과학 기술적으로 주 목적이 복합물의 구성요소 재료들과 비교했을 때 뛰어난 특징을 가지는 재료를 실현하는 것이기 때문이다. 또한 복합 재료는 복합물 구성요소로부터 얻어진 두 개 이상의 상으로 형성된 불균질 구조이다. 이러한 상들은 연속적일 수 있고, 하나 이상의 상기 상은 연속 매트 릭스 내에서 분산될 수 있다"라고 정의한다.

본 발명에 따르면, 완전히 신규한 화합물과는 별개로, 두 개 이상의 재료들이 분자 수준에서 복합물을 형성하는 것과 같은 복합물들을 제조할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서, 예를 들어 폴리실록산(polysiloxane)과 다이아몬드로부터 표면들 또는 3차원 구조들이 형성되고, 본 발명의 다른 실시예에서는, 예를 들어서 폴리실록산과 탄소 질화물(질화 탄소(carbonitride))로부터의 표면들 또는 3차원 구조들이 형성된다. 본 발명에 따르면, 복합물의 두 개 이상의 재료 요소의 함량은 자유롭게 선택될 수 있다.

또한, 무기 단량체(inorganic monomeric) 또는 저중합체 재료는, 본 발명에 따르면, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 다른 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

또한, 유기 단량체(organic monomeric) 또는 저중합체 재료는, 본 발명에 따르면, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 다른 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있고 또는 상기의 기판들 중 하나 이상을 조합한 것으로 코팅될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기한 기판들의 조합들은 또한 하나 이상의 상기 기판들의 조합으로 코팅될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코팅되는 표면은 1 mm²당 1 개 이하의 핀홀, 바람직하게는 cm² 당 1 개 이하의 핀홀을 포함하도록, 보다 바람직하게는 코팅된 전체 면적에 핀홀이 전혀 없도록 형성된다. 본 명세서에서, "핀홀(pinhole)"이란 용어는 표면 전체를 관통하는 구멍 또는 본질적으로 관통하는 핀홀을 의미한다. 또한 본 발명은, 표면이 1 mm²당 1 개 이하의 핀홀, 바람직하게는 cm² 당 1 개 이하의 핀홀을 포함하고, 보다 바람직하게는 코팅된 전체 면적에 핀홀이 전혀 없는 본 발명에 따른 방법에 의해 코팅된 제품에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 표면의 최초 50%가 생성된 표면에서 1000 nm 이상의 직경을 가지는 입자가 부착되지 않도록, 바람직하게는 상기 입자의 크기가 100 nm를 초과하지 않도록, 보다 바람직하게는 상기 입자의 크기가 30 nm를 초과하지 않도록 형성되도록 코팅된 표면이 구현된다. 또한, 본 발명은, 표면의 최초 50%가 생성된 표면에서 1000 nm 이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않도록, 바람직하게는 상기 입자의 크기가 100 nm를 초과하지 않도록, 보다 바람직하게는 상기 입자의 크기가 30 nm를 초과하지 않도록 형성되는 본 발명에 따른 방법에 의하여 코팅된 제품에 관한 것이다. 표면 구조가 상기한 입자들을 포함하는 경우에는, 이들 입자들은 본질적으로 표면 품질을 저하시킨다. 입자들은 생성된 표면의 사용연한을 단축시키는 부식 갭(corrosion gap)을 형성한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 삭마된 재료는 삼차원 프린팅(printing)에서 사용될 수 있다. 본 출원의 우선일 당시에 알려진 종래 기술에 따른 삼차원 프린팅(예를 들어서, 스크로프 디벨럽먼트 사(Scroff Development Inc.)의 제이피-시스템 5(JP-System 5), 비피엠 테크놀러지 사(BPM Technology Inc.)의 발리스틱 파티클 매뉴팩쳐링(Ballistic Particle Manufacturing), 솔리드스케이프 사(Solidscape Inc.)의 더 모델 메이커(the Model Maker), 쓰리디 시스템즈 사(3D Systems Inc.)의 멀티 제트 모델링(Multi Jet Modelling), 제트 코포레이션(Z corporation)의 제트402 시스템(Z402 System))은 기계적 강도가 상대적으로 나쁜 재료들을 사용한다. 본 발명의 실시예에 따른 장치는 높은 효율성과 상대적으로 비용이 저렴하면서 신속한 레이어 성장을 달성하기 때문에, 예를 들어서 흑연 형태로 또는 다이아몬드로서 탄소를 삭마함으로써, 삭마된 재료가, 예를 들어서 잉크 제트 프린터의 원리에 따라서 레이어들로 전달되는 것이 가능하고, 상기 레이어들은 인쇄될 물체에 하나하나 상응한다. 따라서 예를 들어 탄소를 사용하는 경우에, 충분한 경성의 구조를 제작할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예는 다이아몬드로 제한되지 않으며 다른 재료 역시 삭마된 재료의 선택에 따라서 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 장치는 예를 들어서, 다이아몬드 또는 질화 탄소(carbonitride)와 같은 거의 모든 이용가능한 재료로부터 중공 또는 중실 물체를 생성하는 데 사용될 수 있다.

따라서 예를 들어서, 다이아몬드 레이어로 유명한 다비드 조각상을 부분으로 나눠서 인쇄하는 것과, 삭마를 이용해서 부분들 사이의 발생할 가장자리를 매끄럽게 하는 것이 가능하다. 조각상에는 원한다면 다이아몬드를 적절하게 도핑(doping)함으로써 특정 색채(hue)가 심지어 각 레이어에 별도로 주어질 수 있다. 또한 예를 들어서, PDA 또는 휴대 통신 장치를 위한 스페어 부품, 도구, 디스플레이 요소, 쉘 구조 또는 이들의 부분과 같은 거의 모든 삼차원 피스를 직접 인쇄하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 코팅 방법에서, 레이저 삭마는 펄스 레이저에 의해서 수행된다. 본 발명의 특히 유리한 실시예에서는, 삭마를 위해 사용되는 레이저 장치가 피코초 레이저와 같은 냉간 가공 레이저(cold work laser)이다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 레이저 장치는 펨토초 레이저이고 또 다른 바람직한 실시예에서는 아토초 레이저이다.

본 발명에 따른 방법에서, 냉각 가공 레이저의 출력은 바람직하게는 적어도 10 W, 보다 바람직하게는 적어도 20 W, 더욱 바람직하게는 50 W이다. 본 명세서에서는 레이저 장치를 위한 출력의 상한은 없다.

본 발명에 따른 방법에서, 타겟 적용을 위하여 충분한 마모 저항성이 있고 충분한 광학적 특징(원하는 색채, 또는 투명도)을 가지는 고품질 표면이 얻어져서는 기판이 레이저 삭마에 의해서 조악한 진공 또는 심지어 통상의 대기압을 가지는 기체 대기에서도 코팅될 수 있게 된다.

코팅은 실온이나 실온에 근접1해서 수행될 수 있어서, 예를 들면 기판 온도가 약 60 ℃이거나 또는 기판 온도가 현저하게 상승된다(> 100℃).

이와 같은 것은, 건설 산업의 요구를 위한 석재, 금속, 복합물 및 다양한 중합체 플레이트와 같은 대형 물체(광폭의 기판 표면)를 코팅하는 경우 특히 바람직하다. 현재의 코팅 방법에 있어서는, 이러한 종류의 물체가 충분히 높은 진공에 있도록 하는 것이 초고가의 문제는 별개로 하고도 코팅 공정의 처리 시간을 급격히 증가시킨다. 다수의 타겟 응용분야에서, 예를 들어 다공성 재료(석재 등)를 코팅하는 경우, 고진공에 도달하는 것은 불가능하다. 가열이 공정에 결합되어야만 하는 경우에는, 다수의 석재 부류에서 결정수가 생길 수 있는데, 결정수는 본질적으로 상기 석재 재료의 구조를 분해하고 타겟 응용분야에 이를 사용하는 것을 방해하거나 어렵게 한다.

코팅이 정상 대기나, 정상 대기에 근접한 저진공에서 수행될 수 있는 경우에, 질적으로나 특히 경제적인 측면에서 이것은 상당하다. 일부 타겟 응용분야에서, 제조하기가 처음에는 불가능했던 제품 생산이 가능하다.

예를 들어서 다수의 석재 제품들은 내마모성 표면을 얻기 위하여 본 발명에 따라서 알루미늄 산화물로 코팅될 수 있다. 이러한 종류의 표면은 기체의 축적을 방해하고 또한 습기의 축적과, 예를 들어 석재 분해 균성 재료(fungoid material) 또는 석재 재료 내부 또는 그 표면 상의 얼음의 축적을 방해한다. 본 발명에 따르면, 석재 재료는 알루미늄 산화물로 직접 코팅될 수도 있고 또는 예를 들어서 일단 알루미늄으로 코팅한 후에 생성된 알루미늄 표면을 알티에이+라이트(RTA + light), 열적 산화(500 ℃) 또는 끓는 물에서의 열적 산화와 같은 여러 상이한 방법들에 의해서 산화될 수도 있다. 지르코늄과 같은 특정 요소들이 알루미늄에 첨가되는 경우에, 산화 금속 표면(oxidizing metal surface)은 단지 알루미늄만이 있는 경우보다 훨씬 양호하게 확대되고, 석재의 모든 구멍에 효과적으로 분포되는 밀폐 산화물 표면(tight oxide surface)을 형성한다. 동시에, 표면은 투명해진다. 본 발명에 따르면, 석재 재료는 또한 산화에 의해서 최종 표면을 형성하기 전에 표면에 안료 또는 색 요소를 첨가함으로써 원하는 음영으로 착색될 수 있다. 이러한 종류의 석재 제품의 유색 표면은 본 발명에 따른 레이저 삭마에 의해서 생성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 알루미늄 산화물 표면은 다이아몬드 표면, 탄소 질화물 표면, 또 다른 석재 표면 또는 다른 산화물 표면과 같은 다른 경화성 표면으로 대체될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 석재 제품의 최상부 표면은 자체 세정 표면(self-cleaning surface)이 된다.

이러한 종류의 자체 세정 표면은 예를 들어서 티타늄 또는 아연 산화물로 제조될 수 있다. 본 발명에 따르면, 기판은 원하는 산화물로 직접 산화될 수 있거나 또는 산소를 포함하는 기체 대기에서 원하는 금속을 증기화시킴으로써 산화될 수 있다. 유리하게는 자체 세정 표면의 두께는 본 발명에 따르면 10 nm 내지 150 nm, 보다 바람직하게는 15 nm 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 20 nm 내지 50 nm이다.

자외선에 대해서 보호되는 표면이 기판 표면 상에 필요한 경우, 이전의 광촉매 표면에 알루미늄 레이어가 추가적으로 코팅될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 레이저 삭마는 10^-1 내지 10^-12 기압(atmosphere)의 진공에서 수행된다.

진공에서 코팅이 수행되는 경우에, 본 발명에 따른 코팅 또는 삼차원 물체의 제조는 바람직하게는 10^-3 내지 10^-9 기압의 압력, 보다 바람직하게는 10^-4 내지 10^-8 기압의 압력에서 수행된다.

고진공이 사용되는 경우, 이것은, 본 발명에 따른 실시예에 따르면, 단결정 다이아몬드, 알루미늄 산화물 또는 실리콘과 같은 단결정 재료의 표면을 형성하는 경우 유용하다. 본 발명에 따라 생성된 단결정 다이아몬드 또는 실리콘 재료는 예를 들어서 반도체로서, 또한 보석으로서 다이아몬드와, 레이저 장비(다이오드 펌프의 광빔, 렌즈 장치, 섬유)의 부품과 함께, 그와 같은 표면이 필요 한 경우 등과 같은 응용분야에서 내구성이 아주 큰 표면으로서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 반도체 다이아몬드는 예를 들어서 이리듐 기판 상에 부착될 수 있고(도 4), 반도체 실리콘은 예를 들어서, 플라스틱 또는 재료의 상부에 직접 부착될 수 있다. 실리콘 레이어가 예를 들어 5 내지 15 ㎛와 같이 충분히 얇은 경우에, 이러한 종류의 반도체는 굽혀질 수 있고 예를 들어 구부릴 수 있는 전자기기를 제조하는데 또한 사용될 수 있다. 다이아몬드계 반도체 재료와 실리콘계 반도체 재료는 레이저 삭마에 의해서, 바람직하게는 피코초 레이저에 의해서, 보다 바람직하게는 터빈 스캐너가 구비된 피코초 레이저에 의해서 원하는 형상으로 절단될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판의 상부에는 하나 이상의 다이아몬드 표면이 부착된다. 이러한 종류의 다이아몬드 표면에서, sp³ 결합의 양은 바람직하게는 매우 크고(예를 들어 종래 기술의 DLC 표면(Diamond Like Carbon)의 경우에는 반대임), 생성된 표면은 본 발명에 따른 모든 표면 두께에서 경성이 아주 크고 긁힘이 방지되었다. 다이아몬드 표면은 바람직하게는 투명하다. 또한 이것은, 1 마이크로미터에서 블랙이 되고 단지 200 ℃의 온도만을 견디는 종래 기술의 저품질 DLC 와는 달리 고온을 견딜 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 방법에 따라 생성된 다이아몬드 표면은 수소를 포함하지 않는 탄소원으로 구성된다. 바람직하게는 탄소원은 소결된 탄소(sintered carbon)이고 바람직하게는 열분해 탄소, 유리질 탄소(vitreous carbon)이다.

본 발명에 따르면, 열분해 탄소는 예를 들어 MEMS 응용분야를 위하여 단결정 다이아몬드 또는 무입자 표면을 제조하는 경우에 특히 바람직하다.

열악한 품질의 DLC 표면이 제조되어야만 하는 경우에는, 이러한 종류의 본 발명에 따른 표면의 제조조차도 신속하고 경제적이다.

다이아몬드 표면이 착색되어야만 하는 경우, 생성된 다이아몬드 표면은 탄소 이외에 원하는 색을 띠는 요소 또는 화합물을 증기화함으로써 색채로 음영처리될 수 있다.

본 발명에 따라 생성된 다이아몬드 표면은 낮은 표면이 기계적 마모 이외에도 화학 반응을 겪는 것을 방지한다. 다이아몬드 표면은 예를 들어서 금속이 산화되는 것을 방지하고 따라서 상기 표면은 금속의 장식적 기능 및 다른 기능이 손상되는 것을 방지한다. 추가적으로, 다이아몬드 표면은 낮은 표면을 산성 및 알칼리 약품으로부터 보호한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서는, 타겟이 레이저 빔에 의해서 삭마되어서, 이전에는 상당 정도 삭마되지 않았던 타겟의 부위에서 재료가 본질적으로 연속적으로 증기화된다.

이것은 타겟을 이동시킴으로써 달성될 수 있고, 따라서 항상 새로운 표면이 삭마된다. 현재 알려진 방법에서는, 재료 프리폼(preform)이 보통 두꺼운 바(bar) 또는 플레이트의 형태이다. 결과적으로 포커싱 줌 렌즈(focusing zoom lens)가 사용되어야 하고 또는 재료 프리폼의 마모에 따라서 재료 프리폼이 레이저 빔을 향해서 이동되어야만 한다. 심지어 이와 같은 것의 실시는 일반적으로, 충분히 신뢰성 있게 수행하는 것이 가능하지 않을뿐더러, 이미 비용이 아주 많이 들고 난해하며, 품질 변화가 커서, 정밀한 제어가 거의 불가능하고, 두꺼운 프리폼(preform)의 제조가 가격이 비싼 등의 문제가 있다.

무엇보다도 종래 기술의 스캐너들 때문에 레이저 빔을 제어하기 위한 기술이 제한되기 때문에, 특히 레이저 장비의 펄스 주파수가 향상된다면, 이와 같은 것은 장애 없이 성공할 수는 없다. 펄스 주파수를 4MHz 또는 그 이상까지 증가시키려고 한다면, 종래 기술에 따른 스캐너들은 레이저 빔의 펄스의 상당 부분이, 레이저 장치의 벽 구조와 또한 플라즈마 형태의 삭마된 재료 내로 제어 불가능하게 지향되도록 야기하게 되서, 생성된 표면의 품질이 생산 속도에서와 같이 열악하게 되는 네트 효과(net effect)를 가지고, 또한 타겟을 타격하는 방사 선속(radiation flux)은 충분히 균일하지 않게 되고, 이것은 생성된 플자즈마의 구조에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 코팅된 표면의 타격 시에 불균일한 품질의 표면을 생산할 수 있다. 레이저 빔이 이미 전에 삭마된 표면을 완전히 또는 부분적으로 타격하는 경우에, 타겟과 기판 사이의 거리는 상기 펄스들에서 변화된다. 타겟을 지향하는 펄스가 이미 삭마된 타겟의 부위를 타격하는 경우, 다양한 펄스들에서 서로 다른 양의 재료가 이탈되어서, 수 미크론 크기의 입자들이 타겟으로부터 삭마된다. 그러한 입자들 은 기판 타격 시에 생성된 표면의 품질을 현저히 저하시키고, 따라서 제품 특성 역시 저하시킨다.

본 발명의 실시예에서, 회전 운동으로 설정된 종래 기술의 타겟 재료의 타겟 재료가 미국 특허 제6,372,103호에 기재되어 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 타겟 재료는 상업적으로도 이용가능한 플레이트형 타겟 플레이트이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 타겟 재료는 필름/테이프 공급방식으로서 공급된다.

그러한 바람직한 실시예에서, 예를 들어 필름/폴리오(folio)는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 릴(reel) 형태에 있다. 테이프가 우선 시작지점부터 단부까지 하나의 레이저 기둥의 폭에서 길이 방향으로 증기화될 때, 테이프/폴리오는 예를 들어서 완전히 새로운 홈이 형성될 수 있을 정도로 측방향으로 이동된다. 이것은 폴리오/필름이 횡방향에서 완전히 소모될 때까지 계속된다. 이러한 시스템의 가장 필수적인 중요성은, 본질적으로, 증기화의 결과가 일정하고 최정상 레벨을 나타낸다는 점인데, 그 이유는 소스 재료가 연속적으로 일정하게 유지되기 때문이다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 도 7에 도시된 폴리오/필름(46)이 레이저 빔의 초점 깊이 a)보다 얇거나, b) 그 만큼의 두께이거나, c) 이보다 두꺼운 경우에 기초하고 있다. 상기 c)의 경우에는, 레이저 빔의 초점 깊이보다 큰(두꺼운) 재료의 부분은 별도의 릴(48)에서 수집되고 보관된다. 테이프/폴리오의 두께는 예를 들어서 5 ㎛ 내지 5 mm, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 1 mm, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 타겟과 기판 사이의 거리는 전체 삭마 공정에 걸쳐서 본질적으로 동일하게 유지된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 또 다른 코팅 방법에서, 레이저 빔 초점을 조절하기 위한 메커니즘이 필요하지 않는데, 이것이 의미하는 바는, 본 발명의 실시예에 따른 폴리오/필름 증기화 방법에서 초점 조절 단계 자체가 필요하지 않다는 점이다. 필름 공급방식의 처녀 표면이 타겟으로 역할 하는 경우에 그와 같은 메커니즘이 필요하지 않는데, 그 이유는 상기 폴리오/필름이 영구적으로 조정되어 초점에 유지되기 때문이다. 레이저 빔의 초점 깊이에 대응하는 필름의 재료 부분만이 사용된다. 따라서 균등한 품질을 가지는 코팅 결과가 달성되고, 코팅 공정의 지속을 위한 별개의 포커싱 유닛은 필요하지 않다.

타겟 재료들은 고가이며, 따라서 바람직하게는 타겟 표면의 새로운 처녀 표면 부분만이 사용된다. 따라서 가능한 얇은 타겟을 사용하는 것이 또한 산업상 바람직하다. 테이프 형 타겟 재료들은 현재의 타겟 재료보타 본질적으로 현저하게 저렴하고 제조 방법이 용이하고 경제적이기 때문에 구하기 더 쉽다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 코팅 공정은라멜라 공급방식(lamella feed)을 적용한다. 각각의 새로운 피스의 코팅에 대해서, 새로운 라멜랑 형 타겟이 공급된다. 이러한 재료 공급 방법은 예를 들어서, 작고 얇으며 부드러운 플레이트를 제조하는 과정에 현재 사용되는 세라믹 알루미늄 산화물 플레이트에 아주 적합하다. 대형 타겟의 제조는 보통 곤란하고 고가이다.

종래 기술의 장치에 있어서, 스캐닝 폭이 문제를 야기했다. 선형 스캐닝은 미러 필름 스캐너에 사용되어 왔는데, 이 경우에 약 70 mm의 공칭 스캔 라인 폭(scan line width)을 달성할 수 있다고 가정하는 것이 이론적으로는 가능하지만, 실제로는 스캐닝 폭은 30 mm 근처에서 유지되어 문제가 될 수 있어서, 이와 같은 경우에 스캐닝 범위의 단부들은 품질면에서 불균일하게 남아 있을 수 있고 그리고/또는 중심 영역과 상이할 수 있다. 이러한 작은 스캐닝 폭으로 인해서, 광폭의 대형 물체의 코팅 응용분야를 위한 현재의 레이저 장비의 사용이, 위와 같은 점에서 산업적으로 불리하거나 기술적으로 실현하기 불가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저 빔은 터빈 스캐너를 통해서 타겟으로 지향된다.

터빈 스캐너는 기존의 평탄 미러 스캐너와 관련된 출력 전송 문제를 완화하여서 타겟 재료가 충분히 높은 펄스 출력에서 증기화될 수 있고, 따라서 고품질의 높은 균일도를 가지는 플라즈마와, 고품질을 가지는 표면 및 3차원 구조를 생산한다. 또한 터빈 스캐너는 이전 보다 스캐닝 폭이 커지는 것을 용이하게 하고, 따라서 하나의 동일한 레이저 장치로 대형 표면 영역의 코팅을 용이하게 한다. 따라서 양호한 작업 속도가 달성되고 생성된 표면의 품질이 균질해진다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 타겟으로 지향된 스캐닝 폭은 10 mm 내지 700 mm, 바람직하게는 100 mm 내지 400 mm, 보다 바람직하게는 150 mm 내지 300 mm가 될 수 있다. 소규모 응용분야에서는, 이것이 당연히 소형이 된다.

결과적으로, 본 발명은 하나의 레이저 소스만으로 제한될 필요가 없다. 본 발명의 실시예에 다르면, 기판은 하나 이상의 타겟으로 증기화된 플라즈마 기둥에 서 고정된 채로 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기판은 레이저 삭마에 의하여 하나 이상의 타겟으로 증기화된 플라즈마 기둥에서 이동된다. 코팅이 진공 또는 반응 기체에서 수행되는 경우에, 바람직하게는 코팅은 별도의 진공 챔버에서 형성된다.

본 발명에 따르면, 다양한 기능을 가지는 표면 및/또는 삼차원 재료들이 생성될 수 있다. 그러한 표면들은 예를 들어서, 경성이 크고 긁힘이 없는 표면들과 삼차원 재료들을 여러 유리와 플라스틱 제품(렌즈, 모니터 실드, 차량 및 건물의 윈도우, 연구실과 가정용 유리 제품)에 포함하고, 상기 경우에 특히 바람직한 광학 코팅들은 MgF₂, SiO₂, TiO₂, Al₂O₃이고 특히 바람직한 경화성 코팅은 명백히 다이아몬드 코팅; 전기 통신 장치를 위한 쉘 구조, 지붕 시트, 장식 및 축조 패널, 라이닝, 및 윈도우 프레임과 같은 다양한 금속 제품들과 이들의 표면들; 주방 싱크, 물꼭지, 오븐, 코인(coin), 보석, 공구 및 이들의 부품; 자동차 및 다른 운송 수단의 엔진과 이들의 부품, 자동차와 다른 운송 수단의 금속 클래딩과 도색한 금속 표면, 선박, 보트 및 항공기, 비행체에 사용되는 금속 표면을 가진 물체들, 항공기 터빈, 연소 엔진; 베어링; 포트, 나이프, 스푼; 가위, 사냥칼, 회전 블레이드, 톱, 금속 표면을 가진 모든 유형의 커터, 나산 및 너트; 반응기와 같은 화학 산업 공정에 사용되는 금속 가공 수단, 펌프, 증류 기둥, 컨테이너, 금속 표면을 구비한 프레임 구조; 기체와 화학물을 위한 배관; 다양한 밸브와 제어 유닛들; 석유 채굴 장비의 부품과 드릴 비트들; 송수관; 무기 및 이들의 부품, 탄알 및 카트리지; 예를 들어 코팅 페이스트를 펴늘리는 장비의 부품과 같은 마모되기 쉬운 제지 기계 부품과 같은 쉽게 마모되는 금속 노즐; 눈 밀개, 삽, 및 운동장 장비의 금속 구조; 대로변 궤도 구조, 교통 신호 및 포스트; 금속 캔과 용기; 수술 장비, 인공 관절, 임플란트 및 기구; 카메라와 비디오 카메라와 산화 및 마모되기 쉬운 전자 기구의 금속 부품, 마찰 및 고온에 저항하는 우주선과 이들의 클래딩 솔루션(solution)뿐만 아니라 다양한 금속 산화물, 탄화물 및 질화물이다.

본 발명에 따라 제조된 또 다른 제품들은 부식성 화합물에 저항하는 표면들과 삼차원 재료와, 반도체 재료, LED 재료, 보는 각도에 따라서 색이 변화되는 안료 재료 및 이들로 형성된 표면들, 다이오드 펌프의 라이트 바(light bar)와 빔 확대기와 같은 레이저 장비와 다이오드 펌프의 상기 언급g나 부품들, 보석 재료들, 삼차원 형상의 의학용 제품과 의학용 제품의 표면, 자체 세정 표면, 오염 및/또는 습기 방지를 위한 것과 같은 건설 산업을 위한 다양한 제품, 자체 세정 석재와 세라믹 재료(코팅된 석재 제품과, 석재 표면이 부착되는 제품), 예를 들어 자체 세정 사암 또는 본 발명의 실시예에 따른 푸른색으로 착색된 대리석과 같은 착색된 석재 제품을 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 다른 제품들은, 예를 들어 다양한 렌즈와 모니터 차폐 솔루션의 무반사(AR) 표면들, 자외선 복사 방지 코팅들, 솔루션 또는 공기의 세정에 사용되는 자외선 활성 표면들을 포함할 수 있다.

따라서 생성된 표면의 두께는 조절될 수 있다. 예를 들어서, 본 발명에 따라서 부착된 탄소 질화물의 다이아몬드 표면의 두께는 예를 들어서 1 nm 내지 3000 nm일 수 있다. 또한, 다이아몬드 표면은 아주 균일하게 형성될 수 있다. 다이아몬드 표면의 균일도는 ± 30 nm의 범위(order)일 수 있다. 바람직하게는 이것은 ±10 nm이고 저마찰 타겟을 극단적으로 요구하는 일부 경우에는 그 균일도가 ± 2 nm 레벨에서 조절될 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 다이아몬드 표면은 낮은 표면이 기계적으로 마모되는 것은 별개로, 화학 반응을 겪는 것을 방지한다. 다이아몬드 표면은 예를 들어서 금속이 산화되는 것을 방지하고 따라서 금속의 장식적 기능 및 다른 기능이 손상되는 것을 방지한다. 추가적으로, 다이아몬드 표면은 낮은 표면을 산성 및 알칼리 약품으로부터 보호한다. 특정의 응용분야에서는, 장식용 금속 표면이 요구된다. 본 발명에 따른 타겟으로서 사용되게 되는 특히 장식적인 금속들 또는 금속 화합물에는, 예를 들어서, 금, 은, 크롬, 플라티늄, 티타늄, 탄탈, 구리, 아연, 알루미늄, 철, 강재, 검은 아연(zinc black), 루테늄 블랙(ruthenium black), 루테늄, 코발트, 바나늄, 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 질화탄소, 지르코늄 질화물, 크롬 질화물, 티타늄 실리콘 탄화물 및 크롬 탄화물이 있다. 당연히, 예를 들어서 내마모성 표면 또는 산화 방지 또는 다른 화학 반응으로부터 보호하는 표면과 같은 다른 특징들도 상기 화합물을 통해 달성될 수 있다.

금속 화합물 중에서, 금속 산화물, 질화물, 할로겐화물 및 탄화물을 언급했지만 가능한 금속 화합물의 개수는 이것으로 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 생성될 다양한 산화물 표면에는 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 크롬 산화물, 지르코늄 산화물, 주석 산화물, 탄탈 산화물 등과, 이들 서로 또는 예를 들어 금속, 다이아몬드, 질화물 또는 탄화물과의 복합물로서 상기의 것들을 조합한 것이 있다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 나열된 재료들은 반응 기체 환경을 이용함으로써 본 발명에 따라서 금속들로 제조될 수 도 있다.

추가적으로, 본 발명은 하나 이상의 표면 상에서 레이저 삭마 방법에 의하여 코팅된 물체에 관한 것으로서, 상기 물체, 즉 기판은 타겟을 삭마함으로써 코팅되어서 코팅된 물체에 형성된 균일도가 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM)으로 일 평방 마이크로미터 면적에서 측정했을 때 ± 100 nm가 되게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 25 nm이고, 본 발명의 보다 바람직한 실시예에서는, 코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 2 nm이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 물체의 코팅된 표면은 1 ㎛ 이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 물체의 코팅된 표면은 100 nm 이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는다. 더욱 바람직하게는 본 발명의 물체의 코팅된 표면은 25 nm 이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는다.

본 발명에 따른 물체는 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 종이, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 물체는, 예를 들어서, 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 코팅될 수 있다.

본 발명에 따른 일부 물체들은 레이저 삭마에 의해서 코팅되어서 레이저 삭마는 펄스 레이저에 의해서 수행된다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 채용된 레이저 장치는 피코초 레이저와 같은 냉간 가공 레이저이다. 또한 이것은 펨토초 또는 아토초 펄스 레이저일 수 있다.

피코초 펄스 레이저가 본 발명에 따라서 물체를 코팅하기 위하여 사용되는 경우, 상기 레이저 장치의 출력은 일 실시예에서 적어도 10 W이다. 본 발명의 보다 바람직한 실시예에서, 채용된 레이저 장치의 출력은 적어도 20 W이고, 더욱 바람직한 실시예에서, 채용된 레이저 장치의 출력은 50 W이다.

본 발명의 실시예에서, 물체는 레이저 삭마가 10^-1 내지 10^-12 기압(atmosphere)의 진공에서 수행되도록 코팅된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 물체는 레이저 삭마가 통상의 대기압에서 수행되도록 코팅된다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 전에는 상당 부분 삭마되지 않았던 타겟의 부위에서 본질적으로 연속적으로 재료가 증기화되도록 레이저 빔에 의해서 타겟이 삭마되도록 물체가 코팅된다. 상기와 방식으로 물체를 코팅하기 위한 본 발명에 따른 일 방법에서는, 타겟이 라멜라 공급방식으로서 공급되고, 다른 방법에서는 타겟이 필름/테이프 공급방식으로서 공급된다. 타겟이 필름/테이프 공급방식으로서 공급되는 경우에, 타겟의 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 5 mm이고, 보다 바람직하게는 20 ㎛ 내지 1 mm이고, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛이다.

또한 캔(can)이 종래의 거대한 종래 기술의 타겟이었고, 이동성 솔루 션(mobile solution)이거나 또는 정지 상태로 유지되는 것이다.

본 발명에 따른 일부 물체들은 바람직하게는, 삭마에 채용된 레이저 빔이 타겟 터빈 스캐너를 통해서 지향하도록 제조된다. 이러한 경우에 타겟으로 지향된 스캐닝 폭은 예를 들어서 10 mm 내지 800 mm, 바람직하게는 100 mm 내지 400 mm, 보다 바람직하게는 150 mm 내지 300 mm일 수 있다.

소형 응용분야에서는 이것은 당연히 더 작아야 한다.

또한, 본 발명에 따른 물체는 일 실시예에서 기판이 하나 이상의 타겟으로 증기화된 플라즈마 기둥에서 레이저 삭마에 의해서 이동되도록 제조된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 타겟과 기판 사이의 거리가 전체 삭마 공정 중에 본질적으로 동일하게 유지되도록 물체가 제조된다.

또한 본 발명에 따른 물체의 표면은 다수의 상이한 타겟들로부터 동시에 삭마된 재료로 부착될 수 있다. 본 발명의 물체의 다른 실시예에서, 삭마된 재료로 생성된 플라즈마 기둥에서, 플라즈마 기둥에 포함된 삭마된 재료와 반응하는 반응성 재료를 가져오도록 물체의 표면이 형성되고, 생성된 화합물 또는 화합물들은 기판 상에 부착된 표면을 구성한다.

예들

본 발명에 따른 방법과 제품이 이하에서 기술되는데, 그러나 본 발명은 제시된 예로 제한되지는 않는다. 표면들을 생성하기 위하여, 코어레이즈 오와이(Corelase Oy)에 의해 제조된 X-lase 10-W 피코초 레이저와 코어레이즈의 X-lase 20 W-80 W 피코초 레이저(USPLD) 둘 모두가 사용되었다. 본 명세서에서 펄스 에너 지는 광학기기에 의해서 원하는 영역으로 초점이 맞춰진 일 평방 cm² 영역에 수용된 펄스 에너지를 말한다. 채용된 파장은 1064 nm 이었다. 코팅된 재료의 온도는 실온에서부터 200 ℃까지 변화되었다. 여러 제품에서, 타겟 재료 온도는 실온과 700 ℃ 사이에서 조절되었다. 산화물들, 금속들 및 다양한 탄소계 타겟 재료 모두 코팅 공정에 사용되었다. 코팅이 산소 상에서 제조된 경우, 산소 압력은 10^-4로부터 10^-1 mbar까지 변화되었다. 저출력 레이저에서, 채용된 스캐너는 통상의 미러 스캐너, 즉 갈바닉 스캐너(galbanic scanner)이었다. 차후 코팅에서, 축 주위로 회전하는 스캐너, 즉 터빈 스캐너가 사용되었다. 터빈 스캐너는 스캐닝 속도가 조정 가능하도록 하였고, 타겟 재료로 지향된 빔의 스캐닝 속도는 1 m/s - 350 m/s의 범위 내에서 조절될 수 있었다. 갈바닉 스캐너의 성공적인 사용을 위해서는 통상적으로 1 MHz 이하의 낮은 펄스 주파수가 필요하다. 다른 한편으로는, 터빈 스캐너의 경우에, 고품질 코팅은 1 MHz 내지 30MHz와 같은 높은 반복 주파수에 의해서도 생성될 수 있었다. 생성된 코팅은 공초점 현미경뿐만 아니라 AFM, ESEM, FTIR과 라마(Rama)에 의해서 조사되었다. 또한, 비저항(resistivity)과 같은 특정 전자적 특징뿐만 아니라 광학적 특징(전송)이 조사되었다. 채용된 스폿 크기(spot size)는 20 내지 80 ㎛ 범위 내에서 변화되었다. 모든 조사된 표면은 핀홀이 없었다. 거칠기, 즉 표면 균일도는 AFM 장비에 의해서 1㎛² 면적에서 측정되었다.

예 1

본 예에서는, 대리석이 (소결된 탄소의)다이아몬드 코팅에 의해서 코팅되었 다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 5 μJ

펄스 길이: 20 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 4 mm

진공 레벨: 10^-6 기압

생성된 다이아몬드 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면 두께는 약 500 nm이었고, 표면 균일도는 ± 10 nm이었다. 극미립자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 2

본 예에서는, 알루미늄 필름이 (소결된 탄소의)다이아몬드 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 5 μJ

펄스 길이: 20 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 4 mm

진공 레벨: 10^-5 기압

알루미늄 필름은 하늘색 음영(sky-blue shade)으로 착색되었다. 생성된 다이아몬드 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면 두께는 약 200 nm이었고, 표면 균일도는 ± 8 nm이었다. 극미립자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 3

본 예에서는, 실리콘 디스크, 실리콘 이산화물 물체, 폴리카보네이트 및 마일라 필름이 (열분해 탄소의)다이아몬드 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 2.5 μJ

펄스 길이: 20 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 8 mm

진공 레벨: 10^-5 기압

생성된 다이아몬드 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면 두께는 약 150 nm이었고, 표면 균일도는 ± 20 nm이었다. 극미립자와 나노 입자 모두 표면에서 발견되지 않았다.

예 4

본 예에서는, 실리콘 이산화물 물체가 다이아몬드 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같다.

반복 주파수: 2 MHz

펄스 에너지: 10 μJ

펄스 길이: 15 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 2 mm

진공 레벨: 10^-3 기압

생성된 다이아몬드 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면 두께는 약 50 nm이었고, 표면 균일도는 ± 4 nm이었다. 극미립자는 생성된 표면에서 발견되지 않았다. 표면 거칠기는 뛰어나고 나노 입자 크기는 기껏해야 20 nm 이었다.

예 5

본 예에서는, 구리 플레이트 물체가 구리 산화물에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 5 μJ

펄스 길이: 17 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 10 mm

진공 레벨: 10^-1 기압

코팅 공정의 결과로, 균일한 품질을 가지는 구리 산화물 표면이 생성되었다. 생성된 표면의 두께는 약 5 ㎛이었다.

예 6

예6에서는 레이저 삭마에 의하여 다이아몬드 코팅된 장식 눈 밀개를 다룬다 (도 6). 다이아몬드 표면 때문에, 눈 밀개는 내마모성과 긁힘 방지성이 아주 크다. 또한, 다이아몬드의 소수성(hydrophobic nature)과 특히 표면의 나노 등급의 균일도는 마찰을 감소시키고 눈을 미는 것이 에너지 소모가 적고 용이해지도록 한다.

눈 밀개의 프레임 재료는 예를 들어서 플라스틱 또는 금속일 수 있다. 본 예의 눈 밀개에서, 알루미늄 프레임 재료 상부에는 크롬 일 마이크로미터의 금속 레이어가 전해질적으로 생성된다. 선택적으로는, 이것은 본 발명에 따라서 레이저 삭마에 의해 생성될 수 있다. 플라스틱 표면에 생성된 금속 코팅은 레이저 삭마(냉간 삭마)에 의해서 정확하게 아주 손쉽게 구현된다. 채용된 표면 두께뿐만 아니라 금속, 금속 합금 또는 금속 화합물은 자유롭게 선택될 수 있고, 결과적으로 눈 밀개는 따라서 아주 손쉽게 사람처럼 보이게(personal-looking)에 제조될 수 있다. 특히 레이저 삭마에 의한 금속 표면의 형성은 아주 얇지만 원하는 기본 색채가 금속 표면에 가해지도록 할 수 있다. 모든 표면들에 제공된 다이아몬드 코팅은 산화 또는 기계적 마모에 대해서 금속의 표면을 보호한다. 개개의 특징들은 홀로그램 표면들에 의해서 첨가될 수 있는데, 이 경우에 사용자의 희망에 따라서 숫자 또는 문자가 표면에 구현될 수 있다. 기계적 조각은 별개로 하고, 홀로그램 표면은 또한 레이저 조각에 의해서 아주 효과적으로 구현될 수 있는데, 이 경우에 조각은 원하는 표면에 정확하고 신속하며 경제적으로 행해질 수 있다. 홀로그램 표면의 고품질은 그 아래에 위치하는 레이저 삭마에 의해 생성된 금속 표면의 균일한 품질을 향상시킨다. 본 명세서에서, 표면의 균일도는 표면 거칠기를 의미하고, 이것은 1 ㎛² 면적 에서 원자간력 현미경을 사용하며 모든 샘플에 대하여 측정되었다.

실제로는, 그림에 도시된 표면은 물리적으로 부착된 것인데, 도시를 위하여 상기 표면은 별개의 요소로 도시된다.

예 7

본 예에서는, 대리석이 알루미늄 산화물 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 알루미늄 산화물을 직접 삭마함으로써 형성되었다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 10-20 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 3 mm

진공 레벨: 10^-6 기압

생성된 알루미늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 알루미늄 산화물 두께는 약 500 nm이었고, 표면 균일도는 ± 5 nm이었다. 극미립자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 8

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 10 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 3 mm

진공 레벨: 0

생성된 알루미늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 알루미늄 산화물 표면 두께는 약 5 ㎛이었고, 표면 균일도는 ± 10 nm이었다. 나노 입자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 9

본 예에서는, 사전-광택처리된 플라스틱 안경 렌즈가 알루미늄 산화물 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 알루미늄 산화물을 직접 삭마함으로써 형성되었다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 20 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 3 mm

진공 레벨: 10^-6 기압

생성된 알루미늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 알루미늄 산화물 표면 두께는 약 300 nm이었고, 표면 균일도는 ± 2 nm이었 다. 극미립자(micro particle) 또는 나노 입자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 10

본 예에서는, 화강암 물체가 알루미늄 산화물 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 알루미늄 산화물을 직접 삭마함으로써 형성되었다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 10 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 9 mm

진공 레벨: 10^-3 기압

생성된 알루미늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 사파이어 표면 두께는 약 1 ㎛이었고, 표면 균일도는 ± 9 nm이었다. 많은 양의 극미립자(micro particle) 또는 나노 입자는 표면에서 발견되지 않았다.

예 11

본 예에서는, 플라스틱 휴대폰 쉘이 알루미늄에 의해서 코팅되고 나서 알루미늄 산화물 코팅으로 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 알루미늄 산화물을 직접 삭마함으로써 형성되었다.

반복 주파수: 4 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 10 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 3 mm

진공 레벨: 10^-6 기압

생성된 알루미늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 표면 두께는 약 300 nm이었고, 표면 균일도는 ± 5 nm이었다. 극미립자(micro particle) 또는 나노 입자 어느 것도 표면에서 발견되지 않았다. 알루미늄 레이어의 표면은 측정되지 않았다.

예 12

본 예에서는, 강재 물체가 티타늄 산화물 코팅에 의해서 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 산소 함유 헬륨 구에서 티타늄을 삭마함으로써 형성되었다.

반복 주파수: 20 MHz

펄스 에너지: 4 μJ

펄스 길이: 10 ps

타겟과 기판 사이의 거리: 1 mm

진공 레벨: 10^-2 기압

생성된 티타늄 산화물 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 티타늄 산화물 표면 두께는 약 50 nm이었고, 표면 균일도는 ± 3 nm이었다.

예 13

본 예에서는, 스테인리스 스틸로 제조된 본 스크루(bone crew)가 다이아몬드 코팅으로 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 티타늄 산화물을 직접 삭마함으로써 형성되었다. 반복 주파수, 20 MHz; 펄스 에너지, 4 μJ; 펄스 길이, 10 ps; 타겟과 기판 사이의 거리, 1 mm; 진공 레벨, 10^-5 기압. 생성된 티타늄 산화물의 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면의 두께는 약 100 nm이었고, 표면 균일도는 ± 3 nm(거칠기)이었다.

예 14

본 예에서는, 스테인리스 스틸로 제조된 본 스크루(bone crew)가 다이아몬드 코팅으로 코팅되었다. 레이저 장치의 성능 파라미터는 다음과 같고, 표면은 소결된 탄소에 의해서 형성되었다. 반복 주파수, 4 MHz; 펄스 에너지, 2.5 μJ; 펄스 길이, 20 ps; 타겟과 기판 사이의 거리, 8 mm; 진공 레벨, 10^-7 기압. 생성된 다이아몬드 표면은 AFM 장비(원자간력 현미경)에 의해서 조사되었다. 다이아몬드 표면의 두께는 약 100 nm이었고, 표면 균일도는 ± 3 nm이었다.

예 15

100 mm x 100 mm 크기의 복사 종이 시트의 조각(80g/mm², 백색)이 펄스 반복 주파수 4 MHz에서 티타늄 산화물을 삭마함으로써 코팅되었다. 펄스 에너지는 5 μJ, 펄스 길이는 20 ps, 타겟과 코팅된 타겟 사이의 거리는 60 mm이었다. 진공 레벨은 코팅 공정 중에 10^-5 기압이었다. 코팅은 균일하고 투명하게 되었다. 코팅 두께 는 약 110 nm이었다.

예 16

100 mm x 100 mm 크기의 복사 종이의 조각(80g/mm², 백색)이 펄스 주파수 3 MHz, 펄스 길이 20 ps에서 산화물 형태의 인듐 주석 산화물(90 p.% In₂O₃; 10 p.% SnO₂)에 의해 삭마함으로써 코팅되었다. 타겟과 코팅된 타겟 사이의 거리는 40 mm이었고, 진공 레벨은 코팅 공정 중에 10^-5 기압이었다. 코팅은 균일하고 투명하게 되었고, 코팅의 측정된 두께는 570 nm이었다.

예 17

300 mm x 300 mm 크기의 유리 플레이트가 활성 산소 상에서 금속으로부터 바나딘(vanadine)을 삭마함으로써 코팅되었다. 산소 압력은 코팅 공정 중에 10^-4에서부터 10^-1 mbar까지 변화되었다. 펄스 반복 주파수는 25 MHz이었고, 펄스 에너지는 5 μJ, 타겟과 기판 사이의 거리는 30 mm이었다. 유리 재료는 코팅 전에 약 120 ℃까지 예열되었다. 코팅 전에, 진공 레벨은 10^-5 기압에서 유지되었다. 코팅은 투명한 바나딘 산화물 코팅을 생성하였고, 측정된 두께는 10 nm이었다. 특정된 표면 거칠기는 1 ㎛² 면적에서 0.14 nm이었다. 표면 거칠기, 즉 균일도는 원자간력 현미경(AFM)으로 측정되었다.

예 18

300 mm x 250 mm 크기의 폴리카보네이트 플레이트가, 펄스 에너지가 5 μJ이고 펄스 길이가 19 ps일 때 펄스 반복 주파수 2.5 MHz에서 냉각 프레스된 키토산(chitosan)을 삭마함으로써 코팅되었다. 타겟과 코팅된 타겟 사이의 거리는 25 mm 이었다. 진공 레벨은 코팅 중에 10^-7 기압이었다. 코팅 공정으로 부분적으로 불투명한 키토산 코팅이 형성되었고, 측정된 두께는 280 nm이었다. 거칠기는 청구항 1에 따르며, 표면 균일도는 1 ㎛² 면적에서 측정될 때 10 nm이었다. 핀홀은 본 샘플에서도 발견되지 않았다.

본 발명에서 특정된 것을 기초로, 당업자에게 타겟 및/또는 타겟이라 불리는 물체는 표면 처리 공정의 다른 단계에서는 기판으로 역할 할 수 도 있고, 그 반대 일 수도 있다는 것은 자명한데, 이것은 재료가 삭마되는지 여부(즉, 타겟으로 역할) 또는 재료가 부착되는지 여부(즉, 기판으로서 역할)에 따라 다르다. 따라서 적어도 이론적으로는, 동일한 물체가 가공 및/또는 코팅 공정의 단계에 따라서, 기판과 타겟 모두로 기능할 수도 있는 것이 가능하다.

Claims

하나 이상의 표면을 구비한 물체를 코팅하기 위한 레이저 삭마 방법에 있어서,

코팅된 물체, 즉 기판은 펄스 냉간 가공 레이저(pulsed cold work laser)에 의해서 타겟을 삭마함으로써 코팅되어서 코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도가 원자간력 현미경(AFM)에 의해 1 ㎛² 면적에서 측정될 때 ± 100 nm인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 25 nm인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 2 nm인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

코팅된 물체는 1 ㎛이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는 것을 특징으 로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

코팅된 물체는 100 nm이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

코팅된 물체는 25 nm이상의 직경을 가지는 입자를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

기판은 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 종이, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

타겟은 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

레이저 장치의 출력은 적어도 10 W인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 또는 제9항에 있어서,

레이저 장치의 출력은 적어도 20 W인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항, 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

레이저 장치의 출력은 적어도 50 W인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

레이저 삭마는 10^-1 내지 10^-12 기압의 진공에서 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제12항을 제외한 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

레이저 삭마는 통상의 대기압에서 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

타겟은 레이저 빔에 의해서 삭마되어, 재료가 이전에는 식별될 정도로 삭마 되지 않았던 타겟의 부위로부터 본질적으로 연속적으로 증기화되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제14항에 있어서,

타겟은 라멜라 공급방식(lamella feed)으로서 공급되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제14항에 있어서,

타겟은 라멜라 필름/테이프 공급방식으로서 공급되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제16항에 있어서,

타겟 두께는 5 ㎛ 내지 5 mm이고, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 1 mm이고, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

레이저 빔은 터빈 스캐너를 통해서 타겟으로 지향되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제18항에 있어서,

타겟으로 지향된 스캐닝 폭은 10 mm 내지 800 mm, 바람직하게는 100 mm 내지 400 mm, 보다 바람직하게는 150 mm 내지 300 mm인 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

기판은 레이저 삭마에 의해서 하나 이상의 타겟으로부터 증기화된 플라즈마 기둥(plasma plume)에서 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

타겟과 기판 사이의 거리는 삭마 공정에 걸쳐서 본질적으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

코팅된 표면은 다수의 타겟들로부터 동시에 삭마된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항 또는 제22항에 있어서,

코팅된 표면은, 삭마된 재료로 형성된 플라즈마 기둥에서, 플라즈마 기둥에 포함된 삭마된 재료와 반응하는 반응성 재료가 가져와지도록 형성되고, 생성된 화합물 또는 화합물들은 기판에 생성된 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

코팅된 표면은, 상기 표면이 1mm²당 1개 이하의 핀홀(pinhole), 바람직하게는 cm² 당 1개 이하의 핀홀을 포함하도록, 보다 바람직하게는 전체 코팅된 면적에 핀홀을 전혀 포함하지 않도록 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제1항에 있어서,

코팅되는 표면의 최초 50%가 생성된 표면에서 1000 nm 이상의 직경을 가지는 입자가 생성되지 않도록, 바람직하게는 상기 입자의 크기가 100 nm를 초과하지 않도록, 보다 바람직하게는 상기 입자의 크기가 30 nm를 초과하지 않게 생성되도록 표면이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
하나 이상의 표면을 구비한 레이저 삭마 방법에 의해서 코팅된 물체에 있어서,

코팅되는 물체, 즉 기판은 펄스 냉간 가공 레이저(pulsed cold work laser)에 의해서 타겟을 삭마함으로써 코팅되어 코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도가 원자간력 현미경(AFM)에 의해 1 ㎛² 면적에서 측정될 때 ± 100 nm인 것을 특징으로 하는 물체.
제26항에 있어서,

코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 25 nm인 것을 특징으로 하는 물체.
제26항 또는 제27항에 있어서,

코팅된 물체에 부착된 표면의 균일도는 ± 2 nm인 것을 특징으로 하는 물체.
제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,

물체의 코팅된 표면에는 1 ㎛이상의 직경을 가지는 입자가 없는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,

물체의 코팅된 표면에는 100 nm이상의 직경을 가지는 입자가 없는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,

물체의 코팅된 표면에는 25 nm이상의 직경을 가지는 입자가 없는 것을 특징으로 하는 물체.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

코팅된 기판은 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 종이, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물체.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

삭마된 타겟은 금속, 금속 화합물, 유리, 석재, 세라믹, 합성 중합체, 반합성 중합체, 천연 중합체, 종이, 복합 재료, 무기 또는 유기 단량체 또는 저중합체 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물체.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

레이저 삭마는 10^-1 내지 10^-12 기압의 진공에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물체.
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

레이저 삭마는 통상의 대기압에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항에 있어서,

레이저 빔은 터빈 스캐너를 통해서 타겟으로 지향되는 것을 특징으로 하는 물체.
제35항에 있어서,

타겟으로 지향된 스캐닝 폭과 기판, 즉 코팅된 물체의 코팅 폭은 10 mm 내지 800 mm, 바람직하게는 100 mm 내지 400 mm, 보다 바람직하게는 150 mm 내지 300 mm인 것을 특징으로 물체.
제26항에 있어서,

기판은 하나 이상의 타겟으로부터 증기화된 플라즈마 기둥(plasma plume)에서 레이저 삭마에 의해서 이동되는 것을 특징으로 물체.
제26항에 있어서,

타겟과 기판 사이의 거리는 삭마 공정 전체에 걸쳐서 본질적으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항에 있어서,

코팅된 표면은 다수의 타겟들로부터 동시에 삭마된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항 또는 제40항에 있어서,

코팅된 표면은, 삭마된 재료로 형성된 플라즈마 기둥에서, 플라즈마 기둥에 포함된 재료와 반응하는 반응성 재료가 가져와지도록 형성되고, 생성된 화합물 또는 화합물들은 기판에 생성된 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 물체.
제26항에 있어서,

코팅된 표면은 1mm²당 1개 이하의 핀홀(pinhole), 바람직하게는 cm² 당 1개 이하의 핀홀을 포함하고, 보다 바람직하게는 전체 코팅된 면적에 핀홀을 전혀 포함하지 않도록 생성되는 것을 특징으로 물체.
제26항에 있어서,

코팅된 표면의 최초 50%가 생성된 표면에서 1000 nm 이상의 직경을 가지는 입자가 생성되지 않도록, 바람직하게는 상기 입자의 크기가 100 nm를 초과하지 않도록, 보다 바람직하게는 상기 입자의 크기가 30 nm를 초과하지 않게 생성되도록 표면이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 삭마 방법.
제26항에 있어서,

타겟은, 재료가 이전에는 식별될 정도로 삭마되지 않았던 타겟의 부위로부터 본질적으로 연속적으로 증기화되도록 레이저 빔에 의해서 삭마되는 것을 특징으로 하는 물체.