KR20090083636A - 레이져 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법과듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재 - Google Patents

레이져 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법과듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 가공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이져 어블레이션을 이용하여 가공대상물의 표면을 가공함으로써 초발수성을 갖도록 하는 표면 가공방법과 이를 통해 가공되는 초발수성 표면의 고체기재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법은, 제1 방향으로 나란하며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발(融發, ablation) 가공하는 제1 가공단계; 및 상기 제2 방향으로 나란하며 상기 제1 방향으로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계를 포함한다. 그리고 상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행한다.
레이저 어블레이션, 스캔라인, 융발, 초발수성, 곡면가공, 롤 가공

Description

레이져 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법과 듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재{METHOD OF PROCESSING HYDROPHOBIC SURFACE USING LASER ABLATION AND SOLID BODY HAVING HYDROPHOBIC SURFACE OF DUAL SCALED STRUCTURE}
본 발명은 레이저를 이용한 가공방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이져 어블레이션을 이용하여 가공대상물의 표면을 가공함으로써 초발수성을 갖도록 하는 표면 가공방법과 이를 통해 가공되는 초발수성 표면의 고체기재에 관한 것이다.
집적화된 광자를 이용한 고에너지 광가공 기술에 있어서 가장 일반화되고 안정화된 공정이 레이저 가공법이다. 알려진 바와 같이 레이저는 파장이 짧고, 순간적인 첨두출력(peak power)이 높을수록 가공되는 시편에 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)가 거의 없는 미세가공이 가능하다.
레이저 어블레이션(laser ablation) 가공은 단 펄스 레이저빔을 가공물에 조사하여 가공물의 표면을 깎아내는 것을 말한다. 이러한 단 펄스 레이저빔에 의한 어블레이션 가공은 연속 발진 레이저나 통상의 펄스 레이저에 의한 가공에 비해 가공부의 열영향부가 압도적으로 작기 때문에 정밀도가 매우 높은 미세가공이 가능하 게 된다. 또한 레이저를 이용한 미세가공은 레이저 빔이 렌즈나 거울과 같은 광학부품을 통하여 수 마이크로미터에서 수백 마이크로 미터의 크기로 집속할 수 있는 특성이 있기 때문에 적절한 렌즈의 선택을 통해 초점크기를 쉽게 전환할 수 있다.
일반적으로 대면적 원뿔형 또는 구형 마이크로 구조물 제작을 위해서 레이저 어블레이션법을 적용하는 경우에는 도 14에 나타난 바와 같이 가공대상물(150)의 표면에 레이저빔을 조사하여 가공대상물(150)의 표면에서부터 다수의 단계로 나누어 점차 면적을 넓혀가며 원하는 가공물을 남겨두고 주변을 제거해 나간다.
도 15를 참조하여 설명하면, 가공대상물(150)에 돌출부(155)를 형성하기 위해서, 첫번째 층은 모두 제거하고(도 15의 (a)), 두번째 층은 원뿔의 꼭지점에 해당되는 부분만 남기고 나머지 부분을 제거하여 원뿔의 꼭지점 부분을 형성하며(도 15의 (b)), 세번째 층에서는 원뿔의 꼭지짐 아래 부분을 형성하기 위해 두번째 층보다 넓은 부분을 남기고 나머지 부분을 제거한다(도 15의 (c)). 그리고 그 아래층으로 점차 남기는 부분을 넓혀가면서 가공하여 원뿔 형상을 완성하게 된다(도 15의 (d) 및 (e)).
이와 같이 종래에는 각 층별로 각각 다른 도면을 토대로 가공해야 하므로 시간도 오래 걸리고 각 층에 따른 가공형상을 정렬해야 하는 등 가공과정이 복잡해지는 문제가 있었다. 또한 가공스팟 직경이 10㎛인 레이저를 사용하는 경우 원뿔의 사면에 적어도 수 ㎛ 만큼의 수평층이 형성될 수밖에 없으며, 따라서 원뿔의 형상을 갖추기 위해서는 적어도 밑면의 직경이 100㎛ 이상이 되어야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로 창안된 것으로, 그 목적은 격자형상의 가공패턴을 따라 레이저 어블레이션 가공을 반복하여 수행함으로써 단순하고 용이하게 다수의 정렬된 원뿔, 원뿔대 또는 반구상의 돌기를 가공대상물의 표면에 형성할 수 있는 초발수성 표면 가공방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3차원 곡면 또는 롤 표면을 따라 격자형상의 가공패턴으로 레이저 어블레이션 가공을 수행함으로써 반도체 공정으로는 불가능한, 3차원 곡면 또는 롤 표면에 미세한 돌기들을 형성할 수 있는 초발수성 표면 가공방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 어블레이션 가공을 통해 격자형상 패턴의 마이크로 스케일의 요철과 나노 스케일의 돌기를 동시에 형성함으로써 듀얼 스케일의 초발수성 표면을 갖는 고체기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법은, 제1 방향으로 나란하며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발(融發, ablation) 가공하는 제1 가공단계; 및 상기 제2 방향으로 나란하며 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계를 포함한다. 그리고 상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행한다.
상기 가공대상물 고체기재에 상기 제1 스캔라인과 제2 스캔라인을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 가공단계 또는 제2 가공단계에서, 상기 레이저빔을 고정하고 상기 가공대상물 고체기재를 이동시켜 가공할 수 있다.
복수의 상기 제1 스캔라인과 상기 제2 스캔라인은 서로 직교하면서 상기 가공대상물 고체기재의 표면에 격자 형상의 가공패턴을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 가공단계 또는 제2 가공단계에서, 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 제2 스캔라인을 순차적으로 가공할 수 있으며, 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 제2 스캔라인을 동시에 가공하는 것도 가능하다. 그리고 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 교번하여 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법은, 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면의 표면 데이터를 측정하는 단계; 상기 측정된 표면 데이터를 이용하여 다이나믹 포커스를 계산하는 단계; 및 상기 다이나믹 포커스의 계산결과와 갈바노 스캐너를 연동하여 레이저 가공을 수행하는 레이저 가공단계를 포함한다.
이 때, 상기 레이저 가공단계는, 제1 방향으로 나란하며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 상기 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제1 가공단계; 및 상기 제2 방향으로 나란하며 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 상기 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계를 포함하며, 상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법은, 가공대상물 롤(roll)의 표면을 가공하는 방법에 있어서, 상기 가공대상물 롤의 원주방향으로 나란하며 상기 가공대상물 롤의 축방향으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 롤의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제1 가공단계; 및 상기 롤의 축방향으로 나란하며 상기 롤의 원주방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 롤의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계를 포함하고, 상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행한다.
상기 레이저빔의 가공스팟(spot) 직경을 d 라고 하고, 이웃한 복수의 상기 제1 스캔라인 사이의 거리를 p 라고 할 때, 0.2 ≤ p/d ≤ 4 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재는 마이크로 스케일의 돌출부와 함몰부가 격자형상의 패턴을 이루며 연속적으로 배열되는 마이크로 구조물; 및 상기 마이크로 구조물의 돌출부 표면상에 나노 스케일의 돌기가 형성되는 나노 구조물을 포함한다.
상기 마이크로 구조물과 나노 구조물은 레이저 어블레이션을 이용한 표면 가공방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 마이크로 구조물의 함몰부는 인접한 돌출부 사이에 형성되며, 깊이가 깊어질수록 점차 경사가 가파르게 형성될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법에 의하면, 스캔라인을 따라 복수 회 레이저 융발 가공을 하는 것에 의해 단순하고 용이하게 다수의 정렬된 원뿔, 원뿔대 또는 반구상의 돌기를 형성할 수 있다.
또한 가공대상물인 고체기재의 표면에 마이크로 스케일의 요철과 함께 나노 스케일의 돌기를 형성함으로써 표면이 초발수성을 띠도록 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 표면 가공방법은, 반도체 공정으로는 불가능한, 3차원 곡면 뿐만 아니라 롤의 표면에도 격자형상의 패턴으로 배열되는 미세한 돌기들을 형성하여 초발수성 표면을 가공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명 과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 가공방법을 수행할 수 있는 레이저 가공 시스템의 구성도이다.
상기 레이저 가공 시스템(100)은 레이저빔(L)을 발하는 광원(미도시)으로부터 발광된 레이저빔(L)을 측면 방향으로 반사시켜 각도를 조절하는 제1 반사장치(10)와, 상기 제1 반사장치(10)의 일측에 소정 거리 이격되며 위치하여 제1 반사장치(10)에서 반사된 레이저빔(L)을 수직방향으로 반사시키는 제2 반사장치(20)를 포함한다. 그리고 상기 제2 반사장치(20)에서 반사된 레이저빔(L)을 집광하여 가공대상물(50)에 조사하는 렌즈(30)를 또한 포함한다.
상기 레이저빔(L)을 반사하는 제1 반사장치(10) 및 제2 반사장치(20)는 거울, 스테이 렌즈 또는 오브젝티브 렌즈 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 가공대상물(50)에 조사되는 레이저빔(L)의 중첩범위는 설정에 따라 조절할 수 있으며, 상기 가공대상물(50)에 형성되는 가공물은 레이저빔(L)의 프로파일에 따라 가공 스팟(52)의 형태가 달라질 수 있고, 이를 변화시킴에 따라 정면상 원뿔, 타원뿔, 다각뿔 또는 반구형 돌기형상을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법의 순서도이다. 그리고 도 3은 레이저빔의 가우시안 분포도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법에서 인접한 스캔라인에 조사된 레이저빔 가공스팟의 중첩 패턴과 레이저 강도 분포를 도시한 모식도이다.
먼저 가공대상물(50)에 격자형상을 이루는 제1 스캔라인(V)과 제2 스캔라인(H)을 설정한다.(S1)
이때, 가공대상물(50)의 가공영역을 설정할 수 있고, 상기 가공영역의 크기와 사용하는 레이저빔의 특성을 고려하여 원하는 형상의 가공물을 얻을 수 있도록 제1 스캔라인(V)과 제2 스캔라인(H)의 간격 및 개수를 설정할 수 있다.
본 실시예에서 상기 제1 스캔라인(V)과 제2 스캔라인(H)은 서로 직교하도록 설정되어 상기 가공대상물(50)의 표면에 격자 형상의 가공패턴을 형성할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가공대상물(50)인 고체기재의 소재로는 금속, 합성수지 등이 선택되어 사용될 수 있다. 특히 가공대상물(50)이 금속인 경우에는 금형 재료인 NAX80이 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 스캔라인(V)을 따라 이동하면서 가공대상물(50)의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발(融發, ablation) 가공하는 제1 단계 가공을 수행한다.(S2)
이때, 레이저빔(L)을 고정하고 상기 가공대상물(50)을 지지하고 있는 스테이지를 이동시키면서 가공을 수행할 수 있으며, 가공대상물(50)을 고정하고 레이저빔(L)을 움직이면서 가공하는 것도 가능하다.
상기 제1 스캔라인(V)은 복수 개가 제1 방향으로 나란하면서, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 소정 거리만큼 이격되어 배열된다.
도 3에서 보는 바와 같이, 레이저빔(L)은 강도(intensity)가 가우시안 분포를 가지므로 레이저빔(L)의 중심부는 융발양(ablation volume)이 많고 주변부는 융발양이 적게 된다. 이러한 레이저빔(L)의 특성을 이용하여 복수의 제1 스캔라인(V)을 따라 레이저 융발 가공을 하는 경우에 인접한 제1 스캔라인(V)을 지나는 레이저빔(L)의 가공스팟을 적절히 중첩시킴으로써 상기 제1 스캔라인(V)의 사이에 돌출부, 즉 레이저 융발 가공이 덜되어 남는 부분을 형성할 수 있다.
상기 레이저빔(L)의 가공스팟 직경을 d 라고 하고, 이웃한 복수의 상기 제1 스캔라인(V) 사이의 거리를 p 라고 할 때, 다음 수학식1의 조건을 만족하도록 설정하여 가공함으로써 원하는 표면특성을 갖는 고체기재를 얻을 수 있다.
0.2 ≤ p/d ≤ 4
즉, d=10㎛ 일 때, p는 2 내지 40㎛의 범위 내에서 가공하는 것이 바람직하다.
p/d가 0.2 미만일 경우에는 레이저 가공되는 부분이 과도하게 겹치게 되어 돌기(스파이크) 형상을 형성하지 못하게 되는 문제가 있다. 레이저의 빔모드가 이상적으로 완벽한 가우시안이면 돌기형상을 형성하는 것도 가능하지만, 물리적으로 이상적인 완벽한 가우시안 빔을 제작하는 것은 불가능한 것으로 알려져 있다. p/d가 4 초과일 경우에는 적용 분야에서 기대하는 성능을 얻지 못하게 되는 문제점이 있다. 예를 들어, 초발수성 표면을 형성하는 경우 p/d가 4를 초과하는 경우(d=10㎛) 초발수 특성이 나타나지 않는다.
다음으로, 상기 제2 스캔라인(H)을 따라 이동하면서 가공대상물(50)의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발(融發, ablation) 가공하는 제2 단계 가공을 수행한다.(S3)
이 때에도, 레이저빔(L)을 고정하고 상기 가공대상물(50)을 지지하고 있는 스테이지를 이동시키면서 가공을 수행할 수 있으며, 가공대상물(50)을 고정하고 레이저빔(L)을 움직이면서 가공하는 것도 가능하다.
상기 제2 스캔라인(H)은 복수 개가 제2 방향으로 나란하면서, 상기 제1 방향으로 소정 거리만큼 이격되어 배열된다. 제 2 스캔라인(H)을 따라 레이저 융발 가공하는 경우에도 상기 제1 스캔라인(V)을 따라 가공하는 경우와 마찬가지 조건 하에서 가공단계를 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법으로 제작한 가공물을 도시한 사시도이다.
스캔라인을 따라서는 함몰부(52)가 형성되고, 스캔라인들 사이에는 돌출부(55)가 형성되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 상기 제1 스캔라인(V) 및 제2 스캔라인(H)을 따라 상기 제1 단계 및 제2 단계 가공을 반복하여 수행한다.(S4)
즉, 설정된 제1 스캔라인(V)과 제2 스캔라인(H)을 따라 반복하여 레이저 융발 가공을 함으로써 함몰부(52)는 점점 깊어지고 돌출부(55)는 그 형태가 점차 뚜렷해지게 된다. 반복회수에 따라서도 돌출부(55)와 함몰부(52)의 형상이 조금씩 달라지게 되므로, 원하는 형상을 얻기 위하여 반복회수를 조절할 수 있다.
도 6은 가공대상물의 표면을 가공하여 형성된 가공물의 돌출부(55)와 함몰부(52)를 확대하여 도시한 모식도이다.
스캔라인을 따라 수회 이상 반복하여 가공하는 동안 돌출부(55) 주변 영역(ⓐ부분)은 많이 제거되지 않는 반면, 함몰부(52) 주변 영역(ⓑ부분)에서는 멀티 리플렉션(multi-reflection) 현상, 즉 상방으로부터 수직하게 입사한 레이저빔(L)이 다시 함몰부(52)의 대향 사면으로 반사되는 현상이 반복되면서 상기 함몰부(52)의 깊이를 깊게 형성할 수 있다.
한편, 상기 제1 단계 가공 또는 제2 단계 가공에서, 복수의 제1 스캔라인(V) 또는 제2 스캔라인(H)을 순차적으로 가공할 수도 있고, 동시에 복수의 제1 스캔라인(V)을 가공하고, 또 제2 스캔라인(H)을 가공할 수도 있다. 그리고 제1 단계 가공과 제2 단계 가공을 반복 수행하는 경우에도, 상기 제1 단계 가공 및 제2 단계 가공을 교번하여 반복 수행할 수도 있고, 상기 제1 단계 가공을 복수 회 수행하고 나서 상기 제2 단계 가공을 복수 회 수행할 수도 있다.
이와 같이 가공된 가공대상물(50)인 고체기재의 표면은 듀얼 스케일의 미세구조를 갖게 되며, 초발수성을 띠게 된다. 듀얼 스케일의 미세구조는 마이크로 스케일의 돌출부(55)와 함몰부(52)가 격자형상의 패턴을 이루며 연속적으로 배열되는 마이크로 구조물과, 상기 마이크로 구조물의 돌출부(55) 표면상에 나노 스케일의 돌기가 형성되는 나노 구조물을 포함한다.
듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 고체기재는 상기한 바와 같은 레이저 어블레이션을 이용하여 제1 스캔라인(V) 및 제2 스캔라인(H)을 따라 가공함에 따라, 상기 마이크로 구조물의 함몰부(52)는 인접한 돌출부(55) 사이에 형성되며, 그 깊이가 깊어질수록 점차 경사가 가파르게 형성될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법의 순서도이고, 도 8은 이를 도시한 모식도이다. 본 실시예에 따른 표면 가공방법에 따르면 3차원 곡면에서의 레이저 가공이 가능하다.
먼저, 3차원 곡면 가공을 위해서 3차원 곡면(150)의 표면 데이터를 측정한다. (ST1)
상기 3차원 곡면(150)의 표면 데이터 측정방법으로는 비접촉식 방법과 접촉식 방법을 선택적으로 사용할 수 있다. 비접촉식 방법은 레이저 등의 광원을 이용하여 3차원 곡면에서 반사된 빔을 이용하여 3차원 형상을 얻는 형태의 방법이고, 접촉식 방법은 접촉 센서를 이용하여 3차원 곡면 형상을 얻는 방법이다.
다음으로, 상기 측정된 표면 데이터를 다이나믹 포커스 유닛(125)에 입력하여 3차원 곡면(15)의 각 부분의 높이에서 일정하게 포커스된 빔을 만들어 내기 위한 다이나믹 포커스를 계산한다.(ST2)
다음으로, 상기 다이나믹 포커스 유닛(125)의 계산 결과와 갈바노 스캐너(135)가 연동되어 레이저 가공을 수행한다.(ST3)
그 외의 표면 가공방법은 상기 제1 실시예에 따른 표면 가공방법과 마찬가지 과정을 따라 수행될 수 있으며, 이로써 3차원 곡면(150)에 격자형상의 패턴을 이루며 연속적으로 배열되는 마이크로 스케일의 돌출부와 함몰부가 형성될 수 있다. 나아가 상기 가공과정에서 상기 마이크로 구조물의 돌출부 표면 상에 나노 스케일의 돌기가 형성되면서, 상기 3차원 곡면(150)은 듀얼 스케일의 미세구조를 갖게 된다. 반도체 공정을 이용한 표면 가공방법을 통해서는 이러한 3차원 곡면(150)에 가공하는 것이 불가능하다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법을 도시한 모식도이다. 본 실시예에 따른 표면 가공방법에 따르면 롤(roll) 표면을 따라 레이저 가공이 가능하다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 표면 가공방법은 인쇄롤 가공장치(300)에 레이저(250)를 연결하고, 이들을 구동 소프트웨어(230)를 통해 함께 제어하면서 롤 표면을 따라 레이저 가공을 수행할 수 있다.
인쇄롤 가공장치(300)는 고정축(325)과 회전축(327) 사이에 가공대상물인 롤(350)을 장착하고, 그 상부에 설치된 정밀 스테이지(310)에 대물렌즈(315)를 장착하여 이를 통해 레이저빔(L)을 상기 롤(350) 표면에 조사하면서 패턴(356)을 형성하게 된다.
상기 레이저(250)와 연결된 대물렌즈(315)는 정밀 스테이지(310)의 구동에 의해 롤(350)의 축방향으로 이송될 수 있다. 따라서 상기 롤(350)을 회전시킴으로써 롤(350) 표면에 원주를 따라 패턴을 형성할 수 있고, 상기 대물렌즈(315)를 이송시킴으로써 롤(350) 표면에 축방향을 따라 패턴을 형성할 수 있다. LM 가이드(340)는 상기 인쇄롤 가공장치(300)의 고정축(325)을 축방향으로 이송시킬 수 있다.
이와 같이 원주방향의 스캔라인과 축방향의 스캔라인을 따라 스캐닝 하면서 상기 제1 실시예에 따른 표면 가공방법과 마찬가지 과정을 따라 레이저 가공을 수행을 수행할 수 있으며, 이로써 롤(350) 표면에 격자형상의 패턴을 이루며 연속적으로 배열되는 마이크로 스케일의 돌출부와 함몰부가 형성될 수 있다. 나아가 상기 가공과정에서 상기 마이크로 구조물의 돌출부 표면 상에 나노 스케일의 돌기가 형성되면서, 상기 롤(350) 표면은 듀얼 스케일의 미세구조를 갖게 된다. 반도체 공정을 이용한 표면 가공방법을 통해서는 이러한 롤(350) 표면에 가공하는 것이 불가능하다.
이하에는 초발수성 표면 가공한 가공예들을 사진과 함께 설명한다.
가공예1
스캔라인의 간격(p)를 20㎛로 하고, 400Khz 100mW 레이저빔(가공스팟 직경(d): 10㎛)을 NAX80(금형 재료)에 50회 스캔하여 초발수성 표면 가공하였으며, 도 10에 표면 구조물의 확대사진을 나타내었다.
가공예2
스캔라인의 간격(p)를 10㎛로 하고, 400Khz 100mW 레이저빔(가공스팟 직경(d): 10㎛)을 NAX80(금형 재료)에 30회 스캔하여 초발수성 표면 가공하였으며, 도 11에 표면 구조물의 확대사진을 나타내었다.
가공예3
스캔라인의 간격(p)를 10㎛로 하고, 400Khz 50mW 레이저빔(가공스팟 직경(d): 10㎛)을 NAX80(금형 재료)에 50회 스캔하여 초발수성 표면 가공하였으며, 도 12에 표면 구조물의 확대사진을 나타내었다.
도 13a는 표면 가공하지 않은 PDMS의 표면에서 물방울의 접촉상태를 나타낸 것이고, 도 13b 내지 도 13d는 각각 가공예1 내지 가공예3의 표면 가공을 수행한 NAX80 금형 재료에서 사출 성형에 의해 전사해낸 PDMS(polydimethylsiloxane)의 표면에서 물방울의 접촉상태를 나타낸 것이다.
표면가공을 하지 않은 상태에서는 접촉각(고체기재 표면과 물방울의 접촉면이 이루는 각)이 크지만, 각 가공예에 따른 표면가공 후의 표면에서는 접촉각이 예각을 이루면서 초발수성을 띠게 되는 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 가공방법을 수행할 수 있는 레이저 가공 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법의 순서도이다.
도 3은 레이저빔의 가우시안 분포도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법에서 인접한 스캔라인에 조사된 레이저빔 가공스팟의 중첩 패턴과 레이저 강도분포를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법으로 제작한 고체기재를 도시한 사시도이다.
도 6은 가공대상물의 표면을 가공하여 형성된 가공물의 돌출부와 함몰부를 확대하여 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법을 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법을 도시한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 가공예1에 따른 조건으로 레이저 융발 가공한 표면 구조 물의 확대사진이다.
도 11은 본 발명의 가공예2에 따른 조건으로 레이저 융발 가공한 표면 구조물의 확대사진이다.
도 12는 본 발명의 가공예3에 따른 조건으로 레이저 융발 가공한 표면 구조물의 확대사진이다.
도 13a는 표면 가공하지 않은 PDMS의 표면에서 물방울의 접촉상태를 나타낸 사진이고, 도 13b 내지 도 13d는 각각 실시예1 내지 실시예3의 표면 가공을 수행한 금형 재료로부터 전사한 PDMS의 표면에서 물방울의 접촉상태를 나타낸 사진이다.
도 14은 종래의 레이저 가공방법에 따른 가공상태를 도시한 사시도이다.
도 15의 (a) 내지 (e)는 종래의 레이저 가공방법에 따라 원뿔 또는 반구형 구조물을 제작하는 과정을 도시한 공정도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 제1 반사장치 20: 제2 반사장치
30: 렌즈 50, 150: 가공대상물
52: 함몰부 55, 155: 돌출부
125: 다이나믹 포커스 유닛 135: 갈바노 스캐너
155: 3차원 곡면 230: 구동 소프트웨어
250: 레이저 300: 인쇄롤 가공장치
310: 정밀 스테이지 315: 대물렌즈
320: 인쇄롤 325: 고정축
327: 회전축 340: LM 가이드
350: 롤 356: 패턴
L: 레이저빔 V: 제1 스캔라인
H: 제2 스캔라인

Claims (14)

  1. 제1 방향으로 나란하며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발(融發, ablation) 가공하는 제1 가공단계; 및
    상기 제2 방향으로 나란하며 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 고체기재의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계
    를 포함하고,
    상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가공단계 또는 제2 가공단계에서, 상기 레이저빔을 고정하고 상기 가공대상물 고체기재를 이동시켜 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가공단계 또는 제2 가공단계에서, 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 제2 스캔라인을 순차적으로 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이 용한 초발수성 표면 가공방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 교번하여 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 가공 스팟(spot) 직경을 d 라고 하고, 이웃한 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 이웃한 복수의 상기 제2 스캔라인 사이의 거리를 p 라고 할 때,
    0.2 ≤ p/d ≤ 4
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  6. 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면의 표면 데이터를 측정하는 단계;
    상기 측정된 표면 데이터를 이용하여 다이나믹 포커스를 계산하는 단계; 및
    상기 다이나믹 포커스의 계산결과와 갈바노 스캐너를 연동하여 레이저 가공을 수행하는 레이저 가공단계를 포함하고,
    상기 레이저 가공단계는,
    제1 방향으로 나란하며 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 상기 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제1 가공단계; 및
    상기 제2 방향으로 나란하며 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 상기 가공대상물 고체기재의 3차원 곡면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계를 포함하며,
    상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가공대상물 고체기재에 상기 제1 스캔라인과 제2 스캔라인을 설정하는 단계를 더 포함하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 가공 스팟(spot) 직경을 d 라고 하고, 이웃한 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 이웃한 복수의 상기 제2 스캔라인 사이의 거리를 p 라고 할 때,
    0.2 ≤ p/d ≤ 4
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  9. 가공대상물 롤(roll)의 표면을 가공하는 방법에 있어서,
    상기 가공대상물 롤의 원주방향으로 나란하며 상기 가공대상물 롤의 축방향 으로 서로 이격된 복수의 제1 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 롤의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제1 가공단계; 및
    상기 롤의 축방향으로 나란하며 상기 롤의 원주방향으로 서로 이격된 복수의 제2 스캔라인을 따라 이동하면서 가공대상물 롤의 표면에 레이저빔을 연속적으로 조사하여 융발 가공하는 제2 가공단계
    를 포함하고,
    상기 제1 스캔라인 및 제2 스캔라인을 따라 상기 제1 가공단계 및 제2 가공단계를 반복하여 수행하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가공대상물 롤의 표면에 상기 제1 스캔라인과 제2 스캔라인을 설정하는 단계를 더 포함하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 가공 스팟(spot) 직경을 d 라고 하고, 이웃한 복수의 상기 제1 스캔라인 또는 이웃한 복수의 상기 제2 스캔라인 사이의 거리를 p 라고 할 때,
    0.2 ≤ p/d ≤ 4
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션을 이용한 초발수성 표면 가공방법.
  12. 마이크로 스케일의 돌출부와 오목부가 격자형상의 패턴을 이루며 연속적으로 배열되는 마이크로 구조물; 및
    상기 마이크로 구조물의 돌출부 표면상에 나노 스케일의 돌기가 형성되는 나노 구조물
    을 포함하는 듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 마이크로 구조물과 나노 구조물은 레이저 어블레이션을 이용한 표면 가공방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 마이크로 구조물의 오목부는 인접한 돌출부 사이에 형성되며, 깊이가 깊어질수록 점차 경사가 가파르게 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 스케일의 미세구조를 갖는 초발수성 표면의 고체기재.
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