KR20120108752A - 미세 요철부를 형성하기 위한 레이저 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 에너지 밀도가 균일하게 분포되는 평면 레이저 빔을 발생시키는 단계, 상기 평면 레이저 빔을 가공 대상물에 반복적으로 스캔 조사하여 상기 가공 대상물의 표면에 돌기부와 함몰부로 이루어진 복수개의 미세 요철부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 미세 요철부의 돌기부의 직경은 상기 평면 레이저 빔의 스팟 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 가공 대상물의 표면에 평면 레이저 빔의 스팟 직경보다 작은 직경의 돌기부를 가지는 미세 요철부를 형성함으로써 별도의 화학적 친수 코팅을 사용하지 않고도 가공 대상물의 표면을 친수화시킬 수 있다.

Description

미세 요철부를 형성하기 위한 레이저 가공 방법{LASER PROCESSING METHOD FOR FORMATION OF MICROSPIKE}

본 발명은 레이저 가공 방법에 관한 것으로서, 레이져 어블레이션 가공을 이용하여 가공 대상물의 표면을 가공하는 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

집적화된 광자를 이용한 고에너지 광가공 기술에 있어서 가장 일반화되고 안정화된 공정이 레이저 가공 방법이다. 레이저 빔은 파장이 짧고, 순간적인 첨두출력(peak power)이 높을수록 가공 대상물에 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)가 거의 없는 미세가공이 가능하다.

레이저 어블레이션 가공(laser ablation processing)은 단 펄스 레이저빔을 가공 대상물에 조사하여 가공 대상물의 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 미세 가공이 가능하게 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 변경할 수 있다.

그러나, 레이저 빔을 집속하여 표면을 가공하므로 집속된 레이저 빔의 스팟직경보다 작은 크기의 미세 가공은 어렵다.

레이저 빔을 렌즈를 통하여 집속할 경우, 초점 길이(focal length)가 작은 렌즈를 사용할수록 스팟 직경이 작은 레이저 빔을 얻을 수 있다. 그러나, 초점 길이가 작은 렌즈를 사용할수록 초점 심도(Depth of focus)가 줄어들기 때문에 균일한 미세 가공이 이루어지지 않는다. 즉, 가공면의 평탄도가 초점 심도보다 큰 경우 균일한 미세 가공이 이루어지지 않는다. 이러한 짧은 초점 심도를 보상하기 위해서 가공면의 평탄도를 측정하여 이 평탄도에 따라서 포커싱의 위치를 바꾸어 주는 오토 포커싱 유닛(Auto focusing unit)을 사용할 수 있으나, 이런 과정은 매우 복잡하고, 가격 또한 비싸다. 또한, 오토포커싱 유닛(Auto focusing unit)이 이루어졌다고 해도 작은 스팟 직경의 레이저 빔을 이용하여 복수개의 미세 요철부를 제조해야 하므로 긴 가공 시간이 소요된다.

또한, 레이저 빔의 스팟 직경을 작게하기 위해 파장대가 낮은 레이저를 사용할 수 있으나, 이 경우 고출력의 파장대가 낮은 레이저를 제작하는 것이 어렵다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 평면 레이저 빔의 포커스된 스팟 직경보다 작은 미세 요철부를 제작할 수 있는 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 에너지 밀도가 균일하게 분포되는 평면 레이저 빔을 발생시키는 단계, 상기 평면 레이저 빔을 가공 대상물에 반복적으로 스캔 조사하여 상기 가공 대상물의 표면에 돌기부와 함몰부로 이루어진 복수개의 미세 요철부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 미세 요철부의 돌기부의 직경은 상기 평면 레이저 빔의 스팟 직경보다 작을 수 있다.

상기 평면 레이저 빔의 스캔 횟수는 10회 이상 내지 100회 이하일 수 있다.

상기 평면 레이저빔의 스팟 직경을 d라고 하고, 이웃한 복수의 스캔 라인 사이의 거리를 L라고 할 때, 0.05≤ L/d ≤ 0.8의 조건을 만족할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가공 대상물의 표면에 평면 레이저 빔의 스팟 직경보다 작은 직경의 돌기부를 가지는 미세 요철부를 형성함으로써 별도의 화학적 친수 코팅을 사용하지 않고도 가공 대상물의 표면을 친수화시킬 수 있다.

또한, 레이저 빔의 스팟 직경을 크게 하고도 미세가공을 할 수 있으므로 오토 포커싱 유닛을 사용하지 않아도 되어 레이저 가공 시스템을 단순하게 제작할 수 있다.

또한, 가공 대상물로 금형 재료를 사용하는 경우에 표면이 친수화된 금형 재료를 사출 성형함으로써 저가의 친수성 표면 또는 초발수 표면을 가지는 재료를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 수행할 수 있는 레이저 가공 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법으로 가공 대상물의 표면에 복수개의 미세 요철부를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 평면 레이저 빔의 스캔 방향과 스팟의 중첩 간격을 도시한 도면이다.
도 4는 평면 레이저 빔을 5회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이다.
도 5는 평면 레이저 빔을 7회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이다.
도 6은 평면 레이저 빔을 30회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이다.
도 7a는 평면 레이저 빔을 50회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 7b는 평면 레이저 빔을 50회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이다.
도 8a는 평면 레이저 빔을 100회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 8b는 평면 레이저 빔을 100회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이다.
도 9는 평면 레이저 빔을 300회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이다.
도 10a는 평면 레이저 빔을 500회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 10b는 평면 레이저 빔을 500회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이다.
도 11a는 NAK80로 이루어진 가공 대상물 표면의 물에 대한 접촉각을 도시한 도면이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 따라 표면 가공된 가공 대상물 표면의 물에 대한 접촉각을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 대하여 도 1 내지 도 12b를 참고로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법을 수행할 수 있는 레이저 가공 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 가공 시스템(100)은 평면 레이저 빔 발생기(1)로부터 발생된 평면 레이저 빔(L)을 측면 방향으로 반사시켜 각도를 조절하는 제1 반사장치(10)와, 제1 반사장치(10)의 일측에 소정 거리 이격되며 위치하여 제1 반사장치(10)에서 반사된 평면 레이저 빔(L)을 수직방향으로 반사시키는 제2 반사장치(20)를 포함한다. 그리고 제2 반사장치(20)에서 반사된 평면 레이저 빔(L)을 집속하여 가공 대상물(50)에 조사하는 집속 렌즈(30)를 포함한다.

평면 레이저 빔 발생기(1)는 중심부와 가장자리부의 에너지 밀도가 균일한 평면 레이저 빔(L)을 발생시킨다.

평면 레이저 빔(L)을 반사하는 제1 반사장치(10) 및 제2 반사장치(20)는 거울, 스테이 렌즈 또는 오브젝티브 렌즈 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

평면 레이저 빔(L)의 프로파일에 따라 평면 레이저빔(L)의 스팟(52)의 중첩 범위는 조절할 수 있다.

가공 대상물(50)인 고체 기재의 소재로는 금속, 합성수지 등이 선택되어 사용될 수 있다. 특히 가공 대상물(50)이 금속인 경우에는 금형 재료인 NAK80이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법으로 가공 대상물의 표면에 복수개의 미세 요철부를 형성하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 3은 평면 레이저 빔의 스캔 라인과 스캔 라인간 거리를 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 우선, 평면 레이저 빔 발생기(1)로부터 중심부와 가장자리부의 에너지 밀도가 균일한 평면 레이저 빔(L)을 발생시킨다.

다음으로, 집속 렌즈(30)를 이용하여 평면 레이저 빔(L)의 스팟 직경(d)을 조절한다.

평면 레이저 빔(L)의 스팟의 반경(

)은 아래 수학식 1에 의해 결정된다.

여기서,

은 평면 레이저 빔(L)의 스팟 반경이고, λ은 평면 레이저 빔(L)의 파장, f은 집속 렌즈의 초점 길이,

은 입사하는 평면 레이저 빔(L)의 반경이고,

은 레이저 전달 인자(laser propagation factor)이다.

예컨대, 집속 렌즈로 초점 길이가 120mm인 F-θ 렌즈를 사용한 갈바노 미러 타입 스캐너를 사용하고, 갈바노 미러 타입 스캐너에 입사되는 평면 레이저 빔(L)의 스팟 반경은 약 2mm이며,

은 1.3이고, 상온의 공기 상태에서 블로잉 가스(blowing gas) 없이 평면 레이저 빔(L)을 집속한 경우, 평면 레이저 빔(L)의 스팟 반경은 50㎛으로 작아진다.

다음으로, 평면 레이저 빔(L)을 소정 방향으로 스캔라인(V)을 따라 스캔하며 평면 레이저 빔(L)을 가공 대상물(50) 위에 반복적으로 조사한다.

이 때, 스캔 속도, 펄스간 중첩 간격(P), 스캔 라인(V)간 거리(L)를 조절함으로써 평면 레이저 빔(L)의 스팟 직경(d)보다 작은 직경의 돌기부(51a)를 가지는 미세 요철부(51)를 형성할 수 있다.

평면 레이저 빔(L)의 스팟 직경을 d라고 하고, 이웃한 복수의 스캔라인(V) 간 거리를 L라고 할 때, 아래 수학식 2의 조건을 만족하도록 설정하여 가공함으로써 원하는 표면특성을 갖게 할 수 있다.

즉, d=10㎛ 일 때, L는 0.5 내지 8㎛의 범위 내에서 가공하는 것이 바람직하다.

L/d가 0.05 미만일 경우에는 레이저 가공되는 부분이 과도하게 겹치게 되어 미세 요철부(51)를 형성하지 못하게 되는 문제가 있다. L/d가 0.8 초과일 경우에는 적용 분야에서 기대하는 성능을 얻지 못하게 되는 문제점이 있다. 예를 들어, 초발수성 표면을 형성하는 경우 L/d가 4를 초과하는 경우(d=10㎛) 초발수 특성이 나타나지 않는다.

그리고, 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수는 10회 이상 100회 이하일 수 있다. 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수가 10회보다 작은 경우에는 가공 대상물(50) 표면에 미세 요철부(51)가 균일하게 발생하지 않는다. 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수가 100회보다 큰 경우에는 가공 대상물(50) 표면에 필요하지 않은 홈이 발생할 수 있다.

한편, 레이저 빔의 초점 심도(Z)는 아래 수학식 3에 의해 결정된다.

여기서,

은 평면 레이저 빔(L)의 스팟 반경, λ는 평면 레이저 빔(L)의 파장, ρ는 평면 레이저 빔(L)의 크기 허용도이다.

가 10㎛이고 가 532nm이고 λ가 1.05인 경우, z은 ±189㎛이고 초점 심도는 378㎛가 되며, 동일한 조건에서

가 5㎛라면 z은 ±47㎛이고 초점 심도는 94㎛가 된다. 이와 같이, 집속되는 평면 레이저 빔(L)의 스팟 반경이 작아질수록 초점 심도는 그의 제곱에 비례해서 작아지게 되며, 초점 심도가 가공면의 평탄도보다 작아지는 경우 균일한 미세 가공이 이루어지지 않게 된다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 평면 레이저 빔(L)의 스팟 직경(d)을 작게하지 않고 평면 레이저 빔(L)을 10회 이상 100회 이하로 스캔함으로써 가공 대상물(50)의 표면에 레이저 빔의 스팟 직경(d)보다 작은 직경의 돌기부(51a)를 가지는 미세 요철부(51)를 형성할 수 있다.

이하에서, 도 4 내지 도 10b를 참조하여 스캔 횟수에 따라 스팟 직경(d)보다 작은 직경의 돌기부(51a)를 가지는 미세 요철부의 생성 메커니즘에 대해 상세히 설명한다.

도 4는 평면 레이저 빔을 5회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 5는 평면 레이저 빔을 7회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 6은 평면 레이저 빔을 30회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 7a는 평면 레이저 빔을 50회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 7b는 평면 레이저 빔을 50회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이고, 도 8a는 평면 레이저 빔을 100회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 8b는 평면 레이저 빔을 100회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이고, 도 9는 평면 레이저 빔을 300회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이고, 도 10a는 평면 레이저 빔을 500회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 표면 사진이고, 도 10b는 평면 레이저 빔을 500회 스캐닝한 경우의 가공 대상물의 단면 사진이다.

도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 평면 레이저 빔(L)을 5회 내지 30회 스캐닝한 경우에는 평면 레이저 빔(L)의 펄스간 중첩에 의해 복수개의 평면 레이저 빔(L)의 펄스가 한 지점에 도달되게 된다. 따라서, 가공 대상물(50) 내부에서의 열 확산(heat diffusion)은 줄어들게 되어 표면 온도(surface temperature)가 증가하게 된다. 가공 대상물(50)의 표면 온도의 증가는 표면의 반사율을 감소시키고, 표면의 흡수율을 증가시킨다. 흡수율이 증가된 표면에 평면 레이저 빔(L)이 다시 조사되면 멜팅부(melting portion)가 가공 대상물(50)의 표면에 형성된다.

도 4 및 도 5에서 미세 요철부가 존재하지 않는 부분에서 가공 대상물(50)의 멜팅부를 확인할 수 있다. 또한, 멜팅부에는 평면 레이저 빔(L)의 파장과 비슷한 크기의 나노 리플(nano ripple)도 발생된다. 이러한 나노 리플은 평면 레이저 빔(L)이 계속 조사되면 없어지고 미세 요철부(51)가 된다. 이 때 발생하는 미세 요철부(51)는 가공 대상물(50)의 손상(defect) 때문에 생기므로 불규칙하게 발생한다. 그리고 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 깊이도 깊지 않다. 또한, 펄스간 중첩율이 낮은 경우에는 펄스와 펄스 사이에 마이크로파(micro wave)인 충격파(shock wave)가 발생하여 미세 요철부(51)의 생성을 보조한다.

도 6 내지 도 8b에 도시한 바와 같이, 평면 레이저 빔(L)을 동일한 위치에 반복하여 50회 이상 100회 이하로 스캐닝한다. 이 경우 멜팅부는 없어지고 가공 대상물(50) 표면의 스캔 라인을 따라 미세 요철부(51)가 생성된다. 이 때, 반복되는 평면 레이저 빔(L)의 조사에 의해 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 경사면에서 다중 반사(multiple reflection)가 발생하고, 이에 의해 가공 대상물(50)의 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 깊이(l)는 더욱 깊어진다.

가공 대상물(50)의 편평한 표면에 평면 레이저 빔(L)이 조사되는 경우, 조사되는 레이저 빔의 파장에 따른 가공 대상물(50)의 흡수율에 따라서 대부분의 평면 레이저 빔(L)이 가공 대상물(50)에 흡수된다. 그러나, 가공 대상물(50)의 미세 요철부(51)를 가지는 손상된 표면에 평면 레이저 빔(L)이 조사되는 경우에는 평면 레이저 빔(L)이 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 경사면에 입사하게 되므로 입사각이 크게 되어 가공 대상물(50)에서 반사되어 함몰부(51b)의 중심으로 향하는 빔이 많아지게 된다. 따라서, 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 깊이(l)가 더 깊어지게 된다.

예컨대, 도 7b 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 50㎛의 스팟 반경을 가지는 레이저 빔을 이용하여 스캔 횟수가 50회인 경우, 약 10㎛ 깊이의 함몰부(51b)를 가지는 미세 요철부(51)가 생성되고, 스캔 횟수가 100회인 경우, 약 20㎛ 깊이의 함몰부(51b)를 가지는 미세 요철부(51)가 생성되므로, 스캔 횟수를 증가시킬수록 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 깊이(l)가 깊어짐을 알 수 있다.

도 9 내지 도 10b에 도시한 바와 같이, 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수가 100회보다 큰 경우에는 미세 요철부(51)가 어블레이션되어 파괴되고 그 부분이 모두 제거되어 홈이 되면 홈의 바닥면에 미세 요철부(51)가 다시 형성되는 과정을 반복한다. 이 때, 평면 레이저 빔(L)의 입사각이 소정 각도 이상 클 수 없으므로 함몰부(51b)의 깊이는 더 이상 깊어지기 어렵다. 즉, 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수가 100회보다 큰 경우에는 평면 레이저 빔(L)의 스캔 횟수가 30회 이상 100회 이하인 경우와 비교하여 미세 요철부(51)의 함몰부(51b)의 깊이는 유사하며, 어블레이션되는 양은 더 크게 되므로 홈이 생성된다.

도 11a는 NAK80로 이루어진 가공 대상물 표면의 물에 대한 접촉각을 도시한 도면이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법에 따라 표면 가공된 가공 대상물 표면의 물에 대한 접촉각을 도시한 도면이다. 이 때, 가공 대상물(50)의 가로 10mm 및 세로 10mm의 면적에 20㎛의 미세 요철부(51)를 가공하였다.

도 11a에 도시한 바와 같이, 가공되지 않은 가공 대상물(50) 표면의 물에 대한 접촉각(θ)은 약 80도이고, 도 11b에 도시한 바와 같이, 표면 가공된 가공 대상물(50) 표면의 물에 대한 접촉각(θ)은 약 10도이므로 친수성이 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

L: 평면 레이저 빔 30: 집속 렌즈
50: 가공 대상물 51: 미세 요철부
51a: 돌기부 51b: 함몰부

Claims (3)

1. 에너지 밀도가 균일하게 분포되는 평면 레이저 빔을 발생시키는 단계,
   상기 평면 레이저 빔을 가공 대상물에 반복적으로 스캔 조사하여 상기 가공 대상물의 표면에 돌기부와 함몰부로 이루어진 복수개의 미세 요철부를 형성하는 단계
   를 포함하고,
   상기 미세 요철부의 돌기부의 직경은 상기 평면 레이저 빔의 스팟 직경보다 작은 레이저 가공 방법.
2. 제1항에서,
   상기 평면 레이저 빔의 스캔 횟수는 10회 이상 내지 100회 이하인 레이저 가공 방법.
3. 제1항에서,
   상기 평면 레이저빔의 스팟 직경을 d라고 하고, 이웃한 복수의 스캔 라인 사이의 거리를 L라고 할 때,
   0.05 ≤ L/d ≤ 0.8
   의 조건을 만족하는 레이저 가공 방법.

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