KR20120126789A - Fine Application Apparatus for High Aspect Rate Shape using Ultrashort Pulse Laser - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A fine application apparatus for a high aspect ratio shape using an ultra-short pulse laser is provided to precisely process a fine shape with a high aspect ratio by using plasma created by ultra-short pulse laser. CONSTITUTION: A fine application apparatus for a high aspect ratio shape comprises a laser source(1) which generates ultra-short pulse laser beams and a condensing lens(2) which condenses the laser beams generated by the laser source so that the laser beams passing through the condensing lens generate plasma channeling. A work piece(50) is arranged in the area of plasma channeling, thereby implementing shape processing.

Description

극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치 {Fine Application Apparatus for High Aspect Rate Shape using Ultrashort Pulse Laser}Fine Aspect Apparatus for High Aspect Rate Shape using Ultrashort Pulse Laser

본 발명은 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultra-short pulse laser.

최근 IT(Information Technology), NT(Nano Technology), BT(BioTechnology) 등의 산업이 발달하면서, 수십 ㎛ ~ 수십 mm 크기의 소형 정밀 부품의 수요가 급증하고 있으며, 이를 가공하기 위한 다양한 가공법의 개발과 상용화도 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 정밀 부품의 정밀도는 점차 나노 급까지 내려가고 있으며, 이에 따라 정밀 부품의 제작에 있어 MEMS, NEMS 기술을 이용하는 방법이 확산되고 있다. 기존의 선삭, 밀링, 성형과 같은 기계 가공 방식을 사용할 경우 이러한 정밀 부품에서 요구하는 정밀도를 실현할 수 없는 한계가 발생되는 바, 정밀도 향상을 위한 장비의 초정밀화, 초미세화 기술에 대한 개발 요구가 더욱 높아져 가고 있다. 뿐만 아니라, 특히 수요처인 IT, BT, NT 등의 분야에서는 자사의 기술 보안, 비용 등을 이유로 최소한의 공간에서 최대한의 정밀도를 달성하는 장비를 요구하고 있는 실정이다.Recently, with the development of IT (Information Technology), NT (Nano Technology), BT (BioTechnology), the demand for small precision parts ranging from tens of micrometers to tens of millimeters is increasing rapidly. Commercialization is also active. The precision of such precision parts is gradually lowered to nanoscale, and thus, methods of using MEMS and NEMS technologies are spreading in the manufacture of precision parts. When using conventional machining methods such as turning, milling, and forming, there is a limit that cannot achieve the precision required by these precision parts. Therefore, the demand for development of ultra-precision and ultra-fine technology of the machine to improve the precision is further increased. It is getting higher. In addition, especially in the areas of demand such as IT, BT, NT, the demand for equipment that achieves the maximum precision in the minimum space for the technical security and cost of the company.

종횡비란 세로 깊이 대 가로 폭의 비를 말하는 것으로, 고종횡비 형상이란 즉 폭이 좁으면서 깊이가 깊은 형상을 말하는 것이다. 차세대 IT, ET, NT, BT 등 다양한 분야에서의 부품(예를 들어 미세금형, 약물전달 스텐트, LCD repair system, X-ray 형광판 등 미소 부품)의 각부에서 점차 이러한 고종횡비 형상이 요구되는 범위가 확대되어 가는 바, 고종횡비 형상 가공 기술은 이러한 분야의 정밀 부품 생산에 핵심기술이다. 그러나 기존의 일부 기계 가공의 경우 30mm 이하의 미세 홀 가공은 가공이 어려워 매우 비생산적이다. 또한, 기존의 레이저 가공 기술을 사용할 경우 최대 얻을 수 있는 종횡비는 2~3 이하 수준밖에 되지 않아, 충분한 고종횡비를 얻을 수 없는 한계가 있다는 점이 잘 알려져 있다.
The aspect ratio refers to the ratio of the vertical depth to the width, and the high aspect ratio refers to the shape that is narrow and deep. This aspect ratio is increasingly required in each part of parts in various fields such as next-generation IT, ET, NT, BT, etc. (for example, micro mold, drug delivery stent, LCD repair system, X-ray fluorescent plate, etc.). Increasingly, high aspect ratio shape processing technology is a key technology for the production of precision parts in these fields. However, for some conventional machining, fine hole machining of less than 30mm is very unproductive due to the difficulty of machining. In addition, it is well known that the maximum aspect ratio that can be obtained using conventional laser processing technology is only 2 to 3 or less, so that a sufficient high aspect ratio is not obtained.

상술한 바와 같이 기계적인 가공 기술을 이용할 경우 마이크로급 선폭의 형상을 가공하는 것이 절대 불가능하고, 종래의 레이저 가공 기술만으로는 2~3 이하 정도의 종횡비를 갖는 형상 제작만이 가능한 한계가 있다. 이에 따라 고종횡비를 가지는 형상을 가공하기 위하여 여러 기술들이 개발되어 왔다.As described above, when the mechanical processing technique is used, it is impossible to process the shape of the microscale line width, and there is a limitation that only the shape production having an aspect ratio of about 2 to 3 or less can be achieved by the conventional laser processing technique alone. Accordingly, various techniques have been developed to process shapes having a high aspect ratio.

한국공개특허 제2001-0042981호("레이저를 이용한 피가공물의 가공 방법", 이하 선행기술 1)에서는, 도 1(A)에 도시되어 있는 단계들로 알 수 있는 바와 같이, 레이저 가공에서 높은 종횡비의 가공 구멍을 형성할 수 있도록, 레이저광을 조사하여 선행 구멍을 형성하고, 이방성 에칭을 행하여 상기 선행 구멍을 확대하는 피가공물의 가공 방법을 개시하고 있다. 상기 선행기술 1에 의하면 상당히 높은 정밀도로 고종횡비의 형상을 가공할 수 있다는 장점은 있으나, 가공 방법 자체의 특성으로 인하여 통공 형태의 형상만이 가공 가능하다는 점, 그리고 에칭에 의하여 가공이 가능한 재질이어야 한다는 점 등의 한계가 존재한다는 문제점이 있다. 도 1(B)는 선행기술 1에 의하여 만들어진 가공 구멍의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1(B)의 가장 좌측의 사진은 레이저 입사 부위, 가운데의 사진은 레이저 출사 부위를 각각 보여주며, 가장 우측의 사진은 레이저 조사에 의해 만들어진 선행 구멍에 이방성 에칭까지 수행하여 최종적으로 만들어진 가공 구멍의 절단면을 보여주고 있다. 도 1(B)에 도시된 바와 같이 에칭 단계를 수행하기 전에는 레이저 입사 및 출사 부위에서 가공 대상물의 재질이 파손되어 가공 부위 주변이 지저분하게 되는 것을 알 수 있으며, 이로써 선행기술 1에 의해서 얻을 수 있는 가공 정밀도에도 한계가 있음을 알 수 있다.In Korean Patent Laid-Open No. 2001-0042981 ("Method of Processing Workpiece Using Laser", hereinafter, Prior Art 1), as can be seen by the steps shown in Fig. 1A, a high aspect ratio in laser processing Disclosed is a processing method of a work piece in which a preceding hole is formed by irradiating a laser beam, and anisotropic etching is performed to enlarge the preceding hole so as to form a processing hole of the same. According to the prior art 1, there is an advantage that the shape of the high aspect ratio can be processed with a considerably high precision, but due to the characteristics of the processing method itself, only the shape of the through shape can be processed, and the material must be processed by etching. There is a problem that there are limitations such as that. 1 (B) shows one embodiment of a processing hole made by prior art 1. The leftmost photograph of FIG. 1B shows the laser incident region, and the middle photograph shows the laser exit region, and the rightmost photograph shows the processing hole finally made by performing anisotropic etching on the preceding hole made by laser irradiation. It shows the cutting plane of. Before performing the etching step as shown in Figure 1 (B) it can be seen that the material of the processing object is damaged at the laser incidence and exit site to become dirty around the processing site, thereby obtainable by the prior art 1 It can be seen that there is a limit in machining precision.

한국등록특허 제0338667호("레이저를 이용한 다이아몬드 막의 가공 방법", 이하 선행기술 2)에서는, 도 1(C)에 도시된 바와 같이, 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공에 있어서, 저 열전달 밑판으로서 알루미나, 염화칼륨, 실리카, 유리, 내화벽돌, 용융실리카, 지르코니아, 뮬라이트, 스피넬, 마그네시아, 베릴리아, 탄화규소, 스텐레스강 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성되는 밑판을 다이아몬드막의 밑면에 위치시켜 다이아몬드막과의 열전달이 억제되도록 하고, 일정한 가공분위기 하에서 레이저빔을 상기 다이아몬드막의 표면에 초점이 형성되도록 하여 다이아몬드막을 가공하고, 가공이 진행됨에 따라 상기 레이저빔의 초점이 형성되는 위치를 밑으로 이동하며 레이저빔을 주사하는 것으로 이루어지는 레이저를 이용한 다이아몬드막의 가공 방법이 개시되어 있다. 도 1(D)는 선행기술 2에 의하여 만들어진 가공 형상의 두 실시예를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 어느 정도 고종횡비를 가지는 형상을 만들 수는 있겠으나, 특히 가공 대상물의 재질적인 한계가 존재한다는 문제가 있어, 다양한 분야로의 확대 적용이 어렵다.In Korean Patent No. 0338667 (" Method of Processing Diamond Film Using Laser ", hereinafter, Prior Art 2), as shown in Fig. 1C, in the processing of a diamond film using a laser, alumina, The base plate composed of any one or more selected from potassium chloride, silica, glass, refractory brick, fused silica, zirconia, mullite, spinel, magnesia, beryllia, silicon carbide, and stainless steel is placed on the bottom of the diamond film to Heat transfer is suppressed, the diamond film is processed by focusing the laser beam on the surface of the diamond film under a constant working atmosphere, and as the processing proceeds, the laser beam is moved downward while moving to the position where the focus of the laser beam is formed. Of diamond film using laser which consists of scanning Ball method is disclosed. Figure 1 (D) shows two embodiments of the processing shape made by the prior art 2, but can be made to have a shape having a high aspect ratio as shown, in particular, there is a material limitation of the processing object There is a problem that it is difficult to extend to various fields.

이와 같이 종래의 가공 기술로는, 가공 형상의 정밀도 및 고종횡비를 높이는데 한계가 있어, 고종횡비를 가지는 미세 홀이나 선 형상을 가공할 수 있는 기술에 대한 연구 및 개발이 시급한 실정이다.
As described above, the conventional processing technology has a limitation in increasing the accuracy and the high aspect ratio of the processed shape, and it is urgent to research and develop a technology capable of processing fine holes or linear shapes having a high aspect ratio.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 매우 높은 수준의 순간 피크 강도를 얻을 수 있는 극초단 펄스 레이저인 펨토초 레이저를 이용하여 플라즈마를 발생시키고 이로써 형상 가공이 이루어지도록 함으로써 높은 정밀도로 고종횡비를 갖는 미세 형상을 가공할 수 있도록 하는, 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치를 제공함에 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to generate a plasma using a femtosecond laser is an ultra-short pulse laser that can obtain a very high instantaneous peak intensity. The present invention provides a high aspect ratio fine shape processing apparatus employing an ultra-short pulse laser which enables processing of a fine shape having a high aspect ratio with high precision.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치는, 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서, 상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.A high aspect ratio fine shape processing apparatus using the ultrashort pulse laser of the present invention for achieving the above object includes a laser light source (1) for generating an ultrashort pulse laser; A condenser lens 2 for condensing the beam generated by the laser light source 1; A fine shape processing apparatus 10 comprising a beam, wherein the beam passing through the condenser lens 2 generates plasma channeling, and the object 50 is disposed in the region where the plasma channeling is generated to perform shape processing. Characterized in that.

이 때, 상기 레이저 광원(1)은 펄스폭이 펨토초 이하인 것을 특징으로 한다.At this time, the laser light source 1 is characterized in that the pulse width is less than femtoseconds.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 종횡비 5 내지 100 범위의 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fine shape processing apparatus 10 is characterized by performing a shape processing in the aspect ratio range of 5 to 100.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fine shape processing apparatus 10 is characterized by performing a shape processing in the hole diameter or line width in the range of several tens of micrometers.

또한, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 공기 중의 환경에서 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the fine shape processing apparatus 10 is characterized in that the shape processing in the air environment.

본 발명에 의하면, 종래의 기계적인 가공 기술로는 30mm 정도 이하의 형상을 가공할 수 없고, 또한 종래의 레이저 가공 기술로는 종횡비 2~3 정도 이하의 형상밖에는 가공할 수 없었던 한계를 벗어나, 가공 구멍 또는 선의 폭이 마이크로 단위 이하이면서도 종횡비가 5에서 수십 이상이 될 만큼 고종횡비의 형상을, 매우 높은 정밀도로 용이하게 가공할 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다.According to the present invention, the conventional mechanical processing technique cannot process a shape of about 30 mm or less, and the conventional laser processing technique overcomes the limitation that only a shape having an aspect ratio of 2 to 3 or less can be processed. There is a great effect that makes it possible to easily process the shape of the high aspect ratio so that the width of the hole or the line is smaller than the micro unit but the aspect ratio is from 5 to several tens or more.

특히 본 발명의 가공 장치는, 그 장치 자체의 구조가 복잡하지 않고 필요한 부품이 많지 않아 구현이 용이하고 장치의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 장치 설치 등에 필요한 기반 비용을 절약할 수 있는 효과도 있다. 무엇보다도, 기술 보호를 위하여 장비의 노출을 피하고자 하는 기업 등의 생산 주체 입장에서, 이와 같이 장치의 부피를 줄임으로써 기술 보안이 훨씬 용이해지게 해 주는 큰 효과가 있다.
In particular, the processing apparatus of the present invention, the structure of the device itself is not complicated and there are not many necessary parts, it is easy to implement, and the effect of reducing the volume of the device, and thus can save the foundation cost required for installation of the device, etc. It also works. Above all, in the case of a production entity such as a company that wants to avoid exposure of equipment to protect the technology, the reduction in the volume of the device has a great effect of making technology security much easier.

도 1은 종래의 레이저를 이용한 고종횡비 형상 가공 기술.
도 2는 플라즈마 자기집속 채널링 현상.
도 3은 종래 및 본 발명의 미세 형상 가공 원리의 비교.
도 4는 본 발명의 미세 형상 가공 장치.
도 5는 종래 및 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 비교.
도 6은 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 실시예.1 is a high aspect ratio shape processing technique using a conventional laser.
2 is a plasma self-focused channeling phenomenon.
3 is a comparison of the principle of micro-shape processing of the prior art and the present invention.
4 is a fine shape processing apparatus of the present invention.
5 is a comparison of fine shapes processed by the apparatus of the prior art and the present invention.
Figure 6 is an embodiment of a fine shape processed by the apparatus of the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultrashort pulse laser according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 플라즈마 자기집속 채널링(Plasma Self-Channeling), 플라즈마 채널링, 또는 플라즈마 자기 필라멘트라고 불리는 현상(이하에서는 간략히 '플라즈마 채널링'이라고 통칭함)을 이용하여 레이저 가공을 수행하도록 하는 것이 특징이다. 플라즈마 채널링 현상은 광양자(Photon) 빔이 공기 중에서 집속될 때 발생되는 물리 현상으로, 빔이 확산되지 않고 일정한 간격을 유지하며 빔이 전달되는 현상을 말한다. 도 2에는 이와 같은 플라즈마 채널링 현상이 실제로 일어났을 때의 형태 사진이 도시되어 있다.In the present invention, it is characterized in that the laser processing is performed by using a phenomenon called plasma self-channeling, plasma channeling, or plasma magnetic filament (hereinafter, simply referred to as 'plasma channeling'). Plasma channeling is a physical phenomenon that occurs when a photon beam is focused in the air. The plasma channeling phenomenon is a phenomenon in which beams are transmitted at regular intervals without being diffused. 2 shows a shape photograph when such a plasma channeling phenomenon actually occurs.

이러한 플라즈마 채널링 현상은, 공기 중의 경우 순간 피크 강도(Peak Intensity)가 1014W/cm2 이상에서 발생된다. 플라즈마 채널링의 발생 메카니즘을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 커 효과(Kerr effect)란 자기장 속에 놓인 물질에 광파가 입사했을 때, 반사광의 편광 상태 또는 반사율이 자기장 즉 자화의 크기에 따라 변화하는 현상을 말하는데, 레이저 빔이 공기 중에서 커 효과에 의하여 자기집속을 일으키고, 이에 따라 공기 중에 플라즈마가 발생하게 된다. 이 때 플라즈마의 밀도 증가에 따른 굴절률 저감에 따라 자기-포커싱(self-focusing) 및 자기-디포커싱(self-defocusing) 현상이 둘 다 발생한다. 이에 따라 공기 중에서 레이저 빔이 자기가 유도하는 플라즈마와 상호 작용으로 인하여 일정 길이만큼 빔이 확산되지 않고 빔이 전달되는 현상이 나타나게 되며, 이를 플라즈마 채널링이라고 말하는 것이다.The plasma channeling phenomenon, when the air is generated at the moment the peak intensity (Peak Intensity) 10 14 W / cm 2 or more. The generation mechanism of the plasma channeling will be described in more detail as follows. Kerr effect refers to a phenomenon in which the polarization state or reflectance of reflected light changes according to the magnetic field, that is, the magnitude of magnetization when light waves are incident on a material placed in a magnetic field. And thus, plasma is generated in the air. At this time, both the self-focusing and the self-defocusing phenomenon occur as the refractive index decreases as the density of the plasma increases. Accordingly, the laser beam in the air interacts with the magnetically induced plasma, and thus the beam is not diffused by a predetermined length and the beam is delivered. This is called plasma channeling.

도 3은 종래 및 본 발명의 미세 형상 가공 원리를 각각 도시하고 있다. 도 3(A)에 도시된 것이 종래의 레이저 가공 원리인데, 도시된 바와 같이 렌즈에 의해 집광되어 만들어진 초점(P) 위치에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공이 수행되도록 한다. 즉 종래의 레이저 가공에서는, 초점(P)이 맺혀지는 위치에서 상기 가공 대상물(50)이 에너지를 받아서 변형이 일어나도록 하는 이러한 원리로부터 알 수 있듯이, 형상 가공을 수행하고자 하는 위치에 초점이 맺혀지지 않으면 가공이 제대로 수행될 수 없다. 종횡비가 높지 않은 형상을 가공할 경우라면 이러한 특성이 큰 문제가 되지 않겠으나, 가공하고자 하는 형상의 종횡비가 높을 경우 가공 중 형상의 깊이가 깊어질수록 가공 부위에 초점을 맺기가 점차로 어려워지게 될 것은 자명하다. 따라서 이러한 종래의 레이저 가공 기법으로는 어느 한계 이상의 종횡비를 갖는 형상을 가공하기 어려운 것이다. (실제로 종래의 레이저 가공 기법으로는 종횡비 2~3 이상의 형상을 가공할 수 없다는 점이 잘 알려져 있다.)Figure 3 illustrates the fine shape processing principle of the conventional and the present invention, respectively. 3 (A) shows a conventional laser processing principle. As shown in FIG. 3A, the processing object 50 is disposed at a point of focus P formed by being focused by a lens so that shape processing is performed. That is, in the conventional laser processing, as can be seen from this principle that the deformation of the object 50 receives energy at the position where the focus P is formed, the focus is not focused on the position where the shape processing is to be performed. Otherwise machining cannot be performed properly. If the shape is not high aspect ratio, this characteristic will not be a big problem, but when the aspect ratio of the shape to be processed is high, the deeper the depth of the shape during processing, the more difficult it becomes to focus on the machined part. Self-explanatory Therefore, such a conventional laser processing technique is difficult to process a shape having an aspect ratio above a certain limit. (Actually, it is well known that conventional laser processing techniques cannot process shapes with an aspect ratio of 2-3 or more.)

본 발명은 도 3(B)와 같이, 플라즈마 채널링(S)이 일어난 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공이 수행되도록 하고 있다. 즉, 플라즈마 채널링(S)이 일어난 영역의 길이에 따라 상기 가공 대상물(50)에 형성되는 형상의 종횡비가 결정될 수 있게 될 것은 쉽게 예상할 수 있다. 이 때, 플라즈마 채널링(S)이 일어나는 영역은 도 2의 예시에서만도 200mm 정도 되는 경우가 있을 정도로 매우 길며, 미세 형상 가공에 있어서라면 실질적으로 가공하고자 하는 형상의 종횡비에 제한이 없다고 할 수 있는 정도가 되는 것이다.
In the present invention, as shown in Fig. 3B, the object 50 is disposed in the region where the plasma channeling S has occurred, so that the shape processing can be performed. That is, it can be easily expected that the aspect ratio of the shape formed on the object 50 can be determined according to the length of the region where the plasma channeling S has occurred. At this time, the area where the plasma channeling (S) occurs is so long that it may be about 200 mm even in the example of FIG. To be.

도 4는 본 발명의 미세 형상 가공 장치를 간략히 도시하고 있다. 본 발명의 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치는, 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서, 상술한 바와 같이 상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서는 상기 레이저 광원(1)에서 나오는 빔의 경로를 조절해 주기 위한 미러(mirror)가 더 구비되는 것으로 도시되어 있는데, 실제로 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)를 구성함에 있어서, 빔의 특성이나 경로를 조절하기 위하여 적절한 광학 부품들을 얼마든지 더 구비해도 무방하다. 즉 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1)과 빔의 집광 및 플라즈마 채널링을 발생시키는 집광 렌즈(2), 이 두 가지만 갖추어져 있다면 본 발명의 기술 사상 범위 내에 있다고 볼 수 있으며, 다른 어떤 부품이 더 구비된다 해도 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.Fig. 4 briefly shows the fine shape processing apparatus of the present invention. The high aspect ratio fine shape processing apparatus which applied the ultra short pulse laser of this invention is the laser light source 1 which produces an ultra short pulse laser; A condenser lens 2 for condensing the beam generated by the laser light source 1; A fine shape processing apparatus 10 comprising a, wherein the beam passing through the condenser lens 2 generates plasma channeling as described above, so that the object to be processed 50 is disposed in the region where the plasma channeling has occurred. It is characterized by performing a shape processing. In FIG. 4, a mirror is further provided to adjust the path of the beam emitted from the laser light source 1. In fact, in constructing the fine shape processing apparatus 10 of the present invention, the beam Any number of suitable optical components may be provided to adjust characteristics or paths. That is, the micro-machining apparatus 10 of the present invention is within the scope of the technical idea of the present invention, provided that only two of the laser light source 1 for generating a laser and the light condenser lens 2 for condensing beams and plasma channeling are provided. It can be seen that, even if any other parts are provided without departing from the scope of the present invention.

이 때, 플라즈마 채널링 현상이 발생하기 위해서는 상술한 바와 같이 공기 중의 경우 순간 피크 강도(Peak Intensity)가 1014W/cm2 이상이 되어야 하며, 이러한 조건을 만족시키려면 상기 레이저 광원(1)은 펄스폭이 펨토초 이하가 되도록 하여야 한다. 현재 펨토초 레이저는 어느 정도 상용화되어 사용되고 있으며, 펨토초 이하 즉 아토초 레이저는 아직 연구 단계에 있는 바, 가장 바람직하게는 상기 레이저 광원(1)은 펨토초 레이저인 것이 좋다.At this time, in order to generate the plasma channeling phenomenon, as described above, the peak peak intensity in air should be 10 14 W / cm 2 or more. To satisfy this condition, the laser light source 1 pulses. The width should be less than or equal to femtoseconds. At present, femtosecond lasers are commercially used to some extent, and the femtosecond sub-atomic laser is still in the research stage. Most preferably, the laser light source 1 is a femtosecond laser.

또한 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는 공기 중의 환경에서 형상 가공을 수행하는 것이 특징이다. 상술한 바와 같이 플라즈마 채널링은 공기 중 환경에서도 레이저가 적절한 수준 이상의 에너지를 가지는 경우라면 용이하게 일어날 수 있다. 즉 본 발명의 장치를 실제 작동시키기 위해서, 불활성 가스를 채운다든가 진공을 만든다든가 하는 특별한 환경을 만들어줄 필요가 없이, 그냥 공기 중에서 장치를 구동하면 되는 것이다. 다시 말해서 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 작동을 위한 특수한 환경을 만들어 주어야 하는 제약이 없어, 장치의 제작 및 운용에 있어 비용 면에서나 운용의 용이성 면 등의 측면에서 매우 유리한 장점이 있다.
In addition, the fine shape processing apparatus 10 of the present invention is characterized in that the shape processing in the air environment. As described above, plasma channeling can easily occur even if the laser has an energy level higher than an appropriate level even in an air environment. In other words, in order to actually operate the apparatus of the present invention, there is no need to create a special environment such as filling an inert gas or creating a vacuum, but simply driving the apparatus in air. In other words, the micro-machining apparatus 10 of the present invention has no limitation to create a special environment for operation, and has a very advantageous advantage in terms of cost and ease of operation in manufacturing and operating the apparatus. .

상술한 바와 같이 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 플라즈마 채널링을 이용하여 상기 가공 대상물(50)에 형상 가공을 수행하게 된다. 이 때 미세 형상의 일반적인 사이즈 범위에 비추어 생각해 보면, 200mm 이상 형성되는 플라즈마 채널링 영역의 길이로 볼 때 가공할 수 있는 종횡비의 한계가 없다고까지 말할 수 있다. 도 5는 종래 및 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상을 비교하여 도시하고 있는데, 도시되어 있는 바와 같이 종래의 레이저 가공 방법으로는 종횡비 2~3 정도의 형상을 가공하는 것이 보통이었으나, 본 발명에 의하면 상기 미세 형상 가공 장치(10)는 종횡비 5 내지 100 범위의 형상 가공을 수행할 수 있다.As described above, the fine shape processing apparatus 10 of the present invention performs shape processing on the object 50 by using plasma channeling. At this time, considering the general size range of the fine shape, it can be said that there is no limit of the aspect ratio that can be processed in view of the length of the plasma channeling region formed 200 mm or more. Figure 5 shows a comparison of the fine shape processed by the conventional and the apparatus of the present invention, as shown in the conventional laser processing method, it was common to process a shape of about 2-3 aspect ratio, but the present invention According to the fine shape processing apparatus 10 can perform a shape processing in the aspect ratio range of 5 to 100.

또한 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는, 플라즈마 채널링이 일어나는 영역에서 형상 가공이 수행되는 바, 플라즈마 채널링 현상이 일어나는 부분의 폭에 따라 가공 형상의 사이즈가 결정될 것임을 예측할 수 있다. 그런데 플라즈마 채널링 부분의 폭은 매우 좁기 때문에, 실제로 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)에 의하면 구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행할 수 있게 된다.
In addition, since the shape processing is performed in the region where the plasma channeling occurs, the fine shape processing apparatus 10 of the present invention may predict that the size of the processed shape will be determined according to the width of the portion where the plasma channeling phenomenon occurs. By the way, since the width of the plasma channeling portion is very narrow, according to the fine shape processing apparatus 10 of the present invention, it is possible to perform shape processing in which the hole diameter or the line width is in the range of several to several tens of micrometers.

도 6은 본 발명의 장치에 의하여 가공된 미세 형상의 실시예를 도시하고 있다. 각 경우에 대한 재질, 가공 형상 조건, 가공 시 조사된 레이저 특성 조건은 각각 다음과 같다.Fig. 6 shows an embodiment of the fine shape processed by the apparatus of the present invention. Materials, processing shape conditions, and laser characteristic conditions irradiated for each case are as follows.

[도 6(A)]6 (A).

■ 가공 대상물 재질: 사파이어(Sapphire)■ Material to be processed: Sapphire

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 17:1Aspect ratio of the machined contour: 17: 1

■ 가공 형상의 직경: 입구 부분 15㎛, 구멍 중간쯤 부분 5㎛■ Diameter of machined shape: Inlet part 15㎛, hole middle part 5㎛

■ 가공 형상의 깊이: 250㎛■ Depth of Machined Shape: 250㎛

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):■ Laser Irradiation Condition:

f: 150mm, P: 380mJ/Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm
f: 150mm, P: 380mJ / Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

[도 6(B)]Figure 6 (B)

■ 가공 대상물 재질: 실리카 유리(Silica glass)■ Material to be processed: Silica glass

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 80:1Aspect ratio of the machined contour: 80: 1

■ 가공 형상의 직경: 입구 부분 50㎛■ Diameter of machined shape: Inlet 50㎛

■ 가공 형상의 깊이: 4mm■ depth of machining contour: 4mm

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):■ Laser Irradiation Condition:

f: 250mm, P: 380mJ/Pulse, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm
f: 250mm, P: 380mJ / Pulse, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

[도 6(C)]Figure 6 (C)

■ 가공 대상물 재질: 루비(Ruby)■ Material to be processed: Ruby

■ 가공 형상의 종횡비(Aspect rate): 50:1Aspect ratio of machined geometry: 50: 1

■ 가공 형상의 직경: 35㎛■ Diameter of machining shape: 35㎛

■ 가공 형상의 깊이: 1.75mm■ depth of machining contour: 1.75mm

■ 레이저 조사 조건(Irradiation condition):■ Laser Irradiation Condition:

f: 220mm, P: 380mJ/Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm
f: 220mm, P: 380mJ / Pulse, Rep: 1kHz, Irradiation time: 10sec, Pulse width: 130fs, Centroid wavelength: 790nm

도 6의 각 실시예들에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)는 가공 대상물의 재질이 무엇이든 관계없이, 종래와 비교하였을 때 수십:1 정도의 엄청난 고종횡비의 형상을 매우 깨끗하게 가공할 수 있다. 특히 도 6(A)나 도 6(B)에 보이는 가공 형상 입구 부분의 사진을 보면, 종래의 레이저 가공 방법을 사용하였을 경우의 한 예시인 도 1(B)과 비교하여 보았을 때, 본 발명의 장치에 의한 가공 형상 부위는 종래의 경우와는 비교할 수조차 없을 만큼 깨끗하다는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 미세 형상 가공 장치(10)에 의하면, 종래에 비해 비약적으로 높은 종횡비의 형상을, 또한 엄청나게 높은 정밀도로 깨끗하게 가공할 수 있다는 것을 도 6의 예시들과 같이 실제로 확인할 수 있다.
As shown in each of the embodiments of Figure 6, the fine shape processing apparatus 10 of the present invention, regardless of the material of the object to be processed, compared to the conventional shape of a huge high aspect ratio of about tens: 1 Can be processed cleanly. In particular, when looking at the photograph of the processing shape entrance part shown in FIG. 6 (A) or FIG. 6 (B), compared with FIG. 1 (B) which is an example when the conventional laser processing method is used, It can be seen that the machined shape area by the device is clean enough to be incomparable with the conventional case. That is, according to the fine shape processing apparatus 10 of this invention, it can actually confirm that the shape of a significantly high aspect ratio compared with the past can be cleanly processed with the extremely high precision as shown in the example of FIG.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.

10: (본 발명의) 미세 형상 가공 장치
1: 레이저 광원
2: 집광 렌즈
50: 가공 대상물10: fine shape processing apparatus (of the present invention)
1: laser light source
2: condensing lens
50: object to be processed

Claims (5)

극초단 펄스 레이저를 발생시키는 레이저 광원(1); 상기 레이저 광원(1)에서 발생된 빔을 집광하는 집광 렌즈(2); 를 포함하여 이루어지는 미세 형상 가공 장치(10)로서,
상기 집광 렌즈(2)를 통과한 빔이 플라즈마 채널링을 발생시키며, 플라즈마 채널링이 발생된 영역에 가공 대상물(50)이 배치되도록 하여 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
A laser light source 1 for generating an ultra short pulse laser; A condenser lens 2 for condensing the beam generated by the laser light source 1; As the fine shape processing apparatus 10 comprising a,
The beam passing through the condenser lens 2 generates plasma channeling, and the ultra-short pulsed laser is applied to the object 50 to be disposed in the region where the plasma channeling is generated. Aspect ratio fine shape processing device.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 광원(1)은
펄스폭이 펨토초 이하인 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
The method of claim 1 wherein the laser light source 1
A high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultra-short pulsed laser, characterized by a pulse width of less than femtoseconds.
제 1항에 있어서, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는
종횡비 5 내지 100 범위의 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
The method of claim 1, wherein the fine shape processing apparatus 10
A high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultra-short pulse laser characterized by performing a shape processing in an aspect ratio of 5 to 100.
제 1항에 있어서, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는
구멍 직경 또는 선 폭이 수 내지 수십 ㎛ 범위인 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.
The method of claim 1, wherein the fine shape processing apparatus 10
A high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultra-short pulsed laser, characterized by performing a shape processing having a hole diameter or a line width ranging from several to several tens of micrometers.
제 1항에 있어서, 상기 미세 형상 가공 장치(10)는
공기 중의 환경에서 형상 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 극초단 펄스 레이저를 응용한 고종횡비 미세 형상 가공 장치.The method of claim 1, wherein the fine shape processing apparatus 10
A high aspect ratio fine shape processing apparatus using an ultra short pulse laser characterized by performing shape processing in an air environment.
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0782915B2 (en) * 1991-01-28 1995-09-06 関西電力株式会社 Plasma channel generator
JPH07266073A (en) * 1994-03-25 1995-10-17 Nippondenso Co Ltd Laser beam machining device
JP2002244296A (en) * 2001-02-19 2002-08-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd Hole pattern forming method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170003898A (en) * 2013-08-02 2017-01-10 로핀-시나르 테크놀로지스 인코포레이티드 Method and apparatus for performing laser filamentation within transparent materials
KR20180070533A (en) * 2013-08-02 2018-06-26 로핀-시나르 테크놀로지스 엘엘씨 Method and apparatus for performing laser filamentation within transparent materials

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