KR20180055797A - 특정 출력 밀도 및/또는 특정 펄스 지속시간을 갖는 레이저를 이용한, 표면의 레이저 흑색화, 장치 및, 그의 방법 - Google Patents

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Abstract

표면을 흑색화하는 방법은, 타겟(10)의 상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 타겟(10)의 표면에 레이저 방사선을 적용하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선을 포함하고, 상기 펄스들의 출력 밀도는 2 GW/cm2　내지 50 GW/cm2　또는 0.1 TW/cm2　내지 3 TW/cm2 범위에 있고, 및/또는 200 펨토초 내지 1000 피코초 사이의 펄스 지속시간이다.

Description

특정 출력 밀도 및/또는 특정 펄스 지속시간을 갖는 레이저를 이용한, 표면의 레이저 흑색화, 장치 및, 그의 방법
본 발명은 표면들을 레이저 흑색화하는(laser blackening) 장치 및 그의 방법에 관한 것이다.
표면의 레이저 흑색화는, 예를 들어 가시 광선에 대한 표면의 반사율을 감소시키기 위해, 표면의 반사율을 감소시키기 위해 표면을 변형시키도록 표면에 레이저 방사선(laser radiation)을 적용하는 것을 지칭할 수 있다.
예를 들어, 크리에이티브 산업들(creative industries) 또는 보안/식별 애플리케이션들(security/identification applications)에서 금속들의 마킹(marking)에 대한 관심이 커지고 있다. 레이저 마킹(Laser marking)은 자동차 스틸(automotive steels), 의료 안경, 스마트폰 재료 등의 제조에 널리 사용되어 검은색 또는 흰색 마크를 창조한다.
표면들의 레이저 흑색화를 위한 개선된 또는 적어도 대안적인 방법들을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 측면에서, 표면을 흑색화하는 방법은 제공되며, 다음을 포함한다:
상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열(periodic arrangement of structures)을 생산하도록 상기 표면에 레이저 방사선(laser radiation)을 적용하는 단계,
상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들(laser pulses)을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선(pulsed laser radiation)을 포함하고, 상기 펄스들의 출력 밀도(power density)는 1 GW/cm2　내지 50 GW/cm2　또는 0.1 TW/cm2　내지 3 TW/cm2의 범위, 선택적으로는 2 GW/cm2　내지 50 GW/cm2의 범위에 있음.
이러한 출력 밀도들의 사용은 가시 또는 적외선 파장들에서 상기 표면의 반사율(reflectivity) 또는 방사율(emissivity)을 변화시킬 수 있다. 흑색화는 가시 또는 적외선 파장들에서, 또는 다른 전자기 방사선의 적절한 파장들일 수 있다. 선택적으로, 펄스들의 적어도 일부는 더 낮은 출력 레이저 펄스들(lower power laser pulses)을 구비하여 인터리빙될(interleaved) 수 있다.
선택적으로, 상기 출력 밀도는 1 GW/cm2　내지 45 GW/cm2 또는 0.1 TW/cm2　내지 2 TW/cm2 범위에, 선택적으로는, 2 GW/cm2　내지 30 GW/cm2 또는 0.3 TW/cm2　내지 2 TW/cm2 범위에, 선택적으로는, 4 GW/cm2　내지 10 GW/cm2 또는 0.4 TW/cm2　내지 1.5 TW/cm2 범위에, 더 선택적으로는 0.38 TW/cm2　내지 0.6 TW/cm2, 0.16 TW/cm2　내지 0.54 TW/cm2 범위에 있을 수 있다.
이러한 출력 밀도들을 갖는 레이저 펄스들을 사용함으로써, 원하는 성질들을 구비하는 표면을 제공하는 주기적인 구조들의 배열이 획득될 수 있다. 예를 들어, 관심있는 파장의 범위 또는 파장에서, 방사율 또는 반사율의 값들의 범위 또는 원하는 값, 또는 원하는 흑색화를 갖는 표면은 획득될 수 있다.
상기 레이저 펄스들은 상기 표면의 재료의 열 완화 시간(thermal relaxation time)보다 더 짧은 지속시간을 가질 수 있다. 대안적으로, 상기 레이저 펄스들은 열 완화 시간보다 더 긴 지속시간을 가질 수 있다. 상기 레이저 펄스들은 표면의 재료의 전자 및 원자 격자가 실질적으로(substantially) 레이저 펄스들의 적용(application) 전체에 걸쳐 실질적으로 상이한 온도를 갖도록 하는 지속시간을 가질 수 있다. 상기 레이저 펄스들은 상기 표면의 재료가 상기 표면의 상당한 유동 및/또는 용해 없이 제거되거나 증발되거나 기화됨 중 적어도 하나인 지속시간을 가질 수 있다. 상기 레이저 펄스들은 상기 표면의 일부 재료가 상기 표면의 남은 재료의 상당한 유동 및/또는 용해 없이 제거되거나 증발되거나 기화됨 중 적어도 하나인 지속시간을 가질 수 있다.
상기 레이저 펄스들의 펄스 지속시간은 200 펨토초(femtoseconds)(fs) 내지 1000 피코초(picoseconds)(ps) 범위 또는 1000ps 내지 200 나노초(nanoseconds)(ns) 범위에 있을 수 있다.
상기 표면 상의 주기적인 구조들의 배열은 실질적으로 서로 평행한 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들(periodic series of peaks and troughs)을 포함할 수 있으며, 상기 피크들은 실질적으로 상부에서 평평할 수 있고 및/또는 상부에서 둥글(rounded) 수 있고, 및/또는 실질적으로 상부에서 뾰족한 및/또는 날카로운 구역들(regions)을 가질 수 없을 수 있다. 상기 피크들은 실질적으로 톱 햇 모양(top hat shape) 및/또는 끝을 잘라낸 피라미드 모양(truncated pyramidal shape), 예를 들어 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)에서 톱 햇 모양 및/또는 끝을 잘라낸 피라미드 모양을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 전자 일 함수(electron work function) 및/또는 원하는 전자 또는 광자 트래핑 성질들(electron or photon trapping properties)의 원하는 값들은 획득될 수 있다. 상기 피크들은 종 방향(longitudinal direction)으로 연장될 수 있고 리지들(ridges)로 지칭될 수 있다.
상기 피크들 중 적어도 일부에 대한 상기 피크 내지 트로프 거리(peak to trough distance), 및/또는 평균 또는 중간 피크 내지 트로프 거리는, 500 nm 내지 500 ㎛ 범위에, 선택적으로는 500 nm 내지 100 ㎛ 범위에, 선택적으로는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위에, 선택적으로는 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에, 선택적으로는 20 ㎛ 내지 80 ㎛ 범위에, 선택적으로는 1 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위에, 선택적으로는 30 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위에 있을 수 있다.
상기 주기적인 구조들의 배열은 실질적으로 크로스-해칭(cross-hatching) 없는 피크들 및 트로프들의 실질적으로 평행한 라인들(parallel lines)의 배열(예를 들어, 리지들 및 밸리들(valleys)) 또는 크로스-해칭된 배열(cross-hatched arrangement)을 포함할 수 있다. 상기 주기적인 구조들의 배열은, 예를 들어, 상기 레이저 방사선을 제공하는 레이저 소스(laser source)의 단일 패스(single pass)에 의해 생산될 수 있다.
상기 표면은 적어도 하나의 밑에 있는 층(underlying layer)(예를 들어, 스틸(steel), 스테인리스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나) 상에 있을 수 있고, 상기 레이저 방사선은 밑에 있는 층을 노출하는 방식과 같이 상기 표면의 재료를 이동시키지 않거나 실질적으로 제거하지 않는 것과 같을 수 있다.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 또 다른 측면에서, 표면 상에 레이저로 형성된 주기적인 구조들의 배열을 포함하는 레이저 처리된 표면이 제공되며, 다음 중 적어도 하나이다:
상기 주기적인 구조들의 배열은 실질적으로 서로 평행한 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들을 포함하고;
상기 주기적인 구조들의 배열은 크로스-해칭된, 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들을 포함하고; 및 선택적으로는
상기 피크들은 실질적으로 상부에서 평평할 수 있고 및/또는 상부에서 둥글 수 있고 및/또는 실질적으로 상부에서 뾰족한 및/또는 날카로운 구역들을 가질 수 없고, 및/또는 상기 피크들은 실질적으로 톱 햇 모양 및/또는 끝을 잘라낸 피라미드 모양, 예를 들어 횡단면 프로파일에서 톱 햇 모양 및/또는 끝을 잘라낸 피라미드 모양을 가질 수 있고; 및/또는
상기 피크들 중 적어도 일부에 대한 상기 피크 내지 트로프 거리, 및/또는 평균 또는 중간 피크 내지 트로프 거리는, 500 nm 내지 500 ㎛ 범위에, 선택적으로는 500 nm 내지 100 ㎛ 범위에, 선택적으로는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위에, 선택적으로는 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에, 선택적으로는 20 ㎛ 내지 80 ㎛ 범위에, 선택적으로는 1 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위에, 선택적으로는 30 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위에 있을 수 있다.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 또 다른 측면에서, 표면을 흑색화하는 장치가 제공되며, 포함한다:
표면에 펄스화된 레이저 방사선(pulsed laser radiation)을 적용하는 레이저 소스(laser source); 및
상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 형성하도록 일련의 레이저 펄스들로서 상기 레이저 방사선을 적용하는 상기 레이저 소스를 제어하도록 구성되는 레이저 제어기(laser controller), 상기 펄스들의 출력 밀도는 1 GW/cm2 내지 50 GW/cm2 또는 0.1 TW/cm2 내지 3 TW/cm2의 범위에, 선택적으로는 2 GW/cm2 내지 50 GW/cm2의 범위에 있음.
본 발명의 또 다른 측면에서, 표면을 레이저 흑색화하는 방법이 제공되고, 포함한다:
상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 레이저 방사선을 적용하는 단계,
상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선을 포함하고, 상기 레이저 펄스들의 펄스 지속시간은 200 펨토초(fs) 내지 1000 피코초(ps) 범위에 있고 또는 1000 ps 내지 200 나노초(ns)의 범위에 있을 수 있음.
상기 표면은 타겟의 표면일 수 있다.
상기 펄스 지속시간은 1 ps 내지 100 ps 또는 1 ns 내지 100 ns 범위에 있을 수 있다. 상기 펄스 지속시간은 1 ps 내지 50 ps 또는 1 ns 내지 100 ns 범위에 있을 수 있다. 상기 펄스 지속시간은 5 ps 내지 500 ps 또는 5 ns 내지 200 ns 범위에 있을 수 있다
상기 레이저 방사선은 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위에 또는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에서의 상기 표면 상의 초점 스팟 직경(focal spot diameter)을 갖는 펄스화된 레이저 빔(pulsed laser beam)을 포함할 수 있다.
상기 펄스화된 방사선은 10 kHz 내지 1 MHz 범위에서의 펄스 반복률(pulse repetition rate)을 가질 수 있다.
상기 레이저 방사선의 평균 출력은 0.3 W 내지 100 W 범위에, 또는 0.3 W 내지 50 W 범위에, 또는 0.3 W 내지 2 W 범위에, 또는 1 W 내지 30 W 범위에, 또는 1 W 내지 20 W 범위에, 또는 1 W 내지 5 W 범위에, 또는 0.1 W 내지 1 W 범위에, 또는 0.1 W 내지 2 W 범위에, 또는 0.3 W 내지 5 W 범위에 있다.
상기 표면에 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계는 상기 표면 위로(over) 펄스화된 레이저 빔을 스캐닝하는(scanning) 단계(예를 들어, 단방향으로 또는 양방향으로)를 포함하고, 상기 스캐닝을 위한 스캔 속도는 1 mm/s 내지 200 mm/s 범위에, 선택적으로는 1 mm/s 내지 100 mm/s 범위에 있을 수 있다.
상기 표면 위로 상기 펄스화된 레이저 빔을 스캐닝하는 단계는 2 회 및 20 회 사이에서, 또는 2 회 및 10 회 사이에서 반복될 수 있거나, 한 번 수행될 수 있다.
상기 표면에 대한 상기 레이저 방사선의 입사각은 0도로부터 30도로의 범위에 있을 수 있다. 상기 표면에 대한 상기 레이저 방사선의 입사각은 90도로부터 60도로의 범위에 있을 수 있다.
상기 방사선의 파장은 100 nm 내지 2,000 nm 범위에 있을 수 있고, 선택적으로는 532 nm 또는 528 nm 또는 1030 nm 또는 1064 nm 또는 1070 nm일 수 있다.
상기 구조들은 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 상기 주기적인 구조들의 배열은 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 상기 피크들 및 트로프들은 실질적으로 서로 평행할 수 있다.
상기 주기적인 구조들의 배열은 제1 방향으로 배열된 제1 일련의 피크들 및 트로프들 및, 제2, 상이한 방향으로 배열된 제2 일련의 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 방향들은 실질적으로 직교할 수 있다. 제1 일련의 피크들 및 트로프들 및 제2 일련의 피크들 및 트로프들은, 주기적인 구조들의 배열이 크로스-해칭된 배열을 포함하도록 교차할 수 있다.
상기 주기적인 배열의 주기(period)는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 상기 주기적인 구조의 인접한 피크들(또는 트로프들)의 분리는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 상기 크로스-해칭된 배열의 해치 거리(hatch distance)는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있다.
상기 표면은, 예를 들어 컴퓨팅 디바이스(computing device), 에너지 저장 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스, 저장 디바이스 중 하나 이상의 구성 요소의 표면 또는 그의 표면의 일부를 포함하거나 형성할 수 있다.
상기 방법은 선택된 영역 위로 상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 레이저 방사선을 상기 표면에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 선택된 영역은 이미지(image), 식별자, 마커(marker) 중 하나 이상을 포함하거나 나타낼 수 있다. 상기 마커는 보안 마커(security marker)를 포함할 수 있다.
상기 방법은 이미지, 식별자, 마커, 보안 마커 중 적어도 하나를 형성하도록 표면 상에 상기 주기적인 구조들의 배열을 생성하도록 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
레이저 방사선은 상기 표면에 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계가 추가 구조들(further structures)을 생산하는 것일 수 있다. 상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 배열의 구조들 보다 더 작을 수 있다.
이러한 특징은 특히 중요할 수 있으므로, 독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 다른 측면에서, 표면을 레이저 흑색화하는 방법이 제공되고, 포함한다:
상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 표면 상에 레이저 방사선을 적용하는 단계;
상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선을 포함하고, 상기 레이저 방사선은 상기 주기적인 구조들의 배열뿐만 아니라 상기 표면 상에 추가 구조들(further structures)을 생산하는 것과 같은 것임.
상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들(further periodic structures)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 리플들(ripples)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 나노-리플들(nano-ripples)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들일 수 있다. 상기 추가 구조들은 레이저 유도된 주기적 표면 구조들(laser induced periodic surface structures)(LIPPS)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 10 nm 내지 1 ㎛ 범위에, 선택적으로는 100 nm 내지 1 ㎛ 범위에서 주기성(periodicity)을 가질 수 있다.
상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 어레이(periodic array)의 적어도 일부분을 커버할(cover) 수 있다. 상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 배열의 트로프들 및/또는 피크들에 형성될 수 있다.
상기 표면은 금속 표면일 수 있다. 상기 표면 및/또는 타겟은 구리, 알루미늄(aluminium), 스테인리스 스틸 또는 티타늄(titanium)을 포함할 수 있다. 상기 금속 표면의 금속은 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로부터 선택된 금속일 수 있다. 상기 표면은, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 중 적어도 둘을 포함하는 라미네이트된 구조(laminated structure) 및/또는, 예를 들어 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 및 적어도 하나의 다른 재료 중 하나를 포함하는, 예를 들어 라미네이트된 타겟(laminated target)과 같은, 라미네이트된 구조의 부분을 형성할 수 있다.
상기 표면은 호일(foil)의 표면일 수 있다. 상기 타겟은 호일일 수 있다.
상기 레이저 방사선의 평균 또는 피크 플루엔스(fluence) 또는 다른 성질은 상기 표면의 박리 임계치(ablation threshold) 이상 및 상기 박리 임계치의 100 % 내지 300 %, 선택적으로는 105 %, 선택적으로는 102 %, 선택적으로는 101 % 이내일 수 있다.
상기 방사선은 상기 표면을 적어도 부분적으로 용해시키고 및/또는 상기 표면에서 재료의 유동을 제공하는 것과 같은 것일 수 있다.
상기 펄스들은, 각 펄스에 대해, 플라즈마(plasma)가 상기 표면에 형성되도록 하는 것일 수 있다. 상기 플라즈마는, 예를 들어, 상기 표면의 밑에 있는 재료와 실질적으로 동일한 밀도를 가질 수 있다.
상기 방법은 고체 레이저(solid-state laser)를 사용하여 방사선을 적용하는 단계를 포함할 수 있고, 선택적으로는 상기 고체 레이저는 Nd:YVO4 또는 Nd:YAG 또는 Yb:YAG 또는 Nd:KGW 또는 Nd:KYW 또는 Yb:KGW 또는 Yb:KYW 레이저, 또는 펄스화된 섬유 레이저(pulsed fibre laser), 선택적으로는 Yb, Tm 또는 Nd 펄스화된 레이저를 포함한다. 상기 적용된 방사선은 이러한 레이저들 또는 그것의 제2 또는 제3 고조파(harmonic) 작동의 기본 파장들(fundamental wavelengths)을 포함할 수 있다.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 또 다른 측면에서, 표면을 레이저 흑색화하는 장치가 제공되며, 포함한다:
표면에 펄스화된 레이저 방사선을 적용하는 레이저 소스; 및
상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하기 위해, 200 펨토초(fs) 내지 1000 ps 범위에서의 펄스 지속시간을 갖는 일련의 레이저 펄스들로서 상기 레이저 방사선을 적용하는 상기 레이저 소스를 제어하도록 구성되는 레이저 제어기.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 다른 측면에서, 임의의 다른 측면에 따른 방법을 사용하여 형성되는 상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 포함하는 레이저 처리된 표면(laser treated surface)이 제공된다.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 표면 상에 레이저-형성된 주기적 구조들의 배열 및 상기 표면 상에 추가 레이저-형성된 구조들을 포함하는 레이저 처리된 표면이 제공된다.
상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 리플들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 나노-리플들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들일 수 있다. 상기 추가 구조들은 레이저 유도된 주기적 표면 구조들(LIPPS)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 10 nm 내지 1 ㎛ 범위에, 선택적으로는 100 nm 내지 1 ㎛ 범위에서 주기성을 가질 수 있다.
상기 구조들은 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 상기 주기적인 구조들의 배열은 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 상기 피크들 및 트로프들은 실질적으로 서로 평행할 수 있다.
상기 주기적인 구조들의 배열은 제1 방향으로 배열된 제1 일련의 피크들 및 트로프들 및, 제2, 상이한 방향으로 배열된 제2 일련의 피크들 및 트로프들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 방향들은 실질적으로 직교할 수 있다. 제1 일련의 피크들 및 트로프들 및 제2 일련의 피크들 및 트로프들은, 주기적인 구조들의 배열이 크로스-해칭된 배열을 포함하도록 교차할 수 있다.
상기 주기적인 배열의 주기는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있거나 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 상기 주기적인 구조의 인접한 피크들(또는 트로프들)의 분리는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 상기 크로스-해칭된 배열의 해치 거리는 0.5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있을 수 있다.
상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 리플들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 나노-리플들을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들일 수 있다. 상기 추가 구조들은 레이저 유도된 주기적 표면 구조들(LIPPS)을 포함할 수 있다. 상기 추가 구조들은 10 nm 내지 1 ㎛ 범위에, 선택적으로는 100 nm 내지 1 ㎛ 범위에서 주기성을 가질 수 있다.
상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 어레이의 적어도 일부분을 커버할 수 있다. 상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 배열의 트로프들에 형성될 수 있다.
상기 표면은, 예를 들어 컴퓨팅 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스, 저장 디바이스 중 하나 이상의 구성 요소의 표면 또는 그의 표면의 일부를 포함하거나 형성할 수 있다.
상기 주기적인 구조들의 배열은 선택된 영역 위로 상기 표면 상에 배열될 수 있다. 상기 선택된 영역은 이미지, 식별자, 마커 중 하나 이상을 포함하거나 나타낼 수 있다. 상기 마커는 보안 마커를 포함할 수 있다.
상기 표면은 금속 표면일 수 있다. 상기 표면은 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 상기 금속 표면의 금속은 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로부터 선택될 수 있다. 상기 표면은, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 중 적어도 둘을 포함하는 라미네이트된 구조 및/또는, 예를 들어 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 및 적어도 하나의 다른 재료 중 하나를 포함하는, 예를 들어 라미네이트된 타겟과 같은, 라미네이트된 구조의 부분을 형성할 수 있다.
독립적으로 제공될 수 있는, 본 발명의 다른 측면에서, 본 발명의 임의의 다른 적절한 측면에 따른 표면을 포함하는 컴퓨팅 디바이스, 에너지 저장 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스, 저장 디바이스가 제공된다.
또한, 여기에서 청구되거나 설명된 방법을 사용하여 형성된 보안 마커, 마커, 식별자, 이미지를 포함하는 표면을 포함하는 컴퓨팅 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스 또는 저장 디바이스가 제공된다..
본 발명의 또 다른 측면들에서, 여기에서 도시된 및/또는 설명된 바와 같은, 방법, 표면, 표면을 포함하는 구조, 장치, 구성 요소, 컴퓨팅 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스 또는 저장 디바이스가 제공된다.
본 발명의 임의의 일 측면에서의 임의의 특징은 임의의 적절한 조합으로 본 발명의 임의의 다른 하나 이상의 측면들에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 더 설명된다:
도 1은 표면을 레이저 흑색화하기 위해 표면의 레이저 처리를 위해 사용되는 시스템의 개략도이다;
도 2는 샘플들의 표면들 상에 주기적인 구조들을 형성하는 레이저 처리 후의 구리 샘플들의 이미지들을 도시한다;
도 3은 샘플들의 표면들 상에 주기적인 구조들을 형성하는 레이저 처리 후의 알루미늄 샘플들의 이미지들을 도시한다;
도 4a 및 도 4b는 샘플들의 표면들 상에 주기적인 구조들을 형성하는 레이저 처리 후의 스테인리스 스틸 샘플들의 이미지들을 도시한다;
도 5 및 6은 샘플들의 표면들에 주기적인 구조들을 형성하는 레이저 처리 후의 스테인리스 스틸 샘플들에 대한 파장의 함수로서 방사율의 도표들이다(스테인리스 스틸 기준 샘플들(0.4 보다 아래인 방사율) 및, 30 ㎛까지의 파장들에 대해 방사율 > 0.9을 시연);
도 7은 레이저-가공된 스테인리스 스틸 샘플들의 표면들 상의 상이한 위치들의 SEM 이미지들을 도시한다;
도 8a 및 도 8b는 레이저-가공된 스테인레스 스틸 샘플들의 표면들의 2D 현미경 이미지, 3D 이미지들 및 SEM 이미지들을 도시한다;
도 9는 레이저-가공된 알루미늄 샘플들의 이미지들을 도시한다; 및
도 10 내지 도 27은 추가 샘플들의 표면들 상에 주기적인 구조들을 형성하는 레이저 처리 후의, 추가 샘플들의 이미지들을 도시한다; 및
도 28a 및 도 28b는 레이저 인터랙션 메커니즘들의 개략도들이다.
도 1은 표면을 레이저로 흑색화하도록 표면을 레이저 처리하는데 사용되는 시스템을 도시한다.
도 1의 시스템(2)은 원하는 특성들의 펄스화된 레이저 방사선 빔을 방사하는 레이저(6)의 작동을 제어하는데 사용되는 레이저 제어기(4)에 연결된 레이저(6)를 포함한다. 레이저(6)는 타겟(target)(10)에 맞추어 조정되어, 레이저 제어기(4)의 제어 하에 레이저(6)의 작동이 타겟의 표면 상에 주기적인 구조들을 형성한다.
실시예들에서, 레이저는 Nd:YV04　또는 Nd:YAG 또는 Yb:YAG 또는 Nd:KGW 또는 Nd:KYW 또는 Yb:KGW 또는 Yb:KYW 레이저 중 하나일 수 있고, 주요 작동 파장(main operating wavelength) 또는 제2 또는 제3 고조파들(harmonics) 중 하나가 사용될 수 있다. 대안적으로, 레이저는, 예를 들어 Yb, Tm 또는 Nd 펄스화된 섬유 레이저(Yb, Tm or Nd pulsed fibre laser)와 같은 펄스화된 섬유 레이저(pulsed fibre laser)일 수 있으며, 주요 작동 파장 또는 제2 또는 제3 고조파들 중 하나가 사용될 수 있다. 임의의 다른 적절한 레이저가 대안적 실시예들에서 사용될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 펄스화된 레이저 방사선의 파장은 532nm이지만, 임의의 다른 적절한 파장, 예를 들어 528nm 또는 1030m 또는 1064nm 또는 1070nm가 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.
제어기는 전용 제어기, 또는 적절히 프로그래밍된 컴퓨터를 포함할 수 있다. 제어기는 소프트웨어, 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 적절한 조합으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 더 많은 ASIC들(응용 주문형 집적 회로들(application specific integrated circuits)) 또는 FPGA들(필드 프로그램가능 게이트 어레이들(field programmable gate arrays)) 또는 다른 적절한 회로를 포함할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 타겟(10) 및 레이저(6)는 공기 중에서(in air) 위치되고 표면의 레이저 처리는 공기 중에서 수행된다. 타겟(10) 및 레이저(6)는 관련된 펌프(pump) 및/또는 가스 공급원을 갖는 밀봉 가능 및/또는 펌핑 가능한 챔버(sealable and/or pumpable chamber)(8)에 위치될 수 있으며, 표면의 레이저 가공(laser processing)은, 예를 들어 선택된 반응성 가스의 존재에서, 진공 또는 원하는 가스 조건들(gaseous conditions)에서 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서 챔버(8)는 생략된다.
도 1의 실시예에서, 타겟은 구리를 포함하는 금속 타겟이다. 예를 들어, 알루미늄(aluminium), 스테인리스 스틸(stainless steel) 또는 티타늄(titanium)과 같은 다른 타겟들이 사용될 수 있다.
작동에서, 원하는 특성들의 펄스화된 레이저 방사선은 레이저 제어기(4)의 제어 하에 레이저(6)에 의해 타겟(10)의 표면을 가로 질러 스캐닝되어 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산한다. 예를 들어, 평행한 행들(rows)로 배열된 트로프들(troughs) 및 피크들(peaks)을 형성하기 위하여, 레이저 빔은 표면을 가로 질러 평행하고, 이격된 경로들을 따라 스캐닝되어 피크들에 의해 분리된 평행한 트로프들을 형성할 수 있다. 임의의 다른 적절한 구조들의 배열은 표면 위로 레이저 빔의 적절한 스캐닝에 의해 형성될 수 있다. 레이저는 원하는 영역 위로 구조들을 형성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 원하는 영역은 이미지(image), 식별자, 마커(marker) 중 하나 이상을 포함하거나 나타낼 수 있다. 예를 들어, 마커는 보안 마커(security marker)를 포함할 수 있다.
레이저의 작동 파라미터들 및 이러한 파라미터들 링크하는(linking) 특정 방정식들은 다음과 같이 나타낼 수 있다,
파장 (λ) [m]
레이저의 반복률(Repetition rate of the laser) (γ) [Hz]
레이저의 펄스 길이(Pulse length of the laser) (τ) [s]
레이저의 평균 출력(Average power of the laser) (Pavg) [W] - 하나의 주기 t에 걸친 에너지 흐름을 나타냄
펄스 당 에너지(Energy per pulse) (Ep) [J]
레이저의 플루엔스(Fluence of the laser) (F) [J/cm2]
타겟 상의 빔 스팟 반경(Beam spot radius on the target) (r) [m]
타겟 상의 빔 스팟 영역(Beam spot area on the target) (A=πr2)[m2]
타겟의 표면이 레이저 빔에 의해 스캐닝된 횟수 (N) 무차원
타겟의 표면이 레이저 빔에 의해 스캐닝된 속도 (V) [m/s]
타겟의 표면 상의 각 스팟 당 발생하는 펄스의 수 (n) [무차원]
펄스들 사이의 시간 간격 - 한 주기 (t) [s]
피크 출력(Peak Power) (Ppeak) [W] - 단일 펄스 내 에너지 흐름 정의
출력 밀도(Power density) 또는 강도(Intensity) (I) [W/cm2]
방정식들
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
예를 들어, 원하는 펄스들의 출력 밀도와 같은, 원하는 성질들의 펄스화된 레이저 방사선을 획득하기 위해, 적절한 작동 파라미터들은, 예를 들어, 상기 방정식들 및 표현들에 기초하여 선택될 수 있다.
표 1은 표면이 구리인 실시예에서, 표면 상에 원하는 주기적인 구조들의 배열을 생산하기 위한 레이저의 작동 파라미터들을 제공한다. 일 실시예에 따른 세 세트의 작동 파라미터들이 표 1에 제공된다. 표면의 레이저 가공은 이 경우 공기 중에서 수행된다.
[표 1]
Figure pct00007
타겟이 구리인 일부 다른 실시예들에서, 작동 파라미터들은 다음과 같이 선택된다:
a) 532nm의 파장; 레이저의 펄스 폭: 200 펨토초로부터 200 피코초로; 타겟 상의 초점 스팟 직경: 1 ㎛으로부터 50 ㎛로; 10 kHz로부터 1 MHz로의 레이저의 반복률; 0.3 W로부터 2 W로의 평균 출력; 1 mm/s 내지 100 mm/s의 스캔 속도; 1로부터 10로의 스캔들의 반복 수; 0.5 ㎛로부터 100 ㎛로의 해치 거리; 0 도로부터 30 도로의 레이저 빔의 입사각.
b) 1064nm의 파장; 레이저의 펄스 폭: 200 펨토초로부터 200 피코초로; 타겟 상의 초점 스팟 직경: 1 ㎛로부터 50 ㎛로; 10 kHz로부터 1 MHz로의 레이저의 반복률; 1 W로부터 5 W로의 평균 출력; 1 mm/s 내지 100 mm/s의 스캔 속도; 1로부터 10으로의 스캔들의 반복 수; 0.5 ㎛로부터 100 ㎛로의 해치 거리; 0 도로부터 30 도로의 레이저 빔의 입사각.
표 2는 표면이 알루미늄인 실시예에서, 표면 상에 원하는 주기적인 구조들의 배열을 생산하기 위한 레이저의 작동 파라미터들을 제공한다.
[표 2]
Figure pct00008
타겟이 알루미늄인 일부 다른 실시예들에서, 작동 파라미터들은 다음과 같이 선택된다:
a) 1064nm의 파장; 레이저의 펄스 폭: 200 펨토초로부터 200 피코초로; 타겟 상의 초점 스팟 직경: 1 ㎛로부터 50 ㎛로; 10 kHz로부터 1 MHz로의 레이저의 반복률; 0.1 W로부터 1 W로의 평균 출력; 1 mm/s 내지 100 mm/s의 스캔 속도; 1로부터 10로의 스캔들의 반복 수; 0.5 ㎛로부터 100 ㎛로의 해치 거리; 0 도로부터 30 도로의 레이저 빔의 입사각.
표 3은 표면이 스테인리스 스틸인 실시예에서, 표면 상에 원하는 주기적인 구조들의 배열을 생산하기 위한 레이저의 작동 파라미터들을 제공한다.
[표 3]
Figure pct00009
타겟이 스테인리스 스틸인 일부 다른 실시예들에서, 작동 파라미터들은 다음과 같이 선택된다:
a) 532nm의 파장; 레이저의 펄스 폭: 200 펨토초로부터 200 피코초로; 타겟 상의 초점 스팟 직경: 1 ㎛ 내지 50 ㎛; 10 kHz로부터 1 MHz로의 레이저의 반복률; 0.1 W로부터 2 W로의 평균 출력; 1 mm/s 내지 100 mm/s의 스캔 속도; 1로부터 10로의 스캔들의 반복 수; 0.5 ㎛로부터 100 ㎛로의 해치 거리.
b) 1064nm의 파장; 레이저의 펄스 폭: 200 펨토초로부터 200 피코초로; 타겟 상의 초점 스팟 직경: 1 ㎛로부터 50 ㎛로; 10 kHz로부터 1 MHz로의 레이저의 반복률; 1 W로부터 5 W로의 평균 출력; 1 mm/s 내지 100 mm/s의 스캔 속도; 1로부터 10으로의 스캔들의 반복 수; 0.5 ㎛로부터 100 ㎛ 로의 해치 거리; 0 도로부터 30 도로의 레이저 빔의 입사각.
스테인리스 스틸에 사용되는 출력 밀도(강도)는, 예를 들어, 파장의 적절한 선택 및 상기 단락 a) 또는 b)에서 인용된 것과 같은 그의 다른 작동 파라미터들에 의해, 0.01 TW/cm2로부터 1 TW/cm2로의 범위에서 선택될 수 있다.
도 2는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 샘플들의 표면들 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위해 레이저 처리 후의 구리 샘플들의 이미지들을 도시한다. 구리 샘플들의 레이저 처리에 사용된 작동 파라미터들은 다음의 표, 표 4에 제공된다. 세 개의 샘플들, 구리 샘플들 a), b) 및 c)는 처리되었다. 샘플들 a), b) 및 c)의 이미지들 및 1 내지 4로 라벨링된(labelled), 샘플들의 가공된 표면들의 네 개의 스캐닝 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope) 이미지들은 도 2에 도시되고, 하기 표 4에서 설명된다.
도 3은 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 알루미늄 샘플들의 이미지를 도시한다. 알루미늄 샘플들의 레이저 처리에 사용된 작동 파라미터들은 다음의 표, 표 5에 제공된다. 두 개의 샘플들, 알루미늄 샘플들 a) 및 b)은 처리되었다. 샘플들 a) 및 b)의 이미지들 및 1 내지 3으로 라벨링된, 확대(magnification)의 상이한 레벨들에서 샘플의 가공된 표면의 세 개의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지들은 도면에 도시되고, 하기 표 5에 설명된다.
[표 4]
Figure pct00010
[표 5]
Figure pct00011
도 4a 및 도 4b는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 스테인리스 스틸 샘플들의 이미지들을 도시한다. 샘플들의 레이저 처리에 사용된 작동 파라미터들은 다음의 표, 표 6a 및 6b에 제공된다. 네 개의 샘플들, 스테인리스 스틸 샘플들 a), b), c) 및 d)는 처리되었다. 샘플들 a), b), c) 및 d)의 이미지들 및 1 내지 10으로 라벨링된, 샘플들의 가공된 표면들의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지들은 도 4a 및 도 4b에 도시되고, 하기 표들 6a 및 6b에 설명된다.
[표 6a]
Figure pct00012
[표 6b]
Figure pct00013
추가의 실시예에서, 스테인리스 스틸 샘플들은 하기 표 7에 제공된 작동 파라미터들에 따라 도 1의 장치에 의해 레이저 가공되었다,
[표 7]
Figure pct00014
샘플들은 기준들 PS10HDS(피코초 펄스화된 레이저 처리(picosecond pulsed laser treatment)), PS15HDS(피코초 펄스화된 레이저 처리), PS15HD+(피코초 펄스화된 레이저 처리), NSHS(4.8GW/cm2의 플루엔스를 제공하는 나노초 펄스화된 레이저 처리(nanosecond pulsed laser treatment)) 및 NSPS(5.5GW/cm2의 플루엔스를 제공하는 나노초 펄스화된 레이저 처리)에 의해 참조되었다. 샘플들은 표에 정리된 바와 같은 파라미터들을 사용하여 레이저-가공된 316LN 스틸의 샘플들이었다.
또한 NSHSD로서 참조된 추가 스테인리스 스틸 샘플은 가공되었다. 동일한 가공 파라미터들은, 레이저 쓰기(laser writing)가 양방향 보다는 단방향이었던 것을 제외하고는, 표 7 및 표 8에 제공된 바와 같이, NSHS 샘플로서 NSHSD 샘플에 대해 사용되었다. 양방향 쓰기의 일 예시에서, 레이저는 (말하자면(say)) 왼쪽으로부터 오른쪽으로 라인을 쓴 다음, 다음 라인은 오른쪽으로부터 왼쪽으로 쓴다. 단방향 쓰기의 일 예시에서, 레이저는, 말하자면(say), 왼쪽으로부터 오른쪽으로 라인을 쓴 다음, 다음 라인도 왼쪽으로부터 오른쪽으로 쓴다. NSPS, NSHS 및 NSHSD 샘플들에 대한 추가 파라미터들은 하기 표 8에 제공된다.
[표 8]
Figure pct00015
PS10HDS, PS15HDS, PS15HD+, NSHS, NSPS 및 NSHD 샘플들은 직경이 20mm였고, 방사율 측정이 샘플들에 수행되었다. 샘플들은, 측정이 수행되기 전에 플라스틱 박스(plastic box)에 실크 종이(silk paper)에 저장되었다. 또한, 방사율 측정들은 304LN 및 316LN 샘플들로 참조된 두 개의 스테인리스 스틸 샘플들(스테인리스 스틸 304LN 및 316LN 스테인리스 스틸)에 대해 수행되었으며 이는 레이저 가공 대상이 아니며 기준 샘플들로서 사용되었다.
샘플들의 방사율은 2.5㎛으로부터 25㎛으로의 파장을 구비한 적외선 광을 사용하여 측정되었다. 각 샘플은 무작위로 상이한 입사각들(레이저 구조에 대한 입사광)에서 측정하도록 여러 번 돌리며 측정되었다. 도 5는 NSHSD, NSHS 및 NSPS 샘플들에 대한 방사율 측정 데이터를 나타낸다. 또한, 비-레이저-가공된 316LN 및 304L 기준 샘플들(non-laser-processed 316LN and 304L reference samples)도 비교를 위해 도시된다.
도 5의 그래프에 그려진 아래 두 라인들은 두 개의 미가공된 기준 샘플들(304L 및 316LN 샘플들)에서 수행된 방사율 측정들의 결과들을 나타낸다. 다른 라인들은 레이저 처리된 NSHSD, NSHS 및 NSPS 샘플들에 대한 파장의 함수로서 측정된 방사율을 나타낸다. NSHSD, NSHS 및 NSPS 샘플들의 각각에 대해 하나 이상의 라인이 그려져, 들어오는 광(incoming light)과 레이저 구조들 사이의 상이한 입사각들을 구비한 측정들을 나타낸다.
도 5에서 볼 수 있듯이, NSHSD 및 NSHS 샘플들에 대해 측정된 방사율들은 16㎛보다 더 짧은 파장들에서 NSPS 샘플에 대해 측정된 방사율에 비해 약간 더 낮다. 측정된 방사율들은 레이저 가공에 의해 형성된 주기적인 구조들에 대한 들어오는 광의 각도에 의존하지 않는다. NSPS 샘플은 16㎛보다 더 짧은 파장들에 대해 가장 높은 방사율을 가진다.
PS10HDS 및 PSA5HD+ 샘플들에 대한 방사율 측정들의 결과들은 NSPS 샘플 및 두 개의 비-레이저-가공된 기준 샘플들(316LN 및 304L)에 대한 결과들과 함께, 도 6에 도시된다. 도 6의 그래프에 그려진 아래 두 라인들은 두 개의 미처리된 기준 샘플들(304L 및 316LN 샘플들)에서 수행된 방사율 측정들의 결과들을 나타낸다. 라인들의 상부 그룹(top group)은 들어오는 광과 레이저 구조들 사이의 상이한 입사각들을 구비한 측정들을 나타내는, NSPS 샘플에 대한 결과들(또한 도 5에 그려짐)을 나타낸다. 라인들의 다른 두 개의 그룹들은 PS10HDS 및 PS15HD+ 샘플들에 대한 측정들, 상이한 입사각들을 구비한 측정들을 나타내는 그룹들에서의 상이한 라인들을 나타낸다.
도 6에서 볼 수 있듯이, 세 개의 상이한 표면 처리들(PS10HDS, PSA5HD+ 및 NSPS 샘플들에 대해)은 파장의 함수로서 방사율 측정들을 기준으로 잘 구별할 수 있다. 도 6의 대상(PS10HDS, PSA5HD+ 및 NSPS 샘플들)인 세 개의 레이저-가공된 샘플들은 비-레이저-가공된 기준 샘플들(304L 및 316LN)보다 모든 측정된 파장들에 대해 더 높은 방사율들을 도시한다. 샘플 NSPS는 전체 범위에서 가장 높은 방사율을 가진다.
도 7은 레이저-가공된 NSPS 및 NSHS 샘플들의 표면들 상의 상이한 위치들의 SEM 이미지들을 도시한다. NSPS 및 NSHS 샘플들에 대한 가공 파라미터들은 레이저 빔이 NSPS 샘플에 대해 단방향 방식으로 및 NSHS 샘플에 대해 양방향 방식으로 표면을 통해 스캐닝되었다는 것을 제외하고는 실질적으로 동일하다.
도 8a 및 도 8b는 PS10HDS, PS15HDS, PS15HD+, NSHS 및 NSPS 샘플들의 표면들의 2D 현미경 이미지, 3D 이미지들 및 SEM 이미지들을 도시한다.
도 9는 a) 및 b)로 라벨링된 레이저-가공된 알루미늄 샘플들의 이미지들을 도시한다.
도 9의 샘플들 a)은 크기 25mm x 25mm, 두께 1mm를 갖는다. 레이저-가공된 영역들은 약 20mm x 20mm의 영역이었다. 도 9의 다양한 샘플들 a)는 레이저 가공되어 다음의 파라미터들을 사용하여 주기적인 구조들을 형성하였다: 파장 532 nm; 펄스 지속시간 10 ps; 반복률 200 kHZ; 0.75 x 10-6 J로부터 29.8 x 10-6 J로의 펄스 에너지 범위; 빔 스팟 직경 약 12 ㎛; 5mm/s로부터 15mm/s로의 스캔 속도; 8로부터 24㎛로의 해치 거리.
도 9의 샘플 b)는 1mm의 두께 및 약 5mm x 5mm의 레이저-가공된 영역을 가진다. 도 9의 샘플 b)는 레이저 가공되어 다음의 파라미터들을 사용하여 주기적인 구조들을 형성하였다: 파장 1064 nm; 펄스 지속시간 10 ps; 반복률 200 kHZ; 펄스 에너지 1.05 x 10-6 J; 빔 스팟 직경 16 ㎛; 스캔 속도 10 mm/s; 해치 거리 20 ㎛.
또한, 샘플 b)의 표면의 구역들의 SEM 이미지들은 상이한 확대들에 대해 도 9에 도시된다.
부록 1은 추가 실시예들에 따른 표면 상에 원하는 주기적인 구조들의 배열을 생산하기 위한 레이저의 추가 작동 파라미터들을 제공한다.
도 10은 설명된 바와 같이 샘플의 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 크로스-해칭된 구조들(cross-hatched structures))을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 구리 샘플의 이미지를 도시한다. 표면 상의 다섯 개의 포인트들(points)(1, 3, 6, 9, 12 라벨링됨)에서 다섯 개의 SEM 이미지들은 도 5에 포함되어 있으며, 톱-햇 피라미드 구조들(top-hat pyramid structures)을 도시한다.
도 11은 설명된 바와 같이 샘플의 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 크로스-해칭된 구조들)을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, (a) 내지 (e)로 라벨링된, 추가 표면들의 SEM 이미지들을 도시한다. 각 상이한 샘플은 도 11에 나타낸 바와 같이 각각의 상이한 출력 밀도의 펄스들을 겪었다(subject).
도 12는 샘플의 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 평행한 라인들(parallel lines))을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 이미지를 도시한다. 또한, 샘플 표면의 다섯 개의 구역들에서 다섯 개의 SEM 이미지들은 도시된다. 샘플은 0.4 TW/cm2와 같은 출력 밀도의 레이저 펄스들을 겪었다.
도 13은 설명된 바와 같이 샘플들의 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 평행한 라인들)을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 세 개의 샘플들의 이미지들을 도시한다. 또한, 샘플들 중 하나의 표면의 다섯 개의 구역들에서 다섯 개의 SEM 이미지들은 도시된다. 샘플은 0.2 TW/cm2와 같은 출력 밀도의 레이저 펄스들을 겪었다.
도 14는 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 구리 샘플의 이미지를 도시한다. 또한, 도 4는 상이한 확대들에서의 표면의 구역들의 SEM 이미지들을 도시한다.
도 15는 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 구리 샘플의 표면의 상이한 구역들의, 다양한 확대들에서의, SEM 이미지들을 도시한다.
도 16은, 페이스-온 뷰(face-on view)에서의 샘플의 추가 이미지와 함께, 절삭(cutting) 및 연마 후, 및 설명된 바와 같은 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 구리 샘플의 횡단면의 다양한 확대들에서의 SEM 이미지들을 도시한다.
도 17은 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 샘플의 상이한 구역들에서의 구리 샘플의 횡단면의 SEM 이미지들을 도시한다,
도 18은 샘플의 횡단면의 SEM 이미지들 및 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 스테인리스 스틸 층 상에 구리 층을 포함하는 동시-라미네이트된 샘플(co-laminated sample)의 이미지들을 도시한다.
도 19는 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 샘플의 횡단면의 추가 SEM 이미지를 도시한다.
도 20은 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의, 페이스-온 뷰에서의 샘플의 SEM 이미지를 도시한다. 삽입된 이미지는 도면에 포함되며, 페이스-온 이미지(face-on image)에 표시된 라인을 따라 횡단면의 SEM 횡단면 이미지이다. 페이스-온 이미지와 횡단면 이미지에 대응하는 위치들은 점으로 마크된다. 세 개의 빨간색 점들(도면의 흑백 버전에서는 더 어둡게 도시함) 및 한 개의 초록색 점(도면의 흑백 버전에서는 더 가볍게 도시함)이 있다. 빨간색 점들은 레이저가 두 번 패스한 구역들을 나타내고 초록색 점은 레이저가 한 번 패스한 구역을 나타낸다. 횡단면 이미지에서 레이저의 두 번의 패스들이 레이저의 한 번의 패스보다 더 깊은 밸리들/트로프들을 생산했다는 것을 알 수 있다.
도 21은 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 구리 샘플의 표면의 SEM 이미지들을 도시한다. 레이저 처리는 파장 532 nm의 레이저 펄스들 및 29.6 GW/cm2의 레이저 펄스 출력 밀도를 사용했다. 레이저 펄스들은 ps 레이저 펄스들이었고 출력 밀도는 적절한 레이저 스팟 크기를 선택하여 선택되었다.
도 22는 도 21의 구리 샘플을 포함하는, 샘플 표면들의 이미지이다.
도 23은 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 크로스-해칭)을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 표면의 이미지를 도시한다.
도 24는 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 그루브들(grooves))을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 표면의 이미지를 도시한다.
도 25는 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 크로스-해칭)을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 표면의 이미지를 도시한다.
도 26은 설명된 바와 같이 표면 상에 주기적인 구조들(이 경우 그루브들)을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 표면의 이미지를 도시한다.
도 27은 설명된 바와 같이 샘플의 표면 상에 주기적인 구조들을 형성하기 위한 레이저 처리 후의 샘플의 표면들의 추가 이미지들을 도시한다.
이론에 구속되기를 바라지 않고, 보호의 범위를 제한하지 않고, 적어도 일부 실시예들과 관련하여 발생할 수 있는 공정들에 관한 다음의 설명이 제공된다.
레이저 엔지니어링(Laser engineering)은 실시예들에 따른 주기적인 구조들의 형성을 제공하는 포괄적인 방법론을 제공한다. 정밀 레이저 엔지니어링(Precision laser engineering)은 실제로 반도체들 내의 두 가지 유형들의 여기들(excitations), 절연체들(insulators) 내의 진동들 및 금속들 내의 자유 전자들을 일으킬 것으로 예상된다. 레이저들이 재료들을 엔지니어링할(engineer) 수 있는 메커니즘들은 다음과 같다:
(i) 광-열 인터랙션(Photo-thermal interaction)(PTI) - 짧은 체류 시간을 제공하는 레이저 빔들을 사용하여 일반적으로 달성됨(예컨대, 나노초 펄스 폭의 레이저들).
(ii) 광-박리 인터랙션(Photo-ablation interaction)(PAI) - 매우 짧은 체류 시간을 제공하는 레이저 빔들을 사용하여 구상됨(envisaged)(예컨대, 피코초 또는 펨토초 펄스 폭을 구비한 레이저들).
PTI 체제(regime)에서, 집속된 레이저 빔은 공간적으로 제한된, 강렬한 열원으로서 작용한다. 타켓이 된 재료가 급격히 가열되어, 결국 기화된다(vaporized). 보호의 범위에 대한 제한을 암시하기를 바라지 않고, 타겟이 된 재료는 끓여서 증발시키는 것으로서(as being boiled away) 불려질 수 있다. 이 접근법의 장점은 타겟 재료의 상대적으로 많은 양을 신속하게 제거할 수 있다는 것이다. 그러나, 주변 열 영향 존(peripheral heat affected zone)(HAZ) 손상 및 가공 후 일부 재구성 재료(recast material)의 존재는 정밀 레이저 재료 엔지니어링에 대한 열 제한의 관점에서 한계들을 나타낸다.
PAI 체제에서, 레이저는 재료 내부의 광의 다중-광자 흡수(multi-photon absorption)를 유도한다. 이것은 재료로부터 전자들을 분해하며(strips), 이는 쿨롬 반발(Coulomb repulsion)로 인해 폭발한다. PAI는 단순히 가열하는 것이 아니라 재료를 함께 홀드하는(hold) 분자 또는 원자 결합들을 직접적으로 파괴하는 것(breaking)을 포함하며, 본질적으로 '뜨거운' 공정('hot' process)은 아니다. 재료가 매우 짧은 시간프레임(timeframe) 내에 제거되기 때문에, 열이 주변 재료로 퍼질 수 있기 전에 제거된 재료는 대부분의 에너지를 운반한다. 이러한 효과들은 상당히 감소된 HAZ의 결과를 낳을 수 있다. 또한, 이것은 클린 공정(clean process)이며 최소한의 재구성 재료를 남기므로, 정교한 사후-공정의 필요성을 제거해준다. PAI 메커니즘은 선형 광학 흡수가 낮고 기존 기술들로는 엔지니어링하기 어려운 고 대역-갭 재료들(high band-gap materials)을 포함하여, 매우 광범위한 재료들과 호환된다. PAI 메커니즘은 '파장 중립(wavelength neutral)'으로 간주될 수 있다; 즉, 재료가 레이저 파장에서 정상적으로 투과성이더라도 비선형 흡수가 감소될 수 있다.
PAI 메커니즘은 표면들의 전자 일 함수(electron work function)의 맞춤 설계를 허용할 수 있다.
PTI 및 PAI 메커니즘은 각각 도 28a 및 28b에 개략적으로 도시된다.
예를 들어 피코초 범위 또는 이하에서의 펄스 지속시간의 사용과 같은, 표면에 적용되는 펄스화된 방사선의 특성들이, 형성된 주기적인 구조들이, 예를 들어 나노-초 범위에서의 펄스 지속시간과 같은, 더 긴 지속시간 및/또는 더 높은 에너지의 펄스화된 방사선을 사용하여 형성되는 특징들 보다 더 얕은 깊이(shallower depth) 및/또는 더 완만하게 기울어지도록(more gently sloped) 하는 것은 실시예들의 추가 특징이다.
또한, 이론에 구속되기를 바라지 않고, 보호의 범위를 제한하지 않고, 적어도 일부 실시예들과 관련하여 발생할 수 있는 공정들에 관한 다음의 설명이 제공된다.
매우 높은 강도들(또는 높은 조사량(irradiance))에서의 조사(irradiation)에서, 약 1020 W/cm3의 율(rate)로 에너지가 방출되는 처음 수십 nm에서는 밀도가 높고 강한 흡수 재료의 문제에 직면하게 된다. 일단 무작위화된(once randomised), 이 에너지의 일부는 재료의 벌크(bulk)로 전도되고(conducted), 일부는 가열된 층의 열 팽창(thermal expansion)에 의해 방향성 운동 에너지(directed kinetic energy)로 변환된다. 두 개의 체제는 이 점에서 구별된다.
1. 재료의 박리 및 팽창에 의해 지배되는 나노초 펄스화된 레이저 인터랙션(Nanosecond pulsed laser interaction). 여기서, 가열된 층의 열 압력은 밑에 있는 타겟 재료(underlying target material)의 현저한 압축을 야기하기에 충분하다.
2. 펄스 지속기간 동안 유체 역학적 운동(hydrodynamic motion)은 무시할 수 있기 때문에(레이저 펄스들은 나노초 보다 1000 배 이상 더 짧을 수 있음) 열 전도가 지배적인 피코초 펄스화된 레이저 인터랙션(예를 들어, 본원에 설명된 일부 실시예들에 따라). 여기서, 중요한 포인트는, 피코초 체제에서, 가공된 층의 유체 역학적 팽창이 시작되기 전에 밀도가 높은 재료의 강한 가열이 발생한다는 것이다. 이 체제에서 생산된 플라즈마들(plasmas)은 본질적으로 고체 타겟 자체와 동일한 밀도를 갖는다. 이것은 - 냉각 시 - 나노-구조로 커버된 - 조사 파라미터들에 따라 1 마이크로미터(micrometres)로부터 50 마이크로미터 범위의 - 미세 구조들이 형성된다.
일부 실시예들에 따라 피코초 지속시간 펄스화된 방사선을 사용하면 표면 위로 적절한 패턴으로 레이저 빔을 스캐닝함으로써 획득된 더 큰 스케일(scale)의 피크들 및 트로프들에 더하여 표면 상에 나노-리플들(nano-ripples) 또는 다른 작은 스케일 구조들의 형성을 야기할 수 있다. 그러한 나노-리플들 또는 다른 작은 스케일 구조들은 일부 경우들에서는 더 큰 주기적 피크 및 트로프 구조들에 의해 획득된 감소 이외에, 표면의 반사율을 더 줄일 수 있다. 또한, 일부 경우들에서, 나노-리플들 또는 다른 작은 스케일 구조들 및/또는 나노초 펄스들 보다 피코초와 관련된 더 얕은 피크들 및 트로프들은, 예를 들어 감소된 유도(induction)와 같은, 표면의 다른 향상된 또는 대안적 성질들을 제공할 수 있고, 및/또는 나노- 또는 마이크로-스케일에서 증가된 영역을 구비한 표면을 제공할 수 있다.
본 발명은 순전히 예시로써 설명되었으며, 본 발명의 범위 내에서 세부 사항의 수정들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 설명의 각 기능, 및 (해당되는 경우) 도면들은 독립적으로 제공되거나 다른 기능과 적절하게 결합하여 제공될 수 있다.
Figure pct00016
Figure pct00017

Claims (30)

  1. 표면을 흑색화하는 방법에 있어서,
    상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 표면에 레이저 방사선을 적용하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선을 포함하고, 상기 펄스들의 출력 밀도는 2 GW/cm2　내지 50 GW/cm2　또는 0.1 TW/cm2　내지 3 TW/cm2 범위에 있는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 밀도는 0.1 TW/cm2　내지 2 TW/cm2 범위에, 또는 1 GW/cm2　내지 45 GW/cm2의 범위에, 또는 1 GW/cm2　내지 45 GW/cm2의 범위에 또는 0.1 TW/cm2　내지 2 TW/cm2 범위에, 또는 2 GW/cm2　내지 30 GW/cm2 범위에, 또는 0.3 TW/cm2　내지 2 TW/cm2 범위에, 또는 4 GW/cm2　내지 10 GW/cm2　범위에, 또는 0.4 TW/cm2　내지 1.5 TW/cm2, 또는 0.38 TW/cm2　내지 0.6 TW/cm2 범위에, 또는 0.16 TW/cm2　내지 0.54 TW/cm2 범위에 있는
    방법.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서,
    상기 레이저 펄스들의 적어도 일부는 상기 표면의 재료의 열 완화 시간보다 더 짧은 지속시간을 갖는
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    상기 레이저 펄스들의 펄스 지속시간은 200 펨토초(fs) 내지 1000 피코초(ps) 범위에 또는 1000 ps 내지 200 ns 범위, 선택적으로는 1 ps 내지 100 ps 범위에, 선택적으로는 1 ps 내지 50 ps 범위에, 선택적으로는 5 ps 내지 500 ps 범위에 있는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 표면 상의 상기 주기적인 구조들의 배열은 실질적으로 서로 평행한 주기적인 일련의 피크들 및 트로프들을 포함하고, 선택적으로는 상기 피크들은 실질적으로 상부에서 평평할 수 있고 및/또는 상부에서 둥글 수 있고, 및/또는 실질적으로 상부에서 뾰족한 및/또는 날카로운 구역들을 가질 수 없는
    방법.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    상기 피크들 중 적어도 일부에 대한 상기 피크 내지 트로프 거리, 및/또는 평균 또는 중간 피크 내지 트로프 거리는 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에, 선택적으로는 20 ㎛ 내지 80 ㎛ 범위에, 선택적으로는 30 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위에 있는
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 주기적인 구조들의 배열은 크로스-해칭된 배열 또는 실질적으로 크로스-해칭 없는 피크들 및 트로프들의 실질적으로 평행한 라인들의 배열을 포함하는
    방법.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
    상기 구조의 주기적 배열을 생산하도록 상기 표면을 가로 질러 상기 레이저 소스의 단일 패스를 수행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    상기 레이저 방사선은 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 또는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에서의 상기 표면 상의 초점 스팟 직경을 갖는 펄스화된 레이저 빔을 포함하는
    방법.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 펄스화된 방사선은 10 kHz 내지 1 MHz 범위에서의 펄스 반복률을 갖는
    방법.
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서,
    상기 레이저 방사선의 평균 출력은 0.3 W 내지 100 W 범위에, 또는 0.3 W 내지 50 W 범위에, 또는 1 W 내지 30 W 범위에, 또는 1 W 내지 20 W 범위에, 또는 0.1 W 내지 1 W 범위에, 또는 0.1 W 내지 2 W 범위에, 또는 0.3 W 내지 5 W 범위에 있는
    방법.
  12. 제1항 내지 제11항에 있어서,
    상기 표면에 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계는 상기 표면 위로 펄스화된 레이저 빔을 스캐닝하는 단계를 포함하고, 상기 스캐닝을 위한 스캔 속도는 1 mm/s 내지 200 mm/s 범위에 있을 수 있는
    방법.
  13. 제1항 내지 제12항에 있어서,
    상기 표면 위로 상기 펄스화된 레이저 빔을 스캐닝하는 단계는 2 회 및 10 회 사이에서 반복되거나, 한 번 수행되는
    방법.
  14. 제1항 내지 제13항에 있어서,
    상기 표면에 대한 상기 레이저 방사선의 입사각은 0도로부터 30도로의 또는 90도로부터 60도로의 범위에 있는
    방법.
  15. 제1항 내지 제14항에 있어서,
    상기 방사선의 파장은 100 nm 내지 2,000 nm 범위에 있는, 선택적으로는 532 nm 또는 528 nm 또는 1030 nm 또는 1064 nm 또는 1070 nm인
    방법.
  16. 제1항 내지 제15항에 있어서,
    상기 표면에 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계는 추가 구조들을 생산하는 것과 같고, 상기 추가 구조들은 상기 주기적인 구조들의 배열의 구조들 보다 더 작은
    방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 추가 구조들은 추가 주기적인 구조들, 선택적으로는 리플들 또는 나노-리플들을 포함하는
    방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 추가 구조들은 레이저 유도된 주기적 표면 구조들(LIPPS)을 포함하는
    방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 구조들은 10 nm 내지 1 ㎛ 범위의, 선택적으로는 100 nm 내지 1 ㎛ 범위의 주기성을 갖는
    방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 구조들은 상기 구조들의 주기적 어레이의 적어도 일부분을 커버하고 및/또는 상기 주기적인 구조들의 배열의 피크들에 및/또는 트로프들에 형성되는
    방법.
  21. 제1항 내지 제20항에 있어서,
    상기 표면은 금속 표면, 선택적으로는 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 티타늄 표면을 포함하는
    방법.
  22. 제1항 내지 제21항에 있어서,
    상기 표면은 컴퓨팅 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스, 저장 디바이스 중 하나 이상의 부분을 형성하거나 포함하는
    방법.
  23. 제1항 내지 제22항에 있어서,
    선택된 영역 위로 상기 표면 상에 상기 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계
    를 포함하고,
    상기 선택된 영역은 이미지, 식별자, 마커, 보안 마커 중 하나 이상을 포함하거나 나타내는
    방법.
  24. 제1항 내지 제23항에 있어서,
    이미지, 식별자, 마커, 보안 마커 중 적어도 하나를 형성하도록 상기 표면 상에 상기 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 레이저 방사선을 적용하는 단계
    를 포함하는 방법.
  25. 제1항 내지 제24항에 있어서,
    고체 레이저를 사용하여 방사선을 적용하는 단계
    를 포함하고,
    선택적으로는 상기 고체 레이저는 Nd:YVO4 또는 Nd:YAG 또는 Yb:YAG 또는 Nd:KGW 또는 Nd:KYW 또는 Yb:KGW 또는 Yb:KYW 레이저, 또는 펄스화된 섬유 레이저, 선택적으로는 Yb, Tm 또는 Nd 펄스화된 레이저를 포함하고,
    선택적으로는 상기 방사선을 적용하는 단계는 상기 레이저 또는 그것의 제2 또는 제3 고조파의 작동의 기본 파장을 사용하는 단계를 포함하는
    방법.
  26. 표면을 흑색화하는 장치에 있어서,
    표면에 펄스화된 레이저 방사선을 적용하는 레이저 소스; 및
    상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 형성하도록 일련의 레이저 펄스들로서 상기 레이저 방사선을 적용하는 상기 레이저 소스를 제어하도록 구성되는 레이저 제어기
    를 포함하고,
    상기 펄스들의 출력 밀도는 2 GW/cm2 내지 50 GW/cm2 또는 0.1 TW/cm2 내지 3 TW/cm2 범위에 있는
    장치.
  27. 제26항에 있어서,
    제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는
    장치.
  28. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 형성되는 상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 포함하는 레이저 처리된 표면.
  29. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 형성되는 이미지, 식별자, 마커, 보안 마커를 포함하는 표면을 포함하는 컴퓨팅 디바이스, 통신 디바이스, 보안 디바이스, 의료 디바이스, 식별 디바이스, 금융 거래 디바이스, 광학 디바이스 또는 저장 디바이스.
  30. 표면을 레이저 흑색화하는 방법에 있어서,
    상기 표면 상에 주기적인 구조들의 배열을 생산하도록 상기 표면에 레이저 방사선을 적용하는 단계,
    상기 레이저 방사선은 일련의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스화된 레이저 방사선을 포함하고, 상기 레이저 펄스들의 펄스 지속시간은 200 펨토초(fs) 내지 1000 피코초(ps) 범위에 있는
    방법.
KR1020187002203A 2015-06-24 2016-06-24 특정 출력 밀도 및/또는 특정 펄스 지속시간을 갖는 레이저를 이용한, 표면의 레이저 흑색화, 장치 및, 그의 방법 KR20180055797A (ko)

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