최근 몇 년 동안 레이저 세척은 산업 제조 분야에서 연구의 핵심 주제 중 하나로 떠올랐으며, 공정, 이론, 장비 및 응용 분야를 아우르는 연구가 진행되고 있습니다. 산업 응용 분야에서 레이저 세척 기술은 강철, 알루미늄, 티타늄, 유리 및 복합 재료 등 다양한 기판 표면을 안정적으로 세척할 수 있으며, 항공우주, 항공, 해운, 고속철도, 자동차, 금형, 원자력 및 해양 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다.
1960년대부터 사용되어 온 레이저 세척 기술은 우수한 세척 효과, 폭넓은 적용 범위, 높은 정밀도, 비접촉식 및 접근성 등의 장점을 가지고 있습니다. 산업 제조, 생산 및 유지 보수 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높으며, 기존 세척 방식을 부분적으로 또는 완전히 대체하여 21세기 가장 유망한 친환경 세척 기술로 자리매김할 것으로 기대됩니다.
레이저 세척 방법
레이저 세척 공정은 매우 복잡하며 다양한 재료 제거 메커니즘을 포함합니다. 레이저 세척 방법의 경우, 세척 공정 중에는 여러 메커니즘이 동시에 발생할 수 있는데, 이는 주로 레이저와 재료 간의 상호 작용에 기인하며, 재료 표면의 삭마, 분해, 이온화, 열화, 용융, 연소, 기화, 진동, 스퍼터링, 팽창, 수축, 폭발, 박리, 탈락 및 기타 물리적, 화학적 변화를 포함합니다.
현재 대표적인 레이저 세척 방법은 크게 레이저 어블레이션 세척, 액체막 보조 레이저 세척, 레이저 충격파 세척의 세 가지입니다.
레이저 절삭 세척법
주요 방법론적 메커니즘은 열팽창, 기화, 어블레이션 및 상 폭발입니다. 레이저는 기판 표면에서 제거할 물질에 직접 작용하며, 주변 환경은 공기, 희박 가스 또는 진공일 수 있습니다. 작동 조건이 간단하며 다양한 코팅, 페인트, 입자 또는 오염 물질을 제거하는 데 널리 사용됩니다. 아래 그림은 레이저 어블레이션 세척 방법의 공정도를 보여줍니다.
레이저가 재료 표면에 조사될 때, 기판과 세척 재료는 먼저 열팽창을 일으킵니다. 레이저와 세척 재료의 상호작용 시간이 증가함에 따라, 온도가 세척 재료의 캐비테이션 임계값보다 낮으면 세척 재료는 물리적 변화만 겪게 됩니다. 이때 세척 재료와 기판의 열팽창 계수 차이로 인해 계면에서 압력이 발생하고, 세척 재료가 휘어지거나, 기판 표면에서 찢어지거나, 균열이 생기거나, 기계적 파손이 발생하거나, 진동에 의해 부서지는 등의 현상이 나타나며, 세척 재료는 제트 형태로 분사되거나 기판 표면에서 벗겨져 나갑니다.
세척 재료의 기화 임계 온도보다 온도가 높으면 다음과 같은 두 가지 상황이 발생합니다. 1) 세척 재료의 삭마 임계값이 기판보다 낮은 경우; 2) 세척 재료의 삭마 임계값이 기판보다 높은 경우.
세척 물질의 두 가지 경우는 용융, 캐비테이션, 어블레이션 및 기타 물리화학적 변화를 포함하며, 세척 메커니즘은 열 효과 외에도 세척 물질과 기판 사이의 분자 결합 파괴, 세척 물질의 분해 또는 열화, 상 폭발, 세척 물질의 기화 순간 이온화, 플라즈마 생성 등을 포함하는 더욱 복잡한 메커니즘입니다.
(1)액체막 보조 레이저 세척
이 방법의 주요 메커니즘은 액막 비등, 증발 및 진동 등입니다. 적절한 레이저 파장을 선택함으로써 레이저 어블레이션 세척 과정에서 부족한 충격 압력을 보완하여 제거하기 어려운 이물질까지 제거할 수 있습니다.
아래 그림과 같이, 세척 대상 표면에 액체 막(물, 에탄올 또는 기타 액체)을 미리 도포한 후 레이저를 조사합니다. 액체 막이 레이저 에너지를 흡수하면 액체 매체가 강력하게 폭발합니다. 끓어오르는 액체의 폭발은 고속으로 움직이며, 이 에너지가 표면 세척 물질로 전달됩니다. 이 순간적인 폭발력은 표면의 오염 물질을 제거하기에 충분하여 세척 효과를 얻을 수 있습니다.
액체막 보조 레이저 세척 방법에는 두 가지 단점이 있습니다.
절차가 번거롭고 통제하기 어렵습니다.
액상막을 사용하기 때문에 세척 후 기판 표면의 화학적 조성이 쉽게 변하고 새로운 물질이 생성될 수 있습니다.
(1)레이저 충격파 방식 세척법
이 공정의 접근 방식과 메커니즘은 앞서 설명한 두 가지 방식과는 매우 다릅니다. 주요 메커니즘은 충격파를 이용한 제거이며, 세척 대상은 주로 입자입니다. 특히, 미세 입자(서브마이크론 또는 나노미터 크기) 제거에 적합합니다. 이 공정은 공기 이온화 능력을 확보하는 것은 물론, 레이저와 기판 사이의 적절한 거리를 유지하여 입자에 가해지는 충격력이 충분히 커지도록 하는 등 매우 엄격한 요구 조건을 충족해야 합니다.
레이저 충격파 세척 공정의 개략도는 아래와 같습니다. 레이저는 기판 표면 방향과 평행하게 조사되며, 기판에 직접 접촉하지 않습니다. 공작물 또는 레이저 헤드를 이동시켜 레이저 초점을 레이저 출력 부근의 입자에 맞추면, 초점 부위에서 공기 이온화 현상이 발생하여 충격파가 생성됩니다. 이 충격파는 구형으로 급격히 팽창하며 입자와 접촉합니다. 충격파의 횡방향 모멘트가 입자에 작용하는 종방향 모멘트와 입자의 부착력보다 크면, 입자는 롤링에 의해 제거됩니다.
레이저 세척 기술
레이저 세척 메커니즘은 주로 물체 표면이 레이저 에너지를 흡수한 후 기화 및 휘발되거나 순간적인 열팽창을 일으켜 표면에 흡착된 입자를 제거함으로써 물체 표면에서 이물질을 분리하여 세척하는 원리에 기반합니다.
요약하자면, 1. 레이저 증기 분해, 2. 레이저 박리, 3. 오염 입자의 열팽창, 4. 기판 표면 진동 및 입자 진동의 네 가지 측면으로 설명할 수 있습니다.
기존 세척 공정과 비교했을 때, 레이저 세척 기술은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
1. 이는 세척액이나 기타 화학 용액을 사용하지 않는 "건식" 세척으로, 화학 세척 공정보다 훨씬 높은 청결도를 자랑합니다.
2. 오염 제거 범위와 적용 가능한 기질 범위가 매우 넓습니다.
3. 레이저 공정 매개변수 조절을 통해 오염 물질을 효과적으로 제거하는 동시에 기판 표면을 손상시키지 않아 새것과 같은 표면을 얻을 수 있습니다.
4. 레이저 세척은 쉽게 자동화할 수 있습니다.
5. 레이저 제염 장비는 장기간 사용 가능하며 운영 비용이 저렴합니다.
6. 레이저 세척 기술은 친환경적입니다. 세척 과정에서 발생하는 폐기물은 고체 분말 형태로, 크기가 작아 보관이 용이하며 환경 오염을 거의 유발하지 않습니다.
1980년대 반도체 산업의 급속한 발전과 함께 실리콘 웨이퍼 마스크 표면의 오염 입자 제거 기술에 대한 요구 사항이 높아졌습니다. 핵심은 미세 입자 오염과 기판 사이의 강한 흡착력을 극복하는 것이었는데, 기존의 화학 세척, 기계 세척, 초음파 세척 방식으로는 이러한 요구를 충족할 수 없었습니다. 레이저 세척은 이러한 오염 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있어 관련 연구 및 응용 분야가 빠르게 발전해 왔습니다.
1987년, 레이저 세척에 관한 최초 특허 출원이 이루어졌습니다. 1990년대에 자프카(Zapka)는 반도체 제조 공정에서 마스크 표면의 미세 입자를 제거하는 데 레이저 세척 기술을 성공적으로 적용하여 산업 분야에 초기 적용 사례를 제시했습니다. 1995년에는 연구원들이 2kW TEA-CO2 레이저를 사용하여 항공기 동체 도장 제거에 성공했습니다.
21세기에 들어서면서 초단펄스 레이저의 급속한 발전과 함께 국내외 레이저 세척 기술의 연구 및 응용이 점차 증가했으며, 특히 금속 표면 세척에 집중되었습니다. 해외의 대표적인 응용 사례로는 항공기 동체 도장 제거, 금형 표면 탈지, 엔진 내부 탄소 제거, 용접 전 접합부 표면 세척 등이 있습니다. 미국 에디슨 용접 연구소는 FG16 전투기를 레이저로 세척했는데, 레이저 출력 1kW에서 분당 2.36cm³의 세척량을 처리했습니다.
첨단 복합재 부품의 레이저 도장 제거 연구 및 응용 또한 주요 관심사라는 점을 언급할 필요가 있다. 미 해군의 HG53, HG56 헬리콥터 프로펠러 블레이드와 F16 전투기의 꼬리날개 등 복합재 표면에 레이저 도장 제거 기술이 적용되었지만, 중국은 항공기용 복합재 적용이 뒤처져 있어 이러한 연구는 사실상 전무한 실정이다.
또한, CFRP 복합재 접합부의 강도 향상을 위해 접착 전 접합면 표면에 레이저 세척 기술을 적용하는 것도 현재 연구의 주요 관심사 중 하나입니다. 한 레이저 회사는 아우디 TT 자동차 생산 라인에 경량 알루미늄 합금 도어 프레임의 산화막을 제거하기 위한 파이버 레이저 세척 장비를 공급했습니다. 롤스로이스 영국 지사는 티타늄 항공 엔진 부품 표면의 산화막 제거에 레이저 세척 기술을 사용했습니다.
지난 2년간 레이저 세척 기술은 급속도로 발전해 왔습니다. 레이저 세척 공정 매개변수 및 세척 메커니즘, 세척 대상 연구, 응용 연구 등 모든 분야에서 큰 진전을 이루었습니다. 레이저 세척 기술은 수많은 이론 연구를 거쳐 이제는 응용 연구에 초점을 맞추고 있으며, 응용 분야에서 유망한 결과를 보여주고 있습니다. 앞으로 문화재 및 예술품 보호 분야에서 레이저 세척 기술의 활용이 더욱 확대될 것이며, 시장 잠재력 또한 매우 큽니다. 과학 기술의 발전과 함께 산업 분야에서도 레이저 세척 기술의 적용이 현실화되고 있으며, 그 범위는 점점 더 넓어지고 있습니다.
메이븐 레이저 자동화 회사는 14년간 레이저 산업에 주력해 왔으며, 특히 레이저 마킹 전문 기업입니다. 당사는 캐비닛형 레이저 세척기, 트롤리형 레이저 세척기, 백팩형 레이저 세척기, 3-in-1 레이저 세척기 등 다양한 제품을 보유하고 있습니다. 또한 레이저 용접기, 레이저 절단기, 레이저 마킹 및 조각기도 생산하고 있습니다. 당사 제품에 관심이 있으시면 팔로우하시고 언제든지 문의해 주세요.
게시 시간: 2022년 11월 14일
