초고속 레이저는 수십 년 동안 존재해 왔지만 지난 20년 동안 산업 응용 분야가 급속히 성장했습니다. 2019년 초고속 시장가치레이저 재료처리 규모는 약 4억 6천만 달러였으며, 연간 복합 성장률은 13%였습니다. 초고속 레이저가 산업 자재 가공에 성공적으로 사용된 응용 분야에는 반도체 산업의 포토마스크 제조 및 수리뿐만 아니라 휴대폰 및 태블릿과 같은 가전제품의 실리콘 다이싱, 유리 절단/스크라이빙 및 (인듐 주석 산화물) ITO 필름 제거가 포함됩니다. , 자동차 산업을 위한 피스톤 텍스처링, 관상동맥 스텐트 제조 및 의료 산업을 위한 미세유체 장치 제조.
01 반도체 산업의 포토마스크 제조 및 수리
초고속 레이저는 재료 가공 분야의 초기 산업 응용 분야 중 하나에 사용되었습니다. IBM은 1990년대에 포토마스크 생산에 펨토초 레이저 절제를 적용했다고 보고했습니다. 금속 스패터와 유리 손상을 일으킬 수 있는 나노초 레이저 어블레이션에 비해 펨토초 레이저 마스크는 금속 스패터, 유리 손상 등이 전혀 발생하지 않는 장점이 있습니다. 이 방법은 집적회로(IC)를 생산하는 데 사용됩니다. IC 칩을 생산하려면 최대 30개의 마스크가 필요하고 비용은 $100,000 이상입니다. 펨토초 레이저 가공은 150nm 이하의 라인과 포인트를 처리할 수 있습니다.
그림 1. 포토마스크 제작 및 수리
그림 2. 극자외선 리소그래피를 위한 다양한 마스크 패턴의 최적화 결과
02 반도체 산업의 실리콘 절단
실리콘 웨이퍼 다이싱은 반도체 산업의 표준 제조 공정이며 일반적으로 기계적 다이싱을 사용하여 수행됩니다. 이러한 절단 휠은 종종 미세 균열을 일으키고 얇은(예: 두께 < 150 μm) 웨이퍼를 절단하기 어렵습니다. 실리콘 웨이퍼의 레이저 절단은 특히 얇은 웨이퍼(100-200μm)의 경우 수년간 반도체 산업에서 사용되어 왔으며 레이저 홈 가공과 기계적 분리 또는 스텔스 절단(예: 내부 적외선 레이저 빔)의 여러 단계로 수행됩니다. 실리콘 스크라이빙)에 이어 기계적 테이프 분리가 이루어집니다. 나노초 펄스 레이저는 시간당 15개의 웨이퍼를 처리할 수 있고, 피코초 레이저는 시간당 23개의 웨이퍼를 더 높은 품질로 처리할 수 있습니다.
03 소모품 전자산업의 유리 절단/스크라이빙
휴대폰과 노트북의 터치 스크린과 보호 안경은 점점 얇아지고 일부 기하학적 모양이 곡선으로 변하고 있습니다. 이는 전통적인 기계적 절단을 더욱 어렵게 만듭니다. 일반적인 레이저는 일반적으로 절단 품질이 좋지 않습니다. 특히 이러한 유리 디스플레이가 3~4겹으로 쌓여 있고 상단 700μm 두께의 보호 유리가 강화되어 국부적인 응력으로 파손될 수 있는 경우에는 더욱 그렇습니다. 초고속 레이저는 더 나은 가장자리 강도로 이러한 유리를 절단할 수 있는 것으로 나타났습니다. 대형 평면 패널 절단의 경우 펨토초 레이저를 유리판 뒷면에 집중시켜 앞면을 손상시키지 않고 유리 내부를 긁을 수 있습니다. 그런 다음 유리는 점수가 매겨진 패턴을 따라 기계적 또는 열적 수단을 사용하여 깨질 수 있습니다.
그림 3. 피코초 초고속 레이저 유리 특수 형상 절단
04 자동차 산업의 피스톤 텍스처
경량 자동차 엔진은 주철만큼 내마모성이 없는 알루미늄 합금으로 만들어집니다. 연구에 따르면 자동차 피스톤 텍스처를 펨토초 레이저로 가공하면 잔해물과 오일을 효과적으로 저장할 수 있기 때문에 마찰을 최대 25%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.
그림 4. 엔진 성능 향상을 위한 자동차 엔진 피스톤의 펨토초 레이저 가공
05 의료산업에서의 관상동맥 스텐트 제조
수백만 개의 관상동맥 스텐트가 신체의 관상동맥에 이식되어 혈액이 응고된 혈관으로 흘러갈 수 있는 통로를 열어 매년 수백만 명의 생명을 구합니다. 관상동맥 스텐트는 일반적으로 지지대 폭이 약 100μm인 금속(예: 스테인레스 스틸, 니켈-티타늄 형상 기억 합금 또는 최근에는 코발트-크롬 합금) 와이어 메쉬로 만들어집니다. 장 펄스 레이저 절단에 비해 초고속 레이저를 사용하여 브래킷을 절단할 때의 장점은 절단 품질이 높고 표면 마감이 좋으며 잔해물이 적어 후처리 비용이 절감된다는 것입니다.
06 의료산업용 미세유동장치 제조
미세유체 장치는 질병 테스트 및 진단을 위해 의료 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 이는 일반적으로 개별 부품을 미세 사출 성형한 다음 접착이나 용접을 사용하여 접착하여 제조됩니다. 미세유체 장치의 초고속 레이저 제작은 연결이 필요 없이 유리와 같은 투명한 재료 내에서 3D 마이크로채널을 생성할 수 있다는 장점이 있습니다. 한 가지 방법은 벌크 유리 내부의 초고속 레이저 가공에 이어 습식 화학적 에칭을 수행하는 것이고, 다른 방법은 증류수에 있는 유리 또는 플라스틱 내부의 펨토초 레이저 절제를 통해 이물질을 제거하는 것입니다. 또 다른 접근 방식은 채널을 유리 표면에 가공하고 펨토초 레이저 용접을 통해 유리 커버로 밀봉하는 것입니다.
그림 6. 유리 재료 내부에 미세유체 채널을 준비하기 위한 펨토초 레이저 유도 선택적 에칭
07 인젝터 노즐의 마이크로 드릴링
펨토초 레이저 마이크로홀 가공은 유동 홀 프로파일 변경의 유연성이 향상되고 가공 시간이 단축되어 고압 인젝터 시장의 많은 회사에서 마이크로 EDM을 대체했습니다. 세차 스캔 헤드를 통해 빔의 초점 위치와 기울기를 자동으로 제어하는 기능을 통해 연소실 내 원자화 또는 침투를 촉진할 수 있는 개구 프로파일(예: 배럴, 플레어, 수렴, 발산)이 설계되었습니다. 드릴링 시간은 드릴 두께가 0.2~0.5mm이고 구멍 직경이 0.12~0.25mm인 절제 볼륨에 따라 다르므로 이 기술은 마이크로 EDM보다 10배 빠릅니다. 마이크로 드릴링은 관통 구멍의 황삭 및 정삭을 포함하여 3단계로 수행됩니다. 아르곤은 시추공을 산화로부터 보호하고 초기 단계에서 최종 플라즈마를 보호하기 위한 보조 가스로 사용됩니다.
그림 7. 디젤 엔진 인젝터용 역 테이퍼 홀의 펨토초 레이저 고정밀 가공
08 초고속 레이저 텍스처링
최근에는 가공 정밀도를 높이고 재료 손상을 줄이며 가공 효율성을 높이기 위해 미세 가공 분야가 점차 연구의 초점이 되고 있습니다. 초고속 레이저는 낮은 손상, 높은 정밀도 등 다양한 가공 이점을 갖고 있어 가공 기술 개발을 촉진하는 데 중점을 두고 있습니다. 동시에 초고속 레이저는 다양한 재료에 작용할 수 있으며 레이저 가공 재료 손상도 주요 연구 방향입니다. 초고속 레이저는 재료를 제거하는 데 사용됩니다. 레이저의 에너지 밀도가 재료의 절제 임계값보다 높으면 절제된 재료의 표면은 특정 특성을 갖는 마이크로 나노 구조를 나타냅니다. 연구에 따르면 이 특별한 표면 구조는 재료를 레이저 가공할 때 발생하는 일반적인 현상입니다. 표면 마이크로나노 구조의 제조는 소재 자체의 특성을 향상시킬 수 있고, 신소재 개발도 가능하게 한다. 이는 초고속 레이저에 의한 표면 마이크로 나노 구조의 준비를 중요한 개발 의미를 지닌 기술적 방법으로 만듭니다. 현재 금속 재료의 경우 초고속 레이저 표면 텍스처링에 대한 연구를 통해 금속 표면 습윤성 향상, 표면 마찰 및 마모 특성 향상, 코팅 접착성 향상, 세포의 방향성 증식 및 접착성을 향상시킬 수 있습니다.
그림 8. 레이저로 준비된 실리콘 표면의 초소수성 특성
초고속 레이저 가공은 최첨단 가공기술로서 열영향부가 작고, 재료와 상호작용하는 비선형 가공, 회절한계를 뛰어넘는 고해상도 가공 등의 특성을 갖고 있습니다. 다양한 소재의 고품질, 고정밀 마이크로나노 가공을 실현할 수 있습니다. 3차원 마이크로나노구조물 제작. 특수 재료, 복잡한 구조 및 특수 장치의 레이저 제조를 달성하면 마이크로 나노 제조의 새로운 길이 열립니다. 현재 펨토초 레이저는 다양한 첨단 과학 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 펨토초 레이저는 마이크로렌즈 어레이, 생체공학 복합안구, 광학 도파관 및 메타표면과 같은 다양한 광학 장치를 준비하는 데 사용될 수 있습니다. 고정밀, 고해상도 및 3차원 처리 기능을 사용하여 펨토초 레이저는 마이크로히터 구성요소 및 3차원 미세유체 채널과 같은 미세유체 및 광유체 칩을 준비하거나 통합할 수 있습니다. 또한 펨토초 레이저는 반사 방지, 반사 방지, 초소수성, 결빙 방지 및 기타 기능을 달성하기 위해 다양한 유형의 표면 미세 나노 구조를 준비할 수도 있습니다. 뿐만 아니라, 펨토초 레이저는 바이오의학 분야에도 적용되어 생물학적 마이크로 스텐트, 세포 배양 기판, 생물학적 현미경 이미징 등의 분야에서 뛰어난 성능을 보이고 있습니다. 광범위한 적용 가능성. 현재 펨토초 레이저 가공의 응용 분야는 해마다 확대되고 있습니다. 위에서 언급한 미세 광학, 미세 유체 공학, 다기능 미세 나노 구조 및 생체 의학 공학 응용 외에도 메타표면 준비와 같은 일부 신흥 분야에서도 큰 역할을 합니다. , 마이크로나노 제조 및 다차원 광정보 저장 등
게시 시간: 2024년 4월 17일
