초고속 레이저는 수십 년 전부터 존재해 왔지만, 산업 응용 분야는 지난 20년 동안 급속도로 성장했습니다. 2019년 초고속 레이저 시장 규모는 다음과 같습니다.레이저 재료가공 시장 규모는 약 4억 6천만 달러였으며, 연평균 복합 성장률은 13%였습니다. 초고속 레이저가 산업 재료 가공에 성공적으로 사용된 응용 분야로는 반도체 산업의 포토마스크 제작 및 수리, 실리콘 다이싱, 유리 절단/스크라이빙, 휴대폰 및 태블릿과 같은 소비자 전자 제품의 ITO(인듐 주석 산화물) 필름 제거, 자동차 산업의 피스톤 텍스처링, 관상동맥 스텐트 제조, 의료 산업의 미세유체 장치 제조 등이 있습니다.
01 반도체 산업에서의 포토마스크 제조 및 수리
초고속 레이저는 재료 가공 분야에서 초기 산업 응용 분야 중 하나로 사용되었습니다. IBM은 1990년대에 포토마스크 생산에 펨토초 레이저 어블레이션을 적용한 사례를 발표했습니다. 금속 비산이나 유리 손상을 유발할 수 있는 나노초 레이저 어블레이션과 비교했을 때, 펨토초 레이저 마스크는 금속 비산이나 유리 손상 등이 발생하지 않는다는 장점을 가지고 있습니다. 이 방법은 집적 회로(IC) 생산에 사용됩니다. IC 칩 하나를 생산하는 데 최대 30개의 마스크가 필요하고 비용은 10만 달러 이상이 소요될 수 있습니다. 펨토초 레이저 가공은 150nm 이하의 선과 점을 가공할 수 있습니다.
그림 1. 포토마스크 제작 및 수리
그림 2. 극자외선 리소그래피를 위한 다양한 마스크 패턴의 최적화 결과
02 반도체 산업에서의 실리콘 커팅
실리콘 웨이퍼 절단은 반도체 산업에서 표준적인 제조 공정이며, 일반적으로 기계식 절단 방식을 사용합니다. 이러한 기계식 절단 휠은 미세 균열이 발생하기 쉽고, 두께가 얇은 웨이퍼(예: 150μm 미만)를 절단하기 어렵습니다. 실리콘 웨이퍼 레이저 절단은 특히 얇은 웨이퍼(100~200μm) 절단에 오랫동안 사용되어 왔으며, 레이저 홈 가공 후 기계적 분리 또는 스텔스 절단(즉, 실리콘 스크라이빙 내부에 적외선 레이저 빔 조사) 후 기계적 테이프 분리 등 여러 단계를 거쳐 진행됩니다. 나노초 펄스 레이저는 시간당 15개의 웨이퍼를 처리할 수 있으며, 피코초 레이저는 시간당 23개의 웨이퍼를 더 높은 품질로 처리할 수 있습니다.
03 소모성 전자 산업에서의 유리 절단/조각
휴대폰과 노트북용 터치스크린 및 보호 유리는 점점 얇아지고 있으며, 일부 기하학적 모양은 곡면입니다. 이로 인해 기존의 기계식 절단 방식이 더욱 어려워지고 있습니다. 일반적인 레이저는 특히 이러한 유리 디스플레이가 3~4겹으로 적층되어 있고 최상층의 700μm 두께의 강화 유리가 국부적인 응력에 의해 파손될 수 있는 경우 절단 품질이 떨어지는 경우가 많습니다. 초고속 레이저는 이러한 유리를 더 나은 절단 강도로 절단할 수 있음이 입증되었습니다. 대형 평판 절단의 경우, 펨토초 레이저를 유리 시트의 뒷면에 집중시켜 앞면은 손상시키지 않고 유리 안쪽에 긁힘을 발생시킬 수 있습니다. 그런 다음 긁힌 자국을 따라 기계적 또는 열적 방법을 사용하여 유리를 파손할 수 있습니다.
그림 3. 피코초 초고속 레이저를 이용한 특수 형상 유리 절단
04 자동차 산업에서의 피스톤 표면 질감
경량 자동차 엔진은 알루미늄 합금으로 만들어지는데, 이는 주철만큼 내마모성이 뛰어나지 않습니다. 연구에 따르면 자동차 피스톤 표면에 펨토초 레이저 가공을 하면 마찰을 최대 25%까지 줄일 수 있는데, 이는 마모 입자와 오일이 효과적으로 축적되기 때문입니다.
그림 4. 자동차 엔진 피스톤의 펨토초 레이저 가공을 통한 엔진 성능 향상
05 의료 산업에서의 관상동맥 스텐트 제조
매년 수백만 개의 관상동맥 스텐트가 혈류를 방해하는 혈관을 열어 혈액이 원활하게 흐르도록 인체의 관상동맥에 삽입되어 수백만 명의 생명을 구하고 있습니다. 관상동맥 스텐트는 일반적으로 스트럿 폭이 약 100μm인 금속(예: 스테인리스강, 니켈-티타늄 형상기억합금, 또는 최근에는 코발트-크롬 합금) 와이어 메쉬로 만들어집니다. 장펄스 레이저 절단과 비교했을 때, 초고속 레이저를 이용한 브래킷 절단은 높은 절단 품질, 우수한 표면 마감, 그리고 적은 폐기물 발생량으로 후처리 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있습니다.
06 의료 산업용 미세유체 장치 제조
미세유체 장치는 질병 검사 및 진단을 위해 의료 산업에서 흔히 사용됩니다. 이러한 장치는 일반적으로 개별 부품을 미세 사출 성형한 후 접착 또는 용접을 통해 접합하여 제작됩니다. 초고속 레이저 가공을 이용한 미세유체 장치 제작은 연결 부위 없이 유리와 같은 투명 재료 내부에 3차원 미세 채널을 생성할 수 있다는 장점이 있습니다. 한 가지 방법은 벌크 유리 내부에 초고속 레이저 가공을 한 후 습식 화학 에칭을 하는 것이고, 다른 방법은 증류수 내에서 유리 또는 플라스틱 내부에 펨토초 레이저 어블레이션을 적용하여 이물질을 제거하는 것입니다. 또 다른 접근 방식은 유리 표면에 채널을 가공한 후 펨토초 레이저 용접을 통해 유리 덮개로 밀봉하는 것입니다.
그림 6. 펨토초 레이저 유도 선택적 에칭을 이용한 유리 재료 내부 미세유체 채널 제작
07 인젝터 노즐의 마이크로 드릴링
고압 분사기 시장에서 펨토초 레이저 미세 가공은 유동 홀 형상 변경의 유연성 향상과 가공 시간 단축 덕분에 마이크로 방전 가공(micro-EDM)을 대체하는 추세입니다. 회전하는 스캔 헤드를 통해 빔의 초점 위치와 기울기를 자동으로 제어할 수 있어 연소실 내에서 분무 또는 침투를 촉진하는 조리개 형상(예: 배럴, 플레어, 수렴, 발산)을 설계할 수 있습니다. 드릴링 시간은 절삭량에 따라 달라지며, 드릴 두께는 0.2~0.5mm, 홀 직경은 0.12~0.25mm로, 이 기술은 마이크로 방전 가공보다 10배 빠릅니다. 미세 드릴링은 파일럿 홀을 관통하는 황삭 및 정삭을 포함한 3단계로 진행됩니다. 아르곤은 보조 가스로 사용되어 초기 단계에서 드릴링 홀의 산화를 방지하고 최종 플라즈마를 보호합니다.
그림 7. 디젤 엔진 인젝터용 역원추형 구멍의 펨토초 레이저 고정밀 가공
08 초고속 레이저 텍스처링
최근 몇 년 동안 가공 정밀도 향상, 재료 손상 최소화, 가공 효율 증대를 위해 미세가공 분야가 연구자들의 주요 관심사로 떠오르고 있습니다. 초고속 레이저는 낮은 손상률과 높은 정밀도 등 다양한 가공 이점을 가지고 있어 가공 기술 개발을 촉진하는 핵심 요소가 되었습니다. 동시에 초고속 레이저는 다양한 재료에 적용할 수 있으며, 레이저 가공 시 재료 손상 최소화는 주요 연구 방향 중 하나입니다. 초고속 레이저는 재료를 어블레이션하는 데 사용됩니다. 레이저 에너지 밀도가 재료의 어블레이션 임계값보다 높으면 어블레이션된 재료 표면에 특정 특성을 가진 미세 나노 구조가 나타납니다. 연구에 따르면 이러한 특수한 표면 구조는 레이저 가공 시 흔히 발생하는 현상입니다. 표면 미세 나노 구조의 형성은 재료 자체의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 새로운 재료 개발에도 기여할 수 있습니다. 따라서 초고속 레이저를 이용한 표면 미세 나노 구조 형성 기술은 중요한 발전 가능성을 지닌 기술 방법입니다. 현재 금속 재료의 경우, 초고속 레이저 표면 텍스처링 연구는 금속 표면의 습윤성 향상, 표면 마찰 및 마모 특성 개선, 코팅 접착력 강화, 세포의 방향성 증식 및 접착력 향상에 기여할 수 있습니다.
그림 8. 레이저로 처리한 실리콘 표면의 초소수성 특성
최첨단 가공 기술인 초고속 레이저 가공은 열영향부가 작고, 재료와의 상호작용이 비선형적이며, 회절 한계를 뛰어넘는 고해상도 가공이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다. 이를 통해 다양한 재료의 고품질, 고정밀 마이크로-나노 가공 및 3차원 마이크로-나노 구조 제작이 가능합니다. 특수 재료, 복잡한 구조, 특수 장치의 레이저 제조는 마이크로-나노 제조 분야에 새로운 가능성을 열어줍니다. 현재 펨토초 레이저는 다양한 첨단 과학 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 마이크로렌즈 어레이, 생체모방 복합안, 광 도파관, 메타표면과 같은 다양한 광학 장치를 제작하는 데 사용될 수 있으며, 높은 정밀도, 고해상도 및 3차원 가공 능력을 활용하여 마이크로히터 부품 및 3차원 마이크로유체 채널과 같은 마이크로유체 및 광유체 칩을 제작하거나 통합할 수 있습니다. 또한, 펨토초 레이저는 반사 방지, 초소수성, 결빙 방지 등 다양한 기능을 구현하는 여러 종류의 표면 미세 나노 구조를 제작할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 펨토초 레이저는 생체 마이크로 스텐트, 세포 배양 기질, 생체 현미경 이미징 등 생물 의학 분야에서도 탁월한 성능을 보여주며 폭넓은 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 현재 펨토초 레이저 가공의 응용 분야는 해마다 확대되고 있습니다. 앞서 언급한 미세 광학, 미세 유체, 다기능 미세 나노 구조 및 생물 의학 공학 응용 분야 외에도 메타 표면 제작, 미세 나노 제조, 다차원 광 정보 저장 등과 같은 신흥 분야에서도 중요한 역할을 하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 4월 17일
