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레이저 미세가공기술의 최신동향
 
 
박현나기자 | 2011.07.06 | 2011년 7월호
 
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레이저가공기술은 고전적인 산업분야인 철강, 자동차, 조선, 항공산업등 중공업분야는 물론 최근 초단파 레이저 소스의 개발로 인한 초고속, 초정밀·초미세 가공이 가능하게 되어 전기, 전자, 반도체 분야로 확대되고 있다. 선진국에서는 이미 레이저 소스 및 가공기술에 대한 개발이 국가 대형 프로젝트로 정책적으로 추진하고 있는 분야이다. 국내에 서도 최근 스마트폰, 반도체, 디스플레이 분야에서 레이저 가공장비 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 최근 몇 년간 레이저 업체의 매출액이 급격히 상승하게 되었다. 레이저 미세가공 기술의 최신 동향 기고를 통하여, 레이저 미세가공 소개 및 세계시장 분석을 하였으며 미국, 독일,일본 등의 선진국의 레이저 가공기술 개발 프로젝트에 대한 소개를 하였다. 또한, 레이저 미세가공 공정에 대한 구체 적인 예와 최근 대두되고 있는 대면적, 초정밀 레이저 가공을 위한 연구개발에 대해서도 제시하였다.
1. 레이저 미세가공 소개 및 세계시장 분석
레이저 가공의 장점은 비접촉 가공이 가능하여 여타의 기계가공이나 EDM에서 발생할 수 있는 공구의 마모문제를 최소화할 수 있다. 또한, 솔벤트 계열의 화학 물질이 필요 없는 친환경 공정으로써 폐기물 처리 비용 감소 및 에칭 공정을 대체할 수 있다. 레이저의 파장과 출력을 조절하였을 때, 선택적으로 재료를 제거 할 수 있으며, 최근 갈바노미터 스캐너의 활용으로 인한 고속가공도 가능하게 되었다. 이러한 레이저 미세가공 기술을 활용하여 반도체, 전자, 자동차, 의료기기 분야의 첨단산업 분야에서 고품질의 부품을 가공하는데 널리 활용하게 되었다. 레이저 미세가공 기술은 산업응용 분포를 보면 그림 1과 같이 Sub-kW 절단이 30%로 제일 높고, 다음은 Sub-kW급 용접 28%, 드릴링 15%, 표면처리 14%, Microfabrication 12%, Rapid prototyping 1% 순이다.
2. 선진국의 레이저 가공기술 개발현황
미국에서는 레이저 가공기술 관련 국가프로젝트는 국방부의 DARP(Defense Advanced Research Project) 지원으로 1994~2001년에 정밀레이저가공 (Precision Laser Machining)기술 프로젝트를 약 24 개의 연구기관, 대학 및 산업체로 구성하여 수행하 였다. LLNL(Lawrence Livermore National Lab) 에서는 2003년에 ARF엑시머 레이저와 극초단펄스 Ti: Sapphire 레이저를 사용하여 메소스케일 레이저 가공기술을 개발하였다. 미국과학재단에서는 3개 대학으로 구성된 ‘레이저-플라즈마 첨단가공 센터’(Center for Lasers and Plasmas for Advanced Manufacturing, CLPAM)를 설치하여 펨토초 레이저 응용, 물질의 레이저가공, 레이저 미세가공 및 용접, 레이저 어블레이션과 다중에너지 가공등을 연구하고 있다.



독일 연방교육연구부(BMBF)는 국가프로젝트로 Laser2000을 추진하여 제1기는 1993년~1998년에 고체레이저를 중심으로 가스레이저와 UV 레이저 개발과 레이저와 물질과의 상호작용에 대한 연구를 수행하였다. 제2기는 1998년~2002년 기간으로 반도 체레이저 개발과 응용, 엑시머레이저와 리소그래피 기술개발, 미세가공용 펨토초 레이저를 개발하였다. 광기술에 대한 종합적인 육성프로그램 ‘Optical Technology - Made in Germany’를 발표하였다.
  2002년부터 2006년까지 총 2억 8000만 유로(한화 약4300억원)의 재원이 투입되는 광기술 2002를 통해 광기술관련 지원대책을 체계적으로 종합하고 응용가능 분야에 대한 연구개발을 강화하고 있다. 레이저 가공 기술 분야에서는 나노단위의 미세가공기술을 목표로하고 있으며, 초정밀 광학, 근접장 광학 등이 주연구 분야이다.
  일본의 경우 1977년부터 국가프로젝트인 ‘초고성능 레이저응용 복합 생산시스템’에 의해 20kW CO2레이 저와 수백W급 램프여기 YAG 레이저를 이용한 가공 응용기술을 개발하고 있다. 최근에는 미세가공용 레이저로써 지름 50µm인 LD여기YAG레이저와 파이버 레이저를 개발하였고, 차세대반도체 디바이스인 초LSI(초대규모 집적회로) 제작에 필요한 0.1µm 수준의 초미세가공 기술 개발을 목적으로 한 최첨단 전자 기술개발 프로젝트(ASET)에 의해 파장 157nm F2레이저가 개발되었고, 2002년부터 파장 13nm의 EUV광원 개발 프로젝트가 시작되었다.
3. 레이저 미세가공 기술
레이저를 미세가공기술은 가공 도구인 레이저 빔의 고집속 및 시/공간적 레이저 빔제어를 통한 초정밀 가공이 가능하다. 보통 레이저 미세가공기 술은 100µm 이하 가공을 말하며, 최근에 UV단파장 레이저와 극초단파 레이저가 개발되어 전기, 전자, 반도체 산업에서 10µm 이하의 초미세 가공도 가능하게 되었다. 레이저 미세가공 기술로써, 산업응용 분포와 같이 절단, 드릴링, 극초단파레이저 미세가공 등의 공정 등으로 구분할 수 있다.


3.1 절단
펄스 Nd:YAG 레이저는 거의 모든 금속과 합금의 정밀가공에 응용되고 있으며, 파장은 1064nm 이어서 이론적 자른 자리 폭(Kerf width)은 10µm 이다.
  CO2레이저의 경우 자른 자리 폭이 약 50µm 이므로, 펄스 Nd:YAG 레이저 가공이 더 정밀함을 알 수 있다. 미세절단용 펄스 Nd:YAG 레이저의 대표적인 예는 출력 22W, 펄스시간 20~200µs로 물질과 두께에 따라 조정 가능하고, 펄스주파수 ~4kHz, 절단속도 1~40mm/s인 것이다. 표 1은 스테인리스강의 정밀절 단을 위한 펄스 Nd:YAG 레이저 (TEM00모드)의 성능을 보이고 있다.
  2차원 절단 예는 회로판에 납땜하기 위한 스텐슬 (stencil)의 절단, 열소자용 저항으로 사용되는 두께 150µm 스테인리스강 구조물의 절단 그림2a, 필터용 부품 절단 등이다. 이 구조물은 자른 자리폭 (Kerf width)이 25µm 이고 3µm의 열영향 영역 (HAZ: Heat Affected Zone)을 갖고 있다. 그림2b,c에서는 Nd:YAG 레이저로 관상동맥 지름 800µm, 벽두께 100µm 스텐츠(stents)를 가공한 예시이다.


3.2 드릴링(Drilling)
1970년대 이래로 금속, 비금속, 세라믹과 폴리머 판에 구멍을 뚫기 위하여 기계적인 펀치가 주요 수단이었으나 펀치헤드의 가공비용이 증가하고 부품의 신속한 공급요구로 레이저 드릴링이 널리 사용되고 있다. 레이저에 의한 구멍을 뚫은 가공은 반도체 부품 및 전자패키지 공정에서 중요한 역할을 한다. 최근에는 휴대폰 등 모바일 전자기기 산업에서 고부가 PCB(MLB, HDI, FPC 등) 및 고기능 PCB(COF, MOF, SOF)의 급속한 적용 확대로 직경 20µm 급의 비아홀 (Viahole) 및 interconnection 홀 가공을 위한 초정밀/ 초고속 레이저 드릴링 공정 및 장비기술 개발에 대한 시장의 요구가 급증하고 있다. 이에 반해 기존의 CO2 레이저드릴링은 기술적 한계에 도달하여 시장의 요구에 대응이 불가하며, 선진 업체에서는 최근 UV 레이저 드릴링 장비에 대한 시장 점유율을 높여가고 있다.
  고밀도 회로에서 blind via hole 및 관통홀 (Through via hole)이 요구되는 직경 20µm 정도를 가공하기 위해서는 그림 3에서와 같이 UV 레이저의 단파장 레이 저를 이용해야만 한다.
  그림 4는 레이저 드릴링 공정시 레이저 펄스폭과 열영향 관계를 도식화 한 그림이다. CW 레이저는 펄스조사 시간이 길기 때문에 드릴링 홀 주변으로 열확 산이 증대되어, HAZ이 생기게 된다. 열영향 부위는 가공홀 주변의 불필요한 용융이 생기고 원하는 홀직 경보다 증가하게 되어 가공정밀도를 저하시킨다. 즉정밀가공이 곤란하다. 또한 이러한 열확산 부위는 열로 인한 충격파(shock wave)를 형성하여 기계적 스트 레스를 물질에 가하여 미세균열(microcracks)을 생기게 한다. 펄스폭이 줄어들수록 이러한 열영향 부위가 줄어들고, ns pulse 레이저인 경우 열영향 부위가 거의 최소화 된다. 최근에는 펄스폭이 점점 더 감소하여 10ps 이하인 극초단파 레이저가 가공에 많이 쓰이게 되었다.
3.3 극초단파 레이저 미세가공
10ps 펄스폭 이하인 극초단파 레이저를 사용한면 수µm에서 수십µm까지의 형상 부품가공이 가능하다. 최근 미세가공에서 펨토초 레이저도 많이 쓰이고 있지만 10ps 이하의 피코초 레이저를 사용하면 펨토초 레이저와 거의 유사한 가공성능을 보여주고 있으며 시스템이 덜 복잡하고 신뢰성이 높다고 알려져 있다. 이러한 이점 때문에 피코초 레이저는 낮은 플루엔스(fluence)에서 특히 미세가공에 있어 펨토초 레이저 보다 유리한 선택이라고 할 수 있다. 그림 5에서는 반도체 산업에서 사용되는 두께 50µm인 청동판을 10ps 펄스레이저로 가공된 깨끗한 단면사진(왼쪽)과 두께 100µm인 동판 절단면(오른쪽)을 보이고 있다.
  그림6a은 펨토초 레이저로 유리내부에 지구모형을 가공한 예이며, 그림6b는 Okaka 대학 Kawada 교수 팀이 2광자 흡수방법으로 mode-locked Ti:Sapphire 레이저 (파장 780nm, 82MHz, 80fs) 빔을 광폴리머화 가능한 수지(resin)에 집속시켜 가공한 길이 8µm, 높이 7µm의 미세 황소의 조각상이다.
4. 대면적 레이저 가공기술
레이저 가공 공정 적용 분야가 확대되고 있으며 태양전지 분야, 디스플레이 분야, 대면적 전자부품 산업에 폭넓게 적용되고 있다. 본 산업군의 발전방향은 초고속화, 초정밀화를 요구할 뿐만 아니라 가공 면적이 대면적화되고 있다. 그림 7에서 보여 주듯이 초고속 스캐너 가공 영역은 50x50mm2정도로 한정되어 있는 시스템에서는 스캐너 영역이 초과되는 영역에서는 스테이지를 이송시키면서 가공하면 된다. 기존의 방식은 Step & Scanning 시스템으로 스테이지의 이송/정 지를 반복하면서 스캐너 가공을 한다.
  스캐너-스테이지 연동 시스템(Scanner-stage on the fly)은 스테이지의 정지 없이 연속적인 가공을 하는 것이다. 고속 스캐너와 정밀/대면적 스테이지를 동기화 함으로써 정밀도를 유지하면서 대면적 가공이 가능한 기술로써 연동 시스템 적용시 가공속도가 극대화 되며 가공의 불연속 부위가 없어져서 가공 품질의 향상을 가져올 수 있다.

스캐너-스테이지 연동 레이저 가공 장비는 최초로 미국의 ESI사에서 (Electro Scientific Industries)의마이크로급 비아홀 드릴링 및 PCB 절단에 적용하였다.
  ESI사는 마이크로 엔지니어링 분야의 제품 제조를 위한 레이저 시스템을 공급하는 회사로서 스캐너-스테 이지 하드웨어 동기 기술과 연동 알고리즘에 독보적인 기술을 보유하고 있다. ESI사의 연동 가능 UV 레이저 드릴링 시스템인 HDI5330는 전체 스테이지 533 mmx 635mm 영역에서 ±20µm 정밀도를 보장하며 최고 500 mm/s로 가공이 가능하다.
  최근에는 미국의 Aerotech사 스캐너-스테이지 연동기술을 레이저가공에 도입했다. 그림 8에 보이듯이 가공 부위가 스캐너 영역을 넘어서는 경우도 가공이 가능한 시스템이다. 그리고, 가공경로를 미리 계산하여 최적화는 알고리즘을 도입하였다.



독일 LPKF사에서도 최근 MicroLine 6000 모델을 출시하여 Coverlayer, PCB 와 FPC 절단에 적용하 였다. 작업 면적은 ESI사 제품과 유사하게 533mm x 610mm이고 정밀도 또한 ±20 µm 이내이다.
  LPKF사에서 제공하는 연동 알고리즘 관련 소프 트웨어는 LPKFCAM 이며 최적 가공 경로를 생성하여 20% 라우팅 시간을 절감하는 효과를 보여 주었다.

 
TAG :  김경한  레이저  미세가공
 
 
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