30 이제훈 서정 손현기 신동식 Fig. 11 Nozzle of an injection mold machined with a picosecond laser (Source: R. Giedl, GFH) 5. 광투과재료내부 (subsurface) 가공 유리, 폴리머등의투과재료의내부가공에는주로펨토초레이저가사용된다. 800 nm의파장을가지는 Ti: Sapphire 펨토초레이저빔은일반유리및수정 (crystal) 을투과하나, 다광자흡수 (multi-photon absorption) 및터널이온화등의비선형광학현상이나양자현상이유기되어다수의운반매체가극히짧은시간영역에서생성하고, 조사부위에남겨진정전하를갖는핵이쿨롱 (Coulomb) 폭발을일으키는빠른프로세스가공간형성에기여한다 8). 이와같은방법은 300 nm 이하의미소공간에서굴절률변화를유기하거나발광성결함을생성하여 1.2 Tbit/cm 3 의기록밀도를가지는고밀도 3 차원광메모리 (optical memory) 도제작할수있다. 펨토초레이저를이용하여광도파로 (optical waveguide), 3차원광결정 (photonic crystal) 등과같은광통신소자를제작할수있다. Fig. 11은펨토초레이저를이용하여제작된광도파로에녹색광을조사하여가시화한사진으로서유리의내부에 3차원형상가공이용이하다는것을보여주고있다 5). 또한펨토초레이저를이용한투과물질내의 3차원형상가공은무기물뿐만아니라폴리머와같은유기물에도적용할수있다. 펨토초레이저를이용한폴리머가공의대표적인예로서단량체 (monomer) 가함유된레진 (resin) 내부에레이저빔의초점이맺히게하면이광자공정 (two-photon process) 이유도되는것이다. 이를이용하면국부적으로폴리머 (polymer) 를형성시킬수있다 9). 이러한이광자공정에의해생성된선폭은 200 nm로서해상도한계보다치수영역에서광결정격자를제작할수있다. 6. 국내외미세가공기술동향 역사적으로펨토초레이저와재료간의상호작용에대한연구는 1990년대중반부터미국의국립연구소인 LLNL을중심으로진행되었으며, CPA기술의개발로고출력펨토초레이저펄스의생성이가능해짐에따라 1990년대후반부터펨토초레이저를이용한재료가공 Fig. 12 Three-dimensional waveguide written in bulk glass (left) and photonics crystal waveguide written in bulk lattice 에대한연구가선진국의일부국립연구소에서진행되었다. 미국에서는 Purdue 대학, MIT, Harvard 대학, LLNL 등을중심으로레이저미세가공기술에대한연구가진행되어왔다. Harvard 대학의 E. Mazur 그룹은광메모리소자개발을목표로파장이 800 nm, 펄스폭이 100 펨토초인펨토초레이저펄스를유리내부에집광시킴으로써비선형 (non-linear) 현상인자기집속현상 (self-focusing) 을이용하여직경이 200 nm인구조개질을얻었다. 이는차세대광메모리로제작에응용이기대되나집적도를더욱높일수있는기술의개발이요구되고있다. Michigan 대학의 Ultrafast optical science 센터의 Mourou 교수진을비롯하여 Los Alamos Laboratory, UC Berkeley, UCLA, UC Santa Barbara, UC San Diego, Stanford, CREOL, Illinois 대학등지에서 NSF 과제로펨토초레이저와관련한다양한분야에대해많은연구를수행하고있으며, 국가차원에서이분야의중요성을일찍부터인식하여많은투자가이루어지고있어상당한기술진척이이루어진것으로알려져있다. 그가운데펨토초레이저를시각교정및생체치료에응용하는연구도진행되고있다. 일본에서는 Kyoto 대학, RIKEN 연구소, Osaka 대학등지에서레이저미세가공공정에대한연구가진행되어왔다. Osaka 대학의 Kawata 그룹에서는이광자흡수현상을이용하여폴리머내부에특징형상이나노크기인 3차원황소형상을제작하였다 (Fig. 13). 펨토초레이저는종래에레이저와달리다양한비선형현상을유지하므로기존의레이저가공에서불가능했던다양한형태의 3차원가공이가능하다는것을보여준사례이다. Tokushima 대학의 Misawa 그룹에서는레이저미세가공공정을화학에칭공정과결합하여사파이어에 10-50 μm의미세채널을형성하였다. 이러한투명재료 30 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
극초단펄스레이저응용미세제거가공기술현황 31 2 µm 2 µm Fig. 13 Miniature statue of a bull fabricated by two-photon excited photopolymerization using femtosecond laser (Osaka University, Japan) 내부에 3차원마이크로채널을형성하는기술은향후바이오칩및 μ-tas(total Analysis System) 등에응용이가능하다. 또한, 광경화성폴리머내부에이광자흡수현상을이용하여 3차원광결정격자를제작하고, 그광학특성을조사했다. 반사율이 20% 정도로향후반사율을높일수있는기술적보완이요구되고있다. 이와같은광결정격자의광닫힘효과를이용하면미소공진기제작이가능하며이를집적화하여광도파로나광집적회로분야에적용이가능하다. 한편독일에서는 Max-Born 연구소, Siemens 사, IFSW, LZH 등에서연구가진행되고있다. Max- Born 연구소에서는레이저펄스에의해유기된내부개질이펄스수가증가함에따라표면쪽으로성장하는메커니즘을규명하였다. LZH에서는고융점난삭재인 WC-Co 로제작된터빈날개의표면에잔물결형상을가공하여유체와터빈날개사이의마찰력을줄임으로써연료소비를절감하는연구가수행되었다 (Fig. 14). 디젤기관의 hone cylinder의내벽에윤활유가스며들수있는미세형상 ( 깊이 5-25μm) 을가공함으로써내벽과실린더헤드사이의마찰력이 3-7배감소되어연료절감효과를얻은연구도수행되었다 (Fig. 15). 또한, 가공된미세형상에분진 (particle) 이트랩 (trap) 되어엔진의분진배출량도감소되었다. 이공정은기 Fig. 15 Structuring of the hone cylinder walls with micro pockets for lubricants (Source: Gehring) 존에나노초레이저를이용하였으나, 레이저빔-재료사이의열적반응으로내벽표면에발생하는 burr를제거하기위한후처리공정이필요하다는문제점이있었다. 피코초레이저를이용하여알루미늄, 스테인레스강, 금속복합재등의다양한 bulk 금속소재의패터닝및절단에대한연구가진행되고있다. Fig. 16에서알루미늄을패터닝한사례를보여주고있다. 패턴의선폭은 15 μm이며, 패턴간격은 10 μm이다. 또한, 실리콘기판위에증착된구리층을제거하는공정에도응용되고있다 (Fig. 17). 기존의에칭공정을이용하는경우에는실리콘위에증착된금속층을패터닝하기위해금속층위에폴리머층을코팅하게된다. 먼저폴리머층을패터닝하고이를현상하여금속층의에칭을위한마스크로사용하게된다. 이에반해피코초레이저를이용하여실리콘위에증착된금속층을직접패터닝하고이를마스크로하여실리콘을에칭할수있다. 이것은 MEMS 공정에서실리콘에칭에적용될수있다. Fig. 14 Ripplets on metal surfaces for friction reduction generated with picosecond laser (Source: Frank Siegel, LZH) Fig. 16 Patterning of Aluminum with a picosecond laser: Line width 15 m and pitch 25 m 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 31
32 이제훈 서정 손현기 신동식 이를위해서는가공메커니즘의규명, 광학계조작및구성의간편화, 레이저와재료의반응시발생하는 X-선의차단, 생산성을향상시키기위한출력및펄스반복율향상등을통한새로운미세가공기술개발을위한연구가지속적으로진행될수있도록국가차원의지원이필수적이다. 후 기 본연구는산업자원부지원사업인핵심기술개발사업의 첨단레이저응용미세가공기술개발 과제의지원으로수행된것입니다. Fig. 17 Patterning of a Cu layer on silicon with a picosecond laser: Patterned line (upper) and etched pattern (lower) (Source: IMTEK) 의료분야에서도극초단펄스레이저를이용하여외과수술을하게되면수술부위주위에열손상없이깨끗한수술이가능하다. 미국의국립로렌스리버모어연구소등에서는수술용펨토초레이저시스템을개발하고있다 10). 8. 결론 극초단펄스레이저를이용한미세가공공정은레이저빔과재료간의반응시간이재료의열확산시간보다짧은비열적공정이다. 따라서레이저빔에의한열영향부가거의발생하지않으므로, 기존의레이저가공공정에서는불가능했던 sub-μm급초미세가공이가능하다. 또한, 유리및폴리머등의투과물질재료의내부에 subμm급 크기의 3차원패턴가공이가능하기때문에광통신분야, 전자, 반도체, 바이오관련산업등의광범위한첨단산업분야에서고부가가치초정밀핵심부품제작에폭넓게응용될것으로전망된다. 이제훈 ( 李濟薰 ) 1956 년생 한국기계연구원정보장비연구센터 레이저및전자빔응용가공기술및시스템개발 e-mail; jaholee@kimm.re.kr 참고문헌 1. http://www.kepco.co.kr 2. SALEH, B. E. A. and Malvin, Carl Teich, "Fundamentals of Photonics," New York: Wiley, 522, 1997 3. Spence, D.E., Kean, P. N. and Sibbett, W., "60-fsec pulse generation from a self mode-locked Ti:Sapphire laser," Opt. Lett. 16, 42, 1991 4. Strickland, D. and Mourou, G., "Compression of amplified chirped optical pulses," Opt. Commun. 56, 219, 1985 5. Breitling, D., Ruf, A. and Dausinger, F., "Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses," SPIE 5339, 49 63, 2004. 6. http://www.cmxr.com 7. http://www.lumera-laser.com 8. 오기동, " 펨토초레이저를이용한재료의미세가공," KISTI 기술동향, 2004 9. Powell, Y. C., "Two-photon process cures hybrid polymers into photonic-crystal lattices," laser focus world, 32, 2004 10. 이종민, " 펨토과학기술연구개발현황 ", 레이저기술, 28, 2003 손현기 ( 孫賢基 ) 1970년생 한국기계연구원정비장비연구센터 레이저미세가공기술 e-mail; hsohn@kimm.re.kr 서정 ( 徐廷 ) 1960 년생 한국기계연구원정비장비연구센터 레이저및전자빔응용가공기술및시스템개발 e-mail; jsuh@kimm.re.kr 신동식 ( 辛桐植 ) 1973년생 한국기계연구원정비장비연구센터 레이저가공 e-mail; dsshin@kimm.re.kr 32 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006