다양한 프로세싱에서 빛을 발하는 새로운 CO 레이저 기술
신뢰할 수 있는 고출력 중적외선 레이저(Mid-IR laser)의 개발로 프로세스 개발자들은 다양한 분야에서 중적외선 레이저 고유의 특성을 활용할 수 있게 되었다.
앤드류 헬드(ANDREW HELD)
코히런트
일산화탄소(CO) 레이저가 처음 개발된 지 50년이 지나는 동안 CO 레이저는 많은 면에서 유망한 기술로 주목 받아왔다. 먼저, CO 레이저는 입력된 전기 에너지를 광원으로 변환시키는 효율성이 탁월한 레이저로 현재 일반적으로 쓰이는 이산화탄소(CO2) 레이저에 비해 효율성이 2배 더 우수하다. 또한 CO2 레이저의 출력 일반적인 스펙트럼이 대개 10.6μm 인 반면, CO 레이저의 출력스펙트럼 대역은 5~6μm이다. 이처럼 파장이 짧기 때문에 다양한 어플리케이션에서 프로세스 상의 이점이 있다.
이러한 이점들을 감안할 때, CO 레이저와 비슷한 시기에 개발된 CO2 레이저가 산업용 어플리케이션에서 다양하게 활용되는 동안, CO 레이저는 왜 지금까지 실험실의 연구대상으로만 있었는지 의문이 들 것이다.
이는 CO 레이저 기술이 상업적으로 활용될 수 있는 수준의 실용성, 신뢰성, 비용 효율성을 확보하지 못했었기 때문이다. 특히 초기 CO 레이저는 고출력을 내기 위해 냉각이 필요했다(매우 출력이 높은 경우 극저온 냉각이 필요했다). 또한 최초의 밀폐형 CO2 레이저가 수백 시간 동안 고출력으로 작동 가능했던 반면에 초기의 밀폐형 CO 레이저는 수 시간 만에 출력이 급속히 떨어져 제품의 수명이 짧았다.
이와 같은 실질적인 문제점을 해결할 수 있는 새로운 CO 레이저 기술이 개발되면서 상황은 급속도로 바뀌고 있다. 그 결과, 상온에서 효율적으로 사용 가능한 고출력의 CO 레이저가 생산되었고, 수명 또한 수천 시간대로 늘어났다. 본 글은 새로운 CO 레이저의 제작을 가능케 한 기술에 대해 살펴보고, CO 레이저 고유의 출력 특성이 상업용 어플리케이션에 어떠한 이점을 가져왔는지를 알아본다
CO 레이저 개발
CO 레이저와 같은 가스 방전형 레이저를 개발하는데 따르는 어려움을 이해하기 위해서는, 좀더 친숙한 CO2 레이저 개발 과정에서의 문제점들을 살펴보면 보다 잘 이해할 수 있다. 완전 밀폐형 가스 방전 레이저 내의 동태는 매우 복잡하다고 할 수 있다. 화학 반응을 제어하는데 있어서의 핵심은 레이저 방전부 내외의 가스 화학 반응(레이저 ON/OFF 포함), 가스와 공명 물질(금속 및 세라믹) 간의 화학 반응, 레이저 생성에 사용되는 다양한 물질 간의 화학 관계, 잠재적 오염 물질의 화학 반응 등과 연관이 있다. 밀폐된 공명관 내부의 세정도 매우 중요하다.
 수 년간, 코히런트는 완전 밀폐형 CO2 레이저 내의 화학 반응을 제어하는 방법을 터득했으며, 이를 바탕으로 CO2 레이저의 성능과 신뢰성을 향상시켜 왔다. 오늘날, CO2 레이저는 더 높은 평균 출력과 최대 출력을 낼 뿐 아니라, 에너지와 펄스 안전성도 이전보다 향상되어, CO2 레이저의 신뢰성은 지난 10년 간 5배 가량 높아졌다. 이러한 발전은 향상된 공학 설계 및 개발, 제조 프로세스 최적화(코팅, 전자 부문 등)를 통해 CO2 레이저의 복잡한 화학 반응을 제어 할 수 있게 된 덕분이다. 이처럼 수년간 향상된 CO2 레이저의 설계와 최적화된 핵심 제조 프로세스가 이제는 새로운 CO 레이저에도 적용되고 있는 것이다.
 CO2 레이저의 기체 동태는 정밀하게 제어한 화학 반응이 한데 어우러진 결과라고 할 수 있다. CO2 레이저의 경우 무선 주파수(Radio frequency, RF)로 생성한 플라즈마 방전부에서 전자 충돌을 일으켜 질소 기체를 진동으로 들뜨게 만든다. 그 뒤 질소의 진동 에너지가 CO2 분자로 전달되면 CO2 분자는 광자를 방출(9.6 또는 10.6μm)하면서 더 낮은 에너지의 진동 상태가 된다. 이처럼 낮은 진동 에너지 상태에서 CO2 분자는 궁극적으로 진동-병진(Vibrational-translational, V-T) 에너지 전달을 통해 헬륨과 충돌하여 더 낮은 에너지 상태로 전환된다. 이처럼 최저 에너지 상태에서 다시 들뜬 상태가 될 수 있는 것이다.
여기에서는 ‘레이저 방출’을 위한 기체 반응뿐 아니라, CO2 분자의 분해와 재조합이 이루어지는데, 이는 혼합 기체 속의 추적 물질로 정밀하게 제어한다. 압력과 공명 형상의 최적화도 기체 동태와 화학 반응을 제어하는데 핵심적인 역할을 한다. 또한, 세정 프로세스에서 놓친 화학 물질이나 혼합기체 속에서 생성된 오염 물질이 기체 반응의 화학적 균형을 깨뜨려 레이저의 성능을 저해할 수도 있다.
 CO 레이저 내의 화학 반응은 CO2와는 다르지만 이에 못지 않게 복잡하다. CO2 레이저 내에서 방전 플라스마를 생성할 때 쓰는 것과 동일한 무선주파수로 전자 충돌을 일으켜 CO 분자가 직접적으로 진동 여기 상태가 된다. 하지만, CO 레이저의 경우 반드시 질소가 필요한 것은 아니다. 일단 진동 여기 상태가 되면 CO 분자는 진동-진동 전달(Vibrational-vibrational, V-V)을 통해 계속해서 다른 CO 분자들을 들뜬 상태로 만들 수 있다.
이원자성 에너지 준위 사다리에서 밀도가 높은 진동준위에 있는 원자 쌍들의 연속 되는 천이(Transition)를 통해 레이저가 방출된다. 더 낮은 에너지 준위로 천이되고 나면 그것이 그 다음 천이의 상위 상태가 되는데, 이것을 폭포 레이저(cascade laser)라고 한다. 효과적으로 레이저 광선이 방출되기 위해서는 CO2 레이저에서와 마찬가지로 많은 프로세스가 제대로 이루어져야 한다. CO2 레이저의 경우 헬륨 V-T 냉각이 매우 중요한 반면, CO 레이저에서는 V-V CO 펌핑 프로세스가 효율성적으로 이루어져야 한다. 이것이 초기 CO 레이저에 초저온 냉각이 적용된 이유 중 하나이다. 이러한 특징으로 지금까지는 실온에서 CO레이저를 실질적으로 사용할 수 없었던 것이다
중적외선(Mid-IR) 파장의 이점
CO 레이저가 특히 주목 받는 이유는 CO 레이저의 중간 길이의 적외선 파장이 CO2 레이저의 긴 파장 길이의 적외선 출력에 비해 어플리케이션 측면에서 2가지의 이점이 있기 때문이다. 첫째, 많은 물질들이 짧은 파장에서 상이한 흡수 양상을 보이며, 이에 따라 활용 가능한 프로세스 특성 측면에서 차이점이 있다는 것이다. 특히, 짧은 파장에서 흡수율이 더 우수한 물질일 경우, 더 낮은 레이저 출력으로 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)가 더욱 줄어들면서 효과적으로 가공할 수 있다. 짧은 파장에서 흡수가 잘 되는 물질로는 각종 금속, 필름, 폴리머, PCB 유전체, 세라믹, 합성물 등이 있다. 반면, 짧은 파장에서 전이(Transmission)가 더 잘 이루어지는 경우, 빛이 물질에 더 깊숙이 침투하는데, 이 또한 가공프로세스에 장점으로 작용하는 경우도 있다.
또 다른 주요 차이점은 짧은 파장이 긴 파장보다 회절 때문에 더 작은 스팟에 집중될 수 있으며 그 스팟의 크기는 파장에 비례한다는 것이다. 최종 스팟 크기는 작업 거리와 집광 렌즈의 조리개수에 따라 결정된다. 10.6μm CO2 레이저의 회절에 의해 제한되는 스팟의 크기가 이론적으로는 약 55μm인 반면, 실제 산업용으로 사용되었을 때의 최소 스팟의 크기는 80~90μm에 이른다. 비슷한 집광 조건에서 5μm CO 레이저의 스팟의 크기는 이론적으로는 25μm이지만, 실제는 30~40μm 범위가 된다. 그 결과, CO 레이저 스팟의 출력 밀도(Fluence)는 CO2 레이저의 4배에 이른다. 이처럼 출력 밀도는 높고 일부 물질에서 5μm 흡수율이 높기 때문에, 이 경우 CO 레이저를 사용하면 해당 물질들은 훨씬 더 낮은 출력으로 처리할 수 있다.
 짧은 파장은 회절(Diffraction) 때문에 거리 상에서 보다 천천히 확산되며 이에 따라 초점 심도(Depth of focus)가 향상된다. 특히, 피사계 심도(Depth of field, 빔 크기가 √2만큼 증가하는 거리)는 레이저 파장(λ) 및 입사 빔 지름(D)과 다음과 같은 관계가 있다:
시야 심도(Depth of field) = πD2/2λ
따라서, 입사빔의 지름이 일정할 때 파장 길이가 짧아지면 초점 심도는 증가한다. 심도가 깊을 경우, 높이/바닥비율(aspect ratio)이 큰 가공과 넓은 공정 구간(process window)의 가공에 이점이 있고, 특히 표면이 고르지 못하거나 두께의 편차가 있는 재료를 가공할 때 더욱 유리하다.
유리 절삭
CO2 레이저는 이미 많은 스마트폰과 태블릿 디스플레이에 사용되는 특수 유리(강화 및 비강화), 즉, 두께 1mm 이하의 박막 유리판 절삭 시에 활용되고 있다. CO2 레이저의 10.6μm 출력은 유리가 강력하게 흡수하는 반면 5μm 범위에서의 흡수율은 훨씬 낮다. 하지만 낮은 흡수율이 결과적으로 유리를 절삭할 때는 잠재적인 이점으로 작용하게 된다.
CO2 레이저 기반으로 유리 절삭 시, 광원은 표면에서 강력하게 흡수되어 열이 발생하기 때문에 그 뒤에 열을 전체 물질로 분산시켜야 한다. 레이저에 노출되고 나면 물줄기나 공기를 사용하여 물질에 열 충격을 주어 정밀하게 제어된 선이나 환기구를 만들어준다. 그 뒤 기계적인 수단을 사용하여 레이저로 그은 선을 따라 유리를 잘라낸다.
CO 레이저의 전체적인 과정이 비슷하나, 흡수율이 낮기 때문에 광원이 물질 전체에 더 깊이 침투한다. 열이 유리에 직접 가해지며 이는 표면에서의 분산에 좌우되지 않는다. 코히런트는 이 경우 표면이 녹지 않아 균열이 발생하지 않고 유리에 잔여 충격이 없다는 것을 실험을 통해 밝혀냈다. 그 결과 스크라이빙 품질이 향상되어 완전히 깔끔한 절삭품이 생산되며 동시에 제조업체의 경우 폭이 넓은 유리가공에도 적용할 수 있다.
CO 레이저로 유리를 절삭할 때, 또 주목할만한 점은 곡면절삭이 가능하다는 것이다. 이는 버튼, 컨트롤, LED, 카메라 렌즈를 구현하기 위해 곡면이나 깎인 모서리가 들어가는 스마트폰 디스플레이에서 특히 유용하다. CO2 레이저는 둥근 출력 빔을 길고 얇은 선으로 바꾸어야 표면에서 발생하는 강력한 열을 분산시킬 수 있기 때문에 통상적으로 직선으로 유리를 절삭하는 데에만 사용된다. 반면, CO 레이저는 흡수율이 낮기 때문에 열의 영향을 받지 않으면서 둥근 빔에 직접 사용할 수 있다.
CO 레이저로는 매우 얇은 유리(300μm 이하)도 처리가 가능하다. 이 정도의 두께는 기계적으로 절삭하기가 거의 불가능하며 CO2 레이저를 사용해서 처리하기도 매우 까다롭다. 이 경우, CO 레이저를 사용하면 유리를 완전히 절삭할 수 있어, 기계적인 절단 과정이 전혀 필요하지 않다.
유리 구멍드릴링
또 중요한 유리 가공 분야는 바로 2.5D 및 3D의 고급 회로 패키징 기법에서 사용되는 유리 인터포저를 드릴링하는 것이다. 이는 집속도(Focusability)가 우수하고 유리에서 5μm 광원의 흡수율이 낮아야 가능하다. 특히 이때 열 손상이나 균열 없이 깊이를 정밀하게 제어하면서 유리에 아주 작은 구멍을 뚫을 수 있다.
필름 절삭
폴리에틸렌(PE)은 3.5μm에서의 흡수율이 높으며 7μm와 14μm 이하에서의 천이가 심하지 않다. 하지만, 이런 파장에서는 고출력 레이저를 쓸 수 없으므로 PE를 레이저로 절삭하는 것이 과거에는 실용적이지 못했다.
CO2 레이저 파장에서는 고출력으로 낮은 흡수율을 끌어올릴 수는 있으나, 흡수되지 않은 빛에 의해 생성되는 잔여 열은 피할 수 없는 손상을 남긴다. 하지만 CO 레이저의 경우 집속도가 높아 이러한 손상 없어 PE를 효율적으로 절삭할 수 있다.
코히런트는 시험을 통해 박막(20μm) PE가 제한된 HAZ 범위(30μm)로 3000mm/s 이상의 속도에서 절삭이 가능함을 증명하였다. CO2 레이저를 사용하여 비슷한 에너지로 PE를 자르는 경우, 속도는 최대 500mm/s에 그치며 HAZ는 500μm에 이른다. 두께가 60μm인 경우, CO2 레이저로는 PE를 파괴하지 않고는 절삭할 수 없는 반면, CO 레이저로는 적정한 속도에서 만족스러운 품질로 PE를 자를 수 있다.
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본 글의 저자인 앤드루 헬드는 피츠버그 대학에서 물리 화학 박사학위를 취득하였으며, 현재는 코히런트의 CO2 레이저 제품의 마케팅 이사로 재직 중이다. 본 글 관련 문의는 코히런트 코리아 영업부의 백광렬 이사에게 하면 된다.
Tel. 02-460-7900
E-mail. Daniel.baek@coherent.com
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