더크 뮐러 박사(Dr. Dirk Mueller, Ph.D.)
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반도체 초소형 부품 생산, 디스플레이 제작, 의료기기 제조를 비롯한 다양한 산업에서 점차적으로 과거보다 정밀한 프로세싱의 필요성이 증가하고 있다. 즉, 더 작은 부분에 더 높은 정확도로 절단, 드릴링, 마킹공정을 하는 것과 동시에 주변 소재가 받는 영향은 줄여야 하는 것이다.
과거 대부분의 정밀 프로세싱에는 나노초의 펄스폭이나 자외선 파장대의(또는 그 둘 모두를 갖춘) 레이저가 사용되었다. 하지만 이와 같은 기존 방법으로는 높은 수준의 새로운 어플리케이션들의 필요를 충족시키지 못하는 경우가 발생하게 되었다. 이러한 이유로 초고속(피코초 또는 펨초토) 펄스폭을 채택하여 공정을 수행하는 어플리케이션들이 생겨나고 있다.
본 글에서는 초고속 프로세싱의 장점과 이를 이용한 어플리케이션에 대해 알아보도록 한다.
 
■ 초고속 프로세싱(Ultrafast Processing)의 장점

미세가공(micromachining)의 목적은 마이크론 단위의 천공, 홈, 표식 등을 철저한 정확도로 성형하는 동시에, 주위 물질의 열손상을 방지하는데에 있다. 즉 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)는 최소화 하면서 정밀하고 깔끔하게 절단, 마킹하는 것이다.
 
레이저를 사용하여 물질을 뚫고(drill), 긁고(scribe), 절단하고, 새기는 방식은 기본적으로 2가지가 있다.
 
첫 번째 방식은 광열효과(Photothermal interaction)이다. 기존의 많은 어플리케이션에서는 펄스폭이 수십 나노초 범위인 적외선과 가시광 파장의 Q 스위치 레이저(Q-switched laser)를 사용하여 빛에 의한 열작용으로 물질을 가공해 왔다. 이때, 집광된 레이저빔은 좁은 면적에 가해지는 강력한 열원 역할을 한다. 결과적으로, 대상 물질은 급속하게 가열이 되어 기화(증발)하게 된다.
 
이러한 방식은 대상물질에서 상대적으로 많은 양을 신속하게 제거할 수 있다는 장점이 있다.(이는 Q 스위치 레이저가 통상적으로 수 kHZ 단위의 반복 주파수(repetition rate)로 가동된다는 점을 고려하면 잘 알 수 있다.) 또한 나노초 레이저 기술은 이미 확립된 분야로, 신뢰도가 뛰어날 뿐 아니라 유지, 운용비용도 매력적이다. 하지만 매우 고난이도의 작업을 수행할 시에는 주변의 열영향부 손상(표면코팅의 박리, 미세균열 등) 및/또는 일부 물질의 재응고 현상이 발생할 수 있어 한계를 가진다.
 
열영향부의 크기를 최소화하기 위해서는 가시광이나 근적외선이 아닌 자외선 파장대의 나노초 레이저를 사용하는 방법이 있다. 자외선 광은 대부분의 물질에서 잘 흡수되기 때문에, 레이저광이 물질을 투과하는 깊이를 제한하여 열영향부도 줄일 수 있다.
 
레이저를 사용하여 물질을 제거하는 두 번째 방식은 어블레이션(Photoablation)이다. 여기에는 펄스폭이 짧아 매우 높은 최대 파워(메가와트 단위 이상)을 낼 수 있는 초고속 레이저가 사용된다. 최대 전력이 높기 때문에 다광자 흡수가 일어나 물질은 전자를 잃으며, 그 뒤 쿨롱 반발력으로 인해 소멸한다. 어블레이션(Photoablation) 방식은 물질을 단순히 가열하는 것이 아니라, 물질을 서로 묶고 있던 분자 또는 원자결합 자체를 깨뜨리는 것으로, 기본적으로 열처리 공정은 아니다. 또한 초고속 펄스를 사용하면 대상 물질이 매우 짧은 시간내에 제거되므로, 열이 주위 물질에 확산되기 전에 제거된 물질이 대부분의 에너지를 흡수한다. 이러한 작용들로 인해 열영향부의 크기는 상당히 줄어들게 된다. 또한 재응고 물질을 남기지 않는 깔끔한 공정이기 때문에 복잡한 후처리 공정이 필요 없다.
 
초고속 프로세싱의 또 다른 장점은, 기존의 상업용 레이저로는 가공이 힘들었던 높은 밴드갭을 가진 물질을 포함한 광범위한 물질(유리, 사파이어, 일부폴리머 등)에도 사용하기 적합하다는 것이다. 초고속 프로세싱은 “파장중립적”이어서 레이저의 파장범위에서 일반적으로 투과되어 버리는 물질에서도 비선형 흡수가 일어나기 때문이다.
 
초고속 프로세싱은 어블레이션 속도가 낮다는 단점이 있으며 펄스폭이 긴 레이저 제품보다 비용도 많이 든다. 그렇기 때문에, 초고속 프로세싱은 대개 최고의 정밀도와 품질, 열영향부 최소화가 요구되는 경우에만 주로 사용되어 왔다. 

 

[그림 1] 펄스폭이 긴 레이저와 초고속 레이저를 사용한 프로세싱 간의 주요 차이점
 

 

초고속 레이저는 현재 적외선에서 자외선에 이르는 산업용 제품으로 출시되어 있다. 일반적으로 자외선 초고속 레이저는 정밀도나 열영향부 최소화에 있어 최상의 결과를 낸다. 이는 자외선 광자의 광자에너지가 높아 보다 효율적으로 비선형 흡수가 이루어지며(회절로 인해) 대상 범위를 최소로 국한할 수 있기 때문이다. 게다가 남은 자외선광이 선형 흡수되기 때문에 에너지가 물질 깊숙이 침투되지도 않는다. 자외선 및 초고속 레이저에는 이러한 부가적인 장점이 있지만 이는 적외선 및 가시광 파장대의 피코초 레이저가 가지는 높은 출력성능과 비교하여 적절히 고려되어야 한다. 출력이 클수록 가공속도가 높아져 처리율(Throughput) 또한 향상되기 때문이다.  

 

[그림 2] 나노초 레이저(좌)와 피코초 레이저(우)를 사용하여 스테인리스강에 가공한 지름 200um의 천공, 피코초 레이저의 결과물이 더 매끈하며 재응고 물질이나 열영향부도 적음을 알 수 있다.

■ 하이-엔드(High-End) 마킹

초고속 레이저를 활용한 상업용 어플리케이션은 크게 특수 마킹, 미세구조 제작, 박막가공 3가지로 분류할 수 있다.
 
다양한 레이저 제품이 폭넓은 분야에서 마킹용도로 사용되고 있다. 이러한 응용분야는 장비 가격과 마킹 단가 등 비용에 매우 민감한 경우가 대부분이다. 그럼에도 고급 제품에서 보다 더 정밀한 “하이-엔드” 마킹에 대한 수요는 계속 늘어가고 있다. 이러한 상황에서는 초고속 레이저와 같은 고가의 정교한 레이저 제품을 사용하는 것이 정당화 될 수 있는 것이다.
 
소위 “블랙마킹”으로 불리는 기법이 하이-엔드 레이저 마킹의 대표적인 예이다. 이는 태블릿 컴퓨터 제조업체들이 사용하는 방법으로, 일부 제품의 아노다이징 알루미늄 케이스에 글자와 일련번호를 새기는데에 활용된다
 
블랙마킹에서는 피코초 레이저의 출력을 포커싱하여 알루미늄 표면 아래에서 빔 웨이스트(Beam waist)가 형성되고 이 부분에서만 다광자 흡수를 일으키기에 충분한 레이저의 강도가 나오도록 제어한다. 레이저를 사용하여 알루미늄 내부에 빛을 가두는 미세구조를 만들어 이 부분은 검정색으로 보이는 반면, 상부의 산화알루미늄 양극산화층은 선명하고 그대로의 모습을 유지하게 된다. 그 결과, 마킹이 대비가 매우 선명하며 마모되지도 않고, 손으로 표면을 만져보면 매끄럽다.

[그림 3] '블랙마킹'은 아노다이징 알루미늄에 매우 선명하면서도 매끄러운 마킹을 만들 수가 있다.

블랙마킹이 기존 레이저 마킹 기법에 비해 비용이 높음에도 불구하고 활용되는 이유는 2가지의 장점이 있기 때문이다. 첫 번째, 위변조가 거의 불가능한 표식을 성형할 수 있으며, 두 번째, 이러한 마킹은 시각적 촉각적으로 특히 뛰어나 우수한 품질과 앞선 스타일의 브랜드  이미지를 추구하는 제조업체들이 이러한 방식을 선호하게 되는 것이다.
 
■ 금속, 텅스텐카바이드, 다이아몬드에의 미세구조 제작

초고속 레이저는 자동차 산업에서 미세 구조를 제작하는 데에 보다 폭넓게 활용되고 있다. 그 중에는 초고속 레이저를 사용하여 부품 표면에 일련의 작은 홈을 내는 기법도 있다. 표면장력으로 인해 홈 밖으로 오일이 유출되지 않아(금속간 직접 접촉에 따른) 아스파틱산 접촉을 방지할 수 있다. 이러한 처리 방법을 활용하면, 기존의 방식으로 가공한 표면에 비해 동적 부품의 마찰을 획기적으로 줄일 수 있다. 
 
 

입상도 2um ~ 40um의 다결정질 다이아몬드(ILJIN CXL-LL)가 텅스텐 카바이드에 삽입되어 있는 절단용 공구의 제작 시, 기존 공구(diamond grinding)와 레이저 간의가공 품질 비교
 

[그림 4] EWAG Laser Line Ultra(위)는 다이아몬드 공구 제작 장비이다. 사진에서는 기존의 다이아몬드 연마방식으로 제작한 공구 절단면과 레이저 절제로 제작한 공구 절단면이 비교되어 있다. 레이저로 제작한 절단면이 더 매끈하며 깨진 부분도 거의 없다.

초고속 레이저는 표면이 고르지 않고 형상이 복잡한 부품의 미세 구조를 제작하는데에 가장 유용하게 활용된다. 엑시머 레이저를 사용한 마스크 투영기법으로는 이러한 종류의 표면을 처리하기가 어렵다. 반면 초고속 레이저는 출력이 한 지점에 집중되기 때문에 표면이나 형상 조건이 문제가 되지 않으며, 형상이 매우 복잡한 표면에서도 부품과 레이저 움직임의 조합을 조절하여 신속하게 처리할 수 있다. 초고속 레이저는 또한 각종 강철, 티타늄합금 등의 경성금속을 포함한 광범위한 물질에도 사용하기 적합하다는 장점이 있다.
 
이러한 미세 구조 제작의 가장 일반적인 예로는 터보차저 터빈의 휠 샤프트를 들 수 있다. 여기서 샤프트는 고속으로 회전하여 상대적으로 높은 에너지를 받게 되므로, 마찰을 줄이면 구동 효율과 제품수명을 향상시킬 수 있다. 레이저를 사용하여 샤프트상에 일련의 홈을 내는데, 홈은 폭 10-20um, 길이 40-100um, 깊이 약 5um으로 가공한다. 성형된 홈은 베어링 표면에서 극히 작은 면적만을 차지하게 된다.
 
지금까지 이러한 공정은 EDM(Electric Discharge Machining)이 담당해 왔다. EDM의 가장 큰 한계점은 속도가 낮다는 것이다. 게다가 접촉식 공정이어서 공구전극을 정기적으로 교체해 주어야 하며, 이에 따라 기계의 다운타임이 발생한다. 또한 시간이 지남에 따라 공구가 마모되기 때문에 공정의 일관성이 떨어지고, 기기의 운영비용이 증가하는 문제가 있다.
 
나노초 펄스폭의 레이저도 이러한 유형의 미세 구조 제작에 사용되어 왔다. 이때 가장 큰 단점은 펄스폭이 길어 레이저로 성형한 홈 주위에 어느 정도의 재응고 물질이 항상 남는다는 것이다. 이 경우 홈 둘레의 작은 버(bur)로 인해 턱(high spot)이 형성되어 호닝(honing) 등의 추가적인 후처리 공정으로 이들을 제거하지 않는 이상 마찰이 발생한다. 이에 따라 후처리 공정에 추가적인 비용이 소요되며 일부 특수형상의 부품은 가공자체가 어려운 경우가 있다.
 
고출력의 초고속 레이저를 사용하면 공정 속도가 향상되고 그에 따라 비용을 절감되므로 고출력의 초고속 레이저 사용이 더 합리적인 듯 하지만, 실제 자동차 업계에서의 실정은 이와는 정반대 일 수 있다. 이는 대부분의 자동차 생산공정에서 택타임(Takt time)을 제한하는 요인이 재료 취급이나 위치 선정 등의 공정이기 때문이다. 결과적으로, 고출력 레이저는 대부분의 시간에 유휴상태로 방치되어 충분히 활용되지 못하며, 이에 따라 고출력이 주는 장점이 빛을 잃게 되는 것이다.
 
전동 공구업계에서 절단면을 성형할 때에도 미세구조 제작 방법이 널리 활용된다. 초고속 레이저 프로세싱은 특히 텅스텐카바이드나 다이아몬드와 같은 경성물질에 사용하기에 유용하다.

초고속 레이저가 비접촉식 저온공정으로 물질을 제거하기 때문에 절단면의 품질이 뛰어나며, 깨지는 부분이 발생하지 않는다. 입상도가 큰 물질의 경우에는 다이아몬드 결정의 일부만을 레이저로 제거하여 매끄러움을 극대화 할 수 있다. 기존의 기계적 가공방법으로는 초고속 레이저 수준의 품질을 구현하기가 거의 불가능하다. 또한 레이저 프로세싱을 활용하면 공구 모서리가 정확한 형상을 이루며, 오목한 부분도 구현할 수 있다. 그 결과 공구 기능이 향상될 뿐 아니라, 시간이 지남에 따라 깨지기 쉬운 뾰족한 모서리보다 곡선형 절단면의 마모가 덜하기 때문에 공구 자체의 수명도 연장된다.
 
■ 박막 어블레이션(Thin Film Ablation)

각종 미세 전자장치, 평판디스플레이(FPD), 태양광패널 제작시 보통 교차층으로 설계되는 유전체, 금속 및/또는 반도체 재료에 박막패턴성형(patterning)이 필요하다. 예를 들어, 터치스크린에서는 전체 선폭에서 약 100um의 정밀도로 투명 전도 산화필름을 완전히 투과하여 스크라이빙이 해야 한다. 이러한 패턴 성형공정은 기존에는 일종의 포토리소그래피(photolithography) 방식으로 이루어졌다. 하지만 포토리소그래피의 복잡한 다단계 공정에는 대규모 자본 투자와 제작비용이 들어가며 환경오염의 우려와 제작시간이 길다. 이에 따라 개별 공정의 수도 훨씬 적고 습식 화학기법이 거의 포함되지 않는 레이저 미세가공을 통한 패턴 성형기법이 점차 널리 대안으로 선택되고 있다.
 
디스플레이 및 터치스크린 시장의 경우, 최신 초고속 레이저를 활용하여 파쇄(spallation)라고 하는 새로운 직접 패턴 성형공정이 이루어지고 있다. 이러한 신규 제작공정은 제거하고자 하는 공간 범위내에서(약 수백 나노미터 단위) 원하는 부분만을 선택적으로 제거할 수 있으며 아래층은 손상되지 않는다. 또한, 파쇄는 한 단계의 프로세스로 끝나는 건식 공정이므로 잔여물이 거의 발생하지 않아 후처리(세정)가 필요 없다.
 
파쇄(Spallation)는 레이저의 파장 범위에 따른 흡수특성이 서로 다른 두 층 사이의 소량의 물질만을 기화시키는 방법이다. 아래 층 물질에서 잘 반응하는 파장의 레이저빔은 상층부를  그냥 통과하므로 빔은 하층부 에서 흡수된다. 레이저에서 발생한 모든 펄스 에너지는 하층부의 표면 아래 수 나노미터 단위의 깊이 안에서 흡수된다. 밀폐된 공간 안에서 흡수가 일어나므로 기화하여 팽창된 물질이 유출될 곳이 없다. 따라서 원자화된 물질의 팽창으로 인해 충격파가 발생하고 두 층 중에서 더 얇은층이 파괴된다. 중요한 점은 이러한 레이저 파쇄 공정에서는 주변과 아래층 물질의 손상을 최소화 할 수 있어, 전자 및 디스플레이 산업에서 사용되는 대부분의 박막에 적용하기에 이상적이라는 것이다.
 
 

[그림 5] 파쇄시 1) 포커스 된 레이저빔이 층간에 흡수된 뒤 2) 박막층이 가열되고 3) 충격파가 확산되어 4) 박막층이 파괴된다.

이러한 파쇄 기법은 태양광패널 생산에 활용된다. 패널에 SiO2층(passivation layer)을 추가하면 에너지 전환 효율이 향상되는 것이 입증된 바 있다. SiO2 층은 비전도성이므로 생산 된 전기를 이동시키기 위해서는 이 층을 선택적으로 제거해야 한다. 아래의 SEM 사진에는 단일 355nm의 초고속 레이저 펄스를 사용하여 실리콘 기판에서 SiO2 박막을 제거하는 과정이 나타나 있다. 용융된 실리콘이나 기판 손상은 발견되지 않으며, 따라서 후처리 세척 공정이 필요 없게 된다.

[그림 6] 피코초 펄스(355nm)를 사용하여 실리콘에서 SiO2를 제거하는 과정(최적 에너지 밀도: 최대 0.11 J/cm2)


 

■ 결론
 
결론적으로 초고속 산업용 레이저는 특유의 장점 때문에 금속, 다이아몬드, 박막 및 기타 가공이 어려운 물질을 다양하게 고정밀 처리하는데 활용될 수 있다. 초고속 레이저는 출력 특성, 신뢰도, 운용비용이 지속적으로 향상되고 있기 때문에 품질을 최우선 순위로 하는 어플리케이션에서 틈새 시장을 확대할 수 있을 것이다.