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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저에칭 기술을 이용하여 고세장비 미세채널을 제조하는 방법에 대해 보고한다. 레이저에칭 실험을 위해서는 우수한 열전달 특성과 성형성으로 인해 마이크로히트파이프나 마이크로 반응기와 같은 마이크로 열소자 제작에 자주 활용되는 소재인 500 nm 두께의 스테인레스강(이하 *STS-304') 박판이 이용되었다.
- 본 연구에서는 레이저에칭 기술을 통하여 균일한 수치와 우수한 표면 형상을 갖는 고세장비 미세금속채널의 제조에 대하여 설명하였다 다양한 공정 변수들을 적절하게 조절함으로써 H3PO4 수용액에서 15 皿의 최소 폭으로 10 이상의 세장비를 가지는 미세채널을 제조할 수 있었다. 그러나 H2SO4 수용액에서 제조된 미세채널의 경우, 불균일한 표면 및 단면 형상을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 6 이하의 세장비를 가진다는 것을 확인하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 본 실험에서는 고세장비의 미세채널을 제조하기 위한 에칭용액으로 H3PO4 수용액을 선택하였으며 아래에서는 H3PO4에서 다른 공정 변수들을 변화시켜가면서 형성된 채널의 특성에 대해서 논의하고자 한다.
가설 설정
- 그림 2. 반복에칭횟수3)의 변화에 따른 채널의 (a) 폭과 (b) 깊이 변화 다른 공정 변수들은 P=1.75 W, V=10㎛/s, C=10%와 40% H3PO4.
제안 방법
- 에칭 가공 중, 원활한 에칭 용액의 공급과 가공 중에 발생하는 미세기포(micro bubble)를레이저 초점 주위에서 효과적으로 제거하기 위하여 연동 펌프를 이용하여 100 mL의 에칭용액 저장소로부터 용액을 챔버 내부로 순환시켰으며 레이저빔이 조사되는 챔버의 윗부분은 석영(quartz)으로 제작하여 에칭용액의 유출을 방지하였다. 그리고 시편이 에칭되는 모든 과정은 CCD(charge-coupled- device) 카메라를 통하여 실시간으로 관찰되었다. 실험에 사용된 시편은 500 nm 두께의 STS-304 (AISI 304, Fe72/ Crl8/Nil0) 박판으로서 가로, 세로를 1 cm X 1 cm 크기로 방전가공을 이용하여 절단 후 표면을 연마하여 사용하였으며 에칭용액은 황산(H2SO4, 98%)과 인산 (H3PO4, 85%)으로서 증류수와 혼합하여 농도를 조절하며 실험하였다.
- 본 실험에서 이송속도가 10 nm/s 이하로 너무 느린 경우, 채널 주변으로의 열 확산에 의해 오히려 폭이 넓어지는 경향이 있으며 그와 반대로 이송속도가 빠른 경우에는 충분한 레이저 에너지가 공급되지 못하여 깊이가 얕은 채널이 형성되었다. 따라서 고세장비를 갖는 채널을 제조하기 위하여 본 연구에서는 레이저초점의 이송속도를 10 Utn/s로 고정하고 실험하였다.
- 특히, 에칭이 진행되는 동안 깊이 방향 뿐만 아니라 폭 방향의 에칭도 동시에 진행되기 때문에 고세장비를 갖는 채널 제조의 경우, 채널의 폭을 작게 유지시키는 것이 필수적이다. 따라서, 본 실험에서는 좁은 채널 폭을 갖는 고세장비 미세채널을 제조하기 위하여 비교적 긴 초점 심도(depth of focus)와 작은 개구수(numerical aperture)를 가지는 5배 대물렌즈를 이용하여 시편 표면에 레이저빔을 집속하였다. 이러한 대물렌즈를 이용하면 처음 에칭 시 시편 표면에서 측정된 폭이 약 15 ~ 50lim, 깊이가 약 100 〜 200 nm 정도되는 채널이 형성된다.
- Lu 등[10]은 자기기록장치에 적용 가능성 여부를 조사하기 위하여 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하여 다결정(polyciystalline) AbQTiC 상에 제조된 미세채널의 폭 및 깊이에 대해 연구하였다. 또한, Hussey 등卩门은 KOH를 이용하여 YBazCmO 상에 미세채널을 제조한 후 레이저 출력과 이송속도에 따른 채널 형상에 대해 조사하였다. 이와 같이 레이저에칭 기술로 다양한 소재에 미세채널을 제작할 수 있다는 가능성에 대한 연구들이 보고되었음에도 불구하고, 제조된 채널의 표면 및 단면 형상이 우수하지 못하거나 채널 깊이가 얕기 때문에 실제 마이크로 소자 제작에의 적용에는 한계가 있었다.
- 레이저출력, 에칭 용액의 농도, 이송속도와 같은 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고 세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 공정 조건에 따른 미세채널의 표면 및 단면 형상의 변화를 조사하였다. 또한, 레이저에칭을 통해 제조된 10 이상의 높은 세장비를 갖는 미세채널을 이용하여 판형 마이크로 히트파이프를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
- 실험에 사용된 시편은 500 nm 두께의 STS-304 (AISI 304, Fe72/ Crl8/Nil0) 박판으로서 가로, 세로를 1 cm X 1 cm 크기로 방전가공을 이용하여 절단 후 표면을 연마하여 사용하였으며 에칭용액은 황산(H2SO4, 98%)과 인산 (H3PO4, 85%)으로서 증류수와 혼합하여 농도를 조절하며 실험하였다. 또한, 에칭된 구조물은 초음파 세척 후 각각 광학현미경(optical microscope)과 전자 현미경(scanning electron microscope)으로 측정되었다.
- 레이저에칭 실험을 위해서는 우수한 열전달 특성과 성형성으로 인해 마이크로히트파이프나 마이크로 반응기와 같은 마이크로 열소자 제작에 자주 활용되는 소재인 500 nm 두께의 스테인레스강(이하 *STS-304') 박판이 이용되었다. 레이저출력, 에칭 용액의 농도, 이송속도와 같은 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고 세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 공정 조건에 따른 미세채널의 표면 및 단면 형상의 변화를 조사하였다. 또한, 레이저에칭을 통해 제조된 10 이상의 높은 세장비를 갖는 미세채널을 이용하여 판형 마이크로 히트파이프를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서 제안된 레이저에칭 기술이 마이크로 소자의 제작에 적용 가능한지를 조사하기 위하여 그림 9에서와 같이 고세장비 미세채널 기반의 마이크로 히트파이프를 실제 제작하였다. 히트파이프용 상판과 하판은 500 nm 두께의 STS-304 박판으로서 P=1.
- 미세 이송계는 정밀도가 1 Um인 스테핑 모터로 구동되며 PC에 장착된 미세 이송계 제어장치를 이용하여 시편의 이송 경로를 제어하였다. 에칭 가공 중, 원활한 에칭 용액의 공급과 가공 중에 발생하는 미세기포(micro bubble)를레이저 초점 주위에서 효과적으로 제거하기 위하여 연동 펌프를 이용하여 100 mL의 에칭용액 저장소로부터 용액을 챔버 내부로 순환시켰으며 레이저빔이 조사되는 챔버의 윗부분은 석영(quartz)으로 제작하여 에칭용액의 유출을 방지하였다. 그리고 시편이 에칭되는 모든 과정은 CCD(charge-coupled- device) 카메라를 통하여 실시간으로 관찰되었다.
- 에칭용액의 농도에 따라서 단면 형상은 약간 다르게 가공되는데 그 이유는 이후에 자세히 논의될 것이다. 이러한 결과를 바탕으로 본 실험에서는 반복 에칭 횟수를 5회로 고정하고 실험하였다.
- 75 W, V=10 nm/s, N=5, C=10% H3PO4의 공정 조건으로 형성된 50 mm 길이의 미세채널이 각각 15개씩 제조되어 있다. 중간판은 상판 및 하판과 같은두꺼】, 같은 소재로서 증기 통로구(vapor passage) 역할을 위하여 단면적이 1 mm2 (2 mm x 0.5 mm)가 되도록 방전 가공하였다. 그림 9 (a)는 레이저 용접으로 완성되기 전의 마이크로 히트파이프용 상판, 중간판, 하판을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 도 가능함을 보였다. 따라서 본 연구에서도 선행된 연구를 바탕으로 H2SO4와 함께 H3PO4를 이용하여 실험하였다.
- 제조하는 방법에 대해 보고한다. 레이저에칭 실험을 위해서는 우수한 열전달 특성과 성형성으로 인해 마이크로히트파이프나 마이크로 반응기와 같은 마이크로 열소자 제작에 자주 활용되는 소재인 500 nm 두께의 스테인레스강(이하 *STS-304') 박판이 이용되었다. 레이저출력, 에칭 용액의 농도, 이송속도와 같은 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고 세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 공정 조건에 따른 미세채널의 표면 및 단면 형상의 변화를 조사하였다.
- 나타낸다. 실험에 사용된 레이저는 532 nm의 중심 파장과 8 W의 최대 출력을 갖는 다이오우드펌핑 고체 (diode-pumped solid-state, DPSS) CW 레이저로 시편과 에칭 용액 사이의 화학반응을 유도하는 열원으로 이용되었다. DPSS 레이저빔은 시편 표면에서 집속 효율을 높이고 빔 경로상에놓여 있는 다른 광학계들을 보호하기 위하여 5배 빔 확대기를 거친 후 선형편광기와 1/4 파장판을 통과하여 원형 편광으로 변환된다.
- 그리고 시편이 에칭되는 모든 과정은 CCD(charge-coupled- device) 카메라를 통하여 실시간으로 관찰되었다. 실험에 사용된 시편은 500 nm 두께의 STS-304 (AISI 304, Fe72/ Crl8/Nil0) 박판으로서 가로, 세로를 1 cm X 1 cm 크기로 방전가공을 이용하여 절단 후 표면을 연마하여 사용하였으며 에칭용액은 황산(H2SO4, 98%)과 인산 (H3PO4, 85%)으로서 증류수와 혼합하여 농도를 조절하며 실험하였다. 또한, 에칭된 구조물은 초음파 세척 후 각각 광학현미경(optical microscope)과 전자 현미경(scanning electron microscope)으로 측정되었다.
- 5 mm)를 통해 시편 표면에 집속된다. 에칭용액과 시편이 담긴챔버는 X-Y-Z 미세 이송계 위에 장착되어 있으며 화학반응을 방지하기 위하여 테플론(Teflon®) 재료를 이용하여 제작되었다. 미세 이송계는 정밀도가 1 Um인 스테핑 모터로 구동되며 PC에 장착된 미세 이송계 제어장치를 이용하여 시편의 이송 경로를 제어하였다.
- 히트파이프용 상판과 하판은 500 nm 두께의 STS-304 박판으로서 P=1.75 W, V=10 nm/s, N=5, C=10% H3PO4의 공정 조건으로 형성된 50 mm 길이의 미세채널이 각각 15개씩 제조되어 있다. 중간판은 상판 및 하판과 같은두꺼】, 같은 소재로서 증기 통로구(vapor passage) 역할을 위하여 단면적이 1 mm2 (2 mm x 0.
성능/효과
- 그림 5 (a)에서 볼 때 폭이 좁은 채널을 형성하는데 있어서 H3PO4 수용액이 훨씬 유리함을 쉽게 알 수 있다. 10% H2SO4에서 제조된 채널의 폭은 각각의 레이저 출력에 대해 10% H3PO4에서 형성된 채널에 비해 약 2배 정도 넓게 가공이 된다는 것을 본 실험을 통해 확인하였다. 그림 5 (b)에서 보는 바와 같이 H3PO4에서는 동일한 레이저 출력에 대하여 H2SO4에서보다 조금 얕은 채널이 형성되는데 그 이유는 앞서 설명한 바와 같이 H2SO4의 높은 에칭율 때문이다.
- 가지는 미세채널을 제조할 수 있었다. 그러나 H2SO4 수용액에서 제조된 미세채널의 경우, 불균일한 표면 및 단면 형상을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 6 이하의 세장비를 가진다는 것을 확인하였다. 또한, 레이저출력과 에칭 용액의 농도를 조절하면 U 형상과 V 형상의 사이의 임의의 단면을 가지는 미세채널의 제조가 가능하였다.
- 그림 7 (e)와 7 ⑴에서는 각각 10%와 40%의 농도에서 형성된 채널의 표면 형상을 보여주고 있다 그림에서 알 수 있듯이 에칭용액의 농도와는 상관없이 채널 전체에 대하여 열영향부(heat affected zone)나 열변형이 없는 깨끗한 표면 형상을 갖는 채널이 제조된다. 따라서 본 연구에서 이용된 레이저에칭은 균일하고 우수한 품질의 고세장비 미세채널을 효과적으로 제조할 수 있는 레이저 미세가공 기술임을 확인할 수 있다.
- 채널과 채널 사이의 간격은 마이크로 열소자의 설계 시, 매우 중요한 요소로 작용할 수 있는데 그 이유는 제한된 소자의 크기 내에서 제조되는 미세채널의 개수는 전달할 수 있는 열용량과 직접적으로 관련되기 때문이다. 따라서 우수한 열전달 효율을 갖는 마이크로 열소자 제작을 위해서는 H3PO4 수용액을 이용하여 미세채널을 제조하는 것이 훨씬 유리하다는 것을 그림 6에서 확인할 수 있다. 본 실험을 통하여 H3PO4에서는 30 ~ 50 urn 정도의 폭을 갖는 여러 개의 채널이 150 nm 간격을 유지하며 제조 가능하였으며 채널 사이의 간격을 더욱 줄일 수 있다는 것도 그림 6을 보면 알 수 있다.
- 그러나 H2SO4 수용액에서 제조된 미세채널의 경우, 불균일한 표면 및 단면 형상을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 6 이하의 세장비를 가진다는 것을 확인하였다. 또한, 레이저출력과 에칭 용액의 농도를 조절하면 U 형상과 V 형상의 사이의 임의의 단면을 가지는 미세채널의 제조가 가능하였다. 본 연구에서 이용된 레이저에칭 기술은 마이크로 히트파이프를 비롯한 마이크로 반응기 또는 마이크로 연료전지와 같은 고세장비 미세채널을 기반으로 한 고효율 마이크로 소자 제작에 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 75 W, N=5, C=10% H3PO4의공정 조건으로 제조된 채널의 단면 형상을 보여주고 있다. 반복에칭을 통하여 채널을 제조한 후, V=10 nm/s일 때 폭이 좁고 깊이가 깊은 채널을 형성할 수 있는 최적의 이송속도임을 알 수 있었다. 본 실험에서 이송속도가 10 nm/s 이하로 너무 느린 경우, 채널 주변으로의 열 확산에 의해 오히려 폭이 넓어지는 경향이 있으며 그와 반대로 이송속도가 빠른 경우에는 충분한 레이저 에너지가 공급되지 못하여 깊이가 얕은 채널이 형성되었다.
- 따라서 우수한 열전달 효율을 갖는 마이크로 열소자 제작을 위해서는 H3PO4 수용액을 이용하여 미세채널을 제조하는 것이 훨씬 유리하다는 것을 그림 6에서 확인할 수 있다. 본 실험을 통하여 H3PO4에서는 30 ~ 50 urn 정도의 폭을 갖는 여러 개의 채널이 150 nm 간격을 유지하며 제조 가능하였으며 채널 사이의 간격을 더욱 줄일 수 있다는 것도 그림 6을 보면 알 수 있다.
- 그림 5 (c)는 각각 H3PO4와 H2SO4에서 레이저출력의 변화에 따라 형성된 채널의 세장비 변화를 나타내고 있다. 전체적으로 볼 때 H3PO4에서 제조된 채널은 약 10 정도의 세장비를 가지나 H2SO4에서의 경우에는 H3PO4에서 형성된 채널의 세장비의 약 60% 정도 밖에 되지 않는다. 여기서 주목할 만한 것은 레이저출력의 증가에 대하여 깊이 방향으로 에칭이 진행되더라도 세장비는 거의 일정한 값을 유지하고 있다.
- 또 다른 가능한 이유로는 에칭 시, 에칭용액의 비등 또는 부산물(by product) 인 수소 가스에 의해 생성되는 미세기포의 거동에 의한 영향이다. 즉, 낮은 점성을 갖는 낮은 에칭용액의 농도에서는 채널 내부에서 미세기포들이 빠져나갈 때 에칭 생성물을 효과적으로 제거함으로써 신선한 에칭용액의 공급을 원활하게 하여 결과적으로 U 형상의 단면을 가지는 채널이 제조될 수 있는 것이다. 그와 반대로 높은 에칭용액의 농도에서는 미세기포의 유동이 원활하지 못하여 V 형상의 단면을 가지는 채널이 제조되는 것으로 판단된다.
- 이 때, 채널의 벽면은 굉도파로(optical waveguide) 같은 역할을 함으로서 입사되는 레이저빔은 바닥 부분까지 전달되기 때문에 점점 깊은 채널이 생성된다. 초점 심도가 너무 짧은 집속렌즈를 사용할 경우, 가공 중에 시편 표면에 초점을 지속적으로 위치시키는 것이 어렵고 이에 따라 형성된 채널의 표면 및 단면 형상이 균일하지 못함을 실험적으로 알 수 있었다.
후속연구
- 또한, 레이저출력과 에칭 용액의 농도를 조절하면 U 형상과 V 형상의 사이의 임의의 단면을 가지는 미세채널의 제조가 가능하였다. 본 연구에서 이용된 레이저에칭 기술은 마이크로 히트파이프를 비롯한 마이크로 반응기 또는 마이크로 연료전지와 같은 고세장비 미세채널을 기반으로 한 고효율 마이크로 소자 제작에 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 5 mm(H)이다. 증류수(pure water)를 작동 유체로 하여 동작하는 STS-304 마이크로 히트파이프는 30°C 에서 약 3.5 W까지 소자의 오동작 없이 정상적인 열전달 특성을 나타내고 있으며 현재 보다 더 정확한 특성 평가를 위해 계속 연구가 진행 중이다.
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