[논문]3차원 대면적 연속 마이크로 레이저 패터닝을 위한 연구

김경한; 손현기; 이제훈

3차원 대면적 연속 마이크로 레이저 패터닝을 위한 연구
Study of 3 dimensional wide area continuous laser micro patterning 원문보기

한국레이저가공학회지 = Journal of korean society of laser processing, v.18 no.4, 2015년, pp.1 - 5

김경한 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 손현기 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 이제훈 (한국기계연구원 광응용기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

For continuous laser micro patterning on three-dimensional free form surface, innovative laser system is developed. The two axis galvanometer is combined with the dynamic focusing unit to increase optical distance. Also, it is synchronized with the 3 axis mechanical system. To determine laser machining sequence, laser CAM system is developed. It can make possible of 3D surface micro patterning under $25{\mu}m$ pattern width. The uniformity of pattern width is about 2.8% and it is validated that focal plane is well conserved by the dynamic focusing unit. Velocity and positional information of 1 axis is stage is fed to the scanner control board by the encoder signal and it makes possible real time synchronization. With this system, possible patterning volume is enlarged from $40{\times}40mm^2$ to $40{\times}120{\times}30mm^3$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

³ 레이저 공정이 기계 가공 공정을 대체하기 위하여, 다양한 형상에 적용 가능한 레이저 시스템이 개발되고 있으며, 몇몇 선진국에서는 레이저 가공 시스템과 CNC 머신을 결합한 레이저 가공 시스템을 상용화 하였다. 본 연구는 다양한 형상에 적용 가능한 레이저 패터닝 시스템을 위한 CAM 알고리즘 및 가공 시스템에 관한 것으로써, 특히 연속적인 패터닝 방법에 관한 것이다. 기존의 2축 스캐너와 2축 리니어 스테이지를 결합하여 전자 부품의 라우팅 및 드릴링 공정 장비가 개발되었다.

가설 설정

2축의 갈바노미터 스캐너와 1축의 가변초점 장치를 결합한 3축 스캐닝 모듈과, 5축의 리니어 스테이지 결합을 고려하였다. Fig. 1에서와 같이, 자유형상 표면상의 패터닝을 위한 매크로(macro) 경로인 스테이지는 표면에 수직 방향으로 일정한 거리를 유지하며 이송한다고 가정한다. 스테이지에 부착된 갈바노미터 스캐너는 상대적으로 마이크로(micro) 경로로 담당하게 되는데, 일차적으로 패터닝이 가능한 유효 스캐닝 부피(effective scanning volume)를 설정하였다.

제안 방법

100mm/s 등속으로 패터닝을 수행한 후 선폭 및 선폭의 균일도를 측정함으로써, CAM 알고리즘 및 실험 장치 검증을 하였다. 패터닝된 선을 임의로 20지점을 샘플링하여, 현미경으로 선폭을 측정하였다.
3차원 자유형상 표면을 단순화하기 위하여 반원통 형태의 표면 패터닝 테스트를 수행하였다. Fig.
매크로 모션인 경우 관성이 큰 스테이지에 담당하였고, 마이크로 모션은 갈바노 미터 스캐너에서 미세 패터닝을 하도록 CAM 시스템을 개발하였다. 3축의 스캐닝 볼륨을 구속조건으로 설정하였으며, 이를 위한 CAM 알고리즘을 개발하였다. CAM 알고리즘을 검증하기 위하여 Al₂O₃3차원 샘플에서 미세 패터닝 실험을 수행하였다.
4 단순 투영 방식이 아니라, 3차원 표면을 추종하는 방식을 사용하였다. Fig.
^4-6 최근에는 다축 시스템에서 레이저 드릴링 및 라우팅을 위한 경로 생성에 대한 방법도 활발히 연구되고 있다.^7,8 본 연구는 3차원 형상으로 확장하기 위하여 다축 리니어 스테이지와 3축 갈바노 미터 스캐너를 결합한 CAM 알고리즘 및 가공 시스템을 제작하여 Al₂O₃의 3차원 표면에 패터닝을 수행하였다.
CAM 알고리즘을 검증하기 위하여 Al2O3 3차원 샘플에서 미세 패터닝 실험을 수행하였다.
대면적 자유형상의 레이저 마이크로 패터닝을 일반화 하기 위하여 모델링을 수행하였다. 2축의 갈바노미터 스캐너와 1축의 가변초점 장치를 결합한 3축 스캐닝 모듈과, 5축의 리니어 스테이지 결합을 고려하였다.
이 때, 일정한 지점인 control point 에 각각 스테이지와 스캐너가 도달하는 시간을 일치함으로써, 동기화 조건을 구현하였다. 또한, 스캐너 경로는 CAD 데이터 경로를 분할한 것으로써, 실제 시스템에서 스테이지의 오차를 가변적으로 변환 할 수 있도록 하였다.
마지막 장면에서는 30mm 단차를 확인하였다. 레이저 CAD 데이터를 바탕으로 Y축이 정지한 상태에서, X축이 이송하는 경로를 선택하였다. 스테이지가 이송하는 동안 갈바노미터 스캐너가 3차원 형상 위에 2mm 간격으로 패터닝을 수행하였다.
8fs 펄스폭, 200kHz 반복율을 선택하였다. 레이저 출력 안정화 장치를 통하여 일정하게 출력이 유지되게 하였으며, 갈바노미터 스캐너를 지난 레이저 빔을 1030nm 파장에서 5.1W 측정하였다. 3축 갈바노미터 스캐너는 Scanlab 사의 Varioscan de 20i 모델과 Hurryscan 14 모델을 결합하였다.
본 연구는 3차원 형상 표면에 레이저를 활용하여 마이크로 패터닝을 수행한 연구로써, 3축의 리니어 스테이지와 3축의 갈바노미터 스캐너를 결합하였다. 매크로 모션인 경우 관성이 큰 스테이지에 담당하였고, 마이크로 모션은 갈바노 미터 스캐너에서 미세 패터닝을 하도록 CAM 시스템을 개발하였다. 3축의 스캐닝 볼륨을 구속조건으로 설정하였으며, 이를 위한 CAM 알고리즘을 개발하였다.
본 연구는 3차원 형상 표면에 레이저를 활용하여 마이크로 패터닝을 수행한 연구로써, 3축의 리니어 스테이지와 3축의 갈바노미터 스캐너를 결합하였다. 매크로 모션인 경우 관성이 큰 스테이지에 담당하였고, 마이크로 모션은 갈바노 미터 스캐너에서 미세 패터닝을 하도록 CAM 시스템을 개발하였다.
레이저 CAD 데이터를 바탕으로 Y축이 정지한 상태에서, X축이 이송하는 경로를 선택하였다. 스테이지가 이송하는 동안 갈바노미터 스캐너가 3차원 형상 위에 2mm 간격으로 패터닝을 수행하였다.
1에서와 같이, 자유형상 표면상의 패터닝을 위한 매크로(macro) 경로인 스테이지는 표면에 수직 방향으로 일정한 거리를 유지하며 이송한다고 가정한다. 스테이지에 부착된 갈바노미터 스캐너는 상대적으로 마이크로(micro) 경로로 담당하게 되는데, 일차적으로 패터닝이 가능한 유효 스캐닝 부피(effective scanning volume)를 설정하였다. 이는 2축의 갈바노미터 스캐너의 작업 영역인 x_l, y_l의 면적과 가변초점장치에 의한 초점심도 z_l의 3축이 만나는 영역을 부피로 하는 스캐닝 볼륨이 설정된다.
다음은 스캐너 경로를 계산 한 후 스테이지와 스캐너의 속도를 계산하게 된다. 이 때, 일정한 지점인 control point 에 각각 스테이지와 스캐너가 도달하는 시간을 일치함으로써, 동기화 조건을 구현하였다. 또한, 스캐너 경로는 CAD 데이터 경로를 분할한 것으로써, 실제 시스템에서 스테이지의 오차를 가변적으로 변환 할 수 있도록 하였다.
100mm/s 등속으로 패터닝을 수행한 후 선폭 및 선폭의 균일도를 측정함으로써, CAM 알고리즘 및 실험 장치 검증을 하였다. 패터닝된 선을 임의로 20지점을 샘플링하여, 현미경으로 선폭을 측정하였다. 선폭 평균은 23.

대상 데이터

1W 측정하였다. 3축 갈바노미터 스캐너는 Scanlab 사의 Varioscan de 20i 모델과 Hurryscan 14 모델을 결합하였다. 갈바노미터 스캐너에 부착된 f-theta 렌즈의 초점거리는 170mm이며 40 × 40mm² 가공영역을 설정하였다.
갈바노미터 스캐너에 부착된 f-theta 렌즈의 초점거리는 170mm이며 40 × 40mm2 가공영역을 설정하였다.
갈바노미터 스캐너에 부착된 f-theta 렌즈의 초점거리는 170mm이며 40 × 40mm² 가공영역을 설정하였다. 리니어 스테이지는 져스텍사의 리니어 모터 JTKL 모델로써, X, Y축은 300mm 스트로크가 가능하며, Z축의 경우 서보모터를 사용하였다. 3축의 스테이지는 PMAC에 의하여 제어된다.

성능/효과

또한 기존의 패터닝 면적이 40 × 40mm2 인데 반하여, 본 연구를 통하여, 40 × 120 × 30mm3로 확장 되었으며, 연속 패터닝을 통하여 선폭 균일도가 확보됨을 알 수 있다.
또한, 2차원 갈바노미터 스캐너의 패터닝 면적이 40 × 40mm2 인데 반하여, 본 연구를 통하여 40 × 120 × 30mm3로 확장됨을 알 수 있었다.
X축이 정지해 있는 동안 Y축 스캐너 모션에 의하여 패터닝을 하고 있음을 알 수 있으며, 100mm/s 속도로 방향을 전환하면서 패터닝이 됨을 알 수 있다. 또한, 짧은 시간 동안에 X축 패터닝이 반복적으로 수행됨을 알 수 있다.
10에서는 2지점을 SEM으로 측정한 결과를 도시하였다. 선폭 균일도는 3차원 표면을 잘 추종하면서 패터닝을 함을 알 수 있었다. 또한 기존의 패터닝 면적이 40 × 40mm² 인데 반하여, 본 연구를 통하여, 40 × 120 × 30mm³로 확장 되었으며, 연속 패터닝을 통하여 선폭 균일도가 확보됨을 알 수 있다.
선폭 평균은 23.6μm으로 측정되었으며, 선폭 균일도는 coefficient of variation 기준으로 2.83%가 측정되었다.
선폭 평균은 23.6μm으로 측정되었으며, 선폭 균일도는 coefficient of variation 기준으로 2.83%가 측정되었으며, 선폭의 균일도를 바탕으로 연속 패터닝에 대한 우수함이 증명되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반원통 형태의 표면 패터닝 테스트를 수행한 이유는?	3차원 자유형상 표면을 단순화하기 위하여 반원통 형태의 표면 패터닝 테스트를 수행하였다. Fig.
	초단파 레이저를 활용한 레이저 미세 가공이 각광 받고 있는 이유는?	최근 Al2O3와 같은 세라믹 재료는 전자재료의 부품, 커패시터, 반도체 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 특히 열적 안정성 특성에 따라 광범위하게 적용 분야가 확대되고 있다.1 세라믹 재료의 특징은 단단하고 깨지기 쉽고, 기계가공시 소결 제작 공정에 의한 부서짐 현상이 종종 발생한다.2 이에 최근에 초단파 레이저를 활용한 레이저 미세 가공이 각광을 받고 있다.
	대면적 자유형상의 레이저 마이크로 패터닝을 모델링한 이유는?	대면적 자유형상의 레이저 마이크로 패터닝을 일반화 하기 위하여 모델링을 수행하였다. 2축의 갈바노미터 스캐너와 1축의 가변초점 장치를 결합한 3축 스캐닝 모듈과, 5축의 리니어 스테이지 결합을 고려하였다.

참고문헌 (8)

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X. C. Wang et al, "High quality femtosecond laser cutting of alumina substrates," Opt Laser ENG., Vol. 48, pp. 657-663, 2010.

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K. H. Kim, K. H. Yoon, J. H. Lee, J. Suh, J. S. Kim, "Laser scanner stage synchronization method for ultrafast and wide are fabrication," Advanced Materials Research, Vol. 383, pp. 6277-6282, 2012.
K. Erkorkmaz, A. Alzaydi, A. Elfizy, S. Engin, "Time-optimized hole sequence planning for 5-axis on-the-fly laser drilling," CIRP Annals-Manufacturing Tech., Vol. 63, pp. 377-380, 2014.

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M. C. Tsia, C. W. Cheng, M. Y. Cheng, "A real-time NURBS surface interpolator for precision three-axis CNC machining," Int. J. Mach. Tool Manu., Vol. 43, pp. 1217-1227, 2003.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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