[논문]레이저빔 가공 인자에 따른 구리도금 미세 패터닝 특성 연구

신홍식

doi:10.22710/jict.2015.5.2.021

레이저빔 가공 인자에 따른 구리도금 미세 패터닝 특성 연구
Study on Characteristics of Micro Patterned Copper Electrodeposition according to Parameters in Laser Beam Machining 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.5 no.2, 2015년, pp.21 - 25

신홍식 (한국교통대학교 에너지시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a fabrication process of deposited layer with micro patterns that uses a combination of a pulsed laser beam machining and an electrodeposition. This process consists of the electrodeposition and the laser beam machining. The deposited layer on metal can be selectively eliminated by laser ablation. As a result, the deposited layer with micro patterns can be fabricated without a mask. The characteristics of the deposited layer on stainless steel were investigated according to the average power and marking speed in the pulsed laser beam machining. The optimal laser beam conditions for precise micro patterning of the deposited layer were determined. Finally, the deposited copper layer with micro text was successfully fabricated by the pulsed laser beam machining.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 구리 도금층 형성 후 레이저빔 가공인자에 따라 구리 도금층의 미세 패터닝의 특성을 SEM, EDS 분석을 통해 확인하였다. 모재의 손상은 최소화 하고, 도금층만을 선택적으로 제거할 수 있는 레이저빔 조건 범위를 선정하여 미세 패턴을 갖는 도금층을 제작하였다.

제안 방법

첨두출력 밀도와 상호작용시간은 레이저빔 가공 시어블레이션 깊이를 결정하는 인자이다. 그러므로 두 결정인자와 밀접한 관계를 가진 평균출력, 마킹속도의 변화에 따른 가공특성을 조사하였다.
레이저빔 조건에 따른 가공 특성을 분석을 통해 선정한 조건을 바탕으로 미세 패턴을 Fig. 6과 같이 텍스트 미세 패턴을 제작하였다. Fig.
스테인리스강의 표면에 구리층을 일정한 두께로 도금시킨 후 구리 도금층의 미세 패턴을 형성하기 위해 펄스 레이저빔을 사용하였다. 레이저빔의 중요인자인 마킹속도와 평균출력을 변화시켜 구리층의 제거양상을 EDS분석과 SEM분석을 이용하여 관찰하였다. 레이저빔의 마킹속도가 감소할수록 구리층의 제거량이 증가하는 경향을 보였으며, 일정 속도 이하에서는 구리층 제거 이후 모재인 스테인리스강의 표면도 가공되었음을 확인하였다.
본 논문에서는 구리 도금층 형성 후 레이저빔 가공인자에 따라 구리 도금층의 미세 패터닝의 특성을 SEM, EDS 분석을 통해 확인하였다. 모재의 손상은 최소화 하고, 도금층만을 선택적으로 제거할 수 있는 레이저빔 조건 범위를 선정하여 미세 패턴을 갖는 도금층을 제작하였다.
선정된 가공조건을 바탕으로 미세 패턴 구리층을 스테인리스강 표면에 성공적으로 제작 하였다. 도금층의 미세패턴을 마스크 없이도 레이저빔을 이용하여 제작이 가능함을 확인 하였으며, 향후 다양한 도금패턴 제작에 활용될 수 있을 것으로 보인다.
전해도금 된 구리도금 층의 레이저 평균출력에 따른 가공특성을 확인하기 위해 평균출력을 2 W, 4 W, 6W, 8 W, 10 W로 변화시켜 가며 구리층에 조사(irradiation)하였다. Fig.
전해도금 된 구리도금 층의 레이저 평균출력에 따른 갖는 가공특성을 확인하기 위해 마킹속도를 1mm/s, 5 mm/s, 10 mm/s, 15 mm/s, 20 mm/s, 50 mm/s로 변화시켜 가며 레이저빔을 조사(irradiation)하였다.

대상 데이터

산화전극(anodeelectrode)인 대전극으로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 구리판(copper plate), 환원전극(cathode electrode)인 공작물로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 스테인리스강(stainless steel)을 사용하였다.
스테인리스강의 표면에 구리층을 일정한 두께로 도금시킨 후 구리 도금층의 미세 패턴을 형성하기 위해 펄스 레이저빔을 사용하였다. 레이저빔의 중요인자인 마킹속도와 평균출력을 변화시켜 구리층의 제거양상을 EDS분석과 SEM분석을 이용하여 관찰하였다.
산화전극(anodeelectrode)인 대전극으로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 구리판(copper plate), 환원전극(cathode electrode)인 공작물로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 스테인리스강(stainless steel)을 사용하였다. 전해액은 0.5M 황산구리와 0.5M 황산이 혼합된 수용액을 사용하였으며, 직류전압 1.8 V로 60 초동안 전해도금 공정을 수행하여 도금층을 제작하였다.
평균 출력 2 W ~ 20 W, 펄스반복율 20 kHz ~ 80 kHz,펄스 온-타임 100 ns 사양을 갖는 펄스 빔 레이저(IPG photonics, YLPM series)와 갈바노미터 스캐닝 시스템(CAMBRIDGE technology, PS-10)이 미세패터닝을 위해 사용되었다.

성능/효과

레이저빔의 마킹속도가 감소할수록 구리층의 제거량이 증가하는 경향을 보였으며, 일정 속도 이하에서는 구리층 제거 이후 모재인 스테인리스강의 표면도 가공되었음을 확인하였다. 또한, 평균출력이 증가할수록 구리층의 제거량이 증가하는 경향을 보여 6 W 이상에서는 레이저빔으로 가공된 영역에서는 구리원소가 검출되지 않음을 확인하였으나, 일정 이상의 평균출력에서는 스테인리스강의 표면이 손상되는 것을 확인할 수 있었다.
레이저빔의 중요인자인 마킹속도와 평균출력을 변화시켜 구리층의 제거양상을 EDS분석과 SEM분석을 이용하여 관찰하였다. 레이저빔의 마킹속도가 감소할수록 구리층의 제거량이 증가하는 경향을 보였으며, 일정 속도 이하에서는 구리층 제거 이후 모재인 스테인리스강의 표면도 가공되었음을 확인하였다. 또한, 평균출력이 증가할수록 구리층의 제거량이 증가하는 경향을 보여 6 W 이상에서는 레이저빔으로 가공된 영역에서는 구리원소가 검출되지 않음을 확인하였으나, 일정 이상의 평균출력에서는 스테인리스강의 표면이 손상되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

선정된 가공조건을 바탕으로 미세 패턴 구리층을 스테인리스강 표면에 성공적으로 제작 하였다. 도금층의 미세패턴을 마스크 없이도 레이저빔을 이용하여 제작이 가능함을 확인 하였으며, 향후 다양한 도금패턴 제작에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도금층의 미세 패터닝은 일반적으로 무엇을 이용하여 구현되어왔는가?	제품의 정밀화, 소형화가 요구되면서 미세 패턴을 갖는 도금층 제작 기술에 대한 수요도 함께 증가하고 있다.도금층의 미세 패터닝은 일반적으로 리소그라피 공정을 이용해 제작한 포토 마스크를 이용하여 구현되어왔다. 마스크를 사용한 도금층의 미세 패터닝 기술은 센서, 집적회로(IC chips), 리코딩 장치와 같은 전자공학 분야 응용에서부터 마모 방지 및 부식방지를 위한 표면 코팅 등의 표면처리 기술에 이르기까지 다양한 분야에서 발전되어 왔다.
	나노초 펄스 온-타임을 갖는 펄스빔 레이저를 이용할 때의 장점은 무엇인가?	2-4) 특히, 도금층에 미세패턴을 형성시키기 위해서 이용할 수 있는 방법으로 펄스빔 레이저를 이용한 방법이 매우 유용하다. 나노초 펄스 온-타임을 갖는 펄스빔 레이저를 이용하면 빠른 속도로 넓은 영역에 미세 패터닝이 가능하며,펄스빔 레이저 조건에 따라 도금층이 가공되는 양을조절할 수 있다. 또한, 레이저빔의 이송경로 제어를 통해 여러 가지 형상의 미세패턴을 바로 적용할 수 있어 패턴 제작을 위한 별도의 마스크 제작이 필요 없다.5)
	전해도금 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	1과 같이 전해도금 시스템과 레이저 가공 시스템으로 이루어져 있다. 전해도금 장치는 전해도금용 수조(electrochemical cell), 직류전원공급 장치(DC power supply), 공작물(workpiece), 대전극(counter electrode)로 구성된다. 산화전극(anodeelectrode)인 대전극으로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 구리판(copper plate), 환원전극(cathode electrode)인 공작물로는 15 mm × 15 mm × 10 mm 크기의 스테인리스강(stainless steel)을 사용하였다.

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