레이저 절제

레이저 절제 방법

레이저 절제는 많은 응용 분야에서 유사한 이점을 제공하는 한편, 레이저 절제 기법은 다양한 방법으로 작동합니다. 이는 레이저 유형, 물질 자체 및 작업 요구 사항에 따라 달라집니다. 그러나 대체로 모든 절제 공정은 광열 또는 광학적 절제 상호 작용을 통해 작동합니다. 단일 공정 내에서 두 가지 조합이 발생하는 것은 드문 일이 아닙니다.

광열 공정에서 물질은 강렬하고 공간적으로 국한된 가열에 의해 제거됩니다. 기본적으로 물체는 물질이 증발되거나 승화될 때까지 급속히 가열됩니다(개입 액상을 거치지 않고 고체에서 기체 또는 플라즈마로 바로 변환됨).  

광열 가공의 경우 일반적으로 공작물에 상당한 양의 열이 가해집니다. 따라서 열에 민감한 부분(열전도율이 높은 물질 함유) 또는 더 작은 공작물(열이 해당 부분의 다른 영역에 쉽게 도달할 수 있는 경우)에는 대개 사용되지 않습니다. 광열 가공의 경우 대체로 비교적 신속한 물질 제거율을 제공하므로 처리량이 많은 생산 응용 분야와 넓은 영역을 다루는 응용 분야에 유용합니다.

두 번째 방법인 광학적 절제는 물질을 가열하는 것이 아니라 물질을 결속하는 분자 결합 또는 원자 결합을 직접 끊는 작업이 수반됩니다. 따라서 "콜드(cold)" 공정이 가능합니다. 일반적으로 이러한 결합 끊기를 수행하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 

• 첫 번째 방법은 광자의 화학 결합 에너지보다 큰 에너지를 가지고 있는 광자 물질에서 선형 흡수를 사용하는 것입니다. UV 광자만이 대부분의 고체에서 결합을 끊을 수 있는 충분한 에너지를 공급하기 때문에 사실상 항상 자외선(UV) 레이저가 사용됩니다. 그 이유는 파장이 감소함에 따라 광자 에너지가 증가하고 자외선은 가시광선이나 적외선보다 파장이 짧기 때문입니다.
• 광학적 절제를 가능하게 하는 두 번째 방법은 비선형 흡수를 촉진하기에 충분히 높은 피크 펄스 전력을 가진 레이저를 사용하는 것입니다. 이러한 종류의 "다광자" 공정에서 물질은 해당 레이저 파장에서 보통은 투명하더라도 레이저 에너지를 흡수합니다. 비선형 흡수를 촉진하는 데 필요한 피크 전력은 일반적으로 초단 펄스(USP) 레이저를 사용해야만 달성할 수 있습니다. 

광학적 절제는 최대 정밀도 응용 분야와 최소 HAZ(대개의 경우 불과 수십 미크론)가 필요한 응용 분야에 사용됩니다. 그러나 물질 제거율은 보편적으로 광열 절제보다 훨씬 낮습니다. 그리고 USP 소스는 일반적으로 광열 공정에 사용되는 레이저보다 크고 비용도 더 많이 듭니다. 

수많은 응용 분야에 사용되는 다양한 레이저

사실상 모든 레이저 절단 및 드릴링 공정은 절제로 간주할 수 있습니다. 그렇지만 이 논점을 관통식 절단이 아닌 선별적 물질 제거 또는 표면 구조화와 관련된 응용 분야로만 제한하는 것이 타당합니다. 다양한 절제 응용 분야를 분류하는 한 가지 방법은 물질별로 나누는 것입니다. 

금속: 금속 절제는 다양한 산업 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 이러한 응용 분야 중 일부에는 금속 부분의 표면에서 이물질을 제거하는 작업이 포함됩니다. 녹, 부식, 페인트 또는 기타 코팅의 절제를 예로 들 수 있습니다. 여기에는 페인팅, 코팅, 결합 또는 기타 공정을 수행하기 전에 어느 한 부분의 표면에 있는 세척 오일, 접착제 또는 기타 원치 않는 오염 물질도 포함될 수 있습니다.  

이러한 유형의 절제를 위한 레이저 소스는 이물질에 의해 흡수되지만 그 밑에 있는 금속에는 흡수되지 않는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 해당 부분이 손상될 위험 없이 비교적 쉽게 표면을 청소할 수 있습니다. 관련된 정확한 물질에 따라 일반적으로 파이버 레이저, CO₂ 레이저 또는 나노초 펄스폭 다이오드 펌프 고체(DPSS) 레이저가 사용될 수 있습니다.

산업용 마킹 또는 장식 목적으로 수행할 수 있는 금속의 레이저 에칭 및 인그레이빙의 경우는 해당 부분 자체에서 물질을 제거하게 됩니다. 이 경우 일반적으로 녹색 출력이나 UV 출력을 가진 파이버 레이저 또는 나노초 DPSS 레이저로 수행됩니다. 후자는 특히 더 얇거나 부서지기 쉽거나 열에 민감한 부분에 사용됩니다. 가장 열에 민감한 금속 절제 응용 분야의 경우에는 USP 레이저가 때때로 사용됩니다. 

반도체: 반도체 재료의 레이저 절제에 대한 주요 응용 분야는 마이크로일렉트로닉스 회로 제조 과정에서 웨이퍼에 수행되는 에칭 또는 인그레이빙 마킹입니다. 이 경우 대개 녹색 출력이나 UV 출력을 가진 나노초 DPSS 레이저로 수행됩니다. 그 이유는 대부분의 반도체가 이러한 소스의 적외선 기본 파장에서 최소한 어느 정도 투명하기 때문입니다.

USP는 주로 연구 환경에서 다양한 반도체의 정밀 미세 구조화에 가끔 사용됩니다. 또한 생산 집적 회로(디캡슐레이션)의 결함 분석 과정에서 정밀한 물질 제거에도 사용할 수 있습니다. 

유리: 유리는 매우 광범위한 응용 분야에서 활용되고 있으며 유리 절제를 위한 레이저 사용도 마찬가지로 다양합니다. 유리컵, 포도주 잔, 머그컵, 병 등에 개인화 또는 패턴 생성과 같은 장식용 에칭 응용 분야의 경우는 거의 보편적으로 CO₂ 레이저로 수행됩니다. 반도체, 디스플레이 및 제약 산업에 사용되는 마킹 제품 및 용기를 포함한 정밀도가 더 높은 유리 에칭 작업에서는 일반적으로 CO₂ 레이저 또는 UV DPSS 레이저가 사용됩니다. 

또 다른 중요한 레이저 유리 절제 응용 분야는 "미세 유체" 소자 생산입니다. 즉, 유체 흐름을 정밀하게 제어할 수 있는 작은 채널(밀리미터 이하의 단면)을 포함하고 있는 유리 기판입니다. 미세 유체 역학은 PCR 증폭 및 DNA 분석을 포함한 기법을 위한 이른바 "랩온어 칩(lab on a chip)" 소자의 기초를 형성합니다. UV DPSS 레이저 및 USP 레이저를 사용하여 고정밀로 이러한 채널을 절제할 수 있습니다. 

레이저는 유리 기판 표면의 채널을 절제하는 데 가장 흔하게 사용됩니다. 이러한 작업 후에는 내부 채널을 만들기 위해 또 다른 유리 조각에 접합됩니다. 한편, USP 레이저를 사용하면 단단한 유리 기판에 내부 채널을 직접 만드는 것도 가능합니다. 이는 USP 레이저의 고유한 기능입니다. 

폴리머: 다양한 산업 분야에서 폴리머 또한 레이저로 절제할 수 있는 물질입니다. 예를 들어 고정밀 레이저 절제는 의료용 임플란트의 표면 텍스처링과 의료장치에서 폴리머 코팅의 선별적 제거에 사용됩니다. 마이크로일렉트로닉스 패키징에서 레이저 절제는 폴리머 수지로 캡슐화된 SiP(System in Package) 소자 주변의 "트렌칭"에 사용됩니다. 이는 싱귤레이션(개별 소자로 분리) 전에 수행됩니다. 공정 속도 및 기타 요인에 대한 변화하는 요구 사항과 더불어 이러한 응용 분야에 다양한 폴리머가 관련된다는 것은 거의 모든 유형의 레이저가 정밀한 폴리머 절제에 사용됨을 의미합니다.

또 다른 중요한 폴리머 절제 공정은 버스바 절연체 박리입니다. 이 공정에서는 CO₂ 레이저를 사용하여 구리 도체에서 플라스틱 절연체를 빠르게 제거할 수 있습니다. 

폴리머 에칭 및 인그레이빙, 특히 아크릴은 옥내 및 옥외 표지판 생산에도 널리 사용됩니다. 이 공정도 거의 전적으로 CO₂ 레이저 기반 시스템으로 수행됩니다. 또한 목재, 가죽, 석재를 포함한 유기재에 에칭 및 인그레이빙을 수행할 수 있습니다. 

조직: 많은 외과적 시술 및 치료적 시술에 레이저 절제가 사용됩니다. 여기에는 엑시머 레이저를 사용하여 각막을 절제하고 성형하는 LASIK 및 PRK가 포함됩니다. 이 두 가지 시술은 매년 전 세계적으로 백만 건 이상 실시되고 있습니다. 

레이저는 기타 여러 외과적 응용 분야와 치과적 응용 분야에서 연조직과 경조직을 절제하는 데 사용되고 있습니다. 여기에는 종양 제거, 양성 전립선 비대증(BPH) 치료, 쇄석술(신장 결석 절제), 악안면 수술 및 다양한 형태의 신경외과 수술이 포함됩니다. 

Er:YAG, Nd;YAG, Ho;YAG 및 툴륨 파이버 레이저(TFL)를 포함한 다양한 DPSS 레이저 유형이 대부분의 외과적 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 모든 레이저는 고출력 중적외선 출력(수분 흡수 피크에 가까움)을 생성하며 해당 빛은 또한 파이버로 전달될 수 있습니다. 따라서 최소 침습 수술 기구를 사용하여 효율적이고 고도로 선별적인 조직 제거가 가능합니다. 

파이버로 쉽게 전달되지 않는 CO₂ 레이저는 구강외과 및 이비인후과의 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. CO₂ 레이저의 큰 장점은 조직을 절제하고 응고시킬 수 있다는 것입니다. 따라서 시술 중 혈액 손실을 줄이고 환자가 빠르게 회복하는 데 도움이 됩니다.

용이한 절제를 위해 Coherent가 제공하는 제품

Coherent는 개발부터 생산에 이르기까지 레이저 절제 응용 분야를 지원하고 있습니다. Coherent Labs는 다양한 물질 절제와 관련한 폭넓은 경험을 가지고 있으며 공정 레시피를 테스트하고 개발하는 데 사용할 수 있는 거의 모든 레이저 유형을 보유하고 있습니다. 

Coherent는 산업 및 공학 에칭 응용 분야를 위한 광범위한 제품을 공급하고 있습니다. 여기에는 거의 모든 유형의 레이저 소스, OEM 레이저 엔진(레이저, 빔 전달 시스템 및 컨트롤러가 통합됨), 완전한 턴키 레이저 장비가 포함됩니다. 의료적 절제 응용 분야에서는 레이저 이득 및 비선형 결정, 빔 전달 파이버 및 완전한 광학 파이버 어셈블리를 의료용 레이저 및 완전한 수술 시스템을 제조하는 업체에 공급하고 있습니다.