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정밀 3차원 레이저 패터닝 장치 개발과 가공 사례

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디지털 가전이나 차재 디바이스 등의 전자부품 시장은 앞으로 더욱 확대될 것으로 예상되고 있으며, 요구되는 기술도 더욱 다양화될 것으로 생각된다. 이와 같이 다양화되는 기술로서 회로나 소자 등의 박막에 패턴을 형성하는 패터닝 기술도 소형화․고밀도화가 요구되고 있다.

 

기존 기술로는 포토리소그래피에 의한 패터닝이 일반적이지만 박막 등을 사용한 센서 등에서는 소형화․고밀도화에 대응하기 곤란하며, 더구나 레지스트의 도포에서 에칭까지 많은 공정이 필요하고 환경에 대한 부담도 높다. 그래서 최근 레이저에 의한 패터닝이 주목받고 있다.

 

레이저 패터닝 기술은 포토리소그래피와 비교해 작업 공정을 집약할 수 있기 때문에 공수를 절감할 수 있고 드라이 프로세스가 되기 때문에 환경에 대한 부담도 억제할 수 있다. 그러나 현재의 레이저 패터닝 장치는 2차원 형상에만 대응할 수 있어 자유곡면 등의 3차원 형상에 대한 정밀 패터닝은 곤란하다.

 

그래서 일본전산머신툴에서는 3차원 형상 레이저 패터닝에 대한 높은 요구에 대응하기 위해 이미 장치화․판매하고 있는 단펄스 레이저를 채용한 미세 레이저 가공기 ‘ABLASER’의 기술을 활용해 레이저 패터닝 과제를 해결하는 동시에, 정밀 3차원 레이저 패터닝 장치를 개발했다. 이 글에서는 개발한 장치의 특징을 설명하는 동시에, 구체에 대한 가공 사례를 소개한다.

 

단펄스 레이저 가공기 ABLASER의 특징

 

단펄스 레이저를 탑재한 미세 레이저 가공기 ABLASER(그림 1)의 특징 3가지를 그림 2에 나타냈다. 첫 번째의 ‘어브레이션(ablation) 가공’에서는 단펄스 레이저를 채용함으로써 재료를 승화(어브레이션)시켜 주위에 대한 열영향을 최소한으로 억제할 수 있는 가공을 가능하게 했다. 단펄스 레이저의 특징을 그림 3에 나타냈다. 펄스 폭이 보다 짧아지므로 열에 의한 피삭재에 대한 데미지(열 영향층이나 마이크로 크랙) 및 가공 시에 발생하는 잔해(드로스) 등 주위에 대한 부착물을 저감할 수 있다.

 

 

두 번째의 ‘고정밀․고안정성’은 주요 구조물에 열변위가 적고 방진 효과가 높은 그라나이트를 사용하고, 위치결정 기구에는 정밀 스케일을 채용함으로써 실현했다. 이것에 의해 위치결정 정도뿐만 아니라 장시간 운전의 위치 정도 변화도 억제할 수 있고 기존의 레이저 가공기를 뛰어넘는 가공 정도를 달성했다.

 

 

세 번째의 구멍가공 시에 정도나 품질이 우수한 ‘헬리컬 가공’에서는 레이저 광학계와 그들을 정밀하게 동기 제어하는 제어기구를 응용함으로써 헬리컬 가공을 가능하게 하는 독자의 광학계 헤드를 개발했다.

 

앞에서 말한 기술에 의해 고정도․고품질 레이저 가공에 더해, 장시간의 연속 운전 안정성도 확보하고 지금까지 실용이 곤란했던 양산가공에도 적용할 수 있는 레이저 가공기를 실현했다.

 

3차원 레이저 패터닝의 문제점

 

피가공 대상에 레이저 패터닝하는 경우, 이하와 같은 문제를 생각할 수 있었다.

 

(1) 피가공 대상은 평면 형상으로만 한정되지 않고 곡면 형상이나 복잡 형상인 경우가 있다. 특히 기계 구조의 표면상에 패터닝하는 경우, 가공면은 원통이나 구 모양인 것이 많을 것으로 생각된다. 이들 곡면 형상이나 복잡 형상에 대한 레이저의 입사각을 적절하게 제어하기 위해서는 3축기로는 축방향의 자유도가 부족하다.

 

(2) 코너 등 축의 속도가 감속되는 부분에서는 레이저의 주사 속도도 축 속도에 맞춰 떨어지기 때문에 피가공 대상에 과도하게 레이저가 조사되어 그 결과 가공면에 버닝 등의 영향이 생긴다(그림 4). 반대로 버닝이 일어나지 않도록 가공 조건을 떨어트리면, 이번에는 가공 부족이나 가공 깊이 부족 등이 발생해 패턴으로 기능하지 못한다는 문제가 발생한다.

 

이러한 문제에 대응하기 위해 이번에 제어축의 5축화 및 제어축과 레이저의 동기 제어화를 시도했다. 즉, 5축화에 의해 기존의 3축기로는 불가능했던 곡면 형상이나 복잡 형상에 대한 정밀 레이저 가공을 가능하게 하고, 또한 축의 이송 속도와 레이저 조사를 동기 제어시킴으로써 코너․직선에 관계없이 균일한 가공을 목표로 개발을 했다.

 

 

정밀 레이저 가공기의 5축화

 

ABLASER의 표준 축 구성은 XY 평면 스테이지+Z축 리니어 기구로, 평면에 대한 정밀 레이저 가공을 대상으로 하고 있다. 또한, XYZ 스테이지 상에 2축 회전 테이블을 부가해 5축화함으로써 경사면 상의 가공점에 대해서도 레이저 입사각을 제어할 수 있게 된다.

 

이번에 또한 5축을 동시에 움직여 제어함으로써 곡면 형상에 대한 동시 5축 정밀 레이저 가공을 가능하게 했다. 동시 5축화에서는 2축 회전 테이블의 백래시가 가공패스의 형상에 영향을 미치는 것이 문제가 됐다. 이번 서보 게인의 파라미터 조정이나 상한돌기 보정 조정에 의해 백래시의 영향을 가급적 제거했다.

 

조정의 경우 기존에는 매번 레이저 끝(초점)의 궤적을 확인하면서 작업을 했는데, 가공&관찰을 매번 반복하면서 조정하게 되어 시간적․비용적으로도 비효율적이었다. 그래서 이번에 각 축 좌표의 시계열 데이터를 레이저 끝 궤적으로 변환해 가시화하는 해석 툴을 구축했다(그림 5). 이 해석 툴에 의해 가공을 하지 않아도 공운전을 하는 것만으로 레이저 끝 궤적을 확인․조정할 수 있게 됐다.

 

기타의 용도로는 자유곡면에 대한 3차원 레이저 가공 궤적에 형상 불량이 생긴 경우의 원인 분석에도 활용할 수 있다고 생각한다.

 

가공 궤적의 형상 불량 추정 원인으로 ①워크 자체의 곡면 형상 오차, ②워크의 설치 오차, ③제어축의 동작 불량(오버슈트 등)을 생각할 수 있는데, 이들이 복합적으로 발생하면 원인 특정이 곤란해지는 경우가 많다.

 

이와 같은 경우에도 이 툴을 이용해 레이저 끝 궤적을 확인함으로써 형상 불량이 제어축의 동작 불량에 의한 것인지의 여부를 구분하는 것이 가능하다. 또한, 제어축에 의한 것으로 판명된 경우, 어느 축의 동작에 의한 것인지를 특정하는 것이 가능하다.

 

제어축과 레이저의 동기 제어

 

직선․코너에 관계없이 일정한 가공을 얻기 위해서는 패턴의 단위 길이당으로 조사하는 레이저 펄스 수를 일정하게 유지할 필요가 있다. 즉, 가공이 진행되는 속도 V(=레이저 주사 속도)에 맞춰 레이저 주파수 P를 동기해 변화시킨다(P/V=일정). 이 실현을 위해서는 축의 움직임과 레이저 발진기를 동기해 움직일 필요가 있다. 이번에 동사는 그림 6과 같은 시스템을 구축해 제어축과 레이저 발진기의 동기 제어를 실현했다. 이 시스템은 크게 나눠 ①NC 컨트롤러에 의한 레이저 제어용 펄스의 출력, ②레이저 발진기에 의한 펄스 동기 제어의 2가지 파트로 구성된다. 이하에 이들에 대해 설명한다.

 

 

1. NC 컨트롤러에 의한 레이저 제어용 펄스 출력

기존 ABLASER의 제어 방식에서는 레이저의 지령 주파수가 대체적으로 가공 중에 일정값이었다. 이에 앞에서 말했듯이 축의 속도 변화에 대해 레이저 주파수가 일정하기 때문에 축이 가속 중․감속 중에는 가공면에 대해 레이저가 과도하게 조사되어 버린다.

 

이번에 제어축의 위치․속도 제어를 하는 NC 컨트롤러에 대해 레이저의 지령 주파수를 제어하는 기능을 부가했다. 이것에 의해 제어축의 속도에 대해 레이저의 지령 주파수를 그림 7이 되도록 제어할 수 있게 했다.

예를 들면 지령으로 축 속도=20mm/min, 레이저 주파수=20kHz를 부여한 경우, 코너부에서 축 속도가 10mm/min으로 감속해도 레이저 주파수는 이것에 맞춰 10kHz로 제어된다.

 

 

또한, NC 컨트롤러에 대해 외부 펄스 제어 보드를 부가했다. 이 제어 보드에서는 레이저의 지령 주파수에 따른 펄스열이 출력된다. 펄스의 사양은 이하와 같다.

 

․HIGH : 24V

․LOW : 0V

․최소 펄스의 ON 폭 : 250nsec

․펄스 듀티 : 0~100%

 

이 펄스열을 트리거로 해 레이저를 조사할 수 있으면 제어축과 레이저의 동기를 실현할 수 있다.

 

2. 레이저 발진기에 의한 펄스 동기 제어

앞에서 말한 펄스열을 트리거로 해 레이저 조사할 수 있는 발진기를 선정했다. 선정에 있어서는 이하의 포인트에 주목했다.

 

· 포인트 1 : 발진기에 대한 외부 신호의 ON/OFF로 레이저 조사를 제어하는 기능이 탑재되어 있을 것.

· 포인트 2 : 외부 신호의 요구 사양이 NC 컨트롤러 측의 펄스 사양과 정합할 것.

· 포인트 3 : 외부 신호의 동작으로 레이저를 단발 조사할 수 있을 것.

 

특히 포인트 3에 대해서는 가장 중요한 포인트로 삼았다. 단펄스 레이저 발진기의 펄스 주파수 가변 제어는 발진기 내부의 클럭 주파수로 발진하는 레이저 펄스열에서 불필요한 펄스를 솎아내어 감으로써(=필요한 레이저 펄스만을 선택해 남긴다) 원하는 펄스 주파수를 얻는 구조이다. NC 컨트롤러가 임의의 타이밍에 보낸 외부 펄스 신호에 의해 레이저 펄스열에서 필요한 펄스를 선택하기 위해서는 NC 컨트롤러의 내부 클럭과 발진기의 내부 클럭이 동기하고 있을 필요가 있는데, 현실적으로는 동기시키는 것이 곤란하다.

 

그렇기 때문에 NC 컨트롤러 측이 임의의 타이밍에 보낸 외부 펄스 신호의 동작을 발진기가 파악해 레이저 펄스를 1회만 조사할 수 있으면, 내부 클럭의 타이밍을 신경쓰지 않고 NC 컨트롤러의 외부 펄스 신호와 레이저 발진기의 동기가 가능해진다(그림 8).

 

이번에 단펄스 레이저 발진기 중에서 앞에서 말한 포인트를 만족시키는 메이커를 조사, 선정했다. 주요 스펙은 이하와 같다(표 1).

 

 

그림 9에 제어축이 속도 제로→가속→등속과 같은 속도 패턴으로 동작했을 때의 NC 컨트롤러의 외부 펄스와 레이저 발진기의 모니터 신호를 오실로스코프로 측정한 결과를 나타냈다. 이 모니터 신호는 레이저가 조사된 것을 확인하기 위한 출력 신호로, 레이저가 조사된 타이밍에 신호가 HIGH가 된다. 그림 9 (a)에 나타낸 대로 NC의 외부 펄스 HIGH/LOW 폭이 대→소로 변화하고 있는 것을 알 수 있는데, 이것은 제어축의 속도에 맞춰 레이저의 지령 주파수가 제어되고 있기 때문이다. 그림 9 (b)에서는 이 외부 펄스의 동작으로 레이저가 조사되고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, NC의 외부 펄스 폭 변화에 따라 레이저의 조사 타이밍도 변화하고 있으며, 가감속 중에는 레이저 펄스의 조사 수를 적게 함으로써 과가공을 방지하는 제어를 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

제어축의 속도와 레이저 주파수의 동기 제어 성능을 확인하기 위해 그림 10과 같은 구성으로 시험을 했다. 제어축의 속도는 NC 컨트롤러의 파형 진단 애플리케이션으로 축 위치의 시계열 데이터를 취득, 시간 미분함으로써 산출했다. 레이저 주파수는 레이저 발진기의 모니터 신호 파형을 오실로스코프로 취득하고, 모니터 신호의 동작에서 다음 동작까지의 시간 폭으로부터 산출했다.

 

 

예로서 축 속도=F360mm/min, 레이저 주파수=10kHz로 지령을 했을 때의 결과를 그림 11에 나타냈다. 점 A는 속도․레이저 주파수 모두 지령값의 상태를 나타낸다. 축 속도의 변화에 따라 레이저 주파수도 변화하고 있으며, 가감속부(=축 속도가 지령값 이하)에서도 속도/레이저 주파수의 비율이 일정하도록 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

가공 사례

 

개발한 3차원 레이저 패터닝 장치로 직경 25mm의 금속구에 3차원 레이저 패턴 형상을 가공했다. 가공한 구의 외관 사진을 그림 12에, 패턴 형상 모델을 그림 13에 나타냈다. 구면에 대해 원이나 직선 등 여러 가지 패턴을 배치했다.

 

실제로 가공한 구의 외관 사진을 그림 14에 나타냈다. 또한, 각 가공 부위의 확대도를 그림 14 (a)~(e)에 나타냈다. 그림 13의 모델도와 비교해 구면에 대해 정확하게 형상을 가공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 앞에서 말한 각종 조정에 의해 정확하게 정밀 레이저 패터닝 장치로서 동시 5축가공을 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

그림 14 (e)부 확대 사진으로부터 레이저 가공 폭 15μm에 대해 최소 가공 피치가 30μm(피가공 폭 15μm)로 가공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 가속․감속을 반복해 속도가 변화하는 코너부에서도 직선부와 비교해서 가감속부의 데미지가 없고 균일한 품질로 가공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 속도 변화에 대해 지령 주파수에 따른 레이저 펄스가 출력되고 있다는 것을 나타내고 있다. 이상으로부터 정밀 3차원 레이저 패터닝 장치로 동시 5축 및 제어축과 레이저의 동기 제어를 실현했다.

 

맺음말

 

새롭게 개발한 정밀 3차원 레이저 패터닝 장치에서는 레이저 가공기의 동시 5축가공을 확립해 고정도로 패터닝 형상의 가공을 가능하게 했다. 또한, 속도 변화에 의한 레이저 동기 제어로 가감속에 의한 데미지 없이 고품질로 가공할 수 있다는 것을 구의 가공 사례를 소개함으로써 나타냈다.

 

앞으로 점점 더 진보해 갈 IoT 등의 일렉트로닉스 분야에서 3차원 형상의 레이저 패터닝은 중요성이 더욱 커질 것으로 생각한다. 동사에서는 이러한 다양화되는 고객 요구에 대응하기 위해 기술 개발을 더욱 추진해 갈 것이다.



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