1. 산업용 레이저 및 레이저 가공 기술 분야 개요
• 레이저(Laser)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자로, 복사선의 유도 방출에 의한 광선의 증폭을 말하는 것으로, 라디오파, 일반 램프 그리고 LED 광원이 가지지 못하는 단색성, 직진성, 간섭성의 특징을 지니고 있음
• 레이저 매질로는 고체(결정, 반도체, 광섬유 등), 액 체(특이 이온 첨가), 기체(CO2, ArF 등) 등이 있으 며, 적절한 선택에 따라 얻을 수 있는 발진 파장 대 역은 약 150nm ~ 10µm로 넓은 대역에서 발진이 가능함
• 레이저는 아주 작은 하나의 점에 수 백 Watt 이상 고밀도의 에너지를 집속시켜서 여러 가지 형태로 물 체를 가공하게 하며, 광대역의 스펙트럼을 다양한 용도로 사용할 수 있음
• 레이저의 고밀도 에너지 특성은 반도체 칩이나 디스 플레이의 미세 가공, 자동차용 강판 절단 및 용접, 그리고 피부 성형 또는 뇌수술 등 분야에 응용됨. 넓 은 파장 스펙트럼은 광통신 및 레이저 TV 또는 휴대 형 피코 프로젝터 등에 다양하게 응용됨
2. 산업용 레이저 기술 현황 및 전망
• 산업용으로 널리 사용되고 있는 산업용 레이저의 종 류는 기본적으로 다음과 같이 분류될 수 있음 - 레이저매질별 분류:
Nd:YAG 레이저 Nd:YVO4 레이저 Yb:YAG 레이저
광섬유 레이저(Fiber Laser) CO2 레이저
다이오드 레이저(Diode Laser) 엑시머 레이저(Excimer Laser) - 파장별 분류:
원적외선 레이저(CO2; 10.6um, 9.4um)
적외선 레이저(Nd:YAG, Nd:YVO4, Fiber; 1064nm) LGP(Light Guiding Pannel) 수요로 시장이 꾸준히 유지되고 있으며, 차세대 반도체 기술의 핵심인 극자 외선 노광기(Extreme Ultraviolet Lithography)의 LPP(Laser Produced Plasma) 광원으로서 중요한 응 용처를 갖게 되었음
3. 산업용 레이저 가공 기술 현황 및 전망
• 레이저 기술은 레이저의 소형, 경량화, 파장대역확장 트를 구현하는 “도광판(LGP, Ligh Guiding Panel)”
의 레이저 가공 기술, 그리고 레이저를 이용한 LCD 유리 기판의 절단 등이 LCD 제조 공정에 적용되고 있 음. 이 밖에 일부 적용 또는 검토되고 있는 기술로는 레 이 저 표 면 개 질 을 이 용 한 “ L T P S ( L o w Temperature Poly-Silicon)” (저온폴리실리콘) 기술 및 포토마스크 없이 기판 상의 포토레지스트를 패터 닝하는 “LDI(Laser Direct Imaging)” 기술 등이 있음
• AMOLED 분야에서는 유기소재를 이용하고 LCD에 (Laser Annealing) “LTPS”(Low Temperature Poly Silicon, 저온폴리실리콘) 기술과 유기소재를 습기를
Grooved Buried Contact), 레이저 방출 컨택트 (Laser Fired Contact), 레이저 텍스쳐링(Laser Texturing), 그리고 레이저 드릴링(Laser Drilling for MWT & EWT) 등이 있음
• 산업적 응용을 위한 극초단 펄스 레이저 연구는 1985 년 Strickland와 Mourou가 제안한 첩펄스증폭 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 기술로 효과적 인 극초단 펄스 증폭기술이 가능해진 이후에 본격적 으로 수행되기 시작했음. 초기 연구들에서 주목했던 것은 물질 내부에서 일어나는 열전달 속도보다 짧은 펄스폭으로 인해 열적 손상이 극히 적은 비열 가공 현 상임. Nolte(1997), Chichkov(1996)이 금속에서 현저 하게 개선된 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)와 파편(Debris)의 발생이 억제됨을 보임
• 투명 재질 안에서 레이저의 강도가 수백 GW/cm2 에 도달할 때 대부분의 산화물 (Oxide) 계열 유리 재질에 서 비선형 흡수에 의한 물성의 변화가 관측됨. 이 현 상을 이용하여 1996년 Hirao 그룹이 최초로 유리 안 에 집속된 펨토초 레이저 빔을 활용한 제작한 광도파 로를 발표하면서 투명 재질 내부의 3차원 가공에 대 한 연구가 폭발적으로 늘어남
• 1990년대 후반부터 2000대 초반까지는 티타늄 사파 이어(Ti:Sapphire)를 매질로 하는 ~1 kHz 대역 증폭 기를 기반으로 하는 고출력(High Power) 가공이 주 를 이루었음. 2000년대 초반 극초단 펄스 광섬유 레 이저가 출시되면서 안정성과 신뢰도가 향상되고 산업 적 이용 가능성이 증가하였음
• Quantronix, Newport 등의 800nm Ti:Sapphire 기 반 증폭기 시스템에서, 최근에는 IMRA, Raydiance, Amplitude Systemes, Jenoptics를 주축으로 하는 Er/Yb 광섬유/Thin Disk 레이저, Trumpf, Lumera, Coherent에서 출시된 Nd doped 고체 레이저를 기반 으로 하는 1~1.5 µm 파장대역의 피코초/펨토초 레이
저들로 주력 품목이 이동하고 있으며, 진보된 기술로 얻어진 안정성을 바탕으로 산업화를 앞당기고 있음.
최근 Fraunhofer-Edgewave 에서 개발한 Innoslab 등 혁신적인 공진기 구조를 통한 400W 이상의 고출 력 펨토초 레이저 개발에 힘입어 새로운 응용분야가 도출되고 고속 가공 및 병렬 가공 공정에 대한 연구가 진행되고 있음
4. 핵심 전략 기술 및 제품
• 레이저 산업의 국제 경쟁력 강화를 위해서는 레이저 산업의 근간이 되는 고출력 반도체 레이저 개발이 시 급함
• 레이저 가공 기술의 경쟁력은 가격과 성능 면에서 경 쟁력 있는 레이저 광원 및 빔 형성(Shaping) 광학계 기술을 확보하는 것이 필요함
• 기존 미세 가공기술에서 한발 더 나아간 초미세 가공 기술을 위한 극초단 광원 및 이를 이용한 초미세 가공 기술의 확보가 필요함
• 국가 주력 산업인 반도체 산업에서 현재 전량 수입에 의존하는 심자외선 노광기(Deep Ultraviolet Lithography) 및 극자외선 노광기(Extreme Ultraviolet Lithography)에 대한 기술 개발 또한 검 토되어야 할 단계임
• 전략 제품 1 : 고출력 반도체 레이저 어레이 기술
• 전략 제품 2 : 광섬유 기반 고출력 녹색 레이저 기술
• 전략 제품 3 : 대구경 광섬유 기반 고에너지 고반복 펄스레이저 기술
• 전략 제품 4 : 강화유리의 레이저 고속 절단 및 미세 천공 장비 기술
• 전략 제품 5 : 레이저 빔 형성(Shaping) 광학계 모듈 기술