Micromachining Using Laser Beam Machining and Electrochemical Etching

(1)

레이저 빔 가공과 전해 에칭을 이용한 미세 가공

Micromachining Using Laser Beam Machining and Electrochemical Etching

김장우¹, 권민호², 정도관^3,, 주종남² Jangwoo Kim¹, Min Ho Kwon², Do Kwan Chung^3,, and Chong Nam Chu²

1 연세대학교 화학공학과 (Department of Chemical Engineering, Yonsei Univ.) 2 서울대학교 기계항공공학부 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National Univ.) 3 동양미래대학교 로봇자동화공학부 (School of Robot and Automation Engineering, Dongyang Mirae Univ.)

Corresponding author: [email protected], Tel: 02-2610-5186 Manuscript received: 2011.11.1 / Revised: 2012.5.9 / Accepted: 2012.7.3

Laser beam machining (LBM) using nanosecond pulsed laser is widely known to be rapid and non-wear process for micromachining. However, the quality itself cannot meet the precision standard due to the recast layer and heat affected zone. In this paper, a fabrication method for machining micro features in stainless steel using a hybrid process of LBM using nanosecond pulsed laser and electrochemical etching (ECE) is reported. ECE uses non-contacting method for precise surface machining and selectively removes the recast layer and heat affected zone produced by laser beam in an effective way. Compared to the single LBM process, the hybrid process of LBM and ECE enhanced the quality of the micro features.

Key Words: Micromachining (미세 가공), Electrochemical Etching (전해 에칭), Laser Beam Machining (레이저 빔 가공), Hybrid Machining (복합 가공)

1. 서론

최근 초소형, 초정밀 기계에 대한 수요가 급증 하면서 미세 형상 가공에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 미세 형상 가공은 광학, 바이오, 분석 화학 등 많은 분야에서 폭 넓게 적용되고 있 으며 미세 형상 가공법으로는 다양한 금속 재료에 3 차원 형상 가공이 가능한 레이저 빔 가공, 미세 방전 가공, 전해 가공 등을 예로 들 수 있다.

^1,2

이 중에서 나노초 펄스 레이저 (Nanosecond pulsed laser) 를 이용한 레이저 빔 가공 (Laser beam machining, LBM) 은 비접촉식 방식으로써 다른 미세 형상 가공법에 비해 빠른 가공 속도로 가공할 수 있다. 하지만 나노초 펄스 레이저는 가공 속도가 빠를 수록 가공 형상 주변에 넓은 열영향부 (Heat

affected zone) 와 재응고층 (Recast layer)을 야기시키 므로 그 정밀도가 매우 낮다.

³

최근 활발하게 연구 되고 있는 피코초 또는 펨토초 펄스 레이저 (picoseconds or femtosecond pulsed laser) 가공은 높은 정밀도의 미세 구조물 제조가 가능하지만 복잡한 광학계에 의한 광 정렬의 어려움, 느린 가공 속도 에 의한 낮은 생산성 그리고 고가의 시스템 및 유 지 보수 비용이라는 단점을 가지고 있다.

⁴

나노초 펄스 레이저로 인해 발생하는 열영향부

와 재응고층 혹은 버 (Burr)를 제거하여 보다 높은

형상 정밀도와 고청정의 표면조건을 확보하기 위

한 복합 가공에 대한 연구가 진행되어왔다. Kim

⁵

등은 1 mm 두께의 스테인리스 강 (STS 304) 판에

나노초 펄스 레이저를 사용하여 고속으로 선-가공

한 후 미세 방전가공 (Micro EDM)으로 후-가공하

(2)

는 복합 가공 공정을 이용하여 기존 미세 방전가 공보다 적은 가공 시간과 전극 마모량으로 미세 형상을 가공하였다. Kwon

⁶

은 나노초 펄스 레이저 로 고속으로 선-가공한 후 미세 전해가공 (Micro ECM) 으로 후-가공하는 복합 가공 공정을 이용하 여 미세 전해가공보다 가공시간을 단축하였다. 하 지만 미세 방전가공과 전해가공을 후가공으로 이 용하는 경우, 선가공된 미세형상과 후가공을 위한 미세 공구전극과의 정렬 (Align)이 어렵고, 전체 가 공시간 중 후가공시간이 지배적일 정도로 여전히 방전 혹은 전해가공시간이 오래 걸린다.

이에 대한 대안으로 설비가 상대적으로 간단하 고, 정밀한 정렬이 필요 없고, 가공시간이 짧은 전 해 에칭 (Electrochemical etching, ECE)을 후공정으로 이용할 수 있다. 전해 에칭법은 비접촉 방식의 표면 정밀가공법으로 레이저에 의해 발생한 열영향부와 재응고층을 위주로 재료의 돌출부를 선택적으로 제 거하여 보다 정밀한 형상의 미세 구조물을 완성하 는데 유용하다. 전해 에칭법은 전기적으로 도체인 모든 금속을 가공할 수 있으며 상온 전해액 중에서 가공이 가능하므로 열로 인한 변형이나 변질이 생 기지 않고, 비접촉 가공이므로 부수적인 버의 발생 이나 휨, 변형을 일으키지 않는 특징을 가지고 있다.

전해 에칭 가공으로 인해 얻을 수 있는 부수적인 효과로는 부식저항성 증대, 수소의 제거, 표면 광택 의 증대, 변색 및 응력의 제거 효과 등이 있다.

^7,8

또 한 전해 에칭법은 면적대비 재료 가공 효율이 높고 설비가 간단하며 공구의 마모가 발생할 수 없을 뿐 만 아니라 레이저 빔과 방전 복합 가공 혹은 레이 저 빔과 전해 복합 가공에 비해 가공 시간도 현저 하게 줄일 수 있어 요구되는 정밀도의 수준만 만족 한다면 효과적인 후-가공법으로 고려될 수 있다.

본 논문에서는 나노초 펄스 레이저와 전해 에 칭 복합 가공을 이용하여 미세 채널의 가공뿐 아 니라 미세 구멍 및 3 차원 미세 형상 가공까지 이 를 적용하였다. 또한 레이저 가공 후 전해 에칭 가공의 특성을 분석하기 위하여 전압과 시간의 가 공 조건에 따른 가공 형상을 비교 분석함으로써 복합 가공의 가공 성능과 효율 향상 여부를 실험 적으로 살펴보았다.

2. 레이저/전해 에칭 가공 2.1 가공 원리

나노초 펄스 레이저를 이용하면 고속으로 미세

형상 가공이 가능하다. 고세장비 구멍 가공 및 절단 그리고 3 차원 형상가공에도 적용 가능하다.

하지만 가공영역 주위에 재응고층을 형성하고 넓 은 열영향층을 발생시킨다. 반면 전해 에칭 가공 은 전기 화학적 장치를 기반으로 이루어지며 복 잡하고 고세장비의 정밀 형상 가공은 할 수 없지 만 전해액을 통한 전류의 공급으로 상대적으로 분자 상태가 불안정한 표면 부위를 용해시킬 수 있다.

레이저 빔과 전해 에칭 복합 가공은 가공 속도 는 빠르지만 열영향부와 재응고층의 발생을 피할 수 없는 나노초 펄스 레이저 가공의 특징과 표면 평탄화를 통해 가공 결함을 완화시키는 전해 에칭 가공의 특징을 상호 보완하는 공정이다. 즉, 나노 초 펄스 레이저를 조사하여 선-가공함으로써 일정 량의 재료를 빠르게 가공한 후, 같은 비접촉 방식 인 전해 에칭 가공으로 후-가공함으로써 레이저에 의해 발생한 재료의 돌출부를 이온 분해하여 선택 적으로 제거하기 때문에 공구의 마모가 있을 수 없고 가공 시간도 효과적으로 단축하면서 높은 정밀도의 미세 형상물을 가공할 수 있다. Fig. 1 은 레이저와 전해 에칭을 이용한 복합 미세 가공의 개념을 보여주고 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of hybrid process

2.2 실험 장치

레이저 빔 고속 선-가공을 위해 사용한 IPG Photonics 사의 Yb-doped Fiber Laser 는 파장 1064 nm, 펄스폭 150 ns, 최대출력 20 W, 최고펄스반복 율 80 kHz 의 특성을 가진다. 가공 시편은 15 mm

× 15 mm 크기로 절단된 1 mm 두께의 스테인리스

강 (STS 304)으로 사용하였다. 시편은 레이저로 먼

저 가공된 후 초음파 세척이 된 다음 후-가공을

위한 전해 에칭 가공 시스템으로 옮겨진다. Fig. 2

(3)

는 레이저 가공 시스템을 나타낸다.

Fig. 2 Schematic diagram of LBM system for pre-process 가공물의 후-가공에 사용한 전해 에칭 가공 시 스템은 전기 화학적 가공의 일종으로 상온 전해 액인 1.0 M 의 황산(H

2

SO

₄

) 용액 안에서 이루어진 다. 가공한 공작물을 (+)극에 전극인 백금을 (-)극 에 연결하여 전해액 안에서 전류를 흐르게 하면, 공작물의 표면을 용해시켜 재응고층을 제거하고 표면을 평탄하게 만들어준다. Fig. 3 은 전해 에칭 시스템을 보여준다.

Fig. 3 Schematic diagram of ECE system for post-process 전해 에칭 가공 시에는 레이저 가공으로 발생 한 가공물의 돌출 부위에 전류가 집중적으로 흐름 으로써 재응고층이 가장 먼저 제거되고, 그 다음 으로 가공되지 않은 공작물의 표면이 용해되기 때 문에, 가공 후 용도에 따른 전압 및 인가시간 등 의 가공 변수를 달리하여 적당한 가공 조건을 찾 는 일이 매우 중요하다.

2.3 실험 방법

본 실험에서는 미세 채널과 미세 구멍 및 3 차 원 미세 형상을 가공함으로써 복합 가공의 특성을 살펴보았다.

우선 조건에 따른 가공특성을 조사하기 위해 1 mm 두께의 스테인리스 강에 총 면적 1.2 mm

× 1.7 mm 인 미세 채널 형상을 레이저 빔을 이 용하여 가공하였다. 레이저 가공 단계에서는 스 캔속도, 반복횟수 등의 조건에 따라 가공특성을 살펴보았다.

가공한 공작물의 전해 에칭 실험은 전압과 인 가 시간의 가공 조건 변수를 달리하여 총 28 번으 로 이루어졌다. 모든 실험은 상온에서, 전해액은 1.0 M 의 황산(H

2

SO

₄

) 조건에서 이행되었고 Anode 는 레이저 가공물 Cathode 는 백금을 사용하였다.

실험에 대한 결과는 Taylor Hobson 사의 Form Talysurf Series 2 모델과 Ultra Surface Finish 소프트 웨어 툴 킷을 이용하여 가공물의 표면 특성을 두 가지로 분석하였다. 첫째는 가공물의 표면 정밀 도를 평가하기 위하여 레이저 가공 단계에서 전 압과 인가 시간 각각의 조건마다 표면의 재응고 층의 높이를 측정하여 평균값을 계산하였다. 가 공물의 형상 정밀도를 평가하기 위하여 각 조건 마다 미세 채널의 폭의 길이를 측정하여 평균값 을 계산하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 레이저 조건에 따른 가공 형상

레이저 가공 시 발생하는 재응고층이나 열영향 부는 전해 에칭 후-가공법으로 제거할 수 있으므 로 최소의 가공 시간으로 계획했던 가공 형상물을 제작하기 위해서는 적절한 레이저 조건을 찾는 일 이 중요하다. 레이저 미세 채널 가공은 Table 1 에 서 보여지는 것처럼 스캔 속도와 반복 횟수를 각 각 달리 하여 실험하였다. 스캔 속도와 반복 횟수 를 조절한 것은 레이저 빔의 세기가 동일한 상황 에서 총 가공 시간이 달라질 때 레이저 가공 형상 을 파악하기 위함이다. Fig. 4 는 레이저 스캔 속도 와 반복 횟수에 따른 가공결과를 보여주고 있다.

Table 1 Machining conditions of LBM Avg.

Power

Frequency Rate

Scan Speed

Number of Scan

Channel

20 W 80 kHz 300 mm/s 50 times

20 W 80 kHz 30 mm/s 10 times

20 W 80 kHz 2 mm/s 5 times

(4)

Fig. 4(a) 와 같이 레이저 스캔 속도를 300 mm/s, 반복 횟수를 50 번으로 설정한 뒤 펄스 빔을 조사 하였을 때 걸린 시간은 약 3.2 초였다. 높이가 평 균 30 µm 되는 상대적으로 낮은 재응고층이 발생 하였지만 채널의 깊이가 고르지 못함을 확인하였 다. Fig. 4(b)와 같이 레이저 스캔 속도를 2 mm/s, 반 복 횟수를 5 번으로 설정한 뒤 펄스 빔을 조사하 였더니 걸린 시간은 약 44.5 초 였으며 높이가 평

(a)

(b)

(c)

Fig. 4 Micro channels fabricated by LBM (scan speed, repetition time): (a) 300 mm/s, 50 times, (b) 2 mm/s, 5 times, and (c) 30 mm/s, 10 times

균 180 µm 되는 높은 재응고층이 발생하였다. 전 해 에칭으로 후-가공을 한 뒤 표면을 분석해본 결 과 레이저 빔으로 발생한 기존의 재응고층이 너무 높아 가공 후 깨끗하게 제거되지 못한 모습이었다.

Fig. 4(c) 와 같이 레이저 스캔 속도를 30 mm/s 로 설정하고 약 10 번의 펄스 빔을 조사했을 때 걸 린 시간은 약 7.3 초였으며 높이가 평균 40 µm 인 재응고층이 발생하였고 표면 분석 결과 채널의 깊 이도 고르게 나타나 복합 가공을 위한 레이저 실험 조건으로 적합함을 확인하였다.

3.2 시간과 전압에 따른 단계별 가공 형상

전해에칭 시, 전압과 인가 시간에 따른 재응고 층 제거 특성을 살펴보았다. 레이저 선-가공 시에 는 Fig. 4(c)와 같은 조건인 스캔속도 30 mm/s, 반복 횟수 10 번을 사용하였다. Fig. 5 는 각각 전압과 인가 시간에 따른 레이저 재응고층의 높이와 채널

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Burr Height(um)

Time (min)

3.0V6.0V 12.0V9.0V

(a) Average burr height profile

20 40 60 80 100 120 140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Channel Width(um)

Time (min)

3.0V6.0V 12.0V9.0V

(b) Average channel width profile

Fig. 5 Burr height and channel width after ECE with

different time and voltage

(5)

폭의 길이를 측정한 결과이다. 전해 에칭 전의 레 이저 선-가공된 채널 폭과 재응고층 높이는 각각 20 µm 와 40 µm 였다. 재응고층의 높이는 인가 시 간이 증가함에 따라 낮아지고 전압이 높아짐에 따 라 역시 낮아지는 경향을 보였으며 채널 폭의 길 이는 인가 시간이 증가함에 따라 넓어지고 전압이 높아짐에 따라 역시 넓어지는 경향이 나타났다.

인가 시간이 1 분 미만으로 짧은 경우에는 전 압이 높더라도 재응고층이 상당부분 제거되지 않 았다. 전압이 높아질수록 (9 V 이상) 1.5 분이 경과 되면 급격히 재응고층 높이가 낮아지고 채널폭도 급격하게 증가하는 경향이 나타난다. 상대적으로 전압이 6 V 이하로 낮은 경우에는 시간에 따라 재응고층 높이 및 채널 폭의 변화가 완만하다.

전압이 낮은 경우 완벽하게 재응고층을 제거하기 위해서는 전압이 높은 경우보다 더 많은 시간을 필요로 한다.

Fig. 6 은 레이저 가공과 전해 에칭 후의 가공 결과를 보여주고 있다. 레이저 가공 조건은 스캔 속도 30 mm/s 반복횟수 10 번이며, 전해 에칭 조건 은 3 V, 6 분이다. 적절한 전해 에칭 조건 선정을 통해 재응고층이 효과적으로 제거되어 형상정밀도 가 향상되었음을 알 수 있다.

Fig. 6 Micro channel fabricated by the hybrid process of LBM (30 mm/s, 10 times) and ECE (6 min, 3 V) 가공깊이와 채널형상을 알아보기 위하여 가공 단면을 관찰하였다. Fig. 7 은 Fig. 6 과 같은 조건을 사용했을 때, 각각 레이저 가공 후와 전해 에칭 후의 채널 단면을 나타낸다. 단면을 관찰하기 위 해 레진으로 마운팅한 후에 폴리싱을 하였고, 마 지막으로 단면을 방전가공하였다. 따라서 채널 안 에 채워져 있는 레진이 함께 관찰되었다. Fig. 7(a) 와 같이 레이저 가공 후에 가공부 주위로 재응고

(a) (b)

Fig. 7 Cross-sectional view (a) after LBM (30 mm/s, 10 times) and (b) after ECE (6 min, 3 V)

층이 관찰되고, 이로 인해 가공형상이 불규칙함을 알 수 있다. 가공깊이는 약 50 µm 이다. 레이저의 열적작용에 의하여 200 ~ 300 µm 깊이에 미세한 크 랙이 발생하였다. Fig. 7(b)는 전해 에칭 후의 단면 을 보여주고 있다. 레이저 가공 후에 발생하였던 약 40 µm 높이의 재응고층이 깨끗하게 제거되었고 채널폭과 깊이가 증가하였다. 전해 에칭 후의 깊 이는 약 70 µm 이다. 단면모양은 U 형태와 V 형태 의 중간형태를 띠고 있다.

3.3 다양한 미세 형상 가공

레이저 빔과 전해 에칭 복합 가공의 효과가 미 세 채널 가공 외 다른 미세 형상에도 적용될 수 있는지 실험해보았다. Fig. 8(a)는 레이저 홀 가공의 결과이며 가공 세기 20 W, 주파수 20 kHz 로 한 점 에 약 70 번의 펄스 빔을 조사하여 300 µm 두께의 시편에 다량의 관통홀을 가공하였다. Fig. 9(a)는 레 이저로 3 단계 형상을 가공한 결과이다. 중심부로 들어갈수록 형상의 깊이가 깊어지도록 가공하였다.

Fig. 8(a) 와 같은 주파수와 세기, 그리고 약 300

mm/s 의 스캔 속도로 5 번의 펄스 빔을 조사하여

가공하였다. 레이저 다단계 형상 가공 시 재응고

층이 계단 끝 부분에만 집중되어 있음을 알 수 있

다. 레이저로 넓은 영역을 가공하기 위해 레이저

빔 가공 영역을 중첩하여 가공한다. 첫 번째 라인

가공 시 발생하는 재응고층이 다음 라인 가공 시

에 제거되기 때문에 끝부분에만 재응고층이 집중

되어 형성된다.

(6)

(a) LBM

(b) Hybrid

Fig. 8 Micro holes fabricated on the 300 µm thickness stainless steel (STS 304) by (a) LBM with an average burr height of 100 µm and (b) hybrid process of LBM and ECE (3 min, 12 V)

(a) LBM

(b) Hybrid

Fig. 9 Multi-step micro structure fabricated by (a) LBM with an average burr height of 120 µm and (b) hybrid process of LBM and ECE (10 min, 3 V)

Table 2 Etching conditions for holes and 3D structures Holes 3 min, 12 V

3D structures 10 min, 3 V

Fig. 8(b) 와 Fig. 9(b)는 앞서 선-가공한 공작물을 전해 에칭법을 이용하여 후-가공한 복합 가공의 결과이다. 에칭조건을 Table 2 에 나타내었다. 레이 저 빔과 전해 에칭 복합 가공의 결과는 선-가공 후 발생한 재응고층이 깨끗하게 제거된 모습이었 다. 레이저 홀 가공에서는 전해 에칭 후-가공 시 인가 시간과 전압을 각각 3 분과 12 V 로 설정한 반면 다단계 형상 가공에서는 각각 10 분과 3 V 로 설정한 이유는 Fig. 5 를 보면 알 수 있듯이 전압이 높고 시간이 짧은 경우와 전압이 낮고 시간이 긴 경우의 가공 특성이 유사하기 때문이다.

이로써 레이저 전해 에칭 복합가공이 다량의 깊 은 미세 홀 가공 및 3 차원 미세형상가공에 유용함 을 확인하였다.

4. 결론

본 논문에서는 스테인리스 강 (STS 304) 시편 위

에 나노초 펄스 레이저로 레이저 빔 선-가공 후 전

해 에칭법을 이용하여 후-가공하는 복합 가공의 가

공 특성에 대해 살펴보았다. 레이저 가공 시에는 스

캔 속도와 반복 횟수에 따른 가공형상, 재응고층의

높이 변화 특성을 살펴보았다. 전해 에칭 시에는 전

압과 인가 시간에 대한 조건 변수를 달리하여 레이

저 빔 가공에 의해 형성된 열영향부 및 재응고층의

제거 효과, 그리고 가공된 미세 채널의 폭의 길이를

산출하여 각 단계별 미세 형상 가공의 정밀도를 살

펴보았다. 미세 형상 가공의 정밀도는 전해 에칭 가

공 시 사용한 전압과 인가 시간에 대한 조건 변수

에 크게 의존하였다. 전압이 높을수록 그리고 인가

시간이 길어질수록 선-가공 시 발생한 열영향부 및

재응고층은 더 깨끗하게 제거되었으나, 전압과 인가

시간이 너무 높아지면 선-가공된 공작면을 위주로

시편이 용해되어 처음 설계한 가공 형상의 길이와

면적으로부터 큰 오차가 발생하였다. 따라서, 레이

저 빔과 전해 에칭 복합 가공은 전압과 인가 시간

등의 조건 변수에서 적절한 값을 찾는 일이 중요하

며, 이러한 원리를 기반으로 미세 채널뿐 아니라 구

멍 및 3 차원 형상물 등 다양한 미세 형상 가공에서

도 이러한 복합 가공의 적용 가능성을 확인하였다.

(7)

후 기

이 논문은 2011 년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구 임 (No. 2011-0001572, No. 2011-0016707).

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