레이저 가공 기술은 비(非) 접촉적이고 가공 재료 범위가 넓고 정밀도가 높은 동시에 중복 비율이 높고 열 영향 구역이 작고 형태와 사이즈 가공 플렉시블 특성이 뚜렷한 강점을 보유하고 있기 때문에 마이크로 기계, 마이크로 전자 장치, 의료 기기, 항공 정밀 제조 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있다. 

현재 초단(超短) 펄스(Pulse) 레이저 마이크로 가공에 대한 연구는 대부분 저 출력 레이저(Low-power laser)(P<30W)를 사용하고 있다. 저 출력 레이저에 비해 고 출력 초단 펄스 레이저(High-power ultrashort pulse laser)는 더욱 강한 가공 능력을 보유하고 있다. 하지만 현재 고출력 초단 펄스 레이저 재료를 이용하여 가공하는 연구는 비교적 적고 특히 100W 수준을 초월하는 레이저 출력을 이용하여 가공하는 연구는 더욱 적은 상황이다. 

중국과학원 닝보(寧波) 재료 기술 및 공정 연구소 산하 선진 제조 연구소 소속 장원우(張文武) 연구원이 주도하는 `레이저 및 스마트 에너지 필드(Smart energy field) 제조 공정 연구팀`은 최근 독자적이고 혁신적인 연구를 통해 `5축 연동 디지털 제어 시스템`을 개발한 기초 상에서 `2축 스캐닝 검류계(Two-axis scanning galvanometer)`와 결합하여 `5축 연동`의 300W 피코 초 레이저(Picosecond laser) 가공과 40W 나노초 레이저(Nanosecond Laser) 가공 시스템을 개발하였다. 

연구팀은 300W 피코 초 레이저 가공 시스템을 이용하고 구리, 알루미늄, 석영(Quartz) 등 재료 상에서 마이크로 그루브(micro-groove)를 가공하여 다양한 가공 매개 변수 조건이 마이크로 그루브의 폭 및 깊이에 끼치는 영향을 분석하였다. 

이번 연구는 장원우(張文武) 연구원이 자오쥔커(焦俊科), 롼량(阮亮), 장톈룬(張天潤) 등 연구원과 공동으로 실행한 것으로, 관련 연구 성과는 미국 디트로이트에서 개최된 ASME 2014 Manufacturing Science andEngineering Conference의 `에너지 필드 제조 포럼`에서 발표되어 국내외 과학기술계와 산업계의 높은 관심을 받았다. 

연구팀의 이번 연구는 고속 마이크로 나노 가공 기술의 발전과 응용을 추진하였다. 미세 가공의 속도는 일상적인 시스템에 비해 5~10배나 더 빠른 동시에 열 영향을 효과적으로 제어할 수 있다. 연구팀은 독자적으로 연구개발한 5축 플랫폼 및 소프트웨어 인터페이스와 결합하여 큰 사이즈의 복잡한 형태의 레이저 정밀 가공을 위해 기반을 구축하였다. 

실험 조건이 2~20MHz일 때 최대의 레이저 출력은 300W에 달하고 파장은 1064nm에 달하며 주파수 조정 범위는 400KHz~20MHz에 달하고 있다. 레이저 빔이 스캐닝 검류계에 반사하게 되면 포커스 반점(Focus Spot)은 약 40~75um에 달하고 있다. 마이크로 가공 경로는 스캐닝 검류계가 제어하며 최대 속도는 10m/s에 달하고 있다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 고 출력 피코 초 레이저는 일종 마이크로 가공에서의 효과적인 도구에 속하며 다양한 스캐닝 층, 레이저 출력, 스캐닝 속도 하에서 재료 제거 효율이 다르다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 연구에서 나노초 레이저와 피코 초 레이저 가공 효율을 비교하여 피코 초 레이저 가공 효율이 나노초 레이저 가공 효율을 초월하며 피코 초 레이저 단위 에너지의 재료 제거 비율이 일정 심층 범위 내에서 나노초 레이저의 2배 이상에 달한다는 점을 발견하였다. 

연구팀은 공초점 현미경(Confocal microscopy)을 이용하여 마이크로 그루브 가공 결과를 정밀 측정하였다(그림 3. 참조). 그 결과, 측정 정밀도 면에서 XY 방향은 140나노 이하에 달하고 Z 방향은 10나노보다 작은 수준에 달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 마이크로 그루브의 거칠기, 가공의 3차원 형태와 제거 체적에 대해 신뢰성 높은 측정을 실행하였다. 

연구팀은 관련 논문을 통해 레이저 펄스 에너지, 평균 출력 등이 재료 제거 비율에 끼치는 영향을 한층 더 세부적으로 설명하고 재료 제거 비율이 단일 펄스 에너지 및 가공의 심층 능력과 밀접히 관련되어 있다는 점을 제시하였다. 초단 펄스 레이저 장치의 심층 능력은 3mm보다 작은 마이크로 미세 가공에 적합하며 효율적인 대형 심층 마이크로 미세 가공은 한층 더 수준이 높은 공법 개발이 필요한 상황이다. 

연구팀은 향후 `물을 이용한 레이저 가공(Water-assisted laser processing) 기술`을 탐색하여 펄스 레이저 가공 심층 능력을 한층 더 향상시키기 위한 연구를 실행하게 될 전망이다.  

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』