펨토초 레이저 유리 가공 기술

펨토초 레이저 유리 가공 Femtosecond laser glass processing

01/26/2015

 

초단 펄스 레이저 기술로 최상의 정밀도 구현 Ultrashort-pulse laser techniques enable best precision

유리는 투명하고 견고한 소재로 일상 생활에서 다양한 응용 분야에 사용된다. 그것은 무한한 재질로 다양한 응용 분야에서 첨단 기술 적용을 위하여, 다른 재질과 결합하여 더 많은 용도를 찾고 있다. 유리는 소다 석회, 석회암 및 모래와 같이 찾기 쉬운 재질로 만들어진다. 이 재질은 매우 높은 온도 (약 1,500°C)에서 용융되어 액체와 같이 거동하고 부어지거나, 끊거나, 압축되거나, 여러 형태로 성형 될 수 있다. 그러나 주위 온도에서, 그것은 고체처럼 행동하고 기계적 성질의 변화로 인해 냉각 후 처리하기가 더 어려워진다.

Glass is a transparent and solid-like material with diverse areas of application in our daily lives. It is a boundless material whose applications' diversity is growing, finding more uses in combination with other materials for high-tech applications. Glass is made from easy-to-find materials such as soda ash, limestone, and sand. These materials melt at very high temperatures (around 1,500°C) so that it behaves like liquid and can be poured, blown, pressed, and molded into a multitude of forms. However, at ambient temperature, it acts like a solid and becomes harder to process after cooling due to changes in mechanical properties.

 

유리는 다른 재질과 다른 독특한 기능을 가지고 있다. 반사, 굽힘, 투과 및 흡수와 같은 매혹적인 광학적 특성을 가지며 전체 가시 범위 이상에서 투명성을 위한 높은 밴드 갭을 갖는다. 화학적으로 내 부식성이 없고 불활성이므로 대부분의 화학 약품의 용기로 사용할 수 있다. 열적 및 전기적으로 우수한 절연체이다. 기계적으로 유리 표면은 딱딱하고 스크래치 및 내마모성이 있으며 최근에는 다양한 방법으로 탄성을 발휘한다. 그러나 이러한 동일한 특성으로 인해 유리 가공에 어려움이 있다. 예를 들어 유리는 인장 강도가 크고 깨지기 쉽다.

Glass has unique capabilities that no other materials have. It has fascinating optical properties such as reflecting, bending, transmitting, and absorbing light, and has high bandgap for transparency over the entire visible range and beyond. Chemically, it is corrosion-resistant and inert so that it can be used as a container for most chemicals. Thermally and electrically, it is an excellent insulator. Mechanically, a glass surface is hard so that it is scratch- and abrasion-resistant, and in recent years with various methods, it even gained elasticity. However, these same properties render processing of glass challenging—for example, while glass has great tensile strength, it is brittle.

 

따라서 유리를 가공하는 방법의 역사는 적용 분야의 역사만큼이나 풍부하다. 유리 생산은 고대 기원전 3,500년경으로 거슬러 올라간다. 그것은 메소포타미아와 이집트에서 최초로 인위적으로 제조되어 주얼리로 사용되었고, 보석으로 사용 된 것으로 추정된다. 그 이후로 가공은 기술에서부터 첨단 산업 방법에 이르기까지 끊임없이 진화 해 왔으며 수많은 유리 종류와 용도가 등장했다. 유리의 제조가 오랜 역사를 가지고 있지만, 지난 수십 년 동안 이미 제조된 유리를 사용하여 제조된 공정은 그 취성으로 인해 제한적이었다.

Consequently, the history of methods to treat glass is as rich as the history of its applications. Glass producing has an ancient tradition that dates back to around 3,500 BC. It is assumed to have been first artificially manufactured in Mesopotamia and Egypt to be used as jewelry and afterward as jugs. Since then, processes have continuously evolved from workmanship to today's high-tech industrial methods, and numerous glass types and uses have emerged. Even though the manufacturing of glass has a long history, in the last few decades, processes made using already-produced glass have been limited due to its brittleness.

 

유리의 파열 및 붕괴는 일반적으로 작은 균열로 시작된다. 재질의 어떤 부분에서 균열이 형성되면, 그것은 이동하여 가장자리에 도달하여 깨지게 한다. 유리의 부서지기 쉬운 특성으로 인해 가공하기가 어렵다. 다른 한편, 개발 기술은 많은 응용 분야에서 다른 유형의 유리에 작은 구조가 형성되어야 한다. 유리를 가공 할 수 있는 포토 리소그래피 및 전자 빔 리소그래피와 같은 종래의 정밀한 방법이 있지만, 이들 기술 모두는 비싸고 특히 넓은 영역에서 작동하기가 어렵다. 오늘날 레이저 기반 기술은 유리를 가공하는 가장 정밀한 방법을 제공한다. 가장 직접적인 접근법은 유리가 적외선 (IR) 또는 자외선 (UV)에서 매우 투명하지 않은 파장 범위에서 단일 광자 흡수의 사용에 의존한다.

Breaking and disintegrating of glass commonly begins with a small crack. After the crack forms in some part of the body, it travels and reaches the edge and causes it to break. This brittle nature of glass makes it hard to process. on the other hand, developing technology necessitates smaller structures to be formed in different types of glasses for many application areas. There are conventional precise methods like photolithography and electron beam lithography that can also process glass, but both of these techniques are expensive and hard to operate, especially on large areas. Today, laser-based techniques offer the most precise ways of processing glass. The most straightforward approach relies on the use of single-photon absorption in wavelength ranges where glass is not highly transparent-either in the infrared (IR) or ultraviolet (UV).

 

그러나, 직접 흡수는 바람직하지 않은 열 영향 및 열 영향 부 (heat-affected zone)의 형성을 포함하여 마이크로 균열 전파를 심어 기계적 안정성을 심각하게 손상시킬 수 있는 문제를 일으킨다. 또한, 3D 구조의 생성에 대해 실질적으로 표면 아래에서의 처리는 높은 투명도의 파장 사용을 요구한다. nanosecond-pulsed laser는 유리 (그림1)에서 서브 표면 구조를 생성하는 데 사용될 수 있지만, 관련된 물리적 메커니즘은 마이크로 머시닝의 기교에 한계를 부과하고 미세 균열을 야기 할 수도 있다.

However, direct absorption leads to problems, including undesirable thermal effects and formation of heat-affected zones, which can severely compromise mechanical stability by seeding micro-crack propagation. Furthermore, processing substantially below the surface, towards the creation of 3D structures, requires use of wavelengths of high transparency. While nanosecond-pulsed lasers can be used to create sub-surface structures in glass (FIGURE 1), the physical mechanisms involved also impose limitations to the finesse of the micromachining and can also cause micro-cracks.

 

FIGURE 1. Laser processing examples on glass with a nanosecond UV laser (left side), and with a NIR femtosecond laser (right side) [8].

 

최근 몇 년 사이에 흥미 진진한 대안이 산업적 용도, 즉 근적외선 (NIR) 파장에서 서브 피코초 펄스를 생성하는 초고속 레이저의 사용에 충분히 실용화되었다. 이 접근법에서 초단 펄스는 유리 또는 표면의 대부분에 단단히 집중되며, 평방 센티미터 당 테라 와트를 초과하는 출력 밀도는 다중 광자와 눈사태의 동시 흡수 및 충돌 이온화와 같은 이색적인 프로세스를 유발하여 매우 집중적인 아주 적은 에너지가 증착된 유리 매트릭스 (몇 마이크로 주울 이하) 는 펄스 당 사용되는 에너지는 매우 적기 때문에, 집중 볼륨을 즉시 둘러싸고 있는 지역에 대한 열 효과는 무시할 수 있다. 이 방법은 종종 "저온 절제"라고 하며 극히 정밀한 3D구조를 만들 수 있다.

In recent years, an exciting alternative has become practical enough for industrial usage—namely, the use of ultrafast lasers producing sub-picosecond pulses in near-infrared (NIR) wavelengths. In this approach, ultrashort pulses are focused tightly into the bulk of glass or its surface, with power densities exceeding terawatts per square centimeter that trigger exotic processes such as simultaneous absorption of multiple photons and avalanche and impact ionization, resulting in a highly localized disruption of the glass matrix with very little energy deposited (a few micro-joules or less). Due to the very modest amounts of energy used per pulse, the thermal effects to the region—even immediately surrounding the focal volume—can be kept negligible. This approach is often called "cold ablation" and enables creation of extremely precise 3D structures.

 

투명 재질의 펨토초 레이저 미세 가공은 다른 마이크로 머시닝 기술에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있다 (그림2).

Femtosecond laser micromachining of transparent materials has distinctive advantages over other micromachining techniques (FIG 2).

 

FIGURE 2. Femtosecond pulses generated via fiber laser enable fast marking on glass.

 

첫째, 레이저 유도 변형은 흡수 메커니즘의 비선형 성 때문에 초점 볼륨으로 제한된다. 스캐닝 방법이나 샘플 변환 마이크로 머시닝을 사용하면 3 차원에서 기하학적으로 어려운 구조가 가능해진다. 둘째, 재질 독립적인 비선형 흡수 공정을 통해 투명 재질에 광학 소자와 같은 미세 구조를 형성 할 수 있다 (그림 3).

First, laser-induced modifications are limited to the focal volume due to nonlinearity in absorption mechanism. Using scanning methods or sample translation micromachining, geometrically difficult structures in three dimensions becomes possible. Second, the material-independent nonlinear absorption process makes it possible to form fine structures like optical devices in transparent materials (FIGURE 3).

 

FIGURE 3. A schematic is showing femtosecond laser/transparent material interaction [1].

 

펨토초 레이저 미세 가공은 "레이저 유도 광학 파괴 (laser-induced optical breakdown)" 현상에서 발생한다. 이 과정에서 펨토초 레이저의 광 에너지는 가공된 재질로 옮겨져 많은 전자를 자극하고 이온화되어 격자로 에너지를 전달하게 한다. 결과적으로, 재질의 구조적 또는 상 변화가 일어나 영구적인 굴절률 수정이 일어나거나 심지어 초점 스폿에 보이드를 남긴다.

Femtosecond laser micromachining arises from a phenomenon called "laser-induced optical breakdown." In this process, the optical energy of the femtosecond laser is transferred to the processed material, exciting many electrons and causing them to ionize and transfer energy to the lattice. Subsequently, a structural or phase alteration in the material occurs and causes a permanent refractive index modification or even leaving a void just at the focal spot.

 

왜 초고속 펄스가 마이크로 머시닝에 이상적인지 이해하는 것은 재질 처리의 시간 척도에서 문제를 해결해야 한다. 레이저로 인한 손상은 오랫동안 연구되어 왔지만 펨토초 펄스 레이저로 인한 손상과 피코초 이상의 지속 시간을 갖는 펄스로 인한 손상간에 중요한 차이가 있다. 대부분의 재질에서 열 효과의 주요 원인인 포논은 적어도 1 피코초의 레이저 노출이 필요하다. 펨토초 레이저 펄스의 경우 노출 지속 시간이 이 제한보다 짧다.

Understanding why ultrafast pulses are ideal for micromachining necessitates approaching the problem from the timescale of the material processing point of view. Damage caused by a laser has long been studied, but there are important differences between damage caused by a femtosecond pulsed laser and damage caused by pulses with duration greater than picoseconds. In most of the materials, phonons that are the main reasons of thermal effects need at least one picosecond of laser exposure to be excited. For femtosecond laser pulses, exposure duration is lower than this limit.

 

따라서 펨토초 펄스가 이 시간 전에 끝날 것이기 때문에 모든 이온은 전자에 의해 열에 의해 여기되지 않는다. 초점 영역 근방의 외부에서도 열 확산이 최소화되어 가공의 정밀도가 향상된다. 또한, 펨토초 레이저 재질 처리는 비선형 이온화 메커니즘을 통해 흡수 과정을 만드는 시드 전자가 생성되고 재질의 결함 전자가 필요 없기 때문에 매우 결정적이다. 비선형 여기의 반복성 및 제한은 다른 방법으로는 불가능한 실용적인 목적을 위해 펨토초 레이저 미세 가공의 사용을 허용한다.

Hence, any ions will not be excited thermally by electrons since the femtosecond pulses would end before this time period. Heat diffusion outside—even in the vicinity—of the focal area is minimal, resulting in an increase of the precision of the process. In addition, femtosecond laser material processing is highly deterministic since the seed electrons to seed the absorption process are generated through nonlinear ionization mechanism and defect electrons in the material are not required. The repeatability and confinement of the nonlinear excitation allows the use of femtosecond laser micromachining for practical purposes for which other methods are not capable.

 

최근까지, 유리상에 초단파 펄스를 사용하는 것은 널리 알려져 있지만 널리 사용되지는 않았지만, 이 과정에 필요한 펄스 에너지가 상대적으로 높았기 때문에 널리 사용되지는 않았습니다. 이러한 펄스 에너지 레벨을 제공하는 유일한 레이저는 복잡하고 조작하기가 어려우며 구매 비용이 많이 든 고체 상태의 레이저이다. 지난 몇 년 동안 파이버 레이저 기술의 발전은 짧은 펄스와 높은 빔 품질로 펄스 에너지 레벨을 제공하여 고체 레이저에 대한 중요한 대안으로 만들었다. 또한 파이버 레이저는 정렬이 없어 경제적이며, 소형이며, 신뢰성이 높으며 작동이 더 쉽다.

Until recently, use of ultrashort pulses on glass was a known but not widely used method since the pulse energy need for this process is relatively high. The only lasers that were providing these pulse energy levels were solid-state lasers that are complex, difficult to operate, and expensive to purchase. Improvements in fiber laser technology over the last few years provide pulse energy levels with short pulses and high beam quality that make them an important alternative to solid-state lasers. In addition, fiber lasers are more economical, compact, reliable, and easier to operate since they are alignment-free.

 

사용하기 쉽고 저렴한 저비용의 마이크로 주울 범위 초고속 광섬유 레이저의 개발은 이제 이 기술을 틈새 적용분야에서 널리 채택된 산업 공정 도구로 전환하고 있다 (그림 4). 응용 분야는 제품 인증부터 유리 절단까지 뿐만 아니라 서브 표면 광 도파관의 생성까지 다양하다.

The development of user-friendly, low-cost, micro-joule-range ultrafast fiber lasers is now transforming this technique from a niche application to a widely adopted industrial processing tool (FIGURE 4). Applications range from product authentication to glass cutting, as well as the creation of sub-surface optical waveguides.

 

FIGURE 4. An example of glass cutting is made by femtosecond fiber laser.

 

 

적용분야 Applications

극저온 펄스를 이용한 표면 텍스처링 및 거칠기는 공정 및 정밀도에 대한 제어가 놀라운 결과를 제공하여 생물 의학 임플란트 거칠기와 같은 응용 분야에서 LED 및 태양 전지 효율성 증대를 위한 셀 접착 및 박막 에칭을 가능하게 하므로 널리 사용되는 방법이다. 유리 표면의 텍스처링을 위한 샌드 블라스팅 및 화학 에칭과 같은 일반적인 방법은 중간 정도의 정밀도와 얻어진 패턴에 대한 제한된 제어를 제공하며 종종 가공된 유리의 내구성을 감소시키는 미세 균열을 일으킨다. 결과적으로 섬유 레이저는 소수성/친수성 유리 표면 생성과 같은 응용 분야에서 유리의 표면 텍스처링에 사용된다. 최근에 초단 펄스 레이저를 사용하는 처리는 유리 표면에서 동일하거나 더 우수한 품질의 젖음성 조건을 얻을 수 있음을 보여 주며 표면 처리 응용 분야의 미래에 대해 매우 유망하다. 이들은 표면상의 공정 패턴을 완벽하게 제어하여 액체 유리 상호 작용을 최적화 할 수 있다.

Surface texturing and roughening using ultrashort pulses is a widely used method for metals since control over the process and precision provides amazing results, enabling applications such as biomedical implant roughening to increase cell adhesion and thin-film etching for LEDs and solar cell efficiency increments. Common methods like sand blasting and chemical etching for texturing on glass surfaces provides moderate-level precision and limited control over the pattern obtained, often causing micro-cracks that reduce the durability of the processed glass. As a result, fiber lasers find usage in surface texturing of glass, especially for applications like producing hydrophobic/hydrophilic glass surfaces. Recently, treatments using ultrashort-pulsed lasers show it is possible to get the same or even better-quality wettability conditions on glass surfaces, and they are highly promising for the future of surface treatment applications. They provide total control over the process pattern on the surface, making it possible to optimize liquid-glass interaction.

 

초단파 펄스 광섬유 레이저의 또 다른 유망한 응용 분야는 유리 용접이다. 두 개의 유리를 함께 붙이는 가장 널리 사용되는 방법은 화학 재질을 사용하여 접착제로 붙이는 것이다. 이 방법의 가장 큰 단점은 사용된 화학 재질의 대부분이 시간이 지남에 따라 약간의 가스를 방출하여 유리 사이의 결합력이 중간의 가스로 인해 감소한다는 것이다. 또 다른 방법은 유리 표면을 닦고, 유리 표면을 연마한 다음 나중에 열처리하는 것이다. 이 방법은 또한 두 가지 다른 유형의 유리가 사용되는 경우 특히 단점이 있다. 열팽창 계수가 다를 수 있기 때문에 열처리 후에 유리 사이의 결합이 약해질 수 있다. 최근에, 유리의 용접에는 고 반복 속도 (megahertz) 및 고 펄스 에너지 (micro-joule)의 초단 펄스 레이저가 사용되기 시작했다. 초단파 펄스가 두 개의 유리의 경계 면에 집중되어 용접 될 때, 각 유리의 매우 작은 용적이 함께 녹아 냉각되어 매우 강력한 결합을 이룬다. 초소형 레이저 용접 공정의 올바른 최적화를 통해 유리 자체만큼 강한 결합력을 얻을 수 있다 (그림 5).

Another promising application for ultrashort-pulsed fiber lasers is the welding of glasses. The most widely used method to stick two glasses together is to glue them using chemicals. The biggest drawback of this method is that most of the chemicals used release some gases over time, causing the power of the bond between glasses to reduce due to gas in between. Another method used is to polish the glass surfaces, bringing them together and then treating with heat afterward. This method also has shortcomings, especially if two different types of glasses are used. Since they may have different heat-expansion coefficients, the bond between the glasses could become weak after heat treatment. Recently, high-repetition-rate (megahertz) and high-pulse-energy (micro-joule), ultrashort-pulsed lasers have begun to be used for welding of glasses. When the ultrashort pulses are focused at the interface of two glasses to be welded together, very small volumes from each glass melt and cool down together, resulting in a very powerful bond. With correct optimization of ultrashort laser welding processes, it is possible to obtain bonds as strong as the glasses themselves (FIGURE 5).

 

FIGURE 5. Laser bonding of two glasses using femtosecond pulses [5].

 

초소형 펄스 레이저로만 가능한 광학 및 포토닉스 산업의 또 다른 중요한 응용 분야는 유리 내부에 도파관을 써서 빛을 3D로 안내하는 것이다. 극초단 펄스가 유리 내부에 집중 될 때, 굴절률 변화가 초점 체적에서 발생하고, 이 변화는 일반적으로 지수 증가의 방식에 있다. 변환 스테이지를 사용하여 유리를 스캐닝하면 이 증가된 인덱스 영역을 사용하여 경로를 형성 할 수 있다. 광섬유의 작동 원리와 마찬가지로 빛은 내부 전반사 메커니즘을 사용하여 이러한 경로를 통해 안내 될 수 있다. 이 방법을 사용하면 빛을 서로 다른 파장을 결합하거나 분리하여 유리 내부에 격자 또는 렌즈 구조를 만드는 등 한 위치에서 다른 위치로 광을 유도하고 전달할 수 있다. 따라서 유리 내부에 초단 레이저 광 도파로를 제작한다 (그림 6). 포토닉스 기술이 주로 전자 기술로 제공되는 통신, 생물 의학 및 센서 기술을 지배 할 것으로 예상되기 때문에 중요하다.

Another important application in the optics and photonics industry, possible only with ultrashort-pulse lasers, is writing waveguides inside glass to guide light in 3D. When ultrashort pulses are focused inside glass, a refractive index change occurs at the focal volume and this change is generally in the way of an increase in the index. By scanning the glass using a translation stage, this increased-index region can be used to form paths. Similar to the optical fibers' working principle, light can be guided through these paths by using the total internal reflection mechanism. Using this method it is possible to guide and transfer light in three dimensions from one place to another, combining or separating different wavelengths of light, making grating or lens structures inside glass, etc. Thus, ultrashort laser waveguide writing inside glass (FIGURE 6) is important since it is expected that photonics technology is going to dominate communication, biomedical, and sensor technology that is mainly provided by electronics technology.

 

FIGURE 6. A schematic is showing direct laser writing of a waveguide inside glass [6].

 

 

결론 Conclusion

펨토초 레이저 마이크로 머시닝은 3D, 재질 독립적 및 서브 파장 정밀 가공을 위한 차별화된 기능을 제공하며, 리소그래피보다 훨씬 단순하게, 유리와 같은 투명 재질에 3D 구조를 제작할 수 있다. 펨토초 미세 가공 분야는 빠른 속도로 진화하고 있으며, 이 기술은 미세 가공 분야를 넘어서는 가능성을 약속한다. 그것은 레이저 산업을 위한 새로운 분야와 시장을 창출하고 여러 면에서 기술의 미래에 영향을 미칠 최첨단 응용을 용이하게 하는 기술이다.

Femtosecond laser micromachining offers distinctive capabilities for 3D, material-independent, and subwavelength-precise processing, and also enables the fabrication of 3D structures in transparent materials such as glass with far greater simplicity than lithography. The femtosecond micromachining field is evolving at a rapid pace and this technique promises possibilities beyond the field of micromachining. It is a technology that creates new fields and markets for the laser industry and facilitates state-of-the-art applications that will affect the future of technology in many ways.

 

 

참고 문헌 REFERENCES

1. K. Itoh, W. Watanabe, S. Nolte, and C. B. Schaffer, MRS Bulletin, 31, 620–625 (2006).

2. R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon., 2, 219–225 (2008).

3. M. S. Ahsan, F. Dewanda, M. S. Lee, H. Sekita, and T. Sumiyoshi, Appl. Surf. Sci., 265, 784–789 (2013).

4. G. Della Valle, R. Osellame, and P. Laporta, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 11, 013001 (2008).

5. S. Richter, S. Döring, A. Tünnermann, and S. Nolte, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 103, 257–261 (2011).

6. See http://bit.ly/1nvrlCb.

7. See http://bit.ly/1yCV85F.

8. See http://bit.ly/1pOodcv.

 

출처 링크:  (yavas@fiberlast.com.tr) is Senior R&D Engineer – Laser Expert at FiberLAST Inc., Ankara, Turkey. https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-30/issue-1/features/femtosecond-laser-glass-processing.html

 

 

 

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