나노초와 피코초, 펨토초 레이저 비교: 설명

C시간 전환

시간 단위 변환부터 시작해 보겠습니다.

• 1밀리초(ms) = 0.001초 = 10^-3 초
• 1마이크로초(μs) = 0.000001초 = 10^-6 초
• 1나노초(ns) = 0.000000001 초 = 10^-9 초
• 1 피코초(ps) = 0.000000000001 초 = 10^-12 초
• 1 펨토초(fs) = 0.000000000000001 초 = 10^-15 초

이러한 시간 단위에 대한 이해를 통해 펨토초 레이저가 매우 짧은 펄스를 생성한다는 것을 알 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 초단파 펄스 레이저 가공 기술은 빠르게 발전해 왔습니다.

기본 사항: 나노초와 피코초, 펨토초 레이저의 차이점

레이저는 현대의 제조 및 재료 가공에서 중요한 역할을 하며, 그 효과는 주로 펄스 지속 시간에 의해 결정됩니다. 이 섹션에서는 나노초, 피코초, 펨토초의 세 가지 주요 초고속 레이저 유형을 살펴보며, 각 레이저는 점점 더 짧아지는 펄스 지속 시간과 고유한 재료 상호 작용 특성으로 구별됩니다.

펄스 지속 시간이 10~⁹초인 나노초 레이저는 수십 년 동안 산업 분야에서 널리 채택되어 왔습니다. 이 레이저는 출력과 정밀도 사이의 균형을 유지하여 절단, 드릴링, 마킹 등 광범위한 재료 가공 작업에 적합합니다. 그러나 상대적으로 긴 펄스 지속 시간은 민감한 재료에 심각한 열 영향 영역(HAZ)을 유발하여 열 손상, 미세 균열 또는 원치 않는 재료 변형을 초래할 수 있습니다.

10¹²초 펄스로 작동하는 피코초 레이저는 정밀 레이저 가공의 획기적인 발전을 의미합니다. 펄스 지속 시간이 짧아 열 효과를 최소화하여 에너지 증착과 재료 제거를 더욱 제어할 수 있습니다. 그 결과 더 깔끔한 제거, 더 선명한 피처 모서리, 부수적인 손상이 감소합니다. 피코초 레이저는 미세 가공, 박막 패터닝, 폴리머 및 세라믹과 같은 열에 민감한 재료의 가공과 같이 높은 정밀도가 요구되는 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

최첨단 초고속 레이저 기술인 펨토초 레이저는 10-¹⁵초 영역에서 펄스를 전달합니다. 이 놀랍도록 짧은 펄스는 "콜드 어블레이션"이라는 현상을 가능하게 합니다. 레이저 에너지는 재료의 열 이완 시간보다 빠르게 전달되어 주변 영역으로의 열 전도 없이 대상 부위를 직접 기화시킵니다. 이러한 고유한 특성 덕분에 펨토초 레이저는 위험 요소가 거의 없이 전례 없이 정밀하게 재료를 제거할 수 있어 반도체 공정, 생체 의료 기기 제조, 나노 재료 제조 등 초정밀 애플리케이션에 이상적입니다.

나노초 레이저에서 펨토초 레이저로의 발전은 레이저와 물질의 상호작용 메커니즘의 패러다임 전환을 의미합니다. 나노초 레이저는 주로 광열 공정에 의존하지만, 피코초 및 펨토초 레이저는 점점 더 광표백 및 광화학적 상호작용을 활용하고 있습니다. 이러한 변화는 정밀도 향상, 열 효과 감소, 투명 재료 및 초경합금과 같은 전통적으로 까다로운 물질을 포함한 광범위한 재료를 처리할 수 있는 능력으로 이어집니다.

요약하면 나노초(10-⁹초), 피코초(10-¹²초), 펨토초(10-¹⁵초) 레이저는 초고속 레이저 가공에서 다양한 기능을 제공합니다. 이러한 기술 간의 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항, 처리 속도, 정밀도, 재료 감도 및 비용 효율성과 같은 요소의 균형에 따라 달라집니다. 레이저 기술이 계속 발전함에 따라 이러한 초고속 레이저와 정교한 빔 성형, 실시간 공정 모니터링, 적응형 제어 시스템이 통합되어 첨단 제조 및 재료 가공의 가능성의 한계를 넓히고 있습니다.

극초단 펄스 레이저의 중요성

오랫동안 사람들은 미세 가공에 레이저를 사용하려고 시도해 왔습니다.

그러나 기존 레이저의 긴 펄스 폭과 낮은 레이저 강도로 인해 재료가 지속적으로 녹고 증발했습니다.

레이저 빔이 작은 지점에 초점을 맞출 수 있더라도 재료에 미치는 열 영향이 여전히 커서 가공 정확도가 제한되었습니다.

처리 품질을 개선하기 위해 열 효과를 줄여야 했습니다.

피코초 단위의 레이저 펄스가 재료에 작용하면 가공 효과가 극적으로 달라집니다.

펄스 에너지가 급격히 증가하면 높은 전력 밀도로 외부 전자를 제거하기에 충분합니다.

레이저와 재료 사이의 상호 작용이 매우 짧아 에너지가 주변 재료로 전달되기 전에 재료 표면에서 이온이 제거되어 열적 영향을 피할 수 있습니다.

이 프로세스를 "콜드 워킹"이라고도 하는 이유입니다.

냉간 가공의 이점 덕분에 단펄스 및 극초단 펄스 레이저는 산업 생산 및 응용 분야에 널리 사용되고 있습니다.

레이저 가공: 긴 펄스 대 초단파 펄스

초단파 펄스 처리에서는 작은 동작 영역에 에너지가 빠르게 주입됩니다.

순식간에 증착된 높은 에너지 밀도는 전자 흡수 및 이동 모드를 변경하여 레이저 선형 흡수, 에너지 전달 및 확산의 영향을 피합니다. 이는 레이저와 재료 사이의 상호 작용 메커니즘을 근본적으로 변화시킵니다.

롱펄스 레이저 가공 후 위치

초고속 레이저 펄스 처리 후 위치

레이저 가공의 광범위한 적용

레이저 가공에는 고출력 절단 및 용접이 포함됩니다.

다음과 같은 다양한 레이저 가공 방법을 사용할 수 있습니다. 드릴링스크라이빙, 절단, 텍스처링, 스트리핑 및 격리는 주로 다음과 같은 목적으로 미세 가공에 사용됩니다:

1. 드릴 구멍

회로 기판 설계에서 세라믹 기판은 열 전도성이 우수하여 기존의 플라스틱 기판을 대체하는 용도로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

전자 부품을 연결하려면 일반적으로 기판에 수십만 마이크로미터 크기의 구멍을 뚫어야 합니다.

따라서 드릴링 과정에서 발생하는 열로 인해 기판의 안정성이 영향을 받지 않도록 하는 것이 필수적입니다.

피코초 레이저는 이 애플리케이션에 이상적인 도구입니다.

임팩트 드릴링을 사용하면 피코초 레이저로 홀 가공을 완료하고 홀의 균일성을 유지할 수 있습니다.

피코초 레이저는 회로 기판 외에도 플라스틱 필름, 반도체, 금속 필름, 사파이어와 같은 재료에 고품질 구멍을 뚫는 데에도 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 100 마이크로미터의 드릴을 드릴링할 때두꺼운 스테인리스 강판 절제 임계값에 가까운 3.3나노초 또는 200펨토초 레이저의 10000 펄스를 사용합니다:

2. 스크라이빙, 자르기

레이저 펄스를 스캔하고 겹쳐서 선을 생성할 수 있습니다.

여러 번 스캔을 수행하면 선 깊이가 재료 두께의 1/6에 도달할 때까지 세라믹 재료 내부 깊숙이 침투할 수 있습니다.

그런 다음 모듈은 이 스크라이브 라인을 따라 세라믹 기판에서 분리되는데, 이 과정을 스크라이빙이라고 합니다.

또 다른 분리 방법은 절제 절단이라고도 하는 초단파 펄스 레이저 절제 절단입니다.

이 과정에서 레이저는 재료가 절단될 때까지 절제를 통해 재료를 제거합니다.

이 기술의 한 가지 장점은 가공된 구멍의 모양과 크기 측면에서 유연성이 뛰어나다는 점입니다.

모든 처리 단계는 피코초 레이저를 사용하여 수행할 수 있습니다.

폴리카보네이트 소재에 대한 피코초 레이저와 나노초 레이저의 효과의 차이도 주목할 가치가 있습니다.

3. 라인 절제(코팅 제거)

미세 가공의 또 다른 일반적인 응용 분야는 모재에 손상을 주지 않고 코팅을 정밀하게 제거하는 것입니다.

절제 범위는 수 미크론 폭의 선부터 수 평방 센티미터에 이르는 넓은 영역까지 다양합니다.

코팅의 두께는 일반적으로 절제 폭보다 훨씬 얇기 때문에 열이 측면으로 전도될 수 없습니다. 이 경우 나노초 펄스 폭 레이저를 사용할 수 있습니다.

높은 평균 출력 레이저, 정사각형 또는 직사각형 전도성 광섬유, 평평한 광도 분포의 조합으로 레이저 표면 제거는 산업용 애플리케이션에 매우 적합합니다.

예를 들어, 트럼프(Trumpf)사의 트루미크로 7060 레이저는 박막 태양전지 유리의 코팅을 제거하는 데 사용됩니다.

자동차 산업에서도 동일한 레이저를 사용하여 부식 방지 코팅을 제거하고 후속 용접을 준비할 수 있습니다.

4. 인그레이빙

조각은 재료를 깎아내어 입체적인 모양을 만드는 작업입니다.

절제 크기가 기존의 미세 가공 범위를 초과할 수 있지만, 필요한 정확도는 여전히 레이저 응용 분야의 영역에 속합니다.

피코초 레이저를 사용하여 다결정 다이아몬드의 가장자리를 가공할 수 있습니다. 밀링용 도구 기계.

레이저는 밀링 커터 모서리를 만드는 데 사용되는 매우 단단한 재료인 다결정 다이아몬드를 가공하는 데 이상적인 도구입니다.

레이저를 사용하면 비접촉 가공과 높은 가공 정확도 등의 이점이 있습니다.

마이크로 머시닝은 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며 다양한 생활 필수품을 생산하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

레이저 가공은 비접촉 방식으로 후처리 단계 감소, 우수한 제어 가능성, 통합 용이성, 높은 처리 효율성, 낮은 재료 손실, 환경 영향 최소화 등 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다.

자동차, 전자, 가전, 항공, 야금, 기계 제조 등의 산업에서 널리 보급되어 제품 품질, 노동 생산성, 자동화를 개선하는 동시에 재료 소비를 줄이는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

결론

나노초, 피코초, 펨토초 레이저는 주로 펄스 지속 시간에서 차이가 있습니다. 나노초(ns)는 10^-9 초, 피코초(ps)는 10^-12 초이고 펨토초(fs)는 10입니다.^-15 초입니다. 이러한 초단 펄스 지속 시간은 레이저의 응용 분야와 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

펨토초 레이저는 펄스가 매우 짧고 열 손상이 적기 때문에 안과 및 정밀한 재료 가공 분야에 적합합니다. 피코초 레이저도 이와 유사하며 미세 가공이나 문신 제거와 같은 작업에서 높은 정밀도를 제공합니다. 펄스 지속 시간이 더 긴 나노초 레이저는 더 많은 에너지 전달이 필요한 분야에 사용됩니다.

요약하자면 나노초, 피코초, 펨토초 레이저 중 어떤 레이저를 선택할지는 다양한 애플리케이션의 특정 요구사항에 따라 달라집니다. 이러한 초고속 레이저는 정밀도, 에너지 전달 및 열 손상 감소와 관련하여 다양한 가능성을 제공하여 수많은 산업과 분야에서 필수적인 도구가 되었습니다.