원통 가공

언뜻 보면, 단지 세라믹 원통으로 보이는 지르코니아제 페룰 입니다만, 당사의 원통 가공 기술이 빠뜨릴 수 없습니다. 외경 치수는 서브 마이크론 단위로 관리하에, 연삭, 연마되며 ±0.0005mm의 공차를 충족시킬 수 있습니다.

볼링 가공

볼링 가공은 원통형 구멍을 뚫는 공정, 또는 뚫린 구멍을 크게 하는 공정입니다. 당사에서는 자사의 내작기와 특수 공구에 의해 고정밀도로 가공 가능합니다.

세라믹 등 난 가공 재료에도 대응 φ0.01mm의 구멍 가공

내경 가공

내경 가공에 있어서의 어려움은, 예를 들면, 피삭재가 세라믹스 등 단단한 재료의 경우, 칼 등의 툴로는 쉽게 가공할 수 없기 때문에, 원통도 및 내경의 표면 거칠기가 불균일하게 되어 버리는 점에 있습니다. 형상이나 재료 특성에 맞추어, 진원성을 확보하면서, 나노미터의 정밀도를 내는 노하우나 본질을 고집한 제조를 추구하고 있습니다.
제품마다 다릅니다만, 일례로서는, 중앙부에 φ0.1~φ1.2mm의 1개 또는 복수의 관통 구멍이 있는 제품이 있습니다만, 용도는 액체의 분사 노즐 선단부 등의 부품(농약 살포 등)입니다. 가공 실력치로서는 다양한 세라믹 재료에 대해 φ0.01mm의 구멍의 내경 가공이 가능합니다.

동축도(μm)
MAX	0.97
MIN	0.12
AVE	0.35
σ	0.114
Cp	1.908
n	1,255

타원형 구멍 가공

레이저 가공 + 홈 삽입 가공을 응용한 타원 구멍의 가공.
재질 초경 폭 0.02mm×길이 약 0.1mm의 타원 형상의 관통 구멍 가공.

고유 기술과의 융합에 의해 초미세 가공의 양산에 성공

개요 펨토초 레이저란?

레이저 는 연속적으로 레이저가 나오는 연속 발진 레이저와 연속이 아닌 펄스 형태로 나오는 펄스 발진 레이저로 크게 나뉩니다. 펨토초 레이저는 펄스 발진 레이저로 분류되며 펄스 폭이 약 100fs( 펨토초 )인 레이저에 위치합니다. 펄스 폭이 매우 짧기 때문에 극단 펄스 레이저, 초단 펄스 레이저라고도합니다. 재료 가공에 응용하면 열 영향이 없는 나노미터 오더의 초미세 가공을 할 수 있습니다.

펨토초 레이저 위치 지정

펨토초 레이저 가공의 특징

펨토초 레이저에 의한 미세 가공은 다른 레이저 가공에 비해 두 가지 특징이 있습니다.

에너지를 주는 시간이 극단적으로 짧기 때문에, 열 영향이 없는 가공을 할 수 있다

펨토초 레이저는 펄스 폭이 ~100fs(1fs=10 ^-15s )로 재료에 열이 전해지는 것보다 빠르게 레이저 조사가 끝나 버리기 때문에 열 영향에 의한 크랙(균열)이나 파편(레이저에 의해 용융·증발) 한 물질이 표면에 재부착한 것) 없는 가공이 가능합니다. 한편, YAG 레이저의 펄스폭은 ~20ns(1ns=10 ^-9 s)로 길기 때문에 가공부 주변에 열영향층이나 크랙이 생겨 버립니다. 덧붙여서 100fs 사이에 레이저가 진행되는 거리는 불과 30μm, 20ns에서는 6m가 되어, 펨토초 레이저의 펄스폭이 얼마나 짧은 시간인지를 알 수 있다고 생각합니다.

(2) 레이저를 렌즈로 집광했을 때에 높은 레이저 강도를 얻을 수 있기 때문에, 초점 근방에서만 미세 구조를 형성할 수 있다

당사의 펨토초 레이저 가공의 특징

당사는 다이아몬드 레코드 바늘의 생산에 있어서, 다이아몬드의 절단에 수년간 레이저를 이용해 왔습니다. 또 사파이어나 루비, 세라믹스 등에의 세공 가공에도 레이저를 사용하고 있습니다. 최근 고객으로부터의 구멍 직경의 미세화 요구가 높아지는 가운데, 초정밀 가공을 실현하기 위해, 타사에 앞서 최첨단의 펨토초 레이저를 도입했습니다. 이를 통해 사파이어나 석영 유리와 같은 투명 재료에 대해 나노미터 오더의 초정밀 미세 구조를 제공할 수 있게 되었습니다. 펨토초 레이저는 모든 소재에 대해 가공을 할 수 있습니다만, 당사가 오랜 세월 길러 온 「자르는, 깎는, 닦는」의 고유 기술이 살릴 수 있는, 「석영 유리, 사파이어, 세라믹스」를 가장 자랑으로 합니다 . 미세 가공의 범위는 0.5~25μm가 최적이며, 반도체나 광학 제품 등의 산업용에 더해, 최근 특히 연구가 활발해지고 있는 바이오 연구자의 고객용의 가공 실적이 풍부하게 있습니다. 세포의 크기가 단지 미세 가공의 범위에 매치하기 위해, 세포막 의 현미경 관찰이나 세포의 트랩 , 마이크로 유체 디바이스 등에 응용되고 있습니다.

미세 가공 기술에서 펨토초 레이저의 위치 지정

펨토초 레이저와 다른 미세 가공 기술을 비교한 것이 아래 표입니다. 일례로서 바이오 분야에서 자주 사용되는 석영 유리에 미세 구멍 가공을 하는 경우에 대해 설명합니다.

석영 유리는 취성 재료이기 때문에 깨지기 쉽고 일반적으로 미세 구멍을 형성하는 것은 어려운 소재입니다. 특히 구멍 직경 25μm 이하가 되면 매우 어려워집니다. 드릴 가공에서는 드릴 자체를 제작하는 것이 어렵고, 최소 직경은 150μm에 그치고 있습니다. 또한 드릴의 마모가 있기 때문에 다수의 구멍을 형성할 수 없습니다. 초음파나 샌드 블라스트에서도 툴 제작이나 마스크 내성이 한정되기 때문에, 미세한 구멍 직경의 실현이 어렵고, 또한 구멍의 표면에는 마이크로 크랙 등의 가공 변질층이 생겨 버립니다. UV 레이저 에서는 구멍 직경 25μm가 가능하지만, 열 충격에 의해 종종 석영 유리가 깨져 버립니다. 드라이 에칭에서는 매우 미세한 구멍을 형성할 수 있지만, 포토레지스트의 내성으로부터 깊은 구멍을 형성할 수 없고, 구멍 길이는 최대라도 구멍 지름의 5배 정도에 머무릅니다. 또 설계 변경을 자주 수반하는 프로토타입 단계에서는 포토마스크의 준비가 필요하기 때문에, 이니셜 코스트가 걸려 버립니다.

한편, 당사는 자사 개발의 펨토초 레이저 가공기와 코어 기술인 「자르기, 깎기, 연마」를 융합시킨 독자적인 노하우에 의해, 다른 가공 기술에서는 불가능한 초미세 구멍의 가공을 실현합니다 했다. 최적의 구멍 직경 범위는 0.5~25μm, 최대 종횡비 (=길이/홀 직경)는 100으로 매우 깊은 구멍이 가능, 표면 거칠기는 매끄럽고 Ra~0.01μm, 가공 변질층이 없다, 가 특징입니다. 가공 조건은 필요하지만 포토 마스크와 같은 초기 비용은 필요하지 않습니다. 일반적으로 펨토초 레이저 가공은 매우 깨끗하고 미세한 가공은 할 수 있습니다만, 1회의 가공으로 소재를 제거할 수 있는 양이 적기 때문에, 비용이 높고 양산에 향하지 않는다고 말해져 왔습니다. 당사는 이 문제점을 가공 기술의 조합으로 극복했습니다. 즉, 큰 형상의 가공은 기계 가공으로 실시해, 미세 형상이 필요한 부분만 펨토초 레이저를 사용하는 것으로, 양산 기술을 확립한 것입니다.

예를 들어, 워크가 두꺼운 경우는 자사제 다이아몬드 드릴 에 의해 도중까지 구멍을 뚫고, 첨단의 부분만 펨토초 레이저를 사용해 미크론~나노미터 오더의 구멍을 뚫는 방법을 확립하고 있습니다.
또, 레이저에 의한 미세 구멍 가공 뿐만이 아니라, 워크 자체의 형상 가공도 가능하므로, 복수의 메이커에 의뢰할 필요가 없습니다.
게다가, 평탄하지 않은 워크, 예를 들면 관이나 홈부등에서도, 워크 화상을 보면서 정확한 위치에 가공을 할 수 있다고 하는 레이저 특유의 메리트도 있습니다.
특히 석영 유리나 사파이어와 같은 투명 재료의 미세 가공에 대해서는, 고객으로부터 다수의 요망을 받아, 풍부한 가공 실적·양산 실적이 있습니다. 프로토 타입에서는 고객과 함께 형상, 레이아웃 등을 협의하여 도면화하는 것으로 시작합니다. 시작부터 양산까지 미세 가공으로 곤란한 일이 있으시면 당사에 부담없이 문의하십시오.

용어 해설

가공 실적·용도 예

나노 주문의 초미세 구멍

석영 유리로 가공한 φ490nm의 초미세 구멍. 드릴 구멍 φ0.5mm와 펨토초 레이저에 의한 초미세 구멍 φ490nm의 조합에 의한 가공입니다. 단백질 분석에 사용됩니다.

미크론 주문의 미세 구멍 어레이

석영 유리판으로 가공한 φ2μm의 미세 구멍. 세포막의 고정 관찰에 이용되고 있습니다. 세포막 관찰 유닛으로 제품화하고 있습니다 (아래의 응용 제품 참조).

반구 형상 + 관통 구멍의 조합

석영 유리판으로 가공한 φ8μm의 반구와 φ2μm의 관통 구멍. 리포솜의 고정화·관찰에 이용되고 있습니다.

초다 구멍 미세 구멍 어레이

석영 유리로 가공한 구멍 직경 φ6μm, 구멍 수 10201의 미세 구멍 어레이. 강도를 갖게 하기 위해 판 두께는 3mmt로 하고, 중심의 미세 구멍부만 0.2mmt로 얇게 하고 있습니다. 필터로 사용됩니다.

유리관에 미세 구멍 어레이

석영 유리관에 가공한 φ7μm의 미세 구멍. 유리관과 같은 특수 형상의 모재에도 정확하게 가공할 수 있습니다. 액체를 흘리는 데 사용됩니다.

두꺼운 유리판에 홈, 드릴, 펨토초 레이저 복합 가공

두께 10mm의 석영 유리판에 홈, 드릴 구멍, 펨토초 레이저 미세 구멍. 소재가 두꺼운 경우는 기계 가공과 레이저 가공을 조합하여 미세 구멍 가공이 가능합니다. 고압 액체를 흘리는 데 사용됩니다.

미크론 주문의 미세 구멍 어레이

석영 유리판으로 가공한 φ25μm의 미세 구멍. 미세한 유로로 이용되고 있습니다.

테이퍼 모양의 미세 구멍

석영 유리판으로 가공한 표면 φ90μm, 이면 φ10μm, 길이 0.5mm의 테이퍼 형상의 구멍. 테이퍼 각도는 0°~10°까지 조정 가능합니다. 미세 노즐로 이용되고 있습니다.

Y자 형상의 미세 구멍

석영 유리로 가공한 Y자 형상의 미세 구멍. 기계 가공에서는 곤란한 형상도 레이저에서는 가공이 가능합니다. 미세한 유로로 응용되고 있습니다.

미세 구멍의 표면 거칠기

석영 유리로 가공했을 경우, Ra0.01μm와 경면 형상의 매우 매끄러운 면이 됩니다.

3 차원 모양의 사파이어 미세 구멍

사파이어에 각도 60°의 테이퍼 구멍을 가공한 후, φ2μm의 미세 구멍을 가공. 사파이어의 소수성을 살려 지질막의 고정에 이용되고 있습니다.

세라믹 나노주기 구조

AFM 관찰 이미지

세라믹으로 가공한 미세한 도트 φ380nm. 광학적인 용도로 이용되고 있습니다.

석영 나노주기 구조 금형

왼쪽은 석영 유리로 가공한 나노주기 구조. 홈 폭 ~ 50nm, 깊이 ~ 5nm. 오른쪽은 수지에 전사한 샘플. 금형으로 이용되고 있습니다.

AFM 관찰상 (석영 유리 금형)

AFM 관찰상 (수지 전사품)

응용 제품 (연구자의 요구에서 태어났습니다!)

세포막 관찰 유닛

석영 유리에 가공한 φ2μm의 미세 구멍 어레이를 사용하여 현미경으로 세포막의 고정 관찰을 실시하고 싶다는 연구자의 요구로부터 태어난 제품입니다(야마가타 대학 이학부 오쿠노 타카시 준 교수와의 공동 개발에 의합니다). 접시에 들어간 세포막의 시료를 미세 구멍에 흡인 고정함으로써 미량 시료에서 정량적인 분석이 가능합니다. 아래 동영상은 세포막 관찰 유닛을 사용하여 형광 현미경으로 실제로 HeLa 세포에서 생성된 세포막을 관찰한 모습이 됩니다.

<참고문헌>
제53회 일본생물물리학회 연회

<야마가타 대학 이학부 물질 생명 화학 학과 오쿠노 타카시 준 교수 제공>

그 외 바이오 연구에 있어서도 다양한 사용법이 있습니다. 테트라히메나의 고정화 관찰을 실시한 예입니다.

<쓰쿠바대학 대학원 생명환경과학연구과 생물과학전공 나카노 켄타로 준교수 제공>

세포막 관찰 유닛의 데모기를 대여할 수 있으므로 당사에 부담없이 문의하십시오. 미세 구멍 형상의 커스터마이즈도 받습니다.

사파이어 다이아몬드 세라믹의 정밀 가공에 최적

개요 UV 레이저란?

레이저는 연속적으로 레이저가 나오는 연속 발진 레이저와 연속이 아닌 펄스 형태로 나오는 펄스 발진 레이저로 크게 나뉩니다. 미세가공용 레이저는 파장을 짧게 하는 단파장화의 흐름과 펄스폭을 짧게 하는 단파장화의 흐름이 있습니다. UV 레이저는 파장이 자외선으로 단파장화의 흐름에 위치됩니다. 당사 보유의 파장 355nm의 UV 레이저는 파장이 긴 YAG 레이저나 CO2 레이저에 비해 보다 정밀한 가공이 가능합니다.

UV 레이저 위치 지정

UV 레이저 가공의 특징

UV 레이저에 의한 미세 가공은 장파장의 레이저 가공에 비해 두 가지 특징이 있습니다.

(1) 파장이 짧기 때문에, 레이저를 렌즈로 집광했을 때에 집광 직경을 보다 작게 할 수 있어 미세한 가공이 가능 일반적으로 레이저는 렌즈로 집광하면, 레이저의 파장 정도까지 좁힐 수
있다 합니다. 따라서 파장이 짧은 레이저일수록 미세한 가공이 가능합니다. 레이저 발진기가 더 짧은 파장으로 향하는 이유가 여기에 있습니다.

(2) 빛의 에너지가 높기 때문에, 고효율의 가공이 가능 일반적으로
빛 의 에너지는 레이저의 파장에 반비례합니다. 따라서 파장이 짧을수록 빛의 에너지가 높아집니다. 이것이 레이저 발진기가 더 짧은 파장으로 향하는 또 다른 이유입니다. 따라서 세계에서 가장 단단한 다이아몬드 에서도 UV 레이저의 에너지를 직접 흡수하여 가공됩니다. 또 사파이어 에서는 YAG 레이저는 투과해 버려 가공을 할 수 없습니다만, UV 레이저에서는 빛의 에너지가 높기 때문에, 렌즈로 집광하는 것으로 흡수가 일어나, 가공할 수 있습니다. 또한 CO2 레이저는 사파이어의 격자 진동에 의한 흡수가 일어나 가공할 수 있습니다만, 열적인 가공이 되기 때문에, 크랙(균열)이나 열 영향층의 큰 가공이 됩니다.

당사의 UV 레이저 가공의 특징

당사는 다이아몬드 레코드 바늘 의 생산에 있어서, 다이아몬드 의 절단에 수년간 레이저를 이용해 왔습니다. 또 사파이어 나 루비 , 세라믹스 등에의 세공 가공에도 레이저를 사용하고 있습니다. 최근 고객으로부터의 구멍 직경의 미세화 요구가 높아지는 가운데, 정밀 미세 가공을 실현하기 위해, 타사에 앞서 UV 레이저(파장 355nm)를 도입했습니다. 당사에서는 오랜 세월 길러 온 「자르기, 깎기, 연마」의 고유 기술과의 융합이 가능한, 「사파이어, 루비, 다이아몬드, 세라믹스」를 가장 자랑으로 합니다 . 레이저 가공 후 연마 마무리 등도 가능합니다.

미세 가공 기술에서 UV 레이저의 위치 지정

UV 레이저와 다른 미세 가공 기술을 비교한 것이 아래 표입니다. 일례로서 당사에서 양산 실적이 있는 사파이어에 대해 미세 구멍 가공을 하는 경우에 대해 설명합니다.

사파이어 는 매우 단단한 재질이며 취성 재료이기 때문에 깨지기 쉽고 미세 구멍을 형성하는 것은 매우 어려운 소재입니다. 특히 구멍 직경 100μm 이하가 되면 매우 어려워집니다. 초음파 가공이나 CO2 레이저에서는 최소 구멍 직경은 500μm에 머물러 있습니다. 드릴 가공에서는 드릴 자체를 제작하는 것이 어렵고, 최소 직경은 150μm에 그치고 있습니다. 또한 드릴의 마모가 있기 때문에 다수의 구멍을 형성할 수 없습니다. 샌드 블라스트에서는 구멍 직경 100μm는 가능하지만 마스크 내성이 제한되기 때문에 깊이에는 한계가 있으며, 종횡비가 2 ~ 4에 그치고 있습니다. 또 상기의 가공 기술에서는, 구멍의 표면에는 마이크로 크랙등의 가공 변질층이 생겨 버립니다.

한편, 당사의 UV 레이저에서는 최소 구멍 직경 60μm, 종횡비 는 최대 30이 가능합니다. 또 특수 광학계를 탑재하고 있어 소재에 대해서 극단시간만 레이저를 조사할 수 있습니다. 이를 통해 열 영향에 의한 가공 변질층을 최소화하면서 매끄러운 가공면을 얻을 수 있습니다. 실제로 가공면의 표면 거칠기는 Ra~0.5μm입니다. 또한 레이저 가공면은 통상 테이퍼(홀이 깊어짐에 따라 구멍 직경이 작아지는 것)이 붙습니다만, 당사의 광학계에서는 수직인 면을 얻을 수 있습니다. 또한 폐사 코어 기술인 「자르는, 깎는, 연마」를 융합시켜, 구멍 내면의 연마도 가능합니다.

더 작은 구멍 직경이 되면 펨토초 레이저 도 선택할 수 있습니다. 최소 구멍 직경은 0.5μm, 최대 종횡비는 20입니다. 자세한 내용은 펨토초 레이저를 참조하십시오. 드라이 에칭에서는 매우 미세한 구멍을 형성할 수 있지만, 포토레지스트의 내성으로부터 깊은 구멍을 형성할 수 없고, 구멍 길이는 최대라도 구멍 지름의 1배 정도에 그친다. 또 설계 변경을 자주 수반하는 프로토타입 단계에서는 포토마스크의 준비가 필요하기 때문에, 이니셜 코스트가 걸려 버립니다.
당사의 UV 레이저 가공은 산업 기계용 정밀 부품과 민생품용 정밀 부품의 양산 실적이 풍부합니다. CAD 데이터를 받으면 NC 제어에 의해 복잡한 형상에서도 정확하게 가공이 가능합니다. 고객으로부터의 지급재에도 프로토 타입 대응 하겠습니다. 미세 가공으로 곤란한 일이 있으면 부담없이 말씀해주십시오.

UV 레이저의 주요 가공 능력

사파이어를 예로 들면 다음과 같습니다.

가공 실적·용도 예

사파이어 비아 기판

사파이어 기판 4”-0.5mmt에의 다 구멍 미세 구멍 가공.홀 직경 φ100μm, 구멍 수 225개.
관통 배선용 비아*기판으로서 이용되고 있습니다.

* 비아는 기판의 앞면과 뒷면을 전기적으로 배선하기 위해 열린 구멍을 말하며, 도통시키기 위해 보통 구멍의 내면은 도금됩니다.

높은 종횡비 사파이어 미세 구멍 가공

사파이어에 미세 구멍 가공. 구멍 직경 φ0.18mm, 길이 5.6mm, 종횡비 31의 높은 종횡비의 구멍 가공이 가능합니다.
제조 기계 용 부품에 사용됩니다.

다이아몬드 별 모양 가공

두께 0.7mm의 다이아몬드의 별 모양 구리누키 가공. 예각 부분도 깨끗하게 가공되고 있는 것을 알 수 있습니다.

다이아몬드 절단면의 표면 거칠기

다이아몬드를 절단하면 Ra0.5μm와 매끄러운 표면을 얻을 수 있습니다.

관련 기술

• 펨토초 레이저 가공 
• 다이아몬드 마이크로 드릴 가공