레이저 클리닝 – 흑색 표면 클리닝 기술 

레이저 클리닝 - 흑색 표면 클리닝 기술

청소 기술이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 우리 생활 속에서 다양한 청소 제품과 도구를 사용하는 일이다. 그러나 기존의 청소 방법은 항상 청소 대상의 마모 정도와 손상을 초래합니다. 기술의 발전과 최고의 정밀도 추구 덕분에 청소의 개념은 더 이상 '설거지'와 같은 단순한 청소 작업에 국한되지 않습니다. 청소 시설의 범위는 지속적으로 확대되고 있으며 청소 요구 사항의 기준도 지속적으로 개선되고 있습니다. 깨지기 쉬운 문화 유물은 연마 및 샌딩을 견딜 수 없고, 매끄러운 금속 표면은 극도의 관리가 필요하며, 작은 장치에는 고급 청소 기술이 필요하므로 레이저 청소 기술이 부상합니다.

1965년에 노벨상 수상자 Schawlow는 펄스 레이저를 사용하여 잉크가 인쇄된 종이에 조사했습니다. 종이 자체에 손상을 주지 않고 종이에 묻은 잉크가 빠르게 증발해 종이에 묻은 잉크가 성공적으로 지워졌습니다. 이는 펄스 레이저 클리닝 기술의 문을 열었습니다. 1973년에 Asmus 그룹은 문화 유물을 청소하기 위해 레이저를 사용하는 것을 처음으로 보고했습니다. 1974년 Fox는 Q 스위치 네오디뮴 유리 레이저를 사용하여 유리 및 금속 수지 기판에서 페인트 층을 효과적으로 제거했습니다. 1982년 IBM 독일 제조 기술 센터 Zapka et al. 집중된 레이저를 사용하여 마스크에 조사하고 오염 물질의 고체 입자를 성공적으로 제거했습니다. 40년 이상의 개발 기간 동안 레이저 클리닝 기술은 상당한 발전을 이루었습니다.

레이저 클리닝의 원리와 메커니즘

레이저 클리닝(Laser Cleaning)은 고에너지 레이저 빔을 사용하여 물체의 표면에 조사하여 광학적, 열적 효과를 통해 먼지, 오염 물질 또는 코팅을 빠르게 증발시키거나 제거하는 첨단 청소 기술입니다.

레이저 클리닝 기술의 핵심 구성 요소는 높은 펄스 에너지, 높은 평균 출력 및 높은 피크 출력을 갖는 펄스 레이저입니다. 우리 모두 알고 있듯이 레이저는 고휘도, 고균일성, 고지향성을 지닌 광원입니다. 펄스 레이저는 매우 짧은 시간에 매우 높은 피크 출력과 순간 출력 밀도로 고에너지 레이저 빔을 방출합니다. 고출력 펄스 레이저는 연속파 레이저에 비해 순간적으로 높은 온도를 발생시킬 수 있지만 시간이 극히 짧기 때문에 열이 주변 물질로 전달될 시간이 없어 레이저가 모재에 미치는 열 영향을 크게 줄일 수 있습니다.

또한 고출력 펄스 레이저를 사용하면 펄스 에너지와 주파수를 조정하여 레이저 세척 공정을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이러한 조정 기능은 다양한 청소 요구 사항에 맞게 맞춤화할 수 있어 다양한 재료 및 적용 시나리오에 적응할 수 있습니다. 레이저 빔이 청소할 표면에 닿으면 레이저 에너지가 흡수되어 매우 짧은 시간에 먼지에 강한 열 효과를 줍니다. 이러한 열 효과로 인해 오염 물질이나 코팅의 표면 온도가 상승하여 증발, 분해 또는 벗겨지는 현상이 발생합니다. 동시에, 펄스 레이저의 높은 에너지 밀도 덕분에 기판 표면을 손상시키지 않고 특정 재료에 직접 침투할 수 있어 세척 공정이 더욱 효율적이 됩니다.

청소 대상의 구성과 구조가 복잡하고 다양하기 때문에 레이저가 대상에 작용하는 메커니즘도 다양합니다. 따라서 레이저 클리닝은 단순히 고에너지 절제가 아닌 분해, 이온화, 열화, 용융, 연소, 가스화, 진동, 튀김, 팽창, 수축, 폭발, 박리, 탈락 등의 물리적, 화학적 변화를 수반합니다. . 따라서 펄스 레이저 클리닝 프로세스는 광학, 열, 기계 등을 포함하는 물리화학적 변화가 복잡하게 통합된 프로세스입니다.

레이저 클리닝은 표면 전처리의 비기계적 접촉 방식입니다. 레이저 빔은 지정된 스캐닝 모드에서 샘플 표면에 적용될 수 있으므로 레이저는 표면의 먼지, 녹 층 또는 코팅과 완전히 상호 작용할 수 있습니다. 표면 물질이 레이저 에너지를 흡수하면 세척에 필요한 열에너지, 화학 에너지, 기계적 에너지로 변환됩니다. 현재 펄스 레이저 클리닝 메커니즘을 설명하는 두 가지 주요 이론은 레이저 제거 메커니즘과 열가소성 팽창 메커니즘입니다.

(1) 레이저 어블레이션 메커니즘

펄스 레이저 클리닝의 열 제거 메커니즘은 레이저 출력 밀도와 밀접한 관련이 있습니다. 절제 메커니즘에서 고출력 펄스 레이저는 매우 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 방출할 수 있어 에너지 밀도가 높은 레이저 빔을 생성할 수 있습니다. 이를 통해 레이저 빔이 짧은 시간 동안 작은 영역에 집중되어 대상 표면의 오염 물질이나 코팅을 빠르게 가열하고 기화시킬 수 있습니다. 레이저 에너지가 표면 재료의 화학 결합을 깨기에 충분할 경우, 화학 결합이 진동하거나 구부러지거나 심지어 깨져서 빛에 노출되면 분자가 쪼개지고 표면의 오염 물질이 분해됩니다.

(2) 열탄성 팽창 및 박리 메커니즘

여기에는 열탄성 진동, 증기압, 광유도 압력, 위상 폭발, 충격파 등이 포함됩니다. 레이저가 재료 표면에 적용되면 모재와 청소 대상 모두 먼저 열팽창을 겪습니다. 이 열탄성 팽창에 의해 생성된 인발 응력은 먼저 열 진동 메커니즘인 표면 재료의 일부를 제거합니다. 진동 메커니즘에서 레이저의 열 효과는 오염 물질과 기판의 온도도 증가시키지만 사용되는 레이저 에너지는 절제 메커니즘의 레이저 에너지보다 훨씬 낮기 때문에 오염 물질이 직접 제거되지 않습니다. 대신 기계적 고장, 진동 고장 및 기타 현상이 발생합니다. 베이스 표면의 오염물질을 제거하거나 세척합니다.

펄스 레이저는 기판 재료 표면의 오염 물질이나 입자 주변의 공기를 이온화하여 플라즈마 충격파를 생성하여 표면 오염 물질을 제거할 수도 있습니다. 습식 레이저 청소에서는 먼저 액체(물, 에탄올 또는 기타 액체) 필름을 청소할 물체의 표면에 적용한 다음 레이저가 그 표면에 작용합니다. 액체 필름은 레이저 에너지를 흡수하여 액체 매질이 큰 힘으로 폭발하고 끓는 액체가 고속으로 이동하게 합니다. , 청소 대상의 표면에 에너지를 전달하고 높은 일시적 폭발력을 사용하여 표면 먼지를 제거하여 청소 목적을 달성합니다.

레이저 클리닝 전력 밀도가 10^8W/cm^2를 초과하면 재료 표면의 오염층이 소성 변형을 겪고 레이저 에너지를 흡수한 후 폭발적인 반발 응력을 생성할 수 있습니다. 레이저 클리닝의 출력 밀도가 10^9 W/cm^2보다 크면 재료 표면의 오염층이 고에너지 레이저를 흡수하여 가스화를 일으키거나 광학적 파괴로 인해 플라즈마가 발생하여 플라즈마 폭발 충격파를 형성합니다. 이러한 폭발 효과는 기판 표면에서 오염 물질의 분리를 가속화합니다.

레이저 클리닝의 일반적인 응용 분야

지난 40년 동안 새롭고 효율적이며 환경 친화적인 세척 기술인 레이저 세척은 전자 부품 세척, 페인트 제거 및 녹 제거 분야에서 빠르게 발전하여 널리 적용되었습니다.

(1) 전자부품의 레이저 클리닝

반도체 산업이 발전하는 동안 실리콘 템플릿 웨이퍼 표면의 오염을 제거하는 것은 항상 심각한 문제였습니다. 전통적인 화학적 세척은 심각한 오염을 일으킬 수 있는 반면, 기계적 세척 및 초음파 세척 방법은 원하는 세척 효과를 얻을 수 없습니다. 과학기술의 발전에 따라 반도체 및 마이크로전자소자는 점점 작아지고 있으며, 정제해야 하는 입자의 크기도 점점 작아져 정제가 점점 더 어려워지고 있습니다. 레이저 클리닝 기술의 출현은 이 문제에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다. 관련 연구와 응용이 빠르게 발전했습니다.

전자 부품의 표면은 깨지기 쉽고 장치 표면은 코팅되는 경우가 많기 때문에 기존의 레이저 절제 세척에는 장치가 손상될 위험이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 새롭고 효과적인 정화 기술을 개발했습니다. 이 기술은 집광렌즈를 통해 집광되는 고강도 레이저를 사용하여 공기 파괴를 일으키고 고온, 고밀도 레이저 플라즈마를 생성합니다. 생성된 플라즈마는 모든 방향으로 빠르게 팽창하여 주변 공기를 압축하고 강력한 플라즈마 충격파를 생성합니다.

이 과정에서 고강도 충격파의 기계적 작용은 나노입자가 기판 표면에 대한 접착력을 극복할 수 있게 하여 입자를 빠르게 "세척"하고 표면의 효과적인 입자 청소를 달성합니다. 레이저 플라즈마 충격파는 기존 방식과 달리 레이저 조사 시 공기 환경을 뚫고 구형 플라즈마 충격파를 생성한다. 이는 기판 자체에는 영향을 주지 않고 청소되는 기판 표면에만 작용하므로 장치 손상을 방지합니다. 전체 청소 과정에서 화학 시약을 사용할 필요가 없어 환경에 부정적인 영향을 효과적으로 피할 수 있다는 점은 만족스럽습니다. 이 정제 기술은 마이크로 전자 기판의 나노입자 오염이라는 일반적인 문제를 성공적으로 해결하여 이 문제를 해결하기 위한 효과적이고 신뢰할 수 있으며 환경 친화적인 방법을 제공합니다.

(2) 레이저 녹 제거

레이저 녹 제거는 높은 피크 전력의 펄스 레이저를 사용하여 녹층을 조사하는 레이저 청소 기술의 중요한 응용입니다. 이 과정에서 레이저 에너지가 흡수되면서 녹층의 온도가 급격하게 상승하고 팽창, 열충격, 상변화 등의 변화가 일어나 궁극적으로 녹층을 효과적으로 제거하게 된다. 기존의 녹 제거 공정에 비해 레이저 녹 제거에는 여러 가지 중요한 장점이 있습니다. 우선, 레이저 녹 제거는 비기계적 접촉 공정으로 공작물 표면에 기계적 손상을 일으키지 않아 무결성을 보호합니다. 이 장비는 높은 수준의 통합, 유연한 작동, 자동화된 제어의 손쉬운 구현을 특징으로 하여 생산 효율성과 작동 용이성을 향상시킵니다.

레이저 기술의 좋은 방향성은 녹 제거 공정의 정확한 위치 지정을 가능하게 하여 복잡한 곡면을 처리하고 청소 정확도를 높이는 데 적합합니다. 또한, 레이저 녹 제거 공정을 통해 소음이 적고 분진 오염이 없어 더욱 깨끗한 작업 환경을 제공합니다. 전반적으로 레이저 녹 제거 기술은 녹 제거 공정에서 효율성, 정밀도 및 환경 보호 측면에서 많은 이점을 보여주며 산업용 청소 분야에 고급 솔루션을 제공합니다. 이 혁신적인 기술은 기존의 세척 방법을 개선할 뿐만 아니라 산업 생산을 위한 보다 지속 가능하고 환경 친화적인 옵션을 제공합니다.

레이저 녹 제거의 주요 메커니즘 중 하나는 레이저 빔으로 재료를 가열하여 녹 층을 증발시켜 녹 층을 제거하는 것입니다. 그러나 철 기판의 산화로 인해 형성된 녹층의 경우 펄스 레이저의 증발 깊이는 느슨하고 다공성인 표면과 수십~수백 마이크로미터의 두께로 인해 상대적으로 제한됩니다. 따라서 레이저 녹 제거 메커니즘은 가스화 및 제거뿐만 아니라 플라즈마 충격파 및 위상 폭발과 같은 다른 청소 메커니즘도 포함됩니다. 즉, 레이저는 가스화를 통해 녹층을 제거하는 것 외에도 강력한 플라즈마 충격파, 위상 폭발 및 녹층에 더욱 시너지 효과를 주는 기타 효과를 생성하여 보다 포괄적이고 철저한 청소 효과를 제공합니다.

레이저 클리닝 기술의 지속적인 발전이 클리닝 산업에 더 많은 혁신과 편리함을 가져올 것이라고 믿습니다. 앞으로는 레이저 클리닝 기술이 다양한 분야의 제조 공정에 더 큰 이점을 가져올 뿐만 아니라 환경 보호에도 더욱 긍정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 레이저 클리닝은 클리닝 기술의 새로운 시대를 열면서 클리닝 기술의 활발한 선택으로 부상했습니다.