Glass microstructuring with near-infrared laser induced backside wet etching using phosphoric acid

Abstract

This dissertation examined the laser-induced backside wet etching process that used a phosphoric acid-added absorbent. Glass materials have high strength, corrosion resistance, non-conductivity, and bio compatibility properties that are difficult to find in other transparent materials; however, these material properties make glass a hard-to-cut material in terms of processing. Various attempts have been made to increase the utilization of glass through industrial-friendly processing techniques such as mechanical cutting—conventional processing method—chemical etching, and carbon dioxide laser micromachining. Nevertheless, industry-friendly techniques still have target shape limitations due to process characteristics and glasss material properties. To solve these problems, various processes, such as femtosecond pulse laser machining, electrochemical discharge machining, and deep reactive ion etching, have been widely studied and applied. Such processes can be used to manufacture various glass microstructure geometries. Research into glass processing has studied various techniques, but only a few studies have examined industrial techniques for processing complex shapes. In this dissertation, the processable geometry of glass produced through an industry-friendly process was extended using a LIBWE process and a near-infrared laser. Previous studies of laser-induced backside wet etching using near-infrared lasers found that fracturing occurred due to excessive heat absorption. This crack generation could be suppressed by the passive layer created by the reaction between phosphoric acid and glass. By suppressing the breakage of the glass, it was possible to process high-aspect-ratio glass microstructures with no tapering. Also, a scan path optimization method for laser-induced backside wet etching was developed to process not only one-dimensional channel shapes, but also a variety of glass microstructures that were difficult to manufacture using conventional laser-induced backside wet etching and industrial-friendly techniques. Based on this crack suppression and scan path optimization method, glass microstructures for various glass applications, such as microfluidic devices, UV-imprint molds, and glass components, were machined to validate the proposed techniques for actual glass applications.

본 논문에서는 인산이 첨가된 흡광용액을 사용한 레이저 후면 식각공정과 이를 활용한 다양한 형상의 유리 미세형상 가공 대해 연구하였다. 유리는 광학적으로 투명한 특성을 가지면서 다른 투명한 재료에는 없는 고강도, 내식성, 비전도성, 생물친화성 등의 특성을 가지고 있어 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 미래에도 그 활용성이 높은 재료이다. 하지만 이러한 재료적 안정성이 가공 측면에서 유리를 난삭재로 만들어 다양한 미세 형상의 제작을 어렵게 하였다. 다양한 공정 연구를 통해 유리의 미세 가공 및 그 활용범위를 넓히는 시도가 진행중이다. 전통적인 가공방식인 절삭가공부터 화학적 식각, 이산화탄소 레이저 미세가공 등 산업 친화적인 가공기술들을 통해 유리의 활용도를 높이고자 하는 다양한 시도들이 진행중이지만 공정 자체의 한계로 인해 목표로 하는 형상이 제한되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 공정들이 새로이 개발되고 활용되고 있으며, 대표적으로 펨토초 펄스 레이저 가공, 전해방전가공, 건식 식각 등이 있다. 이러한 공정들의 높은 공정 자유도를 통해 다양한 유리 미세형상 제작이 가능하여, 다방면으로 공정의 최적화 및 활용방안이 연구되고 있다. 이렇게 다양한 공정을 통해 유리의 가공연구가 진행되고 있으나 산업적으로 적용 가능한 기술을 활용하면서도 목표로 하는 복잡한 형상이 가공 가능한 기술에 대해서는 연구가 부족한 상황이다. 본 논문에서는 산업적으로 다양하게 활용되고 있는 근적외선 레이저를 활용한 레이저 후면 식각공정을 통해 가공 가능한 유리의 형상을 확장하고, 그 원리를 탐구하였다. 일반적인 근적외선 레이저를 활용한 레이저 후면 식각 공정의 경우 흡광용액으로 활용하는 황산구리 용액이 열분해에 의해 산화구리가 되고, 이러한 산화 구리의 과도한 증착으로 인해 파단이 발생하는 것을 밝혀져 있다. 본 논문에서 인산을 첨가하였을 때 산화구리의 증착이 방해되어 파단의 발생이 억제되는 것을 확인하였으며, 유리의 파단을 억제함으로써 레이저의 자유도를 활용한 다양한 형상의 가공이 가능하였다. 또한 임의의 점과 선 경로의 최적화 방안을 도입하여 일차원적인 채널 형상뿐만 아니라 기존의 레이저 후면 식각공정이나 산업 친화적인 장비로 제작이 어려웠던 다양한 유리 미세 구조물의 가공을 진행하였고, 실제 연구나 산업에서 활용될 수 있는 형상을 가공하였다.