116

한국생산제조시스템학회지 Vol.21 No.1 2012. 2. pp. 116~122

Korean Society of Manufacturing Technology Engineers

+ 한국기계연구원 광응용기계연구실, 국민대학교 자동차공학전문대학원

* 교신저자, 한국기계연구원 나노시스템연구본부, 광응용기계연구실 (jaholee@kimm.re.kr)

주소: 305-343 대전광역시 유성구 신성로 104동

++ 한국기계연구원 광응용기계연구실

+++ 국민대학교 기계시스템공학부

3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템 개발

백병만+

, 이제훈*, 신동식++

, 이건상+++

(논문접수일 2011. 10. 06, 수정일 2011. 11. 15, 심사완료일 2011. 11. 16)

Development of Three Dimensions Laser Direct Patterning System

Byoungman Paik+

, Jaehoon Lee*, Dongsig Shin++

, Kunsang Lee+++

Abstract

The purpose of this study is on the development of 3-D conductive pattern fabrication system using laser. For development

3-D direct patterning system, we used the dynamic focusing, the laser power stabilizer and the auto aligning techniques.

These technologies are already used commercially. However operation and control integrated system for 3-D direct patterning

are not yet developed. The objective of this paper is to introduce laser direct structuring and develop the operating and

integration system. Also we implemented new application of laser direct structuring.

Key Words : Laser direct patterning(레이저 패터닝), Dynamic focusing(다이나믹 포커싱), Power stabilizer(출력 안정화), Auto-alignment

(자동 정렬), Laser(레이저)

1. 서 론

최근 저비용의 소형화 및 다기능화 된 PCB를 만들기 위해

다양한 회로 형성 연구가 진행되고 있다. 현재 널리 사용되고

있는 PCB제조 방법은 subtractive 와 additive 방법으로 구분

되며 이러한 방법은 회로를 형성하는 방법에 따라 분류되어 진

다. 서브트랙티브 방법은 동박(copper foil)의 적층 판을 이용

한다. 동박의 불필요한 부분을 약품처리로 용해 및 제거하여

필요한 도체 패턴만을 남기는 방식이다. 반면 애디티브 방법은

동박이 없는 적층 판을 소재를 사용하여 회로 설계에 기초한

도체 패턴 부분에 도전성 있는 재료를 고착시켜 도체 패턴을

형성하는 방식이다(1~4)

.

이러한 회로 성형 법들은 모두 증착과 식각 방식을 통한 방식

으로 공정이 복잡하여 설계 및 제조 시 유연성이 저하되고 3차

원 형상의 인쇄회로 형성에는 적합하지 못하다. 그러나 레이저

를 이용한 회로 성형은 기존의 단점을 극복할 수 있기 때문에

현재 부각되고 있다.

Laser Direct Structuring(LDS)는 레이저를 이용하는 다이

렉트 패터닝 기술 중 대표적인 에디티브 회로 형성법이다. LDS

는 Fig. 1과 같이 3단계의 공정으로 이루어진다. ①레이저와

반응하는 첨가제(additive)가 포함된 열가소성 수지(thermoplastic

polymer )를 사용하여 원하는 형상의 제품을 사출 성형한다.

②사출 성형된 폴리머에 레이저를 이용하여 선택적으로 회로

패턴을 형성 한다. ③무전해 도금(electroless plating)을 이용

하여 전도성 패턴(conductive pattern)을 완성한다. 이러한

LDS는 공정이 간단하여 제품의 부품 수 및 개발시간을 감소시

기술논문

한국생산제조시스템학회지 Vol.21 No.1 2012. 2.

117

Fig. 1 Schematic diagram of LDS process

Fig. 2 BMW motorcycle handle grip(7)

Fig. 3 Schematic diagram of 3D-laser direct patterning system

킬 수 있을 뿐만 아니라 직접 3차원 회로 형성이 가능한 장점을

갖고 있다(3,5)

. Fig. 2는 적용 예로 BMW사의 오토바이 핸들

그립(handle grip)을 LDS를 이용하여 제작한 것으로 기존 공

정 대비 생산비용을 50% 절감하였다고 보고되어져 있다. LDS

의 적용분야는 현재 정보통신, 자동차, 의료, 마이크로 패키징,

보안 산업 등 다양 산업에서 사용하고 있다(5~7)

.

현재 LDS 장비는 독일 LPKF®에서 독점으로 개발 및 생산

하고 있다. LPKF® LDS 생산 시스템은 레이저 패터닝 후 제품

을 자동화 라인을 통해 공급 및 이송 할 수 있는 시스템을 포함

하고 있다. 그러나 3차원 레이저 패턴 성형을 위해 다수의 레이

저를 사용하고 있다(8)

. 이 시스템은 빠른 가공 속도로 3차원 패

터닝이 가능한 장점을 가지고 있으나 가공물이 변경되면 각각

의 레이저를 패터닝 위치에 따라 다시 정렬해야 하는 번거로움

이 있으며, 레이저 수에 의해 장비 가격이 상승하는 단점을 가

지고 있다.

따라서 본 논문에서는 저비용의 3차원 레이저 다이렉트 패터

닝 시스템을 구성하기위한 요소기술 개발과 이를 통한 통합 시

스템을 완성하였다. 이를 통한 새로운 적용 분야를 도출하고

구현함으로써 장비의 성능을 시험하였다.

2. 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템 구성

본 연구에서 개발한 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템의

구성은 Fig. 3와 같다. 패터닝을 위한 레이저 빔의 이송 경로는

출력안정화 장치와 스캐너 시스템(scanner system)을 지나 가

공물을 가공하게 된다. 출력 안정화 장치(power stabilizer

system)는 미세 패턴의 균일도(uniformity)를 높이기 위한 장

치로 원하는 출력안정도를 PID제어를 통해 유지시킬 수 있도록

개발하였다. 스캐너 시스템은 X, Y 갈바노 미러(galvanometer

mirror)로 움직이는 스캐너에 일정 영역의 초점위치를 변경 할

수 있는 Z축 스캐너를 적용하여 다이나믹 포커싱 시스템을 구

성하였다. 또한 Z축 스캐너의 한계를 극복하기 위해 작업대를

패턴 가공 시 3차원 형상과 Z축 스캐너 범위를 계산하여 회전

할 수 있도록 하였다. 연속적으로 다른 가공물을 빠르게 가공하

기 위하여 가공물과 패턴 위치를 용이하게 정렬 할 수 있는 자

동 정렬 장치(auto-alignment system)를 X, Y 스캐너에 비전

(vision) 및 LED 조명을 부착하였다.

이 시스템 운영은 자체 운영 소프트웨어를 개발하여 통합시

켰으며, 3차원 형상 데이터 및 가공 패턴은 CAD 파일을 직접

이용 할 수 있도록 하였다.

2.1 출력 안정화 장치

집속된 에너지를 이용하는 레이저 미세 가공은 가공 시 에너

지 밀도를 일정하게 유지해 주어야 한다. 그러나 펄스 에너지를

사용하는 레이저의 출력 변동은 미세 가공 시 정밀도를 저하시

키는 중요한 요인이다. 이러한 이유로 펄스 레이저의 출력 안정

은 주로 레이저의 편광(polarization)특성을 이용한 방법을 사

용하고 있다.

편광은 어떤 특정한 방향으로만 진동하는 빛의 파동으로, 일

백병만 ･ 이제훈 ･ 신동식 ･ 이건상

118

Fig. 4. Drawing of the developed power stabilizer system

Fig. 5 Control of power stabilizer system: (a) before power

stabilizer, (b) PID control of motor and (c) after power

stabilizer Fig. 6 The principle of dynamic focusing (z axis scanner)

반적으로 방향성이 없는 비 편광(random polarization)상태와

선형적으로 한쪽 방향만으로 전기장이 진동하는 선형편광(linear

polarization) 으로 구분된다. 또한, 서로 직교한 방향을 가지고

크기가 같은 선형편광 된 빛의 위상차가 π/2 일 경우 발생하는

원형편광(circular polarization), 위상차가 π/4일 경우 발생하

는 타원편광(elliptical polarization)이 있다. 이러한 편광의 방

향은 편광자(polarizer) 등의 기구를 통하여 임의의 방향으로

전환이 가능하다(9)

. 그러나 본 시스템에서 사용된 1064nm의

Fiber laser는 무 편광의 특성을 가지므로 출력 안정화 장치의

광학계 구성에 있어서 반파장판(half-wave plate)등의 편광자

(polarizer)를 적용할 수 없다. 무 편광 레이저의 출력 안정화를

위해 본 논문에서는 굴절법칙(law of refraction)인 Snell's law

를 이용하여 입사되는 레이저 광축을 유지하였으며 감쇄기

(attenuator)를 이용한 각도변화를 통하여 출력안정화 장치를

고려하였다. 개발된 무 편광용 출력 안정화 장치는 Fig. 4와 같

이 굴절률의 변화를 준 적외선 미러 표면 AR(Anti-reflection)

을 50%로 하여 굴절률과 반사율 변화가 급격하게 생기지 않도

록 2개의 감쇄기를 제작하였으며 정밀모터를 이용하여 0∼45°

각도 변화에 따른 투과율이 변화도록 하였다.

레이저 출력 안정화는 빔 분배기(beam splitter; 1:99)에 의해

검출된 1%의 빔을 광 검출기(photodiode detector)를 통해 실

시간으로 모니터링 하였으며, 감쇄기를 PID제어를 통해 레이

저 출력 안정화를 이루었다. 출력 안정화 제어는 제어하고자하

는 설정 값을 설정 후 모터의 PID 제어에 의해 제어하였다. 출

력 안정화는 목표치를 설정하면 Fig. 5와 같이 설정범위 내에

서 출력을 안정화 시킨다. Fig. 5에 나타난 것처럼 레이저 소스

에 의한 빔의 출력 변동 [(a)구간] 은 약 3% 정도이나 출력 장

치를 사용할 경우 모터 제어[(b)구간] 를 통해 ±1% 이내로 출

력을 안정화 시킬 수 있었다 [(c)구간].

2.2 다이나믹 포커싱 장치

가공하고자 하는 3차원 형상 재료의 위치변경을 최소화하고

빔의 집속밀도를 균일하게 하기 위해서는 가공 위치에 따라 레

이저의 스폿 사이즈(spot size)를 동일하게 유지하는 다이나믹

포커싱 장치와 이를 제어하는 기술이 필요하다. 서론에서 설명

한 LPKF® LDS 생산 시스템에서는 3차원 형상 패터닝을 위해

멀티 레이저 헤드 시스템을 사용하고 있다. 그러나 본 연구에서

는 이런 방법과 다르게 렌즈의 위치를 변경하여 초점위치를 일

정하게 유지시켜주는 Z축 스캐너를 적용하였다. Z축 스캐너의

작동원리는 Fig. 6 및 식 (1)과 같다. 두 개의 렌즈로 구성된

광학계의 초점거리 식에 의하면 f1이 고정되어 있고 f1과 f2의

거리인 d가 변경될 경우 초점거리가 변하는 원리를 이용한 것

이다(9)

. 이러한 원리를 이용한 Z축 스캐너를 X, Y축 스캐너

앞에 적용하면 Z축의 작업범위를 변경할 수 있다.

(1)

그러나 Z축 스캐너를 이용한 다이나믹 포커싱 범위는 최대

10mm 이다. 짧은 작업 영역의 단점을 극복하기 위해 Fig. 7과

같이 작업대에 정밀 회전 모터를 부착하여 작업범위를 확장하

였다. 또한 작업의 다양성을 위해 테이블을 분할하였다.

한국생산제조시스템학회지 Vol.21 No.1 2012. 2.

119

Fig. 7 Photograph of worktable system using rotation motor

and separate worktable

Table 1 Measure of line width and uniformity according to the

laser focusing position

No Average line width (㎛) uniformity (%)

1 30.7 1.03

2 30.4 Laser focusing

3 30.5 1.18

4 30.7 1.84

Fig. 8 Schematic diagram of auto-alignment system using same

axle vision and LED lighting

(a) extract straight line segment (b) auto-alignment

Fig. 9 Auto-alignment system program without align mark

시스템에 적용된 다이나믹 포커싱을 검증하기 위하여 높이

10mm의 3차원 형상 가공물을 가공하여 레이저 빔을 조사한

후 패턴 선폭을 검증하였다. 다이나믹 포커싱을 적용 후 선폭을

속도 변화에 따른 조건별로 각각 측정하였다. 측정 결과 선폭

변화는 Table. 1과 같이 레이저 포커싱 위치에서의 선폭과 각

위치 별 선폭의 균일도가 최대 1.84% 이었다.

2.3 자동 정렬장치

자동 정렬장치는 비전(vision)을 이용하여 시편을 자동으로

정렬하는 장치로 패턴의 정밀도를 향상시키고 작업속도를 증

대 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 자동 정렬 장치의

구성은 고성능 비전을 통해 가공할 시편의 화상을 측정하고 여

기서 추출한 정보를 이용하여 자동정렬 알고리즘을 통해 자동

정렬 작업을 수행한다.

비전을 통하여 가공할 시편을 관찰할 때 일반적으로 스캐너

측면에 비전과 조명을 설치한다. 그러나 이러한 경우 스캐너의

X, Y과 비전에서 측정한 화상의 X, Y축의 차이로 측정오차를

유발한다. 이런 문제점을 보완하기 위해 Fig. 8과 같이 X. Y축

스캐너와 비전 부 화상의 광학계를 일치시킴으로서 축 정렬에

서 발생하는 오차를 최소화하였고 LED조명 또한 동축 으로 제

작하여 균일한 휘도를 유지 할 수 있도록 하였다.

일반적인 레이저 가공 장비에서의 자동 정렬 방법은 시료의

기준점(align mark)의 유･무에 따라 분류된다.

기준점이 없는 경우는 기존 가공부의 패턴을 화상 분석하여

정렬하는 방법을 사용한다. 기준이 되는 패턴의 화상 이미지를

추출하여 직선 선분의 화소만을 자동정렬 알고리즘을 통해 추

출하여 정렬할 데이터를 획득 후 회전식 작업대를 이용하여 정

백병만 ･ 이제훈 ･ 신동식 ･ 이건상

120

(a) align mark recognition

through vision

(b) extract rotation angle

Fig. 10 Auto-alignment system program with align mark

Fig. 11 Flow chart of 3D laser direct patterning system

Fig. 12 Developed the 3D laser direct patterning system operating

software

렬시킨다. Fig. 9는 선행연구 단계에서 개발한 자동정렬 프로

그램을 구현한 것으로 Fig. 9(a)은 기준에 되는 직선 선분 값을

추출하는 과정이며 Fig. 9(b)의 경우는 이를 이용하여 회전식

작업대를 회전시켜 정렬한 것이다. 그러나 이러한 방식은 기준

점이 없는 경우에 사용이 되나 본 제작 시스템에서는 적용하지

않았다. 이러한 이유는 3차원 형상의 패턴 영역을 확장하기 위

해 틸팅 스테이지 개념을 도입했으므로 추가로 회전 모터의 간

섭과 장비의 과대화가 이루어지기 때문이다.

따라서 본 시스템에서 도입한 자동정렬 방식은 기준점이 있

는 경우이다. 자동정렬 방법은 먼저 기준점의 Fig. 10(a)와 같

이 2점 또는 4점의 기준점을 X, Y축의 스테이지를 구동하여

각각의 위치정보를 비전을 통하여 획득한다.

이렇게 모아진 위치정보를 가공물의 CAD도면 좌표 값과 비

교하여 Fig. 10(b)와 같이 회전시켜야 할 각도가 산출된다. 이

회전각도는 3차원 스캐너 CAD/CAM좌표 값에 자동으로 반영

되어 정밀 패턴 가공이 되도록 하였다.

2.4 운영 소프트웨어

개발된 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템의 작동 순서는

Fig. 11과 같다. 레이저 공정변수와 출력 안정화 장치의 운영은

미리 변수를 설정하기 때문에 운영 소프트 웨와는 별도로 수행

하며 자동 정렬장치 또한 본 가공 전 시료의 정보를 먼저 입수

한 후 가공 시 적용하게 하였다.

독립적으로 운영되는 레이저 운영프로그램은 레이저 제작사

에서 공급하는 프로그램을 사용하였으며 출력 안정화 장치 와

자동 정렬 장치 소프트웨어는 각각 PID제어 알고리즘과 화상

이미지 정보 추출 알고리즘을 포함하고 있다.

각 시스템의 인터페이스 장치는 X, Y, Z 그리고 틸팅 스테이

지 제어는 PMAC 컨트롤러, 3D 스캐너 시스템을 제어 RTC-4

보드, 레이저를 제어하는 PCI 보드를 사용하였다.

이러한 시스템의 통합 운영을 위해 Fig. 12와 같이 운영 소프

트웨어를 개발하였다. 3차원 형상 및 가공 패턴을 위한 데이터

는 작업의 효율성을 위해 3D CAD를 직접 사용할 수 있도록

하였다. 작성된 3차원 도면과 패턴 형상을 dxf 파일로 저장

하여 각각의 위치정보를 생성하여 시스템 운영 시 사용하도록

하였다.

3. 3차원 다이렉트 패터닝 시스템 성능 검증

앞 절에서 설명한 3차원 다이렉트 패터닝 시스템의 요소기술

을 통합한 장비를 Fig.13과 같이 개발 완료 하였다. Fiber laser

를 이용하여 장비의 소형화를 이루었으며 기존 장비보다 경제

성 있는 구조로 개선하였다. 시스템의 주요 제원은 Table 2에

나타내었다.

한국생산제조시스템학회지 Vol.21 No.1 2012. 2.

121

Fig. 13 Developed the 3D laser direct patterning system

Table 2 Specifications of 3D laser direct patterning system

System size �2,000×1600×2,100mm

Worktable size �400×200 mm (2ea)

Stage

X, Y

�Linear motor stage

�Optical linear encoder

�Mean position accuracy : ±2um

�Repeatability : ±0.5um

Z

�Ball screw stage

�Optical linear encoder

�Mean position accuracy : ±5um

�Repeatability : ±2um

Tilting

�Direct digital motor stage

�Travel : ±30 degree

�Optical linear encoder

�Mean position accuracy : ±0.01 degree

�Repeatability : ±0.005um

Power stabilizer

�Motorized Attenuator

- Wavelength : 1064nm

�Rotation Stage & Controller

- Repeatability : 0.02 degree

- Resolution : 0.005 degree

- RS 232 interface

�Power Sensor & Power Meter

- Germanium Optical Sensor

- Resolution : 1nW

- Active Area Diameter : 5mm

- USB 2.0 interface

3D system

�HurrySCAN & varioSCAN

- Wavelength : 1064nm

- Scan Processing Speed : 1.0m/s

- RTC4-3D Interface board

Auto align

�Digital Camera

- 1.3M pixel

- CCD Size : 1/3"

�LED lighting : 150W, white

�Beam Splitter :

- Laser Beam 1064nm pass

Laser �1064nm, Fiber laser

(a) automotive side mirror lamp

(b) RFID tag pattern

Fig. 14 New application of LDS

개발 완료된 장비의 성능을 검증하기 위하여 3차원 형상을

가지는 새로운 적용제품을 개발 하였다. 새로 적용된 제품은

Fig. 14와같이 자동차 사이드 미러에 장착되는 램프와 곡면을

가지는 RFID 패턴이다. 상기 제품들은 모두 3차원 형상을 가

지고 있는 제품으로 개발된 시스템을 통하여 레이저 패터닝을

하였다. 자동차 사이드 미러 램프의 경우 LED 전구를 이용하

여 작동 여부를 확인하였다. 이를 통해 시스템 장비의 성능 검

증과 새로운 적용제품을 발굴 하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 레이저를 이용한 다이렉트 전도성 패턴 형성

법을 설명하고 이를 구현할 수 있는 시스템을 개발하여 아래와

같은 결론을 얻었다.

(1) 레이저 다이렉트 패터닝 시스템 구성을 위해 출력안정화

장치, 다이나믹 포커싱 장치, 자동정렬 장치에 대한 요소

기술을 개발 및 적용하여 시스템에 적용 하였다.

(2) 고 정밀 레이저 패턴 형성을 위해 비편광용 출력안정화 장

치를 개발하였으며, ±1% 이내로 출력을 안정화 시킬 수

있었다.

(3) 다이나믹 포커싱 장치와 틸팅 스테이지 개념을 도입하여 3

차원 형상을 가지는 제품에 대한 레이저 패턴 형성을 가능하

게 하였으며, 이를 통한 선폭 균일도는 최대 1.84% 이었다.

백병만 ･ 이제훈 ･ 신동식 ･ 이건상

122

(4) 사용이 편리한 자제 통합 소프트웨어를 개발하여 사용자

쉽게 시스템에 접근 할 수 있도록 하였다.

(5) 새로운 LDS 적용 제품을 통해 장비 검증과 적용 분야를

제시하였다.

상기 결론을 통하여 저비용의 3차원 레이저 다이렉트 패터닝

시스템의 사용화 가능성을 확인하였다.

참 고 문 헌

(1) Lee, S. J., Kim, J. S., Shin, B. C., Kim, D. W., and

Cho, M. W., 2010, “Development of a LDI System

for the Maskless Exposure Process and Energy Intensity

Analysis of Single Laser Beam,” KSMTE, Vol. 19,

No. 6, pp. 834~840.

(2) Lee, J., H., Suh, J., Shon, H., K., and Shin, D. S.,

2006, “Ultra-short Pulse Laser Applications of Micro-

machining”, KSMTE, Vol. 15, No. 1, pp. 834~840.

(3) Paik, B. M., Lee, J. H., Shin, D. S., and Lee, K. S.,

2009, “A Study on Formation of Conductive Pattern on

Polymer Using LDS,” KSLP, Vol. 12, No. 4, pp. 6~11.

(4) Hon, K K. B., Li, L., and Hutchings, I. M., 2008,

“Direct Writing Technology,” Advances and developments

CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 57,

No. 2, pp. 601~620.

(5) Huske, M., Kickelhain, J., Muller, J., and Eber, G., 2001,

“Laser Supported Activation and Additive Metallization

of Thermoplastic for 3D-MIDS,” Proceeding of the

3rd LANE 2001. pp. 1~12.

(6) Thomas, L., Soeren, H., and Bertram, S., 2009, “A

Multilayer Process for Fine-pitch Assemblies on Molded

Interconnect Devices (MIDs),” Circuit World, Vol. 35,

No. 2, pp. 23~29.

(7) Islam, A., 2008, Two Component Micro Injection

Moulding for Moulded Interconnect Devices, A Thesis

for a Doctorate, Tchnical University of Denmark, Denmrk

(8) LPKF Laser & Electronics AG, n.d., viewed 1 August

2011, <http://www.lpkf.com>.

(9) Eugene, H., 2002, Optic, Addison Wesley Longman,

Inc, United States.