Fig. 1(a)는 레이저 빔 가공을 이용하여 텅스텐 마이크로 니들 어레이가 제작되는 과정을 나타낸다. 레이저 빔의 조사 경로는 화살표로 표시하고 있으며, 중첩되는 경로 이외의 비어있는 사각형 부분에서 마이크로 니들이 생성된다. 기존의 레이저 빔 가공을 이용한 마이크로 핀 어레이 가공의 경우, 스테인레스 스틸의 재료적 특성에 의하여 열적 가공으로 적층된 산화크롬 재응고층이 시편의 두께보다 높은 위치에 생성되었으나,⁸ 본 연구에서 사용된 텅스텐은 적층되는 재응고층보다 열 가공에 의해 모재가 제거되는 속도가 빨라 시편의 아래 방향으로 니들 형상이 생성된다. 본 연구에서는 25 mm² 대면적의 마이크로 니들 어레이를 가공하고자 한다. 대면적 가공의 경우 많은 양의 레이저 빔 열에너지가 대류와 전도로 소실되어 마이크로 니들의 형상에 영향을 주므로, 빔 조사 경로와 레이저 빔 가공 조건 등의 파라미터 실험을 수행하였다. Fig. 1(b)는 레이저 빔 경로 조합에 따른 니들 가공 실험 시 변경될 파라미터이다. 라인 스페이스(Line Space)는 레이저 빔 그룹 사이에 존재하는 니들이 형성되는 공간, 라인 인터벌(Line Interval)은 각 빔 경로 사이의 거리, 라인 수(Number of Lines)는 동일 방향으로 나열된 레이저 빔들의 개수를 의미한다.

Fig. 1 
Schematic of the laser beam machining for micro needle array and beam path control parameter

Fig. 2는 본 연구 수행에 사용된 레이저 가공 시스템을 보여준다. 1 μm 이송급 레졸루션을 갖는 정밀 3축 가공기를 기반으로 텅스텐 공작물은 X, Y축 스테이지에 지그와 함께 고정하여 이송되며, 레이저는 Z축 스테이지에 장착되어 초점 거리를 맞추고 가공을 수행한다. 본 연구에서는 1,064 nm 파장을 갖는 이터븀 파이버 레이저를 사용하였다. 모든 니들 가공 실험에서 스캔속도는 258.6 mm/s, 펄스 레이저의 반복률은 20 kHz의 고정값을 유지하였으며, 출력과 조사 횟수를 변경하며 파라미터 실험을 수행하였다.

Fig. 2 
Experimental set up for fabricating micro needle arrays

레이저 빔 가공은 주로 빔의 출력과 조사 횟수를 변경하여 발생한 열에너지로 공작물을 기화시켜 가공한다. Fig. 3은 레이저의 출력을 변화시키며 가공한 텅스텐 마이크로 니들이다. 라인 스페이스는 50 μm, 라인 인터벌은 10 μm, 라인 수는 6줄의 조건으로 600회 조사하여 가공하였다. 레이저 빔의 출력이 Figs. 3(a)부터 3(c)를 보면 8에서 16 W로 증가함에 따라 가공되는 깊이(니들의 길이)는 점차 증가하였다. Fig. 3(d)의 20 W 이상인 경우에는 텅스텐 공작물 상단부터 깊이 방향으로의 전체 가공량은 증가하였으나, 생성된 마이크로 니들의 길이는 변화량이 적었다. 이는 레이저 빔 가공에서 열에너지 축적에 따른 깊이 방향 가공량이 로그함수 경향성을 띄기 때문이다.¹¹ Fig. 3(e)에서 보는 바와 같이 가공된 마이크로 니들의 피치는 출력이 증가하여도 129 μm의 수치에서 변화가 없었다. 이는 레이저 빔의 출력이 가우시안 분포를 따르기 때문에 열에너지가 빔의 반경 방향으로 갈수록 줄어 가공 경계값(Threshold)을 넘지 못했기 때문이다. 또한 출력이 증가하여도 물리적인 빔의 조사 너비가 넓어지지 않으면 단순 출력으로 증가된 열에너지는 깊이 방향 가공을 위해 사용되기 때문이다.

Fig. 3 
(a), (b), (c), (d) Fabricated micro needle arrays according to laser beam power, and (e) Measured specific value of needle

Fig. 4는 레이저 빔의 조사 횟수를 변경하며 가공된 마이크로 니들의 SEM 사진과 길이 및 피치를 측정한 그래프이다. SEM 사진에서 확인할 수 있듯이 빔의 조사 횟수가 증가함에 따라 텅스텐 공작물 표면에서 깊이 방향으로의 가공량이 증가함을 확인할 수 있다. 반면에 생성된 마이크로 니들의 피치와 길이는 변하지 않음을 확인할 수 있다. 1,600회 이상으로 레이저 빔이 조사된 경우, 두께 1 mm의 텅스텐 공작물을 관통하여 니들 어레이의 가공이 불가능하였다. 따라서, 공작물의 가공 경계값을 넘기 위한 레이저 빔 조사 횟수로 가공하여 열에너지를 공급하는 것이 바람직하다.

Fig. 4 
(a), (b), (c), (d) Fabricated micro needle arrays according to number of laser scan, and (e) Measured specific value of needle

레이저 빔 가공은 공작물의 부피, 열에너지의 축적 및 열전달에 따라 가공 양상이 변한다. 그러나 앞서 수행한 실험 결과로부터 레이저 빔의 출력과 조사 횟수 등 가공 조건에 변화를 주는 것만으로는 니들의 형상 조절에 한계가 있음을 확인하였다. 따라서 니들 길이와 피치를 조절하기 위해서 조사되는 레이저 빔의 경로를 조합하는 것이 반드시 필요하다.

라인 스페이스는 레이저 가공 경로가 지나지 않는 비어있는 곳으로 마이크로 니들이 형성되는 부분이다. Fig. 5는 라인 스페이스를 50, 100, 200 μm로 변경하며 가공한 마이크로 니들의 형상을 보여준다. 레이저 빔의 출력은 14 W를 유지하였으며, 라인 인터벌은 20 μm, 레이저 빔 라인 수는 16줄의 조건으로 350회 조사하여 가공하였다. 라인 스페이스가 증가할수록 레이저 빔의 열에너지의 영향을 받지 않는 비가공 부위가 넓어지므로 결과물의 상단부 편평한 부분 넓이가 증가함을 확인할 수 있다. Fig. 5(a)의 경우 입력된 라인스페이스 수치인 50 μm 대비하여 실제 영역의 너비가 26.3 μm로 가공률이 가장 높았다. 즉, 비가 공 영역의 너비(라인 스페이스)가 좁을수록 공작물의 부피 대비열의 축적이 높게 일어나므로 뾰족한 팁 반경의 니들을 가공하기에 용이하다.

Fig. 5 
Fabricated micro needle according to changing line space

Fig. 6은 각 레이저 빔 사이의 간격인 라인 인터벌을 변경하며 가공된 마이크로 니들 어레이의 사진이다. 출력 10 W, 라인 스페이스 50 μm, 라인 수 6줄의 조건으로 400회 조사하여 가공하였다. 라인 인터벌이 10에서 20 μm로 증가하면서 레이저 빔의 중첩 간격이 넓어지게 되고, 가공된 니들의 길이와 피치가 증가하게 된다. Fig. 6(c)의 라인 인터벌 30 μm 경우 완전한 니들을 가공하지 못하고, 작은 크기의 원뿔 가공 결과가 산재함을 확인할 수 있다. 이는 레이저 빔 중첩률이 낮아져서 모재 기화에 필요한 열에너지의 축적이 부족하기 때문이다. 침투용 니들에 필요한 관통 성능을 얻기 위해서는 니들의 팁 반경이 작을수록 유리하며, 라인 인터벌이 좁은 Fig. 6(a)의 경우 5.7 μm의 팁 반경으로 가장 뾰족하게 가공됨을 확인하였다.

Fig. 6 
(a), (b), (c) Fabricated micro needle arrays according to line interval, and (d) Measured specific value of needle

Fig. 7은 레이저 빔 라인 수를 변경하며 가공된 마이크로 니들 어레이의 사진이다. 출력 10 W, 라인 스페이스 50, 라인 인터벌 10 μm의 조건으로 400회 조사하여 가공하였다. 조사되는 레이저 빔 라인 수가 증가함에 따라 마이크로 니들간 피치가 넓어짐을 확인하였다. 라인의 수는 레이저 가공 시 필요한 열에너지의 축적량과 비례하므로 공작물의 가공 깊이가 깊어져 니들의 길이가 증가하게 된다. 관통 성능에 유리하도록 단위 면적당 압력을 높이기 위해서는 레이저 빔 라인의 수를 증가시켜 니들 사이의 피치와 길이를 증가시키는 것이 바람직하다.

Fig. 7 
(a), (b), (c) Fabricated micro needle arrays according to number of lines, and (d) Measured specific value of needle