습식 식각
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1. 개요
습식 식각은 화학 물질을 사용하여 재료의 표면을 선택적으로 제거하는 공정이다. 이 기술은 기원전 400년경부터 사용되었으며, 갑옷 장식, 측정 기구 제작, 광화학 가공, 상업적 필터 생산 등 다양한 분야에서 활용되었다. 습식 식각은 건식 식각에 비해 장비 및 약품 비용이 저렴하고, 식각 마스크 선택의 폭이 넓으며 모재 손상이 적다는 장점이 있지만, 정밀한 미세 가공이 어렵고 재현성이 부족하다는 단점도 있다. 일반적으로 세척, 마스킹, 스크라이빙, 식각, 디마스킹의 5단계 공정으로 진행되며, 인쇄 회로 기판, 반도체, 항공우주, 집적 회로, 미세전자기계시스템 제조 등에 응용된다. 알루미늄, 강철, 구리, 실리카 등 다양한 재료에 따라 특정한 식각액이 사용되며, 식각 형상을 예측하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어도 개발되어 있다.
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- 식각 - 건식 식각
건식 식각은 플라즈마를 활용하여 반도체 표면을 미세 가공하는 기술로, 반응성 이온 식각 등을 통해 고종횡비 구조를 생성하며, 포토리소그래피와 함께 반도체 제조에 널리 사용된다. - 식각 - 에칭 (미세가공)
에칭(미세가공)은 습식 및 건식 방식으로 분류되며, 다양한 재료의 미세 가공에 사용되는 기술로서, 건식 에칭은 현대 초고밀도 집적 회로 공정에 주로 활용된다. - 반도체 - N형 반도체
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띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.
| 습식 식각 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 유형 | 제거 가공 공정 |
| 재료 제거 방법 | 화학적 에칭 |
| 적용 분야 | 항공우주 자동차 전자 산업 |
| 공정 원리 | |
| 작동 원리 | 보호 마스크를 사용하여 재료의 특정 영역을 에칭 용액으로부터 보호하고 노출된 영역만 화학적으로 제거 |
| 에칭 용액 | 산, 알칼리, 또는 기타 화학 용액 |
| 마스크 재료 | 네오프렌 폴리이소부틸렌 폴리염화비닐 |
| 공정 단계 | 표면 세척 마스크 도포 에칭 마스크 제거 |
| 에칭 속도 | 일정하게 유지 |
| 특징 | 금속의 표면에 균일한 재료 제거 가능 |
| 장점 | |
| 장점 | 응력 및 변형 유발 없음 복잡한 형상 가공 가능 다양한 재료에 적용 가능 대형 부품 제작 가능 정밀 가공 가능 |
| 단점 | |
| 단점 | 에칭 용액에 의한 환경 오염 가능성 화학물질 안전 관리 필요 |
| 응용 분야 | |
| 항공우주 산업 | 항공기 부품, 로켓 부품 |
| 자동차 산업 | 자동차 부품, 금형 |
| 전자 산업 | 인쇄 회로 기판, 반도체 소자 |
| 기타 산업 | 간판 장식품 정밀 기계 부품 |
| 추가 정보 | |
| 변형 | 화학적 밀링의 변형으로 화학적 블랭킹, 화학적 조각이 있음 |
| 다른 가공 방식과의 비교 | 화학적 밀링은 열이나 기계적 스트레스 없이 재료를 제거하는 데 적합 다른 가공 방식 (절삭 가공, 연삭 가공)보다 복잡한 형상 가공에 용이 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | Çakir, O.; Yardimeden, A.; Özben, T. (August 2007). "Chemical machining". Archives of Materials Science and Engineering. 28 (8): 499–502. |
| 참고 문헌 | 辻埜和也, 松村道雄 (2005). "ウェットエッチングによる太陽電池用シリコンウェーハへの低反射表面凹凸構造の形成技術". 表面技術. 56 (56): 843頁 |
2. 역사
습식 식각 기술은 오랜 역사를 가지고 있으며, 여러 분야에 걸쳐 발전해 왔다.
기원전 400년경부터 젖산, 구연산과 같은 유기 화합물을 사용하여 금속을 에칭하고 제품을 만들었다. 식초를 사용하여 납을 부식시켜 안료인 흰납(납백)을 만들기도 했다.[1] 알칼리성 에칭액은 기원후 1세기 초부터 사용되었을 가능성이 있다.
15세기에는 강산을 이용한 갑옷 에칭 기술이 개발되었다. 이 방법은 소금, 숯, 식초를 섞은 에칭액을 아마인유 페인트로 칠한 판금 갑옷에 발라 부식되지 않은 부분이 돋을새김으로 돌출되게 하였다.[2]
17세기 후반에는 측정 기구의 눈금을 새기는 데 에칭이 사용되었다. 에칭으로 미세한 선을 만들 수 있어, 이전보다 더 정밀하고 정확한 기구를 제작할 수 있었다.[4] 얼마 후에는 대포와 포병을 위한 탄도 정보판을 에칭하는 데에도 활용되었다.[4]
1782년, 존 세네비어가 특정 수지가 빛에 노출되면 테레빈유에 대한 용해도를 잃는 현상을 발견하면서, 광화학 가공이 개발되었다.
1927년, 스웨덴 회사 악티에볼라겟 세파라토르는 화학적 밀링을 통해 필터의 틈을 만드는 방법을 특허로 출원했다. 1940년대에는 단단한 금속의 얇은 시료를 가공하는 데 널리 사용되었다.
2. 1. 초기 역사
기원전 400년경부터 젖산, 구연산과 같은 유기 화합물을 사용하여 금속을 에칭하고 제품을 만들었다. 당시에는 식초를 사용하여 납을 부식시켜 안료인 흰납(납백)을 만들었다.[1] 대부분의 현대 화학적 밀링 방법은 알칼리성 에칭액을 사용하는데, 이는 기원후 1세기 초부터 사용되었을 가능성이 있다.강한 무기산을 사용하는 갑옷 에칭은 15세기가 되어서야 개발되었다. 소금, 숯, 식초를 섞은 에칭액을 아마인유 페인트 마스킹제로 칠한 판금 갑옷에 발랐다. 에칭액은 보호되지 않은 부분을 부식시켜 칠한 부분이 돋을새김으로 돌출되게 하였다.[2] 이러한 방식의 에칭은 마치 정밀한 조각으로 장식한 것처럼 갑옷을 장식할 수 있게 해주었지만, 버가 생기지 않았으며, 갑옷이 조각 도구보다 더 부드러울 필요가 없었다.[3] 17세기 후반에는 측정 기구의 눈금을 만드는 데 에칭이 사용되기 시작했다. 에칭으로 만들 수 있는 가는 선 덕분에 이전에는 불가능했던 더 정밀하고 정확한 기구를 제작할 수 있었다.[4] 얼마 지나지 않아 대포와 포병 운용자를 위한 탄도 정보판을 에칭하는 데 사용되었다. 종이는 전투의 혹독한 환경을 견디지 못하는 경우가 많았지만, 에칭된 판은 매우 내구성이 뛰어났다. 종종 이러한 정보(일반적으로 사거리 표시)는 스틸레토 단검이나 삽과 같은 장비에 에칭되었다.
1782년, 존 세네비어(John Senebier)는 특정 수지가 빛에 노출되면 테레빈유에 대한 용해도를 잃는다는 사실, 즉 경화된다는 사실을 발견했다. 이를 통해 재료의 전체 표면에 액체 마스킹제를 바르고 자외선에 노출시켜 마스킹할 영역의 윤곽을 만드는 '''광화학적 밀링'''이 개발되었다. 광화학적 밀링은 사진 기술 개발에 광범위하게 사용되어 빛이 금속판에 인상을 만들 수 있게 했다.
화학 에칭을 사용하여 상용 부품을 밀링한 가장 초기의 용도 중 하나는 1927년 스웨덴 회사 악티에볼라게트 세파라토르(Aktiebolaget Separator)가 화학적 밀링을 통해 필터의 틈을 만들어 에지 필터를 생산하는 방법을 특허로 출원한 경우이다. 나중에 1940년대경에는 매우 단단한 금속의 얇은 시료를 가공하는 데 널리 사용되었다. 양면 광 에칭은 시트 금속, 포일, 얇은 금속판을 절단하여 얇은 금속판, 기록용 열 휨판 및 기타 부품을 만드는 데 사용되었다.
2. 2. 갑옷 에칭 기술
15세기에는 강한 무기산을 이용한 갑옷 에칭 기술이 개발되었다. 이 방법은 소금, 숯, 식초를 섞은 부식액을 아마인유 페인트 마스킹제로 칠한 판금 갑옷에 발라 진행한다. 부식액은 보호되지 않은 부분을 부식시켜 칠해진 부분이 돋을새김처럼 튀어나오게 한다.[2] 이러한 에칭 방식은 정교한 조각으로 장식한 듯한 효과를 주면서도 버가 생기지 않고, 갑옷이 조각 도구보다 부드러워도 된다는 장점이 있었다.2. 3. 측정 기구 및 군사 분야 응용
17세기 후반, 에칭은 측정 기구의 눈금을 만드는 데 사용되기 시작했다. 에칭으로 만들 수 있는 가는 선 덕분에 이전에는 불가능했던 더 정밀하고 정확한 기구를 제작할 수 있었다.[1] 얼마 지나지 않아 대포와 포병 운용자를 위한 탄도 정보판을 에칭하는 데 사용되었다. 종이는 전투의 혹독한 환경을 견디지 못하는 경우가 많았지만, 에칭된 판은 매우 내구성이 뛰어났다. 종종 이러한 정보(일반적으로 사거리 표시)는 스틸레토 단검이나 삽과 같은 장비에 에칭되었다.[1]2. 4. 광화학 가공의 등장
1782년, 존 세네비어는 특정 수지가 빛에 노출되면 테레빈유에 대한 용해도를 잃는 현상(경화)을 발견했다. 이는 액체 마스킹제를 재료 표면에 바르고 UV 빛에 노출시켜 마스킹 영역의 윤곽을 만드는 광화학 가공의 개발로 이어졌다.[1] 광화학 가공은 사진 기술 개발에 광범위하게 사용되어 빛으로 금속판에 인상을 만들 수 있게 했다.2. 5. 상업적 활용
1927년, 스웨덴 회사 악티에볼라겟 세파라토르는 화학적 밀링을 통해 필터의 틈을 만들어 에지 필터를 생산하는 방법을 특허로 출원했다. 1940년대경에는 매우 단단한 금속의 얇은 시료를 가공하는 데 널리 사용되었다. 양면 광 에칭은 시트 금속, 호일, 얇은 금속판을 절단하여 얇은 금속판, 기록용 열 휨판 및 기타 부품을 만드는 데 사용되었다.3. 특징
건식 식각에 비해 습식 식각은 한 번에 많은 기판을 처리할 수 있고, 장비와 약품 가격이 저렴하며, 모재에 주는 손상이 적다는 장점이 있다. 반면, 정밀한 미세 가공이 어렵고, 식각의 재현성이 부족하다는 단점이 있다.[1]
건식 식각은 습식 식각에 비해 종횡비가 높은 가공이 가능하고 자유도도 높지만, 고가 장비가 필요하고 위험한 반응성 가스를 사용하는 경우가 있다. 따라서 용도에 따라 습식 식각과 건식 식각을 구분하여 사용한다.[1]
3. 1. 장점 (건식 식각 대비)
한 번에 많은 기판을 처리할 수 있다. 장비와 약품의 가격이 저렴하다. 거의 순수한 화학적 공정이므로, 건식 식각에 비해 식각 마스크 선택의 폭이 넓고, 식각되는 모재에 주는 손상이 적다.[1]3. 2. 단점 (건식 식각 대비)
- 식각 깊이가 깊어지면 식각 마스크 바로 아래에도 부식이 진행되는 언더컷(undercut) 현상이 발생하여, 정밀한 미세 가공이 어렵다.[1]
- 약품의 온도와 교반 속도에 따라 식각 속도가 달라지므로, 식각의 재현성이 부족하다.[1]
일반적으로 건식 식각이 더 높은 종횡비(식각 깊이와 폭의 비율) 가공이 가능하고, 가공의 자유도도 높지만, 고가의 장비가 필요하고 위험한 반응성 가스를 사용하는 경우가 있다. 따라서 습식 식각으로는 불가능한 경우에 건식 식각을 사용하는 등, 용도에 따라 구분하여 사용되고 있다.[1]
4. 공정
화학적 밀링(화학적 식각)은 세척, 마스킹, 스크라이빙, 식각, 디마스킹의 5단계로 수행된다.[1] 각 단계에 대한 자세한 내용은 아래 자료를 참고할 수 있다.
4. 1. 세정 (Cleaning)
식각할 표면에 마무리된 부품의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 오염물질이 없는지 확인하는 준비 과정이다.[1] 부적절하게 세정된 표면은 마스킹제의 접착 불량으로 인해 잘못된 영역이 식각되거나, 식각 속도가 불균일하여 최종 치수가 부정확해질 수 있다. 표면에는 기름, 그리스, 프라이머 코팅, 표시 및 먹선 긋기 공정의 기타 잔류물, 산화물, 기타 이물질이 없어야 한다. 대부분의 금속의 경우, 이 단계는 용매 물질을 식각할 표면에 적용하여 이물질을 제거함으로써 수행할 수 있다. 또한 알칼리성 세척제나 특수 산화 방지 용액에 침지시킬 수도 있다. 현대 산업용 화학적 식각 시설에서는 이 공정 후에는 공작물을 직접 취급하지 않는 것이 일반적인데, 인체의 기름이 표면을 쉽게 오염시킬 수 있기 때문이다.4. 2. 마스킹 (Masking)
마스크는 원하는 영역만 식각되도록 표면에 마스크 재료를 적용하는 과정이다.[1] 액체 마스크는 딥 마스크 방식으로 적용할 수 있는데, 이는 부품을 마스크액이 담긴 개방형 탱크에 담근 다음 마스크액을 건조하는 방법이다. 마스크는 흘림 코팅으로 적용할 수도 있다. 액체 마스크는 부품 표면에 흘려서 코팅한다. 특정 전도성 마스크는 정전기 분무를 통해서도 적용할 수 있는데, 이때는 재료 표면에 분무되는 마스크 입자에 전하가 가해진다. 전하는 마스크 입자가 표면에 달라붙도록 한다.사용할 마스칸트는 주로 식각에 사용되는 화학 물질과 재료 자체에 따라 결정된다. 마스칸트는 재료 표면에 부착되어야 하며, 에칭액에 대해서는 충분히 화학적으로 불활성이어야 작업물을 보호할 수 있다. 대부분의 현대 화학적 밀링 공정은 약 350g/cm의 접착력을 가진 마스칸트를 사용한다. 접착력이 너무 강하면 스크라이빙 공정이 너무 어려워질 수 있다. 접착력이 너무 낮으면 에칭 영역이 부정확하게 정의될 수 있다. 대부분의 산업용 화학적 밀링 시설에서는 네오프렌 엘라스토머 또는 이소부틸렌-이소프렌 공중합체를 기반으로 하는 마스칸트를 사용한다.
4. 3. 스크라이빙 (Scribing)
식각할 영역의 마스크 제거 과정이다.[1] 장식용으로 사용될 경우, 스크라이빙 나이프, 식각침 또는 유사한 도구를 사용하여 수작업으로 이루어지는 경우가 많다. 현대 산업 분야에서는 작업자가 템플릿을 이용하여 스크라이빙을 하거나, 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 이용하여 자동화하는 경우가 있다. 다단계 식각이 필요한 부품의 경우, 색상 코드와 같은 장치를 사용하는 복잡한 템플릿이 사용될 수 있다.4. 4. 식각 (Etching)
부품을 화학 용액에 담가 화학 반응을 일으키는 과정이다. 식각 시간은 식각 속도, 절삭 깊이에 따라 결정된다. 식각 속도(''E'')는 다음 공식으로 계산된다.:
여기서 ''E''는 식각 속도, ''s''는 필요한 절삭 깊이, ''t''는 전체 침지 시간이다.[2] 식각 속도는 식각액의 농도와 조성, 식각할 재료, 온도 조건 등에 따라 달라진다. 일정하지 않은 특성 때문에 식각 공정 직전에 실험적으로 식각 속도를 결정하는 경우가 많다. 동일한 재료 사양, 열처리 조건, 그리고 거의 같은 두께를 가진 작은 재료 시료를 특정 시간 동안 식각한다. 그런 다음 식각 깊이를 측정하고 시간과 함께 사용하여 식각 속도를 계산한다. 알루미늄은 일반적으로 약 0.178cm/h의 속도로 식각되고, 마그네슘은 약 0.46cm/h의 속도로 식각된다.[3][2]
4. 5. 디마스킹 (Demasking)
마스크 제거는 식각액과 마스크 제거제의 일부를 제거하는 과정이다.[1] 식각액은 일반적으로 깨끗하고 차가운 물로 세척하여 제거한다. 식각 과정에서 재료 표면에 산화물 박막이 남는 경우에는 산화물 제거 공정이 필요할 수도 있다. 마스크 제거제를 제거하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 일반적인 방법은 스크래핑 도구를 사용하여 수동으로 제거하는 것이다. 이 방법은 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이므로 대량 생산 공정에서는 자동화될 수 있다.5. 응용 분야
습식 식각은 인쇄회로기판(PCB) 및 반도체 제조 산업에 응용된다. 또한 항공우주 산업에서도 사용되는데,[2] 대형 항공기 부품, 미사일 외피 패널 및 항공기 골조용 압출 부품에서 얇은 재료층을 제거하는 데 사용된다. 습식 식각은 집적회로(IC)와 미세전자기계시스템(MEMS) 제조에도 널리 사용된다.[2]
6. 일반적인 식각액
7. 시뮬레이션 소프트웨어
습식 식각 형상을 예측하기 위해 소프트웨어를 활용하여 계산 시간을 단축하고 효율성을 높인다.
참조
[1]
논문
Chemical machining
http://www.archivesm[...]
2007-08-00
[2]
논문
New Ways of Cutting Metal
https://books.google[...]
1960-12-08
[3]
웹사이트
Aluminum etching
https://www.microche[...]
2013-12-07
[4]
논문
ウェットエッチングによる太陽電池用シリコンウェーハへの低反射表面凹凸構造の形成技術
https://doi.org/10.4[...]
一般社団法人 表面技術協会
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