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문제 정의
- 먼저, 기존의 고정된 레이저 빔 연구 電에 계속해서 레이저의 이송속도 및 빔 모드에 따른 증착 특성을 살펴보고 멀 티레이어 적층 시 발생할 수 있는 문-제점도 검토한다. 또한, 이러한 기초 실험을 바탕으로 본 연구에서는 새로이 지그재그 모양의 로드, 나선형의 로드, 벽, 사각 단면을 가진 관 등의 쾌속 조형 을 시도하고자 한다.
- 75 mm이고 성장 속 도는 약 40 ㎛/s이다. 본 실험에서는 50 torr TMS의 1회 충전으로 얻어낼 수 있는 SiC 증착률과 증착 특성을 알아보기 위해서 TMS 충전 후 5분 간격으로 레이저를 이동 시켜 가며 조사하였다. 로드의 성장률은 Fig.
- 본 연구에서는 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 SiC 물체의 쾌속 조형에 대한 연구를 수행하였다. 3차원 조형물을 얻어내기 위한 공정의 주요 변수 중에서 반응시간에 따른 증착률 변화, 이송속도에 따른 증착 특성, 레이저 빔 모드의 영향 등을 알아보았고 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 레이저 화학 증착을 이용하여 멀 티레이어 (multi-layer)를 구현하고 이러한 적 甘을 통하여 비교적 단순한 모양의 3차원 SiC 물체를 조형하고자 한다. 모 가스 (precursor)로는 TMS를 사용하고 이것의 열분해하기 위한 레이저는 Nd-Yag 레이저를 사용한다.
- 레이저의 이송속도를 더욱 높이게 되면 더 이상 로드가 자라지 않고 모체 표면에 SiC 라인이 형성된다. 본 연구에서는 이송속도에 따른 SiC 라인이 증착되는 특성을 알아보기 위하여 이송 속도를 30-55 网/s까지 5 网s 단위로 변화시켰다. 이때, 충전압력은 50 ton■이고 레이저는 싱글 모 드 8 W를 사용하였다.
제안 방법
- (4) 10회의 적층을 통하여 벽을 조형하였고 20회의 적층을 통해 성공적으로 정사각형 관을 제 작하였다.
- 본 연구에서는 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 SiC 물체의 쾌속 조형에 대한 연구를 수행하였다. 3차원 조형물을 얻어내기 위한 공정의 주요 변수 중에서 반응시간에 따른 증착률 변화, 이송속도에 따른 증착 특성, 레이저 빔 모드의 영향 등을 알아보았고 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- (2) 로드는 수직선을 기준으로 하여 최대 50。까지 경사지게 성장시킬 수 있었고 이를 응용하여 지그재그 모양 및 나선형 로드를 성공적으로 조 형하였다. 레이저빔의 경우 멀티모드보다는 싱글 모드일 때 증착 물이 더욱 세밀하게 생성되었다.
- 다음으로 이 송테 이 블을 원 모양으로 이송 시 키며 지름 5 皿의 나선형 조형물을 제작하여 보았다. 본 연구에서 사용된 이송 테이블은 XY 테이블로써 회전(rotation)이 되지 않는다.
- 본 연구에서 사용된 이송 테이블은 XY 테이블로써 회전(rotation)이 되지 않는다. 따라서, 나선형 조형물을 만들기 위해 지름 5 mm의 원을 320개의 호(arc)로 분할하였고 각각의 호는 Fig. 8에서와같이 직선으로 근사 시켜 레이저 빔을 이송시켰다.
- 이는 레이저가 꼭지점에서 체류 시간이 길어 발생한 것으로 이후의 정상적인 적층을 방해하였다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 레이저가 꼭지점에 도달하면 레이저를 끄고 선폭 두께의 玄만큼 레이저를 이동시킨 후 다시 증착하는 방법을 채택하였다. Fig.
- 또한 레이저빔의 사이즈를 조절하기 위하여 1 mn의 레이저빔을 빔 확장기로 10 b血까지 확장한 후 다시 초점 렌즈를 통해 최종적으로 레이저빔이 모체에 조사되는 빔의 사이즈는 44 ㎛로 조절하였다. 초점 렌즈를 이용하여 줄여진 빔의 두께를 구하는 식은 다음과 같다.
- 먼저 챔버 충전 압력이 50 torr 일대 싱글 모드를 사용하여 얼마나 오랫동안 안정적인 증착률이 얻어지는지 알아보았다. 또한, 3차원 조형물을 만들기 위한 기초실험으로써 챔버가 놓여진 이송테이 블의 속도를 변화 시켜 가며 생성되는 SiC 증착물 의 특성을 살펴보았다
- 충전압력은 50 torr를 사용하였고, 레이저 출력은 싱글 모드 10 W 및 멀티모드 15 W를 이용하였다. 또한, 이송속도는 선행 실험 결과로부터 로드가 도중에 끊어지지 않도록 싱글 모드 및 멀티모드일 때 각각 25 ㎛/s와 20 ㎛/s로 설정하였다.
- 레이저를 저속으로 이송시키면 로드가 경사지게 자라게 되는데 이송속도에 따른 경사각 변화 및 로드를 성장시킬 수 있는 한계 이송속도를 살펴보았다. 또한, 한계속도 이상의 고속에서는 레이저 선 긋기(laser direct writing)가 되는데 이송속도에 따른 선 긋기 특성 변화도 알아보았다. 마지막으로 적층법을 이용하여 여러 가지 단순한 모양의 3차원 구조물을 쾌속 조형 하여 보았다.
- 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 쾌속 조형을 구현하는 실험을 위해 레이저로는 Nd-Yag laser를 사용하였고 빔 확장기 (beam expander)와 초점 렌즈(focus lens)로 레이저 빔 사이즈를 줄여 레이저의 집광성을 높였다. 또한, 진공챔버를 XY 이송 테이블 위에 장착하여 레이저의 조사 부위를 이동 가능하게 하였고 레이저빔 이 지나가는 통로는 폐쇄하여 안전을 도모하였다.
- 레이저를 저속으로 이송시키면 로드가 경사지게 자라게 되는데 이송속도에 따른 경사각 변화 및 로드를 성장시킬 수 있는 한계 이송속도를 살펴보았다. 또한, 한계속도 이상의 고속에서는 레이저 선 긋기(laser direct writing)가 되는데 이송속도에 따른 선 긋기 특성 변화도 알아보았다.
- 로드의 성장률은 3차원 조형물을 만드는데 있어서 중요한 요소 중의 하나이므로 본 연구에서는 50 torr의 1회 충전으로 약 15분 동안 증착을 한 후 더 이상 레이저를 조사하지 않고 재충전함으로써 성장률을 항상 초당 35 创1 이상으로 유지 시켰다.
- 가 될 때까지 진공펌프를 가동시킨다. 마지막으로 TMS의 공급 포트에 설치되어 있는 니들 밸브를 조금씩 열어 원하는 압력을 설정한 후 레이저의 초점을 모체에 위치 시켜 조사한다.
- 또한, 한계속도 이상의 고속에서는 레이저 선 긋기(laser direct writing)가 되는데 이송속도에 따른 선 긋기 특성 변화도 알아보았다. 마지막으로 적층법을 이용하여 여러 가지 단순한 모양의 3차원 구조물을 쾌속 조형 하여 보았다.
- 본 실험은 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 물체를 쾌속 조형 하는 것이며 모 가스로는 TMS를 이용하였고 모체로는 SiC 분말을 사용하였다. 먼 저, 증착에 앞서 안정된 레이저 출력을 얻기 위하여 냉각수 온도를 15.5℃에 설정하고 레이저 파워가 안정적인지 확인한 후 실험을 시작한다. 챔버 안과 레이저가 입사되는 윈도우도 실험 전 메탄올로 깨끗이 세척한다.
- 먼저 챔버 충전 압력이 50 torr 일대 싱글 모드를 사용하여 얼마나 오랫동안 안정적인 증착률이 얻어지는지 알아보았다. 또한, 3차원 조형물을 만들기 위한 기초실험으로써 챔버가 놓여진 이송테이 블의 속도를 변화 시켜 가며 생성되는 SiC 증착물 의 특성을 살펴보았다
- 모 가스 (precursor)로는 TMS를 사용하고 이것의 열분해하기 위한 레이저는 Nd-Yag 레이저를 사용한다. 먼저, 기존의 고정된 레이저 빔 연구 電에 계속해서 레이저의 이송속도 및 빔 모드에 따른 증착 특성을 살펴보고 멀 티레이어 적층 시 발생할 수 있는 문-제점도 검토한다. 또한, 이러한 기초 실험을 바탕으로 본 연구에서는 새로이 지그재그 모양의 로드, 나선형의 로드, 벽, 사각 단면을 가진 관 등의 쾌속 조형 을 시도하고자 한다.
- 본 연구에서는 이송속도에 따른 로드의 경사각을 이용하여 단순 모양의 3차원 SiC 조형물을 제 작하여 보았다. 먼저, 레이저 빔을 좌우 교대로 이동시키며 지그재그(zigzag) 모양을 가진 로드를 조형하여 보았다. 충전압력은 50 torr를 사용하였고, 레이저 출력은 싱글 모드 10 W 및 멀티모드 15 W를 이용하였다.
- 11에서와같이 모체 표면을 레이저로 여러 번 이송하여 적층시킨 벽(wall)을 조형하여 보았다. 먼저, 증착이 비교적 두꺼운 15 W의 멀티모드를 사용하여 이송속도는 55 ㎛/s를 선택하였고 적층할 벽의 폭은 1 cm로 정하였다. 이때 1회 충전으로 증착 시간이 15분을 넘지 않도록 2회 왕복마다 TMS를 재충전 시 켜주었다.
- 본 연구에서는 이송속도에 따른 로드의 경사각을 이용하여 단순 모양의 3차원 SiC 조형물을 제 작하여 보았다. 먼저, 레이저 빔을 좌우 교대로 이동시키며 지그재그(zigzag) 모양을 가진 로드를 조형하여 보았다.
- 이송 테이블의 속도에 따라 로드가 성장하는 특성을 살펴보기 위하여 이송속도를 10, 15, 20, 25, 30 ㎛/s로 각각 변화시켰다. 또한, 레이 저 빔은 싱 글 모드 10 W와 멀티모드 15 W를 각각 고려하였다.
- 이는 레이저 출력의 불균일성, 분말 모 체 표면의 요철, 레이저 스캔 속도의 불균일성 등 여러 가지 원인에 의하여 야기될 수 있는데 증착 초기의 불규칙한 작은 증착 높이 변화가 시간이 갈수록 증폭되는 것을 알 수 있었다. 특히, 멀티 모드의 경우 높은 출력으로 인하여 증착 부위에서 다량의 부산물이 생성되는데, 반응이 시작한 후 40분이 지나자 팬을 가동시켜도 윈도우의 대부분을 오염 시켜 레이저의 조사를 방해하였다. 한편, 싱글 모드의 경우 벽의 폭을 5 mm로 하고 8 W의 출력으로 10회 적층하여 두께 1 ran 와 높이 4 剛인 벽을 조형하였다.
- 한편, 이러한 라인의 적층을 통한 쾌속 조형의 가능성을 알아보기 위하여 Fig. 11에서와같이 모체 표면을 레이저로 여러 번 이송하여 적층시킨 벽(wall)을 조형하여 보았다. 먼저, 증착이 비교적 두꺼운 15 W의 멀티모드를 사용하여 이송속도는 55 ㎛/s를 선택하였고 적층할 벽의 폭은 1 cm로 정하였다.
대상 데이터
- TMS 열분해를 위한 레이저로써 CO 레이저와 Nd-Yag 레이저를 고려할 수 있겠으나 TMS 가스가 C6 레이저의 에너지를 흡수하는 특성 때문에 본 연구에서는 Nd-Yag 레이저를 사용하였다. Nd-Yag 레이저는 파장이 1.
- 본 연구에서는 레이저 화학 증착을 이용하여 멀 티레이어 (multi-layer)를 구현하고 이러한 적 甘을 통하여 비교적 단순한 모양의 3차원 SiC 물체를 조형하고자 한다. 모 가스 (precursor)로는 TMS를 사용하고 이것의 열분해하기 위한 레이저는 Nd-Yag 레이저를 사용한다. 먼저, 기존의 고정된 레이저 빔 연구 電에 계속해서 레이저의 이송속도 및 빔 모드에 따른 증착 특성을 살펴보고 멀 티레이어 적층 시 발생할 수 있는 문-제점도 검토한다.
- 멀티모드의 경우 높은 출력을 얻을 수 있지만 상대적으로 빔 면적이 늘어나 빔 강도(intensity)는 크게 증가하지 않고 빔의 모양도 가우스 분포에서 벗어난다. 본 실험에서는 집광성이 종은 싱글 모드를 주로 사용하면서 멀미 모드도 비교를 위해 사용하였다.
- 본 실험은 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 물체를 쾌속 조형 하는 것이며 모 가스로는 TMS를 이용하였고 모체로는 SiC 분말을 사용하였다. 먼 저, 증착에 앞서 안정된 레이저 출력을 얻기 위하여 냉각수 온도를 15.
- 본 연구에서 제작한 반응챔버는 원통형의 스테 인레스 스틸로 제작되었으며, 네 개의 포트(port)와 두 개의 윈도우(window)가 장착되었다. 세 개의 포트는 각각 진공펌프, TMS 및 압력 센서에 연결되었고 마지막 포트는 챔버 내의 잔여 공기를 최대한 줄이기 위해 Ar과 같은 불활성 기체를 제공해 주기 위해 사용되었다.
- 본 연구에서는 한 변의 길이가 5 mm인 정사각형 단면을 가진 관을 조형하였는데 50 torr 및 8 W의 싱글 모드를 사용하였다. Fig.
- 이송 장치로는 MITSUBISHI Electric의 서보 모 터가 탑재된 자동 XY 테이블과 초점 렌즈의 Z 방 향 이송을 위하여 피치 5 剛의 나사 선으로 구성된 수동 이송 장치를 설치하였다. XY 테이블의 제어를 위하여 ATMEL사의 AT985C52 마이크로 칩을 사용하였으며, 프로그램은 Microsoft의 Visual Basic 6.
이론/모형
- 이송 장치로는 MITSUBISHI Electric의 서보 모 터가 탑재된 자동 XY 테이블과 초점 렌즈의 Z 방 향 이송을 위하여 피치 5 剛의 나사 선으로 구성된 수동 이송 장치를 설치하였다. XY 테이블의 제어를 위하여 ATMEL사의 AT985C52 마이크로 칩을 사용하였으며, 프로그램은 Microsoft의 Visual Basic 6.0을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 50 torr로 1회 충전된 챔버에서 약 15분 동안 35 ㎛/s 이상의 높은 증착률을 얻을 수 있다.
- (3) 레이저를 30 ㎛/s 이상의 속도로 모체 위로 이송시키면 로드는 더 이상 자라지 않고 라인이 생성되는더], 이송속도가 증가할수록 라인의 두께와 폭은 줄어들어 55 “m/s에서는 두께가 약 300 ㎛, 폭이 약 850 ㎛가 된다.
- 레이저 화학 증착을 이용하여 3차원 쾌속 조형을 구현하는 실험을 위해 레이저로는 Nd-Yag laser를 사용하였고 빔 확장기 (beam expander)와 초점 렌즈(focus lens)로 레이저 빔 사이즈를 줄여 레이저의 집광성을 높였다. 또한, 진공챔버를 XY 이송 테이블 위에 장착하여 레이저의 조사 부위를 이동 가능하게 하였고 레이저빔 이 지나가는 통로는 폐쇄하여 안전을 도모하였다. 이 외에 전체압력을 1(尸 ton.
- 10에 이송속도에 따른 증착된 SiC 라인과 라인의 두께를 나타내었다. 이송속도가 높을수록 증착되는 두께와 폭은 줄어들었으며 55 “m/s의 이송속도에서 두께와 폭이 각각 300 ㎛와 850 ㎛ 정도의 비교적 얇은 라인이 형성되었다.
후속연구
- 향후 증착 온도 제어, 레이저 이송속도 조절, 최적의 모체 선택을 통해 증착 라인의 분해능 (resolution)을 높이고 좀 더 균일한 적증을 실현한다면 레이저 화학 증착. 기술은 세라믹으로 직접 쾌속 조형을 가능하게 해주는 매우 효과적인 방법이 될 것이다.
- 13는 레이어를 20회 적층하여 성공적으로 생성한 사각형 모양의 관을 보여준다. 향후, 적층 균일도가 향상된다면 더욱 정밀한 모양의 SiC 관을 제조할 수 있을 것이다.
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