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문제 정의
- 본 연구에서는 고세장비의 미세채널 제조를 위한 레이저 에칭 기술을 제안하고 그 유용성을 제시하였다. 레이저 에칭을 이용하여 최소 15 卩m 의 폭과 10 이상의 높은 세장비를 가지는 미세채널의 제작이 가능하며, 30 pm 이하의 폭에 300~350 |im 의 깊이를 가지는 채널 가공을 실현하였다.
- 본 연구에서는 레이저 에칭 기술을 이용하여 기존의 마이크로 히 트파이프에 사용된 미 세 채널보다 훨씬 좁은 폭과 높은 세장비를 가지는 채널가공이 가능함을 제시하고 이를 기반으로 제조한 마이크로 히트파이프를 소개한다.
- 원리를 이용한다. 본 연구에서는 레이저 에칭기 술을 이 용하여 폭 50 卩m 이 흐]', 세장비 10 정도인 미세채널을 금속 박판 상에 가공하는 기술을 제시한다. 구체적으로는 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 가공조건에 따른 미세채널의 표면과 단면 형상 및 크기 변화를 조사하였다.
제안 방법
- 마이크로 히트파이프는 비교적 간단한 구조이나 설계 시에 고려되어야 할 열전달 한계들로 모세관 한계, 음속 한계, 비산 한계 및 비등 한계 등이 있으며 이 중에서 특히 모세관 한계는 마이크로 히트파이프의 설계 시 가장 중요하게 고려해야 되는 인자이다. 따라서, 이러한 열전달 한계들의 영향을 조사하고 미세채널의 세장비가 마이크로 히트파이프의 열전달율에 얼마나 영향을 미치는가를 분석하기 위해 Table 1 에 나타난 바와 같은 세장비가 다른 두 가지 경우에 대해 히트파이프 이론을 바탕으로 수치 계산을 수행하였다";
- 본 연구에서는 레이저 에칭기 술을 이 용하여 폭 50 卩m 이 흐]', 세장비 10 정도인 미세채널을 금속 박판 상에 가공하는 기술을 제시한다. 구체적으로는 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 가공조건에 따른 미세채널의 표면과 단면 형상 및 크기 변화를 조사하였다. 또한, 미세채널 기반의 마이크로 히트파이프를 설계하고 레이저 에칭을 통해 제조된 미세채널을 이용하여 판형 마이크로히트파이프를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
- 10 Hm/sec 보다 느린 이송속도에서는 레이저 초점 주위에서 시편 표면으로 많은 열 확산이 발생하여 오히려 폭이 넓은 채널이 형성되며, 10 um/sec 보다 빠른 이송속도에서는 충분한 에너지가 공급되지 못하여 깊은 채널이 형성되지 못한다. 그러므로 반복에칭횟수와 마찬가지로 본 연구에서는 레이저 초점의 이송속도를 10 pm/sec 로 고정하고 모든 실험을 진행하였다.
- 구체적으로는 다양한 공정 변수들의 조절을 통해 고세장비의 미세채널을 제조하는 방법과 가공조건에 따른 미세채널의 표면과 단면 형상 및 크기 변화를 조사하였다. 또한, 미세채널 기반의 마이크로 히트파이프를 설계하고 레이저 에칭을 통해 제조된 미세채널을 이용하여 판형 마이크로히트파이프를 제작하고 그 특성을 분석하였다.
- 레이저 에칭을 이용하여 최소 15 卩m 의 폭과 10 이상의 높은 세장비를 가지는 미세채널의 제작이 가능하며, 30 pm 이하의 폭에 300~350 |im 의 깊이를 가지는 채널 가공을 실현하였다. 레이저 에칭을 통하여 제작된 채널은 열변형이나 열영향부가 없는 우수한 표면 형상을 나타내며 정밀하고 균일한 단면 형상을 가진다.
- 세장비가 마이크로 히트파이프의 열전달율에미치는 영향은 모델링을 통해 분석하였다. 마이크로 히트파이프는 비교적 간단한 구조이나 설계 시에 고려되어야 할 열전달 한계들로 모세관 한계, 음속 한계, 비산 한계 및 비등 한계 등이 있으며 이 중에서 특히 모세관 한계는 마이크로 히트파이프의 설계 시 가장 중요하게 고려해야 되는 인자이다.
- 앞 절에서 나타낸 결과들을 바탕으로 최적의 공정 조건을 구하고 레이저 에칭을 이용하여 고세 장비 미세채널구조 기반의 판형 마이크로 히트파이프를 실제 제작하였다. 제작된 마이크로 히트파이프는 56 mm (L) X 6.
- 미세 이송 계는 정밀도가 1 nm 인 스테핑 모터로 구동되며 PC 에 장착된 미세 이송계 제어장치를 이용하여 시편의 이송 경로를 제어하였다. 에칭 가공 중, 원활한 에칭용액의 공급과 가공 중에 발생하는 미세기포를 레이저 초점 주위에서 효과적으로 제거하기 위하여 연동 펌프를 이용하여 100 mL 의 에칭 용액 저장소로부터 용액을 챔버 내부로 순환시켰으며 레이저빔이 조사되는 챔버의 윗부분은 석영 (quartz)으로 제작하여 에칭용액의 유출을 방지하였다. 그리고 시편이 에칭되는 모든 과정은 CCD 카메라를 통하여 실시간으로 관찰되었다.
- 증가가 더이상 일어나지 않고 불규칙한 양상을 보인다. 이러한 결과는 미세채널 가공에서 적절한 반복 에칭 횟수가 5 회임을 나타내며 따라서, 이하의 연구에서는 반복에칭횟수를 5 회로 고정하고 실험하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 이와같이 좁은 폭의 미세채널 가공이 가능한 것은 본연구에 사용한 레이저빔의 특성으로 설명할 수 있다. 실험에 사용된 레이저 시스템은 가우시안 (Gaussian) 분포의 레이저빔을 갖고 있으며 레이저 출력이 낮을 경우, 레이저빔의 중심 근처 부분만이 시편과 에칭용액 사이의 화학반응을 유도할 수 있는 문턱값 이상의 에너지 강도를 가지게 되므로 낮은 출력에서는 매우 좁은 폭의 미세채널 가공이 가능하게 된다. 같은 이유로 레이저 출력이 증가하면 문턱값 이상의 강도를 가지 게 되는 영역이 확대되면서 Fig.
- 2 는 고세장비 미세채널을 제작하기 위한 레이저 에칭 실험장치를 나타낸다. 실험에 사용된 레이저는 532 nm 의 중심 파장과 8 W 의 최대 출력 을 갖는 Diode-pumped solid-state (DPSS) CW 레 이저로 시편과 에칭용액 사이의 화학반응을 유도하는 열원으로 이용되었다. 이 때, 레이저빔은 시편의 온도를 화학반응이 일어날 수 있는 문턱값 (threshold) 이상으로 상승시키는 역할을 하므로 사용되는 레이저의 파장에 크게 영향을 받지는 않으나 본 연구에서는 금속 표면에서의 반사율이 적외선 파장에 비해 낮고 빔의 에너지분포 특성이 우수한 가시광선 영역의 DPSS 레이저를 이용하였다.
- 그리고 시편이 에칭되는 모든 과정은 CCD 카메라를 통하여 실시간으로 관찰되었다. 실험에 사용된 시편은 500 gm 두께의 STS-304 (AISI 304, Fe72/Crl8/Nil0) 박판으로서 가로, 세로를 1 cm X 1 cm 크기로 방전가공을 이용하여 절단 후 표면을 연마하여 사용하였으며 에칭용액은 인산 (H3PO4, 85%)으로서 증류수와 혼합하여 농도를 조절하며 실험하였다.'%“
- 5 卩m)를통해 시편 표면에 집속 된다. 에칭용액과 시편이 담긴 챔버는 X-Y-Z 미세 이송계 위에 장착되어있으며 화학반응을 방지하기 위하여 테플론 (Teflon®) 재료를 이용하여 제작되 었다. 미세 이송 계는 정밀도가 1 nm 인 스테핑 모터로 구동되며 PC 에 장착된 미세 이송계 제어장치를 이용하여 시편의 이송 경로를 제어하였다.
- 실험에 사용된 레이저는 532 nm 의 중심 파장과 8 W 의 최대 출력 을 갖는 Diode-pumped solid-state (DPSS) CW 레 이저로 시편과 에칭용액 사이의 화학반응을 유도하는 열원으로 이용되었다. 이 때, 레이저빔은 시편의 온도를 화학반응이 일어날 수 있는 문턱값 (threshold) 이상으로 상승시키는 역할을 하므로 사용되는 레이저의 파장에 크게 영향을 받지는 않으나 본 연구에서는 금속 표면에서의 반사율이 적외선 파장에 비해 낮고 빔의 에너지분포 특성이 우수한 가시광선 영역의 DPSS 레이저를 이용하였다. DPSS 레이저빔은 시편 표면에서 집속 효율을 높이고 빔 경로상에 놓여 있는 다른 광학계들을 보호하기 위하여 5 배 빔확대기를 거친 후 선형편광 기와 1/4 파장판을 통과하여 원형편광으로 변환된다.
- 실제 제작하였다. 제작된 마이크로 히트파이프는 56 mm (L) X 6.0 mm (W) X 1.5 mm (H) 의외형 수치를 가지며 상판과 하판에는 각각 50 mm 길이의 미세채널이 15 개씩 형성되어 있다. 또한, 상 .
- 또한, 상 . 하판의 제작을 위해 각각 500 nm 두께의 STS- 304 박판이 이용되었다. Fig.
성능/효과
- 하지만 더욱 중요한 것은 에칭용액의 농도를 적절히 조절함으로써 U 형상과 V 형상 사이에서 원하는 단면 형상의 미세채널 가공이 가능하다는 사실이다. 마이크로 히트파이프를 설계할 때 윅 구조로서 사각형 뿐만 아니라 삼각형이나 사다리꼴의 채널 단면 구조도 자주 이용되는데 이러한 형태의 단면을 가지면서 7~10 정도의 높은 세장비를 갖는 미세채널의 가공에 있어서 본 연구에서 제안된 러)이저 에칭 기술이 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
- 본연구에서는 반복에칭 실험을 통하여 폭이 좁고 깊이가 깊은 미세채널을 형성할 수 있는 가장 적절한 이송속도가 10 pm/sec 임을 확인하였다. 10 Hm/sec 보다 느린 이송속도에서는 레이저 초점 주위에서 시편 표면으로 많은 열 확산이 발생하여 오히려 폭이 넓은 채널이 형성되며, 10 um/sec 보다 빠른 이송속도에서는 충분한 에너지가 공급되지 못하여 깊은 채널이 형성되지 못한다.
- 9 는 제작된 히트파이프의 열전달 특성을 보여준다. 성능 평가를 위해 작동유체로 증류수가 이용되었으며, 그 열전달 특성은 약 3.5 W 까지 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다. 현재, 제작된 마이크로 히트파이프의 좀 더 정확한 특성 평가를 위한 실험이 진행 중이다.
- 위의 결과를 종합적으로 판단해 볼 때, 임의의 폭을 가지는 채널에 대해 레이저 출력을 적절하게 조절함으로써 세장비 10 이상의 미세채널 가공이 가능함을 알 수 있다.
- 농도가 높은 경우, 미세기포에 의한 용액의 혼합 작용 및 유동이 상대적으로 덜 활발하므로 실험 결과와 같이 깊이에 따라 폭이 좁아지는 현상이 일어나는 것으로 추정된다. 이상에서 점성이 낮은 농도일수록 전체적으로 균일하게 에칭된 U 형상의 단면을 가지는 채널이 쉽게 형성됨을 짐작할 수 있다. 또한, Fig.
- 지금까지의 결과들을 종합해 볼 때, U 형상을 갖는 고세장비의 미세채널을 제작하기 위해서는 10~20%의 낮은 에칭용액에서 에칭을 하기 것이 유리하다는 것을 알 수 있다. 하지만 더욱 중요한 것은 에칭용액의 농도를 적절히 조절함으로써 U 형상과 V 형상 사이에서 원하는 단면 형상의 미세채널 가공이 가능하다는 사실이다.
후속연구
- 채널 간격은 약 150 gm 이하로 줄이는 것이 가능할 뿐만 아니라 폭이 30 gm 이하인 채널에 대해서는 간격을 더욱 작게 하는 것도 가능할 것으로 기대된다. 결론적으로 레이저 에칭 기술은 미세채널구조 기반의 마이크로히트파이프 제작에 효과적일 뿐만 아니라 더 나아가 마이크로 반응기(micro reactor)나 마이크로 연료전지(micro fuel cell)과 같은 미세채널구조를 바탕으로 한 마이크로 소자(micro devices) 제작에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 에칭용액의 농도조절을 통해 삼각형과 사각형 사이에서 단면 형상의 적절한 제어가 가능하다. 채널 간격은 약 150 gm 이하로 줄이는 것이 가능할 뿐만 아니라 폭이 30 gm 이하인 채널에 대해서는 간격을 더욱 작게 하는 것도 가능할 것으로 기대된다. 결론적으로 레이저 에칭 기술은 미세채널구조 기반의 마이크로히트파이프 제작에 효과적일 뿐만 아니라 더 나아가 마이크로 반응기(micro reactor)나 마이크로 연료전지(micro fuel cell)과 같은 미세채널구조를 바탕으로 한 마이크로 소자(micro devices) 제작에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 5 W 까지 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다. 현재, 제작된 마이크로 히트파이프의 좀 더 정확한 특성 평가를 위한 실험이 진행 중이다.
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