[논문]미세 선가공을 위한 레이저 변수 제어

김영섭; 최은서; 신용진

미세 선가공을 위한 레이저 변수 제어
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We presented the proper laser processing conditions for the capillary line marking, which could be applied for the fabrication of injection needles. With changing the parameters such as lamp current, duty cycle and beam amplification factor of beam expander, we evaluated the processing performance considering amount of dross, processing efficiency and processed linewidth in the sample. We could carry out the proper line marking at the condition of 70% lamp current, duty cycle of 7-10% and 6-times amplification of beam diameter. To perform efficient line processing, the utilization of duty cycle of 12% at 80% lamp current was also preferred.

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문제 정의

이러한 기존 주사바늘 이용 및 생산에 있어서의 문제점을 해결하고자 최근에는 주사바늘이 없는 약물 전달 시스템을 개발하기도 하였으나 그 시술 비용이 기존의 방법보다 약 10배 이상 소요되고 있어 사용자들에게 많은 경제적 부담을 안기고 있다. 이에 본연구에서는 SUS를 재료로 하여 100 ㎛ 미만의 내부 직경을 갖는 주사 바늘 제작에 필요한 레이저 미세 선 가공에 필요한 여러 가지 레이저 변수들에 따른 가공의 차이점을 확인하고 적절한 선가공을 위한 조건을 찾고자 한다.

제안 방법

SUS 304N의 표면에 선 가공을 하는데 있어서 왜곡을 최소화하기 위하여 1축이동용 스캔모터 (CTI- USA)와 f-O(CASCADE-USA) 렌즈를 사용하여 25 nml의 라인을 형성하였다. 이때 입사 조건에서의 변수는 빔의 NA값으로 1.5x 10"부터 4.5x10-2까지 0.75x10 2씩 증가시 켜 가면서 각각의 경우에 따른 선가공의 특성을 비교하고자 하였다. 조사된 레이저는 50:50 빔분할기 (BS; Beam splitter)를 통해 광세기를 측정하였으며 시료에서 반사된 빔을 photo- detector(PD)를 이용해 측정하여 조사되는 레이저의 펄스 주기와 비교하였다.
가공한 것이다. Lamp current는 70% 와 80%의 값을 사용하였고 Duty cyclee 7, 10 및 12%로 변화시켰다. 그림 5(a)는 70%의 Lamp current 값과, 그림 5(b)는 80%의 Lamp current 값과 3~6배의 빔 확대기 사용시 Duty cycle과 라인 폭의 관계를 보여주고 있다.
그림 2와 같이 공진기에서 발진 된 3 mm의 레이저 빔을 가변형 빔 확대기 (Beam expanderX 사용하여 2배에서 6 배까지 빔의 직경을 확대하여 NA값을 조절하는데 이용하였다. SUS 304N의 표면에 선 가공을 하는데 있어서 왜곡을 최소화하기 위하여 1축이동용 스캔모터 (CTI- USA)와 f-O(CASCADE-USA) 렌즈를 사용하여 25 nml의 라인을 형성하였다. 이때 입사 조건에서의 변수는 빔의 NA값으로 1.
레이저 마킹 시스템의 변수 중 레이저 조사 출력에 영향을 미치는 변수들만을 고려하여 유체의 흐름을 원활히 할 수 있는 모세 선을 가공하였다. Lamp current 70%와 80%에서 모두 2배의 빔확대기 배율을 이용하였을 때 Duty cycle에 관계없이 threshold 를 나타내었으며, Lamp current 70%에서는 6배의 빔확대기를 사용해 Duty cycle 7-10% 범위에서 가장 양호한 선을 가공할 수 있었다.
본 연구에서는 레이저 세기에 대한 가공 특성에 초점을 두고 이들 중에서 Step size 와 Mark delay time 및 Frequency 는 고정된 값을 이용하였으며 레이저 출력 파워에 직접적인 영향을 미치는 Lamp current 와 Duty cycle만을 변수로 채택하여 사용하였다. 각각 변수의 입력 범위는 표 3과 같으며 Frequency및 Duty cycle의 변화에 따른 레이저 조사 주기 및 조사 시간은 그림 3과 같다.
75x10 2씩 증가시 켜 가면서 각각의 경우에 따른 선가공의 특성을 비교하고자 하였다. 조사된 레이저는 50:50 빔분할기 (BS; Beam splitter)를 통해 광세기를 측정하였으며 시료에서 반사된 빔을 photo- detector(PD)를 이용해 측정하여 조사되는 레이저의 펄스 주기와 비교하였다.

대상 데이터

레이저 미세 선 가공에 사용된 레이저는 20 W급 Q-switched Nd:YAG 레이저(Fotona, Solvenia)로 1064 nm에서 TEMoo 모드로 발진하였다. 그림 2와 같이 공진기에서 발진 된 3 mm의 레이저 빔을 가변형 빔 확대기 (Beam expanderX 사용하여 2배에서 6 배까지 빔의 직경을 확대하여 NA값을 조절하는데 이용하였다.
본 실험에서는 여러 재료들 중에서 주사바늘 제작에 사용되고 있는 스테인레스 금속인 SUS 304N를 이용하여 레이저 미세가공을 수행하였다. 이는 오스테나이트계로 18%의 Cr과 8%의 Ni로 구성된 강 종으로써 내식성, 내열성, 저온 강도 및 여러 기계적 성질이 양호할 뿐만 아니라 Deep drawing 과 bending 등의 상온 가공이 용이하다.

성능/효과

가공하였다. Lamp current 70%와 80%에서 모두 2배의 빔확대기 배율을 이용하였을 때 Duty cycle에 관계없이 threshold 를 나타내었으며, Lamp current 70%에서는 6배의 빔확대기를 사용해 Duty cycle 7-10% 범위에서 가장 양호한 선을 가공할 수 있었다. Lamp current 80%에서는 3배 및 6배의 빔 확대기를 사용하였을 때 가장 양호한 라인 가공이 이루어졌으나 효율적인 면에서 볼 때 6배의 빔확대기를 사용하고 duty cycle 12%인 경우가 가장 양호한 선 가공이 가능하였다.

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