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문제 정의
- 1이는 일반적인 범용 가공에서는 재료나 레이저 빔의 이송속도라는 변수가 추가되어야 실제 가공에 적용 가능하지만 1개의 펄스에 대한 어블레이션은 적용하기가 어려운 실정이다. 본 연구에서는 Invar 합금의 가공 정도를 향상시키기 위하여 펨토초 레이저의 어블레이션 가공 방법에 이송 속도의 변수를 추가한 어블레이션의 특성을 파악하고, 이를 이용하여 표면 가공성을 연구하고자 한다.
제안 방법
- (2) 레이저의 출력이 증가함에 따라 어블레이션 폭의 변화를 알아보았다. 동일 출력에서 이송속도가 증가하여도 폭의 차이는 크게 발생되지는않았다.
- 형상 가공실험은 100X100 ㎛의 정사각형으로 표면층을 밀링 (Milling) 형식으로 가공하였고, 같은 형상을 나노초(Nano-second) 레 이 저 인 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저를 이용한 형상 가공과 비교하였다. DPSS 레 이 저는 532nm의 파장, Ins 의 펄스 지속 시간, 30kHz의 펄스 반복 주파수, 4.38W/cm2 의 에너지 플루언스, 10mm의 초점 크기, 3.8W 의 레이저 출력과 100mm/s 의 이 송 속도로 설정하여 가공하였다. 정사각형의 가공방법은 바둑판 배열 (Mapping) 방식을 이용하여 가공하였다.
- Invar 합금의 어블레이션 실험은 이송 속도와 레이저 빔의 출력을 변환하여 실험을 진행하였다. 이송속도 조건은 0.
- 가공 실험에 대한 고정 조건으로 펄스 지속시간(Pulse duration time)은 184fs, 펄스 반복 주파수 (Repetition rate)fe 1kHz로 고정 하였다.
- 또한 어블레이션된 결과를 이용하여 Invar 합금의 표면에 형상 가공 실험을 하였다. 형상 가공실험은 100X100 ㎛의 정사각형으로 표면층을 밀링 (Milling) 형식으로 가공하였고, 같은 형상을 나노초(Nano-second) 레 이 저 인 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저를 이용한 형상 가공과 비교하였다.
- 레이저 빔의 진행경로를 변경할 때는 레이저를 OFF 상태에서 이동하고 다시 진행경로에 이동할 때는 레이저를 ON 상태에서 이동하였다. 이때의 가공 변수로는 레이저 빔의 이송 속도, 이동간격, 출력을 변환하여 가공을 수행하였다.
- 6, 296, 471 mW 의 상용 가능한 한계 출력 범위를 사용하였다. 이상의 변수를 이용하여 Invar 합금에 선형으로 빔을 이송하여 각각의 조건에 대한 어블레이션 특성값을 측정하였다.
- 진행하였다. 이송속도 조건은 0.1, 0.4, lmm/s 로 설정하였고, 레이저 빔의 출력은 플루언스에 따른 비선형적 변화를 파악하기 위하여 5.6, 17.2, 28.8, 51.9, 81.5, 111, 176.6, 296, 471 mW 의 상용 가능한 한계 출력 범위를 사용하였다. 이상의 변수를 이용하여 Invar 합금에 선형으로 빔을 이송하여 각각의 조건에 대한 어블레이션 특성값을 측정하였다.
- 펨토초 레이저를 이용한 Invar 합금의 어블레이션 가공에서 이송 속도의 변수를 추가하여 어블레이션의 특성 변화를 조사하였고, 이를 .바탕으로 재료의 표면가공 상태의 결과를 다음과 같이 정리 하였다.
- 표면에 형상 가공 실험을 하였다. 형상 가공실험은 100X100 ㎛의 정사각형으로 표면층을 밀링 (Milling) 형식으로 가공하였고, 같은 형상을 나노초(Nano-second) 레 이 저 인 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저를 이용한 형상 가공과 비교하였다. DPSS 레 이 저는 532nm의 파장, Ins 의 펄스 지속 시간, 30kHz의 펄스 반복 주파수, 4.
대상 데이터
- Invar 합금의 두께는 100 ㎛를 사용하였고 그 조성은 Table 1에 나타내었다. 시편의 크기는 50X 50mm이며 표면은 세척 후 가공 실험을 하였다.
- 실험에 사용한 장비는 785nm 파장의 티타늄 사파이어(Ti:sapphire) 레이저로서 빔폭은 6mm 이고, 대물렌즈(Objective lens)는 Mitutyo 회사의 20 배율 렌즈를 사용하였다. NA(Numerical Aperture)는 0.
- 실험에 사용한 재료는 OLED(Organic light emitting diode)용 쉐도우 마스크에 사용되는 Invar 합금을 사용하였다. Invar 합금의 두께는 100 ㎛를 사용하였고 그 조성은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 8W 의 레이저 출력과 100mm/s 의 이 송 속도로 설정하여 가공하였다. 정사각형의 가공방법은 바둑판 배열 (Mapping) 방식을 이용하여 가공하였다. 바둑판 배열(Mapping) 방식의 가공방법은 Fig.
성능/효과
- (1) 에너지 플루언스가 증가함에 따라 이송속도가 낮을수록 어블레이션 깊이는 증가하는 경향을 나타내었고, 이송 속도의 변화에 따른 비선형변화 구간에도 차이가 발생하였다.
- (3) 이송 속도와 출력에 따른 단면 형상비 (Aspect ratio)에서 176mW를 기준으로 하여 저줄력은 단면 형상비(Aspect ratio)의 변화가 다양하게 나타나는 반면 고출력에서는 동일한 단면 형상비 (Aspect ratio)가 나타났다.
- (4) Invar 합금의 바둑판 배열(Mapping) 방식을 이용한 표면 가공에서 22.8mW 의 레이저 출력, lmm/s 의 이송 속도, 빔간 이 송 간격을 1 ㎛로 하였을 때 가장 좋은 가공품질을 얻을 수 있었고, 나노초 레이저를 이용한 가공보다 더욱 우수한 가공상태를 형성하였다.
- 이는 전자의 온도 확산 길이/ 과 광학 침투 깊이 6의 차이 변화로 볼 수 있다. 0.1mm/s 의 이송 속도에서는 전자의 온도 확산 길이가 광학 침투 깊이에 비하여 상대적으로 짧게 나타나는 현상이 발생하고, lmm/s 의 이송속도에서는 전자의 온도 확산길이가 광학침투 깊이에 비하여 증가하는 현상이 나타나는 것으로 판단할 수 있다.
- 9(b)보다 깊이가 증가하였다. 또한 빔이송 간격이 상대적으로 증가하여 제거된 면에서 파여 있는 부분이 많이 보이고 가공 상태가 좋지 않은 결과를 나타내었다. 그러나 Fig.
- 또한 속도가 증가함에 따라서 비선형적으로 변화가 발생되는 구간도 차이가 나타났다.0.
- 이는 나노초의 장펄스로 가공을 하게 되면 펨토초의 단 펄스로 가공하였을 때보다 재료의 상 변화 시간이 길어짐으로 인하여 좋지 않은 가공상태를 나타내는 것으로 판단된다. 본 결과에서 보듯이나노초 레이저를 이용한 가공보다 펨토초 레이저를 이용한 가공이 더욱 깨끗한 가공 품질을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
- 6에 나타내었다. 전체적인 경향은 레이저 출력이 증가함에 따라서 폭의 변화가급격이 증가하는 경향을 나타내다 100mW 이상이 되면 증가량이 일정해지는 경향을 나타내고 있다. 또한 이송 속도에 대하여 관찰하면 0.
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