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문제 정의
- 본 연구에서는 생체의료용 합금재료인 티타늄 합금의 표면 가공을 위한 어블레이션 특성을 펄스중첩율의 변화에 따라 분석하고 특정 형상 가공에 따른 가공 방법의 제시 및 가공 변수를 변화시켰을 때 재료의 가공 특성을 얻고자 한다.
제안 방법
- 가공 실험에 대한 고정 조건으로 펄스 지속시간(Pulse duration time)은 184fs, 펄스 반복 주파수 (Repetition rate)는 1kHz 로 고정 하였다.
- 타타늄 합금의 어블레이션 실험은 펄스 중첩율과 레이저 빔의 출력을 변환하여 실험을 하였다. 펄스 중첩율은 99%, 96%, 90%로 설정하였고 레이저 빔의 출력은 플루언스에 따른 비선형적 변화를 파악하기 위하여 5.
- 하였다. 펄스 중첩율은 99%, 96%, 90%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. 펄스 중첩율은 재료와 접하는 레이저빔의 크기 대비 중첩 정도를 나타내는 것으로 레이저 빔의 크기, 펄스 반복 주파수와 이송 속도의 3 가지 조건을 계산하여 구할 수 있다.
- 실험을 하였다. 형상 가공 실험은 100 ㎛X100 ㎛의 정사각형으로 표면층을 밀링 형식으로 가공하였고, 원형 형상을 조사하기 위하여 직경 100 ㎛ 크기의 마이크로 홀 가공을 하였다.
- 레이저 빔의 진행 경로를 변경할 때는 레이저를 OFF 상태에서 이동하고 다시 진행경로에 이동할 때는 레이저를 ON 상태에서 이동하였다. 이때의 가공 변수로는 레이저빔의 펄스 중첩월-, 이동간격, 가공에 용이한 출력으로 변환하여 가공을 하였다.
- 마이크로 홀 가공은 어블레이션 실험 결과와 기타 가공 변수를 추가하여 실험을 하였다. 마이크로 홀 가공은 레이저 빔 출력과 펄스 중첩율, 어블레이션된 layer 의 깊이, 레이저 빔간 이송 간격을 변수로 설정하여 가공 실험을 하였다.
- 마이크로 홀 가공은 레이저 빔 출력과 펄스 중첩율, 어블레이션된 layer 의 깊이, 레이저 빔간 이송 간격을 변수로 설정하여 가공 실험을 하였다. Fig.
- 이렇게 한번의 층 가공을 layer 라한다. 또한 레이저 빔의 이송 간격에 따른 동심원의 수는 10 번으로 고정하였다. 여러 동심원을 만들어 가공하는 이유는 하나의 원 가공으로 레이저빔을 깊이 방향으로 이송하여 홀 가공을 수행하게 된다면 어블례이션 폭이 작은 경우는 깊이 방향으로 레이저 빔의 침투가 어려워지고 또한 어블레이션에 의한 재료의 열적 반응이 짧은 시간에 동일지점으로 집중되는 현상을 피하여 재료 손상 없이 가공하기 위함이다.
- 6 에 나타내었다. 깊이의 측정은 광학 Vision 카메라의 초점간 거리를 이용하여 측정하였다. 플루언스는 실험 방법에서 설정한 레이저 출력에 대하여 계산한 값으로 변경하였고 티타늄의 Fth.
- 「펨토초 레이저의 펄스 중첩율을 변화하여 티타늄 합금의 표면에 선형 어블레이션을 수행하여 어블레이션의 깊이 변화를 파악하였다. 어블레이션.
- 이상의 변수를 이용하여 티타늄 합금에 선형으로 빔을 이송하여 각각의 조건에 대한 어블레이션 특성 값을 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 재료는 생체 의료분야에 널리 쓰이고 있는 티타늄 합금(Ti-6A1-4V)을 사용하였다.
- 실험에 사용한 장비는 고등광기술연구소 미세광학연구실에서 보유하고 있는 785nm 파장의 Tiisapphire 레이저로써 빔 폭은 6 mm 이고, 대물렌즈(Objective lens)는 20 배율 렌즈를 사용하였다. NA(Numerical Aperture)는 0.
- 50 ㎛ 두께의 티타늄 합금(TI010250)에 형상 가공 실험을 하였다. 형상 가공 실험은 100 ㎛X100 ㎛의 정사각형으로 표면층을 밀링 형식으로 가공하였고, 원형 형상을 조사하기 위하여 직경 100 ㎛ 크기의 마이크로 홀 가공을 하였다.
이론/모형
- 정사각형의 가공 방법은 바둑판 배열(Mapping) 방식을 이용하여 가공하였다. 바둑판 배열 방식의 가공 방법은 Fig.
성능/효과
- 이는 전자의 온도 확산 길이 I 고+ 광학침투 깊이 6의 차이 변화로 볼 수 있다-. 99%의 중첩율에서는 전자의 온도 확산 길이가 광학침투 깊이에 비하여 상대적으로 짧게 나타나고, 90%의 중첩율에서는 전자의 온도 확산 길이가 광학침투 깊이에 비하여 증가하는 현상이 나타나는 것으로 판단할 수 있다.
- 결과적으로 표면 손상은 레이저 빔의 출력에 따른 재료의 홉수 능력에 따라 결정되며, 가공 형상은 중첩율과 관련이 있는 것으로 판단된다. 선형 가공의 경우, 중첩율이 높게 되면 레이저 빔에 의한 집적 에너지가 과다 중첩되어 어블레이션이 증가하는 경향을 나타내기 때문에 선형 가공은 중첩율을 낮추어 가공을 하여야 하고 원형 가공의 경우는 원형 형상으로 인하여 집적 에너지가 원형의 바깥부분으로 분산되어 낮은 중첩율의 경우 원형 가공 형상의 유지가 어렵게 되는 것이다.
- 의 깊이 변화는 펄스 중첩율을 적용하여도 기존의 연구와 같이 비선형 변화 구간이 형성되지만 펄스중첩율이 증가할수록 선형 형상을 나타내는 경향이 발생하였다. 중첩율 변화에 대한 어블레이W 특성을 이용하여 형상 가공을 정사각형과 원형 九 공을 하였고 1.3mW 의 레이저 출력에서 시편의 가공 표면에 손상이 발생하지 않는 결과를 얻었다. 정사각형의 가공에서는 펄스 중첩율을 90%, 마이크로 홀 가공에서는 펄스 중첩율을 99%로 설정하였을 때 최적의 가공 형상을 얻을 수 있었고, 가공 형상에 따라 적용하여야 할 펄스 중첩율을 파악할 수 있었다.
- 3mW 의 레이저 출력에서 시편의 가공 표면에 손상이 발생하지 않는 결과를 얻었다. 정사각형의 가공에서는 펄스 중첩율을 90%, 마이크로 홀 가공에서는 펄스 중첩율을 99%로 설정하였을 때 최적의 가공 형상을 얻을 수 있었고, 가공 형상에 따라 적용하여야 할 펄스 중첩율을 파악할 수 있었다. 이상의 결과로 펨토초 레이저를 이용하여 단순한 하나의 형상 가공뿐 아니라 복합형상 가공에도 적용할 수 있음을 알 수 있었다.
- 정사각형의 가공에서는 펄스 중첩율을 90%, 마이크로 홀 가공에서는 펄스 중첩율을 99%로 설정하였을 때 최적의 가공 형상을 얻을 수 있었고, 가공 형상에 따라 적용하여야 할 펄스 중첩율을 파악할 수 있었다. 이상의 결과로 펨토초 레이저를 이용하여 단순한 하나의 형상 가공뿐 아니라 복합형상 가공에도 적용할 수 있음을 알 수 있었다.
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