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가설 설정
- 추가적으로 비유전율(relative permittivity)은 9.9로 설정하였고, 전기전도도(electrical conductivity)는 1 × 10-12S/m로 가정하였다.
제안 방법
- FEM 모델에서 레이저 조사위치에서 5μm 떨어진 위치에 반경 1μm을 가지는 세라믹 입자를 위치시키고 레이저 빔을 조사하였다.
- Mie 산란이론은 기본적으로 Maxwell 방정식에 기반한 것으로서, 조사되는 빛의 파장과 입자의 크기를 변수로 하여 산란 및 흡수도를 예측할 수 있다. 따라서 본 세라믹 실험의 산란도 및 흡수도를 알아보기 위해서 COMSOL Multiphysics 4.2a의 RF 모델을 기반으로 해석을 수행하였다.
- 레이저 가공 시 발생하는 산란을 예측하기 위해서 세라믹소결 표면에 fig. 1과 같이 10 × 10 격자를 형성하였다.
- 6(b)에 제시된 바와 같이, 레이저 빔으로 드릴링 작업 시 발생하는 산란에 대해서 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 조건은 3.1에 기술된 single particle 조건과 같으며, fig. 6(b)에 있는 드릴링깊이 변수 z값을 변환함으로 인해서 드릴링 작업을 시뮬레이션 하고, 레이저빔의 산란을 예측하였다.
- 시뮬레이션의 유효성을 검증하기 위해서 fig. 3과 같은 형태의 산란모델을 만들고 이론식(Mie scattering)과 컴퓨터시뮬레이션의 결과를 검증 하였으며 상세한 검증내용은 선행연구의 결과를 참조하였다.7 여기에서 S는 각도에 따른 진폭함수 (amplitude function with respect to angle) 이고 I는 해당 각에서의 레이저 강도이다.
- 실험에 사용된 레이저의 peak energy는 90.8μJ/pulse 이며 홀 직경을 15, 30, 45, 60, 75 및 85μm로 가공을 하였고, 최종적으로 100μm로 홀이 형성이 되었다.
- 이러한 산란모델 해석을 기반으로 785nm의 파장을 가지는 레이저 빔을 1μm 직경을 가지는 세라믹 입자에 조사하는 시뮬레이션을 진행하였다.
- 조사된 빔의 진행을 시험하기 위해서 fig. 5에 도시된 것처럼 조사된 레이저가 20μm × 10μm 영역을 공기 중에서 자유전파(free propagation) 하도록 시뮬레이션 하였고 물성치는 Table 1에 정리하였다.
대상 데이터
- 레이저 드릴링 실험에 사용된 극초단 레이저는 중심파장 785nm 펄스폭 184fs 그리고 펄스 반복률은 1kHz로 설정이 되었다. 출력은 편광빔분기장치(polarizing beam splitter)와 반 파장 광학장치(half wavelength plate)의 조합으로 감쇄하였다.
- 실험에 사용된 초점렌즈는 레이저 스캐너에 조합되어 있는 f-θ 렌즈로서 초점거리는 88mm인 색수차보정 렌즈가 사용되었다.
- 입사된 레이저는 중간 파장이 785nm이고 첨두출력이 30kV/m(E field)로 설정하였으며, 빔 직경은 FWHM(full width half max)으로 기준하여 4μm로 설정하고, temporal width는 50fs로 설정을 하였다.
이론/모형
- 기공성물질인 세라믹재질의 산란도를 미 산란이론에 근거하여 시뮬레이션 하였다. Al2O3에 50fs동안 레이저 빔을 조사하였을 때, 금속의 속성과 유전물질의 속성을 동시에 가지는 광학적 특성을 나타내었다.
성능/효과
- 기공성물질인 세라믹재질의 산란도를 미 산란이론에 근거하여 시뮬레이션 하였다. Al2O3에 50fs동안 레이저 빔을 조사하였을 때, 금속의 속성과 유전물질의 속성을 동시에 가지는 광학적 특성을 나타내었다.
- 결과에서 나타난 바와 같이 초기 excitation 대비 드릴링바닥의 위치인 exit 위치에서 레이저 강도는, z =5μm에서는 43% 정도가 도달하는 것으로 관찰되었다(peak normal electric field 기준).
- 결과에서 나타난 바와 같이 초기 excitation 대비 드릴링바닥의 위치인 exit 위치에서 레이저 강도는, z =5μm에서는 43% 정도가 도달하는 것으로 관찰되었다(peak normal electric field 기준). 다시 말하여 초기 조사된 레이저빔의 약 57%정도가 드릴링 벽면을 통한 내부 산란이 발생하게 됨을 알 수가 있다.
- 드릴링 깊이 5μm 시뮬레이션에서는 약 57%정도가 바닥면 도달 전 간섭에 의한 산란으로 소실이 되었으며, 20μm 깊이 시뮬레이션을 통해서 대부분의 레이저빔이 산란되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 이때 내부를 통과하는 레이저빔은 세라믹입자의 기하학적 형상에 의해서 일부 집중(focusing)되는 형태를 보이고 있다. 본 시뮬레이션을 통해서 금속적 성질과 유전물질성질을 동시에 지니고 있는 세라믹입자의 투과 및 반사 그리고 흡수성을 관찰할 수가 있었다.
- 세라믹소재에 레이저빔이 조사될 때 전자기파 시뮬레이션을 이용한 결과 간섭 및 미산란 이론에 의한 산란을 해석하기에 적절하였으며, 드릴링 작업 시 발생하는 많은 에너지 손실들을 대략적으로 예측을 할 수가 있었다. 금속물질 및 복합물질의 산란해석에 사용되어 실험적으로 입증하기 힘든 균질분말의 레이저빔 산란연구에 큰 기초가 될 것으로 판단된다.
후속연구
- 세라믹소재에 레이저빔이 조사될 때 전자기파 시뮬레이션을 이용한 결과 간섭 및 미산란 이론에 의한 산란을 해석하기에 적절하였으며, 드릴링 작업 시 발생하는 많은 에너지 손실들을 대략적으로 예측을 할 수가 있었다. 금속물질 및 복합물질의 산란해석에 사용되어 실험적으로 입증하기 힘든 균질분말의 레이저빔 산란연구에 큰 기초가 될 것으로 판단된다.
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