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문제 정의
- 본 논문에서는 극초단레이저를 사용하여서 평판유리에 미세한 노치를 형성하는 연구사례를 이론적 배경과 실험결과를 토대로 보고하고자 한다.
제안 방법
- 출력은 필름 형태의 편광장치(Polarizing beam splitter)와 반 파장 광학장치(Half wavelength plate)의 조합을 사용한 빔에너지를감쇄하였으며, 각각의 장치를 통과하여 최종 출력이 100μW에서 500mW까지로 조절 되도록 설정 하였다.
- 실험에 사용된 유리의 가공특성을 알아보기 위해서 소재 표면에 단펄스(Single pulse)를 조사하여서 단위면적당 펄스에너지(Fluence, J/cm2)와 가공된 재료의 가공크기를 조사하였다. 실험에 사용된 레이저는 M2가 1.
- 도출된 가공임계치 이상의 출력을 사용하여서 단층 평판에 레이저를 집속하여서 유리절단을 시도하였다. 이때 사용한 초점렌즈는 비교적 저가이면서 대출력에 견딜 수 있고, 입사광의 반사를 비교적 작게 할 수 있도록 코팅된(AR, Anti-reflection) 1" 초점렌즈를 사용하였다.
- 일반적으로 용접공정 및 기계가공시 75% 이상의 펄스 겹침 량만 유지하여도 가공 및 용접공정에 적용이 가능하지만, 본 실험에서는 양질의 절단을 위해서 95% 이상의 겹침량을 설정 하였다. 이러한 조건에 따르면, 초점크기 5μm, 10μm 및 15μm 설정시 스캐닝속도 0.
- 단층가공과 동일한 조건을 적용한 후 레이저빔을 50% 대 50%로 양분하여서 상부유리와 하부유리 표면에 조사를 하여서 동시가공을 시행하였다(Fig. 8). 이때 사용된 유리는 UV Glue를 얇게 도포하여서 접착하였으며, 이때 출력은 200mW를 사용하였으며 50%로 양분하였으므로 각 유리표면에는 100mW가 조사되었다.
- 실험에 사용된 유리절단 실험의 원리는 레이저빔으로 초기노치를 생성 후 기계적 힘을 가하여 마이크로 크랙을 전파시켜서 동시 절단하는 방법을 취하였다. 초기실험결과 레이저 출력 200mW에서는 상부의 유리만 절단되고 하부 유리는 절단되지 않는 결과가 나타났다 Fig.
대상 데이터
- 정밀한 레이저 가공을 위해서 레이저중앙파장 775nm과 파장스펙트럼 폭이 50nm를 가지고 펄스 작용시간이 150fs인 Ti:Sapphire 레이저가 본 실험에 사용되었는데, 광학장치 및 실험장치의 구성이 Fig. 1과 Fig. 2에 도시 되었다.
- 실험에 사용된 극초단 레이저는 Ti:Al2O3(CPA, Clark-MXR CPA2100)를 발진하는 형태이며, 최대평균출력은 1.6W이고 출력과 펄스의 최적상태는 펄스반복률 2000Hz에 맞추었다. 출력은 필름 형태의 편광장치(Polarizing beam splitter)와 반 파장 광학장치(Half wavelength plate)의 조합을 사용한 빔에너지를감쇄하였으며, 각각의 장치를 통과하여 최종 출력이 100μW에서 500mW까지로 조절 되도록 설정 하였다.
- 본 실험에 사용된 초점렌즈는 초점거리가 25mm인 색수차보 정렌즈와 현미경용 10배율(NA=0.25) 및 20배율(NA=0.40)이 사용되었으며, 정밀한 파워 측정을 위해서 파워측정장치는 초점렌즈를 완전히 통과한 이후 부분에 위치되었고, 레이저빔의 품질(M2)의 측정은 CCD 카메라와 Spirocon 소프웨어를 사용하였다.
- )와 가공된 재료의 가공크기를 조사하였다. 실험에 사용된 레이저는 M2가 1.2로 측정되었으며, 가우시안 빔의 형태를 가정하여 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
성능/효과
- 결과적으로 실험에서 적용된 레이저빔의 반경(ωo)은 1.85μm로 계산될 수 있었다.
- 위치에 따라서 다소 편차가 있기는 하지만, 평균 50μm 정도의 깊이로 초기 가공이 되었다. 이후 기계적 힘을 가하여 유리를 절단한 결과 절단면이 비교적 양호하게 절단됨을 알 수가 있었다.
- 9(a). 출력을 상향하여서 400mW까지 조사되어도 동일한 결과가 발생하였으며, 분석결과 두 유리 상이에 존재하는 미세한 기공(Air gap) 에서 레이저 빔이 산란이 주 원인인 것으로 밝혀졌다.
- 실험의 결과로 볼 때, 다층가공시 레이저빔의 출력보다는 두 평판사이에서 발생하는 기공을 최소화 하는 것이 중요함이 밝혀졌다. 이는 유리 내면을 통과하던 레이저빔이 공기를 만나면서 급격한 굴절계수변화가 생기게 되고, 유리면 밖에서 산란이 그 원인일 것으로 분석이 된다.
- (1) 사용된 소다 라임 유리의 경우 150fs, 775nm 레이저 조사 결과 최소 2.59J/cm2의 가공임계치가 계산되었다.
- (2) 생산성 향상을 위해서 레이저 출력 200mW을 사용한 결과 1mm/s에서 안정적인 결과가 나타났으며, 이때 펄스 겹침 폭은 95% 정도가 사용되었다.
- (3) 다층의 유리가공의 경우 조사 레이저의 출력보다는 두 층사이에 존재하는 기공이 가공불량에 더 많은 영향을 미침이 나타났다.
- 실험의 결과로 다층의 유리면 절단이 비교적 쉽게 일어남을 알 수가 있었지만, Fig. 11에서 나타나는 바와 같이 약 50μm에서 100μm 사이의 수평편차(Lateral offset)로 인해서 절단면의 진직도가 다소 벗어남을 볼 수가 있다.
후속연구
- 초기실험 및 연구의 결과로서 극초단레이저를 사용하여서 비교적 양질의 유리면 절단의 결과를 볼 있었지만, 2kHz의 레이저에서는 생산성이 분당 60mm/min에 불과해서 고반복률 레이저를 사용한 추가 연구가 시행 되어야 할 것으로 판단된다.
- . 또한 광학장치를 개선하여서 상부와 하부의 절단면 위치 편차가 될 수 있도록 실험장치의 개선도 추가연구과제로 시행되어야 할 것으로 판단된다.
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