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문제 정의
- 본 연구에서는 나노초 UV 레이저 및 펨토초 레이저를 이용한 젤라틴의 가공 특성을 분석하였 다. 엑시머 레이저 가공의 경우 젤라틴 시편의 높은 광 흡수율에 의하여 젤라틴과 내부 수분이 효과적으로 제거되었으나 주변부로 넓게 debris가 형성되었고, 레이저가 조사된 면과 주변부에 용 융 및 재결정 등의 열 영향이 발생하였다.
제안 방법
- 그리고 가공 부위에 입사되는 레이저의 펄스 수를 조절하면서 가공 특성을 관찰해 보았다. 가공된 시편은 광학 현미경, 주사전자현미경(SEM) 등을 이용하여 표면의 가공 형상을 분석하였으며, 간섭식 표면측정기 (3D profiler)를 이용하여 가공된 부위의 높이나 깊이를 분석하였다.
- 5-9 하지만 플루언스 및 중첩되는 펄스 수의 변화에 따른 제거율 및 가공 특성은 아직 체계적으로 연구되지 못한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 순수한 젤라틴 필름에 엑시머 레이저와 펨토초 레이저를 이용하여 가공을 수행하고, 에너지 및 펄스 수 변화 시 표면의 가공 특성 및 가공율의 변화를 분석하였다.
- 5 J/cm2의 범위에서 조절하였다. 그리고 가공 부위에 입사되는 레이저의 펄스 수를 조절하면서 가공 특성을 관찰해 보았다. 가공된 시편은 광학 현미경, 주사전자현미경(SEM) 등을 이용하여 표면의 가공 형상을 분석하였으며, 간섭식 표면측정기 (3D profiler)를 이용하여 가공된 부위의 높이나 깊이를 분석하였다.
- 5 mJ 의 최대 펄스 에너지를 가진다. 이를 직접묘화 (Direct writing) 기법으로 가공을 진행하였고, 이때 레이저의 플루언스는 0.6 ~ 8.5 J/cm2의 범위에서 조절하였다. 그리고 가공 부위에 입사되는 레이저의 펄스 수를 조절하면서 가공 특성을 관찰해 보았다.
- 이는 25 ns의 펄스폭, 248 nm의 파장과 640 mJ의 최대 펄스 에너지를 가진다. 축소투영(Projection) 기법을 사용하여 가공을 수행하였고, 레이저의 플루언스는 0.5 ~ 25 J/cm2의 범위에서 조절하였다. 두 번째로 사용한 레이저는 Ti:Sapphire 펨토초 레이저(Coherent, Libra)로서 100 fs의 펄스폭, 800 nm의 파장과 3.
대상 데이터
- 5 ~ 25 J/cm2의 범위에서 조절하였다. 두 번째로 사용한 레이저는 Ti:Sapphire 펨토초 레이저(Coherent, Libra)로서 100 fs의 펄스폭, 800 nm의 파장과 3.5 mJ 의 최대 펄스 에너지를 가진다. 이를 직접묘화 (Direct writing) 기법으로 가공을 진행하였고, 이때 레이저의 플루언스는 0.
- 본 연구에서는 Sigma Aldrich 사의 Type-B gelatin powder (Bloom number 225)를 사용하였다. 이를 DI water에 용해시킨 후 37℃에서 24시간 동안 건조시켰다.
- 이를 통하여 100 ~ 200 μm의 필름 형태 시편을 제조하였고, 이때 필름 내부의 수분 함량은 5~10% 정도이다.
성능/효과
- 4(a), (b), (d)). 1.9 J/cm2의 플루언스에서 표면이 가장 높이 돌출되는 것을 확인하였다. 공극은 나노초 레이저 가공의 경우와 마찬가지로 필름 내부의 수분이 기화하고 외부로 토출되면서 형성되는 것으로 보인다.
- 플루언스가 증 가하면 가공 깊이가 증가함을 확인할 수 있었고, 10 펄스를 이용한 경우와 100 펄스를 이용한 경우 거의 비슷한 펄스 당 가공율을 가지는 것으로 나타났다. 결론적으로 특정 플루언스 이하 영역에서 단일 펄스를 이용하여 돌출부와 같은 표면구조를 생성할 수 있었고, 에너지의 조절을 통하여 다양한 높이 및 깊이의 가공부를 생성할 수 있었다.
- 또한 가공에 의해 발생하는 debris가 현저하게 감소하였다. 결론적으로 펨토초 레이저 가공의 경우, 젤라틴 필름의 가공부 및 그 주변부에 미약한 열적 손상이 발생하였으며, 레이저 플루언스 및 입사되는 펄스 수의 조절을 통해 다양한 높이나 깊이를 가지는 다공성 가공부를 생성할 수 있었다.
- 더 많은 펄스가 입사되는 경우일수록 낮은 임계값을 가지게 되며, 약간의 플루언스 증가에도 어블레이션 임계값에 도달하게 된다. 그리고 다중 펄스 가공은 초기에 급격히 가공 깊이가 증가한 후 완만히 증가하는 경향을 보였고, 10 펄스 이상에서는 거의 동일한 펄스당 가공율을 가지게 되었다. 그리고 4.
- 최대 돌출부의 높이는 엑시머 레이저의 경우보다 펨토초 레이저가 높게 측정되었고, 이는 더 깊은 광침투 깊이에 의한 영향으로 추정된다. 단일 펄 스 가공 임계값의 경우 1.4 J/cm2 로 엑시머 레이저의 경우보다 높지만, 1064 nm 파장의 Nd:YAG 레이저 임계값 5.9 J/cm2 보다 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 펨토초 레이저의 경우 다광자 흡수에 의해 낮은 가공 임계값을 가지게 되지만, 젤라틴과 젤라틴 내부의 수분의 광 흡수율이 UV 영역에서 더 크고 (absorption coefficient : 46 cm-1(248nm), ≈ 0 cm-1(800nm))10 , 열적인 영향이 나노초 레이저에 비해 작기 때문이다.
- 동일한 지점에 조사되는 펄스 수를 증가시키면서 실험을 수행한 결과, 단일 펄스 가공에서는 돌 출부를 형성하게 되는 지점에서도 젤라틴이 제거됨을 확인할 수 있었다(Figs. 2 (c), (d)).
- 두 경우 모두 임계값보다 약간 높은 레이저 플루언스에서 표면부가 돌출되기 시작하였고 플루언스가 더 증가하면 돌출부의 높이가 최대가 된 후 감소하였다. 또한 다중 펄스 가공의 경우에는 낮은 플루언스 영역에서도 표면의 융기없이 깊이 방향으로 젤라틴을 가공할 수 있었다. 전반적으로 800 nm 파장의 펨토초 레이저 가공은 UV 파장의 엑시머 레이저 가공보다 깨끗한 가공면을 얻을 수 있었으며 특정 플루언스 영역에서 더 높은 가공율을 얻을 수 있었다.
- 전반적으로 800 nm 파장의 펨토초 레이저 가공은 UV 파장의 엑시머 레이저 가공보다 깨끗한 가공면을 얻을 수 있었으며 특정 플루언스 영역에서 더 높은 가공율을 얻을 수 있었다. 또한 레이저 플루언스나 펄스 수를 조절하여 수 μm 높이를 가지는 다공성 돌출부 및 미세구멍을 생성할 수 있었다.
- 또한 다중 펄스 가공의 경우에는 낮은 플루언스 영역에서도 표면의 융기없이 깊이 방향으로 젤라틴을 가공할 수 있었다. 전반적으로 800 nm 파장의 펨토초 레이저 가공은 UV 파장의 엑시머 레이저 가공보다 깨끗한 가공면을 얻을 수 있었으며 특정 플루언스 영역에서 더 높은 가공율을 얻을 수 있었다. 또한 레이저 플루언스나 펄스 수를 조절하여 수 μm 높이를 가지는 다공성 돌출부 및 미세구멍을 생성할 수 있었다.
- 이는 초 기 몇 펄스가 입사될 때 젤라틴 필름 내부의 수분이 모두 기화하게 되고, 더 많은 펄스가 조사되면 광열적, 광화학적인 기작에 의한 어블레이션이 더 지배적인 영향을 미치기 때문이다. 플루언스가 증 가하면 가공 깊이가 증가함을 확인할 수 있었고, 10 펄스를 이용한 경우와 100 펄스를 이용한 경우 거의 비슷한 펄스 당 가공율을 가지는 것으로 나타났다. 결론적으로 특정 플루언스 이하 영역에서 단일 펄스를 이용하여 돌출부와 같은 표면구조를 생성할 수 있었고, 에너지의 조절을 통하여 다양한 높이 및 깊이의 가공부를 생성할 수 있었다.
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