[논문]극초단 펄스 레이저를 사용한 유리 내부의 필라멘테이션에 대한 실험적 연구

최원석; 윤지욱; 김주한; 최지연; 장원석; 김재구; 최두선; 황경현; 조성학

극초단 펄스 레이저를 사용한 유리 내부의 필라멘테이션에 대한 실험적 연구
Experimental study of filamentation using ultra fast pulse laser in transparent material 원문보기

We have successfully formed filament inside of a transparent soda-lime glass using a Ti:sapphire based femtosecond laser. To make filament form, keeping the laser intensity higher than critical intensity is essential. Also each of the machining parameters plays an important role for the formation of filament. In this paper, we study what parameter can possibly influence for formation of filament, and we introduce an application using filamentation by femtosecond laser for transparent material.

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문제 정의

펨토초레이저는 짧은 펄스폭에서 기인하는 높은 순간출력 때문에 다른 레이저에서 보기 힘든 레이저와 재료 간 비선형 현상이 발생한다^3-9. 본 논문에서는 비선형 현상이 연속으로 발생하는 filamentation (필라멘테이션) 현상에 집중하여 가공 변수가 필라멘트 형성에 미치는 영향을 알아보고 가공 변수에 의한 제어 가능한 요소를 파악한다. 또한 횡방향의 스테이지 이송을 통한 연속적인 필라멘트 형성으로 발생된 2차원의 굴절률 변화를 관찰함으로써, 유리절단에 응용할 수 있는 가능성을 알아본다.

제안 방법

Ti:sapphire 기반의 펨토초 레이저를 사용하여 실험을 진행하였다. 빔 이송용 광학계와 집속렌즈, 3축 스테이지, CCD 카메라 등으로 가공 시스템을 구성하였다. Fig.
샘플은 집속렌즈 아래에 위치하며 스페이서를 통해 바닥에 닿지 않게 한다. 실험 후 수직으로 세워 광학현미경을 통해 가공형상을 관찰하였다.
유리에 투명한 가시광선영역의 파장의 펨토초레이저를 이용한 투명재료 내부의 가공 변수에 따른 필라멘테이션 형성에 대한 실험을 수행하였다. 주로 펄스 에너지와 집속렌즈를 변경하여 실험을 진행하였고, 1축으로 스테이지를 이송하면서 가공을 수행하였다.
유리에 투명한 가시광선영역의 파장의 펨토초레이저를 이용한 투명재료 내부의 가공 변수에 따른 필라멘테이션 형성에 대한 실험을 수행하였다. 주로 펄스 에너지와 집속렌즈를 변경하여 실험을 진행하였고, 1축으로 스테이지를 이송하면서 가공을 수행하였다. 위 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
필라멘테이션의 가공 파라메터에 대한 영향을 알아보기 위하여 펄스 에너지, 집속렌즈, 이송속도 등을 변경하여 실험을 진행 하였다. 펄스 에너지는 ND필터를 사용하여 조절하였으며, 각각 85%, 66%, 55%, 44%, 33%, 25%, 20%, 15%와 ND필터를 사용하지 않는 경우를 실험에 사용하였다. 집속렌즈는 초점부에서 스폿사이즈를 조절하기 위해 변경하였고, 5X (NA: 0.
필라멘테이션의 가공 파라메터에 대한 영향을 알아보기 위하여 펄스 에너지, 집속렌즈, 이송속도 등을 변경하여 실험을 진행 하였다. 펄스 에너지는 ND필터를 사용하여 조절하였으며, 각각 85%, 66%, 55%, 44%, 33%, 25%, 20%, 15%와 ND필터를 사용하지 않는 경우를 실험에 사용하였다.

대상 데이터

Ti:sapphire 기반의 펨토초 레이저를 사용하여 실험을 진행하였다. 빔 이송용 광학계와 집속렌즈, 3축 스테이지, CCD 카메라 등으로 가공 시스템을 구성하였다.
실험에 사용된 샘플은 100 mm×60 mm×10 mm의 soda-lime glass를 사용 하였다.
펄스 에너지는 ND필터를 사용하여 조절하였으며, 각각 85%, 66%, 55%, 44%, 33%, 25%, 20%, 15%와 ND필터를 사용하지 않는 경우를 실험에 사용하였다. 집속렌즈는 초점부에서 스폿사이즈를 조절하기 위해 변경하였고, 5X (NA: 0.14), 10X (NA: 0.28), 20X (NA:0.42), 50X (NA: 0.55), 100X (NA: 0.70)의 5가지 렌즈를 사용하였다. 이송속도는 한 방향으로 스테이지를 직선운동 하였을 때, 이송속도에 따른 필라멘 테이션이 연속으로 발생되는 차이를 알아본다.

성능/효과

4에서는 50X보다 가공흔적 중 필라멘테이션의 비율이 더욱 적어지며, 그 길이도 짧아진다. Fig. 5, 6에서의 각각 10X, 5X를 사용한 결과에서는 필라멘테이션이 관찰되지 않으며, color center가 관찰됨을 알 수 있었다.
펄스 에너지가 작아도 NA가 크면 필라멘테이션이 발생되나 중간에 필라멘테이션이 끊기는 것을 관찰할 수 있었다. 반면에 펄스 에너지가 크면 끊기는 현상 없이 안정적으로 발생되는 것을 알 수 있었다.
한 점에 레이저를 계속 조사하지 않고 스테이지를 사용하여 한 방향으로 움직이면 필라멘테이션이 옆으로 배열되는 것을 알 수 있었다. 이송 속도가 느리면 필라멘테이션이 중첩되어 규칙적인 형상을 보이지 않으며 이송속도가 빠르면 형상은 규칙적이나 필라멘테이션 길이가 상대적으로 짧은 것을 알 수 있었다. 따라서 1차원 가공을 통해 투명재료 내부에 2차원의 가공형상을 얻을 수 있고, 더욱 높은 펄스 에너지로 공동이나 균열의 유도를 통하여 유리절단에 응용이 가능할 것으로 생각된다.
펄스 에너지는 필라멘테이션의 안정적인 발생에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 펄스 에너지가 작아도 NA가 크면 필라멘테이션이 발생되나 중간에 필라멘테이션이 끊기는 것을 관찰할 수 있었다. 반면에 펄스 에너지가 크면 끊기는 현상 없이 안정적으로 발생되는 것을 알 수 있었다.
펄스 에너지는 필라멘테이션의 안정적인 발생에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 펄스 에너지가 작아도 NA가 크면 필라멘테이션이 발생되나 중간에 필라멘테이션이 끊기는 것을 관찰할 수 있었다.
한 점에 레이저를 계속 조사하지 않고 스테이지를 사용하여 한 방향으로 움직이면 필라멘테이션이 옆으로 배열되는 것을 알 수 있었다. 이송 속도가 느리면 필라멘테이션이 중첩되어 규칙적인 형상을 보이지 않으며 이송속도가 빠르면 형상은 규칙적이나 필라멘테이션 길이가 상대적으로 짧은 것을 알 수 있었다.

후속연구

이송 속도가 느리면 필라멘테이션이 중첩되어 규칙적인 형상을 보이지 않으며 이송속도가 빠르면 형상은 규칙적이나 필라멘테이션 길이가 상대적으로 짧은 것을 알 수 있었다. 따라서 1차원 가공을 통해 투명재료 내부에 2차원의 가공형상을 얻을 수 있고, 더욱 높은 펄스 에너지로 공동이나 균열의 유도를 통하여 유리절단에 응용이 가능할 것으로 생각된다.
본 논문에서는 비선형 현상이 연속으로 발생하는 filamentation (필라멘테이션) 현상에 집중하여 가공 변수가 필라멘트 형성에 미치는 영향을 알아보고 가공 변수에 의한 제어 가능한 요소를 파악한다. 또한 횡방향의 스테이지 이송을 통한 연속적인 필라멘트 형성으로 발생된 2차원의 굴절률 변화를 관찰함으로써, 유리절단에 응용할 수 있는 가능성을 알아본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

필라멘테이션 형성에 지배적인 영향을 끼치는 것은 무엇인가?

필라멘테이션 형성에 지배적인 영향을 미치는 것은 NA값이다. 작은 펄스 에너지이지만 아주 작게 집속이 된다면 비선형적 현상에 의해 필라멘테이션이 발생할 수 있다.

펨토초레이저를 이용한 가공 시 다른 레이저가공에서 볼 수 없는 현상은 무엇인가?

펨토초 레이저를 이용한 가공을 더욱 심도 있게 연구하려면 투명재료와 펨토초 레이저의 상호작용을 더욱 깊이 이해하여야 한다. 펨토초레이저는 짧은 펄스폭에서 기인하는 높은 순간출력 때문에 다른 레이저에서 보기 힘든 레이저와 재료 간 비선형 현상이 발생한다3-9. 본 논문에서는 비선형 현상이 연속으로 발생하는 filamentation (필라멘테이션) 현상에 집중하여 가공 변수가 필라멘트 형성에 미치는 영향을 알아보고 가공 변수에 의한 제어 가능한 요소를 파악한다.

기존의 정밀 가공이 힘든 박판유리 가공기술에 대한 대책으로 최근 주목 받고 있는 것은 무엇인가?

다양한 모바일기기를 비롯한 여러 제품에 디스플레이가 사용되고 점점 더 얇은 유리가 사용되고 있어 박판유리 가공기술에 대한 요구가 증가하고 있다1,2. 기존방법으로는 정밀하게 가공하기 힘든 박판유리가공에 대한 해결책으로 펨토초 레이저를 이용한 가공이 주목을 받고 있고 많은 연구가 진행 중이다1,2. 펨토초 레이저를 이용한 가공을 더욱 심도 있게 연구하려면 투명재료와 펨토초 레이저의 상호작용을 더욱 깊이 이해하여야 한다.

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