[논문]515 nm 피코초 레이저를 이용한 구리 어블레이션 공정의 최적 에너지밀도에 대한 이론적 분석

신동식; 조용권; 손현기

doi:10.7736/kspe.2013.30.10.1009

515 nm 피코초 레이저를 이용한 구리 어블레이션 공정의 최적 에너지밀도에 대한 이론적 분석
Theoretical Analysis on the Optimum Fluence for Copper Ablation with a 515 nm Picosecond Laser 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.10, 2013년, pp.1009 - 1015

신동식 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 조용권 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 손현기 (한국기계연구원 광응용기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-short laser pulses are effective, when high requirements concerning accuracy, surface roughness and heat affected zone are demanded for surface structuring. In particular, picosecond laser systems that are suited to be operated in industrial environments are of great interest for many practical applications. This paper focused on inducing optimum process parameters for higher volume ablation rate by analyzing a relationship between crater diameter and optical spot size. In detail, the dependency of the volume ablation rate, penetration depth and threshold fluence on the pulse duration 8 ps and wavelength of 515 nm was discussed. The experimental results showed that wavelength of 515 nm resulted in less threshold fluence ($0.075J/cm^2$) on copper than IR wavelength ($0.3J/cm^2$). As a result, it was possible that optimum fluence for higher volume ablation rate was achieved with $0.28J/cm^2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상기 레이저 빔을 이용한 구리의 가공에서 최적의 펄스에너지를 구하기 위해 이론적인 접근과 실험적인 접근을 병행하였다.
본 논문은 스위스 Bern 대학의 Neuenschwander 교수팀에서 진행하였던 1064 nm 기반의 이론적 고찰을^4,5,8-12 바탕으로 515 nm 파장의 극초단 펄스레이저 빔에 의한 구리의 가공성을 검증하고 최적의 펄스에너지 및 펄스반복율을 유도하는 과정 및 가공실험을 통한 검증을 다루고 있다. 이해를 돕기 위한 설명에 있어 기존의 한국기계연구원에서 진행된 사전연구¹³ 내용을 포함하고 있으며 실험 및 이론적으로 유도된 펄스에너지는 문헌^4,5,14과의 비교를 통하여 근적외선 파장을 적용했을 경우에 비한 상대적인 특성비교에 적용되었다.
본 연구는 515 nm 파장의 극초단 펄스 레이저를 이용한 구리의 가공을 포함하여 다양한 금속의 미세가공에 있어 가공변수 선정을 위한 지표가 될 것으로 판단된다.
본 연구는 8 ps의 펄스폭 및 515 nm의 파장을 가지는 극초단 펄스 레이저 빔이 구리의 가공에 있어 단위시간당 어블레이션 양을 최대로 할 수 있는 가공조건을 도출하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해서 상기 조건에서 임계에너지밀도 및 투과깊이를 이론적 배경 하에 실험값과의 비교를 통하여 구할 수 있었으며 실험결과 515 nm 파장의 피코초 레이저는 1064 nm의 파장을 사용한 경우에 비해 1.

제안 방법

56μm를 적용하였다. 또한 크레이터의 직경은 광학현미경 및 비접촉 3차원 미세형상측정기를 이용하여 측정하였다.
본절에서는 가능성 테스트 단계에서 구리의 가공을 진행하였으며 시스템 세팅상의 한계로 인하여 펄스반복율 100 kHz, 평균출력 50 mW, 초점크기 14.56 μm 그리고 에너지밀도 0.28 J/cm2의 조건을 이용하여 구리 블럭에 패터닝을 진행하였다.
이를 위해 가공된 크레이터의 직경 및 깊이는 비접촉 3차원 미세 형상 측정기(Nanosystem, NVE1000, 한국)를 이용하여 측정되었으며 측정값과 광학적 초점크기의 상관관계에서 임계 에너지밀도(threshold fluence) 및 투과깊이(penetration depth)를 유도하고자 한다.

대상 데이터

실험에 사용된 레이저는 515 nm의 파장 및 8ps 의 펄스폭을 가지는 피코초 레이저 (Trumicro5X50, Trumpf, Germany)로서 방출된 빔은 광학계 및 스캐너를 거쳐 스테이지 상의 구리시편으로 전달되었다(Fig. 2 참조).

성능/효과

가공결과 상대적으로 높은 에너지밀도인 Fig. 9(a)의 경우는 표면산화물의 영향으로 검은색으로 변색된다는 것을 알 수 있었으며 본 논문에서 도출된 조건에서 가공한 구리의 경우는 산화물이 거의 발생되지 않았다는 것을 알 수 있다. 이론적 검증을 통해 도출된 최적의 에너지밀도를 이용한 가공은 열적 반응에 의한 산화물이 생기지 않는다는 것을 의미하고 있으며 이는 정밀가공성을 더욱 높일 수 있다는 의미이기도 하다.
결과 투과깊이는 46 nm라는 것을 알 수 있었으며 기존 문헌상¹⁴에서 1064 nm의 파장에서 구한 투과깊이인 30 nm에 비해서는 50 %이상 깊다는 것을 말해준다. 일반적으로 파장이 짧아지면 투과깊이가 짧아지지만 본 실험에서는 515 nm의 파장이 1064 nm인 파장에 비해 구리에 대해서 흡수율이 두배 이상 높아서 생긴 현상으로 판단된다.
또한 Fig. 10에서 나타난 바와 같이 10 μm직경의 망점이 균일하게 형성되어 정밀가공의 가능성을 확인할 수 있었다.
28 J/cm²였다. 본 조건을 이용하여 구리를 가공한결과 10 μm크기의 패턴도 쉽게 가공이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 그렇지만 펄스반복율의 한계로 인하여 양산성을 크게 높일 수는 없었다.
여기서 점선으로 표기한 임계에너지밀도(F_th)가 0.075J/cm²이 실험값과 근사적으로 일치한다는 것을 알 수 있는데 스위스 Bern 대학의 Neuenschwander 교수팀이 1064 nm 파장에서 구한¹⁴ 임계에너지밀도(Fth) 0.3 J/cm²에 비해서는 1/4수준으로 낮아진다는 것을 알 수 있었다.
본 연구는 8 ps의 펄스폭 및 515 nm의 파장을 가지는 극초단 펄스 레이저 빔이 구리의 가공에 있어 단위시간당 어블레이션 양을 최대로 할 수 있는 가공조건을 도출하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해서 상기 조건에서 임계에너지밀도 및 투과깊이를 이론적 배경 하에 실험값과의 비교를 통하여 구할 수 있었으며 실험결과 515 nm 파장의 피코초 레이저는 1064 nm의 파장을 사용한 경우에 비해 1.5배 깊은 투과깊이 및 1/4수준의 임계에너지밀도를 가진다는 것을 알 수 있었다. 이때 최대의 어블레이션 양을 위한 적정 에너지밀도는 0.
그렇지만 펄스반복율의 한계로 인하여 양산성을 크게 높일 수는 없었다. 이의 개선을 위해서는 1 MHz이상의 높은 펄스반복율로 빔을 조사해야 한다는 결론을 얻을 수 있었다. 그렇지만 이는 열이 주변으로 전도되기 전에 레이저 빔의 조사가 이루어져 열축적현상을 야기할 우려가 있기 때문에 10 m/s이상의 속도로 빔을 이송시키는 방법 또는 빔을 분기시켜 가공하는 방법에 대한 고려가 있어야 한다.
임계에너지밀도는 낮을수록 재료의 정밀가공특성이 뛰어나므로 구리의 가공 시 515 nm의 파장을 가진 극초단 펄스 레이저를 이용한 가공공정이 근적외선 영역인 1064 nm를 이용한 가공에 비해 정밀 가공성에 있어 유리하다는 결론을 얻을 수 있었다.
5는 구리에 조사되는 단위면적당 총 주입에너지에 따른 크레이터의 직경에 대한 측정값이다. 전체적으로 총주입 에너지에 따라 크레이터의 직경은 초기에는 커지다가 수렴한다는 것을 보여주고 있다. 또한 펄스당 에너지밀도가 높아짐에 따라 각각의 수렴하는 직경값은 높아진다는 것을 보여주는데 이는 광학적인 초점크기와 재료에 가공되는 크레이터의 직경은 펄스에너지에 따라 차이를 보인다는 것을 의미하고 있다.

후속연구

그렇지만 이는 열이 주변으로 전도되기 전에 레이저 빔의 조사가 이루어져 열축적현상을 야기할 우려가 있기 때문에 10 m/s이상의 속도로 빔을 이송시키는 방법 또는 빔을 분기시켜 가공하는 방법에 대한 고려가 있어야 한다. 이는 현재 연구 중에 있으며 추후 별도의 논문을 통하여 발표할 예정이다.
10의 가공결과는 최대의 어블레이션 양을 위한 가능성을 보여주는 실험으로서 100 kHz의 펄스반복율에서는 양산성에 있어 한계를 보여주고 있다. 즉 1 MHz이상의 고반복율 피코초 레이저를 사용하는 경우 생산성에 있어 경쟁력이 있을 것으로 판단되며 이에 관련된 실험은 진행 중에 있으며 추후 논의될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프린팅 롤 가공분야는 어떤 것이 요구되는가?	최근 극초단 펄스 레이저는 고출력화 추세에 힘입어 산업현장으로의 접근성이 더욱 향상되고 있다. 특히 극초단 펄스 레이저는 고출력 특성과 비열적 가공특성을 동시에 구현할 수 있어 생산성과 정밀가공성을 요구하는 분야에 효과적으로 적용되기 시작했다.1-3 이의 대표적인 분야가 구리를 주성분으로 하는 프린팅 롤 가공분야인데 이의 이론적 해석을 위한 연구 및 실용화를 위한 연구가 스위스 및 독일에서 활발히 진행되고 있다.
	극초단 펄스 레이저의 장점은?	최근 극초단 펄스 레이저는 고출력화 추세에 힘입어 산업현장으로의 접근성이 더욱 향상되고 있다. 특히 극초단 펄스 레이저는 고출력 특성과 비열적 가공특성을 동시에 구현할 수 있어 생산성과 정밀가공성을 요구하는 분야에 효과적으로 적용되기 시작했다.1-3 이의 대표적인 분야가 구리를 주성분으로 하는 프린팅 롤 가공분야인데 이의 이론적 해석을 위한 연구 및 실용화를 위한 연구가 스위스 및 독일에서 활발히 진행되고 있다.
	극초단 펄스 레이저를 이용한 프린팅 롤 가공시 주 가공재료는?	극초단 펄스 레이저를 이용한 프린팅 롤 가공시 주요 가공재료는 구리이다. 구리는 기존의 연구에서 주로 사용했던4,5,15 근적외선 파장 보다는 Green 파장(515 nm)에서 반사율이 절반 이하로 낮아지는 특징을 갖고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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