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문제 정의
- 본 논문에서는 싱글 및 듀얼 레이저를 이용하여서 폴리머 접합을 위한 최적의 레이저 에너지 분산기법을 연구한 결과를 소개하고자 한다. 접합 공정시, 급격한 온도 상승으로 인해서 발생 할 수 있는 재료의 손상을 최소화 하기 위해서, 예열시스템을 이용하여서 재료를 용접 직전에 미리 가열하여서 이러한 손상을 최소화 하는 공정이 제안 되었다.
가설 설정
- 소재의 광학적 특성은 선행연구에서 조사된 결과를 활용하였다. 광학적 특성은 재료의 광학적 특성인 반사율을 알아보기 위해 입사된 후 반사되어 나오는 출력을 측정해야 하나 측정에 어려움이 있기에 폴리머가 이상적으로 매끄러운 표면을 가지고 있다는 가정하였다. 선행 실험처럼 매질의 굴절률의 차이에 의해 발생되는 경면 반사에 의한 반사 손실만이 발생한다고 가정하고 경면반사에 의한 손실을 식(1)에 의해 계산해 보았다.
- 본 연구의 시뮬레이션 형태는 흔히 표면 흡수두께 (Skin Depth) 불리 우는 3차원 영역에 레이저가 대부분 소입이 된다고 가정하였다. 에너지 침투 영역을 정확히 모사하기 위해서 지수함수 형태의 에너지 분포식을 사용하였다.
- 광학적 특성은 재료의 광학적 특성인 반사율을 알아보기 위해 입사된 후 반사되어 나오는 출력을 측정해야 하나 측정에 어려움이 있기에 폴리머가 이상적으로 매끄러운 표면을 가지고 있다는 가정하였다. 선행 실험처럼 매질의 굴절률의 차이에 의해 발생되는 경면 반사에 의한 반사 손실만이 발생한다고 가정하고 경면반사에 의한 손실을 식(1)에 의해 계산해 보았다.
- 3%이 되는 것을 알 수가 있다. 통상적인 반사율을 5% 정도로 가정하고 시뮬레이션 하였고, 굴절에 의한 내부 산란만 가정하고, 가열과 내부조직 변화에 의한 내부 산란은 무시하였다.
제안 방법
- 3.1의 결과를 바탕으로 싱글 및 듀얼빔 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig.
- 따라서 레이저 열원부 및 열원주위의 순간 온도분포는열전대 (Thermocouple)을 이용하여 초당 100 data를 정밀 취득하여서 분석하기로 하였다. 다만, 열화상 카메라는 열원에서 다소 거리가 떨어진 접합부의 전반적인 온도측정에 도움이 되므로, 실험에 병행하기로 하였으며 열전대와 열화상 카메라의 상관관계는 Fig. 3과 같이 비교 하였다. 샘플 측정에서 열화상 카메라에서 67.
- 듀얼 빔으로 용접시 offset 에 따른 온도 영향을 알아보기 위해서 offset 양을 3mm, 5mm 그리고 10mm로 변화시키면서 시뮬레이션을 수행 하였다. 그 결과가 Fig.
- 듀얼레이저로 접합시 일어나는 다양한 현상 및 변수에 따른 접합특성을 예측하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 하였다. 레이저빔 열원은 식(2)에서 표현된 바와 같이 2차원 타원형태의 열원과 깊이방향 지수함수 형태로 구성이 되었다11).
- 따라서 레이저 열원부 및 열원주위의 순간 온도분포는열전대 (Thermocouple)을 이용하여 초당 100 data를 정밀 취득하여서 분석하기로 하였다. 다만, 열화상 카메라는 열원에서 다소 거리가 떨어진 접합부의 전반적인 온도측정에 도움이 되므로, 실험에 병행하기로 하였으며 열전대와 열화상 카메라의 상관관계는 Fig.
- 하지만, 금속의 경우는 식(3)와 식(4)의 형태를 쉽게 계산 할 수 있지만, 폴리머의 경우는 저항 값이 크고 자화도가 낮고 제조사별로 그 값이 차이가 있기 때문에 이론적 값 도출이 쉽지가 않다. 따라서, 본 연구에서는 레이저 빔의 초기 강도가 1/e (약 0.37)로 감쇄되는 구간을 실험적 방법으로 구하여서 예측하기로 하였다.9) 시뮬레이션시 폴리머의 물성치는 참고자료7)에서 예시된 값을 사용하였으며, 자연대류 조건을 사용하여 경계조건을 설정하였다.
- 경계면에서 열전대로 온도측정을 한 결과 레이저빔에 열전대가 직접 노출이 되어서 순간온도 상승이 되었으며, 정확한 폴리머 온도 측정이 어려웠다. 따라서, 접합부 온도 측정은 하부 폴리머를 통해서 수행 되었으며, 하부 폴리머에 구멍을 뚫어서 경계면에서 하부로 약 1mm 떨어진 곳에서 측정을 하였다.
- 본 연구에서는 980nm 의 파장을 가지는 레이저를 사용하여 예열을 하였고, 808nm 파장의 레이저를 사용하여서 비정질계열의 투명 PC 재료를 통해서 레이저빔이 하부 ABS 재질에 흡수되어 모재의 온도가 상승되는 것을 확인하였고, 이를 열화상카메라와 열전대 실험을 통해서 확인 할 수 있었다. 또한 실험결과를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시 하였으며, 다양한 형태의 에너지 분포를 예시로 하여 시뮬레이션과 실험결과를 비교 하였다.
- 또한, 실험결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교검증 하기 위해서, 열화상 카메라 데이터 및 열전대 실험 데이터를 서로 비교 검증 하였다. 또한, 듀얼 레이저의 간격 (offset)을 변형하여서 열전달 특성 및 용접특성을 시험분석 하였다.
- 접합 공정시, 급격한 온도 상승으로 인해서 발생 할 수 있는 재료의 손상을 최소화 하기 위해서, 예열시스템을 이용하여서 재료를 용접 직전에 미리 가열하여서 이러한 손상을 최소화 하는 공정이 제안 되었다. 또한, 실험결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교검증 하기 위해서, 열화상 카메라 데이터 및 열전대 실험 데이터를 서로 비교 검증 하였다. 또한, 듀얼 레이저의 간격 (offset)을 변형하여서 열전달 특성 및 용접특성을 시험분석 하였다.
- 레이저를 이용한 폴리머의 접합공법에 듀얼레이저를 사용하여서 예열열원과 용접열원의 간격 및 전체 출력에서의 분기량에 따른 온도분포와 접합부품의 손상을 실험적 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 예측하였다.
- 본 연구에서는 980nm 의 파장을 가지는 레이저를 사용하여 예열을 하였고, 808nm 파장의 레이저를 사용하여서 비정질계열의 투명 PC 재료를 통해서 레이저빔이 하부 ABS 재질에 흡수되어 모재의 온도가 상승되는 것을 확인하였고, 이를 열화상카메라와 열전대 실험을 통해서 확인 할 수 있었다. 또한 실험결과를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시 하였으며, 다양한 형태의 에너지 분포를 예시로 하여 시뮬레이션과 실험결과를 비교 하였다.
- 본 연구에 사용한 레이저투과용접은 808nm 및 980nm 파장의 레이저빔에 비교적 투명성 (Transparent)이 우수한 폴리머 (Polycarbonate, PC)를 상층에 배치하고, 동일 파장에 흡수성이 상대적으로 우수한 폴리머 (Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)를 하부에 배치하였다. 상부에 조사된 레이저 빔은 접합 계면인 ABS 표면에 도달하면서 흡수된 열이 전도 (Conduction)에 의해 두 폴리머가 용융되어 접합되는 원리를 이용하였다.
- 9) 시뮬레이션시 폴리머의 물성치는 참고자료7)에서 예시된 값을 사용하였으며, 자연대류 조건을 사용하여 경계조건을 설정하였다. 선행 연구에서 제시된 방법으로 Ac 값을 변화시키면서 시뮬레이션에서의 온도분포와 열전대로 측정한 실제 온도를 비교하면서 근접하는 Ac 값을 도출 하였다. 실험결과 및 컴퓨터 시뮬레이션 결과가 Fig.
- 예열과 용접출력을 합한 전체출력을 고정 (8 Watt)하고, 예열과 용접출력을 분산하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 용접출력 4 Watt, 6 Watt, 그리고 7 Watt 로 하고 예열출력을 각각 4 Watt, 2 Watt 그리고 1 Watt로 출력을 조정하였다.
- 예열과 용접출력을 합한 전체출력을 고정 (8 Watt)하고, 예열과 용접출력을 분산하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 용접출력 4 Watt, 6 Watt, 그리고 7 Watt 로 하고 예열출력을 각각 4 Watt, 2 Watt 그리고 1 Watt로 출력을 조정하였다.
- 예열효과를 최적화하고 이에 대한 분석을 위해서 offset을 3mm로 고정한 후, 예열 출력을 용접출력의 50%, 75% 그리고 100%로 설정하여 실험하였으며 그 결과가 Fig. 7에 정리 되어있다.
- 장치를 셋업한 후 808nm영역의 단일파장만을 이용하여 180 mm/min의 속도로 시편을 이송하면서 온도 분포를 열화상 카메라로 측정하였다.
- 본 논문에서는 싱글 및 듀얼 레이저를 이용하여서 폴리머 접합을 위한 최적의 레이저 에너지 분산기법을 연구한 결과를 소개하고자 한다. 접합 공정시, 급격한 온도 상승으로 인해서 발생 할 수 있는 재료의 손상을 최소화 하기 위해서, 예열시스템을 이용하여서 재료를 용접 직전에 미리 가열하여서 이러한 손상을 최소화 하는 공정이 제안 되었다. 또한, 실험결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교검증 하기 위해서, 열화상 카메라 데이터 및 열전대 실험 데이터를 서로 비교 검증 하였다.
대상 데이터
- 또한, Fig. 1에 예시된 바와 같이 서로 50°의 각도를 유지하도록 레이저 빔을 배치 하였으며, 예열 열원용 레이저의 파장은 980nm 를 그리고 용접 열원용은 808nm 레이저를 사용하였다.
- 본 연구에 사용한 레이저투과용접은 808nm 및 980nm 파장의 레이저빔에 비교적 투명성 (Transparent)이 우수한 폴리머 (Polycarbonate, PC)를 상층에 배치하고, 동일 파장에 흡수성이 상대적으로 우수한 폴리머 (Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)를 하부에 배치하였다. 상부에 조사된 레이저 빔은 접합 계면인 ABS 표면에 도달하면서 흡수된 열이 전도 (Conduction)에 의해 두 폴리머가 용융되어 접합되는 원리를 이용하였다.
- 실시간 온도측정을 위해서 FLIRTM 열화상 카메라와 열전대를 사용하였다. 또한, 실험결과를 이론적 검증 및 컴퓨터시뮬레이션으로 해석하기 위해서 다중물리해석 툴인 COMSOLTM Multiphysics가 사용되었다.
- 본 공정에서 사용된 두 폴리머는 광학적 특성으로는 서로 이종이지만, 두 소재 모두 열가소성 수지로서 극성 (Polarity)에 대한 친화성이 매우 우수하다. 실험에 사용된 다이오드 레이저는 30Watt 및 60Wat의 출력을 가지는 808nm와 980nm의 서로 다른 2개의 파장을 사용하였다. 또한, Fig.
데이터처리
- 37)로 감쇄되는 구간을 실험적 방법으로 구하여서 예측하기로 하였다.9) 시뮬레이션시 폴리머의 물성치는 참고자료7)에서 예시된 값을 사용하였으며, 자연대류 조건을 사용하여 경계조건을 설정하였다. 선행 연구에서 제시된 방법으로 Ac 값을 변화시키면서 시뮬레이션에서의 온도분포와 열전대로 측정한 실제 온도를 비교하면서 근접하는 Ac 값을 도출 하였다.
- 열화상 카메라와 열전대를 사용하였다. 또한, 실험결과를 이론적 검증 및 컴퓨터시뮬레이션으로 해석하기 위해서 다중물리해석 툴인 COMSOLTM Multiphysics가 사용되었다.
이론/모형
- 소재의 광학적 특성은 선행연구에서 조사된 결과를 활용하였다. 광학적 특성은 재료의 광학적 특성인 반사율을 알아보기 위해 입사된 후 반사되어 나오는 출력을 측정해야 하나 측정에 어려움이 있기에 폴리머가 이상적으로 매끄러운 표면을 가지고 있다는 가정하였다.
- 본 연구의 시뮬레이션 형태는 흔히 표면 흡수두께 (Skin Depth) 불리 우는 3차원 영역에 레이저가 대부분 소입이 된다고 가정하였다. 에너지 침투 영역을 정확히 모사하기 위해서 지수함수 형태의 에너지 분포식을 사용하였다. 표면 흡수두께는 금속의 경우10),
성능/효과
- Fig. 2에서 나타난 바와 같이 열화상 카메라로 온도 분포를 추적할 수 있었으며, 레이저 스캔 반복에 따라서 온도가 점차적으로 상승됨을 알 수 있었다. 하지만, 열화상 카메라의 데이터 획득속도가 느리고, 해상도가 다소 떨어지는 단점이 있었다.
- 3mm offset 시에는 59°에서 81°C로 상승한 반면, 10mm offset 시에는 72°C 까지만 상승을 하였다. 결론적으로 4 Watt의 출력에서는 급격한 온도 상승은 보이지 않아서 5mm 과 10mm offset 실험에서 적합한 것으로 분석이 되었지만, 3mm offset의 경우는 일부 손상이 발견이 되었다.
- 경계면에서 열전대로 온도측정을 한 결과 레이저빔에 열전대가 직접 노출이 되어서 순간온도 상승이 되었으며, 정확한 폴리머 온도 측정이 어려웠다. 따라서, 접합부 온도 측정은 하부 폴리머를 통해서 수행 되었으며, 하부 폴리머에 구멍을 뚫어서 경계면에서 하부로 약 1mm 떨어진 곳에서 측정을 하였다.
- 컴퓨터를 이용한 유한요소 시뮬레이션을 통해서 동일 출력을 1:1로 분기하는 것보다 용접출력의 75% 또는 50% 정도로 예열하는 것이 폴리머 접합시 효과적이고 신뢰도 높은 공정을 구현할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 예열열원과 용접열원이 지나치게 인접하면 급격한 온도상승으로 소재를 과도하게 손상시킬 수 있어서 용접속도에 따라서 일정거리를 선행하는 것이 훨씬 효과적인 것으로 관찰되었다.
- 본 공정에서 사용된 두 폴리머는 광학적 특성으로는 서로 이종이지만, 두 소재 모두 열가소성 수지로서 극성 (Polarity)에 대한 친화성이 매우 우수하다. 실험에 사용된 다이오드 레이저는 30Watt 및 60Wat의 출력을 가지는 808nm와 980nm의 서로 다른 2개의 파장을 사용하였다.
- 샘플 측정에서 열화상 카메라에서 67.5°C 로 감지된 온도가 열전대에서 68.2°C 로 감지가 되어서 높은 상관관계를 보였다.
- 시뮬레이션 결과, 용접출력 7 Watt와 예열 1 Watt에서는 초기 예열시 30°C 에서 93°C로 급상승 하는 것으로 나타 났다.
- 실험결과, offset 3mm에 예열출력을 용접출력과 동일하게 4 Watt로 했을 시 중앙부분 (레이저 첨두출력 부분)에서 일부 손상이 일어 났음이 확인이 되었다. 예열출력 3Watt에서도 일부 손상이 발견되었으나, 초기 구간 (용접속도 가속구간) 일부를 제외하면 전반적으로 양호한 품질의 접합이 이루어 졌다.
- 컴퓨터를 이용한 유한요소 시뮬레이션을 통해서 동일 출력을 1:1로 분기하는 것보다 용접출력의 75% 또는 50% 정도로 예열하는 것이 폴리머 접합시 효과적이고 신뢰도 높은 공정을 구현할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 예열열원과 용접열원이 지나치게 인접하면 급격한 온도상승으로 소재를 과도하게 손상시킬 수 있어서 용접속도에 따라서 일정거리를 선행하는 것이 훨씬 효과적인 것으로 관찰되었다.
후속연구
- 하지만, 열화상 카메라의 데이터 획득속도가 느리고, 해상도가 다소 떨어지는 단점이 있었다. 또한, 강한 레이저 빛으로 인해서 주변의 온도가 제대로 감지되지 않아서, 레이저빔 주위의 온도를 정확히 측정하는데 한계가 있음이 발견되었다.
- 시뮬레이션 결과, 용접출력 7 Watt와 예열 1 Watt에서는 초기 예열시 30°C 에서 93°C로 급상승 하는 것으로 나타 났다. 이 경우는, 실험 결과인 Fig. 7과 8에서 나타난 바와 같이 첨두에너지가 조사되는 일부 구간에 손상이 일어날 것으로 우려가 되므로 피해야 할 것으로 판단되며, 용접출력 6 Watt와 예열 2 Watt도 비슷한 형태의 결과가 도출 될 것으로 예측이 된다.
- 연구초기 808nm 및 980nm 파장에서의 민감의 흡수도가 기대되었으나, 파장의 크지 않아서 민감한 흡수도에 차이가 발견 되지 않았다. 하지만, 적외선 영역에서의 차이는 클 것으로 판단이 되어서 추후 연구를 수행할 예정이다.
- 향후 시뮬레이션과 실험적 방법을 반복적으로 수행하여 서로 비교 검증하는 추가연구를 하면, 가상공간에서 에너지 분산기법을 이용한 최적 공정설계가 도출 될 것으로 전망 된다.
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