극초단 레이저인 펨토초(10-15 s) 레이저의 경우 매우 짧은 펄스폭으로 인해 매 질의 격자로 전달되는 열에 의한 영향이 거의 없다. 하지만 이는 레이저의 반복률 (Hz)이 적을 때 매질에 조사되는 레이저의 주기가 적기 때문이다. 이러한 짧은 펄 스폭을 가지는 펨토초 레이저의 경우라도 높은 반복률로 조사시에 열영향이 생긴 다. 그림 21은 1000 mesh의 실리카 분말을 200 kHz의 펨토초 레이저를 이용하여 5 mW (0.025 μJ) 의 에너지로 조사한 후 표면을 SEM으로 촬영한 사진이다. 각 각의 분말이 섬유처럼 연결되어 있으며 다른 높은 열영향을 가지는 레이저와는 다 르게 완전히 녹지 않고 조사된 주변으로부터 약 84 μm 선폭으로 고형화 되었다.
본 실험을 기초로 펨토초 레이저의 열영향에 의해 용융 실리카 판 위에 증착된 실리카 분말을 CO2 레이저와 고온 체임버를 이용해 용융시켰다.
그림 20. 반복률 200 kHz의 펨토초 레이저에 의한 증착된 실리카의 SEM 사진
(a) 증착된 실리카의 전체 사진
(b) 위에서 본 실리카 증착 (c) 측면에서 본 실리카 증착
그림 21. 펨토초 레이저에 의한 실리카 증착
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-그림 22는 200 kHz의 고반복률 펨토초 레이저에 의해 증착된 실리카 분말의 사 진이다. x10의 대물렌즈를 사용했을 때 약 84 μm의 선폭과 126 μm의 높이로 증착 되었다. 현재 선의 형태로 증착하였으며 사진 (b)에서 증착된 실리카 분말의 중앙 부분에서 보이는 선은 펨토초 레이저의 초점이 맞은 부분이며 이는 가우시안 형태 의 빔이 원인이다. 이를 줄이기 위해서는 plat top 형태로 빔을 변형시키거나 펨토 초 레이저 빔의 초점위치를 위로 올려서 초점을 흐리게 하여 가우시안 빔의 중앙 에서의 세기를 줄이는 방법이 있다. 그렇지만 완전히 사라지지는 않으며 초점을 너 무 흐리게 하면 레이저의 면적당 세기가 줄어들어 실리카 분말이 증착되지 않는다.
그리하여 본 실험에서는 펨토초 레이저의 x10 대물렌즈 20 mm의 초점에서 30 μm 정도 초점을 올려서 제작하였다.
3. 증착된 실리카 분말 용융 실험
그림 23는 200 kHz의 펨토초 레이저에 의해 증착된 실리카를 CO2 레이저와 고 온 체임버를 이용하여 용융 시킨 사진이다. 사진 (a)는 펨토초 레이저에 의해 증착 된 실리카의 표면 사진이다. 고온 체임버는 밀폐된 챔버 내부에 용융 실리카 판 위 에 국소적으로 증착된 실리카를 넣은 후 1600°C 까지 승온 시킨 후 서서히 감온 하여 총 6시간동안 용융 시켰으며 CO2 레이저는 초점거리 50 mm 를 가지는 단 렌즈를 Z 축 스테이지를 이용하여 초점거리보다 약 5 mm 더 올린 후 13.1 W 의 출력에서 0.005 mm/s 의 속도로 X, Y 축 스테이지를 움직이며 용융 시켰다.
고온챔버의 경우 1600°C의 온도로 6시간동안 승온과 감온을 하며 실리카를 용 융시키기엔 너무 급격한 온도변화이며 본 실험에서 사용한 1600°C 의 승온 한계를 가지는 고온 체임버를 이용하여 융점이 1600°C 인 용융 실리카를 녹이는 것이 어 렵다. 또한, 녹는 시간이 너무 오래 걸려서 완전히 용융 시키는데 한계가 있다. 위 사진 (b)는 펨토초 레이저에 의해 증착된 실리카를 고온 체임버를 이용하여 용융시 킨 사진이다. 고온 체임버를 이용해 녹이면 완전한 용융이 되지 않고 서로 엉켜있 는 투명하지 않은 커다란 실리카 분말처럼 보여진다.
CO2 레이저는 전체적인 면적에 대해 균일한 온도변화를 주지는 못하지만 국부 적인 부위를 용융시키는 일에서는 높은 효율을 보인다. 위 사진 (c) 는 펨토초 레 이저에 의해 국부적으로 증착된 실리카를 CO2 레이저를 이용하여 용융시킨 사진이 다. CO2 레이저는 국부적인 열 영향이기는 하지만 레이저의 강한 출력 때문에 실 리카 분말이 완전히 녹아 하나의 면처럼 용융되어 보여짐을 확인할 수 있다.
그러므로 본 실험에서는 펨토초 레이저로 특정 형상으로 증착된 실리카를 CO2
레이저를 이용하여 용융시켰다.
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-(a) 200 kHz 펨토초 레이저에 의한 실리카 증착
(b) 고온 체임버에 의한 실리카 용융 (c) CO2 레이저에 의한 실리카 용융
그림 22. 레이저에 의해 증착된 실리카와 용융된 실리카의 SEM 사진
(a) V=0.2 mm/s (b) V=0.1 mm/s
(c) V=0.05 mm/s (d) V=0.005 mm/s
그림 23. CO2 레이저에 가공 속도에 따라 용융된 실리카 사진
그림 24는 펨토초 레이저에 의해 증착된 선 모양의 실리카를 CO2 레이저의 출 력을 13.1 W 로 고정하고 초점거리 50 mm 인 단 렌즈의 초점거리를 Z 축 스테이 지를 이용하여 증착된 실리카 분말 표면으로부터 5 mm 올리고 X, Y 축 스테이지 의 가공속도를 변화하며 측정한 사진이다. 사진에서 보이는 검은 물방울 모양은 CO2 레이저에 의해 표면이 먼저 용융되고 후에 내부가 용융되어 내부에 기포가 갇 힌 형상이다. 이를 해결하기 위해서는 비소 화합물을 첨가하여 실리카의 점도를 낮 추어 기포를 제가하는 선행 기술들이 있다. 하지만 우리는 독성 물질인 비소 화합 물을 사용하지 않고 국부적으로 증착된 실리카 분말을 레이저의 노출 시간에 따라
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-실리카의 액체 상태로 변하는 시간을 조절하여 내부의 산소기포를 제거해 보았다.
증착된 실리카 선이 약 83 μm 에서 170 μm 까지 커졌지만 내부의 기포가 제거되 었음을 확인할 수 있었다.
제 5장 결 론
펨토초 레이저를 사용하여 용융 실리카 판 표면과 내부에 회절광학소자인 프레 넬 존 플레이트를 제작하여 각각 He-Ne 레이저의 광선이 투과 하였을 때 투과출 력과 특정 초점거리를 가지도록 제작된 프레넬 존 플레이트의 실제 초점거리를 X 축 단방향 스테이지를 100 μm 씩 움직이며 측정 하였다. 제작된 프레넬 존 플레이 트의 실제 초점거리는
을 윤대 제작을 위해 사용한 파라미터들로
부터 얻은 f와 같음을 알았다. 이는 1 mm 의 두께를 가지는 용융 실리카 판이 얇 아 실제 초점거리에 큰 영향을 미치지 않았다. 측정된 실제 초점거리가 중요한 이 유는 투명한 용융 실리카 판 내부에 투과율이 좋으며 회절이 일어나는 42.92 μm 깊이로 가공이 되었을 때 입사빔이 얇은 가공 깊이에 의해 회절되지 않은 빔들이 나타남으로 두 번째부터 다섯 번째 프레넬 존 플레이트를 순차적으로 추가하여 회 절효율을 증가시켰다. 이렇게 증가된 회절효율을 투과된 빔의 투과출력과 초점이 모아진 거리에서 빔 크기를 빔 프로파일러를 사용해 측정하여 면적당 세기를 측정 하였다.
레이저를 이용한 실리카 증착 연구에서는 200 kHz 반복률을 가지는 펨토초 레 이저를 이용하면 실리카 분말이 고형화 됨을 확인하였다. 이를 이용하여 실리카 위 에 실리카 분말을 고형화 시킨 후, 실리카 분말을 녹이기 위해 고온챔버와 CO2 레 이저를 이용하여 용융하는 실험을 진행하였으며, 실험 결과 고온챔버를 이용하여 용융 시킨 경우 실리카 승온, 감온 시간이 너무 오래 걸리며, 1600°C 의 융점을 가 지는 실리카 분말의 용융된 상태도 펨토초 레이저로 고형화 시킨 상태와 거의 비 슷하거나 살짝 녹는 정도로 확인되었다. 반면 CO2 레이저를 이용한 경우 실리카 분말이 국소적으로 균일하게 녹는 것을 확인하였다. 그러나 CO2 레이저로 녹일 시 현미경 측정에서 실리카 분말이 녹으면서 기포가 발생하는 것이 보였다. 이러한 기 포 생성을 줄이고자 최적 가공조건을 찾는 실험을 진행하였다. CO2 레이저의 출력 을 13.1 W로 고정한 상태에서 X, Y 축 스테이지의 속도에 변화를 주어 녹은 실리 카 내부에서 발생하는 기포가 최소화 되는 조건이 출력 13.1 W와 가공속도 0.005 mm/s 임을 확인하였다.
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-본 연구를 계기로 프레넬 존 플레이트를 마이크로 스케일의 크기로 실리카 분 말을 비소를 사용하지 않고 투명하게 만들 수 있음을 확인하였으며, 고출력 레이저 에 대해 손상이 잘 되지 않는 마이크로 스케일의 소자에 응용하는 분야와 접목이 가능 하다고 생각된다.
고 반복률을 가지는 펨토초 레이저와 CO2 레이저를 이용한 실리카 증착이 국 부적으로 가능하며, 더 나아가 4 차 산업혁명의 핵심인 3차원 가공기술에도 응용 가능할 것으로 생각된다.
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