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2018年 2月 석사학위논문

초정밀 레이저 3D 가공 기법을 이용한 회절광학소자 제작

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

光 技 術 工 學 科

崔 雲 赫

초정밀 레이저 3D 가공 기법을 이용한 회절광학소자 제작

Fabrication of diffraction element via three-dimensional shaping using an ultra-precision laser

2018年 2月 23日

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

光 技 術 工 學 科

崔 雲 赫

초정밀 레이저 3D 가공 기법을 이용한 회절광학소자 제작

指導敎授 金 珍 泰

이 論文을 工學碩士學位申請 論文으로 提出함

2017年 10月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

光 技 術 工 學 科

崔 雲 赫

崔雲赫의 碩士學位論文을 認准함

심사위원장 조선대학교 교수 안 태 정 인 심 사 위 원 고등광기술연구소 박사 손 익 부 인 심 사 위 원 조선대학교 교수 김 진 태 인

2017年 11月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

- I -

목 차

ABSTRACT

제 1장 서 론 ··· 1

제 1절 연구 배경··· 1

제 2절 연구 목적··· 2

제 2장 이 론 ··· 4

제 1절 레이저 가공··· 4

1. 펨토초 레이저··· 4

2. CO2 레이저 ··· 6

제 2절 필라멘테이션··· 8

제 3절 프레넬 존 플레이트··· 9

제 3장 실험장치 및 방법 ··· 13

제 1절 실험 장치··· 13

1. 펨토초 레이저··· 13

2. CO2 레이저 ··· 16

3. 측정용 단축스테이지··· 19

제 4장 실험 결과 ··· 20

제 1절 프레넬 존 플레이트 제작 특성··· 20

1. 펨토초 레이저 에너지 변화와 가공 깊이별 투과도··· 20

2. 프레넬 존 플레이트 제작··· 24

3. 프레넬 존 플레이트 초점거리측정··· 26

제 2절 다중 프레넬 존 플레이트··· 30

1. 다중 프레넬 존 플레이트 제작 (레이어 간격 200 μm) ··· 30

2. 제작된 다중 프레넬 존 플레이트 측정 및 비교··· 31

제 3절 레이저를 이용한 실리카분말 증착 및 용융··· 34

1. 실리카 증착 공정··· 34

2. 펨토초 레이저를 이용한 실리카 증착··· 35

3. 증착된 실리카 분말 용융 실험··· 38

제 5장 결 론 ··· 42

【참고 문헌】 ··· 44

【감사의 글】 ··· 47

- III -

그 림 목 차

그림 1. 나노초 레이저와 펨토초 레이저의 펄스 가공 모식도··· 4

그림 2. CO2 레이저 가공모식도··· 6

그림 3. 필라멘테이션 현상··· 8

그림 4. 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 시스템 모식도··· 14

그림 5. 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 시스템 사진··· 15

그림 6. CO2 레이저 가공 시스템 모식도··· 17

그림 7. CO2 레이저 연마 시스템 모습··· 18

그림 8. 펨토초 레이저의 가공깊이에 대한 He-Ne 레이저 투과도 측정··· 20

그림 9. 펨토초 레이저의 에너지에 따라 변화하는 용융 실리카 판 내부의 가공 깊이··· 21

그림 10. 용융 실리카 판 내부의 가공 깊이와 빔의 투과도··· 22

그림 11. 펨토초 레이저를 이용한 프레넬 존 플레이트 가공 모식도 ··· 24

그림 12. 펨토초 레이저를 이용하여 가공된 FZP 외부와 내부··· 25

그림 13. FZP 측정 장비 실제 사진··· 26

그림 14. FZP 측정 장비 모식도 ··· 27

그림 15. 각 초점별 측정된 FZP 실제 초점거리··· 28

그림 16. 다중 프레넬 존 플레이트 제작 모식도··· 30

그림 17. 다중 프레넬 존 플레이트 2D 빔 프로파일 측정··· 31

그림 18. 다중 프레넬 존 플레이트의 단위면적당 세기··· 32

그림 19. 레이저를 이용한 실리카 증착 공정도··· 34

그림 20. 반복률 200 kHz 의 펨토초 레이저에 의한 증착된 실리카의 SEM 사진

··· 35

그림 21. 펨토초 레이저에 의한 실리카 증착··· 36

그림 22. 레이저에 의해 증착된 실리카와 용융된 실리카의 SEM 사진··· 37

그림 23. CO2 레이저에 가공 속도에 따라 용융된 실리카 사진··· 39

- V -

표 목 차

표 1. 실험에 사용된 10∼200 kHz 펨토초 레이저 사양··· 13

표 2. 실험에 사용된 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 스테이지 사양··· 14

표 3. 실험에 사용된 CO2 레이저 사양··· 16

표 4. 실험에 사용된 CO2 레이저 시스템 사양 ··· 17

표 5. 실험에 사용된 X 방향 단축 스테이지 사양··· 19

표 6. 펨토초 레이저 에너지 변화와 FZP의 빔 투과출력··· 22

표 7. 다중 프레넬 존 플레이트의 초점거리 및 면적당 세기 ··· 33

ABSTRACT

Fabrication of a diffraction element via three-dimensional shaping using an ultra-precision laser

Woon-Hyuk Choi

Advisor : Prof. Jin-Tae Kim, Ph.D.

Department of Photonic Engineering, Graduate School of Chosun University

A femtosecond laser has been used to fabricate Fresnel zone plates (FZPs) on the surface and inside of the fused silica plate. The radii of the annuli of the Fresnel zone plates are designed such that the phases of an input laser beam alternatively with respect to the increases of the annuli are changed by l/2 to have a specific focal point from the FZP.

The beam transmittance of FZPs depending on the fabrication depths due to the filament effects due to strong powers of a femtosecond laser are measured. There are two types of fabricated FZPs with a single layer and multiple layers. A FZP with the multiple layers is fabricated to enhance the diffraction efficiency compared to FZP with a single layer.

In addition to this method, a method of melting silica glass with different mesh sizes and with high melting point and damage threshold have been implemented to make 3-D shapes of FZPs using femtosecond and CO2 lasers. In this way 3-D shapes of the FZPs with variable thickness of the FZP can be obtained instead of fabrications of FZPs due to small ablation or small changes of index of refraction of the fused silica crystal implemented above. Specific shapes with same lattice structures on a fused silica plate having the same lattice structure fabricated using a CO2 laser can be obtained similarly as those using a high-temperature chamber.

- 1 -

제 1장 서 론

제 1절 연구 배경

극초단 레이저의 등장으로 기존의 CW 혹은 나노초 레이저와는 다르게 열적 영 향이 없이 정밀한 가공이 가능해지면서 많은 레이저 가공 기술들이 개발 되었다.

이러한 레이저 가공 기술은 초소형 소자제작이나 열에 민감한 매질에 대한 정밀가 공이 가능하게 되었다. 이러한 극초단 레이저는 수 백 펨토초 (10^-15 s) 보다 작은 펄스폭을 가지는 레이저를 말한다. 극초단 레이저의 매우 짧은 펄스폭으로 인해 가 공매질에서 발생된 자유전자가 발생하는 열에너지가 격자로 완화되는 시간보다 매 우 짧아 열적 영향이 거의 없다. 또한, 극초단 레이저 특유의 높은 첨두 출력으로 인한 비선형 현상을 유발하여 가공매질에 다광자 흡수를 야기시킨다. 이러한 다광 자 흡수에 의한 레이저 가공 기술은 투명물질 내부의 굴절률 변화를 가능케 했으 며 변화된 굴절률로 인해 많은 회절광학소자나, 광 도파로 등 많은 응용분야 등에 사용되고 있다.^(8-13) 하지만 짧은 펄스폭을 가지는 극초단 레이저라고 해도 열적 영 향이 없는 것은 아니며 이는 반복률을 매우 높이면 1600°C의 융점을 가지는 실리 카에도 열적 현상이 발생한다. 이러한 고 반복률의 극초단 레이저는 특정 매질의 고속 가공을 가능케 할 뿐만 아니라 투명매질의 내부에 빔을 조사하여 매질 내부 에서의 용접을 가능하게 했다.

본 논문에서는 반복률이 10∼200 kHz 까지 가변하는 극초단 레이저인 펨토초 레이저를 사용하여 투명매질인 용융 실리카 판 외부와 내부에 회절광학소자중 하 나인 프레넬 존 플레이트를 제작하여 특성을 파악하였다. 용융 실리카 판 내부에 가공된 프레넬 존 플레이트의 회절효율을 올리기 위해 다중 프레넬 존 플레이트를 제작하였으며, 고반복률 펨토초 레이저의 반복률을 200 kHz 으로 실리카 분말을 용융 실리카 판 위에 특정 형상으로 증착시키고 CO2 레이저와 고온 체임버로 용융 하는 실험을 진행하였다.

제 2절 연구 목적

프레넬 존 플레이트 제작은 몰드를 사용하여 플라스틱을 사용하는 μm 의 정밀 도로 찍어내는 금형방법과 수 nm 의 정밀도로 마스크와 e-beam 리소그래피 방법 을 사용하여 다양한 소재에 가능하다. 이러한 가공 방법들은 가공 정밀도가 매우 높고, 몰딩을 사용하기 때문에 가공품을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.

e-beam 리소그래피 방법은 수 nm 의 정밀도로 멀티레벨 및 초점거리가 매우 짧은 프레넬 존 플레이트의 제작이 가능하다.^(1-6) 한편, 펨토초 레이저를 이용한 투명물 질 내부가공의 장점은 위에서 기술한 방법들에 의해 제작된 프레넬 존 플레이트들 과는 달리 고출력 레이저에 손상이 되지 않는 프레넬 존 플레이트를 제작할 수 있 는 장점이 있다. 이러한 투명매질 내부제작 프레넬 존 플레이트의 회절효율을 높이 기 위해 프레넬 존 플레이트를 매질내부에 일정간격으로 여러 층으로 제작할 수 있으며 회절효율을 높이기 위한 다양한 연구들이 진행되어 지고 있다.^(13-20)

본 연구는 무정형, 비결정의 규소와 산소로 이루어져 있고 300∼2500 nm 까지 넓은 투과 파장대역과 매우 낮은 열팽창 계수로 인한 내열성을 가지고 있는 용융 실리카를 사용하여 고출력 레이저용 프레넬 존 플레이트를 제작하였다. 용융 실리 카 판 표면에 초점거리가 다른 단층 프레넬 존 플레이트를 설계 제작 후, 제작된 프레넬 존 플레이트들의 초점거리들을 측정하였다. 고출력 펨토초 레이저에 기인한 필라멘트 효과로 생기는 프레넬 존 플레이트의 두께변화 특성분석을 통해 얻어진 투과율이 가장 높은 단층 프레넬 존 플레이트를 제작하였다. 그러나 제작된 프레넬 존 플레이트의 두께에 따라 투과하는 빔의 위상변화가 다르기 때문에 얇은 두께의 단층 프레넬 존 플레이트의 경우 회절효율이 매우 떨어진다. 이러한 단점을 극복하 기 위하여 단층 프레넬 존 플레이트로 제작하지 않고 여러 층으로 프레넬 존 플레 이트를 제작하여 회절효율을 좀 더 증대시켰다.

또 다른 광소자의 삼차원 형상 제작 방법으로 최근 폴리머나 레진과 같은 고분 자 화합물 등을 특정 파장의 빛에 반응시켜 응고 시키는 기술이 나옴에 따라 초정 밀 레이저를 이용한 3차원 형상의 제작이 가능해지고 있다. 그렇지만 고분자 화합 물의 경우 고출력 레이저에 쉽게 손상이 된다. 가공소자에 레이저가 조사시 생기는 이러한 손상을 피하기 위해, 고반복률 펨토초 레이저의 높은 반복률에서 나오는 높 은 열에너지를 이용하여 실리카 분말을 용융 실리카 판 위에 특정 형상으로 굳히

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고 이를 CO2 레이저로 용융시켜 광학소자를 제작하여 그 형상을 특성평가 하였다.

제 2장 이 론

제 1절 레이저 가공 1. 펨토초 레이저

극초단 레이저인 펨토초 레이저는 한 펄스의 폭이 수백 10^-15 (펨토)초로 펄스폭 이 매우 짧은 펄스 레이저이다. 레이저의 펄스를 생성하는 방법으로 Q-스위칭과 과 모드잠금 (Mode-locking)이 있다. 일반적으로 Q-스위칭 방법의 경우 펄스 당 높은 에너지와 수 ns정도의 펄스를 생성할 수 있다. 그렇지만 Q-스위칭 방식으로 는 극초단 펄스 생성이 어렵다. 이를 해결하기 위해 모드잠금을 이용하여 레이저의 펄스를 생성한다. 모드잠금은 레이저에서 생긴 수많은 공진모드들이 모두 독립적인 모드이기 때문에 각각의 위상도 다르다. 이러한 모드들의 위상을 특정한 위상으로 관련하여 같게 고정시키는 것을 모드잠금이라 하며 Q-스위칭방식의 펄스와는 다른 매우 짧은 펄스를 얻을 수 있다.

(a) (b)

그림 1. 나노초 레이저와 펨토초 레이저의 펄스 가공 모식도, (a) 나노초 레이저 펄스, (b) 펨토초 레이저 펄스

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펨토초 레이저 가공은 10¹² W/cm² 이상의 높은 에너지 강도로 일반적인 레이저 가공에서 볼 수 없는 다광자 흡수와 같은 비선형 효과를 이용한다. 펨토초 레이저 는 높은 첨두 출력과 비선형 현상에 의한 다광자 흡수를 통해 매질의 흡수파장과 가공레이저의 파장이 일치하지 않아도 가공이 가능하다. 보통 레이저에 의한 가공 은 매질특유의 흡수파장과 같은 레이저 파장의 광자를 흡수하며 이때 매질내의 전 자는 여기상태가 된다. 이렇게 매질 내부의 자유전자는 광자에너지()에 의해 높은 에너지 또는 온도에 도달하며 이 온도가 매질의 격자에 전달되어 열에 의한 가공 이 이루어지게 된다. 하지만 여기된 전자에 의해 에너지가 열로 변하는 시간보다 펨토초 레이저의 펄스길이가 훨씬 짧기 때문에 매질의 열적 변형이 없는 가공이 이루어진다. 펨토초 레이저의 높은 에너지 강도로 짧은 파장의 펄스를 여러 개 동 시에 흡수하는 비선형 광흡수 현상을 이용하여 격자구조를 변형시키게 된다.^(7-9)

본 논문에서 사용한 펨토초 레이저의 경우 1030 nm 로 근적외선 영역대의 파장 을 가지고 있어 투명한 매질의 경우 단광자 흡수에 의해 가공이 되지 않지만, 다광 자 흡수현상으로 투명한 매질 내부의 가공이 가능하게 하며 투명매질 내부의 원하 는 지점에 빛을 집속시켜 광도파로 등에 다양한 형상의 가공을 가능하게 한다.

2. CO2 레이저

CO2 레이저는 CO2 가스를 레이저 매질로 사용하는 기체 레이저로 레이저 공진 기 내부에 있는 가스관에 전기를 방전하여 가스를 이온화하고 생성된 자유전자가 CO2 의 분자와 부딪히는 과정을 통해 나오는 빛이 공진기를 통해 증폭되어 부분반 사경을 통해 레이저 빔이 나온다. 이러한 CO2 레이저는 10.6 μm 의 적외선대의 긴 파장을 가지고 있는 레이저이다.

그림 2. CO2 레이저 가공모식도

일반적으로 레이저가 매질에 조사되면 레이저의 광자와 매질을 구성하는 원자 가 상호작용을 일으킨다. 매질 내부의 원자가 입사하는 레이저 빛을 흡수하여 전자 가 여기상태가 되며 이때 전자는 높은 온도에 도달하고 열에너지를 가지게 된다.

이러한 전자가 가지는 열에너지가 매질의 격자로 전달되어 레이저가 조사된 매질 주변이 가열되고 융용 및 증발이 일어난다. 이러한 메커니즘에서 전자가 격자로 열 을 전달하는데 걸리는 시간을 완화시간(relaxation time)이라고 하며 금속의 경우 1

∼100 피코초 (10^-12 s) 정도이다.⁽⁷⁾ 완화시간보다 짧은 펄스폭을 가지는 레이저의 경우 매질에 대해 열에너지 전달이 되기전에 가공이 완료된다. 완화시간보다 긴 펄 스폭을 가지는 펄스 레이저나 CW(Continuous Wave) 레이저의 경우 매질내부에서 발생하는 열에너지에 의한 가공이 일어난다.

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본 논문에서는 펨토초 레이저 가공방법 이외에 사용한 CO2 레이저는 10.6 μm 의 긴 적외선대 파장을 가지는 CO2 레이저는 ×12 대물렌즈와 단 렌즈 그리고 스 캐너 렌즈를 통해 집속된 레이저가 매질에 흡수되어 야기되는 열에너지를 이용하 여 융용 실리카 판에 실리카 분말을 특정 형상으로 용융시키는 방법을 사용하였다.

CO2 레이저를 사용하여 삼차원 광학소자 제작과 특성을 분석하였다.

제 2절 필라멘테이션

필라멘테이션은 낮은 반복률, 높은 펄스에너지와 매우 높은 순간출력을 가지는 펄스가 물질내부에 들어갈 때 생기게 된다. 이는 높은 순간출력의 빛이 매질을 지 나갈 때 발생하는 커효과에 의해 집속된 레이저 빔이 느끼는 굴절률이 변화하게 되어 더욱 집속이 되는 자가집속 (self-focusing)이 발생하게 된다. 또한 레이저가 집속된 면에서 높은 순간출력에 의해 플라즈마가 발생하면 플라즈마에 의해 레이 저가 분산되는 플라즈마 분산 (plasma-defocusing)이 발생한다. 이러한 빔의 집속 과 분산이 연속해서 반복되면서 투명재료 내부에 손상을 주어 굴절률이 변하게 된 다. 이러한 현상은 분산된 빔이 자가집속이 일어나지 못할 때까지 계속해서 반복해 서 일어난다.^(9-12)

본 논문에서는 이러한 필라멘테이션 효과에 의해 실리카 매질 내부에서 발생하 는 손상 변화에 따라 제작된 프레넬 존 플레이트의 투과 효율 등에 관해 측정하였 다. 이러한 레이저 에너지 변화를 통해 필라멘테이션 현상을 적절히 조절하여 제작 된 프레넬 존 플레이트의 효율이 증대되게 된다.

그림 3. 필라멘테이션 현상

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제 3절 프레넬 존 플레이트

존 플레이트는 방사 대칭형 윤대로 구성된 회절 광학계 이다. 윤대는 각각 불투 명한 윤대와 투명한 윤대가 서로 번갈아가며 생성되어 있고 투명한 윤대 영역에서 전송된 빛이 서로 간섭하여 원하는 초점에 빔이 맺힌다. 최근 광학기술이 발전함에 따라 다양하고 복합적인 기능을 하는 집적회로와 많은 소자들이 개발되어졌고 이 러한 소자와 회로들을 이용하여 하나의 장비에 다양한 기능들을 추가하기 위해서 소자와 회로들의 소형화 연구개발이 진행되고 있다. 그리하여 기존의 렌즈와는 다 른 곡률이 존재하지 않고 얇은 평판으로 대체할 수 있는 렌즈로 제작하기 위해 프 레넬 존 플레이트가 개발되었다.^(16-17)

여기서 특정 초점거리를 가지는 존 플레이트 윤대들의 반경을 구하기 위해서는 아래와 같은 식을 이용한다.

여기에서 은 윤대의 중심점과 초점사이의 거리이며 광경로라 하고 피타고라스 정리를 이용해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 ^^ ^ (1)

존 플레이트의 중심의 광원점으로부터 광경로 _는 간략하게 초점거리와 같다고 할 수 있다.

_  (2)

이때 프레넬 존 플레이트에서는 보강 간섭하는 광원점을 찾는 것이 목적이며 이는 광원점 축상에 있는 광경로 _ 부터 광경로  의 차이가  를 초과하지 않 도록 함으로써 원의 구역을 아래와 같이 정의할 수 있다.

  _ 

 (3)

그리고 광원점이 존 플레이트의 중심에서 멀어지면   _ 는  보다 커지며 다음과 같이 나타낼 수 있다.



   _  (4)

이러한 광경로가 만족되는 광원점은 두 번째 구역을 정의하고 첫 번째 구역의 광원점과 소멸간섭을 일으킨다.

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이러한 방법을 연속적으로 함으로써 광경로 길이가 만족되는 광원점들의 집합 을 n 번째 영역의 정의로 식 (5)와 같이 일반화 할 수 있다.



 

   _ 

 (5)

여기에서 n은 1에서 N까지의 양의 정수이며, N은 존 플레이트에서의 총 영역 수 이다. 홀수 영역에서 광원점은 첫 번째 영역을 보강간섭하고, 짝수 영역에서 광 원점은 첫 번째 영역을 상쇄간섭한다. 그리하여 존 플레이트는 보강간섭을 극대화 하기 위해 적절한 차단막을 이용하여 짝수 영역을 차단하고 홀수 영역을 통과시키 는 구성을 한다. 이러한 방식으로 생성하는 존 플레이트의 첫 번째 영역은 임의로 선택 할 수 있다. 예를들어 위와 다르게 존 플레이트가 역으로 짝수 영역을 통과하 고 홀수 영역을 차단해도 동일한 렌즈효과를 낼 수 있다. 두 경우 모두 불투명과 투명 영역사이의 경계로 광경로 차이를 나타낸다.

  _ 

 (6)

(1)과 (2) 식을 이용 존 플레이트 반경에 관하여 식(6)을 재작성 하면



   

 (7)

로 나타내고 _은 n 번째 영역의 윤대로 이동을 말하며 식(7)을 _에 대해 풀이 하면 아래와 같다.

_^    

 (8)

존 플레이트의 구조는 투명과 불투명한 영역으로 번갈아가며 구성되며 여기서 n 번째 영역의 반경은 식 (8)에 의해 주어진다.

위의 (8) 식에서 만약  가 매우 긴 경우  는  에 비해 매우 작기 때문에 아래와 같이 간단하게 나타낼 수 있다.



≃ 

본 논문에서는 위 식을 이용하여 프레넬 존 플레이트의 회절윤대 반경을 구하 여 실험하였다.

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제 3장 실험장치 및 방법

제 1절 실험장치

1. 펨토초 레이저와 가공시스템

본 연구에서 사용한 펨토초 레이저는 Light conversion사의 PHAROS라는 레이 저로 Yb:KGW 다이오드 펌핑 펨토초 레이저이다. 레이저 사양은 250 fs의 펄스폭, 10∼200 kHz의 가변 가능한 반복률, 1030 nm의 중심파장, 6 W의 출력을 가지는 레이저이며 방출되는 레이저의 빔 모양은 가우시안의 형태를 가지고 있고 선평광 된 빔을 가진다.

제 품 명 Pharos (LightCoversion) 파 장 1030 / 515 / 257 nm 평 균 출 력 6 W

반 복 률 10∼200 kHz 펄 스 폭 250 fs 펄 스 에 너 지 60 μJ 펄스 간 안정성 1% rms

평균출력안정성 1% rms for 100 hours

빔 경 6 mm

빔 질 ^ < 1.2 퍼 짐 각 < 1.2 mrad 레 이 저 등 급 Class 4

표 1. 실험에 사용된 10∼200 kHz 펨토초 레이저 사양

표 2는 10∼200 kHz 까지 가변이 가능한 펨토초 레이저 가공시스템의 스테이지 사양이다. X, Y 축 스테이지는 선형 모터로 움직이며 300 x 300 mm 의 가공 범위 와 20 nm의 분해능, 300 mm/s 의 최대속도를 가진다. Z축은 Ballscrew 방식의 스 테이지 이며 100 mm 의 가공높이, 0.5 μm 의 분해능, 20 mm/s 의 최대속도를 가 지고 있고 각 스테이지가 독립적으로 구동되는 특징이 있다.

X-Y 스테이지 Z 스테이지 스테이지 선형 모터 스테이지 Ballscrew 스테이지 이동거리 300 × 300 (mm) 100 (mm) 분 해 능 20 nm / count 0.5 μm / count

최대속도 300 (mm/s) 20 (mm/s)

표 2. 실험에 사용된 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 스테이지 사양

그림 4. 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 시스템 모식도

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그림 4 는 10∼200 kHz 펨토초 레이저 시스템의 광학계 모식도이며 빔 전송을 위한 반사경과 X, Y, Z 축 스테이지로 구성되어 있다. 가공물체에 Z축 시스템을 이용하여 초점을 조절한 후에 X, Y 축 스테이지를 정밀하게 조작하여 물체를 특정 형상으로 가공한다.

그림 5. 10∼200  펨토초 레이저 가공 시스템 사진

그림 5는 10∼200 kHz 펨토초 레이저 가공 시스템의 모습이다. 위 시스템에는 두 가지 방식으로 레이저 가공이 가능하다. 그 중 하나는 레이저 헤드는 고정되고 대물렌즈와 X, Y, Z 축의 스테이지 이송을 이용한 가공과 가공품은 고정되고 레이 저 헤드가 움직이는 주사시스템을 이용한 레이저 가공이다. 각각의 가공방법은 장 단점이 있다. 대물렌즈와 X, Y, Z 축의 스테이지를 이용한 가공방법에서는 스테이 지의 정밀한 움직임과 대물렌즈에 의한 빔의 작은 초점으로 인한 초정밀 가공이 가능하다. 그러나, 스테이지 특유의 가감속 구간으로 인한 균일한 고속가공의 한계 가 있다. 주사시스템은 레이저 헤드의 움직임으로 인해 가공에서 가감속 구간이 적 으나 렌즈는 고정되어 있으나 시스템 내부의 거울이 움직이며 조사되는 빔의 경로 가 달라지기 때문에 구면수차가 있다.

2. CO₂ 레이저와 가공시스템

고반복률 펨토초 레이저를 사용하여 특정 형상으로 굳어진 실리카 분말을 투명 화 및 완전히 고형화 시키기 위하여 CO2 레이저 시스템을 사용하였다. Coherent 사의 모델: C-55L, CO2 레이저를 사용하였으며, 10.6 μm의 중심파장과 최대 출력 은 55 W를 가지는 CW 레이저를 사용하였다.

제 품 명 C-55L (Coherent)

파 장 10.6 μm

평 균 출 력 55 W 빔 경 1.8±0.2 mm 빔 질 M² < 1.2 퍼 짐 각 7.5±0.5 mrad 신 호 형 태 TTL

표 3. 실험에 사용된 CO2 레이저 사양

CO2 레이저는 가스를 매질로 사용하는 가스레이저로 다른 고체, 액체 레이저들 에 비해 출력효율이 높다(약 30%). 앞서 소개한 펨토초 펄스 레이저와는 다르게 긴 파장과 파형이 연속적으로 나오는 연속파 레이저로 가공매질의 전자에서 격자 로의 완화시간보다 긴 펄스로 인해 열이 많이 발생하여 열에 민감한 물질이나 미 세한 가공에는 사용하지 않는다. 하지만 유리재질이나 목재, 금속 등을 용접, 절단, 천공, 마킹과 같은 분야에 많이 사용되고 있다.

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X-Y 스테이지 Z 스테이지

스테이지 선형 모터 스테이지 Ballscrew 스테이지 이동거리 300 × 300 (mm) 50 (mm) 분 해 능 1 μm / count 1 μm / count 최대속도 100 (mm/s)

표 4. 실험에 사용된 CO2 레이저 시스템 사양

표 4 는 실험에 사용된 CO2 레이저 시스템의 스테이지 사양이다. ,  축은 선형 모터로 움직이며 300 mm × 300 mm의 가공 범위, 1 μm-의 분해능, 100 mm/s의 최대속도를 가진다. Z 축은 Ballscrew 방식의 스테이지 이며 50 mm 의 가공높이를 가지고 있고 각 스테이지가 독립적으로 구동된다.

그림 6. CO2 레이저 가공 시스템 모식도

그림 6은 CO2 레이저 시스템의 광학계 모식도 이다. 직경 1.8 mm을 가지는 레 이저 빔을 빔 확대기로 확대한 후 핀홀을 이용하여 특정 부분의 빔을 잘라서 쓴다.

펨토초 레이저로부터 가공에서 사용한 스테이지와 같이 X, Y, Z 축의 스테이지로 구성되어 있다. 가공물체로부터 Z축 거리를 조절하여 초점을 물체에 맞춘 후 X, Y 축 스테이지를 정밀조작하여 가공하거나 주사시스템을 이용하여 레이저 헤드만 움 직여서 가공한다.

그림 7. CO2 레이저 연마 시스템 모습

그림 7 은 펨토초 레이저를 이용하여 굳어진 실리카 분말을 투명 및 고형화하 기 위해 사용된 CO2 가공 시스템의 모습이다. x12 대물렌즈와 X, Y, Z 축 스테이 지를 이용한 방법과 주사시스템을 이용한 렌즈 f = 180 mm (f-theta)의 스캐너 가 공방법을 사용하였다. 대물렌즈를 이용한 가공은 X, Y 축 스테이지에 샘플을 고정 하여 대물렌즈와 동축으로 설치되어 있는 CCD를 통해 가공물질과 레이저 빔의 초 점을 잡은 후 원하는 형상으로 좌표를 움직여 가공하였고, 스캐너 가공은 주사시스 템이 있는 좌표로 X, Y, Z 축 스테이지를 움직여 고정시켜 두고 레이저 헤드를 움 직여 실험을 진행하였다.

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3. 측정용 단축스테이지

레이저 가공시스템을 이용하여 제작된 프레넬 존 플레이트를 통과하는 레이저 빔의 빔 프로파일을 정밀하게 측정하기 위해서 100 μm 씩 프레넬 존 플레이트를 움직이는데 사용된 X 축 단축스테이지의 사양을 보여준다. 제작된 프레넬 존 플레 이트의 초점거리와 초점에서의 레이저 빔 세기를 측정하기 위해서는 프레넬 존 플 레이트를 정밀하게 움직일 수 있는 장비가 필요하다. 그리하여 본 실험에서는 X 축 방향으로만 움직이는 단축 스테이지를 사용하여 제작된 각각의 플레넬 존 플레 이트의 거리조절에 사용하였다.

X 스테이지(SGSp26-150) 스테이지 Ballscrew 스테이지

이동거리 150 (mm)

분 해 능 2 μm / count

최대속도 30 (mm/s)

표 5. 실험에 사용된 X 방향 단축 스테이지 사양

표 5 는 프레넬 존 플레이트를 정밀이동하기 위해 사용된 단축 스테이지의 사 양이다. X 축 단축방향으로 Ballscrew 방식으로 움직이며 150 mm 의 이동 범위, 2 μm 의 분해능, 30 mm/s 의 최대속도를 가진다.

제 4장 실험결과

제 1절 프레넬 존 플레이트 제작 특성

1. 펨토초 레이저 에너지 변화와 가공 깊이별 투과도

반복률 10 kHz, 펄스폭 250 fs, 대물렌즈 x20 (NA: 0.4) 의 펨토초 레이저를 이 용하여 프레넬 존 플레이트를 제작하기에 앞서 펨토초 레이저의 필라멘테이션 효 과와 내부 데미지에 의해 용융 실리카 판 내부 가공깊이에 따라 빔의 투과정도가 다르다. 그리하여 투과도가 가장 높은 프레넬 존 플레이트 (FZP)를 제작하기 위하 여 펨토초 레이저의 에너지 0.412, 0.615, 1.485, 2.88, 5.64, 9.81 μJ 에 따라 용융 실 리카 판 표면으로부터 100 μm 내부에 가공된 두께를 측정 하고 그에 따른 프레넬 존 플레이트의 투과도를 측정 하였다.

그림 8. 펨토초 레이저의 가공깊이에 대한 He-Ne 레이저 투과도 측정

He-Ne 레이저의 출력을 32 μW 로 고정해 두고 각각 펨토초 레이저의 에너지 변화에 따른 프레넬 존 플레이트의 투과도를 측정하였다.

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(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

그림 9. 펨토초 레이저의 에너지에 따라 변화하는 용융 실리카 판 내부의 가공 깊이, (a) 0.412 μJ, (b) 0.615 μJ, (c) 1.485 μJ, (d) 2.88 μJ, (e) 5.64 μJ, (f) 9.81 μJ

0 2 4 6 8 10 26

27 28 29 30 31 32

femtosecon laser energy

He-Ne laser(mW)

Transmission Beam

그림 10. 용융 실리카 판 내부의 가공 깊이와 빔의 투과도

펨토초 레이

저 에너지(μJ) 0 0.412 0.615 1.485 2.88 5.64 9.81 He-Ne 레이

저 출력 (μW)

32 32 31 29 28 27 26

표 6. 펨토초 레이저 에너지 변화와 FZP의 빔 투과출력

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각 각의 다른 에너지로 펨토초 레이저에 의해 제작된 FZP들의 가공두께들을 광 학현미경으로 측정해 본 결과 23.58 μm, 42.92 μm, 65.56 μm, 68.39 μm, 82.54 μm, 112.73 μm 의 두께로 가공 되었고, 각 각의 두께에 따라 투과빔의 출력이 32, 31, 29, 28, 27, 26 μW 으로 측정되었다. 프레넬 존 플레이트를 제작할 때 상쇄간섭을 일으키는 λ/2 부분의 윤대를 차단하는 진폭 존 플레이트의 빔 투과 출력에 비해 매질 내부의 굴절률 변화를 통해 제작되는 위상 존 플레이트의 레이저 빔 투과도 는 매우 높다고 할 수 있다.

위 실험을 기반으로 투과빔의 출력이 가장 좋은 0.412 μJ의 에너지를 이용하여 프레넬 존 플레이트를 제작해야 하지만 너무 얇은 가공깊이로 인해 제대로 된 회 절이 일어나지 않는다. 그러므로 본 논문에서는 펨토초 레이저의 에너지를 0.615 μJ 으로 하여 용융 실리카 판 내부에 가공을 하였으며, 실리카 외부 표면에 가공된 프레넬 존 플레이트와 실리카 내부에 가공된 다중 프레넬 존 플레이트의 특성을 조사한다.

2. 프레넬 존 플레이트 제작

펨토초 레이저의 에너지를 0.615 μJ 으로 하여 용융 실리카 판 내부에 제작하고 2.88 μJ 으로 하여 용융 실리카 판 외부에 FZP를 제작하였다. 이때 X, Y 축 스테 이지의 속도는 500 μm/s, 대물렌즈 x20 (NA: 0.4)로 제작하였다. 제작된 프레넬 존 플레이트의 초점거리는 30, 29.8, 29.6, 29.4, 29.2 mm 이며 용융 실리카 판 외부에 새겨 직접 초점거리를 측정하였다. 이는 후에 실리카 내부에 복수의 프레넬 존 플 레이트를 겹쳐서 제작하는 다중 프레넬 존 플레이트에서 첫 번째 프레넬 존 플레 이트의 초점이 두 번째, 세 번째에서 프레넬 존 플레이트의 초점과 겹쳐야 높은 회 절효율을 얻을 수 있어서 실제 초점거리를 측정하였다.

- 제작 모식도 -

(a) 실리카 외부 FZP 가공 모식도 (b) 실리카 내부 FZP 가공 모식도

그림 11. 펨토초 레이저를 이용한 프레넬 존 플레이트(FZP) 가공 모식도

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(a) ×100 배율 광학 현미경 측정 이미지

(b) ×100 배율 광학 현미경 측정 이미지

그림 12. 펨토초 레이저를 이용하여 가공된 FZP 외부와 내부, (a) 외부가공, (b) 내부가공

3. 프레넬 존 플레이트 초점거리 측정

외부에 제작된 프레넬 존 플레이트들의 초점거리가 실제 초점거리와 같은지 측 정하기 위해 프레넬 존 플레이트로 입사시키는 광원으로 He-Ne 레이저의 출력을 32 μW 사용하고 초점거리 측정을 위해 단방향 스테이지 (SHSp26-150)를 100 μm 씩 움직이며 측정하였다. 단방향 스테이지의 이동에 따른 빔 프로파일을 측정하여 프레넬 존 플레이트를 투과해서 나온 빔 크기와 단위면적당 세기를 측정하여 각 각의 초점거리를 측정하였다.

그림 13. FZP 측정 장비 실제 사진

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그림 14. FZP 측정 장비 모식도

(a) (b)

(c) (d)

(e)

그림 15. 각 초점별 측정된 FZP 실제 초점거리, (a) f= 29.2 mm, (b) f= 29.4 mm, (c) f= 29.6 mm, (d) f= 29.8 mm. (e) f= 30 mm

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단층으로 만들어진 프레넬 존 플레이트는 용융 실리카 판 표면에 제작된 소자 들이며 이들의 제작 스펙은 _^    

 를 이용하여 파장  에 632.8 nm 의

He-Ne 레이저의 파장, f에 제작하고 싶은 프레넬 존 플레이트의 초점거리를 넣어 제작 한다.

제작된 용융 실리카 판 표면의 단층 프레넬 존 플레이트는 초점에서 투과빔의 세기가 24 mW로 입사빔 32 mW 보다 8 mW 낮은 투과도를 보이며 이는 거친 실 리카 표면 때문에 레이저 빔이 산란이 되었다고 판단된다. 일반적인 진폭을 변화시 키는 기존의 프레넬 존 플레이트의 투과빔의 출력이 18 μW 에 비해 용융 실리카 표면에 제작된 단층 프레넬 존 플레이트의 투과빔 출력이 24 μW 으로 완전히 차 단되지 않고 투과한다는 것을 알 수 있다. 이러한 표면에 제작된 프레넬 존 플레이 트는 최외각 윤대의 두께가 수 μm 수준으로 얇다. 이러한 외부에 제작된 프레넬 존 플레이트는 외부 충격에 손상이 있을 수 있으며 차단되는 빔의 양이 8 mW 나 되기 때문에 높은 빔의 투과도와 외부로부터 쉽게 손상되지 않는 프레넬 존 플레 이트가 필요하다.

제 2절 다중 프레넬 존 플레이트

1. 다중 프레넬 존 플레이트 제작 (레이어 간격 200 μm)

매질 내부의 굴절률을 변화시켜 제작되는 프레넬 존 플레이트는 필라멘테이션 효과에 의해 깊어진 가공깊이에 따라 변하는 위상이 다르다 그렇기 때문에 가공 깊이가 깊어지면 회절이 일어나는 정도가 커져 초점 이외의 구간에서 초점으로 모 이지 않는 빛들은 줄어들지만 입사전,후 빔의 세기 차이가 커져 결국 가공깊이가 너무 깊으면 빔의 투과효율이 떨어진다. 그림 17 은 용융 실리카 판 내부에 200 μ m 간격으로 프레넬 존 플레이트를 중첩하여 제작한 다중 프레넬 존 플레이트의 제 작 모식도 이다. 우리는 X, Y 축 스테이지의 속도를 500 μm/s, 대물렌즈(x20, NA:

0.4)를 이용하여 단층에서 약간의 회절현상이 보이는 42.92 μm 를 기준으로 최대 5 개 까지 각각 200 μm 간격으로 중첩하여 제작하였다.

그림 16. 다중 프레넬 존 플레이트 제작 모식도

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2. 제작된 다중 프레넬 존 플레이트 측정 및 비교

(a) 1층 프레넬 존 플레이트

(b) 2층 프레넬 존 플레이트

(c) 3층 프레넬 존 플레이트

(d) 4층 프레넬 존 플레이트

(e) 5층 프레넬 존 플레이트

그림 17. 다중 프레넬 존 플레이트 2D 빔 프로파일 측정

각 층별로 제작된 프레넬 존 플레이트를 He-Ne 레이저와 X 축 단방향 스테이 지 그리고 빔 프로파일러를 이용하고 이때 프레넬 존 플레이트에 입사하는 빔의 출력을 32 μW 으로 하여 측정하였다. 그림 18은 CCD 카메라를 이용하여 2D 로 측정한 빔 프로파일이다. 첫 번째 1층 프레넬 존 플레이트에서 가운데 부분은 매우 얇게 모아지게 나오나 주변의 윤대에서 회절이 잘 일어나지 않음을 볼 수 있다. 이 를 해결하기 위하여 첫 번째 프레넬 존 플레이트와 두 번째 프레넬 존 플레이트의 초점위치가 일치되도록 제작하여 각 각의 층별로 빔 프로파일을 찍어보았다. 이때 프레넬 존 플레이트가 여러개 겹쳐질수록 점점 초점 위치에서의 회절이 더 잘 일 어나 5층 프레넬 존 플레이트에서 매우 얇은 빔 프로파일을 볼 수 있다. 하지만 여 러개의 층이 겹쳐질수록 투과되는 빔의 출력은 각 층별로 32, 31, 29, 27.5, 27 μW 로 점점 줄어드는 것을 알 수 있다.

회절되어 초점에 맺히는 빔의 특성만으로는 전체적인 다중 프레넬 존 플레이트 의 효율을 알기 어렵기 때문에 측정된 빔 크기와 투과빔의 출력을 이용하여 단위 면적당 세기를 측정하였다. 이때 측정된 빔 프로파일로부터 최대출력의 1/e 에 해 당하는 빔 크기를 측정하였다.

1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10

Intensity (kW/m2 )

Layer Number Multi layer FZP

그림 18. 다중 프레넬 존 플레이트의 단위면적당 세기

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1 층 2 층 3 층 4 층 5 층 빔 크기(μm) 1040.25 849.78 239.245 86.115 61.645 면적당 세기

(kW/m²) 0.0376 0.0546 0.645 4.723 9.051

표 7. 다중 프레넬 존 플레이트의 초점거리 및 면적당 세기

1층과 2층 프레넬 존 플레이트에서 면적당 세기는 0에 가까울 정도로 매우 약 하였다. 이는 1/e 지점에서 빔의 크기가 매우 크기 때문이며 층이 복수로 늘어날수 록 투과되는 빔의 출력이 약간 떨어지더라도 면적당 세기가 올라가기 때문에 단층 프레넬 존 플레이트에 비교해서 다중 프레넬 존 플레이트의 회절효율이 더 좋음을 알 수 있다.

제 3절 레이저를 이용한 실리카 증착 기술 1. 실리카 증착 공정

1000 mesh 크기의 실리카 분말을 용융 실리카 판 위에 평평하게 올린 후 펨토 초 레이저의 반복률을 200 kHz으로 변환한다. 그 후 대물렌즈 (x10, NA: 0.26)을 사용하여 5 mW (0.025 μJ) 의 출력 및 에너지로 레이저가 조사된 부분의 분말을 특정 형태로 용융시켜 증착을 시킨다. 그 후 나머지 쌓여있는 분말을 불어내고 용 융 실리카 판 위에 특정 형태로 증착된 실리카 분말을 CO2 레이저를 이용하여 용 융 시킨다.

그림 19. 레이저를 이용한 실리카 증착 공정도

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2. 펨토초 레이저를 이용한 실리카 증착

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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저작물 이용 허락서

학 과 광기술공학과 학번 20167106 과정 석사 성 명 한글 최 운 혁 한문 崔 雲 赫 영문 Woon Hyuk Choi

논문제목

한글

초정밀 레이저 3D 가공기법을 이용한 회절광학소자 제작 영문

Fabrication of diffraction optical element using a ultra-precision laser three-dimension machning

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2018년 02월

저작자: 최 운 혁 (인)

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