15 레이저 멀티 펄스 중첩과 회절광학소자를 이용한 숨쉬는 필름 고속 가공 기술
한국레이저가공학회지 제17권 제3호, 2014년 9월
레이저 멀티 펄스 중첩과 회절광학소자를 이용한 숨쉬는 필름 고속 가공 기술
유동윤*, 최훈국*, 손익부*,⌧, 노영철*, 이용탁*, 김영재**, 김영한**, 강호민***, 노지환†
*광주과학기술원 고등광기술연구소, **(주)대륭포장산업, ***강원대학교 원예학과, †한국기계연구원
High speed laser machining for breathable film using multi-pulse repeated radiation and diffractive beam splitter
Dongyoon Yoo*, Hun-Kook Choi*, Ik-Bu Sohn*,⌧, Young-Chul Noh*, Yong-Tak Lee*, Young-Jae Kim**, Young-Han Kim**, Ho-Min Kang***, Jihwan Noh†
*Advanced Photonics Research Institute, GIST
**Dae Ryung Precision Packaging Industry Co., Ltd.
***Kangwon National University
†Korea Institute of Machinery and Materials
Abstract
In this paper, we studied a machining method using a diffractive beam splitter (DBS) and multi- pulse repeated radiation for breathable film. We fabricated micro-grooves on polypropylene (PP) films using multi-pulse radiation and one-shot radiation (radiating pulses at once) and a DBS. In the result, width and depth of the PP film using multi-pulse repeated radiation were more precisely controllable. Therefore, this method can be applicable to in manufacturing breathable film precisely at a high speed.
Keywords: Laser machining(레이저 가공), Breathable film(숨쉬는 필름), Diffractive optic element(회절광학소자), Multi-pulse machining(다중 펄스 가공)1)
1. 서 론
최근 과일 채소류의 신선도를 오래 유지하기 위해 포장 재료와 저장 방법이 발전하고 있다. 열 적 안정된 폴리머 필름은 식품의 신선포장에 유 리하여 기능성 포장재로 많이 상용화되어 사용되 고 있다. 또한 신선도를 유지하기 위하여 엠에이 포장(Modified Atmosphere Packaging; MAP) 기법 을 사용하여 포장지 내에 발생하는 가스를 최적 조절하여 식품의 저장 기간을 연장한다.1 대표적 으로 필름 포장지 표면처리를 통하여 공기 투과 도를 조절하는 숨쉬는 필름이 있다. 이를 제작하 기 위해서 기계적으로 천공하는 방법과 화학 표 면 처리방법, 그리고 레이저 펄스를 이용한다. 레 이저를 이용한 방법은 펨토초 레이저, UV레이저, CO2 레이저를 이용하여 필름 표면 위에 미세 홈 을 만들어 공기투과도를 조절하는 방식으로2, 다
투고일 : 2014년 9월 18일 심사완료일 : 2014년 9월 22일 게재승인일 : 2014년 9월 25일
교신저자 : 손익부 ⌧ [email protected]
른 두 가지 방식과 비교했을 때 가공이 단순하고 공기투과도의 정밀한 조절이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 다양한 과일 및 채소류에 적용이 가능하여 Fig. 1과 같이 현재 상용화되어 사용되고 있다. 또한 이 방식으로 제작된 포장지 는 공기는 투과하지만 수분을 차단시킬 수 있어 다양한 기능성 포장지와 이를 응용한 제품의 제 작이 가능하다.3
Fig. 1 Vegetables in breathable film packaging fabricated by laser.
한국레이저가공학회지
유동윤․최훈국․손익부․노영철․이용탁․김영재․김영한․강호민․노지환 16
Journal of KSLP, Vol. 17, No. 3, September 2014 레이저를 이용한 기존 방법은 싱글 펄스를 이 용한 스캐너 방식의 가공 방법을 사용하였다. 이 방법으로 다량의 미세 홈을 가공할 때 레이저 시 스템이 복잡해지고 싱글 펄스로 공기투과도 조절 에 한계가 있다.4 이러한 한계를 극복하기 위하여 멀티 펄스로 여러 번 중첩하여 가공하는 방법을 사용하였다. 그리고 회절 광학 소자를 사용하여 시스템을 구성하였다. 회절광학소자를 이용한 가 공방식은 시스템을 간단하게 한 번에 다수의 다 양한 패턴을 가공할 수 있어5-6 빔 추적 방식의 스캐너 방식보다 간단하고 효율적이다. 이를 사 용하면, 최근에 연구된 대면적 고속 레이저 가공 을 위한 스캐너-스테이지 온 더 플라이7에서 스캐 너를 대체 가능할 것으로 보인다.
본 논문에서는 30μm 두께의 폴리프로필렌 필름 위에 한 묶음의 펄스를 여러 번 조사하는 레이저 멀티 펄스 가공과 회절광학소자를 이용한 멀티 미 세 홈을 가공하여 미세 홈 크기 정밀 조절과 함께 고속 가공에 대한 가능성을 확인하였다.
2. 실험 구성 및 방법
본 실험을 위해서 사용된 레이저는 Coherent 사의UV 나노초 레이저(모델명 : AVIA 266-3)을 사용하였으며, 266nm의 파장, 30kHz의 펄스 반 복률과 최대 3W의 출력을 갖는다. 또한 한 번에 다중 패터닝을 하기위해 사용된 회절광학소자는 Holoor 사의 1☓3 DOE로 빔이 3개로 분기되는 소자이다.
Table 1 UV laser specification
Model AVIA 266-3
Wavelength 266nm
Pulse repetition rate 30 Hz
Maximum Power 3W
Beam mode TEM00
Table 2 Diffractive beam splitter specification
Model TS-008-W-Y-A
Operating Wavelength 266nm
Number of Spot 3
Separation angle 0.32˚
실험 구성은 Fig. 2와 같고, UV레이저 광원에서 나오는 빔이 미러를 거쳐 회절광학소자에 도달하여 빔이 3개로 분기되고, 그 빔은 초점거리 57.2mm의 단 렌즈를 지나 필름 표면에 맺히게 된다.
Fig. 2 Experiment setup for laser multi-pulse radiation using diffractive beam splitter.
실험은 Fig. 3과 같은 개념으로 진행되었다.
UV레이저 광원의 버스트모드(burst mode)를 사용 하였다. 이 기능은 레이저의 펄스를 1-255개 사 이로 일정 개수의 펄스를 레이저 광원 밖으로 내 보내는 기능으로 이를 사용하여 싱글, 멀티 펄스 가공이 가능하다.
실험은 1.26W의 동일 레이저 출력 조건에서 진행되었고, Fig. 3처럼, 한 묶음이 1-5개 되는 펄 스를 각각 필름 위에 조사시키고, 그 위에 같은 수의 펄스를 2번 더 조사한 후 스테이지를 움직 여서 연속적으로 가공되도록 하였다(멀티 펄스 중첩 가공). 그리고 정밀 가공 특성을 비교하기 위해 중첩된 수(3, 6, 9, 12, 15개)와 동일한 개수 의 펄스를 한 번에 필름에 조사하여(멀티 펄스 원샷 가공) 결과를 비교하였다.
(a) 1st radiation (b) 2nd radiation
(c) 3rd radiation
Fig. 3 Experiment method for laser multi-pulse radiation by using a 1☓3 diffractive beam splitter.
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3. 실험 결과
위에서 구성한 실험 장치에서 멀티 펄스 중첩 실험한 결과는 Fig. 4와 같은 미세 홈이 필름 위 에 어레이로 가공된 숨쉬는 필름으로 확인할 수 있다. 미세 홈 간의 거리는 약 318μm로 이 거리 는 회절광학소자와 그 뒤의 초점을 맺게 하는 단 렌즈의 거리를 조정하면 조정가능하다.
Fig. 4 A microscope image of micro-grooves fabricated by using laser multi-pulse radiation in a case of 5 pulses.
Fig. 4의 5개 펄스를 중첩 시켜 가공한 결과에서 볼 수 있듯이 동일 개수의 펄스 중첩 가공일 경우 미세 홈의 크기는 ±3μm정도의 오차 범위로 가공 가능하다. 이는 스테이지에 샘플 고정상태, 스테이 지 이동 오차, 필름 고정시킨 장력의 정도에 따라 달라지나, 펄스 수에 따라서 비례되어 크기가 커지 는 경향을 확인할 수 있었다. Fig. 5와 Fig. 6에서 가공하는 펄스 수에 따른 미세 홈의 크기와 깊이 를 정리하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 펄스 를 여러 번 중첩 시킨 경우가 같은 수의 펄스를 한 번에 조사시켜 가공한 결과보다 가공된 폭과 깊이가 작음을 알 수 있다. 그 중에서도 공기 투과 도와 더 연관이 있는 깊이 방향의 가공을 살펴보 면, 필름이 뚫어지지 않고, 깊이 증가 폭이 멀티 펄스 가공보다 작다는 것을 볼 수 있다.
Fig. 5 Comparison of width of micro-grooves fabricated multi-pulse radiation and pulses one-shot radiation.
Fig. 6 Comparison of depth of micro-grooves fabricated multi-pulse radiation and pulses one-shot radiation.
이는 펄스를 한 번에 순간적으로 모아서 조사 하는 경우(펄스원샷가공) 펄스의 수는 같지만 그 것을 나누어서 여러 번 중첩시키는 경우(멀티 펄 스 중첩 가공)보다 순간적으로 많은 에너지를 받 게 되므로 레이저의 열 영향 또한 보다 더 많아 지기 때문이다. 이러한 가공 특성을 잘 활용한다 면 보다 정밀한 가공 방법에 대해 활용 가능할 것이다.
그리고 회절광학소자를 사용하기 때문에, Fig.
3과 Fig. 4와 같이 한 번에 여러 개의 패턴 가공 이 용이하다. 실험에서는 빔이 3개로 분기되는 소자를 사용하였으나, 보다 많은 빔으로 분기되 는 회절 광학 소자를 사용한다면 고속 가공이 가 능할 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 회절광학소자와 멀티 펄스 중첩 가공 기술을 사용하여, 보다 정밀하고 빠른 가공 속도의 가공 방법에 대해서 실험하였다. 일정 수 의 펄스를 한 번에 조사시키는 멀티 펄스 원샷 가공과 그와 동일한 수의 펄스를 여러 번 나누어 가공하는 멀티 펄스 중첩 가공 실험을 하였고, 멀티 펄스 중첩 가공이 보다 정밀하게 미세 홈의 깊이 조절이 가능하였다. 그리고 회절 광학 소자 를 함께 사용하여 한 번에 여러 패턴을 동시에 가공하여 고속 가공의 가능성 또한 확인하였다.
이 결과를 통하여 보다 많은 빔으로 분리되는 회 절광학소자와 멀티 펄스 중첩 가공을 접목한다면, 단순하면서 고속 정밀 가공 가능한 숨쉬는 필름 가공 시스템을 산업에 응용할 수 있을 것으로 기 대된다.
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5. 후 기
본 연구는 2013년 농림수산식품기술평가원의 생명산업기술개발사업과제(111080-3)와 2013년도 광주 과학 기술원의 재원 인 아시안 레이저 센터 운영 연구 사업의 지원으로 수행되었습니다.
References
1) J.N. Park, J.H. Kyoung, C.S. Jeong, “Optimum Gas Ratio and Packaging Films for Active MA Packaging of Cut Red Cabbage”, Journal of Agricultural, Life and Environmental science, Vol. 24, No. 1, 2012, pp. 67-72.
2) H.K Choi, I.B. Sohn, Y.C Noh, Y.J. Choi, I.G. Chang, “Fabrication of Breathable Film using Laser Pulses”, J. Korean Soc. Precis.
Eng., Vol. 30, No. 4, 2013, pp. 409-413.
3) Ik-Bu Sohn, Hun-Kook Choi, Dong-Yoon Yoo, Young-Chul Noh, Joung-Nyon Kim, Ho-Min Kang, “Study of the breathable film processing techniques for microwave oven using a laser”, Journal of KSLP, Vol. 16, No. 3, 2013.
4) I.B. Sohn, Y.C. Noh, S.C. Choi, D.K. Ko, J.
Lee, and Y.J. Choi, “Femtosecond laser ablation of polypropylene for breathable film,” Applied Surface Science 254, 4919-4924, 2008.
5) J. Kato, N. Takeyasu, Y. Adachi, H.B. Sun, S.
Kawata, “Multiple-spot parallel processing for laser micronanofabrication,” Applied Physics Letter, 86, 044102(2005)
6) Z. Kuang, D. Liu, W. Perrie, S. Edwardson, M. Sharp, E. Fearon, G. Dearden, and K. Watkins,
“Fast parallel diffractive multi-beam femtosecond laser surface micro-structuring,” Applied Surface Science 255, 6582-6588, 2009.
7) J.H. Lee, K.H. Yoon, K.H. Kim, “Laser Processing System Design of Ultrafast/High Precision/large Area”, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No.
6, 2012, pp. 640-647.
