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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조성학
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
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최근, 전자기기의 고성능화와 전기차의 도입으로 전자 부품의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 그중에서, 전자부품의 전기를 공급해 주는 MLCC 및 battery의 중요성은 점차 증가하는 추세이다. 이런 추세에 맞게 MLCC는 고성능 및 소형화의 요구가 대두되고 있으며, 배터리는 더 나은 생산성을 필요로 하고 있다. 이런 요구를 충족시키기 위해 MLCC 및 battery 제조 공정 중 절단하는 공정에서 더욱 예리하며 폭이 좁은 칼날의 필요성이 대두되고 있다. 하지만, 현재, 약 18도의 예리함과 30 µm의 폭을 가진 칼날을 기존의 제조 방식으로 예리한 각도와 더 좁은 폭을 가진 절단 칼날을 제작하기 어렵다. 또한 절단 칼날 재료로 주로 사용되는 텅스텐 카바이드의 재료는 일반적인 가공 방식으로는 미세하게 가공하기 어려운 특성을 지니고 있으며, 매우 얇은 텅스텐 카바이드는 깨지기 쉬운 문제점을 지니고 있다.
이러한 문제점을 극복하고자, 재료의 특성에 상관없이 재료를 가공할 수 있으며, 비접촉식 가공 방법으로 물리적인 힘을 가하지 않기 때문에 절단 칼날의 파손 위험이 없는 펨토초 레이저 가공 기술이 텅스텐 카바이드를 가공하는 것에 사용되고 있다.
본 논문에서는 첫번째로, 극초단 레이저와 텅스텐 카바이드와의 상호작용을 분석 및 보고 하였다. 레이저 펄스 폭이 짧을수록, 질수록, 재료를 가공하는 가공 임계값이 낮아졌다. 190 fs에서의 가공 임계값은 0.32 J/cm2 이다. 또한, 낮은 에너지에서 펄스 폭에 상관없이 Ripple이 형성되는 것을 보여준다. 그리고, 펄스폭이 길어질수록 레이저와 표면의 가장자리에 큰 버들이 형성된다. 두번째로, 190 fs 레이저 펄스를 높은 에너지로 텅스텐 카바이드에 조사하였을때, 가공되는 직경, 깊이, 및 가공 형상을 분석 및 보고 하였다. 높은 에너지는 재료에 높은 온도를 유발하게 된다. 그로인해, 재료를 녹이게 되고, 더욱 큰 버들이 형성된다. 또한, 다수의 레이저 펄스를 조사할 때, 재료 표면에 모든 레이저 펄스가 조사하게 되면 높이가 크고 길이가 짧은 버들이 형성된다. 하지만, 레이저 펄스를 가공 바닥에 위치하게 되면, 높이가 짧고, 길이가 긴 버들이 형성됨을 보여준다. 그리고, 레이저 빔의 포커스 위치가 가공 바닥면에 위치할 경우, 가공 직경은 감소하고, 깊이가 깊어지는 가공 결과물을 얻을 수 있다. 세번째로, 총 입사된 레이저 펄스 에너지는 같으며, 각 펄스 에너지를 다르게 하여 레이저 펄스를 조사하였다. 이 때, 총 입사 에너지가 같더라도, 재료 가공 임계값의 에너지에서는 버의 형성을 최소화하며 미세 가공 할 수 있음을 보여준다. 마지막으로, 더욱 향상된 미세가공을 수행하기 위해서 슬릿 광학계를 활용한 빔 변형 기술을 도입하였다. 기존의 가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저 펄스는 가운데에 집중된 에너지로 인해 불균일한 가공면을 얻게 되었다. 또한 불균일한 에너지 분포로 인해 미세한 가공이 어렵다. 하지만 슬릿 시스템을 통한 빔 쉐이핑 기술을 통해 에너지 분포를 균일하게 하였으며, 균일한 가공 바닥면을 얻게 되었고, 미세한 가공을 수행할 수 있었다. 이로 인해, 25 nm의 가공 깊이로 가공할 수 있는 공정을 개발할 수 있었다. 이러한 텅스텐 카바이드의 초미세 가공 기술은 레이저 가공 산업에 큰 도움이 될 것이라 판단된다.
이러한 문제점을 극복하고자, 재료의 특성에 상관없이 재료를 가공할 수 있으며, 비접촉식 가공 방법으로 물리적인 힘을 가하지 않기 때문에 절단 칼날의 파손 위험이 없는 펨토초 레이저 가공 기술이 텅스텐 카바이드를 가공하는 것에 사용되고 있다.
본 논문에서는 첫번째로, 극초단 레이저와 텅스텐 카바이드와의 상호작용을 분석 및 보고 하였다. 레이저 펄스 폭이 짧을수록, 질수록, 재료를 가공하는 가공 임계값이 낮아졌다. 190 fs에서의 가공 임계값은 0.32 J/cm2 이다. 또한, 낮은 에너지에서 펄스 폭에 상관없이 Ripple이 형성되는 것을 보여준다. 그리고, 펄스폭이 길어질수록 레이저와 표면의 가장자리에 큰 버들이 형성된다. 두번째로, 190 fs 레이저 펄스를 높은 에너지로 텅스텐 카바이드에 조사하였을때, 가공되는 직경, 깊이, 및 가공 형상을 분석 및 보고 하였다. 높은 에너지는 재료에 높은 온도를 유발하게 된다. 그로인해, 재료를 녹이게 되고, 더욱 큰 버들이 형성된다. 또한, 다수의 레이저 펄스를 조사할 때, 재료 표면에 모든 레이저 펄스가 조사하게 되면 높이가 크고 길이가 짧은 버들이 형성된다. 하지만, 레이저 펄스를 가공 바닥에 위치하게 되면, 높이가 짧고, 길이가 긴 버들이 형성됨을 보여준다. 그리고, 레이저 빔의 포커스 위치가 가공 바닥면에 위치할 경우, 가공 직경은 감소하고, 깊이가 깊어지는 가공 결과물을 얻을 수 있다. 세번째로, 총 입사된 레이저 펄스 에너지는 같으며, 각 펄스 에너지를 다르게 하여 레이저 펄스를 조사하였다. 이 때, 총 입사 에너지가 같더라도, 재료 가공 임계값의 에너지에서는 버의 형성을 최소화하며 미세 가공 할 수 있음을 보여준다. 마지막으로, 더욱 향상된 미세가공을 수행하기 위해서 슬릿 광학계를 활용한 빔 변형 기술을 도입하였다. 기존의 가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저 펄스는 가운데에 집중된 에너지로 인해 불균일한 가공면을 얻게 되었다. 또한 불균일한 에너지 분포로 인해 미세한 가공이 어렵다. 하지만 슬릿 시스템을 통한 빔 쉐이핑 기술을 통해 에너지 분포를 균일하게 하였으며, 균일한 가공 바닥면을 얻게 되었고, 미세한 가공을 수행할 수 있었다. 이로 인해, 25 nm의 가공 깊이로 가공할 수 있는 공정을 개발할 수 있었다. 이러한 텅스텐 카바이드의 초미세 가공 기술은 레이저 가공 산업에 큰 도움이 될 것이라 판단된다.
목차
AbstractChapter 1. Introduction 1Reference 3Chapter 2. Theory 52.1 Fundamentals of Femtosecond Laser Processing 52.2 Principles and Characteristics of Femtosecond Laser processing 62.2.1 Nonthermal Processing 62.2.2 Minimized Heat-Affected Zone 72.2.3 Nonlinear Absorption (Photoionization) 82.3 Lasers for Ultrafast Laser - Materials Processing 92.4 Ablation of metals 132.5 Ablation threshold fluence 172.6 Laser Beam shaping 19Reference 21Chapter 3. Ablation threshold and interaction of cemented carbide ablated by ultrafast laser 303.1. Introduction 303.2. Experimental setup and methods 323.3. Results and discussions 333.3.1 Ablation threshold 333.3.2 Gentle ablation 353.3.3 Strong ablation 363.4. Conclusions 38References 40Chapter 4. Morphologies of cemented tungsten carbides irradiated by femtosecond laser with high pulse energy for machining enhanced cutting tools 494.1. Introduction 504.2. Experimental setup 524.3. Results and Discussion 544.4. Conclusions 59References 60Chapter 5. Morphologies of cemented tungsten carbide ablated by pulsed femtosecond laser to manufacture next-generation blades of a cutting tool 685.1 Introduction 695.2 Experiments 725.3. Results and Discussions 735.4 Conclusion 76References 78Chapter 6. Fine ablation with depth control of 25-nm resolution and morphologies irradiated by the femtosecond laser pulses via beam shaping 886.1. Introduction 896.2. Experimental 916.3. Results and discussion 926.4. Conclusion 96Reference 97Chapter 7. Conclusion 109
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