제목 레이저 펄스 효과(Pulse effect)
등록일 2021-05-25
 짧은 펄스 폭을 가진 레이저 광원을 사용하면 소재의 열적 영향(HAZ; Heat Affect Zone)을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 펄스 폭이 길수록 가공 대상물의 열 영향부가 커지게 되는데, 이는 광자 에너지와 재료간의 에너지 전달 메커니즘과 연관이 있다.
  레이저 빔은 빛이기 때문에 광자 에너지 형태로 재료에 흡수되게 된다. 레이저 빔이 조사 되고 재료를 구성하고 있는 물질의 자유전자가 광자 에너지를 흡수하게되면 광전자 가열이 일어난다. 이렇게 가열에 사용된 에너지는 약 1~10ps 정도의 시간이 지나면 다시 안정화된 구조로 돌아가려 하는 자유전자로부터 재료를 구성하는 격자로 열 에너지형태로 전달된다. 전달된 열에너지는 조사된 영역 기준에서 주변으로 열 에너지 형태로 ns 영역에서 전파가 이루어지게 되고, us 영역에서 전달 에너지가 소진되기 전까지 연속적으로 진행되며 대상 구조물 형상의 변화에 영향을 주는 용융과 어블레이션이 진행된다.
  레이저에 의한 어블레이션(ablation, 제거)은 자유전자의 레이저 에너지 흡수와 흡수된 에너지 주변 격자로의 전달에 의해 발생한다. 이를 위해 충분한 밀도의 자유전자가 존재해야 하며, 이를 임계밀도라 한다. 자유전자를 생성해야 하는 유전체보다 자유전자가 많은 금속이 상대적으로 쉽게 가공이 가능하다. 임계밀도 이상의 자유전자에 레이저가 조사되면 자유전자로 레이저 에너지가 흡수되고 주변 격자로 에너지가 전달되어 원자의 격자구조가 붕괴되어 어블레이션이 발생한다. 이때 전자에 의한 광자의 흡수는 약 10 펨토초(fs) 동안 이루어지고, 전자에서 격자로 에너지가 전달되는 시간은 약 10 피코초(ps) 정도이다. 그리고 광의 침투깊이는 열전도에 의한 격자 내 열 확산 시간 또한 1 피코초 정도이다.
  나노초 레이저의 경우 전자가 레이저 에너지를 흡수하고 격자에서 열 확산이 일어나는 시간 이상으로 레이저가 조사되므로 열 영향이 필연적으로 발생하게 된다. 그러나 펨토초 레이저와 같은 극초단 레이저의 경우 전자에서 격자로 에너지가 전달되기 전에 펄스가 정료되므로 모든 에너지가 표면층에 저장되고 주변으로 열 전달이 일어나지 않는다. 저장된 에너지가 재료의 임계에너지를 넘어서게 되면 어블레이션이 진행되고 재료가 제거된다. 이때 주변으로 에너지 전달이 없으므로 최초 레이저 에너지를 흡수한 부분만 제거가 이루어진다.


  레이저 펄스가 길면 열적인 영향을 많이 받기 때문에 크랙(Crack)이나 파편(Debris)이 많이 발생할 수 있지만 짧은 펄스는 열적인 영향을 최소화 하여 크랙이나 파편 없이 좋은 품질을 얻을 수 있다. 그렇기 때문에 고정밀 미세 가공에서는 짧은 펄스 레이저를 많이 사용한다. 최근에는 기술의 발달로 인해 피코와 펨토 레이저까지 산업에 많이 사용하고 있다. 하지만 펄스가 짧을수록 높은 비용이 발생하기 때문에 품질 스펙에 맞는 적절한 레이저를 선택하여야 한다.




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