레이저빔을 이용한 알루미나(Al_(2)O_(3))와 폴리머재료의 천공에 관한 연구 = (The) research of drilling into the materials of Al_(2)O_(3) and polymer by laser beam
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2002
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원: 금속공학과 2002. 2
발행연도
2002
작성언어
한국어
주제어
KDC
559.7722 판사항(4)
발행국(도시)
서울
형태사항
vii, 77p. : 삽도 ; 26 cm .
일반주기명
지도교수: 김도훈
소장기관
본 연구는 알루미나(Al_(2)O_(3)), PTFE(Polytetraflorethylene)와 폴리이미드(Polyimide) 재료의 레이저빔 천공시 최적의 공정조건을 구하고, 레이저빔과 재료들간의 상호작용에 대한 현상 규명을 위해 수행된 기초 연구이다. 공정의 최적화를 위하여 고밀도 열원인 레이저빔을 이용하여 복합적인 변수를 고려하고, 산업현장에 적합한 결과를 유추하고자 하였다.
알루미나는 92% 순도의 두께 600㎛의 판 형태이고, 폴리이미드는 75㎛두께의 필름형태, 그리고 PTFE는 가는 튜브(tube)형이다. CO_(2) 레이저빔과 UV 레이저빔을 각 재료에 조사하여 각 재료에 대한 레이저빔과의 상호작용을 비교ㆍ분석하였다. 천공부의 형상을 알아보기 위해 광학현미경과 SEM 분석을 실시하여 거시적ㆍ미시적인 관찰을 수행하였다. 크게 두 가지 조건을 정하여 실험을 하였는데 첫 번째는 레이저빔과 재료사이의 동일한 작용시간을 주고 펄스 수를 조절한 것과 두 번째는 동일하게 펄스 수를 두고 작용시간 즉 주파수를 조절한 실험을 하였다. 전자의 경우 작용시간이 증가할수록 양호한 천공부를 보였는데, 작용시간이 증가할수록 펄스 당 에너지가 커져 재료의 제거가 용이하게 된 것으로 사료된다. 또한 후자의 경우 동일하게 펄스 수를 주면서 작용시간을 감소시키면 열 영향구역 (HAZ : Heat Affected Zone)이 적어지면서 재료의 제거가 급속히 이루어져 양호한 천공부를 보이는 것으로 사료된다.
최적화된 조건에 의해 조사된 천공부 직경은 레이저빔과 변수에 따라 알루미나의 경우 최소 10㎛에서 최대 250㎛, 폴리이미드의 경우는 최소 30㎛에서 최대 220㎛, 그리고 PTFE인 경우에는 최소 30㎛에서 최대 225㎛의 직경을 나타내었다.
또한 부적절한 변수에 의한 레이저빔 주사시 경사(taper), 입술모양(hole lip shape), 부스러기(debris), 균열(crack) 등이 관찰되었다. 이는 재료의 레이저빔 조사시 재료 표면 증발의 결과로 반충압력(recoil pressure)이 생성되어 재료 내에 용융물들이 구멍 밖으로 분출 후 응고되어 생긴 부스러기와 이러한 구멍 부식의 변화로 인한 경사, 그리고 너무 큰 펄스 에너지로 인한 프라즈마 형성과 열응력으로 인해 균열이 생긴 것으로 사료된다. 그러므로 레이저 천공을 위한 재료를 제거시키기 위해서는 필요한 한도 내에서 짧은 펄스의 큰 레이저 강도를 유지시켜야 한다.
This paper deals with the research on drilling into the materials of Al_(2)O_(3), Polyimide and PTFE(Polytetraflorethylene) that are widely used in electronics and medicine industries to find the most appropriate process condition. It is the basic research to correctly understand the interaction between laser beam and the materials. It uses laser beam, which is heat source of high density, to optimize the process considering the complex variables and to draw an appropriate result for industry field.
Al_(2)O_(3) is the plate that shows 92% of purity degree with 600㎛ thickness and Polyimide is a film with 75㎛ thickness. And PTFE is a thin tube. It applied CO_(2) laser beam and UV laser beam to each material to compare and analyze the interaction. It used optical microscope to investigate the shape of drilled part and performed SEM analysis to watch it both broadly and microscopically. Two conditions were applied for the test. First, it applied the same interaction time between laser beam and material to control the number of pulses. Second, it controlled the interaction time, with same number of pulses.
In the case of the previous, the higher the interaction time was, the better the perforated area was. It is believed that the higher the interaction time, the larger the energy for a pulse became and it was easy to remove the material. In the case of the latter, when it decreased the interaction time with same number of pulses, it narrowed HAZ (Heat Affected Zone) and rapidly removed the material.
The diameters of drilled area which was beamed with optimized condition were as follows according to the laser beam and variables; In the case of Al_(2)O_(3), it was from minimum 10㎛ to maximum 250㎛. In the case of Polyimide, it was from minimum 30㎛ to maximum 220㎛. In the case of PTFE, it was from minimum 30㎛ to maximum 225㎛. When the laser was beamed, taper, hole lip shape, debris and crack were observed due to improper variables. It was believed that some parts of surfaces of the materials were evaporated during laser beaming and it produced recoil pressure and spouted fused matter out through holes. And the matter became solid and it produced debris and slope due to the corrosion in the holes. The crack could be produced because of the thermal stress and plasma formed with too big pulse energy. So it should maintain enough laser intensity of short pulse within necessary limit to remove material which is to be drilled.
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