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PZT 진동 보조장치를 이용한 레이저 가공성 향상에 관한 연구

A study on improvement of laser machining using a PZT vibration assisting device

초록/요약

국 문 요 약 최근 들어 Nano Technology, Bio Technology, Information Technology 분야에서의 고부가가치 부품과 기기들은 소형화되는 경향이 있다. 또한, 특정 부품에 있어서는 나노 레벨의 초미세 형상 가공기술이 요구되는 추세이다. 이를 위해 기존의 레이저 가공 시스템으로는 달성하기 힘들었던 나노 레벨의 선폭/홀을 산업적으로 쉽게 가공할 수 있는 새로운 공정 및 시스템이 필요하다. 본 연구의 적용 대상인 펨토 초 레이저 가공 시스템을 이용하면, 대상 재질에 상관없이 모든 재료에 있어서 나노 레벨의 가공이 가능하다. 또한, 부가 공정 없이 정밀하고 빠르게 나노 레벨의 패턴 및 홀 형상을 얻을 수 있게 된다. 이 기술은 나노 약물을 전달할 수 있는 메디컬 스텐트 (Drug delivery stent)분야에 적용할 수 있다. 펨토초 레이저 가공으로 스텐트 표면에 다수의 미세 홀(hole)을 형성하여 약물을 전달하는 기술이다. 이 기술을 실현하기 위해서는 높은 종횡비(Aspect ratio)와 우수한 표면조도 등의 가공 기술이 요구된다. 그러나 현재의 펨토 (Femto) 초 레이저 가공기술로도 높은 종횡비와 우수한 가공 표면을 구현하기는 힘들며, 이를 해결하기 위해서 가공시스템의 개선이 필요하다. 본 논문에서는 PZT(Piezoelectric Transducers)를 이용하여 레이저 광하계의 대물렌즈(eyepiece)를 고주파로 진동하는 장치를 설계하고 제작하여 펨토초 레이저 가공기에 적용한다. 또한, 가공 실험을 통하여 미세형상가공의 가공성향상 여부에 대해 검증하였다. 기존의 레이저빔만을 이용한 가공과는 달리 PZT로 고주파 진동을 하는 렌즈를 거쳐서 가공을 하게 되면 높은 종횡비와 깔끔한 가공 표면을 얻을 수 있고, 버(burr)와 잔해물(debris) 발생을 억제한 미세가공을 할 수 있었다. 기존의 레이저 가공시스템보다 최소가공형상이 미세해 지고, 가공정밀도가 높아지는 것이다. 설계한 고주파 진동장치에 대해 정적, 모드, 하모닉 등의 유한요소해석을 수행하였다. 제작 후의 실험에서는 주파수응답실험 (Frequency Response Function)을 통해 진동장치의 고유진동수를 찾았고, 그 고유진동수에서의 최대 변위량을 LDV(Laser Doppler Vibrometer)와 정전용량형(Capacitive)센서를 이용하여 측정하였다. 해석과 실험 결과를 비교하였으며 또한, 설계에 따라 제작한 고주파 진동장치를 실제 레이저 가공 시스템에 직접 장착하여 구리(Cu) 시편에 가공 실험을 수행하였다. 이를 통하여 가공의 종횡비가 커지고, 가공 표면의 품질 향상되는 것을 확인하였다.

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목차

1. 서론 1
2. 연구 배경 3
2.1 기존연구 현황 및 분석 3
2.2 연구목적 및 적용분야 8
3. 레이저 가공 시스템 설계 10
3.1 진동장치 구성 10
3.2 구동기 선정 12
3.3 진동장치 제작 18
4. 진동장치 유한요소해석 23
4.1 해석조건 결정 23
4.2 정적해석 24
4.3 모드해석 27
4.4 하모닉해석 29

5. 진동장치 설계 검증 실험 31
5.1 주파수응답 실험 31
5.2 주파수응답 실험 결과 34
5.3 운동변위 측정 실험 35
5.4 축 방향 운동변위 측정 실험 결과 40
5.5 기생 방향 운동변위 측정 실험 결과 41
5.6 실험 결과 비교 및 분석 43
6. 레이저 가공 실험 45
6.1 실험구성 및 조건 45
6.2 시편 분석 결과 48
7. 결론 및 향후계획 55
8. 참고문헌 58


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