PZT를 이용한 초정밀 레이저 가공용 고주파 진동장치 민감도 분석 및 설계에 관한 연구

Abstract

향후의 NT, BT, IT 분야의 고부가가치 핵심부품 및 기기는 극소형화 되는 추세로 연구 개발되고 있으며 나노레벨의 초미세 형상 가공기술이 요구되고 있다. 이를 위하여 기존의 레이저 빔 가공기술로는 도달하기 불가능한 나노 레벨의 선폭/홀을 산업적으로 손쉽게 가공할 수 있는 새로운 공정기술 및 시스템 개발이 필요하다. 이 연구의 적용대상인 펨토초 레이저 가공을 이용하면, 대상 재질의 상관없이 모든 재료에 있어 나노가공이 가능하고 부가 공정없이 초정밀 공정으로 단시간 내에 나노급 패턴 및 홀 형상을 얻을 수 있다. 이 기술의 적용 분야로는 나노약물 함유 가공기술이 필요한 차세대 핵심 BT소자인 약물 전달용 바이오 메디컬 스텐트(Drug delivery stent)로서 높은 종횡비(Aspect ratio)와 표면조도 등이 필요한 기술이다. 그러나 현재의 펨토초 레이저 가공기로도 좋은 표면품질과 큰 종횡비를 얻기 어렵다. 이를 위해서는 가공시스템의 개선이 필요하다. 이 논문에서는 압전구동기(Piezoelectric transducer, PZT)를 이용하여 고주파로 진동하는 장치설계에 대해 연구하였다. 이 장치는 펨토로 레이저 가공기의 레이저 스팟(Spot)을 가공면에 수직한 방향으로 진동시키는 역할을 한다. 이것은 기존의 레이저 가공 시스템에 고주파 진동장치를 장착하여 레이저가 가공면에 닿을 때 고주파의 진동으로 인해 버(burr)나 잔해물(debris) 발생이 줄어드는 가공을 하게 되는 시스템이다. 압전구동기의 진동은 직진성 있게 움직여야 되므로 대칭적으로 가이드(guide)를 설계 하였고 높은 주파수 영역의 진동을 선호하므로 진동장치의 강성을 높게 설계하였다. 또한 진동장치 안에 있는 렌즈(eyepiece)에 직접적으로 힘을 받지 않아야 되므로 렌즈 상하 부분에 가이드를 연결하여 PZT가 가이드에 힘을 가하는 방식으로 설계하였다. 마지막으로 진동장치의 중앙에는 레이저빔이 통과하여야 되기 때문에 중공형 타입의 PZT를 사용하였다. 설계한 고주파 진동장치와 구동기인 PZT의 유한요소해석을 통해 고유진동수와 변위량을 구할 수 있었고 이를 바탕으로 실험장치를 구성하여 실험을 하였다. 그리고 더 높은 주파수 영역에서의 진동을 구현하기 위해 설계변수에 대한 민감도분석을 수행하여 최적의 진동장치 모델을 얻을 수 있었다. 진동장치의 주파수응답실험(Frequency Response Function)을 통해 시스템의 고유진동수를 찾을 수 있었고 그 고유진동수에서의 최대 변위량을 정전용량형(Capacitive)센서와 LDV(Laser Doppler Vibrometer)을 이용하여 측정하였다. 이는 유한요소해석에서 구한 값과 비슷한 결과를 얻을 수 있었고 시스템을 더 강건하게 보완하면 더 높은 주파수 영역에서도 진동을 할 수 있다.