레이저 熱源을 이용한 炭素鋼의 表面變態硬化 工程에 관한 硏究

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工學 學 學碩 碩 碩士 士 士 學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文

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表面 面 面變 變 變態 態 態硬 硬 硬化 化 化 工 工 工程 程 程 에 에 에 관 관 관한 한 한 硏 硏 硏究 究 究

A StudyonSurfaceTransformationHardeningProcess forCarbonSteelbyLaserHeatSource

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목 목

목 차 차 차

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111...서서서론론론 ···1

1 1 1...111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 ···1

1 1 1...222연연연구구구 내내내용용용 ···4

222...이이이론론론적적적 배배배경경경 ···6

2 2 2...111레레레이이이저저저 표표표면면면변변변태태태경경경화화화 ···6

2.1.1레이저 표면변태경화 메커니즘 ···6

2.1.2레이저 표면변태경화 공정의 특징 ···13

2 2 2...222레레레이이이저저저 가가가공공공장장장치치치 및및및 빔빔빔 성성성형형형법법법 ···18

2.2.1레이저 가공장치 ···18

2.2.2빔 성형법 ···32

333...실실실험험험 내내내용용용 ···38

3 3 3...111실실실험험험 재재재료료료 및및및 장장장치치치구구구성성성 ···38

3.1.1실험 재료 ···38

3.1.2실험 장치 ···44

3 3 3...222실실실험험험 및및및 분분분석석석 방방방법법법 ···47

3.2.1실험 방법 ···47

3.2.2분석 방법 ···52

444...실실실험험험 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰 ···54

4 4 4...111NNNddd:::YYYAAAGGG레레레이이이저저저를를를 이이이용용용한한한 표표표면면면변변변태태태경경경화화화 ···54

4.1.1지배 공정변수에 따른 표면변태경화 특성 ···55

4.1.2열축적이 경화부에 미치는 영향 ···70

4.1.3경도분포 특성 ···74

4.1.4최적의 빔 사이즈 선정 ···79

4.1.5경화부 조직분포 ···81

4 4 4...222광광광학학학계계계 차차차이이이에에에 따따따른른른 표표표면면면변변변태태태경경경화화화 특특특성성성 비비비교교교 ···84

4.2.1빔의 경화 특성 ···84

4.2.2단면형상 및 경도분포 ···86

4.2.3공정변수의 최적화 ···90

4.2.4경화조직 특성 비교 ···94

4 4 4...333경경경화화화부부부의의의 조조조직직직학학학적적적 고고고찰찰찰 ···98

4.3.1광학 및 전자현미경(SEM)을 이용한 미세조직 관찰 ···98

4.3.2EPMA에 의한 탄소농도 분석 ···105

4.3.3전자회절패턴을 통한 격자구조 해석 ···111

555...결결결론론론 ···118

참참참고고고 문문문헌헌헌 ···120

A A A S S St t tu u ud d dy y yo o on n nS S Su u ur r rf f fa a ac c ce e eT T Tr r ra a an n ns s sf f fo o or r rm m ma a at t ti i io o on n nH H Ha a ar r rd d de e en n ni i in n ng g gP P Pr r ro o oc c ce e es s ss s s f f fo o or r rC C Ca a ar r rb b bo o on n nS S St t te e ee e el l lb b by y yL L La a as s se e er r rH H He e ea a at t tS S So o ou u ur r rc c ce e e

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Laser, due to the unique beam property, has replaced most of the industrial process including a welding, cutting, drilling and surface modification.LTH(lasertransformation hardening)isonebranch ofthelaser surface modification processes.Compared to the conventional hardening methods such as induction and flame heating,LTH process has several superiorcharacteristics:first,itisanon-contactprocess.second,itiseasy tocontrolthehardeningdepth through adjustinglaserpower.third,itdose notrequiretheadditionalcooling system dueto selfquenching.forth,itis possible to harden the materialwith the localized and complicated shape.

fifth, it hardly leads to thermal deformation and lastly, a prominent hardening result(hardness)can be obtained despite the materials with the low carboncontent.

Thisstudy isrelated to thesurfacehardening ofrod-shaped carbon steel by thelaser-lathecompositeprocessing system.Theexisting studieson the LTH processhave been generally conducted by CO2laserand optichead

with an uniform power-intensity distribution.However,in thisstudy,two typesoflasers-Nd:YAG and highpowerdiodelaser(HPDL),whichhavea higher absorptivity and working flexibility comparatively were used as a heatsource.Also,two optic heads with the gaussian circular beam and rectangularbeam wereapplied to thisexperimentin orderto comparethe hardeningcharacteristicswithbeam profiles.

The laser power, revolution counts(rpm), beam traveling speed and overlap ratewereconsidered asthedominantprocessparameters,and the concepts of the circumferential speed and theoretical overlap rate were introduced to determine the working conditions,which were defined asa function oftherevolution countsand beam traveling speed.Thehardening depth and width depended on the heatinputas a combination ofthese parameters.

Threeissueswereconsidered in thisstudywithrespecttotheexperiment results -hardening characteristics with the dominantprocess parameters, longitudinaland depth directionalhardnessdistribution and behaviorofthe phase transformation in the hardened zone.Through these analysisofthe hardened zone,an optimization ofthe process parameters by both optic headscould beachieved and a feasibility ofthesurfacehardening by the gaussiancircularbeam wasverified.

Finally,itisexpected thatthisstudyprovidesmoreadvanced information aboutthe LTH process and contrives an improvementofthe processing quality.

1 1 1. . . 서 서 서론 론 론

1 1 1. . . 1 1 1연 연 연구 구 구 배 배 배경 경 경 및 및 및 목 목 목적 적 적

최근 국내에서는 자동차,항공ㆍ우주,조선,전자ㆍ통신 분야 등 산업전반에 걸쳐 레이저를 이용한 가공법이 급속히 확대되어가고 있다.레이저는 빔을 매 우 작은 스폿으로 집속시킬 수 있어 정밀가공에 적합하며,빔을 원거리까지 거 의 손실없이 전송할 수 있고 출력을 여러 갈래로 분기할 수 있다.또한,피가공 재와 직접적으로 접촉하지 않으므로 공구의 마모가 없을 뿐만 아니라 가공부위 에 열영향을 거의 미치지 않는다는 장점을 가지고 있다.이러한 레이저 열원의 우수한 특성으로 인해 기존의 절단(cutting),접합(joining),천공(drilling)및 표 면개질(surfacemodification)등과 같은 공정들이 레이저를 적용한 가공법으로 대체되고 있으며,이에 따른 품질,신뢰성 및 생산성 향상이 기대되고 있다^1~5). 일반적으로,레이저 가공기는 주로 단일 목적을 위한 전용기로 설계되는 경 우가 많기 때문에 부가가치가 높은 산업이 아니면 적용하는데 생산비용적 측면 에서 제약이 따른다.따라서 생산공정의 합리화 및 공작기계의 복합화 기술의 요구에 따라 레이저 복합가공 개념이 출현하게 되었다.여기서,레이저 복합가 공이란 선반이나 밀링 머신과 같은 기존의 공작기계에 레이저 장치를 결합하여 구성한 한 대의 가공기로 다양한 가공을 가능하게 한,공정 및 기술 집약적인 가공개념을 말한다.다시 말하면,동일 장치에서 피가공재의 위치는 변화시키지 않고 공구 및 레이저 광학계의 교환만을 통해서 다양한 공정을 한번에 효과적 으로 처리할 수 있는 것을 의미한다.이러한 개념의 레이저 복합가공기 개발을 통해 고품질화․고기능화를 지향하는 다품종 소량생산 및 변종변량생산이라는 시대적인 요구에 부응할 수 있을 뿐만 아니라,신개념 공정기술 개발 및 시스 템 제작기술 확보를 통해 생산성을 향상시키고 원가를 절감할 수 있는 등의 시 너지 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

선반(lathe)기반의 레이저 복합가공기에 있어서 레이저 열원은 빔과 재료 사

이에 열적 반응을 부여하며 선반은 피가공재를 다양한 속도로 회전시킨다.재 료가공에 있어서 레이저 빔과 재료 간의 상호작용 시간에 따른 거동을 파악하 는 것은 매우 중요하다.특히,레이저 빔만을 이송할 때와는 달리 피가공재가 동시에 회전하는 경우에는 회전수와 빔 이송속도에 따른 거동 역시 비중있게 고려되어야 한다.이러한 기본적인 메커니즘은 선반 기반의 복합가공기를 이용 하는 모든 가공에 동일하게 적용될 것으로 판단된다.

본 연구는 선반기반의 레이저 복합가공기 응용의 한 분야로,레이저 열원을 이용한 중탄소강(medium carbon steel)환봉의 표면변태경화(LTH : laser surfacetransformation hardening)공정에 관한 것이다.금속의 표면을 경화시 키는 방법에는 재료를 변태온도 이상으로 가열한 후,임계냉각속도(critical coolingrate)이내로 급랭․경화시키는 변태경화법(transformationhardening)과 탄소나 질소 등을 침투,확산시켜 경화시키는 침탄(carburizing)및 질화법 (nitriding)등이 있다.특히,기존의 변태경화법으로 주로 이용되고 있는 유도가 열법(induction heating)은 요구되는 경도를 얻을 수는 있지만 많은 에너지가 소모되고 추가적인 냉각수단이 요구되며 재료의 표면과 내부의 냉각속도 차이 로 인해 재료의 초과변형을 유발할 뿐만 아니라,유도코일 설계의 제약으로 인 해 복잡한 형상을 가진 피가공재의 경우에는 균일한 경화처리를 하는 것이 불 가능하다^6,7).반면,레이저를 이용한 표면변태경화(LTH)법은 고밀도로 집속된 레이저 빔의 고유한 특성 때문에 재료 전체 체적 대비 입열량이 작아 변형이 적고 복잡한 형상이나 국소부위 경화처리도 가능하다.또한,자기 냉각(self quenching)에 의해 경화되므로 추가적인 냉각수단이 요구되지 않을 뿐만 아니 라,경화능이 낮은 저탄소강의 열처리에 있어서도 탁월한 경도를 얻을 수 있다.

그러므로 레이저를 이용한 변태경화법은 높은 치수 정밀도가 요구되는 부위나 복잡한 형상을 가지는 재료의 선택적인 경화처리에 있어서 기존의 방법으로는 불가능했던 영역을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 필요 개소만 국부적으로 경화 처리함으로써 에너지를 절감할 수 있다^6~10).

본 연구에서는 환봉형상의 재료를 시험편으로 사용하였다.환봉은 기존의 평

판 시험재와 형상인자 및 가공환경이 다르므로 열사이클적 특성을 고려할 필요 가 있다.가공 특성 상,열전달이 비교적 용이하게 일어나는 평판 시험재에 비 해 환봉 시험재는 선반에 고정되어 회전하는 상태에서 레이저 빔이 조사되므로 열전달 루트가 제한되어 재료 내부에 열이 축적되기 쉽다.그러므로 이에 따른 가공조건의 선정 및 제어가 면밀히 검토되어야 한다.따라서,본 연구의 목적은 레이저 표면경화법의 적용범위를 단순한 형태에서 복잡한 형태로 넓힘과 동시 에 가혹한 가공환경 속에서 공정변수를 엄밀하게 검토함으로써 이상적인 열처 리 조건을 제시하는 데 있다.

1 1 1. . . 2 2 2연 연 연구 구 구 내 내 내용 용 용

본 연구에서는 기본적으로 Nd:YAG 레이저와 선반을 기반으로 하는 레이저 복합가공 메커니즘과 지배적인 공정변수에 따른 표면경화 특성을 파악하였으 며,나아가 표면용융을 유발하지 않고 충분한 경화깊이 및 경도를 얻을 수 있 도록 공정변수를 최적화하고 경도분포 및 조직관찰을 통해서 경화부 위치에 따 른 상(phase)의 분포 차이를 분석하였다.

(1)복합가공 공정 메커니즘 규명 및 지배 공정변수 선정

기존의 단일 가공공정과는 달리 레이저-선반 복합가공은 피가공재가 회전하 는 상태에서 특정 사이즈의 빔이 그 위를 진행하게 되므로 원주속도 (circumferentialspeed)와 이론 중첩률(theoreticaloverlap rate)의 개념을 정립 하여 복합공정 메커니즘을 규명하였다.또한,본 연구의 주제인 레이저 표면변 태경화 공정에 있어서 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 지배 공정변수 네 가지 를 선정하여 그 변화에 따른 변태경화 거동을 살펴보고자 하였다.

(2)지배 공정변수에 따른 표면경화 특성

지배적인 공정변수는 빔 사이즈,레이저 출력,시편 회전수 및 빔 이송속도로 압축할 수 있다.이 네 가지 모두 기본적으로 시편에 가해지는 입열량(heat input)을 좌우한다.특히,레이저 출력이 동일하더라도 시편 회전수 및 빔 이송 속도의 변화에 따라 원주속도와 중첩률이 변하므로 재료에 가해지는 단위시간 당 입열량도 달라진다.이렇듯 공정변수 설정에 따른 입열량 변화는 경화깊이, 폭 및 경도와 같은 경화 특성에 영향을 미칠 것으로 판단하였다.

(3)재료 내의 열축적 및 중첩이 경화 특성에 미치는 영향

평판 시편과는 달리,환봉 시편은 선반의 척(chuck)에 고정되어 회전하는 상 태에서 레이저가 조사되므로 레이저 빔 에너지가 시편 밖으로 배출되지 못하고 재료 내부에 축적된다.따라서 시편 내의 에너지 축적으로 인해 시간의 경과에 따라 동일 시편 내에서의 경화깊이와 폭이 점차 증가하며,입열량과 빔의 파워

밀도 및 중첩률의 증가에 따라 그 경향은 뚜렷해질 것으로 판단하였다.특히, 중첩률의 경우에는 열축적 외에도 경화조직에 영향을 미칠 것으로 예상하였다.

(4)빔 프로파일에 따른 표면경화 특성 비교 및 최적화

기존의 레이저 표면변태경화 공정에 관한 연구에서는 표면의 가열온도를 균 일하게 하기 위하여 주로 파워밀도 분포가 균일한 빔이 사용되었다.본 연구에 서는 가우시안 원형빔과 열처리 전용의 사각빔 광학계 두 가지를 적용하여 빔 프로파일 즉,빔의 형상 및 파워밀도 분포에 따른 경화특성 차이를 분석하였다.

또한,단면형상,경도분포 및 조직특성을 비교․검토하여 공정변수를 최적화함 과 동시에 비교적 산업에 널리 적용되고 있는 가우시안 원형빔을 이용한 표면 변태경화 공정의 가능성을 검토하고자 하였다.

(5)경화 부위별 조직분석

레이저 표면변태경화법은 레이저 빔을 강(steel)표면에 조사하였을 때,가해 진 열이 급속히 재료 내부로 전달되는 자기냉각(selfquenching)효과에 의해 경화되는 원리를 응용한 가공법이다.열전도에 의한 자기냉각속도는 재료표면 과 내부 사이의 온도구배에 의존하며 경화부위에 따라 온도구배가 다르므로 생 성되는 조직 구성도 달라진다.이러한 부위별 조직적 차이가 경도분포를 좌우 하는 것으로 알려져 있으므로 본 연구에서는 조직 및 경도분포 특성을 해명하 기 위해 광학 현미경(optical microscope),전자 현미경(scanning electron microscope), EPMA(Electron Probe Micro Analysis)및 TEM(Transmission ElectronMicroscopy)분석 장비를 이용하여 경화 부위별 조직을 분석하였다.

2 2

2. . . 이 이 이론 론 론적 적 적 배 배 배경 경 경

2 2 2. . . 1 1 1레 레 레이 이 이저 저 저 표 표 표면 면 면변 변 변태 태 태경 경 경화 화 화

레이저는 1960년에 루비 레이저가 발명된 이래,1970년대에 이르러 공업적으 로 재료가공에 응용되기 시작하였다.현재로서는 우수한 열원 특성으로 인해 용접(welding),천공(drilling),절단(cutting)및 표면개질(surfacemodification)과 같은 기존의 공정을 대부분 대체할 수 있는 첨단 기술로서 각광받고 있으며 아 직도 꾸준히 국방,의료,항공우주,통신,조선,전자,정밀계측 및 나노기술 등 여러 분야에서 그 적용범위를 넓혀가고 있는 추세이다^1~5).

레이저 표면변태경화는 레이저 표면개질법의 한 분야로 재료 표면의 경도를 증가시켜 내마모성을 향상시키는 기술이다.레이저 변태경화처리에 있어서 관 건은 표면용융(surfacemelting)을 유발하지 않으면서 요구되는 경화깊이를 얻 고 경화부 전체에 걸쳐서 균일한 깊이로 경화처리 하는 데 있다.즉,표면 용융 을 유발하지 않기 위해서 가열 온도는 변태점과 융점(meltingpoint)사이의 범 위로 유지해 줘야 하고 요구되는 경화깊이를 얻기 위해서는 충분한 출력을 가 지거나 혹은 금속재료에 대한 흡수율이 양호한 레이저 장치가 요구되며 경화부 전체를 균일하게 경화처리 하기 위해서는 조사되는 빔 면적 전체에 걸쳐 파워 밀도 분포가 균일해야 한다는 것을 의미한다.

이번 장에서는 본 논문의 주된 연구내용에 들어가기에 앞서,레이저 변태경 화공정 메커니즘과 특성 그리고 적용 가능한 레이저 장치 및 빔 성형법 등과 같은 제반사항에 대해 서술하고자 한다.

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22...111...111레레레이이이저저저 표표표면면면변변변태태태경경경화화화 메메메커커커니니니즘즘즘

표면 변태경화법은 열원(heatsource)을 이용하여 재료 표면의 얇은 층만을 경화시키는 방법이다.특히,레이저 표면변태경화(LTH :LaserTransformation Hardening)는 강 표면을 오스테나이트 영역까지 급속하게 가열하기 위해 고밀

도의 레이저 열원을 이용한다.가열 후,조사 열원을 제거하면 재료의 열전도에 의해 급격한 온도구배가 형성되므로 재료표면이 급랭되는데,이와 같이 재료 자체의 열전도 특성에 의해 냉각되는 것을 자기냉각(selfquenching)이라고 한 다. 이 효과로 인해 외부로부터의 추가적인 냉각수단 즉, 수냉(water quenching)이나 유냉(oilquenching)과정이 필요없이 오스테나이트에서 마르텐 사이트로 변태시키는 것이 가능하다.자기냉각은 피가공재의 차가운 내부가 충 분히 거대한 방열재(heatsink)역할을 하는 것처럼 일어나는데,표면에서 내부 로 열이 빠르게 전달되므로 펄라이트 또는 베이나이트와 같은 중간상 (intermetallicphase)이 형성되지 않고 바로 마르텐사이트가 형성되게 된다.좀 더 자세히 설명하면,상온에서 탄소강은 시멘타이트와 최대 0.006%까지 탄소를 고용할 수 있는 BCC페라이트의 혼합조직으로 구성된다.만약,탄소강을 A3변 태온도 이상으로 가열하면 탄소를 최대 2%까지 고용할 수 있는 FCC오스테나 이트 조직으로 변태한다.금속이 상온까지 서서히 냉각될 경우,FCC 조직은 BCC조직으로 다시 바뀌고 탄소는 시멘타이트처럼 격자 밖으로 빠져나오지만 만약,마르텐사이트가 생성되기 시작하는 온도인 Ms(대략 250℃)이하까지 급격 히 냉각되면,탄소는 빠져나오기 위한 충분한 시간을 갖지 못하므로 비평형상 인 마르텐사이트가 무확산 변태 과정에 의해 형성된다^11,12).레이저 표면변태경 화법의 개략도를 FFFiiiggg...222...111...111에 나타낸다.그림은 사각형의 빔을 이용하여 평판을 레이저 경화처리하는 그림으로 빔 진행방향인 종(longitudinal)방향,빔 진행방 향의 수직방향인 횡(transverse)방향,그리고 깊이(depth)방향 온도분포가 표시 되어 있으며 A3로 표시된 부분 이상의 영역이 마르텐사이트 변태되어 경화된 부분이다.

레이저 열원은 유도경화나 화염경화에 사용되는 열원에 비해 작기 때문에 가 열범위가 상대적으로 작다.즉,같은 면적의 피가공재를 경화 처리한다고 가정 했을 때,유도경화 혹은 화염경화로는 한 번에 가능할 것도 레이저 열원을 이 용하면 몇 번을 반복해야 가능하다.그러므로 유도경화나 화염경화와 같은 기 존의 방식은 피가공재 전체를 동시에 가열하고 냉각시키는 것이 가능하지만 레

이저 표면경화법은 레이저 빔이 조사되는 곳만 국부적으로 급격하게 가열되었 다가 빔이 지나가고 나면 자기 냉각효과에 의해 급격히 냉각된다.경화부 전체 에 걸쳐 마르텐사이트가 고르게 생성ㆍ분포하게 하기 위해서는 가열 과정에서 충분히 오스테나이트화 되어야 한다.오스테나이트 변태의 정도는 특정 온도 (A3)이상에서 유지되는 시간에 의존한다.즉,완전한 오스테나이트 변태는 가 열에 의한 탄소의 충분한 확산으로 일어나므로 변태 온도이상으로 가열하는 것 도 물론 중요하지만 그 온도에서 얼마나 유지되느냐 하는 것도 중요하다.레이 저 표면경화법은 그 특성 상,가열 및 냉각 사이클이 매우 짧은 시간에 일어나 기 때문에 경화부의 조직 및 경도 분포가 기존의 경화법으로 처리한 것과는 약 간 다른 양상을 나타낸다.

레이저 변태경화법은 급격한 열 사이클이라는 특성을 가지기 때문에 비교적 완만한 열 사이클을 가지는 기존의 경화 처리법에 비해 열동역학적(thermal kinetics)해석이 어렵다.레이저 변태경화법의 메커니즘을 이해하기 위해서는 레이저 빔이 조사되고 지나갔을 때,그 부분에서의 온도 이력(thermalcycle), 가열 및 냉각속도에 따른 변태점 변화(급속 가열 공정의 비평형 상태는 Ac3온 도를 상승시키는 원인이 되는데,이는 상호작용 시간 내에 오스테나이트로 완 벽하게 변태하기에 탄소의 확산속도가 너무 느리기 때문이다.Meijer와 Van sprang은 이에 대해서 0.4%이상의 탄소를 함유한 강을 10초 이내로 가열할 경 우,A3변태점은 910℃로 정도라고 언급했다.)그리고 온도 및 유지시간에 따른 오스테나이트 변태 거동뿐만 아니라 연속냉각변태(CCT :Continuous Cooling Temperature)곡선에서 임계 냉각속도(criticalcooling rate)등을 알고 있어야 한다.FFFiiiggg...222...111...222는 컴퓨터 시뮬레이션 한 결과로 시편(CK-60강)상을 레이저 빔 이 지나갔을 때,한 점에서의 온도 이력을 나타낸 것이다.레이저 빔이 지나가 게 되면,온도는 급격하게 증가했다가 감소하는 양상을 보이고 있다.물론,깊 이가 깊어질수록(z축 방향)경사는 완만해지며 최고 온도는 점차 낮아지고 있 다.또한,그림을 통해서 재료 내부의 온도가 항상 일정하게 유지된다고 가정했 을 때,깊이가 깊어질수록 온도구배가 감소하므로 열전도에 의한 냉각속도도

함께 낮아진다는 것을 유추할 수 있다.변태점 A1과 A3는 온도 상승률 및 하강 률에 따라 다르지만 설명을 쉽게 하기 위해 같은 그림 상에 800℃ 이하 두 지 점을 임의로 정하여 표시하였다.아공석강의 경우,오스테나이트 변태는 A1변 태점에서 시작되어 A3변태점에서 완료한다.즉,100% 오스테나이트화 하기 위 해선 A3온도 이상으로 가열해 줄 필요가 있다.중요한 것은 A3변태 온도 이 상에서의 유지시간인데,FFFiiiggg...222...111...333은 온도 및 유지시간(dwelltime)에 따른 오스 테나이트화 되는 비율을 나타낸 그림으로 온도는 높아질수록,유지시간은 길어 질수록 오스테나이트 생성량이 증가하고 있다.그런데 750~800℃ 사이의 범위 에서는 유지시간을 길게 하여도 100% 오스테나이트화 하지 못하는 것을 알 수 있는데,이는 온도 상승률에 따른 변태온도의 동반 상승이 원인일 것으로 판단 된다^11,13~15).

100%에 가까운 마르텐사이트를 얻기 위해서는 모재 조직을 100% 오스테나 이트화 시켜야 하며,그러기 위해선 A3변태 온도 이상으로 가열하는 것 못지 않게 그 온도에서의 유지시간도 중요하다고 이미 앞에서 언급하였다.레이저 변태경화법은 공정 특성 상,경화부 전체를 고르게 가열하고 냉각하는 것은 어 렵다.그렇기 때문에 특정 깊이의 표면만이라도 균일한 조직을 얻기 위해서는 FFFiiiggg...222...111...222의 시간에 따른 온도 이력곡선 중에서 A3변태온도 이상으로 되는 시 간이 FFFiiiggg...222...111...333에서 100% 오스테나이트화 하는데 요구되는 유지시간보다 길어 야 한다.깊이가 깊어질수록 A3 변태온도 이상으로 유지되는 시간이 짧아져 100% 오스테나이트화 하지 못하므로 경화부 하부로 내려갈수록 마르텐사이트 외에 다른 조직이 혼재하게 된다.FFFiiiggg...222...111...444는 CK60강(SM58C)의 표면으로부터 깊이에 따른 오스테나이트화 한 비율이며 냉각시켰을 때,마르텐사이트 변태한 비율로도 생각할 수 있다.

깊이에 따라 가열되는 온도,그 온도에서의 유지시간 및 냉각 속도가 달라지 므로 조직적인 차이도 깊이에 따라 약간씩 차이가 발생하게 된다.상기 내용을 온도이력곡선 및 평형상태도와 결부지어 생각하면 FFFiiiggg...222...111...555와 같이 된다.일 단,A3변태온도 이상으로 가열되었다 하더라도 유지시간의 차이에 의해 오스

테나이트화 비율이 달라지며 게다가,깊이가 더욱 깊어지면 A3변태온도까지 올라가지 못해 모재의 일부만 오스테나이트화 한 부분도 생기게 된다.이렇게 변태된 상태에서 냉각속도 역시 깊이에 따라 차이가 생기게 되므로 연속냉각변 태선도와 결부지어 생각하지 않을 수 없다.결국,레이저 변태경화법에 의한 경 화부는 총 3부분 즉,높은 온도에서 비교적 장시간 유지되어 거의 100%에 가깝 게 오스테나이트화 되어 빠르게 냉각된 영역,변태 온도 이상으로 가열은 되었 지만 유지시간이 짧아서 충분히 오스테나이트화 되지 못한 상태에서 첫 번째 경우보다는 느린 속도로 냉각된 영역 및 모재와 경화부의 경계에 해당하는 부 분으로 A1과 A3변태 온도 사이의 온도로 가열되어 더욱 느린 속도로 냉각된 영역으로 나눌 수 있다.첫 번째 영역은 거의 100%에 가깝게 오스테나이트화 되어 빠른 속도로 냉각된 부분으로 마르텐사이트가 치밀하게 분포한다.두 번 째는 모재 조직이 충분히 오스테나이트로 변태하지 못한 상태에서 냉각되므로 표면 근방보다는 덜 치밀한 마르텐사이트 조직으로 구성되며 마르텐사이트 주 변의 변태되지 못한 조직은 잔류오스테나이트일 것으로 추정된다.마지막으로 모재와 경화부의 경계는 A1과 A3사이의 온도로 가열된 부분으로 모재의 펄라 이트만 오스테나이트화 하여 냉각되므로 오스테나이트로 변태한 조직만 마르텐 사이트로 변태하고 나머지는 페라이트로 남아있게 된다^13~15).이 부분에 대해서 일본의 어느 학자는 오스테노 마르텐사이트와 페라이트의 혼합조직이라고 말했 으며,또 다른 학자는 마르테노 페라이트라는 용어를 사용하기도 하였다⁶⁾.요약 하면,최상부는 치밀한 마르텐사이트,중간층은 마르텐사이트와 잔류오스테나이 트의 혼합조직 그리고 경계부는 오스테나이트 혹은 마르텐사이트와 페라이트의 혼합조직으로 된다.

F F

Fiiiggg...222...111...111Schematicillustrationoflasertransformationhardening

0.20

A₃

Dwell time

0.00 0.05 0.10 0.15

800

600

400

200 1000

Time (sec)

Temperature (℃℃℃℃)

HAZ Laser beam

z Surface z =^0.

1m m

z =^0.

3m m

z = 0.5m m

0.20

A₃

Dwell time

0.00 0.05 0.10 0.15

800

600

400

200 1000

Time (sec)

Temperature (℃℃℃℃)

HAZ Laser beam

z Surface z =^0.

1m m

z =^0.

3m m

z = 0.5m m

F

FFiiiggg...222...111...222Thermalhistorywithhardeningdepth

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Dwell time (sec) Vol. fraction austenite, fγγγγ

900℃ 850℃

800℃ 750℃

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Dwell time (sec) Vol. fraction austenite, fγγγγ

900℃ 850℃

800℃ 750℃

F

FFiiiggg...222...111...333Volumefractionoftransformedaustenite withheatingtemperatureandtime

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

D epth below surace, m m Vol. fraction austenite, fγγγγ

H eating region Base m etal

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

D epth below surace, m m Vol. fraction austenite, fγγγγ

H eating region Base m etal

F

FFiiiggg...222...111...444Volumefractionoftransformedaustenite withhardeningdepth

Beam

Base material

Temperature(℃℃℃℃) Liquid

Liquid + Austenite

Austenite + Cementite Austenite

Ferite + Cementite 1600

1200

400

1130

723

Fe 0.35 Wt% C

Thermal history curve

Martensite

800

A₃

Martensite + Ferrite + Austenite

Beam

Base material

Temperature(℃℃℃℃) Liquid

Liquid + Austenite

Austenite + Cementite Austenite

Ferite + Cementite 1600

1200

400

1130

723

Fe 0.35 Wt% C

Thermal history curve

Martensite

800

A₃

Martensite + Ferrite + Austenite

FFFiiiggg...222...111...555Characteristicsofphasedistributionintreatedregion 2

22...111...222레레레이이이저저저 표표표면면면변변변태태태경경경화화화 공공공정정정의의의 특특특징징징

레이저 표면변태경화는 레이저 빔에 노출된 금속 표면상에서 이뤄지는 급격 한 가열 및 냉각을 이용하는 레이저 가공법이다.경도,표면조도,인성과 같은 기계적 특성과 내부식성과 같은 화학적 특성은 이러한 가열 및 냉각 사이클 동 안에 수반되는 금속학적 반응을 통해 향상될 수 있다.특히,탄소강은 레이저 변태경화에 있어 좋은 재료이다.레이저 표면변태경화법은 특히,요소 표면의 다른 부위에 영향을 미치지 않고 국소 부위의 표면만 강화시키고자 할 경우에 탁월한 장점을 갖는다^1~3).

레이저 변태경화처리의 결과는 주로 피가공재 표면상에서의 빔 조사밀도,처 리속도 및 재료의 열 물리학적(thermophysical)특성에 따라 좌우된다.레이저 경화에서의 처리속도는 연속된 공정 중에 레이저 스폿(spot)이 피가공재와 상대 적으로 한 직경만큼 이동하는데 걸리는 시간으로 정의하며,빔과 재료간의 상 호작용시간(interactiontime)으로도 표현할 수 있다.고출력의 빔을 짧은 시간동

안 조사하면 얕은 경화깊이를 얻는 반면,반대로 동일 출력으로 느리게 진행시 켜 상호작용시간을 길게 할 경우에는 깊은 경화깊이를 얻을 수 있다.그러나 고탄소강에서는 짧은 시간동안에 작용하는 급격한 열 사이클로 인해 자칫 기대 되지 않는 잔류 오스테나이트의 형성을 초래할 수 있다.레이저 경화를 위해 재료의 가장 중요한 열 물리학적 성질은 열 확산율 a이며 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다³⁾.

a= k/ρc(단,k=열전도율,ρ =밀도,C =열용량) (2.4) 이 인자는 모든 비안정 상태의 열흐름(heatflow)과정과 관련이 있으며,그 중 요성은 얼마나 빨리 물질이 열에너지를 받아들이고 전도할 것인지를 결정한다 는 데에 있다.즉,얼마나 빠른 속도로 가열된 부분이 냉각될 것인가 하는 것을 결정한다.

피가공재 표면의 반사율 또한 레이저 변태경화처리에서 중요한 역할을 한다.

재료에 의해 흡수된 빔 파워의 일부분은 재료 표면의 흡수율(absorptivity)즉, 반사율(reflectivity)에 의해 제어된다.표면에서 레이저 빔의 반사율은 재료의 종류,표면상태 및 온도,입사광의 파장 그리고 입사각과 편광방향에 따라 다르 다^7,8).FFFiiiggg...222...111...666에 광의 파장,입사각 및 편광방향에 따른 반사율 그래프를 나 타낸다¹⁶⁾.대부분의 금속에 대한 빔의 흡수율은 낮은데 CO2레이저에 있어서는 특히 더 그렇다.그렇기 때문에 CO2레이저의 경우,흡수율을 높이기 위해 특 별한 흡수성 코팅이 채용된다.대부분의 유기재료가 CO2레이저 광에 높은 흡 수율을 나타내기 때문에 얇은 페인트 층이 종종 이용되었지만,최근에는 흑연 과 이황화 몰리브덴이 더욱 효과적인 흡수코팅임이 밝혀졌다¹⁷⁾.그러나 최근에 는 상대적으로 빔 흡수율이 높은 고출력 Nd:YAG 레이저 및 다이오드 레이저 (HPDL :High PowerDiodeLaser)의 개발로 인해 레이저 표면경화처리 공정 에 있어서 CO2레이저의 입지가 쇠퇴해가고 있는 실정이다.

여러 종류의 레이저로부터 나오는 빔의 형상은 매우 다양하다.지금까지 표 면경화공정에 적합한 빔 쉐이핑(beam shaping)광학계(opticsystem)에 대한 상

당한 연구가 진행되어 왔다.변태경화 처리법에 있어서 최적인 빔은 탑헷 (top-hat)혹은 암체어(armchair)형상과 같이 직사각형의 모양을 가지는 빔이 며,이러한 빔 모양을 형성하기 위해 복잡한 인티그레이션 미러(integration mirror)나 칼레이도스코프(kaleidoscope)가 사용되었다.CO2및 Nd:YAG레이저 에 사용되는 광학계는 일반적으로 빔 중앙부에서는 파워밀도가 높고 중앙부에 서 거리가 멀어질수록 파워밀도가 급격하게 감소하는 가우시안 분포의 광학계 가 많이 사용되었다.그러나 가우시안 빔 광학계는 불균일한 경화 깊이를 초래 하고 극단적인 경우에는 빔의 중앙에 해당하는 부분에서 용융을 유발할 수 있 을 뿐만 아니라 빔의 주변부에서는 오스테나이트 온도에 도달하지 못하기 때문 에 경화공정에 적용하기에는 부적합하다.표면경화용 빔 쉐이핑 광학계에 대해 서는 빔 성형법 편에서 다시 자세히 다루도록 한다.

레이저 변태경화법는 기존 경화법에 비해 몇 가지 장점을 가진다.첫째,유도 및 화염경화와 같은 변태경화법에 비해 열 변형(thermaldistortion)이 매우 적 다.모든 표면경화법은 마르텐사이트 형성과 관련한 부피 팽창으로 인해 변형 이 발생하지만 레이저 표면변태경화법의 경우에는 국소열원의 특성으로 인해 적은 입열량으로도 같은 효과를 얻을 수 있으므로 변형이 상대적으로 적다.또 한,표면으로부터 경화되기 때문에 표면에 인장잔류응력(residualtensilestress) 이 발생하는 기존의 경화법과는 달리,레이저 변태경화법은 재료 내부로부터 표면으로 경화가 진행되어 경화부 표면에서 압축잔류응력(residualcompressive stress)을 발생하므로 더 높은 피로강도를 가지게 된다.

둘째,자기 냉각(selfquenching)효과로 인해 추가적인 냉각수단이 요구되지 않는다.레이저 빔은 짧은 시간동안 피가공재 표면에 고밀도의 에너지를 부여 하는데,그러면 피가공재 표면과 내부와의 온도구배가 매우 커지게 된다.열전 도는 온도구배가 클수록 빠르게 일어나며 이렇게 재료자체의 열전도 특성에 의 해 퀜칭되는 것을 자기 냉각이라고 한다.레이저 변태경화처리에서는 이러한 자기 냉각효과에 의해 표면이 경화되므로 일반적인 경화처리의 퀜칭 과정에서 필요한 수냉이나 유냉과 같은 추가적인 냉각수단이 요구되지 않는다.

셋째,레이저 변태경화법은 기존의 공작 기계와 복합하여 자동화하기가 쉽고 진공(vacuum)분위기가 요구되는 전자빔을 이용한 공정과는 달리,작업 환경의 영향을 비교적 덜 받으며 열원의 제어가 용이하므로 유연성있는 가공 시스템의 구축이 가능하다.또한,연소 생성물을 만들지 않기 때문에 철강재료의 표면경 화처리에 적합하다.

반면,레이저 표면경화법이 가지는 결점은 첫째,빔 스폿 사이즈가 전 영역을 커버할 만큼 충분히 크지 않으면 재료의 표면 전체를 경화하기 위해 여러 번 겹쳐서 처리하는 멀티패스(multi-pass)기법이 요구될 수도 있다는 것이다.멀티 패스로 경화처리를 하게 되면 물론 넓은 면적을 경화시키는 것이 가능하지만, 이전에 경화된 트랙이 다음 트랙의 열영향을 받아 백 템퍼링(back tempering) 을 유발하여 상당한 경도 저하를 초래하게 된다.

둘째,레이저 변태경화처리에 적용되는 빔의 단면은 일반적으로 용접이나 절 단에 사용되는 빔에 비해 훨씬 크기 때문에 피가공재 표면을 변태경화시키기 위해서는 상대적으로 높은 빔 파워밀도가 요구되며 이는 막대한 에너지의 소모 를 의미한다.기존에는 이러한 단점을 보완하고자 주로 고출력화가 가능한 CO2

레이저가 많이 이용되었지만 CO2레이저의 빔 파장은 강에 대한 흡수율이 낮 기 때문에 흡수 코팅제가 추가로 도포되어 전처리로 코팅을 하고 후처리로 코 팅을 제거해줘야 하는 번거로움이 있었다.최근에는 CO2레이저에 비해 금속 재료에 대한 빔 흡수율이 양호한 Nd:YAG레이저의 고출력화가 실현되면서 흡 수 코팅처리를 하지 않고도 다양한 분야에서 레이저 변태경화처리가 가능하게 되었다.그러나 여전히 용접이나 절단에 비해 많은 에너지가 소모된다.

+ + +

+ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ 300K

3000K

1000K 3000K

300K

R_p Rs

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0 30 60 90

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

Absorptivity

Reflectivity

Irradiation angle (deg) W avelength(λ)=10.6μm

Material : Steel plate +, o : Actual value

: Theoretical value

Rs: Perpendicular wave to irradiation plane Rp: Parallel wave to irradiation plane

+ + +

+ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ 300K

3000K

1000K 3000K

300K

R_p Rs

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0 30 60 90

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

Absorptivity

Reflectivity

Irradiation angle (deg) W avelength(λ)=10.6μm

Material : Steel plate +, o : Actual value

: Theoretical value

Rs: Perpendicular wave to irradiation plane Rp: Parallel wave to irradiation plane

(a)Irradiationangleandpolarizationofbeam

15

10

5

0

Absorptivity(%)

1000 2000 3000

Temperature (℃℃℃℃) Ti SUS304 Zr

Fe

Au Cr

Al Ag

Cu

Mo Ta W

CO₂Laser 15

10

5

0

Absorptivity(%)

1000 2000 3000

Temperature (℃℃℃℃) Ti SUS304 Zr

Fe

Au Cr

Al Ag

Cu

Mo Ta W

CO₂Laser 20

A B

C D E 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 2 4 6 8 10

Reflectivity (%)

Wavelength (μμμm)μ 1.0

HPDL A : Polished silver B : Copper C : Aluminum D : Nickel E : Carbon steel

Nd:YAGlaser CO2laser

20 A B

C D E 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 2 4 6 8 10

Reflectivity (%)

Wavelength (μμμm)μ 1.0

HPDL A : Polished silver B : Copper C : Aluminum D : Nickel E : Carbon steel

Nd:YAGlaser CO2laser

(b)Materialsandtemperature (c)Surfaceconditionand wavelength

FFFiiiggg...222...111...666Beam absorptivitywithtypesofmaterials, wavelengthandpolarizationofbeam,

surfaceconditionandtemperatureofworkpiece

2 2 2. . . 2 2 2. . . 레 레 레이 이 이저 저 저 가 가 가공 공 공장 장 장치 치 치 및 및 및 빔 빔 빔 성 성 성형 형 형법 법 법

레이저 변태경화 공정에 요구되는 레이저의 종류와 광학계를 결정하기 위해 기술 및 경제적인 측면에서 몇 가지 사항들이 고려되어야 하며,이는 각각의 공정에 따라서 다양하다.그렇기 때문에 레이저 선정에 대해서 어떠한 정형화 된 대답은 있을 수 없으며,오직 개별적인 케이스에 대해서 어떻게 결정하면 최적인지에 대한 제안만 주어질 수 있다.본 장에서는 최근,레이저 변태경화공 정에 주로 적용되고 있는 레이저 장치와 광학계 및 빔 성형법에 대해서 살펴보 도록 한다.

2

22...222...111레레레이이이저저저 가가가공공공장장장치치치 (1)Nd:YAG레이저

가.Nd:YAG레이저의 특징

YAG레이저는 1964년 미국의 벨(bell)연구소에서 J.E.Geusic등에 의해 발 명된 것으로,네오디뮴(Nd³⁺)을 활성이온으로 도핑한 YAG 결정(Y3Al5O12 : Yttrium Aluminium Garnet)이 광여기(excitation)에 의해 1.06μm 파장 (wavelength)의 근적외광(near infrared light)을 발진하는 고체 레이저 (solid-statelaser)의 한 종류이다¹⁾.CO2레이저와 같은 가스 레이저의 활성 매 질이 원자,이온 및 분자로 구성되는 반면,고체 레이저는 결정질의 재료가 매 질로써 사용된다.고체 재료 내에서의 원자는 가스를 구성하는 원자에 비해 덜 활동적이기 때문에 여기 준위로의 에너지 흡수가 용이하다.

YAG 레이저는 파장 특성 때문에 금속표면에서의 반사율이 낮고,CO2레이 저로는 비교적 곤란하다고 여겨왔던 동(copper),알루미늄(aluminium)등의 고 반사 재료의 가공에도 탁월한 효과를 발휘하고 있다.또한,파장이 짧아 집광성 이 우수하여 미세가공에 적합하므로 전자부품의 소형화에 따른 고밀도화,고집 적화에 대응한 마이크로 가공의 수요와 더불어 종래 가공법을 대체할 수 있는 신가공법으로써 주목되고 있다.뿐만 아니라,빔의 광파이버(opticalfiver)전송

이 가능하므로 유연성 있는 자동화 프로세스의 구성이 가능하며 고정도 가공이 가능하지만 비금속 재료의 가공은 일반적으로 곤란한 것으로 알려져 있다.

여기를 위한 전기 에너지가 순수하게 레이저 광을 발진하는데 사용되는 비율 즉,YAG레이저의 에너지 변환효율은 겨우 2~3% 정도인데,가공용 YAG레이 저의 전원용량이 수 킬로와트에서 수십 킬로와트까지에 달한다는 것을 감안하 면 많은 에너지가 로드에서 폐열로 발생하기 때문에 그에 걸맞은 냉각장치와 고용량의 전원이 필요하게 된다.그 때문에 레이저 헤드(head)자체는 상당히 콤팩트(compact)하지만 공진기와 전원장치 및 냉각장치가 분리되어 장치화되어 있는 것이 많다.

나.Nd:YAG의 구조

YAG레이저는 광 여기에 의해 발진한다.YAG로드의 여기용 광원으로는 요 소-텅스텐(I-W)램프,칼륨 수은(K-Hg)램프,크세논(Xe)아크 램프,크립톤(Kr) 아크 램프 및 GaAsxP1-x발광 다이오드 등이 있다.이 중에서 크립톤 아크 램프 가 비교적 수명도 길고 휘도도 높기 때문에 주로 이용된다.기본적으로 램프의 점등 형태가 펄스 혹은 연속인지에 따라서 펄스(PW ： pulsewave)레이저와 연속(CW : continuouswave)레이저로 구분된다¹⁾.

YAG레이저는 여기 램프와 YAG로드가 서로 평행하게 설치되며 단면이 타 원형인 집광기(reflector)내의 두 초점에 위치한다.타원의 법칙에 따라 한 초점 에 위치한 램프로부터 발광된 여기광은 다른 초점에 위치한 YAG로드에 집중 되는 구조로 되어 있다.YAG 로드에 램프의 여기광이 조사되면 경면 연마된 로드의 양 횡단면으로부터 레이저 광이 출사된다.집광기는 여기광의 집광효율 을 높이도록 고안되는데,구면형,타원통형,원통형,이중 타원통형 및 회전 타 원체형 등 몇 가지 종류가 있다.Nd:YAG레이저의 냉각효과를 높이기 위해 여 기 램프와 로드는 글라스 제 튜브 내에 밀봉된 상태로 순환하는 탈이온수에 의 해 냉각된다.Nd:YAG레이저의 모식도를 FFFiiiggg...222...222...111에 나타낸다.

FFFiiiggg...222...222...111ArrangementsofNd:YAG laser

다.발진 메커니즘

YAG 레이저는 4준위 레이저이다.여기광을 흡수하여 기저상태에서부터 20,000cm^-1(K,kayser)전후의 상부에 있는 흡수대 [E³]로 여기되면 광을 방출하 지 않고 바로 ⁴F3/2 준위 [E2]로 떨어지게 되는데,이 사이의 체류시간은 약 0.23ms정도로 비교적 길다.이에 반해,⁴I11/2준위 [E1]은 기저상태 ⁴I9/2준위 [E⁰]로부터 약 2,000cm^-1높이에 있으므로 비어있는 상태가 되기 때문에 상 준 위 및 하 준위 원자수의 평형상태가 역전되어 ⁴F3/2와 ⁴I11/2준위 사이에서 반전 분포가 형성된다.그 결과,1.06μm 파장의 강한 근적외광을 발생하는데,이는

4F^3/2준위 [E²]로부터 ⁴I^11/2준위 [E¹]로 천이할 때,양 준위의 에너지 차 [E²-E¹] 에 해당하는 파장을 가진 광의 자연방출과 그에 따른 유도방출에 의한 레이저 발진광이다.YAG의 에너지 준위와 레이저 발진 메커니즘을 FFFiiiggg...222...222...222에 나타낸 다.

4I11/2준위는 기저상태 ⁴I9/2준위로부터 충분한 거리가 있을 뿐만 아니라,광

을 방출하지 않는 비방사천이가 있기 때문에 네오디뮴 이온의 분포는 적다.그 때문에 기저상태로부터의 여기가 미약하더라도 준위 사이에 반전분포를 형성하 기 쉽다.4준위 YAG레이저의 발진 효율이 높은 것은 이 때문이다.

특수한 방법을 이용하면,⁴F3/2와 ⁴I13/2준위 사이에서의 천이에 해당하는 파 장 1.35μm 및 ⁴F3/2와 ⁴I9/2준위 사이에서의 천이에 해당하는 0.914μm의 레이 저 발진이 가능하며 이 특성을 이용하여 한 대의 장치에서 다수의 파장을 가지 는 광을 발진할 수 있는 YAG레이저도 있다.특히 파장 1.3μm의 발진 선은 광 파이버에 대한 손실과 분산이 적은 파장역이기 때문에 통신용으로 기대되고 있 다.

20

15

10

5

0

2000cm^-1

4I_11/2

4I_9/2

4I_13/2

4I_15/2

4F_3/2

4F_5/2

4F_7/2

4F_9/2

Non-radiative transfer

Laser (~1.06μm)

Spontaneous emission + Stimulated emission

Exciting state [E₃]

[E₂]

[E₁]

Non-radiative transfer

[E₀]

Ground state

Energy (ⅹ103cm-1) 20

15

10

5

0

2000cm^-1

4I_11/2

4I_9/2

4I_13/2

4I_15/2

4F_3/2

4F_5/2

4F_7/2

4F_9/2

Non-radiative transfer

Laser (~1.06μm)

Spontaneous emission + Stimulated emission

Exciting state [E₃]

[E₂]

[E₁]

Non-radiative transfer

[E₀]

Ground state

Energy (ⅹ103cm-1)

(a)EnergylevelofYAG crystal

[E₂]

[E₁]

[E₀]

Non-radiative transfer

(Shallow level) Residence tim e : about 230μS

Spontaneous em ission - ( E₂-E₁)

Stim ulated em ission - inverted population (D eep level) Residence tim e : about 1μS

(G round state)

Energy level

Laser (Absorption band) [E₃]

E xcited

Non-radiative transfer [E₂]

[E₁]

[E₀]

Non-radiative transfer

(Shallow level) Residence tim e : about 230μS

Spontaneous em ission - ( E₂-E₁)

Stim ulated em ission - inverted population (D eep level) Residence tim e : about 1μS

(G round state)

Energy level

Laser (Absorption band) [E₃]

E xcited

Non-radiative transfer

(b)FourelectronenergylevelandelectrontransferofYAG crystal F

F

Fiiiggg...222...222...222Lasingmechanism ofNd:YAG laser

(2)고출력 다이오드 레이저(HPDL:HighPowerDiodeLaser) 가.HPDL의 특징

다이오드 레이저는 1960년대 초에 개발되었다.당시,다이오드 레이저가 작동 하기 위해선 극저온 환경이 요구되었으며 오로지 펄스 모드(pulsemode)의 발 진만 가능하였다.1970년대에 이르러 실온에서 작동하는 연속출력 다이오드 레 이저가 개발되었지만,출력은 수 밀리와트 범위로 제한되었기 때문에 주로 광 대역 광파이버(opticalfiber)전송과 같은 원거리 통신용으로 적용되었다.그 이 후,출력은 극적으로 증가되어 수백 밀리와트에까지 이르렀다.재료 가공 목적 의 고출력을 얻기 위해 구조가 많이 개선되었지만,여전히 레이저 빔의 지향성 이나 가간섭성(coherence)과 같은 특성 면에서는 비교적 열악하다¹⁸⁾.

반도체 레이저는 현존하는 가장 안정하고 콤팩트한 레이저이다.또한 대량생 산이 가능하고 배열 및 조립이 용이하기 때문에 상업상 매우 유용하다.과거에 는 극저온이라는 작동 환경적 제한으로 인해 광통신 소스(source)로써 주로 많 이 사용되었지만 최근에는 고출력화의 실현으로 재료 가공 영역에까지 그 적용 범위를 넓혀가고 있다.

다이오드 레이저는 전류가 직접 레이저 광으로 변환되는 매우 흥미로운 발진 메커니즘을 가진다.그렇기 때문에 다이오드 레이저의 전기-광 변환 효율 (20~30%)은 CO2레이저 (10~15%)나 Nd:YAG레이저(1~5%)에 비해 높다.이론 적인 효율은 90%까지 될 수 있지만,실제로 다이오드 레이저의 최고 효율은 50% 정도이다.

고출력 다이오드 레이저 빔 파장(wavelength)은 기본적으로 반도체 재료의 차이에 따라 다르고,온도 및 입력 전류에 따라 미세하게 변화한다.온도에 대 해서는 1℃당 0.4nm,전류에 대해서는 1mA당 0.025nm 정도 증가한다.즉,재 료에 따라 기본적인 파장이 정해지더라도 온도 및 전류의 변화에 따라 약간씩 파장이 변하게 된다.그렇기 때문에 다이오드 레이저의 경우 CO2나 Nd:YAG 레이저와 같은 기존 레이저에 비해 비교적 넓은 파장 밴드(wavelengthband)를 갖는다¹⁹⁾. 실제로 대부분의 HPDL로부터 나오는 레이저 광의 파장은