Formation mechanism of hierarchical Micro- and nanostructures on copper induced by low-cost nanosecond lasers
Applied Surface Science
Volume 464, 15 January 2019, Pages 412-421 ; Jiangyou Long
마이크로 및 나노 구조 금속은 최근 몇 년 동안 주목을 받고 있습니다. 그 이유로는 반사 방지, 부식 방지, 효율적인 열전달 비, 오일과 물 분리 등 여러 측면에서 효율적인 특징을 지니고 있기 때문이다.
이를 위하여 저비용으로 가공하는 방식이 여러 연구를 통해 계발되었다. 대표적으로 Boinocivh등이 ns 레이저를 사용하여 우수한 부식과 내마모성을 발표하였습니다.
그럼에도 불구하고 나노 구조물 금속의 형성 메커니즘에 초점을 둔 연구는 거의 없다.
일반적으로 많은 연구들은 그러한 표면 미세 구조가 레이저 절제 공정과 절 연기의 재증착에 기인한다고 주장하지만 직접적인 증거는 제시되지 않았다.
본 논문에서는 ns 레이저에 의해 유도된 구리의 계층적 마이크로 및 나노 구조 형성 메커니즘을 연구하였으며 이 기술의 잠재적 응용을 넓혀준다.
실험에서는 구리 시료 (순도 99%, 두께 2 mm)와 레이저를 소개하고 있다. IPG 사의 YLPN시리즈 파장 1064 nm 와 100 kHz의 복사율 펄스 폭이 20ns 와 100 ns이고 최대 펄스 에너지가 160uj인 레이저 펄스가 실험에 사용되었다.
레이저 스캐닝은 10um의 평행선 피치로 수행, 레이저 스캔 속도는 10mm/s입니다. 또한 레이저 실험 후 초 소수성 표면을 얻기 위해 메탄올 용액에 2시간 담가두고서 에탄올로 세척을 한후 30분 동안 100 의 오븐에서 건조시켰다. 그 후 실험 결과를 SEM을 통해서 분석하였고, 정적 접촉각 CA 광학 접촉각 측정 장치 및 정착 드롭 기술을 사용하여 측정하였다.
결과 및 토의에서는 사진을 제시하며 이해를 돕고 있다. Figure 1 은 ns 레이저에 의해 유발된 계층적 구리상의 마이크로 및 나노 구조물이다.
20ns a-c, 100ns d-f이고 다른 파라미터는 동일하게 진행하였다. f에서 100ns 레이저 펄스는 표면 개질 후에 양호한 초소수성을 보였다. (CA표면은 160), 또한 이전 논문에서 설명하였다 싶이 이 표면은 매우 낮은 물 접착력을 보였다. (2.7 이 값은 전형적인 초소수성 표면 물 부착 값을 나타낸다.)
레이저 펄스가 100ns에서는 표면이 평탄해지며, 깊은 대신에 미세 기둥, 조밀하게 분포된 거친 미세 입자층이 표면에서 발견되었다.
또한 그림 c 에서는 20ns 펄스는 VIS 영역에서 낮은 반사율을 보여주고 있다. 이 값이 증가함에 따라 380 nm의 파장에서 서서히 증가함을 보여준다.
또한 그림 2에서는 3D 높이 맵을 통하여 왼쪽은 레이저 처리를 한것이고 오른쪽은 원래의 구리이다. 그림을 보면 가공된 영역이 원래의 구리보다 높이가 높은 것을 확인할수있었다. 또한 20ns가공후에 높이가 더 높은 것을 아래에 그림에 나타내었다.
이 논문에서는 표면 계층 미세 구조 및 나노 구조 형성을 ns 레이저에 의해 유도된 형성 메커니즘을 설명하고 있다. 각각의 특징을 서술하며 ns 레이저가 표면 처리에 효과적인 특징을 가지고 있다 말하고 있다.
위의 그림은 이 논문에서 말하고자 하는 바이다. 레이저가 조사되면 Recoil 압력으로 인해 기존 시료가 영향을 받고 열을 받아 양 옆으로 레이저에 의해 열영향을 받아 퍼지게 된 후 양 옆에 재밀집한 재료가 굳으면서 Laser-induced plume에 의하여 초소수성 마이크로 표면 또는 나노 표면을 갖게 된다.
참고자료
마이크로 및 나노 구조 금속은 최근 몇 년 동안 주목을 받고 있습니다. 그 이유로는 반사 방지, 부식 방지, 효율적인 열전달 비, 오일과 물 분리 등 여러 측면에서 효율적인 특징을 지니고 있기 때문이다.
이를 위하여 저비용으로 가공하는 방식이 여러 연구를 통해 계발되었다. 대표적으로 Boinocivh등이 ns 레이저를 사용하여 우수한 부식과 내마모성을 발표하였습니다.
그럼에도 불구하고 나노 구조물 금속의 형성 메커니즘에 초점을 둔 연구는 거의 없다.
일반적으로 많은 연구들은 그러한 표면 미세 구조가 레이저 절제 공정과 절 연기의 재증착에 기인한다고 주장하지만 직접적인 증거는 제시되지 않았다.
본 논문에서는 ns 레이저에 의해 유도된 구리의 계층적 마이크로 및 나노 구조 형성 메커니즘을 연구하였으며 이 기술의 잠재적 응용을 넓혀준다.
실험에서는 구리 시료 (순도 99%, 두께 2 mm)와 레이저를 소개하고 있다. IPG 사의 YLPN시리즈 파장 1064 nm 와 100 kHz의 복사율 펄스 폭이 20ns 와 100 ns이고 최대 펄스 에너지가 160uj인 레이저 펄스가 실험에 사용되었다.
레이저 스캐닝은 10um의 평행선 피치로 수행, 레이저 스캔 속도는 10mm/s입니다. 또한 레이저 실험 후 초 소수성 표면을 얻기 위해 메탄올 용액에 2시간 담가두고서 에탄올로 세척을 한후 30분 동안 100 의 오븐에서 건조시켰다. 그 후 실험 결과를 SEM을 통해서 분석하였고, 정적 접촉각 CA 광학 접촉각 측정 장치 및 정착 드롭 기술을 사용하여 측정하였다.
결과 및 토의에서는 사진을 제시하며 이해를 돕고 있다. Figure 1 은 ns 레이저에 의해 유발된 계층적 구리상의 마이크로 및 나노 구조물이다.
20ns a-c, 100ns d-f이고 다른 파라미터는 동일하게 진행하였다. f에서 100ns 레이저 펄스는 표면 개질 후에 양호한 초소수성을 보였다. (CA표면은 160), 또한 이전 논문에서 설명하였다 싶이 이 표면은 매우 낮은 물 접착력을 보였다. (2.7 이 값은 전형적인 초소수성 표면 물 부착 값을 나타낸다.)
레이저 펄스가 100ns에서는 표면이 평탄해지며, 깊은 대신에 미세 기둥, 조밀하게 분포된 거친 미세 입자층이 표면에서 발견되었다.
또한 그림 c 에서는 20ns 펄스는 VIS 영역에서 낮은 반사율을 보여주고 있다. 이 값이 증가함에 따라 380 nm의 파장에서 서서히 증가함을 보여준다.
또한 그림 2에서는 3D 높이 맵을 통하여 왼쪽은 레이저 처리를 한것이고 오른쪽은 원래의 구리이다. 그림을 보면 가공된 영역이 원래의 구리보다 높이가 높은 것을 확인할수있었다. 또한 20ns가공후에 높이가 더 높은 것을 아래에 그림에 나타내었다.
이 논문에서는 표면 계층 미세 구조 및 나노 구조 형성을 ns 레이저에 의해 유도된 형성 메커니즘을 설명하고 있다. 각각의 특징을 서술하며 ns 레이저가 표면 처리에 효과적인 특징을 가지고 있다 말하고 있다.
위의 그림은 이 논문에서 말하고자 하는 바이다. 레이저가 조사되면 Recoil 압력으로 인해 기존 시료가 영향을 받고 열을 받아 양 옆으로 레이저에 의해 열영향을 받아 퍼지게 된 후 양 옆에 재밀집한 재료가 굳으면서 Laser-induced plume에 의하여 초소수성 마이크로 표면 또는 나노 표면을 갖게 된다.
참고자료
- Formation mechanism of hierarchical Micro- and nanostructures on copper induced by low-cost nanosecond lasers
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433218324723
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