Fig. 2는 190 fs와 10 ps의 펄스에너지에 따른 가공 직경 변화에 관한 그래프이다. Fig. 2(a)에서 190 fs와 10 ps의 가공 직경을 비교하였다. 펄스에너지와 펄스 수를 증가할수록 가공 직경이 증가하는 것을 190 fs, 10 ps 펄스 폭에서 확인할 수 있었다.

레이저의 가공 효율을 고려하였을 때 낮은 펄스에너지, 적은 펄스 횟수의 경우 190 fs와 10 ps의 가공 직경 차이가 가장 많이 나고, 펄스에너지 및 펄스 횟수가 증가할수록 그 차이가 줄어드는 경향을 Fig. 2(b)에서 보여준다. 이러한 경향이 나타나는 것은 극초단 레이저 가공 시, 높은 첨두 출력에 의해 레이저와 가공되는 재료의 표면에 플라즈마가 형성이 되고, 형성된 플라즈마는 플라즈마 쉴딩(Plasma Shielding) 역할을 하여 그다음 조사되는 레이저의 펄스가 산란되거나 흡수되어 가공 효율을 저하시키거나, 가공되어 발생한 파티클들이 주변으로 비산하지 못하고 다시 가공된 곳으로 적층되는 현상이 발생한다.^6-8 이로 인해 10 ps에 비해 매우 큰 첨두 출력 인하여 190 fs에서 생성되는 플라즈마는 유지 시간이 길고, 크기가 크다. 그리고 생성된 플라즈마의 밀도가 증가하기 때문에 펄스에너지 및 펄스 횟수가 증가할수록 가공 효율이 떨어진다.⁸

Fig. 2 
The diameter of hole created on WC surface by ultrafast laser: (a) The diameter of hole variation, and (b) The ratio of hole diameter (190 fs over 10 ps)

레이저 가공 시, 재료의 가공 임계값은 재료를 가공하기 위해 최소한의 레이저 에너지를 말한다. 그리고 가공 임계값을 구하는 방법은 J. M. Liu⁹에 의해 보고된 D² Method 방법을 사용하였다.

190 fs, 5, 10 ps의 가공 임계값을 비교해 보았다. Fig. 3은 Liu Plot으로 구한 Ablation Threshold Pulse Energy이며, Table 2에 각각 펄스 폭의 Ablation Threshold Fluence를 정리하였다. 190 fs에서 가장 적은 에너지에서 가공이 발생하며, 레이저 펄스 폭이 증가할수록 텅스텐 카바이드의 가공 임계값이 증가하였다. 그리고 레이저 펄스 수가 증가할수록 190 fs, 5, 10 ps의 가공 임계값은 비슷해지는 것을 보여준다. 레이저 펄스 수가 증가하게 되면 레이저를 맞은 재료 표면에 열이 지속적으로 누적된다. 이렇게 중첩된 열은 재료를 녹이게 되고 다음 조사되는 레이저 펄스는 중첩된 열과 함께 더 많은 가공을 발생하게 된다.¹⁰ 이러한 현상으로 레이저 펄스 횟수가 많아질수록 5, 10 ps의 가공된 직경이 커져 190 fs와 임계값이 비슷해지는 것을 확인하였다. 또한 레이저 펄스 횟수가 증가하였을 때, 5, 10 ps의 가공 임계값 변화율이 크므로 펄스 폭이 짧을수록 재료에 미치는 열 영향이 적다는 것을 보여준다.

Fig. 3 
Threshold energy of 5, 10, 15 pulses in (a) 190 fs, (b) 5 ps, and (c) 10 ps

레이저 가공에서 높은 펄스에너지와 낮은 펄스에너지에서 가공 반응성이 다르기 때문에 각각의 펄스에너지 영역에서 가공을 수행하였다. Table 3은 높은 에너지의 극초단 레이저와 WC와의 가공성을 알아보기 위한 공정 조건을 나타내었다.

Fig. 4에서 고펄스에너지에서도 펄스에너지가 증가할수록 펄스 폭에 상관없이 가공 직경, 가공 깊이가 증가하는 것을 보여준다. 190 fs에서 가장 가공 직경이 넓고 가공 깊이가 깊은 것은 짧은 레이저 펄스 폭 길이로 인하여 재료에 전달되는 강도(Intensity)가 크기 때문이다.

Fig. 4 
Diameters and depths of ablated hole: (a) Pulse energy: 250, (b) Pulse energy: 200, (c) Pulse energy: 150, and (d) Pulse energy: 100 μJ

그러나 강도가 더 높은 5 ps가 10 ps의 가공되는 양이 비슷한 이유는 10 ps에서 보다 많은 열에너지가 발생하고 중첩된 열로 가공이 더 발생하여 가공되는 양이 비슷한 것으로 보인다.¹¹ 그리고 레이저 펄스 수가 증가할수록 가공 깊이는 깊어지는 것을 보여준다.

앞선 결과와 유사하게도 고에너지 영역에서 3가지의 레이저 펄스 폭 모두 레이저 에너지 및 펄스 횟수가 증가할수록 가공직경이 커지고 가공 깊이가 깊어지는 것을 확인하였다.

Fig. 5는 고펄스에너지에서 펄스 폭의 길이에 따른 가공 형상 결과를 보여준다. 조사된 레이저 에너지와 상관없이 190 fs의 가공물 주변부에는 옅은 원이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 옅은 원의 영역은 조사되는 레이저빔의 모양과 관련이 있다. 본 연구에서 사용된 레이저의 빔 모양은 가우시안 형태를 가진 레이저이다. 가우시안 빔 레이저는 가운데에서 에너지 분포가 가장 높고 가장자리로 갈수록 에너지 분포가 낮아지는 특성을 가지고 있다. 레이저 펄스 횟수 및 에너지가 증가하면 가공부 주변의 옅은 원이 선명해지는 것은 가우시안 빔 가장자리에서 에너지가 중첩이 되거나 에너지 분포가 증가하게 되기 때문이다.¹²

Fig. 5 
SEM images of hole ablated by high pulse energy and multi-pulses: (a) SEM images of 100, (b) SEM images of 150, (c) SEM images of 200, and (d) SEM images of 250 μJ

에너지에 상관없이 적은 펄스 횟수에서 190 fs는 가공이 발생하면서 가공부 가장자리에 버(Burr)가 발생하고, 주변으로 버와 파티클이 퍼져나간다. 하지만 5, 10 ps의 가공 원들은 190 fs 가공 원만큼 가공이 발생하지 않으며, 가공부 가장자리에 도넛 형태와 같은 버가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 버의 도넛 형태는 펄스에너지가 증가할수록, 펄스 횟수가 증가할수록 뚜렷해지는 것을 볼 수 있다. 190 fs와 5, 10 ps의 펄스 폭에서 가공 후 다른 버의 형태를 보여주고 있다. 레이저 가공 후 발생하는 버는 열적 효과로 인한 것이다. 190 fs에서의 버는 찢긴 듯한 형태를 보여주는 반면 열 영향을 많이 받는 5, 10 ps에서는 도넛 모양과 같은 버가 발생한다.¹³

일반적으로 레이저와 금속재료가 상호작용할 때, 레이저의 에너지를 흡수한 곳에서 주변부로 열이 전달되기까지 10 ps의 시간이 걸리는데,¹⁴ 펄스에너지, 펄스 횟수가 증가되어도 190 fs에서는 열이 전달되기 전에 가공이 완료되어 재료 주변부로 열이 퍼져나가는 양이 매우 적고, 펄스 폭이 길어질수록 가공 주변으로의 전달되는 열이 증가하여 가공부 주변으로 누적된 열의 양이 커져 가공부 주변으로 발생하는 버의 형상이 다르다.^13,14

Fig. 6은 190 fs, 5, 10 ps의 250 μJ, 15 Pulses 가공물을 확대한 것이다. 같은 레이저 펄스에너지 및 펄스 횟수이지만 가공물의 형상이 다름을 보여준다. 첫 번째로 가공 홀의 벽면에서 다른 형상을 보여준다. 190 fs의 가공 홀의 벽면은 매끄럽지 못한 벽면을 보여주고 있으며 5, 10 ps의 가공 홀 벽면은 매끄러운 벽면을 가지고 있다. 짧은 펄스 폭에서는 강한 강도로 재료를 제거하는 메커니즘이 강하기 때문에 가공된 벽면이 매끄럽지 못하고,¹⁵ 5, 10 ps는 강한 강도로 물리적으로 제거된 가공 벽면이 레이저에 의한 발생한 열에 의해 가공 벽면이 매끄럽게 가공되는 형상을 보여준다.¹⁶

Fig. 6 
SEM images on tungsten carbide by ultrafast laser: (a) 190 fs, 250 μJ, 15 pulses, (b) 5 ps, 250 μJ, 15 pulses, (c) 10 ps, 250 μJ, 15 pulses

두 번째로 Fig. 6에서 보이는 리플(Ripple) 형상이다. 레이저로 인해 발생하는 리플의 원인 중 하나는 가공 임계값 에너지 수준에서 입사하는 레이저 빔과 재료를 맞고 산란된 빔들이 간섭이 일어나 재료의 표면에 리플 패턴이 형성된다.¹⁷ Fig. 6에서 펄스 폭이 짧아질수록 가공부 주변으로 리플 패턴이 뚜렷해지는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 경향은 레이저 펄스 횟수가 증가하거나 재료에 입사되는 에너지가 높으면 나타난다.¹⁸ 가공되는 직경 또는 깊이 비교 이외에도 이러한 리플 패턴 형상으로 같은 레이저 에너지라도 재료에 전달되는 에너지는 펄스 폭이 짧을수록 커지는 것을 보여준다.

Fig. 7은 고펄스에너지인 250 μJ로 고정시키고 펄스 수를 25 Pulse 수에서 최대 400 Pulse까지 증가시켜 가공 형상을 보았다. 190 fs에서 가공 원 가장자리에 생성되는 버의 양은 매우 적고, 높은 첨두 출력으로 인해 깊게 가공 되었다. 5, 10 ps를 비교하였을 때 10 ps 가공부 주변으로 큰 버들이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 레이저 가공 시 발생하는 충격파(Shock Wave)에 의한 것으로 볼 수 있다. 충격파는 레이저 강도가 클수록 큰 충격파가 발생하고,¹⁹ 레이저 중첩 횟수가 증가할수록 유지 시간이 길어진다.²⁰ 레이저 펄스 폭이 짧을수록 강한 충격파로 인하여 가공물들이 멀리 퍼지게 되어 가공부 주변에 버들이 적고, 펄스 폭이 길수록 충격파가 약해지기 때문에 가공물들이 멀리 퍼지지 않고 다시 적층되는 현상이 발생하여 큰 버들이 형성되고 가공부 가장자리를 이탈하는 현상을 보여준다.

Fig. 7 
SEM images of hole ablated by high pulses and energy

Fig. 8은 텅스텐 카바이드의 가공 임계값 부근의 펄스에너지에서 펄스에너지와 펄스 횟수를 변경하며 가공한 SEM 사진이다. 펄스 한 발만 조사하였을 때는 모든 펄스 폭, 펄스에너지에서 가공 식별 유무가 어려웠지만, 펄스 횟수를 증가할수록 가공이 발생하는 것을 확인하였다. 저펄스에너지에서도 펄스 횟수를 증가시킬수록 버의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.

하지만 고펄스에너지와는 다르게 버에 리플(Ripple) 형상이 겹쳐 발생한다. Fig. 6(a)에서 가공 원 주변부에 리플 모양이 발생하지만 매우 작은 간격을 띄는 리플이 형성되었다. 하지만 저에너지에서 발생된 리플 패턴의 간격은 매우 넓다. Fig. 8을 보면 리플 패턴의 간격도 펄스에너지가 클수록, 레이저 펄스가 많아질수록 커지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 
SEM images of hole ablated by high pulses and low energy: (a) 0.5, (b) 0.2, and (c) 0.1 μJ

저펄스에너지와 고펄스에너지의 리플 패턴을 Fig. 9에 비교하였다. 고펄스 레이저 가공에서는 촘촘한 리플 패턴이 형성되었고 저펄스 레이저에서는 좀 더 넓은 간격을 갖는 리플 패턴이 형성되었다. 이와 같이 다른 리플 패턴이 형성되는 이유는 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔의 특성으로 인한 것이다. 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔은 가운데가 가장 높은 에너지를 갖으며 가운데서 멀어질수록 에너지가 낮아진다. 그렇기 때문에 고펄스 에너지에서는 낮은 에너지가 조사되는 가공부 주변 표면에 리플 패턴이 생기고, 저펄스에너지에서는 가공부 가장자리에 리플 패턴이 형성이 된다. 그리고 리플 패턴의 간격이 다른 것은 높은 레이저 에너지에서는 넓은 간격의 리플 패턴이 형성되고, 낮은 레이저 에너지에서 좁은 리플 패턴이 형성된다.²¹

Fig. 9 
Comparison of hole ablated by (a) 190 fs, 250 μJ, 15 pulses and (b) 190 fs, 0.5 μJ, 500 pulses