KR20120118687A - 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법 - Google Patents

온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법 Download PDF

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KR20120118687A
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Abstract

본 발명은 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 관한 것으로서, a) 금속판에 세라믹을 일정 두께만큼 코팅하는 단계; (b) 세라믹 코팅막에 일정 간격으로 레이저를 조사하여 홀을 형성하는 단계; (c) 온도측정 제어부를 통하여 상기 금속판의 온도를 측정하고, 온도변화를 측정하는 단계; (d) 상기 온도측정 제어부에서 상기 온도변화의 기울기가 급격한 변화가 일어나는지 여부를 판단하는 단계; (f) 상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 일정시간 경과 후 상기 레이저의 조사를 종료하여, 상기 홀에 상기 레이저 조사에 의해 용융된 금속을 채워 용접하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 본 발명에서 제안하고 있는 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따르면, 금속판에 세라믹을 코팅한 후 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 일정한 간격으로 홀을 형성하여 필터 기능을 위한 기공을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법은, 레이저를 이용하여 금속을 용융시킨 뒤 모세관 힘을 통하여 세라믹 코팅막에 형성된 홀에 금속을 채워 용접하여 접합력을 강화시킴으로써, 내열성과 내식성 및 내충격성을 가진 복합소재를 제작할 수 있다.
더하여, 금속판의 용융시점을 정확히 판단하고 홀 내부를 채워 접합하는 방법을 제어함으로써, 과도한 레이저 조사로 인한 용융된 금속물질이 홀 밖으로 유출되는 것을 방지할 수 있고, 정확하고 정밀하게 용접과정을 제어하여 불량률을 줄이고 양산 수율을 높일 수 있게 된다.

Description

온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법{METHOD FOR JOINING DISSIMILAR MATERIAL BY HIGH ENERGY DENSITY LASER WITH DETECTING TEMPERATURE}
본 발명은 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 관한 것으로서, 특히 금속판에 세라믹을 코팅한 후 세라믹에 홀을 형성하고 온도측정 제어를 통해 금속을 용융시켜 홀을 채움으로써 접합력을 강화시킨 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 관한 것이다.
일반적으로 이종물질 접합방법은, bulk 물질에 surface 물질을 접합함으로써 복합소재를 개발하는 방법이다. 이종물질 접합방법은 무게를 감소시키고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있어, 항공이나 자동차 기술 또는 태양열 발전판과 연료전지, 자동차의 하이브리드 구조에 널리 응용되었다.
종래에는, 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)이나 레이저를 사용하는 직접용접(Laser Direct Welding)을 통하여 이종물질을 접합하는 방법이 주로 개발되었다. 그러나 이러한 용접 방법은 두 물질의 녹는점 차이가 작을 경우에만 접합이 가능하다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, Thermal Spray, Cold Thermal Spray 또는 Aerosol Deposition을 통하여 금속박막에 세라믹을 코팅하는 방법이 주로 개발되었다. 그러나 Thermal Spray 방법은 분말 형태의 세라믹을 고온의 열원으로 용융하여 분사해 피막을 형성하기 때문에 의료용 금속 필터에 적용할 경우 필터의 기공을 모두 막아버려 필터의 기능을 상실하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 금속판에 세라믹을 코팅한 후 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 일정한 간격으로 홀을 형성하여 필터 기능을 위한 기공을 확보할 수 있는 레이저를 이용한 이종물질 접합방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 레이저를 이용하여 금속을 용융시킨 뒤 모세관 힘을 통하여 세라믹 코팅막에 형성된 홀에 금속을 채워 용접하여 접합력을 강화시킴으로써, 내열성과 내식성 및 내충격성을 가진 복합소재를 제작할 수 있는 레이저를 이용한 이종물질 접합방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 있어서, (a) 금속판에 세라믹을 일정 두께만큼 코팅하는 단계; (b) 세라믹 코팅막에 일정 간격으로 레이저를 조사하여 홀을 형성하는 단계; (c) 온도측정 제어부를 통하여 상기 금속판의 온도를 측정하고, 온도변화를 측정하는 단계; (d) 상기 온도측정 제어부에서 상기 온도변화의 기울기가 급격한 변화가 일어나는지 여부를 판단하는 단계; (f) 상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 일정시간 경과 후 상기 레이저의 조사를 종료하여, 상기 홀에 상기 레이저 조사에 의해 용융된 금속을 채워 용접하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 단계 (a)에서, 상기 금속판은 SUS-304 또는 SM45C인 것이 바람직하고, 상기 단계 (a)에서, 상기 금속판에 세라믹 입자를 분사하여 코팅하거나 또는 일정 두께의 세라믹 박판을 상기 금속판에 접합하여 코팅하는 것이 바람직하다.
또한, Thermal Spray를 이용하여 상기 세라믹 입자를 분사하는 것이 바람직하고, 상기 (f) 단계는 상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 상기 온도측정 제어부에서 제어 신호를 통하여 레이저광원의 출력을 줄이면서 상기 레이저의 조사를 종료하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 홀은, 지름이 0.5~50um인 것일 수 있고, Fiber 레이저를 사용하여 상기 홀을 형성하거나 또는 상기 금속판에 열을 가하여 용융시키는 것일 수 있다.
더하여, 상기 Fiber 레이저는, CW(Continuous Wave) Fiber 레이저인 것이 바람직하고, 상기 CW Fiber 레이저는, 레이저 파워가 40~60W이며 펌프 전류는 2500~3000mA인 것이 바람직하고,상기 CW Fiber 레이저는, Mark Speed가 0.1~5mm/s이며, Mark Count는 1~10인 것이 바람직하며, 상기 CW Fiber 레이저는, Scanning Speed가 5~10mm/s이며, Repetition은 5~10회인 것이 바람직하다.
본 발명에서 제안하고 있는 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따르면, 금속판에 세라믹을 코팅한 후 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 일정한 간격으로 홀을 형성하여 필터 기능을 위한 기공을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법은, 레이저를 이용하여 금속을 용융시킨 뒤 모세관 힘을 통하여 세라믹 코팅막에 형성된 홀에 금속을 채워 용접하여 접합력을 강화시킴으로써, 내열성과 내식성 및 내충격성을 가진 복합소재를 제작할 수 있다.
더하여, 금속판의 용융시점을 정확히 판단하고 홀 내부를 채워 접합하는 방법을 제어함으로써, 과도한 레이저 조사로 인한 용융된 금속물질이 홀 밖으로 유출되는 것을 방지할 수 있고, 정확하고 정밀하게 용접과정을 제어하여 불량률을 줄이고 양산 수율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 흐름도른 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 공정을 나타낸 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S100의 세부 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Aerosol Deposition 방법의 구조도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Cold Spray 방법의 구조도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Thermal Spray 방법의 구조도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Thermal Spray 방법의 구조도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 다양한 세라믹 코팅 방법을 비교한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 Thermal Spray 방법을 이용한 세라믹 코팅 전후를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S200을 수행한 결과를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 홀 가공 형상을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Femtosecond 레이저 장비를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따라 Femtosecond 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 형성한 홀을 나타내는 도면.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Nd:YAG 레이저 장비를 나타내는 도면.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따라 Nd:YAG 레이저를 이용하여 홀을 형성한 경우의 세라믹 코팅막(a)과 금속판(b)을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Fiber 레이저 장비를 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법을 수행한 결과를 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S300을 수행한 결과를 나타내는 도면.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 Femtosecond 레이저를 이용하여 용접한 경우의 (a)세라믹 코팅막과 (b)금속판을 나타내는 도면.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀 부분을 나타내는 도면.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀을 나타내는 도면.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀을 나타내는 도면.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀의 배열을 나타내는 도면.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀을 나타내는 도면.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀의 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 흐름도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 수행 과정을 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본발명에 따른 이종물질 접합방법은 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 있어서, (a) 금속판에 세라믹을 일정 두께만큼 코팅하는 단계(S100); (b) 세라믹 코팅막에 일정 간격으로 레이저를 조사하는 단계(S200); (c) 온도측정 제어부를 통하여 상기 금속판의 온도를 측정하고, 온도변화를 측정하는 단계(S300); (d) 상기 온도측정 제어부에서 상기 온도변화의 기울기가 급격한 변화가 일어나는지 여부를 판단하는 단계(S400); (f) 상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 일정시간 경과 후 상기 레이저의 조사를 종료하여, 상기 홀에 상기 레이저 조사에 의해 용융된 금속을 채워 용접하는 단계(S500)를 포함하여 구성한다.
단계 S100에서는, 금속판에 세라믹을 일정 두께만큼 코팅한다. 단계 S100에 대해서는 도 3을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S100의 세부 순서도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S100은, 금속판에 세라믹 입자를 분사하여 코팅하는 단계(S110), 또는 일정 두께의 세라믹 박판을 접합하여 코팅하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
단계 S110에서는, 금속판에 세라믹 입자를 분사하여 코팅한다. 이때 Thermal Spray 방법을 사용할 수 있다. 단계 S110에 대해서는 이하 도 4 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Aerosol Deposition 방법의 구조도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, Aerosol Deposition 방법은, 미세한 세라믹 분말을 운송가스에 실어서 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹 코팅 층을 형성한다. Aerosol Deposition 방법은 고속코팅(코팅 층 두께 형성 속도는 분당 30um 가능)이 가능하고 상온에서 치밀하고 균열이 없는 코팅 층의 형성이 가능하다. 주로 박막코팅에 사용되나 광범위한 두께의 코팅(서브~수십um) 또한 가능하며, 금속, 세라믹, 경질 고분자 등 다양한 기판에 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 Aerosol Deposition 방법은 가공비용이 매우 고가이기 때문에 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 사용할 경우 제조단가가 높아진다는 문제점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Cold Spray 방법의 구조도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Cold Spray 방법은, 코팅소재를 분말로 하여 가스 기류에 혼합한 후 초음속(300~1200m/s)으로 가속하여 기판(substrate)에 충돌시킴으로써, 충돌 시 발생하는 소성변형에 의해 코팅 층을 형성시키는 고상상태(Solid State) 코팅 공정 기술이다. Cold Spray는 입자 재료의 고유 물성 유지가 가능하나, 일부 금속, 합금, 세라믹의 경우 금속 결합재 첨가 없이 코팅이 불가능하므로 코팅 소재의 제한성이 크다는 단점이 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 Thermal Spray 방법의 구조도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, Thermal Spray 방법은, 분말 형태의 파우더(powder)를 고온의 열원으로 용융하여 기판에 고속으로 분사해 피막을 형성하는 방법이다. 전기 전도나 차폐, 열전도의 차폐, 내식성, 내마모성, 내열성 등을 부여해 주기 위하여 사용된다. 기판의 크기와 형태에 관계없이 피막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용할 수 있는 다양한 세라믹 코팅 방법을 비교한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, Thermal Spray 방법이 입자속도의 선택 폭이 넓으며 입자경이 크므로 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 가장 적합하다고 할 수 있다. 다음 표 1은 세라믹 분말을 분사하여 코팅하는 방법의 비교표이다. [표 1]에 기재된 바와 같이, Thermal Spray, Cold Spray, Aerosol Deposition 방법을 비교하여 볼 때, Thermal Spray가 세라믹 코팅에 가장 적합한 것을 확인할 수 있다.
[표 1]
Figure pat00001
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 Thermal Spray 방법을 이용한 세라믹 코팅 전후를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, Thermal Spray 방법을 이용한 세라믹 코팅은, 금속판에 코팅되는 세라믹 분말이 금속판의 기공을 막음으로써, 금속판이 필터로서의 기능을 상실하게 된다는 문제점이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을, 세라믹 코팅막에 레이저를 사용하여 일정 간격으로 홀을 형성하는 단계(S200)를 통하여 기공을 만듦으로써 해결하고 있다.
단계 S130에서는, 일정 두께의 세라믹 박판을 금속판에 접합하여 코팅한다. 단계 S110에서 Thermal Spray로 금속판에 세라믹을 코팅하는 경우, 세라믹 분말을 분사하는 방법이기 때문에 코팅 전면이 완벽하게 동일한 두께를 지니도록 코팅하는 것이 어려우므로, 세라믹 코팅막에 일정한 홀을 가공하는데 가공 시간이 오래 걸릴 수 있다. 따라서 일정한 두께를 지닌 세라믹 박판을 금속판에 바로 접합하는 방법을 사용할 수 있다. 물론 이 경우에도 세라믹 코팅이 금속판의 기공을 막아버려 필터로서의 기능을 상실케 할 수 있으나, 이는 세라믹 코팅막에 레이저를 사용하여 일정 간격으로 홀을 형성하는 단계(S200)를 통하여 기공을 만듦으로써 해결할 수 있다.
단계 S200에서는, 세라믹 코팅막에 일정 간격으로 레이저를 조사하여 홀을 형성한다. 단계 S200에 대해서는 도 10을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S200을 수행한 결과를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 단계 S200에서는, 세라믹 코팅막에 Femtosecond 레이저, Nd:YAG 레이저 또는 Fiber 레이저를 사용하여 일정한 간격으로 홀을 형성한다. 홀의 크기는 모세관 힘을 통해 금속이 채워질 수 있도록 지름이 0.5~50um일 수 있다. 단계 S110을 거친 경우에는 세라믹 코팅막이 불균일할 수 있어 일정한 크기의 홀을 형성하는데 많은 시간이 소요될 수 있으나, 단계 S130을 거친 경우에는 균일한 두께의 세라믹 박판에 홀을 형성하는 것이므로 단계 S110을 거친 경우보다 짧은 시간 내에 단계 S200을 완료할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 홀 가공 형상을 나타내는 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법은, 평판 또는 기둥 형태에도 모두 적용할 수 있어 다양한 형태의 복합소재를 개발하는데 응용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Femtosecond 레이저 장비를 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따라 Femtosecond 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 형성한 홀을 나타내는 도면이다. 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Femtosecond 레이저는, 대략 수 펨토초 이상의 펄스폭을 가지며, 증폭을 할 경우 테라와트(=1012W)에 해당하는 순간출력을 낼 수 있는 레이저이다. 표 2와 표 3은 Femtosecond 레이저의 실험조건을 나타낸다. 표 3에 기재된 바와 같이, Femtosecond 레이저는 세라믹 코팅막에 홀을 가공하는 작업이 너무 오래 걸린다는 단점이 있다.
[표 2]
Figure pat00002
[표 3]
Figure pat00003

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Nd:YAG 레이저 장비를 나타내는 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 따라 Nd:YAG 레이저를 이용하여 홀을 형성한 경우의 세라믹 코팅막(a)과 금속판(b)을 나타내는 도면이다. 표 4와 표 5는 Nd:YAG 레이저의 실험조건을 나타낸다. 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 Nd:YAG 레이저를 이용하여 세라믹 코팅막에 홀을 형성하는 경우, Nd:YAG 레이저의 파워가 너무 세기 때문에 홀이 매우 크게 형성되며 금속판까지 홀이 형성될 수 있다는 단점이 있다.
[표 4]
Figure pat00004
[표 5]
Figure pat00005

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 이용될 수 있는 Fiber 레이저 장비를 나타내는 도면이다. 도 16에 도시된 바와 같이, Fiber 레이저는 고체레이저로서 레이저 매질은 보통 이테르븀(Ytterbium: Yb)으로 도핑된 광섬유를 사용한다. 파장은 1070± 5nm 범위이며 고품질의 single mode 특성을 이용하여 광통신 산업분야에 이용된다. 1990년대 말부터 제조 산업, 군수산업, 의학 장비 및 우주항공 장비 분야에 널리 사용되었다. Fiber 레이저는 Femtosecond 레이저와 Nd:YAG 레이저의 단점을 모두 보완할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 가장 적합하다. 특히 CW(Continuous Wave) Fiber 레이저를 사용할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법을 수행한 결과를 나타내는 도면이다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 세라믹 코팅막(20)에 레이저 조사와 함께(S200), 온도측정 제어부(40)의 온도센서(45)를 이용하여 상기 코팅막(20) 반면에 위치한 금속판(10)의 온도를 측정한다.(S300) 레이저가 세라믹 코팅막(20)에 조사되면, 세라믹 코팅막(20) 및 금속판(10)은 서서히 온도가 상승하게 된다. 그러나, 세라믹 코팅막(20)은 금속판(10) 보다 용융점이 매우 높고, 열전도율이 매우 낮기 때문에, 세라믹 코팅막(20)과 금속판(10) 경계 사이에서, 레이저 광(30)이 세라믹 코팅막(20)을 뚫고 금속판(10)에 직접 조사되는 경우, 금속판(10)의 온도가 급격히 변화하게 된다.
이러한 금속판(10)의 온도변화를 온도센서(45)를 이용하여 측정하면서, 상기 금속판(10)의 온도변화 기울기가 급격한 변화를 일으키는 경우는(S400), 상기 레이저 광(30)이 상기 세라믹 코팅막(20)을 뚫고 금속판(10)에 직접 조사되기 때문이다. 상기 레이저 광(30)이 금속판(10)에 직접조사 되면, 금속판(10)의 열전도율이 높고, 용융점이 낮기 때문에 빠른 시간에 조사되는 금속판(10) 지점에서 용융이 일어나고, 작은 직경의 홀 관을 따라 모세관 현상에 의하여 용융된 금속 물질이 채워지게 된다.(S500)
이와 같은, 본 발명에 따른 용접방법에서 금속판의 온도변화 측정을 이용하면, 금속판이 용융되는 시점을 정확히 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 금속판(10)이 용융되어 상기 홀 내부벽을 따라 모세관 현상에 의해 채워지는 정도 및 시간을 예측할 수 있게 된다. 그리고, 이러한 적확한 용접 프로세스의 예측을 통해, 정밀하게 레이저 광(30)을 조사할 수 있고 이를 제어할 수 있기 때문에, 제품의 불량률을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 양산 수율을 높일 수 있게 된다.
도 18은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 금속판의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 세라믹 코팅막(20)에 레이저를 조사한 후 금속판(10)의 온도를 측정해 보면, 금속판(10)의 온도가 완만한 기울기로 상승하다가, 일정한 시점(tm)에서 온도의 기울기 변화가 급격하게 일어나게 되는 것을 알 수 있다. 이는 레이저 광이 세라믹 코팅막(20)을 뚫고 금속판(10)을 직접 조사하게 되는 시점(tm)에서부터 금속판의 낮은 용융점(melting point) 및 높은 열전도성으로 인해 온도 변화가 급격하게 일어나기 때문이다.
이 시점(tm) 후 일정시간 경과후 레이저 광의 조사 종료하면, 자연적으로 모세관 현상에 의해 용융된 금속물질이 상기 홀에 채워지도록 함으로써, 과도한 조사로 인한 용융된 금속물질이 홀 밖으로 유출되는 것을 방지할 수 있고, 정확하고 정밀하게 제어하여 양산 수율을 높일 수 있게 된다.
레이저 광(30) 조사를 종료하는 과정은 온도측정 제어부에서 금속판(10) 온도의 기울기 급격한 변화를 감지하고, 즉각 종료하는 것도 가능하고, 레이저의 출력을 줄여가며 서서히 종료하는 것도 역시 가능하다. 이는 미리 시뮬레이션 하여 용융시점부터 상기 홀에 용융 물질이 채워지 시간을 측정하여 더욱 정밀한 제어가 가능한 방법이면 모두 가능하다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법은 Femtosecond 레이저 또는 Fiber 레이저를 조사하고(S200), 금속판 후면에 온도센서를 장착하여 레이저 조사에 의한 온도변화를 측정하고(S300), 상기 온도변화의 기울기에 급격한 변화가 일어나면, 상기 레이저가 세라믹층을 뚫고 금속판을 직접 가열하는 것임을 판단하고(S400), 일정 시간 경과 후 상기 레이저 조사를 종료하여 용융된 금속물질이 홀을 채워 용접을 최종 종료하게 된다.(S500)
즉, 본 발명의 실시예에서는 용융시점을 정확히 검출하여, 레이저 조사를 제어 또는 종료하여 자연적으로 용융된 금속이 모세관 힘을 통하여 자동적으로 상승되어 채워져 접합 되도록 한다. 이러한 본 발명에 따른 세라믹 코팅막과 금속판 간의 결합 방법으로 내열성, 내식성, 내충격성을 지닌 복합소재를 제조할 수 있게 된다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 Femtosecond 레이저를 이용하여 용접한 경우의 세라믹 코팅막(a)과 금속판(b)을 나타내는 도면이다. 또한, 표 6과 표 7은 Femtosecond 레이저의 용접 실험조건을 나타낸다. 표 7에 기재된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 Femtosecond 레이저를 이용하는 경우는 작업시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 있다.
[표 6]
Figure pat00006
[표 7]
Figure pat00007

도 20는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀 부분을 나타내는 도면이다. 표 8은 Pulsed Fiber 레이저의 용접 실험조건을 나타내며, 표 9는 Pulsed Fiber 레이저의 Mark Count에 따른 세라믹 홀 가공여부를 나타낸다. 표 9에 기재된 바와 같이, Pulsed Fiber 레이저를 사용하는 경우에는 세라믹 홀의 가공이 이루어지지 않으므로, CW(Continuous wave) Fiber 레이저를 사용할 수 있다. 표 10은 CW Fiber 레이저의 용접 실험조건을 나타내며, 표 11은 CW Fiber 레이저의 Mark Count에 따른 용접여부를 나타낸다. 표 10에 기재된 바와 같이, 레이저 파워는 40 내지 60W, 펌프 전류는 2500 내지 3000mA, Mark Speed는 0.1 내지 5mm/s, Mark Count는 1 내지 10인 CW Fiber 레이저를 사용할 수 있다.
[표 8]
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011

도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀을 나타내는 도면이다. 도 21과 도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법의 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀은, 깔끔한 용접 결과를 확인할 수 있다. SM45C에 Al2O3를 45W로 코팅한 후 용접한 것이며, 용접 조건은 도 21의 경우 Scanning speed 5mm/s, Repetition 5회이며, 도 21의 경우 Scanning speed 10mm/s, Repetition 10회이다. 두 경우 모두 만족스러운 홀이 가공된 바, CW Fiber 레이저의 용접 조건은 Scanning Speed가 5~10mm/s, Repetition은 5~10회로 할 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀의 배열을 나타내는 도면이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀의 배열은, SUS-304에 코팅한 것으로 용접 조건은 power 45W, Scanning speed 10mm/s, Repetition 10회이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀을 나타내는 도면이다. 도 24에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀은, Material과 Scanning speed, Repetition에 따라 홀의 형상이 다소 차이를 나타낼 수 있으나 이종물질의 접합에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀의 단면도이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에서 CW Fiber 레이저를 이용하여 용접한 경우의 홀은, 용융된 금속이 모세관 힘을 통하여 세라믹 코팅막의 홀에 채워짐으로써 이종물질간의 접합이 견고하게 이루어진 것을 확인할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 금속판, 20:세라믹 코팅막, 30: 레이저 광, 40: 온도측정 제어부,
45: 온도센서

Claims (11)

  1. 레이저를 이용한 이종물질 접합방법에 있어서,
    (a) 금속판에 세라믹을 일정 두께만큼 코팅하는 단계;
    (b) 세라믹 코팅막에 일정 간격으로 레이저를 조사하여 홀을 형성하는 단계;
    (c) 온도측정 제어부를 통하여 상기 금속판의 온도를 측정하고, 온도변화를 측정하는 단계;
    (d) 상기 온도측정 제어부에서 상기 온도변화의 기울기가 급격한 변화가 일어나는지 여부를 판단하는 단계;
    (f) 상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 일정시간 경과 후 상기 레이저의 조사를 종료하여, 상기 홀에 상기 레이저 조사에 의해 용융된 금속을 채워 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 금속판은 SUS-304 또는 SM45C인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 금속판에 세라믹 입자를 분사하여 코팅하거나 또는 일정 두께의 세라믹 박판을 상기 금속판에 접합하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  4. 제3항에 있어서,
    Thermal Spray를 이용하여 상기 세라믹 입자를 분사하는 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서,
    상기 기울기가 급격한 변화가 일어나는 경우, 상기 온도측정 제어부에서 제어 신호를 통하여 레이저광원의 출력을 줄이면서 상기 레이저의 조사를 종료하는 단계인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 홀은,
    지름이 0.5~50um인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    Fiber 레이저를 사용하여 상기 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 Fiber 레이저는, CW(Continuous Wave) Fiber 레이저인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CW Fiber 레이저는, 레이저 파워가 40~60W이며 펌프 전류는 2500~3000mA인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 CW Fiber 레이저는, Mark Speed가 0.1~5mm/s이며, Mark Count는 1~10인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 CW Fiber 레이저는, Scanning Speed가 5~10mm/s이며, Repetition은 5~10회인 것을 특징으로 하는 온도측정 제어 레이저를 이용한 이종물질 접합방법.









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