레이저는 용광로 없이도 세라믹을 용접할 수 있습니다.

긁히거나 부서지지 않는 스마트폰. 금속이 없는 심장박동기. 우주 및 기타 열악한 환경을 위한 전자 장치. 이 모든 것은 UC Riverside와 UC San Diego가 이끄는 엔지니어 팀이 개발한 새로운 세라믹 용접 기술 덕분에 가능했습니다.

사이언스(Science) 8월 23일자에 게재된 이 프로세스는 초고속 펄스 레이저를 사용하여 인터페이스를 따라 세라믹 재료를 녹이고 서로 융합합니다. 이는 주변 조건에서 작동하고 50와트 미만의 레이저 전력을 사용하므로 용광로에서 부품을 가열해야 하는 현재 세라믹 용접 방법보다 더 실용적입니다.

세라믹은 녹아서 극도로 높은 온도가 필요하고 균열을 일으키는 극단적인 온도 구배에 노출되기 때문에 함께 용접하기가 근본적으로 어려웠다고 수석 저자이자 UC 샌디에이고의 기계 공학 및 재료 과학 및 공학 교수인 Javier E. Garay가 설명했습니다. UC Riverside 교수이자 기계공학과 의장인 Guillermo Aguilar와 함께 작업을 주도했습니다.

세라믹 소재는 생체적합성이 뛰어나고 단단하며 파손에 강해 생체의학 임플란트와 전자제품 보호 케이스에 이상적이기 때문에 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 현재의 세라믹 용접 절차는 그러한 장치를 만드는 데 도움이 되지 않습니다.

Garay는 "현재로서는 전체 어셈블리를 용광로에 넣어야 하기 때문에 전자 부품을 세라믹 내부에 넣거나 밀봉할 수 있는 방법이 없습니다"라고 Garay는 말했습니다.

연구팀의 해결책은 두 세라믹 부품 사이의 경계면을 따라 일련의 짧은 레이저 펄스를 조준하여 경계면에만 열이 축적되고 국부적인 용융이 발생하도록 하는 것이었습니다. 그들은 그들의 방법을 "초고속 펄스 레이저 용접"이라고 부릅니다.

이를 작동시키기 위해 연구진은 레이저 매개변수(노출 시간, 레이저 펄스 수 및 펄스 지속 시간)와 세라믹 재료의 투명도라는 두 가지 측면을 최적화해야 했습니다. 올바른 조합을 사용하면 레이저 에너지가 세라믹에 강력하게 결합되어 실온에서 낮은 레이저 출력(50와트 미만)을 사용하여 용접이 이루어질 수 있습니다.

“초고속 펄스의 최적 지점은 적당한 총 펄스 수와 함께 1MHz의 높은 반복률에서 2피코초였습니다. 이를 통해 용융 직경이 최대화되고 재료 제거가 최소화되었으며 가능한 최상의 용접을 위해 적시에 냉각이 이루어졌습니다.”라고 Aguilar는 말했습니다.

Garay는 "원하는 곳에 에너지를 집중시킴으로써 세라믹 전체에 온도 구배를 설정하는 것을 방지하고 온도에 민감한 재료를 손상시키지 않고 담을 수 있습니다"라고 말했습니다.

개념 증명으로 연구원들은 투명한 원통형 캡을 세라믹 튜브 내부에 용접했습니다. 테스트 결과 용접부는 진공을 유지할 만큼 충분히 강한 것으로 나타났습니다.

UC San의 Garay 연구 그룹에서 박사후 연구원으로 이 프로젝트에 참여한 제1저자 Elias Penilla는 "우리가 용접부에 사용한 진공 테스트는 전자 및 광전자 장치의 씰을 검증하기 위해 업계에서 사용하는 테스트와 동일합니다."라고 말했습니다. 디에고.

이 공정은 지금까지 크기가 2cm 미만인 작은 세라믹 부품을 용접하는 데에만 사용되었습니다. 향후 계획에는 다양한 유형의 재료 및 형상뿐만 아니라 더 큰 규모에 대한 방법을 최적화하는 것이 포함됩니다.

"세라믹의 초고속 레이저 용접"이라는 논문이 Science에 게재되었습니다. 공동 저자로는 AT Wieg, P. Sellappan 및 Y. Kodera, UC San Diego; 및 LF Devia-Cruz, P. Martinez 및 N. Cuando-Espitia, UC Riverside.

이 작업은 국방고등연구계획국(DARPA 계약 HR0011-16-2-0018), 국립과학재단(NSF-PIRE 보조금 계약 #1545852) 및 UC 리버사이드 연구경제개발국의 자금 지원을 받았습니다.