레이저로 다이아몬드를 '조각'하다: 빛으로 가장 단단한 재료를 정복하다

다이아몬드자연에서 가장 단단한 물질이지만, 보석만 있는 것은 아닙니다. 이 물질은 구리보다 열전도율이 5배 빠르고, 극한의 열과 방사선을 견딜 수 있으며, 빛을 투과하고, 절연성을 갖추고, 심지어 반도체로 변환될 수도 있습니다. 하지만 바로 이러한 "초능력" 때문에 다이아몬드는 가공하기 "가장 어려운" 물질이 되었습니다. 기존의 도구로는 다이아몬드를 자를 수 없거나 균열이 생기기 때문입니다. 레이저 기술이 등장하고 나서야 인류는 이 "소재의 왕"을 정복할 열쇠를 찾아냈습니다.

레이저로 다이아몬드를 '절단'할 수 있는 이유는 무엇일까?

돋보기를 사용하여 햇빛을 모아 종이에 불을 붙이는 것을 상상해 보세요. 다이아몬드 레이저 가공 원리도 비슷하지만 더 정확합니다. 고에너지 레이저 빔이 다이아몬드에 조사되면 미세한 "탄소 원자 변형"이 일어납니다.

1. 다이아몬드가 흑연으로 변합니다. 레이저 에너지는 표면 다이아몬드 구조(sp³)를 더 부드러운 흑연(sp²)으로 바꿉니다. 마치 다이아몬드가 즉시 연필심으로 "변질"되는 것과 같습니다.

2. 흑연은 "증발"됩니다. 흑연 층은 고온에서 승화되거나 산소에 의해 식각되어 정밀한 가공 흔적을 남깁니다. 3. 핵심 혁신: 결함 이론적으로 완벽한 다이아몬드는 자외선 레이저(파장 <229nm)로만 가공할 수 있지만, 실제로 인공 다이아몬드는 항상 미세한 결함(불순물 및 결정립계 등)을 가지고 있습니다. 이러한 결함은 일반적인 녹색광(532nm)이나 적외선 레이저(1064nm)가 흡수될 수 있도록 하는 "구멍"과 같습니다. 과학자들은 결함 분포를 조절하여 레이저가 다이아몬드에 특정 패턴을 새기도록 "명령"할 수도 있습니다.

레이저 타입: '로'에서 '아이스나이프'로 진화

레이저 가공은 컴퓨터 수치 제어 시스템, 첨단 광학 시스템, 그리고 고정밀 자동화된 공작물 위치 제어를 결합하여 연구 및 생산 가공 센터를 구축합니다. 다이아몬드 가공에 적용하면 효율적이고 고정밀 가공을 달성할 수 있습니다.

1. 마이크로초 레이저 가공 마이크로초 레이저 펄스 폭은 넓어 일반적으로 거친 가공에 적합합니다. 모드 잠금 기술이 등장하기 전에는 레이저 펄스가 대부분 마이크로초에서 나노초 범위였습니다. 현재 마이크로초 레이저를 이용한 직접 다이아몬드 가공에 대한 보고는 거의 없으며, 대부분 후공정 응용 분야에 집중되어 있습니다.

2. 나노초 레이저 가공 나노초 레이저는 현재 시장 점유율이 높고 안정성이 우수하며, 비용이 저렴하고 처리 시간이 짧다는 장점이 있습니다. 기업 생산에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 나노초 레이저 어블레이션 공정은 시료에 열적 파괴를 일으키며, 거시적으로는 가공 과정에서 큰 열 영향부가 생성된다는 단점이 있습니다.

3. 피코초 레이저 가공 피코초 레이저 가공은 나노초 레이저 열 평형 절삭과 펨토초 레이저 냉간 가공의 중간 단계입니다. 펄스 지속 시간이 크게 단축되어 열 영향부로 인한 손상을 크게 줄입니다.

4. 펨토초 레이저 가공 초고속 레이저 기술은 다이아몬드 미세 가공에 새로운 가능성을 제공하지만, 펨토초 레이저의 높은 비용과 유지 보수 비용은 가공 기술의 발전을 저해합니다. 현재 관련 연구는 대부분 실험실 단계에 머물러 있습니다.

결론

"절단 불가능"에서 "자유롭게 조각 가능"으로, 레이저 기술은다이아몬드 더 이상 실험실에 갇힌 "꽃병"이 아닙니다. 기술의 발전으로 미래에는 휴대폰에서 열을 발산하는 다이아몬드 칩, 다이아몬드를 사용하여 정보를 저장하는 양자 컴퓨터, 심지어 인체에 이식되는 다이아몬드 바이오센서까지 볼 수 있을 것입니다. 빛과 다이아몬드의 이러한 춤은 우리의 삶을 변화시키고 있습니다.