인시투 나노 흡수층으로 레이저 구동 플라이어 효율 향상

요약

직접 레이저 쓰기 기술로 서로 다른 나노구조 흡수층을 가진 세 종류의 Al 플라이어 플레이트를 인시투 제조하여 레이저 구동 플라이어 어셈블리의 에너지 변환 효율을 개선했습니다. 미세구조, 광흡수, 가속 챔버 내 플라이어 속도를 조사했습니다. 1064 nm 파장에서 플라이어의 반사율이 나노구조 흡수층으로 81.3%에서 9.8%로 감소할 수 있습니다. 60 mJ 레이저 펄스로 조사된 50 μm 두께 Al 플라이어의 종단 속도는 831 m/s인 반면, 인시투 제작된 나노 흡수층을 가진 플라이어는 동일한 조건에서 최대 1113 m/s 속도에 도달합니다. 결과적으로 나노구조 흡수층을 가진 플라이어의 에너지 변환 효율은 Al 플라이어의 1.99배에 달할 수 있습니다. 따라서 플라이어 표면에 인시투 제작된 나노구조 흡수층은 레이저 구동 플라이어의 에너지 변환 효율을 크게 개선하는 새로운 방법을 제공합니다.

서론

폭발물 기폭용 레이저 구동 플라이어(LDF)는 응축상 물질의 잘 제어된 단펄스 충격 압축을 위한 유망한 접근법을 제공합니다[1-4]. LDF 설정에서 투명 창 기판으로 지지된 얇은 금속 박이 나노초 펄스 레이저로 발사되며, 금속 박의 한 층인 흡착층이 순간적으로 고압 플라즈마를 생성하며 흡착되고, 이 플라즈마가 금속 박의 나머지를 수 km/s 속도로 날려 플라이어로 만듭니다. 금속 알루미늄은 좋은 인성과 낮은 밀도로 플라이어 재료로 이상적입니다. 그러나 순수 알루미늄 플라이어의 높은 반사로 인해 큰 비율의 에너지가 손실되어 플라이어의 에너지 변환 효율(플라이어 운동 에너지와 입사 레이저 에너지 비율로 정의)이 극도로 낮아 LDF의 실용적 응용을 크게 제한했습니다[5,6].

LDF의 에너지 변환 효율을 개선하기 위한 많은 연구가 수행되었습니다. 입사 레이저 파장에서 더 강한 흡수를 가진 층을 도입하여 반사 감소를 통해 에너지 변환 효율을 개선할 수 있다는 점을 고려하여[7], 순수 알루미늄보다 낮은 반사율을 가진 많은 물질이 흡수층으로 연구되었습니다. Labaste 등[8]과 Brierley 등[9]은 에너지 변환 효율 개선을 위해 여러 물질을 흡수층으로 조사하여 Ge, Ti, Zn 첨가가 반사를 감소시키고 플라이어 속도를 약간 증가시킴을 발견했습니다. 검은 페인트 단일 코팅도 플라이어 흡수층으로 적용되었지만 속도가 명백히 개선되지 않았습니다. 이러한 낮은 반사율 물질이 흡수층일 뿐만 아니라 흡착층 역할도 하며, 상호작용 물질 효율이 플라이어 물질의 광학적 및 열역학적 특성 모두에 의존하므로[10] 플라이어 속도 증가는 제한됩니다.

최근 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 여기로 광흡수를 개선하기 위한 플라즈모닉 나노물질 사용이 분광 센서와 태양 에너지 변환 분야에서 큰 관심을 끌고 있습니다[11-13]. 알루미늄 나노구조는 자외선에서 가시광선까지 넓은 LSPR 스펙트럼 범위를 커버하므로 광 수확 시스템으로 사용될 수 있습니다[14-17]. Zhang 등[18]은 알루미늄 입자 통합으로 광학 시뮬레이션을 통해 40% 흡수 향상을 달성할 수 있음을 발견했습니다. Lee 등[19]은 알루미늄 코어-쉘 나노구조를 사용한 플라즈몬 강화 광 수확을 위한 견고한 플랫폼 설계 전략을 보고하여 광-화학 변환에서 현저한 증가를 가져왔습니다. Fan 등[20]은 두꺼운 금속 표면에 고효율 반사 방지 미세-나노 구조 제작을 위한 초고속 레이저 가공 전략을 시연했으며, Cu, Ti, W 표면에서 자외선에서 근적외선 광대역 스펙트럼에 걸쳐 각각 평균 반사율 4.1%, 2.4%, 3.2%를 달성했습니다. 그러나 우리가 아는 한 나노구조 물질을 사용하여 LDF의 레이저 흡수를 개선한 연구는 없습니다.

본 연구에서는 얇은 Al 플라이어 표면에 인시투 제작된 나노구조 알루미늄 흡수층을 제안하여 레이저 흡수와 에너지 변환 효율을 개선합니다. 정밀성, 상대적 단순성, 높은 수율로 인해 펨토초 레이저 쓰기 기술인 직접 레이저 쓰기를 나노구조 제작에 활용했습니다[21-23]. 인시투 제작된 나노구조 표면의 형태와 조성을 특성화하고 광흡수를 테스트했습니다. 나노구조 흡수층을 가진 플라이어의 에너지 변환 효율을 평가하기 위해 단일 펄스 레이저로 플라이어를 발사하고 광학 도플러 속도계(PDV)로 속도를 얻었습니다. 또한 플라이어의 운동 에너지와 에너지 변환 효율을 계산하고 논의했습니다.

실험 방법

시료 준비

60 mm × 60 mm × 50 μm(폭, 길이, 높이) 크기의 Al 박을 기준 플라이어로 사용했습니다. 이 박들을 먼저 전기화학적으로 연마하여 낮은 표면 평균 거칠기를 달성했습니다. 나노구조 흡수층은 공기 분위기에서 직접 쓰기 레이저로 Al 박 표면에 인시투 제조되었습니다. 직접 레이저 쓰기는 1030 nm 파장, 600 fs 펄스 지속 시간, 200 kHz 반복률을 가진 편광 펨토초 레이저(FX200-3-GFH, EdgeWave, 독일)를 사용했습니다. 출력 레이저 파워는 0~100 W 범위에서 변했습니다. 그림 1은 시료 제조를 위한 직접 레이저 쓰기 준비 공정을 보여줍니다. Al 박 표면의 나노구조는 조사 레이저 파워와 스캐닝 속도 및 주기를 변경하여 제어했습니다. 서로 다른 나노구조 흡수층을 가진 세 시료(A, B, C)를 제조했습니다. 시료 A는 y 방향으로 1000 mm/s 스캐닝 속도, 25 μm 스캐닝 주기로 22.60 W 레이저 펄스 조사되었습니다. 시료 B는 x, y 양방향으로 5000 mm/s 스캐닝 속도, 1 μm 스캐닝 주기로 13.82 W 레이저 펄스 조사되었습니다. 시료 C는 x, y 양방향으로 8000 mm/s 스캐닝 속도, 100 nm 스캐닝 주기로 22.60 W 레이저 펄스 조사되었습니다.

특성 분석 방법

시료 표면 형태는 주사 전자 현미경(SEM, Ultra 55, Zeiss, 독일)과 에너지 분산형 X선 분석(EDX, Oxford, 영국)을 결합하여 특성화했습니다. 500-1500 nm 파장 범위에서 시료의 광학 파장 의존 반사율 측정은 통합 구를 결합한 UV-VIS-NIR 분광광도계(SolidSpec-3700, Shimadzu, 일본)로 수행했습니다.

그림 2는 플라이어 발사와 플라이어 속도 특성화에 사용된 실험 설정을 보여줍니다. 속도는 플라이어 성능 추정에 핵심 요소 중 하나입니다. Q-스위치 Nd:YAG 레이저(Innolas SpitLight 400, 1064 nm 파장, 14 ns 펄스 길이)를 사용하여 준비된 시료를 흡착 및 발사했으며, PDV 시스템으로 시료 플라이어 속도를 측정했습니다. 레이저 빔의 공간 에너지 분포는 확산 광학소자로 균질화되었습니다. 레이저 스팟 직경은 0.5 mm였습니다. 속도 측정 실험에서 시료를 작은 조각으로 잘라 나노구조 층이 창에 붙도록 사파이어 창에 부착했습니다. 0.2 mm 두께, 0.6 mm 내경의 강철 가속 챔버를 사용했습니다. 60 mJ 단일 레이저 펄스를 시료에 조사하여 가속 챔버에서 고속 플라이어를 생성했습니다. PDV 시스템과 연결된 광섬유를 가속 챔버 출구에 배치하여 플라이어 속도를 기록했습니다.

결과 및 논의

흡수층 미세구조

그림 3a-f는 시료 A, B, C의 나노구조 흡수층 미세구조를 보여줍니다. 시료 A가 v_x = 0, v_y = 1000 mm/s 스캐닝 속도로 한 방향으로 초고속 레이저 조사되었으므로 그림 3a와 같이 반주기적 구조를 보입니다. 그림 3d에서 시료 A의 나노구형 구조를 관찰했습니다. 약 50-200 nm 직경 나노구체가 10 nm 미만 직경의 더 작은 나노구체로 덮여 있습니다. 시료 B와 C는 양방향으로 조사되었고 스캐닝 속도가 시료 A보다 훨씬 빠르므로 그림 3b, c와 같이 표면에서 뚜렷한 주기적 구조는 관찰되지 않았습니다. 시료 B의 경우 표면에서 마이크로미터 스케일 많은 입자들이 관찰되었습니다(그림 3b), 입자들은 콜리플라워 나노구조로 구성되었습니다(그림 3e). 시료 C가 시료 A, B보다 더 높은 속도로 조사 및 스캐닝되었으므로 나노입자 축적이 훨씬 빠르고 열 효과가 더 두드러졌습니다. 결과적으로 훨씬 두꺼운 나노시트와 나노입자 집적이 그림 3c, f에서 관찰되었습니다. 냉각 과정에서 상대적으로 높은 응력이 발생하여 표면에 다중 균열이 생겼습니다.

그림 3g-i는 시료 A, B, C에 대한 에너지 분산형 X선 분석(EDX) 결과입니다. EDX는 나노구조 조성에서 Al₂O₃ 산화물 존재를 보여줍니다. 산화물은 레이저 쓰기 공정 중 알루미늄 산화로 형성되었습니다. 시료 A, B, C의 산소 함량은 각각 2.2, 8.4, 22.9 at%였습니다. 명백히 시료 B와 C가 시료 A보다 훨씬 높은 산소 함량을 가졌으며, 시료 B 조사 레이저 파워(13.82 W)가 시료 A(22.60 W)보다 낮고 시료 A와 C 조사 레이저 파워가 동일함을 고려하면 스캐닝 속도와 스캐닝 주기가 직접 레이저 쓰기 중 열 발생과 소산에 상당한 영향을 미침을 나타냅니다. 산화는 스캐닝 속도 증가와 스캐닝 주기 감소에 따라 증가합니다.

시료 광흡수

그림 4a는 Al 박과 나노구조 흡수층을 가진 플라이어들의 광학 현미경 외관을 보여줍니다. Al 박 색은 은백색입니다. 나노구조 흡수층 추가로 시료 A, B, C가 회색, 검은색, 짙은 검은색을 띠어 흡수층으로 더 많은 빛을 흡수할 수 있음을 나타냅니다. Al 박과 시료 A, B, C 반사율을 분광광도계로 테스트했으며 각 시료 측정을 2회 반복했습니다. 그림 4b는 Al 박과 나노구조 흡수층을 가진 알루미늄 플라이어 반사율 스펙트럼을 보여줍니다. 적외선이 금속을 투과하는 두께가 보통 수십 nm에서 수백 nm 범위이므로[24], 50 μm 두께 Al 박 시료에서는 빛이 투과하지 않았습니다. 산란광은 통합 구 사용 측정에서 반사광에 포함되었습니다. 결과적으로 흡수는 1-R(반사율)로 계산할 수 있습니다. Al 박과 나노구조 흡수층을 가진 알루미늄 플라이어 간에 명백한 차이가 있었습니다. Al 박 반사율은 레이저 파장 1064 nm에서 81.3%로 입사광 81.3%가 반사됨을 나타냅니다. 평균 반사율은 시료 A, B, C에서 각각 50.5%, 31.5%, 9.8%로 감소할 수 있습니다. 따라서 직접 레이저 쓰기로 제조된 나노구조 흡수층으로 광흡수를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 시료 C가 1064 nm에서 90.2%로 시료 A, B에 비해 가장 강한 흡수를 가집니다. 나노구조 효과 외에 나노구조에 존재하는 알루미늄 산화물도 플라이어 광흡수에 엄청난 영향을 미친다고 믿습니다. 일반적으로 Al₂O₃는 투명하고 빛을 흡수하지 않지만, 직접 레이저 쓰기 공정에서 생성된 Al₂O₃와 알루미늄 입자가 금속-유전체-금속 구조를 형성할 가능성이 높습니다. 이 구조는 F-P 캐비티로 작용하여 표면 플라즈몬 공명을 강화하고 광흡수를 증가시킵니다[25]. 시료 A, B 산소 농도가 시료 C보다 훨씬 낮아 시료 C에 Al₂O₃ 입자가 더 풍부함을 시사하며, 결과적으로 더 강화된 표면 플라즈몬 공명 효과와 훨씬 강한 흡수를 달성할 수 있습니다.

플라이어 속도

그림 5는 Al 박과 시료 A, B, C 플라이어 속도를 보여줍니다. 처음 30 ns에서 플라이어 속도가 급격히 증가합니다. 이후 30-200 ns에서 플라이어 속도가 점진적으로 증가하고 200 ns 초과 시 거의 변하지 않습니다. 시료 A, B, C 종단 플라이어 속도는 각각 1083 m/s, 1173 m/s, 1110 m/s로 Al 박(831 m/s)보다 약 1.30, 1.41, 1.33배 높습니다. 이 결과는 인시투 나노구조 층 추가가 광흡수 향상뿐만 아니라 플라이어 속도 촉진도 함을 확인합니다. 시료 C가 가장 강한 광흡수를 가지지만 시료 B 플라이어 속도가 시료 C보다 높은 점은 주목할 만합니다. 이유는 시료 C가 시료 B보다 훨씬 풍부한 Al₂O₃ 함량을 가지기 때문입니다. Al₂O₃와 Al에는 각각 이온 결합과 금속 결합이 형성됩니다. 이온 결합이 금속 결합보다 훨씬 강해 Al₂O₃ 융점과 기화점이 Al보다 높습니다. Al₂O₃ 융점과 기화점은 2054°C, 2980°C인 반면 Al은 660°C, 2519°C입니다. 또한 열전도율은 Al₂O₃ 29.3 W/m·K, Al 237 W/m·K입니다. 따라서 Al₂O₃는 높은 융점과 낮은 열전도도로 인해 순수 알루미늄에 비해 입사 펄스 레이저에서 기화되어 플라즈마 형성하기 더 어렵습니다[26]. 따라서 시료 C에서 Al₂O₃가 광흡수를 향상시키지만 동시에 입사 레이저 에너지를 소비하면서 플라이어 구동에는 도움이 되지 않습니다.

플라이어 운동 에너지는 다음 관계로 얻을 수 있습니다:

E = (m_f - m_a)v²/2 (1)

여기서 m_f는 원래 플라이어 질량, m_a는 흡착된 플라이어 질량입니다. 또한 플라이어가 비행 중 통합 상태를 유지한다고 가정합니다. 흡착 플라이어 질량은 Lawrence와 Trott 모델[27]에 따라 평가할 수 있습니다.

m_a = (πr²/μ_eff)ln(μ_effI₀(1-k)/ε_d) (2)

여기서 r은 플라이어 반경, μ_eff는 유효 흡수 지수, I₀는 입사 레이저 강도, k는 에너지 손실 지수, ε_d는 기화 에너지입니다.

플라이어 에너지 변환 효율은 다음 방정식으로 표시할 수 있습니다:

ξ = E_f/E_l (3)

여기서 ξ는 플라이어 에너지 변환 효율, E_f는 플라이어 운동 에너지, E_l은 입사 레이저 에너지를 나타냅니다.

플라이어 운동 에너지와 에너지 변환 효율 계산 결과를 그림 6에 나타냈습니다. 시료 A, B, C 에너지 변환 효율은 각각 36.8%, 43.2%, 38.6%로 Al 박(21.7%)의 1.70, 1.99, 1.78배입니다. 본 연구에서 나노구조 흡수층을 Al 박에 추가하면 최고 에너지 변환 효율이 거의 2배 증가했습니다. 실험 결과를 표 1에 요약했습니다. 따라서 플라이어 표면에 인시투 제작된 나노구조 흡수층은 LDF 에너지 변환 효율을 크게 개선하는 새로운 방법을 제공합니다.

결론

직접 레이저 쓰기 기술로 얇은 Al 박 표면에 나노구조 흡수층을 성공적으로 인시투 제조했습니다. 또한 레이저 펄스 주입 제어를 통해 미세 및 나노 스케일 구조적 특징을 모두 실현할 수 있음을 입증했습니다. 결과적으로 빛 반사율 대폭 감소와 빛 흡수 현저한 향상을 실현할 수 있습니다. Al 박 표면에 인시투 나노 흡수층 제조로 빛 흡수를 18.7%에서 90.2%로 증가시킬 수 있습니다. 광흡수 증가는 레이저 구동 플라이어 속도와 운동 에너지의 현저한 증가로 이어집니다. 나노구조 흡수층을 가진 플라이어 에너지 변환은 Al 박에 비해 현저히 개선될 수 있으며, 본 연구에서 최대 에너지 변환은 43.2%로 Al 박(21.7%)의 1.99배에 달합니다. 따라서 플라이어 표면에 인시투 제조된 알루미늄 나노구조 흡수층은 레이저 에너지 흡수 증가와 LDF 에너지 변환 효율 개선을 위한 새로운 방법을 제공합니다. 또한 본 연구에 제시된 인시투 제조 기술은 광화학, 센싱, 광검출기, 양자 광학 분야에서도 유망합니다.

데이터 및 재료 가용성

모든 저자는 재료, 데이터, 관련 프로토콜이 독자들에게 제공되며 분석에 사용된 모든 데이터가 이 기사에 포함됨을 선언합니다.