레이저공학(레이저의 모든 것)

목차

1. 레이저의 정의

2. 레이저의 탄생

3. 레이저의 역사

4. 레이저의 동작원리

5. 레이저의 발진원리

6. 레이저의 구성

7. 레이저 빛의 특성

8. 레이저의 종류

9. 레이저의 활용

10. 레이저의 가공원리

11. 레이저의 가공특성

12. 레이저의 응용

13. 레이저 가공의 시장과 전망

본문내용

절단, 구멍뚫기 등이다. 산업적 응용에는 주로 10.6um파장의 CO2 레이저가 사용되는데 수 kW의 출력이 필요하며 저마늄렌즈를 이용하여 물질에 집속한다. 10 kW급의 CO2 레이저로는 5 mm 두께의 스테인레스강(SS304)을 1초 동안에 10 cm 정도의 속도로 용접이 가능하다. 레이저 용접의 특징은 직접 접촉없이 정밀하게 고속 용접이 가능하고 재료의 변형이 적고 상이한 재료의 용접도 가능하다. 렌즈에 의한 초점에서 날카로운 집속은 금속, 피륙 등 여러 가지 재질의 절단에도 유리하다. 복잡한 문양이라 할 지라도 정밀 절단이 가능하고 고속절단이 가능한 것이 주요 이점이다.
금속은 적외선을 대부분 반사하기 때문에 산소를 고압으로 공급하면 효율이 높아진다. 금속뿐만 아니고 옷감이나 가죽 등의 절단은 컴퓨터에 의한 복잡한 모양의 조감을 만들 수 있으므로 기성 복 업계나 제화공업 등에도 널리 이용된다. 또한 IC 회로에 쓰이는 알루미나와 실리콘 기판의 조각 내기에도 매우 유용하게 쓰인다. 재래식은 다이아몬드 바늘 또는 톱날을 이용하여 흠집을 내었으나 속도가 느리고 치밀하지 못해서 레이저로 대체하면 생산단가가 낮아져 경제성이 높다.
(4) 약한 출력의 레이저 응용
우리 나라에서도 최근에 비교적 널리 보편화된 바코드 (Bar code, 상품에 부착된 검은 띠)는 이미 구미제국에서 널리 시행되고 있다. 상품마다 부착된 독특한 바코드는 He-Ne레이저에 비추면 반사된 빛이 전기 신호로 바뀌어져 품목명과 가격이 계산서에 찍혀지게 된다. 이것 은 많은 상품의 구매시에 많은 시간과 인원의 절감효과를 가져올 뿐만 아니라 대형 수퍼나 백화점의 효율 적인 재고관리가 가능하다. CD 재생장치는 광학계와 구동계로 구성되어 있으며 광학계는 GaAs기판에 AlGaAs층이 있는 반도체레이저로서 0.78um의 레이저 빛을 방출한다. 레이저 빛과는 편광프리즘에서 직각으로 반사함으로서 직선편광이 되고 1/4파장판으로 원편광이된 다음 렌즈로 CD판에 집속된다. 초점에 집속된 레이저빛은 양 1um 크기를 갖는다. CD판에 기록된 0 또 는 1의 신호에 따라 반사되는 빛의 세기가 달라진다. 반사된 빛은 원통형 렌즈로 집광 다이오드에 입사되어 전기적 신호로 전환된다. 구동된 빛은 레이저 빛의 초점이 정확히 CD판에 일치하도록 수직이동과 수직 이동이 가능하도록 하는 장치이다. 재래식 전축에서와는 달리 직접 CD와의 접촉이 없으므로 마모나 손상이 없는 장점이 있다.
(5) 레이저를 이용한 천공,마킹
레이저의 천공은 전적으로 재료의 증발에 의함으로서 위의 방법들에 비하여 더욱 큰 에너지를 필요로한다.
그러나 절단과 달리 한 장소에 계속하여 레이저를 조사시킴으로서 레이저의 에너지 밀도가 너무크면 증발된 입자가 이온화하여 프라즈마를 형성하고, 이 프라즈마의 농도가 증가되면 인입되는 레이저빔을 반사 및 흡수하여 천공될 재료내에 레이저의 인입을 차단시킨다.
(6) 레이저의 의학 분야 응용
(7) 기타응용
미세한 부위에 빛에너지를 집중할 수 있는 특징 때문에 외과 수술시 칼 대신에 100W 내지 200W급의 CO2레이저가 쓰이고 있다. 레이저로 수술하면 세포조직의 물분자에 의해 10.6um의 빛이 잘 흡수되므로 쉽사리 응고되어 지혈에 훌륭한 효과가 있다. 아르곤레이저는 망막치료에도 사용되지만 성형외과에서 피부의 주근깨 등 점을 제거하는 피부미용에도 이용되고 있다. 또한 피부암의 치료에도 He-Ne레이저가 사용되고 있는데 이것은 He-Ne레이저의 632.8 nm 파장이 신체조직을 잘 투과하는 성질을 이용한 것이다. 피부암 환자에 HPD (hematoporphrine derivative)라는 약제를 투여하면 이 화합물은 암세포부위에만 침착되는데 이것은 632.8nm 의 빛을 잘 흡수하는 물질이다. 이 상태에서 He-Ne레이저의 빛을 광섬유로 피부조직에 주사하면 건강한 조직에서는 레이저광이 잘 투과하므로 영향이 없으나 암세포 주위에 침전되어 있는 HPD가 빛을 흡수하고 흡수된 광에너지를 암세포에 전달함으로서 암세포가 죽게 된다.
그 외의 중요한 응용 중의 하나는 거리측정이다. 지구와 달 까지의 정확한 거리 측정은 레이저에 의해서 비로소 가능해졌다. 달표면에 설치된 코너튜브(coner tube)는 4면체로된 거울로서 빛이 입사하면 입사방향과 평행한 반사광을 얻을 수 있는 장치이다. 이 코너튜브에 10 초의 짧은 펄스레이저를 보내면 송신지점으로 되돌아 오므로 빛의 왕복시간을 알 수 있고 이로서 정확한 거리를 계산해 낼 수 있는 것이다. 따라서 지구에서 달까지 거리는 15 cm오차 이내의 거리로 정확히 측정된다.
13. 레이저 가공의 시장과 전망
레이저 기술의 초창기에 레이저는 매우 섬세한 기계였으므로 특정의 가공에서 레이저의 타당성은 인정되었으나, 생산 공정에서의 직접적인 도입은 힘들었다. 그러나 레이저의 설계와 기술의 급속한 발전으로 공장 분위기에서 충분히 견딜 수 있고 정비하는데 비교적 간단하며, 가격이 저하된 레이저 가공기가 많이 보급되고 있다. 따라서 위에 기술된 바와 같이 레이저에 의한 가공 방법이 신뢰성이 있고, 융통성이 있는 효율적인 장비로 증명되었으며, 그 응용은 매년 급속도로 증가하고 있다. 특히 기존의 기술과 비교 및 경쟁되는 경우에는 대체로 다음의 세가지 범주중 하나에 속해야 한다.
■ 특정재료 또는 가공에서 레이저 만이 가능한 도구이어야 한다.
■ 기존의 가공방법에 비하여 제품의 품질이 개선되고, 가격면에서 경제적이어야 한다.
■ 레이저가 가공과정의 일부를 제거또는 생산공정의 개선으로 생산량의 증대를 초래하여 전체적인 생산비가 저렴하여야 한다.
따라서 레이저 가공 기술의 장점을 충분히 발휘하기 위해서는 레이저 가공기 설계 및 제작진과 이를 이용하는 현장 관계 기술진 사이의 긴밀한 협조가 필요하다.
이로 인하여 더욱 신뢰성이 크고 저렴한 레이저 가공기가 보급되어 새로운 가공법에의 도입이 이루어지면 특히 대량 생산성과 높은 품질을 요구하는 공정에 크게 기여하게 될 것이다. 그리고 더욱 자동화를 위한 방법으로서 레이저-로보트-컴퓨터의 연계된 이용이 이루어지고 있으며, 그 이용영역을 더욱 확대하고 있다.

키워드

레이저,   레이저 가공,   레이저 원리,   빛의 생성,   레이저 발진조건