오늘날 레이저 기술이 급속히 발전하면서 두 가지 주류 카테고리가 만들어 졌습니다. 바로 고체 레이저 (SSL, Solid State Laser) 와 파이버 레이저 (Fiber Laser) 입니다. 두 레이저 모두 제조 산업, 과학 연구, 군사 그리고 의료까지 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 이번 포스트에서는 이 두가지 레이저 타입에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
기술 원리 및 성능 차이
이득 매질 (Gain Meda)
파이버 레이저는 희토류 원소가 도핑된 유리 광섬유를 이득 매질로 사용합니다. 펌프 광이 작동 하면서 광섬유에 높은 전력 밀도가 형성되고, 이에 따라 레이저 에너지 레벨의 밀도 반전과 공진 공동의 양의 피드백 루프 (Positive feedback loop)를 통해 레이저 진동이 생성됩니다.
파이버 레이저는 시스템의 소형화에 유리하고 복잡한 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 파이버 레이저의 핵심은 광섬유인데, 광섬유는 유리나 플라스틱으로 만든, 유연하고 머리카락 두께의 필라멘트로서 에너지 손실을 최소화하면서 장거리에 걸쳐 빛을 유도시킬 수 있습니다.
이 광섬유는 레이저의 능동 이득 매체 역할을 하기 때문에 파이버 레이저를 구동시키는 핵심이라 할 수 있습니다. 물론, 통신에 주로 사용되는 도핑되지 않은 유리나 플라스틱 광섬유와는 달리, 파이버 레이저의 광섬유는 에르븀이나 이테르븀과 같은 희토류 원소로 도핑됩니다. 이러한 도핑은 레이저 작동에 필요한 에너지 상태(energy state)를 만들어 빛을 안내할 뿐만 아니라 동시에 증폭시킬 수 있습니다.
고체 레이저(SSL, Solid State Laser)는 고유한 이득 매질로 고체 재료를 사용합니다. 일반적으로 네 가지 부분으로 구성됩니다 : 이득 매질, 냉각 시스템, 광 공진 공동, 펌프 소스.
- 루비(Cr:Al₂O₃)나 네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG)과 같은 이득 매체는 고체 레이저의 핵심인데, 그 안에 도핑된 활성화된 이온(eg. Nd³⁺)은 펌프 광의 작용으로 입자수 반전을 형성하면서 레이저를 발진시킵니다.
- 냉각 시스템은 레이저 생성으로 인해 이득 매질 내부에 축적된 열을 제거하여 레이저의 안정적인 작동을 보장하는 역할을 합니다.
- 광학 공진 공동은 광자의 긍정적 피드백을 통해 연속 진동을 형성하여 매우 단색이고 방향성이 강한 레이저 빔을 출력합니다.
성능 및 효율성
파이버 레이저(Fiber Laser)는 최소한의 손실로 빛을 유도하는 광섬유 케이블의 특성 덕분에 전기 효율이 높습니다. 반면, 고체 레이저는 효율성이 떨어지는데, 아마 이는 아마도 이득 매질의 부피가 크기 떄문에 손실이 더 크고 고강도 램프와 같은 펌핑 장치를 쓰게되면 효율은 더욱 나빠집니다.
빔 품질
정밀 응용 분야에서 레이저의 효율성에 빔 품질은 직접적인 영향을 미칩니다. 파이버 레이저는 단일 모드 작동을 통해 정밀한 초점 맞춤은 물론 발산을 최소화해 매우 높은 빔 품질을 구현할 수 있습니다. 반면, 고체 레이저 또한 고품질 빔을 만들수는 있지만 출력이 높아질수록 파이버 레이저와 같은 높은 빔 품질을 만드는 것이 어려워 집니다.
낮은 에너지 효율성과 빔 품질에도 불구하고 고체 레이저는 장점이 없는 것은 아닙니다. 고체 레이저는 강력한 출력 스케일링 성능으로 고전력 애플리케이션에 매우 유리합니다. 고체 레이저는 이득 매질의 크기와 펌프 전력을 증가 시켜 놀라울 정도로 높은 출력 수준을 생성하도록 설계할 수 있는데, 반면 파이버 레이저는 광섬유의 크기와 열 발산의 제약으로 한계가 있습니다.
안정성
파이버 레이저는 안정성이 높습니다. 광섬유의 구조는 환경 변화(온도, 습도, 진동 등)에 민감하지 않기 때문에 비교적 혹독한 환경에서도 안정적인 작업 상태를 유지할 수 있습니다. 그리고 파이버 레이저는 프리 스페이스 (Free Space) 컴포넌트 없이 물리적으로 연결된 구조이기 때문에 내구성이 뛰어나고 주변 환경 변화에 대해 강건한 품질을 구현합니다. 반면, 고체 레이저의 안정성은 상대적으로 낮고, 환경 요인의 변화가 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
방열성능
파이버 레이저는 방열 성능이 SSL 대비 뛰어납니다. 파이버 레이저의 이득 매체는 광섬유인데, 광섬유는 표면적 대 부피 비율이 크고 열을 빠르게 방출할 수 있어 장시간 안정적으로 작동할 수 있고 더 높은 출력을 견딜 수 있습니다. 고체 레이저는 방열이 비교적 어렵고, 고출력으로 작동할 경우 열 효과(Thermal Effect)가 발생하기 쉽기 때문에 레이저의 성능과 수명에 큰 영향을미칩니다.
크기와 유지관리
파이버 레이저는 매우 컴팩트하며 사실상 별도의 유지관리가 필요 없습니다. 광섬유의 크기가 작고 외부 거울이 없기 때문에 고체 레이저와 관련된 정렬 문제 또한 줄어듭니다. 더군다나 광섬유는 방열 기능이 뛰어나기 떄문에 능동적인 냉각 (Active Cooling)이 필요 없어져 유지 관리 필요성이 더욱 줄어듭니다. 동시에, 레이저 빛이 광섬유 내에 국한되어 우발적인 노출 위험이 줄어들기 때문에 파이버 레이저는 일반적으로 작동이 더 안전합니다.
고체 레이저의 미러 정렬은 레이저 작동에 매우 중요한 작업입니다. 필요에 따라 정기적인 검사와 조정이 필요하기 때문에 유지 보수 작업량이 늘어납니다. 또한, 고체 레이저는 일반적으로 이득 매질에서 발생하는 열을 관리하기 위한 능동 냉각이 필요한데, 이는 시스템을 복잡하게 만들 뿐만 아니라 유지 보수 필요성도 증가시킵니다. 다수의 미러와 냉각 시스템 때문에 고체 레이저는 파이버 레이저보다 일반적으로 더 큽니다. 큰 이득의 중간 및 외측 거울이 필요하므로 크기와 무게가 늘어난 만큼, 공간이 제한된 응용 분야에 적용하기가 어렵습니다.
적용분야
파이버 레이저는 고출력, 높은 빔 품질, 우수한 방열 성능 및 안정성으로 산업용 절단 및 용접 분야에서 빛을 발합니다. 파이버 레이저는 특히 두꺼운 판의 절단과 금속 재료의 용접에 적합합니다. 높은 전기광학 변환 효율과 조정 및 유지 보수가 필요 없는 설계로 사용 비용과 유지 보수의 어려움이 크게 줄었습니다.
동시에, 파이버 레이저는 먼지, 진동, 습도 등 혹독한 작업 환경에도 높은 내구성을 갖춰 다양한 산업 현장에서도 우수한 성능을 발휘합니다. 연속 레이저는 매크로 가공 분야에 널리 사용되고 있으며, 이 분야의 기존 가공 방법을 점차 대체해 왔습니다.
고체 레이저는 높은 피크 전력, 큰 펄스 에너지, 짧은 파장의 레이저 출력(예: 녹색광, 자외선)으로 초정밀 및 초미세 가공 분야에서 독보적인 경쟁력을 가지고 있습니다. 금속/비금속 재료의 표시, 절단, 드릴링 및 용접과 같은 공정에서 고체 레이저는 더 높은 가공 정확도와 더 폭넓은 재료 적용성을 달성할 수 있습니다. 특히 비금속 재료의 고정밀 용접 및 광경화 3D 프린팅에서 고체 레이저는 파장이 짧고 열 효과가 작으며 가공 정밀도가 높기 때문에 선호되는 장비가 되었습니다.
고체 레이저는 짧은 파장(자외선, 원자외선), 짧은 펄스 폭(피코초, 펨토초) 및 높은 피크 전력을 특징으로 하기 때문에 주로 비금속 재료와 얇고 취성적인 금속 재료의 정밀 미세 가공 분야에 사용됩니다. 최근에는 환경, 의학, 군사 등 최첨단 과학 연구에 널리 사용되고 있습니다.
Application | SSL | Fiber |
Marking | 금속/비금속 마킹, 비금속 소재에는 포장재, 유리, 세라믹, 플라스틱, 합성수지 등이 있으며, 특히 정교하고 고가의 소재에 대한 마킹에 주로 사용됨. | 금속 마킹에 주로 사용 |
Cutting, Welding, Drilling | 금속/비금속 절단, 특히 두께가 얇은 소재에 대한 고정밀 절단 수행.
비금속 용접, 특히 두꼐가 얇은 소재에 대한 고정밀 용접
금속/비금속 정밀 드릴링 | 금속 소재에 대한 절단, 두꺼운 소재 절단
금속 소재 용접, 두꺼운 소재 용접 위주
주로 금속, 세라믹에 대한 드릴링 |
Mobile | 휴대폰 케이스에 대한 성형, 카메라 커팅, 유리 유막 제거, 지문 인식 모듈 절단, 커버 마킹, 수화 구멍 드릴링, 수화부 절단, 터치패드 드릴링, 터치패드 외형 성형, 무선 충전부 절취 | 배터리 용접, 컴포넌트 용접, Type-C 절단/용접, 금속 컴포넌트 용접, 이어폰 용접 등 |
Automotive | 백미러 절단, 노즐 드릴링, 디스플레이 유리 드릴링 | 배터리 셀 탭 절단, 배터리 캔캡 용접, 자동차 프레임 용접, 전기 모터 컴포넌트 용접 |
Additive Manufacturing (3D Printing) | SLA | 금속 소결, 클래딩 |
디스크 레이저
디스크 레이저 기술은 1990년대에 개발된 고성능 고체 레이저 기술입니다. 고유한 열 관리 설계, 높은 빔 품질, 전력 확장성을 갖춰 산업 생산, 의료 및 과학 연구 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
기술 원리 및 구조적 특성
디스크 레이저의 핵심 혁신은 이득 매질 설계에 있습니다. 기존의 고체 레이저(막대형 또는 슬래브형 레이저 등)는 열 효과로 인해 빔 왜곡이 발생하는 반면, 디스크 레이저는 두께가 100μm 수준인 얇은 디스크 결정(이터븀이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷 Yb:YAG 등)을 사용하고 다중 패스 펌핑 구조 최적화를 통해 효율적인 방열과 높은 출력을 생성할 수 있습니다.
이러한 설계를 통해 디스크 레이저는 킬로와트 수준의 전력에서 회절 한계에 가까운 빔 품질(M²≈1)을 유지할 수 있어 고정밀 가공에 이상적인 광원이 됩니다. 디스크 레이저는 방열, 전력, 효율성, 빔 품질 등 여러 면에서 고유한 장점을 가지고 있어 산업 가공 및 과학 연구에서 매우 널리 사용됩니다.
우수한 방열 성능
독특한 구조 설계
디스크 레이저의 이득 매질은 Yb:YAG와 같이 두께가 100~300μm에 불과한 얇은 디스크 결정을 사용합니다. 이 얇은 디스크 구조는 열 발산 표면적을 크게 늘려 열이 더 빨리 발산될 수 있게 합니다. 동시에 얇은 디스크는 후면의 수냉을 통해 열을 발산하며 열 구배가 작아 열 렌즈 효과를 효과적으로 방지하고 고출력에서 작동할 때 레이저의 안정성과 빔 품질을 보장합니다.
효율적인 축 방향 열 발산
얇은 디스크는 다이아몬드나 구리-텅스텐 합금과 같은 높은 열전도도 기판을 통해 냉각 시스템과 직접 접촉하여 열을 축 방향으로 균등하게 확산시킬 수 있습니다. 이러한 축 방향 방열 설계는 측면 온도 구배 발생을 방지하고, 열 렌즈 효과와 같은 열에 의해 유발되는 광학적 왜곡 문제를 더욱 줄이고, 레이저 성능이 열 축적의 영향을 받지 않도록 보장합니다.
높은 출력 성능
다중 디스크 조합
디스크 레이저는 여러 개의 디스크를 직렬이나 병렬로 연결하여 쉽게 전력 확장을 달성할 수 있습니다. 출력 용량은 킬로와트에서 메가와트까지 다양하므로 다양한 산업용 응용 분야와 과학 연구 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
안정적인 고출력 작동
우수한 방열 성능과 최적화된 광학 구조 덕분에 디스크 레이저는 고출력에서도 안정적인 작업 상태를 유지할 수 있습니다. 디스크 레이저는 다른 유형의 레이저와 비교해 장시간 고출력 동작 시 발생하는 열 축적 등의 문제로 인한 전력 변동 및 성능 저하를 효과적으로 방지하여 처리 품질 및 실험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
높은 빔 품질
회절 한계에 가까운 품질
디스크 레이저는 일반적으로 M²≈1 또는 M²≈1.1의 빔 품질 계수로 회절 한계에 가까운 빔 품질을 유지할 수 있습니다. 즉, 레이저 빔은 방향성과 초점성이 매우 뛰어나 대상물에 매우 작은 점 크기를 생성할 수 있어 고정밀 가공과 측정이 가능합니다.
낮은 광학적 왜곡
얇은 디스크 이득 매체와 최적화된 광학 공동 설계로 인해 디스크 레이저는 레이저 생성 및 전송 중에 매우 작은 광학적 왜곡을 생성합니다. 이를 통해 전파 중 레이저 빔의 모양과 품질이 보장되어 장거리 전송과 고에너지 밀도 응용 분야에서도 우수한 성능을 유지할 수 있습니다.
높은 전기광학 변환 효율
고효율 펌핑 구조
디스크 레이저는 멀티패스 펌핑 구조를 채택하고, 펌핑 광은 디스크를 여러 번 통과하며, 보통 16~32회 통과하여 펌핑 효율이 크게 향상됩니다. 이를 통해 투입된 전기 에너지를 레이저 에너지로 보다 효율적으로 변환할 수 있으며, 전기-광학 변환 효율은 30%가 넘습니다. 이는 기존 고체 레이저의 10-20% 및 CO2 레이저의 약 10% 보다 훨씬 높은 수준니다.
에너지 손실 감소
디스크 뒷면은 고반사 필름으로 코팅되어 공진 공동을 형성하여 공동 내부의 손실을 줄입니다. 동시에 최적화된 광학 구성 요소와 광로 설계는 레이저 전송 중 에너지 손실을 더욱 줄이고, 전반적인 전기 광학 변환 효율을 향상시키고, 운영 비용을 절감하며, 에너지 이용 효율을 개선합니다.
이득 매질의 긴 수명
저응력 설계
디스크 레이저의 얇은 디스크 구조는 열응력을 효과적으로 줄일 수 있으므로 장기 작동 중에 이득 매체가 열 손상을 받을 가능성이 낮아 디스크의 수명을 연장 시킬 수 있습니다. 디스크의 수명은 일반적으로 수만 시간이므로 다른 레이저에 비해 유지 관리 및 부품 교체 빈도와 비용이 크게 줄어듭니다.
안정적인 광학 성능
수명이 긴 이득 매질은 레이저가 장기간 작동하는 동안 안정적인 광학 성능을 유지하도록 보장할 수 있습니다. 이는 장기적으로 안정적인 작동이 요구되는 산업 생산 및 과학 연구 실험에 큰 의의가 있으며, 레이저 성능의 변화로 인해 발생하는 생산 품질 변동과 실험 오류를 줄일 수 있습니다.
파장 확장성
비선형 결정 응용
디스크 레이저는 비선형 결정과 같은 기술을 채택하여 파장 확장을 구현할 수 있습니다. 대표적으로 515nm 녹색광과 343nm 자외선을 포함한 다양한 파장의 레이저 출력을 생성할 수 있습니다.
기술 혁신 과정
초기 탐색 및 개념 형성
1980년대 후반부터 1990년대 초반까지 산업 생산 및 과학 연구에서 고출력, 고품질 레이저 광원에 대한 수요가 증가함에 따라 막대형 레이저 및 슬래브형 레이저와 같은 전통적인 고체 레이저는 열 효과로 인해 출력 증가 및 빔 품질 유지에 병목 현상에 직면했습니다. 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 기술적 솔루션을 모색하기 시작했습니다.
1994년, 독일 슈투트가르트 대학의 아돌프 기센 팀이 Yb:YAG 디스크 레이저의 개념을 처음 제안했습니다. 레이저의 핵심은 두께가 0.1~1mm에 불과한 얇은 디스크 Yb:YAG 결정을 이득매질로 사용하는 것입니다. 이 독특한 얇은 디스크 구조는 열 발산 문제를 해결할 수 있는 새로운 아이디어가 되었습니다.
컨셉제안 및 실험실 검증 단계 (1990~2000)
이 단계에서 연구자들은 디스크 레이저 개념의 실현 가능성을 이론적, 실험적으로 검증하는 데 집중했습니다. 얇은 디스크 이득 매체의 열적, 광학적 특성에 대한 심층적인 연구를 통해 디스크 구조를 기반으로 한 레이저 실험 시스템이 설계되고 구축되었습니다.
수백 와트의 레이저 출력을 달성하여 디스크 레이저가 방열 문제를 해결한 후 레이저 출력 전력과 빔 품질을 어느 정도 향상시킬 수 있음을 증명했습니다. 그러나 디스크 레이저는 아직 실험실 연구 단계에 있으며, 안정성, 신뢰성, 비용 측면에서 여전히 많은 문제가 있습니다.
산업적 응용 및 출력 향상 단계 (2000~2010년)
2000년대 초, 독일의 트럼프 회사가 최초의 상용 디스크 레이저인 TruDisk 시리즈를 출시하면서 디스크 레이저 기술이 산업적으로 응용되기 시작했습니다. 이 제품 시리즈의 출력은 킬로와트 수준을 넘어섰습니다. 높은 출력, 높은 빔 품질, 우수한 안정성으로 인해 자동차 제조 산업의 차체 용접 분야에서 널리 사용되었습니다. 폭스바겐, BMW 등 자동차 브랜드는 차체 용접에 TruDisk 시리즈 디스크 레이저를 채택하여 용접 품질과 생산 효율성을 크게 향상시켰습니다.
같은 기간 동안 미국의 코히런트, 일본의 파나소닉 등 국제적으로 유명한 회사들도 디스크 레이저의 연구 개발에 참여함으로써 국제적인 경쟁과 협력 상황을 형성했습니다. 다양한 회사가 기술과 공정을 끊임없이 최적화함으로써 디스크 레이저의 출력을 10,000와트 수준으로 끌어올렸고, 산업 가공 분야에서 디스크 레이저의 적용 범위가 더욱 확대되었습니다.
다중파장 확장 및 초고속 기술 접목 단계 (2010년~현재)
최근 재료 과학과 비선형 광학 기술의 발달로 디스크 레이저는 비선형 결정과 같은 기술적 수단을 통해 파장 확장을 달성했습니다. 대표적으로 515nm 녹색광과 343nm 자외선을 포함한 여러 파장의 레이저 출력을 성공적으로 생성해 왔습니다. 예를 들어, 마이크로전자 제조에서는 자외선 파장 디스크 레이저를 고정밀 리소그래피 공정에 사용할 수 있습니다. 의학 분야에서는 녹색광선과 자외선을 피부질환 치료, 안과 수술 등에 활용할 수 있습니다.
디스크 레이저도 초고속 레이저 기술과 긴밀하게 통합되었습니다. 초고속 레이저 증폭기(펨토초 펄스 등)의 펌프 소스로서, 아토초 과학 및 강력장 물리학과 같은 최첨단 과학 연구에 강력한 기술 지원을 제공합니다. 아토초 과학 연구에서 디스크 레이저로 구동되는 초고속 레이저 시스템은 아토초 광 펄스를 생성할 수 있으며, 이를 통해 과학자들은 원자와 분자 내부의 전자의 움직임을 직접 관찰하고 조작할 수 있으며, 미시 세계의 물리 법칙을 탐구하는 새로운 수단을 제공합니다.
앞으로 다른 새로운 기술과 통합하면 더욱 많은 개발 가능성이 생길 것으로 예상됩니다. 산업용 디스크 레이저의 국내 공급업체인 글로리 포토닉스 (Glory Photonics) 는 출력이 100~1000W, 펄스 폭이 800fs~20ns, 가 1.1~25인 펄스 레이저 시리즈 연이어 출시했습니다.
- 2019년 : 산업용 디스크 이득 모듈 개발 완료
- 2020년 : 산업 표준을 충족하는 디스크 레이저 모델 양산 완료 (중국 최초)
- 2022년 : 산업용 150W 시리즈 디스크 레이저 제품이 출시
- 2024년 초 : 산업용 300W 시리즈 디스크 레이저 제품 출시
- 2004년 9월 : 산업용 1000W 시리즈 디스크 레이저 제품 출시
이 레이저 제품 시리즈는 세 가지 주요 특징을 가지고 있습니다
- 수백 펨토초에서 수십 나노초까지 펄스 맞춤 설정
- 빔 품질 는 1.1에서 20까지 사용자 정의 가능
- 전력은 수백 와트에서 수 킬로와트까지 맞춤 설정 가능
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