1960년 Theodore Maiman이 실제 동작하는 장치를 최초로 발명하고 성공적으로 시연 한 이래로 레이저 디바이스는 큰 기술적 진전을 거듭해 왔습니다. 밀리초 펄스로 작동하는 Maiman의 루비 레이저에서 시작하여 훨씬 더 다양한 소스, 파장과 타임 스케일이 구현되고 있습니다.
이번 포스트에서는 레이저 광 방출의 물리적 측면과 레이저 시스템을 구성하는 구성 요소를 간략하게 소개합니다. 또한 실제 레이저 사용시 매우 중요하게 여겨지는 레이저 가공 매개변수에 대해 논의합니다. 그리고 마지막으로 다양한 일반적인 레이저 시스템과 그 일반적인 응용 프로그램을 소개하겠습니다.
레이저가 실제 현실 문제에 어떻게 적용 될 수 있는지를 이해하는데 도움이 되셨으면 좋겠습니다.
레이저 방출
레이저의 물리적 현상
LASER는 'Light Amplification by Simulated Emission of Radiation (복사의 자극 방출에 의한 광 증폭)'을 의미하는 약어입니다. 자극 방출은 1916년 알베르트 아인슈타인이 처음 제안했으며, 양자 역학으로 설명할 수 있습니다. 보어의 원자 모델에 따르면, 전자는 원자핵 주위의 불연속적이고 결합된 에너지 준위에 존재합니다. 이러한 전자는 서로 다른 에너지 준위 사이를 이동할 수 있습니다. 전자의 여기는 낮은(기저) 에너지 준위의 전자가 더 높은 에너지 준위로 올라가는 과정을 뜻하며, 붕괴는 이와 반대되는 과정입니다. 에너지 상태 과 사이의 원자 전이가 광자를 방출하거나 흡수할 때, 그 주파수 는 다음과 같습니다.
여기서 h는 플랑크 상수입니다. 이러한 에너지의 전이는 아인슈타인이 규명한 세 가지 서로 다른 과정을 통해 일어날 수 있는데, 바로 흡수, 자발적 방출, 그리고 자극 방출입니다.
흡수 과정에서는 원자가 외부 전자기장으로 부터 광자를 흡수하여 더 높은 에너지 준위인 로 여기됩니다. 이 과정의 효율은 흡수하는 원자의 수와 주변 전자기장의 강도에 따라 결정됩니다.
레이저 시스템의 일반 응용 분야
마이크로 및 나노 스케일 레이저가 어떻게 산업 현장에서 사용되고 있으며 어떤 유형이 있는지 일부를 살펴보고 각 시스템의 장점을 소개하겠습니다.
CO2 레이저
CO2 레이저는 CO2 분자의 회전 또는 진동 모드에 따른 다양한 에너지 상태를 이용해 자극 방출을 생성합니다. 질소 분자에 전기 방전을 가하면 준안정 상태에 도달하여 에너지가 CO2 매체로 전달되면서 여기가 발생합니다. 레이저의 펄스 폭은 이 방전이 펄스인지 연속인지에 따라 결정됩니다. 레이저 장치 가동으로 온도가 지속적으로 상승하면 낮은 에너지 상태의 밀도가 증가하고 밀도 반전이 어려워지므로, 대용량의 냉각 시스템이 필수적입니다. CO2 레이저는 활성 매체의 냉각 방식에 따라 여러 유형이 있습니다.
- 느린 흐름 레이저 : 공진기 공동 벽에 물과 같은 냉각수를 사용
- 고속 축류 레이저 : 광축을 따라 빠르게 순환하는 저압 가스의 대류로 냉각
- 횡류 레이저 : 광축에 수직인 방향으로 가스를 흐르게 하여 냉각
CO2 레이저는 고체 레이저보다 파장이 길지만 고출력이 가능하여 산업계에서 널리 사용됩니다. 연속파(CW) 방식으로 작동할 때는 10~100W 범위의 중간 출력에서 플라스틱, 목재, 다이 보드 절단에 적합하며, 수 kW 범위의 고출력에서는 금속 재료의 절단, 용접, 클래딩, 열처리에 이상적입니다. 특히 고출력 CO2 레이저는 수 밀리미터 이상 두께의 부품 가공을 전문으로 하는 절단 및 용접 산업의 주력 장비로, 다른 레이저는 이러한 고출력에서 안정적이고 경제적으로 작동하기 어렵습니다. 펄스 모드로 작동할 때는 부품 표시, 드릴링, 마이크로 솔더링 같은 정밀 가공에 적합하며, 레이저 수술과 같은 새로운 암 치료 등 생물의학 분야에서도 활용됩니다.
엑시머 레이저
엑시머 레이저는 여기된 다이머 분자를 활성 매질로 사용합니다. 공진기에는 일반적으로 불활성 가스 할로겐화물인 여러 가스가 들어 있습니다. 발진기가 필요하지 않다는 점에서 특별해 보이지만 발진기가 포함되어 있으면 성능을 더욱 높일 수 있습니다. 전기 방전을 사용하여 가스 혼합물을 여기 시켜면 나노초 단위의 수명을 가진 여기된 다이머를 생성되고, 이는 자외선 광자를 생성합니다. 방출되는 펄스는 나노초 범위이며 최대 35MW의 매우 높은 출력을 갖습니다. 엑시머 레이저의 단점은 증폭된 자발 방출로 인해 모드의 품질이 좋지 않다는 것입니다.
엑시머 레이저는 파장이 짧아 마이크로 및 나노 프로세싱에 매우 적합하여 반도체 처리를 위한 광석판 기술에 적용됩니다. 레이저에서 방출된 파장에 대한 대부분 재료가 짧은 흡수 길이를 가지기 떄문에 가공 임계값이 감소되고 레이저 절삭을 효율적으로 수행할 수 있습니다.
파이버 브래그 격자와 유리 재료의 미세 구조화와 같은 정밀 부품의 제작을 가능하게 합니다. 또한 펄스 레이저 증착과 같은 재료 첨가 방법에 사용될 수 있습니다. ArF 레이저는 각막 재형성 및 기타 레이저 수술 방법을 통한 시력 교정을 위해 안과에서 사용되기도 합니다.
고체 레이저
고체 레이저는 절연 유전체 결정, 유리 또는 반도체 재료와 같은 활성물질을 사용합니다. 활성 물질은 불연속 에너지 레벨을 갖는 도펀트 이온으로, 더 높은 에너지 상태에서 비교적 긴 수명을 가지므로 Q-스위칭 시 높은 피크 전력을 생성합니다. 과거에는 매체를 플래시 램프로 여기했으나, 효율성과 출력에 한계가 있었습니다. 특히 출력이 400W를 초과하면 공진기의 결정 막대가 균열될 위험이 있었습니다. 최근에는 다이오드 펌핑이 보편화되어 램프 펌핑을 거이 대체하고 있습니다.
Nd:YAG 레이저는 가장 일반적인 고체 레이저입니다. 기본 파장(1064nm)에서 대부분의 금속이 낮은 반사율을 보이므로 금속 재료 가공에 자주 사용되며, 세라믹, 플라스틱, 결정질 재료와 같은 비금속 재료 처리에도 효과적입니다. 고조파 생성으로 파장이 줄어들면 마이크로 및 나노 가공에도 활용됩니다. 최근 개발된 파이버 레이저는 높은 빔 전력에서도 우수한 빔 품질을 유지하고 넓은 파장 범위에서 조정이 가능해 널리 사용됩니다. 특히 특수한 파장이 필요하고 적절한 결정이나 유리를 사용할 수 없는 경우 벌크 레이저보다 선호됩니다.
반도체 또는 다이오드 레이저는 또 다른 고체 레이저의 유형입니다. 현재 전기 에너지를 광 에너지로 가장 효율적으로 변환하는 방법으로서, GaAs, GaAlAs, InGaAs를 사용합니다. p-n 접합의 순방향 바이어싱으로 밀도 반전을 달성하며, 주로 표면 가열과 용접에 사용됩니다. 소형 크기, 높은 효율성, 빠른 변조 응답, 안정성이 장점입니다. 10~25W 전력에서 납땜, 60W에서 기공 밀봉 및 밀도화, 1kW 미만에서 변형 경화, 용접, 마킹, 스크라이빙, 기계 가공, 페인트 제거에 사용됩니다. 또한 광 데이터 전송과 저장, 계측학, 분광학, 다이오드 펌핑 레이저의 펌핑 소스로도 사용됩니다. 일부 연구자들은 이러한 새로운 레이저가 가까운 미래에 CO2 및 Nd:YAG 레이저까지도 대체할 것으로 전망하고 있습니다.
염료 레이저
염료 레이저는 매우 넓은 파장대역에서 조정이 가능하며, 펨토초까지의 광범위한 펄스 폭에서 작동할 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 넓은 파장 범위는 대형 염료 분자가 가진 다양한 진동 및 회전 에너지 상태에서 발생합니다. 그러나 염료 레이저는 매우 비효율적이며, 활성 염료 분자를 여기시키기 위해 별도의 펌핑 레이저가 필요합니다. 염료 레이저는 동위 원소 분리, 광역학적 치료, 레이저 냉각 및 광학 트래핑에 사용됩니다.
자유 전자 레이저
자유 전자 레이저는 에너지 상태의 여기가 아닌 싱크로트론 복사로 작동합니다. 싱크로트론 복사는 전자가 방향을 바꿀 때 발생하며, 레이저 시스템에는 전자가 원형 경로를 따라 이동하도록 하는 회로가 포함되어 있습니다. 자기 위글러나 단파장 자기장이 전자를 구불구불한 경로로 이동하게 만들며, 이 과정에서 광자가 전자의 이동 방향으로 방출됩니다. 이러한 레이저는 전자의 속도를 조절할 수 있어 넓은 범위에서 파장 조정이 가능하다는 장점이 있습니다.
최근 개발 동향
초단 펄스에서 더 강력한 출력을 가진 레이저가 지속적으로 개발되고 있습니다. 이러한 레이저는 정밀도를 유지하면서도 고효율로 재료를 제거할 수 있습니다. 최근 몇 년간 50fs 미만의 펄스에서 1.5MW 이상의 피크 전력이 달성되었습니다. 연구자들은 더 나아가 아토초 수준의 더 짧은 펄스를 안정적으로 생성하기 위해 노력하고 있습니다.
아토초 펄스는 가스에서 고차 고조파 생성을 통해 만들어질 수 있습니다. 강한 레이저 펄스가 가스 매질에 조사되면 비선형 상호 작용이 일어나고, 입사 펄스의 매우 높은 홀수 고조파가 극자외선 범위의 매우 짧은 빛 버스트로 생성됩니다. 그러나 아토초 펄스 생성 기술은 아직 초기 단계로, 현재는 원자 및 광학 물리학 분야로 한정되어 있습니다.
아토초 펄스 기술로 전자 상관 효과나 원자 궤도에서의 광 방출 시간 지연 같은 다양한 물리적 현상을 관찰할 수 있습니다. 아토초 규모에서 일어나는 복잡하고 아직 밝혀지지 않은 전자적 상호 작용이 많아, 재료 가공 분야로의 응용을 위해서는 조금 더 많은 기초적인 연구가 필요합니다.
산업 분야에서는 레이저 마이크로 밀링 기계가 최근 더욱 보편화되었습니다. 짧은 펄스 폭과 정확한 빔 품질을 유지하면서도 높은 출력이 가능해지면서, 산업 규모의 레이저 가공이 실현되었습니다. 이 기술은 빠른 시제품 제작, 다양한 분야의 부품 소형화, 그리고 마이크로 장치의 대량 생산에 활용됩니다. 앞으로는 가공 부품에 대한 첨단 센서 모니터링이 통합되면서 산업 제조에서 레이저 기술의 활용이 더욱 확대될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 레이저 적층 제조에서 분말의 레이저 빔 용융 과정을 센서로 모니터링할 수 있습니다.
이 포스트에서는 레이저 광 생성의 기본 물리학과 레이저 가공에 관련된 다양한 매개변수를 살펴보았습니다. 새로운 공정을 개발할 때는 각 매개변수의 영향을 고려하고 최적화하여 산업적이고 경제적인 공정을 구현해야 합니다. 이제 레이저에 대한 기본적인 이해를 마쳤으니, 다음 포스트에서는 레이저와 작업물 재료 간의 상호 작용을 알아보겠습니다.
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