특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 1. 파이버 레이저(Fiber LASER)란? 1.1 레이저의 구성 및 원리 LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRa 그림 2. rod-type 고체레이저의 열 영향 문제 diation)란, 외부의 자극에 의해 매질로부터 빛을 방출하게 하고, 공진기에 의해 증폭된 빛을 말한다. 펌핑소스는 매질 플래시 램프 야그 레이저 파이버 레이저 에 빛을 공급하고, 외부 자극에 의해 매질로부터 유도 방출 된 빛은 공진기의 반사미러에 의해 증폭된다. <그림 1>은 레이저의 기본 구성 및 원리를 나타낸다. 레이저는 매질, 공진기, 펌핑 소스로 구성 되고, 매질의 종류에 따라 레이 그림 3. 매질의 기하학적 변형 - 파이버레이저 저는 분류된다. 자체가 볼록 렌즈로 작용하여(이러한 현상을 thermal 1.2 파이버 레이저의 개발 배경 lensing effect라 함) 레이저의 빔 품질과 출력의 저하현상 등의 불안정한 현상을 야기 시킨다. 특집 레이저50주년특집- 레이저의발전과응용 Principle and Application of Fiber Lasers 한유희* 좋은 빔 품질의 고출력 레이저를 얻기 위해서는 매질의 이러한 현상을 줄이기 위해서는 매질의 냉각이 관건인 냉각이 필수적이다. 그러나 고전적인 rod-type의 레이저는 데, 매질의 냉각을 용이하기 위해 <그림 3>과 같이 매질을 <그림 2>와 같이 rod의 내부와 표면의 온도 차로 인해 rod 기하학적으로 변형하여 rod의 직경을 작게 하고, 길이를 길게 함으로서 체적에 대한 표면적 비율을 높여, 냉각 효율 을 높이는 방식이 연구 되었는데, 이것이 파이버 레이저의 개발 배경이다. 1.3 파이버 레이저의 구성 및 원리 파이버 레이저는 <그림 4>와 같이 펌프 다이오드 레이 그림 1. 레이저의 기본 구성 * IPG Photonics Korea Ltd. April 2010 저(Pump Diode Laser), 이터븀 엑티브 파이버(Ytterbium
Active Fiber), FBG(Fiber Bragg Grating). < >., FBG.,. < > (single emiter diode). IPG,.,. < >,.,,,. ( -, W). < > Single Mode Fiber Laser. IPG Photonics. kw kw. Fiber Laser (< >). Single Mode Fiber Laser < > nm W Single Mode Laser 29
특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 10. 300W@1019nm Single Mode Fiber Laser Module의 Optical Configuration[2] 그림 13. Laser Area Defense System Phalanx equipped with IPG50kW Laser System[2] 그림 11. 10kW Single Mode Fiber Laser 의 Optical Configuration[2] 그림 14. Remote Cutting Overview-Cutting Speed and Separable Thickness[3] 그림 15. Remote Cutting Vs. Remote-Fusion Cutting[3] 그림 12. Tactical Fiber Laser Application[2] 적, 파괴하도록 설계되어 있다. Raytheon 사는 50kW 를 이용하여 펌핑을 한다.[2] 하였다.[2] Fiber Laser 로 지역방어 목적의 Phalanx System을 소개 Single Mode Fiber Laser 의 용도는 우선 Defense Single Mode Fiber Laser 는 산업에서도 유용하게 활용 Directed Energy Application 을 꼽을 수 있다: Strategic 되고 있다. <그림 14>는 Remote Cutting에서 스테인레스 Directed Energy Application 은 유효사정거리가 10km 강판 절단 시 두께 별 절단 속도를 나타낸다. 5kW Single 이상이며 100kW 보다 훨씬 큰 용량의 레이저가 필요하다. Mode Fiber Laser 사용 시 1.3mm 두께의 강판까지 절단 반면에 Tactical Directed Energy Application 에선 100m 이 가능하고, 0.05mm 철판은 분당 800m의 속도로 절단 이상10km 미만의 지역방어 목적이며 표적대상은 지역경 이 가능함을 알 수 있다. 이는 스캐너에 의한 한계 속도일 계, 선박, 항공기 자위 그리고 대 IED, UXO 등을 들 수 있 뿐, 이를 극복하면 절단 속도의 증가를 예상 할 수 있다.[3] 다. 여기에 사용되는 레이저는 좋은 빔 품질을 갖춘10- <그림 15> 는 멀티모드 빔을 이용한 Remote Fusion 100kW의 출력을 내야 한다. 다음은 비교적 근거리 목표물 Cutting과 Single Mode Beam 을 이용한 Remote Cutting 을 겨냥한 Boeing 사의 Avenger 가 나타나 있다(<그림 을 비교한 것으로 Single Mode 의 경우 우수한 빔의 품질 12>). 미사일 대신 레이저를 장착하여 근거리 목표물을 추 을 가지고 있어 이로 인한 좁은 절단 폭으로 인해 절단 속 April 2010
2. 파이버 레이저의 특징 및 장점-재료가공 관점에서 2.1 성능 레이저 빔의 품질을 정의하기 위해 BPP( Beam Parameter Product : 빔 품질을 나타내는 척도로 BPP가 낮을수록 빔 품질이 좋다.)가 사용된다. <그림 17>와 같이 그림 16. 고출력 파이버 레이저 (4k~50kW) 파이버 레이저는 월등한 빔 품질을 나타내기 때문에 실제 가공에서 생산성과 유연성을 갖는다. 빔 품질은 가공에서 초점 크기와 깊이에 직접적인 영향을 보이며 가공 효율을 결정한다. 빔 품질이 레이저 가공 효율을 결정하며, 빔 품 질이 뛰어난 파이버 레이저가 용접, 절단 등의 가공에서 유 리하다. <그림 18>은 빔 품질이 다른 레이저를 실제 용접에 적용 한 결과를 나타낸다. 빔 품질이 좋은 파이버 레이저는 초점 크기가 작고, 용접의 깊이가 크다. 따라서 초점을 작고 깊 게 하기 위해서는 빔 품질이 좋은 레이저를 선택해야 한다. 2.2 유연성 <그림 19>과 같이 파이버 커플러를 사용함으로써, 피딩 파이버를 보호하고 실제 작업에서는 프로세스 파이버를 사용하게 된다. 프로세스 파이버가 손상을 받았을 경우, 커 그림 17. 고출력 레이저의 빔 특성 비교 도 면에서 비교를 허용하지 않을 정도로 빠르다. 1.3.3 고출력 멀티모드 파이버레이저 그림 18. 빔 품질에 따른 용접 결과 <그림 16>은 고출력 멀티모드 파이버 레이저의 구성을 나타내고 있다. 필요한 파워만큼 모듈을 증설하여 직렬로 연결하여 사용하고 있는 구조이다. 각 모듈에서 나온 레이 저는 컴바이너(combiner)를 통해 하나의 피딩(Feeding)파 이버로 모아져서 출력된다. 이러한 피딩 파이버는 최종적 으로 각 가공에 맞게 설계된 용접헤드 또는 절단 헤드와 연 결하여 가공하게 된다. 또한, 한 대의 레이저로 다양한 가 공을 필요로 하는 경우나, 작업 거리가 비교적 멀리 떨어져 있는 경우 최대 200m까지 사용가능하다. 그림 19. 파이버 커플러를 사용한 예 14권2호 광학과 기술
특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 22. 파이버 레이저의 유지 보수 항목 그림 20. 빔 스위치를 사용한 예 2.4 유지 보수 IPG 파이버 레이저는 유지 보수가 필요 없는 개념으로 설계 되어, <그림 22>와 같은 최소의 항목을 갖는다. 파이 버 레이저는 여러 개의 모듈로 구성되어 있다. 특정 모듈의 고장 발생시, 예비 모듈로 자동적으로 교체되기 때문에 레 이저 출력저하 없이 장비를 사용할 수 있다. 수리는 장비 휴식 중 모듈을 점검하고 필요에 따라 새로운 모듈로 교체 그림 21. 레이저 유지 보수 비용 비교 플링 손실 없이 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 할 수 있다. 로봇등과 같은 동적인 환경에서 사용되기 때문 에 프로세스 파이버가 손상을 입을 수 있다. 정렬이 필요 없는 구조의 광 커플러와 파이버를 사용하기 때문에, 예비 파이버로 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 파이버 레이저는 사 <그림 20> 같이 빔 스위치를 사용함으로써, 피딩 파이버 를 보호하고 빔 스위치에 의해 레이저의 사용 듀티를 증가 이즈가 작기 때문에 레이저 자체의 고장일 경우 백업 레이 저를 보유하고 있다가 대체할 수 있는 장점이 있다. 시켜 작업 속도를 향상 시킬 수 있고 한 대의 레이저로 다 양한 가공을 한꺼번에 진행 할 수 있는 이점이 있다. 실제 3. Fiber Laser 시장 동향 작업에는 프로세스 파이버가 사용되므로, 손상을 받았을 경우 손실 없이 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 2009년의 세계적인 경기 불황은 레이저산업을 비켜가지 않았다. 2009년 재료가공 분야 레이저 판매 실적을 보면 2.3 경제성 전년도에 비해 판매량이 43% 감소되었고 레이저 시스템 의 경우 45% 감소하였다. 반면에 Fiber Laser 는 21%의 파이버 레이저는 소모품이 없는 구조로 설계되었기 때문 감소를 기록했다. 2010에는 경기가 다소 회복되고 있다는 에 전기료 등과 같은 최소의 부대비용이 발생한다. 소모품 조심스런 예측과 함께 레이저산업 전반에 걸쳐15% 성장을 이 발생하지 않고, 30% 이상의 효율(Wall Plug 예측하고 있으나, 2008년 수준과는 거리가 먼 것을 알 수 Efficiency)을 보장하기 때문에 전기료가 적고, 크기가 작 있다. 재료가공 분야에서 Fiber Laser 점유율은 2008년 기 때문에 공간적 이점이 있으며, 10만 시간 이상의 다이오 7%에서 2009년 9.5% 로 증가하였고, 반면 IPG 드 수명을 갖고 있고, 유지 보수가 필요 없는 개념으로 설 Photonics 가 재료가공 분야에서 점유율이 다소 하락하였 계되었기 때문에 최소의 비용으로 운영할 수 있는 장점이 다(2008년 89%에서 2009년 85%). 있다. April 2010
. [1] Andreas Tünnermann : High repetition rate short pulse fiber lasers and amplifiers: Fundamentals and perspectives. 5th international workshop on fiber lasers. Dresden, 2009. [2] Dr. V. Gapontsev, V. Fomin, N. Platonov, V. Ivshin, O. Shkurikhin, M. O'Connor : Power Scaling of Fiber Lasers. SPIE Photonics West 2010. [3] Matthias Lüutke et al. : Recent Developments in Remote-Cutting. 5 th International Workshop on Fiber Lasers. Dresden, Sep 30 - Oct 01, 2009.,.,,,,,,,,.,,.. Fiber Laser 33