금속 절단, 용접에 사용할 수 있는 첫 다이렉트 다이오드 레이저 - 시장동향

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<사진. 1/6인치 철판을 절단하고 있는 TeraDiode 레이저
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

금속 절단 및 용접에 사용할 수 있는 첫 다이렉트 다이오드 레이저

레이저 포인터, 바코드 스캐너, DVD 플레이어 및 다른 저전력 전자제품 등에 사용되는 다이오드 레이저(diode laser)는 아마도 가장 효율적이고 소형이며 저렴한 레이저가 될 것이다.

금속의 용접 및 절단과 같은 산업분야에 이 다이오드 레이저를 활용하려는 시도가 수 년 동안 시도되어 왔다. 하지만, 동력을 증가시키는 것은 초점 혹은 빔(beam)의 품질을 항상 저하시키는 문제점이 있었다. 그리고 빔은 금속을 용융시킬 만큼 충분히 강하지도 못했다.

MIT 링컨 연구소(Lincoln Laboratory)에서 독립한 TeraDiode는 0.5인치의 강철을 절단하거나 용접할 수 있을 정도로 강력한 멀티킬로와트 다이오드 레이저 시스템(multikilowatt diode laser system)을 상업화하였으며, 오늘날 산업현장에서 사용되는 레이저보다 더 높은 효율을 보여주고 있다.

4킬로와트 TeraBlade는, MIT에서 개발된 개별 다이오드 레이저 빔을 단일 광선으로 방출하도록 하는 독특한 방법을 채택하였다. 이로써 집속 빔(focused beam) 상태를 유지하면서도 다이오드 레이저의 출력을 증가시킬 수 있다.

이번에 개발된 TearBlade는 이산화탄소, 디스크 및 광섬유와 같은 기존의 제조용 레이저와 비견할 만한 품질을 가지고 있다. TeraDiode의 공동창업자이자 부회장인 Robin Huang은, 그러나 TeraBlade는 다이렉트 다이오드 레이저(direct-diode laser)이기 때문에 기존의 레이저에 비해 최고의 효율과 가장 저렴한 비용이라는 두 가지 장점을 모두 달성하였다고 평가하였다.

TeraBlade는 3세대 산업용 레이저를 대표할 만하다. 1세대는 수 십 년 전에 개발된 이산화탄소 레이저로, 전기가 통과하면서 빛을 생성하는 방식이다. 이 빛은 매우 밝지만, 트럭 만큼이나 부피가 크고 20% 효율로 가동되었다. 그 다음에 등장한 것이 디스크와 광섬유를 포함하고 있는 다이오드 여기형 고체 레이저(diode-pumped solid-state laser, DPSS laser)로, 다이오드 레이저로부터 매질로 에너지를 전달하는 방식을 처음으로 도입하였다. 매질은 보통 결정(crystal)이며, 매질을 통과해 레이저 빔으로 변환된다. 이 레이저의 효율은 최대 30%이다.

다이렉트 다이오드 레이저라고 불리는 TeraBlade는, 다이오드에서 발생된 빛을 직접 이용하여 DPSS 전환단계를 건너 뜀으로써 에너지를 절감할 수 있다. 즉, TeraBlade는 기존 산업용 레이저의 동력과 밝기를 구현하면서 효율은 대략 40%를 달성할 수 있다. 동력은 제곱 센티미터, 스테라디안(steradian)당, 2,600메가와트 기준이다.

TeraBlade의 핵심은 파장 빔 결합(wavelength beam combining; WBC, 혹은 incoherent beam combining)이라고 알려진 기술로, Huang 및 전 링컨 연구소 연구원 및 TeraBlade 공동창업자인 Bien Chann이 개발하였다.

다이오드 레이저는 작은 반도체 기기로, 전기적으로 하전되면 전자를 이용해 동일한 파장 혹은 색상의 광자(photon)를 만들어 내며 동일한 방향으로 진행하게 한다. 시준 렌즈(output collimation lens)를 통과하게 되면, 레이저 빛이 만들어진다.

레이저 포인터와 같은 단일 다이오드 레이저는 적외선 및 근적외선 파장의 빛을 방출할 수 있으며, 이것은 매우 작은 점에 집속될 수 있지만 출력이 약하다. 그러나 서로 다른 파장의 유사한 빔들을 여러 개 중첩시키면, 작은 점에 집속되면서도 강력한 빔을 만들 수 있다. 그리고 매우 많은 수의 서로 다른 파장을 갖는 빔들을 중첩시키게 된다.

2000년대 초반, 연구팀은 WBC 기술을 기반으로 하는 몇 가지 프로토타입 레이저를 개발한 바 있다. 당시 개발했던 50와트의 출력 달성은 다이오드 레이저 밝기가 전 세계 최고 수준이었다. 2009년 연구팀은 TeraDiode를 설립하고 기술을 시장에 선보이기 시작했다.

현재 WBC를 기반으로 하는 TeraBlade는 다이오드 레이저 바(bar), 변환 렌즈(transform lens), 회절격자(transform lens) 및 렌즈(output lens)를 포함하는 레이저 모듈이다. 다이오드 레이저에서 발생된 빛은 변환 렌즈와 신중하게 위치시킨 회절격자를 통과한다. 그러나 서로 다른 각도에서 빛을 분산시키는 대신에, 빛을 한 방향으로 모아 서로 중첩되도록 하는 역할을 한다.

이외에도 몇 가지 멀티킬로와트 다이렉트 다이오드 레이저가 있지만, spatial beam combining이라고 불리는 다른 방식을 사용하고 있다. 이것은 유사한 파장의 빔을 합쳐 사용한다. 다이오드 레이저의 수가 증가할수록, 빔의 품질이 저하되어 초점이 커지고 빔의 강도도 약해진다.

이에 반해 TeraBlade의 출력은 기존의 다이렉트 다이오드 레이저에 비해 대략 100배 정도 더 강하다. 각 TeraBlade 모듈은 1,000와트이며 출력 증가도 가능하다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr