Laser(레이저) 원리 및 레이저 가공기초

Laser(레이저) 원리 및 레이저 가공기초

1. Laser의 의미
2. Laser광의 발견
3. Laser발생의 원리
4. 대표적인 Laser 가공의 발진 원리
5. Laser공진기의 구조
6. 빔 모드(Beam Mode)
7. 발진파형
8. Laser 빔의 특성
9. Laser 가공의 특성 
10. Laser 가공의 기초
  - 각종 금속 재료의 빔 파장과 흡수율의 관계
  - 레이저 조사 조건과 가공종류의 관계
11. Laser종류와 가공분야
12. Laser 가공조건의 결정
13. Laser 가공장치 구성
14. Laser 가공의 종류
15. 안전          
16. 적용 사례

레이저 원리와 가공

1. Laser의 의미

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
유도 방출에 의한 빛의 증폭
- 방사선: 불안정한 방사성 핵종이 좀 더 안정한 핵종으로 변환 될 때 방출되는 입자나 전자파의 형태를  갖고 있는 에너지의 집합체로서 어떤 매질을 직접, 간접으로 전리 시킬 수 있는 에너지 흐름이다.
Ex) 전리반사선: 초음파, 방사선 동위원소(알파,베타,감마선), 우주선/ 방송통신: 전자파,적외선,가시광선
- 전리작용: 방사선을 쪼여 물질을 구성하고 있는 원자로부터 전자를 튀겨내어 한쌍의 플러스 전자를 띤 양이온과 음이온의 전자를 띤 전자를 만드는 것

2. Laser광의 발견

1917년 아인슈타인에 의해 자극 방츨의 개념을 포함한 원자에서 빛의 흡수와 방출의 개념 발표
1960년 미국 CA 휴즈 연구소 Theodore. . Maiman , 루비 레이저 발견

3. Laser발생의 원리

자연 방출이 생기기 전 인위적으로 외부에서 같은 파장의 빛을 입사해주면 입사 광과 똑 같은 성질의  빛이 방출 

– 유도방출

레이저 방출

레이저공진기

레이저 발생 원리 이미지

◈ 펌핑(Pumping)
    자연상태에서는 기저 상태[E₁]의 입자수가 많으므로 유도방출이 일어나지 않으므로
    인위적으로 외부에서 에너지를 주어 기저상태[E₁] 의 입자를 여기상태[E₂]까지 
    끌어 올리는 것 - 유도방출을 반복하여 가속도적으로 다량의 같은 성질을 가진 빛이 방출

4. 대표적 레이저 가공기의 발진 원리

1) YAG Laser
매질 : Nd -전자 배치 상태의 변화에 의한 빛 발생
파장 : 1.06um
(Nd : Neodymium, 원자번호 60, 원자량144.2)
2) CO₂ Laser
매체 : 출력 향상을 위해 탄산가스에  질소가스와 헬륨가스를 혼합하여 탄산 가스 분자의 진동이나 회전운동 상태의 변화에 의한 빛 발생
파장 : 10.6um
3) 엑시머( Excimer) 레이저
매질 : Ar(아르곤), Cr(크립톤), Xe(크세논) – 불활성가스로 안정한 원자로 분자를 만들지 않음으로 전자 빔, X선등의 에너지를 주어 여기하면 가까운 원자와 결합하여 분자가 되어 빛 발생
파장 : ArF(193nm),  CrF(248nm),  XeCl(308nm)

5. 레이저 구조 공진기

레이저 구조 공진기

레이저 구조 공진기 구조
- 유도 방출로 발생된 빛의 일부분은 매질에 흡수, 자연방출 되어 증폭효율 低 상태
- 증폭 효율을 높이기 위해 2개의 반사경을 사용하여 빛을 공진(共振) 상태,
  경면에 수직인 빛은 반사경 사이에 반사를 왕복하면서 유도 방출된 빛이 
  부분반사경을 통과하여 나온 빛을 레이저 빔(Beam)
  우리는 이 레이저 빔 (Beam)을 활용하여 재료 가공에 활용한다

6. 빔 모드 (Beam Mode)
- 빔 : 초점 그리고 모양
 싱글 모드 : 점이 하나다  눈에는 전부 하나로 보이지만 분석해 보면 정규분포로
   에너지가 모여서 집적도가 높아야 되기 때문에 만들기가 어렵다.
싱글모드 빔(Single mode beam) 
집광성이 양호하고 원형이므로 복잡한 형상의 제품을 전달할 때 유리
(절단을 포함한 정밀 가공에 유리)
멀티모드 빔(Multi-mode beam) 
큰 출력을 얻기는 쉬우나 타원형으로 절단 방향에 따라 절단 상황이 변할 수 있음
(후판의 단순한 형상의 절단이나 용접 등에 적용)
멀티 모드 빔 : 골과 마루가 여러 개 다  그래서 끝이 뭉툭해서 집진도가 떨어진다

   그래서 빔 모드가 중요한 게 빔 모드에 따라서 사용 용도가 달라짐
   로핀의 CO₂슬랩 레이저는 챔버에 밀폐시켜서 유도방출하여 실글모드 구현
   에전 CO₂레이저 : 기체에 고전압을 인가하여 분자의 진동이나 회전운동 상태의 변화가 발생되어 빔이 만들어져  질이 저하됨

레이저 빔 모드

레이저 빔모드

 

7. 발진 파형 [Continus wave, CW & Pulsed & Q-Switched]

레이저 발진파형

8. 레이저빔의 특성

1) 평행 성
2) 단색 성
3) 간섭 성

레이저 발진파장

레이저 빔의 특성

※가공에 이용하는 성질은 평행성이며 평행선은 렌즈에 의해 집광하여 미소 면적에 파워를 집중시켜 재료를 가공한다.

9. 레이저 가공의 특성

1)장점
 - 레이저 빔을 흡수하는 재료는 거의 가공 가능
 - 비접촉 가공으로 재료에 기계적인 힘이 미치지 않는다
 - 빔의 집광상태, 발진상태를 제어, 보조가스 이용으로  다양한 응용
    ( 제거, 부가, 접합, 합성 )
 - 평행성을 이용한 빔을 멀리까지 전달
 - 한대의 발진기로 분기하여 여러 장소에서 작업 가능
2) 단점
 - 용융을 동반하는 가공에서 가공물 중 열 영향층이 잔류한다.
 - 장치가 비싸다.
 - 장치 별로 작업 조건을 설정을 위한 시행 착오가 필요하다.

10. 레이저 가공의 기초

각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계

각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계

레이저 조사 조건과 가공 종류의 관계

레이저 조사 조건과 가공 종류의 관계

11. 레이저 종류와 가공 분야

레이저 조사 조건과 가공 종류의 관계

12. 레이저 가공 조건의 결정

레이저 가공 조건

13. 레이저 가공 장치의  구성

레이저 가공장치의 구성

14. 레이저 가공의 종류

1) 구멍 뚫기
 - 가공면의 위치를 레이저 광의 초점위치에 가까이 접근시켜 펄스 레이저 광의 
   방출로 열 가공 하는 것
 - 가공치수 0.01~1.0mm
2) 절단
 - 구멍 뚫기와 원리가 같으며 가공물을 이동시키면서 작업한다.
 - 절단의 시작점을 가공물의 임의 위치에서 시작할 수 있다.
3) 스크라이빙(Scribing)
 - 재료를 절단 가공하기 위하여 표면에 흠집을 내는 것
 - 출력을 조절 함으로써 깊이 조절이 가능하다.
4) 용접(Welding)
 - 광에너지를 열에너지로 변환하여 사용
    판재의 두께는 1~2mm
5) 표면 제거(Ablation)
 - 순간적으로 고온으로 대상재료를 플라즈마 상태로 만들어 분리시키는 것
6) 표면 개질
 - 자동차용 피스톤링 하우징과 링 내벽의 표면 경화 등에 적용
 - 심도 0.8mm이하의 표면 경화처리에는 기존 열처리로나 고주파 가열로 보다 편리
7) Marking
 - 공구의 손실이 없는 비 접촉식
 - 컴퓨터 프로그램에 의해 문자 형상을 조절
8) 기 타
 - 레이저 포밍, 초미립자 작성, 레오로지 프로세싱, 초전도체의 작성

15. 레이저 안전 규격

◈ 레이저의 안전에 관한 규격
    JIS C 6802 레이저 제품의 방사안전 기준 (1991년)
◈ 최대 허용 노출광량( MPE : Maximum Permissible Exposure )
    레이저 조사로 장해 발생율이 50%가 되는 값의 1/10
◈ Class 구분
    Class 1에서 Class 4 로 분류, 가공기는 모두 Class 4로 분류
◈ 사용자의 예방 대책
    1) 안전 관리자 : Class 3A이상의 경우 안전관리자 임명
    2) 안전 교육
    3) 관리 구역 : 차폐, 포위, 울타리 등으로 관리구역 설정
    4) 보호 안경 
    5) 연소 물질의 제거
    6) 2차 반사의 방지( 흡수율이 낮은 재료의 경우 특히 중요 )
    7) 피 가공물 칩의 청소(발화 가능성의 제거)
    8) 점검 보수 작업 시 안전 확인
    9) 광로 조정작업시의 안전
   10) 렌즈, 반사경의 취급 : 재질이 ZnSe이므로 취급 후 반드시 세척
◈ 발생 가스 : CO₂레이저의 매질가스에 포함된 일산화탄소(CO) 주의
◈ 인체에 미치는 영향
 1) 눈에 대한 장해
 - 파장 200~400 nm (시각 초점 역 외)의 빔은 각막, 수정체의 조직에 
   흡수되어 화상, 시력저하를 동반하는 백내장 유발
  - 파장 400~1400nm (시각 초점 역 내)의 빔은 망막 위에 집광 된 열 작용, 
   광화학 작용(430nm 부근의 빔)으로 망막 장해를 유발
2) 피부에 대한 장해
- 홍반, 수포형성, 열 응고 또는 탄화 등의 장해 유발
◈ 기타 주의 사항
  1) 보조 가스로 산소를 사용하는 경우 화재 발생 위험
  2) 질소, 알곤 등을 사용하는 경우 산소 결핍 위험
  3) 고전압을 사용하므로 보수, 점검 전 접지 봉으로 전하 제거

레이저 장치의 위험성

   Class 1 : 안전한 레이저 ( 레이저 프린터 )
   Class 2 : 억지로 광선을 쳐다보고 있지만 않으면 안전한  레이저 ( 레이저 포인트 )
   Class 3 : 눈에 빔을 직접 쐬면 눈이 손상 될 수 있는 위험한 레이저 
                 ( CD 굽는 기계에 사용하는 레이저 , 자동 다운기능 )
   Class 4 : 눈 뿐 아니라 피부에 쪼일 경우에도 위험, 빔을 간접적으로 보는 것 만으로도 위험, 
                인화물질이 있는 곳에 사용시 화재를 주의