초고속 레이저란?

초고속 레이저는 펄스 폭이 피코초 수준(10-12s) 이하인 초강력, 초단 펄스 레이저의 한 유형으로, 에너지 출력 파형을 기준으로 정의됩니다. 

레이저의 이름은 "초고속 현상"에서 유래되었는데, 이는 물리적, 화학적 또는 생물학적 과정에서 물질의 미시적 시스템이 빠르게 변화하는 현상을 말합니다. 원자 및 분자 시스템에서 원자와 분자의 운동 시간 척도는 피코초에서 펨토초 수준입니다. 예를 들어, 분자 회전 주기는 피코초 수준이고 진동 주기는 펨토초 수준입니다. 

레이저 펄스 폭이 피코초 또는 펨토초 수준에 도달하면, 그것은 대체로 분자의 전반적인 열 운동에 미치는 영향을 피할 수 있는데, 이는 매트 온도의 미시적 본질입니다. 또한, 재료는 분자 진동의 시간 척도에 의해 영향을 받고 생성되므로 처리하는 동안 열 효과가 크게 감소합니다.

차례
초고속 레이저의 종류
초고속 레이저의 구성 요소
초고속 레이저 응용 분야
초고속 레이저의 장단점

초고속 레이저의 종류

레이저에는 여러 가지 분류 방법이 있는데, 가장 일반적으로 사용되는 네 가지 분류 방법은 작동 물질에 따른 분류, 에너지 출력 파형(작동 모드)에 따른 분류, 출력 파장(색상)에 따른 분류, 전력에 따른 분류입니다.

에너지 출력 파형에 따라 레이저는 연속 레이저, 펄스 레이저, 준연속 레이저로 구분할 수 있습니다.

연속 레이저

연속 레이저는 작업 시간 동안 안정적인 에너지 파형을 지속적으로 출력하는 레이저입니다. 높은 출력과 금속판과 같은 높은 용융점을 가진 부피가 큰 재료를 처리할 수 있는 능력이 특징입니다.

펄스 레이저

펄스 레이저는 펄스 형태로 에너지를 출력합니다. 펄스 폭에 따라 이러한 레이저는 밀리초 레이저, 마이크로초 레이저, 나노초 셧다운 장치, 피코초 레이저, 펨토초 레이저, 아토초 레이저로 더 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 출력 레이저의 펄스 폭이 1~1000ns 사이인 경우 나노초 레이저로 분류됩니다. 피코초 레이저, 펨토초 레이저, 아토초 레이저, 초고속 레이저의 경우 펄스 레이저의 출력은 연속 레이저보다 훨씬 낮지만 처리 정확도는 더 높습니다. 일반적으로 펄스 폭이 좁을수록 처리 정확도가 높아집니다.

준 CW 레이저

준 연속파 레이저는 일정 주기 내에 상대적으로 높은 에너지의 레이저를 반복적으로 출력할 수 있는 펄스 레이저입니다.

위에서 언급한 세 가지 레이저의 에너지 출력 파형은 또한 "듀티 사이클" 매개변수로 설명될 수 있습니다. 

레이저의 경우 듀티 사이클은 펄스 사이클 내의 "총 시간"에 대한 "레이저 에너지 출력 시간"의 비율로 해석할 수 있습니다. 따라서 CW 레이저 듀티 사이클(=1) > 준 CW 레이저 듀티 사이클 > 펄스 레이저 듀티 사이클입니다. 일반적으로 펄스 레이저의 펄스 폭이 좁을수록 듀티 사이클이 낮아집니다.

재료 가공 분야에서 펄스 레이저는 원래 연속 레이저의 과도기적 산물이었습니다. 이는 초기 단계의 핵심 구성 요소의 지지력과 기술 수준을 포함한 요인의 영향으로 인해 연속 레이저의 출력 전력이 매우 높을 수 없기 때문이며, 재료가 녹는점까지 가열될 수 없다는 사실 때문입니다. 이러한 요인이 가공의 목적을 달성하는 것, 즉 혁신의 필요성을 의미합니다.

혁신은 레이저의 출력 에너지를 단일 펄스에 집중시키는 데 사용되는 특정 기술적 수단과 함께 이루어졌습니다. 이를 통해 레이저의 총 전력이 변경되는 것을 막았지만 펄스 시점의 순간 전력이 크게 증가하여 재료 처리 요구 사항을 충족할 수 있었습니다. 

이후, 연속 레이저 기술이 점차 성숙해지면서 펄스 레이저가 가공 정확도에 큰 이점이 있다는 것이 발견되었습니다. 이는 펄스 레이저가 재료에 미치는 열 효과가 작기 때문입니다. 레이저 펄스 폭이 좁을수록 열 효과가 작아지고 가공된 재료의 모서리가 매끄러울수록 해당 가공 정확도가 높아집니다.

초고속 레이저의 구성 요소

레이저가 초고속 레이저로 간주되기 위한 핵심 요건 두 가지는 높은 안정성의 초단 펄스와 높은 펄스 에너지입니다. 일반적으로 초단 펄스는 모드 잠금 기술을 사용하여 얻을 수 있는 반면, 높은 펄스 에너지는 CPA 증폭 기술을 사용하여 얻을 수 있습니다. 

관련된 핵심 구성 요소에는 발진기, 스트레처, 증폭기 및 압축기가 포함됩니다. 그중 발진기와 증폭기가 가장 어렵지만 초고속 레이저 제조 회사의 핵심 기술이기도 합니다.

발진기

모드 잠금 기술은 발진기에서 초고속 레이저 펄스를 얻는 데 사용됩니다.

들것

스트레처는 서로 다른 파장을 사용하여 펨토초 시드 펄스를 시간에 따라 벌어지게 늘립니다.

증폭기

펄스 증폭기는 이제 늘어난 펄스에 최대 에너지를 공급하는 데 사용됩니다.

압축기

압축기는 다양한 구성 요소의 증폭된 스펙트럼을 통합하고 이를 펨토초 폭으로 복원함으로써 매우 높은 순간 전력을 갖는 펨토초 레이저 펄스를 형성합니다.

초고속 레이저 응용 분야

나노초 및 밀리초 레이저와 비교했을 때 초고속 레이저는 전체 출력은 낮지만 재료 분자 진동의 시간 척도에 직접 작용하기 때문에 초고속 레이저는 진정한 의미에서 "냉간 가공"을 실현하여 가공 정확도가 크게 향상됩니다.

고출력 연속 레이저, 비초고속 펄스 레이저, 초고속 레이저는 모두 그 특성이 다르기 때문에 하류 응용 분야에서 큰 차이를 보입니다.

고출력 연속 레이저(및 준연속 레이저)는 절단, 소결에 사용됩니다. 용접, 표면 클래딩, 드릴링, 금속 소재의 3D 프린팅.

비초고속 펄스 레이저는 비금속 재료 표시, 실리콘 재료 가공, 세척 및 수행에 사용됩니다. 정밀 조각 금속 표면, 정밀 용접 금속, 마이크로 기계 금속 등에 적합합니다.

초고속 레이저는 단단하고 부서지기 쉬운 재료와 유리, PET, 사파이어와 같은 투명한 재료를 절단하고 용접하는 데 사용됩니다. 또한, 정밀 마킹, 안과 수술, 미세 수동화 및 에칭.

사용 관점에서 볼 때, 고출력 CW 레이저와 초고속 레이저는 상호 대체 관계가 거의 없습니다. 그들은 도끼와 족집게와 같으며, 그 크기는 장단점을 모두 가지고 있습니다. 

비초고속 펄스 레이저의 하류 적용은 연속 레이저와 초고속 레이저의 적용과 일부 중복됩니다. 그러나 동일한 적용에서 달성된 결과로 판단하면 비초고속 펄스 레이저의 출력은 연속 레이저만큼 좋지 않으며 정확도는 초고속 레이저만큼 좋지 않습니다. 가장 두드러진 특징은 비용 성능입니다.

특히 나노초 자외선 레이저는 피코초 수준에 이르지 못하는 펄스 폭을 가지고 있지만 다른 컬러 나노초 레이저보다 처리 정확도가 훨씬 높습니다. 나노초 자외선 레이저는 3C 제품의 가공 및 제조에 널리 사용되고 있으며 앞으로 초고속 레이저 비용이 감소함에 따라 나노초 자외선 시장을 차지할 수 있습니다.

초고속 레이저는 실제로 콜드 프로세싱을 실현하고 정밀 가공에 상당한 이점이 있습니다. 또한 생산 기술이 점차 성숙함에 따라 이러한 초고속 레이저의 비용은 감소할 것입니다. 이러한 이유로 이러한 레이저는 미래에 의학 생물학, 항공 우주, 가전 제품, 조명 디스플레이, 에너지 환경, 정밀 기계 및 기타 하류 산업에서 널리 사용될 것으로 예상됩니다.

의료 미용학

초고속 레이저는 의료용 안과 수술 장비와 미용 기기에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 펨토초 레이저는 근시 수술에 사용되며, 파면 수차 기술에 이어 "굴절 수술의 또 다른 혁명"으로 알려져 있습니다. 

근시 환자의 눈 축은 정상적인 눈 축보다 큽니다. 즉, 이완 상태에서 굴절 후 눈의 굴절 시스템에 의한 평행 광선의 초점이 망막 앞에 떨어집니다. 펨토초 레이저 수술은 축 방향 치수의 과도한 근육을 제거하고 축 거리를 정상 길이로 복원할 수 있습니다. 펨토초 레이저 수술은 높은 정확도, 높은 안전성, 높은 안정성, 짧은 수술 시간 및 높은 편안함이라는 장점이 있어 가장 주류를 이루는 근시 수술 방법 중 하나가 되었습니다.

미용 측면에서 초고속 레이저는 색소와 선천적 점을 제거하고, 문신을 제거하고, 피부 노화를 개선하는 데 사용할 수 있습니다.

가전

초고속 레이저는 단단하고 부서지기 쉬운 투명 소재 가공, 박막 가공 및 정밀 마킹에 적합하며, 가전제품 제조 공정 내에서 다른 기능을 제공합니다. 휴대전화에 사용되는 사파이어 및 강화 유리는 가전제품에 사용되는 원자재 중에서 단단하고 부서지기 쉽고 투명한 소재로 간주됩니다. 

특히 사파이어는 스마트워치, 휴대폰 카메라 커버, 지문 모듈 커버와 같은 품목에 널리 사용됩니다. 그러나 높은 수준의 경도와 취성으로 인해 기존 가공 방법의 효율성과 수율은 매우 낮습니다. 이로 인해 나노초 자외선 레이저와 초고속 레이저가 사파이어를 절단하는 주요 기술 수단이며 초고속 레이저의 가공 효과는 자외선 나노초 레이저보다 우수합니다. 위의 기능 외에도 나노초 및 피코초 레이저는 카메라 모듈과 지문 모듈에서 사용하는 주요 가공 방법이기도 합니다. 

초고속 레이저는 미래에는 유연한 휴대전화 화면(폴더블 화면)을 절단하고, 이에 해당하는 3D 유리 드릴링을 위한 주류 기술이 될 가능성이 높습니다. 

초고속 레이저는 패널 제조에도 중요한 응용 분야가 있는데, OLED 편광판 절단, LCD/OLED 제조 중 박리 및 수리 공정 등에 사용됩니다.

OLED 제조에 사용되는 폴리머 소재는 특히 열 영향에 민감합니다. 또한 현재 제작 중인 셀의 크기와 간격은 매우 작으며 나머지 가공 크기도 마찬가지입니다. 즉, 기존의 다이커팅 공정은 더 이상 적합하지 않습니다. 산업의 생산 요구 사항과 특수 모양의 스크린 및 천공 스크린에 대한 적용 요구 사항은 이제 기존 기술의 역량을 넘어섰습니다. 따라서 초고속 레이저가 제공하는 이점은 특히 열 영향 영역이 작고 곡선 가공과 같은 유연한 응용 분야에 더 적합한 피코초 자외선 또는 펨토초 레이저를 고려할 때 분명합니다.

마이크로 용접

유리와 같은 투명한 고체 매체 구성 요소의 경우, 초단 펄스 레이저가 매체에서 전파될 때 비선형 흡수, 용융 손상, 플라즈마 형성, 절삭 및 파이버 전파를 포함한 다양한 현상이 발생합니다. 이 그림은 서로 다른 전력 밀도와 시간 척도에서 초단 펄스 레이저와 고체 재료 간의 상호 작용 중에 발생하는 다양한 현상을 보여줍니다.

초단펄스 레이저 마이크로 용접 기술은 중간층을 삽입할 필요가 없고, 효율성과 정밀도가 높으며, 거시적인 열 효과가 없고, 마이크로 용접 처리 후 이상적인 기계적 및 광학적 특성을 나타내기 때문에 유리와 같은 투명한 재료의 마이크로 용접에 매우 적합합니다. 예를 들어, 연구자들은 70fs, 250kHz 펄스를 사용하여 표준 및 마이크로 구조 광섬유에 엔드 캡을 성공적으로 용접했습니다.

디스플레이 조명

디스플레이 조명 분야에서 초고속 레이저의 적용은 주로 LED 웨이퍼의 스크라이빙 및 절단을 말하며, 이는 초고속 레이저가 단단하고 취성 있는 재료를 처리하는 데 적합한 방법의 또 다른 예입니다. 초고속 레이저 가공은 정확도와 효율성이 우수하고 단면 평탄도가 높으며 모서리 칩핑이 상당히 감소합니다. 

태양광 에너지

초고속 레이저는 광전지 제조에 광범위한 적용 공간을 가지고 있습니다. 예를 들어, CIGS 박막 배터리 제조에서 초고속 레이저는 원래의 기계적 스크라이빙 공정을 대체하여 스크라이빙의 품질을 크게 개선할 수 있으며, 특히 P2 및 P3 스크라이빙 링크의 경우 거의 깨짐, 균열 또는 잔류 응력을 달성할 수 없습니다.

Aerospace

엔진 성능과 항공우주에 사용되는 터빈 블레이드의 성능과 서비스 수명을 개선하려면 공기막 냉각 기술이 필요합니다. 그러나 이는 공기막 홀 처리 기술에 대한 요구 사항이 매우 높다는 것을 의미합니다. 

2018년, 시안 광학기계 연구소는 중국에서 가장 높은 단일 펄스 에너지를 개발했습니다. 26와트 산업용 펨토초 파이버 레이저입니다. 또한, 그들은 일련의 극한, 초고속 레이저 제조 장비를 개발하여 항공기 엔진 터빈 블레이드의 공기막 구멍 "냉간 가공"에서 돌파구를 마련하고 국내 격차를 메웠습니다. 이 가공 방법은 EDM보다 더 발전되어 있으며 정확도가 더 높고 수율도 크게 향상되었습니다.

초고속 레이저는 섬유 강화 복합 재료의 정밀 가공에도 적용될 수 있으며, 가공 정확도가 향상되면 항공우주 및 기타 첨단 분야에서 탄소 섬유와 같은 복합 재료의 적용이 확대될 것입니다.

연구분야

2광자 중합(3PP) 기술은 광 경화형 급속 프로토타입 기술과 유사한 "나노 광학" 3D 인쇄 방법입니다. 미래학자 크리스토퍼 바나트는 이 기술이 미래에 XNUMXD 인쇄의 주류 형태가 될 수 있다고 믿습니다. 

2PP 기술의 원리는 "펨토초 펄스 레이저"를 사용하여 감광성 수지를 선택적으로 경화하는 것입니다. 광경화 래피드 프로토타입과 비슷해 보이지만 차이점은 2PP 기술이 달성할 수 있는 최소 층 두께와 XY 축 분해능이 100nm에서 200nm 사이라는 것입니다. 즉, 2PP 3D 프린팅 기술은 기존의 광경화 성형 기술보다 수백 배 더 정확하고 인쇄된 물체는 박테리아보다 작습니다.

초고속 레이저의 가격은 비교적 비싸지만 업계의 선구자인 STYLECNC는 이미 초고속 레이저 가공 장비를 생산하고 있으며 좋은 시장 피드백을 얻었습니다. OLED 모듈용 레이저 정밀 절단 장비는 초고속 레이저 기술, 초고속(피코초/펨토초) 레이저 마킹 장비, 피코초 적외선 디스플레이 스크린용 유리 챔퍼링 레이저 가공 장비, 피코초 적외선 유리 웨이퍼를 기반으로 출시되었습니다. 

이러한 기술을 통해 출시된 제품으로는 레이저 커팅 장비, LED 자동 인비저블 다이싱 머신, 반도체 웨이퍼 등이 있습니다. 레이저 커팅 머신, 지문 인식 모듈용 유리 커버 절단 장비, 플렉시블 디스플레이 양산 라인, 초고속 레이저 제품 시리즈.

초고속 레이저의 장단점

초고속 레이저의 장점

초고속 레이저는 레이저 분야에서 가장 중요한 개발 방향 중 하나입니다. 떠오르는 기술로서 정밀 마이크로 가공에 상당한 이점이 있습니다. 

초고속 레이저에서 생성된 초단 펄스는 레이저 자체가 매우 짧은 시간 동안만 재료와 상호 작용하므로 주변 재료에 열을 전달하지 않는다는 것을 의미합니다. 또한 레이저 펄스 폭이 피코초 또는 펨토초 수준에 도달하면 분자 열 운동에 대한 영향을 크게 피할 수 있어 열 영향이 줄어듭니다. 이러한 이유로 초고속 레이저 가공을 "콜드 가공"이라고도 합니다.

초고속 레이저의 장점을 보여주는 그래픽 예시는 무딘 주방 칼로 보존 계란을 자르는 경우입니다. 우리는 종종 보존 계란을 잘게 자르므로 대신 빠르게 자르는 날카로운 칼날을 선택하면 보존 계란이 고르고 아름답게 잘릴 것입니다. 

초고속 레이저의 단점

집적회로나 패널을 만드는 산업 등 첨단 제조산업은 레이저 가공 장비에 대한 요구 사항이 매우 높으며, 새로운 기술적 혁신이 기대에 미치지 못할 위험이 있습니다.

초고속 레이저의 가격은 높고, 새로운 레이저 공급업체로 전환하면 원래 레이저 장비 제조업체와 최종 사용자가 예상했던 대로 시장을 확대하지 못할 위험이 있습니다. 

출처 스타일cnc.com

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