레이저 가공 및 처리

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Nonlinear Optics Lab

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HanyangHanyang Univ.Univ.

레이저의 주요 응용 분야

레이저 상호작용

- Material processing(레이저 가공 및 처리) - Laser induced fusion(레이저 핵융합) - Biomedical optics(의광학)

- Laser spectroscopy(레이저 분광학) - Military (군사/무기)

- Environment (환경/오염)

…

레이저 정보

- Optical communication(광통신) - Information processing(광정보처리) - Metrology(광계측)

- Laser 3D display(3차원 홀로그램) - Entertainments(문화/예술)

- Printers/copiers(프린터/복사기)

…

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레이저 가공 및 처리

(Laser Material processing)

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가공 및 처리

톱 칼

선반

밀링 담금질 도금/코팅

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레이저 가공의 특성

- Almost no limit in material selection

ÎMetal, wood, acryl, paper, rubber, textile, glass, …

- Locality of processing - Noncontact processing

Î High precision / Small sample / Minimizing the material change

- Ease of access

ÎRemote control / Inaccessible / Harmful area

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레이저 가공

- Cutting (절단) - Welding (용접) - Engraving (조판) - Making (마킹) - Scribing (줄긋기)

- Surface hardening (담금질)

…

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레이저 가공의 파라미터

- Wavelength(파장) ;

Shorter wavelength Î Smaller feature size, Higher energy(photoablation), Shorter penet. depth & Stronger absorp. (less heat affected area)

- Energy(에너지) ; depends on process

- Spatial beam profile(빔 단면 세기분포) ;

TEM00 mode Î Higher focusibility, Smaller feature size Uniform distribution Î mask patterning

- Pulse mode(펄스 모드) ;

Shorter pulse ÎLess heat affected area

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주요 가공용 레이저

- CO₂ laser

- Nd:YAG laser - Diode laser

engraver textile

cutter marker

Power

-10 ~ 500 W

용도와 재료에 따름

ex)

- 10W (비금속 마킹) - 60W(금속 용접) - 50~ 500W(절단)

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상용 가공의 예

이화메카트로닉스사

K2 레이저시스템사

대리석 스테일레스

도광판 섬유 타일 폴리카보네이트

금속 유리

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레이저 처리

- Crystallization of amorphous Si

: Short processing time / good crystal quality - Surface hardening

: Fast heating & cooling / only near the surface - Surface alloying (with auxiliary material)

: Enhanced hardness / improved corrosion resistance / protection of material - Laser evaporation (deposition)

: Applicable to compounds that are difficult or impossible to produce in thin-film form by other techniques.

ex) complex ceramic materials (High Tc superconductors) magnetic materials (YIG, Ni-Mn-Ga, …)

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레이저 핵융합

(Laser Induced Fusion)

본 자료는 한국과학기술원 물리학과 남창희 교수님의 강의자료를 인용 정리한 것이며,

남교수님께 감사 드립니다.

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에너지 자원

화력 수력

풍력 태양광

원자력

핵융합

자연 에너지

- 수력, 풍력, 조력, 태양광 - 무공해

- 설치 지역이 제한적 연료 에너지

- 화력, 원자력

- 대기 및 방사능 오염, 온실효과 - 매장량이 제한적

(석유 50년, 석탄 300년 우라늄 100년)

핵융합 - 청정

- 무궁무진한 원료(중수소) - “꿈의 원자로”

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별에서의 주요 핵융합

태양

- P(양성자) + P Æ D(중수소) - D + P Æ He³

- He³ + He³ Æ He⁴

무거운 별 - P + C Æ N - P + N Æ O

- O Æ N¹⁵ + P (붕괴) - N¹⁵-> C + He

태양의 엑스선 사진

손쉬운 핵융합 반응

D + T Æ He⁴ + n

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에너지

E = mc²

ex) 1g : 석유(15,000L), 석탄(20톤)

중수소 Å 바닷물

삼중수소 Å Li⁶ + n

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핵융합 반응 실현의 난점

- 수소 원자핵들 간의 큰 반발력 Î 고온 가열(5천만도~1억도)

- 고밀도, 충분한 지속시간 Î 밀도 x 지속시간 > 10¹⁴ s/cm³(로손의 기준) - 점화조건(시작된 핵융합이 계속 지속될 수 있는 조건)

: 1억도 이상, 로손 조건의 10배 이상

핵융합 반응의 실현

- 수소 폭탄 : 방사능

- 자기 감금 방법 (토카막)

-

관성 감금 방법 (고출력 레이저)

한국 과학기술원의 토카막 장치

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관성 감금 방법의 원리

구형 중수소 삼중수소 표적에 고출력(1 MJ 이상) 레이저 조사 Î 표적 껍질부 : 고온 팽창

표적 내부 : 반작용으로 압축

Î 고온, 고밀도 플라즈마 형성

Î 핵융합

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레이저 핵융합의 4단계와 구동 방식

직접구동방식

간접구동방식

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핵융합용 레이저

3rd harmonic Nd-glass laser

laser glass

디스크형 증폭기

(Rawrence Rivermore National Lab)

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핵융합용 레이저시스템 개발

Rawrence Rivermore National Laboratory : Nova - 10 beam lines, 45 kJ, 30TW

Rochester university : Omega - 60 beam lines, 45 kJ

Osaka university : Gekko

- 12 beam lines, 12 kJ Nova

Target

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Target (Rochester Univ.)

Gekko (Osaka Univ.)