CO2 레이저 60 - 여전히 생존 및 킥
성능, 신뢰성 및 가치에 대한 지속적인 혁신은 가장 오래된 레이저 기술 중 하나와 관련이 있습니다.
2025년 1월 20일, Coherent
Coherent가 1966년에 첫 상용 제품을 출시한 CO2 레이저의 선구자라는 사실을 알고 계셨습니까? Bell Labs에서 처음 발명된 지 불과 2년이 지났습니다. 향후 수십 년 동안 CO2 레이저는 자동차 생산, 반도체, 전기 및 전자 제조와 같은 다양한 산업 전반에 걸쳐 용접, 절단, 마킹 및 조각 응용 분야에서 가장 인기 있는 소스로 빠르게 자리매김했습니다.
CO2 레이저는 때때로 레거시 기술로 여겨집니다. 실제로 현재 70년이 되는 CO2 레이저는 은퇴를 앞두고 있지 않습니다. 대신 기존 애플리케이션과 개발 중인 애플리케이션 모두에서 훨씬 더 널리 사용됩니다.
파이버 레이저가 2010년경 상업적 견인력을 얻은 후 금속 가공을 위해 킬로와트 CO2 레이저의 사전 발광이 감소했지만, 비금속 재료에 대한 많은 응용 분야에서 저출력 및 고출력 CO2 레이저에 계속 의존하고 있습니다.
CO2 레이저는 어디에서 빛납니까?
CO2 레이저를 사진에 유지하는 것의 일부는 기본 물리학입니다. CO2 레이저는 약 10μm의 파장을 출력하며, 플라스틱, 목재, 판지 및 가죽과 같은 유기물, 천연 및 합성 섬유, 고무, 복합재, 유리 세라믹을 포함하여 다양한 재료가 매우 잘 흡수됩니다. 반대로, 거의 모든 재료는 파이버 레이저의 1μm 파장 광을 잘 흡수하지 못합니다.
이러한 재료 외에도 물은 CO2 레이저 광을 강하게 흡수하므로 대부분의 조직, 심지어 뼈에도 상당한 양의 물이 포함되어 있기 때문에 수술 응용 분야에 특히 유용합니다.
10μm 레이저 광을 잘 흡수하지 못하는 것은 무엇입니까? 정답: 전도성 금속. 이것이 바로 Coherent가 구리 및 알루미늄과 같은 금속 기판에서 고성능 레이저 미러 및 기타 반사 광학 장치를 생산하는 이유입니다.
더 나은 CO2 레이저 기술
CO2 레이저가 관련성을 유지한 또 다른 이유는 기술의 지속적인 개선입니다. 이를 통해 오늘날의 CO2 레이저는 이전 모델보다 훨씬 더 효율적이고 안정적이며 경제적입니다.
초기 세대의 다중 kW CO2 레이저는 레이저 공동을 통해 또는 레이저 공동을 가로질러 빠른 흐름의 가스를 사용했으며, 이는 초기 저출력 \"느린 흐름\" 레이저의 스케일 업에 불과했습니다. 그러나 이 접근 방식은 운영 비용, 시스템 크기, 효율성 및 신뢰성 측면에서 높은 가격의 태그를 가지고 있습니다.
그림 1. 왼쪽의 슬래브 레이저 설계, 출력 스케일링에 탁월, 오른쪽의 도파관으로 낮은 출력. 두 레이저 공진기 설계는 모두 우수한 모드 품질과 출력 안정성을 제공합니다.
확산 냉각식(DC), 고출력(1~8kW) Coherent DC 및 중출력(120-1000W) Coherent DIAMOND J 시리즈와 같은 슬래브 CO2 레이저의 개발은 이 기술에 혁명을 일으켰습니다. 이 설계에서 레이저 가스는 수냉식인 두 개의 큰 평면 전극 사이에 갇혀 있어 훨씬 더 효과적인 열 제거가 가능합니다. 이 단순화된 설계는 가스 사용량을 크게 줄이고 벽 플러그 효율성을 높이며 신뢰성을 높입니다. 현재까지 이 기술을 사용하여 다중 kW CO2 레이저를 생산하는 회사는 없습니다.
기존 고속 CO2 레이저에 비해 이러한 슬래브 레이저의 최종 이점은 더 작은 크기, 무시할 수 있는 가스 소비 및 더 높은 출력 빔 품질입니다. 슬래브 레이저는 1kW 이하의 출력 수준에서 완전히 밀봉되고 다중 kW 작동을 위해 “반밀봉”될 수 있습니다. 이를 통해 더 작은 크기의 레이저 헤드가 생성되고 대형 외부 가스 저장 실린더가 필요하지 않습니다. 이를 통해 통합을 크게 단순화하고 운영 및 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
Coherent DIAMOND C/Cx 시리즈와 같이 120W 미만의 저출력 CO2 레이저는 수십 년 동안 사용되어 온 밀폐형 도파관 구조를 사용합니다. 그러나 이러한 레이저의 설계 및 작동의 모든 측면에서 지속적인 점진적 개선은 계속해서 이점을 제공합니다. 이것이 바로 오늘날 DIAMOND C/Cx 레이저가 그 어느 때보다 더 나은 신뢰성, 성능, 안정성 및 작동 수명을 제공하는 이유입니다.
DIAMOND C/Cx 시리즈 CO2 레이저의 기능은 변조기와 공동 내 q-스위칭을 직접 통합하여 확장되었습니다. 이를 통해 이러한 레이저는 특히 평판 디스플레이 및 마이크로일렉트로닉스 제조 응용 분야에서 더 까다롭고 정밀도가 높은 응용 분야에 서비스를 제공할 수 있습니다.
CO2 레이저용 무지개
CO2 레이저의 응용 분야 범위는 너무 광범위하고 광범위하여 여기에 모두 나열하는 것은 실용적이지 않습니다. 다음은 산업별로 세분화된 주요 응용 분야에 대한 개요입니다.
자동차 및 일반 산업
- 에어백 절단: CO2 레이저는 에어백에 사용되는 견고하고 촘촘한 직조 재료를 정밀도하고 빠르게 절단할 수 있습니다. 이렇게 하면 가장자리가 깨끗해지고 재료의 무결성이 유지되며, 이는 에어백 시스템의 안전성과 신뢰성에 매우 중요합니다. 절단 공정은 절단 가장자리를 밀봉하여 에어백 재료의 마모가 발생하지 않도록 합니다.
그림 2: 에어백 절단은 기계적으로 견고한 직물을 쉽게 절단하고 절단 가장자리를 밀봉하여 마모가 없도록 하는 레이저에 매우 적합합니다.
- 대시보드 채점: 대시보드 및 에어백 커버의 전략적 약화/스코어링을 통해 에어백의 기능을 보장하면서 차량 내부를 자유롭게 설계할 수 있습니다.
- 폴리머 부품 절단: 센서, 안개등 또는 기타 구성 요소의 경우 다양한 자동차 모델/옵션을 위한 범퍼와 같은 볼륨 생산 부품의 사소한 사용자 지정도 가능합니다. 여기서 레이저는 작동 유연성을 지원하고(구멍 패턴을 쉽게 정의하거나 변경할 수 있음) 매끄럽고 결함이 없는 절단 가장자리를 생성합니다.
그림 3: CO2 레이저는 맞춤형 구성을 사출 성형 범퍼 블랭크로 절단합니다.
- 모선 박리: CO2 레이저는 용접 전에 버스바의 절연체를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있습니다. 레이저는 버스바의 양쪽을 동시에 벗기기 위해 쌍으로 사용되는 경우가 많습니다.
그림 4: CO2 레이저는 절연 재료에 흡수되지만 기본 구리에 반사되므로 절연 제거가 잘 작동합니다.
- 튜브 및 프로파일 용접: CO2 레이저는 튜브의 연속 용접 이음매를 밀봉하는 데 광범위하게 사용됩니다. 이는 결합되는 부품의 윤곽을 따르는 강력하고 매끄러운 조인트를 만드는 데 일반적으로 사용되는 공정인 '프로파일 용접'의 한 형태입니다.
반도체 및 전자 장치
- 절단 및 드릴링: CO2 레이저는 인쇄 회로 기판의 절단(디패널링) 및 구멍 드릴링(“비아”라고 함)에 사용됩니다. 또한 저온 공동 연소 세라믹(LTCC)을 드릴링할 수 있습니다. 이 소재는 특히 플래시 RAM과 같은 얇은 다층 장치를 제작할 때 마이크로일렉트로닉스 기판으로 사용됩니다.
- 레이저 스파이크 어닐링: 고출력 CO2 레이저는 IC 제조에서 FOL(앞쪽 끝)의 단계인 웨이퍼 어닐링을 가능하게 합니다.
- 평면 패널 디스플레이: 변조 및 q 전환 CO2 레이저는 FPD 생산에서 셀 및 편광판 절단에 필요한 최소한의 열영향부과 우수한 가장자리 품질을 제공합니다.
- 와이어 박리: 레이저로 정밀한 재료를 제거할 수 있으므로 특히 작은 게이지 와이어에서 절연체를 제거하는 데 유용합니다.
포장
- 변환: 종이, 플라스틱, 판지, 포일 또는 필름을 완제품 포장 제품으로 변환하는 공정입니다. CO2 레이저는 속도, 유연성 및 신뢰성으로 인해 변환 시 다양한 절단 작업에 사용됩니다. 재료 흡수 특성과 거의 일치하는 출력 파장을 가진 CO2 레이저를 선택하여 가공을 최적화할 수 있습니다. Coherent는 이를 위해 9.3μm, 10.2μm 및 10.6μm의 출력을 가진 CO2 레이저를 제공합니다.
- 판지/카트보드: 판지 패키징에 대한 수요가 증가함에 따라 박스 제조에서 더 효율적이고 유연성이 향상되고 있으며, 고출력 CO2 레이저는 박스 대량 생산을 위한 빠르고 효율적이며 유연한 기술을 제공합니다. 이 기술은 배송할 품목에 대해 정확한 크기의 상자가 생성되도록 '주문형 상자' 기능을 제공합니다.
- 플렉서블 슬리팅/천공: CO2 레이저는 박막과 포일에 쉽게 천공을 생성할 수 있으며 \"쉽게 열린\" 패키징 생산에 광범위하게 사용됩니다. 또한 MAP(변형 대기 패키징)에도 이상적입니다. 사전 포장된 샐러드 및 기타 농산물을 위한 플라스틱 백으로 만들어진 작은 구멍(마이크로 천공) 배열입니다. 공기 순환을 가능하게 하고 제품 신선도를 확장합니다.
- 다이보드 절단: 대량 변환 응용 분야에서는 다이보드를 사용하여 정확한 모양이나 패턴을 패키징 재료로 절단하는 경우가 많습니다. 일반적으로 합판 또는 복합 재료로 만들어진 플랫 보드로, 금속 절단 다이가 내장되어 있습니다. CO2 레이저는 테이퍼 없이 복잡하고 깨끗한 절단을 생성할 수 있는 정밀도와 능력으로 인해 다이보드의 슬롯을 절단하는 데 널리 사용됩니다.
그림 5: 정밀하고 평행한 슬롯을 두꺼운 다이보드로 절단.
- 디지털 다이 절단: 고출력 CO2 레이저로 골판지를 직접 절단하면 판매 시점 디스플레이 및 창의적인 포장 솔루션을 위한 소규모 시리즈 생산이 가능한 높은 유연성을 확보할 수 있습니다.
그림 6: 판지를 직접 절단하면 다이보드 없이도 유연한 디지털 다이 절단이 가능합니다.
- 키스 절단: 레이저는 하단 층을 절단하지 않고 2겹 재료의 상단 층을 절단합니다. 이 기술은 라벨, 데칼 및 스티커 생산에 일반적으로 사용되며 접착 제품을 배킹에서 쉽게 벗겨서 적용할 수 있습니다. CO2 레이저 키스 절단은 정밀도성과 일관성을 보장하여 맞춤형 접착제 제품의 대량 생산에 이상적입니다.
- 마킹: 폴리머 및 세라믹을 포함하여 포장에 사용되는 많은 재료는 CO2 레이저로 효율적으로 표시됩니다.
직물
- 절단: 직물, 가죽 및 세일클로스의 레이저 절단은 고속 및 정밀도성을 제공합니다.
- 페이딩/디스트레싱: 레이저는 노화의 모습을 모방하는 방식으로 진을 표시하는 빠르고 제어 가능하며 환경 친화적인 방법을 제공합니다. 진과 기타 직물에 그래픽과 패턴을 재현하는 데에도 사용할 수 있습니다.
의료
- 수술: CO2 파장이 물에 의해 강하게 흡수되면 레이저의 효율적인 수술 도구가 됩니다. 특히 연조직뿐만 아니라 뼈와 치아 에나멜을 절단하기 위해 치과 및 구강 수술에 사용됩니다.
- 피부과: CO2 레이저를 사용하면 주변 조직에 큰 영향을 주지 않고 얇은 피부 층을 정밀하게 제거할 수 있습니다. 주름, 사마귀, 모반 및 기타 피부 상태를 치료하는 데 사용됩니다.
이것은 오늘날 CO2 레이저가 서비스하는 응용 분야의 샘플입니다. 장파 적외선의 유일한 실용적인 소스이며 많은 재료가 빛을 잘 흡수하기 때문에 CO2 레이저는 향후 수년 동안 적절한 도구로 남아 있을 것입니다. 따라서 60년 근무 후에도 CO2 레이저는 아직 폐기되지 않았습니다. Coherent 고출력 및 저출력 CO2 레이저에 대해 자세히 알아보십시오.
