독립형 및 통합형 청색 갈보 레이저 시스템

청색 갈보 각인 레이저 시스템의 적용 분야

청색 갈보 각인 레이저 시스템은 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다. 빠른 재료 가공을 필요로 하는 산업용 분야는 물론 농업, 의료, 연구 등에서도 활용됩니다. 적용 분야는 매년 확장되는 추세이며, 대표적으로 식품·과일·채소 라벨링, 식물·농작물·잡초의 레이저 가공, 목재·세라믹·플라스틱·금속의 각인 등이 있습니다.

청색 갈보 레이저의 심층적 장점

다른 갈보 각인 레이저와 달리, 청색 갈보 레이저 각인기는 고파장(445nm~450nm) 레이저 모듈을 사용하는 시스템으로, 탁월한 정밀도와 공정 효율을 제공합니다. 모든 갈보 레이저 각인기의 가공 효율은 두 가지 주요 매개변수에 의해 결정됩니다:

1. 갈보 레이저 각인기의 전기-광 변환 효율

이 매개변수는 갈보 레이저 각인기가 특정 광출력을 내기 위해 얼마나 많은 전력을 소모하는지를 나타냅니다.

청색 갈보 레이저와 파이버 갈보 레이저 모두 25~30% 수준의 전기-광 변환 효율을 기록하나, CO2 갈보 레이저는 6~7%에 머물고 있습니다. 특히 이 6.5%는 CO2 레이저 튜브 자체의 효율만 계상된 값으로, 추가적으로 상당한 전력을 소비하는 칠러(냉각기)의 소모 전력을 포함하지 않습니다. 실질적인 CO2 레이저의 전체 효율은 이보다 더 낮아집니다.

일반적으로 CO2 갈보 레이저의 칠러는 3~5의 COP(성능계수)를 가집니다. COP 값은 칠러에 의해 소모되는 전력 대비에서 방출되는 열의 비율을 나타냅니다. CO2 레이저 튜브가 6.5%의 전기-광 변환 효율을 가질 경우, 3,000 kW(3,000 와트의 소비 전력)를 사용하는 CO2 갈보 레이저는 195와트의 광(레이저) 파워를 출력하며, 2805 와트는 열로 손실되어 칠러로 방출됩니다. COP 3~5의 칠러에서는 추가적으로 935~561와트 전력이 더 소비됩니다. 결과적으로 CO2 갈보 레이저 시스템의 전체 전기-광 변환 효율은 4.96%(~=195/3935)에서 5.48%(=195/3561) 수준입니다.

이에 비해, 파이버 갈보 레이저 및 청색 갈보 레이저는 전체 전기-광 변환 효율이 20~25%에 달합니다.

10,000시간 운전과 kWh당 $0.24의 전기 요금 기준으로, 200W CO2 레이저(3935W 전력 사용)는 $9444의 추가 전기료가 발생합니다. 동일 조건에서 200W 청색 레이저 모듈의 갈보 레이저 각인기는 $1920~$2880의 전기료만 소모합니다. 유사하게 50W 청색 갈보 레이저 각인기는 10,000시간 운전 시 $480~$720의 전기료만 발생합니다. 운영비용을 포함하면 CO2 갈보 레이저의 파장이 동일 재료에서 40% 더 높은 흡수율을 가진다 하더라도 청색 갈보 레이저 각인기를 생산 라인에 활용하는 것이 훨씬 경제적입니다. 실질적으로 동일 출력 조건에서 두 대 이상의 청색 갈보 레이저 각인기를 CO2 갈보 레이저 한 대 대신 운용할 경우 생산량과 비용 절감 모두 실현이 가능합니다.

2. 각인 재료의 파장 흡수율

두 번째 매개변수는 입사 레이저 빔 파워 중 얼마가 실제로 흡수되어 유효 작업으로 전환되는지를 설명합니다. 이는 재료마다 다르나, 다수의 재료에서 청색 갈보 레이저 파장이 파이버 및 CO2 갈보 레이저 파장 대비 높은 흡수율을 보입니다.

특히 세라믹, 그 중에서도 알루미나(Al₂O₃), 붕소카바이드(B₄C), 실리콘카바이드(SiC), 이붕화티타늄(TiB₂), 텅스텐카바이드(WC)와 같은 기술 세라믹에 적용할 때 더욱 두드러집니다. 기술 세라믹의 경우, 청색 갈보 레이저 파장의 흡수율은 온도가 높아질수록 기하급수적으로 증가합니다. 예를 들어, 6H-SiC(실리콘카바이드)의 융점 근처에서는 청색 레이저 파장의 흡수율이 CO2 레이저 파장 대비 6000배 이상 높아질 수도 있습니다.

다양한 각인 응용에 대한 갈보 레이저 성능

목재 및 목질계 재료에서의 갈보 레이저 각인

목재 및 목질계 재료의 경우, 청색(445~450nm) 갈보 레이저 각인기가 최상의 성능을 제공합니다. CO2 레이저의 높은 운전 비용으로 인해 상대적으로 유지비가 높기 때문입니다. 파이버 갈보 레이저는 해당 응용에서 재료 흡수율이 가장 낮아 각인 성능이 가장 떨어집니다.

적용 사례: 합판, 소나무, 너도밤나무 갈보 레이저 각인

아래 영상은 30W 청색 갈보 레이저 각인기가 합판 표면(8cm x 2cm)에 레이저 각인을 수행하는 과정을 보여줍니다. Opt Lasers 청색 갈보 레이저를 통해 1초 이내에 각인이 완료됩니다.

청색 갈보 레이저 각인기는 20~25% 효율을 가지며, 445~450nm 파장은 연구 논문상 소나무 기준 68%, 너도밤나무 기준 73%의 흡수율을 보입니다. CO2 각인기는 총 에너지 효율 5%에 파장 기준 두 재료 각각 85%, 88%의 흡수율을 가집니다. 단순 계산 시 동일 전력 사용 시 청색 갈보 레이저 각인기가 CO2 각인기 대비 약 3.4배 효율적입니다. 아래 그래프는 논문에서 인용된 각 재료별 흡수율을 나타냅니다.

가죽에서의 갈보 레이저 각인

가죽 소재 레이저 각인은 청색 갈보 레이저 각인기에서 가장 효율적입니다. CO2 갈보 레이저로 각인할 경우 번 마크가 발생하고 속도가 느리며 비용도 높습니다. 1.06µm 파이버 갈보 레이저는 레이저 빔의 80%가 표면에서 반사되어 각인 성능이 가장 낮습니다.

적용 사례: 가죽 갈보 레이저 각인

아래 영상에서 30W 청색 갈보 레이저 각인기로 가죽 표면 각인 과정을 확인할 수 있습니다. 1초 이내에 각인이 완료됩니다.

학술 연구에 따르면, 청색 445nm 레이저 빔은 12%가 반사되고, 1.06µm 파이버 레이저 빔은 약 62%가 반사됩니다. 청색 레이저는 가시광선이므로 가죽에서 흡수율은 88%이며, 파이버 레이저는 최대 38%만 흡수되어 해당 응용에서 파이버 갈보 레이저의 각인 성능이 가장 낮음을 알 수 있습니다.

실제로 550 nm보다 긴 파장의 레이저는 가죽 각인 애플리케이션에서 청색 레이저보다 성능이 떨어집니다.

섬유 갈보 레이저는 대부분의 천연 포유류 및 파충류 가죽 종류의 각인에서 청색 갈보 레이저에 비해 성능이 떨어집니다. 이러한 가죽 종류에는 돼지, 소, 양, 도마뱀, 뱀, 악어 등 다양한 동물의 가죽이 포함됩니다. 섬유 갈보 레이저가 재생 가죽 및 사슴 가죽에서 더 높은 파장 흡수율을 보이나, 실제로 사슴 가죽에서는 청색 갈보 레이저 각인기와 동등한 성능을 낼 수 있습니다.

2.5 µm보다 긴 파장에 대한 흡수(또는 반사) 데이터는 없지만, 더 긴 파장에 대한 흡수 특성은 대부분의 유기체에 존재하는 천연 색소이자 피부 색의 주요 결정인자인 멜라닌의 흡수 특성을 따른다고 볼 수 있습니다. 아래 그림은 레이저 파장이 증가할수록 멜라닌 흡수가 감소함을 보여줍니다. 또한, 해당 그래프 출처인 케임브리지 대학교의 멜라닌 관련 논문에서는 700 nm 이상의 파장에 대해서는 멜라닌의 흡수가 거의 완전히 줄어든다고 명시하고 있습니다.

Galvo 레이저 각인기의 금속 소재 적용

금속은 갈보 레이저 각인의 다른 적용 분야와 차별화되며, 이는 금속이 매우 높은 열전도율을 가지기 때문입니다. 따라서 금속 소재를 효율적으로 각인하려면, 고출력 밀도의 고도 집속 레이저 빔 또는 높은 펄스 에너지를 갖는 레이저가 필요합니다. 또한, 해당 금속 소재가 사용하는 레이저의 파장에 대해 높은 흡수율을 가져야 합니다. 결론적으로, 금속 각인에 가장 효율적인 레이저는 고출력 청색 갈보 레이저 각인기, 펄스 섬유 갈보 레이저 각인기, 그리고 고광출력 밀도 청색 레이저 헤드입니다. 반면 CO2 갈보 레이저는 금속 각인에 극히 비효율적입니다.

사례 연구: 금속 소재 갈보 레이저 각인

두 영상은 청색 갈보 레이저가 스테인리스강 및 공구강을 마킹하는 모습을 보여줍니다.

아래 그래프에서 볼 수 있듯이 금속에 따라 레이저 파장에 대한 흡수율이 다릅니다. 이 그래프는 구리, 금, 티타늄, (무도장) 알루미늄, 니켈, 은 등 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 금속들의 200 nm ~ 12.8 µm 파장에 대한 흡수율을 나타냅니다.

또 다른 그래프는 다양한 금속의 반사율을 보여줍니다. 위 그래프에 제시된 소재 이외에도 순철, 텅스텐, 백금, 크롬, 베릴륨, 몰리브덴 등 추가 금속들의 특성이 포함되어 있습니다. 단, 이 반사율 그래프는 표면이 완벽히 매끄러운 금속의 반사율만을 표시하였으며, 표면이 덜 매끄러울수록 짧은 레이저 파장을 더 많이 흡수한다는 점에 유의해야 합니다.

위 두 개 그래프에서 제시된 데이터를 바탕으로, 청색 갈보 레이저는 크롬을 제외한 모든 언급된 금속에서 더 긴 파장의 갈보 레이저보다 더 효율적입니다. 특히 청색 갈보 레이저 각인기가 월등히 효율적인 금속은 금, 구리, 백금, 텅스텐입니다. 흥미롭게도, 청색 갈보 레이저는 구리 각인뿐 아니라 구리 미세용접까지도 수행할 수 있습니다.

그러나 (완전히 매끄러운) 알루미늄의 경우 500 nm ~ 900 nm 파장의 섬유 갈보 레이저가 더 효과적일 수 있습니다. 청색 갈보 레이저 역시 일반적으로 사용되는 1.06 µm 섬유 갈보 레이저보다 무도장 알루미늄에 더 효과적입니다.

특히, 청색 갈보 레이저를 이용한 텅스텐 각인은 매끄럽지 않은 텅스텐의 경우 매우 효율적인 적용 사례입니다. 아래 오른쪽 사진에서 이를 확인할 수 있습니다. 왼쪽 영상은 30 W 청색 갈보 레이저 각인기가 텅스텐을 각인하는 장면입니다.

Galvo 레이저 각인기의 섬유 및 직물 소재 적용

직물 및 섬유 가공 애플리케이션에서도 청색 갈보 레이저 각인기가 다른 형태의 갈보 레이저 각인기보다 우수한 솔루션입니다. 이는 천연 및 인조 섬유 모두에 해당됩니다. 1.06 µm 파장의 섬유 갈보 레이저는 대다수 소재가 이 파장을 반사하기 때문에 직물 가공에 어려움을 겪습니다. CO2 갈보 레이저로도 섬유 및 직물을 각인, 절단할 수 있으나 청색 갈보 레이저를 사용할 때보다 작업 속도가 훨씬 느리고 운용 비용이 훨씬 높아집니다.

사례 연구: 직물 및 섬유 소재 갈보 레이저 각인

아래 동영상은 30 W 청색 갈보 레이저가 면(코튼)에 각인하는 과정을 보여주며, 이는 단 몇 초면 완료됩니다.

아래 두 그래프에서는 면, 나일론, 레이온, 폴리에스터, 아크릴, 울, 캐시미어 등 다양한 직물의 파장 반사율을 확인할 수 있습니다. 그래프에 나타난 파장 범위는 350 nm ~ 2.35 µm이며, 청색 갈보 레이저의 450 nm 파장은 74%~97%, 평균 90%의 흡수율을 기록합니다.

단, 직물 및 섬유는 다양한 색상으로 제공됩니다. 소재가 어두울수록 청색 갈보 레이저 각인의 속도가 빨라집니다. 전반적으로 청색 레이저의 경우 각인 속도는 텍스타일 또는 섬유의 명암에 따라 결정됩니다. 청색 레이저는 매우 반사성이 높거나 파란색 또는 흰색 직물 및 섬유에는 성능이 떨어질 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 청색 갈보 레이저는 섬유 및 직물의 각인(및 절단)에 가장 적합하며, CO2 레이저나 섬유 레이저보다 우수한 성능을 제공합니다.

Galvo 레이저 각인기의 식품 및 유기 소재 적용

섬유 및 CO2 갈보 레이저는 식품 및 대부분의 유기 소재 각인에서 어려움을 겪습니다. 이는 식품 및 유기 소재가 최대 70%에 달하는 높은 수분 함량을 갖기 때문입니다. 물은 대부분의 레이저 스펙트럼을 흡수하지만, 450 nm 청색 레이저의 흡수 계수가 3*10^-4 cm-1로 매우 낮아 거의 모든 청색 레이저 빔을 투과시킵니다. 반면 1.06 µm 파장에서는 흡수율이 6000 cm-1, 10.6 µm CO2 레이저 빔에서는 7000000 cm-1로 훨씬 더 높습니다. 즉, CO2 및 섬유 레이저 빔의 출력은 거의 전적으로 물 증발에 사용되지만, 청색 레이저는 수분을 무시하고 실질적으로 각인 대상이 되는 유기물에 직접 작용하여 공정 속도를 크게 높입니다.

또한 식물성 소재는 청색 갈보 레이저 빔에 대해 매우 높은 흡수율을 보입니다. 청색 갈보 레이저의 파장은 녹색 식생에서 최대 93%까지 흡수되며, 이는 아래 그래프에 제시되어 있습니다.

반면, 다른 유형의 갈보 레이저에 적합한 유기 소재도 존재합니다. 예를 들어, 하이드록시아파타이트(간혹 hydroxyapatite로 오기 표기됨)는 치아의 법랑질 주요 성분입니다. 약간 변형된 형태의 하이드록시아파타이트는 인간 뼈의 70%까지 구성합니다. 하이드록시아파타이트는 10.6 µm CO2 갈보 레이저 빔에 쉽게 흡수되므로, 이 소재의 절단 및 각인에는 CO2 갈보 레이저 각인기가 가장 효율적입니다. 아래 그래프는 헤모글로빈, 하이드록시아파타이트, 멜라닌, 물과 같은 화합물의 파장별 흡수 특성을 나타냅니다. 10.6 µm 갈보 레이저의 파장은 청색 레이저의 파장보다 10000배 더 흡수됩니다.

그러나 위 그래프는 또한 청색 레이저가 헤모글로빈에 가장 효율적으로 흡수되는 레이저 빔임을 보여주므로, 청색 갈보 레이저가 외과적 절차에 최적화된 솔루션임을 의미합니다.

Galvo 레이저 각인기의 세라믹 소재 적용

세라믹에는 알루미나, 디붕화 타이타늄과 같은 산업용 세라믹은 물론, 보크사이트, 대리석 등의 천연 석재가 포함됩니다.

세라믹은 짧은 파장에 더 잘 반응하는 경향이 있습니다. 하지만 소재에 따라 흡수율 편차가 매우 크므로, 방탄 소재 기술 세라믹에는 청색 갈보 레이저가 최선의 선택입니다. 이는 전차, 방탄복의 세라믹 아머에 적용되며, 일부 기술용 세라믹은 침투탄, 포탄에 활용됩니다. 방탄 부품에 사용되는 기술 세라믹의 경우, 긴 파장 갈보 레이저에 비해 청색 갈보 레이저 각인기 파장의 흡수율이 온도 상승에 따라 지수적으로 증가합니다. 해당 세라믹은 알루미나(Al2O3), 탄화붕소(B4C), 탄화규소(SiC), 디붕화 타이타늄(TiB2), 탄화텅스텐(WC) 등을 포함합니다.

특히 용융 알루미나의 경우, 짧은 파장에 대한 흡수율이 극적으로 증가합니다. 실제로, 용융 알루미나가 청색 레이저 파장을 흡수하는 비율은 섬유 레이저 파장 대비 최대 300배에 달합니다. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Page 51, Vol. 5, January 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

다른 종류의 갈보 레이저 각인기는 이 소재들과 대부분 잘 호환되지 않습니다. 섬유 갈보 레이저는 청색 갈보 레이저보다 성능이 떨어지지만, 알루미나 세라믹을 제외하면 CO2 갈보 레이저보다는 보통 더 나은 결과를 보입니다. 그럼에도, 이러한 기술 세라믹 분야에서 청색 갈보 레이저 각인기는 생산성 면에서 큰 도약을 제공합니다.

아래 그래프는 다양한 갈보 레이저가 탄화규소에 미치는 흡수율을 제시합니다. 300 켈빈 온도 상승은 흡수 특성이 약 0.2 eV씩 짧은 파장 쪽으로 이동함을 보여줍니다.

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