소개

레이저 조각 기술은 특정 파장에서 불투명한 재료에 충돌하는 지점을 가열하는 에너지가 집중된 광선의 제어된 생성으로 구성됩니다. 빔 프로파일, 적용된 에너지의 양, 노출 시간 및 기본 재료에 따라 재료의 표면은 다양한 구배와 강도로 변화합니다(1). 레이저 빔이 재료 표면에 미치는 영향은 특정 출력 수준 이상에서만 나타나며 일반적으로 되돌릴 수 없습니다(2). 조각 중 재료의 가장 중요한 변화는 연소 중 재료의 손실(깊이)과 표면층의 화학 성분(색조-탄소)의 변화입니다.

이러한 변화의 강도를 미리 파악하는 능력은 레이저 조각에서 품질 관리의 핵심 영역 중 하나입니다. 레이저 빔이 목재에 생성하는 음영은 강도(파워)와 레이저 빔의 프로파일(단면)에 따라 달라집니다. 재료 자체는 환경(공기)과 결합하여 재료의 원하는 색소(색조)를 생성하는 데 사용됩니다. 따라서 목재의 종류, 온도, 습도, 경도, 각인된 층의 현재 화학 성분(목재의 나이와 표면 처리)에 따라 달라집니다.

이 외에도 목재는 천연 합성물(3)이자 살아있는 물질이며, 가공 후에도 끊임없이 변화(분해-분해-수분 흡수 또는 손실)합니다(4). 목재의 치수도 변할 수 있습니다(5).

레이저 조각에 반도체 이미터 사용

기본 재료의 현재 특성과 환경에 따라 레이저 빔의 강도를 미세 조정할 수 있는 시스템의 경우 민감하고 빠른(펄스 주파수) 송신기를 사용하는 것이 적절합니다. 오늘날 나무에 사진을 조각하는 작업은 주로 CO2 레이저로 이루어집니다. CO2 레이저는 출력이 높기 때문에 생산 속도와 재료 절단이 빠릅니다(6). 하지만 파장이 길기 때문에(10600nm) 가시 스펙트럼 다이오드 레이저(455nm)만큼 정확하지 않습니다(7). 반도체 레이저의 사용은 CD의 사용과 함께 크게 증가했습니다(8; 9).

주로 물리적 크기, 구매 가격, 파장 및 출력 전력에 따른 높은 안전성 때문에 여기에 적용되었습니다. 최근 몇 년 동안 레이저 다이오드의 출력이 급격히 증가함에 따라 이 이미터는 기술에서 중요한 부분이 되고 있습니다(10; 11). 다이오드 레이저는 산업용 애플리케이션에 점점 더 많이 등장하고 있습니다(12; 13). 게다가 높은 구매 가격으로 인한 빠른 생산으로 이러한 잠재력은 더욱 강화되고 있습니다. 다이오드 레이저는 출력을 제어할 수 있고 빔의 초점을 비교적 정밀하게 맞출 수 있습니다(14).

이를 통해 목재 표면에 훨씬 더 세밀한 디테일을 부여할 수 있으며 재료, 환경 및 이미터의 미세한 마모 변화를 잠재적으로 보정할 수 있습니다. 하지만 다이오드 레이저는 여전히 광 출력이 최대 두 배 정도 낮기 때문에 생산 속도가 상당히 느립니다. 다이오드 레이저의 가장 큰 장점은 크기가 최대 3배까지 작다는 점입니다. 따라서 반도체 레이저를 동시에(출력 증가) 또는 개별적으로(한 번에 여러 라인을 조각) 제어할 수 있는 멀티빔 시스템으로 더 쉽고 저렴하게 조립할 수 있습니다(11).

이미터가 결합된 레이저 모듈

따라서 반도체 레이저는 목재에 사진 조각을 적용할 때 정확도뿐만 아니라 생산 속도와 경제성 측면에서도 CO2 레이저를 능가할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 궁극적으로 나무에 새겨진 사진을 제작하는 데 더 적합한 이미터로 만드는 요인은 재료의 현재 특성과 환경에 따라 빔을 보정하는 데 더 높은 효율성과 효과(15)입니다.

반도체 레이저의 사용은 해마다 증가하고 있으며, 오늘날에는 가장 널리 사용되는 레이저 이미터 유형입니다. 이는 광범위한 응용 분야와 지난 수십 년 동안 최대 출력이 크게 증가했기 때문입니다. 레이저 이미터 판매로 인한 전 세계 총 수익은 2016년(16년)에 104억 달러였습니다. 이 중 45%는 반도체 레이저 판매에서만 발생했습니다(17). 그림 1에 표시된 현재의 추세는 연구 개발 투자 유치 측면에서 이 기술이 현재 더 유망한 미래를 가지고 있음을 시사합니다.

반도체 레이저 매출

레이저 조각의 품질 향상

레이저 조각 과정에서 목재 재료에서 일어나는 두 가지 기본적인 화학 공정은 연소와 탄화입니다. 이러한 과정은 동시에 진행되며 적절한 제어를 통해 상당한 수의 다양한 색조를 얻을 수 있습니다. 적절한 제어를 위해 여러 가지 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 한 가지 옵션은 레이저 빔의 초점을 달리하는 것입니다.

초점이 맞춰진 레이저와 초점이 맞춰지지 않은 레이저의 결과

초점이 맞춰진 빔으로 조각할 때는 재료가 잘리고 음영 팔레트가 밝은 갈색에서 어두운 갈색으로 바뀝니다. 초점이 제거된 빔으로 조각할 때는 풍부한 검은색 음영을 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 다양한 색조 팔레트를 얻을 수 있으며 적절한 조합으로 조각 할 때 더 많은 색상을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 그래픽의 깊이를 더하고 사진과 그래픽을 나무에 더 잘 전송할 수 있습니다. 적절한 튜닝을 통해 표준 인쇄와 유사한 품질을 얻을 수 있습니다. 따라서 전체 프로세스의 품질과 생태학 관점에서 목재에 레이저 조각을하는 것은 매우 흥미 롭습니다. 잉크도 없고 화학 물질도 없습니다. 이러한 제품은 친환경적이라고 할 수 있으며 환경에 미치는 부정적인 영향이 훨씬 적습니다. 유일한 부정적인 요소는 초소형이며 수만 시간 동안 지속되는 레이저 광과 필요한 에너지뿐입니다.

초점이 맞춰진(왼쪽) 레이저 빔과 초점이 흐려진(오른쪽) 레이저 빔의 소스 사진(가운데) 결과 차이

위 이미지에서 빔의 초점이 달라짐에 따라 서로 다른 색조 팔레트를 볼 수 있습니다. 생산 코드, 제어 장치 및 레이저 출력 설정은 동일했습니다. 빔의 흐림은 또한 이론적으로 더 낮은 디테일을 얻을 수있는 덕분에 새겨진 지점의 약간 더 높은 치수로 이어진다는 점을 언급해야합니다. 이는 항상 조각 헤드의 성능과 광학에 따라 달라집니다. 원하는 해상도를 고려하여 빔의 초점을 맞출 필요가 있습니다. 그러나 사진과 그래픽을 나무에 새길 때는 나무가 새겨진 지점 주변에서도 약간 타기 때문에 새겨진 지점의 최소 크기가 제한됩니다(출력 및 광학 장치에 따라 다름). 이렇게 하면 각인된 지점을 기준으로 선명도를 조정할 수 있는 약간의 여유 공간이 생깁니다.

흐린 빔은 아래 그래프에서 볼 수 있듯이 결과 그래픽의 어두움을 증가시킵니다. 동시에 음영 곡선이 더 선명해지므로 결과적으로 어두워지는 속도가 빨라집니다. 따라서 최대 이미터 파워를 적절히 조정하여 음영의 전체 깊이가 입력 그래픽의 히스토그램 전체에 고르게 분포되도록 해야 합니다. 흐린 빔은 집중된 빔보다 재질을 변경하는 데 더 많은 전력이 필요하다는 점을 언급해야 합니다. 이는 흐린 빔의 에너지 밀도가 낮기 때문이며 다음 그래프에서 0~20%의 레이저 출력 값에 대해 확인할 수 있습니다.

연소 및 탄화 표면을 사용한 레이저 조각의 음영 깊이

결과 표면은 서로 다른 구성을 갖습니다. 화학적 공정과의 차이는 아래 전자 현미경 스캔에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 목재 표면에 남는 블랙 카본의 양은 표면의 탄화가 증가함에 따라 급격하게 변화합니다. 이는 블랙 카본이 검은색 표면 음영의 원인이기 때문에 예상되는 현상입니다. 목재 승화보다는 목재 탄화에 레이저 에너지가 주로 사용되기 때문에 표면의 깊이는 약간만 변화합니다.

초점이 맞춰진 레이저 빔(왼쪽)과 초점이 맞지 않은 레이저 빔(오른쪽)의 전자현미경상 블랙 카본 양 차이.

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결론

반도체 레이저의 사용은 매년 증가하고 있습니다. 반도체 레이저의 출력이 높아짐에 따라 점점 더 많은 경우에 사용할 수 있습니다. 에미터의 물리적 크기로 인해 조합이 가능합니다. 더 높은 출력 또는 더 빠른 래스터 조각(여러 줄을 동시에 조각하는 작업)을 위해 결합할 수 있습니다. 디포커싱 빔을 사용하면 나무 조각에 더 어두운 음영을 구현할 수 있습니다. 따라서 결과 그래픽의 깊이가 더 깊어집니다. 적절한 조합을 통해 목재 표면에 더 나은 품질의 이미지를 전송할 수 있습니다. 목재의 종류와 상태에 따라 레이저 조각 공정을 최적화하는 것이 중요합니다.

동일한 레이저 및 출력 설정으로 다양한 품질을 얻을 수 있습니다. 빔의 초점은 하나의 변수일 뿐입니다. 습도와 목재 자체의 나이도 마녀가 조각 결과를 향상시키는 데 중요한 역할을 하는 다른 변수입니다.

기사 작성자:

마틴 주렉

참고 문헌

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