Jenoptik, 다이오드 레이저 출력 증가로 효율성과 신뢰성 향상

비납땜 접합과 새로운 냉각 방식을 갖춘 패시브 냉각 고출력 레이저 다이오드는 하드 펄스와 연속파 작동 조건에서 높은 신뢰성을 보여준다.

마티아스 슈뢰더(Matthias Schröder): Jenoptik Laser 프로젝트 매니저,

마르코 코쇼렉(Marco Koschorreck): Jenoptik Laser R&D 책임자,

안드레아스 토스(Andreas Thoss): THOSS Media CEO,

감수: 예놉틱코리아 공만근 대표이사

고출력 다이오드 레이저는 산업용 레이저 기술 가운데 하나이다. 고출력 다이오드 레이저는 파이버 레이저의 핵심이며, 디스크 및 다른 고체 레이저 펌핑용 뿐만 아니라, 다이렉트 다이오드 어플리케이션에 점점 더 많이 적용되고 있다.

다이오드 레이저 개발은 와트 당 비용으로 표현되는 핵심 성능 지표와 함께 산업 사용자들의 우선 순위를 따른다. 다이오드 레이저는 상당히 오랫동안 양과 질적인 측면에서 상업적으로 개선되어 왔으며, 새로운 응용 분야가 가능할 만큼 성능 면에서 큰 발전을 이루었다. 그리고 다이오드 레이저는 여전히 효율성, 피크 전력, 광도 및 방출 스펙트럼 범위 면에서 계속해서 발전하고 있다. 학술 연구 결과 1kW일 때 60% 이상의 변환 효율과 1cm 바로부터 1.5kW 이상의 출력 전력을 포함하여 새로운 성능이 확인되었다. 1

패시브 냉각 바에서 275W

그림 1: 새로운 다이오드 레이저는 400W 이상을 방출할 수 있다. 하지만 동작 포인트는 최대 변환 효율을 달성하기 위해 약 275W로 선택한다.

출력 전력을 추가로 개선하려면 재료, 고체 물리학, 열 공정 및 광학과 관련하여 복잡한 디자인을 고려해야 하는데, 이 부분이 가장 중요한 요소이다. 또한 레이저 시스템을 더 높은 출력을 위해 최적화할 수 있지만, 이는 수명, 효율, 빔 품질과 같은 다른 매개변수의 최적화와 분리하여 달성할 수는 없다.

Jenoptik은 지난 수십 년의 연구를 바탕으로 패시브 냉각되고 하드 펄스(레이저가 약 1초 단위로 온/오프 상태로 순환)와 연속파(CW)에 적합한 새로운 모듈식 다이오드 레이저를 개발하였다. 이 다이오드 레이저는 400W 이상의 출력 전력에 대해 테스트하였다(그림 1 참조). 실제 작업 출력 레벨은 60%의 최대 전력 변환 효율과 최대 수명을 보장하기 위해 275W로 설정하였다.

다른 업체의 다이오드 레이저와 비교하여, 이 새로운 다이오드 레이저의 출력 전력은 두 배 이상이다. 이전의 Jenoptik 다이오드 레이저와 대비하여 출력 전력이 40% 이상 증가하였다. 이러한 발전은 냉각 방식의 변화에 따른 결과이다(그림 2 참조). 새로운 레이저 다이오드의 디자인은 히트 싱크가 실제 방출면을 넘어 확장되는 양면 냉각 배열을 사용한다. 열 전도 공정의 수치 시뮬레이션은 실제 조건에서 다이오드 레이저의 온도 분포를 보여준다.

실온에서 200W의 열부하(광출력 275W에 해당)와 냉각 판의 0.05K/W의 열 저항에서 기존 Jenoptik 디자인은 최대 76°C까지 가열되지만, 새로운 디자인은 도달하는 최대 온도가 68°C에 불과하다.

그림 2: 200W열 발산비교. Jenoptik 이전 다이오드 레이저 설계 수치 분석 결과 그래픽 (a) 및 신규 다이오드 레이저 설계 수치 분석 결과 그래픽(b)

비납땜 접합으로 신뢰도 향상

그림 3: 레이저 다이오드와 히트 싱크 사이 경계면의 금속 구조물을 보여주는 전자 현미경 이미지

다이오드는 단단한 합금으로 구리 히트 싱크에 부착되어 있어 전원을 켤 경우 높은 안정성을 유지한다. 드라이버 전자 장치에 따라 다이오드 레이저는 “하드 펄스”, 즉 기술적 제한 없이 반복적으로 최대 전력까지 껐다 켜는 것이 가능하다.

갈륨 비소(GaAs) 레이저 바를 구리 히트 싱크에 장착하는 기존의 방법은 인듐 납땜이다. 구리는 높은 열 전도성, 저렴한 비용, 손쉬운 가공을 포함하는 히트 싱크 재료로 장점이 잘 알려져 있다. 구리의 문제는 GaAs와 비교하여 열팽창 계수(CTE)에서 차이가 크다(CTE 불일치를 의미함). 이로 인해 시스템 온도가 변할 때 기계적 응력이 발생한다. 납땜 후 냉각 시 GaAs가 갈라지지 않도록 인듐의 탁월한 부드러움과 연성이 필요하다. 하지만 인듐의 이러한 연질 및 전성 특성은 하드 펄스 조건에서는 납땜 접합의 피로를 유발한다.

Jenoptik은 강력한 금속 결합을 적용하는 새로운 접근 방식을 사용한다. 이 접근 방식은 비납땜 금속 접합 층이 두 금속 완충층 사이에 사용되는 새로운 구조로 구성된다(그림 3 참조). 접합 재료의 강도로 인해 하드 펄스 작동으로 발생하는 응력에 대하여 구리를 사용할 수 있다.

멀티 킬로와트 전력으로 확장

그림 4: 4개의 다이오드 바로 만든 1kW 모듈의 설치 면적은 10x 5cm이다.

조립 기술과 새로운 냉각 방식으로 인해 다이오드 레이저를 패시브 냉각 모드로 사용할 수 있다. 약 1평방 인치의 설치 면적으로, 다수의 개별 다이오드 바에서 다이오드 어레이를 생성하는 데 적합하다. 최대 10kW의 모듈을 사용하는 고전력 시스템이 이 다이오드 레이저의 전형적인 사용 사례이다.

Jenoptik은 총 길이 104mm, 너비 36mm(냉각 커넥터가 있는 경우 54mm)의 테스트 모듈을 설계하였다. 이 테스트 모듈은 4개의 다이오드 바와 수냉을 위해 추가 준비된 1개의 냉각 부분으로 구성된다(그림 4 참조). 비교하자면, 기존의 80W를 사용하는 유사한 셋업은 14개 바의 냉각을 필요로 한다.

재료 가공에서 헬스케어에 이르는 응용 분야

이 새로운 기술 덕분에 작은 설치 면적으로 절단과 용접 그리고 브레이징과 같은 모든 재료 가공에 사용할 수 있는 간단한 모듈이 가능하다. 레이저 클리닝과 같은 새로운 응용 분야는 폼 팩터를 50% 절약하고 간단한 시스템의 이점을 즉시 활용할 수 있다.

레이저 프린팅 및 마킹과 같이 레이저의 고출력 성능을 활용하는 가공 이외의 용도도 있다. 헬스케어 섹터의 응용은 일반적으로 사용 가능한 최고 출력을 필요로 하지 않는다. 여기서는 레이저 수명이 더 중요하며, 더 낮은 전력 레벨에서 작동함으로써 레이저 수명이 실질적으로 연장된다. 또한 다이오드 레이저는 광섬유에 커플링되어 환자의 치료 부위로 빔을 전달할 수 있다.