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Aspheric Lens Takeover

기존에는 접근할 수 없었던 파장 영역까지 접근 가능

 

미세하고 정밀한 절개가 가능한 2µm 레이저 만의 독특한 특성

 

수중 흡수성을 가지고 있어 의료 레이저 응용 분야에서 열 손상 영역 최소화

 

고분자 중합체 가공과 같은 소재 가공 용도에 적합

 

최근에는 2µm 레이저의 발달로 효율성, 사용 용이성, 안정성 향상

생물체 조직과 고분자 및 기타 다수의 소재들은 2µm 부근의 파장에서 고유의 흡수성을 가지고 있어 툴륨(2080nm)과 홀뮴(2100nm)과 같은 레이저를 이용해 이러한 스펙트럼에서 주변 지역의 손상을 최소화해가며 매우 작은 영역에 열을 가할 수 있습니다. 이에 따라 2µm 레이저는 소재 가공과 레이저 수술을 포함한 매우 다양한 응용 분야에 이상적으로 사용할 수 있는 레이저 제품입니다. 2µm 레이저는 지난 수십 년간 사용되어 왔지만 최근에는 디자인의 발달로 접근성, 파워 효율성, 안정성이 크게 향상되었습니다. UV와 1µm 레이저는 흡수성이 다르기 때문에 이처럼 특정 소재의 가공이나 의료 분야의 요건을 충족하기 어렵습니다.

2µm 레이저의 발달: 더욱 소형화된 패키지와 더 강력해진 출력

최초의 2µm 레이저는 부피가 매우 크고 값비싼 형태의 액체 질소 냉각 시스템이었기 때문에 널리 상용화되기에 적합한 제품은 아니었습니다. 하지만 근래에는 2µm 레이저 기술의 발달로 비용이 낮아지고 크기가 줄어들면서 동시에 성능 또한 향상되어 가고 있습니다. 현대식 2µm 다이오드 레이저는 30mm 길이의 소형화가 가능하고 광섬유 레이저는 더 작은 크기로도 제작이 가능합니다. 연구원들이 광섬유로 구성된 부품을 지속적으로 개발해가는 사례가 생기면서 비용 또한 크게 감소시킬 수 있게 되었습니다. 2µm 레이저는 비용이 적게 들고 사용이 간단하며 펄스 및 연속파 빔처럼 에너지 전송 방식이 다양함에 따라 다른 광원의 대체품으로 꾸준히 각광받고 있습니다.

소재 가공

출력 파장이 1-1.5µm인 레이저는 지난 수년간 소재 가공 응용 분야에서 사용돼 왔지만 2µm 레이저는 정밀 절삭과 같이 다양한 이점을 제공하고 국소 부위의 가열을 최소화함에 따라 더 많은 주목을 받고 있습니다. 플라스틱과 같은 다수의 고분자 소재는 1µm 부근의 파장에서 높은 투과율을 보이며 1µm 레이저는 흡수가 되는 대신 소재를 투과하기 때문에 고분자 소재 가공에 손상을 입힐 수 있습니다. 1µm에서 흡수성을 증가시키기 위해 고분자 소재에 첨가제를 추가할 수 있지만 이로 인해 제조 공정이 더 복잡해질 수 있습니다. 반면에 대다수의 플라스틱 소재는 10µm에서 강력한 흡수성을 보이기 때문에 표면을 효과적으로 가열할 수는 있지만 정밀 가공에 필요한 국부 가열은 제공하지 못합니다.

다행히도 이러한 소재의 대다수는 대략 2µm의 적정 파장 흡수량을 가지고 있습니다. 따라서 2µm의 방사선은 최적의 거리에서 플라스틱 소재에 침투 시 미세하게 감쇠되어 가며 국부적으로 소재를 가열하고 0.1-0.5mm 폭의 절개와 용접점을 발생시킵니다(그림 1). 2µm 레이저 폴리머 용접의 주요 용도로는 임플란트, 미세 유체 장치, 튜빙, 카테터와 같은 의료 장비와의 결합이 있습니다.

Linear welding of plastics using a 2µm laser
그림 1: 2µm 레이저를 사용한 플라스틱의 선형 용접

의료용 레이저

2µm 레이저는 인체 조직의 대부분을 구성하는 물 분자에서 2µm 방사선에 대한 높은 흡수성을 보이기 때문에 고정밀 외과 수술에 적합합니다. 이러한 흡수력은 물 분자의 O-H 결합이 가지고 있는 신축 및 휨 진동과 2µm 방사선에 해당하는 진동 주파수 때문에 발생합니다. 그림 2는 일반 레이저의 여러 유형에 관한 조직 침투 깊이와 물의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 이 그림을 통해 2µm에서는 흡수 피크가 높고 침투 깊이는 매우 작고 미세하다는 것을 알 수 있으며 이와 반대로 3µm에서는 침투 깊이가 외과 용도로 사용하기에 충분하지 않다는 것을 알 수 있습니다.

이처럼 높은 흡수성 때문에 2µm 레이저를 사용하면 0.5mm의 미세한 손상만 가한 상태에서 조직의 절개와 제거가 이루어질 수 있습니다. 또한 혈액 응고나 반고체 상태의 혈액이 고체 상태가 되는 과정은 2µm 방사선에 노출될 때 발생합니다. 이러한 현상은 외과 수술로 인한 출혈을 억제하여 더 효율적이면서 쉽고 깔끔한 수술을 집도할 수 있게 해줍니다.

Absorption of water and tissue penetration depth at different wavelengths
그림 2: 서로 다른 파장에서 물의 흡수성과 조직의 침투 깊이

에드몬드 옵틱스의 2µm 레이저 광학

자주 묻는 질문(FAQ)

FAQ  2µm 레이저는 신규 발명품은 아니지만 현재 광학 업계에서 이러한 레이저의 추세는 어떠합니까?
2µm 레이저는 크기와 비용은 줄어들고 성능은 더욱 향상됨에 따라 최근들어 더 폭넓게 사용되고 있습니다.
FAQ  소재 가공 용도에는 연속파 또는 펄스 2µm 레이저를 사용하는 것이 더 바람직합니까?

Continuous wave (CW) 2µm laser는 레이저 소재 가공 동안 표면의 상부와 하부에 열의 영향을 받는 부위가 발생하기 때문에 공정의 정밀도가 떨어집니다. 이에 반해 pulsed 2µm laser는 열의 영향을 받는 부위가 더 작기 때문에 표면의 손상이 줄어들고 공정의 정밀도가 더욱 향상됩니다.

FAQ  1µm 레이저는 외과 수술 용도에서 왜 2µm 레이저보다 효율성이 떨어집니까?

1µm 레이저의 방사선은 2µm 레이저보다 흡수성이 훨씬 낮고 조직 내로 더 깊이 침투함에 따라 손상 부위가 넓어져 더 많은 양의 조직에 불필요한 손상을 가해집니다. 외과 수술은 매우 섬세한 프로세스가 요구되기 때문에 하부 조직에 손상을 줄이기 위해 절개의 깊이를 매우 정밀하게 제어할 필요가 있습니다. 따라서 2µm 레이저는 이에 적합한 정밀도를 제공하기 때문에 섬세한 외과 수술 용도에 이상적으로 사용될 수 있습니다.

FAQ  2µm 레이저와 호환 가능한 광학 소재로는 무엇이 있을까요?

2µm 스펙트럼 영역에서 사용되는 가장 흔한 소재로는 용융 실리카, 셀렌화물 아연, 플루오르화 칼슘(CaF2), 게르마늄, 사파이어가 있습니다. 호환 가능 광학 소재와 소재적 특성은 어플리케이션 노트 2µm 레이저의 특성 편에서 자세히 다룹니다.

관련 자료

어플리케이션 노트

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UV vs. IR Grade Fused Silica
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