01 초록

작동 중에 전기에너지나 다른 형태의 에너지가 레이저에서 빛에너지로 변환되면 필연적으로 많은 양의 열이 발생합니다. 이러한 열을 적시에 효과적으로 방출할 수 없으면 레이저 온도가 상승하여 출력 전력, 빔 품질 및 파장 안정성에 부정적인 영향을 미치게 됩니다. 심한 경우에는 레이저 칩과 내부 광학 부품이 손상될 수도 있습니다. 따라서 효율적이고 안정적인 열 방출은 안정적인 성능을 보장하고 레이저의 수명을 연장하는 핵심 기술 중 하나입니다. 레이저 출력이 지속적으로 증가하고 응용 분야가 확대됨에 따라 방열 기술도 지속적인 개발과 혁신을 겪고 있습니다. 본 논문에서는 레이저의 주요 방열방식과 그 특성을 소개한다.

02 연구배경

1960년~1970년

레이저 개발 초기에는 일반적으로 출력이 낮았습니다(와트 수준 이하). 이 시기에는 자연대류와 복사열소산이 주로 채택되었으며 단순하고 신뢰성 있는 구조를 갖고 있다. CO2 레이저 등의 연속-파(CW) 가스 레이저와 초기 고체{3}}상태 레이저의 출력이 수십 와트로 높아지면서 점차 단순 강제 공랭 방식이 적용됐다. 강제 공기 대류를 통해 열을 제거하기 위해 레이저 쉘에 팬을 설치하여 수동 냉각에서 능동 냉각으로 열 방출 기술의 첫 번째 단계를 표시했습니다.

1980~1990년

순환 수냉 시스템은 이 시대에 고출력 레이저의 표준 구성이 되었습니다.- 연구는 냉각판의 흐름 채널 설계 최적화, 수질(예: 탈이온수) 개선을 통해 스케일링 및 부식 방지, 고-효율성 외부 열교환기(예: 냉각탑 및 건식 냉각기) 개발에 중점을 두었습니다. 한편, 온도에 민감한-반도체 펌프 소스와 저소음이 요구되는 과학용-레이저에는 압축기 냉각 기능을 갖춘 정밀 온도 제어 시스템이 적용되었습니다.

2000년부터 현재까지

연구 분야는 더욱 효율적인 상-변화 냉각 기술로 전환되었습니다.

스프레이 냉각: 냉각액을 원자화하여 열원 표면에 스프레이하여 액적 충격과 상변화 잠열을 통해 막대한 열을 제거합니다. 실험실에서는 1000W/cm²를 초과하는 열 방출 용량을 달성했습니다.

마이크로채널 비등 냉각: 냉각액의 제어된 상 변화(비등)가 마이크로채널 내부에서 유도되어 기화 잠열을 활용하여 열 방출 한계를 크게 향상시킵니다.

03 방열방식

자연 냉각

이는 레이저 쉘과 주변 공기 사이의 자연 대류 및 열 복사에 의존하는 가장 간단하고 안정적인 열 방출 방법입니다. 외부 전원 장치가 필요하지 않고 소음도 발생하지 않으며 유지 관리도 최소화됩니다. 그러나 방열 용량은 제한되어 있으며 발열이 적은 저출력 레이저에만 적용할 수 있습니다.

공기 냉각

팬은 레이저의 냉각 핀이나 방열판을 통해 공기를 강제로 흐르게 하여 강제 대류를 통해 열 방출 효율을 크게 향상시킵니다. 상대적으로 간단한 구조와 저렴한 가격으로 중, 고출력 레이저에 적합합니다.- 단점으로는 팬 소음, 먼지 축적, 팬 서비스 수명 제한 등이 있습니다.

물 냉각

순환 냉각액(보통 탈이온수 또는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물)은 열원과 밀접하게 접촉하는 수로 또는 냉각판을 통해 흘러 열을 운반합니다. 수냉식 시스템은 매우 높은 방열 용량과 높은 온도 제어 정확도를 갖추고 있어 핵심 레이저 구성 요소의 안정적인 온도를 효과적으로 유지할 수 있습니다. 이는 고{3}}파워 및 고에너지-에너지 레이저 시스템에 널리 사용됩니다. 단점은 복잡한 시스템 구성(물 펌프, 물 탱크, 파이프라인 및 건식 냉각기나 냉각탑과 같은 외부 냉각 장비 필요), 높은 유지 관리 비용 및 잠재적인 누수 위험입니다.

압축기 냉동

가정용 에어컨 및 냉장고와 동일한 작동 원리를 채택한 압축기는 냉매 순환을 구동하여 증발기의 레이저 냉각 회로에서 열을 흡수하고 능동형 냉동을 실현합니다. 이 방법은 레이저 작동 온도를 주변 온도 이하로 낮추고 매우 안정적인 저온-냉각 환경을 제공할 수 있습니다. 특히 온도에 민감한-반도체 레이저와 초-안정성이 요구되는 응용 시나리오에 적합합니다. 가장 복잡한 구조, 대용량, 높은 에너지 소비 및 가장 높은 비용을 가지고 있습니다.

고급 열 방출 기술

더 높은 열 유속 밀도(예: 고전력 반도체 레이저 바)에 따른 열 방출 문제를 해결하기 위해 업계에서는 더욱 효율적인 냉각 기술을 계속해서 모색하고 있습니다.

· 마이크로채널 냉각: 히트싱크 내부에 수십~수백 마이크론 크기의 유체채널이 제작됩니다. 냉각액은 이러한 작은 채널을 통해 흐르며, 거대한 비표면적 덕분에 매우 높은-열 교환 효율을 달성합니다.

· 분무 냉각: 냉각액을 작은 물방울로 분무하여 열원 표면에 직접 분사합니다. 액적 충격, 확산 및 증발 상 변화를 통해 대규모 열이 제거되며, 열 방출 성능은 기존 대류 냉각을 훨씬 능가합니다.

· 열전냉각(반도체 냉동): Peltier 효과에 기초하여 직류 전류를 사용하여 반도체 서모파일의 한쪽은 열을 흡수하고 다른 쪽은 열을 방출함으로써 정밀한 국지적 활성 온도 제어를 실현합니다. 소형-전력 장치의 포인트 온도 제어에 일반적으로 사용됩니다.

· 상-변화 냉각: 물질(특정 금속이나 유체)이 상전이 시 잠열을 많이 흡수하는 특성을 이용하여 열을 방출합니다.

이러한 첨단 기술은 더 높은 방열 성능과 더 컴팩트한 구조를 제공하지만 복잡한 장인 정신과 상대적으로 높은 비용이 특징입니다.

결론

요약하면 레이저는 광범위한 방열 솔루션을 채택하여 단순한 자연 냉각부터 정교한 압축기 냉각 및 다양한 첨단 고효율 냉각 기술에 이르기까지 완벽한 기술 시스템을 구성합니다.{0}} 실제 응용 분야에서는 레이저의 전력 등급, 구조 형태, 성능 요구 사항, 작동 환경 및 예산을 종합적으로 고려하여 최적의 솔루션을 선택해야 합니다. 레이저 기술이 더 높은 출력, 더 높은 밝기 및 더 작은 크기로 발전함에 따라 더 효율적이고 컴팩트하며 안정적인 열 방출 솔루션을 개발하는 것은 레이저 산업에서 중요한 연구 주제로 남을 것이며 다양한 분야에서 레이저의 광범위한 적용을 촉진하는 핵심 보장이 될 것입니다.