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레이저장비에서 온도제어가 왜 중요한가?
레이저 장비에서 정확한 온도 제어로 인한 열 안정 (Thermal stability, TS) 은 매우 중요한 요소입니다.
왜냐하면 온도 제어는 (1) 더 나은 전력 안정성 구현, (2) 레이저 장비 수명 증가로 인한 평균 고장 간격
(mean time between failures, MTBF) 감소, (3) 보다 일관된 빔 프로파일 생성을 가능하게 하기 때문입니다.
레이저 장비의 안정적인 작동을 위해서는 레이저가 목표 온도로 가열되어 열 평형 (thermal equilibrium) 에
도달해야 합니다. 일단 레이저 장비가 열 평형에 도달하면
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곧바로 열 제거가 필요합니다. 레이저 에너지의
일부만 빛 에너지로 변환되며, 나머지는 폐열 (waste heat) 이 되어
기계적 열팽창을 유발하기 때문입니다.
기계 부품이 팽창 또는 변형되면 레이저의 기능이 저하되며, 빔 자체가 변경될 수 있습니다.
이로 인해 빔 안정성이 떨어지면
절단 결과가 좋지 않습니다. 또한 유도 방출 물질 (gain medium) 에도 열이 가해져
온도가 상승하면 광변환 효율이 저하되어
전체적인 시스템 효율이 감소합니다.
열 제어가 잘 되지 않아서 전력이 불안정하면 전력 편차 발생으로 인해 열 평형이 유지되지 않습니다.
또한 레이저 절단 성능에 영향을 주거나, 제품마다 절단 깊이가 다를 수 있습니다. 그래서 결과물에 거친 면이
존재하게 되어 수동으로 재 작업을 해야할 수도 있습니다.
즉, 열 제어가 잘 되지 않으면 전력이 불안정화되고, 필요 이상의 고온에서 기기가 작동하게 되어 고성능의
레이저 장비도
사용 효율이 저하됩니다.
냉각기의 온도 제어 실패 원인 3가지와 이를 해결한 미국 PolyScience사의
Durachill Chiller
이렇듯 중요한 온도 제어는 레이저 장비를 위해 설치된 냉각기를 통해 이뤄집니다.
그러나 대부분의 냉각기의 경우, 아래 서술한 3가지 원인 때문에 온도 제어가 실패합니다.
여기서는 50년 역사의 미국 PolyScience 사가 새롭게 출시한 Durachill Chiller 가 어떻게
이 문제들을 해결하여
성공적으로 레이저 장비의 온도 제어를 구현하는지, 나아가 왜 Durachill Chiller 가 산업용 레이저 장비에 가장 적합한 지
설명합니다.
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[원인 1] 냉각기 에어 필터 관리의 실패와 작동 소음
냉각기의 열 제거 능력은 레이저 장비와 같은 상대 장비의 내부 구조, 냉매의 열전도도, 압축기 동력, 냉매 및 공기 이동
시스템과 같은 여러 요인에 영향을 받습니다. 냉각기 작동에 의해 발생하는 자체 열 제거를 위한 시스템이 공냉
(Air-Cooling) 이라면 냉각기에는 팬과 에어 필터가 장착되어 있습니다. 이 에어 필터의 관리를 소홀히 하면 냉각기에
문제가 발생합니다.
PolyScience 사의 냉각기 점검 원인을 보면 (1) 에어 필터 막힘 현상, (2) 콘덴서 핀의 오염, (3) 냉매의 오염 혹은 부족,
(4) 부적절한 냉매 사용으로 갈라진 증발기 등이 있습니다. 이 중 (1) 에어 필터 막힘 현상은 22% 나 됩니다.
예상외로 많은 작업자가 에어 필터 교체를 소홀히 하여 냉각기가 필요 이상으로 압축기와 팬을 더 강하고 오래 작동시켜
냉각기의 수명을 단축시킵니다. 추후에는 레이저 장비의 온도 제어 실패에 이르게 됩니다.
Durachill Chiller 의 솔루션 1: 세계 최초! 자동 에어 필터 교체 기능
PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 이 문제에 대해 새로운 방식으로 접근했습니다.
냉각기가 스스로 에어 필터를 자동 교체하도록 디자인하여 작업자가 수동으로 자주 교체해야하는 번거로움을 없앴습니다.
냉각기 내부에 특허받은 롤러 카트리지 시스템을 장착하여 사용자가 설정한 시간 간격으로 필터를 자동으로 교체합니다.
이러한 자체 교체 필터는 에어 필터의 유지 보수 기간을 크게 연장시킵니다. 오염된 생산 환경에서 사용한다면, 사용자가
매월 자동 교체되도록 설정하고, 카트리지를 일년 주기로 교체하면 됩니다.
보다 깨끗한 환경에서 사용한다면, 간격을
몇 개월 주기로 설정하고 카트리지 교체 횟수를 줄임으로써 비용을 절약할 수 있습니다. 만약 새 카트리지가 필요한 경우
냉각기 디스플레이에 알림이 표시되어 작업자가 쉽게 알 수 있고, 교체 또한 도구 없이 손쉽게 할 수 있습니다.
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Duracill Chiller 의 솔루션 2: 최소한의 작동 소음
품질이 낮은 컴프레셔, 팬 등이 장착된 냉각기는 작동 소음이 심합니다. 작동 소음을 최소화하기 위해 PolyScience 사의
Durachill Chiller 는 WhisperCool® Environmental Control System 을 적용했습니다. 이 시스템의 모터는 필요에 따라
전력 수준을 20%까지 부드럽게 조절하여 가장 낮은 전기 소비를 가능케하여 냉각기의 과한 열 발생을 방지합니다.
이로 인해 팬도 필요한 만큼만 작동하게 되어 62dB (일반 사무실 소음 수준) 의 최소한의 소음이 발생합니다.
기존 냉각기는 Pulse width modulation (PWM) 밸브로 밸브를 제어합니다.
PWM 밸브는 냉매의 방출을 제어하기 위해 열리고 닫힐 때 완전히 개폐하므로 이때 발생하는
“클릭” 소리와 기타 소음이 발생합니다. 그러나 Durachill Chiller 는
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점진적으로 개폐하는 듀얼 스테퍼 모터 (Dual stepper motor)s 로 밸브를 제어하기 때문에 이러한 소음이 대폭 감소합니다.
[원인 2] 냉매 관리의 실패
또다른 원인은 냉매 관리의 실패입니다. 냉매는 열전달 유체로써 이 유체의 품질과 충분한 양이 유지되지 못하면 냉각기와
레어저 시스템 전체에 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 냉매에 미생물이 증식하면 냉각기뿐만 아니라 레이저 장비
내부도 생물학적 오염 물질로 부식될 수 있습니다. 또는 냉매 양이 부족하면 냉각기와 레이저 시스템이 파손될 수 있습니다.
기존 냉각기는 이를 해결하기 위해 냉매에 생물제거제 (additive biocides) 를 추가하고, 냉매 양 측정을 위해 수면 감지 밸브
(failure-prone float valves) 를 장착했습니다. 그러나 PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 이 두가지 문제에 대해 새로운
시야로 해결책을 드립니다.
Durachill Chiller 의 솔루션 1: 자외선을 이용한 냉매 멸균
냉매 속 조류 등의 미생물이 증식하면 기기 내부의 표면을 단열시켜서 열 전달을 비효율적이고 부정확하게 만듭니다.
이를 해결하기 위해 수십년동안 냉매에 구리 성분이 포함된 생물 증식 억제제를 추가했지만 비용도 많이 들고,
냉매를 폐기 처리할 때 환경 오염 문제도 발생했습니다.
이를 해결하고자 PolyScience 사는 자외선 살균 시스템을 개발했습니다. 냉메에 LED 를 조사하여 UV-C 파장 범위에서
미생물 번식을 방지합니다. 냉매가 레이저기기를 거쳐 냉각기로 매번 순환할 때마다 냉매에는 UV 가 조사됩니다.
또한 투시창 (sight glass) 을 사용해서 LED 가 직접 냉매와 접촉하지 않게하여 LED 의 내구성이 증가합니다.
Duracill Chiller 의 솔루션 2: 전면에 위치한 냉매 투입구
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냉매 양이 부족할 때 작업자가 손쉽게 추가할 수 있어야 합니다. 이를 위해 PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 냉각기가
책상 아래와 같이 작업 공간 아래에 위치해도 쉽게 냉매를 보충할 수 있도록 디자인했습니다. 기존 냉각기처럼 후면으로
보충하지 않고, 전면 상단의 캡을 제거하면 쉽게 충전이 가능합니다. 또한 냉매량을 레벨 센서로 바로 확인할 수 있어서
정확한 양을 보충할 수 있습니다.
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Duracill Chiller 의 솔루션 3: 고정형 냉매 레벨 센서와 알람 기능 강화
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냉매의 양이 부족하여 건식으로 작동하면 30초 이내에 냉각기의 펌프 씰이 파손될 수 있습니다.
이 경우 비싼 비용으로 수리하게 되며, 수리 기간 동안 냉각기와 레이저 시스템의 사용이 어렵습니다.
그래서 기존 냉각기들은 수면 부족을 감지하기 위해 부유 센서 (float sensors) 를 장착했습니다.
이 센서는 수면 위에 부유하여 냉매 양에 따라 위치가 수직 상하 운동을 합니다. 그러나 이 센서가 내부 벽에 달라붙어
움직이기 않게 되면 정확한 수면을 감지할 수 없습니다.
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따라서 PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 부유 센서를
제거하고 고정형 센서를 장착했습니다. 움직이는 부품이 없고 노화 관련 고장의 가능성이 없기 때문에 정확한
냉매 양을 측정할 수 있습니다.
또한 냉매 양이 부족할 때 기기 자체적으로 알람이 발생하는데 기존 냉각기는 단일 경보 시스템
(binary single-alarm alert system) 을 사용했습니다. 그러나 Durachill Chiller 는 지속적으로 표시되는 아이콘
(persistent fluid-level icon) 으로 알람 기능을 강화했습니다. 냉매가 부족하면 아이콘이 청색에서 주황색으로,
그 다음 적색으로 변경되어 단계별로 상태를 표시합니다. 냉매 양이 35% 이하가 되어 공기가 펌프로 유입될
위험이 생기면, 냉각기가 자동 종료됩니다.
[원인 3] 문제 확인의 어려움과 사용자의 잘못된 사용
기존의 냉각기는 LCD 디스플레이, 사용자 중심의 인터페이스 등 세련된 디자인이지만 정작 냉각기 문제 발생 시
사용자가 오류를 쉽게 해결할 수 있도록 고안되지는 않았습니다. 그리고 사용자가 잘못된 방법으로 사용해도
적합 여부를 스스로 판단하기 어렵기 때문에 계속 오사용을 범하여 결국에는 수리가 필요한 상황이 발생하기도
했습니다. 그래서 사용자가 해결할 수 있는 작은 일에도 기기 수리를 받아야하는 불필요한 상황이 생기기도 했습니다.
이런 에러 사항을 방지 하기 위해 PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 다음 기능을 추가했습니다.
Durachill Chiller 의 솔루션 1: 지능형 자가 진단 시스템
냉각기의 오작동이 의심되는 경우, 작업자가 스스로 문제를 진단할 수 있는 방법은 한정적 입니다.
물론 냉각기는 작동 온도를 사용자에게 계속 보여줍니다. 그러나 문제가 발생하면 냉각기가 설정 온도를 유지하기 위해
고군분투 하는 동안 원인이 펌프의 오작동인지, 밸브 혹은 압축기인지 또는 에어 필터인지 파악하기 어렵습니다.
그래서 Durachill Chiller 의 지능형 자가 진단 시스템은 아래 7 항목을 자가 진단하고 결과를 사용자에게 보여주는
매우 획기적인 방법을 취하고 있습니다.
 주변 온도
펌프 성능
증발기에서의 유량 측정
암페어
압력
가열/냉각 기능
온도 안정성
전력 (input voltage)
이러한 자가 진단 시스템은 작업자가 냉매 오염, 냉매 손실, 펌프 씰 밀봉, 증발기 유체 통로의 막힘, 응축기 오염,
팬 고장 등을 추론하는데 도움을 줍니다. 궁극적으로는 사용자가 스스로 문제를 해결할 수 있는지 아니면 수리를
받아야하는지 판단할 수 있습니다.
Durachill Chiller 의 솔루션 2: 터치 스크린으로 사용 편의 극대화
PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 사용자 중심의 인터페이스 제공을 위해 터치 스크린 디스플레이를 장착했습니다.
넓은 화면에는 중요 변수 8개를 동시에 보여주므로 사용자가 한눈에 냉각기 상태를 확인할 수 있습니다.
설정 온도
내부 냉매 온도 (내부 프로브)
원격 냉매 온도 (외부 프로브가 장착된 경우)
냉매 압력
냉매 레벨
에어 필터 상태
알람 시스템 상태
냉매 멸균용 자외선 시스템 상태
디스플레이에는 사용자가 매뉴얼을 봐야하는 영/숫자 코드가 아닌 간단한 단어 (ex. 에어필터 카트리지 교체, 냉매 부족) 로
표시되기 때문에, 사용자는 디스플레이창에 표시된 내용만으로도 충분히 상황을 판단할 수 있습니다.
위에서 살펴본 바와 같이 PolyScience 사의 Durachill Chiller 는 레이저 장비의 냉각에 가장 적합합니다.
올바른 냉각기 선정을 위해 저희에게 레이저 헤드 사양을 알려주시면 예산도 함께 고려하여 가장 적합한
냉각기를
추천해 드리겠습니다.
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