KR101741503B1 - 케이티피 항온 시스템 - Google Patents

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KR101741503B1 KR1020160079480A KR20160079480A KR101741503B1 KR 101741503 B1 KR101741503 B1 KR 101741503B1 KR 1020160079480 A KR1020160079480 A KR 1020160079480A KR 20160079480 A KR20160079480 A KR 20160079480A KR 101741503 B1 KR101741503 B1 KR 101741503B1
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Abstract

본 발명은 Nd:YAG 레이저 장치에 사용되는 KTP 결정의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 항온 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.
전자적 방식에 의한 온도 제어로 온도 변화에 빠르게 반응하여 직접적으로 즉각 대응하여 KTP결정체의 온도를 오차범위 내에서 일정하게 유지할 수 있게 함으로써 레이저 출력의 안정성을 보장한다.
특히, 열전소자를 이용한 양면 제어 방식으로 외부 온도의 변화에도 빠르게 온도를 보정함으로써, KTP결정체를 일정 온도로 유지할 수 있다.

Description

케이티피 항온 시스템 {omitted}
본 발명은 Nd:YAG 레이저 장치에 사용되는 케이티피(KTP) 결정의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 항온 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 KTP Nd:YAG 레이저 장치는 네오디뮴 이온을 처리한 니트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet) 결정을 고압 섬광방전관, 또는 다이오드 레이저로 활성화시켜 1064nm의 근적외선 영역에 속하는 파장의 레이저 빔을 만들고, 그 1064nm의 레이저 빔은 레이저 장치에 추가 구성되는 KTP 광학장치를 지나게 되면서 532nm파장으로 변환되어 조사할 수 있도록 하는 장치이다. 변환된 532nm 파장의 레이저 빔은 안면 혈관 확장증, 정맥 혈관 확장증 혈관종 등 혈관 치료에 이용되고, 비 침습적 안면 피부 재생술에도 폭 넓게 이용되고 있다.
532nm파장 레이저 또는 일명 KTP 레이저를 만들기 위해 Nd:YAG 레이저 장치를 이용하는 소스 레이저 빔은 그 소스 레이저 장치의 특징에 따라 일명 큐스위치 레이저와 롱 펄스 레이저로 구분된다. 이 때 소스 레이저 빔의 파장을 변환하기 위해 사용되는 KTP 결정체는 소스 레이저 빔의 통과시 온도 변화 등에 의한 불안정성이 발생하므로 레이저 빔의 품질을 컨트롤하는데 어려움이 있다.
공개특허 제10-2014-0028996호는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, KTP 광학장치에 온도조절 유닛을 구성하여 소스 레이저의 펄스 폭(롱 펄스 또는 큐스위치)에 상관없이 변환된 532nm 파장의 레이저 빔의 출력 안정성을 개선하는 구성을 제시한다.
그러나 상기 공개특허는 냉각수단(쿨링 블록)을 별도로 구비하여 이를 구동수단(모터)에 의해 온도조절 유닛에 근접 또는 이격시키는 방식으로 온도제어를 하게 되는데, 이러한 기계적 방식은 즉각적인 온도제어가 힘들 뿐만 아니라, 구성이 복잡하여 장치를 소형화하는데 한계가 있고, 제조비용이 증가하는 구조적인 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2014-0028996호 (2014.03.10)
본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.
전자적 방식에 의한 온도 제어로 온도 변화에 빠르게 반응하여 직접적으로 즉각 대응하여 KTP결정체의 온도를 오차범위 내에서 일정하게 유지할 수 있게 함으로써 레이저 출력의 안정성을 보장하고자 한다.
특히, 열전소자를 이용한 양면 제어 방식으로 외부 온도의 변화에도 빠르게 온도를 보정함으로써, KTP결정체를 일정 온도로 유지시키고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
KTP결정체(140)에 근접하며 일측면이 흡열면일 때 타측면이 방열면으로 형성되는 열전소자(110)와, KTP결정체(140)의 온도를 측정하는 온도센서(130)를 포함하여 구성되고, 상기 열전소자(110)는 둘 이상으로 구성되며, 일부 열전소자(110a)에서 KTP결정체(140)와 근접하는 접합면(111a)이 흡열면으로 형성될 경우 나머지 열전소자(110b)에서 KTP결정체(140)와 근접하는 접합면(111b)이 방열면으로 형성되고, KTP결정체(140)의 중심에서 열전소자(110)의 수만큼 3차원 방사형으로 뻗어가는 직선이 KTP결정체(140)와 닿는 부분에 열전소자를 배치함으로써 각 열전소자의 위치관계가 가장 멀리 떨어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 KTP항온장치(100); 상기 KTP항온장치(100)와 KTP항온장치(100)의 온도를 제어하여 KTP결정체(140)의 온도를 일정하게 유지시키는 중앙제어장치(200);를 포함하여 구성되되, 상기 중앙제어장치(200)는 온도센서(130)를 통해 KTP결정체(140)의 온도를 감지하는 온도감지부(210), 유지하고자 하는 KTP결정체(140)의 온도를 설정하는 온도설정부(220), 열전소자(110)의 전류를 감지하는 전류감지부(240), 온도가 일정하게 유지되도록 열전소자(110)에 흐르는 전압의 방향과 세기를 제어하는 제어부(260), 제어부(260)에서 결정된 전압 방향과 세기에 따라 열전소자(110)로 전압을 인가하여 에너지를 송출하는 에너지송출부(250)를 포함하고, 온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 낮은 경우 열전소자(110)의 접합면(111)은 방열면, 비접합면(112)은 흡열면이 되도록 전압 방향을 제어하고, 온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 높은 경우 열전소자(110)의 접합면(111)은 흡열면, 비접합면(112)은 방열면이 되도록 전압 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 케이티피 항온 시스템을 제시한다.
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본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.
전자적 방식에 의한 온도 제어로 온도 변화에 빠르게 반응하여 직접적으로 즉각 대응하여 KTP결정체의 온도를 오차범위 내에서 일정하게 유지할 수 있게 함으로써 레이저 출력의 안정성을 보장한다.
특히, 열전소자를 이용한 양면 제어 방식으로 외부 온도의 변화에도 빠르게 온도를 보정함으로써, KTP결정체를 일정 온도로 유지할 수 있다.
도 1은 KTP 항온 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 KTP 항온 장치에 의한 레이저 파장 변화에 관한 블록도.
도 3은 KTP 항온 시스템의 블록도.
이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 한다. 또한 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.
본 발명의 KTP항온장치(100)는 KTP결정체(140)의 온도를 일정하게 유지시키는 장치로써, 도 1과 같이 본 발명의 KTP항온장치(100)는 열전소자(110), 온도센서(130), KTP결정체(140), 하우징(150)을 포함하여 구성된다.
KTP결정체(140)는 비선형 광학 결정(nonlinear optical crystal), 즉 비선형 분극을 이용하여 빛의 주파수를 변환하기 위해서 사용되는 광학 결정이다. Nd:YAG 레이저 장치에서 도 2와 같이 1064nm파장의 레이저를 532nm파장의 레이저로 변환하는데 사용된다.
KTP결정체(140)는 도 1과 같이 하우징(150) 내부에 수용될 수 있다.
열전소자(110)는 KTP결정체(140)에 근접하여 KTP결정체(140)와 열교환하는 소자로서 중앙제어장치(200)에 의해 온도가 제어된다. 특히 전자적 방식으로 온도를 제어하며, 양면의 온도가 달리 제어되는 것으로서, 가해지는 전압의 방향에 따라 일측면은 온도가 떨어지며 냉각되고, 타측면은 온도가 올라가며 방열한다. 자세하게는 펠티에 효과에 의한 흡열 또는 방열을 이용한 것이다. 비스무트와 테르르의 화합물(Bi2Te3) 등의 반도체로 만든 pn접합을 사용할 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
본 발명의 열전소자(110)는 KTP결정체(140)에 근접하는 면인 접합면(111)과, 그 반대쪽 면인 비접합면(112)으로 구성된다. 여기서 접합면(111)이 흡열면 또는 방열면으로 되어 KTP결정체(140)와 열교환함으로써 KTP결정체(140)의 온도를 조절하게 된다. 이 때, 비접합면(112)에는 방열면으로 될 때 과열을 방지하기 위해 히트싱크와 같은 방열부재(113)를 추가로 구비할 수 있다. 상기 방열부재(113)는 흡열면에 부착될 수도 있다.
상기 열전소자(110)가 둘 이상으로 구성될 경우에는, 일부 열전소자(110a)의 접합면(111a)이 흡열면(COOL)으로 형성될 경우, 나머지 열전소자(110b)의 접합면(111b)이 방열면(HOT)으로 형성되도록 회로를 구성하는 것이 바람직하다.
도 1에서 두 개의 열전소자(110a,110b)가 구성된 것을 기준으로 설명하면, 먼저 KTP결정체(140)의 상측(도 1 기준, 하우징(150)의 상부)에 형성된 제1열전소자(110a)는 접합면(111a)이 흡열면(COOL), 비접합면(112a)이 방열면(HOT)으로 형성되도록 회로를 구성하고, 이와 반대로, KTP결정체(140)의 하측(도 1 기준, 하우징(150)의 하부)에 형성된 제2열전소자(110b)는 접합면(111b)이 방열(HOT)면, 비접합면(112b)이 흡열면(COOL)으로 형성되도록 회로를 구성(+,-극을 제1열전소자와 반대로 연결)한다. 이 경우, 접합면(111a)이 흡열면으로 된 열전소자(110a)에 전압을 인가하여 KTP결정체(140)의 온도를 낮추고자 할 경우 접합면(111b)이 방열면으로 된 열전소자(110b)에 걸린 전압을 차단하여 냉각효율을 극대화 하고, 반대로 접합면(111b)이 방열면으로 된 열전소자(110b)에 전압을 인가하여 KTP결정체(140)의 온도를 높이고자 할 경우 접합면(111a)이 흡열면으로 된 열전소자(110a)에 걸린 전압을 차단하여 가열효율을 극대화 할 수 있다.
한편 중앙제어장치(200)의 전압 제어에 의해 접합면(111a,111b)이 흡열면 또는 방열면이 되도록 할 수 있는데, 마찬가지로 KTP결정체(140)의 온도를 낮추고자 할 경우 접합면(111a,111b)이 모두 흡열면이 되도록 전압을 인가하고, KTP결정체(140)의 온도를 높이고자 할 경우 접합면(111a,111b)이 모두 방열면이 되도록 전압 방향을 반대로 인가함으로써 제어할 수 있다.
위와 같은 제어방식으로 인해 KTP결정체(140)의 표면 온도를 즉각적으로 냉각시키거나 가열시킬 수 있게 되므로, 빠르고 민감한 온도제어가 가능하게 된다.
본 실시예에서는 열전소자(110)가 두 개로 형성된 것을 예시하였으나, 필요에 따라 다수개로 구성될 수 있으므로, 그 수를 한정하지 않는다.
다수개로 구성될 경우 각 열전소자의 위치관계는 가장 멀리 떨어지도록 배치함이 바람직하다. 도 1과 같이 두 개로 구성될 경우 상기 제1열전소자(110a)와 제2열전소자(110b)의 위치관계는 KTP결정체(140)의 중심을 관통하는 일직선상에 배치함이 바람직하다. 즉, KTP결정체(140)의 표면에서 열교환 하는 부분의 사각지대를 최대한 없애기 위한 구조이다. 예를 들어 네 개의 열전소자로 구성되는 경우에는 4방의 지점에 각각 배치되도록 함이 바람직하다.
특히, 5개 이상의 열전소자로 구성되는 경우에는 KTP결정체(140)의 형상이 구(sphere)로 형성되는 것이 통상적임을 감안할 때, KTP결정체(140)의 중심에서 3차원 방사형으로 뻗어가는 직선이 KTP결정체(140)와 닿는 부분에 열전소자를 배치한다. 예를 들어 여섯개의 열전소자로 구성되는 경우에는 KTP결정체(140)의 중심에서 3차원 방사형으로 뻗어가는 6개의 직선이 KTP결정체(140)와 닿는 각 부분에 열전소자를 하나씩 배치할 수 있고, 이렇게 되면 각 열전소자를 잇는 선은 입체적인 다이아몬드형태를 이루게 된다. 이렇게 배치된 열전소자들이 KTP결정체(140)를 동시에 가열하거나 동시에 냉각시킴으로써 즉각적인 온도제어가 가능하며, 냉각효율을 높일 수 있게 되는 것이다.
열전소자(110)의 온도는 후술하는 중앙제어장치(200)에 의해 제어된다.
온도센서(130)는 KTP결정체(140)의 온도를 측정하는 센서이며, 측정된 온도값은 중앙제어장치(200)에서 처리된다.
상기 KTP항온장치(100)를 이용하는 KTP 항온 시스템은 도 3과 같이 KTP항온장치(100)와 중앙제어장치(200)를 포함하여 구성된다.
중앙제어장치(200)는 KTP항온장치(100)의 온도를 제어하여 KTP결정체(140)의 온도를 일정하게 유지시키는 역할을 하며, 온도감지부(210), 온도설정부(220), 메모리(230), 전류감지부(240), 에너지송출부(250), PID제어부(260)를 포함한다.
온도감지부(210)는 상기 온도센서(130)를 통해 KTP결정체(140)의 온도를 감지하여 메모리(230)로 전달한다. 이 때 감지된 온도는 메모리(230)로 저장하기 전에, 혹은 저장하지 않고 제어부(260)로 바로 전달할 수도 있다.
전류감지부(240)는 열전소자(110)의 전류를 감지하여 메모리(230)로 전달한다. 이 때 감지된 전류는 메모리(230)로 저장하기 전에, 혹은 저장하지 않고 제어부(260)로 바로 전달할 수도 있다. 주로 열전소자(110)의 정상동작 및 파손여부를 체크하기 위함이다.
온도설정부(220)는 유지하고자 하는 KTP결정체(140)의 온도의 설정값을 입력받는 부분이다. 입력된 온도 설정값은 메모리(230)로 전달된다.
메모리(230)는 온도설정부(220)에서 설정된 온도와 온도감지부(210)에서 실시간으로 감지되는 온도, 전류감지부(240)에서 실시간으로 감지되는 전류 등을 저장한다.
에너지송출부(250)는 제어부(260)에서 결정된 전압 방향과 세기에 따라 열전소자(110)에 전압을 인가하여 전기에너지를 송출시키는 부분이다.
제어부(260)는 열전소자(110)의 온도를 제어하여 KTP결정체(140)의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 구체적으로는 열전소자(110)에 흐르는 전압의 방향과 세기를 제어하는 것이다.
예를 들어, 온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 낮은 경우 열전소자(110)의 접합면(111)은 방열면, 비접합면(112)은 흡열면이 되도록 전압 방향을 제어한다. 온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 높은 경우 열전소자(110)의 접합면(111)은 흡열면, 비접합면(112)은 방열면이 되도록 전압 방향을 제어한다.
바람직하게는 비례적분미분(PID) 제어를 수행한다. PID 제어란, 제어변수와 기준입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준전압을 유지하도록 하는 피드백 제어이다. 다만 제어부(260)가 PID 제어를 수행하는 것으로 한정하는 것은 아니다.
상술한 온도 제어 과정은 전자적 방식에 의한 것으로, 실시간으로 온도 및 전류값을 입력받아, 전류의 세기와 방향을 즉각 제어함으로써 온도 변화에 빠르게 반응하여 직접적으로 즉각 대응하여 KTP결정체(140)의 온도를 ±1%의 오차범위 내에서 일정하게 유지할 수 있게 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : KTP항온장치
110 : 열전소자
111 : 접합면
112 : 비접합면
113 : 방열부재
130 : 온도센서
140 : KTP결정체
150 : 하우징
200 : 중앙제어장치
210 : 온도감지부
220 : 온도설정부
230 : 메모리
240 : 전류감지부
250 : 에너지송출부
260 : 제어부

Claims (3)

  1. KTP결정체(140)에 근접하며 일측면이 흡열면일 때 타측면이 방열면으로 형성되는 열전소자(110)와,
    KTP결정체(140)의 온도를 측정하는 온도센서(130)를 포함하여 구성되고,
    상기 열전소자(110)는 둘 이상으로 구성되며,
    일부 열전소자(110a)에서 KTP결정체(140)와 근접하는 접합면(111a)이 흡열면으로 형성될 경우
    나머지 열전소자(110b)에서 KTP결정체(140)와 근접하는 접합면(111b)이 방열면으로 형성되고,

    KTP결정체(140)의 중심에서 열전소자(110)의 수만큼 3차원 방사형으로 뻗어가는 직선이 KTP결정체(140)와 닿는 부분에 열전소자를 배치함으로써 각 열전소자의 위치관계가 가장 멀리 떨어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 KTP항온장치(100);
    상기 KTP항온장치(100)의 온도를 제어하여 KTP결정체(140)의 온도를 일정하게 유지시키는 중앙제어장치(200);를 포함하여 구성되되,
    상기 중앙제어장치(200)는
    온도센서(130)를 통해 KTP결정체(140)의 온도를 감지하는 온도감지부(210),
    유지하고자 하는 KTP결정체(140)의 온도를 설정하는 온도설정부(220),
    열전소자(110)의 전류를 감지하는 전류감지부(240),
    온도가 일정하게 유지되도록 열전소자(110)에 흐르는 전압의 방향과 세기를 제어하는 제어부(260),
    제어부(260)에서 결정된 전압 방향과 세기에 따라 열전소자(110)로 전압을 인가하여 에너지를 송출하는 에너지송출부(250)를 포함하고,

    온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 낮은 경우
    열전소자(110)의 접합면(111)은 방열면, 비접합면(112)은 흡열면이 되도록 전압 방향을 제어하고,
    온도감지부(210)에서 감지한 온도가 온도설정부(220)에서 설정된 온도보다 높은 경우
    열전소자(110)의 접합면(111)은 흡열면, 비접합면(112)은 방열면이 되도록 전압 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는
    케이티피 항온 시스템.
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KR (1) KR101741503B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101847903B1 (ko) * 2017-12-15 2018-04-11 (주) 블루코어컴퍼니 제2고조파 출력 안정성을 위한 엔디야그 레이저 출력 보정 시스템 및 이를 이용한 엔디야그 레이저 출력 보정 방법

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US20080187325A1 (en) * 2007-02-02 2008-08-07 Mccallion Kevin J Temperature stabilizing packaging for optoelectronic components in a transmitter module
KR100898063B1 (ko) * 2008-09-01 2009-05-19 엄장우 열전소자를 이용한 소형 제습기

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