KR20120129214A - 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법에 관한 것으로, 시작 명령과 기준 온도 값이 입력되는 입력부와 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 감지하는 온도감지부와 기준 온도 값과 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 비교하여 온도제어신호를 출력하는 제어부와 온도제어신호에 따라 극성을 전환하여 전류를 제어하는 H-브리지 회로부 및 전류 제어에 따라 레이저 다이오드 모듈의 냉각과 가열 기능을 수행하는 열전소자부를 포함하는 온도조절부로 구현되는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법을 구현함으로써, 고출력 레이저 모듈의 최적화된 온도 특성에 맞도록 온도를 유지하여 최적의 출력과 파장을 얻을 수 있으며, 레이저 드라이버 장치의 효율을 높이고, 장치의 크기를 소형화시킬 수 있다.

Description

고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법{Temperature control device and method for high power laser modules}

본 발명은 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각과 가열 기능을 동시에 수행하는 고출력용 레이저 다이오드(LD, Laser Diode)용 온도제어장치 및 방법에 관한 것이다.

고출력용 레이저 모듈은 온도에 민감한 특성을 가지고 있다. 다른 반도체 소자에 비해 열에 약하고 열에 따라 출력파장 및 출력량이 급변하여 시스템 성능에도 큰 문제를 발생시킨다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 온도제어장치는 온도의 상승은 레이저모듈의 동작으로 자연스럽게 올라가도록 하고, 일정온도 이상으로 온도 상승시 상기 온도를 낮추는 방열기능에 초점을 맞추어 제작되어 있다.

따라서, 종래의 온도제어장치는 외부요인에 따라 온도 변화에 큰 영향을 받으며, 온도변화의 폭이 커지면 고출력 레이저 모듈의 출력파장 및 출력량이 급변하여 출력 특성이 저하되는 문제점을 가진다.

또한, 전기적 고장으로 고출력 레이저 모듈이 동작하지 않거나 전류가 과다하게 흘러서 발생하는 급격한 온도상승으로 인해 빠른 냉각을 필요로 하는 고출력 레이저 모듈의 손상을 초래하는 문제점이 있다.

상기와 같은 이유로 고출력 레이저 모듈의 구동 온도를 일정 범위 내로 유지하기 위해서 온도 제어장치는 초기에 정해진 온도까지 레이저 모듈의 온도를 가능한 빠르게 상승시키고, 이후에는 레이저 모듈의 구동에 따른 발열을 해결해야 한다. 따라서 고출력 레이저 모듈의 가열과 냉각이 가능하도록 설계되어 빠른 시간 안에 최적의 출력과 파장을 얻고 유지할 수 있도록 하는 온도제어장치가 필요하다.

본 발명의 실시예들이 해결하려는 과제는 고출력 레이저 모듈의 온도특성에 맞도록 온도를 조정하여 최적화된 출력과 파장을 얻을 수 있는 방안을 제시하는 것이다.

본 발명의 실시예들이 해결하려는 또 다른 과제는 레이저드라이버 장치의 효율을 높이며, 장치의 크기를 소형화시킬 수 있는 방안을 제시하는 것이다.

본 발명이 제안하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치는 시작 명령과 기준 온도 값이 입력되는 입력부와; 상기 입력부의 시작 명령이 입력되면 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 감지하는 온도감지부와; 상기 온도감지부를 통해 감지되는 온도와 상기 입력부의 기준 온도 값을 비교하여 온도제어신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부의 온도제어신호에 따라 레이저 다이오드 모듈을 일정 온도로 유지시키는 온도조절부를 포함하여 이루어진다.

상기 입력부는 버튼스위치 등을 사용하여 이루어지고 사용자에 의해 기준 온도 값을 설정하는 것이 가능하다.

상기 온도감지부는 감지된 온도 값을 전압 값으로 출력하는 서미스터 등을 사용하여 이루어지는 것도 가능하다.

상기 온도조절부는 상기 제어부의 온도제어신호로 극성을 전환하여 전류를 제어하는 H-브리지 회로부와 상기 H-브리지 회로부의 전류 제어에 따라 냉각과 가열 기능을 수행하는 열전소자부를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명이 제안하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치는 상기 입력부를 통해 입력된 기준 온도 값과 상기 제어부를 통한 온도제어 상태를 출력하는 디스플레이부를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

그리고 본 발명이 제안하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어방법은 사용자에 의해 입력부를 통하여 시작 명령과 기준 온도 값이 입력되는 단계와; 상기 입력부를 통해 입력된 시작 명령에 따라 온도감지부에서 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 측정하는 단계와; 상기 입력부를 통해 입력된 기준 온도 값과 상기 온도감지부를 통해 감지된 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 제어부를 통해 비교하는 단계와; 상기 제어부를 통해 기준 온도 값과 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 비교한 결과에 따라 온도조절부의 H-브리지 회로부를 통해 전류의 흐름을 제어하는 단계; 및 상기 H-브리지 회로부를 통해 제어된 전류의 흐름에 따라 열전소자의 냉각과 가열을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법에 의하면, 고출력 레이저 모듈의 온도특성에 맞도록 온도를 조정하여 최적화된 출력과 파장을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치 및 방법에 의하면, 레이저 드라이버 장치의 효율을 높이며, 장치의 크기를 소형화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 일실시예를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 일시예에 있어서 가열 기능을 수행하는 온도조절부를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 일실시예에 있어서 냉각 기능을 수행하는 온도조절부를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 일실시예를 나타내는 작동 순서도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

먼저 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 일실시예는 도 1에 나타낸 바와 같이, 시작 명령이 입력되는 입력부(10)와, 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 감지하는 온도감지부(20)와, 상기 온도감지부(20)를 통해 감지되는 레이저 다이오드 모듈의 온도에 따라 제어가 이루어질 수 있도록 온도제어 신호를 출력하는 제어부(30)와, 상기 제어부(30)의 온도제어신호에 따라 온도를 조절하는 온도조절부(40)를 포함한다.

상기 입력부(10)는 사용자에 의한 시작 명령과 사용자가 설정한 기준 온도 값이 입력된다.

상기에서 기준 온도 값은 상기 온도감지부(20)를 통해 감지되는 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값과 비교되는 값으로 레이저 다이오드 모듈이 안정적으로 구동하는데 최적화된 온도 값이다.

상기 입력부(10)는 버튼스위치 등을 사용하여 이루어지는 것이 가능하다.

상기 기준 온도 값은 사용자에 의해 기 설정되어 별도의 저장부(미도시)를 통해 불러들이거나 상기 시작 명령과 함께 입력될 수도 있다.

본 발명은 상기 입력부(10)를 통해 입력된 기준 온도 값 및 상기 제어부(30)를 통한 온도제어 상태 파악 등을 위한 디스플레이부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 온도감지부(20)는 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 감지하여 측정값을 획득한다. 이때, 온도감지부(20)는 온도 값을 전압 값으로 출력하는 서미스터(thermistor)로 구현할 수 있다.

상기 제어부(30)는 상기 온도감지부(20)에서 측정된 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 모니터링하고 상기 입력부(10)를 통해 입력된 기준 온도 값과 상기 온도감지부(20)를 통해 감지된 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 비교하여 그 결과에 따라 온도제어신호를 출력한다.

상기 제어부(30)는 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 소정 시간의 주기로 모니터링하고, 기준 온도 값과 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 비교한다. 비교 결과, 기준 온도 값이 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값보다 높으면 '+' 온도제어신호를 출력하고, 기준 온도 값이 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값보다 낮으면 '-' 온도제어신호를 출력하여 레이저 다이오드 모듈 구동에 최적의 상태를 구현하는 기준 온도 값을 유지하도록 제어한다.

상기 온도조절부(40)는 상기 제어부(30)에서 출력된 온도제어신호에 따라 레이저 다이오드 모듈의 온도를 내려주거나 올려주는 기능을 수행한다.

상기 온도조절부(40)는 상기 제어부(30)의 온도제어신호에 따라 극성을 전환하여 전류의 흐름을 제어하는 H-브리지 회로부(41)와, 상기 H-브리지 회로부(41)의 전류 흐름 제어에 따라 냉각과 가열 기능을 수행하는 열전소자부(42)를 포함하여 이루어진다.

상기 H-브리지 회로부(41)는 H형으로 배열된 4개의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 구비하며, 그 중심의 부하에 열전소자부(42)가 접속된다. 이때, 상기 H-브리지 회로부(41)의 스위치는 트랜지스터나 반도체 스위치 등으로 구현할 수 있다.

상기에서 H-브리지 회로부(41)의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 대각선 방향으로 동시에 작동하고 상기 제어부(30)에서 출력되는 온도제어신호에 따라 상기 열전소자부(42)에 전류를 공급하고 전류의 방향(흐름)을 제어하게 되며, 이와 같은 H-브리지 회로부(41)의 전류 제어에 따라 상기 열전소자부(42)는 펠티어 효과에 의해 열을 방사하거나 열을 흡수하여 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 조절한다.

예를 들어 상기 제어부(30)로부터 '+' 온도제어신호가 입력되면 도 2와 같이, 상기 H-브리지 회로부(41)의 SW1과 SW4를 스위칭하여 적정량의 전류가 흐르도록 하고, 그에 따라 상기 열전소자부(42)를 통해 열을 방사시켜 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 기준 온도 값만큼 상승시킨다.

그리고 상기 제어부(30)로부터 '-' 온도제어신호가 입력되면 도 3과 같이 H-브리지 회로부(41)의 SW2와 SW3을 스위칭하여 전류가 흐르게 하고, 그에 따라 상기 열전소자부(42)를 통해 열을 흡수하여 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 기준 온도 값만큼 낮춘다.

상기와 같이 구성되는 온도조절부(40)는 레이저 다이오드 모듈의 가열과 냉각을 동시에 수행하는 기능을 가지므로, 부품 감소 및 이러한 부품을 이용하는 레이저 구동장치 및 레이저 구동 시스템 등을 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

도면에는 나타내지 않았지만, 본 발명의 일실시예에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치는 레이저 모듈 내의 온도 측정값을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부(30)로 공급하는 A/D 변환부(미도시)와 상기 제어부(30)로부터 출력되는 온도제어신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환부(미도시)를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 작동과정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치의 작동순서를 나타낸다.

먼저, S401 단계에서 상기 입력부(10)를 통해 시작 명령을 수신하고, 기입력된 기준 온도 값을 확인한다. 상기 기준 온도 값은 시작 명령과 함께 입력될 수도 있고, 미리 입력되어 있을 수도 있으며, S401 단계에서 기준 온도 값이 확인되지 않을 경우 S402 단계에서 상기 입력부(10)를 통해 기준 온도 값을 설정할 수 있다.

상기 S401 단계에서 기준 온도 값이 확인되면, S403 단계에서 상기 온도감지부(20)를 통해 레이저 다이오드 모듈 내에서 측정된 온도 값을 확인하며, 상기 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값은 상기 시작 명령과 함께 확인할 수 있다.

상기 S401 단계와 S403 단계에서 기준 온도 값과 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값이 확인되면, S404 단계에서 상기 제어부(30)는 상기 두 온도 값을 비교한다. 상기 두 온도 값은 기준 온도 값에서 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값을 빼거나 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값에서 기준 온도 값을 빼는 방법으로 비교할 수 있다.

이어서, 비교 결과 기준 온도 값이 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값보다 크면 S405 단계에서 제어부(30)는 '+' 온도제어신호를 출력한다.

S406 단계에서는 상기 제어부(30)의 출력신호에 따라 상기 온도조절부(40)의 H-브리지 회로부(41)가 전류의 흐름을 제어하여 열전소자부(42)에서 가열 기능을 수행하도록 하며, 레이저 다이오드 모듈의 온도를 기준 온도 값과 동일한 수준으로 상승시킨다.

S407 단계에서는 가열 기능을 마친 후 레이저 다이오드 모듈의 온도 값이 기준 온도 값과 동일한가를 판단하며, 동일할 경우 온도 제어를 종료하고, 동일하지 않을 경우 S404 단계로 돌아가 온도 제어를 다시 수행한다.

한편, 비교 결과, 기준 온도 값이 레이저 다이오드 모듈 내의 온도 값보다 작으면 S408 단계에서 상기 제어부(30)가 '-' 온도제어신호를 출력한다.

S409 단계에서는 S408 단계의 온도제어신호에 따라 H-브리지 회로부(41)가 전류의 흐름을 제어하여 열전소자부(42)에서 냉각 기능을 수행하여 레이저 다이오드 모듈의 온도를 기준 온도값과 동일한 수준으로 낮춘다.

S407 단계에서는 냉각 기능을 마친 후 레이저 다이오드 모듈의 온도 값이 기준 온도 값과 동일한가를 판단하며, 동일할 경우 온도 제어를 종료하고, 동일하지 않을 경우 S404 단계로 돌아가 온도 제어를 다시 수행한다.

상기 단계를 순서대로 수행하면서 레이저 다이오드 모듈의 온도를 기준 온도 수준으로 유지하여 안정적으로 구동하게 하고, 레이저 다이오드 모듈의 가열과 냉각에 따라 빠른 시간 안에 최적의 출력을 얻을 수 있도록 온도제어를 수행한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 입력부 20 : 온도감지부 30 : 제어부
40 : 온도조절부 41 : H-브리지 회로부 42 : 열전소자부

Claims (4)

1. 시작 명령과 기준 온도 값이 입력되는 입력부와;
   상기 입력부의 시작 명령이 입력되면 레이저 다이오드 모듈 내의 온도를 감지하는 온도감지부와;
   상기 온도감지부를 통해 감지되는 온도와 상기 입력부의 기준 온도 값을 비교하여 온도제어신호를 출력하는 제어부; 및
   상기 제어부의 온도제어신호에 따라 레이저 다이오드 모듈을 일정 온도로 유지시키는 온도조절부를 포함하고,
   상기 온도조절부는 상기 제어부의 온도제어신호로 극성을 전환하여 전류의 흐름을 제어하는 H-브리지 회로부와 상기 H-브리지 회로부의 전류 흐름 제어에 따라 냉각과 가열 기능을 수행하는 열전소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 입력부는 사용자에 의해 기준 온도 값을 설정하고,
   상기 입력부의 기준 온도 값과 상기 제어부를 통한 온도제어 상태를 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 온도감지부는 감지된 온도 값을 전압 값으로 출력하는 서미스터(thermistor)로 구현하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어장치.
4. 사용자에 의해 입력부를 통하여 시작 명령과 기준 온도 값이 입력되는 단계와;
   상기 입력부를 통해 입력된 시작 명령에 따라 온도감지부에서 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 측정하는 단계와;
   상기 입력부를 통해 입력된 기준 온도 값과 상기 온도감지부를 통해 감지된 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 제어부를 통해 비교하는 단계와;
   상기 제어부를 통해 기준 온도 값과 레이저 다이오드 모듈의 온도 값을 비교한 결과에 따라 온도조절부의 H-브리지 회로부를 통해 전류의 흐름을 제어하는 단계; 및
   상기 H-브리지 회로부를 통해 제어된 전류의 흐름에 따라 열전소자의 냉각과 가열을 수행하는 단계를 포함하는 고출력 레이저 모듈용 온도제어방법.

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