KR20150087402A - 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템 - Google Patents

양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉창이 직접 피부와 접촉할 수 있는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템은 반도체 레이저 어레이, 반도체 레이저 어레이 발광면의 전단부에 위치한 광도파로, 광도파로의 광출구단에 접착되어 있는 투명한 접촉창, 한 쌍의 냉각블록, 및 제1통수블록을 포함하고, 상기 제1통수블록은 베이스부 및 베이스부 상부에 위치하는 U형 헤드부로 나뉘우고, 광도파로의 중부 및 뒷부분은 U형 헤드부에 삽입되며, 해당되는 광도파로의 상부에는 고정블록이 설치되어 광도파로를 압착고정 하며, 광도파로와 U형 헤드부의 측벽사이에는 간극을 구비하고, 상기 한쌍의 냉각블록은 광도파로의 앞부분으로 연장되어 접촉창 및 광도파로의 앞부분을 감싸고 있다. 본 발명에 따른 시스템은 독특한 냉각 구조를 사용함으로써, 피부와 직접 접촉하는 작업단면(working end surface)의 온도는 빙점에 가깝고, 구조가 치밀하며 안정적이다.

Description

양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템{BILATERAL COOLING TYPE SEMICONDUCTOR LASER SYSTEM FOR MEDICAL BEAUTY USE}
본 발명은 반도체 레이저 응용 분야에 속하는 것으로, 보다 구체적으로 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템에 관한 것이다.
의료용 레이저는 레이저 응용의 중요한 분야로써, 빠른 발전을 가져왔으며 점차 성숙되어 가고 있다. 특히 반도체 레이저는 부피가 작고 무게가 가벼우며 수명이 길뿐만 아니라, 전력 소비량이 낮고 파장범위가 넓은 특점이 있어 의료설비의 제조에 적용된다.
현재 상업적으로 응용된 레이저 제모 시스템으로는 루비레이저(파장 694nm), 알렉산드라이트 레이저(파장 755nm), 반도체 레이저(파장 810nm) 및 큐스위치 엔디야그 레이저(파장 1064nm)가 있다. 이중에서 반도체 레이저는 안전하고 효율적인 레이저 제모방법으로 이미 입증되었다.
통계에 따르면, 2010년도에 전 세계 범위에서 레이저 제모시술을 받은 횟수는 500만회에 달한다. 미용분야에서의 반도체 레이저의 또 다른 하나의 중요한 응용으로 주름 제거 및 깨끗한 피부를 위한 피부재생 시술이 있다. 레이저는 진피의 콜라겐 조직의 수분에 흡수되어 열효응을 발생하여 콜라겐 단백질의 재생 및 개조를 촉진할 수 있어, 피부를 매끄럽고 부드럽게 하며, 피부 탄력을 회복시킨다. 이외에 레이저는 기미, 외상성 색소침착, 문신 제거, 눈썹 문신 및 아이 라이너 등의 흑색 또는 청색 색소 병변의 치료에도 사용된다.
또한, 안과 분야에서 흔히 사용되는 열원은 반도체 레이저인데, 반도체 레이저는 여러 종류의 질환, 예를 들면 난치성 녹내장, 실리콘 오일 주입술 후의 난치성 고안압증, 및 망막의 광응고 및 고정 등의 치료에 사용될 수 있다.
반도체 레이저 기술의 발전과 성숙, 및 해당 기술의 특유한 우세를 부단히 발전함에 따라, 반도체 레이저 기술의 의료분야에서의 응용도 부단히 넓어져거의 모든 기타 레이저의 응용 분야에 응용되고 있다. 이는 고에너지 CO2레이저의 광섬유 전송이 어렵고 조작이 불편한 결점을 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 램프로 구동되는 고체레이저의 효율이 낮고, 방열이 불편한 결점을 보완할 수 있어 의료 레이저 분야의 주요한 기술로 될 전망이 있다.
중국특허 등록공고번호 CN1452465에서는 일본예멘주식회사의 실용신안인 레이저 제모장치에 대하여 개시하였다. 해당 장치는 출력전력(Output power)이 5mW-1500mw이고, 파장이 600nm-1600nm인 반도체 레이저를 채용하여 제모를 진행하는데, 이러한 장치는 시스템의 출력전력이 낮아 스폿 사이즈가 작고 출력파장 조절이 불가능하며 제모 효율이 아주 낮다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 접촉창이 직접 피부와 접촉할 수 있는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 아래와 같은 방안으로 목적을 실현한다:
즉, 상기 목적을 실현할 수 있는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템에 있어서,
복수 개의 반도체 레이저가 겹쳐 형성된 반도체 레이저 어레이,
반도체 레이저 어레이 발광면의 전단부에 위치한 광도파로(optical waveguide),
광도파로의 광출구단에 접착되어 있는 접촉창,
접촉창에 대하여 전도냉각을 진행하는 한 쌍의 냉각블록, 및
제1통수블록을 포함하고,
또한 상기 반도체 레이저 어레이는 절연층을 사이에 두고 제2통수블록 상부에 장착되며,
상기 제1통수블록은 베이스부 및 베이스부 상부에 위치하는 U형 헤드부로 나뉘우고, 광도파로의 중부 및 뒷부분은 U형 헤드부에 삽입되며, 해당되는 광도파로의 상부에는 고정블록이 설치되어 광도파로를 압착고정 하며,
광도파로와 U형 헤드부의 측벽사이에는 간극을 구비하고, U형 헤드부의 외측에는 차례로 한쌍의 열전냉각기(TEC) 및 한쌍의 냉각블록이 대칭되게 설치되어 있으며, 상기 냉각블록은 광도파로의 앞부분으로 연장되어 접촉창 측벽 및 광도파로의 앞부분을 감싸고 있다.
상기 기술방안에 기반하여, 본 발명은 또한 아래와 같은 바람직한 한정 및 개선을 진행한다.
제1통수블록의 베이스부 표면에는 물을 배출하기 위한 가이드홈이 설치될 수 있다.
필요에 따라, 상기 광도파로는 전체적으로 원통형 형상, 원형판 형상, 프리즘 형상(Prism) 또는 방추판 형상(frustum of a prism)일 수 있다.
상기 접촉창의 재료는 사파이어, K9 유리, 석영유리 또는 금강석일 수 있다. 상기 광도파로의 재료는 사파이어, K9 유리 또는 금강석등 일 수 있다.
상기 접촉창과 광도파로는 사파이어를 이용하여 일체로 된 부재일 수 있다.
상기 냉각블록의 전단부 및 접촉창은 전체적으로 볼록판 형상일 수 있다.
상기 제1통수블록 및 제2통수블록 내의 액냉채널(liquid cooling channel)은 서로 직렬로 구성되거나 서로 독립적으로 구성될 수 있다.
상기 냉각블록의 재료는 구리 알루미늄, 철, 금도금된 구리, 금도금된 알루미늄, 스테인리스강과 같은 금속재료, 또는 금강석일 수도 있다.
상기 제1통수블록 및 제2통수블록의 재료는 구리, 알루미늄, 스테인리스강, 경질 알루마이트 또는 플라스틱일 수 있다.
상기 반도체 레이저는 레이저 바 칩(Laser bar chips)을 히트 싱크에 밀봉 및 장착하였고, 히트 싱크는 마이크로채널 히트싱크(micro-channel heat sink), 매크로채널 히트싱크(macro-channel heat sink) 또는 금속블록이며, 레이저 바 칩은 단일 발광점(single luminous point) 칩 또는 다 발광점 (plurality of luminous points)칩일 수 있다.
상기 반도체 레이저 전단부에는 빠른 축 시준화 또는 빠른 축 및 느린 축의 동시 시준화를 위한 시준화 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 기술방안에 기반하여, 반도체 레이저 전단부에 빠른 축 시준화 또는 빠른 축 및 느린 축의 동시 시준화를 위한 시준화 렌즈가 설치된 상황에서, 상기 광도파로는 느린 축 방향에 수직되게 설치된 한 쌍의 내측에 고반사필름을 코팅한 차광판으로 대체될 수 있다.
상기 차광판의 재료는 금도금된 구리 또는 은도금된 구리일 수 있다.
본 발명은 아래와 같은 기술효과를 구비한다.
1. 통상적으로 반도체 레이저 어레이 중에서 바(bars)의 빠른 축(fast axis) 방향에서의 빠른 축 발산각은 30~40도이고, 느린 축(slow axis) 발산각은 5~10도이며; 광도파로를 이용하여 레이저를 전송하여 레이저 빔의 분산을 제한하고, 또한 레이저 빔이 광도파로 내에서 여러 회의 반사를 거쳐 최종 발사된 스폿(light spot)은 균일화 되어 균일한 스폿을 얻을 수 있다.
2. 독특한 냉각 구조를 사용함으로써, 피부와 직접 접촉하는 작업단면(working end surface)의 온도는 빙점에 가깝고, 구조가 치밀하며 안정적이다.
3. 열전냉각기(TEC)를 냉각원으로 하고 냉각블록의 온도를 조절함으로써 접촉창에 대하여 냉각을 진행하며, 냉각온도는 낮아서 5℃좌우(빙점)에 달할 수 있으므로 치료시의 통증을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
4. 액냉채널(Liquid cooling channel)을 구비하는 통수블록을 설치하여 방열효율이 높다. 또한 열전냉각기 아래의 통수블록은 반도체 레이저 어레이 등 기타 부재의 액랭채널과 전체적으로 직렬된 통로를 구성하고, 반도체 레이저 어레이와 열전냉각기(TEC)의 냉각수로는 직렬 구조이며, 통수블록으로 연결되어 구조가 간단하여 전통적인 병렬수로의 각 지로 수로를 제어할 수 없는 결점을 극복하였으며, 효율적으로 반도체 레이저의 냉각을 보증하여 레이저의 작동이 더욱 안정적이고 신뢰성이 있도록 한다.
5. 치료시, 접촉창의 볼록판형 구조는 보조물(예를 들어 냉각겔 등)의 진입을 차단하여 레이저의 공작환경이 더욱 안정적이고 신뢰성이 있도록 한다. 또한 접촉창은 교체가 편리하고, 사용시 피부와 접촉되어 접촉부분의 온도가 빙점에 접근 함으로써 정상 피부가 열손상 받는 것을 효율적으로 보호하고 통증을 완화할 뿐만 아니라, 치료 에너지를 증가하여 치료효과를 제고할 수 있다. 또한 사용시 접촉창은 피부를 누르며 모낭을 납작하게 하여 레이저의 흡수량을 30~40% 증가시킨다.
6. 통수블록에 가이드홈을 설치하여 응결되어 형성된 물이 가이드홈을 통해 배출됨으로써 반도체 레이저에 대한 오염을 방지할 수 있다.
7. 레이저 칩에 시준화 렌즈(collimation lens)(주요하게는 빠른 축 시준화 렌즈)를 장착하여 발산각을 축소하고, 동시에 광도파로를 거쳐 느린 축 방향에서의 발산을 제한하여 최종적으로 광도파로 출구에서 스트립형의 스폿을 얻음으로써 각 스폿의 에너지 밀도가 레이저 의료의 수요에 도달하여한번의 스캔을 통해 균일한 스폿을 사용하여 여러 회 조사한 것과 동등하거나 더 좋은 효과를 얻을 수 있다. 또는 반도체 레이저의 발광면의 전단부에 느린 축 방향과 수직인 방향으로 차광판을 설치하여 느린 축 방향에서의 빔을 제한할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조의 입체 개략도이다.
도 2는 도1의 실시예의 평면 개략도이다.
도 3은 본 발명에 장착되는 시준화 렌즈 구조의 개략도이다.
도 4는 본 발명 실시예에 따른 스폿 개략도이다.
[부호의 설명]
1: 반도체 레이저 어레이
2: 광도파로
3: 접촉창
4: 냉각블록
5: 열전냉각기
6: 제1통수블록
7: 히트싱크
8: 제2통수블록
9: 입수구
10: 출수구
11: 고정블록
12: 레이저 칩(장착위치)
13: 시준화 렌즈
아래는 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템은 레이저 제모에 사용될 수 있다. 해당 시스템은 반도체 레이저 어레이(1), 광도파로(2), 접촉창(3), 냉각블록(4), 열전냉각기(5), 제1통수블록(6) 및 제2통수블록(8)을 포함한다.
반도체 레이저 어레이(1)는 8개의 출력전력이 120W인 808nm의 바칩(Bar chip)(12)을 선택하여 매크로 히트싱크(7)에 장착한다. 반도체 레이저 어레이(1)는 제2통수블록(8)에 장착한다.
광도파로(2)는 반도체 레이저 어레이(1)의 레이저 발사단에 설치되어, 레이저 빔이 전반사된 후 출력되도록 한다. 접촉창(3)은 광도파로(2)의 광출구단에 설치된다.
제1통수블록(6)은 베이스부 및 베이스부 상부에 위치하는 U형 헤드부로 나뉜다. 광도파로(2)의 중부 및 뒷부분은 U형 헤드부에 삽입되고, 해당 광도파로의 상부에 고정블록(11)을 설치하여 광도파로(2)를 압착고정 한다. 광도파로와 U형 헤드부의 측벽사이에는 간극을 유지하며, U형 헤드부의 외측에는 차례로 한쌍의 열전냉각기(TEC) 및 한쌍의 냉각블록이 대칭되게 설치되어 있다. 상기 냉각블록은 광도파로의 앞부분으로 연장되어 접촉창 측벽과 광도파로의 앞부분을 감싸고 있다.
즉, 광도파로(2)의 양측 모두 제1통수블록(6)이 장착되고, 상기 2개의 제1통수블록(6)의 외측에는 무두 열전냉각기(TEC)(5)가 장착되고, 광도파로(2) 양측의 2개의 제1통수블록(6)은 일체로 형성될 수 있다. 광도파로는 상부의 고정블록(11)에 의하여 압착고정 된다. 냉각블록(4)은 열전냉각기(TEC)(5)의 외측에 장착되고, 2개의 냉각블록(4)의 전단부는 접촉창(3)을 감싸고 접촉창(3)을 냉각시킨다.
에너지 밀도를 진일보 제고하여야 할 경우, 광도파로는 빔 집속 작용을 구비하는 방추판 형상 또는 둥근판 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 응용과정에서의 실제 수요에 따라, 광도파로의 재료는 금속일 수 있고, 이러할 경우 광도파로는 중공의 형상이며 광도파로 내의 4개의 면에는 전부 반사필름이 코팅된다. 또한 수요에 따라 광도파로의 재료는 투명재료일 수 있는바, 예를 들어 유리, 수지, 사파이어, 금강석 등일 수 있고, 이러할 경우 광도파로는 솔리드 형상일 뿐만 아니라, 중공 형상일 수도 있다. 광도파로는 사파이어, K9 유리, 금강석인 것이 바람직하다.
광도파로(2) 및 접촉창(3)은 일체형으로 된 부재일 수 있고, 사파이어 재료로 되는 것이 바람직하다. 레이저의 대부분 에너지는 광도파로(2)에 제한되여 전송되며 누출되지 않는다.
냉각블록의 전단부 및 접촉창은 전체적으로 볼록판 형상(boss structure)인 것이 가장 바람직하다. 냉각블록(4)은 고열전도율 재료로써, 예를 들면 동, 알루미늄, 철, 금도금된 구리, 금도금된 알루미늄, 스테인리스강, 금강석 등일 수 있다.
제2통수블록(8)과 제1통수블록(6)은 공간상 이격되게 설치되고, 동 재료를 사용할 수 있으며, 그 중부에 복수 개의 액체채널을 설치할 수 있다. 또한, 제1통수블록의 베이스부 표면에는 물을 배출하기 위한 가이드홈을 더 구비할 수 있다.
반도체 레이저 어레이(1)의 냉각수로(즉 하부의 제2통수블록(8))와 열전냉각기(TEC)(5)의 냉각수료(즉 제1통수블록)는 직렬구조를 형성한다. 제2통수블록(8)의 입수구(9)로 부터 흘러들어간 물은 반도체 레이저 어레이(1)을 통과한 후, 반도체 레이저 어레이(1)로 부터 각각 2개의 제1통수블록(6)으로 유동한 후 출수구(10)으로 부터 흘러나오게 된다.
물론, 가공공정 등 기타 요소들을 고려할 때, 제1통수블록 및 제2통수블록 내의 액냉채널은 서로 독립적인 구조로 형성될 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 접촉창(3) 일단의 레이저 출력전력은 787.2W에 달하며, 접촉창의 온도는 5℃ 이하로 될 수 있으며, 균일한 스폿이 형성된다.
상기의 실시예는 오직 본 발명의 기술방안에 따른 하나의 바람직한 실시방안일 뿐이고, 본 출원 청구범위는 이에 한정되지 않는다. 본 분야 통상의 기술자는 본 발명의 기술방안에 기반하여 상규적인 구성을 사용하여도 기존의 기술보다 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있다.
이외에, 도 3에서 도시한 바와 같이, 실제 응용에서의 수요에 따라, 반도체 레이저 전단부에는 빠른 축 시준화 또는 빠른 축 및 느린 축의 동시 시준화를 위한 시준화 렌즈(13)를 더 구비할 수 있다. 따라서 광도파로의 출구에서 스트립 형상의 스폿(도 4를 참조)을 최종적으로 얻을 수 있으며, 매개 스폿의 에너지 밀도는 전부 레이저 의료의 수요를 만족시킬 수 있다. 이로써 단 한번의 스캔을 통하면 균일한 스폿을 사용하여 여러 회 조사한 것과 동일하거나 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 시준화 렌즈를 설치한 경우, 광도파로를 한 쌍의 차광판으로 대체할 수 있다. 상기 한 쌍의 차광판은 느린 축 방향에 수직되고, 내측에는 고반사필름(high-reflective　film)이 코팅됨으로써, 느린 축에서의 발산을 제한하는 작용을 발휘할 수 있다. 차광판의 재료는 금도금된 구리 또는 은도금된 구리인 것이 바람직하다.

Claims (13)

  1. 복수 개의 반도체 레이저가 겹쳐 형성된 반도체 레이저 어레이,
    반도체 레이저 어레이 발광면의 전단부에 위치한 광도파로,
    광도파로의 광출구단에 접착되어 있는 투명한 접촉창,
    접촉창에 대하여 전도냉각을 진행하는 한 쌍의 냉각블록, 및
    제1통수블록을 포함하고,
    또한 상기 반도체 레이저 어레이는 절연층을 사이에 두고 제2통수블록 상부에 장착되며,
    상기 제1통수블록은 베이스부 및 베이스부 상부에 위치하는 U형 헤드부로 나뉘우고, 광도파로의 중부 및 뒷부분은 U형 헤드부에 삽입되며, 해당되는 광도파로의 상부에는 고정블록이 설치되어 광도파로를 압착고정 하며,
    광도파로와 U형 헤드부의 측벽사이에는 간극을 구비하고, U형 헤드부의 외측에는 차례로 한쌍의 열전냉각기 및 한쌍의 냉각블록이 대칭되게 설치되어 있으며, 상기 한쌍의 냉각블록은 광도파로의 앞부분으로 연장되어 접촉창 및 광도파로의 앞부분을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1통수블록의 베이스부 표면에는 물을 배출하기 위한 가이드홈이 설치되는 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로는 전체적으로 프리즘 형상 또는 방추판 형상인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    접촉창의 재료는 사파이어, K9 유리, 석영유리 또는 금강석이고,
    광도파로의 재료는 사파이어, K9 유리 또는 금강석인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    접촉창과 광도파로는 사파이어를 이용하여 일체로 된 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    냉각블록의 전단부 및 접촉창은 전체적으로 볼록판 형상인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    제1통수블록 및 제2통수블록 내의 액냉채널은 서로 직렬로 구성되거나 서로 독립적으로 구성된 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    냉각블록의 재료는 동, 알루미늄, 철, 금도금된 구리, 금도금된 알루미늄, 스테인리스강 또는 금강석인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    제1통수블록 및 제2통수블록의 재료는 동, 알루미늄, 스테인리스강, 경질 알루마이트 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 레이저 바 칩을 히트 싱크에 밀봉 및 장착하였고,
    히트 싱크는 마이크로채널 히트싱크, 매크로채널 히트싱크 또는 금속블록이며,
    레이저 바 칩는 단일 발광점 칩 또는 다 발광점 칩인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    반도체 레이저 전단부에는 빠른 축 시준화 또는 빠른 축 및 느린 축의 동시 시준화를 위한 시준화 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광도파로는 느린 축 방향에 수직되게 설치된 한 쌍의 내측에 고반사필름을 코팅한 차광판으로 대체되는 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    차광판의 재료는 금도금된 구리 또는 은도금된 구리인 것을 특징으로 하는 양측 냉각형 의료미용용 반도체 레이저 시스템.
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