KR20190062076A - 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저를 사용한 표면 이물질 제거의 효율을 높이고 강재에 균일한 요철을 형성하기 위해, 회절렌즈를 이용하여 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치는 싱글 라인 레이저 빔을 생성시키는 레이저 발진기; 및 상기 레이저 발진기에서 형성된 레이저 빔을 분산시켜 멀티 라인 레이저 빔으로 변환하는 회절렌즈;를 포함한다.

Description

멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치{Surface cleaning system using multi-line laser}
본 발명은 레이저를 이용하여 물체 표면의 오염을 제거하는 건식 표면 처리 장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 멀티 라인 레이저를 생성하여 효율을 높이기 위해 회절렌즈를 이용한 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
선박 및 해양플랜트에 적용되는 도장(Painting)은 미관 및 방오, 방식, 또는 기능별로 특수 목적을 가진다. 도장을 하기 전에는 피도면의 이물질을 제거하고 도장의 접착력을 향상시키기 뒤해서 요철을 형성하는 전처리 작업이 필요하다. 즉, 도장 공정의 전 단계로서 피도물 표면에 부착, 생성된 이물질을 제거하고, 표면의 내식성을 향상시키고, 도료와 표면과의 부착성을 증가시키기 위한 전처리 작업이 필요하다.
그러나, 선박 및 해양플랜트에는 효율의 문제로 통상적으로 모래, 철분 등의 연마재(Abrasive)를 공기 압축기를 이용하여 노즐을 통해 고압 분사하는 방식을 사용하고 있다. 그러나 이러한 방식은 비산 분진을 발생시켜 대기 및 해양 오염을 야기하고, 밀폐구역에서 비산 분진은 주변 고가 장비의 오염원으로 작용하여 2차적인 문제를 초래하고 있다.
나아가 비산 분진에 의한 오염을 방지하기 위해 작업 전 주변 장비 및 환경을 보호 처리하는 공정이 추가되고 작업 후엔 분진 제거 및 청소 등 추가 작업이 수반된다. 따라서 타 공종과 간섭이 생겨 공기가 늘어나는 문제가 있다.
또한 압축공기를 이용함으로써 소음이 매우 심하게 발생하고, 장비가 크고 무거워 취급이 어려웠다. 나아가 요철면이 일정하지 않아 도장의 품질이 저하되는 문제점도 있었다.
피도면을 전처리하는 다른 방식으로는 도 1에 도시된 바와 같이, 빛 에너지인 레이저 빔(1)을 이용하여 물체의 표면(3)에 존재하는 오염입자들을 세척하는 방법이 있다. 즉, 특정 파장의 레이저 펄스를 대상 표면에 조사하여 표면의 이물질을 기화시킴으로써 오염입자를 제거한다.
이러한 건식 레이저 클리닝 방식은, 레이저를 이용하여 오염입자를 제거하므로 자연 친화적이고 유지 비용이 적다는 장점이 있다. 그러나 작은 레이저 스폿에 의하여 이루어져 작업속도가 매우 느려, 대형 물체에 적용하기에는 생산성이 저하된는 단점이 있다.
즉 레이저 클리닝은 스폿 또는 싱글 라인에 의하여 이루어짐에 따라 소형 물체에는 적합하지만 선박과 같은 대형 물체에 적용하기에는 생산성이 저하된다는 단점이 있다.
또한 연마재를 고압 분사하는 방식에 비하여 레이저를 조사하는 작업은 정밀하게 이루어져야 하는데, 선박 및 해양구조물의 도장 전처리 작업은 선종 및 구역에 따라 피도물의 형상이 다양하므로, 레이저 장치(2)가 적절한 위치로 접근하기 어려운 문제도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 사용한 표면 이물질 제거의 효율을 높이기 위해, 회절렌즈를 이용하여 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 피도물의 다양한 형상에도 용이하게 작업이 가능하도록 휴대형 타입의 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
나아가 레이저 장치의 접근성 및 작업 용이성을 더욱 향상시키기 위하여 레이저 헤드를 통해 레이저가 조사되는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
더불어 본 발명은 레이저 조사시 기화된 이물질 흄을 흡입하는 집진 장치를 휴대 및 사용할 수 있는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치는, 물체 표면의 오염입자를 제거하고 요철을 형성하는 장치에 관한 것으로서, 싱글 라인 레이저 빔을 생성시키는 레이저 발진기; 및 상기 레이저 발진기에서 형성된 레이저 빔을 분산시켜 멀티 라인 레이저 빔으로 변환하는 회절렌즈;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 레이저 발진기는 4준위계의 레이저 매질을 포함하여 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 레이저 발진기와 회절렌즈를 수용하는 하우징; 상기 회절렌즈를 포함하며 상기 하우징의 일측에 형성되는 빔 변환 모듈; 상기 하우징의 외부에서 상기 멀티 라인 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드; 및 상기 빔 변환 모듈에서 생성된 멀티 라인 레이저 빔을 상기 레이저 헤드로 전송하는 파이버;를 더 포함할수 있다. 파이버는 일정한 길이로 연장되며 플렉서블하므로, 파이버에 연결된 레이저 헤드를 이용하여 작업하고자 하는 물체 표면에 접근하는 것이 용이하다.
또한 상기 하우징은 레이저에 의해 기화된 흄을 흡입하는 집진부를 더 포함하여 레이저에 의해 기화된 흄을 흡입하여 깔끔하게 처리할 수 있다.
나아가 상기 집진부는, 상기 하우징의 일측에 설치되며 저장부를 포함하는 흡기 장치; 상기 하우징 외부에서 마련되며, 흡기구가 형성된 흡기 헤드; 및 상기 흡입구와 흡기 장치를 연결하는 케이블;을 포함하여, 흡기구에서 흡입된 흄이 케이블을 통해 흡기 장치의 집진부에 집진되도록 마련될 수 있다. 일정한 길이로 연장되며 플렉서블한 케이블에 연결된 흡기 헤드를 이용하여 원하는 위치에서 흄을 흡입하는 것이 용이하다.
또한 본 발명의 상기 흡기 헤드는 레이저 헤드 일측에 설치될 수 있다. 이는 레이저에 의해 오염입자가 기화되어 흄을 생성하는 즉시 흡기 헤드가 흡입할수 있도록 하기 위함이다.
또한 본 발명은 상기 레이저 헤드 및 흡기 헤드와 결합되는 손잡이를 더 포함하고, 상기 하우징의 타측에는 상기 손잡이를 거치하는 거치대가 마련된 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 하우징을 포터블하게 이용하는 것과는 별도로 손잡이를 이용해 레이저 헤드와 흡기 헤드를 운용하기 위함이다.
또한 일 실시예로서, 상기 흡기 헤드의 흡입구는 비산하는 흄을 효율 적으로 흡입하기 위해 상기 레이저 헤드의 단부보다 돌출된 위치에 형성될수 있다.
본 발명은 도장의 전처리 작업에 있어, 기존의 연마재 고압 분사 방식에 비하여 연마사용 및 폐기 비용이 절감되고, 비산 분진에 의한 오염 방지 및 안전 작업 환경을 구현할 수 있다. 이로 인해, 분진 비산 방지용 보호 작업 비용이 절감되며, 주간 작업이 가능하고, 타 공종간 간섭이 최소화되어 공정이 단축되는 효과가 있다.
나아가 본 발명은 레이저를 사용함으로써 표면에 균일하게 요철을 형성하여 도장 품질을 향상시킨다.
또한 본 발명은 회절렌즈를 사용하여 빔 조사 횟수를 감소시킴에 따라 이물질 제거시간이 단축하여 작업 효율이 향상된다.
또한 본 발명은 휴대형 타입으로 구비되고, 레이저 헤드에서 레이저가 조사됨으로써 피도물에의 접근성이 매우 좋아 작업 효율이 좋다.
더불어 본 발명은 공진기 내 광자의 유도방출을 4준위게로 설계하여 자연방출에 의해 유실되는 광자의 수를 감소시켜 평균 에너지 밀도를 높임으로써 펌핑 효율을 높다.
도 1은 종래 싱글 라인 레이저로 물체의 표면을 세척하는 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 렌즈 스캐너를 통과한 빔이 회절렌즈에 의해 분산되는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치의 일 실시예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 레이저의 빛 에너지를 이용하여 물체의 표면의 오염입자를 기화시키며, 나아가 물체 표면에 요철을 형성하는 기술에 관한 것이다. 이때 물체는 강재인 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명은 멀티 라인 레이저를 형성하여 표면 처리 효율을 높이고자 하는 것으로서, 집속된 레이저 빔이 회절 렌즈를 통과하여 분산됨으로써 멀티 라인으로 변환되도록 마련된다.
도 2는 본 발명의 렌즈 스캐너를 통과한 빔이 회절렌즈에 의해 분산되는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
이를 참조하면, 레이저 발진기(22)로부터 형성된 싱글 라인 레이저 빔은 미러, 오목렌즈, 볼록렌즈 등을 포함하는 레이저 스캐너(23)에 의하여 포커싱된다. 레이저 스캐너(23)에 의해 포커싱된 레이저 빔은 파장이 짧은 레이저 광선의 특징을 가짐에 따라 회절렌즈를 통과하면서 회절 및 분산되며 멀티 라인을 형성하게 된다.
특정 파장의 레이저 펄스 빔을 이용한 물체 표면의 이물질 제거 속도는 레이저 빔의 평균 에너지 밀도와 빔을 조사하는 반복 횟수에 의존한다. 이에, 본 발명은 싱글 라인 레이저를 멀티 라인 레이저로 분산시켜 빔 조사횟수의 감소를 통해 제거시간을 단축시키는 특징을 가지고 있다. 따라서 분산되는 평균 에너지 밀도를 보상하기 위해 레이저 발진기(22)의 공진기 내 4준위계 매질을 사용하여 광자의 유도방출을 4준위계로 설계함이 바람직하다. 4준위계로 설계되는 경우 3준위계의 경우보다 자연방출에 의해 유실되는 광자의 수를 감소시켜 평균 에너지 밀도가 높아져 펌핑 효율을 높일 수 있다.
따라서 본 발명은 종래 싱글 라인 레이저를 사용하는 것보다 빔의 반복 조사 횟수를 줄일 수 있어 오염입자 제거를 포함하는 표면 처리 작업 시간을 줄일 수 있다.
나아가 본 발명은 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치를 휴대형 타입으로 제공한다. 도 3은 휴대형 타입으로 한 본 발명 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치의 일 실시예를 도시한 것이다.
이를 참조하면, 본 발명은 표면 처리부(20), 집진부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 표면 처리부(20), 집진부(30) 및 제어부(40)의 일부 또는 전부의 구성은 하우징(10)에 수용되도록 마련된다.
표면 처리부(20)는, 전원 공급부(21), 레이저 발진기(22), 레이저 스캐너(23), 빔 변환 모듈(24)을 포함한다.
전원 공급부(21)에 의해 전력 구동되는 레이저 발진기(22)는 싱글 라인 레이저 빔을 형성한다. 싱글 라인 레이저 빔은 다수의 미러, 오목렌즈, 볼록렌즈를 포함하는 레이저 스캐너(23)에 의하여 초점이 맞춰지며, 빔 변환 모듈(24)에 입사된다.
빔 변환 모듈(24)은 도트(dot) 형태로 집광된 빔을 멀티 라인 레이저로 변환하여 전송하는 역할을 한다. 본 발명의 빔 변환 모듈(24)은 회절렌즈(diffraction lens)를 포함한다. 따라서 싱글 라인 레이저 빔은 빔 변환 모듈(24)을 거치면서 회절, 분산되어 레이저 라인이 크로스되는 멀티 라인을 형성하게 된다.
본 발명의 표면 처리부(20)는 작업 용이성을 향상시키기 위하여, 손으로 잡고 사용 가능 하도록 레이저 헤드(26) 및 레이저 헤드(26)와 빔 변환 모듈(24)을 연결하는 파이버(25)를 더 포함할 수 있다.
파이버(25)는 빔 변환 모듈(24)에서 생성된 멀티 라인 레이저 빔을 레이저 헤드(26)로 전송한다. 또한 파이버(25)는 일정 길이로 연장된 관 형상을 포함하며, 플렉서블하게 마련된다. 일 예로 광섬유를 들 수 있으며, 관의 두께가 작으면 빔의 패턴이 유지되며 전송되게 된다.
따라서 멀티 라인 레이저 빔은 레이저 헤드(26)에서 조사되며, 작업자는 파이버(25)에 연결된 레이저 헤드(26)만을 그립하여 물체의 표면에 작업을 할 수 있어 물체에 접근성 및 작업의 효율이 좋다.
나아가 본 발명의 표면 처리부(20)는, 레이저 발진기(22)에서 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 에어 쿨링 시스템(27)을 더 포함할 수 있다. 에어 쿨링 시스템(27)은 팬 등을 포함하는 공지의 방식으로 구비되며, 레이저 발진기(22)의 부근에 위치함이 바람직하다.
본 발명 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치는 레이저 빔에 의해 발생한 흄을 흡입하여 처리하기 위한 집진부(30)를 더 포함할 수 있다. 집진부(30)는 단부에 흡기구가 형성된 흡기 헤드(33), 흡기 장치(31), 흡기 헤드(33)와 흡기 장치(31)를 연결하는 케이블(32)을 포함한다.
흡기 장치(31)는 기화진 비산 흄을 흡입하기 위한 구성인 흡입구동부 및 흄을 포집하여 저장하는 구성인 저장부를 포함한다. 흡기 장치(31)와 흡기 헤드(33)는 관 형상의 케이블(32)에 의하여 연결되므로 흡기 헤드(33)의 흡기구를 통해 흡입된 흄은 케이블(32)을 거쳐 흡기 장치(31)의 저장부에 저장되게 된다.
또한 본 발명은 제어부(40)를 더 포함할 수 있다. 제어부(40)는 전원 공급부(21)의 온오프, 레이저 빔의 파장 및 주파수, 에어 쿨링 시스템(27)의 쿨링 세기, 흡기 장치(31)의 흡입 세기 등을 조절한다. 본 발명의 제어부(40)는 하우징(10) 외부에서 조작 가능한 컨트롤 패널을 더 포함할 수 있다. 특히 레이저 발진기(22)는 적용처에 따라 100~500W 출력 범위에서 조절됨이 바람직하다.
상술한 바에 더하여, 본 발명은 하우징(10)을 포함하여 휴대 가능하게 마련됨과 동시에 레이저 헤드(26) 또는 흡기 헤드(33)만을 그립 및 이동하여 작업이 가능하게 하기 위하여 하우징(10)에 다음과 같이 설치되는 것이 바람직하다.
표면 처리부(20)의 전원 공급부(21), 레이저 발진기(22), 레이저 스캐너(23), 빔 변환 모듈(24)은 하우징(10)에 수용된다. 레이저 헤드(26)는, 하우징(10)의 외부에서 플렉서블한 파이버(25)로 빔 변환 모듈(24)에 연결되어 하우징(10) 외부에서 자유롭게 이동 가능하게 설치된다.
집진부(30)에서 흡입구동부와 저장부를 포함하는 흡기 장치(31)는 하우징(10)에 수용됨이 바람직하다. 반면에 흡기 헤드(33)는 레이저 헤드(26)와 마찬가지로 하우징(10)의 외부에서 플렉서블한 케이블(32)로 흡기 장치(31)에 연결되므로 하우징(10) 외부에서 자유롭게 이동 가능하게 설치된다.
레이저 헤드(26)와 흡기 헤드(33)는 별도의 장치에 의하여 하나로 묶여 일체로 사용될 수 있다. 레이저 헤드(26)와 흡기 헤드(33)를 묶는 구성의 일 예로 손잡이(50)를 들 수 있으며, 손잡이(50)는 각 헤드를 함께 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 흡기 헤드(33)가 레이저 헤드(26)보다 물체 표면에 가까이 위치하도록 구비될 수 있다. 즉, 흡기 헤드(33)의 흡기구가 레이저 헤드(26)의 단부보다 돌출된 위치에 형성될 수 있다.
상술한 손잡이(50)를 이용하면, 레이저에 의해 비산 흄이 형성됨과 동시에 흡기 헤드(33)가 흄을 흡입하며 비산하는 정도를 줄여준다. 또한 흡기 헤드(33)를 레이저 헤드(26)보다 물체에 가깝게 구비하는 것은, 직진성이 좋은 레이저와 달리 흄은 발산하는 성질이 있으므로 물체 표면 가까이에 흡기구가 위치하여 효율적으로 흄을 흡입하기 위함이다.
하우징(10)에는 상술한 레이저 헤드(26), 흡기 헤드(33), 또는 손잡이(50)를 거치할 수 있는 거치대(51)를 형성함이 바람직하다. 거치대(51)는 하우징(10) 외부에 형성될 수 있으며, 일 예로서 도 3과 같이 거치하는 물건의 일부 또는 전부 형태에 대응하는 홈의 형태로 형성될 수 있다. 또는 고리에 거는 방식으로 거치할 수 있다.
상술한 바에 의하여 본 발명은 멀티 라인 레이저 빔을 이용하므로 레이저 빔 조사 횟수를 줄일 수 있어 작업 효율이 좋으며, 레이저 헤드(26) 및 흡기 헤드(33)를 플렉서블한 파이버(25) 및 케이블(32)에 연결함으로써 작업자가 간편하게 들고 작업할 수 있어 물체와의 접근성 및 작업 효율성이 좋다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 하우징 20 : 표면 처리부
21 : 전원 공급부 22 : 레이저 발진기
23 : 레이저 스캐너 24 : 빔 변환 모듈
25 : 헤드 파이버 26 : 레이저 헤드
27 : 에어 쿨링 시스템 30 : 집진부
31 : 흡기장치 32 : 케이블
33 : 흡기구 40 : 제어부
50 : 손잡이 51 : 거치대

Claims (7)

  1. 물체 표면의 오염입자를 제거하고 요철을 형성하는 장치에 있어서,
    싱글 라인 레이저 빔을 생성시키는 레이저 발진기; 및
    상기 레이저 발진기에서 형성된 레이저 빔을 분산시켜 멀티 라인 레이저 빔으로 변환하는 회절렌즈;
    를 포함하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 4준위계의 레이저 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기와 회절렌즈를 수용하는 하우징;
    상기 회절렌즈를 포함하며 상기 하우징의 일측에 형성되는 빔 변환 모듈;
    상기 하우징의 외부에서 상기 멀티 라인 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드; 및
    상기 빔 변환 모듈에서 생성된 멀티 라인 레이저 빔을 상기 레이저 헤드로 전송하는 파이버;
    를 포함하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 레이저에 의해 기화된 흄을 흡입하는 집진부를 더 포함하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집진부는,
    상기 하우징의 일측에 설치되며 집진 가능한 저장부를 포함하는 흡기 장치;
    상기 하우징 외부에서 마련되며, 흡기구가 형성된 흡기 헤드; 및
    상기 흡입구와 흡기 장치를 연결하는 케이블;
    을 포함하여, 흡기구에서 흡입된 흄이 케이블을 통해 흡기 장치의 집진부에 집진되는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡기 헤드는 상기 레이저 헤드 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡기 헤드의 흡입구는 상기 레이저 헤드의 단부보다 돌출된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 라인 레이저를 이용한 표면 처리 장치.

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020242021A1 (ko) 2019-05-27 2020-12-03 주식회사 엘지화학 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR102349505B1 (ko) 2020-10-30 2022-01-10 주식회사 티앤에스테크 레이저 블라스팅 이송장치
KR102570919B1 (ko) * 2022-12-28 2023-08-24 주영진 파이브 녹 클리닝모드 제어형 파이버 레이저식 녹제거장치 및 방법

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