KR20220039082A

KR20220039082A - 수중 레이저 클리닝장치

Info

Publication number: KR20220039082A
Application number: KR1020200121724A
Authority: KR
Inventors: 신재성
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-03-29
Also published as: KR102458861B1

Abstract

본 발명의 한 실시예는 수중에서 클리닝 대상체의 표면에 레이저 빔을 조사하여 레이저 클리닝 작업이 가능한 수중 레이저 클리닝장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치는 내부 관로를 형성하며, 집속된 레이저 빔을 수중의 클리닝 대상체에 조사하는 집속부를 포함하는 몸체부, 몸체부의 일측에 연결되어 광 케이블이 내측에 구비되는 광 케이블 하우징, 몸체부의 타측에 연결되어 집속된 레이저 빔을 클리닝 대상체에 조사하는 조사부, 그리고 조사부의 일측에 구비되어 조사부와 클리닝 대상체의 사이에서 형성되는 레이저 빔의 조사경로에 분사되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내하여 수중에서 조사부와 클리닝 대상체 사이의 레이저 빔 통로를 형성하는 공동 형성부를 포함한다.

Description

수중 레이저 클리닝장치{UNDERWATER LASER CLEANING APPARATUS}

본 발명은 수중 레이저 클리닝장치에 관한 것이다.

기존의 레이저 클리닝 장치는 일반적으로 고출력 펄스 레이저 빔을 집속하여 재료의 표면 물질을 플라즈마 형태로 변화한 뒤 흡입, 제거하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 방식을 통해 표면 클리닝을 수행한다. 최근에는 고품질의 연속 발진 레이저 빔을 GW/cm² 나 서브 GW/cm²의 출력밀도로 집속하여 순간적으로 표면을 승화시킨 뒤 제거하는 표면 클리닝 방식도 제안되었다. 이 방식들을 사용하면 금속체 표면의 녹이나 페인트를 고속 클리닝이 가능하며, 금속체 이외의 여러 가지 재질을 대상체 표면의 오염 제거에도 활용할 수 있다.

이러한 방식들은 모두 공기 중에서만 작업이 가능하다. 때에 따라서는 해양 구조물, 바다 위 선박 같은 것에 대한 표면 클리닝이 필요한 경우도 있는데 이러할 때는 수중에서의 작업이 필요한 경우가 있다. 또한 원자력 시설 제염에도 작업자의 피폭을 방지하기 위해 수중 작업이 필요한 경우가 있다. 따라서 수중에서 표면을 클리닝할 수 있는 기술이 요구된다.

관련 선행문헌으로 일본등록특허 4,398,774는 "관형 부재의 클리닝 방법 및 클리닝 장치"을 개시한다.

일본등록특허 4,398,774

본 발명의 한 실시예는 수중에서 클리닝 대상체의 표면에 레이저 빔을 조사하여 레이저 클리닝 작업이 가능한 수중 레이저 클리닝장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치는 내부 관로를 형성하며, 집속된 레이저 빔을 수중의 클리닝 대상체에 조사하는 집속부를 포함하는 몸체부, 몸체부의 일측에 연결되어 광 케이블이 내측에 구비되는 광 케이블 하우징, 몸체부의 타측에 연결되어 집속된 레이저 빔을 클리닝 대상체에 조사하는 조사부, 그리고 조사부의 일측에 구비되어 조사부와 클리닝 대상체의 사이에서 형성되는 레이저 빔의 조사경로에 분사되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내하여 수중에서 조사부와 클리닝 대상체 사이의 레이저 빔 통로를 형성하는 공동 형성부를 포함한다.

본 발명의 한 실시예는 수중에서 레이저 클리닝 작업이 가능하며, 해양 구조물 클리닝과 수면 아래의 선박 표면 클리닝 작업 및 원자력 시설 제염 수중 작업을 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치를 이용하여 수중에 위치된 클리닝 대상체의 표면을 레이저 클리닝하는 상태를 도시한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 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 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

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 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 수중 레이저 클리닝장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치를 이용하여 수중에 위치된 클리닝 대상체의 표면을 레이저 클리닝하는 상태를 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치는 몸체부(100), 광 케이블 하우징(110), 조사부(120), 그리고 공동 형성부를 포함하며, 수중에서 클리닝 대상체(200)의 표면에 레이저 빔을 조사하여 레이저 클리닝 작업을 용이하게 구현할 수 있다.

몸체부(100)는 내부에 중공형의 관로를 형성하며, 집속된 레이저 빔을 수중의 클리닝 대상체(200)에 조사하는 집속부를 포함한다. 몸체부(100)는 광 케이블 하우징(110)과 조사부(120)를 연결하는 기능을 한다. 몸체부(100)는 분리 결합 구조로 형성될 수 있으며, 각각의 연결부는 수중 작업이 가능하도록 수밀구조로 결합될 수 있다. 몸체부(100)와 광 케이블 하우징(110), 그리고 조사부(120)가 연결되는 형태는 굴절된 형상을 가질 수 있다. 필요에 따라 몸체부(100)와 광 케이블 하우징(110), 그리고 조사부(120)가 연결되는 형태는 직선형으로 형성될 수도 있다. 조사부(120)는 몸체부(100)의 타측에 연결되어 집속된 레이저 빔을 클리닝 대상체(200)에 조사하는 기능을 한다. 조사부(120)는 몸체부(100)와 일체로 형성될 수 있다.

집속부는 제1 집속부(8), 스캔부, 그리고 제2 집속부(11)를 포함할 수 있다. 제1 집속부(8)는 광 케이블(1)에서 방출되어 퍼지는 레이저 빔을 평행빔으로 시준하는 기능을 한다. 제1 집속부(8)는 홀더부(7)를 통해 지지될 수 있다. 제1 집속부(8)는 콜리메이션 렌즈를 포함할 수 있다. 콜리메이션 렌즈는 단일 렌즈 혹은 다중 렌즈로 활용될 수 있다. 콜리메이션 렌즈의 경우 구면 혹은 비구면 렌즈를 포함할 수 있으며, 레이저 빔 파장에 반사 방지(anti-reflection) 코팅이 되어 있을 수 있다. 또한 콜리메이션 렌즈는 고출력 레이저 빔의 흡수가 거의 없는 재질이어야 효율이 높다. 예를 들어 콜리메이션 렌즈는 1μm 파장의 레이저를 활용할 경우에는 용융 실리카(fused silica) 재질 또는 이와 유사한 재질로 형성할 수 있다. 스캔부는 제1 집속부(8)를 통해 평행빔으로 시준되어 전달된 레이저 빔을 미리 설정된 방향으로 전달하는 기능을 한다. 스캔부는 서로 간격을 두고 배치되는 Y축 스캔 갈바노 미러(9)와 X축 스캔 갈바노 미러(10)를 포함하여 2차원적으로 스캔할 수 있다. 제1 집속부(8)로 집속된 레이저 빔은 갈바노 미러 스캔과 제2 집속부(11)를 통해 2차원적으로 클리닝 대상체(200)의 표면을 클리닝할 수 있다. 스캔속도는 수~수십 m/s 정도가 될 수 있다. 스캔부의 Y축 스캔 갈바노 미러(9)와 X축 스캔 갈바노 미러(10)의 배치 구조를 통해 레이저 빔의 스캔 영역을 2차원 영역에서 보다 자유롭게 형성할 수 있다. 2차원 갈바노 스캔 구조는 필요에 의해 단일 축 스캔 갈바노 미러를 활용하여 1차원 갈바노 스캐너로 활용될 수도 있다. 제2 집속부(11)는 스캔부에 스캔된 레이저 빔을 클리닝 대상체(200) 표면에 집속할 수 있다. 제2 집속부(11)는 에프 세타(F-theta) 렌즈를 포함할 수 있다. 한편, 제2 집속부(11)와 공동 형성부 사이에서 조사부(120)에 구비되어 외부의 물(20)과 분진의 내부 유입을 방지하는 보호 윈도우(12)를 더 포함할 수 있다. 보호 윈도우(12)를 구비함으로써 수중 레이저 클리닝 장치 내의 광학소자 내로 물(20)과 분진의 유입을 방지할 수 있다.

광 케이블 하우징(110)은 몸체부(100)의 일측에 연결되어 광 케이블(1)이 내측에 구비될 수 있다. 여기서, 광 케이블(1)은 광섬유 케이블을 포함할 수 있다. 따라서, 별도의 한정된 설명이 없는 경우 광 케이블(1)은 광섬유 케이블로 표현될 수 있다. 광 케이블 하우징(110)은 광 케이블(1)이 유입되는 부분(2)에 수밀구조로 실링처리될 수 있다. 그리고 광 케이블 하우징(110)은 커버와 원통형의 본체를 포함할 수 있다. 커버에 광 케이블(1)이 삽입되는 구멍이 구비되며, 구멍에 실링부가 결합될 수 있다. 여기서, 실링부는 오링(O-ring)을 포함할 수 있다. 실링부는 몸체부(100), 광 케이블 하우징(110), 조사부(120)의 해당 연결부위에 구비되어 외부의 물(20)이 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 커버와 본체의 연결부(3)도 수밀구조로 실링처리될 수 있다. 한편, 광 케이블 하우징(110)의 내부에서 집속부의 초입부분에 구비되어 광 케이블(1)을 홀딩(holding)하는 광 케이블 홀더(6)를 포함할 수 있다. 광 케이블 홀더(6)에 고정된 광 케이블(1)을 통해 안정된 레이저 빔의 조사가 구현될 수 있다.

광 케이블 하우징(110)에 구비되며, 냉각수 주입부(4)로 공급되는 냉각수의 흐름을 안내하여 광 케이블(1)을 냉각하는 냉각부를 더 포함할 수 있다. 광 케이블 하우징(110)의 외부에서 일측에는 냉각수 주입부(4)가 구비되고, 타측에는 냉각수 배출부(5)가 구비될 수 있다. 냉각수 주입부(4)에는 냉각수 주입호스가 연결되고, 냉각수 배출부(5)에는 냉각수 배출호스가 연결될 수 있다. 레이저는 광 케이블(1)을 통해 집속부와 조사부(120)를 거쳐 클리닝 대상체(200)로 전송된다. 이때 광 케이블(1) 자체를 냉각하기 위해 냉각수 주입부(4)를 통해 냉각수가 주입되고, 광 케이블(1)을 냉각시킨 냉각수는 냉각수 배출부(5)를 통해 배출된다. 수중 작업을 위해 냉각수 주입호스와 냉각수 배출호스 그리고 광 케이블 하우징(110)의 결합부위가 실링될 수 있다.

공동 형성부는 조사부(120)의 일측에 구비되어 조사부(120)와 클리닝 대상체(200)의 사이에서 형성되는 레이저 빔의 조사경로에 분사되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내하여 수중에서 조사부(120)와 클리닝 대상체(200) 사이의 레이저 빔 통로를 공동(local-dry-zone)으로 형성할 수 있다.

공동 형성부는 보디부(130), 그리고 공동 형성 가스 주입부(13, 14)를 포함할 수 있다. 보디부(130)는 조사부(120)에 일측이 연결되며, 타측이 넓게 확대되는 방향으로 경사지게 개구되어 클리닝 대상체(200)의 표면에 위치되며, 레이저 빔의 조사경로와 레이저 빔 주변으로 형성되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내할 수 있다. 보디부(130)는 경사진 원통형 구조로 형성될 수 있다. 공동 형성 가스 주입부(13, 14)는 보디부(130)의 측면에 구비되어 외부로부터 보디부(130)의 내부로 공동 형성 가스의 공급을 안내하는 기능을 한다. 공동 형성 가스 주입부(13, 14)는 복수로 구비될 수 있으며, 각각 공동 형성 가스가 주입되는 공급호스가 연결될 수 있다. 공동 형성 가스는 수중 클리닝 과정시 외부에 저장된 가스 저장부로부터 공급호스를 통해 공동 형성 가스 주입부(13, 14)로 계속 공급될 수 있다. 보디부(130)의 내측으로 공급된 공동 형성 가스는 보디부(130) 내측에서 공동 형성 가스의 흐름을 형성하며, 조사부(120)로부터 조사되는 레이저 빔을 안내할 수 있다.

도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수중 레이저 클리닝장치를 이용하여 수중에 위치된 클리닝 대상체(200)의 표면을 레이저 클리닝하는 과정을 설명한다.

먼저, 수중에 위치된 클리닝 대상체(200)의 표면에 레이저 빔을 집광하여 클리닝 대상체(200)의 표면에 집광된 영역으로부터 이물질을 제거하는 레이저 어블레이션(Laser Ablation) 방식을 이용할 경우 레이저는 수 나노초~수십 나노초를 가진 펄스형 레이저로 펄스 당 수십~수백 mJ를 가질 수 있다. 승화 제거 방식을 이용할 경우 레이저는 연속 발진 레이저일 수 있으며, 출력은 수백 W~수 kW 수준이 될 수 있음을 가정한다. 그리고 광 케이블(1)이 유입되는 부분에서 레이저 빔이 조사되는 부분을 포함하는 수중 레이저 클리닝 장치의 연결부분은 수중 클리닝 작업시 방수를 위해 모두 오링(O-ring)으로 실링된 상태를 가정한다.

레이저 빔은 광 케이블(1)에서 방출 후 일정 각도로 퍼질 수 있다. 이러한 레이저 빔은 제1 집속부(8)를 통해 평행빔으로 시준될 수 있다. 제1 집속부(8)를 통해 시준된 레이저 빔은 스캔부의 Y축 스캔 갈바노 미러(9)와 X축 스캔 갈바노 미러(10)를 거쳐 2차원적으로 스캔될 수 있다. 스캔된 레이저 빔은 제2 집속부(11)를 통해 집속될 수 있다. 즉, 스캔된 레이저 빔은 에프 세타(F-theta) 렌즈를 활용하여 최종적으로 클리닝 대상체(200)의 표면에 집속될 수 있다. 조사부(120)를 통해 클리닝 대상체(200)로 전달되는 레이저 빔을 이용하여 수중 클리닝 작업을 하기 위해서는 레이저 빔의 조사경로에 대해 공동이 형성되어야 한다. 이를 위해 조사부(120)의 일측에 결합되어 공동 형성 슈라우드 기능을 하는 보디부(130)의 개구된 부분을 클리닝 대상체(200)의 표면에 위치시키고 보디부(130) 내부에 공동 형성 가스를 공급하여 클리닝 대상체(200)와 공동 형성부 사이에 공동을 형성할 수 있다. 공동 형성부를 통해 조사부(120)와 클리닝 대상체(200)의 사이에서 형성되는 레이저 빔의 조사경로에 분사되는 공동 형성 가스의 흐름을 형성함으로써 수중에서도 레이저 클리닝 작업을 용이하게 구현할 수 있다.

한편, 클리닝 대상체(200)의 표면 클리닝시 발생한 분진은 별도의 흡입부에 의해 처리할 수 있다. 수중에서 발생한 분진은 공동 형성 가스에 의해 보디부(130)의 외부로 방출되어 물(20) 속에 섞이고 향후에 오염된 물을 순환 필터로 여과하여 정화시킬 수 있다.

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

1 ; 광 케이블 4 ; 냉각수 주입부
5 ; 냉각수 배출부 6 ; 광 케이블 홀더
7 ; 홀더부 8 ; 제1 집속부
9 ; Y축 스캔 갈바노 미러 10 ; X축 스캔 갈바노 미러
11 ; 제2 집속부 12 ; 보호 윈도우
13, 14 ; 공동 형성 가스 주입부 100 ; 몸체부
110 ; 광 케이블 하우징 120 ; 조사부
130 ; 보디부 200 ; 클리닝 대상체

Claims

내부 관로를 형성하며, 집속된 레이저 빔을 수중의　클리닝 대상체에 조사하는 집속부를 포함하는 몸체부,
상기 몸체부의 일측에 연결되어 광 케이블이 내측에 구비되는 광 케이블 하우징,
상기 몸체부의 타측에 연결되어 집속된 레이저 빔을 상기 클리닝 대상체에 조사하는 조사부, 그리고
상기 조사부의 일측에 구비되어 상기 조사부와 상기 클리닝 대상체의 사이에서 형성되는 레이저 빔의 조사경로에 분사되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내하여 수중에서 상기 조사부와 상기 클리닝 대상체 사이의 레이저 빔 통로를 형성하는 공동 형성부
를 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제1항에서,
상기 공동 형성부는
상기 조사부에 일측이 연결되며, 타측이 넓게 확대되는 방향으로 경사지게 개구되어 상기 클리닝 대상체의 표면에 위치되며, 상기 레이저 빔의 조사경로와 상기 레이저 빔 주변으로 형성되는 공동 형성 가스의 흐름을 안내하는 보디부, 그리고
상기 보디부에 구비되어 외부로부터 상기 보디부의 내부로 공동 형성 가스의 공급을 안내하는 공동 형성 가스 주입부
를 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제1항에서,
상기 집속부는
상기 광 케이블에서 방출되어 퍼지는 레이저 빔을 평행빔으로 시준하는 제1 집속부,
상기 제1 집속부를 통해 평행빔으로 시준되어 전달된 레이저 빔을 미리 설정된 방향으로 전달하는 스캔부, 그리고
상기 스캔부에 스캔된 레이저 빔을 상기 클리닝 대상체 표면에 집속하는 제2 집속부
를 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제3항에서,
상기 제1 집속부는 콜리메이션 렌즈를 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제3항에서,
상기 스캔부는
서로 간격을 두고 배치되는 Y축 스캔 갈바노 미러와 X축 스캔 갈바노 미러를 포함하여 2차원적으로 스캔하는 수중 레이저 클리닝장치.
제3항에서,
상기 제2 집속부는 에프 세타(F-theta) 렌즈를 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제3항에서,
상기 제2 집속부와 상기 공동 형성부 사이에서 상기 조사부에 구비되어 외부의 물과 분진의 내부 유입을 방지하는 보호 윈도우를 더 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제1항에서,
상기 광 케이블 하우징에 구비되며, 냉각수 주입부로 공급되는 냉각수의 흐름을 안내하여 상기 광 케이블을 냉각하는 냉각부를 더 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제1항에서,
상기 몸체부, 상기 광 케이블 하우징, 상기 조사부의 해당 연결부위에 구비되어 외부의 물이 내부로 유입되는 것을 방지하는 실링부를 더 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.
제9항에서,
상기 실링부는 오링(O-ring)을 포함하는 수중 레이저 클리닝장치.