KR960016183B1 - 레이저용 방전관 - Google Patents

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Description

레이저용 방전관

레이저 발진기의 방전관에서는 고전압이 인가되어 방전이 발생하고, 그 방전에 의해 레이저 가스가 여기해서 레이저광이 외부로 출력된다. 그런데, 그 고전압은 방전관의 관벽 외부 주면에 접착 설치된 전극에 인가되고, 그 방전관을 사이에 두고 대응하는 전극 사이에서 방전이 발생한다. 따라서, 정상시의 방전은 그 전극폭으로 결정되는 영역내에서 행해진다.

그러나, 전극에는 매우 높은 고주파 전압(예를 들면 4000V)이 인가되기 때문에, 그 전극 사이 이외에서 절연 파괴가 생겨 코로나 방전이 발생하는 경우가 있다. 이 코로나 방전은 방전관 온도가 높아지는 부분, 예를 들면 방전관 내를 흐르는 레이저 가스의 하류측에서 발생하기 쉽고, 그 코로나 방전이 발생한 부분에서는 고온이 되어 전극재가 용출하여 침식하거나 박리가 일어나 전극 열화가 급속히 진행하게 된다.

그런데, 전극재로는 도전성이 양호한 은이 사용된다. 전극은 은을 방전관 외벽에 메탈라이즈 등으로 장착하여 형성된다. 이 전극에 고전압을 인가하면 전극 에지 부분에서는 강전계가 분포하게 되어 코로나 방전이 발생한다. 또, 코로나 방전은 전극이 열 왜곡등으로 부상되어 에어 갭(air gap)이 생기면 그 부분에서도 발생하게 된다. 이 코로나 방전은 일단 방전관 외벽 표면을 따라 발생해서 전극에서 수 mm 떨어진 위치에서 방전관 내부로 들어온다. 그때 수분과 반응하여 은이 용출하여 버리고, 그 용출한 은은 전극에서 방전관 외벽에 따라 나부 가지 모양으로 성장해서 전극 주변의 방전관 외벽을 수 cm 폭으로 덮게 된다. 전극재인 은이 이동(migration)하는 이와 같은 현상이 발생하면 다시 절연 내압이 저하해서 코로나 방전이 발생하기가 더욱 쉬워져, 전극재의 유출, 전극 열화가 한층 현저해진다. 또, 전극 주변은 용출한 은으로 피복되기 때문에 전극 폭이 넓어져, 전기적 특성이 변화하게 되며 방전관의 수명이 짧아지게 된다. 또 방전관의 외관되 흉해진다.

상기 코로나 방전을 방지하기 위해서는 전극에 인가되는 전압을 강하하면 되나, 그러면 주입 파워가 저하해서 파워가 요구되는 레이저 가공에 대응할 수 없게 된다. 또, 코로나 방전은 온도가 높아지면 발생하기 쉬워지기 때문에 전극에 방열용 플레이트를 부착해서 전극 온도를 내리는 방법이 있으나 방전관 온도가 높아지는 레이저 가스의 하류측에서는 역시 코로나 방전의 발생을 방지할 수 없다. 또, 인가 전압을 낮추어 온도저하를 도모할 수도 있으나, 그 경우도 상기와 같이 주입 파워가 저하해서 파워가 요구되는 레이저 가공에 대응할 수 없게 된다.

발명의 개시

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 코로나 방전에 의한 전극재유출 및 박리, 전극 열화 등을 방지할 수 있는 레이저용 방전관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명의 다른 목적은 방열 특성 및 내열 특성을 개선하여 주입력을 증대시킬 수 있는 래이저용 방전관을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위해, 인가된 고주파 전압에 의해 방전을 일으켜 레이저 가스를 여기하는 레이저용 방전관에 있어서, 상기 레이저 방전관의 외부 주면에 장착된 전극 및 상기 전극에 피착되는 유전체층을 포함하고, 상기 유전체층은 저열 팽창 계수 또는 음의 열 팽창 계수를 가지는 세라믹재와, 저융점 유리인 바인더로 이루어지는 세라믹 피착층인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관이 제공된다.

관벽 주위에 장착된 전극상에 그 전극을 피복하도록 유전체를 코팅 또는 접착으로 피착하여 유전체층을 형성한다. 이 유전체층에 의해 종래, 전극 끝부분에서 유기되던 코로나 방전의 발생을 방지할 수 있어서 전극재의 용출 및 박리, 전극의 열화등을 방지할 수 있다. 또 유전체 층에 높은 열전도율 및 높은 내 절연성을 갖는 재료를 이용함으로써 전극의 방열 특성 및 내 절연성이 개선되므로 주입력을 증대할 수 있다.

발명을 실시한 위한 최량의 형태

이하 본 발명의 한 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.

제2도는 본 발명의 레이저용 방전관을 이용한 레이저 발진기의 개략 구성도이다. 레이저용 방전관(1)은 유전체(예를 들면, 석영 유리)로 이루어진 단면이 원형이 파이프이다. 레이저용 방전관(1)의 외주 주면에는 2개의 전극부(2 및 3)가 동일 피치로 나선상으로 설치되어 있다. 전극부(2)는 전극(21) 및 유전체층(22)로 구성되고, 전극부(3)는 마찬가지로 전극(31) 및 유전체층(32)으로 구성되어 있다. 상세한 것은 후술한다. 레이저용 방전관(1)내에는 레이저 가스(10)가 화살표로 나타내는 관축 방향으로 흐르고, 고주파 전원(도시 않음)에서 전극(21 및 31) 사이에 고주파 전압이 인가되면 레이저용 방전관(1)내에서는 방전관(1)을 사이에 두고 서로 대향하는 전극 사이에 방전이 발생해서 레이저 가스(10)가 여기된다. 레이저용 방전관(1) 양단에는 전반사경(4) 및 출력 결합경(5)이 설치되어 파브리 페로(Fabry-Perot)형 공진기를 구성하고, 여기된 레이저 가스분자에서 방출되는 광을 반진시켜 일부를 출력 결합경(5)으로부터 레이저 광(11)으로서 출력한다. 레이저 광(11)은 공작물에 조사되어 레이저 가공을 행한다. 또, 레이저용 방전관(1)은 석영 유리 뿐만 아니라 절연 파괴에 강한 다른 유전체 재료(에를 들면 알루미나, 티탄산 알루미늄)로 구성할 수도 있다. 또, 레이저용 방전관(1)에 나선상 전극을 설치하도록 했으나 플레이트상 전극을 설치하게 할 수도 있다.

제1도는 본 발명의 레이저용 방전관의 구성을 도시한 것으로, 제2도의 X-X 단면도이다. 레이저용 방전관(1)의 관벽 외부 주면(1A)에는 상기한 바와 같이 전극부(2 및 3)가 설치되어 있다. 전극부(2 및 3)의 각 전극(21 및 31)은 도전체인 은을 관벽 외부 주면(1A)에 메탈라이즈로 장착해서 형성한 것이다. 이 전극(21 및 31)은 도전체인 은을 관벽 외부 주면(1A)에 메탈라이즈로 장착해서 형성한 것이다. 이 전극(21 및 31)을 피복하도록 하여 유전체층(22 및 32)이 형성된다. 유전체층(22 및 33)는 세라믹재, 유리, 수지등의 유전체 재료의 스프레이 코팅, 도포, 베이킹 등에 의해, 또는 개별로 성형한 유전체의 접착에 의해, 관벽 외부 주면(1A)의 전극(21 및 31)에 피착한 것으로서 그 두께는 0.1~5mm정도로 형성된다.

여기서, 유전체층(22 및 32)를 저융점 유리를 바인더로서 저 열팽창율 또는 음의 열팽창율을 갖는 세라믹재로 구성하는 경우에 대해서 설명한다. 저융점 유리로서 대표적인 산화계납(PbO·Ba₂O₃)를 사용하고, 세라믹재로서 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 질화붕소(BN) 및 질화규소(Si₃N₄)를 사용한다.

산화납(PbO·B₂O₃)은 융점이 400~450℃ 정도이고, 전극(21 및 31)을 형성하는 으에 대해 융점이 낮아서 전극(21 및 31)에 도포하여 소성하는데 적당하다. 또, 이산화납은, 전극(21 및 31)이 열 왜곡으로 부상해서 에어 갭 방전이 발생하는 초기 단계에서, 전극(21 및 31)이 용융 파괴를 일으키기 이전에 용융되어 에어 갭으로 유입하여 자기 재생하는 기능도 가지고 있다. 산화납 전체에 대한 혼합 비율은 50~90중량%이다.

티탄산 알루미늄 및 질화 붕소는 음의 열팽창을 가지고 있어, 산화납과 혼합함으로써 전체의 열팽창을 저감하는 역할을 한다. 전체에 대한 혼합 비율은 열 팽창율이 레이저용 방전관(1)의 열 팽창율에 거의 대등해지도록 조정되고, 예를 들면 티탄산 알루미늄은 18중량%이고 질화 붕소는 5중량%이다. 또, 티탄산 알루미늄 및 질화 붕소는 저융점 유리에 비해 열전도율이 커서 전체로서의 열 전도유로 커진다. 특히, 질화 붕소의 열전달율이 크기 때문에 질화 붕소의 혼합으로 방열성이 대폭 개선된다. 또, 질화 규소를 소량(에를 들면 2중량%) 가함으로써 세라믹재를 레이저용 방전관(1)에 도포할 때 도포의 용이함을 개선시킨다. 같은 효과를 얻기 위해 질화 규소 대신에 탄화 규소를 사용할 수도 있다.

상기 산화납, 티탄산 알루미늄, 질화 붕소 및 질화 규소는 용제와 함께 혼합되어 세라믹계 도료로서 레이저용 방전관(1)의 전극(21 및 31)에 도포되고, 또 항온층에서 소성된다. 그 소성 조건은, 예를 들면 450℃×30분이다.

이와 같이 해서 제조된 세라믹 피착층(유전체층)(22 및 32)에 의해 전극(21 및 31)은 완전히 피복되어 버린다. 따라서, 은이 수분에 접촉 반응하여 용출하는 일이 없게 된다. 또, 종래 전극(21 및 31)과 관벽 외부 주면(1A)사이에 있던 에어 갭 부분도 없어져서, 그 에어 갭 부분에서 유기되던 코로나 방전도 발생할 여지가 없어지게 된다. 또, 레이저용 방전관(1)과 전극(21 및 31) 사이의 열 왜곡에 의한 부상 에어 갭도 자기 재생되므로 이점에서도 코로나 방전의 발생 여지가 없어진다. 따라서, 전극(21 및 31)을 형성하는 은의 용출 및 박리, 전극(21 및 31)의 열화등도 방지할 수 있어, 레이저용 방전관(1)로서의 수명도 10배 이상 개선된다. 또, 용출한 은으로 전극 주변이 피복되어 특성이 악화(변화)하는 일도 없어진다. 방전관의 외관이 나빠지는 일도 없어진다.

또, 세라믹 피착층(22 및 32)는 그 열팽창율이 레이저용 방전관(1)과 거의 동일하도록 조정되어 있기 때문에, 세라믹 피착층(22 및 32)과 레이저용 방전관(1)과 의 사이에서 생기는 열 왜곡이 매우 작아져 열 왜곡에 의해 세라믹 피착층(22 및 32)이 박리되는 일도 없다. 따라서, 이점에서도 레이저용 방전관(1)의 수명이 대폭 개선된다.

또, 세라믹 피착층(22 및 32)에 높은 열전율 및 높은 내절연성을 갖는 재료를 이용함으로써 전극(21 및 31)의 방열 특성 및 내절연성을 개선할 수 있어서, 종래 억제되던 주입력(주입 전력)을 증대할 수 있다. 방열 특성의 개선으로 같은 주입 전력에서의 레이저 발진 출력은, 예를 들면 1570W이던 것이 본 발명의 레이저용 방전관에서는 1770W로 약 15% 증가가 가능해졌다. 전극 간 내 절연성은 5배 향상된다. 세라믹 피착층(22 및 32)는 400℃까지의 주입 파워에 견딜 수 있다. 또, -200℃~400℃의 급냉 가열 테스트에도 견딜 수가 있다. 또, 부분적으로 1500℃로 되어도 자기 재생 기능을 유지하는 것이 가능하다.

상기 설명에서는 음의 열팽창율을 갖는 세라믹재로서 티탄산 알루미늄 및 산화 붕소를 사용했으나, 다른 세라믹재, 예를 들면 티탄산 납을 사용할 수도 있다.

또, 티탄산 알루미늄 및 산화 붕소를 혼합해서 사용하도록 했으나, 티탄산 알루미늄 또는 질화 붕소중 어느 한쪽만을 사용해도 좋다.

또, 음의 열팽창율을 갖는 세라믹재 뿐만 아니라 저 열팽창율의 세라믹재를 사용해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

또, 예를 들면 티타늄 복합 산화물(TiO, Al₂TiO₅, MgTiO₃등)을 주성분으로 하는 세라믹재나 그의 티타늄 복합 산화물과 알루미나, 마그네시아, 산화 붕소등과의 복합 세라믹재를 세라믹계 도료로서 사용해도 좋다. 그 경우의 바인더로서는 상기 산화납 외에 실리콘이나 티라노 폴리머(Si-C)를 사용할 수도 있다. 티타늄 복합 산화물과 알루미나, 마그네시아, 질화 붕소등과의 복합 세라믹재를 사용하는 경우는 티타늄 복합 산화물과 알루미나, 마그네시아, 질화 붕소등과의 배합을 조정함으로써 낮은 팽창율 및 높은 열전도율을 나타내는 세라믹재를 얻을 수 있다.

또, 상기 설명에서는 전극에 은을 이용했으나, 다른 도전성 재료(예를 들면 금)을 이용하도록 구성할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에서는 레이저용 방전관의 전극상에 유전체를 피착 했으므로 전극은 그 유전체층에 의해 완전히 피복되어 버린다. 따라서, 종래 전극과 관벽 외부 주면 사이에 있던 에어 갭 부분도 없어지게 되고, 자기 재생 기능과 더불어 에어 갭 부분에서 유기되던 코로나 방전이 발생할 여지도 없어진다. 따라서, 전극 재료의 용출, 전극 열화등을 방지할 수 있다. 또, 용출한 은으로 전극 주변이 피복되는 데 따른 특성 악화(변화)도 없어져서 수명을 연장할 수가 있다. 또, 유전체층에 높은 열전도율 및 높은 내절연성을 갖는 재료를 이용함으로써 전극의 방열특성 및 내절연성을 개선할 수 있어서 종래 억제되던 주입 파워를 증대할 수 있다.

본 발명은 레이저 발진기에 사용되는 레이저용 방전관에 관한 것으로, 특히 관벽외부 주면에 설치한 전극의 절연 파괴 방지 등을 도모한 레이저용 방전관에 관한 것이다.

제1도는 본 발명의 레이저용 방전관의 구성도.

제2도는 본 발명의 레이저용 방전관을 이용한 레이저 발진기의 개략 구성도.

Claims (14)

1. 인가된 고주파 전압에 의해 방전을 일으켜 레이저 가스를 여기하는 레이저용 방전관에 있어서, 상기 레이저 방전관의 외부 주면에 장착된 전극 및 상기 전극에 피착되는 유전체층을 포함하고, 상기 유전체층은 저열 팽창 계수 또는 음의 열 팽창 계수를 가지는 세라믹재와, 저융점 유리인 바인더로 이루어지는 세라믹 피착층인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹재는 티타늄 복합 산화물인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
3. 제2항에 있어서, 상기 티타늄 복합 산화물은 티탄산 알루미늄 또는 티탄산 납인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
4. 제1항에 있어서, 상기 세라믹재는 질화 붕소인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹재는 티타늄 복합 산화물 및 질화 붕소인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
6. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피착층은, 질화 규소 및 탄화 규소와 혼합되는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
7. 제1항에 있어서, 상기 바인더의 혼합 비율이 50~90중량%인 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
8. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피착층은, 티타늄 복합 산화물, 또는 티타늄 복합 산화물, 마그네시아 및 알루미나와의 복합 세라믹재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
9. 제8항에 있어서, 상기 티타늄 복합 산화물, 또는 상기 티타늄 복합 산화물, 마그네시아 및 알루미나와의 복합 세라믹재에는 바인더로서 티라노 폴리머(Si-C)가 이용되는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
10. 제1항에 잇어서, 상기 세라믹 피착층은, 상기 전극상에 스프레이 코팅, 도포, 즉 증착에 의해 피착되는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
11. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피착층은, 저열팽창율 및 고열전도율을 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
12. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피착층은, 개별로 성형되어 접착에 의해 피착되는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
13. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피착층은, 용융점 온도 이상에서는 유동성이 높은 재질로 구성되고, 전극의 자기 재생 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.
14. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 피차층은, 상기 전극의 용융점 온도보다 낮고, 레이저용 방전 요구 내열온도 보다 높은 용융점 온도를 가지는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저용 방전관.