레이저포인터/물리적 구조

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1 레이저 불빛을 발생시키는 방법

레이저 불빛을 발생시키는 방법은 반도체 소자를 이용하여 레이저 빛을 발생시키는 반도체 레이저 방식과 매질을 외부의 광에너지로 펌핑하는 매질 펌핑 방식이 있다.

반도체 레이저는 레이저 다이오드 라고 하는 반도체 소자를 이용하여 레이저 불빛을 발생시키게 되는데, 발생된 불빛은 LED처럼 넓게 퍼지기때문에 이를 렌즈(집광 렌즈,콜리메이터 렌즈) 를 통해 작은 점으로 모아주는 방식으로 레이저 빛을 발생시킨다. (레이저포인터는 반도체 레이저 방식을 이용함)

펌핑 방식은 외부의 강력한 광원(대부분 제논 스트로보 램프,크세논 방전관) 을 이용하여 매질에 강력한 빛 에너지를 쏘아서 레이저 불빛을 발생시키며, 매질에 따라 재각각 다 다른 레이저 색상이 발생된다. 매질은 고체,기체가 이용된다.

거의 모든 레이저 포인터가 반도체(레이저 다이오드)방식과 DPSS 펌핑 방식 레이저를 사용하므로 매질(기체, 고체) 펌핑 방식의 레이저에대해서는 이 문서에서는 다루지 않습니다.

2 DPSS 방식과 직사 방식

2.1 DPSS, Diode Pump Solid State

DPSS는 532nm의 그린레이저에 아주 흔하게 사용되는데, 펌핑 방식레이저 중 하나이다.
DPSS 그린레이저의 경우 ND-Yvo4 (네오디뮴 이테르븀 바나데이트) 성분으로 구성된 크리스탈에 빛을 통과시켜 808nm의 적외선을 1064nm의 적외선으로 뻥튀기한 뒤 KTiOPO4(인산티탄포타슘, KTP)성분의 크리스탈을 이용하여 파장을 반토막으로 잘라내려 532nm의 초록색 레이저광을 방출한다.

즉,532nm그린레이저 펌핑방식은 적외선 레이저다이오드의 작동에 의해 이루어지는것이다. 그렇다보니 출력되는 빛에는 최종적으로 적외선 성분이 같이 실려나오게 되는데 이는 적외선 필터를 레이저포인터에 장착하는것으로 예방할 수 있다.
(중국산의경우 원가절감을 위해 적외선필터는 생략된다.)

이는 직접 방식의 그린레이저보다 가격이 매우 저렴하다.(대략 1/10수준의 가격.) (대부분 중국에서 생산된다는것을 생각해보자!!)성능도 동시에 매우 저렴하다.

하지만 이 방식의 레이저포인터는 적외선이 섞여서 나오게 된다는것 뿐만 아니라 온도 변화에따른 동작 특성이 크게 달라진다는것도 문제. 온도가 낮아지면 빔이 안나오게된다.
이는 DPSS방식의 작동 원리로 인한것으로 주변의 온도를 높이는 방법 말곤 해결할 수 없다.

DPSS방식 그린레이저 532nm 작동 원리와 내부 구조.

2.2 직사 방식

제곧내
광원에서 해당하는 색상의 레이저 불빛을 직접 발생시킨다.

이 방법은 기온 변화에따른 동작특성변화가 없다.
(물론 배터리가 먼저 냉각되어서 성능이 저하되는건 어쩔 수 없다. 우리나라의 12월달 기온은 영하까지도 내려가는데 이럴때는 배터리가 제성능을 발휘하지 못하는 경우가 태반.)

또한 물리구조가 매우 단순해지므로(DPSS식에 들어가는 잡다한 크리스탈,렌즈,적외선 필터가 필요없어진다.) 물리적 내구성을 크게 증가시킬수 있다는것도 큰 장점중 하나.

하지만 가격이 초 고가이며[1], 일부 색상은 직접방식의 레이저다이오드를 구할 수 없다는 문제점이 있다[2].

3 레이저포인터를 구성하고있는 부품들

레이저포인터는 이러한 레이저를 발생시키는 기기를 소형 경량화로 제작해야한다. 그러므로 반도체 레이저 방식으로 제작된다.
레이저포인터의 핵심적 구성요소 3가지는 레이저 다이오드,구동 회로,집광부 세 부분이다. 즉, 레이저포인터의 몸통이 없는 상태라도 이 구성부만 가지고도 레이저포인터로 사용할 수 있다.

레이저포인터의 몸체는 레이저 불빛을 발생시키는 광원을 보호하는 목적과,미관상의 디자인을 담당하는 역할을 하고있으며 일반적으로 펜타입과 핸드헬드형으로 구분한다.(손전등도 마찬가지인듯.)[3]

레이저다이오드는 레이저 불빛을 발생시키는 부품으로써 LED(발광 다이오드) 와도 상당히 비슷한 특성을 갖는다. 반도체 소자이므로 열에 취약하니 높은 출력의 레이저를 발생시키기 위해서는 반드시 방열판을 달아주어야 한다.(컴퓨터의 CPU처럼 방열 작업을 해주어야 한다.)

구동 회로는 레이저 다이오드에 안정적인 전원을 공급하는 역할을 한다. 이 회로는 간단하게 저항 소자 하나만으로 구성하는 방법부터, 전문적인 정전압/정전류 구동 소자를 이용한 복잡한 소형 회로까지 아주 다양한 회로가 있다.

최종적으로 레이저 다이오드에서 발생된 불빛은 집광 렌즈(콜리메이터 렌즈) 를 통하여 한 점으로 모아지게되며,이렇게 모아진 불빛은 비로소 레이저 역할을 할 수 있게 된다.(집광하기 전의 빛은 LED손전등처럼 사방으로 퍼지는 방사되는 빛일 뿐이다.)

4 레이저포인터의 작동 전압

파랑색 계열(405nm,445nm,450nm,473nm,488nm 그외 앞자리가 4로 시작하거나 5로 시작하는 500 초반 영역대의 3자리 숫자에 해당하는 파장) 의 레이저는 보통 4.5~6v의 동작 전압을 갖는다.

초록색 계열(520nm,560nm 같이 앞자리가 5로 시작하는 100의자리 숫자 중 500중반에 해당하는 파장. 단,532nm는 예외이므로 제외한다.)[4][5]의 레이저포인터는 6~7v의 전압에서 작동한다.

빨강색 계열(600nm~700nm대역의 600초반~600후반에 걸쳐있는 파장) 은 보통 2.5v정도의 전압에서 작동. [6]

만약 이 이외의 작동전압과 색상을 갖는 레이저 다이오드가 있을 시 정보를 추가해주기 바람.

5 자외선/적외선 근처의 빔라인 관련 문제

405nm의 보라색 레이저포인터는 출력이 아주 높지 않다면 빔라인이 눈에 안보이는데[7],이는 보라색 계열의 레이저가 자외선의 파장에 가깝기때문에 생기는 문제이다.

이는 비단 405nm뿐만이 아니라 700nm대의 핑크색 레이저포인터에게도 해당되는 문제. 그나마 보라색은 파장이 낮아서 기중 산란성이 우수하다고 하지만...핑크색은 기중 산란성도 낮고,빔라인 확보를 위한 충분히 높은 출력을 내는 부품조차 구할 수 없다보니 보라색보다 빔라인 확보가 더 어렵다.

보통 덕후들 사이에서도 이러한 레이저의 빔라인이 잘 안보이는 특성은 토론거리가 되곤 한다.그리고 높은 출력의 레이저라면 이러한 색상도 가시성이 좋을 수 있다는 의견이 중론.

실상이 그렇다보니 레이저포인터 취미인들 사이에서도 보라색 레이저포인터 부품은 무조건 최고출력의 부품으로 구하려고 하는 추세이다. [8] 핑크색의 경우 GWA-4166B DVD rw에서 120mw수준의 레이저 다이오드를 얻을 수 있다고 한다.

1000mw급의 405nm레이저포인터 빔라인. 고출력의 자외선 레이저 소스만이 선명한 빔라인을 형성할 수 있다.

이보다 더 높은 출력의 보라색이나 핑크색 레이저 다이오드 부품이 들어가는 장비 혹은 해당 부품에대한 정보를 알고있다면 추가바람.

6 집광(빛 모으기) 렌즈

맨 처음 광원에서 발생된 레이저 불빛은 LED전구의 불빛과도 별반 다를것이 없다. 이 불빛은 레이저의 특성만 가지고있을 뿐,레이저로써 구실을 하지 못한다.내가 고자라니! 이게무슨소리야! 이러한 불빛을 렌즈를 통하여 모아주면 비로소 레이저 역할을 하는 불빛으로 바뀌게 되는데 그 원리는 돋보기로 태양빛 모으는것과 아주 비슷하다.
(태양빛을 모으게되면 아주 좁은 집광점이 생기고,집광점 온도가 아주 높아지듯이, 광원에서 방사되어 사방팔방으로 확산되는 레이저 빛도 렌즈를 이용하여 모으면 한 점으로 모이는 레이저 빛으로 변하며, 상당히 파괴적인 위력을 발휘하게 된다.)

레이저포인터 전용으로 나온 앞뒤 양면 반사방지 코팅과 광학적 코팅이 되어진 고급 레이저포인터 집광 렌즈도 구할 수 있다.

대부분의 중국산 레이저포인터들은 원가절감을위해 광학아크릴(고투명 플라스틱) 렌즈를 이용한다. 하지만 아크릴 렌즈는 빛 투과율이 유리렌즈나 반사방지 코팅된 특수 렌즈에 비해 대단히 낮다.[9]일반적으로 이용되는 아크릴 렌즈의경우 렌즈의 오염에따른 세척이 힘들대는 치명적인 단점이 존재한다.(아크릴은 외부 물리적 데미지에 아주 취약함. 렌즈 세척만으로도 흠집이 발생하게되고, 알콜 등의 세척제를 이용할경우 렌즈가 녹아버리는 수도 있다.)

아예 레이저포인터 취미인들 사이에서는 이런 아크릴렌즈를...그거 그냥 번들렌즈임 쓰다 버리던가, 유리렌즈로 바꾸는게 좋음 이라고 할정도.

DVD롬 픽업모듈의 레이저 발생 부분에도 아크릴렌즈가 이용된다.(DVD픽업 모듈 세척할때에 렌즈 잘못건드리면 아예 골로가버린다는 의미.)

7 빔 발생 형태

레이저포인터는 멀티모드와 싱글모드 두가지 방식의 빔 발생 종류가 있다. 멀티 모드는 저출력의 광원을 여러개 이어붙인 것으로 생각하면 된다.(컴퓨터의 CPU가 성능 향상을 위해 멀티코어를 사용하는것과 같은 이치.) 이는 단일 광원으로는 발생시킬 수 있는 레이저 출력의 한계가 있기 때문에 여러개의 광원을 한군데 집합시켜 출력을 높인 것이다.

멀티모드는 이러한 특성으로인해 집광시 빔이 고양이 눈처럼 양 옆으로 날카롭게 찢어진 타원형의 빔이 나오게된다.(빔라인도 위아래로 길쭉한 럭비공 형태의 빔라인이 출력됨.)
멀티모드 레이저포인터의 빔 형태. 고양이 눈처럼 길쭉하게 찢어진 모양.

싱글모드는 한개의 단일 광원에서 레이저 빛을 출력하게된다. 출력은 낮지만 빔 퀄리티가 깔끔한 원형으로 나온다는것이 큰 장점. 보통 우리가 이용하는 레이저포인터가 이러한 싱글모드에 해당된다.

멀티모드 레이저포인터는 무슨 방법을 이용해도 고질적인 특성으로인해 아주 작은 점으로 초점을 모을수가 없지만 싱글모드 레이저포인터는 렌즈 특성에따라 집광되는 도트의 사이즈가 다 달라지게 된다.

8 최종적인 부품들의 구성

[1]
DPSS 펌핑 방식 레이저포인터의 내부 구조. 배터리를 이용하여 파워서플라이 회로를 동작시키고 파워서플라이 회로는 레이저 다이오드 부품을 동작시킨 후, MCA(Multiple Crystal Assembly)모듈을 통과한 빛은 색상이 변해서 출력된다.

직사 방식은 이보다 구조적으로는 조금 더 간단해지지만 어디까지나 구조적으로 간단해질 뿐,물리적 결합부가 많고, 예상외로 꽤나 복잡한 구조라는것은 별반 다를바 없다.
(직사방식에서는 MCA모듈,확산렌즈가 빠진 구조로써, 그 외 내부구조는 위 사진과 동일.)

레이저포인터는 이처럼 전자/기계 구조가 동시에 맞물려 작동되는 물건이다. 우리가 생각하는 문방구 레이저포인터만 보더라도 당장 그 구조가 예상외로 그리 간단한건 아니라는것을 알 수 있다. [10]
  1. ↑ 레이저포인터 항목의 서양 Laserpointer Holic이 얻어낸 소량의 레이저다이오드가 한국돈으로 약 600만원어치다!!! 몇개 되지도 않지만 가격이 이모양. 이곳을 보면 알겠지만 그 몇개 되지도 않는 수량을 600만원에 구한거면 저렴하게 구입한 것이다(...)
  2. ↑ 가령 488nm 혹은 593nm 직접방식 다이오드. 488nm는 일본의 대기업이 특허를 갖고있는데 이 기업에 문의해보면 알겠지만 실함 목적이나 연구 목적으로는 판매를 안 한다. 즉, 이런 색상을 구하기위해서는 오히려 어둠의경로로 돌아다니는 레이저장비를 분해하는수밖에...
  3. ↑ 펜타입의 레이저포인터는 보통 우리가 많이 이용하는 AAA형 건전지 두개를 이용하는 모델을 칭하며,핸드헬드형 레이저포인터부터는 18650,CR123시리즈 배터리같이 비교적 대형 고출력의 배터리를 이용한다.
  4. ↑ 532nm그린레이저는 DPSS라는 방식이므로 직접 녹색 빛을 발생시키는 레이저다이오드와는 다른 작동전압을 갖는다.
  5. ↑ 532nm는 2.3~2.5v근처에서 작동한다. 당연히 빨간색 레이저계열과 구동회로가 서로 호환된다.
  6. ↑ 단,HL63603TG 같은 저전압 다이오드는 더 낮은 2.3v부터 작동,2.8볼트 근처에서 한계.
  7. ↑ 보라색 레이저 200mw가 녹색 레이저 5mw급의 빔라인 밝기 수준. 그렇다보니 1000mw의 보라색 버닝레이저라고 해도 20~30mw수준의 그린레이저 밝기가 겨우 나온다. 그나마 그마저도 암적응상태가 아니라면 보라색 빔라인은 보기가 대단히 힘들다.
  8. ↑ 레이저포인터 항목에서 보았다싶이 배속이 높은 광 디스크 기기일수록 레이저 부품의 출력이 높아지는데,16배속 블루레이 롬에는 최대 1200mw급의 레이저 다이오드가 들어간다고 알려져 있다.
  9. ↑ 30% 가량의 투과율 차이가 있다. 이는 비교적 저출력군에서는 별다른 지장 없이 사용이 가능하지만,본격적인 하이 퍼포먼스를 발휘하기에는 좋지 못하다는 의미. 실제로 고급 레이저포인터에는 양면 반사방지 코팅 렌즈가 이용된다.
  10. ↑ 문방구 레이저포인터는 99.99% 중국 제조로써, 전자회로 파워서플라이 대신 저항소자 하나만 이용한 간단한 파워서플라이 회로를 이용하며, 집광 렌즈는 플라스틱 성형렌즈를 이용한다. 하지만 당연히 핵심 부품인 광원은 존재하며, 광원 부분은 여타 레이저포인터와 별반 다를건 없다.