다중 공진형 컨버터를 이용한 이중 캐비티 구조의 4Hz 의료용 루비레이저 시스템 개발

Development of 4Hz Medical Ruby Laser System with Double Cavities using Multi-Resonant Converter

Abstract

Various laser systems have been widely used in almost all industrial technologies because they have high energy density, directivity and coherence. Recently the clinical application is becoming wider in medical parts such as incurable disease, diagnosis and so on. Generally, ruby laser beam has the greatest efficacy for removing tattoos, freckle and other skin problem. But current medical ruby laser system has the maximum repetition rate of 2Hz and optical output beam energy of 1J. Many medical doctors really want to have a high repetition ruby laser system because that can reduce the operation time. We investigated a new ruby laser system with high repetition rate of 4Hz using double cavities. Furthermore, we develop a new power supply system adopting zero voltage switching(ZVS) to minimize switching loss by LLC resonant converter designed as 2kW class.

1. 서 론

레이저는 파장과 위상이 잘 일치된 단일 주파수의 높은 에너지를 가진 빛으로서, 그 단색성, 지향성, 높은 에너지 밀도 등의 특성에 의해 거의 모든 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 광 도파로를 이용하여 인체의 깊은 곳 까지 에너지를 전달 할 수 있게 되면서 질병의 진단과 치료 뿐 아니라 난치성 질병에서까지 널리 사용 되고 있어 가장 강력하고 편리한 의료기기로 자리 잡고 있다[1, 5].

현재 의료용 루비레이저는 그 강도를 높이면서 조사시간을 단축시킨 Q-스위치 펄스를 이용하여 피부의 기미/주근깨 등 색소 침착 질환 및 문신제거 등에 폭넓게 사용된다[2]. 현재 시중에서 사용되고 있는 루비 레이저 시스템의 반복률은 2Hz이며, 의료계는 시술시간의 단축을 위하여 반복률이 더 높은 새로운 시스템을 요구하고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 4Hz의 반복률을 갖는 루비레이저 시스템의 개발을 목표로 하였다. 루비 레이저는 그 매질의 낮은 펌핑 효율로 인하여 펄스 반복률을 높이는 것이 매우 어렵다. 이를 보완하기 위해 레이저 캐비티를 2개 병렬로 구성하여, 한 개당 2Hz 씩 번갈아 가며 레이저빔이 나오도록 제작 하였으며, 반복률에 따른 레이저빔의 출력특성을 연구하였다.

 

2. 본 론

2.1 레이저 공진기

레이저 공진기는 레이저 매질 및 펌핑용 광원을 갖는 캐비티와 그 양 끝에 설치되는 두 개의 거울로 구성되며, 거울 중 하나는 특정 파장에 대하여 거의 100%의 반사율을 가진다. 또 다른 거울은 빛의 일부를 투과시켜 레이저 빛이 나올 수 있도록 설계된다[6]. 유도방출 된 빛이 양쪽 거울에 의해서 무수히 반사되면서 거의 모든 원자들이 유도방출을 일으키게 되며 매질을 따라 진행 하는 빛은 중첩되는 유도방출의 빛에 의해 기하급수 적으로 증폭된다[3].

그림 1루비레이저 공진기 Fig. 1 Ruby laser resonator

기존의 단일 공진기 구조가 가진 레이저 매질의 낮은 펌핑 효율에서 오는 반복률의 한계를 보완하기 위하여 레이저 공진기 2개로 구성하여, 한 개의 공진기당 2Hz 씩 번갈아 가며 동작시켜 레이저 빔을 반복적으로 발생시킴으로써 총 4Hz의 빔이 나오도록 구성하였다.

그림 2다중 루비레이저 공진기 구조 Fig. 2 Multi ruby laser resonant structure

고체레이저의 경우 레이저 발진을 위한 보조 에너지원으로 펌핑 광원을 사용한다. 본 연구에서는 제논(Xenon)램프를 사용 하였다. 제논 램프는 램프의 임피던스를 낮추는 방시인 시머 트리거링을 통해 임피던스를 낮춘 후 순간적으로 대전류를 흘려 강한 가시광선을 발생시킨다. 직률 1kV를 램프 양돈에 인가시켜, 전류 약 0.1A를 상시 흐르도록 함으로써 램프의 임피던스를 무한대에서 10kΩ으로 낮춤으로써, 상대적으로 낮은 전압으로 제논램프에 가시광선을 발생시킨다. 그림 3과 같이 주 전원과 트리거 전원을 분리시켜, 제논램프에 저전류 DC 전압이 항상 유지되게 함으로써 램프를 안정적으로 동작시킨다[4].

그림 3레이저 전원장치 Fig. 3 Laser power supply

그림 4시머모드 트리거링 회로 Fig. 4 Simmer mode triggering circuit

표 1설계사양 Table 1 Specification

표 2트랜스포머 설계사양 Table 2 Specification of transformer

제논램프를 안정화 시킨 후, 커패시터에 충전된 에너지를 주 전원의 IGBT(eupec사 제품 정격전압 1200V, 정격전류 200A)의 게이트 신호를 제어하여 제논램프에 공급함으로써 램프를 방전시킨다. 그림 3은 트리거전원, 시머전원, 주 전원으로 구성된 루비 레이저 시스템의 전원장치를 보여준다.

광펌핑에 의한 루비레이저 광 에너지 효율을 0.12~0.14%이다. 1Hz/1J 루비레이저 구동을 위한 캐패시터 충전에너지는 위의 식에 의하여 결정된다[8, 9].

2.3 LLC 공진 컨버터

LLC 공진 컨버터는 LC직렬공진 컨버터에 비해 Lr과 Lm의 차이를 작게 함으로써 Lm이 공진탱크에 관여하도록한다. LLC 공진 컨버터는 넓은 입력전압 범위에서 정전압 구현이 가능하고, 비교적 적은 주파수 변동으로 정전압을 구현하며 ZVS(Zero Voltage Switching)을 통해 스위칭 손실을 감소시킨다. LLC 공진컨버터는 2kW급으로 설계 되었다[11]. LLC Resonant Full-Bridge Converter 설계는 Infineon社의 어플리케이션노트 AN2012-09를 참고하여 설계하였다[12].

그림 5ON · OFF시 MOSFET의 스위칭 손실 Fig. 5 The switching loss of MOSFET at ON · OFF time

그림 6LLC 공진 컨버터 Fig. 6 LLC resonant converter

그림 7의 시뮬레이션에서 MOSFET ON·OFF 시의 ZVS 동작을 확인할 수 있다.

그림 7LLC 공진 컨버터 Simulation Fig. 7 LLC resonant converter simulation

그림 8LLC 공진 풀브릿지 컨버터(좌), 루비 레이저 전원 공급장치(우) Fig. 8 LLC resonant full-bridge converter(left), Ruby laser power supply(right)LLC

2.4 UCC25600

레이저 발진 시 커패시터를 충전하기 위한 돌입전류를 방지하기 위하여 UCC25600을 이용해 MOSFET의 게이트 드라이버를 구현 하였다. 주파수는 UCC25600의 발진기에 의해 정해지며, 발진기는 RT 핀에 흐르는 전류에 의해 제어된다.

본 논문에서는 fs=54kHz에 맞춰 저항을 결정하였다.

2.5 실험결과

그림 9는 커패시터의 충·방전 동작을 위한 IGBT의 게이트 신호이다. 메인 전원장치의 충전전압은 500-600V이며, 충·반전은 두 개의 IGBT를 이용하여 제어된다.

그림 9캐패시터 충·방전을 위한 IGBT제어동작 Fig. 9 The IGBT control for chargingdischarging of capacitor

그림 10과 11은 2Hz와 4Hz 레이저 출력 파형을 보여주고 있다. 세로축은 전압 축으로 한 칸당 200V, 가로 축은 시간 축이며 한 칸당 400ms이다. 그림에 표시 된 것은 각각 500ms가 되는 지점이며 모두 이상 없이 최종 전압인 600V에 도달하는 것을 알 수 있다.

그림 102Hz 레이저의 출력전압 Fig. 10 The output voltage of 2Hz laser

그림 114Hz 레이저의 출력 전압 Fig. 11 The output voltage of 4Hz laser

 

3. 결 론

본 연구에서는 최대 4Hz/1J의 레이저빔 출력을 갖는 루비 레이저 시스템의 개발을 목표로 하여 반복률에 따른 레이저빔의 출력특성을 연구하였다. 레이저 전원장치의 주 전원은 2kW급 LLC 공진형 풀 브릿지 컨버터를 적용하여 설계하였으며, ZVS 동작을 구현하여 스위칭 시의 손실을 최소화하였다. 또한, 공진기의 구조를 단일 공진기에서 두 개의 캐비티를 갖는 이중 공진기 방식을 적용함으로써 공진기 한 대당 2Hz 씩, 최대 4Hz의 레이저빔을 발생시켰다.

4Hz 레이저빔 출력을 기존의 2Hz 레이저빔 출력과 비교하였을 때, 최종 출력 전압과 광 출력 발생 시에 떨어지는 전압이 거의 일정함을 알 수 있었으며, 이는 단 발에 소모되는 에너지의 총 량을 일정하게 유지함으로써 레이저 동작특성을 안정화 시켰다는 것을 확인할 수 있다.