기계공작법1. 21세기를 이끌 플라즈마와 레이저- 목 차 -Ⅰ. 21세기를 이끌 플라즈마와 레이저031. 플라즈마와 레이저란 무엇인가?032. 플라즈마와 레이저의 특징043. 활용 용도 및 향후 과제054. 참고문헌 및 출처07Ⅰ. 21세기를 이끌 플라즈마와 레이저1. 플라즈마와 레이저란 무엇인가?(1) 플라즈마와 레이저플라즈마 : 물질의 상태는 열을 가하면 고체, 액체, 기체로 바뀌는데 이때, 가체상태에서 계속해 열 에너지를 가하여 수 천도가 되면 기체분자는 기체상태를 뛰어넘어 원자로 떨어져 나가고 전자와 양전하를 가진 이온으로 이온화가 된답니다. 이렇게 고온에서 전자와 이온으로 분리된 전저와 양전하를 가진 이온들은 음과 양의 전하수가 같아 중성을 띠고 있는 기체 상태로 바뀌는데 이것을 제4의 물질 상태인 플라즈마 상태라고 한다.레이저 : 유도 방출에 의해 증폭된 빛이라는 뜻으로 레이저 빛과 그 빛 을 발생시키는 물리적 현상과 장치를 말하며 레이저의 종류에도 고체, 액체, 기체로 구분된다. 오늘날에는 전자공학, 광통신, 의약학, 국방 분야 등 많은 분야에서 활용되어 진다(플라즈마의 원리)플라즈마의 원리 - 고체에 열을 가하면 분자사이의 몇몇 결합이 끊어 져 액체가 됩니다. 마찬가지로 액체에 에너지를 가하면 분자사의 결합 이 끊어져 기체가 됩니다. 이때까지만 해도 + 와 - 는 원자에 속해 있기 때문에 원자 하나하나 개별로 봐도 전체적으로 봐도 중성입니 다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체와는 다른 큰 차이점은 바로 양성자와 전자가 분리된다는 점입니다. 우리가 흔히 아는 원자의 구조에서 고체, 액체, 기체는 +, - 가 원안에 같이 있는데 액체에 강한 에너지를 가하 게 되면 더 이상 원자 간에 끊어질 결합이 없어서 양성자와 전자의 관계 가 끊어집니다. 그래서 너무 많은 힘을 가하면 양성자와 전자까지 따로 분리 되는 상태가 된 것이 바로 플라즈마입니다.레이저의 원리 - 레이저의 발생 원리는 광의 흡수와 방사, 유도 방출 과 광의 증폭으로 나뉜다.1)광의 흡수와 방사안정적인 원자에서 전자파를 입사시키면 그 원자는 광의 에너지를 흡수 하여 E1에서 E2로 증폭 되며 에너지를 흡수한 원자는 불안정하게 되 고, 짧은 시간 내에 에너지를 방출하게 되는데, 이렇게 E2에서 E1으로 에너지를 방출 하는 것이 천이라고 하는데 천이에 의한 방출에는 자연 방출과 유도 방출로 대별 된다.2)유도 방출과 광의 증폭주파수 v인 전자파가 존재하고 원자가 여기 상태에 놓여 있는 상태에서 전자파가 입사하면 안정 상태로 향한 천이가 발생하고 hv의 에너지를 갖는 광자를 발생한다. 이는 자연 천이와 구별되며, 광자와 주파수, 위 상 및 편광이 모두 같은 광자를 방출하는 일종의 공진 현상을 일으키게 되는데 이를 유도 방출이라고 한다. 유도방출을 유발하는 입사광은 증 폭된 원자의 자극에 의해서만 작용하므로 다른 에너지로 변환이나 감소 로 하지 않으며 유도 방출에 의해 생성되는 광자를 포함하면 두 개의 광자로 증가하게 되는데 이를 광의 증폭이라 한다. 유도 방출에서 나온 빛을 더욱 강한 빛으로 만들면 그것이 레이저의 발진이 되는 것이다.2. 플라즈마와 레이저의 특징(1)특징1.레이저- 단색성 : 레이저는 여러 가지 파장의 빛이 섞여있지 않는, 거의 단일 파장에 가까운 빛이다.- 지향성 : 빛의 퍼짐 정도가 매우 작고, 일직선 방향으로 직진한다.-간섭성 : 위상 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪히면 곧 간섭을 일으킨다.-집속도 : 렌즈를 이용하여 매우 작은 크기로 접속 가능하다.-에너지 집중도 및 고휘도성 : 태양 빛을 렌즈에 집중시키면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저 빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 녹인다.2.플라즈마-부분 이온화된 비율 : 이온화된 소립자 및 자연 상태의 중성 원리, 분자들을 포함하며, 부분적으로 이온화된 가스-전도성 기체 형태를 뜀 : 전체적으로 중성이나, 전자 및 이온이 존재하고, 내부 전기장이 존재하여, 전하 이동하는 전도성 기체 특성을 지닌다.-마치 자유 입자처럼 행동 : 인접 전자, 이온 간에 정전기적 인력 및 척력이 상쇄되어 자유 입자처럼 거동 한다.-빛 발생 : 플라즈마 내에서 전자, 원자, 분자 간의 충돌로 여기 및 이완이 되며, 이로 인한 광자 방출로 빛이 발하기도 한다.-전하의 생성 및 소멸 : 이온화 과정에 의해 전자, 이온이 생성되고, 확산되며, 다시 중성 원자 또는 경계 벽과 충돌/재결합을 하면서 소멸을 하며, 생성과 소멸을 반복한다.3. 활용 용도 및 향후 과제(1)활용 용도레이저의 응용분야 - 10 년 전, 휴대폰 제조, 의류 가공 및 기타 시장의 급속한 확장으로 인해 많은 사람들이 파이버 레이저 산업의 첨단이라고 생각하는 파이버 레이저에 대한 수요가 급증했습니다. 최근 몇 년 동안 휴대 전화 및 의류의 성장 속도가 느려지고 광섬유 레이저 시장의 "천장"에 대한 많은 의견이 나타났습니다.지능형 제조 시대와 인터넷의 시대가 도래함에 따라 광섬유 레이저의 미래 응용은 점점 더 광범위해질 것이며 새로운 에너지 차량, 신소재, 광섬유 통신 및 기타 분야가 곧 완전 가동 될 것입니다. 시장 전망은 무한합니다. 이러한 신흥 분야의 본격적인 출현으로 인해 향후 10 년 동안 광섬유 레이저 시장 또한 큰 성장을 보일 것입니다.1)철도 운송국가 계획에 따르면, 고급 제조 분야에서 중국은 철도 운송 및 에너지 절약 장치의 신속한 개발을 촉진하는 데 주력 할 것입니다. 철도 운송의 요구 사항은 견고하고 높은 치수 정확성과 안정된 품질입니다. 여기서, 레이저 용접의 연속성 및 고효율성이 사용될 수 있다. 현재 철도 차량 제조에 파이버 레이저를 적용하는 것은 핵심 부품의 에너지 절단 및 용접에 초점을 맞추고 있습니다. 앞으로 고속철도와 지하철 건설이 종합적으로 이루어지면서 광섬유 레이저에 대한 수요 또한 증가 할 것입니다.플라즈마의 응용 분야 - 플라즈마는 우리 생활의 다양한 부분에서 응용되고 있고 그 중요성이 점점 높아져 가고 있다. 에너지 분야에서는 초고밀도, 초고온 플라즈마를 형성하여 핵융합반응을 일으켜 발전을 하고자하는 핵융합로가 주목받고 있다. 화석 연료는 가까운 장래에 확실히 고갈될 것일 뿐 아니라 그 연소에서 발생되는 이산화탄소에 의한 지구 온난화는 심각한 환경문제로 대두되고 있다. 한편 핵분열반응에 의한 원자력발전의 원료인 우라늄도 유한한 것이며 원자로의 안정성과 방사선 핵폐기물의 처리가 문제시되고 있다. 이화 같은 상황에서 핵융합발전이 실현된다면 인류는 바닷물 중에 함유된 수소동위원소를 연료로 하여 반영구적으로 깨끗한 에너지원을 확보하게 되는 것이다. 핵융합의 원리는 중수소와 삼중수소가 높은 에너지로 충돌하면 2개의 원자핵이 융합하여 헬륨으로 변하고 중성자가 나온다. 즉 핵반응이 일어나 그 때 발생하는 질량 결속이 헬륨과 중성자의 막대한 운동에너지가 되어 방출된다. 핵융합으로 발생된 중성자를 핵융합으로 주위의 흡수매질에서 흡수하여 증기에너지로 바꾸고 이를 이용하여 터빈을 돌려 전기에너지로 발전을 한다.(2)향후 과제플라즈마 기술을 활용한 대기오염 방지기술뿐 아니라 환경 전 분야에 걸친 관심이 높아지고 있다. 과연 플라즈마 기술이 기존 처리기술(공정)의 대안을 제공할 수 있는지가 핵심이며, 다양한 기술과의 융·복합을 통해 플라즈마가 가진 단점을 극복 하고자 하는 노력으로 경제성 확보에 주력한다면 미래 친환경기술로 에너지 안보 및 환경오염 저감이라는 두 마리 토끼를 전부 잡을 수 있을 것이다.
