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오늘 이야기하는 주제는 물리학과는 상관이 없어 보일 수 있다. 하지만 오늘 다루는 개념들은 상용화된 레이저 장비에 적용되는 부품 및 개념으로 현대물리학의 중요한 주제라 할 수 있는 레이저를 실제 상용화된 장비에서 사용하기 위해서는 여러 부품과 제어 시스템이 필요한데 그 중 3가지를 오늘 다루게 될 것이다.
레이저 장비에는 여러 부품이 들어간다. 레이저를 발생시키기 위한 전기에너지를 만드는 장치, 만들어진 전기에너지를 빛에너지로 전환해 주는 장치, 전기에너지가 열에너지로 전환되면서 발생하는 열을 냉각시키는 장치 등 물리적, 공학적, 경제적 그리고 디자인적 고려가 집합된 산물이 현대의 레이저 장비다. 따라서 레이저 장비의 모든 것을 낱낱이 이해하는 것은 매우 방대하고 많은 시간이 걸리는 작업이기 때문에 오늘은 그 핵심이라 할 수 있는 TTL, PID, TEC 이 세 가지에 대해서 개념을 잡고 이 세 가지가 레이저 장비에 어떻게 적용되는지에 대해 알아보는 시간을 가져보고자 한다.
TTL
먼저 TTL이란 Transistor-Transistor Logic의 머릿글자를 따온 말로 회로도에서 사용되는 논리게이트 가운데 하나다. TTL의 역할은 간단하다. TTL에 전압이 5V 이상 걸리면 1을, 5V 이하라면 0을 출력하는 장치이다. 전압이 5V이상 걸리는지 여부에 따라 장비를 제어하는 데 사용된다.
PID
다음으로 PID란 Proportional Integral Derivative의 머릿글자를 따온 말로 제어 시스템에서 사용되는 제어 알고리즘이다. 알고리즘은 현재 온도와 목푯값의 오차를 줄여나가기 위해 목푯값에 근접하는 값을 반복적으로 찾아가는 것이다. 이때 오차를 줄이기 위해 오차의 변화율을 미분을 통해 알아내고 미분값이 크다면 변화율이 크다는 의미이므로 더 강한 에너지를 주어 오차를 줄이게 된다. 또한 오차의 누적은 적분을 통해 알아내어 오차를 보정하는 역할도 한다. 따라서 레이저 장비에 있는 광원의 온도를 제어하는 역할을 하게 된다.
TEC
TEC는 ThermoElectric Cooler의 약자로 우리말로 열전소자 혹은 열전냉각기라고도 한다. 또한 TEC는 Peltier 장치라고도 한다. TEC는 전기를 사용하여 열을 이동시키는 장치로 Peltier 열전효과가 주된 원리다. 열전효과란 열을 흡수한 전자가 Conduction band로 이동해 전류를 만들어내는 효과로 전류가 열에너지를 이동시키는 현상입니다. 따라서 TEC소자에 전류가 들어오는 면은 열을 흡수하면서 동시에 전류를 통해 열을 반대쪽 면으로 보내기 때문에 차가워지고 반대쪽 면은 뜨거워져서 온도를 제어할 수 있게 됩니다. TEC는 또한 온도센서가 달려있어 제어시스템에 온도정보를 전달할 수 있고 온도정보를 받은 제어시스템이 펜(Fan)을 작동시키기도 합니다. 레이저 장비의 경우에도 TEC에 부착된 온도센서를 통해 펜이 돌아가면서 냉각을 합니다.
정리
1. TTL은 논리게이트로서 5V이상이면 1을 5V이하면 0을 출력한다. 따라서 레이저 장비의 제어를 담당한다.
2. PID는 제어 알고리즘으로 오차를 줄여나가는 방향으로 목푯값을 반복적으로 찾아가는 알고리즘이다. 레이저 장비의 온도 제어 시스템을 담당한다.
3. TEC는 Peltier 열전 효과를 이용한 열전소자로 Laser Diode를 비롯한 레이저 광원의 온도제어를 담당한다.
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부정확한 내용이나 잘못된 사실은
알려주시면 바로잡도록 하겠습니다.
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그럼 다음 포스팅으로 찾아뵙겠습니다.
마지막 연휴 아쉽지만 즐겁게 보내시길 바랍니다.
감사합니다.
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