재활용의 가장 큰 문제는 분리입니다. 못 쓰게 된 장치나 사물을 더 세밀하고 질서정연하게 분해할수록 더 많은 원자재를 회수할 수 있습니다. 하지만 제조에 추가되는 많은 것들은 다시 쉽게 분리될 수 없습니다:
스크랩 속에서 귀중한 자원 찾기
이론: 우리는 재활용을 위해 사물을 구성요소로 분해하고 품질저하 없이 재료를 사이클로 되돌립니다. 현실: 엄청난 양의 스크랩 더미. 종류별로 어떻게 분류합니까? 프라우엔호퍼 레이저 기술 연구소(ILT)는 이를 위한 새로운 프로세스를 개발했습니다. 센서는 레이저 방출분광법을 사용하여 그 아래 컨베이어 벨트에서 빠르게 지나가는 스크랩의 화학적 성질을 식별합니다. 그런 다음 사람이나 AI 지원 자동 설비가 분류합니다. 레이저 방법은 전자 스크랩, 자동차 부품 등의 까다로운 폐기물에도 적합합니다. 이 방법은 몰리브덴, 코발트 또는 텅스텐과 같은 귀중한 원자재의 최소량 또는 심지어 합금성분도 인식합니다. 이 레이저 검출기로 향후는 이전보다 훨씬 더 많은 재료가 사이클로 되돌아갈 수 있게 될 것입니다.
두 가지 또 다른 예: 전기 자동차 배터리용 전극을 생산할 때 기업에서는 귀중한 리튬, 코발트 및 니켈로 포일을 코팅합니다. 이들 모두가 품질검사를 통과하는 것은 아닙니다. 레이저 빔이 매우 얇은 층을 어블레이션하고 귀중한 분진을 수집하여 사이클로 되돌립니다. 그리고 알루미늄 교통표지판이 더 이상 최신 상태가 아니거나 라벨이 보기 흉해지면 스크랩 더미에 놓이게 됩니다. 이는 다시는 벗겨지지 않는 규정된 특수 필름 때문입니다. 하지만 CO2 레이저를 사용하면 잔여물을 남기지 않고 빠르게 제거할 수 있습니다.
레이저는 교통표지판이나 전기 자동차 배터리 폐기물을 재사용하거나 스크랩에서 귀중한 자원을 발견하는 등 재활용에 도움을 줄 수 있습니다.
리소스를 이용할 때 가장 좋은 방법은 항상 더 적게 사용하여 최소한 동일한 것을 달성하는 것입니다. 레이저 가공이 수십 년 동안 이 효율성 모토를 지켜왔다는 것은 극단적인 주장이 아닙니다.
광전지 및 선박운송 분야에서도 효율성이 더욱 향상됩니다. 단 한 달 만에 사막의 PV 모듈은 증가하는 분진층으로 인해 출력의 최대 30%를 잃습니다. 겹치는 레이저 빔은 활성 분진방지 표면구조를 만듭니다. 그리고 미생물, 조류, 식물, 조개 및 따개비 등이 선박 선체에 정착합니다. 이로 인해 연료소비가 최대 60% 증가합니다. 다이오드 레이저의 빔은 수중 성장을 안전하고 완전하게 제거할 수 있습니다.
레이저 테크놀로지는 리소스를 절약합니다. 낮은 에너지로 배터리 포일을 건조하고 운송 시 연료를 절약하며 깨끗한 광전지 모듈을 보장합니다.
모두를 위한 치료법
하드 엑스선 방사는 암세포에 효과적인 치료법입니다. 하지만 이 치료법은 환자들에게 매우 부담을 주기도 합니다. 전자빔을 이용한 치료는 더 온화하고 더 성공적일 것입니다. 왜냐하면 전자빔은 더 정확하게 초점을 맞출 수 있고 따라서 주변 조직에 영향을 주지 않고 암세포를 표적으로 타격을 가할 수 있기 때문입니다. 그러나 전자빔 장치는 거대하고 매우 비싸기 때문에 거의 없습니다. 이 두 가지는 이제 전자를 완전히 다른 방식으로 가속시키는 소위 레이저 활파 방법 덕분에 변화하고 있습니다. 이를 통해 이전보다 더 많은 사람들에게 더 좋은 부드러운 암치료가 가능해질 것입니다.
또한 레이저는 다른 곳에서 전 세계의 더 많은 사람들이 좋은 의료 서비스를 받을 수 있다는 것을 의미할 수도 있습니다. 왜냐하면 비록 레이저 기반 디지털 홀로그램 마이크로스코프라고 불리는 완전 첨단기술방법을 사용할지라도, Connecticut 대학교 Bahram Javidi 교수가 특히 의료 인프라가 열악한 지역을 위해 가능한 저렴하고 견고한 빠른 혈액검사기기를 구축할 수 있었가 때문입니다. 게다가 많은 사람들은 고품질 치과 보철물의 비용을 감당할 수가 없습니다. 레이저 메탈 증착 및 금속 3D 프린팅의 엄청난 발전으로 모든 사람들을 위한 더 저렴한 치과 보철물이 가능해졌습니다.
Industrial lasers not only lead to improved medical equipment. They also mean that more people worldwide have access to good healthcare.
출력가능한 연료전지
에너지 전환은 단지 많은 PV 설비, 풍력 터빈 및 수력 발전소를 추가하는 것 이상입니다(물론 이 자체도 에너지 전환입니다!). 이는 또한 전력망을 새로운 발전에 적합하고 유연하게 만들고, 수소와 같은 대체 에너지원을 더 잘 활용하는 것이기도 합니다.
화물차, 건설기계 또는 버스와 같은 대형 차량에는 엔진에 전기(예: 수소 및 연료전지)를 공급하는 보다 에너지 밀도가 강한 에너지 저장장치가 필요합니다. 하나의 좋은 솔루션은 소위 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지입니다. 이 설계에서 중심 도전과제는 장기적으로 전지 내에서 물과 가스 수송을 효율적으로 유지하는 것입니다. 바로 여기에서 극초단 펄스 레이저가 작동합니다. 전지 내부에 기능적 구조와 마이크로 구멍을 만듭니다. 이 트릭 덕분에 PEM 연료전지는 출력가능하고 효율적이며 오래 지속됩니다.
고효율 이종접합 태양전지는 도체트랙과 접점을 위해 귀중한 은이 필요합니다. 독일의 한 스타트업은 은을 구리로 대체하는 방법을 개발했습니다. 이를 위해 이 스타트업은 전기도금 프로세스와 레이저 구조화를 결합하는 공정을 사용합니다. 그리고 광전지 및 풍력 설비의 운영자가 밤낮으로 전력망을 안정적으로 유지하려면 레독스 플로 배터리와 같은 유연한 중간저장장치가 필요합니다. 새로 개발된 VCSEL 기반 레이저 용접 방법으로 이제 생산비용이 훨씬 저렴해졌습니다.
레이저 기술은 출력가능한 연료전지, 더 저렴한 광전지 설비 및 안정적인 전력망을 위한 중간저장장치를 위한 수단이 될 수 있습니다.
무독성 모니터
스마트폰, 태블릿 및 전자책의 디스플레이는 항상 최적의 이미지를 제공해야 합니다. 밝은 빛에서도 마찬가지입니다. 즉, 반사되어서는 안 되며 무광택이어야 합니다. 그리고 지금까지 이는 산업계에 알려진 가장 끔찍하고 위험한 화학물질인 불화수소산에 디스플레이 유리를 담그는 방식으로만 가능했습니다. 그러나 TRUMPF 기업의 엔지니어들은 현재 불화수소산을 생산에서 영원히 추방할 레이저 프로세스를 개발하고 있습니다. 디스플레이 유리에 깨끗한 극초단 레이저 펄스를 가하면 독성 화학물질 방식과 동일한 무광택 효과가 디스플레이 유리에 나타납니다. 결과는 완벽합니다. 이제 레이저 프로세스를 확장하기만 하면 됩니다.
다른 곳에서도 레이저로 더 깨끗하게 작업됩니다. 구성품은 종종 오일로 더럽혀 있거나 산화물 층을 형성하고 있습니다. 레이저 빔은 오염물질을 증발시키거나 단순히 산화물 층을 어블레이션합니다. 관련된 접촉면이 적은 경우 레이저가 이를 표적에 맞게 처리합니다. 빛 클리닝에서 폐기해야 할 화학 폐기물: 0개. 도체판을 유지관리할 때도 상단 전도성 층(보통 금 및 구리)을 에칭하여 제거하는 것도 일반적이었습니다. 이때 폐기하기 어려운 독성 폐기물이 생성됩니다. 극초단 펄스는 도체트랙 주변의 구리나 금을 어블레이션합니다. 열이 아래 재료에 침투하지 않도록 목표를 정하고 부식성 화학물질이 전혀 없습니다.
빛으로 클리닝하면 오일이 묻은 구성품이든 반사되는 스마트폰 디스플레이이든 또는 구리 함유 도체판 캐리어 층에 관계없이 화학물질 없는 생산이 보장됩니다.
미세플라스틱 필터링
미세플라스틱은 5mm보다 작은 나노 크기의 입자입니다. 이 미세플라스틱은 이제 심해에서 남극까지, 물고기에서 및 인간의 혈류에서 등 어디에서나 발견되고 있습니다. 생명체와 생태계에 미치는 영향은 아직 정확하게 연구되지 않았지만, 초기 연구결과는 우려스럽습니다. 따라서 적어도 폐수에서 미세플라스틱을 필터링하고 전반적인 오염을 줄이기 위해서 연구되고 있습니다. 불행하게도 미세플라스티은 크기가 작습니다. 필터의 구멍도 이에 맞춰 작아야 합니다. 그동안 기업과 과학자의 협력을 통해 극초단 펄스 레이저를 사용하여 소위 사이클론 필터에 수천만 개의 구멍을 뚫는 데 성공했습니다. 프로세스를 보다 경제적으로 만들기 위해 레이저 빔을 분할하고 동시에 100개 이상의 구멍을 뚫습니다. 필터는 10마이크로미터보다 큰 플라스틱 입자를 잡아냅니다.
유럽의 연구센터, 대학교, 기업 및 농업협회 네트워크는 레이저 잡초 제거를 위한 프로토타입을 구축했습니다. AI가 지원하는 자율주행차의 이미지 인식으로 잡초를 식별합니다. 파이버 레이저 소스에서 나오는 밀리미터 정확한 에너지 펄스가 바로 잡초와 관련된 것이었습니다. 레이저는 달걀에서 성별인식에도 유용할 수 있습니다. 질문: 수탉인가 암탉인가? 대답: 중요합니다. 왜냐하면 모든 수컷 병아리를 산채로 죽이는 것이 일반적이기 때문입니다. 이제 자동화된 레이저 프로세스가 달걀 내의 배아부터 동물의 성별을 인식하기 때문에 이러한 잔인성을 종식시키고 있습니다.
Global warming poses a key threat to our ecosystems, yet there remain many other “classic” conservation and animal welfare issues to be resolved in areas such as agriculture, livestock rearing and marine pollution.
