[연재강좌] 레이저 가공기술의 동향

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[연재강좌] 레이저 가공기술의 동향

2005년 12월 2일 (금) 02:43:00 | 지면 발행 ( 2005년 11월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.레이저 가공기술의 동향미츠비시전기(주)_安井公治(야스이 코우지) 黑澤滿樹(쿠로사와 미키)레이저는 레이저 광선이라는 영향으로부터 SF적인 흥미를 돋우는 것으로서 많은 과학자의 흥미를 끌어왔다. 달 면에 놓인 반사경에 레이저를 쏘아서 지구와 달의 거리를 측정한다는 거대과학 이야기부터 시작해 만화책에 등장하는 레이저로 인한 미사일 요격 등의 구상도 미국에서 지속적으로 검토되고 있는 주제이다. 한편 친숙한 곳으로는 콤팩트디스크와 최근 급성장하고 있는 DVD 광원 등 한 가구당 몇 대나 되는 레이저광원이 침투해 있는 상황이다.이와 같은 정세를 바탕으로 대학, 기업연구소를 중심으로 많은 레이저 광원이 개발되면서 현재 더욱 화제가 끊이지 않는 분야이다. 일본 내에서는 국가 프로젝트가 견인하면서 세계의 선두를 달리는 개발이 추진돼 왔지만 한편, 화제의 화려함과는 정반대로 시장규모 자체는 그다지 크지 않다는 것이 일반적인 통념이 됐다. 최근 일본 내 개발 주제는 시선을 끄는 세밀한 혹은 거대과학의 주제가 눈에 띈다.본고에서는 이와 같은 레이저 시장 속에서도 착실하게 성장을 이루고 있는 레이저를 이용한 가공분야에 초점을 두고 시장·기술동향을 설명한다.레이저 가공기술 : 왜 레이저인가레이저는 지향성을 갖고 올곧게 나아가는 빛이기 때문에 그 파장·출력·동작 모드 등이 광범위하게 미친다. 따라서 응용 가능범위는 넓다. 가공이라는 용도를 고려한 경우, 일반 가공법과 비교해 사양설정 범위가 넓다는 점에서 현재의 가공을 획기적으로 변화시킬 큰 발전 가능성이 있는 것으로 기대된다.

<그림1>에는 세상의 요구와 이를 바탕으로 약진 수단으로서의 개발 경위에 대한 설명 예를 나타내고 있다. 국가 프로젝트의 견인, 당사 및 타사에서의 제품화라는 자세로 기재하고 있다.우선 다품종 소량생산을 지향한 개발이 70년대 진행됐다. 당초 철강 라인에서 다품종 소량생산이라는 시점의 개발도 추진됐지만, 실제 시장 요구가 절단분야로 현재화되면서 그 분야로 힘을 기울였다. 시작부품을 같은 시기에 발전한 CAD와의 제휴로 용이하게 실시할 수 있기 때문에 소량판금 생산 업자에게 보급해 갔다. 종래 절단법과 비교해 현격히 소음이 해소됐다는 점에서 시중에서 24시간 가동하는 공장에도 기여하고 있다.거의 평행하고 자동차용 부품 가공이라는 분야도 더해져 용접·담금질용의 시즈 개발도 추진했다. 80년대 들어서자 전자입국을 지향하는 일본 내 산업 요구에 부응하는 형태로 자외 레이저 개발이 전개됐다. 이러한 자외 레이저로 인한 가공기술은 홀 구경이 큰 경우, 비용 면에서 더욱 유리한 CO2 레이저에서도 전용 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 기술이 다층 프린트 기판의 발전 시기와 맞물리면서 종래 기계식 드릴을 변형시킨 형태로 보급돼 현재 휴대전화 등 디지털 기기의 기판제조에 필수 툴로서 발전했다.90년대에 들어서자 차의 바디 용접 등 자동차 라인의 인라인 가공을 위한 파이버 전송형 고체 레이저 개발과 각종 반도체 산업용의 액정 리페어, 트리밍, 액정 어닐(anneal) 등 고체 레이저 개발이 진행되고 있다.<그림1>에 나타낸 레이저 이외에도 학회 등에서는 많은 레이저 소스 개발이 공개되고 있지만, 종래 가공법의 한계를 타파하길 원하는 요구와 정합한 것이 종래의 가공법을 변형시킨 기술로 발전하고 있다.시장동향일본 내 레이저를 이용한 산업장치에 대한 시장전체의 대범한 경향을 <그림2>에 나타낸다. 일본 내의 경우는 일본이 강한 경쟁력을 지닌 반도체분야의 노광장비(stepper)가 엑시머 레이저를 탑재하고 있다는 점에서 크게 카운트 되고 있다. 세계시장에서는 엑시머 레이저(Excimer laser)는 발진기 홑 원소 물질로 카운트되는 일도 많아 이 경우 <그림3>에 나타내듯이 탄산가스 레이저, 고체 레이저, 엑시머 레이저로 시장을 서로 나눈다는 현실에 가까운 통계숫자가 된다.레이저 시장 전체의 움직임으로는 1980년대 순조로운 시장 확대가 지속됐지만 1991년~1994년에는 일변해 불경기로 인해 조정국면을 맞이했다. 그 후 경기회복으로 재성장하기 시작했지만 2001년~2003년, 소위 버블붕괴와 IT산업의 한계 국면을 반영한 침체가 있다. 2004년 이후 재차 회복의 길로 돌아섰다.이제까지의 성장은 기계 프레스·절삭가공을 바꾸어 놓고, 기계드릴을 바꾸어 놓는 것으로 전개되고 있기 때문에 향후 반도체분야의 각종 프로세스공법의 치환(置換)을 통해 지속적인 발전을 전망할 수 있다.

현재 레이저 가공광원그렇다면 앞의 레이저 가공을 실행하는 레이저 광원·가공기에 대해 차례로 설명한다.1. 탄산가스 레이저(CO2레이저)탄소가스 레이저는 CO2를 10% 정도 포함한 가스중의 방전으로 인해 여기(勵起) 된다. 가스 온도가 상승하고 200℃를 초과하는 정도가 되면 출력 포화경향이 보이기 때문에 방전으로 인해 과열된 가스를 얼마나 냉각하는지가 기술의 중점이 된다. 레이저 출력으로는 4kW급이 주류를 이룬다.<그림4>에는 현재 제품화되고 있는 주요 3가지 방식을 나타낸다. 가스 온도의 상승은 발진효율을 저하시킨다. 따라서 방전으로 여기, 레이저 매질을 형성하면서 가스온도상승을 억제하는 것이 안정적으로 고출력을 발생시키기 위해 필요하다. <그림4>(a)의 고속축류(高速軸流)형은 유리관 내 빛의 축과 동일 방향으로 가스를 유출시키는 것이며, 빛의 축과 가스 축이 같은 축이기 때문에 빛의 축이 안정적이라는 이점이 있다. 하지만 빛 축 방향의 거리가 길어지기 때문에 가스 온도가 쉽게 상승한다. 이를 방지하기 위해 200m/s 정도의 속도로 가스를 유출시켜야 하기 때문에 가스 안정화에 대한 연구가 필요한 방식이다. 또한 같은 축 모양에 온도분포, 따라서 굴절률 분포가 발생하기 때문에 모드(mode)형상으로 붕괴되기 쉽다는 과제도 있다.<그림4>(b)에 나타낸 직교류 방식에서는 빛의 축과 직각방향으로 가스가 흐르기 때문에 빛의 축이 흔들리기 쉽다는 과제는 있지만 그것은 쉽게 보정, 혹은 가스 유출을 대항시켜 보정할 수 있는 정도의 방법이다. 이러한 방식에서는 가스 유출이 50m/s 정도로 안정적으로 흐르는 정도로 빔 모드가 안정화되기 쉬운 이점이 있다. <그림4>(c)에 나타낸 벽면 냉각형에서는 가스를 흘리지 않고 평행한 좁은 갭 공간에 숨어듦으로써 벽으로부터 발생하는 냉각에 의존한 것이다. 가스 확산으로 인한 흔들림의 영향으로 빔이 움직이기 쉽다는 과제가 있지만 가스를 유출하기 위한 용기, 송풍기가 불필요해 장치의 소형화를 실현할 수 있다는 이점이 있다.방전방식은 유전체를 연결한 교류방전이 일반적이다. 이것은 직류방전방식과 비교해 안정적인 동작유역이 넓어 절단에 필요한 세밀한 ON/OFF를 실현할 수 있기 때문이다. <그림5>는 탄산가스 레이저의 외관과 빔 모드의 형상을 나타낸다. 동심원 상태에서 에지 부분의 늘어뜨림이 적은 빔 형상을 얻을 수 있기 때문에 고속, 고정밀도의 절단가공을 실현할 수 있다.탄산가스 레이저의 산업용도는 대부분이 금속 절단이기 때문에 특히 터릿펀치프레스(turret punch press)기를 바꿔 놓는 형태로 발전해 왔다. 특히 레이저는 조용해 철야운전이 가능함으로써 생산성을 높일 수 있다. 게다가 최근에는 레이저 출력증가, 가공기의 제어성 향상으로 펀치프레스에 필적할 속도도 얻을 수 있게 됐다.금속중판절단(5㎜ 전후)은 주로 NC절삭가공기와의 승부이다. 레이저 빔의 고품질화, 레이저 파워 강화펄스화, 정밀구동 기계전자공학(mechatronics) 등으로 면정밀도를 소화시킴으로써 레이저 가공이 지닌 고속성, 가공반력이 없는 고정밀도성을 살릴 수 있게 됐다.일부 두꺼운 판 절단 영역에서 플라즈마 용단을 바꾸기 시작했다. 이제까지는 얇은 영역은 레이저, 두꺼운 영역은 플라즈마였는데 레이저와 같은 축에 산소가스를 유출시켜 레이저로 인한 가스 연소반응을 적극적으로 활용해 20㎜ 이상의 절단도 실현했다.절단 다음으로 큰 시장을 형성한 것은 프린트 기판의 고속미세 홀 가공 분야이다. 기판의 고밀도화와 더불어 기계 드릴은 생산성의 한계에 도달해 가령 휴대전화의 다층기판 표면에 있는 고정홀의 대부분은 오늘날 레이저로 뚫을 수 있다. 1996년에 200홀/초 정도의 가공속도였던 것이 현재 1000홀/초 이상으로 고속화된 제품이 개발되고 있다. 제품 예를 <그림6>에 나타낸다. 이 분야는 레이저가 기존 수단을 구축할 기세다. 최근에는 홀 구경을 50~30㎛로 더욱 축소하는 요구가 증대하고 있다. 그 요구에 부응하기 위해 펄스 YAG 레이저의 고조파로 인해 실현하는 자외선 레이저를 탑재한 제품개발, 도입을 시작했다.

2. 고체 레이저고체 레이저는 Nd : YAG(Yttrium Aluminum Garnet)결정을 레이저 매질로 하는 것이 중심을 이루기 때문에 YAG레이저가 그 대명사가 됐다. <그림7>에 기본구성을 나타낸다. CO2와 비교할 경우 파장이 10분의 1인 1미크론이며 통신용 광섬유로 전송할 수 있다는 것이 최대 특징이다. 이 때문에 로봇과 편성한 응용력이 있는 생산 시스템에 대한 적용을 기대했다.하지만 효율이 낮기 때문에 탄산가스 레이저와 비교해 비용이 많이 든다는 과제가 있다. 레이저 출력을 광원의 전기입력으로 나눈 효율은 광원에 램프를 이용한 경우 3% 정도이며, 마찬가지로 레이저 출력을 방전입력으로 나눠 정의한 탄산가스 레이저의 효율 15% 정도와 비교해 낮다. 따라서 효율에 대한 요구가 낮은 소평균 출력 분야에서 부품용접, 납땜, 메이킹, 트리밍, 리페어 등 다양한 가공장치가 제품화 됐다.최근 여기광원을 램프에서 반도체 레이저로 바꿔 효율을 10% 이상으로 올릴 수 있는 예가 출현, 고체 레이저의 고출력화 실용화를 시작했다. 로봇과 편성한 전형적인 응용 예로 바디 생산라인에 대한 전개도 시작됐지만, 광원 LD 용접용도의 환경 하에서 신뢰성 확보가 과제가 되기 때문에 현재는 램프를 여기원으로 한 고체 레이저가 주류를 이룬다. 그러나 일부에서 라인 동작을 전제로 구성한 LD 여기고체 레이저도 개발되면서 라인 동작도 실현하고 있기 때문에 향후 보급을 기대하고 있다<그림8>.3. 그 밖의 레이저고체 레이저는 이를 기본파로 해서 각종 파장변환을 효율적으로 실행할 수 있다. 용도로는 출력이 적다는 점, 파장 변환으로 실용적인 효율을 얻을 필요가 있다는 점에서 대부분이 LD여기를 이용하고 있다. 특수한 결정을 이용해 변환하기 때문에 결정의 신뢰성이 과제이며 그 해결을 위한 기술이 크게 발전함으로써 한계출력을 실증하는 진전이 눈에 띈다.출력의 경우는 실용적인 제품기술개발로는 세계 기록으로 파장 532nm의 그린 레이저의 경우 412W, 자외 레이저의 파장 355nm의 경우 43W, 파장266nm의 경우 42W, 파장213nm의 경우 5W가 보고 되고 있다. 이로써 기본성능은 기술적으로 압도하고 있다는 점에서 향후 각종 용도에 적용한 레이저 개발이 진전될 것이다.고체 레이저인 경우는 동작모드의 한계를 추구하며 펄스폭을 펨토 초(10-12) 영역으로 몰아넣은 펨토 초 레이저도 가공용도를 상정해 개발되고 있다. 하지만 가공개시의 반응을 일으키는 최소의 물리량이 낮다는 특징 때문에 가공대상으로서 유리나 단백질 등의 생체를 모색하고 있다.고체 레이저의 과제는 탄산가스 레이저 못지않은 비용 실현인데 탄산가스 레이저와의 비교에서는 부품점수가 많은 것이 문제점이다. 이를 해소하기 위해 LD광원 자체를 직접가공에 활용하는 시험과 통신 분야 기술을 전용해 도광용 광섬유 자체에 레이저 활성원소를 도프 도료해서 이를 여기 시키는 섬유 레이저도 개발하고 있다.서두에 설명한 ‘레이저는 그 파장·출력·동작 모드 등이 광범위하게 미친다. 따라서 응용가능범위는 넓다. 가공이라는 용도를 고려한 경우 일반 가공법과 비교해 사양설정 범위가 넓다는 점에서 현재의 가공을 획기적으로 변화시킬 큰 발전 가능성’에 기대하면서 많은 레이저 광원이 개발되고 있다. 하지만 그 화려함과 화제와는 정반대로 베이스 로드인 마켓 형성이 미숙하다는 과제가 있다. 탄산가스 레이저의 경우는 판금가공이라는 베이스 로드가 특히 유럽에서 확립되고 있으며 이러한 흐름으로 일본 내에서의 베이스 로드 확립의 기운이 형성되고 있다.고체 레이저의 경우는 다양한 애플리케이션이 제안되고 있지만 가공기술로서 베이스 로드가 되는 킬러 애플리케이션(Killer Application) 개발이 중요하기 때문에 향후 업계 발전의 과제라는 점을 제기한다.