레이저라고 하면 흔히들 의학용으로 적용되는 레이저 기술을 생각하는 경우가 많다. 하지만 레이저는 통신, 정보처리, 계측, 가공, 의료, 생활기기, 원자력발전, 우주공학, 국방 등 다양한 분야에 다종다양한 방법으로 적용되고 있다.
그 중에서도 레이저를 활용한 가공 산업은 레이저가 개발되면서 에너지원으로 가장 먼저 이용된 분야로, 1996년부터 전자 및 반도체, 자동차 등의 주요 산업의 제품 수준 향상을 위한 핵심 기술로 각광받기 시작했다고 볼 수 있겠다. 레이저를 활용한 가공 산업 중에서도 특히, 이번 기획 취재를 통해 살펴볼 레이저 용접 산업은 자동차 산업 및 전자 산업을 비롯해 정밀 용접이 요구되는 곳에서는 일부 공정에 적용되어 큰 역할을 하기도 한다.

(1) 레이저의 역사
레이저(Raser)는 ‘Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)의 약자로, 방사 유도 방출에 의한 빛의 증폭이라는 의미를 가지고 있다. 레이저가 최초로 개발된 것은 1953년이지만, 실질적인 레이저의 역사는 1960년 미국 Hughes 연구소에서 마이크로파 증폭기를 연구해 온 Maiman에 의해 개발된 루비 레이저로 인해 시작됐다고 할 수 있다.

(2) 레이저의 종류와 레이저 매질
현재 산업적으로 사용되고 있는 레이저는 그 매질의 종류에 따라 기체 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저, 반도체 레이저로 구분된다.

① 기체 레이저
균일한 매질이므로 손실이 적기 때문에 공진기를 크게 하면 이득이 좋게 되는 장점이 있다. 일반적으로 기체 레이저 장치는 규모가 크며 출력은 작아도 연속 발진이 가능하고 발진 파장의 수가 많아 가간섭성 등이 우수하다는 특징이 있다.

② 고체 레이저
소형 장치로부터 큰 출력을 얻을 수 있고 모드 동기(Mode Lock)에서는 단시간에 Pulse 빛을 얻을 수 있으며, Q-Switching(Q-Switch 발진)에서는 Peak Power가 큰 출력을 얻을 수 있다는 특징이 있다.

③ 액체 레이저
현재 액체 레이저라고 하는 것은 대개 색소(Dye) 레이저다. 색소 레이저의 특징은 파장이 거의 연속적으로 변한다는 것으로, 그 영역은 자외선 영역에서 근적외선 영역까지 이른다.

④ 반도체 레이저
전류를 흘리는 것만으로도 레이저 발진을 얻을 수 있고, 직접 트랜지스터 회로와 결합시켜 발진이나 변조를 시킬 수 있다. 또한 소형으로 신뢰성이 높으며, 양산성 등이 우수하다. 결점으로는 지향성에 결함이 있으며 출력이 작다는 것을 들 수 있다.

레이저 용접 가공
레이저 용접은 집광된 레이저 빔(10⁴~106W/㎠)을 재료 표면에 조사, 키홀을 형성시킨 후 용융시켜서 용접하는 방식을 취한다. 레이저를 사용해 용접을 하게 되면 변형과 수축이 적고 용접 속도가 빠르며 자동화가 용이하다는 장점이 있다. 또한 대부분 용가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의해 용접이 이루어지기 때문에 가까이 접근할 수 없는 부재의 용접도 가능하며, 부도체 용접재를 포함, 다양한 재료를 용접할 수 있을 뿐 아니라, 이종 재료의 용접도 성공적으로 수행할 수 있다. 더욱이 레이저 용접은 진공실을 필요로 하지 않으며 좁고 깊은 접합에 적합하고, 특히 얇은 부품의 용접에 유리하다는 특징이 있으며, 그 구분은 열전도형과 깊은 용입형, 플라즈마 비드형으로 분류할 수 있다.

(1) 열전도형
에너지 밀도가 비교적 작은 경우에 재료에 조사되는 빔이 단순히 표면에 흡수되어 열에너지로 전달되는 프로세스로 용입 깊이가 작고 아크 용접과 비슷한 비드 형상이 되며, 재료의 증발은 적고 플라즈마 발생은 생기지 않는다. 재료의 용융은 주로 열 전달에 의해 이루어지고 빔 모드, 용탕 표면의 빔 흡수율, 열전도율 등으로부터 용입 형상을 추정할 수 있다.

(2) 깊은 용입형
에너지 밀도를 높이면 재료의 증발이 현저하게 일어나 구멍이 생기는데, 이를 키홀 현상이라 하며, 전자빔 용접과 같은 형태의 과정이다. 레이저 광은 키홀을 통해 재료 내부로 침투하여 키홀 벽에 열 에너지를 전달한다. 이 프로세스에서는 재료의 깊이 방향으로 용융 영역의 확대가 온도 기울기 및 열전도율로부터 제한을 받는데, 깊은 용입형 프로세스에서는 키홀 깊이 방향으로 분포하는 재료의 내부를 직접 가열 용융하기 때문에 좁은 폭에서도 용입 깊이를 크게 하는 비드를 얻을 수 있다.

(3) 플라즈마 비드형
깊은 용입형과 키홀을 형성하는 것까지는 동일하지만, 용접 속도가 비교적 작은 경우는 키홀보다 분출하는 금속 증기 플라즈마가 많아져 플라즈마에 의해 레이저 광의 흡수, 산란이 현저하게 많아진다. 특히 CO₂ 레이저는 플라즈마에 의해 흡수되기 쉽고 표면 부근의 용융 폭이 큰 와인 컵 형태의 비드가 되어 용입 깊이는 다소 작아진다. 측면 보조 가스를 흡수시켜 플라즈마를 제거하면 어느 정도 용입 깊이를 회복할 수 있다.

레이저 용접 가공 재료
국내 레이저 용접 산업은 크게 재질에 따라 금속 용접과 플라스틱 용접 시장으로 나눌 수 있다. 산업 전반에 걸쳐 금속이 주가 되는 경우가 많으므로 금속 재료 용접에 있어 레이저가 적용되는 사례는 국내에서도 적지 않게 찾아볼 수 있지만, 플라스틱의 용접에 있어 고출력 레이저를 적용하는 기술은 아직까지도 그다지 많지 않은 것이 현실이다.

(1) 금속 재료
금속 재료에 있어 레이저의 적용은 같은 재질의 금속을 용접하는 경우와 이종 금속 간의 용접으로 대별된다. 대표적인 금속 재질인 철의 경우에는 굳이 레이저를 적용하지 않아도 기존의 용접 프로세스로 충분히 용접이 가능하지만, 스테인리스나 알루미늄 등의 경우에는 비열 및 열전도율이 크거나 융점이 낮다는 등의 이유로 인해 기존의 용접 프로세스로 용접하기에는 쉽지 않았던 것이 사실이다. 이런 경우 레이저 용접을 적용하게 되면 공업 제품의 고품질화를 실현하게 되며, 특히 알루미늄 합금과 철강 재료 간의 이종 금속 재료 접합 시에는 강(철)을 위에 놓고 강 쪽에서 레이저를 조사하여 강이 용융되지 않는 온도 범위 내에서 열이 알루미늄으로 전달되기 때문에, 금속 간 화합물을 형성하지 않는 범위에서 용접이 이루어진다는 점 등으로 인해 최근 필요성이 크게 대두되고 있다.

(2) 플라스틱 재료
최근 플라스틱이 철과 함께 생활 주변이나 산업 현장에서 가장 흔하게 접하는 소재 중 하나로 대두됨에 따라, 저가로 대량 생산이 가능하면서 품질도 보장할 수 있는 플라스틱 가공 기술의 개발은 매우 큰 관심사가 되고 있다. 이와 더불어, 근세에 들어 레이저 기술의 발달로 다양한 분야에서의 적용이 활발히 진행되는 가운데 수백 watt급 고출력 다이오드 레이저를 이용한 플라스틱 용접 기술 역시 자동차, 전기전자, 의료계 등 다양한 산업계의 관심을 받고 있다.
레이저를 이용한 플라스틱 용접의 원리는 일정한 파장을 갖는 레이저 빔의 플라스틱 재질에 대한 투과성과 흡수성을 이용하는데, 투과성을 갖는 재질층을 레이저 빔이 투과하고 흡수성을 갖는 재질층에서 레이저 빔에 의해 활성화된 분자들의 진동으로 운동에너지로 변환하면, 이는 다시 열을 발생시켜 두 모재를 용접시키는 것을 기본 원리로 하고 있다.

출처: 메탈넷 코리아