레이저 빔 가공: 원리, 응용 및 산업 영향

레이저 빔 가공(Laser Beam Machining)은 공작물에서 열에너지로 금속을 제거하는 비전통적 가공 공정입니다. 이 공정은 산업계에서 널리 사용되며, 특히 저전도성 취성 소재 가공에 적합합니다. 본 글에서는 작동 원리와 응용을 중심으로 레이저 빔 가공을 자세히 다룹니다.

하지만 레이저 빔 가공을 알아보기 전에 레이저와 레이저의 종류에 대해 먼저 이해할 필요가 있습니다.

레이저(Laser)란?

레이저의 풀네임은 Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation(유도 방출에 의한 빛 증폭)입니다. 레이저는 전자기 복사의 유도 방출에 기반한 광학 증폭 과정을 통해 빛을 방출하는 장치입니다. 일반 광원과 레이저의 핵심 차이는 간섭성, 지향성, 단색성, 고강도입니다.

일반 빛은 파장과 강도가 다양합니다. 따라서 일반 광원에서 방출된 광자는 넓은 표면에 퍼져 있어 비간섭적입니다.

반면 레이저 빛 파동은 동일한 파장과 강도를 가집니다. 따라서 레이저에서 방출되는 빛을 단색광이라고 합니다.

레이저에서 방출된 빛은 매우 좁게 초점을 맞춰 매우 작은 영역에 고강도로 조사할 수 있습니다. 즉, 더 많은 에너지가 작은 영역에 집중되어 공작물이 가열되고 표면이 용융됩니다.

레이저는 다양한 가공 작업, 광디스크 드라이브, 포토 프린터, 바코드 스캐너, 자동차 헤드라이트 등에 사용됩니다.

레이저의 종류

레이저 생산에 사용되는 매체에 따라 세 가지 종류로 나뉩니다.

가스 레이저(Gas lasers)
고체 레이저(Solid-state lasers)
액체 레이저(Liquid lasers)

레이저 빔 가공에는 루비 크리스탈이라는 고체 레이저가 사용됩니다.

레이저 빔 가공이란?

레이저 빔 가공은 고강도 레이저 빛을 공작물의 매우 작은 영역에 집중시켜 극한의 열로 해당 영역을 용융시키고 기화시켜 소재를 제거하는 가공 공정입니다. 레이저 빔 가공은 열에너지를 사용하여 공작물에서 소재를 제거합니다.

레이저 빔 가공은 금속 및 비금속 공작물에 모두 사용할 수 있습니다. 기존 가공으로 불가능한 초고경도 취성 소재에 특히 유용합니다. 또한 기존 가공으로는 만들 수 없는 미세한 형상이나 절단을 공작물에 생성해야 할 때 레이저 빔 가공이 해결책이 됩니다.

레이저 빔 가공 작동 원리

레이저 빔은 단색광을 방출하여 공작물의 매우 작은 영역에 초점을 맞춥니다. 표면적이 작고 레이저 강도가 높기 때문에 극한의 열이 발생합니다. 이 열로 금속이 용융되고 결국 용융 금속이 기화됩니다. 이것이 레이저 빔 가공 공정의 기본 작동 원리입니다. 이제 자세히 알아보겠습니다.

이미지에서 볼 수 있듯 약 1000W의 플래시 램프 코일에 두 개의 평평한 반사 매체가 있는 원통형 루비 크리스탈 레이저 매체가 배치되어 있습니다. 플래시 램프는 고강도 백색광을 방출하여 크리스탈을 여기시키고 레이저 빔을 생성하며, 이는 렌즈를 통해 공작물의 대상 영역에 초점화됩니다.

생성된 레이저 빔의 전력 밀도는 약 1000kW/cm²입니다. 이 극한의 전력 밀도로 열이 발생하여 공작물 대상 영역이 용융됩니다.