레이저 빔 가공: 정의, 구성 요소, 원리, 장점 및 응용 분야 완벽 가이드

레이저 빔 가공이란?

이 글에서는 레이저 빔 가공(Laser Beam Machining, LBM)의 정의, 주요 구성 요소, 작동 원리, 장단점, 그리고 산업적 응용 분야까지 심층적으로 다룹니다.

LASER는 유도 방출에 의한 빛 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 약자입니다.

레이저의 주요 유형은 고체 레이저, 기체 레이저, 반도체 레이저로 나뉘며, 가공 및 용접에 필요한 고출력 레이저에는 주로 고체 레이저가 사용됩니다.

레이저 빔 가공은 열에너지를 이용해 공작물에서 재료를 제거하는 비전통적 가공 공정입니다. 고에너지 레이저 빔을 공작물에 조사하여 국부적으로 가열, 용융, 기화시킴으로써 정밀한 형상을 만듭니다.

레이저 가공 장치는 다음과 같은 핵심 부품으로 구성됩니다.

시스템에 고전압 전류를 공급합니다. 레이저 빔 가공에는 고전압 전원 장치가 필수적이며, 초기 전원 투입 후 레이저 내부에서 연쇄 반응이 일어나 가공이 시작됩니다. 펄스 생성을 용이하게 하기 위해 고전압이 사용됩니다.

주기 대부분 동안 충전되었다가 플래시 과정에서 에너지를 방출합니다. 펄스 모드 작동 시 충방전 역할을 수행합니다.

이온화된 가스로 채워진 아크 램프로, 극도로 강렬한 백색광(결합도 높은 고강도 빔)을 생성합니다. 이 에너지가 공작물 재료를 용융 및 기화시킵니다.

내부 반사경(공진기)과 외부 반사경으로 나뉩니다. 내부 반사경은 레이저 빔을 생성, 유지, 증폭하며, 외부 반사경은 빔을 공작물 쪽으로 유도합니다.

활성 물질의 폭격으로 생성된 빛의 결합성을 기반으로 한 광학적 증폭 과정을 통해 레이저에서 방출되는 복사선 빔입니다.

루비 레이저는 진한 붉은색의 결합된 펄스 열을 생성합니다. 이는 세준위 고체 레이저로, 입자 수 역전(population inversion) 원리를 이용해 작동합니다.

레이저 빔을 공작물에 집속시킵니다. 레이저 광선은 먼저 확대 렌즈를 통과한 후 평행 렌즈(collimating lens)를 거쳐 광선을 평행하게 만들고, 원하는 크기로 빔을 확장시킵니다.

금속 및 비금속 재료 모두 가공 가능하며, 재료의 종류에 구애받지 않고 다양한 소재에 적용할 수 있습니다.

레이저 가공은 전기에너지 → 빛에너지 → 열에너지로의 변환 과정을 기반으로 합니다.

원자 모형에서 음전하를 띤 전자는 양전하의 원자핵 주위를 궤도 운동합니다. 각 전자 궤도는 고유한 에너지 준위를 가지며, 절대 영도에서 모든 전자가 최저 퍼텐셜 에너지를 가질 때 기초 상태(ground state)에 있습니다.

전자가 열이나 빛 등 외부 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 준위(들뜬 상태)로 전이합니다.

양단에 고전압을 인가하면 방전이 일어나 기체 플라즈마가 형성되고, 에너지 변환에 의한 입자 수 역전과 레이징(lasing) 작용이 발생합니다.

레이저 매질 양단에는 100% 반사경과 부분 반사경이 배치됩니다. 100% 반사경은 광자를 기체관 내부에 가두고, 부분 반사경은 일부 레이저 빔을 투과시켜 가공에 이용합니다.

집속된 레이저 빔이 공작물에 조사되면 열에너지가 표면에 전달되어 재료를 가열, 용융, 기화시키고 최종적으로 제거합니다. 즉, 레이저 가공은 결합된 빛의 빔을 열원으로 이용하는 열적 재료 제거 공정으로, 극도로 정밀한 가공이 가능합니다.

재료 제거율(MRR)은 사용 파장에 따라 달라지며, 이는 공작물에 입사되는 에너지 양을 결정합니다.

주요 용도 및 응용 사례:

산업기술