<화요특집> 레이저 가공기;일본의 가공기술

일본은 레이저가공기 생산및 판매에서 세계 1위를 차지하고 있다. 지난 93년 일본은 세계시장점유율이 대수로는 51.3%, 금액으로는 50%를 차지했다. 더욱이 일본은 최근까지 매년 두자릿수의 높은 성장률을 기록하고 있다.

현재 일본에서는 약 6천대의 CO⁴레이저와 Nd:YAG레이저가 생산현장에 이용되고 있으며 절단공정에 가장 많이 활용되고 있다.

구체적으로는 CO⁴레이저의 75%정도가 절단과 천공에 쓰이며 YAG레이저의 70%정도가 용접및 스크라이빙, 저항 트리밍에 이용되고 있다.

또 기업규모별로는 99인이하의 중소기업은 CO⁴레이저의 60%를 다품종 소량 생산체제에 활용하고 있으며 1천명이상의 대기업은 YAG레이저의 40%를 사용하고 있다.

일본 레이저산업 발달의 특징은 정부의 적극적인 지원아래 달성된 성과라는 점이다. 일본통산성은 이미 지난 84년에 완료된 FMSC(복합유연생산시스템)과제에서 20 급 CO⁴레이저를 개발했고 이어 92년에는 기업의 의뢰로 레이저응용기술 을 개발한 레이저센터를 설립했다.

이후 일본은 레이저출력을 높이는 연구보다 생산도구로서 성능과 신뢰성을 향상시키는 방향으로 선회했으며 최근에는 레이저전반에 걸친 광범위한 연구 를 유럽국가들과 공동으로 진행하고 있기도 하다.

이같은 연구노력에 힘입어 일본은 현재 YAG레이저의 경우 2㎻급까지 개발돼 주로 원자력 발전소의 보수용접에 이용되고 있다.

엑시머레이저연구는 지난 86년부터 8년기한으로 일본 통산성과 18개 기업및 연구소가 참가하고 있는 AMMTRA프로젝트에서 국책과제로 추진, 수명연장과 고반복률및 응용연구가 이루어지고 있다.

이밖에 일산화탄소.이오딘 레이저에 대한 연구 개발로 각각 5㎻, 1㎻급이 개발되어 대부분 자동차산업의 시제품제작에 이용되고 있다.

현재 절단용으로 일본에서 가장 많이 연구되고 있는 분야는 고생산 고유연성 시스템으로 이의 목적은 절단공정최적화다.

표면개질에 있어서는 오사카대학에서 직선편광 CO⁴레이저빔을 이용한 표면 개질용 빔형상 옵틱이 개발됐다. 이 기술을 이용하면 흡수율을 코팅없이 50 %까지 얻을 수 있고 3㎻레이저로 0.45%탄소강을 두께 2mm 폭 15mm로 표면경화할 수 있다.

민간기업에서는 미쓰비시가 불안정 단일페이스를 가진 레이저를 개발, 인기 를 모으고 있는데 이를 이용하면 고속으로 용접할 수 있고 용접깊이도 늘릴수 있다.

또 가와사키제철은 1~10㎻ CO⁴레이저를 10개의 생산라인상에서 이용하고 있는데 레이저를 이용함으로써 8mm 스테인리스강을 용접할 수 있는 것은 물론용접 조인트의 재료성질과 용접형상을 향상시킬 수 있다.

신일본제철에서는 균일한 용융폭을 얻기 위해 전기용접생산라인에 레이저 빔이 웨지형태로 쓰이고 있다.

이렇듯 레이저기술은 광범위한 분야에서 활용되고 있다.

지난해일본레이저추진협회가 조사한 자료에 따르면 CO⁴레이저의 경우 30% 가 금속가공공장에 이용되고 있으며 이밖에 자동차공장(17%), 전자산업(13 %), 철강산업(10%)등에서 사용도가 높은 것으로 나타났다.

YAG레이저의 경우 전자산업에서 35%, 금속가공에 14%, 기계가공에 8%가 이용된다. 또 제품개수가 2천개 이하인 소량생산에 레이저가 많이 사용되고 있다.

절단용은보통 6백~1㎻급의 CO⁴레이저가 사용되고 강의 경우 6mm이하의 절단에 이용된다. 알루미늄.스테인리스 등은 불활성 기체를 사용해 절단하는데 식료품.의약.전자산업에 많이 응용되고 있다.

레이저용접은 자동차산업에서 특히 많이 이용되고 있다. 도요타가 최근 개발 한 랭킹용접시스템은 두께가 다르고 기계적인 성질이 다른 금속판을 용접한 후 스탬핑하는 데 사용된다. 측면패널, 선루프와 카울의 내부파트등이 이 방법에 의해 효과적으로 만들어지고 있다.

철강산업분야에서는 레이저접합이 많이 이용되는데 입자로 배열된 실리콘강 의 모형손실을 10%줄일 수 있다. 또 분말 피딩을 통한 엔진밸브의 클래딩기 술이 개발중이다.

**레이저의 원리 LASER란 Light Amplication on by Stimulated Emission of Radiation의 약자 로 "복사선의 유도방출에 의한 빛의 증폭"이라는 의미를 지닌다. 원리는 고체 액체 기체등의 매질에 외부에서 강력한 에너지를 가함으로써 광자를 발생 시키고 이를 다시 증폭해 같은 성질을 띤 광자를 빛의 형태로 출력시키는 것. 즉 강력한 에너지를 레이저의 매질에 가하면 매질내의 원자나 분자는 높은에너지상태로 올라가게 되는데 이는 자연법칙에 의해 다시 낮은 에너지상태 로 돌아가려는 성향을 갖게 된다. 광자는 바로 이 천이과정에서 발생하게 된다. 이렇게 발생된 광자는 주위의 원자나 분자에 충돌, 에너지교환을 일으키고 이것이 다시 파장과 진행방향이 같은 또다른 광자를 방출하도록 자극함으로써 순수한 빛이 방출된다.

반사경사이의 매질에서 이같은 에너지축적을 반복하다가 부분반사경을 통해 강력한 힘으로 발진되는데 레이저는 이같은 반응들이 연속적으로 일어나도록만든 장치를 가리킨다.

이렇게 발진된 빛은 단색성.지향성.가간섭성 집중성 등 고유의 특성을 갖게되고 이 특성들로 인해 기계.철강.정보통신등 각종 산업이나 의료분야등에 폭넓게 사용할 수 있다.

예를 들어 레이저의 고휘도성.고출력성 등의 성질을 에너지차원에서 제어함 으로써 에너지생산과 전송, 가열압축, 공업생산, 의료분야 등에 이용할 수있고 단색성및 파장 가변성 등을 이용하면 광화학공업이나 환경계측 측광기 술 등에 활용할 수 있다.

또한 지향성.간섭성.집광성.편광성을 응용, 공간적으로 제어하면 정보처리 및 표시계측 그리고 토목.건축이나 유전공학 등에 이용할 수 있다. 따라서 레이저는 보통 외부에서 가해지는 에너지인 여기에너지와 빛의 증폭효과를 유도시키는 공진기와 두개의 반사경으로 구성된다.

레이저의 종류는 발진 매질에 따라 기체 액체 고체 반도체입자레이저가 있고파장에 따라 원적외선 적외선 자외선레이저 등이 있다. 이밖에 출력방식에 따라 출력이 연속적인 레이저를 CW레이저, 출력이 간헐적인 것을 펄스레이저 라고 부르기도 한다.

이같이 레이저를 이용한 기술은 다른 기술의 한계를 극복, 기존의 기계산업 이나 전자산업을 보완하거나 대체하여 FA 및 OA분야는 물론 정보통신.의료.

토목.건축등전산업으로 그 응용범위가 확대되고 있다. 【조 용 관 기자】