첨단 및 중공업 분야에서의 고출력 레이저 응용

지난 3년간 팬데믹으로 인해 산업용 레이저 수요 증가율은 둔화되었습니다. 하지만 레이저 기술 발전은 멈추지 않았습니다. 파이버 레이저 분야에서는 60kW 이상의 초고출력 파이버 레이저가 잇따라 출시되면서 산업용 레이저의 성능이 한 단계 더 발전했습니다.

30,000와트 이상의 고출력 레이저에 대한 수요는 얼마나 되나요?

다중 모드 연속 파이버 레이저의 경우, 모듈을 추가하여 출력을 높이는 것이 일반적인 방안으로 여겨집니다. 지난 몇 년 동안 출력은 매년 10,000와트씩 증가해 왔습니다. 그러나 초고출력 레이저의 산업용 절단 및 용접 구현은 더욱 어렵고 높은 안정성을 요구합니다. 2022년에는 30,000와트 출력의 레이저 절단 장비가 대규모로 사용될 예정이며, 현재 40,000와트급 장비는 소규모 적용을 위해 연구 단계에 있습니다.

킬로와트 파이버 레이저 시대에는 6kW 미만의 출력으로도 엘리베이터, 자동차, 욕실, 주방용품, 가구, 섀시 등 대부분의 일반 금속 제품의 두께가 10mm를 넘지 않는 판재와 튜브 소재의 절단 및 용접이 가능합니다. 10,000와트 레이저의 절단 속도는 6,000와트 레이저의 두 배이며, 20,000와트 레이저의 절단 속도는 10,000와트 레이저보다 60% 이상 빠릅니다. 또한 두께 제한을 뛰어넘어 일반 산업 제품에서는 보기 드문 50mm 이상의 탄소강도 절단할 수 있습니다. 그렇다면 30,000와트 이상의 고출력 레이저는 어떨까요?

고출력 레이저를 활용한 조선 품질 향상

올해 4월, 프랑스 마크롱 대통령은 에어버스, 다페이 해운, 프랑스 전력 공급업체인 에렉트리시테 드 프랑스 등의 회사와 함께 중국을 방문했습니다.

프랑스 항공기 제조업체인 에어버스는 중국과 총 200억 달러 규모의 항공기 160대에 대한 대량 구매 계약을 체결했다고 발표했습니다. 또한 톈진에 두 번째 생산 라인을 건설할 예정입니다. 중국조선그룹(China Shipbuilding Group Corporation)은 프랑스 기업 다페이해운그룹(DaFei Shipping Group)과 210억 위안(약 2조 8천억 원) 이상의 초대형 컨테이너선 16척 건조를 포함한 협력 계약을 체결했습니다. 중국핵전력그룹(China General Nuclear Power Group)과 프랑스전력공사(Électricité de France)는 긴밀한 협력 관계를 맺고 있으며, 타이산 원자력 발전소가 대표적인 사례입니다.

30,000~50,000와트의 고출력 레이저 장비는 두께 100mm 이상의 강판을 절단할 수 있습니다. 조선업은 두꺼운 금속판을 광범위하게 사용하는 산업으로, 일반적인 상선의 선체 강판 두께는 25mm 이상이며, 대형 화물선의 경우 60mm를 초과하기도 합니다. 대형 군함과 초대형 컨테이너선은 두께 100mm의 특수강을 사용하기도 합니다. 레이저 용접은 속도가 빠르고, 열 변형 및 재작업이 적으며, 용접 품질이 우수하고, 용가재 소비량이 감소하며, 제품 품질이 크게 향상됩니다. 수만 와트의 출력을 가진 레이저의 등장으로 조선업용 레이저 절단 및 용접에 더 이상 제약이 없으며, 향후 레이저를 대체할 수 있는 잠재력이 무궁무진합니다.

고급 크루즈선은 전통적으로 이탈리아의 핀칸티에리(Fincantieri)와 독일의 마이어 베르프트(Meyer Werft) 등 소수 조선소가 독점해 온 조선 산업의 정점으로 여겨져 왔습니다. 레이저 기술은 선박 건조 초기 단계의 소재 가공에 광범위하게 활용되어 왔습니다. 중국 최초의 국산 크루즈선은 2023년 말 진수될 예정입니다. 중국초상집단공사(China Merchants Group)는 크루즈선 제조 프로젝트를 위해 난퉁 하이퉁(Nantong Haitong)에 고출력 레이저 절단 및 용접 박판 생산 라인을 포함하는 레이저 가공 센터 건설을 추진했습니다. 이러한 적용 추세는 민간 상선에도 점차 확산될 것으로 예상됩니다. 중국은 세계에서 가장 많은 선박 건조 수주량을 보유하고 있으며, 두꺼운 금속판의 절단 및 용접에서 레이저의 역할은 앞으로도 계속 커질 것입니다.

항공우주 분야에서 10kW+ 레이저 적용

항공우주 운송 시스템에는 주로 로켓과 민간 항공기가 포함되며, 중량 감소가 핵심 고려 사항입니다. 이는 알루미늄 및 티타늄 합금의 절단 및 용접에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 레이저 기술은 고정밀 용접 및 절단 조립 공정을 달성하는 데 필수적입니다. 10kW 이상의 고출력 레이저의 등장은 절단 품질, 절단 효율, 그리고 고집적 지능 측면에서 항공우주 분야에 포괄적인 발전을 가져왔습니다.

항공우주 산업 제조 공정에는 엔진 연소실, 엔진 케이싱, 항공기 프레임, 꼬리 날개 패널, 허니콤 구조, 헬리콥터 메인 로터 등 절단 및 용접이 필요한 부품이 많습니다. 이러한 부품은 절단 및 용접 인터페이스에 대한 매우 엄격한 요건을 충족해야 합니다.

에어버스는 오랫동안 고출력 레이저 기술을 사용해 왔습니다. A340 항공기 제작 시 모든 알루미늄 합금 내부 격벽은 레이저로 용접됩니다. 동체 외피와 스트링거의 레이저 용접은 획기적인 발전을 이루었으며, 이는 에어버스 A380에 적용되었습니다. 중국은 국내에서 생산된 C919 대형 항공기의 시험 비행에 성공하여 올해 인도할 예정입니다. C929 개발과 같은 미래 프로젝트도 진행 중입니다. 앞으로 레이저는 상용 항공기 제작에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

레이저 기술은 원자력 시설의 안전한 건설에 도움이 될 수 있습니다.

원자력은 새로운 형태의 청정 에너지이며, 미국과 프랑스는 원자력 발전소 건설 분야에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있습니다. 원자력은 프랑스 전력 공급의 약 70%를 차지하며, 중국은 원자력 시설 건설 초기부터 프랑스와 협력했습니다. 원자력 시설에서 가장 중요한 것은 안전이며, 보호 기능을 갖춘 금속 부품이 많아 절단이나 용접이 필요합니다.

중국이 독자적으로 개발한 레이저 지능형 추적 MAG 용접 기술이 톈완 원자력 발전소 7호기와 8호기의 강철 라이너 돔과 배럴에 양산 적용되었습니다. 현재 최초의 원자력 등급 관통 슬리브 용접 로봇이 개발 중입니다.

레이저 개발 추세에 따라 Teyu는 CWFL-60000 초고출력 파이버 레이저 냉각기를 출시했습니다.

Teyu는 레이저 개발 추세에 발맞춰 60kW 레이저 장비에 안정적인 냉각 기능을 제공하는 CWFL-60000 초고출력 파이버 레이저 냉각기를 개발 및 생산했습니다. 이중 독립 온도 제어 시스템을 통해 고온 레이저 헤드와 저온 레이저 소스를 모두 냉각하여 레이저 장비에 안정적인 출력을 제공하고 고출력 레이저 절단기의 빠르고 효율적인 작동을 효과적으로 보장합니다.

레이저 기술의 획기적인 발전은 레이저 가공 장비 시장을 크게 확대했습니다. 치열한 시장 경쟁에서 앞서 나가기 위해서는 적절한 장비를 갖추어야 합니다. 항공우주, 조선, 원자력 등 첨단 응용 분야의 혁신 및 업그레이드 필요성이 커짐에 따라 후판강 가공에 대한 수요가 증가하고 있으며, 고출력 레이저는 산업 발전에 기여할 것입니다. 앞으로 3만 와트 이상의 초고출력 레이저는 풍력, 수력, 원자력, 조선, 광산 기계, 항공우주, 항공 등 중공업 분야에서 주로 사용될 것입니다.