유리 레이저 가공의 현황 및 잠재력 탐구

지난 10년간 레이저 제조 기술은 급속한 발전을 거듭해 왔으며, 주요 응용 분야는 금속 재료의 레이저 가공입니다. 금속 레이저 가공에서 가장 중요한 공정으로는 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 클래딩 등이 있습니다. 그러나 집적도가 높아짐에 따라 레이저 제품의 동질화가 심화되어 레이저 시장의 성장을 저해하고 있습니다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해서는 레이저 응용 분야를 새로운 재료 영역으로 확장해야 합니다. 레이저 가공에 적합한 비금속 재료로는 직물, 유리, 플라스틱, 고분자, 세라믹 등이 있습니다. 각 재료는 여러 산업 분야에 걸쳐 사용되지만, 이미 성숙한 가공 기술이 존재하기 때문에 레이저를 다른 재료로 대체하는 것은 쉽지 않습니다.

비금속 소재 분야에 진출하려면 레이저와 해당 소재의 상호 작용 가능성 및 부작용 발생 여부를 분석해야 합니다. 현재 유리 소재는 높은 부가가치와 대량 레이저 가공 응용 분야에서 큰 잠재력을 지닌 주요 분야로 주목받고 있습니다.

유리 레이저 절단용 넓은 공간

유리는 자동차, 건설, 의료, 전자 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 중요한 산업 소재입니다. 그 응용 분야는 마이크로미터 크기의 소형 광학 필터부터 자동차나 건설 산업에서 사용되는 대형 유리 패널에 이르기까지 매우 다양합니다.

유리는 광학 유리, 석영 유리, 미결정 유리, 사파이어 유리 등으로 분류할 수 있습니다. 유리의 가장 큰 특징은 취성으로, 이는 기존 가공 방식에 상당한 어려움을 초래합니다. 전통적인 유리 절단 방식은 일반적으로 경질 합금이나 다이아몬드 공구를 사용하며, 절단 과정은 두 단계로 나뉩니다. 첫째, 다이아몬드 팁 공구나 경질 합금 연삭 휠을 사용하여 유리 표면에 균열을 만듭니다. 둘째, 기계적인 힘을 이용하여 균열선을 따라 유리를 분리합니다. 그러나 이러한 전통적인 방식에는 명확한 단점이 있습니다. 효율성이 낮아 절단면이 고르지 않아 2차 연마 작업이 필요한 경우가 많고, 파편과 먼지가 많이 발생합니다. 또한 유리 패널 중앙에 구멍을 뚫거나 불규칙한 모양을 절단하는 등의 작업에는 전통적인 방식이 매우 어렵습니다. 바로 이러한 점에서 레이저 유리 절단의 장점이 드러납니다. 2022년 중국 유리 산업의 매출액은 약 7,443억 위안에 달했습니다. 유리 산업에서 레이저 절단 기술의 보급률은 아직 초기 단계에 머물러 있어, 레이저 절단 기술이 기존 기술을 대체할 수 있는 상당한 잠재력이 있음을 보여줍니다.

유리 레이저 절단: 휴대폰부터 시작해서

유리 레이저 절단에는 일반적으로 베지어 포커싱 헤드가 사용되어 유리 내부에 높은 피크 출력과 밀도의 레이저 빔을 생성합니다. 베지어 빔을 유리 내부에 집중시키면 재료가 순간적으로 기화되어 기화 영역이 생성되고, 이 기화 영역은 빠르게 팽창하여 유리 상하 표면에 균열을 형성합니다. 이러한 균열은 수많은 미세 기공으로 구성된 절단면을 형성하며, 외부 응력 파괴를 통해 절단이 이루어집니다.

레이저 기술의 비약적인 발전으로 출력 수준 또한 크게 향상되었습니다. 20W 이상의 나노초 녹색 레이저는 유리를 효과적으로 절단할 수 있으며, 15W 이상의 피코초 자외선 레이저는 2mm 미만의 유리도 손쉽게 절단할 수 있습니다. 중국 기업 중에는 최대 17mm 두께의 유리까지 절단할 수 있는 곳도 있습니다. 레이저 유리 절단은 높은 효율성을 자랑합니다. 예를 들어, 직경 10cm, 두께 3mm의 유리 조각을 레이저로 절단하는 데는 기계식 칼을 사용할 경우 몇 분이 걸리는 반면, 레이저로는 단 10초밖에 걸리지 않습니다. 레이저로 절단한 단면은 매끄럽고, 최대 30μm의 정밀도를 자랑하여 일반 산업 제품에서 2차 가공이 필요 없습니다.

유리 레이저 절단은 약 6~7년 전부터 시작된 비교적 최근의 기술입니다. 휴대폰 제조 업계는 카메라 커버 유리에 레이저 절단을 적용하는 등 초기 도입 분야 중 하나였으며, 특히 레이저 초소형 절단 장비의 도입으로 사용량이 급증했습니다. 풀스크린 스마트폰의 보급으로 대형 화면 유리 패널 전체를 정밀하게 레이저 절단하는 기술이 발전하면서 유리 가공 능력이 크게 향상되었습니다. 이제 레이저 절단은 휴대폰 유리 부품 가공에 보편화되었습니다. 이러한 추세는 주로 휴대폰 커버 유리 레이저 가공 자동화 장비, 카메라 렌즈 레이저 절단 장비, 유리 기판 레이저 드릴링 지능형 장비의 등장으로 가속화되었습니다.

차량용 전자 스크린 유리에 레이저 절단 기술이 점차 도입되고 있다.

차량용 스크린, 특히 중앙 제어 화면, 내비게이션 시스템, 블랙박스 등에는 많은 양의 유리 패널이 사용됩니다. 오늘날 많은 신에너지 자동차에는 지능형 시스템과 대형 중앙 제어 화면이 탑재되고 있습니다. 지능형 시스템은 자동차에서 표준으로 자리 잡았으며, 대형 및 다중 화면은 물론 3D 곡면 스크린이 점차 시장의 주류로 자리 잡고 있습니다. 차량용 스크린에 사용되는 유리 커버 패널은 뛰어난 특성 덕분에 널리 사용되고 있으며, 고품질 곡면 스크린 유리는 자동차 산업에 더욱 궁극적인 사용자 경험을 제공할 수 있습니다. 그러나 유리의 높은 경도와 취성은 가공에 어려움을 야기합니다.

차량용 유리 스크린은 높은 정밀도를 요구하며, 조립되는 구조 부품의 허용 오차가 매우 작습니다. 사각형/막대형 스크린 절단 시 발생하는 큰 치수 오차는 조립 문제로 이어질 수 있습니다. 기존 가공 방식은 휠 커팅, 수동 파단, CNC 성형, 모따기 등 여러 단계를 거칩니다. 이러한 기계 가공 방식은 효율성 저하, 품질 불량, 낮은 수율, 높은 비용 등의 문제점을 안고 있습니다. 휠 커팅 후, 차량 중앙 제어 커버 유리 하나를 CNC 가공하는 데 최대 8~10분이 소요될 수 있습니다. 하지만 100W 이상의 초고속 레이저를 사용하면 17mm 두께의 유리를 한 번에 절단할 수 있으며, 여러 생산 공정을 통합하여 효율성을 80%까지 향상시킬 수 있습니다. 레이저 1대가 CNC 기계 20대에 해당하는 효과를 냅니다. 이는 생산성을 크게 향상시키고 단위 가공 비용을 절감합니다.

유리에 레이저를 적용하는 다른 방법들

석영 유리는 독특한 구조 때문에 레이저로 분할 절단하기 어렵지만, 펨토초 레이저를 사용하면 석영 유리에 에칭 처리를 할 수 있습니다. 이는 석영 유리의 정밀 가공 및 에칭에 펨토초 레이저를 적용한 사례입니다. 펨토초 레이저 기술은 최근 급속도로 발전하고 있는 첨단 가공 기술로, 매우 높은 가공 정밀도와 속도를 자랑하며 다양한 소재 표면에 마이크로미터에서 나노미터 수준의 에칭 및 가공이 가능합니다. 레이저 냉각 기술은 변화하는 시장 요구에 따라 발전해 왔습니다. 오랜 경험을 가진 칠러 제조업체로서 당사는 최신 기술을 지속적으로 도입하고 있습니다. 냉각기 시장 트렌드에 맞춰 생산 라인을 구축하고 있는 TEYU 칠러 제조업체의 CWUP 시리즈 초고속 레이저 칠러는 최대 60W의 피코초 및 펨토초 레이저에 효율적이고 안정적인 냉각 솔루션을 제공할 수 있습니다.

레이저 유리 용접은 지난 2~3년 사이에 독일에서 처음 등장한 새로운 기술입니다. 현재 중국에서는 화공 레이저, 시안 광학정밀기계연구소, 하얼빈 히트 용접 기술 등 몇몇 업체만이 이 기술을 상용화했습니다. 고출력 초단펄스 레이저를 이용하면 레이저에서 발생하는 압력파가 유리에 미세 균열이나 응력 집중을 유발하여 두 유리 조각 사이의 접합을 촉진할 수 있습니다. 용접 후 접합된 유리는 매우 견고하며, 현재 3mm 두께의 유리도 밀착 용접이 가능합니다. 앞으로 연구자들은 유리와 다른 재료를 겹쳐 용접하는 기술에도 주목하고 있습니다. 현재 이러한 신기술은 아직 대량 생산에 널리 적용되지는 않았지만, 기술이 성숙되면 첨단 응용 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.