유리 레이저 가공의 현재 상태와 잠재력 탐구

레이저 제조 기술은 지난 10년 동안 급속한 발전을 거듭해 왔으며, 주요 응용 분야는 금속 소재의 레이저 가공입니다. 금속의 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 클래딩은 금속 레이저 가공에서 가장 중요한 공정 중 하나입니다. 그러나 레이저 집적도가 높아짐에 따라 레이저 제품의 균질화가 심화되어 레이저 시장 성장이 제한되고 있습니다. 따라서 레이저 시장이 성장하기 위해서는 새로운 소재 영역으로의 확장이 필수적입니다. 레이저 적용에 적합한 비금속 소재로는 직물, 유리, 플라스틱, 폴리머, 세라믹 등이 있습니다. 각 소재는 다양한 산업과 관련이 있지만, 이미 고도화된 가공 기술이 존재하기 때문에 레이저로 대체하는 것은 쉽지 않습니다.

비금속 재료 분야에 진출하려면 레이저와 재료의 상호작용이 가능한지, 그리고 부작용이 발생할지 여부를 분석해야 합니다. 현재 유리는 높은 부가가치와 일괄 레이저 가공 잠재력을 갖춘 주요 분야로 주목받고 있습니다.

유리 레이저 절단을 위한 넓은 공간

유리는 자동차, 건설, 의료, 전자 등 다양한 산업에서 사용되는 중요한 산업 소재입니다. 마이크로미터 단위의 소형 광학 필터부터 자동차나 건설과 같은 산업에 사용되는 대형 유리 패널까지 다양한 용도로 활용됩니다.

유리는 광학 유리, 석영 유리, 미정질 유리, 사파이어 유리 등으로 분류할 수 있습니다. 유리의 주요 특징은 취성인데, 이는 기존 가공 방식에 큰 어려움을 야기합니다. 기존 유리 절단 방식은 일반적으로 경질 합금이나 다이아몬드 공구를 사용하며, 절단 공정은 두 단계로 나뉩니다. 첫째, 다이아몬드 팁 공구나 경질 합금 연삭 휠을 사용하여 유리 표면에 균열을 만듭니다. 둘째, 균열선을 따라 기계적 수단을 사용하여 유리를 분리합니다. 그러나 이러한 기존 공정에는 분명한 단점이 있습니다. 비교적 비효율적이어서 가장자리가 고르지 않아 2차 연마가 필요하고, 많은 파편과 먼지가 발생합니다. 더욱이 유리 패널 중앙에 구멍을 뚫거나 불규칙한 모양을 절단하는 작업은 기존 방식으로는 상당히 어렵습니다. 바로 이러한 점에서 레이저 유리 절단의 장점이 분명해집니다. 2022년 중국 유리 산업의 매출은 약 7,443억 위안이었습니다. 유리 산업에서 레이저 절단 기술의 침투율은 아직 초기 단계에 있으며, 이는 레이저 절단 기술을 대체재로 적용할 수 있는 상당한 여지가 있음을 보여줍니다.

유리 레이저 절단: 휴대폰부터

유리 레이저 절단은 유리 내부에 높은 피크 파워와 밀도의 레이저 빔을 생성하기 위해 베지어 포커싱 헤드를 사용하는 경우가 많습니다. 베지어 빔을 유리 내부에 집중시키면 재료가 순간적으로 기화되어 기화 영역을 생성하고, 이 영역이 빠르게 확장되어 상하 표면에 균열을 형성합니다. 이러한 균열은 무수히 많은 미세 기공으로 구성된 절단면을 형성하여 외부 응력 균열을 통과하는 절단을 가능하게 합니다.

레이저 기술이 크게 발전함에 따라 출력 수준 또한 향상되었습니다. 20W 이상의 나노초 녹색 레이저는 유리를 효과적으로 절단할 수 있으며, 15W 이상의 피코초 자외선 레이저는 2mm 두께 이하의 유리를 손쉽게 절단합니다. 중국 기업들은 최대 17mm 두께의 유리를 절단할 수 있습니다. 레이저 절단 유리는 높은 효율을 자랑합니다. 예를 들어, 두께 3mm의 유리에서 직경 10cm의 유리 조각을 절단하는 데 레이저 절단은 약 10초밖에 걸리지 않는 반면, 기계식 칼을 사용하면 몇 분이 걸립니다. 레이저 절단면은 매끄럽고 최대 30μm의 노치 정확도를 자랑하며, 일반 산업 제품의 2차 가공이 필요하지 않습니다.

레이저 유리 절단은 비교적 최근에 개발된 기술로, 약 6~7년 전부터 시작되었습니다. 휴대전화 제조 업계는 카메라 유리 커버에 레이저 절단을 적용하여 선구적인 역할을 했으며, 레이저 투명 절단 장비의 도입으로 급격한 성장을 이루었습니다. 풀스크린 스마트폰의 대중화로 인해 대형 화면 유리 패널 전체에 대한 정밀 레이저 절단 기술이 유리 가공 능력을 크게 향상시켰습니다. 휴대전화용 유리 부품 가공에서도 레이저 절단이 보편화되었습니다. 이러한 추세는 주로 휴대전화 커버 유리 레이저 가공 자동화 장비, 카메라 보호 렌즈 레이저 절단 장비, 그리고 유리 기판 레이저 드릴링 지능형 장비에 의해 주도되었습니다.

자동차에 장착된 전자 화면 유리가 점차 레이저 커팅을 채택하고 있습니다.

차량용 스크린은 특히 중앙 제어 스크린, 내비게이션 시스템, 블랙박스 등에 사용되는 유리 패널을 많이 사용합니다. 최근 많은 신에너지 차량에 지능형 시스템과 대형 중앙 제어 스크린이 장착되고 있습니다. 지능형 시스템은 자동차의 표준이 되었으며, 대형 및 다중 스크린과 3D 곡면 스크린이 점차 시장의 주류로 자리 잡고 있습니다. 차량용 스크린용 유리 커버 패널은 뛰어난 특성으로 널리 사용되고 있으며, 고품질 곡면 스크린 유리는 자동차 산업에 더욱 뛰어난 경험을 제공할 수 있습니다. 그러나 유리의 높은 경도와 취성은 가공에 어려움을 야기합니다.

차량 장착 유리 스크린은 높은 정밀도가 요구되며, 조립된 구조 부품의 공차는 매우 작습니다. 정사각형/막대형 스크린 절단 시 발생하는 큰 치수 오차는 조립 문제로 이어질 수 있습니다. 기존의 가공 방식은 휠 커팅, 수동 브레이킹, CNC 성형, 챔퍼링 등 여러 단계로 구성됩니다. 기계 가공이기 때문에 낮은 효율, 품질 저하, 낮은 수율, 높은 비용 등의 문제가 발생합니다. 휠 커팅 후, 단일 차량 중앙 제어 커버 유리 형상의 CNC 가공에는 최대 8~10분이 소요될 수 있습니다. 100W 이상의 초고속 레이저를 사용하면 17mm 두께의 유리를 한 번에 절단할 수 있습니다. 여러 생산 공정을 통합하면 효율이 80% 향상되며, 레이저 1대는 CNC 기계 20대에 해당합니다. 이를 통해 생산성이 크게 향상되고 단위 가공 비용이 절감됩니다.

유리에서 레이저의 다른 응용 분야

석영 유리는 독특한 구조를 가지고 있어 레이저로 분할 절단하기 어렵지만, 펨토초 레이저를 사용하면 석영 유리 에칭에 사용할 수 있습니다. 이는 펨토초 레이저를 석영 유리의 정밀 가공 및 에칭에 적용하는 것입니다. 펨토초 레이저 기술은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하는 첨단 가공 기술로, 매우 높은 가공 정밀도와 속도를 자랑하며 다양한 소재 표면에 마이크로미터에서 나노미터 수준의 에칭 및 가공이 가능합니다. 레이저 냉각 기술은 변화하는 시장 수요에 따라 변화합니다. TEYU 냉각기 제조업체는 시장 동향에 맞춰 수냉식 냉각기 생산 라인을 지속적으로 업데이트하는 숙련된 냉각기 제조업체로서, 최대 60W 출력의 피코초 및 펨토초 레이저에 효율적이고 안정적인 냉각 솔루션을 제공합니다.

유리 레이저 용접은 지난 2~3년 동안 등장한 신기술로, 처음에는 독일에서 시작되었습니다. 현재 중국에서는 화공 레이저(Huagong Laser), 시안 광학 정밀기계 연구소(Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics), 하얼빈 히트 웰드 테크놀로지(Harbin Hit Weld Technology) 등 소수의 업체만이 이 기술을 개발했습니다. 고출력 초단 펄스 레이저의 작용으로 레이저가 생성하는 압력파는 유리에 미세 균열이나 응력 집중을 생성하여 두 유리 조각 사이의 접합을 촉진할 수 있습니다. 용접 후 접합된 유리는 매우 견고하며, 이미 3mm 두께의 유리 사이에 긴밀한 접합을 달성할 수 있습니다. 앞으로 연구자들은 유리와 다른 재료의 오버레이 용접에도 집중하고 있습니다. 현재 이러한 새로운 공정은 아직 일괄적으로 널리 적용되지는 않았지만, 일단 성숙되면 의심할 여지 없이 일부 고급 응용 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.