유리 레이저 가공의 현재 상태와 잠재력 탐구

레이저 제조 기술은 지난 10년 동안 급속한 발전을 이루었으며, 주요 응용 분야는 금속 소재의 레이저 가공입니다. 금속의 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 클래딩은 금속 레이저 가공에서 가장 중요한 공정 중 하나입니다. 그러나 농도가 높아짐에 따라 레이저 제품의 균질화가 심해져 레이저 시장의 성장이 제한되었습니다. 따라서 획기적인 발전을 이루려면 레이저 응용 분야가 새로운 재료 영역으로 확장되어야 합니다. 레이저 적용에 적합한 비금속 재료에는 직물, 유리, 플라스틱, 폴리머, 세라믹 등이 있습니다. 각 소재는 여러 산업과 관련이 있지만, 성숙한 가공 기술이 이미 존재하기 때문에 레이저로 대체하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

비금속 재료 분야에 진출하려면 레이저와 재료의 상호작용이 가능한지, 그리고 부작용이 발생할지 여부를 분석하는 것이 필요합니다. 현재 유리는 일괄 레이저 가공 분야에서 높은 부가가치와 잠재력을 지닌 주요 분야로 두각을 나타내고 있습니다.

유리 레이저 절단을 위한 넓은 공간

유리는 자동차, 건설, 의료, 전자 등 다양한 산업에 사용되는 중요한 산업 자재입니다. 그 적용 범위는 마이크로미터 단위의 소형 광학 필터부터 자동차나 건설 산업에 사용되는 대형 유리 패널까지 다양합니다.

유리는 광학유리, 석영유리, 미정질유리, 사파이어유리 등으로 분류할 수 있습니다. 유리의 가장 큰 특징은 취성인데, 이는 전통적인 가공 방법에 큰 어려움을 야기합니다. 전통적인 유리 절단 방법은 일반적으로 단단한 합금이나 다이아몬드 도구를 사용하며, 절단 과정은 두 단계로 나뉩니다. 먼저, 다이아몬드 팁 도구나 단단한 합금 연삭 휠을 사용하여 유리 표면에 균열을 만듭니다. 두 번째로, 기계적 수단을 사용하여 균열선을 따라 유리를 분리합니다. 하지만 이러한 전통적인 과정에는 분명한 단점이 있습니다. 이러한 연마재는 비교적 비효율적이어서 가장자리가 고르지 않아 종종 2차 연마가 필요하고 많은 이물질과 먼지가 발생합니다. 게다가 유리 패널 중앙에 구멍을 뚫거나 불규칙한 모양을 자르는 등의 작업의 경우 기존 방법으로는 매우 어렵습니다. 레이저로 유리를 절단하는 것의 장점이 분명해지는 곳입니다. 2022년 중국 유리산업의 매출수입은 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 종종 베지어 초점 헤드를 사용하여 유리 내에서 높은 피크 전력과 밀도의 레이저 빔을 생성합니다. 베지어 빔을 유리 내부에 집중시키면 재료가 즉시 증발하여 증발 영역이 생성되고, 이 영역이 빠르게 확장되어 위쪽과 아래쪽 표면에 균열이 형성됩니다. 이러한 균열은 수많은 작은 기공점으로 구성된 절단면을 형성하여 외부 응력 균열을 통해 절단을 달성합니다.

레이저 기술이 크게 발전함에 따라 출력 수준도 증가했습니다. 20W 이상의 출력을 가진 나노초 녹색 레이저는 유리를 효과적으로 절단할 수 있으며, 15W 이상의 출력을 가진 피코초 자외선 레이저는 두께가 2mm 이하인 유리를 손쉽게 절단합니다. 최대 17mm 두께의 유리를 절단할 수 있는 중국 기업이 있습니다. 레이저로 유리를 절단하는 것은 높은 효율성을 자랑합니다. 예를 들어, 두께 3mm의 유리에서 직경 10cm의 유리 조각을 자르는 데는 레이저 절단을 사용하면 약 10초밖에 걸리지 않지만, 기계식 칼을 사용하면 몇 분이 걸립니다. 레이저로 절단한 모서리는 매끄럽고, 노치 정확도는 최대 30μm로 일반 산업 제품에 대한 2차 가공이 필요 없습니다.

레이저를 이용한 유리 절단 기술은 비교적 최근에 개발된 기술로, 약 6~7년 전에 시작되었습니다. 휴대전화 제조업계는 가장 먼저 도입한 분야 중 하나로, 카메라 유리 커버에 레이저 절단을 사용했고 레이저 투명 절단 장치가 도입되면서 급증세를 보였습니다. 풀스크린 스마트폰이 대중화되면서, 대형 스크린 유리 패널 전체를 레이저로 정밀하게 절단하는 기술이 개발되면서 유리 가공 용량이 크게 향상되었습니다. 휴대전화용 유리 부품을 가공할 때 레이저 절단이 일반화되었습니다. 이러한 추세는 주로 휴대폰 커버 유리의 레이저 가공을 위한 자동화 장비, 카메라 보호 렌즈를 위한 레이저 절단 장치, 유리 기판을 레이저 드릴링하기 위한 지능형 장비에 의해 주도되었습니다.

차량용 전자 스크린 유리, 레이저 커팅 기술 점차 도입

자동차에 장착된 스크린은 많은 양의 유리 패널을 소모합니다. 특히 중앙 제어 화면, 내비게이션 시스템, 대시캠 등이 그렇습니다. 요즘 신에너지 자동차에는 지능형 시스템과 대형 중앙 제어 화면이 장착된 경우가 많습니다. 자동차에서는 지능형 시스템이 표준이 되었으며, 크고 여러 개의 화면과 3D 곡면 화면이 점차 시장 주류가 되어가고 있습니다. 차량 장착형 스크린용 유리 커버 패널은 뛰어난 특성 덕분에 널리 사용되고 있으며, 고품질 곡면 스크린 유리는 자동차 산업에 더욱 궁극적인 경험을 제공할 수 있습니다. 그러나 유리의 높은 경도와 취성은 가공에 어려움을 줍니다.

차량에 장착되는 유리 스크린은 높은 정밀도가 요구되며, 조립된 구조적 구성 요소의 허용 오차는 매우 작습니다. 정사각형/막대형 스크린을 절단하는 동안 치수 오류가 크면 조립 문제가 발생할 수 있습니다. 기존의 가공 방법에는 휠 절단, 수동 브레이킹, CNC 성형, 모따기 등 여러 단계가 포함됩니다. 기계적 가공이기 때문에 효율성이 낮고, 품질이 나쁘고, 수율이 낮고, 비용이 많이 드는 등의 문제가 있습니다. 휠 절단 후, 단일 자동차 중앙 제어 장치 커버 유리 모양을 CNC 가공하는 데 최대 8~10분이 걸릴 수 있습니다. 100W가 넘는 초고속 레이저를 사용하면 17mm 두께의 유리를 한 번에 절단할 수 있으며, 여러 생산 공정을 통합하면 효율성이 80% 증가합니다. 1개의 레이저는 20대의 CNC 기계와 같습니다. 이를 통해 생산성이 크게 향상되고 단위 처리 비용이 절감됩니다.

유리에서 레이저의 다른 응용 분야

석영 유리는 독특한 구조를 가지고 있어 레이저로 분할 절단하기 어렵지만, 펨토초 레이저를 사용하면 석영 유리를 에칭할 수 있습니다. 이는 석영 유리의 정밀 가공 및 에칭을 위한 펨토초 레이저의 응용 분야입니다. 펨토초 레이저 기술은 최근 급속히 발전하고 있는 첨단 가공 기술로, 매우 높은 가공 정밀도와 속도를 갖추고 있으며, 다양한 소재 표면에 마이크로미터에서 나노미터 수준의 에칭 및 가공이 가능합니다.  레이저 냉각 기술은 변화하는 시장 수요에 따라 달라집니다. 당사의 숙련된 냉각기 제조업체로서 업데이트합니다. 물 냉각기  시장 동향에 맞춰 생산 라인을 조정하는 TEYU 냉각기 제조업체의 CWUP 시리즈 초고속 레이저 냉각기는 최대 60W의 피코초 및 펨토초 레이저에 효율적이고 안정적인 냉각 솔루션을 제공할 수 있습니다.

유리 레이저 용접은 지난 2~3년 사이에 등장한 새로운 기술로, 처음에는 독일에서 처음 선보였습니다. 현재 중국에서는 화공 레이저, 시안 광학 및 정밀기계 연구소, 하얼빈 히트 웰드 테크놀로지 등 몇몇 단위만이 이 기술을 돌파했습니다. 고출력 초단 펄스 레이저의 작용으로 레이저가 생성하는 압력파는 유리에 미세균열이나 응력집중을 발생시켜 두 유리 조각 사이의 결합을 촉진할 수 있습니다.  용접 후 접합된 유리는 매우 견고하여 3mm 두께의 유리끼리도 밀착 용접이 가능합니다. 앞으로 연구자들은 유리와 다른 소재의 오버레이 용접에도 집중할 예정이다. 현재 이러한 새로운 공정은 아직 일괄적으로 널리 적용되지는 않았지만, 일단 성숙되면 의심할 여지 없이 일부 고급 응용 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.