고출력 초고속 레이저 장비의 응용 시장을 공략하는 방법은 무엇일까요?

산업용 레이저 가공은 높은 효율성, 정밀도, 그리고 최고 수준의 품질이라는 세 가지 핵심적인 특징을 자랑합니다. 바로 이러한 세 가지 특성 덕분에 레이저 가공은 다양한 제조 분야에서 널리 채택되어 왔습니다. 고출력 금속 절단부터 중저출력 미세 가공에 이르기까지, 레이저 방식은 기존 가공 기술에 비해 상당한 이점을 보여줍니다. 그 결과, 레이저 가공은 지난 10여 년 동안 급속도로 확산되었습니다.

중국에서의 초고속 레이저 개발

레이저 가공 응용 분야는 점차 다양화되어 중대형 파이버 레이저 절단, 대형 금속 부품 용접, 초고속 레이저 미세 가공 정밀 제품 등 다양한 작업에 집중되고 있습니다. 피코초 레이저(10⁻¹²초)와 펨토초 레이저(10⁻¹⁵초)로 대표되는 초고속 레이저는 불과 20여 년 만에 급속도로 발전했습니다. 2010년에 상용화되어 의료 및 산업 가공 분야에 점차 보급되었습니다. 중국은 2012년에 초고속 레이저의 산업적 활용을 시작했지만, 성숙한 제품은 2014년에야 등장했습니다. 그 이전에는 거의 모든 초고속 레이저를 수입에 의존했습니다.

2015년까지 해외 제조업체들은 비교적 성숙한 기술을 보유하고 있었지만, 초고속 레이저 가격은 200만 위안을 넘어섰습니다. 정밀 초고속 레이저 절단기 한 대의 가격은 400만 위안 이상이었습니다. 이러한 높은 가격은 중국에서 초고속 레이저의 광범위한 보급을 가로막는 요인이었습니다. 2015년 이후 중국은 초고속 레이저의 국산화를 가속화했습니다. 기술적 혁신이 빠르게 진행되어 2017년에는 10개 이상의 중국 초고속 레이저 업체가 해외 제품과 동등한 수준으로 경쟁하게 되었습니다. 중국산 초고속 레이저는 수만 위안 수준으로 가격이 인하되었고, 이에 따라 수입 업체들도 가격을 낮출 수밖에 없었습니다. 이 시기에 국산 초고속 레이저는 안정화되었고, 특히 저출력(3W~15W) 부문에서 시장 점유율을 확대했습니다. 중국산 초고속 레이저 출하량은 2015년 100대 미만에서 2021년 2,400대로 급증했습니다. 2020년 중국 초고속 레이저 시장 규모는 약 27억 4천만 위안에 달했습니다.

초고속 레이저의 위력이 끊임없이 새로운 경지에 도달하고 있습니다.

최근 몇 년 동안 중국 연구진의 노력 덕분에 중국산 초고속 레이저 기술은 상당한 발전을 이루었습니다. 50W 자외선 피코초 레이저 개발에 성공했고, 50W 펨토초 레이저 기술도 점차 성숙 단계에 접어들었습니다. 2023년에는 베이징의 한 기업이 500W 고출력 적외선 피코초 레이저를 선보였습니다. 현재 중국의 초고속 레이저 기술은 유럽과 미국의 선진 기술과의 격차를 상당히 좁혔으며, 최대 출력, 안정성, 최소 펄스 폭과 같은 핵심 지표에서만 뒤처지고 있습니다.

초고속 레이저의 향후 개발은 펄스 폭 개선과 함께 1000W 적외선 피코초 레이저 및 500W 펨토초 레이저와 같은 고출력 변형 제품 도입에 초점을 맞추고 있습니다. 기술이 발전함에 따라 응용 분야의 특정 병목 현상이 극복될 것으로 예상됩니다.

중국 국내 시장 수요는 레이저 생산 능력 발전 속도를 따라가지 못하고 있다.

중국 초고속 레이저 시장 규모의 성장률은 출하량 급증에 비해 현저히 뒤처지고 있습니다. 이러한 격차의 주요 원인은 중국산 초고속 레이저의 하위 응용 시장이 아직 완전히 개방되지 않았기 때문입니다. 국내외 레이저 제조업체 간의 치열한 가격 경쟁으로 시장 점유율을 확보하려는 움직임, 응용 분야의 미성숙한 공정, 그리고 지난 3년간 스마트폰 전자/패널 시장의 침체 등이 복합적으로 작용하여 많은 사용자들이 초고속 레이저 생산 라인으로의 확장을 주저하게 만들었습니다.

가시광선을 이용한 판금 절단 및 용접과는 달리, 초고속 레이저는 극히 짧은 시간 내에 작업을 완료할 수 있어 다양한 공정에 대한 광범위한 연구가 필요합니다. 현재 초고속 레이저는 풀스크린 스마트폰, 유리, OLED PET 필름, FPC 플렉서블 기판, PERC 태양 전지, 웨이퍼 절단, 회로 기판의 블라인드 홀 드릴링 등 다양한 분야에서 이미 상용화 단계에 접어들었습니다. 또한, 항공우주 및 방위 산업 분야에서도 특수 부품의 드릴링 및 절단에 있어 그 중요성이 두드러집니다.

초고속 레이저가 다양한 분야에 적합하다고 주장되지만, 실제 적용 사례는 별개의 문제입니다. 반도체 소재, 칩, 웨이퍼, PCB, 동박 기판, 표면 실장 기술(SMT)과 같이 대규모 생산이 이루어지는 산업에서는 초고속 레이저를 의미 있게 활용하는 사례가 거의 없습니다. 이는 초고속 레이저 응용 분야 및 공정 개발이 ​​레이저 기술 발전 속도에 비해 뒤처지고 있음을 보여줍니다.

초고속 레이저 가공 응용 분야 탐구의 긴 여정

중국에서 정밀 레이저 장비 전문 기업의 수는 상대적으로 적어 금속 레이저 절단 기업의 약 1/20에 불과합니다. 이러한 기업들은 일반적으로 규모가 크지 않아 반도체, PCB, 패널 등의 산업 분야에서 공정 개발 기회가 제한적입니다. 더욱이, 최종 제품 분야에서 이미 성숙한 생산 공정을 갖춘 산업들은 레이저 미세 가공으로 전환하는 과정에서 수많은 시행착오를 거쳐야 합니다. 장비 비용을 고려할 때, 신뢰할 수 있는 새로운 공정 솔루션을 찾는 것은 상당한 시행착오를 필요로 합니다. 이러한 전환 과정은 결코 쉽지 않습니다.

유리 패널 전체 절단은 초고속 레이저를 특정 틈새 시장에 적용하는 데 있어 실현 가능한 진입점이 될 수 있습니다. 휴대폰 유리 화면 절단에 레이저 기술이 빠르게 도입된 것이 성공적인 사례입니다. 그러나 다른 산업 분야에서 특수 소재 부품이나 반제품에 초고속 레이저를 적용하는 데에는 더 많은 연구가 필요합니다. 현재 초고속 레이저 응용 분야는 다소 제한적이며, 주로 비금속 소재 절단에 집중되어 있습니다. OLED/반도체와 같은 광범위한 분야에서의 응용 사례가 부족한 것은 중국의 초고속 레이저 가공 기술 수준이 아직 높지 않다는 것을 보여줍니다. 이는 또한 향후 발전 가능성이 매우 크다는 것을 의미하며, 향후 10년 동안 초고속 레이저 가공 응용 분야가 점진적으로 증가할 것으로 예상됩니다.