모빌리티용 플라스틱 접합을 위한 레이저 용접 공정의 혁신

플라스틱 레이저 용접의 기본 원리

레이저 용접은 두 개의 플라스틱 부품을 고정밀 비접촉 방식으로 결합하는 첨단 공정입니다. 일반적으로 아래쪽 소재는 레이저 투과성, 위쪽 소재는 레이저 흡수성이 있어야 하며, 이 둘을 접촉시킨 상태에서 레이저 빔을 조사하면, 흡수되는 부위가 가열되어 용융되고 두 부품이 결합됩니다.

이러한 방식은 기존의 초음파나 진동 마찰 방식과 달리 미세한 구조물 손상 없이 클린룸 환경에서도 적용할 수 있어, 모빌리티·전자·메디컬 등 고신뢰성이 요구되는 산업에서 특히 각광받고 있습니다. 플라스틱 용접은 투과-흡수 원리를 기반으로 한 열전도 접합 (Through-Transmission Welding)으로서 플라스틱 용접은 크게 두 가지 물리적 요건을 충족해야 합니다:

• 레이저 에너지가 접합부에 정확히 도달할 것

• 두 재료가 동시에 용융되어 화학적·물리적으로 결합할 것

이를 위해 케이투레이저시스템은 아래와 같은 구조를 설계합니다:

① 상부 투과층 (Transmissive Layer)

• 레이저 빔을 거의 흡수하지 않고 투과하는 성질을 가진 반투명/투명 플라스틱

• 예: PMMA, PC, PP, PA 등

• 일반적으로 가시광선에는 불투명하나, IR 파장대 (약 808~980nm)에서는 투과율이 높음

• 빔의 모양이나 세기를 그대로 하부층까지 전달하는 광학 창(Window) 역할 수행

② 하부 흡수층 (Absorptive Layer)

• 레이저 에너지를 선택적으로 흡수하여 국부적 열 발생

• 탄소 블랙, 금속 산화물 또는 흡수제를 첨가해 특정 파장에서 흡수 성능을 조절

• 하부층은 용융되어 상부층과 결합하며 접합면 중심부에 융합영역(Molten Pool) 형성

③ 접합 인터페이스 (Weld Interface)

• 상부층은 열 전도에 의해 간접적으로 용융

• 하부층은 직접 에너지 흡수로 용융

• 두 층은 열적으로 융합되어 완전 접합 (Full Weld) 실현

케이투레이저시스템의 동시조사 방식 – 고균일 열 분포의 핵심

케이투레이저시스템은 자체 개발한 다중 파이버 레이저 배열 기술을 통해, 가압 지그와 결합된 동시조사 방식을 구현하고 있습니다. 동시조사(Simultaneous Through-Transmission Laser Welding, STTLW) 방식은 다수의 파이버 레이저를 동시에 조사하여 접합부 전체를 한 번에 용접하는 고효율, 고정밀 플라스틱 접합 기술입니다. 이 방식은 특히 밀봉 성능, 형상 정밀도, 생산 속도가 요구되는 모빌리티용 플라스틱 부품에 적합합니다. 이 기술은 다음과 같은 차별점을 갖습니다:

1. 다중 파이버 조합에 의한 균일 조사

• 기존의 점조사 방식(point-to-point)이나 스캐닝 방식과 달리, 복수의 파이버 레이저를 고정 위치에 배열하여 동시에 조사합니다.

• 이를 통해 부품 전체의 접합부를 동시에 가열하여 열 분포의 균일성 확보 및 변형 최소화가 가능합니다.

2. 열효율 중심의 가압 지그 설계

• 정밀 가압 기능이 포함된 맞춤형 지그는 각 파이버의 조사 위치와 부품 형상에 최적화되어 있어, 용접 품질을 높은 재현성으로 유지할 수 있습니다.

3. 복잡한 형상에도 대응 가능한 유연성

• 곡면, 다중 곡선, 언더컷 구조 등 다양한 형상에도 대응 가능하도록 파이버 분배 및 배치 설계가 자유롭습니다.

공정 절차 (Process Flow)

물리적 접착 과정은 레이저 에너지가 상부 플라스틱을 투과하여 하부 재료에서 흡수되고, 그 열에너지가 접합 계면에서 재료를 녹이며 일어나는 일련의 열융착 현상을 의미합니다. 이 과정을 단계적으로 서술하면 다음과 같습니다:

• 레이저 조사 단계
  케이투레이저시스템의 다이오드 레이저는 파이버를 통해 고정밀 빔을 조사합니다. 이 빔은 가시광선에는 불투명하지만 근적외선(예: 808nm, 940nm) 파장대에는 투과성이 높은 상부 플라스틱을 통과하게 됩니다.

• 상부층 투과 및 하부층 흡수
  상부층은 레이저 에너지를 흡수하지 않고 통과시키며, 빔은 곧장 아래쪽 흡수층까지 전달됩니다. 하부층에는 카본블랙 또는 흡수제가 포함되어 있어, 조사된 레이저 에너지를 흡수하여 국부적인 고온 영역을 형성합니다.

• 접합 계면에서의 열 발생과 용융
  흡수된 에너지는 열로 전환되어 하부층이 용융되기 시작합니다. 이때 발생한 열은 상부층으로 전도되어 상부 재료도 점차 녹아 접합 계면에서 두 재료가 동시에 연화됩니다.

• 재료 간의 융합 및 접착 형성
  상하층 모두가 반용융 상태에 도달하면, 두 재료는 점착 상태가 되며, 재질 특성에 따라 분자간 결합 혹은 고상확산을 통해 접합이 형성됩니다. 이 과정은 외부 압력(가압 지그)에 의해 균일하게 밀착되어 더욱 견고한 접착이 이루어집니다.

• 냉각 및 고정
  레이저 조사 종료 후, 국부 가열된 접합부는 빠르게 냉각되며 고체화됩니다. 이때 재료의 원형이 유지되면서도 내부적으로는 강력한 융합이 이루어져, 외관 손상이 거의 없는 고기밀·고내구성의 접합이 완성됩니다.

이번에는 장비 전체의 동작 순서에 대해서 알아보겠습니다.

① 부품 준비 및 로딩

• 투과성(상부) 및 흡수성(하부) 플라스틱 부품을 준비합니다.

• 부품의 표면은 먼지나 오염물이 없어야 하며, 사전 세척이 필요한 경우도 있습니다.

② 부품 정렬 및 가압

• 정밀 설계된 가압 지그(Press Jig)에 두 부품을 정렬하여 고정합니다.

• 일정한 압력으로 상하 부품 사이의 간극을 제거하고 균일한 접촉 상태를 유지합니다.

• 이 단계는 열전도 효율 및 용접 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

③ 파이버 레이저 동시 조사

• 다수의 파이버 레이저 빔이 조사 위치에 맞춰 배열된 상태로, 접합 라인을 동시에 조사합니다.

• 파이버는 각각 독립적으로 출력 제어가 가능하여, 복잡한 형상에도 최적의 조건으로 대응할 수 있습니다.

• 레이저 파장은 일반적으로 900~1000nm 대역의 IR로, 상부 투명 소재를 통과해 하부 소재에서 흡수되며 열이 발생합니다.

④ 용융 및 접합

• 하부 소재가 레이저 열을 흡수하면서 국부적으로 용융되고, 상부 소재와 융합되어 강력한 접합부가 형성됩니다.

• 가압 상태 유지를 통해 내부 기포나 이격 현상을 방지합니다.

⑤ 냉각 및 탈착

• 조사 완료 후 가압을 유지한 채 일정 시간 냉각을 진행합니다.

• 냉각 후 지그가 풀리면서 접합된 제품을 안전하게 탈착합니다.

기존 기술과의 비교 – 케이투레이저시스템의 경쟁력

모빌리티 산업에서 플라스틱 부품의 경량화, 고기밀성, 미려한 외관, 내구성은 필수적인 품질 요소입니다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 기존의 기계적 결합, 초음파, 접착제 방식은 한계를 보이고 있으며, 레이저 기반 플라스틱 접합이 빠르게 대안으로 자리잡고 있습니다.

기계적 결합 방식 대비 우수한 점

→ 케이투레이저의 동시조사 접합은 부품 단순화와 조립 일체화를 가능케 하여, 구조적 효율성과 외관 품질을 동시에 개선합니다.

초음파 접합(Ultrasonic Welding) 대비 우수한 점

→ 정숙한 환경이 필요한 자동차 전장·센서 분야에 이상적이며, 복잡 형상에서도 탁월한 일관성을 제공합니다.

접착제 방식(Adhesive Bonding) 대비 우수한 점

→ 에너지 절감, 생산성 향상, 친환경 공정까지 모두 만족시키는 차세대 솔루션입니다.

기존 레이저 접합(선형/점 조사 방식) 대비 우수한 점

→ 케이투레이저는 다이오드 파이버 레이저를 다채널로 배열하여, 짧은 시간에 균일한 열 에너지를 전달할 수 있는 고속·고품질 접합에 특화된 구조입니다.

커스터마이징과 가격 경쟁력 – 진정한 사용자 중심 설계

케이투레이저시스템은 고객의 부품 형상, 생산 환경, 생산량에 따라 레이저 파워, 파이버 수, 조사 패턴, 지그 설계를 모두 유연하게 조정할 수 있습니다.

또한, 모듈형 구조로 인해 유지보수 및 부품 교체가 간편하고, 초기 도입 비용 또한 타사 대비 합리적인 수준을 제공합니다. 정형화된 제품만을 판매하는 타사와 달리, 고객 공정에 최적화된 솔루션을 함께 설계하는 것이 케이투레이저시스템의 큰 강점입니다.

적용 어플리케이션

동시조사 방식 플라스틱 레이저 용접 기술은 오늘날 점점 더 복잡해지고 정밀해지는 제품 설계 트렌드에 최적화되어 있습니다. 특히 고기밀성, 고정밀도, 무결점 외관이 요구되는 다양한 모빌리티 및 전자산업 분야에서 활발히 적용되고 있습니다.

물리적 구조가 복잡해지고 외관 품질에 대한 요구가 높아지는 오늘날의 제조 산업에서는, 전통적인 플라스틱 접합 방식으로는 만족스러운 결과를 얻기 어려운 경우가 많습니다. 특히 모빌리티 분야에서 사용되는 다양한 플라스틱 부품들은 점점 더 얇고 가벼우며 정밀한 설계를 기반으로 제작되고 있기 때문에, 접합 기술 역시 한층 더 정교하고 안정적인 방식이 요구됩니다.

케이투레이저의 레이저 동시조사 플라스틱 접합 솔루션은 이러한 변화에 정확히 부합하는 기술입니다. 이 방식은 다이오드 기반 파이버 레이저를 사용하여 투명한 상층 플라스틱을 통과한 레이저 빔이 흡수층에서 에너지를 방사하면서, 재료 간의 접착이 일어나는 원리입니다. 비접촉 방식이기 때문에 미세한 진동이나 변형 없이 안정적인 결과를 얻을 수 있고, 별도의 화학적 접착제나 기계적 체결이 필요 없어 깔끔한 외관과 뛰어난 기밀성을 동시에 확보할 수 있습니다.

특히 케이투레이저는 다채널 레이저 모듈과 정밀하게 설계된 가압 지그를 결합하여, 접합면 전체에 균일한 에너지를 동시 조사하는 구조를 갖추고 있습니다. 이 방식은 곡면 구조나 비정형 설계가 많은 제품에도 정밀한 접합을 가능하게 해주며, 공정 속도 또한 빠르기 때문에 양산 라인에 적합합니다. 기존의 점 조사 방식, 혹은 선형 진행 방식의 레이저 용접과 비교해 접합 품질과 생산성이 모두 향상됩니다.

예를 들어 자동차용 헤드램프와 리어램프는 복잡한 다단 곡면 구조와 얇은 투명 플라스틱이 조합된 대표적인 사례입니다. 이러한 부품들은 외관에 직접 노출되고, 동시에 방수·방진 성능을 확보해야 하므로 정밀한 접합이 반드시 요구됩니다. 케이투레이저의 동시조사 레이저 용접은 해당 구조를 한 번에, 빠르고 안정적으로 접합할 수 있는 유일한 기술 중 하나입니다.

이 외에도 케이투레이저의 기술은 전기차 배터리 모듈 하우징, 커넥터, 센서 하우징 등 기밀성과 절연성이 중요한 부품은 물론, 휴대폰이나 스마트워치와 같은 3C 전자제품의 정밀 외장 접합에도 폭넓게 활용될 수 있습니다. 웨어러블 의료기기나 소형 진단 키트, 마이크로유체 디바이스와 같이 높은 위생 기준과 비파괴 공정이 필요한 분야에서도 효과적인 해결책을 제공할 것으로 기대됩니다.