케이투레이저와 함께하는 정밀 레이저 가공 솔루션
레이저 가공 기술은 현대 산업 현장에서 빼놓을 수 없는 핵심 공정 중 하나입니다. 특히, 펄스 레이저(Pulsed Laser) 는 미세 가공, 정밀 용접, 소재의 국부적 처리에 탁월한 성능을 발휘하며 다양한 분야에서 각광받고 있습니다. 케이투레이저는 레이저 포토닉스 전문 기업으로서, 고성능 펄스 레이저 시스템과 응용 노하우를 기반으로 고객에게 최적의 솔루션을 제공합니다.
이번 블로그에서는 펄스 레이저의 시스템 구성 및 발진 원리, 펄스 가공의 핵심 기술, 그리고 CW(Continuous Wave) 및 QCW(Quasi-CW) 레이저와의 차별점까지 폭넓게 다뤄보겠습니다.
펄스 레이저란?
펄스 레이저(Pulsed Laser) 는 연속적으로 빛을 발진하는 CW 레이저와 달리, 짧은 시간 동안 고출력의 레이저를 순간적으로 방출하는 방식입니다. 이러한 펄스 방식은 고에너지 밀도를 형성할 수 있어, 정밀한 가공이 필요한 분야에서 이상적인 선택입니다.
펄스 레이저 시스템을 이해하기 위해서는 다음과 같은 핵심 파라미터들을 정확히 이해하는 것이 중요합니다. 이들 파라미터는 가공 결과를 좌우할 뿐만 아니라, 레이저의 출력 효율, 정밀도, 반복 안정성을 판단하는 기준이 됩니다.
파라미터 조합 | 영향 |
|---|---|
짧은 펄스 폭 + 높은 에너지 | 매우 높은 피크 파워 → 고경도 소재, 비정형 가공 |
높은 반복률 + 낮은 에너지 | 얕은 열처리, 얇은 피막 형성 |
낮은 반복률 + 높은 에너지 | 깊은 마킹, 천공 가공 |
1) 펄스 폭 (Pulse Width, τ)
정의: 한 번의 펄스가 지속되는 시간 (ns, ps, fs 단위)
일반적으로 짧을수록 열 영향을 줄이고 정밀 가공이 용이
fs~ps 펄스는 초정밀 가공(예: 의료, 반도체)에, ns 펄스는 산업 가공에 널리 사용
2) 펄스 반복률 (Repetition Rate, f)
정의: 단위 시간당 방출되는 펄스 횟수 (Hz, kHz, MHz)
반복률이 높을수록 가공 속도 향상 가능하지만, 열 누적 효과 주의 필요
가공 중 재료의 냉각 시간 확보 여부에 영향
3) 펄스 에너지 (Pulse Energy, E)
정의: 펄스 1회에 전달되는 에너지
고펄스 에너지는 깊은 가공이나 고반사 재료 용접에 유리
4) 피크 파워 (Peak Power, P_peak)
정의: 펄스 내 순간 최대 출력
펄스 폭이 짧고 펄스 에너지가 높을수록 피크 파워는 증가 → 비접촉 증발, 크랙리스 가공 등 실현 가능
펄스 레이저의 발진 원리 및 시스템 구성
케이투레이저의 펄스 레이저 시스템은 복잡한 광학/전자적 구성 요소들이 유기적으로 작동하여, 정밀하고 안정적인 레이저 빔을 생성합니다.
1단계: 레이저 발진기 (Oscillator)
역할: 펄스 레이저의 씨앗(Seed Pulse) 생성
사용 기술: Q-Switch, Mode-Locking
Q-Switch: 수십 ns의 펄스를 생성. 산업 응용에 적합.
Mode-Locking: ps ~ fs 초단펄스를 생성. 고정밀 응용에 적합.
품질 영향:
펄스 폭, 펄스 주기 정확도 결정
Seed 품질이 나쁘면 이후 증폭기 성능도 저하됨
2단계: 레이저 증폭기 (Amplifier)
역할: Seed Pulse의 에너지를 원하는 출력으로 증폭
사용 기술:
파이버 증폭기: 열 안정성이 뛰어나며 빔 품질이 우수
슬랩형 고체 증폭기: 고출력 구현 가능, 열 관리 중요
품질 영향:
증폭 비선형성, ASE(Amplified Spontaneous Emission) 최소화 필요
열 렌즈 효과 관리 여부에 따라 빔 왜곡 발생 가능
3단계: 펄스 제어 및 변조 (Modulation Unit)
역할: 펄스 타이밍, 에너지, 반복률 등을 정밀하게 제어
사용 기술: AOM, EOM (Acousto/ Electro-Optic Modulator)
품질 영향:
미세 조정이 가능해야 가공 품질 유지
드라이버 불안정 시 출력 변동 발생
4단계: 빔 전송 및 제어 (Beam Delivery)
구성 요소:
FSM 또는 갈보 스캐너: 빠르고 정밀한 위치 제어
F-Theta 렌즈: 평탄한 초점면 제공
빔 쉬핑/포커싱 옵틱: Gaussian, Donut 등 원하는 빔 형상 구현
품질 영향:
빔의 정렬, 초점 위치, 왜곡 보정 여부가 최종 가공 품질 좌우
코어/스큐레이 등 복합 빔 구현 시 복합 광학 설계 노하우 필요
CW, QCW와 펄스 레이저의 차이점
레이저 발생기 유형에는 연속파(CW)와 펄스(Pulse) 레이저가 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 CW 레이저는 시간적으로 연속적으로 작동하고, Pulse 레이저는 특정 주기마다 한번만 작동합니다.
CW : 레이저 펌프 소스는 장시간 레이저 출력을 생성하기 위해 지속적으로 에너지를 제공하여 연속파 레이저 광을 얻습니다. CW 레이저의 출력 전력은 일반적으로 비교적 낮지만, 연속적인 레이저 작동이 필요한 경우에 적합합니다.
Pulse : 순간적인 출력 전력이 크고 레이저 마킹, 절단, 용접, 세척 및 범위 지정에 적합합니다. 엄밀히 말해서 사실 작동 원리 측면에서 CW와 Pulse는 모두 펄스 유형에 속하지만 CW 레이저는 출력 펄스 주파수가 높아서 육안으로 확인이 어렵습니다.
구분 | CW 레이저 | QCW 레이저 | 펄스 레이저 |
|---|---|---|---|
발진 방식 | 연속 | 짧은 시간 동안 고출력 펄스를 연속으로 발진 | 극단적으로 짧은 펄스 단위로 발진 |
피크 파워 | 낮음 | 중간 | 매우 높음 |
열영향 | 큼 | 상대적으로 적음 | 매우 적음 |
주요 용도 | 절단, 고출력 용접 | 배터리 탭 용접, 금속 박판 가공 | 정밀 용접, 마이크로 드릴링, 열 민감 소재 가공 |
펄스 레이저는 국소적인 가열과 빠른 냉각이 가능하여 열 변형을 최소화하면서도 깨끗한 가공면을 확보할 수 있습니다. 또한, 빔의 피크 파워가 높기 때문에 난가공 소재(구리, 알루미늄 등) 도 효과적으로 처리할 수 있습니다. CW와 Pulse의 차이에 대해 조금 더 자세히 알아보겠습니다.
CW | Pulsed | |
|---|---|---|
원리 | 레이저는 일반적으로 캐비티에서 왕복으로 한 번 출력됩니다. 캐비티 길이는 일반적으로 밀리미터에서 미터 범위이기 때문에 초당 여러 번 출력할 수 있으며, 이를 연속파 레이저라고 합니다. 간단히 말해서 CW 레이저는 연속적으로 방출합니다. 레이저 펌프 소스는 장시간 레이저 출력을 생성하기 위해 지속적으로 에너지를 공급하여 연속파 레이저 빛을 얻습니다. | 레이저에 변조기를 추가하여 주기적안 손실을 발생시키면, 여러 펄스들 중에서 일부분을 선택하여 출력시킬 수 있습니다. 간단히 말해서, 빔 바이 빔 형태로 레이저에서 방출되는 레이저 광은 빔 바이 빔입니다. 동시에 방출되는 파동(전파/광파 등)과 같은 기계적 형태입니다. |
장점 | 작업 물질의 여기와 해당 레이저 출력을 통해 CW 레이저는 장시간 연속 모드를 계속할 수 있습니다. | 펄스 레이저는 출력 전력이 크므로 레이저 마킹, 절단, 거리 측정 등에 적합합니다. 장점은 작업물의 전체 온도 상승이 작고 열 영향 범위가 작으며 작업물의 변형이 작다는 것입니다. |
특징 | 안정 적인 작동 상태를 유지하면서, 각 에너지 레벨의 입자 수와 공동의 복사장은 안정된 분포를 갖습니다. | 단일 레이저의 펄스 폭이 0.25초 미만이고, 특정 간격 마다 한 번씩 작동합니다. |
작동 방식 | 레이저 출력이 연속적이며 레이저가 켜진 후에는 출력이 중단되지 않습니다. | 레이저의 출력이 불연속적이고, 특정 간격마다 한 번만 작동합니다. |
출력 | 출력 파워가 일반적으로 비교적 낮습니다. | 출력 파워가 큽니다. |
피크 에너지 | 자체 출력 만큼의 피크 에너지를 생성합니다. | 자체 출력의 몇 배에 달하는 피크 에너지를 만들 수 있습니다. 펄스 폭이 짧을수록 열적 효과가 줄어들기 때문에 미세 가공에 펄스 레이저가 더욱 유리합니다. |
펄스 레이저 용접의 특징과 장점
펄스 레이저는 기존 CW 기반의 레이저 용접과 비교해 정밀도, 품질, 반복성 면에서 뛰어난 성능을 자랑합니다.
장점 요약
미세 용접 가능: 0.1mm 이하의 정밀 부품도 가공 가능
열 영향 최소화: 변형 및 크랙 발생 감소
고난이도 소재 대응: 반사율 높은 금속도 안정적인 용접
고속 생산성: 높은 반복율로 생산 효율 향상
대표 적용 분야
배터리 제조 (탭 용접)
의료기기 및 정밀 센서 조립
전자부품 미세 접합
항공우주 및 고정밀 부품 제작
CW, QCW, 펄스 파이버 레이저 용접 기술 비교: 어떤 레이저가 최적일까?
레이저 용접은 고에너지의 빛을 활용해 금속을 정밀하게 접합하는 기술로, 자동차, 전자, 배터리, 3C 제품 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 하지만 CW(Continuous Wave), QCW(Quasi-Continuous Wave), ns 펄스 파이버 레이저처럼 서로 다른 방식의 레이저가 존재하며, 각각의 용접 성능과 적합한 어플리케이션은 뚜렷하게 다릅니다.
이번 콘텐츠에서는 실제 용접 테스트 결과를 기반으로 CW, QCW, 펄스 레이저의 용접 품질, 빔 특성, 재료 호환성을 종합적으로 비교하여 가공 조건에 맞는 최적의 레이저 선택을 안내드립니다.
ns 펄스 파이버 레이저 용접 – 정밀 가공의 선두주자
ns 펄스 파이버 레이저는 나노초 단위의 짧은 펄스를 높은 반복률로 출력하여 작은 열영향과 높은 인발력을 구현할 수 있는 정밀 용접용 레이저입니다.
주요 특징
짧은 펄스폭(수 ns) + 높은 반복률
초소형 포커스 빔 직경으로 미세한 가공 가능
스폿 형상: 나선형 궤적을 통해 넓은 영역 커버 가능
용접 품질 및 단면 특성
용융 풀 단면이 톱니 모양으로 형성되어 열 확산이 균일
용접 지점이 더 정교하고 조직이 미세
강철 및 구리 조합 등 이종 금속에서도 우수한 결과
대표 어플리케이션
3C 제품 쉘 용접
리튬 배터리 탭 접합
고정밀 전자 부품 용접
얇은 황동, 티타늄, 구리 등의 이종 금속 접합
QCW 파이버 레이저 – 고출력 정밀 용접의 표준
QCW 레이저는 짧은 시간 동안 고출력을 순간적으로 방출하는 구조로, 고반사재나 열전도율이 높은 금속 용접에 강점을 보입니다.
주요 특징
펄스당 10~15J 이상 고에너지 출력
포커스 빔 직경은 CW/YAG 수준
단일 펄스로 깊은 용접 가능
용접 품질 및 단면 특성
원뿔형 용융 풀 형성 → 높은 침투 깊이 확보
빔 품질이 YAG보다 우수하여 스폿 마무리 및 표면 품질 향상
종횡비가 1:1에 가까워 얇은 재료 용접에 안정적
대표 어플리케이션
정밀 센서/커넥터 용접
구리-강철 배터리 탭 용접
박판 알루미늄 및 황동 용접
의료 기기 및 전자 하우징 접합
YAG 레이저 – 과거의 표준, 현재는 선택적 대안
YAG 레이저는 과거 대표적인 고출력 펄스 레이저였지만, 최근에는 파이버 기반 QCW 레이저에 비해 효율과 품질 면에서 뒤처지는 경우가 많습니다.
주요 특징
펄스당 높은 에너지(10J 이상) 발산 가능
그러나 빔 품질은 QCW 파이버 레이저에 비해 낮음
전기 효율성 낮음, 유지보수 비용 높음
적용 한계
표면 품질 및 스폿 정밀도는 낮음
정밀 가공보다는 단순 고출력 작업에 적합
케이투레이저는 국내외 다양한 산업에 특화된 펄스 파이버 레이저, 고출력 QCW 시스템, 초단펄스 레이저 등을 공급하며, 고객의 요구에 맞춘 맞춤형 빔 제어 솔루션을 제공합니다.
또한, 고난도 응용 개발을 위한 가공 테스트, 스캔 시스템 설계, 광학 어셈블리 최적화 등 레이저 응용 전반에 걸친 컨설팅 역량을 갖추고 있습니다.
펄스 레이저는 정밀 가공과 고품질 용접이 요구되는 오늘날의 제조 환경에 있어 필수적인 기술입니다. 케이투레이저는 단순한 장비 공급을 넘어, 고객의 생산 효율과 품질 혁신을 실현하는 레이저 파트너로 함께하겠습니다.
