라. 일본
일본에서는 1977~1985년 기간에 제1기 국가 프로젝트인 초고성능 레이저 응용 복합생산시스템에 의해 20kW CO2레이저와 수백W급 램프여기YAG레이저 개발 및 이를 이용한 가공응용기술이 개발되었다. 70년대에는 CO2레이저가 산업생산에 보급 응용되었고, 이어1986~1994년 기간의 제2기 국가프로젝트인 초첨단 가공시스템기술에 의해 고출력 엑시머레이저가 개발되었다. 제3기 국가 프로젝트는 1997~2001년 기간에 (재)제조과학기술센터가 추진하는 Photon계측․가공기술의 연구개발로써 고효율 반도체레이저, 평균출력 10kW, 효율 20%의 고출력․고효율 LD여기YAG레이저 개발을 중심으로 그의 가공․계측에의 응용기술을 개발하였다. 미세가공용 레이저로는 집속점 지름 50μm인 LD여기YAG레이저와 광섬유레이저의 개발과 이를 이용한 후판의 용접 등 열가공과 수nm의 초미립자 제작기술이 개발되었다. 1977~2001년 기간의 총 연구비는 366억 엔이다.
2. 연구개발 기관수와 수준
가. 한국
한국은 광주과학기술원이 유일하게 레이저 절단분야에서 3위, 레이저 에칭분야에서 2위를 차지하였고 현대중공업이 레이저 표면경화분야에서 논문 1건을 발표하였으며, 몇 개의 출연연구기관에서 펨토초레이저의 개발 및 응용연구를 수행하고 있으나 레이저 가공기술, 레이저 용접기술, 미세가공 기술은 선진국과 비교하면 초기단계이며 기술축적이 필요하다고 볼 수 있다.
나. 미국
미국은 Purdue Univ.가 레이저 거공분야에서 1위, Penn. State Univ.가 레이저 용접분야에서 4위, Guidant Corp.이 레이저 절단분야에서 3위를 차지하였고, 레이저 가공기술 각 분야별 순위 40위 이내 연구기관은 29개로서 주요대학, 국립연구기관, 기업연구소가 포함되어 있으며 레이저가공, 절단, 에칭, 표면경화 등의 수준 높은 연구를 수행하고 있다.
다. 유럽
유렵은 독일의 Stuttgart Univ.와 Laser Zentrum Hannover E.V.가 각각 레이저 가공분야에서 1위를, Laser Zentrum Hannover E.V은 레이저 절단분야에서 1위를, Fraunhofer-Inst. fur Lasertechnik는 레이저 용접분야에서 5위, Leibniz-Inst. fur Oberflachenmodifi -zierung E. V는 레이저 에칭분야에서 2위, 스위스의 Synova Sa, Ecublens는 레이저 절단분야에서 2위를 차지하고 있다. 독일, 영국, 프랑스, 스위스 등 유럽의 레이저 가공기술 관련 연구기관은 56개 기관으로 주요 대학과, 국립연구기관, 기업연구소가 포함되어 있다.
라. 일본
일본은 Osaka Univ.가 레이저 용접분야에서 1위를, AIST가 레이저 에칭분야 에서 5위를 차지하였고, 레이저 가공기술 각 분야별 순위 40위 이내 연구기관은 18개로서 주요 대학, 국립연구기관, 기업연구소가 포함되어 있으며, 특히 레이저 용접분야의 수준 높은 연구를 수행하고 있다.
3. 레이저 가공기술 관련 특허현황
1990~2002년 기간의 한국, 미국, 유럽, 일본 등 주요국의 레이저 가공기술관련 특허현황을 보면 일본이 레이저가공기술 전체 특허건수 8,446건(100%)의 72%를 차지하고 있어 압도적으로 우위에 있으며, 미국, 유럽은 11%로 비슷한 수준으로 일본의 약1/6의 관련특허를 보유하고 있고, 한국은 6%로서 일본의 1/12이어서 레이저 가공기술이 매우 낙후되어 있음을 알 수 있다.
2000~2005년 기간의 주요국의 레이저 가공기술 관련 특허의 상위 10위권에 들어가는 기관별 관련 특허를 분석한 결과를 보면 다음과 같다.
가. 한국
한국의 경우 현대자동차는 레이저 용접방법 및 시스템(장치), 자동차의 Tailored blank레이저 용접, 레이저-아크 하이브리드 용접, 용접헤드, Jig 등 부품특허 등을 출원하고 있으며, 현대중공업에서는 레이저-아크 하이브리드 용접시스템의 특허를, 삼성전자와 삼성전기는 레이저빔을 이용한 반도체웨이퍼의 절단방법과 장치 특허를 미국, 일본, 국내에 출원하고 있으며, LG전자와 LG Philips LCD는 펨토초레이저를 이용한 기판절단방법, 유리기판 레이저 절단장치와 방법 등의 특허를 미국, 국내에 출원하고 있다.
나. 미국
미국의 경우 관련특허의 상위 10위권에 들어가는 기관의 2000년 이후의 특허건수는 저조한 편이다. 유럽의 경우 관련특허의 상위 10위권에 들어가는 유럽 기관의 2000년 이후 특허건수는 Fraunhofer Gesellshaft 이외에는 저조한 편이다. Fraunhofer Gesellshaft는 레이저 용접에 관한 연구가 활발하여 알루미늄합금 시편의 레이저 용접방법, 레이저빔 복합 용접용 노즐의 개발, Sheet Blanks의 레이저 용접장치 등의 특허가 주류를 이루고 있으며, 물질과 구조부품의 레이저 절단방법에 관한 특허도 출원하고 있다.
다. 일본
일본의 경우 관련특허의 상위 10위권에 들어가는 기관의 2000년 이후 특허출원은 계속 활발하며 Amada Co.는 레이저 용접헤드, 레이저 용접용 수동토치 공급장치, 레이저 노즐 등의 특허가 주류를 이루고 있으며 금속판의 레이저 절단특허도 출원하고 있다. Nippon Steel Corp은 금속판의 맞대기용접장치와 방법, 도금강판의 겹치기레이저 용접, 우수한 Lap Joint의 레이저 용접방법 관련 특허가 많으며 레이저-아크 하이브리드 용접방법에 관한 특허도 출원하고 있다.
4. 레이저 가공기기 생산업체의 기술력
레이저 가공기기 생산업체의 기술력은 국가별 레이저 가공기기 생산업체의 기술력은 4kW급 다이오드레이저 가공기와 펨토초 레이저 미세가공기를 생산하고 있는 미국이 1위이고, 다음은 피코초레이저 가공기와 3D 절단, 용접용 YAG레이저 가공기를 생산하고 있는 유럽과 중공업체에서 세계최대 규모의 45kW급 고출력 CO2레이저 용접기를 개발한 일본이 대등한 수준이다. 한국은 레이저 매크로 가공분야와 미세 가공분야에서 가장 열세로 평가된다. 레이저 미세가공분야의 기술력은 미국, 유럽, 일본, 한국 순이다.
Ⅵ. 레이저 가공기술의 전망과 과제
1. 레이저 가공기술의 전망
레이저 가공기술은 100μm 이상의 크기로 가공할 수 있는 레이저 매크로 가공 기술(Laser Macromachining)과 50μm 이하 0.1μm까지 가공할 수 있는 레이저 미세가공기술(Laser Micromachining)로 구분할 수 있다.
Optech Consulting에 의하면 2002년 레이저 가공시스템(장치)의 세계시장 규모는 39억 유로(50억 달러)이며, 이중에 레이저 매크로가공시스템은 29억 유로, 레이저 미세가공시스템은 10억 유로이나 2010년까지 레이저 미세가공 분야는 연평균 성장율 17.2%이고 레이저 매크로가공분야는 11.2%로 되어 레이저 미세가공분야가 크게 성장하여 세계시장을 차지할 것으로 예측된다.
레이저 가공기술의 연구개발동향을 분석한 결과 레이저 미세가공분야가 레이저매크로가공 분야 보다 더 많은 논문발표와 활발한 연구를 하고 있는 추세이며, 앞으로 10년 후에는 레이저 미세가공 분야가 더 활성화 될 것으로 전망된다. 그것은 레이저매크로가공 분야는 30년이 넘게 연구개발된 기술인 반면 레이저 미세가공분야는 최근에 와서 시작된 기술로서 반도체, IT, NT의 발전과 더불어 발전되어야 할 첨단기술이기 때문이다.
2. 레이저 가공기술의 핵심기술과 당면 과제
레이저 가공기술의 당면 과제는 ①Ti:sapphire레이저는 미세가공용으로 개발되었으나 산업용으로 이용하기에는 고가이고 펄스에너지가 적어 아직은 부적절하여 더 안정적이고 저렴한 산업용 펨토초레이저의 개발이 요구된다.
②새로운 LD여기고체레이저로서 Yb첨가 YAG레이저(파장:900nm)가 유망하므로 Al 없는 긴 수명의 InGaAs계 고출력반도체레이저를 여기광으로 사용하여 LD여기고체레이저를 개발하여야 할 것이다.
③마그네슘합금의 레이저용접에서 생기는 미세구조와 다공성(Porosity), 균열, 산화, 합금성분의 손실 등의 문제와 용접부위의 경도, 인장강도, 피로강도 등 역학적 특성 향상의 문제는 앞으로 레이저 용접방법을 개선하여 해결해야할 과제이다.
④레이저-아크 하이브리드 용접기술을 개선 및 새로운 용접기술의 개발이 필요하다.
3. 정책제언
레이저 가공기술에 있어 차세대 양자빔 중에 고가간섭성 레이저가 주역이 될 수 있는데 이의 후보로서 소형(종래장치의 1/10 이하)․고효율(효율 50% 이상)인 반도체레이저(LD)가 가장 유력하다. LD는 광펌핑을 하지 않고 반도체내의 p-n접합에 인가전류를 공급하여 레이저광을 발생시킬 수 있어 편리하며, 고출력 고체레이저를 여기시키는데 필수적으로 중요하며, 국내의 반도체 기술과 레이저광 기술로 보아 독자개발이 가능하며, 세계시장을 선도해 갈 수 있는 경쟁력 있는 제품생산이 가능 하다.
현재 LD는 빔 품질이 나쁘고 펄스폭이 ms 정도이므로 미세가공용으로는 부적당하나 앞으로 고집광화(고가간섭화), 고휘도화 할 필요가 있어 위상제어, 단펄스화 등 기술개발이 필요하며, 미세집속점 형성에는 Photonic소자에 의한 빔제어 기술을 개발하여야 할 것이다.
국내에는 레이저가공용 고출력 CO2레이저(출력 4.5kW 이상), Nd:YAG레이저(출력 2kW 이상) 및 극초단펄스레이저(펨토초 및 피코초레이저)를 생산하는업체가 없으므로 이들을 개발할 수 있는 업체의 정책적 육성이 필요하다. 이에 필요한 연구 인력과 자금 확보를 위한 정부지원과, 대학 및 출연연구 기관과의 협력으로 공동연구를 수행해야 한다.엑시머레이저는 반도체 제조에 있어 필수적인 광원으로서 반도체 수출에 기여하고 있으며, 최근에 개발된 섬유레이저는 250fs의 극초단 펄스를 가능하게 하므로 엑시머레이저와 섬유레이저의 개발은 충분한 경쟁력을 가추고 있다고 판단된다.
자동차, 조선, 철강, 항공 산업에서 레이저 가공기술을 도입․적용하는 것은 선진국들의 추세이다. 고출력 LD여기Nd:YAG레이저와 CO2레이저 및 LD의 개발․적용으로 중공업에서 레이저-아크 하이브리드 용접기술과 원격하이브 리드 용접기술의 개발․적용으로 생산성과 경쟁력을 높여나가야 할 것이다.
국내의 삼성전자, LG전자 등 반도체 업체에서도 반도체기판의 절단, 드릴링, 애블레이션, 에칭 등의 미세가공에 초단펄스, 단파장 레이저를 활용하고 있으므로 이들 업체들이 대학과의 협력을 통해 극초단펄스레이저(펨토초, 피코초레이저)와 미세가공기술을 개발해나가야 할 것이다.
레이저 가공기술의 개발은 제조기술 전체발전의 핵심기술로서의 위치에 와 있으므로, 독일, 일본, 미국의 경우와 같이 정부차원의 체계적인 국가 프로젝트로 추진하여 산업기술의 생산성 향상으로 국제 경쟁력을 제고시켜 나가야 할 것이다.
