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레이저 가공기술

2002. 12

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머 리 말

21세기는 바야흐로 지식과 정보가 국가경쟁력을 좌우하는 지식기반 산업사회로 나아가고

있으며, 세계 최고가 아니면 살아남을 수 없는 무한경쟁시대가 현실로 다가오고 있습니다.

이러한 시대적 변화 속에서 한국과학기술정보연구원에서는 우리나라가 지식기반 산업사회를

선도해 나갈 수 있도록 국내외 과학기술에 대한 심층분석정보를 제공하고 있으며, 국가 과

학기술 확산은 물론 국제경쟁력을 극대화시키고자 노력하고 있습니다.

과학기술 심층정보분석의 일환으로 출간되는 레이저 기술은 현재 선진 각국에서 핵심 유망

기술로 각광을 받고 있으며, 트랜지스터와 함께 20세기의 획기적인 발명품으로 꼽히고 있습

니다. 특히, 레이저가공시스템은 다양한 재질의 재료를 자유롭게 가공할 수 있는 첨단기기

로서 세계적으로도 10여개국 만이 생산능력을 갖추고 있으며, 광통신과 더불어 레이저 가공

의 기반기술 확보가 국가 산업경쟁력의 중요한 인자가 될 것으로 전망되고 있습니다.

또한, 레이저 가공산업은 기술의 정도에 따라 고부가가치화가 가능한 기술집약적 산업으로

서 기술의 기반이 물리학, 화학 등 자연과학 분야에서 기계공학, 전자공학, 소재공학 등의

응용학문까지 범위가 다양한 복합기술이기 때문에 산학연 및 정부가 체계적이고 전략적으로

육성해 나가야할 산업이라 할 수 있습니다.

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본 보고서는 핵심 유망기술로 부각되고 있는 레이저 가공기술에 대한 연구개발 동향분석,

특허정보분석, 산업 및 시장분석을 통해 체계적이고 심도있는 분석정보를 제공하고자 하였

으며, 본 연구의 결과가 국가 과학기술정보의 확산 및 국제경쟁력 증대에 작으나마 도움이

되었으면 합니다.

끝으로 본 보고서는 나도백, 김재우, 길상철 선임연구원이 집필한 것으로 노고에 깊이 감사

드리며, 보고서에 수록된 내용은 연구자 개인의 의견으로서 한국과학기술정보연구원의 공식

의견이 아님을 밝혀두고자 합니다.

2002년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

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목 차

제 1 장 서 론

1. 연구의 배경 및 필요성

2. 연구의 목적

3. 연구의 방법

제 2 장 기술동향 분석

1. 레이저 개요

가. 레이저 역사

나. 레이저 원리

다. 레이저 특성

2. 레이저 가공기술

가. 기술 개요

(1) 가공용 레이저

(2) 레이저 가공의 종류

나. 레이저 가공

(1) 제거가공

(2) 접합가공

(3) 표면처리

(4) 기타(특수가공)

(5) 레이저 안전

(6) 해결해야 할 과제 및 각국 동향

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제 3 장 기술ㆍ특허정보 분석

1. 문헌정보분석 및 기술개발 동향

가. 정보분석 대상 DB

나. 분석범위 및 방법

다. 문헌정보분석

(1) 연도별 문헌건수 및 누적 문헌건수

(2) 연도별 국가 문헌건수

(3) 연도별 저자 및 소속기관 건수

(4) 연도별 저자 건수

(5) 기술분류별 건수

(6) 발간 형태별 건수

(7) 기술 주제별 검색결과 분석

(8) 포트폴리오 및 논문 건수 vs 저자수 분석

2. 특허정보분석 및 기술개발 동향

가. 정보분석 대상 DB

나. 분석범위 및 방법

다. 전체 특허동향

(1) 국가별 특허출원 동향

(2) 기술별 특허출원 동향

(3) 출원인별 특허출원 동향

(4) 국제특허분류(IPC)별 특허출원 동향

라. 국내 특허동향

(1) 기술별 특허출원 동향

(2) 출원인별 특허출원 동랑

(3) 국적별 특허출원 동향

(4) 주요 특허의 분석

마. 해외 특허동향

(1) 일본 특허동향

(2) 미국 특허동향

(3) 유럽 특허동향

3. 특허 출원전망

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제 4 장 시장 동향 및 전망

1. 산업의 개요 및 특성

가. 산업의 개요

나. 산업의 특성

2. 산업환경 분석

가. 외부 환경 분석

나. 시장 기회요인 및 위협요인 분석

(1) 시장 기회요인

(2) 시장 위협요인

3. 국내외 시장 동향 분석

가. 세계시장 동향분석

나. 국내시장 동향분석

(1) 시장규모

(2) 응용분야별 시장점유율

(3) 수줄입 동향

다. 레이저 가공기 업체동향

(1) 미국, 유럽업체 및 생산제품

(2) 일본업체 및 생산제품

(3) 국내 생산업체 및 생산품목

라. 수요예측

(1) 세계시장 전망

(2) 국내시장 전망

마. 사업전략

제 5 장 결 론

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표 목 차

레이저 역사(주요 레이저 개발 연표)

가공 레이저 종류와 가공분야

가공에 사용되는 주파수 범위

주요 가공 가스압력 조건

천연석재의 레이저 용융처리 적용

레이저 기기의 위험등급 분류

해결해야 할 과제와 내용

COMPENDEX 수록분야

조사기술 과제

DB문헌정보 검색식

대상 DB 검색결과 건수

처리코드(TR : Treatment Code)

레이저가공기술 특허분석 검색식

검색 결과 내용

레이저가공 기술분류

레이저가공기술 관련 주요 한국등록특허 목록

레이저가공 연관산업 및 파급효과

시장 기회요인 및 위협요인 분석

미국의 레이저 가공기 제조업체 및 생산제품

유럽의 레이저 가공기 제조업체 및 생산제품

일본의 레이저 가공기 제조업체 및 생산제품

국내 레이저기기 제조업체 및 주요 생산제품

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그 림 차 례

레이저 원리

단색성의 레이저광

지향성의 레이저

간섭성이 우수한 레이저

고출력의 레이저

CO 레이저 공진기의 구조 예

YAG 레이저 가공기 구성 예

엑시머 레이저 가공기의 구성 예

레이저 가공의 분류

가공에 영향을 주는 인자

레이저 용접 프로세스 형태

연도별 문헌건수(COMP+BIST)

연도별 문헌건수(COMP)

연도별 문헌건수(BIST)

국가별 문헌건수(COMP)

연도별 저자분석(COMP)

저자랭킹(BIST)

저자 소속기관별 발표문헌 건수(COMP)

연도별 저자수(COMP)

연도별 저자수(BIST)

기술분류별 건수(COMP)

연도별 자료형태 건수(COMP)

주요저널별 수록건수(전체)

처리코드별 건수(COMP)

주제별 검색결과 건수(COMP)

포트폴리오 맵(COMP)

건수 추이맵(COMP)

국가별 특허출원 동향(특허 전체)

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기술별 특허출원 동향(특허 전체)

국가/기술별 특허출원 현황(특허 전체)

출원인별 특허출원 현황(특허 전체)

국제특허분류(IPC)별 특허출원 비율(특허전체)

기술별 특허출원 동향(한국)

기술별 특허출원 비율(한국)

출원인별 특허출원 현황(한국)

주요 출원인의 연도별 출원 동향(한국)

출원인/기술별 특허출원 현황(한국)

국적별 특허출원 비율(한국)

연도별 내ㆍ외국인별 특허출원 동향(한국)

기술별-연도별 특허출원 동향(일본)

레이저 가공기술별 특허출원 비율(일본)

출원인별 특허출원 현황(일본)

주요 출원인의 연도별 출원동향(일본)

출원인/기술별 특허출원 현황(일본)

국적별 특허출원 비율(일본)

연도별 내ㆍ외국인별 특허출원 동향(일본)

기술별-연도별 특허출원 동향(미국)

레이저 가공기술별 특허출원 비율(미국)

출원인별 특허출원 현황(미국)

주요 출원인의 연도별 출원동향(미국)

출원인/기술별 특허출원 현황(미국)

국적별 특허출원 비율(미국)

연도별 내ㆍ외국인별 특허출원 동향(미국)

기술별-연도별 특허출원 동향(유럽)

레이저 가공기술별 특허출원 비율(유럽)

출원인별 특허출원 현황(유럽)

주요 출원인의 연도별 출원동향(유럽)

출원인/기술별 특허출원 현황(유럽)

국적 별 특허출원 비율(유럽 )

연도별 주요 국별 특허출원 동향(유럽)

레이저 가공기의 전세계 시장동향

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레이저 가공기의 응용분야별 시장동향

지역별 레이저 가공기 시장점유율

일본 레이저 가공기 생산액

레이저 장치별 점유율(일본)

연도별/장치별 레이지 가공기 생산규모(일본)

국내 레이저 가공기 시장동향

응용분야별 시장점유율

레이저 가공기 수출동향

레이저 가공기 수입동향

레이저 가공기 지역별 수출비율

레이저 가공기 지역별 수입비율

전세계 레이저 가공기 시장전망

국내 레이저 가공기 시장전망

레이저 가공기 PLC에서의 위치

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제 1 장 서 론

1. 연구의 배경 및 필요성

1960년 미국 휴즈항공사의 Maiman에 의해 개발된 레이저는 획기적인 발명품의 하나로서.

최근에는 레이저 응용기술이 더욱 발전하여 통신, 정보처리, 가공, 계측, 의료, 생활기기, 원

자력 발전, 우주과학분야 등에 중요한 역할을 하고 있으며, 앞으로 개발해야 할 범위도 넓

다고 할 수 있다.

특히, 레이저 가공기는 금속, 목재, 아크릴, 석영유리를 비롯하여 신소재, 세라믹에 이르기까

지 재질에 관계없이 자유자재로 용접, 절단 및 가공할 수 있는 첨단기기로서, 세계적으로도

10여개국 만이 생산능력을 갖추고 있으며, 반도체, 자동차, 메카트로닉스, 항공우주 등 고품

질의 부품이 필요한 첨단산업의 경우에는 레이저 가공기를 이용한 부품가공이 필수적인 것

으로 여겨지고 있다. 따라서, 21세기에는 광통신과 더불어 레이저 가공의 기반기술 확보가

국가 경쟁력의 중요한 인자가 될 것으로 전망되고 있다.

현재, 레이저 가공기의 전세계 시장은 39억 달러 정도로서 시장규모가 매우 크며, 2010년

에는 현재의 2.8배 수준인 110억 달러를 넘을 것으로 예측되고 있어 지속적인 고도성장이

예상되는 산업이라 할 수 있다.

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또한, 레이저 가공기 산업은 기술의 정도에 따라 고부가가치화가 가능한 기술집약적 산업으

로서 다가올 지식기반 산업사회에 적합한 기술이라 할 수 있으며, 기술의 기반이 물리학,

화학 등 자연과학 분야에서 기계공학, 전자공학, 소재공학 등의 응용학문까지 범위가 다양

한 복합기술이기 때문에 산학연 및 정부가 체계적이고 전략적으로 육성해 나가야 하는 산업

이라 할 수 있다.

2. 연구의 목적

최근 산ㆍ학ㆍ연 등 각 분야에서 관심있는 주요산업에 대한 종합적이고 신뢰성이 있는 분석

정보의 수요가 증대하고 있으나, 실제 연구ㆍ분석기관들을 통한 공급은 미미한 실정이다.

따라서 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 최근 시장성, 기술성 면에서 향후 주목할 만

한 산업으로 각광받고 있는 레이저 가공기를 분석대상 기술로 선정하고, 레이저 가공기에

대한 심도있는 기술동향분석, 연구개발동향분석, 특허정보분석, 산업 및 시장분석을 수행하

였다. 이를 통해 국가정책수립자에게는 국가연구개발 자원의 효율적 활용과 R&D의 성공가

능성을 높일 수 있는 기초분석자료를 제공하고, 정보획득 및 분석에 한계가 있는 기업 및

연구기관의 전략수립자들에게는 사업계획 또는 R&D계획 수립시 객관적이고 충실한 정보를

제공하는데 연구의 목적을 두었다.

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3. 연구의 방법

본 보고서에서 분석한 레이저 가공기술의 범위는 산업용으로 사용되고 있는 레이저 가공기

술 및 레이저 가공기로 제한하였으며, 레이저 광원에 대한 분석은 대상에서 제외하였다.

제2장 기술개요에서는 레이저에 대한 역사, 원리, 가공기술의 기본적인 내용에 대하여 살펴

보았으며, 특히 최근 광범위한 산업분야에서 점점 그 활용이 확대되고 있는 레이저 응용기

술 가운데 레이저 가공기술에 초점을 두어 서술하였다.

제3장 기술ㆍ특허정보분석에서는 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 보유하고 있는 문헌과

해외발표 저널 등을 통해 레이저 가공기술전반에 대하여 정보분석을 수행하였고, 특허정보

분석에서는 조사된 특허정보를 중심으로 특허맵핑(Patent Mapping)을 행하여, 1990년 이

후의 기술흐름의 추이, 국가별 기술의 우위현황 및 기술의 분포도 등을 연도, 국가 및 기술

분야별로 세분화하여 다각적으로 특허의 동향을 분석하였다.

제4장 시장동향 및 전망에서는 레이저 가공기의 산업특성과 환경을 우선 분석하고, 국내외

시장동향을 조사ㆍ분석하였다. 그리고 국내 전문기관의 발표자료, 외국의 분석보고서 등의

자료를 통해 향후 국내외 시장을 전망하였다.

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제 2 장 기술동향 분석

본 장에서는 레이저에 대한 역사, 원리, 가공기술의 기본적인 내용에 대하여 살펴보았으며,

특히 최근 광범위한 산업분야에서 점점 그 활용이 확대되고 있는 레이저 이용기술 가운데

레이저 가공 기술에 초점을 두어 서술하였다.

1. 레이저 개요

가. 레이저 역사

레이저는 영어 「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」의 머리글자

를 모아 LASER로 명명한 것으로 방사유도 방출에 의한 광의 증폭이라는 의미를 갖고 있

다.

최초의 레이저는 1953년 Towns에 의해 개발되었다. 그때까지 벨연구소에서 군사용 레이더

성능을 올리기 위해 전파의 주파수를 주는 연구를 계속했지만 24GHz 전파는 공기중의 수

증기에 흡수되어 이 연구는 실패했었다. 광의 파장영역에서 최초 유도방출에 의한 광증폭은

1960년 미국 Hughes 연구소에서 마이크로파 증폭기를 연구해 온 Maiman에 의해 루비 레

이저가 개발되었다.

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이것을 레이저 역사의 시작으로 보고 있다.

은 레이저 개발 연표를 소개한 것이며, 현재에는 고주파발생, 광 파라매트릭 발진,

강력한 레이저광을 이용한 플라즈마 레이저 핵융합, 4GB 이상의 대용량 초소형 D-RAM 작

성을 위한 반도체리소그래피 기술, 짧은 펄스 레이저를 이용한 초고속 분자광분법 등에 이

르기까지 응용이 확대되고 있다.

레이저 역사(주요 레이저 개발 연표)

연 도 내 용

1920년 A.Einsetein : 유도방출에 관한 개념 정리

1924년 R.C Toiman : 반전분포(부온도) 개념

1953년 C.H. Townes : 레이저 탄생

1959년 A. Javan : He 준위의 반전분포 관찰

1960년Theodore H, Maiman : 최초의 레이저 발명(루비 레이저)A. Javan : He-Ne 기체 레이저 발명

1961년Johnson & Nassau : Nd-YAG 레이저 개발Hell worth : Q-Switched 개 발

1962년E.Snltzer : Nd-Glass 레이저 개발Marshall I, Nathan : 반도체 레이저 개발

1964년Pare1 : CO 레이저 발명

J.E. Geusic : Nd-YAG 레이저 발명Bridges : 알곤 레이저 발명

1965년 PP. Sorotkin & J.R Lankard : 색소 레이저 발명

1966년 L.E.S. Maths & J.T. Parker : 질소 레이저 발명

1967년 J.V.V Kasper & G.C. Pimentel : 화학 레이저 발명

1975년 J.J. Ewing & C. Brau : 엑시머 레이저 발명

1976년 J.M.J. Madey : 자유전자 레이저 발명

1985년 D. Matthews : X선 레이저 발명

1998년 나트륨 원자 레이저(단원자 레이저) 개발

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나. 레이저 원리

물질은 원자의 조합으로 구성되고, 몇 개의 원자가 서로 결합하면 분자가 된다. 이러한 원

자나 분자는 어느 특정의 에너지를 갖고 운동을 한다. 외부에서 에너지를 받으면 이들 원자

나 분자는 더 높은 에너지를 갖고 운동을 하게 된다. 이 상태를 와 같은 여

기상태(勵起狀態)라 한다. 그러나 얼마 되지 않아 여분의 에너지를 방출하여 원래의 에너지

상태로 돌아가 버린다. 이때 내보내진 여분의 에너지는 광이 되어 외부로 방출된다. 이것을

자연방출(그림 2-1(b))이라 한다. 만약 이 광이 다른 높은 에너지를 갖고 있는 원자나 분자

에 충돌하면 이들도 동일한 성질의 광을 방출하게 된다. 이것을 유도방출(그림 2-1(c))이라

한다.

보통은 높은 에너지를 갖고 있는 원자나 분자의 수가 적기 때문에 방출되는 빛이 대단히 약

할 수밖에 없다. 그러나 어떤 방법을 통해 높은 에너지를 갖고 있는 원자나 분자의 수를 많

이 늘려주면 유도방출이라는 눈사태와 같은 현상적 상태를 유발시켜 강력한 광을 방출시키

게 할 수 있다. 이것을 광의 증폭이라고 한다.

양쪽 단에 거울을 두고 방출된 광을 반복적으로 반사시키면 광은 특정 방향으로만 증폭하면

서 강력한 광으로 된다.

레이저 원리

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이것이 바로 레이저인 것이다.

다. 레이저 특성

(1) 레이저의 성질

레이저 광의 특성은 다른 광원들과 비교하여 대단히 높은 규칙성, 즉 코히어런스

(Coherence)라는 시간이나 공간적으로 예측 가능한 성질을 갖고 있다.

이 성질을 이용하여 여러 분야의 응용 및 가공에 활용하는 것이다.

① 단색성에 우수(그림 2-2(a))

여러 가지 광이 섞여있음에도 불구하고 단순한 하나의 색(파장, 주파수)을 갖고 있는 광이

다.

단색성의 레이저광

태양광(단색성이 나쁨)

필터를 통과한 광(단색성이 그다지 좋지 않음)

레이저(단색성이 좋음)

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② 지향성에 우수(그림 2-2(b))

광의 진행이 거의 확대되지 않고 진행된다. 이점을 이용하여 2개의 평행한 거울 사이를 수

백번 왕복함으로써 빛이 일직선으로 먼 거리를 진행한 것과 같은 효과를 얻는다,

지향성의 레이저

③ 간섭성에 우수(그림 2-2(c))

광의 위상(파의 산과 골)이 가지런하기 때문에 간섭성이 좋다.

간섭성이 우수한 레이저

④ 고출력(그림 2-2(d))

렌즈로 집광하면 태양광의 수백 배에 달하는 파워밀도를 얻을 수 있다.

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고출력의 레이저

이러한 성질을 이용한 각종 응용분야에 레이저 이용이 확대되고 있다. 예를 들면 파장이 단

일한 광(단색광)이기 때문에 각종 계측이나 디스플레이에 응용되고 있다. 보통 광은 완전한

단색광이 아니고, 색 필터를 통해서도 약한 광밖에 얻을 수 없다는 단점을 갖고 있다.

또한 레이저의 지향성은 보통 광과 비교하면 현격한 차이가 나기 때문에 계측, 계량 등에

이용된다. 파장이 대단히 가지런하다는 광의 성질을 이용한 정밀도 좋은 간섭계측, 측정도

가능하다.

이렇게 레이저가 이용되는 이유는 종래의 광으로 할 수 없었던 것이나 할 수 있어도 정밀도

가 나쁜 것을 매우 고정밀도로 측정을 할 수 있다는 이점을 갖고 있기 때문이다.

더욱이 레이저 광은 인공적으로 쉽게 제어할 수 있다는 점도 커다란 이유가 되고 있다. 광

의 파장, 광속(빔 직경)의 크기, 강도 등을 자유롭게 설계하거나 가변시킬 수 있다는 것이

이용가치를 높이는 점이 되고 있다.

특히 레이저 가공은 주로 고출력을 이용한 응용분야에 해당하는 것이라고 생각할 수 있다.

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(2) 레이저의 종류

레이저의 명칭은 레이저 발진 물질상태에 따라 고체, 기체, 반도체로 분류하고 있다.

고체 레이저는 레이저광을 발생시키는 매질로 고체상태의 물질을 사용하며, 대부분 광 펌핑

에 의한 여기방식을 사용한다.

① 루비 레이저

최초로 만들어진 레이저로 가시광선에서 MW이상의 고출력을 낼 수 있다. 루비의 성분은

크롬(Cr)을 0.005% 정도 포함하는 산화알루미늄(AlO)의 단결정으로 연한 분홍색의 인공합

성 보석이다.

② 네오디움 야그(Nd-YAG) 레이저

네오디움(Neodymum) 이온을 증폭 매질로 사용하는 레이저로 모재의 종류에 따라 구분된

다. Nd-YAG 레이저는 이티움-알미늄-가넬(YAG)이라는 합성보석을 모재로 사용하는 레이

저이다.

③ 네오디움 글라스(Nd-Glass) 레이저

네오디움 글라스(Nd-glass) 레이저는 네오디움 야그 레이저와 같이 네오디움 이온을 증폭

물질로 사용하나 모재로는 결정체가 아닌 광학유리를 사용한다. 모재의 광학적 특성이 뛰어

나며, 값이 싸고 네오디움 이온의 농도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

이득 매질로 기체상태의 물질을 사용하며, 기체를 밀봉할 수 있는 구조로 되어 있다. 효율

을 높이기 위하여 2가지 이상의 기체를 혼합하여 사용하며, 여기 방식으로 광 펌핑 방식과

방전 방식이 사용되고 있다.

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① 헬륨 네온 레이저

중성원자인 헬륨가스와 네온가스의 혼합기체를 매질로 사용하며, 방전 여기 방식을 사용하

는 중성원자 기체 레이저로 실질적인 이득매질은 네온이지만 효율을 높이기 위하여 헬륨이

첨가된다.

② 탄산가스 레이저

분자 기체 레이저로 고출력, 고효율의 원적외선 레이저이다. 탄산가스는 탄소원자 하나와

산소원자 두 개로 이루어진 3원자 분자이며, 탄산가스만으로도 발진이 가능하나 효율 및 출

력의 향상을 위해 질소와 헬륨을 혼합하여 사용한다.

③ 질소 레이저

탄산가스 레이저와 달리 동일 원자끼리 이루어진 분자기체를 사용한다. 질소 레이저의 이득

이 매우 크기 때문에 공진기를 구성하는 두 반사거울 중에 하나만 있어도 레이저 발진이 가

능하다. 전기 방식에 의한 여기방식을 사용한다.

④ 알곤 이온 레이저

비교적 높은 출력을 내는 가시광선 기체 레이저이다. 알곤가스 속으로 방전이 일어나면 알

곤 원자는 고속으로 움직이는 전자와의 충돌로 바깥 부분의 전자를 하나 잃고 이온이 된다.

알곤 이온은 다시전자와 충돌하여 에너지를 얻은 높은 에너지 준위로 올라갔다가 떨어지면

서 레이저 광을 발생시킨다.

⑤ 헬륨 카드뭄 레이저

헬륨 카드뮴 레이저는 카드뮴 증기를 이득매질로 사용하는 금속증기 레이저로 0.442㎛와

0.325㎛의 2가지 파장을 낼 수 있다. 실온에서는 고체인 카드뮴을 낮은 압력의 방전관 속

에서 가열하여 기체상대로 만든 후 전기방전으로 여기(勵起)시켜 발진한다.

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광섬유 통신과 광 정보 처리의 발광원으로 각광을 받았고 광섬유통신의 기술적인 요구에 의

해 발전되어 왔다. 통신용 반도체 레이저 이외에도 레이저 인쇄기나, 콤팩트디스크, 비디오

광디스크 등의 광정보 처리용으로 사용되는 0.7㎛ 대의 반도체 레이저가 대량으로 생산되고

있다. 반도체 레이저는 다른 종류의 레이저에 비해 효율이 높고 간편하게 고속으로 변조할

수 있고, 초소형으로 편리하다.

① 색소 레이저

색소(Dye)를 이득 매질로 사용하는 레이저로 이득 매질로 사용하는 색소의 종류는 다양하

고 발진파장도 자외선으로부터 근적외선 영역까지 걸쳐있다. 색소 레이저는 광 펌핑에 의한

여기 방식을 사용하며, 여기용 광원으로는 질소 레이저, 알곤 레이저, YAG 레이저 등의 2

차 고주파가 있으며, 최근에는 플래시 램프에 의한 여기 방식도 연구되고 있다.

② 자유전자 레이저

진공 중을 고속으로 움직이는 자유전자(free-electron)를 이득매질로 사용하는 레이저이며,

가속운동을 하는 전자는 전자파를 방출하는 원리를 이용하여 주기적으로 변화하는 자장 안

에서 움직이는 전자로부터 유도복사를 얻는다. 자유전자 레이저의 발진과정은 자장변화의

주기와 가속기에 의한 전자의 속도에 따라 변하며, 자장 변화의 주기가 짧고 전자의 속도가

클수록 짧은 파장의 출력을 얻을 수 있다.

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(3) 레이저의 장단점

① 재료 표면의 일부분에 높은 파워밀도를 만들 수 있기 때문에 레이저 빔을 흡수하는 재료

는 어느 것이나 가공이 가능하다.

② 비접촉 가공으로 공구의 손실이 없고 시료의 손실도 적으며, 공구의 접근이 불가능한 곳

에서도 가공이 가능하다.

③ 레이저의 집광상태 및 발진상태(연속발진, 펄스발진)의 제어, 보조 가스의 이용 등에 따

라 제거, 부가, 접합, 재료 합성 등 다양한 가공을 할 수 있다.

④ 레이저 빔은 평행성이 좋기 때문에 먼 거리까지 전달할 수 있고, 한 대의 발진기를 시간

분할 할당하여 여러 장소에서 동시작업을 할 수 있다.

⑤ 기계가공과의 복합가공(레이저 빔을 이용하여 재료를 연화시킨 후 절단하는 가공)이 가

능하다.

⑥ 투명체를 통과하여 에너지를 전달할 수 있어 캡슐화된 투명한 내부의 재료가공도 할 수

있다.

⑦ 기구의 설치 및 관리가 간단하고 기존 생산라인에 부착하기 쉽다.

① 용융을 수반하는 가공에서는 가공물 중에 열 영향층이 남게 된다.

② 장치 가격이 비싸다.

③ 구멍의 투과 깊이가 제한된다.

- 24 -

④ 급속한 가공으로 인해 증발된 재질의 증기가 가공부위에 재부착 응고 될 수 있다.

⑤ 가공된 구멍벽이 일반적으로 거칠고 구멍의 완성단면이 원형이 아니며, 입구와 출구사이

가 테이퍼 상태로 되기 쉽다.

2. 레이저 가공기술

가. 기술 개요

레이저 가공기술은 이미 1960년대에 레이저 관련 이론이 완결된 후 1970년대부터 산업화

응용에 대한 연구가 시작되면서 1980년대부터는 CO 레이저 재료가공 적용이 시작되었다.

레이저 가공기술에는 재료의 구멍가공, 절단, 용접, 열처리, 표면처리 등을 위한 레이저 발

진기술, 가공기 제작기술, 빔 전송계 기술, 제어 기술 등이 복합적으로 관련되어 있다.

(1) 가공용 레이저

가공에 사용되는 레이저 가운데 CO 레이저와 YAG 레이저가 가장 많이 이용되고 있으며,

그밖에 루비 레이저, 유리 레이저, 알랙산드라이트(Alexandrite) 레이저, 알곤 이온 레이저

등도 일부 사용되고 있다.

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(가) CO 레이저

CO 분자는 C를 중심으로 O가 대칭선형으로 결합한 형태로 되어있다. 원리를 살펴보면

과 같이 비대칭 진동에 여기된 분자가 대칭 진동으로 이동할 때 그 에너지 차

이로 10.6㎛의 광자가 되어 방출된다. 레이저는 항상 광자를 흡수하는 프로세스가 공존하기

때문에 큰 출력을 얻기 위해서는 낮은 에너지로 유지해 주는 것이 좋다. 즉, 대칭 진동의

분자밀도를 작게하기 위해 온도를 가능한 낮게 하여 큰 단위체적 출력을 얻게 한다.

CO 레이저는 대출력화를 목적으로 레이저 가스(CO2, N2, He의 혼합가스)의 흐름 방향,

여기를 위한 방전방향(전극배치), 레이저광의 발진방향(공진기 반사경 배치) 등을 통한 연구

가 이루어지고 있으며, 공진기는 이러한 조합에 따라 동축형과 직교형으로 나누고 있다.

동축형은 에서와 같이 공진기 본체는 원통 유리관이고 가스흐름, 방전 및 레

이저 광의 발진방향을 동일하게 하고 있어, 우수한 빔(단일모드)을 쉽게 얻을 수 있다는 특

징이 있다. 부분 반사경으로부터 출력되는 빔은 빔축에 대해 45도 경사의 빔 스프레타라고

하는 반투과경에서 두 곳으로 분할되어 일부는 아래로, 나머지는 전부 직진하여 전반사경에

도달, 아래로 굴절되며 각각 집광렌즈로 집광되어 가공물 표면으로 조사된다. 따라서 동시

에 두 장소에서 가공을 할 수 있다.

반면 직교형은 에서와 같이 직교축에 따라 2축, 3축으로 나누어지며, 가스흐

름 및 방전방향이 같고(좌우방향), 레이저빔의 방향이 축에 직교하고 있다(전후방향), 직교

형은 방전길이가 짧고 비교적 높은 가스압력(10kPa/atm)에서 방전할 수 있으며 가스 방전

면적도 커져 짧은 공진기에서도 큰 출력을 얻을 수 있다.

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CO2 레이저 공진기의 구조 예

(a) 동축형

(b) 2축 직교형

CW(Continuous Wave)발진 CO 레이저에서 1KW 정도의 출력은 일반적이고, 20KW 정도

의 제품도 나오고 있다.

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레이저 압력을 1기압이상 높을 때 수십 ns ∼ 수 ns사이에서 방전을 일으키며, 펄스 발진

되는 CO를 TEA (Transverse Exitimg Atmospheric) CO 레이저로 불리고 있다. 이것은

짧은 시간에 1J∼10J 정도의 에너지를 출력하여 높은 출력을 얻을 수 있다는 것이 특징이

다.

(나) YAG 레이저

레이저 여기로 크세논플래시 램프나 아크 램프를 이용하며, CO레이저와 비교하면 장치가

소형이다. 그러나 여기를 위해 입력된 전기 에너지로부터 레이저 에너지로 변환되는 효율은

1% 정도로 매우 낮으며, 대부분 에너지를 열로 소모하고 있다. YAG 레이저는 펄스파에 의

해 높은 출력을 발진하기 쉽고, 특히 Q 스위치 펄스에서는 수백 KW의 높은 빔 출력도 쉽

게 얻을 수 있다. 반면 펄스 폭이 짧기 때문에 평균 출력이 작다. CW발진에서는 현재 대략

1.5KW 정도의 것이 가장 높다.

빔의 반송에 가격이 저렴한 섬유를 사용하기 때문에 유연한 가공시스템을 구축할 수 있다는

장점이 있다.

최근 YAG 레이저는 소형이면서 높은 안정성, 고효율화를 통해 반도체 재료의 미세 가공용

으로 사용되고 있으며, 기능 향상으로 더욱 편리하게 사용할 수 있게 되어가고 있다.

(다) 엑시머 레이저

현재 실용화 되어있는 엑시머 레이저는 ArF, KrF, XeCL의 3종류가 있고, 각각 파장은

193nm, 248nm, 308nm를 갖고 있다. 보통 엑시머(불활성 가스가 다른 원자와 결합한 불안

정한 상태의 분자)는 높은 압력 중(1∼5기압)에서 발생한다.

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YAG 레이저 가공기 구성 예

그러나 이러한 높은 압력 하에서 한가지 모양의 방전은 곤란하다.

따라서 안정된 방전을 하기 위해 처음에 레이저 가스(불활성 가스, 할로겐 가스, 헬륨 또는

네온 혼합가스)를 전리시킨다. 이 예비적인 전리는 자외선, 고주파, X선 등도 사용하지만 일

반적으로 짧은 간극으로 방전하여 거기에서 발생하는 자외광선으로 전리하고, 전리 직후 엑

시머 분자생성을 위해 주 방전을 한다. 그러나 높은 압력 중에서 안정된 방전을 연속적으로

유지하는 것이 어렵기 때문에 현재는 엑시머 레이저 발진형태를 펄스 발진으로 하고 있다.

YAG 레이저 및 CO 레이저와 같은 형대로 엑시머 레이저도 고출력화가 진행되고 있으며,

100W 정도의 평균 출력을 얻을 수 있고, 1 펄스당 1J 정도의 에너지도 얻을 수 있다.

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엑시머 레이저 가공기의 구성 예

(2) 레이저 가공의 종류

(가) 종류 및 분류

일반적인 가공에는 재료의 질량변화를 수반하는 경우와 그렇지 않은 경우가 있는데 레이저

가공에서는 두 가지 모두가 가능할 뿐만 아니라 화학반응을 이용한 재료의 합성도 할 수 있

다. 물론 동일한 조건에서 모든 가공이 가능하며, 사용하는 레이저 종류(표2-2)에 알맞은

가공 조건을 선정하는 것이 우선되어야 할 필요가 있다.

레이저 가공은 크게 제거가공, 접합가공, 표면개질로 나눌 수 있으며, 이들을 더욱 세분화하

면 과 같이 분류할 수 있다.

대표적으로 제거가공 분류의 하나로 레이저 절단, 구멍가공 등을 들 수 있으며, 접합가공으

로는 레이저 용접, 솔더링 등을 들 수 있다.

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그리고 표면개질로는 담금질, 풀림, 클래딩 등을 들 수 있다.

레이저 발진기의 종류(파장), 출력 파형(연속/펄스)에 따라 응용범위는 달라지지만 레이저

가공은 대단히 광범위하게 응용될 수 있는 가공법에 해당한다.

가공 레이저 종류와 가공분야

레이저 종류 파장(㎛) 출 력 적용 사례

고체레이저

YAG1.06(0.53)(0.266)

연속(∼1.5kW) 절단, 땜납, 에칭

QSW(평균출력∼50W)(50∼100ns)

스크라이빙, 트리밍,마킹, 풀림, 에칭

펄스(∼100J)(∼수십 ms)

구멍가공, 절단, 용접,표면처리

반도체여기(∼100W)

반도체 소자

Ruby 0.69펄스(-40OJ)(0.2 ∼ 5ms)

구멍가공, 스풋 용접

Glass 1.06펄스(∼100J)(0.2 -8ms)

구멍가공, 스풋 용접

Alexandrite 0.73 ∼ 0.78 펄스(-1J) 구멍가공, 풀림

기체레이저

CO 10.6연속(∼20kW) 절단, 용접, 표면처리

펄스(∼10kW)(0.1ms)

구멍가공, 절단, 용접,마킹, 스크라이빙

Ar+0.490.51

연속(∼40kW) 에칭. 풀림, 패턴형성

Excimer

0.19(ArF)0.25(KrF)0.31(XeCl)0.35(XeF)

펄스(∼40W)펄스(∼100W)펄스(∼65W)주파수 10Hz(∼8W)

에칭, 표면처리,패턴형성, 제판,Abrasion(구멍가공,마킹)

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레이저 가공의 분류

(나) 가공조건의 결정

가공의 종류에 따라 큰 차이가 있으며, 가공에 영향을 주는 인자들을 에 표시하

였다.

우선 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저 종류와 발진형태(CW발진, 펄스발진)를

결정하게 되며, 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택한다. 그리고 어떤 가공 광

학계를 사용할 것인가를 결정한다. 일반적으로 레이저 발진기로부터 출력되는 빔이 가끔 높

은 파워밀도를 얻지 못할 때에 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광시킴으로써 얻어내고 있다.

특히 높은 파워밀도가 필요할 때는 모드가 양호한 빔을 사용하고, 동시에 초점거리가 짧은

집광렌즈를 사용하는 것이 유리하다. 다만, 너무 초점거리가 짧은 경우에는 가공 종류에 따

라 가공면으로부터 용융 비산물에 의해 렌즈가 파손되는 일이 있으므로 주의해야 한다. 가

공조건 인자에 대해 살펴보면 다음과 같다.

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가공에 영향을 주는 인자

① 출력

피가공물을 용융하는데 직접 관계되는 인자에 해당하며, 일반적으로 발전기의 출력은 설정

된 값으로 출력되도록 제어된다. 그러나 발진기로부터 나오는 레이저 광은 가공 헤드로부터

전달되기 전까지 여러 개의 밴드 미러에서 반사되므로 미러 오염 정도에 따라 출력이 떨어

지는 경우가 있다.

② 연속 출력과 펄스 출력

연속(CW)출력은 연속적으로 레이저를 발진하는 것으로 고속절단에 사용하는 모드, 펄스 출

력에서 듀티(Duty)를 100%로 하는 경우와 같다.

반면 펄스 출력은 가열과 냉각을 반복하고 가스압력을 높게 설정하므로서 가공 특성을 향상

시킬 수 있다.

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③ 주파수

펄스 주파수의 설정범위는 10∼3,000Hz지만 일반적으로 30∼2,000Hz 범위를 사용한다.

은 주요 가공에 사용되는 주파수범위를 나타낸 것이다.

가공에 사용되는 주파수 범위

가 공 주파수 범위(Hz) 가 공 주파수 범위(Hz)

피어싱 30 ∼ 200 연강 고속절단 800 ∼1,500

일반 펄스 절단 50 ∼ 80 무산화 절단 1,000 ∼ 2,000

④ 듀티(Duty)

0 ∼ 100% 범위에서 설정할 수 있지만, 보통 펄스 특성이 가공에 충분한 범위는 60% 정

도가 된다. 듀티는 펄스출력의 1펄스 시간당 빔온시간의 비율이며, 듀티가 작을수록 빔 조

사시간이 작아져 열영향이 작아지므로 가능한 듀티를 작게하는 것이 바람직하다. 다만, 듀

티의 설정은 발진기 피크출력의 사양에 의해 제한한다.

⑤ 절단속도

절단속도가 빨라지면 가공의 궤적 정밀도가 나빠지고 드로스(Dross)가 발생하기 쉬우므로

일반적으로 8m/min 이하의 속도에서 가공한다.

⑥ 가공가스 압력

가공가스(보조가스) 압력은 사용가스의 종류, 재질, 판 두께, 출력형태 등에 따라 달라진

다.는 가공에 사용되는 가스압력 조건을 나타낸 것이다.

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주요 가공 가스압력 조건

가 공 가스압력(kgf/㎠) 가 공 가스압력(kgf/㎠)

피어싱 0.2∼ 0.5 스테인리스 강 산소절단 3 ∼ 6

연강박판 산소절단 1∼3 스테인리스 강 질소절단 6 ∼ 15

연강후판 산소절단 0.5∼1 알루미늄 에어 절단 6 ∼ 10

아크릴수지 광휘절단 0.1

⑦ 가스 종류

가스 종류는 크게 산소, 질소, 공기가 있으며, 가공목적에 맞게 선택하여 사용한다.

ㆍ 산소 : 피어싱, 연강, 스테인리스 강판의 고속절단, 연강, 고반사 재료의 산화절단

ㆍ 질소 : 스테인리스 강판의 무산화 절단, 아연도금 강판의 드로스 없는 절단

ㆍ 공기 : 알루미늄, 아연도금 강판의 드로스 없는 절단, 비금속 절단

⑧ 피어싱 시간

피어싱 시간은 피가공물의 재질이나 판 두께에 의하여 달라진다. 가공 조건으로 등록되어

있는 값은 피어싱 시간의 불균일 값에 대한 평균값을 입력해 놓았기 때문에 주의해야 한다.

연속가공 전에 반드시 시험가공 하여 피어싱 조건을 확인하는 것이 중요하다.

⑨ 초점 위치

피가공물 표면에서 초점의 설정위치에 따라 절단 홈의 폭이나 테이퍼, 절단면 거칠기, 드로

스 부착상태가 변한다. 이것은 초점위치로 인해 피가공물 표면에서 빔의 스폿 직경이나 초

점심도가 변화하여 절단 흠의 형상도 변화시켜 절단 흠을 통과하는 가공가스나 용융 금속의

흐름에 영향을 주기 때문이다.

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⑩ 노즐 높이

가공물의 표면과 노즐 선단과의 거리를 말하며, 노즐 높이는 0.5mm 이내에서 고압이 유지

되지만 이것을 벗어나면 가스압력이 급격하게 떨어진다.

⑪ 렌즈의 초점거리

가공렌즈의 초점거리에 의해 레이저 광의 초점 스폿 직경과 초점심도가 달라지기 때문에 가

공목적에 맞추어 가공렌즈를 선정해야 한다. 일반적으로 레이저 가공기에는 한 종류의 렌즈

가 구비되어 있으나 필요에 따라 원하는 초점거리를 갖고 있는 렌즈를 별도로 구입하여 사

용해야 한다.

⑫ 노즐 직경

노즐은 구멍이 한 개인 노즐과 구멍이 여러 개인 후판 절단용 노즐이 있으며, 가공 재질과

두께에 따라 노즐을 구분하여 사용한다.

나. 레이저 가공

(1) 제거가공

레이저 광의 에너지 밀도를 아주 높게 하여 재료에 조사하고, 그 부분을 용융시켜 절단가스

로 불어내어 재료를 증발, 비산시키는 것을 제거가공이라 하며. 이것을 재료의 끝단 부에서

내부로 향하도록 하는 것이 절단가공이고, 재료의 앞면에서 뒷면으로 관통하거나 도중에서

중지하는 것이 구멍가공이다. 또 재료의 표층 미세 영역까지만 행하는 것을 마킹, 트리밍,

스크라이빙 이라는 미세가공에 해당한다.

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(가) 구멍가공

① 개 요

가공면의 위치를 레이저 광의 초점위치에 가까이 접근시켜 재료를 용융 제거하는 방법으로

레이저 빔과 재료와의 상대위치 변화 관계에 따라 임의 형상의 구멍을 가공한다.

레이저 구멍가공은 짧은 시간에 가공을 할 수 있으며, 임의 직경이나 형상을 쉽게 가공한

다. 또한 깊은 구멍가공과 경사면 구멍가공이 가능하며, 기초구멍, 펀칭가공 등이 필요 없다

는 특징을 갖고 있다.

구멍가공은 구조에 따라 분류하면 크게 열적 가공법과 화학적 가공법으로 나누고 있다.

레이저 광 에너지가 재료에 흡수되면 열로 변하여 전도되어 주변에 전달되면 조직의 변화

및 용융, 증발을 일으켜 가공이 이루어진다. 레이저 조건과 재료의 열 특성으로부터 가공과

관련된 일반적인 특성식을 산출해 낼 수 있다.

화학반응의 여기에는 진동여기와 전자여기가 있으며, 진동여기는 열반응이고, 전자여기는

물질을 구성하는 화학결합에 작용하는 것으로 이 여기작용을 이용하여 물질을 구성하는 분

자의 결합을 절단할 수 있다. 따라서 화학결합에 작용하는 가공에는 파장이 짧은 엑시머레

이저가 유리하다. 화학적 가공법은 열작용이 거의 없어 열응력으로 인한 크랙 발생을 방지

할 수 있다는 장점을 갖고 있지만, 화학작용을 병용하는 것이기 때문에 조건에 따라 가공구

멍 표면에 잔류물이 남는다는 문제도 있다.

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② 각종 가공재료

아크릴은 CO 레이저 광의 흡수율이 높고 기계가공으로 할 수 없는 광휘절삭이 가능하기

때문에 일찍부터 레이저 가공을 해왔으며, 세라믹은 소결재료로 소결시에 수축되기 때문에

높은 정밀도를 필요로 할 경우에 일반 기계가공에서는 후가공을 해야하고, 공구마모와 가공

시간이 많이 걸린다는 문제로 레이저 가공을 이용하였다. 이밖에도 다이아몬드는 고파워 밀

도 레이저 빔을 이용하면 가공이 가능하다는 점 때문에 도입이 되었다.

특히 이들의 기계가공에서 가공 중에 발생하는 칩 제거가 어렵다는 점, 가공공구의 치수에

따라 가공 형상, 치수가 제한된다는 점, 공구마모에 따른 가공형상의 치수 정밀도가 나쁘다

는 점, 가공시간이 길다는 점, 접촉가공으로 인해 치수 정밀도에 영향을 준다는 점 등의 공

통적 문제점을 효과적으로 대처할 수 있어 레이저 가공이 널리 쓰이게 되었다.

금속재료의 가공은 비금속재료와는 달리 용융물 생성이 절단면의 거칠기나 드로스(Dros)

발생에 영향을 주고 가공부 입열상태의 균형이 맞지 않아 연소를 일으켜 가공이 어렵다. 구

멍가공은 동일 위치에 펄스를 반복시켜 가공하는 경우와 빔 또는 가공물을 원 운동시켜 가

공하는 경우가 있다.

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CO 레이저를 사용하여 펄스를 반복할 때 가공은 가공 시작점을 구멍가공으로 사용하는 경

우가 거의 대부분이고, 제품의 구멍을 직접 가공 시작점으로 사용하는 예는 극히 적다. 반

면레이저 광은 가공물을 움직이면서 가공하는 방법이 가장 일반적인구멍 가공범이고, 판 두

께가 두꺼운 것부터 얇은 것까지 가공 재질도 연강, 스테인리스, 공구강, 알루미늄 합금, 티

탄, 동합금 등 여러 가지 것들이 사용되고 있다.

(나) 절단가공

① 개요

레이저 발진기에서 출력되는 레이저 빔을 렌즈나 거울을 사용하여 재료의 표면에 미소 스폿

으로 집광하고 적절한 가스를 분사시켜 재료 또는 레이저 빔을 이동하면서 판재를 용융, 증

발시켜 분리하는 가공법이다. 레이저의 절단 방법은 승화절단, 용융절단, 연소절단으로 나눌

수 있다.

절단부에서만 레이저에 의한 승화가 발생되며 목재, 종이, 세라믹이나 플라스틱 등 용융상

태를 거의 거치지 않고 승화되는 재료들에 적용되는 방법으로 연소현상을 방지하기 위해 보

호가스가 사용되며, 빔의 강도를 최대로 높여 열전도에 의한 손실을 최소화하는 것이 필요

하다.

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레이저 빔에 의해 절단부를 용융상태로 만든 다음 절단가스로 제거하는 방법으로 유리, 플

라스틱, 금속 등을 절단할 수 있다. 이 방법은 승화온도까지 가열하지 않으므로 승화절단보

다 속도가 빠르며 금속의 경우, 연소현상을 유발하지 않아 산화물/산화막의 형성을 막을 수

있다.

대부분 CO를 이용한 금속의 절단에 사용되며, 연소점 이상의 온도가 되면 절단가스로 사

용되는 산소와 산화/연소 반응을 하며, 반응열로 인한 슬래그가 형성되고, 이 슬래그는 산소

제트에 의해 제거된다. 산소 제트는 산화/연소와 슬래그 제거에 사용되며, 연소반응에서 생

성되는 반응열이 절단작용에 도움을 줌으로 용융 절단에 비해 6∼8배 정도 빠른 절단이 가

능하다. 또한 절단할 수 있는 재료의 두께도 다른 절단법의 경우보다 커서 경제적이다.

② 각종 가공재료

절삭속도가 낮으면 레이저 빔과 산화반응열의 전체 에너지가 높아져 철이 활발하게 연소하

는 현상(자연산화 현상)이 일어난다. 레이저발진에는 CW 모드와 펄스 모드 2가지 모두 사

용해 보는 것이 필요하다. 일반적으로 CW 모드는 큰 출력을 얻기가 쉬우므로 두꺼운 판의

고속절단에 사용되고 있으며, 박판을 고속 절단하는 것도 가능하다.

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세라믹 절단에 레이저를 사용할 경우에는 금속재료와 비교하면 빔 흡수율이 매우 높은 것이

유리하다. 그러나 열충격에 의해 크랙이 쉽게 생긴다는 문제를 안고 있기 때문에 이를 해결

하기 위해 열 영향이 작은 펄스 레이저를 사용하는 것이 유리하다.

유리 절단에는 파장이 짧은 YAG 레이저는 사용하지 않는다. 대신흡수율이 높은 CO 레이

저를 사용하며, 유리의 종류에 따라서 절단 난이도가 달라진다. 열팽창이 작고 내열 충격성

이 높은 석영유리는 두께 8mm 정도 비교적 두꺼운 것도 쉽게 절단되지만, 열팽창이 높은

일반 유리는 크랙이 발생되며 예열을 하지 않는 일반적인 절단법으로는 두께 1mm 정도가

절단의 한계로 알려지고 있다. 그러나 최근에는 가공조건을 최적화하여 출력 500W에서 두

께 4mm의 것도 윤곽형상 절단이 가능하다.

플라스틱은 금속과 달리 빔 흡수율이 높고, 세라믹이나 유리와 비교하여 크랙 발생의 염려

가 없으며, 융점이 낮기 때문에 일반적으로 절단이 쉬운 재료에 해당한다.

이밖에 유기재료(종이, 나무, 직물, 가죽 등)는 융점이 낮고 빔 흡수율이 높아 플라스틱과

마찬가지로 쉽게 절단할 수 있다. 보조가스는 가격이 싼 공기를 사용하는 것이 많아 유지비

용을 낮출 수 있다는 장점을 갖고 있다.

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(2) 접합가공

두 개의 재료가 접촉하는 부분에 레이저 광을 조사ㆍ용융시킨 후, 그대로 응고시킴으로 일

체화시키는 것이 접합가공이다. 용융된 것이 두 개의 재료 자신인 경우가 용접이고, 두 재

료 사이에 설치된 제 3의 재료를 용융시키는 것이 땜납이다.

(가) 용접가공

① 개요

레이저 용접은 106W/㎠ 이상의 에너지 밀도로 조사된 금속면에서 고압증기의 발생에 의해

용융 금속 내에 키홀(Key hole)이 생기고, 이 키홀 내에서 레이저 빔 에너지 흡수가 이루어

지면서 재료 내부로 열 에너지 분산이 발생하여 용접이 이루어지게 된다. 키홀 용접은 용접

깊이와 비드폭의 비율이 큰 깊은 용접을 할 수 있으며, 출력이 지나치게 작거나 빔의 집광

성이 떨어지는 경우는 키홀이 형성되지 못해 얕은 용입 특성을 보이는 열전도형 용접이 이

루어지게 된다(그림2-8).

에너지 밀도가 비교적 작은 경우에 재료에 조사되는 빔이 단순히 표면에 흡수되어 열에너지

로 전달되는 프로세스로 용입 깊이가 작고, 아크용접과 비슷한 비드 형상이 되며 재료의 증

발은 적고 플라즈마발생은 생기지 않는다. 재료의 용융은 주로 열전달에 의해 이루어지고

빔 모드, 용탕표면의 빔 흡수율, 열전도율 등으로부터 용입 형상을 추정할 수 있다.

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에너지 밀도를 높이면 재료의 증발이 현저하게 일어나 구멍이 생기는데 이를 키홀 현상이라

하며, 전자빔 용접과 같은 형태의 과정이다. 레이저 광은 키홀을 통해 재료 내부로 침투하

여 키홀 벽에 열 에너지를 전달한다. 이 프로세스에서는 재료의 깊이방향으로 용융 영역의

확대가 온도 기울기, 열전도율로부터 제한을 받는데 깊은 용입형 프로세스에서는 키홀 깊이

방향으로 분포하는 재료의 내부를 직접가열 용융하기 때문에 좁은 폭에서도 용입 깊이를 크

게 하는 비드를 얻을 수 있다.

깊은 용입형과 키홀을 형성하는 것까지는 동일하지만 용접속도가 비교적 작은 경우는 키홀

보다 분출하는 금속증기 플라즈마가 많아져 플라즈마에 의해 레이저 광의 흡수, 산란이 현

저하게 많아진다. 특히 CO 레이저는 플라즈마에 의해 흡수되기 쉽고 표면부근의 용융 폭

이 큰 와인 컵형의 비드가 되어 용입 깊이는 다소 작아진다.

레이저 용접 프로세스 형태

(a) 열전도형 (b) 용입깊이형 (c) 프라즈마 비드형

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측면 보조가스를 흡수시켜 플라즈마를 제거하면 어느 정도 용입 깊이를 회복할 수 있다.

② 각종 가공재료

철은 레이저 이외의 종래 용접법으로도 쉽게 할 수 있지만 실용화된 철 용접 출력 10kW급

의 대출력 CO 레이저를 사용하면 양호한 용접깊이를 얻을 수 있다. 스테인리스는 판금 전

단용으로 많이 사용하고 있는 1kW급 레이저를 사용한 경우, 용접은 가능하지만 깊이는

2mm 정도 밖에 안된다. 그밖에 알루미늄은 철과 비교하여 융점이 낮기 때문에 전자빔을

제외한 종래 용접법으로 용접이 어려운 재료에 속한다. 이유는 알루미늄이 비열 및 용융 잠

열이 크고 열전도율이 높기 때문이다. 동과 비교해 약 4배 정도 열전달이 잘되므로 국부적

인 가열은 곤란하다. 특히 국부적인 용융을 위해서는 많은 열을 급속하게 공급해야 하기 때

문에 레이저의 특징을 발휘할 수 있다. 12kW의 큰 출력을 가지고 얻을 수 있는 용입 깊이

는 8mm 정도로 철과 비교하여 용입 깊이가 낮은 편이다.

높은 파워밀도를 갖는 레이저를 사용하기 때문에 종래 방법으로 어려웠던 이종금속의 용접

이 광범위하게 사용되고 있다, 이종금속의 용접성능은 용접하는 금속의 종류와 서로 다른

판 두께는 물론 용접부의 형상에 따라 변한다.

- 44 -

그러므로 양호한 용접을 하기 위해서는 금속의 종류, 판 두께, 용접부 형상 등 여러 가지를

적용해 볼 필요가 있다.

세라믹은 금속재료와 비교하여 일반적으로 융점이 높으나 레이저 빔의 흡수율이 높기 때문

에 용융은 쉽게 이루어진다. 구조용으로 많이 사용되고 있는 소결 세라믹을 레이저 용접하

는 경우, 용융부에 기공이 발생하거나 크랙 발생과 갈은 결함이 생기기 쉬운 문제가 있어

주의해야 한다. 따라서 기공률이 낮은 재료를 선택하고, 예열온도를 충분히 높게 설정하여

인장응력을 낮추면 비교적 양호한 용접을 할 수 있다.

(3) 표면처리

재료의 표면에 에너지 밀도가 비교적 낮은 레이저 광을 조사하여 표층부 만을 가열하여 그

부분을 개질시키는 것이 표면처리가공이다. 이때 표층부를 고체 그대로 처리하는 경우와 용

융까지 시키는 경우가 있다.

(가) 표면경화

레이저를 이용하여 열처리하는 경우는 필요 부분만을 급속도로 가열하였다가 급속히 냉각시

키므로 표면의 변형이 전혀 발생하지 않는다는 특징을 갖고 있으며, 공작기계를 이용한 기

계가공 후에도 표면 경화 작업을 할 수 있다. 레이저를 이용한 짧은 시간 가열, 가공물의

국부 가열 및 표면층의 가열 기술은 고밀도 직접회로의 제조시 거의 모든 공정에 쓰일 수

있으므로 레이저 풀림처리 기술이 주목을 받고 있다.

- 45 -

레이저에 의한 표면처리의 경우 집광방법이 절단이나 용접과는 다르다. 절단이나 용접시에

서는 레이저 광을 집광하여 사용하지만, 작은 광점에 집광된 레이저를 표면처리에 사용할

때 온도가 높기 때문에 어느 정도 탈 초점화된 상태로 해 주어야한다. 연속 또는 펄스 동작

의 탄산가스 레이저로 표면처리 할 때는 레이저 광을 광섬유의 한끝에 모아 입사시키고 다

른 쪽으로 나오는 빛으로 원하는 크기의 가공부위를 조사하여 가열한 후 알곤, 헬륨 등의

불활성 기체로 냉각시키는 것이다.

레이저 표면경화는 필요한 부분에 선택적 처리가 가능하다는 점, 처리깊이, 면적을 정밀하

게 제어할 수 있다는 점, 복잡한 형상에 대한 대응이 가능하다는 점, 고 파워밀도 및 저 에

너지 처리가 가능하다는 점, 모재 내부에서 급속한 열전도에 의해 냉각된다는 점, 처리의

자동화가 쉽다는 점 등을 특징으로 꼽을 수 있다.

반면 레이저 광의 반사 손실이 크기 때문에 흡수율을 높이기 위한 전처리가 필요하다는 점,

냉각능력이 경화 특성에 영향을 주기 때문에 박판이나 작은 부품의 처리는 곤란하다는 점,

기공비가 비싸다는 점, 경화깊이가 얇다는 점, 광범위한 경화에는 불리하다는 점 등을 단점

으로 꼽을 수 있다.

(나) 클래딩

레이저 클래딩(Cladding)은 기지금속 표면에 내식성, 내마모성, 내열성 등을 성질을 강화시

키기 위해 이종금속을 기지금속 표면에 도포한 다음 레이저로 용융 접합하는 방법으로 기지

금속과 이종금속 층의 계면에는 용융접합이 이루어지게 된다.

- 46 -

이 방법은 엄밀하게 말하면 접합에 관련된 기술로 볼 수 있으나 표면의 성질강화라는 측면

에서는 표면처리에 해당한다. 이 클래딩의 경우 특성을 살리기 위해서는 첨가 이종 금속의

희석을 가능한 극소로 제한하는 것이 바람직하다. 이종 금속의 도프방법으로는 기지금속 표

면에 금속 페이스트나 금속 박판의 형태로 부착한 뒤 레이저 빔을 조사하는 방법과 이종금

속 분말이나 와이어를 레이저 빔 조사가 이루어질 때 동시에 공급하는 방법이 있다. 특히

클래딩 층은 희석률 제어, 우수한 접합성, 결정립의 미세화, 국부적인 가열, 비틀림 및 열

영향부 감소, 깨끗한 표면마감, 자동화의 용이성 등 여러 장점을 갖고 있기 때문에 실험단

계를 넘어 실용화가 이루어지고 있다. 항공우주 산업 및 방위산업 분야의 신소재 개발과 함

께 가공에 필요한 레이저 응용가공의 적용이 급격하게 확대되고 있는 실정이다.

(4) 기타(특수가공)

(가) 콘크리트 절단

레이저 절단은 다른 여러 가지 공법에 비해 콘크리트 절단이 비교적 용이하고, 원격조작이

쉬우며, 절단 정밀도가 양호하고, 절단폭이 좁고, 절단할 때 발생하는 분진, 매연 등의 2차

생성물의 양이 적으며, 소모품 및 부품교환이 적어 유지비가 작게 들고, 거의 소음이나 진

동이 없다는 특징을 갖고 있기 때문에 원자로 생체 차폐벽 해체에 응용되고 있다.

- 47 -

(나) 천연석재 표면용융

각종 천연석재의 표면용융 처리 적용(표 2-5)을 통해 보면 비중과 강도가 비교적 크게 되

고, 동시에 가열할 때 열팽창, 수축 및 구성 광물의 변질, 분해에 의해 고온강도가 현저히

떨어지는 화강암류, 변성암류 등은 조사시에 표면 폭열 및 분할이 발생되기 쉽게 때문에 용

융처리에 부적합하다. 반면 응회암류에 속하는 비중과 강도가 낮은 대곡석(大谷石), 전하석

(田下石) 및 석영조류면암류(石英粗面巖類)에 속하는 항화석(抗火石)의 경우는 안정된 표면

유리층의 생성이 가능하다.

용융처리시의 표면온도는 1,400°C 전후가 되며, 대곡석은 석재중에서 연석으로 분류되고

연마시에도 광택이 나지 않아 용도가 한정되어 저급의 석재로 구분되어 있으나 레이저 표면

처리를 통해 대곡석 표면은 변화되어 고급 용도로 사용되고 있다.

천연석재의 레이저 용융처리 적용

암 질 석재명 비 중 레이저 용융 처리 후 표변상태

석영조면암

항화석 1.6 안정된 용융 가능, 흰색 유리층 형성

대곡석 1.5 안정된 용융 가능, 흰색 유리층 형성

약초석 1.7 안정된 용융 가능, 검은 유리층 형성

십화전석 1.6 안정된 용융 가능, 검은 유리층 형성

화강암 어영석 2.65 용융 불안정, 폭열 및 파괴 발생

변성암 대리석 2.7 안정된 용융 불가, 분해, 기재 손상

(다) 목재 탄화처리

레이저를 탄화처리의 열원으로 처리하게 되면 버너 가열에 의한 탄화처리의 단점을 극복하

고 입열량을 수종에 따라 세밀하게 제어 할 수 있기 때문에 광범위한 수종에 적용할 수 있

다.

- 48 -

레이저 조사조건은 목재의 종류, 판 두께, 함수율, 탄화층의 필요한 깊이 등에 따라 달라지

게 된다. 탄화 처리된 목재는 나무결이 강조되어 아름다운 표면이 된다. 버너 처리의 경우

는 처리 후의 표면 탄화층이 두껍기 때문에 금속제 브러시로 상부를 벗긴 다음 천으로 닦아

내야 표면 가공이 완료된다. 반면 레이저를 사용하면 투입 에너지를 적절하게 조절해 줌으

로써 번거로운 중간 공정 없이 바로 목재로 사용할 수 있다.

(5) 레이저 안전

(가) 안전 개요

레이저 보급대수가 매년 증가하고 있는 가운데 수 mW의 레이저로부터 수백 kW의 고출력

을 낼 수 있는 다양한 종류의 레이저가 이용되고 있으나 적어도 우리나라에서는 안전대책에

대해 미비한 실정이다. 앞으로 산업전반에 걸친 지속적인 레이저 시스템 도입이 이루어질

전망이지만 레이저의 올바른 사용을 위한 안전규정에 대한 제도적 준비는 이미 가공용으로

산업현장에서 많이 활용하고 있는 미국, 유럽, 일본 등에 비해 너무 취약한 상태에 있다.

특히 고출력 레이저 시스템은 인체에서 가장 중요한 시각기관인 눈에 대단히 위험한 존재이

며 그 피해가 바로 발생하거나 장기간에 걸쳐 발생하게 된다.

미국의 경우는 ANSI(American National Standard institute)를 비롯하여 CDRH, OSHA,

ACGIH, CRCPC, IEC 등과 같은 기구에서 다방면에 걸친 안전규정을 정하고 있다. 이밖에

도 The national electrical code-1990 handbook이나 Practice for occupational and

educational eye and face protection과 같은 규정들도 있다.

- 49 -

(나) 안전기준

레이저 광의 고밀도 에너지에 의한 절단, 구멍가공, 표면처리, 용접, 마킹 등 가공시에 받게

되는 시력장애, 분진, 유해가스 피해 등 업무상 발생되는 장해방지 안전기준이 규정되어 모

든 레이저 사용자에게 알려주게 되어있다.

일반적으로 사용되고 있는 가시광선의 연속파 레이저를 대상으로 레이저 출력 등급에 따라

위험등급을 분류(6 등급)하면 과 같다.

레이저 안전에 대한 문제는 이제 국가적 차원에서 표준화를 서둘러야 하며, 레이저 가공기

의 해외 수출을 위해서도 시급히 다루어져야 할 사항으로 지적되고 있다.

레이저 기기의 위험등급 분류

등급표시 정 의 출 력

Class 1인체에 장해를 일으킬 가능성이 없는 출력이 낮은 레이저.거의 안전함.

0.39㎛

Class 2가시광선 영역에서 광을 내며 장시간 레이저 광에 눈이 직접노출되지 않으면 안전하다고 할 수 있음.

1mW이하

Class2A

레이저 광을 특별한 용도로 쓰기 위해 사용되는 시스템으로사용자의 눈에 직접 노출되지 않도록 되어있는 경우임. 약1,000초 이상 노출되면 눈에 위험

2mW이하

Class3A

일반적으로 눈에 순간적으로 노출되는 것은 큰 해가 없으나광학렌즈나 현미경 등을 통해 노출되면 큰 위험을 초래할 수있음. 2등급에 비하여 5배의 출력에 해당.

5mW이하

Class3B

레이저 광을 보안경 없이 직접보거나 반사된 광을 보아도 눈에큰 위험을 초래함. 안전수칙을 반드시 준수해야 함.

0.5W이하

Class 4직접 노출, 반사된 광에 노출되어도 눈 및 피부에 위험을초래할 수 있음. 피부 손상이나 화재위험을 발생. 대부분의실험용, 공업용 레이저가 이에 해당.

0.5W이상

- 50 -

(6) 해결해야 할 과제 및 각국 동향

(가) 해결해야 할 과제

레이저 가공기술은 기존의 가공기술로 해결할 수 없었던 정밀가공을 할 수 있게 되면서 자

동차, 항공, 미세 가공, 전자, 철강산업 등에 응용되는 첨단가공 기술로 평가되고 있다.

그러나 레이저 가공기술이 갖고 있는 일반적인 해결해야 할 과제는 아직도 여러 가지 해결

수단을 통해 연구개발이 계속되고 있다. 그러한 해결되어야 할 과제를 크게 품질과 비용면

두 가지로 나누어에 나타내었다.

(나) 각국 프로젝트 동향

선진국들은 국가적 차원에서 대규모 투자를 통해 오래 전부터 레이저 가공기술의 연구개발

(R&D)에 박차를 가해오고 있다.

유럽은 유럽공동체(EC)의 연구개발로 1987년도에 EUREKA(European research

coordination agency)와 BRITE(Basic research in industrial technologies for Europe)

프로그램을 통해 레이저 가공과 관련된 연구에 많은 투자가 이루어졌으며, 미국은 미국연방

선진연구개발국 추진 아래 정밀 레이저 가공(PPM : Precision Laser Machining)프로젝트

를 통한 고품질의 빔 출력기 개발 및 파이버 전송기술 분야를 개발하여 우주항공, 중공업,

자동차, 조선 등에서의 용접, 절단, 드릴링, 표면처리 등에 응용하고 있다.

- 51 -

해결해야 할 과제와 내용

기술개발 과제 내 용

품

질

가공 정밀도 향상 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 기술 및 장치

위치결정 정밀도 향상 위치결정 정밀도를 향상시킬 수 있는 장치

가공 품질 향상가공부분의 다듬질, 형상, 치수 등 오차를 향상시킬 수있는 장치

가공 기능 향상가공할 수 있는 범주를 넓힐 수 있는 장치(종래불가능했던 재료, 두께라도 가공 가능)

가공 성능 향상 가공 능력(속도, 크기 등)을 증대시킬 수 있는 장치

제품 품질 향상완성된 제품의 품질(강도, 신뢰성, 외관 등)을 향상시킬수 있는 장치

인식 기능 향상판독 대상에 콘트러스트 등을 부착하여 식별을 쉽게 할수 있는 장치

신뢰성, 내구성 향상가공기계 장치의 신뢰성, 내구성을 향상시킬 수 있는장치

비

용

가공 비용 절감장치 개선이나 재료비 절감 등 직접 비용절감과 관련되는기술 및 장치

가공 효율 향상작업 능률, 작업성 등의 개선, 가공시간의 단축, 자동화등을 목적으로 하는 기술 및 장치

설비 보수 향상 생산 라인의 보수를 향상시킬 수 있는 장치

설비비 저감 생산 라인의 경비를 낮출 수 있는 장치

기타

안전, 환경 대응안전성을 확보하고 환경에 영향을 미치지 않는 기술이나장치 개발

또한 일본은 APPMT(Advanced Photon Processing and Measurement Technobgies) 프

로젝트를 통해 광양자 발생기술, 광 양자 응용 측정 및 가공기술 등에 기술개발이 이루어지

고 있으며, 전자기기, 의료기기, 기계 플랜트 제조, 재료, 항공우주, 계측분석, 선박 해양 등

에 주로 응용되고 있다.

이밖에 독일을 비롯하여 러시아, 중국도 레이저 가공기술에 상당한 국가적 연구개발이 이루

어지고 있는 것으로 알려지고 있다.

- 52 -

특히 미국은 방위산업 중심으로 한 응용기술이 발달하였으며, 일본은 응용기술과 저출력 발

진기 개발에 막강한 경쟁력을 확보하고 있다. 독일은 응용기술 및 고가의 발진기 개발에 경

쟁력 우위를 갖고 있으며, 러시아는 기초 레이저 기술, 중국은 고출력 레이저가 발달한 것

으로 알려져 있다.

반면 우리나라는 레이저 개발력이 선진국에 비해 크게 낙후되어 있으며, 최근 한국광학회,

한국레이저가공학회 등과 민간 기업 등을 중심으로 정기적인 발표회가 이루어지고 있지만,

국내 여건상 소규모의 연구비로 연구기관, 산업체, 학교 등에서 산발적으로 수행되어온 레

이저기술개발 능력을 한 단계 상승시키기 위해서는 조직적 구조의 산학연콘소시움을 구성하

고, 전국에 산재되어 있는 연구 및 기술개발 능력을 한국광기술원을 중심으로 역량을 묶어

나갈 수 있는 형태로 추진해나가는 것이 레이저 가공기술을 높일 수 있을 것으로 생각된다.

- 53 -

제 3 장 기술ㆍ특허정보 분석

본 장에서는 레이저 가공에 관련된 기술문헌 및 특허정보 분석을 통해 연구개발 현황 및 기

술의 발전 추이를 분석했다.

1. 문헌정보분석 및 기술개발 동향

가. 정보분석 대상 DB

ㆍ COMP

공학ㆍ기술분야의 대표적인 데이터베이스인 COMPENDEX는 공학분야의 국제적인 출판사

인 Engineering Information, Inc의 The Engineering Index Monthly(Ei)지를 컴퓨터 가독

형으로 만들어 데이터베이스화한 것이다.

COMPENDEX의 가장 큰 특징은 현재 세계 각국에서 만들고 있는 4,000여종의 온라인 데

이터베이스 중에서 공학전반에 관하여 수록한 몇 종 안되는 DB중의 가장 대표적인 DB라

할 수 있는데, 특히 건설공학, 기계공학, 재료, 플랜트 등에 관련된 정보는 타 DB보다 광범

위하고 많은 양의 데이터를 수록하고 있으며 특정주제와 관련하여 폭 넓게 각 분야에 대해

정보를 검색할 수 있는 장점이다.

- 54 -

COMPENDEX는 전세계에서 발표되는 공학분야의 자료중 기술적으로 중요한 자료를 수록

하며 주요분야는 다음과 같다.

- 세계 약 40여개국에서 수집된 자료이고 26개의 언어로 기록되고 있다. COMPENDEX

DB 수록정보의 70%는 영어로 구성되어 있고, 정보원의 50%는 미국 이외의 국가에서 출판

된 자료이다.

COMPENDEX 수록분야

토목공학 환경공학 지질공학 생물공학

광산ㆍ금속공학 석유공학 화학공학 전기ㆍ전자공학

농업공학 기계공학 제어공학 산업공학

핵기술 우주공학 열역학 컴퓨터ㆍ데이터처리

해양학 음향기술 철도 광학

통신공학 응용수학 응용물리 법과 규제조치

건설경영 식품기술 소비자행동

- 잡지(Journal) : 53%

- 학회출판물 및 보고서(Conference Proceeding or Article) : 35%

- 단행본(Monograph Chapters, Book) : 6%

- 보고서(Report) : 5%

- 기 타 : 1%

- 55 -

- 수록기간 : 1970 ∼ 현재

- 갱신주기 및 건수 : 약 8,000건 /월

- DB제작기관 : 미국 Engineering Information Inc.

ㆍ BIST

과학기술문헌데이터베이스(BIST)는 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 국내외에서 발간되는

과학기술분야 정기간행물에 수록된 기사를 정보가치와 시사성을 기준으로 기사를 엄선하고

이들을 한글로 번역한 다음, 분류와 색인 등의 가공과정을 거쳐 데이터베이스를 제작하고

있다. 이것은 KISTI가 30여년간 발간해 오던 책자형태의 과학기술문헌속보를 발전시킨 것

으로, 1992년 5월부터 DB화하여 KISTI를 통해 서비스하고 있다.

- 건설, 환경

- 생물학, 약학, 식품

- 화학, 화학공업

- 전기, 전자

- 기계공업

- 금속, 자원, 에너지

국내외에서 발행되는 산업과학기술분야의 정기간행물에 수록된 기사

- 56 -

- 수록기간 : 1991 ∼ 현재

- 수록건수 : 100만건

- 갱신주기 : 월 1회

- DB제작기관 : 한국과학기술정보연구원

나. 분석범위 및 방법

대상 DB를 활용하여 문헌검색의 범위를 COMP의 경우에는 1990년부터 현재(6월말 기준)

까지로 하였으며, BIST의 경우에는 1993년부터 현재까지로 각각 제한하였으며, 몇가지 사

항만을 살펴보는데 참고하였다. 연도제한은 특허와 동일하게 살펴보기 위해 범위를 제한하

였다.

특히 레이저관련 정보는 1960년대부터 나오고 있기 때문에 워낙 연도범위 대상이 넓고 광

범위하여 최근 10년 동안의 관련과제를 중심으로 검색하여 그 결과를 분석하는데 초점을

맞추었으며, COMPDB 위주로 분석대상 기술을 언급하였다. 그리고 과 같은 검색

식을 이용하여 관련 기술을 8과제(표 3-2)로 나누어 정보검색을 실시하였으며 검색결과 건

수는 과 같다.

특히 레이저 발진관련 부문은 별도로 다루어야 할 만큼 양적으로 많이 검색되기 때문에 본

연구에서는 제의하였음을 밝혀둔다.

- 57 -

조사기술 과제

레이저 가공기술

레이저 절단가공 레이저 용접

레이저 구멍가공 레이저 솔더링

레이저 미세가공 레이저 플라스틱 접합

레이저 조각 레이저 표면처리

DB문헌정보 검색식

검색식(한글) 검색식(영문)

질문식 번호/질문식 질문식 번호/질문식

#1레이저?/ti#2 절단?/ti or 절삭?/ti or 커트?/ti or커팅?/ti#3 구멍?/ti or 드릴?/ti or 천공?/ti or보링?/ti or 피어싱?/ti#4 미세?/ti or 마킹?/ti or 마크?/ti or트리밍?/ti or 스크라이브?/ti or 스크라이빙 ?/ti#5 조각?/ti#6 용접?/ti or 접합?/ti#7 땜납?/ti or 솔더링?/ti or 브레이징?/ti#8 플라스틱?/ti or 아크릴?/ti#9 표면처리?/ti or 열처리?/ti or 표면개질 ?/ti#10 #1 and #2#11 #1 and #3#12 #1 and #4#13 #1 and #5#14 #1 and #6#15 #1 and #7#16 #1 and #8#17 #1 and #9

#1 laser?/ti#2 Cut?/ti#3 dnll?/ti or boring?/ti or plercing?/ti#4 mark?/ti or trimm?/ti or scrib?/ti#5 engrav?/ti or etch?/ti or sculptur?/ti#6 weld?/ti or fusion?/ti#7 solder?/ti or braising?/ti or braising?/ti#8 plastic?/ti or acryl?/ti#9 (surface? or heat?) adj treatment?#10 cladd?/ti or harden?/t1or #9#11 #1 and #2#12 #1 and #3#l3 #1 and #4#14 #1 and #5#15 #1 and #6#16 #1 and #7#17 #1 and #8#18 #1 and #10

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대상 DB 검색결과 건수

DB명 수록내용 및 범위 검색전수

COMP세계 40여개국에서 수집된 공학전반 및 응용과학분야.1990년부터 현재까지(2002년 6월말)

2877

BISTKISTI에서 수집한 국내외의 과학기술관련 정기 간행물. 1991년부터 현재까지(2002년 6월말)

1428

다. 문헌정보 분석

1960년에 미국 Hughes 연구소에서 마이크로파 증폭기를 연구해 온 Theodore H. Maiman

에 의해 레이저 관련 문헌정보(Nature)가 발표된 이후 계속적으로 레이저 관련 내용은 많은

문헌정보에 발표가 되어왔다.

(1) 연도별 문헌건수 및 누적 문헌건수

에 COMP와 BIST에서 검색된 관련 문헌의 연도별 수록건수와 누적건수를 나타

내었다. 여기에서 2001년 이후의 데이터는 아직 등록되지 않는 자료들이 많이 있기 때문에

큰 영향이 없음을 미리 밝혀둔다.

등록 자료 건수별로 살펴보면 1990년 134건을 시작으로 1995년 422건, 2000년 417건 등

1997년 541건을 정점으로 꾸준하게 지속되고 있는 추세를 보이고 있으며, 근래에 들어 약

간 저조한 경향을 보이고 있다. 이는 레이저 가공분야는 연구단계를 지나 실용화시기에 들

어가고 있음을 보여주고 있으나 기타 다른 레이저 응용분야는 아직도 활발한 연구개발이 이

루어지고 있는 실정이다.

- 59 -

와 은 DB별로 수록된 레이저가공 관련 문헌건수를 나타내었다.

연도별 문헌건수(COMP+BIST)

연도별 문헌건수(COMP)

- 60 -

연도별 문헌건수(BIST)

(2) 연도별 국가 문헌건수

세계 각국의 기술 수준을 의 문헌발표 건수를 통해 순위를 살펴보면 미국, 일

본, 중국, 독일, 프랑스, 영국 등의 순으로 되어 있고, 한국은 9위를 보이고 있어 레이저 가

공 기술분야의 기술격차가 선두 그룹과 상당히 있음을 보여주고 있다. 특히 문헌등록 건수

를 기준으로 볼 때 이들 나라 중에서 미국, 일본, 중국 등이 활발한 연구활동을 하고 있는

것으로 나타나고 있다.

미국과 중국은 1997년을 정점으로 약간 감소 경향을 보이고 있고, 일본은 1999년을 정점

으로 감소 경향을 보이고 있다.

- 61 -

국가별 문헌건수(COMP)

(3) 연도별 저자 및 소속기관 건수

COMP에 나타난 주요 저자들의 발표추이를 분석한 결과를 에 나타내었다.

- 62 -

연도별 저자분석(COMP)

저자 랭킹 순위를 보면 중국 Hong Kong Polytechnic Univ 소속의 Yue, T.M.이 34건으로

선두를 나타내고 있으며, 이어 같은 소속의 Man, H.C.가 29건으로 2위를 달리고 있다. 이

들 저자들의 연도별 발표빈도를 살펴볼 때 중국이 최근에는 활발한 연구를 하고 있는 것으

로 보이고 있다.

- 63 -

저자랭킹(BIST)

특히 1995년을 전후로 하여 연구의 중심이 일본, 미국, 독일 등이었으나 중국이 이에 가세

하여 선두 그룹을 형성하고 있음을 보여주고 있다.

BIST의 저자 순위(10위)를 을 통해 살펴보면 김재도를 제외하고 Katayama,

S., Matsunawa, A., Kimura, S., Hirose. A., Ishlde, T. 등을 비롯하여 10위까지 전부 일

본인이 차지하고 있다. 이는 입수자료의 비중이 상대적으로 일본지역의 자료가 높은 점도

있지만 아직까지 일본에서의 레이저 가공기술에 대한 연구가 상대적으로 한국보다 훨씬 우

위에 있을 뿐만 아니라 활발한 연구활동이 지속되고 있음을 시사하고 있다.

의 저자소속기관별 연도별 발표문헌 건수를 통해서 살펴보면 1990년 이후 일본

의 OSAKA UNIV를 비롯하여 중국의 HUAZHONG UNIV OF SCIENCE AND

TECHNOLOGY, HONGKONG POLYTECHNIC UNIV 등이 선두그룹에 있으며, 이어서 사

우디아라비아, 미국, 영국 등의 기관이 중위그룹을 형성하고 있음을 보여주고 있다.

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저자 소속기관별 발표문헌 건수(COMP)

이들 소속기관들을 중심으로 각국의 연구개발이 이루어지고 있음을 예측할 수 있다.

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(4) 연도별 저자 건수

및 의 연도별 저자수 추이를 통해 살펴볼 때 1990년대 초에 약간

감소 추이를 보이다가 1993년부터 증가 추세로 돌아서 계속 1997년까지 상승하여 최고 정

점을 보이고 있다. 이 후 약간씩 감소하고 있음을 나타내고 있다. 이는 기술의 완성이 어느

정도 성숙기에서 벗어나고 있음을 예측하게 해주고 있다. 또한 1990년 중반 이후 정밀가공

분야에 대한 각종 부품가공의 고정밀도, 자연 친화적인 가공방법에 대한 관심이 집중하면서

레이저가공 기술도 산업현장에 도입을 위한 연구가 활발하게 진행되었으며, 이를 통해 근래

에는 실제로 현장에 많은 도입이 이루어지고 있다. 현재 레이저 가공기술에 대한 저자수는

증가세는 아니지만 꾸준히 이어지고 있는 실정이며 아직도 이 분야에 대한 관심은 계속될

것으로 보인다.

연도별 저자수(COMP)

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연도별 저자수(BIST)

(5) 기술분류별 건수

의 COMP 기술분류를 통한 연구분야를 살펴보면 역시 레이저 그 자체분야에

대한 연구가 가장 두드러지게 집중되어 있음을 보여주고 있으며, 그 다음이 접합가공에 해

당하는 용접 및 결합이 그 다음을 차지하고 있다. 그리고 광학 및 장치 이외에는 전자, 금

속, 기계의 폭넓은 분야에 광범위하게 분포되어 있음을 보여주고 있다. 또한 전체 합계가

검색결과 전체보다 많은 것은 분야별 중복처리 건수가 포함되어 있기 때문이다.

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기술분류별 건수(COMP)

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(6) 발간 형태별 건수

의 연도별 발간자료 형태를 보면 프로젝트 또는 장기연구축적 결과에 따른 기

술보고서나 단행본보다는 기술적 내용의 향상과 개발에 관련된 기술우위를 나타낼 수 있는

저널 및 컨퍼런스자료에 집중되어 있음을 보여주고 있으며, 이는 관련 기술이 연구실단계를

넘어 기술이 보편화, 일반화되고 있음을 보여주고 있다.

주요 저널별 수록건수를 나타낸 의 내용을 살펴보면 Journal of Laser

Applications이 80편으로 가장 많고 다음이 Proceedings of the 1997 Laser Materials

Processing Conference ICALEO'97, Journal of Physics D: Applied Physics, Japanese

Journal of Applied Physics, Welding Research Abroad. Journal of Matelials

Processing 등의 순으로 주요 저널에 레이저 관련 기술 내용이 실리고 있는 것으로 나타나

고 있다.

연도별 자료형태 건수(COMP)

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주요저널별 수록건수(전체)

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의 발표문헌의 처리코드를 통해 관련기술을 분석해 보면 1990년 중반 이후에

실험방법, 관찰(X) 등이 50% 가까이를 차지하고 있음을 알 수 있으며, 부가적으로 이론적,

수학적 방법을 다룬 것과 물리적 효과방법 장치 등의 실제를 다룬 것(TX, AX) 들이 70%정

도를 차지하여 이제는 이론적인 내용의 기술들은 어느 정도 정립되어 실용화 단계로 진입하

고 있음을 코드 내용을 통해 보여주고 있다.

처리코드별 건수(COMP)

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처리코드(TR : Treatment Code)

코 드 내 용

A Application : 물리적 효과 방법 장치 등의 실제

B Bibliography : 문헌의 도서목록

C Commercial : 가격개발 등에 대한 예측

G General : Review 나 State of the Art

N News : 새로운 효과, 장치기술

P Practical : 직접적인 실제사용

T Theoretical : 이론적` 수학적 방법으로 처리

X Experimental : 실험방법, 관찰 등의 결과에 관한 사항

(7) 기술 주제별 검색결과 분석

대상 DB(COMP)를 이용하여 주제별 검색한 결과에 대하여 각 기술주제에 대하여 와 같이 나타내었다.

이를 통해 보면 레이저 가공기술 가운데 용접가공이 차지하는 비중이 가장 많음을 보이고

있으며, 이어서 표면처리, 조각가공, 절단가공 등의 순으로 나타났다. 이는 가공기술 가운데

용접가공에 대한 기술이 실용화, 보편화가 가장 많이 진전되었음을 보여 주고 있으며, 레이

저 활용도면에서 가장 적합하다는 것을 간접적으로 입증해 주고 있다.

그러나 여기에서는 다루지 않았으나 레이저 발진이나 반도체 레이저에 대한 활용은 레이저

가공기술보다 훨씬 많은 자료가 발표되고 있는 실정으로 오히려 레이저 활용도면에서는 더

높다 할 수 있다. 또한 레이저 응용기술 확대가 모든 산업분야(의료, 군사, 계측 등)에 걸쳐

진행되고 있으며, 본 연구에서는 전체적인 데이터를 취급하는데는 내용 및 양적인 문제로

제한하였음을 밝혀 둔다.

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주제별 검색결과 건수(COMP)

(8) 포트폴리오 및 논문 건수 vs 저자수 분석

를 통해 레이저가공 기술의 발전형태를 살펴볼 때 가장 높은 신장률을 보이고

있는 1994년을 기점으로 최고의 성장세를 보이면서 발전하다가 1997년에 성숙기를 맞이하

면서 이후 서서히 논문 건수가 감소하여 쇠퇴하는 경향을 보이고 있다. 그림에서 원의 크기

형태는 논문 누적건수를 표시하고 있다.

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은 논문건수 대 저자수 관계를 통하여 기술의 발전 추이를 살펴본 것으로 확

연히 구별된 발전, 성숙, 퇴조, 부활기로 구분되어 나타나고 있지는 않지만 1990년부터 지

속적인 발전을 해오면서 1997년에 성숙기를 맞이하여 논문건수 및 저자수가 최고에 달했다

가 그 이후 점차 감소세를 보이면서 성숙기에 접어 들어가고 있음을 보여주고 있다.

포트폴리오 맵(COMP)

건수 추이�