[J71]레이저가 금속을 가공하는 법: 당신이 몰랐던 4가지 놀라운 사실
레이저가 금속을 가공하는 법: 당신이 몰랐던 4가지 놀라운 사실
레이저는 현대 정밀 제조 산업의 핵심 도구로 자리 잡았습니다. 머리카락보다 얇은 금속을 자르거나, 미세한 구멍을 뚫는 등 레이저의 정교함은 이미 널리 알려져 있죠. 하지만 모든 레이저가 똑같은 방식으로 작동하는 것은 아닙니다. 레이저의 '색', 즉 파장에 따라 재료와 상호작용하는 방식이 근본적으로 달라집니다.
예를 들어, 눈에 보이지 않는 적외선(Infrared, IR) 레이저와 자외선(Ultraviolet, UV) 레이저는 같은 금속을 가공하더라도 전혀 다른 결과를 만들어냅니다.
최근 중요한 전자 부품 소재인 '니켈-금 도금 베릴륨 구리'를 대상으로 한 연구에서, 이 두 레이저의 상호작용이 우리의 일반적인 상식과 다른, 몇 가지 흥미로운 현상을 보여주었습니다. 이 글에서는 연구를 통해 밝혀진 가장 놀라운 4가지 사실을 공유합니다.
1. IR 레이저의 힘은 '빈도'가 아니라 '한 방'의 에너지에 있다
적외선(IR) 레이저의 가공 방식은 본질적으로 열에너지에 의존합니다. 강력한 열로 재료를 녹이고 기화시키는 것이죠. 연구진은 레이저의 평균 출력은 동일하게 유지한 채, 펄스 반복률(1초당 레이저를 쏘는 횟수)을 105kHz와 200kHz로 다르게 설정하여 실험했습니다.
여기서 핵심은, 평균 출력이 일정할 때 반복률이 낮아지면(105kHz) 각 펄스에 더 많은 에너지가 집중된다는 점입니다.
연구 결과는 명확했습니다. 더 낮은 반복률인 105kHz IR 레이저가 200kHz 레이저보다 훨씬 더 큰 구멍(crater)과 재료 제거 영역을 만들었습니다. 흔히 펄스 속도가 빠르면 작업도 더 빠를 것이라 생각하기 쉽지만, IR 레이저의 열 가공에서는 덜 자주 쏘더라도 한 방 한 방이 강력한 펄스가 훨씬 더 큰 열 영향을 미쳐 넓은 영역을 녹이고 증발시키는 것입니다.
2. UV 레이저는 '흡수율'로 모든 것을 압도한다
자외선(UV) 레이저는 IR 레이저와는 전혀 다른 게임을 합니다. UV 레이저의 가장 큰 무기는 재료에 대한 압도적으로 높은 '흡수율'입니다. 그 이유는 바로 빛 입자 하나하나가 가진 에너지, 즉 '광자 에너지'에 있습니다.
- UV 레이저 (~3.5 eV): 에너지가 매우 높아 재료의 전자가 직접 흡수할 수 있습니다.
- IR 레이저 (~1.17 eV): 에너지가 부족해 대부분 표면에서 반사되거나 비효율적인 열로 변환됩니다.
실제 연구 결과, 베릴륨 구리 소재는 UV 광선에 대해 70%가 넘는 흡수율을 보인 반면, IR 광선에 대해서는 약 5%밖에 되지 않았습니다. 무려 14배가 넘는 차이입니다. 이 덕분에 UV 레이저는 펄스 조건을 미세하게 조정하지 않아도 매우 안정적이고 예측 가능한 결과를 보여줍니다.
3. 결과물의 차이: IR의 거친 흔적과 UV의 정교한 절단
레이저 가공 후 남겨진 흔적은 두 레이저의 차이를 시각적으로 가장 명확하게 보여줍니다.
주사전자현미경(SEM) 관찰 결과:
- IR 레이저: 주변부가 "거칠고 지저분한 모양"을 띠며, 녹았다가 다시 굳은 "재용융된 물질 조각들(Burr)"이 많이 관찰되었습니다. 이는 폭발적인 가스 압력이 녹은 금속을 거칠게 밀어냈기 때문입니다.
- UV 레이저: 반복률에 상관없이 "비교적 깔끔한 가장자리"를 보여주었습니다. 에너지가 열로 퍼지기보다 목표 지점에 집중되어 깔끔하게 재료를 제거했기 때문입니다.
4. 관통의 역설: 펄스 에너지가 낮은 레이저가 더 깊이 뚫을 수도 있다
이번 연구에서 가장 직관에 반하는 발견은 바로 이 부분이었습니다. 펄스당 에너지가 더 약했던 200kHz 설정(IR)이, 더 강력한 펄스를 가졌던 105kHz 설정보다 적은 총에너지로 재료를 완전히 관통하는 데 성공했습니다.
어떻게 약한 펀치가 더 깊이 뚫었을까요? 그 비밀은 '열에너지의 축적(Heat Accumulation)'에 있습니다.
200kHz 설정은 펄스가 약하지만 매우 짧은 간격으로 발사됩니다. 이로 인해 첫 번째 펄스의 열이 식기 전에 다음 펄스가 도착하여 재료 내부에 열이 효과적으로 쌓입니다. 반면 105kHz 설정은 한 방은 강력하지만 펄스 간격이 길어 열이 식어버렸습니다. 결국, 꾸준히 열을 쌓아 올린 레이저가 관통에는 더 유리했던 것입니다.
Conclusion: 파괴력인가, 효율인가?
이번 연구는 레이저 파장의 선택이 단순한 기술적 사양이 아니라, 가공의 물리 법칙 자체를 결정한다는 것을 보여줍니다. IR 레이저는 개별 펄스 에너지가 핵심인 강력한 '열 도구'로, UV 레이저는 압도적인 흡수율을 바탕으로 한 고효율 '광열 도구'로 작동합니다.
정밀함이 요구되는 미래 산업에서, 우리는 과연 한 방의 '파괴력'과 꾸준한 '에너지 효율' 중 무엇을 기준으로 도구를 선택하게 될까요?
관련 유튜브 영상 (Related YouTube Video):
Original Link: https://youtu.be/cezwVFpNnqs
참고 문헌 (References)
- https://sites.google.com/site/adlamlab2016/publication/journals
- https://youtu.be/pI9twuFSGa8
- https://youtu.be/cezwVFpNnqs
- Seungik Son, Dongkyoung Lee*, "Comparative study of UV and IR nanosecond laser drilling on Ni-Au coated Beryllium Copper: The effect of repetition rate on material removal characteristics", International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, SCI(E)
- *These materials were generated with assistance from AI-based creative tools; therefore, some information may contain errors or factual inaccuracies.
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